JP2021105949A

JP2021105949A - 光センサ

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Publication number: JP2021105949A
Application number: JP2019238112A
Authority: JP
Inventors: 隆夫染谷; Takao Someya; 川島　伊久衞; Ikue Kawashima; 伊久衞川島
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2021-07-26
Also published as: WO2021132605A1; US20230051655A1

Abstract

【課題】測定対象物に対する均一な光照射を実現し、かつ、解像度の高い画像情報を得ることができる、反射型の光センサを提供する。【解決手段】測定対象物に対する均一な光照射を行う光照射部と、測定対象物での反射光の方向を、所定の方向に限定する視野角制御板と、視野角制御板を経て得られた反射光の分布を示す画像情報を取得する光検出部とを備えて構成される。視野角制御板が、ルーバーアレイフィルム又はファイバオプティクプレートである。【選択図】図１

Description

この発明は、光センサに関するものである。

生体認証技術の中で、静脈パターンを用いて認証を行う静脈認証は、高精度の認証を行える技術として知られている。静脈認証を行う光センサとして、透過型センサ（例えば、特許文献１参照。）及び反射型センサ（例えば、特許文献２参照。）がある。

透過型センサでは、測定対象物の一方の側に光源部が配置され、他方の側に受光部が配置される。光源部で生成された光が、測定対象物を透過して、受光部で受光される。このとき、測定対象物を透過する光の一部が、静脈で吸収又は散乱されることにより、静脈パターンが得られる。

反射型センサでは、測定対象物の一方の側に、光源部及び受光部が配置される。光源部で生成された光が、静脈で吸収又は散乱されることにより、受光部において、静脈パターンが得られる。

特開２００９−１６３４０８号公報特開２０１９−１２８６３０号公報

しかしながら、上述の従来例の透過型センサでは、測定対象物において、静脈以外の部分での吸収や散乱が大きい場合は、受光部に光が届かず、測定できない場合がある。

一方、上述の従来例の反射型センサでは、光源部が受光部周辺に設けられているため、均一な光照射ができない場合がある。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、測定対象物に対する均一な光照射を実現し、かつ、解像度の高い画像情報を得ることができる、反射型の光センサを提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の光センサは、測定対象物に対する均一な光照射を行う光照射部と、測定対象物からの反射光の方向を所定の方向に限定する視野角制御板と、視野角制御板を経て得られた反射光の分布を示す画像情報を取得する光検出部とを備えて構成される。

この発明の光センサの好適実施形態によれば、視野角制御板が、ルーバーアレイフィルム又はファイバオプティクプレートである。また、視野角制御版が、光照射部と、光検出部の間に設けられ、光照射部は測定対象物と視野角制御板の間に設けられるのが好適である。

また、この発明の光センサの好適実施形態では、光照射部が、光源と、導光板とを備え、光源が発した光は、導光板の内部の全体にわたって広がる。また、導光板の一方の主表
面に、全面にわたって規則的に変調部が形成され、変調部と、変調部以外の部分である非変調部とは、全反射の条件が異なる。

さらに、導光板は、ヤング率が１［ＭＰａ］以上１０００［ＭＰａ］以下の材質で構成されるのが良い。また、導光板の厚みが、１００［μｍ］以上１［ｍｍ］以下であるのが良い。

また、視野角制御板が、ヤング率が１［ＭＰａ］以上１０００［ＭＰａ］以下の材質で構成されるのが良い。また、視野角制御板の厚みが、１［ｍｍ］以下であるのがよい。

この発明の光センサによれば、上述の構成により、測定対象物に対する均一な光照射を実現し、かつ、解像度の高い画像情報を得ることができる。

この発明の光センサを説明するための模式図である。導光板の構成例を示す平面図であり、一方の主表面を示している。この発明の光センサの他の構成例を示す模式図である。実験で得られた画像を示す図である。実験で得られた画像の濃度プロファイルを示す図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

図１を参照して、この発明の光センサを説明する。図１は、この発明の光センサを説明するための模式図である。

この発明の光センサは、光照射部１０、視野角制御板２０、及び、光検出部３０を備えて構成される、反射型の光センサである。光照射部１０、視野角制御板２０、及び、光検出部３０は、測定対象物１００の一方の側に配置される。光センサでは、光照射部１０から測定対象物１００に照射された光の、測定対象物１００での反射光が、光検出部３０で検出される。

光照射部１０は、光源１２と導光板１４を備えて構成される。

光源１２は、例えば、赤外線を発するＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｓｓｉｏｎＤｉｏｄｅ）である。光源１２は、導光板１４の側面に取り付けられる。赤外線を発するＬＥＤ（赤外ＬＥＤ）が発した光は、導光板１４に送られる。

導光板１４に送られた光は、導光板１４の側面から、導光板１４の内部に入力され、導光板１４の内部を２つの主表面で全反射しながら伝搬する。この結果、導光板１４の内部に入力された光は、導光板１４の内部の全体にわたって広がる。なお、図１では、光源１２が、導光板１４の側面に取り付けられる例を示しているが、導光板１４の内部に入力された光が、導光板１４の内部の全体にわたって広がればよく、光源１２が導光板１４の主表面に取り付けられていてもよい。

導光板１４の一方の主表面には、全面にわたって、変調部１６が規則的に設けられている。図２は、導光板１４の構成例を示す平面図であり、一方の主表面を示している。

導光板１４に、規則的に設けられた変調部１６では、変調部１６以外の部分である非変調部１８とは、全反射の条件が異なる。このため、変調部１６に達した光は、導光板１４の外部に出力される。導光板１４の外部に出力された光は、生体などの測定対象物１００に送られる。導光板１４の主表面に、全面にわたって変調部１６が規則的に設けられた変調パターンを備えることにより、導光板１４の一方の主表面全体から均一に光が照射される。この結果、測定対象物１００に対する、均一な光照射が実現される。なお、均一に光を照射するために、光源１２から遠くなるにしたがって密になるように、変調部１６を設けるのがよい。

導光板１４は、ポリウレタン、シリコーン、アクリルなど、光源１２が発する光を伝搬可能な、任意好適な材質で構成される。また、変調パターンの形成は、インクジェット技術でレンズ状の凸部を変調部１６として形成するなど、従来公知の方法で行うことができる。

ここでは、測定対象物１００が人間の手首であり、光センサが手首の静脈パターンを測定する例を説明する。この場合、導光板１４が手首に密着するように、可撓性を有しているのが好ましい。このため、導光板１４の材質として、ヤング率が１［ＭＰａ］以上１０００［ＭＰａ］以下のものを用い、導光板１４の厚みを、１００［μｍ］以上１［ｍｍ］以下とするのが良い。

導光板１４から測定対象物１００に照射された光は、測定対象物１００の表面又は内部で反射する。反射した光は、導光板１４を透過して、光検出部３０に送られる。測定対象物１００が手首の場合、手首内部の静脈の存在する部分は赤外光を吸収するため、静脈の存在しない部分よりも反射強度が弱くなる。この結果、静脈が存在する部分の画像が、他の部分の画像よりも暗くなり、静脈画像として光センサで認識される。

光検出部３０には、測定対象物１００で反射した光が入力される。光検出部３０は、入力された光から静脈パターンを示す画像情報を取得し、画像情報を出力する。光検出部３０は、任意好適な従来公知の構成にすることができ、例えば、光信号を電気信号に変換するＣＭＯＳイメージセンサが用いられる。ここでは、図示及び詳細な説明を省略するが、光検出部３０の入力側には、ＣＭＯＳイメージセンサを保護するための保護ガラスが設けられる。

なお、ＣＯＭＳイメージセンサで得られた電気信号を、画像情報として光センサの外部に出力する構成にすることができる。この場合、画像情報を、外部に設けられたパーソナルコンピュータ（ＰＣ）などで、表示すればよい。

光検出部３０の入力側には、視野角制御板２０が設けられる。視野角制御板２０は、光検出部３０に入力される、測定対象物１００からの反射光の方向を、所定の方向の光に限定する。視野角制御板２０を光検出部３０の入力側に設けることにより、光検出部３０の受光面に入力される光の方向が、受光面にほぼ直交する方向に限定されるので、より鮮明な静脈パターンが得られる。

鮮明な画像を得る方法としては、この発明で用いられる視野角制御板を用いるものの他に、ピンホールカメラの原理を用いるものがある。ただし、ピンホールカメラでは、測定物とピンホールとの間、及び、ピンホールと光センサとの間に、相当な距離を設ける必要
がある。このため、この発明の光センサの様な、薄型の光センサは実現できない。また、ピンホールカメラで得られる画像は倒立画像であり、この発明で得られる画像とは異なる。

視野角制御板２０は、ルーバーアレイフィルム（ＬＡＦ）、又は、ファイバオプティクプレート（ＦＯＰ）で構成される。ＬＡＦは、プライバシーフィルム又はプライバシーシートとして知られており、アレイ状に遮光部を有しており、所定の方向の光を透過させるフィルムである。ＬＡＦは、所定の方向の光として、遮光部の間隔及びＬＡＦの厚みで定まる視野角の範囲の光を透過させる。

また、ＦＯＰは、数μｍ径の光ファイバを束ねて構成されるプレートである。光ファイバの光の伝搬方向と、ＦＯＰの厚み方向が一致している。ＦＯＰは、ＦＯＰを構成する各光ファイバの全反射条件によって定まる角度の範囲内の方向の光を透過させる。

従って、ここでは、視野角制御板２０を透過させる光の所定の方向とは、視野角制御板２０と光検出部３０の入射面の法線方向に、ほぼ平行な方向である。

導光板１４と同様に、視野角制御板２０の材質として、ヤング率が１［ＭＰａ］以上１０００［ＭＰａ］以下のものを用い、視野角制御板２０の厚みを、１［ｍｍ］以下とするのが良い。ＦＯＰの厚み、及び、ＦＯＰを構成する光ファイバの径など、ＦＯＰの設計条件は、要求される、可撓性及び解像度によって定めることができる。ＦＯＰに入射した光を伝搬させる角度範囲である開口数ＮＡとして、ＮＡが０．１以上０．７以下であることが望ましい。

また、光検出部３０も可撓性を有するのが良い。光検出部３０が備えるＣＭＯＳイメージセンサとして、基板にポリイミドフィルムなどを用いた可撓性を有するものが知られている。また、ＣＭＯＳイメージセンサを動作させるのに用いられる回路についても、フィルム状の基板に演算素子を配置するなど可撓性を持たせることができる。このように、光検出部３０にも可撓性を持たせることができる。

図１では、視野角制御板２０が、光照射部１０と光検出部３０の間に設けられる例を示しているが、これに限定されない。

図３を参照して、光センサの他の構成例を説明する。図３は、この発明の光センサの他の構成例を示す模式図である。

光センサの他の構成例では、視野角制御板２０が、光照射部１０よりも測定対象物１００側に設けられている。この場合、光照射部１０から出力された光は、視野角制御板２０を経て測定対象物１００に送られる。そして、測定対象物１００で反射された光は、視野角制御板２０及び光照射部１０をこの順に経て、光検出部３０に送られる。

（実施例）
この光センサを、例えば、手首式血圧計に組み込むことができる。この場合、光センサは、手首式血圧計のカフ（腕帯）の部分に取り付けられる。このように構成すると、血圧を測る際に、静脈パターンによる生体認証を行うことができる。この結果、血圧の測定データと、被測定者との関連付けが、従来よりも、容易かつ確実に行われる。

（実験結果）
図４及び図５を参照して、人体の静脈を模した検査用模型（ファントム）を用いた、実験結果を説明する。

図４は、実験で得られた画像を示す図である。図４（Ａ）は、視野角制御板２０を備えない場合に得られた静脈パターンを示し、図４（Ｂ）及び（Ｃ）は、視野角制御板２０が、光照射部１０と光検出部３０の間に配置されている場合に得られた静脈パターンを示し、図４（Ｄ）及び（Ｅ）は，視野角制御板２０が、光照射部１０よりもファントム側に配置されている場合に得られた静脈パターンを示している。また、図４（Ｂ）及び（Ｄ）では、視野角制御板２０として、開口数（ＮＡ）が０．４３のＦＯＰを用いており、図４（Ｃ）及び（Ｅ）では、視野角制御板２０として、ＬＡＦを用いている。この場合、視野角制御板２０は、遮光部を４２μｍ間隔で周期的に配列した、厚さ１５０μｍの２枚のＬＡＦを、縦横に直交させた構造を有しており、接着層を含めた全体の厚さは３６０μｍである。

図５は、実験で得られた画像の濃度プロファイルを示す図である。図５（Ａ）〜（Ｅ）は、それぞれ、図４（Ａ）〜（Ｅ）に対応する。図５（Ａ）〜（Ｅ）は、代表して図４（Ａ）に示す、Ｉ−Ｉ線に沿って得られたプロファイルである。図５（Ａ）〜（Ｅ）は、横軸にＩ−Ｉ線に沿った位置を任意単位で取って示し、縦軸に、濃度を白濃度を０、黒濃度を２５５として、２５６階調で示している。

検査用模型は、人体内部と同等のレベルで赤外光を乱反射する樹脂で構成される。この樹脂の内部に、静脈血管を模した、赤外光を吸収する円筒状の材料を配置している。円筒状の材料の直径は１ｍｍであり、検査用模型の表面から１ｍｍの浅い場所に十字状の第１静脈パターンを配置している。また、検査用模型の表面から２ｍｍの深い場所にＸ字状の第２静脈パターンを配置している。

図４（Ａ）及び図５（Ａ）に示されるように、視野角制御板２０を備えない場合は、浅い方の第１静脈パターンは確認できるが、深い方の第２静脈パターンは、画像がぼやけている。

また、図４（Ｂ）及び（Ｃ）並びに図５（Ｂ）及び（Ｃ）と、図４（Ｄ）及び（Ｅ）並びに図５（Ｄ）及び（Ｅ）を比較すると、図４（Ｂ）及び（Ｃ）並びに図５（Ｂ）及び（Ｃ）、すなわち、視野角制御板２０が光照射部１０と光検出部３０の間に配置されている方が、静脈パターンが鮮明である。また、図４（Ｂ）及び（Ｄ）並びに図５（Ｂ）及び（Ｄ）と、図４（Ｃ）及び（Ｅ）並びに図５（Ｃ）及び（Ｅ）を比較すると、図４（Ｂ）及び（Ｄ）並びに図５（Ｂ）及び（Ｄ）、すなわち、視野角制御板２０としてＮＡが０．４３のＦＯＰを用いている方が、静脈パターンが鮮明である。

特に、図４（Ｂ）の、光照射部１０と光検出部３０の間に、視野角制御板２０としてＮＡが０．４３のＦＯＰを用いている場合は、浅い方の第１静脈パターンだけでなく、深い方の第２静脈パターンも鮮明に得られる。また、図５（Ｂ）を参照すると、第１静脈パターンに対応するピークと、その両側の第２静脈パターンに対応するピークが確認できる。

このように、この発明の光センサによれば、解像度の高い、静脈パターンを得ることができる。

なお、光照射部１０から測定対象物１００に光を照射する場合、測定対象物１００の表面から反射する光も存在する。これは、光照射部１０と測定対象物１００の間に空気層が存在すると、空気と測定対象物の屈折率の違いから、光照射部１０から測定対象物１００に照射された光の一部が、空気と測定対象物１００の界面で反射するためである。この界面での反射は、測定対象物１００の内部の画像のコントラストを落とす原因になる。

この界面での反射の影響を抑えるために、光照射部１０と測定対象物１００の間に厚みが１０μｍ〜３００μｍの柔らかい樹脂シートを設けて測定対象物１００に密着させてもよい。

１０光照射部
１２光源
１４導光板
１６変調部
１８非変調部
２０視野角制御板
３０光検出部

Claims

測定対象物に対する均一な光照射を行う光照射部と、
前記測定対象物での反射光の方向を、所定の方向に限定する視野角制御板と、
前記視野角制御板を経て得られた反射光の分布を示す画像情報を取得する光検出部と
を備えることを特徴とする光センサ。
前記視野角制御板が、ルーバーアレイフィルム又はファイバオプティクプレートであることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
前記視野角制御板が、前記光照射部と、前記光検出部の間に設けられる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光センサ。
前記光照射部が、
光源と、
導光板と
を備え、
前記光源が発した光は、前記導光板の内部の全体にわたって広がり、
前記導光板の一方の主表面に、全面にわたって規則的に変調部が形成され、
前記変調部と、該変調部以外の部分である非変調部とは、全反射の条件が異なる
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光センサ。
前記導光板が、ヤング率が１［ＭＰａ］以上１０００［ＭＰａ］以下の材質で構成される
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光センサ。
前記導光板の厚みが、１００［μｍ］以上１［ｍｍ］以下である
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光センサ。
前記視野角制御板が、ヤング率が１［ＭＰａ］以上１０００［ＭＰａ］以下の材質で構成される
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光センサ。
前記視野角制御板の厚みが、１［ｍｍ］以下である
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光センサ。