JP2016143292A - 薄型生体認証装置の光学結像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】イメージセンサによる１回の画像取得によって指紋画像及び静脈画像を同時に取得することができる薄型生体認証装置の光学結像装置を提供する。
【解決手段】本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置１は、第１ガラス基板１１、第１光学プリズムシート１２、第２光学プリズムシート１３及びイメージセンサ１４を含む。第１ガラス基板１１は、指紋画像領域１１１、静脈画像領域１１２、接触面１１３、反射インターフェース１１４及び貼合面１１５を含む。第１光学プリズムシート１２は、貼合面１１５に貼設される上、指紋画像領域１１１の下方に位置する。第２光学プリズムシート１３は、第１光学プリズムシート１２の下方に貼設される。イメージセンサ１４は、第１ガラス基板１１に対向する上、貼合面１１５の下方に位置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、薄型生体認証装置の光学結像装置に関し、特に、指紋及び静脈のスキャニングに運用され、認証ステップを好適に行うことができる薄型生体認証装置の光学結像装置に関する。

防犯効果を高めたり、個人パスワード、デジタルキー、チップが内蔵されたキーなどの従来のデジタル化された個人認証技術の欠点を補ったりするため、すでに、多くの個人認証システム及び防犯システムには、生体認証装置が採用又は増設されている。生体認証装置中、指紋認証装置及び静脈認証装置が頻繁に使用される。

現在、指紋認証装置及び静脈認証装置の二重の機能を有する生体認証装置が抱える最大の問題は、如何にして両者を統合するかにある。
従来の方法では、各検出対象に対して異なるセンサが配置される。指紋認証機能に静脈認証機能が加えられた二重の機能を有する認証装置の場合、静脈結像には、静脈結像用のイメージセンサを設置し、指紋結像には、光学プリズムにイメージセンサを組み合わせたものを設置して結像する必要がある（或いは、静電容量式指紋センサを使用する）。
この理由としては、両者の画像結像の光学原理が異なることにある。即ち、静脈画像は、赤外線を指に透過させれば観察することができるが、指紋画像は、光学プリズムの全反射現象を使用しなければ、指紋の隆線及び谷線の識別度を高めることができない。

即ち、指紋及び静脈の２種類の画像を観察する場合、視角（光学経路）がそれぞれ異なる。また、光学プリズムを配置することによって装置の体積が大きくなる。
静電容量式指紋センサを使用することによって体積を縮小することができるが、エンドユーザが使用する際、以下（１）及び（２）の問題が発生する。（１）素子の信頼性に問題があり、１人（個人）に対して使用する場合は、静電容量式センサの使用も問題ないが、複数人が使用する場合（例えば、ビルのエントランスなど）、耐久性に問題が発生する虞がある。（２）静電容量式指紋センサを使用することによって装置全体の価格が高くなる。

特許文献１は、本発明の出願人が以前出願した「生体認証装置及び生体認証方法」であり、上述の従来の二重の機能を有する生体認証装置が有する欠点を解決することができる。
しかし、特許文献１では、従来のプリズムを使用することによって二重の機能を有する生体認証装置が必要とする２つの異なる光経路を実現している。従来のプリズム（即ち、導光装置）は、厚さが厚いために空間を占有し、全体の寸法を縮小するのが難しい。
また、１回多く反射するため、取得される画像が非直線に変形する問題を有する。この問題に鑑み、本発明の出願人は、研究開発を行い、本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置を案出した。

市場における類似する指紋静脈画像取得装置としては、ＮＥＣ社の指紋光学結像装置（ＨＳ−１００）が存在する。本装置の指紋静脈画像取得方式は、２つのイメージセンサを使用することによって指紋画像及び静脈画像を別々に取得するものである。
即ち、異なるイメージセンサ及び焦点距離によって指紋画像及び静脈画像を別々に取得し、指紋静脈認証を実現するものである。この方式によって画像取得及び画像処理にかかる時間を減少させることができるが、装置にかかるコストが増加する。

また、Ｍ２ＳＹＳ社の指紋光学結像装置（ＦＵＳＥ−ＩＤ）は、ハード的に光学結像装置に指紋装置を結合したものであり、装置全体の寸法が１００ｍｍ×１２０ｍｍ×７４ｍｍと非常に大きい。また、２つのイメージセンサが使用されるシステムであるため、指紋画像及び静脈画像を順番に取得する必要があり、画像取得時間が長くかかる。

台湾特許公開号第２０１４１３５９６号

本発明の第１の目的は、ガラス基板上の指紋画像領域上に光学プリズムシートが貼設される構造により、イメージセンサの１回の画像取得によって指紋画像及び静脈画像を同時に取得することができる薄型生体認証装置の光学結像装置を提供することにある。
本発明の第２の目的は、光学プリズムシート及びガラス基板が光学結像装置中に統合されることにより、光路体積全体をさらに縮小することができる上、システムの認証処理速度を高めることができる薄型生体認証装置の光学結像装置を提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置は、第１ガラス基板、第１光学プリズムシート、第２光学プリズムシート及びイメージセンサを含む。
第１ガラス基板は、指紋画像領域、静脈画像領域、接触面、反射インターフェース及び貼合面を含む。第１光学プリズムシートは、貼合面に貼設される上、指紋画像領域の下方に位置する。第２光学プリズムシートは、第１光学プリズムシートの下方に貼設される。イメージセンサは、第１ガラス基板に対向する上、貼合面の下方に位置する。

本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置は、ガラス基板上に光学プリズムシート（Prism Sheet）が貼設され、単一のイメージセンサが組み合わされる構造により、光路体積全体を縮小することができ、単一のイメージセンサによる１回の画像取得によって指紋画像及び静脈画像を同時に取得することができるため、従来のプリズムを使用する場合に必要とされる装置体積を大幅に減少させることができるのみならず、光路偏向が小さいため、画像が変形するのを減少させることができ、システムの認証処理速度を高めることができる。

本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置を生体認証装置に設置した状態を示す斜視図である。 本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置の第１実施形態を示す側面図である。 本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置の第１実施形態の平面図及びイメージセンサとの相対関係を示す側面図である。 本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置の第１実施形態の光学プリズムシートを示す断面図である。 第１ガラス基板に第１光学プリズムシートが貼設された構造の光学経路を示す模式図である。 第１ガラス基板に第１光学プリズムシートが貼設された後、第２ガラス基板がさらに貼設された構造の光学経路を示す模式図である。 本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置の第１実施形態の光学経路を示す模式図である。 本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置の第２実施形態を示す側面図である。 本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置の第２実施形態の光学経路を示す模式図である。 本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置の第３実施形態を示す側面図である。 本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置の第３実施形態を示す平面図である。

図１は、本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置を生体認証装置に設置した状態を示す斜視図である。本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置１は、生体認証装置９中に設置される。生体認証装置９は、生体特徴を認証するために用いられる。
ここでの生体特徴とは、指紋及び静脈の２つの特徴を指す。生体認証装置９は、搭載台９１、位置決め構造９２、少なくとも１つの光源ユニット９３及び制御装置９４を含む。本発明中、被認証部位は、指８であり、特に、人差し指の第１関節及び第２関節の部分が好ましく、第１関節が指紋認証の部位とされ、第２関節が静脈認証の部位とされる。指８が搭載台９１の位置決め構造９２上に圧迫されると、生体認証装置９中の光学結像装置１は、光源ユニット９３からの光源照射よって指８の指紋及び静脈の特徴を認証し、制御装置９４によって認証を行う。

図２〜図４を参照する。
図２は、本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置の第１実施形態を示す側面図である。
図３は、本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置の第１実施形態の平面図及びイメージセンサとの相対関係を示す側面図である。
図４は、本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置の第１実施形態の光学プリズムシートを示す断面図である。
図２及び図３に示すように、本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置１は、第１ガラス基板１１、第１光学プリズムシート１２、第２光学プリズムシート１３及びイメージセンサ１４を含む。第１ガラス基板１１は、指紋画像領域１１１、静脈画像領域１１２、接触面１１３、反射インターフェース１１４及び貼合面１１５を含む。第１光学プリズムシート１２は、貼合面１１５に貼設される上、指紋画像領域１１１の下方に位置する。第２光学プリズムシート１３は、第１光学プリズムシート１２の下方に貼設される。
イメージセンサ１４は、第１ガラス基板１１に対向する上、貼合面１１５の下方に位置する。接触面１１３は、第１ガラス基板１１の上表面であり、ユーザの指８（指先及び第１関節又は第２関節までの部分を含む）が接触する表面である。指８が接触する接触面１１３の領域に基づき、接触面１１３は、指紋画像領域１１１と静脈画像領域１１２との２つの領域に区分される。反射インターフェース１１４は、指紋画像領域１１１の接触面１１３の他方の側面である。貼合面１１５は、接触面１１３と反対側の表面であり、第１ガラス基板１１の下表面である。

第１ガラス基板１１は、可視光線を除去し、外部の埃から隔離し、指の指紋部分が押圧される機能を有し、ＩＲ透過フィルター（ＩＲ pass filter）又は有色ガラスである。
第１光学プリズムシート１２及び第２光学プリズムシート１３は、マイクロプリズム構造を有するプリズムシート（Prism sheet）であり、このプリズムシートによって光線の偏向方向を変更することができる。第１光学プリズムシート１２及び第２光学プリズムシート１３は、第１ガラス基板１１の上層又は下層に設置され、何れの場合でも認証過程において指紋画像を結像することができる。
しかし、第１光学プリズムシート１２及び第２光学プリズムシート１３は、軟性材料からなるため、第１ガラス基板１１の上層に設置された場合、指８が直接接触するため、使用されるにつれて磨損してしまう。このため、第１光学プリズムシート１２及び第２光学プリズムシート１３は、第１ガラス基板１１の下方に設置されることによって保護される。
第１ガラス基板１１と第１光学プリズムシート１２と第２光学プリズムシート１３との間は、光学用接着剤７によって接着される。光学用接着剤７の厚さは、約２５μｍである。

図４に示すように、第１光学プリズムシート１２及び第２光学プリズムシート１３は、複数のアレイ配列するプリズムマイクロ構造１２１，１３１から構成される。プリズムマイクロ構造１２１，１３１のピッチ（pitch）幅Ｄによって指紋画像の識別程度が決定される。幅Ｄが大きいほど指紋の明暗が明確となる。
しかし、イメージセンサ１４の最小解像度に応じて設計される。Ｄの幅がイメージセンサ１４の最小解像度より余りに大きい場合、画像上に明確なプリズム模様が発生しやすくなる。高さＨと幅Ｄとは、比例関係であり、約１：２（Ｈ：Ｄ）である。また、高さＨ及びθ１は、幅Ｄの距離に影響を与える。
θ１は、光線が特定のプリズム面に到達して屈折し、反射インターフェース１１４に全反射現象が発生しやすいか否かを決定する。θ１が大きいほど全反射現象が発生しやすくなるが、発生する全反射光線の幅が減少する。θ１が小さいほど全反射現象が発生しにくくなる。第２光学プリズムシート１３とイメージセンサ１４とが特定の視角範囲内においてのみ、反射インターフェース１１４に識別性を有する完全な指紋画像を発生させることができ、他の設置位置においても全反射の画像を発生させることができるが、画像が完全ではない。
また、第１光学プリズムシート１２及び第２光学プリズムシート１３の屈折率（index of refracton）の大きさは、指紋画像結像位置全体に影響を与え、屈折率が大きいほど画像がイメージセンサ１４の中心に近くなる。
本発明の第１光学プリズムシート１２及び第２光学プリズムシート１３の厚さＬの範囲は、２００μｍ〜３００μｍの間である。第１光学プリズムシート１２及び第２光学プリズムシート１３の各プリズムマイクロ構造１２１，１３１のピッチ幅Ｄの範囲は、６０μｍ〜２００μｍであり、使用されるイメージセンサ１４の最小解像度に基づいて決定される。各プリズムマイクロ構造１２１，１３１の高さＨの範囲は、３０μｍ〜１００μｍであり、幅Ｄと比例関係である。各プリズムマイクロ構造１２１，１３１の水平夾角θ１＝４５度である。

図５Ａ〜図５Ｃを参照する。
図５Ａは、第１ガラス基板１１に第１光学プリズムシート１２が貼設された構造の光学経路を示す模式図である。図５Ｂは、第１ガラス基板１１に第１光学プリズムシート１２が貼設された後、第２ガラス基板１５がさらに貼設された構造の光学経路を示す模式図である。図５Ｃは、本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置の第１実施形態の光学経路を示す模式図である。
光学経路の模式図は、イメージセンサ１４の視角を参考としており、実際の状態は、反対である。各線は、程度の異なる光線エネルギーを示し、主要な光線（点線）は、強度が１〜０．６６の光線を示し、次に強い光線（実線）は、強度が０．６６〜０．３３の光線を示し、次に強い光線（二重実線）は、強度が０．３３〜０の光線を示す。主要な光線（点線）が第１ガラス基板１１の反射インターフェース１１４に全反射を形成することが求められ、これによって指紋を明確に認証することができる。

図５Ａに示すように、第１ガラス基板１１上に第１光学プリズムシート１２が貼設された構造では、光学経路シミュレーション結果から、主要な光線（点線）が反射インターフェース１１４で一部反射し、単一層の第１光学プリズムシート１２の構造では、反射インターフェース１１４に全反射現象を有効に発生させることができないことが示された。
図５Ｂに示すように、第１ガラス基板１１上に第１光学プリズムシート１２が貼設された後、第２ガラス基板１５が貼設された構造では、主要な光線（点線）が屈折した後、反射インターフェース１１４から離れ、主要な光線が全反射現象を有効に発生できないことが示された。
図５Ｃに示すように、第１光学プリズムシート１２と第２光学プリズムシート１３とが積層された２層構造が第１ガラス基板１１に貼設された構造においてのみ、主要な光線（点線）が完全な全反射現象を発生させられることが示された。

これにより、本発明の第１実施形態において使用された第１光学プリズムシート１２と第２光学プリズムシート１３とが積層された２層構造を指紋画像領域１１１の光線の偏向媒介とし、イメージセンサ１４（画面が１６：９のイメージセンサを含む）を好適な位置に設置することにより、１１度〜２６度の指紋結像に必要とされる全反射結像領域を取得することができる。
即ち、図３に示すように、第２光学プリズムシート１３とイメージセンサ１４との視角θの結像可能範囲が１１度＜θ＜２６度となる。これによって指紋画像領域１１１及び静脈画像領域１１２の光学経路を完全に統合し、同一画面中に指紋及び静脈を結像することができる。

即ち、第１光学プリズムシート１２と第２光学プリズムシート１３とが積層された２層構造が第１ガラス基板１１の貼合面１１５の下方の指紋画像領域１１１の一方の側面に貼設された構造により、第１ガラス基板１１の指紋画像領域１１１及び静脈画像領域１１２に指紋及び静脈を検出する指８の接触領域が提供される。
また、イメージセンサ１４が第１ガラス基板１１中間の下方に設置され、指紋画像及び静脈画像が同時に取得される。即ち、本発明の配置方式によって指紋画像及び静脈画像を同時に取得することができる。

以下に示す本発明の他の実施形態中、大部分の部材は、前述の実施形態と同一又は類似するため、同一の部材及び構造は、贅言しない。また、同一の部材は、同一の名称及び符号を使用し、類似の部材は、同一の名称を用いるが、符号の後ろにアルファベットを加えて区別する。

（第２実施形態）
図６及び図７を参照する。
図６は、本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置の第２実施形態を示す側面図である。図７は、本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置の第２実施形態の光学経路を示す模式図である。図６及び図７に示す本発明の第２実施形態による光学結像装置１ａが図２及び図３に示す第１実施形態と異なる点を以下に示す。
本発明の第２実施形態による光学結像装置１ａの第１光学プリズムシート１２と第２光学プリズムシート１３との間の中央部分に第２ガラス基板１５が挟設される。即ち、光学用接着剤７によって第１光学プリズムシート１２と第２光学プリズムシート１３との間の中央部分に第２ガラス基板１５が貼設され、第１ガラス基板１１の下方に貼設される。本構造によっても光学経路シミュレーションの主要な光線（点線）は、完全な全反射現象を発生させることができる。

（第３実施形態）
図８及び図９を参照する。
図８は、本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置の第３実施形態を示す側面図である。図９は、本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置の第３実施形態を示す平面図である。図８及び図９に示す本発明の第３実施形態による光学結像装置１ｂが図２及び図３に示す第１実施形態と異なる点を以下に示す。本発明の第２実施形態による光学結像装置１ｂは、２つの対向する第２光学プリズムシート１３が２つの対向する光学用接着剤７ｂによって第１光学プリズムシート１２の下方の両側に貼設されることにより、光線が各インターフェース上を透過する際の損失が減少される。

以上の説明から分かるように、本発明の薄型生体認証装置の光学結像装置１は、第１ガラス基板１１、第１光学プリズムシート１２、第２光学プリズムシート１３及びイメージセンサ１４を含む。第１ガラス基板１１は、指紋画像領域１１１、静脈画像領域１１２、接触面１１３、反射インターフェース１１４及び貼合面１１５を含む。
第１光学プリズムシート１２は、貼合面１１５に貼設される上、指紋画像領域１１１の下方に位置する。第２光学プリズムシート１３は、第１光学プリズムシート１２の下方に貼設される。イメージセンサ１４は、第１ガラス基板１１に対向する上、貼合面１１５の下方に位置する。
これにより、第１ガラス基板１１、第１光学プリズムシート１２及び第２光学プリズムシート１３が光学結像装置１中に統合されるため、イメージセンサ１４による１回の画像取得によって指紋画像及び静脈画像を同時に取得することができ、光路体積全体をさらに縮小すると同時に、システムの認証処理速度を高めることができる。

以上の詳細な説明は本発明の好適な実施例を示したものであり、本発明の特許請求の範囲を制限するものではなく、本発明の主旨に基づく同等効果の変更などは全て本発明の特許請求の範囲に含まれる。

１ 光学結像装置
１ａ 光学結像装置
１ｂ 光学結像装置
１１ 第１ガラス基板
１１１ 指紋画像領域
１１２ 静脈画像領域
１１３ 接触面
１１４ 反射インターフェース
１１５ 貼合面
１２ 第１光学プリズムシート
１２１ プリズムマイクロ構造
１３ 第２光学プリズムシート
１３１ プリズムマイクロ構造
１４ イメージセンサ
１５ 第２ガラス基板
７ 光学用接着剤
７ｂ 光学用接着剤
８ 指
９ 生体認証装置
９１ 搭載台
９２ 位置決め構造
９３ 光源ユニット
９４ 制御装置

Claims (16)

1. 第１ガラス基板、第１光学プリズムシート及び第２光学プリズムシートを備える薄型生体認証装置の光学結像装置であって、
   前記第１ガラス基板は、指紋画像領域、静脈画像領域、接触面、反射インターフェース及び貼合面を有し、
   前記第１光学プリズムシートは、前記貼合面に貼設される上、前記指紋画像領域の下方に位置し、
   前記第２光学プリズムシートは、前記第１光学プリズムシートの下方に位置することを特徴とする薄型生体認証装置の光学結像装置。
2. 前記第１光学プリズムシートと前記第２光学プリズムシートとの間には、第２ガラス基板が挟設されることを特徴とする請求項１記載の薄型生体認証装置の光学結像装置。
3. 前記第１ガラス基板と前記第２ガラス基板と前記第１光学プリズムシートと前記第２光学プリズムシートとの間は、何れも光学用接着剤によって接着されることを特徴とする請求項２記載の薄型生体認証装置の光学結像装置。
4. 前記第１ガラス基板に対向する上、前記貼合面の下方に位置するイメージセンサをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の薄型生体認証装置の光学結像装置。
5. 前記第１光学プリズムシート及び前記第２光学プリズムシートの厚さ範囲Ｌは、２００μｍ〜３００μｍの間であることを特徴とする請求項１記載の薄型生体認証装置の光学結像装置。
6. 前記光学用接着剤の厚さは、約２５μｍであることを特徴とする請求項３記載の薄型生体認証装置の光学結像装置。
7. 前記第２光学プリズムシートと前記イメージセンサとの視角θの結像可能範囲は、１１度＜θ＜２６度であることを特徴とする請求項４記載の薄型生体認証装置の光学結像装置。
8. 前記第１ガラス基板及び前記第２ガラス基板は、ＩＲ透過フィルター（ＩＲ pass filter）又は有色ガラスであることを特徴とする請求項２記載の薄型生体認証装置の光学結像装置。
9. 前記第１光学プリズムシート及び前記第２光学プリズムシートは、複数のアレイ配列するプリズムマイクロ構造から構成され、前記各プリズムマイクロ構造のピッチ（pitch）幅Ｄの範囲は、６０μｍ〜２００μｍであり、前記各プリズムマイクロ構造の高さＨの範囲は、３０μｍ〜１００μｍであり、前記高さＨと前記幅Ｄとは、比例関係であり、前記比例関係は、Ｈ：Ｄ＝１：２であり、前記各プリズムマイクロ構造の水平夾角θ１＝４５度であることを特徴とする請求項１記載の薄型生体認証装置の光学結像装置。
10. 第１ガラス基板、第１光学プリズムシート及び２つの第２光学プリズムシートを備える薄型生体認証装置の光学結像装置であって、
    前記第１ガラス基板は、指紋画像領域、静脈画像領域、接触面、反射インターフェース及び貼合面を有し、
    前記第１光学プリズムシートは、前記貼合面に貼設される上、前記指紋画像領域の下方に位置し、
    前記２つの第２光学プリズムシートは、互いに対向する上、前記第１光学プリズムシートの下方両側に貼設されることを特徴とする薄型生体認証装置の光学結像装置。
11. 前記第１ガラス基板に対向する上、前記貼合面の下方に位置するイメージセンサをさらに備えることを特徴とする請求項１０記載の薄型生体認証装置の光学結像装置。
12. 前記第１ガラス基板と前記第１光学プリズムシートと前記第２光学プリズムシートとの間は、何れも光学用接着剤によって接着されることを特徴とする請求項１０記載の薄型生体認証装置の光学結像装置。
13. 前記第１光学プリズムシート及び前記第２光学プリズムシートの厚さ範囲Ｌは、２００μｍ〜３００μｍの間であることを特徴とする請求項１０記載の薄型生体認証装置の光学結像装置。
14. 前記光学用接着剤の厚さは、約２５μｍであることを特徴とする請求項１２記載の薄型生体認証装置の光学結像装置。
15. 前記第１ガラス基板は、ＩＲ透過フィルター（ＩＲ pass filter）又は有色ガラスであることを特徴とする請求項１０記載の薄型生体認証装置の光学結像装置。
16. 前記第１光学プリズムシート及び前記第２光学プリズムシートは、複数のアレイ配列するプリズムマイクロ構造から構成され、前記各プリズムマイクロ構造のピッチ（pitch）幅Ｄの範囲は、６０μｍ〜２００μｍであり、前記各プリズムマイクロ構造の高さＨの範囲は、３０μｍ〜１００μｍであり、前記高さＨと前記幅Ｄとは、比例関係であり、前記比例関係は、Ｈ：Ｄ＝１：２であり、前記各プリズムマイクロ構造の水平夾角θ１＝４５度であることを特徴とする請求項１０記載の薄型生体認証装置の光学結像装置。

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