JPH11272852A - イメージスキャナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】指紋等の画像読取りに必要な光路長を確保しつ
つ、携帯にも便利な薄型のイメージスキャナを実現す
る。 【解決手段】光源６から窓部５に照射された光は窓部５
に当てられた読取り対象の情報を持って反射し、透明ブ
ロックから成る光路６の上下面に形成された反射面１１
によって反射されながら導かれ結像レンズ８によってイ
メージセンサ９状に結像される。薄型のイメージスキャ
ナを実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、読みとり対象か
らの反射光をイメージセンサにより電気信号に変換し、
その信号を用いて読みとり対象のデータを認識するイメ
ージスキャナに関する。

【０００２】

【従来の技術】光学文字読み取り装置、バーコードリー
ダ、指紋認識装置などの画像認識装置は、照明光源、結
像用レンズ、及びイメージセンサを有し、読み取り対象
を適当な倍率で正しくイメージセンサ上に結像させるよ
うに配置している。

【０００３】図６に上記従来の画像認識装置の中でも比
較的小型に作られた指紋認識装置の光学系の構成を示
す。６は光源である照明用ＬＥＤ、１３は光路を曲げる
ためのプリズム、８は結像用レンズ、９はイメージセン
サ、１４は指紋認識の対象である指をそれぞれ示す。光
源６はプリズム１３上の指紋を読みとる部分を均一に照
明する。この照明光の反射の状態が指紋の凹凸によって
変化するが、それを結像レンズ８でイメージセンサ９上
に結像することによって指紋情報を採取する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】通常、指紋等の読取り
対象の大きさに比べイメージセンサの大きさは数分の１
から数十分の１であるため、適当な倍率で縮小してイメ
ージセンサに結像しなければならない。レンズとイメー
ジセンサの間隔を極端に短く取ることは設計上困難なた
め、十分な縮小倍率を得るためには、指紋読取り位置と
イメージセンサの間に十分な光路長が必要となる。この
結果、図６のような構造では、装置の厚さ、幅ともに大
きくなり、携帯にも不便なため、用途も限定されてく
る。本発明は、かかる従来の画像認識装置の技術の現状
に鑑みてなされたものであり、その目的は上記のような
欠点を解消し、用途を広げるカード状の薄いイメージス
キャナを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本願請求項１の発明は、
読取り対象に照明光を照射する光源と、読みとり対象か
らの反射光を受光し電気信号に変換するイメージセンサ
と、前記反射光をイメージセンサに結像させる光学系
と、イメージセンサから読み出された信号を記憶する記
憶手段と、前記照明光源、記憶手段等を制御する制御手
段と、上下面のうち少なくとも読取り対象を当てる窓部
を除く部分を反射面とした光学的に透明なブロック平板
からなる光路とを有し、前記窓部において反射してブロ
ック平板内部に戻った光がブロック平板の上面及び下面
の反射面で反射を繰り返しながら伝搬して前記光学系に
導かれることを特徴としたイメージスキャナである。

【０００６】すなわち、光学的に透明で上下面が平行な
反射面をなすようなブロック平板を光路として用いるこ
とによって、反射光を折り返しながら受光部に伝えるこ
とで、縮小光学系に必要な所望の光路長を全体として確
保しながら、装置の薄型化を実現することを特徴とする
ものである。なお、請求項２の発明は、前記光学系の光
路を構成する透明なブロック平板をプラスチックで実現
したことを特徴とする請求項１に記載のカード型イメー
ジスキャナである。

【０００７】

【発明の実施の形態】この発明の実施例について図１を
参照して説明する。図１の（Ａ）はこの実施例であるカ
ード型イメージスキャナの平面図、（Ｂ）は側面図であ
る。図１において、１はカード本体、２はカード内部の
光学系部、３は処理回路部、４はインタフェース部を示
す。

【０００８】図２は図１（Ａ）における光学系部２のａ
−ａ’断面を示す。光学系部２は光源６、光路７、結像
レンズ８、イメージセンサ９から構成され、その周囲を
ケース１２が覆っている。ただし窓部５においては、光
路７がケース１２によって覆われることはなく外部に露
出している。光源６は面照明に用いるアレイ状のＬＥＤ
からなる。光路７は光学的に透明なプラスチック（たと
えばＰＭＭＡ）のブロック平板で構成され、その内部に
光線を良好に通す。また光路７を形成するプラスチック
平板の上下面は、窓部５にあたる部分を除いて、金属蒸
着膜等で形成された反射面１１で覆われ良好な反射面を
形成している。そして、プラスチック平板の窓部に当た
る部分、および光源６とレンズ８に対向する面は、いず
れも金属膜による表面処理は行わず平面加工のみのむき
出しの状態である。

【０００９】光源６であるＬＥＤからでて光路７のプラ
スチックに入射した光１０は窓部５を均一に照明する。
窓部５のプラスチック表面には読みとり対象がおかれ
る。この窓部において光１０が反射するが、その際、後
述するような光学的メカニズムによって所望の情報を反
射光のパワー分布として反映し、さらに光路７の上下面
で反射を繰り返しながら光路内部を導かれ、結像レンズ
８によって所定の倍率で縮小されてイメージセンサ９上
に結像する。ただし図では、窓部で反射する光１０はそ
の光軸の１本のみで代表している。

【００１０】イメージセンサ９は２次元状に光電変換素
子を配列したＣＣＤセンサやＭＯＳセンサ等である。イ
メージセンサ９に結像した光はその強弱の分布に応じて
電気信号に変換され出力される。この出力信号を信号処
理回路８に通して認識処理等を行い、その結果をインタ
ーフェース１１を介してパソコンに出力する。

【００１１】図３は本装置によって指紋を読みとる状況
を模式的に示したものである。図３を用いて、窓部にお
ける指紋読取り時の光学的作用について詳細に説明す
る。窓部５に指１４を押し当てると、指紋の山の部分１
５が光路７に密着し、指紋の谷の部分１６は光路７との
間に隙間を作る。すなわち谷の部分では空気とプラスチ
ックが接する状態となる。ＬＥＤ光源６から出て窓部５
に照射された光線ａ、ｂ、ｃ、ｄのうち、指紋の山の部
分すなわちプラスチックと指が密着している部分に照射
された光ａ、ｃは吸収される。しかし、指紋の谷の部
分、すなわち空気がプラスチックに接している部分に照
射された光ｂ、ｄは、その入射角が全反射条件を満足す
るようにあらかじめ設計されていればプラスチックと空
気の境界で全反射し、全反射光ｂ”、ｄ”として光路７
内に戻り光路７の上下の反射面で多重反射しながらレン
ズ８のある受光側に導かれる。

【００１２】全反射条件については、空気の屈折率は１
であるから、例えばプラスチックの屈折率を１．５とす
ると、窓部５への入射角の正弦ｓｉｎθが、１／１．
５、すなわち２／３より大きい場合は、全反射条件を満
たし境界面での全反射が生じる。すなわちこの条件を満
たすように光源６の位置や角度を設計すれば、指紋の谷
に照射された光は全反射する。厳密には、照明用ＬＥＤ
等の光源６から出て窓部５に照射される光は所定の広が
りをもっているので窓部５への入射角θにもばらつきが
あるが、光軸の入射角が余裕をもって全反射条件を満た
すように設計すれば、指紋の谷部と山部とで十分大きな
反射光量比を確実に得ることができる。なお当然なが
ら、全反射光ｂ”、ｄ”が光路７の中を受光側方向に導
かれるようにするため、光源６を、窓部５に対して受光
側と反対の位置に配置している。

【００１３】次に紙面等の印刷物１７に印刷された文字
や図形１８を読み取る装置の場合の光学的作用について
図４を用いて説明する。まず図４（Ａ）のように、読み
取り対象である印刷物とプラスチックとが完全に密着し
ている場合、ＬＥＤ２からでた光線のうち、図形１８の
白く印刷された部分１９に照射された光ｂ、ｄはほとん
ど散乱されて散乱光ｂ’、ｄ’として再びプラスチック
内に戻り、黒く印刷された部分２０に照射された光ａ，
ｃはそこで吸収されていしまうため散乱光を生じない。
ただし反射率の違いに関わらず印刷物１７の表面では入
射光と対称の方向に正反射が生じ、この正反射光は散乱
光のレベルよりはるかに大きいため散乱光の強弱に含ま
れる情報を失わせる原因になる。このため図４（Ａ）で
は正反射が受光側に導かれないような入射角で照明光が
照射されるようにしている。

【００１４】また図４（Ｂ）のように、読み取り対象と
プラスチックの間に空気２１の層が存在する場合は、プ
ラスチックと空気の界面を全反射せず透過した光ａ、
ｂ、ｃ、ｄが印刷物１７の表面に照射され、図形１８の
うち白く印刷された部分１９に照射された光ｂ、ｄの一
部は散乱光ｂ’、ｄ’として再びプラスチック光路７内
に戻り、さらにその一部は光路７内を反射しながら受光
側に導かれる。黒く印刷された部分２０では反射率が低
いため、照射された光ａ、ｃはほとんど吸収されてしま
うことは同図（Ａ）の場合と同じである。

【００１５】また印刷物１７表面での正反射光が受光側
に導かれないような配置をとる必要があることも、同図
（Ａ）の場合と同様である。さらにこの例ではプラスチ
ック光路７と空気２１が接しているため、照射された光
がその界面で全反射する可能性がある。空気２１との界
面で全反射すれば、印刷物１７に届かず効率が悪くなる
だけでなく、大きなエネルギーを有する全反射光が受光
側に導かれると全く白黒が判別できなくなる。この問題
に対しても、同図（Ｂ）のように光路７と空気２１との
界面に対する照射光の入射角を小さくとって全反射条件
を回避したり、光源６の位置を窓部５に対して受光側寄
りに取ることによって仮に全反射光が生じても受光側に
導かれないようにすることで対応可能である。

【００１６】同図（Ａ）、（Ｂ）の例では、照射光ａ〜
ｄはほぼ境界面および印刷物１７の表面に対して垂直に
入射しているので、印刷物１７表面からの正反射光は入
射方向に向かって戻り、また境界面で全反射条件を満た
す可能性は小さく仮に全反射が生じてもやはり入射方向
に向かって戻るため、受光側に戻ることはない。この回
避のための光源の配置は例えば図５に示すようなもので
ある。図５では、光源６から出た光が窓部５に対して、
ほぼ垂直かあるいは受光側の角度から入射するように光
源６を窓部５に対して受光側寄りよりに配置している。
この結果、全反射光ａ”、ｂ”は受光側に導かれること
なく反対方向に放出され、受光側での白黒判別に悪い影
響を与えることは無い。

【００１７】以上のように、凹凸のある指紋等を読みと
る場合は界面での全反射光の有無を利用し、平板な印刷
物上の白黒を判別するときは全反射光や正反射光を避け
て散乱光を利用するという、光学作用の違いはあって
も、いずれの場合も本願発明のような透明ブロックを光
路とする基本的な構造は共通であり、いずれの場合も、
窓部１からプラスチック平板の光路７に戻った光は、金
属膜等を蒸着して形成した対向する反射面１１の間で反
射を繰り返しながら伝搬し、結像用レンズ８でイメージ
センサ９上に結像され、読みとり対象の情報を再現す
る。こうして、イメージセンサ９内で電気信号に変換さ
れた出力を取り出すことによって読みとり対象の情報を
得ることができる。

【００１８】上記実施例では、結像レンズ８は、光路７
を形成するプラスチック平板光路７の外部に配置した
が、他の方法で結像レンズの光学的な機能を実現するこ
とも可能である。例えば、イメージセンサ９に対向する
光路７の終端面を球面あるいは非球面のレンズ効果を持
つような曲面とすることで、外部に結像レンズを持たな
くても、イメージセンサ９上に光を結像させることがで
きる。

【００１９】同様に、光路７を構成するプラスチック平
板中の光線が通過する部分の屈折率分布を制御すること
によってプラスチック平板の内部にレンズ効果を生じさ
せることが可能であることも光学的には周知である。ま
た、光路７は光学的に透明で一様な材質であれば良く、
上記実施例では安価で量産の容易なプラスチック平板を
用いたが、例えば光学ガラスを用いればより高精度の装
置を実現することができる。

【００２０】

【発明の効果】本発明では光学的に透明なブロック平板
から成る光路７の上下面を反射面として、光が両反射面
の間を多重に反射しながら受光部に導かれるような構造
をとることで、縮小光学系の設計に十分な光路長を確保
しながら、光学系部分をカードのように薄くすることを
可能にした。電気信号処理回路部分を薄型化することは
周知の技術によっても比較的容易であるため、このよう
に光学系部分を薄型化することにより、たとえばパソコ
ンへのインタフェースの標準であるＰＣＭＣＩＡカード
に準拠して製作することも可能となり、携帯可能な画像
認識装置を実現することができる。

【００２１】またブロック平板の部材としてプラスチッ
ク平板を用いれば安価で量産に適したカード型イメージ
スキャナを実現することができる。とくに、本発明によ
るカード型画像認識装置を用いて指紋認識装置を実現
し、銀行のキャッシュカード、クレジットカード、コン
ピュータへのアクセス用カード等として使用すれば、従
来のようにセキュリティ管理を暗唱番号のみに依存する
システムに比べて、格段に優れたセキュリティ・システ
ムを構築することができる。

【００２２】

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明によるカード型イメージスキャナ
の外観を示す。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図であ
る。

【図２】図２は本発明によるカード型イメージスキャナ
の光学系部の構造を示す。

【図３】図３は本発明のカード型イメージスキャナによ
る指紋読取り状態を示す。

【図４】図４は本発明のカード型イメージスキャナによ
る印刷物の読取り状態を示し、（Ａ）は印刷物とプラス
チックが密着している場合の図、（Ｂ）は印刷物とプラ
スチックの間に空気層がある場合の図を示す。

【図５】図５は正反射および全反射の回避のための配置
例を示す。

【図６】図６は従来のイメージスキャナを用いた指紋読
取り状態を示す。

【符号の説明】

１ カード本体 ２ 光学系部 ３ 処理部 ４ インタフェース ５ 窓部 ６ 光源 ７ 光路 ８ 結像レンズ ９ イメージセンサ １０ 光 １１ 反射面 １２ ケース １３ プリズム １４ 指 １５ 指紋の山部 １６ 指紋の谷部 １７ 印刷物 １８ 印刷された図形 １９ 白部 ２０ 黒部 ２１ 空気 ａ、ｂ、ｃ、ｄ 照射光 ｂ’、ｄ’ 散乱光 ａ”、ｂ”、ｃ”、ｄ” 全反射光

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】読取り対象に照明光を照射する光源と、読
   みとり対象からの反射光を受光し電気信号に変換するイ
   メージセンサと、前記反射光をイメージセンサに結像さ
   せる光学系と、イメージセンサから読み出された信号を
   記憶する記憶手段と、前記照明光源、記憶手段等を制御
   する制御手段と、上下面のうち少なくとも読取り対象を
   当てる窓部を除く部分を反射面とした光学的に透明なブ
   ロック平板からなる光路とを有し、前記窓部において反
   射してブロック平板内部に戻った光がブロック平板の上
   面及び下面の反射面で反射を繰り返しながら伝搬して前
   記光学系に導かれることを特徴としたイメージスキャ
   ナ。
2. 【請求項２】前記光学系の光路を構成する透明なブロッ
   ク平板をプラスチックで形成したことを特徴とする請求
   項１に記載のイメージスキャナ。