JPH10503031A - 光学結像系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 主として指紋読取り装置用の、全反射プリズム（２）の物体面（２．２）と像面の間の光学結像系が、この物体面を像面に結像するための光学素子（３）およびこの像面にある電子像検出器（４）を含む。この光学素子が光軸並びに、それぞれ、入射瞳および射出瞳を形成する。この全反射プリズム（２）は、光学素子（３）の入射瞳の前に配置されている。このプリズムは、このプリズムの内部からこの物体面を照明するために光を受ける第１面、およびこの物体面から反射された光をこの光学素子に向けて通すもう一つの面を有する。この物体面は、光軸とある角度を成し、それは、もし、このプリズムの屈折率が１．５と１．８５の間であるなら、４５°と６５°の間であるのが好ましい。この全反射プリズム（２）の物体面（２．２）は、光軸（３．０）に対して法線方向にずれていて、像検出器（４）も光軸（３．０）に対して法線方向に、上記物体面の像の位置に対応する程度にずれている。

Description

【発明の詳細な説明】 光学結像系 この発明は、主として指紋読取り装置用の、全反射プリズムの物体面と像面の 間の光学結像系であって、この物体面を上記像面に結像するための光学素子を含 み、上記光学素子が光軸並びに、それぞれ、入射瞳および射出瞳を形成し、上記 全反射プリズムがこの光学素子の入射瞳の前に配置され、上記プリズムが、この プリズムの内部からこの物体面を照明するために光を受ける第１面、およびこの 物体面から反射された光をこの光学素子に向けて通すもう一つの面を有し、この 物体面が光軸とある角度を成し、上記系が更に電子像検出手段を含む結像系に関 する。 そのような指紋識別光学系は、米国特許第５，１８７，７４８号に記載されて いる。この特許では、半透明鏡を全反射プリズムと光学素子の間の光路に傾斜状 態で配置し、この鏡がプリズムから来る光を分割し、従って像を像検出器の方へ 通すだけでなく、直接見られるようにもする。この全反射プリズムは、光軸に配 置され、その物体面がその軸に対して傾斜させている。この物体面の傾斜した状 態が、全反射プリズムを使う全てのシステムの特徴である。 傾斜物体面が光軸に対して直交する像面に結像するとき、物体の対向する縁か ら到達する光線の間に光路差があるために、歪みと解像度の許容できない低下が 生じ、このため複雑なレンズ系を使用し物体−光学素子間の距離を大きく選んで 補正しなければならない。この距離は、装置の大きさを増し、取扱いをより困難 にし、大きさが問題となる場合に使用できずまたレンズ系が複雑になることは、 コスト増加の要因となる。 光路差の部分補正は、ＥＰ ０ ３６１ ９８７ Ａ１で開示されており、全 反射プリズムと光学素子の間の光路に更なるプリズムおよびこの光学素子と像検 出器の間にピンホールを挿入するようになっている。この解決法によって、画像 歪みは５％以下に減少したが、光学素子の数の増加およびピンホールが存在する ことによって、感度が減少した。即ち、許容できる明るさの像を得るためには非 常に明るい照明が必要である。 この発明の目的は、物体面が光軸に対して傾斜しているにも拘らず、歪みが許 容でき、解像度が良く、十分な感度を有し、その上、既知の系に比べて長さが実 質的に小さい、上記の種類の光学結像系を提供することである。この大きさの小 さいことが、コンパクトな指紋読取り装置を構成するために極めて重要である。 この発明によれば、上記の問題は、全反射プリズムを光軸に垂直な方向にずら して、この物体面の中心が光軸上にないようにすると軽減できることが分ってい る。このずらした配置から、像検出器、即ち、ＣＣＤマトリックス検出器も光軸 からずれた位置に配置すべきであるということになる。この位置は、物体面を像 面に結像したときの位置に対応する。このずらした配置は、光学素子の寸法決定 を容易にし、光路長差による幾何学的歪みを許容水準まで減少し、たとえ物体− 光学素子間の距離が減少しても、像を高解像度にすることができる。 もし、物体面が光軸と４５°と６５°の間の角度とを成し、もし、この全反射 プリズムの屈折率が１．５と１．８５の間であれば、全反射のための条件が与え られる。 好適実施例に於いては、この全反射プリズムの第２面が湾曲面であって、それ がこの物体面を、このプリズムの内部に来る更なる湾曲面に結像し、この更なる 湾曲面と光軸の間の平均角度が物体面と光軸の間の角度より大きい。 この湾曲面が球面であり、その曲率半径が、この光学素子の入射瞳に近い領域 で光軸に当るのが好ましい。そのように設計すれば、像形成主光線の有効光路長 差が４％未満になるだろう。 歪みと点像分布関数を最小にするためには、光学素子の口径比がｆ／６とｆ／ ３．５の間であり、この光学素子のペッツヴァル和が−０．１と０．３の間にあ る。 ３枚または４枚の単レンズの光学素子を使っても、歪みを許容水準まで下げる ことができ、その場合のレンズの曲率半径、屈折率、厚さおよび間隔の最適値を 決めることができる。 この発明による光学結像系の光の強さは強く、それで十分な感度を有し、その 体積は小さく、且つ使用する光学素子の枚数が少ないため、その製造コストも少 ない。ＣＣＤマトリックス検出器に結合した系に適当な補正ソフトウエアを使う ことによって、電子画像処理で残りのわずかな歪みの補正を可能にする。 “台形”歪みの大きさは、物体面と光軸の間の角度に依り、４％と８％の間に ある。点像分布関数の大きさも、１０〜３５μｍの間にあり、それですばらしく 鮮明な像を提供する。 さて、この発明をその好適実施例に関連し、添付の図面を参照して、説明する 。 第１図は、この発明による光学結像系の第１実施例の概略配置を示し； および 第２図は、更なる実施例を示す。 第１図に示す指紋結像光学系で、プリズム２は、光学素子３の光軸３．０とδ ＝４５°の角度を成す全反射物体面２．２を有する。それは、この全反射物体面 ２．２の照明は、ほぼ平行にされた単色光の光源１によってプリズム２の下面２ ．１から行う。指紋は、この物体面２．２の領域内に２５ｍｍ×２５ｍｍの大き さで作り、点２．２．１、２．２．２、２．２．３によって示す。上記の大きさ の物体領域を光軸３．０に対してずれた位置に配置する。指紋の像は、プリズム の球面２．３によって形成され光学素子３へ指向される。光学素子３の口径比は ｆ ３の曲率半径はＲ＝７５ｍｍである。プリズム２の球面２．３は、点２．２．１ 、２．２．２、２．２．３の指紋の像を仮想面２．４上に点２．２．１’、２． ２．２’、２．２．３’に対応させて創ることによって補正プリズムとしての機 能を果す。面２．４と光軸３．０の間の平均角度は、物体面２．２の角度より大 きい。球面２．３が存在するので、指紋の極値点２．２．１、２．２．２、２． ２．３から出発する主光線Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の光路長の差が４％未満になる。 球面２．３によって面２．４上に創られた指紋の像は、光学素子３のペッツヴ ァル面とほぼ一致する。その場合、光学素子３のペッツヴァル和は、Ｐ＝−０． １である。４枚のレンズ、即ち、集合レンズ３．１、回折レンズ３．２、回折レ ンズ３．３および集合レンズ３．４から成り、全体のペッツヴァル和が−０．１ である疑似対称形光学素子３は、光軸に垂直である光学素子３の像面に品質の優 れた像を作り、光軸３．０に対してずれた位置に像検出器４を配置することがで きる。この像検出器４は、十分な解像度のあるＣＣＤ検出器であるのが好ましい 。物体面２．２での大きさが２５ｍｍ×２５ｍｍである指紋の物体領域の中心点 ２．２．２に対する“台形”歪みは、物体面の傾斜角が４５°である場合、約８ ％である。 第２図は、この発明による結像システムの更なる実施例を示し、この場合、プ リズム２の全反射物体面２．２と光軸３．０の間の角度はδ＝６５°である。プ リズム２の照明は、先の実施例の場合と同じ方法で行う。指紋に対する領域は、 プリズム２の全反射物体面２．２上で２５ｍｍ×２５ｍｍの大きさであり、これ １．８の屈折率を有し、指紋の像は、プリズム２の球面２．３を通って光学素子 ３の方へ進む。球面２．３の曲率中心点は、光学素子３の入射瞳の直ぐ近くで光 軸３．０に当り、その曲率半径は、Ｒ＝７６．４３ｍｍである。この球面２．３ の機能は、第１実施例と同じである。第２図の配置で、指紋の領域の中心点から 発する像面までの主光線の有効光路長の間の差は、２％未満で、これは主として 球面２．３が存在するためである。 仮想面２．４上にできた指紋の像が、光学素子３のペッツヴァル和をＰ＝０． ３程の高度にできるようにする。光学素子３は、この実施例では、３枚のレンズ だけ、即ち、集合レンズ３．５、回折レンズ３．６および集合レンズ３．７から 成る。光学素子３は、光軸に垂直である像面に品質の優れた像を作り、そこに像 検出器４を配置する。物体面２．２での指紋の領域の中心点２．２．２に対する “台形”歪みは、±４％である。点像分布関数の大きさは、１０〜３５μｍの間 にあり、非常によい解像度になるに十分である。 第１図および第２図に示す実施例は、実際に実現できる範囲の二つの極値に対 応する。これらの極値の間で、幾つかの他の中間実施例を具体化することができ 、それらは、全て以下の性質によって特徴付けることができる： １）プリズム２の物体面が光学素子３の光軸３．０からずれていて、このプリズ ム２の光学素子３に最も近い面が球面２．３であり、この面の曲率中心点がこの 光学素子３の入射瞳に近接して光軸３．０に当る。 ２）全反射物体面２．２と光軸３．０の間の傾斜角の関数として、屈折率の値ｎ 、 主光線Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の有効光路長の差ｄＰ、ペッツヴァル和Ｐ、レンズの枚 数および光学素子３の口径比Ｆナンバ並びに“台形”歪みＴの量を以下の第１表 で与える。 良い品質の像を得るためには、光学素子３を構成するレンズの焦点距離ｆ_iと 光学素子３の合成焦点距離ｆ’の間にある関係を保たねばならない。４枚レンズ の実施例の場合、この関係は： ３枚レンズの第２実施例の場合、この関数は、次の通である： それぞれ、４枚レンズおよび３枚レンズの光学素子３の好適実施例で、この光 学素子の実際のパラメータを第２表および第３表で与える。第２表は、４枚レン ズの第１実施例に当てはまり、第２表は、３枚レンズの第２実施例に当てはまる 。これらの表で、Ｒｉは、ｉ番目の面の曲率半径を指し、そのとき、凸面の場合 は数値が正で、凹面ならば負である。通し番号ｉは、光源から像面に向かって増 加する。レンズｌｉは、ｉ番目のレンズを指し、ｄｉは、ｉ番目のレンズｌｉの 光軸に沿った厚さを指し、ｎｉは、ｉ番目のレンズｌｉの屈折率を指し、ｅｉｊ は、レンズｌｉとｌｊの間の光軸に沿った間隔を指す。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年８月１５日 【補正内容】 明細書 光学結像系 この発明は、主として指紋読取り装置用の、物体を結像するための光学結像系 であって、この物体を受けるための物体面を構成する全反射面を備える全反射プ リズムで、この全反射プリズムがこの物体面上に置かれた物体をこのプリズムの 内部から照明するために光を受けるための第１透過面、およびこの全反射面から 反射された光を透過するための第２透過面を有するプリズム；光軸並びに入射瞳 および射出瞳を有する光学手段で、この入射瞳がこの第２透過面を透過した反射 光を受け、この光学手段がこの光軸に垂直な像面に物体面の像を形成する光学手 段；並びに、この像面に位置する電子像検出手段を含む結像系に関する。 そのような指紋識別光学系は、米国特許第５，１８７，７４８号に記載されて いる。この特許では、半透明鏡を全反射プリズムと光学素子の間の光路に傾斜状 態で配置し、この鏡がプリズムから来る光を分割し、従って像を像検出器の方へ 通すだけでなく、直接見られるようにもする。この全反射プリズムは、光軸に配 置され、その物体面がその軸に対して傾斜させている。この物体面の傾斜した状 態が、全反射プリズムを使う全てのシステムの特徴である。 ＥＰ ０ ５８５ １４１ Ａ２では、指の像を、全反射プリズム、結像光学 素子およびＣＣＤカメラを使うことによって作る。物体面をこの結像光学素子の 光軸上に置き、この配置の結果は、丁度先に引用した刊行物の場合と同様に、像 が歪むことになる。 傾斜物体面が光軸に対して直交する像面に結像するとき、物体の対向する縁か ら到達する光線の間に光路差があるために、歪みと解像度の許容できない低下が 生じ、このため複雑なレンズ系を使用し物体−光学素子間の距離を大きく選んで 補正しなければならない。この距離は、装置の大きさを増し、取扱いをより困難 にし、大きさが問題となる場合に使用できずまたレンズ系が複雑になることは、 コスト増加の要因となる。 光路差の部分補正は、ＥＰ ０ ３６１ ９８７ Ａ１で開示されており、全 反射プリズムと光学素子の間の光路に更なるプリズムおよびこの光学素子と像検 出器の間にピンホールを挿入するようになっている。この解決法によって、画像 歪みは５％以下に減少したが、光学素子の数の増加およびピンホールが存在する ことによって、感度が減少した。即ち、許容できる明るさの像を得るためには非 請求の範囲 １． 主として指紋読取り装置用の、物体を結像するための光学結像系であっ て： 中心（２．２．２）を有し、この物体を受けるための物体面（２．２）を構成 する全反射面を備える全反射プリズム（２）で、この全反射プリズム（２）が上 記物体面（２．２）上に置かれた物体をこのプリズム（２）の内部から照明する ために光を受けるための第１透過面（２．１）、および上記全反射面から反射さ れた光を透過するための第２透過面（２．３）を有するプリズム； 光軸並びに入射瞳および射出瞳を有する光学手段（３）で、上記入射瞳がこの 第２透過面（２．３）を透過した反射光を受け、上記光学手段（３）がこの光軸 に垂直な像面に物体面（２．２）の像を形成する光学手段；並びに この像面に位置する電子像検出手段（４）を含む結像系に於いて、 この物体面（２．２）の上記中心（２．２．２）がこの光軸（３．０）からこ の光軸（３．０）に対してその垂直方向にずれていて、上記像検出手段（４）も この光軸（３．０）から上記光学手段（３）による上記像形成に従ってずれてい ることを特徴とする結像系。 ２． 請求項１で請求する結像系に於いて、この物体面（２．２）が光軸（３ ．０）と４５°と６５°の間の角度とを成し、この全反射プリズム（２）の屈折 率が１．５と１．８５の間であることを特徴とする結像系。 ３． 請求項１で請求する結像系に於いて、この全反射プリズム（２）の第２ 面（２．３）が湾曲面であって、それがこの物体面（２．２）を、このプリズム （２）の内部に来る更なる湾曲面（２．４）に結像し、この更なる湾曲面（２． ４）と光軸（３．０）の間の平均角度が物体面（２．２）と光軸（３．０）の間 の角度より大きいことを特徴とする結像系。 ４． 請求項３で請求する結像系に於いて、上記湾曲面（２．３）が球面であ り、その曲率半径が、この光学手段（３）の入射瞳に近い領域で光軸（３．０） に当ることを特徴とする結像系。 ５． 請求項２ないし請求項５のいずれか一つで請求する結像系に於いて、上 記光学手段（３）の口径比がｆ／６とｆ／３．５の間であり、この光学手段（３ ）のペッツヴァル和が−０．１と０．３の間にあることを特徴とする結像系。 ６． 請求項５で請求する結像系に於いて、この光学手段（３）が３枚の単レ ンズ（３．５、３．６および３．７）を含み、これらのレンズの正規化焦点距離 が以下の範囲に入ることを特徴とする結像系： ７． 請求項６で請求する結像系に於いて、この全反射プリズム（２）の物体 面（２．２）が光軸（３．０）と６５°の角度を成し、この第２面（２．３）が 球面であり、その半径が約７６ｍｍと７７ｍｍの間にあり、その中心点がこの光 学手段（３）の入射瞳の中心点に当ることを特徴とする結像系。 ８． 請求項６で請求する結像系に於いて、光学手段（３）のレンズ（３．５ 、３．６および３．７）の曲率半径（Ｒ１．．．Ｒ６）、これらのレンズの光軸 （３．０）に沿って測った厚さ（ｄ１、ｄ２、ｄ３）、それらの間の間隔（ｅ１ ，２、ｅ２，３）並び屈折率（ｎ１、ｎ２、ｎ３）が実質的に以下の表によって 定められることを特徴とする結像系： ９． 請求項５で請求する結像系に於いて、この光学手段（３）が４枚の単レ ンズ（３．１、３．２、３．３および３．４７）を含み、それらの焦点距離（ｆ ３．１、ｆ３．２、ｆ３．３およびｆ３．４）と４枚のレンズの正規化焦点 距離の間の関係が以下の範囲に入ることを特徴とする結像系： １０． 請求項９で請求する結像系に於いて、この全反射プリズム（２）の物 体面（２．２）が光軸（３．０）と４５°の角度を成し、この第２面（２．３） が球面であり、その半径が約７５ｍｍであり、その中心点が光学手段（３）の入 射瞳の中心点に当ることを特徴とする結像系。 １１． 請求項９で請求する結像系に於いて、光学手段（３）のレンズ（３． １、３．２、３．３および３．４）の曲率半径（Ｒ１．．．Ｒ８）、これらのレ ンズの光軸（３．０）に沿って測った厚さｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、それらの間 の間隔ｅ１，２、ｅ２，３およびｅ３，４並び屈折率ｎ１、ｎ２、ｎ３およびｎ ４が実質的に以下の表によって定められることを特徴とする結像系：

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＮ，Ｃ Ｚ，ＥＥ，ＦＩ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＮ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，Ｔ Ｔ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 キッス，イムレ ハンガリー国 エィチ − 1032 ブダペ スト，バラディ ユー．22

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 主として指紋読取り装置用の、全反射プリズムの物体面と像面の間の光 学結像系であって、この物体面を上記像面に結像するための光学素子を含み、上 記光学素子が光軸並びに、それぞれ、入射瞳および射出瞳を形成し、上記全反射 プリズムがこの光学素子の入射瞳の前に配置され、上記プリズムが、このプリズ ムの内部からこの物体面を照明するために光を受ける第１面、およびこの物体面 から反射された光をこの光学素子に向けて通すもう一つの面を有し、この物体面 が光軸とある角度を成し、上記系が更に電子像検出手段を含む結像系に於いて、 上記全反射プリズム（２）の上記物体面（２．２）がこの光軸（３．０）に対し て法線方向にずれていて、上記像面にある上記像検出手段（４）も光軸（３．０ ）に対して法線方向に、上記物体面の像の位置に対応する程度にずれていること を特徴とする結像系。 ２． 請求項１で請求する結像系に於いて、この物体面（２．２）が光（３． ０）軸と４５°と６５°の間の角度とを成し、この全反射プリズム（２）の屈折 率が１．５と１．８５の間であることを特徴とする結像系。 ３． 請求項１で請求する結像系に於いて、この全反射プリズム（２）の第２ 面（２．３）が湾曲面であって、それがこの物体面（２．２）を、このプリズム （２）の内部に来る更なる湾曲面（２．４）に結像し、この更なる湾曲面（２． ４）と光軸（３．０）の間の平均角度が物体面（２．２）と光軸（３．０）の間 の角度より大きいことを特徴とする結像系。 ４． 請求項１で請求する結像系に於いて、上記湾曲面（２．３）が球面であ り、その曲率半径が、この光学素子（３）の入射瞳に近い領域で光軸（３．０） に当ることを特徴とする結像系。 ５． 請求項２ないし請求項５のいずれか一項で請求する結像系に於いて、上 記光学素子（３）の口径比がｆ／６とｆ／３．５の間であり、この光学素子（３ ）のペッツヴァル和が−０．１と０．３の間にあることを特徴とする結像系。 ６． 請求項５で請求する結像系に於いて、この光学素子（３）が３枚の単レ ンズ（３．５、３．６および３．７）を含み、それらの焦点距離（ｆ_3.5、 ｆ_3.6、ｆ_3.7）と光学素子（３）の合成焦点距離（ｆ’）の間の関係が： であることを特徴とする結像系。 ７． 請求項６で請求する結像系に於いて、この全反射プリズム（２）の物体 面（２．２）が光軸（３．０）と６５°の角度を成し、この第２面（２．３）が 球面であり、その半径が約７６ｍｍと７７ｍｍの間にあり、その中心点が光学素 子（３）の入射瞳の中心点に当ることを特徴とする結像系。 ８． 請求項６で請求する結像系に於いて、光学素子（３）のレンズ（３．５ 、３．６および３．７）の曲率半径（Ｒ１．．．Ｒ６）、これらのレンズの光軸 （３．０）に沿って測った厚さ（ｄ１、ｄ２、ｄ３）、それらの間の間隔（ｅ１ ，２、ｅ２，３）並び屈折率（ｎ１、ｎ２、ｎ３）が実質的に以下の表によって 定められることを特徴とする結像系： ９． 請求項５で請求する結像系に於いて、この光学素子（３）が４枚の単レ ンズ（３．１、３．２、３．３および３．４７）を含み、それらの焦点距離（ｆ_3.1 、ｆ_3.2、ｆ_3.3およびｆ_3.4）と光学素子（３）の合成焦点距離（ｆ’）の間 の関係が： であることを特徴とする結像系。 １０． 請求項９で請求する結像系に於いて、この全反射プリズム（２）の物 体面（２．２）が光軸（３．０）と４５°の角度を成し、この第２面（２．３） が球面であり、その半径が約７５ｍｍであり、その中心点が光学素子（３）の入 射瞳の中心点に当ることを特徴とする結像系。 １１． 請求項９で請求する結像系に於いて、光学素子（３）のレンズ（３． １、３．２、３．３および３．４）の曲率半径（Ｒ１．．．Ｒ８）、これらのレ ンズの光軸（３．０）に沿って測った厚さ（ｄ１，，ｄ２、ｄ３、ｄ４）、それ らの間の間隔（ｅ１，２、ｅ２，３およびｅ３，４）並び屈折率（ｎ１、ｎ２、 ｎ３およびｎ４）が実質的に以下の表によって定められることを特徴とする結像 系：