JP4640415B2

JP4640415B2 - 生体認証装置

Info

Publication number: JP4640415B2
Application number: JP2008009639A
Authority: JP
Inventors: 淳志梶原; 功市村; 健二山本; 俊夫渡辺
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2008-01-18
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2028-01-18
Also published as: KR20090079809A; JP2009165748A; US20090185722A1; CN101488184A; US8306287B2

Description

本発明は、静脈や指紋などの生体部位における構造物を撮像して得られたデータに基づいて生体の認証を行う生体認証装置に関する。

従来、生体部位における構造物を撮像対象とする撮像装置は、生体認証装置等に利用され、例えば指紋や静脈の撮像データを用いて生体の認証を行う認証装置が種々提案されている。一般に、このような生体認証装置では、撮像装置自体の厚みが大きいため、薄型の機器に応用するために、撮像装置を認証装置の外部に配置したり、撮像装置の光学系（撮像レンズ）と検出系（撮像素子）とを独立して配置することが主流となっていた。

ところが、近年では、様々な機器の薄型化、あるいは製造性やデザインの制約などに伴い、このような機器に直接搭載することのできる薄型モジュールとしての生体認証装置の実現が望まれている。そこで、特許文献１には、指の斜め下方に近赤外光源を配置し、これによって指の内部に光を照射して静脈の撮像データを取得する撮像光学系が提案されている。また、特許文献２，３には、マイクロレンズアレイを用いて集光した光を撮像素子で受光して撮像を行う撮像装置が提案されている。
特開２００６−１５５５７５号公報特開２００７−７４０７９号公報特許第３８２１６１４号公報

ここで、上記のようなマイクロレンズアレイを用いた撮像光学系では、各マイクロレンズで集光された撮像対象物の像は、撮像素子上にそれぞれ結像する。このとき、撮像素子上では、隣接するマイクロレンズから不要な光線が入射（クロストーク）して撮像画像の画質が劣化するという問題がある。そこで、上記特許文献２，３では、マイクロレンズアレイにおいて格子状に配置されたマイクロレンズ同士の間に遮光壁を設けることにより、上記のようなクロストークの発生を抑制している。

しかしながら、マイクロレンズ間に遮光壁を設けて不要光線を排除するためには、遮光壁が十分な高さで形成される必要があるため、この遮光壁の高さの分だけ装置全体の厚みが大きくなってしまうという問題がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、クロストークの影響の少ない撮像画像に基づいて生体の認証を行いつつ、薄型化を実現することが可能な生体認証装置を提供することにある。

本発明の生体認証装置は、生体に向けて光を照射する光源と、生体を置くための検知部と、生体からの光を集光する複数のマイクロレンズが離散的に配置されたマイクロレンズアレイ部と、マイクロレンズアレイ部の光入射側に設けられ、マイクロレンズが配置された領域に対向して円形開口を有する第１の遮光部と、マイクロレンズアレイ部の光出射側に設けられ、マイクロレンズが配置された領域に対向して矩形開口を有する第２の遮光部と、マイクロレンズアレイ部によって集光された光に基づき、生体の撮像データを取得する撮像素子と、撮像素子で生成された撮像データに基づいて生体の認証を行う認証部とを備えたものである。遮光部における各開口部の開口面積は、光源に近い領域よりも遠い領域において大きくなっており、マイクロレンズアレイ部における各マイクロレンズの平面積は、上記開口面積によらず一律となっている。

本発明の生体認証装置では、生体が検知部に置かれると、光源から生体に向けて光が照射され、この光が各マイクロレンズによって集光されたのち、撮像素子で受光される。そして、撮像素子で生体の撮像データが取得され、この撮像データに基づいて生体の認証がなされる。ここで、マイクロレンズアレイにおいて複数のマイクロレンズが間引かれた状態で配置され、その光入射側および光出射側の少なくとも一方の側に、各マイクロレンズに対向する領域に開口を有する遮光部が設けられていることにより、撮像素子において周辺のマイクロレンズから不要な光線が入射しにくくなる。

本発明の生体認証装置によれば、マイクロレンズアレイにおいて複数のマイクロレンズを間引いて配置し、その光入射側および光出射側の少なくとも一方の側に、各マイクロレンズに対向する領域に開口を有する遮光部を設けるようにしたので、装置の厚み方向に高さのある遮光壁を配置することなく、周辺のマイクロレンズからの不要光線を受光しにくくすることができる。よって、クロストークによる影響の少ない撮像画像に基づいて生体の認証を行いつつ、薄型化を実現することが可能な生体認証装置を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る生体認証装置１の全体構成を表すものである。図２は、生体認証装置１のＺ−Ｘ断面構成を表すものである。生体認証装置１は、特に生体（例えば、指先）２の構造物、例えば静脈を撮像して認証を行うものであり、光源１０と、検知部１１と、開口率分布フィルタ１１と、マイクロレンズアレイ１２と、遮光部１３Ａ，１３Ｂと、撮像素子１４と、画像処理部１５と、パターン保持部１６と、認証部１７と、光源駆動部１８１と、撮像素子駆動部１８２と、制御部１９とから構成されている。

光源１０は、撮像対象である生体２へ向けて光を照射するものであり、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などにより構成される。この光源１０は、例えば、生体２に対して撮像素子１４と同一の側に、例えば生体２の長手方向（Ｘ方向）における両端位置に設けられている。この光源１０は、生体２の内部の構造物、例えば静脈を撮像する場合には、近赤外の波長領域（７００ｎｍ〜１２００ｎｍ程度の波長領域）の光を発するようになっている。

検知部１１は、例えばカバーガラスなどであり、生体２を検知する領域（面）、すなわち生体２が置かれる領域（面）である。但し、検知部１１に直接、生体２が接触している必要はなく、検知部１１の上方に生体２が配置されるような構成であればよい。

マイクロレンズアレイ１２は、例えば、検知部１１の下方に、生体２内部の観察面を撮像素子１４上の受光面に結像するように配置され、生体２に照射された光を集光するようになっている。このマイクロレンズアレイ１２では、例えば透明基板上に複数のマイクロレンズが間引かれて配置されている。但し、各マイクロレンズの厚みや径、マイクロレンズ同士の間隔は、要求される結像倍率や解像度によって適宜設定されるものである。また、マイクロレンズとしては、例えば液晶レンズ、液体レンズ、回折レンズなどを用いることができる。

遮光部１３Ａ，１３Ｂはそれぞれ、マイクロレンズアレイ１２の光入射側および光出射側に設けられている。この遮光部１３Ａ，１３Ｂは、マイクロレンズアレイ１２への入射光線もしくはマイクロレンズアレイ１２から出射する光線を選択的な領域で遮光することにより、撮像素子１４側への入射光線を制限するようになっている。なお、この遮光部１３Ａ，１３Ｂの詳細な構成については後述する。

撮像素子１４は、マイクロレンズアレイ１２からの光を受光して撮像データを取得するものであり、マイクロレンズアレイ１２の焦点面に配置されるようになっている。なお、この撮像素子１４は、例えば、マトリクス状に配列された複数のＣＣＤ（Charge Coupled Device；電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などにより構成される。

画像処理部１５は、制御部１９からの制御に応じて、撮像素子１４で得られた撮像データに所定の画像処理を施し、認証部１７へ出力するものである。なお、この画像処理部１５、ならびに後述する認証部１７および制御部１９は、例えばマイクロコンピュータなどにより構成される。

パターン保持部１６は、生体認証の際に用いる生体認証パターン（認証の際に撮像して得られた撮像パターンに対する比較パターンであり、予め生体を撮像して得られたもの）が保持される部分であり、不揮発性の記録素子（例えば、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）など）により構成される。

認証部１７は、制御部１９からの制御に応じて、画像処理部１５から出力される撮像パターンと、パターン保持部１６に保持されている生体認証パターンとを比較することにより、生体２の認証を行う部分である。

光源駆動部１８１は、制御部１９からの制御に応じて、光源１０の発光駆動を行うものである。撮像素子駆動部１８２は、制御部１９からの制御に応じて、撮像素子１３の撮像駆動（受光駆動）を行うものである。制御部１９は、画像処理部１５、認証部１７、光源駆動部１８１および撮像素子駆動部１８２の動作を制御するものである。

次に、遮光部１３Ａ，１３Ｂの構成について、図３（Ａ）および図３（Ｂ）を参照して詳細に説明する。図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、遮光部の一例を表す斜視図である。

遮光部１３Ａ，１３Ｂにはそれぞれ、マイクロレンズアレイ１２に配置されたマイクロレンズに対向する領域に開口が設けられている。例えば、遮光部１３Ａでは、図３（Ａ）に示したような円形状の開口１３Ａ−１、遮光部１３Ｂでは、図３（Ｂ）に示したような矩形状の開口１３Ｂ−１が設けられている。この開口からマイクロレンズの凸部が突出するようにして、遮光部１３Ａと遮光部１３Ｂとの間にマイクロレンズアレイ１２が挟み込まれるようになっている。

このような遮光部１３Ａ，１３Ｂは、例えばステンレス、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属膜に例えばフォトリソグラフィ法を用いたエッチングによって、上述したようなマイクロレンズの配置に対応して複数の開口をパターン形成することにより作製することができる。

次に、このような生体認証装置１の作用および効果について説明する。

生体認証装置１では、まず、検知部１１上に生体（例えば、指先）２が置かれ、光源駆動部１８１により光源１０が駆動されると、光源１０から射出された光Ｌが生体２へ向けて照射される。生体２に照射された光は、例えば生体２の内部で散乱し、静脈により吸収される。一方、マイクロレンズアレイ１２における各マイクロレンズが、生体２内部の観察面を撮像素子１４上の受光面に結像するように配置されていることにより、生体２内部の光はマイクロレンズアレイ１２で集光されたのち、撮像素子１４へ入射する。このようにして、撮像素子１４において、生体２の静脈の撮像データ（静脈パターン）が取得される。そして、撮像素子１４で得られた静脈パターンは、画像処理部１５において適宜画像処理がなされたのち、認証部１７へ入力される。認証部１７では、入力された静脈パターンと、パターン保持部１６に保持されている静脈認証用の認証パターンとが比較され、認証が行われる。これにより、最終的な生体認証の結果（認証結果データＤout）が出力され、生体認証処理が終了となる。

ここで、図４，図５，図８（Ｂ）に示した従来例および図６に示した比較例と比較して、遮光部１３Ａ，１３Ｂの作用について図７，図８（Ａ）を参照して説明する。図４は、従来例に係る生体認証装置の概略構成を表すＺ−Ｘ断面図である。図５は、図４に示した生体認証装置の作用を説明するための模式図である。図６は、比較例に係る生体認証装置の概略構成を表すＺ−Ｘ断面図である。図７は、本実施の形態の生体認証装置の作用を説明するための模式図ある。図８は、実際の撮像画像の一例であり、図８（Ａ）は本発明、図８（Ｂ）は従来例に係るものである。

図４に示したように、従来の生体認証装置では、検出部１０３の下方に、複数のマイクロレンズが配置されたマイクロレンズアレイ１０４、撮像素子１０５が配置されている。マイクロレンズアレイ１０４においてマイクロレンズはマトリクス状に隙間なく敷き詰められた構成となっている。これにより、マイクロレンズアレイ１１０４によって集光された光は、撮像素子１０５に結像され、撮像データが生成されるようになっている。

ところが、このような構成では、図５に示したように、生体２の像Ｉ₁₀からの光線は、複数のマイクロレンズに入射し、撮像素子１０５上に複数の像Ｉ₁₁を結像することとなる。例えば、マイクロレンズの径（ピッチ）をＰ₁、結像倍率を２：１とした場合、撮像素子１０５上には、マイクロレンズ径の１．５倍の間隔で、像Ｉ₁₀の１／３の寸法の像Ｉ₁₁が複数形成される。この結果、各マイクロレンズ間でクロストークが生じ、例えば図８（Ｂ）に示したような画質の劣化につながる。

そこで、図６に示した生体認証装置では、マイクロレンズアレイ１１４の光出射側（撮像素子側）においてマイクロレンズ同士の間の領域に遮光壁１１５を設けている。遮光壁１１５は、Ｘ−Ｙ面上ではマイクロレンズの配置に対応した格子状となっており、Ｚ方向に長さ（高さ）Ｈで形成されている。これにより、撮像素子上において、上記のようなクロストークの発生が抑制される。

しかしながら、このようにマイクロレンズ同士の間の領域に遮光壁１１５を設ける構成では、遮光壁１１５のＺ方向の長さＨによって隣接するマイクロレンズへの光線の入射を抑制するようになっているため、結果として装置全体の厚みが大きくなり薄型化に不利となる。

これに対し、本実施の形態では、マイクロレンズアレイ１２において複数のマイクロレンズを間引いて配置し、これらのマイクロレンズに対向する領域に開口を有する遮光部１３Ａ，１３Ｂをマイクロレンズアレイ１２の光入射側および光出射側に設けるようにしている。これにより、図７に示したように、隣り合うマイクロレンズ同士の間隔が最適化されると共に、撮像素子１４上の各マイクロレンズに対応する受光領域に、周辺のマイクロレンズで集光された不要な光線Ｌ１００が入射しにくくなる。また、外光や各マイクロレンズで集光されなかった迷光などの散乱光Ｌ１０１についても、撮像素子１４上で受光されにくくなる。これにより、生体２の像Ｉ₁，Ｉ₂，Ｉ₃はそれぞれ、対応するマイクロレンズによって集光され、受光像Ｉ₄，Ｉ₅，Ｉ₆として撮像素子１４上に結像する。この結果、例えば図８（Ａ）に示したように、クロストークの影響が抑制され、高画質の撮像画像を得ることができる。

以上のように、本実施の形態の生体認証装置１では、マイクロレンズアレイ１２において複数のマイクロレンズを間引いて配置し、これらのマイクロレンズに対向する領域に開口を有する遮光部１３Ａ，１３Ｂをマイクロレンズアレイ１２の光入射側および光出射側に設けるようにしたので、装置の厚み方向に高さのある遮光壁を配置することなく、周辺のマイクロレンズからの不要光線を受光しにくくすることができる。よって、クロストークによる影響の少ない撮像画像に基づいて生体の認証を行いつつ、薄型化を実現することが可能な生体認証装置を実現できる。また、クロストークによる影響の少ない高画質の画像に基づいて生体の認証を行うことにより、生体の認証精度が向上する。

また、マイクロレンズアレイ１２において、マイクロレンズ同士の間の間隔を大きくすれば、遮光部１３Ａ，１３Ｂにおける遮光面積を広く確保することができるため、より効果的にクロストークの発生を抑制することができる。このとき、遮光率を高めるためにマイクロレンズ同士の間隔を大きくすると、マイクロレンズの絶対数は減少するため、撮像画像の解像度は低くなる。このように撮像画像の解像度が多少低下したとしても、生体認証においては十分な認証精度を維持できるため実用上問題はない。また、各マイクロレンズの結像倍率を高めることで、ある程度の解像度を保持することは可能である。

また、上記比較例に係る遮光壁を用いた生体認証装置では、格子状に配列したマイクロレンズ同士の間に高さのある遮光壁を形成しなければならないため、製造プロセスが複雑になるが、本実施の形態の遮光部１３Ａ，１３Ｂは、金属板に開口パターンをエッチングすることにより形成することができるため、簡易な製造プロセスで作製することが可能となる。

この生体認証装置１は、携帯電話、薄型ノートパソコン、携帯メモリー、各種カードなどの薄型の携帯モジュールに好適に用いることができる。図９には、生体認証装置１を用いた携帯電話機の一例についての概要構成を示す。この携帯電話機は、折り畳み式の筐体（第１筐体２００および第２筐体２０１）の表面に、生体２（指先）を置くための指ガイド２０２と、認証結果を表示する表示部２０３とを備えている。第１筐体２００の内部には生体認証装置１が設けられており、指ガイド２０２の底面部分が検知部１１に対応しており、その下方に遮光部１３Ａ、マイクロレンズアレイ１２、遮光部１３Ｂおよび撮像素子１４が順に配置される。

次に、本発明の変形例について説明する。

（変形例）
図１０は、本発明の変形例に係る遮光部２３の概略構成を表す平面図である。遮光部２３は、上述した遮光部１３Ａ，１３Ｂと同様に、マイクロレンズアレイ１２の光入射側もしくは光出射側に配置されるようになっており、各マイクロレンズに対向する領域に開口が設けられている。但し、遮光部２３では、その開口率が光源１０に近い領域よりも光源１０から遠い領域で高くなっている開口率分布を有している。例えば、図１０に示したように、中央部で最も開口面積が大きく、中央部から端部にかけて徐々に開口面積が小さくなるように構成されている。このような構成においても、一つのマイクロレンズに対して一つの開口が対向配置され、また開口面積に拘らず、各マイクロレンズの平面積は一律でよい。

すなわち、遮光部２３は、図３（Ａ），（Ｂ）に示したような複数の開口を有する遮光部の機能と透過率分布フィルタの機能とを兼ねたものである。図１１（Ａ），（Ｂ）に透過率分布フィルタの一例を示す。図１１（Ａ）は透過率分布フィルタの概観を示すものであり、図１１（Ｂ）はこの透過率分布フィルタの透過率の分布を表す特性図である。これらの図に示したように、透過率分布フィルタにおける透過率は、例えば中央部で最も高く端部にかけて徐々に低くなる２次元分布を描くようになっている。なお、図１１（Ａ）では、色が白くなるほど透過率が高く、黒くなるほど透過率が低くなっている。

通常、生体認証装置では、薄型化のために、上述したように生体の下方（撮像素子側）に配置した光源から光を照射した場合、生体の透過率の影響によって、光源に近い領域では光量が多く、光源から遠い領域では光量が少なくなる。このため、例えば図１２（Ａ），（Ｂ）に示したように、撮像画像の光量分布にむらが生じてしまう。図１２（Ａ）は、透過率分布フィルタを用いずに撮像した実際の画像、図１２（Ｂ）はその光量分布を表すものである。

そこで、遮光部２３のように、その開口の開口率分布が光源に近い領域よりも遠い領域で高くなるようにし、上述したような遮光部の機能と透過率分布フィルタの機能とを兼ねるようにすれば、１枚でクロストークの発生を抑制すると共に、光源の配置による光量むらについても低減することができる。よって、例えば図１３に示したように、光量むらが低減された高画質の撮像画像を得ることができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、遮光部をマイクロレンズアレイの光入射側と光出射側の両方に配置する構成を例に挙げて説明したが、これに限定されず、光入射側のみ、光出射側のみに配置するようにしてもよい。但し、遮光部は、好ましくは光出射側、より好ましくは光入射側および光出射側の両方の側に配置するのがよい。周辺のマイクロレンズからの不要光線を遮光し易くなるためである。

また、上記実施の形態では、遮光部として円形状の開口あるいは矩形状の開口を有するものを例に挙げて説明したが、遮光部における開口の形状は上記のものに限定されず、他の形状であってもよい。また、マイクロレンズアレイの光入射側および光出射側の両方に遮光部を設ける場合、光入射側と光出射側とで開口の形状は異なっていても同一であってもよい。

また、上記実施の形態では、金属膜にフォトリソグラフィ法を用いてマイクロレンズの配置に対応した開口パターンをエッチングすることにより遮光部を形成し、この遮光部でマイクロレンズアレイを挟むように配置した構成を例に挙げて説明したが、これに限定されず、例えばマイクロレンズアレイのマイクロレンズが形成されていない領域に、クロム（Ｃｒ）などを蒸着することにより遮光部を直接成膜するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、光源が生体２の長手方向における両端位置に設けられた構成を例に挙げて説明したが、光源の設けられる位置はこれに限定されず、光源が検知部に対して撮像素子と同一の側に配置された構成であれば、一方の側のみに配置されていてもよい。

また、上記実施の形態の構成要素に限定されず、他にも、光量むらを低減するための透過率分布フィルタや、例えば静脈パターンを取得する場合には、近赤外光透過フィルタなどを更に配置するようにしてもよい。近赤外光透過フィルタは、近赤外の波長領域における光を選択的に透過させるフィルタであり、例えば、アクリル系樹脂に、銅フタロシアニン系化合物、メタルフリー・フタロシアニン系化合物、アントラキノン系の染料などを添加した材料により構成される。このような近赤外透過フィルタを配置することで、外光などを排除し、より高画質の撮像画像を得易くなる。

また、上記実施の形態では、撮像素子１３で得られた撮像データに対し、画像処理部１５において適宜画像処理を施してから認証を行うようにした場合について説明したが、例えば、場合によっては画像処理部１５を設けずに、撮像素子１３からの撮像データに基づいて、認証部１７が直接認証を行うようにしてもよい。そのように構成した場合、装置構成をより簡素化し、装置全体をより薄型化することが可能となる。

また、上記実施の形態では、生体２の内部の構造物、例えば静脈パターンに基づき、生体認証を行う場合について説明したが、これに限定されず、例えば生体２（指先）表面の指紋パターンを取得し、この結果に基づいて、最終的な認証結果を出力するようにしてもよい。

本発明の一実施の形態に係る生体認証装置の全体構成を表す機能ブロック図である。図１に示した生体認証装置の断面構成を表す模式図である。図１に示した遮光部の概略構成を表す斜視図である。従来例に係る生体認証装置の断面構成を表す模式図である。図４に示した生体認証装置の作用を説明するための模式図である。比較例に係る生体認証装置の断面構成を表す模式図である。図１に示した生体認証装置の作用を説明するための模式図である。実際の撮像画像の一例である。図１に示した生体認証装置の一適用例を表すものである。本発明の変形例に係る遮光部の概略構成を表す平面図である。透過率分布フィルタの構成を説明するためのものである。比較例に係る生体認証装置で得られた撮像画像に関するものである。図１０に示した遮光部を用いて得られた撮像画像である。

符号の説明

１…生体認証装置、１０…光源、１１…検知部、１２…マイクロレンズアレイ、１３Ａ，１３Ｂ，２３…遮光部、１３Ａ−１，１３Ｂ−１…開口、１４…撮像素子、１５…画像処理部、１６…パターン保持部、１７…認証部、１８１…光源駆動部、１８２…撮像素子駆動部、１９…制御部、２…生体（指先）。

Claims

生体に向けて光を照射する光源と、
前記生体を置くための検知部と、
前記生体からの光を集光する複数のマイクロレンズが離散的に配置されたマイクロレンズアレイ部と、
前記マイクロレンズアレイ部の光入射側に設けられ、前記マイクロレンズが配置された領域に対向して円形開口を有する第１の遮光部と、
前記マイクロレンズアレイ部の光出射側に設けられ、前記マイクロレンズが配置された領域に対向して矩形開口を有する第２の遮光部と、
前記マイクロレンズアレイ部によって集光された光に基づき、前記生体の撮像データを取得する撮像素子と、
前記撮像素子で生成された撮像データに基づいて前記生体の認証を行う認証部とを備え、
前記遮光部における各開口部の開口面積は、前記光源に近い領域よりも遠い領域において大きくなっており、
前記マイクロレンズアレイ部における各マイクロレンズの平面積は、前記開口面積によらず一律となっている
生体認証装置。
前記遮光部の透過率分布は、前記光源から遠い領域において最も高く、前記光源に近い領域にかけて徐々に低くなる２次元分布を描く
請求項１に記載の生体認証装置。
前記光源は、前記検知部に対して前記撮像素子と同一の側に配置されている
請求項１記載の生体認証装置。
前記撮像素子は、前記生体の静脈についての撮像データを生成するものである
請求項１記載の生体認証装置。