JPH11149552A

JPH11149552A - 読取装置

Info

Publication number: JPH11149552A
Application number: JP32971997A
Authority: JP
Inventors: Minoru Fujiwara; 実藤原
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 1997-11-14
Filing date: 1997-11-14
Publication date: 1999-06-02

Abstract

(57)【要約】【課題】指紋等を読み取る読取装置において、装置全
体を小型化する。【解決手段】２次元フォトセンサ１２は透過部を有す
る構造であるので、面光源１１、２次元フォトセンサ１
２及び凹凸検出光学素子１３をこの順で左右方向に一列
に配置しても、指紋等を読み取ることができる。また、
凹凸検出光学素子１３は複数の光ファイバを密集したも
のの所定の外周面に光吸収シート１７を貼り付けた構造
であるので、それ自体に、面光源１１からランダムに出
射された光をほぼ平行な光とする機能を有する。そし
て、凹凸検出光学素子１３の傾斜面１３ａに接触された
指３１の指紋の凹部に対応する部分においては、当該ほ
ぼ平行な光は全反射され、この反射光は光吸収シート１
７に吸収される。一方、指３１の指紋の凸部に対応する
部分においては、当該ほぼ平行な光は散乱され、この散
乱光の一部は２次元フォトセンサ１２側に戻る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、指紋等の微細な
凹部及び凸部を有する被読取体を読み取るための読取装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、指紋等の微細な凹部及び凸部を有
する被読取体を読み取るための読取装置として、図６に
示すように、水平に配置された面光源１の上側に直角プ
リズム２が設けられ、直角プリズム２の後側につまり図
６において右側に結像光学系３及びＣＣＤセンサ４が設
けられた構造のものがある。この場合、直角プリズム２
は、下面２ａを水平面とされ、右側面２ｂを垂直面とさ
れ、傾斜面２ｃを水平面に対して４５°で傾斜する傾斜
面とされた状態で配置されている。

【０００３】この読取装置では、直角プリズム２の傾斜
面２ｃに指５が接触されていない場合には、図６におい
て矢印で示すように、面光源１の上面から出射された光
が直角プリズム２の下面２ａに入射され、この入射光が
傾斜面２ｃで全反射され、この反射光が直角プリズム２
の右側面２ｂから出射され、この出射光が結像光学系３
による結像作用を受けてＣＣＤセンサ４に入射される。
したがって、この場合には、傾斜面２ｃで全反射された
光のすべてがＣＣＤセンサ４に入射され、白表示とな
る。一方、直角プリズム２の傾斜面２ｃに指５が接触さ
れている場合には、傾斜面２ｃに接触された指５の指紋
の凹部（降線）に対応する部分で全反射が生じ、指５の
指紋の凸部（隆線）に対応する部分で光が吸収され、こ
れにより指５の指紋の凹凸に応じて光学的に明暗の強調
された画像が得られ、指５の指紋が読み取られることに
なる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
このような読取装置では、ＣＣＤセンサ４が遮光構造で
ある関係から、直角プリズム２の下側に面光源１を設
け、直角プリズム２の右側にＣＣＤセンサ４を設けてい
るので、装置全体の上下方向のサイズが大きくなり、ま
た面光源１から光がランダムに出射される関係から、直
角プリズム２とＣＣＤセンサ４との間に結像光学系３を
設けているので、装置全体の左右方向のサイズも大きく
なり、したがって装置全体が大型化してしまうという問
題があった。この発明の課題は、装置全体を小型化する
ことである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
凹部及び凸部を有する被読取体を読み取る読取装置であ
って、光源と、該光源からの光を透過する透光ベース層
上に複数のセンサ部が形成されたフォトセンサと、入出
射面及び該入出射面に対して傾斜する傾斜面を有する凹
凸検出光学素子とを具備し、前記傾斜面に接触する被読
取体の凸部に対応して光が散乱して前記入出射面側から
前記フォトセンサのセンサ部に入射するようにしたもの
である。この請求項１記載の発明によれば、フォトセン
サとして透光ベース層を有するものを用いているので、
光源、フォトセンサ及び凹凸検出光学素子をこの順で一
列に配置しても、凹凸検出光学素子の傾斜面に接触する
被読取体を読み取ることができ、したがって各部品の配
列方向に対して直交する方向のサイズを小さくすること
ができ、ひいては装置全体を小型化することができる。
請求項４記載の発明は、前記凹凸検出光学素子として入
射光をほぼ平行な光とする機能を有するものを用いたも
のである。この請求項４記載の発明によれば、凹凸検出
光学素子として入射光をほぼ平行な光とする機能を有す
るものを用いているので、光源から光がランダムに出射
されても、この光をほぼ平行な光とすることができ、こ
のため従来のような結像光学系が不要となり、したがっ
て装置全体をさらに小型化することができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の一実施形態にお
ける読取装置の要部の概略断面図を示したものである。
なお、この読取装置は、微細な凹部及び凸部を有する被
読取体を読み取ることができるものであるが、以下の実
施形態では指紋を読み取るための指紋読取装置として説
明する。この指紋読取装置は、垂直に配置された面光源
１１の左側に２次元フォトセンサ１２が設けられ、２次
元フォトセンサ１２の左側に凹凸検出光学素子１３が設
けられた構造となっている。このうち面光源１１は、エ
レクトロルミネセンスパネルや液晶表示装置で用いられ
ているエッジライト方式のバックライト等からなってい
る。エッジライト方式のバックライトの場合には、図示
していないが、典型的には、垂直に配置された導光板の
右面に反射板を設け、導光板の所定の一端面近傍に発光
ダイオード等からなる点光源を１個設け、この点光源を
反射シートで被った構造とする。

【０００７】次に、凹凸検出光学素子１３の構造につい
て、その製造方法と併せ説明する。まず、図２（Ａ）に
示すように、直方体形状の光ファイバブロック１４を用
意する。この光ファイバブロック１４は、コアをクラッ
ドで被覆してなる光ファイバ（線状導光部材）１５を複
数密集させて接合してなるものからなっている。この光
ファイバブロック１４の形成方法としては、一例とし
て、複数の光ファイバ１５を束にしてロッド状とし、こ
の光ファイバロッドを型枠内に複数密集させて収納し、
加圧加熱することにより、直方体形状の光ファイバブロ
ック１４を形成する方法がある。そして、このようにし
て形成された光ファイバブロック１４を、図２（Ａ）に
おいて一点鎖線で示すように、側面台形形状に切断する
と、つまり光ファイバ１５の切断面が４５°の傾斜角度
を持つように切断すると、図２（Ｂ）に示す側面台形形
状の凹凸検出光学素子形成体１６が２つ得られる。次
に、凹凸検出光学素子形成体１６の切断面を研磨する。
次に、図１に示すように、凹凸検出光学素子形成体１６
の光ファイバ１５の両端面を除く外周面に黒い光吸収シ
ート（光吸収層）１７を貼り付ける。これにより、凹凸
検出光学素子１３が得られる。このようにして得られた
凹凸検出光学素子１３では、切断研磨面が傾斜面１３ａ
となり、その反対側の面が入出射面１３ｂとなってい
る。この場合、傾斜面１３ａの水平面に対する傾斜角度
θ（図２（Ｂ）参照）は４５°となっているが、４５°
以下であればよい。ただし、この傾斜角度θを小さくし
すぎると、凹凸検出光学素子１３の左右方向のサイズが
大きくなるので、あまり小さくすることは好ましくな
い。

【０００８】次に、２次元フォトセンサ１２について、
図３を参照して説明する。２次元フォトセンサ１２は、
複数のセンサ部２０がマトリックス状に配列されたもの
からなり、アクリル樹脂やガラス等からなる透明基板
（透光ベース層）２１を備えている。透明基板２１の左
面には、各センサ部２０ごとに、クロムやアルミニウム
等の遮光性電極からなるボトムゲート電極２２が設けら
れ、その左面全体には窒化シリコンからなるボトムゲー
ト絶縁膜（透光絶縁膜）２３が設けられている。ボトム
ゲート絶縁膜２３の左面においてボトムゲート電極２２
に対応する部分にはアモルファスシリコンからなる半導
体層２４が設けられている。半導体層２４の左面両側に
はｎ⁺シリコン層２５、２５が設けられている。ｎ⁺シリ
コン層２５、２５の左面及びその近傍のボトムゲート絶
縁膜２３の左面にはクロムやアルミニウム等の遮光性電
極からなるソース電極２６及びドレイン電極２７が設け
られ、その左面全体には窒化シリコンからなるトップゲ
ート絶縁膜（透光絶縁膜）２８が設けられている。トッ
プゲート絶縁膜２８の左面において半導体層２４に対応
する部分にはＩＴＯ等の透明電極（透光性電極）からな
るトップゲート電極２９が設けられ、その左面全体には
窒化シリコンからなるオーバーコート膜（透光絶縁膜）
３０が設けられている。そして、この２次元フォトセン
サ１２では、その右面側から光がランダムに入射される
と、この光は、遮光性電極からなるボトムゲート電極２
２、ソース電極２６及びドレイン電極２７の部分以外か
らなる透過部を透過するとともに、ボトムゲート電極２
２によって遮光されて半導体層２４に直接入射しないよ
うになっている。

【０００９】この指紋読取装置では、凹凸検出光学素子
１３の傾斜面１３ａに指３１が接触されていない場合に
は、図１において例えば符合Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃の矢印で示
すように、面光源１１の左面からランダムに出射された
光が２次元フォトセンサ１２の透過部を透過し、この透
過光が凹凸検出光学素子１３の入出射面１３ｂに入射さ
れる。この入射光は凹凸検出光学素子１３の光ファイバ
１５のコア内を全反射を繰り返しながら進行する。すな
わち、面光源１１の左面からランダムに出射された光
は、凹凸検出光学素子１３の光ファイバ１５のコア内を
全反射を繰り返しながら進行することにより、ほぼ平行
な光とされる。そして、このほぼ平行な光は凹凸検出光
学素子１３の傾斜面１３ａで全反射され、この反射光が
光ファイバ１５をその径方向に透過した後に光吸収シー
ト１７に吸収される。したがって、この場合には、２次
元フォトセンサ１２側に戻る光は全く無く、黒表示とな
る。

【００１０】一方、凹凸検出光学素子１３の傾斜面１３
ａに指３１が接触されている場合には、傾斜面１３ａに
接触された指３１の指紋の凹部に対応する部分で全反射
が生じ、指３１の指紋の凸部に対応する部分で光が散乱
される。すなわち、傾斜面１３ａに接触された指３１の
指紋の凹部に対応する部分においては、図１において例
えば符合Ａ₂の矢印で示すように、傾斜面１３ａで全反
射されて光吸収シート１７に吸収される。一方、傾斜面
１３ａに接触された指３１の指紋の凸部に対応する部分
においては、図１において例えば符合Ｂ₁、Ｂ₂の矢印で
示すように、傾斜面１３ａで散乱される。そして、この
散乱光の一部は、図１において例えば符合Ｃ₁、Ｃ₂の矢
印で示すように、凹凸検出光学素子１３の光ファイバ１
５のコア内を全反射を繰り返しながら逆方向に進行して
入出射面１３ｂから出射される。この出射光は、図３を
参照して説明すると、２次元フォトセンサ１２の透明電
極からなるトップゲート電極２９を透過してその右側の
半導体層２４のソース電極２６及びドレイン電極２７間
の入射面より入射される。そして、後でも説明するが、
半導体層２４に入射される光量が予め設定された光量
（しきい値）以上である場合には、当該センサ部２０に
よる光検出状態を明状態とし、それ未満である場合に
は、当該センサ部２０による光検出状態を暗状態とす
る。これにより、指３１の指紋の凹凸に応じた光学的に
明暗の強調された画像が得られ、指３１の指紋が読み取
られることになる。

【００１１】このように、この指紋読取装置では、２次
元フォトセンサ１２として透光部を有するものを用いて
いるので、面光源１１、２次元フォトセンサ１２及び凹
凸検出光学素子１３をこの順で左右方向に一列に設ける
ことができ、したがって装置全体の上下方向のサイズを
小さくすることができる。また、凹凸検出光学素子１３
として複数の光ファイバ１５が密集されてなるものつま
り入射光をほぼ平行な光とする機能を有するものを用い
ているので、面光源１１から光がランダムに出射されて
も、この光をほぼ平行な光とすることができ、このため
従来のような結像光学系が不要となる。以上の結果、装
置全体を小型化することができる。

【００１２】ここで、２次元フォトセンサ１２の動作に
ついて説明する。２次元フォトセンサ１２の１つのセン
サ部２０では、ボトムゲート電極（ＢＧ）２２、半導体
層２４、ソース電極（Ｓ）２６及びドレイン電極（Ｄ）
２７等によってボトムゲート型トランジスタが構成さ
れ、トップゲート電極（ＴＧ）２９、半導体層２４、ソ
ース電極（Ｓ）２６及びドレイン電極（Ｄ）２７等によ
ってトップゲート型トランジスタが構成されている。す
なわち、センサ部２０は、半導体層２４の下側及び上側
にそれぞれボトムゲート電極（ＢＧ）２２及びトップゲ
ート電極（ＴＧ）２９が配置された光電変換トランジス
タによって構成され、その等価回路は図４のように示す
ことができる。

【００１３】さて、まず、ソース電極（Ｓ）−ドレイン
電極（Ｄ）間に正電圧（例えば＋５Ｖ）が印加された状
態において、ボトムゲート電極（ＢＧ）に正電圧（例え
ば＋１０Ｖ）が印加されると、半導体層２４にチャネル
が形成され、ドレイン電流Ｉ_DSが流れる。この状態で、
トップゲート電極（ＴＧ）にボトムゲート電極（ＢＧ）
の電界によるチャネルを消滅させるレベルの負電圧（例
えば−２０Ｖ）が印加されると、トップゲート電極（Ｔ
Ｇ）からの電界がボトムゲート電極（ＢＧ）の電界によ
るチャネル形成に対してそれを妨げる方向に働き、チャ
ネルがピンチオフされる。このとき、トップゲート電極
（ＴＧ）側から半導体層２４に光が照射されると、半導
体層２４のトップゲート電極（ＴＧ）側に電子−正孔対
が誘起される。この電子−正孔対は半導体層２４のチャ
ネル領域に蓄積され、トップゲート電極（ＴＧ）の電界
を打ち消す。このため、半導体層２４にチャネルが形成
され、ドレイン電流Ｉ_DSが流れる。このドレイン電流Ｉ
_DSは半導体層２４への入射光量に応じて変化する。

【００１４】このように、この２次元フォトセンサ１２
では、トップゲート電極（ＴＧ）からの電界がボトムゲ
ート電極（ＢＧ）の電界によるチャネル形成に対してそ
れを妨げる方向に働き、チャネルをピンチオフするもの
であるので、光無入射時に流れるドレイン電流Ｉ_DSを極
めて小さくすることができ、例えば１０^-14Ａ程度にす
ることができる。このため、光入射時と光無入射時とで
流れるドレイン電流Ｉ_DSの差を十分大きくすることがで
きる。この結果、上述したように、半導体層２４に入射
される光量が予め設定された光量（しきい値）以上であ
る場合には、大きなドレイン電流Ｉ_DSが流れ、当該セン
サ部２０による光検出状態を明状態とし、それ未満であ
る場合には、小さなドレイン電流Ｉ_DSが流れ、当該セン
サ部２０による光検出状態を暗状態とすることができ
る。これにより、指３１の指紋の凹凸に応じた光学的に
明暗の強調された画像が得られ、指３１の指紋が読み取
られることになる。

【００１５】ところで、この２次元フォトセンサ１２で
は、１つのセンサ部２０にセンサ機能と選択トランジス
タ機能とを兼用させることができる。次に、これらの機
能について簡単に説明する（詳細は特開平６−１３２５
６０号公報参照）。ボトムゲート電極（ＢＧ）に正電圧
（＋１０Ｖ）が印加された状態において、トップゲート
電極（ＴＧ）を例えば０Ｖにすると、半導体層２４とト
ップゲート絶縁膜１９との間のトラップ準位から正孔を
吐き出させてリフレッシュ、つまりリセットすることが
できる。すなわち、連続して使用されると、半導体層２
４とトップゲート絶縁膜１９との間のトラップ準位が光
照射により発生する正孔とドレイン電極（Ｄ）から注入
される正孔とによって埋められていき、光無入射状態で
のチャネル抵抗が小さくなり、光無入射時にドレイン電
流Ｉ_DSが増加する。そこで、トップゲート電極（ＴＧ）
を０Ｖとし、この正孔を吐き出させてリセットする。

【００１６】また、ボトムゲート電極（ＢＧ）に正電圧
が印加されていない場合には、ボトムトランジスタにチ
ャネルが形成されず、光入射が行われても、ドレイン電
流Ｉ_DSが流れず、非選択状態とすることができる。すな
わち、ボトムゲート電極（ＢＧ）に印加する電圧を制御
することにより、選択状態と非選択状態とを制御するこ
とができる。また、非選択状態において、トップゲート
電極（ＴＧ）に０Ｖを印加すると、上記同様に、半導体
層２４とトップゲート絶縁膜１９との間のトラップ準位
から正孔を吐き出させてリセットすることができる。

【００１７】以上の結果、例えば図５に示すように、ト
ップゲート電圧Ｖ_TGを０Ｖと−２０Ｖとに制御すること
により、センス状態とリセット状態とを制御することが
できる。また、ボトムゲート電圧Ｖ_BGを０Ｖと＋１０Ｖ
とに制御することにより、選択状態と非選択状態とを制
御することができる。すなわち、トップゲート電圧Ｖ_TG
及びボトムゲート電圧Ｖ_BGを制御することにより、２次
元フォトセンサ１２の１つのセンサ部２０にフォトセン
サとしての機能と選択トランジスタとしての機能とを兼
ね備えさせることができる。

【００１８】なお、図１では、面光源１１、２次元フォ
トセンサ１２及び凹凸検出光学素子１３を所定の間隔を
おいて配置しているが、これらを密接させて配置するよ
うにしてもよい。また、図１では、凹凸検出光学素子１
３の右側に２次元フォトセンサ１２及び面光源１１を配
置しているが、図１に示す凹凸検出光学素子１３を同図
において時計方向に９０°回転させ、その下側に２次元
フォトセンサ１２及び面光源１１を配置するようにして
もよい。また、上記実施形態では、凹凸検出光学素子１
３の主要部を複数の光ファイバ１５を密接させてなるも
のによって構成した場合について説明したが、これに限
らず、アクリル系樹脂等からなる高屈折率の板材とフッ
素系樹脂等からなる低屈折率の層材とを交互に積層して
なるものつまり複数の板状導光部材を積層（密接）して
なるものによって構成するようにしてもよい。さらに、
上記実施形態では、この発明を２次元フォトセンサ１２
を備えた読取装置に適用した場合について説明したが、
これに限らず、１次元フォトセンサを備えた読取装置に
も適用することができる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によれば、フォトセンサとして透光ベース層を有する
ものを用いているので、光源、フォトセンサ及び凹凸検
出光学素子をこの順で一列に配置することができ、した
がって各部品の配列方向に対して直交する方向のサイズ
を小さくすることができ、ひいては装置全体を小型化す
ることができる。また、請求項４記載の発明によれば、
凹凸検出光学素子として入射光をほぼ平行な光とする機
能を有するものを用いているので、光源から光がランダ
ムに出射されても、この光をほぼ平行な光とすることが
でき、このため従来のような結像光学系が不要となり、
したがって装置全体をさらに小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態における読取装置の要部
の概略断面図。

【図２】（Ａ）、（Ｂ）は図１に示す凹凸検出光学素子
の製造方法の一例を説明するために示す斜視図。

【図３】図１に示す２次元フォトセンサの一部の断面
図。

【図４】図３に示すセンサ部の等価回路図。

【図５】（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ図４に示すセンサ部
の各電極に印加する電圧とその状態の変化を説明するた
めに示す図。

【図６】従来の読取装置の一例の概略断面図。

【符号の説明】

１１面光源１２２次元フォトセンサ１３凹凸検出光学素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】凹部及び凸部を有する被読取体を読み取
る読取装置であって、光源と、該光源からの光を透過す
る透光ベース層上に複数のセンサ部が形成されたフォト
センサと、入出射面及び該入出射面に対して傾斜する傾
斜面を有する凹凸検出光学素子とを具備し、前記傾斜面
に接触する被読取体の凸部に対応して光が散乱して前記
入出射面側から前記フォトセンサのセンサ部に入射する
ことを特徴とする読取装置。
【請求項２】請求項１記載の発明において、前記フォ
トセンサは、センサ部が２次元状に配列された２次元フ
ォトセンサからなることを特徴とする読取装置。
【請求項３】請求項１または２記載の発明において、
前記フォトセンサの各センサ部は、前記光源側に遮光性
を有する材料からなる第１ゲート電極が配置され、前記
凹凸検出光学素子側に透光性を有する材料からなる第２
ゲート電極が配置された光電変換トランジスタによって
構成されていることを特徴とする読取装置。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の発明に
おいて、前記凹凸検出光学素子は入射光をほぼ平行な光
とする機能を有するものからなることを特徴とする読取
装置。
【請求項５】請求項４記載の発明において、前記凹凸
検出光学素子は複数の線状または板状の導光部材が密接
されたものからなることを特徴とする読取装置。
【請求項６】請求項５記載の発明において、前記凹凸
検出光学素子の前記導光部材の両端面を除く外周面には
光吸収層が設けられていることを特徴とする読取装置。