KR102017330B1 - Apparatus for generating random number based on quantum shot noise and control method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 이미지 센서로의 외부 광 개방/차단이 가능한 개폐구조를 갖는 상황에서, 광원으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포를 균일하게 할 수 있는 난수생성장치를 개시한다.
즉, 본 발명의 난수생성장치는, 적어도 하나의 광원과, 상기 광원으로부터 방사되는 광신호를 검출하기 위한 적어도 하나의 수광픽셀을 포함하는 광검출부와, 상기 수광픽셀에 의하여 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수를 생성하는 난수생성부와, 상기 수광픽셀을 외부 광에 노출시키는 개방모드 및 상기 수광픽셀을 외부 광으로부터 차단시키는 차단모드 중 하나로 동작하는 개폐부를 포함하며, 상기 광원은 상기 개폐부가 차단모드로 동작 중일 때 광신호를 방사하여, 상기 난수생성부로 하여금 외부 광이 차단된 상태에서 상기 수광픽셀에 의하여 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수를 생성할 수 있게 하는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a random number generation that can uniformly distribute the spatial light intensity of an optical signal emitted from a light source and input to each pixel of an image sensor in a situation in which an opening / closing structure capable of opening / closing external light to an image sensor is provided. Start the device.
That is, the random number growth value of the present invention includes a light detector including at least one light source, at least one light receiving pixel for detecting an optical signal emitted from the light source, and quantum noise of the amount of light detected by the light receiving pixel. A random number generating unit for generating a random number by using, and an opening and closing unit for operating in one of an open mode for exposing the light-receiving pixel to the external light and a blocking mode for blocking the light-receiving pixel from the external light, the light source is When the light source is operating in the cutoff mode, the optical signal is radiated to allow the random number generator to generate random numbers using quantum noise of the amount of light detected by the light-receiving pixel while external light is blocked.
Description
본 발명은, 광원으로부터 방사되는 광신호를 기반으로 추출되는 양자를 이용하여 난수를 생성하는 난수생성장치에 관한 것이다.The present invention relates to a random number generator for generating random numbers using both extracted based on an optical signal emitted from a light source.
난수(random number)는 보안, 과학적 계산, 게임, 복권 등의 다양한 분야에 필요로 하고 있으며, 현재 대부분의 경우에는 순수난수(True random number)가 아닌 알고리즘 기반으로 생성되는 의사난수(Pseudo-random number)가 사용되고 있다.Random numbers are needed in various fields such as security, scientific calculations, games, lotteries, etc., and in most cases, pseudo-random numbers are generated based on algorithms rather than true random numbers. ) Is used.
하지만, 의사난수는 특정한 패턴을 가지고 있으므로 장시간 동안 생성되는 비트열을 관찰한다면 생성되는 비트열의 패턴이 도출될 가능성이 높아 난수가 가져야 할 근본적인 특성 중의 하나인 예측불가능성이 크게 훼손된다. 특히, 이러한 의사난수가 암호통신을 비롯한 보안분야에 사용된다면 보안성이 취약해지는 매우 심각한 문제를 초래하게 된다.However, since the pseudo random number has a specific pattern, when observing the bit stream generated for a long time, the pattern of the generated bit string is likely to be derived, and thus unpredictability, which is one of the fundamental characteristics that the random number should have, is greatly damaged. In particular, if such a pseudo random number is used in the security field, including crypto communication, it causes a very serious problem of weak security.
전술의 문제점을 해결하기 위해, 의사난수가 아닌 순수난수를 생성하는 순수난수 생성기(True random number generator)에 대한 다양한 연구 및 개발이 진행되고 있다. 그 중 양자 현상을 이용하여 순수난수를 생성하는 양자 난수 생성기(Quantum random number generator)는 자연현상에 존재하는 완벽한 난수성을 이용하여 랜덤 비트열을 생성하는 기술이다.In order to solve the above-mentioned problems, various researches and developments are being conducted on a true random number generator that generates a pure random number rather than a pseudo random number. Among them, a quantum random number generator that generates pure random numbers using quantum phenomena is a technique for generating a random bit string using perfect randomness existing in natural phenomena.
이러한 양자난수 생성기를 구성하는 하나의 방법으로 광원이 가지고 있는 광자 수의 불확정도인 샷 노이즈(shot noise 또는 quantum shot noise)를 이용하는 방법을 생각해 볼 수 있는데, 여기서 광원이 가지고 있는 광자 수의 불확정도는 빛의 입자적 특성에 의해 나타난다.One way to construct such a quantum random number generator is to use shot noise or quantum shot noise, which is the uncertainty of the number of photons of a light source, where the uncertainty of the number of photons of the light source is It is represented by the particulate nature of.
이처럼 광원이 가진 가장 근원적인 노이즈 중의 하나인 광자 수에 대한 샷노이즈에 기반하여 난수를 생성하는 난수생성장치를 구현함에 있어, 카메라 모듈에 주로 사용되고 있는 CMOS 센서 또는 CCD 센서 등과 같은 이미지 센서를 이용하는 기술이 최근 등장하였다(논문: Physical Review X, 4, 031056 (2014) 참고).As such, in implementing a random number generator that generates random numbers based on shot noise of photons, which is one of the most fundamental noises of a light source, a technology using an image sensor such as a CMOS sensor or a CCD sensor, which is mainly used in a camera module This recently appeared (see Paper: Physical Review X, 4, 031056 (2014)).
그러나, 일반적인 경우, 카메라 모듈 내 이미지 센서의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값은 균일하지 못하다. 이로 인해 각 픽셀들의 출력값을 해석하는 후처리 단계의 알고리즘이 복잡해져 난수생성장치의 구현에 어려움이 발생한다.However, in general, the time-average light intensity value of the optical signal input to each pixel of the image sensor in the camera module is not uniform. As a result, the algorithm of the post-processing step of interpreting the output value of each pixel becomes complicated, which makes it difficult to implement the random number generator.
샷노이즈 기반의 난수생성기는 각 픽셀에서 특정 시간 동안 누적된 광세기 값을 난수로 사용하는데, 이 광세기 값의 변동(fluctuation)이 난수성(randomness)의 근원이 된다. 특히, 각 픽셀에서 특정 시간 동안 누적된 광세기 값은 포아송 분포(Poisson distribution)을 따르기 때문에, 이러한 광세기 값의 평균(mean)값과 분산(variance)값이 선형 비례 관계를 갖는다. 이러한 이유로, 변동(fluctuation)에 대한 측정자(measure)인 분산(variance)은 평균(mean)값에 의해 정해지고, 각 픽셀에서의 난수성은 결국, 광세기 값의 평균(mean)값에 의해 좌우된다. Shot noise-based random number generator uses a light intensity value accumulated for a specific time in each pixel as a random number, and the fluctuation of the light intensity value is a source of randomness. In particular, since the light intensity values accumulated for a specific time in each pixel follow the Poisson distribution, the mean and variance values of these light intensity values have a linear proportionality. For this reason, the variance, the measure of fluctuation, is determined by the mean value, and the randomness at each pixel is ultimately governed by the mean value of the light intensity values. do.
따라서, 이미지 센서의 각 픽셀이 동일한 난수성을 갖도록 하기 위해서는, 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 만드는 것이 중요하다.Therefore, in order for each pixel of the image sensor to have the same random number, it is important to make the time-averaged light intensity value of the optical signal input to each pixel uniform.
참고로, 이미지 센서를 이용하여 이미지 센서에 입력되는 광신호의 크기를 측정하는 경우, 각 픽셀은 소정의 시간 동안 픽셀에 입력되는 광자 수의 누적 값에 해당하는 신호를 출력한다. 여기서, 시간-평균 광세기값은, 소정의 시간에 대한 광신호의 크기를 측정하는 행위를 서로 다른 시간에 대해 충분히 여러 번 반복하여 얻어진 출력 신호의 평균 값을 의미한다.For reference, when measuring the magnitude of the optical signal input to the image sensor using the image sensor, each pixel outputs a signal corresponding to the cumulative value of the number of photons input to the pixel for a predetermined time. Here, the time-averaged light intensity value means an average value of the output signal obtained by repeating the act of measuring the magnitude of the optical signal for a predetermined time sufficiently many times for different times.
즉, 샷노이즈에 기반하여 난수를 생성하는 난수생성장치를 구현함에 있어 이미지 센서를 이용하는 경우, 각 픽셀들에 입력되는 광세기에 대한 시간-평균 값들의 분포는 광원의 공간적 광세기 분포에 대응되며, 모든 픽셀에 대한 우수한 난수성 확보를 위해서는 각 픽셀들에 입력되는 시간-평균 광세기값이 균일한 것이 바람직하다.That is, in the case of using an image sensor in implementing a random number generator that generates random numbers based on shot noise, the distribution of time-average values for light intensity input to each pixel corresponds to the spatial light intensity distribution of the light source. In order to secure excellent randomness for all pixels, it is preferable that the time-averaged light intensity value input to each pixel is uniform.
한편, 이미지 센서는 카메라 모듈에 주로 사용되고 있으므로, 스마트기기와 같은 카메라 모듈(기능)이 내장된 디바이스에서 기 내장된 이미지 센서를 이용하여 난수를 생성할 수 있다면, 장치 구현 측면에서 효율적일 것이다.On the other hand, since the image sensor is mainly used in the camera module, if a random number can be generated using the built-in image sensor in a device in which a camera module (function) such as a smart device is built, it will be efficient in terms of device implementation.
헌데, 이미지 센서가 카메라 기능에서 활용될 때에는 외부 광에 노출되어야 하지만, 이미지 센서가 난수 생성을 위해 이용될 때에는 외부 광을 차단하여 외부의 간섭을 피하고 포화도를 막아야만 우수한 난수성을 확보할 수 있다.However, when the image sensor is used in the camera function, it must be exposed to external light, but when the image sensor is used to generate random numbers, it is necessary to block external light to avoid external interference and to prevent saturation, thereby ensuring excellent randomness. .
그리고, 최근 카메라 모듈(기능)이 내장된 디바이스(예: 스마트기기)에서는, 이미지 센서 보호 및 카메라 성능 유지 등의 다양한 목적으로, 기존 셔터와 같은 개폐구조를 채택하는 추세이다. In recent years, in a device (eg, a smart device) in which a camera module (function) is embedded, a tendency to adopt an opening and closing structure such as a conventional shutter is used for various purposes such as protecting image sensors and maintaining camera performance.
이에 본 발명에서는, 이미지 센서로의 외부 광 개방/차단이 가능한 개폐구조를 갖는 상황에서, 광원으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포를 균일하게 하는 난수생성장치를 구현하고자 한다.Accordingly, in the present invention, in the situation that the opening and closing of the external light to the image sensor can be opened, the random number generating device to uniformly distribute the spatial light intensity of the optical signal emitted from the light source and input to each pixel of the image sensor We want to implement
본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 본 발명에서 도달하고자 하는 목적은, 이미지 센서로의 외부 광 개방/차단이 가능한 개폐구조를 갖는 상황에서 외부 광을 차단하여 보안수준을 높이고, 내부 광원으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포를 균일하게 할 수 있는 난수생성장치를 제공하는데 있다.The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to increase the security level by blocking external light in a situation in which an opening / closing structure capable of opening / closing external light to an image sensor is provided. The present invention provides a random number generating device capable of uniformizing the spatial light intensity distribution of an optical signal emitted from a light source and input to each pixel of an image sensor.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 난수생성장치는, 적어도 하나의 광원; 상기 광원으로부터 방사되는 광신호를 검출하기 위한 적어도 하나의 수광픽셀을 포함하는 광검출부; 상기 수광픽셀에 의하여 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수를 생성하는 난수생성부; 및 상기 수광픽셀을 외부 광에 노출시키는 개방모드 및 상기 수광픽셀을 외부 광으로부터 차단시키는 차단모드 중 하나로 동작하는 개폐부를 포함하며; 상기 광원은 상기 개폐부가 차단모드로 동작 중일 때 광신호를 방사하여, 상기 난수생성부로 하여금 외부 광이 차단된 상태에서 상기 수광픽셀에 의하여 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수를 생성할 수 있게 한다.Random number growth value according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, at least one light source; A light detector including at least one light receiving pixel for detecting an optical signal emitted from the light source; A random number generation unit generating random numbers using quantum noise of the amount of light detected by the light receiving pixel; And an opening / closing unit operating in one of an open mode for exposing the light receiving pixel to external light and a blocking mode for blocking the light receiving pixel from external light; The light source emits an optical signal when the opening and closing part is operating in the blocking mode, so that the random number generator generates random numbers using quantum noise of the amount of light detected by the light receiving pixel in the state where external light is blocked. do.
바람직하게는, 상기 개폐부는, 상기 수광픽셀을 카메라 기능에 활용하는 경우 개방모드로 동작하며, 상기 카메라 기능이 오프되는 경우, 자동 또는 선택적으로 차단모드로 동작할 수 있다.Preferably, the opening and closing unit, when the light-receiving pixel is utilized in the camera function, and operates in the open mode, when the camera function is off, it can be operated in the blocking mode automatically or selectively.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 광원이 다수의 광원으로 이루어지는 경우, 상기 다수의 광원에서 각각 방사되어 합쳐진 광신호가 상기 수광픽셀로 입력될 때 상기 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해지도록 상기 광검출부를 중심으로 대칭적으로 배치될 수 있다.Preferably, when the at least one light source consists of a plurality of light sources, a time-average of light signals input to each pixel of the light receiving pixel when the light signals respectively radiated and combined from the plurality of light sources are input to the light receiving pixel. (time-average) may be arranged symmetrically about the photodetector so that the light intensity value is uniform.
바람직하게는, 광원에 의해 방사되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값은, 상기 광원이 가질 수 있는 적어도 하나의 분포 특성을 따르며, 상기 광검출부를 중심으로 대칭적으로 배치되는 광원 사이의 간격은, 상기 적어도 하나의 분포 특성을 기초로 결정될 수 있다.Preferably, the time-average light intensity value of the optical signal emitted by the light source follows at least one distribution characteristic that the light source may have, and is disposed symmetrically about the light detector. The spacing between the light sources may be determined based on the at least one distribution characteristic.
바람직하게는, 상기 광검출부를 중심으로 대칭적으로 배치되는 광원 사이의 간격은, 상기 분포 특성이 가우시안 분포인 경우, 상기 가우시안 분포의 표준편차의 2배일 수 있다.Preferably, an interval between light sources disposed symmetrically about the photodetector may be twice the standard deviation of the Gaussian distribution when the distribution characteristic is a Gaussian distribution.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 광원에서 방사되는 광신호가 상기 수광픽셀로 입력될 때, 상기 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해지도록 상기 광신호를 확산시키는 광확산부를 더 포함할 수 있다.Preferably, when the light signal emitted from the at least one light source is input to the light receiving pixel, the time-average light intensity value of the light signal input to each pixel of the light receiving pixel becomes uniform. It may further include a light diffusion unit for diffusing the optical signal.
바람직하게는, 상기 광확산부는, 난반사 성질을 가지는 확산물질이며, 상기 적어도 하나의 광원에서 방사되는 광신호가 상기 수광픽셀로 입력될 때의 광신호 진행경로에 위치할 수 있다.Preferably, the light diffusing unit is a diffusing material having diffuse reflection properties, and may be positioned in an optical signal path when an optical signal emitted from the at least one light source is input to the light receiving pixel.
바람직하게는, 상기 광확산부의 확산물질은, 상기 적어도 하나의 광원 각각에서 광신호가 방사되는 방사면 위에 상기 방사면과 나란하게 위치하여, 상기 적어도 하나의 광원에서 방사되는 상기 광신호를 확산시킬 수 있다.Preferably, the diffusion material of the light diffusion part may be positioned in parallel with the radiation surface on the radiation surface from which the optical signal is emitted from each of the at least one light source, and diffuse the optical signal emitted from the at least one light source. have.
바람직하게는, 상기 광확산부의 확산물질은, 상기 적어도 하나의 광원에서 기판에 결합되는 결합면을 제외한 나머지 각각의 면 위에 상기 각각의 면과 나란하게 위치하여, 상기 적어도 하나의 광원에서 방사되는 상기 광신호를 확산시킬 수 있다.Preferably, the diffusion material of the light diffusing unit is located in parallel with the respective surfaces on each of the surfaces other than the coupling surface coupled to the substrate in the at least one light source, the radiation emitted from the at least one light source The optical signal can be spread.
바람직하게는, 상기 광확산부의 확산물질은, 상기 적어도 하나의 광원에서 상기 결합면을 제외한 나머지 면 중, 상기 광원 및 상기 광검출부 사이의 측면과 상기 방사면 각각의 위에 상기 측면 및 상기 방사면과 나란하게 위치하여, 상기 적어도 하나의 광원에서 방사되는 상기 광신호를 확산시킬 수 있다.Preferably, the diffusing material of the light diffusing unit is a side surface between the light source and the light detection unit, and the side and the radiation surface on each of the radiation surface of the at least one light source except for the coupling surface; Positioned side by side, it can spread the optical signal emitted from the at least one light source.
바람직하게는, 상기 광확산부의 확산물질은, 상기 개폐부의 배면에 위치하여, 상기 적어도 하나의 광원에서 방사되는 광신호가 상기 차단모드로 동작하는 상기 개폐부의 배면에서 반사되어 상기 수광픽셀로 입력될 때 상기 광신호를 확산시킬 수 있다.Preferably, the diffusion material of the light diffusing portion is located on the rear of the opening and closing portion, when the optical signal emitted from the at least one light source is reflected from the back of the opening and closing portion operating in the blocking mode is input to the light receiving pixel. The optical signal can be spread.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 적어도 하나의 수광픽셀을 포함하는 난수생성장치의 동작 방법은, 상기 수광픽셀을 활용하는 카메라 기능이 오프 상태인지 확인하는 확인단계; 상기 카메라 기능이 오프 상태인 경우, 상기 수광픽셀을 외부 광에 노출시키는 개방모드 및 상기 수광픽셀을 외부 광으로부터 차단시키는 차단모드 중 하나로 동작하는 개폐부를 상기 차단모드로 동작시키는 동작제어단계; 상기 개폐부가 차단모드로 동작 중일 때 적어도 하나의 광원이 방사하는 광신호가 상기 수광픽셀에 수광되면, 상기 수광픽셀에 의하여 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수를 생성하는 난수생성단계를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of operating a random number generating device including at least one light receiving pixel, including: checking whether a camera function utilizing the light receiving pixel is in an off state; An operation control step of operating an opening / closing unit which operates in one of an open mode for exposing the light receiving pixel to external light and a blocking mode for blocking the light receiving pixel from external light when the camera function is off; And generating a random number by using quantum noise of the amount of light detected by the light-receiving pixel when an optical signal emitted by at least one light source is received by the light-receiving pixel when the switch unit is operating in the blocking mode.
이에, 본 발명에 따른 난수생성장치 및 난수생성장치의 동작 방법에 의하면, 이미지 센서로의 외부 광 개방/차단이 가능한 개폐구조를 갖는 상황에서 외부 광을 차단하여 보안수준을 높이고, 내부 광원으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포를 균일하게 하여, 엔트로피가 우수한 난수를 얻을 수 있는 효과를 도출한다.Thus, according to the operating method of the random number generating device and the random number generating device according to the present invention, in the situation that the opening and closing structure that can open / block the external light to the image sensor to increase the security level by blocking external light, and radiates from the internal light source As a result, the spatial light intensity distribution of the optical signal input to each pixel of the image sensor is made uniform, resulting in an effect of obtaining a random number having excellent entropy.
도 1은 난수생성장치의 기본 구성원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 난수생성장치를 제작할 때 기본적으로 생각해 볼 수 있는 구현방안을 나타내는 도면이다.
도 3은 난수생성장치를 제작할 때 생각해 볼 수 있는 다른 구현방안을 나타내는 도면이다.
도 4는 난수생성장치에서 광량을 검출하는 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 다수의 광원의 구현 방식을 보여주는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 난수생성장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 난수생성장치의 배치 구조의 예시들을 보여주는 예시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 난수생성장치의 배치 구조의 일례 및 이미지 센서의 각 픽셀로 균일하게 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기 분포의 일례 나타내는 도면이다.
도 12 및 13는 본 발명의 실시예에 따른 난수생성장치의 배치 구조의 다른예 및 이미지 센서의 각 픽셀로 균일하게 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기 분포의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 난수생성장치의 동작 방법에 의해 이미지 센서를 이용하여 난수를 생성하는 흐름도를 나타내는 흐름도이다.1 is a view for explaining the basic membership of the random number generator.
2 is a view showing an implementation that can be considered basically when manufacturing a random number generating device.
3 is a view showing another implementation that can be considered when manufacturing a random number generating device.
4 is a view showing an example of detecting the amount of light in the random number generating device.
5 is a circuit diagram illustrating an implementation of a plurality of light sources.
6 is a block diagram showing the configuration of a random number generating device according to an embodiment of the present invention.
7 to 10 are exemplary views showing examples of an arrangement structure of a random number generating device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a view showing an example of an arrangement structure of a random number generating device according to an embodiment of the present invention and an example of a time-average light intensity distribution of an optical signal uniformly input to each pixel of an image sensor.
12 and 13 show another example of the arrangement of the random number generating device according to the embodiment of the present invention and another example of the time-average light intensity distribution of the optical signal uniformly input to each pixel of the image sensor. It is a figure which shows.
14 is a flowchart illustrating a flowchart of generating a random number using an image sensor by a method of operating a random number generator according to an exemplary embodiment of the present invention.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described in detail by way of example drawings. In adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are assigned to the same components as much as possible even though they are shown in different drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related well-known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
본 발명은, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포(spatial intensity distribution)를 균일하게 할 수 있는 난수생성장치(이하, 양자난수생성장치)와 관련된다.The present invention relates to a random number generator (hereinafter referred to as a quantum random number generator) capable of uniformizing a spatial intensity distribution of an optical signal emitted from a light source and input to each pixel.
양자난수생성장치는, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 소정 시간 동안의 광세기값, 즉 광량을 균일하게 검출하며, 검출한 광량에 대한 샷노이즈(shot noise 또는 quantum shot noise)를 기반으로 순수난수(True random number)(이하, 난수)를 생성한다.The quantum random growth value uniformly detects a light intensity value, that is, light quantity, for a predetermined time period of an optical signal emitted from a light source and inputs to each pixel, and measures shot noise or quantum shot noise for the detected light quantity. Generates a random random number (hereinafter, random number) based on.
이러한 양자난수생성장치는, 양자난수생성기(Quantum Random Number Generator, QRNG)일 수 있으며, 장비, 모듈 및 칩(chip) 형태로 구현될 수 있다.The quantum random number generator may be a quantum random number generator (QRNG) and may be implemented in the form of equipment, modules, and chips.
본 발명은, 양자난수생성장치의 성능 향상을 위한 하드웨어적인 구성과 관련되며, 특히 이미지 센서로의 외부 광 개방/차단이 가능한 개폐구조를 갖는 상황에서, 광원으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일하게 입력될 수 있도록, 각 구성의 배치 및 구조를 최적화한 양자난수생성장치에 관련된다.The present invention relates to a hardware configuration for improving the performance of a quantum random number generating device, and in particular in a situation in which the opening and closing structure capable of opening / closing external light to the image sensor is radiated from a light source to each pixel of the image sensor. The present invention relates to a quantum random number generating device that optimizes the arrangement and structure of each component so that the time-average light intensity value of the input optical signal can be uniformly input.
다시 말해, 본 발명은 양자난수생성장치를 제작할 때, 칩 또는 모듈 형태로 소형화 및 대량 생산하기 위한 하드웨어적인 구성에 관한 것이다. In other words, the present invention relates to a hardware configuration for miniaturization and mass production in the form of chips or modules when manufacturing a quantum random number generating device.
본 발명에 대하여 구체적으로 설명하기에 앞서, 도 1 내지 도 3을 참조하여 난수생성장치를 제작함에 있어 가장 용이하게 생각해 볼 수 있는 기본 방안에 대해 간단히 설명하도록 하겠다.Prior to describing the present invention in detail, a brief description will be given of a basic method that can be most easily considered in manufacturing a random number generating device with reference to FIGS. 1 to 3.
먼저, 도 1을 참고하여 난수생성장치의 기본 구성원리에 대하여 설명하도록 하겠다.First, the basic membership of the random number generator will be described with reference to FIG. 1.
도 1에 도시한 바와 같이, 난수생성장치는, 광원(10)으로부터 방사되는 광신호를 검출부(20)를 통해 검출하며, 검출되는 광량의 광자 수에 대한 샷노이즈를 이용하여 난수(30)를 생성하게 된다. 도 1과 관련된 유사 기술은 Physical Review X, 4, 031056 (2014)에서 확인할 수 있다.As shown in FIG. 1, the random number growth value detects an optical signal emitted from the
광원(10)은, 광자를 방사하며, 예컨대 다수의 광자로 이루어진 광신호를 연속적으로 방사할 수 있다.The
이러한 광원(10)은, 레이저(laser) 등과 같은 간섭광(coherent light) 또는 LED(light emitting diode) 등과 같은 혼돈광(chaotic light)일 수 있다. 만일, 광원(10)으로 LED가 사용되는 경우, 양자 노이즈 특성이 유지될 수 있도록 설정된 임계범위 내에서 적정 전류를 인가하는 것이 바람직하다.The
검출부(20)는, 이미지 센서(21)가 장착된 카메라 모듈일 수 있으며, 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수(30)를 생성한다. The
이때, 이미지 센서(21)는, CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 센서 및 CCD(charge coupled device) 센서 등을 포함하며, 광원으로부터 방사되는 광신호를 검출할 수 있다면 다른 유사 센서들로도 구성될 수 있다.In this case, the
이러한, 검출부(20)는, 이미지 센서(21)에서 특정 시간 단위로 누적된 전류/전압을 증폭기(22)를 통해 증폭한 다음 ADC(analog-digital converter)(23)를 통해 디지털 출력, 즉 난수(30)를 생성한다.The
이처럼 난수생성장치의 기본 구성원리에 따라 난수(30)를 생성하는 경우, 이미지 센서(21)의 각 픽셀에 특정 시간 동안 누적된 광세기 값이 포아송 분포(Poisson distribution)을 따르기 때문에, 이러한 광세기 값의 평균(mean)값과 분산(variance)값이 선형 비례 관계를 갖게 된다. When the random number 30 is generated according to the basic membership of the random number generator as described above, since the light intensity value accumulated for a specific time in each pixel of the
이러한 이유로, 변동(fluctuation)에 대한 측정자(measure)인 분산(variance)은 평균(mean)값에 의해 정해지고, 각 픽셀에서의 난수성(randomness)은 결국, 광세기 값의 평균(mean)값에 의해 좌우된다. For this reason, the variance, the measure of fluctuation, is determined by the mean value, and the randomness at each pixel, in turn, is the mean value of the light intensity values. Depends on.
따라서, 이미지 센서(21)의 각 픽셀이 동일한 난수성을 갖도록 하기 위해서는, 각 픽셀로 입력되는 시간-평균 광세기값을 균일하게 만드는 것이 중요하다.Therefore, in order to make each pixel of the
즉, 이미지 센서(21)의 각 픽셀들의 출력값은 각 픽셀들로 입력되는 광세기에 대응되므로, 출력값이 갖는 통계적 특성이 각 픽셀마다 상이하게 되면, 각 픽셀들의 출력값을 해석하는 후처리 단계의 알고리즘이 복잡해질 뿐만 아니라, 특정 픽셀에서는 동일한 난수값이 다른 픽셀에 비해 집중적으로 생성될 수 있어 모든 픽셀이 우수한 난수성을 동일하게 유지하기 어렵게 된다.That is, since the output value of each pixel of the
이처럼, 난수생성장치의 구현 복잡도를 감소시키고, 각 픽셀로부터 우수한 품질의 난수열을 생성하는 데에 있어서, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 하는 것이 매우 중요하며 이는 난수생성장치의 전체 성능에 큰 영향을 미친다.As such, in reducing the implementation complexity of the random number generator and generating a good quality random number sequence from each pixel, it is necessary to make the time-averaged light intensity value of the optical signal emitted from the light source and input to each pixel uniform. This is very important and has a big impact on the overall performance of the random number generator.
이처럼 이미지 센서의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값이 균일하게 입력되는 것이 매우 중요함에도 불구하고, 점차 소형화되어 가는 난수생성장치의 하드웨어적인 구현 크기의 제약으로 인해, 기판(PCB) 구성을 단순화하기 위한 방안이 주로 제안되고 있을 뿐이다.Although it is very important that the time-averaged light intensity value of the optical signal input to each pixel of the image sensor is uniformly important, due to the limitation of the hardware implementation size of the random number generator that is gradually miniaturized, the substrate (PCB) There are only proposals to simplify the configuration.
이하에서는, 전술한 난수생성장치의 기본 구성원리에 따라 난수생성장치를 제작할 때 고려해 볼 수 있는 방안들에 대해 설명하도록 하겠다.Hereinafter, the methods that may be considered when manufacturing the random number generator according to the basic membership of the random number generator described above will be described.
난수생성장치를 칩 또는 모듈 형태로 제작할 때 기본적으로 생각해 볼 수 있는 첫 번째 구현방안으로, 도 2와 광원(10)과 이미지 센서(21)가 서로 마주보도록 구현하는 것을 고려해볼 수 있다.When the random number generator is manufactured in the form of a chip or a module, the first implementation that can be considered basically, may be considered to implement the
첫 번째 구현방안에 의해 난수생성장치를 생성하기 위해서는, 광원(10)으로부터 방사된 광신호가 최대한 넓게 분산되도록 구성해야 하며, 이미지 센서(21) 내 최대한 많은 픽셀들이 유사한 개수의 광량을 검출할 수 있도록 하기 위해, 광원(10)과 이미지 센서(21)의 간격을 제한하거나 또는 이미지 센서(21)의 크기를 제한한다.In order to generate the random number generating device by the first implementation method, the optical signal emitted from the
또한, 광원(10)을 배치하기 위한 상부기판(Top PCB)(40)과, 이미지 센서(21)를 배치하기 위한 하부기판(Bottom PCB)(50)을 각각 구분하여 사용해야 하므로 제조 공정이 복잡해지며, 그로 인해 비용 절감 및 소형화를 기대하기 힘든 문제점이 발생하게 된다. In addition, the manufacturing process is complicated because the
즉, 첫 번째 구현방안에 의해서는 난수생성장치의 기판 구성을 단순화하여 구현하기 어렵다는 것을 확인할 수 있다.That is, it can be confirmed that the first implementation method is difficult to implement by simplifying the board configuration of the random number generator.
한편, 전술한 난수생성장치의 기본 구성원리에 따라 난수생성장치를 칩 또는 모듈 형태로 제작하기 위해 생각해 볼 수 있는 두 번째 구현방안으로, 도 3과 같이 하나의 기판상(60)에 광원(10)과 이미지 센서(21)를 배치하되 별도의 광도파로(light wave guide)(70)를 추가하는 구성을 고려해 볼 수도 있다. 도 3과 관련된 유사 기술은 Physical Review X, 4, 031056 (2014)의 저자에 의해 QCrypt 2014 학회에서 소개된 바 있다.On the other hand, according to the basic membership of the above-described random number generating device as a second implementation that can be considered in order to manufacture the random number generating device in the form of a chip or module, as shown in FIG. ) And the
그러나, 두 번째 구현방안과 같이 광도파로(70)를 별도로 추가하는 배치 방안은 제조 공정상의 복잡성 및 그로 인한 비용을 증가시킬 뿐만 아니라, 광원(10)으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 할 수 없는 한계점은 여전히 가질 것으로 예상된다.However, the arrangement scheme of separately adding the optical waveguide 70 as in the second implementation not only increases the complexity of the manufacturing process and the cost thereof, but also the light emitted from the
전술과 같이 난수생성장치를 칩 또는 모듈 형태로 제작할 때 생각해 볼 수 있는 첫 번째 및 두 번째 구현방안은 모두, 제조 상의 복잡성 측면이나 광신호의 시간-평균 광세기값 균일성 측면에서 만족스럽지 못한 수준이다.As mentioned above, the first and second implementations conceivable when manufacturing a random number generator in the form of a chip or module are unsatisfactory in terms of manufacturing complexity or uniformity of time-averaged light intensity values of optical signals. to be.
한편, 이미지 센서는 카메라 모듈에 주로 사용되고 있으므로, 스마트기기와 같은 카메라 모듈(기능)이 내장된 디바이스에서 기 내장된 이미지 센서를 이용하여 난수를 생성할 수 있다면, 장치 구현 측면에서 효율적일 것이다.On the other hand, since the image sensor is mainly used in the camera module, if a random number can be generated using the built-in image sensor in a device in which a camera module (function) such as a smart device is built, it will be efficient in terms of device implementation.
헌데, 이미지 센서가 카메라 기능에서 활용될 때에는 외부 광에 노출되어야 하지만, 이미지 센서가 난수 생성을 위해 이용될 때에는 외부 광을 차단하여 외부의 간섭을 피하고 포화도를 막아야만 우수한 난수성을 확보할 수 있다.However, when the image sensor is used in the camera function, it must be exposed to external light, but when the image sensor is used to generate random numbers, it is necessary to block external light to avoid external interference and to prevent saturation, thereby ensuring excellent randomness. .
그리고, 최근 카메라 모듈(기능)이 내장된 디바이스(예: 스마트기기)에서는, 이미지 센서 보호 및 카메라 성능 유지 등의 다양한 목적으로, 기존 셔터와 같은 개폐구조를 채택하는 추세이다. In recent years, in a device (eg, a smart device) in which a camera module (function) is embedded, a tendency to adopt an opening and closing structure such as a conventional shutter is used for various purposes such as protecting image sensors and maintaining camera performance.
이에 본 발명에서는, 양자난수생성장치를 칩(chip) 형태로 소형화 및 대량 생산하되, 이미지 센서로의 외부 광 개방/차단이 가능한 개폐구조를 갖는 상황에서 광원으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포를 균일하게 할 수 있도록, 하드웨어적인 각 구성의 배치 및 구조를 최적화한 방안을 제안하고자 한다.Accordingly, in the present invention, the quantum random number generating device can be miniaturized and mass-produced in the form of a chip, but is radiated from a light source in a situation in which an opening / closing structure capable of opening / closing external light to the image sensor is emitted to each pixel of the image sensor. In order to make the spatial light intensity distribution of the input optical signal uniform, it is proposed a method of optimizing the arrangement and structure of each hardware configuration.
이하에서는 도 4를 참조하여, 개폐구조의 개념을 생략하고 하나의 광원을 이용하는 양자난수생성장치를 언급하여, 광량을 검출하는 일례를 설명하겠다. 이때, 설명의 편의를 위해 광원은 LED인 것으로 가정한다.Hereinafter, referring to FIG. 4, an example of detecting the amount of light will be described by referring to a quantum random number generating device using one light source without omitting the concept of an opening and closing structure. In this case, it is assumed that the light source is an LED for convenience of description.
도 4에서는 하나의 광원(10)을 이용하여 양자난수생성장치를 구현하였다. In FIG. 4, a quantum random number generating device is implemented using one
이처럼 양자난수생성장치가 하나의 광원(10)에 의해 구현되는 경우, 광원(10)으로부터 광신호가 방사되면, 이미지 센서(21)의 각 픽셀에 입력되는 시간-평균 광세기값은 광원에서 방사되는 광신호의 공간적 광세기 분포에 의해 결정된다. When the quantum random number generating device is implemented by one
이때, 공간적으로 다른 위치에 배치되어 있는 각 픽셀들에 입력되는 시간-평균 광세기값들의 공간적인 분포는 광소자 공정 방식에 따라 천차만별인데, 가우시안 분포(Gaussian distribution)의 합, cosine power의 합 등으로 표현되기도 한다. 이와 관련된 기술은 February 2008/Vol.16, No.3/OPTICS EXPRESS 1808에서 확인할 수 있다. 그렇지만, 많은 경우, 하나의 피크(peak)를 갖는 가우시안 분포를 따르기 때문에 본 발명은 가우시안 분포를 예를 들어 기술한다.At this time, the spatial distribution of time-averaged light intensity values input to each pixel arranged at spatially different positions differs according to the optical device processing method, including the sum of the Gaussian distribution and the sum of cosine power. Also expressed as Related technologies can be found in February 2008 / Vol.16, No.3 / OPTICS EXPRESS 1808. In many cases, however, the present invention describes a Gaussian distribution by way of example, since it follows a Gaussian distribution with one peak.
가우시안 분포의 중심축(80)에 대응하여 위치하는 이미지 센서(21) 내적어도 하나의 픽셀(pi1)은, 중심축(80)에서의 가우시안 분포에 따라 평균적으로 최대의 광량, 즉 광세기에 대한 시간-평균(time-average) 값 중 가장 큰 값을 입력 받게 된다. 그러나, 픽셀(pi1)을 제외한 나머지 픽셀(pi2)은 중심축(80)을 중심으로 대칭적으로 감소하는 가우시안 분포에 대응되는 점차 감소하는 광량을 입력 받게 된다. At least one pixel pi1 of the
이에, 이미지 센서(21)의 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값이 서로 상이하게 되어, 평균적으로 서로 상이한 광량을 검출하게 되는 것이다.As a result, time-averaged light intensity values of the optical signals input to the pixels of the
이처럼, 하나의 광원(10)에 의해 양자난수생성장치가 구현되면, 가우시안 분포(Gaussian distribution)를 따르는 광신호의 시간-평균 광세기값에 따라 이미지 센서(21)의 각 픽셀들(pi1, pi2)로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 할 수 없게 되는 문제가 발생할 수 있다.As such, when a quantum random number generating device is implemented by one
이에, 본 발명에서는, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값이 균일해 지도록 하기 위한, 특히 개폐구조를 갖는 상황에서 구현하기 위한, 다양한 실시예에 따른 양자난수생성장치의 구현 방안을 제시한다.Accordingly, in the present invention, quantum random number generation according to various embodiments for realizing a time-averaged light intensity value of an optical signal emitted from a light source and input to each pixel, in particular in a situation having an opening and closing structure, according to various embodiments. The implementation of the device is presented.
이하에서는, 도 5 내지 도 13을 참조하여, 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 양자난수생성장치의 구현 방안을 설명하겠다. 이때, 설명의 편의를 위해 광원은 LED인 것으로 가정한다.Hereinafter, an implementation method of a quantum random number generating device according to an embodiment of the present invention for uniformizing the time-averaged light intensity value of an optical signal input to each pixel will be described with reference to FIGS. 5 to 13. In this case, it is assumed that the light source is an LED for convenience of description.
도 5의 (A)에 도시한 바와 같이, 본 발명에서는, 광원으로 사용되는 LED가 전광효과를 제공하는 p-n 접합 다이오드이므로 여러 개의 광원을 직렬로 연결하여 용이하게 확장 구현할 수 있는 LED 특성을 이용한다. 이러한 LED 특성을 이용하여 별도의 복잡한 회로 구성을 추가하지 않고도 다수의 광원(101-10n)을 단순하게 직렬로 연결할 수 있게 된다. 이처럼 직렬로 연결되는 다수의 광원(101-10n)에 의해 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 할 수 있는 양자난수생성장치를 구현할 수 있다.As shown in FIG. 5A, in the present invention, since the LED used as the light source is a pn junction diode providing an all-optical effect, the LED characteristic which can be easily extended and implemented by connecting several light sources in series is used. Using this LED characteristic, it is possible to simply connect a plurality of
따라서, 기존 하나의 광원을 이용하여 양자난수생성장치를 구현하기 위해 별도로 광도파로(light wave guide)를 추가하는 방안과 비교할 때, 하드웨어적인 구조를 보다 단순화시킬 수 있다. 따라서 보다 용이하게 칩(chip) 형태로 소형화할 수 있게 된다. Therefore, when compared to a method of separately adding a light wave guide to implement a quantum random number generator using a single light source, the hardware structure can be further simplified. Therefore, the size of the chip can be reduced more easily.
물론, 경우에 따라서는 도 5의 (B)의 예와 같이, 각각의 LED에 인가되는 전류량을 독립적으로 제어할 수도 있다.Of course, in some cases, as in the example of FIG. 5B, the amount of current applied to each LED may be independently controlled.
전술의 LED 특성에 따라 구현된 본 발명의 실시예에 따른 양자난수생성장치(100)는, 도 6에 도시한 바와 같이, 광원관리부(110) 및 난수생성부(120)를 포함한다.Quantum random
광원관리부(110)는, 적어도 하나의 광원을 포함하는 광원부(111), 광원으로부터 방사되는 광신호를 검출하기 위한 적어도 하나의 수광픽셀을 포함하는 광검출부(113), 및 수광픽셀을 외부 광에 노출시키는 개방모드 및 수광픽셀을 외부 광으로부터 차단시키는 차단모드 중 하나로 동작하는 개폐부(114)를 포함하며, 이때 광원은 개폐부(114)가 차단모드로 동작 중일 때 광신호를 방사하여, 난수생성부(120)로 하여금 외부 광이 차단된 상태에서 수광픽셀에 의하여 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수를 생성할 수 있게 한다.The light
더 나아가, 광원관리부(110)는, 광확산부(112)를 더 포함할 수 있다.In addition, the
본 발명의 양자난수생성장치(100)는, 광원을 이용하는 것을 기본으로 하지만, 이 외에도 개폐구조(개폐부), 광검출부 등과 같은 다양한 구성이 함께 이용되어 구현된다. 이처럼 다양한 구성들의 조합에 의해 양자난수생성장치(100)가 구현되는 경우에는, 구현 환경에 따라 다양한 제약 사항들이 발생하게 된다.The quantum random
즉, 양자난수생성장치(100)의 구현 환경에 따라, 광신호가 전파되는 공간이 협소해지거나, 광검출부의 픽셀의 크기가 상이하거나, 픽셀 어레이(array)의 레졸루션(resolution)이 상이하거나, 광검출부의 크기(높이)가 상이하게 되는 등의 다양한 제약 사항들이 발생하게 된다.That is, according to the implementation environment of the quantum random
이러한 제약 사항들로 인해, 광검출부 내 적어도 하나의 수광픽셀(예: 이미지 센서 내 픽셀) 중 광원에 가까운 특정영역으로 입력되는 광세기가 상대적으로 커지질 수 있다. 즉, 양자난수생성장치(100)의 구현 환경에 따라, 특정영역으로 광세기가 집중되는 문제가 발생할 수 있는 것이다. Due to these limitations, the light intensity input to a specific region close to a light source among at least one light receiving pixel (eg, a pixel in the image sensor) in the photodetector may be relatively large. That is, according to the implementation environment of the quantum random
양자난수생성장치(100)는, 이러한 문제를 해소하기 위한 구성으로서, 광원 즉 광원부(111)에서 방사되는 광신호가 수광픽셀로 입력될 때, 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값이 균일해지도록 광신호를 확산시키는 광확산부(112)를 채택하고 있다. The quantum random
난수생성부(120)는, 수광픽셀로 입력되는 광세기값, 즉 수광픽셀에 의해 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수를 생성한다.The
개폐부(114)는, 설명의 편의 상 광원관리부(110)에 포함시켜 설명하였으나, 외부 구성으로 위치하는 것도 물론 가능하다.Although the opening and closing
이러한 개폐부(114)는, 수광픽셀을 카메라 기능에 활용하는 경우 개방모드로 동작하며, 카메라 기능이 오프되는 경우 자동 또는 선택적으로 차단모드로 동작하는 것이 바람직하다.When the light-receiving pixel is utilized for the camera function, the opening /
광원부(111)는, 하나의 광원을 포함할 수도 있고, 다수의 광원을 포함할 수도 있다.The
이때, 광원부(111)가 다수의 광원을 포함하는 경우, 광원부(111)는, 다수의 광원으로서 홀수 개(예: 3,5...개)의 광원을 포함할 수도 있고, 짝수 개(예: 2,4...개)의 광원을 포함할 수도 있다.In this case, when the
그리고, 광원부(111)에 포함되는 다수의 광원은, 다수의 광원에서 각각 방사되어 합쳐진 광신호가 수광픽셀로 입력될 때 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해지도록 광검출부(113)를 중심으로 대칭적으로 배치될 수 있다.The plurality of light sources included in the
이하에서는, 설명의 편의 상, 광검출부(113)를 중심으로 대칭적으로 배치되는 2개의 광원을, 광원 쌍으로 명칭하여 설명하겠다. Hereinafter, for convenience of explanation, two light sources arranged symmetrically around the
이러한 광원부(111)는, 개폐부(114)가 차단모드로 동작 중일 때 광신호를 방사하여, 난수생성부(120)로 하여금 외부 광이 차단된 상태에서 수광픽셀에 의하여 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수를 생성할 수 있게 한다.The
보다 구체적으로, 도 7을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양자난수생성장치(100A)의 배치 구조를 설명한다.More specifically, the arrangement structure of the quantum random
도 7에 도시된 실시예의 경우 광원부(111)는, 하나의 광원 쌍(111a,111b)를 포함할 수 있다. 본 발명에서는, 하나의 광원 쌍을 이루는 2개의 광원에 의해 방사되는 광신호가 동일한 것으로 가정한다.In the case of the embodiment illustrated in FIG. 7, the
즉, 광원부(111)는, 제작하려는 양자난수생성장치의 크기 및 성능에 따라 하나의 광원, 또는 1개의 광원 쌍, 또는 2개 이상의 광원 쌍 등을 구비할 수 있다. 이때, 광원의 개수는 제한되지 않는다. That is, the
다만, 본 발명에서, 하나의 광원 쌍을 이루는 2개의 광원은, 2개의 광원에서 각각 방사되어 합쳐진 광신호가 수광픽셀로 입력될 때 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값이 균일해지도록 광검출부(113)를 중심으로 대칭적으로 배치되는 것으로 한다.However, in the present invention, the two light sources constituting one light source pair, the time-averaged light intensity value of the optical signal input to each pixel of the light receiving pixel when the light signals respectively radiated and combined in the two light sources are input to the light receiving pixel It is assumed that the
이에, 하나의 광원 쌍을 예로서 언급하는 도 7에서는, 하나의 광원 쌍(111a,111b)을 이루는 2개의 광원(111a) 및 광원(111b)이, 광검출부(113)를 중심으로 대칭적으로 배치되고 있다. Therefore, in FIG. 7 which refers to one light source pair as an example, two
광검출부(113)는, 전술에서 언급한 CMOS 및 CCD 센서 등과 같은 이미지 센서일 수 있다. The
이러한, 광검출부(113)는, 하나의 광원 쌍(111a,111b)으로부터 방사되는 광신호를 검출하기 위한 적어도 하나의 수광픽셀(예: 이미지 센서 내 픽셀)(1131)를 포함한다.The
개폐부(114)는, 수광픽셀(1131)을 외부 광에 노출시키는 개방모드 및 수광픽셀(1131)을 외부 광으로부터 차단시키는 차단모드 중 하나로 동작할 수 있다.The opening and
도 7 내지 도 10에서는, 개폐부(114)가 개방모드(실선)에서 차단모드(점선)로 변경되는 경우를 도시하고 있다.7 to 10 show the case where the opening and
이러한 개폐부(114)는, 수광픽셀(1131)을 카메라 기능에 활용하는 경우 개방모드로 동작하며, 카메라 기능이 오프되는 경우 자동 또는 선택적으로 차단모드로 동작하는 것이 바람직하다.When the light-receiving
예를 들면, 개폐부(114)는, 디폴트(default)로 차단모드가 설정되는 경우, 카메라 기능이 오프되면 자동으로 차단모드로 동작할 수 있다.For example, when the cutoff mode is set as a default, the opening and
또는, 개폐부(114)는, 디폴트(default)로 개방모드가 설정되는 경우, 본 발명의 양자난수생성장치(100)에서 난수를 생성하고자 하면 별도 제어에 의해 선택적으로 차단모드로 동작할 수 있다.Alternatively, when the
하나의 광원 쌍(111a,111b)을 이루는 2개의 광원(111a) 및 광원(111b)은, 개폐부(114)가 차단모드로 동작 중일 때 광신호를 방사하여, 난수생성부(120)로 하여금 외부 광이 차단된 상태에서 수광픽셀(1131)에 의하여 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수를 생성할 수 있게 한다.The two
이렇게 되면, 본 발명의 양자난수생성장치(100A)는, 카메라 기능에 활용되는 이미지 센서가 탑재되는 기판(50)에 광원부(111), 광검출부(113) 및 후술할 광확산부(112)를 배치하는 칩(chip) 형태 제작하게 되면, 카메라 기능이 오프된 상태로 개폐부(114)가 차단모드로 동작할 때, 이미지 센서 보다 정확히는 이미지 센서 내 수광픽셀(1131)를 이용하여 외부 광을 완전히 차단한 상태로 양자 노이즈 기반의 난수를 생성할 수 있다. In this case, the quantum random
더 나아가, 수광픽셀(1131)로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 하기 위한 광원관리부(110)의 배치 구조 예시를, 보다 구체적으로 설명하겠다.Further, an example of the arrangement structure of the
도 7에 도시한 바와 같이, 광원관리부(110)에 구비된 광원 쌍(111a,111b)과 광검출부(113)는 동일한 기판(50) 상에 배치된다.As illustrated in FIG. 7, the light source pairs 111a and 111b and the
이처럼, 양자난수생성장치(100A)의 소형화 및 대량 생산을 위해 하나의 기판(50) 상에 광원 쌍(111a,111b)과 광검출부(113)를 배치하여 칩(chip) 형태 제작하게 되면, 차단모드로 동작하는 개폐부(114)에 의해 광원 쌍(111a,111b)에서 방사되는 광신호가 자연스럽게 반사되어 수광픽셀(1131)로 입력될 것이다.As such, when the light source pairs 111a and 111b and the
보다 구체적으로, 하나의 광원 쌍(111a,111b)을 이루는 2개의 광원(111a) 및 광원(111b)은, 광검출부(113)를 기준으로 대칭이 되도록 배치된다.More specifically, the two
즉, 2개의 광원(111a) 및 광원(111b)이 광검출부(113)와 동일한 기판(50)상에 위치하는 경우, 2개의 광원(111a) 및 광원(111b)은 수광픽셀(1131)로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값이 균일하게 되도록 광검출부(113)로부터 동일한 간격을 유지하며 대칭으로 배치된다.That is, when the two
본 발명에서는 2개의 광원(111a) 및 광원(111b)이 광검출부(113)로부터 동일한 간격인 것으로 언급하였으나, 서로 다른 간격인 경우에도 2개의 광원(111a) 및 광원(111b) 각각에 인가되는 전류량을 제어하여 수광픽셀(1131)로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값이 균일하게 되도록 제어할 수도 있다.In the present invention, the two
이때, 도 11에 도시된 바와 같이, 수광픽셀(1131)로 이루어진 이미지 센서의 위치에서의 광신호를 보면, 2개의 광원(111a) 및 광원(111b)에 의해 방사되는 각각의 광신호의 시간-평균 광세기값은 공간적으로 가우시안 분포(Gaussian distribution)를 따르게 된다. At this time, as shown in Fig. 11, when looking at the optical signal at the position of the image sensor consisting of the
즉, 광원(111a)에 의해 방사되는 광신호의 시간-평균 광세기값은, 제1 가우시안 분포(G1)를 따르며, 광원(111b)에 의해 방사되는 광신호의 시간-평균 광세기값은 제2 가우시안 분포(G2)를 따르게 된다. That is, the time-averaged light intensity value of the optical signal emitted by the
이처럼 광검출부(113)를 기준으로 대칭적으로 배치된 2개의 광원(111a) 및 광원(111b) 중심축 사이의 전체간격(D)은, 제1 가우시안 분포(G1) 및 제2 가우시안 분포(G2)가 동일한 광세기 분포 특성을 갖는다고 가정한 경우, 표준편차(σ)에 의해 결정될 수 있는데, 표준편차의 2배 간격으로 결정한 경우, 균등 분포 구간(R1)을 확보할 수 있게 된다.As such, the total distance D between the two
이때, 전술과 같이 광검출부(113)를 기준으로 2개의 광원(111a) 및 광원(111b)이 배치되는 경우, 양자난수생성장치(100A)의 크기를 최소화하기 위해서는 광원(111a)/광원(111b)과 광검출부(113) 간의 거리를 최소화할 수 있어야 한다. 즉, 포아송 분포(Poisson distribution)의 특성을 유지할 수 있는 최적의 광세기 분포를 찾을 수 있어야 하는데, 이는 각 광원(111a, 111b)에 인가되는 전류량을 조절하여 각 광원(111a, 111b)에서 방출되는 빛의 세기를 조절함으로써 가능하게 된다.In this case, when the two
좀 더 구체적으로 광세기를 조절함으로써, 표준편차를 조절할 수 있고, 이는 결국, 두 광원 사이의 거리를 조절하고 최소화 할 수 있음을 의미한다.More specifically, by adjusting the light intensity, the standard deviation can be adjusted, which means that the distance between the two light sources can be adjusted and minimized.
한편, 전술에서도 언급하였듯이, 다양한 구성의 조합에 의해 양자난수생성장치(100A)가 생성되는 경우에는 구현 환경에 따라 발생하는 제약 사항들로 인해 특정영역으로 광세기가 집중될 수 있다. 이에, 본 발명의 실시예에서는, 광원관리부(110)에 난반사를 유도할 수 있는 광확산부(112)를 구현하고 있다.On the other hand, as mentioned in the above, when the quantum random number generating apparatus (100A) is generated by a combination of various configurations, the light intensity may be concentrated in a specific region due to constraints that occur according to the implementation environment. Thus, in the embodiment of the present invention, the
구체적으로 설명하면, 광확산부(112)는, 광원부(111) 즉 광원 쌍(111a,111b)에서 방사되는 광신호가 수광픽셀(1131)로 입력될 때, 수광픽셀(1131)의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값이 균일해지도록 광신호를 확산시킨다.Specifically, the
즉, 광확산부(112)는, 광원부(111) 즉 광원 쌍(111a,111b)에서 방사되는 광신호가 수광픽셀(1131)로 입력될 때의 광신호 진행경로에 위치하여, 광원부(111)에서 방사되는 광신호가 수광픽셀(1131)로 진행되는 과정에서 난반사를 유도하는 기능을 갖는다. That is, the
이를 위해, 광확산부(112)는, 난반사 성질을 가지는 확산물질 예컨대 아크릴 소재의 디퓨저(diffuser)일 수 있으며, 그 형태(고체, 기체, 액체)가 무엇인지에 관계 없이 해당 형태에 적합한 배치방식을 기반으로 광원관리부(110)에 배치될 수 있다.To this end, the
그 배치방식은, 도 7에 도시된 바와 같이, 광확산부(112)의 확산물질(112a,112b)은, 광원부(111) 즉 광원 쌍(111a,111b)에서 광신호가 방사되는 방사면(7a,7b) 위에 각 방사면(7a,7b)과 나란하게 배치(위치)할 수 있다.In the arrangement method, as illustrated in FIG. 7, the
결국, 광원부(111)에서 방사되는 광신호가 수광픽셀(1131)로 입력될 때의 광신호 진행경로에 광확산부(112)가 배치되면, 구현 환경에 따라 상기 언급한 다양한 제약 사항들이 발생하게 된다 하더라도, 광세기가 특정영역으로 집중되지 않고 좀 더 넓고 고르게 확산될 수 있게 된다. 즉, 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 할 수 있게 된다.As a result, when the
한편, 도 8은, 도 7에 도시된 실시예와는 다른 배치구조의 양자난수생성장치(100B)를 보여주고 있다.8 shows a quantum random
도 8에 도시된 광확산부(112)의 배치방식을 설명하면, 광확산부(112)의 확산물질(112c,112d)은, 광원부(111) 즉 광원 쌍(111a,111b)에서 기판(50)에 결합되는 결합면(8a,8b)을 제외한 나머지 각각의 면 위에 각각의 면과 나란하게 배치(위치)할 수 있다.Referring to the arrangement of the
이때, 도 8에 도시된 바와 같이, 광확산부(112)의 확산물질(112c,112d)이 개폐부(114)를 지지하는 역할까지 담당한 구조일 수도 있지만 이는 일 실시예일 뿐이며, 개폐부(114)를 지지하는 역할은 별도의 지지부(도 7 참조)가 담당하는 구조일 수도 있다.In this case, as shown in FIG. 8, the
한편, 광확산부(112)의 확산물질은, 광원부(111) 즉 광원 쌍(111a,111b)에서 기판(50)에 결합되는 결합면(8a,8b)을 제외한 나머지 면 중, 각 광원(111a), 광원(111b) 및 광검출부(113) 사이의 측면과 방사면 각각의 위에 각 측면 및 방사면과 나란하게 배치(위치)할 수도 있다.On the other hand, the diffusing material of the
도 9는, 앞선 실시예들과는 또 다른 배치구조의 양자난수생성장치(100C)를 보여주고 있다.FIG. 9 shows a quantum random number generating device 100C having another arrangement structure different from the above embodiments.
도 9에 도시된 광확산부(112)의 배치방식을 설명하면, 광확산부(112)의 확산물질(112e,112f)은, 개폐부(114)의 배면에 위치(배치)하여, 광원 쌍(111a,111b)에서 방사되는 광신호가 차단모드로 동작하는 개폐부(114)의 배면에서 반사되어 수광픽셀(1131)로 입력될 때 광신호를 확산시킬 수 있다.Referring to the arrangement of the
한편, 도 10은, 앞선 실시예들과는 또 다른 배치구조의 양자난수생성장치(100D)를 보여주고 있다.On the other hand, Figure 10 shows a quantum random
도 10에 도시된 실시예의 경우, 광원관리부(110)에 구비된 광원 쌍(111c,111d)은 광검출부(113)와 동일한 기판(50) 상에 배치되되, 광신호가 방사되는 방사면(10a,10b)이 광검출부(113)를 향하도록 배치된다.In the embodiment shown in FIG. 10, the light source pairs 111c and 111d provided in the light
도 10에 도시된 광확산부(112)의 배치방식을 설명하면, 광확산부(112)의 확산물질(112g,112h)은, 광원부(111) 즉 광원 쌍(111c,111d)에서 광신호가 방사되는 방사면(10a,10b) 위에 각 방사면(10a,10b)과 나란하게 배치(위치)할 수 있다.Referring to the arrangement of the
이때, 도 10에 도시된 실시예는, 도 7에 도시된 실시예와 비교할 때, 광원부(111) 즉 광원 쌍(111c,111d)의 방사면(10a,10b)이 광검출부(113)를 향하도록 배치된 점이 상이할 뿐, 광확산부(112)의 배치방식은 광원 쌍(111c,111d)의 방사면(10a,10b) 위에 각 방사면(10a,10b)과 나란하게 배치(위치)되는 점이 동일하다 할 수 있다.At this time, in the embodiment illustrated in FIG. 10, as compared with the embodiment illustrated in FIG. 7, the radiation surfaces 10a and 10b of the
이상에서 설명한 다양한 실시예에 따른 광학산부(112)로 인해, 본 발명의 양자난수생성장치 구현 시, 광원의 개수 및 배치를 좀 더 자유롭게 결정할 수 있고, 광확산부(112)의 배치방식에 따라서는 하나의 단일 광원으로도 일정 수준 이상의 우수한 난수성(randomness)의 품질을 확보할 수 있게 되며, 특히 이미지 센서로의 외부 광 개방/차단이 가능한 개폐구조를 갖는 상황에서도 우수한 난수성의 품질을 확보할 수 있게 된다. Due to the
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 양자난수생성장치에서는, 도 5 (B)와 같이 적어도 하나의 광원(101'-10n')이 개별적으로 전류량 및 온(on)/오프(off) 동작 제어가 가능하도록, 각 광원(101'-10n')을 병렬로 배치하여 구현할 수 있다.As mentioned above, in the quantum random number generating apparatus of the present invention, at least one light source 10 1 '-10 n ' is individually operated in the amount of current and the on / off operation as shown in FIG. In order to enable control, the light sources 10 1 '-10 n ' may be arranged in parallel.
이처럼 각 광원(101'-10n')에 대해 독립적으로 전류량 및 온(on)/오프(off) 동작 제어가 가능하도록 구현이 이루어지게 되면, 광원(101'-10n') 중 일부만 사용할 수 있게 되며, 사용하고 있는 광원의 수명이 다하거나 품질이 나빠지는 상황이 발생하는 경우에는, 나머지 다른 광원을 대체하여 사용할 수 있도록 하는 하드웨어 설계 및 구동 로직을 실현할 수 있게 된다. As such, when each light source (10 1 '-10 n') independently represent a current and on (on) / off (off) the operation control is arranged to be made available for the light source (10 1 '-10 n') only some of In the event that the lifespan of the light source being used or the quality deteriorates, the hardware design and driving logic can be realized to replace the other light sources.
이에, 광확산부(112)를 포함하여 구현된 본 발명의 양자난수생성장치에서는, 하나의 광원만으로도 우수한 난수성을 확보할 가능성이 높아진다.Thus, in the quantum random number generating device of the present invention including the
예를 들어, 광원(101'-10n') 중 특정광원(101')만 사용해도 일정 수준 이상의 품질을 갖는 난수성이 확보되는 경우에는, 광원(101'-10n') 중 특정광원(101')으로만 전류가 공급되도록 하고, 나머지 광원(102'-10n')으로는 전류가 인가되지 않도록 제어하여, 추후 상황에 따라 나머지 광원(102'-10n')이 교체 가능한 예비광원으로 사용되도록 할 수 있다.For example, the light source (10 1 '-10 n') specific light source (10 1 ') only if I is also water-based is secured with a certain level of quality with a light source (10 1' -10 n ') of of The current is supplied only to the specific
즉, 적어도 하나의 광원 중 일부 광원이 온(on) 동작하도록 제어되어 각 픽셀에서의 일정 수준 이상의 난수성 품질 확보가 가능한 경우에는, 나머지 광원이 오프(off) 동작하도록 제어함으로써, 양자난수생성장치의 품질이 지속적으로 유지되도록 하는 동시에 수명 또한 연장되도록 구현할 수 있게 된다.That is, when some light sources of at least one light source are controlled to be turned on to secure a predetermined level or more of randomness at each pixel, the remaining light sources are turned off to control the quantum random number generator. It can be implemented to ensure that the quality of the product is maintained continuously while at the same time extending its lifespan.
한편, 전술에서는 도 7 내지 도 10을 참조한 다양한 본 발명의 실시예 설명에서, 광검출부(113)를 기준으로 하나의 광원 쌍을 구성하는 2개의 광원 각각이 대칭적으로 배치된 양자난수생성장치에 대하여 설명하였으나, 도 12와 같이 광검출부(113)를 기준으로 4개의 광원(111a, 111b, 111e, 111f)이 대칭으로 배치될 수도 있다.Meanwhile, in the above description of various embodiments of the present invention with reference to FIGS. 7 to 10, the two light sources constituting one light source pair with respect to the
즉, 광검출부(113)를 기준으로 하나의 광원 쌍 즉 광원(111a) 및 광원(111b)이 제1 방향(x)으로 대칭이 되도록 배치되며, 광검출부(113)를 기준으로 또 다른 하나의 광원 쌍 즉 광원(111e) 및 광원(111f)이 제1 방향(x)과 수직하는 제2 방향(y)으로 대칭이 되도록 배치된다.That is, one light source pair, that is, the
또한, 다수의 광원을 표준편차의 2배 간격이 되도록 광검출부(113)의 각 면을 따라 나란히 배치하게 되면, 도 13과 같이 광세기가 균등한 소정 범위의 균등 분포 구간(R2)을 확보할 수 있다. In addition, when a plurality of light sources are arranged side by side along each surface of the
물론, 양자난수생성장치의 크기 및 성능 요구에 따라 4개 보다 더 많은 광원을 이용할 수도 있고, 더 적은 광원을 이용할 수도 있다.Of course, more than four light sources may be used or fewer light sources may be used depending on the size and performance requirements of the quantum random number generator.
즉, 다수의 광원을 이용하는 경우, 광원의 개수와 관계없이 광검출부(113)를 기준으로 광원 쌍이 대칭적으로 배치된다면, 수광픽셀(1131)은 시간 평균 광세기값이 균일한 광신호를 입력 받을 수 있게 되는 것이다. That is, when a plurality of light sources are used, if the light source pairs are symmetrically arranged based on the
본 발명의 실시예에서는 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포(spatial intensity distribution)를 균일하게 하기 위해 가우시안 분포를 일례로 이용하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.In the exemplary embodiment of the present invention, the Gaussian distribution is used as an example to uniformize the spatial intensity distribution of the optical signal emitted from the light source and input to each pixel, but the present invention is not limited thereto.
즉, 본 발명에서는, 가우시안 분포 이외에, 광원에 의해 발생될 수 있는 임의의 분포 특성에 대해서도 유사한 방식으로 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포(spatial intensity distribution)를 균일하게 확보할 수 있다.That is, in the present invention, in addition to the Gaussian distribution, the spatial intensity intensity distribution of the optical signal emitted from the light source and input to each pixel in a similar manner for any distribution characteristic that may be generated by the light source is uniform. It can be secured.
이하에서는, 광원이 가지는 분포가 가우시안 분포일 때, 수광픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 하여 난수를 생성하는 흐름(이하, 양자난수생성장치의 동작 방법)을 보다 구체적으로 설명하도록 하겠다.Hereinafter, when the distribution of the light source is a Gaussian distribution, the flow of generating random numbers by uniformizing the time-averaged light intensity value of the optical signal input to the light receiving pixel (hereinafter, the operation method of the quantum random number generating device) will be described in more detail. I'll explain.
다만 설명의 편의를 위해, 본 발명에서 언급한 다양한 실시예 중에서, 도 11의 실시예를 언급하여 본 발명에 따른 양자난수생성장치의 동작 방법을 설명하겠다.However, for convenience of description, the method of operating the quantum random number generating device according to the present invention will be described with reference to the embodiment of FIG. 11 among the various embodiments mentioned in the present invention.
도 11 및 도 14를 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 양자난수생성장치(100A)의 동작 방법은, 수광픽셀(1131) 즉 이미지 센서를 활용하는 카메라 기능이 오프 상태인지 확인한다(S100).Referring to FIGS. 11 and 14, the operation method of the quantum random
본 발명의 실시예에 따른 양자난수생성장치(100A)의 동작 방법은, 카메라 기능이 오프 상태인 경우, 수광픽셀(1131)을 외부 광에 노출시키는 개방모드 및 수광픽셀(1131)을 외부 광으로부터 차단시키는 차단모드 중 하나로 동작하는 개폐부(114)를 차단모드로 동작시킨다(S110).In the method of operating the quantum random
만약, 개폐부(114)의 디폴트(default)가 차단모드로 설정되어 있는 경우, 카메라 기능이 오프되면 자동으로 개폐부(114)가 차단모드로 동작할 것이기 때문에, 이 경우라면 S110단계를 생략해도 무방하다.If the default of the opening and
본 발명의 실시예에 따른 양자난수생성장치(100A)의 동작 방법은, 개폐부(114)가 차단모드로 동작하는 상태가 되면, 광원부(111) 즉 광원 쌍(111a,111b)으로 하여금 광신호를 방사하도록 한다(S120).In the operation method of the quantum random
이에, 양자난수생성장치(100A)에서 수광픽셀(1131)은 광원부(111) 즉 광원 쌍(111a,111b)으로부터 방사되는 광신호를 검출한다(S130).Accordingly, in the quantum random
보다 구체적으로, 기판(50) 상에서 광검출부(113)를 기준으로 광원(111a)과 광원(111b)이 대칭으로 배치되는 경우, 광원(111a)에서 방사된 광신호가 차단모드로 동작하는 개폐부(114)의 배면에서 반사되어 수광픽셀(1131)로 입력된다.More specifically, when the
이에, 수광픽셀(1131)은, 전체간격(D) 내에서 형성되는 제1 가우시안 분포(G1)에 대응하는 광신호의 시간-평균 광세기값을 입력 받게 된다.Accordingly, the
다만, 광원(111a)에서 방사된 광신호가 개폐부(114)의 배면에서 반사되기 이전에, 광확산부(112) 즉 확산물질(112a)에서 난반사 및 확산되기 때문에, 수광픽셀(1131) 중 광원(111a)과 가장 가까운 위치의 픽셀 및 가장 먼 위치의 픽셀 간에 시간-평균 광세기값 차이는, 광확산부(112)가 없는 경우 대비 매우 작아져, 수광픽셀(1131)로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값이 더욱 균일해진다.However, since the light signal emitted from the
이처럼, 수광픽셀(1131)이 전술과 같이 광원(111a)로부터 광신호의 시간-평균 광세기값을 입력 받는 동안, 광원(111b)에서도 광신호가 방사되어 차단모드로 동작하는 개폐부(114)의 배면에서 반사되어 수광픽셀(1131)로 입력된다.As described above, while the
이에, 수광픽셀(1131)은, 전체간격(D) 내에서 형성되는 제 제2 가우시안 분포(G2)에 대응하는 광신호의 시간-평균 광세기값을 입력 받게 된다.Accordingly, the
다만, 광원(111b)에서 방사된 광신호가 개폐부(114)의 배면에서 반사되기 이전에, 광확산부(112) 즉 확산물질(112b)에서 난반사 및 확산되기 때문에, 수광픽셀(1131) 중 광원(111b)과 가장 가까운 위치의 픽셀 및 가장 먼 위치의 픽셀 간에 시간-평균 광세기값 차이는, 광확산부(112)가 없는 경우 대비 매우 작아져, 수광픽셀(1131)로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값이 더욱 균일해진다.However, since the light signal emitted from the
따라서, 수광픽셀(1131)에서는, 전체적으로 균일한 광량 즉 광신호의 시간-평균 광세기값을 입력 받게 되는 것이다.Therefore, in the
이때, 양자난수생성장치(100A)의 크기가 최소화되도록 광원 쌍(111a,111b)에 인가되는 전류량을 조절하여 포아송 분포(Poisson distribution)의 특성을 유지할 수 있는 최적의 광세기 분포를 찾아 각 광원(111a) 및 광원(111b) 사이의 거리를 조절하고 최소화할 수 있다.At this time, by adjusting the amount of current applied to the light source pair (111a, 111b) to minimize the size of the quantum random number generating apparatus (100A) to find the optimal light intensity distribution that can maintain the characteristics of the Poisson distribution (Poisson distribution) It is possible to adjust and minimize the distance between the 111a) and the
이처럼 수광픽셀(1131)에서 균일한 광량을 획득할 수 있으므로, 각 픽셀에서의 양자 노이즈를 이용한 난수성을 동일하게 유지할 수 있으며, 이를 이용해 우수한 품질의 난수를 생성할 수 있게 된다(S140).As such, since a uniform amount of light can be obtained in the
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는, 이미지 센서로의 외부 광 개방/차단이 가능한 개폐구조를 갖는 상황에서, 광원으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포를 균일하게 할 수 있는 효과를 도출한다.As described above, in the present invention, the spatial light intensity distribution of the optical signal emitted from the light source and input to each pixel of the image sensor is uniform in a situation in which the opening / closing structure capable of opening / closing external light to the image sensor is uniform. Draw effects that can be done.
이렇게 되면, 본 발명에서는, 이미지 센서의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포가 균일해짐에 따라, 각 픽셀에서의 난수성을 동일하게 유지할 수 있는 효과를 도출한다.In this case, according to the present invention, as the spatial light intensity distribution of the optical signal input to each pixel of the image sensor becomes uniform, the effect of maintaining the same random number in each pixel is derived.
또한, 본 발명에서는, 이미지 센서의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포가 균일해짐에 따라, 각 픽셀의 출력값을 해석하는 후처리 단계의 알고리즘의 복잡도를 감소시킬 수 있으며, 출력값의 우수한 난수성(randomness)을 동일하게 유지할 수 있게 된다.Further, in the present invention, as the spatial light intensity distribution of the optical signal input to each pixel of the image sensor becomes uniform, the complexity of the algorithm of the post-processing step of interpreting the output value of each pixel can be reduced, and the output value is excellent. It is possible to keep the randomness the same.
한편, 여기에 제시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘 또는 제어기능의 단계들은 하드웨어로 직접 구현되거나, 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Meanwhile, the steps of the method or algorithm or control function described in connection with the embodiments presented herein may be embodied directly in hardware or in the form of program instructions that may be executed by various computer means to be recorded on a computer readable medium. Can be. The computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. Program instructions recorded on the media may be those specially designed and constructed for the purposes of the present invention, or they may be of the kind well-known and available to those having skill in the computer software arts. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic disks, such as floppy disks. Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.Although the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the technical field to which the present invention belongs without departing from the gist of the present invention as claimed in the following claims. Anyone skilled in the art will have the technical idea of the present invention to the extent that various modifications or changes are possible.
본 발명에 따르면, 이미지 센서로의 외부 광 개방/차단이 가능한 개폐구조를 갖는 상황에서 외부 광을 차단하고 내부 광원으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포를 균일하게 할 수 있으며 난수의 보안수준을 높일 수 있다는 점에서, 기존 기술의 한계를 뛰어 넘음에 따라 관련 기술에 대한 이용만이 아닌 적용되는 장치의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.According to the present invention, in a situation in which the opening and closing of the external light to the image sensor has a switching structure that blocks the external light and is uniformly distributed in the spatial light intensity distribution of the optical signal emitted from the internal light source and input to each pixel of the image sensor. It is possible to increase the security level of the random number, so that beyond the limitations of the existing technology, not only the use of the related technology but also the possibility of marketing or sales of the applied device is not only sufficient, but also realistically implemented. It is an invention with industrial applicability as it is a degree.
100: 양자난수생성장치 110: 광원관리부
111: 광원부 111a, 111b, 111c, 111d, 111e, 111f: 광원
112: 광확산부 113: 광검출부
1131 : 수광픽셀 114 : 개폐부
120 : 난수생성부100: quantum random number generator 110: light source management unit
111:
112: light diffusion unit 113: light detection unit
1131: light receiving pixel 114: opening and closing part
120: random number generator
Claims (12)
상기 광원으로부터 방사되는 광신호를 검출하기 위한 적어도 하나의 수광픽셀을 포함하는 광검출부;
상기 수광픽셀에 의하여 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수를 생성하는 난수생성부; 및
상기 적어도 하나의 광원에서 방사되는 광신호가 상기 수광픽셀로 입력될 때, 상기 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해지도록 상기 광신호를 확산시키는 광확산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 난수생성장치.At least one light source;
A light detector including at least one light receiving pixel for detecting an optical signal emitted from the light source;
A random number generation unit generating random numbers using quantum noise of the amount of light detected by the light receiving pixel; And
When the optical signal emitted from the at least one light source is input to the light receiving pixel, the optical signal is spread so that a time-average light intensity value of the optical signal input to each pixel of the light receiving pixel becomes uniform. Random number generating device comprising a light diffusing unit.
상기 수광픽셀을 외부 광에 노출시키는 개방모드 및 상기 수광픽셀을 외부 광으로부터 차단시키는 차단모드 중 하나로 동작하는 개폐부를 더 포함하며,
상기 개폐부는,
상기 수광픽셀을 카메라 기능에 활용하는 경우 개방모드로 동작하며,
상기 카메라 기능이 오프되는 경우, 자동 또는 선택적으로 차단모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 난수생성장치.The method of claim 1,
And an opening and closing unit operating in one of an open mode for exposing the light receiving pixel to external light and a blocking mode for blocking the light receiving pixel from external light.
The opening and closing portion,
When the light-receiving pixel is utilized for the camera function, the light emitting device operates in the open mode.
When the camera function is off, the random number generating device, characterized in that operating in a shut-down mode automatically or selectively.
상기 적어도 하나의 광원이 다수의 광원으로 이루어지는 경우,
상기 다수의 광원에서 각각 방사되어 합쳐진 광신호가 상기 수광픽셀로 입력될 때 상기 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해지도록 상기 광검출부를 중심으로 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 난수생성장치.The method of claim 1,
When the at least one light source consists of a plurality of light sources,
When the optical signals radiated and combined from the plurality of light sources are input to the light receiving pixels, the time-average light intensity values of the light signals input to each pixel of the light receiving pixels become uniform. Random number generating device, characterized in that arranged symmetrically.
광원에 의해 방사되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값은, 상기 광원이 가질 수 있는 적어도 하나의 분포 특성을 따르며,
상기 광검출부를 중심으로 대칭적으로 배치되는 광원 사이의 간격은, 상기 적어도 하나의 분포 특성을 기초로 결정되는 것을 특징으로 하는 난수생성장치.The method of claim 3, wherein
The time-average light intensity value of the optical signal emitted by the light source follows at least one distribution characteristic that the light source may have,
The spacing between the light sources arranged symmetrically about the photodetector is determined based on the at least one distribution characteristic.
상기 광검출부를 중심으로 대칭적으로 배치되는 광원 사이의 간격은,
상기 분포 특성이 가우시안 분포인 경우, 상기 가우시안 분포의 표준편차의 2배인 것을 특징으로 하는 난수생성장치.The method of claim 4, wherein
The interval between the light sources arranged symmetrically about the photodetector,
And the distribution characteristic is a Gaussian distribution, wherein the random number generator is twice the standard deviation of the Gaussian distribution.
상기 광확산부는,
난반사 성질을 가지는 확산물질이며, 상기 적어도 하나의 광원에서 방사되는 광신호가 상기 수광픽셀로 입력될 때의 광신호 진행경로에 위치하는 것을 특징으로 하는 난수생성장치.The method of claim 1,
The light diffusion unit,
A diffuse material having a diffuse reflection property, characterized in that the random number generating device is located in the optical signal traveling path when the optical signal emitted from the at least one light source is input to the light receiving pixel.
상기 광확산부의 확산물질은,
상기 적어도 하나의 광원 각각에서 광신호가 방사되는 방사면 위에 상기 방사면과 나란하게 위치하여,
상기 적어도 하나의 광원에서 방사되는 상기 광신호를 확산시키는 것을 특징으로 하는 난수생성장치.The method of claim 7, wherein
The diffusion material of the light diffusion portion,
Located parallel to the radiation surface on the radiation surface from which the optical signal is emitted from each of the at least one light source,
Random number generation device, characterized in that for diffusing the optical signal emitted from the at least one light source.
상기 광확산부의 확산물질은,
상기 적어도 하나의 광원에서 기판에 결합되는 결합면을 제외한 나머지 각각의 면 위에 상기 각각의 면과 나란하게 위치하여,
상기 적어도 하나의 광원에서 방사되는 상기 광신호를 확산시키는 것을 특징으로 하는 난수생성장치.The method of claim 7, wherein
The diffusion material of the light diffusion portion,
Located parallel to each of the surfaces on each of the surfaces other than the coupling surface coupled to the substrate in the at least one light source,
Random number generation device, characterized in that for diffusing the optical signal emitted from the at least one light source.
상기 광확산부의 확산물질은,
상기 적어도 하나의 광원에서 기판에 결합되는 결합면을 제외한 나머지 면 중, 상기 광원 및 상기 광검출부 사이의 측면과 상기 광신호가 방사되는 방사면 각각의 위에 상기 측면 및 상기 방사면과 나란하게 위치하여,
상기 적어도 하나의 광원에서 방사되는 상기 광신호를 확산시키는 것을 특징으로 하는 난수생성장치.The method of claim 7, wherein
The diffusion material of the light diffusion portion,
Among the remaining surfaces other than the coupling surface coupled to the substrate in the at least one light source, the side surfaces between the light source and the light detector and the radiation surface on which the optical signal is radiated are located parallel to the side surface and the radiation surface,
Random number generation device, characterized in that for diffusing the optical signal emitted from the at least one light source.
상기 수광픽셀을 외부 광에 노출시키는 개방모드 및 상기 수광픽셀을 외부 광으로부터 차단시키는 차단모드 중 하나로 동작하는 개폐부를 더 포함하며,
상기 광확산부의 확산물질은,
상기 개폐부의 배면에 위치하여, 상기 적어도 하나의 광원에서 방사되는 광신호가 상기 차단모드로 동작하는 상기 개폐부의 배면에서 반사되어 상기 수광픽셀로 입력될 때 상기 광신호를 확산시키는 것을 특징으로 하는 난수생성장치.The method of claim 7, wherein
And an opening and closing unit operating in one of an open mode for exposing the light receiving pixel to external light and a blocking mode for blocking the light receiving pixel from external light.
The diffusion material of the light diffusion portion,
A random number generating device positioned on a rear surface of the opening / closing part and diffusing the optical signal when the optical signal emitted from the at least one light source is reflected from the rear surface of the opening / closing part operating in the blocking mode and inputted to the light receiving pixel Device.
상기 적어도 하나의 광원이 방사하는 광신호가 상기 수광픽셀에 입력되는 단계; 및
상기 수광픽셀에 의하여 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수를 생성하는 난수생성단계를 포함하며,
상기 광신호가 상기 수광픽셀에 입력되는 단계는,
상기 적어도 하나의 광원에서 방사되는 광신호가 상기 수광픽셀로 입력될 때, 상기 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해지도록 광확산부에 의해 상기 광신호가 확산되는 것을 특징으로 하는 난수생성장치의 동작 방법.
In the operating method of the random number generating device comprising at least one light receiving pixel,
Inputting an optical signal emitted from the at least one light source to the light receiving pixel; And
A random number generation step of generating a random number using quantum noise of the amount of light detected by the light receiving pixel,
The input of the optical signal to the light receiving pixel,
When the light signal emitted from the at least one light source is input to the light receiving pixel, the light diffusion unit makes the time-average light intensity value of the light signal input to each pixel of the light receiving pixel uniform. And the optical signal is diffused.
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