JP3887465B2

JP3887465B2 - 画像入力装置

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Publication number: JP3887465B2
Application number: JP20383397A
Authority: JP
Inventors: 晴義豊田; 和浩中村
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-07-15
Filing date: 1997-07-14
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2017-07-14
Also published as: JPH10104442A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、凹凸がある指紋やゴム印などの物体像を得るための画像入力装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の画像入力装置としては、例えば、米国特許第４，９３２，７７６号公報、特開平６−３００９３０号公報等に記載された装置（第１従来例）が知られている。これらの画像入力装置は、図２６に示されたように、多数の光ファイバＡを束ねて一体化されたファイバ光学プレート（ＦＯＰ）Ｂと、そのファイバ光学プレートＢの入射面Ｃを照射するための光源（照明手段）Ｄとを備えており、凹凸がある指紋などの像を出力する装置である。これらの画像入力装置によれば、ファイバ光学プレートＢの入射面Ｃに指Ｃ１などを接触させると、直接入射面Ｃに接触する凸の部分のみから光源Ｄからの光がファイバ光学プレートＢ内へ入射する。そして、入射した光はファイバ光学プレートＢ内を伝搬して出射面Ｅから出力され、指紋などの凹凸パターンに対応した画像Ｅ１（指紋などの画像）が得られる。
【０００３】
しかしながら、これらの画像入力装置において、入射面Ｃに指Ｃ１などが接触していない部分からも光の入射があると、出力すべき画像Ｅ１のコントラストが低下し、画像Ｅ１が不明瞭なものとなってしまう。このため、ファイバ光学プレートＢの入射面Ｃは、光軸（内部の光ファイバの光軸方向に一致）に対して所定角度だけ傾斜しているのが一般的である。なお、このように入射面Ｃが光軸に対して傾斜しているファイバ光学プレート（第１従来例）は、特にスラントＦＯＰと称され、その傾斜角度θ₀はスラント角と称されている。そして、第１従来例のファイバ光学プレートＢは、入射面Ｃと接触していない部分（指などの、入射面Ｃと接触していない凹部）から入射した不要な光が該光ファイバＡ内を伝搬しないように（全反射条件を満たさないように）、スラント角θ₀と光ファイバＡの開口数ＮＡとの整合が取られている。このため、上述の不要な光（迷光）は理論的には出射面Ｅから出力されない。
【０００４】
また、例えば、特開平７−１７４９４７号公報には、第２従来例のファイバ光学プレートとして、それを構成する光ファイバの間に光吸収体が配設された構造が開示されている。この光吸収体の配設により隣り合う光ファイバの間での光の入出を防止され、物体Ｃ１と入射面Ｃとの非接触部分から入射した不要な光がファイバ光学プレート内で効率良く減衰される。したがって、係る構造のファイバ光学プレートでは、出力される画像のコントラストの向上を可能にしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のファイバ光学プレートにおいて隣り合う光ファイバの間で光の出入りがあると、出力される画像（表面に凹凸がある物体の像）がコントラストの低い不明瞭なものとなってしまう。たとえば、前述した特開平７−１７４９４７号公報のファイバ光学プレートのように隣り合う光ファイバ間に光吸収体を配設したとしても完全に光を吸収するのは困難であって、物体と入射面との非接触部分から入射した光が隣接する光ファイバへ伝搬してしまう。そして、そのような光が図２７に示されたように、ファイバ光学プレートＢの側面Ｆ及び／又は入射面Ｃなどで反射されると光ファイバ内で全反射する方向に導光され、光ファイバ内を伝搬して出射面Ｅから出力されるおそれがある。そのような場合、上述のように出力すべき画像が不要な光（迷光）の出力の影響を受け、不明瞭なものとなってしまう。
【０００６】
そこで、この発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであって、表面に凹凸がある物体の鮮明な画像を得るための画像入力装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る画像入力装置は、鮮明な画像を得るため、光源からの光束が、迷光が入射可能な角度領域から外れた方向からファイバ光学プレート（以下、ＦＯＰという）の入射面に入射するよう、該光源を所定位置保持するための特殊な構造を備えている。すなわち、この発明に係る画像入力装置は、少なくとも、複数の光ファイバを束ねて一体化され第１のＦＯＰと、第１のＦＯＰを収納するための筐体と、第１のＦＯＰの入射面を照明するための複数の光源と、そして、複数の光源が上記筐体の開口の少なくとも一部を取り囲むように、該複数の光源を保持するための保持部を有する保持部材とを備えている。なお、上記第１のＦＯＰは、光ファイバの光軸に対して所定のスラント角θ₀（０゜＜θ₀＜９０゜）だけ傾いた入射面と、該入射面に対向している出射面とを有する。また、上記筐体は、入射面を露出させるための開口を有する上面を備えている。さらに、上記保持部材の保持部は、筐体の上面上に設けられるとともに、該筐体の開口を挟むように配置されている。
【０００８】
特に、この発明に係る画像入力装置において、上記保持部材は、光源から出射された光束と入射面とのなす入射角成分のうち、スラント角θ₀を規定している入射面上の基準端と直交する平面上の垂直入射角成分θ_Vが、迷光の入射可能な角度領域から外れた範囲に設定された状態で、該光源を保持している。
【０００９】
なお、迷光が入射可能な角度Ｘ（以下、迷光許容角という）は、次式で与えられる範囲内にある。
【００１０】
（Ｘ_c−Θ）≦Ｘ≦（Ｘ_c＋Θ）
換言すれば、上記保持部材は、上記光源からの光束の垂直入射成分θ_Vが、０゜〜（Ｘ_c−Θ）の範囲、及び又は（Ｘ_c＋Θ）〜１８０゜の範囲内に設定された状態で、上記光源を保持している。
【００１１】
なお、Ｘ_Cは式（９０°−ｓｉｎ^-1（ｎ_core・ｓｉｎ（９０°−３θ₀）））で与えられる迷光許容中心角、ｎ_coreは光ファイバ中のコアの屈折率、θ₀ はスラント角、Θは、式（ｓｉｎ^-1（ｎ_core・ｓｉｎ（９０°−Ｓ_C−φ）））で与えられる、空気中における全反射臨界角、Ｓ_Cは式（ｓｉｎ^-1（（１／ｎ_core）・ｓｉｎＸ_C））で与えられる、光ファイバ中における迷光許容中心角、φは式（ｓｉｎ^-1（ｎ_clad／ｎ_core））で与えられる、光ファイバ中における全反射臨界角、そして、ｎ_cladは光ファイバ中のクラッドの屈折率である。
【００１２】
さらに、この発明に係る画像入力装置において、保持部材は、光源から出射された光束と入射面とのなす入射角成分のうち、入射面と直交するとともに、スラント角θ₀を規定している該入射面上の基準端に平行な平面上の水平入射角成分θ_Hが、０゜以上２０゜以下の範囲内に設定された状態で、該光源を保持している。より好ましくは、上記保持部材は、光源から出射された光束のうち、その中心光束と入射面とが平行になるよう（θ_H＝０゜）、該光源を保持する。なお、この場合、上記保持部材は、該中心光束の方向ベクトル成分のうち上記入射面上の成分が、基準端と対向している入射面上の補助端から、該基準端に向って進行するよう、該光源を保持するのが好ましい。
【００１３】
加えて、上記保持部材は、光源から出射される光束の広がり角を調節するための構造を備えてもよい。また、上記保持部材は、第１のＦＯＰの入射面を空隙を介して覆う遮光部材を備えもよい。なお、上記第１のＦＯＰのスラント角は、２５゜〜４０゜の範囲内であるのが好ましい。
【００１４】
さらに、この発明に係る画像入力装置は、第１のＦＯＰの出射面と向い合うように、その受光面が配置されたイメージセンサを備えており、種々の構造が実現可能である。
【００１５】
具体的には、上記第１のＦＯＰとイメージセンサとの間に、第２のＦＯＰを設けてもよい。この第２のＦＯＰは、その断面積が第１のＦＯＰから該イメージセンサに向って小さくなっているテーパーＦＯＰであってもよく、また、第１のＦＯＰの出射面と入射面は、互いに平行になっていてもよい。加えて、第１のＦＯＰとイメージセンサとの間、あるいは第２のＦＯＰとイメージセンサとの間に、光学系を設けてもよい。
【００１６】
上述の保持構造により、光源の照射方向を制御しやすくなるとともに、上述の迷光許容角Ｘの領域内で光束が照射されることを抑制できる。このため、出射面から所望の光成分のみを確実に出力させることができ、より鮮明な（迷光によるコントラストの低下が起こっていない）画像が得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る画像入力装置を、図１〜図２５を用いて説明する。なお、各図において同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００１８】
図１は、この発明に係る画像入力装置の構造を説明するための組立工程図である。この発明に係る画像入力装置は、複数の光ファイバを束ねて一体化されＦＯＰ２（第１のＦＯＰ）を備える。このＦＯＰ２は、光ファイバの光軸に対して所定のスラント角θ₀（０゜＜θ₀＜９０゜）だけ傾いた入射面２２と、該入射面２２に対向している出射面２３とを有し、筐体１００内に収納されている。また、このＦＯＰ２の出射面２３側にはイメージセンサ６（ＣＣＤ等）が設けられるとともに、係合溝３０１がその主表面に設けられた台座３００により支持されている。この台座３００は筐体１００と係合することにより、ＦＯＰ２を収納する暗室を構成している。さらに、筐体１００は、ＦＯＰ２の入射面２２を露出させるための開口１０１が設けられた上面１５０を有する。ＦＯＰ２の入射面２２を照明する光源３（照明手段）は、保持部材２００によって所定位置に保持されている。この保持部材２００は、筐体１００の開口１０１を挟むように配置される保持部２５０、２６０を備えており、各光源３は、これら保持部２５０、２６０に設けられた穴２０１内に収納されている。
【００１９】
さらに、この発明に係る画像入力装置は、制御系４００を備えている。この制御系４００は、上記イメージセンサ６からの電気信号（ビデオ信号）を取り込み、所定の画像処理を行うとともに、上記光源３の駆動制御も行っている。
【００２０】
図２は、この発明に係る画像入力装置の主要部の構造を示す図である。図２に示されたように、当該画像入力装置１は、ＦＯＰ２と光源であるＬＥＤ３とを少なくとも備えている。ＦＯＰ２は、ほぼ同一方向へ向けた多数の光ファイバ２１を束ねて一体化したものであって、その光ファイバ２１の両端部にそれぞれ入射面２２、出射面２３が設けられており、入射面２２から入射した光が出射面２３から出力できるようになっている。ＦＯＰ２の内部において、隣り合う光ファイバ２１の間には、図３及び図４に示されたように光吸収体２４を設けておくのが望ましい。光吸収体２４は、隣接する光ファイバ２１間の光学的な絶縁を図るためのものであって、光ファイバ２１から漏れた光を吸収することで隣接する光ファイバ２１間の光の出射及び入射を防止するよう機能する。なお、光ファイバ２１は、所定の屈折率ｎ_coreを有するコア２１ｂと、該コア２１ｂの外周に設けられ、かつ該コア２１ｂよりも低い屈折率ｎ_cladを有するクラッド２１ａから構成されている。
【００２１】
入射面２２は、接触する物体４の凸部分を介して光ファイバ２１内へ光を入射させるための面であって、光ファイバ２１の光軸方向に対して所定角度だけ傾いている（平行でなく、かつ、直交しない向き）。入射面２２の傾斜角度θ₀（スラント角）は、物体４の入射面２２に接触しない凹部（非接触部分）から入射した不要な光（凹部からの反射光）が光ファイバ２１内を伝搬しないように設定するのが望ましい。このような入射面２２のスラント角は、図３に示されたように、光ファイバ２１のクラッド２１ａ及びコア２１ｂの屈折率に応じて決定され、クラッド２１ａの屈折率をｎ_clad、コア２１ｂの屈折率をｎ_core、空気の屈折率を１とすると、以下の式（１）〜（３）を満たす角度θ_Mより小さい傾斜角度θ₀となる。
【００２２】
ｎ_core・ｓｉｎβ＝ｎ_clad・ｓｉｎ９０°（全反射伝搬の条件）‥‥（１）
ｎ_core・ｓｉｎα＝ｓｉｎ９０°（入射角０°の条件） ‥‥（２）
θ_M＋（９０°＋α）＋（９０°−β）＝１８０゜ ‥‥（３）
つまり、スラント角θ₀は、入射面２２とほぼ平行に入射した光が光ファイバ２１内で臨界角に近い角度で全反射して伝搬する角度であり、このスラント角θ₀をθ_Mより小さくすることにより、光が空気中からいかなる角度で入射しても理論上クラッド２１ａとコア２１ｂとの境界で全反射して伝搬することはない。具体的には、例えば、光ファイバ２１のクラッド２１ａの屈折率をｎ_clad＝１.４５、コア２１ｂの屈折率をｎ_core＝１.５０とすると、理論傾斜角θ_Mは約３６°となり、スラント角θ₀は３６°より小さい角度、例えば３０°程度であればよい。なお、理論傾斜角θ_Mは光ファイバ２１のコア２１ｂ及びクラッド２１ａの屈折率ｎ_core、ｎ_cladに依存するため、スラント角θ₀は使用される光ファイバ２１の材質とは無関係に設定することはできないが、約２０゜〜４０゜の範囲内に設定されるのが一般的である。
【００２３】
一方、出射面２３は、入射面２２から入射され光ファイバ２１内を伝搬してくる光を出射させるための出力面であって、光ファイバ２１の光軸方向に対してほぼ直交しており、光ファイバ２１から光を出力しやすいようになっている。
【００２４】
このようなＦＯＰ２によれば、入射面２２と出射面２３との間を所定の光路長に設定することにより、物体４と入射面２２の非接触部分（空気中など）から入射した光が光ファイバ２１内の伝搬中に減衰して、理論上、出射面２３から出力されることはない。
【００２５】
ところが、ＦＯＰ中の光ファイバ２１間に設けられた光吸収体２４で光ファイバ２１間の光の出射及び入射を完全回避することは困難であり、強い光などが入射した時などでは光吸収体２４を透過して隣接する光ファイバ２１へ光が導光される場合がある。そのような光が、図５に示されたように、ＦＯＰ２のクラッド２１ａ、コア２１ｂ、光吸収体２４あるいはＦＯＰ２の側面２５などの境界面で反射され（図５では側面２５で反射している）、さらに入射面２２でＦＯＰ内部に向かって反射されると、光ファイバ２１内を全反射しながら伝搬して（光ファイバ２１の光軸方向に沿って進行する）出射面２３から出力されてしまう。
【００２６】
そこで、ＦＯＰ２の入射面２２に対し迷光許容角の範囲（出射面２３に到達可能な迷光の入射角）から外れた範囲内において光源からの光が入射するよう、該光源であるＬＥＤ３が保持部材２００によって保持されている。ＬＥＤ３は、図２に示されたように、入射面２２に接触する物体４、例えば指などへ所定波長の光を照射するための手段であって、この光の照射により入射面２２に接触する物体４から入射する光量を有効に増加させるためのものである。このＬＥＤ３としては、指向特性の高い光を発するものを用いることが望ましい。すなわち、このようなＬＥＤ３を用いることにより、光の照射される方向（光源から出射された光束の進行方向）を制御しやすくなり、迷光許容角で光が照射されるのを防止できる。なお、光源としては、ＬＥＤ３に限られるものではなく、迷光許容角以外の角度で光を照射することができるものであれば、レーザやランプなどのその他の発光体を用いてもよい。また、光源と入射面２２との間にレンズなどの光学系を設けて、入射面２２へコリメートされた光を照射してもよい。
【００２７】
なお、この明細書では、ＦＯＰ２の入射面２２を照明する光束の入射角成分を図６に示されたように、垂直入射角成分θ_Vと水平入射角成分θ_Hに分けて表現する。
【００２８】
図６では、ＦＯＰ２の入射面２２がｘ−ｙ平面上の面、そして、該ｘ−ｙ平面の法線がｚ軸として定義されている。したがって、ｘ軸はｘ−ｙ平面上の軸であって、スラント角θ₀（鋭角）を規定する基準端２２０、及び入射面２２を介して該基準端２２０と対向している補助端２３０のそれぞれに平行な軸である。また、ｙ軸はｘ−ｙ平面上の軸であって、少なくとも基準端２２０に直交する軸である。ここで、基準端２２０は、側面２５と入射面２２との境界線であって、スラント角θ₀（鋭角）を含む線分である。補助端２３０も側面２５と入射面２２との境界線であって、基準端２２０と対向している線分である。
【００２９】
したがって、垂直入射角成分θ_Vは、入射面２２へ向かう入射光束が図中のｙ−ｚ平面上に写像されたときの、該ｙ−ｚ平面上の入射光束成分とｙ軸とのなす角度成分（０゜〜１８０゜）を意味する。また、水平入射角成分θ_Hは、入射面２２へ向かう入射光束が図中のｘ−ｚ平面上に写像されたときの、該ｘ−ｚ平面上の入射光束成分とｘ軸とのなす角度成分（０゜〜９０゜）を意味する。なお、垂直入射角成分θ_Vについて、０゜は、入射面２２上の原点Ｏから見て基準端２２０側を示し、１８０゜は、該原点Ｏから見て補助端２３０側を示す。また、水平入射角成分θ_Hについて、０゜は、図６中のｘ軸に一致していることを示し、９０゜は、ｚ軸に一致していることを示す。
【００３０】
さらに、迷光とは、入射面２２からＦＯＰ２内へ入射され、光吸収体２４を透過して光ファイバ２１の光軸と関係なく伝搬していく不必要な光をいう。また、迷光許容角Ｘとは、入射面２２へ入射される不必要な光束の入射角（ＦＯＰ２のスラント角側を０°とした上述の垂直入射角成分と同様のｙ−ｚ平面上の角度成分で定義される）であって、図５に示されたように、入射面２２からＦＯＰ２内へ入射された光が側面２５や入射面２２などの境界面で乱反射された結果、その光ファイバ２１内を全反射して伝搬し出射面２３から出力される角度をいう。そして、この迷光許容角Ｘは、次式（４）で与えられる範囲内にある。
【００３１】
（Ｘ_C−Θ）≦Ｘ≦（Ｘ_C＋Θ） ‥‥（４）
ここで、Ｘ_Cは式（９０°−ｓｉｎ^-1（ｎ_core・ｓｉｎ（９０°−３θ₀）））で与えられる迷光許容中心角、ｎ_coreは光ファイバ中のコアの屈折率、θ₀ はスラント角、Θは、式（ｓｉｎ^-1（ｎ_core・ｓｉｎ（９０°−Ｓ_C−φ）））で与えられる、空気中における全反射臨界角、Ｓ_Cは式（ｓｉｎ^-1（（１／ｎ_core）・ｓｉｎＸ_C））で与えられる、光ファイバ中における迷光許容中心角、φは式（ｓｉｎ^-1（ｎ_clad／ｎ_core））で与えられる、光ファイバ中における全反射臨界角、そして、ｎ_cladは光ファイバ中のクラッドの屈折率である（図７参照）。
【００３２】
すなわち、図５において、屈折率ｎ_coreのＦＯＰ２内へ入射面２２に対する角度Ｘ_C（垂直入射角成分）で入射した光の屈折角をγとすると、屈折の法則から次式（５）が成り立つ。
【００３３】
ｓｉｎ（９０°−Ｘ_C）＝ｎ_core・ｓｉｎγ ‥‥（５）
また、図５に示されたように、入射面２２から角度γで光ファイバ２１中を伝搬する光が側面２５で全反射するときの屈折角をδとし、さらにその光が入射面２２で全反射されたときの屈折角をεとすると、入射面２２の入射点、側面２５の反射点及び入射面２２の反射点を結ぶ三角形の内角和より、次式（６）が成り立つ。
【００３４】
（９０°−γ）＋２δ＋ε＝１８０° ‥‥（６）
また、図５において、ＦＯＰのスラント角θ₀、側面２５の反射点及び入射面２２の反射点を結ぶ三角形の内角和より、次式（７）が成り立つ。
【００３５】
θ₀＋（９０°＋δ）＋ε＝１８０° ‥‥（７）
ここで、入射面２２でＦＯＰ２内に反射された光は入射面２２に対して角度εで伝搬していく。そして、光の角度εがＦＯＰ２の光軸方向であるθ₀と一致したときに、この光が出射面２３に到達することになる。つまり、次式（８）が成り立つときに、入射角Ｘ_C（垂直入射角成分に相当する角度成分）で入射された迷光は、当該ＦＯＰ２の光軸と平行に伝搬することとなる。
【００３６】
ε＝θ₀ ‥‥（８）
したがって、式（６）〜（８）によりδを消去して、γをθ₀の関数として表し、式（５）に代入してγを消去すると、迷光許容中心角Ｘ_Cが次式（９）のように与えられる。
【００３７】
Ｘ_C＝９０°−ｓｉｎ^-1（ｎ_core・ｓｉｎ（９０°−３θ₀）） ‥‥（９）
この迷光許容中心角Ｘ_Cは、迷光が最終的に光ファイバ２１の光軸方向と平行となるときの光束の垂直入射角成分に相当するｙ−ｚ平面上の角度成分である。このとき、迷光が光ファイバ２１内を全反射伝搬して出射面２３から出力される迷光許容角Ｘが取り得る範囲は、図７に示されたように、迷光許容中心角Ｘ_Cを中心として全反射臨界角Θを加減した角度範囲である。なお、全反射臨界角とは、光ファイバ２１内を全反射しながら光が伝搬するときのコア２１ｂからクラッド２１ａへの入射最小角をいう。したがって、迷光許容角Ｘは、（Ｘ_C−Θ）から（Ｘ_C＋Θ）までの範囲となり、式（４）で表されることとなる。なお、図７中、Θ_-は迷光許容中心角Ｘ_Cから基準端２２０側の全反射臨界角（Θ）を意味し、Θ₊は迷光許容中心角Ｘ_Cから補助端２３０側の全反射臨界角（Θ）を意味している。
【００３８】
次に、光源から出射された光束の入射角成分である垂直入射角成分θ_V及び水平入射角成分θ_Hに対する、ＦＯＰ２の出力（出射面２３からの出力）の測定実験について説明する。
【００３９】
まず、垂直入射角成分θ_Vについては、図８（ａ）に示されたように、スラント角３０゜のＦＯＰ２に対し、水平入射角成分θ_Hを１５゜、３０゜、９０゜にそれぞれ固定した状態で、該垂直入射角成分θ_Vを０゜から１８０゜まで変化させながら、出射面２３からの出力光量を測定した。具体的には、水平入射角成分θ_Hを所定角度（１５゜、３０゜、９０゜）にそれぞれ固定した状態で、ＬＥＤ３を、該ＬＥＤ３からの出射光をコリメートする光学系（レンズ）とともに図８（ａ）中の矢印Ｌ１で示された方向に移動させながら測定を行った。
【００４０】
図８（ｂ）は、図８（ａ）に示された測定方法により測定された、垂直入射角成分θ_Vと出射面２３から出力される光の光量との関係を示すグラフである。なお、当該グラフ中、縦軸は最大出力を１００として正規化された値である。
【００４１】
このグラフからも分るように、迷光許容角Ｘは水平入射角成分θ_Hにはあまり依存することなく、約７０゜〜１１０゜の範囲に存在する。逆に、入光源３から出射される光束を、その垂直入射角成分θ_Vが係る範囲（７０゜〜１１０゜）以外から入射面２２へ入射させるような位置に、該光源３を設置することにより、迷光のＦＯＰ２内の伝搬を抑制できることが分る。
【００４２】
一方、水平入射角成分θ_Hについては、図９（ａ）に示されたように、スラント角３０゜のＦＯＰ２に対し、垂直入射角成分θ_Vを９０゜に固定した状態で、該水平入射角成分θ_Hを０゜から９０゜まで変化させながら、出射面２３からの出力光量を測定した。具体的には、垂直入射角成分θ_Vを所定角度（９０゜）に固定した状態で、ＬＥＤ３を、該ＬＥＤ３からの出射光をコリメートする光学系（レンズ）とともに図９（ａ）中の矢印Ｌ２で示された方向に移動させながら測定を行った。
【００４３】
図９（ｂ）は、図９（ａ）に示された測定方法により測定された、水平入射角成分θ_Hと出射面２３から出力される光の光量との関係を示すグラフである。なお、当該グラフ中、縦軸は最大出力を１００として正規化された値である。
【００４４】
このグラフから分るように、水平入射角成分θ_Hは０゜に近いほど好ましく、少なくとも、２０゜以下に設定しておくのが好ましい。
【００４５】
ところで、光源３は指向性のある発光体を用いるのが好ましいが、図１０に示されたように、中心光束３０を中心として所定の広がり角をもった光源を利用することも可能である。しかしながら、このような光源３を利用する場合では、図１１に示されたように、厚みｈを有する保持部材２００の各保持部２５０、２６０に設けられた固定穴２０１に、中心光束３０と入射面２２とが平行になるよう各光源３が固定された場合であっても、各光源３からの光束は、ある程度の広がり角をもって入射面２２に照射される。したがって、このような光源３から出射される光束の広がり角は、図１２（ａ）〜（ｃ）に示されたように、各保持部２５０、２６０に設けられた固定穴２０１の開口部分２０２から光源３の出射端面までの距離を調節することにより、該光源３から出射される光束の広がり角を調節することができる。もちろん、上記開口部分２０２にコリメート手段として光学系（レンズ）を設けることも可能である。
【００４６】
また、上述されたように入射面２２に照射される光束の水平入射角成分θ_Hは、０゜により近い方が好ましいため、図１１に示されたように、各光源３を保持部材２００で保持した状態（中心光束３０と入射面２２が平行）において、該光束は、図１３に示されたように、入射面２２上の原点Ｏと基準端２２０を結んだ線分を基準として、＋１２０゜〜＋１８０゜の範囲、あるいは−１２０゜〜−１８０゜の範囲から入射面２２に対して照射されるのが好ましいことが分る。なお、中心光束３０の進行方向がこの範囲内にあるということは、少なくとも、中心光束３０の方向ベクトル成分のうち入射面２２上の成分は、補助端２３０から基準端２２０に向って進行することを意味している。
【００４７】
以上の考察から、この発明に係る画像入力装置において、保持部材２００は、光源３からの中心光束３０が入射面２２に平行となるとともに、基準端２２０に垂直な入射面２２上の軸（ｙ軸に一致している）に対してそれぞれ１２５゜の角度をなす位置で、各光源３を保持している（図１４参照）。
【００４８】
なお、迷光は光源３からの不要な光のみとは限られない。そこで、図１５に示されたように、入射面２２を覆う遮光部材２７０を保持部材２００に設けることにより、より確実に迷光の入射を防止することが可能となる（第１応用例）。
【００４９】
次に、実際に垂直入射角成分θ_Vを変化させたときの、ＦＯＰ２の出射面２３を、ディスプレイ上に表示した中間調画像の写真を図１７及び図１８に示す。
【００５０】
なお、撮影に使用したＦＯＰ２のスラント角θ₀は３０゜、水平入射角成分θ_Hは９０゜であり、図１６に示されたように、矢印Ｌ３で示された方向に光源３を移動させ、垂直入射角成分θ_Vが、０゜（図１７（ａ））、３０゜（図１７（ｂ））、６０゜（図１７（ｃ））、９０゜（図１８（ａ））、１２０゜（図１８（ｂ））、及び１５０゜（図１８（ｃ））のときの、出射面２３（各写真の左側がＦＯＰ２の出射面２３）を撮影した。
【００５１】
これら写真からも分るように、垂直入射角成分θ_Vが６０゜近傍、あるいは１２０゜以上において、迷光の入射を効果的に抑えることができる。一方、垂直入射角成分θ_Vが０゜及び３０゜では、迷光入射の抑制にはあまり効果的であるとは言えず、さらには、垂直入射角成分θ_Vが９０゜の場合、迷光入射の抑制効果は得られない。なお、図１７（ａ）及び図１７（ｂ）の写真に写っている指紋パターンは、ＦＯＰ２の入射面２２上に残った脂分である。また、この撮影結果は、図８（ｂ）に示されたグラフの結果（θ_H＝９０゜の場合）の傾向と一致している。
【００５２】
以上のように、ＦＯＰ２のコア屈折率ｎ_coreが１.５０、クラッド屈折率ｎ_cladが１.４５（ＮＡ＝０.３５）であるとすると、空気中の全反射臨界角Θは約２０°となり、ＦＯＰ２のスラント角θ₀をそれぞれ２０°、３０°とすると、迷光許容角Ｘの範囲は、式（４）によりそれぞれ２１°（＝４１°−２０°）〜６１°（＝４１°＋２０°）、及び７０°（＝９０°−２０°）〜１１０°（＝９０°＋２０°）と算出される。したがって、このように与えられた範囲内にある迷光許容角Ｘ以外から入射面２２に対しＬＥＤ３からの光束が照射されることにより、迷光がＦＯＰ２の出射面２３で出力されず、入射面２２に接触する部分から入射される光のみが鮮明に出射面２３から出力されることとなる。
【００５３】
このような迷光許容角Ｘの値をさらに検証するため、発明者らは実際のＦＯＰ２を用いて、入射光束の入射角成分（垂直入射角成分θ_V）と迷光の出力強度の特性を図１９に示された測定装置を用いて測定した。図２０は、図１９に示された測定装置から得られた測定データである。なお、用意されたＦＯＰ２としては、スラント角θ₀がそれぞれ２０°、３０°である。また、いずれのＦＯＰ２も、コアの屈折率ｎ_coreが１.５０、クラッドの屈折率ｎ_cladが１.４５（ＮＡ＝０.３５）である。そして、それぞれのＦＯＰ２について、水平入射角成分θ_Hを９０゜に固定した状態で、入射面２２に対する垂直入射角成分θ_Vを５°から１８０°まで（ＦＯＰ２の基準端側を０°とする）変えながら、出射面２３から出力される迷光の出力強度の変化を計測した。光源３としては半導体レーザ５１（松下電器産業製ＬＮ９Ｒ、３５ｍＷ、６８０ｎｍ）を用いた。また、出力強度測定手段としては出射面２３にＣＣＤ５２（松下電子工業製ＢＳ７２５９）を取り付けてその出力を出力検出装置５３（浜松ホトニクス製ＤＶＳ３０００）に取り込んで、領域積分により迷光出力強度を計測した。
【００５４】
図２０のグラフを見ると、スラント角２０°のＦＯＰ２においては、入射光束の垂直入射角成分θ_Vが３０°のときに迷光出力強度が最大となり、その角度から入射角度が増減するに連れて出力強度が減少している。さらに、スラント角３０°のＦＯＰ２においては、垂直入射角成分θ_Vが９０°のときに迷光出力強度が最大となり、その角度から垂直入射角成分θ_Vが増減することにより出力強度が減少するが、入射角度２０°あたりでも出力強度が増加する傾向が見られた。なお、図２０のグラフにおいて、縦軸は、迷光出力強度の最大値を１として正規化された値である。
【００５５】
このような測定の結果、上述された理論上の迷光許容角Ｘの値と実際の迷光出力強度の最大となる入射角成分（垂直入射角成分θ_V）は、スラント角θ₀に依存した関数としてほぼ一致していることが分かる。また、上記式（４）に示された迷光許容角Ｘの範囲内で入射面２２に入射する光が迷光となって出射面２３から出力されることが分かる。このため、入射面２２に対して迷光許容角Ｘ以外の入射角度で光源３から光束を出射させることにより、迷光の出力が抑制でき、所望の光のみを明瞭に出力することが可能となる。
【００５６】
次に、この発明に係る画像入力装置１の使用方法及び動作について図を参照しながら説明する。
【００５７】
図２において、ＦＯＰ２の入射面２２にその光束出射面を向けてＬＥＤ３を設置し、入射面２２に対して迷光許容角Ｘ以外の角度で該光束を照射させる。また、ＦＯＰ２の出射面２３にはＣＣＤなどの光電変換手段６が設けられており、出射面２３から出力される光の像を電気的信号に変換して出力できるようにしておく。この状態において、ＦＯＰ２の入射面２２に表面に凹凸がある物体、例えば指４などを接触させると、図２中の破線円内に示されたように、指の指紋の凸部４１のみが入射面２２に接触することとなる。
【００５８】
一方、その指４へはＬＥＤ３から光が照射され、その光は指４の指紋の凸部４１を通じて光ファイバ２１内へ入射する。その際、ＬＥＤ３からの光は、入射面２２に対して迷光許容角Ｘ以外の角度で照射しているので、指４を介さずに空気中から光ファイバ２１内へ直接入射しても、迷光となって出射面２３から出力されることはない。
【００５９】
そして、指４を介して光ファイバ２１へ入射した光は、各光ファイバ２１内をそれぞれ全反射伝搬して出射面２３へ到達し、指４の指紋（凹凸パターン）に対応した像となって出力される。このとき、入射面２２と指４との非接触部分から入射した迷光の出力がないので、出射面２３における指紋の像以外の部分（入射面２２と接触していない凹部）は暗くなって、指紋の光の像がコントラストのハッキリした明瞭な画像となる。そして、この明瞭な像が光電変換手段６へ入力されて電気信号として処理されることとなる。
【００６０】
以上のように、この発明に係る画像入力装置１によれば、入射面２２に接触する凹凸形状に応じて、物体像を明瞭に出力することができる。このため、指紋検知などの凹凸形状の識別装置などに用いれば非常に有用なものとなる。
【００６１】
次に、上述された画像入力装置１は、ＦＯＰ２として入射面２２と出射面２３が平行でない断面台形のものを用いているが、このＦＯＰ２は、互いに平行な入射面２２、出射面２３を有する断面平行四辺形のであってもよい（第２応用例）。すなわち、第２応用例に係る画像入力装置１ａは、図２１に示されたように、少なくとも光源３と、互いに平行な入射面２２、出射面２３を有するＦＯＰ２とにより構成される。このような画像入力装置１ａであっても、上述されたように、光源３からの光束を迷光許容角Ｘ以外の角度で入射面２２に照射することにより、入射面２２に接触する凸部分に対応した像を出射面２３から明瞭に出力することができる。
【００６２】
さらに、この発明に係る画像入力装置は、図２２〜図２５に示されたように、種々の構成により実現することができる。
【００６３】
すなわち、図２２に示された第３応用例では、入射面５０１を有するスラントＦＯＰ５００とイメージセンサ６０１との間に、該スラントＦＯＰ５００からイメージセンサ６０１に向ってその断面積が小さくなっているテーパーＦＯＰ６００が設けられた構造を備えている。この構造であっても、上述された迷光許容角Ｘ以外から光束を入射面２２に照射する場合、迷光の光ファイバ中の伝搬を効果的に抑制することができる。
【００６４】
また、図２３に示された第４応用例は、入射面５１1と出射面５１２とが互いに平行なスラントＦＯＰ５１０と、イメージセンサ６０１と、スラントＦＯＰ５１０とイメージセンサ６０１との間に設けられた光学系６０２（レンズ）を備えている。なお、このスラントＦＯＰ５１０の出射面５１２上は、散乱処理が施されている。
【００６５】
また、図２４に示された第５応用例は、入射面５２1と出射面５２２とが互いに平行なスラントＦＯＰ５２０と、イメージセンサ６０１とを備え、さらに、上述の第３応用例（図２２）と同様に、該スラントＦＯＰ５２０とイメージセンサ６０１との間にテーパーＦＯＰ６００が設けられている。
【００６６】
さらに、図２５に示された第６応用例は、入射面５２1と出射面５２２とが互いに平行なスラントＦＯＰ５２０と、イメージセンサ６０１とを備え、さらに、該スラントＦＯＰ５２０とイメージセンサ６０１との間に入射面５３1と出射面５３２とが互いに平行なスラントＦＯＰ５３０、該スラントＦＯＰ５３０とイメージセンサ６０１との間に設けられた光学系６０２を備えている。以上の構造を備える、第４〜第６応用例のいずれも、上述された迷光許容角Ｘ以外から光束を入射面２２に照射する場合、迷光の光ファイバ中の伝搬を効果的に抑制することができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、入射面に対して迷光許容角以外の角度で入射面を照明する光を出射させることにより、入射面に接触している物体の凸部から入射した光のみが出射面から出力され、入射面に接触していない物体の凹部から入射した光は出射面から出力されない。このため、物体表面の凹凸パターンに対応した明瞭な物体像を得ることができる。
【００６８】
また、光源として指向特性の高い発光源を用いるか、あるいは光源からの光束の広がり角を制限する構造を設けることにより、その光源からの光の照射方向（光源から出射された光束の進行方向）を制御しやすく、迷光許容角度で光が照射されることを抑制できる。このため、出射面から所望の光のみを確実に出力させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る画像入力装置の構成を説明するための組立工程図である。
【図２】この発明に係る画像入力装置の概略構成を示す図である。
【図３】ファイバ光学プレートにおける光の伝搬を説明するための図である。
【図４】この発明に係る画像入力装置におけるファイバ光学プレートの断面構造を示す図である。
【図５】ファイバ光学プレートにおける迷光発生のメカニズムを説明するための図である。
【図６】ファイバ光学プレートへ入射する光束の入射角を説明するための図である。
【図７】迷光許容範囲を説明するための図である。
【図８】垂直入射角成分についての迷光許容範囲の測定方法を説明するための図（ａ）、及び図（ａ）に示された方法で測定された、垂直入射角成分と出射光量との関係を示すグラフ（ｂ）である。
【図９】水平入射角成分についての迷光許容範囲の測定方法を説明するための図（ａ）、及び図（ａ）に示された方法で測定された、水平入射角成分と出射光量との関係を示すグラフ（ｂ）である。
【図１０】光源から出射される光束の広がりを説明するための図である。
【図１１】光源を所定位置に保持するための保持部材の構造を示す図である。
【図１２】光源から出射される光束の広がり角を調節するための構造を示す図（ａ）〜（ｃ）である。
【図１３】この発明に係る画像入力装置において、光源が設置される最適範囲を示す図である。
【図１４】この発明に係る画像入力装置において、光源の設置状態を説明するための図である。
【図１５】この発明に係る画像入力装置の第１応用例の概略構造を示す図である。
【図１６】垂直入射角成分について、ファイバ光学プレートの入射面の像を撮影するための方法を説明するための図である。
【図１７】図１６に示された方法により、ファイバ光学プレートの出射面を、ディスプレイ上に表示した中間調画像そ示す写真である（その１）。なお、（ａ）は垂直入射角成分＝０゜、（ｂ）は垂直入射角成分＝３０゜、そして、（ｃ）は垂直入射角成分＝６０゜における、各出射面の写真である。
【図１８】図１６に示された方法により、ファイバ光学プレートの出射面を、ディスプレイ上に表示した中間調画像そ示す写真である（その２）。なお、（ａ）は垂直入射角成分＝９０゜、（ｂ）は垂直入射角成分＝１２０゜、そして、（ｃ）は垂直入射角成分＝１５０゜における、各出射面の写真である。
【図１９】スラント角の異なるファイバ光学プレートについて、垂直入射角成分を変えたときの迷光出力を測定するための装置の概略構造を示す図である。
【図２０】図１９に示された装置により測定された、垂直入射角成分と迷光出力との関係を示すグラフである。
【図２１】この発明に係る画像入力装置の第２応用例の概略構造を示す図である。
【図２２】この発明に係る画像入力装置の第３応用例の概略構造を示す図である。
【図２３】この発明に係る画像入力装置の第４応用例の概略構造を示す図である。
【図２４】この発明に係る画像入力装置の第５応用例の概略構造を示す図である。
【図２５】この発明に係る画像入力装置の第６応用例の概略構造を示す図である。
【図２６】従来の画像入力装置の構成を示す図である。
【図２７】従来の画像入力装置の課題を説明するための図である。
【符号の説明】
１…画像入力装置、２、５００、５１０、５２０、５３０、６００…ファイバ光学プレート、２１…光ファイバ、２２…入射面、２３…出射面、３…ＬＥＤ（光源）、１００…筐体、２００…保持部材、２２０…基準端、２３０…補助端、２５０、２６０…保持部。

Claims

複数の光ファイバを束ねて一体化され、かつ該光ファイバの光軸に対して鋭角で規定されるスラント角θ_０だけ傾いた入射面と、該入射面に対向している出射面とを有する第１のファイバ光学プレートと、
前記第１のファイバ光学プレートの入射面を照明するための光源と、そして、
前記光源を所定位置に保持するための保持部材と、を備えた画像入力装置であって、
前記保持部材は、前記光源から出射された光束と前記入射面とのなす入射角成分のうち、前記スラント角θ_０を規定している前記入射面上の基準端と直交する平面上の垂直入射角成分θ_Ｖが、該直交平面上において前記入射面と該基準端側から該入射面側に向かう光束との平行状態を０゜と規定するときに（Ｘ _Ｃ＋Θ）〜１８０゜の範囲内に設定された状態で、前記光源を保持していることを特徴とする画像入力装置。
Ｘ_Ｃ：式（９０°−sin^−１（ｎ_ｃｏｒｅ・sin（９０°−３θ_Ｏ）））
で与えられる迷光許容中心角
ｎ_ｃｏｒｅ：光ファイバ中のコアの屈折率
θ_０：スラント角
Θ：式（sin^−１（ｎ_ｃｏｒｅ・sin（９０°−Ｓ_Ｃ−φ）））で
与えられる、空気中における全反射臨界角
Ｓ_Ｃ：式（sin^-1（（１／ｎ_ｃｏｒｅ）・sinＸ_Ｃ））で与えられる、
光ファイバ中における迷光許容中心角
φ：式（sin^−１（ｎ_ｃｌａｄ／ｎ_ｃｏｒｅ））で与えられる、光ファ
イバ中における全反射臨界角
ｎ_ｃｌａｄ：光ファイバ中のクラッドの屈折率
前記保持部材は、前記光源から出射された光束と前記入射面とのなす入射角成分のうち、前記入射面と直交するとともに、前記スラント角θ０を規定している該入射面上の基準端に平行な平面上の水平入射角成分θ_Ｈが、０゜以上２０゜以下の範囲内に設定された状態で、前記光源を保持していることを特徴とする請求項１記載の画像入力装置。
前記第１のファイバ光学プレートを収納するとともに、前記入射面を露出させるための開口がある上面を有する筐体をさらに備えるとともに、前記光源として少なくとも１対の光源を備え、
前記保持部材は、前記筐体の上面上であって、該筐体の開口を挟むように配置されるとともに、前記１対の光源が前記筐体の開口の少なくとも一部を取り囲むように、該１対の光源のそれぞれを保持するための、少なくとも１対の保持部を有することを特徴とする請求項１又は２記載の画像入力装置。
前記保持部材は、前記光源からの中心光束の方向ベクトル成分のうち前記入射面上の成分が、前記スラント角θ_０を規定している前記入射面上の基準端と対向している前記入射面上の補助端から、該基準端に向って進行するよう、該光源を保持していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の画像入力装置。
前記保持部材は、前記光源から出射された光束のうち、その中心光束と前記入射面とが平行になるよう、前記光源を保持していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の画像入力装置。
前記保持部材は、前記第１のファイバ光学プレートの入射面を空隙を介して覆う遮光部材を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の画像入力装置。
前記第１のファイバ光学プレートの前記出射面と向い合うように、その受光面が配置されたイメージセンサを備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の画像入力装置。
前記第１のファイバ光学プレートと前記イメージセンサとの間に、さらに第２のファイバ光学プレートを備えたことを特徴とする請求項７記載の画像入力装置。
前記第１のファイバ光学プレートと前記イメージセンサとの間、あるいは前記第２のファイバ光学プレートと前記イメージセンサとの間に、さらに光学系を備えたことを特徴とする請求項７又は８記載の画像入力装置。