JP2005038406A5 - - Google Patents

Description

指紋読み取り装置及びこれを用いた個人認証システム

本発明は、照明手段から該指に照射した光の指、更に言えば指先内部からの散乱光線を、該固体撮像素子で受光する指紋読み取り装置及びこれを用いた個人認証システムに関する。

特に本発明は、指、更に言えば指先と固体撮像素子との位置を相対的に移動させて、照明手段から該指に照射した光の指、更に言えば指先内部からの散乱光線を、該固体撮像素子で受光する指紋読み取り装置及びこれを用いた個人認証システムに関する。

近年、情報技術の著しい進歩によって電子商取引等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。

個人認証電子化の手法として、従来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等に述べられる全反射プリズムを利用するものは形状が大きくなり、また、樹脂等で型どりをした偽造指紋を判別することができない等の難点があった。

かかる点を改善した小型でかつ信頼性の高い指紋読み取り装置として、特許文献２に述べられるように、二次元固体撮像素子の表面近傍に指を接触させておき、近赤外光線を照射し、指先内部からの散乱光を受光する方法が提案されている。この方法を図９に沿って説明する。

図９に示す指紋読み取り装置において、固体撮像素子基板１の表面には所定間隔ｐで二次元状に配列された固体撮像素子１ａが形成され、その上にカバーガラス１００が透明な封止材４１で接着固定されている。この固体撮像素子基板１は、配線基板３上に固定され、かつ、ワイヤー２１によって配線基板３上の配線３ａと電気的に接続されている。また、照明用の赤外線又は近赤外線を発光するＬＥＤチップ１０も、配線基板３上に固定され、かつ、ワイヤー１２によって配線基板３上の配線３ａに接続され、封止樹脂１１で保護されている。このＬＥＤチップ１０から照射される光線１０ａは指２０に入射し、その内部で拡散されて、指２０の指紋２０ａを介しカバーガラス１００に散乱光１０ｂとなって入射する。この入射光は、カバーガラス１００を介し固体撮像素子１ａに到達し、ここで光電変換され、これにより指紋画像の電気信号が得られる。

カバーガラス１００は、固体撮像素子１ａに指２０などが触れて電気的、機械的にこれを破壊することから保護する目的と同時に、指紋画像以外の外乱光を除去するための光学フィルター機能を持たせることも必要である。しかし、鮮明な指紋画像を得るために、カバーガラス１００の厚さｔは極めて薄いことが求められ、これを避けるためにファイバー・オプティックス・プレート（ＦＯＰ）などの高価な材料を使わなければならなかった。

他方で低コスト・小型化を実現する技術として、指先と固体撮像素子との位置を相対的に移動させ、その移動する指先の連続した部分画像を、画像合成によって、指先全体の画像を得るスイープ型が提案されている（例えば、特許文献３、４等参照）。この技術によれば、これまで指の大きさ程度の面積が必要だった二次元配列の固体撮像素子が指の幅だけで済むため、固体撮像素子及びファイバー・オプティクス・プレートなどが安価となる。上記の光学方式の他にこのスイープ型では、静電容量方式、熱検知方式などの入力方式も知られている。
特開２０００−１１１４２号公報 特開２０００−２１７８０３号公報 特開２００２−２１６１１６号公報 特開２００２−１３３４０２号公報

しかしながら、上述した従来例の方法では、小型化、低価格化を実現する場合、以下の問題点がある。

１）光学方式の場合には、照明手段と固体撮像素子とが、小型化により近接するために、その不要光が固体撮像素子に入射してしまい安定且つ鮮明な指紋画像が得られない。

２）指先を移動させる方式の場合、指と接触する読取面の角部で、指を傷つけてしまうおそれがある。

３）また頻繁な指先や異物での押圧で、読取面や照明手段などを傷つけたり、最悪破損してしまうおそれがある。

４）ワイヤーボンディングなどの、電気的接続部の保護のための封止材などが、読取面に付着したり、所望の位置から流れ出さないように、製造上十分な注意が必要であるため、組み立て性が悪く、低価格化の妨げになっている。

５）平坦部分が少ないため、指先の移動が不規則な速度となるスティッキングが発生しやすく、安定な画像を得られない。

上記問題点１）〜５）に関して、従来の方法では、十分な対策がとられていなかった。また前述の特許公報１〜４においても、そのような具体的な対策についての説明は全く記載されていないか、十分とは言えないものであった。

本発明は、かかる問題に鑑みなされたもので、従来以上に小型であり、安定で精細な画像を得られる指紋読み取り装置を安価に提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、指と固体撮像素子との位置を相対的に移動させながら、該指に照射した光のうち該指内部から散乱した光を該固体撮像素子で受光して該指の指紋画像を読み取る指紋読み取り装置において、前記指に光を照射する照明手段と、前記固体撮像素子が配置される固体撮像素子基板と、前記固体撮像素子基板及び前記照明手段が共に配置される配線基板と、を有し、前記配線基板上の少なくとも前記照明手段と前記固体撮像素子基板との間に配置され、該固体撮像素子基板上の前記指が接する面の高さと２０μｍ以内の高さを有する部材を有していることを特徴とする。

前記部材は、前記固体撮像素子基板を前記配線基板に電気的に接続後、該電気的接続部分の封止も兼ねて、成型によって配置することが好ましい。

前記部材は、少なくとも前記照明手段から前記指に照射される光以外の不要光を前記固体撮像素子に対して遮光することが好適である。

前記部材は、前記固体撮像素子基板及び前記照明手段の周囲を取り囲む枠形状に形成されてもよい。この枠形状に形成された前記部材の枠内に樹脂を充填し硬化してもよい。この樹脂は、少なくとも前記照明手段の光を遮光するもので構成されることが好ましい。

前記照明手段は、赤外光及び／又は近赤外光を照射する手段であることが好ましい。

前記固体撮像素子基板の指先が接する面に保護部材としてシリコン基板が配置されてもよい。シリコン基板は、厚さが３０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。

前記部材は、導電手段を有してもよい。

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読み取り装置を用いたことを特徴とする。この個人認証システムは、前記指紋読み取り装置により読み取られた前記指の指紋画像を被検体の識別情報として予め登録する指紋登録手段と、前記指紋読み取り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ることが好ましい。

以上述べたように、本発明によれば、従来以上に小型であり、安定で精細な画像をえられる指紋読み取り装置を安価に提供することができる。

以下、本発明にかかる指紋読み取り装置の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第一の実施形態）
図１は、本実施形態にかかる指紋読み取り装置の断面図であり、図２はその斜視図を示す。

図１及び図２に示す指紋読み取り装置において、配線基板３上に固体撮像素子基板１及びＬＥＤチップ１０が配置されている。固体撮像素子基板１には、ライン状に配置される固体撮像素子１ａが複数個搭載される。ＬＥＤチップ１０は、赤外光及び／又は近赤外光を発光する照明手段であるＬＥＤを有する。

固体撮像素子基板１は、図２に示すように、その長手方向の端部に配置された電極部がワイヤー２１によって配線基板３上の配線３ａに電気的に接続されている。同様に、ＬＥＤチップ１０も、図１に示すように、その電極部がワイヤー１２によって配線基板３上の配線部３ａと電気的に接続されている。

図２では、説明の都合上、あらかじめ封止樹脂２２が塗布された形で示されているが、後述するように枠状の部材１１０を配置後、その枠部に封止用の樹脂を流し込む方法が好適である。

固体撮像素子基板１には、指２０が接触する読み取り面に保護層３０が配置されている。保護層３０の材料としては、ガラス、ＳｉＯ ₂ 薄膜、ＳｉＯＮ薄膜、ファイバーオプティカルプレートなどが使用可能である。これらを赤外／近赤外を透過する接着剤にて、固体撮像素子基板１の固体撮像素子１ａ上に接着する。

保護層３０は、さらなる低価格と精細な画像を読み取るためには、１）隣合う固体撮像素子への光の漏れ込み（クロストーク）を考えた場合、入射から出射間での光の広がりを抑えるため屈折率が大きいこと、２）鮮明な画像を得るために、照明光以外の不要光が入らないこと、３）保護層３０としての耐擦傷性や、耐候性があること、４）低価格であること、５）加工性が容易であること、６）そり・変形を考えた場合、固体撮像素子基板１と線膨張係数が近いことの各項目を充足する必要がある。これらを充足するものとして、シリコン基板が特に好適である。シリコン基板は、バックグラインドもしくはバックラッピングによって、所望の厚みに加工可能である。また赤外・近赤外光を透過し、可視光はカットするため、外光などの不要光をカットできる。屈折率も３．４程度であるため、ガラスと比較して、１．５〜２倍の厚みでも、同等の解像力を得ることができる。シリコン基板を保護層３０として使用する場合、３０μｍ〜２００μｍの厚みのものが使用可能で、特に７０〜１５０μｍの厚みが好適である。

上記固体撮像素子基板１とＬＥＤチップ１０との間には、図１及び図２に示すように、配線基板３上からの表面の高さが固体撮像素子基板１上の保護層３０の表面の高さと２００μｍ以内の段差、即ち実質的にほぼ同じ、言い換えると同一又は略同一の高さを持ち、固体撮像素子基板１とＬＥＤチップ１０との間を空間的に仕切る枠状の部材（以下、「枠状部材」と呼ぶ）１１０が配置される。

この枠状部材１１０は、図２に示すように、２つのＬＥＤチップ１０、１０の上部を除く周囲全てを取り囲む第１開口１１０ａ、１１０ａと、固体撮像素子基板の電極を覆う封止樹脂２２の周囲を取り囲む第２開口１１０ｂとを含む枠形状に形成されている。

この枠状部材１１０は、保護層３０との間で実質的な連続面を作ると共に、ＬＥＤチップ１０の封止樹脂１１と固体撮像素子基板１の封止樹脂２２の流れ出し防止の土手としての機能も持っている。更に、この枠状部材１１０は、照明手段であるＬＥＤチップ１０からの不要な光が、固体撮像素子１ａに入らぬよう、遮光機能も有している。この部材１１０の材質としては、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＡＢＳ樹脂などの着色した材料が使用できる。

従って、本実施形態によれば、固体撮像素子基板とＬＥＤチップとの間に、上記構成の枠状部材１１０を配置したため、以下の効果が得られる。

１）接触面積の小さな読み取り面と、実質的に連続な面が構成されるので、指の移動がスムーズになり、スティッキングなどによる画像不良が低減される。

２）枠状部材１１０は、土手の機能を有するため、配線基板３に、枠状部材１１０を配置した後に、封止樹脂１１を滴下して、硬化させれば、ＬＥＤチップ１０の封止樹脂１１が配線基板３の不要部分に広がらないため、製造上の組み立て性が向上する。

３）ＬＥＤチップ１０からの不要光が、固体撮像素子１ａに入射しないため、より鮮明な画像を得ることができる。

（第二の実施形態）
図３は、本実施形態にかかる指紋読み取り装置の断面図であり、図４は、その斜視図を示す。

図３及び図４に示す指紋読み取り装置は、上記第一の実施形態（図１及び図２参照）と同様の全体構成を有するが、さらに枠形状に形成された枠状部材１１０が固体撮像素子基板１の周囲を取り囲むように構成されている点が相違する。すなわち、本実施形態の枠状部材１１０は、前述の２個のＬＥＤチップ１０、１０用の第１開口１１０ａ、固体撮像素子基板１の電極部を覆う封止樹脂２２用の第２開口１１０ｂに加え、固体撮像素子基板１の周囲を取り囲む第３開口１１０ｃを含む枠形状に形成されている。

従って、本実施形態によれば、上記第一の実施形態の効果に加え、１）保護層３０及び固体撮像素子基板１の端面部分で、指が傷つくのを防止できる、２）より指が移動する連続面ができたことにより、スティッキングが減少し、鮮明な画像を得られる、３）不用意に読み取り面だけに力が加わることがなくなるため、外力に対する耐久性が向上する等の利点が得られる。

なお、本実施形態の変形例として、枠状部材１１０に、カーボンなどの導電材料を混入したり、表面に金属めっきを施したり、あるいは金属箔などの導電部材を貼り付けたりして、導電手段を付加し、配線基板３を通じてグランドに設置してもよい。これによれば、指からの静電気を逃がすことができ、固体撮像素子１ａやＬＥＤチップ１０を静電破壊から守ることができる。

また、本実施形態の他の変形例として、指２０の移動方向に対して、順次、枠状部材１１０と保護層３０との段差を、変化させたりしてもよい。これによれば、より一層指が密着して、鮮明な画像を得ることができる。

（第三の実施形態）
図５は、本実施形態にかかる指紋読み取り装置の断面図を示す。

図５に示す指紋読み取り装置は、上記第二の実施形態（図３及び図４参照）と同様の全体構成を有するが、さらに、枠状部材１１０は透明な材質で形成されると共にＬＥＤチップ１０の周囲を囲う第１開口１１０ａの指２０を臨む側（図中の上側）もカバーし、より平滑な指移動面が構成されている点と、この枠状部材１１０と固体撮像素子基板１との間に樹脂２３が塗布されている点とで相違する。

樹脂２３は、固体撮像素子基板１と保護層３０の側面部を覆う、少なくともＬＥＤチップ１０からの不要光をカットする遮光性の樹脂である。この樹脂として、顔料・染料などを混入したエポキシ、シリコーン、アクリル樹脂などが使用可能である。また遮光機能さえあれば、固体撮像素子基板１と配線基板３との電気的接続を行うワイヤー２１を覆う封止樹脂２２（図２及び図４参照）を兼用してもよい。枠状部材１１０を配線基板３上に配置した後、樹脂２３をその枠状部材１１０の枠部に流し込むことにより、容易に製造可能である。

従って、本実施形態によれば、上記第一、第二の実施形態の効果に加え、１）第二の実施形態よりも更に指が移動する連続面が増えるため、より鮮明な画像を得られる、２）ＬＥＤチップ１０を、枠状部材１１０でカバーするため、外部からの外力、異物に対して耐久性が増加する、３）凹凸のない連続面のため、汚れた場合のふき取りが容易であり、その結果鮮明な画像読み取りが可能となる等の利点が得られる。

（第四の実施形態）
図６は、本実施形態にかかる指紋読み取り装置の断面図を示す。

図６に示す指紋読み取り装置は、上記第三の実施形態（図５参照）と同様の全体構成を有するが、さらに、部材１１１は成型によって形成される所に特徴がある。

固体撮像素子基板１と、配線基板３とをワイヤーボンディングなどによって、電気的な接続をする（不図示）。また、ＬＥＤチップ１０もワイヤーボンディングによってワイヤー１２によって電気的に接続する。その後、金型に保護部材３０を圧接しながら、樹脂を注入して成型・硬化させ部材１１１を形成する。これによりワイヤー部の封止とフラット化を同時に行う。

部材１１１として、アクリル系樹脂・エポキシ系樹脂・ウレタン系樹脂・シリコーン樹脂・液晶ポリマー樹脂などが利用可能である。これらの樹脂は、光源としてのＬＥＤチップ１０の光を透過すれば、透明である必要はない。

これによって、固体撮像素子基板１との隙間がなく、いたって平滑な面が形成する事が可能である。またワイヤー部の封止とフラット化を同時にできるため、製造工程も簡素化し、高信頼性でローコストな装置が提供できる。

成型の方法については、保護部材３０を金型に圧接するわけだが、配線基板３や固体撮像素子基板１、保護部材３０の厚みバラツキを吸収するため、保護部材３０の当接部分の金型を可動構造とするのが好ましい。またＦＡＭ（Film Assisted Molding）という、フィルムを金型と保護部材３０との間にはさんで、厚みを吸収して且つ、離型性も確保する方法も好適である。

（第五の実施形態）
次に、上記の指紋読み取り装置を用いた個人認証システムの実施形態を図７及び図８を参照して説明する。

図７に示す個人認証システムは、前述の固体撮像素子１ａから構成される撮像部１０１、その周辺回路部１０２、前述のＬＥＤチップ１０に搭載されるＬＥＤ１０３を有する指紋読み取り装置１００と、この指紋読み取り装置１００に接続される指紋照合装置２００とを備える。

周辺回路部１０２は、前述の固体撮像素子基板１上等に形成され、図８に示すように、固体撮像素子１０１の動作を制御する制御回路（駆動回路）１０２１と、撮像部１０１から出力される指の指紋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１０２２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１０２３と、Ａ／Ｄコンバータ１０２３にて変換されたデジタル信号を指紋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１０２４及びそれに接続されるレジスタ１０２５と、ＬＥＤ１０３のＬＥＤの発光を制御するＬＥＤ制御回路１０２６と、外部の発振子１０２７から供給される基準パルスに基づき上記回路１０２１〜１０２６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１０２８とを含む。周
辺回路部１０２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。

指紋照合装置２００は、周辺回路部１０２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。

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読み取り装置１００から入力インターフェース１１１を介し入力される。

画像処理部１１２は、指紋読み取り装置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１１１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。

指紋照合用画像処理アルゴリズムは、大別して、指紋そのものを像としてとらえる場合（パターンマッチング方式ともいう）と、特徴としてとらえる場合（マニューシャ方式ともいう）とで異なる。パターンマッチング方式は、弓状、蹄状、渦状の紋様パターンを比較して一致・不一致を調べるものである。また、マニューシャ方式は、マニューシャと呼ばれる隆線の特徴点、即ち端点（隆線の切れている部分）及び分岐点（隆線の分岐している部分）の位置、種類、方向等を比較して一致・不一致を調べるものである。いずれの方式でも、本例は適用可能である。

また、指紋読み取り装置１００から入力された指紋情報を、指紋画像データベース１１３に登録されている全ての指紋情報のみで照合し、一致する指紋を探す、いわゆる１対Ｎ照合でも、或いは、指紋画像データベース１１３に登録されている全ての指紋情報の中から、まず図示しない入力装置から入力される対象者のＩＤ番号などの情報により指紋情報を特定し、その特定された指紋情報と、指紋読み取り装置１００から入力された指紋情報とを照合する、いわゆる１対１照合でも、いずれでも、本例は適用可能である。

なお、この例では、指紋読み取り装置１００と指紋照合装置２００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２００の少なくとも一部の機能を指紋読み取り装置１００の周辺回路部１０２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。

本発明の第一の実施形態にかかる指紋読み取り装置を示す断面図である。 本発明の第一の実施形態にかかる指紋読み取り装置を示す斜視図である。 本発明の第二の実施形態にかかる指紋読み取り装置を示す断面図である。 本発明の第二の実施形態にかかる指紋読み取り装置を示す斜視図である。 本発明の第三の実施形態にかかる指紋読み取り装置を示す断面図である。 本発明の第四の実施形態にかかる指紋読み取り装置を示す断面図である。 本発明の第五の実施形態による指紋読み取り装置を用いた個人認証システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第五の実施形態による指紋読み取り装置の周辺回路部の構成を示すブロック図である。 従来例の指紋読み取り装置を示す断面図である。

符号の説明

１ 固体撮像素子基板
１ａ 固体撮像素子
３ 配線基板
３ａ 配線
４ 封止樹脂
１０ ＬＥＤ
１０ａ 入射光
１０ｂ 拡散光
１１ 封止樹脂
１２ ワイヤー
２０ 指
２０ａ 指紋
２１ ワイヤー
２２ 封止樹脂
２３ 樹脂
３０ 保護層
４１ 封止樹脂
１００ カバーガラス
１１０ 枠状部材
１１０ａ 第１開口
１１０ｂ 第２開口
１１０ｃ 第３開口
１１１ 部材

Claims (11)

1. 指と固体撮像素子との位置を相対的に移動させながら、該指に照射した光のうち該指内部から散乱した光を該固体撮像素子で受光して該指の指紋画像を読み取る指紋読み取り装置において、
   前記指に光を照射する照明手段と、
   前記固体撮像素子が配置される固体撮像素子基板と、
   前記固体撮像素子基板及び前記照明手段が共に配置される配線基板と、
   を有し、
   前記配線基板上の少なくとも前記照明手段と前記固体撮像素子基板との間に配置され、
   該固体撮像素子基板上の前記指が接する面の高さと２０μｍ以内の高さを有する部材を有していることを特徴とする指紋読み取り装置。
2. 前記部材は、少なくとも前記照明手段から前記指に照射される光以外の不要光を前記固体撮像素子に対して遮光することを特徴とする請求項１記載の指紋読み取り装置。
3. 前記部材は、前記固体撮像素子基板及び前記照明手段の周囲を取り囲む枠形状に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の指紋読み取り装置。
4. 前記枠形状に形成された前記部材の枠内に樹脂を充填し硬化したことを特徴とする請求項１又は２に記載の指紋読み取り装置。
5. 前記樹脂は、少なくとも前記照明手段の光を遮光するもので構成されることを特徴とする請求項４記載の指紋読み取り装置。
6. 前記照明手段は、赤外光及び／又は近赤外光を照射する手段であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の指紋読み取り装置。
7. 前記固体撮像素子基板の指先が接する面に保護部材としてシリコン基板が配置されていることを特徴とする請求項６記載の指紋読み取り装置。
8. 前記シリコン基板は、厚さが３０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項７記載の指紋読み取り装置。
9. 前記部材は、導電手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の指紋読み取り装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の指紋読み取り装置を用いたことを特徴とする個人認証システム。
11. 前記指紋読み取り装置により読み取られた前記指の指紋画像を被検体の識別情報として予め登録する指紋登録手段と、
    前記指紋読み取り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１０記載の個人認証システム。