JP2006518068A - 個人認証方法と装置 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明はバイオメトリック識別システムによる個人認証に関する。
個人認証として、本発明は、スペクトル認証が単独で利用される場合より少ない数の発光素子（１２）（一般的にはＬＥＤ発光ダイオード）を使用する、皮膚のスペクトル認証と一体となった光学的あるいは非光学的指紋画像センサ（１０）（原理的にはシリコンチップ上）を利用することを提案する。指紋画像センサと、その指紋が前記画像センサによって記録される指の皮膚についてのスペクトル送信情報用センサ（１２、１４）は、共通支持台上に配置される。

Description

本発明は、個人認証用バイオメトリック装置に関し、不正行為の危機に対して高レベルのセキュリティが必要とされ、及び／又はこの危機を制限するために、特定の物理的人物の存在と該人物の信頼できる照合とが必要とされる応用を対象としている。

本発明の装置は指紋画像センサを利用する。このような指紋画像センサは、原理的にはシリコンに基づく集積回路を利用して形成され、詳細には個々の感知素子マトリクスの表面に直接的あるいは間接的に置かれた指紋画像を表現するための該マトリクスを含む。この指紋の検知は、一般的には光学的、容量性、熱的、あるいは圧電気的なものであり、また、上記センサの各感知素子はそれぞれ光、容量近接性、熱あるいは圧力に感応する。

いくつかのセンサは、その有効検出マトリクスが長方形あるいは正方形のセンサ表面に静的に置かれた指の存在のもとで機能する。この場合、該センサ表面は、検出すべき指紋表面に対応する全体の大きさを有する。センサの上で指を滑らせることにより機能するセンサもあり、この場合の検出マトリクスは、検出すべき指紋よりはるかに小さな表面を備えた、数行（または単一行）のポイント検知器からなる細長い棒状のものである。

公知の指紋取得技術では、当該指が生体のものかどうかを検知できない。このセンサは成型した偽指を使えばだますことができるが、また、プラスチック材料の薄い層を利用して、この上に当該指紋の複製を成型し、この層を本物の指の上に粘着接合させることも可能であるのでセンサをだますことができる。さらに、通常は元の身体に接続されている指に極めて近い生理特性を有する切断した指があれば、この不正行為を検出することは事実上不可能である。

２つの電極を用いて、指の伝導率あるいはインピーダンスを測定する検知技術は、既に提案されているが、唾液を用いてプラスチックの偽指を湿らせることにより、あるいは導電性プラスチック材料を用いるか、あるいは単なる偽指に押し付けたアルミ紙でも用いれば容易にだますことができる。この技術は、その動作条件が大きく変化し得るので、あまり正確にはなり得ないし、また、所与の個々の指は非常に乾いているか、あるいは非常に湿った表面を有する可能性がある。このことは、測定されるインピーダンスに対して非常に広い容認範囲を持つ必要があることを意味しており、この広い容認範囲のために不正行為が容易になることは明白である。

光学手段（適切な波長の発光ダイオードとフォトダイオードの組み合わせ）による血液（脈拍、ヘモグロビン内の酸素レベル）の検知は、有益な解決策を提供するように思われるが、本物の指上にセットされた透明なプラスチック材の薄膜により、あるいは赤外線領域の適切な「色」のプラスチック材により騙される。さらに、少なくとも１回分の完全な心臓鼓動を待つ必要があり、スポーツ選手によってはかなり長時間を要するので不便なものとなる可能性がある。

心臓鼓動の形状に基づいた認証技術は既に提案されているが、その性能はまだ証明されていない。この性能は指紋ほど正確とならないし、また、現在までいかなる実用的な用途も提供していない。

更に、脈拍測定技術は、仏国特許第２７４９９５５号明細書に記載される走査型指紋取得技術と両立し難い。というのは、その走査時間は０．５秒程度であり、心臓鼓動よりはるかに短いからである。

米国特許出願公開第２００２／０００９２１３号明細書では皮膚、より正確には真皮用のスペクトル認証技術が人物照合用として提案されている。この技術の精度はまだ証明されておらず、指紋認証により提供されるものをはるかに越えるものとなる可能性はない。これには、様々な色の複数個の発光ダイオード（ＬＥＤ）により指を照射することと、この光特性を測定する多数のフォトダイオードを用いて、様々な距離における皮膚により伝搬される光を分析する必要がある。これらの発光体とセンサ間の距離が大きくなればなるほど、それに相応して該真皮のより深い特性が得られる。その上、いくつかの周波数帯（赤外線近くの）は血液の存在に非常に敏感である。フォトダイオードと発光ダイオードは別々に組み立てる必要があるということと、その付随コストはしたがって非常に急激に増加するということから、フォトダイオードと発光ダイオードの数は制限される。

個人認証に関して、本発明は、皮膚のスペクトル認証と一体になった光学的あるいは非光学的指紋画像センサ（原理的にはシリコンチップ上の）であって、スペクトル認証を単独で利用する場合より少ない数の発光素子（一般的にはＬＥＤ発光ダイオード）を用いるセンサを利用することを提案する。

したがって、本発明は、同一支持体上に指紋画像センサと、その指紋が画像センサにより記録される指の皮膚についてのスペクトル送信情報用センサとの両方を有する個人認証装置に関する。

このスペクトルの指紋に関しては、必須ではないが発光ダイオードを用いることが好ましく、これら発光ダイオードから発生し指を介して伝搬される光を検出するフォトダイオードにより、各発光ダイオードから固有画像が得られる。これらダイオードは、特には赤外線において異なる複数個の波長を放射することが好ましく、また皮膚（真皮と表皮、特には真皮）は個人によって変化するスペクトル特性を有するので、これら画像を組み合わせることで個人認証のための豊富な情報が得られる。検知フォトダイオードは、個人に固有の「指紋」に類似した一組のスペクトル情報を提供するようにマトリクス状に配置されることが好ましい。

指紋と皮膚のスペクトル認証を利用することで、全体として優れた認証水準を得ることが可能となり、特に、時には指紋認証が適さない個人を認証できるようになる。

この取得技術は、皮膚のスペクトル特性だけでなく、偽造される指紋の設計と、指紋が帰属する個人の指の皮膚の内部構造についての知識との両方をもつ必要があるので、偽指により偽造することは非常に難しくなる。

近赤外線における波長（特に、酸素ヘモグロビンとヘモグロビン間の等吸収点であるおよそ８００ｎｍ）を使用すれば、血液の存在も検出されることとなり、「生体の指」を確定する上で強力な要素となる。

指紋画像の取得と、スペクトル情報の取得は、逐次的あるいは同時的のいずれかで実行されるが、後者のほうが好ましい。上記取得は、部分的な指紋画像の取得に続いて部分的なスペクトル情報を取得し、次の部分的な指紋画像を取得する等々、取得間であるいは後続の取得との間で様々な取得の一貫性が照合されながら交互に行ってもよい。

指紋画像は、特には光学的、熱的、あるいは容量的手段により静的に、あるいは動的に得ることができる。静止画像の取得においては、指紋を読み取る間、指は動かせない。動画像の取得すなわち走査型取得においては、センサ上を移動させるのは指であるか、あるいは、センサを固定された指の下で移動する。その全体画像は、少数の像点線のみを有するセンサを使用することにより得られた部分的画像から復元される。この復元は相対的移動中に逐次的に得られる部分的画像間の相関により行なわれる。

この指紋画像センサは原則としてシリコンチップに基づく。

スペクトル情報分析用のフォトダイオードは、指紋画像センサと同一のチップ上に設置されることが好ましい。スペクトル情報取得用の光源を提供する発光ダイオードは、技術的な理由（これらは原理的にシリコンを使用しては作成されない）でシリコンチップ外に設置される。

個人認証を均等な品質水準にするために、指紋センサは、スペクトル認証を伴わない場合に必要なセンサより小さくすることができる。

発光ダイオードとフォトダイオードは、異なる位置において複数の測定を均等に行うためにある軸に対して対称的に配置できる。特には、２箇所あるいは４箇所の対照領域に配置する。

スペクトル情報取得用フォトダイオードは、指紋画像取得用のマトリクス状配置で使用されるフォトダイオードと同一にできる。

本発明は、更に、観察される皮膚部分のスペクトル情報を、同時に観察される細長い指紋と相関付けることを提案する。この理由は、スペクトル認証によりいくつかのパラメーターの推定が可能となるためであり、このパラメーターは、皮膚の局所的な偏差に対処するためにある範囲内で引き続いて受け入れられる。その位置に依存するが、当該指紋により照合されると、当該の皮膚が局所的に必要な特性を有するかを照合できるようになる。これによりその照合精度を緩和するとともに本技術の偽造を非常に難しくする。

この技術は静的取得の場合に使用できるが、より好都合には、広く豊富な情報を保存するとともにコストを削減できる（シリコン・センサはより小さな領域を有する）走査型取得の場合にも使用できる。

本発明は、指紋及びスペクトルの指紋の取得が物理的に同一のフォトダイオードにより実行されるべきことを提案する。測定は逐次的、あるいは好ましくは同時的に行われる。

指紋及びスペクトル測定が同時的でない場合、それらが物理的に同一のフォトダイオードにより実行されても実行されなくても、本発明は不正行為を難しくするために指紋取得とスペクトルの指紋の取得を交互に行うことを提案する。実際、指紋を読み取り、次に指紋読み取り終了後にスペクトルの指紋を読み取る場合、指紋の偽物、次にスペクトルの偽物を提示することができる可能性がある。例えば指紋領域を読み取り、第１のＬＥＤによりスペクトル測定を行い、次に別の領域を読み取り、さらに第２のスペクトル測定を行い等々と、一連の測定が十分に迅速あるいは交互に行われれば、偽の指紋と偽のスペクトルの指紋を交互に提示することによる不正行為は不可能となる。

本発明の他の特徴と利点は、添付の図面を参照し、以下の詳細な説明を読むことにより明らかとなる。

以下、スペクトル認証用の単色光あるいは準単色光の放射体を表わすのに、省略形ＬＥＤ（「Ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ：発光ダイオード」）を用いる。但し、大抵の場合は発光ダイオードであるが、この測定に適切ならば任意のタイプの発光体（レーザー、白色光とフィルタの組み合わせ等）でもよい。複数色、したがって複数個のダイオード（またはフィルタ）が使用される。この光放射は、赤色及び近赤外線領域が好ましい。この領域では、光の皮膚への透過性だけでなく、血液からの好応答性と、シリコンにより形成される検知器の十分な感度がある。

用語、フォトダイオードは、受信した光子を電気信号に変換する光センサを表わすのに用いられる。

皮膚のスペクトルを取得するためには、異なる光波長の光励起に対する皮膚の光学反応を測定する必要がある。皮膚の表面すなわち表面層（角皮層）により直接反射される光の測定は避ける必要がある。この理由は、各個人に固有の情報は真皮構造中にあるからである。したがって、ＬＥＤからセンサまで直接伝わるか、あるいは皮膚上で単純に反射した後の光の割合を最小限にすると同時に皮膚を透過した光のみがセンサに到着するように、発光体（ＬＥＤ）を光センサ（フォトダイオード）から分離する必要がある。発光体と検知器との間の距離を選択すれば、直接反射の削減を制御できる。

図１は、本発明の原理を断面で表わしており、指紋センサとスペクトルの指紋センサは、個人認証動作中に指が押し当てられる表面を共有している。上記（光学的あるいは非光学的）指紋センサは、基板２０上に搭載されたシリコンチップから成るマトリクスセンサ１０である。ＬＥＤ１２は対応するフォトダイオード１４と共に表わされており、同一の基板２０上に搭載される。実際、好ましくは異なる波長に対応する複数個のＬＥＤと複数個のフォトダイオードが存在する。

設計としては、指紋センサは指よりもはるかに小さいことが好ましい。この結果、皮膚は、同時にスペクトルセンサに接触でき、ユーザーの１回の「接触」で取得が可能となる。より小さな指紋センサを有すると、認証性能は著しく低下する。この理由は、特には、指紋の同一部分を毎回、正確に提示することが難しいことによる。この性能の損失は、スペクトル認証により提供される付加的な情報により補正される。

図２は、ハイブリッド・センサの平面図を表わし、センサ上に置かれた指２２の画像が重畳されている。

一体化される電子素子の全体の数を減少させることによりコストを削減するには、フォトダイオードを指紋センサ内に挿入させる選択肢を選ぶことが好ましい。特に、指紋センサとしてシリコンチップを使用し、その表面に当該指を直接置く場合は特に、このようにできる。次に、チップは、ＬＥＤからの光を検出するフォトダイオードを覆わない透明な（あるいは穿孔された）表面保護層により保護されるべきである。

図３は、指紋センサを構成するシリコンチップ１０に組み込まれたフォトダイオード１４を有する基本的な実施形態の断面を表わす。図４は図３のハイブリッド・センサ構成の平面図を表わす。

ＬＥＤは指紋検知とスペクトル情報検知に必要なすべての電子回路を含むシリコンチップ１０により直接駆動されることが好ましい。

この個人認証アルゴリズムをシリコンチップへ集積化することも可能であり、こうするとその組み立てを更に安価にする。このアルゴリズムは、ほとんどの場合、現在のスペクトル測定値と、個人（単純な身元照合のための比較）あるいは複数の個人（何人もの中から一人の人物を照合するための多数比較）に関する一組のスペクトル測定値とを比較することからなる。

シリコンの指紋センサ上にダイオードを集積化する技術の１つの利点は、スペクトル読み取り用の多数のフォトダイオードを同等のコストで提供できることである。というのは、このコストはフォトダイオードの数ではなく本質的にシリコンの表面積に依存するためであり、一方個別素子を組み立てる場合はそうはいかない。

スペクトル読み取り用のフォトダイオードの数を増やすことにより、測定精度を向上させると共にＬＥＤの数を減少させることができる。

これにより、更に、指紋により特定される局所的なスペクトル情報と指の特定領域との相関が可能となるので、偽指の作成を非常に難しいものとし、その照合精度を高められる。フォトダイオードを特徴付けの対象とされる各領域に挿入してもよい。全領域に対して一組のＬＥＤを使用することもできるが、各領域は、同一のトポロジー構成を提供しその分析を簡単にするために全領域に対して一組のＬＥＤを利用しても良い。この場合、できる限り対称な構成を備えることは有利である。回転しないように指用ガイドを用いることが望ましく、これにより相関分析が容易になる。

図５は、指紋センサ（シリコンチップ）が、対称な４つの区域に分割された実施形態を表わし、各区域はチップまわりに配置されたＬＥＤと一体化された複数個のフォトダイオードを含む。図６は、センサを水平軸に対して対称な２つの区域に分割した別の実施態様を表わす。フォトダイオードはチップ内の水平軸の両側に設置され、また、ＬＥＤはチップの両側の軸上に設置されることが好ましい。

指紋検出用マトリクスがフォトダイオード・マトリクス（指紋の光学的、静的かつ直接接触型の読み取り用）である特別の実施態様において、これら同じフォトダイオードもまたスペクトルの指紋検知用に使用されるべきことを提案する。指紋の山と谷を照射する照明源として使用されるのはこれらＬＥＤである。すべてのＬＥＤが点灯されると、これらフォトダイオードは指紋を表わす光のパターンを収集する。スペクトル情報を得るためにこれらＬＥＤが異なった波長を放射すべきことを更に提案する。通常は、マトリクスの水平対称軸に沿ったフォトダイオード・マトリクスの両側にＬＥＤが並べられる図６のような構成では、特定のＬＥＤ３２を中心とする円弧３０上にある画像検出マトリクスのフォトダイオードが、同一の深さの真皮から発生するスペクトル情報を受信するものと考えられ、他のＬＥＤから得られるスペクトル認証全体の一要素を構成している。ＬＥＤの異なる波長と、マトリクス状のフォトダイオードの異なる位置により、スペクトルの指紋全体を定義できる。

この実施態様においては、結局、異なる波長を有する複数個のＬＥＤは、静的な、直接接触型光学センサのまわりに設置される。そして、これら複数個のＬＥＤは２つの用途を有する。一つには、ＬＥＤのうちのいくつかあるいはすべては、指を十分に照射すように同時に点灯され、この結果フォトダイオード・マトリクスにより指紋の取得が可能となる。これらのフォトダイオードは、この目的に適した電子回路に接続される。他方では、スペクトル読み取りに適した電子回路に接続される同じフォトダイオードによりスペクトルの指紋の測定が可能となるように、単一波長が活性化される。

上記フォトダイオードの配置を相関分析と組み合わせることが可能である。

一般的には、指紋取得とスペクトル取得が逐次的に行われれば、偽指紋と正確なスペクトル特性を有する偽指を所有する詐欺師は、２つの模倣のそれぞれを適切な時に提示できる。したがって、このことを非常に難しくすることは大いに望ましいし、また、本発明は読み取りを交互に行うこと、及び／又は測定を数回行うことを提案する。こうすれば、読み取られる情報の一貫性を保証できる。

限定するものではないが様々な可能性として以下のものを含む。

−指紋全体を読み取り、次にスペクトルを読み取り、次に、再び指紋を読み取り、両方の指紋画像が同一である（２つの指紋読み取り間に変動がない）ことを照合する。

−指紋を部分的に読み取り（例えば、右上の４分の１）、スペクトルの指紋を部分的に読み取り（例えば、青の周波数帯の読み取り）、指紋センサの他の部分と、他の波長に対応する情報を完全に読み取るまで、このように逐次的に行う。

−各周波数帯における指紋を読み取る。これにより指紋とスペクトルの指紋を同時に取得できる。

情報が記録される間は指を動かない指紋の静的取得を利用するのは、より簡単に思えるが、これには、少なくとも取得される指紋の大きさに等しいシリコン面積を使用するという欠点がある。

指を線状の取得区域の上を滑走させる走査型取得技術は、仏国特許第２７４９９５５号明細書に提案されており、その全体画像は互いに部分的に重畳する逐次画像から復元される。本発明はこの場合にも適用可能である。図７は、数行の指紋画像取得用フォトダイオードとスペクトル情報取得用のフォトダイオードとの両方を含む細長い棒状シリコンチップを備えたハイブリッド・センサの構成を表わすが、発光ダイオードはシリコンチップ外に設置される。

上記走査技術が用いられる場合は、読み取りを「その進行中に急いで（オンザフライ：ｏｎ−ｔｈｅ−ｆｌｙ）」行う必要があるので、上記提案した交互読み取りが当然行われる（さもなければ、指を２回に亘って通過させる必要があり、この技術の利点を著しく弱める）。

重要な改良は、上記走査技術を指紋とスペクトルの指紋との相関に使用することによりもたらされる。これは、指紋の縞に対して、具体的には測定時に装置と接触する皮膚の一部分に対して相関を直接行うことができるためである。

認証対象の人物に対して、指のある領域に対応する指紋と、この領域に対応するスペクトル情報との間の一貫性の照合を行うことができる。

ある指紋領域が検出された時点でスペクトル分析を「オンザフライ」で引き起こさせることも可能であるので、皮膚の明確に定義された部分はスペクトル的に正確に解析できる。

更に、「オンザフライ」で指の速度を評価することにより、直接的ではなく、空間的（かつ時間的）オフセットにより相関分析を行うことも可能である。この相関は、指の同じ領域に対して、あるいは異なる領域に対して行うことができる。

本発明の好ましい実施形態は、スペクトルの指紋の取得と一体となった走査型光学指紋取得技術を利用することであり、このときフォトダイオードは物理的に同じものである。これにより、上記データ収集のために必要となる素子を最適に削減させ、したがってコストを最適に削減させる。

指紋取得用の照明源として使用されるＬＥＤをスペクトル画像取得に使用されるＬＥＤから分離できる（指も照射するようにＬＥＤを均等に配置することにより）。但し、両方の役割を果たすように発光ダイオードを共有して使用する方が安上がりである。

本発明によれば、以下の可能性も考えられる。

−発光ダイオードは、指紋センサを構成するチップ内に技術的許容範囲で集積化できる。

−指紋センサは容量、熱、圧力あるいは電流センサもよいが、光学的センサであってもよい。

−当該センサが光学的の場合、その光源は指紋取得とスペクトル情報取得により共有できる。

−スペクトルの指紋取得については、指内の血液及び／又はヘモグロビン内の酸素レベルを検知する波長を使用できる。

−指は、指紋取得とスペクトル情報測定間の相関を容易にするために指ガイドによって誘導してよい。

−本装置は、人物のより信頼性のある照合のために１回又は２回以上使用してよい。数本の指を照合してもよいし、あるいは、指紋を１本の指について照合するとともにスペクトル情報を別の指について照合してもよい。

本発明による装置の原理を表す。 図１の装置の平面図を表す。 指紋画像センサと同一チップ上に集積化されたフォトダイオードによる実施形態を表す。 図３のセンサの平面図を表す。 ４つの対称な領域におけるセンサの実施形態を表す。 ２つの対称な領域におけるセンサの実施形態を表す。 指をセンサ表面上で移動させることにより、指紋画像を検出するセンサを表す。

Claims (11)

1. １本の画像線あるいは少数の画像線を取得するとともに、指とセンサとの間の相対的移動中に得られる部分の画像間の相関により指紋画像全体を復元する手段を有する走査指紋画像センサ（１０）を、１つの支持体（２０）上に有する個人認証装置であって、その指紋が前記画像センサにより記録される指の皮膚についてのスペクトル送信情報用センサ（１２、１４）をさらに有し、前記画像センサと前記スペクトル情報センサとを交互に機能させるように設計した
   ことを特徴とする個人認証装置。
2. 前記指紋画像センサはシリコンチップ上に設置され、前記スペクトル送信情報センサは発光ダイオードとフォトダイオードとを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記フォトダイオードと、任意の前記発光ダイオードとは、前記指紋画像センサと同じチップ上に設置される
   ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記発光ダイオード及び前記フォトダイオードは、ある軸に対して対称的に配置される
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の装置。
5. 走査型指紋画像センサとスペクトル送信情報センサとを有する同じ装置を用いることにより、指紋画像と、その指紋が検知される指の皮膚についてのスペクトル送信情報との両方が検知されるとともに、前記指紋画像と前記スペクトル送信情報との両方が個人認証用に使用され、さらに前記画像センサは、１本の画像線あるいは少数の画像線を取得するとともに当該指と前記センサとの間の相対的移動中に得られる部分の画像間の相関により指紋画像全体を復元する手段を有し、前記画像センサと前記スペクトル情報センサとが交互に機能する
   ことを特徴とする個人認証方法。
6. 指紋全体を数回読み取るとともにスペクトル情報全体を交互に数回収集し、さらに異なる検出情報間の一貫性が照合される
   ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 指の特定領域に対応する指紋の一部を読み取るとともに、この領域に対応するスペクトル情報を読み取り、続いて、前記指紋の全体画像が前記部分画像から復元される
   ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. 指のある領域に対応する指紋が、この領域に対応するスペクトル情報か、あるいは認証対象の人物の別の領域に対応するスペクトル情報と一致しているかの照合がなされる
   ことを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 前記指紋センサは、光学的、容量あるいは熱的センサ、あるいは当該指を流れる電流に感応するセンサ、あるいは圧力に感応するセンサである
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記指紋取得のため、および前記スペクトル情報取得のために同一光源が用いられる
    ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記スペクトル情報の取得は、血液検知及び／又はヘモグロビン内の酸素レベル検知用の波長での測定を含む
    ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。

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