JP4266961B2 - 指紋入力装置 - Google Patents

Description

本発明は、指紋入力装置に関し、特に、二次元イメージセンサを用いて指紋像を得る光学式の指紋入力装置に関するものである。

二次元イメージセンサを使った光学式の指紋入力装置には反射光型指紋入力装置と透過光型指紋入力装置があり、このうち透過光型指紋入力装置が最近注目されてきた。透過光型指紋入力装置は、光がまず指の内部へ入り、指内で散乱されて再び指表面から外へ出てくる光を利用して指紋像を結像させる。この透過光型指紋入力装置では、指紋像を得る対象の面内で指表皮から出てくる光量が均質なほど安定した指紋照合が行える。光量のムラが大きいほど補正の計算量が多くなり、低価格化、小型化、小電力化が困難になる。従来、これを解決するために指の測定面の反対側から光を当てることでこの均質化を図っていた。

一方、最近、指紋入力装置を小型化、薄型化する必要性から、図１３、図１４、及び図１５に示す方法が採用されている。すなわち、図１３に示す方法では、光源からの光を指の先端に照射している。また、図１４に示す方法では、光源としてのＬＥＤ(light-emitting diode)からの光を指の横側に照射している。さらに、図１５に示す方法では、ＬＥＤからの光を指の測定面の側に照射している。

しかし、これらの方法では測定面内の光量にムラが大きく、光量ムラの補正計算量の増大を余儀なくされている。

また、図１６に示されるように、複数の光ファイバーの束である光ファイバー束を有するファイバーオプティックプレート１００を用いる方法であって、指紋像を得るために、指当て面の法線に対して、各光ファイバーの軸が特定の傾斜角θを有するファイバーオプティックプレート１００を用いる方法も、従来から採用されている。この方法での光の照射方式は透過光方式が多く、指の測定面の反対側からの照明による照射（図１６）か、指の横側面に光源を置く方法が主流で、まれに、既に参照した図１３のように指の先端から照射する方法も用いられている。

また、ファイバーオプティックプレートを用いる方法で、反射光型の指紋入力装置も知られている。これは、図１７に示すように、ファイバーオプティックプレートの光ファイバー束に横、又は斜め横から光源からの光を当て、指の指紋測定面に光を導き、指紋の谷間で乱反射した光を光ファイバー束に導くものである。

この他に、図１８に示すように、指の位置を決めるための透光性のリング１１０を用いて、このリング１１０の下側、又は斜め下側からＬＥＤからの光を照射し、リング１１０を経由してファイバーオプティックプレート１００上に置かれた指に光を注入するものがある。指を透過した光はファイバーオプティックプレート１００の光ファイバー束を介して二次元センサに導かれる。これは光ガイドとしてのリング１１０を通じて光を指に導くため、指の側面からの光の照射である。

また、図１９（Ａ）に示すように、ＬＥＤから指へ光を導くための照明用光ファイバーと、指を透過した光を二次元センサに導く測定用光ファイバーとを混在させたファイバーオプティックプレート１００’を用いるものもある。図１９（Ｂ）に、照明用光ファイバーと測定用光ファイバーとを混在させたファイバーオプティックプレート１００’の例を示す。

二次元センサを用いた薄型の(レンズ・プリズム等を使わない)指紋入力装置では、指に帯電した静電気の影響を受け、これが非常に強い場合は二次元センサの破壊を引き起こす。これを防止する方法として、光方式のセンサでは表面に酸化スズ等の透明電極層を設けて、これを接地することで対処していた。

図２０に示すように、静電容量型センサ１７では、表面に静電防止の電極を張ることができないので、静電容量型センサ１７の表面(測定面)の周囲に比較的幅の広い電気伝導性マスク１６を設け、これを接地していた。

最近、指紋入力装置は安定性、解像度の点から光学式のものが注目され、また、携帯電話等の普及とその利用範囲の拡大に伴い、セキュリティ、特に個人認証の要請が高まり、小型、薄型、低消費電力、低価格で実現可能な安定した指紋入力装置の実現が求められてきた。このような背景から、指紋入力装置はファイバーオプティックプレートと二次元イメージセンサを使ったものが主流をなしてきた。

この方式では指紋結像部は薄型となったが、光照射の構造は、測定面の光量ムラと小型化、薄型化の兼ね合いで必ずしも十分な技術がない。測定面の光量ムラを極小にするには指の測定面の反対側、すなわち爪がある側から光を照射するのが最良であるが、これを実施するには指の太さより大きいスペースを必要とし、携帯電話等、今後も普及度が高まる超小型装置に対しては全く使用できない。したがって、指の横側、又は指の測定面側からの光照射を行う方法以外にはスペース的に不可能である。しかしながら、指の横側、又は指の測定面側からの光照射を行う方法は、以下のような問題点がある。

例えば、図１８を参照して説明したように、指を置く位置のガイドとして作用する透光性のリング１１０を通じて、指の斜め下側から照射する方法がある。これは光が光源（ＬＥＤ）から空気中へ出て、その後、指のガイドに入るため光の損失が大きくその分、光源を明るくする必要があり、使用電力が大きくなる。また、電力を一定として光量不足を補うためには、指紋測定のすぐ近くまで指ガイドとしてのリンク１１０を通して光を照射するので、測定面での光ムラが大きくなる。

また図１３に示したように、指の先端に光を照射する場合、光源からの光が直接測定面の光ファイバーに入りやすく、かつ指の根もと側の部分が光量不足になる。

また、指の測定面に直接光を当てる方法としては図１９及び図１７に示した方法がある。

図１９に示した方法は、光照射用の光ファイバー（照明用光ファイバー）を指紋測定用の測定用光ファイバーに対して斜めに混在して設け、ＬＥＤからの光を、照明用光ファイバーを介して指に当てる方法である。この場合は照明用光ファイバーの分だけ解像度が落ちることと、延在方向の異なる照明用光ファイバーと測定用光ファイバーとを混在させてファイバーオプティックプレートを作成する必要があるので製造コストは高価になり、今後のニーズに合わない。

図１７に示した方法は、ファイバーオプティックプレートをなす光ファイバー束の斜め下から指に光を照射する方法で、この場合は照射用光ファイバーは特に必要ないが、測定用ファイバー部分(クラッド部を含め)から指の測定部へ光が照射され、指紋の谷間部の空気層内で散乱された光が明部として測定されるので、基本的に反射光型の測定法になり、外からくる光(昼間の測定等で問題)は透過光型に作用するので相殺するポイントが存在し、測定が不安定になる。

現在知られている小型の指紋入力装置の技術としては、特許文献１の請求項３に示されているものがある。これに近い動作原理としては、被検体(指)に直接光を照射し、指内で散乱された光が指紋の凹部から出てきた光と凸部から出てきた光のファイバーオプティックプレートのファイバーへの入射する程度の差を利用したもであるが、この原理は次のようなものを利用している。すなわち、凸部から出た光はファイバー端面に凸部の先端が接触しているので光ファイバーの開口数の角度の分は損失が少なく光ファイバーへ入射するが、凹部から出た光は指紋の谷間の空気層に出ることになり、この空気層を通過する光は指の接触面で反射し、入射角が面の法線に対して大きいほど反射率は大きい。したがって、反射率が大きくなる角度まで光ファイバーの軸を傾け、しかも開口率の小さいファイバーを使うと、空気中からの光はファイバーに非常に入り難くなる。凸部では境界面での反射自体が少ないのでこの影響は少なくなり、凸部と凹部から出た光の光ファイバーへの入射率に差が生じて、コントラストが強くなる。この考え方はすでに公開技術となっている、特許文献２に示されている。これに対し、特許文献１の請求項３の主張点は、指の谷間の空気層から光ファイバー束へ光が入る場合、臨界角があるとしていて、この臨界角が光ファイバーの開口数、すなわち、全反射伝搬臨界角範囲の外側になるように光ファイバーの軸を傾けることが条件となっている。しかし、空気層から、空気より屈折率の高い光ファイバーに光が入る場合には臨界角は原理的に存在せず、ただ、角度が大きくなると反射率が増加する。したがって、図２１に示すように、反射率５０％の点を臨界角とみなしても入射角θ_１が８５°となってしまい、８５°まで光ファイバーの軸を傾けなくてはならないことになる。これは、光ファイバーの端面が極度に長楕円形になり、解像度が縦横で大幅に異なり、長軸方向の解像度が低下する不具合が生ずる。したがって実用上は、特許文献２で示されている考え方をベースとして最適条件を追求する必要がある。

この他、ファイバーオプティックプレートを用いる方式でも指に強い静電気を帯びている場合にはイメージセンサ等のＬＳＩ(Large Scale Integration circuit)の動作に影響を及ぼすので、これを低減することが課題となっている。上述したように、従来技術では測定面にＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明電極の薄膜を用いる方法で対処しているが、薄膜のため電気抵抗が大きくて大量の静電気を瞬間的に放電させることができないことや、静電気の放電で膜自体を変質させる等の問題があり、この他長期間繰り返して指を接触することによる磨耗での静電気放電能力の低下等の問題もある。また、図２０に示すように、静電容量型センサ１７では、表面にＩＴＯ等の静電防止の電極を張ることができないので、表面(測定面)の周囲に比較的幅の広い電気伝導性マスク１６を静電防止マスクとして使う方法が使われている。しかし、静電容量型センサ１７は、表面を比較的厚い絶縁体膜等で保護することもできないため、静電防止マスクより先に指がセンサに近づいた時にセンサに静電気が放電して破壊してしまう。

特許第３０４５６２９号 ＵＳ特許４，９３２，７７６

本発明の目的は、光源からの光が指の掌側の第一関節を含む部分の実質的に中央に入り、かつ、光源が指に接触するように、光源を配置した、新規な透過光型の指紋入力装置を提供し、透過光型の指紋入力装置の小型化を可能とすることにある。

本発明による指紋入力装置は、以下のとおりである。

（１） 指の指紋の像を採取するために前記指を接触させる指接触面を有するプレートと、光を発生する光源とを有し、前記光源からの光を、まず前記指の内部へ入れ、前記指内で散乱させて、再び前記指の表面から外へ出てくる前記光を利用して前記指紋の像を結像させる透過光型の指紋入力装置において、
前記光源からの光が前記指の掌側の第一関節を含む部分の実質的に中央に入り、かつ、前記光源が前記指に接触するように、前記光源を配置すると共に、
前記プレートの前記指接触面上に、前記第一関節を含む前記部分よりも指先の先端に接触し、別の光源からの光を透過する突起部を設け、該突起部から前記別の光源からの光が前記指に向かって照射される構造をなす前記指紋入力装置であって、
前記プレートの前記指接触面上に、前記指の位置を決めるために、該指の指先を、前記第一関節を含む前記部分を残して囲む形に前記突起部を設け、かつその突起部の断面が、前記指に面する一辺が指に沿う形をなしていることを特徴とする指紋入力装置。

（２） 上記（１）に記載の指紋入力装置において、
前記指の掌側の第一関節を含む前記部分は、前記指の掌側の第一関節の前後１０ｍｍ以内の領域であることを特徴とする指紋入力装置。

（３） 上記（１）項に記載の指紋入力装置において、
前記プレートが複数の光ファイバーの束を有するファイバーオプティックプレートであることを特徴とする指紋入力装置。

（４） 上記（３）項に記載の指紋入力装置において、
前記ファイバーオプティックプレートの前記複数の光ファイバーの各々のファイバー軸が前記プレートの前記指接触面の法線に対して一定の傾斜角を有し、該傾斜角は前記指の根元方向に前記法線に対し４５〜６０°の傾斜角であることを特徴とする指紋入力装置。

（５） 上記（３）項に記載の指紋入力装置において、
前記ファイバーオプティックプレートの周囲端面を取り巻く電気伝導性物質を有し、該電気伝導性物質を接地したことを特徴とする指紋入力装置。

（６） 上記（５）項に記載の指紋入力装置において、
前記電気伝導性物質が前記ファイバーオプティックプレートの前記指接触面の端部に這い上った形状をなすことを特徴とする指紋入力装置。

（７） 上記（５）項に記載の指紋入力装置において、
前記電気伝導性物質を遮光性の物質とすることを特徴とする指紋入力装置。

（８） 上記（１）項に記載の指紋入力装置において、
前記光源は、波長が８２０〜９８０ｎｍである近赤外光を発生するものであることを特徴とする指紋入力装置。

（９） 上記（１）項に記載の指紋入力装置において、
前記光源は、前記光を発生する発光素子チップと、該発光素子チップを包む透光性プラスチック材からなる容器とを有し、
前記透光性のプラスチック材の屈折率が、前記指の皮質の屈折率である１.８以下であることを特徴とする指紋入力装置。

（１０） 上記（１）項に記載の指紋入力装置において、
前記プレートの周囲に、前記指を正しい位置にガイドするための光を発生するガイド用光源を配置することを特徴とする指紋入力装置。

本発明によれば、光源からの光が指の掌側の第一関節を含む部分の実質的に中央に入り、かつ、光源が指に接触するように、光源を配置した、新規な透過光型の指紋入力装置が得られ、これにより、透過光型の指紋入力装置の小型化が可能となる。

次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１を参照すると、本発明の一実施例による指紋入力装置が示されている。この指紋入力装置は、指１の指紋の像を採取するために指１を接触させる指接触面を有するファイバーオプティックプレート３と、光を発生する光源２とを有し、光源２からの光を、まず指１の内部へ入れ、指１内で散乱させて、再び指１の表面から外へ出てくる光を利用して指紋の像を結像させる透過光型の指紋入力装置において、光源２からの光が指１の掌側の第一関節を含む部分の実質的に中央に入り、かつ、光源２が指１に接触するように、光源２を配置したことを特徴とする。

指１の掌側の第一関節を含む部分は、指１の掌側の第一関節の前後１０ｍｍ以内の領域であることが好ましい。

ファイバーオプティックプレート３は、複数の光ファイバーの束を有するものである。光源２からの光を、まず指１の内部へ入れ、指１内で散乱させて、再び指１の表面から外へ出てくる光を、ファイバーオプティックプレート３の複数の光ファイバーを介して二次元イメージセンサ４に導き、二次元イメージセンサ４に指紋の像として結像される。

光源２及びファイバーオプティックプレート３以外の指紋入力装置の測定面は、光を遮る遮光部分８が設けられている。

二次元イメージセンサ４に結像された指紋の像は、指紋画像処理回路２４に導かれる。指紋画像処理回路２４は、結像された指紋の像に所定の画像処理を施す。指紋画像処理回路２４の画像処理出力は指紋照合回路２５に導かれ、指紋照合回路２５において指紋照合される。

このように、本発明は、光源２からの光が指１の掌側の第一関節を含む部分の実質的に中央に入り、かつ、光源２が指１に接触するように、光源２を配置することを基本技術とする。

従来技術では、光の照射は光源から光が一度空気中に出て、これが指を照射するか光源から出た光が空気部分を経て指ガイド等ほかの部分へ入り、ここから出た光が指へ入るので光量は５０〜８０％損失してしまう。これを補うためには、測定部のすぐ近くから光を指に導入する必要があり、光の入る近くの測定部と中央部では光量の差が大きくなり、安定な測定を阻害する。

本発明では、測定部が指１の第一関節から指先の間の中間部分を使うのに対し、近赤外線光源の一つが第一関節部に置かれるので測定部まで適当な距離があり、その距離を光が進む間に指１内で光が散乱して光量ムラが均等化される。特に指１の両側からの光照射のみの場合は中央部分が暗くなる光量ムラが生ずるが、第一関節部分の中央に光源２が１個配置されることによりこの光源２からの光が指紋測定面の第一関節に近い部分はもちろんのこと、指紋測定面の指先近くまで中央の暗部の光量を補い、全体としてコントラストを強くする形で光量ムラが均等化される。

これは、図２の実測結果（図１の二次元イメージセンサ４で読み取った輝度分布）に表れている。しかも、本発明では、指１に光源２を押し当てる形で接触させるため、光が空気部分を経過せず指１と光源２の境界面での光損失が低減される。逆にこの損失が少ないために低電力で駆動した光源２でも第一関節近辺の光源２配置で指紋像を結像させるに足りる照明効果と光量ムラの均質化効果を両立させることができる。以上の基本的技術で従来技術の問題点をかなり解決できるが、下記の技術と組み合わせることによって実使用上の性能・安定性を更に向上させる。

（１）図３に示すように、ファイバーオプティックプレート３の複数の光ファイバーの各々のファイバー軸を、ファイバーオプティックプレート３の指接触面に立てた法線に対してθ’＝４５〜６０°だけ、指１の根元方向に傾斜させる。

これにより光量ムラが低減し、コントラストが向上する。このため、悪い測定条件でも安定した測定ができる。

このメカニズムは、図４を参照して以下に説明するものと考えられる。図４において、１９は指内の各点に入射、又は光源となる点から射出する光の強さと方向、２０は光ファイバーのクラッド、２１は光ファイバーのコア、２２は指紋凸部、２３は指紋凹部、Ｐ_０は２次元光源とみなす位置、Ｐ_１は２次元光源に近い位置、Ｐ_２は２次元光源に遠い位置、Ｐ_３は２次元光源に近い指紋凸部内の位置、Ｐ_４は２次元光源に近い指紋凹部(谷間)内の位置、Ｐ_５は２次元光源に遠い指紋凸部内の位置、Ｐ_６は２次元光源に遠い指紋凹部(谷間)内の位置、Ｐ_０−１８〜Ｐ_６−１８は各Ｐ_０〜Ｐ_６の位置での光方向の分布、θｃは光ファイバー内の全反射伝播臨界角である。

指は光の拡散に適している性質を持っているので指内の光の方向分布は、図４のように円形に近い形になる。すなわち、図４における任意の点に入る光の方向は、Ｐ_０を指の骨等で反射してできる２次的な光源の中心位置とすると、その２次的光源の位置Ｐ_０方向からの光は当然強く分布する。しかし他の方向からも光がきて、光の方向分布は楕円形になる(図４；Ｐ_１−１８、Ｐ_２−１８)。指紋の凸部でもこの傾向は同じであるが、谷間の影などで(図４；Ｐ_３−１８、Ｐ_５−１８)のように多少方向が変わる。この方向に光ファイバーの軸を向ければ、光ファイバーの全反射伝播臨界角(図４；θｃ)以内に光が多く入ることになり、明部はより明るくなる。これに対して指紋谷間の空気層に入る光は、指と空気の境界面で大きな屈折があり、これと谷間−指間の反射のため散乱が著しく、このため光の方向分布は更に円に近くなる(図４；Ｐ_４−１８、Ｐ_６−１８)。この上光ファイバー端面と空気との境界面で反射があるから、更に光ファイバーの中に入る光は少なくなるが、これらの理由により谷間内の光は光ファイバーの軸の傾け方に強い関係を持たないことになる。まして、臨界角的な反射がある訳ではないので、図２１に示すように傾斜角（入射角θ_１）が８０°以上になれば反射が増大するだけである。したがって、光ファイバーの傾ける方向、角度は光源の位置と関係し最適値が存在する。実験的な事実として各々の光ファイバー軸の法線に対する角度が４５〜６０°の傾斜を持つファイバーオプティックプレートを使用し、第一関節近辺に置く光源の方向に向かせるのが最適であることが判明した。

（２）また、本発明では、図５に示すように、ファイバーオプティックプレート３の周囲端面を取り巻く電気伝導性物質１３を有し、該電気伝導性物質１３を接地する。

更に、図６に示すように、電気伝導性物質１３がファイバーオプティックプレート３の指接触面の端部１５に這い上った形状をなすようにする。

電気伝導性物質１３を遮光性の物質とする。

従来、薄型の指紋入力装置では指の帯電による二次元イメージセンサ４への特性的な影響、又はセンサ４の破壊は、光方式であるが無視はできず、効果的な静電気防止の方法が求められていたが、本発明ではファイバーオプティックプレート３の周辺端面に金属等の導電性と遮光性を兼ね備えたもの１３を取り巻き、又はその一部を指接触面の端部１５に這い上らせる形状とし、これを接地しておくことにより指の静電気を効果的に逃がして、しかもファイバーオプティックプレート３の側面からの外乱光の侵入を防ぐ二重の効果を実現した。

（３）また、本発明では、図７に示すように、ファイバーオプティックプレート３の指接触面上に、指１の位置を決めるために、指１の指先を、第一関節を含む前述の部分を残して囲む形に突起部５を設け、かつその突起部５の断面が、指１に面する一辺が指に沿う形をなすようにする。

更に、図８に示すように、突起部５内に別の光源（ＬＥＤチップ等）６が設けられ、突起部５が別の光源６からの光を透過するようにする。

すなわち、図７及び図８のように、指紋測定の位置決めのためのガイド（突起部５）を設ける。このガイド（突起部５）は、透光性で断面がほぼ三角形をなし、指１に当たる面のみが指１の曲線に沿う形であるため、指当て時に違和感がないことと、指１との接触面を増やして、このガイド（突起部５）を通して出てくる照明用の光を指１により多く導く。また、この断面が三角形に近い形になっているため、指当ての反対側の一辺(面)から反射された光が指１に向かって進み、指１が触れている境界面では、ガイド（突起部５）の材料と指皮質の屈折率の差が小さいので、ほとんどの光が指１内へ透過する。子供等の小さな指１の場合は、指１がガイド（突起部５）に接触しないので、上記の光学的メカニズムではないが、ガイド（突起部５）から発する光のうち横方向成分が指の横側に照射され、この光が指１に注入される。ガイド（突起部５）がないとこの部分の光がほとんど利用されない。

（４）また、図９に示すように、ガイド（突起部５）の断面は指１に面する一辺が指１に沿う斜面をなしているが、この斜面の指１の根元側の半分に遮光部分７が形成され、前記斜面の指１の指先側の半分から別の光源６からの光が指１に向かって照射される構造をなすようにする。

すなわち、ガイド（突起部５）は指紋測定面のすぐそばに位置するので、ここから出てきた光が測定面に入り光のクロストークになる可能性があることと、測定面の至近距離から光が指１に入った場合は光量ムラがより強くなるため、測定面にごく近い部分を遮光体で覆って遮光部分７とし、クロストークと光量ムラを低減する。

（５）図１、図３、図７、図８、或いは図９において、光源２として、波長が８２０〜９８０ｎｍである近赤外光を発生するものを用いる。光源２をこのように近赤外線光源にすると、指１内での減衰が少ないので低電力でも画像が鮮明にでる。また、その分測定部からの距離が取れるので光量ムラを減少させ得る。

（６）図１において、光源２は、前記光を発生する発光素子チップであるＬＥＤ２ａと、ＬＥＤ２ａを包む透光性プラスチック材からなる容器（パッケージ）２ｂとを有し、透光性のプラスチック材の屈折率を、指１の皮質の屈折率である１.８以下とする。

すなわち、ＬＥＤ２ａのパッケージはほとんど透明プラスチックである。このプラスチックの屈折率は一般的には特に注意されていないが、低電力で働かせる指紋入力装置においては、指への光の透過率を少しでも高める必要があるので、そのプラスチックの屈折率は指の皮質の屈折率（１．８）に極力近いことが望ましいが指の屈折率より小さい側は透過率の低下は顕著ではない。実現可能な範囲としては、図１０に示すように、ＬＥＤのパッケージ材料の屈折率（Ｐ）は１.５以下であれば、損失は２０％以内（光透過率は０．８０以上）に収まる（図１０のＰ→指（接触率１００％）参照）。なお、ＬＥＤの光がパッケージから一度空気中に出て指に入る場合（Ｐ→空気→指）は、パッケージから空気中へ出る時の透過率が小さいため、図１０に示すように、ＬＥＤのパッケージ材料の屈折率（Ｐ）が１.５のとき、損失は６０％以上になる。

以上の（１）〜（６）の技術を使って実現した本発明の更なる実施例を図１１に示す。

図１１を参照して、指１をガイド５に沿って、各ファイバーの軸が傾斜したファイバーオプティックプレート３へ押し当て、同時に指紋を測定する指の第一関節近辺が近赤外線光源１０−１（図１等の光源２に対応する）へ接触するように指１を置く構成となっている。指先の位置には、パイロットランプと指位置のガイドを兼ねた赤色（或いは緑色）ＬＥＤ９−２が配置されていて、ここを目安に指を置くと、ガイド（突起部５）に指が触れるので暗い場所でも指を正しく置くことができる。また、近赤外線光源１０−１は上面平面型となっているので、指の第一関節付近にこの光源を、より幅広い面で押し当てることができる構成になっている。このほかに、指の横側から照射する近赤外線光源１０−２が左右計４ヶ所に配置されている。これら光源１０−２は、透光性の材料で作られた指位置ガイド（突起部５）を経過して指１の横側に斜め下から近赤外線を照射し、指測定部の左右の光量をこれにより満たす。指紋測定面の先端部分の照明は、指１の位置の目安と測定用の補助光源を兼ねた先端部の４つの赤色ＬＥＤ９−１により光量が補われる。

このように、ファイバーオプティックプレート３の周囲に、指を正しい位置にガイドするための光を発生するガイド用光源９−１及び９−２を配置される。

また、図１１の実施例では、ファイバーオプティックプレート３の周囲端面にそって金属の枠を電気伝導性物質１３として設けて、これが接地されている。この実施例の金属枠はその枠の端面がファイバーオプティックプレート３の表面に一致していて、指を接触した時の感触を損なわない構造になっている。一見指との接触が悪いように見えるが、電気伝導度の良い金属であるためと、絶縁性の良いファイバーオプティックプレート３の存在との組合わせで指の帯電電荷は指を近づけただけで金属の方へ放電する。

本発明の効果は、一つの平面上の約２ｍｍの薄い空間でしかも指紋測定面に近い面積内に光源、ファイバーオプティックプレート、二次元イメージセンサ、指ガイドを収納した構造でありながら、静電気や外乱光に強く、子供等の小さい指まで測定できる幅広い用途に適する。また、これに用いたファイバーオプティックプレートの光ファイバー軸の傾斜角度も４５〜６０°と比較的小さい範囲で、最適値を実現しているので、縦方向解像度も犠牲にしていない。また、効率の良い近赤外線ＬＥＤを用いることでＬＥＤ点灯の電力も少なく、小型の携帯装置に適する点も大きな効果点である。このほか、図１１の指ガイドは透明、又は半透明樹脂で作られ、光の屈折率は約１.４〜１.８前後であり指の皮質の屈折率に比較的近く、ガイド内の光は４０％以上の効率で指に入り、空気中を経由した場合の照射に比して３０％以上有効に使われる（図１０）。この分点灯電力が少なくてよい。また、第一関節近辺に配置する平面トップのＬＥＤが指の接触を滑らかにして、使用感が良い上、測定の安定性を害さない。

本発明の効果は以上の実用上の効果のほかに次の本質的な効果がある。図１に示した光源２（或いは図１１の近赤外線光源１０−１）を用いた場合の指紋像を図２に示し、当該光源を用いない場合の指紋像を図１２に示す。まず、図１２に示した場合の照明方法は指の指紋測定面の左右に各々二個ずつの光源を設けて光を指内に注入するもので、従来知られている照明方法はほとんどこの形である。その１例は図１４に示すものである。この場合の指紋像は中央の下の部分が特に暗くなる。図１２の指紋像ではこの中央下部分は一見コントラストが消失しそうに見える。この像を二次元センサで読み取り、その縦の輝度分布を指紋像の右に、横の輝度分布を指紋像の下に示す。これをみると、中央部の縦の輝度分布のコントラストは全体的に小さく、指の根本に向かって更に小さくなってしまう。また、横の分布のコントラストは中央部を中心に幅広く悪い。指の接触や指の乾燥度の状態等の条件が悪い場合は測定が不安定になり、誤作動を起こすか測定が不可能になる。これを計算で補正するためには計算量が大幅に増え、動作電力の増加、全体コストの増加等、不利な要素が増大する。

これに対し、図１の光源２（或いは図１１の近赤外線光源１０−１）を用いると、縦方向の中央部分、特に下側の光量が増して、全体にコントラストのムラが低減して、図２に示したような指紋画像が得られ、特に横方向のコントラストは全体的に強く均質な点が注目される。また、ファイバーオプティックプレートの各ファイバーが第一関節の方向に傾いているので光源１０−１からの光に感度が高く、指の縦方向中央部の光量不足を補い、指紋測定面全体の光量の均等化に効果を発揮する。また、ファイバーオプティックプレートの周辺端面全周に接地された金属部分があり、指の静電気が非常に強い場合はこの部分に空中放電されて測定部分の破壊、又は特性かく乱を防止する。指がこの金属部分に接触した場合はもちろん瞬間に静電気は全て放電され、センサの破壊、又は指紋測定時の静電気による誤作動を防止する。また、センサの表面はファイバーで保護されており、ファイバーは良好な絶縁物として機能するため、指がファイバーに触れてもセンサに放電することはなく周囲の金属部分に放電する。

本発明の一実施例による指紋入力装置の概略図である。 図１の指紋入力装置（第一関節下のＬＥＤがある場合の指紋入力装置）の二次元イメージセンサで読み取った指紋像の輝度分布を示す図である。 本発明のもう一つの実施例による指紋入力装置の概略図である。 指内の光の方向分布を説明するための図である。 本発明の更にもう一つの実施例による指紋入力装置の一部の斜視図（Ａ）及び断面図（Ｂ）である。 本発明の他の実施例による指紋入力装置の一部の斜視図（Ａ）及び断面図（Ｂ）である。 本発明の更に他の実施例による指紋入力装置の概略図である。 本発明の別の実施例による指紋入力装置の概略図である。 本発明の更に別の実施例による指紋入力装置の概略図である。 ＬＥＤパッケージ材質（Ｐ）の屈折率と、ＬＥＤパッケージと指とを接触させたとき（Ｐ→指（接触率１００％））の光透過率との関係を示した図である。 本発明の更なる実施例による指紋入力装置の概略図（Ａ）及び平面図（Ｂ）である。 第一関節下のＬＥＤが無い場合の指紋入力装置の二次元イメージセンサで読み取った指紋像の輝度分布を示す図である。 指の先端に光を照射する従来方法を説明するための図である。 指側面から光を照射する従来方法を説明するための平面図（Ａ）及び断面図（Ｂ）である。 光照射を指の下から行う従来方法を説明するための概略図である。 別の従来方法を説明するための概略図である。 更に別の従来方法を説明するための概略図である。 他の従来方法を説明するための概略図である。 従来の指紋入力装置の概略図（Ａ）及びそれに用いるファイバーオプティックプレートの斜視図（Ｂ）である。 従来技術で用いる静電容量型センサの斜視図（Ａ）及び断面図（Ｂ）である。 指紋谷間(空気)から光ファイバーへの光透過率対入射角θ１を示す図である。

符号の説明

１ 指
２ 光源
３ ファイバーオプティックプレート
４ 二次元イメージセンサ
５ 突起部
６ 別の光源
７ 遮光部分
８ 遮光部分
１０−１ 近赤外線光源

Claims (10)

1. 指の指紋の像を採取するために前記指を接触させる指接触面を有するプレートと、光を発生する光源とを有し、前記光源からの光を、まず前記指の内部へ入れ、前記指内で散乱させて、再び前記指の表面から外へ出てくる前記光を利用して前記指紋の像を結像させる透過光型の指紋入力装置において、
   前記光源からの光が前記指の掌側の第一関節を含む部分の実質的に中央に入り、かつ、前記光源が前記指に接触するように、前記光源を配置すると共に、
   前記プレートの前記指接触面上に、前記第一関節を含む前記部分よりも指先の先端に接触し、別の光源からの光を透過する突起部を設け、該突起部から前記別の光源からの光が前記指に向かって照射される構造をなす前記指紋入力装置であって、
   前記プレートの前記指接触面上に、前記指の位置を決めるために、該指の指先を、前記第一関節を含む前記部分を残して囲む形に前記突起部を設け、かつその突起部の断面が、前記指に面する一辺が指に沿う形をなしていることを特徴とする指紋入力装置。
2. 請求項１に記載の指紋入力装置において、
   前記指の掌側の第一関節を含む前記部分は、前記指の掌側の第一関節の前後１０ｍｍ以内の領域であることを特徴とする指紋入力装置。
3. 請求項１に記載の指紋入力装置において、
   前記プレートが複数の光ファイバーの束を有するファイバーオプティックプレートであることを特徴とする指紋入力装置。
4. 請求項３に記載の指紋入力装置において、
   前記ファイバーオプティックプレートの前記複数の光ファイバーの各々のファイバー軸が前記プレートの前記指接触面の法線に対して一定の傾斜角を有し、該傾斜角は前記指の根元方向に前記法線に対し４５〜６０°の傾斜角であることを特徴とする指紋入力装置。
5. 請求項３に記載の指紋入力装置において、
   前記ファイバーオプティックプレートの周囲端面を取り巻く電気伝導性物質を有し、該電気伝導性物質を接地したことを特徴とする指紋入力装置。
6. 請求項５に記載の指紋入力装置において、
   前記電気伝導性物質が前記ファイバーオプティックプレートの前記指接触面の端部に這い上った形状をなすことを特徴とする指紋入力装置。
7. 請求項５に記載の指紋入力装置において、
   前記電気伝導性物質を遮光性の物質とすることを特徴とする指紋入力装置。
8. 請求項１に記載の指紋入力装置において、
   前記光源は、波長が８２０〜９８０ｎｍである近赤外光を発生するものであることを特徴とする指紋入力装置。
9. 請求項１に記載の指紋入力装置において、
   前記光源は、前記光を発生する発光素子チップと、該発光素子チップを包む透光性プラスチック材からなる容器とを有し、
   前記透光性のプラスチック材の屈折率が、前記指の皮質の屈折率である１.８以下であることを特徴とする指紋入力装置。
10. 請求項１に記載の指紋入力装置において、
    前記プレートの周囲に、前記指を正しい位置にガイドするための光を発生するガイド用光源を配置することを特徴とする指紋入力装置。

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