JP4930329B2

JP4930329B2 - 生体認証装置

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Publication number: JP4930329B2
Application number: JP2007283691A
Authority: JP
Inventors: 康宏代工
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2027-10-31
Also published as: JP2009110402A

Description

本発明は、生体認証装置に関する。

近年、ＡＴＭやマンション、携帯端末等において本人であることを確認する技術として、例えば、被験者の指先の指紋パターンを読み取る指紋読取装置等の生体認証技術が採用されている。指紋読取装置としては、例えば特許文献１，２に示すように、複数のフォトセンサがマトリクス状に配列された撮像装置を備えるものがある。
また、他の生体認証技術としては、被験者の手の静脈パターンを読み取る静脈認証装置が知られている。
特許第３０１９６３２号明細書特許第３１１６９５０号明細書

しかし、従来の生体認証装置では、指紋パターンと静脈パターンとを同時に読み取ることはできなかった。
本発明の課題は、指紋パターンと静脈パターンとを同時に読み取ることができる生体認証装置を提供することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、複数の受光素子がマトリクス状に形成され、被写体が載置される第１の受光面を有する第１の撮像装置と、複数の受光素子がマトリクス状に形成され、光を受光する第２の受光面を有する第２の撮像装置と、複数のレンズが、前記第２の撮像装置の前記複数の受光素子と同一のパターンピッチで、マトリクス状に形成されたレンズアレイと、を備え、前記第２の撮像装置は、前記第２の受光面を、前記第１の撮像装置の前記第１の受光面と同一方向に向けた状態で、前記第１の撮像装置の背面側に配置され、前記レンズアレイは、前記第１の撮像装置の背面と前記第２の撮像装置の前記第２の受光面との間に設けられて、前記複数のレンズの各々は前記第２の撮像装置の前記各受光素子に対応する位置に配置され、前記各受光素子は、受光部をなす半導体薄膜を有し、前記レンズアレイの前記各レンズの前記第１の撮像装置側の前側焦点面が前記第１の受光面に載置される前記被写体内となる位置あり、前記各レンズの前記第２の撮像装置側の後側焦点面が前記第２の撮像装置の前記各受光素子の前記半導体薄膜の位置にあることを特徴とする生体認証装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の生体認証装置であって、前記第１の撮像装置の前記各受光素子と前記第２の撮像装置の前記各受光素子とは、同一のパターンピッチで、行方向及び列方向にマトリクス状に形成され、前記第２の撮像装置の前記各受光素子は、平面視して、前記第１の撮像装置の前記各受光素子に対し、行方向及び／または列方向に１／２ピッチずれた位置に形成されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、複数の受光素子がマトリクス状に形成され、人体の特定部位を含む被写体が載置される第１の受光面を有し、前記被写体の指紋パターンを読み取る第１の撮像装置と、複数の受光素子がマトリクス状に形成され、光を受光する第２の受光面を有し、前記被写体の静脈パターンを読み取る第２の撮像装置と、複数のレンズが、前記第２の撮像装置の前記複数の受光素子と同一のパターンピッチで、マトリクス状に形成されたレンズアレイと、を備え、前記第２の撮像装置は、前記第２の受光面を、前記第１の撮像装置の前記第１の受光面と同一方向に向けた状態で、前記第１の撮像装置の背面側に配置され、前記レンズアレイは、前記第１の撮像装置の背面と前記第２の撮像装置の前記第２の受光面との間に設けられて、前記複数のレンズの各々は前記第２の撮像装置の前記各受光素子に対応する位置に配置され、前記各受光素子は、受光部をなす半導体薄膜を有し、前記レンズアレイの前記各レンズの前記第１の撮像装置側の前側焦点面が前記第１の受光面に載置される前記被写体内となる位置あり、前記各レンズの前記第２の撮像装置側の後側焦点面が前記第２の撮像装置の前記各受光素子の前記半導体薄膜の位置にあることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の生体認証装置であって、前記第１の撮像装置の前記各受光素子と前記第２の撮像装置の前記各受光素子とは、同一のパターンピッチで、行方向及び列方向にマトリクス状に形成され、前記第２の撮像装置の前記各受光素子は、平面視して、前記第１の撮像装置の前記各受光素子に対し、行方向及び／または列方向に１／２ピッチずれた位置に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、指紋パターンと静脈パターンとを同時に読み取ることができる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

図１は本発明に係る生体認証装置１の撮像部２を示す概略図である。生体認証装置１は、図１に示すように、上部固体撮像デバイス２０、下部固体撮像デバイス１２０、レンズアレイ６０からなる撮像部２と、制御部５０（図５参照）と、光源７０（図６、図７参照）とから概略構成される。

図２は上部固体撮像デバイス２０の平面図であり、図３は図２のIII部の拡大図であり、図４は図３のIV−IV矢視断面図である。上部固体撮像デバイス２０は、透明基板１０と、複数のダブルゲートトランジスタ３，３，・・・（受光素子）と、ボトムゲート絶縁膜１２と、層間絶縁膜１９と、保護絶縁膜２１と、静電保護膜２２と、等を備える。

透明基板１０は略平板状であり、絶縁性を有し、赤外線を透過させる。透明基板１０としては、石英ガラス等のガラス基板、または、ポリカーボネート等のプラスチック基板を用いることができる。

ダブルゲートトランジスタ３は、透明基板１０の一方の面上にｎ行ｍ列のマトリクス状に配列され、画素となる電気素子である。ここで、ｎ、ｍは整数であり、図１ではｎ＝ｍ＝４である。それぞれのダブルゲートトランジスタ３は透明基板１０、ボトムゲート絶縁膜１２、層間絶縁膜１９、保護絶縁膜２１の間に形成され、ボトムゲート電極１１と、半導体膜１３と、チャネル保護膜１４と、不純物半導体膜１５，１６と、ドレイン電極１７と、ソース電極１８と、トップゲート電極２３と、を具備する。

透明基板１０上には、ボトムゲート電極１１がダブルゲートトランジスタ３ごとにマトリクス状となって形成されている。横方向に配列された同一行の各ダブルゲートトランジスタ３のボトムゲート電極１１は、透明基板１０上に横方向に延在するｎ本のボトムゲートライン４１と一体となって形成されている。ボトムゲート電極１１及びボトムゲートライン４１は、導電性及び遮光性を有し、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。

ボトムゲート電極１１及びボトムゲートライン４１上には、全てのダブルゲートトランジスタ３，３，・・・に共通したボトムゲート絶縁膜１２が形成されている。ボトムゲート絶縁膜１２は、絶縁性及び透光性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。

ボトムゲート絶縁膜１２上には、半導体膜１３がボトムゲート電極１１と対向してダブルゲートトランジスタ３ごとにパターニングされて形成されている。半導体膜１３は、平面視して略矩形状を呈しており、アモルファスシリコン又はポリシリコンで形成された層である。半導体膜１３の中央部上には、チャネル保護膜１４が形成されている。チャネル保護膜１４は、パターニングに用いられるエッチャントから半導体膜１３の表面を保護する機能を有し、絶縁性及び透光性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。半導体膜１３に光が入射すると、光量に従った量の電子−正孔対がチャネル保護膜１４と半導体膜１３との界面付近を中心に発生するようになっている。

半導体膜１３の一端部上には、不純物半導体膜１５が一部チャネル保護膜１４に重なるようにして形成されており、半導体膜１３の他端部上には、不純物半導体膜１６が一部チャネル保護膜１４に重なるようにして形成されている。不純物半導体膜１５，１６は半導体膜１３の両端部上に互いに離間して形成される。不純物半導体膜１５，１６は、ｎ型の不純物イオンを含むアモルファスシリコン（ｎ⁺シリコン）からなる。

不純物半導体膜１５上には、ダブルゲートトランジスタ３ごとにパターニングされたドレイン電極１７が形成されている。縦方向に配列された同一列の各ダブルゲートトランジスタ３のドレイン電極１７は縦方向に延在するドレインライン４３と一体に形成されている。

不純物半導体膜１６上には、ダブルゲートトランジスタ３ごとにパターニングされたソース電極１８が形成されている。縦方向に配列された同一列の各ダブルゲートトランジスタ３のソース電極１８は縦方向に延在するソースライン４２と一体に形成されている。

ドレイン電極１７、ソース電極１８、ドレインライン４３及びソースライン４２は、導電性及び遮光性を有しており、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。

全てのダブルゲートトランジスタ３，３，・・・のチャネル保護膜１４、ドレイン電極１７及びソース電極１８並びにドレインライン４３及びソースライン４２上には、全てのダブルゲートトランジスタ３，３，・・・に共通した層間絶縁膜１９が形成されている。層間絶縁膜１９は、絶縁性及び透光性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。

層間絶縁膜１９上には、ダブルゲートトランジスタ３ごとにトップゲート電極２３が半導体膜１３に対向するようにパターニングされて形成されている。横方向に配列された同一行の各ダブルゲートトランジスタ３のトップゲート電極２３は横方向に延在するトップゲートライン４４と一体に形成されている。

トップゲート電極２３及びトップゲートライン４４は、透光性を有した金属酸化物等といった透明導電体であり、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛若しくは酸化スズ又はこれらのうちの少なくとも一つを含む混合物（例えば、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、亜鉛ドープ酸化インジウム）で形成されている。

全てのダブルゲートトランジスタ３，３，・・・のトップゲート電極２３及びトップゲートライン４４上には、共通の保護絶縁膜２１が形成されている。保護絶縁膜２１は、絶縁性及び透光性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。
以上のように構成されたダブルゲートトランジスタ３は、半導体膜１３を受光部とした光電変換素子である。

静電保護膜２２は、保護絶縁膜２１を覆うように形成されており、ダブルゲートトランジスタ３を静電気から保護する。静電保護膜２２は、透光性を有した金属酸化物等といった透明導電体であり、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛若しくは酸化スズ又はこれらのうちの少なくとも一つを含む混合物（例えば、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、亜鉛ドープ酸化インジウム）で形成されている。

図５は生体認証装置１の上部固体撮像デバイス２０と接続した部分の回路構成を示したブロック図である。図５に示すように、上部固体撮像デバイス２０は、制御部５０と接続されたトップゲートドライバ５４、ボトムゲートドライバ５１及びパラレル−シリアル変換回路５３と接続される。ボトムゲートドライバ５１、パラレル−シリアル変換回路５３及びトップゲートドライバ５４は生体認証装置１本体に設けられた制御部５０により制御される。

ボトムゲートドライバ５１、パラレル−シリアル変換回路５３及びトップゲートドライバ５４は、協同して上部固体撮像デバイス２０を駆動するものである。ボトムゲートドライバ５１はボトムゲートライン４１に接続され、パラレル−シリアル変換回路５３はドレインライン４３に接続され、トップゲートドライバ５４はトップゲートライン４４に接続される。

トップゲートドライバ５４は、シフトレジスタであり、所定の電圧のリセットパルスを各行のトップゲートライン４４に順次印加する。
なお、全てのソースライン４２は一括して接地されている。

ボトムゲートドライバ５１は、シフトレジスタであり、トップゲートドライバ５４が何れかの行のトップゲートライン４４にリセットパルスを出力した後、所定のキャリア蓄積期間を経て、同じ行のボトムゲートライン４１に所定の電圧のリードパルスを出力する。このキャリア蓄積期間において、半導体膜１３に光が入射すると、入射した光量に従った量の電子−正孔対がチャネル保護膜１４と半導体膜１３との界面付近を中心に発生する。この場合、半導体膜１３側にはキャリアとして正孔が発生し、チャネル保護膜１４側に電子が発生する。
何れかの行のトップゲートライン４４へのリセットパルスの入力が開始してから、同じ行のボトムゲートライン４１へのリードパルスの入力が終了するまでの期間が、その行の選択期間である。

パラレル−シリアル変換回路５３は、それぞれの行の選択期間において、リセットパルスが出力されてからリードパルスが出力されるまでの間に、全てのドレインライン４３，４３，…にプリチャージパルスを出力する。また、パラレル−シリアル変換回路５３は、プリチャージパルスの出力後にドレインライン４３，４３，…の電圧を出力し、増幅器５５により増幅して制御部５０に出力する。

制御部５０では、パラレル−シリアル変換回路５３から入力された電気信号をＡ／Ｄ変換することで、固体撮像デバイス３の半導体膜１３に生成されたキャリアの量に応じて二次元の光強度分布を画像データとして取得する。

下部固体撮像デバイス１２０は、上部固体撮像デバイス２０と同様に、複数のダブルゲートトランジスタ１０３，１０３，・・・を備える。なお、下部固体撮像デバイス１２０の上部固体撮像デバイス２０と同様の構成については、下２桁に同符号を付して説明を割愛する。

図１に示すように、ダブルゲートトランジスタ１０３，１０３，・・・のパターンピッチは、上部固体撮像デバイス２０のダブルゲートトランジスタ３，３，・・・と同じである。ダブルゲートトランジスタ３，３，・・・とダブルゲートトランジスタ１０３，１０３，・・・とは、互い違いとなるように行方向及び／または列方向に１／２ピッチずらして形成される。ここで、パターンピッチとは、ダブルゲートトランジスタの中心Ｃの間隔をさす。１ピッチとは、あるダブルゲートトランジスタの中心Ｃと、行方向及び／または列方向に隣に位置するダブルゲートトランジスタの中心Ｃとの間隔をさし、例えば図２に示すように行方向の１ピッチはＰ１、列方向の１ピッチはＰ２である。即ち、ダブルゲートトランジスタ３，３、・・・の中心Ｃとダブルゲートトランジスタ１０３，１０３，・・・の中心Ｃとが行方向及び／または列方向に１／２ピッチずらして形成されている。

下部固体撮像デバイス１２０もまた、上部固体撮像デバイス２０とは別のボトムゲートドライバ１５１（図示せず）、パラレル−シリアル変換回路１５３（図示せず）及びトップゲートドライバ１５４（図示せず）に接続される。ボトムゲートドライバ１５１、パラレル−シリアル変換回路１５３及びトップゲートドライバ１５４は図示しないが、ボトムゲートドライバ５１、パラレル−シリアル変換回路５３及びトップゲートドライバ５４と同様に制御部５０により制御される。

レンズアレイ６０は複数のダブルゲートトランジスタ１０３，１０３，・・・と対応するようにマトリクス状に配列された複数のレンズ６１，６１，・・・を有する。各レンズ６１，６１，・・・は、ダブルゲートトランジスタ１０３，１０３，・・・の半導体膜１１３の位置を後側焦点面（結像面）としたときの前側焦点面（物体面）の位置から放射された赤外線を透過し、対応するダブルゲートトランジスタ１０３，１０３，・・・の半導体膜１１３に結像させる。このため、下部固体撮像デバイス１２０により取得される画像データは、ダブルゲートトランジスタ１０３，１０３，・・・の半導体膜１１３の位置を後側焦点面としたときの前側焦点面に沿った二次元の光強度分布である。なお、前側焦点面は上部固体撮像デバイス２０の表面よりも数ｍｍ上方となる。

光源７０は、近赤外光を放射し、上部固体撮像デバイス２０上に配置された指８０に照射する。光源７０としては、ＬＥＤ等を用いることができる。
図６、図７は光源７０の位置を示す模式図である。光源７０の位置としては、図６に示すように、上部固体撮像デバイス２０の上部に配置される指８０の側方に配置してもよい。また、図７に示すように、上部固体撮像デバイス２０の上方に光源７０を配置してもよい。

以下、生体認証装置１による指紋パターンの検出方法について説明する。
図８は生体認証装置１による指紋パターンの検出方法を示す模式図である。まず、図８に示すように、上部固体撮像デバイス２０の上部に指８０を置く。次に、光源７０を点灯させ、指８０に光を照射しながら、制御部５０によりボトムゲートドライバ５１、パラレル−シリアル変換回路５３及びトップゲートドライバ５４を協同させて上部固体撮像デバイス２０を駆動し、画像データを取得する。

ここで、ダブルゲートトランジスタ３の半導体膜１３に入射する光は、光源７０より指８０に照射され、指８０内で散乱し、指８０の表面から放射される光である。よって、上皮の隆線８１が上部に配置されたダブルゲートトランジスタ３の半導体膜１３では、指８０の表面と半導体膜１３との距離が近いため、より多くのキャリアが生成し、取得された画像データでは高輝度となる。

一方、上皮の谷線８２が上部に配置されたダブルゲートトランジスタ３の半導体膜１３では指８０の表面と半導体膜１３との距離が遠いため、生成するキャリアが少なく、取得された画像データでは低輝度となる。したがって、取得された画像データには指紋が明暗のパターンとして再現される。

次に、生体認証装置１による静脈パターンの検出方法について説明する。
図９は生体認証装置１による静脈パターンの検出方法を示す模式図である。まず、図９に示すように、上部固体撮像デバイス２０の上部に指８０を置く。次に、光源７０を点灯させ、指８０に光を照射しながら、制御部５０によりボトムゲートドライバ１５１、パラレル−シリアル変換回路１５３及びトップゲートドライバ１５４を協同させて下部固体撮像デバイス１２０を駆動し、画像データを取得する。

ここで、前側焦点面には、図９に示すように指８０が配置される。このため、ダブルゲートトランジスタ１０３の半導体膜１１３に入射する光は、光源７０より指８０に照射され、指８０内で散乱した近赤外線のうち、レンズアレイ６の各レンズ６１，６１，・・・の前側焦点面の位置から放射されたものである。

なお、ダブルゲートトランジスタ３，３，・・・とダブルゲートトランジスタ１０３，１０３，・・・とが、互い違いとなるように行方向及び／または列方向に１／２ピッチずらして形成されているので、図９に示すように、指８０内で散乱した近赤外線のうち、レンズアレイ６の各レンズ６１，６１，・・・の前側焦点面の位置から放射されたものは、ダブルゲートトランジスタ３，３，・・・の間から上部固体撮像デバイス２０を通過して各レンズ６１，６１，・・・に入射する。レンズ６１，６１，・・・で屈折した近赤外線は対応するダブルゲートトランジスタ１０３の半導体膜１１３に集光される。

前側焦点面の位置に静脈８３がある場合には、静脈８３中のヘモグロビンにより近赤外線が吸収されるので、静脈８３がある部分に対応するダブルゲートトランジスタ１０３の半導体膜１１３では生成するキャリアが少なく、取得された画像データでは低輝度となる。一方、静脈８３がない部分に対応するダブルゲートトランジスタ１０３の半導体膜１１３ではより多くのキャリアが生成し、取得された画像データでは高輝度となる。したがって、取得された画像データには静脈８３が明暗のパターンとして再現される。

なお、ダブルゲートトランジスタ１０３の半導体膜１１３は指８０の表面から充分に遠く、半導体膜１１３でのキャリア生成量における指８０の表面から放射される光の寄与は少ないため、指紋パターンは検出されない。

このように、本発明に係る生体認証装置１では、上部固体撮像デバイス２０により取得された画像データを指紋パターンとして指紋認証に用いることができ、下部固体撮像デバイス１２０により取得された画像データを静脈パターンとして静脈認証に用いることができる。

なお、上記実施形態においては指紋パターンの検出と静脈パターンの検出とを別々に説明したが、指紋パターンの検出と静脈パターンの検出とを同時に行ってもよい。

本発明に係る生体認証装置１の撮像部２を示す概略図である。上部固体撮像デバイス２０の平面図である。図２のIII部の拡大図である。図３のIV−IV矢視断面図である。生体認証装置１の上部固体撮像デバイス２０と接続した部分の回路構成を示したブロック図である。光源７０の位置を示す模式図である。光源７０の位置を示す模式図である。生体認証装置１による指紋パターンの検出方法を示す模式図である。生体認証装置１による静脈パターンの検出方法を示す模式図である。

符号の説明

１生体認証装置
２撮像部
３，１０３ダブルゲートトランジスタ（受光素子）
２０上部固体撮像デバイス(撮像装置)
６０レンズアレイ
６１レンズ
１２０下部固体撮像デバイス(撮像装置)

Claims

複数の受光素子がマトリクス状に形成され、被写体が載置される第１の受光面を有する第１の撮像装置と、
複数の受光素子がマトリクス状に形成され、光を受光する第２の受光面を有する第２の撮像装置と、
複数のレンズが、前記第２の撮像装置の前記複数の受光素子と同一のパターンピッチで、マトリクス状に形成されたレンズアレイと、
を備え、
前記第２の撮像装置は、前記第２の受光面を、前記第１の撮像装置の前記第１の受光面と同一方向に向けた状態で、前記第１の撮像装置の背面側に配置され、
前記レンズアレイは、前記第１の撮像装置の背面と前記第２の撮像装置の前記第２の受光面との間に設けられて、前記複数のレンズの各々は前記第２の撮像装置の前記各受光素子に対応する位置に配置され、
前記各受光素子は、受光部をなす半導体薄膜を有し、
前記レンズアレイの前記各レンズの前記第１の撮像装置側の前側焦点面が前記第１の受光面に載置される前記被写体内となる位置あり、前記各レンズの前記第２の撮像装置側の後側焦点面が前記第２の撮像装置の前記各受光素子の前記半導体薄膜の位置にあることを特徴とする生体認証装置。
前記第１の撮像装置の前記各受光素子と前記第２の撮像装置の前記各受光素子とは、同一のパターンピッチで、行方向及び列方向にマトリクス状に形成され、
前記第２の撮像装置の前記各受光素子は、平面視して、前記第１の撮像装置の前記各受光素子に対し、行方向及び／または列方向に１／２ピッチずれた位置に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の生体認証装置。
複数の受光素子がマトリクス状に形成され、人体の特定部位を含む被写体が載置される第１の受光面を有し、前記被写体の指紋パターンを読み取る第１の撮像装置と、
複数の受光素子がマトリクス状に形成され、光を受光する第２の受光面を有し、前記被写体の静脈パターンを読み取る第２の撮像装置と、
複数のレンズが、前記第２の撮像装置の前記複数の受光素子と同一のパターンピッチで、マトリクス状に形成されたレンズアレイと、
を備え、
前記第２の撮像装置は、前記第２の受光面を、前記第１の撮像装置の前記第１の受光面と同一方向に向けた状態で、前記第１の撮像装置の背面側に配置され、
前記レンズアレイは、前記第１の撮像装置の背面と前記第２の撮像装置の前記第２の受光面との間に設けられて、前記複数のレンズの各々は前記第２の撮像装置の前記各受光素子に対応する位置に配置され、
前記各受光素子は、受光部をなす半導体薄膜を有し、
前記レンズアレイの前記各レンズの前記第１の撮像装置側の前側焦点面が前記第１の受光面に載置される前記被写体内となる位置あり、前記各レンズの前記第２の撮像装置側の後側焦点面が前記第２の撮像装置の前記各受光素子の前記半導体薄膜の位置にあることを特徴とする生体認証装置。
前記第１の撮像装置の前記各受光素子と前記第２の撮像装置の前記各受光素子とは、同一のパターンピッチで、行方向及び列方向にマトリクス状に形成され、
前記第２の撮像装置の前記各受光素子は、平面視して、前記第１の撮像装置の前記各受光素子に対し、行方向及び／または列方向に１／２ピッチずれた位置に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の生体認証装置。