JP2006236364A - 信号処理回路及びそれを用いた指紋検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換素子からの信号をＡＤ変換する際に、信号平均レベルに応じて最適な信号レベルを得るための画像センサー信号処理回路を提供する。
【解決手段】画像センサーからの信号出力を反転入力端子の入力として、基準電圧との差を増幅する可変ゲインアンプ１と、この可変ゲインアンプ１の出力である周期的に変化する画素信号の最大値と最小値をサンプル・ホールドするピークホールド回路２と、このピークホールド回路２内で生成される最大値と最小値の差電圧を受け、所定のカットオフ周波数を有するローパスフィルターで低周波成分（平均電圧）を出力する積分器３と、この積分器３の出力を受け、可変ゲインアンプ１の非反転入力端子に、積分器３の出力に応じた基準電圧を出力する基準電圧源５から構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学センサーを用いた指紋検出装置等に代表される、画像センサーからの信号パターンによって判断を行なうシステムに適用して好適な画像センサー信号処理回路に関する。

図８は、従来の光学センサーを用いた指紋検出システムにおける信号処理回路のブロック図である。

また図９は、同システムにおける代表的な光学センサーの信号出力である。図９でＨＩ／ＬＯの信号が周期的に変化しているのは、指紋による指先の形状に凹凸があるためで、凹部では出力が低く、凸部では高くなる。

光学センサーで指紋の凹凸を読み取るために指の周辺には光源が配置されるので、必然的に光源に近い、指の周辺部の指紋による光学センサー出力レベルは高く、光源からの距離が大きく、さらに指内の光の透過率の点から、指の中央部分の指紋による光学センサー出力は低くなってしまい、図９に示したような、指の湾曲形状に近い、指紋による凹凸の周期よりずっと大きな周期の、本来の光信号出力とは関係のない、いわゆるシェーディングが発生する。

このシェーディングにより、指の中央部分の指紋を示すセンサー出力のＳＮ比は低下し、この信号をＡＤ変換したディジタル値を用いた指紋認識のシステムにおける認識率は低下してしまうという問題があった。またこの指の中央部の光強度を上げようとして、指の周辺に配置されている光源の光強度を増すと、指周辺の指紋のセンサー出力が過大になり、いわゆる白飛びを起こし、やはり指紋認識率を低下させてしまう。

従来の信号処理方法は、１フレームの信号の平均レベルに応じて増幅回路のゲインや基準電圧を制御するもので、制御の対象となるセンサー信号のシェーディングの形状によっては、図１０に示したようにそのシェーディングの谷の部分にある画素信号レベルが最適に補正されない問題があった（例えば、特許文献１参照）。

この例では１フレーム分の画素信号レベルの平均値が基準値より高く、一部の画素信号が極端に低い場合に、平均値が基準より高いため、ＡＧＣ(Auto Gain Control Amp.)の基準電圧を高く設定するか、もしくはゲインを低く設定するため、信号レベルが低い画素の信号はさらに小さくなり、ＳＮ比が悪化してしまう。
特開２０００−２９８４６４号公報

しかしながら、撮像素子の信号の平均レベルが、その画素レートに比べゆっくり、図９に示したように大きく変化する場合、その信号を増幅するＡＧＣなどの増幅回路のゲインを単に信号平均レベルに応じて変化させるだけでは、信号のＳＮ比や、その後に配置されるＡＤ変換器のダイナミックレンジを有効に使用することができない。これは信号を増幅する際の基準電圧を一定としているからである。

そこで本発明は、画像センサーからの信号パターンによって判断を行なうシステムにおいて、光電変換素子からの信号をＡＤ変換する際に、信号平均レベルに応じて最適な信号レベルを得るための信号処理回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、光電変換素子からの信号をアナログ・ディジタル変換するための信号処理回路において、光電変換素子からの信号出力を一方の入力として、基準電圧との差を増幅する差動増幅回路と、この差動増幅回路の出力で、画素信号の最大値と最小値をサンプル・ホールドするピークホールド回路と、このピークホールド回路の出力を受け、ローパスフィルターで低周波成分を出力する積分器と、この積分器の出力を受け、前記差動増幅回路の他方の入力に、前記積分器の出力と基準値とを比較した結果に応じた基準電圧を出力する基準電圧源とを備え、前記積分器のカットオフ周波数は、前記光電変換素子からの信号出力の平均値と前記基準値との差の大きさに応じて調節、設定されることを特徴とする。

本発明によれば、信号の振幅（ＡＣ的な変化分）に対し、そのＤＣレベル（平均値）の変動が大きいような信号をＡＤ変換する際に、ＡＤ変換器の入力ダイナミックレンジを有効に活用し、信号ＳＮ比を改善するので、信号の変化分のみをＡＤ変換器の入力ダイナミックレンジに適したレベルにして増幅することができる。

また、増幅回路の基準電圧の調節をすることで、従来、ＤＣ信号部分の変換に使用されていたＡＤ変換器のダイナミックレンジを、信号変化部分のみに用いることができ、変化部分のＡＤ変換精度を向上させることができる。

以下で説明する最良の形態では、これから増幅しようとしている画素より以前の、数画素〜数十画素分の、信号電圧の変化分の積分値（平均値）とその極性に応じて増幅回路の基準電圧とゲインを制御し、さらに時間的により後に出力された信号ほど、基準電圧とゲインを制御する平均値への影響の度合いを大きく設定することで、これから増幅しようとする画素の信号レベルに対する最適な基準電圧とゲインを得て、その後に位置するＡＤ変換器の入力ダイナミックレンジを最大限活用することを特徴とする。

すなわち、これから増幅しようとしている画素より以前の数画素〜数十画素分の信号電圧の積分値（平均値）を基準値と比較し、その結果に応じて増幅回路の基準電圧やゲインを制御するものである（図１１参照）。

この事柄を周波数領域で言い換えれば、ここで必要としている情報は比較的高い周波数領域にあり、したがってそれより低い周波数成分は信号増幅の障害になるため不要である。この低い周波数成分を抜き出し（積分）、それを元にした基準電圧として差動増幅回路の一方の入力端子に印加し、もう一方の入力端子に印加されるセンサーなどからの信号と引き算、増幅することである（図１２参照）。

また基準電圧とゲインの初期値の設定は、固定値か、最初の数画素の信号のアンプ出力電圧の平均値と基準値（例えばアンプの後段に配置されるＡＤ変換器の入力ダイナミックレンジの１／２の値）とを比較し、その差が最小となるように決定しても良い。

数画素〜数十画素という参照する画素数は、シェーディングの形状の変化率（微分値）や差分の大きさから決定し、図９における早い周期の信号の凹凸の差電圧の平均値（積分値）の変化分（微分値）と基準値とを比較した差が大きい時、参照画素数を小さく設定する。この事柄を周波数領域で言い換えれば、不要となる低い周波数成分の信号の中で、高い周波数成分の量がそれの低い周波数成分より大きいため、積分器のカットオフ周波数を以前より高い値に遷移し、不要な周波数成分を効率的に除去することである（図１３参照）。

さらに参照画素信号の重み付けの度合いは同様に、シェーディングの傾き（微分値）から決定し、変化が大きい（微分値が大きい）時ほど、もっとも最近の画素信号の重み付けを大きく設定する。

画素信号の絶対値はそれほど大きな意味がなく、本発明を各画素信号の山と谷の差に有効な情報を有する指紋センサーに適用すると効果的である。

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施例を示す回路ブロック図である。本発明の画像センサー信号処理回路は、画像センサー（図示省略）からの信号出力を反転入力端子の入力として、基準電圧との差を増幅する可変（もしくは一定）ゲインアンプ（差動増幅回路）１と、この可変ゲインアンプ１の出力である周期的に変化する画素信号の最大値と最小値をサンプル・ホールドするピークホールド回路２と、このピークホールド回路２内で生成される最大値と最小値の差電圧を受け、所定のカットオフ周波数を有するローパスフィルターで低周波成分（平均電圧）を出力する積分器３と、この積分器３の出力を受け、可変ゲインアンプ１の非反転入力端子に、積分器３の出力に応じた基準電圧を出力する基準電圧源５から構成される。積分器３や基準電圧源５の出力は、あるパルス入力で同期してディジタル的に、またはアナログ的にリアルタイムに変化する。

図２は、動作例の詳細を示す。この例では図の簡略化のため積分器のカットオフを、入力の変化する周期のほぼ２倍程度（もしくは２画素分の平均値を取る）とする。また積分器は光センサーの画素信号が出力されているタイミングに信号を取り込み積分動作を行なっているものとする。（画素信号間はリセットレベルが出力されている）
図２では、画素１，２に対する可変ゲインアンプ出力の平均値を、可変ゲインアンプの出力をＡＤ変換するＡＤ変換器（図示省略）の入力ダイナミックレンジの１／２と比較した結果が小さい場合を示している。比較結果の差電圧に応じて可変ゲインアンプの基準電圧を画素３，４のところで、図に示すように、小さくする。

その結果、図２の右の図にあるように、画素３，４に対するアンプ出力はＡＤ変換器の入力ダイナミックレンジの１／２付近になり、安定してＳ／Ｎ比の良いＡＤ変換が可能になる。なお、図２の左の図は、従来例として、基準電圧を調節しなかった場合を示している。

あるいは図２の左の図に示したように、画素１，２のアンプ出力の差分をある閾値と比較し、それを越えた場合、差分の極性に応じて可変ゲインアンプの基準電圧を増減させる。すなわち図２左図では２画素目の出力が１画素目の出力より大きく下がり、その下がった量がしきい値を越えたため前記基準電圧を小さくする。逆に２画素目の出力が大きくなれば前記基準電圧を大きくするということで、画素出力の微分値とその極性を用いて判定、基準電圧を制御する。

また、この画素信号の変化分の低周波数成分が、本来の光信号に応じた変化であると考えられる場合には、この変更された基準電圧の情報をＡＤ変換器に伝えることで、ＡＤ変換の精度を悪化させないようにすることも可能である。

図３は、本発明の第２の実施例を示す回路ブロック図である。本実施例では、実施例１からさらに積分器３の出力を用いて可変ゲインアンプ１のゲインを制御し、可変ゲインアンプの基準電圧と共に変化させ、増幅器の出力を受けるＡＤ変換器の入力ダイナミックレンジに対し、信号のＡＤ変換の際のＳＮ比が最大となるようにする。実施例１と同様に光センサーの画素１，２の信号出力をサンプリングし、積分器３においてその平均値を得て、参照値（ここでは可変ゲインアンプの出力を受けるＡＤ変換器の入力ダイナミックレンジの１／２の値）と比較し、平均値が小さい場合は、実施例１と同様可変ゲインアンプの基準電圧を小さくすると共に可変ゲインアンプのゲインを大きくするか、または可変ゲインアンプのゲインのみを大きくする。あるいは画素１，２の信号出力の変化分が閾値を越えた場合に、この変化分の極性に応じてアンプのゲインを一定量増減させる。この場合も、実施例１と同様に変更された基準電圧やゲインの情報をＡＤ変換器に伝えることで、変換精度を悪化させないことができる。

以上のように、実施例１、２では、ゲインアンプ１、サンプル・ホールドするピークホールド回路２、積分器３、及び基準電圧源５からなる制御手段によって、補正される信号よりも前に入力された信号に基づき、順次入力される前記複数の信号に含まれる前記低周波成分の振幅の変動を抑制している。

図４は、本発明の第３の実施例を示す回路ブロック図である。本実施例では、実施例２からさらに、微分回路４によって画素出力の変化分の大きさ（微分値）に応じて、積分器に取り込む最新画素信号電圧の重み付けを変化させ、画素信号出力の変化率の大小にも対応させた。

図５は、図１における積分器３の１例であり、３つのスイッチと２つの容量によるいわゆるSWITCHED CAPASITOR回路で、図４における微分回路４の出力とある基準値を比較し、結果に応じて図５におけるＳＷ１を制御し、図５における容量Ｃ１とＣ２の比を変化させる。図１０に示したように、画素信号出力の変化が大きい場合、実施例１，２では基準電圧、ゲインの追従性が悪くなり、最悪ＡＤ変換器のダイナミックレンジを超えてしまうため、Ｃ１のＣ２に対する比を大きくし、積分器における追従性を向上させる。

以上のように、実施例３では、ゲインアンプ１、サンプル・ホールドするピークホールド回路２、積分器３、微分回路４、及び基準電圧源５からなる制御手段によって、補正される信号よりも前に入力された信号に基づき、順次入力される前記複数の信号に含まれる前記低周波成分の振幅の変動を抑制している。

図６は、２次元マトリクス構成の画像センサーの信号をアナログ・ディジタル変換するための信号処理回路に本発明を適用した例を示す。実施例１，２，３では、光電変換画素が１列に並んだ１ラインでの信号処理を想定している。本実施例では、画素列が複数並んだ（いわゆる２次元マトリクス構成）複数ライン信号を扱うため、現在読み出し等の信号処理を行っているライン（行）以前の、予め設定された行数の複数ラインの各行平均信号レベルを各行毎に備え、１行分の光電変換素子からの画素信号とダーク信号の差分出力の、平均値を保存する保存手段１８を有する。さらに、複数の保存手段１８の出力を受け、その変化分を出力する微分器１９を備える。

また、複数列の光電変換素子（センサーセル１１）からの信号出力を一方の入力として、基準電圧との差を増幅する差動増幅回路１４と、この差動増幅回路１４の出力で、ある周期で変化する画素信号の最大値と最小値をサンプル・ホールドするピークホールド回路１６と、このピークホールド回路１６の出力を受け、所定のカットオフ周波数を有するローパスフィルターで低周波成分を出力する積分器１７と、差動増幅回路１４の他の入力に、積分器１７の出力と微分器１９の出力を加算し、ある基準値と比較した結果に応じた基準電圧を出力する基準電圧発生回路１３とを備えることで、ライン間の信号レベルの変化にも応答する。そして、差動増幅回路１４の出力をＡＤ変換器１５でアナログ・ディジタル変換する。

図６の例では２ラインの各信号レベルの平均値を保存手段１８にそれぞれ保存し、現在読み出しを行っているラインの画素信号に加算、平均化し、その結果を用いて基準電圧発生回路１３の電圧を制御する。すなわち１行目、２行目の画素信号レベルの平均値が減少している時は３行目の画素信号を処理する際に、該３行目の信号の、実施例１に記述したような積分値から、１行目、２行目の平均値の微分値に応じた値を差し引くことで、該微分値が０の時に比較して基準電圧を小さく設定する。

図７は、本発明の画像センサー信号処理回路を利用した指紋認証装置の構成を示す。撮像素子２１は、指紋画像を撮像するＣＣＤやＣＭＯＳセンサー等の撮像素子である。アナログ・ディジタル変換部（Ａ／Ｄ変換部）２２は、上記実施例の画像センサー信号処理回路を備え、撮像素子２１からのアナログ信号を上記実施例に示すように最適処理してディジタル信号に変換する。タイミング・ジェネレータ２３は、撮像素子２１やＡ／Ｄ変換部２２を駆動する。信号処理部２４は、Ａ／Ｄ変換部２２からの指紋画像データに種々の信号処理を施す。メモリ２５は、信号処理部４からの指紋画像データを記憶する。登録指紋データベース２６は、指紋画像データから抽出された指紋の特徴データが予め記憶されている。

ここで、指紋の特徴データについて簡単に説明する。指紋の模様を形成する盛り上がっている部分である「隆線」には、切れている部分と分岐している部分がある。切れている部分である「端点」と分岐している部分である「分岐点」を合わせて「特徴点」と呼んでいる。この特徴点から得られる「位置」と「方向」等を、指紋を特定するための特徴データとして扱う。

指紋照合部２７は、メモリ２５の指紋画像データから指紋の特徴データを検出して、登録指紋データベース２６に登録された指紋の特徴データと照合する。この指紋認証装置は、例えば、公衆回線を介して所望の相手先と通話することが可能な携帯電話に搭載される。

本発明の第１の実施例を示す回路ブロック図 画素に対する可変ゲインアンプ出力の平均値の説明図 本発明の第２の実施例を示す回路ブロック図 本発明の第３の実施例を示す回路ブロック図 図４における積分器の１例を示す図 ２次元マトリクス構成の画像センサーの信号処理回路ブロック図 本発明の画像センサー信号処理回路を利用した指紋認証装置の構成図 従来の指紋検出システムの信号処理回路ブロック図 従来のシステムにおける光学センサーの信号出力を示す図 従来の信号処理方法における信号補正の説明図 従来と本発明によるアンプ出力の信号波形の比較を示す図 本発明の周波数領域における説明図 本発明の周波数領域における説明図

符号の説明

１ 可変ゲインアンプ
２ ピークホールド回路
３ 積分器
４ 微分回路
５ 基準電圧源

Claims (4)

1. 光電変換素子からの信号をアナログ・ディジタル変換するための信号処理回路において、
   光電変換素子からの信号出力を一方の入力として、基準電圧との差を増幅する差動増幅回路と、
   この差動増幅回路の出力で、画素信号の最大値と最小値をサンプル・ホールドするピークホールド回路と、
   このピークホールド回路の出力を受け、ローパスフィルターで低周波成分を出力する積分器と、
   この積分器の出力を受け、前記差動増幅回路の他方の入力に、前記積分器の出力と基準値とを比較した結果に応じた基準電圧を出力する基準電圧源とを備え、
   前記積分器のカットオフ周波数は、前記光電変換素子からの信号出力の平均値と前記基準値との差の大きさに応じて調節、設定されることを特徴とする信号処理回路。
2. 前記基準値をアナログ・ディジタル変換器の入力ダイナミックレンジの１／２とすることを特徴とする請求項１に記載の信号処理回路。
3. 前記差動増幅回路が、前記積分器の出力を用いてゲインを制御する可変ゲイン差動増幅回路であって、
   前記積分器の出力と前記基準値と比較した結果に応じて、前記基準電圧源の基準電圧と前記可変ゲイン差動増幅回路のゲインの一方又は両方を変化させることを特徴とする請求項１に記載の信号処理回路。
4. 指紋を読み取って検出する指紋検出装置であって、
   指紋画像を撮像する画像センサーと、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の信号処理回路を有して、前記信号処理回路からのアナログ信号をディジタル信号に変換するアナログ・ディジタル変換部と、
   ディジタル変換された指紋画像データを記憶するメモリと、
   この記憶された指紋画像データから指紋の特徴データを検出する指紋検出部とを備えることを特徴とする指紋検出装置。

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