JP2004290664A - 個人識別装置および指紋画像撮像方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 指紋の表面状態の影響を受けずに安定した指紋画像を得ることができ、個人認識の性能を向上することができる個人識別装置および指紋画像撮像方法を得る。
【解決手段】 指紋１１を有する被検体１を指紋が接触した状態で保持しうる透明な被検体保持部２と、被検体保持部に指紋が接触した状態で保持される被検体に、被検体を透過しうる光を照射する光源３と、指紋の凸部を透過した光と凹部を透過した光を受光し凸部が暗く凹部が明るい指紋画像を得る撮像手段４と、この撮像手段から出力された指紋画像に基づき個人を識別する信号処理部５とを備える。また、指紋を有する被検体に上記被検体を透過しうる光を照射し、上記被検体の指紋の表面近傍の内部組織の光透過率に応じた指紋画像を得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は個人識別装置および指紋画像撮像方法に関するものであり、特に、指紋の皮膚表面の湿り気の状態に拘わらず、さらには指紋の凹凸が不明瞭な場合にも、安定した指紋画像を得ることができ、個人認識の性能を向上することができる個人識別装置および指紋画像撮像方法に関するものである。

従来の個人識別装置および指紋画像撮像方法においては、指先の指紋部を透明対接体プリズムの対接面に接触させ、その指先の甲側を照明用光源で照明する。指先の甲側から入射した光は、優れた光散乱体である指先内部で散乱され、内側から指紋を均一な光強度で照明する。指紋隆線部および指紋谷線部から出射した光は、対接面の界面において、異なる角度でプリズム内に入射するため、指紋隆線部から出射した光の方向、すなわち対接面における空気と透明対接体プリズム界面の全反射臨界角より大きな方向に撮像装置を配置することで、コントラストの高い良好な指紋像を撮像している（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−１３４４１９号公報（第３−４頁、第１−３図）

しかしながら、従来の個人識別装置および指紋画像撮像方法は、対接面と指先の間の空気層の有無によるプリズム内への出射角の違いを利用するものであり、指紋の表面の状態、例えば、汗、油、水による皮膚表面の濡れ具合によって、指紋の皮膚とプリズムの対接面との密着度が大きく変化し、対接面と指の間の空気層の状態は変化する。その結果、皮膚表面の湿り気の状態によって得られる指紋画像の画質が変化してしまい、個人識別性能の劣化を招くという問題があった。例えば、皮膚が乾燥していると、指紋の凸部の皮膚が十分に対接面に接触しないため、指紋画像において指紋の凹部との区別がなくなってしまうという問題があった。また、磨耗等により指紋の凹凸が不明瞭な場合には、個人識別性能の劣化を招き、個人識別できない場合もあるという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、特に指紋の表面状態の影響を受けずに安定した指紋画像を得ることができ、個人認識の性能を向上することができる個人識別装置および指紋画像撮像方法を得ることを目的とする。

本発明に係る個人識別装置は、指紋を有する被検体を指紋が接触した状態で保持しうる透明な被検体保持部と、上記被検体保持部に上記指紋が接触した状態で保持される上記被検体に、上記被検体を透過しうる光を照射する光源と、上記指紋の凸部を透過した光と凹部を透過した光を受光し上記凸部が暗く上記凹部が明るい指紋画像を得る撮像手段と、この撮像手段から出力された指紋画像に基づき個人を識別する信号処理部とを備えるものである。

また、本発明に係る指紋画像撮像方法は、指紋を有する被検体に上記被検体を透過しうる光を照射し、上記被検体の指紋の表面近傍の内部組織の光透過率に応じた指紋画像を得るものである。

本発明によれば、指紋を有する被検体を指紋が接触した状態で保持しうる透明な被検体保持部と、上記被検体保持部に上記指紋が接触した状態で保持される上記被検体に、上記被検体を透過しうる光を照射する光源と、上記指紋の凸部を透過した光と凹部を透過した光を受光し上記凸部が暗く上記凹部が明るい指紋画像を得る撮像手段と、この撮像手段から出力された指紋画像に基づき個人を識別する信号処理部とを備えるので、指紋の表面状態の影響を受けずに安定した指紋画像を得ることができ、個人認識の性能を向上することができる個人識別装置が得られる。

また、本発明によれば、指紋を有する被検体に上記被検体を透過しうる光を照射し、上記被検体の指紋の表面近傍の内部組織の光透過率に応じた指紋画像を得るので、指紋の表面状態の影響を受けずに安定した指紋画像を得ることができ、個人認識の性能を向上することができる指紋画像撮像方法が得られる。

本発明の発明者らは、指紋の表面近傍の内部組織の光学特性は指紋部分の凹凸パターンに対応しており、この内部組織の指紋山部（凸部）に対応する部分は指紋谷部（凹部）に対応する部分に比べて光の透過率が低いことを見出した。すなわち、この内部組織を透過した光の強度分布は指紋の凹凸パターンを表している。
本発明は、この特性に着目してなされたものであり、上記指紋部分の凹凸パターンに対応する光学特性を有する内部組織における光の強度分布を検出することを特徴とするものである。
上記のような指紋部分の凹凸パターンに対応した光学特性を有する内部組織の部位は、指紋の表面より内側へ約０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ入った範囲である、すなわち、指紋の表面より内側へ約０．１ｍｍ入った辺りから１．０ｍｍ入った辺りに亘って存在する。なお、個人差等により、１．０ｍｍよりさらに内側へ入った辺りにまで存在する場合もある。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図であり、より具体的には、個人識別装置の全体構成を示す側面図である。
図１において、被検体に相当する指先１は指紋１１を有しており、指紋１１は凸部（山部）１２と凹部１３（谷部）からなる凹凸パターンを有している。なお、本発明では、指先１とは、指の先端部分のみを言うのではなく、指の先端部分から第１関節、あるいは第２関節の辺りまでを言う。
指先１を指紋１１が接触した状態で保持しうる透明な被検体保持部２は、透明板２１を備え、透明板２１の指紋１１接触側の面および反対側の面にそれぞれ反射防止手段として反射防止膜２２を備えている。反射防止膜２２は少なくとも透明板２１の指紋１１接触側の面に有ればよいが、反対側の面にも備えるのがより好ましい。反射防止膜２２の透過率は９５％以上が好ましく、９９％以上がより好ましい。

指先１を透過しうる光を指先１に照射する光源３は、指先１の爪側（指紋１１の反対側）から指紋側へ光が進行するように設けられる。光源３としては、主波長が赤色光乃至近赤外光領域である光、すなわち、赤色光乃至近赤外光領域にある何れかの波長（単色）の投射光、赤色光乃至近赤外光領域に亘る光が混合された投射光、あるいは赤色光乃至近赤外光領域の光（単色の場合も混合されている場合もある。）を主波長として含む投射光を出射するものが用いられ、例えばレーザー、発光ダイオード、ランプ光源が用いられる。赤色光乃至近赤外光領域の光は、被検体１である生体に対する光の透過率が高いので好ましく用いられるが、主波長が６００ｎｍ〜１４００ｎｍの領域のものがより好ましい。さらに、血管中のヘモグロビンの光吸収特性は６６０ｎｍ前後で最小となるので、血管が指紋画像に及ぼす影響を低減するために、主波長が６３０ｎｍ〜７８０ｎｍの領域の光がさらに好ましい。
また、外部からの光の影響を受けないように指先１および光源３を遮光体によって覆ってもよい。

撮像手段４（以下、撮像系４と言うこともある。）は被検体保持部２の指紋接触面２ａから指先１の方へ所定距離だけ離れた面（図１にＡ−Ａ線で示す。以下、この面のことを観察面と称する。）における指先１の内部組織の光強度分布を撮像して指紋に対応する指紋画像を得る。撮像手段４は、波長選択手段としての波長選択素子４１、結像手段としての結像レンズ４２、撮像素子４３、画像出力回路４４を備えている。
反射手段としての平面鏡１００は被検体保持部２を透過した光を直角に偏向させるように設置され、波長選択素子４１、結像レンズ４２、撮像素子４３は偏向された光に対向するように設置されている。

波長選択素子４１は、光源３と同程度の波長を持った光（赤色光乃至近赤外光領域の光）だけを選択的に透過させるものであり、波長選択素子４１としては、例えば干渉フィルター、フィルターガラス、プラスティックフィルターが用いられる。
波長選択素子４１からの出力光信号は、結像レンズ４２を通り撮像素子４３で結像されるが、結像レンズ４２の焦点位置は、被検体保持部２の指紋接触面２ａを基準とし、図１に向かって上方にある指先１の内部、すなわち指紋接触面２ａから指先１の方へ所定距離だけ離れた面（観察面）にある指先１の内部組織、より好ましくは指紋接触面２ａから指先１の方へ０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲だけ離れた面にある指先１の内部組織に合わせるよう設定する。また、結像レンズ４２のレンズは被写体深度が浅いものがよく、好ましくは０．５ｍｍ以下、より好ましくは０．１ｍｍ以下のものを用いる。
撮像素子４３は、例えばＣＣＤ（電荷結像素子）、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）イメージセンサなどの２次元固体撮像素子や撮像管などである。撮像素子４３は指先１を通過して指先１の内部組織の観察面に到達した光に感度を有するもの、即ち、赤色光乃至近赤外光領域の光に感度を有するものが用いられる。撮像手段４は指先１からの光以外を受光しないよう遮光される。
画像出力回路４４は、撮像素子４３からの電気信号を画像電気信号に変換する。

本実施の形態では、光源３は、被検体保持部２に指紋１１が接触した状態で保持される指先（被検体）１に、爪の側から、すなわち、被検体保持部２における被検体１配置側から、光を照射するように配置されており、撮像手段４は、被検体保持部２における被検体１配置側と反対側から、被検体保持部２の指紋接触面２ａから被検体１の方へ所定距離だけ離れた面（観察面）にある被検体１の内部組織の光強度分布を撮像するように配置されている。

信号処理部５は、撮像手段４の画像出力回路４４から出力される指紋画像に基づき個人を識別する。信号処理部５は明度判定回路５１（明度判定手段に相当する。）を備えている。明度判定回路５１は、撮像手段４の画像出力回路４４から出力された指紋画像の明度が予め定められた閾値の範囲内か否かを判定し、判定結果に基づいて光源駆動回路６（光源駆動手段に相当する。）を制御する。本実施の形態では、明度判定回路５１と光源駆動回路６が、撮像手段４から出力された指紋画像の明度が予め定められた閾値の範囲内となるように、被検体１を照射する光の強度を調整する手段を構成している。

次に動作について説明する。
指先１の指紋１１が接触状態となるように、指先１が被検体保持部２に保持されると、光源３から出射される光を指先１の爪側（指紋１１と反対側）に照射する。指先１に照射された光は指先１の内部を伝播し、観察面にある指先１の内部組織に達する。ここで、観察面にある指先１の内部組織の光透過率は指紋１１の凸部１２に比べて凹部１３において高いので、観察面にある指先１の内部組織における光の強度は指紋１１の凸部１２に比べて凹部１３において高くなり、指紋１１の凹凸パターンに応じた光強度分布となる。

そして、観察面にある指先１の内部組織の光強度分布を撮像手段４の結像レンズ４２によって撮像素子４３に結像する。これを光の進む順に説明すると、まず、強度分布を持った観察面にある指先１の内部組織からの透過光は、透明板２１に反射防止膜２２を備えた被検体保持部２を透過する。被検体保持部２を透過した光は光学系の小型化を実現するために備えた平面鏡１００で直角に偏向され、波長選択素子４１で光源３と同程度の波長の光（赤色光乃至近赤外光領域の光）だけが選択される。波長選択素子４１から出力された光信号は結像レンズ４２を通り撮像素子４３上で結像される。画像出力回路４４では撮像素子４３からの電気信号が入力され、指紋の山部に比べて谷部が明るい指紋画像が画像電気信号として出力される。

このようにして撮像手段４において得られた指紋画像は信号処理部５に出力される。信号処理部５においては、まず、指紋画像に、例えば特開平１０−３３４２３７号公報記載のように、二値化、細線化などの画像処理を施し、指紋の特徴情報（指紋情報）を抽出する。次に、信号処理部５は指紋特徴情報の登録および登録された指紋特徴情報との照合を行なう。これにより個人を識別することができる。

なお、本実施の形態では、信号処理部５に明度判定回路５１を備えており、例えば上記の指紋の特徴情報を抽出する前に、明度判定回路５１で指紋画像の明度の過不足を判定し、指紋画像の明度が予め定められた閾値の範囲内となるよう0に光源駆動回路６を制御し、再び撮像を行う。すなわち、指紋画像の明度が予め定められた閾値の範囲より低い場合は、光源駆動回路６に電気信号を送り、明度が飽和しない範囲で可能な限り明度の高い投射光を出射するように光源３を駆動させ、指紋画像の明度が予め定められた閾値の範囲より高い場合は、逆に明度の低い投射光を出射するように光源３を駆動させる。
このように、指紋画像の明度の閾値を適切な値に設定することにより、明度が原因による指紋画像および識別性能の劣化を防止することができる。

上述のように、本実施の形態によれば、指紋部分の凹凸パターンに対応する光学特性を有する内部組織の光透過率によって生じる光の強度分布を検出するので、指紋１１の表面状態（例えば、汗、油、水による皮膚表面の濡れ具合や、傷の有無、磨耗等）の影響を受けずに安定した指紋画像を得ることができ、個人認識の性能を向上することが可能な個人識別装置および指紋画像撮像方法を得ることができる。

本実施の形態では、結像レンズ（結像手段）の焦点位置を被検体保持部２の指紋接触面２ａより被検体１の内部組織の側とすることにより、被検体保持部２の指紋接触面２ａから被検体１の方へ所定距離だけ離れた面にある被検体１の内部組織の光強度分布の撮像を可能としている。

また、指紋１１を有する被検体（指先）１を指紋１１が接触した状態で保持しうる透明な被検体保持部２を備えたので、被検体保持部２に指紋１１が接触した状態で保持される指先１と被検体保持部２との接触部分はほぼ平坦になっているため、結像レンズ４２の焦点を、被検体保持部の指紋接触面２ａから指先１の方へ所定距離だけ離れた面（観察面）にある指先１の内部組織に精度良くしかも容易に合わせることができる。

また、皮膚表面近傍の内部組織で、指紋形状の凹凸パターンに対応した光学特性を持つ部位は、表皮（指紋１１の表面）より約０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ内側へ入った範囲である場合に、この範囲の何れかの位置に結像レンズ４２の焦点を合わせ、さらに被写体深度が表皮と上記部位の距離より短い０．５ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下である結像レンズ４２を使用することにより、被検体保持部２の指紋接触面２ａから被検体１の方へ０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲にある距離だけ離れた面にある被検体１の内部組織の光強度分布、すなわち、皮膚表面の影響を受けずに、指紋の凹凸パターンを反映した内部組織の光学特性を持った光を精度良く検出することができる。

さらに、被検体保持部２は反射防止膜２２を備えているので、指紋１１の谷部（凹部）１３を透過した光の一部が被検体保持部２で反射されるのを防ぐことができる。その結果、被検体（指先）１の観察面（被検体保持部２の指紋接触面２ａから被検体１の方へ所定距離だけ離れた面）における光強度分布のコントラストを乱すことなく、すなわち、観察面における内部組織の谷部の光学特性を反映した部位の透過光量と山部の光学特性を反映した部位の透過光量との差異を損なうことなく、透過光を結像レンズ４２にまで到達させることができる。

また、指先１を被検体保持部２に押し付けることで、指先１の主に指紋１１部分の表面付近にある血管内の血液を指先１の指紋１１部分の表面付近から他の部位へ移動させることができるので、光源３からの投射光が観察面に達する前に指先１の主に指紋１１部分の表面付近にある血管で吸収されて、観察面における指紋の凹凸パターンに応じた光強度分布へ影響を及ぼすのを防止することができる。

なお、上記では、結像レンズ（結像手段）４２の焦点位置は被検体保持部２の指紋接触面２ａから被検体１の方へ０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲にある距離だけ離れた面にあり、結像レンズ４２の被写体深度は０．５ｍｍ以下であるのが良いと説明した。しかしながら、先に述べたように、指紋部分の凹凸パターンに対応する光学特性を有する内部組織（指紋の表面より内側へ約０．１ｍｍ入った辺りから１．０ｍｍ入った辺りに亘って存在する。）を透過した光の強度分布は指紋の凹凸パターンを表しており、この内部組織の厚みの内の少なくとも一部を透過した光の強度分布を検出すればよい。したがって、結像レンズ４２の焦点位置は被検体保持部２の指紋接触面２ａから上記指紋部分の凹凸パターンに対応する光学特性を有する内部組織の範囲内までの何れかの面にあればよい。すなわち、上記指紋部分の凹凸パターンに対応する光学特性を有する内部組織が、指紋の表面より内側へ約０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ入った範囲にある場合、指紋表面すなわち被検体保持部２の指紋接触面２ａから被検体１の方へ０〜１．０ｍｍの範囲にある距離だけ離れた面に結像レンズ４２の焦点位置があればよい。言いかえれば、結像レンズ４２の被写体深度の範囲内に指紋表面から内部組織の範囲内までの何れかの面が含まれていればよい。これは、以下の各実施の形態においても、特に言及しないが同様である。

実際に、被写体深度が１００μｍである結像レンズ４２を用いて、焦点位置が被検体保持部２の指紋接触面２ａから被検体１の方へ０．５ｍｍ離れた面にある場合と、焦点位置が被検体保持部２の指紋接触面２ａにある場合について、指紋の凸部を透過した光と凹部を透過した光を受光し凸部が暗く凹部が明るい指紋画像を得たが、何れの場合にもコントラストの相違は無く明瞭な指紋画像が得られた。また、被写体深度が１００μｍである結像レンズ４２と５ｍｍである結像レンズ４２を用い、焦点位置が被検体保持部２の指紋接触面２ａから被検体１の方へ０．５ｍｍ離れた面にある場合について、指紋の凸部を透過した光と凹部を透過した光を受光し凸部が暗く凹部が明るい指紋画像をそれぞれ得たが、何れの場合にもコントラストの相違は無く明瞭な指紋画像が得られた。

これらの実験結果より、明瞭な指紋画像を得るのに、結像レンズ４２の被写体深度はあまり影響しないことが分かった。これは、以下の各実施の形態においても、特に言及しないが同様である。

図２０に、被写体深度５ｍｍの結像レンズを用いて測定対象となる指紋表面にシリコンオイルを塗布した場合の、ＣＣＤによる指紋画像を示す。図２０においては指紋の凹部が明るく（白く）、凸部が暗く写っている。
また、比較のため、特開２００１−１５３６３０号公報に基づく従来技術により、すなわち、光源を有する第１の光学系と、凹凸パターンを有する被検体を置くための検出面と、検出面からの散乱光を反射させる曲面と、曲面に対向して設けられ、光吸収面と曲面からの反射光を出射させる開口部とを有する面と、光源からの光を入射させる入射面とを有する透明導光体と、開口部からの出射光を撮像素子に入射させる第２の光学系とを備えた凹凸パターン検出装置により、測定対象となる指紋表面にシリコンオイルを塗布した場合の、指紋画像を図２１に示す。図２１においては指紋の凸部が明るく（白く）、凹部が暗く写っている。

図２１に示す従来の凹凸パターン検出装置では、指紋表面にシリコンオイルを塗布した場合に凹凸パターンの途切れが多く見られるのに対して、図２０に示す本実施の形態による個人識別装置および指紋画像撮像方法では、指紋表面にシリコンオイルを塗布した場合であっても、凹凸パターンの途切れが殆ど無い指紋画像が得られていることが分かる。

なお、図１では、被検体保持部２の指紋と接触している側の面（指紋接触面２ａ）にほぼ直交する方向に被検体保持部２に入射する光を検出する場合について示したが、これに限るものではない。図１９に被検体保持部と被検体１との接触部を拡大して模式的に示すように、被検体保持部２の指紋接触面２ａにおいて、指紋の凹部１２と被検体保持部２間の気体の屈折率と、被検体保持部２の屈折率とで決まる全反射の臨界角θ以下の方向に被検体保持部２に入射する光を検出すればよい。これは、以下の各実施の形態においても、特に言及しないが同様である。

例えば、指紋の凹部１２と被検体保持部２間の気体が空気、被検体保持部２がガラスであり、空気の屈折率ｎ0を１．０、ガラスの屈折率ｎgを１．５とすると、臨界角θはθ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ0／ｎg）＝４１（度）となり、指紋の凹部１２を通過した光は４１度以内の角度で被検体保持部２に入射する。
一方、生体の屈折率を例えば１．４５とすると、ａｒｃｓｉｎ（１．４５／１．５）＝７５（度）となり、指紋の凹部１２を通過した光は７５度以内の角度で被検体保持部２に入射する。
したがって、４１度以内の角度で被検体保持部２に入射する光を検出することにより、指紋の凸部を透過した光と凹部を透過した光の両方を検出できることになる。

なお、図１では、被検体保持部２に指紋１１が接触した状態で保持される指先（被検体）１に、被検体保持部２における被検体１配置側から、光を照射するのに、爪の側から被検体保持部２に直交する光を照射するように光源３が配置されていたが、図２に指先近傍の構成を正面図で示すように、被検体保持部２に並行に光を照射するように光源３を配置してもよく、あるいは、図３に指先近傍の構成を正面図で示すように、図１と図２の間である斜め方向から光を照射するようにしてもよい。

また、図４に指先近傍の構成を正面図で示すように、例えば図１に示した被検体保持部２に直交する方向の光と図３に示した斜め方向からの光の両方を照射するように光源３を配置してもよく、この構成によれば指先１の爪側からだけではなく側面からも光を照射することができるので、皮膚表面の指紋に対応する内部組織のほぼ全体に光を投射することができ、撮像範囲全域にわたって平均的な明度を保つことができる。

また、図５に示すように、光源３を指先１の爪側に設置し、指先１と光源３との間に拡散板７を設置することでも同様に、皮膚表面の指紋に対応する内部組織のほぼ全体に光を投射することができ、撮像範囲全域にわたって平均的な明度を保つことができる。

なお、図１は、平面鏡１００と結像レンズ４２の間に波長選択手段４１を設けるものであるが、波長選択手段４４は、結像レンズ４２と撮像素子４３の間、被検体保持部２の指紋接触面２ａ、被検体保持部２と平面鏡１００との間などの何れの位置に設けてもよい。また、波長選択機能を有する結像レンズや被検体保持部などを用いてもよい。
また、指先１からの光以外の外光が撮像手段４に入射するのを遮断するために覆いをつけた場合には、波長選択手段４４は必ずしも設けなくてもよい。

また、図１では、反射手段として平面鏡１００を用いたが、平面鏡１００に限るものではなく、例えば曲面鏡を用いることで像の歪みおよび収差を軽減させることができる。

なお、上記説明では、撮像手段４で得られた指紋画像を信号処理部５で処理して個人を識別する個人識別装置および指紋画像撮像方法について説明したが、個人識別をせずに単に指紋画像を得る指紋画像撮像装置および指紋画像撮像方法としても用いることができることは言うまでもない。

実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図であり、より具体的には、個人識別装置の全体構成を示す側面図である。
上記実施の形態１では、被検体保持部２と反射手段としての平面鏡１００とを別体として構成したが、本実施の形態では、図６に示すように、被検体保持部２と平面鏡１００の替わりに、透明な直角プリズム２００を用いている。直角プリズム２００の指紋接触面２００ａが図１の指紋接触面２ａと、反射面２０１が平面鏡５と、それぞれ同等の作用を有する。また、本実施の形態においても、直角プリズム２００の紋接触面２００ａに反射防止膜２２を備えている。他の構成は実施の形態１と同様である。
本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果が得られる。

なお、直角プリズム２００に限らず、他の形態のプリズムであってもよく、例えば、反射面２０１が曲面のプリズムを用いることで像の歪みおよび収差を軽減させることができる。

実施の形態３．
図７は本発明の実施の形態３による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図であり、より具体的には、個人識別装置の全体構成を示す側面図である。
上記実施の形態１および２では、平面鏡１００や直角プリズム２００を用いて、被検体保持部２を透過した光を偏向させているが、本実施の形態では、被検体保持部２を透過した光を偏向させていない。
本実施の形態においても、実施の形態１および２と同様の効果が得られる。

上記各実施の形態では、結像レンズ４２の焦点面を指先１の内部組織にある観察面に一致させるために、被検体（指先）１を指紋１１が接触した状態で保持しうる透明な被検体保持部２（あるいは直角プリズム２００）を備えた場合について説明したが、被検体１は必ずしも指紋１１が接触した状態で保持されなくてもよい。以下では、被検体１を指紋１１部分が接触した状態で保持することなく被検体１の指紋の表面より内側へ所定距離だけ入った面にある被検体の内部組織の光強度分布を撮像する構成について説明する。

実施の形態４.
図８および図９は本発明の実施の形態４による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図であり、より具体的には、図８は個人識別装置の指先近傍の構成を示す側面図、図９は指先近傍の撮像系側から見た構成を示す上面図である。他の構成は実施の形態１あるいは３と同様である。以下では主に、実施の形態１との相違点について説明する。

本実施の形態では、被検体（指先）１の撮像範囲５００にある指紋部分ではなく、撮像範囲５００の外側で指先１の近傍を開口付き被検体保持部８００で保持する。すなわち、被検体（指先）１を撮像範囲５００にある指紋の表面（測定対象である指紋の表面）が非接触の状態で保持する。開口付き被検体保持部８００は、指先１の撮像範囲５００に接触することなく指先１を保持した状態で、結像レンズ４２の焦点面（図８にＢ−Ｂ線で示す。）が指先１の観察面（指紋の表面より内側へ所定距離だけ入った面）に一致するように設置する。
なお、開口付き被検体保持部８００としては、例えば、図８および図９に示すように、撮像範囲５００よりひとまわり大きく刳り貫いた開口を有する板や、撮像範囲５００の外側に撮像範囲５００を挟んで対向して配置された少なくとも一対の棒等を用いることができる。

このように構成されたものにおいては、指先１の撮像範囲５００にある指紋部分を開口付き被検体保持部８００に接触させることなく、結像レンズ４２の焦点（焦点面）を、指紋の表面より内側へ所定距離だけ入った面（観察面）にある指先１の内部組織に精度良くしかも容易に合わせることができる。

このように、本実施の形態によれば、指紋部分の凹凸パターンに対応する光学特性を有する内部組織の光透過率によって生じる光の強度分布を検出するので、指紋の表面状態（例えば、汗、油、水による皮膚表面の濡れ具合や、傷の有無、磨耗等）の影響を受けずに安定した指紋画像を得ることができ、個人認識の性能を向上することが可能な個人識別装置および指紋画像撮像方法を得ることができる。

なお、実施の形態１で説明したように、本実施の形態においても、結像レンズ４２の被写体深度の範囲内に指紋表面から内部組織の範囲内までの何れかの面が含まれていればよい。
また、結像レンズ４２の被写体深度は、深いと指のカーブをカバーすることができるが、実施の形態１の場合と同様に、明瞭な指紋画像を得るのに、結像レンズ４２の被写体深度はあまり影響しない。
これは、以下の各実施の形態においても、特に言及しないが同様である。

なお、生体の血液において近赤外光は透過率が低いので撮像手段４から出力される指紋画像には指先１内部の血管のパターンが指紋の凹凸パターンと重畳されている。そこで、以下のようにして、撮像手段４から出力される指紋画像から血管のパターンを取り除いてもよい。
すなわち、まず、撮像手段４から出力される指紋画像を原画像とし、原画像に対して平滑化処理を行なって平滑化画像を得る。指紋の凹凸パターンは血管パターンに比べて線幅が細いので、平滑化画像では指紋の凹凸パターンが除去され血管パターンが残る。そして、原画像と平滑化画像の差分演算を行なうと指紋の凹凸パターンのみが残った指紋画像が得られ、この指紋画像から指紋の特徴情報の抽出を行なう。
これは、以下の各実施の形態においても同様である。
なお、上記実施の形態１〜３では、指先１を被検体保持部２に押し付けることで、指先１の主に指紋１１部分の表面付近にある血管内の血液を指先１の指紋１１部分の表面付近から他の部位へ移動させることができるので、上述のような血液による影響を防止できていた。

実施の形態５.
図１０〜図１２は本発明の実施の形態５による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図であり、より具体的には、図１０は個人識別装置の全体構成を示す正面図、図１１は図１０の指先近傍の構成を示す側面図、図１２は図１０の指先近傍の撮像系側から見た構成を示す上面図である。
また、図１０では、実施の形態３に示したのと同様に、被検体の観察面からの光を偏向させない構成を示しているが、実施の形態１と同様に平面鏡１００を用いて偏向させてもよい。
以下では主に、実施の形態１との相違点について説明する。

本実施の形態では、スイッチ６００を用いて結像レンズ４２の焦点面（図１０および図１１にＢ−Ｂ線で示す。）を被検体（指先）１の観察面に合わせる。
スイッチ６００は、撮像範囲５００外でその近傍に、指がスイッチ６００に接触した時に結像レンズ４２の焦点面が指先１の観察面に一致するように設置する。
光線５０１は、結像レンズ４２の焦点面上にある撮像範囲５００内から出射される光線のうちの主光線であり、撮像系４によって決まる。

次に動作について説明する。
指先１の撮像範囲５００の近傍がスイッチ６００に接触すると、結像レンズ４２の焦点面が指先１の観察面に一致する。この時スイッチ６００は信号処理部５に信号を送る。信号処理部５では、この信号を受け取ると、画像出力回路４４からの指紋画像を用い、上記実施の形態１と同様にして個人識別を行う。

このように、本実施の形態では、スイッチ６００を用いて、被検体１の指紋の表面（指先１の撮像範囲５００にある指紋部分）に接触することなく指紋の表面の位置を検出している。すなわち、被検体１の指紋の表面が、結像レンズ４２の焦点位置（焦点面）から結像レンズ４２の側に所定距離だけ離れた位置にあることを指紋の表面に接触することなく検出している。
したがって、被検体保持部２に被検体１の指紋部（指先１の撮像範囲５００にある指紋部分）を接触させることなく、結像レンズ４２の焦点（焦点面）を、指紋の表面より内側へ所定距離だけ入った面（観察面）にある指先１の内部組織に精度良くしかも容易に合わせることができる。

以上のように、本実施の形態によれば、被検体１の内部を通って指紋を通過した光の強度分布を検出するのではなく、指紋を通過する前の指紋部分の凹凸パターンに対応する光学特性を有する内部組織の部位における光の強度分布を検出するので、指紋の表面状態（例えば、汗、油、水による皮膚表面の濡れ具合や、傷の有無、磨耗等）の影響を受けずに安定した指紋画像を得ることができ、個人認識の性能を向上することが可能な個人識別装置および指紋画像撮像方法を得ることができる。

上記各実施の形態では、結像レンズ４２の焦点面を指先１の内部組織にある観察面に一致させるために、被検体（指先）１を被検体保持部２（あるいは直角プリズム２００）、開口付き被検体保持部８００、スイッチ６００などに接触させたが、以下では、被検体１を何にも接触させることなく非接触で、被検体１の指紋の表面より内側へ所定距離だけ入った面にある被検体の内部組織の光強度分布を撮像する構成について説明する。

実施の形態６.
図１３および図１４は本発明の実施の形態６による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図であり、より具体的には、図１３は個人識別装置の全体構成を示す正面図、図１４は図１３の指先近傍の撮像系側から見た構成を示す上面図である。
また、図１３では、実施の形態３に示したのと同様に、被検体の観察面からの光を偏向させない構成を示しているが、実施の形態１と同様に平面鏡１００を用いて偏向させてもよい。
以下では主に、実施の形態１との相違点について説明する。

本実施の形態では、上記実施の形態１〜５で示した被検体保持部２（あるいは直角プリズム２００）、開口付き被検体保持部８００、あるいはスイッチ６００の代わりに、例えばＰＤ（フォトダイオード）等からなる第２の光源３０と例えばＬＥＤ（発光ダイオード）等からなる受光部３０１とを設置する。
受光部３０１と第２の光源３０は、第２の光源３０と受光部３０１で形成される光路５０２が、結像レンズ４２の焦点面（図１３にＢ−Ｂ線で示す。）に平行かつ結像レンズ４２の焦点面から０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲にある距離だけ結像レンズ４２寄りにある平面内に存在し、尚且つ撮像範囲５００内から出射される光線である光線５０１と交差する位置になるように配置されている。つまり、指先１の指紋部分が光路５０２に接触したときに、結像レンズ４２の焦点面と被検体（指先）１の観察面が一致する。
受光部３０１と信号処理部５との間には画像取り込み判定回路３０３が接続されている。

次に動作について説明する。
図１３および図１４に示すように被検体（指先）１が配置された場合、指先１の指紋部分が光路５０２に接触すると、受光部３０１で検出する光量が減少する。この時、結像レンズ４２の焦点面と被検体（指先）１の観察面が一致したことになる。そこで、画像取り込み判定回路３０３では、予め閾値を決めておき、受光部３０１からの出力信号が閾値の範囲内か否かを判定することにより、撮像面と観察面が一致したか否かを判定する。

具体的な一例としては、まず、第２の光源３０を点灯させる。被検体（指先）１をその指紋部分が光路５０１を遮らず、かつ光路５０１より光源３側にある状態から、光路５０２に向かって移動させる。指先１の移動中予め定めた間隔で、画像取り込み判定回路３０３において、受光部３０１からの出力信号が閾値の範囲内か否かを判定する。指先１の指紋部分が光路５０２に接触し、画像取り込み判定回路３０３で受光部３０１からの出力信号が閾値以下になったと判定すると、画像取り込み判定回路３０３は信号処理部５に信号を送る。信号処理部５では、画像出力回路４４からの指紋画像を用い、上記実施の形態１と同様にして個人識別を行う。

このように、本実施の形態では、第２の光源３０からの光を受光部３０１で受光し、画像取り込み判定回路３０３で閾値以下か否かを判定することにより、被検体１の指紋の表面に接触することなく指紋の表面の位置を検出している。すなわち、被検体１の指紋の表面が、結像レンズ４２の焦点位置（焦点面）から結像レンズ４２の側に所定距離だけ離れた位置にあることを指紋の表面に接触することなく検出している。
したがって、被検体１に何も接触させることなく非接触で、結像レンズ４２の焦点（焦点面）を、指紋の表面より内側へ所定距離だけ入った面（観察面）にある指先１の内部組織に精度良くしかも容易に合わせることができる。

以上のように、本実施の形態によれば、被検体１の内部を通って指紋を通過した光の強度分布を検出するのではなく、指紋を通過する前の指紋部分の凹凸パターンに対応する光学特性を有する内部組織の部位における光の強度分布を検出するので、指紋の表面状態（例えば、汗、油、水による皮膚表面の濡れ具合や、傷の有無、磨耗等）の影響を受けずに安定した指紋画像を得ることができ、個人認識の性能を向上することが可能な個人識別装置および指紋画像撮像方法を得ることができる。さらに、被検体１の指紋の表面に接触することなく指紋の表面の位置を検出することができるので衛生的である。

実施の形態７.
図１５および図１６は本発明の実施の形態５による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図であり、より具体的には、図１５は個人識別装置の全体構成を示す正面図、図１６は図１５の指先近傍の撮像系側から見た構成を示す上面図である。
また、図１５では、実施の形態３に示したのと同様に、被検体の観察面からの光を偏向させない構成を示しているが、実施の形態１と同様に平面鏡１００を用いて偏向させてもよい。
以下では主に、実施の形態１との相違点について説明する。

本実施の形態では、第３の光源３００から指先１の指紋側に光線を投射し、指先１からの反射光を撮像素子４３で撮り、指先１の指紋側表面から結像レンズ４２までの距離を測る。
第３の光源３００は、例えば発光ダイオードとレンズや半導体レーザーとレンズ等で構成され、ビーム状の光を出す。第３の光源３００を、その出射光４１０が、結像レンズ４２の焦点面（図１５にＢ−Ｂ線で示す。）に平行かつ結像レンズ４２の焦点面から０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲にある距離だけ結像レンズ４２寄りにある平面（図１５にＣ−Ｃ線で示す。）で、光線５０１が通る範囲内を通るように設置する。
信号処理部５は、画像出力回路４４からの信号を受け取り指先１の指紋側の表面と撮像素子４３との距離を求める距離測定回路４０１と、距離測定回路４０１からの出力を受け取りその信号が予め定められた閾値の範囲内か否かを判定する画像取り込み判定回路４０２とを備えている。

次に動作について説明する。
第３の光源３００から指先１の指紋側に光線を投射し、指先１を結像レンズの光軸にほぼ沿って撮像素子４３に近づける、もしくは遠ざけるように動かしながら、指先１からの反射光を撮像素子４３で予め定めた間隔で撮像する。撮像された画像は画像出力回路４４を通って信号処理部５に出力される。信号処理部５では、画像処理により撮像素子４３上の反射光が入射した位置が求まり、距離測定回路４０１で、三角測量の手法で指先１の指紋側の表面と撮像素子４３との距離を求め、画像取り込み判定回路４０２に出力する。画像取り込み回路４０２では、距離測定回路４０１で求めた距離が、結像レンズ４２の焦点面と撮像素子４３との距離より０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲にある距離だけ長くなった時（すなわち、結像レンズ４２の焦点面と指先１の観察面が一致した時）に信号処理部５内に信号を出力する。信号処理部５では、画像出力回路４４からの指紋画像を用い、上記実施の形態１と同様にして個人識別を行う。

このように、本実施の形態では、第３の光源３００からの出射光４１０を指先１の指紋側に投射して指先１の表面からの反射光を撮像素子４３で検出し、撮像素子４３上の反射光が入射した位置から三角測量の手法で指先１の指紋側の表面と撮像素子４３との距離を求めることにより、被検体１の指紋の表面に接触することなく指紋の表面の位置を検出している。
したがって、被検体保持部２に被検体１の指紋部を接触させることなく、結像レンズ４２の焦点（焦点面）を、指紋の表面より内側へ所定距離だけ入った面（観察面）にある指先１の内部組織に精度良くしかも容易に合わせることができる。

以上のように、本実施の形態によれば、被検体１の内部を通って指紋を通過した光の強度分布を検出するのではなく、指紋を通過する前の指紋部分の凹凸パターンに対応する光学特性を有する内部組織の部位における光の強度分布を検出するので、指紋の表面状態（例えば、汗、油、水による皮膚表面の濡れ具合や、傷の有無、磨耗等）の影響を受けずに安定した指紋画像を得ることができ、個人認識の性能を向上することが可能な個人識別装置および指紋画像撮像方法を得ることができる。さらに、被検体１の指紋の表面に接触することなく指紋の表面の位置を検出することができるので衛生的である。

実施の形態８.
図１７は本発明の実施の形態８による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図であり、より具体的には、個人識別装置の全体構成を示す正面図である。なお、図１７では実施の形態３に示したのと同様に被検体の観察面からの光を偏向させない構成を示しているが実施の形態１と同様に平面鏡１００を用いて偏向させてもよい。以下では主に、実施の形態７との相違点について説明する。

上記実施の形態７では、結像レンズ４２の焦点面を指先１の内部組織にある観察面に一致させるために、被検体である指先１を移動させたが、本実施の形態では、指に光を投射して指表面の位置を検出し、結像レンズ４２をレンズ駆動機構７００で駆動させて焦点面を観察面に合わせる、アクティブオートフォーカスの手法を用いて結像レンズ４２の焦点面を指先１の観察面に一致させる。

このように構成されたものにおいても、上記実施の形態７と同様に、被検体１の指紋の表面に接触することなく指紋の表面の位置を検出しており、実施の形態７と同様の効果が得られる。

実施の形態９.
図１８は本発明の実施の形態９による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図であり、より具体的には、個人識別装置の全体構成を示す正面図である。なお、図１８では実施の形態３に示したのと同様に被検体の観察面からの光を偏向させない構成を示しているが実施の形態１と同様に平面鏡１００を用いて偏向させてもよい。以下では主に、実施の形態８との相違点について説明する。

上記実施の形態８では、アクティブオートフォーカスの手法を用いて結像レンズ４２の焦点面を指先１の観察面に一致させたが、本実施の形態では、撮像素子４３で撮像した指紋画像のコントラストを解析して撮像レンズ４２をレンズ駆動機構７００で駆動させ焦点面を観察面に一致させる、パッシブオートフォーカスの手法を用いて結像レンズ４２の焦点面を指先１の観察面に一致させる。

このように構成されたものにおいても、上記実施の形態７および８と同様に、被検体１の指紋の表面に接触することなく指紋の表面の位置を検出しており、実施の形態７および８と同様の効果が得られる。

なお、上記各実施の形態では、結像手段として結像レンズ４２を用いた場合について説明したが、結像レンズ以外にも、結像機能を有する曲面ミラー、ピンホールなどを用いてもよい。

本発明の実施の形態１による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態１による個人識別装置の要部の別の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１による個人識別装置の要部のさらに別の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１による個人識別装置の要部のさらに別の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１による個人識別装置の要部のさらに別の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態３による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態４による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態４による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態５による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態５による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態５による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態６による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態６による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態７による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態７による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態８による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態９による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態１〜９による個人識別装置および指紋画像撮像方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態１による個人識別装置および指紋画像撮像方法により得られた指紋画像を示す図である。 従来技術により得られた指紋画像を示す図である。

符号の説明

１ 指先、１１ 指紋、２ 被検体保持部、２００ 直角プリズム、２ａ，２００ａ 指紋接触面、２１ 透明板、２２ 反射防止膜、３ 光源、３０ 第２の光源、３００ 第３の光源、３０１ 受光部、３０３，４０２ 画像取り込み判定回路、４ 撮像手段、４１ 波長選択素子、４２ 結像レンズ、４３ 撮像素子、４４ 画像出力回路、４０１ 距離測定回路、５ 信号処理部、５１ 明度判定回路、６ 光源駆動回路、６００ スイッチ、７ 拡散板、７００ レンズ駆動機構、８００ 開口付き被検体保持部、１００ 平面鏡。

Claims (10)

1. 指紋を有する被検体を指紋が接触した状態で保持しうる透明な被検体保持部と、
   上記被検体保持部に上記指紋が接触した状態で保持される上記被検体に、上記被検体を透過しうる光を照射する光源と、
   上記指紋の凸部を透過した光と凹部を透過した光を受光し上記凸部が暗く上記凹部が明るい指紋画像を得る撮像手段と、
   この撮像手段から出力された指紋画像に基づき個人を識別する信号処理部と、
   を備えることを特徴とする個人識別装置。
2. 撮像手段は、被検体保持部の指紋と接触している側の面において、指紋の凹部と被検体保持部間の気体の屈折率と、被検体保持部の屈折率とで決まる全反射の臨界角以下の方向に上記被検体保持部に入射する光を受光することを特徴とする請求項１記載の個人識別装置。
3. 撮像手段は、被検体保持部の指紋接触面から被検体の方へ所定距離だけ離れた面にある上記被検体の内部組織の少なくとも一部を透過した光の強度分布を撮像することを特徴とする請求項１または２記載の個人識別装置。
4. 撮像手段は結像手段を備えており、上記結像手段の焦点位置は被検体保持部の指紋接触面から内部組織の範囲内までの何れかの面にあることを特徴とする請求項３記載の個人識別装置。
5. 所定距離とは０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲にあることを特徴とする請求項３記載の個人識別装置。
6. 透明な被検体保持部は反射防止手段を有することを特徴とする請求項１記載の個人識別装置。
7. 被検体を照射する光の主波長が赤色光乃至近赤外光領域であり、撮像手段が赤色光乃至近赤外光領域の光に感度を有することを特徴とする請求項１記載の個人識別装置。
8. 被検体を照射する光の主波長が６３０ｎｍ〜７８０ｎｍの領域であり、撮像手段が６３０ｎｍ〜７８０ｎｍの領域の光に感度を有することを特徴とする請求項７記載の個人識別装置。
9. 撮像手段から出力された指紋画像の明度が予め定められた閾値の範囲内となるように、被検体を照射する光の強度を調整する手段を備えることを特徴とする請求項１記載の個人識別装置。
10. 指紋を有する被検体に上記被検体を透過しうる光を照射し、
    上記被検体の指紋の表面近傍の内部組織の光透過率に応じた指紋画像を得る
    ことを特徴とする指紋画像取得方法。