KR100704535B1 - 지문 입력 장치 - Google Patents

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KR100704535B1
KR100704535B1 KR1020020033638A KR20020033638A KR100704535B1 KR 100704535 B1 KR100704535 B1 KR 100704535B1 KR 1020020033638 A KR1020020033638 A KR 1020020033638A KR 20020033638 A KR20020033638 A KR 20020033638A KR 100704535 B1 KR100704535 B1 KR 100704535B1
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히구치테루유키
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닛폰 덴키 가부시끼 가이샤
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/117—Identification of persons
    • A61B5/1171—Identification of persons based on the shapes or appearances of their bodies or parts thereof
    • A61B5/1172—Identification of persons based on the shapes or appearances of their bodies or parts thereof using fingerprinting
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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    • G06V40/00—Recognition of biometric, human-related or animal-related patterns in image or video data
    • G06V40/10—Human or animal bodies, e.g. vehicle occupants or pedestrians; Body parts, e.g. hands
    • G06V40/12—Fingerprints or palmprints
    • G06V40/13—Sensors therefor
    • G06V40/1324—Sensors therefor by using geometrical optics, e.g. using prisms

Abstract

충분한 콘트래스트를 제공하는 지문 화상을 얻을 수 있는 지문 입력 장치가 제공된다. 이 지문 입력 장치는 측정 대상 손가락의 지문 측정부로부터 지문 화상을 촬상(pick up)하는 2차원 화상 센서; 및 상기 2차원 화상 센서의 화상 촬상면 상에 적재된 투명 고체막으로서, 상기 2차원 화상 센서가 지문 화상을 촬상할 때 상기 투명 고체막 상에 상기 지문 측정부가 놓이는 투명 고체막을 구비하며, 상기 지문 입력 장치는 명부로서 지문 측정부의 지문 능선부의 화상을 촬상하고, 암부로서 지문 측정부의 지문 골짜기부를 공기층을 통하여 촬상하며, 상기 투명 고체막의 굴절율은 화상의 콘트래스트가 미리 결정된 값보다 크다는 것을 충족시킨다.
지문 입력 장치, 지문 능선부, 투명 고체막, 굴절율, 투과율, 콘트래스트

Description

지문 입력 장치{Fingerprint input device}
도 1은 투명 고체막의 굴절율과 콘트래스트와의 관계를 고찰하기 위한 모델을 도시하고, 투명 고체막에 지문 측정부가 적재된 상태를 도시하는 단면도.
도 2는 투명 고체막의 굴절율과 콘트래스트의 관계를 도시하는 제 1 그래프.
도 3은 투명 고체막의 굴절율과 콘트래스트의 관계를 도시하는 제 2 그래프.
도 4는 손가락의 굴절율이 1.4인 것으로 한 경우의 투명 고체막의 굴절율과 투과율의 관계를 도시하는 제 1 그래프.
도 5는 손가락의 굴절율이 1.4인 것으로 한 경우의 투명 고체막의 굴절율과 투과율의 관계를 도시하는 제 2 그래프.
도 6은 손가락의 굴절율이 1.5인 것으로 한 경우의 투명 고체막의 굴절율과 투과율의 관계를 도시하는 제 1 그래프.
도 7은 손가락의 굴절율이 1.5인 것으로 한 경우의 투명 고체막의 굴절율과 투과율의 관계를 도시하는 제 2 그래프.
도 8은 지문 능선부의 중심점 바로 아래의 점 X0이 수광하는 광을 모식적으로 도시한 도면.
도 9는 지문 골짜기부의 중심점 바로 아래의 점 X1이 수광하는 광을 모식적 으로 도시한 도면.
도 10은 콘트래스트 C0이 100%인 경우의 투명 고체막의 두께의 지문 능선 간격에 대한 비율과 콘트래스트 C1의 관계를 도시하는 그래프.
도 11은 콘트래스트 C0이 60%인 경우의 투명 고체막의 두께의 지문 능선 간격에 대한 비율과 콘트래스트 C1의 관계를 도시하는 그래프.
도 12a는 본 발명의 실시예에 의한 지문 입력 장치의 시험 제작품을 도시하는 단면도.
도 12b는 본 발명의 실시예에 의한 지문 입력 장치의 시험 제작품을 도시하는 평면도.
도 13은 본 발명에 의한 지문 입력 장치의 기본 구성을 도시하는 개념도.
도 14는 본 발명의 실시예 1에 의한 지문 입력 장치에 지문 측정부를 적재하였을때의 상태를 도시하는 단면도.
도 15는 본 발명에 의한 지문 입력 장치에 지문 측정부를 적재하였을때의 상태를 도시하는 확대 단면도.
도 16은 본 발명의 실시예 2-1에 의한 지문 입력 장치의 구조를 도시하는 단면도.
도 17은 본 발명의 실시예 2-2에 의한 지문 입력 장치의 구조를 도시하는 단면도.
도 18은 광섬유(개구율 0.35) 다발을 사용한 광투과형 지문 입력 장치가 촬 상한 지문 화상을 도시하는 사진.
도 19는 본 발명의 실시예에 의한 지문 입력 장치가 촬상한 지문 화상을 도시하는 사진.
도 20은 본 발명의 실시예 3-1에 의한 지문 입력 장치의 구조를 도시하는 단면도.
도 21은 본 발명의 실시예 3-2에 의한 지문 입력 장치의 구조를 도시하는 단면도.
도 22는 본 발명의 실시예 3-3에 의한 지문 입력 장치의 구조를 도시하는 단면도.
도 23은 본 발명의 실시예에 의한 2개의 점 광원을 구비하는 지문 입력 장치의 구조를 도시하는 단면도.
도 24a는 본 발명의 실시예에 의한 면 광원을 구비하는 지문 입력 장치의 구조를 도시하는 단면도.
도 24b는 본 발명의 실시예에 의한 면 광원을 구비하는 지문 입력 장치의 구조를 도시하는 평면도.
도 25a는 본 발명의 실시예에 의한 선광원을 구비하는 지문 입력 장치의 구조를 도시하는 단면도.
도 25b는 본 발명의 실시예에 의한 선광원을 구비하는 지문 입력 장치의 구조를 도시하는 평면도.
도 26은 본 발명의 실시예 4에 의한 맥동 검출 회로의 구성을 도시하는 블록 도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1. 손가락 2. 지문 능선부
3. 지문 골짜기부 4. 투명 고체 보호막
5. 2 차원 화상 센서 10. 차광체
13. 마이크로 렌즈
본 발명은 지문 입력 장치에 관한 것으로, 특히 2차원 화상 센서를 사용하여 지문 형상을 직접 얻는 지문 입력 장치에 관한 것이다.
종래, 이러한 종류의 지문 입력 장치는 렌즈나 프리즘 또는 광섬유 등의 광학 부품을 사용하여, 미리 결정된 각도로부터 손가락끝의 지문에 대하여 광을 조사하고, 그 반사광을 집광하여 지문의 화상을 출력하는 것이 일반적이다. 이밖에, 광학계를 사용하여 지문의 화상을 얻는 대신에, 정전 용량에 의해서 직접 지문 화상을 입력하는 방식도 연구되고 있다.
또한, 광학 장치로 직접 지문 화상을 입력하는 방식도 연구되고 있다. 이방식으로서는 손가락끝의 피부에 광을 조사하고, 그로부터의 반사광을 사용하는 반사광 방식과, 손가락의 내부에 광을 넣고, 손가락 표면에서 다시 나오는 광을 광섬유의 다발의 끝면에서 받는 투과광 방식이 알려져 있다.
그러나, 이러한 종래의 지문 입력 장치에서는 렌즈나 프리즘 또는 광섬유등의 광학 부품을 사용하고 있는 경우, 상기 광학 부품 자체의 크기나 그 설치 장소 등이 어느정도 필요하게 됨과 동시에, 이들 광학 부품이 비교적 비싸고, 장치의 박형화나 소형화, 또한 저가격화를 방해한다고 하는 문제점이 있었다. 또한, 이들의 광학 부품에 의해 지문의 화상을 광학 처리한 경우, 얻어진 화상에 왜곡이 생기기 쉽다고 하는 문제점이 있었다.
한편, 정전 용량에 의해서 직접 지문 화상을 입력하는 방식에서는 외래 정전기에 대단히 약하고, 또한 양호한 감도를 얻기 어렵다고 하는 문제점이 있었다.
또한, 직접 지문 화상을 얻는 광 반사형의 지문 입력 장치가 종래부터 알려져 있다. 상기 지문 입력 장치에서는 2차원 화상 센서의 이면으로부터 2차원 화상 센서의 표면에 접하는 손가락에 광을 2차원 화상 센서의 간극을 통해서 접촉한다. 2차원 화상 센서와 손가락과의 사이에 있는 막이 손가락과 접촉하는 지문 능선부에서는 손가락에 접촉한 광은 접촉면에서 반사하지 않고 손가락 내에 들어가지만, 그 막과 손가락이 접촉하지 않는 지문 골짜기부에서는 그 막에 반사하지 않고 그 막으로부터 출사한 광은 손가락의 표면에서 반사되어, 다시 막을 통해 2차원 화상 센서에 입사한다. 따라서, 2차원 화상 센서에 반사광이 입사하는지 여부로 지문 능선부와 지문 골짜기부를 식별할 수 있다. 상기 방식에서는 2차원 화상 센서의 이면으로부터 2차원 화상 센서의 표면에 면하는 손가락에 광을 접촉할 필요가 있기 때문에, 센서 소자 사이에 광을 통과시키는 부분을 다수 필요로 하여, 센서 소자의 밀도를 저하시키고, 해상도를 희생하게 하는 외에 센서 구조가 특수한 것이 되어 제조 비용이 높아진다. 이밖에, 동작상의 문제로서, 주위의 광(외란광)이 손가락의 측정면 이외의 부분으로부터 손가락에 들어가고, 상기 광이 손가락내로부터 산란하여 지문 능선부와 상기 막과의 접촉면을 통과하여 광 화상 센서에 입사한 경우, 상기 광이 상기 반사광과 강도가 같은 정도로 되어, 지문 화상이 얻어지지 않게 되는 경우가 생기는 결점이 있다.
또한, 종래 기술로서 알려져 있는 투과형의 지문 입력 장치에서는 광섬유의 다발의 끝면에 손가락을 가압하여 손가락이 광을 받으면 지문 화상이 나타나는 현상을 이용하고 있었기 때문에, 광섬유의 다발을 긴 채로 사용하거나 슬라이스하여 짧게 하는 방법을 사용하는 외에는 없기 때문에, 지문 입력 장치가 커지거나 지문 입력 장치의 제조 비용이 높아지거나 하는 결점이 있었다. 또한, 광섬유를 대단히 짧게 하는 즉 광섬유를 얇게 슬라이스하는 것도 한계가 있어, 박형화의 제약으로 되고 있었다. 또한 최근, 지문 입력 장치의 필요성은 광범위한 분야로 확대되었다. 따라서, 특히 IC 카드 등과 같이 만곡하는 경우도 생각해야 되는 용도나, 각종의 그립이나 필기용구, 펜형상의 포인터 등의 축 등의 곡면에 장착할 필요가 있는 용도가 출현하여, 종래의 단결정 실리콘을 사용한 유연성이 전혀 없는 2차원 화상 센서만으로서는 불충분하게 되었다.
본원의 발명자는 이들의 과제를 해결하는 지문 입력 장치를 일본 공개특허2000-217803호에 개시하였다. 상기 지문 입력 장치는 투과광 방식이지만, 광섬유를 구비하지 않고, 2차원 화상 센서와 2차원 화상 센서 상에 배치된 유리 등의 투명부재로 이루어지는 손가락끝을 적재하기 위한 커버를 구비한다. 상기 지문 입력 장치는 커버와 손가락이 접촉하는 지문 능선부를 명부로서 검출하고, 커버와 손가락이 접촉하지 않는 지문 골짜기부를 암부로서 검출한다. 또한, 상기 지문 입력 장치는 손가락의 끝부분을 조사하는 제 1 광원과 손가락의 제 1 관절 부근을 조사하는 제 2 광원을 구비하고 있어도 좋다. 이들의 광원으로부터 출사한 광은 손가락끝부에 입사하고, 손가락끝부에서 산란되어, 그 중의 일부가 지문 영역을 향하기 때문에, 2차원 화상 센서의 검출하는 지문 화상의 콘트래스트를 올릴 수 있다.
그러나, 일본 공개특허2000-217803호에서는 지문 입력 장치로 사용되는 커버로서, 예를 들면, 유리를 사용할 수 있다고 개시하고 있을 뿐이고, 커버 재질의 굴절율 및 커버의 두께를 규정하지 않고 있다. 따라서, 커버 재질의 굴절율에 따라서는 충분한 콘트래스트를 가진 지문 화상을 얻을 수 없는 일이 있었다. 또한, 커버의 두께에 따라서도, 충분한 콘트래스트를 가진 지문 화상을 얻을 수 없는 일이 있고, 또한, 2차원 화상 센서를 보호하기 위한 충분한 보호 기능을 얻을 수 없는 일이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 충분한 콘트래스트를 가진 지문 화상을 얻을 수 있는 지문 입력 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 2차원 화상 센서를 보호하기 위한 충분한 보호 기능을 갖는 지문 입력 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
더욱이, 본 발명은 유연성이 있는 지문 입력 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
충분한 콘트래스트를 얻는 목적을 달성하기 위해서, 손가락과 손가락에 접하는 투명 고체와의 사이의 광의 굴절, 반사, 투과의 상황을 상세하게 분석한 결과, 지문 능선부에서는 손가락과 투명 고체부분과의 경계면에서의 반사가 거의 0이고 손가락내로부터 투명 고체 부분에 광이 투과하며, 한편, 지문 골짜기부에서는 투명 고체부분과 손가락의 피부 사이에 공기층이 생기기 때문에, 손가락내와 공기층과의 경계면에서의 경계면 사이의 굴절율의 차이 및 공기층과 투명 고체부분과의 경계면에서의 경계면 사이의 굴절율의 차이가 크므로, 각각의 경계면에서의 반사율이 크고, 손가락내의 산란광의 투명 고체막내에의 투과 과정에서 반사손실이 양쪽의 반사율의 곱으로 가능하게 된다. 그와 더불어, 손가락내로부터 공기 중에의 광의 방사에 있어서는 손가락내와 공기의 굴절율의 관계로 임계각이 존재하고, 손가락내 산란광의 약 1/2밖에 방출되지 않는 현상을 동반한다. 이들의 현상을 이용함으로써, 투과광 방식이면서 광섬유의 다발을 사용하지 않은 구조로, 광섬유의 다발을 사용하는 종래 방식 이상으로 확실한 지문 능선 화상, 즉, 결핍부분이 적은 능선 화상을 얻을 수 있다.
먼저, 손가락이 접하는 부분, 즉, 투명 고체막은, 손가락을 가압한 경우, 지문 능선부가 어느 정도 흔들려 밀착하고, 지문 골짜기부로는 들어가지 않을 정도의 경도가 있는 것을 사용한다. 상기 투명 고체막은 2차원 화상 센서 표면을 보호하는 역할을 갖지만, 단단하게 강도가 있는 것을 선택할 필요가 있는 것은 상기의 조건에 모순하지 않는다. 또한, 상기 투명 고체막의 두께를 지문 능선의 간격보다 충분히 얇게 선택하면 지문 화상은 선명하게 결상한다.
여기서, 투명 고체막의 굴절율에 관해서 고찰한다.
손가락의 외피의 굴절율은 손가락끝의 건조도에 따라 다르고, 개인간에서도 다르지만, 물의 굴절율이 1.33, 지방의 굴절율이 1.4 내지 1.5, 동물성 단백질로 이루어지는 양모의 굴절율이 1.56이기 때문에, 손가락의 외피의 물의 함유율이 중량 40 내지 50%, 지방의 함유율이 중량 10%, 단백질의 함유율이 중량 50 내지 40%인 것으로 예상하면, 1.43 내지 1.46의 범위에 있고, 더욱이 예상 오차를 고려하면 1.4 내지 l.5의 범위에 있다.
일본 공개특허 2000-217803호에서는 본 발명의 투명 고체막에 상당하는 커버의 재질로서 유리를 사용한 것으로 하였다. 유리의 굴절율은 유리의 종류에 따라 다르다:
석영 유리(SiO2): 1.458
파이렉스(Pyrex) 유리(Na2O-B2O3-SiO2): 1.47
소다 라임 실리카(soda lime silica) 유리(Na2O-CaO-SiO2): 1.51 내지 1.52
불투명 플린트(Dense flint) 유리: 1.6 내지 1.7
B2O3 유리: 1.456
36BaO 64B2O3 유리: 1.630
50PbO 50B2O3 유리: 1.878
GeO2 유리: 1.607
BeF2 유리: 1.2747
20LiF 30NaF 50BeF2 유리: 1.315
25NaF 25BaF2 50ZrF4 유리: 1.523
7LaF 33ThF4 60ZrF4 유리: 1.547
보여진 바와 같이, 상기 예에서는 유리 굴절율이 1.2747 내지 1.878의 범위에 있다. 이 범위는 손가락의 굴절율의 범위를 포함하며 손가락보다 넓다.
한편으로는, 지문 화상으로서 2진 화상을 얻기 위하여는, 지문 능선부와 지문 골짜기부간에 콘트래스트가 제공되어야 한다. 회로에 생긴 잡음 및 외란 광으로 인한 잡음의 영향을 고려하면, 지문 능선부와 지문 골짜기부간의 콘트래스트는 클(sharp) 수록 바람직하다. 그러므로, 투명 고체막의 굴절율과 콘트래스트 사이의 관계를 도 1에 도시된 바와 같은 모델을 사용하여 살펴본다.
도 1에서, 각각의 부호는 다음과 같다:
①: 손가락 외피부
②: 공기층(참조번호 7)
③: 투명 고체막(참조번호 4)
n1: 손가락 외피의 굴절율
n2: 공기의 굴절율
n3: 투명 고체막의 굴절율
θ1L: 지문 능선부에서 투명 고체막에 대한 광의 입사각
θ3L: 지문 능선부 바로 아래에서 투명 고체막으로의 광의 출사각
θ1D: 지문 골짜기부에서 공기층에 대한 광의 입사각
θ2D: 지문 골짜기부 바로 아래에서 공기층으로의 광의 출사각
θ2 Di: 지문 골짜기부 바로 아래에서 공기층으로부터 투명 고체막에 대한 광의 입사각
θ3D: 지문 골짜기부 바로 아래에서 공기층으로부터 투명 고체막에 대한 광의 출사각
p1L: 지문 능선부에서 손가락 외피내와 투명 고체막의 경계에 각도 θ1L을 갖고 입사하는 광의 파워(손가락 외피내에서는 광 파워는 전방향 균등 분포이기 때문에 p1L=p1, 여기서 p1은 손가락 외피내의 임의의 방향의 광의 파워)
p1D: 지문 골짜기부에서 손가락 외피내와 공기층의 경계에 각도 θ1D를 갖고 입사하는 광의 파워(p1D=p1)
p2D: 지문 골짜기부에서 손가락 외피와 공기층의 경계로부터 각도 θ2D를 갖 고 출사하는 광의 파워
p2Di: 지문 골짜기부에 생긴 공기층내에서 산란된 광 중, 공기층과 투명 고체막의 경계에 각도 θ2 Di를 갖고 향하는 광의 입사 파워
p3L: 지문 능선부에서 손가락 외피와 투명 고체막의 경계로부터 각도 θ3L을 갖고 출사하는 광의 파워
P3D: 지문 골짜기부에서 공기층과 투명 고체막의 경계로부터 각도 θ3D를 갖고 출사하는 광의 파워
투명 고체막의 두께에 의한 콘트래스트 저하가 발생하기 전의 콘트래스트 C0는 아래와 같이 정의된다.
[수학식 1]
Figure 112002018692620-pat00001
단지,
P3D: 지문 골짜기부 바로 아래의 하향의 전방향의 광의 파워
P3L: 지문 능선부 바로 아래의 하향의 전방향의 광의 파워
P1: 손가락의 외피부에 존재하는 하향의 광의 파워
TD(①→②→③): 지문 골짜기부 바로 아래로 전방향의 광에 대한 투과율
(손가락 외피부분①으로부터 공기층②으로 나가서, 공기층②에서 산란하여, 투명 고체막③에 입사하는 광의 투과율)
TL(①→③): 지문 능선부 바로 아래로 전방향의 광에 대한 투과율(손가락 외피부분(1)으로부터 직접 투명 고체막(3)에 입사하는 광의 투과율)
여기서, 굴절율 조건으로서는 제 1 굴절율 조건: n3≥n1>n2=1.OO0과 제 2 굴절율 조건: n1>n3>n2=1.000의 2 종류의 것이 있다.
제 1 굴절율 조건하에서, 다음 식이 지문 골짜기부에 대하여 충족된다.
[수학식 2]
Figure 112002018692620-pat00002
제 1 굴절율 조건하에서, 다음 식이 지문 능선부에 대하여 충족된다.
[수학식 3]
Figure 112002018692620-pat00003
이 식에서, tD는 골짜기부에서 각 입사각에 대한 광의 투과율이고,
tL은 능선부에서 각 입사각에 대한 광의 투과율이다.
제 2 굴절율 조건하에서, 다음 식이 제 1 굴절율 조건의 경우에서와 같이 지문 골짜기부에 대하여 충족된다.
[수학식 2]
Figure 112002018692620-pat00004
제 2 굴절율 조건하에서, 다음 식이 능선부에 대하여 충족된다.
[수학식 4]
Figure 112002018692620-pat00005
투과율 tD 및 tL은 광파워의 성분 P 및 S의 각 평균 투과율이다. 즉, tD 및 tL은 다음과 같이 표현된다.
[수학식 5]
Figure 112002018692620-pat00006
이고,
[수학식 6]
Figure 112002018692620-pat00007
여기에서, tP의 일반식은 다음과 같이 표현된다.
[수학식 7]
Figure 112002018692620-pat00008
tS의 일반식은 다음과 같이 표현된다.
[수학식 8]
Figure 112002018692620-pat00009
따라서, 평균 투과율(t)의 일반식은 다음과 같이 표현된다.
[수학식 9]
Figure 112002018692620-pat00010
이들 식에서,
[수학식 10]
Figure 112002018692620-pat00011
단지,
θi: 입사각
θ0: 출사각
ni: 입사광측의 굴절율
no: 출사광측의 굴절율
이고, θ0는 θi에 일의적으로 결정된다. 상기 식에서, 하기 수학식 10'이 만족된다.
[수학식 10']
nosinθo=nisinθi
또한, ni>no인 때는 경계각 θc는 아래 식으로 주어진다.
[수학식 11]
θc= sin-1(no/ni)
상기로부터, 제 1 굴절율 조건하에서, 다음 수학식들이 지문 골짜기부에 대하여 충족된다.
[수학식 12]
Figure 112002018692620-pat00012
여기에서,
[수학식 13]
Figure 112002018692620-pat00013
[수학식 14]
Figure 112002018692620-pat00014
[수학식 15]
Figure 112002018692620-pat00015
[수학식 16]
Figure 112002018692620-pat00016
[수학식 17]
Figure 112002018692620-pat00017
θ1D: 지문 골짜기부의 공기층으로 입사하는 광의 입사각
θ2 Di: 지문 골짜기부 바로 아래의 공기층으로부터 투명 고체막으로 입사하는 광의 입사각
또한, 제 1 굴절율 조건하에서, 다음 식이 지문 능선부에 대하여 충족된다.
[수학식 18]
Figure 112002018692620-pat00018
여기에서,
[수학식 19]
Figure 112002018692620-pat00019
[수학식 20]
Figure 112002018692620-pat00020
θ1L: 지문 능선부의 투명 고체막으로 입사하는 광의 입사각
제 1 굴절율 조건의 경우에서와 같이 제 2 굴절율 조건하에서, 다음 식이 지문 골짜기부에 대하여 충족된다.
[수학식 12]
Figure 112002018692620-pat00021
여기에서
[수학식 13]
Figure 112002018692620-pat00022
[수학식 14]
Figure 112002018692620-pat00023
[수학식 15]
Figure 112002018692620-pat00024
[수학식 16]
Figure 112002018692620-pat00025
[수학식 17]
Figure 112002018692620-pat00026
θ1D: 지문 골짜기부의 공기층으로 입사하는 광의 입사각
θ2 Di: 지문 골짜기부 바로 아래의 공기층으로부터 투명 고체막으로 입사하는 광의 입사각
또한, 제 2 굴절율 조건하에서, 다음 식이 지문 능선부에 대하여 충족된다.
[수학식 21]
Figure 112002018692620-pat00027
여기에서,
[수학식 22]
Figure 112002018692620-pat00028
[수학식 23]
Figure 112002018692620-pat00029
[수학식 24]
Figure 112002018692620-pat00030
이에 따라, 제 1 굴절율 조건하에서, 콘트래스트 C0는 수학식 12 및 수학식 18을 수학식 1에 대입함으로써 얻어진다. 제 2 굴절율 조건하에서, 콘트래스트 C0는 수학식 12 및 수학식 21을 수학식 1에 대입함으로써 얻어진다.
다음에, 상술한 식들을 사용한 콘트래스트 계산 결과를 설명한다. 도 2 및 3은 상기 식들을 사용하여 계산한 콘트래스트와 투명 고체막의 굴절율간의 관계를 각각 나타내는 그래프이다. 그래프 구성의 편의를 위하여, 투명 고체막의 굴절율 범위는 도 2에서 1.0 내지 2.0이고, 도 3에서는 1.0 내지 5.0이다. "+" 점들을 연결하여 얻어진 라인은 손가락 외피의 굴절율이 1.4인 경우를 나타낸다. "x" 점들을 연결하여 얻어진 라인은 손가락 외피의 굴절율이 1.5인 경우를 나타낸다. 도 2 및 도 3은 다음을 나타낸다. 투명 고체막의 굴절율이 1.0이라면, 콘트래스트 C0는 0%이다. 투명 고체막의 굴절율은 손가락 외피의 굴절율과 같아질 때까지 증가할 때, 콘트래스트 C0는 최대로 증가한다. 투명 고체막의 굴절율이 손가락 외피의 굴절율로부터 증가함에 따라, 콘트래스트 C0는 일단 다소 감소하고나서 다소 증가한다. 손가락 외피의 굴절율이 1.4이면 콘트래스트 C0의 최대값은 약 63%이고, 손가락 외피의 굴절율이 1.5이면 콘트래스트 C0의 최대값은 약 58%이다.
또한, 도 2는 다음을 나타낸다. 투명 고체막의 굴절율이 1.4이고 손가락 외피의 굴절율이 1.4인 경우, 콘트래스트 C0는 약 60%이다. 투명 고체막의 굴절율이 1.4이고 손가락 외피의 굴절율이 1.5인 경우에는, 콘트래스트 C0는 약 50%만큼 낮다. 한편, 투명 고체막의 굴절율이 1.5이고 손가락 외피의 굴절율이 1.4라면, 콘트래스트 C0는 약 58%이다. 투명 고체막의 굴절율이 1.5이고 손가락 외피의 굴절율이 1.5라면, 콘트래스트 C0는 약 63%이다. 그러므로, 이것은 개인별 손가락 외피의 굴절율의 차이, 손가락의 습기로 인한 굴절율의 변동 및 다른 분산 요인들을 고려하면, 투명 고체막의 굴절율이 손가락 외피의 최대 굴절율보다 작지 않은 것이 바람직하다는 것을 나타낸다. 최대값으로서 예컨대 1.5가 상술한 바와 같이 선택된다.
콘트래스트 C0는 항상 최대로 설정할 필요는 없다는 점에 주의해야 한다. 원하는 콘트래스트가 주어지면, 투명 고체막의 굴절율은, 투명 고체막의 굴절율에 의해 결정된 콘트래스트 C0가 원하는 콘트래스트(예컨대, 50%) 이상이 되도록 설정될 수 있다. 제 1 굴절율 조건하에서, 투명 고체막의 굴절율에 의해 결정된 콘트래스트 C0는 식 12 및 18을 식 1에 대입함으로써 얻어진다. 제 2 굴절율 조건하에서, 투명 고체막에 의해 결정된 콘트래스트 C0는 식 12 및 21을 식 1에 대입함으로써 얻어진다. 콘트래스트 C0를 이런 식으로 설정함으로써, 투명 고체막의 굴절율의 하한을 특정하는 것이 가능하다. 한편, 투명 고체막의 굴절율이 증가하더라도, 콘트래스트는 거의 감소하지 않고 다소 증가하는 경향이 있다. 그러므로, 투명 고체막의 굴절율의 상한은 원하는 콘트래스트 C0에 의해 특정될 수 없다. 환언하면, 원하는 콘트래스트 C0를 얻기 위하여, 굴절율이 미리 결정된 값보다 작지 않은 것으로 충분하고 굴절율의 상한에 어떠한 제한도 주어지지 않는다. 원하는 콘트래스트 C0가 예컨대 40%라면, 굴절율의 하한은 약 1.3으로 특정될 수 있지만, 그 상한은 특정될 수 없다.
도 4 내지 7은 굴절율 대 콘트래스트의 그래프를 얻는 과정에서 얻어진 투과율과 투명 고체막의 굴절율간의 관계를 각각 나타내는 그래프이다. 도 4 및 5는 손가락의 굴절율이 1.4인 경우의 그래프이고, 도 6 및 7은 손가락의 굴절율이 1.5인 경우의 그래프이다. 그래프 구성의 편의를 위하여, 투명 고체막의 굴절율 범위는 도 4 및 6에서 1.0 내지 2.0이고, 도 5 및 7에서는 1.0 내지 5.0이다. "*" 점들을 연결하여 얻어진 라인은 지문 능선부에서 지문 능선부 바로 아래의 영역에 전달되는 모든 방향의 광의 투과율(TL(①-③))을 나타낸다. "+" 점들을 연결하여 얻어진 라인은 지문 능선부에서 지문 골짜기부 바로 아래의 영역에 전달되는 모든 방향의 광의 투과율(TD(①-②-③))을 나타낸다. 지문 능선부에서 지문 능선부 바로 아래의 영역에 전달되는 모든 방향의 광의 투과율(TL(①-③))은 투명 고체막의 굴절율이 1.00으로부터 손가락의 굴절율과 같아질 때까지 증가한다. 투과율(TL(①-③))은 투명 고체막의 굴절율이 손가락의 굴절율로부터 증가함에 따라 감소한다. 또한, 지문 능선부에서 지문 골짜기부 바로 아래의 영역을 향하는 모든 방향의 광의 투과율(TD(①-②-③))은 투명 고체막의 굴절율이 1.00으로부터 증가함에 따라 단조 감소한다.
도 2 및 3은 투명 고체막의 굴절율이 손가락 외피의 굴절율보다 작지 않은 한 콘트래스트 C0는 거의 변하지 않는다는 것을 나타낸다. 도 4 내지 7은 투명 고체막의 굴절율이 손가락 외피의 굴절율보다 작지 않은 범위에서 투명 고체막의 굴절율이 증가함에 따라 지문 능선부에서의 광 투과율과 지문 골짜기부에서의 광 투과율은 감소한다는 것을 나타낸다. 따라서, 투명 고체막의 굴절율이 높은 경우에는 밝기가 감소하고, S/N 비(신호 대 잡음 비)가 감소하며(여기에서 외란 광으로 인한 잡음의 레벨과 회로에서 발생한 것이 잡음 성분으로서 가정됨), 콘트래스트가 제공되지 않더라도 지문 골짜기부와 지문 능선부의 식별이 부정확해질 가능성이 있다. 결과적으로, 소정 값의 잡음 가정시에 S/N 비가 원하는 값보다 작아지지 않도록 투명 고체막의 굴절율의 상한이 특정될 것이 요구된다. 손가락에 조사된 광의 강도가 증가하면, 2차원 화상 센서에 의해 결정된 지문 능선부의 밝기(신호 성분)와 지문 골짜기부의 밝기가 증가한다. 그러나, 동시에, 손가락 외피의 표면에 의해 반사된 외란 광의 밝기(잡음 성분)도 증가한다. 결과적으로, 손가락에 조사되는 광의 강도를 증가시킴으로써 S/N 비는 증가할 수 없다. 이것은, 투명 고체막의 굴절율의 상한을 제한함으로써 S/N 비가 소정 값보다 작지 않도록 한정되어야 함을 의미한다. S/N 비의 원하는 값으로서, 예컨대 10dB 또는 20dB이 선택된다.
그러나, 투명 고체막의 굴절율의 증가의 결과로서 2차원 화상 센서에 의해 검출되는 지문 능선부의 밝기(신호 성분)의 감소와 지문 골짜기부의 밝기의 감소가 작기 때문에, 상한을 엄격히 제한할 필요는 없음에 주의한다. 손가락 외피의 굴절율이 1.4라면, 막굴절율 대 투과율이 아래의 표 1에 나타낸 바와 같이 얻어진다.
n3 = 1.4 n3 = 2.0 n3 = 3.0 n3 = 4.0 n3 = 5.0
능선부 1.022 (100%) 0.875 (86%) 0.785 (77%) 0.709 (69%) 0.648 (63%)
골짜기부 0.411 (100%) 0.375 (91%) 0.325 (79%) 0.288 (70%) 0.259 (63%)
또한, 손가락 외피의 굴절율이 1.5라면, 막굴절율 대 투과율의 관계가 아래의 표 2에 나타낸 바와 같이 얻어진다.
n3 = 1.5 n3 = 2.0 n3 = 3.0 n3 = 4.0 n3 = 5.0
능선부 1.022 (100%) 0.890 (87%) 0.800 (78%) 0.731 (72%) 0.667 (65%)
골짜기부 0.406 (100%) 0.375 (92%) 0.325 (80%) 0.288 (71%) 0.259 (64%)
표 1 및 2는 다음을 나타낸다. 투명 고체막의 굴절율이 2.0이라면, 투과율은 10여 퍼센트 감소한다. 투명 고체막의 굴절율이 3.0이라면, 투과율은 약 20% 감소한다. 투명 고체막의 굴절율이 4.0이라면, 투과율은 약 30% 감소한다. 투명 고체막의 굴절율이 5.0이라면, 투과율은 약 35% 감소한다. 따라서, 투과율의 감소율이 약 10여 퍼센트로 억제된다면, 투명 고체막의 굴절율은 2.0 이하로 설정되어야 한다. 투과율의 감소율이 약 20%로 억제된다면, 투명 고체막의 굴절율은 3.0 이하로 설정되어야 한다. 투과율의 감소율이 약 30%로 억제된다면, 투명 고체막의 굴절율은 4.0 이하로 설정되어야 한다. 투과율의 감소율이 약 35%로 억제된다면, 투명 고체막의 굴절율은 5.0 이하로 설정되어야 한다.
투명 고체막의 두께가 인접한 지문 능선간의 거리보다 훨씬 작다면, 2차원 화상 센서에 의해 검출된 콘트래스트 C1은 식 1에 의해 표현된 콘트래스트 C0와 같다. 그렇지 않으면, 투명 고체막의 두께로 인한 콘트래스트 감소 때문에, 2차원 화상 센서에 의해 검출된 콘트래스트 C1은 식 1에 의해 표현된 콘트래스트 C0보다 낮다. 어떤 2차원 화상 센서에 의해 검출된 콘트래스트 C1이 원하는 콘트래스트 C1D보다 작지 않을 조건을 살펴본다. 따라서, 투명 고체막의 굴절율의 하한이 문제인데, 식 12 및 18 또는 식 12 및 21을 식 1에 대입함으로써 얻어진 콘트래스트 C0가 이 조건을 충족시킨다. 이러한 하한은 투명 고체막의 두께가 거의 0인 조건하에서만 콘트래스트 C0가 C1D로 되는 투명 고체막의 굴절율이다. 그러므로, 2차원 화상 센서에 의해 검출된 콘트래스트 C1D가 주어지면, 그러한 두께의 투명 고체막의 굴절율의 하한을 특정하기 위하여, 콘트래스트 C1D는 투명 고체막의 어떤 두께로 인한 감소를 보상하여야 한다. 그러므로, 투명 고체막의 굴절율은 원하는 콘트래스트 C1D뿐만 아니라 투명 고체막의 두께에 의해서도 결정된다. 그러나, 투명 고체막의 두께가 미리 설정되면, 투명 고체막의 굴절율이 두께로 인한 감소를 보상한 소망의 콘트래스트에 의해서만 결정된다.
그럼에도 불구하고, 전술한 바와 같이, 최대 콘트래스트 C0는 손가락 외피의 굴절율의 분산을 고려하여 투명 고체막의 굴절율이 손가락 외피의 최대 굴절율보다 작지 않은 경우에 얻어진다. 굴절율이 극히 크지 않는 한, 투과율은 감소하지 않는다. 그러므로, 손가락 외피의 굴절율 분산을 고려하여 투명 고체막의 굴절율을 손가락 외피의 최대 굴절율로 설정한 후에 투명 고체막의 두께를 결정하도록 되어 있다.
다음에, 투명 고체막의 두께를 살펴본다.
도 8은 지문 능선부의 중심점 바로 아래의 지점 X0에서 수광된 광을 나타내는 대표도이다. 도 8에서, 부호 "w"는 지문 능선간의 거리를 나타내고, "t"는 투명 고체막의 두께를 나타내고, P3L은 지문 능선부로부터 방출된 광의 강도(= 지문 능선부 바로 아래에서의 모든 방향의 하향 광의 파워)를 나타내고, P3D(= αP3L)는 지문 골짜기부로부터 방출된 광의 강도(= 지문 골짜기부 바로 아래에서의 모든 방향의 하향 광의 파워)를 나타내며, γ는 지문 능선부의 듀티를 나타낸다. 지문 능선부는 지문 골짜기부로부터 식별할 수 있기 때문에, 지점 X0에서 수광한 광은, 지점 X0 바로 위의 지문 능선부에 인접한 지문 골짜기부의 절반으로부터의 광 A-1, 지점 X0 바로 위의 지문 능선부로부터의 광 A0 및 지점 X0 바로 위의 지문 능선부에 인접한 다른 지문 골짜기부의 절반으로부터의 광 A1들이라고 가정할 수 있다. 지점 X0에서 수광한 광의 합 IX 0는 다음과 같이 표현된다.
[수학식 24]
Figure 112002018692620-pat00031
여기에서, β= t/w.
도 9는 지문 골짜기부의 중심점 바로 아래의 지점 X1에서 수광한 광을 나타내는 대표도이다. 도 9에서, 부호 "w"는 지문 능선간의 거리를 나타내고, "t"는 투명 고체막의 두께를 나타내고, P3L은 지문 능선부로부터 방출된 광의 강도를 나타내고, P3D(= αP3L)는 지문 골짜기부로부터 방출된 광의 강도를 나타내며, γ는 지문 능선부의 듀티를 나타낸다. 지점 X1에서 수광한 광은, 지점 X1 바로 위의 지문 골짜기부에 인접한 지문 능선부의 절반으로부터의 광 B-1, 지점 X1 바로 위의 지문 골짜기부로부터의 광 B0 및 지점 X1 바로 위의 지문 골짜기부에 인접한 다른 지문 능선부의 절반으로부터의 광 B1들이라고 가정할 수 있다. 지점 X1에서 수광한 광의 합 IX 1는 다음과 같이 표현된다.
[수학식 25]
Figure 112002018692620-pat00032
여기에서, β= t/w.
따라서, 콘트래스트 C1은 다음과 같이 표현된다.
[수학식 26]
Figure 112002018692620-pat00033
도 10은 지문 능선간의 거리에 대한 투명 고체막의 두께의 비 β와, 콘트래스트 C0가 100%, 즉 α= 0%인 경우의 콘트래스트 C1 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 10에서, 3개의 곡선은 지문 능선부의 듀티 γ가 30%, 50% 및 70%인 경우를 각각 나타낸다.
식 26으로부터 계산된 바와 같이, C0 = 100%인 경우에, 30%, 50% 및 70%의 듀티 γ에 대하여 콘트래스트 C1이 10% 및 20%임을 충족시키는 β값들이 다음 표 3에 나타나 있다.
Figure 112002018692620-pat00034
이와 유사하게, 도 11은 지문 능선간의 거리에 대한 투명 고체막의 두께의 비 β와, 콘트래스트 C0가 60%, 즉 α= 40%인 경우의 콘트래스트 C1 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 11에서, 3개의 곡선들은 지문 능선부의 듀티 γ가 30%, 50% 및 70%인 경우를 각각 나타낸다. 투명 고체막의 굴절율에 대한 상기의 고려로부터 분명한 바와 같이, 투명 고체막의 굴절율이 손가락 외피의 굴절율과 거의 동일하여 최적의 값에 가까운 경우에 콘트래스트 C0는 60%이다.
식 26으로부터 계산된 바와 같이, C0 = 60%인 경우에, 30%, 50% 및 70%의 듀티 γ에 대하여 콘트래스트 C1이 10% 및 20%임을 충족시키는 β값들이 다음 표 4에 나타나 있다.
Figure 112002018692620-pat00035
따라서, 지문 능선부의 듀티가 30% 내지 50% 사이에 있고 투명 고체막의 굴절율이 손가락 외피의 굴절율과 거의 동일하고 콘트래스트 C0가 최대 60%라면, 지문 능선간의 거리에 대한 투명 고체막의 두께의 비 β는 10%의 콘트래스트 C1을 얻을 수 있도록 0.64 이하여야 한다.
또한, 지문 능선부의 듀티가 70%이고 투명 고체막의 굴절율이 손가락 외피의 굴절율과 거의 동일하고 콘트래스트 C0가 최대 60%라면, 지문 능선간의 거리에 대한 투명 고체막의 두께의 비 β는 10%의 콘트래스트 C1을 얻을 수 있도록 0.51 이하여야 한다. 지문 능선간의 최소 거리가 대략 100㎛이므로, 투명 고체막의 두께는 51㎛ 이하여야 한다.
이와 유사하게, 지문 능선부의 듀티가 30%이고 투명 고체막의 굴절율이 손가락 외피의 굴절율과 거의 동일하고 콘트래스트 C0가 최대 60%라면, 지문 능선간의 거리에 대한 투명 고체막의 두께의 비 β는 20%의 콘트래스트 C1을 얻을 수 있도록 0.38 이하여야 한다. 지문 능선간의 최소 거리가 대략 100㎛이므로, 투명 고체막의 두께는 38㎛ 이하여야 한다.
더욱이, 지문 능선부의 듀티가 50%이고 투명 고체막의 굴절율이 손가락 외피의 굴절율과 거의 동일하고 콘트래스트 C0가 최대 60%라면, 지문 능선간의 거리에 대한 투명 고체막의 두께의 비 β는 20%의 콘트래스트 C1을 얻을 수 있도록 0.39 이하여야 한다. 지문 능선간의 최소 거리가 대략 100㎛이므로, 투명 고체막의 두께는 39㎛ 이하여야 한다.
게다가, 지문 능선부의 듀티가 70%이고 투명 고체막의 굴절율이 손가락 외피의 굴절율과 거의 동일하고 콘트래스트 C0가 최대 60%라면, 지문 능선간의 거리에 대한 투명 고체막의 두께의 비 β는 20%의 콘트래스트 C1을 얻을 수 있도록 0.29 이하여야 한다. 지문 능선간의 최소 거리가 대략 100㎛이므로, 투명 고체막의 두께는 29㎛ 이하여야 한다.
결과적으로, 콘트래스트 C1이 약 10%인 경우 손가락이 지문 입력 장치의 출력으로부터 검출될 수 있음을 고려할 때, 지문 능선부의 듀티가 대표적으로 50%이고, 지문 능선간의 최소 거리가 대략 100㎛임을 고려하면, 투명 고체막의 두께는 64㎛ 이하이어야 한다.
한편, 투명 고체막은 2차원 화상 센서를 보호하는 작용을 하지만, 투명 고체막이 완전한 마모 저항을 갖기 어려우므로, 손상을 입을 수도 있다. 따라서, 투명 고체막은 적어도, 막이 오랜 기간 동안 여러번 사용된 후 마모되고 손상을 입은 경우에도 막에 구멍이 뚫리지 않을 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 투명 고체막의 경도에 따라, 이 두께는 0을 초과하는 유한 두께일 수 있다.
더욱이, 이 투명 고체막은 또한 보호막으로서 작용하기 때문에, 막의 내구성은, 막이 기후에 노출되는 위치에서 사용되는 경우에 더 두꺼워지는 것과 같이 더 커진다. 그러나, 투명 고체막의 두께가 증가하면, 지문 능선부와 지문 골짜기부간의 콘트래스트가 이미 상술한 바와 같이 제공되지 않을 수 있다. 따라서, 내구성 및 콘트래스트를 보장하기 위하여, 차광 재료로 각각 이루어진 작은 셀 형상의 차광벽에 의해 투명 고체막을 구획하여 수평 속도 성분을 갖는 광을 차광하도록 투명 고체막을 두껍게 만들 수도 있다. 이러한 막은, 관통 구멍이 센서 소자 및 소자 간의 거리보다 충분히 작은 크기를 갖고 높은 밀도로 배열되도록 소망의 두께를 갖는 차광 막에 관통 구멍을 뚫고, 차광 막의 관통 구멍에 투명 고체 재료를 채우고, 막의 표면을 평탄화하여 지문보다 충분히 작은 불규칙성을 갖도록 함으로써 얻어진다. 이렇게 얻어진 막은 2차원 화상 센서의 감광부 표면에 밀착된다. 이 경우에, 막의 두께는, 각 관통 구멍의 직경을 지문 능선간의 거리보다 작도록 설정할 때 지문 능선간의 거리정도 되도록 설정된다. 결과적으로, 관통 구멍은 긴 관통 구멍으로 진보된 제조 기술을 요한다. 그러나, 최근의 반도체 제조 기술을 이용하면, 장치를 쉽게 제조할 수 있다.
더욱이, 셀 형상의 차광벽이 2차원 화상 센서의 각 소자에 정렬하도록 형성될 수도 있다. 그렇게 함으로써, 각 관통 구멍의 크기를 한 소자의 크기로 설정할 수 있다. 이 경우에, 투명 고체막에 입사하는 광의 활용률이 증가할 수 있고, 그러한 정렬이 행해지지 않은 경우보다 각 관통 구멍의 직경이 작게 설정될 수 있어, 장치의 제조를 용이하게 한다. 그러나, 이 경우에, 모든 관통 구멍의 위치가 2차원 화상 센서의 각 소자의 위치와 일치할 필요가 있다. 결과적으로, 투명 고체막과 2차원 화상 센서를 별도록 제조한 후에 그들을 서로 부착하는 것은 어렵다. 이것을 고려하면, 2차원 화상 센서를 제조하는 방법의 일부에 의해 투명 고체막을 제조할 필요가 있다. 특별한 목적의 2차원 화상 센서를 설치할 필요는 없지만 화상 센서는 표준 규격일 수 있기 때문에, 투명 보호 막을 설치하는 공정을 표준 규격의 2차원 화상 센서를 제조하는 방법에 추가하는 것으로 충분하다. 그러므로, 특별한 제조 방법은 요구되지 않으며 제조 비용도 과도하게 증가하지 않는다.
정전용량형 지문 입력 장치의 경우보다는 작지만, 손가락 끝에서 발생한 정전기로 인하여 2차원 화상 센서 등의 정전 파괴의 역효과가 있다. 2차원 화상 센서의 정전 파괴의 우려를 줄이기 위하여, 전기 도전성 재료, 예컨대 금속을 상술한 셀 형상의 차광벽을 형성하기 위한 차광 재료로서 사용하며, 벽은 정전기가 방전되도록 접지된다. 또한, 처음에 언급한 단순 투명 고체막을 이용하더라도, 도전성 투명 막을 투명 고체막의 표면에 부착하고 도전성 투명 막을 접지함으로써 손가락 끝에서 생긴 정전기가 방전될 수 있다. 도전성 투명 막의 재료로서, 예컨대 주석 산화물, 즉 ITO(Indium-Tin Oxide)가 이용될 수 있다. 도전성 투명 막은 손가락의 굴절율보다는 크고 투명 고체막의 굴절율보다는 크지 않은 굴절율을 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 큰 원자량을 갖는 인듐 산화물과 같은 금속 산화물을 포함하는 투명 재료의 굴절율은 1.5보다 크고 따라서 앞쪽의 조건을 충족시키기 때문에, 대략 뒷쪽의 조건을 충족시키는 굴절율을 갖는 투명 고체막의 굴절율을 선택함으로써 양 조건이 충족될 수 있다.
광투과형 지문 입력 장치에 따르면, 지문 측정부(지문을 갖는 부분) 이외의 손가락 표면에 조사된 외란 광은 일종의 광원으로서 작용하고, 지문의 입력에 악영향을 주지 않는다. 그러나, 그 일부가 손가락에 의해 폐쇄되지 않는 2차원 화상 센서의 감광부의 일부에 인가된 외란 광 또는 비정상적으로 강한 외란 광은 바람직하지 않다. 이것을 고려하면, 적외선 필터를 2차원 화상의 감광부에 밀착시키고 적외선을 손가락에 조사하는 광으로서 사용함으로써, 감광부에 입사하는 거의 모든 정상적인 외란 광을 차광할 수 있고, 외란 광에 의해 영향을 덜 받는 안정한 지문 화상을 얻을 수 있다. 통상적으로 얇은 적외선 필터 막이 투명 고체막의 표면에 접착되거나 또는 2차원 화상 센서(그 커버 막이 소자의 특성을 안정화시키도록 설치되고 반도체 제조 공정에서 형성되어야 하며 따라서 반도체장치 제조 방법에 의하여 수 ㎛ 이하 정도로 매우 얇음)의 커버 막 상에 접착된다. 적외선 발광 LED를 적외선의 광원으로서 사용한다. 적외선 필터 막을 투명 고체막의 표면에 접착하는 경우, 필터 막은 손가락의 굴절율보다보다 작지 않고 투명 고체막의 굴절율보다는 크지 않은 굴절율을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 적외선 필터 막을 커버 막 상에 접착하는 경우, 이 막은 투명 고체막의 굴절율 보다는 작지 않고 커버 막의 굴절율 보다는 크지 않은 굴절율을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 투명 고체막의 내부가 적외선 필터 막으로서 작용하는 것도 가능하다.
적외선을 사용하면, 투명 고체막은 적외선 필터를 실현하는 방법에 관계없이 자외선 파장대역에 대하여 투명한 투명 수단이어야 한다.
선택적으로, 적외선 필터는 상술한 도전성 투명 막과 함께 사용될 수도 있다. 이 경우에, 도전성 투명 막은 손가락의 지문 측정부와 접촉하도록 최상층으로서 설치된다.
또한, 볼록 렌즈가 2차원 화상 센서의 각 수광 소자의 바로 위에 놓이고 소자간의 비감광부에 입사하는 광이 센서 표면상의 감광부로서 작용하는 수광 소자상 으로 수렴하도록, 즉 마이크로 렌즈 막이 센서의 표면에 놓이도록, 2차원 화상 센서가 실제 사용된다. 이 마이크로 렌즈 막은 그대로 감광부의 보호 막으로서 사용되거나, 또는 마이크로 렌즈 막보다 낮은 굴절율의 투명 고체층이 마이크로 렌즈에 덮이고, 센서의 표면이 평탄화되며, 이로써 지문의 센서 표면과의 접촉을 용이하게 한다. 지문 측정부의 광량이 작거나 광원의 파워가 감소되어야 하는 경우에는 마이크로 렌즈 층이 유리하다.
이후의 지문 화상 처리에서 보정 단계를 감소시키기 위해서는 지문 측정부의 전체 표면에 대하여 지문 능선부의 밝기가 가능한 한 균일하게 하는 것이 중요하다. 따라서, 손가락에 주입되는 광이 손가락에서 산란되고 모든 지문 능선부로부터 가능한 한 균일하게 조사되도록 광원의 배열을 고려할 필요가 있다. 그렇게 하기 위해서, 복수의 방향으로부터 손가락에 광을 조사하는 것이 바람직하다. 즉, 손가락 측정부의 적어로 정면 및 배면, 즉 손가락의 제 1 관절에 인접하는 부분의 것과 손가락 끝의 선단부의 하부로부터 손가락으로 광을 인가할 필요가 있다.
대부분의 방향으로부터 손가락으로 광을 조사하기 위해서, 방출광이 손가락을 향하여 배향되도록 손가락 측정부 둘레에 표면 광 방출체가 배열되고, 표면 광 방출체로부터 방출되는 광이 상기 측정부로 직접 들어가지 않도록 상기 측정부 둘레에 차폐가 제공된다. 표면 광 방출체를 사용하는 이유는 광원이 상기 측정부를 둘러싸기 때문이다. 동일한 목적을 달성하기 위해서, 선형 배열에 의해서 형성되는 소위 선형 광 방출체, 예를 들면, 광 방사 다이오드가 표면 광 방출체 대신에 사용될 수도 있다. 이러한 선형 광 방출체는 충분한 광량을 가지고 있으며 박형이면서 효율적인 광원으로서 역할을 한다. 선형 광 방출체와 같은 모듈이 광 방사 다이오드 칩 어레이로서 저비용으로 제공되기 때문에, 선형광 방출체는 매우 실용적이다.
개인 식별 방법에 기초하는 지문 인증이 연구되어 왔으며 각종 개인 식별 방법 중에서 매우 실용적이다. 그러나, 손가락 외피에 유사한 재료로 복제 손가락이 형성되면, 대상 인간(subject person)의 지문은 2차원 화상 센서에 의해서 취해지는 그의 광학 화상에 의해 복제한 것으로부터 구별될 수 없다. 따라서, 측정 대상 손가락이 지문 인식 전에 신체의 일부인지 아닌지에 대한 정보를 요구할 필요가 있다. 광 투명도를 사용하는 지문 입력 방법에 따르면, 전체 지문 화상의 평균 밝기가 변한다는 사실에 주목하고, 맥동의 파장이 신체에 특정한 것인지의 여부를 판정하는 기능이 부가적으로 제공되며, 이에 의해서 이러한 판정 정보가 필요하게 될 수 있다.
본 발명은 2가지 기본 구조, 즉, (1) 지문 능선 사이의 거리보다 두께가 충분히 작은 투명 고체막이 2차원 화상 센서의 투명 보호 막으로서 센서의 표면에 인접하여 부착되는 구조와, (2) 2차원 화상 센서의 개별 수광 소자에 정렬된 관통 구멍 또는 지문 능선 사이의 거리보다 충분히 작은 직경을 각각 갖는 관통 구멍을 뚫고 투명 고체 재료를 그 홀에 채움으로써 얻어지는 막이 센서의 표면에 유연성을 가지고 부착되는 구조를 갖는다.
[ 실시예 1]
도 12a와 도 12b는 인쇄 회로기판 위에 본 발명에 의한 초박형의 지문 입력 장치를 설치한 실시예 1을 도시한다. 지문 입력 장치를 사용한 경우의 지문감지의 동작 상황(동작 원리)을 도 13, 도 14, 도 15에 도시한다.
도 13은 본 발명의 제 1 실시예인 지문 입력 장치의 구성을 도시하는 블록도이다. 도 13에서, 5는 손가락(1)의 지문의 요철에 의한 광의 강약을 2차원적으로 검출하는 2차원 화상 센서, 27은 2차원 화상 센서(5)의 출력을 화상 처리함으로써 지문 패턴을 생성하는 화상 처리부, 28은 화상 처리부(27)에서 생성된 지문 패턴의 특징을 추출하여, 미리 결정된 기준 패턴과 비교함으로써 지문을 인식하여 판단하는 패턴 인식부를 표시한다.
이하에서는 2차원 화상 센서(5)로써 사용되는 CMOS(Complementary Metal 0xide Semiconductor) 센서, CCD(Charge-Coupled Device) 센서, 또는 무정형 센서를 사용한 경우를 예로서 설명한다. 또한, 화상 처리부(27), 및 패턴 인식부(28)에 관해서는 일반적으로 사용되고 있는 것을 적용할 수 있다.
2차원 화상 센서(5)는 2차원적으로 배열된 복수의 수광 소자로 구성된다. 이들 수광 소자의 출력에 근거하여 평면 화상이 형성된다. 또한, 각 수광 소자의 배치 간격은 지문 능선부(볼록부)의 피치 또는 지문 골짜기부(오목부)의 피치보다 작게 할 필요가 있다. 그러나, 지문 능선부 간격은 100 내지 500μm이므로, 각 수광 소자의 배치 간격은 50μm 이하이면, 패턴 인식을 행하는 데 충분한 정밀도의 화상이 얻어진다.
도 14는 2차원 화상 센서의 수광 과정을 도시하는 설명도이다. 손가락(1)의 지문을 입력할 때, 지문 능선부가 2차원 화상 센서(5) 상의 투명 고체막(4)에 접촉하도록 손가락(1)이 2차원 화상 센서(5) 상에 배치된다. 상기 투명 고체막(4)은 본 발명에 따른 상술의 굴절율을 갖는 유리 등의 투명부재로 구성되어 있다. 또한, 투명 고체막(4)은 지문 측정부가 2차원 화상 센서에 직접 접촉하지 않도록 하는 기능도 갖고, 상기 기능에 의해 지문 입력 장치가 다수회 사용되어도 2차원 화상 센서는 마모되거나, 파괴되거나 하는 일이 없다. 또한, 투명 고체막(4)은 손가락과의 사이의 마찰로 마모하지 않을 정도의 내마모성을 갖는다.
지문 능선부(2)는 2차원 화상 센서(5) 상의 투명 고체막(4)에 접촉한다. 또한, 손가락(1)의 굴절율과 투명 고체막(4)의 굴절율은 대략 같기 때문에, 지문 능선부(2)로부터 투명 고체막(4)을 향하는 산란광의 대부분은 지문 능선부(2)의 투명 고체막에 입사한다.
한편, 지문 골짜기부(3)와 투명 고체막(4)과의 사이에는 공기로 이루어지는 공간(7)이 존재한다. 손가락의 외피의 굴절율(약 1.4 내지 1.5정도)과 공기의 굴절율(1.000293)의 차가 크기 때문에, 지문 골짜기부(3)로부터 공간(7)을 향하는 산란광의 대부분은 피부로 반사되어 손가락내로 들어가고, 지문 골짜기부(3)로부터 공간(7)을 향하는 경계각 이상의 각도를 갖는 산란광은 모두 반사되고 손가락 내로 들어간다. 따라서, 지문 골짜기부(3)로부터 공간(7)에 입사하는 광의 광량은 대단히 적다. 또한, 공기의 굴절율(1.000293)과 투명 보호막의 굴절율의 차가 크기 때문, 공간(7)으로부터 투명 보호막(4)을 향하는 광의 대부분은 반사된다. 따라서, 지문 골짜기부로부터 투명 보호막(4)에 입사하는 광의 광량은 지문 골짜기부로부터 공간(7)에 입사하는 광의 광량보다도 더욱 적다.
따라서, 2차원 화상 센서는 지문 능선부(2)에서는 광을 양호하게 검출하고, 지문 골짜기부(3)에서는 광을 거의 검출하지 않기 때문에, 지문 능선부(2)를 명부로서 검출하고, 지문 골짜기부(3)를 암부로서 검출한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 렌즈, 프리즘 또는 광섬유 등의 광학 부품이 불필요해진다. 종래의 것과 비교하여, 광학 부품 자체의 크기나 그 설치 장소 등에 의한 물리적 크기의 제약이 없어지며, 예를 들면 주인의 인증이 필요한 IC 카드 내부등에 설치할 수 있을 정도까지 박형화 및 소형화가 실현된다. IC 카드와 같이, 얇기 때문에 상당히 만곡할 가능성이 많은 것에 지문 입력 장치를 구비하게 하는 경우에는 2차원 화상 센서(5)로서는 유연성이 있는 기판막 상에 증착 등에 의해 성장시킨 무정형 반도체에, 2차원 화상 센서를 구성시킨 것을 사용함으로써, 상당한 만곡에도 견딜 수 있다. 이 경우, 투명 고체막(4)도 유연성이 있는 것을 사용한다. 유연성이 있는 투명 고체막으로서는 예를 들면, 폴리이미드, 폴리카보네이트를 들 수 있지만, 폴리이미드의 굴절율은 1.4정도이고, 폴리카보네이트의 굴절율은 1.55 정도인 점과, 폴리카보네이트가 사용에 견딜 수 있는 정도의 강도를 갖는 점을 고려하면, 유연성이 있는 투명 고체막으로서는 폴리카보네이트를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서는 광학 부품에 의한 광학 처리가 실행되지 않는다. 따라서, 왜곡 보정 등의 화상 수정 처리를 실행하지 않고 왜곡이 없는 지문 화상을 얻을 수 있어, 지문 패턴의 인식율을 개선할 수 있다.
한편, 투명 고체막은 손가락이 반복하여 접촉하여도 마모하지 않도록 내마모성을 가질 필요가 있기 때문에, 투명 고체막의 재질로서는 본 발명에 따른 굴절율을 가지며, 동시에, 상처가 나기 어려운 유리 재질의 물질이나 유기물을 사용한다. 그러나, 유리 재질의 물질이나 유기물의 대부분은 전기 도전성이 아니다. 본 발명의 지문 입력 장치는 광 방식이기 때문에, 손가락의 정전기에 의한 정전 파괴의 우려는 적지만, 반도체 소자인 2차원 화상 센서를 정전 파괴로부터 보호하기 위해서는 정전기를 피하는 것이 바람직하고, 이를 위해서는 상술한 바와 같이, 산화주석, ITO 등으로 이루어지는 투명인 전기 도전성 물질의 박막을 투명 고체막 상에 형성시키고, 이것을 접지하여 사용하는 것이 바람직하다.
후술의 도 16 및 도 17에 도시하는 차광벽을 사용하는 경우는, 차광벽의 재질로서 금속을 사용함으로써, 차광벽을 접지하는 것만으로 강한 정전기를 경감시킬 수 있다. 따라서, 옥외 사용에 있어서의 정전기 대책의 의미에서도, 도 16 및 도 17의 지문 입력 장치가 우수하다.
이밖에, 외란광의 문제에 관해서는 본 발명의 지문 입력 장치가 투과광 방식이기 때문에, 외란광은 투과광의 광원의 역할도 하므로, 외란광의 지문 입력 장치에의 악영향이 적다. 그러나, 극단적으로 외란광이 강한 경우나, 지문 측정부와 지문 입력 장치의 표면의 간극으로부터 외란광이 들어오게 되는 경우 등에도 안정하게 지문 검출을 하기 위해서는 특정의 파장대역의 광을 출사하는 광원이 손가락끝의 지문 측정부 이외의 부분을 조사하도록 하여, 그 파장대역의 광만을 통과시키는 분광 필터를 2차원 화상 센서로부터 지문 입력 장치의 표면의 사이 중 어느 하나의 위치에 설치함으로써, 지문의 측정에 사용하는 광의 파장대역을 좁게 하여, 외란광을 차단하는 것이 유효하다. 일예로서, 광원으로서 근적외 발광 다이오드를, 분광 필터로서 상기 발광 파장과 동일의 투과 파장을 갖는 근적외 필터를 사용한다. 이 경우, 근적외선은 생체내, 특히 피부를 투과하기 쉬운 광이지만, 파장을 800 내지 950 nm로 선택하면, 혈액은 상기 파장의 근적외선에 대하여 10% 정도의 흡수율을 가지기 때문에, 투과광의 맥동에 의해, 측정 감도를 손상하지 않고 생체 감지를 행할 수 있다. 파장이 1400nm 이상의 적외선 등은 파장에 따라서는 물에서의 흡수대가 존재하기 때문에, 이것의 사용을 피할 필요가 있다. 또한, 외란광을 포함해서, 혈액에 의한 흡수율이 지나치게 작은 파장대역에서는 생체 감지를 위한 혈액의 맥동에 불감되는 경우가 있으므로 상기 파장대역도 피할 필요가 있다. 이들의 주의점은 광원에 사용하는 발광 다이오드, 그 광만을 통과시키는 분광 필터의 선정에 대하여 공통된 주의점이다.
[실시예 2]
다음에 실시예 2에 관해서 설명한다. 도 16 및 도 17은 실시예 2에 의한 2종류의 지문 입력 장치의 단면도이다. 2차원 화상 센서의 커버막(8)은 센서 소자의 특성 안정화를 위한 것으로, 반도체 제조 공정으로 만들지 않으면 안되고, 반도체 디바이스의 제조방법상, 일반적으로는 수 μm 이하로 대단히 얇다. 따라서, 커버막(8)에 직접 손가락을 반복하여 가압한다면, 내구성의 문제가 있기 때문에, 실시예에서는 투명 고체막(4)을 설치하여, 투명 고체막(4)의 두께, 굴절율 및 경도를 규정하였다. 이중, 내구성의 조건과 상반되는 것은 두께의 조건이다. 즉, 투명 고체막(4)이 얇을 수록 화상은 선명하게 되지만, 투명 고체막(4)이 두꺼울수록 내구성이 올라간다. 지문 화상의 콘트래스트를 얻기 위해서는 최소 지문 능선부 간격이 1OOμm이면, 투명 고체막(4)의 두께를 예를 들면 60μm까지 두껍게 할 수 있다. 투명 고체막(4)의 두께가 60μm이면, 통상의 사용법을 하고 있는 내구성 상에서 충분하지만, 옥외에서 비바람에 노출하여 사용하는 경우에는 더욱 투명 고체막(4)이 두꺼운 것이 바람직하다. 그러나, 투명 고체막(4)을 두껍게 하면 실시예 1의 지문 입력 장치에서는 지문 화상의 콘트래스트를 얻을 수 없게 되어 버린다.
실시예 1의 문제점을 해결하는 것이 도 16 및 도 17에 도시하는 실시예 2의 구조이다. 투명 보호막(8)이 지나치게 두꺼우면 광이 횡방향으로 진행하는 성분이 많아지기 때문에 지문 능선의 선명도가 떨어진다. 이것을 방지할 목적으로 횡방향의 광을 차단하기 위한 종방향의 차광벽을 설치한다. 차광벽을 미세하게 하여 2차원 화상 센서의 소자에 맞출 필요를 없게 한 예를 도시하는 것이 도 16이고, 차광벽의 피치를 2차원 화상 센서의 소자의 피치에 맞추어, 차광벽을 미세하게 할 필요를 없게 한 예를 도시하는 것이 도 17이다.
도 16에 도시하는 지문 검출 장치에 있어서는 차광벽에 의해 둘러싸이는 개개의 관통 구멍과 2차원 화상 센서의 개개의 수광 소자를 맞추지 않어도 각 수광 소자에 반드시 적어도 1개의 관통 구멍이 대응하여, 각 수광 소자가 차광되지 않도록, 2차원 화상 센서의 개개의 수광 소자의 수광 직경의 절반 이하의 직경의 관통 구멍을, 금속 등의 차광성의 재질 막에 다수 천공하여, 그 관통 구멍에 투명 고체막의 조성물(이하, 「투명 고체 물질」)을 충전함으로써, 차광벽을 갖는 투명 고체막을 만든다. 그리고, 상기 차광벽을 갖는 투명 고체막을 2차원 화상 센서의 표면 에 밀착시킨다. 이 경우는 관통 구멍과 2차원 화상 센서의 수광 소자와의 정렬은 불필요하기 때문에, 조립은 용이하지만, 화상 센서의 수광 소자의 배치 간격이 50μm이고, 수광 직경이 25μm이면, 관통 구멍의 직경은 12.5μm 이하로 하지 않으면 안된다. 단지, 차광벽의 두께도 고려하면, 더욱 미세한 것이 바람직하다.
한편, 옥외에서의 사용을 고려하면, 차광벽을 갖는 투명 고체막의 두께는 60μm 이상인 것이 바람직한 것으로, 관통 구멍은 우물형상으로 깊은 것으로 되고, 이 속에 투명 고체물질을 충전하기 위해서는 비교적 개선된 막의 제조방법을 요한다.
이에 반해, 도 17에 도시하는 지문 검출 장치에 있어서는 2차원 화상 센서의 각각의 수광 소자의 수광면으로 크기 형상 및 위치가 완전히 일치한 관통 구멍을 갖는 차광 물질막을 제작하여, 상기 차광 물질막의 관통 구멍에 투명 고체물질을 충전하고, 2차원 화상 센서의 수광 소자의 수광면과 관통 구멍을 정렬하여 조립한다. 상기 지문 검출 장치의 제조방법에서는 수광 소자의 수광면과 관통 구멍의 위치 관계에 특히 정밀도를 필요로 한다. 그러나, 화상 센서의 수광 소자의 배치 간격이 50μm이고, 각 소자의 수광 직경이 25μm이면, 관통 구멍의 직경은 25μm이면 좋기 때문에, 두께를 60μm로 하여도 막 자체의 제조는 용이하다.
상기 관통 구멍에 충전하는 투명 고체물질은 광의 흡수율이 작은 한, 투명 고체 물질의 투명도가 나쁘더라도, 즉, 상기 관통 구멍 내에서 광이 산란되어도, 지문 화상의 선명도는 기본적으로 변하지 않는다. 상기 점에서 본 지문 검출 장치는 광섬유의 다발을 사용하는 장치와는 기본적으로 다르다.
즉, 광섬유는 광의 지그재그 진행에 의한 신호 전달 성능의 열화를 보다 적게 하기 위해서, 코어와 클래드를 갖는다. 만약, 끝면으로부터 광섬유내로 광이 입사하는 경우, 경계 입사각이 존재하여, 한정된 입사각의 광외에 광섬유에 의한 광도파 작용이 없는 반면, 상기 각도 범위의 광은 횡방향에 분산되지 않고 전달된다. 즉, 광섬유에 입사한 광은 광섬유로부터 출사할 때에는 직진성이 좋다. 따라서, 광섬유에 입사한 광은 입사각과 동일 각도로 출사된다. 그러나, 지문 능선부의 끝부분의 미소한 오목부로부터 광은 입사되지 않고, 이것이 옆에서의 광으로 보충되지 않기 때문에, 능선 화상은 단속(intermittent)되기 쉽다.
이에 반해, 본 발명의 투명 고체막을 이용한 경우에는 투명 고체막이 차광벽을 갖고 있는지 여부에 관계 없이, 광의 지문 능선부로부터 투명 고체막에의 입사에는 경계각이 존재하지 않기 때문에, 지문 능선부의 뾰족한 끝이 미소한 요철에 의한 횡방향의 광성분도 투명 고체막 중에 입사하고, 따라서, 투명 고체막으로부터 2차원 화상 센서의 감광부에 광이 전해지는 경우, 상기 횡방향 성분의 광에 의해 미소한 오목부에 대한 화상의 결핍은 보충된다. 따라서, 외견상의 선명도는 떨어진다.
또한, 지문 능선부에 땀샘이 있는 경우, 광섬유를 사용한 지문 입력 장치에서는 지문 능선부에서의 경계각의 존재에 의해, 땀샘이 암영역으로서 화상에 나타나지만, 본 발명에 의한 지문 입력 장치에서는 지문 능선부에서는 경계각이 없기때문에, 땀샘이 암영역(dark region)으로서 화상에 나타나지 않고, 지문 능선부와 지문 골짜기부와의 식별을 목적으로 하는 용도에는 본 발명에 의한 투명 고체막을 사용한 지문 입력 장치를 사용한 쪽이 유리하다. 즉, 지문 능선부와 지문 골짜기부와의 식별의 목적을 위해 광섬유를 사용한 지문 입력 장치를 사용한 경우에는 땀샘의 암영역을 없애기 위한 화상 처리가 필요하게 되지만, 그와 같은 목적을 위하여 본 발명에 의한 투명 고체막을 사용한 지문 입력 장치를 사용한 경우에는 땀샘의 암영역을 없애기 위한 화상 처리가 필요없게 된다.
또한, 지문 대조 동작의 주된 과정인 지문 능선의 거슬러 올라가기 위해서는 단속하지 않은 능선을 판독할 수 있는 것이 중요하다. 능선이 단속한 경우에는 단속한 능선을 연결하는 처리를 화상 처리 블록에서 행하지만, 상기 처리는 방대한 계산을 요하기 때문에, 조금이라도 단속점(intermittent point)을 줄여, 계산량을 감하는 것이 중요하다. 상기와 같은 이유로 인해, 광섬유를 사용한 지문 입력 장치에서는 능선이 도중에서 끊기는 개소가 많아지지만, 본 발명에 의한 투명 고체막을 사용한 지문 입력 장치에서는 능선이 불필요해져 도중에 끊기는 일이 없어진다. 따라서, 본 발명의 지문 입력 장치는 지문 대조에 적합하다.
또한, 도 16 및 도 17의 지문 입력 장치는 두꺼운 막 중의 광이 횡방향으로 진행하는 것을 억제한다. 그러나, 상기 억제는 지문 능선 간격 오더의 확대의 억제로 국한된다. 따라서, 두꺼운 막에 입사한 광은 횡방향 성분을 포함하고 있다. 이것은, 광의 횡방향 성분을 의도적으로 억제하도록 만들진 광섬유를 사용하는 지문 입력 장치와 상이한 점이다.
개구율 0.35의 광섬유를 사용한 지문 입력 장치와 본 발명에 의한 지문 입력 장치와의 지문 능선의 단속에 관해서의 차이는, 도 18에 도시하는 전자가 입력한 지문 화상과 도 19에 도시하는 후자가 입력한 지문 화상을 비교함으로써 분명하여 진다. 도 18에 도시하는 지문 화상쪽이 도 19에 도시하는 지문 화상보다도 선명하기 때문에, 전자쪽이 후자보다도 우수하게 보일지도 모르지만, 도 18에 도시하는 흰 원으로 나타내는 결핍점이 도 19에는 없음으로 인해, 후자의 장치가 우수한 것임을 알 수 있다.
[실시예 3]
실시예 3에서는 보호막으로서, 최근, 화상 센서의 감도를 올리기 위해서 사용되기 시작한 마이크로 렌즈층을 사용한다.
실시예 3에서는 기본적으로, 도 20과 같이 화상 센서의 감광부의 바로 위에 돔형상의 투명 고체인 마이크로 렌즈(13)를 피복함으로써, 감광부 이외에 입사하는 광을 감광부에 모아서, 광의 검출 감도를 높인다. 마이크로 렌즈(13)에 지문 능선부가 접촉하면, 지문 능선은 13-1과 같은 모양이 되고, 집광에 의해 광 검출 감도가 올라가지만, 마이크로 렌즈(13)의 골짜기 13-2의 부분으로부터의 광은 한번에 공간으로 나가버리기 때문에, 이 부분의 광은 이용할 수 없기 때문에 지문 능선부의 100%의 영역의 광을 검출할 수 없다. 그러나, 현재, 일반적으로 양산되고 있는 센서를 그대로 사용할 수 있기 때문에, 비용적으로는 유리하다. 마이크로 렌즈의 조성물로서는 실시예 1의 투명 고체막의 조성물을 사용한다. 따라서, 마이크로 렌즈의 굴절율은 투명 고체막의 굴절율과 마찬가지로 본 발명에 따라서 결정된다.
도 20에 도시하는 지문 입력 장치의 결점을 개량한 것이 도 21에 도시하는 지문 입력 장치이다. 도 21에 도시하는 지문 입력 장치에서는 손가락이 접하는 부분을 편평하게 하기 위해서 접합 렌즈를 사용한다. 접합 렌즈는 마이크로 렌즈(13)상에 마이크로 렌즈의 재질의 굴절율보다 작은 굴절율의 투명 고체물질(14)을 겹친 것이다. 또한, 투명 고체물질(14)은 실시예 1의 투명 고체막의 조성물이다. 따라서, 투명 고체물질(14)의 굴절율은 본 발명에 따라서 결정되고, 마이크로 렌즈(13)의 굴절율은 그보다도 크다.
도 21에 도시하는 지문 입력 장치에 의하면, 골짜기 13-2가 없기 때문에 지문 능선부의 100%에 영역의 광을 검출할 수 있기 때문에, 광 검출 감도가 올라가며, 또한, 마이크로 렌즈(13)의 골짜기부의 얇은 부분이 존재하지 않기 때문에 마이크로 렌즈(13)의 내구성이 올라간다.
도 22에 도시하는 지문 입력 장치에서는 마이크로 렌즈로서 굴절율 분포를 화상 센서의 피치에 맞추어 만든 평판형 마이크로 렌즈(15)를 사용한다. 평판형 마이크로 렌즈(15)는 투명 고체막으로 형성된다. 평판형 마이크로 렌즈(15)는 투명 고체막을 작성할 때에 2차원 화상 센서의 각 수광 소자에 접하는 점에 불순물을 넣어 확산시킴으로써 작성할 수 있고, 수광 소자로부터 떨어짐에 따라서 감소하는 투과율의 분포(16)를 갖는다. 평판형 마이크로 렌즈(15)는 도 20, 도 21에 도시하는 마이크로 렌즈(13)로부터 집광력이 있으며, 또한, 평판이므로, 지문 능선의 100%가 접촉하며, 더구나, 두께를 10 내지 20 μm로 하는 것이 가능하게 되기 때문에, 충분한 보호막 효과가 있다.
한편, 투과광을 만드는 광원에 관해서의 중요한 조건은 투과광에 기인하는 손가락의 측정부분으로부터 출사광이 보다 균등하게 분포하는 것이지만, 이를 위해 서는 손가락에 전방향으로부터 광을 접촉하는 것이 바람직하다. 광원이 점 광원인 경우에는 손가락의 지문 측정부를 갖는 면의 반대면[클로(claw)를 갖는 면]으로부터 강한 광을 접촉하면, 출사광의 균등 분포가 얻어진다. 그러나, 금후의 이용 분야를 생각하면, 지문 입력 장치 전체로서는 평판형으로 구성하는 것이 중요하기 때문에, 클릭을 갖는 면으로부터 광을 접촉할 수 없다. 점 광원을 사용하는 경우는 도 23에 도시하는 바와 같이 손가락끝의 앞끝부의 하부 및 손가락의 제 1 관절의 하부에 광원(11, 12)을 배치하는 것이 가장 양호하지만, 손가락 전체에 광을 접촉하여, 광의 강도를 보다 균질화하는 방법이, 도 24a와 도 24b에 도시하는 바와 같이 면 광원(17)을 사용하여 면 광원의 형상을 목적에 따라서 최적화함으로써 실현된다. 또한, 도 24a와 도 24b에 있어서, 18은 광원으로부터 직접 감광부로 향하는 광을 차단하는 차광체이다. 면 광원은 최근 진보한 필름형상의 EL 발광 패널이 적합하다.
도 25a와 도 25b에 도시하는 지문 입력 장치는 또한 측정부의 광의 강도를 높여, 더구나, 출사광을 균질화하기 위해서 발광 다이오드 어레이의 칩을 최적으로 배치한 것이다. 또한, 도 25a와 도 25b, 18은 광원으로부터 직접 감광부로 향하는 광에 대한 차광체, 19는 선 발광 모듈(LED 칩 어레이)이다. 도 25a와 도 25b에 도시하는 지문 입력 장치에서는 광량(light amount)을 자유롭게 설계할 수 있다. 광량 설계는 손가락으로부터의 출사광의 불균일이 최저가 되도록 선 발광 모듈의 최적 배치를 탐색하도록 한다.
도 25a와 도 25b에 도시하는 형태의 지문 입력 장치의 시험 제작품의 예를 도 12a와 도 12b에 도시한다. 도 12a와 도 12b에 있어서, 4는 투명 고체 보호막, 5는 2차원 화상 센서, 8은 센서 커버, 18은 광원으로부터 직접 감광부로 향하는 광을 차단하는 차광체, 19는 선 발광 모듈(LED 칩 어레이), 24는 LED칩, 25는 메인 기판, 26은 LED 칩 어레이의 기판이다. 선 발광 모듈(19)이 얇기 때문에, 도 25a와 도 25b의 지문 입력 장치의 두께를, 2차원 화상 센서(5)의 두께와 거의 같게 되는 것이 최대의 특징이다.
[실시예 4]
실시예 4에서는 위조의 손가락에 의한 부정 사용을 방지하기 위해서, 투과광이 혈액의 맥류(pulsating flow)에 의해 변동하는 것을 이용하여, 측정시에 상기 맥류의 특징으로부터 생체의 지문인지 여부를 분별한다. 실시예 4의 블록도를 도 26에 도시한다. 실시예 4의 동작은 다음과 같이 된다. 측정광으로서는 800 내지 950nm의 적외선 광을 사용하며, 또한, 사용한 파장을 투과 파장으로 하는 분광 필터를 사용한다. 상기 파장대역에서는 산소를 많이 포함하는 혈액(동맥)도, 적게 포함하는 혈액(정맥)도 큰 차가 없는 흡수율을 가지며, 더구나, 투과 광량이 10% 정도의 변동을 나타낸다. 2차원 화상 센서의 출력 파형을 피크치가, 혈액의 광 흡수량의 변동에 의해, 10% 이하이지만 변동한다. 이것은 혈압이 맥동하기 때문에 일어난다. 저역 여파 회로(LPF)(21)에 의해, 1 프레임의 평균의 명도를 구하고, 평균화 회로(22)에 의해 1 프레임의 평균의 명도를 맥박의 주기 이상의 시간에 걸쳐 평균화하여, 슈미트형의 비교기(23)에 의해, 저역 여파 회로(21)의 출력과 평균화 회로(22)의 출력을 비교함으로써, 맥동이 있는지 여부를 검출할 수 있다. 맥동이 있는 경우에는 비교기(23)는 맥박의 주기의 직사각형파를 출력하지만, 맥동이 없는 경우에는 비교기(23)의 출력은 일정한 채이기 때문에, 인체의 손가락과 위조의 손가락을 식별할 수 있다. 또한, 2차원 화상 센서의 출력을 디지탈화하여, 프로그램에 의해 동작하는 컴퓨터에 의해, 저역 여파 회로(21), 평균화 회로(22), 비교기(23)의 기능을 실현하여도 된다.
본 발명의 기본적인 장점은 지문 입력 장치 그 자체를 2차원 화상 센서 칩과 같은 정도의 두께까지 얇게 하는 것을 가능하게 하며, 더구나, 섬유 다발 등을 사용하지 않기 때문에 제조 비용이 대단히 저렴한 것이다. 이 장점은 각종의 휴대 정보 단말의 개인 인증용으로서 가장 중요한 요소를 만족시킬 수 있다. 이밖에, 카드, 자동차 관계의 안전성 등, 폭넓은 용도에 적합하다. 또한, 본 발명의 장점은 구체적으로 이하와 같다.
광학 방식이기 때문에, 화상 형성상, 즉 전기적 특성 상, 전기의 영향을 받지 않는다.
광학 방식 중에서도 직접형이므로, 프리즘이나 렌즈 시스템 등을 사용하지 않고, 광학 왜곡을 일으키는 부분이 없기 때문에 정확한 화상이 얻어진다. 또한, 프리즘·렌즈의 광학계는 공간을 필요로 하지만, 본 발명에서는 화상 센서 등의 LSI 칩과 같은 정도까지 박형화, 소형화가 가능하다.
광학 방식의 직접형 중에서도 투과광 방식이므로, 반사광 방식에 비해 외란광에 의한 악영향을 받기 어렵고, 더구나 구성이 단순하다. 또한, 반사 방식과 같 이 측정면에 광을 접촉할 필요가 없기 때문에, 센서 소자를 밀집하여 배치할 수 있고, 그 만큼 해상도가 높다.
투과광 방식이라도 광섬유의 다발을 사용할 필요가 없기 때문에, 지문 측정부분의 두께는 2차원 화상 센서의 칩의 두께와 거의 같다.
제조 비용이 높은 광섬유를 사용하지 않으며, 더구나, 구조가 간단하기 때문 에 제조 비용이 저렴하다.
투명 고체막을 2차원 화상 센서와 지문 측정부의 사이에 개재시키더라도, 투명 고체막이 미리 결정된 두께 이상이 되지 않는 한 지문 화상의 선명도가 떨어지지 않기 때문에, 유리 재질 등의 경질인 재질을 선정함으로써, 옥외 등의 열악한 환경에서도 사용이 가능하다.
외란광이 지문 측정부에 들어가기 쉬운 환경에서의 사용인 경우는 근적외 광원과 대응 필터를 사용함으로써, 안정적인 지문 화상이 얻어진다.
본 발명 중에서 최적의 광원을 선택함으로써, 측정면 전체의 광량의 균질화가 도모되어, 신호 처리에 의한 보정이 거의 불필요하게 된다.
최적 광원 중 LED 모듈에서는 용도에 따라서 알맞은 광 분포를 설계할 수 있기 때문에, 더욱 균질한 화상이 얻어진다.
본 발명의 지문 센서 시스템에서는 지문 화상이 생체의 것인가 위조의 것인가의 구별을 할 수 있다.
마이크로 렌즈부의 지문 센서를 사용하면 입력 광량이 적어서 좋고, 광원용의 전력이 적어도 된다.

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  12. 지문 입력 장치에 있어서,
    측정 대상 손가락의 지문 능선부와 지문 골짜기부를 갖는 지문 측정부로부터 지문 화상을 촬상하는 2차원 화상 센서와,
    상기 2차원 화상 센서의 화상 촬상면 상에 적재되고, 상기 2차원 화상 센서가 상기 지문 화상을 촬상할 때 상기 지문 측정부가 적재되는 투명 고체막을 포함하고,
    상기 지문 측정부에서 상기 지문 능선부의 화상을 명부로서 촬상하고, 상기 지문 측정부에서 상기 지문 골짜기부의 화상을 암부로서 촬상하며,
    상기 투명 고체막의 굴절율 n3은, 콘트래스트 C0가 잡음 크기가 주어질 때 지문 인식을 위한 신호대 잡음비를 얻기 위한 값 이상인 조건을 만족하고, 상기 콘트래스트 C0는, 상기 투명 고체막의 두께가 제로에 가깝도록 규정된 경우, 상기 투명 고체막의 굴절율 n3 ≥ 상기 손가락의 외피의 굴절율 n1 ＞ 공기의 굴절율 n2=1.000인 제 1 조건 하에서 수학식 1에 수학식 2 및 3을 대입함으로써 얻어지고, 상기 손가락의 외피의 굴절율 n1 ＞ 상기 투명 고체막의 굴절율 n3 ＞ 공기의 굴절율 n2=1.000인 제 2 조건 하에서 수학식 1에 수학식 2 및 4를 대입함으로써 얻어지고,
    상기 수학식 1은
    [수학식 1]
    C0=(P3L-P3D)/P3L 이고,
    여기서, P3L 은 지문 골짜기부 바로 아래의 하향의 전방향의 광의 파워이고,
    P3D은 지문 능선부 바로 아래의 하향의 전방향의 광의 파워이고,
    상기 수학식 2는
    [수학식 2]
    Figure 712005001061126-pat00036
    상기 수학식 3은,
    [수학식 3]
    Figure 712005001061126-pat00037
    상기 수학식 4는
    [수학식 4]
    Figure 712005001061126-pat00038
    인, 지문 입력 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 투명 고체막의 두께 t는 상기 투명 고체막의 두께 t에 대하여 규정되는 콘트래스트 C1의 값이 잡음 크기가 주어지는 경우 지문 인식을 위하여 신호대 잡음비가 얻어지는 값과 동일하거나 그 이상인 조건을 만족하고, 콘트래스트 C1는 하기 수학식에 의해서 표시되며,
    Figure 112004056358511-pat00039
    여기서,
    β= t/w
    w: 지문 능선 간격
    γ: 지문 능선부의 듀티인, 지문 입력 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 투명 고체막은 조성물로써 유리를 함유하는, 지문 입력 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 투명 고체막의 조성물은 유연성(flexibility)을 갖는, 지문 입력 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 유연성을 갖는 조성물은 폴리이미드(polyimide) 또는 폴리카본네이트(polycarbonate)로 이루어지는, 지문 입력 장치.
  17. 제 12 항에 있어서,
    접지된 전기 도전성 투명막을 더 포함하는, 지문 입력 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전기 도전성 투명막은 조성물로써 산화 주석 또는 인듐-주석-산화물을 포함하는, 지문 입력 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 전기 도전성 투명막은 최상층인, 지문 입력 장치.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 지문 측정부와 상이한 표면으로부터 상기 측정 대상 손가락의 제 1 관절보다 손가락 끝에 더 가까운 부분에 광을 조사하는 광원을 더 포함하는, 지문 입력 장치,
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 광원은,
    상기 측정 대상 손가락의 끝에 광을 조사하는 제 1 광원과,
    상기 측정 대상 손가락의 상기 제 1 관절에 광을 조사하는 제 2 광원을 포함하는, 지문 입력 장치.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 광원은 상기 측정 대상 손가락의 상기 지문 측정부의 외부 주변부에 광을 인가하는 면 광원인, 지문 입력 장치.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 광원은 상기 측정 대상 손가락의 상기 지문 측정부의 외부 주변부에 광을 인가하는 선 광원인, 지문 입력 장치.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 광원은 미리 결정된 파장 대역의 광만을 출사하는, 지문 입력 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 파장 대역의 광만을 통과시키는 분광 필터가 상기 지문 입력 장치의 표면과 상기 2차원 화상 센서 사이의 임의의 위치에 위치되는, 지문 입력 장치.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 투명 고체막은 상기 미리 결정된 파장 대역에 대해서만 투명인, 지문 입력 장치.
  27. 제 24 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 파장 대역은 800 내지 950 nm의 범위 내에 있는, 지문 입력 장치.
  28. 제 12 항에 있어서,
    상기 투명 고체막은 차광 재료로 이루어진 막에 복수의 관통 구멍들을 천공함으로써 형성되는 차광벽에 의해서 구획(partition)되는, 지문 입력 장치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 관통 구멍들의 각각의 직경은 상기 2차원 화상 센서의 수광 소자의 수광 구멍의 직경의 절반 이하인, 지문 입력 장치.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 관통 구멍들이 상기 2차원 화상 센서의 수광 소자에 정렬되는, 지문 입력 장치.
  31. 제 28 항에 있어서,
    상기 차광 재료는 전기 도전성을 가지며 접지되는, 지문 입력 장치.
  32. 제 12 항에 있어서,
    상기 투명 고체막에 적층되고 상기 2 차원 화상 센서의 화상 촬상면 상의 각 수광 소자에 적재되는, 복수의 마이크로 렌즈들을 더 포함하고,
    상기 복수의 마이크로 렌즈들 각각의 굴절율은 상기 투명 고체막의 굴절율보다 높은, 지문 입력 장치.
  33. 제 12 항에 있어서,
    상기 투명 고체막 상에 형성되고 상기 2 차원 센서의 촬상면 상의 각 수광 소자에 적재되는 복수의 마이크로 렌즈들을 더 포함하고, 상기 복수의 마이크로 렌즈들 각각의 굴절율은 상기 투명 고체막의 굴절율보다 높은, 지문 입력 장치.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 렌즈들 각각의 굴절율은 상기 수광 소자로부터의 거리에 따라 변하는, 지문 입력 장치.
  35. 제 12 항에 있어서,
    상기 측정 대상 손가락에 맥동이 있는 지의 여부를 검출하는 수단을 더 포함하는, 지문 입력 장치.
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  42. 지문 입력 장치에 있어서,
    측정 대상 손가락의 지문 측정부에 지문의 지문 화상을 촬상하는 2차원 화상 센서와,
    상기 2차원 화상 센서의 화상 촬상면의 각 수광 소자에 적재되고, 상기 2차원 화상 센서가 상기 지문 화상을 촬상할 때 상기 지문 측정부가 적재되는 복수의 마이크로 렌즈들을 포함하고,
    상기 지문 측정부에서 지문 능선부의 화상을 명부로서 촬상하고, 상기 지문 측정부에서 상기 지문 골짜기부의 화상을 암부로서 촬상하며,
    상기 마이크로 렌즈들의 굴절율 n3은, 콘트래스트 C0가 잡음 크기가 주어질 때 지문 인식을 위한 신호대 잡음비를 얻기 위한 값 이상인 조건을 만족하고, 상기 콘트래스트 C0는, 상기 마이크로 렌즈들의 두께가 제로에 가깝도록 규정된 경우, 상기 마이크로 렌즈들의 굴절율 n3 ≥ 상기 손가락의 외피의 굴절율 n1 ＞ 공기의 굴절율 n2=1.000인 제 1 조건 하에서 수학식 1에 수학식 2 및 3을 대입함으로써 얻어지고, 상기 손가락의 외피의 굴절율 n1 ＞ 상기 마이크로 렌즈들의 굴절율 n3 ＞ 공기의 굴절율 n2=1.000인 제 2 조건 하에서 수학식 1에 수학식 2 및 4를 대입함으로써 얻어지고,
    상기 수학식 1은
    [수학식 1]
    C0=(P3L-P3D)/P3L 이고,
    여기서, P3L 은 지문 골짜기부 바로 아래의 하향의 전방향의 광의 파워이고,
    P3D은 지문 능선부 바로 아래의 하향의 전방향의 광의 파워이고,
    상기 수학식 2는
    [수학식 2]
    Figure 712005001061126-pat00072
    상기 수학식 3은
    [수학식 3]
    Figure 712005001061126-pat00074
    상기 수학식 4는
    [수학식 4]
    Figure 712005001061126-pat00042
    인, 지문 입력 장치.
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