JP6809673B2 - シートおよび光学式指紋認識装置 - Google Patents

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Description

関連出願との相互引用
本出願は２０１６年１１月３０日付韓国特許出願第１０−２０１６−０１６２１４８号および２０１７年１１月２日付韓国特許出願第１０−２０１７−０１４５４０３号に基づいた優先権の利益を主張し、該当韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
技術分野
本出願は、光学式指紋認識に使用可能なシートおよびこれを含む装置に関するものである。
スマートフォンやタブレットＰＣなどの携帯用モバイル機器の普遍化と使用頻度の増加に伴い、これらの機器のセキュリティー性が重要となってきている。特に、これらの機器を利用した電子商取引やバンキング分野でのセキュリティーの維持はさらに重要である。セキュリティーの維持のために、機器の使用者を識別したり認証するには、使用者の生体情報、例えば、指紋、虹彩、顔面または音声などの情報が利用され得る。最近では指紋を通じての使用者認証技術が適用された携帯用モバイル機器が商業的に人気を集めたりもした。
一方、指紋を認識する方法は、光学式、超音波式、静電容量方式、電場測定方式、および熱感知方式などに分類することができる。このうち光学式指紋認識方法は、装置の透明な指紋接触部と直接接触する指紋のリッジ（ｒｉｄｇｅ）部分で散乱する光を検出するいわゆる散乱方式と、指紋の谷（ｖａｌｌｅｙ）部分に対応する指紋接触部の表面で全反射する光を検出するいわゆる全反射方式に分けられる。前者の場合、散乱する光を検出しなければならないのでセンサに指紋パターンの識別に十分な光量の提供が困難であり得、散乱光の経路が本来の光源の光経路と重なり得るためコントラストが低下し得る。そして、散乱式では光経路差によって発生する台形歪曲（Ｔｒａｐｅｚｏｄｉａｌ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）も発生する。様々な論文と特許を通じて前記問題を解決するための多様な構造の装置が提案されたりもしたが、バルキーなプリズムを使うなどの理由で前記散乱式方法は携帯用モバイル機器に適合するとは言えない。また、後者の場合には、散乱光を検出する方式よりはより多くの光量を確保できる利点があるものの、センサに向かう全反射光が導波管に沿って全反射を繰り返す過程で全反射経路が長くなると、隣接する指紋で全反射した光が互いに干渉してコントラストを低下させる可能性がある。また、従来の全反射方式を利用する場合には、センサやプリズムなどを別途装着しなければならないなどの理由で装置の大きさが増加し得、光源が位置した導波管の一末端の反対側の末端にセンサが位置するように指紋認識装置の入出射構造が非常に制限されるため、大面積ディスプレイを有する携帯用モバイル機器に対する適合性も悪いという問題がある。
本出願の一目的は、コントラストが高い指紋情報を検出できるようにする光学式指紋認識用シートおよびこれを含む装置を提供することである。
本出願の他の目的は、構造が簡単であり、大面積で複数の指紋を同時に認識できる光学式指紋認識用シートおよびこれを含む装置を提供することである。
本出願の前記目的およびその他の目的は下記で詳細に説明される本出願によってすべて解決され得る。
前記した従来技術の問題点を解決し、前記目的を達成するために、本出願は、シートの表層から常に全反射する光を提供できる第１光制御部；および前記第１光制御部から提供されてシートの表層で全反射した光の一部を所定角度に変換させて出射することによって、シートの表層に接する指紋パターンにより全反射の有無が決定される光をシートの表層に提供できる第２光制御部；を単一層内に含むシートおよび装置を提供する。
本出願は、コントラストが高い指紋情報を提供し、複数の指紋パターンが互いに影響を受けずに認識され得るようにする光学式指紋認識用シートを提供することができる。また、本出願は、入射および出射構造に制約を受けず、大面積センサおよび画面表示装置を有することができる装置を提供することができる。
本出願の一実施例に係る光学式指紋認識用シートおよびこれを含む装置の断面を概略的に図示した図面。 本出願の一実施例に係るシートを利用して撮影された指紋のイメージ。
以下、本出願の一例に係るシートおよびこれを含む装置を、添付された図面を参照して詳細に説明する。説明の便宜のために、図示された各構成の大きさや形状は誇張または縮小され得る。
本出願に関する一例において、本出願は光学式指紋認識用シートまたは指紋入力用シートに関するものである。下記の説明のように、本出願のシートは、外部光源から由来する光が、互いに異なる角度の２つの光（線）でシートの表層に存在（入射）できるように構成され得る。前記光（線）のうち一つはシート内で常に全反射され得、他の一つはシートの外部で接触する物質のパターンによりシートの表層での全反射の有無が決定され、全反射した後にはシートの下部に到達したりシートを透過し、シートの下部に位置するセンサで識別され得る。
これと関連して図１は、本出願の一実施例に係る光学式指紋認識用（または入力用）シートおよびこれを含む装置の断面を概略的に図示する。図１を参照して本出願を説明する。
本出願のシートは、下部基材層および前記下部基材層上に位置する光制御層を含むことができる。本出願で、層間の積層位置と関連して使われる「上」または「上に」という用語は、ある構成が他の構成の真上に形成される場合だけでなく、これらの構成の間に第３の構成が介在される場合まで含むことを意味し得る。
光制御層は、第１光制御部と第２光制御部を含む。前記光制御部は特定の角度に入射する光に対してのみ所定の機能を遂行するように設けられた構成であり得る。それに伴い、下記の説明のように、第１光制御部は、シートの表層に対して常に全反射する光を提供することができる。また、前記第２光制御部は、シートの表層に接する指紋のパターンにより全反射の有無が決定される光をシートの表層に提供することができる。
図１でのように、前記第１光制御部は、第１光制御部の下面に対して第１入射角θ０に入射した光を、第１入射角θ０と異なる第２入射角θＡの光（Ａ）で出射することができる。一つの例示で、前記第２入射角θＡの光が出射する第１光制御部の出射面または出射領域は、第１光制御部の下面を除いた他の一面または内部のある領域であり得る。より具体的には、本出願のシートは、第１光制御部の側面および／または上面や第１光制御部内部のある領域および／または地点から第２入射角θＡの光が出射できるように構成され得る。また、前記第２光制御部は、第２光制御部の上面に対して第２入射角θＡに入射した光を、第２入射角θＡの光（Ａ）および第２入射角θＡと異なる第３入射角θＢの光（Ｂ）で出射することができる。一つの例示で、前記第２入射角θＡの光および第３入射角θＢの光が出射する第２光制御部の出射面または出射領域は、第２光制御部の下面を除いた他の一面または内部のある領域であり得る。より具体的には、本出願のシートは、第２光制御部の側面および／または上面や第２光制御部内部のある領域および／または地点から第２入射角θＡの光および第３入射角θＢの光（Ｂ）が出射できるように構成され得る。本出願で、角度の単位は°（ｄｅｇｒｅｅ）であり、「入射角」とは、水平面に置かれたシート（または入光層や入光面）に対する法線から光の進行方向がなす角度であって、０°超過〜９０°未満の大きさを有することができる。前記用語入射角は、光の進行方向に沿った各構成の相対的な位置により、出射角とも呼称され得る。また、本出願で「下面」とは、下部基材層と向き合うか接する透明基材層、光制御層または光制御部の一面を意味し得、「上面」とは、該当下面を有する透明基材層、光制御層または光制御部のその反対の一面を意味し得る。前記下面または上面は、光の進行経路に沿って、入光面や入射面そして、出光面や出射面と呼称され得る。
前記のように、本出願の光制御層は、光の角度や経路などを互いに異なるように制御できる２つの部分に区画され得るため、図１でのように、光制御層上に位置する透明基材層に向かって、具体的には透明基材層に対して、より具体的にはシートの表層に対して角度が互いに異なる２個の光（ＡおよびＢ）を提供（出射）することができる。本出願でシートの表層は例えば、空気と接する透明基材層の上面を意味するか、または指紋のようにパターンを有する物体と直接または間接的に接する透明基材層の上面を意味し得る。
一つの例示で、本出願のシートは、指紋が直接または間接的に接触できる透明基材層をさらに含むことができる。シートが透明基材層を含む場合、前記透明基材層は光制御層上に位置することができる。すなわち、前記シートは、下部基材層、光制御層、および透明基材層を順に含むことができる。特に異なって定義しない以上、本出願で、層のような構成の性質と関連して使われる用語「透明」とは、３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ波長の可視光に対する透過率の下限が６５％以上、７０％以上、７５％以上、８０％以上、８５％以上、９０％以上または９５％以上であり、その上限は約１００％であって、１００％未満の範囲である場合を意味し得る。
透明基材層を含む場合、前記第１光制御部は、下部基材層を通じて第１光制御部の下面に第１入射角θ０に入射した光を、透明基材層に向かって、第１入射角θ０と異なる第２入射角θＡの光で出射することができる。すなわち、前記第１光制御部は、その下面に対して第１角度θ０に入射した光を第２角度θＡの光に変換してシート内に全反射光を提供することができる。一つの例示で、前記第２入射角θＡの光は第１光制御部の上面および／または側面から出射し得る。また、光制御層上に透明基材層が直接位置する場合、透明基材層の下面は前記第２入射角θＡの光に対する入光面となり得る。
透明基材層を含む場合、前記第２光制御部は、全反射した後に透明基材層を通じて第２光制御部の上面に第２入射角θＡに入射した光を、透明基材層に向かって、第２入射角θＡの光（Ａ）および第２入射角θＡと異なる第３入射角θＢの光（Ｂ）で出射することができる。一つの例示で、前記第２入射角θＡの光および前記第３入射角θＢの光は、第２光制御部の上面および／または側面から出射し得る。すなわち、前記第２光制御部は入射角がθＡである光（Ａ）の一部を入射角がθＢである光（Ｂ）に変換させることができる。前記変換の程度、すなわち、θＡに入射した光（Ａ）がθＢである光（Ｂ）に変換されて出射する比率は特に制限されず、例えば０％超過〜１００％未満の範囲で適切に調節され得る。この時、θＡおよびθＢは、第１光制御部から出射した光および第２光制御部から出射した光のそれぞれが透明基材層の内部で有する（入射）角度であり得る。
前記構成によって、透明基材層と接する指紋の情報が判読され得る。本出願の一例により指紋情報が判読されるようにする光の経路を具体的に説明する。すなわち、光源から下部基材層を経て第１光制御部に入射した光は、第１光制御部によって透明基材層の上面からシートの内部に常に全反射され得る角度θＡの光で出射し、第１制御部から出射した角度θＡの光は指紋と透明基材層の接触有無とかかわらず、透明基材層の上面で全反射して第２光制御部に入射する。そして、前記第２光制御部は、入射した角度θＡの光の一部を角度θＢの光に変換して透明基材層に出射し、変換されていない残りのθＡの光は下部基材層の上面、例えば、光制御層と下部基材層の界面で全反射する。以降、透明基材層に出射した角度θＢの光は透明基材層と指紋の接触部である指紋のリッジ（ｒｉｄｇｅ）では透過し、透明基材層と指紋の非接触部である指紋の谷（ｖａｌｌｅｙ）では全反射する。透明基材層と指紋の谷（ｖａｌｌｅｙ）部分で全反射した角度θＢの光は光制御層を通って下部基材層に到達したりこれを透過し、センサに到達して識別され得る。本出願で「界面」とは、隣接した二層間の境界面、または光が通る経路に置かれた異種媒質間の境界面を意味し得る。また、指紋のリッジ（ｒｉｄｇｅ）で前記角度θＢの光が透明基材層の上面を透過する場合、透過と共に散乱および／または反射が行われ得る。
本出願の一具体例によると、前記のような機能を遂行するために、本出願のシートは下記のように構成または設けられ得る。
一つの例示で、前記第１光制御部および第２光制御部は回折光学素子または屈折光学素子を含むことができる。
屈折光学素子（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）は、隣接媒質との屈折率差によって進行する光の方向や角度が決定される特性の素子を意味し得る。本出願の光制御部が屈折光学素子である場合には、本出願で説明される光経路を満足するように各層間の屈折率が考慮されて光制御部が構成され得る。
回折光学素子（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）はパターンの形とパターン間の間隔によって光の進行方向や角度が決定される特性の素子を意味し得る。本出願の光制御部が回折光学素子である場合には、本出願で説明される光経路を満足するように各層間の屈折率と回折パターンが考慮されて光制御部が構成され得る。
一つの例示で、本出願の光制御層は回折光学素子を含むことができる。具体的には、前記第１光制御部および第２光制御部は互いに異なる機能の回折光学素子を含むことができ、前記回折光学素子はフィルム形態のボログラフィック光学素子（ＨＯＥ：ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）であり得る。ボログラフィックとは、ホログラムと呼ばれる３次元相を再生するために感光媒質に干渉パターンを記録する技術である。また、ボログラフィックフィルムは、ボログラフィック記録が記録されたフィルムを意味し、感光粒子が非常に小さいフィルム上に記録光を利用して干渉模様を記録し、再生光を利用してこれを再現できるフィルムを意味し得る。ボログラフィックフィルムは記録された光に対してのみ機能を遂行し、記録された光以外の光に対しては要求される機能を遂行しないこともあり得るため、前記第１光制御部および前記第２光制御部にボログラフィックフィルムを使う場合、本出願で要求される光の角度、光路および／または光量の調節に特に有利である。
前記ボログラフィックフィルムは、記録媒質として感光材料を含むことができる。前記感光材料としては、フォトポリマー（ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒ）、フォトレジスト（ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ）、シルバーハライドエマルジョン（ｓｉｌｖｅｒ ｈａｌｉｄｅ ｅｍｕｌｓｉｏｎ）、重クロム酸ゼラチン（ｄｉｃｈｒｏｍａｔｅｄ ｇｅｌａｔｉｎ）、フォトグラフィックエマルジョン（ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ ｅｍｕｌｓｉｏｎ）、フォトサーモプラスチック（ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ）または光回折（ｐｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ）材料などが使われ得る。一つの例示で、前記ボログラフィックフィルムは感光材料としてフォトポリマーを含むことができ、具体的にはフォトポリマーのみからなるフィルムであるか、またはフォトポリマー層（ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒ ｌａｙｅｒ）および前記層に対する基材（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）を共に含む重層構造のフィルムであり得る。この場合、フォトポリマーと共に使われる基材は透明基材であり得、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、またはトリアセチルセルロース（ＴＡＣ）等を含む基材であり得るが、特に制限されるものではない。
一つの例示で、前記第１光制御部および第２光制御部の回折効率は互いに同一または異なり得る。具体的には、前記第１光制御部はその全体の面積において同じ回折効率を有してもよく、前記第２光制御部もその全体の面積において同じ回折効率を有してもよく、この時、光制御部のそれぞれが有する回折効率は互いに同一または異なり得る。
一つの例示で、前記第１光制御部および第２光制御部は、一つの層上で記録光の角度または回折パターンのみを異ならせてそれぞれ形成された一部の領域であり得る。または別途製作された第１光制御部と第２光制御部が単一層を形成できるように、第１光制御部および第２光制御部を直接付着するかまたは他の媒体を媒介として付着して光制御層が形成されてもよい。
前記説明された透過率を満足する場合であれば、前記透明基材層の種類は特に制限されない。例えば、ガラスまたは高分子樹脂を含むことができる。高分子樹脂としては、ＰＣ（Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＰＥＮ（ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ））またはＰＥＴ（ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ））のようなポリエステルフィルム、ＰＭＭＡ（ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ））のようなアクリルフィルム、またはＰＥ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）またはＰＰ（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）のようなポリオレフィンフィルムなどが使われ得るが、これに制限されるものではない。一つの例示で、前記透明基材層は前記複数のガラスまたは高分子樹脂が積層された構成を有することができる。このような積層構成を有する場合にも、本出願で要求される機能を遂行し、下記の関係式を満足するように透明基材層が設けられ得る。
一つの例示で、前記下部基材層は下記で説明される屈折率および本出願で規定される関係式を満足する粘着層（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ａｄｈｅｓｉｖｅ ｌａｙｅｒ）であり得る。粘着層の種類や組成は特に制限されず、例えば、アクリル系粘着層またはシリコン系粘着層であり得る。もう一つの例示で、前記下部基材層は粘着物質の他に、前記説明された透明樹脂フィルムをさらに含むことができ、これらは粘着物質に対する基材として機能するか、それ以外に他の機能を付与する目的で使われ得る。このような構成を有する場合にも、本出願で要求される機能を遂行し、下記の関係式を満足するように下部基材層が設けられ得る。
本出願で、下部基材層、光制御層、および透明基材層は互いに同一または異なる屈折率を有することができる。一つの例示で、前記層はそれぞれ独立して１超過〜５以下、または１超過〜３以下の範囲の屈折率を有することができ、層間の屈折率の差は０．０００１〜２以下であり得る。光制御層の場合、本出願で要求される機能を遂行できる範囲で、第１光制御部と第２光制御部の屈折率は同一または異なるように調節され得る。
一つの例示で、前記下部基材層の屈折率は、前記光制御層の屈折率および／または透明基材層の屈折率より小さくてもよい。すなわち、前記下部基材層は低屈折層であり得る。特に制限されはしないが、前記屈折率の関係を満足する場合、下部基材層と光制御層の屈折率の差は０．１以下であり得る。
一つの例示で、前記透明基材層は、光制御層より屈折率が高くてもよい。特に制限されはしないが、前記屈折率の関係を満足する場合、透明基材層と光制御層の屈折率の差は０．０５以下であり得る。
本出願で、下部基材層、光制御層、透明基材層、またはこれらの内部に含まれ得る他の構成の厚さは特に制限されない。例えば、本出願で説明されるシートの機能が発揮される場合であれば、前記構成の厚さは制限されず、例えば、その下限は０．１μｍ以上または１μｍ以上であり得、その上限は１，０００μｍ以下または５００μｍ以下であり得る。
本出願のシートは、シート内で常に全反射する角度θＡの光が存在できるように構成され得る。すなわち、θＡの光は、透明基材層の上面から常に全反射することができ、また、前記θＡの光は、前記透明基材層の上面で全反射して透明基材層から光制御層を経て、下部基材層の上面、例えば、光制御層と下部基材層の界面で全反射され得る。
具体的には、本出願のシートは、第１光制御部から透明基材層に向かって出射した角度θＡの光が、下記の関係式１および２を満足するように構成され得る。下記で説明される関係式はスネルの法則を利用して得ることができる。
［関係式１］
θＡ＞（１８０°／π）×ｓｉｎ−１（ｎ０／ｎ１）
前記関係式１は、透明基材層から空気側に進行する角度θＡである光が透明基材層の上面、例えば、透明基材層と空気層の界面で全反射する条件を例示的に規定したものである。前記関係式１で、ｎ０は空気の屈折率であって１であり、ｎ１は透明基材層の屈折率である。
［関係式２］
θＡ＞（１８０°／π）×ｓｉｎ−１（ｎ３／ｎ１）
前記関係式２は、透明基材層の上面で全反射した角度θＡの光が、透明基材層から光制御層を経て、例えば、光制御層と下部基材層の界面のような下部基材層の上面で全反射する条件を例示的に規定したものである。前記関係式２で、ｎ１は透明基材層の屈折率であり、ｎ３は下部基材層の屈折率である。
一つの例示で、前記関係式２を満足するためには、透明基材層の上面で全反射した角度θＡである光が透明基材層および／または光制御層の上面を透過しなければならない。例えば、透明基材層の屈折率が光制御層の屈折率より大きい場合には、光制御層の上面、例えば、透明基材層と光制御層の界面で全反射が起きてはならないため、θＡは下記の関係式３を満足しなければならない。
［関係式３］
θＡ＜（１８０°／π）×ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１）
前記関係式３は透明基材層と光制御層の界面で全反射が起きない条件を例示的に規定したものである。前記関係式３で、ｎ１は透明基材層の屈折率であり、ｎ２は光制御層のうち第１光制御部または第２光制御部の屈折率であり、ｎ１はｎ２より大きい。
本出願で、前記角度θＡである光は、高さが異なるパターンを有する物体が前記透明基材層に接触する場合にも、透明基材層と物体が直接接触する透明基材層の上面（接触面）で全反射する光であり得る。これを満足するために、前記第１光制御部から出射する光の角度θＡは、例えば下記の関係式４を満足することができる。
［関係式４］
θＡ＞（１８０°／π）×ｓｉｎ−１（ｎｈ／ｎ１）
前記関係式４で、ｎ１は透明基材層の屈折率であり、ｎｈは高さが異なるパターンを有する物体のうち透明基材層と直接接触する部分の屈折率である。この時、高さが異なるパターンを有する物体は指紋（ｆｉｎｇｅｒ ｐｒｉｎｔ）であり得、高さが異なるパターンを有する物体のうち透明基材層と直接接触する部分は指紋のリッジ（ｒｉｄｇｅ）であり得る。一方、高さが異なるパターンを有する物体のうち透明基材層との非接触部は指紋の谷（ｖａｌｌｅｙ）であり得、谷部分は空気が占めているため、谷部分の屈折率は１（＝ｎ０）と見なすことができる。
前記のように、本出願のシートは、シート内で常に全反射する全反射光が提供されるように、第１光制御部から提供される角度θＡの光が前記所定の関係式を満足するように設けられる。一方、本出願で、角度θＡの光は指紋の接触の有無にかかわらず全反射がなされる光であるため、シート内でその光量が一定の水準に維持され得る。そして、下記の説明のように指紋認識に使われる角度θＢの光は角度θＡの光に起因するので、指紋のイメージを生成するための角度θＢの光も指紋接触有無にかかわらずその光量がシート内で一定に維持され得る。
本出願で、前記第２光制御部は、指紋の接触の有無にかかわらず生成される光（Ｂ）を提供する構成であり得る。
具体的には、前記第２光制御部は、透明基材層上に存在する物体の有無により透明基材層の上面での全反射の有無が決定される角度θＢの光を提供する構成であり得る。すなわち、前記角度θＢの光は、透明基材層上に物体が存在しない場合には透明基材層の上面、例えば、透明基材層と空気の界面で全反射するが、高さが異なるパターンを有する物体が透明基材層に接触する場合には透明基材層に対する物体の直接接触部（ｒｉｄｇｅ）で透過（または透過と散乱、および反射が同時に起こり得る）する光であり得る。
一つの例示で、本出願のシートは、前記角度θＢの光が下記の関係式５を満足して透明基材層の上面、例えば、透明基材層と空気の界面で全反射し得るように設けられ得る。そして、高さが異なるパターンを有する物体が前記透明基材層に接触する場合には、前記角度θＢの光が下記の関係式６を満足して前記物体と直接接触する透明基材層の上面の部分で透過（または透過と散乱、および反射が同時に起こり得る）できるように構成され得る。
［関係式５］
θＢ＞（１８０°／π）×ｓｉｎ−１（ｎ０／ｎ１）
［関係式６］
θＢ＜（１８０°／π）×ｓｉｎ−１（ｎｈ／ｎ１）
ただし、前記関係式５および６で、ｎ０は空気の屈折率であって１であり、ｎ１は透明基材層の屈折率であり、ｎｈは高さが異なるパターンを有する物体のうち透明基材層と直接接触するリッジ（ｒｉｄｇｅ）部分の屈折率である。前記で説明したように、高さが異なるパターンを有する物体のうち透明基材層との非接触部である谷（ｖａｌｌｅｙ）部分は空気が占めているため、前記非接触部の屈折率は１（＝ｎ０）と見なすことができる。
また、本出願で、前記シートは、前記第２光制御部から出射して透明基材層に入射した角度θＢの光が透明基材層の上面で全反射した後、光制御層の上面を透過できるように設けられ得る。透明基材層の屈折率が光制御層の屈折率より大きい場合には、透明基材層と光制御層の界面で全反射が起きてはならないため、角度θＢは下記の関係式７を満足することができる。
［関係式７］
θＢ＜（１８０°／π）×ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１）
前記関係式７は透明基材層と光制御層の界面で全反射が起きない条件を例示的に規定したものである。前記関係式７で、ｎ１は透明基材層の屈折率であり、ｎ２は光制御層のうち第１光制御部または第２光制御部の屈折率であり、ｎ１はｎ２より大きい。
また、本出願のシートは、前記第２光制御部から出射する角度θＢの光が透明基材層の上面で全反射する場合、下部基材層に到達したり下部基材層を透過できるように設けられ得る。下部基材層に到達したり下部基材層を透過した光はセンサで認識され得る。センサに認識され得る光がシート内に存在するためには、θＢの光が透明基材層の表層で全反射して透明基材層と光制御層を経て下部基材層の上面に入射する場合に、前記下部基材層の上面、例えば、光制御層と下部基材層の界面で全反射が起きてはならない。これと関連して、θＢは下記の関係式８を満足することができる。
［関係式８］
θＢ＜（１８０°／π）×ｓｉｎ−１（ｎ３／ｎ１）
前記関係式８は下部基材層の下面に到達する光が存在する条件を例示的に規定したものである。前記関係式８で、ｎ１は透明基材層の屈折率であり、ｎ３は下部基材層の屈折率である。
前記のように透明基材層の上面で全反射する光の角度θＢが前記関係式７および８を満足する場合、図１に図示された通り、シートの下部に存在するセンサは下部基材層に到達したりこれを透過する光を認識することができる。すなわち、本出願のシートは、前記第２光制御部が出射する角度θＢの光のうち、空気と接触する透明基材層の上面（シートの表層）で全反射する光と、透明基材層および物体の接触部で透過（または透過と散乱、および反射が同時に起こり得る）する光の光量差を識別する方式を利用して使用者の指紋が認識されるようにする。
このように、本出願はシート内で常に全反射する光を指紋識別に直接利用するものではない。具体的には、本出願では、常に全反射する光が存在できるように第１光制御部で提供される角度θＡの光のうち一部が第２光制御部によってθＡと異なる角度θＢの光に変換されて透明基材層に向かって出射し、入射角θＢで透明基材層に向かって出射した光が外部物体が接触する透明基材層の上面でシートの内部に全反射およびシートの外部に透過（または透過と散乱、および反射が同時に起こり得る）する場合に、これらの光の光量差を指紋の識別に利用するものである。すなわち、前記θＢ角度の光のうち、指紋との非接触部で全反射してセンサに進行する光の光量と指紋との接触部で透過（または透過と散乱、および反射が同時に起こり得る）して減少した光の光量差が指紋の識別に利用される。
また、本出願で、前記角度θＢの光は、指紋の有無にかかわらずシート内で常に全反射する光から生成される。したがって、本出願では、常にシートの内部を全反射する光を利用して前記指紋の識別に利用される光の光量も一定に維持され得、その結果、角度θＢの光のうち透明基材層と空気の界面で全反射する光と透明基材層と物体の直接接触部で透過（または透過と散乱、および反射が同時に起こり得る）する光の光量差がより明確にセンサで認識され得る。さらに、本出願では、指紋の有無にかかわらず生成される前記角度θＢの光のうち透明基材層と空気の界面で全反射する光と透明基材層と物体の接触部で透過（または透過と散乱、および反射が同時に起こり得る）する光を指紋の識別に利用するので、複数の指紋のパターンが透明基材層に接触しても互いに影響を受けずに識別され得る。
一つの例示で、第１光制御部の投影面積Ｓ１は前記第２光制御部の投影面積Ｓ２より小さくてもよい。本出願で「投影面積」とは、シートをその表面の法線方向と平行な方向の上部または下部で観察する時、該当構成が視認される面積、例えば正射影面積を意味し得る。したがって、面積比較対象の構成が有する凹凸などによる実際の面積の増減は考慮されない。特に制限されはしないが、Ｓ１：Ｓ２は５〜４０：６０〜９５の範囲であり得る。
本出願に関する他の一例で、本出願は光学式指紋認識装置または指紋入力装置に関するものである。
一つの例示で、前記装置は、光源部をさらに含むことができる。前記光源部は、前記シートに向かって光を照射できる構成を意味する。前記機能を遂行することができるのであれば、光源部の具体的な構成は特に制限されない。前記光源部は、図１のように、前記シートの下部基材層の一面、より具体的には第１光制御部が接する前記下部基材層の一面の反対の一面上に位置することができる。光源部から入射した光は下部基材層を経て前記光制御層の第１光制御部に入射し、それに伴い、シート内で常に全反射できる光がシートに提供され得る。一つの例示で、第１光制御部に入射する光は第１光制御部の下面に対して垂直であり得る。本出願で「垂直」とは、目的とする効果を損傷させない範囲での実質的な垂直を意味するものであって、例えば、製造誤差（ｅｒｒｏｒ）または偏差（ｖａｒｉａｔｉｏｎ）等を勘案した意味で使われる。この時、誤差や偏差は、±１０°以内、±８°以内、±６°以内、±４°以内、±２°以内、±１°以内、±０．５°以内、±０．２°以内、または±０．１°以内であり得る。前記構成のシートを含む装置の場合、小さな面積の光源を使っても前記説明された指紋認識機能を十分に遂行することができる。一つの例示で、前記小さな面積とは、第１光制御部に相応するかそれより小さな面積であり得る。
一つの例示で、前記装置はセンサ部をさらに含むことができる。センサ部とは、下部基材層を透過する光を感知する構成を意味し得る。前記機能を遂行できるのであれば、センサ部の構成は特に制限されず、公知のセンサを使用することができる。前記センサ部は、図１のように、前記シートの下部基材層の一面、より具体的には前記第２光制御部が接する前記下部基材層の一面の反対の一面上に位置することができる。前記説明された通り、シート内の全反射光を除いて、指紋と直接接触する透明基材層部分で全反射する光は下部基材層を透過してセンサ部に到達することができ、前記センサ部は到達した光の光量差に基づいて透明基材層に接触した物体のパターン、すなわち指紋を認識することができる。一つの例示で、前記センサ部は透明な性質を有するように設けられ得る。もう一つの例示で、前記センサ部は第２光制御部に相応する面積を有することができる。
一つの例示で、前記装置は画面表示部をさらに含むことができる。画面表示部は、例えば、機器で再生されたイメージや動画が使用者に視認され得るようにする構成であり得る。図１のように、前記画面表示部は、前記シートの下部基材層の一面、より具体的には前記第２光制御部が接する前記下部基材層の一面の反対の一面上に位置することができる。一つの例示で、前記画面表示部は第２光制御部に相応する面積を有することができる。
もう一つの例示で、前記装置は画面表示部とセンサ部を同時に含むことができる。この場合、前記装置は画面表示部、センサ部およびシートを順に含むかセンサ部、画面表示部およびシートを順に含むことができる。また、画面表示部とセンサ部のうちいずれか一つは光源部と一つの層を形成してもよい。
もう一つの例示で、前記装置は画面表示機能とセンサ機能を同時に遂行する一つの部（ｐａｒｔ）をさらに含むことができる。この場合、前記一つの部（ｐａｒｔ）は光源部と一つの層を形成してもよい。
図２は、本出願の一実施例に係るシートを利用して撮影された指紋のイメージである。撮影に使われたシートには、波長５３２ｎｍの光に対する屈折率が１．４１である下部基材層、５３２ｎｍ波長の光に対する屈折率が１．５０であるボログラフィックフィルムを含む光制御層、および波長５３２ｎｍの光に対する屈折率が１．５１であるガラス基材層（ｃｏｖｅｒ ｇａｌｓｓ）を順に含む積層体を使った。前記光制御層の場合、公知のフォトポリマーフィルムを使って製造した。具体的には、第１光制御部はシート（透明基材層）に対する法線を基準として入射光を７３°で出射するように、前記第２光制御部は入射光のうち一部をシート（透明基材層）に対する法線を基準として４５°の角度で出射できるように、光制御層に回折模様が記録された。以降、シート（透明基材層）に対する法線を基準として０°で外部光をシートに照射し、透明基材層の表面に指紋を接触して下部基材層の下端に現れる相をＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）で撮影した。
前記のように、本出願に関する例示的な実施例である図１および図２を参照して本出願の発明を説明したが、本出願発明の保護範囲は前記特定された実施例と図面に限定されない。また、本技術分野が属する技術分野で通常の知識を有する者は、出願された本発明の技術的思想と範囲内で、特許請求の範囲に記載された発明が多様に変更または変形され得ることが理解できるはずである。
１０ 透明基材層
２０ 光制御層
２１ 第１光制御部
２２ 第２光制御部
３０ 下部基材層
４０ センサ部および／またはディスプレイ部
５０ 光源部
６０ シート
Ａ 光Ａ（角度θＡ）
Ｂ 光Ｂ（角度θＢ）

Claims (17)

  1. 下部基材層；前記下部基材層上に位置し、第１光制御部および第２光制御部を有する光制御層；を含むシートであり、
    前記第１光制御部は、第１入射角（θ０）で第１光制御部の下面に入射した光を第１入射角（θ０）と異なる第２入射角（θＡ）の光で出射するように設けられ、
    前記第２光制御部は、第２入射角（θＡ）で第２光制御部の上面に入射した光を、第２入射角（θＡ）の光および第２入射角（θＡ）と異なる第３入射角（θＢ）の光で出射するように設けられ、
    透明基材層をさらに含み、
    前記下部基材層、前記光制御層および前記透明基材層を順に含み、
    前記第１光制御部は、下部基材層を通じて第１光制御部の下面に第１入射角（θ ０ ）で入射した光を、前記透明基材層に向かって、第１入射角（θ ０ ）と異なる第２入射角（θ Ａ ）の光で出射するように設けられ、
    前記第２光制御部は、透明基材層を通じて第２光制御部の上面に第２入射角（θ Ａ ）で入射した光を、前記透明基材層に向かって、第２入射角（θ Ａ ）の光および第２入射角（θ Ａ ）と異なる第３入射角（θ Ｂ ）の光で出射するように設けられ、
    前記第１光制御部から出射した角度（θ Ａ ）の光が、下記の関係式１および２を満足して、透明基材層の上面と下部基材層の上面のすべてにおいて全反射され得るように設けられる、シート：
    ［関係式１］
    θ Ａ ＞（１８０°／π）×ｓｉｎ −１ （ｎ ０ ／ｎ １ ）
    ［関係式２］
    θ Ａ ＞（１８０°／π）×ｓｉｎ −１ （ｎ ３ ／ｎ １ ）
    （ただし、前記関係式１および２で、ｎ ０ は空気の屈折率であって１であり、ｎ １ は透明基材層の屈折率であり、ｎ ３ は下部基材層の屈折率である。）
  2. 前記第１光制御部から出射した角度（θ Ａ ）の光が、下記の関係式３を満足して、透明基材層の上面で全反射した後、光制御層の上面を透過できるように設けられる、請求項１に記載のシート：
    ［関係式３］
    θ Ａ ＜（１８０°／π）×ｓｉｎ −１ （ｎ ２ ／ｎ １ ）
    （ただし、前記関係式３で、ｎ １ は透明基材層の屈折率であり、ｎ ２ は光制御層のうち第１光制御部または第２光制御部の屈折率であり、ｎ １ はｎ ２ より大きい。）
  3. 高さが異なるパターンを有する物体が前記透明基材層に接触する場合、前記第１光制御部から出射した角度（θ Ａ ）の光が、下記の関係式４を満足して、透明基材層と物体が直接接触する透明基材層の上面で全反射するように設けられる、請求項１又は２に記載のシート：
    ［関係式４］
    θ Ａ ＞（１８０°／π）×ｓｉｎ −１ （ｎ ｈ ／ｎ １ ）
    （ただし、前記関係式４で、ｎ １ は透明基材層の屈折率であり、ｎ ｈ は高さが異なるパターンを有する物体のうち透明基材層と直接接触する部分の屈折率である。）
  4. 高さが異なるパターンを有する物体が前記透明基材層に接触する場合、前記第２光制御部から出射した角度（θ Ｂ ）の光が、下記の関係式５を満足して、空気と接する透明基材層の上面で全反射され得るように、そして、前記第２光制御部から出射した角度（θ Ｂ ）の光が、下記の関係式６を満足して、透明基材層と物体が直接接触する透明基材層の上面で透過できるように設けられる、請求項１から３のいずれか１項に記載のシート：
    ［関係式５］
    θ Ｂ ＞（１８０°／π）×ｓｉｎ −１ （ｎ ０ ／ｎ １ ）
    ［関係式６］
    θ Ｂ ＜（１８０°／π）×ｓｉｎ −１ （ｎ ｈ ／ｎ １ ）
    （ただし、前記関係式５および６で、ｎ ０ は空気の屈折率であって１であり、ｎ １ は透明基材層の屈折率であり、ｎ ｈ は高さが異なるパターンを有する物体のうち透明基材層と直接接触する部分の屈折率である。）
  5. 前記第２光制御部から出射した角度（θ Ｂ ）の光が、下記の関係式７を満足して、透明基材層の上面で全反射した後、光制御層の上面を透過できるように設けられる、請求項１から４のいずれか一項に記載のシート：
    ［関係式７］
    θ Ｂ ＜（１８０°／π）×ｓｉｎ −１ （ｎ ２ ／ｎ １ ）
    （ただし、前記関係式７で、ｎ １ は透明基材層の屈折率であり、ｎ ２ は光制御層のうち第１光制御部または第２光制御部の屈折率であり、ｎ １ はｎ ２ より大きい。）
  6. 前記第２光制御部から出射した角度（θ Ｂ ）の光が、下記の関係式８を満足して、透明基材層の上面で全反射して光制御層を通って下部基材層の下面に到達できるように設けられる、請求項１から５のいずれか１項に記載のシート：
    ［関係式８］
    θ Ｂ ＜（１８０°／π）×ｓｉｎ −１ （ｎ ３ ／ｎ １ ）
    （ただし、前記関係式８で、ｎ １ は透明基材層の屈折率であり、ｎ ３ は下部基材層の屈折率である。）
  7. 前記透明基材層の屈折率は前記光制御層の屈折率より大きい、請求項１から６のいずれか一項に記載のシート。
  8. 前記透明基材層の屈折率と前記光制御層の屈折率の差は０．０５以下である、請求項７に記載のシート。
  9. 前記透明基材層はガラスまたは高分子樹脂を含む、請求項１から８のいずれか１項に記載のシート。
  10. 前記第１光制御部および第２光制御部は回折光学素子または屈折光学素子を含む、請求項１から９のいずれか１項に記載のシート。
  11. 前記第１光制御部および第２光制御部はボログラフィックフィルムを含む、請求項１０に記載のシート。
  12. 前記下部基材層の屈折率は前記光制御層の屈折率より小さい、請求項１から１１のいずれか１項に記載のシート。
  13. 前記下部基材層の屈折率と前記光制御層の屈折率の差は０．１以下である、請求項１２に記載のシート。
  14. 前記下部基材層はアクリル系透明粘着層またはシリコン系透明粘着層を含む、請求項１から１３のいずれか１項に記載のシート。
  15. 下部基材層；前記下部基材層上に位置し、第１光制御部および第２光制御部を有する光制御層；を含むシートであり、
    前記第１光制御部は、第１入射角（θ ０ ）で第１光制御部の下面に入射した光を第１入射角（θ ０ ）と異なる第２入射角（θ Ａ ）の光で出射するように設けられ、
    前記第２光制御部は、第２入射角（θ Ａ ）で第２光制御部の上面に入射した光を、第２入射角（θ Ａ ）の光および第２入射角（θ Ａ ）と異なる第３入射角（θ Ｂ ）の光で出射するように設けられたシートと、
    光源部とを含み、
    前記光源部は前記第１光制御部が接する前記下部基材層の一面の反対の一面上に位置する、光学式指紋認識または入力装置。
  16. 前記光源部は垂直の光を前記第１光制御部に出射する、請求項１５に記載の光学式指紋認識または入力装置。
  17. 画面表示部およびセンサ部のうち一つ以上をさらに含む、請求項１５又は１６に記載の光学式指紋認識または入力装置。
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