JP4059047B2 - 入力装置、情報装置及び制御情報生成方法 - Google Patents
入力装置、情報装置及び制御情報生成方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力装置、これを含む情報装置及び制御情報生成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
入力装置は、電子機器（情報機器又は情報装置）の操作部に用いられる。例えば、ユーザが入力装置を操作することにより、電子機器では、入力装置から出力された制御情報（操作情報）を用いて、表示部に表示されるポインタを移動させたり、表示部の画像をスクロールさせたりする。この入力装置については、ユーザの操作性を低下させないことが必要とされる。
【０００３】
入力装置として、例えば３次元空間上の任意の位置を指示する際の操作性を向上させたものがある。この入力装置では、まず基準点を設定する。指示位置が画面上に現れていない場合には、該基準点を中心にした移動と、該基準点と視点とを結ぶ直線に沿った移動とを組み合わせて行って、視点を移動させた後、移動後の視点から３次元空間を再表示する。指示位置が画面上に現れている場合には、画面上でカーソルを移動させる（例えば、特許文献１）。このような操作を可能にすることで、この入力装置では、いわゆる６軸方向の操作を行う必要がなくなる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−４０５７１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１に開示されている入力装置では、携帯型の情報機器に適用することは困難である。また携帯型の情報機器に適用する場合、バッテリ駆動による動作が可能で、小型化が可能な構成であることが必要となる。さらに、上述した機能を有する入力装置は、高度な情報処理を行う３次元ＣＡＤ装置や仮想実体験装置等のみならず、携帯電話やＰＤＡに適用できることが望ましい。
【０００６】
本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、超小型かつ超軽量で、これまで以上に操作性を向上させることが可能な入力装置、情報装置及び制御情報生成方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、被検出物の画像を取り込むことにより制御情報を生成する入力装置であって、少なくともその一部分にパラメータの値が関連付けられた登録画像を記憶する登録画像記憶部と、被検出物の画像を取り込む画像取込部と、前記登録画像のうち、前記被検出物の画像に対応する部分に関連付けられたパラメータの値に対応した制御情報を出力する制御情報出力部とを含む入力装置に関係する。
【０００８】
本発明においては、まず登録画像が記憶される。登録画像は、少なくともその一部分にパラメータの値が関連付けられる。そして、取り込まれた被検出物の画像と、登録画像とを比較し、登録画像のうち被検出物の画像に対応する部分を探し出し、該当部分に関連付けられたパラメータの値に対応した制御情報を出力する。これにより、取り込んだ画像の動きだけでは制御できない方向の制御情報を出力させることができ、装置自体の構成を簡素化し、より操作性を向上させる入力装置を提供することができるようになる。
【０００９】
また本発明に係る入力装置では、前記被検出物の各部位の画像をつなぎ合わせると共に、前記画像の各部に前記被検出物の部位に対応したパラメータの値を関連付けた登録画像を登録する画像登録部を含むことができる。
【００１０】
本発明においては、例えば３次元形状の被検出物の表面の画像が登録画像として登録されることになる。したがって、３次元形状の被検出物の側面等の各部位にパラメータの値を関連付けておくことで、該被検出物の回転方向に対応した制御情報を出力させることができるようになる。これにより、装置自体に複雑な構成をもたせることなく、より一層操作性を向上させる入力装置を提供することができる。
【００１１】
また本発明に係る入力装置では、前記登録画像は、抽出された特徴点に前記パラメータの値が関連付けられていてもよい。
【００１２】
本発明によれば、より少ないデータ量で登録画像を登録させておくことができるので、登録画像と取り込んだ画像とを比較したりする入力装置における処理負荷の軽減を図ることが可能となる。
【００１３】
また本発明に係る入力装置では、前記画像取込部は、検出面を有し、該検出面に接する被検出物の画像を取り込み、前記制御情報出力部は、前記登録画像の面積と、前記画像取込部により取り込まれた被検出物の画像の面積とに基づいて、前記被検出物の前記検出面に垂直な軸方向の移動に対応した制御情報を出力することができる。
【００１４】
本発明においては、画像を取り込む検出面上の２軸方向のみならず、検出面と垂直な軸方向について、被検出物の移動に対応した制御情報を出力する。したがって、取り込んだ画像の位置の移動に限定されない新たな軸方向の制御指示を行うことができるようになる。これにより、これまで以上に操作性を向上させることが可能となる。
【００１５】
また本発明に係る入力装置では、前記被検出物の前記検出面に垂直な軸方向の移動に対応した制御情報は、前記検出面上の互いに直交する第１又は第２の軸回りの回転角度を用いて補正された情報であってもよい。
【００１６】
本発明においては、被検出物の検出面に垂直な軸方向の移動に対応した制御情報について、当該軸方向の移動を求める。そして、この移動について、さらに検出面上の互いに直交する第１又は第２の軸回りの回転角度を用いて補正する。これにより、検出面上を被検出物を滑らせて回転させた場合を考慮して、垂直な軸方向の移動を検出することができるので、より高精度な当該軸方向の制御情報を出力させることができる。
【００１７】
また本発明に係る入力装置では、前記パラメータの値は、前記検出面上で互いに直交する第１及び第２の軸回りの回転角度であり、前記制御情報出力部は、前記登録画像と前記被検出物の画像との比較結果に基づいて、前記被検出物の前記第１又は第２の軸回りの回転角度に対応した制御情報を出力することができる。
【００１８】
本発明によれば、検出面上の第１又は第２の軸回りの回転角度に対応した制御情報を出力させることができるので、制御指示可能な軸方向を増やすことができ、より操作性を向上させた入力装置を提供することができる。
【００１９】
また本発明に係る入力装置では、前記制御情報出力部は、前記登録画像と、前記被検出物の画像との比較結果に基づいて、前記被検出物の前記検出面と垂直な第３の軸回りの回転角度に対応した制御情報を出力することができる。
【００２０】
本発明によれば、検出面と垂直な第３の軸回りの回転角度に対応した制御情報を出力するようにしたので、制御指示可能な軸方向を増やすことができ、より操作性を向上させた入力装置を提供することができる。
【００２１】
また本発明に係る入力装置では、前記被検出物は、指紋であってもよい。
【００２２】
本発明によれば、指の指紋を用いて、より多くの制御方向を指示できるようになる。したがって、指紋の画像を取り込む指紋センサを用いることによって、超小型かつ超軽量で、これまで以上に操作性を向上させる入力装置を提供することができる。
【００２３】
また本発明は、上記のいずれか記載の入力装置と、前記入力装置からの制御情報に基づいて制御処理を行う処理部とを含む情報装置に関係する。
【００２４】
本発明によれば、超小型かつ超軽量で、これまで以上に操作性を向上させることが可能な携帯型の情報装置を提供することができる。
【００２５】
また本発明は、取り込んだ被検出物の画像を用いて制御情報を生成する制御情報生成方法であって、取り込まれた被検出物の画像と、少なくともその一部分にパラメータの値が関連付けられた登録画像とを比較し、前記登録画像のうち、前記被検出物の画像に対応する部分に関連付けられたパラメータの値に対応した制御情報を出力する制御情報生成方法に関係する。
【００２６】
また本発明に係る制御情報生成方法では、前記登録画像の面積と、取り込まれた被検出物の画像の面積とに基づいて、前記被検出物の画像の検出面に垂直な軸方向の前記被検出物の移動に対応した制御情報を出力することができる。
【００２７】
また本発明に係る制御情報生成方法では、前記パラメータの値は、前記検出面上で互いに直交する第１及び第２の軸回りの回転角度であり、前記登録画像と、前記被検出物の画像との比較結果に基づいて、前記被検出物の画像の検出面上の第１又は第２の軸回りの回転角度に対応した制御情報を出力することができる。
【００２８】
また本発明に係る制御情報生成方法では、前記登録画像と、前記被検出物の画像との比較結果に基づいて、前記被検出物の画像の検出面と垂直な第３の軸回りの回転角度に対応した制御情報を出力することができる。
【００２９】
また本発明に係る制御情報生成方法では、前記被検出物は、指紋であってもよい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００３１】
１． 入力装置
図１に、本実施形態における入力装置の構成の概要を示す。本実施形態における入力装置１０は、登録画像と、取り込んだ画像とを比較し、その比較結果に応じた６軸方向の制御情報（操作情報）を出力することができるようになっている。そのため、入力装置１０は、画像取込部２０、画像解析部３０、画像登録部４０、登録画像記憶部５０、制御情報出力部６０を含む。
【００３２】
画像取込部２０は、ユーザが移動させる２次元又は３次元の被検出物を、検出面（センサ面）を介して２次元の情報である画像として取り込み、１フレームごとに画像情報を生成する。
【００３３】
画像解析部３０は、画像取込部２０で取り込まれた画像を解析し、その解析結果を制御情報出力部６０に対して出力する。より具体的には、画像解析部３０は、面積算出部３２、特徴点抽出部３４を含む。面積算出部３２は、画像取込部２０で取り込まれた被検出物の画像の面積又はこれと等価的な値を求める。特徴点抽出部３４は、画像取込部２０で取り込まれた画像の特徴点を抽出する。ここで特徴点とは、移動前後の２つの画像を比較して、その移動距離や移動方向、又は回転角度を特定するために参照可能な当該画像特有の形態を有する位置（領域）をいう。
【００３４】
画像登録部４０は、上述の登録画像を登録する処理を行う。より具体的には、画像登録部４０は、画像取込部２０で取り込まれた被検出物の各部位の画像をつなぎ合わせて１つの画像にする。そして、該画像の各部（例えば、各部の代表点）に、当該部に対応した被検出物の部位に関連付けられたパラメータの値を対応付けて、登録画像として登録する。ここで、画像取込部２０で取り込まれた被検出物の各部位の画像は、該被検出物を各方向から見た画像とすることができる。これにより、３次元形状の被検出物の表面の画像を登録画像として登録することができる。この場合、被検出物の部位に関連付けられたパラメータの値は、該被検出物を見る方向に対応した値とすることができる。本実施形態では、画像登録部４０は、登録画像生成部４２、登録画像特徴点抽出部４４、パラメータマッピング部４６を含む。登録画像生成部４２は、被検出物の各部位について画像取込部２０で取り込まれた１又は複数の画像をつなぎ合わせて１枚の画像を生成する。この結果、３次元形状の被検出物の表面を表す１枚の２次元の画像が得られる。登録画像特徴点抽出部４４は、登録画像生成部４２により生成された１枚の画像の特徴点を抽出する。本実施形態では、画像の特徴点（又は特徴点の分布）により、画像同士を比較（照合）し、処理の軽減及びデータ量の削減を図る。パラメータマッピング部４６は、登録画像特徴点抽出部４４により抽出された画像の各特徴点にパラメータの値をマッピングする（対応付ける）。
【００３５】
登録画像記憶部５０は、画像登録部４０で生成されパラメータの値がマッピングされた登録画像を記憶する。
【００３６】
制御情報出力部６０は、画像取込部２０で取り込まれた画像又は登録画像記憶部５０に記憶された登録画像を用いて、制御情報を出力する。この制御情報は、上述したように６軸方向の制御情報である。
【００３７】
図２に、６軸方向の制御情報の説明図を示す。６軸方向の制御情報とは、画像取込部２０の検出面（センサ面）２２上（又は検出面と平行な平面上）の互いに直交するＸ軸及びＹ軸（第１及び第２の軸）方向の位置Ｘ、Ｙ、該検出面に垂直な方向のＺ軸（第３の軸）方向の位置Ｚ、Ｘ軸方向の軸回りの回転角度α、Ｙ軸方向の軸回りの回転角度γ、Ｚ軸方向の軸回りの回転角度βの６軸方向について指示される情報である。Ｘ軸方向の位置Ｘ、Ｙ軸方向の位置Ｙ、Ｚ軸方向の位置Ｚ、Ｘ軸方向の軸回りの回転角度α、Ｚ軸方向の軸回りの回転角度β、Ｙ軸方向の軸回りの回転角度γには、それぞれ図２に示すように（＋）方向及び（−）方向が規定される。
【００３８】
本実施形態では、検出面上で規定されるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向の移動の他に各軸回りの回転角度をより少ない処理負荷で求めるために、登録画像、被検出物の画像、その面積又は特徴点を用いる。そのため、図１の制御情報出力部６０は、平面位置検出部７０、Ｚ軸位置検出部８０、回転角度検出部９０を含む。
【００３９】
平面位置検出部７０は、検出面上のＸ軸方向の位置を検出するＸ軸位置検出部７２、該検出面上のＹ軸方向の位置を検出するＹ軸位置検出部７４を含む。Ｘ軸位置検出部７２及びＹ軸位置検出部７４は、被検出物の画像が位置する検出面上の座標に基づいてＸ軸及びＹ軸方向の位置を検出し、検出したＸ軸及びＹ軸方向の位置に対応する制御情報を出力することができる。
【００４０】
Ｚ軸位置検出部８０は、該検出面と垂直なＺ軸方向の位置を検出する。より具体的には、Ｚ軸位置検出部８０は、面積算出部３２により求められた被検出物の画像の面積を用いてＺ軸方向の位置を検出し、検出したＺ軸方向の位置に対応する制御情報を出力することができる。Ｚ軸位置検出部８０は、例えば登録画像記憶部５０に記憶された登録画像の面積を基準にした面積算出部３２により求められた被検出物の画像の面積の比率に基づいて、Ｚ軸方向の位置を求めることができる。またＺ軸位置検出部８０は、例えば検出面２２における取り込み可能な最大面積を基準にした被検出物の画像の面積の比率に基づいて、Ｚ軸方向の位置を求めてもよい。
【００４１】
回転角度検出部９０は、Ｘ軸方向の軸回り、Ｙ軸方向の軸回り及びＺ軸方向の軸回りの被検出物の回転角度を求める。そのため、回転角度検出部９０は、Ｘ軸回り回転検出部９２、Ｙ軸回り回転検出部９４、Ｚ軸回り回転検出部９６を含む。Ｘ軸回り回転検出部９２は、特徴点抽出部３４により求められた被検出物の画像の特徴点を用いて、登録画像記憶部５０に記憶された登録画像のどの部分に位置するかを求める。そして、求められた登録画像の該当部分に関連付けられたパラメータの値に対応したＸ軸方向の軸回りの回転角度αを制御情報として出力する。Ｙ軸回り回転検出部９４は、Ｘ軸回り回転検出部９２と同様にして、求められた登録画像の該当部分に関連付けられたパラメータの値に対応したＹ軸方向の軸回りの回転角度γを制御情報として出力する。Ｚ軸回り回転検出部９６は、Ｘ軸回り回転検出部９２又はＹ軸回り回転検出部９４と同様にして、求められた登録画像の該当部分に関連付けられたパラメータの値に対応したＺ軸方向の軸回りの回転角度βを制御情報として出力する。
【００４２】
本実施形態では、検出面上で被検出物を滑らせて回転させた場合にもＸ軸、Ｙ軸又はＺ軸方向の位置を求めることができるようになっている。そのため、Ｘ軸位置検出部７２は、求めたＸ軸方向の位置に対し、Ｙ軸方向の軸回りの被検出物の回転を考慮した補正を行って、Ｘ軸方向の位置Ｘを制御情報として出力する。より具体的には、被検出物の検出面上の位置をＸｓｅｎｓｏｒ、Ｙ軸（第２の軸）回りの回転角度（第２の回転角度）をγとすると、（１）式のように表すことができる被検出物の検出面のＸ軸（第１の軸）方向の位置Ｘを求める。
【００４３】
Ｘ＝Ｘｓｅｎｓｏｒ−ａ・γ （ただし、０≦ａ≦１）・・・（１）
ここで、係数ａ（所与の第１の係数）はＹ軸方向の軸回りの回転角度γの重み付け係数である。重み付け係数ａが０のとき、Ｙ軸方向の軸回りの回転角度を一切考慮しないことを意味するので、検出面を被検出物が回転することなく移動する場合のＸ出力に適する。また検出面を滑らせずに回転させる場合に回転角度γを出力し、出力Ｘを変化させない場合に適する。また重み付け係数ａが１のとき、検出面を滑らせて被検出物が回転のみを行って移動しない場合に適する。重み付け係数ａは、ユーザのＸ軸方向の操作の癖を加味する等により決定されることが望ましい。
【００４４】
Ｙ軸位置検出部７４も同様に、求めたＹ軸方向の位置に対し、Ｘ軸方向の軸回りの被検出物の回転を考慮した補正を行って、Ｙ軸方向の位置Ｙを制御情報として出力する。より具体的には、被検出物の検出面上の位置をＹｓｅｎｓｏｒ、Ｘ軸（第１の軸）回りの回転角度（第１の回転角度）をαとすると、（２）式のように表すことができる被検出物の検出面のＸ軸方向の位置Ｙを求める。
【００４５】
Ｙ＝Ｙｓｅｎｓｏｒ−ｂ・α （ただし、０≦ｂ≦１）・・・（２）
ここで、係数ｂ（所与の第２の係数）はＸ軸方向の軸回りの回転角度αの重み付け係数である。重み付け係数ｂが０のとき、Ｘ軸方向の軸回りの回転角度を一切考慮しないことを意味するので、検出面を被検出物が回転することなく移動する場合のＹ出力に適する。また検出面を滑らせずに回転させる場合に、回転角度αを出力し、出力Ｙを変化させない場合に適する。また重み付け係数ｂが１のとき、検出面を滑らせて被検出物が回転のみを行って移動しない場合に適する。重み付け係数ｂは、ユーザのＹ軸方向の操作の癖を加味する等により決定されることが望ましい。
【００４６】
Ｚ軸位置検出部８０も同様に、求めたＺ軸方向の位置に対し、Ｘ軸及びＹ軸方向の軸回りの被検出物の回転を考慮した補正を行って、Ｚ軸方向の位置Ｚを制御情報として出力する。より具体的には、被検出物の検出面のＺ軸方向の位置をＺｓｅｎｓｏｒとすると、（３）式のように表すことができる被検出物の検出面のＺ軸方向の位置Ｚを求める。
【００４７】
Ｚ＝Ｚｓｅｎｓｏｒ＋ｆ（γ）＋ｇ（α） ・・・（３）
ここで、関数ｆ（γ）は、回転角度γを変数とする関数である。関数ｆ（γ）としては、原点を基準に変数γの絶対値に対して対称な関数であることが望ましい。例えば関数ｆ（γ）としては、原点を通る２次関数を採用することができる。また関数ｇ（α）は、回転角度αを変数とする関数である。関数ｇ（α）としては、原点を通る任意の関数を採用することができる。関数ｆ（γ）、ｇ（α）については、回転角度γ、αが求められるたびに関数値を求めてもよい。また、予め変数γ、αに対応した関数値をテーブル化し、回転角度γ、αが求められるたびにテーブルを参照するようにしてもよい。なお、指の形、柔らかさによって異なり、予め補正値を登録画像にマッピングしておいてもよい。（３）式によれば、同じ圧力で指を押し当てていても、指を傾けると検出面に接する面積までもが変化してしまうため、上記の式のように補正することで面積の変化をＺとして誤った情報が出力されることを回避することができる。
【００４８】
また被検出物の検出面のＺ軸方向の位置Ｚは、（３）´式のように回転角度γ、αに対して線形変化するものとして求めるようにしても良い。
【００４９】
Ｚ＝Ｚｓｅｎｓｏｒ−ｃ・γ−ｄ・α（但し、０≦ｃ，ｄ≦１）・・（３）´
ここで、係数ｃ（所与の第３の係数）はＹ軸方向の軸回りの回転角度γの重み付け係数である。係数ｄ（所与の第４の係数）はＸ軸方向の軸回りの回転角度αの重み付け係数である。重み付け係数ｃ（ｄ）が０のとき、Ｙ（Ｘ）軸方向の軸回りの回転角度を一切考慮しないことを意味するので、検出面を被検出物が回転することなく移動する場合のＺ出力に適する。また検出面を滑らせずに回転させる場合に、回転角度γ、αを出力しＺ出力を変化させないようにする場合に適する。また重み付け係数ｃ（ｄ）が１のとき、検出面を滑らせて被検出物が回転のみを行って移動しない場合に適する。重み付け係数ｃ、ｄは、ユーザのＸ軸方向、Ｙ軸方向の操作の癖がＺ軸方向の移動に与える影響を加味する等により決定されることが望ましい。
【００５０】
以下では、このような入力装置について具体的に説明する。なお以下に述べる入力装置は、指紋センサを用いるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００５１】
図３に、指紋センサを用いた入力装置の外観構成の概要を示す。ここでは、本実施形態における入力装置が、ＩＣカード（広義には、情報装置）１００に実装される場合を示している。ＩＣカード１００は、内部にＣＰＵやメモリ素子を有する。これにより、ＩＣカード１００では、機密保持性を向上させると共に、情報処理による高度な情報をより多くの記憶させることが可能となる。そして、本実施形態における入力装置を用いることで、超小型かつ超軽量な構成で、ユーザの多様な操作を反映させた情報処理を行うことができる。
【００５２】
図３において、入力装置としての指紋センサの検出面２２に、指紋パターンが形成されたユーザの指（広義には、被検出物）１０２を接触させることにより、指紋画像が取り込まれる。そして、検出面２２上に規定される３次元空間において検出されたユーザによる指１０２の６軸方向の移動により、対応する制御情報が出力される。ＩＣカード１００では、該制御情報に基づく処理が行われる。例えばＩＣカード１００に液晶パネルが設けられている場合には、液晶パネルに表示されるポインタの移動や表示画像のスクロール等の表示制御が行われる。なお入力装置が３次元ＣＡＤ装置に適用される場合には、操作対象の物体の回転或いは視点の移動の制御が行われることになる。
【００５３】
図４に、入力装置のハードウェア構成例を示す。入力装置１２０では、バス１２２に、ＣＰＵ１２４、ＲＯＭ１２６、ＲＡＭ１２８、指紋センサインタフェース（InterFace：Ｉ／Ｆ）回路１３０が接続される。指紋センサＩ／Ｆ回路１３０には、指紋センサ１３２が接続される。またバス１２２にＵＳＢＩ／Ｆ回路１３４が接続される。ＵＳＢＩ／Ｆ回路１３４は、外部でパソコン１４０等のＵＳＢ規格上のホスト装置若しくはペリフェラル装置に接続される。
【００５４】
ここで主に指紋センサ１３２及び指紋センサＩ／Ｆ回路１３０により、図１に示す画像取込部２０の機能が実現される。指紋センサ１３２により取り込まれた指紋画像は、指紋センサＩ／Ｆ回路１３０を介してＲＡＭ１２８に蓄積される。ＣＰＵ１２４と、ＲＯＭ１２６若しくはＲＡＭ１２８に格納されたソフトウェアプログラムとにより、図１に示す画像解析部３０、画像登録部４０及び制御情報出力部６０の機能が実現される。ＲＡＭ１２８により、図１に示す登録画像記憶部５０の機能が実現される。
【００５５】
１．２ 指紋センサ
図５に、指紋センサ１３２の一例を示す。図５において、Ｍ本（Ｍは２以上の整数）の電源線２００と、Ｎ本（Ｎは２以上の整数）の出力線２０２とを有する。Ｍ本の電源線２００とＮ本の出力線２０２の各交点には静電容量検出素子２０４が設けられている。図５に示す静電容量検出素子２０４は、指が接触したときの閉回路として図示されており、指の凹凸パターンに依存して変化する可変容量ＣＦと、信号増幅素子例えば信号増幅ＭＩＳ型薄膜半導体装置（以下信号増幅用ＴＦＴと略記する）２０６とを有する。静電容量検出素子２０４に指が接触していないときには、可変容量ＣＦの接地端側はオープン状態である。なお、可変容量ＣＦについては後述する。
【００５６】
Ｍ本の電源線２００の各々は、対応する行に沿って配列されたＮ個の信号増幅用ＴＦＴ２０６のドレインＤに接続されている。また、Ｍ本の電源線２００の各々は、Ｍ個の電源用パスゲート２１０の各々を介して共通電源線２１２に接続されている。すなわち、電源用パスゲート２１０はＭＩＳ型薄膜半導体装置にて形成され、そのソースＳは電源線２００に接続され、そのドレインＤは共通電源線２１２に接続されている。電源選択回路２２０内には、上述のＭ個の電源用パスゲート２１０及び共通電源線２１２に加えて、電源用シフトレジスタ２２２が設けられている。電源用シフトレジスタ２２２の電源選択用出力線２２４に、Ｍ個の電源用パスゲート２１０の各ゲートＧが接続されている。
【００５７】
Ｎ本の出力線２０２各々は、対応する列に沿って配列されたＭ個の信号増幅用ＴＦＴ２０６のソースＳに接続されている。また、Ｎ本の出力線２０２の各々は、Ｎ個の出力信号用パスゲート２３０の各々を介して共通出力線２３２に接続されている。すなわち、出力信号用パスゲート２３０はＭＩＳ型薄膜半導体装置にて形成され、そのドレインＤは出力線２０２に接続され、そのソースＳは共通出力線２３２に接続されている。出力信号選択回路２４０内には、上述のＮ個の出力信号用パスゲート２３０及び共通出力線２３２に加えて、出力信号用シフトレジスタ２４２が設けられている。出力信号用シフトレジスタ２４２の出力選択用出力線２４４に、出力信号用パスゲート２３０のゲートＧが接続されている。
【００５８】
図６は、図５に示す静電容量検出素子２０４の断面図であり、指が接触されていない状態が図示されている。この静電容量検出素子２０４は、上述の信号増幅素子である信号増幅用ＴＦＴ２０６に加えて、信号検出素子２０８を有する。
【００５９】
図６において、絶縁層２５０上には、ソース領域２５２Ａ、ドレイン領域２５２Ｂ及びその間のチャネル領域２５２Ｃを有する半導体膜２５２が形成されている。半導体膜２５２上にはゲート絶縁膜２５４が形成され、このゲート絶縁膜２５４を挟んでチャネル領域２５２Ｃと対向する領域にゲート電極２５６が形成されている。この半導体膜２５２、ゲート絶縁膜２５４及びゲート電極２５６で、信号増幅用ＴＦＴ２０６が構成される。なお、電源用パスゲート２１０及び出力信号用パスゲート２３０も、信号増幅用ＴＦＴ２０６と同様にして形成される。
【００６０】
この信号用ＴＦＴ２０６は第一層間絶縁膜２６０により被われている。第一層間絶縁膜２６０上には、図５に示す出力線２０２に相当する第一配線層２６２が形成されている。この第一配線層２６２は信号用ＴＦＴ２０６のソース領域２５２Ａに接続されている。
【００６１】
第一配線層２６２は第二層間絶縁膜２６４により被われている。この第二層間絶縁膜２６４上には、図５に示す電源線２００に相当する第二配線層２６６が形成されている。この第二配線層２６６は、信号増幅用ＴＦＴ２０６のドレイン領域２５２Ｂに接続されている。なお、図６とは異なる構造として、第二配線層２６６を第一層間絶縁膜２６０上に形成し、第一配線層２６２を第二層間絶縁膜２６４上に形成してもよい。
【００６２】
第二層間絶縁膜２６４上にはさらに、容量検出電極２７０が形成され、それを被って容量検出誘電体膜２７２が形成されている。容量検出誘電体膜２７２は、指紋センサ１３２の最表面に位置して保護膜としても機能し、この容量検出誘電体膜２７２に指が接触される。この容量検出電極２７０及び容量検出誘電体膜２７２により、信号検出素子２０８が構成される。
【００６３】
１．２．１ 指紋検出動作
指紋検出は、図６に示す容量検出誘電体膜２７２に指を接触させることで実施される。このとき、指紋センサ１３２の起動スイッチ（例えば感圧スイッチ）４２が作動し、入力装置１２０内の電源が作動して、自動的に、指紋センサ１３２に電源が供給される。或いは、入力装置１２０をパソコン１４０にセットし、パソコン１４０の給電部より電源が供給されても良い。
【００６４】
本実施形態では、図５に示すＭ本のうち選択された１本の電源線２００に電源電圧を供給し、かつ、そのときの信号を、Ｎ本のうち選択された１本の出力線２０２から検出することで、Ｍ×Ｎ個の静電容量検出素子２０４から順次信号を取り出している。
【００６５】
指紋検出動作は大別して、（１）指紋パターンの山（凸部）が容量検出誘電体膜２７２に接触する場合と、（２）指紋パターンの谷（凹部）が容量検出誘電体膜２７２に対向する場合とがある。
【００６６】
（１）指紋パターンの山（凸部）が容量検出誘電体膜２７２に接触する場合
図７に、この場合の静電容量検出素子２０４の等価回路を示す。符号３００は人体の指紋の山に相当し、図６の容量検出電極２７０と誘電体膜２７２を挟んで対向する接地電極３００が形成されている。ここで、電源電圧Ｖｄｄは共通電源線２１２より供給される。符号ＣＴは、信号増幅用ＴＦＴ２０６のトランジスタ容量であり、符号ＣＤは検出電極２７０と接地電極（指）３００との間の容量である。
【００６７】
ここで、信号増幅用ＴＦＴ２０６のゲート電極長をＬ（μｍ）、ゲート電極幅をＷ（μｍ）、ゲート絶縁膜の厚みをｔｏｘ（μｍ）、ゲート絶縁膜の比誘電率をεｏｘ、真空の誘電率をεｏとする。このとき、トランジスタ容量ＣＴは、（４）式のようになる。
【００６８】
ＣＴ＝εｏ・εｏｘ・Ｌ・Ｗ／ｔｏｘ ・・・（４）
また、容量検出電極２７０の面積Ｓ（μｍ２）、容量検出誘電体膜２７２の厚みをｔｄ（μｍ）、容量検出誘電体膜の比誘電率をεｄとする。このとき、容量ＣＤは、（５）式のようになる。
【００６９】
ＣＤ＝εｏ・εｄ・Ｓ／ｔｄ ・・・（５）
図７の等価回路において、信号増幅用ＴＦＴ２０６のゲートに印加される電圧ＶＧＴは、次式のようになる。
【００７０】
ＶＧＴ＝Ｖｄｄ／（１＋ＣＤ／ＣＴ） ・・・（６）
容量ＣＤをトランジスタ容量ＣＴよりも充分に大きく設定しておけば（例えばＣＤ＞１０×ＣＴ）、（６）式の分母は無限大となり、次式にように近似される。
【００７１】
ＶＧＴ≒０ ・・・（７）
この結果、信号増幅用ＴＦＴ２０６は、そのゲートにほとんど電圧がかからないためオフ状態となる。よって、信号増幅用ＴＦＴ２０６のソース−ドレイン間に流れる電流Ｉは極めて小さくなる。この電流Ｉを測定することで、測定箇所が指紋パターンの山（凸部）であることが判定できる。
【００７２】
（２）指紋パターンの谷（凹部）が容量検出誘電体膜２７２に対向する場合
図８に、この場合の静電容量検出素子２０４の等価回路を示す。符号３０２が人体の指紋の谷に相当する。この場合は、図７に示す容量ＣＤに加えて、誘電体膜２７２と指紋の谷との間に、空気を誘電体とする新たな容量ＣＡが形成される。
【００７３】
図８の等価回路において、信号増幅用ＴＦＴ２０６のゲートに印加される電圧ＶＧＶは、次式のようになる。
ＶＧＶ＝Ｖｄｄ／｛［１＋（１／ＣＴ）］×１／［（１／ＣＤ）＋（１／ＣＡ）］｝ ・・・（８）
容量ＣＤをトランジスタ容量ＣＴよりも充分に大きく設定しておけば（例えばＣＤ＞１０×ＣＴ）、（８）式は次式のように近似される。
【００７４】
ＶＧＶ≒Ｖｄｄ／［１＋（ＣＡ／ＣＴ）］ ・・・（９）
さらに、トランジスタ容量ＣＴを、指紋の谷により形成される容量ＣＡよりも充分に大きくしておけば（例えばＣＴ＞１０×ＣＡ）、（９）式は次式のように近似される。
【００７５】
ＶＧＶ≒Ｖｄｄ ・・・（１０）
この結果、信号増幅用ＴＦＴ２０６は、そのゲートに電源電圧Ｖｄｄがかかるためオン状態となる。よって、信号増幅用ＴＦＴ２０６のソース−ドレイン間に流れる電流Ｉは極めて大きくなる。この電流Ｉを測定することで、測定箇所が指紋パターンの谷（凹部）であることが判定できる。
【００７６】
このように、図５に示す可変容量ＣＦは、指紋の山が容量検出誘電体膜２７２に接触した時は容量ＣＤとなり、指紋の谷が容量検出誘電体膜２７２に対向としたときは容量ＣＤと容量ＣＡとの和となり、指紋の凹凸に従って容量が変化する。この指紋の凹凸に従った容量変化に基づく電流を検出することで、指紋の山または谷を検出できる。
【００７７】
以上の動作を、Ｍ×Ｎ個の静電容量検出素子２０４にて時分割で実施することで、指紋パターンを検出することが可能となる。より具体的には、第１行の各列に位置する静電容量検出素子を順に指紋の凹凸を検出した後、第２行の指紋の凹凸を検出するといったように、ピクセルごとに指紋の凹凸を検出していく。その結果、例えば図９（Ａ）、（Ｂ）に示すような指紋画像を得ることができる。本実施形態では、この指紋センサ１３２を用いて周期的に指紋画像を取り込む。
【００７８】
なお、電源電圧Ｖｄｄに正電源を用いる場合には、ゲート電圧がゼロ近傍でドレイン電流が流れないエンハンスメント型Ｎ型トランジスタにて、信号増幅用ＴＦＴ２０６を形成すればよい。ＣＤ＞１０×ＣＴを満たす場合には、信号増幅用ＴＦＴ２０６の伝達特性におけるドレイン電流が最小値となるゲート電圧（最小ゲート電圧）をＶｍｉｎとしたとき、０＜Ｖｍｉｎ＜０．１×Ｖｄｄを満たせばよい。
【００７９】
電源電圧Ｖｄｄに負電源を用いる場合には、ゲート電圧がゼロ近傍でドレイン電流が流れないエンハンスメント型Ｐ型トランジスタにて、信号増幅用ＴＦＴ２０６を形成すればよい。ＣＤ＞１０×ＣＴを満たす場合には、信号増幅用ＴＦＴ２０６の伝達特性におけるドレイン電流が最小値となるゲート電圧（最小ゲート電圧）をＶｍｉｎとしたとき、０．１×Ｖｄｄ＜Ｖｍｉｎ＜０を満たせばよい。
【００８０】
本実施形態では、このようにして取り込まれた指紋画像を用いて制御情報を出力する。この際、取り込まれた指紋画像の特徴点を用いることで、処理負荷を軽減する。
【００８１】
図９（Ａ）、（Ｂ）に、指紋の特徴点の一例を示す。図９（Ａ）は、指紋の分岐点の一例を示す。図９（Ｂ）は、指紋の端点の一例を示す。指紋センサ１３２で取り込まれた指紋画像について、例えば指紋の分岐点が抽出される。図９（Ａ）、（Ｂ）では、指紋画像は、指紋の凸部である稜線の形態を表している。ここで指紋の分岐点は、指紋の稜線が２以上の稜線に分岐する部分である。また指紋の端点は、指紋の稜線が終端する部分である。
【００８２】
指紋の形態が同一となることがないため、その分岐点又は端点の分布も個人によって異なる。したがって、指紋画像の分岐点又は端点を求めることができれば、求めた分岐点又は端点の分布のみを比較すればよいので、比較すべき情報量が少なくなり比較処理の負荷を軽減することができる。
【００８３】
１．３ 動作フロー
図１０及び図１１に、本実施形態における入力装置の処理フローの一例を示す。図１０に示す処理を実行するためのプログラムが、ＲＯＭ１２６又はＲＡＭ１２８に格納される。ＣＰＵ１２４は、このプログラムにしたがって処理を行う。
【００８４】
まず入力装置では、登録モードにおいて、取り込み対象のユーザの指の指紋の登録が行われる。その際、３次元形状の指の指紋について１枚の画像を登録指紋画像として登録する。そのため指の各部位の画像を取り込んで、１つの登録指紋画像を生成する。まず指の原点位置として、指を指紋センサ１３２のセンサ面（検出面）に対して自然な角度（例えば、センサ面と指とのなす角が１５度）で押し当てた状態の指紋画像を取り込む。ＣＰＵ１２４は、指紋センサＩ／Ｆ回路１３０を介して指紋センサ１３２により指紋画像を取り込み、当該指紋画像を原点位置に対応付けて記憶する（ステップＳ４００）。
【００８５】
次に、指を最大限（概ね回転角度γが−４５度）左に傾けた状態で指紋センサ１３２により指紋画像を取り込む。ＣＰＵ１２４は、指紋センサＩ／Ｆ回路１３０を介して指紋センサ１３２により指紋画像を取り込み、当該指紋画像を回転角度γに対応付けて記憶する（ステップＳ４０１）。
【００８６】
続いて、指を最大限（概ね回転角度γが４５度）右に傾けた状態で指紋センサ１３２により指紋画像を取り込む。ＣＰＵ１２４は、指紋センサＩ／Ｆ回路１３０を介して指紋センサ１３２により指紋画像を取り込み、当該指紋画像を回転角度γに対応付けて記憶する（ステップＳ４０２）。
【００８７】
さらに、指を最大限手前に（概ねセンサ面と指とのなす角（回転角度α）が０度（水平））傾けた状態で指紋センサ１３２により指紋画像を取り込む。ＣＰＵ１２４は、指紋センサＩ／Ｆ回路１３０を介して指紋センサ１３２により指紋画像を取り込み、当該指紋画像を回転角度αに対応付けて記憶する（ステップＳ４０３）。
【００８８】
さらに続いて、指を最大限奥に（概ね回転角度αが６０度）傾けた状態で指紋センサ１３２により指紋画像を取り込む。ＣＰＵ１２４は、指紋センサＩ／Ｆ回路１３０を介して指紋センサ１３２により指紋画像を取り込み、当該指紋画像を回転角度αに対応付けて記憶する（ステップＳ４０４）。
【００８９】
そしてＣＰＵ１２４は、これら５つの画像をつなぎ合わせて１つの登録指紋画像を生成する（ステップＳ４０５）。このとき、各画像を精度良く、かつ高速につなぎ合わせる処理を行うために、原点位置における指紋画像を取り込む際に強く指紋センサ１３２のセンサ面に押し当てた状態で登録しておくことが望ましい。こうすることで原点位置における指紋画像として取り込まれる指紋パターンの範囲が広がり、他の指紋画像の指紋パターンと効率良くつなぎ合わせることができるようになる。また、Ｚが最小となる画像（基準）も得ることができる。
【００９０】
図１２（Ａ）〜（Ｃ）及び図１３（Ａ）、（Ｂ）に、登録指紋画像を生成するための指の各部位の画像の一例を示す。図１２（Ａ）は、図１０に示すステップＳ４００において、指紋センサ１３２のセンサ面の検出エリア５００内で取り込まれた原点位置における指の指紋画像５０２の一例である。図１２（Ｂ）は、図１０に示すステップＳ４０１において、検出エリア５００内で取り込まれた指の左側面付近の指紋画像５０４の一例である。図１２（Ｃ）は、図１０に示すステップＳ４０２において、検出エリア５００内で取り込まれた指の右側面付近の指紋画像５０６の一例である。図１３（Ａ）は、図１０に示すステップＳ４０３において、検出エリア５００内で取り込まれた指の関節側の指紋画像５０８の一例である。図１３（Ｂ）は、図１０に示すステップＳ４０４において、検出エリア５００内で取り込まれた指の先端側の指紋画像５１０の一例である。
【００９１】
図１２（Ａ）の指紋画像５０２を基準にすると、図１２（Ｂ）の指紋画像５０４が、指紋センサの検出面上のＹ軸方向の軸回りの（−）方向に回転させた場合の指紋画像に相当する。同様に、図１２（Ｃ）の指紋画像５０６が、指紋センサの検出面上のＹ軸方向の軸回りの（＋）方向に回転させた場合の指紋画像に相当する。また図１３（Ａ）の指紋画像５０８が、指紋センサの検出面上のＸ軸方向の軸回りの（−）方向に回転させた場合の指紋画像に相当する。さらに図１３（Ｂ）の指紋画像５１０が、指紋センサの検出面上のＸ軸方向の軸回りの（＋）方向の回転させた場合の指紋画像に相当する。
【００９２】
図１４に、登録指紋画像の一例を示す。図１４において、登録指紋画像５２０は、図１０示すステップＳ４０５において、図１２（Ａ）〜（Ｃ）、図１３（Ａ）、（Ｂ）に示す指紋の各部位の指紋画像５０２、５０４、５０６、５０８、５１０をつなぎ合わせることで生成される。
【００９３】
図１０に戻って説明を続ける。以上のようにして登録指紋画像を生成すると、入力装置では、登録指紋画像の各部に回転角度α、γを関連付ける。また（３）式で示した関数ｆ（γ）、ｇ（α）の補正値も、登録指紋画像の各部に関連付けるようにしても良い。そのため、本実施形態における入力装置では、ステップＳ４０５で登録指紋画像が生成されると、ＣＰＵ１２４は該登録指紋画像の特徴点を抽出する（ステップＳ４０６）。ここで特徴点は、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すような指紋の山（稜線部分）の端点や分岐点等である。
【００９４】
続いてＣＰＵ１２４は、ステップＳ４０６で抽出された登録指紋画像の特徴点に、回転角度α、γ（広義には、パラメータの値）をマッピングする（ステップＳ４０７）。
【００９５】
図１５（Ａ）、（Ｂ）に、登録指紋画像のマッピング処理についての図を示す。図１５（Ａ）では、登録指紋画像５２０について特徴点Ｃ１〜Ｃ５が抽出されている。この場合、特徴点Ｃｉ（１≦ｉ≦５、ｉは整数）に、回転角度α、γの対が（αｉ，γｉ）としてマッピングされる。ここで、登録時において指紋画像５０８に「−αｍ」、指紋画像５１０に「＋αｎ」が対応付けられている。そのため、「−αｍ」、「＋αｎ」を登録指紋画像５２０の基準マッピング位置を決めることで、各特徴点Ｃｉの回転角度αｉは、基準マッピング位置を基準とした特徴点の位置に応じてマッピングすることが可能となる。例えば特徴点Ｃ１に「−αｍ」、特徴点Ｃ４に「＋αｎ」がそれぞれマッピングした場合、回転角度α３は、登録指紋画像における特徴点Ｃ１、Ｃ４のＹ軸方向の長さを内分する特徴点Ｃ３のＹ座標に応じて定めることが可能となる。同様にして、回転角度γについても、Ｘ座標に応じて定めることができる。
【００９６】
また、上述した特徴点のみならず、図１５（Ｂ）に示すように登録指紋画像５２０の任意の点Ｐに（αｐ，γｐ）をマッピングするようにしても良い。この場合、例えば近傍の３つの特徴点Ｃｉ−１、Ｃｉ、Ｃｉ＋１にマッピングされた回転角度α、γを内分して、点Ｐにマッピングする回転角度αｐ、γｐを求めてもよい。
【００９７】
図１１に戻って説明を続ける。このようにしてステップＳ４０７で登録指紋画像に回転角度α、γをマッピングすると、ＣＰＵ１２４によって、指紋センサ１３２により新たな指紋画像の取り込みを行う（ステップＳ４０８）。
【００９８】
そして、指紋センサ１３２のセンサ面の検出エリア５００において、指が接触する位置からＸ軸方向の位置Ｘ、Ｙ軸方向の位置Ｙを求める（ステップＳ４０９）。
【００９９】
図１６に、Ｘ軸方向の位置Ｘ、Ｙ軸方向の位置Ｙを求める処理の手法を説明するための図である。指紋センサ１３２により、検出エリア５００内でＸ軸及びＹ軸方向で走査されて、図１６に示す位置において指紋画像５３０が取り込まれたものとする。ここで指紋画像５３０の輪郭のＸ軸方向の最大値及び最小値をＸＥ、ＸＳ、Ｙ軸方向の最大値及び最小値をＹＥ、ＹＳとする。図１１に示すステップＳ４０９で求める位置（Ｘ，Ｙ）は、例えば（ＸＳ，ＹＳ）や、（ＸＥ，ＹＥ）や、（（ＸＳ＋ＸＥ）／２，（ＹＳ＋ＹＥ）／２）とすることができる。いずれの方法によっても、取り込まれた指紋画像のＸ軸及びＹ軸方向の位置を特定することができる。
【０１００】
図１１のステップＳ４０９でＸ軸、Ｙ軸方向の位置が求められると、取り込まれた指紋画像の接触面積からセンサ面と垂直なＺ軸方向の位置を求める（ステップＳ４１０）。
【０１０１】
図１７に、指紋画像の面積を算出する手法についての図を示す。検出エリア５００内の指紋画像５３０が取り込まれる際、指紋センサ１３２では、Ｘ軸方向については、指紋の山又は谷の検出が開始される出力線Ｏ１と、指紋の山又は谷が検出されなくなる出力線Ｏ２とにより、指紋の山又は谷が検出される出力線の数Ｏｃを特定することができる。Ｙ軸方向については、同様に、指紋の山又は谷の検出が開始される電源線Ｄ１と、指紋の山又は谷が検出されなくなる電源線Ｄ２とにより、検出される電源線の数Ｄｃを特定することができる。したがって、出力線の数Ｏｃと電源線の数Ｄｃとにより、指紋画像５３０の面積と等価的な値を求めることができる。このように、指紋センサ１３２の電源線及び出力線を特定することにより、取り込まれた指紋画像の輪郭に外接する矩形を容易に求めることができるので、指紋画像の面積算出の処理負荷を軽減することができる。
【０１０２】
なお、ＣＰＵによる処理において、取得した画像に外接する矩形を求め、該画像の面積算出を行っても良い。
【０１０３】
以上のようにして指紋画像５３０の面積（又はこれと等価的な値）が求められると、ステップＳ４００で登録された原点位置の指紋画像５０２（図１２（Ａ））の面積を基準に、Ｚ軸方向の位置Ｚを求める。例えば、原点位置の指紋画像の面積をＳ０、図１７に示す指紋画像５３０の面積をＳ１とすると、Ｚ軸方向の位置Ｚは、（１１）式のように求めることができる。
【０１０４】
Ｚ＝ｅ・（Ｓ１−Ｓ０） （ただし、０≦ｅ≦１） ・・・（１１）
ここで、係数ｅ（所与の第５の係数）は、Ｚ軸方向の位置を求めるための径数である。係数ｅは、ユーザのＺ軸方向の操作の癖等を加味して決定されされることが望ましい。
【０１０５】
また原点位置の指紋画像と、Ｚ軸方向の位置が最大となるように強く押し当てた指紋画像とを予め登録し、それぞれの面積を基準に図１７に示す指紋画像５３０の面積に対応するＺ軸方向の位置を求めるようにしてもよい。この場合、より精度高くＺ軸方向の位置Ｚを求めることができる。
【０１０６】
このようにしてステップＳ４１０でＺ軸方向の位置Ｚを求めると、次にステップＳ４０８で取り込んだ指紋画像の特徴点を抽出する（ステップＳ４１１）。
【０１０７】
そして、ステップＳ４１１で抽出された指紋画像の特徴点と、登録指紋画像の特徴点とを比較する。より具体的には、両画像の特徴点の位置関係の類似性が最も高く位置を探索することで、ステップＳ４０８で取り込まれた指紋画像が、登録指紋画像のどの部分に相当するかを探す照合処理を行う。その結果、探し出された登録指紋画像の該当部分にマッピングされた回転角度α、γ（又は回転角度α、γに対応した制御情報）を出力する（ステップＳ４１２）。また、回転した方が類似度が高まる場合は、Ｚ軸方向の軸回りの回転角度βを求める。
【０１０８】
図１８（Ａ）、（Ｂ）に、特徴点の照合処理の一例を模式的に示す。図１３（Ａ）、（Ｂ）において、登録指紋画像から抽出された特徴点Ｐｒ、Ｑｒ、Ｒｒが、ステップＳ４０８で取り込まれた指紋画像の特徴点Ｐ、Ｑ、Ｒの位置に移動したものとする。ＣＰＵ１２４では、照合処理において、図１３（Ａ）に示すように、３以上の抽出された特徴点のうち少なくとも特徴点Ｐｆ、Ｑｆ、Ｒｆの３点が、それぞれ対応する特徴点Ｐｆ＋１、Ｑｆ＋１、Ｒｆ＋１に一致するようにＸ軸方向及びＹ軸方向の移動させて、登録指紋画像の該当部分を求める。
【０１０９】
また、ＣＰＵ１２４では、照合処理において、図１３（Ｂ）に示すように、３以上の抽出された特徴点のうち少なくとも特徴点Ｐｒ、Ｑｒ、Ｒｒの３点が、それぞれ対応する特徴点Ｐ、Ｑ、Ｒに一致するように、基準点ｅと、該基準点ｅを中心としたＺ軸方向の軸回りの回転角度βとを求める。
【０１１０】
このようにして回転角度α、γ、βを求めると、ＣＰＵ１２４は、Ｘ軸方向の位置Ｘ、Ｙ軸方向の位置、Ｚ軸方向の位置Ｚ、回転角度α、γ、βに対応する制御情報を出力する（ステップＳ４１３）。例えば、位置Ｘを（１）式のように補正して出力させる。また位置Ｙを（２）式のように補正して出力させる。さらに位置Ｚを（３）式のように補正して出力させる。ここで、ＣＰＵ１２４は、Ｘ軸方向の位置Ｘ、Ｙ軸方向の位置、Ｚ軸方向の位置Ｚ、回転角度α、γ、βをそのまま制御情報として出力させても良い。
【０１１１】
次に、終了するときは（ステップＳ４１４：Ｙ）、一連の処理を終了する（エンド）が、終了しないときは（ステップＳ４１４：Ｎ）、ステップＳ４００に戻る。
【０１１２】
以上説明したように、指紋の各部位に対応する登録指紋画像の該当部分に、６軸方向のうち少なくとも１つ（本実施形態では２軸）の方向の制御指示を行うためのパラメータの値を関連付け、取り込んだ指紋画像が該当する登録指紋画像の部分に関連付けられたパラメータの値に対応した制御情報を出力させる。これにより、指紋センサ１３２のセンサ面上のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の制御情報のみならず、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の軸回りの回転角度に対応した制御情報をも出力することができる。したがって、超軽量及び超小型化を図ると共に、これまで以上に操作性を向上することができる入力装置を提供することができる。
【０１１３】
（変形例）
なお上述の実施形態では、指紋画像の輪郭により検出面における位置（Ｘｓｅｎｓｏｒ，Ｙｓｅｎｓｏｒ）を求めていたが、これに限定されるものではない。例えば指紋画像の特徴点を用いて、基準位置からの特徴点の位置のずれに対応した位置（ＸＰ，ＹＰ）を求めても良い。
【０１１４】
この場合、被検出物の検出面における位置は、（１）、（２）式に代えて次式で表すことができる。
【０１１５】
Ｘ＝ＸＰ−ａ・γ ・・・（１２）
Ｙ＝ＹＰ−ｂ・α ・・・（１３）
この場合にも、本実施形態と同様に制御情報を生成することができる。そして、特に上述の静電容量方式の指紋センサを用いることで、高感度、超小型、超軽量、かつ低消費電力であって、６軸方向の制御指示が可能な入力装置を提供することができる。
【０１１６】
２． 情報装置
図１９に、本実施形態における入力装置が適用されるＩＣカードの構成ブロック図の一例を示す。ＩＣカード６００は、上述した指紋センサを用いた入力装置６１０と、画像生成部（広義には所定の制御対象の制御処理を行う処理部）６２０と、表示部６３０とを含む。入力装置６１０は、図１又は図４で説明した入力装置である。画像生成部６２０は、ＣＰＵ、及びＲＯＭ又はＲＡＭに格納されたソフトウェアプログラムにより実現される。表示部６３０は、ＬＣＤパネル及びその駆動回路により実現される。
【０１１７】
ここで画像生成部６２０は、入力装置６１０から出力された制御情報に基づいて画像データを生成する（広義には制御処理を行う）。より具体的には、入力装置６１０により６軸方向の移動指示に対応して変化する画像の画像データを生成する。表示部６３０は、画像生成部６２０で生成された画像データに基づいて画像表示を行う。
【０１１８】
このような構成のＩＣカード６００では、ユーザが入力装置６００に指の指紋画像を６軸方向に移動させて、移動指示を行うことで、表示部６３０に表示されるポインタを移動させたり、表示部６３０の画像をスクロールさせたりすることができるようになる。
【０１１９】
なおここでは、情報装置としてＩＣカードを例に説明したが、ＰＤＡ、携帯電話、３次元ＣＡＤ装置、仮想現実体験装置又は電子楽器等に本実施形態に係る入力装置を適用することができる。
【０１２０】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【０１２１】
例えば本実施形態では、指紋センサを用いた入力装置について説明したが、これに限定されるものではなく、指紋以外の２次元又は３次元の物体の画像を取り込んで同様に制御情報を出力させることができる。また検出面を有さない入力装置についても同様に適用することができる。
【０１２２】
また、本発明のうち従属請求項に係る発明においては、従属先の請求項の構成要件の一部を省略する構成とすることもできる。また、本発明の１の独立請求項に係る発明の要部を、他の独立請求項に従属させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施形態における入力装置の構成ブロック図。
【図２】 ６軸方向の制御情報の説明図。
【図３】 指紋センサを用いた入力装置の概要を示す外観構成図。
【図４】 入力装置のハードウェア構成例を示すブロック図。
【図５】 指紋センサの一例を示す回路構成図。
【図６】 静電容量検出素子の断面図。
【図７】 指紋の山が接触する場合の静電容量検出素子の等価回路図。
【図８】 指紋の谷が対向する場合の静電容量検出素子の等価回路図。
【図９】 図９（Ａ）、（Ｂ）は指紋の特徴点の一例を示す説明図。
【図１０】 入力装置の処理フローの一例の前半を示すフロー図。
【図１１】 入力装置の処理フローの一例の後半を示すフロー図。
【図１２】 図１２（Ａ）〜（Ｃ）は指の各部位の指紋画像の一例の説明図。
【図１３】 図１３（Ａ）、（Ｂ）は指の各部位の指紋画像の他の例の説明図。
【図１４】 登録指紋画像の一例を示す説明図。
【図１５】 図１５（Ａ）、（Ｂ）は登録指紋画像に回転角度をマッピングする手法の説明図。
【図１６】 指紋センサ上の位置を求める手法の説明図。
【図１７】 指紋センサ上の指の接触面積を求める手法の説明図。
【図１８】 図１８（Ａ）、（Ｂ）は特徴点の照合処理の説明図。
【図１９】 ＩＣカードの構成例を示すブロック図。
【符号の説明】
１０ 入力装置、 ２０ 画像取込部、 ２２ 検出面、 ３０ 画像解析部、３２ 面積算出部、 ３４ 特徴点抽出部、 ４０ 画像登録部、
４２ 登録画像生成部、 ４４ 登録画像特徴点抽出部、
４６ パラメータマッピング部、 ５０ 登録画像記憶部、
６０ 制御情報出力部、 ７０ 平面位置検出部、 ７２ Ｘ軸位置検出部、
７４ Ｙ軸位置検出部、 ８０ Ｚ軸位置検出部、 ９０ 回転角度検出部、
９２ Ｘ軸回り回転検出部、 ９４ Ｙ軸回り回転検出部、
９６ Ｚ軸回り回転検出部
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力装置、これを含む情報装置及び制御情報生成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
入力装置は、電子機器（情報機器又は情報装置）の操作部に用いられる。例えば、ユーザが入力装置を操作することにより、電子機器では、入力装置から出力された制御情報（操作情報）を用いて、表示部に表示されるポインタを移動させたり、表示部の画像をスクロールさせたりする。この入力装置については、ユーザの操作性を低下させないことが必要とされる。
【０００３】
入力装置として、例えば３次元空間上の任意の位置を指示する際の操作性を向上させたものがある。この入力装置では、まず基準点を設定する。指示位置が画面上に現れていない場合には、該基準点を中心にした移動と、該基準点と視点とを結ぶ直線に沿った移動とを組み合わせて行って、視点を移動させた後、移動後の視点から３次元空間を再表示する。指示位置が画面上に現れている場合には、画面上でカーソルを移動させる（例えば、特許文献１）。このような操作を可能にすることで、この入力装置では、いわゆる６軸方向の操作を行う必要がなくなる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−４０５７１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１に開示されている入力装置では、携帯型の情報機器に適用することは困難である。また携帯型の情報機器に適用する場合、バッテリ駆動による動作が可能で、小型化が可能な構成であることが必要となる。さらに、上述した機能を有する入力装置は、高度な情報処理を行う３次元ＣＡＤ装置や仮想実体験装置等のみならず、携帯電話やＰＤＡに適用できることが望ましい。
【０００６】
本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、超小型かつ超軽量で、これまで以上に操作性を向上させることが可能な入力装置、情報装置及び制御情報生成方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、被検出物の画像を取り込むことにより制御情報を生成する入力装置であって、少なくともその一部分にパラメータの値が関連付けられた登録画像を記憶する登録画像記憶部と、被検出物の画像を取り込む画像取込部と、前記登録画像のうち、前記被検出物の画像に対応する部分に関連付けられたパラメータの値に対応した制御情報を出力する制御情報出力部とを含む入力装置に関係する。
【０００８】
本発明においては、まず登録画像が記憶される。登録画像は、少なくともその一部分にパラメータの値が関連付けられる。そして、取り込まれた被検出物の画像と、登録画像とを比較し、登録画像のうち被検出物の画像に対応する部分を探し出し、該当部分に関連付けられたパラメータの値に対応した制御情報を出力する。これにより、取り込んだ画像の動きだけでは制御できない方向の制御情報を出力させることができ、装置自体の構成を簡素化し、より操作性を向上させる入力装置を提供することができるようになる。
【０００９】
また本発明に係る入力装置では、前記被検出物の各部位の画像をつなぎ合わせると共に、前記画像の各部に前記被検出物の部位に対応したパラメータの値を関連付けた登録画像を登録する画像登録部を含むことができる。
【００１０】
本発明においては、例えば３次元形状の被検出物の表面の画像が登録画像として登録されることになる。したがって、３次元形状の被検出物の側面等の各部位にパラメータの値を関連付けておくことで、該被検出物の回転方向に対応した制御情報を出力させることができるようになる。これにより、装置自体に複雑な構成をもたせることなく、より一層操作性を向上させる入力装置を提供することができる。
【００１１】
また本発明に係る入力装置では、前記登録画像は、抽出された特徴点に前記パラメータの値が関連付けられていてもよい。
【００１２】
本発明によれば、より少ないデータ量で登録画像を登録させておくことができるので、登録画像と取り込んだ画像とを比較したりする入力装置における処理負荷の軽減を図ることが可能となる。
【００１３】
また本発明に係る入力装置では、前記画像取込部は、検出面を有し、該検出面に接する被検出物の画像を取り込み、前記制御情報出力部は、前記登録画像の面積と、前記画像取込部により取り込まれた被検出物の画像の面積とに基づいて、前記被検出物の前記検出面に垂直な軸方向の移動に対応した制御情報を出力することができる。
【００１４】
本発明においては、画像を取り込む検出面上の２軸方向のみならず、検出面と垂直な軸方向について、被検出物の移動に対応した制御情報を出力する。したがって、取り込んだ画像の位置の移動に限定されない新たな軸方向の制御指示を行うことができるようになる。これにより、これまで以上に操作性を向上させることが可能となる。
【００１５】
また本発明に係る入力装置では、前記被検出物の前記検出面に垂直な軸方向の移動に対応した制御情報は、前記検出面上の互いに直交する第１又は第２の軸回りの回転角度を用いて補正された情報であってもよい。
【００１６】
本発明においては、被検出物の検出面に垂直な軸方向の移動に対応した制御情報について、当該軸方向の移動を求める。そして、この移動について、さらに検出面上の互いに直交する第１又は第２の軸回りの回転角度を用いて補正する。これにより、検出面上を被検出物を滑らせて回転させた場合を考慮して、垂直な軸方向の移動を検出することができるので、より高精度な当該軸方向の制御情報を出力させることができる。
【００１７】
また本発明に係る入力装置では、前記パラメータの値は、前記検出面上で互いに直交する第１及び第２の軸回りの回転角度であり、前記制御情報出力部は、前記登録画像と前記被検出物の画像との比較結果に基づいて、前記被検出物の前記第１又は第２の軸回りの回転角度に対応した制御情報を出力することができる。
【００１８】
本発明によれば、検出面上の第１又は第２の軸回りの回転角度に対応した制御情報を出力させることができるので、制御指示可能な軸方向を増やすことができ、より操作性を向上させた入力装置を提供することができる。
【００１９】
また本発明に係る入力装置では、前記制御情報出力部は、前記登録画像と、前記被検出物の画像との比較結果に基づいて、前記被検出物の前記検出面と垂直な第３の軸回りの回転角度に対応した制御情報を出力することができる。
【００２０】
本発明によれば、検出面と垂直な第３の軸回りの回転角度に対応した制御情報を出力するようにしたので、制御指示可能な軸方向を増やすことができ、より操作性を向上させた入力装置を提供することができる。
【００２１】
また本発明に係る入力装置では、前記被検出物は、指紋であってもよい。
【００２２】
本発明によれば、指の指紋を用いて、より多くの制御方向を指示できるようになる。したがって、指紋の画像を取り込む指紋センサを用いることによって、超小型かつ超軽量で、これまで以上に操作性を向上させる入力装置を提供することができる。
【００２３】
また本発明は、上記のいずれか記載の入力装置と、前記入力装置からの制御情報に基づいて制御処理を行う処理部とを含む情報装置に関係する。
【００２４】
本発明によれば、超小型かつ超軽量で、これまで以上に操作性を向上させることが可能な携帯型の情報装置を提供することができる。
【００２５】
また本発明は、取り込んだ被検出物の画像を用いて制御情報を生成する制御情報生成方法であって、取り込まれた被検出物の画像と、少なくともその一部分にパラメータの値が関連付けられた登録画像とを比較し、前記登録画像のうち、前記被検出物の画像に対応する部分に関連付けられたパラメータの値に対応した制御情報を出力する制御情報生成方法に関係する。
【００２６】
また本発明に係る制御情報生成方法では、前記登録画像の面積と、取り込まれた被検出物の画像の面積とに基づいて、前記被検出物の画像の検出面に垂直な軸方向の前記被検出物の移動に対応した制御情報を出力することができる。
【００２７】
また本発明に係る制御情報生成方法では、前記パラメータの値は、前記検出面上で互いに直交する第１及び第２の軸回りの回転角度であり、前記登録画像と、前記被検出物の画像との比較結果に基づいて、前記被検出物の画像の検出面上の第１又は第２の軸回りの回転角度に対応した制御情報を出力することができる。
【００２８】
また本発明に係る制御情報生成方法では、前記登録画像と、前記被検出物の画像との比較結果に基づいて、前記被検出物の画像の検出面と垂直な第３の軸回りの回転角度に対応した制御情報を出力することができる。
【００２９】
また本発明に係る制御情報生成方法では、前記被検出物は、指紋であってもよい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００３１】
１． 入力装置
図１に、本実施形態における入力装置の構成の概要を示す。本実施形態における入力装置１０は、登録画像と、取り込んだ画像とを比較し、その比較結果に応じた６軸方向の制御情報（操作情報）を出力することができるようになっている。そのため、入力装置１０は、画像取込部２０、画像解析部３０、画像登録部４０、登録画像記憶部５０、制御情報出力部６０を含む。
【００３２】
画像取込部２０は、ユーザが移動させる２次元又は３次元の被検出物を、検出面（センサ面）を介して２次元の情報である画像として取り込み、１フレームごとに画像情報を生成する。
【００３３】
画像解析部３０は、画像取込部２０で取り込まれた画像を解析し、その解析結果を制御情報出力部６０に対して出力する。より具体的には、画像解析部３０は、面積算出部３２、特徴点抽出部３４を含む。面積算出部３２は、画像取込部２０で取り込まれた被検出物の画像の面積又はこれと等価的な値を求める。特徴点抽出部３４は、画像取込部２０で取り込まれた画像の特徴点を抽出する。ここで特徴点とは、移動前後の２つの画像を比較して、その移動距離や移動方向、又は回転角度を特定するために参照可能な当該画像特有の形態を有する位置（領域）をいう。
【００３４】
画像登録部４０は、上述の登録画像を登録する処理を行う。より具体的には、画像登録部４０は、画像取込部２０で取り込まれた被検出物の各部位の画像をつなぎ合わせて１つの画像にする。そして、該画像の各部（例えば、各部の代表点）に、当該部に対応した被検出物の部位に関連付けられたパラメータの値を対応付けて、登録画像として登録する。ここで、画像取込部２０で取り込まれた被検出物の各部位の画像は、該被検出物を各方向から見た画像とすることができる。これにより、３次元形状の被検出物の表面の画像を登録画像として登録することができる。この場合、被検出物の部位に関連付けられたパラメータの値は、該被検出物を見る方向に対応した値とすることができる。本実施形態では、画像登録部４０は、登録画像生成部４２、登録画像特徴点抽出部４４、パラメータマッピング部４６を含む。登録画像生成部４２は、被検出物の各部位について画像取込部２０で取り込まれた１又は複数の画像をつなぎ合わせて１枚の画像を生成する。この結果、３次元形状の被検出物の表面を表す１枚の２次元の画像が得られる。登録画像特徴点抽出部４４は、登録画像生成部４２により生成された１枚の画像の特徴点を抽出する。本実施形態では、画像の特徴点（又は特徴点の分布）により、画像同士を比較（照合）し、処理の軽減及びデータ量の削減を図る。パラメータマッピング部４６は、登録画像特徴点抽出部４４により抽出された画像の各特徴点にパラメータの値をマッピングする（対応付ける）。
【００３５】
登録画像記憶部５０は、画像登録部４０で生成されパラメータの値がマッピングされた登録画像を記憶する。
【００３６】
制御情報出力部６０は、画像取込部２０で取り込まれた画像又は登録画像記憶部５０に記憶された登録画像を用いて、制御情報を出力する。この制御情報は、上述したように６軸方向の制御情報である。
【００３７】
図２に、６軸方向の制御情報の説明図を示す。６軸方向の制御情報とは、画像取込部２０の検出面（センサ面）２２上（又は検出面と平行な平面上）の互いに直交するＸ軸及びＹ軸（第１及び第２の軸）方向の位置Ｘ、Ｙ、該検出面に垂直な方向のＺ軸（第３の軸）方向の位置Ｚ、Ｘ軸方向の軸回りの回転角度α、Ｙ軸方向の軸回りの回転角度γ、Ｚ軸方向の軸回りの回転角度βの６軸方向について指示される情報である。Ｘ軸方向の位置Ｘ、Ｙ軸方向の位置Ｙ、Ｚ軸方向の位置Ｚ、Ｘ軸方向の軸回りの回転角度α、Ｚ軸方向の軸回りの回転角度β、Ｙ軸方向の軸回りの回転角度γには、それぞれ図２に示すように（＋）方向及び（−）方向が規定される。
【００３８】
本実施形態では、検出面上で規定されるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向の移動の他に各軸回りの回転角度をより少ない処理負荷で求めるために、登録画像、被検出物の画像、その面積又は特徴点を用いる。そのため、図１の制御情報出力部６０は、平面位置検出部７０、Ｚ軸位置検出部８０、回転角度検出部９０を含む。
【００３９】
平面位置検出部７０は、検出面上のＸ軸方向の位置を検出するＸ軸位置検出部７２、該検出面上のＹ軸方向の位置を検出するＹ軸位置検出部７４を含む。Ｘ軸位置検出部７２及びＹ軸位置検出部７４は、被検出物の画像が位置する検出面上の座標に基づいてＸ軸及びＹ軸方向の位置を検出し、検出したＸ軸及びＹ軸方向の位置に対応する制御情報を出力することができる。
【００４０】
Ｚ軸位置検出部８０は、該検出面と垂直なＺ軸方向の位置を検出する。より具体的には、Ｚ軸位置検出部８０は、面積算出部３２により求められた被検出物の画像の面積を用いてＺ軸方向の位置を検出し、検出したＺ軸方向の位置に対応する制御情報を出力することができる。Ｚ軸位置検出部８０は、例えば登録画像記憶部５０に記憶された登録画像の面積を基準にした面積算出部３２により求められた被検出物の画像の面積の比率に基づいて、Ｚ軸方向の位置を求めることができる。またＺ軸位置検出部８０は、例えば検出面２２における取り込み可能な最大面積を基準にした被検出物の画像の面積の比率に基づいて、Ｚ軸方向の位置を求めてもよい。
【００４１】
回転角度検出部９０は、Ｘ軸方向の軸回り、Ｙ軸方向の軸回り及びＺ軸方向の軸回りの被検出物の回転角度を求める。そのため、回転角度検出部９０は、Ｘ軸回り回転検出部９２、Ｙ軸回り回転検出部９４、Ｚ軸回り回転検出部９６を含む。Ｘ軸回り回転検出部９２は、特徴点抽出部３４により求められた被検出物の画像の特徴点を用いて、登録画像記憶部５０に記憶された登録画像のどの部分に位置するかを求める。そして、求められた登録画像の該当部分に関連付けられたパラメータの値に対応したＸ軸方向の軸回りの回転角度αを制御情報として出力する。Ｙ軸回り回転検出部９４は、Ｘ軸回り回転検出部９２と同様にして、求められた登録画像の該当部分に関連付けられたパラメータの値に対応したＹ軸方向の軸回りの回転角度γを制御情報として出力する。Ｚ軸回り回転検出部９６は、Ｘ軸回り回転検出部９２又はＹ軸回り回転検出部９４と同様にして、求められた登録画像の該当部分に関連付けられたパラメータの値に対応したＺ軸方向の軸回りの回転角度βを制御情報として出力する。
【００４２】
本実施形態では、検出面上で被検出物を滑らせて回転させた場合にもＸ軸、Ｙ軸又はＺ軸方向の位置を求めることができるようになっている。そのため、Ｘ軸位置検出部７２は、求めたＸ軸方向の位置に対し、Ｙ軸方向の軸回りの被検出物の回転を考慮した補正を行って、Ｘ軸方向の位置Ｘを制御情報として出力する。より具体的には、被検出物の検出面上の位置をＸｓｅｎｓｏｒ、Ｙ軸（第２の軸）回りの回転角度（第２の回転角度）をγとすると、（１）式のように表すことができる被検出物の検出面のＸ軸（第１の軸）方向の位置Ｘを求める。
【００４３】
Ｘ＝Ｘｓｅｎｓｏｒ−ａ・γ （ただし、０≦ａ≦１）・・・（１）
ここで、係数ａ（所与の第１の係数）はＹ軸方向の軸回りの回転角度γの重み付け係数である。重み付け係数ａが０のとき、Ｙ軸方向の軸回りの回転角度を一切考慮しないことを意味するので、検出面を被検出物が回転することなく移動する場合のＸ出力に適する。また検出面を滑らせずに回転させる場合に回転角度γを出力し、出力Ｘを変化させない場合に適する。また重み付け係数ａが１のとき、検出面を滑らせて被検出物が回転のみを行って移動しない場合に適する。重み付け係数ａは、ユーザのＸ軸方向の操作の癖を加味する等により決定されることが望ましい。
【００４４】
Ｙ軸位置検出部７４も同様に、求めたＹ軸方向の位置に対し、Ｘ軸方向の軸回りの被検出物の回転を考慮した補正を行って、Ｙ軸方向の位置Ｙを制御情報として出力する。より具体的には、被検出物の検出面上の位置をＹｓｅｎｓｏｒ、Ｘ軸（第１の軸）回りの回転角度（第１の回転角度）をαとすると、（２）式のように表すことができる被検出物の検出面のＸ軸方向の位置Ｙを求める。
【００４５】
Ｙ＝Ｙｓｅｎｓｏｒ−ｂ・α （ただし、０≦ｂ≦１）・・・（２）
ここで、係数ｂ（所与の第２の係数）はＸ軸方向の軸回りの回転角度αの重み付け係数である。重み付け係数ｂが０のとき、Ｘ軸方向の軸回りの回転角度を一切考慮しないことを意味するので、検出面を被検出物が回転することなく移動する場合のＹ出力に適する。また検出面を滑らせずに回転させる場合に、回転角度αを出力し、出力Ｙを変化させない場合に適する。また重み付け係数ｂが１のとき、検出面を滑らせて被検出物が回転のみを行って移動しない場合に適する。重み付け係数ｂは、ユーザのＹ軸方向の操作の癖を加味する等により決定されることが望ましい。
【００４６】
Ｚ軸位置検出部８０も同様に、求めたＺ軸方向の位置に対し、Ｘ軸及びＹ軸方向の軸回りの被検出物の回転を考慮した補正を行って、Ｚ軸方向の位置Ｚを制御情報として出力する。より具体的には、被検出物の検出面のＺ軸方向の位置をＺｓｅｎｓｏｒとすると、（３）式のように表すことができる被検出物の検出面のＺ軸方向の位置Ｚを求める。
【００４７】
Ｚ＝Ｚｓｅｎｓｏｒ＋ｆ（γ）＋ｇ（α） ・・・（３）
ここで、関数ｆ（γ）は、回転角度γを変数とする関数である。関数ｆ（γ）としては、原点を基準に変数γの絶対値に対して対称な関数であることが望ましい。例えば関数ｆ（γ）としては、原点を通る２次関数を採用することができる。また関数ｇ（α）は、回転角度αを変数とする関数である。関数ｇ（α）としては、原点を通る任意の関数を採用することができる。関数ｆ（γ）、ｇ（α）については、回転角度γ、αが求められるたびに関数値を求めてもよい。また、予め変数γ、αに対応した関数値をテーブル化し、回転角度γ、αが求められるたびにテーブルを参照するようにしてもよい。なお、指の形、柔らかさによって異なり、予め補正値を登録画像にマッピングしておいてもよい。（３）式によれば、同じ圧力で指を押し当てていても、指を傾けると検出面に接する面積までもが変化してしまうため、上記の式のように補正することで面積の変化をＺとして誤った情報が出力されることを回避することができる。
【００４８】
また被検出物の検出面のＺ軸方向の位置Ｚは、（３）´式のように回転角度γ、αに対して線形変化するものとして求めるようにしても良い。
【００４９】
Ｚ＝Ｚｓｅｎｓｏｒ−ｃ・γ−ｄ・α（但し、０≦ｃ，ｄ≦１）・・（３）´
ここで、係数ｃ（所与の第３の係数）はＹ軸方向の軸回りの回転角度γの重み付け係数である。係数ｄ（所与の第４の係数）はＸ軸方向の軸回りの回転角度αの重み付け係数である。重み付け係数ｃ（ｄ）が０のとき、Ｙ（Ｘ）軸方向の軸回りの回転角度を一切考慮しないことを意味するので、検出面を被検出物が回転することなく移動する場合のＺ出力に適する。また検出面を滑らせずに回転させる場合に、回転角度γ、αを出力しＺ出力を変化させないようにする場合に適する。また重み付け係数ｃ（ｄ）が１のとき、検出面を滑らせて被検出物が回転のみを行って移動しない場合に適する。重み付け係数ｃ、ｄは、ユーザのＸ軸方向、Ｙ軸方向の操作の癖がＺ軸方向の移動に与える影響を加味する等により決定されることが望ましい。
【００５０】
以下では、このような入力装置について具体的に説明する。なお以下に述べる入力装置は、指紋センサを用いるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００５１】
図３に、指紋センサを用いた入力装置の外観構成の概要を示す。ここでは、本実施形態における入力装置が、ＩＣカード（広義には、情報装置）１００に実装される場合を示している。ＩＣカード１００は、内部にＣＰＵやメモリ素子を有する。これにより、ＩＣカード１００では、機密保持性を向上させると共に、情報処理による高度な情報をより多くの記憶させることが可能となる。そして、本実施形態における入力装置を用いることで、超小型かつ超軽量な構成で、ユーザの多様な操作を反映させた情報処理を行うことができる。
【００５２】
図３において、入力装置としての指紋センサの検出面２２に、指紋パターンが形成されたユーザの指（広義には、被検出物）１０２を接触させることにより、指紋画像が取り込まれる。そして、検出面２２上に規定される３次元空間において検出されたユーザによる指１０２の６軸方向の移動により、対応する制御情報が出力される。ＩＣカード１００では、該制御情報に基づく処理が行われる。例えばＩＣカード１００に液晶パネルが設けられている場合には、液晶パネルに表示されるポインタの移動や表示画像のスクロール等の表示制御が行われる。なお入力装置が３次元ＣＡＤ装置に適用される場合には、操作対象の物体の回転或いは視点の移動の制御が行われることになる。
【００５３】
図４に、入力装置のハードウェア構成例を示す。入力装置１２０では、バス１２２に、ＣＰＵ１２４、ＲＯＭ１２６、ＲＡＭ１２８、指紋センサインタフェース（InterFace：Ｉ／Ｆ）回路１３０が接続される。指紋センサＩ／Ｆ回路１３０には、指紋センサ１３２が接続される。またバス１２２にＵＳＢＩ／Ｆ回路１３４が接続される。ＵＳＢＩ／Ｆ回路１３４は、外部でパソコン１４０等のＵＳＢ規格上のホスト装置若しくはペリフェラル装置に接続される。
【００５４】
ここで主に指紋センサ１３２及び指紋センサＩ／Ｆ回路１３０により、図１に示す画像取込部２０の機能が実現される。指紋センサ１３２により取り込まれた指紋画像は、指紋センサＩ／Ｆ回路１３０を介してＲＡＭ１２８に蓄積される。ＣＰＵ１２４と、ＲＯＭ１２６若しくはＲＡＭ１２８に格納されたソフトウェアプログラムとにより、図１に示す画像解析部３０、画像登録部４０及び制御情報出力部６０の機能が実現される。ＲＡＭ１２８により、図１に示す登録画像記憶部５０の機能が実現される。
【００５５】
１．２ 指紋センサ
図５に、指紋センサ１３２の一例を示す。図５において、Ｍ本（Ｍは２以上の整数）の電源線２００と、Ｎ本（Ｎは２以上の整数）の出力線２０２とを有する。Ｍ本の電源線２００とＮ本の出力線２０２の各交点には静電容量検出素子２０４が設けられている。図５に示す静電容量検出素子２０４は、指が接触したときの閉回路として図示されており、指の凹凸パターンに依存して変化する可変容量ＣＦと、信号増幅素子例えば信号増幅ＭＩＳ型薄膜半導体装置（以下信号増幅用ＴＦＴと略記する）２０６とを有する。静電容量検出素子２０４に指が接触していないときには、可変容量ＣＦの接地端側はオープン状態である。なお、可変容量ＣＦについては後述する。
【００５６】
Ｍ本の電源線２００の各々は、対応する行に沿って配列されたＮ個の信号増幅用ＴＦＴ２０６のドレインＤに接続されている。また、Ｍ本の電源線２００の各々は、Ｍ個の電源用パスゲート２１０の各々を介して共通電源線２１２に接続されている。すなわち、電源用パスゲート２１０はＭＩＳ型薄膜半導体装置にて形成され、そのソースＳは電源線２００に接続され、そのドレインＤは共通電源線２１２に接続されている。電源選択回路２２０内には、上述のＭ個の電源用パスゲート２１０及び共通電源線２１２に加えて、電源用シフトレジスタ２２２が設けられている。電源用シフトレジスタ２２２の電源選択用出力線２２４に、Ｍ個の電源用パスゲート２１０の各ゲートＧが接続されている。
【００５７】
Ｎ本の出力線２０２各々は、対応する列に沿って配列されたＭ個の信号増幅用ＴＦＴ２０６のソースＳに接続されている。また、Ｎ本の出力線２０２の各々は、Ｎ個の出力信号用パスゲート２３０の各々を介して共通出力線２３２に接続されている。すなわち、出力信号用パスゲート２３０はＭＩＳ型薄膜半導体装置にて形成され、そのドレインＤは出力線２０２に接続され、そのソースＳは共通出力線２３２に接続されている。出力信号選択回路２４０内には、上述のＮ個の出力信号用パスゲート２３０及び共通出力線２３２に加えて、出力信号用シフトレジスタ２４２が設けられている。出力信号用シフトレジスタ２４２の出力選択用出力線２４４に、出力信号用パスゲート２３０のゲートＧが接続されている。
【００５８】
図６は、図５に示す静電容量検出素子２０４の断面図であり、指が接触されていない状態が図示されている。この静電容量検出素子２０４は、上述の信号増幅素子である信号増幅用ＴＦＴ２０６に加えて、信号検出素子２０８を有する。
【００５９】
図６において、絶縁層２５０上には、ソース領域２５２Ａ、ドレイン領域２５２Ｂ及びその間のチャネル領域２５２Ｃを有する半導体膜２５２が形成されている。半導体膜２５２上にはゲート絶縁膜２５４が形成され、このゲート絶縁膜２５４を挟んでチャネル領域２５２Ｃと対向する領域にゲート電極２５６が形成されている。この半導体膜２５２、ゲート絶縁膜２５４及びゲート電極２５６で、信号増幅用ＴＦＴ２０６が構成される。なお、電源用パスゲート２１０及び出力信号用パスゲート２３０も、信号増幅用ＴＦＴ２０６と同様にして形成される。
【００６０】
この信号用ＴＦＴ２０６は第一層間絶縁膜２６０により被われている。第一層間絶縁膜２６０上には、図５に示す出力線２０２に相当する第一配線層２６２が形成されている。この第一配線層２６２は信号用ＴＦＴ２０６のソース領域２５２Ａに接続されている。
【００６１】
第一配線層２６２は第二層間絶縁膜２６４により被われている。この第二層間絶縁膜２６４上には、図５に示す電源線２００に相当する第二配線層２６６が形成されている。この第二配線層２６６は、信号増幅用ＴＦＴ２０６のドレイン領域２５２Ｂに接続されている。なお、図６とは異なる構造として、第二配線層２６６を第一層間絶縁膜２６０上に形成し、第一配線層２６２を第二層間絶縁膜２６４上に形成してもよい。
【００６２】
第二層間絶縁膜２６４上にはさらに、容量検出電極２７０が形成され、それを被って容量検出誘電体膜２７２が形成されている。容量検出誘電体膜２７２は、指紋センサ１３２の最表面に位置して保護膜としても機能し、この容量検出誘電体膜２７２に指が接触される。この容量検出電極２７０及び容量検出誘電体膜２７２により、信号検出素子２０８が構成される。
【００６３】
１．２．１ 指紋検出動作
指紋検出は、図６に示す容量検出誘電体膜２７２に指を接触させることで実施される。このとき、指紋センサ１３２の起動スイッチ（例えば感圧スイッチ）４２が作動し、入力装置１２０内の電源が作動して、自動的に、指紋センサ１３２に電源が供給される。或いは、入力装置１２０をパソコン１４０にセットし、パソコン１４０の給電部より電源が供給されても良い。
【００６４】
本実施形態では、図５に示すＭ本のうち選択された１本の電源線２００に電源電圧を供給し、かつ、そのときの信号を、Ｎ本のうち選択された１本の出力線２０２から検出することで、Ｍ×Ｎ個の静電容量検出素子２０４から順次信号を取り出している。
【００６５】
指紋検出動作は大別して、（１）指紋パターンの山（凸部）が容量検出誘電体膜２７２に接触する場合と、（２）指紋パターンの谷（凹部）が容量検出誘電体膜２７２に対向する場合とがある。
【００６６】
（１）指紋パターンの山（凸部）が容量検出誘電体膜２７２に接触する場合
図７に、この場合の静電容量検出素子２０４の等価回路を示す。符号３００は人体の指紋の山に相当し、図６の容量検出電極２７０と誘電体膜２７２を挟んで対向する接地電極３００が形成されている。ここで、電源電圧Ｖｄｄは共通電源線２１２より供給される。符号ＣＴは、信号増幅用ＴＦＴ２０６のトランジスタ容量であり、符号ＣＤは検出電極２７０と接地電極（指）３００との間の容量である。
【００６７】
ここで、信号増幅用ＴＦＴ２０６のゲート電極長をＬ（μｍ）、ゲート電極幅をＷ（μｍ）、ゲート絶縁膜の厚みをｔｏｘ（μｍ）、ゲート絶縁膜の比誘電率をεｏｘ、真空の誘電率をεｏとする。このとき、トランジスタ容量ＣＴは、（４）式のようになる。
【００６８】
ＣＴ＝εｏ・εｏｘ・Ｌ・Ｗ／ｔｏｘ ・・・（４）
また、容量検出電極２７０の面積Ｓ（μｍ２）、容量検出誘電体膜２７２の厚みをｔｄ（μｍ）、容量検出誘電体膜の比誘電率をεｄとする。このとき、容量ＣＤは、（５）式のようになる。
【００６９】
ＣＤ＝εｏ・εｄ・Ｓ／ｔｄ ・・・（５）
図７の等価回路において、信号増幅用ＴＦＴ２０６のゲートに印加される電圧ＶＧＴは、次式のようになる。
【００７０】
ＶＧＴ＝Ｖｄｄ／（１＋ＣＤ／ＣＴ） ・・・（６）
容量ＣＤをトランジスタ容量ＣＴよりも充分に大きく設定しておけば（例えばＣＤ＞１０×ＣＴ）、（６）式の分母は無限大となり、次式にように近似される。
【００７１】
ＶＧＴ≒０ ・・・（７）
この結果、信号増幅用ＴＦＴ２０６は、そのゲートにほとんど電圧がかからないためオフ状態となる。よって、信号増幅用ＴＦＴ２０６のソース−ドレイン間に流れる電流Ｉは極めて小さくなる。この電流Ｉを測定することで、測定箇所が指紋パターンの山（凸部）であることが判定できる。
【００７２】
（２）指紋パターンの谷（凹部）が容量検出誘電体膜２７２に対向する場合
図８に、この場合の静電容量検出素子２０４の等価回路を示す。符号３０２が人体の指紋の谷に相当する。この場合は、図７に示す容量ＣＤに加えて、誘電体膜２７２と指紋の谷との間に、空気を誘電体とする新たな容量ＣＡが形成される。
【００７３】
図８の等価回路において、信号増幅用ＴＦＴ２０６のゲートに印加される電圧ＶＧＶは、次式のようになる。
ＶＧＶ＝Ｖｄｄ／｛［１＋（１／ＣＴ）］×１／［（１／ＣＤ）＋（１／ＣＡ）］｝ ・・・（８）
容量ＣＤをトランジスタ容量ＣＴよりも充分に大きく設定しておけば（例えばＣＤ＞１０×ＣＴ）、（８）式は次式のように近似される。
【００７４】
ＶＧＶ≒Ｖｄｄ／［１＋（ＣＡ／ＣＴ）］ ・・・（９）
さらに、トランジスタ容量ＣＴを、指紋の谷により形成される容量ＣＡよりも充分に大きくしておけば（例えばＣＴ＞１０×ＣＡ）、（９）式は次式のように近似される。
【００７５】
ＶＧＶ≒Ｖｄｄ ・・・（１０）
この結果、信号増幅用ＴＦＴ２０６は、そのゲートに電源電圧Ｖｄｄがかかるためオン状態となる。よって、信号増幅用ＴＦＴ２０６のソース−ドレイン間に流れる電流Ｉは極めて大きくなる。この電流Ｉを測定することで、測定箇所が指紋パターンの谷（凹部）であることが判定できる。
【００７６】
このように、図５に示す可変容量ＣＦは、指紋の山が容量検出誘電体膜２７２に接触した時は容量ＣＤとなり、指紋の谷が容量検出誘電体膜２７２に対向としたときは容量ＣＤと容量ＣＡとの和となり、指紋の凹凸に従って容量が変化する。この指紋の凹凸に従った容量変化に基づく電流を検出することで、指紋の山または谷を検出できる。
【００７７】
以上の動作を、Ｍ×Ｎ個の静電容量検出素子２０４にて時分割で実施することで、指紋パターンを検出することが可能となる。より具体的には、第１行の各列に位置する静電容量検出素子を順に指紋の凹凸を検出した後、第２行の指紋の凹凸を検出するといったように、ピクセルごとに指紋の凹凸を検出していく。その結果、例えば図９（Ａ）、（Ｂ）に示すような指紋画像を得ることができる。本実施形態では、この指紋センサ１３２を用いて周期的に指紋画像を取り込む。
【００７８】
なお、電源電圧Ｖｄｄに正電源を用いる場合には、ゲート電圧がゼロ近傍でドレイン電流が流れないエンハンスメント型Ｎ型トランジスタにて、信号増幅用ＴＦＴ２０６を形成すればよい。ＣＤ＞１０×ＣＴを満たす場合には、信号増幅用ＴＦＴ２０６の伝達特性におけるドレイン電流が最小値となるゲート電圧（最小ゲート電圧）をＶｍｉｎとしたとき、０＜Ｖｍｉｎ＜０．１×Ｖｄｄを満たせばよい。
【００７９】
電源電圧Ｖｄｄに負電源を用いる場合には、ゲート電圧がゼロ近傍でドレイン電流が流れないエンハンスメント型Ｐ型トランジスタにて、信号増幅用ＴＦＴ２０６を形成すればよい。ＣＤ＞１０×ＣＴを満たす場合には、信号増幅用ＴＦＴ２０６の伝達特性におけるドレイン電流が最小値となるゲート電圧（最小ゲート電圧）をＶｍｉｎとしたとき、０．１×Ｖｄｄ＜Ｖｍｉｎ＜０を満たせばよい。
【００８０】
本実施形態では、このようにして取り込まれた指紋画像を用いて制御情報を出力する。この際、取り込まれた指紋画像の特徴点を用いることで、処理負荷を軽減する。
【００８１】
図９（Ａ）、（Ｂ）に、指紋の特徴点の一例を示す。図９（Ａ）は、指紋の分岐点の一例を示す。図９（Ｂ）は、指紋の端点の一例を示す。指紋センサ１３２で取り込まれた指紋画像について、例えば指紋の分岐点が抽出される。図９（Ａ）、（Ｂ）では、指紋画像は、指紋の凸部である稜線の形態を表している。ここで指紋の分岐点は、指紋の稜線が２以上の稜線に分岐する部分である。また指紋の端点は、指紋の稜線が終端する部分である。
【００８２】
指紋の形態が同一となることがないため、その分岐点又は端点の分布も個人によって異なる。したがって、指紋画像の分岐点又は端点を求めることができれば、求めた分岐点又は端点の分布のみを比較すればよいので、比較すべき情報量が少なくなり比較処理の負荷を軽減することができる。
【００８３】
１．３ 動作フロー
図１０及び図１１に、本実施形態における入力装置の処理フローの一例を示す。図１０に示す処理を実行するためのプログラムが、ＲＯＭ１２６又はＲＡＭ１２８に格納される。ＣＰＵ１２４は、このプログラムにしたがって処理を行う。
【００８４】
まず入力装置では、登録モードにおいて、取り込み対象のユーザの指の指紋の登録が行われる。その際、３次元形状の指の指紋について１枚の画像を登録指紋画像として登録する。そのため指の各部位の画像を取り込んで、１つの登録指紋画像を生成する。まず指の原点位置として、指を指紋センサ１３２のセンサ面（検出面）に対して自然な角度（例えば、センサ面と指とのなす角が１５度）で押し当てた状態の指紋画像を取り込む。ＣＰＵ１２４は、指紋センサＩ／Ｆ回路１３０を介して指紋センサ１３２により指紋画像を取り込み、当該指紋画像を原点位置に対応付けて記憶する（ステップＳ４００）。
【００８５】
次に、指を最大限（概ね回転角度γが−４５度）左に傾けた状態で指紋センサ１３２により指紋画像を取り込む。ＣＰＵ１２４は、指紋センサＩ／Ｆ回路１３０を介して指紋センサ１３２により指紋画像を取り込み、当該指紋画像を回転角度γに対応付けて記憶する（ステップＳ４０１）。
【００８６】
続いて、指を最大限（概ね回転角度γが４５度）右に傾けた状態で指紋センサ１３２により指紋画像を取り込む。ＣＰＵ１２４は、指紋センサＩ／Ｆ回路１３０を介して指紋センサ１３２により指紋画像を取り込み、当該指紋画像を回転角度γに対応付けて記憶する（ステップＳ４０２）。
【００８７】
さらに、指を最大限手前に（概ねセンサ面と指とのなす角（回転角度α）が０度（水平））傾けた状態で指紋センサ１３２により指紋画像を取り込む。ＣＰＵ１２４は、指紋センサＩ／Ｆ回路１３０を介して指紋センサ１３２により指紋画像を取り込み、当該指紋画像を回転角度αに対応付けて記憶する（ステップＳ４０３）。
【００８８】
さらに続いて、指を最大限奥に（概ね回転角度αが６０度）傾けた状態で指紋センサ１３２により指紋画像を取り込む。ＣＰＵ１２４は、指紋センサＩ／Ｆ回路１３０を介して指紋センサ１３２により指紋画像を取り込み、当該指紋画像を回転角度αに対応付けて記憶する（ステップＳ４０４）。
【００８９】
そしてＣＰＵ１２４は、これら５つの画像をつなぎ合わせて１つの登録指紋画像を生成する（ステップＳ４０５）。このとき、各画像を精度良く、かつ高速につなぎ合わせる処理を行うために、原点位置における指紋画像を取り込む際に強く指紋センサ１３２のセンサ面に押し当てた状態で登録しておくことが望ましい。こうすることで原点位置における指紋画像として取り込まれる指紋パターンの範囲が広がり、他の指紋画像の指紋パターンと効率良くつなぎ合わせることができるようになる。また、Ｚが最小となる画像（基準）も得ることができる。
【００９０】
図１２（Ａ）〜（Ｃ）及び図１３（Ａ）、（Ｂ）に、登録指紋画像を生成するための指の各部位の画像の一例を示す。図１２（Ａ）は、図１０に示すステップＳ４００において、指紋センサ１３２のセンサ面の検出エリア５００内で取り込まれた原点位置における指の指紋画像５０２の一例である。図１２（Ｂ）は、図１０に示すステップＳ４０１において、検出エリア５００内で取り込まれた指の左側面付近の指紋画像５０４の一例である。図１２（Ｃ）は、図１０に示すステップＳ４０２において、検出エリア５００内で取り込まれた指の右側面付近の指紋画像５０６の一例である。図１３（Ａ）は、図１０に示すステップＳ４０３において、検出エリア５００内で取り込まれた指の関節側の指紋画像５０８の一例である。図１３（Ｂ）は、図１０に示すステップＳ４０４において、検出エリア５００内で取り込まれた指の先端側の指紋画像５１０の一例である。
【００９１】
図１２（Ａ）の指紋画像５０２を基準にすると、図１２（Ｂ）の指紋画像５０４が、指紋センサの検出面上のＹ軸方向の軸回りの（−）方向に回転させた場合の指紋画像に相当する。同様に、図１２（Ｃ）の指紋画像５０６が、指紋センサの検出面上のＹ軸方向の軸回りの（＋）方向に回転させた場合の指紋画像に相当する。また図１３（Ａ）の指紋画像５０８が、指紋センサの検出面上のＸ軸方向の軸回りの（−）方向に回転させた場合の指紋画像に相当する。さらに図１３（Ｂ）の指紋画像５１０が、指紋センサの検出面上のＸ軸方向の軸回りの（＋）方向の回転させた場合の指紋画像に相当する。
【００９２】
図１４に、登録指紋画像の一例を示す。図１４において、登録指紋画像５２０は、図１０示すステップＳ４０５において、図１２（Ａ）〜（Ｃ）、図１３（Ａ）、（Ｂ）に示す指紋の各部位の指紋画像５０２、５０４、５０６、５０８、５１０をつなぎ合わせることで生成される。
【００９３】
図１０に戻って説明を続ける。以上のようにして登録指紋画像を生成すると、入力装置では、登録指紋画像の各部に回転角度α、γを関連付ける。また（３）式で示した関数ｆ（γ）、ｇ（α）の補正値も、登録指紋画像の各部に関連付けるようにしても良い。そのため、本実施形態における入力装置では、ステップＳ４０５で登録指紋画像が生成されると、ＣＰＵ１２４は該登録指紋画像の特徴点を抽出する（ステップＳ４０６）。ここで特徴点は、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すような指紋の山（稜線部分）の端点や分岐点等である。
【００９４】
続いてＣＰＵ１２４は、ステップＳ４０６で抽出された登録指紋画像の特徴点に、回転角度α、γ（広義には、パラメータの値）をマッピングする（ステップＳ４０７）。
【００９５】
図１５（Ａ）、（Ｂ）に、登録指紋画像のマッピング処理についての図を示す。図１５（Ａ）では、登録指紋画像５２０について特徴点Ｃ１〜Ｃ５が抽出されている。この場合、特徴点Ｃｉ（１≦ｉ≦５、ｉは整数）に、回転角度α、γの対が（αｉ，γｉ）としてマッピングされる。ここで、登録時において指紋画像５０８に「−αｍ」、指紋画像５１０に「＋αｎ」が対応付けられている。そのため、「−αｍ」、「＋αｎ」を登録指紋画像５２０の基準マッピング位置を決めることで、各特徴点Ｃｉの回転角度αｉは、基準マッピング位置を基準とした特徴点の位置に応じてマッピングすることが可能となる。例えば特徴点Ｃ１に「−αｍ」、特徴点Ｃ４に「＋αｎ」がそれぞれマッピングした場合、回転角度α３は、登録指紋画像における特徴点Ｃ１、Ｃ４のＹ軸方向の長さを内分する特徴点Ｃ３のＹ座標に応じて定めることが可能となる。同様にして、回転角度γについても、Ｘ座標に応じて定めることができる。
【００９６】
また、上述した特徴点のみならず、図１５（Ｂ）に示すように登録指紋画像５２０の任意の点Ｐに（αｐ，γｐ）をマッピングするようにしても良い。この場合、例えば近傍の３つの特徴点Ｃｉ−１、Ｃｉ、Ｃｉ＋１にマッピングされた回転角度α、γを内分して、点Ｐにマッピングする回転角度αｐ、γｐを求めてもよい。
【００９７】
図１１に戻って説明を続ける。このようにしてステップＳ４０７で登録指紋画像に回転角度α、γをマッピングすると、ＣＰＵ１２４によって、指紋センサ１３２により新たな指紋画像の取り込みを行う（ステップＳ４０８）。
【００９８】
そして、指紋センサ１３２のセンサ面の検出エリア５００において、指が接触する位置からＸ軸方向の位置Ｘ、Ｙ軸方向の位置Ｙを求める（ステップＳ４０９）。
【００９９】
図１６に、Ｘ軸方向の位置Ｘ、Ｙ軸方向の位置Ｙを求める処理の手法を説明するための図である。指紋センサ１３２により、検出エリア５００内でＸ軸及びＹ軸方向で走査されて、図１６に示す位置において指紋画像５３０が取り込まれたものとする。ここで指紋画像５３０の輪郭のＸ軸方向の最大値及び最小値をＸＥ、ＸＳ、Ｙ軸方向の最大値及び最小値をＹＥ、ＹＳとする。図１１に示すステップＳ４０９で求める位置（Ｘ，Ｙ）は、例えば（ＸＳ，ＹＳ）や、（ＸＥ，ＹＥ）や、（（ＸＳ＋ＸＥ）／２，（ＹＳ＋ＹＥ）／２）とすることができる。いずれの方法によっても、取り込まれた指紋画像のＸ軸及びＹ軸方向の位置を特定することができる。
【０１００】
図１１のステップＳ４０９でＸ軸、Ｙ軸方向の位置が求められると、取り込まれた指紋画像の接触面積からセンサ面と垂直なＺ軸方向の位置を求める（ステップＳ４１０）。
【０１０１】
図１７に、指紋画像の面積を算出する手法についての図を示す。検出エリア５００内の指紋画像５３０が取り込まれる際、指紋センサ１３２では、Ｘ軸方向については、指紋の山又は谷の検出が開始される出力線Ｏ１と、指紋の山又は谷が検出されなくなる出力線Ｏ２とにより、指紋の山又は谷が検出される出力線の数Ｏｃを特定することができる。Ｙ軸方向については、同様に、指紋の山又は谷の検出が開始される電源線Ｄ１と、指紋の山又は谷が検出されなくなる電源線Ｄ２とにより、検出される電源線の数Ｄｃを特定することができる。したがって、出力線の数Ｏｃと電源線の数Ｄｃとにより、指紋画像５３０の面積と等価的な値を求めることができる。このように、指紋センサ１３２の電源線及び出力線を特定することにより、取り込まれた指紋画像の輪郭に外接する矩形を容易に求めることができるので、指紋画像の面積算出の処理負荷を軽減することができる。
【０１０２】
なお、ＣＰＵによる処理において、取得した画像に外接する矩形を求め、該画像の面積算出を行っても良い。
【０１０３】
以上のようにして指紋画像５３０の面積（又はこれと等価的な値）が求められると、ステップＳ４００で登録された原点位置の指紋画像５０２（図１２（Ａ））の面積を基準に、Ｚ軸方向の位置Ｚを求める。例えば、原点位置の指紋画像の面積をＳ０、図１７に示す指紋画像５３０の面積をＳ１とすると、Ｚ軸方向の位置Ｚは、（１１）式のように求めることができる。
【０１０４】
Ｚ＝ｅ・（Ｓ１−Ｓ０） （ただし、０≦ｅ≦１） ・・・（１１）
ここで、係数ｅ（所与の第５の係数）は、Ｚ軸方向の位置を求めるための径数である。係数ｅは、ユーザのＺ軸方向の操作の癖等を加味して決定されされることが望ましい。
【０１０５】
また原点位置の指紋画像と、Ｚ軸方向の位置が最大となるように強く押し当てた指紋画像とを予め登録し、それぞれの面積を基準に図１７に示す指紋画像５３０の面積に対応するＺ軸方向の位置を求めるようにしてもよい。この場合、より精度高くＺ軸方向の位置Ｚを求めることができる。
【０１０６】
このようにしてステップＳ４１０でＺ軸方向の位置Ｚを求めると、次にステップＳ４０８で取り込んだ指紋画像の特徴点を抽出する（ステップＳ４１１）。
【０１０７】
そして、ステップＳ４１１で抽出された指紋画像の特徴点と、登録指紋画像の特徴点とを比較する。より具体的には、両画像の特徴点の位置関係の類似性が最も高く位置を探索することで、ステップＳ４０８で取り込まれた指紋画像が、登録指紋画像のどの部分に相当するかを探す照合処理を行う。その結果、探し出された登録指紋画像の該当部分にマッピングされた回転角度α、γ（又は回転角度α、γに対応した制御情報）を出力する（ステップＳ４１２）。また、回転した方が類似度が高まる場合は、Ｚ軸方向の軸回りの回転角度βを求める。
【０１０８】
図１８（Ａ）、（Ｂ）に、特徴点の照合処理の一例を模式的に示す。図１３（Ａ）、（Ｂ）において、登録指紋画像から抽出された特徴点Ｐｒ、Ｑｒ、Ｒｒが、ステップＳ４０８で取り込まれた指紋画像の特徴点Ｐ、Ｑ、Ｒの位置に移動したものとする。ＣＰＵ１２４では、照合処理において、図１３（Ａ）に示すように、３以上の抽出された特徴点のうち少なくとも特徴点Ｐｆ、Ｑｆ、Ｒｆの３点が、それぞれ対応する特徴点Ｐｆ＋１、Ｑｆ＋１、Ｒｆ＋１に一致するようにＸ軸方向及びＹ軸方向の移動させて、登録指紋画像の該当部分を求める。
【０１０９】
また、ＣＰＵ１２４では、照合処理において、図１３（Ｂ）に示すように、３以上の抽出された特徴点のうち少なくとも特徴点Ｐｒ、Ｑｒ、Ｒｒの３点が、それぞれ対応する特徴点Ｐ、Ｑ、Ｒに一致するように、基準点ｅと、該基準点ｅを中心としたＺ軸方向の軸回りの回転角度βとを求める。
【０１１０】
このようにして回転角度α、γ、βを求めると、ＣＰＵ１２４は、Ｘ軸方向の位置Ｘ、Ｙ軸方向の位置、Ｚ軸方向の位置Ｚ、回転角度α、γ、βに対応する制御情報を出力する（ステップＳ４１３）。例えば、位置Ｘを（１）式のように補正して出力させる。また位置Ｙを（２）式のように補正して出力させる。さらに位置Ｚを（３）式のように補正して出力させる。ここで、ＣＰＵ１２４は、Ｘ軸方向の位置Ｘ、Ｙ軸方向の位置、Ｚ軸方向の位置Ｚ、回転角度α、γ、βをそのまま制御情報として出力させても良い。
【０１１１】
次に、終了するときは（ステップＳ４１４：Ｙ）、一連の処理を終了する（エンド）が、終了しないときは（ステップＳ４１４：Ｎ）、ステップＳ４００に戻る。
【０１１２】
以上説明したように、指紋の各部位に対応する登録指紋画像の該当部分に、６軸方向のうち少なくとも１つ（本実施形態では２軸）の方向の制御指示を行うためのパラメータの値を関連付け、取り込んだ指紋画像が該当する登録指紋画像の部分に関連付けられたパラメータの値に対応した制御情報を出力させる。これにより、指紋センサ１３２のセンサ面上のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の制御情報のみならず、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の軸回りの回転角度に対応した制御情報をも出力することができる。したがって、超軽量及び超小型化を図ると共に、これまで以上に操作性を向上することができる入力装置を提供することができる。
【０１１３】
（変形例）
なお上述の実施形態では、指紋画像の輪郭により検出面における位置（Ｘｓｅｎｓｏｒ，Ｙｓｅｎｓｏｒ）を求めていたが、これに限定されるものではない。例えば指紋画像の特徴点を用いて、基準位置からの特徴点の位置のずれに対応した位置（ＸＰ，ＹＰ）を求めても良い。
【０１１４】
この場合、被検出物の検出面における位置は、（１）、（２）式に代えて次式で表すことができる。
【０１１５】
Ｘ＝ＸＰ−ａ・γ ・・・（１２）
Ｙ＝ＹＰ−ｂ・α ・・・（１３）
この場合にも、本実施形態と同様に制御情報を生成することができる。そして、特に上述の静電容量方式の指紋センサを用いることで、高感度、超小型、超軽量、かつ低消費電力であって、６軸方向の制御指示が可能な入力装置を提供することができる。
【０１１６】
２． 情報装置
図１９に、本実施形態における入力装置が適用されるＩＣカードの構成ブロック図の一例を示す。ＩＣカード６００は、上述した指紋センサを用いた入力装置６１０と、画像生成部（広義には所定の制御対象の制御処理を行う処理部）６２０と、表示部６３０とを含む。入力装置６１０は、図１又は図４で説明した入力装置である。画像生成部６２０は、ＣＰＵ、及びＲＯＭ又はＲＡＭに格納されたソフトウェアプログラムにより実現される。表示部６３０は、ＬＣＤパネル及びその駆動回路により実現される。
【０１１７】
ここで画像生成部６２０は、入力装置６１０から出力された制御情報に基づいて画像データを生成する（広義には制御処理を行う）。より具体的には、入力装置６１０により６軸方向の移動指示に対応して変化する画像の画像データを生成する。表示部６３０は、画像生成部６２０で生成された画像データに基づいて画像表示を行う。
【０１１８】
このような構成のＩＣカード６００では、ユーザが入力装置６００に指の指紋画像を６軸方向に移動させて、移動指示を行うことで、表示部６３０に表示されるポインタを移動させたり、表示部６３０の画像をスクロールさせたりすることができるようになる。
【０１１９】
なおここでは、情報装置としてＩＣカードを例に説明したが、ＰＤＡ、携帯電話、３次元ＣＡＤ装置、仮想現実体験装置又は電子楽器等に本実施形態に係る入力装置を適用することができる。
【０１２０】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【０１２１】
例えば本実施形態では、指紋センサを用いた入力装置について説明したが、これに限定されるものではなく、指紋以外の２次元又は３次元の物体の画像を取り込んで同様に制御情報を出力させることができる。また検出面を有さない入力装置についても同様に適用することができる。
【０１２２】
また、本発明のうち従属請求項に係る発明においては、従属先の請求項の構成要件の一部を省略する構成とすることもできる。また、本発明の１の独立請求項に係る発明の要部を、他の独立請求項に従属させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施形態における入力装置の構成ブロック図。
【図２】 ６軸方向の制御情報の説明図。
【図３】 指紋センサを用いた入力装置の概要を示す外観構成図。
【図４】 入力装置のハードウェア構成例を示すブロック図。
【図５】 指紋センサの一例を示す回路構成図。
【図６】 静電容量検出素子の断面図。
【図７】 指紋の山が接触する場合の静電容量検出素子の等価回路図。
【図８】 指紋の谷が対向する場合の静電容量検出素子の等価回路図。
【図９】 図９（Ａ）、（Ｂ）は指紋の特徴点の一例を示す説明図。
【図１０】 入力装置の処理フローの一例の前半を示すフロー図。
【図１１】 入力装置の処理フローの一例の後半を示すフロー図。
【図１２】 図１２（Ａ）〜（Ｃ）は指の各部位の指紋画像の一例の説明図。
【図１３】 図１３（Ａ）、（Ｂ）は指の各部位の指紋画像の他の例の説明図。
【図１４】 登録指紋画像の一例を示す説明図。
【図１５】 図１５（Ａ）、（Ｂ）は登録指紋画像に回転角度をマッピングする手法の説明図。
【図１６】 指紋センサ上の位置を求める手法の説明図。
【図１７】 指紋センサ上の指の接触面積を求める手法の説明図。
【図１８】 図１８（Ａ）、（Ｂ）は特徴点の照合処理の説明図。
【図１９】 ＩＣカードの構成例を示すブロック図。
【符号の説明】
１０ 入力装置、 ２０ 画像取込部、 ２２ 検出面、 ３０ 画像解析部、３２ 面積算出部、 ３４ 特徴点抽出部、 ４０ 画像登録部、
４２ 登録画像生成部、 ４４ 登録画像特徴点抽出部、
４６ パラメータマッピング部、 ５０ 登録画像記憶部、
６０ 制御情報出力部、 ７０ 平面位置検出部、 ７２ Ｘ軸位置検出部、
７４ Ｙ軸位置検出部、 ８０ Ｚ軸位置検出部、 ９０ 回転角度検出部、
９２ Ｘ軸回り回転検出部、 ９４ Ｙ軸回り回転検出部、
９６ Ｚ軸回り回転検出部
Claims (12)
- 被検出物の画像を取り込むことにより制御情報を生成する入力装置であって、
少なくともその一部分にパラメータの値が関連付けられた登録画像を記憶する登録画像記憶部と、
被検出物の画像を取り込む画像取込部と、
前記登録画像のうち、前記被検出物の画像に対応する部分に関連付けられたパラメータの値に対応した制御情報を出力する制御情報出力部と、
を含み、
前記画像取込部は、
検出面を有し、該検出面に接する被検出物の画像を取り込み、
前記パラメータの値は、
前記検出面上で互いに直交する第１及び第２の軸回りの回転角度であり、
前記制御情報出力部は、
前記登録画像と前記被検出物の画像との比較結果に基づいて、前記被検出物の前記第１又は第２の軸回りの回転角度に対応した制御情報を出力することを特徴とする入力装置。 - 請求項１において、
前記制御情報出力部は、
前記登録画像と、前記被検出物の画像との比較結果に基づいて、前記被検出物の前記検出面と垂直な第３の軸回りの回転角度に対応した制御情報を出力することを特徴とする入力装置。 - 請求項１又は２において、
前記被検出物は、指紋であることを特徴とする入力装置。 - 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記被検出物の各部位の画像をつなぎ合わせると共に、前記画像の各部に前記被検出物の部位に対応したパラメータの値を関連付けた登録画像を登録する画像登録部を含むことを特徴とする入力装置。 - 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記登録画像は、
抽出された特徴点に前記パラメータの値が関連付けられていることを特徴とする入力装置。 - 請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記制御情報出力部は、
前記登録画像の面積と、前記画像取込部により取り込まれた被検出物の画像の面積とに基づいて、前記被検出物の前記検出面に垂直な軸方向の移動に対応した制御情報を出力することを特徴とする入力装置。 - 請求項６において、
前記被検出物の前記検出面に垂直な軸方向の移動に対応した制御情報は、
前記検出面上の互いに直交する第１又は第２の軸回りの回転角度を用いて補正された情報であることを特徴とする入力装置。 - 請求項１乃至７のいずれか記載の入力装置と、
前記入力装置からの制御情報に基づいて制御処理を行う処理部と、
を含むことを特徴とする情報装置。 - 取り込んだ被検出物の画像を用いて制御情報を生成する制御情報生成方法であって、
取り込まれた被検出物の画像と、少なくともその一部分にパラメータの値が関連付けられた登録画像とを比較し、
前記登録画像のうち、前記被検出物の画像に対応する部分に関連付けられたパラメータの値に対応した制御情報を出力し、
前記パラメータの値は、
前記被検出物の画像の検出面上で互いに直交する第１及び第２の軸回りの回転角度であり、
前記登録画像と、前記被検出物の画像との比較結果に基づいて、前記被検出物の画像の検出面上の第１又は第２の軸回りの回転角度に対応した制御情報を出力することを特徴とする制御情報生成方法。 - 請求項９において、
前記登録画像の面積と、取り込まれた被検出物の画像の面積とに基づいて、前記被検出物の画像の検出面に垂直な軸方向の前記被検出物の移動に対応した制御情報を出力することを特徴とする制御情報生成方法。 - 請求項９又は１０において、
前記登録画像と、前記被検出物の画像との比較結果に基づいて、前記被検出物の画像の検出面と垂直な第３の軸回りの回転角度に対応した制御情報を出力することを特徴とする制御情報生成方法。 - 請求項９乃至１１のいずれかにおいて、
前記被検出物は、指紋であることを特徴とする制御情報生成方法。
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