KR100392240B1

KR100392240B1 - 지문인식장치

Info

Publication number: KR100392240B1
Application number: KR10-2001-0010438A
Authority: KR
Inventors: 엄두일; 임덕선
Original assignee: 주식회사 우량정보기술
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2003-07-23
Also published as: KR20020069882A

Abstract

지문입력면과 상기 지문입력면의 마주보는 모서리를 포함하는 지문반사면 및 지문출력면으로 삼각프리즘을 형성하고, 상기 삼각프리즘 내로 빛을 방사하도록 프리즘 두 개의 측면 중 한쪽 측면에 위치되게 광원을 배치하고, 상기 지문입력면에서 산란되는 빛 중 지문반사면에 반사된 빛을 감지하는 카메라모듈과 지문인식단말기를 포함하는 지문인식장치에 있어서, 상기 지문입력면과 지문반사면이 이루는 각도를 75±5°로 하고, 상기 지문출력면과 지문입력면이 이루는 각도를 60±5°로 하는 프리즘을 형성한다. 상기와 같이 형성된 프리즘 일면 중 지문입력면의 수직선과 광원의 입사각(light angle)이 45°이상이 되도록 배치하고 카메라모듈의 광축방향과 지문인식면의 각도를 인쇄지문이 인식되지 않는 각도의 범위로 설치하는 것을 특징으로 한다.

Description

지문인식장치{Fingerprint Identification System}

본 발명은 지문인식장치에 관한 것으로, 특히 지문영상의 가시도(Visibility)의 최적화하여 고품질의 지문영상을 얻고, 복사지문 등에 의한 지문도용을 방지하고자 프리즘의 지문입력면과 지문반사면 그리고 지문출력면이 이루고있는 내부각도를 일정한 각이 되도록 하고 지문입력면의 수직선상과 이루는 광원의 입사각과 지면출력면과 카메라모듈의 각을 한정하여 지문의 도용방지와 고품질의 지문영상획득이 가능한 지문인식장치에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술의 지문입력장치를 나타내는 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이 종래의 지문입력장치는 빛을 입사하기 위한 광원(30), 입사된 광원(30)을 일정 각도로 반사시키는 프리즘(20), 지문의 영상이 검출기(41)(이하에서는 '카메라'라 함)에 맺히도록 하는 렌즈(40), 결상된 지문 영상을 전기신호로 변환하는 검출기(41), 검출기로부터 얻은 전자신호를 컴퓨터등 기타의 처리장치로 보내거나 직접 처리하는 전자회로부(42)로 구성되어 있다.

이러한 종래의 지문인식장치에 있어서, 광원(30)에서 방사되는 빛은 지문입력표면(21)의 임계각보다 큰 각도로 입사되도록 배치된다. 광원(30)에서 나와 지문입력면(21)에 입사되는 빛은 프리즘(20)의 지문입력면(21)에 놓여진 손가락(10)의 지문에 있는 융선(12) 부분으로 입사되면 반사되고, 지문입력면(21)을 투과하여 지문의 골(11) 부분에 입사되면 골부위에서 산란하게 되나 공간즉 프리즘면과 지문의 골 사이의 산란광은 프리즘으로 입사하지 못하거나 부분적으로 입사하여, 융선부위와 골부위에서 반사한 광은 프리즘을 통하여 카메라등의 결상장치에서 밝게 나타나고 골부분은 어둡게 나타나게 되어 지문을 인식하게 된다.

상술한 바와 같이 종래의 지문인식장치에서는 지문의 골(11)에 대응하는 어두운 상과 지문의 융선(12)에 대응하는 밝은 상을 배경으로 하고 있으므로 밝은 상과 어두운 상의 밝기 차이가 커야만 고화질의 지문영상을 얻을 수 있게 된다. 더구나 복사지문 등과 같이 지문의 골과 융선이 흑백의 프린터 물로 되는 도용지문의 경우 지문입력면에서의 흑백의 지문형상이 그대로 반사되어 화상인식장치에 입력되어 지문 도용의 문제가 발생한다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 출력이 높은 광원(30)이나 광원(30)의 수를 늘리고 프리즘(20)의 형상을 복잡하게 하는 등의 방법을 사용하였다.

그러나 이러한 방법들은 프리즘(20)내부의 전반사 조건을 만족하기 위해 광원(30)과 검출기(41)의 위치 및 각도 조절에 의한 지문인식장치의 크기를 크게 할뿐만 아니라 전력소모를 증가시키고 광원(30) 구성 및 프리즘(20) 제작의 제조원가를 상승시키게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위해 프리즘(200)의 지문입력면(201)과 상기 지문입력면(201)의 한쪽 모서리에 지문반사면(202)의 일측 모서리와 접하였고, 상기 지문입력면(202) 모서리의 반대쪽 모서리에는지문출력면(203)의 일측 모서리가 접하여 이루어진 삼각형프리즘의 내부각도를 일정한 각이 되도록 하며, 지문입력면(201)의 수직선상과 광원(300)이 입사되는 각도를 35°∼ 75°로 하고 지문출력면(203)에서 출력되는 반사광과의 각도를 일정하게 한다. 이렇게 이루어진 지문인식 장치에서 광원(300)에 의해 지문의 골(101)부분과 융선(102)부분의 형상에 의한 빛의 산란과 전반사를 이용하여 지문영상의 가시도(Visibility)를 최적화하여 고품질의 지문영상을 제공하고 지문영상검출기, 즉 카메라의 각도를 조절하여 지문을 복사 또는 인쇄하여 도용하는 것을 방지 할 수 있다.

도 1은 종래기술의 지문인식장치를 나타내는 도면.

도 2는 본 발명의 전체적인 구성을 나타내는 도면.

도 3은 본 발명에서 지문출력면에서 나오는 빛과 카메라모듈의 중심축과 이루는 각도를 나타내는 그래프.

도 4는 카메라모듈의 중심 축이 이루는 각도를 나타내는 그래프.

도 5는 본 발명에서 광원에서 지문입력면에 닫는 광원을 나타내는 도면.

도 6은 가시성(Visibility)을 최대로 하는 광원의 입사각(Light Angle)을 나타내는 도면.

도 7은 본 발명에서 광원에서 지문입력면에 닫는 광원의 부분확대도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 손가락 101 : 골(Valley)

102 : 융선(Ridge) 200 : 프리즘

201 : 지문입력면 202 : 지문반사면

203 : 지문출력면 300 : 광원(Light source)

301 : 입사각(Light angle) 400 : 카메라모듈

401 : 지문인식단말기 402 : 전자회로부

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 지문인식장치는 지문입력면과 상기 지문입력면의 마주보는 모서리를 포함하는 지문반사면 및 지문출력면으로 삼각프리즘을 형성하고, 상기 삼각프리즘 내로 빛을 방사하도록 프리즘 두 개의 측면 중 한쪽 측면에 위치되게 광원을 배치하고, 상기 지문입력면에서 산란되는 빛 중 지문반사면에 반사된 빛을 감지하는 카메라모듈과 지문인식단말기를 포함하는 지문인식장치에 있어서, 상기 지문입력면과 지문반사면이 이루는 각도를 75±5°로 하고, 상기 지문출력면과 지문입력면이 이루는 각도를 60±5°로 하는 프리즘을 형성한다. 상기와 같이 형성된 프리즘 일면 중 지문입력면의 수직선과 광원의 입사각(light angle)을 45°이상으로 하게 배치되고 카메라모듈의 광축방향과 지문인식면의 각도를 인쇄지문이 인식되지 않는 각도의 범위로 설치한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 전체적인 구성을 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 지문인식장치는 지문입력면(201)과, 상기 지문입력면(201)의 마주보는 모서리 중 한쪽 모서리를 포함하여 이루어진 지문반사면(202)과 상기 지문입력면(201) 모서리의 반대쪽 모서리를 포함하여 이루어진 지문출력면(203)으로 삼각프리즘(200)을 형성한다. 상기와 같이 형성된 프리즘(200)은 지문입력면(201)과 지문반사면(202)이 이루는 각도를 75±5°로 하고, 상기 지문출력면(203)과 지문입력면(201)이 이루는 각도를 60±5°로 형성한다.

이때 지문입력면(201)에 손가락(100)의 지문이 닫는 것을 최대한 효율적으로 하기 위하여 지문입력면(201)에 약 10㎛ 정도의 업저버레이어코팅(Absorber Layer Coating: 톨루엔, 액상결합제, 유리화물질, 새상안료로 배합된 본 분야에서 관용적으로 사용되는 코팅 재질 임) 및 하드코팅(Hard Coating) 처리를 하여 지문 굴곡에 따른 빛의 산란 강도를 극대화시켜 성능향상을 가지게 하며 지문접촉에 의한 프리즘(200)면의 훼손방지 역할도 겸하고 있다. 그리고 지문 입력면에 항균성이 있는 코팅막을 부가하여 사용자간의 위생적 사용이 가능하도록 하였다. 또한 손가락(100)의 접촉이 이루어지는 프리즘(200)의 지문입력면(201)의 외곽 고정부위에 전도체를 장착시켜 지문입력시 인체의 몸을 타고 들어오는 노이즈신호(50Hz ∼ 60Hz)를 지문인식단말기(401)에 50Hz ∼ 60Hz 의 주파수를 감지시킨다. 이러한 주파수 신호를 이용하여 지문인식단말기(401) 내의 회로를 통하여 광원 및 전자회로부(402)에 동기신호를 전달하게 하여 사용자가 지문입력면에 손가락을 접촉하였을때만 지문인식기가 동작되게 한다. 상기 전달된 동기신호에 의해 지문입력면(201)을 통한 카메라모듈(400)에 지문의 패턴이 결상되어진 지문영상 데이터를 전자회로부(402)에서 처리하게 되어진다.

이렇게 형성되어진 프리즘(200)에 입사되는 광원(300)은 프리즘(200)의 측면 일부 위에 배치되어 프리즘(200) 내부로 광원(300)을 방사하게된다. 여기서 광원(300)은 측면의 일부 위에 배치되지만 프리즘(200)의 측면에 접촉하여 배치하는 것이 바람직할 것이다. 상기 프리즘(200) 내부로 입사되는 광원(300)은 지문입력면(201)에서 일부 광은 입력면을 관통하여 지문의 골부위로 입사되어 지문의 골부위에서 반사되나 이는 프리즘으로 다시 입력되지 못하거나 부분적으로 입력되고, 지문입력면에 접촉된 지문의 융선 부위에서는 산란되어 반사된다. 지문입력면에서 반사 또는 산란된 광은 프리즘전체로 분산되고 그 일부가 지문반사면에서 반사되고 지문반사면에서 반사된 광은 지문출력면을 통하여 공기 중으로 출력되면 출력된 광은 지문입력면과 일정각도로 배치된 카메라에 입력하게되어 지문을 인식하게 된다.

이때 지문입력면에서 지문반사면으로 입력되는 광의 입력각은 프리즘의 전반사 각과 일치하지 않음으로 지문반사면에서 프리즘외부로 방출되게 되어 지문출력면으로 반사되는 반사광이 감소하게 됨으로서 지문인식이 곤란하게 된다. 이를 방지하기 위하여 금, 은, 알루미늄 등의 재질로 지문입력면에서 반사된 광의 전부를 지문 출력면으로 반사시키기 위하여 전반사코팅처리를 하여 지문반사면(202)에 입사되는 빛의 전부를 반사시켜 효과를 최대로 증대시킨다. 상기 지문반사면(202)에서 반사되는 빛은 지문출력면(203)을 지나게 된다. 상기 지문출력면(201)에서 나오는 빛은 지문의 중요한 정보뿐만 아니라 주변 광 등에 의한 불요불급한 빛이 포함되어 있다. 그래서 프리즘(200)내부로 방사되는 광원(300)을 황록색(또는 적색)의 광원(300)을 사용할 경우 황록색(또는 적색)의 정보가 지문에 대한 주요 정보가 된다. 이러한 특성에 따라 황록색(또는 적색) 이외의 광은 결상 후 신호처리 시에 노이즈(noise)로 작용하게 되므로 이를 최소화하기 위하여 황록색(또는 적색)의 정보만을 감지할 수 있도록 프리즘(200)의 지문출력면(201)에 밴드패스코팅(Band Pass Coating) 처리(SiO₂와 TiO₂의 조합적인 코팅처리)를 통하여 황록색(또는 적색)의 광에 대하여 투과를 최대로 하고 나머지의 색광에 대해서는 투과를 최소로 할 수 있는 광학적인 코팅을 한다. 다른 색상의 광원을 사용할 경우에도 같은 원리가 적용된다. 상기 지문출력면을 지나는 노이즈가 최대 감소한 지문 영상은 카메라 모듈(400)을 통하여 지문인식단말기(401)에 결상된다.

상기 결상된 지문영상(500)은 지문의 골(101)에 대응하는 부분은 어둡게 되고, 융선(102) 부분에 대응하는 부분은 상대적으로 밝게 되어 지문의 패턴으로 인식되어진다, 상기 지문영상은 전자회로(402)부분에서 지문 데이터, 다시 말해 영상전기신호의 데이터가 처리되어진다.

이때 정상적인 지문에서는 광원의 입사된 광이 융선부위는 반사하나 골부위는 골과 프리즘면에 공기층이 형성되어 골부위에서 반사되는 광은 프리즘으로 재 입사하지 않거나 부분적으로 입사하게 되어 빛의 강도에 의한 지문인식을 하게 된다. 이때 지문의 골과 융선부분에서의 강도를 크게 하기 위하여 광원을 지문입력면(201)의 수직선과 광원(300)의 중심축과 이루는 사이각을 35도에서 60도 범위로한다.

상기한 광원입사각에서 가시도(V)가 통상의 광학계에서 화상이 잘 인식되는 0.5이상이 되는 과정을 살펴보면, 도 6 및 도 7에 나타난 바와 같이 가시도는 광원의 입사각이 45도 이상에서 최대로 되고 그 이상의 각도에서는 포화되며 반사광의 강도(I)는 광원의 입사각에 따라 코사인 함수적으로 감소하게 된다. 두 개의 함수그래프를 곱하면(V*I), 광학계가 양호하게 인식하는 최적의 가시도인 0.5이상의 범위 V*I영역은 35도에서 60도 범위가 된다. 즉, 도 7에 나타난바와 같이, 광원의 각도를 조정함으로서 지문의 융선과 골부분에서의 반사되는 광원의 강도는 지문입력면(201)의 수직선과 광원(300)의 중심축과 이루는 사이각, 즉 광원(300)이 지문입력면(201)에 입사되는 입사각(Light angle, Incident Angle)을 Φ로 입사시켰을 때 도 6에서 나타나는 바와 같이 지문의 융선(102)부분으로 나타나는 A부분에 대한 산란광의 세기와 지문의 골부분으로 나타나는 B부분에 대한 산란광의 세기가 입사각 Φ와 L(지문의 융선과 골의 폭), d(골의 깊이)에 의해 결정이 된다. 상기와 같이 각각의 영역으로부터 산란광의 관측영역 크기가 L인 경우에 각각의 산란광의 세기(Intensity)를 I₁, I₂라 칭하면 가시성(Visibility) V는 관계식에 의해 결과적으로 관계식의 결과를 가지게 된다. 단, 조건은 L-2d tanΦ≥0 인 경우에만 상기의 식이 성립된다. 상기의 조건이 아닌 경우에는 V=1이 된다(포화영역). 이러한 관계식을 분석한 그래프를 도 7에 나타냈으며 계산상 편의를 위해 L=2d 라는 가정을 하였다.

상기 도 7의 그래프로 미루어 볼 때 입사각 Φ가 크면 클수록 가시성 V 가 증대됨을 알 수 있다.

이와 같이 상기 원리에 의해 광원의 입사각 Φ을 45°에서 최고치가 나오며 35°∼ 60°이상으로 설정하여 광학 설계상의 최적화를 기하였다. 인쇄된(굴곡 형상이 없는) 상의 접촉 시에는 d=0 이 되므로 상기 V에 대한 식에 의하여 가시도가 0으로 떨어짐을 이론상으로 확인할 수 있다. 실제에 있어서 인쇄면의 부분적인 흡수 및 반사의 현상으로 인하여 조명계의 배치에 따라 카메라와 프리즘의 배치에 대한 각도 설정의 범위를 도 4와 같이 좀 더 확장할 수 있게 되어 지문의 도용 방지 영역에 관한 범위를 확장할 수 있게 된다.

또한 인쇄된 지문을 지문입력면에 접촉하면 물질의 내부전반사 조건에 의하여 전반사각 이상의 조건에서는 외부로부터 들어오는 빛은 프리즘내부에 영향을 못 미치게 되고 이는 카메라 등의 광학결상장치에서 상으로서 작용하지 못하는 원리를 활용하여 본 발명의 프리즘 제 3면으로부터 출사되는 인쇄된 지문의 정보는 지문입력면과 카메라의 렌즈 광축과의 경사각(즉, 지문출력면 방향에서의 지문입력면과의 법선방향의 각도: 도 3 참조)이 하기에 기술하는 θ이상일 경우에는 인쇄된 지문 화상은 평면정보로 인식 즉 지문화상으로 인식하지 못한다. 따라서 카메라 설치각도에 따라 인쇄된 지문을 입력하여도 지문인식기가 인식을 하지 못하기 때문에 타인의 지문을 복사 인쇄하여 사용할 수 없다.

전반사 되는 각도(전반사각, 본 발명에서는 한 예로 유리의 재질이 BK7인 것을 사용한 경우 굴절율 n=1.52이고 계산에 의하여 전반사각은 41.8°) 이상에 해당되는 방향의 빛의 정보만 감지할 수 있도록 지문입력면과 카메라에 입력되는 광축, 즉 카메라모듈의 중심축과 지문입력면과의 경사각 θ= 90°- θ₂- sin^-[n sin(θ₃- θ₁+ θ_c)] 로 함( θ₃는 지문입력면과 지문출력면의 사이각이며 θ₁는 지문입력면과 지문반사면의 사이각, θ_c는 sin^-(1/n), n 은 프리즘의 굴절율)으로서 이 각도이상으로 카메라를 설치함으로서 인쇄된 지문이 인식되지 않는 지문인식기를 실현하였다. 도 4는 카메라 설치각도에 다른 지문도용불가영역과 도용가능영역을 나타낸다.

본 발명을 실제지문인식기에 적용함에 있어 카메라의 종류에 따른 앵글각(View Angle)이 상이 할 수 있음으로 이를 고려하여 도용불가는 영역의 각도로 카메라를 설치하여야 함은 당연한 사실이다.

따라서 본 발명에서는 지문입력면에 입사되는 광원의 각도를 계산하여 정상적인 지문의 가시도는 최대가 되고 인쇄지문, 즉 평면지문의 가시도는 최소화 시키는 광원의 각도를 도출하고 인쇄지문이 카메라에 결상되지 않도록 하는 카메라설치각도를 추출하여 본 발명의 시스템에 적용하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 지문인식장치는 일정한 내부각도를 갖는 프리즘과 상기 프리즘의 일측 면에 광원을 배치하고 지문입력면의 수직선과 이루는 광원의 입사각을 45°이상으로 함으로써 지문의 가시도를 최적화하고 카메라의 각도를 인쇄지문이 인식되지 않는 각도로 선정하여 배치함으로서 지문화상의 선명도를 높이고 도용을 방지하며 프리즘 제작을 용이하게 하며 제작원가를 낮출 수가 있고, 광원의 위치설정 및 카메라모듈의 축방향이 설정을 쉽게 할 수 있다. 또한 프리즘의 지문입력면에 업저버레이어코팅 및 하드코팅을 함으로써 지문에 의한 산란 효과를 증대시키고 타인의 오염방지를 함과 동시에 전도체를 장착함으로써 지문인식장치의 절전효과를 가져오게 되고, 프리즘의 지문반사면에 전반사가 이루어지도록 전반사처리코팅을 하며, 지문 출력면 또한 밴드패스코팅처리를 함으로써 색광에 대하여 선택적 투과를 최대로 하여 지문 영상의 가시성을 높여주는 요소를 덧붙였다.

본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다.

Claims

지문입력면과, 상기 지문입력면의 마주보는 모서리를 포함하는 지문반사면 및 지문출력면으로 형성된 삼각프리즘, 상기 삼각 프리즘내로 빛을 방사하도록 프리즘 두 개의 측면 중 한쪽 측면에 배치되는 광원, 상기 지문입력면에 입력되는 지문영상을 지문반사면에서 반사시켜 지문영상을 감지하는 검출기, 및 상기 검출기에서 검출된 지문영상을 처리하는 전자회로부를 포함하는 지문인식장치에 있어서,

상기 지문반사면은 상기 지문입력면에서 입력된 지문영상을 전반사시키기 위하여 금, 은, 알루미늄중 어느 하나의 전반사재질로 코팅하고, 상기 지문입력면과 상기 지문반사면이 이루는 각도를 75±5°로 하고, 상기 지문출력면과 상기 지문입력면이 이루는 각도를 60±5°로 하는 것을 특징으로 하는 지문인식장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서,

상기 지문입력면에 톨루엔, 액상결합제, 유리화물질, 색상안료를 조합하여 약 10㎛ 정도의 업저버레이어코팅(Absorber Layer Coating)을 하고, 인체의 몸을 타고 들어오는 노이즈신호(50Hz ∼ 60Hz)를 감지하여 지문인식단말(401)을 동작시키기 위한 전도체를 장착하는 것을 특징으로 하는 지문인식장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서,

상기 지문출력면에 SiO2와 TiO2를 조합한 재질로 밴드패스코팅(Band Pass Coating)처리한 것을 특징으로 하는 지문인식장치.
삭제
제1항, 제4항, 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 지문영상을 감지하는 검출기는 검출기모듈의 중심축과 지문입력면의 법선방향으로의 지문입력면과 경사각 θ( 단, θ= 90°- θ₂- sin^-[n sin(θ₃- θ₁+ θ_c)]이며θ₃는 지문입력면과 지문출력면의 사이각, θ₁는 지문입력면과 지문반사면의 사이각, θ_c는 sin^-(1/n), n 은 프리즘의 굴절율)로 경사지게 설치한 것을 특징으로 한 지문인식장치.