专利名称：凹凸图形检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及作为图像获取指纹等凹凸图形的凹凸图形检测装置。
作为识别个人的一种装置，已知采用了指纹核对装置。所述指纹核对装置实际上是由作为图像读取指纹等凹凸图形的图形检测部和处理所获取的图像的处理部构成。对所述指纹核对装置等的凹凸图形检测装置的改进关系到指纹核对装置的性能提高。
图1为表示日本特开平6(1994年)-83944号公报中所示的现有的凹凸图形检测装置的结构的局部剖面图。在图1中，现有的凹凸图形检测装置设有具有玻璃及丙烯酸树脂等的透光性的导光体102；在表面具有凹凸图形的、例如手指等被检测体101接触的平面103；相对于平面103以适当角度交叉在导光体102内接收照明光L100的平面104；相对于平面103大致平行地反射反射光L101的平面105，反射光L101是通过位于平面103上的被检测体101表面上的凹凸图形反射照明光101L形成的；将反射光L101会聚在摄像元件109上的透镜108，及反射镜110，其用于以大致直角反射透镜108的射出光而将其射入摄像元件109。
由于使平面104和平面105处于同一平面，因此，使相对于与平面106对置的平面107的角度例如为20度，来自平面104外部的照明光L100照射到被检测体101和平面103的界面。在被检测体101表面上的凹凸图形的反射光L110由平面105反射，通过透镜108会聚，由反射镜110反射后，通过例如CCD等摄像元件109能拍摄出被检测体101的凹凸图形的图像。
图2为简化了与图1中现有的凹凸检测装置等效的光学系统的局部剖视图。相对于图1，在图2中，平面103对应于平面111，平面105对应于镜面112，透镜108对应于透镜113，摄像元件109对应于平面114，平面115表示平面111的由镜面112形成的镜像的位置。由于平面115不垂直于透镜113的光轴，因此，从平面115上的点A、点B、点C各点至透镜113的距离产生差异，在平面114上的各点A’、点B’、点C’处的倍率产生差异。图3A及图3B为表示图2光学系统图像的平面图。在图3A中，表示了位于平面111上的被检测体101的长方形图像，在图3B中，表示了在平面114中成像的图像。如图3A所示，虽然在平面111上的被检测体101的图像为长方形，但通过透镜113，如图3所示，在平面114中成像的图像为梯形。
由于为了实现凹凸图形检测装置的小型化，在缩小了图2中所示BB’间的距离时，加大了线AA’或线CC’相对于BB’的角度，因此存在这样的问题，即会显著地产生图像的变形。
另外，相对于透镜113的光轴，虽然DE为直角，但AC是倾斜的。因此，与DE方向相比，AC方向的长度缩短。如图3A和图3B所示，作为检测面的平面111上的被检测体101的纵向和横向之比不同于在作为光接收面的平面114上成像的图像的纵向和横向之比，因此会产生无法获得正确的图像的问题。
本发明的目的在于解决上述问题，获得小型的凹凸图形检测装置，该装置能获得无变形的正确图像。
为了实现上述目的，本发明提供了这样的凹凸图形检测装置，其包括具有光源的第1光学系统，透明导光体，其具有接收从所述第1光学系统的所述光源发出的入射光的入射面，与该入射面相对设置的放置且具有凹凸图形的被检测体的检测面，反射来自该检测面的散射光的曲面，光吸收面，其与该曲面相对置地设置且具有用于射出从前述曲面发出的反射光的开孔，第2光学系统，其用于将从所述透明导光体的前述光吸收面的开孔发出的光导引至摄像元件。
此处，前述透明导光体可以设置在前述第1光学系统上。
从前述检测面发出的散射光可以由前述曲面直接反射，并经由前述开孔导向外部。
也可以是前述透明导光体的曲面为球面镜，该球面镜的球面半径为前述球面中心点与通过该中心点的前述球面直径和从前述开孔中心向前述直径的垂线的交点间的距离的2倍。
也可以是前述球面镜在被检测体侧形成有远心光学系统，前述第2光学系统在像面侧形成有远心光学系统。
也可以是前述透明导光体的曲面为球面镜，该球面镜的球面半径在前述球面中心点与通过该中心点的前述球面直径和从前述开孔中心向前述直径的垂线的交点间的距离的1.7～1.9倍的范围内。
也可以是前述第2光学系统修正来自前述开孔的射出光的纵向倍率和横向倍率，而后导向前述摄像元件。
前述透明导光体的检测面可以为圆筒侧面形状。
也可以是前述第2光学系统使从前述开孔发出的射出光弯曲后导向前述摄像元件。
也可以是前述第1光学系统的光源为设置在基板上的发光二极管，前述摄像元件设置在前述基板上。
图1为表示现有的凹凸图形检测装置的结构的局部剖面图。
图2为与图1中现有的凹凸图形检测装置等效的简化光学系统的局部剖面图。
图3A及3B为分别表示图2中光学系统的图像的平面图。
图4表示本发明实施例1的凹凸图形检测装置的结构的局部剖面图。
图5表示本发明实施例2的凹凸图形检测装置的结构的局部剖面图。
图6为表示由光学模拟形成的球面镜2c的半径R和梯形变形间的关系的图表。
图7为表示基于本发明实施例3的凹凸图形检测装置的结构的局部剖面图。
图8为表示基于本发明实施例4的凹凸图形检测装置的结构的局部剖面图。
图9为表示图8中复曲面透镜21及圆柱形透镜22的各截面的图表。
图10为表示复曲面透镜21形状的斜视图。
图11为表示圆柱形透镜22形状的斜视图。
图12为表示基于本发明实施例4的凹凸图形检测装置的其它结构例子的局部剖面图。
图13为表示圆柱形透镜25～27的各截面的图表。
图14为表示基于本发明实施例5的凹凸图形检测装置的结构的局部剖面图。
图15为表示图14中透明导光体2的斜视图。
图16A及16B为分别表示模拟摄像元件3处的图像的结果的平面图，下面，对本发明的实施例进行说明。
实施例1图4为表示本发明实施例1的凹凸图形检测装置的结构的局部剖面图。在图中，F为作为被检测体的人的指尖，1为构成第1光学系统的光源，2为采用了丙烯酸树脂的具有透光性的透明导光体。
透明导光体2具有用于接收从光源1发出的入射光L1的入射面2a，与所述入射面2a相对设置且为了放置具有凹凸图形(图中未示出)的指尖F而设置在上侧的检测面2b，作为曲面的球面镜2c，其用于进一步反射从所述检测面2b发出的入射光L1的散射光，光吸收面2e，其与所述球面镜2c相对设置且具有射出来自球面镜2c的反射光的开孔2d。
3为CCD等的摄像元件，4为成像透镜2，其设置在光吸收面2e的开孔2d外侧且使从开孔2d射出的光成像于摄像元件3上。球面镜2c和光吸收面2e在检测面2b以周边接触的方式设置。具有指纹等凹凸图形(图中未示出)的指尖F接触检测面2b。球面镜2c通过例如铝的蒸镀等方法形成。作为光源1，可采用例如发光二极管等，且设置得使从光源1发出的光由检测面2b作正反射而不会入射至摄像元件3。光源1，例如中间相隔透明导光体2而设置在检测面2b的相对侧。L1为从光源1通过透明导光体2的入射面2a而后照射到检测面2b的入射光，L2为通过检测面2b散射的入射光1经球面镜2c，开孔2d和成像透镜4到达摄像元件3的光路。成像透镜4和摄像元件3设置在通过成像透镜4的散射光会聚在摄像元件3上的焦点处的位置。各元件被设置成使通过球面镜2c可入射至摄像元件3的散射光线相对于检测面2b的法线的角度α大于透明导光体2和空气间的临界角。
下面，对获取凹凸图形的图像的工作原理加以说明。
在检测面2b上，在使具有凹凸图形(图中未示出)的指尖F接触表面时，由于凹凸图形的凸部(图中未示出)紧贴在检测面2b上，而凹部(图中未示出)未紧贴在检测面2b上，因此在指尖F的凹部(图中未示出)和检测面2b之间会产生空气层(图中未示出)。在通过透明导光体2将来自光源1的光照射到所述检测面2b上时，照射到指尖F的凸部(与检测面2b紧贴的部分)的光沿各个方向散射至透明导光体2中，一部分散射光通过球面镜2c反射，该反射光通过开孔2d，由成像透镜4成像于摄像元件3。另一方面，照射在指尖F的凹部的光通过上述空气层(图中未示出)后，在透明导光体2内散射。由于所述散射光线相对于检测面2b法线的角度小于透明导光体2和空气层间的临界角，因此所述散射光线不会到达摄像元件3。
通过以上所述，由于仅由指尖F的凸部发出的散射光可到达摄像元件3，因此，可获取作为指尖F的凹凸图形的指纹的图形。
本实施例1中的球面镜2c的半径被设计为图4中OH间距离的2倍。此处，点O为球面镜2c的中心，点H为通过点O的球面直径与从开孔2d中心朝向所述直径的垂线的交点。球面镜2c的焦点位置和开孔2d中心是一致的，在被检测体侧形成了远心光学系统。
另外，还设计成像透镜4的焦点位置为开孔2d的中心，因此，在像侧形成了远心光学系统。所以，成像透镜4需在透明导光体2外侧，在自开孔2d稍离开处设置，另外，必需加大成像透镜4的孔径。
在检测面2b各点反射且在摄像元件3上成像的散射光的主光线全部平行照射在球面镜2c上。另外，成像透镜4射出的散射光的各主光线也被平行导引至摄像元件3上。
如上所述，由于球面镜2c在被检测体侧形成远心光学系统，成像透镜4在像侧形成远心光学系统，因此成为摄像元件3各点的倍率不依赖被检测体和成像透镜4间距离以及成像透镜4与摄像元件3间距离的光学系统。所述凹凸图形检测装置能对在现有例子中产生的梯形变形进行校正。
实施例2图5为表示本发明实施例2的凹凸检测装置的结构的局部剖面图。在所述实施例2的构成元件中，由于与实施例1的构成元件相同的元件采用了相同的符号，故省略了对这部分内容的说明。
在实施例1中，虽然显示了在被检测体侧的远心球面镜2c、和在像侧设置在离开光吸收面2e位置处的远心成像透镜4，但在此一实施例2中，球面镜2c的半径为OH的距离的1.7-1.9倍，且使成像透镜4从透明导光体2的外侧紧贴在开孔2d。
另外，凹凸梯形的图像获取操作原理实质上与实施例1相同。
图6为表示基于使用了本实施例2的凹凸检测装置的光学模拟的球面镜2c的半径R和梯形变形间的关系的曲线图。在图6中所示的梯形表示由摄像元件3所形成的图像，a为梯形(像)的上底，b为梯形(像)的下底。在图6中所示的符号+为表示光学模拟结果的标识。在点O和点H间的距离为R0时，梯形变形中最小的球面镜2c半径R在1.7R0＜R＜1.9R0的范围内。
如上所述，在所述实施例2中，由于如实施例1一样，不仅修正了梯形变形，而且不必在像侧使用远心光学系统，因此，与实施例1相比，能缩小成像透镜4的孔径，降低制造成本。
另外，在所述实施例2中，由于成像透镜4紧贴在透明导光体2外侧，因此，与实施例1相比，能减小凹凸检测装置的整体长度，从而能够实现小型化。
实施例3图7为表示本发明实施例3的凹凸检测装置的结构的局部剖面图。在所述实施例3的构成元件中，由于与实施例1的构成元件相同的元件采用了相同的符号，故省略了对这部分内容的说明。在实施例3中，16为作为光源1的发光二极管，17为设置在透明导光体2下部的基板，18为用于弯曲光路L2的镜子。发光二极管列阵6和摄像元件3设置在共同的基板17上，在所述实施例3中，从成像透镜4射出的散射光通过镜子18弯曲，进而，被导引至基板17上的摄像元件3上。
凹凸图形的图像获取原理实质上与实施例1相同。
从成像透镜4射出后的散射光的光路L2通过镜子18弯曲，被导引至摄像元件3。在这种情况下，由于发光二极管16及摄像元件3被设置在位于透明导光体2下部的基板17中，因此可在一个基板上构成多个电气回路，从而能够减低制造成本。
除了镜子18，也可采用曲面镜或棱镜。
实施例4图8为表示本发明实施例4的凹凸检测装置的结构的局部剖面图。在所述实施例4的构成元件中，由于与实施例1的构成元件相同的元件采用了相同的符号，故省略了对这部分内容的说明。在图中，21为复曲面透镜，22为圆柱形透镜，成像透镜4由复曲面透镜21和圆柱形透镜22构成。在所述实施例4中，复曲面透镜21和圆柱形透镜22设置在使得置于检测面2b上的实体凹凸图形和在摄像元件3上成像的凹凸图形像的各纵向和横向比相等的位置处。
凹凸图形的图像获取原理实质上与实施例1相同。
通过使用复曲面透镜21和圆柱形透镜22的组合，能够在透镜前后改善纵向和横向的倍率。能够使置于检测面2b上的实体凹凸图形和在摄像元件3上成像的凹凸图形像相比，各纵向和横向比相等。此处，所谓复曲面透镜21是指透镜曲面具有能够以某一曲线或直线为轴转动而成的表面形状者，所谓圆柱形透镜22是指透镜曲面为圆筒侧面形状者。如图8所示，在所述实施例4中，通过复曲面透镜21和圆柱形透镜22，能够使x轴方向的倍率和焦点距离达到最佳，通过复曲面透镜21能够使y轴方向的倍率和焦点距离达到最佳。图9为列出了图8中复曲面透镜21和圆柱形透镜22的各个剖面图的图表。图10为显示复曲面透镜21的斜视图，图11为显示圆柱形透镜22的斜视图。
图12是表示发明实施例4的凹凸检测装置的其它结构例的局部剖面图。25-27各为圆柱透镜，通过所述圆柱透镜25-27构成了成像透镜4。如图12所示，将3个圆柱透镜25-27组合在一起，能够形成纵向和横向倍率不同的光学系统。如图12所示，在实施例4中，通过圆柱透镜25和27，能够使x轴方向的倍率和焦点距离达到最佳，通过圆柱透镜26能够使y轴方向的倍率和焦点距离达到最佳。图13为列出了显示圆柱透镜25-27的各种结构的剖面图的图表。
实施例5图14表示本发明实施例5的凹凸检测装置的结构的局部剖面图。图15为放大图14的透明导光体进行展示的斜视图。在所述实施例5的构成元件中，与实施例1-实施例4相同的构成元件采用了相同的符号，故省略了对这部分内容的说明。如图14和15所示，透明导光体2的检测面2b具有圆筒侧面形状。
在所述实施例5中，透明导光体2的镜2c为球面，且检测面2b的形状为圆筒侧面形状，其母线与成像透镜4的光轴在同一平面上。图16A及16B为显示模拟摄像元件3处图像的结果的平面图。图像采用了格子图案。图16A显示了检测面2b不具有圆筒侧面形状的情况下的模拟结果，图16B显示了检测面2b具有圆筒侧面形状的情况下的模拟结果。
球面镜2c在内侧具有弯曲的球面形状，由于来自检测面2b各点的对成像有贡献的光线不平行于球面镜2c的光轴，因此在球面镜2c反射光线的点产生高低差，在球面镜3射出的图像会产生如图16A中模拟结果所示的变形。所以，使检测面2b形状形成图14的那样，形成沿对应于图16A及图16B的y轴方向(透明导光体2的长边方向)的方向具有母线的圆筒侧面，由于不存在球面镜2反射的点的高低差，因此，能够修正如16B所示的模拟结果那样的变形。
在上述实施例1-5中，虽分别示出了梯形变形的修正，纵向和横向倍率的修正或图16A及图16B中所示的变形的修正，但通过组合用于各个修正的结构，可进行上述多个修正。
如上所述，根据本发明，通过在透明导光体设置曲面，能够在实现装置小型化的情况下进行图像的修正，从而能够获得无变形的高品质的凹凸图形图像，根据本发明，由于球面镜在被检测体侧可形成远心光学系统，第2光学系统在像面侧可形成远心光学系统，因此能够获得无梯形变形的凹凸图像。
根据本发明，能够使对应位于检测面的实体凹凸图形和在摄像元件上成像的凹凸图形的各个纵向和横向比相等，从而能够正确地表示检测面上的凹凸图形。
根据本发明，由于在图像侧不必使用远心光学系统，因此能够缩小第2光学系统的孔径，减低制造成本，进而能够减小装置本身。
根据本发明，由于检测面为圆柱侧面形状，因此能够修正对应检测面处圆筒的母线方向的变形。
根据本发明，通过使摄像元件设置在与光源相同的基板上，可在一个基板上形成电气回路，因此能够降低制造成本。
在不脱离本发明的精神或主要特征的情况下，可以以其它的各种形式实现本发明。因此，所有前述实施例仅是用于解释说明的，不应作限定性解释。本发明的保护范围是通过权利要求书限定的，不应局限于说明书本身。属于权利要求范围内的等同范围的变形和改进，都应落入本发明的范围内。
权利要求
1.凹凸图形检测装置，其包括具有光源的第1光学系统，透明导光体，其具有接收从所述第1光学系统的所述光源发出的入射光的入射面，与该入射面相对设置的放置具有凹凸图形的被检测体的检测面，反射来自该检测面的散射光的曲面，光吸收面，其与该曲面相对置地设置且具有用于射出从前述曲面发出的反射光的开孔，第2光学系统，其用于将从所述透明导光体的前述光吸收面的开孔发出的光导引至摄像元件。
2.根据权利要求1所述的凹凸图形检测装置，其特征在于前述透明导光体设置在前述第1光学系统上。
3.根据权利要求1所述的凹凸图形检测装置，其特征在于从前述检测面发出的散射光由前述曲面直接反射，并经由前述开孔导向外部。
4.根据权利要求3所述的凹凸图形检测装置，其特征在于前述透明导光体的曲面为球面镜，该球面镜的球面半径为前述球面中心点与通过该中心点的前述球面直径和从前述开孔中心向前述直径的垂线的交点间的距离的2倍。
5.根据权利要求4所述的凹凸图形检测装置，其特征在于前述球面镜在被检测体侧形成有远心光学系统，前述第2光学系统在像面侧形成有远心光学系统。
6.根据权利要求3所述的凹凸图形检测装置，其特征在于前述透明导光体的曲面为球面镜，该球面镜的球面半径在前述球面中心点与通过该中心点的前述球面直径和从前述开孔中心向前述直径的垂线的交点间的距离的1.7～1.9倍的范围内。
7.根据权利要求1所述的凹凸图形检测装置，其特征在于前述第2光学系统修正来自前述开孔的射出光的纵向倍率和横向倍率，而后导向前述摄像元件。
8.根据权利要求1所述的凹凸图形检测装置，其特征在于前述透明导光体的检测面为圆筒侧面形状。
9.根据权利要求2所述的凹凸图形检测装置，其特征在于前述第2光学系统使从前述开孔发出的射出光弯曲后导向前述摄像元件。
10.根据权利要求9所述的凹凸图形检测装置，其特征在于前述第1光学系统的光源为设置在基板上的发光二极管，前述摄像元件设置在前述基板上。
全文摘要
凹凸图形检测装置,设有具有光源的第1光学系统;透明导光体,其具有接收从光源发出的入射光的入射面,与该入射面相对地设置的放置具有凹凸图形(图中未示出)的指尖F的检测面,作为进一步反射来自该检测面的散射光的曲面的球面镜,光吸收面,其与该球面镜相对地设置且具有用于射出从前述球面镜发出的反射光的开孔;第2光学系统,用于将从所述开孔发出的光导引至摄像元件。所述凹凸图形检测装置可实现小型化,能够获得无变形的正确图像。
文档编号G06T1/00GK1300037SQ0013723
公开日2001年6月20日 申请日期2000年11月30日 优先权日1999年11月30日
发明者白附晶英, 鹿井正博, 仲嶋一 申请人:三菱电机株式会社