JP4907799B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は撮像装置に関し、より詳細には指紋などのように測定対象物の表面に存在する凹凸パターンを検出するのに好適な撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかる撮像装置として、例えば特開平７−１７４９４７号公報（以下、文献１という）には、複数の光ファイバを一体化してなるファイバ光学プレートと、ＣＣＤ（電荷結合素子）イメージセンサなどの固体撮像素子とを接合してなる指紋検出装置が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した文献１に開示の撮像装置では、ファイバ光学プレートの光出射面は光ファイバの光軸に対して傾斜しており、この光出射面と固体撮像素子とが光学的に直接結合されていた。従って、光入斜面に接触した指を通じて指紋の像がプレート内へ入射したとしても、光出射面において多くの光が反射されてしまい、その結果、固体撮像素子に受光される光量が非常に少なく、検出すべき指紋の像が暗くなって撮像特性が悪くなるという問題があった。
【０００４】
そこで本発明は、ファイバ光学プレートから出射されて固体撮像素子に受光される光の光量を多くして、撮像特性の向上を図ることが可能な撮像装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る撮像装置は、（１）コアとコアの外周を覆うクラッドとを有する光ファイバを複数束ねて形成されており、光ファイバの光軸に対して傾斜する光入射面及び光出射面を有するファイバ光学プレートと、（２）ファイバ光学プレートの光出射面に形成された透光性を有する複数の柱状結晶体と、（３）半導体基板の主面上に２次元状に配列形成された光電変換部を有し、複数の柱状結晶体と光学的に結合された固体撮像素子と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
この撮像装置では、ファイバ光学プレートの光出射面に複数の柱状結晶体が形成されているため、各光ファイバ内を伝搬した光の光出射面における反射が抑制され、多くの光が複数の柱状結晶体に入射される。そして、複数の柱状結晶体のそれぞれが光ファイバのように機能し、入射された光が柱状結晶体内を案内されると共に出射側の端部において散乱され、柱状結晶体から多くの光が出射されて固体撮像素子に受光される。このように、この撮像装置では固体撮像素子に受光される光量が多くなり、撮像特性の向上が図られる。
【０００７】
また本発明に係る撮像装置では、複数の柱状結晶体は、ＣｓＩ、ＮａＩ、ＬｉＩ、ＫＩ、ＫＢｒ、ＫＣｌ、及びＮａＣｌのうちの少なくともいずれかにより構成されていると好適である。これらの物質は柱状の結晶体を構成することができ、かつファイバ光学プレートを通過した光に対して透光性を有するため好ましい。
【０００８】
本発明に係る撮像装置では、柱状結晶体各々の光入射側の端部における断面積は、光ファイバ各々の光出射側の端部における断面積よりも小さいことを特徴としてもよい。このようにすれば、解像度の劣化が抑制される。
【０００９】
本発明に係る撮像装置では、複数の柱状結晶体は、ファイバ光学プレートの光出射面に斜方蒸着により結晶成長されてなることを特徴としてもよい。このようにすれば、ファイバ光学プレートの光出射面に、該光出射面に対して傾斜する複数の柱状結晶体を容易に形成することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明に係る撮像装置の好適な一実施形態について説明する。なお、図面において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１１】
図１は、本実施形態に係る撮像装置としての指紋検出装置の構成を示す図である。図１に示すように、指紋検出装置１０は、ファイバ光学プレート２０と固体撮像素子３０と透光性を有する複数の柱状結晶体４０とを備えている。
【００１２】
ファイバ光学プレート２０は、光ファイバ２１を複数束ねて形成されている。このファイバ光学プレート２０は、光ファイバ２１の光軸に対して平行でなく、かつ垂直でない所定の傾斜角θ１で傾斜する光入射面２５及び光出射面２６を有し、これら光入斜面２５及び光出射面２６は互いに平行に対面している。このファイバ光学プレート２０を構成する光ファイバ２１は、コア２２とコア２２の外周を覆うクラッド２３とを有し、クラッド２３の屈折率に対してコア２２の屈折率が大きくなるように設定され、コア２２に沿って光が伝搬できるようになっている。更に、それぞれの光ファイバ２１の間には光吸収体２４が設けられており、光ファイバ２１に入射した光がクラッド２３の外部へ進行すると光吸収体２４により吸収されて消滅し、隣接する光ファイバ２１へ導光されないようになっている。
【００１３】
ここで傾斜角θ１は、空気中から光ファイバ２１のコア２２に入射した光がクラッド２３との境界面において全反射を生じないような角度に設定されていると好ましい。例えば、図２に示すように、光入斜面２５とほぼ平行となる向きから光ファイバ２１内へ光が入射するときの光ファイバ２１内における屈折角をβ、その光がコア２２、クラッド２３の境界面で全反射を繰り返して進行するときの境界面への臨界入射角をα、空気の屈折率をｎ₀、コア２２の屈折率をｎ₁、クラッド２３の屈折率をｎ₂とすると、次に示す式（１）、（２）を満たすα、βを式（３）に代入することにより、設定すべき傾斜角θの角度が求められる。
【００１４】
ｎ₁ｓｉｎβ＝ｎ₀ｓｉｎ９０° （入射角９０°の条件） … （１）
【００１５】
ｎ₁ｓｉｎα＝ｎ₂ｓｉｎ９０° （全反射の条件） … （２）
【００１６】
θ+（９０°+β）+（９０°−α）＝１８０° … （３）
【００１７】
ｎ₀＝１、ｎ₁＝１．５６、ｎ₂＝１．５２とすると、これらの式（１）、（２）、（３）により、傾斜角θ１＝３７°が算出される。このため、傾斜角θ１を３７°より小さい角度に設定することにより、空気中からファイバ光学プレート２０の光ファイバ２１に光が入射されても、その光ファイバ２１内で伝搬されないようになる。つまり、このように傾斜角θ１を設定すれば、空気中からファイバ光学プレート２０へ入射した光がファイバ光学プレート２０から出射されることなく、光入斜面２５に接触した物を通じてファイバ光学プレート２０へ入射された光のみが光出射面２６から出射されることとなり、撮像特性の向上が図られる。
【００１８】
固体撮像素子３０は、半導体基板の主面上に２次元状に配列形成された光電変換部を有している。かかる固体撮像素子３０としては、ＣＣＤイメージセンサやＣMＯＳイメージセンサなどが挙げられる。本実施形態では、固体撮像素子３０としてインターライン転送方式ＣＣＤイメージセンサ（ＩＴＣＣＤ）について説明する。
【００１９】
固体撮像素子３０としてのＩＴＣＣＤでは、Ｎ型半導体基板の主面に２次元状に配列形成されたＰ型ウェル３１内に、光電変換部３２が形成されている。光電変換部３２それぞれの間には、該光電変換部３２に蓄積された信号電荷を垂直方向及び水平方向に転送する垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤ（図示しない）が形成されており、その上部には遮光膜３３が設けられている。これにより、遮光膜３３の間を通って光電変換部３２で受光された光は、光電変換されて信号電荷として蓄積される。そして、この信号電荷が垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤにより転送され、図示しない出力部から画像処理系に向けて出力される。
【００２０】
複数の柱状結晶体４０は、ファイバ光学プレート２０の光出射面２６に設けられている。これら複数の柱状結晶体４０は、使用波長（例えば、可視光の波長帯域）において透光性を有し、その軸（結晶成長方向）がファイバ光学プレート２０の光出射面２６に対して傾斜するように設けられている。より詳細には、各柱状結晶体４０は、各光ファイバ２１がファイバ光学プレート２０の光入斜面２５に対して傾斜する方向と同じ方向に、光出射面２６に対して所定の傾斜角θ２（θ２≦９０°）で傾斜して設けられている。
【００２１】
本実施形態に係る指紋検出装置１０では、この傾斜角θ２は、柱状結晶体４０を伝搬して出射側の端部から出射された光が、固体撮像素子３０に垂直に入射するような角度に設定されていると好ましい。このようにすれば、柱状結晶体４０からより多くの光を出射させて固体撮像素子３０により受光させることが可能となるため、撮像特性の向上を図ることが可能となる。
【００２２】
これら複数の柱状結晶体４０は、ＣｓＩ、ＮａＩ、ＬｉＩ、ＫＩ、ＫＢｒ、ＫＣｌ、及びＮａＣｌのうちの少なくともいずれかにより構成されていると好ましい。これらの物質は、柱状の結晶体を構成することができ、かつファイバ光学プレート２０を通過した光に対して透光性を有するため好ましい。
【００２３】
ここで、柱状結晶体４０各々の太さは光ファイバ２１各々の太さより細く、柱状結晶体４０各々の光入射側の端部における断面積は、光ファイバ２１各々の光出射側の端部における断面積よりも小さいと好ましい。このようにすれば、測定対象物の解像度の劣化が抑制される。
【００２４】
また、柱状結晶体４０の屈折率は、光ファイバ２１のコア２２の屈折率よりも大きいと好ましい。このようにすれば、ファイバ光学プレート２０の光出射面２６における光の反射がより抑制され、より多くの光を柱状結晶体４０に案内することができる。なお、上記したＣｓＩ等の物質の屈折率は１．５〜２．０程度であるため、光ファイバ２１のコア２２の屈折率がこれらの値よりも小さくなるように、光ファイバ２１を適宜選択して使用すると好ましい。
【００２５】
かかる複数の柱状結晶体４０は、上記したＣｓＩ等の物質をファイバ光学プレート２０の光出射面２６に斜方蒸着することで容易に形成することができる。このとき、柱状結晶体４０各々の長さは５０μｍ〜５００μｍ程度であると好ましい。図３は、ファイバ光学プレート２０の光出射面２６にＣｓＩを斜方蒸着してなる柱状結晶体４０を示す顕微鏡写真である。図示の通り、ファイバ光学プレート２０の光出射面２６に、ＣｓＩの複数の柱状結晶体４０が密集して形成されている。この実施例では、柱状結晶体４０各々の長さは１００μｍ程度であり、その太さ（断面積）は５０μｍ²程度であった。
【００２６】
なお、複数の柱状結晶体４０が斜方蒸着されたファイバ光学プレート２０と固体撮像素子３０は、接着剤により接合して固定することができる。
【００２７】
このように、複数の柱状結晶体４０と固体撮像素子３０とが光学的に結合された状態で、ファイバ光学プレート２０、複数の柱状結晶体４０、及び固体撮像素子３０が組み付けられており、これにより指紋検出装置１０が構成されている。
【００２８】
次に、本実施形態に係る指紋検出装置１０の作用及び効果について説明する。
【００２９】
本実施形態に係る指紋検出装置１０では、ファイバ光学プレート２０の光出射面２６に複数の柱状結晶体４０が形成されているため、各光ファイバ２１内を伝搬した光の光出射面２６における反射が抑制され、多くの光が複数の柱状結晶体４０に入射される。そして、複数の柱状結晶体４０のそれぞれが光ファイバのように機能し、入射された光が柱状結晶体４０内を案内されると共に、いわゆるスクリーン機能により出射側の端部において光が散乱され、柱状結晶体４０から多くの光が出射されて固体撮像素子３０に受光される。このように、この指紋検出装置１０では固体撮像素子３０に受光される光量が多くなり、撮像特性の向上を図ることが可能となる。
【００３０】
また、本実施形態に係る指紋検出装置１０では、複数の柱状結晶体４０としてＣｓＩ等の物質をファイバ光学プレート２０の光出射面２６に斜方蒸着することで、装置を小型に構成することができる。
【００３１】
なお、特開平９−２８８２２３号公報には、第１のファイバ光学プレートと、その第１のファイバ光学プレートよりも傾斜角が大きい第２のファイバ光学プレートとを接合し、これをＣＣＤイメージセンサなどの固体撮像素子と接合してなる指紋検出装置が開示されている。この指紋検出装置においても、第２のファイバ光学プレートの光出射面から出射する光の出射角度が広くなるため、出射される光量が大きくなって、検出すべき指紋の像が明るくなり、撮像特性の向上を図ることが可能となる。しかしながら、この指紋検出装置では、２枚のファイバ光学プレートを接合するに際して高度の位置合わせを必要とし、製造が容易ではなく、また高価なファイバ光学プレートを２枚用いる必要が有り、コストが高くなるという問題がある。これに対し、本実施形態に係る指紋検出装置１０は、かかる位置合わせが不要で製造が容易であり、またファイバ光学プレート２０は１枚あれば足りるためコスト的にも有利であり、かつ柱状結晶体４０を薄く形成することで装置自体を小型に構成することができるという点で優れている。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、ファイバ光学プレートから出射されて固体撮像素子に受光される光の光量を多くして、撮像特性の向上を図ることが可能な撮像装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る撮像装置としての指紋検出装置の構成を示す図である。
【図２】ファイバ光学プレートの傾斜角を説明するための図である。
【図３】複数の柱状結晶体を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１０…指紋検出装置、２０…ファイバ光学プレート、２１…光ファイバ、２２…コア、２３…クラッド、２５…光入斜面、２６…光出射面、３０…固体撮像素子、３２…光電変換部、４０…柱状結晶体。

Claims (4)

1. コアと該コアの外周を覆うクラッドとを有する光ファイバを複数束ねて形成されており、該光ファイバの光軸に対して傾斜する光入射面及び光出射面を有するファイバ光学プレートと、
   前記ファイバ光学プレートの前記光出射面に形成された透光性を有する複数の柱状結晶体と、
   半導体基板の主面上に２次元状に配列形成された光電変換部を有し、前記複数の柱状結晶体と光学的に結合された固体撮像素子と、
   を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記複数の柱状結晶体は、ＣｓＩ、ＮａＩ、ＬｉＩ、ＫＩ、ＫＢｒ、ＫＣｌ、及びＮａＣｌのうちの少なくともいずれかにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記柱状結晶体各々の光入射側の端部における断面積は、前記光ファイバ各々の光出射側の端部における断面積よりも小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記複数の柱状結晶体は、前記ファイバ光学プレートの前記光出射面に斜方蒸着により結晶成長されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の撮像装置。

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