JPH0525145B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 透明平板に臨界角以上の角度で入射してくる凸
部情報を、ホログラムを用いて外部に導出し検出
する装置において、ホログラムに対し虚像とは反
対側の位置に２つのシリンドリカル・レンズを直
交して配置することで、縦収差と横収差をそれぞ
れシリンドリカル・レンズで独立して補正し、鮮
明な像を得る。

〔産業上の利用分野〕

高度情報化社会を迎えた今日、コンピユータシ
ステムにおけるセキユリテイ技術の確立が急務に
なつてきている。特にこのシステムを扱う人間を
正しく識別するために、コンピユータルームへの
入室管理を厳格に行なうことは、情報の機密保持
の上で重要な課題である。現在、この目的の為
に、パスワードやIDカードなどが実用化され、
また指紋等による個人照合システムが導入され始
めている。

これまで指紋等の凹凸面の情報を入力する方法
としては、インクを塗布して用紙に一度押捺した
後、イメージセンサを用いて入力する方法、及び
プリズム等の光学素子を用い、ガラス／空間界面
に、臨界角以上の角度で光線を入射することによ
り、凹凸パターンを即時的に得る方法があつた。
本発明は、後者のように光学素子を使用して凹凸
面情報を即時に検出する装置において、収差の影
響を受けることなく鮮明な凹凸面情報が得られる
ようにするものである。

〔従来の技術〕

従来から行なわれている、インクを指に塗布し
て用紙に押捺し撮像系を用いて入力する方法は、
毎回指をインクで汚してしまい、また塗布むらや
かすれ等による入力の困難が常につきまとつてい
た。

この問題を解消するために、特開昭55−81321
号公報でも提案されているように、第５図の如く
プリズム１１を用いた光学的な実時間入力手段が
提案されている。これは、プリズム１１の斜辺部
に、指１０の表面の指紋（凹凸パターン）を押し
つけ、その斜辺部に照明光１２を臨界角以上で入
射するものである。指紋の凸部６では入射光が散
乱され、凹部７では空気との界面１３で全反射し
て撮像素子などの検知器４に入射するので、凹凸
パターンが検知できる。

しかしながら、多重反射による漏れ光のため
に、凹部７からの散乱光が、凸部６からの散乱光
と重なり、凹凸パターンのコントラストを低下さ
せるという欠点があつた。またプリズムを用いて
いるため、薄型化が図れない。特に掌全面の凹凸
パターンを検知するような場合は、プリズムを大
型化しなければならず、大掛りな装置となる。

そこで本発明の出願人は、特願昭60−41437号
として、第６図ｂのような装置を提案した。１
は、使用される光源２の光に対して透明な平板で
あり、その凹凸面情報入力部１ａに、指紋などの
凹凸面５が押しつけられる。そしてこの凹凸面５
を照明する光源２が真下に配設されている。凹凸
面情報入力部１ａから離れた位置には、透明平板
１中を全反射して来る光９を外部に取り出すホロ
グラム３が配設され、該ホログラム３で取り出さ
れた光を検知するTVカメラ等の検知器４が配設
されている。TVカメラに代えてフイルムを置く
ことで指紋を撮像することもできる。

指紋などの凹凸面５を透明平板１に押しつけた
状態で、光源２で該凹凸面５を照明すると、凹凸
面５の凸部６で散乱された光と、凹部７で散乱さ
れた光とでは、以後の進路が全く異なる。すなわ
ち凹部７で散乱された光８は、透明平板１に入射
し屈折した後、再び透明平板１の外に出射する。
このときスネルの法則で、透明平板１に入射する
角度と平行に、かつ総て、透明平板１から出射す
る。一方凸部６で散乱された光９は、臨界角より
小さい成分は、透明平板下部へ出射するが、臨界
角以上のものは、透明平板／空気界面で全反射を
繰り返し、透明平板１内を伝播していく。すなわ
ち透明平板に圧着した凹凸パターンを透明平板の
界面の空気層の有無による透明平板への散乱光の
散乱角度範囲の差により凹部と凸部とを光学的に
弁別している。前記のように凹部７で散乱した光
８は、総て透明平板１の外に出射するため、透明
平板１に臨界角以上の角度で入射した光線９は、
凸部６だけからの情報であるから、これを検知す
れば、指紋の隆線のみのパターン情報が得られ
る。

透明平板１に臨界角以上の角度で入射してきた
凸部情報光は、ホログラム３の位置に到達する
と、ホログラム３中に導かれ、かつホログラム３
で回折されて、外部に導き出され、TVカメラ４
等で撮像される。すなわち凸部６のみからのパタ
ーン情報が、指紋として観察できる。

第６図ａのように、凸部６における散乱光のう
ち、臨界角以上の角度で散乱した光を直接ホログ
ラム３に入射させ、取り出すこともできる。

なお透明平板１は、ガラス或いはプラスチツク
等のいずれでもよい。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、ホログラム３の作成波面と指紋
等からの再生波面とが異なるため、観察される凹
凸面情報の像にはぼけが発生してしまう。第８図
は、このぼけの発生要因を説明する斜視図であ
る。第６図では、指上の一点６で散乱した光を代
表して１本の線９で示されているが、実際には第
７図ａや第８図のように、指上の一点６から拡散
球面波状に広がりながら伝播し、ホログラム３に
到達する。第７図ａにおける指上の一点６からホ
ログラム３までの光路を展開して示すと、第８図
のようになる。

一点６からホログラム３に入射する光が、第７
図ｂに示すホログラム作成時の物体波１８と平行
な光のみであれば、ぼけは発生しない。しかしな
がら実際は、第８図における９１，９２，９３，
９４，９５のように複数の散乱光が発生し、ホロ
グラム３への入射点Ｈ１…Ｈ５における入射角が
異なる。したがつて、いま中心の光線９１のみが
作成時の物体波と平行であるとすると、他の光線
９２，９３，９４，９５は収差の原因となり、像
がぼけて見える。

すなわち指上の一点６で散乱された光は、ホロ
グラム３上の例えば５点Ｈ１…Ｈ４，Ｈ５を通
り、結像レンズ１４を介して観察者の目１５に到
達する。この屈折光線１６を逆に延長していつて
交差した点が、観察者に観察される指の１点６ａ
である。しかしこの光線はどこにスクリーン１７
を置いても一点では交わらず、５点Ｓ１…Ｓ４，
Ｓ５となる。つまりこれが非点収差である。情報
光を取り出すホログラム３は、どのような物体光
を用いて作成しても、ホログラムの作成波面と前
記のような指紋からの再生波面とは異なるため、
観察される指紋像にはぼけが発生してしまう。

すなわち、このぼけは、前記の非点収差に起因
し、次のように発生する。第８図に示すように、
ホログラム３における格子縞３ｓは、指上の一点
６からホログラム３に至る中心光線９１と直交方
向に向いている。格子縞の方向を縦方向Ｖ、格子
縞と直交方向を横方向ｈとすると、発生する非点
収差は縦方向の収差と横方向の収差に分けられ
る。すなわち、縦方向の焦点位置Fvでは、指上
の一点６の虚像６ｂは、縦方向には鮮明に結像す
るが、横方向には伸長してぼける。逆に横方向の
焦点位置Fhでは、指上の一点６の虚像６ｃは、
横方向には鮮明に結像するが、縦方向に伸長して
ぼける。

このように、再生光は指上の一点６から拡散球
面波状に拡がり、その結果縦方向ｖと横方向ｈと
で焦点距離が異なり、非点収差を来す。このよう
な非点収差の原因となる拡散球面波と第７図ｂの
ホログラム作成時の物体波１８とは、中心光線９
１を除いては、平行とならないため、スクリーン
１７をどの位置に置いても、何れかの方向に伸長
してぼけを生じる。

第９図は、凹凸面情報入力部１ａに一定間隔に
９個のスポツト状の凸部６…を押し当てた場合
の、スクリーン１７上の像を示すもので、縦焦点
Fv位置における像６ｂは、横方向に伸長するた
めに横縞状となり、横焦点Fh位置における像６
ｃは、縦方向に伸長するために縦縞状となる。

本発明の技術的課題は、従来の凹凸面情報検出
装置におけるこのような問題を解消し、収差の影
響を受けない鮮明な凹凸面情報が得られるように
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図は本発明による凹凸面情報検出装置の基
本原理を説明する斜視図である。１は透明平板で
あり、裏面にホログラム３が設けられている。表
面側の凹凸面情報入力部１ａに、スポツト状の凸
面６が９個所で押しつけられているものとする
と、凹凸面情報入力部１ａからホログラム３に至
る光路と直交方向に、ホログラム３の格子縞３ｓ
が向いている。そのため各点６…の虚像は、ホロ
グラム３に近い位置に縦焦点Fvが生じ、遠い位
置に横焦点Fhが生じる。

透明平板１に対しホログラム３と対向する位置
には、２つの直交するシリンドリカル・レンズ
CL１，CL２が配置されている。ホログラム３に
近い側のシリンドリカル・レンズCL１は、その
軸心ｃが、横焦点Fh位置における虚像６ｃの伸
長方向と平行になつている。またホログラム３か
ら遠い方のシリンドリカル・レンズCL２は、そ
の軸心ｃが、縦焦点Fv位置における虚像６ｂの
伸長方向と平行になつている。

なおホログラムによつてもシリンドリカル・レ
ンズと同様な作用が得られるので、本発明では、
このようにシリンドリカル・レンズ作用が可能な
光学素子は総てシリンドリカル・レンズの概念に
含まれるものとする。

なおホログラム３は、参照波も物体波も共に平
面波を使用して作成したものでもよく、あるいは
少なくとも一方は球面波を使用して作成したもの
でもよい。

〔作用〕

第２図は第１図の凹凸面情報検出装置の作用を
説明する図で、ａは平面図、ｂは側面図である。
１７はスクリーンであり、ホログラム３の後方の
異なる位置、すなわち縦焦点Fv位置および横焦
点Fh位置に発生する２つの虚像６ｂ，６ｃが、
それぞれ独立して一つのスクリーン面に結像され
る。いま遠い位置にある横焦点Fh位置の縦縞６
ｃが、焦点距離f₁のシリンドリカル・レンズCL
１でスクリーン１７に結像される。このとき、シ
リンドリカル・レンズCL１の軸心ｃ方向には収
束作用が無いため、縦縞６ｃは縦方向には影響を
受けない。またホログラム３に近い距離にある縦
焦点Fv位置の横縞６ｂは、焦点距離f₂のシリンド
リカル・レンズCL２で、同じスクリーン１７に
結像される。このとき、シリンドリカル・レンズ
CL２の軸心ｃ方向には収束作用が無いため、横
縞６ｂは横方向には影響を受けない。

このように２つのシリンドリカル・レンズCL
１とCL２を互いに直交するように配列すること
で、縦縞６ｃと横縞６ｂを独立して、かつスクリ
ーン１７上に重ねて結像させ、像６ｄを得ること
ができる。その結果、ホログラム３で形成された
虚像には非点収差が存在していても、スクリーン
１７位置の撮像系では焦点が合つているように観
察され、像のコントラストが良好となる。

また本発明によれば、シリンドリカル・レンズ
CL１，CL２の位置を選択することで、像の縦横
比を任意に選ぶことができる。以下、一例として
平面波で作成したホログラムを用いた場合につい
て説明する。

縦横比の問題は、２つのシリンドリカル・レン
ズCL１，CL２の焦点距離の差“f₁−f₂”を適当
に選択すればよい。ここでは縦縞の間隔と横縞の
間隔は同じでこれをｍとしておく、これがスクリ
ーン１７面である大きさのn₁，n₂（n₁／ｍ＝M₁
n₂／ｍ＝M₂ただし、M₁，M₂：光学的倍率、
n₁：横方向の大きさ、n₂：縦方向の大きさ）にな
ればよい。第２図ａの横焦点補正系において、縦
縞６ｃからシリンドリカル・レンズCL１までの
距離をａ１、シリンドリカル・レンズCL１から
スクリーン１７までをb₁とする。同様にｂの縦焦
点補正系において、横縞６ｂからシリンドリカ
ル・レンズCL２までの距離をa₂、シリンドリカ
ル・レンズCL２からスクリーン１７までをb₂と
する。この時非点隔差をdzとすれば、 dz＝（a₁＋b₁）−（a₂＋b₂） …(1) となる。

相似の関係で M₁＝n₁／ｍ＝b₁／a₁ …(2) M₂＝n₂／ｍ＝b₂／a₂ …(3) またレンズの公式より １／a₁＋１／b₁＝１／f₁ …(4) １／a₂＋１／b₂＝１／f₂ …(5) 以上において、a₁，a₂，b₁，b₂を消去すれば dz＝（M₁＋１）²／M₁f₁−（M₂＋１）²／M₂f₂ …(6) したがつて、(6)式を満足するようなf₁とf₂の組
合せのシリンドリカルレンズを選択すれば、スク
リーン１７上の像６ｄを、横倍率M₁、縦倍率M₂
の任意の倍率にすることができる。

〔実施例〕

次に本発明による凹凸面情報検出装置が実際上
どのように具体化されるかを実施例で説明する。
第３図は本発明による凹凸面情報検出装置の実施
例を示す斜視図である。透明平板１のホログラム
３に対向して、ホログラム３から遠い位置の虚像
６ｃを補正する第１のシリンドリカル・レンズ
CL１と、ホログラム３に近い位置の虚像６ｂを
補正する第２のシリンドリカル・レンズCL２が
配置され、かつ互いに直交している。この実施例
においては、検出手段が配置されるスクリーン１
７位置と、２つのシリンドリカル・レンズCL１，
CL２との間に、２つの空間フイルターSF１，SF
２が配設されている。シリンドリカル・レンズ
CL１，CL２に近い方の空間フイルターSF１は、
第１のシリンドリカル・レンズCL１の軸心ｃと
平行方向のスリツトＳ１を有し、シリンドリカ
ル・レンズCL１，CL２から遠い方の空間フイル
ターSF２は、第２のシリンドリカル・レンズCL
２の軸心ｃと平行方向のスリツトＳ２を有してい
る。

第４図は空間フイルターの作用を、横焦点補正
系について説明する図で、ａは空間フイルターが
無い状態、ｂは空間フイルターが有る場合を示し
ている。すなわち、ｂに示すように、第１のシリ
ンドリカル・レンズCL１の焦点位置にスリツト
Ｓ１を有する空間フイルターSF１が配置されて
いる。ａに示すように、空間フイルターSF１が
存在しない場合は、虚像６ｃからシリンドリカ
ル・レンズCL１に入射する光は総てスクリーン
１７上に結像される。ところが光線１６１などの
ように、シリンドリカル・レンズCL１の光軸１
９と平行でない光線は、シリンドリカル・レンズ
CL１の焦点付近を通過しないため、像のコント
ラストを低下させる要因となる。ところがｂのよ
うに、シリンドリカル・レンズCL１の焦点位置
に、スリツトＳ１を有する空間フイルターSF１
が有ると、光軸１９とほぼ平行に入射してくる光
線１６２のみがスクリーン１７に到達でき、ぼけ
の要因となる光線１６１は空間フイルターSF１
で遮断される。このようにコントラストを低下さ
せる光線１６１は遮断されるが、空間フイルター
SF１により選択される光軸を、ブラツク条件を
満たして出射する光線の光軸と一致させておけ
ば、光量の低下は防ぐことができる。

また空間フイルターSF１により、ホログラム
３の使用領域がＰ〜ＱからＰ〜ｑに狭められるの
で、収差が更に減少し、像のぼけが改善される。
これは、等価的に厚いホログラムを用い収差を減
少させたのと同様の効果を持つ。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、透明平板１から
像を取り出すホログラム３と検出手段との間に、
横焦点Fhおよび縦焦点Fvに対応して、２つの補
正用のシリンドリカル・レンズCL１とCL２を直
交して配置することにより、コントラストに優れ
た凹凸面情報を得ることができ、かつ縦横比を任
意に選ぶことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による凹凸面情報検出装置の基
本原理を示す斜視図、第２図は本発明の作用を説
明する平面図と側面図、第３図は本発明装置の実
施例を示す斜視図、第４図は空間フイルターの作
用を示す図、第５図は従来のプリズムを使用した
凹凸面情報検出装置の側面図、第６図は透明平板
を使用した従来の凹凸面情報検出装置の側面図、
第７図は凸部における散乱光の伝播模様とホログ
ラムの作成波面を示す側面図、第８図は収差の発
生作用を示す斜視図、第９図は従来の凹凸面情報
検出装置における収差発生の模様を示す斜視図で
ある。 図において、１は透明平板、１ａは凹凸面情報
入力部、３はホログラム、６は凸部（凸部の一
点）、６ａは凸部の一点の虚像、６ｂは横縞（虚
像）、６ｃは縦縞（虚像）、６ｄはスクリーン上の
結像、Fvは縦焦点、Fhは横焦点、CL１，CL２
はシリンドリカル・レンズ、SF１，SF２は空間
フイルターをそれぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 凹凸面が当てられる凹凸面情報入力部１ａを
   有する透明平板１、凸部から臨界角以上の角度で
   透明平板１に入射してくる散乱光を、全反射条件
   を崩すことで外部に導出するホログラム３を有す
   る凹凸面情報検出装置において、 該ホログラム３に対向する位置に、横焦点Fh
   位置の虚像を結像させるシリンドリカル・レンズ
   CL１と縦焦点Fv位置の虚像を結像させるシリン
   ドリカル・レンズCL２を直交して配置し、 ホログラム３寄りのシリンドリカル・レンズ
   CL１は、その軸心ｃが、横焦点Fh位置の虚像６
   ｃの収差による伸長方向と平行となり、もう一方
   のシリンドリカル・レンズCL２は、その軸心ｃ
   が、縦焦点Fv位置の虚像６ｂの収差による伸長
   方向と平行となるように配置されていることを特
   徴とする凹凸面情報検出装置。 ２ ホログラム３は、平面波同士の干渉によつて
   作成されており、かつ２つのシリンドリカル・レ
   ンズCL１とCL２の組合せを dz＝（M₁＋１）²／M₁f₁−（M₂＋１）²／M₂f₂ （f₁，f₂：各シリンドリカルレンズの焦点距
   離、M₁：横倍率、M₂：縦倍率、dz：非点隔差）
   としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の凹凸面情報検出装置。 ３ 各シリンドリカル・レンズCL１，CL２の焦
   点位置に、それぞれのシリンドリカル・レンズ
   CL１，CL２の軸心Ｃと平行の空間フイルターを
   配設し、像のぼけを低減することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の凹凸面情報検出装置。