JP2004356288A - 指紋入力装置及びこれを用いた個人認証システム - Google Patents
指紋入力装置及びこれを用いた個人認証システム Download PDFInfo
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Abstract
【課題】装置全体の面積を増加させず、かつ、製造工程も簡略化でき、全体として小型化可能な指紋入力装置を提供する。
【解決手段】指紋入力装置は、指紋入力対象者の指１０の内部に赤外線、近赤外線、赤色光線などの光を照射するＬＥＤ２と、ＬＥＤ２からの光により指１０の内部から散乱した光線を受光する撮像部１ｂと、撮像部１ｂに接続される周辺回路部１ｂと、撮像部１ｂを成す撮像素子及び周辺回路部１ｂが形成されるシリコンチップ１と、シリコンチップ１上に密着固定され、指紋入力対象者の指１０が置かれる表面を有し且つ該表面に置かれた該指１０の内部から散乱した光線を所定角度傾斜した方向に沿って撮像素子に伝達する光伝達手段を成すＦＯＰ３とを備える。周辺回路部１ｂの少なくとも一部は、ＦＯＰ３の非透光面３ａに相対するシリコンチップ１上に形成される。
【選択図】 図１
【解決手段】指紋入力装置は、指紋入力対象者の指１０の内部に赤外線、近赤外線、赤色光線などの光を照射するＬＥＤ２と、ＬＥＤ２からの光により指１０の内部から散乱した光線を受光する撮像部１ｂと、撮像部１ｂに接続される周辺回路部１ｂと、撮像部１ｂを成す撮像素子及び周辺回路部１ｂが形成されるシリコンチップ１と、シリコンチップ１上に密着固定され、指紋入力対象者の指１０が置かれる表面を有し且つ該表面に置かれた該指１０の内部から散乱した光線を所定角度傾斜した方向に沿って撮像素子に伝達する光伝達手段を成すＦＯＰ３とを備える。周辺回路部１ｂの少なくとも一部は、ＦＯＰ３の非透光面３ａに相対するシリコンチップ１上に形成される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超小型の指紋入力装置に関し、とくに撮像素子が形成されたシリコンチップ上に光伝達手段である光ファイバプレートを接着固定し、その光ファイバプレートの表面に置かれた指内部に赤外線、近赤外線、赤色光線などを照射してその指内部からの散乱光を光ファイバプレートを介し撮像素子で受光することで指の指紋を読み取る指内散乱方式の指紋入力装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報技術の著しい進歩によって電子商取引などの経済活動が普及するのに伴い、情報の不正使用を防止する目的から個人認証を電子化する必要性もまた増大している。
【０００３】
個人認証電子化の手段には古くから指紋を画像入力する方法が多く用いられているが、例えば特許文献１に述べられるように、指の内部に向けて近赤外光線を照射し、二次元撮像素子の表面近傍に指を接触させ、指内部からの散乱光を受光する方法が開示されている。これによれば、全反射プリズムなどが不要で、極めて小型な指紋入力装置が構成できる。
【０００４】
しかしながら、固体撮像素子を含む半導体は一般に極めて脆弱であり、指などが直接触れて物理的な力や静電気が加わったり、水分や塩分などが付着すると容易に破損する。これを避けるためにシリコンチップ上に光伝達手段、たとえば光ファイバプレート（以下、「ＦＯＰ：Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ Ｐｌａｔｅ」と呼ぶ）を接着固定することが行われる。ＦＯＰは、ガラス製の光ファイバを束ねて封着し切り出したもので、厚みを適切に選べば化学的な安定性、強度などがシリコンチップよりはるかに優れたものを製作できる。
【０００５】
さらに、特許文献２に開示されているように、ＦＯＰを切り出す際の傾斜角度αを適切に選ぶと指紋が接触した部分からの光を透過し、それ以外の空気と接している部分の光は極めて透過しにくくなるため、鮮明な指紋画像が得られることが知られている。同特許文献２に開示されている従来例を図５に示す。
【０００６】
図５において、指紋入力対象者の指１０が置かれるＦＯＰ３は、シリコンチップ１上の撮像部１ａに密着固定される。このＦＯＰ３の傾斜角度αは、それを構成する光ファイバの屈折率により最適値が異なるが３０°前後、概ね２０〜４０°の範囲にある。
【０００７】
【特許文献１】
特許第３１５０１２６号明細書
【特許文献２】
特開平７−１７４９４７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＦＯＰを製作するにはきわめて細い光ファイバを多数束ね、これを加熱加圧して封着したインゴット（塊）を製作しておき、これを所定の傾斜角度に切り出し、研磨などを行う。製造の効率を上げるために、まず充分大きな断面を持つインゴットを製作し、これを所定の厚さと傾斜角度を持つ板状に切り出した後、さらに所定の平面寸法となるように切断することが一般的である。
【０００９】
前述のようにＦＯＰの傾斜角度は、３０°前後の鋭角であり、かつ、周知のようにガラスは脆性材料であるため、前述の図５に示すような平行四辺形の断面を持たせると極めて欠け易く、製造時の取り扱いや指紋検出に用いる際に不便である。
【００１０】
これを避けるため、図６（ａ）に示す如く、ＦＯＰ３を平行四辺形に外接する長方形断面に加工すると、指紋画像の伝達に寄与しない光学的に影の部分を形成する非透光面３ａが生ずる。この非透光面３ａの長さＬは、ＦＯＰ３の傾斜角度をα、厚さをＴとしたとき、Ｌ＝Ｔ・ｔａｎ（９０°−α）であり、通常はＴより大きくなる。また、厚さＴを指１０による押圧に耐えるべく１ミリメートル前後に設定すれば、非透光面３ａの長さＬは、それ以上となる。
【００１１】
図６（ｂ）に示すように、この非透光面３ａをシリコンチップ１からオーバーハングさせることも可能ではあるが、ＦＯＰ３に、は指１０の押し圧による曲げ応力が加わるため、強度上、製造工程上は満足できるものにならない。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑みて行われたもので、装置全体の面積を増加させず、かつ、製造工程も簡略化でき、全体として小型化可能な指紋入力装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、半導体基板（シリコンチップ）上の傾斜光ファイバプレートの非透光面の下、すなわち影になる部分に、撮像部の出力信号を処理する回路、撮像部の駆動回路など、撮像部以外の回路（周辺回路部）を設けることで、装置全体の面積を増加させず、かつ、製造工程も簡略化でき、全体として小型化可能な指紋入力装置を構成するものである。
【００１４】
すなわち、本発明は、指紋入力対象者の指内部に光を照射する光源と、該光源からの光により前記指内部から散乱した光線を受光する撮像部と、該撮像部に接続される周辺回路部とを備え、該撮像部の受光信号に基づき前記周辺回路部を介し前記指の指紋画像を読み取る指紋入力装置において、前記撮像部を成す撮像素子及び前記周辺回路部が形成される半導体基板と、前記半導体基板上に密着固定され、前記指紋入力対象者の指が置かれる表面を有し且つ該表面に置かれた該指の内部から散乱した前記光線を所定角度傾斜した方向に沿って前記撮像素子に伝達する光伝達手段を成す傾斜光ファイバプレートとを備え、前記周辺回路部の少なくとも一部は、前記傾斜光ファイバプレートの非透光面に相対する前記半導体基板上に形成されることを特徴とする。
【００１５】
本発明において、光源から照射される光は、指内散乱方式の指紋入力装置に適用可能なものであればいずれでもよく、例えば赤外線、近赤外線、及び赤色光線を含む。また、撮像素子は、例えば一次元又は二次元撮像素子である。さらに、傾斜光ファイバプレート中を透光する伝達光の傾斜角度は、これを構成する光ファイバの屈折率によりその最適値が異なるが、通常使用されている光ファイバの場合では、概ね２０°以上４０°以下の範囲、例えば３０°前後が好ましい。また、周辺回路部は、例えば撮像部の出力信号を処理する回路、制御回路、光源駆動回路などの周辺回路の全て又は一部を含むものである。
【００１６】
前記周辺回路部の少なくとも一部は、前記傾斜光ファイバプレートの非透光面に相対する前記半導体基板上、及び／又は、前記傾斜光ファイバプレートが密着しない前記半導体基板上に形成されることが好ましい。
【００１７】
前記撮像部は、所定寸法の撮像素子で形成され、前記傾斜光ファイバプレートの表面に置かれた前記指の指紋画像を前記撮像素子を介し一括して読み取ることが可能である。撮像素子の寸法は、概ね１０以上２０ミリメートル平方以下の範囲にあることが好ましい。
【００１８】
前記撮像部は、所定寸法の撮像素子で形成され、前記傾斜光ファイバプレートの表面に置かれた前記指をその表面に沿って所定方向に滑らせながら、該指の指紋画像を前記撮像素子を介し読み取ることが可能である。撮像素子の寸法は、概ね幅が１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下、長さが数ｍｍ又はそれ以下の範囲にあることが好ましい。所定方向は、例えば指の長手方向である。
【００１９】
前記傾斜光ファイバプレートを構成するファイバは、所定方向に傾いて配置されることが好ましい。所定方向は、例えば傾斜光ファイバプレートの幅方向である。
【００２０】
前記傾斜光ファイバプレートは、その端部の一部又は全部が遮光性樹脂で覆われることが好ましい。
【００２１】
また、本発明にかかる個人認証システムは、上記いずれかの指紋入力装置を用いたことを特徴とする。
【００２２】
この個人認証システムは、前記指紋入力装置により読み取られた前記指の指紋画像を前記被検体の識別情報として予め登録する指紋登録手段と、前記指紋入力装置により読み取られた前記指の指紋画像と前記指紋登録手段の登録画像とが一致するか否かを照合し、その照合結果を個人認証信号として出力する指紋照合手段とを備えてもよい。
【００２３】
さらに、本発明にかかる電子機器は、上記いずれかの個人認証システムを用いたことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００２５】
（第一の実施形態）
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第一の実施形態にかかる指紋入力装置の斜視図である。本実施形態は、指内散乱方式の指紋入力装置に適用したものである。
【００２６】
図１（ａ）及び（ｂ）において、１はシリコンチップ（半導体基板）、１ａはシリコンチップ上に形成されたＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの固体撮像素子を二次元に配列した撮像部、２は赤外線、近赤外線、赤色光線などの所定の光を発する光源を成すＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、３はシリコンチップ１上に密着固定される傾斜光ファイバプレートを成すＦＯＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ Ｐｌａｔｅ：光ファイバプレート）、４はシリコンチップ１が固定される基板、５はシリコンチップ１上の複数の電極に電気的に接続されるワイヤ、６は封止樹脂、１０は指紋入力対象者の指、１０ａは指１０の指紋である。
【００２７】
撮像部１ａを構成する固体撮像素子の配列ピッチは、指紋入力装置における指紋画像の入力条件として、５００ｄｐｉ（ｄｏｔ ｐｅｒ ｉｎｃｈ：１インチあたりの解像数）以上の解像度が必要とされているたため、概ね５０マイクロメートル（μｍ）以下である。
【００２８】
ＬＥＤ２は、ＦＯＰ３の表面に置かれた指紋入力対象者の指１０の内部に向けて、光を照射可能な位置に配置される。
【００２９】
また、１ｂは撮像部１ａの制御、出力信号の処理、あるいは光源であるＬＥＤ２の制御回路などの一部又は全部が含まれる周辺回路部である。さらに、１ｃは撮像部１ａ、周辺回路部１ｂなどの回路と、シリコンチップ１の外部に配置される回路や電源などの回路要素とを接続するために設けられた複数の電極である。
【００３０】
上記シリコンチップ１上に形成される周辺回路部１ｂを含む回路の構成例を図２のブロック図に示す。
【００３１】
図２において、１ｂは前述のシリコンチップ１上の周辺回路部である。この周辺回路部１ｂは、撮像部１ａの動作を制御する制御回路（駆動回路）１１と、撮像部１ａから出力される指１０の指紋１０ａに関する画像に応じたアナログ撮像信号をクランプ回路１２を介しアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１３と、Ａ／Ｄコンバータ１３にて変換されたデジタル信号を指紋１０ａの画像信号として外部の装置（インターフェースなど）にデータ通信するための通信制御回路１４及びそれに接続されるレジスタ１５と、ＬＥＤ２の発光を制御するＬＥＤ制御回路１６と、外部の発振子２１から供給される基準パルスに基づき上記回路１１〜１６の動作タイミングを制御する制御パルスを発生するタイミング発生器１７とを含む。周辺回路部１ｂを含む回路は、上記に限らず、別種の回路を含めてもよい。他方、上記の回路の一部を不図示の別チップとしてもよい。
【００３２】
ここで、上記指紋入力装置の全体動作を図１及び図２を参照して説明する。
【００３３】
まず、ＦＯＰ３上に指紋入力対象者の指１０を密着させ、その指１０の内部に向けて、ＬＥＤ制御回路１６からの制御信号に応じてＬＥＤ２から赤外線、近赤外線、赤色光線などの光が照射される。
【００３４】
この光は、その指１０の内部で散乱し、指紋１０ａの指紋画像に対応する光信号として、ＦＯＰ３の傾斜角度αの方向に沿って入射、透過され、透光面３ｂを介し撮像部１ａに伝達される。
【００３５】
撮像部１ａにて受光された信号は、制御回路１１からの駆動信号に応じてアナログ撮像信号として読み出され、クランプ回路１２を介しＡ／Ｄコンバータ１３にてデジタル信号に変換され、指紋入力対象者の指１０の指紋１０ａを反映した指紋画像データとして、通信制御回路１４にて外部に通信（出力）される。
【００３６】
次に、上記指紋入力装置の回路配置及び設計例を説明する。
【００３７】
図１（ｂ）に示すように、シリコンチップ１の上には、傾斜角度α（例えば３０°前後）、厚さＴ（例えば０．５〜１ｍｍ程度）のＦＯＰ３が密着固定されている。このとき、ＦＯＰ３の非透光面のうち、少なくともシリコンチップと相対する側にある非透光面（非透光部）３ａは、周辺回路１ｂの全部又は一部を覆うように配置されている。
【００３８】
シリコンチップ１は、基板４に接着固定され、電極１ｃと基板４上の電極（不図示）とを金属ワイヤ５により公知のワイヤボンディング技術で配線されたのち、保護のため封止樹脂６が塗布、硬化される。
【００３９】
撮像部１ａの面積は、概ね１０〜２０ミリメートル平方）程度であり、ＦＯＰ３の面積は、それに非透光面３ａの面積を加えたものになる。
【００４０】
ＦＯＰ３の厚さＴは、指１０による押圧によって破損しない最低限度にすることが画像性能や製造コストの面から望ましく、概ね０．５〜１ミリメートル（ｍｍ）程度が適当である。
【００４１】
非透光面３ａの一辺の長さＬは、ＦＯＰ３の傾斜角度αを３０°前後とすれば、概ね０．９〜１．７ミリメートル（ｍｍ）となる。
【００４２】
従って、本実施形態によれば、周辺回路部１ｂの回路規模や設計ルールを適宜選定し、その一辺の寸法がＦＯＰ３の非透光面３ａの長さＬと等しいか大きくとれば、シリコンチップ１上にその非透光面３ａによる無効な部分が生じることがなく、かつＦＯＰ３の強度に関しても満足すべき指紋入力装置が構成できる。
【００４３】
このようにＦＯＰ３の非透光面の下、すなわち光学的に影となる部分に撮像部１ａの出力信号を処理する回路、撮像部の駆動回路など撮像部１ａ以外の周辺回路部１ｂを設けることで、装置全体の面積を増加させず、かつ、製造工程も簡略化でき、全体として小型化可能な指紋入力装置を構成できる。
【００４４】
なお、上記指紋入力装置において、非透光面３ａにＦＯＰ３の端部から不必要な光線（不図示）が入射すると、これが周辺回路部１ｂに達することがある。一般に半導体素子に強い光が照射するとリーク電流が発生して回路の誤動作を招くことが知られている。これを防止するために、周辺回路１ｂ上にはアルミニウム薄膜などの遮光層を設けることが一般的である。
【００４５】
これに対し、本実施形態では、封止樹脂６を遮光性とし、ＦＯＰ３の端部を一部又は全部覆うように塗布している。これによれば、遮光層を設ける必要が無くなり、半導体チップの製造工程を簡略化して低価格化することが可能である。
【００４６】
（第二の実施形態）
図３は、本発明の第二の実施形態にかかる指紋入力装置の斜視図である。
【００４７】
図３に示す指紋入力装置は、上記第一の実施形態と同様に、ＦＯＰ３が密着固定されるシリコンチップ１上において、ＦＯＰ３の非透光面３ａに相対する位置に周辺回路部が設けられるが、上記第１の実施形態と異なり、ＦＯＰ３の表面に置かれた指紋入力対象者の指１０に対し、その指紋１０ａを一括して読み取らず、指１０をＦＯＰ３の表面に密着したままで長手方向、例えば図３中の矢印１０ｂに示す方向に滑らせ、指紋画像を順次入力するスイープ方式のものである（図中の基板４、ワイヤ５、及び封止樹脂６は上記第一の実施形態と同様である）。
【００４８】
図３において、不図示の撮像部１ａは、第一の実施形態と同様の解像度を持つ固体撮像素子を幅方向に１０〜２０ミリメートル（ｍｍ）程度、これと直角の長手方向には数ミリメートル（ｍｍ）かそれ以下に配列したものである。また、本実施形態では、ＦＯＰ３の傾斜角度αをその幅方向にのみ設けている。
【００４９】
よって、本実施形態によれば、スイープ方式の指紋入力装置に適用し、上記のようにシリコンチップ１やＦＯＰ３の面積を小さくしたため、極めて小型かつ安価な指紋入力装置を実現できる。また、傾斜角度αをＦＯＰの幅方向にのみ設けることで、シリコンチップやＦＯＰの長手方向寸法が増大することを防止することができる。
【００５０】
なお、本実施形態でも、シリコンチップ１の端部に設けた電極及びそれに接続されるワイヤ５の保護のために設けられる封止樹脂６を遮光性とし、ＦＯＰ３の端部を覆うように塗布すれば、上記第一の実施形態と同様に周辺回路部上の遮光層を省略できる。
【００５１】
次に、上記の指紋入力装置を用いた個人認証システムの適用例を図４を参照して説明する。
【００５２】
図４に示す個人認証システムは、前述の撮像部１ａ、周辺回路部１ｂ，ＬＥＤ２を有する指紋入力装置１００と、この指紋入力装置１００に接続される指紋照合装置１１０とを備える。指紋照合装置１１０は、周辺回路部１ｂの通信制御部から出力される通信データを入力する入力インターフェース１１１と、この入力インターフェース１１１に接続される画像処理部（指紋照合手段）１１２と、この画像処理部１１２に接続される指紋画像データベース（指紋登録手段）１１３及び出力インターフェース１１４とを備える。出力インターフェース１１４は、使用やログイン等に際しセキュリティ確保等のため個人認証が必要とされる電子機器（ソフトウエアも含む）に接続される。
【００５３】
ここで、指紋画像データベース１１３には、予め個人認証すべき対象者の指の指紋画像が登録されている。ここでの対象者は、一人でも複数人でも構わない。対象者の指紋画像は、対象者の個人認証情報として、初期設定時や対象者追加時などに予め指紋入力装置１００から入力インターフェース１１１を介し入力される。
【００５４】
画像処理部１１２は、指紋入力装置１００により読み取られた指紋画像を入力インターフェース１１０を介し入力し、指紋画像データベース１１３の登録画像と一致するか否かを既知の指紋照合用画像処理アルゴリズムを基に照合し、その照合結果（指紋一致又は不一致）を個人認証信号として出力インターフェース１１４を介し出力する。
【００５５】
なお、この例では、指紋入力装置１００と指紋照合装置１１０を別デバイスで構成しているが、本発明はこれに限らず、必要に応じ指紋照合装置１１０の少なくとも一部の機能を指紋入力装置１００の周辺回路部１ｂ内に一体に構成してもよい。また、この例の個人認証システムは、個人認証が必要とされる電子機器内に一体に組み込んで構成しても、電子機器と別体で構成しても構わない。
【００５６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、半導体基板上における傾斜光ファイバプレートの非透光面の下に周辺回路部の少なくとも一部を設けたため、装置全体の面積を増加させず、かつ、製造工程も簡略化でき、全体として小型化可能な指紋入力装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態による指紋入力装置の構成を示す斜視図である。
【図２】周辺回路部を含む回路構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第二の実施形態による指紋入力装置の構成を示す斜視図である。
【図４】指紋入力装置を用いた個人認証システムの全体構成を示す図である。
【図５】従来の指紋入力装置の断面図である。
【図６】従来のＦＯＰの断面図である。
【符号の説明】
１ シリコンチップ（半導体基板）
１ａ 撮像部
１ｂ 周辺回路部
１ｃ 電極
２ ＬＥＤ（光源）
３ ＦＯＰ（傾斜光ファイバプレート）
３ａ 非透光面
３ｂ 透光面
４ 基板
５ ワイヤ
６ 封止樹脂
１０ 指
１０ａ 指紋
【発明の属する技術分野】
本発明は、超小型の指紋入力装置に関し、とくに撮像素子が形成されたシリコンチップ上に光伝達手段である光ファイバプレートを接着固定し、その光ファイバプレートの表面に置かれた指内部に赤外線、近赤外線、赤色光線などを照射してその指内部からの散乱光を光ファイバプレートを介し撮像素子で受光することで指の指紋を読み取る指内散乱方式の指紋入力装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報技術の著しい進歩によって電子商取引などの経済活動が普及するのに伴い、情報の不正使用を防止する目的から個人認証を電子化する必要性もまた増大している。
【０００３】
個人認証電子化の手段には古くから指紋を画像入力する方法が多く用いられているが、例えば特許文献１に述べられるように、指の内部に向けて近赤外光線を照射し、二次元撮像素子の表面近傍に指を接触させ、指内部からの散乱光を受光する方法が開示されている。これによれば、全反射プリズムなどが不要で、極めて小型な指紋入力装置が構成できる。
【０００４】
しかしながら、固体撮像素子を含む半導体は一般に極めて脆弱であり、指などが直接触れて物理的な力や静電気が加わったり、水分や塩分などが付着すると容易に破損する。これを避けるためにシリコンチップ上に光伝達手段、たとえば光ファイバプレート（以下、「ＦＯＰ：Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ Ｐｌａｔｅ」と呼ぶ）を接着固定することが行われる。ＦＯＰは、ガラス製の光ファイバを束ねて封着し切り出したもので、厚みを適切に選べば化学的な安定性、強度などがシリコンチップよりはるかに優れたものを製作できる。
【０００５】
さらに、特許文献２に開示されているように、ＦＯＰを切り出す際の傾斜角度αを適切に選ぶと指紋が接触した部分からの光を透過し、それ以外の空気と接している部分の光は極めて透過しにくくなるため、鮮明な指紋画像が得られることが知られている。同特許文献２に開示されている従来例を図５に示す。
【０００６】
図５において、指紋入力対象者の指１０が置かれるＦＯＰ３は、シリコンチップ１上の撮像部１ａに密着固定される。このＦＯＰ３の傾斜角度αは、それを構成する光ファイバの屈折率により最適値が異なるが３０°前後、概ね２０〜４０°の範囲にある。
【０００７】
【特許文献１】
特許第３１５０１２６号明細書
【特許文献２】
特開平７−１７４９４７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＦＯＰを製作するにはきわめて細い光ファイバを多数束ね、これを加熱加圧して封着したインゴット（塊）を製作しておき、これを所定の傾斜角度に切り出し、研磨などを行う。製造の効率を上げるために、まず充分大きな断面を持つインゴットを製作し、これを所定の厚さと傾斜角度を持つ板状に切り出した後、さらに所定の平面寸法となるように切断することが一般的である。
【０００９】
前述のようにＦＯＰの傾斜角度は、３０°前後の鋭角であり、かつ、周知のようにガラスは脆性材料であるため、前述の図５に示すような平行四辺形の断面を持たせると極めて欠け易く、製造時の取り扱いや指紋検出に用いる際に不便である。
【００１０】
これを避けるため、図６（ａ）に示す如く、ＦＯＰ３を平行四辺形に外接する長方形断面に加工すると、指紋画像の伝達に寄与しない光学的に影の部分を形成する非透光面３ａが生ずる。この非透光面３ａの長さＬは、ＦＯＰ３の傾斜角度をα、厚さをＴとしたとき、Ｌ＝Ｔ・ｔａｎ（９０°−α）であり、通常はＴより大きくなる。また、厚さＴを指１０による押圧に耐えるべく１ミリメートル前後に設定すれば、非透光面３ａの長さＬは、それ以上となる。
【００１１】
図６（ｂ）に示すように、この非透光面３ａをシリコンチップ１からオーバーハングさせることも可能ではあるが、ＦＯＰ３に、は指１０の押し圧による曲げ応力が加わるため、強度上、製造工程上は満足できるものにならない。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑みて行われたもので、装置全体の面積を増加させず、かつ、製造工程も簡略化でき、全体として小型化可能な指紋入力装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、半導体基板（シリコンチップ）上の傾斜光ファイバプレートの非透光面の下、すなわち影になる部分に、撮像部の出力信号を処理する回路、撮像部の駆動回路など、撮像部以外の回路（周辺回路部）を設けることで、装置全体の面積を増加させず、かつ、製造工程も簡略化でき、全体として小型化可能な指紋入力装置を構成するものである。
【００１４】
すなわち、本発明は、指紋入力対象者の指内部に光を照射する光源と、該光源からの光により前記指内部から散乱した光線を受光する撮像部と、該撮像部に接続される周辺回路部とを備え、該撮像部の受光信号に基づき前記周辺回路部を介し前記指の指紋画像を読み取る指紋入力装置において、前記撮像部を成す撮像素子及び前記周辺回路部が形成される半導体基板と、前記半導体基板上に密着固定され、前記指紋入力対象者の指が置かれる表面を有し且つ該表面に置かれた該指の内部から散乱した前記光線を所定角度傾斜した方向に沿って前記撮像素子に伝達する光伝達手段を成す傾斜光ファイバプレートとを備え、前記周辺回路部の少なくとも一部は、前記傾斜光ファイバプレートの非透光面に相対する前記半導体基板上に形成されることを特徴とする。
【００１５】
本発明において、光源から照射される光は、指内散乱方式の指紋入力装置に適用可能なものであればいずれでもよく、例えば赤外線、近赤外線、及び赤色光線を含む。また、撮像素子は、例えば一次元又は二次元撮像素子である。さらに、傾斜光ファイバプレート中を透光する伝達光の傾斜角度は、これを構成する光ファイバの屈折率によりその最適値が異なるが、通常使用されている光ファイバの場合では、概ね２０°以上４０°以下の範囲、例えば３０°前後が好ましい。また、周辺回路部は、例えば撮像部の出力信号を処理する回路、制御回路、光源駆動回路などの周辺回路の全て又は一部を含むものである。
【００１６】
前記周辺回路部の少なくとも一部は、前記傾斜光ファイバプレートの非透光面に相対する前記半導体基板上、及び／又は、前記傾斜光ファイバプレートが密着しない前記半導体基板上に形成されることが好ましい。
【００１７】
前記撮像部は、所定寸法の撮像素子で形成され、前記傾斜光ファイバプレートの表面に置かれた前記指の指紋画像を前記撮像素子を介し一括して読み取ることが可能である。撮像素子の寸法は、概ね１０以上２０ミリメートル平方以下の範囲にあることが好ましい。
【００１８】
前記撮像部は、所定寸法の撮像素子で形成され、前記傾斜光ファイバプレートの表面に置かれた前記指をその表面に沿って所定方向に滑らせながら、該指の指紋画像を前記撮像素子を介し読み取ることが可能である。撮像素子の寸法は、概ね幅が１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下、長さが数ｍｍ又はそれ以下の範囲にあることが好ましい。所定方向は、例えば指の長手方向である。
【００１９】
前記傾斜光ファイバプレートを構成するファイバは、所定方向に傾いて配置されることが好ましい。所定方向は、例えば傾斜光ファイバプレートの幅方向である。
【００２０】
前記傾斜光ファイバプレートは、その端部の一部又は全部が遮光性樹脂で覆われることが好ましい。
【００２１】
また、本発明にかかる個人認証システムは、上記いずれかの指紋入力装置を用いたことを特徴とする。
【００２２】
この個人認証システムは、前記指紋入力装置により読み取られた前記指の指紋画像を前記被検体の識別情報として予め登録する指紋登録手段と、前記指紋入力装置により読み取られた前記指の指紋画像と前記指紋登録手段の登録画像とが一致するか否かを照合し、その照合結果を個人認証信号として出力する指紋照合手段とを備えてもよい。
【００２３】
さらに、本発明にかかる電子機器は、上記いずれかの個人認証システムを用いたことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００２５】
（第一の実施形態）
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第一の実施形態にかかる指紋入力装置の斜視図である。本実施形態は、指内散乱方式の指紋入力装置に適用したものである。
【００２６】
図１（ａ）及び（ｂ）において、１はシリコンチップ（半導体基板）、１ａはシリコンチップ上に形成されたＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの固体撮像素子を二次元に配列した撮像部、２は赤外線、近赤外線、赤色光線などの所定の光を発する光源を成すＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、３はシリコンチップ１上に密着固定される傾斜光ファイバプレートを成すＦＯＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ Ｐｌａｔｅ：光ファイバプレート）、４はシリコンチップ１が固定される基板、５はシリコンチップ１上の複数の電極に電気的に接続されるワイヤ、６は封止樹脂、１０は指紋入力対象者の指、１０ａは指１０の指紋である。
【００２７】
撮像部１ａを構成する固体撮像素子の配列ピッチは、指紋入力装置における指紋画像の入力条件として、５００ｄｐｉ（ｄｏｔ ｐｅｒ ｉｎｃｈ：１インチあたりの解像数）以上の解像度が必要とされているたため、概ね５０マイクロメートル（μｍ）以下である。
【００２８】
ＬＥＤ２は、ＦＯＰ３の表面に置かれた指紋入力対象者の指１０の内部に向けて、光を照射可能な位置に配置される。
【００２９】
また、１ｂは撮像部１ａの制御、出力信号の処理、あるいは光源であるＬＥＤ２の制御回路などの一部又は全部が含まれる周辺回路部である。さらに、１ｃは撮像部１ａ、周辺回路部１ｂなどの回路と、シリコンチップ１の外部に配置される回路や電源などの回路要素とを接続するために設けられた複数の電極である。
【００３０】
上記シリコンチップ１上に形成される周辺回路部１ｂを含む回路の構成例を図２のブロック図に示す。
【００３１】
図２において、１ｂは前述のシリコンチップ１上の周辺回路部である。この周辺回路部１ｂは、撮像部１ａの動作を制御する制御回路（駆動回路）１１と、撮像部１ａから出力される指１０の指紋１０ａに関する画像に応じたアナログ撮像信号をクランプ回路１２を介しアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１３と、Ａ／Ｄコンバータ１３にて変換されたデジタル信号を指紋１０ａの画像信号として外部の装置（インターフェースなど）にデータ通信するための通信制御回路１４及びそれに接続されるレジスタ１５と、ＬＥＤ２の発光を制御するＬＥＤ制御回路１６と、外部の発振子２１から供給される基準パルスに基づき上記回路１１〜１６の動作タイミングを制御する制御パルスを発生するタイミング発生器１７とを含む。周辺回路部１ｂを含む回路は、上記に限らず、別種の回路を含めてもよい。他方、上記の回路の一部を不図示の別チップとしてもよい。
【００３２】
ここで、上記指紋入力装置の全体動作を図１及び図２を参照して説明する。
【００３３】
まず、ＦＯＰ３上に指紋入力対象者の指１０を密着させ、その指１０の内部に向けて、ＬＥＤ制御回路１６からの制御信号に応じてＬＥＤ２から赤外線、近赤外線、赤色光線などの光が照射される。
【００３４】
この光は、その指１０の内部で散乱し、指紋１０ａの指紋画像に対応する光信号として、ＦＯＰ３の傾斜角度αの方向に沿って入射、透過され、透光面３ｂを介し撮像部１ａに伝達される。
【００３５】
撮像部１ａにて受光された信号は、制御回路１１からの駆動信号に応じてアナログ撮像信号として読み出され、クランプ回路１２を介しＡ／Ｄコンバータ１３にてデジタル信号に変換され、指紋入力対象者の指１０の指紋１０ａを反映した指紋画像データとして、通信制御回路１４にて外部に通信（出力）される。
【００３６】
次に、上記指紋入力装置の回路配置及び設計例を説明する。
【００３７】
図１（ｂ）に示すように、シリコンチップ１の上には、傾斜角度α（例えば３０°前後）、厚さＴ（例えば０．５〜１ｍｍ程度）のＦＯＰ３が密着固定されている。このとき、ＦＯＰ３の非透光面のうち、少なくともシリコンチップと相対する側にある非透光面（非透光部）３ａは、周辺回路１ｂの全部又は一部を覆うように配置されている。
【００３８】
シリコンチップ１は、基板４に接着固定され、電極１ｃと基板４上の電極（不図示）とを金属ワイヤ５により公知のワイヤボンディング技術で配線されたのち、保護のため封止樹脂６が塗布、硬化される。
【００３９】
撮像部１ａの面積は、概ね１０〜２０ミリメートル平方）程度であり、ＦＯＰ３の面積は、それに非透光面３ａの面積を加えたものになる。
【００４０】
ＦＯＰ３の厚さＴは、指１０による押圧によって破損しない最低限度にすることが画像性能や製造コストの面から望ましく、概ね０．５〜１ミリメートル（ｍｍ）程度が適当である。
【００４１】
非透光面３ａの一辺の長さＬは、ＦＯＰ３の傾斜角度αを３０°前後とすれば、概ね０．９〜１．７ミリメートル（ｍｍ）となる。
【００４２】
従って、本実施形態によれば、周辺回路部１ｂの回路規模や設計ルールを適宜選定し、その一辺の寸法がＦＯＰ３の非透光面３ａの長さＬと等しいか大きくとれば、シリコンチップ１上にその非透光面３ａによる無効な部分が生じることがなく、かつＦＯＰ３の強度に関しても満足すべき指紋入力装置が構成できる。
【００４３】
このようにＦＯＰ３の非透光面の下、すなわち光学的に影となる部分に撮像部１ａの出力信号を処理する回路、撮像部の駆動回路など撮像部１ａ以外の周辺回路部１ｂを設けることで、装置全体の面積を増加させず、かつ、製造工程も簡略化でき、全体として小型化可能な指紋入力装置を構成できる。
【００４４】
なお、上記指紋入力装置において、非透光面３ａにＦＯＰ３の端部から不必要な光線（不図示）が入射すると、これが周辺回路部１ｂに達することがある。一般に半導体素子に強い光が照射するとリーク電流が発生して回路の誤動作を招くことが知られている。これを防止するために、周辺回路１ｂ上にはアルミニウム薄膜などの遮光層を設けることが一般的である。
【００４５】
これに対し、本実施形態では、封止樹脂６を遮光性とし、ＦＯＰ３の端部を一部又は全部覆うように塗布している。これによれば、遮光層を設ける必要が無くなり、半導体チップの製造工程を簡略化して低価格化することが可能である。
【００４６】
（第二の実施形態）
図３は、本発明の第二の実施形態にかかる指紋入力装置の斜視図である。
【００４７】
図３に示す指紋入力装置は、上記第一の実施形態と同様に、ＦＯＰ３が密着固定されるシリコンチップ１上において、ＦＯＰ３の非透光面３ａに相対する位置に周辺回路部が設けられるが、上記第１の実施形態と異なり、ＦＯＰ３の表面に置かれた指紋入力対象者の指１０に対し、その指紋１０ａを一括して読み取らず、指１０をＦＯＰ３の表面に密着したままで長手方向、例えば図３中の矢印１０ｂに示す方向に滑らせ、指紋画像を順次入力するスイープ方式のものである（図中の基板４、ワイヤ５、及び封止樹脂６は上記第一の実施形態と同様である）。
【００４８】
図３において、不図示の撮像部１ａは、第一の実施形態と同様の解像度を持つ固体撮像素子を幅方向に１０〜２０ミリメートル（ｍｍ）程度、これと直角の長手方向には数ミリメートル（ｍｍ）かそれ以下に配列したものである。また、本実施形態では、ＦＯＰ３の傾斜角度αをその幅方向にのみ設けている。
【００４９】
よって、本実施形態によれば、スイープ方式の指紋入力装置に適用し、上記のようにシリコンチップ１やＦＯＰ３の面積を小さくしたため、極めて小型かつ安価な指紋入力装置を実現できる。また、傾斜角度αをＦＯＰの幅方向にのみ設けることで、シリコンチップやＦＯＰの長手方向寸法が増大することを防止することができる。
【００５０】
なお、本実施形態でも、シリコンチップ１の端部に設けた電極及びそれに接続されるワイヤ５の保護のために設けられる封止樹脂６を遮光性とし、ＦＯＰ３の端部を覆うように塗布すれば、上記第一の実施形態と同様に周辺回路部上の遮光層を省略できる。
【００５１】
次に、上記の指紋入力装置を用いた個人認証システムの適用例を図４を参照して説明する。
【００５２】
図４に示す個人認証システムは、前述の撮像部１ａ、周辺回路部１ｂ，ＬＥＤ２を有する指紋入力装置１００と、この指紋入力装置１００に接続される指紋照合装置１１０とを備える。指紋照合装置１１０は、周辺回路部１ｂの通信制御部から出力される通信データを入力する入力インターフェース１１１と、この入力インターフェース１１１に接続される画像処理部（指紋照合手段）１１２と、この画像処理部１１２に接続される指紋画像データベース（指紋登録手段）１１３及び出力インターフェース１１４とを備える。出力インターフェース１１４は、使用やログイン等に際しセキュリティ確保等のため個人認証が必要とされる電子機器（ソフトウエアも含む）に接続される。
【００５３】
ここで、指紋画像データベース１１３には、予め個人認証すべき対象者の指の指紋画像が登録されている。ここでの対象者は、一人でも複数人でも構わない。対象者の指紋画像は、対象者の個人認証情報として、初期設定時や対象者追加時などに予め指紋入力装置１００から入力インターフェース１１１を介し入力される。
【００５４】
画像処理部１１２は、指紋入力装置１００により読み取られた指紋画像を入力インターフェース１１０を介し入力し、指紋画像データベース１１３の登録画像と一致するか否かを既知の指紋照合用画像処理アルゴリズムを基に照合し、その照合結果（指紋一致又は不一致）を個人認証信号として出力インターフェース１１４を介し出力する。
【００５５】
なお、この例では、指紋入力装置１００と指紋照合装置１１０を別デバイスで構成しているが、本発明はこれに限らず、必要に応じ指紋照合装置１１０の少なくとも一部の機能を指紋入力装置１００の周辺回路部１ｂ内に一体に構成してもよい。また、この例の個人認証システムは、個人認証が必要とされる電子機器内に一体に組み込んで構成しても、電子機器と別体で構成しても構わない。
【００５６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、半導体基板上における傾斜光ファイバプレートの非透光面の下に周辺回路部の少なくとも一部を設けたため、装置全体の面積を増加させず、かつ、製造工程も簡略化でき、全体として小型化可能な指紋入力装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態による指紋入力装置の構成を示す斜視図である。
【図２】周辺回路部を含む回路構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第二の実施形態による指紋入力装置の構成を示す斜視図である。
【図４】指紋入力装置を用いた個人認証システムの全体構成を示す図である。
【図５】従来の指紋入力装置の断面図である。
【図６】従来のＦＯＰの断面図である。
【符号の説明】
１ シリコンチップ（半導体基板）
１ａ 撮像部
１ｂ 周辺回路部
１ｃ 電極
２ ＬＥＤ（光源）
３ ＦＯＰ（傾斜光ファイバプレート）
３ａ 非透光面
３ｂ 透光面
４ 基板
５ ワイヤ
６ 封止樹脂
１０ 指
１０ａ 指紋
Claims (9)
- 指紋入力対象者の指内部に光を照射する光源と、該光源からの光により前記指内部から散乱した光線を受光する撮像部と、該撮像部に接続される周辺回路部とを備え、該撮像部の受光信号に基づき前記周辺回路部を介し前記指の指紋画像を読み取る指紋入力装置において、
前記撮像部を成す撮像素子及び前記周辺回路部が形成される半導体基板と、
前記半導体基板上に密着固定され、前記指紋入力対象者の指が置かれる表面を有し且つ該表面に置かれた該指の内部から散乱した前記光線を所定角度傾斜した方向に沿って前記撮像素子に伝達する光伝達手段を成す傾斜光ファイバプレートとを備え、
前記周辺回路部の少なくとも一部は、前記傾斜光ファイバプレートの非透光面に相対する前記半導体基板上に形成されることを特徴とする指紋入力装置。 - 前記周辺回路部の少なくとも一部は、前記傾斜光ファイバプレートの非透光面に相対する前記半導体基板上、及び／又は、前記傾斜光ファイバプレートが密着しない前記半導体基板上に形成されることを特徴とする請求項１記載の指紋入力装置。
- 前記撮像部は、所定寸法の撮像素子で形成され、前記傾斜光ファイバプレートの表面に置かれた前記指の指紋画像を前記撮像素子を介し一括して読み取ることを特徴とする請求項１又は２記載の指紋入力装置。
- 前記撮像部は、所定寸法の撮像素子で形成され、前記傾斜光ファイバプレートの表面に置かれた前記指をその表面に沿って所定方向に滑らせながら、該指の指紋画像を前記撮像素子を介し読み取ることを特徴とする請求項１又は２記載の指紋入力装置。
- 前記傾斜光ファイバプレートを構成するファイバは、所定方向に傾いて配置されることを特徴とする請求項４の指紋入力装置。
- 前記傾斜光ファイバプレートは、その端部の一部又は全部が遮光性樹脂で覆われることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の指紋入力装置。
- 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の指紋入力装置を用いたことを特徴とする個人認証システム。
- 前記指紋入力装置により読み取られた前記指の指紋画像を前記被検体の識別情報として予め登録する指紋登録手段と、
前記指紋入力装置により読み取られた前記指の指紋画像と前記指紋登録手段の登録画像とが一致するか否かを照合し、その照合結果を個人認証信号として出力する指紋照合手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項７記載の個人認証システム。 - 請求項７又は８記載の個人認証システムを用いたことを特徴とする電子機器。
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