JPH01287786A - 凹凸形状検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 指紋等の凹凸パターンを検出する凹凸形状検出装置に関
し、 装置の小型、軽量化を図ることを目的とし、各々が２個
の焦点軸を有する鏡面状の２個の円筒楕円面をその各々
の焦点軸の一つが共通になるように対向配置すると共に
、その共通焦点軸にノ＼−フミラーを該共通焦点軸を中
心に回転可能に設ケ、該ハーフミラ−に円筒凸レンズを
ハーフミラ−と一体的に可動に取りつけ、被検物体を第
１の円筒楕円面の第２の焦点軸に位置せしめ且つ光検知
器を第２の円筒楕円面の第２の焦点軸に配設して構成す
る。

〔産業上の利用分野〕

本発明は指紋等の凹凸パターンを検出する凹凸形状検出
方法及び装置に関する。

個人の識別法として、指紋の照合を行うシステムがある
。同システムにおいては、一般に指紋は画像として取り
扱われ、そのため指紋を画像データに変換する入力装置
が必要である。

〔従来の技術〕

指紋は凹凸パターンであり、従来からこの凹凸パターン
を検出する方法として第１０図に示す如き方法がある。

指１０を透明平板１１の一面１１Ａに押し当てると、指
紋の凸部Ｑは接触するが、凹部Ｐは接触しない。指を°
押し当てた平面に対して全反射が起こらないような条件
で、透明体１１を透して光ｒ０を照射すると、透明平板
から出射し凹部Ｐに当たった光は四方に散乱されるが、
それらは全て再び平板を透過し、遠方に消える（光線ｒ
１）。一方凸部Ｑに当たった光は平板内の四方に散乱さ
れ、その一部は平板から出射する（光線ｒｚ）が、全反
射により平板の内部を伝播する成分（光線ｒ１）も存在
する。この全反射成分を適当な光学系で結像させること
により凸部のパターン（指紋像）を得ることができる。

以上述べた指紋像の取り込み方法においては、凸部が透
明平板１１と良好に密着し、散乱光の一部がｒ３が平板
１１内を全反射により伝播していくことが必要である。

ところが、指ｌＯと平板１１　（例えばガラス製）の密
着性は人によって異なる。例えば、指が適度の湿りけを
持ち、凸部と平板の密着性の良い人は再現性よく指紋像
を人力できるが、指が乾燥ぎみの人は指と平板の密着性
が悪く、指紋隆線のパターンが場合によっては途切れた
りし、安定に指紋像を入力できない。指を平板に接触さ
せる接触式の指紋像入力決方は以上に述べたような問題
がある。そこで、指の密着性に関係なく。指紋像の入力
が可能な非接触式の入力方法が開発されている。

第１１図の従来の非接触式の指紋像入力方法の一例（例
、特開昭６ｌ−１０５６７９）を示す。

指ｌＯをレーザ１４によりライン照明し、円筒レンズ１
５により結像、走査してＣＣＤアレイ　（イメージセン
サ）　１７で指紋像を取り込む。照明するラインの幅を
、指紋の隆線幅を考慮した適性値に設定することにより
、散乱光に凹凸形状を反映したコントラストをもたせる
ことが可能である。

尚、１９は結像レンズ系である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかるに、第１１図に示す如き従来方法においては、指
紋を所定の範囲にわたって検出するために、光源１４、
ライン照明系１５、結像系１９、ＣＣＤアレイ１７を一
体化した光学系ユニット２０全体を回転軸０−０を中心
として指の回りに回転させる必要がある。即ち、ユニッ
ト２０全体をモータ等の回転駆動源Ｍにより指１００回
りを一定角度範囲だけ回して指の測部の指紋像も取り込
む必要がある。しかしながら、このように光学系ユニッ
ト全体を回転軸０の回りに回転駆動させるには大きな回
転駆動系を必要とするのみならず、回転移動のための大
きなスペースを必要とし、回転駆動系を含めて装置が大
型になるという問題がある。

本発明の目的は、従来の如く光学系全体を回転移動させ
る方式を改め、大部分の光学系は固定したままとし、ラ
イン状の照明光で指紋上を走査する方式にすることによ
り装置の小型、軽量化を計ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、第１の本発明によれば、ラ
イン状の走査照明光を被検物体の凹凸部に当て、凹凸形
状を反映した輝度変調を伴う該凹凸部からの反射光を光
検知器に結像させることにより凹凸形状の２次元画像デ
ータを得る非接触式の凹凸形状検出装置において、各々
が２個の焦点軸を有する鏡面状の２個の円筒楕円面をそ
の各々の焦点軸の一つが共通になるように対向配置する
と共に、その共通焦点軸にハーフミラ−を該共通焦点軸
を中心に回転可能に設け、該ハーフミラ−に円筒凸レン
ズをハーフミラ−と一体的に可動に取りつけ、被検物体
を置く位置を第１の円筒楕円面の第２の焦点軸の位置と
なし、光検知器を第２の円筒楕円面の第２の焦点軸に配
設することを構成上の特徴とする。

また、第２の本発明によれば、２個の焦点軸を有する鏡
面状の円筒楕円の第１の焦点軸にミラーを該焦点軸を中
心に回転可能に設けると共に上記被検物体を円筒楕円の
第２の焦点軸に配置し、上記ミラーと光検知器との間に
凹凸情報を含んだ被検物体からの反射光を分離するビー
ムスプリッタを設けたことを構成上の特徴とする。

第１円筒楕円面の第２焦点軸には被検物体の位置を指定
するガイドを設けることが出来る。

〔作　用〕

光学系として第１図に示したように、焦点軸の一つを共
有する二つの円筒楕円面Ｓ＋　、３２が用いられる。二
つの円筒楕円面３１．Ｓ２の共通焦点軸Ｌｌを含むハー
フミラ−ＨＭにより、共有焦点軸上り、にライン状に結
像させた光を第１の円筒楕円面ＳＩで反射させ、第２の
焦点軸Ｌ２上に結像させる。焦点軸Ｌ２に沿って指１ｏ
を置けば、ハーフミラ−ＨＭの回転により、図示の如く
連続的に異なる方向からライン照明光が指紋上を走査す
る。指紋からの反射光は、往路を戻るが、一部はハーフ
ミラ−ＨＭを透過し、その透過光をハーフミラ−に一体
的に設けた円筒レンズＣＬを透過させることにより円筒
楕円面Ｓ１．Ｓ２の焦点軸方向の結像を行うとともに、
第２の円筒楕円面Ｓ２で反射させ、同円筒楕円面Ｓ２の
第２焦点釉Ｌ３上に配置した光検知器１７に結像させる
。ハーフミラ−ＨＭを回転させることにより、指紋の凹
凸情報を含んだ反射光を光検知器１７で順次受け、指紋
の全体像を構成する。

第２の本発明によれば、光学系として第６図に示すよう
に、−個の円筒楕円面Ｓを用いる。円筒楕円面Ｓの第１
焦点軸Ｌ＋を含むミラー面Ｍにより、第１焦点軸Ｌ１上
にライン状に結像させた光を、円筒楕円面Ｓで反射させ
、第２の焦点軸Ｌ２上に結像させる。第２焦点軸Ｌ２に
沿って指１０を置けば、ミラーＭの回転により、連続的
に異なる方向からライン照明光が指紋上を走査する。指
紋からの反射光は、往路を戻るが、ビームスプリッタＢ
Ｓにより照明光と分離し、結像光学系１９により光検知
器１７に結像させる。ミラーＭを回転させることにより
、指紋の凹凸情報を含んだ反射光を光検知器１７で順次
受け、指紋の全体像を構成する。

被検物体を置く位置に設けられるガイドは被検物体の位
置を一義的に安定して決めることが出来る。

〔実施例〕

第２図は第１図の基本構成を具体化した本発明の一実施
例を示す。

第２図において、鏡面に仕上げた第１の円筒楕円面Ｓ１
を有するブロックＢ１と、同じく鏡面に仕上げた第２の
円筒楕円面Ｓ２を有するブロックＢ２を夫々の第１の焦
点軸Ｌ１が共通となるように対向配置する。ブロックＢ
１と８２は全く同じものを用いることができる。第１の
円筒楕円面ｓｌにおいて、第１焦点軸り、とは異なるも
う一つの焦点軸（第２焦点Ｍ）Ｌ２と指１０の軸が一致
するように、第３図（ａ）、（ｂ）に示す如きガイド４
０を設けるのが好ましい。

ガイド４０は指１０を挿入するための略Ｕ字形の凹溝４
１を有する本体４３により形成される。

凹溝４１の前端は指１０の突き当て面４５を形成する。

凹溝４１は第１円筒楕円面Ｓｌの第２焦点軸Ｌ２の方向
に延び、平板的な大きさの指１０と路間−かそれより僅
かに大きな溝幅となっている。

従って、指１０を凹溝４１内で突き当て面４５に押し当
てることにより指の位置及び方向が実質上一義的に画定
される。

°本体４３の下部には底面側に開放した窓４７が形成さ
れ、この窓を通して指紋が下方に露出し、光を照射する
ことができる。

第２の円筒楕円面Ｓ２において、第１焦点軸Ｌ１とは異
なるもう一つの焦点軸（第２焦点軸）Ｌ３に沿って、ア
レイ状の光検知器１７が配置される。

ハーフミラ−ＨＭは常に共通焦点軸Ｌ１をそのミラー面
が含むように共通焦点軸Ｌ＋　の回りに回転可能である
。

即ち、第４図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）に示す如く、ハー
フミラ−ＨＭの回転軸５５は共通焦点軸に一致する。ハ
ーフミラ−ＨＭと第２円筒楕円面Ｓ２との間に円筒凸レ
ンズＣＬが配置される。この円筒レンズはハーフミラ−
ＨＭと一体的に形成され、一体的に回転可能である。好
ましくは、第４図（ａ）に示すように、ハーフミラ−Ｈ
Ｍ傾傾斜支承面子７形成し、そこに円筒凸レンズＣＬを
傾斜させて配置しハーフミラ−ＨＭと一体化する。

その結果、ハーフミラ−ＨＭと凸レンズＣＬは相対位置
を固定に保ったまま共通焦点軸Ｌ１０回りに回転可能に
なる。

第２図に示したように、レーザ光源５９から出射したビ
ームを円筒レンズ６１．６３（向きが対称に配置）の組
み合わせで一方向（円筒楕円面の焦点軸方向）に拡大し
たのち、円筒レンズ６５でライン状に集束させる。ビー
ムは、ミラー７１で反射させ、ハーフミラ−ＨＭ上の焦
点軸り、上に焦点を結ぶようにする。ハーフミラ−ＨＭ
で反射したビームは発散しながら第１円筒楕円面ＳＩに
到り、そこで反射した後第２焦点軸Ｌ２に向かって集束
する。ライン状に集束したビームは第２焦点軸Ｌ２に軸
を合わせて置いた指１０の表面を照明する。指の表面に
おけるライン照明の線幅は、指紋の溝幅を考慮して、凹
部、凸部からの反射光のコントラストが高くなるように
選定する。例えば、１００μｍ〜２００μｍ程度にする
。指紋からの反射光は、往路を戻り、ハーフミラ−ＨＭ
で反射する成分と透過する成分とに分かれる。ここでは
、指紋像を得るために透過成分を利用する。

ハーフミラ−ＨＭを透過したビームは発散性の波である
ため、光検知器１７に向けて結像させる必要がある。ビ
ームの進行方向に対して垂直で図面の紙面内の方向の集
束は、第２円箇楕円面Ｓ２での反射による焦点軸Ｌ３に
向かっての集束により実現できる。一方、紙面に垂直な
方向のビーム集束は、ハーフミラ−ＨＭの近傍に配置し
た円筒凸レンズＣＬによって行う。

以上により、第２焦点軸り、に沿って配置したアレイ状
光検知器上にライン照明した指の一次元像を得ることが
できる。ハーフミラ−ＨＭを回転することにより、指の
照明位置が平行移動するため、ハーフミラ−ＨＭの回転
角とアレイ状光検知器の出力取り込みのタイミングを適
切にすることにより、指紋の二次元像を構成することが
出来る。

尚、円筒凸レンズＣＬをハーフミラ−ＨＭに対して傾け
る理由は、ハーフミラ−ＨＭの回転に伴い反射光の円筒
凸レンズＣＬに対する入射角が変化するが、その変化に
対してなるべく平均的に垂直入射に近くなるようにする
ためである。そのためには、この傾斜角は例えば４５°
位が適切である。

また、レーザ光線５９からハーフミラ−ＨＭに当てたビ
ームの透過成分が光学系内でノイズ光とならないように
、その透過成分の延長方向に光吸収部材（フィルタ等）
７３を設けるのが好ましい。

二つの円筒楕円面Ｓ１、Ｓ２の配置法としては、第２図
に示したものの他に、例えば第５図に示す−如き配置も
考えられる。第５図においては第２の円筒楕円面Ｓ２を
垂直に配置した以外は第２図に示す実施例と基本的には
同一である。

第２図は横長、第５図は縦長の光学系となるから装置の
外部形状に合わせて選択すればよい。

第７図は第６図の基本構成を具体化した実施例を示す。

鏡面に仕上げた円筒楕円面Ｓを有するブロックＢにおい
て、第１焦点軸Ｌ１の回りに回転可能にミラーＭを取り
付け、第２焦点軸Ｌ２が指の軸と一致するように指の位
置固定を可能にするガイド４０を設ける。

以上の構成は第２図に示す実施例の場合と同様である。

レーザ光源５９　（例えばＨｅ−Ｎｅレーザ）からの光
を円筒レンズベア６１．６３で一方向に広げ、円筒レン
ズ６５によってキューブ・ビームスプリッタ８１　（第
６図のＢＳに相当）を透して第１焦点軸り、上に集束さ
せる。結像面はミラーＭであるため、円筒楕円面Ｓから
見ると、第１焦点軸Ｌ１　が恰も線光源であるかのよう
になる。円筒楕円面Ｓ（ミラー）に照射された光は第２
焦点軸Ｌ２に沿って線像を形成する。焦点軸Ｌ２に沿っ
て指が置かれた時には、指はライン照明されることにな
る。円筒レンズ６３と６５との間に設けたスリット８５
０幅により、指の表面における照明ライン幅を最適化す
ることができる。最適化されたライン幅においては、指
紋の凹凸が光の強弱に変換される。指紋の凹凸情報を含
む散乱光は往路をもどるが、ビームスプリッ８１で分離
される。分離したビームは互いに直交する円筒レンズ６
７．６９により光検知器（ＣＣＤ等）１７上に結像する
。即ち、指紋のライン照明した部分の凹凸を光の強弱と
して取り込むことができる。尚、７２はミラーである。

以上のことは、ミラーＭを回転しても常に成り立ってい
る。指の表面、円筒楕円面Ｓ１焦点軸Ｌｌを結ぶ光のバ
スは、常にほぼ等しいため、散乱光結像系の光学的条件
もほぼ一定である。従って、ミラーＭの回転と光検知器
１７からの信号取り込みのタイミングを適切に設定する
ことにより、指紋の二次元像を構成することができる。

尚、光源としては、Ｈｅ−Ｎｅなどのガスレーザの他、
半導体レーザを用いることができる。その場合、第８図
に示す如く、半導体レーザＬＤからの発散光をコリメー
タレンズ９１により平行光に変換し、プリズムペア９３
を透過させることにより、ビーム断面の光強度分布をラ
イン状に近づけることができる。第９図（ａ）、　（ｂ
）は、それぞれ第８図における断面Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’
のビーム形状を表している。以上の光学系を第７図の点
線で囲んだ部分と置き換えればよい。半導体レーザを用
いた場合には装置全体をより一層小型にすることができ
る。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明によれば非接触の凹凸形状検出装置に
おいて、従来、光照射系および反射光集光検知系を一体
化した光学系全体を回転移動させることによりライン照
明の走査を行っていたため、走査に伴う移動空間の確保
が必要で、装置が大型になるという問題は解決される。

即ち、本発明による非接触式凹凸形状検出装置は、可動
部がハーフミラ−と円筒レンズを一体化した小型素子の
みであり（請求項１）、大幅な小型、軽量化が可能にな
る。それに伴い、小型装置への組み込み等も可能になる
。

また、請求項３に記載の本発明では可動部はミラーのみ
であり、−層大幅な小型、軽量化が可能になる。装置へ
の組み込み等も可能になる。

また、請求項２．４に記載した如く、被検物体を置く位
置にガイドを設ければ常に安定して被検物体の位置を一
義的に決めることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構成を示す図、第２図は第１図に
示す基本構成を具体化した実施例を示す図、第３図（ａ
）、（ｂ）は第２図において用いられるガイドの斜視図
及び側面図、第４図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）は第２図に
示される円筒凸レンズ付ハーフミラ−を示す正面図、平
面図、右側面図、第５図は第２図とは別の実施例を示す
図、第６図は第２の本発明の基本構成を示す図、第７図
は第６図に示す基本構成を具体化した実施例を示す図、
第８図は半導体レーザを用いた実施例を示す図、第９図
（ａ）、（ｂ）は第８図におけるＡ−Ａ’。 Ｂ−Ｂ’線でのビームの断面図、第１０図は従来の接触
式凹凸パターン検出方法を示す図、第１１図は従来の非
接触式凹凸パターン検出方法を示す図。 Ｓ、３１．Ｓ２・・・円筒楕円面、 Ｌ１、Ｌ１、Ｌ３・・・焦点軸、 ＨＭ・・・ハーフミラ−１Ｍ・・・ミラー、ＣＬ・・・
円筒凸レンズ、　　　１０・・・指。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ライン状の走査照明光を被検物体の凹凸部に当て、
   凹凸形状を反映した輝度変調を伴う該凹凸部からの反射
   光を光検知器に結像させることにより凹凸形状の２次元
   画像データを得る非接触式の凹凸形状検出装置において
   、各々が２個の焦点軸（Ｌ＿１、Ｌ＿２：Ｌ＿１、Ｌ＿
   ３）を有する鏡面状の２個の円筒楕円面（Ｓ＿１、Ｓ＿
   ２）をその各々の焦点軸の一つ（Ｌ＿１）が共通になる
   ように対向配置すると共に、その共通焦点軸（Ｌ＿１）
   にハーフミラー（ＨＭ）を該共通焦点軸を中心に回転可
   能に設け、該ハーフミラーにこれと一体的に可動なビー
   ム収束用の円筒凸レンズ（ＣＬ）を設け、第１の円筒楕
   円面（Ｓ＿１）の第２の焦点軸（Ｌ＿２）を被検物体（
   １０）の配置位置となし、上記光検知器を第２の円筒楕
   円面（Ｓ＿２）の第２の焦点軸（Ｌ＿３）に配設するこ
   とを特徴とする凹凸形状検出装置。 ２、上記第１円筒楕円面の第２焦点軸には被検物体の位
   置を指定するガイドが設けられることを特徴とする請求
   項３記載の装置。 ３、ライン状の走査照明光を被検物体の凹凸部に当て、
   凹凸形状を反映した輝度変調を伴う該凹凸部からの反射
   光を光検知器に結像させることにより凹凸形状の２次元
   画像データを得る非接触式の凹凸形状検出装置において
   、２個の焦点軸（Ｌ＿１、Ｌ＿２）を有する鏡面状の円
   筒楕円面（Ｓ）の第１の焦点軸（Ｌ＿１）にミラー（Ｍ
   ）を該第１焦点軸を中心に回転可能に配設すると共に円
   筒楕円面（Ｓ）の第２の焦点軸（Ｌ＿２）を被検物体の
   配置位置となし、上記ミラーと光検知器との間に凹凸情
   報を含んだ被検物体からの反射光を分離するビームスプ
   リッタ（ＢＳ）を設けたことを特徴とする凹凸形状検出
   装置。 ４、上記第２焦点軸には被検物体の位置を指定するガイ
   ドが設けられることを特徴とする請求項３記載の装置。