JPH0798753A - 指紋入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コントラストが高く歪みが小さいい指紋画像
が得られ、かつ、照明装置や受像装置の配置の自由度が
高い指紋入力装置を提供することを目的とする。 【構成】 空気との境界面を検出面３として備えるプリ
ズム２と、照明光を、プリズム２の内側から検出面３の
法線に対して臨界角βより小さい角度で検出面に入射さ
せる照明装置としての光源６及び投光レンズ群７と、検
出面３の各点において、検出面の法線に対して臨界角β
より大きい角度でプリズム２内に戻った光のみを受光す
る位置に設けられ、検出面３に密着された指先の模様を
画像として読み取る受像装置としての結像レンズ群８及
び受像素子９とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えばセキュリティ
ーシステムの一部を構成する個人識別装置等に利用さ
れ、指紋を生体識別情報として用いるために画像として
取り込むための指紋入力装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、指紋を光学的な手段により画像と
して取り込む装置は、例えば特開昭５５−１３４４６号
公報、特開昭５８−１４４２８０号公報に開示されてい
る。

【０００３】特開昭５５−１３４６６号公報に開示され
る装置は、全反射光を直接利用する全反射方式であり、
図２０に示すように、指先１をプリズム２の検出面３に
密着させ、光源６から発して投光レンズ群７により平行
化された光束をプリズム２の一方の端面４から全反射条
件を満たすように臨界角より大きな角度で検出面３に達
するよう入射させ、検出面３での全反射成分と非全反射
成分とを含む反射光を他方の端面５から射出させ、結像
レンズ群８を介して受像素子９により受像する。

【０００４】指紋は、検出面３に密着する凸状の隆線部
と、検出面３に密着しない凹状の谷線部とから構成され
る。端面４から入射した光束は隆線部では屈折率の関係
で全反射条件が崩れて光が散乱し、谷線部では全反射す
る。したがって、谷線部からの反射光と比較して隆線部
からの反射光の光量が少なくなるため、得られる指紋画
像には白色の背景にグレーで隆線部が表れる。

【０００５】一方、特開昭５８−１４４２８０号公報に
開示される装置は、散乱光を利用した光路分離方式であ
り、図２１に示すように、プリズム２の一方の端面５側
に光源６と投光レンズ群７から成る照明装置と、結像レ
ンズ群８と受像素子９とから成る受像装置とが共に設け
られている。プリズム２内に一方の端面５から入射した
光束は、隆線部では検出面３において散乱してその一部
は端面５側に戻り、谷線部では全反射して他方の端面４
からプリズム２の外に射出する。したがって、得られる
指紋画像には、黒色の背景に隆線部が白く浮き出て表れ
る。

【０００６】光路分離方式の装置では、隆線部以外から
の光束が受像素子９に達してノイズとなるのを避けるた
め、照明装置と受像装置とは図中τで示される範囲に配
置される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の全反射方式の指紋入力装置は、光路分離方式の
装置よりも検出される指紋画像のコントラストが低く、
ノイズの影響を受け易いという問題がある。

【０００８】一方、光路分離方式の装置は、プリズムの
一方側に照明装置と受像装置とを設ける必要があるた
め、これらを干渉しないように配置するのが困難であ
る。また、受像装置により検出される光は、検出面に向
かう光とは反対側に散乱された光のみであるため、全反
射方式と比較すると得られる光量が小さい。さらに、受
像装置は、光源６から発してプリズム２の端面５で直接
反射された光束が入射しない位置に配置される必要があ
るため、実際の配置範囲は上記の角度範囲τよりも狭い
範囲となり、得られる画像の歪が全反射方式と比較する
と大きくなる。

【０００９】

【発明の目的】この発明は、上述した従来技術の課題に
鑑みてなされたものであり、コントラストが高く歪みが
小さい指紋画像が得られ、かつ、照明装置や受像装置の
配置の自由度が高い指紋入力装置を提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる指紋入
力装置は、上記の目的を達成させるため、屈折率が相対
的に低い媒体との境界面を検出面として備える透明体ブ
ロックと、照明光を、透明体ブロックの内側から検出面
の法線に対して臨界角より小さい角度で検出面に入射さ
せる照明装置と、検出面の各点において、該検出面の法
線に対して臨界角より大きい角度で透明ブロック内に戻
った光のみを受光する位置に設けられ、検出面に屈折率
の低い媒体側から密着された指先の模様を画像として読
み取る受像装置とを有することを特徴とする。なお、こ
の明細書でいう透明体とは、可視光を透過させる物質に
限られず、照明光の波長の光を透過させる物質全般を意
味する。したがって、赤外光や紫外光を照明光とする場
合には、これらの光を透過させる物質をも含めて透明体
を定義する。

【００１１】

【実施例】以下、この指紋入力装置の実施例を説明す
る。まず、実施例にかかる指紋入力装置の代表的な例を
図１に示す。

【００１２】この装置は、図１に示すように、指先１を
透明体ブロックであるプリズム２の検出面３に当てつ
け、光源６、投影レンズ群７を介してプリズムの一方の
端面４から照明光を入射させる。このとき、検出面３に
対する入射角度が臨界角より小さくなるよう設定してい
る。結像レンズ群８と受像装置とは、検出面３での正反
射成分、及び指紋の谷線部からの反射成分が入射しない
角度範囲θ(後述する)内に設けられており、指紋の隆線
部からの散乱光のみを受光するよう構成されている。

【００１３】次に、この発明の原理を図２から図１２に
基づいて説明する。図２において、点ｐ，ｑは指紋入力
装置を構成する透明体ブロックの検出面３上の２点であ
る。透明体ブロックは、アクリル等の透明樹脂、ガラス
で構成され、その屈折率をｎとする。検出面３より図中
上側は、透明体ブロックより屈折率が低い媒質であり、
ここでは空気とし、その屈折率ｎ0＝１とする。

【００１４】検出面３上の任意の点ｔにおける臨界角β
は、検出面３の法線に対する角度として、以下の式(１)
で求められる。

【００１５】

【数１】β＝sin^-1(１／ｎ) …(１)

【００１６】透明体ブロックの内部から検出面３に向か
う照明光線のうち、臨界角βより大きな角度を持つ光線
Ｓは、点ｔにおいて全反射し、反射光Ｔとなって透明体
ブロック内を進む。臨界角βより小さい角度を持つ光線
Ｓ´は、検出面３を透過する光線Ｔ´outと、検出面で
反射される光線Ｔ´inとに分離される。

【００１７】すなわち、検出面上の点ｔで全反射される
光線は、図３の領域(１)と(４)とのみを通り、全反射し
ない光線は領域(２)(３)(５)のいずれかを通ることとな
る。

【００１８】透明体ブロックを断面三角形のプリズム２
として考えた場合には、図４に示されるように点ｔに対
して臨界角βより大きい角度で入射した照明光Ｓ、Ｓ″
は、全反射光線Ｔ、Ｔ″となり、プリズム射出時に屈折
してＵ、Ｕ″のように進む。一方、臨界角βより小さい
角度で入射した光線Ｓは、反射光Ｔ´inと透過光Ｔ´ou
tとに分離され、反射光はＵ´としてプリズム２から射
出する。

【００１９】点ｔへの入射光線Ｓの法線に対する角度を
γとし、プリズムから射出する光線Ｕが検出面３となす
角度を下向きにθとし、点ｐ側の頂角をαとすると、θ
は以下の式(２)で表される。

【００２０】

【数２】 θ＝(π／２)−α＋sin^-1{ｎsin(α−γ)} …(２)

【００２１】上記の式(２)において、γ＝βとしたとき
に得られるθをθaとすると、検出面３で全反射してプ
リズムを射出した光線の角度はθaより小さく、全反射
せずに射出した光線の角度はθaよりも大きくなる。

【００２２】図５は、図４の配置を立体的なモデルとし
て表したものである。照明光を全反射させないために
は、網点で示した頂角２βの円錐の内部から照明光が進
めばよいこととなる。

【００２３】図６は、点ｔが限りなくプリズムの頂点ｐ
に近付いた場合を示している。全反射した光束は図中の
斜線領域を進み、全反射しない光束は図中の網点領域を
進む。入射光線の角度γの値によりθは正負の値をと
り、図６ではγ＝βとなる場合の正の最大値θaと、γ
＝π／２となる場合の負の最大値θbとを表している。
γ＝０となる照明光線は、全反射しない光線として網点
領域を進む。ここでは、検出面３の全域を利用する場合
を想定している。

【００２４】以上の説明から明らかなように、照明光の
進む方向は検出面３の法線に対する照明光線の角度γに
依存し、この角度γが臨界角βより大きいか小さいかに
よって全反射するか否かが決定される。

【００２５】この発明の指紋入力装置では、照明光のう
ち、検出面３で全反射された光束を全く利用しない。全
反射光を利用しないためには、照明光を検出面３の法線
に対して臨界角βより小さい角度で入射させればよいこ
ととなり、透明体ブロックの形状は必ずしも図４、図６
に示すようなプリズムに限定されない。

【００２６】図７は、検出面３に対して透明体ブロック
２の外部から入射する光の進み方を示している。点ｔ´
に立てた法線からの角度ηで外部から入射する光線Ｐ
は、検出面３で反射される反射光線Ｑoutと、検出面で
屈折して角度δで透明体ブロック２内に進む屈折光線Ｑ
inとに分かれる。入射角度ηが０からπ／２まで変化す
ると、屈折角度δは０からβまで変化する。したがっ
て、屈折光線Ｑinは、図中網点で示した領域のみを進
み、斜線で示した領域には進まないことが理解できる。

【００２７】透明体ブロック２が検出面３と射出側の端
面５との角度がαのプリズムである場合には、検出面３
に指先を接触させると、隆線部及び谷線部からの光は図
８に示したように進む。谷線部の任意の点ｓからの光線
Ｐは、入射角度ηで検出面３上の点ｔ´からプリズム内
に入射し、屈折角δでプリズム内を進む。この屈折光線
Ｑは、プリズムの端面５の点ｕから射出して光線Ｒとし
て進む。この光線Ｒと検出面３とのなす角度θ´は、以
下の式(３)で表される。

【００２８】

【数３】 θ´＝(π／２)−α＋sin^-1{ｎsin(α−δ)} …(３)

【００２９】屈折角δのとり得る範囲は、０≦δ≦βで
あるため、δ＝βの場合のθ´の最小値をθ´aとする
と、式(２)と式(３)とは同形であることからθaとθ´a
とは一致する。指表面に達した照明光は、その一部が指
の表面で反射されると共に、残部は指内部に侵入して拡
散、反射され、隆起部、または谷線部から射出される。
谷線部で反射された光線、あるいは谷線部から射出され
る指内部からの反射光、そして指の周囲、背景からの光
線は、図８中の斜線領域には到達しない。

【００３０】一方、検出面３に密着した隆線部の任意の
点ｖで散乱、反射されたプリズム内部から進む照明光、
および隆線部から射出される指内部からの反射光は、プ
リズム内のあらゆる方向に進むため、図８中の斜線領域
にも網点領域にも進むこととなる。

【００３１】したがって、受像装置を図８の斜線領域に
配置すれば、谷線部分からの光束や外部から入射した光
束が受像装置に入射せず、隆線部から受像装置に達する
光の強度が比較的大きくなり、コントラストの高い指紋
の像を得ることができる。

【００３２】なお、図８の網点領域は、点ｔ´が限りな
く頂点ｐに近付いた場合、すなわち、面ｐｑの全面を検
出面として用いる場合を想定しているため、頂点ｐの近
傍を検出面として用いない場合には、網点領域はより狭
くなり、受像装置を配置できる範囲は広くなる。

【００３３】図９は、プリズムの光入射側の端面４から
入射する光線の進み方を示す。端面４上の点ｗに対して
プリズム外部から斜線領域を通って入射する光線は、プ
リズム内でも斜線領域を進み、網点領域を通って入射す
る光線は、プリズム内でも網点領域を進む。これらの領
域は、点ｗに立てた法線からそれぞれ角度φの範囲とな
る。この角度φは、次の式(４)で示される臨界角であ
る。

【００３４】

【数４】φ＝sin^-1(１／ｎ) …(４)

【００３５】プリズムの屈折率ｎは共通であるため、臨
界角βとφとは等しい角度となる。図１０において、法
線の図中上側となる斜線領域からプリズムの入射端面４
の点ｗに入射した光線は、検出面３上の点ｔに対して臨
界角βより大きな角度で入射するため、検出面３で全反
射される。

【００３６】一方、法線の図中下側から入射する光線の
うち、網点領域からプリズムに入射した光線は、検出面
に対して臨界角βより小さな角度で入射するために全反
射せず、横線領域から入射した光線は検出面３に対する
入射角度が臨界角βより大きくなるため、全反射する。

【００３７】網点領域と横線領域との境界線の法線に対
する角度θcは、検出面３と光入射端面４とのなす角度
をσとすると、以下の式(５)により求められる。

【００３８】

【数５】 θc＝sin^-1[(１／ｎ)sin{σ＋β−(π／２)}] …(５)

【００３９】したがって、全反射させない条件でプリズ
ムに照明光を入射させる場合には、法線よりも図中下側
から、かつ、角度θcよりも大きな角度でプリズムに対
して光束を入射させる必要がある。

【００４０】上記の条件にしたがって照明光を入射させ
ると共に、受像装置を配置すれば、指紋の谷線部に該当
する位置では、照明光は検出面を透過して谷線部に達す
るか、検出面において臨界角βより小さい角度で反射さ
れるが、これらの光束は、いずれも受像装置には達しな
い。

【００４１】一方、隆線部に該当する位置では、照明光
は散乱反射され、その一部が受像装置に達する。ただ
し、受像装置を従来の光路分離方式のような後方散乱光
を受光する位置ではなく、検出面での反射光の方向に配
置することができるため、比較的強い散乱光を受光する
ことができ、ノイズに強いコントラストの高い像を得る
ことができる。

【００４２】なお、上記の説明では、照明光線及び受像
装置へ向かう光線を幅のない１本の主光線として捉えて
いるが、実際にはレンズ等の集光素子を用いるため、主
光線のみでなく、上光線、下光線をも考慮する必要があ
る。

【００４３】例えば、図１１に示すように光源６から発
して投光レンズ群７を透過した照明光の主光線をＡ、上
光線をＢ、下光線をＣとし、検出面３に対する入射角度
をそれぞれａ，ｂ，ｃとすると、臨界角βとの関係は、
ａ＞β、ｂ＜β、ｃ＞βとなり、上光線Ｂは全反射しな
いが、主光線Ａと下光線Ｃとは全反射することとなる。

【００４４】同様に、図１２に示すように受像素子９に
向かう主光線をＤ、上光線をＥ、下光線をＦとし、それ
ぞれの光線が検出面の法線となす角度をｄ，ｅ，ｆとす
ると、臨界角βとの関係は、ｄ＞β、ｅ＜β、ｆ＞βと
なる。光線Ｅは谷線部からの光線であり、光線Ｅが受像
装置に入射するとノイズとなる。

【００４５】すなわち、上記の配置では、特定の光線に
ついては条件を満たしていても、光束として考えたとき
には隆線部からの散乱光のみを受光するという条件を完
全には満たしていないこととなる。そこで、配置関係を
特定する際には、主光線のみでなく光束の上光線と下光
線とが共に条件を満たすよう考慮する必要がある。

【００４６】次に、図１３から図２０に基づいて図１に
示した実施例とは異なる実施例における装置の具体的な
配置関係を説明する。それぞれの実施例は、いずれも上
述した本願発明の条件を満たし、光源は、照明光が検出
面における臨界角より小さい角度で入射するよう配置さ
れ、受像装置は、隆線部からの散乱光のみを受光する位
置に配置されている。

【００４７】また、照明装置は、蛍光灯、白熱電球、発
光ダイオード、エレクトロニックルミネッセンス、レー
ザー等の光源６と、投光レンズ群７とから構成され、受
像装置は、結像レンズ群８と写真フィルム、ＣＣＤセン
サー等から成る受像素子９とから構成されている。

【００４８】図１３に示す実施例２では、先に示した図
１の例と同様に、プリズム２の斜面を検出面３とし、一
方の端面５から照明光を入射させると共に、この端面５
から射出する散乱光を検出するよう構成されている。こ
の例では、照明光を入射させる面と散乱光を射出させる
面とが同一であるため、光源６からの照明光が端面５で
反射して受像素子９に達するのを避ける必要がある。

【００４９】また、図１３に示す実施例２では、図２１
に示す従来の光路分離方式で用いられる後方散乱光より
も受像装置に達する光の強度が強くなっているため、ノ
イズに強いコントラストの高い像を得ることができる。

【００５０】なお、上記の条件を満たす限りにおいて
は、光束を図１５に示すように端面４，５ではなく、検
出面３と垂直な側面２０から入射させる構成としてもよ
い。

【００５１】また、図１５に示す実施例３では、図１、
図１３で生じる検出面３の照明ムラを減少させるため、
光源６と投光レンズ群７とをそれぞれ２つ設けている。

【００５２】図１６に示す実施例４では、断面が直角二
等辺三角形のプリズム２を用い、直角をなす一方の面４
から入射させた照明光を斜面５で一旦反射させ、検出面
３に対して垂直に入射させる。検出面３に当てつけられ
た指先１の隆線部からの散乱光を斜面５から射出させて
結像レンズ群８を介して受像素子９へ導いている。

【００５３】図１７に示す実施例５では、図１６の構成
に加えて検出面３にその周辺部を遮光する遮光部材１０
を設け、検出に利用する領域を中央部分に限定してい
る。このような遮光部材１０を設けることにより、受像
装置を配置する範囲を規定する角度θの基点を端面５の
中間部分に設定できるため、図１６の例よりも受像装置
をプリズム２に近接させて配置することができる。この
遮光部材１０は、指先１を置く向きを規定する指ガイド
として利用することもできる。

【００５４】なお、図１６の配置では、隆線部からの散
乱光は、照明光が入射する端面４側にも進むため、図１
８に示す実施例６のように端面４で内面反射されて斜面
５から射出する散乱光を受光するよう結像レンズ群８と
受像素子９とを配置してもよい。

【００５５】図１９に示す実施例７は、断面が台形のプ
リズムを用いた例を示す。底面４から入射した照明光
は、検出面に３に対して垂直に入射し、隆線部からの散
乱光が端面５から射出して受像素子９に達する。透明体
ブロックとしてのプリズム２の形状は、三角プリズムに
限られず、条件を満たせば、台形や角錐、角錐台等の形
状とすることもできる。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、照明装置、受像装置の配置を検出面における臨界角
との関係で規定することにより、検出面からの全反射光
を使用せずに指紋の隆線部からの散乱光のみを受光する
ことができ、高いコントラストで歪みの小さい指紋の像
を検出することが可能であると共に、各装置の配置の自
由度が高くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施例にかかる指紋入力装置の光
学系を示す説明図である。

【図２】 検出面での光の反射の様子を示す説明図であ
る。

【図３】 検出面の臨界角と反射の条件を示す説明図で
ある。

【図４】 プリズム内から検出面に達する光の進み方を
示す説明図である。

【図５】 臨界角を立体的に示す説明図である。

【図６】 図４において光が入射する点ｔが端点ｐに位
置する場合の説明図である。

【図７】 プリズム外から検出面に達する光の進み方を
示す説明図である。

【図８】 検出面に接する指先の隆線部と谷線部におけ
る光線の進み方を示す説明図である。

【図９】 プリズム外から入射する照明光の進む範囲を
示す説明図である。

【図１０】 プリズム外から入射する照明光と検出面の
臨界角との関係を示す説明図である。

【図１１】 照明光の主光線、上光線、下光線を示す説
明図である。

【図１２】 受像装置へ向かう散乱光の主光線、上光
線、下光線を示す説明図である。

【図１３】 この発明にかかる指紋入力装置の実施例２
を示す説明図である。

【図１４】 この発明にかかる指紋入力装置の実施例
１，２の変形例を示す説明図である。

【図１５】 この発明にかかる指紋入力装置の実施例３
を示す説明図である。

【図１６】 この発明にかかる指紋入力装置の実施例４
を示す説明図である。

【図１７】 この発明にかかる指紋入力装置の実施例５
を示す説明図である。

【図１８】 この発明にかかる指紋入力装置の実施例６
を示す説明図である。

【図１９】 この発明にかかる指紋入力装置の実施例７
を示す説明図である。

【図２０】 従来の全反射方式の指紋入力装置の光学系
を示す説明図である。

【図２１】 従来の光路分離方式の指紋入力装置の光学
系を示す説明図である。

【符号の説明】

１…指先 ２…プリズム ３…検出面 ６…光源 ９…受像素子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】屈折率が相対的に低い媒体との境界面を検
   出面として備える透明体ブロックと、 照明光を、前記透明体ブロックの内側から前記検出面の
   法線に対して臨界角より小さい角度で前記検出面に入射
   させる照明装置と、 前記検出面の各点において、該検出面の法線に対して臨
   界角より大きい角度で前記透明ブロック内に戻った光の
   みを受光する位置に設けられ、前記検出面に屈折率の低
   い媒体側から密着された指先の模様を画像として読み取
   る受像装置とを有することを特徴とする指紋入力装置。
2. 【請求項２】前記受像装置は、前記検出面に密着した指
   紋の隆線部からの散乱光を利用して指紋画像を得ること
   を特徴とする請求項１に記載の指紋入力装置。
3. 【請求項３】前記透明体ブロックは、プリズムであるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の指紋入力装置。