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1. (WO2019049193) SENSOR MODULE FOR FINGERPRINT AUTHENTICATION, AND FINGERPRINT AUTHENTICATION DEVICE
Document

明 細 書

発明の名称 指紋認証用センサモジュールおよび指紋認証装置

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004  

先行技術文献

特許文献

0005  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0006   0007  

課題を解決するための手段

0008   0009   0010   0011   0012   0013  

発明の効果

0014   0015  

図面の簡単な説明

0016  

発明を実施するための形態

0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060  

産業上の利用可能性

0061  

符号の説明

0062  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7  

図面

1   2   3   4   5   6   7  

明 細 書

発明の名称 : 指紋認証用センサモジュールおよび指紋認証装置

技術分野

[0001]
 この発明は指紋認証用センサモジュールおよび指紋認証装置に関し、特に、解像度の高い、指紋認証用センサモジュールおよび指紋認証装置に関する。

背景技術

[0002]
 従来から、携帯端末等への指紋認証装置が提供されている。そのような例が、例えば、EP3147824号公報(「特許文献1」)や特開2009-238005号公報(「特許文献2」)に開示されている。
[0003]
 特許文献1に開示された指紋認証装置は、指を所定の載置面に置き、その指紋の画像をピンホールを介して画像センサで検出する。ピンホールを介して画像センサで検出するため、光学系を簡素化できる。
[0004]
 次に、特許文献2に開示された指紋認証装置では、マイクロレンズアレイを用いて指紋画像が集光される。そして、静脈認証に寄与しない白色光による画質劣化を回避するため、IR透過フィルタによって近赤外光が選択的に通過し、受光素子に到達する。これにより、従来と比べ、撮像データにおける分解能が向上する,という記載がある。

先行技術文献

特許文献

[0005]
特許文献1 : EP3147824号公報(要約等)
特許文献2 : 特開2009-238005号公報(要約等)

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0006]
 上記した従来の指紋認証装置においては、例えば特許文献1によれば、光学系を簡素化できるが、ピンホールは解像度が悪いという問題があった。また、妨害光をカットする遮光手段が無く鮮明度や諧調特性は非常に悪い物であった。さらに照明も正面光のみであり、照明ムラの発生や凹凸の無い平坦な画像となった。次に、特許文献2によれば、解像度はよくなるものの、構成が複雑になり、コストがかかるという問題があった。
[0007]
 この発明は上記した問題点に鑑みてなされたもので、構成が簡単で、かつ解像度が高く、鮮明度や諧調特性が良くコストのかからない指紋認証装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0008]
 この発明に係る指紋認証用センサモジュールは、指紋からの光を結像する結像部と、結像部の下に設けられた第1のガラス部および第1のガラス部の下に設けられたイメージセンサとを含む、検出モジュールとを含み、結像部は、複数のマイクロレンズアレイと、複数のマイクロレンズアレイの周囲に設けられ、複数のマイクロレンズアレイに入射する光を制限するための遮光部と、を含む。
[0009]
 好ましくは、遮光部は、マイクロレンズの周囲に設けられた遮光フィルムを含む。
[0010]
 さらに好ましくは、遮光部は、マイクロレンズの周囲に設けられた段部を有する遮光ダムを含む。
[0011]
 指紋を照明する照明装置を含み、照明装置は、複数の光源を有し、複数の光源の各々は個別に点灯および消灯が可能であってもよいし、調光が可能であってもよい。
[0012]
 照明装置は、センサモジュールを位置決めするホルダー基板によって保持されてもよいし、検出モジュールを保持する周壁によって保持されてもよい。
[0013]
 この発明の他の局面においては、指紋認証装置は上記の指紋認証用センサモジュールを含む。

発明の効果

[0014]
 この発明の指紋認証用センサモジュールにおいては、マイクロレンズを用いるとともに、取得する指紋の部分のみの光以外を取り込まないように、所定の部分以外を遮光するように構成したため、必要な箇所の画像データを高い解像度で確実に得ることができる。
[0015]
 その結果、構成が簡単で、解像度の高い指紋の画像データを得ることができる。そして、高解像度にすることにより指紋の情報が多くとれ、指紋認証装置の認証率を高めることができる。

図面の簡単な説明

[0016]
[図1] この発明の一実施の形態に係る指紋認証装置の断面図である。
[図2] この発明の一実施の形態に係る指紋認証装置の平面図である。
[図3] 図2の要部を示す平面図である。
[図4] 指紋認証装置の光学系を示す図である。
[図5] この発明に係る指紋認証装置の解像度を説明するための図である。
[図6] この発明の他の実施の形態に係る指紋認証装置の断面図である。
[図7] この発明のさらに他の実施の形態に係る指紋認証装置の断面図である。

発明を実施するための形態

[0017]
 以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は、この発明の一実施の形態に係る指紋認証装置の概略断面図であり、図2(A)は図1に示した指紋認証装置の概略平面図であり、図2(B)は指紋認証装置の要部の具体的な寸法関係の一例を示す模式図である。
[0018]
 図1および図2を参照して、指紋認証装置10は、指紋認証用センサモジュール11および指紋認証用センサモジュール11の上に載置されたカバーガラス27を含む。指紋認証用センサモジュール11は、FPC(Flexible Print Circuit)基板20と、その上にランド13aを介して接続された指紋の画像を撮像するイメージセンサ13と、イメージセンサ13の上に載置された透明ガラス14(第1のガラス)と、透明ガラス14の上に載置され、カバーガラス27上の指から指紋を表す光を集光する結像部19を含む。結像部19は、複数のマイクロレンズ16のアレイと、複数のマイクロレンズ16の周囲を囲む、所定の高さを有する遮光部材(以下、「遮光ダム」という)17と、マイクロレンズ16と遮光ダム17との間に設けられた薄い遮光フィルム18を含む。なお、マイクロレンズ16は印刷により生成するのが好ましい。
[0019]
 ここで、図2(B)に示すように、マイクロレンズ16の縦横方向の相互の間隔と、遮光ダム17によって形成される開口部15の径と、マイクロレンズ16の径は、ほぼ、1:0.3:0.1とするのが好ましい。
[0020]
 一例として、この実施の形態では、マイクロレンズ16は縦横方向に相互に270μm離れて配置され、遮光ダム17によって形成される開口部15の径は約80μmであり、マイクロレンズ16の径は約29.6μmである。
[0021]
 イメージセンサ13とその上に載置された透明ガラス14とは同一平面寸法を有する直方体状である(検出モジュール12という)。
[0022]
 次に、指紋認証用センサモジュール11の組立方法について説明する。まず、イメージセンサ13とその上に載置された透明ガラス14とからなる検出モジュール12を準備する。その上に結像部19を形成する。結像部19が形成された検出モジュール12を保持するために、ホルダー基板21で外部から囲む。その後、ランド13aでハンダ付けをしてFPC基板20をイメージセンサ13に付着する。その後、ホルダー基板21の上端部24の上に、糊等でカバーガラス27が取り付けられて指紋認証装置が完成する。
[0023]
 次に、検出モジュール12を保持する具体的な方法について説明する。透明ガラス14の上端部の4辺は角部14aを有する。一方、ホルダー基板21は、中央にイメージセンサ13と透明ガラス14とを収容可能な直方体状の空洞を有する形状であり、その空洞部は上部と下部とを分離する段部22を有する構造であり、上部の空洞の開口面積が下部の空洞の開口面積より小さく、この段部22が透明ガラス14の角部14aを押すことによって、イメージセンサ13と透明ガラス14とがホルダー基板21によって位置決めされる。
[0024]
 ホルダー基板21は、4つの辺を有するため、便宜上、左右と上下とを21a~21dで表す。ホルダー基板21の上端部24は、透明ガラス14の上に設けられた結像部19よりも高い位置にある。したがって、この実施の形態においては、ホルダー基板21内で透明ガラス14の上の部分とカバーガラス27との間には空気を含む空間が設けられている。
[0025]
 このホルダー基板21の上端部24の上に、人の指を載置するカバーガラス27が設けられる。
[0026]
 ホルダー基板21はその上端外周に段部31を有し、この段部31に、カバーガラス27の上に載置された指の指紋に光を照射するLED25が設置されている。図2に示すように、LED25は、ホルダー基板21a~21dのそれぞれにある間隔で複数配置される。
[0027]
 次に結像部19について説明する。図2(A)および(B)に示すように、複数のマイクロレンズ16がアレイ状に配置され、その周囲を円筒状の内壁面を有する遮光ダム17で囲んでいるため、遮光ダム17は上から見るとアレイ状になった複数の円形の開口部15を有する。この詳細を、図3を参照して具体的に説明する。
[0028]
 図3は、図2に示した指紋認証装置の1つのマイクロレンズ16の周囲の詳細を示す平面図である。図3を参照して、マイクロレンズ16は、遮光ダム17の円形の開口部15の中心に位置し、遮光ダム17の内壁面17aとマイクロレンズ16との間は、遮光フィルム18によって覆われている。
[0029]
 次に、LED25を用いた照明装置について説明する。図1および図2に示すように、照明装置としてのLED25は、ホルダー基板21の4辺(21a~21d)にある間隔に配置され、それぞれは個別にオンオフおよび調光が可能で、その光軸の傾きは図示のない制御部で個別に行われる。それによって、撮像に最適な光を指紋に向けることが可能になる。また、LED25の前にはここでは、光を拡散させるための拡散板26aが設けられているが、これは無くてもよい。
 LED25の光軸を制御して、指紋に対して投光方向を制御することができる。例えば、指紋を挟む両側のLEDのみ(図2において、上下方向に配列された一対のLED25、または、左右方向に配列された一対のLED25)を点灯させ、斜め方向から指紋に光を当てることにより、立体感のある画像を作ることができる。その結果、指紋の隆線や汗腺を撮影できるため、指紋認証精度を高めることができる。
 さらに、指紋の立体感のある画像を得るために、複数のLEDの内の所望の位置にあるもののみを選択的に発光させてもよい。
[0030]
 次に、この構成の断面を参照して、マイクロレンズ16の光学系について説明する。図4は、複数のマイクロレンズ16(ここでは3つ)によって投影される指紋のイメージセンサ13へ投影される光学系を示す図であり、図4(A)は被写体部が重なる3つのレンズの光学系を示し、図4(B)は1つのレンズの光学系を示す。図4(A)および(B)を参照して、複数のマイクロレンズ16は、一例として上で説明したように、相互に縦横方向に距離d(270μm)だけ開けて配置されている。カバーガラス27上に載置された指紋のうち、図中Aで示す部分の画像から反射された光で、指紋認証用センサモジュール11のマイクロレンズ16aを通った光が、透明ガラス14を介してイメージセンサ13の図中aで示す部分に投影されてその画像が撮像される。同様に、Bで示す部分の画像がbに投影され、Cで示す部分の画像が部分cに投影されて指紋の画像が撮像される。ここで、A,B,およびCはそれぞれが同じ径(後に説明するように、540μm)を有する。
[0031]
 マイクロレンズ16a、16b、16cは、それぞれ、イメージセンサ13上でのレンズ形状を規定するために、その周囲を遮光フィルム18a,18b,18cで遮光している。遮光フィルム18a,18b,18cで遮光しているため、マイクロレンズアレイを通過しない妨害光を遮光する。したがって、必要な部分以外からの光が入りにくくなる。さらに、それぞれの周囲を遮光ダム17a~17dによって個別に区切っているため、マイクロレンズ16a、16b、16cのそれぞれには、指紋Aで示す部分、Bで示す部分、Cで示す部分以外からの画像は集光されない。その結果、指紋画像の特定の一部のみの画像がイメージセンサ13の特定の画素で撮像される。その結果、指紋画像の全体が確実に撮像される。
 なお、ここでは、マイクロレンズへ入射する光を制限するために、その周囲に遮光フィルムと遮光ダムを個別に設ける例について説明したが、これに限らず、遮光ダムの開口寸法(図3に示した遮光ダム17の内壁面17a)の上端と、マイクロレンズの外周寸法の下端とを有する漏斗状の遮光ダムを形成してもよい。
[0032]
 なお、ここで、マイクロレンズ16は透明ガラス14の上に高さ約1μmで上記したように印刷で形成した場合、その次の工程で、透明ガラス14の上のマイクロレンズ16が存在しない場所に,高さ約1μmで遮光フィルム18が印刷で形成される。
 このように、マイクロレンズ等を印刷で形成することによって、コストダウンや製造精度の向上をはかることができる。
[0033]
 次に、この実施の形態における、指紋認証装置10の解像度について説明する。具体的には、一例として、カバーガラス27の上に指を置き、1920画素×1080画素のイメージセンサ13上に1/2の縮小で撮像したときの画像を再構成したときの解像度を計算したものである。ここで、1画素の寸法を3μmとすると、横方向の寸法は1920×3=5760μmとなり、縦方向の寸法は1080×3=3240μmとなる。
[0034]
 ここで画像の再構成とは、指を縦横にたくさん撮像して,それぞれを結合して1つの指の映像にすることをいう。具体的には、イメージセンサ13の出力を所定のプログラムで図示のないプロセッサで処理して、指紋認証装置10と1:1に対応する映像を得る。
[0035]
 図5(A)はカバーガラス27上で撮像される範囲の計算を示し、図5(B)はマイクロレンズ16を通ってイメージセンサ13上で結像された画像を使用し、再構成するために得られる画像情報の状態を示す図である。
[0036]
 図5(A)に示すように、カバーガラス27上の撮影範囲(イメージサークル)は、直径が540μmの円であるため、内接する正方形の1辺は540/√2=381.84μmであり、重ならない内接正方形は540/2=270μmである。また、撮像される指の範囲は横方向では、イメージセンサの横方向とほぼ同じ5760μmであり、縦方向では、同様に3240μmである。
[0037]
 イメージセンサ13上で結像された画像は、図5(B)に示すように、そのイメージサークルは直径が270μmであるため、内接する正方形の1辺は270/√2=190.92μmであり、画素数としては、190.92/3=63.64画素、すなわち、約63画素である。また、重ならない内接正方形は270/2=135μmであり、画素数としては、135/3=45画素である。
[0038]
 したがって、再構成後の画素数は、横方向において、45×21+30=975であり、縦方向において、45×12=540となる。
[0039]
 レンズの性能によっても変わるが、以上から計算上の解像度は、975画素/5760μm×25400μmとなり、これは、4300画素/インチが可能となる。この値は、通常の指紋認証装置の解像度である800画素/インチから比べると、5倍以上になる。
[0040]
 以上のように、この実施の形態においては、指紋の特定の画像を集光する個々のマイクロレンズを他のマイクロレンズとは隔離するように遮光ダムおよび遮光フィルムを設けたため、特定の部分の画像のみを確実に得ることが可能になる。
[0041]
 その結果、より解像度の高い鮮明な指紋の画像を得ることができる。
[0042]
 次に、この発明の他の実施の形態について説明する。図6は、この発明の他の実施の形態にかかる指紋認証装置30を示す、先の実施の形態における図1に対応する図である。
[0043]
 図6を参照して、この実施の形態における指紋認証装置30は、基本的に、先の実施の形態と同様の構造を有している。異なる点は、先の実施の形態では、LED25の前端部の投光部の前には拡散板26aが設けられていたが、この実施の形態では、これに変えて、偏光フィルタ26bが設けられ、かつ、この偏光フィルタ26bと協働する偏光フィルタ23が遮光ダム17の上部に設けられている点である。このような構成にすることにより、より明瞭な画像をイメージセンサ13で得ることができる。また、投光部の前に偏光フィルタ26aをつけるだけでも、照明光の波を一方向にできるため、より鮮明な画像を得ることができる。
[0044]
 それ以外の部分については、先の実施の形態と同一の構成を有しているため、同一部分に同一符号を付して、その説明を省略する。
[0045]
 次に、この発明のさらに他の実施の形態について説明する。図7は、この発明のさらに他の実施の形態にかかる指紋認証装置40を示す、最初の実施の形態における図1に対応する図である。
[0046]
 図7を参照して、この実施の形態における指紋認証装置40は、基本的に、最初の実施の形態と同様の構造を有している。異なる点は、先の実施の形態では、イメージセンサ13等を位置決めするのにホルダー基板の段部を用いたが、この実施の形態においては、イメージセンサ13の上に設けられた結像部19の上部に、遮光ダム17の頂部で支持するように第2の透明ガラス28を設けた点である。
[0047]
 なお、この場合、第2の透明ガラス28と遮光ダム17との間に透明糊29を設けてもよい。また、この場合、イメージセンサ13から上部に設けられた第2の透明ガラス28までのそれぞれの平面寸法は同じであり、そのため、これらの要素の外周を囲む周壁33を設け、その上端部の周囲にLED25が複数設けられる。
[0048]
 さらに、先の実施の形態においては、LED25はホルダー基板21に設けられていたが、この実施の形態では、ホルダー基板が設けられていないため、LED25を支持するためのサポート34がイメージセンサ13と透明ガラス14の周囲を囲むための周壁33に設けられている。これら以外の点については、先の実施の形態と同一の構成を有しているため、同一部分に同一符号を付して、その説明を省略する。
[0049]
 なお、第2の透明ガラス28の厚さは約200μmであり、第2の透明ガラス28の屈折率により、指紋認証装置全体の厚さは小さくなるが、平面的には、この実施の形態における各構成要素の寸法は基本的に先の実施の形態と同様である。
[0050]
 この実施の形態においては、先の実施の形態のように、位置決め用の段部等を設ける必要がないため、構成が簡単になり、量産効率が高くなる。
[0051]
 次に,この発明のさらに他の効果について説明する。
[0052]
 この実施の形態においては、カバーガラス上の指の画像を検出するイメージサークルの径を540μm、結像面サイズを270μm、マイクロレンズ16の直径を30μm、ガラス14の屈折率を約1.5、透明ガラス14の厚さを400μm、カバーガラス27の厚さを500μmという仕様にすることにより、f値が約9.0、マイクロレンズ16の焦点距離は179.25μmとなる。
[0053]
 その結果、レンズ性能が2540dpiを満足することを前提に被写界深度として、前側深度(指紋の位置からマイクロレンズ16側)は約380μm、後側深度(指紋の位置からマイクロレンズ16と反対側)は約890μm、焦点深度は結像面で約±150μmという結果が得られる。
[0054]
 これにより、指がカバーガラス27に触れることなく、非接触で所定の性能を満足する映像が得られる。
[0055]
 また、複数のレンズで撮像することにより、立体映像を得ることが可能である。
[0056]
 なお、上記実施の形態においては、縦横格子状のマイクロレンズ16を縦横格子状の遮光ダムで囲んで配置する例について説明したが、これ限らず、双方ともハニカム状にしてもよい。このような構成にすることにより、イメージセンサ13での画素の使用率が増加するため、解像度の向上が可能になる。
[0057]
 また、上記実施の形態においては、LEDを用いた照明方法について説明したが、これに限らず、遮光ダムの上の部分全体に面状のLEDまたは有機ELを敷きつめるようにしてもよい。そうすると、発光面は真上を向くため、カバーガラスを通して指を照明できる。具体的には、上から見ると遮光ダムの上に80μmの穴の開いた有機ELが敷き詰められた形となる。
[0058]
 有機ELを使用するため、面状のどの部分も明るくしたり、暗くすることが容易になる。
[0059]
 さらに、この有機ELを付けた指紋認証用センサモジュールを携帯端末の形まで、大きくすると、指紋認証用センサモジュール自身が有機ELを含むため、携帯端末の表示部全体が指紋認証用センサモジュール付きになる。その結果、携帯端末の表示部のどの部分にタッチしても指紋認証が可能になり、携帯端末の表示部に画像を置くと、その画像を図示のないメモリーに取り込むことが可能になる。
[0060]
 以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示する実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

産業上の利用可能性

[0061]
 この発明による指紋認証装置は、構成が簡単で、解像度の高い指紋の画像データを得ることができるため、認証率も向上し、指紋認証装置として有利に利用される。

符号の説明

[0062]
 10,30,40 指紋認証装置、11 指紋認証用センサモジュール、12 検出モジュール、13 イメージセンサ、14 透明ガラス、14a 角部、15 開口部、16 マイクロレンズ、17 遮光ダム、18 遮光フィルム、19 結像部、20 FPC基板、21 ホルダー基板、22 段部、23 偏光フィルタ、25 LED、26 拡散板、27 カバーガラス、28 第2透明ガラス、29 透明糊、33 周壁、34 サポート。

請求の範囲

[請求項1]
指紋からの光を結像する結像部と、
 結像部の下に設けられた第1のガラス部および第1のガラス部の下に設けられたイメージセンサとを含む検出モジュールと、
 前記結像部は、複数のマイクロレンズアレイと、
 前記複数のマイクロレンズアレイの周囲に設けられ、前記複数のマイクロレンズアレイに入射する光を制限するための遮光部と、を含む指紋認証用センサモジュール。
[請求項2]
 前記遮光部は、前記マイクロレンズの周囲に設けられた遮光フィルムを含む、請求項1に記載の指紋認証用センサモジュール。
[請求項3]
 前記遮光部は、前記マイクロレンズの周囲に設けられた段部を有する遮光ダムを含む、請求項1または2に記載の指紋認証用センサモジュール。
[請求項4]
 指紋を照明する照明装置を含み、
 前記照明装置は、複数の光源を有し、
 前記複数の光源の各々は個別に点灯、消灯、および調光が可能である、請求項1~3のいずれかに記載の指紋認証用センサモジュール。
[請求項5]
前記検出モジュールを位置決めするホルダー基板をさらに含み、
 前記ホルダー基板は、前記照明装置を保持する、請求項4に記載の指紋認証用センサモジュール。
[請求項6]
前記検出モジュールを保持する周壁を含み、
 前記周壁は、前記照明装置を保持する、請求項4に記載の指紋認証用センサモジュール。
[請求項7]
 請求項1~6のいずれかに記載の指紋認証用センサモジュールを含む指紋認証装置。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]