专利名称：指纹图像摄像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种指纹图像摄像装置，特别是涉及这样一种指纹图像摄像装置，该指纹图像摄像装置不论指纹的皮肤表面的湿气的状态如何，即使在指纹的凹凸不清晰的场合，也可获得稳定而且对比度提高了的指纹图像，可提高个人识别性能。
背景技术：
在过去的指纹图像摄像装置中，在指尖部分的指纹部分非接触的状态下保持手指，从指尖部分的指甲侧(背侧)照射光，检测透过手指内部的光。透过指尖部分的光的透射系数在指纹的凸部较低，在凹部较高，所以，可获得指纹的凸部较暗、凹部较亮的图像(例如参照专利文献1)。
(专利文献1)日本特开2003-85538号公报(第3～4页、图1～4)过去的指纹图像摄像装置如以上那样构成，不论指纹的皮肤表面的湿气的状态如何，即使在指纹的凹凸不清晰的场合，也可获得稳定的指纹图像，但希望进一步提高指纹图像的对比度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可获得进一步提高了对比度的指纹图像的指纹图像装置。
本发明的指纹图像摄像装置具有光源、摄像单元、及光学系；该光源以具有成为摄像对象的指纹的指尖部分作为被检测物，在上述被检测物上照射可透过其的光；该摄像单元对透过上述被检测物的来自上述光源的光进行摄像，获得上述指纹的凸部较暗、凹部较明亮的指纹图像；该光学系将透过上述被检测物的来自上述光源的光成像到上述摄像单元；而且，成为以使上述指尖部分的背侧或腹侧接触于与上述光学系的光轴直交的面的位置为基准，使得上述被检测物的指尖部分前端侧与其相反侧相比更从上述光学系离开地倾斜预定角度的状态地配置上述光学系。
按照本发明的指纹图像摄像装置，以具有成为摄像对象的指纹的指尖部分作为被检测物，在上述被检测物上照射可透过上述被检测物的来自光源的光，由光学系将透过上述被检测物的来自上述光源的光成像到摄像单元，由摄像单元对透过上述被检测物的来自上述光源的光进行摄像，获得上述指纹的凸部较暗、凹部较明亮的指纹图像；所以，不论指纹的皮肤表面的湿气的状态如何，即使在指纹的凹凸不清晰的场合，也可获得稳定的指纹图像。
而且，成为以使上述指尖部分的背侧或腹侧接触于与光学系的光轴直交的面的位置为基准，使得上述被检测物的指尖部分前端侧与其相反侧相比更从上述光学系离开地倾斜预定角度的状态地配置上述光学系，所以，可获得对比度进一步提高了的指纹图像，可提高个人识别性能。
图1为示出本发明实施形式1的指纹图像摄像装置的整体构成的侧面图。
图2涉及本发明的实施形式1，为示出从腹侧观看到的指尖部分近旁的状态的下面图。
图3涉及本发明的实施形式1，为示出从背侧观看到的指尖部分近旁的状态的上面图。
图4涉及本发明的实施形式1，为示出由CCD摄像获得的指纹图像的图。
图5涉及本发明的实施形式1，为示出由CCD摄像获得的指纹图像的图。
图6涉及本发明的实施形式1，为示出由CCD摄像获得的指纹图像的图。
图7涉及本发明的实施形式1，为示出由CCD摄像获得的指纹图像的图。
图8涉及本发明的实施形式1，为示出指尖部分的背侧的光照射点A-D的图。
图9涉及本发明的实施形式1，为说明照射区域的图。
图10涉及本发明的实施形式1，为示出代表指尖部分的背侧的直线15与垂直于光轴400的平面402所成的角度(θ)和指纹图像的对比度的关系的曲线图。
图11涉及本发明的实施形式1，为示出代表指尖部分的背侧的直线15与垂直于光轴400的平面402所成的角度(θ)和指纹图像的对比度的关系的曲线图。
图12为示出本发明实施形式1的指纹图像摄像装置的要部的另一构成的侧面图。
图13为示出本发明实施形式1的指纹图像摄像装置的另一整体构成的侧面图。
图14为示出本发明实施形式2的指纹图像摄像装置的整体构成的侧面图。
图15涉及本发明的实施形式2，为示出从腹侧观看到的指尖部分近旁的状态的下面图。
图16为示出本发明实施形式3的指纹图像摄像装置的整体构成的侧面图。
图17涉及本发明的实施形式3，为放大地示出透明状被检测物保持部分与被检测物的接触部分的图。
具体实施例方式
本发明的发明者发现，如指纹图像摄像装置具有光源、摄像单元、及光学系；该光源以具有成为摄像对象的指纹的指尖部分作为被检测物，在上述被检测物上照射可透过其的光；该摄像单元对透过上述指纹的凸部的来自上述光源的光和透过上述指纹的凹部的来自上述光源的光进行摄像，获得上述指纹的凸部较暗、凹部较明亮的与上述指纹对应的指纹图像；该光学系将透过上述被检测物的来自上述光源的光成像到上述摄像单元；其中以使上述指尖部分的背侧或腹侧接触于与上述光学系的光轴直交的面的位置为基准，使得上述被检测物的指尖部分前端侧与其相反侧相比更从上述光学系离开地倾斜预定的角度(约10°～30°)，从而相比使上述指尖部分的背侧或腹侧接触于与上述光学系的光轴直交的面的场合，可进一步提高指纹图像的对比度。
可以认为其原因在于，指纹表面和指纹表面近旁的内部组织的透射系数特性存在角度依存性，光容易在特定的角度透射。
本发明就是着眼于上述特性而作出的，其特征在于，以指尖部分的背侧或腹侧接触于与光学系的光轴直交的面的位置为基准，按使指尖部分前端侧与其相反侧相比更从上述光学系离开地将被检测物倾斜预定角度的状态获得指纹图像。
实施形式1图1和图2为用于说明本发明实施形式1的指纹图像摄像装置的图，更为具体地说，图1为示出指纹图像摄像装置的整体构成的侧面图，图2为示出从摄像单元侧(腹侧)观看到的指尖部分近旁的状态的下面图，图3为示出从背侧(指甲侧)观看到的指尖部分近旁的状态的上面图。
本实施形式的指纹图像摄像装置具有光源3、摄像单元5、光学系4、及信号处理部分6；该光源3以具有成为摄像对象的指纹11的指尖部分1作为被检测物，在指尖部分1上照射可透过其的光30；该摄像单元5对透过指尖部分1的来自光源3的光进行摄像，获得指纹11的凸部较暗、凹部较明亮的与指纹11对应的指纹图像；该光学系4将透过指尖部分1的来自光源3的光成像到摄像单元5；该信号处理部分6对从摄像单元5输出的指纹图像进行图像处理，获得指纹信息，同时，根据该指纹信息识别个人；而且，以使指尖部分的背侧接触于与光学系4的光轴400直交的面402的位置为基准，使得指尖部分前端侧与其相反侧相比更从光学系4离开地将指尖部分1倾斜预定的角度，按该状态配置光学系4。
在本实施形式中，具有被检测物保持部分(以下称带开口的被检测物保持部分)21，该带开口的被检测物保持部分21可在与成为摄像对象的指纹11的表面非接触的状态下保持指尖部分1。带开口的被检测物保持部分21的开口部分包含作为由摄像单元5摄像的范围的观察面100地设置。
作为被检测物的指尖部分1在其腹侧具有成为摄像对象的指纹11，指纹11具有由凸部(山部)和凹部(谷部)构成的凹凸图案。在本发明中，指尖部分1不仅表示手指的前端部分，当然也表示从手指的前端部分到第1关节或第2关节附近。
使光从指尖部分1的作为与指纹11的相反侧的背侧(指甲侧)向腹侧(指纹侧)行进地设置将可透过指尖部分1的光30照射到指尖部分1的光源3。作为光源3，使用出射这样的投射光的光源，该投射光为主波长为红色光～近红外光区域的光，即，处于红色光～近红外光区域的任一波长(单色)的投射光，由红色光～近红外光区域的光混合而成的投射光，或作为主波长包含红色光～近红外光区域的光(单色的场合和混合的场合都存在)，该光源3例如使用激光器、发光二极管、灯光源。红色光～近红外光区域的光由于相对作为被检测物1的生物的光的透射系数高，可较好地使用，但主波长为600nm～1400nm的范围的光更理想。另外，血管中的血红蛋白的光吸收特性在660nm前后最小，所以，为了降低血管对指纹图像的影响，主波长630nm～780nm的区域的光更理想。
另外，也可不受到来自外部的光的影响地由遮光体覆盖指尖部分1和光源3。
光源3由大于等于1个的例如激光器、发光二极管、灯光源构成，可同时仅使任意的数量亮灯。由带开口的被检测物保持部分2保持指尖部分1，当观察面100处于收容于带开口的被检测物保持部分2的开口内的位置时照射预定的区域16地配置。另外，由光源驱动电路32控制亮灯的元件，从而可控制照射到被检测物1的光30的照射条件(亮度和照射区域16)。例如，在光源3由多个发光元件构成的场合，由各元件或可照射同一位置(区域)地构成的元件的小组照射指尖部分1的不同位置(区域)地设置，可相应于希望照射的位置(区域)改变亮灯的元件地控制，或者，在光源3不具有多个发光元件而具有单数的场合，设置驱动部分，使其移动到希望照射的位置(区域)地控制。
控制照射区域16包含位置控制和区域的大小的控制两者。
另外，本实施形式的指纹图像摄像装置具有将被检测物1的定位用的标记光31照射到指尖部分1的标记光源33。
标记光源33设置成在作为被检测物的指尖部分1载置于带开口的被检测物保持部分2而覆盖开口部分时，标记光31不入射到摄像元件52，在不将指尖部分1载置于带开口的被检测物保持部分2的状态下，标记光31入射到摄像元件52。
另外，当使被检测物1移动以在被检测物(指尖部分)1的预定位置照射标记光31时，可将被检测物1配置到将来自光源3的光30照射到照射区域16的位置。
标记光源33虽然也可与光源3共用，但作为标记光31，也可从别的光源在1～多个部位投影例如箭头、或沿指甲皮那样的曲线，或其它人可解读、有助于理解手指放置位置那样的意义的图案。
另外，标记光31的波长不仅为红色光～近红外光区域，只要为使用者可看见的可视光即可。
光学系4将透过指尖部分1的指纹11凸部的来自光源3的光和透过指纹11的凹部的来自光源3的光成像到摄像元件52。在本实施形式中，光学系4在来自指尖部分1的透射光最先通过的位置设置透镜41，在透镜41之后的、透射光通过而且在物体侧(被检测物1侧)成远心那样的位置设置光阑42。
为了获得更明确的指纹图像，也可使透镜41主要具有远心的效果，另外，在光通过光阑42后通过的位置设置主要用于成像的透镜，另外，还设置具有消除图像畸变的效果的透镜，构成包括多个透镜的光学系。
指尖部分1的腹侧即成为摄像对象的指纹11的表面由曲面构成，指纹11与摄像元件52的距离随观察面100内的部位而不同，所以，对于某些部位，有时发生对焦模糊或倍率的不同导致的图像的畸变。因此，通过在物体侧采用远心的光学系，从而不受到倍率变动产生的影响，可获得进一步提高了对比度的指纹图像。
由摄像单元5(以下有时也称摄像系5)，可对使透过指尖部分1的内部组织的具有强度分布的光在光学系4成像而获得的图像进行摄像，获得与指纹对应的指纹图像。摄像单元5具有作为波长选择单元的波长选择元件51、摄像元件52、及将来自摄像元件52的电信号变换成图像电信号的图像输出电路53。
波长选择元件51(波长选择单元)用于选择地仅使具有与光源3相同程度的波长的光(红色光～近红外光区域的光)透射，作为波长选择元件51，可使用例如干涉滤波器、滤波器玻璃、塑料滤波器。来自波长选择元件51的输出光信号在摄像元件52成像。
在图1中，将波长选择元件51设于光阑42与摄像元件52之间，但波长选择元件51设置于透镜41与指尖部分1之间、透镜41由多片构成的场合的透镜与透镜之间、透镜41与光阑42之间的哪一个位置都可。另外，也可使用具有波长选择功能的透镜41或摄像元件52。
摄像元件52例如为CCD(电荷成像元件)、CMOS(互补型金属氧化膜半导体)图像传感器等2维固体摄像元件或摄像管等。摄像元件52可使用对通过指尖部分1、透过指尖部分1的内部组织的光具有感光度的元件，即对红色光～近红外光区域的光具有感光度的元件。使摄像单元5不接受来自指尖部分1的光以外的光地受到遮光。另外，设置有调整摄像元件52的增益的增益调整电路55。
信号处理部分6具有接收来自图像输出电路53的信号的图像取入部分61，处理来自图像取入部分61的信号、进行2值化或细线化等的图像处理部分62，接收来自图像处理部分62的信号、将其作为登录图像保存的指纹数据保存部分63，及对照来自图像处理部分62的图像与来自指纹数据保存部分63的图像、进行个人识别的个人识别部分64，对从图像输出电路53输出的指纹图像进行图像处理，获得指纹信息，同时，根据该指纹信息识别个人。
另外，信号处理部分6具有手指存在判定部分65和明度判定部分66；该手指存在判定部分65可对来自图像取入部分61的信号进行处理，判定该信号是否在预定的阈值的范围内，从而判定是否存在手指，将信号送到光源驱动电路32；该明度判定部分66判定由图像取入部分61取入的指纹图像的明度是否处于预定的阈值的范围内，根据判定结果将信号送到光源驱动电路32和增益调整电路55，调整照射指尖部分1的来自光源3的光30的强度、亮灯的元件的个数、及摄像元件52的增益。
信号处理部分6具有的各部分不需要全部设于信号处理部分6，例如也可将图像输出电路53连接于个人计算机，在其中具有一部分，另外，例如在虽然保存指纹数据但不进行个人识别的场合等，也可省略个人识别部分64。
下面，说明来自光源3的光30的照射区域(位置)与获得的指纹图像的明度的关系。
本发明的发明者发现在以具有成为摄像对象的指纹11的指尖部分1作为被检测物，在被检测物1上照射可透过被检测物1的来自光源3的光30，由光学系4将透过被检测物1的来自光源3的光成像到摄像单元5(摄像元件52)，由摄像单元5对透过被检测物1的来自光源3的光30进行摄像，获得指纹11的凸部较暗、凹部较明亮的指纹图像时，照射光30的位置对指纹图像的明暗产生影响。主要是当照射到指甲12时，指甲尖侧饱和，根部侧变暗，当照射到指甲12的生长边缘附近的大体指甲12以外的部分时，指纹图像的整体的明暗变得平缓，当照射到第1关节附近时，根部侧变得明亮，指甲尖侧变暗。
发明者推测，可能是骨头成为第2光源，碰到骨头的光按宽的角度散射，可按较均匀的强度透过指尖部分直到指纹部分，但指尖的骨头仅到指甲12的途中，所以，如来自光源的光30主要碰到指甲12，则不碰到骨头的光直接透过，不形成明暗。
这样，通过照射指甲12的生长边缘附近的大体指甲12以外的部分，从而可对明暗缓和的指纹图像进行摄像，可优化包含作为主要部分的、个人识别所需要的指纹信息的范围的明度。
本发明所说的包含个人识别所需要的指纹信息的范围，例如指从手指的第1关节到指尖的区域，或第1关节也包含在内的区域，或包含手指的侧面的指纹的区域等。
图4～图7为示出光(激光)30按点的形式照射到图8的各点A～D时由CCD摄像获得的指纹图像的图，图4示出将激光30照射到图8的点A时的指纹图像，图5示出将激光30照射到图8的点B时的指纹图像，图6示出将激光30照射到图8的点C时的指纹图像，图7示出将激光30照射到图8的点D时的指纹图像。在图4～图7中，朝着图，右侧为指甲尖侧(指尖部分1的前端侧)。图7为示出光30在指尖部分1的背侧的照射点A～D的图。
在图4中，指纹图像整个面的亮度大体均匀，但图5中的接近照射区域16(点B)的指甲尖侧(指尖部分的前端侧)饱和，图6中远离照射区域16(点C)的指甲尖侧变暗。另外，就指尖部分1的宽度方向而言，由图7可知，接近照射区域16(点D)的部分饱和，相反侧变暗。
在图1中，指尖部分1腹侧的观察面相对与光学系4的光轴400直交的面402按预定的角度倾斜，但图4～图7为指尖部分1的腹侧的观察面大体平行于与光学系4的光轴400直交的面402的场合的结果。指尖部分1的腹侧的观察面相对与光学系4的光轴400直交的面402按预定的角度倾斜的场合，如后面详细说明的那样，获得的指纹图像的对比度提高，但照射点与指纹图像的明暗的关系与上述结果相同。
根据这些结果可知，为了在包含个人识别所需要的指纹信息的范围的大体整个面获得亮度大体均匀的指纹图像，最好图8的A点即照射中心在指尖部分1的、指甲12存在的面的宽度方向大体中心线上，而且相对指甲12的生长边缘处于与指甲12部分相反侧，照射到大体指甲12以外的部分。
作为更具体的照射区域16，例如可列举出图8的A点(点区域)、图9所示第1照射区域161、第2照射区域162、第3照射区域163等。
第1照射区域161为这样的区域，即，在纵向上从指甲边缘的点P朝根部方向到第1关节，宽度不超过指尖部分1的宽度，纵向的中心处于从指甲边缘的点P到第1关节的长度的大体1/2左右的位置。
第2照射区域162这样的区域，即，纵向上，根部侧端部处于从指甲边缘的点P到第1关节的长度的大体3/4左右的位置，前端侧端部处于比指甲边缘的点P多少更靠前端一些的位置，宽度为指宽的大体1/3的区域，纵向中心处于从指甲边缘的点P到第1关节的长度的大体1/3左右的位置。
第3照射区域163为这样的区域，即，在纵向上，根部侧端部处于从指甲边缘的点P到第1关节的长度的大体1/5左右的位置，前端侧端部处于比指甲边缘的点P多少更靠前端一些的位置，宽度为指宽的大体1/5的区域，纵向中心处于从指甲边缘的点P到第1关节的长度的大体1/10左右的位置。
纵向的前端侧端部最好与指甲边缘的点P一致，但也可多少处于指甲12内一些。如设从指甲边缘的点P到指尖部分1的前端部的长度为L，则纵向的前端侧端部最好处于从指甲边缘的点P到长度L的大体1/3左右的位置，更理想的的情形为到大体1/4左右的位置，如为到达上指甲皮(与指甲根上的软皮相当的部分)的程度，则更理想。
照射区域16的形状可列举出与上述区域内接的椭圆形、矩形等。
另外，在生物的血液中，近红外光的透射系数低，所以，在从摄像单元5输出的指纹中，图像将指尖部分1内部的血管的图案与指纹11的凹凸图案重叠，明度下降，有时成为对比度下降的原因。在可见到比其它部分暗得非常多的部分的场合，为了使该部分变得明亮，也可使明暗变得强烈地摄像。例如，在指尖部分1的指甲尖侧的部分的图像明度低的场合，特意地使来自光源3的光30进入指甲12地照射，根据需要对亮度和摄像元件的增益也进行调整，使指尖部分1指甲尖侧图像的明度较低的部分的明度变得适当地摄像，则可提高上述明度较低的部分的对比度。这样，通过使光30在指尖部分1的照射区域(位置)移动，从而可控制明暗，实现局部的对比度的提高。
下面，说明为了提高指纹图像的对比度而使指尖部分1倾斜预定角度的构成。
如图1和图3所示那样，设通过指尖部分1指甲侧(背侧)的指宽方向中心附近接触于指尖部分1的背侧的直线为代表指尖部分的背侧的直线15。带开口的被检测物保持部分21在保持指尖部分1时，以使指尖部分1的背侧接触于与由光学系4决定的光轴400直交的面402的位置为基准，使被检测物1的指尖部分前端侧比其相反侧更从光学系4(透镜41)离开地倾斜预定的角度(θ)，按该状态设置带开口的被检测物保持部分21。即，使与光学系4的光轴400直交的面402与代表指尖部分1的背侧的直线15所成的角度成为预定的角度(θ)地配置光学系4和带开口的被检测物保持部分21。
图16示出代表指尖部分的背侧的直线15与以光轴300为垂直线地具有的平面402所成的角度(θ)与指纹图像的对比度的关系。
另外，图17示出按同样的构成使用与图16不同的试样(被检测物1)使指尖部分1的前端侧与其相反侧相比更接近光学系4地(θ为负地)倾斜的场合的、θ与对比度的关系。
根据图16和图17可知，在倾斜角度θ为10°～30°的场合，可提高指纹图像的对比度，当为15°～25°时更理想，当在20°左右时，则更理想。
除了指尖部分1的腹侧由曲面构成外，为了使指尖部分1相对光学系4的光轴400倾斜，观察面100相对光轴400具有角度，难以沿观察面100的整个面对焦。因此，形成为这样的构成，在该构成中，对观察面100的整个面对焦地使光学系4的被摄物体深度较深，如图1所示那样使摄像元件52相对光轴400倾斜。
这样使光学系4的被摄物体深度较深，使摄像元件52相对光轴400倾斜，从而将指尖部分1的观察面100的整个区域收容于光学系4的被摄物深度内，可获得对比度良好的图像。
下面，说明动作。
首先，按容易看到标记光31的光量亮灯，由摄像元件52按预定的间隔摄像。
当遮住标记光31地配置指尖部分1时，光源31被遮住，所以，由摄像元件52获得的图像的某一范围小于等于一定的亮度。由摄像元件52获得的图像由信号处理部分6的图像取入部分61从图像输出电路53取入到信号处理部分6。然后，从图像取入部分61送到手指存在判定部分65，标记光31由指尖部分1遮住的摄像元件52(由摄像元件52获得的图像)上的预定的范围的亮度如在预定的阈值的范围，则判定指尖部分1存在于摄像元件52的摄像范围。
另外，同时，当使标记光31照射到指尖部分1的最佳位置地一边由使用者用眼确认一边使指尖部分1移动时，成为在指纹图像全面亮度大体均匀的条件，即，成为来自光源3的光30投射到指尖部分1的照射区域16的配置，所以，可实现通过光源3在指尖部分1的照射位置最佳化获得的明暗的最佳化、照射光量相对图像亮度的高效率化。
在手指存在判定部分65中，当判定指尖部分1存在于摄像元件52的摄像范围时，为了投射可透过指尖部分1的光，将信号送到光源驱动电路32，使来自光源3的光30成为预定的亮度地调整亮灯的元件的个数和每个元件的亮度，使光源3亮灯。当光源3亮灯时，标记光源33可熄灯，也可保持亮灯。
照射到指尖部分1的背面(与指纹11相反侧原面)的光30透过手指内部、到达指纹11。指尖部分1腹侧的表面附近的内部组织具有与表面的指纹11的凹凸对应的透射系数分布，与指纹的凸部对应的内部组织的光透射系数低，与凹部对应的内部组织的光透射系数高，所以，与前者相比，透过后者的光的亮度增大。
在透过指尖部分1的、具有与指纹11相应的强度分布的光中，仅是代表指尖部分1的背侧的直线15与平面402所成的角度(θ)倾斜10°～30°(为15°～25°更理想，如为20°左右则为更理想)的光，由在物体(作为被检测物的指尖部分1)侧成为远心地进行了光学设计的光学系4的透镜41和光阑42在摄像元件52上成像。在光阑42与摄像元件52之间，配置波长选择元件51，仅选择与光源3相同程度的波长的光(红色光～近红外光区域的光)。在图像输出电路53中，输入来自摄像元件52的电信号，作为图像电信号输出指纹的山部(凸部)较暗、谷部(凹部)较明亮的指纹图像。
在摄像单元5中这样获得的指纹图像由信号处理部分6具有的图像取入部分61取入，送到图像处理部分62。在图像处理部分62中，对指纹图像例如日本特开平10-334237号公报记载的那样实施二值化、细线化等图像处理，抽取指纹的特征信息(指纹信息)。抽取的数据根据需要由指纹数据保存部分63保存。在个人识别部分64中，将从图像处理部分62输出的数据与由指纹数据保存部分63保存的数据对照，识别个人。
另外，在本实施形式中，信号处理部分6具有明度判定部分66，在例如由图像处理部分62抽取上述指纹的特征信息之前，由明度判定部分66判定指纹图像的明度的过度或不足，采取最佳的明度的图像地调整照射条件(光源3的亮度和照射区域16)和摄像元件52的增益的至少一方，再次进行摄像。
为此，由明度判定部分66判定从图像取入部分61输出的指纹图像的明度是否处于预定的阈值的范围内，成为预定的阈值的范围内地控制光源驱动电路32和增益调整电路55中的任一个或两者，再次进行由摄像元件52实施的摄像。即，在指纹图像的明度比预定的阈值的范围低的场合，例如将电信号送到光源驱动电路32，出射在明度不饱和的范围尽可能高的亮度的投射光30地驱动光源3，在指纹图像的明度比预定的阈值的范围高的场合，相反地出射亮度低的投射光30地驱动光源3。
通过这样将指纹图像的明度的阈值设定为适当的值，从而可防止明度导致的指纹图像和识别性能的劣化。
在上述实施形式中，说明了作为成像单元使用透镜41的场合，但除了成像透镜以外，也可使用具有成像功能的针孔等。
另外，在上述实施形式中，由于在生物的血液中近红外光的透射系数低，所以，在从摄像单元5输出的指纹图像中，将指尖部分1内部的血管的图案与指纹的凹凸图案重叠。因此，也可如以下那样，从由摄像单元5输出的指纹图像消除血管的图案。
即，首先，将从摄像单元5输出的指纹图像作为原图像，相对原图像进行平滑化处理，获得平滑化图像。指纹的凹凸图案与血管图案相比，线宽度较小，所以，在平滑化图像中，除去指纹的凹凸图案，留有血管图案。当进行原图像与平滑化图像的差分运行时，获得仅留有指纹的凹凸图案的指纹图像，从该指纹图像进行指纹的特征信息的抽取。
在上述说明中，说明了由信号处理部分6处理由摄像单元5获得的指纹图像、识别个人的场合，但在不进行个人识别、仅是获得指纹图像的场合，当然也可使用。
在图1和图2中，作为可按非接触的状态保持成为摄像对象的指纹表面的被检测物保持部分，示出具有画框形状的带开口的被检测物保持部分21，但只要能够决定指尖部分1的角度和位置而且能够按指纹11的表面非接触的状态保持指尖部分1即可，例如为了如图12所示那样保持指尖部分1的腹侧前端部和腹侧根部，也可使用在观察面100的外侧夹住观察面100相对配置的至少1对的杆状被检测物保持部分22等。
另外，为了实现装置整体的小型化，也可如图13所示那样，使透过指尖部分1的光偏转地设置平面镜8作为反射单元，光学系4、波长选择元件51、摄像元件52对着偏转后的光地设置。在图13中，信号处理部分6被省略。
反射单元不限于平面镜8，例如通过使用曲面镜，可减轻图像的畸变和像差。
另外，也可设置多个反射单元进一步实现小型化。
另外，平面镜也不一定需要处于透镜42与指尖部分1间，例如只要处于透镜41与光阑42间等摄像元件与指尖部分1之间即可。
在以下的各实施形式中，虽然未特别明记，但与图13同样，通过使透过指尖部分1的光偏转地设置反射单元，从而可实现装置整体的小型化。
如以上那样按照本实施形式，具有光源3、摄像单元5、光学系4；该光源3以具有成为摄像对象的指纹11的指尖部分1作为被检测物，在被检测物上照射可透过其的光30；该摄像单元5对透过被检测物的来自光源3的光进行摄像，获得指纹11的凸部较暗、凹部较明亮的指纹图像；该光学系4将透过被检测物的来自光源3的光成像到摄像单元5；而且，以使指尖部分1的背侧接触于与光学系4的光轴400直交的面402的位置为基准，使得被检测物的指尖部分前端侧与其相反侧相比更从光学系4离开地倾斜预定的角度，按该状态配置光学系4；所以，不论指纹11的皮肤表面的湿气的状态如何，即使在指纹11的凹凸不清晰的场合，也可获得稳定而且对比度提高了的指纹图像。
另外，在上述构成的基础上，具有信号处理部分6，该信号处理部分6对从摄像单元5输出的指纹图像进行图像处理，获得指纹信息，同时，根据该指纹信息识别个人，所以，可获得个人识别的精度提高的效果。
另外，在预定的角度为10°～30°的场合，可获得提高了对比度的指纹图像，当为15°～25°时更理想，当在20°左右时，则更理想。
另外，由于具有将用于被检测物的定位用的标记光31照射到被检测物的标记光源33，所以，具有可容易地进行被检测物在装置主体的定位的效果。
另外，由于具有在成为摄像对象的指纹的表面非接触的状态保持被检测物的被检测物保持部分21，所以，具有容易地调准被检测物相对光源3的位置和角度的效果。
另外，由于来自光源3的光30照射到大体指甲12以外的部分，其照射中心在指尖部分1的存在指甲12的面的宽度方向大体中心线上，而且相对指甲12的生长边缘处于与指甲12部分的相反侧，所以，在包含作为指纹图像的主要部分的、个人识别所需要的指纹信息的范围可获得适当明度的指纹图像，可防止明度原因导致的指纹图像的劣化，获得正确的指纹信息。
实施形式2图14和图15为示出本发明实施形式2的指纹图像摄像装置的图，更具体地说，图14为示出指纹图像摄像装置的整体构成的侧面图，图15为示出从摄像系侧(腹侧)观看到的指尖部分近旁的状态的下面图。
以下主要说明与实施形式1的不同点。
在本实施形式中，与实施形式1不同，不存在带开口的被检测物保持部分21，作为其替代构成，为了测量指尖部分1(指尖部分1的腹侧)离开摄像元件52的距离和观察面(指尖部分1的腹侧)与平面402(与光学系4的光轴400直交的面)所构成的角度，设置照射手指位置测量用光70的手指位置测量用光源(位置测量用光源)71和手指位置测量用光源驱动电路72，在信号处理部分6内设置手指位置测量部分67。
手指位置测量用光源驱动电路72从手指存在判定部分65接收到指尖部分1存在于摄像元件52的摄像范围这样的信号时，使位置测量用光源71亮灯，将手指位置测量用光70照射到指尖部分1的腹侧(指纹11的表面)。使手指位置测量用光70通过光学系4与摄像单元5的焦点一致的范围地设置位置测量用光源71。
照射到指尖部分1的腹侧(指纹11的表面)的手指位置测量用光70的反射光入射到摄像元件52，由图像输出电路53变换成图像电信号，送入到信号处理部分6的图像取入部分61。
投射手指位置测量用光70的位置测量用光源71例如由指向性高的发光二极管和狭缝或半导体激光器和狭缝等构成，在狭缝的场合，可投射大于等于1个的狭缝光。位置测量用光源71的形状不限于狭缝状的连续的直线，也可使用点、排列于直线上的点列、格子形状或随机图案等可按三角测量的原理用于与物面的距离测量的那样的各种各样的图案。
手指位置测量部分67从图像取入部分61接收信号，测量是否指尖部分1的腹侧(观察面100)存在于光学系4的被摄物体深度内，而且观察面100与平面402所成的角度是否为10°～30°，为15°～25°时更理想，如为20°左右，则更为理想。如满足条件，则将信号输出到光源驱动电路32，使光源3亮灯。
下面，说明动作。
在实施形式1中，通过将指尖部分1保持于带开口的被检测物保持部分21而进行定位，但在本实施形式中，通过照射手指位置测量用光70，进行位置测量，从而进行定位。
直到由手指存在判定部分65判定指尖部分1进入光学系4、摄像单元5的摄像范围、成为可摄像的状态，与实施形式1同样。然后，当成为上述状态时，从手指存在判定部分65将信号送到手指位置测量用光源驱动电路72，从位置测量用光源71照射手指位置测量用光70。
作为手指位置测量用光70，例如当如图15所示那样使狭缝光亮灯2条时，相对各狭缝通过信号处理部分6的图像处理求出反射光入射到摄像元件52上的位置，由手指位置测量部分67按三角测量的方法求出观察面100上的手指位置测量用光70照射的位置与摄像元件52的距离。另外，由于还存在大于等于2条的狭缝光，所以，根据狭缝光相互的距离和狭缝光与摄像元件52的距离的关系，求出观察面100(更为正确地说，为通过各狭缝光70在指尖部分1的腹侧的照射部分70a、70b的平面17，以下，该平面17指代表指尖部分1的腹侧(观察面)的平面17)与平面402所成的角度。
作为距离值，在各狭缝光中例如相应于计算量与精度的平衡使用最短的距离、平均距离、最小二乘距离等。
即使对于按照狭缝光的点列光等，也同样求出观察面100上的手指位置测量用光70照射的位置与摄像元件52的距离和观察面100与平面402所成的角度。
如由手指位置测量部分67测量获得的结果在光学系4和摄像单元5的被摄物深度内，而且，观察面100与平面402所成的角度为10°～30°(为15°～25°时更理想，如为20°左右，则更为理想)，则手指位置测量部分67将信号送到手指位置测量用光源驱动电路72，使手指位置测量用光源71熄灯，从手指位置测量部分67将信号送到光源驱动电路32，按可透过指尖部分1的预定的光量使光源3亮灯，对由透射光获得的指纹图像进行摄像。
在实施形式1中，说明了这样的场合，即，以使指尖部分1的背侧接触于与光学系4的光轴400直交的面402的位置为基准，使被检测物的指尖部分前端侧比其相反侧更从光学系4离开地倾斜预定的角度，即，使代表指尖部分1的背侧的直线15与平面402所成的角度(θ)为预定的角度，从而提高指纹图像的对比度。
而在本实施形式中，以使指尖部分1的腹侧接触于与光学系4的光轴400直交的面402的位置为基准，使得被检测物的指尖部分前端侧与其相反侧相比更从光学系4离开地倾斜预定的角度，即，使代表指尖部分1的腹侧(观察面)的平面17与平面402所成的角度(θ′)为预定的角度(10°～30°，如为15°～25°更理想，如为20°左右则更为理想)，从而提高指纹图像的对比度。
代表指尖部分1的腹侧(观察面)的平面17与代表指尖部分1的背侧的直线15不平行，具有一些角度，另外，其角度也存在个人差。然而，由实施形式1说明的代表指尖部分1的背侧的直线与垂直于光学系4的光轴400的面402所成的角度(θ)的范围(10°～30°，最好为15°～25°)，包含了代表指尖部分1的腹侧(观察面)的平面17与代表指尖部分1的背侧的直线15所成的角度和其个人差，通过如本实施形式那样使代表指尖部分1的腹侧(观察面)的平面17与平面402所成的角度(θ′)在上述范围内(10°～30°，最好为15°～25°)，从而可与由带开口的被检测物保持部分21或杆状被检测物保持部分22保持指尖部分1的实施形式1同样，可获得对比度提高了的指纹图像。
根据与上述同样的理由，在实施形式1中，也可这样配置，即，带开口的被检测物保持部分21或杆状被检测物保持部分22的、由指尖部分1接触的一侧的面围住的开口面(指尖部分1的腹侧(观察面)的平面)相对与光学系4的光轴400直交的面402，按倾斜预定角度(10°～30°，最好为15°～25°)。
这样，按照本实施形式，具有位置测量用光源71，该位置测量用光源71将位置测量用的光(手指位置测量用光70)照射到指尖部分1的、成为摄像对象的指纹11的表面，该指尖部分1的成为摄像对象的指纹11的表面相对构造体处于非接触状态；由摄像单元5对照射到指纹11的表面的手指位置测量用光70的反射光进行摄影，检测指纹11的表面的、相对光学系4的距离和与光学系4的光轴400直交的面402的倾斜角，所以，不接触于指尖部分1的指纹11的表面即可检测出指纹11的表面的位置、形状(倾斜角)，可在指尖部分1相对光学系4的光轴400处于最佳角度的状态下对图像进行摄像，可获得提高了对比度的指纹图像。
在图14中，示出指尖部分1相对构造物完全不接触的完全非接触的场合，但也可在指尖部分1的指纹11部分的根部侧设置例如杆状的被检测物保持部分，除了上述效果外，还可获得在某种程度决定被检测物的位置等效果。
实施形式3图15和图16为示出本发明实施形式3的指纹图像摄像装置的图，更具体地说，图15为示出指纹图像摄像装置的整体构成的侧面图，图16为放大地示出透明状被检测物保持部分与被检测物的接触部分的示意图。
以下主要说明与实施形式1的不同点。
在本实施形式中，具有可在成为摄像对象的指纹11的表面非接触的状态下保持指尖部分1的被检测物保持部分(带开口的被检测物保持部分21或杆状被检测物保持部分22)，但在本实施形式中，具有可在成为摄像对象的指纹的表面接触的状态下保持具有指纹的被检测物的透明的被检测物保持部分(以下称透明状被检测物保持部分)23。
透明状被检测物保持部分23除了实施形式1的带开口的被检测物保持部分21和开口的有无外，设置位置和功能相同。即，θ和θ′为10°～30°，最好为15°～25°，如为20°左右，则更为理想。
关于动作，也与实施形式1同样，可获得与实施形式1同等的效果。
但是，为了对透过指纹11的凸部的来自光源3的光和透过指纹11的凹部的来自光源3的光进行摄像，获得指纹11的凸部较暗、凹部较明亮的指纹图像，需要如图17所示那样，在透明状被检测物保持部分23的指纹接触面，检测按小于等于全反射的临界角θ的方向入射到透明状被检测物保持部分23的光，该全反射的临界角θ根据指纹的凹部11a与透明状被检测物保持部分23间的气体的折射率和透明状被检测物保持部分23的折射率决定。
例如，指纹的凹部11a与透明状被检测物保持部分23间的气体为空气，透明状被检测物保持部分23为玻璃，设空气的折射率n0为1.0，玻璃的折射率ng为1.5，则临界角为＝arcsin(n0/ng)＝41(度)，透过指纹的凹部11a的光按41度或其以内的角度入射到透明状被检测物保持部分23。
另一方面，例如设生物的折射率为1.45，则arcsin(1.45/1.5)＝75(度)，透过指纹的凸部11b的光按75度或其以内的角度入射到透明状被检测物保持部分23。
因此，通过检测按41度或其以内的角度入射到透明状被检测物保持部分23的光，从而可检测出透过指纹的凸部11b的光和透过凹部11a的光两者。
实施形式4
在实施形式1中，来自光源3的光30照射到大体指甲12以外的部分(上述第1～第3照射区域161～163等照射区域16)，其照射中心在指尖部分1的存在指甲12的面的宽度方向大体中心线上，而且相对指甲12的生长边缘处于与指甲12部分的相反侧，从而在包含作为指纹图像的主要部分的、个人识别所需要的指纹信息的范围可获得适当明度的、可辨认明暗的对比度的指纹图像。
然而，即使这样，在包含作为指纹图像的主要部分的个人识别所需要的指纹信息的范围，由于亮度饱和或亮度过低，可能导致存在不能判别指纹的山和谷的部分，成为不能抽取个人识别所需要的信息的指纹图像。
因此，在本实施形式中，如以下说明的那样，通过调整光的照射条件(亮度、照射区域16)和摄像单元5(摄像元件52)的增益的至少一方，从而调整图像的明度，对关于相同被检测物的、明度不同的多个指纹图像进行摄像，重叠或部分地粘合这些多个指纹图像，从而在包含作为指纹图像的主要部分的、个人识别所需要的指纹信息的范围获得适当照度的、可辨认明暗的对比度的指纹图像，更确实地防止由于明度的原因导致的指纹图像的劣化，获得更正确的指纹信息。
以下主要说明与实施形式1的不同点。按预定的亮度和照射区域16从光源3照射光30，按预定的摄像元件52的增益进行第1次摄像。从图像取入部分61将该图像送到明度判定部分66，在该处判定在包含作为指纹图像的主要部分的、个人识别所需要的指纹信息的范围的整体明度，如不适当，则使其变得适当地进行由光源驱动电路32实施的、光源3的亮度、照射区域的调整和由增益调整电路55实施的增益的调整中的至少1个调整，再次进行摄像，这与实施形式1同样。
因此，整体明度指例如直方图等不包含各像素的位置信息的整体明度，或根据特定部位的明度或少数的轮廓等狭小范围的明度判断图像整体的明度的场合，有时也存在包含部分地过亮或过暗的部位的场合。
由明度判定部分66将图像分成多个部分区域，判定各部分区域的图像明度，该图像的含有其中包含了作为指纹图像的主要部分的个人识别所需要的指纹信息的范围的区域的整体明度适当。多个部分区域可考虑例如将前端侧和根部侧等整个区域分割成2个的各区域，从整个区域取出多个至少含有大于等于1对指纹的山和谷的区域等各种各样的区域。
在这样获得的多个部分区域全部满足处于预定的阈值范围内的适当明度的场合，将该图像的图像信息送到图像处理部分62，作为个人识别或指纹数据保存用，抽取指纹信息。
另外，在各部分区域，如图像的明度处于预定阈值范围外的部位至少存在1个，则使得该部分区域的整体成为适当的明度地进行由光源驱动电路32实施的光源3的亮度、照射区域调整和由增益调整电路55实施的增益的调整中的至少1个调整，再次进行摄像，从图像取入部分61取入图像，一时保存。上述动作对图像明度处于预定阈值范围外的部位至少存在1个的所有部分区域进行，将获得的图像一时保存到图像取入部分61。
然后，从图像取入部分61将一时保存的图像送到个人识别部分64，重叠多张图像，或切出满足了处于预定阈值范围内的适当明度的部分区域，进行将其粘合等的处理，获得在包含个人识别所需要的指纹信息的范围的整个面成为适当明度的图像。
在上述例子中，对于含有其中包含了作为指纹图像的主要部分的、个人识别所需要的指纹信息的范围的区域的整体明度，或预定的特定部位的明度适当的图像，切成多个部分区域，判定各部分区域的图像明度，决定是否对多张图像摄像，但也可不判定各部分区域的图像明度，而是从最初开始对照射条件和摄像元件52的增益的至少一方不同的、明度不同的多张的图像进行摄像。
在该场合，例如预定大于等于2种的、进行第1次摄像后的第1次明度判定时的明度阈值，为了获得与各阈值对应的图像明度，具有决定光源3的亮度或照射位置、照射面积、摄像元件42的增益的值后摄像多张的方法。即，可考虑包含个人识别所需要的指纹信息的范围的大体整个面成为适当明度那样的阈值，不是比适当的明度变明亮而是过暗的部分消失的那样的阈值，或不是比适当的明度更暗而是饱和部分消失的那样的阈值等。关于这样获得的多张图像，如上述那样进行重叠或粘合等，形成1张图像。
由图像处理部分62重叠或粘合的图像可为2值化等处理前的图像，也可为处理后的图像。
另外，在如上述那样对相同被检测物重叠或粘合摄像的明度不同的多张图像的场合，为了防止指尖部分1的位置偏移，尽可能地缩短摄像间隔较重要。
在上述说明中，以实施形式1的指纹图像摄像装置为例进行了说明，但在实施形式2或实施形式3的指纹图像摄像装置中，也可通过调整光的照射条件(亮度、照射区域16)和摄像单元5(摄像元件52)的增益的至少一方，从而调整图像的明度，关于同一被检测物进行明度不同的多个指纹图像的摄像，重叠或部分地粘合这些多个指纹图像，可获得同样的效果。
如以上说明的那样，按照本实施形式，由于具有通过调整光的照射条件和摄像单元5(摄像元件52)的增益的至少一方而调整图像的明度的单元(明度判定部分66、光源驱动电路32、增益调整电路55)和关于同一被检测物重叠或部分粘合明度不同的多个指纹图像的单元(图像处理部分62)，所以，可获得在包含作为指纹图像的主要部分的、个人识别所需要的指纹信息的范围为适当明度的、可辨认明暗的对比度的指纹图像，可防止明度原因导致的指纹图像的劣化，获得正确的指纹信息。
权利要求
1.一种指纹图像摄像装置，具有光源、摄像单元、及光学系；该光源以具有成为摄像对象的指纹的指尖部分作为被检测物，在上述被检测物上照射可透过其的光；该摄像单元对透过上述被检测物的来自上述光源的光进行摄像，获得上述指纹的凸部较暗、凹部较明亮的指纹图像；该光学系将透过上述被检测物的来自上述光源的光成像到上述摄像单元；而且，成为这样的状态地配置上述光学系，即以使上述指尖部分的背侧或腹侧接触于与上述光学系的光轴直交的面的位置为基准，使上述被检测物的指尖部分前端侧与其相反侧相比更从上述光学系离开地倾斜预定角度的状态。
2.根据权利要求1所述的指纹图像摄像装置，其特征在于预定的角度为10°～30°。
3.根据权利要求1所述的指纹图像摄像装置，其特征在于预定的角度为15°～25°。
4.根据权利要求1所述的指纹图像摄像装置，其特征在于具有将被检测物的定位用标记光照射到上述被检测物的标记光源。
5.根据权利要求1所述的指纹图像摄像装置，其特征在于具有可在与成为摄像对象的指纹的表面非接触的状态下保持被检测物的被检测物保持部分。
6.根据权利要求1所述的指纹图像摄像装置，其特征在于具有可在与成为摄像对象的指纹的表面接触的状态下保持被检测物的透明的被检测物保持部分。
7.根据权利要求1所述的指纹图像摄像装置，其特征在于具有位置测量用光源，该位置测量用光源将位置测量用的光照射到被检测物的上述成为摄像对象的指纹的表面，该被检测物处于成为摄像对象的指纹的表面与构造体非接触的状态；用摄像单元对照射到上述指纹的表面的位置测量用的光的反射光进行摄影，检测上述指纹的表面的、相对光学系的距离和从与上述光学系的光轴直交的面的倾斜角。
8.根据权利要求1所述的指纹图像摄像装置，其特征在于来自光源的光照射到大体指甲以外的部分，该光的照射中心在指尖部分的存在指甲的面的、宽度方向的大体中心线上而且相对上述指甲的生长边缘处于与上述指甲部分相反的一侧。
9.根据权利要求1或8所述的指纹图像摄像装置，其特征在于具有通过调整光的照射条件和摄像单元的增益的至少一个从而调整图像的明度的单元，及重叠或部分地粘合关于相同被检测物的明度不同的多个指纹图像的单元。
10.根据权利要求1所述的指纹图像摄像装置，其特征在于具有信号处理部分，该信号处理部分对从摄像单元输出的指纹图像进行图像处理获得指纹信息，同时，根据该指纹信息识别个人。
全文摘要
本发明的指纹图像摄像装置具有光源(3)、摄像单元(5)、光学系(4)；该光源(3)以具有成为摄像对象的指纹(11)的指尖部分(1)作为被检测物，在被检测物上照射可透过其的光(30)；该摄像单元(5)对透过被检测物的来自光源的光进行摄像，获得指纹的凸部较暗、凹部较明亮的指纹图像；该光学系(4)将透过被检测物的来自光源的光成像到摄像单元；而且，以使指尖部分的背侧或腹侧接触于与光学系的光轴(400)直交的面(402)的位置为基准，使得被检测物的指尖部分前端侧与其相反侧相比更从光学系离开地倾斜预定的角度，按该状态配置光学系。所以，不论指纹的皮肤表面的湿气的状态如何，即使在指纹的凹凸不清晰的场合，也可获得稳定而且对比度提高了的指纹图像。
文档编号G06T1/00GK1754504SQ20051010757
公开日2006年4月5日 申请日期2005年9月29日 优先权日2004年10月1日
发明者佐野惠美子, 鹿井正博, 白附晶英, 中岛利郎, 中村高宏 申请人:三菱电机株式会社