JP2008210230A - 指紋撮像装置及び認証システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の画素の配列を持つ２次元撮像素子上に、複数の光ファイバーの配列を持つ光ファイバープレートが配置された指紋撮像装置において、認証の際にモアレの影響を受けにくい画像を取得できる指紋撮像装置を提供する。
【解決手段】２次元撮像素子上に光ファイバープレートが配置された指紋撮像装置において、光ファイバーの光軸は、光ファイバープレートの出射面に対して所定角度傾斜される。所定角度をθ、画素配列の所定方向に沿った画素間隔をＬｐ、出射面のＬｐと同方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆ、光ファイバーの光軸が出射面に対して傾斜していない場合のＬｐと同方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆｖとする。Ｌｆは、Ｌｆ＝Ｌｆｖ／Ｓｉｎθで与えられ、ＬｐとＬｆとが異なり、Ｌｐ／２＜Ｌｆ＜２Ｌｐであり、２／｛｜（１／Ｌｐ）−（１／Ｌｆ）｜｝＜５００μｍを満たすように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、指紋撮像装置及び認証システムに関するものであり、特に光を指に照射し、指内部からの散乱光を２次元撮像素子で検出することで、指紋パターンの撮像を行う指紋撮像装置に関するものである。

近年、建物への入退室管理や電子データへのアクセス管理等において、生体情報を用いた認証技術が使われている。生体認証は、物理的な鍵やパスワードのように紛失したり忘れたりする心配もなく、個人を特定するセキュリティシステムとして非常に有効である。

代表的な生体認証の方法として指紋認証がある。その指紋認証において、精度の高い認証を行うためには、画質の良い指紋画像を撮像できる指紋撮像装置の存在が不可欠である。

指紋撮像装置の構成として、特許文献１に示されているような、撮像素子上に、光軸が入射面と出射面に対し所定角度傾斜された光ファイバープレートを配置した構成がある。特許文献１に記載されているように、この構成は、外光の影響を遮断し、指紋パターンのみ撮像する手段として有効な構成である。この構成の断面の模式図を図８に示す。

図８において、光ファイバープレート２の指１に接する面を、指１からの散乱光が入射する面ということで入射面３と定義し、２次元撮像素子５に接する面を、光が出射する面ということで出射面４と定義する。光ファイバープレート２中の各光ファイバーの光軸は、図の斜線で示す方向を向いており、入射面３と出射面４に対し、一定角度傾いている。

また、特許文献２では、１次元センサと、その画素配列方向に対し直角方向に光ファイバーの光軸が所定角度傾いた光ファイバープレートとを有する画像検出装置が記載されている。さらに、特許文献３では、２次元センサと、そのセンサ面に対し垂直方向に形成された光ファイバーから成る光ファイバープレートとを有する指紋画像入力装置が記載されている。
特開平７−１７４９４７号公報 特開２００５−２２７４９３号公報 特開平６−３２５１５８号公報

特許文献１に記載されているように、図８に示す構成ならば、入射面３からの外光は概ね遮断され、出射面４からは指１内を散乱した光が主に出射される。しかしながら、２次元撮像素子５上に光ファイバープレート２を配置させた場合、光ファイバーと画素の配列のピッチが異なる場合には、光ファイバーと画素の干渉による模様（モアレ）が発生してしまうという問題があった。

図８のｚ方向から見た場合の、光ファイバープレート２の出射面４と２次元撮像素子５の画素部６の接する面における、光ファイバー７と画素８の位置関係の１例を図９に示す。図９の例では、光ファイバー７はもともと六方格子の形状をしており、ｘ方向へ傾斜をつけたために、出射面４では六方格子がｘ方向へ伸びた形状の配列をなしている場合を示してある。画素８は正方格子を仮定している。

光ファイバー７は、光を通す部分であるコアと、その外周を覆うクラッド、及び光吸収層で構成されている。クラッド及び吸収層は光を通さない。図９中の太線で示す六角形の外周部分は、光を通さないクラッド及び光吸収層であるとする。それに囲まれた、白部分が光を出射するコアである。また、画素８の開口は、図９中に円で示す領域であり、その領域にのみ感度を持つ。

つまり、図９において、画素８のうち光ファイバー７の図中の太線部分（クラッド・吸収体部）に開口がかかるものは、その分出力が暗くなってしまう。例えば、ａ１で示す画素８は開口が全てコアに収まっており最も明るいのに対し、ａ２で示す画素８は、ａ１で示す画素８の８割程度の出力、ａ３で示す画素８は、ａ１で示す画素８の半分以下の出力になってしまう。ｘ方向における画素の明るさの変化を、図９の下側に模式的に表す。

上記のように画素ごとに明るさが異なると、それが画像にモアレとして現われる。モアレの周期は、光ファイバー７と画素８のピッチの関係によって決まる。モアレの周期が指紋の周期と近い場合、指紋認証アルゴリズムにおいて指紋とモアレを判別することが困難な場合があり、認証精度を落とすことに繋がる。特に濡れた指や乾燥した指の場合、指紋のコントラストが比較的低く、モアレの影響が顕著に出てしまう。

また、現状の技術では、画素８はｎｍオーダーで正確なピッチで配列しているが、光ファイバー７は場所によりμｍオーダーでのばらつきがあり、ピッチやコア・クラッド・吸収体の幅が異なる場合がある。光ファイバー７と画素８のピッチが近い関係にあると、光ファイバー７のピッチ変化の影響を受け、モアレのピッチが画像内で変化し、画質を著しく損ねる場合がある。

本発明は、上記課題を解決するものであり、２次元撮像素子上に光ファイバープレートが配置された指紋撮像装置において、指紋認証に際し、モアレの影響の少ない画像を取得することのできる指紋撮像装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る指紋撮像装置は、複数の画素が配列された２次元撮像素子と、複数の光ファイバーが配列された光ファイバープレートとを有し、前記２次元撮像素子上に前記光ファイバープレートが配置された指紋撮像装置であって、前記光ファイバーの光軸が前記光ファイバープレートの出射面に対して所定角度傾斜され、前記所定角度をθとし、前記２次元撮像素子における前記画素の配列の所定方向に沿った画素間隔をＬｐとし、前記出射面における前記光ファイバーの配列の前記所定方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆとし、前記光ファイバーの光軸が前記出射面に対して傾斜していないとしたときの前記光ファイバーの配列の前記所定方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆｖとしたとき、前記光ファイバー間隔Ｌｆは、Ｌｆ＝Ｌｆｖ／Ｓｉｎθで与えられ、前記画素間隔Ｌｐと前記光ファイバー間隔Ｌｆとが異なり、Ｌｐ／２＜Ｌｆ＜２Ｌｐであり、２／｛｜（１／Ｌｐ）−（１／Ｌｆ）｜｝＜５００μｍを満たすように構成されたことを特徴とする。

または、本発明に係る指紋撮像装置は、複数の画素が配列された２次元撮像素子と、複数の光ファイバーが配列された光ファイバープレートとを有し、前記２次元撮像素子上に前記光ファイバープレートが配置された指紋撮像装置であって、前記光ファイバーの光軸が前記光ファイバープレートの出射面に対して所定角度傾斜され、前記所定角度をθとし、前記２次元撮像素子における前記画素の配列の所定方向に沿った画素間隔をＬｐとし、前記出射面における前記光ファイバーの配列の前記所定方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆとし、前記光ファイバーの光軸が前記出射面に対して傾斜していないとしたときの前記光ファイバーの配列の前記所定方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆｖとしたとき、前記光ファイバー間隔Ｌｆは、Ｌｆ＝Ｌｆｖ／Ｓｉｎθで与えられ、前記画素間隔Ｌｐと前記光ファイバー間隔Ｌｆとが異なり、Ｌｐ／２＜Ｌｆ＜２Ｌｐであり、ｍ、ｎを２以下の自然数として、全てのｍ、ｎの組み合わせに対し、２／｛｜（ｍ／Ｌｐ）−（ｎ／Ｌｆ）｜｝＜５００μｍを満たすように構成されたことを特徴とする。

または、本発明に係る指紋撮像装置は、複数の画素が配列された２次元撮像素子と、複数の光ファイバーが配列された光ファイバープレートとを有し、前記２次元撮像素子上に前記光ファイバープレートが配置された指紋撮像装置であって、前記光ファイバーの光軸が前記光ファイバープレートの出射面に対して所定角度傾斜され、前記所定角度をθとし、前記２次元撮像素子における前記画素の配列の互いに直交する２つの方向をｘ方向及びｙ方向とし、前記ｘ方向及びｙ方向に沿った画素間隔をＬｐｘ及びＬｐｙとし、前記出射面における前記光ファイバーの配列の前記ｘ方向及びｙ方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆｘ及びＬｆｙとし、前記光ファイバーの光軸が前記出射面に対して傾斜していないとしたときの前記光ファイバーの配列の前記ｘ方向及びｙ方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆｖｘ及びＬｆｖｙとしたとき、前記ｘ方向及びｙ方向の光ファイバー間隔Ｌｆｘ及びＬｆｙは、Ｌｆｘ＝Ｌｆｖｘ／Ｓｉｎθ、Ｌｆｙ＝Ｌｆｖｙで与えられ、前記ｘ方向の画素間隔Ｌｐｘと光ファイバー間隔Ｌｆｘとが異なり、かつ、Ｌｐｘ／２＜Ｌｆｘ＜２Ｌｐｘであり、前記ｙ方向の画素間隔Ｌｐｙと光ファイバー間隔Ｌｆｙとが異なり、かつ、Ｌｐｙ／２＜Ｌｆｙ＜２Ｌｐｙであり、２／｛｜（１／Ｌｐｘ）−（１／Ｌｆｘ）｜｝＜５００μｍと、２／｛｜（１／Ｌｐｙ）−（１／Ｌｆｙ）｜｝＜５００μｍとを満たすように構成されたことを特徴とする。

または、本発明に係る指紋撮像装置は、複数の画素が配列された２次元撮像素子と、複数の光ファイバーが配列された光ファイバープレートとを有し、前記２次元撮像素子上に前記光ファイバープレートが配置された指紋撮像装置であって、前記光ファイバーの光軸が前記光ファイバープレートの出射面に対して所定角度傾斜され、前記所定角度をθとし、前記２次元撮像素子における前記画素の配列の互いに直交する２つの方向をｘ方向及びｙ方向とし、前記ｘ方向及びｙ方向に沿った画素間隔をＬｐｘ及びＬｐｙとし、前記出射面における前記光ファイバーの配列の前記ｘ方向及びｙ方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆｘ及びＬｆｙとし、前記光ファイバーの光軸が前記出射面に対して傾斜していないとしたときの前記光ファイバーの配列の前記ｘ方向及びｙ方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆｖｘ及びＬｆｖｙとしたとき、前記ｘ方向及びｙ方向の光ファイバー間隔Ｌｆｘ及びＬｆｙは、Ｌｆｘ＝Ｌｆｖｘ／Ｓｉｎθ、Ｌｆｙ＝Ｌｆｖｙで与えられ、前記ｘ方向の画素間隔Ｌｐｘと光ファイバー間隔Ｌｆｘとが異なり、かつ、Ｌｐｘ／２＜Ｌｆｘ＜２Ｌｐｘであり、前記ｙ方向の画素間隔Ｌｐｙと光ファイバー間隔Ｌｆｙとが異なり、かつ、Ｌｐｙ／２＜Ｌｆｙ＜２Ｌｐｙであり、ｍ、ｎを２以下の自然数として、全てのｍ、ｎの組み合わせに対し、２／｛｜（ｍ／Ｌｐｘ）−（ｎ／Ｌｆｘ）｜｝＜５００μｍと、２／｛｜（ｍ／Ｌｐｙ）−（ｎ／Ｌｆｙ）｜｝＜５００μｍとを満たすように構成されたことを特徴とする。

本発明によれば、２次元撮像素子上に光ファイバープレートが配置された指紋撮像装置において、認証の際にモアレの影響を受けにくい画像を取得できる指紋撮像装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る指紋撮像装置及び認証システムについて、図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態における指紋撮像装置の断面の模式図を示す。同図に示す指紋撮像装置において、ＰＣＢ（Printed Circuit Board）基板９上に複数の画素が配列された２次元撮像素子５と、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源１０とが配置されている。図１には明記していないが、ＰＣＢ基板９上には、他にも撮像素子５やＬＥＤ光源１０を駆動するための回路素子が配置されている。２次元撮像素子５上には、接着層１１を介して、複数の光ファイバーが配列された光ファイバープレート２が配置されている。図１では、２次元撮像素子５と光ファイバープレート２の間は接着層１１しか記していないが、その他マイクロレンズや、光フィルター等が入っている場合もある。後記するように、本発明の主眼であるモアレの周期は、光ファイバーと画素のピッチにより決まるものであり、マイクロレンズや光フィルターが２次元撮像素子５と光ファイバープレート２の間に配置されていても本発明は有効である。

ＬＥＤ光源１０から指１へ光を照射し、指１内部で散乱して光ファイバープレート２を散乱した光を、２次元撮像素子５の画素部６で検出し、指紋画像を得る。ＬＥＤ光源１０は、図１では指先に配置されているが、指の左右や根元に並べて配置しても良い。

光ファイバープレート２の光軸は、図１中に示す角度θだけ、入射面３と出射面４に対して傾斜が付けられているとする。また、光ファイバープレート２の入射面３、出射面４で光ファイバーは六方格子をなし、画素部６で画素は正方格子をなすものとする。

ここで、光ファイバーの光軸が光ファイバープレート２の出射面に対して所定角度傾斜され、所定角度をθとする。２次元撮像素子５における画素の配列の所定方向に沿った画素間隔（画素ピッチ）をＬｐとし、出射面４における光ファイバーの配列の前記所定方向に沿った光ファイバー間隔（光ファイバーピッチ）をＬｆとする。光ファイバーの光軸が出射面４に対して傾斜していないとしたときの光ファイバーの配列の前記所定方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆｖとする。

このとき、光ファイバー間隔Ｌｆは、Ｌｆ＝Ｌｆｖ／Ｓｉｎθで与えられ、画素間隔Ｌｐと光ファイバー間隔Ｌｆとが異なり、Ｌｐ／２＜Ｌｆ＜２Ｌｐである。そして、ｍ、ｎを２以下の自然数として、全てのｍ、ｎの組み合わせに対し、２／｛｜（ｍ／Ｌｐ）−（ｎ／Ｌｆ）｜｝＜５００μｍを満たすように構成されている。例えば、ｍ＝ｎ＝１のとき、２／｛｜（１／Ｌｐ）−（１／Ｌｆ）｜｝＜５００μｍを満たしている。

ここで、画素８と光ファイバー７のピッチが等しく（Ｌｐ＝Ｌｆ）、位置も完全に一致した指紋撮像装置を作成することは非常に困難である。そのような指紋撮像装置を作るには、例えば２次元撮像素子５と光ファイバープレート２を同一微細プロセス内で作成する必要があり、現状ではそれは難しい。また、そのような場合、モアレはそもそも存在しない。よって、本実施の形態においては、Ｌｐ≠Ｌｆとする。

また、Ｌｐ／２＜Ｌｆ＜２Ｌｐの根拠は、次のとおりである。

まず、Ｌｆ＜Ｌｐの場合、解像度はＬｐで決まる。光ファイバーピッチＬｆを細かくすることは、光ファイバープレート２のコストアップになるので、必要以上にＬｆを小さくする必要はない。Ｌｆ≦Ｌｐ／２の場合には、必要以上に小さくしていることになる（解像度はＬｐで決まる値以上はでないため）。よって、Ｌｐ／２＜Ｌｆで十分である。

また、ＬｆとＬｐの差が大きい場合には、画素ごとの明るさの差は小さくなり、モアレの影響も小さくなる。このことからも、Ｌｐ／２＜Ｌｆの範囲を対象とすれば十分と言える。

次に、Ｌｆ＞Ｌｐの場合、解像度はＬｆで決まる。画素でのサンプリングは、Ｌｆの１／２の周期で十分。それ以上の画素数は、データ量を多くし、後段の処理の負荷を重くするため無駄となる。よって、Ｌｆ＜２Ｌｐで十分である。

また、前述のようにＬｆとＬｐの差が大きい場合は画素ごとの明るさの差は小さく、モアレの影響も小さい。このことからも、Ｌｆ＜２Ｌｐの範囲を対象とすれば十分と言える。

また、２／｛｜（ｍ／Ｌｐ）−（ｎ／Ｌｆ）｜｝＜５００μｍの根拠は、次のとおりである。

モアレは、光ファイバーと画素の干渉と捉えることができる。つまり、空間周波数がｍ／Ｌｐｘとｎ／Ｌｆｘの２つの周期関数の干渉であるので、その干渉縞、すなわちモアレの周期は、２／｛｜（ｎ／Ｌｐｘ）−（ｍ／Ｌｆｘ）｜｝と計算される。

ここで、指紋の稜線の平均的な周期は、約５００μｍであると言われている。これと同程度以上の周期のモアレが画像に存在すると、指紋認証の際に指紋と誤認識してしまう可能性があり、認証精度を下げることになる。特に濡れた指や乾燥した指等では、指紋のコントラストが小さいため、認証が困難になる場合がある。

指紋認証アルゴリズムは、指紋の稜線の途切れる点（端点）や分岐する点（分岐点）を特徴点として捉えることで個人認証を行う。モアレのピッチが指紋のピッチに近いと、モアレの明暗の模様をこのような特徴点と間違えてしまう可能性があり問題となる。

モアレのピッチは、稜線のピッチより小さく、稜線の周期の中に細かいモアレの模様が存在する方が良い。その方がアルゴリズム上で端点と間違われる可能性が少なくなる。また、モアレの周期が稜線の周期に比べて小さければ、ローパスフィルタ等の処理でモアレの影響を低減することが可能である。逆にモアレのピッチが稜線のピッチと同程度以上の場合には、ローパスフィルタ等の処理で低減することができない。

さらに、現状の技術では、画素はかなり正確なピッチで配列しているが、光ファイバーは場所により、ピッチやコア・クラッド・吸収体の幅が異なる場合がある。光ファイバーと画素のピッチが近い関係にあると、光ファイバーのピッチ変化の影響を受け、モアレのピッチが画像内で変化し、画質を著しく損ねる場合がある。すなわち、画素と光ファイバーのピッチが近いと、モアレの周期が大きい。この点から考えても、モアレの周期はなるべく小さいことが好ましいと言える。

以上を総合して考慮すると、指紋認証に際してモアレの影響を少なくするには、光ファイバー間隔と画素間隔の関係を、モアレの周期、すなわち２／｛｜（ｍ／Ｌｐ）−（ｎ／Ｌｆ）｜｝が５００μｍより小さくなる関係にすることが好ましい。

本実施の形態では、モアレの周期が５００μｍより小さくなる条件を満たすように、光ファイバー間隔と画素間隔との関係を設定している。こうすることで、指紋認証に際し、モアレの影響の少ない画像を取得することのできる指紋撮像装置を実現している。

また、光ファイバーの光軸を出射面４に対して所定角度傾斜された光ファイバープレート２を用いると、外光を除去できるというもともとの効果に加え、出射面４の各光ファイバーの断面が楕円形状になる。この楕円形状の長手方向を傾斜角度で調整することで、光ファイバー間隔を画素配列方向に合わせて調整することが容易となる。これにより、モアレの周期が５００μｍより小さくなる条件を満たすように、画素間隔と光ファイバー間隔との差異を出すことが容易となるという効果も得ることが可能となる。

なお、指紋撮像装置は、上記に限らず、例えば次のような構成でもよい。すなわち、複数の画素が配列された２次元撮像素子５と、複数の光ファイバーが配列された光ファイバープレート２とを有し、２次元撮像素子５上に光ファイバープレートが配置された指紋撮像装置が適用される。ここで、光ファイバーの光軸が光ファイバープレート２の出射面４に対して所定角度θ傾斜しているとする。また、２次元撮像素子５における画素配列の互いに直交する２つの方向をｘ方向（画素配列方向）及びｙ方向（画素配列方向に垂直な方向）とし、ｘ方向及びｙ方向に沿った画素間隔（画素ピッチ）をＬｐｘ及びＬｐｙとする。また、出射面４における光ファイバーの配列のｘ方向及びｙ方向に沿った光ファイバー間隔（光ファイバーピッチ）をＬｆｘ及びＬｆｙとする。また、光ファイバーの光軸が出射面４に対して傾斜していないとしたときの光ファイバーの配列のｘ方向及びｙ方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆｖｘ及びＬｆｖｙとする。

このとき、ｘ方向及びｙ方向の光ファイバー間隔Ｌｆｘ及びＬｆｙは、Ｌｆｘ＝Ｌｆｖｘ／Ｓｉｎθ、Ｌｆｙ＝Ｌｆｖｙで与えられる。また、ｘ方向の画素間隔Ｌｐｘと光ファイバー間隔Ｌｆｘとが異なり、かつ、Ｌｐｘ／２＜Ｌｆｘ＜２Ｌｐｘである。また、ｙ方向の画素間隔Ｌｐｙと光ファイバー間隔Ｌｆｙとが異なり、かつ、Ｌｐｙ／２＜Ｌｆｙ＜２Ｌｐｙである。そして、ｍ、ｎを２以下の自然数として、全てのｍ、ｎの組み合わせに対し、２／｛｜（ｍ／Ｌｐｘ）−（ｎ／Ｌｆｘ）｜｝＜５００μｍと、２／｛｜（ｍ／Ｌｐｙ）−（ｎ／Ｌｆｙ）｜｝＜５００μｍとを満たすように構成されている。例えば、ｍ＝ｎ＝１のとき、２／｛｜（１／Ｌｐｘ）−（１／Ｌｆｘ）｜｝＜５００μｍと、２／｛｜（１／Ｌｐｙ）−（１／Ｌｆｙ）｜｝＜５００μｍとを満たしている。

図２は、図１の指紋撮像装置を用いた指紋認証システムのブロック図を示す。同図に示す指紋認証システムは、図１と同じ構成の指紋撮像装置１３のほか、認証処理装置１４、ユーザーインターフェース装置１５、生体情報データベース１６、及び外部装置１７を備えている。認証処理装置１４は、指紋撮像装置１３で撮像した指紋パターンと、生体情報データベース１６に登録されている各個人の指紋パターンとの比較認証を行う。ユーザーインターフェース装置１５は、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）や液晶を使った視覚的方法や音声によって、指紋パターンを入力する際にユーザーに対して動作や手順を案内するための装置である。外部装置１７は認証結果に応じて動作するものであり、たとえば、ドアの開閉錠やＰＣへのアクセスなど様々なものが考えられる。

以下、本発明の実施例について、比較例を用いて説明する。

最初に、比較例を３種類挙げて、どのような場合にモアレが問題になるのか説明する。

（比較例１）
まず、図５を参照して、比較例１を説明する。図５は、図１のｚ方向から見た場合の、光ファイバープレートの光ファイバー７と、２次元撮像素子の画素８との一部の位置関係を模式的に示す図である。図５に示す例では、ｘ方向の画素８のピッチをＬｐ、光ファイバー７のピッチをＬｆｘとし、Ｌｐｘ＝２５μｍ、Ｌｆｖｘ＝２４．５μｍであるとする。

本例は、角度θ＝９０°のとき、つまり傾斜がないときの例である。傾斜がない場合、光ファイバープレート２は、外光を遮断する役割は果たさないが、指１からの散乱光を２次元撮像素子５へ伝える役割、２次元撮像素子５を物理的・静電気的に保護する役割をなすため、傾斜なしの形態の指紋撮像装置もありえる。

図５において、灰色の線で示す六角形の外周部分は光を通さないクラッド及び光吸収層とし、それに囲まれた白部分が光を出射するコアとする。また画素８の開口は図中に円で示す領域であり、その領域にのみ感度を持つ。図５において、画素８のうち光ファイバー７の図中太線部分（クラッド・吸収体部）に開口がかかるものは、その分出力が暗くなる。

行によって明るさの分布が異なるが、例えば図中Ａ行と示す行の、ｘ方向に対する画素の明るさ遷移を模式的に図の下側に示してある。

モアレは、光ファイバー７と画素８の干渉と捉えることができる。空間周波数が１／Ｌｐｘと１／Ｌｆｘの２つの周期関数の干渉であるので、その干渉縞の周期は、２／｛｜（１／Ｌｐｘ）−（１／Ｌｆｘ）｜｝と計算される。図５の例の場合、モアレの周期は、２４５０μｍと計算される。

指紋の稜線の平均的な周期は、約５００μｍであると言われている。これと同程度以上の周期のモアレが画像に存在すると、指紋認証の際に指紋と誤認識してしまう可能性があり、認証精度を下げることになる。特に濡れた指や乾燥した指等では、指紋のコントラストが小さいため、認証が困難になる場合がある。

指紋認証アルゴリズムは、指紋の稜線の途切れる点（端点）や分岐する点（分岐点）を特徴点として捉えることで個人認証を行う。モアレのピッチが指紋のピッチに近いと、モアレの明暗の模様をこのような特徴点と間違えてしまう可能性があり問題となる。

モアレのピッチは、稜線のピッチより小さく、稜線の周期の中に細かいモアレの模様が存在する方が良い。その方がアルゴリズム上で端点と間違われる可能性が少なくなる。また、モアレの周期が稜線の周期に比べて小さければ、ローパスフィルタ等の処理でモアレの影響を低減することが可能である。逆にモアレのピッチが稜線のピッチと同程度以上の場合には、ローパスフィルタ等の処理で低減することができない。

さらに、現状の技術では画素８は、かなり正確なピッチで配列しているが、光ファイバー７は場所により、ピッチやコア・クラッド・吸収体の幅が異なる場合がある。光ファイバー７と画素８のピッチが近い関係にあると、光ファイバー７のピッチ変化の影響を受け、モアレのピッチが画像内で変化し、画質を著しく損ねる場合がある。

画素８と光ファイバー７のピッチが近い＝モアレの周期が大きいということである。この点から考えても、モアレの周期はなるべく小さいことが好ましいと言える。

以上を総合して考慮すると、指紋認証に際してモアレの影響を少なくするには、光ファイバーピッチと画素ピッチの関係を、モアレの周期が５００μｍより小さくなる関係にすることが好ましい。

なお、光ファイバーピッチは、場所によるばらつきがあるが、本発明における光ファイバーピッチとは、光ファイバーピッチの平均値または設計値を指すものと定義する。

（比較例２）
次に、図６を参照して、比較例２を説明する。図６の例では、ｘ方向の光ファイバーピッチＬｆｘは２４．５μｍ、画素ピッチＬｐｘは１２．５μｍである。

図６において、モアレの周期を式２／｛｜（１／Ｌｐｘ）−（１／Ｌｆｘ）｜｝より計算すると、約５１μｍとなり、５００μｍより小さいので問題ないことになる。

しかし、図６中のＡ行の明るさ分布を見ると、１画素ごとに明るい、暗い、を繰り返すとともに、点線で示しているような大きな周期の輝度変化が生じている。この周期は、前述した図５のＬｆｘ＝２４．５μｍ、画素ピッチＬｐｘ＝２５μｍの場合と同じ周期である。

この大きな周期の輝度変化があると、やはり指紋認証の妨げになってしまう。この大きな周期の輝度変化は、画素ピッチの２倍ピッチ２５μｍの周期関数と、光ファイバーピッチ２４．５μｍの周期関数の干渉と捉えられる。式で表すと、この大きな周期は、２／｛｜（２／Ｌｐｘ）−（１／Ｌｆｘ）｜｝＝２４５０μｍとなる。

以上の例から分かるように、モアレの周期を考える際には、光ファイバーピッチもしくは画素ピッチの、倍周期との干渉も考慮しなければならない。つまり、ｍ、ｎを２以下の自然数としたとき、２／｛｜（ｍ／Ｌｐｘ）−（ｎ／Ｌｆｘ）｜｝の周期のモアレを考慮しなければならない。全てのｍ、ｎの組み合わせに対して、前式で表される周期が５００μｍより小さくなるようにすることが好ましい。

（比較例３）
次に、図７を参照して、比較例３を説明する。本例は、θ＝３０°の場合の例である。３０°の傾斜は、図１に示す方向につけられているとする。傾斜がついていないときのｘ方向の光ファイバーピッチをＬｆｖｘ＝１８μｍとしたとき、出射面４における光ファイバーピッチＬｆｘは、Ｌｆｘ＝Ｌｆｖｘ／Ｓｉｎ３０°＝３６μｍとなる。ｘ方向の画素ピッチＬｐｘ＝３０μｍであり、ｘ方向のモアレの周期に関しては問題ない。

しかし、ｙ方向に対しては、画素ピッチはｘ方向同様Ｌｐｙ＝３０μｍだが、光ファイバーピッチがＬｆｙ＝２８μｍである。このとき、ｙ方向のモアレの周期を計算すると、２／｛｜（１／Ｌｐｙ）−（１／Ｌｆｙ）｜｝＝８４０μｍとなり、ｙ方向のモアレのピッチが５００μｍを超えてしまう。このようなケースでも、認証に影響の出やすいモアレが発生する場合がある。

次に、図３及び図４を参照して、モアレが問題となりにくい実施例１、２について説明する。

本実施例では、図１の構成の指紋撮像装置において、光ファイバープレート２の光軸の傾きが３０°（θ＝３０°）の場合の例を示す。３０°の傾斜は、図１に示す方向につけられているとする。ｘ方向の傾斜をつける前の光ファイバー７のピッチＬｆｖｘを１８μｍとすると、３０°の傾斜により、入射面３と出射面４での光ファイバー７のピッチは、Ｌｆｘ＝Ｌｆｖｘ／Ｓｉｎ３０°＝３６μｍとなる。また、ｘ方向の画素８のピッチは、Ｌｐｘ＝３０μｍである。本実施例における、ｚ方向から見た光ファイバー７と画素８の位置関係の模式図を図３に示す。

上記条件のもとで、モアレの周期２／｛｜（ｍ／Ｌｐｘ）−（ｎ／Ｌｆｘ）｜｝を計算すると、ｍ＝ｎ＝１のとき、約３６０μｍで、その他の組み合わせでは、これより小さい。よって、本実施例の指紋撮像装置は、ｍ、ｎ全ての組み合わせに対し、前式で計算されるモアレの周期が５００μｍより小さくすることができ、モアレの影響を少なくすることができる。

例えば、本実施例において、θ＝３６°である場合、Ｌｆｘ＝約３０．６μｍとなり、ｍ＝ｎ＝１で計算されるモアレの周期は、約２４９７μｍとなってしまい、認証でモアレの影響が出る領域になってしまう。

モアレの影響がなくなるように調整できるパラメータは、画素ピッチＬｐｘと、傾ける前の光ファイバーピッチＬｆｖｘと、角度θの３つである。このうち、画素ピッチＬｐｘと、傾ける前の光ファイバーピッチＬｆｖｘは、２次元撮像素子５や光ファイバープレート２の種類を変更しなくては変えられない。それに対し、角度θは光ファイバープレート２の切り出し角度だけ変更すれば変えられるので、比較的容易に調整可能である。

よって、角度θによりモアレの影響の少ない条件へ調整することは非常に有効である。ただし、角度θは外光のカット率や明るさ、コスト等にも影響するのでそれらも考慮して決める必要がある。

特許文献１に示されるように、例えばコアの屈折率が１．５１９、クラッドの屈折率が１．５１９の場合、角度θが外光カット角度３１．５４°以下の場合は、原理的には空気中から入る外光を全て遮断する。しかし、それより大きい角度では、角度を大きくするほど外光の影響が出やすくなる。反対に角度を小さくしていくと暗くなっていき、得られる指紋画像の出力が小さくなる。また角度が小さいほど、１ロットからの光ファイバープレート２の取り数が減るのでコストは高くなる。これらの影響と、モアレの影響を総合的に加味し、角度θは決める必要がある。

例えば、暗くなることが構わなければ、角度θは外光カット角度以下にしつつ、モアレの周期が５００μｍ以下になるようにするのが良い。また、外光の影響が増えても構わなければ、θは外光カット角度以上で、モアレの周期が５００μｍ以下にしても良い。

図４に本実施例として、本発明の要求を満たす場合の例を示す。本実施例は、比較例３に対する解決策という位置付けとして示す。比較例の状況において、光ファイバープレート２と２次元撮像素子５は同じものを使うしかないとする。つまり、Ｌｐｘ、Ｌｆｖｘ、Ｌｆｖｙは変えることが出来ない。変えることができるのは、傾斜をつける方向と、傾斜角度θの大きさ、および光ファイバープレート２と２次元撮像素子５の向きの関係だけとする。

まず、光ファイバープレート２を９０°回転して考える。つまり、Ｌｆｖｘ＝２８μｍ、Ｌｆｖｙ＝１８μｍとなる。この９０°回転したときのｘ方向の、出射面４における光ファイバーピッチがＬｆｘ＝Ｌｆｖｘ／Ｓｉｎ３６°＝４７．６°μｍとなるように３６°の傾斜をつける。

こうすると、ｘ方向のモアレの周期２／｛｜（ｍ／Ｌｐｘ）−（ｎ／Ｌｆｘ）｜｝は、ｍ＝１、ｎ＝２のとき約２３０μｍで、それ以外の場合はそれより小さい。また、ｙ方向のモアレの周期２／｛｜（ｍ／Ｌｐｙ）−（ｎ／Ｌｆｙ）｜｝は、ｍ＝１、ｎ＝１のとき９０μｍで、それ以外の場合はそれより小さい。よってモアレの周期はｘ、ｙ方向とも５００μｍより小さくなり、認証の際、モアレの影響の少ない条件となる。

以上のように、傾斜をつける方向や光ファイバープレート２と２次元撮像素子５の向きの関係を調整することは有効である。上記の実施例の場合、ｘ、ｙ方向の画素ピッチが同じなので、光ファイバープレート２を９０°回転させてもピッチの関係は変わらない。それにも関わらず９０°回転させたのは、図１に示す側面光出射部分１２の位置を考慮してのことである。この側面光出射部分１２は、光ファイバープレート２の側面からの光が出射する部分であり、指紋の画像を撮ることができない領域になる。この領域をｘ方向に持ってくるか、ｙ方向に持ってくるかは、２次元撮像素子５の形状や指紋撮像装置全体の構成を考慮して決める必要がある。

なお、本実施例では、傾斜をつけるｘ方向を六方格子の向かい合う頂点を結ぶ対角線の方向とした。現在このような方向に傾斜をつけた光ファイバープレートを用いた指紋撮像装置は知られていない。しかし、比較例３に示すように、傾斜をつけていないときのこの方向の光ファイバーピッチと画素ピッチが近い場合には、この方向に傾斜をつけて周期の大きいモアレを避けることは有効である。

なお、上記の実施例１、２では、画素ピッチはそのままに、光ファイバーピッチの異なる光ファイバープレート２を用いるようにしたが、逆に光ファイバーピッチはそのままに、画素ピッチの異なる２次元撮像素子５を用いるようにしても良い。

また、図３及び図４では、画素の開口は、画素ピッチに比べてかなり小さく、１／４程度に描かれているが、画素の開口はどの程度でも良い。開口率が大きいほどモアレのコントラストは小さくなる。しかし存在しないわけではなく、モアレの周期は同様に光ファイバー７と画素８のピッチの関係のみで決まる。指紋認証において、モアレの影響をより少なくするためには、２／｛｜（１／Ｌｐｘ）−（１／Ｌｆｘ）｜｝＜５００μｍとなるようにすることが望ましい。

また、上記の実施例１、２では、ｘ方向に関するピッチについて書いたが、その他のｙ方向等に関しても同じように考えることができる。

また、上記の実施例１、２では、光ファイバー７が六方格子で、画素８が正方格子の場合を書いたが、その他の場合でも本発明は適用できる。例えば、光ファイバー７が長方格子で、画素８が六方格子であっても良い。

またの上記の実施例１、２では、光ファイバーをある画素配列方向（ｘ方向）に傾斜して設置する場合を示した。この場合光ファイバープレートの加工、切り出しが容易であると利点がある。しかし傾斜する方向は、この限りではない。ｙ方向に傾斜させても良い。またｘ方向とｙ方向の間の方向に傾斜させても良い。この場合ｘ方向、ｙ方向に対してモアレの出にくい条件を容易に見出すことができる。この場合傾斜角は、ｘ方に対する傾斜角、ｙ方向に対する傾斜角を考慮すれば良い。

本発明は、指紋撮像装置と、この指紋撮像装置で得られた指紋画像を用いて指紋認証を行う認証システムとの用途に利用可能である。

本発明の実施の形態に係る指紋撮像装置の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の実施の形態に係る指紋撮像装置を用いた指紋認証システムの全体構成を示す概略ブロック図である。 本発明の実施例１に係る指紋撮像装置の光ファイバーと画素との位置関係及びその位置に対する画素の明るさの遷移を説明する模式図である。 本発明の実施例２に係る指紋撮像装置の光ファイバーと画素との位置関係を示す模式図である。 比較例１に係る指紋撮像装置の光ファイバーと画素との位置関係及びその位置に対する画素の明るさの遷移を説明する模式図である。 比較例２に係る指紋撮像装置の光ファイバーと画素との位置関係及びその位置に対する画素の明るさの遷移を説明する模式図である。 比較例３に係る指紋撮像装置の光ファイバーと画素との位置関係を示す模式図である。 従来例の指紋撮像装置の構成を示す模式的な断面図である。 従来例の指紋撮像装置の光ファイバーと画素との位置関係及びその位置に対する画素の明るさの遷移を説明する模式図である。

符号の説明

１ 指
２ 光ファイバープレート
３ 入射面
４ 出射面
５ ２次元撮像素子
６ 画素部
７ 光ファイバー
８ 画素
９ ＰＣＢ基板
１０ ＬＥＤ光源
１１ 接着層
１２ 側面光出射部分
１３ 指紋撮像装置
１４ 認証処理装置
１５ ユーザーインターフェース装置
１６ 生体情報データベース
１７ 外部装置

Claims (6)

1. 複数の画素が配列された２次元撮像素子と、複数の光ファイバーが配列された光ファイバープレートとを有し、前記２次元撮像素子上に前記光ファイバープレートが配置された指紋撮像装置であって、
   前記光ファイバーの光軸が前記光ファイバープレートの出射面に対して所定角度傾斜され、
   前記所定角度をθとし、前記２次元撮像素子における前記画素の配列の所定方向に沿った画素間隔をＬｐとし、前記出射面における前記光ファイバーの配列の前記所定方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆとし、前記光ファイバーの光軸が前記出射面に対して傾斜していないとしたときの前記光ファイバーの配列の前記所定方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆｖとしたとき、
   前記光ファイバー間隔Ｌｆは、Ｌｆ＝Ｌｆｖ／Ｓｉｎθで与えられ、
   前記画素間隔Ｌｐと前記光ファイバー間隔Ｌｆとが異なり、
   Ｌｐ／２＜Ｌｆ＜２Ｌｐであり、
   ２／｛｜（１／Ｌｐ）−（１／Ｌｆ）｜｝＜５００μｍを満たすように構成されたことを特徴とする指紋撮像装置。
2. 複数の画素が配列された２次元撮像素子と、複数の光ファイバーが配列された光ファイバープレートとを有し、前記２次元撮像素子上に前記光ファイバープレートが配置された指紋撮像装置であって、
   前記光ファイバーの光軸が前記光ファイバープレートの出射面に対して所定角度傾斜され、
   前記所定角度をθとし、前記２次元撮像素子における前記画素の配列の所定方向に沿った画素間隔をＬｐとし、前記出射面における前記光ファイバーの配列の前記所定方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆとし、前記光ファイバーの光軸が前記出射面に対して傾斜していないとしたときの前記光ファイバーの配列の前記所定方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆｖとしたとき、
   前記光ファイバー間隔Ｌｆは、Ｌｆ＝Ｌｆｖ／Ｓｉｎθで与えられ、
   前記画素間隔Ｌｐと前記光ファイバー間隔Ｌｆとが異なり、
   Ｌｐ／２＜Ｌｆ＜２Ｌｐであり、
   ｍ、ｎを２以下の自然数として、全てのｍ、ｎの組み合わせに対し、
   ２／｛｜（ｍ／Ｌｐ）−（ｎ／Ｌｆ）｜｝＜５００μｍを満たすように構成されたことを特徴とする指紋撮像装置。
3. 複数の画素が配列された２次元撮像素子と、複数の光ファイバーが配列された光ファイバープレートとを有し、前記２次元撮像素子上に前記光ファイバープレートが配置された指紋撮像装置であって、
   前記光ファイバーの光軸が前記光ファイバープレートの出射面に対して所定角度傾斜され、
   前記所定角度をθとし、前記２次元撮像素子における前記画素の配列の互いに直交する２つの方向をｘ方向及びｙ方向とし、前記ｘ方向及びｙ方向に沿った画素間隔をＬｐｘ及びＬｐｙとし、前記出射面における前記光ファイバーの配列の前記ｘ方向及びｙ方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆｘ及びＬｆｙとし、前記光ファイバーの光軸が前記出射面に対して傾斜していないとしたときの前記光ファイバーの配列の前記ｘ方向及びｙ方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆｖｘ及びＬｆｖｙとしたとき、
   前記ｘ方向及びｙ方向の光ファイバー間隔Ｌｆｘ及びＬｆｙは、Ｌｆｘ＝Ｌｆｖｘ／Ｓｉｎθ、Ｌｆｙ＝Ｌｆｖｙで与えられ、
   前記ｘ方向の画素間隔Ｌｐｘと光ファイバー間隔Ｌｆｘとが異なり、かつ、Ｌｐｘ／２＜Ｌｆｘ＜２Ｌｐｘであり、
   前記ｙ方向の画素間隔Ｌｐｙと光ファイバー間隔Ｌｆｙとが異なり、かつ、Ｌｐｙ／２＜Ｌｆｙ＜２Ｌｐｙであり、
   ２／｛｜（１／Ｌｐｘ）−（１／Ｌｆｘ）｜｝＜５００μｍと、
   ２／｛｜（１／Ｌｐｙ）−（１／Ｌｆｙ）｜｝＜５００μｍとを満たすように構成されたことを特徴とする指紋撮像装置。
4. 複数の画素が配列された２次元撮像素子と、複数の光ファイバーが配列された光ファイバープレートとを有し、前記２次元撮像素子上に前記光ファイバープレートが配置された指紋撮像装置であって、
   前記光ファイバーの光軸が前記光ファイバープレートの出射面に対して所定角度傾斜され、
   前記所定角度をθとし、前記２次元撮像素子における前記画素の配列の互いに直交する２つの方向をｘ方向及びｙ方向とし、前記ｘ方向及びｙ方向に沿った画素間隔をＬｐｘ及びＬｐｙとし、前記出射面における前記光ファイバーの配列の前記ｘ方向及びｙ方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆｘ及びＬｆｙとし、前記光ファイバーの光軸が前記出射面に対して傾斜していないとしたときの前記光ファイバーの配列の前記ｘ方向及びｙ方向に沿った光ファイバー間隔をＬｆｖｘ及びＬｆｖｙとしたとき、
   前記ｘ方向及びｙ方向の光ファイバー間隔Ｌｆｘ及びＬｆｙは、Ｌｆｘ＝Ｌｆｖｘ／Ｓｉｎθ、Ｌｆｙ＝Ｌｆｖｙで与えられ、
   前記ｘ方向の画素間隔Ｌｐｘと光ファイバー間隔Ｌｆｘとが異なり、かつ、Ｌｐｘ／２＜Ｌｆｘ＜２Ｌｐｘであり、
   前記ｙ方向の画素間隔Ｌｐｙと光ファイバー間隔Ｌｆｙとが異なり、かつ、Ｌｐｙ／２＜Ｌｆｙ＜２Ｌｐｙであり、
   ｍ、ｎを２以下の自然数として、全てのｍ、ｎの組み合わせに対し、
   ２／｛｜（ｍ／Ｌｐｘ）−（ｎ／Ｌｆｘ）｜｝＜５００μｍと、
   ２／｛｜（ｍ／Ｌｐｙ）−（ｎ／Ｌｆｙ）｜｝＜５００μｍとを満たすように構成されたことを特徴とする指紋撮像装置。
5. 請求項３又は４に記載の指紋撮像装置において、
   前記光ファイバーは、六方格子を成して配列し、
   前記ｘ方向は、前記六方格子の形状を成す六角形の向かい合う頂点に引いた対角線の方向であることを特徴とする指紋撮像装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の指紋撮像装置により得られた指紋画像を用いて、指紋認証を行うことを特徴とする認証システム。