JP2955059B2

JP2955059B2 - 指紋センサ

Info

Publication number: JP2955059B2
Application number: JP3115254A
Authority: JP
Inventors: 誠吾井垣; 卓新崎
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-04-19
Filing date: 1991-04-19
Publication date: 1999-10-04
Anticipated expiration: 2014-10-04
Also published as: JPH04320585A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、指紋センサに関し、更
に詳しく言えば、個人照合装置等に利用される指紋セン
サに関する。

【０００２】近年、コンピュータが広範な社会システム
の中に導入されるにともない、システム・セキュリティ
に関係者の関心が集まっている。コンピュータルームへ
の入室や、端末利用の際の本人確認の手段として、これ
まで用いられてきたＩＤカードやパスワードには、セキ
ュリティ確保の面から多くの疑問が提起されている。

【０００３】これに対して指紋は、「万人不同」、「終
生不変」という２大特徴を持つため、本人確認の最も有
力な手段と考えられ、指紋を用いた簡便な個人照合シス
テムに関して多くの研究開発が行われている。

【０００４】

【従来の技術】図７は従来の指紋センサ例、図８は指紋
センサの散乱光の説明図、図９は指表面の散乱光の強度
分布を示した図である。

【０００５】図中、１は斜面、２は光源、２Ａはレーザ
光源、３は撮像素子、４は指、５は領域、７はホログラ
ム、１０はプラテンを示す。

【０００６】従来、指紋センサとしては、図７（Ａ）に
示したプリズム方式指紋センサ、あるいは図７（Ｂ）に
示したホログラフィック指紋センサが知られていた。

【０００７】プリズム方式指紋センサは、プリズムで構
成したプラテン１０、光源２、撮像素子３等（その他図
示しない結像光学系など）で構成される。前記プラテン
１０の１つの斜面１は、指紋像の入力時に指４を押し当
てる指紋入力部を構成する。

【０００８】この指紋センサでは、光源２により、プラ
テン１０を照明し、指紋の谷線部からの散乱光の到達で
きない領域５内に撮像素子３を配置する。この配置によ
り、指紋像のコントラストの改善ができるものである。

【０００９】ホログラフィック指紋センサは、プラテン
１０、ホログラム７、撮像素子３、レーザ光源２Ａ等
（この外に結像光学系等がある）で構成される。

【００１０】この指紋センサは、ガラス平板から成るプ
ラテン１０の一部にホログラム７が構成してあり、ガラ
ス平板の他の一端にある指紋入力部が、反対側からレー
ザ光で照明されている。

【００１１】指紋像の入力時には、指紋入力部のガラス
面に指を押し当てる。この時、指紋の谷線部と隆線部と
で指からの反射散乱光のガラスへの戻り方に差があるこ
とを利用してコントラストを得ている。

【００１２】上記指紋センサの散乱光は、図８のように
なっている。図８（Ａ）はプリズム方式指紋センサの散
乱光を示し、図８（Ｂ）はホログラフィック指紋センサ
の散乱光を示す。

【００１３】図示点線矢印は、指紋の谷線部からの散乱
光であり、実線矢印は指紋の隆線部からの散乱光を示
す。

【００１４】プリズム方式指紋センサでは、谷線部から
の散乱光は、空気層を介してガラスに入射するため、そ
の時の屈折で図示点線矢印で示したように進み、プラテ
ン１０から外部の空気層に抜けて、光源方向へ戻る。

【００１５】また、指紋の隆線部からの散乱光は、隆線
部とガラスとの間に空気層が介在しないため、色々な方
向に散乱するが、その内の一部は、図示実線矢印の方向
（谷線部からの散乱光の到達できない領域方向）へ進
み、撮像素子３に入力する。

【００１６】また、ホログラフィック指紋センサでも同
様に、指４の指紋の谷線部では、指とガラスの間に僅か
な空気層がある。このため、谷線部からの散乱光は、空
気からガラスに入射し、ガラスの下面では図示点線矢印
のように、空気からガラスへの入射光と同じ角度で下の
空気層にすべて抜けてしまう。

【００１７】一方、指紋の隆線部では、指４とガラスが
直接接触しているため、隆線部からの散乱光は色々な角
度をもってガラスの中に入る。

【００１８】このため、谷線部からの散乱光と同様に、
下の空気層に抜けてしまう光もある一方で、臨界角以上
の角度θ_iで入射した光は、図示実線矢印で示したよう
に、ガラスと空気の界面で全反射を繰り返し、プラテン
１０（ガラス）の中を伝播することができる。

【００１９】この光は、指紋の隆線部の画像情報を持つ
ものであり、プラテン１０の一部に設けたホログラム７
によって空気中に取り出し、撮像素子３で映像化する
（図７参照）。

【００２０】上記の各指紋センサは、指紋の谷線部から
の散乱光の到達できない領域に撮像素子３を配置して、
高いＳ／Ｎの指紋像を得ることができる指紋センサであ
る。

【００２１】このような指紋センサでは、隆線部で散乱
し、出射領域のガラス−空気界面に対して、臨界角を超
える角度で入射した光を結像させて指紋像を得ていた。

【００２２】この場合、指表面での散乱光の強度分布
は、図９のようになっている。図示のように、指４の表
面での散乱光の強度分布は、入射角（ガラスへの入射
角）が小さい程大きい。

【００２３】例えば、入射角θ₁とθ₂との間にθ₁＜
θ₂の関係があれば、入射角θ₁で入射した散乱光の強
度は、入射角θ₂で入射した散乱光の強度よりも大き
い。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のも
のにおいては、次のような課題があった。 (1) 指の谷線部からの散乱光の到達できない領域に受光
素子を配置して、高いＳ／Ｎの指紋像を得る方式の指紋
センサでは、指の隆線部で散乱し出射領域のガラス−空
気界面に対して臨界角を超える角度で入射した光を結像
させて指紋像を得ていた。

【００２５】従って、結像に用いる散乱光の入射角は大
きく、その強度は小さいものである。このため、散乱光
のエネルギーの利用効率が悪い。

【００２６】(2) 散乱光のエネルギーの利用効率が悪い
ため、その分、光源や撮像素子の性能に負担をかけるこ
とになる。

【００２７】本発明は、このような従来の課題を解決
し、指紋入力部では、指表面での散乱光が小さな入射角
で入射し、かつ出射領域のガラス−空気界面に対しては
臨界角を超える角度で光を入射させるようにして、散乱
光のエネルギー利用効率を向上させることを目的とす
る。

【００２８】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理図で
あり、図中、図７と同符号は同一のものを示す。また１
１は指紋入力部、１２は入射角変換部、１３は結像光学
系を示す。

【００２９】本発明は上記の課題を解決するため、次の
ように構成した。(1) 指を照明する光源２と、プラテン
１０と、プラテン１０の一部に設けた指紋入力部１１
と、結像光学系１３と、指紋入力部１１に置かれた指紋
の谷線部からの散乱光の到達不可能領域に配置した撮像
素子３とから成り、指紋隆線部からの散乱光のみを映像
化する指紋センサにおいて、前記指紋入力部１１に、入
射角変換部１２を付加し、指紋入力部１１で小さな入射
角で入射し、かつ出射領域のガラス−空気界面に対して
は、臨界角を超える角度で光を入射させるようにした。

【００３０】(2) 上記入射角変換部１２を、プラテン１
０よりも屈折率の高い層とした。

【００３１】(3) 上記入射角変換部１２を、プラテン１
０よりも屈折率の高い複数の層で構成すると共に、前記
複数の層を、それぞれ異なった屈折率とし、プラテン側
から順次屈折率の低い順に積層させた。

【００３２】(4) 上記入射角変換部１２を、プラテン１
０よりも屈折率の高い層とし、この層の内部において、
その屈折率を、低い方から高い方へ連続的に変化するよ
うに設定しておき、プラテン１０側に屈折率の低い方を
配置した。

【００３３】(5) 上記プラテン１０を、透明平板から成
る導光板で構成した。

【００３４】(6) 上記プラテン１０を、プリズムで構成
した。

【００３５】

【作用】上記構成に基づく本発明の作用を、図１を参照
しながら説明する。

【００３６】図１（Ａ）に示したプリズム方式指紋セン
サでは、プラテン１０としてプリズムを用い、図１
（Ｂ）に示したホログラフィック指紋センサでは、プラ
テン１０として、透明平板から成る導光板を用いる。

【００３７】指紋像の入力時には、指紋入力部１１に指
を押し当てる。また光源２から指を照明する。この時、
指紋の谷線部からの散乱光は、空気層を介して、入射角
変換部１２に入射し、その後、プラテン１０から外部の
空気層に出射する。

【００３８】指紋の隆線部からの散乱光は、空気層を介
さずに入射角変換部１２に入射し、色々な方向に散乱す
るが、その一部の光は、撮像素子３へ到達する。

【００３９】この場合、結像光学系１３により結像した
指紋像を、撮像素子３で電気信号に変換する。この時の
光（指紋像に利用する光）は、入射角変換部１２からプ
ラテン１０に入射する際の屈折により、大きな入射角に
変換される。

【００４０】従って、指紋入力部１１で小さな角度で入
射した光でも、プラテン１０に入射する際は大きな入射
角となるから、強度の大きな光を指紋像の入力に利用で
きることになる。すなわち、散乱光のエネルギー利用効
率が向上する。

【００４１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。（第１実施例の説明）図２〜図３は、本発明の第
１実施例を示した図であり、図２はホログラフィック指
紋センサを示した図、図３は入射角変換部の説明図であ
る。図中、図１、図７と同符号は同一のものを示す。

【００４２】この実施例は、ホログラフィック指紋セン
サの入力部に、入射角変換部を付加した例である。

【００４３】図２に示したように、プラテン１０の一方
の端部には指紋入力部を設け、他方の端部にはホログラ
ム７を設ける。また、指４を照明するためのレーザ光源
２Ａと、撮像素子３と、結像光学系１３とを設ける。

【００４４】そして、指紋入力部には、入射角変換部１
２を設ける。この入射角変換部１２には、指紋像を入力
する際、指４を押し当てる。

【００４５】プラテン１０は、ガラス製の透明平板で構
成し、指紋入力部からホログラム７へ光を導びくための
導光板の機能を有する。

【００４６】入射角変換部１２は、図３のように構成さ
れている。今、プラテン１０の屈折率をｎ_p、入射角変
換部１２の屈折率をｎ_iとする。この場合、前記屈折率
の関係をｎ_i＞ｎ_pとする。

【００４７】また、入射角変換部１２が無い場合（この
部分が空気層の場合）に、出射領域のガラス−空気界面
に対して臨界角となる入射角をθ_ciとする。

【００４８】すなわち、入射角変換部１２を、プラテン
１０に対して高屈折率層にすると、入力部での入射光は
図３の矢印方向に進む。この時、図示の角度に対し、θ
_i＞θ_ci、θ_i＞θ_Rの関係が成り立つ。

【００４９】上記のように、プラテン１０上に高屈折率
層で構成した入射角変換部１２を設けると、指紋入力部
で小さな入射角で入射した成分の光でも、プラテン１０
に臨界角θ_ciを超える角度θ_iで入射させることが可能
となる。

【００５０】指紋像の入力時には、入力部に設けた入射
角変換部１２上に指４を押し当てる。また、レーザ光源
２Ａにより、指４を照明する。

【００５１】この時、指紋の谷線部（凹部）では、指と
入射角変換部１２との間に僅かな空気層があるため、散
乱光は、空気から入射角変換部１２に入射し、更にプラ
テン１０へ入射した後、空気層にすべて抜ける。

【００５２】また、指紋の隆線部（凸部）では、指と入
射角変換部１２とが密着しているため、散乱光は色々な
角度をもって入射角変換部１２に入射した後、更にプラ
テン１０へ入射する。

【００５３】この光の一部は、プラテン１０に臨界角以
上の角度で入射し、全反射を繰り返しながらホログラム
７に到達し、結像光学系１３で結像した後、撮像素子３
で指紋像を得る。

【００５４】この場合、指紋像として利用される光は、
指紋入力部の入射角変換部１２に小さな入射角で入射し
た後、プラテン１０に入射する際の屈折により、大きな
入射角に変換される。

【００５５】従って、光の強度の大きな光（入射角の小
さい光）を指紋像の形成に利用できることになる。

【００５６】（第２実施例の説明）図４は、第２実施例
における入射角変換部の説明図である。図中、図１〜図
３と同符号は同一のものを示す。また、１２−１〜１２
−３は第１層〜第３層を示す。

【００５７】この実施例は、図２と同じホログラフィッ
ク指紋センサに適用した例であり、入射角変換部１２と
して図４に示した構成のものを用いた。

【００５８】入射角変換部１２は、第１層１２−１、第
２層１２−２、第３層１２−３の３層構造とした。第１
層１２−１の屈折率をｎ_i1、第２層１２−２の屈折率を
ｎ_i2、第３層１２−３の屈折率をｎ_i3とする。

【００５９】この場合、各屈折率の間には、ｎ_i1＞ｎ_i2
＞ｎ_i3の関係にすると共に、ｎ_i3＞ｎ_pの関係にする。
すなわち、第１層１２−１〜第３層１２−３の各屈折率
を、プラテン１０の屈折率より大きくすると共に、プラ
テン１０から屈折率の小さい（低い）順に、第１層１２
−１、第２層１２−２、第３層１２−３を積層する。

【００６０】このようにすると、第１層１２−１に小さ
な入射角θ_Rで入射した光は、第２層１２−２、第３層
１２−３へ進む際に屈折されて徐々に入射角を大きく
し、最後にプラテン１０へ入射する際の入射角θ_iは臨
界角θ_ciよりも大きくなる（θ_R＜θ_i）。

【００６１】従って、この例でも強度の大きな光（入射
角の小さな光）を利用して指紋像を得ることが可能とな
る。

【００６２】（第３実施例の説明）図５は第３実施例に
おける入射角変換部の説明図である。図中、図１〜図４
と同符号は同一のものを示す。

【００６３】この実施例は、図２と同じホログラフィッ
ク指紋センサに適用した例であり、入力変換部として図
５に示した構成のものを用いた。

【００６４】入射角変換部１２は、連続して内部の屈折
率ｎ_ixが変化するものを用いる。この屈折率ｎ_ixは、プ
ラテンの屈折率ｎ_pに対して、ｎ_ix＞ｎ_pの関係にする
が、ｎ_ixは連続して変化する。

【００６５】この屈折率の変化は、プラテン１０側で低
く、その反対側（指を押し当てる面）で高くなるように
する。

【００６６】このように、屈折率がその内部で連続して
変化する入射角変換部１２を用いると、図５に示した矢
印方向に光が進み、最後にプラテン１０に入射する際
は、臨界角θ_ci以上の入射角θ_iで入射する。

【００６７】従って、入射角の小さな光を、入射角の大
きな光に変換することができるので、強度の大きな光を
利用して指紋像を得ることが可能となる。

【００６８】（第４実施例の説明）この実施例はプリズ
ム方式指紋センサに適用した例である。図中、図１、図
７と同符号は同一のものを示す。

【００６９】この指紋センサは、プラテン１０、光源
２、撮像素子３、入射角変換部１２、結像光学系１３等
で構成する。撮像素子３は、従来例と同様に、指紋入力
部に置かれた指紋の谷線部からの散乱光の到達不可能な
領域５内に設置する。

【００７０】プラテン１０の一部に設けた指紋入力部に
は、入射角変換部１２を設けるが、この入射角変換部１
２としては、図３、図４、図５に示したものの内、いず
れか１つを用いる。

【００７１】指紋像の入力時には、指紋入力部の入射角
変換部１２上に指４を押し当てる。また光源２により指
４を照明する。

【００７２】この時、指紋の谷線部からの散乱光は、入
射角変換部１２へ入射した後、入射角変換部１２からプ
ラテン１０へ進み、更に外部の空気層へ出射して光源方
向へ戻る。

【００７３】また指紋の隆線部は、入射角変換部１２上
に押し当てられているので、この部分での散乱光は色々
な方向へ進む。これらの光の内、一部の光は撮像素子３
へ入力する。この時、結像光学系１３により、結像され
た後、撮像素子３に入力する。

【００７４】上記隆線部からの光は、先ず入射角変換部
１２に入射し、この入射角変換部１２からプラテン１０
に入射する際、屈折により大きな入射角に変換される。

【００７５】従って、小さな入射角で、入射角変換部１
２に入射した強度の大きい光を利用して、指紋像を得る
ことが可能となる。

【００７６】（他の実施例）以上実施例について説明し
たが、本発明は次のようにしても実施可能である。 (1) 入射角変換部は、図４に示したような３層構造に限
らず、任意の複数層で構成できる。

【００７７】(2) 入射角変換部の屈折率は、上記の条件
を満たす範囲で、任意の値に設定可能である。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のような効果がある。 (1) 指紋の隆線部からの散乱光の内、指紋入力部で小さ
な入射角で入射した成分の光でも、プラテンに臨界角を
超える角度で入射させることが可能となる。

【００７９】(2) 入射角の小さな光は強度が大きいの
で、上記（１）の理由により、指紋像を入力する際、散
乱光のエネルギーの利用効率を向上できる。

【００８０】(3) 前記の理由により、光源や撮像素子の
性能に負担をかけずに済む。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理図である。

【図２】本発明の第１実施例におけるホログラフィック
指紋センサを示した図である。

【図３】入射角変換部の説明図である。

【図４】第２実施例における入射角変換部の説明図であ
る。

【図５】第３実施例における入射角変換部の説明図であ
る。

【図６】第４実施例におけるプリズム方式指紋センサを
示した図である。

【図７】従来の指紋センサ例である。

【図８】指紋センサの散乱光の説明図である。

【図９】指表面の散乱光の強度分布を示した図である。

【符号の説明】

１０プラテン１１指紋入力部１２入射角変換部１３結像光学系

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】指を照明する光源（２）と、プラテン
（１０）と、プラテン（１０）の一部に設けた指紋入力
部（１１）と、結像光学系（１３）と、指紋入力部（１
１）に置かれた指紋の谷線部からの散乱光の到達不可能
領域に配置した撮像素子（３）とから成り、指紋隆線部
からの散乱光のみを映像化する指紋センサにおいて、前
記指紋入力部（１１）に、入射角変換部（１２）を付加
し、指紋入力部（１１）で小さな入射角で入射し、かつ
出射領域のガラス−空気界面に対しては、臨界角を超え
る角度で光を入射させるようにしたことを特徴とする指
紋センサ。
【請求項２】上記入射角変換部（１２）を、プラテン
（１０）よりも屈折率の高い層（ｎ_i＞ｎ_p）としたこ
とを特徴とする請求項１記載の指紋センサ。
【請求項３】上記入射角変換部（１２）を、プラテン
（１０）よりも屈折率の高い複数の層（１２−１、１２
−２、１２−３）で構成すると共に、前記複数の層を、
それぞれ異なった屈折率（ｎ_i1＞ｎ_i2＞ｎ_i3）とし、プ
ラテン（１０）側から、順次屈折率の低い順に積層させ
たことを特徴とする請求項１記載の指紋センサ。
【請求項４】上記入射角変換部（１２）を、プラテン
（１０）よりも屈折率の高い層（ｎ_ix＞ｎ_p）とし、こ
の層の内部において、その屈折率（ｎ_ix）を、低い方か
ら高い方へ連続的に変化するように設定しておき、プラ
テン（１０）側に屈折率（ｎ_ix）の低い方を配置したこ
とを特徴とする請求項１記載の指紋センサ。
【請求項５】上記プラテン（１０）を、透明平板から
成る導光板で構成したことを特徴とする請求項１記載の
指紋センサ。
【請求項６】上記プラテン（１０）を、プリズムで構
成したことを特徴とする請求項１記載の指紋センサ。