JP3971440B2

JP3971440B2 - Surface irregularity detection device

Info

Publication number: JP3971440B2
Application number: JP2006140688A
Authority: JP
Inventors: 武雄菅原
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2016-04-22
Also published as: JP2006227654A

Description

本発明は、指紋検出などに用いられる表面凹凸形状検出装置に関するものである。 The present invention relates to a surface unevenness detecting device used for fingerprint detection and the like.

指紋検出装置などにおいて、検出対象の表面凹凸形状を光の像に変換する手段としてファイバ光学プレートが用いられている。このファイバ光学プレートを具体的に指紋検出装置に用いた例としては、特開平７−１７４９４７号公報に記載されたものが知られている。この公報におけるファイバ光学プレートは、その図１１に示されるように、ファイバ光学プレートを構成する光ファイバの光軸方向が入射面および出射面に対し傾斜角θだけ傾斜しているものであって、その出射面側にはＣＣＤが取り付けられている。このファイバ光学プレートは、光軸方向に対し入射面および出射面を傾斜して形成されることにより、外部の空気中から直接その内部へ光が入射するのを防止し、また、検出対象となる指を接触させる面（ファイバ光学プレートの入射面）からＣＣＤまでの寸法を小さくして指紋検出装置の小型化を図ろうとしたものである。
特開平７−１７４９４７号公報 In a fingerprint detection device or the like, a fiber optical plate is used as a means for converting a surface irregularity shape to be detected into a light image. As an example in which this fiber optical plate is specifically used in a fingerprint detection apparatus, one described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-174947 is known. In the fiber optic plate in this publication, as shown in FIG. 11, the optical axis direction of the optical fiber constituting the fiber optic plate is inclined by an inclination angle θ with respect to the entrance surface and the exit surface, A CCD is mounted on the exit surface side. This fiber optic plate is formed by tilting the entrance surface and the exit surface with respect to the optical axis direction, thereby preventing light from directly entering the inside from the outside air and being a detection target. It is intended to reduce the size of the fingerprint detection device by reducing the dimension from the surface that contacts the finger (incident surface of the fiber optic plate) to the CCD.
JP 7-174947 A

しかしながら、前述のファイバ光学プレートにあっては、次のような問題点がある。すなわち、そのファイバ光学プレートは、光ファイバの光軸方向に対し出射面も傾斜しているので、入射面に接触した指を通じて指紋の像がプレート内へ入射されたとしても、その出射面側でその光が外部の空気中へ出射されない。また、その出射面にＣＣＤを取り付けて出射特性を変えたとしても、出射面から出射される光量は非常に小さく、検出すべき指紋の像は暗いものとなってしまう。 However, the above-described fiber optical plate has the following problems. That is, since the fiber optical plate is also inclined at the exit surface with respect to the optical axis direction of the optical fiber, even if a fingerprint image is incident on the plate through a finger in contact with the entrance surface, on the exit surface side. The light is not emitted into the outside air. Even if a CCD is attached to the exit surface to change the exit characteristics, the amount of light emitted from the exit surface is very small, and the fingerprint image to be detected is dark.

そこで本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであって、光の出射特性に優れたファイバ光学プレートを用い検出精度の高い表面凹凸形状検出装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to provide a surface irregularity shape detection device with high detection accuracy using a fiber optic plate having excellent light emission characteristics. And

すなわち本発明は、複数の光ファイバを束ねて一体化したものであってその光ファイバの光軸に対して斜めに形成され互いに平行とした入射面および出射面を有する第一プレートと、複数の光ファイバを束ねて一体化したものであってその光ファイバの光軸に対して斜めに形成され互いに平行とされた入射面および出射面を有し前記第一プレートに対し大きな開口数とされその入射面が第一プレートの出射面と接合されている第二プレートと、第二プレートから出射された光像を検出する撮像素子とを備えて構成されている。 That is, the present invention comprises a plurality of optical fibers bundled and integrated, a first plate having an entrance surface and an exit surface that are formed obliquely with respect to the optical axis of the optical fiber and parallel to each other, and a plurality of optical fibers. An optical fiber is bundled and integrated, and has an entrance surface and an exit surface that are formed obliquely with respect to the optical axis of the optical fiber and are parallel to each other. The second plate is configured such that the incident surface is joined to the emission surface of the first plate, and an image sensor that detects a light image emitted from the second plate.

このような発明によれば、第一プレートに入射された光はその第一プレート内を伝搬して第二プレートへ向けて出射される。その際、第二プレートが第一プレートに対し大きい開口数とされているから、第一プレートから第二プレートへ光が入射しやすく、また、第二プレートの出射面から出射する光の出射角度が広いものとなる。 According to such an invention, the light incident on the first plate propagates through the first plate and is emitted toward the second plate. At that time, since the second plate has a larger numerical aperture than the first plate, it is easy for light to enter the second plate from the first plate, and the emission angle of the light emitted from the emission surface of the second plate Will be wide.

また本発明は、前述の第二プレートの光ファイバにおけるコアの屈折率が第一プレートの光ファイバにおけるコアの屈折率に対して大きい値とされていることを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that the refractive index of the core in the optical fiber of the second plate described above is larger than the refractive index of the core in the optical fiber of the first plate.

このような発明によれば、第一プレートから第二プレートへ光が伝搬する際に、その接合部分でその光が反射することなく第二プレート内へ入射されるので、その接合部分における光損失が防止される。 According to such an invention, when light propagates from the first plate to the second plate, the light is incident on the second plate without being reflected by the joint portion, so that light loss at the joint portion is caused. Is prevented.

また本発明は、前述の第二プレートにおける光軸と出射面のなす傾斜角が、第一プレートから第二プレートへ最大入射角で入射した光が第二プレートのコア内にてほぼ臨界角で進行する角度とされていることを特徴とする。 Further, according to the present invention, the inclination angle formed by the optical axis and the exit surface of the second plate described above is such that the light incident from the first plate to the second plate at the maximum incident angle is substantially a critical angle in the core of the second plate. It is characterized by a traveling angle.

このような発明によれば、第一プレートへ入射された光が全てその第二プレートに沿って伝搬される。また、第二プレートにおける光軸と出射面のなす角が直角に近くなるから出射面における光の出射特性が向上することとなる。 According to such an invention, all the light incident on the first plate is propagated along the second plate. In addition, since the angle formed between the optical axis and the exit surface in the second plate is close to a right angle, the light exit characteristics on the exit surface are improved.

更に本発明において、二プレートにおける傾斜角が第一プレートにおける光軸と出射面のなす傾斜角より大きく形成されていることが好ましい。 Furthermore, in the present invention, it is preferable that the inclination angle in the two plates is larger than the inclination angle formed by the optical axis and the exit surface in the first plate.

本発明によれば、光の出射特性に優れたファイバ光学プレートを用いることにより検出対象物の表面凹凸形状を精度良く検出することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the surface uneven | corrugated shape of a detection target object can be detected accurately by using the fiber optical plate excellent in the light emission characteristic.

例えば、第一プレートに対し第二プレートの開口数が大きくされることにより、第一プレートから第二プレートへ光が入射しやすく、また、第二プレートの出射面から光が広い角度で出射できる。 For example, by increasing the numerical aperture of the second plate relative to the first plate, light can easily enter the second plate from the first plate, and light can be emitted at a wide angle from the exit surface of the second plate. .

また、第一プレートの光ファイバにおけるコアの屈折率に対し第二プレートの光ファイバにおけるコアの屈折率が大きい値とされることにより、第一プレートから第二プレートへ光が伝搬する際に、その接合部分でその光が反射することなく第二プレート内へ入射される。このため、その接合部分における光損失が防止され、出射面から明瞭な光の像が出射できる。 In addition, when the refractive index of the core in the optical fiber of the second plate is larger than the refractive index of the core in the optical fiber of the first plate, when light propagates from the first plate to the second plate, The light is incident on the second plate without being reflected by the joint portion. For this reason, light loss at the joint is prevented, and a clear light image can be emitted from the emission surface.

更に、第一プレートから第二プレートへ最大入射角で入射した光が第二プレートのコア内にてほぼ臨界角で進行するように第二プレートの傾斜角が設定されることにより、第一プレートから第二プレートへ入射された光が第二プレートに沿って確実に伝搬され、かつ、第二プレートの光ファイバの光軸と出射面とのなす角が直角に近くなるから出射面における光の出射特性の向上が図れる。 Furthermore, the first plate is inclined by setting the inclination angle of the second plate so that the light incident from the first plate to the second plate at a maximum incident angle travels at a critical angle within the core of the second plate. The light incident on the second plate from the second plate is surely propagated along the second plate, and the angle formed by the optical axis of the optical fiber of the second plate and the emission surface is close to a right angle. The emission characteristics can be improved.

以下、添付図面に基づき、本発明に係る表面凹凸形状検出装置における種々の実施形態について説明する。なお、各図において同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
（実施形態１）
図１は本実施形態に係る表面凹凸形状検出装置におけるファイバ光学プレート１の全体概要図である。図１において、ファイバ光学プレート１は、第一プレート２と第二プレート３とより構成されており、それら第一プレート２および第二プレート３が層状に重ねられ接合された構造とされている。第一プレート２は、同一方向へ向けた複数の光ファイバ２１を束ねて一体化したものであって、その光ファイバ２１の光軸方向に対して斜めに形成された入射面２２および出射面２３を有している。 Hereinafter, various embodiments of the surface unevenness detecting device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same element and description is abbreviate | omitted.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an overall schematic diagram of a fiber optical plate 1 in the surface unevenness detecting device according to the present embodiment. In FIG. 1, a fiber optic plate 1 is composed of a first plate 2 and a second plate 3, and the first plate 2 and the second plate 3 are stacked and joined in layers. The first plate 2 is formed by bundling and integrating a plurality of optical fibers 21 directed in the same direction. The incident surface 22 and the emission surface 23 are formed obliquely with respect to the optical axis direction of the optical fiber 21. have.

すなわち、第一プレート２の入射面２２と出射面２３が互いに平行して対面しており、それらの入射面２２および出射面２３が光ファイバ２１の光軸方向に対して垂直でなく、かつ、平行でない所定の傾斜角θ2 で形成されている。また、この第一プレート２を構成している光ファイバ２１は、コア２４の周囲にクラッド２５を設けた構造とされており、クラッド２５の屈折率に対しコア２４の屈折率が大きくなるように設定され、コア２４に沿って光が伝搬できるようになっている。更に、それぞれの光ファイバ２１、２１間には吸収体２６が配設されており、任意の光ファイバ２１により入射された光は、クラッド２５の外部へ進行すると吸収体２６により吸収されて消滅してしまい、隣接する光ファイバ２１へ導光されないようになっている。 That is, the entrance surface 22 and the exit surface 23 of the first plate 2 face each other in parallel, the entrance surface 22 and the exit surface 23 are not perpendicular to the optical axis direction of the optical fiber 21, and It is formed at a predetermined inclination angle θ2 that is not parallel. Further, the optical fiber 21 constituting the first plate 2 has a structure in which a clad 25 is provided around the core 24 so that the refractive index of the core 24 is larger than the refractive index of the clad 25. It is set so that light can propagate along the core 24. Further, an absorber 26 is disposed between the optical fibers 21, 21, and light incident through the arbitrary optical fiber 21 is absorbed by the absorber 26 and disappears as it travels outside the cladding 25. Thus, the light is not guided to the adjacent optical fiber 21.

前述の第一プレート２の傾斜角θ2 は、空気中から第一プレート２の光ファイバ２１へ入射された光がその光ファイバ２１内で伝搬されないような角度に設定されている。たとえば、図２に示すように、入射面２１とほぼ平行となる向きから光ファイバ２１内へ光が入射するときの光ファイバ２１内における屈折角をβ、その光がコア２４、クラッド２５の境界面で全反射を繰り返して進行するときの境界面への臨界入射角をα、空気の屈折率をｎ₀、コア２４の屈折率をｎ₂₄、クラッドの屈折率をｎ₂₅とすると、次に示す式（１）、（２）を満たすα、βを式（３）に代入することにより、設定すべき傾斜角θ2の角度が求められる。 The inclination angle θ2 of the first plate 2 is set to an angle at which the light incident on the optical fiber 21 of the first plate 2 from the air is not propagated in the optical fiber 21. For example, as shown in FIG. 2, the refraction angle in the optical fiber 21 when light enters the optical fiber 21 from a direction substantially parallel to the incident surface 21 is β, and the light is the boundary between the core 24 and the cladding 25. Assuming that the critical incident angle to the boundary surface is α, the refractive index of air is n ₀ , the refractive index of the core 24 is n ₂₄ , and the refractive index of the clad is n ₂₅ when the total reflection is repeated on the surface. By substituting α and β satisfying the equations (1) and (2) shown in equation (3), the angle of the inclination angle θ2 to be set is obtained.

ｎ₂₄・ｓｉｎβ＝ｎ₀・ｓｉｎ９０° （入射角９０°の条件）…（１）
ｎ₂₄・ｓｉｎα＝ｎ₂₅・ｓｉｎ９０° （全反射の条件） …（２）
θ2 ＋（９０°＋β）＋（９０°−α）＝１８０° …（３）
ｎ₀＝１、ｎ₂₄＝１.５６、ｎ₂₅＝１.５２とすると、これらの式（１）、（２）、（３）により、傾斜角θ2＝３７°が算出される。このため、傾斜角θ2 を３７°より小さい角度に設定することにより、空気中から第一プレート２の光ファイバ２１へ光が入射されても、その光ファイバ２１内で伝搬されないようになる。つまり、このように傾斜角θ2を設定すれば、空気中から第一プレート２へ入射した光が第一プレート２から出射されることがなく、入射面２２に接触した物を通じて第一プレート２内へ入射された光のみが出射されることとなる。 n ₂₄ · sin β = n ₀ · sin 90 ° (condition of incident angle 90 °) (1)
n ₂₄ · sin α = n ₂₅ · sin 90 ° (total reflection condition) (2)
θ 2 + (90 ° + β) + (90 ° −α) = 180 ° (3)
Assuming that n ₀ = 1, n ₂₄ = 1.56, and n ₂₅ = 1.52, the inclination angle θ 2 = 37 ° is calculated by these equations (1), (2), and (3). For this reason, by setting the inclination angle θ2 to an angle smaller than 37 °, even if light enters the optical fiber 21 of the first plate 2 from the air, it is not propagated in the optical fiber 21. That is, if the inclination angle θ2 is set in this way, the light incident on the first plate 2 from the air is not emitted from the first plate 2 and passes through the object in contact with the incident surface 22 in the first plate 2. Only the light incident on the light is emitted.

一方、図１に示すように、第二プレート３は、第一プレート２と同様に、同一方向へ向けた複数の光ファイバ３１を束ねて一体化したものであって、その光ファイバ３１の光軸方向に対して斜めに形成された入射面３２および出射面３３を有している。すなわち、第二プレート３の入射面３２と出射面３３が互いに平行に対面して形成され、それらの入射面３２および出射面３３が光ファイバ３１の光軸方向に対して垂直でなく、かつ、平行でない所定の傾斜角θ3 で形成されている。 On the other hand, as shown in FIG. 1, like the first plate 2, the second plate 3 is formed by bundling and integrating a plurality of optical fibers 31 directed in the same direction. It has the entrance surface 32 and the exit surface 33 that are formed obliquely with respect to the axial direction. That is, the entrance surface 32 and the exit surface 33 of the second plate 3 are formed to face each other in parallel, the entrance surface 32 and the exit surface 33 are not perpendicular to the optical axis direction of the optical fiber 31, and It is formed with a predetermined inclination angle θ3 which is not parallel.

また、この第二プレート３を構成している光ファイバ３１は、コア３４の周囲にクラッド３５を設けた構造とされており、クラッド３５の屈折率に対しコア３４の屈折率が大きくなるように設定され、コア３４に沿って光が伝搬できるようになっている。更に、それぞれの光ファイバ３１、３１間には吸収体３６が配設されており、任意の光ファイバ３１により入射された光は隣接する光ファイバ３１へ導光されないようになっている。 The optical fiber 31 constituting the second plate 3 has a structure in which a clad 35 is provided around the core 34, so that the refractive index of the core 34 is larger than the refractive index of the clad 35. It is set so that light can propagate along the core 34. Further, an absorber 36 is disposed between the optical fibers 31, 31 so that light incident by any optical fiber 31 is not guided to the adjacent optical fiber 31.

また、第二プレート３は、図１のように、その入射面３２が第一プレート２の出射面２３と接合されており、第一プレート２から出射される光を入射面３２から入射できるようになっている。また、この第二プレート３は、第一プレート２に対し大きな開口数を有している。すなわち、第二プレート３の光ファイバ３１は、第一プレート２の光ファイバ２１に対し開口数の大きなものが用いられている。この第二プレート３の開口数は、光ファイバ３１のコア３４の屈折率ｎ₃₄とクラッド３５の屈折率ｎ₃₅の値により設定されるものである。具体的には、次の式（４）により開口数ＮＡが与えられる。 Further, as shown in FIG. 1, the incident surface 32 of the second plate 3 is joined to the emission surface 23 of the first plate 2 so that the light emitted from the first plate 2 can be incident from the incident surface 32. It has become. The second plate 3 has a larger numerical aperture than the first plate 2. That is, the optical fiber 31 of the second plate 3 has a larger numerical aperture than the optical fiber 21 of the first plate 2. The numerical aperture of the second plate 3 is intended to be set by the value of the refractive index n ₃₅ of refractive index n ₃₄ and cladding 35 of the core 34 of the optical fiber 31. Specifically, the numerical aperture NA is given by the following equation (4).

ＮＡ＝（ｎ₃₄ ²−ｎ₃₅ ²）^1/2 … （４）
また、この開口数ＮＡが大きくなるに連れて光ファイバ３１における光伝搬損失が増加する傾向があるのである程度大きな値とされ、例えばＮＡ＝１.０程度に設定される。このように、第二プレート３の開口数を大きく設定することにより、第二プレート３の光ファイバ３１における集光能力、発散能力が大きいものとなるから、接合される第一プレートとの光結合性が向上することとなる。 NA = (n ₃₄ ² −n ₃₅ ² ) ^1/2 (4)
Further, since the light propagation loss in the optical fiber 31 tends to increase as the numerical aperture NA increases, the value is set to a certain value. For example, NA = 1.0 is set. In this way, by setting the numerical aperture of the second plate 3 large, the condensing ability and the diverging ability in the optical fiber 31 of the second plate 3 become large, so that the optical coupling with the first plate to be joined Will be improved.

また、第二プレート３のコア３４の屈折率ｎ₃₄は、第一プレート２のコア２４の屈折率ｎ₂₄に対し大きいものとされている。たとえば、第一プレート２のコア２４の屈折率ｎ₂₄が１.５６であるのに対し、第二プレート３のコア３４の屈折率ｎ₃₄は１.８２と大きなものとされる。このため、第一プレート２から第二プレート３へ伝搬される光がそれらの接合部分（境界部分）で反射することなく入射されることとなり、光の伝搬における損失が防止されることとなる。 In addition, the refractive index n ₃₄ of the core 34 of the second plate 3 is larger than the refractive index n ₂₄ of the core 24 of the first plate 2. For example, the refractive index n ₂₄ of the core 24 of the first plate 2 is 1.56, whereas the refractive index n ₃₄ of the core 34 of the second plate 3 is as large as 1.82. For this reason, the light propagated from the first plate 2 to the second plate 3 is incident without being reflected by the joint portion (boundary portion) thereof, and loss in light propagation is prevented.

また、前述の第二プレート３の傾斜角θ3 は、第一プレート２から第二プレート３へ最大入射角で入射した光が第二プレート３のコア３４内にてほぼ臨界角で進行するような角度に設定されることが望ましい。すなわち、第一プレート２のコア２４内を伝搬可能な光のうち第二プレート３へ最大角度で入射する光が第二プレート３のコア３４内にて伝搬可能な臨界角の近傍の角度で進行するように、第二プレート３の傾斜角θ3が設定されていることが望ましい。 Further, the inclination angle θ3 of the second plate 3 described above is such that the light incident from the first plate 2 to the second plate 3 at the maximum incident angle travels at a critical angle in the core 34 of the second plate 3. It is desirable to set the angle. That is, light that can enter the second plate 3 at a maximum angle out of the light that can propagate in the core 24 of the first plate 2 travels at an angle near the critical angle that can propagate in the core 34 of the second plate 3. As described above, it is desirable that the inclination angle θ3 of the second plate 3 is set.

この傾斜角θ3がそのような角度に設定されることが望ましい理由について説明すると、まず第一に、第二プレート３の出射面３３から垂直成分に近い光を出射する条件として、光ファイバ３１の光軸方向（コア３４の長手方向）と出射面３３のなす傾斜角θ3が直角に近い角度にされていることが肝要である。たとえば、図３に示すように、光ファイバ３１のコア３４に沿って光が伝搬される場合、コア３４の屈折率ｎ₃₄を１.８２、クラッド３５の屈折率ｎ₃₅を１.４９５とすると、図３（ａ）のように光軸に対し出射面３３の傾斜角θ3が直角であるときにはその出射面３３から１８０°の範囲に光が出射されることとなる。なお、図３中におけるコア３４内の矢印は臨界角（約５５°）で伝搬される光を示している。 The reason why it is desirable to set the inclination angle θ3 to such an angle will be described. First, as a condition for emitting light close to the vertical component from the emission surface 33 of the second plate 3, the optical fiber 31 It is important that the angle of inclination θ3 formed by the optical axis direction (longitudinal direction of the core 34) and the exit surface 33 is close to a right angle. For example, as shown in FIG. 3, when light propagates along the core 34 of the optical fiber 31, the refractive index n34 of the core ₃₄ is 1.82, and the refractive index n35 of the cladding ₃₅ is 1.495. As shown in FIG. 3A, when the inclination angle θ3 of the emission surface 33 is perpendicular to the optical axis, light is emitted from the emission surface 33 in a range of 180 °. In addition, the arrow in the core 34 in FIG. 3 has shown the light propagated with a critical angle (about 55 degrees).

また、図３（ｂ）のように光軸に対し出射面３３の傾斜角θ3 が７５°であるときにはその出射面３３から１２８.５°の範囲に光が出射されることとなる。また、図３（ｃ）のように光軸に対し出射面３３の傾斜角θ3が６０°であるときにはその出射面３３から９９.１°の範囲に光が出射されることとなる。更に、図３（ｄ）のように光軸に対し出射面３３の傾斜角θ3 が３０°であるときにはその出射面３３から３９.３°の範囲に光が出射されることとなる。このように、光ファイバ３１の光軸と出射面３３のなす傾斜角θ3が９０°から小さくなるに連れて、その出射面３３から出射可能な光の角度範囲が狭くなることとなる。従って、出射面３３の傾斜角θ3 は、この出射面３３からの光の出射条件を考えると直角に近いことが好ましい。 Further, as shown in FIG. 3B, when the inclination angle .theta.3 of the emission surface 33 with respect to the optical axis is 75.degree., Light is emitted from the emission surface 33 in the range of 128.5.degree .. FIG. Further, as shown in FIG. 3C, when the inclination angle θ3 of the emission surface 33 with respect to the optical axis is 60 °, light is emitted from the emission surface 33 in a range of 99.1 °. Further, as shown in FIG. 3D, when the inclination angle .theta.3 of the exit surface 33 with respect to the optical axis is 30.degree., Light is emitted from the exit surface 33 in the range of 39.3.degree .. FIG. Thus, as the inclination angle θ3 formed by the optical axis of the optical fiber 31 and the exit surface 33 decreases from 90 °, the angle range of light that can be emitted from the exit surface 33 becomes narrower. Therefore, it is preferable that the inclination angle θ3 of the emission surface 33 is close to a right angle in consideration of the emission conditions of light from the emission surface 33.

しかしながら、出射面３３の傾斜角θ3 が直角に近い角度であると、第一プレート２から第二プレート３の光ファイバ３１内に入射される光が制限を受けることになる。たとえば、図４〜図７に、傾斜角θ2を３５°とした第一プレート２に傾斜角θ3 を６０°、７２.４°、８０°、９０°とした第二プレート３をそれぞれ接合したときにおける第二プレート３への光の入射状態を示す。なお、図４〜図７において、第一プレート２のコア屈折率ｎ₂₄は１.５６、クラッド屈折率ｎ₂₅は１.５２、第二プレート３のコア屈折率ｎ₃₄は１.８２、クラッド屈折率ｎ₃₅は１.４９５とする。また、図４〜図７におけるコア２４内の矢印は第一プレート２における臨界角で伝搬する光であり、コア３４内の矢印はその光が屈折して入射したものである。 However, if the inclination angle θ3 of the emission surface 33 is close to a right angle, the light incident from the first plate 2 into the optical fiber 31 of the second plate 3 is restricted. For example, in FIGS. 4 to 7, when the second plate 3 with the inclination angle θ3 of 60 °, 72.4 °, 80 °, and 90 ° is joined to the first plate 2 with the inclination angle θ2 of 35 °, respectively. The incident state of the light to the 2nd plate 3 in FIG. 4-7, the core refractive index n ₂₄ of the first plate 2 is 1.56, the cladding refractive index n ₂₅ is 1.52, and the core refractive index n ₃₄ of the second plate 3 is 1.82. The refractive index n ₃₅ is 1.495. Moreover, the arrow in the core 24 in FIGS. 4-7 is the light which propagates at the critical angle in the 1st plate 2, and the arrow in the core 34 is that the light refracted and entered.

図４において、傾斜角θ3 を６０°とした第二プレート３を用いたときには、第一プレート２から最大入射角で入射された光Ｘは、第二プレート３のコア３４内のクラッド３５の境界部分へ臨界角５５°より大きな角度で入射することとなり、その境界部分で反射して伝搬していくこととなる。図５において、傾斜角θ3を７２.４°とした第二プレート３を用いたときには、第一プレート２から最大入射角で入射された光Ｘ１は、第二プレート３のコア３４内のクラッド３５の境界部分へ臨界角５５°で入射することとなり、そのクラッド３５の境界部分で反射して伝搬していくこととなる。 In FIG. 4, when the second plate 3 having an inclination angle θ 3 of 60 ° is used, the light X incident from the first plate 2 at the maximum incident angle is the boundary of the clad 35 in the core 34 of the second plate 3. The incident light enters the part at an angle larger than the critical angle 55 °, and is reflected and propagated at the boundary part. In FIG. 5, when the second plate 3 having an inclination angle θ 3 of 72.4 ° is used, the light X 1 incident from the first plate 2 at the maximum incident angle is clad 35 in the core 34 of the second plate 3. Is incident at a critical angle of 55 °, and is reflected and propagated at the boundary portion of the clad 35.

図６において、傾斜角θ3 を８０°とした第二プレート３を用いたときには、第一プレート２から最大入射角で入射された光Ｘ１は、第二プレート３のコア３４内のクラッド３５の境界部分へ臨界角５５°より小さい角度、即ち４７.４°の角度でその境界部分へ入射されることとなり、その境界部分で反射されることなくクラッド３５内へ屈折して導光されてしまう。この場合、第一プレート２から入射する光のうち第二プレートのコア３４、クラッド３５の境界部分で臨界角５５°より小さい角度で入射するものは、クラッド３５内へ導光されてしまい、第二プレート３の出射面３３で出射されることはない。 In FIG. 6, when the second plate 3 having an inclination angle θ 3 of 80 ° is used, the light X 1 incident from the first plate 2 at the maximum incident angle is the boundary of the clad 35 in the core 34 of the second plate 3. The light is incident on the boundary portion at an angle smaller than the critical angle of 55 °, that is, 47.4 °, and is refracted and guided into the clad 35 without being reflected at the boundary portion. In this case, light incident from the first plate 2 that is incident at an angle smaller than the critical angle 55 ° at the boundary between the core 34 and the clad 35 of the second plate is guided into the clad 35, The light is not emitted from the emission surface 33 of the two plates 3.

図７において、傾斜角θ3 を９０°（直角）とした第二プレート３を用いたときには、第一プレート２から最大入射角で入射された光Ｘ１は、第二プレート３のコア３４内のクラッド３５の境界部分へ臨界角５５°より小さい角度、即ち３７.４°の角度でその境界部分へ入射することとなり、その境界部分で反射されることなくクラッド３５内へ屈折して導光されてしまう。この場合、第一プレート２から入射する光のうちのほとんどがコア３４におけるクラッド３５の境界部分へ臨界角５５°より小さい角度で入射することとなり、わずか一部の光のみが第二プレート３の出射面３３から出射されることとなる。 In FIG. 7, when the second plate 3 having an inclination angle θ3 of 90 ° (right angle) is used, the light X1 incident from the first plate 2 at the maximum incident angle is clad in the core 34 of the second plate 3. It enters the boundary part at an angle smaller than the critical angle 55 °, that is, 37.4 °, and is refracted and guided into the clad 35 without being reflected at the boundary part. End up. In this case, most of the light incident from the first plate 2 is incident on the boundary portion of the clad 35 in the core 34 at an angle smaller than the critical angle 55 °, and only a part of the light is incident on the second plate 3. The light is emitted from the emission surface 33.

このように、第二プレート３の傾斜角θ3 が大きすぎると、第一プレート２から入射した光が第二プレート３で伝搬されず、第二プレート３のクラッド３５内へ導光されて吸収されてしまう。このため、第一プレート２から第二プレート３へ入射される光をすべて有効に伝搬させることを考えると、第一プレート２から入射する光が第二プレート３のコア内のクラッド３５へ臨界角より大きな角度で入射する必要がある。 Thus, if the inclination angle θ3 of the second plate 3 is too large, the light incident from the first plate 2 is not propagated by the second plate 3 but is guided into the clad 35 of the second plate 3 and absorbed. End up. For this reason, considering that all the light incident from the first plate 2 to the second plate 3 is effectively propagated, the light incident from the first plate 2 has a critical angle to the clad 35 in the core of the second plate 3. It is necessary to enter at a larger angle.

以上のように、前述の出射面３３からの光の出射条件と第二プレート３における伝搬条件を考慮すると、第一プレート２から第二プレート３へ最大角度で入射する光が第二プレート３のコア３４内のクラッド３５境界部分へ臨界角の近傍の角度で入射するように、第二プレート３の傾斜角θ3 が設定されていることが望ましい。このように傾斜角θ3 が設定されることにより、ファイバ光学プレート１へ入射した光が有効に出射面３３から出射されると共に、その出射面３３から垂直方向成分を含む光が出射され、ファイバ光学プレート１における光の出射特性が向上することとなる。 As described above, in consideration of the light emission condition from the emission surface 33 and the propagation condition in the second plate 3, the light incident from the first plate 2 to the second plate 3 at the maximum angle is incident on the second plate 3. It is desirable that the inclination angle .theta.3 of the second plate 3 is set so as to enter the boundary portion of the clad 35 in the core 34 at an angle near the critical angle. By setting the inclination angle .theta.3 in this way, the light incident on the fiber optical plate 1 is effectively emitted from the emission surface 33, and light including a vertical component is emitted from the emission surface 33. The light emission characteristics of the plate 1 are improved.

図１において、第一プレート２と第二プレート３との接合は、たとえば、透光性を有する接着剤を用いた接着により行えばよい。その際、接着剤としては、第一プレート２のコア２４の屈折率と第二プレート３のコア３４の屈折率との間の屈折率を有するものを用いることが望ましい。このような屈折率を有する接着剤を用いれば、第一プレート２からその接着剤へ光が入射する際、またはその接着剤から第二プレート３へ光が入射する際に、それぞれの入射面にて光の反射が防止されることとなる。 In FIG. 1, the first plate 2 and the second plate 3 may be joined by, for example, adhesion using a translucent adhesive. At this time, it is desirable to use an adhesive having a refractive index between the refractive index of the core 24 of the first plate 2 and the refractive index of the core 34 of the second plate 3. When an adhesive having such a refractive index is used, when light is incident on the adhesive from the first plate 2 or when light is incident on the second plate 3 from the adhesive, the light enters each incident surface. Thus, reflection of light is prevented.

次に、ファイバ光学プレート１を備えた指紋検出装置について説明する。 Next, the fingerprint detection apparatus provided with the fiber optical plate 1 will be described.

図８に示すように、ファイバ光学プレート１は、指紋検出装置の指紋の像の入射手段として用いることができる。たとえば、ファイバ光学プレート１をＣＣＤなどの撮像素子４に取り付けて、ファイバ光学プレート１を介して指紋の像を撮像素子４へ受光できる構造としておく。つまり、ファイバ光学プレート１の出射面３３を撮像素子４の受光面４１へ接合して、入射面２２に接触する指の指紋像を第一プレート２および第二プレート３を通じて受光面４１へ伝達できるようにしておく。 As shown in FIG. 8, the fiber optic plate 1 can be used as a fingerprint image incident means of a fingerprint detection apparatus. For example, the fiber optic plate 1 is attached to an image sensor 4 such as a CCD, and a structure in which a fingerprint image can be received by the image sensor 4 via the fiber optic plate 1 is provided. That is, the output surface 33 of the fiber optic plate 1 can be joined to the light receiving surface 41 of the image sensor 4, and the fingerprint image of the finger contacting the incident surface 22 can be transmitted to the light receiving surface 41 through the first plate 2 and the second plate 3. Keep it like that.

このような構造を有する指紋検出装置において、入射面２２に指を接触させると、その接触部分のみから第一プレート２内へ光が入射される。その光の像は、指紋の凹凸形状の像、即ち二次元的な指紋の像となって、第一プレート２の光ファイバ２１内を伝搬していく。そして、第一プレート２の出射面２３から出射され、第二プレート３の入射面３２へ入射される。その際、第一プレート２の光ファイバ２１に対し第二プレート３の光ファイバ３１の開口数は大きいものとされているから、第一プレート２と第二プレート３との接合部分で光損失がなく、第二プレート３内へ光の像が入射していくこととなる。 In the fingerprint detection apparatus having such a structure, when a finger is brought into contact with the incident surface 22, light enters the first plate 2 only from the contact portion. The light image propagates through the optical fiber 21 of the first plate 2 as an image of a concavo-convex shape of a fingerprint, that is, a two-dimensional fingerprint image. Then, the light is emitted from the emission surface 23 of the first plate 2 and is incident on the incident surface 32 of the second plate 3. At this time, since the numerical aperture of the optical fiber 31 of the second plate 3 is larger than that of the optical fiber 21 of the first plate 2, optical loss is caused at the joint portion between the first plate 2 and the second plate 3. Instead, an image of light enters the second plate 3.

そして、その光の像は第二プレート３の出射面３３に達し、その出射面３３から撮像素子４の受光面４１へ入射される。このとき、第二プレート３の大きな開口数に伴って、指紋の像を構成する各光は出射面３３から広い範囲へ向けてそれぞれ出射される。このため、指紋の像は明瞭なものとなり、受光面４１に受光されることとなる。従って、撮像素子４に明瞭な指紋の像が入力され、精度の高い指紋検出が確実に行うことができる。 The light image reaches the emission surface 33 of the second plate 3 and enters the light receiving surface 41 of the image sensor 4 from the emission surface 33. At this time, with the large numerical aperture of the second plate 3, each light constituting the fingerprint image is emitted from the emission surface 33 toward a wide range. For this reason, the fingerprint image becomes clear and is received by the light receiving surface 41. Therefore, a clear fingerprint image is input to the image sensor 4, and accurate fingerprint detection can be performed reliably.

なお、このファイバ光学プレート１は、このような指紋検出装置のみに使用されるものではなく、光の入射を必要とする装置等であればその他のものに使用することも勿論可能である。
（実施形態２）
前述のファイバ光学プレート１において、第二プレート３の傾斜角θ3 は、第一プレート２から第二プレート３へ最大入射角で入射した光が第二プレート３のコア３４内におけるクラッド３５境界部分へ臨界角より大きい角度で入射されるような角度に設定される場合もある。たとえば、第一プレート２の傾斜角θ2と第二プレート３の傾斜角θ3 が同じ角度に設定されていてもよく、この場合、第一プレート２に対し第二プレート３の開口数が大きくなっていれば、第二プレート３からの光の出射特性の向上を図ることが可能となる。
（実施形態３）
前述のファイバ光学プレート１において、その使用方法にて撮像素子４の受光面４１とファイバ光学プレート１との間に、光結合性を図るためのその他のファイバ光学プレート５または６を介在させる場合もある。たとえば、図９に示すように、ファイバ光学プレート１と受光面４１との間に、光ファイバの光軸に対して入射面および出射面が直交する向きに形成されたファイバ光学プレート５を介在させることにより、ファイバ光学プレート１と撮像素子４との光結合性を高めてもよい。また、図１０に示すように、ファイバ光学プレート１と受光面４１との間に、入射面の面積に対し出射面の面積を小さくしたファイバ光学プレート６を介在させることにより、ファイバ光学プレート１の出射面３３と受光面４１の面積が異なるときに損失なく光の像の伝達が行えることとなる。 The fiber optic plate 1 is not used only for such a fingerprint detection device, but can of course be used for other devices as long as the device requires light incidence.
(Embodiment 2)
In the above-described fiber optic plate 1, the inclination angle θ 3 of the second plate 3 is such that the light incident from the first plate 2 to the second plate 3 at the maximum incident angle reaches the boundary of the cladding 35 in the core 34 of the second plate 3. In some cases, the incident angle is set to an angle larger than the critical angle. For example, the inclination angle θ 2 of the first plate 2 and the inclination angle θ 3 of the second plate 3 may be set to the same angle. In this case, the numerical aperture of the second plate 3 is larger than that of the first plate 2. Then, it becomes possible to improve the emission characteristics of light from the second plate 3.
(Embodiment 3)
In the above-described fiber optical plate 1, there is a case where another fiber optical plate 5 or 6 for optical coupling is interposed between the light receiving surface 41 of the image sensor 4 and the fiber optical plate 1 in the usage method. is there. For example, as shown in FIG. 9, a fiber optical plate 5 is formed between the fiber optical plate 1 and the light receiving surface 41 so that the entrance surface and the exit surface are orthogonal to the optical axis of the optical fiber. Thus, the optical coupling between the fiber optic plate 1 and the image sensor 4 may be improved. Further, as shown in FIG. 10, by interposing a fiber optical plate 6 having an exit surface area smaller than an incident surface area between the fiber optical plate 1 and the light receiving surface 41, When the exit surface 33 and the light receiving surface 41 have different areas, the light image can be transmitted without loss.

本発明の実施形態１に係る表面凹凸形状検出装置のファイバ光学プレートの全体概要図である。1 is an overall schematic diagram of a fiber optic plate of a surface unevenness detecting device according to Embodiment 1 of the present invention. 図１のファイバ光学プレートの第一プレートの傾斜角の説明図である。It is explanatory drawing of the inclination-angle of the 1st plate of the fiber optic plate of FIG. 図１のファイバ光学プレートの第二プレートの出射面の説明図である。It is explanatory drawing of the output surface of the 2nd plate of the fiber optic plate of FIG. 図１のファイバ光学プレートの第二プレートの傾斜角の説明図である。It is explanatory drawing of the inclination-angle of the 2nd plate of the fiber optic plate of FIG. 図１のファイバ光学プレートの第二プレートの傾斜角の説明図である。It is explanatory drawing of the inclination-angle of the 2nd plate of the fiber optic plate of FIG. 図１のファイバ光学プレートの第二プレートの傾斜角の説明図である。It is explanatory drawing of the inclination-angle of the 2nd plate of the fiber optic plate of FIG. 図１のファイバ光学プレートの第二プレートの傾斜角の説明図である。It is explanatory drawing of the inclination-angle of the 2nd plate of the fiber optic plate of FIG. 実施形態１に係る表面凹凸形状検出装置の使用状態の説明図である。It is explanatory drawing of the use condition of the surface uneven | corrugated shape detection apparatus which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態３に係る表面凹凸形状検出装置の使用状態の説明図である。It is explanatory drawing of the use condition of the surface uneven | corrugated shape detection apparatus which concerns on Embodiment 3. FIG. 実施形態３におけるに係る表面凹凸形状検出装置の使用状態の説明図である。It is explanatory drawing of the use condition of the surface uneven | corrugated shape detection apparatus which concerns on Embodiment 3. FIG.

Explanation of symbols

１…ファイバ光学プレート、２…第一プレート、２１…光ファイバ、２２…入射面、２３…出射面、３…第二プレート、３１…光ファイバ、３２…入射面、３３…出射面、４…撮像素子。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fiber optical plate, 2 ... 1st plate, 21 ... Optical fiber, 22 ... Incident surface, 23 ... Outgoing surface, 3 ... Second plate, 31 ... Optical fiber, 32 ... Incident surface, 33 ... Outgoing surface, 4 ... Image sensor.

Claims

A plurality of optical fibers bundled and integrated, a first plate having an entrance surface and an exit surface formed obliquely with respect to the optical axis of the optical fiber and parallel to each other;
A plurality of optical fibers are bundled and integrated, and have an entrance surface and an exit surface that are formed obliquely with respect to the optical axis of the optical fiber and are parallel to each other. A second plate whose entrance surface is joined to the exit surface of the first plate;
An image sensor for detecting a light image emitted from the second plate;
A surface irregularity shape detection apparatus comprising:

2. The uneven surface shape detection according to claim 1, wherein the refractive index of the core of the optical fiber of the second plate is larger than the refractive index of the core of the optical fiber of the first plate. apparatus.

The inclination angle formed by the optical axis and the exit surface of the second plate is such that light incident from the first plate to the second plate at a maximum incident angle travels at a substantially critical angle in the core of the second plate. The surface unevenness detecting device according to claim 1, wherein the surface unevenness detecting device is configured to be at an angle.

The surface according to any one of claims 1 to 3, wherein the inclination angle of the second plate is formed larger than the inclination angle formed by the optical axis and the exit surface of the first plate. Uneven shape detector.