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1. WO2003019666 - DISPOSITIF D'IMAGERIE

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[ JA ]
糸田 :

技術分野

本発明は撮像装置に関し、より詳細には指紋などのように測定対象物の表面 存在する凹凸パターンを検出するのに好適な撮像装置に関する。

景技術

撮像装置として、例えば特開平 7— 1 7 4 9 4 7号公報(以下、文献 1という) には、複数の光ファイバを一体化してなるファイバ光学プレートと、 C C D (電 荷結合素子)ィメージセンサなどの固体撮像素子とを接合してなる指紋検出装置 が開示されている。

発明の開示

発明者は、上記した従来技術を検討した結果、以下のような課題を発見した。 すなわち、上記した文献 1に開示の撮像装置では、ファイバ光学プレートの光出 射面は光ファィバの光軸に対して傾斜.しており、この光出射面と固体撮像素子と が光学的に直接結合されていた。従って、光入斜面に接触した指を通じて指紋の 像がプレート内へ入射したとしても、光出射面において多くの光が反射されてし まい、その結果、固体撮像素子に受光される光量が非常に少なく、検出すべき指 紋の像が暗くなつて撮像特性が悪くなるという問題があった。

本発明は、上記した課題を解決するために為されたものであり、ファイバ光学 プレートから出射されて固体撮像素子に受光される光の光量を多くして、撮像特 性の向上を図ることが可能な撮像装置を提供することを目的とする。

本発明に係る撮像装置は、( 1 )コアとコアの外周を覆うクラッドとを有する光フ ァィバを複数束ねて形成されており、光フアイバの光軸に対して傾斜する光入射 面及び光出射面を有するファイバ光学プレートと、(2 )ファイバ光学プレートの 光出射面に形成された透光性を有する複数の柱状結晶体と、(3 )半導体基板の主 面上に 2次元状に配列形成された光電変換部を有し、複数の柱状結晶体と光学的 に結合された固 #:撮像素子と、を備えることを特徴とする。

この撮像装置では、ファイバ光学プレートの光出射面に複数の柱状結晶体が形 成されているため、各光フアイバ内を伝搬した光の光出射面における反射が抑制 され、多くの光が複数の柱状結晶体に入射される。そして、複数の柱状結晶体の それぞれが光ファイバのように機能し、入射された光が柱状結晶体内を案内され ると共に出射側の端部において散乱され、柱状結晶体から多くの光が出射されて 固体撮像素子に受光される。このように、この撮像装置では固体撮像素子に受光 される光量が多くなり、撮像特性の向上が図られる。

また本発明に係る撮像装置では、複数の柱状結晶体は、 C s I、 N a I、 L i I、 K I、 K B r、 K C 1、及び N a C 1のうちの少なくともいずれかにより構 成されていると好適である。これらの物質は柱状の結晶体を構成することができ 、かつファイバ光学プレートを通過した光に対して透光性を有するため好ましい

本発明に係る撮像装置では、柱状結晶体各々の光入射側の端部における断面積 は、光ファイバ各々の光出射側の端部における断面積よりも小さいことを特徴と してもよい。このようにすれば、解像度の劣化が抑制される。

本発明に係る撮像装置では、複数の柱状結晶体は、ファイバ光学プレートの光 出射面に斜方蒸着により結晶成長されてなることを特徴としてもよい。このよう にすれば、ファイバ光学プレートの光出射面に、該光出射面に対して傾斜する複 数の柱状結晶体を容易に形成することができる。

本発明は以下の詳細な説明および添付図面によりさらに +分に理解可能となる。 これらは単に例示のために示されるものであって、本発明を限定するものと考え るべきではない。

図面の簡単な説明 .

図 1は、本実施形態に係る撮像装置としての指紋検出装置の構成を示す図であ る。

図 2は、ファイバ光学プレートの傾斜角を説明するための図である。

図 3は、複数の柱状結晶体を顕微鏡により観察した様子を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る撮像装置の好適な実施形態につい て説明する。なお、図面において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説 明を省略する。

図 1は、本実施形態に係る撮像装置としての指紋検出装置の構成を示す図であ る。図 1に示すように、指紋検出装置 1 0は、ファイバ光学プレート 2 0と固体 撮像素子 3 0と透光性を有する複数の柱状結晶体 4 0とを備えている。

ファイバ光学プレート 2 0は、光ファイバ 2 1を複数束ねて形成されている。 このファイバ光学プレート 2 0は、光ファイバ 2 1の光軸に対して平行でなく、 かつ垂直でない所定の傾斜角 θ 1で傾斜する光入射面 2 5及び光出射面 2 6を有 し、これら光入斜面 2 5及び光出射面 2 6は互いに平行に対面している。このフ アイバ光学プレート 2 0を構成する光ファイバ 2 1は、コア 2 2とコア 2 2の外 周を覆うクラッド 2 3とを有し、クラッド 2 3の屈折率に対してコア 2 2の屈折 率が大きくなるように設定され、コア 2 2に沿って光が伝搬できるようになつて いる。更に、それぞれの光ファイバ 2 1の間には光吸収体 2 4が設けられており 、光ファイバ 2 1に入射した光がクラッド 2 3の外部へ進行すると光吸収体 2 4 により吸収されて消滅し、隣接する光ファイバ 2 1へ導光されないようになって いる。

ここで傾斜角 0 1は、空気中から光ファイバ 2 1のコア 2 2に入射した光がク ラッド 2 3との境界面において全反射を生じないような角度に設定されていると 好ましい。例えば、図 2に示すように、光入斜面 2 5とほぼ平行となる向きから 光ファイバ 2 1内へ光が入射するときの光ファイバ 2 1内における屈折角を /3、 その光がコア 2 2、クラッド 2 3の境界面で全反射を繰り返して進行するときの 境界面への臨界入射角をひ、空気の屈折率を n 0、コア 2 2の屈折率を nいクラ ッド 2 3の屈折率を n2とすると、次に示す式(1)、 (2) を満たす α;、を式 (3) に代入することにより、設定すべき傾斜角 Θの角度が求められる。

n 1 s i n i3 = n。s i n 9 0° (入射角 9 0° の条件)…(1 ) i^ s i n a^ns s i n S OC (全反射の条件)…(2)

Θ + (9 0° + β ) + (9 0° — a) = 1 8 0° … (3)

η 0二 1、 η != 1. 5 6、 η 2= 1. 5 2とすると、これらの式(1)、(2)、 (3) により、傾斜角 θ = 3 7° が算出される。このため、傾斜角 0 1を 3 7° より小さい角度に設定することにより、空気中からファイバ光学プレート 2 0の 光ファイバ 2 1に光が入射されても、その光ファイバ 2 1内で伝搬されないよう になる。つまり、このように傾斜角 6 1を設定すれば、空気中からファイバ光学 プレート 2 0へ入射した光がフアイバ光学プレート 2 0から出射されることなく 、光入斜面 2 5に接触した物を通じてファイバ光学プレート 2 0へ入射された光 のみが光出射面 2 6から出射されることとなり、撮像特性の向上が図られる。 固体撮像素子 3 0は、半導体基板の主面上に 2次元状に配列形成された光電変 換部を有している。かかる固体撮像素子 3 0としては、 C CDイメージセンサや CMOSイメージセンサなどが挙げられる。本実施形態では、固体撮像素子 3 0 としてインターライン転送方式 CCDイメージセンサ ( I TC CD) について説 明する。

固体撮像素子 3 0としての I T C C Dでは、 N型半導体基板の主面に 2次元状 に配列形成された P型ゥエル 3 1内に、光電変換部 3 2が形成されている。光電 変換部 3 2それぞれの間には、該光電変換部 3 2に蓄積された信号電荷を垂直方 向及び水平方向に転送する垂直 CCD及び永平 C CD (図示しない)が形成され ており、その上部には遮光膜 3 3が設けられている。これにより、遮光膜 3 3の 間を通って光電変換部 3 2で受光された光は、光電変換されて信号電荷として蓄 積される。そして、この信号電荷が垂直 C CD及び水平 C CDにより転送され、 図示しない出力部から画像処理系に向けて出力される。

複数の柱状結晶体 4 0は、ファイバ光学プレート 2 0の光出射面 2 6に設けら れている。これら複数の柱状結晶体 4 0は、使用波長(例えば、可視光の波長帯 域)において透光性を有し、その軸(結晶成長方向)がファイバ光学プレート 2 0の光出射面 2 6に対して傾斜するように設けられている。より詳細には、各柱 状結晶体 4 0は、各光ファイバ 2 1がファイバ光学プレート 2 0の光入斜面 2 5 に対して傾斜する方向と同じ方向に、光出射面 2 6に対して所定の傾斜角 Θ 2 ( 0 2≤9 0 ° ) で傾斜して設けられている。

本実施形態に係る指紋検出装置 1 0では、この傾斜角 0 2は、柱状結晶体 4 0 を伝搬して出射側の端部から出射された光が、固体撮像素子 3 0に垂直に入射す るような角度に設定されていると好ましい。このようにすれば、柱状結晶体 4 0 からより多くの光を出射させて固体撮像素子 3 0により'受光させることが可能と なるため、撮像特性の向上を図ることが可能となる。

これら複数の柱状結晶体 4 0は、 C s l、 N a l、 L i l、 K I、 K B r、 Κ C 1、及び N a C 1のうちの少なくともいずれかにより構成されていると好まし い。これらの物質は、柱状の結晶体を構成することができ、かつファイバ光学プ レート 2 0を通過した光に対して透光性を有するため好ましい。

ここで、柱状結晶体 4 0各々の太さは光ファイバ 2 1各々の太さより細く、柱 状結晶体 4 0各々の光入射側の端部における断面積は、光ファイバ 2 1各々の光 出射側の端部における断面積よりも小さいと好ましい。このようにすれば、測定 対象物の解像度の劣化が抑制される。

また、柱状結晶体 4 0の屈折率は、光ファイバ 2 1のコア 2 2の屈折率よりも 大きいと好ましい。このようにすれば、ファイバ光学プレート 2 0の光出射面 2 6における光の反射がより抑制され、より多くの光を柱状結晶体 4 0に案内する ことができる。なお、上記した C s I等の物質の屈折率は 1 . 5〜2 . 0程度で あるため、光ファイバ 2 1のコア 2 2の屈折率がこれらの値よりも小さくなるよ うに、光ファイバ 2 1を適宜選択して使用すると好ましい。

かかる複数の柱状結晶体 4 0は、上記した C s I等の物質をファイバ光学プレ ード 2 0の光出射面 2 6に斜方蒸着することで容易に形成することができる。こ のとき、柱状結晶体 4 0各々の長さは 5 0 μ πι〜5 0 0 μ ΐη程度であると好まし い。図 3は、ファイバ光学プレート 2 0の光出射面 2 6に C s Iを斜方蒸着して なる柱状結晶体 4 0を顕微鏡により観察した様子を示す図である。図示の通り、 ファイバ光学プレート 2 0の光出射面 2 6に、 C s Iの複数の柱状結晶体 4 0が 密集して形成されている。この実施例では、柱状結晶体 4 0各々の長さは 1 0 0 /i m程度であり、その太さ(断面積)は 5 0 /z m 2程度であった。

なお、複数の柱状結晶体 4 0が斜方蒸着されたファイバ光学プレート 2 0と固 体撮像素子 3 0は、接着剤により接合して固定することができる。

このように、複数の柱状結晶体 4 0と固体撮像素子 3 0とが光学的に結合され た状態で、ファイバ光学プレート 2 0、複数の柱状結晶体 4 0、及び固体撮像素 子 3 0が組み付けられており、これにより指紋検出装置 1 0が構成されている。 次に、本実施形態に係る指紋検出装置 1 0の作用及び効果について説明する。 本実施形態に係る指紋検出装置 1 0では、ファイバ光学プレート 2 0の光出射 面 2 6に複数の柱状結晶体 4 0が形成されているため、各光ファイバ 2 1内を伝 搬した光の光出射面 2 6における反射が抑制され、多くの光が複数の柱状結晶体 4 0に入射される。そして、複数の柱状結晶体 4 0のそれぞれが光ファイバのよ うに機能し、入射された光が柱状結晶体 4 0内を案内されると共に、いわゆるス タリーン機能により出射側の端部において光が散乱され、柱状結晶体 4 0から多 くの光が出射されて固体撮像素子 3 0に受光される。このように、この指紋検出 装置 1 0では固体撮像素子 3 0に受光される光量が多くなり、撮像特性の向上を 図ることが可能となる。

また、本実施形態に係る指紋検出装置 1 0では、複数の柱状結晶体 4 0として C s I等の物質をファイバ光学プレート 2 0の光出射面 2 6に斜方蒸着すること で、装置を小型に構成することができる。

なお、特開平 9— 2 8 8 2 2 3号公報には、第 1のファイバ光学プレートと、 その第 1のフアイバ光学プレートよりも傾斜角が大きい第 2のフアイバ光学プレ 一トとを接合し、これを C C Dイメージセンサなどの固体撮像素子と接合してな る指紋検出装置が開示されている。この指紋検出装置においても、第 2のフアイ バ光学プレートの光出射面から出射する光の出射角度が広くなるため、出射され る光量が大きくなつて、検出すべき指紋の像が明るくなり、撮像特性の向上を図 ることが可能となる。し力しながら、この指紋検出装置では、 2枚のファイバ光 学プレートを接合するに際して高度の位置合わせを必要とし、製造が容易ではな く、また高価なファイバ光学プレートを 2枚用いる必要が有り、コストが高くな るという問題がある。これに対し、本実施形態に係る指紋検出装置 1 0は、かか る位置合わせが不要で製造が容易であり、またファイバ光学プレート 2 0は 1枚 あれば足りるためコスト的にも有利であり、かつ柱状結晶体 4 0を薄く形成する ことで装置自体を小型に構成することができるという点で優れている。

以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そ のような変形は、本発明の思想および範囲から逸脱するものとは認めることはで きず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれる ものである。

産業上の利用可能性

本発明によれば、フアイバ光学プレートから出射されて固体撮像素子に受光さ れる光の光量を多くして、撮像特性の向上を図ることが可能な撮像装置が提供さ れる。