JP6014960B2 - 隆線パターン記録システム - Google Patents

Description

本発明は生体認証の分野に関し、特に隆線パターンの自動記録用システムに関する。

図１は隆線パターンを記録するための代表的なシステムの図を示す。光源１が構成部品２を照射すると、部品2は記録すべき対象物、たとえば指や手の掌上の稜線について走査面３の位置を決める。走査面上では、光源からの光束によって隆線パターンの山と谷に対応する領域における反射の相違に基づく画像が伝えられる。通常集光レンズ４、反射鏡系５、対物レンズ６、防護ガラス７および画像センサを覆うマイクロレンズ８を含む光学系は、この光束を捉え、そして隆線の画像を多素子画像センサの感光面９に創出する。画像センサは、この画像を光学画像から、対応する感光素子に投射する放射束に比例する輝度値の配列形式における電子デジタル画像に変換し、そして画像を電子メモリ10に伝達する。演算処理装置11は、この電子画像のスケールを標準化して本システムの出力画像を創出する。

記録すべき対象物の位置を判別する構成部品は通常、光学的に透明な二等辺直角プリズムとして設計されるが、隆線パターン記録用システムについては複合形態のプリズム、円筒形部品または平行平面版が走査面の位置を決定する役割を果たす設計バリエーションも存在する。システムの本体要素が走査面の場所を決定する部品である設計バリエーションも稀に存在する。

光学系における鏡の数は変動してもよいが、システムの形状および全体寸法を決定する。

放射センサは、通常、金属酸化物半導体トランジスタまたは電荷結合素子から成るバーまたはマトリクスとして構成される。

前記システムは一般的に画像の品質に対する非常に厳密な要求基準の故に、比較的大型の感光素子を備えた画像センサを用いる必要性があり、これがセンサ作業面の全体面積を著しく増加させ、その結果、前記比較的大型のセンサを用いて構成されたシステムのコストが非常に高くなるという欠点を有する。

大領域センサの価格の非常な高価格は、その原料であるシリコンウェハの高価格ならびに、これらウェハの低い実用歩留まり率が原因である。

具体的には、図２aは手の掌の隆線パターンを記録するためのシステムに用いられ、1000 dpiの解像度を有する代表的な画像センサ用の結晶13から成る150 mm直径のシリコンウェハ12についての配列を示している。この種のセンサは6.8マイクロメータの感光素子の規模を有し、かつ水平方向に7216個および垂直方向に5412個の感光素子を包含している。前記図から、ウェハが収容できなおかつこの特質を有する結晶はたった４個しかないことが理解できる。更に、この場合、結晶の製造に使用可能なウェハの有効面積は全面積の約50％を占めている。もし、製造中に合計４個の重大な生産不良14が見逃された場合にはこれらは例えば、図2aに示されるように配列され、このウェハからは１個の利用可能な結晶も得られないことになる。

センサが同数の感光素子で、かつ1.4マイクロメータの寸法で形成されると、直径150 mmのウェハ15についての結晶の配列は、図2bに例示するようになる。この場合、ウェハは137個の結晶16を収容し、これはこのウェハの面積の80％を占める。同時に、もし製造中に合計４個の重大な生産不良17が見逃されれば、これらは例えば、図2bに示されるように配列され、このウェハから133個の利用可能な結晶が得られることになる。生産不良に基因する損失は、このウェハの合計結晶数の丁度３％となる。

しかしながら、明白な利点にも拘わらず、形成される画像の品質が生体認証の分野における現在の標準規格には不適合なために、小型感光素子を備えるセンサの隆線パターン記録用システムにおける利用は進まず、特に感光素子間のノイズと電荷の拡散が利用の妨げになっている。FBI EBTS附則Fは隆線パターン記録システムの、現在の主要標準規格である。

隆線パターン記録用システムの設計には比較的安価な画像センサーを使用しながら求められる走査範囲の解像度および寸法を実現するように設計変更したものも少数ながら存在する。

具体例としては、IPC G01B11/124に分類された1999年1月12日付米国特許第5859420号は、システムを複数のチャンネルに細分化し、その各々が記録すべき対象物の画像の部分を別々に形成した後に、その画像の部分を結合して出力画像とすることによって隆線パターン記録用システムの解像度を増加させるシステムを開示している。

IPC G06K9/32に分類された2005年8月9日付の米国特許第6928195号は、システム中に章動ミラーを使用して、複数個の変位した中間画像に置換し、そして中間画像の画像要素を組み合わせて出力画像を形成することにより、画像センサ内の感光素子の数を増加させることなく、隆線パターン記録用システムの解像度を増大させるシステムを開示している。

このシステムは、本発明に最も近いものであり、その主要な欠点は、上記中間画像の画像要素を作成し組み合わせる手順がさらに必要であることであって、比較的安価なセンサが使用できるものの、そのためにシステムの費用が増加すると共にその信頼性が低下することになる。その結果、システムの合計コストが著しくは減少しないにもかかわらず、信頼性は低下し、全体が大型化し、エネルギー消費は増加し、そしてシステムの作業速度はより遅くなる。

米国特許第5859420号 米国特許第6928195号

本発明の目的は、低コストかつ高信頼性を有し、同時に高品質画像が得られ、全体的に小型で、高速で作業でき、エネルギー消費の少ない隆起パターン記録用システムを提供することである。

前記目的は、隆線パターン記録用システムが次の場合に達成される。すなわち、システムが光源、走査面の位置を決定する構成部品、光学系、多素子画像センサ、画像を格納する電子メモリおよび処理装置を包含し、走査面上の同一領域についての異なった中間画像に対応する、中間画像の画像要素の輝度値を処理装置内で平均化し、前記領域に対応する輝度について得られた値を出力画像の画像要素に割り当てることにより、システムからの出力画像が電子メモリ内で少なくとも２個の中間画像と電気的に連結され、また各中間画像が画像センサの感光素子と電気的に連結され、これらは、光学系によって形成された隆線パターン走査面の画像を経由して光源および隆線パターン走査面と光学的に連結され、この場合、画像センサのスペクトル域の感度内で、境界波長L未満の波長を有する有用光の全光束が、Lを超える波長の迷光の全光束より少なくとも５倍大きく、かつLの値が条件：

（但し、Lはマイクロメータで表示される境界波長、
Tはマイクロメータで表示される、画像センサ内の有用光に反応する感光素子の中心間の間隔、
Aは画像センサ側における画像センサの感光面上に走査面の画像を形成する光学系の有効な開口率、
Nは出力画像の１個の画像要素当りの画像センサにおける感光素子の数である。）
を満足するものである。

コンピュータが、中間画像をマージするための画像処理装置として使用されることが好ましい。本発明の他の実施態様において、デジタルシグナルプロセッサを中間画像をマージするための画像処理装置として使用してもよい。

処理装置、電子メモリおよび画像センサは単一の構造要素に組み込んでもよい。

画像センサは単色であることが好ましい。

本発明の特徴により、隆線パターン記録用システムの、コストの減少、信頼性の向上、高画像品質の提供、全体の小型化、作業の高速化およびエネルギー消費の低減という技術的成果がもたらされる。

図１は隆線パターン記録システムの設計を示す代表的な概略図。 図２は、直径150 mmのウェハ上の水平方向に沿った7216個の感光素子および垂直方向に沿った5412個の感光素子という異なった寸法の感光素子を備えた画像センサ内の結晶の配列を示す。図2aは6.8マイクロメータの結晶（感光素子）を伴う結晶を示し、図2bは1.4マイクロメータの感光素子を伴う結晶を例示する。 図３は画像要素の輝度値を平均することにより中間画像を出力画像にマージすることを示す概略図である。

本発明の実施態様の一例は図１に示された図において理解できる。光パネル１の形状で、主要な放射波長470ナノメータの発光ダイオードとして構成された光源が、光学的に透明な材料からなる二等辺直角プリズム2を照らす。プリズム21の入力脚部面を通過して、光は全内反射角をもって、斜辺面３上に入射し、隆線パターン走査面を決定する。記録すべき対象物、たとえば指紋または手の掌はこの表面にセットされる。隆線パターンの峰に対応する地点において，光源からの光束は、記録すべき対象物により部分的に吸収されるのに対し、残りの領域において、それはプリズムの斜辺面によって全面的に反射する。このようにして、光束は記録すべき隆線パターンの画像を伝える。引き続いて、プリズムの退出脚部面22および集光レンズ４を通過する光は鏡５で反射し、そして対物レンズ６に入射する。干渉被膜が、対物レンズ中の１個の光学部品の作業面に適用されて、490ナノメータを超える波長を有する放射をブロックするクリッピング光フィルタとして機能する。少なくとも0.08の退去開口率を有する対物レンズは、素子間に1.7マイクロメータの間隔を備えた金属酸化物半導体におけるマトリクス状のトランジスタとして構成されたモノクロカメラの感光面９上に、記録すべき対象物の画像を形成するが、この場合、記録すべき対象物について、所望解像度の１個の画像要素は１個の感光素子を必要とし、また光学系の素子ならびに画像センサは堅固に締着されて単一体を形成する。このカメラが、記録すべき対象物のデジタル画像を、対応する感光素子上に入射された光束と関連する輝度値の配列の形式で創出し、そしてこれをUSBインターフェースを介してコンピュータ処理装置11のメモリ10に送る。１個の出力画像を形成する４個の中間画像がこのようにして送られる。これを実現するために、プログラムは同一の画像要素について４個の中間画像の平均輝度値を計算し、そしてこの得られた値を出力画像における対応する画像要素に割り当てる。この画像の各部分をマージする原理が図３に図示されている。

プログラムが輝度値を一時的に平均化し、かつリスケーリングすることにより画像をマージし、輝度の範囲を０乃至255ユニットから０乃至65535の範囲に変換する、別の設計バリエーションも可能である。そこではマージされた輝度値を合計し、得られた値に特定の係数を乗じ、そして得られた値を出力画像の対応する画像要素に割り当てる。

また、システムを調整するための手順を簡略化するため、正確には、手動調整が必要な光学的増幅を是正するために、対物レンズが、出力画像において必要とされる数の画像要素を超える数の感光素子をカバーする画像を形成する、本発明の別の実施形態バリエーションも可能である。同時に、ソフトウェアは出力画像のスケールを圧縮によって変更する。従って、たとえば、もし対物レンズが二つの垂直方向のそれぞれにおいて、出力画像中の対応方向における画像要素が必要とするより10％多い数の感光素子をカバーしつつ画像を形成する場合には、ソフトウェアはデータを圧縮し、各画像要素には、出力画像におけるセンサの1.1² ＝1.21個の感光素子が割り当てられる。更に、調整の簡略化によって、この場合、前記条件

に従って、より広範なスペクトル域を利用することも可能となり、その結果、画像の品質を損なうこと無く、またエネルギー消費を増加させることなく、より大きな放射束が提供される。

出願人は、上に特定したパラメータを備え、スキャナ面寸法129×129 mmならびに500ドット／インチに相当するこの表面に対する解像度を有し、複数の試験片を備えた試験掌隆線パターンスキャナを数種類製造した。前記パラメータを伴う装置は、このような小型感光素子を備え、かつ、FBI EBTS附則F規格を満たす画像品質を得るのが可能になったことが明らかにされた初めての隆線パターンスキャナであった。実験データによって、現在のセンサに必要な数の中間画像のマージおよび前記比率

の具体化により、小型感光素子を備えたいかなる入手可能な画像スキャナを利用しても前記規格を満たす隆線パターン記録システムが構成できることが確認された。同時に、作動放射束が寄生放射束より少なくとも５倍大きいという事実は、この寄生放射束が、光学系における光の散乱および寄生反射等の二次的な要因の影響に相当するレベルにおいて、画像の品質に対する影響を有することを意味している。

各素子が放射に反応する感光素子の小型化ならびにモノクロカメラ利用の結果、センサ内のセンサ領域が全体的に小型化されて、センサのコストとエネルギー消費が減少した。また、感光素子面が小型化されたため、対物レンズの焦点距離は、最も類似する装置におけるより著しく短く、そのためシステム全体が小型化されレンズのコストが減少する。システム中には一切の可動エレメント要素が存在しないため、最も類似する装置と比較してシステムの作業速度がより速く信頼性がより高い。中間画像をマージし比較的短波長の放射を利用することによってFBI EBTS附則F規格を満たす、高品質画像を得ることが可能になった。

Claims (5)

1. 光源、走査面の位置を決定する構成部品、光学系、多素子画像センサ、画像を格納する電子メモリおよび処理装置を含む隆線パターン記録用システムにおいて、走査面上の同一領域についての異なった中間画像に対応する、中間画像の画像要素の輝度値を処理装置内で平均化し、前記領域に対応する輝度について得られた値を出力画像の画像要素に割り当てることにより、システムからの出力画像が電子メモリ内で少なくとも２個の中間画像と電気的に連結され、また各中間画像が画像センサの感光素子と電気的に連結され、これらは、光学系によって形成された隆線パターン走査面の画像を経由して光源および隆線パターン走査面と光学的に連結され、この場合、画像センサのスペクトル域の感度内で、境界波長L未満の波長を有する有用な光の全光束が、Lを超える波長の迷光の全光束より少なくとも５倍大きく、かつLの値が条件：
   

   

   
   、（但し、Lはマイクロメータで表示される境界波長、
   Tはマイクロメータで表示される、画像センサ内の有用光に反応する感光素子の中心間の間隔、
   Aは画像センサ側における画像センサの感光面上に走査面の画像を形成する光学系の有効な開口率、
   Nは出力画像の１個の画像要素当りの画像センサにおける感光素子の数である。）
   を満たすことを特徴とする隆線パターン記録用システム。
2. 処理装置がコンピュータであることを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 処理装置がデジタルシグナルプロセッサであることを特徴とする請求項１記載のシステム。
4. 画像センサ、電子メモリおよび処理装置が単一の構造要素に組み込まれることを特徴とする請求項１記載のシステム。
5. 画像センサが単色であることを特徴とする請求項１記載のシステム。

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