JP6700402B2 - 指紋認証用センサモジュールおよび指紋認証装置 - Google Patents

Description

この発明は指紋認証用センサモジュールおよび指紋認証装置に関し、特に、解像度の高い、指紋認証用センサモジュールおよび指紋認証装置に関する。

従来から、携帯端末等への指紋認証装置が提供されている。そのような例が、例えば、ＥＰ３１４７８２４号公報（「特許文献１」）や特開２００９−２３８００５号公報（「特許文献２」）に開示されている。

特許文献１に開示された指紋認証装置は、指を所定の載置面に置き、その指紋の画像をピンホールを介して画像センサで検出する。ピンホールを介して画像センサで検出するため、光学系を簡素化できる。

次に、特許文献２に開示された指紋認証装置では、マイクロレンズアレイを用いて指紋画像が集光される。そして、静脈認証に寄与しない白色光による画質劣化を回避するため、ＩＲ透過フィルタによって近赤外光が選択的に通過し、受光素子に到達する。これにより、従来と比べ、撮像データにおける分解能が向上する，という記載がある。

ＥＰ３１４７８２４号公報（要約等） 特開２００９−２３８００５号公報（要約等）

上記した従来の指紋認証装置においては、例えば特許文献１によれば、光学系を簡素化できるが、ピンホールは解像度が悪いという問題があった。また、妨害光をカットする遮光手段が無く鮮明度や諧調特性は非常に悪い物であった。さらに照明も正面光のみであり、照明ムラの発生や凹凸の無い平坦な画像となった。次に、特許文献２によれば、解像度はよくなるものの、構成が複雑になり、コストがかかるという問題があった。

この発明は上記した問題点に鑑みてなされたもので、構成が簡単で、かつ解像度が高く、鮮明度や諧調特性が良くコストのかからない指紋認証装置を提供することを目的とする。

この発明に係る指紋認証用センサモジュールは、指紋からの光を結像する結像部と、結像部の下に設けられた第１のガラス部および第１のガラス部の下に設けられたイメージセンサとを含む、検出モジュールとを含み、結像部は、複数のマイクロレンズアレイと、複数のマイクロレンズアレイの周囲に設けられ、複数のマイクロレンズアレイに入射する光を制限するための遮光部と、を含む。

好ましくは、遮光部は、マイクロレンズの周囲に設けられた遮光フィルムを含む。

さらに好ましくは、遮光部は、マイクロレンズの周囲に設けられた段部を有する遮光ダムを含む。

指紋を照明する照明装置を含み、照明装置は、複数の光源を有し、複数の光源の各々は個別に点灯および消灯が可能であってもよいし、調光が可能であってもよい。

照明装置は、センサモジュールを位置決めするホルダー基板によって保持されてもよいし、検出モジュールを保持する周壁によって保持されてもよい。

この発明の他の局面においては、指紋認証装置は上記の指紋認証用センサモジュールを含む。

この発明の指紋認証用センサモジュールにおいては、マイクロレンズを用いるとともに、取得する指紋の部分のみの光以外を取り込まないように、所定の部分以外を遮光するように構成したため、必要な箇所の画像データを高い解像度で確実に得ることができる。

その結果、構成が簡単で、解像度の高い指紋の画像データを得ることができる。そして、高解像度にすることにより指紋の情報が多くとれ、指紋認証装置の認証率を高めることができる。

この発明の一実施の形態に係る指紋認証装置の断面図である。 この発明の一実施の形態に係る指紋認証装置の平面図である。 図２の要部を示す平面図である。 指紋認証装置の光学系を示す図である。 この発明に係る指紋認証装置の解像度を説明するための図である。 この発明の他の実施の形態に係る指紋認証装置の断面図である。 この発明のさらに他の実施の形態に係る指紋認証装置の断面図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、この発明の一実施の形態に係る指紋認証装置の概略断面図であり、図２（Ａ）は図１に示した指紋認証装置の概略平面図であり、図２（Ｂ）は指紋認証装置の要部の具体的な寸法関係の一例を示す模式図である。

図１および図２を参照して、指紋認証装置１０は、指紋認証用センサモジュール１１および指紋認証用センサモジュール１１の上に載置されたカバーガラス２７を含む。指紋認証用センサモジュール１１は、ＦＰＣ（Flexible Print Circuit）基板２０と、その上にランド１３ａを介して接続された指紋の画像を撮像するイメージセンサ１３と、イメージセンサ１３の上に載置された透明ガラス１４（第１のガラス）と、透明ガラス１４の上に載置され、カバーガラス２７上の指から指紋を表す光を集光する結像部１９を含む。結像部１９は、複数のマイクロレンズ１６のアレイと、複数のマイクロレンズ１６の周囲を囲む、所定の高さを有する遮光部材（以下、「遮光ダム」という）１７と、マイクロレンズ１６と遮光ダム１７との間に設けられた薄い遮光フィルム１８を含む。なお、マイクロレンズ１６は印刷により生成するのが好ましい。

ここで、図２（Ｂ）に示すように、マイクロレンズ１６の縦横方向の相互の間隔と、遮光ダム１７によって形成される開口部１５の径と、マイクロレンズ１６の径は、ほぼ、1：０．３：０．１とするのが好ましい。

一例として、この実施の形態では、マイクロレンズ１６は縦横方向に相互に２７０μｍ離れて配置され、遮光ダム１７によって形成される開口部１５の径は約８０μｍであり、マイクロレンズ１６の径は約２９．６μｍである。

イメージセンサ１３とその上に載置された透明ガラス１４とは同一平面寸法を有する直方体状である（検出モジュール１２という）。

次に、指紋認証用センサモジュール１１の組立方法について説明する。まず、イメージセンサ１３とその上に載置された透明ガラス１４とからなる検出モジュール１２を準備する。その上に結像部１９を形成する。結像部１９が形成された検出モジュール１２を保持するために、ホルダー基板２１で外部から囲む。その後、ランド１３ａでハンダ付けをしてＦＰＣ基板２０をイメージセンサ１３に付着する。その後、ホルダー基板２１の上端部２４の上に、糊等でカバーガラス２７が取り付けられて指紋認証装置が完成する。

次に、検出モジュール１２を保持する具体的な方法について説明する。透明ガラス１４の上端部の４辺は角部１４ａを有する。一方、ホルダー基板２１は、中央にイメージセンサ１３と透明ガラス１４とを収容可能な直方体状の空洞を有する形状であり、その空洞部は上部と下部とを分離する段部２２を有する構造であり、上部の空洞の開口面積が下部の空洞の開口面積より小さく、この段部２２が透明ガラス１４の角部１４ａを押すことによって、イメージセンサ１３と透明ガラス１４とがホルダー基板２１によって位置決めされる。

ホルダー基板２１は、４つの辺を有するため、便宜上、左右と上下とを２１ａ〜２１ｄで表す。ホルダー基板２１の上端部２４は、透明ガラス１４の上に設けられた結像部１９よりも高い位置にある。したがって、この実施の形態においては、ホルダー基板２１内で透明ガラス１４の上の部分とカバーガラス２７との間には空気を含む空間が設けられている。

このホルダー基板２１の上端部２４の上に、人の指を載置するカバーガラス２７が設けられる。

ホルダー基板２１はその上端外周に段部３１を有し、この段部３１に、カバーガラス２７の上に載置された指の指紋に光を照射するＬＥＤ２５が設置されている。図２に示すように、ＬＥＤ２５は、ホルダー基板２１ａ〜２１ｄのそれぞれにある間隔で複数配置される。

次に結像部１９について説明する。図２（Ａ）および（Ｂ）に示すように、複数のマイクロレンズ１６がアレイ状に配置され、その周囲を円筒状の内壁面を有する遮光ダム１７で囲んでいるため、遮光ダム１７は上から見るとアレイ状になった複数の円形の開口部１５を有する。この詳細を、図３を参照して具体的に説明する。

図３は、図２に示した指紋認証装置の１つのマイクロレンズ１６の周囲の詳細を示す平面図である。図３を参照して、マイクロレンズ１６は、遮光ダム１７の円形の開口部１５の中心に位置し、遮光ダム１７の内壁面１７ａとマイクロレンズ１６との間は、遮光フィルム１８によって覆われている。

次に、ＬＥＤ２５を用いた照明装置について説明する。図１および図２に示すように、照明装置としてのＬＥＤ２５は、ホルダー基板２１の４辺（２１ａ〜２１ｄ）にある間隔に配置され、それぞれは個別にオンオフおよび調光が可能で、その光軸の傾きは図示のない制御部で個別に行われる。それによって、撮像に最適な光を指紋に向けることが可能になる。また、ＬＥＤ２５の前にはここでは、光を拡散させるための拡散板２６ａが設けられているが、これは無くてもよい。
ＬＥＤ２５の光軸を制御して、指紋に対して投光方向を制御することができる。例えば、指紋を挟む両側のＬＥＤのみ（図２において、上下方向に配列された一対のＬＥＤ２５、または、左右方向に配列された一対のＬＥＤ２５）を点灯させ、斜め方向から指紋に光を当てることにより、立体感のある画像を作ることができる。その結果、指紋の隆線や汗腺を撮影できるため、指紋認証精度を高めることができる。
さらに、指紋の立体感のある画像を得るために、複数のＬＥＤの内の所望の位置にあるもののみを選択的に発光させてもよい。

次に、この構成の断面を参照して、マイクロレンズ１６の光学系について説明する。図４は、複数のマイクロレンズ１６（ここでは３つ）によって投影される指紋のイメージセンサ１３へ投影される光学系を示す図であり、図４（Ａ）は被写体部が重なる３つのレンズの光学系を示し、図４（Ｂ）は１つのレンズの光学系を示す。図４（Ａ）および（Ｂ）を参照して、複数のマイクロレンズ１６は、一例として上で説明したように、相互に縦横方向に距離ｄ(２７０μｍ)だけ開けて配置されている。カバーガラス２７上に載置された指紋のうち、図中Ａで示す部分の画像から反射された光で、指紋認証用センサモジュール１１のマイクロレンズ１６ａを通った光が、透明ガラス１４を介してイメージセンサ１３の図中ａで示す部分に投影されてその画像が撮像される。同様に、Ｂで示す部分の画像がｂに投影され、Ｃで示す部分の画像が部分ｃに投影されて指紋の画像が撮像される。ここで、Ａ，Ｂ，およびＣはそれぞれが同じ径(後に説明するように、５４０μｍ)を有する。

マイクロレンズ１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、それぞれ、イメージセンサ１３上でのレンズ形状を規定するために、その周囲を遮光フィルム１８ａ，１８ｂ，１８ｃで遮光している。遮光フィルム１８ａ，１８ｂ，１８ｃで遮光しているため、マイクロレンズアレイを通過しない妨害光を遮光する。したがって、必要な部分以外からの光が入りにくくなる。さらに、それぞれの周囲を遮光ダム１７ａ〜１７ｄによって個別に区切っているため、マイクロレンズ１６ａ、１６ｂ、１６ｃのそれぞれには、指紋Ａで示す部分、Ｂで示す部分、Ｃで示す部分以外からの画像は集光されない。その結果、指紋画像の特定の一部のみの画像がイメージセンサ１３の特定の画素で撮像される。その結果、指紋画像の全体が確実に撮像される。
なお、ここでは、マイクロレンズへ入射する光を制限するために、その周囲に遮光フィルムと遮光ダムを個別に設ける例について説明したが、これに限らず、遮光ダムの開口寸法（図３に示した遮光ダム１７の内壁面１７ａ）の上端と、マイクロレンズの外周寸法の下端とを有する漏斗状の遮光ダムを形成してもよい。

なお、ここで、マイクロレンズ１６は透明ガラス１４の上に高さ約１μｍで上記したように印刷で形成した場合、その次の工程で、透明ガラス１４の上のマイクロレンズ１６が存在しない場所に，高さ約１μｍで遮光フィルム１８が印刷で形成される。
このように、マイクロレンズ等を印刷で形成することによって、コストダウンや製造精度の向上をはかることができる。

次に、この実施の形態における、指紋認証装置１０の解像度について説明する。具体的には、一例として、カバーガラス２７の上に指を置き、１９２０画素×１０８０画素のイメージセンサ１３上に１／２の縮小で撮像したときの画像を再構成したときの解像度を計算したものである。ここで、１画素の寸法を３μｍとすると、横方向の寸法は１９２０×３＝５７６０μｍとなり、縦方向の寸法は１０８０×３＝３２４０μｍとなる。

ここで画像の再構成とは、指を縦横にたくさん撮像して，それぞれを結合して１つの指の映像にすることをいう。具体的には、イメージセンサ１３の出力を所定のプログラムで図示のないプロセッサで処理して、指紋認証装置１０と１：１に対応する映像を得る。

図５（Ａ）はカバーガラス２７上で撮像される範囲の計算を示し、図５（Ｂ）はマイクロレンズ１６を通ってイメージセンサ１３上で結像された画像を使用し、再構成するために得られる画像情報の状態を示す図である。

図５（Ａ）に示すように、カバーガラス２７上の撮影範囲（イメージサークル）は、直径が５４０μｍの円であるため、内接する正方形の１辺は５４０／√２＝３８１．８４μｍであり、重ならない内接正方形は５４０／２＝２７０μｍである。また、撮像される指の範囲は横方向では、イメージセンサの横方向とほぼ同じ５７６０μｍであり、縦方向では、同様に３２４０μｍである。

イメージセンサ１３上で結像された画像は、図５（Ｂ）に示すように、そのイメージサークルは直径が２７０μｍであるため、内接する正方形の１辺は２７０／√２＝１９０．９２μｍであり、画素数としては、１９０．９２／３＝６３．６４画素、すなわち、約６３画素である。また、重ならない内接正方形は２７０／２＝１３５μｍであり、画素数としては、１３５／３＝４５画素である。

したがって、再構成後の画素数は、横方向において、４５×２１＋３０＝９７５であり、縦方向において、４５×１２＝５４０となる。

レンズの性能によっても変わるが、以上から計算上の解像度は、９７５画素／５７６０μｍ×２５４００μｍとなり、これは、４３００画素／インチが可能となる。この値は、通常の指紋認証装置の解像度である８００画素／インチから比べると、５倍以上になる。

以上のように、この実施の形態においては、指紋の特定の画像を集光する個々のマイクロレンズを他のマイクロレンズとは隔離するように遮光ダムおよび遮光フィルムを設けたため、特定の部分の画像のみを確実に得ることが可能になる。

その結果、より解像度の高い鮮明な指紋の画像を得ることができる。

次に、この発明の他の実施の形態について説明する。図６は、この発明の他の実施の形態にかかる指紋認証装置３０を示す、先の実施の形態における図１に対応する図である。

図６を参照して、この実施の形態における指紋認証装置３０は、基本的に、先の実施の形態と同様の構造を有している。異なる点は、先の実施の形態では、ＬＥＤ２５の前端部の投光部の前には拡散板２６ａが設けられていたが、この実施の形態では、これに変えて、偏光フィルタ２６ｂが設けられ、かつ、この偏光フィルタ２６ｂと協働する偏光フィルタ２３が遮光ダム１７の上部に設けられている点である。このような構成にすることにより、より明瞭な画像をイメージセンサ１３で得ることができる。また、投光部の前に偏光フィルタ２６ａをつけるだけでも、照明光の波を一方向にできるため、より鮮明な画像を得ることができる。

それ以外の部分については、先の実施の形態と同一の構成を有しているため、同一部分に同一符号を付して、その説明を省略する。

次に、この発明のさらに他の実施の形態について説明する。図７は、この発明のさらに他の実施の形態にかかる指紋認証装置４０を示す、最初の実施の形態における図１に対応する図である。

図７を参照して、この実施の形態における指紋認証装置４０は、基本的に、最初の実施の形態と同様の構造を有している。異なる点は、先の実施の形態では、イメージセンサ１３等を位置決めするのにホルダー基板の段部を用いたが、この実施の形態においては、イメージセンサ１３の上に設けられた結像部１９の上部に、遮光ダム１７の頂部で支持するように第２の透明ガラス２８を設けた点である。

なお、この場合、第２の透明ガラス２８と遮光ダム１７との間に透明糊２９を設けてもよい。また、この場合、イメージセンサ１３から上部に設けられた第２の透明ガラス２８までのそれぞれの平面寸法は同じであり、そのため、これらの要素の外周を囲む周壁３３を設け、その上端部の周囲にＬＥＤ２５が複数設けられる。

さらに、先の実施の形態においては、ＬＥＤ２５はホルダー基板２１に設けられていたが、この実施の形態では、ホルダー基板が設けられていないため、ＬＥＤ２５を支持するためのサポート３４がイメージセンサ１３と透明ガラス１４の周囲を囲むための周壁３３に設けられている。これら以外の点については、先の実施の形態と同一の構成を有しているため、同一部分に同一符号を付して、その説明を省略する。

なお、第２の透明ガラス２８の厚さは約２００μｍであり、第２の透明ガラス２８の屈折率により、指紋認証装置全体の厚さは小さくなるが、平面的には、この実施の形態における各構成要素の寸法は基本的に先の実施の形態と同様である。

この実施の形態においては、先の実施の形態のように、位置決め用の段部等を設ける必要がないため、構成が簡単になり、量産効率が高くなる。

次に，この発明のさらに他の効果について説明する。

この実施の形態においては、カバーガラス上の指の画像を検出するイメージサークルの径を５４０μｍ、結像面サイズを２７０μｍ、マイクロレンズ１６の直径を３０μｍ、ガラス１４の屈折率を約１．５、透明ガラス１４の厚さを４００μｍ、カバーガラス２７の厚さを５００μｍという仕様にすることにより、f値が約９．０、マイクロレンズ１６の焦点距離は１７９．２５μｍとなる。

その結果、レンズ性能が２５４０dpiを満足することを前提に被写界深度として、前側深度（指紋の位置からマイクロレンズ１６側）は約３８０μｍ、後側深度（指紋の位置からマイクロレンズ１６と反対側）は約８９０μｍ、焦点深度は結像面で約±１５０μｍという結果が得られる。

これにより、指がカバーガラス２７に触れることなく、非接触で所定の性能を満足する映像が得られる。

また、複数のレンズで撮像することにより、立体映像を得ることが可能である。

なお、上記実施の形態においては、縦横格子状のマイクロレンズ１６を縦横格子状の遮光ダムで囲んで配置する例について説明したが、これ限らず、双方ともハニカム状にしてもよい。このような構成にすることにより、イメージセンサ１３での画素の使用率が増加するため、解像度の向上が可能になる。

また、上記実施の形態においては、ＬＥＤを用いた照明方法について説明したが、これに限らず、遮光ダムの上の部分全体に面状のＬＥＤまたは有機ＥＬを敷きつめるようにしてもよい。そうすると、発光面は真上を向くため、カバーガラスを通して指を照明できる。具体的には、上から見ると遮光ダムの上に８０μｍの穴の開いた有機ＥＬが敷き詰められた形となる。

有機ELを使用するため、面状のどの部分も明るくしたり、暗くすることが容易になる。

さらに、この有機ELを付けた指紋認証用センサモジュールを携帯端末の形まで、大きくすると、指紋認証用センサモジュール自身が有機ＥＬを含むため、携帯端末の表示部全体が指紋認証用センサモジュール付きになる。その結果、携帯端末の表示部のどの部分にタッチしても指紋認証が可能になり、携帯端末の表示部に画像を置くと、その画像を図示のないメモリーに取り込むことが可能になる。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示する実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明による指紋認証装置は、構成が簡単で、解像度の高い指紋の画像データを得ることができるため、認証率も向上し、指紋認証装置として有利に利用される。

１０，３０，４０ 指紋認証装置、１１ 指紋認証用センサモジュール、１２ 検出モジュール、１３ イメージセンサ、１４ 透明ガラス、１４ａ 角部、１５ 開口部、１６ マイクロレンズ、１７ 遮光ダム、１８ 遮光フィルム、１９ 結像部、２０ ＦＰＣ基板、２１ ホルダー基板、２２ 段部、２３ 偏光フィルタ、２５ ＬＥＤ、２６ 拡散板、２７ カバーガラス、２８ 第２透明ガラス、２９ 透明糊、３３ 周壁、３４ サポート。

Claims (6)

1. 指紋からの光を結像する結像部と、
   結像部の下に設けられた第１のガラス部および第１のガラス部の下に設けられたイメージセンサとを含む検出モジュールと、
   前記結像部は、複数のマイクロレンズアレイと、
   前記複数のマイクロレンズアレイの周囲に設けられ、前記複数のマイクロレンズアレイに入射する光を制限するための遮光部と、を含み、
   前記遮光部は、前記マイクロレンズの周囲に設けられた段部を有する遮光ダムを含み、前記段部は、前記マイクロレンズの上方から、前記マイクロレンズの周囲を囲むように設けられる、指紋認証用センサモジュール。
2. 前記遮光部は、前記マイクロレンズの周囲に設けられた遮光フィルムを含む、請求項１に記載の指紋認証用センサモジュール。
3. 指紋を照明する照明装置を含み、
   前記照明装置は、複数の光源を有し、
   前記複数の光源の各々は個別に点灯、消灯、および調光が可能である、請求項１または２に記載の指紋認証用センサモジュール。
4. 前記検出モジュールを位置決めするホルダー基板をさらに含み、
   前記ホルダー基板は、前記照明装置を保持する、請求項３に記載の指紋認証用センサモジュール。
5. 前記検出モジュールを保持する周壁を含み、
   前記周壁は、前記照明装置を保持する、請求項３に記載の指紋認証用センサモジュール。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の指紋認証用センサモジュールを含む指紋認証装置。
   
   

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