JPH0944674A - 画像読み取り装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 導光体（プリズム）の表面を読み取り面とす
る指紋読み取り装置において、結像レンズ系において台
形歪みや縦横比の変化が生じても、正確な指紋照合が行
えるようにする。 【解決手段】 受像素子（ＣＣＤ）の画素の形状及び配
列間隔を、結像レンズ系において生ずる台形歪みや縦横
比の変化に対応したものとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体の像を形成し
てこの像を撮像する画像読み取り装置に関する技術分野
に属する。

【０００２】

【従来の技術】従来、物体の像を形成するための結像レ
ンズと撮像手段とを有し、該物体の像を撮像するための
画像読み取り装置が提案されている。

【０００３】例えば、手指の指紋の形状を検出し、予め
画像データとして登録されている参照指紋との照合を行
うための画像読み取り装置である指紋照合装置は、図３
に示すように、照合対象となる手指１０１の像を結像レ
ンズにより形成し、この像を撮像手段である固体撮像素
子（ＣＣＤ）９により撮像するように構成されている。
この固体撮像素子９は、受像面を上記像が形成される像
面上に位置させて配設される。上記固体撮像素子９の受
像面上には、図１０及び図１４に示すように、正方形の
受像画素１１がマトリクス状に配列されている。

【０００４】そして、この指紋照合装置においては、上
記手指１０１が置かれる指紋採取面として、直角プリズ
ム１を有している。すなわち、この指紋照合装置におい
ては、上記直角プリズム１の入射面３より入射された光
束は、この直角プリズムが形成する直角三角形の斜辺部
にあたる指紋採取面となる反射面２により全反射され
て、上記入射面３に対して直角な出射面４より出射され
る。上記出射面４より出射された光束は、上記結像レン
ズに入射され、上記固体撮像素子９の受像面上に上記反
射面２の像を形成する。

【０００５】上記固体撮像素子９が上記像を受像するこ
とにより得られた信号は、処理装置１０に送られ、信号
処理される。

【０００６】この指紋照合装置において、上記反射面２
に対して上記手指１０１が接触されると、この反射面２
には、指紋の凸部のみが接触する。上記反射面２におい
て、上記指紋の凸部が接触された部分は、上記光束が全
反射しなくなり、該指紋の凸部の表面部により拡散され
る。

【０００７】したがって、上記固体撮像素子９において
は、上記反射面２に接触された上記指紋の凸部に対応す
る部分のみが、暗部として識別される。

【０００８】なお、上記結像レンズは、物空間において
テレセントリック光学系を構成している第１のレンズ群
５と、この第１のレンズ群５の後側焦点位置に開口部７
を位置させた絞り６と、該絞り６の後方側に位置され該
絞り６上に前側焦点位置を位置させて像空間においてテ
レセントリック光学系を構成している第２のレンズ群８
とから構成されている。この結像レンズは、台形歪みや
歪曲収差が充分に抑制された像を結ぶことができる。

【０００９】また、この結像レンズにおいては、像面に
対して入射する主光線入射角がこの像面上のいずれの点
に対しても等しくなるため、該像面上における光量分布
が平坦になる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
に指紋照合装置として構成された画像読み取り装置にお
いては、上記固体撮像素子９上に形成される指紋の像の
縦横比は、上記指紋採取面上の指紋原画像の縦横比とは
一致していない。すなわち、上記指紋採取面が図３中の
ｘ軸回りに回転された傾斜面となされているため（光軸
をｚ軸とする）、上記固体撮像素子９上に形成される画
像は、図１４に示すように、図８に示す本来の画像に比
して、図１４中のｙ軸方向に圧縮された状態となってい
る。（なお、図８において示している本来の画像は、正
方形状に配列された９個の点の画像であり、上記指紋採
取面の傾きがないと仮定した場合の画像である。） したがって、上述の指紋照合装置において上記固体撮像
素子９より出力される画像データ（２値化データ）は、
図１５に示すように、「０００００−１０１０１−１０
１０１−１０１０１−０００００」となり、図９に示す
本来の画像データ「１０１０１−０００００−１０１０
１−０００００−１０１０１」とは異なったものとなっ
ている。

【００１１】このように、上記結像レンズにより形成さ
れる像において縦横比の変化が生じていると、正確な指
紋照合が行えない。すなわち、指紋照合装置において
は、上記固体撮像素子９により撮像された指紋の画像
と、予め登録（記憶）されている参照指紋の画像とを比
較することにより、これらが同一の指紋であるか否かの
判別を行う。そのため、上記照合対象指紋の像において
縦横比の変化が生じていると、上記参照指紋と同一の指
紋について、異なる形状を有する別の指紋であるとの判
断がなされる虞れがある。

【００１２】そのため、コンピュータ装置におけるプロ
グラム上において、あるいは、ハードウェアにおいて上
記画像データを補正する必要が生じる。

【００１３】コンピュータ装置におけるプログラム上に
おいて画像データの補正を行う場合においては、特に、
照合対象指紋の像が登録されている参照指紋の画像に対
して回転している場合には、縦横比についての補正のみ
ならず、該回転角を補正するとともに、該回転角に応じ
た縦横倍率の補正を行わなければならない。

【００１４】このような画像データの補正を行うために
は、複雑なプログラムが必要となり、指紋照合装置全体
の装置構成の複雑化が招来されることとなる。

【００１５】なお、上記参照指紋の画像としては、上述
の指紋照合装置において撮像された像を用いることもで
きる。この場合には、上記参照指紋についても上述の縦
横比の変化が含まれて登録されることとなるので、この
縦横比の変化は、上記照合対象指紋との同一性の判断に
は影響しないようにも考えられる。しかしながら、上記
指紋採取面上において手指が回転した場合には、やはり
上述のような画像データの補正が必要となり、照合率の
低下が招来されることとなる。

【００１６】そして、ハードウェアにおける画像データ
の補正としては、上記固体撮像素子９の受像面を上記結
像レンズの光軸に対して傾斜させ、上記指紋採取面に対
して平行にすることが考えられる。

【００１７】しかし、上記固体撮像素子９の受像面を光
軸に対して傾斜させるにあたっては、結像レンズを広角
レンズとしなければならず、収差の発生を抑えることが
困難となり、結像レンズ製作の煩雑化、該結像レンズの
高コスト化が招来されてしまう。

【００１８】また、上記固体撮像素子９の受像面を光軸
に対して傾斜させると、該受像面上の全面に亘って配設
されている複数のマイクロレンズのため、上記結像レン
ズよりの光束が充分に受光されなくなる虞れがある。

【００１９】さらに、ハードウェアにおける画像データ
の補正としては、楔型の補正プリズムを用いることが考
えられる。しかし、上記結像レンズの後方の光路中に補
正プリズムを配設することは、上記指紋照合装置の構成
を大型化し、また、収差の抑制や結像レンズ製作を困難
化し、該結像レンズの高コスト化をも招いてしまう。そ
こで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるもので
あって、装置構成が小型であり、また、製作が容易であ
りながら、結像レンズにより形成された像において生じ
ている歪みの画像データに対する影響が抑制され、指紋
照合装置として構成して好適な画像読み込み装置を提供
することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明に係る画像読み取り装置は、結像レンズと、
この結像レンズにより形成される像面上に配設された撮
像手段とを備えて構成される。

【００２１】そして、本発明は、上記撮像手段における
受像画素の形状及び配列状態を、上記結像レンズが形成
する像において生じている歪みの形状に対応させたもの
である。

【００２２】上記結像レンズが形成する像における歪み
の形状としては、縦横比の変化や、いわゆる台形歪み、
樽型歪み、糸巻き型歪みが考えられる。

【００２３】また、本発明は、上記画像読み取り装置に
おいて、上記結像レンズを、絞りと、この絞りの前方側
に位置され該絞り上に後側焦点位置を位置させ物空間に
おいてテレセントリック光学系を構成している第１のレ
ンズ群と、該絞りの後方側に位置され該絞り上に前側焦
点位置を位置させ像空間においてテレセントリック光学
系を構成している第２のレンズ群とを有する構成とした
ものである。

【００２４】上記結像レンズをこのような構成とした場
合には、この結像レンズが形成する像においては、台形
歪みが生ずることなく、縦横比の変化が生ずる。そこ
で、上記撮像手段は、受像画素の形状及び配列状態が、
上記像において生じている縦横比の変化に対応している
ものとした。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。

【００２６】この実施の形態は、本発明に係る画像読み
取り装置を、手指の指紋の形状を検出し予め画像データ
として登録されている参照指紋との照合を行う指紋照合
装置（指紋入力装置）として構成したものである。

【００２７】この指紋照合装置は、図３に示すように、
結像レンズと、この結像レンズにより形成される像面上
に配設された撮像手段となる固体撮像素子（ＣＣＤ）９
とを備えて構成されている。

【００２８】上記結像レンズは、光軸上にピンホール７
を有する絞り６と、この絞り６の前後に配置された第１
及び第２のレンズ群５，８を有して構成されている。

【００２９】上記第１のレンズ群５は、上記絞り６の前
方側に位置され、該絞り６上に後側焦点位置を位置させ
物空間においてテレセントリック光学系を構成してい
る。すなわち、この第１のレンズ群５は、この第１のレ
ンズ群５の中心が上記絞り６より該第１のレンズ群５の
焦点距離に等しい距離を隔てた位置となるように配置さ
れている。この第１のレンズ群５は、光軸に平行な入射
光束を、上記ピンホール７上に集光させる。

【００３０】上記第２のレンズ群８は、上記絞り６の後
方側に位置され、該絞り６上に前側焦点位置を位置させ
像空間においてテレセントリック光学系を構成してい
る。すなわち、この第２のレンズ群８は、この第２のレ
ンズ群８の中心が上記絞り６より該第２のレンズ群８の
焦点距離に等しい距離を隔てた位置となるように配置さ
れている。この第２のレンズ群８は、上記ピンホール７
を通過した拡散光束を、光軸に平行な出射光束として出
射する。

【００３１】上記第１及び第１のレンズ群５，８は、上
記絞り６を挟んで、互いに所定の相似比率の相似形とな
っている。

【００３２】この画像読み取り装置においては、上記第
１のレンズ群５の前方側に位置する物体面の像が、像面
上に形成される。この画像読み取り装置においては、上
記ピンホール７を通過する光は物空間において光軸に平
行な光線であるので、上記物体面が光軸に対して傾斜し
ていても、上記像は、いわゆる台形歪みを生ずることが
ない。すなわち、この画像読み取り装置においては、上
記第１のレンズ群５と上記物体面との距離は、上記物体
の像の像倍率に影響しない。また、同様に、この画像読
み取り装置においては、上記第２のレンズ群８と上記像
面との距離は、上記像の像倍率に影響しない。

【００３３】そして、この指紋照合装置は、照合対象と
なる指紋を有する手指１０１が接触される平面部を指紋
採取面として有する直角プリズム１を有している。この
直角プリズム１においては、直角三角形の斜辺部にあた
る反射面２が、上記手指１０１が接触される指紋採取面
となっている。

【００３４】上記直角プリズム１は、上記第１のレンズ
群５の前方側の光軸上に位置され、上記反射面２を該光
軸に対して略々４５°の角度をなす傾斜面として配置さ
れている。

【００３５】この画像読み取り装置においては、上記直
角プリズム１の入射面３より入射された光束は、上記反
射面２により全反射されて、上記入射面３に対して直角
な出射面４より出射される。上記出射面４より出射され
た光束は、上記第１のレンズ群５に入射され、上記絞り
６のピンホール７及び上記第２のレンズ群８を経て、上
記固体撮像素子９の受像面上に上記反射面２の像を形成
する。

【００３６】なお、上記ピンホール７の直径は、物体面
の光軸に対する傾斜に起因する像面の倒れや非点収差、
コマ収差等の発生に影響を与えず、かつ、このピンホー
ル７における回折の影響が抑えられる径に決定され、例
えば、０．４ｍｍ程度となされている。

【００３７】上記固体撮像素子９が上記像を受像するこ
とにより得られた信号は、処理装置１０に送られ、信号
処理される。この処理装置１０においては、上記固体撮
像素子９により撮像された指紋の画像と、予め登録（記
憶）されている参照指紋の画像とを比較することによ
り、これらが同一の指紋であるか否かの判別を行う。

【００３８】この画像読み取り装置において、上記反射
面２に対して手指１０１が接触されると、この反射面２
には、指紋の凸部のみが接触する。上記反射面２におい
て、上記指紋の凸部が接触された部分は、上記光束が全
反射しなくなり、該指紋の凸部の表面部により拡散され
る。したがって、上記固体撮像素子９においては、上記
反射面２に接触された上記指紋の凸部に対応する部分の
みが、暗部として識別される。

【００３９】そして、上記固体撮像素子９における受像
画素の形状及び配列状態は、図１及び図１１に示すよう
に、上記結像レンズが形成する像において生じている歪
みの形状に対応したものとなされている。

【００４０】上記結像レンズが形成する像においては、
画像の縦横比が、上記指紋採取面上の指紋原画像の縦横
比とは一致していない。すなわち、上記固体撮像素子９
上に形成される画像は、上記指紋採取面が図３中のｘ軸
回りに回転された傾斜面となされているため（光軸をｚ
軸とする）、図１に示すように、図８に示す本来の画像
に比して、図１中のｙ軸方向に圧縮された状態となって
いる。（なお、図８において示している本来の画像は、
正方形状に配列された９個の点の画像であり、上記指紋
採取面の傾きがないと仮定した場合の画像である。） すなわち、上記固体撮像素子９は、受像画素１１の形状
及び配列状態が、上記結像レンズが形成する像において
生じている縦横比の変化に対応したものとなされてい
る。マトリクス状に配列された上記各受像画素１１は、
ｙ軸方向に圧縮された長方形となされている。

【００４１】したがって、この指紋照合装置において上
記固体撮像素子９より出力される画像データ（２値化デ
ータ）は、図２に示すように、「１０１０１−００００
０−１０１０１−０００００−１０１０１」となり、図
９に示す本来の画像データ「１０１０１−０００００−
１０１０１−０００００−１０１０１」と同一である。
そのため、この指紋照合装置においては、コンピュータ
装置におけるプログラム上において、あるいは、ハード
ウェアにおいて、たとえ照合対象指紋の像が登録されて
いる参照指紋の画像に対して回転していても、上記画像
データの補正を行う必要はない。

【００４２】すなわち、この指紋照合装置においては、
上記結像レンズが形成する像において生じている縦横比
の変化の画像データに対する影響が抑えられているた
め、上記反射面２上で上記手指１０１が移動や回転をし
ても、正確な指紋照合が行える。

【００４３】また、この指紋照合装置においては、像面
に対して入射する主光線入射角がこの像面上のいずれの
点に対しても等しくなるため、該像面上における光量分
布が平坦となり、指紋の形状の認識が容易となってい
る。

【００４４】なお、上述の指紋照合装置においては、上
記結像レンズが形成する像において生じている縦横比の
変化率をａとし、一、または、配列された複数の上記受
像画素１１における縦横比（正方形を１とする）をｂと
したとき、ａ／ｂを０．９乃至１．１程度とするのが望
ましい。また、上記固体撮像素子９は、上記ｘ軸及びｙ
軸に対するｚ軸回りの回転角度の誤差が、１０度程度以
下となされていることが望ましい。

【００４５】そして、上記受像画素１１は、図１２に示
すように、隣接する２個の受像画素１１，１１について
画像データを平均して、これら２個の受像画素１１，１
１を１個の受像画素として扱うこととしてもよい。この
場合には、上記各受像画素１１の形状が正方形であると
しても、隣接する２個の受像画素１１，１１に相当する
長方形の受像画素を設けたのと同様の画像データが得ら
れる。

【００４６】また、上記受像画素１１は、図１３に示す
ように、隣接する２個の受像画素１１，１１が並列的に
３列配列された状態にマトリクス状に配設された６個の
受像画素１１，１１，１１，１１，１１，１１について
画像データを平均して、これら６個の受像画素１１，１
１，１１，１１，１１，１１を１個の受像画素として扱
うこととしてもよい。この場合には、上記各受像画素１
１の形状が正方形であるとしても、マトリクス状に配設
された６個の受像画素１１，１１，１１，１１，１１，
１１に相当する長方形の受像画素を設けたのと同様の画
像データが得られる。

【００４７】そして、上述のような指紋照合装置として
は、図６及び図７に示すように、上記結像レンズが一の
レンズ群５から構成されるものとしてもよい。

【００４８】すなわち、この指紋照合装置においては、
上記レンズ群５からなる結像レンズの前方側に位置する
物体面２の像１４が、像面１３上に形成される。撮像手
段となる固体撮像素子（ＣＣＤ）９は、受像面を上記像
面１３に一致させて配設されている。

【００４９】そして、この指紋照合装置は、上記直角プ
リズム１を有している。この直角プリズム１において
は、直角三角形の斜辺部にあたる反射面２が、照合対象
となる指紋を有する手指１０１が接触される指紋採取面
となっている。

【００５０】上記直角プリズム１は、上記結像レンズの
前方側の光軸上に位置され、上記反射面２を該光軸に対
して略々４５°の角度をなす傾斜面となして配置されて
いる。

【００５１】この指紋照合装置においては、上記直角プ
リズム１の入射面３より入射された光束は、上記反射面
２により全反射されて、上記入射面３に対して直角な出
射面４より出射される。上記出射面４より出射された光
束は、上記結像レンズに入射され、上記固体撮像素子９
の受像面上に上記反射面２の像１４を形成する。

【００５２】上記照合対象指紋は、上記結像レンズの光
軸に対して傾斜した物体面２として撮像される。そのた
め、上記像面１３上に形成される像は、図４に示すよう
に、台形歪みを有する。すなわち、上記物体面２のうち
上記結像レンズに近い部分の像は、該結像レンズに遠い
部分の像よりも、大きく（高い像倍率で）結像される。

【００５３】上記固体撮像素子９が上記像を受像するこ
とにより得られた信号は、処理装置１０に送られ、信号
処理される。この処理装置１０においては、上記固体撮
像素子９により撮像された指紋の画像と、予め登録（記
憶）されている参照指紋の画像とを比較することによ
り、これらが同一の指紋であるか否かの判別を行う。

【００５４】この画像読み取り装置において、上記反射
面２に対して手指１０１が接触されると、この反射面２
には、指紋の凸部のみが接触する。上記反射面２におい
て、上記指紋の凸部が接触された部分は、上記光束が全
反射しなくなり、該指紋の凸部の表面部により拡散され
る。したがって、上記固体撮像素子９においては、上記
反射面２に接触された上記指紋の凸部に対応する部分の
みが、暗部として識別される。

【００５５】そして、上記固体撮像素子９における受像
画素の形状及び配列状態は、図４に示すように、上記結
像レンズが形成する像において生じている歪みの形状に
対応したものとなされている。

【００５６】すなわち、上記固体撮像素子９は、受像画
素１１の形状及び配列状態が、上記結像レンズが形成す
る像において生じている台形歪み及び縦横比の変化に対
応したものとなされている。マトリクス状に配列された
上記各受像画素１１は、ｙ軸上の位置（上記物体面２の
うちの上記結像レンズに近い側の部分の像からの距離）
に応じて、該ｙ軸方向の幅（高さ）を圧縮され、また、
ｙ軸上の位置に応じて、ｘ軸方向の幅を縮小されるとと
もにｘ軸上の位置をｙ軸側へ接近されて、全体として台
形の受像面を構成している。

【００５７】したがって、この指紋照合装置において上
記固体撮像素子９より出力される画像データ（２値化デ
ータ）は、図５に示すように、「１０１０１−００００
０−１０１０１−０００００−１０１０１」となり、図
９に示す本来の画像データ「１０１０１−０００００−
１０１０１−０００００−１０１０１」と同一である。
そのため、この指紋照合装置においては、コンピュータ
装置におけるプログラム上において、あるいは、ハード
ウェアにおいて、たとえ照合対象指紋の像が登録されて
いる参照指紋の画像に対して移動、または、回転してい
ても、上記画像データの補正を行う必要はない。

【００５８】すなわち、この指紋照合装置においては、
上記結像レンズが形成する像において生じている歪み及
び縦横比の変化の画像データに対する影響が抑えられて
いるため、上記反射面２上で上記手指１０１が移動や回
転をしても、正確な指紋照合が行える。

【００５９】さらに、上記結像レンズにより形成された
像において歪曲収差（いわる樽型や糸巻型の歪み）が生
じている場合においても、上記固体撮像素子９の受像画
素１１の形状及び配列状態を該歪曲収差に対応したもの
とすることにより、該歪曲収差の上記画像データに対す
る影響を抑えることができる。

【００６０】

【発明の効果】上述のように、本発明に係る画像読み取
り装置においては、結像レンズが形成する像において縦
横比の変化や歪曲が生じていても、該縦横比の変化や歪
みの画像データに対する影響が抑えられている。

【００６１】したがって、この画像読み取り装置におい
ては、画像として読み取る物体が光軸に対して移動や回
転をしても、コンピュータ装置におけるプログラム上に
おいて、あるいは、ハードウェアにおいてデータの補正
を行うことなく、正確な画像データを得ることができ
る。

【００６２】すなわち、本発明は、装置構成が小型であ
り、また、製作が容易でありながら、結像レンズにより
形成された像において生じている歪みの画像データに対
する影響が抑制され、指紋照合装置として構成して好適
な画像読み取り装置を提供することができるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る画像読み取り装置の要部の構成を
示す正面図である。

【図２】上記画像読み取り装置により得られる画像デー
タを示すダイヤグラムである。

【図３】上記画像読み取り装置の光学系の構成を示す側
面図である。

【図４】本発明に係る画像読み取り装置の要部の構成の
他の例を示す正面図である。

【図５】上記図４に示した画像読み取り装置により得ら
れる画像データを示すダイヤグラムである。

【図６】上記図４に示した画像読み取り装置の光学系の
構成を示す側面図である。

【図７】上記図４に示した画像読み取り装置の構成を示
す側面図である。

【図８】歪みのない光学系を有する画像読み取り装置の
要部の構成を示す正面図である。

【図９】上記図８に示した画像読み取り装置により得ら
れる画像データを示すダイヤグラムである。

【図１０】上記図８に示した画像読み取り装置における
画素の形状を示す拡大正面図である。

【図１１】上記図１に示した画像読み取り装置における
画素の形状を示す拡大正面図である。

【図１２】本発明に係る画像読み取り装置における画素
の形状の他の例を示す拡大正面図である。

【図１３】本発明に係る画像読み取り装置における画素
の形状のさらに他の例を示す拡大正面図である。

【図１４】従来の画像読み取り装置の要部の構成を示す
正面図である。

【図１５】上記従来の画像読み取り装置により得られる
画像データを示すダイヤグラムである。

【符号の説明】

５ 第１のレンズ群 ６ 絞り ８ 第２のレンズ群 ９ 固体撮像素子 １１ 受像画素

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結像レンズと、 上記結像レンズにより形成される像面上に配設された撮
   像手段とを備え、 上記撮像手段における受像画素の形状及び配列状態は、
   上記結像レンズが形成する像において生じている歪みの
   形状に対応したものとなされている画像読み取り装置。
2. 【請求項２】 結像レンズは、絞りと、この絞りの前方
   側に位置され該絞り上に後側焦点位置を位置させ物空間
   においてテレセントリック光学系を構成している第１の
   レンズ群と、該絞りの後方側に位置され該絞り上に前側
   焦点位置を位置させ像空間においてテレセントリック光
   学系を構成している第２のレンズ群とを有して構成さ
   れ、 撮像手段は、受像画素の形状及び配列状態が、上記結像
   レンズが形成する像において生じている縦横比の変化に
   対応したものとなされている請求項１記載の画像読み取
   り装置。