JP5118084B2

JP5118084B2 - 掌紋読取装置

Info

Publication number: JP5118084B2
Application number: JP2009043806A
Authority: JP
Inventors: 武雄菅原
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: US20100214401A1; JP2010197811A

Description

本発明は、掌紋読取装置に関するものである。

図１５は、例えば司法関係において、指紋や掌紋を採取した様子を示している。このように指紋や掌紋を採取するためには、従来、平板状のガラス板またはプリズム上に指または掌を載せ、その像をカメラやスキャナで撮る方法が知られている。特許文献１は、その一例として、ハウジングの上に設けた窓に掌を載せると、ハウジングの中に設けたカメラが当該掌を撮像するといった掌紋採取装置を開示している。

また、例えば特許文献２に示すように、従来からファイバ光学プレートが知られている。図１６に示すように、従来のファイバ光学プレート８０は、多数の光ファイバ８５を束ねて一体化したものであり、その一端には、光軸に対して傾斜させてカッティングした入力端面８１を形成している。この入力端面８１上に指８２などを密着させると、その対向側の出力端面８３には、この密着部の凹凸パターンが写し出され、この結果、指紋８４の像を読み取ることができる。

特表２００６−５００６６２号公報米国特許第４９３２７７６号公報

上記の特許文献１に開示された掌紋採取装置を用いる場合には、下方向からのリング照明を与えた上での撮像となり、低コントラストとなってしまう。特に、被写体である掌が多汗の状態または乾燥している状態では低コントラストとなる傾向が更に高い。特殊な皮膚調整剤を用いてコントラストを向上させ認識率を上げることも考えられるが、使用するのに不便である。

また、上記の特許文献２に開示された従来のファイバ光学プレートを用いて指紋や掌紋を採取する場合には、指紋や掌紋の採取時に、指や掌を平面の上または凹部の上に載せることとなるため、特に掌紋の採取時には掌の中央部が凹んでいることから、クリアな掌紋を撮ることは困難であった。

そこで、本発明は上記に鑑みてなされたもので、掌紋の採取時に鮮明な出力画像を得ることが可能な掌紋読取装置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、本発明の掌紋読取装置は、各々の光軸が相互に平行となった状態で集成された複数の単位ファイバを備え、これらの単位ファイバの各々の両端面がそれぞれ集合して構成される入力端面及び出力端面を有するファイバ光学プレートを含む掌紋読取装置であって、前記入力端面に密着した掌の掌紋の像を前記出力端面から出射する掌紋読取装置において、このファイバ光学プレートは、前記光軸の方向に高さを持つ円錐型であり、前記入力端面は、前記円錐型における凸状の形状である側面を成し、前記出力端面は、前記円錐型における底面を成し、凸状の形状である側面を成す前記入力端面に、凹んでいる部分を含む被写体の掌が接触されると、当該入力端面から入射した光が前記出力端面より出力され、前記単位ファイバは、前記入力端面から入射した光を伝搬するコアと、前記コアの外周部を覆うクラッドと、前記クラッドの外周部を覆い且つ入射する光を吸収する光吸収体とを備え、前記コアの光軸に対し前記入力端面が傾斜しており、当該傾斜角度は、空気中から前記コアに入射した光が前記クラッドとの境界面において全反射を生じないような角度に設定されていることを特徴とする。

本発明のファイバ光学プレートは円錐型であり、当該円錐型における側面が入力端面となっているため、掌紋の採取時に、斜めになっている入力端面に被写体の掌が密着しやすくなり、その結果、入力端面と掌の中央部の凹んでいる部分との間で空間が生じることを防止できる。つまり、斜めの入力端面が凸状の形状となり、その凸状となっている部分が被写体の掌の中央部の凹んでいる部分にはまるようになっているので、入力端面と掌の中央部の凹んでいる部分との間で空間が生じにくくなっている。したがって、掌紋の採取時に、掌を平面の上または凹部の上に載せる場合と比べ、より鮮明な出力画像を得ることが可能となる。

また、単位ファイバにおいては、クラッドの外周部を覆うように光吸収体を設けることで、この光吸収体には、コアから漏れた光、及び、クラッドを伝搬する光が到達する。これらの光は、この光吸収体に入射した際に吸収されるため、隣り合う光ファイバ同士は、この光吸収体によって光学的に絶縁されることになる。したがって、各コアを伝搬する光が漏れて隣接する他のコア内に入射することが回避される。また、ファイバ光学プレートの入力端面の傾斜角度を上記のような角度に設定すると、空気中を伝搬して入力端面からコア内に入射した光は、その一部がコアからクラッドに洩れて吸収体で吸収される。従って、背景光などの不要な光は、コアを伝搬する過程で次第に減衰し、出力端面からはほとんど出力されない状態となる。一方、入力端面に物体の表面を密着させた際、この密着部を透過した光がコア内に入射するが、この入射した光には、クラッドとの境界面において全反射の条件を満たすような角度で入射する光も存在するようになる。すなわち、密着部から入射した光のみが、出力端面から出力される。以上により、たとえ被写体である掌が多汗の状態または乾燥している状態であっても、掌紋の採取時に鮮明な出力画像を得ることが可能となる。

また、円錐型における側面である入力端面に、掌のみならず、指も全て載せることにより、掌紋と指紋とを同時に採取することができ、特に指紋については５指を一括して採取することができる。

本発明によれば、掌紋の採取時に鮮明な出力画像を得ることが可能な掌紋読取装置を提供することができる。

本実施形態に係るＦＯＰ１の一部破断斜視図である図１のＦＯＰ１の背面図である。図２における部分Aの拡大図である。図１のＦＯＰ１の一部横断面図である。図１のＦＯＰ１を構成するコア５、クラッド６、光吸収体７の各材料組成を重量％で示すと共に、コア５、クラッド６の屈折率を示す図表である。図１のＦＯＰ１の一部縦断面図である。図１のＦＯＰ１の入力端面２に指または掌１０の表面を密着させた状態を部分的に拡大して示す、図１のＦＯＰ１の一部縦断面図である。図１のＦＯＰ１を備えた掌紋指紋読取装置を示す概略構成図である。図１のＦＯＰ１を備えた掌紋指紋読取装置を示す概略構成図である。本実施形態の他の実施態様に係るＦＯＰ１００の一部破断斜視図である。図１０のＦＯＰ１００の背面図である。図１１における部分Ｃの拡大図である。本実施形態の更に他の実施態様に係るＦＯＰ２００の一部破断斜視図である。本実施形態の更に他の実施態様に係るＦＯＰ２００の背面図である。例えば司法関係において、指紋や掌紋を採取した様子を示す図である。従来のファイバ光学プレート８０を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明にかかる掌紋読取装置の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１〜３を用いてファイバ光学プレート（以下、「ＦＯＰ」と記す。）１の外観を説明する。図１はＦＯＰ１の一部破断斜視図であり、図２はＦＯＰ１の背面図であり、図３は図２における部分Aの拡大図である。このＦＯＰ１は、後述する掌紋指紋読取装置に用いられるものであり、図１〜３に示すように、各々の光軸が相互に略平行となった状態で集成された複数の単位光ファイバ４を備え、これらの単位光ファイバ４の各々の両端面がそれぞれ集合して構成される入力端面２及び出力端面３を有する。ＦＯＰ１は、単位光ファイバ４の光軸方向（Z方向）に高さｈを持つ円錐型であり、入力端面２は当該円錐型における側面を成し、出力端面３は当該円錐型における底面を成す。このＦＯＰ１は、入力端面２に被写体の指および掌の何れかまたは両方が接触されると、当該入力端面２から入射した光が出力端面３より出力されるように構成されている。なお、入力端面２はファイバの光軸に対して傾斜しており（後述する）、出力端面３は光軸に対してほぼ垂直に形成されている。

ＦＯＰ１は、図４に示すように、入力端面２から入射した光を伝搬するコア５、その外周部を覆うクラッド６、さらに、各クラッド６の外周部を覆うように設けられた吸収体７の３種類から構成されている。クラッド６の外周部を覆うように吸収体７を設けることで、コア５から漏れた光及びクラッド６に入射された光が吸収体７で吸収される。このため、隣り合う光ファイバ同士は、この吸収体７によって光学的に絶縁された状態となっている。なお、コア５、クラッド６及び吸収体７は、それぞれ、図５に示す材料によって形成されており、この結果、コア５の屈折率は１．６２１、クラッド６の屈折率は１．５１９となっている。また、ＦＯＰ１の大きさの一例として、図１における高さｈは例えば１５〜２０ｃｍであり、幅ｗは例えば２０〜２５ｃｍである。

上記したように、クラッド６の外周部を吸収体７で覆った光ファイバでＦＯＰ１を形成することで、各コア５内に入射した光が、コア５から漏れて隣接する別のコア５内に入射することが回避され、隣接するファイバ間でのクロクトークの発生を防止でき、出力像のＳ／Ｎ比が改善される。この作用は、入力端面２の傾斜角度（光ファイバの光軸に対する傾斜角度）に無関係で奏されるものである。また、ＦＯＰ１では、入力端面２の傾斜角度を、特定の値に設定することで、後述するような優れた作用・効果を奏する。

図６に、ＦＯＰ１の縦断面を示す。図中、ｎ0はコア５の屈折率、ｎ1はクラッド６の屈折率、ｎは空気の屈折率をそれぞれ示している。本実施形態のＦＯＰ１では、受光角が０°となるように、入力端面２の傾斜角度α（光ファイバの光軸に対する入力端面２の傾斜角度）を規定している。すなわち、傾斜角度αは、このコア５内に、空気中から、いかなる角度で光が入射しても、コア５とクラッド６との境界面において全反射を生じないような角度に設定されている。

この傾斜角度αは、次式より求めることができる。
ｎ0ｓｉｎβ＝ｎ1 ｓｉｎ９０° （全反射の条件）…（１）
ｎ0ｓｉｎγ＝ｎｓｉｎ９０° （受光角０°の条件） …（２）
α＋（９０°＋γ）＋（９０°−β）＝１８０°…（３）

この場合、図５より、ｎ0＝１．６２１、ｎ1＝１．５１９、ｎ＝１であるので、α＝３１．５４°として求まる。したがって、図６における傾斜角度αが、この値以下になると、空気中を伝搬し入力端面２から入射する光は、いかなる角度で入射したとしても、コア５とクラッド６との境界面で全反射を起こさないこととなる。

したがって、入力端面２からＦＯＰ１内に入射した光は、屈折を繰り返して伝搬する過程で、その一部がコア５からクラッド６に漏れて吸収体７で吸収され、次第に減衰して消滅する。このように入力端面２の傾斜角度をこのような角度とした場合、空気中を伝搬し入力端面２からＦＯＰ１内に入射した光は、出力端面３からはほとんど出力されない状態となる。

一方、図７に示すように、この状態で、入力端面２に、特定の物体、例えば指または掌１０の表面を密着させた場合には、指紋または掌紋の凹凸によって、入力端面２と密着する密着部１１と、入力端面２との間に空隙を生じる非密着部１２とが形成される。密着部１１では、入力端面２と指または掌１０の表面とが密着しており、指または掌１０の表面の屈折率は空気の屈折率よりも大である。したがって、入力端面２に入射する光の入射角度と、クラッド６との境界面における全反射の条件との関係が、密着前の関係から変化し、クラッド６との境界面において全反射の条件を満たすような角度で入射する光も存在するようになる。例えば、指または掌１０の背後から光を照射し、この透過光がＢ点に到達したとする（図７）。このＢ点からＦＯＰ１内に入射する光のうち、図示するように、４０．６８°の範囲で入射された光は、コア５とクラッド６との境界面において全反射の条件を満たすので（（２）式より）、この入射光はクラッド６との境界面で全反射を繰り返し、出力端面３側から出力される。なお、この角度の範囲を越えて入射した光は、屈折を繰り返し伝搬する過程で減衰し消滅する。

これに対し、非密着部１２では、図示するような空隙部１３が形成され、この中には空気が存在している。すなわち、指または掌１０を密着させる前の状態と、何ら変わるものではない。したがって、入力端面２の非密着部１２からもコア５内に光が入射するものの、いかなる角度で入射しても、依然として、クラッド６との境界面における全反射の条件を満たしておらず、コア５内を伝搬する過程で減衰し消滅する。

したがって、このように物体の表面像などを検出する際には、入力端面２に密着した物体表面の凸部から入射する光のみが出力端面３から出力され、表面の凹部から入射する光は伝搬過程で減衰して消滅する。このため、背景光などの不要な光が除去され、入力端面２に密着した部分の像のみが伝送されて出力されることになる。

なお、以上説明した例は、N.A.（開口数）＝０．５５の場合であり、その他の主なN.A.に対する傾斜角度αを表１に示しておく。

ここで、このようなＦＯＰ１を備えた掌紋指紋読取装置の具体的な構成を示す。図８は、掌紋指紋読取装置を示しており、前述したＦＯＰ１、ＣＣＤ２０、コンピュータ２１などで構成している。ＦＯＰ１の入力端面２は、光軸に対し傾斜して形成しており、この傾斜角度は、前述した（１）〜（３）式で求められた傾斜角度α以下に設定している。この面に被験者の指および掌１０の何れかまたは両方が接触されると、当該入力端面２に当該指および掌１０の何れかまたは両方が押し付けられて密着され、この背後或いは側面側に設けた光源２３から光を照射するものである。このように密着させると、密着部の凹凸パターン（指紋や掌紋の像）が、出力端面３に伝送され、この画像データがＣＣＤ２０に与えられ、その信号がコンピュータ２１において画像処理される構成となっている。

また、図９に、他の構成例を示す。この例では、ＦＯＰ１の出力端面３とＣＣＤ２０とが離れていない構成となっており、ＣＣＤ２０は出力端面３との間で何も介さずに出力端面３をそのまま撮像することとなる。

続いて、本実施形態にかかるＦＯＰ１の作用及び効果について説明する。本実施形態においては、ＦＯＰ１は円錐型であり、当該円錐型における側面が入力端面２となっているため、掌紋の採取時に、斜めになっている入力端面２に被写体の掌が密着しやすくなり（図８および図９参照）、その結果、入力端面２と掌の中央部の凹んでいる部分との間で空間が生じることを防止できる。つまり、斜めの入力端面２が凸状の形状となり、その凸状となっている部分が被写体の掌の中央部の凹んでいる部分にはまるようになっているので、入力端面２と掌の中央部の凹んでいる部分との間で空間が生じにくくなっている。したがって、掌紋の採取時に、掌を平面の上または凹部の上に載せる場合と比べ、より鮮明な出力画像を得ることが可能となる。

また、単位ファイバ４においては、クラッド６の外周部を覆うように光吸収体７を設けることで、この光吸収体７には、コア５から漏れた光、及び、クラッド６を伝搬する光が到達する。これらの光は、この光吸収体７に入射した際に吸収されるため、隣り合う光ファイバ同士は、この光吸収体７によって光学的に絶縁されることになる。したがって、各コア５を伝搬する光が漏れて隣接する他のコア５内に入射することが回避される。また、ＦＯＰ１の入力端面２の傾斜角度を上記のような角度に設定すると、空気中を伝搬して入力端面２からコア５内に入射した光は、その一部がコア５からクラッド６に洩れて光吸収体７で吸収される。従って、背景光などの不要な光は、コア５を伝搬する過程で次第に減衰し、出力端面３からはほとんど出力されない状態となる。一方、入力端面２に物体の表面を密着させた際、この密着部１１を透過した光がコア５内に入射するが、この入射した光には、クラッド６との境界面において全反射の条件を満たすような角度で入射する光も存在するようになる。すなわち、密着部１１から入射した光のみが、出力端面３から出力される。以上により、たとえ被写体である掌が多汗の状態または乾燥している状態であっても、掌紋の採取時に鮮明な出力画像を得ることが可能となる。

また、円錐型における側面である入力端面２に、掌のみならず、指も全て載せることにより、掌紋と指紋とを同時に採取することができ、特に指紋については５指を一括して採取することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。

例えば、図１０〜１２に示すように、単位光ファイバ１０４の光軸方向に高さ１００ｈを持つ円錐型（上記ＦＯＰ１と同等のもの）をその中心軸１００ｃを基準にして半分切ったような形状（幅１００ｗは図１の幅ｗの１／２）として、ＦＯＰ１００を構成しても良い。図１０はＦＯＰ１００の一部破断斜視図であり、図１１はＦＯＰ１００の背面図であり、図１２は図１１における部分Ｃの拡大図である。図１０〜１２に示すＦＯＰ１００は、図１〜３に示したＦＯＰ１と同様に、各々の光軸が相互に略平行となった状態で集成された複数の単位光ファイバ１０４を備え、これらの単位光ファイバ１０４の各々の両端面がそれぞれ集合して構成される入力端面１０２及び出力端面１０３を有する。入力端面１０２は元々の円錐型における側面を成し、出力端面１０３は元々の円錐型における底面を成す。このＦＯＰ１００においても、入力端面１０２に被写体の指および掌の何れかまたは両方が接触されると、当該入力端面１０２から入射した光が出力端面１０３より出力されるように構成されている。また、入力端面１０２はファイバの光軸に対して傾斜しており（入力端面２について上述した通り）、出力端面１０３は光軸に対してほぼ垂直に形成されている。

また、図１３および図１４に示すように、単位光ファイバ１０４の光軸方向に高さ１００ｈを持つ円錐型をその中心軸１００ｃを基準にして半分切ったような形状（上記ＦＯＰ１００と同等のもの）から更に適宜切り離して、ＦＯＰ２００を構成しても良い。図１３はＦＯＰ２００の一部破断斜視図であり、図１４はＦＯＰ２００の背面図である。図１３および図１４において、部分Ｄは当該切り離した部分を示し、符号２０３はＦＯＰ２００の出力端面を示す。

１…ＦＯＰ、２…入力端面、３…出力端面、４…単位光ファイバ、５…コア、６…クラッド、７…光吸収体。

Claims

各々の光軸が相互に平行となった状態で集成された複数の単位ファイバを備え、これらの単位ファイバの各々の両端面がそれぞれ集合して構成される入力端面及び出力端面を有するファイバ光学プレートを含む掌紋読取装置であって、前記入力端面に密着した掌の掌紋の像を前記出力端面から出射する掌紋読取装置において、
このファイバ光学プレートは、前記光軸の方向に高さを持つ円錐型であり、
前記入力端面は、前記円錐型における凸状の形状である側面を成し、
前記出力端面は、前記円錐型における底面を成し、
凸状の形状である側面を成す前記入力端面に、凹んでいる部分を含む被写体の掌が接触されると、当該入力端面から入射した光が前記出力端面より出力され、
前記単位ファイバは、前記入力端面から入射した光を伝搬するコアと、前記コアの外周部を覆うクラッドと、前記クラッドの外周部を覆い且つ入射する光を吸収する光吸収体とを備え、
前記コアの光軸に対し前記入力端面が傾斜しており、当該傾斜角度は、空気中から前記コアに入射した光が前記クラッドとの境界面において全反射を生じないような角度に設定されていることを特徴とする掌紋読取装置。