JP4390334B2

JP4390334B2 - Pattern detector

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Publication number: JP4390334B2
Application number: JP34045699A
Authority: JP
Inventors: 武雄菅原; 好夫夏目
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2019-11-30
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば指紋などのように被測定対象の表面に存する凹凸パタ−ンを検出するパターン検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
被測定対象の表面に存する凹凸パタ−ンを検出するパターン検出装置は、人間の指紋パターンを検出する指紋検出装置、牛の鼻紋を検出する鼻紋検出装置など、幅広い用途に使用されている。かかるパターン検出装置として、例えば特開平７−３３４６４９号公報に開示された指紋入力装置が知られている。この指紋入力装置は、被測定対象である指を接触させる接触面を有する三角柱形状のプリズムと、上記接触面に光を照射する光源と、光源から照射された光の上記接触面による反射光を撮像するカメラとを備えて構成される。ここで、接触面のうち指紋の凸部が接触した部分に入射した光は、当該凸部から指に入射して指に吸収される。一方、接触面のうち指紋の凸部が接触していない部分（指紋の凹部に対応する部分）に入射した光は、全反射してカメラに入射する。従って、上記接触面による反射光のパターンをカメラによって撮像することで、指紋の凹凸パターンを検出することが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術にかかるパターン検出装置には、以下に示すような問題点があった。すなわち、上記従来技術にかかるパターン検出装置においては、指紋の凹凸パターンを撮像するためにカメラを用いており、装置自体が極めて大型化してしまう。一方、カメラの代わりにＣＣＤ等の撮像素子を用いたとしても、プリズムによる反射光のパターンをレンズ等で集光させる必要があり、当該レンズ等を設けることにより装置が大型化してしまう。また、三角柱形状のプリズムを用いていることから、カメラによって撮像される指紋パターンは特定の一方向にのみ縮小された歪んだ指紋パターンとなってしまう。
【０００４】
そこで本発明は、上記問題点を解決し、小型に構成でき、異なる２方向に拡大、縮小された拡大、縮小パターンの撮像が可能なパターン検出装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のパターン検出装置は、被測定対象の表面に存する凹凸パタ−ンを検出するパタ−ン検出装置であって、上記被測定対象の表面を接触させる接触面と上記接触面と所定角度をなす出射面とを有するプリズムと、複数の光ファイバを配列してなり、光軸に対してそれぞれ所定角度をなす入射面と出射面とを有する第１の光学部品と、複数の光ファイバを配列してなり、光軸に対してそれぞれ所定角度をなす入射面と出射面とを有する第２の光学部品と、撮像素子と、上記接触面に対して上記プリズムの内側から平行光を入射させる光源とを備え、上記プリズムの出射面と上記第１の光学部品の入射面、上記第１の光学部品の出射面と上記第２の光学部品の入射面、上記第２の光学部品の出射面と上記撮像素子の受光面とはそれぞれ接しており、上記光源は、上記接触面のうち上記被測定対象の表面の非接触部分に入射する上記平行光が上記接触面において全反射条件を満たし、かつ、上記平行光の上記接触面による反射光が上記プリズムの出射面に向かって進行するように、上記接触面に対して上記平行光を入射させ、上記反射光の進行方向と上記第１の光学部品の光軸とのなす角、及び、上記第１の光学部品の光軸と上記第２の光学部品の光軸とのなす角は、上記反射光の進行方向と上記第２の光学部品の光軸とのなす角よりも小さいことを特徴としている。
【０００６】
プリズムの接触面と出射面とのなす角、２つの光学部品の光軸と入射面、出射面とのなす角等を変化させることにより、異なる２方向における縮小率、拡大率を適宜設計することが可能となり、異なる２方向に拡大、縮小された上記反射光のパターンを得ることが可能となる。また、撮像素子を光学部品の出射面に接して設けることで、光学部品と撮像素子との間にレンズ等を配置することが不要となり、装置の小型化が実現する。さらに、上記反射光の進行方向と第１の光学部品の光軸とのなす角、及び、第１の光学部品の光軸と第２の光学部品の光軸とのなす角を、上記反射光の進行方向と第２の光学部品の光軸とのなす角よりも小さくすることで、伝送路の屈曲による光の伝送損失を減少させることが可能となる。
【０００７】
また、本発明のパターン検出装置においては、上記第１の光学部品は、入射面と出射面とが互いに平行となっており、上記プリズムの接触面と出射面との双方に垂直な第１の平面と、上記第２の光学部品の入射面と出射面との双方に垂直な第２の平面とは、互いに垂直となっていることを特徴としてもよい。
【０００８】
第１の光学部品の入射面と出射面とを互いに平行とし、プリズムの接触面と出射面との双方に垂直な第１の平面と第２の光学部品の入射面と出射面との双方に垂直な第２の平面とを互いに垂直とすることで、プリズムにおいて上記反射光のパターンを特定の一方向に縮小あるいは拡大し、第２の光学部品において上記反射光のパターンを上記特定の一方向と垂直な方向に縮小あるいは拡大することが可能となる。
【０００９】
また、本発明のパターン検出装置においては、上記プリズムの接触面と上記反射光の進行方向とのなす角αは、上記プリズムの出射面と上記反射光の進行方向とのなす角βよりも小さく、上記第２の光学部品の入射面と光軸とのなす角γは、上記第２の光学部品の出射面と光軸とのなす角δよりも小さいことを特徴としてもよい。
【００１０】
αをβよりも小さくし、γをδよりも小さくすることで、プリズムにおいて上記反射光のパターンを特定の一方向に縮小し、第２の光学部品において上記反射光のパターンを上記特定の一方向と垂直な方向に縮小することが可能となる。
【００１１】
また、本発明のパターン検出装置においては、上記αと上記γとは互いに等しく、上記βと上記δとは互いに等しいことを特徴としてもよい。
【００１２】
αとγ、βとδをそれぞれ等しくすることで、上記特定の一方向における縮小率と、これに垂直な方向における縮小率とを揃えることが可能となる。
【００１３】
また、本発明のパターン検出装置においては、上記βと上記δとは、それぞれ直角であることを特徴としてもよい。
【００１４】
βとδとを直角とすることで、効率のよい縮小が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態に係るパターン検出装置について、図面を参照して説明する。まず、本実施形態に係るパターン検出装置の構成について説明する。図１は本実施形態に係るパターン検出装置の斜視図、図２は図１のＩ−Ｉ線に沿った模式断面図、図３は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った模式断面図である。尚、便宜上、図２においては光源部を、図３においてはファイバ光学部品及びＣＣＤを省略している。
【００１６】
本実施形態にかかるパターン検出装置１０は、図１に示すように、台形柱形状を有するプリズム１２と、平板形状を有してプリズム１２に連結されるファイバ光学部品１３（第１の光学部品）と、台形柱形状を有してファイバ光学部品１３に連結されるファイバ光学部品１４（第２の光学部品）と、ファイバ光学部品１４に連結されるＣＣＤ１６（撮像素子）と、プリズム１２に平行光を入射させる光源部１８（光源）とを備えて構成される。尚、光源部１８は、照明光を出射するＬＥＤ２０と、ＬＥＤ２０から出射された照明光を平行化する凸レンズ２２とを有して構成される。以下、各構成要素について詳細に説明する。
【００１７】
プリズム１２は、プラスチック製若しくはガラス製のプリズムであって、被測定対象（例えば指）の表面を接触させる接触面１２ａと、接触面１２ａとそれぞれ５９°（＝９０°−３１°）の角度をもって非平行に対向する入射面１２ｂ、出射面１２ｃと、接触面１２ａに平行な対向面１２ｄとを有している。すなわち、接触面１２ａ、入射面１２ｂ、出射面１２ｃ、対向面１２ｄが４つの側面となって台形柱を構成する。ここで、プリズム１２の屈折率ｎ１は、１．５６となっている。ここでいうプリズムとは、互いに平行でない２つ以上研磨面を持つ透明体をいい、側面を研磨したガラス板なども含まれる。
【００１８】
ファイバ光学部品１３は、図２に示すように、複数の光ファイバ１３ａを平行に配列して一体成形され、光軸（光ファイバ１３ａの軸）に対して６６°の角度をなす互いに平行な入射面１３ｂと出射面１３ｃとを有している。ファイバ光学部品１３を構成する光ファイバ１３ａのコアの屈折率ｎ２１は１．８２、クラッドの屈折率ｎ２２は１．４９５となっており、各光ファイバ１３ａの間隙には、光吸収材１３ｄが充填してある。
【００１９】
ファイバ光学部品１４は、複数の光ファイバ１４ａを平行に配列して一体成形され、光軸（光ファイバ１４ａの軸）に対してそれぞれ３１°、９０°の角度なす入射面１４ｂ、出射面１４ｃを有している。ファイバ光学部品１４を構成する光ファイバ１４ａのコアの屈折率ｎ３１は１．８２、クラッドの屈折率ｎ３２は１．４９５となっており、各光ファイバ１４ａの間隙には、光吸収材１４ｄが充填してある。
【００２０】
プリズム１２の出射面１２ｃとファイバ光学部品１３の入射面１３ｂ、ファイバ光学部品１３の出射面１３ｃとファイバ光学部品１４の入射面１４ｂとはそれぞれ、透明な接着剤によって接着されている（接している）。ここで特に、プリズム１２とファイバ光学部品１４とは、プリズム１２の接触面１２ａと出射面１２ｃとの双方に垂直な第１の平面（図１のｘｚ平面）と、ファイバ光学部品１４の入射面１４ｂと出射面１４ｃとの双方に垂直な第２の平面（図１のｘｙ平面）とが、互いに垂直になるように配置されている。
【００２１】
ＣＣＤ１６は、その受光面１６ａがファイバ光学部品１４の出射面１４ｃに接するように設けられている。より詳細には、ＣＣＤ１６の受光面１６ａとファイバ光学部品１４の出射面１４ｃとは、透明な接着剤によって接着されている。
【００２２】
光源部１８を構成するＬＥＤ２０と凸レンズ２２とは、プリズム１２に対して図３に示すような位置関係をもって配置されている。すなわち、ＬＥＤ２０と凸レンズ２２とは、ＬＥＤ２０から出射されて凸レンズ２２によって平行化された平行光がプリズム１２の入射面１２ｂに垂直に入射して、当該プリズム１２の内側から接触面１２ａに入射するように配置される。より詳細には、接触面１２ａのうち被測定対象の表面の非接触部分に入射する上記平行光が、接触面１２ａにおいて全反射条件を満たし、かつ、この平行光の接触面１２ａによる反射光がプリズム１２の出射面１２ｃに向かって進行するように、ＬＥＤ２０と凸レンズ２２とが配置される。その結果、上記平行光の接触面１２ａによる反射光は図１〜図３のｘ軸負方向に進行することになり、プリズム１２の接触面１２ａと上記反射光の進行方向とのなす角は３１°、プリズム１２の出射面１２ｃと上記反射光の進行方向とのなす角は９０°となる。さらに、上記配置により、上記反射光の進行方向とファイバ光学部品１３の光軸とのなす角は２４°（＝９０°−６６°）、ファイバ光学部品１３の光軸とファイバ光学部品１４の光軸とのなす角は３５°（＝６６°−３１°）、上記反射光の進行方向とファイバ光学部品１４の光軸とのなす角は５９°（＝９０°−３１°）となり、上記反射光の進行方向とファイバ光学部品１３の光軸とのなす角、及び、ファイバ光学部品１３の光軸とファイバ光学部品１４の光軸とのなす角は、上記反射光の進行方向とファイバ光学部品１４の光軸とのなす角よりも小さくなる。
【００２３】
続いて、本実施形態にかかるパターン検出装置の作用及び効果について説明する。図４は、プリズム１２の接触面１２ａに被測定対象である指１００の表面を接触させ、当該接触面１２ａに上記平行光を入射させた場合の光の進行の様子を示す図である。
【００２４】
ＬＥＤ２０から出射されて凸レンズ２２によって平行化された平行光は、プリズム１２の入射面１２ｂに垂直に入射し、当該プリズム１２の内側から接触面１２ａに入射する。ここで、接触面１２ａのうち指紋の凸部が接触していない部分（指紋の凹部に対応する部分）に入射した光は、接触面１２ａにおいて全反射条件を満たすため、当該接触面１２ａで全反射して出射面１２ｃの方向に進行する（図４のＡ）。一方、接触面１２ａのうち指紋の凸部が接触した部分に入射した光は、指１００の屈折率が空気と比較して大きいことから、全反射条件を満たさず、当該凸部から指１００に入射して指１００に吸収される（図４のＢ）。したがって、プリズム１２の出射面１２ｃからは、指１００の表面の指紋の凹凸パターンに応じた光パターンが出力される。
【００２５】
また、プリズム１２の接触面１２ａと接触面１２ａによる反射光の進行方向とのなす角が３１°、プリズム１２の出射面１２ｃと上記反射光の進行方向とのなす角が９０°となっていることから、プリズム１２の出射面１２ｂから出力される光パターンは、接触面１２ａに接触した指紋の凹凸パターンを特定の一方向（図１のａ軸方向）に０．５２（＝ｓｉｎ３１°／ｓｉｎ９０°）倍に縮小した光パターンとなる。
【００２６】
図５は、プリズム１２の接触面１２ａで反射した反射光のファイバ光学部品１３，１４内での進行の様子を示す図である。上記反射光は、プリズム１２の出射面１２ｃに対して９０°の角度をなして進行し、すなわち、ファイバ光学部品１３の入射面１３ｂに対して垂直に入射する。
【００２７】
ファイバ光学部品１３の入射面１３ｂは光軸に対して６６°の角度をなしていることから、上記反射光は、ファイバ光学部品１３を構成する光ファイバ１３ａのクラッドに６６°の入射角で入射する。ここで、ファイバ光学部品１３を構成する光ファイバ１３ａのコアの屈折率ｎ２１が１．８２、クラッドの屈折率ｎ２２が１．４９５であるため、コア−クラッド界面における臨界角は約５５°となる。従って、光ファイバ１３ａのクラッドに６６°の入射角で入射する上記反射光は、コア−クラッド界面で全反射して、ファイバ光学部品１３の出射面１３ｃまで伝搬する。
【００２８】
また、ファイバ光学部品１３の入射面１３ｂと出射面１３ｃとが互いに平行となっていることから、ファイバ光学部品１３の出射面１３ｃから出力される光パターンは、プリズム１２の出射面１２ｃから出力される光パターンと大きさが等しい光パターンとなる。
【００２９】
ファイバ光学部品１３の出射面１３ｃから出射されてファイバ光学部品１４の入射面１４ｂに入射した上記反射光は、ファイバ光学部品１３を構成する光ファイバ１３ａのコア−クラッド界面での反射回数に応じて、図５に示す、光路Ａあるいは光路Ｂの様にファイバ光学部品１４内を進行する。
【００３０】
ファイバ光学部品１３を構成する光ファイバ１３ａのコア−クラッド界面で偶数回（０回も含む）反射した上記反射光は、図５の光路Ａの様にファイバ光学部品１４内を進行する。すなわち、ファイバ光学部品１３を構成する光ファイバ１３ａのコア−クラッド界面で偶数回反射した上記反射光は、ファイバ光学部品１３の出射面１３ｃから垂直に出射し、ファイバ光学部品１４の入射面１４ｂに対して垂直に入射する。
【００３１】
ファイバ光学部品１４の入射面１４ｂは光軸に対して３１°の角度をなしていることから、上記反射光は、ファイバ光学部品１４を構成する光ファイバ１４ａのクラッドに３１°の入射角で入射する。ここで、ファイバ光学部品１４を構成する光ファイバ１４ａのコアの屈折率ｎ３１が１．８２、クラッドの屈折率ｎ３２が１．４９５であるため、コア−クラッド界面における臨界角は約５５°となる。従って、光ファイバ１４ａのクラッドに３１°の入射角で入射する上記反射光は、コア−クラッド界面で全反射条件を満たさず、その一部はクラッドに入射し、光吸収材１４ｄに吸収される。
【００３２】
一方、ファイバ光学部品１３を構成する光ファイバ１３ａのコア−クラッド界面で奇数回反射した上記反射光は、図５の光路Ｂの様にファイバ光学部品１４内を進行する。すなわち、ファイバ光学部品１３を構成する光ファイバ１３ａのコア−クラッド界面で奇数回反射した上記反射光は、ファイバ光学部品１３の出射面１３ｃから４８°の出射角をもって出射し、ファイバ光学部品１３を構成する光ファイバ１３ａのコアの屈折率ｎ２１とファイバ光学部品１４を構成する光ファイバ１４ａのコアの屈折率ｎ３１とが等しいことから、ファイバ光学部品１４の入射面１４ｂに対して４８°の入射角をもって入射する。
【００３３】
ファイバ光学部品１４の入射面１４ｂは光軸に対して３１°の角度をなしていることから、上記反射光は、ファイバ光学部品１４を構成する光ファイバ１４ａのクラッドに７９°の入射角で入射する。ここで、ファイバ光学部品１４を構成する光ファイバ１４ａのコア−クラッド界面における臨界角は約５５°であることから、光ファイバ１４ａのクラッドに７９°の入射角で入射する上記反射光は、コア−クラッド界面で全反射して、ファイバ光学部品１４の出射面１４ｃまで伝搬する。
【００３４】
また、ファイバ光学部品１４の入射面１４ｂ、出射面１４ｃとがそれぞれ光軸と３１°、９０°の角度を有しており、プリズム１２の接触面１２ａと出射面１２ｂとの双方に垂直な第１の平面（図１のｘｚ平面）と、ファイバ光学部品１４の入射面１４ｂと出射面１４ｃとの双方に垂直な第２の平面（図１のｘｙ平面）とが互いに垂直になっていることから、ファイバ光学部品１４の入射面１４ｂに入射した光パターンは上記特定の一方向（図１のａ軸方向）に垂直な方向（図１のｂ軸方向）に０．５２（＝ｓｉｎ３１°／ｓｉｎ９０°）倍に縮小されて出射面１４ｃから出力される。
【００３５】
従って、接触面１２ａに形成された指紋の凹凸パターンは、縦横（図１のａ軸方向とｂ軸方向）それぞれに０．５２倍に相似縮小され、かかる相似縮小された光パターンがＣＣＤ１６によって撮像される。
【００３６】
上述の如く、本実施形態にかかるパターン検出装置１０は、被測定対象の表面の凹凸パターンに応じて形成される接触面１２ａによる反射光のパターンを、プリズム１２と２つのファイバ光学部品１３，１４によって縮小させることで、プリズム１２の接触面１２ａに対する平行光の入射方向、プリズム１２の接触面１２ａと出射面１２ｂとのなす角、ファイバ光学部品１３，１４の光軸と入射面１３ｂ，１４ｂ、出射面１３ｃ，１４ｃとのなす角等を変化させることにより、異なる２方向における縮小率、拡大率を適宜設計することが可能となる。
【００３７】
ここで、ファイバ光学部品１３を設けずに、プリズム１２の出射面１２ｃとファイバ光学部品１４の入射面１４ｂとを接続してパターン検出装置を構成することも考えられるが、この場合、ファイバ光学部品１４に入射する光は、図５の光路Ａと同様の光路を進行することになり、ファイバ光学部品１４を構成する光ファイバ１４ａのコア−クラッド界面で全反射条件を満たさず、ファイバ光学部品１４の出射面１４ｃから出力される光パターンは極めて暗いものとなってしまう。これに対して、本実施形態にかかるパターン検出装置１０は、プリズム１２と２つのファイバ光学部品１３，１４とを用い、上記反射光の進行方向とファイバ光学部品１３の光軸とのなす角、及び、ファイバ光学部品１３の光軸とファイバ光学部品１４の光軸とのなす角を、上記反射光の進行方向とファイバ光学部品１４の光軸とのなす角よりも小さくすることで、伝送路の屈曲による光の伝送損失を減少させることができ、その結果、明瞭な出力イメージを得ることが可能となる。
【００３８】
また、本実施形態にかかるパターン検出装置１０は、ファイバ光学部品１３の入射面１３ｂと出射面１３ｃとを平行とし、プリズム１２の接触面１２ａと出射面１２ｂとの双方に垂直な第１の平面（図１のｘｚ平面）と、ファイバ光学部品１４の入射面１４ｂと出射面１４ｃとの双方に垂直な第２の平面（図１のｘｙ平面）とが互いに垂直になるようにプリズム１２とファイバ光学部品１４とを配置することで、上記反射光のパターンをプリズム１２とファイバ光学部品１４とによってそれぞれ垂直な２方向に縮小することができる。
【００３９】
また、本発明のパターン検出装置１０は、プリズム１２の接触面１２ａと上記反射光の進行方向とのなす角と、ファイバ光学部品１４の入射面１４ｂと光軸とのなす角とをともに３１°とし、プリズム１２の出射面１２ｂと上記反射光の進行方向とのなす角と、ファイバ光学部品１４の出射面１４ｃと光軸とのなす角とをともに９０°としていることから、上記反射光のパターンを効率よく相似縮小したパターンをＣＣＤ１６によって撮像することが可能となる。
【００４０】
また、本実施形態にかかるパターン検出装置１０は、ＣＣＤ１６をファイバ光学部品１４の出射面１４ｃに接して設けることで、ファイバ光学部品１４とＣＣＤ１６との間にレンズ等を配置することが不要となり、装置の小型化が実現する。
【００４１】
さらに、本実施形態にかかるパターン検出装置１０は、上記反射光のパターンの縮小を行う２つの光学部品のうち、被測定対象を接触させるほうの光学部品をプリズムによって構成することで、かかる光学部品をファイバ光学部品等で構成するよりも極めて安価に製造することが可能となる。尚、それ以外の光学部品については、プリズム１２の出射面１２ｂから出射された光をＣＣＤ１６に導く必要があるため、プリズムで構成することは困難である。
【００４２】
続いて、本発明の第２の実施形態に係るパターン検出装置について、図面を参照して説明する。図６は本実施形態に係るパターン検出装置の斜視図、図７は図６のＩ−Ｉ線に沿った模式断面図、図８は図６のＩＩ−ＩＩ線に沿った模式断面図である。尚、便宜上、図７においては光源部を、図８においてはファイバ光学部品及びＣＣＤを省略している。
【００４３】
本実施形態にかかるパターン検出装置３０が上記第１の実施形態にかかるパターン検出装置１０と構成上異なる点は、上記第１の実施形態にかかるパターン検出装置１０に用いたプリズム１２、ファイバ光学部品１４の代わりに、それぞれ、形状の異なるプリズム３２、ファイバ光学部品３４を用いた点である。
【００４４】
プリズム３２は、被測定対象の表面を接触させる接触面３２ａと、接触面３２ａと５９°（＝９０°−３１°）の角度をなす入射面３２ｂと、入射面３２ｂと対向するとともにして接触面３２ａと垂直な出射面３２ｃと、接触面３２ａに平行な対向面３２ｄとを有して構成される。また、ファイバ光学部品３４は、光軸に対してそれぞれ３７°、９０°の角度をなす入射面３４ｂ、出射面３４ｃを有して構成される。ここで、プリズム３２の接触面３２ａと上記反射光の進行方向とのなす角α（＝３１°）と、ファイバ光学部品３４の入射面３４ｂと光軸とのなす角γ（＝３７°）とが式（１）の関係を満たすことで、接触面３２ａに形成された指紋の凹凸パターンを相似縮小することが可能となる。
【００４５】
ｔａｎα ＝ｓｉｎγ （１）
本実施形態にかかるパターン検出装置３０も上記第１の実施形態にかかるパターン検出装置１０と同様に、異なる２方向における縮小率、拡大率を適宜設計することでき、伝送路の屈曲による光の伝送損失を減少させることができ、また、小型に構成することが可能となる。さらに、本実施形態にかかるパターン検出装置３０に用いるプリズム３２は、出射面３２ｃが接触面３２ａと垂直であるため、第１の実施形態にかかるパターン検出装置１０に用いたプリズム１２と比較して、加工が容易であるとともに、角部が欠けにくく、取り扱いが容易である。また、パターン検出装置３０を組み立てた場合に、プリズム３２、ファイバ光学部品１３，３４が同一平面上にのることから、パターン検出装置３０自体の取り扱いも容易となる。
【００４６】
続いて、本発明の第３の実施形態に係るパターン検出装置について、図面を参照して説明する。図９は本実施形態に係るパターン検出装置の斜視図、図１０は図９のＩ−Ｉ線に沿った模式断面図、図１１は図９のＩＩ−ＩＩ線に沿った模式断面図である。尚、便宜上、図１０においては光源部を、図１１においてはファイバ光学部品及びＣＣＤを省略している。
【００４７】
本実施形態にかかるパターン検出装置４０が上記第２の実施形態にかかるパターン検出装置３０と構成上異なる点は、上記第２の実施形態にかかるパターン検出装置３０に用いたプリズム３２の代わりに、形状の異なるプリズム４２を用いた点である。
【００４８】
プリズム４２は、被測定対象の表面を接触させる接触面４２ａと、接触面４２ａとそれぞれ垂直で互いに平行な入射面４２ｂ、出射面４２ｃと、接触面４２ａに平行な対向面４２ｄとを有して構成される。すなわち、プリズム４２は直方体形状となっている。ここで、プリズム４２の接触面４２ａと上記反射光の進行方向とのなす角α（＝３１°）と、ファイバ光学部品３４の入射面３４ｂと光軸とのなす角γ（＝３７°）とが上記式（１）の関係を満たすように、光源部１８から平行光が出射される。その結果、接触面４２ａに形成された指紋の凹凸パターンを相似縮小してＣＣＤ１６により撮像することが可能となる。
【００４９】
本実施形態にかかるパターン検出装置４０も上記第２の実施形態にかかるパターン検出装置３０と同様に、異なる２方向における縮小率、拡大率を適宜設計することでき、伝送路の屈曲による光の伝送損失を減少させることができ、また、小型に構成することが可能となる。また、プリズム４０の入射面４２ｂ、出射面４２ｃがともに接触面４２ａと垂直であるため、当該プリズム４０の加工が極めて容易になるとともに、角部が一層欠けにくく、取り扱いが一層容易となる。また、パターン検出装置４０を組み立てた場合に、プリズム４２、ファイバ光学部品１３，３４が同一平面上にのることから、パターン検出装置４０自体の取り扱いも容易となる。
【００５０】
上記実施形態にかかるパターン検出装置１０，３０，４０において、光源部１８はＬＥＤ２０と凸レンズ２２とから構成されていたが、凸レンズ２２の代わりにフレネルレンズを用いてもよい。フレネルレンズを用いることで、装置のさらなる小型化が実現する。
【００５１】
また、上記実施形態にかかるパターン検出装置１０，３０，４０は、被測定対象の表面の凹凸パターンを縮小して撮像するものであったが、プリズム１２の接触面１２ａに対する平行光の入射方向、プリズム１２の接触面１２ａ等と出射面１２ｂ等とのなす角、ファイバ光学部品１３，１４の光軸と入射面１３ｂ，１４ｂ、出射面１４ｂ，１４ｃとのなす角等を適宜設計することで、被測定対象の表面の凹凸パターンを拡大して撮像する構成とすることも可能である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明のパターン検出装置は、プリズムと２つの光学部品によって接触面による反射光のパターンを縮小あるいは拡大させることで、プリズムの接触面に対する平行光の入射方向、プリズムの接触面と出射面とのなす角、２つの光学部品の光軸と入射面、出射面とのなす角等を変化させることにより、異なる２方向における縮小率、拡大率を適宜設計することが可能となり、異なる２方向に拡大、縮小された上記反射光のパターンを得ることが可能となる。また、撮像素子を光学部品の出射面に接して設けることで、光学部品と撮像素子との間にレンズ等を配置することが不要となり、装置の小型化が実現する。さらに、上記反射光の進行方向と第１の光学部品の光軸とのなす角、及び、第１の光学部品の光軸と第２の光学部品の光軸とのなす角を、上記反射光の進行方向と第２の光学部品の光軸とのなす角よりも小さくすることで、伝送路の屈曲による光の伝送損失を減少させることができ、明瞭な出力イメージを得ることが可能となる。
【００５３】
また、本発明のパターン検出装置においては、プリズムの接触面と出射面との双方に垂直な第１の平面と、光学部品の入射面と出射面との双方に垂直な第２の平面とを互いに垂直とすることで、プリズムにおいて上記反射光のパターンを特定の一方向に縮小あるいは拡大し、光学部品において上記反射光のパターンを上記特定の一方向と垂直な方向に縮小あるいは拡大することが可能となる。
【００５４】
また、本発明のパターン検出装置においては、上記プリズムの上記接触面と上記反射光の進行方向とのなす角αを上記プリズムの上記出射面と上記反射光の進行方向とのなす角βよりも小さくし、上記光学部品の上記入射面と上記光軸とのなす角γを上記光学部品の上記出射面と上記光軸とのなす角δよりも小さくすることで、プリズムにおいて上記反射光のパターンを特定の一方向に縮小し、光学部品において上記反射光のパターンを上記特定の一方向と垂直な方向に縮小することが可能となる。
【００５５】
また、本発明のパターン検出装置においては、αとγ、βとδをそれぞれ等しくすることで、上記特定の一方向における縮小率と、これに垂直な方向における縮小率とを揃えることが可能となる。
【００５６】
また、本発明のパターン検出装置においては、βとδとを直角とすることで、効率のよい縮小が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】パターン検出装置の斜視図である。
【図２】図１のＩ−Ｉ線に沿った模式断面図である。
【図３】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った模式断面図である。
【図４】光の進行の様子を示す図である。
【図５】光の進行の様子を示す図である。
【図６】パターン検出装置の斜視図である。
【図７】図６のＩ−Ｉ線に沿った模式断面図である。
【図８】図６のＩＩ−ＩＩ線に沿った模式断面図である。
【図９】パターン検出装置の斜視図である。
【図１０】図９のＩ−Ｉ線に沿った模式断面図である。
【図１１】図９のＩＩ−ＩＩ線に沿った模式断面図である。
【符号の説明】
１０，３０，４０…パターン検出装置、１２，３２，４２…プリズム、１３，１４，３４…ファイバ光学部品、１６…ＣＣＤ、１８…光源部、２０…ＬＥＤ、２２…凸レンズ、１００…指[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pattern detection apparatus for detecting an uneven pattern existing on the surface of an object to be measured such as a fingerprint.
[0002]
[Prior art]
The pattern detection device for detecting the uneven pattern on the surface of the object to be measured is used in a wide range of applications such as a fingerprint detection device for detecting a human fingerprint pattern and a nose pattern detection device for detecting a cow's nose pattern. . As such a pattern detection device, for example, a fingerprint input device disclosed in JP-A-7-334649 is known. The fingerprint input device includes a triangular prism having a contact surface that contacts a finger to be measured, a light source that emits light to the contact surface, and light reflected from the contact surface of light emitted from the light source. And a camera for imaging. Here, light incident on a portion of the contact surface where the convex portion of the fingerprint contacts is incident on the finger from the convex portion and absorbed by the finger. On the other hand, the light incident on the part of the contact surface where the convex part of the fingerprint is not in contact (the part corresponding to the concave part of the fingerprint) is totally reflected and enters the camera. Therefore, it is possible to detect the concave / convex pattern of the fingerprint by imaging the reflected light pattern from the contact surface with a camera.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the pattern detection apparatus according to the above prior art has the following problems. That is, in the pattern detection apparatus according to the above-described prior art, a camera is used to image the concave / convex pattern of the fingerprint, and the apparatus itself becomes very large. On the other hand, even if an image pickup device such as a CCD is used instead of the camera, it is necessary to collect the light reflected by the prism with a lens or the like, and the provision of the lens or the like increases the size of the apparatus. In addition, since a triangular prism-shaped prism is used, the fingerprint pattern captured by the camera is a distorted fingerprint pattern reduced in only one specific direction.
[0004]
Therefore, an object of the present invention is to provide a pattern detection apparatus that can solve the above-described problems and can be configured in a small size, and can capture images of enlargement and reduction patterns that are enlarged and reduced in two different directions.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, a pattern detection apparatus of the present invention is a pattern detection apparatus that detects an uneven pattern existing on the surface of a measurement target, and is a contact surface that contacts the surface of the measurement target. A first optical component having a light incident surface and a light exit surface each having a predetermined angle with respect to the optical axis. A plurality of optical fibers, a second optical component having an entrance surface and an exit surface each having a predetermined angle with respect to the optical axis, an image sensor, and the prism with respect to the contact surface. A light source for allowing parallel light to enter from the inside, the exit surface of the prism, the entrance surface of the first optical component, the exit surface of the first optical component, the entrance surface of the second optical component, and the first The exit surface of the optical component 2 and the imaging device The light source is in contact with each of the light receiving surfaces, and the light source is configured such that the parallel light incident on a non-contact portion of the surface of the measurement target among the contact surfaces satisfies a total reflection condition at the contact surface, and the parallel light The parallel light is incident on the contact surface so that the reflected light from the contact surface travels toward the exit surface of the prism, and the traveling direction of the reflected light and the optical axis of the first optical component And the angle formed between the optical axis of the first optical component and the optical axis of the second optical component is defined by the traveling direction of the reflected light and the optical axis of the second optical component. It is characterized by being smaller than the angle formed.
[0006]
By appropriately changing the angle between the prism contact surface and the exit surface, the angle between the optical axis of the two optical components, the entrance surface, and the exit surface, etc., the reduction ratio and enlargement ratio in two different directions should be designed as appropriate. Thus, the reflected light pattern enlarged and reduced in two different directions can be obtained. In addition, by providing the image sensor in contact with the emission surface of the optical component, it is not necessary to dispose a lens or the like between the optical component and the image sensor, and the apparatus can be downsized. Furthermore, the angle formed between the traveling direction of the reflected light and the optical axis of the first optical component, and the angle formed between the optical axis of the first optical component and the optical axis of the second optical component are defined as the reflected light. By making the angle smaller than the angle formed by the traveling direction of the second optical component and the optical axis of the second optical component, it is possible to reduce light transmission loss due to bending of the transmission path.
[0007]
In the pattern detection device of the present invention, the first optical component includes a first optical component in which an incident surface and an output surface are parallel to each other, and the first optical component is perpendicular to both the contact surface and the output surface of the prism. The plane and the second plane perpendicular to both the entrance surface and the exit surface of the second optical component may be perpendicular to each other.
[0008]
The incident surface and the exit surface of the first optical component are parallel to each other, and the first plane perpendicular to both the contact surface and the exit surface of the prism and the entrance surface and the exit surface of the second optical component are both By making the perpendicular second plane perpendicular to each other, the reflected light pattern is reduced or enlarged in a specific direction in the prism, and the reflected light pattern is specified in the specific direction in the second optical component. It is possible to reduce or enlarge in a direction perpendicular to the direction.
[0009]
In the pattern detection apparatus of the present invention, an angle α formed between the contact surface of the prism and the traveling direction of the reflected light is smaller than an angle β formed between the emitting surface of the prism and the traveling direction of the reflected light. The angle γ formed by the incident surface of the second optical component and the optical axis may be smaller than the angle δ formed by the output surface of the second optical component and the optical axis.
[0010]
By making α smaller than β and γ smaller than δ, the reflected light pattern is reduced in one specific direction in the prism, and the reflected light pattern in the second optical component is reduced in the specific one. It becomes possible to reduce in a direction perpendicular to the direction.
[0011]
In the pattern detection apparatus of the present invention, α and γ may be equal to each other, and β and δ may be equal to each other.
[0012]
By making α and γ and β and δ equal to each other, it is possible to make the reduction ratio in the specific one direction and the reduction ratio in the direction perpendicular thereto uniform.
[0013]
In the pattern detection apparatus of the present invention, β and δ may be perpendicular to each other.
[0014]
By making β and δ at right angles, efficient reduction is possible.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A pattern detection apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the configuration of the pattern detection apparatus according to the present embodiment will be described. FIG. 1 is a perspective view of a pattern detection apparatus according to the present embodiment, FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line II in FIG. 1, and FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along line II-II in FIG. . For the sake of convenience, the light source section is omitted in FIG. 2, and the fiber optical component and the CCD are omitted in FIG.
[0016]
As shown in FIG. 1, the pattern detection apparatus 10 according to the present embodiment includes a prism 12 having a trapezoidal columnar shape, and a fiber optical component 13 having a flat plate shape and connected to the prism 12 (first optical component). And a fiber optical component 14 (second optical component) having a trapezoidal column shape and connected to the fiber optical component 13, a CCD 16 (imaging device) connected to the fiber optical component 14, and parallel light to the prism 12. And a light source unit 18 (light source) for making the light incident. The light source unit 18 includes an LED 20 that emits illumination light and a convex lens 22 that collimates the illumination light emitted from the LED 20. Hereinafter, each component will be described in detail.
[0017]
The prism 12 is a plastic or glass prism, and has a contact surface 12a for contacting the surface of a measurement target (for example, a finger) and an angle of 59 ° (= 90 ° -31 °) with the contact surface 12a. It has an incident surface 12b and an exit surface 12c that are non-parallelly opposed, and an opposed surface 12d that is parallel to the contact surface 12a. In other words, the contact surface 12a, the incident surface 12b, the exit surface 12c, and the facing surface 12d form four trapezoidal columns. Here, the refractive index n1 of the prism 12 is 1.56. The prism here means a transparent body having two or more polished surfaces that are not parallel to each other, and includes a glass plate whose side surfaces are polished.
[0018]
As shown in FIG. 2, the fiber optical component 13 is formed by integrally forming a plurality of optical fibers 13 a in parallel, and enters parallel to each other at an angle of 66 ° with respect to the optical axis (axis of the optical fiber 13 a). It has a surface 13b and an exit surface 13c. The refractive index n21 of the core of the optical fiber 13a constituting the fiber optical component 13 is 1.82, and the refractive index n22 of the cladding is 1.495. The gap between the optical fibers 13a is filled with a light absorbing material 13d. It is.
[0019]
The fiber optical component 14 is formed by integrally arranging a plurality of optical fibers 14a in parallel, and has an entrance surface 14b and an exit surface 14c that form angles of 31 ° and 90 ° with respect to the optical axis (axis of the optical fiber 14a), respectively. Have. The refractive index n31 of the core of the optical fiber 14a constituting the fiber optical component 14 is 1.82, and the refractive index n32 of the cladding is 1.495. The gap between the optical fibers 14a is filled with a light absorbing material 14d. It is.
[0020]
The exit surface 12c of the prism 12 and the entrance surface 13b of the fiber optic component 13, and the exit surface 13c of the fiber optic component 13 and the entrance surface 14b of the fiber optic component 14 are bonded (contacted) with a transparent adhesive. ). Here, in particular, the prism 12 and the fiber optical component 14 include a first plane (xz plane in FIG. 1) perpendicular to both the contact surface 12a and the exit surface 12c of the prism 12, and an incident surface of the fiber optical component 14. A second plane (xy plane in FIG. 1) perpendicular to both 14b and the exit surface 14c is arranged to be perpendicular to each other.
[0021]
The CCD 16 is provided such that its light receiving surface 16 a is in contact with the light exit surface 14 c of the fiber optical component 14. More specifically, the light receiving surface 16a of the CCD 16 and the exit surface 14c of the fiber optical component 14 are bonded by a transparent adhesive.
[0022]
The LED 20 and the convex lens 22 constituting the light source unit 18 are arranged with a positional relationship as shown in FIG. That is, the LED 20 and the convex lens 22 allow the parallel light emitted from the LED 20 and collimated by the convex lens 22 to be incident on the incident surface 12b of the prism 12 perpendicularly and to be incident on the contact surface 12a from the inside of the prism 12. Placed in. More specifically, the parallel light incident on the non-contact portion of the surface to be measured of the contact surface 12a satisfies the total reflection condition at the contact surface 12a, and the reflected light of the parallel light from the contact surface 12a is The LED 20 and the convex lens 22 are arranged so as to proceed toward the emission surface 12c of the prism 12. As a result, the reflected light of the parallel light contact surface 12a travels in the negative x-axis direction of FIGS. 1 to 3, and the angle formed by the contact surface 12a of the prism 12 and the travel direction of the reflected light is 31. The angle between the outgoing surface 12c of the prism 12 and the traveling direction of the reflected light is 90 °. Further, due to the above arrangement, the angle formed between the traveling direction of the reflected light and the optical axis of the fiber optical component 13 is 24 ° (= 90 ° −66 °), and the optical axis of the fiber optical component 13 and the light of the fiber optical component 14 The angle formed by the axis is 35 ° (= 66 ° -31 °), and the angle formed by the traveling direction of the reflected light and the optical axis of the fiber optical component 14 is 59 ° (= 90 ° -31 °). The angle formed by the traveling direction of light and the optical axis of the fiber optical component 13 and the angle formed by the optical axis of the fiber optical component 13 and the optical axis of the fiber optical component 14 are determined by the traveling direction of the reflected light and the fiber optical component. It is smaller than the angle formed by the 14 optical axes.
[0023]
Then, the effect | action and effect of the pattern detection apparatus concerning this embodiment are demonstrated. FIG. 4 is a diagram illustrating a state of light progression when the surface of the finger 100 to be measured is brought into contact with the contact surface 12a of the prism 12 and the parallel light is incident on the contact surface 12a.
[0024]
The parallel light emitted from the LED 20 and collimated by the convex lens 22 enters the incident surface 12b of the prism 12 perpendicularly and enters the contact surface 12a from the inside of the prism 12. Here, light incident on a portion of the contact surface 12a where the convex portion of the fingerprint is not in contact (a portion corresponding to the concave portion of the fingerprint) satisfies the total reflection condition on the contact surface 12a. The light travels in the direction of the exit surface 12c after being reflected (A in FIG. 4). On the other hand, the light incident on the portion of the contact surface 12a where the convex portion of the fingerprint is in contact does not satisfy the total reflection condition because the refractive index of the finger 100 is larger than that of air, and the convex portion is applied to the finger 100 from the convex portion. It is incident and absorbed by the finger 100 (B in FIG. 4). Therefore, a light pattern corresponding to the concave / convex pattern of the fingerprint on the surface of the finger 100 is output from the emission surface 12 c of the prism 12.
[0025]
Further, the angle formed by the contact surface 12a of the prism 12 and the traveling direction of the reflected light by the contact surface 12a is 31 °, and the angle formed by the emitting surface 12c of the prism 12 and the traveling direction of the reflected light is 90 °. Therefore, the light pattern output from the exit surface 12b of the prism 12 is 0.52 (= sin 31 ° / sin 90) in a specific direction (a-axis direction in FIG. 1) of the concave / convex pattern of the fingerprint contacting the contact surface 12a. °) Light pattern reduced to double.
[0026]
FIG. 5 is a diagram showing how the reflected light reflected by the contact surface 12 a of the prism 12 travels in the fiber optical components 13 and 14. The reflected light travels at an angle of 90 ° with respect to the emission surface 12 c of the prism 12, that is, is incident perpendicular to the incident surface 13 b of the fiber optical component 13.
[0027]
Since the incident surface 13b of the fiber optical component 13 forms an angle of 66 ° with respect to the optical axis, the reflected light is incident on the clad of the optical fiber 13a constituting the fiber optical component 13 at an incident angle of 66 °. To do. Here, since the refractive index n21 of the core of the optical fiber 13a constituting the fiber optical component 13 is 1.82 and the refractive index n22 of the cladding is 1.495, the critical angle at the core-cladding interface is about 55 °. . Accordingly, the reflected light incident on the clad of the optical fiber 13 a at an incident angle of 66 ° is totally reflected at the core-cladding interface and propagates to the exit surface 13 c of the fiber optical component 13.
[0028]
In addition, since the incident surface 13b and the output surface 13c of the fiber optical component 13 are parallel to each other, the light pattern output from the output surface 13c of the fiber optical component 13 is output from the output surface 12c of the prism 12. The light pattern is the same size as the light pattern.
[0029]
The reflected light emitted from the emission surface 13 c of the fiber optical component 13 and incident on the incident surface 14 b of the fiber optical component 14 depends on the number of reflections at the core-cladding interface of the optical fiber 13 a constituting the fiber optical component 13. 5 proceeds in the optical fiber component 14 like the optical path A or the optical path B shown in FIG.
[0030]
The reflected light reflected at the core-cladding interface of the optical fiber 13a constituting the fiber optical component 13 an even number of times (including zero) travels through the fiber optical component 14 as shown in the optical path A of FIG. That is, the reflected light that has been reflected an even number of times at the core-cladding interface of the optical fiber 13a constituting the fiber optical component 13 is emitted vertically from the emission surface 13c of the fiber optical component 13, and is incident on the incident surface 14b of the fiber optical component 14. Incidently perpendicular to it.
[0031]
Since the incident surface 14b of the fiber optical component 14 forms an angle of 31 ° with respect to the optical axis, the reflected light enters the clad of the optical fiber 14a constituting the fiber optical component 14 at an incident angle of 31 °. To do. Here, since the refractive index n31 of the core of the optical fiber 14a constituting the fiber optical component 14 is 1.82 and the refractive index n32 of the cladding is 1.495, the critical angle at the core-cladding interface is about 55 °. . Therefore, the reflected light incident on the cladding of the optical fiber 14a at an incident angle of 31 ° does not satisfy the total reflection condition at the core-cladding interface, and part of the reflected light enters the cladding and is absorbed by the light absorbing material 14d. .
[0032]
On the other hand, the reflected light reflected an odd number of times at the core-cladding interface of the optical fiber 13a constituting the fiber optical component 13 travels in the fiber optical component 14 as in the optical path B of FIG. That is, the reflected light reflected an odd number of times at the core-cladding interface of the optical fiber 13a constituting the fiber optical component 13 is emitted from the emission surface 13c of the fiber optical component 13 with an emission angle of 48 °. Since the refractive index n21 of the core of the optical fiber 13a constituting and the refractive index n31 of the core of the optical fiber 14a constituting the fiber optical component 14 are equal, the incident angle of 48 ° with respect to the incident surface 14b of the fiber optical component 14 Is incident.
[0033]
Since the incident surface 14b of the fiber optical component 14 forms an angle of 31 ° with respect to the optical axis, the reflected light enters the clad of the optical fiber 14a constituting the fiber optical component 14 at an incident angle of 79 °. To do. Here, since the critical angle at the core-cladding interface of the optical fiber 14a constituting the fiber optical component 14 is about 55 °, the reflected light incident on the cladding of the optical fiber 14a at an incident angle of 79 ° is the core. -Total reflection at the cladding interface and propagation to the exit surface 14c of the fiber optic component 14.
[0034]
Further, the incident surface 14b and the exit surface 14c of the fiber optical component 14 have angles of 31 ° and 90 ° with respect to the optical axis, respectively, and are perpendicular to both the contact surface 12a and the exit surface 12b of the prism 12. 1 plane (xz plane in FIG. 1) and a second plane (xy plane in FIG. 1) perpendicular to both the incident surface 14b and the exit surface 14c of the fiber optical component 14 are perpendicular to each other. Thus, the light pattern incident on the incident surface 14b of the fiber optic component 14 is 0.52 (= sin 31 ° / in the direction (b-axis direction in FIG. 1) perpendicular to the specific direction (a-axis direction in FIG. 1). (sin 90 °) times and output from the exit surface 14c.
[0035]
Therefore, the concave / convex pattern of the fingerprint formed on the contact surface 12a is reduced by 0.52 times in the vertical and horizontal directions (a-axis direction and b-axis direction in FIG. 1), and the similar-reduced light pattern is imaged by the CCD 16. Is done.
[0036]
As described above, the pattern detection apparatus 10 according to the present embodiment uses the prism 12 and the two fiber optical components 13 and 14 to reflect the reflected light pattern from the contact surface 12a formed according to the uneven pattern on the surface of the measurement target. , The incident direction of parallel light to the contact surface 12a of the prism 12, the angle formed by the contact surface 12a and the exit surface 12b of the prism 12, the optical axis of the fiber optical components 13 and 14, and the incident surfaces 13b and 14b, By changing the angle formed by the exit surfaces 13c and 14c, it is possible to appropriately design the reduction ratio and the enlargement ratio in two different directions.
[0037]
Here, it is conceivable that the pattern detecting device is configured by connecting the emission surface 12c of the prism 12 and the incident surface 14b of the fiber optical component 14 without providing the fiber optical component 13, but in this case, the fiber optical component The light that enters the optical path 14 travels in the same optical path as the optical path A in FIG. 5, and does not satisfy the total reflection condition at the core-cladding interface of the optical fiber 14 a that constitutes the fiber optical component 14. The light pattern output from the light exit surface 14c is extremely dark. On the other hand, the pattern detection apparatus 10 according to the present embodiment uses the prism 12 and the two fiber optical components 13 and 14, and the angle between the traveling direction of the reflected light and the optical axis of the fiber optical component 13, Further, the transmission line is formed by making the angle formed by the optical axis of the fiber optical component 13 and the optical axis of the fiber optical component 14 smaller than the angle formed by the traveling direction of the reflected light and the optical axis of the fiber optical component 14. As a result, it is possible to reduce the transmission loss of light due to the bending of the light, and to obtain a clear output image.
[0038]
Further, the pattern detection apparatus 10 according to the present embodiment has a first plane in which the incident surface 13b and the emission surface 13c of the fiber optical component 13 are parallel and perpendicular to both the contact surface 12a and the emission surface 12b of the prism 12. 1 and the second plane (xy plane in FIG. 1) perpendicular to both the entrance surface 14b and the exit surface 14c of the fiber optical component 14 are perpendicular to each other. By arranging the optical component 14, the pattern of the reflected light can be reduced in two perpendicular directions by the prism 12 and the fiber optical component 14.
[0039]
Further, the pattern detection apparatus 10 of the present invention has an angle formed by the contact surface 12a of the prism 12 and the traveling direction of the reflected light, and an angle formed by the incident surface 14b of the fiber optical component 14 and the optical axis, both by 31 °. Since the angle formed by the exit surface 12b of the prism 12 and the traveling direction of the reflected light and the angle formed by the exit surface 14c of the fiber optical component 14 and the optical axis are both 90 °, A pattern obtained by efficiently reducing the pattern similarity can be imaged by the CCD 16.
[0040]
Further, in the pattern detection apparatus 10 according to the present embodiment, by providing the CCD 16 in contact with the emission surface 14c of the fiber optical component 14, it is not necessary to arrange a lens or the like between the fiber optical component 14 and the CCD 16. Miniaturization of the device is realized.
[0041]
Furthermore, the pattern detection apparatus 10 according to the present embodiment is configured such that, of the two optical components that reduce the pattern of the reflected light, the optical component that comes into contact with the measurement target is configured by a prism. Can be manufactured at an extremely low cost compared to the case of using optical fiber components or the like. In addition, since it is necessary to guide the light radiate | emitted from the output surface 12b of the prism 12 to CCD16 about other optical components, it is difficult to comprise with a prism.
[0042]
Subsequently, a pattern detection apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 6 is a perspective view of the pattern detection apparatus according to the present embodiment, FIG. 7 is a schematic cross-sectional view taken along line II of FIG. 6, and FIG. 8 is a schematic cross-sectional view taken along line II-II of FIG. . For the sake of convenience, the light source section is omitted in FIG. 7, and the fiber optical component and the CCD are omitted in FIG.
[0043]
The pattern detection device 30 according to the present embodiment differs from the pattern detection device 10 according to the first embodiment in configuration in that the prism 12 and the fiber optical component used in the pattern detection device 10 according to the first embodiment. Instead of 14, a prism 32 and a fiber optical component 34 having different shapes are used.
[0044]
The prism 32 is in contact with the contact surface 32a that makes contact with the surface of the object to be measured, the incident surface 32b that forms an angle of 59 ° (= 90 ° -31 °) with the contact surface 32a, and the incident surface 32b. It has an emission surface 32c perpendicular to the surface 32a and an opposing surface 32d parallel to the contact surface 32a. The fiber optical component 34 includes an incident surface 34b and an output surface 34c that form angles of 37 ° and 90 ° with respect to the optical axis, respectively. Here, an angle α (= 31 °) formed by the contact surface 32a of the prism 32 and the traveling direction of the reflected light, and an angle γ (= 37 °) formed by the incident surface 34b of the fiber optical component 34 and the optical axis. Satisfying the relationship of the expression (1), it is possible to reduce the similarity of the uneven pattern of the fingerprint formed on the contact surface 32a.
[0045]
tan α = sin γ (1)
Similarly to the pattern detection apparatus 10 according to the first embodiment, the pattern detection apparatus 30 according to the present embodiment can be appropriately designed to have a reduction ratio and an enlargement ratio in two different directions, and transmit light by bending the transmission path. Loss can be reduced, and a small size can be achieved. Furthermore, the prism 32 used in the pattern detection device 30 according to the present embodiment has an emission surface 32c perpendicular to the contact surface 32a, so that it is compared with the prism 12 used in the pattern detection device 10 according to the first embodiment. The processing is easy, the corners are hard to be chipped, and the handling is easy. Further, when the pattern detection device 30 is assembled, the prism 32 and the fiber optical components 13 and 34 are on the same plane, so that the pattern detection device 30 itself can be easily handled.
[0046]
Subsequently, a pattern detection apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 9 is a perspective view of the pattern detection apparatus according to the present embodiment, FIG. 10 is a schematic cross-sectional view taken along line II in FIG. 9, and FIG. 11 is a schematic cross-sectional view taken along line II-II in FIG. . For the sake of convenience, the light source section is omitted in FIG. 10, and the fiber optical component and the CCD are omitted in FIG.
[0047]
The pattern detection device 40 according to the present embodiment differs in configuration from the pattern detection device 30 according to the second embodiment, instead of the prism 32 used in the pattern detection device 30 according to the second embodiment. This is the point that the prisms 42 having different shapes are used.
[0048]
The prism 42 has a contact surface 42a that contacts the surface of the object to be measured, an incident surface 42b that is perpendicular to the contact surface 42a and parallel to each other, an output surface 42c, and a facing surface 42d that is parallel to the contact surface 42a. Composed. That is, the prism 42 has a rectangular parallelepiped shape. Here, an angle α (= 31 °) formed by the contact surface 42a of the prism 42 and the traveling direction of the reflected light, and an angle γ (= 37 °) formed by the incident surface 34b of the fiber optical component 34 and the optical axis. The parallel light is emitted from the light source unit 18 so as to satisfy the relationship of the above formula (1). As a result, the concave-convex pattern of the fingerprint formed on the contact surface 42a can be reduced in size and imaged by the CCD 16.
[0049]
Similarly to the pattern detection apparatus 30 according to the second embodiment, the pattern detection apparatus 40 according to the present embodiment can be appropriately designed with a reduction ratio and an enlargement ratio in two different directions, and light transmission by bending of the transmission path is possible. Loss can be reduced, and a small size can be achieved. In addition, since both the incident surface 42b and the exit surface 42c of the prism 40 are perpendicular to the contact surface 42a, the prism 40 is extremely easily processed, and the corners are less likely to be chipped, and the handling is further facilitated. Further, when the pattern detection device 40 is assembled, the prism 42 and the fiber optical components 13 and 34 are on the same plane, so that the pattern detection device 40 itself can be easily handled.
[0050]
In the pattern detection apparatuses 10, 30, and 40 according to the above-described embodiment, the light source unit 18 includes the LED 20 and the convex lens 22, but a Fresnel lens may be used instead of the convex lens 22. By using a Fresnel lens, further downsizing of the apparatus is realized.
[0051]
Moreover, although the pattern detection apparatuses 10, 30, and 40 according to the above-described embodiment are to reduce and image the uneven pattern on the surface of the measurement target, the incident direction of the parallel light with respect to the contact surface 12a of the prism 12, By appropriately designing the angle formed between the contact surface 12a and the like of the prism 12 and the exit surface 12b, the angle formed between the optical axis of the fiber optical components 13 and 14 and the entrance surfaces 13b and 14b, and the exit surfaces 14b and 14c, etc. It is also possible to take an enlarged image of the uneven pattern on the surface of the measurement target.
[0052]
【The invention's effect】
The pattern detection apparatus of the present invention reduces or enlarges the pattern of reflected light from the contact surface by using the prism and two optical components, so that the incident direction of the parallel light with respect to the contact surface of the prism, the contact surface of the prism and the exit surface By changing the angle between the two optical components, the angle between the optical axis of the two optical components, the entrance surface, and the exit surface, etc., it becomes possible to design the reduction ratio and enlargement ratio in two different directions as appropriate. Thus, the reduced reflected light pattern can be obtained. In addition, by providing the image sensor in contact with the emission surface of the optical component, it is not necessary to dispose a lens or the like between the optical component and the image sensor, and the apparatus can be downsized. Further, the angle formed between the traveling direction of the reflected light and the optical axis of the first optical component, and the angle formed between the optical axis of the first optical component and the optical axis of the second optical component are defined as the reflected light. By making the angle smaller than the angle formed by the traveling direction of the second optical component and the optical axis of the second optical component, it is possible to reduce the light transmission loss due to the bending of the transmission path, and to obtain a clear output image. .
[0053]
In the pattern detection apparatus of the present invention, the first plane perpendicular to both the contact surface and the exit surface of the prism and the second plane perpendicular to both the entrance surface and the exit surface of the optical component are provided. By making them perpendicular to each other, it is possible to reduce or enlarge the reflected light pattern in a specific direction in the prism, and to reduce or enlarge the reflected light pattern in an optical component in a direction perpendicular to the specific one direction. It becomes possible.
[0054]
In the pattern detection apparatus of the present invention, an angle α formed by the contact surface of the prism and the traveling direction of the reflected light is greater than an angle β formed by the emitting surface of the prism and the traveling direction of the reflected light. By reducing the angle γ formed between the incident surface of the optical component and the optical axis, the angle γ formed between the output surface of the optical component and the optical axis is reduced. It is possible to reduce the reflected light pattern in the optical component in a direction perpendicular to the specific one direction.
[0055]
In the pattern detection apparatus of the present invention, by making α and γ, and β and δ equal, it is possible to align the reduction ratio in the specific one direction and the reduction ratio in the direction perpendicular thereto. Become.
[0056]
Further, in the pattern detection apparatus of the present invention, efficient reduction is possible by making β and δ at right angles.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a pattern detection apparatus.
2 is a schematic cross-sectional view taken along the line II of FIG.
3 is a schematic cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating how light travels.
FIG. 5 is a diagram showing how light travels.
FIG. 6 is a perspective view of the pattern detection apparatus.
7 is a schematic cross-sectional view taken along the line II of FIG.
8 is a schematic cross-sectional view taken along the line II-II in FIG.
FIG. 9 is a perspective view of the pattern detection apparatus.
10 is a schematic cross-sectional view taken along the line II of FIG.
11 is a schematic cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 30, 40 ... Pattern detection apparatus 12, 32, 42 ... Prism, 13, 14, 34 ... Fiber optical component, 16 ... CCD, 18 ... Light source part, 20 ... LED, 22 ... Convex lens, 100 ... Finger

Claims

In the pattern detection device for detecting the uneven pattern on the surface of the object to be measured,
A prism having a contact surface that contacts the surface of the object to be measured, and an exit surface that forms a predetermined angle with the contact surface;
A first optical component comprising a plurality of optical fibers arranged and having an incident surface and an output surface each having a predetermined angle with respect to the optical axis;
A second optical component having a light incident surface and a light output surface each having a predetermined angle with respect to the optical axis;
An image sensor;
A light source that makes parallel light incident on the contact surface from the inside of the prism;
The exit surface of the prism, the entrance surface of the first optical component, the exit surface of the first optical component, the entrance surface of the second optical component, the exit surface of the second optical component, and the imaging element Each is in contact with the light receiving surface,
In the light source, the parallel light incident on a non-contact portion of the surface of the object to be measured among the contact surfaces satisfies a total reflection condition on the contact surface, and reflected light from the contact surfaces of the parallel light is The parallel light is incident on the contact surface so as to travel toward the exit surface of the prism,
The angle formed between the traveling direction of the reflected light and the optical axis of the first optical component, and the angle formed between the optical axis of the first optical component and the optical axis of the second optical component are the reflection. A pattern detection apparatus, wherein the pattern detection apparatus is smaller than an angle formed by a traveling direction of light and an optical axis of the second optical component.

The first optical component has an entrance surface and an exit surface that are parallel to each other,
A first plane perpendicular to both the contact surface and the exit surface of the prism and a second plane perpendicular to both the entrance surface and the exit surface of the second optical component are perpendicular to each other. The pattern detection apparatus according to claim 1, wherein:

An angle α formed between the contact surface of the prism and the traveling direction of the reflected light is smaller than an angle β formed between the exit surface of the prism and the traveling direction of the reflected light, and the incident surface of the second optical component The pattern detection apparatus according to claim 2, wherein an angle γ formed with the optical axis is smaller than an angle δ formed between the emission surface of the second optical component and the optical axis.

Α and γ are equal to each other,
The pattern detection apparatus according to claim 3, wherein β and δ are equal to each other.

The pattern detection apparatus according to claim 4, wherein β and δ are perpendicular to each other.