專利名稱：凹凸圖形檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及作為圖像獲取指紋等凹凸圖形的凹凸圖形檢測裝置。
作為識別個人的一種裝置，已知采用了指紋核對裝置。所述指紋核對裝置實際上是由作為圖像讀取指紋等凹凸圖形的圖形檢測部和處理所獲取的圖像的處理部構成。對所述指紋核對裝置等的凹凸圖形檢測裝置的改進關系到指紋核對裝置的性能提高。


圖1為表示日本特開平6(1994年)-83944號公報中所示的現有的凹凸圖形檢測裝置的結構的局部剖面圖。在圖1中，現有的凹凸圖形檢測裝置設有具有玻璃及丙烯酸樹脂等的透光性的導光體102；在表面具有凹凸圖形的、例如手指等被檢測體101接觸的平面103；相對于平面103以適當角度交叉在導光體102內接收照明光L100的平面104；相對于平面103大致平行地反射反射光L101的平面105，反射光L101是通過位于平面103上的被檢測體101表面上的凹凸圖形反射照明光101L形成的；將反射光L101會聚在攝像元件109上的透鏡108，及反射鏡110，其用于以大致直角反射透鏡108的射出光而將其射入攝像元件109。
由于使平面104和平面105處于同一平面，因此，使相對于與平面106對置的平面107的角度例如為20度，來自平面104外部的照明光L100照射到被檢測體101和平面103的界面。在被檢測體101表面上的凹凸圖形的反射光L110由平面105反射，通過透鏡108會聚，由反射鏡110反射后，通過例如CCD等攝像元件109能拍攝出被檢測體101的凹凸圖形的圖像。
圖2為簡化了與圖1中現有的凹凸檢測裝置等效的光學系統的局部剖視圖。相對于圖1，在圖2中，平面103對應于平面111，平面105對應于鏡面112，透鏡108對應于透鏡113，攝像元件109對應于平面114，平面115表示平面111的由鏡面112形成的鏡像的位置。由于平面115不垂直于透鏡113的光軸，因此，從平面115上的點A、點B、點C各點至透鏡113的距離產生差異，在平面114上的各點A’、點B’、點C’處的倍率產生差異。圖3A及圖3B為表示圖2光學系統圖像的平面圖。在圖3A中，表示了位于平面111上的被檢測體101的長方形圖像，在圖3B中，表示了在平面114中成像的圖像。如圖3A所示，雖然在平面111上的被檢測體101的圖像為長方形，但通過透鏡113，如圖3所示，在平面114中成像的圖像為梯形。
由于為了實現凹凸圖形檢測裝置的小型化，在縮小了圖2中所示BB’間的距離時，加大了線AA’或線CC’相對于BB’的角度，因此存在這樣的問題，即會顯著地產生圖像的變形。
另外，相對于透鏡113的光軸，雖然DE為直角，但AC是傾斜的。因此，與DE方向相比，AC方向的長度縮短。如圖3A和圖3B所示，作為檢測面的平面111上的被檢測體101的縱向和橫向之比不同于在作為光接收面的平面114上成像的圖像的縱向和橫向之比，因此會產生無法獲得正確的圖像的問題。
本發(fā)明的目的在于解決上述問題，獲得小型的凹凸圖形檢測裝置，該裝置能獲得無變形的正確圖像。
為了實現上述目的，本發(fā)明提供了這樣的凹凸圖形檢測裝置，其包括具有光源的第1光學系統，透明導光體，其具有接收從所述第1光學系統的所述光源發(fā)出的入射光的入射面，與該入射面相對設置的放置且具有凹凸圖形的被檢測體的檢測面，反射來自該檢測面的散射光的曲面，光吸收面，其與該曲面相對置地設置且具有用于射出從前述曲面發(fā)出的反射光的開孔，第2光學系統，其用于將從所述透明導光體的前述光吸收面的開孔發(fā)出的光導引至攝像元件。
此處，前述透明導光體可以設置在前述第1光學系統上。
從前述檢測面發(fā)出的散射光可以由前述曲面直接反射，并經由前述開孔導向外部。
也可以是前述透明導光體的曲面為球面鏡，該球面鏡的球面半徑為前述球面中心點與通過該中心點的前述球面直徑和從前述開孔中心向前述直徑的垂線的交點間的距離的2倍。
也可以是前述球面鏡在被檢測體側形成有遠心光學系統，前述第2光學系統在像面?zhèn)刃纬捎羞h心光學系統。
也可以是前述透明導光體的曲面為球面鏡，該球面鏡的球面半徑在前述球面中心點與通過該中心點的前述球面直徑和從前述開孔中心向前述直徑的垂線的交點間的距離的1.7～1.9倍的范圍內。
也可以是前述第2光學系統修正來自前述開孔的射出光的縱向倍率和橫向倍率，而后導向前述攝像元件。
前述透明導光體的檢測面可以為圓筒側面形狀。
也可以是前述第2光學系統使從前述開孔發(fā)出的射出光彎曲后導向前述攝像元件。
也可以是前述第1光學系統的光源為設置在基板上的發(fā)光二極管，前述攝像元件設置在前述基板上。
圖1為表示現有的凹凸圖形檢測裝置的結構的局部剖面圖。
圖2為與圖1中現有的凹凸圖形檢測裝置等效的簡化光學系統的局部剖面圖。
圖3A及3B為分別表示圖2中光學系統的圖像的平面圖。
圖4表示本發(fā)明實施例1的凹凸圖形檢測裝置的結構的局部剖面圖。
圖5表示本發(fā)明實施例2的凹凸圖形檢測裝置的結構的局部剖面圖。
圖6為表示由光學模擬形成的球面鏡2c的半徑R和梯形變形間的關系的圖表。
圖7為表示基于本發(fā)明實施例3的凹凸圖形檢測裝置的結構的局部剖面圖。
圖8為表示基于本發(fā)明實施例4的凹凸圖形檢測裝置的結構的局部剖面圖。
圖9為表示圖8中復曲面透鏡21及圓柱形透鏡22的各截面的圖表。
圖10為表示復曲面透鏡21形狀的斜視圖。
圖11為表示圓柱形透鏡22形狀的斜視圖。
圖12為表示基于本發(fā)明實施例4的凹凸圖形檢測裝置的其它結構例子的局部剖面圖。
圖13為表示圓柱形透鏡25～27的各截面的圖表。
圖14為表示基于本發(fā)明實施例5的凹凸圖形檢測裝置的結構的局部剖面圖。
圖15為表示圖14中透明導光體2的斜視圖。
圖16A及16B為分別表示模擬攝像元件3處的圖像的結果的平面圖，下面，對本發(fā)明的實施例進行說明。
實施例1圖4為表示本發(fā)明實施例1的凹凸圖形檢測裝置的結構的局部剖面圖。在圖中，F為作為被檢測體的人的指尖，1為構成第1光學系統的光源，2為采用了丙烯酸樹脂的具有透光性的透明導光體。
透明導光體2具有用于接收從光源1發(fā)出的入射光L1的入射面2a，與所述入射面2a相對設置且為了放置具有凹凸圖形(圖中未示出)的指尖F而設置在上側的檢測面2b，作為曲面的球面鏡2c，其用于進一步反射從所述檢測面2b發(fā)出的入射光L1的散射光，光吸收面2e，其與所述球面鏡2c相對設置且具有射出來自球面鏡2c的反射光的開孔2d。
3為CCD等的攝像元件，4為成像透鏡2，其設置在光吸收面2e的開孔2d外側且使從開孔2d射出的光成像于攝像元件3上。球面鏡2c和光吸收面2e在檢測面2b以周邊接觸的方式設置。具有指紋等凹凸圖形(圖中未示出)的指尖F接觸檢測面2b。球面鏡2c通過例如鋁的蒸鍍等方法形成。作為光源1，可采用例如發(fā)光二極管等，且設置得使從光源1發(fā)出的光由檢測面2b作正反射而不會入射至攝像元件3。光源1，例如中間相隔透明導光體2而設置在檢測面2b的相對側。L1為從光源1通過透明導光體2的入射面2a而后照射到檢測面2b的入射光，L2為通過檢測面2b散射的入射光1經球面鏡2c，開孔2d和成像透鏡4到達攝像元件3的光路。成像透鏡4和攝像元件3設置在通過成像透鏡4的散射光會聚在攝像元件3上的焦點處的位置。各元件被設置成使通過球面鏡2c可入射至攝像元件3的散射光線相對于檢測面2b的法線的角度α大于透明導光體2和空氣間的臨界角。
下面，對獲取凹凸圖形的圖像的工作原理加以說明。
在檢測面2b上，在使具有凹凸圖形(圖中未示出)的指尖F接觸表面時，由于凹凸圖形的凸部(圖中未示出)緊貼在檢測面2b上，而凹部(圖中未示出)未緊貼在檢測面2b上，因此在指尖F的凹部(圖中未示出)和檢測面2b之間會產生空氣層(圖中未示出)。在通過透明導光體2將來自光源1的光照射到所述檢測面2b上時，照射到指尖F的凸部(與檢測面2b緊貼的部分)的光沿各個方向散射至透明導光體2中，一部分散射光通過球面鏡2c反射，該反射光通過開孔2d，由成像透鏡4成像于攝像元件3。另一方面，照射在指尖F的凹部的光通過上述空氣層(圖中未示出)后，在透明導光體2內散射。由于所述散射光線相對于檢測面2b法線的角度小于透明導光體2和空氣層間的臨界角，因此所述散射光線不會到達攝像元件3。
通過以上所述，由于僅由指尖F的凸部發(fā)出的散射光可到達攝像元件3，因此，可獲取作為指尖F的凹凸圖形的指紋的圖形。
本實施例1中的球面鏡2c的半徑被設計為圖4中OH間距離的2倍。此處，點O為球面鏡2c的中心，點H為通過點O的球面直徑與從開孔2d中心朝向所述直徑的垂線的交點。球面鏡2c的焦點位置和開孔2d中心是一致的，在被檢測體側形成了遠心光學系統。
另外，還設計成像透鏡4的焦點位置為開孔2d的中心，因此，在像側形成了遠心光學系統。所以，成像透鏡4需在透明導光體2外側，在自開孔2d稍離開處設置，另外，必需加大成像透鏡4的孔徑。
在檢測面2b各點反射且在攝像元件3上成像的散射光的主光線全部平行照射在球面鏡2c上。另外，成像透鏡4射出的散射光的各主光線也被平行導引至攝像元件3上。
如上所述，由于球面鏡2c在被檢測體側形成遠心光學系統，成像透鏡4在像側形成遠心光學系統，因此成為攝像元件3各點的倍率不依賴被檢測體和成像透鏡4間距離以及成像透鏡4與攝像元件3間距離的光學系統。所述凹凸圖形檢測裝置能對在現有例子中產生的梯形變形進行校正。
實施例2圖5為表示本發(fā)明實施例2的凹凸檢測裝置的結構的局部剖面圖。在所述實施例2的構成元件中，由于與實施例1的構成元件相同的元件采用了相同的符號，故省略了對這部分內容的說明。
在實施例1中，雖然顯示了在被檢測體側的遠心球面鏡2c、和在像側設置在離開光吸收面2e位置處的遠心成像透鏡4，但在此一實施例2中，球面鏡2c的半徑為OH的距離的1.7-1.9倍，且使成像透鏡4從透明導光體2的外側緊貼在開孔2d。
另外，凹凸梯形的圖像獲取操作原理實質上與實施例1相同。
圖6為表示基于使用了本實施例2的凹凸檢測裝置的光學模擬的球面鏡2c的半徑R和梯形變形間的關系的曲線圖。在圖6中所示的梯形表示由攝像元件3所形成的圖像，a為梯形(像)的上底，b為梯形(像)的下底。在圖6中所示的符號+為表示光學模擬結果的標識。在點O和點H間的距離為R0時，梯形變形中最小的球面鏡2c半徑R在1.7R0＜R＜1.9R0的范圍內。
如上所述，在所述實施例2中，由于如實施例1一樣，不僅修正了梯形變形，而且不必在像側使用遠心光學系統，因此，與實施例1相比，能縮小成像透鏡4的孔徑，降低制造成本。
另外，在所述實施例2中，由于成像透鏡4緊貼在透明導光體2外側，因此，與實施例1相比，能減小凹凸檢測裝置的整體長度，從而能夠實現小型化。
實施例3圖7為表示本發(fā)明實施例3的凹凸檢測裝置的結構的局部剖面圖。在所述實施例3的構成元件中，由于與實施例1的構成元件相同的元件采用了相同的符號，故省略了對這部分內容的說明。在實施例3中，16為作為光源1的發(fā)光二極管，17為設置在透明導光體2下部的基板，18為用于彎曲光路L2的鏡子。發(fā)光二極管列陣6和攝像元件3設置在共同的基板17上，在所述實施例3中，從成像透鏡4射出的散射光通過鏡子18彎曲，進而，被導引至基板17上的攝像元件3上。
凹凸圖形的圖像獲取原理實質上與實施例1相同。
從成像透鏡4射出后的散射光的光路L2通過鏡子18彎曲，被導引至攝像元件3。在這種情況下，由于發(fā)光二極管16及攝像元件3被設置在位于透明導光體2下部的基板17中，因此可在一個基板上構成多個電氣回路，從而能夠減低制造成本。
除了鏡子18，也可采用曲面鏡或棱鏡。
實施例4圖8為表示本發(fā)明實施例4的凹凸檢測裝置的結構的局部剖面圖。在所述實施例4的構成元件中，由于與實施例1的構成元件相同的元件采用了相同的符號，故省略了對這部分內容的說明。在圖中，21為復曲面透鏡，22為圓柱形透鏡，成像透鏡4由復曲面透鏡21和圓柱形透鏡22構成。在所述實施例4中，復曲面透鏡21和圓柱形透鏡22設置在使得置于檢測面2b上的實體凹凸圖形和在攝像元件3上成像的凹凸圖形像的各縱向和橫向比相等的位置處。
凹凸圖形的圖像獲取原理實質上與實施例1相同。
通過使用復曲面透鏡21和圓柱形透鏡22的組合，能夠在透鏡前后改善縱向和橫向的倍率。能夠使置于檢測面2b上的實體凹凸圖形和在攝像元件3上成像的凹凸圖形像相比，各縱向和橫向比相等。此處，所謂復曲面透鏡21是指透鏡曲面具有能夠以某一曲線或直線為軸轉動而成的表面形狀者，所謂圓柱形透鏡22是指透鏡曲面為圓筒側面形狀者。如圖8所示，在所述實施例4中，通過復曲面透鏡21和圓柱形透鏡22，能夠使x軸方向的倍率和焦點距離達到最佳，通過復曲面透鏡21能夠使y軸方向的倍率和焦點距離達到最佳。圖9為列出了圖8中復曲面透鏡21和圓柱形透鏡22的各個剖面圖的圖表。圖10為顯示復曲面透鏡21的斜視圖，圖11為顯示圓柱形透鏡22的斜視圖。
圖12是表示發(fā)明實施例4的凹凸檢測裝置的其它結構例的局部剖面圖。25-27各為圓柱透鏡，通過所述圓柱透鏡25-27構成了成像透鏡4。如圖12所示，將3個圓柱透鏡25-27組合在一起，能夠形成縱向和橫向倍率不同的光學系統。如圖12所示，在實施例4中，通過圓柱透鏡25和27，能夠使x軸方向的倍率和焦點距離達到最佳，通過圓柱透鏡26能夠使y軸方向的倍率和焦點距離達到最佳。圖13為列出了顯示圓柱透鏡25-27的各種結構的剖面圖的圖表。
實施例5圖14表示本發(fā)明實施例5的凹凸檢測裝置的結構的局部剖面圖。圖15為放大圖14的透明導光體進行展示的斜視圖。在所述實施例5的構成元件中，與實施例1-實施例4相同的構成元件采用了相同的符號，故省略了對這部分內容的說明。如圖14和15所示，透明導光體2的檢測面2b具有圓筒側面形狀。
在所述實施例5中，透明導光體2的鏡2c為球面，且檢測面2b的形狀為圓筒側面形狀，其母線與成像透鏡4的光軸在同一平面上。圖16A及16B為顯示模擬攝像元件3處圖像的結果的平面圖。圖像采用了格子圖案。圖16A顯示了檢測面2b不具有圓筒側面形狀的情況下的模擬結果，圖16B顯示了檢測面2b具有圓筒側面形狀的情況下的模擬結果。
球面鏡2c在內側具有彎曲的球面形狀，由于來自檢測面2b各點的對成像有貢獻的光線不平行于球面鏡2c的光軸，因此在球面鏡2c反射光線的點產生高低差，在球面鏡3射出的圖像會產生如圖16A中模擬結果所示的變形。所以，使檢測面2b形狀形成圖14的那樣，形成沿對應于圖16A及圖16B的y軸方向(透明導光體2的長邊方向)的方向具有母線的圓筒側面，由于不存在球面鏡2反射的點的高低差，因此，能夠修正如16B所示的模擬結果那樣的變形。
在上述實施例1-5中，雖分別示出了梯形變形的修正，縱向和橫向倍率的修正或圖16A及圖16B中所示的變形的修正，但通過組合用于各個修正的結構，可進行上述多個修正。
如上所述，根據本發(fā)明，通過在透明導光體設置曲面，能夠在實現裝置小型化的情況下進行圖像的修正，從而能夠獲得無變形的高品質的凹凸圖形圖像，根據本發(fā)明，由于球面鏡在被檢測體側可形成遠心光學系統，第2光學系統在像面?zhèn)瓤尚纬蛇h心光學系統，因此能夠獲得無梯形變形的凹凸圖像。
根據本發(fā)明，能夠使對應位于檢測面的實體凹凸圖形和在攝像元件上成像的凹凸圖形的各個縱向和橫向比相等，從而能夠正確地表示檢測面上的凹凸圖形。
根據本發(fā)明，由于在圖像側不必使用遠心光學系統，因此能夠縮小第2光學系統的孔徑，減低制造成本，進而能夠減小裝置本身。
根據本發(fā)明，由于檢測面為圓柱側面形狀，因此能夠修正對應檢測面處圓筒的母線方向的變形。
根據本發(fā)明，通過使攝像元件設置在與光源相同的基板上，可在一個基板上形成電氣回路，因此能夠降低制造成本。
在不脫離本發(fā)明的精神或主要特征的情況下，可以以其它的各種形式實現本發(fā)明。因此，所有前述實施例僅是用于解釋說明的，不應作限定性解釋。本發(fā)明的保護范圍是通過權利要求書限定的，不應局限于說明書本身。屬于權利要求范圍內的等同范圍的變形和改進，都應落入本發(fā)明的范圍內。
權利要求
1.凹凸圖形檢測裝置，其包括具有光源的第1光學系統，透明導光體，其具有接收從所述第1光學系統的所述光源發(fā)出的入射光的入射面，與該入射面相對設置的放置具有凹凸圖形的被檢測體的檢測面，反射來自該檢測面的散射光的曲面，光吸收面，其與該曲面相對置地設置且具有用于射出從前述曲面發(fā)出的反射光的開孔，第2光學系統，其用于將從所述透明導光體的前述光吸收面的開孔發(fā)出的光導引至攝像元件。
2.根據權利要求1所述的凹凸圖形檢測裝置，其特征在于前述透明導光體設置在前述第1光學系統上。
3.根據權利要求1所述的凹凸圖形檢測裝置，其特征在于從前述檢測面發(fā)出的散射光由前述曲面直接反射，并經由前述開孔導向外部。
4.根據權利要求3所述的凹凸圖形檢測裝置，其特征在于前述透明導光體的曲面為球面鏡，該球面鏡的球面半徑為前述球面中心點與通過該中心點的前述球面直徑和從前述開孔中心向前述直徑的垂線的交點間的距離的2倍。
5.根據權利要求4所述的凹凸圖形檢測裝置，其特征在于前述球面鏡在被檢測體側形成有遠心光學系統，前述第2光學系統在像面?zhèn)刃纬捎羞h心光學系統。
6.根據權利要求3所述的凹凸圖形檢測裝置，其特征在于前述透明導光體的曲面為球面鏡，該球面鏡的球面半徑在前述球面中心點與通過該中心點的前述球面直徑和從前述開孔中心向前述直徑的垂線的交點間的距離的1.7～1.9倍的范圍內。
7.根據權利要求1所述的凹凸圖形檢測裝置，其特征在于前述第2光學系統修正來自前述開孔的射出光的縱向倍率和橫向倍率，而后導向前述攝像元件。
8.根據權利要求1所述的凹凸圖形檢測裝置，其特征在于前述透明導光體的檢測面為圓筒側面形狀。
9.根據權利要求2所述的凹凸圖形檢測裝置，其特征在于前述第2光學系統使從前述開孔發(fā)出的射出光彎曲后導向前述攝像元件。
10.根據權利要求9所述的凹凸圖形檢測裝置，其特征在于前述第1光學系統的光源為設置在基板上的發(fā)光二極管，前述攝像元件設置在前述基板上。
全文摘要
凹凸圖形檢測裝置,設有具有光源的第1光學系統;透明導光體,其具有接收從光源發(fā)出的入射光的入射面,與該入射面相對地設置的放置具有凹凸圖形(圖中未示出)的指尖F的檢測面,作為進一步反射來自該檢測面的散射光的曲面的球面鏡,光吸收面,其與該球面鏡相對地設置且具有用于射出從前述球面鏡發(fā)出的反射光的開孔;第2光學系統,用于將從所述開孔發(fā)出的光導引至攝像元件。所述凹凸圖形檢測裝置可實現小型化,能夠獲得無變形的正確圖像。
文檔編號G06T1/00GK1300037SQ0013723
公開日2001年6月20日 申請日期2000年11月30日 優(yōu)先權日1999年11月30日
發(fā)明者白附晶英, 鹿井正博, 仲嶋一 申請人:三菱電機株式會社