JPH07334646A - 指紋撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 指紋照合システムの照合精度を高めるため
に、指紋の隆線部分と谷線部分の像を高いＳ／Ｎ比で撮
像できる指紋撮像装置を提供する。 【構成】 指紋を被検体として指２０を被検体対接体２
２の対接面２３に接触させる。この対接面２３を被検体
対接体２２の内部側から偏光フィルタ３０を通した光源
２１で照明し、対接面２３に接触した被検体の反射像を
撮像装置２７で撮像する。ここで、対接面２３を照明す
る光は、対接面２３に対し全反射する角度で入射させ、
かつ入射面に平行な振動面をもつ直線偏光（Ｐ偏光）と
する。 【効果】 指紋の谷線部分の反射光量は略１であり、隆
線部分の反射光量をｐ１（Ｐ）とするとＳ／Ｎ比は１／
ｐ１（Ｐ）となる。従来の無偏光照明のＳ／Ｎ比はＰ偏
光とＳ偏光（反射光量ｐ１（Ｓ））を含むので、２／
（ｐ１（Ｐ）＋ｐ１（Ｓ））であり、ｐ１（Ｐ）＜ｐ１
（Ｓ）であるため、Ｓ／Ｎ比が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は指紋撮像装置に関し、さ
らに詳しくは、高いコントラストで指紋を撮像可能な指
紋撮像光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】指紋撮像装置は、指紋照合による個人識
別システムにおける良好な指紋画像を撮像し、指紋画像
を画像処理・認識装置に供給するための装置である。こ
れまで種々の方式、構成が提案されてきたが、基本的に
はガラスなどの透明物体の平面表面に接触させた指紋の
像を照明し、ＣＣＤカメラ等の２次元撮像装置でその画
像を取り込む構成が、簡便で解像度の高い画像を撮像で
きる。

【０００３】図５は、従来の指紋撮像装置の基本構成で
あり、１０は指先、１１はタングステンランプ、ＬＥＤ
等からなる照明用光源、１２はガラスからなるプリズ
ム、１３は指紋を接触させるプリズム１２の対接面、１
４は指紋の隆線部分、１５は指紋の谷線部分、１６は光
学レンズ、１７はＣＣＤ等の撮像装置である。従来の構
成では、照明用光源１１としてタングステンランプ、Ｌ
ＥＤ等を用いているため、照明光は無偏光が基本であっ
た。

【０００４】このような従来の構成において、プリズム
の内部側から対接面１３への照明光の入射角θ１がガラ
スの屈折率ｎ１（約１．５）と空気の屈折率ｎ０（１．
０）で決まる臨界角φ０より大きいとすると、指紋の谷
線部分１５および指先１０が対接面１３に接触していな
い領域では光は全反射して、光学レンズ１６を通し照明
光の光量Ｐ０がそのまま撮像装置１７に達する。一方、
隆線部分１４では、ガラスの屈折率ｎ１に対して、生体
あるいは界面の汗や油脂成分等の皮膜の屈折率ｎ２は
１．３〜１．４であり、臨界角φ２はφ０よりはるかに
大きい。入射角θ１を、φ０＜θ１＜φ２とすると、隆
線部分１４では照明光の大部分は対接面１３を透過し、
皮膜および生体内に達して吸収あるいは散乱される。従
って、撮像装置１７に達する光は、生体からの散乱光の
一部と、照明光のうち対接面１３で反射された成分にな
る。これらはいずれも前述の全反射光の光量より小さい
と期待されるので、隆線部分１４は、明るい背景光の中
に暗い線として現われる。谷線部分１５の総光量をＰ
０、隆線部分の総光量をＰ１とすると、谷線部分１５と
隆線部分１４との光学的コントラスト（明るい領域の光
量の暗い領域の光量に対する比で定義する）は、 ＣＲ＝Ｐ０／Ｐ１ となって、これが、Ｓ／Ｎ比を与える。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、指紋照合シ
ステムの照合精度を高めるためには、高いＳ／Ｎ比の入
力指紋画像が必要である。しかしながら、上記従来の指
紋撮像装置構成の範囲では、使用するガラス屈折率と生
体の光学定数で一義的にＳ／Ｎ比が決まり、その照合精
度の向上には限界があった。

【０００６】本発明は、従来の指紋照合システムにおけ
る照合精度の限界を打破するためになされたもので、そ
の目的は簡便な手法で隆線部分と谷線部分の像を高いＳ
／Ｎ比で撮像できる指紋撮像装置を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明では、透明な被検体対接体と、該被検体対
接体の対接面を被検体対接体の内部側から照明する光源
と、前記対接面に接触した被検体の反射像を撮像する撮
像手段とを具備した指紋撮像装置において、前記対接面
を照明する光として偏光を用い、該偏光の該対接面に入
射する角度に対応させて該入射する光の設置条件または
該入射する光の設置条件と前記反射像を撮像するための
光の抽出条件を定める指紋撮像装置を手段とする。

【０００８】一例として、前記対接面を照明する光は、
該対接面に対し全反射する角度で入射し、かつ入射面に
平行な振動面をもつ直線偏光とする。

【０００９】あるいは、前記対接面を照明する光は、該
対接面に対し全反射条件により狭い入射角度で入射し、
かつ入射面に垂直な振動面をもつ直線偏光とする。

【００１０】あるいは、前記対接面を照明する光は、直
線偏光であって、前記被検体対接体と前記撮像手段との
間に偏光フィルタを設置し、該撮像手段は前記対接面に
接触した被検体の反射像の内の一偏光成分のみを抽出し
撮像するものとする。

【００１１】あるいは、前記対接面を照明する光は、円
偏光であって、前記被検体対接体と前記撮像手段との間
に位相板と偏光フィルタを設置し、該撮像手段は前記対
接面に接触した被検体の反射像の内の特定偏光成分のみ
を抽出し撮像するものとする。

【００１２】

【作用】本発明の指紋撮像装置では、照明光として意図
的に偏光を用いることにより、かつ入射角条件や撮像条
件に対する所定の偏光条件を規定することにより、指紋
撮像のＳ／Ｎ比を向上させる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面に基づいて詳
しく説明する。

【００１４】まず、本発明の原理である偏光を用いるこ
とによる指紋撮像のＳ／Ｎ比の向上について、詳細に説
明する。

【００１５】図１は被検体対接体２２の対接面２３に指
２０を接触させたときの、対接面２３における入射照明
光１９の反射の状態を説明する図である。従来の技術で
説明したように、谷線部分２４では、被検体対接体２２
の屈折率ｎ１と空気の屈折率ｎ２との比、および入射角
θ１とで決まる反射率Ｒ０で撮像装置の方向に出射光量
Ｐ０で反射される。一方、隆線部分２５では入射光は透
過、散乱され、撮像装置の方向に出射する光量は大幅に
減少しＰ１となる。今、入射照明光１９を入射面に平行
な振動成分からなる直線偏光（Ｐ偏光）、または入射面
に垂直な垂直成分からなる直線偏光（Ｓ偏光）とする
と、入射角θ１に対する反射光量Ｐ０とＰ１の関係は入
射偏波方向によってかわる。

【００１６】図２（ａ），（ｂ）は実験結果の概略図
で、（ａ）はＰ偏光入射の場合の、（ｂ）はＳ偏光入射
の場合の、入射光量に対する反射光量の相対値をｄＢ単
位で示す。線４１は谷線部分の、線４２は隆線部分の、
反射光の値ｐ０、ｐ１を示す。φ０は臨界角であり、θ
１がφ０〜９０度の範囲で全反射条件を満たす。全反射
条件下でのｐ０は、いずれの偏光でもほぼ１であるが、
隆線部分の反射光量ｐ１は、Ｐ偏光がＳ偏光に比べて小
さい。この原因は次の様に説明できる。即ち、屈折率
１．３〜１．４の生体と、屈折率１．５のガラス等の界
面を考え、Ｓ偏光の反射光量をｐｓ０、Ｐ偏光の反射光
量をｐｐ０とすると、フレネルの反射公式により、ｐｓ
０＞ｐｐ０であることが導かれる。また、生体内に入射
した偏光の一部は、散乱され概ね無偏光、無指向性の光
となって、被検体対接体内に再放射されるので、反射光
量は偏光に依存しない。撮像装置方向へのもどり光の生
体入射光に対する割合をＰ偏光成分とＳ偏光成分で同等
としｒｓ、ｒｐとすると、隆線部分の反射光量は、Ｐ偏
光照明では、 ｐ１（Ｐ）＝ｐｐ０＋（ｒｓ＋ｒｐ）（１−ｐｐ０） （１） Ｓ偏光照明では、 ｐ１（Ｓ）＝ｐｓ０＋（ｒｓ＋ｒｐ）（１−ｐｓ０） （２） で与えられる。一般にｒｓ、ｒｐは１より十分小さな値
であり、ｐｐ０＜ｐｓ０であるから、ｐ１（Ｐ）＜ｐ１
（Ｓ）が導かれる。谷線部分と隆線部分の輝度のＳ／Ｎ
比は、ｐ０／ｐ１で与えられるから、以上の説明より入
射角が全反射条件下では、照明光がＰ偏光の場合に、よ
り大きなＳ／Ｎ比 Ｓ／Ｎ＝１／ｐ１（Ｐ） （３） が得られることがわかる。

【００１７】一方、従来技術では、照明光は無偏光であ
ったから、ｐ０はほぼ１であるが、ｐ１は上記Ｐ偏光成
分とＳ偏光成分が半分づつ寄与することになる。従っ
て、Ｓ／Ｎ比は、 Ｓ／Ｎ＝２／（ｐ１（Ｐ）＋ｐ１（Ｓ）） （４） で与えられ、ｐ１（Ｐ）＜ｐ１（Ｓ）であるから、本発
明のＳ／Ｎ比より小さくなることがわかる。

【００１８】次に、照明光１９の入射角が臨界角より小
さい場合（０〜φ０）を説明する。照明光１９がＰ偏光
の場合、谷線部分での反射光量ｐ０（Ｐ）は、図２
（ａ）に示す様に、被検体対接体と空気の屈折率比で決
まるブリュースタ角φＢまで低下し、その後増加して全
反射に達する傾向を示す。これに対して、隆線部分の反
射光量は全反射条件の場合と概ね同じ値ｐ１（Ｐ）を示
す。一方、照明光がＳ偏光の場合には、谷線部分での反
射光量ｐ０（Ｓ）は、θ１＝０でＰ偏光と一致し、θ１
の増加と伴に単調に増加して全反射に達する。隆線部分
の反射光量ｐ１（Ｓ）もθ１の増加とともに緩やかに増
加するが、ｐ０（Ｓ）の増加率より小さい。そこで両偏
光のＳ／Ｎ比：ｐ０／ｐ１を比較すると、ブリュースタ
角の影響によって、Ｓ偏光照明のＳ／Ｎ比の方が臨界角
近傍を除いて大きいことがわかる。

【００１９】一方、従来の技術では、照明光は無偏光で
あったから、谷線反射光量ｐ０は図２に示すＰ偏光とＳ
偏光照明の中間の値となり、隆線反射光量ｐ１もそれぞ
れの場合の中間の値となる。即ち、照明光１９の入射角
が臨界角より小さい場合、Ｓ偏光照明を用いた場合に比
べてＳ／Ｎ比が小さくなることがわかる。

【００２０】以上の説明から、照明光に偏光を用い、対
接面への入射角に対応して偏波面方向を所望の方向に設
置することにより、従来技術より高いＳ／Ｎ比の指紋撮
像が可能になる。

【００２１】次に、入射照明を偏光として、さらに反射
像の撮像装置の前面に偏光フィルタを設置した場合の作
用について説明する。前記したように、全反射条件でＰ
偏光照明した場合、撮像装置の前面にＰ偏光のみを透過
するＰ偏光フィルタを設置すると、撮像に寄与する隆線
部分の反射光量は（１）式より、 ｐ１（Ｐ）＝ｐｐ０＋ｒｐ（１−ｐｐ０） （５） となり、（１）より小さくなる。従って、（３）式で与
えられるＳ／Ｎ比は（５）式の場合のほうが大きく、Ｓ
／Ｎ比の大きな撮像が可能になる。また、撮像装置の前
面にＳ偏光フィルタを設置すると、谷線部分の反射光量
ｐ０（Ｐ）はほぼ０となり、撮像に寄与する隆線部分の
反射光量は、 ｐ１（Ｐ）＝ｒｓ（１−ｐｐ０） （６） となって、Ｓ／Ｎ比は大きな値を得られる可能性があ
る。ただし、（６）式の値は一般的には小さいので、感
度の高い撮像装置が必要である。

【００２２】一方、照明光１９の入射角が臨界角より小
さい場合にも撮像装置の前面に偏光フィルタを設置する
のが有効である。入射照明光をＳ偏光とし、撮像装置側
の偏光フィルタをＳ偏光フィルタとすると、谷線部分の
反射光量ｐ０（Ｓ）は変わらないが、隆線の反射光量ｐ
１（Ｓ）のうちＰ偏光成分は除去されＳ偏光成分のみが
取り出せる。二つの成分はほぼ等量であるから、撮像時
の隆線部分の反射光量は減少し、Ｓ／Ｎ比：ｐ０（Ｓ）
／ｐ１（Ｓ）は向上する。また、偏光フィルタをＰ偏光
フィルタとすると、ｐ０（Ｓ）はほぼ０となり、Ｓ／Ｎ
比：ｐ１（Ｓ）／ｐ０（Ｓ）は大きな値となる可能性が
ある。ただし、ｐ１（Ｓ）は一般的には小さいので、感
度の高い撮像装置が必要である。

【００２３】撮像装置の前面に偏光フィルタを挿入して
撮像のＳ／Ｎ比を改善する方法は、照明光を円偏光とし
た場合にも有効である。照明光として右（左）円偏光を
入射すると、谷線部分の反射光は左（右）円偏光となる
が、隆線部分からの反射散乱光ｒは概ね無偏光となる。
従って、撮像装置の前面に左円偏光フィルタを設置する
と、谷線部分の反射光量は１、隆線部分の反射光量はｒ
／２となり、Ｓ／Ｎ比は２／ｒとなる。照明光として円
偏光を用いても、撮像装置の前面に偏光フィルタを挿入
しない場合は、従来技術と同じＳ／Ｎ比：１／ｒしか得
られないので、本発明で２倍に改善される。一方、撮像
装置の前面に右円偏光フィルタを設置すると、谷線部分
の反射光量は０、隆線部分の反射光量はｒ／２となり、
大きなＳ／Ｎ比が得られる可能性がある。ただし、ｒ／
２は一般的には小さいので、感度の高い撮像装置が必要
である。

【００２４】次に、本発明の第１の実施例を説明する。
図３はその概念図である。図において、２１は平行光線
を出射する照明用光源で、ＬＥＤやタングステンランプ
等とレンズで構成されている。なお、出射光は所望の入
射角条件を満足すれば必ずしも平行光でなくてもよい
が、以降説明を簡潔にするため平行光とする。３０は偏
光フィルタ、２２は被検体対接体、３１は偏光フィル
タ、２６は集光レンズである。２７は撮像装置であり、
ＣＣＤやビジコンなどが利用できる。被検体対接体２２
は、例えばガラス等の透明材料でできており、平坦な対
接面２３に指２０を置き、指紋の隆線部分２５と谷線部
分２４の像を裏面から撮像するためのもので、ここでは
プリズム形状の例を示している。対接面２３への入射光
は対接面２３に角度θ１で入射するが、このとき角度θ
１は被検体材料の屈折率ｎ１と空気の屈折率ｎ０とで決
まる臨界角φより大きくなるように配置する。例えば、
屈折率１．５のガラスと空気の臨界角は４１°であり、
４５°入射でこの条件を満足できる。偏光フィルタ３０
は入射面に平行な振動面の光（Ｐ偏光）を透過する様に
配置する。

【００２５】光源２１から出射した光は偏光フィルタ３
０でＰ偏光になり、対接面２３に達する。谷線部分２４
および指が接触していない周辺部分では、空気との界面
で全反射となり、同じＰ偏光で反射する。いま、偏光フ
ィルタ３１をＰ偏光フィルタとすると、反射光はすべて
透過して撮像装置２７に達する。この光量Ｐ０はほぼ入
射光量に等しい。一方、隆線部分２５では、入射Ｐ偏光
の主成分は生体内に侵入し、その一部が無偏光散乱光と
なって被検体対接体にもどる一方、入射Ｐ偏光の一成分
は界面で反射する。従って、Ｐ偏光フィルタ３１を通す
と、生体からの反射散乱光のＰ偏光成分と界面で反射Ｐ
偏光の和Ｐ１が検出される。これよりＳ／Ｎ比：Ｐ０／
Ｐ１の指紋像が撮像される。

【００２６】なお、本実施例では撮像装置前面に偏光フ
ィルタを設置した場合を示したが、この偏光フィルタを
除いても従来より高いＳ／Ｎで指紋撮像ができること
は、上述の本発明の原理で説明したとおりである。ま
た、偏光フィルタ３１をＳ偏光フィルタとした場合に
は、Ｐ０はほぼ０となり、Ｐ１は生体からの反射散乱光
のうちのＳ偏光成分のみが検出される。そこで、撮像装
置として高い感度を有するものを用いれば、高いＳ／Ｎ
の指紋像が撮像できることも、本発明の原理で説明した
とおりである。

【００２７】次に、本発明の第２の実施例を説明する。
図４は、その概念図であり、第１の実施例の照明光の入
射角θ１が臨界角以下である場合を示す。被検体対接体
２２は、本実施例では、平板状のものを用いる。３３は
偏光フィルタであり、偏光フィルタ３３は第１の実施例
と異なり１枚のＳ偏光フィルタとし、被検体対接体２２
の下方に平行に配置する。これにより、対接面２３への
入射光はＳ偏光となり、谷線部分２４ではＰ偏光照明の
場合より多くの成分が反射する。反射成分はそのまま偏
光フィルタ３３透過して撮像装置２７に達する。一方、
隆線部分２５ではＳ偏光の主成分は生体内に侵入し、そ
の一部が無偏光散乱光となって被検体対接体２２にもど
る一方、入射Ｓ偏光の一成分は界面で反射する。従っ
て、Ｓ偏光フィルタ３３を通すと、生体からの反射散乱
光のＳ偏光成分と界面で反射Ｓ偏光の和Ｐ１が検出され
る。これよりＳ／Ｎ比：Ｐ０／Ｐ１の指紋像が撮像され
る。

【００２８】第１の実施例と同様に、本実施例において
も、偏光フィルタを入射側と出射側とに分離することも
可能である。さらに、出射側の偏光フィルタを除いて指
紋を撮像すること、あるいは出射側偏光フィルタをＳ偏
光フィルタからＰ偏光フィルタに変更して生体反射散乱
光のＰ偏光成分のみを撮像することも可能である。

【００２９】以上の２つ実施例では、照明光は直線偏光
であったが、本発明の原理で述べたように２つ実施例と
同様の構成で円偏光照明を利用し、Ｓ／Ｎの高い指紋撮
像をすることも可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明は、照明光と
して偏光を用いることにより、さらに入射角条件や撮像
条件に対する所定の変更条件を規定することにより、従
来の偏光を用いない場合に比べて高いＳ／Ｎ比を与える
指紋撮像が可能となる利点がある。これにより、照合精
度の高い指紋照合システムを実現でき、より信頼性の高
いセキュリティシステムの構築が可能になる。

【００３１】また、対接面を照明する光を、対接面に対
し全反射する角度で入射し、かつ入射面に平行な振動面
をもつ直線偏光とした場合には、特に、高感度の撮像手
段を必要せず、簡便に指紋撮像ができる利点がある。

【００３２】また、対接面を照明する光を、対接面に対
し全反射条件により狭い入射角度で入射し、かつ入射面
に垂直な振動面をもつ直線偏光とした場合には、特に、
高感度の撮像手段を必要とせず、斜めから光を入射させ
る機構が不要でスペースが少なく、歪みの少ない指紋像
を撮像できる利点がある。

【００３３】また、対接面を照明する光を直線偏光と
し、被検体対接体と撮像手段との間に偏光フィルタを設
置し、対接面に接触した被検体の反射像の内の一偏光成
分のみを抽出して撮像する場合、あるいは、対接面を照
明する光を円偏光とし、被検体対接体と撮像手段との間
に位相板と偏光フィルタを設置し、対接面に接触した被
検体の反射像の内の特定偏光成分のみを抽出して撮像す
る場合には、特に、より一層高いＳ／Ｎ比で指紋撮像が
できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するために指紋撮像時の隆
線部分と谷線部分との反射光量のＳ／Ｎ比を説明する図

【図２】（ａ），（ｂ）は本発明の原理となるＰ偏光照
明時およびＳ偏光照明時の谷線部分および隆線部分の反
射光量の相対値の入射角依存性を示す図

【図３】本発明の第１の実施例を説明する概念図

【図４】本発明の第２の実施例を説明する概念図

【図５】従来の指紋撮像装置の概念図

【符号の説明】

２０…指 ２１…光源 ２２…被検体対接体 ２３…対接面 ２４…谷線部分 ２５…隆線部分 ２７…撮像装置 ３０，３１，３３…偏光フィルタ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明な被検体対接体と、該被検体対接体
   の対接面を被検体対接体の内部側から照明する光源と、
   前記対接面に接触した被検体の反射像を撮像する撮像手
   段とを具備した指紋撮像装置において、 前記対接面を照明する光として偏光を用い、該偏光の該
   対接面に入射する角度に対応させて該入射する光の設置
   条件または該入射する光の設置条件と前記反射像を撮像
   するための光の抽出条件を定めることを特徴とする指紋
   撮像装置。
2. 【請求項２】 対接面を照明する光は、該対接面に対し
   全反射する角度で入射し、かつ入射面に平行な振動面を
   もつ直線偏光であることを特徴とする請求項１記載の指
   紋撮像装置。
3. 【請求項３】 対接面を照明する光は、該対接面に対し
   全反射条件により狭い入射角度で入射し、かつ入射面に
   垂直な振動面をもつ直線偏光であることを特徴とする請
   求項１記載の指紋撮像装置。
4. 【請求項４】 対接面を照明する光は、直線偏光であっ
   て、被検体対接体と撮像手段との間に偏光フィルタを設
   置し、撮像手段は前記対接面に接触した被検体の反射像
   の内の一偏光成分のみを抽出し撮像することを特徴とす
   る請求項１記載の指紋撮像装置。
5. 【請求項５】 対接面を照明する光は、円偏光であっ
   て、被検体対接体と撮像手段との間に位相板と偏光フィ
   ルタを設置し、撮像手段は前記対接面に接触した被検体
   の反射像の内の特定偏光成分のみを抽出し撮像すること
   を特徴とする請求項１記載の指紋撮像装置。