JP2010521759A - 指紋認識装置及び指紋認識装置を内蔵したカードの使用者認証方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、カードに装着可能であって、指紋認識機能を実行する指紋認識装置、該指紋認識装置を内蔵したカード、及び指紋認識装置を内蔵したカードの使用者認証方法を開示する。指紋認識装置は、指紋が接触する指紋接触部と、指紋接触部から反射する反射波を利用して指紋パターンを取り込んで、比較基準指紋パターンと取り込んだ指紋パターンを比較するイメージセンサとを具備する。指紋認識装置を内蔵したカードは、カード使用者の指紋パターンである比較基準指紋パターンを予め保存し、カードに入力される指紋を取り込んで、保存された指紋パターンと取り込んだ指紋パターンが同一パターンを有するか否かを判断する指紋認識装置を含む。指紋認識装置を内蔵したカードの使用者認証方法は、指紋認識装置を内蔵したカードをカード会社または銀行とオンライン接続されたカード端末機に挿入するステップと、カードから入力される指紋パターンを取り込むステップと、取り込んだ指紋パターンを、カード使用者の指紋パターンである比較基準指紋パターンと比較するステップとを含む。

Description

本発明は、指紋認識装置に関するものであり、特に、カードに装着してカード使用者に対する身分確認を実行できる指紋認証装置に関するものである。

情報化とともに電子商取引が発達して、使用者を正確に認証する必要性が生じている。機械が人を識別するために、ＩＤ、パスワード、住民登録番号、名前などが広く用いられていおり、今日では生体認識方法も広く活用されている。ところが、ＩＤ、パスワード、住民登録番号などは実生活で漏洩し、容易に盗用される。そのため、現在としては複製が最も困難と判断される身体特性が、情報化時代に最も信頼性の高い認証手段であると言えるだろう。

指紋(Fingerprint)は、汗腺とともに隆線を形成しており、人ごとに異なって一生変わらない。住民登録証に指紋を取ることもまさにこのためである。指紋認証システムは、指紋認識装置または指紋認識システムを利用して、すべての人が生まれる時から持っている指紋を用いて個人を識別し認証する技術として、セキュリティが非常に高い。指紋認証システムは、生体認識分野に適用可能であって、指紋以外の他の生体認識を利用した認証システムに比べて低コストで実用化できるため、識別認証技術に広く使用されている。

指紋認識装置または指紋認識システムは、私たちの生活で広く使用されている技術として、２次元指紋認識と３次元指紋認識がある。一般に使用するものが２次元指紋認識であって、非常に低コストで実現できる。しかし、指紋写真を用いても認識が可能であるという問題がある。３次元指紋認識は、指紋の谷と隆線の深さを認識要素として使用しており、精度が高い。

指紋認識の第１ステップは、先ず指紋の取り込み(Capture)である。指紋の形状を検知するために、圧力センサまたは光学イメージセンサを利用することが一般的である。

図１は、指紋の形状を検知するのに使用される従来の圧力センサを示す。

図１を参照すると、圧力センサ１００は、認識すべき指紋を有する指(finger)と接触するように設けられた複数のピクセル１１０と、個々のピクセルに接続された端子を有する複数のキャパシタ１２０と、複数のキャパシタ１２０の別の端子に接続された検知回路１３０とを含む。指紋の谷と隆線の深さに応じて複数のピクセル１１０に作用する圧力が変わり、接触圧力に応じて、ピクセル１１０に対応したキャパシタ１２０の静電容量(Capacitance)が変化する。複数のキャパシタ１２０の別の端子に接続された検知回路１３０は、対応するキャパシタの静電容量変化を走査(Scan)して、指紋認識装置１００に接触した指紋の形状をデータ化する。

図１に示した圧力センサ１００は、小型サイズで低い製造コストという長所がある。しかし、指を圧力センサ１００に接触した時に指から圧力センサ１００に作用する圧力は、同じ人間であっても、接触させる時ごとに異なる。特に、強すぎる圧力または弱すぎる圧力を考慮するためには、適切なピクセル面積及び対応するキャパシタ容量を調節しなければならない。前述の状況を考慮してピクセル面積及び対応するキャパシタ容量を調節することは技術的に容易ではないため、現在使用される圧力センサ１００の指紋認識率はあまり良くない。

図２は、指紋の形状を検知するのに使用される従来の光学イメージセンサを示す。

図２を参照すると、光学イメージセンサ２００は、シリコン接触部２１０と、集光レンズ２２０と、イメージセンサ２３０とを含む。シリコン接触部２１０は、指紋をシリコン接触部２１０から離した後も一定時間、指紋の谷と隆線の深さによる形状を記憶している素材を利用して実現される。集光レンズ２２０は、記憶された指紋の形状に入射した光が反射する反射波をイメージセンサ２３０に伝達する。図２に示した光学イメージセンサ２００によって認識される指紋の解像度は、図１に示した圧力センサ１００を利用して認識される指紋の解像度よりも極めて高い。しかし、図１と図２の垂直構造から分かるように、図２に示した光学イメージセンサ２００のサイズはかなり大きく、これを実現するのに要する製造コストも比較的高い。

現在のクレジットカードは、パスワードによってカード使用者のＩＤを認証している。この場合、パスワードは銀行または信用情報会社に予め保存する必要があり、この情報は常に漏出する可能性がある。従って、前述の指紋認識機能を有するクレジットカードであれば、漏出して使用者が被害に会う可能性のあるパスワードを使用することなく、カード使用者のＩＤを確認できる。

このような方式を実現するには、指紋認識機能を有するクレジットカードが必要である。しかし、図１に示した圧力センサは、指紋の認識率に問題があり、図２に示した光学イメージセンサはサイズが大きく、クレジットカードに内蔵させることができないという問題がある。

本発明は、カードに装着可能であって、指紋認識機能を実行する指紋認識装置を提供する。

また本発明は、指紋認識機能を実行する指紋認識装置を有するカードを提供する。

また本発明は、指紋認識装置を有するカードを利用してカード使用者のＩＤを認証できる、指紋認識装置を有するカードの使用者認証方法を提供する。

本発明の一態様によれば、指紋が接触する指紋接触部と、指紋接触部から反射する反射波を利用して指紋パターンを取り込んで、比較基準指紋パターンと取り込んだ指紋パターンを比較するイメージセンサとを備え、指紋接触部及びイメージセンサは、半導体基板の異なる面に実装されている指紋認識装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、指紋が接触する指紋接触部と、赤外線の光を放射する発光部と、指紋接触部から反射する赤外反射波を利用して指紋パターンを取り込んで、比較基準指紋パターンと取り込んだ指紋パターンを比較するイメージセンサとを備え、指紋接触部及び、赤外発光ダイオードに近接したイメージセンサは、半導体基板の異なる面に実装されている指紋認識装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、カード使用者の指紋パターンである比較基準指紋パターンを予め保存しておいて、カードに入力される指紋を取り込んで、保存した指紋パターンと取り込んだ指紋パターンが同一パターンを有するか否かを判断する指紋認識装置を内蔵したカードが提供される。

本発明の他の態様によれば、指紋認識装置を内蔵したカードを、カード会社または銀行とオンライン接続されたカード端末機にカードを挿入するステップと、カードから入力される指紋パターンを取り込むステップと、取り込んだ指紋パターンを、カード使用者の指紋パターンである比較基準指紋パターンと比較するステップとを含む、指紋認識装置を内蔵したカードの使用者認証方法が提供される。

指紋の形状を検知するのに使用される従来の圧力センサを示す。 指紋の形状を検知するのに使用される従来の光学イメージセンサを示す。 本発明の実施形態に係る、外部光源を利用した指紋認識装置を示す。 本発明の実施形態に係る、光源を内蔵した指紋認識装置を示す。 本発明の他の実施形態に係る、光源を内蔵した指紋認識装置を示す。 図３〜図５に示したイメージセンサを示すブロック図である。 指紋の谷と隆線の深さの一般的な形状を示す。 指紋を認識しようとする指に強い力を加えたときに指紋の谷と隆線の深さの形状を示す。 指紋認識機能を内蔵したクレジットカードの一例を示す。 指紋認識装置を内蔵したカードの使用者が本人であることを認証する方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の例示の実施形態について添付図面を参照して詳しく説明する。

図３は、本発明の実施形態に係る、外部光源を利用した指紋認識装置を示す。

図３を参照すると、指紋認識装置３００は、指紋接触部３１０と、イメージセンサ３２０とを含む。

指紋接触部３１０は、表面が研磨された半導体基板３３０の片面に実装されており、認識すべき指紋が接触する部分である。イメージセンサ３２０は、指紋接触部３１０が実装された半導体基板３３０の反対面に実装され、指紋形状を取り込んで、比較基準指紋パターンと取り込んだ指紋パターンとを比較する機能を有する。比較基準指紋パターン及び取り込んだ指紋パターンについては、図４を参照して後述する。

半導体回路が集積されたウエハを加工する最後のステップでは、回路が集積された面とは反対の面を研磨(Grind)することが一般的である。これは、半導体回路の基板に一定のバイアス電圧が印加され、基板の厚さが薄いほど直列抵抗が減少するからである。本発明の実施形態によれば、イメージセンサ３２０を実装したウエハの厚さを可能な限り薄くして、イメージセンサ３２０を実装した面の反対面に指を接触させることを提案する。研磨により約２００〜３００μｍ程度の厚さになったウエハを使用した場合、本発明に係る指紋認識が適切に実行することができる。

ここで、指紋接触部３１０を太い線で表示して、指紋接触部３１０、基板３３０及びイメージセンサ３２０を区別している。場合によっては、指紋接触部３１０の特性を改善するために、酸化膜などの絶縁材料または導電層をコートすることも可能である。

指紋の形状を認識するための反射波または屈折波を得るために、指紋接触部３１０からの方向（図３の上部）またはイメージセンサ３２０からの方向（図３の下部）に所定の周波数範囲の光を放射させる。指紋接触部３１０に向かう光を放射する光源（図示せず）が存在する場合、指及び指紋接触部３１０を通過した光が指紋の谷と隆線の深さに応じて反射波及び屈折波を形成なる。イメージセンサ３２０に向かう光を放射する光源（図示せず）が存在する場合、イメージセンサ３２０及び指紋接触部３１０を通過した光が指紋の谷と隆線の深さに応じて反射波及び屈折波を形成する。

イメージセンサ３２０は、反射波を受光して指紋形状を取り込む。

図４は、本発明の実施形態に係る、光源を内蔵した指紋認識装置を示す。

図４を参照すると、指紋認識装置４００は、指紋接触部４１０と、イメージセンサ４２０と、発光部４５０とを含む。

指紋接触部４１０は、表面が研磨された半導体基板４３０の片面に実装されており、認識すべき指紋が接触する部分である。イメージセンサ４２０は、指紋接触部４１０が実装された半導体基板４３０の反対面に実装され、指紋形状を取り込んで、比較基準指紋パターンと取り込んだ指紋パターンとを比較する機能を有する。発光部４５０は、イメージセンサ４２０の側面に形成される。発光部４５０から放射された光がイメージセンサ４２０に直接入射するのを防止するために、イメージセンサ４２０と発光部４５０との間に遮断膜（図示せず）を設置することが望ましい。発光部４５０は、イメージセンサ４２０の側面に複数の発光ダイオードを取り付けた方式で実装してもよい。発光部４５０から放射された光４４０は、指紋接触部４１０に入射し、指紋の谷と隆線の深さに応じて反射波及び屈折波を形成する。イメージセンサ４２０は、反射波または屈折波を受光して指紋形状を取り込む。

図５は、本発明の他の実施形態に係る、光源を内蔵した指紋認識装置を示す。

図５を参照すると、指紋認識装置５００は、指紋接触部５１０と、イメージセンサ５２０と、発光部５５０とを含んでおり、発光部５５０がイメージセンサ５２０内に形成されることを除いては、図４に示した指紋認識装置４００と同一である。

図６は、図３〜図５に示したイメージセンサを示すブロック図である。

図６を参照すると、イメージセンサ３２０，４２０，５２０は、イメージセンシングブロック６１０と、イメージセンサ回路６２０と、メモリ６３０と、信号処理ブロック６４０とを含む。メモリ６３０は、カード使用者の指紋である比較基準指紋パターン(Drfp)を保存する。イメージセンシングブロック６１０は、指紋接触部３１０，４１０，５１０から伝達された反射波、即ち、指紋画像(Afp)を電気信号に変換する。イメージセンサ回路６２０は、イメージセンシングブロック６１０から電気信号を受信して、指紋画像を取り込む。信号処理ブロック６４０は、イメージセンサ回路６２０から出力される取り込み指紋パターン(Dfp)、及びメモリ６３０から読み出した比較基準指紋パターン(Drfp)が一致するか否かを判断して、その結果(Dout)を出力する。

図６では、比較基準指紋パターン(Drfp)がメモリ６３０に強制的に保存されるものとして示されている。しかし、使用者がイメージセンシングブロック６１０に指を直接接触することで生成される検知信号をイメージセンサ回路６２０で取り込んでメモリ６３０に保存した後、保存した検知信号を比較基準指紋パターン(Drfp)として使用することもできる。このような機能は信号処理ブロック６４０で制御してもよい。

人の指紋は、大きく５つの部分で区分することができる。
１．隆線(Ridge)：指紋において山脈のように盛り上がっている部分。
２．谷(Valley)：隆線と隆線との間に谷のように深く入り込んだ部分。
３．端点(Ending point)：隆線が切れた部分。
４．分岐点(Bifurcation)：隆線が分岐している部分。
５．デルタ（三角州）(Lift)：隆線が３つの方向で合流している部分。

断点、分岐点及びデルタも結局谷と隆線で表現できるため、本発明では、谷と隆線という用語だけを使用する。

図７は、指紋の谷と隆線の深さの一般的な形状を示す。

前述したように、指紋は谷と隆線で大きく区分することができるが、入射光が、谷及び隆線から反射する反射波及び屈折する屈折波を形成して、谷及び隆線の反射波及び屈折波の形状が互いに異なるようになる。図７を参照すると、下方または上方から入射する光の周波数は、反射波及び屈折波を生成するのに充分な強度を有する。例えば、赤外線の周波数を有する信号は、指及び基板３３０，４３０，５３０を透過できる。

以下、図３に示した本発明の実施形態に係る指紋認識装置３００の指紋接触部３１０に、指紋を認識しようとする指を接触させた場合を説明する。この説明は、図４及び図５に示した指紋認識装置４００，５００にも適用できる。

図７を参照すると、指が指紋接触部３１０に適切な力で接触した場合、指紋の形状が適切に維持されることが分かる。

図８は、指紋を認識しようとする指に強い力を加えたときに指紋の谷と隆線の深さの形状を示す。

図８を参照すると、指紋接触部３１０に強い力で接触した場合、図７に示した一般的な場合と比べて指紋の形状が歪んでいることが分かる。しかし、一般的に予想できない程度の過度な力が加わる場合を除き、ある程度強い力を指に込めたとしても指紋の谷と隆線の形状は消えない。従って、本発明の実施形態に係る指紋認識装置３００は、図１に示した圧力センサ１００では克服できない過度な圧力に対して著しく改善した効果を発揮する。また、指紋認識装置３００は、図２に示した光学イメージセンサ２００の高さと比べて極めて低い高さ（例えば、数百μｍ以内）を有するため、カードに内蔵できる基本的な条件を満足するようになる。

図９は、指紋認識機能を内蔵したクレジットカードの一例を示す。

図９を参照すると、クレジットカードには、指紋認識機能を実行する指紋認識装置３００，４００，５００が内蔵されている。前述したように、本発明に係る指紋認識装置３００，４００，５００は、指に作用する圧力の点および厚さの点で、従来の指紋認識装置が適用できないカードに装着できるという利点を有する。

図９では、指紋認識装置３００，４００，５００がカードを貫通するように示しているが、これは単なる一例に過ぎず、指紋認識装置３００，４００，５００はカードの片面に装着してもよい。この場合、指紋認識装置３００，４００，５００の表面は、カード材質と同一な不透明な絶縁材料で被覆してもよい。また、指紋認識装置３００，４００，５００がカードを貫通するように装着される場合は、指紋認識装置３００，４００，５００の片面または両面が透明な絶縁材料で被覆してもよい。

図１０は、指紋認識装置を内蔵したカードの使用者が本人であることを認証する方法を示すフローチャートである。

図１０を参照すると、カード使用者が本人であることを認証する方法は、カードを端末機に挿入するステップ（１０１０）と、カードから入力される指紋パターンを取り込むステップ（１０２０）と、取り込んだ指紋パターンと比較基準指紋パターンを比較するステップ（１０３０）とを含む。

カードを端末機に挿入するステップ（１０１０）は、カード使用者が、指紋認識装置を内蔵したカードをカード会社または銀行とオンライン接続されたカード端末機に挿入する。

カードから入力される指紋パターンを取り込むステップ（１０２０）は、使用者がカードに内蔵された指紋認識装置を指で接触するステップ（１０２１）と、指紋認識装置に内蔵された光源、あるいはカード端末機の上部または下部に設けられた光源から所定の周波数の光を放射するステップ（１０２２）と、光源から放射された光によって生成される指紋パターンを取り込むステップ（１０２３）とを含む。

取り込んだ指紋パターンと比較基準指紋パターンを比較するステップ（１０３０）は、カードに保存した比較基準指紋パターンと取り込んだ指紋パターンを比較して、２つの指紋パターンが互いに一致するか否かを判断するステップ（１０３１）と、２つの指紋パターンが互いに一致する場合には承認信号を生成し（１０３２）、２つの指紋パターンが互いに不一致の場合には非承認信号を生成するステップ（１０３３）とを含む。

カード会社または銀行は、カードから承認信号が出力された時は、カード端末機を介してカード使用者が要求するサービスを提供するが、未承認信号が出力された時は、サービスを提供しないようにする。

以上、本発明に対する技術思想を添付図面と共に述べたが、これは本発明の望ましい実施例を例示的に説明したものであって、本発明を限定するものではない。また、本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者なら誰も本発明の技術的思想の範疇を離脱しない範囲内で多様な変形及び模倣が可能であることは明白な事実である。

前述したように、本発明に係る指紋認識装置、該指紋認識装置を含むカード、及び前記指紋認識装置を含むカードを用いた使用者認証方法は、実生活で漏洩しやすい情報、例えば、パスワード、住民登録番号などを使用せずに、現在最も複製しにくいと考えられる指紋を使用して、カード会社または銀行など共に認証プロセスを実行することができる。

Claims (17)

1. 指紋が接触する指紋接触部と、
   指紋接触部から反射する反射波を利用して指紋パターンを取り込んで、比較基準指紋パターンと取り込んだ指紋パターンを比較するイメージセンサとを備え、
   指紋接触部及びイメージセンサは、半導体基板の異なる面に実装されている指紋認識装置。
2. 指紋接触部は、半導体製造プロセスにおける表面研磨プロセスによって実装される請求項１に記載の指紋認識装置。
3. イメージセンサは、指紋認識装置の外部から、比較基準指紋パターン(Drfp)を受信して保存するメモリと、
   指紋接触部３１０から伝達された反射波を電気信号に変換するイメージセンシングブロックと、
   イメージセンシングブロックから電気信号を受信して、指紋画像を取り込むイメージセンサ回路と、
   取り込んだ指紋パターン(Dfp)及び比較基準指紋パターン(Drfp)が互いに一致するか否かを判断して、その結果(Dout)を出力する信号処理ブロックと、を含む請求項１に記載の指紋認識装置。
4. メモリは、比較基準指紋パターン(Drfp)を外部から受信して保存する代わりに、イメージセンシングブロック及びイメージセンサ回路を利用して取り込んだ指紋パターンを比較基準指紋パターン(Drfp)として保存する請求項３に記載の指紋認識装置。
5. 指紋接触部から反射する反射波は、指紋接触部の上側またはイメージセンサの上側から指紋接触部に放出される光源による請求項１に記載の指紋認識装置。
6. 発光部をさらに備える請求項１に記載の指紋認識装置。
7. 発光部から放射される光は、赤外線の周波数を有する請求項６に記載の指紋認識装置。
8. 発光部は、少なくとも１つの発光ダイオードを含む請求項７に記載の指紋認識装置。
9. 発光部は、指紋接触部及びイメージセンサと共に半導体基板に実装され、またはイメージセンサ内に実装される請求項８に記載の指紋認識装置。
10. 指紋認識装置を内蔵したカードであって、
    指紋認識装置は、カード使用者の指紋パターンである比較基準指紋パターンを予め保存しておいて、カードに入力される指紋を取り込んで、保存した指紋パターンと取り込んだ指紋パターンが同一パターンを有するか否かを判断するようにした、指紋認識装置を内蔵したカード。
11. 指紋認識装置は、指紋が接触する指紋接触部と、
    指紋接触部から反射した反射波を利用して指紋パターンを取り込んで、カード使用者の指紋パターンである比較基準指紋パターンと、取り込んだ指紋パターンを比較するイメージセンサとを備え、
    指紋接触部及びイメージセンサは、半導体基板の異なる面に実装されている請求項１０に記載の指紋認識装置を内蔵したカード。
12. 内蔵された指紋認識装置の片面または両面が、絶縁材料で被覆されている請求項１０に記載の指紋認識装置を内蔵したカード。
13. 指紋認識装置を内蔵したカードを、カード会社または銀行とオンライン接続されたカード端末機にカードを挿入するステップと、
    カードから入力される指紋パターンを取り込むステップと、
    取り込んだ指紋パターンを、カード使用者の指紋パターンである比較基準指紋パターンと比較するステップとを含む指紋認識装置を内蔵したカードの使用者認証方法。
14. カードから入力される指紋パターンを取り込むステップは、
    カードに内蔵された指紋認識装置の指紋接触部に指を接触するステップと、
    所定の周波数の光を指紋認識装置の指紋接触部に放射するステップと、
    光源から放射された光によって生成される指紋パターンを取り込むステップとを含む請求項１３に記載の方法。
15. 所定の周波数の光は、カード端末機の上部または下部に設けられた光源、あるいはカードに内蔵された光源から放射されるようにした請求項１４に記載の方法。
16. 所定の周波数の光は、赤外光である請求項１５に記載の方法。
17. 取り込んだ指紋パターンと比較基準指紋パターンを比較するステップは、
    カードに保存した比較基準指紋パターンと取り込んだ指紋パターンを比較して、２つの指紋パターンが互いに一致するか否かを判断するステップと、
    ２つの指紋パターンが互いに一致する場合には承認信号を生成するステップと、
    ２つの指紋パターンが互いに不一致の場合には非承認信号を生成するステップとを含む請求項１３に記載の方法。

Images