JP4379500B2 - 生体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば生体の静脈を撮像する生体撮像装置に関する。

近年、特定エリアの入退出管理や銀行のＡＴＭなどにおいて、生体認証を用いた個人識別技術（バイオメトリックス）の導入が開始されている。このような生体の認証方法としては、顔、指紋、声紋、虹彩、静脈などを認証用データとして用いる方法が提案されている。中でも、指や手の平の皮膚下に存在する静脈の形状パターンは、生涯を通してほとんど変化が無く、また生体の内部の情報なので偽造が難しく安全性が高い。このため、生体認証用途として多く用いられるようになってきている。

ここで、図５に、一般的な生体撮像装置の概略構成を示す。この生体撮像装置には、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の光源１００が取り付けられた上部カバー１０１、カバーガラス１０２、撮像レンズ１０３、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の撮像素子１０４が配置されている。生体撮像装置１００では、生体２をカバーガラス１０２上に置き、生体２の上部から光を透過させることで、生体の静脈を流れるヘモグロビンで光が吸収される。これによって、生体２の内部ではコントラストが変化するため、このコントラストの変化を撮像素子１０４で受光することにより、生体２の静脈データを得ることができる。

このように、静脈データを得る際には生体内のヘモグロビンで光を吸収させて撮像を行うため、光源（照明）１００としては、生体に対して透過性があり、ヘモグロビンへ吸収され易い波長の光を照射するものが一般に用いられている（例えば、特許文献１）。
特許第３７９７４５４号公報

しかしながら、上記のように、生体を透過させた光をヘモグロビンに吸収させることにより静脈の画像を取得する際、いわゆる迷光や太陽光などの外光の影響を受けて、撮像データにノイズが生じ、取得画像の画質が劣化してしまうという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ノイズの影響を低減し、取得画像の画質を向上させることが可能な生体撮像装置を提供することにある。

本発明の生体撮像装置は、生体に対する透過率の高い第１の波長領域の光と、この第１の波長領域よりも生体に対する透過率の低い第２の波長領域の光とを、それぞれ生体へ向けて照射する光源部と、生体からの光を集光する撮像レンズ部と、撮像レンズ部で集光される光のうち、第１の波長領域の光に基づいて生体の第１の撮像データを取得すると共に、第２の波長領域の光に基づいて生体の第２の撮像データを取得する撮像素子と、撮像素子で生成された第１の撮像データと第２の撮像データとの差分画像データを生成する画像処理部とを備えたものである。ここで、撮像素子は、複数の撮像セルと、複数の光源用の液晶セルとを有している。また、光源部は、その撮像素子の受光面と反対側の全面に設けられた導光板と、この導光板に接続されて第１および第２の波長領域の光をそれぞれ発する複数の光源とからなる。

本発明の生体撮像装置では、生体へ向けて、第１の波長領域の光と第２の波長領域の光とをそれぞれ照射することにより、生体の内部に達した光は、生体内部において吸収され、生体内部の形状パターンを含んだ第１の撮像データおよび第２の撮像データがそれぞれ取得される。このとき、第１の波長領域の光が第２の波長領域の光よりも生体に対する透過率が高いことにより、第１の撮像データでは、第２の撮像データよりも、生体内部の形状パターンについての信号レベルが高くなる。一方、これらの第１の撮像データおよび第２の撮像データには、迷光や外光による信号成分が含まれるが、これらはほぼ同一のパターンおよび信号レベルとなる。従って、画像処理部において、第１の撮像データと第２の撮像データとの差分画像データを生成することにより、生体内部の形状パターンについてのデータは残存する一方、迷光や外光の信号成分はほぼ除外された生体内部の形状パターンの画像データが生成される。

また、光源を撮像素子と同一の側に配置して生体の下面側から光を照射する場合には、生体の表面（表皮）で反射してしまう光についても、撮像素子で受光され、ノイズの原因となる。このような場合も、第１の撮像データに含まれる反射光による信号成分と、第２の撮像データに含まれる反射光による信号成分はほぼ同一となるため、これらの差分画像データを取得することにより、反射光についての信号成分が除外される。

本発明の生体撮像装置によれば、生体へ向けて、生体に対する透過率が高い第１の波長領域の光と、第１の波長領域の光よりも生体に対する透過率の低い第２の波長領域の光とをそれぞれ照射するようにしたので、生体内部の形状パターンの信号レベルは、第１の撮像データで第２の撮像データよりも高くなる一方、迷光や外光の信号成分は第１の撮像データおよび第２の撮像データにおいてほぼ同一となる。従って、第１の撮像データと第２の撮像データとの差分画像データを生成することで、生体内部の形状パターンについてのデータは残存する一方、迷光や外光の信号成分がほぼ除外されるため、ノイズの影響を低減し、取得画像の画質を向上させることが可能となる。

また、光源を撮像素子と同一の側に配置して生体の下面側から光を照射する場合には、生体の表面（表皮）で反射される光が撮像素子で受光されるが、この反射光による信号成分は、第１の撮像データと、第２の撮像データとにおいてほぼ同一となる。従って、これらの差分画像データを取得することで、反射光の信号成分が除外される。よって、生体への照射方式によらず、ノイズの影響を低減することができる。また、光源が撮像素子と同一の側に配置されることで、装置全体の薄型化を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る生体認証装置１の全体構成を表したものである。生体認証装置１は、撮像対象である生体（例えば、指先）２を撮像して生体の認証を行い、認証結果データＤoutを出力するものであり、光源１０と、ガラス基板１１と、撮像レンズ１２と、撮像素子１３と、画像処理部１４と、パターン保持部１５と、認証部１６と、光源駆動部１７と、撮像素子駆動部１８と、制御部１９とから構成されている。

光源１０は、例えば、後述のガラス基板１１の表面（本発明における検知部）に対して、撮像素子１３と同一の側に設置され、撮像対象である生体２へ向けて、その下面側から光を照射できるようになっている。光源１０としては、例えば、ＬＥＤなどを用いることができ、後述の制御部１９の制御に応じた光源駆動部１７の駆動によって、２種類の波長領域の光が選択的に射出されるようになっている。なお、２種類の波長領域の光を取り出す照明装置としては、それぞれ２つの光源に接続された光ファイバをバンドルしたものや、導光板に２つの波長領域の異なる光源を接続したものなどを用いることができる。

具体的には、生体２に対する透過率が高い波長領域（第１の波長領域）の光Ｌ１と、生体２に対する透過率が低い波長領域（第２の波長領域）の光Ｌ２とが選択的に射出されるようになっている。光Ｌ１は、例えば７００ｎｍ〜１２００ｎｍの波長領域の近赤外光であり、静脈中のヘモグロビンによって吸収される光である。なお、光Ｌ１は、好ましくはヘモグロビンへの吸収率の高い波長領域、例えば８３０ｎｍ〜８６０ｎｍの波長領域の光である。一方、光Ｌ２は、例えば７００ｎｍより短波長側の可視光や紫外光、もしくは１２００ｎｍよりも超波長側の光であり、生体２の表面で反射し易い波長領域の光である。

但し、この光源１０により射出される光の波長は、後述の撮像素子１３の受光可能な波長範囲内で設定される。例えば、撮像素子１３としてシリコン（Ｓｉ）系材料を用いる場合には、光Ｌ１，Ｌ２のいずれにおいても、１１００ｎｍ程度以下である必要がある。従って、例えば、光Ｌ１として波長８６０ｎｍ、光Ｌ２として波長６５０ｎｍの光を用いることができる。

ガラス基板１１は、撮像時に生体２が置かれる場所であり、撮像レンズ１２や撮像素子１３などの装置内部を保護するためのカバーガラスとなっている。なお、このガラス基板１１の表面が、生体２を検知するための本発明の検知部となっている。

撮像レンズ１２は、生体２内部の光を集光するための屈折型レンズであり、例えばガラスレンズ、プラスチックレンズ、液体レンズ、液晶レンズなどから構成されている。この撮像レンズ１２は、ガラス基板１１の下方に、生体２内部の所定の観察面（撮像対象面）を後述の撮像素子１３上の受光面に結像するように配置されている。

撮像素子１３は、撮像レンズ１２で集光された光を受光して撮像データを生成するものである。この撮像素子１３は、例えば、マトリクス状に配置された複数のＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子により構成されている。本実施の形態では、光源１０から射出される２種類の波長領域の光Ｌ１，Ｌ２ごとに、撮像データ（第１の撮像データ、第２の撮像データ）を生成する。なお、撮像素子１３は、一般にシリコン系材料により形成されており、この場合に受光可能な波長領域は例えば１１００ｎｍ程度以下となる。

画像処理部１４は、制御部１９からの制御に応じて、撮像素子１３で得られた撮像データに所定の画像処理を施し、認証部１６へ出力するものである。具体的には、光源１０からの光Ｌ１に基づいて生成された撮像データと光Ｌ２に基づいて生成された撮像データとを、比較演算し、その差分を算出して差分画像データを生成する。なお、この画像処理部１４、ならびに後述する認証部１６および制御部１９は、例えばマイクロコンピュータなどにより構成されている。

パターン保持部１５は、生体認証の際に用いる生体認証パターン（認証の際に撮像して得られた撮像パターンに対する比較パターンであり、予め生体を撮像して得られたもの）が保持される部分であり、不揮発性の記録素子（例えば、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）など）により構成される。認証部１６は、制御部１９からの制御に応じて、画像処理部１４から出力される撮像パターンと、パターン保持部１５に保持されている生体認証パターンとを比較することにより、撮像対象である生体２の認証を行う部分である。

光源駆動部１７は、制御部１９からの制御に応じて、光源１０から射出される光Ｌ１，Ｌ２を選択的に切り替えて発光駆動させるものである。撮像素子駆動部１８は、制御部１９からの制御に応じて、撮像素子１３の撮像駆動（受光駆動）を行うものである。制御部１９は、画像処理部１４、認証部１６、光源駆動部１７、および撮像素子駆動部１８の動作を制御するものである。

次に、このような生体認証装置１の動作（生体認証処理）について説明する。ここで、図２（Ａ）は、光Ｌ１を照射した場合における撮像素子１３での受光光線を説明するための模式図であり、同図（Ｂ）は光Ｌ２を照射した場合における撮像素子１３での受光光線を説明するための模式図である。

この生体認証装置１では、まず、ガラス基板１１上に生体（例えば、指先）２が置かれ、光源駆動部１７の駆動により、例えば光源１０から光Ｌ１が射出されると、この光Ｌ１はガラス基板１１の底面側より生体２へ照射される。このとき、光Ｌ１は生体２に対して透過率の高い波長領域の光であるため、生体２の内部まで到達し、静脈を流れるヘモグロビンによって吸収される。これにより、生体２内部の静脈に対応する領域は光吸収によって暗くなり、生体２内部の明暗（コントラスト）が変化する。一方、撮像レンズ１２が、生体２内部の所定の観察面が撮像素子１３の受光面に結像されるように配置されていることにより、生体２内部の光吸収によって生じるコントラストの変化が撮像素子１３で受光され、静脈パターンの撮像データが生成される。

このようにして生成された撮像データは、画像処理部１４へ出力され、画像処理部１４において後述する所定の画像処理が施されることにより、静脈パターンの画像データが取得され、認証部１６へ出力される。認証部１６では、パターン保持部１５に保持されている静脈認証用の認証パターンと生成された静脈パターンとが一致するか否かにより、生体の認証が行われる。そして、最終的な生体認証の結果（認証結果データＤout）が出力され、生体認証処理が終了となる。

ここで、図２（Ａ）に示したように、撮像素子１３側で受光される光には、生体２内部の光以外にも、光源１０から射出されて装置内部の壁などで反射された光、いわゆる迷光や、太陽光や室内灯などの外光などの光Ｌ３が含まれている。また、撮像素子１３の側から生体２の下面に向けて光を照射することで、光源１０から射出された光Ｌ１には、生体２の内部まで到達する光Ｌ１ａだけでなく、生体２の表面（表皮）２２で反射される光Ｌ２ａが含まれている。このため、光Ｌ１を生体２へ向けて照射した場合、実際には、静脈のパターン取得に必要な生体２内部の光だけでなく、生体表面２２での反射光Ｌ２ａや迷光や外光などの光Ｌ３についても、撮像素子１３で受光される。このため、光Ｌ１を照射した場合の撮像データ（第１の撮像データ）には、静脈パターンのデータに加えて反射光Ｌ２ａや光Ｌ３の信号成分も含まれている。

一方、光源駆動部１７の駆動により、光源１０から、生体２に対する透過率の低い光Ｌ２が射出されると、この光Ｌ２は、図２（Ｂ）に示したように、生体表面２２で反射し、反射光Ｌ２ａとして撮像素子１３側へ入射する。また、図２（Ａ）の場合と同様に、迷光や外光などの光Ｌ３が存在するため、光Ｌ２を照射した場合には、生体表面２２での反射光Ｌ２ａと光Ｌ３とが撮像素子１３で受光され、これらのデータが撮像データ（第２の撮像データ）として取得される。

このとき、撮像素子１３の受光面において、光Ｌ１を照射した場合の反射光Ｌ２ａや光Ｌ３の受光像と光Ｌ２を照射した場合の受光像とは、同一環境下においては、ほぼ同一となる。よって、光Ｌ１を照射した場合の撮像データにおける反射光Ｌ２ａや光Ｌ３の信号成分と、光Ｌ２を照射した場合の撮像データは、ほぼ同一のパターンおよび信号レベルとなる。従って、画像処理部１４において、光Ｌ１，Ｌ２のそれぞれを照射した場合の撮像データの比較演算を行い、これらの差分を算出して差分画像データを生成することにより、ノイズ光の信号成分がほぼ除外され、静脈パターンのデータは残存する。

以上説明したように、本実施の形態の生体認証装置１では、光源１０から生体２へ向けて、生体２に対する透過率の高い光Ｌ１と、透過率の低い光Ｌ２とを、それぞれ選択的に切り替えて照射するようにしたので、静脈パターンおよび迷光や外光の信号成分を含む撮像データと、この迷光や外光の信号成分とほぼ同一のデータを含む撮像データとがそれぞれ生成される。従って、画像処理部１４において、これらの撮像データの差分画像データを生成することにより、静脈パターンのデータは残存する一方、ノイズ光の信号成分がほぼ除外される。よって、ノイズの影響を低減し、取得画像の画質を向上させることが可能となる。また、これにより認証精度が向上する。

特に、撮像素子１３と同一の側に光源１０を設置し、生体２の下面に向けて光を照射することにより、撮像素子１３では、生体２で反射する反射光Ｌ２ａについても受光されるが、この反射光Ｌ２ａによる信号成分は、光Ｌ１を照射した場合と光Ｌ２を照射した場合とにおいて、ほぼ同一のパターンおよび信号レベルであるため、光Ｌ３の信号成分と同様にしてほぼ除外される。よって、生体２の照射方式によらず、ノイズの影響を低減することができる。また、光源１０を撮像素子１３と同一の側に配置することで、装置全体の薄型化を実現することができる。

（変形例）
次に、本発明の変形例について、図３および図４を参照して説明する。図３は、変形例に係る生体認証装置３の概略構成を表すものである。図４（Ａ）は、液晶セルに対して電圧を印加しない場合の光の透過の様子を模式的に表すものであり、同図（Ｂ）は電圧を印加にした場合の光の透過（遮断）の様子を模式的に表すものである。

生体認証装置３は、光源および撮像素子以外は、図１に示した生体認証装置１と同様の構成となっている。従って、上記生体認証装置１と同様の構成については、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。なお、簡便化のため、図１における画像処理部１４、パターン保持部１５、認証部１６、光源駆動部１７、撮像素子駆動部１８および制御部１９に対応する構成については、図示を省略する。

図３に示したように、生体認証装置３では、撮像素子２３において、撮像セル２３ａと光源セル２３ｂとが規則的に配列されている。撮像素子２３は、例えば、複数の撮像セル２３ａが形成された撮像領域Ｄ１と、撮像セル２３ａが形成されていない非撮像領域Ｄ２とを有しており、撮像素子２３の非撮像領域Ｄ２に対応する領域に、光源セル２３ｂが形成されている。この光源セル２３ｂは、例えば、上述の光Ｌ１と光Ｌ２とを選択的に切り替えて射出することが可能なＬＥＤなどの光源と、一般的な液晶セル（液晶表示素子）とを含んで構成されている。

この液晶セルは、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示したように、ガラスなどよりなる一対の基板２３０，２３１間に、透明電極２３２，２３３を介して液晶層２３４が封止され、基板２３０，２３１の外側に一対の偏光フィルタ２３５，２３６が貼り合わせられたものである。なお、本変形例では、一対の偏光フィルタ２３５，２３６は、互いにその偏光軸が直交するように配置されている。また、偏光フィルタ２３６の下面側には、この液晶セルの光源として、例えばＬＥＤ（図示せず）などが配置される。このとき、撮像素子２３の受光面と反対側の全面に導光板（図示せず）を設けることにより、一つのＬＥＤで複数の液晶セル（光源セル２３ｂ）から光を取り出すことができるようになる。

光源セル２３ｂは、上記のような構成により、液晶セルの透明電極２３２，２３３間への印加電圧によって、光源からの光の透過および遮断を切り替えることにより駆動することができる。すなわち、図４（Ａ）に示したように、電圧が印加されていない状態で光が透過され、図４（Ｂ）に示したように電圧が印加されている状態では光が遮断されるようになっている。また、光源セル２３ｂごとに電圧を切り替えて印加するようにすれば、複数の光源セル２３ｂをそれぞれ個別に駆動することも可能である。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、一つの光源から生体に対する透過率の高い波長領域の光と、生体に対する透過率の低い波長領域の光との２種類の光を選択的に切り替えて照射する構成を例に挙げて説明したが、これに限定されず、生体に対する透過率の高い波長領域の光を射出する光源と、生体に対する透過率の低い波長領域の光を射出する光源とをそれぞれ設置し、これらの光源を選択的に駆動して各波長領域の光を照射する構成であってもよい。但し、この場合は複数の光源ができるだけ同一の場所に設置されることが好ましい。光源の位置が異なると、表皮での反射光や外光の受光像が異なり、ノイズの影響を除外しにくくなるからである。

また、上記実施の形態では、生体に対する透過率の高い波長領域の光と、生体に対する透過率の低い波長領域の光との２種類の光を用いて撮像データを生成する構成を例に挙げて説明したが、これに限定されず、波長領域の異なる３種類以上の光を用いるようにした場合であっても、本発明の効果は達成される。

また、上記実施の形態では、生体に対する透過率の高い波長領域の光と、生体に対する透過率の低い波長領域の光とを用いて、一方の撮像データのみが静脈のパターンデータを含んでいる構成を例に挙げて説明したが、これに限定されず、一方の光が他方の光よりも生体への透過率が高くなっていれば、両方とも生体に対して透過される光であってもよい。このような構成であっても、それぞれの撮像データに含まれる迷光や外光などの信号成分は同一のものとなる一方、所得される静脈パターンの信号レベルは異なるものとなるため、これらの差分をとることにより、迷光や外光の信号成分は除外される一方、静脈パターンのデータは残存して、ノイズの影響が低減された静脈パターンの画像データが生成される。

また、上記実施の形態では、撮像レンズとして単一のレンズを例に挙げて説明したが、これに限定されず、撮像レンズとして複数のマイクロレンズがマトリクス状に配列したマイクロレンズアレイを用い、個々のマイクロレンズによって撮像されたデータを画像処理部において合成するようにしてもよい。このようにすることで、集光効率を高めより強い信号強度を得ることができる。あるいは、集光効率を高めることで、受光素子の大きさを小さくすることができるため、取得画像の高解像度化を実現できる。

また、上記実施の形態では、変形例に係る生体認証装置において、光源セル２３ｂを構成する液晶セルが、電圧が印加された状態で光を遮断し、電圧が印加されていない状態で光を透過する構成を例に挙げて説明したが、これに限定されず、印加電圧と光の透過・遮断の関係が逆であっても、本発明の効果は達成される。

また、上記実施の形態では、光源が撮像素子側に配置され、生体の下面に向けて光を照射する構成を例に挙げて説明したが、これに限定されず、光源が撮像素子とは生体を挟んで対向配置され、生体の上面に向けて光を照射する構成であってもよい。このような構成であっても、表皮での反射光の影響は生じないものの、太陽光や室内灯などの外光の影響を除外することができるため、本発明の効果は達成される。また、光源の位置や個数についても上記実施の形態に限定されるものではない。

また、上記実施の形態では、光源からの光を直接生体へ照射する構成を例に挙げて説明しているが、これに限定されず、例えば、光源から射出された光を導光板などで伝播させてから、生体へ照射するような構成にも適用可能である。

また、上記実施の形態では、生体撮像装置として生体の静脈の画像データに基づいて生体の認証を行う生体認証装置を例に挙げて説明したが、これに限定されず、他の生体内部の構造物の画像データに基づいて認証を行うようにしてもよい。また、生体認証装置に限定されず、他の撮像装置にも適用可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る生体認証装置の全体構成を表すブロック図である。 撮像素子１３での受光光線を説明するための模式図であり、（Ａ）は第１の波長領域の光を照射した場合、（Ｂ）は第２の波長領域の光を照射した場合を示す。 本発明の変形例に係る生体認証装置の概略構成を表す断面図である。 図３に示した生体認証装置の光源セルの概略構成を表す斜視図である。 従来の生体撮像装置の概略構成を表す断面図である。

符号の説明

１，３…生体認証装置、１０…光源、１１…ガラス基板、１２…撮像レンズ、１３，２３…撮像素子、１４…画像処理部、１５…パターン保持部、１６…認証部、１７…光源駆動部、１８…撮像素子駆動部、１９…制御部、Ｄout…撮像データ、２…生体（撮像対象物）。

Claims (5)

1. 生体に対する透過率の高い第１の波長領域の光と、この第１の波長領域よりも生体に対する透過率の低い第２の波長領域の光とを、選択的に切り替えてそれぞれ生体へ向けて照射する光源部と、
   前記生体からの光を集光する撮像レンズ部と、
   前記撮像レンズ部で集光される光のうち、前記第１の波長領域の光に基づいて前記生体の第１の撮像データを取得すると共に、前記第２の波長領域の光に基づいて前記生体の第２の撮像データを取得する撮像素子と、
   前記撮像素子で取得された前記第１の撮像データと前記第２の撮像データとの差分画像データを生成する画像処理部とを備え、
   前記撮像素子は、複数の撮像セルと、複数の光源用の液晶セルとを有し、
   前記光源部が、
   前記撮像素子の受光面と反対側の全面に設けられた導光板と、
   前記導光板に接続されると共に、前記第１および第２の波長領域の光をそれぞれ発する複数の光源とからなる
   生体撮像装置。
2. 前記第１の波長領域は、７００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下の波長領域である
   請求項１記載の生体撮像装置。
3. 前記第２の波長領域は、７００ｎｍ未満もしくは１２００ｎｍよりも大きい波長領域である
   請求項１記載の生体撮像装置。
4. 前記画像処理部によって生成された差分画像データは、前記生体の静脈についての画像データである
   請求項１記載の生体撮像装置。
5. 前記画像処理部によって生成された差分画像データに基づき、生体の認証を行う認証部を備えた
   請求項１に記載の生体撮像装置。

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