JPH11250225A

JPH11250225A - 指紋読取装置

Info

Publication number: JPH11250225A
Application number: JP10049371A
Authority: JP
Inventors: Hidehiro Kume; 英廣久米
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-03-02
Filing date: 1998-03-02
Publication date: 1999-09-17

Abstract

(57)【要約】【課題】指紋を正確に読み取ることができる指紋読取
装置を提供すること。【解決手段】指紋２０が置かれた指紋読取面４４に光
を照射して、指紋読取面４４において全反射させて指紋
の画像情報を含む戻り光を受光することで指紋を光学的
に読み取るための指紋読取装置１０であり、単色であり
点で発光する光源３０と、指紋読取面４４を有する光学
部材３４と、指紋読取面４４に入射する光源３０の光束
がほぼ平行光４６になるように、光源３０と指紋読取面
４４の間に配置された光束整形用光学部材３２とを備え
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、指の指紋が置かれ
た指紋読取面に光を照射して、指紋読取面において全反
射させて指紋の画像情報を含む戻り光を受光することで
指紋を光学的に読み取るための指紋読取装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年の情報処理技術の普及に伴って、シ
ステムの管理や安全性の確保が問題となっている。現
在、たとえば情報処理の分野では、使用者が直接暗証番
号の入力をしたり、暗証番号等を記録した磁気カード等
を用いて各個人の識別を行うことが一般的に採用されて
いる。また個人の生活環境下においては、住宅、車、ロ
ッカー等の鍵等の使用安全性が注目されている。しか
し、従来の安全対策では、使用者が暗証番号を忘れた
り、鍵やカードの紛失及び盗難や偽造される等の恐れが
ある。そこでその改善策として、個人の人間固有で生涯
変わらない指紋に着目して、その手指の指紋パターンを
あらかじめ記録されている参照用の指紋パターンと照合
することにより、システムの管理や安全性の確保を図る
ことが提唱されている。

【０００３】一例として自動車の運転席側のドアに、こ
のような指紋を読み取る指紋照合装置を設けた場合につ
いて考えてみる。この場合には、指紋パターンを登録し
た使用者本人が、この手指の指紋を指紋読取装置に密着
することで、指紋読取装置がその指紋を読み取る。読み
取った結果、手指の指紋が参照用の指紋パターンと一致
した場合には、使用者は運転席側のドアのロックが解除
されてそのドアを開けることができる。このように、本
人であるかどうかの識別のために、手指の指紋を読み取
って判別することが重要になっている。

【０００４】従来人の指紋を光学的に検出する方式とし
ては、プリズムのガラス面に指を密着して、光源からの
光が密着面で反射する光の変化（正反射と乱反射）で生
じる明暗を、撮像レンズ系を介して電荷結合素子（ＣＣ
Ｄ）に取り込むようになっている。

【０００５】図６は図７は、従来の指紋読取装置を示し
ている。図６の指紋読取装置は、白熱ランプ１０００、
プリズム１００１、光学レンズ１００２、ＣＣＤカメラ
（電荷結合素子カメラ）１００３及び処理部１００４を
有している。この指紋読取面１００５には指Ｆを載せ
る。白熱ランプ１０００は点光源であり、この白熱ラン
プ１０００の光はプリズム１００１の指紋読取面１００
５に照射して、その指紋読取面１００５で全反射した光
は、光学レンズ１００２を介してＣＣＤカメラ１００３
に取り込むようになっている。そしてＣＣＤカメラ１０
０３に取り込んだ光は、光−電気信号に変換をして、処
理部１００４で所定の処理を行い、指Ｆの指紋と参照用
の指紋が一致した時に外部出力信号１００６をたとえば
ドアのロック装置のような作動対象１００７に対して供
給する。これにより作動対象１００７のロック状態を解
除するようになっている。

【０００６】一方、図７の従来の指紋読取装置では、点
光源としてＬＥＤ（発光ダイオード）１０１０が発する
光が、プリズム１００１に導かれて、指紋読取面１００
５で全反射し、その光は光学レンズ１００２を介してＣ
ＣＤカメラ１００３に導かれるようになっている。この
場合には複数のＬＥＤ１０１０の光は、拡散板１０１２
により、ＬＥＤ１０１０の光束の強度分布を均一化した
後に、プリズム１００１の指紋読取面１００５に光束を
供給するようになっている。ＬＥＤ１０１０の光束は、
拡散板１０１２を通過することで散乱光になって指紋読
取面１００５に達するが、その指紋読取面１００５に置
かれた指Ｆの指紋１０１４の凹凸によって生じる接触部
と非接触部での反射光の強度の違いにより、濃淡の反射
像を形成する。この反射像は、結像光学系である光学レ
ンズ１００２で結像して、上述したようにＣＣＤカメラ
１００３に取り込んで電気信号に変換する。

【０００７】ここで、指紋読取面１００５に形成するプ
リズム１００１の光源波長での屈折率と、指紋読取面１
００５への光束入射角により、指紋読取面１００５の界
面では次のような全反射条件が成立する。ＩＴ＝ｓｉｎ^-1（ｎ’／ｎ）ＩＴは光束の入射角、ｎは入射する側の媒質の屈折率、
ｎ’は通過する側の媒質の屈折率である。

【０００８】たとえば図７に示す従来例のプリズム１０
０１の光源波長での屈折率を１．５とし、通過側の媒質
である空気の屈折率を１とすると、ＩＴは約４１．８度
となる。すなわち、このような直角型のプリズム１００
１を用いた場合には、指紋読取面１００５への入射光軸
の入射角度はほぼ４５度となり、指紋読取面１００５に
何も接していない場合は、全反射条件を満たすため全て
反射し、指紋読取面１００５に１．０６より高い屈折率
の物質が接すると全反射条件が成り立たないため光束は
界面を通過することになる。この通過した光束が皮膚等
で吸収あるいは散乱されることにより、指紋読取面１０
０５での接触部と非接触部に対応して反射光の強度が変
わり、その結果指紋の凹凸に対応する濃淡像の画像情報
を含む光が得られるのである。つまり接触部では乱反射
して暗くなり非接触部では正反射して明るくなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の指紋
読取装置では、図６において点光源である白熱ランプ１
０００だけを用い、図７では点光源であるＬＥＤ１０１
０を用いており、図７では更に拡散板１０１２を透過さ
せた散乱光を指紋読取面１００５に入射しているが、入
射光束の入射角度は一定とならずにある範囲の角度で入
射してしまうことになる。従来例の場合には、４１．８
度以下の角度で入射した光束は、指紋読取面１００５に
おいて全反射条件を満たさずに空気側に透過屈折し、４
５度以上の角度で入射した光束は指紋読取面１００５に
接触する物質があっても入射角度と接触物質の屈折率に
より全反射が常に成り立ってしまう可能性が高くなる。
このことは、指紋１０１４の接触部及び非接触部の濃淡
像のコントラストを低くして、指紋読取面１００５にお
ける指紋読取性能を低下させることになる。

【００１０】図６に示す白熱ランプ１０００のような点
光源を用いると、波長範囲が広い光源であるために、い
わゆる分散により波長による屈折率のバラツキが発生
し、入射角度の分布によるコントラストの低下と同様に
コントラストの低下が生じてしまう。このように、従来
の光源と光学部品の構成では、指紋１０１４の凹凸の読
取面に接する部分と非接触部分とのコントラストが得ら
れずに、濃淡像の読み取りが不安定になる恐れが高い。
そこで本発明は上記課題を解消し、指紋を正確に読み取
ることができる指紋読取装置を提供することを目的とし
ている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明にあ
っては、指紋が置かれた指紋読取面に光を照射して、指
紋読取面において全反射させて指紋の画像情報を含む戻
り光を受光することで指紋を光学的に読み取るための指
紋読取装置において、単色であり点で発光する光源と、
指紋読取面を有する光学部材と、指紋読取面に入射する
光源の光束がほぼ平行光になるように、光源と指紋読取
面の間に配置された光束整形用光学部材と、を備えるこ
とを特徴とする指紋読取装置により、達成される。

【００１２】本発明では、指紋が置かれた指紋読取面に
光を照射して指紋読取面において全反射させて指紋の画
像情報を含む戻り光を受光することで指紋を光学的に読
み取るための指紋読取装置であり、光源は単色であり点
で発光する。光学部材は、指紋読取面を有している。光
束整形用光学部材は、指紋読取面に入射する光源の光束
がほぼ平行光になるように、光源と指紋読取面の間に配
置されている。これにより、光束整形用光学部材を通る
光源の光束は、常に指紋読取面に入射する場合にほぼ平
行光になるので、指紋読取面を有する光学部材の屈折率
と使用している光源の波長による全反射条件を安定化し
て、指紋読取面に接触する指紋の部分と非接触の部分で
生じる濃淡像のコントラストを高くして、指紋を正確に
読み取ることができる。

【００１３】本発明において、好ましくは光源が半導体
レーザである場合には、光変換効率の高い光源であるの
で、指紋読取装置の消費電力を低減できる。本発明にお
いて、好ましくは光学部材がプリズムであり、光束整形
用光学部材がコリメータレンズであって、このコリメー
タレンズが光学部材と一体に成形されていれば、指紋読
取装置の小型化を実現できる。本発明において、光束整
形用光学部材は光束を広げてほぼ平行光に整形するエキ
スパンド光学素子であると、比較的エキスパンド光学素
子の光源に対する配置位置を自由に設定できるので、指
紋読取装置の小型化が実現できる。本発明において、好
ましくは光束整形用光学部材が光源の光束を反射してほ
ぼ平行光にする非球面の反射面を有する反射光学部材で
あれば、やはりこの反射光学部材は光源に対して比較的
自由な位置及び形状に設定できるので、指紋読取装置の
小型化を実現できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述
べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、
技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明
の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨
の記載がない限り、これらの形態に限られるものではな
い。

【００１５】図１は、本発明の指紋読取装置の好ましい
実施の形態を示しており、この指紋読取装置１０は、接
続ケーブル１２を有している。指紋読取装置１０は、ケ
ース１４を有しており、このケース１４は、好ましくは
指Ｆを光学的に適正な位置にガイドして位置決めするた
めのガイド部１６を有している。このガイド部１６は、
たとえば指Ｆの指紋２０の部分をはめ込むような指Ｆの
形状に合せた凹部形状になっている。このガイド部１６
は、ケース１４の傾斜部分２２に形成されている。

【００１６】図２は、図１の指紋読取装置１０の内部構
造例を示している。図２の指紋読取装置１０のケース１
４の中には、光源としての半導体レーザ３０、コリメー
タレンズ３２、プリズム（光学部材）３４、光学レンズ
３６、ＣＣＤカメラ３８、信号処理部４０等を有してい
る。半導体レーザ３０は、点光源であり、しかも単色で
光変換効率の高いものであるのでこのような半導体レー
ザを採用するのが望ましい。この半導体レーザ３０の出
射する光束４２の波長は、たとえば７８０ｎｍである。

【００１７】図２のコリメータレンズ３２は、半導体レ
ーザ３０の光束４２をほぼ平行光にして、プリズム３４
の指紋読取面４４に導くための光学部材である。このコ
リメータレンズ３２は、半導体レーザ３０とプリズム３
４の間に配置されている。半導体レーザ３０は、たとえ
ばケース１４の底部に位置している。プリズム３４は、
断面が好ましくは三角形状のプリズムであり、たとえば
ガラスあるいはプラスチックにより作られている。プリ
ズム３４の指紋読取面４４は、ケース１４の外部に表出
しており、図１と図２に示すようにガイド部１６の底面
を構成している。この指紋読取面４４の上には、指Ｆの
指紋２０の接触部２０Ａと非接触部２０Ｂを密着して載
せるようになっている。

【００１８】図２の半導体レーザ３０の光束４２はコリ
メータレンズ（光束整形用光学部材）３２より平行光４
６となって、指紋読取面４４において全反射してほぼ９
０°折り曲げられて、光学レンズ３６に導かれる。光学
レンズ３６は、この平行光４６の結像光学系であり、Ｃ
ＣＤカメラ３８に導くようになっている。このＣＣＤカ
メラ３８は、平行光４６を光−電気信号に変換する撮像
素子である。

【００１９】ＣＣＤカメラ３８から出力される画像信号
Ｓ１は、信号処理部４０の画像処理部５０に供給され
る。画像処理部５０は、この画像信号Ｓ１を、たとえば
ある所定のしきい値を基準として２値化して、指紋２０
の接触部２０Ａと非接触部２０Ｂが明確に信号で分ける
ことができるように処理する。このように画像処理部５
０で処理された画像信号Ｓ２は、メモリ５２において記
憶される。メモリ５２で記憶された画像信号Ｓ２と、あ
らかじめ記憶されている参照用の指紋とを、照合部５４
において照合して、その指紋２０が、参照用の指紋と合
致するかどうかを判断する。照合部５４は、たとえばＣ
ＰＵ（中央演算処理部）等を用いることができ、照合結
果が合格である場合には入出力部５６を介して、外部出
力信号Ｓ３を接続ケーブル１２を介して作動対象６０に
送る。この作動対象６０としては、たとえば建物のドア
のロック装置や、自動車の運転席側のドアのロック装置
等である。このような作動対象６０に対して外部出力信
号Ｓ３が送られると、作動対象６０におけるロック装置
のロック状態を解除することができる。

【００２０】図２の実施の形態においては、光束整形用
光学部材としてコリメータレンズ３２を用いており、プ
リズム３４に入射する平行光４６の光束は、指紋読取面
４４において全反射条件に対する入射角度を一定にして
いる。これにより、指紋読取面４４と接触する指紋２０
の接触部２０Ａと非接触部２０Ｂにより形成される濃淡
像のコントラストが安定して、そのような濃淡像の画像
情報を含む戻り光４６Ａが、光学レンズ３６を通じて、
ＣＣＤカメラ３８に取り込むことができる。これにより
確実な指紋２０の画像の読み取りが行える。

【００２１】図２の実施の形態ではコリメータレンズ３
２のみをプリズム３４と半導体レーザ３０の間に配置し
ているが、これに限らずたとえば半導体レーザ３０のい
わゆるファーフィールド光強度の回転非対称性を補正
し、あるいはいわゆる非点隔差による非点収差の補正を
する光学部品を更に配置もしくは補正機能をコリメータ
レンズに具備してもよく、コリメータレンズ（コリメー
ションレンズ）は球面レンズあるいは非球面レンズある
いはその組み合わせレンズを使用することで性能と価格
の整合性を実現することもできる。

【００２２】次に、図３を参照して、本発明の指紋読取
装置１０の別の実施の形態を説明する。図３の指紋読取
装置１０の外観形状は図１に示す通りであり、図３に示
す指紋読取装置１０の内部構造では、この指紋読取装置
１０のケースの中には、半導体レーザ３０、プリズム
（光学部材）３４、光学レンズ３６、ＣＣＤカメラ３
８、信号処理部４０等を有している。半導体レーザ３
０、光学レンズ３６、ＣＣＤカメラ３８及び信号処理部
４０は、図２の実施の形態の対応する部分と同じあるい
はほぼ同じであるので、その説明は図２の実施の形態の
ものを援用する。

【００２３】図３の実施の形態が、図２の実施の形態と
異なるのは次の点である。プリズム３４は、半導体レー
ザ３０と対面する側に、光束整形用光学部材としてのコ
リメータレンズ部１３２を有していることである。この
コリメータレンズ１３２はプリズム３４と一体に形成さ
れており、ガラス又はプラスチックにより作ることがで
きる。このような構造にすると、別体であるコリメータ
レンズが不要になり、プリズム３４と半導体レーザ３０
を収容する収容空間を小さくできるので、指紋読取装置
１０の小型化を図ることができるばかりでなく、材料費
や組立て費の低減も図ることができる。

【００２４】プリズム３４に対してコリメータレンズ部
１３２を一体化する技術としては、インジェクションモ
ールドあるいはプレスモールドにより実現することに加
えて、ガラス製のプリズム３４の上にプラスチック製の
コリメータレンズ１３２を貼り付けたりあるいは光重合
によるレプリカ整形により実現することができる。この
光重合によるレプリカ整形の場合には、たとえば紫外線
を照射することでコリメータレンズ１３２を形成するこ
とができる。その他の点については、図３の実施の形態
や図２の実施の形態と同じであるのでその動作等の説明
は図２の動作等の説明を援用する。

【００２５】次に、図４の本発明の指紋読取装置の実施
の形態では、ケース１４の中に、半導体レーザ３０、エ
キスパンド光学素子２３２、プリズム（光学部材）３
４、光学レンズ３６、ＣＣＤカメラ３８、信号処理部４
０等を有している。図４の実施の形態が、図２の実施の
形態と異なるのは、次の点である。すなわち、プリズム
３４と半導体レーザ３０の間には、エキスパンド光学素
子２３２が配置されていることである。このエキスパン
ド光学素子２３２は、光束整形用光学部材であり、半導
体レーザ３０の光束４２を、ほほ平行光に整形した後
に、プリズム３４の指紋読取面４４に対して導くように
なっている。このようなエキスパンド光学素子２３２
（ビームエキスパンド機能を有する光学部品ともいう）
を用いることで、光源である半導体レーザ３０とプリズ
ム３４の指紋との間の距離を短くして、指紋読取装置１
０の小型化を図ることができる。すなわち、半導体レー
ザ３０をエキスパンド光学素子２３２の入力面側２３２
Ａ側に近づけて配置することができるので、プリズム３
４と半導体レーザ３０の距離を比較的短くすることがで
きる。しかも、そのエキスパンド光学素子２３２の配置
位置は特に限定されず自由に配置することができるの
で、ケース１４内におけるエキスパンド光学素子２３
２、半導体レーザ３０及びプリズム３４の配置位置の自
由度が高い。図４の実施の形態における他の要素は、図
２の実施の形態に対応する要素とほぼ同じあるいは同じ
なのでその説明は図２の実施の形態における説明を援用
する。

【００２６】次に、図５の本発明の指紋読取装置１０の
更に別の実施の形態においては、ケース１４の中に、半
導体レーザ３０、反射光学部品（光束整形用光学部材）
３３２、プリズム（光学部材）３４、光学レンズ３６、
ＣＣＤカメラ３８、信号処理部４０等を有している。図
５の実施の形態が図２の実施の形態と異なるのは、反射
光学部品３３２が、たとえばケース１４の底部に一体的
に配置されていることである。この反射光学部品３３２
は、非球面型の反射面３５０を有している。半導体レー
ザ３０の光束４２は、この非球面型の反射面３５０で反
射されて、ほぼ平行光となってその平行光４６がプリズ
ム３４の指紋読取面４４に導かれるようになっている。
反射光学部品３３２は、半導体レーザ３０の位置とプリ
ズム３４の位置に対応して自由に設計することができる
ので、半導体レーザ３０、反射光学部品３３２及びプリ
ズム３４のレイアウトを自由に設定でき、指紋読取装置
１０の小型化を図ることができる。この反射光学部品３
３２は、ガラス又はプラスチックにより作ることができ
る。この反射光学部品３３２は、ケース１４に対して一
体的に形成するようにすれば、材料費や組立費の低減が
図れるとともに、上述したように指紋読取装置の小型化
にも寄与することができる。図５の実施の形態における
他の要素は、図２の実施の形態に対応する要素とほぼ同
じあるいは同じなのでその説明は図２の実施の形態にお
ける説明を援用する。

【００２７】本発明の実施の形態においては、プリズム
３４の指紋読取面４４において、半導体レーザ３０から
の平行光４６を全反射するようになっており、プリズム
３４（指紋読取用の光学面）の屈折率と、使用している
光源である半導体レーザ３０の光束４２の波長による全
反射条件を安定化して、プリズム３４の指紋読取面４４
に載せた指Ｆの指紋２０の接触部２０Ａと非接触部２０
Ｂで生じる指紋の濃淡像のコントラストを高くすること
ができる。

【００２８】上述したようにたとえば光源として半導体
レーザのような光変換率の高い光源を用いることで、指
紋読取装置１０の消費電力を低減することができる。ま
た光束整形用光学部材としてビームエキスパンド機能を
有する光学素子や反射光学部品を用いることで、指紋読
取装置の小型化を実現することができる。本発明の実施
の形態では指紋読取用の光源を単色かつ点光源にすると
ともに、指紋読取面に入射する光源からの光束がほぼ平
行光になるように、光源と指紋読取面の間に光束整形用
のレンズ効果を有する光束整形用光学部材を配置してい
る。

【００２９】本発明の実施の形態においては、点光源と
して半導体レーザに限らず、たとえばＬＥＤ（発光ダイ
オード）やあるいは単色のその他の種類の点光源を用い
ることも勿論可能である。またこのような指紋読取装置
１０は、建物や自動車のドアのロック装置に対して適用
するのに限らず、金庫のロック装置やあるいはパーソナ
ルコンピュータ等の本人認証もしくはその他のセキュリ
ティ用のロック装置に適用することも勿論可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
指紋に応じた濃淡像のコントラストを高くして、指紋を
正確に読み取ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の指紋読取装置の好ましい実施の形態を
示す外観図。

【図２】図１の指紋照合装置の内部構造例を示す図。

【図３】本発明の指紋読取装置の内部構造例の別の実施
の形態を示す図。

【図４】本発明の指紋読取装置の内部構造例の別の実施
の形態を示す図。

【図５】本発明の指紋読取装置の内部構造例の別の実施
の形態を示す図。

【図６】従来の指紋読取装置を示す図。

【図７】従来の別の指紋読取装置を示す図。

【符号の説明】１０・・・指紋読取装置、１６・・・ガイド部、２０・
・・指紋、２０Ａ・・・指紋の接触部、２０Ｂ・・・指
紋の非接触部、３０・・・半導体レーザ（光源）、３２
・・・コリメータレンズ（光束整形用光学部材）、３４
・・・プリズム（光学部材）、３６・・・光学レンズ、
３８・・・ＣＣＤカメラ（撮像素子）、４０・・・信号
処理部、４４・・・指紋読取面、１３２・・・コリメー
タレンズ部（光束整形用光学部材）、２３２・・・エキ
スパンド光学素子（光束整形用光学部材）、３３２・・
・反射光学部品（光束整形用光学部材）、３５０・・・
非球面型の反射面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】指紋が置かれた指紋読取面に光を照射し
て、指紋読取面において全反射させて指紋の画像情報を
含む戻り光を受光することで指紋を光学的に読み取るた
めの指紋読取装置において、単色であり点で発光する光源と、指紋読取面を有する光学部材と、指紋読取面に入射する光源の光束がほぼ平行光になるよ
うに、光源と指紋読取面の間に配置された光束整形用光
学部材と、を備えることを特徴とする指紋読取装置。
【請求項２】光源は、半導体レーザである請求項１に
記載の指紋読取装置。
【請求項３】光学部材はプリズムであり、光束整形用
光学部材はコリメータレンズである請求項１に記載の指
紋読取装置。
【請求項４】光学部材はプリズムであり、光束整形用
光学部材はコリメータレンズであり、このコリメータレ
ンズは光学部材と一体に成形されている請求項１に記載
の指紋読取装置。
【請求項５】光学部材はプリズムであり、光束整形用
光学部材は光束を広げてほぼ平行光に整形するエキスパ
ンド光学素子である請求項１に記載の指紋読取装置。
【請求項６】光学部材はプリズムであり、光束整形用
光学部材は、光源の光束を反射してほぼ平行光にする非
球面の反射面を有する反射光学部品である請求項１に記
載の指紋読取装置。