JPH08320919A - 指紋撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 指紋撮像装置の小型・薄形化が可能な技術を
提供すること。 【構成】 指の指紋を押し当てるための対接面、該対接
面あるいはその延長面と第１の角度Ｘをなす第１平面、
および、前記対接面あるいはその延長面と第２の角度Ｙ
をなす第２平面を有するプリズムと、前記対接面に押し
当てられた指の指紋を照明する照明手段と、該照明手段
により照明される指の指紋を指紋画像として撮像する撮
像手段とを具備する指紋撮像装置において、前記撮像手
段は、前記第１平面で反射される前記指紋画像を前記第
２平面を介して撮像する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、指紋撮像装置に関し、
特に、新規なプリズム形状による指紋撮像装置の小型・
薄形化に適用して有効な技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、指紋撮像装置は、指紋照合による
個人識別システムにおいて、指紋像を撮像し良好な指紋
画像を画像処理・識別装置に供給するための装置であ
り、近年の各種機器の使用者を限定するための個人識別
の重要性の高まりと共に、簡便な個人識別の方法とし
て、指紋照合による個人識別システムの普及が期待され
ると共に、携帯機器への設置を可能とするために、指紋
撮像装置を含めた個人識別システムの小型・薄形化が望
まれている。

【０００３】図４は、従来の指紋撮像装置の概略構成を
示す図であり、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇ
Ｄｉｏｄｅ）からなる照明用光源２０１から照射された
光は、直角プリズム４０１に入射し、入射光として対接
面１０２に達する。

【０００４】対接面１０２に達した入射光は、対接面１
０２に押し当てた指１０３の指紋谷線部（凹部）１１１
および背景部分では、対接面１０２で全反射し、この反
射光が直角プリズム４０１の結像用レンズおよびエリア
ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃ
ｅ：電荷結合デバイス）２０４を含むＣＣＤカメラ２０
２側の面４０２から放射される。

【０００５】一方、対接面１０２に押し当てた指紋隆線
部（凸部）１１０に達した入射光は、皮膚から生体内に
入射し、生体から散乱光として放射されることになる。

【０００６】この結果、ＣＣＤカメラ２０２のエリアＣ
ＣＤ２０４面では、指紋隆線部１１０は暗く、指紋谷線
部１１１は明るく結像するので、対接面１０２に押し当
てた指紋谷線部１１１と指紋隆線部１１０とが濃淡指紋
画像としてＣＣＤカメラ２０２で撮像される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、前記従来
技術を検討した結果、以下の問題点を見いだした。

【０００８】従来の指紋撮像装置では、ＣＣＤカメラ２
０２の撮像方向は直角プリズム４０１の対接面１０２に
対向して４５度の角度となるように配置する必要がある
と共に、できる限り短距離に光学系を構成した場合であ
っても、対接面１０２の有効長が３０ｍｍ程度、ＣＣＤ
カメラ２０２の結像用レンズの焦点距離が１０ｍｍ程度
必要となるので、対接面１０２からエリアＣＣＤ２０４
までの距離は光学系の部分のみでも４０ｍｍ程度必要で
あった。

【０００９】さらには、ＣＣＤカメラ２０２本体の長
さ、および、図示しない組立フレーム等の機械的構造物
の寸法を加味すると、指紋撮像装置の奥行きｄ（厚さ）
は対接面４１３から４０〜５０ｃｍ必要であった。

【００１０】このため、指紋撮像装置を小型・薄形化す
ることが困難であるという問題があった。

【００１１】本発明の目的は、小型・薄形化が可能な技
術を提供することにある。

【００１２】本発明の他の目的は、小型・薄形の装置
で、良好なコントラストの指紋画像を撮像可能な技術を
提供することにある。

【００１３】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
になるであろう。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
下記のとおりである。

【００１５】（１）指の指紋を押し当てるための対接
面、該対接面あるいはその延長面と第１の角度Ｘをなす
第１平面、および、前記対接面あるいはその延長面と第
２の角度Ｙをなす第２平面を有するプリズムと、前記対
接面に押し当てられた指の指紋を照明する照明手段と、
該照明手段により照明される指の指紋を指紋画像として
撮像する撮像手段とを具備する指紋撮像装置において、
前記撮像手段は、前記第１平面で反射される前記指紋画
像を前記第２平面を介して撮像する。

【００１６】（２）前記プリズムの界面での臨界角をθ
₀、前記プリズムの屈折率をｎ、前記対接面の指の指紋
と前記第１平面で反射し撮像される前記指紋画像とを結
ぶ直線が前記対接面の垂線となす角度をθ、前記第２平
面から出射し前記撮像手段に撮像される指紋画像の光線
と前記撮像手段のレンズの光軸とがなす角度をφとした
とき、前記θおよびＸはθ₀≦θ、Ｘ≦９０°−θ₀であ
り、φはＣＯＳ（Ｙ−φ）＝ｎＳＩＮ（１８０−２Ｘ−
Ｙ−θ）を満たす。

【００１７】ここで、本発明による指紋撮像装置の撮像
原理を図１を用いて説明する。

【００１８】図１において、対接面１０２と第１平面１
０５とがなす角度をＸ、対接面１０２と第２平面とがな
す角度をＹ、対接面１０２の任意の１点１０９で反射し
た光が、第１平面１０５、第２平面１０６を介して撮像
手段１０７に至る光路１１３をとる場合の対接面１０２
での出射角、すなわち、任意の１点１０９を通る対接面
１０２の垂線と光路１１３とがなす角度をθ、対接面１
０２の臨界角をθ₀とすると、コントラストの高い画像
を得るためには周知のように、臨界角θ₀より大きな出
射角θで指紋を撮像する必要がある。

【００１９】すなわち、指紋隆線部１１０から皮膚内に
散乱し、指紋谷線部１１１で放出された光が、再びプリ
ズム１０１の第１平面１０５から第２平面１０６を介し
て撮像手段１０７に撮像されないようにする必要があ
る。

【００２０】このためには、押し当てられた指紋面全て
でθ≧θ₀を満たすようにθを設定する必要がある。

【００２１】一方、ＸはＸ≦９０°−θ₀であるので、
コントラストの高い良好な画像を得るためには、θ₀≦
θ≦９０°−Ｘを満たすようにθを設定する必要があ
る。

【００２２】前記θの条件を満たす光の光路１１３は、
第１平面１０５で全反射した後、第２平面１０６で屈折
し、プリズム１０１から出射される。

【００２３】このときの第２平面への入射角、すなわ
ち、第１平面１０５で反射した光の光路１１３が第２平
面１０６の垂線となす角度をα、第２平面１０６の屈折
角、すなわち第２平面から出射した光の光路１１３が第
２平面１０６の垂線となす角度をβとすると、αおよび
βと、Ｘ，Ｙ，θおよびプリズム１０１の屈折率ｎとに
は、

【００２４】

【数１】α＝１８０−２Ｘ−Ｙ−θ

【００２５】

【数２】ｎ＝ＳＩＮβ／ＳＩＮα が成立する。

【００２６】また、対接面１０２と第２平面１０６の出
射光とがなす角度をδとすると、δは

【００２７】

【数３】β＝９０−Ｙ＋δ となる。一方、撮像手段１０７の光軸を対接面１０２と
平行に設置できれば、指紋撮像装置の厚さはプリズム１
０１の高さで律則され、薄形化に極めて有効である。

【００２８】そこで、数３において、δを撮像手段１０
７の最大画角より小さな角度φとすると、撮像手段１０
７を対接面１０２と平行に設置したときの画角内に良好
な指紋画像を取り込むことができる。数３より、

【００２９】

【数４】β＝９０−Ｙ＋φ であるから、数２は

【００３０】

【数５】

【００３１】となる。ここで、ＳＩＮ（９０−Ｙ＋φ）
＝ＣＯＳ（Ｙ−φ）より、数５は

【００３２】

【数６】 ＣＯＳ（Ｙ−φ）＝ｎＳＩＮ（１８０−２Ｘ−Ｙ−θ） となる。

【００３３】すなわち、数６を満足するようにＸおよび
Ｙを設定することにより、対接面１０２に押し当てた指
紋を対接面１０２と平行に光軸を設定した撮像手段１０
７で、指紋画像として撮像することができる。

【００３４】

【作用】前述した手段の項の（１）によれば、前述する
数６を満たすように、φとθを設定するのみで良く、た
とえば、φ＝０°すなわち、撮像手段に入射する指紋画
像を含む反射光の入射角を対接面と平行になるように、
照明手段の位置に依存する出射角θを設定し、照明手段
の位置を決定することにより、撮像手段を対接面と平行
に設置できる。

【００３５】このように、対接面１０２に押し当てた指
紋を第１平面を介して第２平面から撮像することによ
り、撮像手段１０７の光軸、すなわち、撮像手段１０７
の光軸を対接面１０２と平行に設定できるので、指紋撮
像装置の厚さをプリズム１０１の高さにまで薄くするこ
とができる。

【００３６】前述した手段の項の（２）によれば、指紋
谷線部および背景部分に照射された光は対接面で反射角
θで全反射し、光路１１３を通り撮像手段１０７に入射
する。

【００３７】一方、指紋隆線部に照射された光は、生体
内に散乱されることになるが、その一部は散乱光として
指紋谷線部から放射され、対接面から再びプリズム１０
１に入射することになる。

【００３８】しかしながら、光路１１３の対接面での出
射角θは、対接面の臨界角θ₀より大きく設定されてい
るので、対接面から入射した散乱光は撮像手段に入射す
ることなく第２平面から出射される。

【００３９】すなわち、指紋谷線部および背景部分に照
射された光のみが撮像手段によって撮像されることにな
るので、撮像手段はコントラストの高い良好な指紋画像
を得ることができる。

【００４０】一方、第２平面から出射し撮像手段に撮像
される指紋画像の光線と、撮像手段のレンズの光軸とが
なす角度φは、数６を満たしているので、対接面と撮像
手段のレンズの光軸とが平行になるように設置した撮像
手段で指紋画像を撮像できることになる。

【００４１】このように、θ≧θ₀、Ｘ≦９０°−θ₀、
および、数６を満たすように、指紋撮像装置のプリズム
１０１、照明手段および撮像手段を設定することによ
り、対接面と撮像手段のレンズの光軸とが平行になるよ
うに設置した場合であっても、撮像手段はコントラスト
の高い良好な指紋画像を撮像できる。

【００４２】

【実施例】以下、本発明について、実施例とともに図面
を参照して詳細に説明する。

【００４３】なお、実施例を説明するための全図におい
て、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り
返しの説明は省略する。

【００４４】図１は、本発明の指紋画像撮影装置の一実
施例の概略構成を示す断面図であり、１０１はプリズム
（透明対接体）、１０２は対接面、１０３は指、２０１
は照明用光源（照明手段）、１０５は第１平面、１０６
は第２平面、２０２はＣＣＤカメラ（撮像手段）、２０
３は結像用レンズ、２０４はエリアＣＣＤ、２０５はＣ
ＣＤカメラ２０２の光軸、１１０は指紋隆線部（凸
部）、１１１は指紋谷線部（凹部）、１１４は指紋の撮
像範囲で最もＣＣＤカメラ２０２に近い点、１１３は点
１１４で反射しＣＣＤカメラ２０２に向かう反射光の光
路、２０６は対接面１０２の延長面と第１平面１０５の
延長面が交わる頂点、２０７は対接面１０２と第２平面
１０６が交わる頂点を示す。

【００４５】ただし、１点鎖線はプリズム１０１の各平
面と垂直に交わる垂線を表わす。

【００４６】図１において、プリズム１０１は、頂点２
０６で対接面１０２の延長面と第１平面１０５の延長面
が角度Ｘ＝１４°で交わり、頂点２０７では対接面１０
２と第２平面１０６が角度Ｙ＝１２０°で交わる四角プ
リズムであり、屈折率ｎ＝１．５のガラスでできてい
る。

【００４７】また、このプリズム１０１は図示しない支
持機構により、図示しないフレームに固定されている。

【００４８】照明用光源２０１は、対接面１０２に押し
当てた指紋を第１平面１０５から照明するための光源で
あり、ＬＥＤで構成されている。

【００４９】この照明用光源２０１は図示しない指示機
構により、図示しないフレームに固定されている。

【００５０】ＣＣＤカメラ２０２は、光の強弱を電気信
号の強弱に変換する撮像素子であるエリアＣＣＤ２０４
と、入射した光をエリアＣＣＤ２０４上で結像させるた
めの結像用レンズ２０３とから構成され、エリアＣＣＤ
２０４の中心と結像用レンズ２０３の中心とを結ぶ光軸
２０５が対接面１０２と平行になる位置に、図示しない
支持機構により、図示しないフレームに固定されてい
る。

【００５１】本実施例の指紋撮像装置では、照明用光源
２０１から照射された光は、第１平面１０５からプリズ
ム１０１内に入射し、対接面１０２に押し当てた指紋を
照射する。

【００５２】このとき、指紋隆線部１１０では皮膚から
光が入射し、この入射した光が生体から散乱光として放
出される。一方、指紋谷線部１１１では、光は対接面１
０２に入射した入射角と同じ角度の出射角で全反射す
る。

【００５３】たとえば、点１１４で出射角θ＝４５°で
全反射した光は、光路１１３を進み、第１平面１０５と
交わる点で再び全反射し、第２平面１０６から所定の屈
折角で出射し、光軸２０５が対接面１０２と平行になる
ように設置されたＣＣＤカメラ２０２に入射角φ＝１５
°で入射し、エリアＣＣＤ２０４面に指紋画像を結像す
る。

【００５４】このとき、プリズム１０１はガラスからで
きているので、対接面１０２の臨界角θ₀は空気とガラ
スとの臨界角である４１．５°となる。

【００５５】一方、この指紋撮像装置は対接面１０２に
押し当てた指紋の撮像範囲内でＣＣＤカメラ２０２に最
も近い点１１４での出射角θが４５°に設定されている
ので、指紋の撮像範囲内全てにわたり、θ≧４１．５°
（θ≧θ₀）が満たされることになる。

【００５６】このため、指紋の隆線部分１１０から生体
内に散乱した光は、指紋の谷線部分１１１から放出さ
れ、対接面１０２から再びプリズム１０１内に入射した
後、第１平面で反射し、第２平面１０６から出射される
ことになるが、散乱光はＣＣＤカメラ２０２には入射し
ないので、コントラストの高い良好な指紋画像の出射光
が第２平面から出射される。

【００５７】また、ＣＣＤカメラ２０２は、光軸２０５
と第２平面から出射される出射光の光路１１３とがなす
角度φが、ＣＣＤカメラ２０２の最大画角より小さく、
前述する条件式数６を満たす１５°に設定されているの
で、ＣＣＤカメラ２０２のエリアＣＣＤ２０４面には、
指紋隆線部１１０は暗く、指紋谷線部１１１は明るい、
コントラストの高い濃淡指紋画像が結像することにな
る。

【００５８】図３はθ＝４５°、φ＝１５°、Ｘ≦４
８．５°としたときの数６を満たす、頂点２０６の角度
Ｘと頂点２０７の角度Ｙの関係を表わしたグラフであ
り、θ＝４５°、φ＝１５°、Ｘ≦４８．５°に設定し
た指紋撮像装置は、曲線３０１に対応する角度Ｘの第１
平面１０５、および、角度Ｙの第２平面１０６を有する
ガラスのプリズムを使用することにより、対接面１０２
とＣＣＤカメラ２０２の光軸２０５とを平行に設置して
コントラストの高い良好な指紋画像を得ることができ
る。

【００５９】本実施例の指紋撮像装置において、対接面
１０２を基準として第１平面１０５と第２平面１０６と
が交差する稜線までの高さを、プリズム１０１の厚さと
した場合、その厚さは図２の左右方向に示される対接面
１０２の長さの４０％程度となる。

【００６０】この結果、指紋の撮像に必要な対接面１０
２の長さを２０ｍｍとした場合、プリズム１０１の厚さ
は８ｍｍ程度となる。

【００６１】なお、本実施例においては、対接面での照
射光の出射角θをθ＝４５°の場合においてのみ説明し
たが、出射角θをあまり大きく設定すると斜め撮像によ
る指紋画像の台形歪みが顕著になり、撮像面であるエリ
アＣＣＤ２０４面で部分的に焦点がぼけてしまうという
問題があるので、実用的には出射角θを６０°≧θ≧θ
₀に設定するのが好ましい。

【００６２】以上説明したように、本実施例によれば、
対接面１０２に押し当てた指紋の撮像範囲内で、最もＣ
ＣＤカメラ２０２に近い点１１４で出射した光の出射角
（反射角）θがθ＝４５°、ＣＣＤカメラ２０２の画角
（入射角）φがφ＝１５°、さらには、対接面１０２と
第１平面１０５とがなす角度ＸがＸ＝１４°、対接面１
０２と第２平面１０６とがなす角度ＹがＹ＝１２０°
と、θ≧θ₀、Ｘ≦９０°−θ₀、および、ＣＯＳ（Ｙ−
φ）＝ｎＳＩＮ（１８０−２Ｘ−Ｙ−θ）が満たされて
いるので、照明用光源２０１から照射され、谷線部分１
１１あるいは背景部分に達した光は対接面１０２で全反
射し、次に第１平面１０５で再び反射して第２平面１０
６を介して、ＣＣＤカメラ２０２に入射する。

【００６３】一方、隆線部分１１０に達した光は、隆線
部分１１０から生体内に散乱し、その一部が谷線部１１
１から出射し、再びプリズム１０１内に散乱光として入
射することになるが、出射角θは臨界角θ₀＝４１．５
°より大きい４５°に設定されているので、散乱光はＣ
ＣＤカメラ２０２に入射することなく、再びプリズム外
へ出射してしまう。

【００６４】このため、コントラストの高い良好な指紋
画像が撮像できると共に、指紋撮像装置の小型・薄形化
が可能となる。

【００６５】なお、本実施例においては、画角φをφ＝
１５°として設定したが、ＣＣＤカメラ２０２の最大画
角以下であれば、φは任意に設定してよいことは言うま
でもない。

【００６６】また、本実施例においては、ＣＣＤカメラ
２０２の光軸２０５は、対接面１０２と平行になるよう
に設定したが、その画角内に第１平面１０５で反射した
指紋画像が入射するならば、光軸２０５を必ず対接面１
０２と平行にする必要がないことは言うまでもない。

【００６７】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前
記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲において種々変更可能であることは勿論であ
る。

【００６８】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００６９】（１）撮像手段を対接面と平行に設置でき
るので、指紋撮像装置を小型・薄形化することができ
る。

【００７０】（２）指紋の隆線部分から皮膚に散乱し、
谷線部分から再び放出される光が、撮像手段に入射する
ことを防ぐことができるので、小型・薄形の指紋撮像装
置で、良好なコントラストの指紋画像を得ることができ
る

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の指紋撮像装置の撮像原理を説明するた
めの図である。

【図２】本発明の一実施例である指紋撮像装置の概略構
成を示す断面図である。

【図３】θ＝４５°、φ＝１５°、Ｘ≦４８．５°とし
たときの数６を満たす、角度Ｘと角度Ｙの関係を表わし
たグラフである。

【図４】従来の指紋撮像装置の概略構成を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１０１…プリズム、１０２…対接面、１０３…指、１０
４…照明手段、１０５…第１平面、１０６…第２平面、
１０７…撮像手段、１１０…指紋隆線部、１１１…指紋
谷線部、１１３…光路、１１４…指紋の撮像範囲で最も
ＣＣＤカメラに近い対接面上の点、２０１…照明用光
源、２０２…ＣＣＤカメラ、２０３…結像用レンズ、２
０４…エリアＣＣＤ、２０５…ＣＣＤカメラの光軸、２
０６…対接面の延長面と第１平面の延長面とが交わる頂
点、２０７…対接面と第２平面とが交わる頂点、４０１
…直角プリズム。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 指の指紋を押し当てるための対接面、該
   対接面あるいはその延長面と第１の角度Ｘをなす第１平
   面、および、前記対接面あるいはその延長面と第２の角
   度Ｙをなす第２平面を有するプリズムと、前記対接面に
   押し当てられた指の指紋を照明する照明手段と、該照明
   手段により照明される指の指紋を指紋画像として撮像す
   る撮像手段とを具備する指紋撮像装置において、 前記撮像手段は、前記第１平面で反射される前記指紋画
   像を前記第２平面を介して撮像することを特徴とする指
   紋撮像装置。
2. 【請求項２】 前記プリズムの界面での臨界角をθ₀、
   前記プリズムの屈折率をｎ、前記対接面の指の指紋と前
   記第１平面で反射し撮像される前記指紋画像とを結ぶ直
   線が前記対接面の垂線となす角度をθ、前記第２平面か
   ら出射し前記撮像手段に撮像される指紋画像の光線と前
   記撮像手段のレンズの光軸とがなす角度をφとしたと
   き、前記θおよびＸはθ₀≦θ、Ｘ≦９０°−θ₀であ
   り、φはＣＯＳ（Ｙ−φ）＝ｎＳＩＮ（１８０−２Ｘ−
   Ｙ−θ）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の指
   紋撮像装置。