JP3782420B2 - 光学式の指紋取得装置 - Google Patents

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Description

本発明は光学式の指紋取得装置に関するものである。より具体的に、本発明はプリズムの形象を変形することによって、映像の歪曲を減らし、光学系の大きさを小さくする指紋取得装置に関するものである。
指紋取得装置は、入力された指紋とあらかじめ登録して置いた使用者の指紋を比較し、出入口や金庫の安全装置、出入り管理、勤怠管理、コンピュータのアクセス制御などに活用する指紋認識機に、適用される指紋を入力して取得する装置である。指紋取得装置には、指紋映像の取得方式によって、光学式と非光学式に大きく分かれる。
光学式の指紋取得装置は、映像形成用のプリズムなどに置かれた指紋に、光を照らすことによって、指紋の溝(valley)や隆線(ridge)の紋様が反射され、映像センサーに形成された指紋映像を解析し、あらかじめ保存して置いた指紋と対照をする装置である。代表的な光学式の指紋取得装置の原理を図1に示した。
図1の指紋取得装置は、光学式の中で "散乱式" 指紋取得装置を示したもので、映像形成用のプリズム(1)、光源(3)、集光レンズ(4)、映像センサー(5)で構成する。光源(3)からの光が映像形成用のプリズム(1)の指紋入力窓(2)に、直角、あるいは、臨界角より遥かに小さな角度で入射するため、指紋入力窓(2)に触れない指紋の溝には、光が指紋入力窓(2)を通過して行くので、映像センサーに到達されないが、指紋の隆線には、入射光が隆線に反射して散乱される。散乱された光は、集光レンズ(4)に入射され、映像センサー(5)によって検出される。したがって、映像センサー(5)に入射される光量は、指紋の溝と隆線によって相互に異なり、結局、映像センサー(5)は、指紋のパターンによって、相互に異なるレベルの電気信号を出力するようになる。映像処理部(図示しない)では、映像センサー(5)の出力値をデジタル信号に整形して、映像処理し、指紋パターンを認識させる。
一方、最近の製品サイズの縮小化傾向により、指紋取得装置のサイズを縮小する必要性が強く要請されるところ、各々の構成要素の大きさと光の経路の長さを縮めることが必要になっている。しかし、人体の指の大きさや指紋の大きさを小さくすることはできないので、各構成要素の大きさを小さくすることには限界がある。また、光の経路の長さを必要以上に縮めることも、指紋映像の画質を大きく低下させる結果になる。
特開平４−０２４８８１号公報（１９９２年１月２８日 公開）には、映像形成用のプリズムの中から、色々な方向に光の経路を変更させる方式が開示されているし、特開平２−１７６９８４号公報（１９９０年７月１０日 公開）には、映像形成用のプリズムの中から多様な方式で光の経路を変更させる方式と、映像形成用のプリズムから出射された映像を補正レンズと補正用のプリズムを使って補正する方式が開示されている。
このように、光学式の指紋取得装置に使われるプリズムに対して、指紋映像を形成して出射する機能以外にも、映像の歪曲を補正する役目もできるように研究が続いている。光学式の指紋取得装置のプリズムでは、必然的に映像センサーと指紋との距離(光の経路)が指紋の位置によって変わるため、最終的にイメージが形成される地点では、指紋の映像が実際の映像より歪曲されて結像される。特に梯子形に歪曲される事がよく起きる。
このような映像の歪曲を減らすために、プリズムから出射される指紋映像を集光する集光レンズに、他の補正用のレンズ、または、補正用のプリズムを結合して、前記の歪曲と収差などを補正しているが、こういう場合には、光学系がもっと大きくなる短所がある。すなわち、このような従来の映像の補正方式では、集光レンズ、映像補正用のプリズム、光の経路変更用のミラーなどが離散されて設置されるので、指紋取得装置のサイズを小さくすることができないし、それと共に、製造原価の上昇及び生産性の低下をもたらすようになる。
光学系の大きさを小さく維持しながらも、映像歪曲を減らすことができる望ましい解決策は、指紋上の各位置と映像センサーとの距離(光の経路の長さ)を、どの位置からでも均一にする事だ。
本発明の目的は、別途の映像補正用のレンズ、または、プリズムを使わなくても、指紋上の各位置と映像センサーとの距離(光の経路の長さ)を、どの位置からでも均一化させ、光の経路の差を最小化させるプリズムと反射鏡を採用した光学式の指紋取得装置を提供することである。
このような本発明は図1のように、指紋の溝と隆線によって散乱された光により、指紋の映像を取得する指紋取得装置として、プリズムと反射鏡を含めている。
プリズムは、指紋を入力しようとする者の指紋に接触する指紋接触面；この指紋接触面に対向する面として、指紋接触面に接触された指紋によって散乱された光が内部に全反射される全反射面; 前記の指紋接触面と全反射面を繋げる面として、前記の全反射面から全反射された光が一次的に出射されて、外部から再入射される一次出射/再入射面; 前記の一次出射/再入射面に対向する面として、前記の一次出射/再入射面に再入射された光を外部に最終出射する最終出射面で構成され、
反射鏡は前記のプリズムの一次出射/再入射面の外部に燐接して設置されるが、 一次出射/再入射面から出射される光を反射させて、また一次出射/再入射面に再入射させ、光の経路の差を補正する機能をする。
前記のプリズムの形象は四角い形が望ましく、各面は次の関係を持つことが望ましい。
(最終出射面の長さ)<(一次出射/再入射面の長さ)<(指紋の接触面の長さ)<(全反射面の長さ)
本発明の他の目的、構成、効果については、添付図面についての以下の詳細な説明からさらに明らかになる。
以下、図2を参照して、本発明の具体的な実施例を説明する。
図2は、指紋の溝と隆線で散乱される光により、指紋の映像を形成するプリズム(20)と集光レンズ(30)及び光源(40)を含めている指紋取得装置の実施例を示している。
本発明の一実施例に使われたプリズム(20)は四角い形のプリズムで、指紋を入力しようとする者の指紋(15)に接触する指紋接触面(21); この指紋接触面(21)にθの角度で対向する面として、指紋接触面(21)に接触された指紋から散乱された光が内部に全反射される全反射面(22); 前記の指紋接触面(21)と全反射面(22)を繋げる面として、指紋接触面とφの角度を持って、前記の全反射面(22)から全反射された光が一次的に出射され、外部から再入射される一次出射/再入射面(23); 前記の一次出射/再入射面(23)に対向する面として、前記の一次出射/再入射面(23)に再入射された光を外部で最終出射する最終出射面(24)で構成する。最終出射面(24)から出た光は集光レンズ(30)により、映像センサー(図示しない)に結像されて映像として取得される。
一方、前記のプリズム(20)の一次出射/再入射面(23)に燐接した外部には、δの角度で反射鏡(25)が設置される。反射鏡(25)は一次出射/再入射面(23)から出射された光を反射させて、また一次出射/再入射面(23)を通して、プリズム(20)の内部に再入射させる機能をする。
図2で、プリズム(20)の下部にある光源(40)は、プリズムの全反射面(22)を通して、指紋接触面(21)に接触された指紋に光を照射する。光源(40)の作用に対しては、従来の光学式の指紋取得装置と異なる点がないので詳しい説明を省く。
図2の実施例の作用を説明する。指紋(15)で散乱された光は、一次的に全反射面(22)で内部に全反射される。図2で見るように、全反射面(22)は指紋接触面(21)と平行ではなく、θの角度ほど斜めに形成されている。したがって、全反射面(22)にぶつかった光は全反射されて、一次出射/再入射面(23)を向けるようになる。
一次出射/再入射面(23)を向け、全反射された光は一次出射/再入射面(23)を貫通して、プリズム(20)の外部に出射される。出射された光は一次出射/再入射面(23)に対して、斜めに設置されている反射鏡(25)に反射され、また一次出射/再入射面(23)に再入射される。ここで、反射鏡(25)は光が最終出射面(24)の中央部に向かって、進行することができる角度δで設置される。反射鏡(25)に反射してプリズム(20)の内部に再入射された光は、最終出射面(24)を通り抜けて、集光レンズ(30)を通して映像センサー(図示しない)に入射される。
前記の説明のように、本実施例では、指紋(15)の各位置(a, b, c)で散乱された光が、集光レンズ(30)に集まるまでの光の経路がほとんど等しい。a地点とc地点を比較してみると、プリズム(20)の内部で全反射される前までは、c地点で散乱された光の光路の長さが長いが、全反射面(22)で反射された後から集光レンズ(30)までは、a地点で散乱された光の光路の長さが長い。したがって、全体的に指紋(15)での位置変化にかかわらず、すべての地点での光路の長さがほとんど等しくなり、これによって指紋映像の歪曲が減少されることができる。
したがって、本発明では、プリズム(20)の全反射面(22)の角度θと反射鏡(25)の角度δを、どのように決めるのかが重要だ。θは指紋接触面(21)の有效な指紋接触領域(E)のすべての位置で散乱される光を一次出射/再入射面(23)に向け、全反射することができる角度に設定されなければならないし、δは一次出射/再入射面(23)から一次に出射された光が、最終出射面(24)の中央部にむかって進行することができる角度で設定されなければならない。
また、一次出射/再入射面(23)と指紋接触面(21)との角度φも考慮するのが望ましい。一次出射/再入射面(23)を通して、プリズム(20)の内部と外部の間で通過する光は、相互異なる媒質の屈折率によって屈折される。したがって、プリズム(20)から一次出射/再入射面(23)を通し、外部に出射されて反射鏡(25)で反射され、また一次出射/再入射面(23)を通して内部に再入射される場合の光の進路変化を考慮し、角度でφを決めるのが望ましい。また、図2で前記のプリズムの一次出射/再入射面と反射鏡によってできる隙間の空間に、媒質が一切ないと表示されているが、その隙間の空間にプリズムの屈折率より低い屈折率を持つ媒質を満たせることもできる。
一方、図２でプリズム(20)の各面の間には、次のような関係が成り立っていることが分かる。
(最終出射面(24)の長さ)<(一次出射/再入射面(23)の長さ)<(指紋接触面(21)の長さ)<(全反射面(22)の長さ)
上の関係は全反射(22)が指紋接触面(21)を基準として、角度θ程、斜めに形成されることによる当然の結果で、本発明によるプリズムの形象を表現している関係式だ。
以上で述べた実施例は、本発明の技術的思想を具体化したことに過ぎないことで、本発明の実質的な技術的範囲は、特許請求範囲の均等論的な解析によって決まる。
これまで説明したように、本発明によると、別途の映像補正用のレンズやプリズムなどを使わなくても、指紋映像の歪曲を減らすことができ、光学系を小型化することができるので, 構成要素の減少による生産性増大、製造原価の減縮、故障率の減少の效果を見ることができる。
一般的な指紋取得装置の構成図である。 本発明による光学式の指紋取得装置の構成図である。

Claims (4)

  1. 指紋から散乱された光により、指紋映像を取得する指紋取得装置で、
    指紋を入力しようとする者の指紋に接触する指紋接触面; この指紋接触面にθの角度を持って対向する面で、指紋接触面に接触された指紋で散乱された光が内部に全反射される全反射面; 前記の指紋接触面と全反射面を繋げる面で、指紋接触面とはφの角度になり、前記の全反射面で全反射された光が一次的に出射され、外部から再入射される一次出射/再入射面; 前記の一次出射/再入射面に対向する面として、前記の一次出射/再入射面に再入射された光を、外部に最終出射する最終出射面を含むプリズムと、
    前記のプリズムの一次出射/再入射面の外部に、δの角度で隣接設置され、一次出射/再入射面から出射される光を反射させ、また一次出射/再入射面で再入射させる反射鏡を含めて構成される光学式の指紋取得装置。
  2. 請求項１で、前記のプリズムの各面は下の関係を持つことを特徴とする光学式の式指紋取得装置。
    (最終出射面の長さ)<(一次出射/再入射面の長さ)<(指紋接触面の長さ)<(全反射面の長さ)
  3. 請求項１または２で、
    角度θは指紋接触面の有效な指紋接触領域から任意の角に散乱される光を、一次出射/再入射面を向けて全反射することができる角度に設定して、
    角度δは一次出射/再入射面で、一次に出射された光が、最終の出射面の中央部に向かって進行することができる角度に設定し、
    角度φは一次出射/再入射面で、一次に出射された光が、反射鏡で反射されて出射された光の主な光軸が、最終出射面に垂直に進行するよう屈折させる角度に設定することを、特徴にする光学式の指紋取得装置。
  4. 請求項１または２で、前記のプリズムの一次出射/再入射面と反射鏡によってできる隙間の空間に、プリズムの屈折率より低い屈折率を持つ媒質を満たせることを、特徴とする光学式の指紋取得装置。
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