JP2956154B2 - 凹凸形状検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 本発明は指紋等の凹凸パターン像を検出する凹凸形状
検出装置に関し、 組立誤差が少なく、耐久性が改善された光学系を提供
することを目的とし、 透明導光体の一面に凹凸物体を接触させ、その接触面
を照明した結果発生する散乱光を該透明導光体内で少な
くとも１回全反射させ、この全反射した散乱光を結像し
て前記凹凸物体の凹凸パターン像を得る凹凸形状検出装
置において、全反射した該散乱光を該透明導光体の外部
に出射させ、且つ結像させる球面または非球面結像ミラ
ーを該透明導光体の一部に形成するとともに、該結像ミ
ラーによる像の形成位置に画像センサを配置してなるよ
うに構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、指紋等の凹凸パターン像を検出する凹凸形
状検出装置の改良に関する。

個人の識別法として指紋の照合を行うシステムがあ
る。このシステムでは指紋を画像として取り扱うのが通
常え、指紋の凹凸パターン像を検出し画像データに変換
する入力装置（凹凸形状検出装置、以下指紋像入力装
置）が必要となる。

このため、指に光を照射し、指紋より発生する散乱光
のうち、凹部から発生する散乱光を除去し、凸部から発
生する散乱光を結像させる光学系が用いられているが、
製作容易で、且つ組立誤差の少ないことが求められてい
る。

〔従来の技術〕

第４図は従来例（その１）の指紋像入力装置断面図、
第５図は従来例（その２）の指紋像入力装置断面図であ
る。なお、第４図には指の各点から発した散乱光の結像
状態を、第５図には指の一点から発した光束の結像状態
をそれぞれ示している。

第４図は、指紋の凸部（隆線）を検出し画像データに
変換する指紋像入力装置例を示している。

図中、透明導光体２は、例えばガラス板を加工したも
ので、図示左側端面にはアルミ蒸着等により平面ミラー
６が形成され、平面ミラー６に対応する右側端面にはレ
ンズ３が接続されている。そしてレンズ３による結像位
置には画像センサ４が、透明導光体２の下方には光源５
がそれぞれ配置されている。

このような指紋像入力装置において、透明導光体２の
上面（接触面）に指１を押し当てると、指１の凸部Ｐは
接触するが凹部Ｑは接触しない。このため、指の凹部Ｑ
からの反射・散乱光は、一度空気中を通って透明導光体
２に入射するため、図示破線のごとく透明導光体２の下
方に透過し、透明導光体２中を全反射しながら伝播する
成分は存在しない。

一方、凸部Ｐからの反射・散乱光は、指１から直接透
明導光体２中に球面波として入射し、その一部は透明導
光体２中での全反射条件を満足して透明導光体２中を全
反射を繰り返して伝播してゆく。

そして、この全反射成分は平面ミラー６で反射して右
側端面（出射面）より出射し、レンズ３により画像セン
サ４上に結像されて画像データに変換される。

なお、凸部からの反射・散乱光は球面波であるため、
単一の球面レンズを用いて収差の少ない結像をさせる場
合には、第５図に示すように、レンズ３の曲率中心に配
置された開口絞り７が必要になる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記説明した指紋像入力装置の光学系を製作する場
合、透明導光体２の端面に平面ミラー６および開口絞り
７を蒸着または接着により形成し、レンズ３を接着して
いる。

このように従来の光学系の製作工程は複雑でコスト高
になるとともに、特にレンズの接着による組立誤差の発
生、耐久性等の課題がある。

本発明は、上記課題に鑑み、組立誤差および耐久性を
改善した凹凸形状検出装置を提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

第１図１実施例の構成図から原理構成部分を抽出して
説明する。

20は透明導光体、４は画像センサ、５は光源である。

８は透明導光体20の端面に形成された球面結像ミラー
（または非球面結像ミラー、以下球面ミラーと称する）
で、透明導光体20中で少なくとも１回全反射した凸部か
らの散乱光11を外部に出射させるとともに、画像センサ
４上に結像させる。

〔作用〕

（１） 透明導光体20の一面に凹凸物体10を接触させる
と、その接触面を照明した結果発生する凸部Ｐからの散
乱光11は、透明導光体20の内部を全反射しながら伝播す
る。

この凸部Ｐから全反射した散乱光11を、球面ミラー８
によって透明導光体20の外部に出射させ、画像センサ４
上に結像させる。

これにより、凹凸物体10の凹凸パターン像が画像デー
タに変換される。

このように、球面ミラー８を透明導光体20の端面に形
成することにより、結像のためのレンズが不要となる。

なお、球面ミラー８は、透明導光体20の端面を球面に
整形し、その球面にアルミ蒸着等を行うことによって形
成されるため、光学系の一体成形が可能となり、組立て
誤差の改善，耐久性の向上が達成される。

（２） 以上の構成において、出射面に開口絞りを設け
ると、結像の収差が改善される。

（３） また、各凸部から発する散乱光の結像面までの
行路長差が最小となるように、例えば球面ミラー８の傾
きを設定すると、所謂あおりの効果により、台形歪みが
改善される。

（４） さらに、接触面の中心から発する散乱光のう
ち、球面ミラー８の中心から発する散乱光を光軸とし、
この光軸と画像センサ４の受光面の法線とが所定角度を
なすように設定すると、散乱光の球面ミラー８までの光
路長差に基づく結像面の傾きが補正される。

〔実施例〕

本発明の実施例を図を用いて詳細に説明する。

（第１の実施例） 第１図は第１の実施例の構成図である。

透明導光体20は、例えば所定厚さのガラス板であっ
て、一方の端面は球面に整形され、蒸着等により球面ミ
ラー８が形成される。

また、画像センサ４は２次元のセンサであって、球面
ミラー８の結像位置に配置される。

ここで、球面の曲率は、全反射した散乱光11が透明導
光体20の外部で像を結ぶように決められ、またその曲率
中心は光軸12（接触面Ｓの中心から発した散乱光のう
ち、球面ミラー８の中心から発する光線を光線12とす
る）が接触面Ｓに対し平行となるように決められる。

このように形成した透明導光体20の接触面Ｓに指１
（凹凸物体10）を押し当てて光源５により光を照射する
と、光は指表面・内部で反射散乱される。

このうち指の凹部Ｑからの散乱光は、一度空気中を通
り透明導光体20に入射するため，透明導光体20中を全反
射し伝播する成分は存在しない。

ところが、凸部Ｐからの反射・散乱光は、指から直接
透明導光体20中に球面波として入射し、その一部は透明
導光体20中での全反射条件を満足する。

ここまでは第４図，第５図の従来例と同じであるが、
凸部Ｐからの反射・散乱光の結像は以下のように行われ
る。

指紋の凸部Ｐにて散乱された光のうち、透明導光体20
内部で全反射条件を満たし透明導光体20中を伝播してい
る散乱光11は、透明導光体端面に形成された球面ミラー
８により反射され、一方の端面（出射面）９より空気中
に取り出される。

球面ミラー８は、結像光学系（凹面鏡）も兼ねている
ため、空気中に取り出された散乱光11は焦点を結ぶ。

各凸部Ｐからの像の集合は、厳密には曲面（像面湾
曲）を形成するが、平面で近似し、この近似平面に２次
元の画像センサ４を置くことにより、凸部パターン像
（指紋隆線パターン像）の画像データが得られる。

なお、各部から球面ミラー８までの光路長の差によっ
て結像面に傾きが生じるが、画像センサ４の法線ｎと光
軸12とのなす角度を調整することにより補正することが
できる。

（第２の実施例） 第２図は第２の実施例の構成図である。

第２の実施例は、第１の実施例において、出射面９に
開口絞り７を設けた例である。

即ち、接触面Ｓ（指１）の中心より発し、且つ球面ミ
ラー８の中心から発する光（光軸12）が開口絞り７の中
心で、且つ垂直に通るように、開口絞り７を接着、ある
いは印刷により形成する。これにより、球面ミラー８に
よる結像の収差を減少させることができる。

（第３の実施例） 第３図は第３の実施例の構成図である。

第３の実施例は各部散乱光の結像面までの行路長差に
基づく台形歪みを補正するために、所謂あおり効果を持
たせたものである。

このため、例えば球面ミラー８の傾きを、各凸部から
発する散乱光の結像面までの光路長差が最小となるよう
に設定する。この結果光軸12は接触面Ｓと平行な軸Ｒに
対しある角度を持つ。このため、開口絞り７を設ける場
合は、この光軸12が通るように出射面９の中心よりずら
す。

なお、第2,第３の実施例についても、第１の実施例で
述べたように、画像センサ４の法線ｎと光軸12との間で
ある角度を持たせると、球面ミラー８までの光路長差に
基づく近似平面の傾きが補正できる。

以上のごとく、透明導光体20の一部に結像機能を備え
た球面ミラーまたは非球面ミラー８を形成することによ
り、レンズを省くことができる。

このため、光学系の一体成形が可能となり、組立誤差
ならびに耐久性が改善される。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は透明導光体に形成する
ミラーに結像機能をもたせたもので、透明導光体の一体
成形が可能になる。その結果、光学系の製作時に光学部
品の接着の必要が無くなり、製作工数の削減、組み
立て誤差の減少、耐久性の向上を図ることが出来る等
の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の実施例の構成図、第２図は第２の実施例
の構成図、第３図は第３の実施例の構成図、第４図は従
来例（その１）の指紋像入力装置断面図、第５図は従来
例（その２）の指紋像入力装置断面図である。 図中、１は指、2,20は透明導光体、３はレンズ、４は画
像センサ、５は光源、６は平面ミラー、７は開口絞り、
８は球面ミラー，非球面ミラー、10は凹凸物体、11は散
乱光、12は光軸、Ｐは凸部、Ｑは凹部、Ｏは曲率中心、
ｎは法線、Ｓは接触面である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−50782（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−198988（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−287786（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−176984（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−161931（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G06T 1/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透明導光体の一面に凹凸物体を接触させ、
   その接触面を照明した結果発生する散乱光を該透明導光
   体内で少なくとも１回全反射させ、この全反射した散乱
   光を結像して前記凹凸物体の凹凸パターン像を得る凹凸
   形状検出装置において、 全反射した該散乱光を該透明導光体の端面から外部に出
   射させ、且つ該端面もしくは外部に結像させる球面また
   は非球面結像ミラーを前記端面に対応する他方の端面に
   形成するとともに、該結像ミラーによる像の形成位置に
   画像センサを配置してなることを特徴とする凹凸形状検
   出装置。
2. 【請求項２】前記透明導光体の光線の出射面に開口絞り
   を形成してなることを特徴とする請求項（１）記載の凹
   凸形状検出装置。
3. 【請求項３】各散乱光の結像面までの光路長の差が減少
   するように該結像ミラーを形成してなることを特徴とす
   る請求項（１）記載の凹凸形状検出装置。
4. 【請求項４】該接触面の中心から発する散乱光のうち、
   該ミラのー中心から発する散乱光を光軸とし、この光軸
   と該画像センサの受光面の法線との成す角度を像面弯曲
   による焦点ずれを減少させる所定角度に設定することを
   特徴とする請求項（１）記載の凹凸形状検出装置。