JP4438265B2 - 画像入力装置及びそれを内蔵した電子機器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話、携帯情報端末及びノート型パーソナルコンピュータ等の電子機器に搭載するのに好適な画像入力装置及びこの画像入力装置を搭載した電子機器に関し、特に、風景及び人物等の外界の画像と、指紋及び印影等の画像の両方を入力することができる画像入力装置及びそれを内蔵した電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話、携帯情報端末及びノート型パーソナルコンピュータ等の電子機器の一部には、風景及び人物等の外界の画像を入力する画像入力装置が搭載されている。一方、これらの電子機器には、電子機器内に格納された情報の漏洩の防止及び電子商取引等における本人確認等を目的として、使用者の指紋を画像として入力して個人認証を行う装置が搭載されることが望まれている。
【０００３】
従来から、風景及び人物等（以下、外界という）の遠景画像と指紋等（以下、指紋という）の近接画像との両方を同一の撮像素子を使用して入力できる電子機器が知られている。これは、外界用と指紋用の２つの独立した結像光学系を有し、光が入力される結像光学系を機械的に選択することにより、外界又は指紋からの光を撮像素子へ導くものである。特に機器の体積及び製造コストが比較的に重要になる携帯型の電子機器においては、同一の撮像素子を使用して風景、人物等の外界の撮像及び指紋による個人認証の両方を実現することは大きな意味を持つ。
【０００４】
このような電子機器の例が特開２００１−１４２６０６号公報に開示されている。図１３（ａ）及び（ｂ）は、この従来の電子機器を示す正面図及び断面図であり、外界を撮像する動作を示している。図１４（ａ）及び（ｂ）は、この従来の電子機器を示す正面図及び断面図であり、指紋を撮像する動作を示している。図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、この電子機器は携帯電話であり、筐体１０４に外界撮像レンズ系１０２、切替部１０５及び透明材料により形成された指置きプリズム１０６が設けられている。切替部１０５には反射鏡１０３が取り付けられており、切替部１０５は反射鏡１０３及び外界撮像レンズ系１０２を左右にスライドするものである。
【０００５】
指置きプリズム１０６は筐体１０４の外部に面した指置き面１０６ａ及びこの指置き面１０６ａの反対側に形成されたプリズム底面１０６ｂを有し、指置き面１０６ａとプリズム底面１０６ｂとの間には反射面１０６ｃ及びレンズ系固定面１０６ｄが形成されている。筐体１０４の内部には、ＣＣＤ等の撮像素子１０１、指紋撮像レンズ系１０７及び液晶ディスプレイ等の表示器１０８が設けられ、表示器１０８はプリズム底面１０６ｂに対向するように配置され、指紋撮像レンズ系１０７はレンズ系固定面１０６ｄに固定されている。切替部１０５が一方の側に配置されているときは、外界からの光が外界撮像レンズ系１０２を通過して撮像素子１０１において結像される。このとき、切替部１０５により、反射鏡１０３は光の進路に入らないように配置される。また、切替部１０５が他方の側に配置されているときは、指置きプリズム１０６に入力された光が指紋撮像レンズ系１０７を通過して反射板１０３により反射されて撮像素子１０１において結像される。
【０００６】
この電子機器による外界の撮像動作について説明する。図１３（ａ）に示すように、切替部１０５を図示の右側にスライドさせると、図１３（ｂ）に示すように、外界からの光が外界撮像レンズ系１０２により集光され撮像素子１０１において結像される。このようにして、外界の画像が撮像素子１０１に入力される。その後、この入力された外界の画像を表示器１０８に表示すると、指置きプリズム１０６は透明材料で構成されているため、入力した画像を外部から見ることができる。
【０００７】
次に、この電子機器による指紋の撮像動作について説明する。先ず、図１４（ａ）に示すように、切替部１０５を図示の左側にスライドさせる。次に、図１４（ａ）及び（ｂ）に示すように、指置きプリズム１０６の指置き面１０６ａに指を密着させる。この状態で表示器１０８を一様に発光させると、指置き面１０６ａに密着させた指が照明される。指で散乱された光は、指置きプリズム１０６の反射面１０６ｃで反射されてレンズ系固定面１０６ｄを通過し、指紋撮像レンズ系１０７を通過し、反射鏡１０３により反射されて、撮像素子１０１にて結像される。このようにして撮像素子１０１により指紋画像を入力した後、この画像を表示器１０８に表示すると、指置きプリズム１０６は透明材料で構成されているため、入力した画像を外部から見ることができる。また、指紋入力時に表示器１０８が指の輪郭を示す図形及び「ここに指を置いてください」等のメッセージを表示することにより、指を予め決めた場所に置くことができるので、確実に指紋の特定の場所を撮像できる。
【０００８】
以上に説明したように、特開２００１−１４２６０６号公報に開示された従来の電子機器の構成は、外界用と指紋用の２つの結像光学系を備え、両者を通過する光を機械的に切り替えて撮像素子に導くことにより、外界と指紋の両方を同一の撮像素子を使用して入力する。
【０００９】
一方、本発明者等は、過去にＳＯＦＩ（Single Optical Fiber Imaging）と命名した光学系を開発し、文献「ＮＥＣ技法 Ｖｏｌ．５１、Ｎｏ．１０ ｐｐ．９０〜９５（１９９８年）“ペン型スキャナの開発”」において開示した。このＳＯＦＩ光学系は、原稿をなぞってコンピュータに入力するための手動のスキャナを実現することを目的として開発されたものである。このＳＯＦＩ光学系においては、光源が設けられ、この光源の光が入射する位置にガラス基板が設けられ、このガラス基板における前記光源に対向する面の反対面上にイメージセンサが設けられ、このイメージセンサに対向するように光ファイバアレイが設けられている。イメージセンサには複数の画素と、光が透過するための窓が設けられている。光ファイバアレイにおいては、複数本の光ファイバが前記光源からの光が前記ガラス基板及び窓を通過して入射するように設けられている。
【００１０】
このＳＯＦＩ光学系においては、先ず、読み取ろうとする原稿を光ファイバアレイに当接させ、この状態で光源を発光させる。光源から出力された光は、ガラス基板、画素に設けた窓、光ファイバの順に透過して原稿を照明する。原稿からの反射光は、照明光が透過した光ファイバと同じ光ファイバに入射してイメージセンサに入力される。これにより、原稿の画像が入力される。このＳＯＦＩ光学系は原稿読み取り用に開発されたものであるが、指紋用画像入力装置として使用することも考えられる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の技術には、以下に示すような問題点がある。特開２００１−１４２６０６号公報に開示された電子機器においては、第１に、撮像に必要な構成の体積が大きいため、電子機器が大型化するという問題点がある。即ち、前記従来の電子機器では、外界用と指紋用の２つの独立した結像光学系を設けているため、夫々の結像に必要な距離をレンズと撮像素子との間に独立に確保する必要がある。また、両者を切り替えるために、外界撮像レンズと反射鏡を左右にスライドするための空間が必要である。このように、特開２００１−１４２６０６号公報に開示された電子機器には、体積が大きいという問題点がある。
【００１２】
第２に、特開２００１−１４２６０６号公報に開示された電子機器は、指置きプリズムを通して表示器を見るようになっているため、表示画像が奥まった場所にあって見難いという問題点がある。また、指紋画像を入力すると指の油脂が指置きプリズムに付着し、表示画像を劣化させる。このように、この従来の電子機器には、奥まり感及び残留指紋のために表示性能が劣化するという問題点がある。
【００１３】
第３に、風景及び人物等の外界の画像を入力するときは、電子機器の向きに拘わらず多くの方向から外界画像を入力できることが望ましい。しかし、前記従来の電子機器では、外界用の結像光学系が電子機器の筐体に固定されているため、撮像できる方向は決まった１つの方向のみである。このように、従来の電子機器には、外界の画像を入力するときの角度の自由度が小さいという問題点がある。
【００１４】
一方、前述のＳＯＦＩ光学系を使用する画像入力装置においては、指紋画像を入力することはできるものの、外界の画像を入力することができないという問題点がある。
【００１５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、外界の画像及び指紋等の画像の双方を入力することができる画像入力装置及びこの画像入力装置が内蔵された電子機器において、小型で、表示性能の劣化が無く、外界の画像を入力するときの角度の自由度が大きい画像入力装置及び電子機器を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る画像入力装置は、第１及び第２の開口部が設けられた第１の筐体と、前記第１及び第２の開口部の一方を選択して開く開閉手段と、前記第１の開口部が開いているときに前記第１の開口部を通過した光を結像する結像光学手段と、前記結像光学手段により結像された光を検知する規則的に配列された複数の受光素子と、前記受光素子と前記結像光学手段との間に設けられ前記結像光学手段から出射された光を透過させる透明基板と、前記透明基板を透過した光を前記受光素子に向けて反射する反射部と、前記第２の開口部が開いているときに前記第２の開口部を通過した光を前記受光素子に導く密着光学手段と、を有し、前記受光素子は前記透明基板の表面に形成され、前記密着光学手段は前記透明基板の表面側に設けられていることを特徴とする。
【００１７】
本発明においては、外界の画像を入力する際には、開閉手段により第１の開口部を開き、外部からの光が結像光学手段に入射され、結像光学手段がこの光を受光素子の位置において結像する。これにより、受光素子は外界からの光を検知することができる。一方、指紋等を入力する際には、開閉手段により第２の開口部を開き、指紋等を密着光学手段の近傍に配置し、この指紋等からの光が密着光学手段により受光素子に導かれる。これにより、受光素子はこの指紋等からの光を検知することができる。これにより、１つの光学系により外界及び指紋等の２種類の画像を入力することができるため、装置の小型化を図ることができる。
【００１８】
また、前記開閉手段が第３の開口部を備え内部に前記第１の筐体を収納して回転可能に支持する第２の筐体であり、前記第１の筐体を回転させて前記第１及び第２の開口部の一方の位置を前記第３の開口部の位置に整合させることにより、前記一方の開口部を開くことが好ましい。これにより、簡略な機構により前記開閉手段を実現できると共に、この画像入力装置を電子機器に内蔵させた場合に、第２の筐体に対して結像光学手段を任意の方向に向けることができるため、電子機器の向きに拘わらず多くの方向から外界画像を入力することができる。
【００１９】
更に、前記開閉手段の前記第１の開口部又は前記第２の開口部を閉じる部分が光を吸収する材料により形成されていることが好ましい。これにより、閉じている開口部の内側において、光が反射することを防止でき、開いている開口部から入射した光に影響を与えることを防止できる。この結果、より精度よく画像を入力することができる。
【００２０】
更にまた、前記密着光学手段が複数の光ファイバを有していてもよい。更にまた、前記反射部は、前記密着光学手段における前記結像光学手段側の端部に局部的に形成された金属膜であってもよい。
【００２１】
更にまた、前記反射部に代えて、前記結像光学手段から出射された光を反射して前記受光素子に導くか又は透過させて前記密着光学手段に導くかを切り替える反射／透過切替手段を有していてもよく、この反射／透過切替手段は、相互に平行に配置された２枚の透明電極と、この２枚の透明電極間に配置されたカイラルネマチック液晶層と、を有していてもよい。これにより、外界を撮像するときは反射部の反射率を高め、指紋等を撮像するときは反射部の透過率を高めることができるため、いずれの場合においても光の利用効率が向上し、入力される画像の品質を高めることができる。
【００２２】
更にまた、前記密着光学手段と前記受光素子との間に配置されたカラーフィルタを有することが好ましい。これにより、各受光素子により単一色の光のみを検知することができる。従って、複数色のカラーフィルタを設け、複数色の光を検知することにより、カラー画像を入力することができる。
【００２３】
更にまた、前記複数の受光素子がその配置された領域ごとに複数の群に分類され、全ての群に属する受光素子に光を検知させるか、又は、一部の群に属する受光素子のみに光を検知させるかを選択できることが好ましい。これにより、結像光学手段と受光素子との間の距離を小さくし、画像入力装置のより一層の小型化を図った場合においても、外界の画像が入力される受光素子のみに光を検知させることができ、効率良く画像を入力することができる。
【００２４】
更にまた、前記第１の筐体内に設けられた発光素子を有し、この発光素子から発せられた光が前記密着光学手段を通過して被写体に照射され、この被写体からの反射光が前記密着光学手段を通過して前記受光素子により検知されることができる。これにより、指紋等の被写体を精度よく撮像することができる。
【００２５】
又は、前記第１の筐体の外面又は前記第２の筐体の外面に取り付けられた発光素子を有し、この発光素子から発せられた光が被写体に入射され、この被写体により反射又は散乱された光が前記密着光学手段を通過して前記受光素子により検知されてもよい。これにより、第１の筐体内に発光素子を設ける必要がなくなり、第１の筐体をより一層小型化することができる。
【００２６】
本発明に係る電子機器は、前記画像入力装置を内蔵することを特徴とする。この電子機器は、携帯電話、携帯情報端末又はノート型パーソナルコンピュータであってもよい。
【００２７】
また、この電子機器は、画像を表示すると共に光を発光する表示手段を有し、この表示手段から発せられた光が被写体に入射され、この被写体により反射又は散乱された光が前記密着光学手段を通過して前記受光素子により検知されるようにしてもよい。これにより、指紋等の被写体を照明するための専用の発光素子を設ける必要がないため、電子機器の小型化及び低コスト化を図ることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例の効果について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施例について説明する。図１（ａ）は本実施例に係る電子機器を示す斜視図、（ｂ）は断面図であり、図２は図１（ｂ）における画像入力装置を示す拡大断面図であり、図３（ａ）は本実施例に係る画像入力装置における受光素子及びその近傍を示す平面図であり、（ｂ）はファイバ収集部材の端面を示す平面図であり、（ｃ）は（ａ）と（ｂ）とを重ねた図である。また、図４は本実施例に係る画像入力装置の２次元イメージセンサ及びファイバ収集部材を示す断面図であり、図５（ａ）及び（ｂ）は本実施例の電子機器における指紋画像入力動作を示す正面図及び断面図である。
【００２９】
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施例に係る電子機器は具体的には携帯電話１であり、この携帯電話１はその端部に画像入力装置５を搭載している。この画像入力装置５においては、筐体１０及び筐体８０が設けられている。本実施例においては、画像入力装置５の筐体８０は携帯電話１の筐体を兼用している。携帯電話１には液晶ディスプレイ等の薄型の表示器９０が設けられ、筐体８０に固定されている。また、筐体８０には開口部８３が設けられている。
【００３０】
筐体１０は、側面に２ヶ所の開口部１１及び１２が設けられた円筒状の形状を有しており、筐体８０により回転自在に支持されており、筐体１０は筐体１０の軸を中心として回転する。筐体１０を回転させるための動力源としてモーター等を設けてもよいが、本実施例においては、図１（ａ）に示すように、筐体１０の端部に設けた凹凸部１０ａを指でスライドして手動で回転させるものとする。これは、手動で回転させることにより、モーター等を設ける必要がないため、電子機器の実装体積及びコストの低減並びに低消費電力化の点で有利なためである。筐体１０を回転させることにより、開口部１１又は１２の位置を開口部８３の位置に整合させ、これにより、開口部１１又は１２を開くことができる。なお、開口部１１を開くときは開口部１２が筐体８０により覆われることによって閉じ、開口部１２を開くときは開口部１１が筐体８０により覆われることによって閉じる。筐体１０の内部には後述する電子部品が含まれる。これら電子部品へ電源及び制御信号を供給するための配線（図示せず）により、筐体１０の内部に設けられる電子部品と筐体８０内に設けられる電子部品（図示せず）が相互に接続されている。
【００３１】
図２に示すように、筐体１０には２ヶ所の開口部１１及び１２が設けられており、開口部１１には外界撮像レンズ系２０が嵌め込まれており、開口部１０ｃにはファイバ収集部材７０が嵌め込まれている。筐体１０の内部には発光素子８２が固定され、２次元イメージセンサ３０がファイバ収集部材７０の端部に接着層５９（図４参照）により接着されている。２次元イメージセンサ３０は、透明基板３１の片側の表面に複数の受光素子５０をマトリクス状に規則正しく配列させて形成されている。ファイバ収集部材７０は、多数の光ファイバを束ねて融着したものを光ファイバが延びる方向と直交する方向に切断して表面を研磨して構成したものであり、一方の端面に形成された画像を他方の端面に伝送する光学手段である。発光素子８２には、白色光を発するチップ型発光ダイオード（ＬＥＤ）等の小型の光源を使用する。発光素子８２は、筐体１０の内側において外界撮像レンズ系２０の近傍に固定されており、外部からの制御信号により点灯し、透明基板３１の全面を照明する。また、筐体８０の表面において筐体１０に面する領域は光吸収面８１となっている。また、図２においては、外界撮像レンズ系２０が１つのレンズとして示されているが、外界撮像レンズ系２０は複数のレンズを組み合わせて構成してもよい。
【００３２】
以下、２次元イメージセンサ３０及びファイバ収集部材７０を含む光学系の構成について、詳しく説明する。図４に示すように、ファイバ収集部材７０は２次元イメージセンサ３０に接着層５９を介して接着されている。２次元イメージセンサ３０においては、透明基板３１が設けられ、この透明基板３１上の一部の領域に遮光層３２が設けられ、透明基板３１及び遮光層３２上には層間絶縁膜３３が設けられている。層間絶縁膜３３上における遮光層３２上に相当する領域には薄膜トランジスタ４０が設けられ、層間絶縁膜３３上における遮光層３２上からずれた領域には受光素子５０が設けられ、更に、ゲート配線６３、データ配線６４及びバイアス配線６５が設けられている。また、薄膜トランジスタ４０、受光素子５０、ゲート配線６３、データ配線６４及びバイアス配線６５を覆うように、平坦化膜５６が設けられ、この平坦化膜５６上にはカラーフィルタ５７が設けられ、カラーフィルタ５７上には保護層５８が設けられている。これにより、２次元イメージセンサ３０が形成されている。
【００３３】
２次元イメージセンサ３０における保護層５８上には接着層５９が設けられており、この接着層５９を介してファイバ収集部材７０が２次元イメージセンサ３０に接着されている。
【００３４】
以下、２次元イメージセンサ３０の１つの受光素子５０及びその近傍に注目する。図３（ｃ）は受光素子５０及びその周辺部を透明基板３１側から観察した様子を示す。図３（ａ）及び（ｂ）は、２次元イメージセンサ３０の構成要素とファイバ収集部材７０の構成要素とを夫々抽出して示したものである。
【００３５】
図３（ａ）に示すように、受光素子５０には複数の長方形の開口部５４が形成されている。受光素子５０には薄膜トランジスタ４０が接続され、これらの能動素子は３種類の配線（ゲート配線６３、データ配線６４、バイアス配線６５）により、外部の駆動回路（図示せず）に接続されている。２次元イメージセンサ３０に透明基板３１側から入射する光は、開口部５４を透過する。また、この光は、透明基板３１における受光素子５０、薄膜トランジスタ４０及び各配線のいずれも形成されていない領域を透過することもできる。
【００３６】
一方、図３（ｂ）に示すように、ファイバ収集部材７０の端面は、光ファイバのコア部７１と光ファイバのクラッド及びその周辺を覆うように形成された反射部７２とから構成される。ファイバ収集部材７０の端面におけるコア部７１及び反射部７２が占める面積比は夫々約５０％である。反射部７２は光ファイバのクラッド及びその周辺の領域に光吸収部材が融着され、その上にアルミニウム又は銀等の材料が被覆されて形成されており、約９５％以上の高い反射率を有している。
【００３７】
このような端面において高い反射率を持つファイバ収集部材は、例えば、ファイバ収集部材に自己アラインメントのリフトオフ工程を適用して形成することができる。即ち、ファイバ収集部材の一方の端面にフォトレジストを塗布し、その上にスパッタ法によりアルミニウムの薄膜を形成する。次に、ファイバ収集部材の他方の端面から光を入射して前記フォトレジストを露光すると、コア部７１上に形成されたフォトレジストのみが変質する。次に、ウェットプロセスにより変質したフォトレジストと共にその上のアルミニウム層を除去し、前述の高い反射率を持つファイバ収集部材が形成される。
【００３８】
図３（ｃ）に示すように、受光素子５０には複数のコア部７１が重畳されている。このとき、受光素子５０とコア部７１の位置が多少ずれても大きな問題にはならない。即ち、２次元イメージセンサ３０をファイバ収集部材７０に接着するときに、両者の間で精密な位置決めは不要である。
【００３９】
また、図４に示すように、本実施例においては、受光素子５０には、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）等からなる光電変換層５２を、クロム等からなる不透明電極５１と、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等からなる透明電極５３とにより挟んだ構成のフォトダイオードを使用する。前述のとおり、受光素子５０には開口部５４を設けている。一方、薄膜トランジスタ４０として、本実施例においては多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）によりチャネル層４２を形成するトップゲート型の構成を採用している。即ち、薄膜トランジスタ４０においては、チャネル層４２が設けられ、このチャネル層４２の上方にゲート絶縁膜４３を設け、その上にゲート配線６３を配置し、更に、チャネル層４２を形成する多結晶シリコンに高濃度の不純物元素を導入してソース・ドレイン層４１を形成している。ソース・ドレイン層４１はチャネル層４２と同層であり、チャネル層４２の両脇に配置されている。このようなトップゲート型のｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜トランジスタは、液晶ディスプレイ及びイメージセンサ等の画素を駆動する素子として一般的に使用されている。
【００４０】
また、チャネル層４２に入射する光による誤動作を防止するために、前述の如く、薄膜トランジスタ４０の下方には層間絶縁膜３３を介して遮光層３２が設けられている。薄膜トランジスタ４０及び受光素子５０は、ゲート配線６３、データ配線６４及びバイアス配線６５により外部に接続される。このような素子の上面は平坦化膜５６により平坦化され、その上にカラーフィルタ５７、保護層５８が形成される。このようにして形成された２次元イメージセンサ３０は、接着層５９を介してファイバ収集部材７０に接着される。透明基板３１としては、ｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜トランジスタとａ−Ｓｉ：Ｈフォトダイオードの製造工程との親和性を考慮して、無アルカリガラスを使用する。
【００４１】
具体的な数値例を挙げると、例えば、透明基板３１の厚さは０．７ｍｍ、透明基板３１上に形成される遮光膜３２から平坦化膜５６までの構成要素の厚さの合計は１乃至２μｍ、カラーフィルタ５７の厚さは１乃至３．５μｍ、接着層５９の厚さは約１０μｍ、ファイバ収集部材７０の厚さは０．５乃至１．０ｍｍである。また、横方向、即ち、透明基板３１の表面に平行な方向における各構成要素の大きさに関しては、受光素子５０の配列ピッチは３０μｍ、開口部５４の幅は４μｍ、ファイバ収集部材７０のコア部７１の直径は１０μｍである。２次元イメージセンサ３０の画素数は５００×５００であり、２次元イメージセンサ３０の画素部及びファイバ収集部材７０の１辺の長さは約１５ｍｍである。略円筒形の筐体１０の直径は２０ｍｍであり、携帯電話及びノート型パーソナルコンピュータの厚さよりも若干小さめになる。
【００４２】
次に、この画像入力装置を内蔵した電子機器の外界の撮像動作を説明する。図２に示すように、風景、人物等により反射された光は、外界撮像レンズ系２０により２次元イメージセンサ３０の受光素子５０が形成された面に結像される。
【００４３】
以下、この過程を詳しく説明する。図３及び図４に示すように、外界からの光は透明基板３１の下方、即ち、外界撮像レンズ系２０側から上方、即ち、ファイバ収集部材７０側へ向けて透過し、光の一部が開口部５４を透過してカラーフィルタ５７に至る。また、光の他の一部は、薄膜トランジスタ４０、受光素子５０、配線６３乃至６５により占有されていない領域を透過してカラーフィルタ５７に至る。カラーフィルタ５７は、決まった波長範囲の光のみを透過させ、それ以外の光は吸収する。カラーフィルタ５７を透過した光は、接着層５９を経てファイバ収集部材７０に至り、一部は反射部７２（図３（ｂ）参照）により反射され、残部はコア部７１に入射する。反射部７２により反射された光は、接着層５９及びカラーフィルタ５７等を再び透過した後に受光素子５０によって検出される。このようにして、外界撮像レンズ系２０に入射した光の一部は、２次元イメージセンサ３０の受光素子５０が形成された面に結像される。一方、コア部７１の一端に入射した光は他端から出射し、筐体８０に設けられた光吸収面８１によって吸収される。光吸収面８１により吸収される光及び２次元イメージセンサ３０を透過しない光は、撮像には利用できないので損失となる。
【００４４】
なお、図１及び図２においては、外界撮像レンズ系２０の光軸が筐体８０の正面に垂直になるように筐体１０が配置されているが、前述の如く、筐体８０に対して筐体１０を回転させることにより、様々な方向の外界画像を入力することができる。
【００４５】
次に、指紋の撮像動作について説明する。図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、筐体１０を図１に示す位置から１８０°回転させ、筐体１０の開口部１２の位置を筐体８０の開口部８３の位置に整合させて、ファイバ収集部材７０を外部に露出させる。指紋の撮像は、指をファイバ収集部材７０の端面に密着させた状態で、発光素子８２を点灯して行う。発光素子８２からの光は、ほぼ一様に２次元イメージセンサ３０を照明する。
【００４６】
再び、図３（ａ）乃至（ｃ）及び図４を参照して、このときの光の経路について説明する。発光素子８２（図２参照）から発光され、透明基板３１の下方から入射した光は、前述の外界撮像時と同様に、開口部５４、カラーフィルタ５７等を透過してファイバ収集部材７０に到達する。この光の一部が反射部７２により反射され、残部がコア部７１に入射するのも外界撮像時と同様である。このとき、コア部７１に入射した光は、ファイバ収集部材７０の他端に密着した指を照明する。指で反射あるいは散乱された光は、同一のコア部７１を照明光とは逆方向に伝送し、カラーフィルタ５７等を透過して受光素子５０によって検出される。この光の強度分布が指紋画像を反映している。一方、反射部７２により反射された光の一部は受光素子５０に至り、２次元イメージセンサ３０の出力を生成するが、この光の強度分布は一定である。このように、２次元イメージセンサ３０の出力は、指紋画像を反映した光の成分と、一定の強度分布を持つ光の成分との両方が重畳されている。従って、後の画像処理等により後者を除去すると、コントラストが高い鮮明な指紋画像が得られる。
【００４７】
なお、こうして得られる指紋画像はカラー画像である。個人照合のアルゴリズムによってはモノクロの指紋画像で十分だが、例えば、押圧時の指の色変化を利用して、ファイバ収集部材に押圧された物体が本物の指か否かを識別する機能を持たせるためには、指紋画像はカラーであることが望ましい。
【００４８】
また、前述の指紋の撮像過程において、指紋の入力をユーザーに促すメッセージ及び指の位置を示す図形を表示部９０に表示させることにより、指の位置を精度良く決めることができる。
【００４９】
以上説明したように、本実施例においては、画像入力装置５が外界撮像レンズ系２０、透明基板３１上に形成された２次元イメージセンサ３０、ファイバ収集部材７０を回転可能な筐体１０に配置して構成されているので、従来のように外界用及び指紋用の２つの独立した結像光学系を備える必要が無い。また、外界と指紋の入力動作の切り替えは、この筐体を電子機器の筐体に対して回転することにより実現されるので、従来のような構成要素の位置を機械的に切り替えるための空間を電子機器の内部に確保する必要が無い。従って、本実施例の画像入力装置は、従来の画像入力装置と比較して体積が小さく、携帯型の電子機器への搭載に有利である。
【００５０】
また、従来の技術においては、画像の奥まり感及び残留指紋による表示性能の劣化が懸念されたが、本実施例においては、画像入力機能を表示部から独立させることによりこの問題を解消している。
【００５１】
更に、風景及び人物等の外界の画像を入力するときの方法に注目すると、従来の電子機器では、画像の入力方向は電子機器の向きで決まる一方向のみであるが、本発明の電子機器においては、画像入力部を電子機器の筐体に対して回転させることができるので、電子機器の向きに拘わらず多くの方向から外界画像を入力することができる。即ち、本発明の構成では外界の画像を入力するときの角度の自由度が大幅に改善されている。これにより、例えば携帯電話で相手の顔を見ながら会話をしたり、風景及び人物等の動画情報を相手に送りながら話をしたりするといった使い方が容易に実現できる。
【００５２】
なお、本実施例においては、外界と指紋の両方を入力できる画像入力装置を携帯電話の筐体の端部に搭載する例を示したが、対象となる電子機器は携帯電話に限らず、例えば、ノート型パーソナルコンピュータ及び携帯情報端末でもよい。また、このような画像入力装置を組み込む場所についても電子機器の端部に限るものではない。例えば、折り畳み式の携帯電話及びノート型パーソナルコンピュータにおいて、表示部を内蔵する第１の筐体とキーボード及び押しボタンを内蔵する第２の筐体とをつなぎ合わせるヒンジ部の一部に組み込んでもよい。
【００５３】
また、ファイバ収集部材に密着して撮像する画像は指紋に限るものではない。本実施例ではファイバ収集部材の端部の面積が１５ｍｍ角に制限されているが、ファイバ収集部材の端部をより大きく形成すれば、紙等の平面状物体の表面に形成された画像ならば、指紋と同様にカラーで撮像することができる。コンピュータ等に入力する価値のある画像は指紋の他にも存在する。例えば、印鑑の印影を携帯電話で入力して照合することも可能である。
【００５４】
更に、本発明の趣旨を損なうことなく、種々の構成要素の選択、置換が可能である。例えば、本実施例においては、２次元イメージセンサの受光素子として図４に示すａ−Ｓｉ：Ｈフォトダイオードを例に挙げたが、受光素子の構成はこの例に限られるものではない。例えば、光伝導型の受光素子を用いる構成でも、同様の機能を実現できる。
【００５５】
以下、本実施例の変形例について説明する。図６は本変形例に係る２次元イメージセンサ及びファイバ収集部材を示す断面図である。図６に示すように、本変形例においては、前述の第１の実施例における光電変換型の受光素子５０の代わりに、光伝導型の受光素子５０ｂが設けられている。光伝導型の受光素子５０ｂは、光電変換層５２ｂの両脇に高濃度の不純物を含むソース・ドレイン層４１及び５３ｂを配置して構成される。また、透明基板３１と層間絶縁膜３３との間における受光素子５０ｂの下方に相当する領域には、遮光層３２ｂが設けられている。本変形例の電子機器における上記以外の構成は、前述の第１の実施例に係る電子機器の構成と同じである。光電変換層５２ｂ及びソース・ドレイン層５３ｂは、夫々薄膜トランジスタ４０のチャネル層４２及びソース・ドレイン層４１と同時に形成することができる。受光素子５０ｂに電圧を印加するための配線であるバイアス配線６５も、薄膜トランジスタ４０の製造工程で同時に形成できる。
【００５６】
本変形例に係る電子機器の動作は以下のとおりである。外界と指紋のどちらを撮像する場合でも、光は最終的にカラーフィルタ５７を透過した後に光電変換層５２ｂに入射する。光電変換層５２ｂでは光によって生成した電子及び／又は正孔のためにその電気伝導度が上昇し、ソース・ドレイン層５３ｂとソース・ドレイン層４１との間に電流が流れる。この電流を積分して得られる電荷量は、光電変換によって直接生成された電荷量よりもはるかに大きい。これは、出力の電荷量が入射光によって生成される電荷量よりも決して大きくはならないフォトダイオードに比べて、外部の電子回路を簡略化できるという利点になる。但し、入射する光量と出力の電荷量の間の比例関係が保たれる入力範囲は、フォトダイオードに比べて狭い。
【００５７】
このように、光伝導型の受光素子を使用しても、フォトダイオードを使用した構成と同様の機能を実現することができる。このとき、光伝導型の受光素子は、フォトダイオードに比べて入出力特性の線形性は劣るが、製造工程が簡便で外部の電子回路が簡略化できるという利点がある。
【００５８】
なお、前述の第１の実施例及びその変形例においては、受光素子を駆動するための回路素子としてトップゲート型ｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜トランジスタを使用したが、この代わりにスタガ型ｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜トランジスタ又はａ−Ｓｉ薄膜トランジスタ等の種々の薄膜トランジスタ又はダイオード素子を使用することもできる。従って、このような構成も本発明に含まれる。
【００５９】
また、前述の第１の実施例においては、図３に示すように、２次元イメージセンサの画素が受光素子と薄膜トランジスタとから構成される最も簡単な構成を示した。しかし、デジタルスチルカメラ等に応用されている“ＣＭＯＳセンサ”では、画素の１つ１つに増幅回路を設ける“アクティブ型”の回路構成が一般的である。ＣＭＯＳセンサは通常は結晶シリコン基板上に形成されるので、そのままでは基板の透明性を要求する本発明に適用できない。しかし、前述のａ−Ｓｉ、ｐｏｙ−Ｓｉの薄膜半導体プロセスを利用して同等の回路を透明基板上に形成することが可能である。従って、このようなアクティブ型のイメージセンサを使用する電子機器も本発明に含まれる。
【００６０】
更に、本実施例では、発光素子として白色光を発するＬＥＤを例にあげたが、個人照合のアルゴリズムによっては指紋画像がモノクロ画像でよい場合がある。この場合は発光素子が白色を発する必要は無く、例えば、波長が５５０ｎｍ付近にピークを持つ緑色のＬＥＤを使用してもよい。
【００６１】
また、本実施例においては、指に密着する光学手段としてファイバ収集部材を設ける例を挙げて説明したが、本発明の密着光学手段として以下に説明する構成物を使用してもファイバ収集部材を使用する場合と同様の効果を得ることができる。即ち、表面に反射材料により覆われた領域（反射領域）と覆われていない領域（透過領域）とを規則的に配列した透明基板を、図４に示すファイバ収集部材７０の代わりに配置する。透明基板は例えばガラス基板であってもよい。このとき、反射材料により覆われた側の表面が接着層５９を介して２次元イメージセンサ３０に対向するように、前記透明基板を２次元イメージセンサ３０の保護層５８に張り合わせる。なお、前記反射領域の形状は、例えば、図３（ｂ）に示す反射部７２の形状と同じでもよい。又は、図３（ｂ）に示すコア部７１の形状と同一にしてもよく、正方形の反射領域及び透過領域をチェッカーボードのように交互に配列してもよい。このように、反射領域及び透過領域の配置パターンは種々のパターンとすることが可能である。また、前記透明基板の厚さは、指からの光が横方向へ広がって画像の分解能が劣化しないように、十分薄くする必要がある。通常、透明基板の厚さを受光素子の配列ピッチと同等又はそれ以下にすれば、このような分解能の劣化は大きな問題にはならない。例えば、分解能が５００ｄｐｉのセンサでは、受光素子の配列ピッチは５０μｍとなるため、透明基板の厚さは５０μｍ以下であることが好ましい。
【００６２】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図７は本実施例における２次元イメージセンサを示す斜視図であり、図８はこの２次元イメージセンサの回路構成を示す回路図である。本発明においては、外界撮像レンズ系、透明基板上に形成した２次元イメージセンサ、ファイバ収集部材を回転可能な筐体に取り付けることにより、従来の画像入力装置と比較して大幅な小型化を達成している。前述の第１の実施例における数値例では、画素領域が１５ｍｍ角、画素数が５００×５００個の２次元イメージセンサ３０を使用して、回転可能な筐体１０の直径を約２ｃｍとすることができる。
【００６３】
しかし、画像入力装置のより一層の小型化を制限する要因の一つは、外界撮像レンズ系の焦点距離である。即ち、図２に示す画像入力装置において、仮に焦点距離がより短い外界撮像レンズ系を使用すれば、外界撮像レンズ系と２次元イメージセンサ３０との間の距離を短くすることができ、筐体１０のより一層の小型化が達成される。しかしながら、外界の画像は２次元イメージセンサ３０の中央付近の領域に結像されることになるので、入力画像の解像度が低くなる。また、周辺領域の画素には画像が結像されないので、これらの画素の出力は何の情報も持たない。それにも関わらず、中央付近の画素と同様に周辺領域の画素からも外部回路へ信号が出力される。これでは、２次元イメージセンサから画像信号を出力するのに要する時間が必要以上に長くなり、例えば動画を高速で出力する用途には不利である。そこで、本実施例においては、画像入力装置を以下に示す構成とすることにより、前記課題を解決して画像入力装置のより一層の小型化を無駄なく実現する。
【００６４】
本実施例においては、前述の第１の実施例に係る電子機器（携帯電話１）において、外界撮像レンズ系２０の代わりにより焦点距離が短い外界撮像レンズ系を使用し、２次元イメージセンサ３０の代わりに２次元イメージセンサ３０ｂを使用し、筐体１０の代わりにより直径が小さい筐体を使用する。これに合わせて筐体８０における筐体１０の嵌合部の内径も小さくする。本実施例の電子機器における上記以外の構成は、前述の第１の実施例に係る電子機器の構成と同一である。
【００６５】
図７に示すように、本実施例における２次元イメージセンサ３０ｂにおいては、透明基板３１が設けられ、この透明基板３１上に、受光素子５０（図４参照）と薄膜トランジスタ４０（図４参照）とからなる画素をマトリクス状に複数個配列してなる画素群３５が設けられ、透明基板３１上における画素群３５の側方にこれらの画素に必要な駆動信号を供給するための垂直駆動回路６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、及び前記画素からの出力信号を増幅して外部回路（図示せず）へ送るための水平駆動回路６２ａ、６２ｂ、６２ｃが設けられ、前記画素と前記駆動回路とを接続する配線、即ち、ゲート配線６３、データ配線６４、バイアス配線６５が設けられている。図７において、前述の第１の実施例の構成要素と同じ機能を果たす構成要素については同じ符号を付しその詳細な説明を省略する。
【００６６】
本実施例においては、前述の如く、垂直駆動回路及び水平駆動回路が夫々３つずつ設けられている。これらの駆動回路、即ち、垂直駆動回路６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、及び水平駆動回路６２ａ、６２ｂ、６２ｃによって、２次元イメージセンサ３０ｂの画素群３５は９の矩形領域３５ａ〜３５ｉに分割される。従って、複数の受光素子５０は９の矩形領域３５ａ〜３５ｉのいずれかに属することになる。なお、９の矩形領域３５ａ〜３５ｉは３行３列のマトリクス状に配置され、矩形領域３５ａが中央に配置され、矩形領域３５ｂ〜３５ｉが矩形領域３５ａの周囲に配置される。このとき、外界からの光が外界撮像用レンズ２０によって中央の矩形領域３５ａにおいて結像されるように設計する。
【００６７】
なお、図８においては、受光素子をＰＤ、薄膜トランジスタをＴｐと表記している。Ｖｂは受光素子ＰＤに印加する電圧、ＩＭＧ−ＯＵＴはイメージセンサの出力である。図８の回路図に示すように、これらの駆動回路には３つの独立したシフトレジスタ回路（図ではＳ／Ｒと表記する）が含まれる。夫々のシフトレジスタ回路は、ＳＴＲＴ−Ｖ１等の制御信号が入力された瞬間より出力端子に端から順に矩形パルスを出力する。ＣＬＫ−Ｖ、ＣＬＫ−Ｈは夫々垂直駆動回路６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、及び水平駆動回路６２ａ、６２ｂ、６２ｃに供給される制御信号である。更に、水平駆動回路６２ａ、６２ｂ、６２ｃには受光素子ＰＤからの出力電流を積分して増幅するための回路（ＡＭＰと表記）が含まれる。
【００６８】
次に、図７及び図８を参照して本実施例に係る電子機器の動作について説明する。前述のように、外界の画像を入力するときには、外界撮像レンズ系からの光が中央の矩形領域３５ａに集められる。他の矩形領域の受光素子は画像情報を含まない。このとき、中央のシフトレジスタ回路のみに制御信号ＳＴＲＴ−Ｖ２及びＳＴＲＴ−Ｈ２を入力すると、垂直駆動回路６１ｂ及び水平駆動回路６２ｂが動作して、矩形領域３５ａに属する画素からのみ信号が連続して出力される。他のシフトレジスタ回路には制御信号が入力されないので、他の矩形領域の受光素子は事実上存在しないのと同等である。従って、高速で無駄なく外界画像を出力することができる。
【００６９】
指紋を撮像する場合には、指で反射あるいは散乱された光が２次元イメージセンサ３０ｂの９に分割された画素領域（矩形領域３５ａ〜３５ｉ）の全てに到達する。このとき、まず垂直駆動回路について説明すると、３つに分割されたシフトレジスタ回路の出力が時間的に重ならないように制御信号ＳＴＲＴ−Ｖ１、ＳＴＲＴ−Ｖ２、ＳＴＲＴ−Ｖ３のタイミングを調整する。即ち、例えば、垂直駆動回路６１ａの最終段の出力が終了した後に、垂直駆動回路６１ｂに制御信号ＳＴＲＴ−Ｖ２を入力すればよい。このようにして、事実上１つのシフトレジスタ回路として動作させることができる。水平駆動回路についても同様にして制御信号のタイミングを調整することで、事実上１つの駆動回路として機能させることができる。従って、２次元イメージセンサ３０ｂの全ての画素からの信号が出力されて、指紋画像が得られる。
【００７０】
以上に説明したように、本実施例においては、２次元イメージセンサを分割することにより必要な領域の画素からのみ出力することができるので、外界撮像レンズ系と２次元イメージセンサとの間の距離を小さくしても無駄なく外界の画像を出力でき、画像入力装置とそれを内蔵する電子機器のより一層の小型化が実現される。
【００７１】
なお、２次元イメージセンサの画素領域の分割数は９に限らない。例えば、外界撮像レンズ系として２つの異なるレンズ系を切り替える機構を設けることにより、通常の外界画像に加えて、例えばレンズに近い物体を入力するための“接写機能”を付加することができる。このとき、通常の外界画像、接写時の外界画像及び指紋画像の３種類の大きさの画像に対応する必要がある。これは駆動回路を５分割し、画素領域を２５分割することにより実現できる。従って、このような構成の画像入力装置も本発明に含まれる。
【００７２】
次に、本発明の第３の実施例について説明する。本発明の画像入力装置において、光の利用効率は画質を決定する重要な要因であり、この利用効率は可及的に高いことが望ましい。そこで、前述の第１の実施例において、図３（ａ）乃至（ｃ）及び図４を参照して光の利用効率について説明する。透明基板３１側から入射した光は、受光素子５０の開口部５４並びに受光素子５０、薄膜トランジスタ４０及び配線６３乃至６５間の隙間を透過する。このときの透過率をＴ１とする。次に、この光はカラーフィルタ５７を透過する。このときの透過率をＴ２とする。Ｔ１×Ｔ２の透過率でファイバ収集部材７０の端面に到達した光は、反射部７２により反射されるかコア部７１に入射する。前者の確率をＴ３とする。反射部７２により反射された光がカラーフィルタ５７を再び透過して受光素子５０に至る確率をＴ４とする。以上より、光の利用効率は確率Ｔ１乃至Ｔ４の積、即ち、Ｔ１×Ｔ２×Ｔ３×Ｔ４になる。このうち、積Ｔ１×Ｔ４は０．２５以上にはなり得ない。また、仮に、確率Ｔ３を０．５よりも大きく設定すると、指紋入力のときの光利用効率が低減する。このため、前述の第１の実施例において、光の利用効率を向上させることは困難である。
【００７３】
そこで、第３の実施例として、前述の課題を解決して光利用効率を改善する構成を説明する。図９は本実施例に係る２次元イメージセンサを示す断面図である。なお、図９において、図４に示す第１の実施例の構成要素と同じ機能を果たす構成要素については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００７４】
図９に示すように、本実施例の電子機器が図４に示す第１の実施例の電子機器と異なる点は、第１の実施例におけるファイバ収集部材７０の替わりに、ファイバ収集部材７０ｂが設けられている点である。ファイバ収集部材７０ｂには、２次元イメージセンサ３０側の端部に反射／透過切替手段７５が設けられており、反射部７２（図３（ｂ）参照）が設けられていない。反射／透過切替手段７５は、透明電極７６、液晶層７７及び透明電極７８をこの順に積層して形成されている。このため、ファイバ収集部材７０ｂの製造工程において、反射部７２を形成する工程は不要となる一方で、透明電極７６、液晶層７７、透明電極７８を順に積層して反射／透過切替手段７５を形成する工程が必要になる。液晶層７７には、例えばカイラルネマチック液晶が利用できる。これは、電圧が印加されない状態では螺旋状態を保っており、入射する光が散乱される。電圧が印加されると螺旋構造が引き伸ばされて、光が透過するようになる。透明電極７６及び７８は、ＩＴＯ等の材料をファイバ収集部材７０ｂの端部全面にスパッタして形成する。
【００７５】
本実施例に係る電子機器において、外界を撮像する場合には、透明電極７６と７８との間に電圧を印加せず、反射／透過切替手段７５を反射状態とする。これにより、前述の確率Ｔ３を０．５よりも大きくすることが可能となる。一方、指紋を撮像する場合には、透明電極７６と７８との間に電圧を印加して、反射／透過切替手段７５を透過状態とする。このように、本実施例においては、反射／透過切替手段を２次元イメージセンサとファイバ収集部材の間に配置することにより、外界撮像時及び指紋撮像時の双方において、光の利用効率を高めることができる。
【００７６】
なお、反射／透過切替手段７５は、本実施例の構成及び材料に限られるものではない。例えば、ポリマーネットワークの中に粒状に分散された液晶（ポリマー分散液晶）を２個の透明電極により挟んだ構成としても本実施例と同等の効果が得られる。また、表面に透明電極を形成した厚さが５０μｍ以下の透明基板と、表面に透明電極を形成した２次元イメージセンサとで、カイラルネマチック液晶又はポリマー分散液晶を挟んだ構成としてもよい。従って、このような構成の画像入力装置も本発明に含まれる。
【００７７】
次に、本発明の第４の実施例について説明する。図１０（ａ）は本実施例に係る電子機器を示す正面図であり、（ｂ）はこの電子機器を示す断面図であり、図１１（ａ）は本実施例における指紋撮像動作を示す正面図であり、（ｂ）はこの指紋撮像動作を示す断面図である。
【００７８】
前述の第１の実施例においては、指紋の撮像に必要な光は、筐体１０の内部に配置されたチップ型ＬＥＤ等の発光素子８２（図２参照）により供給される。しかし、本発明においては、指紋撮像用の発光素子の配置は、この例に限られるものではない。
【００７９】
図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施例の電子機器においては、前述の第１の実施例に係る電子機器と比較して、筐体１０の内部には発光素子８２が設けられておらず、筐体８０ｂに発光素子８２ｂが設けられている。筐体８０ｂには、発光素子８２ｂを収納するための孔８０ｃが、筐体８０ｂの外面における外界撮像レンズ系２０と表示部９０との間に設けられている。発光素子８２ｂは孔８０ｃ内に設けられている。発光素子８２ｂは、ファイバ収集部材７０に指を密着させて置いたときに、指の一部に光が効率よく入射するように配置されている。本実施例の電子機器における上記以外の構成は前述の第１の実施例に係る電子機器の構成と同一である。
【００８０】
次に、本実施例における指紋撮像方法について説明する。図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、先ず、ファイバ収集部材７０に指を密着させる。次に、この状態で発光素子８２ｂを発光させる。発光素子８２ｂが発する光は、発光素子８２ｂに近接する指の部位から指の内部に入射し、散乱、拡散を繰り返した後にその一部が指に密着したファイバ収集部材７０に入射する。このような光の分布を２次元イメージセンサ３０で検出することにより、指紋画像が得られる。本実施例における上記以外の指紋撮像方法及び外界撮像方法は前述の第１の実施例と同様である。本実施例においては、発光素子を筐体１０に内蔵する必要が無いため、筐体１０をより小型化できる。
【００８１】
次に、本実施例の変形例について説明する。図１２は本変形例に係る電子機器を示す断面図である。図１２に示すように、本変形例においては、独立した発光素子を設けずに、表示部９０ｃを発光させて指紋撮像用の光源として使用する。これにより、表示部９０ｃから出力された光が、指の内部に入射し、反射、散乱を繰り返してこの光の一部がファイバ収集部材７０に入射する。これにより、指紋画像を得ることができる。本変形例における上記以外の構成及び動作は、前述の第４の実施例と同じである。本変形例においては、指紋撮像のために専用の発光素子を設ける必要がないため、筐体１０の小型化が図れると共に、電子機器のコストを低減することができる。
【００８２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、外界の画像及び指紋等の画像の双方を入力することができ、小型で、表示性能の劣化が無く、外界の画像を入力するときの角度の自由度が大きい画像入力装置及びこの画像入力装置が内蔵された電子機器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施例に係る電子機器を示す斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図２】図１（ｂ）における画像入力装置を示す拡大断面図である。
【図３】（ａ）は本実施例に係る画像入力装置における受光素子５０及びその近傍を示す平面図であり、（ｂ）はファイバ収集部材の端面を示す平面図であり、（ｃ）は（ａ）と（ｂ）とを重ねた図である。
【図４】本実施例に係る画像入力装置の２次元イメージセンサ及びファイバ収集部材を示す断面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は本実施例の電子機器における指紋画像入力動作を示す正面図及び断面図である。
【図６】本実施例の変形例に係る２次元イメージセンサ及びファイバ収集部材を示す断面図である。
【図７】本発明の第２の実施例における２次元イメージセンサを示す斜視図である。
【図８】図７に示す２次元イメージセンサの回路構成を示す回路図である。
【図９】本発明の第３の実施例に係る２次元イメージセンサを示す断面図である。
【図１０】（ａ）は本発明の第４の実施例に係る電子機器を示す正面図であり、（ｂ）はこの電子機器を示す断面図である。
【図１１】（ａ）は本実施例における指紋撮像動作を示す正面図であり、（ｂ）はこの指紋撮像動作を示す断面図である。
【図１２】本実施例の変形例に係る電子機器を示す断面図である。
【図１３】（ａ）及び（ｂ）は、従来の電子機器を示す正面図及び断面図であり、外界を撮像する動作を示している。
【図１４】（ａ）及び（ｂ）は、この従来の電子機器を示す正面図及び断面図であり、指紋を撮像する動作を示している。
【符号の説明】
１；携帯電話
５；画像入力装置
１０；筐体
１０ａ；凹凸部
１１、１２；開口部
２０；外界撮像レンズ系
３０；２次元イメージセンサ
３１；透明基板
３２、３２ｂ；遮光層
３３；層間絶縁膜
３５；画素群
３５ａ〜３５ｉ；矩形領域
４０；薄膜トランジスタ
４１；ソース・ドレイン領域
４２；チャネル領域
４３；ゲート絶縁膜
４４；層間絶縁膜
５０、５０ｂ；受光素子
５１；不透明電極
５２、５２ｂ；光電変換層
５３、５３ｂ；透明電極
５４、５４ｂ；開口部
５５；層間絶縁膜
５６；平坦化膜
５７；カラーフィルタ
５８；保護層
５９；接着層
６１ａ、６１ｂ、６１ｃ；垂直駆動回路
６２ａ、６２ｂ、６２ｃ；水平駆動回路
６３；ゲート配線
６４；データ配線
６５；バイアス配線
７０、７０ｂ；ファイバ収集部材
７１；コア部
７２；反射部
７５；反射／透過切替手段
７６；透明電極
７７；液晶層
７８；透明電極
８０、８０ｂ；筐体
８０ｃ；孔
８１；光吸収面
８２、８２ｂ；発光素子
８３；開口部
９０、９０ｃ；表示部
１０１；撮像素子
１０２；外界撮像レンズ系
１０３；反射鏡
１０４；筐体
１０５；切替部
１０６；指置きプリズム
１０６ａ；指置き面
１０６ｂ；プリズム底面
１０６ｃ；反射面
１０６ｄ；レンズ系固定面
１０７；指紋撮像レンズ系
１０８；表示器
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話、携帯情報端末及びノート型パーソナルコンピュータ等の電子機器に搭載するのに好適な画像入力装置及びこの画像入力装置を搭載した電子機器に関し、特に、風景及び人物等の外界の画像と、指紋及び印影等の画像の両方を入力することができる画像入力装置及びそれを内蔵した電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話、携帯情報端末及びノート型パーソナルコンピュータ等の電子機器の一部には、風景及び人物等の外界の画像を入力する画像入力装置が搭載されている。一方、これらの電子機器には、電子機器内に格納された情報の漏洩の防止及び電子商取引等における本人確認等を目的として、使用者の指紋を画像として入力して個人認証を行う装置が搭載されることが望まれている。
【０００３】
従来から、風景及び人物等（以下、外界という）の遠景画像と指紋等（以下、指紋という）の近接画像との両方を同一の撮像素子を使用して入力できる電子機器が知られている。これは、外界用と指紋用の２つの独立した結像光学系を有し、光が入力される結像光学系を機械的に選択することにより、外界又は指紋からの光を撮像素子へ導くものである。特に機器の体積及び製造コストが比較的に重要になる携帯型の電子機器においては、同一の撮像素子を使用して風景、人物等の外界の撮像及び指紋による個人認証の両方を実現することは大きな意味を持つ。
【０００４】
このような電子機器の例が特開２００１−１４２６０６号公報に開示されている。図１３（ａ）及び（ｂ）は、この従来の電子機器を示す正面図及び断面図であり、外界を撮像する動作を示している。図１４（ａ）及び（ｂ）は、この従来の電子機器を示す正面図及び断面図であり、指紋を撮像する動作を示している。図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、この電子機器は携帯電話であり、筐体１０４に外界撮像レンズ系１０２、切替部１０５及び透明材料により形成された指置きプリズム１０６が設けられている。切替部１０５には反射鏡１０３が取り付けられており、切替部１０５は反射鏡１０３及び外界撮像レンズ系１０２を左右にスライドするものである。
【０００５】
指置きプリズム１０６は筐体１０４の外部に面した指置き面１０６ａ及びこの指置き面１０６ａの反対側に形成されたプリズム底面１０６ｂを有し、指置き面１０６ａとプリズム底面１０６ｂとの間には反射面１０６ｃ及びレンズ系固定面１０６ｄが形成されている。筐体１０４の内部には、ＣＣＤ等の撮像素子１０１、指紋撮像レンズ系１０７及び液晶ディスプレイ等の表示器１０８が設けられ、表示器１０８はプリズム底面１０６ｂに対向するように配置され、指紋撮像レンズ系１０７はレンズ系固定面１０６ｄに固定されている。切替部１０５が一方の側に配置されているときは、外界からの光が外界撮像レンズ系１０２を通過して撮像素子１０１において結像される。このとき、切替部１０５により、反射鏡１０３は光の進路に入らないように配置される。また、切替部１０５が他方の側に配置されているときは、指置きプリズム１０６に入力された光が指紋撮像レンズ系１０７を通過して反射板１０３により反射されて撮像素子１０１において結像される。
【０００６】
この電子機器による外界の撮像動作について説明する。図１３（ａ）に示すように、切替部１０５を図示の右側にスライドさせると、図１３（ｂ）に示すように、外界からの光が外界撮像レンズ系１０２により集光され撮像素子１０１において結像される。このようにして、外界の画像が撮像素子１０１に入力される。その後、この入力された外界の画像を表示器１０８に表示すると、指置きプリズム１０６は透明材料で構成されているため、入力した画像を外部から見ることができる。
【０００７】
次に、この電子機器による指紋の撮像動作について説明する。先ず、図１４（ａ）に示すように、切替部１０５を図示の左側にスライドさせる。次に、図１４（ａ）及び（ｂ）に示すように、指置きプリズム１０６の指置き面１０６ａに指を密着させる。この状態で表示器１０８を一様に発光させると、指置き面１０６ａに密着させた指が照明される。指で散乱された光は、指置きプリズム１０６の反射面１０６ｃで反射されてレンズ系固定面１０６ｄを通過し、指紋撮像レンズ系１０７を通過し、反射鏡１０３により反射されて、撮像素子１０１にて結像される。このようにして撮像素子１０１により指紋画像を入力した後、この画像を表示器１０８に表示すると、指置きプリズム１０６は透明材料で構成されているため、入力した画像を外部から見ることができる。また、指紋入力時に表示器１０８が指の輪郭を示す図形及び「ここに指を置いてください」等のメッセージを表示することにより、指を予め決めた場所に置くことができるので、確実に指紋の特定の場所を撮像できる。
【０００８】
以上に説明したように、特開２００１−１４２６０６号公報に開示された従来の電子機器の構成は、外界用と指紋用の２つの結像光学系を備え、両者を通過する光を機械的に切り替えて撮像素子に導くことにより、外界と指紋の両方を同一の撮像素子を使用して入力する。
【０００９】
一方、本発明者等は、過去にＳＯＦＩ（Single Optical Fiber Imaging）と命名した光学系を開発し、文献「ＮＥＣ技法 Ｖｏｌ．５１、Ｎｏ．１０ ｐｐ．９０〜９５（１９９８年）“ペン型スキャナの開発”」において開示した。このＳＯＦＩ光学系は、原稿をなぞってコンピュータに入力するための手動のスキャナを実現することを目的として開発されたものである。このＳＯＦＩ光学系においては、光源が設けられ、この光源の光が入射する位置にガラス基板が設けられ、このガラス基板における前記光源に対向する面の反対面上にイメージセンサが設けられ、このイメージセンサに対向するように光ファイバアレイが設けられている。イメージセンサには複数の画素と、光が透過するための窓が設けられている。光ファイバアレイにおいては、複数本の光ファイバが前記光源からの光が前記ガラス基板及び窓を通過して入射するように設けられている。
【００１０】
このＳＯＦＩ光学系においては、先ず、読み取ろうとする原稿を光ファイバアレイに当接させ、この状態で光源を発光させる。光源から出力された光は、ガラス基板、画素に設けた窓、光ファイバの順に透過して原稿を照明する。原稿からの反射光は、照明光が透過した光ファイバと同じ光ファイバに入射してイメージセンサに入力される。これにより、原稿の画像が入力される。このＳＯＦＩ光学系は原稿読み取り用に開発されたものであるが、指紋用画像入力装置として使用することも考えられる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の技術には、以下に示すような問題点がある。特開２００１−１４２６０６号公報に開示された電子機器においては、第１に、撮像に必要な構成の体積が大きいため、電子機器が大型化するという問題点がある。即ち、前記従来の電子機器では、外界用と指紋用の２つの独立した結像光学系を設けているため、夫々の結像に必要な距離をレンズと撮像素子との間に独立に確保する必要がある。また、両者を切り替えるために、外界撮像レンズと反射鏡を左右にスライドするための空間が必要である。このように、特開２００１−１４２６０６号公報に開示された電子機器には、体積が大きいという問題点がある。
【００１２】
第２に、特開２００１−１４２６０６号公報に開示された電子機器は、指置きプリズムを通して表示器を見るようになっているため、表示画像が奥まった場所にあって見難いという問題点がある。また、指紋画像を入力すると指の油脂が指置きプリズムに付着し、表示画像を劣化させる。このように、この従来の電子機器には、奥まり感及び残留指紋のために表示性能が劣化するという問題点がある。
【００１３】
第３に、風景及び人物等の外界の画像を入力するときは、電子機器の向きに拘わらず多くの方向から外界画像を入力できることが望ましい。しかし、前記従来の電子機器では、外界用の結像光学系が電子機器の筐体に固定されているため、撮像できる方向は決まった１つの方向のみである。このように、従来の電子機器には、外界の画像を入力するときの角度の自由度が小さいという問題点がある。
【００１４】
一方、前述のＳＯＦＩ光学系を使用する画像入力装置においては、指紋画像を入力することはできるものの、外界の画像を入力することができないという問題点がある。
【００１５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、外界の画像及び指紋等の画像の双方を入力することができる画像入力装置及びこの画像入力装置が内蔵された電子機器において、小型で、表示性能の劣化が無く、外界の画像を入力するときの角度の自由度が大きい画像入力装置及び電子機器を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る画像入力装置は、第１及び第２の開口部が設けられた第１の筐体と、前記第１及び第２の開口部の一方を選択して開く開閉手段と、前記第１の開口部が開いているときに前記第１の開口部を通過した光を結像する結像光学手段と、前記結像光学手段により結像された光を検知する規則的に配列された複数の受光素子と、前記受光素子と前記結像光学手段との間に設けられ前記結像光学手段から出射された光を透過させる透明基板と、前記透明基板を透過した光を前記受光素子に向けて反射する反射部と、前記第２の開口部が開いているときに前記第２の開口部を通過した光を前記受光素子に導く密着光学手段と、を有し、前記受光素子は前記透明基板の表面に形成され、前記密着光学手段は前記透明基板の表面側に設けられていることを特徴とする。
【００１７】
本発明においては、外界の画像を入力する際には、開閉手段により第１の開口部を開き、外部からの光が結像光学手段に入射され、結像光学手段がこの光を受光素子の位置において結像する。これにより、受光素子は外界からの光を検知することができる。一方、指紋等を入力する際には、開閉手段により第２の開口部を開き、指紋等を密着光学手段の近傍に配置し、この指紋等からの光が密着光学手段により受光素子に導かれる。これにより、受光素子はこの指紋等からの光を検知することができる。これにより、１つの光学系により外界及び指紋等の２種類の画像を入力することができるため、装置の小型化を図ることができる。
【００１８】
また、前記開閉手段が第３の開口部を備え内部に前記第１の筐体を収納して回転可能に支持する第２の筐体であり、前記第１の筐体を回転させて前記第１及び第２の開口部の一方の位置を前記第３の開口部の位置に整合させることにより、前記一方の開口部を開くことが好ましい。これにより、簡略な機構により前記開閉手段を実現できると共に、この画像入力装置を電子機器に内蔵させた場合に、第２の筐体に対して結像光学手段を任意の方向に向けることができるため、電子機器の向きに拘わらず多くの方向から外界画像を入力することができる。
【００１９】
更に、前記開閉手段の前記第１の開口部又は前記第２の開口部を閉じる部分が光を吸収する材料により形成されていることが好ましい。これにより、閉じている開口部の内側において、光が反射することを防止でき、開いている開口部から入射した光に影響を与えることを防止できる。この結果、より精度よく画像を入力することができる。
【００２０】
更にまた、前記密着光学手段が複数の光ファイバを有していてもよい。更にまた、前記反射部は、前記密着光学手段における前記結像光学手段側の端部に局部的に形成された金属膜であってもよい。
【００２１】
更にまた、前記反射部に代えて、前記結像光学手段から出射された光を反射して前記受光素子に導くか又は透過させて前記密着光学手段に導くかを切り替える反射／透過切替手段を有していてもよく、この反射／透過切替手段は、相互に平行に配置された２枚の透明電極と、この２枚の透明電極間に配置されたカイラルネマチック液晶層と、を有していてもよい。これにより、外界を撮像するときは反射部の反射率を高め、指紋等を撮像するときは反射部の透過率を高めることができるため、いずれの場合においても光の利用効率が向上し、入力される画像の品質を高めることができる。
【００２２】
更にまた、前記密着光学手段と前記受光素子との間に配置されたカラーフィルタを有することが好ましい。これにより、各受光素子により単一色の光のみを検知することができる。従って、複数色のカラーフィルタを設け、複数色の光を検知することにより、カラー画像を入力することができる。
【００２３】
更にまた、前記複数の受光素子がその配置された領域ごとに複数の群に分類され、全ての群に属する受光素子に光を検知させるか、又は、一部の群に属する受光素子のみに光を検知させるかを選択できることが好ましい。これにより、結像光学手段と受光素子との間の距離を小さくし、画像入力装置のより一層の小型化を図った場合においても、外界の画像が入力される受光素子のみに光を検知させることができ、効率良く画像を入力することができる。
【００２４】
更にまた、前記第１の筐体内に設けられた発光素子を有し、この発光素子から発せられた光が前記密着光学手段を通過して被写体に照射され、この被写体からの反射光が前記密着光学手段を通過して前記受光素子により検知されることができる。これにより、指紋等の被写体を精度よく撮像することができる。
【００２５】
又は、前記第１の筐体の外面又は前記第２の筐体の外面に取り付けられた発光素子を有し、この発光素子から発せられた光が被写体に入射され、この被写体により反射又は散乱された光が前記密着光学手段を通過して前記受光素子により検知されてもよい。これにより、第１の筐体内に発光素子を設ける必要がなくなり、第１の筐体をより一層小型化することができる。
【００２６】
本発明に係る電子機器は、前記画像入力装置を内蔵することを特徴とする。この電子機器は、携帯電話、携帯情報端末又はノート型パーソナルコンピュータであってもよい。
【００２７】
また、この電子機器は、画像を表示すると共に光を発光する表示手段を有し、この表示手段から発せられた光が被写体に入射され、この被写体により反射又は散乱された光が前記密着光学手段を通過して前記受光素子により検知されるようにしてもよい。これにより、指紋等の被写体を照明するための専用の発光素子を設ける必要がないため、電子機器の小型化及び低コスト化を図ることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例の効果について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施例について説明する。図１（ａ）は本実施例に係る電子機器を示す斜視図、（ｂ）は断面図であり、図２は図１（ｂ）における画像入力装置を示す拡大断面図であり、図３（ａ）は本実施例に係る画像入力装置における受光素子及びその近傍を示す平面図であり、（ｂ）はファイバ収集部材の端面を示す平面図であり、（ｃ）は（ａ）と（ｂ）とを重ねた図である。また、図４は本実施例に係る画像入力装置の２次元イメージセンサ及びファイバ収集部材を示す断面図であり、図５（ａ）及び（ｂ）は本実施例の電子機器における指紋画像入力動作を示す正面図及び断面図である。
【００２９】
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施例に係る電子機器は具体的には携帯電話１であり、この携帯電話１はその端部に画像入力装置５を搭載している。この画像入力装置５においては、筐体１０及び筐体８０が設けられている。本実施例においては、画像入力装置５の筐体８０は携帯電話１の筐体を兼用している。携帯電話１には液晶ディスプレイ等の薄型の表示器９０が設けられ、筐体８０に固定されている。また、筐体８０には開口部８３が設けられている。
【００３０】
筐体１０は、側面に２ヶ所の開口部１１及び１２が設けられた円筒状の形状を有しており、筐体８０により回転自在に支持されており、筐体１０は筐体１０の軸を中心として回転する。筐体１０を回転させるための動力源としてモーター等を設けてもよいが、本実施例においては、図１（ａ）に示すように、筐体１０の端部に設けた凹凸部１０ａを指でスライドして手動で回転させるものとする。これは、手動で回転させることにより、モーター等を設ける必要がないため、電子機器の実装体積及びコストの低減並びに低消費電力化の点で有利なためである。筐体１０を回転させることにより、開口部１１又は１２の位置を開口部８３の位置に整合させ、これにより、開口部１１又は１２を開くことができる。なお、開口部１１を開くときは開口部１２が筐体８０により覆われることによって閉じ、開口部１２を開くときは開口部１１が筐体８０により覆われることによって閉じる。筐体１０の内部には後述する電子部品が含まれる。これら電子部品へ電源及び制御信号を供給するための配線（図示せず）により、筐体１０の内部に設けられる電子部品と筐体８０内に設けられる電子部品（図示せず）が相互に接続されている。
【００３１】
図２に示すように、筐体１０には２ヶ所の開口部１１及び１２が設けられており、開口部１１には外界撮像レンズ系２０が嵌め込まれており、開口部１０ｃにはファイバ収集部材７０が嵌め込まれている。筐体１０の内部には発光素子８２が固定され、２次元イメージセンサ３０がファイバ収集部材７０の端部に接着層５９（図４参照）により接着されている。２次元イメージセンサ３０は、透明基板３１の片側の表面に複数の受光素子５０をマトリクス状に規則正しく配列させて形成されている。ファイバ収集部材７０は、多数の光ファイバを束ねて融着したものを光ファイバが延びる方向と直交する方向に切断して表面を研磨して構成したものであり、一方の端面に形成された画像を他方の端面に伝送する光学手段である。発光素子８２には、白色光を発するチップ型発光ダイオード（ＬＥＤ）等の小型の光源を使用する。発光素子８２は、筐体１０の内側において外界撮像レンズ系２０の近傍に固定されており、外部からの制御信号により点灯し、透明基板３１の全面を照明する。また、筐体８０の表面において筐体１０に面する領域は光吸収面８１となっている。また、図２においては、外界撮像レンズ系２０が１つのレンズとして示されているが、外界撮像レンズ系２０は複数のレンズを組み合わせて構成してもよい。
【００３２】
以下、２次元イメージセンサ３０及びファイバ収集部材７０を含む光学系の構成について、詳しく説明する。図４に示すように、ファイバ収集部材７０は２次元イメージセンサ３０に接着層５９を介して接着されている。２次元イメージセンサ３０においては、透明基板３１が設けられ、この透明基板３１上の一部の領域に遮光層３２が設けられ、透明基板３１及び遮光層３２上には層間絶縁膜３３が設けられている。層間絶縁膜３３上における遮光層３２上に相当する領域には薄膜トランジスタ４０が設けられ、層間絶縁膜３３上における遮光層３２上からずれた領域には受光素子５０が設けられ、更に、ゲート配線６３、データ配線６４及びバイアス配線６５が設けられている。また、薄膜トランジスタ４０、受光素子５０、ゲート配線６３、データ配線６４及びバイアス配線６５を覆うように、平坦化膜５６が設けられ、この平坦化膜５６上にはカラーフィルタ５７が設けられ、カラーフィルタ５７上には保護層５８が設けられている。これにより、２次元イメージセンサ３０が形成されている。
【００３３】
２次元イメージセンサ３０における保護層５８上には接着層５９が設けられており、この接着層５９を介してファイバ収集部材７０が２次元イメージセンサ３０に接着されている。
【００３４】
以下、２次元イメージセンサ３０の１つの受光素子５０及びその近傍に注目する。図３（ｃ）は受光素子５０及びその周辺部を透明基板３１側から観察した様子を示す。図３（ａ）及び（ｂ）は、２次元イメージセンサ３０の構成要素とファイバ収集部材７０の構成要素とを夫々抽出して示したものである。
【００３５】
図３（ａ）に示すように、受光素子５０には複数の長方形の開口部５４が形成されている。受光素子５０には薄膜トランジスタ４０が接続され、これらの能動素子は３種類の配線（ゲート配線６３、データ配線６４、バイアス配線６５）により、外部の駆動回路（図示せず）に接続されている。２次元イメージセンサ３０に透明基板３１側から入射する光は、開口部５４を透過する。また、この光は、透明基板３１における受光素子５０、薄膜トランジスタ４０及び各配線のいずれも形成されていない領域を透過することもできる。
【００３６】
一方、図３（ｂ）に示すように、ファイバ収集部材７０の端面は、光ファイバのコア部７１と光ファイバのクラッド及びその周辺を覆うように形成された反射部７２とから構成される。ファイバ収集部材７０の端面におけるコア部７１及び反射部７２が占める面積比は夫々約５０％である。反射部７２は光ファイバのクラッド及びその周辺の領域に光吸収部材が融着され、その上にアルミニウム又は銀等の材料が被覆されて形成されており、約９５％以上の高い反射率を有している。
【００３７】
このような端面において高い反射率を持つファイバ収集部材は、例えば、ファイバ収集部材に自己アラインメントのリフトオフ工程を適用して形成することができる。即ち、ファイバ収集部材の一方の端面にフォトレジストを塗布し、その上にスパッタ法によりアルミニウムの薄膜を形成する。次に、ファイバ収集部材の他方の端面から光を入射して前記フォトレジストを露光すると、コア部７１上に形成されたフォトレジストのみが変質する。次に、ウェットプロセスにより変質したフォトレジストと共にその上のアルミニウム層を除去し、前述の高い反射率を持つファイバ収集部材が形成される。
【００３８】
図３（ｃ）に示すように、受光素子５０には複数のコア部７１が重畳されている。このとき、受光素子５０とコア部７１の位置が多少ずれても大きな問題にはならない。即ち、２次元イメージセンサ３０をファイバ収集部材７０に接着するときに、両者の間で精密な位置決めは不要である。
【００３９】
また、図４に示すように、本実施例においては、受光素子５０には、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）等からなる光電変換層５２を、クロム等からなる不透明電極５１と、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等からなる透明電極５３とにより挟んだ構成のフォトダイオードを使用する。前述のとおり、受光素子５０には開口部５４を設けている。一方、薄膜トランジスタ４０として、本実施例においては多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）によりチャネル層４２を形成するトップゲート型の構成を採用している。即ち、薄膜トランジスタ４０においては、チャネル層４２が設けられ、このチャネル層４２の上方にゲート絶縁膜４３を設け、その上にゲート配線６３を配置し、更に、チャネル層４２を形成する多結晶シリコンに高濃度の不純物元素を導入してソース・ドレイン層４１を形成している。ソース・ドレイン層４１はチャネル層４２と同層であり、チャネル層４２の両脇に配置されている。このようなトップゲート型のｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜トランジスタは、液晶ディスプレイ及びイメージセンサ等の画素を駆動する素子として一般的に使用されている。
【００４０】
また、チャネル層４２に入射する光による誤動作を防止するために、前述の如く、薄膜トランジスタ４０の下方には層間絶縁膜３３を介して遮光層３２が設けられている。薄膜トランジスタ４０及び受光素子５０は、ゲート配線６３、データ配線６４及びバイアス配線６５により外部に接続される。このような素子の上面は平坦化膜５６により平坦化され、その上にカラーフィルタ５７、保護層５８が形成される。このようにして形成された２次元イメージセンサ３０は、接着層５９を介してファイバ収集部材７０に接着される。透明基板３１としては、ｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜トランジスタとａ−Ｓｉ：Ｈフォトダイオードの製造工程との親和性を考慮して、無アルカリガラスを使用する。
【００４１】
具体的な数値例を挙げると、例えば、透明基板３１の厚さは０．７ｍｍ、透明基板３１上に形成される遮光膜３２から平坦化膜５６までの構成要素の厚さの合計は１乃至２μｍ、カラーフィルタ５７の厚さは１乃至３．５μｍ、接着層５９の厚さは約１０μｍ、ファイバ収集部材７０の厚さは０．５乃至１．０ｍｍである。また、横方向、即ち、透明基板３１の表面に平行な方向における各構成要素の大きさに関しては、受光素子５０の配列ピッチは３０μｍ、開口部５４の幅は４μｍ、ファイバ収集部材７０のコア部７１の直径は１０μｍである。２次元イメージセンサ３０の画素数は５００×５００であり、２次元イメージセンサ３０の画素部及びファイバ収集部材７０の１辺の長さは約１５ｍｍである。略円筒形の筐体１０の直径は２０ｍｍであり、携帯電話及びノート型パーソナルコンピュータの厚さよりも若干小さめになる。
【００４２】
次に、この画像入力装置を内蔵した電子機器の外界の撮像動作を説明する。図２に示すように、風景、人物等により反射された光は、外界撮像レンズ系２０により２次元イメージセンサ３０の受光素子５０が形成された面に結像される。
【００４３】
以下、この過程を詳しく説明する。図３及び図４に示すように、外界からの光は透明基板３１の下方、即ち、外界撮像レンズ系２０側から上方、即ち、ファイバ収集部材７０側へ向けて透過し、光の一部が開口部５４を透過してカラーフィルタ５７に至る。また、光の他の一部は、薄膜トランジスタ４０、受光素子５０、配線６３乃至６５により占有されていない領域を透過してカラーフィルタ５７に至る。カラーフィルタ５７は、決まった波長範囲の光のみを透過させ、それ以外の光は吸収する。カラーフィルタ５７を透過した光は、接着層５９を経てファイバ収集部材７０に至り、一部は反射部７２（図３（ｂ）参照）により反射され、残部はコア部７１に入射する。反射部７２により反射された光は、接着層５９及びカラーフィルタ５７等を再び透過した後に受光素子５０によって検出される。このようにして、外界撮像レンズ系２０に入射した光の一部は、２次元イメージセンサ３０の受光素子５０が形成された面に結像される。一方、コア部７１の一端に入射した光は他端から出射し、筐体８０に設けられた光吸収面８１によって吸収される。光吸収面８１により吸収される光及び２次元イメージセンサ３０を透過しない光は、撮像には利用できないので損失となる。
【００４４】
なお、図１及び図２においては、外界撮像レンズ系２０の光軸が筐体８０の正面に垂直になるように筐体１０が配置されているが、前述の如く、筐体８０に対して筐体１０を回転させることにより、様々な方向の外界画像を入力することができる。
【００４５】
次に、指紋の撮像動作について説明する。図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、筐体１０を図１に示す位置から１８０°回転させ、筐体１０の開口部１２の位置を筐体８０の開口部８３の位置に整合させて、ファイバ収集部材７０を外部に露出させる。指紋の撮像は、指をファイバ収集部材７０の端面に密着させた状態で、発光素子８２を点灯して行う。発光素子８２からの光は、ほぼ一様に２次元イメージセンサ３０を照明する。
【００４６】
再び、図３（ａ）乃至（ｃ）及び図４を参照して、このときの光の経路について説明する。発光素子８２（図２参照）から発光され、透明基板３１の下方から入射した光は、前述の外界撮像時と同様に、開口部５４、カラーフィルタ５７等を透過してファイバ収集部材７０に到達する。この光の一部が反射部７２により反射され、残部がコア部７１に入射するのも外界撮像時と同様である。このとき、コア部７１に入射した光は、ファイバ収集部材７０の他端に密着した指を照明する。指で反射あるいは散乱された光は、同一のコア部７１を照明光とは逆方向に伝送し、カラーフィルタ５７等を透過して受光素子５０によって検出される。この光の強度分布が指紋画像を反映している。一方、反射部７２により反射された光の一部は受光素子５０に至り、２次元イメージセンサ３０の出力を生成するが、この光の強度分布は一定である。このように、２次元イメージセンサ３０の出力は、指紋画像を反映した光の成分と、一定の強度分布を持つ光の成分との両方が重畳されている。従って、後の画像処理等により後者を除去すると、コントラストが高い鮮明な指紋画像が得られる。
【００４７】
なお、こうして得られる指紋画像はカラー画像である。個人照合のアルゴリズムによってはモノクロの指紋画像で十分だが、例えば、押圧時の指の色変化を利用して、ファイバ収集部材に押圧された物体が本物の指か否かを識別する機能を持たせるためには、指紋画像はカラーであることが望ましい。
【００４８】
また、前述の指紋の撮像過程において、指紋の入力をユーザーに促すメッセージ及び指の位置を示す図形を表示部９０に表示させることにより、指の位置を精度良く決めることができる。
【００４９】
以上説明したように、本実施例においては、画像入力装置５が外界撮像レンズ系２０、透明基板３１上に形成された２次元イメージセンサ３０、ファイバ収集部材７０を回転可能な筐体１０に配置して構成されているので、従来のように外界用及び指紋用の２つの独立した結像光学系を備える必要が無い。また、外界と指紋の入力動作の切り替えは、この筐体を電子機器の筐体に対して回転することにより実現されるので、従来のような構成要素の位置を機械的に切り替えるための空間を電子機器の内部に確保する必要が無い。従って、本実施例の画像入力装置は、従来の画像入力装置と比較して体積が小さく、携帯型の電子機器への搭載に有利である。
【００５０】
また、従来の技術においては、画像の奥まり感及び残留指紋による表示性能の劣化が懸念されたが、本実施例においては、画像入力機能を表示部から独立させることによりこの問題を解消している。
【００５１】
更に、風景及び人物等の外界の画像を入力するときの方法に注目すると、従来の電子機器では、画像の入力方向は電子機器の向きで決まる一方向のみであるが、本発明の電子機器においては、画像入力部を電子機器の筐体に対して回転させることができるので、電子機器の向きに拘わらず多くの方向から外界画像を入力することができる。即ち、本発明の構成では外界の画像を入力するときの角度の自由度が大幅に改善されている。これにより、例えば携帯電話で相手の顔を見ながら会話をしたり、風景及び人物等の動画情報を相手に送りながら話をしたりするといった使い方が容易に実現できる。
【００５２】
なお、本実施例においては、外界と指紋の両方を入力できる画像入力装置を携帯電話の筐体の端部に搭載する例を示したが、対象となる電子機器は携帯電話に限らず、例えば、ノート型パーソナルコンピュータ及び携帯情報端末でもよい。また、このような画像入力装置を組み込む場所についても電子機器の端部に限るものではない。例えば、折り畳み式の携帯電話及びノート型パーソナルコンピュータにおいて、表示部を内蔵する第１の筐体とキーボード及び押しボタンを内蔵する第２の筐体とをつなぎ合わせるヒンジ部の一部に組み込んでもよい。
【００５３】
また、ファイバ収集部材に密着して撮像する画像は指紋に限るものではない。本実施例ではファイバ収集部材の端部の面積が１５ｍｍ角に制限されているが、ファイバ収集部材の端部をより大きく形成すれば、紙等の平面状物体の表面に形成された画像ならば、指紋と同様にカラーで撮像することができる。コンピュータ等に入力する価値のある画像は指紋の他にも存在する。例えば、印鑑の印影を携帯電話で入力して照合することも可能である。
【００５４】
更に、本発明の趣旨を損なうことなく、種々の構成要素の選択、置換が可能である。例えば、本実施例においては、２次元イメージセンサの受光素子として図４に示すａ−Ｓｉ：Ｈフォトダイオードを例に挙げたが、受光素子の構成はこの例に限られるものではない。例えば、光伝導型の受光素子を用いる構成でも、同様の機能を実現できる。
【００５５】
以下、本実施例の変形例について説明する。図６は本変形例に係る２次元イメージセンサ及びファイバ収集部材を示す断面図である。図６に示すように、本変形例においては、前述の第１の実施例における光電変換型の受光素子５０の代わりに、光伝導型の受光素子５０ｂが設けられている。光伝導型の受光素子５０ｂは、光電変換層５２ｂの両脇に高濃度の不純物を含むソース・ドレイン層４１及び５３ｂを配置して構成される。また、透明基板３１と層間絶縁膜３３との間における受光素子５０ｂの下方に相当する領域には、遮光層３２ｂが設けられている。本変形例の電子機器における上記以外の構成は、前述の第１の実施例に係る電子機器の構成と同じである。光電変換層５２ｂ及びソース・ドレイン層５３ｂは、夫々薄膜トランジスタ４０のチャネル層４２及びソース・ドレイン層４１と同時に形成することができる。受光素子５０ｂに電圧を印加するための配線であるバイアス配線６５も、薄膜トランジスタ４０の製造工程で同時に形成できる。
【００５６】
本変形例に係る電子機器の動作は以下のとおりである。外界と指紋のどちらを撮像する場合でも、光は最終的にカラーフィルタ５７を透過した後に光電変換層５２ｂに入射する。光電変換層５２ｂでは光によって生成した電子及び／又は正孔のためにその電気伝導度が上昇し、ソース・ドレイン層５３ｂとソース・ドレイン層４１との間に電流が流れる。この電流を積分して得られる電荷量は、光電変換によって直接生成された電荷量よりもはるかに大きい。これは、出力の電荷量が入射光によって生成される電荷量よりも決して大きくはならないフォトダイオードに比べて、外部の電子回路を簡略化できるという利点になる。但し、入射する光量と出力の電荷量の間の比例関係が保たれる入力範囲は、フォトダイオードに比べて狭い。
【００５７】
このように、光伝導型の受光素子を使用しても、フォトダイオードを使用した構成と同様の機能を実現することができる。このとき、光伝導型の受光素子は、フォトダイオードに比べて入出力特性の線形性は劣るが、製造工程が簡便で外部の電子回路が簡略化できるという利点がある。
【００５８】
なお、前述の第１の実施例及びその変形例においては、受光素子を駆動するための回路素子としてトップゲート型ｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜トランジスタを使用したが、この代わりにスタガ型ｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜トランジスタ又はａ−Ｓｉ薄膜トランジスタ等の種々の薄膜トランジスタ又はダイオード素子を使用することもできる。従って、このような構成も本発明に含まれる。
【００５９】
また、前述の第１の実施例においては、図３に示すように、２次元イメージセンサの画素が受光素子と薄膜トランジスタとから構成される最も簡単な構成を示した。しかし、デジタルスチルカメラ等に応用されている“ＣＭＯＳセンサ”では、画素の１つ１つに増幅回路を設ける“アクティブ型”の回路構成が一般的である。ＣＭＯＳセンサは通常は結晶シリコン基板上に形成されるので、そのままでは基板の透明性を要求する本発明に適用できない。しかし、前述のａ−Ｓｉ、ｐｏｙ−Ｓｉの薄膜半導体プロセスを利用して同等の回路を透明基板上に形成することが可能である。従って、このようなアクティブ型のイメージセンサを使用する電子機器も本発明に含まれる。
【００６０】
更に、本実施例では、発光素子として白色光を発するＬＥＤを例にあげたが、個人照合のアルゴリズムによっては指紋画像がモノクロ画像でよい場合がある。この場合は発光素子が白色を発する必要は無く、例えば、波長が５５０ｎｍ付近にピークを持つ緑色のＬＥＤを使用してもよい。
【００６１】
また、本実施例においては、指に密着する光学手段としてファイバ収集部材を設ける例を挙げて説明したが、本発明の密着光学手段として以下に説明する構成物を使用してもファイバ収集部材を使用する場合と同様の効果を得ることができる。即ち、表面に反射材料により覆われた領域（反射領域）と覆われていない領域（透過領域）とを規則的に配列した透明基板を、図４に示すファイバ収集部材７０の代わりに配置する。透明基板は例えばガラス基板であってもよい。このとき、反射材料により覆われた側の表面が接着層５９を介して２次元イメージセンサ３０に対向するように、前記透明基板を２次元イメージセンサ３０の保護層５８に張り合わせる。なお、前記反射領域の形状は、例えば、図３（ｂ）に示す反射部７２の形状と同じでもよい。又は、図３（ｂ）に示すコア部７１の形状と同一にしてもよく、正方形の反射領域及び透過領域をチェッカーボードのように交互に配列してもよい。このように、反射領域及び透過領域の配置パターンは種々のパターンとすることが可能である。また、前記透明基板の厚さは、指からの光が横方向へ広がって画像の分解能が劣化しないように、十分薄くする必要がある。通常、透明基板の厚さを受光素子の配列ピッチと同等又はそれ以下にすれば、このような分解能の劣化は大きな問題にはならない。例えば、分解能が５００ｄｐｉのセンサでは、受光素子の配列ピッチは５０μｍとなるため、透明基板の厚さは５０μｍ以下であることが好ましい。
【００６２】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図７は本実施例における２次元イメージセンサを示す斜視図であり、図８はこの２次元イメージセンサの回路構成を示す回路図である。本発明においては、外界撮像レンズ系、透明基板上に形成した２次元イメージセンサ、ファイバ収集部材を回転可能な筐体に取り付けることにより、従来の画像入力装置と比較して大幅な小型化を達成している。前述の第１の実施例における数値例では、画素領域が１５ｍｍ角、画素数が５００×５００個の２次元イメージセンサ３０を使用して、回転可能な筐体１０の直径を約２ｃｍとすることができる。
【００６３】
しかし、画像入力装置のより一層の小型化を制限する要因の一つは、外界撮像レンズ系の焦点距離である。即ち、図２に示す画像入力装置において、仮に焦点距離がより短い外界撮像レンズ系を使用すれば、外界撮像レンズ系と２次元イメージセンサ３０との間の距離を短くすることができ、筐体１０のより一層の小型化が達成される。しかしながら、外界の画像は２次元イメージセンサ３０の中央付近の領域に結像されることになるので、入力画像の解像度が低くなる。また、周辺領域の画素には画像が結像されないので、これらの画素の出力は何の情報も持たない。それにも関わらず、中央付近の画素と同様に周辺領域の画素からも外部回路へ信号が出力される。これでは、２次元イメージセンサから画像信号を出力するのに要する時間が必要以上に長くなり、例えば動画を高速で出力する用途には不利である。そこで、本実施例においては、画像入力装置を以下に示す構成とすることにより、前記課題を解決して画像入力装置のより一層の小型化を無駄なく実現する。
【００６４】
本実施例においては、前述の第１の実施例に係る電子機器（携帯電話１）において、外界撮像レンズ系２０の代わりにより焦点距離が短い外界撮像レンズ系を使用し、２次元イメージセンサ３０の代わりに２次元イメージセンサ３０ｂを使用し、筐体１０の代わりにより直径が小さい筐体を使用する。これに合わせて筐体８０における筐体１０の嵌合部の内径も小さくする。本実施例の電子機器における上記以外の構成は、前述の第１の実施例に係る電子機器の構成と同一である。
【００６５】
図７に示すように、本実施例における２次元イメージセンサ３０ｂにおいては、透明基板３１が設けられ、この透明基板３１上に、受光素子５０（図４参照）と薄膜トランジスタ４０（図４参照）とからなる画素をマトリクス状に複数個配列してなる画素群３５が設けられ、透明基板３１上における画素群３５の側方にこれらの画素に必要な駆動信号を供給するための垂直駆動回路６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、及び前記画素からの出力信号を増幅して外部回路（図示せず）へ送るための水平駆動回路６２ａ、６２ｂ、６２ｃが設けられ、前記画素と前記駆動回路とを接続する配線、即ち、ゲート配線６３、データ配線６４、バイアス配線６５が設けられている。図７において、前述の第１の実施例の構成要素と同じ機能を果たす構成要素については同じ符号を付しその詳細な説明を省略する。
【００６６】
本実施例においては、前述の如く、垂直駆動回路及び水平駆動回路が夫々３つずつ設けられている。これらの駆動回路、即ち、垂直駆動回路６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、及び水平駆動回路６２ａ、６２ｂ、６２ｃによって、２次元イメージセンサ３０ｂの画素群３５は９の矩形領域３５ａ〜３５ｉに分割される。従って、複数の受光素子５０は９の矩形領域３５ａ〜３５ｉのいずれかに属することになる。なお、９の矩形領域３５ａ〜３５ｉは３行３列のマトリクス状に配置され、矩形領域３５ａが中央に配置され、矩形領域３５ｂ〜３５ｉが矩形領域３５ａの周囲に配置される。このとき、外界からの光が外界撮像用レンズ２０によって中央の矩形領域３５ａにおいて結像されるように設計する。
【００６７】
なお、図８においては、受光素子をＰＤ、薄膜トランジスタをＴｐと表記している。Ｖｂは受光素子ＰＤに印加する電圧、ＩＭＧ−ＯＵＴはイメージセンサの出力である。図８の回路図に示すように、これらの駆動回路には３つの独立したシフトレジスタ回路（図ではＳ／Ｒと表記する）が含まれる。夫々のシフトレジスタ回路は、ＳＴＲＴ−Ｖ１等の制御信号が入力された瞬間より出力端子に端から順に矩形パルスを出力する。ＣＬＫ−Ｖ、ＣＬＫ−Ｈは夫々垂直駆動回路６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、及び水平駆動回路６２ａ、６２ｂ、６２ｃに供給される制御信号である。更に、水平駆動回路６２ａ、６２ｂ、６２ｃには受光素子ＰＤからの出力電流を積分して増幅するための回路（ＡＭＰと表記）が含まれる。
【００６８】
次に、図７及び図８を参照して本実施例に係る電子機器の動作について説明する。前述のように、外界の画像を入力するときには、外界撮像レンズ系からの光が中央の矩形領域３５ａに集められる。他の矩形領域の受光素子は画像情報を含まない。このとき、中央のシフトレジスタ回路のみに制御信号ＳＴＲＴ−Ｖ２及びＳＴＲＴ−Ｈ２を入力すると、垂直駆動回路６１ｂ及び水平駆動回路６２ｂが動作して、矩形領域３５ａに属する画素からのみ信号が連続して出力される。他のシフトレジスタ回路には制御信号が入力されないので、他の矩形領域の受光素子は事実上存在しないのと同等である。従って、高速で無駄なく外界画像を出力することができる。
【００６９】
指紋を撮像する場合には、指で反射あるいは散乱された光が２次元イメージセンサ３０ｂの９に分割された画素領域（矩形領域３５ａ〜３５ｉ）の全てに到達する。このとき、まず垂直駆動回路について説明すると、３つに分割されたシフトレジスタ回路の出力が時間的に重ならないように制御信号ＳＴＲＴ−Ｖ１、ＳＴＲＴ−Ｖ２、ＳＴＲＴ−Ｖ３のタイミングを調整する。即ち、例えば、垂直駆動回路６１ａの最終段の出力が終了した後に、垂直駆動回路６１ｂに制御信号ＳＴＲＴ−Ｖ２を入力すればよい。このようにして、事実上１つのシフトレジスタ回路として動作させることができる。水平駆動回路についても同様にして制御信号のタイミングを調整することで、事実上１つの駆動回路として機能させることができる。従って、２次元イメージセンサ３０ｂの全ての画素からの信号が出力されて、指紋画像が得られる。
【００７０】
以上に説明したように、本実施例においては、２次元イメージセンサを分割することにより必要な領域の画素からのみ出力することができるので、外界撮像レンズ系と２次元イメージセンサとの間の距離を小さくしても無駄なく外界の画像を出力でき、画像入力装置とそれを内蔵する電子機器のより一層の小型化が実現される。
【００７１】
なお、２次元イメージセンサの画素領域の分割数は９に限らない。例えば、外界撮像レンズ系として２つの異なるレンズ系を切り替える機構を設けることにより、通常の外界画像に加えて、例えばレンズに近い物体を入力するための“接写機能”を付加することができる。このとき、通常の外界画像、接写時の外界画像及び指紋画像の３種類の大きさの画像に対応する必要がある。これは駆動回路を５分割し、画素領域を２５分割することにより実現できる。従って、このような構成の画像入力装置も本発明に含まれる。
【００７２】
次に、本発明の第３の実施例について説明する。本発明の画像入力装置において、光の利用効率は画質を決定する重要な要因であり、この利用効率は可及的に高いことが望ましい。そこで、前述の第１の実施例において、図３（ａ）乃至（ｃ）及び図４を参照して光の利用効率について説明する。透明基板３１側から入射した光は、受光素子５０の開口部５４並びに受光素子５０、薄膜トランジスタ４０及び配線６３乃至６５間の隙間を透過する。このときの透過率をＴ１とする。次に、この光はカラーフィルタ５７を透過する。このときの透過率をＴ２とする。Ｔ１×Ｔ２の透過率でファイバ収集部材７０の端面に到達した光は、反射部７２により反射されるかコア部７１に入射する。前者の確率をＴ３とする。反射部７２により反射された光がカラーフィルタ５７を再び透過して受光素子５０に至る確率をＴ４とする。以上より、光の利用効率は確率Ｔ１乃至Ｔ４の積、即ち、Ｔ１×Ｔ２×Ｔ３×Ｔ４になる。このうち、積Ｔ１×Ｔ４は０．２５以上にはなり得ない。また、仮に、確率Ｔ３を０．５よりも大きく設定すると、指紋入力のときの光利用効率が低減する。このため、前述の第１の実施例において、光の利用効率を向上させることは困難である。
【００７３】
そこで、第３の実施例として、前述の課題を解決して光利用効率を改善する構成を説明する。図９は本実施例に係る２次元イメージセンサを示す断面図である。なお、図９において、図４に示す第１の実施例の構成要素と同じ機能を果たす構成要素については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００７４】
図９に示すように、本実施例の電子機器が図４に示す第１の実施例の電子機器と異なる点は、第１の実施例におけるファイバ収集部材７０の替わりに、ファイバ収集部材７０ｂが設けられている点である。ファイバ収集部材７０ｂには、２次元イメージセンサ３０側の端部に反射／透過切替手段７５が設けられており、反射部７２（図３（ｂ）参照）が設けられていない。反射／透過切替手段７５は、透明電極７６、液晶層７７及び透明電極７８をこの順に積層して形成されている。このため、ファイバ収集部材７０ｂの製造工程において、反射部７２を形成する工程は不要となる一方で、透明電極７６、液晶層７７、透明電極７８を順に積層して反射／透過切替手段７５を形成する工程が必要になる。液晶層７７には、例えばカイラルネマチック液晶が利用できる。これは、電圧が印加されない状態では螺旋状態を保っており、入射する光が散乱される。電圧が印加されると螺旋構造が引き伸ばされて、光が透過するようになる。透明電極７６及び７８は、ＩＴＯ等の材料をファイバ収集部材７０ｂの端部全面にスパッタして形成する。
【００７５】
本実施例に係る電子機器において、外界を撮像する場合には、透明電極７６と７８との間に電圧を印加せず、反射／透過切替手段７５を反射状態とする。これにより、前述の確率Ｔ３を０．５よりも大きくすることが可能となる。一方、指紋を撮像する場合には、透明電極７６と７８との間に電圧を印加して、反射／透過切替手段７５を透過状態とする。このように、本実施例においては、反射／透過切替手段を２次元イメージセンサとファイバ収集部材の間に配置することにより、外界撮像時及び指紋撮像時の双方において、光の利用効率を高めることができる。
【００７６】
なお、反射／透過切替手段７５は、本実施例の構成及び材料に限られるものではない。例えば、ポリマーネットワークの中に粒状に分散された液晶（ポリマー分散液晶）を２個の透明電極により挟んだ構成としても本実施例と同等の効果が得られる。また、表面に透明電極を形成した厚さが５０μｍ以下の透明基板と、表面に透明電極を形成した２次元イメージセンサとで、カイラルネマチック液晶又はポリマー分散液晶を挟んだ構成としてもよい。従って、このような構成の画像入力装置も本発明に含まれる。
【００７７】
次に、本発明の第４の実施例について説明する。図１０（ａ）は本実施例に係る電子機器を示す正面図であり、（ｂ）はこの電子機器を示す断面図であり、図１１（ａ）は本実施例における指紋撮像動作を示す正面図であり、（ｂ）はこの指紋撮像動作を示す断面図である。
【００７８】
前述の第１の実施例においては、指紋の撮像に必要な光は、筐体１０の内部に配置されたチップ型ＬＥＤ等の発光素子８２（図２参照）により供給される。しかし、本発明においては、指紋撮像用の発光素子の配置は、この例に限られるものではない。
【００７９】
図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施例の電子機器においては、前述の第１の実施例に係る電子機器と比較して、筐体１０の内部には発光素子８２が設けられておらず、筐体８０ｂに発光素子８２ｂが設けられている。筐体８０ｂには、発光素子８２ｂを収納するための孔８０ｃが、筐体８０ｂの外面における外界撮像レンズ系２０と表示部９０との間に設けられている。発光素子８２ｂは孔８０ｃ内に設けられている。発光素子８２ｂは、ファイバ収集部材７０に指を密着させて置いたときに、指の一部に光が効率よく入射するように配置されている。本実施例の電子機器における上記以外の構成は前述の第１の実施例に係る電子機器の構成と同一である。
【００８０】
次に、本実施例における指紋撮像方法について説明する。図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、先ず、ファイバ収集部材７０に指を密着させる。次に、この状態で発光素子８２ｂを発光させる。発光素子８２ｂが発する光は、発光素子８２ｂに近接する指の部位から指の内部に入射し、散乱、拡散を繰り返した後にその一部が指に密着したファイバ収集部材７０に入射する。このような光の分布を２次元イメージセンサ３０で検出することにより、指紋画像が得られる。本実施例における上記以外の指紋撮像方法及び外界撮像方法は前述の第１の実施例と同様である。本実施例においては、発光素子を筐体１０に内蔵する必要が無いため、筐体１０をより小型化できる。
【００８１】
次に、本実施例の変形例について説明する。図１２は本変形例に係る電子機器を示す断面図である。図１２に示すように、本変形例においては、独立した発光素子を設けずに、表示部９０ｃを発光させて指紋撮像用の光源として使用する。これにより、表示部９０ｃから出力された光が、指の内部に入射し、反射、散乱を繰り返してこの光の一部がファイバ収集部材７０に入射する。これにより、指紋画像を得ることができる。本変形例における上記以外の構成及び動作は、前述の第４の実施例と同じである。本変形例においては、指紋撮像のために専用の発光素子を設ける必要がないため、筐体１０の小型化が図れると共に、電子機器のコストを低減することができる。
【００８２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、外界の画像及び指紋等の画像の双方を入力することができ、小型で、表示性能の劣化が無く、外界の画像を入力するときの角度の自由度が大きい画像入力装置及びこの画像入力装置が内蔵された電子機器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施例に係る電子機器を示す斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図２】図１（ｂ）における画像入力装置を示す拡大断面図である。
【図３】（ａ）は本実施例に係る画像入力装置における受光素子５０及びその近傍を示す平面図であり、（ｂ）はファイバ収集部材の端面を示す平面図であり、（ｃ）は（ａ）と（ｂ）とを重ねた図である。
【図４】本実施例に係る画像入力装置の２次元イメージセンサ及びファイバ収集部材を示す断面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は本実施例の電子機器における指紋画像入力動作を示す正面図及び断面図である。
【図６】本実施例の変形例に係る２次元イメージセンサ及びファイバ収集部材を示す断面図である。
【図７】本発明の第２の実施例における２次元イメージセンサを示す斜視図である。
【図８】図７に示す２次元イメージセンサの回路構成を示す回路図である。
【図９】本発明の第３の実施例に係る２次元イメージセンサを示す断面図である。
【図１０】（ａ）は本発明の第４の実施例に係る電子機器を示す正面図であり、（ｂ）はこの電子機器を示す断面図である。
【図１１】（ａ）は本実施例における指紋撮像動作を示す正面図であり、（ｂ）はこの指紋撮像動作を示す断面図である。
【図１２】本実施例の変形例に係る電子機器を示す断面図である。
【図１３】（ａ）及び（ｂ）は、従来の電子機器を示す正面図及び断面図であり、外界を撮像する動作を示している。
【図１４】（ａ）及び（ｂ）は、この従来の電子機器を示す正面図及び断面図であり、指紋を撮像する動作を示している。
【符号の説明】
１；携帯電話
５；画像入力装置
１０；筐体
１０ａ；凹凸部
１１、１２；開口部
２０；外界撮像レンズ系
３０；２次元イメージセンサ
３１；透明基板
３２、３２ｂ；遮光層
３３；層間絶縁膜
３５；画素群
３５ａ〜３５ｉ；矩形領域
４０；薄膜トランジスタ
４１；ソース・ドレイン領域
４２；チャネル領域
４３；ゲート絶縁膜
４４；層間絶縁膜
５０、５０ｂ；受光素子
５１；不透明電極
５２、５２ｂ；光電変換層
５３、５３ｂ；透明電極
５４、５４ｂ；開口部
５５；層間絶縁膜
５６；平坦化膜
５７；カラーフィルタ
５８；保護層
５９；接着層
６１ａ、６１ｂ、６１ｃ；垂直駆動回路
６２ａ、６２ｂ、６２ｃ；水平駆動回路
６３；ゲート配線
６４；データ配線
６５；バイアス配線
７０、７０ｂ；ファイバ収集部材
７１；コア部
７２；反射部
７５；反射／透過切替手段
７６；透明電極
７７；液晶層
７８；透明電極
８０、８０ｂ；筐体
８０ｃ；孔
８１；光吸収面
８２、８２ｂ；発光素子
８３；開口部
９０、９０ｃ；表示部
１０１；撮像素子
１０２；外界撮像レンズ系
１０３；反射鏡
１０４；筐体
１０５；切替部
１０６；指置きプリズム
１０６ａ；指置き面
１０６ｂ；プリズム底面
１０６ｃ；反射面
１０６ｄ；レンズ系固定面
１０７；指紋撮像レンズ系
１０８；表示器
Claims (15)
- 第１及び第２の開口部が設けられた第１の筐体と、前記第１及び第２の開口部の一方を選択して開く開閉手段と、前記第１の開口部が開いているときに前記第１の開口部を通過した光を結像する結像光学手段と、前記結像光学手段により結像された光を検知する規則的に配列された複数の受光素子と、前記受光素子と前記結像光学手段との間に設けられ前記結像光学手段から出射された光を透過させる透明基板と、前記透明基板を透過した光を前記受光素子に向けて反射する反射部と、前記第２の開口部が開いているときに前記第２の開口部を通過した光を前記受光素子に導く密着光学手段と、を有し、前記受光素子は前記透明基板の表面に形成され、前記密着光学手段は前記透明基板の表面側に設けられていることを特徴とする画像入力装置。
- 前記開閉手段が第３の開口部を備え内部に前記第１の筐体を収納して回転可能に支持する第２の筐体であり、前記第１の筐体を回転させて前記第１及び第２の開口部の一方の位置を前記第３の開口部の位置に整合させることにより、前記一方の開口部を開くことを特徴とする請求項１に記載の画像入力装置。
- 前記開閉手段の前記第１の開口部又は前記第２の開口部を閉じる部分が光を吸収する材料により形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像入力装置。
- 前記結像光学手段が１又は２以上のレンズを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の画像入力装置。
- 前記密着光学手段が複数の光ファイバを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の画像入力装置。
- 前記反射部が前記密着光学手段における前記結像光学手段側の端部に局部的に形成された金属膜であることを特徴とする請求項１に記載の画像入力装置。
- 前記反射部に代えて、前記結像光学手段から出射された光を反射して前記受光素子に導くか又は透過させて前記密着光学手段に導くかを切り替える反射／透過切替手段を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の画像入力装置。
- 前記反射／透過切替手段は、相互に平行に配置された２枚の透明電極と、この２枚の透明電極間に配置されたカイラルネマチック液晶層と、を有することを特徴とする請求項７に記載の画像入力装置。
- 前記密着光学手段と前記受光素子との間に配置されたカラーフィルタを有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の画像入力装置。
- 前記複数の受光素子がその配置された領域ごとに複数の群に分類され、全ての群に属する受光素子に光を検知させるか、又は、一部の群に属する受光素子のみに光を検知させるかを選択できることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の画像入力装置。
- 前記第１の筐体内に設けられた発光素子を有し、この発光素子から発せられた光が前記密着光学手段を通過して被写体に照射され、この被写体からの反射光が前記密着光学手段を通過して前記受光素子により検知されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の画像入力装置。
- 前記第１の筐体の外面又は前記第２の筐体の外面に取り付けられた発光素子を有し、この発光素子から発せられた光が被写体に入射され、この被写体により反射又は散乱された光が前記密着光学手段を通過して前記受光素子により検知されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の画像入力装置。
- 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の画像入力装置を内蔵することを特徴とする電子機器。
- 携帯電話、携帯情報端末又はノート型パーソナルコンピュータであることを特徴とする請求項１３に記載の電子機器。
- 画像を表示すると共に光を発光する表示手段を有し、この表示手段から発せられた光が被写体に入射され、この被写体により反射又は散乱された光が前記密着光学手段を通過して前記受光素子により検知されることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の電子機器。
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