JP2005202320A - 導光イメージガイド部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は導光イメージガイド部材の小型化を図ることを目的とする。
【解決手段】 導光イメージガイド部材６０は、無数の光ファイバ片７０が密集して整列している光ファイバ片の束であり、全体としては、Ｘ１−Ｘ２方向に長い直方体形状を有している。光ファイバ片７０は、Ｘ１−Ｘ２方向に傾斜している。光ファイバ片７０の楕円形状の出射面は、その長軸が光センサの受光素子の並び方向に一致する。
【選択図】 図１

Description

本発明は導光イメージガイド部材に係り、特に、ライン型指紋センサに適用可能である導光イメージガイド部材に関する。

近年、セキュリティの観点から、コンピュータ等の電子機器、携帯電話等の携帯通信機器において個人認証のために手の指の指紋を識別する指紋センサを備えることが要求されている。

指紋画像を得るための光の観点で見ると、指紋センサは、指の表面で反射した光を利用する方式と、指の内部で散乱して指の表面から出る指内散乱光を利用する方式とに大別される。

また、面画像である指紋画像の取得の方式の観点でみると、指紋センサには、受光素子がマトリクス状に並んでおり、指先を押し付ければ面画像が得られるエリア型指紋センサと、受光素子が直線状に並んでおり、指先を押し付けつつスライドさせることによって、各時点で線画像を得て、この線画像から面画像を得るライン型指紋センサとがある。

ここで、指紋センサとしては、信頼性が十分で製造コストが低いことの他に、携帯通信機器のように小型の機器にも組み込めるように、サイズが出来るだけ小さいことが要求される。

指内散乱光方式の指紋センサは、通常、光を指先に当てる光源と、光センサと、指先からの光を光センサに導く導光イメージガイド部材を有する構成である。導光イメージガイド部材は、指先が当る面が指先の全体に対応する大きさである形状であり、導光イメージガイド部材を構成する多数の光ファイバが傾斜している方向は指先を当てた場合のその指の長手方向である。
米国特許 ４，９３２，７７６号公報

導光イメージガイド部材は、指先が当る面が指先の全体に対応する大きさである形状であり、サイズが大きくなってしまう。このため、指紋センサもサイズが大きくなってしまい、携帯通信機器のように小型の機器に組み込むことは困難であった。

また、従来は、多数の光ファイバ片が平行とされて集合している構造であって、ライン型指紋センサに適した小さいサイズの導光イメージガイド部材は存在しなかった。

そこで、本発明は、上記課題を解決した導光イメージガイド部材を提供することを目的とする。

そこで、上記課題を解決するため、本発明は、多数の光ファイバ片が平行とされて集合している構造である導光イメージガイド部材であって、
細長い直方体形状であり、
上記光ファイバ片が該導光イメージガイド部材の長手方向に傾斜している構成である構成としたことを特徴とする。

本発明によれば、光ファイバ片が導光イメージガイド部材の長手方向に傾斜しているため、光ファイバ片の傾斜が導光イメージガイド部材の幅方向の寸法に影響を及ぼさず、よって、導光イメージガイド部材の幅方向を短くすることが可能となる。

また、指紋センサを小型化することが可能となり、指紋センサを携帯電話機等の小型の機器へ実装することも可能となる。

次に本発明の実施の形態について説明する。

図１は本発明の実施例１になる導光イメージガイド部材６０を示す。Ｘ１−Ｘ２は長手方向、Ｙ１−Ｙ２は幅方向、Ｚ１−Ｚ２は高さ方向である。図２は導光イメージガイド部材６０の一部を拡大して示す断面図である。図２は図示の便宜上高さ方向を大幅に縮小してある。導光イメージガイド部材６０は、空気中から入射した光は吸収し、及び指内散乱光ではあるけれども空気層を経て入射した指内散乱光は吸収し、指先の表面から空気層を経ないで直接に入射した指内散乱光を、後述する受光素子４２にまで導く役割を有するものである。空気中から入射した光及び指内散乱光ではあるけれども空気層を経て入射した指内散乱光を受光素子まで届かないようにするのは、これらの光はノイズとなるからである。この導光イメージガイド部材６０は、無数の光ファイバ片７０が密集して整列している光ファイバ片の束であり、全体としては、Ｘ１−Ｘ２方向に長い形状を有しており、長さＬ２が約１５ｍｍ、幅Ｗ２が約１ｍｍ、高さＨ２が約２ｍｍの寸法を有する。６１は上面、６２は下面である。

導光イメージガイド部材６０は、図５に示すように、指紋センサ２０に組み込んであり、図１中、Ｘ１−Ｘ２方向は指先の幅に対応する方向であり、Ｙ２方向は指先をスライドさせる方向である。

ここで、説明の便宜上、指先をスライドさせる方向、即ち、導光イメージガイド部材６０の短い辺の方向を基準にして、互いに直交する三つの面を規定する。２００はＸ―Ｚ面であり、指先をスライドさせる方向に直交する垂直面であり、「指先スライド方向直交垂直面」という。２０１はＸ―Ｙ面であり、水平面である。２０２はＹ―Ｚ面であり、指先をスライドさせる方向の垂直面であり、「指先スライド方向垂直面」という。

各光ファイバ片７０は、指先スライド方向直交垂直面２００内に位置しており、Ｚ軸に対してＸ２方向に角度θ１傾斜しており、Ｘ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２方向に密に並んでいる。各光ファイバ片７０がＸ１方向に角度θ１傾斜してもよい。各光ファイバ片６１は、直径が１０〜４０μｍであり、図３（Ａ）に併せて示すように、中心にコア７１を有し、コア７１の周囲にクラッド７２を有し、更にクラッド７２の周囲に光を吸収する光吸収層７３を有する構造であり、光が入射する入射面７５と、光が出射する出射面７６とを有する。光吸収層７３はガラスを主成分とする材料であり、厚さが１〜５μｍである。コア７１の屈折率ｎ１は例えば１．６２であり、クラッド７２の屈折率ｎ２は例えば１．５２である。また、入射面７５及び出射面７６は、Ｘ１−Ｘ２方向が長軸である楕円形状である。７４はコア７１とクラッド７２との間の境界面である。入射面７５及び出射面７６は共に水平面である。各光ファイバ片７０の入射面７５が集まって導光イメージガイド部材６０の上面６１を形成しており、各光ファイバ片７０の出射面７６が集まって導光イメージガイド部材６０の下面６２を形成している。光ファイバ片７０の入射面７５の光ファイバ片７０の光軸７７に対する角度（上記の角度θ１と等しい）は、以下のように定めてある。即ち、第１には、図３（Ｂ）に示すように、空気中から入射面７５を通ってコア７１内に入射した光は、境界面７４で全反射されないように定めてある。即ち、入射面７５に対して垂直に近い方向から入射面７５で屈折してコア７１内に入射した光９０は勿論、入射面７５と略平行の方向から入射面７５で屈折してコア７１内に入射した光９１についても、境界面７４で屈折してクラッド７２内に入って、光吸収層７３に到ってここで吸収されるように定めてある。第２には指の光学的屈折率ｎが１．５〜１．７程度であるので、図３（Ｃ）に示すように、指の指先１の内部から出て空気層は経ないで入射面７５を通ってコア７１内に入射した指内散乱光のうちの一部の光９５は、後述する臨界角θ２より大きい角度θ６で入射して境界面７４で全反射されるように定めてある。境界面７４で全反射された光は、出射面７６に到ってここから出射する。

ここで、コア７１の屈折率ｎ１が１．６２であり、クラッド７２の屈折率ｎ２が１．５２である場合に、上記の角度θ１を光学的に計算する。図３（Ａ）において、θ２はコア７１とクラッド７２との境界面における臨界角である。角度θ４は、図３（Ａ）中、右側から空気中を入射面７５に略水平に進んできた光が入射面７５で屈折してコア７１内に入射した光の屈折角度である。また、角度θ３、θ４、θ５、θ１は、θ３＝９０−θ２、θ５＝θ３＋θ４、θ１＝９０−θ５の関係にある。

臨界角θ２は、θ２＝ｓｉｎ−１（１．５２／１．６２）≒７０であり、角度θ４はθ４＝ｓｉｎ−１（１／１．６２）≒３８となる。θ３は２０度、θ５は５８度となり、θ１は約３２度となる。

よって、理論上は、角度θ１は３２度よりも小さいことが必要である。しかし、本実施例では、角度θ１は、約４０度である。上記角度θ１が３２度より大きい角度、例えば約４０度であっても、コントラストの良い指の指紋の画像が表示されたことが実験によって確かめられたためである。この理由は、コア７１とクラッド７２との境界がグラデーションの状態となっており、この部分で乱反射が起きているためと考えられる。なお、本発明者は、角度θ１は、４０度に限らず、４８度程度でも実用上問題がないことを実験で確かめた。よって、上記角度θ１は、例えば４８度以下であればよい。

なお、光ファイバ片７０の角度θ１が鋭角になればなるほど導光イメージガイド部材６０の実装が困難となる。しかし、上記角度θ１は約４０度であり、導光イメージガイド部材６０の実装は困難ではない。また、光ファイバ片７０の角度θ１と導光イメージガイド部材６０の長さＬ２とは、角度θ１が大きくなると長さＬ２が短くなる関係にあり、角度θ１を３２度より大きい４０度に定めることは、導光イメージガイド部材６０の幅Ｗ２を短くして、最終的には指紋センサ２０の幅Ｗ１を短くする。

なお、導光イメージガイド部材６０は、図４に示すように太い素材を線引きし（一次線引）、線引きして細くなった光ファイバを束ねて再度線引きし（二次線引）、細くなった光ファイバ束を束ねて再度線引きし（三次線引）、無数の極く細い光ファイバよりなる束１１０を得、この光ファイバ束１１０を斜めに切断してスライスして、傾斜した無数の光ファイバ片の束であるプレート１１１を得、このプレート１１１を適宜ダイシングすることによって得られる。

図５乃至図７は本発明の実施例１になる導光イメージガイド部材６０が適用してある指紋センサ２０を示す。図５（Ａ）は斜視図、図６（Ａ）は平面図、図７は図６（Ａ）中、VII−VIIに沿う拡大断面図である。図５（Ａ）は、指紋センサ２０の内部の構造が分かり易いように内部を透視して示してある。

指紋センサ２０は、指内散乱光を利用する方式であって且つ指をスライドさせて指紋を採取する構成であり、インターポーザ２１上に発光ダイオードチップ３０−１〜３０−３、ＣＣＤ或いはＣＭＯＳ撮像素子である光センサチップ４０、コンデンサチップ５０、抵抗素子、トランジスタ等が実装してあり、光センサチップ４０上に導光イメージガイド部材６０が接着層１００で接着されて実装してあり、発光ダイオードチップ３０−１〜３０−３上に照明ガイド部材８０が接着層１０１で接着されて実装してあり、発光ダイオード３０−１〜３０−３、光センサチップ４０、コンデンサチップ５０、抵抗素子、トランジスタ、導光イメージガイド部材６０、照明ガイド部材８０が遮光性を有する合成樹脂モールド部９０によって覆われて且つ囲まれて一体化されている構造を有する。指紋センサ２０は、長さＬ１が約１７ｍｍ、幅Ｗ１が約６ｍｍ、高さＨ１が約３ｍｍの寸法を有し、小型である。

なお、光センサチップ４０は、細長いシリコン基板４１上に、多数の２５６個の受光素子４２が基板４１の長手方向に沿って一列に並んで形成してある直線状受光素子群４２ａを有する構成である。受光素子４２は例えば約４０μｍ角のサイズであり、例えば４３μｍのピッチで並んでおり、例えば６００ｄｏｔ／ｉｎｃｈであり、個数は例えば２５６個である。光センサチップ４０は、インターポーザ２１のうちＹ１側に実装してあり、受光素子４２はＸ１−Ｘ２方向に一列に並んでいる。導光イメージガイド部材６０は、その長手方向を光センサチップ４０の長手方向と一致させて直線状受光素子群４２ａに合わせて実装してある。光ファイバ片７０と受光素子４２との大きさの関係は、図６（Ｂ）に示すように、Ｙ１−Ｙ２方向上隣りあう２本の光ファイバ片７０の出射面７６が一つの受光素子４２に対向する関係である。また、導光イメージガイド部材６０の入射面７６と照明ガイド部材８０の上面８３とは光センサチップ４０の上面に露出しており、Ｙ１−Ｙ２方向上近接している。

上記の指紋センサ２０は図８に示すように携帯電話機の筐体１２０のスリット１２１の部分に、フランジ部２０ｂを利用して位置を決められて、上面２０ａが筐体１２０の表面に露出した状態で、且つ、シール部材１３０によって防水性を保証されて組み込まれる。

指紋を採取する場合には、同じく図８に示すように、指先１を指紋センサ２０の上面２０ａに押し当てて、Ｙ２方向にスライドさせる操作をする。発光ダイオードチップ３０−１〜３０−３が発光し、光１０は接着層１０１、照明ガイド部材８０を透過して、指紋センサ２０の上面より出て、指先１内に入り、指先１内の組織によって散乱され、指先１が明るくなる。

図９に拡大して示すように、指先１のうち指紋センサ２０に接触している部分の表面から出た指内散乱光のうち、凹の部分１ｂから出た光１３ｂは導光イメージガイド部材６０内で吸収されて光センサチップ４０には届かず、凸の部分１ａから出た光１３ａは導光イメージガイド部材６０内で全反射されて光センサチップ４０の受光素子４２に届き、光センサチップ４０からの情報を処理して、指先１のうち導光イメージガイド部材６０に接触している部分の線状指紋情報が得られる。指先１をスライドさせることによって、指先１のうち導光イメージガイド部材６０に接触している部分が指の先側に移ってゆき、その時々で得られた線状指紋情報が合さって指先１の面状の指紋情報が得られる。

なお、光ファイバ片７０と受光素子４２との関係は、図６（Ｂ）に示すように、光ファイバ片７０の楕円の入射面７５及び出射面７６の長軸がＸ１−Ｘ２方向であり短軸がＹ１−Ｙ２方向である関係であるため、出射面７６はＸ１−Ｘ２方向に比べてＹ１−Ｙ２方向の方がより密に並び、指紋情報の解像度は、指の幅方向に比べて、指の長さ方向の方が良い。

また、図１０に示すように、上記導光イメージガイド部材６０を遮光樹脂１４０で囲むように成形したものを独立した導光イメージガイド部材６０Ａとすることも可能である。

図８に示すように例えば携帯電話機内にハウジングのスリットから露出するようにして組み込むことが可能となる。

本発明の実施例１になる導光イメージガイド部材の斜視図である。 図１の導光イメージガイド部材の一部をＸ−Ｚ面で断面して示す拡大断面図である。 導光イメージガイド部材を構成する光ファイバ片を拡大して示すと共に光ファイバ片の内部の光の反射、屈折を示す図である。 導光イメージガイド部材の製造工程を示す図である。 図１の導光イメージガイド部材を備えた指紋センサの斜視図である。 図１の指紋センサの平面図である。 図６（Ａ）中、VII−VIIに沿う断面図である。 図５の指紋センサの機器への取り付け状態及び指紋採取状態を示す図である。 指紋採取状態における指先から導光イメージガイド部材に入射した光の全反射及び屈折の状態を示す図である。 図１の導光イメージガイド部材の変形例を示す図である。 ２０ 指紋センサ ２１ インターポーザ ３０−１〜３０−３ 発光ダイオードチップ ４０ 光センサチップ ４２ 受光素子 ６０ 導光イメージガイド部材 ７０ 光ファイバ片 ８０ 照明ガイド部材 ９０ 合成樹脂モールド部

Claims (3)

1. 多数の光ファイバ片が平行とされて集合している構造である導光イメージガイド部材であって、
   細長い直方体形状であり、
   上記光ファイバ片が該導光イメージガイド部材の長手方向に傾斜している構成である構成としたことを特徴とする導光イメージガイド部材。
2. 請求項１に記載の導光イメージガイド部材において、
   光ファイバ片の水平面に対する傾斜角が、論理的に求まる角度よりも大きいことを特徴とする導光イメージガイド部材。
3. インターポーザ上に、受光素子が直線状に並んでなる直線状受光素子群を有する光ラインセンサチップと光源部材とが接近して実装してあり、
   該光ラインセンサチップ上に、請求項１に記載の導光イメージガイド部材が、上記直線状受光素子群に合わせて実装してある構成としたことを特徴とする指紋センサ。