JP2001527658A - 指紋検出で使用するためのレンズシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 減衰全内反射を採用する指紋検出システムにおいて使用するためのレンズシステムが提供される。同システムは開口絞り（図１AのS4）および３つのレンズユニットを含む。第１レンズユニット（図１AのL1）は正の倍率を有し、開口絞り（図１AのS4）の物体側に配置され、レンズシステムについてのテレセントリック瞳孔を形成する。第２のレンズユニット（図１AのL3）は正の倍率を有し、第１レンズユニット（図１AのL1）の像側に配置され、物体の実像を形成する。ある実施態様においては、第３レンズユニット（図１AのL2）は第１レンズユニットと第２レンズユニットの間に配置され、実質的に無限焦点の円柱倍率を有する。他の実施態様では、第３レンズユニット（図２AのL2）は、第１レンズユニット（図２AのL1）および第２レンズユニット（図２AのL3）により寄与される像の像面湾曲を補正するのに役立つ。

Description

【発明の詳細な説明】 指紋検出で使用するためのレンズシステム 発明の分野 本発明はレンズシステムに関するものであり、特に、指紋検出で使用するため のレンズシステムに関連し、同システムでは、指紋の畝の像が、プリズムの傾斜 面における減衰全内反射により形成される。発明の背景 減衰全内反射を用いた指紋検出に関与する諸問題の説明は、Stoltzmannら著、 「Versatile anamorphic electronic fingerprinting:design and manufacturin g considerations,」（SPIE第2537巻、105頁から116頁、1995年8月）に、見られ る。同文献の著者らは、指紋の畝の像を形成するために使用される光学システム は光学ひずみを補正するためのプリズムを含むべきであると、結論づけている。 実施に際して、プリズムを採用する光学システムは、レンズ素子のみを採用した 光学システムと比較した場合に製造経費が嵩むが、それは、プリズム自体が高価 であるためと、コリメータ光学系が収差の導入を回避するのに必要であるための 両方の理由による。 重要なことに、本発明に関しては、Stoltzmannらは特に、指紋の畝の像を形成 するために、レンズ素子のみを採用する光学システムの使用を除いた教示を行っ ている。特に、円柱レンズを採用するシステムは、高度の水平/垂直圧縮をうま く補正できないことに、著者らは言及している。 ひずみ補正プリズムの代替例として、Bahugunaら著の、「Prism fingerprint sensor that uses a holographic optical element,」（Applied Optics、第35 巻、5242頁から5245頁、1996年9月）は、物体（指紋の畝）を傾斜させずに全内 反射を達成するためにホログラフィー光学素子を用い、従って、レンズ素子のみ を用いて物体の直線方向像が生成され得るようにすることを、記載している。ホ ログラフィー光学素子の使用は勿論、経費と光学システムの複雑さを増大させる 。 Hebart、Robert T.の「0ff-axis optical elements in integrated,injection -molded assemblies,」（SPIE第2600巻、129頁から134頁、1995年12月）は、指 紋検出問題への別なアプローチ、すなわち、物体の傾斜を回避するための非同軸 光学系の使用を記載している。このアプローチは、製造するのが経済的に困難な 複雑な光学表面の使用を必要とする。発明の説明 以上の事柄に鑑みて、本発明の目的は、指紋検出において使用するための改良 型レンズシステムを提供することである。特に、本発明の目的は、レンズ素子の みを採用し、ひずみ補正用プリズム、ホログラフィー光学素子、または非同軸光 学系を採用しないレンズシステムを提供することである。 本発明の更なる目的は、指紋検出システムにおいて使用するための廉価なレン ズシステムを提供することである。特に、本発明の目的は、低価格で大量に製造 され得る成形型レンズ素子を備える、指紋検出において使用するためのレンズシ ステムを提供することである。 上記目的および他の目的を達成するために、本発明は、その各局面のうち第１ の局面に従って、光学軸を有する光学システムを提供するもので、同システムは 、物体の像（例えば、指紋の畝）を形成し、 （ａ） 物体および第２表面に接触するための第１表面を有するプリズムであ って、同第１表面は、同表面の全内反射の角度よりも大きい角度（例えば、BK７ ガラスから構成されるプリズムについて約42°よりも大きい角度）で光学軸に関 して配向される、プリズムと、 （ｂ） レンズ素子から分離された、またはその一部である開口絞りと、 （ｃ） １つまたはそれ以上のレンズ素子を備える第１レンズユニットであっ て、同第１レンズユニットは正の倍率を有し、そしてテレセントリック入射瞳孔 を形成するために、開口絞りとプリズムとの間に配置される、第１レンズユニッ トと、 （ｄ） １つまたはそれ以上のレンズ素子を供える第２レンズユニットであっ て、同第２レンズユニットは正の倍率を有し、開口絞りの像側に配置され、同第 ２レンズユニットは、ビデオカメラのような電子式検出器を用いて観測され得る 像などの物体の実像を形成する、第２レンズユニットと、 （ｅ） １つまたはそれ以上のレンズ素子を供える第３レンズユニットであっ て、同第３レンズユニットは、第１レンズユニットと第２レンズユニットとの間 に配置され、そして実質的に無限焦点の円柱光学倍率を有する、すなわち、第３ レンズユニットは極めて長い焦点距離を有するが、同ユニットが像面湾曲の何ら かの補正を提供し得る程の無限の焦点距離を有してはいない、第３レンズユニッ トと、を備える。 第１レンズユニットは、高屈折率ガラスまたはプラスチック材料のいずれかか ら構成された単一レンズ素子であるのが好ましく、この場合、レンズ素子の少な くとも１つの表面が非球面である。第２レンズユニットは、高屈折率ガラスかプ ラスチック材料のいずれかから構成された単一レンズ素子であるのが好ましく、 この場合、レンズ素子の少なくとも１つの表面は非球面である。 円柱倍率を有する第３レンズユニットは、実質的な厚さを有する単一の成形プ ラスチックレンズ素子であるのが好ましく、例えば、レンズ素子は、レンズ素子 の最大開放口に略均等である厚さを有するのが好ましい。第３レンズユニットの 光学表面のうちの１つは、システムの開口絞りに隣接し、例えば、第３レンズユ ニットの光学表面のうちの１つは、実質的に機械式開口絞りと接触状態にあるの が、好ましい。代替例として、開口絞りは、第３レンズユニットの表面上に直接 形成され得る。 第３レンズユニットの円柱倍率は、一方向のみに像の寸法を縮小するために使 用される。特に、プリズムの傾斜第１表面と第１レンズユニットにより形成され るテレセントリック入射瞳孔との組み合わせは、物体の像が第１表面の傾斜の方 向に縮小されるようにする。第３レンズユニットの円柱倍率は、像が縮小された 方向に直交する方向に像の寸法を縮小することによって、この効果を除去するの に役立つ。このようにして、検出器における最終像拡大率（像縮小率）は、傾斜 の方向と傾斜に直交する方向の両方について同一である。 傾斜に直交する方向に像の寸法を縮小することに加えて、すなわち、像の歪像 を低減することに加えて、円柱倍率はまた、像の像面湾曲を補正する際にも役立 つ。この結果を達成するために、第１レンズユニットおよび第２レンズユニット は、円柱倍率平面に直交する方向で非点収差を補償するように設計されるのが、 好ましい。 本発明の第２の局面に従えば、本発明は、光学軸を有する光学システムを提供 し、同システムは物体の像を形成し、かつ、 （ａ） 物体と第２表面に接触するための第１表面を有するプリズムであって 、同第１表面は、同表面の全内反射の角度よりも大きい角度で光学軸に関して配 向される、プリズムと、 （ｂ） レンズ素子とは分離した、またはその一部である開口絞りと、 （ｃ） １つまたはそれ以上のレンズ素子を備える第１レンズユニットであっ て、同第１レンズユニットは正の倍率を有し、かつテレセントリック入射瞳孔を 形成するために開口絞りとプリズムとの間に配置される、第１レンズユニットと 、 （ｄ） 物体の実像を形成するための第２レンズユニットであって、同第２レ ンズユニットは１つまたはそれ以上のレンズ素子を供え、正の倍率を有し、かつ 、第１レンズユニットの像側にある、第２レンズユニットと、 （ｅ） １つまたはそれ以上のレンズ素子を備えた第３レンズユニットであっ て、同第３レンズユニットは、第１レンズユニットおよび第２レンズユニットに より寄与される像の像面湾曲を補正する、第３レンズユニットとを備える。 本発明の第２の局面については、第１レンズユニットおよび第２レンズユニッ トは再び、各々が、高屈折率ガラスまたはプラスチック材料のいずれかから構成 される単一レンズ素子であるのが、好ましい。本発明の第１局面に関しては、プ ラスチックから構成される単一レンズ素子が第１レンズユニットおよび／または 第２レンズユニットのために使用される場合は、その素子は、非球面状である少 なくとも１つの表面を有する。 像面湾曲を補正するための第３レンズユニットは、例えば成形プラスチック素 子など、プラスチックから構成された単一の負のメニスカスレンズ素子であるの が好ましいが、同素子は、開口絞りの付近か、または、像の付近のいずれかに配 置される。第３レンズユニットは、少なくとも１つの非球面を含むのが好ましい 。 本発明のこの第２の局面については、テレセントリック入射瞳孔から見られる ような傾斜物体により導入される縮小の補正は、電子式ハードウエアか、または 、コンピュータソフトウエアのいずれかを用いた検出の後で像を処理することに より、達成され得る。 上記レンズシステムは、を用いた単色光源（例えば、発光ダイオード）と共に 使用されるのが好ましく、従って、色補正を提供しない。しかし、色補正は、望 ましければ、レンズに追加され得る。単色照射のために、１つまたはそれ以上の レンズ素子を染色して、単色照明を透過させながら周囲光を拒絶することが望ま しくあり得る。図面の簡単な説明 図１Aは、本発明の第１の局面に従って構成されたレンズシステムの概略図で ある。 図１Bは、このシステムの円柱レンズ素子の配向を例示する、図１Aのレンズシ ステムの概略図である。 図１Cは、図１Aのレンズシステムについての格子歪のプロットである。 図２Aは、本発明の第２の局面に従って構成されたレンズシステムの概略図で ある。 図２Bは、図２Aのレンズシステムについての格子歪のプロットである。 図３から図５は、本発明の第２の局面に従って構成された更なるレンズシステ ムの概略図である。 上記各図は、本明細書に組み入れられ、かつ、その一部を構成するが、本発明 の好ましい実施態様を例示し、かつ、説明と一緒に、本発明の原理を解説するの に役立つ。勿論、図面と説明の両方は説明にすぎず、本発明を限定するものでは ないことが、理解されるべきである。好ましい実施態様の説明 図１A、図１B、図２A、および図３から図５は、本発明に従って構成される多 様なレンズシステムを例示する。対応する規定事項や性能特性は表１から表５で 、それぞれ、明らかになる。 SCHOTT銘柄は、レンズシステムにおいて採用されるガラスについて使用される 。他の製造業者により作られる同等のガラスが、本発明の実施に際して使用され てもよい。工業的に受容可能な材料がアクリル素子について使用される。 表中に与えられた全ての寸法は、指示されている個所を例外として、ミリメー トル単位である。「全トラック」とは、プリズムの出口表面から像までの距離に ついて言う。「最大視野」とは、垂直方向表面上に投影された傾斜物体の最大直 線半分長について言う。「直接波」とは、レンズシステムを設計する際に使用さ れる単色波長のことである。各表は、図において左から右へ光が移動することと 、物体と像はSchleimpflug条件を満たすこととを想定して、構成される。 表１、表３、および表５に明示される非球面係数は、以下の等式で使用するた めである。 ここで、ｚはシステムの光学軸からの距離ｙにおける表面たるみ(sag)であり、 ｃは光学軸におけるレンズの曲率であり、ｋは円錐定数であるが、これは、各表 に指示された場合を例外として、ゼロである。上記等式を用いる代わりに、表２ のレンズシステムについての非球面は、表中に示される係数を有する偶数のべき 乗多項式によって規定されるが、その場合のｒは光学軸からの距離である。 図１および表１は、歪補正のための円柱レンズ（L2）を採用する本発明に従っ て構成されるレンズシステムを例示する。図１Cに示されるように、レンズシス テムは矩形物体の矩形像を形成する。特に、この図における交点は算出された像 点であるが、格子は理想的な直線の像を表す。この図を作成する際に使用される 視野は、18.5ミリメートル幅で、26.2ミリメートル高さであるが、像は3.6ミリ メートル幅で、5.１ミリメートル高さであった。 図２から図５および表２から表５は、図１および表１にあるような円柱素子に 対向するように、回転方向対称レンズ素子のみを採用する本発明に従って構成さ れた、多様なレンズシステムを例示する。図２Bに例示されるように、これらレ ンズシステムは矩形物体の四角形像を形成する。特に、この図を作成する際に使 用される視野は、図１Cにあるように、18.5ミリメートル幅、26.2ミリメートル 高さであったが、この像は、むしろ矩形というより、一辺3.5ミリメートルの正 方形である。上述のように、電子式ハードウエアまたはコンピュータソフトウエ アのいずれかを用いた検出の後に像を処理することにより、矩形データはこの正 方形像から得られる。図１Cにあるように、図２Bの交点は算出された像点である が、格子は理想的な直線の像を表す。 図２から図５のレンズシステムは本発明の以下の特性を例示する。すなわち、 図２は円錐形第１レンズ素子、球面ガラス第２レンズ素子、および、１つの非球 面を有する成形プラスチック第３レンズ素子の使用を例示し、図３は各レンズ素 子が１つの非球面を有するプラスチックシステム全体を例示し、図４はガラス球 面システム全体を例示し、図５は物体から像の距離が短いシステムを例示する。 表６は図１から図５の各レンズ素子と、先に言及され、かつ請求の範囲の第１ 、第２および第３レンズユニットとの間の対応を示す。 本発明の第１の実施態様および第２の実施態様の両方の第１レンズユニットは 、非球面を含むレンズシステムについての全トラックの約0.75倍よりも小さく、 かつ、球面レンズ素子を採用するシステムについての全トラックの約1.25倍より も小さい焦点距離ｆ₁を有するのが、好ましい。表７は、実施例１から実施例５ のレンズシステムについてのｆ₁と全トラック値とを明示する。 本発明の好ましい実施態様および他の実施態様が本明細書中に記載されている が、当業者ならば、以下の各請求項により規定されるような本発明の範囲から逸 脱せずに、更なる実施態様が理解され得る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光学軸を有する光学システムであって、該システムは物体の像を形成し、か つ、 （ａ） 該物体および第２表面に接触するための第１表面を有するプリズムで あって、該第１表面は、該表面の全内反射の角度よりも大きい角度で該光学軸に 関して配向される、プリズムと、 （ｂ） 開口絞りと、 （ｃ） テレセントリック入射瞳孔を形成するために、該開口絞りと該プリズ ムとの間に正の倍率を有する、第１レンズユニットと、 （ｄ） 該物体の実像を形成するために、該開口絞りの像側で正の倍率を有す る、第２レンズユニットと、 （ｅ） 該第１レンズユニットと該第２レンズユニットとの間の第３レンズユ ニットであって、該第３レンズユニットは円柱倍率を有し、該円柱倍率は実質的 に無限焦点である、第３レンズユニットとを備える、光学システム。 ２．前記第１レンズユニットは、少なくとも１つの非球面を備える、請求項１に 記載の光学システム。 ３．前記第１レンズユニットは、単一のレンズ素子から構成される、請求項１に 記載の光学システム。 ４．前記第２レンズユニットは、少なくとも１つの非球面を備える、請求項１に 記載の光学システム。 ５．前記第２レンズユニットは、単一のレンズ素子から構成される、請求項１に 記載の光学システム。 ６．前記第３レンズユニットは、前記開口絞りに隣接する光学表面を備える、請 求項１に記載の光学システム。 ７．前記第３レンズユニットは、単一のレンズ素子から構成される、請求項１に 記載の光学システム。 ８．前記第３レンズユニットの前記円柱倍率は、１方向のみに像の寸法を縮小す るために使用される、請求項１に記載の光学システム。 ９．前記第３レンズユニットの前記円柱倍率は、前記第１レンズユニットおよび 前記第２レンズユニットにより寄与される像の像面湾曲を低減するのに役立つ、 請求項１に記載の光学システム。 10．光学軸を有する光学システムであって、該システムは物体の像を形成し、か つ、 （ａ） 該物体および第２表面に接触するための第１表面を有するプリズムで あって、該第１表面は、該表面の全内反射の角度よりも大きい角度で該光学軸に 関して配向される、プリズムと、 （ｂ） 開口絞りと、 （ｃ） テレセントリック入射瞳孔を形成するために、該開口絞りと該プリズ ムとの間に正の倍率を有する、第１レンズユニットと、 （ｄ） 該物体の実像を形成するために、正の倍率を有する第２レンズユニッ トであって、該第２レンズユニットは該第１レンズユニットの像側にある、第２ レンズユニットと、 （ｅ） 該第１レンズユニットと該第２レンズユニットにより寄与される像の 像面湾曲を補正するための第３レンズユニットとを備える、光学システム。 11．前記第１レンズユニットは、少なくとも１つの非球面を備える、請求項10に 記載の光学システム。 12．前記第１レンズユニットは、単一のレンズ素子から構成される、請求項10に 記載の光学システム。 13．前記第２レンズユニットは、少なくとも１つの非球面を備える、請求項10に 記載の光学システム。 14．前記第２レンズユニットは、単一のレンズ素子から構成される、請求項10に 記載の光学システム。 15．前記第３レンズユニットは、負の倍率を有する、請求項10に記載の光学シス テム。 16．前記第３レンズユニットは、全体的メニスカス形状を有する、請求項10に記 載の光学システム。 17．前記第３レンズユニットは非球面を備える、請求項10に記載の光学システム 。 18．前記第３レンズユニットは単一のレンズ素子から構成される、請求項10に記 載の光学システム。