JP2005174280A - 画像取得装置、指紋認証装置及び画像取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の光源における光量のバラツキによる光量むらを補正することができる画像取得装置、指紋認証装置及び画像取得方法を提供する。
【解決手段】 撮像素子部１０４は、２次元状に配置された画素を備え、被写体を撮像する。光源１０３は、撮像素子部１０４の主走査方向に平行に配置される複数のＬＥＤより構成され、被写体に光を照射する。ＬＥＤ駆動部１０８は、撮像素子部１０４における主走査方向の中心領域の光量分布がより均一となるよう複数のＬＥＤの輝度を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被写体の画像を取得する画像取得装置、その画像取得装置を用いた指紋認証装置及び画像取得方法に関し、特に、指紋認証等の生体認証システムに好適に搭載される画像取得装置、その画像取得装置を用いた指紋認証装置及び画像取得方法に関する。

近年、個人情報や機密情報に対するセキュリティを確保するため、指紋認証装置などの生体認証システムが注目され、事務機器や携帯機器への需要も高まっている。こうした指紋や顔、虹彩、掌紋などを用いた生体認証システムは、画像取得装置から生体の画像を取得して、この取得した画像から特徴抽出を行い、その情報を元に登録済みのデータと照合を行い、本人であることを認証する。

ここで、生体認証システムに用いられる画像取得装置の検出方式としては、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子を用いた光学方式や、静電容量方式、圧力検知方式、感熱方式、電界検出方式などがある。また、別の分類としては、２次元のエリアセンサを用いて被写体画像を一括して取得するエリアタイプと、１次元ラインセンサあるいは副走査方向の画素数が５〜２０程度の帯状の２次元センサを用いて、被写体を副走査方向に順次撮像した画像を合成して全体画像を取得するスウィープタイプと呼ばれる撮像方式がある（例えば、特許文献１参照。）。

従来、こうした生体認証システムでは、画像取得装置で取得した画像に対してコントラストの改善やエッジ強調等、さまざまな画像処理を行った後、照合を行うための特徴抽出処理を実行していた。
また、センサの受光領域内の異なる部分において露光条件を異ならせて撮影を行う画像入力装置に関する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００２−２１６１１６号公報 特開２００３−２３３８０６号公報

しかし、生体認証システムにおいて、もとの撮像画像自体がある程度十分な画像品質がなければ特徴抽出レベルが落ちるため、照合精度が低下してしまう。例えば光学式の指紋センサでは、光源の質が撮像画像自体の画質品質を決める大きな要素である。

例えば複数のＬＥＤなどを光源とする場合に、各光源（ＬＥＤ）の光量の不均一性が問題となる。例えばＬＥＤは、輝度ランクにより層別されていても、同じ電流値に対して輝度の最小値と最大値では２倍異なる場合であっても許容範囲とされ、同じ製品として出荷されている。すなわち、ＬＥＤは同じ電流値に対する輝度の製品間のばらつきが大きい。こうした場合、複数のＬＥＤを光源とすると、輝度のばらつきがそのまま撮像した指紋画像に表れ、最大でダイナミックレンジの５０％を光源の不均一性が占めて信号成分を圧迫することになる。これはＳ／Ｎの低下を起こすばかりでなく、不均一性が邪魔をして背景除去や隆線抽出などの撮像画像の特徴を抽出するための画像処理をより難しくするため、結果として照合精度を低下させてしまうという問題がある。

また、特に指をセンサに密着させる光学式の指紋センサの場合、光源をセンサの近接に配置するため、光源とセンサの距離関係からセンサ上の受光エリアにより光量がばらつく光量ムラ（シェーディング）が発生する。この場合も、輝度差がそのまま撮像した指紋画像に表れるため、上述したように光源の不均一性が信号成分を圧迫して、Ｓ／Ｎの低下や背景除去や隆線抽出などの画像処理を難しくして照合精度が低下するという問題がある。

特に、スィープタイプの指紋センサの場合は、撮影画像の画質劣化により以下に示す２点の特有の問題が生じる。第一に画像再構成（部分画像同士をつなぐ処理）が難しくなるという問題が生じる。これは、画像再構成のためには、センサ上を移動する指（指紋）の部分画像を取得後に、上下に隣接する部分画像同士の相関性を計算して同一指紋部位を検出する必要がある。この時に、撮像領域内に光源からの距離違いや光源自身のバラツキなどによる輝度差があると、この輝度差の分だけ相関性が低下してしまうため同一指紋部位の検出が困難となるという問題がある。尚、この相関性低下は、特に指の移動方向に対してシェーディングがあると顕著になる。

第二に再構成後の指全体の画像から指紋の特徴点を抽出するときに、誤った特徴点を検出したり、本来の特徴点を検出できなかったりして、照合精度が落ちてしまうという問題が生じる。これは、指の移動方向に対してシェーディングがある場合、輝度が高い行（ここでは最初の方に読み出される行とする）と輝度の低い行（ここでは最後の方に読み出される行とする）を含む行方向に輝度差のある複数の部分画像が得られる。これらの部分画像を連続してつなげる場合には、例えば１枚目の部分画像の最後の行と２枚目の部分画像の最初の行をつなげる処理を行う。このように、１枚目の部分画像の最後の行（第１行とする）と、２枚目の部分画像の最初の行（第２行とする）との相関性を計算してつなげようとした場合に、シェーディングのために第１行と第２行の輝度差が大きいと、つなげた部分に擬似的な線が生じてしまうことがあるという問題がある。そして、各部分画像毎の境目に同様の線が現れることで擬似的な指紋パターンと誤認識されてしまうかもしれないという問題もある。一般に指紋の特徴点の抽出は指紋パターンの隆線を検出してその隆線の不連続点や分岐した点などを特徴点として検出している。このため、擬似的に指紋パターンとして誤認識されるとこうした不連続点や分岐した点が発生してしまい、本来特徴点ではない点を特徴点として抽出してしまうことになる。これにより、指紋の照合精度が低下してしまうという問題が生じる。

また、上述した問題の解決策として、取得した撮像画像を画像処理で補正をすることも考えられるが、補正した分Ｓ／Ｎが劣化したり、あるいは副作用的な画質劣化が生じたりする場合があり、本質的な解決策とはならない。

さらに、光学的なセンサは外光による影響を受けやすい問題がある。室内や夜間など外光が弱くて光源からの光を主として被写体を照明する場合と、昼間の室外や窓からの強い入射光が光源からの光とともに被写体を照明する場合では、光量やその分布状況が大きく変化し、同じ被写体であっても得られる画像が大きく変化してしまう。

たとえば室内時での光量条件で最適化されている場合に強い真夏の直射日光下になった場合は、想定しているダイナミックレンジに入らず、光量が強すぎて画像が飽和してしまう。逆に明るい環境下で最適化されていた場合は、光量が弱すぎた場合は黒沈みしてしまう。

また、窓から夕日の光が斜めに入射した場合など、面内での光量分布が大きく変化する場合は、面内の一部が飽和してしまったり、あるいは黒沈みしてしまうことで画像処理や認証に用いられるダイナミックレンジに含まれる画像範囲が狭まってしまう。

これらのため、外光の影響が部分画像の演算時間や演算結果および照合精度等に影響を与えてしまうという問題が生じる。

外光がセンサの画素に入射しないように遮光カバーを設けたり、外光を遮断する光学部材を設ける方法も考えられるが、遮光カバーや外光を遮断する光学部材は外形的な大きさの増大やコスト増加を招く。

この発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、上記課題の少なくともひとつを解決するものであり複数の光源における光量のバラツキによる光量むらを補正することができる画像取得装置、指紋認証装置及び画像取得方法を提供することを目的とする。
また、光源とセンサの位置関係により生じるシェーディングを補正することができる画像取得装置、指紋認証装置及び画像取得方法を提供することを目的とする。
さらに、外光による露光量の変化や不均一性を検出して、補正することができる画像取得装置、指紋認証装置及び画像取得方法を提供することを目的とする。

この発明は、上述した課題を解決すべくなされたもので、本発明による画像取得装置においては、１次元あるいは２次元状に配置された画素を備え、被写体を撮像する撮像手段と、被写体に光を照射する光照射手段とを具備し、撮像手段は、被写体と撮像手段とが相対的に移動する場合に、被写体の複数の部分画像を出力し、撮像手段における部分画像面内の露光量を制御する制御手段を有することを特徴とする。

また、本発明による画像取得装置においては、２次元状に配置された画素を備え、被写体を撮像する撮像手段と、撮像手段の主走査方向に平行に配置されて前記被写体に光を照射する複数の光照射手段と、複数の光照射手段の輝度を制御する制御手段と、撮像手段の副走査方向において、前記撮像手段の電荷蓄積期間または前記光照射手段の輝度の少なくとも一方を制御する副走査方向制御手段とを具備し、制御手段は、前記撮像手段における前記主走査方向の光量分布を前記複数の光照射手段の輝度を制御することによって制御し、副走査方向制御手段は、前記撮像手段の副走査方向における前記光照射手段の輝度差を補正するように、前記撮像素子の電荷蓄積期間または前記光照射手段の輝度の少なくとも一方を制御することを特徴とする。

また、本発明による画像取得装置においては、被写体を撮像する撮像手段と、前記被写体に光を照射する光照射手段と、外光の状況を判断する判断手段と、前記判断手段により判断した外光状況に応じて、前記撮像手段における画像面内の露光量を制御する制御手段とを具備することを特徴とする。

また、本発明による指紋認識装置においては、請求項１から１０のいずれか１項に記載の画像取得装置を具備することを特徴とする。
また、本発明による指紋認識装置においては、請求項１５から２０のいずれか１項に記載の画像取得装置を具備することを特徴とする。

また、本発明による画像取得方法においては、被写体を撮像するための撮像手段を用いて、該被写体に光を照射して画像を取得する画像取得方法であって、撮像手段と前記被写体とを相対的に移動させて、該被写体の複数の部分画像を出力し、前記撮像手段の前記部分画像面内の露光量を制御することを特徴とする。

また、本発明による画像取得方法においては、被写体を撮像するための撮像手段を用いて、該被写体に光を照射して画像を取得する画像取得方法であって、外光状況に応じて、前記撮像手段における画像面内の露光量を制御することを特徴とする。

本発明によると、光量のバラツキによる光量むらを補正することができる。これにより、撮像画像の画像品質が向上するので、指紋の照合精度を向上することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態として、本発明を適用したスウィープ（スキャン）型の指紋認証装置の模式的な構成を示すブロック図である。
本実施形態における指紋認証装置は画像取得部１０１と認証部１０２とからなる。例えば、画像取得部１０１は画像センサを有した撮像ユニットで、また認証部１０２はパーソナルコンピュータにより実行される機能の組み合わせであったり、あるいは、画像取得部１０１と認証部１０２とがひとつの指紋認証ユニットとして組みあわされ、不図示のパーソナルコンピュータに接続される独立の装置であってもよい。

まず、画像取得部１０１について説明する。図１の画像取得部１０１において、１０３は照明用の光源（光照射手段）であり、本実施形態においてはＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）である。１０８は、そのＬＥＤの輝度や点灯タイミングを制御するＬＥＤ駆動部である。

１０４は、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型やＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型等の撮像素子部であり、１次元センサあるいは副走査方向の画素数が５〜２０画素程度の帯状の２次元センサであって、画像を取得する被対象物の面積よりも小さい。本実施形態における撮像素子部１０４は、ＣＭＯＳ型のセンサで、主走査方向が５１２画素、副走査方向が１２画素の帯状の２次元センサであるとする。

１０５は、撮像素子部１０４とＡＤ（アナログ デジタル）コンバータ部１０７のサンプリングタイミングを制御するセンサ駆動部である。１０６は、撮像素子部１０４からのアナログ出力を後段のＡＤコンバータ部１０７で処理するのに適切なＤＣ（直流）レベルにクランプするとともに、適切な増幅を行うアンプ・クランプ部である。１０７は、撮像素子部１０４からのアナログ出力をデジタル信号へ変換するＡＤコンバータ部である。また、１０９が認証部１０２との通信を行う通信部である。

１１０a、１１０ｂは、それぞれ撮像素子部１０４、アンプ・クランプ部１０６が出力するアナログ信号を伝播する画像データ信号線である。１１０ｃは、ＡＤコンバータ部１０７が出力するデジタル信号を伝播する画像データ信号線である。１１２ａ、ｃは、センサ駆動部１０５から撮像素子部１０４及びＡＤコンバータ部（ＡＤＣ部）へ出力される駆動パルスの信号線である。１１２ｂは、ＬＥＤ駆動部１０８から光源１０３に送られる駆動パルスの信号線である。１１１が、通信部１０９が認証部１０２からの制御信号を受けて出力する信号であって、センサ駆動部１０５とＬＥＤ駆動部１０８の制御を行う信号を伝達する制御線である。

１１３は、通信部１０９がＡＤＣ部１０７から入力される画像データ信号を出力して、認証部１０２まで伝達するデータ信号線である。１１４は、認証部１０２からの制御信号を画像取得部１０１の通信部１０９まで伝達する制御信号線である。

次に、認証部１０２について説明する。認証部１０２において、１１５は、画像取得部１０１と通信を行うための通信部である。１３５は、帯状の２次元センサを有する画像取得部１０１が出力する、被写体を副走査方向に順次撮像した複数の画像データを用いて、被写体像を示す画像を合成する画像合成部である。

１２１は、画像合成部１３５が出力する合成後の画像データを用いて、撮像素子部１０４上に指が置かれたことや、その指が偽の指でなく生体であることを検知する生体検知部である。生体検知部１２１は、画像データの色成分や輝度変動を用いて画像データ中の被写体が生体（指）であるか否かを判別する。１２２ａは、生体情報輝度検出部であり、画像合成部１３５が出力する合成後の画像データの中から生体情報の含まれる領域を判別して、判別した生体情報領域の輝度を検出する。１２３ａは、生体情報輝度検出部１２２ａをはじめ各部からの情報をうけて画像取得部１０１を制御する制御信号を通信部１１５を介して画像取得部１０１へ出力する制御部である。

１１６は、画像合成部１３５が出力する合成後の画像データに対して特徴抽出を行うために、エッジ強調などの画像処理を行う前処理部である。１１７は、前処理部１１６が画像処理を行うために利用するフレームメモリ部である。１１８は、前処理部１１６が画像処理後の画像データから特徴抽出を行う特徴抽出部である。１１９は、特徴抽出部１１８で抽出された個人の特徴をデータベース部１２０に登録あるいは、登録済みのデータと比較照合する登録・照合部である。１２０が個人のデータを保存するデータベース部である。

１２４ａ、ｂ、ｃ、ｄは、画像データを伝送するデータ線である。１２５は、データベース１２０と登録・照合部１１９間のデータ線および制御線である。１２６は、特徴抽出部１１８の抽出状態を制御部１２３ａに伝える信号線である。１２７、１２９ａは画像合成部１３５が出力する合成後の画像データを生体情報輝度検出部１２２ａ、指検知部１２１へ伝達する信号線である。１２８は、生体検知部１２１が生体検知結果を制御部１２３ａへ伝えるための信号線であり、１３０ａは、生体情報輝度検出部１２２ａが生体情報輝度検出結果を制御部１２３ａへ伝えるための信号線である。１３１は、各部の状態を受けて制御部１２３ａが出力する画像取得部１０１を制御するための制御信号を通信部１１５へ伝送する信号線である。

本実施形態の画像取得部１０１は、光源１０３を構成する各ＬＥＤ素子の輝度ばらつきと、各ＬＥＤと撮像素子部１０４の位置関係などで決まる光量の不均一性（シェーディング）について、あらかじめ出荷時に検査して、ＬＥＤ輝度分布から算出した補正値、調整値になるように制御部１２３ａが、センサ駆動部１０５およびＬＥＤ駆動部１０８へ制御信号を通信部１１５経由で送信する。センサ駆動部１０５及びＬＥＤ駆動部１０８は、制御部１２３ａからの制御信号に応じて撮像素子部１０４の動作及び光源１０３の各ＬＥＤの光量を制御する。尚、ＬＥＤ輝度分布から補正値等を算出するタイミングは出荷時に限定されるものではなく、例えば、光源１０３の各ＬＥＤ素子の輝度ばらつきと、各ＬＥＤと撮像素子部１０４の位置関係などで決まる光量の不均一性を、生体情報輝度検出部１２２ａにより検出することで、指のおかれた領域の輝度を判別して、制御部１２３ａにより動的に補正値、調整値を変化させるように制御信号を送り、センサ駆動部１０５およびＬＥＤ駆動部１０８を制御して、撮像素子部１０４の動作と光源１０３の各ＬＥＤの光量を制御してもよい。また制御部は、画像取得装置内に設けてもよい。

以上の制御部１２３ａからの補正、調整により、画像取得部１０１は、被写体の指を照明する光源１０３の光量の均一性を高めるとともに、露光条件をシェーディングに応じて制御して、撮像面内での照明条件の差を補正しながら指紋画像の取得を行うことができる。

次に、本実施形態におけるスウィープタイプと呼ばれる方式を用いた光学式指紋センサについて図を用いて説明する。

図２は、本実施形態におけるスウィープタイプと呼ばれる方式を用いた光学式指紋センサの概略構成および動作原理を示す図である。図２（ａ）は、指の側面方向から見た光学式指紋センサの概略図であり、図２（ｂ）は指の上から見た光学式指紋センサの概略図である。また、図２（ｃ）は帯状の２次元センサにより取得した１枚の指紋画像例を示している。また、図２（ｄ）は指の先端側から見た光学式指紋センサの概略図である。

図２（ａ）において、２０１は、指紋認証の対象となる指であり、矢印２０７の方向へ移動する。２０２は、光源としてのＬＥＤである。２０３が指紋の凹凸パターンの光学的な差を後述する撮像素子２０４へ導く光学的な部材（以下、光学部材とする）である。２０４は、副走査方向の画素数が５〜２０画素程度の帯状の２次元センサであり、具体的にはＣＭＯＳ型の撮像素子である。尚、図２（ａ）のＬＥＤ２０２は、図２（ｂ）のＬＥＤ２０２ａ〜ｅに対応し、図２のＬＥＤ２０２（ａ〜ｅ）は、図１の光源１０３に対応する。また、図２の光学部材２０３及び撮像素子２０４が図１の撮像素子部１０４に対応する。

２０５は、ＬＥＤ２０２から指２０１への光の出射方向である。２０６は、ＬＥＤ２０２が発した光が指２０１内で散乱した後に、指２０１から光学部材２０３及び撮像素子２０４へ向かう光の入射方向である。また、矢印２０７が指の移動（スウィープあるいはスキャン）方向である。

また、図２（ｃ）において、２０８は、帯状の２次元センサ（撮像素子２０４）により被写体である指２０１から取得した１枚の指紋画像例における指紋パターン例である。また、図２（ｂ）、（ｄ）において２０９は、指２０１の移動動作に伴い、移動方向と垂直方向への指２０１のブレやずれを防止するガイド機構である。図２（ｂ）において、点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各点は撮像素子２０４の画素上の位置を表している。尚、図２（ｂ）、（ｄ）においては、撮像素子２０４上の光学部材２０３を省いて示している。

また、図２（ｃ）に示すように、矢印２１０が撮像素子２０４における主走査方向であり、矢印２１１が撮像素子２０４における副走査方向である。ここで、本実施形態における主走査方向、副走査方向の定義は図４、５を用いて後述する。本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、光源としてのＬＥＤ２０２ａ〜ｅを矢印２１０に示した主走査方向と平行に配列する。

図２（ｄ）において、２１２は、このガイド機構２０９に指２０１があたっているときの指２０１の輪郭を示している。Ｌ１は、撮像素子２０４の幅を示し、Ｌ２は、ガイド機構２０９の高さを示す。図２（ｄ）に示すように、ガイド機構２０９が撮像素子２０４の両端に設置されている場合には、Ｌ３に示すような指２０１が撮像素子２０４の撮像面に接しないあるいは接しにくい領域が存在する。具体的には、Ｌ２が１．５ｍｍ、Ｌ１が１５ｍｍの場合、撮像素子２０４の撮像面において２０％の領域では指２０１が接していない、あるいは接しにくくなる。ここで、妥当なガイド機構２０９の高さが１．５〜２．５ｍｍとすると、両端から１０〜１６．５％の領域が指２０１の中央部に比べて指２０１の接し方が不十分になる。

一般的なこうしたセンサ構成の検討結果においても、実験的においても画質的に均一な状態を期待するのは、指２０１が十分接する撮像素子２０４の撮像面の中央６７〜８０％（２／３〜４／５）程度の領域である。また、撮像面の両端の領域は、本来の指紋画像を取得する目的よりも、指２０１の側面の指紋における隆線パターンの変化から中央領域の指紋抽出を補助する役割や、あるいは指２０１の外側から入る光により外光環境（今、室外にいるのか室内にいるのか、夜か昼かなど。）を検知して、適切な露光条件や信号処理レベルを算出するための役割など、中央６７〜８０％の領域の取得画像を補間する情報を得るための領域として用いられる場合が多い。

次に、スィープ型指紋センサにおける、複数の図２（ｃ）に示した部分画像から指紋全体の画像を合成する処理ついて説明する。
図３は、スィープ型指紋センサにおける、複数の部分画像から指紋全体の画像を合成する処理例を示す図である。図３（ａ１）〜（ａ９）は、図２（ａ）の矢印２０７の方向に指２０１を移動した際に、指紋センサの撮像素子２０４により連続取得した指紋の部分画像を示している。図３（ｂ）はそのうちの１枚であり、図３（ａ６）に相当する。ここで、図３（ａ１）の３０１は、例えば図３（ａ５）の画像にも含まれる同じ指２０１に対して画像取得部１０１が最初に取得した部分画像を示している。図３（ｃ）は、撮像素子２０４を含む画像取得部１０１により取得した部分画像図３（ａ１）〜（ａ９）を基に、画像合成部１３５が合成することで得られる１枚の指紋画像例を示している。

図２のように指２０１を撮像素子２０４上で移動しながらを副走査方向に順次撮像して取得した指紋の部分画像は、図３（ｂ）（＝図３（ａ６））の３０２の部分と図３（ａ７）の下半分の部分や、図３（ｂ）の３０３の部分と図３（ａ５）の上半分の部分ように連続した画像のなかで相関性の高い領域がある。画像合成部１３５は、この相関性の高い部分を指２０１の同一領域と判断してつなぎ合わせることにより、図３（ａ１）〜（ａ９）に示す部分画像から図３（ｃ）に示す指紋画像を合成する。

次に、本実施形態におけるＣＭＯＳ型の撮像素子２０４（撮像素子部１０４）が備えるセンサ部６の回路構成例について説明する。
図４は、図１の撮像素子部１０４（図２の撮像素子２０４）のセンサ部６の回路構成例を示す図である。本実施形態の撮像素子部１０４は副走査方向の画素数が５〜２０程度の帯状の２次元センサである。この帯状の撮像素子部１０４により、被写体である指２０１を副走査方向に順次撮像した画像を合成して全体画像を取得するスウィープタイプと呼ばれる指紋センサを構成している。

本実施形態では、一般的な撮像素子における水平走査方向が主走査方向であり、垂直走査方向が副走査方向である。通常のＣＭＯＳ型の撮像素子部１０４は、まず垂直方向の１行（たとえば一番上の行）を選択して、その行の水平方向の一端から同じ行の反対側の端に向かって（たとえば一番左から右に向かって）画素を順次読み出していく。その後、次の垂直方向の１行を選択して、同様に水平方向の一端から同じ行の反対側の端に向かって画素を順次読み出していく。こうして垂直方向に各行の読出しを行い画面全体の画素を取得する。このため、本実施形態の撮像素子部１０４においては、水平方向の走査を主走査、垂直方向の走査を副走査とした。

図４において、４１はセンサ部６において１画素を構成する画素部である。４２は、画素部４１における読み出しパルス（ΦＳ）の入力端子である。４３は、画素部４１におけるリセットパルス（ΦＲ）の入力端子である。４４は、画素部４１における転送パルス（ΦＴ）の入力端子である。４５は、画素部４１における信号読み出し端子（Ｐ０）である。４６は、後述するセレクタ部６６から水平方向の各画素に読み出しパルス（ΦＳ）を送る信号線、４７は後述するセレクタ部６６から水平方向の各画素にリセットパルス（ΦＲ）を送る信号線、４８は後述するセレクタ部６６から水平方向の各画素に転送パルス（ΦＴ）を送る信号線である。４９は垂直信号線であり、４０は定電流源であり、５１は垂直信号線４９に接続された容量である。５２は水平シフトレジスタ５６にゲートが接続され、ソース−ドレインに垂直信号線４９と出力信号線５３が接続された転送スイッチである。５４は、出力信号線５３に接続された出力アンプである。出力アンプ５４の出力は出力端子５５へ出力される。この出力端子５５がセンサ部６の出力端子である。

また、５６は水平シフトレジスタ（ＨＳＲ）、５７はそのスタートパルス（ＨＳＴ）の入力端子、５８はその転送クロック（ＨＣＬＫ）の入力端子である。また、５９は垂直シフトレジスタ（ＶＳＲ）、６０はそのスタートパルス（ＶＳＴ）の入力端子、６１はその転送クロック（ＶＣＬＫ）の入力端子である。また、６２は後述するローリングシャッタと呼ばれる方式の電子シャッタ用のシフトレジスタ（ＥＳＲ）、６３はそのスタートパルス（ＥＳＴ）の入力端子、６４は垂直シフトレジスタ（ＶＳＲ）５９の出力線、６５は電子シャッタ用のシフトレジスタ（ＥＳＲ）６２の出力線である。また、６６は、画素部４１の動作を制御する読み出しパルス（ΦＳ）、リセットパルス（ΦＲ）、転送パルス（ΦＴ）を出力するセレクタ部であり、６７は転送パルスの元信号ＴＲＳの入力端子、６８はリセットパルスの元信号ＲＥＳの入力端子、６９は読み出しパルスの元信号ＳＥＬの入力端子である。尚、図４において、一つの画素にのみ符号４１〜４５を付与して、他の画素への符号は図を見やすくするために省略していが、以下の説明においては、センサ部６の全ての画素に符号４１〜４５が付与されているとする。

図５は、図４に示した画素部４１の構成例を示す図である。図５において、７１は電源電圧（ＶＣＣ）、７２はリセット電圧（ＶＲ）、７３はフォトダイオード、７４〜７７はＭＯＳトランジスタからなるスイッチ、７８は寄生容量（ＦＤ）、７９はグラウンドである。上述したスイッチ７４は、リセット用のスイッチであり、スイッチ７６は、読み出し用のスイッチである。

ここで、撮像素子部１０４における光電変換の動作を図４、図５を参照して説明する。まず、図５のリセット用のスイッチ７４と、フォトダイオード７３に接続されたスイッチ７５とをオフした状態で、フォトダイオード７３において入射光による電荷の蓄積が行われる。

その後、スイッチ７６がオフした状態で、スイッチ７４をオンすることにより、寄生容量７８がリセットする。つぎに、スイッチ７４をオフ、スイッチ７６をオンすることにより、信号読み出し端子４５にリセット状態の電荷を読み出す。

つぎに、スイッチ７６をオフした状態で、スイッチ７５をオンすることにより、寄生容量７８に対して、フォトダイオード７３に蓄積された電荷を転送する。つぎに、スイッチ７５をオフした状態で、スイッチ７６をオンすることにより、信号読み出し端子４５に信号電荷を読み出す。

各ＭＯＳトランジスタの駆動パルスΦＳ，ΦＲ，ΦＴは、後述するように垂直シフトレジスタ５９，６２とセレクタ部６６とにより作成され、各信号線４６〜４８により、画素の入力端子４２〜４４に供給される。入力端子６０から入力されるクロック信号１パルスに対して、信号ＴＲＳ，ＲＥＳ，ＳＥＬが入力端子６７〜６９にそれぞれ１パルス入力され、このため、駆動パルスΦＳ，ΦＲ，ΦＴがそれぞれ信号ＴＲＳ，ＲＥＳ，ＳＥＬに同期して出力される。この結果、入力端子４２〜４４に、駆動パルスΦＳ，ΦＲ，ΦＴが供給される。

また、信号読み出し端子４５は、垂直信号線４９により定電流源４０に接続すると共に、垂直信号線容量５１及び転送スイッチ５２に接続されており、垂直信号線４９を介して電荷信号が垂直信号線容量５１に転送され、その後水平シフトレジスタ５６の出力に従い、転送スイッチ５２が順次走査されて、垂直信号線容量５１の信号が出力信号線５３に順次読み出され、出力アンプ５４を介して出力端子５５から出力される。ここで、垂直シフトレジスタ（ＶＳＲ）５９は、スタートパルス（ＶＳＴ）６０で走査が開始され、転送クロック（ＶＣＬＫ）６１が出力線６４を介してＶＳ１，ＶＳ２，…ＶＳｎと順次転送されていく。また電子シャッタ用垂直シフトレジスタ（ＥＳＲ）６２は、入力端子６３から入力されるスタートパルス（ＥＳＴ）で走査が開始され、入力端子６１から入力される転送クロック（ＶＣＬＫ）が出力線６５に順次転送されていく。

各画素部４１の読み出し順序は、まず垂直方向の上１行目を選択し、水平シフトレジスタ５６の走査に伴い左から右へ各列に接続した１行分の画素部４１を選択出力する。１行目の出力が終わると、２行目を選択し、再び水平シフトレジスタ５６の走査に伴い左から右へ各列に接続した画素部４１で光電変換された信号電荷を選択出力する。

以下、同様に垂直シフトレジスタ５９の順次走査に従い、１，２，３，４，５…行目と上から下まで走査を行い、１画面の画像出力を行う。ところで、センサ部６における露光期間は、各画素部４１が光の電荷を蓄積する蓄積期間と、センサ部６の撮像面に被写体からの光が入射する期間により決まる。更に説明すると、ＣＭＯＳ型のセンサは、ＩＴ（ｉｎｔｅｒｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ）型やＦＩＴ（ｆｒａｍｅ−ｉｎｔｅｒｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ）型のＣＣＤ素子と異なり、遮光されたバッファメモリ部を備えていないため、画素部４１から得られた信号を順次読み出している期間も、まだ読み出されていない画素部４１は露光され続ける。したがって、連続的に画面出力を読み出すと、その露光時間は画面の読み出し時間にほぼ等しくなる。また、光源としてＬＥＤを用いて、外光の入射を遮光部材などで入射しない場合などでは、点灯している期間のみを露光期間として制御することが可能になる。

また、別の露光時間を制御するひとつの方法として、ＣＭＯＳ型のセンサにおいては、電子シャッタ（フォーカルプレインシャッタ）として、蓄積の開始と終了の垂直走査を並行して行うローリングシャッタとばれる駆動方法が行われている。これにより、蓄積の開始と終了の垂直走査線数単位で露光時間を設定可能にしている。図４においては、ＥＳＲ６２が画素をリセットして蓄積を開始する垂直走査用のシフトレジスタであり、ＶＳＲ５９が、電荷を転送して蓄積を終了する垂直走査用のシフトレジスタである。電子シャッタ機能を用いる場合は、ＥＳＲ６２をＶＳＲ５９に先行して走査し、その間隔に相当する期間が露光期間になる。

このように、ＣＭＯＳ型のエリアセンサはローリングシャッタによる蓄積方法を取ることで、垂直方向の１行単位で画素の電荷をリセットして、１行単位で画素の電荷を読み出すため、垂直走査方向の行単位、つまり副走査方向の行単位で電荷蓄積を制御することができる特性がある。

本実施形態における指紋認証装置は、この副走査方向の行単位で電荷蓄積を制御できることと、センサ部６の画素の露光が光源の照射条件とセンサの蓄積期間との関係で決まることを利用したものである。

図６−１〜図９を用いて本実施形態の指紋認証装置の動作を説明する。
図６−１〜図６−３は、図２（ｂ）に示したＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ各点の位置に対する光源（ＬＥＤ２０２ａ〜ｅ）による輝度分布を示している。このうち、図６−１（ａ）、（ｂ）は、図２（ｂ）における点Ａから点Ｂへの方向（センサの主走査方向）の輝度分布を示す図である。図６−１（ａ）、（ｂ）において、６０１ａ〜ｅは、図２（ｂ）に示した各ＬＥＤ２０１ａ〜ｅの輝度分布の中心を模式的に示している。ここで、各ＬＥＤ２０１ａ〜ｅの輝度が理想的にばらつきがまったく無い場合は、その輝度分布は図６−１（ａ）のように示される。図６−１（ａ）において、実際のＬＥＤ２０１ａの輝度分布は破線６０２で示し、５つのＬＥＤ２０１ａ〜ｅによる全体の輝度分布は破線６０３で示している。図６−１（ａ）に示すように、理想的には各ＬＥＤ２０１ａ〜ｅの輝度レベルが１００％であり、全体の輝度分布を示す破線６０３も点Ａ〜点Ｂの方向に均一となっている。

しかしながら、実際のＬＥＤについては、メーカーの輝度によるランク分け（層別）を行ったとしても、同一の駆動電流において輝度の最大値が最小値の２倍程度あるなど、ばらつきが大きいのが一般的である。こうした場合の輝度ばらつき例を図６−１（ｂ）に示す。ここでは、６０１ａ、ｄが１００％の輝度レベルのときに、６０１ｃが７５％、６０１ｂ、ｅが５０％の輝度レベルとしている。この場合の５つのＬＥＤ２０１ａ〜ｅによる全体の輝度分布は破線６０４であらわされる。

こうした場合、点Ａ〜Ｂの領域にわたり輝度分布が５０％も上下するため、この光源を用いて撮像した指紋画像もまた、点Ａ〜Ｂの領域にわたり出力分布が５０％変化してしまう。こうした取得画像の不均一性は、指紋画像を取得後の画像に対して、画像処理を行い指紋の隆線の抽出や背景除去、特徴点を抽出する際に、抽出エラー、Ｓ／Ｎの低下、ダイナミックレンジの不足などを引き起こし、最終的には認証精度の低下をもたらす。画像処理の過程においても光源ムラの補正による除去は行うが、こうした画像処理による補正は単純な光源ムラの変化でないと効率的に除去できず、偽の輪郭などを発生してしまう。

ここで、一般的に光学的な撮像素子で指紋画像を取得すると指紋パターンによる光強度の差＝コントラストについて説明する。図６−２（ｃ）は、光源自体の輝度ムラがない状態での指紋画像の出力レベルを示す図である。図６−２（ｃ）の出力レベル６１０に示すように指紋パターンに応じて１０％〜３０％程度のコントラストが得られることがわかっている（乾燥した指などは除く。）。尚、図６−２（ｃ）の出力レベル６１０は、コントラストが最も低い１０％程度であるとする。また、指紋の隆線パターンを抽出するために画像演算をする上で必要とされるコントラストは、フルスケールの２５％以上であり、２５％以下であると十分な認証精度は得られない。

したがって、上述したように撮像素子により取得した指紋画像の指紋パターン部分のコントラストが１０％の場合には、図６−２（ｄ）の出力レベル６１１に示すように１０％のコントラストを２５％にするために２．５倍のゲインを掛けることになる。ところで、図６−２（ｄ）は、光源自体の輝度ムラがない状態での指紋画像の出力レベル６１１を示しているが、出力レベル６１１の２５％が指紋パターンを示す信号成分であると考えると光源の輝度ムラは少なくとも残り７５％以内に抑える必要がある。ここで、ゲインは２．５倍であるので、少なくとも光源の輝度ムラは３０％以内に抑える必要があることがわかる。

そこで、本実施形態においては、図２（ｂ）に示すＬＥＤ２０２ａ〜ｅにおいて、ＬＥＤ２０２ａと２０２ｂを１系統、ＬＥＤ２０２ｃを１系統、ＬＥＤ２０２ｄ、２０２ｅを１系統、計３系統に分けて、３系統のＬＥＤの輝度レベルを個別に制御することにより、中央領域の輝度分布が平坦にする構成である。この構成により、少なくとも３０％以内の輝度差に抑えることが可能となる。たとえば、図６−１（ｂ）に示した輝度ムラに対して輝度レベルを制御した場合の輝度分布例を図６−３（ｅ）に示す。図６−３（ｅ）に示すように、画像取得部１０１は、ＬＥＤ駆動部１０８を制御することで、ＬＥＤ２０２ａと２０２ｂの系統はそのまま輝度を変えないで、ＬＥＤ２０２ｃの輝度を７５％から５０％になるように輝度を下げる。さらに、画像取得部１０１は、ＬＥＤ２０２ｄ、２０２ｅの系統の輝度を半減する。以上の制御により、ＬＥＤ２０２ａ〜ｅの点Ａ〜点Ｂにおける全体の輝度分布は破線６０５に示すようになる。

これにより、ＬＥＤ２０２ａの輝度は１００％に対して、ＬＥＤ２０２ｅの輝度は２５％とその輝度差は拡大するものの、ＬＥＤ２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄの輝度はほぼ等しくできるため、点Ａ〜点Ｂのおおよそ７５％の中央領域については、輝度の均一性を高めることができる。これにより、本実施形態の画像取得部１０１は、上述した指紋認証のための画像に必要とされる中央６７〜８０％の領域の光量ムラを抑制できるため、取得画像の品質を向上させることができる。画像取得部１０１が取得する指紋画像の品質が向上することで、認証部１０２は、中央領域の指紋部分に対しての画像処理の精度も改善して、指紋の隆線や特徴点の抽出を円滑に行うことができ、認証精度を向上させることができる。尚、点Ａや点Ｂ近傍の端側の領域については輝度差が広がるが、ここで必要とされる処理は、たとえば背景除去や指の位置の検出等、指と背景の境界領域を判別して指の輪郭を抽出するなどの処理であり、指紋パターン自体の抽出に比べ、輝度差が大きくても閾値の調整で十分処理が行える。

以上に示したように、本実施形態の指紋認証装置における画像取得部１０１は、指紋画像を取得する際に高画質な画像が必要となる領域を分けて、その領域に応じて光源となるＬＥＤの輝度を調整することができる。すなわち、画像取得部１０１は、中央領域の輝度ムラを防ぐように、ＬＥＤ２０２ａ〜ｅを３系統に分けて制御している。これにより、画像取得部１０１は、必要最小限のＬＥＤの調整系統数で、良好な画質の指紋画像取得に適した効果的なＬＥＤの輝度ムラ改善を実現することができる。

次に、副走査方向の露光量制御（輝度制御）に関して述べる。図６−３（ｆ）は、図２（ｂ）における点Ｃから点Ｄへの方向（センサの副走査方向）の輝度分布例を示す図である。図６−３（ｆ）の実線６０６は、図６−１（ｂ）に示した輝度ムラ調整前のＬＥＤ２０２ｃの点Ｃから点Ｄへの方向の輝度レベルの変化を示している。また、図６−３（ｆ）の実線６０７は、図６−３（ｅ）に示した輝度ムラ調整後のＬＥＤ２０２ｃの点Ｃから点Ｄへの方向の輝度レベルの変化を示している。この実線６０６、６０７に示すように、点Ｃから点Ｄの方向に向かって輝度が低下して、点Ｄにおいては輝度が点Ｃより２５％低下して、シェーディングが発生している。このシェーディングは、点Ｃに対して点Ｄのほうが、ＬＥＤ２０２ｃに対して位置的に離れているために、光量分布が低下することに起因する。

指２０１を指紋センサに近接させた場合に、この点Ｃから点Ｄ方向（副走査方向）の輝度低下は、一般的に１０〜３０％程度であることがシミュレーションによりわかっている。この方向の輝度低下（＝シェーディング）は、特にスィープ型のセンサの場合は、部分画像同士の相関度を計算するときに相関性を低下させて、画像同士が接続できなくなる問題を起こす。また、接続できても、合成した画像の中で輝度変動が短冊状に残るため、擬似的な輪郭として処理されて偽の指紋情報になり認証精度の低下につながる。

本実施形態においては、この撮像素子２０４の副走査方向のシェーディングに対して、撮像素子２０４の副走査方向の各行における露光タイミングの時間的なずれを利用して露光量の制御を行うことで補正を実現する。具体的には、各画素における電荷の蓄積時間を行単位でシェーディング量に応じて変化させると方法と、各画素の行における露光タイミングの時間的なずれに応じてＬＥＤ２０２ａ〜２０２ｅの点灯時間を調整する方法とがあり、この２つの方法を組み合わせてもよい。以上の露光量の制御により、の図６−３（ｆ）に破線６０８で示したような割合で輝度レベルが増加するように、各行の露光量を副走査方向に増加させる。これにより、シェーディングによる輝度の減少変化（直線６０７）と露光量の行方向の制御による輝度レベルの変化（破線６０８）の合成により、そのトータル露光量は破線６０９に示すように副走査方向でほぼ均一化される。

特に、撮像素子２０４の主走査方向にわたる上述した各ＬＥＤ２０２ａ〜ｅの輝度ムラの調整を行った上で、副走査方向のシェーディング補正を行うことにより、指紋認証に必要な中心領域の露光条件の均一化を実現でき、これにより、部分画像（撮像素子２０４が一度の走査で取得する画像）の輝度レベルの均一化を実現できる。これにより、部分画像間の接続境界においても輝度差が発生せず、部分画像を合成する際の合成の失敗や合成によるノイズの発生などを防ぐことができ、指紋認証の精度低下を防ぐことができる。以上説明したように、本実施形態における画像取得部１０１は、主走査方向と副走査方向それぞれの特性に合わせた露光量の補正を行うことで、撮像面内における光源の露光量差を３０％以内に抑えることを実現している。

特にスィープ型の指紋センサの場合、指２０１の根元から先端に向かい撮像素子２０４に対して指２０１を移動させることが多い。このため、指２０１の移動方向に対して同じ方向となる、撮像素子２０４の副走査方向の各画素についてはシェーディングを補正して同等の露光量となるようにすることが最も求められる。また、図２に示すような撮像素子と光源の位置構成であれば、光源であるＬＥＤ２０２ａ〜ｅから副走査方向に生じるシェーディングは、光源（ＬＥＤ２０２ａ〜ｅ）と撮像素子２０４の画素部４１の副走査方向における位置関係（距離関係）が主要因になるため、そのシェーディング量の変化は単調減少、単調増加（センサの長辺片側に光源を配置した場合）などの単純なものになる。そのため、シェーディング量の変化率を、関数等を用いて予測可能である。尚、撮像素子２０４の長辺両側に光源を置いた場合であっても、二次関数的な変化となり、上記と同様に変化率は予測可能である。

一方、指２０１の移動方向に対して直交する方向（点Ａ〜点Ｂの方向）は、もともと指２０１の断面の太さが異なることや、指２０１内部での光の透過率や散乱率や、指２０１の側面からの回りこみ光など条件が違うため、なるべく均一に照射することが重要である。特に指紋の特徴点が期待される中央領域の光量の均一さを重視すればよく、端領域（点Ａ、点Ｂ付近）についてはそれほど光量の均一さを重視しない。また、この場合の光量ムラは光源（ＬＥＤ２０２ａ〜ｅ）のばらつき、指２０１の大きさ、指２０１の置いた位置、指２０１の押し圧、周囲の外光環境などにより個別ごとに大きく変わる。特に各ＬＥＤ２０２ａ〜ｅの個体ばらつきなど光源のばらつきが大きく影響する。したがって指２０１の移動方向に対して直交する方向（主走査方向）の輝度変化は複雑で、その輝度の変化率予測することは困難である。

したがって、図２（ａ）、（ｂ）に示すスィープ型の指紋センサにおいて指２０１の移動方向に対して同じ方向に撮像素子２０４の副走査方向を合わせて、副走査方向の各行における露光量の制御を行うことは、露光量を一次関数的に変化させやすい制御の特質の面で、シェーディングの補正に適したものになっている。また、個別ばらつきや環境に依存しない点からも、補正条件を変える必要が少なくなるため、補正量の管理がしやすくなる。すなわち、撮像素子２０４の副走査方向と、光源からの距離の違いによるシェーディングが生じる方向とが揃うような構成とすることで、シェーディング量を予測して副走査方向の各行における露光量を制御することが可能となり、適切なシェーディング補正を実現できる。

尚、本実施形態の撮像素子部１０４（の撮像素子２０４）は、スィープ型の指紋センサに用いられるものであるため、副走査方向の画素数が５〜２０画素程度の帯状であるが、例えば、副走査方向の画素数が主走査方向の画素数と同等以上あるエリアセンサを用いた指紋センサの場合においても、光源からの距離の違いによるシェーディングの影響により、指紋抽出におけるダイナミックレンジやコントラストが低下して、認証精度の低下を引き起こす。この場合においても、本実施形態のようにシェーディング（輝度の低下）の起こる方向と撮像素子（ＣＭＯＳセンサ）の副走査方向を一致させて、各行における露光タイミングをシェーディング補正するように制御することで対処することが可能である。尚、エリアセンサを用いた指紋認証装置については、第２の実施形態として後述する。また本実施形態においては、主走査方向、副走査方向の制御の両者を行なっているが、どちらか一方のみを行なっても良い。主走査方向の制御を行なう主走査方向制御手段、及び副走査方向の制御を行なう副走査方向制御手段は、図１の制御部１２３ａとして一体的に示しているが、別個設けても良いし、どちらか一方の機能を有するのみでも良い。

次に、上述した３系統に分けたＬＥＤ２０２ａ〜ｅの光量を制御する構成として、図１に示した光源１０３（＝図２のＬＥＤ２０２ａ〜ｅ）とＬＥＤ駆動部１０８の具体的な回路例について説明する。

図７、図８は、図１に示した光源１０３とＬＥＤ駆動部１０８の具体的な回路例を示す図である。図７に示すように、ＬＥＤ２０２ａと２０２ｂを１系統（以下、第１系統とする）、ＬＥＤ２０２ｃを１系統（以下、第２系統とする）、ＬＥＤ２０２ｄ、２０２ｅを１系統（以下、第３系統とする）とする計３系統で光源１０３が構成されている。この３系統のＬＥＤ２０２ａ〜ｅに対して、ＬＥＤ駆動部１０８は、トランジスタ７０６のオン／オフにより点灯制御する。図７の７０１〜７０３は、３系統あるＬＥＤの点灯を制御する信号であるＬＥＤ制御パルスが入力される入力端子である。図７に示すように入力端子７０１が第１系統を制御するＬＥＤ制御パルスが入力され、入力端子７０２及び入力端子７０３にも同様に第２系統及び第３系統を制御するＬＥＤ制御パルスが入力される。７０４、７０５は抵抗素子であり、７０６はトランジスタ、７０７が電源、７０８がＧＮＤ（グランド）を示している。

図７に示すように、ＬＥＤ駆動部１０８において、入力端子７０１が抵抗素子７０４を介してベース端子に接続されているトランジスタ７０６のコレクタ端子は、抵抗素子７０５及び信号線１１２ｂを介して第１系統のＬＥＤ２０２ｂ、２０２ａに接続されている。入力端子７０２が抵抗素子７０４を介してベース端子に接続されているトランジスタ７０６のコレクタ端子は、抵抗素子７０５及び信号線１１２ｂを介して第２系統のＬＥＤ２０２ｃに接続されている。入力端子７０３が抵抗素子７０４を介してベース端子に接続されているトランジスタ７０６のコレクタ端子は、抵抗素子７０５及び信号線１１２ｂを介して第３系統のＬＥＤ２０２ｄ、２０２ｅに接続されている。また、各トランジスタ７０６のエミッタ端子はＧＮＤ７０８に接続される。

光源１０３においては、第１系統として電源７０７と信号線１１２ｂ（入力端子７０１からの信号を伝えるもの）の間に、信号線１１２ｂの方へ電流が流れた時に発光するようにＬＥＤ２０２ａ、２０２ｂが直列に接続されている。同様に第２系統としてＬＥＤ２０２ｃが電源７０７と信号線１１２ｂ（入力端子７０２からの信号を伝えるもの）の間に接続され、第３系統としてＬＥＤ２０２ｄ、ＬＥＤ２０２ｅが電源７０７と信号線１１２ｂ（入力端子７０３からの信号を伝えるもの）の間に直列に接続されている。

以上に示した構成により、ＬＥＤ駆動部１０８は、入力端子７０１〜７０３に入力されるＬＥＤ制御パルスに応じて各トランジスタ７０６のオン／オフの時間をパルス幅制御することで、３系統のＬＥＤのそれぞれに接続された３本の信号線１１２ｂに駆動パルスを出力する。これにより、３本の信号線１１２ｂから３系統のＬＥＤへ入力された駆動パルスに応じて各ＬＥＤの点滅割合が調整され３系統の輝度が制御される。

次に、図７に示した入力端子７０１〜７０３に入力するＬＥＤ制御パルスを作成する制御パルス作成回路の回路例について説明する。尚、制御パルス作成回路はＬＥＤ駆動部１０８が具備する回路である。

図８は、図７に示した入力端子７０１〜７０３に入力するＬＥＤ制御パルスを作成する制御パルス作成回路の回路例を示す図である。図８において、８０１は、主走査方向のトリガとしての水平同期信号の入力端子である。８０２は、副走査方向のトリガとしての垂直同期信号の入力端子である。８０３は、クロック端子である。８０４は、水平同期信号と垂直同期信号をトリガとしてクロックをカウントするカウンタである。８０５は、上述した副走査方向のシェーディング補正のための補正値を格納したレジスタである。この補正値に応じて、ＬＥＤ２０２ａ〜２０２ｅからの距離が離れた行の画素程、露光量が増えるようにＬＥＤ２０２ａ〜２０２ｅの点滅時間が制御される。

８０６〜８０８は、３系統のＬＥＤにおける輝度割合の調整値を格納したレジスタである。この調整値に応じてＬＥＤ２０２ａ〜２０２ｅの光量が調整されると、図６−３（ｅ）に示す輝度レベルとなる。すなわち、中央領域が平均化された輝度レベルとなるように中央領域付近のＬＥＤの光量を制御するための調整値である。尚、レジスタ８０６〜８０８が、それぞれ、上述した第１系統〜第３系統に対応している。

８０９〜８１１は、レジスタ８０５から副走査方向のシェーディング補正のための補正値を読み込み、レジスタ８０６〜８０８から３系統別にＬＥＤの輝度割合の調整値を読み込み、カウンタ８０４の出力をデコードして制御パルスを作成するデコーダである。８１２〜８１４は、デコーダ８０９〜８１１から入力される制御パルスをクロック信号に同期して出力するフリップフロップである。

以上に説明した構成より、ＬＥＤ駆動部１０８は、撮像素子部１０４の撮像面において、主走査方向では中央領域の輝度差を無くした均一化した輝度レベルで光源１０３が光を照射するよう制御でき、更に、副走査方向で生じるシェーディングを補正するように光源１０３のＬＥＤ２０２ａ〜ｅの点灯時間を調整することができる。すなわち、ＬＥＤ駆動部１０８は、３系統のＬＥＤ別に輝度の調整を行うとともに、共通の副走査方向のシェーディング補正を実現するための制御パルスを生成して、光源１０３へ出力することができる。

次に、タイミングチャートを用いて、撮像素子部１０４及びＬＥＤ駆動部１０８における露光量の制御について説明する。
図９は、本実施形態における撮像素子部１０４及びＬＥＤ駆動部１０８の動作を示すタイミングチャートである。

図９において、９０１は、ＬＥＤ２０２ａ、２０２ｂの第１系統を制御する図７の入力端子７０１に入力される制御パルスＰ＿７０１である。９０２は、ＬＥＤ２０２ｃの第２系統を制御する図７の入力端子７０２に入力される制御パルスＰ＿７０２である。９０３は、ＬＥＤ２０２ｄ、２０２ｅの第３系統を制御する図７の入力端子７０３に入力される制御パルスＰ＿７０３である。この制御パルスＰ＿７０１・９０１〜Ｐ＿７０３・９０３が"Ｈ（ハイ）"の期間がＬＥＤの点灯期間である。このように、制御パルスＰ＿７０１・９０１〜Ｐ＿７０３・９０３（以下、制御パルス９０１〜９０３とする）の各々の点灯期間となる"Ｈ"のパルス幅を変えることで、それぞれのＬＥＤの輝度を調整できる。

また、９０４は、副走査方向の１行目の画素（Ｌ１）がリセットされるタイミングを示している。具体的には、図５に示した寄生容量７８をリセットするリセットパルスΦＲのことを示している。９０５は、副走査方向の１行目の画素に蓄積された電荷が、寄生容量（図５の寄生容量７８）に転送されるタイミングを示している。具体的には、図５に示したフォトダイオード７３から寄生容量７８へ電荷を転送する転送パルスΦＴのことを示している。

従って、時刻ｔ１〜時刻ｔ３の期間９１６は、Ｌ１におけるフォトダイオード７３の電荷蓄積期間を示している。ここで、制御パルス９０１〜９０３に示すように、時刻ｔ２までの期間９１２の間はＬＥＤの点灯が行われない。このため、実質的な副走査方向の１行目の画素（Ｌ１）の電荷蓄積期間は時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間９１７となる。

同様に、９０６は、副走査方向において２行目の画素（Ｌ２）がリセットされるタイミングを示しており、９０７は、副走査方向の２行目の画素（Ｌ２）に蓄積された電荷が、寄生容量７８に転送されるタイミングを示している。したがって、期間９１８がフォトダイオード７３の電荷蓄積期間を示し、期間９１９が実質的な副走査方向の２行目の画素における電荷蓄積期間を示している。また、９０３は副走査方向の３行目の画素（Ｌ３）がリセットされるタイミングを示しており、９０９は副走査方向の３行目の画素（Ｌ３）に蓄積された電荷が、寄生容量７８に転送されるタイミングを示している。したがって、期間９２０が実質的な副走査方向の３行目の画素における電荷蓄積期間を示している。

９１０は、副走査方向の４行目の画素（Ｌ４）がリセットされるタイミングを示しており、９１１は、副走査方向の４行目の画素（Ｌ４）に蓄積された電荷が、寄生容量７８に転送されるタイミングを示している。したがって、９２１が実質的な副走査方向の４行目の画素における電荷蓄積期間を示している。

このように、撮像素子部１０４の撮像面内の画素における電荷蓄積期間は、期間９１３に示す複数の行（図９のＬ１〜Ｌ４）で共通に蓄積される期間と、期間９１２，９１４に示すように行ごとに電荷蓄積の処理が異なる期間が存在する。図９に示すように、副走査方向において隣接する各行の間では、電荷蓄積期間が期間９１５だけ異なる。本実施形態では、この蓄積期間の行別のずれを利用することで、期間９１７、９１９、９２０、９２１に示すように、行ごとに電荷蓄積期間の長さが異なるようにすることができる。すなわち、副走査方向のシェーディングに応じて、行単位の露光量の制御とすることができる。

図９に示すように、各行がリセットされるまでの期間９１２の間、ＬＥＤを点灯せずに、各行のリセットを終えた後にＬＥＤを点灯させることで、リセットのタイミングが遅い行ほど電荷蓄積時間（＝露光量）を増加させることができる。逆に期間９１２及び期間９１３の間、ＬＥＤを点灯すれば、リセットのタイミングが遅い行ほど電荷蓄積時間（＝露光量）を減少させることができる。更に、期間９１２〜９１４の間、ＬＥＤを点灯した場合には、期間９１２または期間９１４の間において、ＬＥＤ輝度を変化させることで行単位の露光量を変えることも可能である。

また、期間９１３（各行で共通の電荷蓄積期間）と期間９１４（行毎に異なる電荷蓄積期間）の期間の割合を変えることにより、露光量の増加（減少）率を変えることができる。あるいは、期間９１３と期間９１４でＬＥＤに入力するパルス幅（ＬＥＤがオンする期間）を変えることでも、露光量の増加（減少）率を変えることができる。

以上に示したように、ＣＭＯＳセンサに特有である行単位の電荷蓄積期間の時間的な差を利用することで、上述した輝度の調整された３系統のＬＥＤにおけるシェーディングを補正することができ、撮像素子部１０４における撮像面内の特に中心領域の露光量の均一性を更に高めることができる。尚、行単位で電荷蓄積期間が異なるイメージセンサであれば、ＣＭＯＳセンサ以外のイメージセンサであっても本発明を適用可能である。

上述したように、指紋センサのような生体認証装置、あるいはバーコードリーダのような物体認識装置は面内の露光量の均一化が非常に難しい。とくに、被写体をセンサに密着させるタイプの指紋センサや、バーコードリーダの画像読み取り部等、被写体に近接して光源からの光を照射する光学センサの場合、光源自体のばらつきや撮像素子部との位置関係による輝度分布差による撮像面内での露光量の差が大きく出てしまう。

本実施形態における指紋認証装置は、こうした露光量の差を生体認証や物体認識に必要な中央領域に着目して二次元的に補正を行うことを特徴としている。具体的には、光照射素子（光源）を撮像素子（ＣＭＯＳセンサ）の主走査方向に平行して複数配置するとともに、主走査方向の中心領域において光照射素子からの光量分布の均一性が高くなるように光照射素子の輝度を制御して、副走査方向での露光量の均一性が高くなるように撮像素子の電荷蓄積タイミングと光照射素子の輝度や点灯タイミングを制御する。

また、主走査方向で光照射素子のばらつき（輝度ムラ）を調整する構成に加えて、撮像素子の副走査にしたがって撮像素子の電荷蓄積タイミングと光照射素子の輝度で決まる露光量の割合を副走査方向で一律に保ちながら変化させる構成としたことで、更に光照射素子の輝度ムラと、光照射素子と撮像素子の位置関係による露光量差（シェーディング）の異なる２点の補正を効率的に除去することができる。特に、シェーディングの補正の為の処理としては、光源と撮像素子の駆動パルスを変化させるのみなので、回路規模や外形の大きさが補正機能の追加により大きくなることはなく、補正機能の追加による製造コストの増加を抑制することができる。また、シェーディングの発生を防ぐために別の光源を設置するなどのコストを省くこともできる。また、この副走査方向の制御のみを行なっても良い。

また、本実施形態の指紋認識装置は、上述したように光源の点灯タイミングや輝度の制御や撮像素子の電荷蓄積時間の制御により、光源の輝度ムラやシェーディングを補正する手法なので、信号処理により光源の輝度ムラやシェーディングの補正を行う場合と比べて、Ｓ／Ｎの低下や補正による副作用の発生が無いという利点がある。例えば、室外で指紋認証装置を利用する場合などでは、ＬＥＤの明るさよりも外光の明るさのほうが明るく、露光量の調整の主要因になるが、この場合には当然輝度ムラが発生しない。しかし、従来の指紋認証装置において、画像処理で輝度ムラに対して一定の補正処理を行っていた場合には、室内か室外か判別しないと必要のない補正をしてしまう問題がある。あるいは、従来の指紋認証装置では、室内において一部外光が入った場合は、室外の光の領域で過補正がかかってしまう弊害があった。本実施形態における指紋認証装置においては、光源の輝度や発光タイミングの制御や撮像素子の電荷蓄積時間の制御により露光量自体を変化させるため、室外において外光にさらされても露光量を一定に保つことができ、過補正などが生じることはない。また、演算処理による補正ではないので、演算処理によるビット精度低下などの問題も発生しない。

以上、本実施形態では、指紋の認証方法として、部分画像から全体の指紋画像を合成すること、および合成した指紋画像から特徴点を抽出することを例示したが、本発明は指紋認証を行う上で取得画像の品質を向上するための手段と方法を述べたものであり、その部分画像を用いて特徴情報を抽出する方法や、特徴情報の種類、認証のアルゴリズムなどは何でもよい。

また、以上、本実施形態における指紋認証装置について説明したが、バーコードリーダや、工業用ロボットなどの物体認識用の撮像装置などにおける露光量の制御にも本発明を適用可能である。また、光を照射して画像の特徴から物体を認識する物体認識装置などにも適用可能である。また、生体認証装置の中でも指紋認証装置を例に本実施形態を説明したが、たとえば手や指、顔、目などに光を照射して、被写体の特徴情報を抽出して照合する生体認証装置に適用することも可能である。ここで、被写体の特徴情報とは、たとえば、掌紋、静脈などの血流、虹彩、顔認識などの情報である。また、上述した実施形態においては、光照射手段としてＬＥＤを挙げたが、蛍光管、ＥＬ、レーザーなど光源であればなんでもよい。また、主走査方向、副走査方向の制御手段の両者を持つ構成が好ましいが、どちらか片方を有してもよい。

（第２の実施形態）
図１０〜図１３を用いて、本発明の第２の実施形態として、エリア型の指紋認証装置について説明する。ここで、エリア型の指紋認証装置とは、上述した第１の実施形態のように指をスィープさせる必要がなく、所定の位置に指を置くだけで指紋を読み取り認証を行う装置である。尚、第２の実施形態における指紋認証装置の模式的な構成は、図１に示した第１の実施形態の構成と同様であるので、説明を省略する。同様に、撮像素子部１０４の内部構成も、第１の実施形態で図４、５に示した構成と同様であり、異なるのは、副走査方向の画素数である。

図１０（ａ）、（ｂ）は、エリア型の指紋認証装置における光源と撮像素子の位置関係を示す図である。図１０（ａ）は指の上面方向から見た指紋認証装置の概略図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）における上側の方向から見た指紋認証装置の概略図である。

図１０（ａ）において、２０１は指であり、１１０２ａ〜ｄが光源としてのＬＥＤである。ここで、矢印１１０４ａ〜ｄは、ＬＥＤ１１０２ａ〜ｄからの光の出射方向を示している。１１０３ａ、ｂは、ＬＥＤ１１０２ａ〜ｄからの光を導光しながら下面で散乱、あるいは反射されて上面に光を出射する導光体などの光学部材である。１１０１は、指２０１の指紋を面で取得するための２次元センサであり、ここではＣＭＯＳ型の撮像素子である。また、矢印１１０５がセンサの主走査方向、矢印１１０６がセンサの副走査方向である。尚、センサの主走査方向と副走査方向の定義は第１の実施形態において図４、５を用いて説明したとおりである。また、点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの各点は撮像素子１１０１の撮像面上の位置を示すためのものである。ここで、ＬＥＤ１１０２ａ〜ｄ及び光学部材１１０３ａ、ｂが図１の光源１０３に対応するものであり、撮像素子１１０１は、図１の撮像素子部１０４に含まれるものである。

以上に示したように、本実施形態では、光源１０３として導光体である光学部材１１０３ａ、ｂを主走査方向と平行に配置する。図１０（ｂ）において、破線の矢印１１０７は、光学部材１１０３ｂから指２０１への光の出射方向を示している。また、矢印１１０８は、指２０１で拡散された光の撮像素子１１０１への入射方向である。

図１０（ａ）、（ｂ）が示すように、撮像素子１１０１の撮像面において、指２０１の曲率のために指２０１の周囲の領域では指２０１が接していない、あるいは接しにくくなる部分がある。また、光学部材１１０２の高さもあるため、第１の実施形態と同様に両端から一定の領域が指２０１の中央領域に比べて指２０１の接し方が不十分になる。また、第１の実施形態と同様に、画質的に均一な露光状態を期待するのは、おおよそ中央６７〜８０％程度の領域である。周囲の領域は、本来の指紋画像を取得する目的よりも、指２０１の側面の指紋における隆線パターンの変化から中央領域の指紋抽出を補助する役割や、あるいは指の外側から入る光により外光環境（今、室外にいるのか室内にいるのか、夜か昼かなど。）を検知して、適切な露光条件や信号処理レベルを算出するための役割など、中央６７〜８０％の領域の取得画像を補間する情報を得るための領域として用いられる。

次に、撮像面上の図１０（ａ）に示した各点Ａ〜Ｅ間における輝度分布について説明するとともに、輝度ムラやシェーディングの補正について説明する。図１１−１（ａ）、（ｂ）及び図１１−２（ｃ）は、図１０（ａ）に示した点Ａ〜Ｅの位置に対する光源による輝度分布を示す図である。このうち、図１１−１（ａ）、（ｂ）は、点Ａから点Ｂへの方向（センサの主走査方向）の輝度分布を示す図である。具体的には、ＬＥＤ１１０２ａから導光体である光学部材１１０３ａを介した輝度分布は破線１２０１、ＬＥＤ１１０２ｂから導光体である光学部材１１０３ａを介した輝度分布は破線１２０２で示している。

まず、撮像素子１１０１の主走査方向に生じる輝度ムラとその補正について説明する。
図１１−１（ａ）では、ＬＥＤの輝度ばらつきによりＬＥＤ１１０２ａが１００％の輝度レベルであって、ＬＥＤ１１０２ｂが５０％の輝度レベルである場合が例示されている。この場合に、２つのＬＥＤ１１０２ａ、ｂのばらつきと導光体である光学部材１１０３ａによる光の減衰により全体の輝度分布は破線１２０３であらわされる。

こうした場合、点Ａ〜点Ｂの領域にわたり破線１２０３で示す輝度分布は、約７０％も上下するため、また、中央領域の輝度分布においても、矢印１２０４に示すように、最大値と最小値で約５０％の輝度差が生じている。この光源を用いて撮像した指紋画像もまた、中央領域にわたり出力分布が約５０％変化してしまう。こうした画像取得時の露光量の不均一性は、指紋画像を取得後の画像に対して、画像処理を行い指紋の隆線の抽出や背景除去、特徴点を抽出する際に、抽出エラー、Ｓ／Ｎの低下、ダイナミックレンジの不足などを引き起こし、最終的には認証精度の低下をもたらす。画像処理の過程においても光源ムラの補正による除去は行うが、こうした画像処理による補正は単純な光源ムラの変化でないと効率的に除去できず、偽の輪郭などを発生してしまう。

そこで、本実施形態においては、ＬＥＤ駆動部１０８は、ＬＥＤ１１０２ａ、ＬＥＤ１１０２ｂ、ＬＥＤ１１０２ｃ、ＬＥＤ１１０２ｄを各１系統として計４系統に分けて個別に制御することにより、中央領域の輝度分布が均一となるような構成である。たとえば、ＬＥＤ駆動部１０８は、図１１−１（ｂ）に示すように、ＬＥＤ１１０２ａの輝度レベルを１００％から５０％になるように下げる制御を行う。この制御により、ＬＥＤ１１０２ａの輝度レベルが５０％となり、ＬＥＤ１１０２ｂの輝度レベルと等しくなる。ＬＥＤ１１０２ａから導光体である光学部材１１０３ａを介した輝度分布は破線１２０５で示している。また、２つのＬＥＤ１１０２ａ、ｂからの照射による光学部材１１０３ａ全体の輝度分布は破線１２０６に示す。

これにより、図１１−１（ｂ）に示すように点Ａ〜点Ｂの距離全体にわたる破線１２０６の輝度差は、図１１−１（ａ）の破線１２０３の輝度差と比べて縮小することができている。特に、中央領域については、矢印１２０７に示すように、約２５％の輝度差にまで改善して、輝度の均一性を高めることができている。第１の実施形態でも述べたように、指紋認証のための画像に必要とされる中央領域の光量ムラを抑制できるため、取得画像の品質が向上、中央領域の指紋部分に対しての画像処理の精度も改善して、指紋の隆線や特徴点の抽出が円滑に行われる。この結果、認証精度が向上する。このように、指紋画像を取得する領域を分けて、輝度を調整する構成にしたことにより必要最小限のＬＥＤの調整系統数で、指紋画像取得に適した効果的な光量ムラ改善を実現する。尚、ＬＥＤ１１０２ｃおよびＬＥＤ１１０２ｄにより照射される光学部材１１０３ｂにおいても、同様の光量ムラの補正を行う。

次に、撮像素子１１０１の副走査方向に生じるシェーディングとその補正について説明する。図１１−２（ｃ）は、図１０（ａ）の点Ｃから点Ｅにかけての方向（撮像素子１１０１の副走査方向）の輝度分布を示す図である。図１１−２（ｃ）の実線１２０８に示すように、ＬＥＤ１１０２ａの先述の調整により、その輝度分布が低下しているが、さらに点Ｃから中央Ｄにかけて輝度が低下して点ＤからＥに向かい輝度が増加するという、シェーディングが発生している。

この原因は、点Ｃ、Ｅよりも点Ｄのほうが、光学部材１１０３ａ、ｂに対して位置的に離れているために、光量が低下することに起因する。この方向の輝度低下はシミュレーションや実測により予測や計測することができる。既に述べたように、この方向の輝度低下（シェーディング）は、指紋抽出におけるダイナミックレンジやコントラストの低下につながり、認証精度の低下を引き起こす。

本実施形態においては、第１の実施形態と同様に、シェーディングの補正を、撮像素子１１０１の副走査方向となる各行の露光タイミングの時間的なずれを利用して、露光量の制御を行うことで実現する。図１１−２（ｃ）の破線１２０９に示したような割合でＬＥＤ１１０２ａ〜ｄの点灯期間や輝度を増加させる。これにより、実線１２０８に示すシェーディングによる輝度変化と、破線１２０９に示すＬＥＤ１１０２ａ〜ｄの点灯期間や輝度の変化とを合成すると、そのトータル露光量は破線１２１０に示すように副走査方向で均一化される。さらに、出力にゲインをかけることにより破線１２１１に示す輝度レベルの光を照射した場合と同等の出力が得られる。

このように撮像素子１１０１の主走査方向における複数のＬＥＤによる輝度ムラの調整を行った上で、副走査方向のシェーディング補正を行うことにより、指紋認証に必要な中心領域の露光量の均一化が実現できる。これにより、撮像素子１１０１が、１回の走査で出力する部分画像間の接続合成処理においても接続部分に輝度差が発生せず、画像の接続合成の失敗や接続合成の副作用による画質劣化などで指紋認証の精度低下が起こることを防ぐことができる。

図１２、図１３に本実施形態における図１に示した光源１０３とＬＥＤ駆動部１０８の具体的な回路例を示す図である。
図１２は、図１０（ａ）に示したＬＥＤ１１０２ａ、ＬＥＤ１１０２ｂ、ＬＥＤ１１０２ｃ、ＬＥＤ１１０２ｄを各１系統とする計４系統に分けてトランジスタのオン／オフにより点灯制御する回路例を示す図である。ここで、各ＬＥＤの系統に流れる電流値は可変抵抗１３０１ａ〜ｄにより定められ、この可変抵抗１３０１ａ〜ｄの各抵抗値は調整端子１３０２ａ〜ｄにより制御される。この調整端子１３０２ａ〜ｄは手動により出荷時などに調整されてもよいし、あるいはシステムの中でマイコンによりＤＡコンバータなどを介して制御されてもよい。

７０１は、ＬＥＤ制御パルスの入力端子である。７０４、７０５は抵抗素子であり、７０６はトランジスタ、７０７が電源、７０８がＧＮＤを示している。４系統のＬＥＤ１１０２ａ〜ｄの輝度ばらつきは電流により調整を行う。具体的には、トランジスタ７０６のオン／オフをパルス幅制御することで、ＬＥＤ１１０２ａ〜ｄの点滅割合を調整して、輝度ムラの補正を行う。また、副走査方向のシェーディング補正の為の、ＬＥＤ１１０２ａ〜ｄの点滅割合の調整は、輝度ムラ調整後の４系統間における点滅期間の比率を維持して行う。

次に、図１２に示した入力端子７０１に入力するＬＥＤ制御パルスを作成する制御パルス作成回路の回路例について説明する。尚、制御パルス作成回路は本実施形態のＬＥＤ駆動部１０８が具備する回路である。
図１３は、入力端子７０１に入力される制御パルスを作成する制御パルス作成回路を示す図である。図１３において、８０１は、主走査方向のトリガとしての水平同期信号（ＨＤ）の入力端子である。８０２は、副走査方向のトリガとしての垂直同期信号（ＶＤ）の入力端子である。８０３は、クロック信号（ＣＬＫ）が入力されるクロック端子である。８０４は、水平同期信号と垂直同期信号をトリガとしてクロックをカウントするカウンタである。８０５は、上述した副走査方向のシェーディング補正のための補正値を格納したレジスタである。８０９は、レジスタ８０５から副走査方向のシェーディング補正のための補正値を読み込み、カウンタ８０４が出力するカウント値をデコードして制御パルスを作成するデコーダである。８１２は、デコーダ８０９から入力される制御パルスをクロック信号に同期して出力するフリップフロップである。

以上に説明した構成より、ＬＥＤ駆動部１０８は、撮像素子部１０４の撮像面において、主走査方向では中央領域の輝度ムラを無くした均一化した輝度レベルとなるような光量でＬＥＤ１１０２ａ〜ｄが光を照射するよう制御でき、更に、副走査方向で生じるシェーディングを補正するようにＬＥＤ１１０２ａ〜ｄの点灯時間を調整することができる。すなわち、ＬＥＤ駆動部１０８は、４系統のＬＥＤ別に輝度の調整を行うとともに、共通の副走査方向のシェーディング補正を実現するようＬＥＤ１１０２ａ〜ｄのオン／オフを制御することができる。

次に、タイミングチャートを用いて、本実施形態における撮像素子部１０４及びＬＥＤ駆動部１０８における露光量の制御について説明する。
図１４は、本実施形態における撮像素子部１０４及びＬＥＤ駆動部１０８の動作を示すタイミングチャートである。

図１４において、１５０１は、副走査方向のシフトレジスタの転送クロックであり、１副走査期間ごとに１回パルスが印加されている。１５０２は、ＬＥＤ１１０２ａ〜ｄに共通の制御信号となり入力端子７０１に入力される制御パルスを示している。この制御パルス１５０２は、"Ｈ"の期間がＬＥＤの点灯期間である。このように、１５１５、１５１７に対して１５１６の点灯期間のパルス幅を変えることで、ＬＥＤ１１０２ａ〜ｄの輝度を調整できる。

また、１５０３は副走査方向の１行目の画素（Ｌ１）に蓄積された電荷がリセットされるタイミングを示している。具体的には、図５に示した寄生容量７８をリセットするリセットパルスΦＲのことを示している。１５０４は、副走査方向の１行目の画素に蓄積された電荷が、寄生容量（図５の寄生容量７８）に転送されるタイミングを示している。具体的には、図５に示したフォトダイオード７３から寄生容量７８へ電荷を転送する転送パルスΦＴのことを示している。

同様に、１５０５は副走査方向の２行目の画素（Ｌ２）がリセットされるタイミングを示しており、１５０６が副走査方向の２行目の画素に蓄積された電荷が、寄生容量７８に転送されるタイミングを示している。また、１５０７は副走査方向のｍ行目の画素（Ｌｍ）がリセットされるタイミングを示しており、１５０８が副走査方向のｍ行目の画素に蓄積された電荷が、寄生容量７８に転送されるタイミングを示している。１５０９は、副走査方向のｎ行目の画素（Ｌｎ）がリセットされるタイミングを示しており、１５１０が副走査方向のｎ行目の画素に蓄積された電荷が、寄生容量７８に転送されるタイミングを示している。

図１４において、期間１５１１〜１５１４が上述した各行の画素（Ｌ１〜Ｌｎ）の電荷蓄積期間を示している。図１４に示すように、期間１５１１〜１５１４は、２行分の副走査を行う期間に等しい。しかしながら、ＬＥＤ１１０２ａ〜ｄの点灯期間は、期間１５１５に示したように、副走査期間の１００％の期間は点灯されないため、実質的な副走査方向の蓄積期間は、期間１５１１〜期間１５１４にＬＥＤ１１０２ａ〜ｄの点灯割合を掛けたものになる。したがって、露光量は期間１５１２と期間１５１３と期間１５１４では異なり、副走査方向において中央領域となる期間１５１３の露光量が大きく、副走査方向において端の領域となる期間１５１２と期間１５１４の露光量が小さくなり、図１１−２（ｃ）の破線１２０９に示した露光量制御を実現する。以上に示したように、１５０２に示した制御パルスを入力端子７０１に入力することで、シェーディングを防ぐために副走査方向で露光量が補正される。

また、上述した制御パルス１５０２の代わりに、１５１８に示す制御パルスを入力端子７０１に入力すると以下のように露光量を制御することができる。制御パルス１５１８は、制御パルス１５０２に比べて、両端の領域におけるＬＥＤ１１０２ａ〜ｄの点灯割合が少ない。具体的に比較すると、中央領域である期間１５２１は期間１５１６と同様に点灯割合が１００％である。しかし、期間１５１５における点灯割合に対して期間１５２０の点灯割合は少ない。同様に、期間１５１７の点灯割合に対して期間１５２２の点灯割合も少ない。こうすることにより、図１１−２（ｃ）に示す破線１２０９の傾きを大きくでき、シェーディングに対する補正のかかり方を急峻にすることができる。

また、上述した制御パルス１５０２の代わりに、１５１９に示す制御パルスを入力端子７０１に入力すると以下のように露光量を制御することができる。制御パルス１５１９は、制御パルス１５０２に比べて、全体的にＬＥＤ１１０２ａ〜ｄの点灯割合が少ない。具体的に比較すると、期間１５１５、１５１６、１５１７における点灯割合に対して期間１５２３、１５２４、１５２５の点灯割合が半分である。こうすることにより、図１１−２（ｃ）に示す破線１２０９の傾きを変えずに、破線１２１０の絶対値を半分にすることができる。すなわち、ＬＥＤ１１０２ａ〜ｄの副走査方向における点灯割合の違いの比率は保ったまま、全てのパルスにおいて点灯割合を半分にすることにより、シェーディング補正量は同一のまま輝度を均一に半減することもできる。このように、露光期間の時間的な差を利用することで、輝度の調整がされた４系統のＬＥＤを共通の割合でシェーディング補正できる。

本実施形態の指紋認証装置は、光源の点灯割合とセンサの蓄積時間を利用して光源の補正行うため、信号処理でシェーディング補正を行う場合に対して、Ｓ／Ｎの低下や補正による副作用の発生が無い利点がある。たとえば、室外で利用する場合などでは、ＬＥＤの明るさよりも外光の明るさのほうが明るく主要因になるが、この場合輝度ムラが発生しない。しかし、画像処理で一定の補正をした場合、室内か室外か判別しないと逆に補正をしてしまう場合がある。あるいは、室内でも一部外光が入った場合は、室外の光の領域で過補正がかかってしまう弊害があったが、本実施形態の指紋認証装置は、こうした弊害を除きながら、少ない光源数で指紋認証に必要な領域の輝度ムラを抑えて、低コストで高精度な指紋認証を実現する。

以上、本実施形態における指紋認証装置について説明したが、バーコードリーダや、工業用ロボットなどの物体認識用の撮像装置など、光を照射して画像の特徴から物体を認識する画像入力装置について本発明を適用可能である。また、生体認証装置の中でも指紋認証装置を例に本実施形態を説明したが、被写体の部分画像をつなぎ合わせて合成する方式を用いた画像取得方式であれば、たとえば手や指、顔、目などに光を照射して、被写体の特徴情報を抽出して照合する生体認証装置に適用することも可能である。ここで、被写体の特徴情報とは、たとえば、掌紋、静脈などの血流、虹彩、顔認識などの情報である。また、上述した実施形態においては、光照射手段としてＬＥＤを挙げたが、蛍光管、ＥＬ、レーザーなどの光源であってもよい。

（第３の実施形態）
本実施形態では、屋外の直射日光下と室内光下での面内の露光量ムラや、夕日や窓辺からの光などで発生する斜め横側から入射する外光による面内の露光量の不均一性に対する制御を示す。ここでも基本的な構成は第１の実施形態および第２の実施形態同様であり、光照射素子を撮像素子の主走査方向に平行して複数配置するとともに、主走査方向の中心領域において光照射素子からの光量分布の均一性が高くなるように光照射素子の輝度を制御するが、さらに外光による露光量の変化や不均一性を検出してその補正を制御する。また、本実施形態では副走査方向での露光量の均一性が高くなるように撮像素子の電荷蓄積タイミングと光照射素子の輝度や点灯タイミングを制御する構成を割愛するが、あわせて実施することで光源と撮像素子の位置関係により発生するシェーディングが除去できるので、本実施形態に述べるように外光の影響を補正するように点灯させた光源からの照射光に対して効果があり、合わせて実施することにより有効性が増す。

光学式のセンサは、光源の質が撮像画像自体の画質品質を決める大きな要素であり、特に、面内の露光量の均一化が重要である。第１、第２の実施形態では、光源自体のばらつきや撮像素子部との位置関係による輝度分布差（シェーディング）による撮像面内での露光量の差を例示して、こうした露光量の差を生体認証や物体認識に必要な領域に着目して補正を行うことを示した。具体的には、光照射素子（光源）を撮像素子（ＣＭＯＳセンサ）の主走査方向に平行して複数配置するとともに、主走査方向の中心領域において光照射素子からの光量分布の均一性が高くなるように光照射素子の輝度を制御した。また、副走査方向での露光量の均一性が高くなるように撮像素子の電荷蓄積タイミングと光照射素子の輝度や点灯タイミングを制御する。しかしながら、面内の露光量の均一化を阻害する要因は、 光源自体のばらつきや撮像素子部との位置関係による輝度分布差のみではなく、その他の露光量の均一化を阻害する要因に関しても本実施形態は有効である。

図１５は、本実施形態として、スウィープ（スキャン）型の指紋認証装置の模式的な構成を示すブロック図である。第１の実施形態と同様の機能を有するものには、同じ番号を付し詳細な記載を省略する。図１５において１３８が外光状況判断部であり、撮像された画像信号から光源からの照明光による信号成分と外光による信号成分の量や割合、および面内での各光の光量分布状況を判別を行う判断手段である。ここでは、画像合成部から信号が出力しているが、画像合成後の画像から判断しても画像合成前の信号から判断してもかまわない。

外光状況判断部１３８の具体的な判断動作の例としては、認証部１０２自身が制御を行っている光源からの照明光による信号成分の概算量はあらかじめ予測を行うことができるため、その信号量と比較して実際の取得画像の信号の増加分が外光による信号成分の量や割合として計算される。また、その増加分の面内分布から外光の入射方向（直射日光や窓辺からの夕日のさしこみなど）や周囲環境（室内か室外か）等を判断することができる。１２３ａは、生体情報輝度検出部１２２ａ、１３８をはじめ各部からの情報をうけて画像取得部１０１のセンサ駆動部１０５とＬＥＤ駆動部１０８を制御する制御信号を通信部１１５を介して画像取得部１０１へ出力する制御部である。

１３７は画像合成部１３５が出力する合成後の画像データを生体情報輝度検出部１２２ａ、指検知部１２１、外光状況判断部１３８へ伝達する信号線である。

１３９は、外光状況判断部１３８が外光状況判断結果を制御部１２３ａへ伝えるための信号線である。１３１は、各部の状態を受けて制御部１２３ａが出力する画像取得部１０１を制御するための制御信号を通信部１１５へ伝送する信号線である。

本実施形態の画像取得部１０１は、実施形態１同様、光源１０３を構成する各ＬＥＤ素子の輝度ばらつきと、各ＬＥＤと撮像素子部１０４の位置関係などで決まる光量の不均一性（シェーディング）について、ＬＥＤ輝度分布から算出した補正値、調整値になるように制御部１２３ａが、センサ駆動部１０５およびＬＥＤ駆動部１０８へ制御信号を通信部１１５経由で送信する。

センサ駆動部１０５及びＬＥＤ駆動部１０８は、制御部１２３ａからの制御信号に応じて撮像素子部１０４の動作及び光源１０３の各ＬＥＤの光量を制御する。

さらに、本実施形態の画像取得部１０１は、外光状況判断部１３８が取得画像の輝度分布を用いて判断した周囲の光環境（室内か室外か、強い直射日光下かなど）や外光の入射状況（斜めから光が入射しているかなど）から、取得する被写体の画像が面内で露光状態が均一になるように、あるいは適正な露光量の面積がなるべく大きくとれるように制御部１２３ａが、センサ駆動部１０５およびＬＥＤ駆動部１０８へ制御信号を通信部１１５経由で送信する。センサ駆動部１０５及びＬＥＤ駆動部１０８は、制御部１２３ａからの制御信号に応じて撮像素子部１０４の動作及び光源１０３の各ＬＥＤの光量を制御する。

以上の制御部１２３ａからの補正、調整により、画像取得部１０１は、被写体の指を照明する光源１０３を制御して、外光が加わった場合であっても撮像面内での照明条件の差を補正して、面内の露光量の均一性を高めるとともに、外光と光源からの光の両者で照明した場合にも適正な露光量になるように撮像素子の蓄積条件を調整して、指紋画像の取得を行うことができる。

本実施形態における撮像素子は実施形態１同様、スウィープタイプと呼ばれる方式を用いた光学式指紋センサであり、その構成は、図２〜５で先述されたものである。

実施形態１同様、本実施形態における指紋認証装置は、センサ部の画素の露光が光源の照射条件とセンサの蓄積期間との関係で決まることを利用したものである。

図１６〜図２２を用いて本実施形態の指紋認証装置の動作を説明する。
図１６（ａ）、（ｂ）は、室内と室外のときの被写体を照明する光とそのときの露光状態の模式図を示している。図１６（ａ）は、室内や夜間など外光成分が少なく、ほとんどがＬＥＤ光源からの光で指を照明している場合であり、図１６（ｂ）は、室外で強い直射日光が真上から降り注いでいる等、外光が指を照明する主成分である場合を示している。

ここで、図１６は図２（ｄ）同様指の横断面での模式図であり、２０１は指、２０４は撮像素子、２０９はガイド機構である。尚、ここでも撮像素子２０４上の光学部材２０３を省いて示している。１６０１の矢印はＬＥＤ光源から矢印方向に指に向かって出射される照明光を示している。１６０２の点線は、このときの撮像素子２０４の露光量分布を示したものであり、横軸は指の断面に応じた位置を、縦軸は露光量を示している。１６０３の矢印は外光として真上から矢印方向に指を照明する直射日光を示している。１６０４の点線は、このときの撮像素子２０４の露光量分布を示したものであり、横軸は指の断面に応じた位置を、縦軸は露光量を示している。

図１６（ａ）に示すように、室内や夜間などの場合には、指が接している撮像面側からの照明光となるため、撮像素子２０４での露光量は指の接している中央領域が多く、指の接していない指の側面に近い両端領域が少なくなる傾向にある。（ここでは中央領域が１００％の露光量に対して、両端領域が４０％と例示している。）

一方、図１６（ｂ）に示すように、室外で強い外光が入射した場合は、指が接している撮像面と反対側からの照明光となるため、撮像素子２０４での露光量は指の接していない指の側面に近い両端領域が多く、指の接している中央領域が少なくなってしまう。指の側面に近い両端領域は接していても厚さが薄いため中央領域に比べ光の透過率が高いことにも起因する。
（ここでは両端領域が１００％の露光量に対して、中央領域が４０％と例示している。）

両者とも、中央領域と指の側面に近い両端領域で露光量差がおおきいため、指の全領域を適正な露光量にすることが非常に難しくなり、どちらか一方が飽和して白とびしたり、露光量の少ない側がつぶれて黒沈みしたりすることも少なくない。

実施形態１でも論じたように、光学的な撮像素子で指紋画像を取得したときの指紋パターンによる光強度の差＝コントラストを、指紋の隆線パターンを抽出するために画像演算をする上で必要とされる２５％以上確保するためには、ゲインを掛けることになるためこのような露光量差は照明光の輝度ムラ同様抑える必要がある。抑えられないばあい、中央領域と両端領域の大きな露光量差に対応して階調を割り振るため信号成分の階調性が低くなりコントラストが十分得られず、Ｓ／Ｎ比が減少して認証精度が低下する。本実施形態は、外光の状況を検出して、その状況に応じて光源の点灯状態と撮像素子の蓄積条件を変えることにより、撮像面内の露光分布の均一性を高めるとともに、適正な露光量にすることで、取得できる指紋画像の面積を拡大するとともに、信号成分の階調性を高めて認証精度を向上させることが可能となる。

図１７−１〜図１７−３は本実施形態におけるスウィープタイプの光学式指紋センサの概略構成を示す図である。
図１７−１は、指の上から見た光学式指紋センサの概略図である。また図１７−２は、図１７−１における６個のＬＥＤ１７０２ａ〜１７０２ｆの照明光の１００％点灯時の輝度レベルを示した図である。また、図１７−３は、ＬＥＤ１７０２ａ〜１７０２ｆを点灯する駆動部の回路図である。

図１７−１において、２０１は、指紋認証の対象となる指である。１７０２ａ〜１７０２ｆは、光源としてのＬＥＤである。２０４が、副走査方向の画素数が５〜２０画素程度の帯状の２次元センサであり、具体的にはＣＭＯＳ型の撮像素子である。

２０９は、指２０１の移動動作に伴い、移動方向と垂直方向への指２０１のブレやずれを防止するガイド機構である。ここで、指紋の凹凸パターンの光学的な差を後述する撮像素子２０４へ導く光学部材は省略している。

ここで、図１７−２中のＡ、Ｂ、Ｃは、図１７−１に示した同じ記号の各点の位置に対応しており、図１７−２は、図１７−１の光源（ＬＥＤ１７０２ａ〜１７０２ｆ）による点Ａから点Ｂへの方向（センサの主走査方向）の輝度分布である。

図１７−２において、１７０１ａ〜ｆは、図１７−１に示した各ＬＥＤ１７０２ａ〜１７０２ｆの輝度分布の中心を模式的に示している。ここでは、外光環境に対する動作を簡単化して説明するため、ＬＥＤの輝度の個別ばらつきがないとして説明する。すべてのＬＥＤを１００％の輝度で点灯すると、その輝度分布は破線１７０３のように示される。

ＬＥＤ１７０１ａ〜ｆは第一の実施形態同様の３系統で光量を制御する構成として例示する。ここで本発明では、以下の本実施形態の３系統の動作で示すように主走査方向中心に対して両側に配置した少なくとも２グループを外光の入射方向に応じて独立して制御することにより、斜め方向からの外光の入射に対してダイナミックレンジを改善する。また、主走査方向に対して中心側に配置したグループと、両端側のグループの少なくとも２グループを外光の割合に応じて独立して制御することにより、外光状況の変化に対してダイナミックレンジを改善する。

図１７−３は、図１５に示した光源１０３とＬＥＤ駆動部１０８の具体的な回路例を示す図である。図１７−３に示すように、ＬＥＤ１７０２ａと１７０２ｆを１系統（以下、第１系統とする）、ＬＥＤ１０７２ｂと１７０２ｃを１系統（以下、第２系統とする）、ＬＥＤ１７０２ｄ、１７０２ｅを１系統（以下、第３系統とする）とする計３系統で光源１０３が構成されている。この３系統のＬＥＤに対して、ＬＥＤ駆動部１０８は、トランジスタ７０６のオン／オフにより点灯制御する。図１７−３の７０１〜７０３は、３系統あるＬＥＤの点灯を制御する信号であるＬＥＤ制御パルスが入力される入力端子である。図１７−３に示すように入力端子７０１が第１系統を制御するＬＥＤ制御パルスが入力され、入力端子７０２及び入力端子７０３にも同様に第２系統及び第３系統を制御するＬＥＤ制御パルスが入力される。７０４、７０５は抵抗素子であり、７０６はトランジスタ、７０７が電源、７０８がＧＮＤ（グランド）を示している。

図１７−３に示すように、ＬＥＤ駆動部１０８において、入力端子７０１が抵抗素子７０４を介してベース端子に接続されているトランジスタ７０６のコレクタ端子は、抵抗素子７０５及び信号線１１２ｂを介して第１系統のＬＥＤ１７０２ａと１７０２ｆに接続されている。

入力端子７０２が抵抗素子７０４を介してベース端子に接続されているトランジスタ７０６のコレクタ端子は、抵抗素子７０５及び信号線１１２ｂを介して第２系統のＬＥＤ１０７２ｂと１７０２ｃに接続されている。入力端子７０３が抵抗素子７０４を介してベース端子に接続されているトランジスタ７０６のコレクタ端子は、抵抗素子７０５及び信号線１１２ｂを介して第３系統のＬＥＤ１７０２ｄ、１７０２ｅに接続されている。また、各トランジスタ７０６のエミッタ端子はＧＮＤ７０８に接続される。

光源１０３においては、第１系統として電源７０７と信号線１１２ｂ（入力端子７０１からの信号を伝えるもの）の間に、信号線１１２ｂの方へ電流が流れた時に発光するようにＬＥＤ１７０２ａと１７０２ｆが直列に接続されている。同様に第２系統としてＬＥＤ１０７２ｂと１７０２ｃが直列に電源７０７と信号線１１２ｂ（入力端子７０２からの信号を伝えるもの）の間に接続され、第３系統としてＬＥＤ１７０２ｄ、１７０２ｅが電源７０７と信号線１１２ｂ（入力端子７０３からの信号を伝えるもの）の間に直列に接続されている。

以上に示した構成により、ＬＥＤ駆動部１０８は、入力端子７０１〜７０３に入力されるＬＥＤ制御パルスに応じて各トランジスタ７０６のオン／オフの時間をパルス幅制御することで、３系統のＬＥＤのそれぞれに接続された３本の信号線１１２ｂに駆動パルスを出力する。これにより、３本の信号線１１２ｂから３系統のＬＥＤへ入力された駆動パルスに応じて各ＬＥＤの点滅割合が調整され３系統の輝度が制御される。

図１７−３に示した入力端子７０１〜７０３に入力するＬＥＤ制御パルスを作成する制御パルス作成回路の回路は、実施形態１と同様、図８にしめすような回路で作成される。

ここで、図１６（ａ）に示した室内や夜間などの場合には、外光判断部がその状況を判定して、図１８（ａ）に示すように６個のＬＥＤの輝度を、第１系統（ＬＥＤ１７０２ａと１７０２ｆ）を１００％、第２系統（ＬＥＤ１７０２ｂと１７０２Ｃ）、第３系統（ＬＥＤ１７０２ｄと１７０２ｅ）を５０％として、全体の輝度分布が破線１８０３となるように制御する。

この結果、撮像素子部での露光量は図１８（ｂ）に示すように、３系統全てを１００％点灯した場合の露光量分布１６０２と、３系統を制御したＬＥＤの輝度分布１８０３の合成である１８０４となる。ただしこの場合、中央領域のＬＥＤ輝度を下げたため、両端領域と中央領域での露光量差は少なくなったものの、合成した露光量は全体的に下がってしまう。このため、外光判断部はＬＥＤの輝度のみでなく撮像素子部も制御して蓄積時間を２倍とする。

これにより、トータルの露光量は破線１８０５のように、中央領域の１００％の露光量に対して、両端領域が８０％となり、露光量を一定以上に確保しながら両端領域と中央領域での露光量差を少なくして、撮像面全体で均一な指紋画像を取得する。また、図１６（ｂ）に示した室外の外光下の場合には、外光判断部がその状況を判定して図１９（ａ）に示すように６個のＬＥＤの輝度を、第１系統（ＬＥＤ１７０２ａと１７０２ｆ）を５０％、第２系統（ＬＥＤ１７０２ｂと１７０２Ｃ）、第３系統（ＬＥＤ１７０２ｄと１７０２ｅ）を１００％として、全体の輝度分布が破線１９０３となるように制御する。

この結果、撮像素子部での露光量は図１９（ｂ）に示すように、３系統全てが点灯していない場合の露光量分布１６０４と、３系統を制御したＬＥＤの輝度分布１９０３の合成である１９０４となる。

ただしこの場合、中央領域のＬＥＤ輝度を上げたため、両端領域と中央領域での露光量差は少なくなったものの、合成した露光量は１００％を超えてしまう。１９０４では模式的に１００％以上も示したが実際には飽和して白つぶれしてしまう。このため、外光判断部はＬＥＤの輝度のみでなく撮像素子部も制御して蓄積時間を２／３倍とする。これにより、トータルの露光量は破線１９０５のように、中央領域の１００％の露光量に対して、両端領域が９３％となり、露光量を飽和しないようにしながら両端領域と中央領域での露光量差を少なくして、撮像面全体で均一な指紋画像を取得する。

このように、検出した外光の状況に応じて光源の点灯状態と撮像素子の蓄積条件を変えることにより、撮像面内の露光分布の均一性を高めるとともに、適正な露光量にすることで、取得できる指紋画像の面積を拡大するとともに、信号成分の階調性を高めて認証精度を向上する。

このとき、 複数の配置に応じてグループ化した光源のうち、主走査方向に対して中心側に配置したグループと、両端側のグループの少なくとも２グループを、外光の割合に応じて独立して制御する構成としたことにより、外光状況がおおきく変化する室内や夜間との場合と室外の日光下の場合の両者に対して追従してダイナミックレンジと照合精度を確保することを実現した。

また、光学的なセンサの場合、さらに課題となるのが日光などの強い外光が斜めに入射した場合である。斜めに外光が入射したばあい、強い外光が照明光として寄与する場所と陰あるいは光の届きにくい場所が発生するため、面の中で露光量が大きく変化してしまう。

本実施形態では、こうした場合にも光源の点灯状態と撮像素子の蓄積条件を変えることにより、広いダイナミックレンジと高い照合精度を得られる構成となっている。
図２０は、日光などの強い外光が斜めに入射した場合の、被写体を照明する外光とそのときの露光状態の模式図を示している。こうした状況は、室外で夕日に照らされた場合や、室内でも窓から差し込む日光があたった場合に発生する。

ここで、図２０は図２（ｄ）同様指の横断面での模式図であり、２０１は指、２０４は撮像素子、２０９はガイド機構である。尚、ここでも撮像素子２０４上の光学部材２０３を省いて示している。２００３ａ，ｂの矢印は外光として右斜め上から矢印方向に指を照明する外光を示している。

２００４の点線は、このときの撮像素子２０４の露光量分布を示したものであり、横軸は指の断面に応じた位置を、縦軸は露光量を示している。

図２０に示すように、２００３ａ側の光が撮像素子に近い領域まで効率的に指を照明する一方、２００４ｂ側の光は指を照明するが、指の厚さにより光が十分透過せず、また指自身の陰も発生させてしまう。これにより、撮像素子２０４での露光量は２００４に示すように光が入射してくる方向が高く、反対側が少なくなってしまう。（ここでは右側領域が１００％の露光量に対して、左領域が２５％と例示している。）

こうした外光の斜め入射の場合には、外光判断部がその状況を判定して、図２１（ａ）に示すように６個のＬＥＤの輝度を、第１系統（ＬＥＤ１７０２ａと１７０２ｆ）を５０％、第２系統（ＬＥＤ１７０２ｂと１７０２ｃ）を１００％、第３系統（ＬＥＤ１７０２ｄと１７０２ｅ）を５０％として、全体の輝度分布が破線２１０３となるように制御する。

この結果、撮像素子部での露光量は図２１（ｂ）に示すように、３系統全てが点灯していない場合の露光量分布２００４と、３系統を制御したＬＥＤの輝度分布２１０３の合成である２１０４となる。

ただしこの場合、左側領域のＬＥＤ輝度を上げたため、右側領域と左側領域での露光量差は少なくなったものの、合成した露光量は１００％を超えてしまう。２１０４では模式的に１００％以上も示したが実際には飽和して白つぶれしてしまう。このため、外光判断部はＬＥＤの輝度のみでなく撮像素子部も制御して蓄積時間を２／３倍とする。

これにより、トータルの露光量は破線２１０５のように、右側領域の１００％の露光量に対して、左側領域が８３％となり、露光量を飽和しないようにしながら右側領域と左側領域での露光量差を少なくして、撮像面全体で均一な指紋画像を取得する。

このように、検出した外光の状況に応じて光源の点灯状態と撮像素子の蓄積条件を変えることにより、撮像面内の露光分布の均一性を高めるとともに、適正な露光量にすることで、取得できる指紋画像の面積を拡大するとともに、信号成分の階調性を高めて認証精度を向上する。

このとき、複数の配置に応じてグループ化した光源のうち、左右に配置した少なくとも２グループを外光の入射方向と割合に応じて独立して制御することにより、斜めに入射する光により発生する面内での照明光量差を補正してダイナミックレンジと照合精度を確保することを実現した。

図２２に、本実施形態のおける図１５の外光状況判断部１３８の動作をフローチャートで示す。
本実施形態で説明した外光状況による露光量の制御は、たとえばスィープ型のセンサ上で指をスライドさせ始める段階や、あるいは指をスライドさせている途中に行われる。こうした外光状況による露光量調整ルーチンにおいて、２２０１でルーチンに入ると、外光状況判断部１３８は、まず２２０２で外光状況を測定するための初期値に露光量設定を行うように制御部１２３ａに指示を送る。

ここでは、ＬＥＤを消灯して外光のみで露光を行うとする。次に、２２０３で外光状況判断部１３８は、初期設定値の露光条件下で得られた取得画像データを画像合成部１３５から取得して、外光状況を判断するための各種データを算出する。ここでは、主走査方向に対して左側、中央、右側の３領域の各平均輝度データとする。

２２０４において、主走査方向に対して左側、中央、右側の３領域の各平均値がすべて一定値（判定値１）以下かどうかを判定する。判定値以下の場合、２２０５で外光がすくないと判断する。この場合２２０６にすすみ、外光状況判断部１３８は、外光の輝度を算出するとともに、ＬＥＤ３系統を図１８（ａ）に示すように点灯し、さらに最終的な露光量がダイナミックレンジを有効に利用できるように、撮像素子の蓄積時間を調整するように制御部１２３ａに指示を送る。これにより、図１８（ｂ）の１８０５のような露光量調整が行われる。２２０７において、露光量調整ルーチンを終了する。

一定値を上回る場合、２２０８において、主走査方向に対して左側と右側の２領域の各平均値が両方とも一定値（判定値２）以上かどうかを判定する。両方とも判定値以上の場合、２２０９で面内に均一に照射されていると判断する。直射日光が真上から照らしているようなどの場合が該当する。

この場合２２１０にすすみ、外光状況判断部１３８は、外光の輝度を算出するとともに、ＬＥＤ３系統を図１９（ａ）に示すように点灯し、さらに最終的な露光量がダイナミックレンジを有効に利用できるように、撮像素子の蓄積時間を調整するように制御部１２３ａに指示を送る。これにより、図１９（ｂ）の１９０５のような露光量調整が行われる。２２０７において、露光量調整ルーチンを終了する。

２２０８で一定値を下回る場合、２２１１において、主走査方向に対して右側の領域の平均値が左側以上かどうかを判定する。右側が左側以上の値の場合、２２１２で外光が右側から照射されていると判断する。

この場合２２１３にすすみ、外光状況判断部１３８は、外光の輝度を算出するとともに、ＬＥＤ３系統を図２１（ａ）に示すように点灯し、さらに最終的な露光量がダイナミックレンジを有効に利用できるように、撮像素子の蓄積時間を調整するように制御部１２３ａに指示を送る。これにより、図２１（ｂ）の２１０５のような露光量調整が行われる。２２０７において、露光量調整ルーチンを終了する。

２２１１において、主走査方向に対して右側の領域の平均値が左側の値より低い場合、２２１４で外光が左側から照射されていると判断する。この場合２２１５にすすみ、外光状況判断部１３８は、外光の輝度を算出するとともに、ＬＥＤ３系統を図２１（ａ）と逆で右側の輝度が高くなるようにＬＥＤの輝度を調整して、さらに最終的な露光量がダイナミックレンジを有効に利用できるように、撮像素子の蓄積時間を調整するように制御部１２３ａに指示を送る。これにより露光量調整が行われて、２２０７において、露光量調整ルーチンを終了する。

このようにして、外光状況判断部が外光の面内の分布状況と照射量の判断を行い、露光量の制御部が光源の輝度と撮像素子の蓄積量を制御する構成としたことで、外光環境に左右されない広いダイナミックレンジと高い照合精度とを両立した光学式センサが実現できる。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

本発明の第１の実施形態として、本発明を適用したスウィープ（スキャン）型の指紋認証装置の模式的な構成を示すブロック図である。 本実施形態におけるスウィープタイプと呼ばれる方式を用いた光学式指紋センサの概略構成および動作原理を示す図である。 スィープ型指紋センサにおける、複数の部分画像から指紋全体の画像を合成する処理例を示す図である。 図１の撮像素子部１０４（図２の撮像素子２０４）のセンサ部６の回路構成例を示す図である。 図４に示した画素部４１の構成例を示す図である。 図２（ｂ）における点Ａから点Ｂへの方向（センサの主走査方向）の輝度分布を示す図である。 光源自体の輝度ムラがない状態での指紋画像の出力レベルを示す図である。 図６−１（ｂ）に示した輝度ムラを補正した場合の輝度分布例を示す図及び図２（ｂ）における点Ｃから点Ｄへの方向の輝度分布例を示す図である。 図１に示した光源１０３とＬＥＤ駆動部１０８の具体的な回路例を示す図である。 図７に示した入力端子７０１〜７０３に入力するＬＥＤ制御パルスを作成する制御パルス作成回路の回路例を示す図である。 本実施形態における撮像素子部１０４及びＬＥＤ駆動部１０８の動作を示すタイミングチャートである。 エリア型の指紋認証装置における光源と撮像素子の位置関係を示す図である。 点Ａから点Ｂへの方向（センサの主走査方向）の輝度分布を示す図である。 図１０（ａ）の点Ｃから点Ｅにかけての方向（撮像素子１１０１の副走査方向）の輝度分布を示す図である。 図１０（ａ）に示したＬＥＤ１１０２ａ〜ｄを各１系統とする計４系統に分けてトランジスタのオン／オフにより点灯制御する回路例を示す図である。 図１２に示した入力端子７０１に入力される制御パルスを作成する制御パルス作成回路を示す図である。 第２の実施形態における撮像素子部１０４及びＬＥＤ駆動部１０８の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態として、本発明を適用したスウィープ（スキャン）型の指紋認証装置の模式的な構成を示すブロック図である。 室内と室外の場合の照明光と露光量の関係を説明する図である。 本発明の第３の実施形態における撮像素子と光源と指の位置関係を示す図である。 本発明の第３の実施形態における１００％点灯時のＬＥＤの輝度を示す図である。 本発明の第３の実施形態における光源の制御回路例を示す図である。 本発明の第３の実施形態における室内時の面内の光量補正の説明図である。 本発明の第３の実施形態における室外時の面内の光量補正の説明図である。 外光が斜めから入射した場合の説明図である。 本発明の第３の実施形態における外光が斜めから入射した場合の面内の光量補正の説明図である。 本発明の第３の実施形態における外光状況による露光量制御ルーチンのフロー図である。

符号の説明

１０３ 光源
１０４ 撮像素子部
１０５ センサ駆動部
１０８ ＬＥＤ駆動部
１１９ 登録・照合部
１２１ 指検知部
１２２ａ 生体情報輝度検出部
１２３ａ 制御部
１３５ 画像合成部
１３８ 外光状況判断部
２０１ 指
２０２ａ〜ｅ ＬＥＤ
２０３ 光学部材
２０４ 撮像素子

Claims (22)

1. 被写体を撮像する撮像手段と、
   前記被写体に光を照射する光照射手段と、
   を具備し、
   前記撮像手段は、前記被写体と前記撮像手段とが相対的に移動する場合に、前記被写体の複数の部分画像を出力し、
   前記撮像手段における前記部分画像面内の露光量を制御する制御手段を有することを特徴とする画像取得装置。
2. 前記光照射手段を複数有し、該光照射手段は前記撮像装置の主走査方向に平行に配置され、前記制御手段は、前記撮像装置の主走査方向の光量分布を、該複数の光照射手段の輝度制御によって制御する主走査方向制御手段を有することを特徴とする請求項１に記載の画像取得装置。
3. 前記制御手段は、前記撮像手段の副走査方向において、前記撮像手段の電荷蓄積期間または前記光照射手段の輝度の少なくとも一方を制御する副走査方向制御手段を更に具備し、
   前記副走査方向制御手段は、前記撮像手段の副走査方向における前記光照射手段の輝度差を補正するように、前記撮像素子の電荷蓄積期間または前記光照射手段の輝度の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の画像取得装置。
4. 前記主走査方向制御手段は、前記撮像手段の前記主走査方向の画素領域において２／３〜４／５を占める中心部分の領域である中心領域の制御を行い、前記中心領域の光量分布における光量差が３０％以内となるように前記複数の光照射手段の輝度を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の画像取得装置。
5. 前記主走査方向制御手段は、前記複数の光照射手段を配置に応じてグループ化して前記グループ別に制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の画像取得装置。
6. 前記被写体が指紋である場合に、前記副走査方向が指の移動方向となることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の画像取得装置。
7. 前記副走査方向制御手段は、前記撮像手段の副走査方向における輝度差を補正するように前記撮像素子の電荷蓄積のタイミングに応じて前記光照射手段の輝度を変更する制御を行うことを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の画像取得装置。
8. 前記副走査方向制御手段は、前記光照射手段の輝度を周期的な点滅における点灯期間の割合を変化させることにより制御することを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の画像取得装置。
9. 前記副走査方向制御手段が前記光照射手段を周期的に点滅する場合に、前記点滅の周期は前記撮像素子における副走査の周期に応じた周期であることを特徴とする請求項８に記載の画像取得装置。
10. 被写体を撮像する撮像手段と、
    前記撮像手段の主走査方向に平行に配置されて前記被写体に光を照射する複数の光照射手段と、
    前記複数の光照射手段の輝度を制御する制御手段と、
    前記撮像手段の副走査方向において、前記撮像手段の電荷蓄積期間または前記光照射手段の輝度の少なくとも一方を制御する副走査方向制御手段とを具備し、
    前記制御手段は、前記撮像手段における前記主走査方向の光量分布を前記複数の光照射手段の輝度を制御することによって制御し、
    前記副走査方向制御手段は、前記撮像手段の副走査方向における前記光照射手段の輝度差を補正するように、前記撮像素子の電荷蓄積期間または前記光照射手段の輝度の少なくとも一方を制御することを特徴とする画像取得装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の画像取得装置を具備することを特徴とする指紋認識装置。
12. 被写体を撮像するための撮像手段を用いて、該被写体に光を照射して画像を取得する画像取得方法であって、
    前記撮像手段と前記被写体とを相対的に移動させて、該被写体の複数の部分画像を出力し、前記撮像手段の前記部分画像面内の露光量を制御することを特徴とする画像取得方法。
13. 前記撮像手段の主走査方向における前記光の輝度差を補正することを特徴とする請求項１２に記載の画像取得方法。
14. 前記撮像手段の副走査方向における前記光の輝度差を補正するように、前記撮像素子の電荷蓄積期間または前記光の輝度の少なくとも一方を変更するように更に制御することを特徴とする請求項１２または１３に記載の画像取得方法。
15. 被写体を撮像する撮像手段と、
    前記被写体に光を照射する光照射手段と、
    外光の状況を判断する判断手段と、
    前記判断手段により判断した外光状況に応じて、前記撮像手段における画像面内の露光量を制御する制御手段とを具備することを特徴とする画像取得装置。
16. 前記被写体と前記撮像手段とが相対的に移動する場合に、前記被写体の複数の部分画像を出力し、前記判断手段により判断した外光状況に応じて、前記撮像手段における前記部分画像面内の露光量を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１５に記載の画像取得装置。
17. 前記光照射手段を複数有し、該光照射手段は前記撮像装置の主走査方向に平行に配置され、前記制御手段は、前記撮像装置の主走査方向の光量分布を、該複数の光照射手段の輝度制御によって制御する主走査方向制御手段を具備することを特徴とする請求項１５または１６に記載の画像取得装置。
18. 前記制御手段は、前記光照射手段の輝度を制御する輝度制御手段と、前記撮像手段の電荷蓄積期間を制御する蓄積期間制御手段を具備し、前記判断手段により判断した外光状況に応じて、前記輝度制御手段と前記蓄積期間制御手段の両者を制御することを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の画像取得装置。
19. 前記主走査方向制御手段は、前記複数の光照射手段をグループ化し、主走査方向中心に対して両側に配置した少なくとも２グループを外光の入射方向に応じて独立して制御することを特徴とする請求項１７に記載の画像取得装置。
20. 前記主走査方向制御手段は、前記複数の光照射手段をグループ化し、主走査方向において中心部に配置したグループと、両端に配置したグループの少なくとも２グループを外光の割合に応じて独立して制御することを特徴とする請求項１７または１８に記載の画像取得装置。
21. 請求項１５〜２０のいずれか１項に記載の画像取得装置を具備することを特徴とする指紋認識装置。
22. 被写体を撮像するための撮像手段を用いて、該被写体に光を照射して画像を取得する画像取得方法であって、
    外光状況に応じて、前記撮像手段における画像面内の露光量を制御することを特徴とする画像取得方法。

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