KR20020016084A - 지문 인식 광학계 - Google Patents

Abstract

지문 인식 광학계에 대해 개시되어 있다. 인식 대상이 접촉되고, 상기 인식 대상을 인식하기 위한 광이 입사되는 제1 면과 상기 제1 면에서 반사된 광이 소정의 굴절각으로 굴절되는 제2 면과 상기 제1 및 제2 면과 접촉되는 제3 면으로 구성되어 있되, 상기 제1 및 제2 면이 이루는 각과 상기 제1 면에서 반사된 광의 반사각과 상기 굴절각 사이에 수학식 2의 관계가 성립하는 프리즘; 상기 프리즘의 제1 면에 상기 인식 대상이 접촉되었을 때, 상기 제1 면을 향해 광을 방출하는 광원; 상기 제2 면과 대향하는 위치에 구비되어 있는 렌즈계; 및 상기 렌즈계가 갖는 광축과 그 배열 방향이 수직하게 구비되어 있어 상기 렌즈계를 통해서 상기 인식 대상에 대한 상이 상기 광축에 수직하게 결상되는 이미지 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 인식 광학계가 개시되어 있다.

Description

지문 인식 광학계{Optical system for recognizing fingerprint}

본 발명은 지문 인식 광학계에 관한 것으로써, 자세하게는 광학계의 광축과 인식 영상의 수직성을 확보할 수 있는 지문 인식 광학계에 관한 것이다.

전자 및 광학 기술의 발전과 더불어 출입문 개폐 장치도 순수한 기계적인 장치에서 전자 및 광학 기술이 결합된 새로운 형태의 장치로 전환되고 있다. 이와 함께 인식 대상도 기계적으로 특정한 형태를 갖는 열쇠가 아닌 출입자가 출생과 함께 갖는 종생 불변의 생체 정보로 바뀌어가고 있다. 곧, 출입자의 신체 정보가 인식 대상이 되고 있다. 그 중에서도 인식 대상으로 주목되고 있는 것이 눈의 홍채 인식이나 음성 인식 또는 지문 등인데, 상업적인 측면에서 볼 때, 가장 현실 적이며 접근이 용이한 것이 지문을 인식대상으로 하는 출입문 개폐 장치이다.

현재 다양한 형태의 지문 인식 출입문 개폐 장치가 시중에 보급되고 있으나, 이와 같은 장치는 인식된 지문의 영상이 사다리꼴로 왜곡된다던지 지문의 상, 하측 융선 간의 간격이 다르게 나타나거나, 지문의 선명도가 영역에 따라 다르게 나타나는 등의 문제점을 보이고 있다. 이러한 문제점은 상기 개폐 장치에 내재된 지문 인식 광학계의 기능상의 문제로부터 발생된다. 즉, 상기 지문 인식 광학계는 대부분 지문과 이미지 센서 사이에 프리즘 및 결상렌즈를 구비하고 있는데, 상기한 문제들은 프리즘과 결상렌즈로 이루어지는 광학계의 광축과 지문의 영상이 수직하지 않다는데서 비롯된다.

상기한 문제는 지문 영상으로부터 특징점을 찾기 어렵게 한다. 이렇게 되면, 상기 지문 영상으로부터 지문의 특징점 추출이 어려워 출입이 인가된 자가 출입을하지 못하게 될 수 있고, 그 반대의 경우도 있을 수 있다. 이것은 장치의 신뢰성에 치명적인 결함이 있다는 것을 의미하는 것으로서, 장치 설치의 의미가 퇴색되며 때로는 설치자에게 치명적인 피해를 줄 수 있다.

이러한 문제점을 해소하기 위해, 인식 대상인 지문과 이미지 센서 사이에 구비된 광학계의 광축에 수직한 지문 영상을 얻을 수 있다고 하는 다양한 기술이 제시되고 있으나, 프리즘 구성 각도 및 재질의 굴절률 등을 고려할 때, 극히 협소한 범위내에서만 성립할 뿐만 아니라 구성이 매우 복잡한 광학계를 제시하고 있으며, 이론적 타당성이 결여된 모순적인 내용을 제시하고 있다.

예컨대, 국내의 특허 출원번호 92-6129, 94-1844, 95-31185와 국내의 실용신안 출원 99-27519 등은 기존의 지문 인식 광학계가 갖는 상기한 문제점을 해소하기 위한 것이나, 특허 출원 92-6129는 지문이 사다리꼴로 입사되는 문제를 해소하기 위한 조건으로 다음의 수학식 1과 수학식 1이 만족할 조건을 제시하고 있으나, 이는 제시한 조건에서 수학식 1이 성립하지 않는 등 이론과 모순되는 결과를 제시하고 있다.

여기서, θ는 광원에 대향되는 두 면 사이의 각으로써, 52°<θ< 72°이고, b 및 c는 각각 상기 두면 중 한 면에서의 반사각 및 나머지 한 면에 입사되는 상기 반사각으로 반사된 광이 프리즘을 벗어나면서 굴절되는 굴절각이다.

또, 특허 출원 94-1844는 삼각 프리즘을 이용하고 영상 검출 소자, 곧 이미지 센서를 광축에 대해 6°∼17°로 경사지게 배치하고 있으나, 이것은 지문 영상의 선명도는 개선시키지만, 상의 왜곡 문제는 그대로 내포하고 있다. 또, 특허 출원 95-31185는 삼각 프리즘과 반사 거울을 이용하여 지문 영상을 결상시키고 있으나, 상의 선명도 문제를 해소하기 위해 이미지 센서를 비스듬히 설치하고 있고 무엇보다 전체 시스템의 크기가 커지고 구조가 복잡하다. 그리고 실용신안 출원 99-27519는 지문 인식 과정을 기술함에 있어 보정의 범위를 넘어서는 오류를 범하고 있는 것으로 보여 산업적으로 이용이 불가능한 미완성 실용신안을 제시하고 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술이 갖는 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 광학계 구성을 단순하게 하면서도 광학계의 광축과 지문 영상을 수직하게 할 수 있는 지문 인식 광학계를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 지문 인식 광학계의 단면 구성도이다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의한 지문 인식 광학계의 단면 구성도이다.

도 3은 본 발명의 제3 실시예에 의한 지문 인식 광학계의 단면 구성도이다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 의한 지문 인식 광학계에서 통전성 부재와 인식 대상의 접촉에 따른 광원 발광으로 인식 대상을 감지하기 위한 회로 계통도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*

38, 48, 66:인식 대상 40, 50, 60:프리즘

42, 56, 72:렌즈계 44, 58, 74:이미지 센서

S1, S2, 64:광원 70:통전성 부재

A1, B1, C1:제1 면 A2, B2, C2:제2 면

A3, B3, C3:제3 면 a, a', a'':제1 및 제2 면이 이루는 각

b, b', b'':제1 면에서의 반사각

c, c', c'':굴절각

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 인식 대상이 접촉되고, 상기 인식 대상을 인식하기 위한 광이 입사되는 제1 면과 상기 제1 면에서 반사된 광이 소정의 굴절각으로 굴절되는 제2 면과 상기 제1 및 제2 면과 접촉되는 제3 면으로 구성되어 있되, 상기 제1 및 제2 면이 이루는 각과 상기 제1 면에서 반사된 광의 반사각과 상기 굴절각 사이에 수학식 2의 관계가 성립하는 프리즘과 상기 프리즘의 제1 면에 상기 인식 대상이 접촉되었을 때, 상기 제1 면을 향해 광을 방출하는 광원과 상기 제2 면과 대향하는 위치에 구비되어 있는 렌즈계 및 상기 렌즈계가갖는 광축과 그 배열 방향이 수직하게 구비되어 있어 상기 렌즈계를 통해서 상기 인식 대상에 대한 상이 상기 광축에 수직하게 결상되는 이미지 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 인식 광학계를 제공한다.

상기 제1 및 제2 면 사이의 각(a)은 30°<a<90°이다.

상기 광원은 상기 프리즘의 제2 면 또는/및 제3 면에 부착되어 있다.

상기 광원은 상기 제1 면과 대향하는 모서리의 절단면에 부착되어 있다.

상기 광원은 상기 제3 면과 평행한 평행 광원이고, 둘 사이에 상기 평행 광원으로부터 방출되는 광을 상기 제1 면을 향해 고르게 분산시키는 확산판이 구비되어 있다.

상기 모서리 절단면과 상기 광원 사이에 상기 제1 면을 향해 고르게 분산시키는 확산판이 구비되어 있다.

상기 렌즈계는 그 광축이 상기 제2 면에서 굴절된 굴절광선과 수직하도록 상기 제2 면과 대향하는 위치에 구비되어 있다.

본 발명을 이용하면, 광학계의 구성을 단순화할 수 있고, 지문 영상을 광학계의 광축과 수직되게 인식할 수 있어, 왜곡없이 선명한 지문 인식이 가능하여 장치에 대한 신뢰성을 높일 수 있다. 또한, 광원이 인식 대상의 접촉 여부에 따라 발광 여부가 결정되므로, 광원의 수명을 길게 할 수 있다.

이하, 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 의한 지문 인식 광학계를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.

<제1 실시예>

도 1을 참조하면, 참조번호 40은 소정의 굴절율을 갖는 프리즘이다. 프리즘(40)은 광원(S)으로부터 방출된 광(L)을 이용하여 인식 대상(38)의 특징을 인식하는 수단으로 사용된다. 인식 대상(38)은 지문이고, 상기 특징은 지문 융선의 윤곽이다. 참조부호 A1, A2 및 A3은 각각 프리즘(40)의 제1 내지 제3 면이다. 또한, 참조부호 a, b, c는 각각 프리즘(40)의 제1 면(A1)과 제2 면(A2)이 이루는 각, 인식 대상(38)이 접촉되어 있는 제1 면(A1)에 입사되는 광(L)의 반사각 및 상기 반사된 광이 이미지 센서(44)를 향해 프리즘(40)을 벗어날 때 굴절되는 굴절각이다. 인식 대상(38)의 인식은 전반사를 이용하므로, 광(L)이 제1 면(A1)에서 반사되는 반사각(b)은 전반사 조건을 만족하는 각이다. 곧, 전반사 각이다. 상기 세 각(a, b, c) 사이에 다음 수학식이 성립한다.

여기서, n은 프리즘 굴절률이고, 제1 및 제2 면(A1, A2)이 이루는 각(a)의 범위는 30°< a < 90°이다. 제1 및 제2 면(A1, A2) 사이의 바람직한 각(a)은 프리즘 굴절률(n)이 1.5이고, 상기 반사각 및 굴절각(b, c)이 각각 53.92° 및 31°일 때로써, 74°정도이다.

인식 대상(38)이 접촉된 프리즘(40)의 제1 면(A1)에서 반사된 광이 출사되는 프리즘(40)의 제2 면(A2)에 대향하는 위치에(도면상으로 볼 때 제2 면(A2)의 아래에) 적어도 하나 이상의 렌즈로 구성된 렌즈계(42)가 구비되어 있다. 렌즈계(42)는 프리즘(40)으로부터 출사된 광, 곧 인식 대상(38)에 대한 정보를 갖는 영상을 이미지 센서(44)에 결상시키는 수단이다. 렌즈계(42)에는 렌즈계(42)가 갖는 광학 수차를 해소하기 위한 다양한 수단이 포함되어 있다. 예컨대, 렌즈의 전면이나 후면에 입사광이나 출사광의 광량을 제한하는 조리개(stop)나 렌즈 배열 상, 앞에 있는 렌즈의 수차를 상쇄시키기 위해 앞선 렌즈와 반대되는 광학적 특징을 나타내는 렌즈가 상기 앞선 렌즈 뒤에 구비되어 있다.

렌즈계(42) 아래에 렌즈계(42)의 광축(미도시)에 수직하게 이미지 센서(44)가 구비되어 있다. 곧, 이미지 센서(44)의 방향은 렌즈계(42)의 광축과 평행하다. 수광 소자로써 CCD(Charge Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)가 이미지 센서(44)에 이용될 수 있다.

계속해서, 제2 및 제3 실시예에 의한 지문 인식 광학계를 설명한다. 이 과정에서 제1 실시예와 동일한 부분에 대한 설명은 생략한다.

<제2 실시예>

제2 실시예는 광원(S2)이 프리즘(50)의 인식 대상(48)이 접촉되는 제1 면(B1)에 대향하는 모서리 절단면에 구비되어 있다는 것과 광원(S2)이 직접적으로 광을 방출하는 발광수단(52)과 프리즘(50)의 제2 및 제3 면(B2, B3)이 이루는 모서리 절단면과 발광 수단(52) 사이에 구비된 확산판(54)으로 구성되어 있다는 것을 제외하고는 제1 실시예와 동일하다. 확산판(54)이 구비되어 있으므로, 광원(52)에서 방출된 광은 인식 대상(48)이 접촉되는 제1 면(B1)의 전면에 고른 세기의 광이균일하게 입사된다. 또한, 제1 면(B1)과 제2 면(B2) 사이의 각(a')과 광원(S2)으로부터 방출된 광(L')이 제1 면(B)에서 반사되는 반사각(b') 사이에 관계는 다음 수학식 3을 만족한다. 여기서, n은 프리즘(50)의 굴절률이다.

여기서, n은 프리즘 굴절률, a'은 30°< a' < 90°이다.

제1 및 제2 면(B1, B2) 사이의 바람직한 각(a')은 프리즘 굴절률(n)이 1.7이고, 반사각 및 굴절각(b', c')이 각각 41.24° 및 15°일 때로써, 49.977°곧, 50°정도이다.

참조번호 56 및 58은 각각 렌즈계(56) 및 이미지 센서(58)로써 제1 실시예의 그것들과 동일한 것이다.

<제3 실시예>

도 3을 참조하면, 인식 대상(66)이 접촉되는 프리즘(60)의 제1 면(C1) 테두리 부분에 인식 대상(66)과 접촉될 수 있는 통전성 부재(70)가 구비되어 있다. 그리고 프리즘(60)의 제3 면(C3, 제1 실시예의 제3 면(도 1의 A3)에 대응하는 면)에 제3 면(C3)과 평행한 평행 광원(64)이 구비되어 있고, 제3 면(C3)과 광원(64) 사이에 제3 면(C3)과 평행한 확산판(62)이 구비되어 있다. 확산판(62)은 광원(64)으로부터 방출된 광을 고르게 분산시키는 역할을 하므로, 제2 실시예와 마찬가지로 인식 대상(66)이 접촉되는 제1 면(C1)의 전면에는 세기가 고른 광이 균일하게 입사된다.

한편, 도 4를 참조하면, 프리즘(60) 상에 통전성 부재(70)와 접촉되는 인식 대상, 예컨대 손가락이 위치하면, 통전성 부재(70)를 통해 인체로부터 소정의 파형을 갖는 전류가 흐르게 된다. 상기 전류는 통전성 부재(70)에 연결된 감쇠회로(82)를 거치면서 감쇠되고, 감쇠회로(82)에 연결된 파형 정형회로(84)를 거치면서 파형이 구형파로 정형화된다. 이어서, 상기 구형파로 정형화된 전류는 파형 정형회로(84)에 연결된 정류 및 레벨 감지 회로(86)에서 정류되어 직류로 되고, 직류의 레벨에 따라 프리즘(80)에 인식 대상이 접촉되었는지 감지된다. 인식 대상이 접촉된 것으로 감지되면, 인식 대상 감지 신호 발생기(88)에서 감지신호가 발생되고, 이 신호에 의해 인식 대상 감지 신호 발생기(88)에 연결된 광원 구동 신호 발생기(90)에서 광원 구동, 곧 광원(64)을 턴 온(turn on)시키기 위한 신호가 발생된다. 이 신호에 따라 광원(64)이 턴 온되어 광이 방출된다. 광원(64)에서 방출된 광은 도 3에 도시한 바와 같이 확산판(64)을 거쳐 프리즘(60)의 제1 면(A1)에 입사된다.

이외의 기타 사항은 제1 실시예에서 기술한 바와 같다. 따라서, 제1 및 제2 면(C1, C2)과 이루는 각(a'')과 제1 면(C1)에서의 반사각(b'') 및 제2 면(C2)에서의 굴절각(c'') 사이의 관계도 수학식 2와 마찬가지로 다음 수학식 4를 만족한다.

여기서, n은 프리즘 귤절률이고, a''은 30°<a''<90°이다.

제1 및 제2 면(C1, C2) 사이의 바람직한 각(a'')은 프리즘 굴절률(n)이 1.9이고, 반사각 및 굴절각(b'', c'')이 각각 35.37° 및 5°일 때로써, 37.999°곧, 38°정도이다.

제1 및 제2 면(C1, C2) 사이의 각(a'')은 바로 프리즘(60)을 결정하는 것이 되므로, 수학식 4는 프리즘(60)을 결정하는 식으로 볼 수 있다. 수학식 2 내지 3의 경우도 마찬가지이다.

참조번호 72 및 74는 각각 렌즈계 및 이미지 센서이다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 광원으로 발광 다이오드 대신, 레이저 광원과 레이저를 분산시킬 수 있는 분산 수단으로 구성된 광원을 사용할 수 있을 것이며, 제3 실시예의 통전성 부재 대신에 인식 대상이프리즘의 일면에 접촉되었을 때 발광하게 하는, 광원과 연계된 센서 또는 인식 대상의 접촉으로 발생되는 압력변화를 감지하여 광원의 점멸을 결정할 수 있는 압전 센서 등을 구비할 수도 있을 것이다.

이와 같이 다양한 실시예가 더 있을 수 있으므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 지문 인식 광학계는 프리즘과 렌즈계와 이미지 센서가 일렬로 배열되어 있고 렌즈계의 광축과 이미지 센서의 방향이 평행하게 배열되어 있어 광학계의 구성이 간단하고 인식 대상, 곧 지문의 영상이 상기 광축과 수식한 상태로 이미지 센서에 집광될 수 있다. 따라서, 왜곡이 없고 선명한 지문 인식이 가능하여 상기 광학계를 포함하는 인식 장치에 대한 신뢰성을 높일 수 있다. 또한, 광원이 인식 대상의 접촉 여부에 따라 발광 여부가 결정되므로, 광원의 수명을 길게 할 수 있다.

Claims (10)

1. 인식 대상이 접촉되고, 상기 인식 대상을 인식하기 위한 광이 입사되는 제1 면과 상기 제1 면에서 반사된 광이 소정의 굴절각으로 굴절되는 제2 면과 상기 제1 및 제2 면과 접촉되는 제3 면으로 구성되어 있되,

   상기 제1 및 제2 면이 이루는 각과 상기 제1 면에서 반사된 광의 반사각과 상기 굴절각 사이에 수학식 2의 관계가 성립하는 프리즘;

   상기 프리즘의 제1 면에 상기 인식 대상이 접촉되었을 때, 상기 제1 면을 향해 광을 방출하는 광원;

   상기 제2 면과 대향하는 위치에 구비되어 있는 렌즈계; 및

   상기 렌즈계가 갖는 광축과 그 배열 방향이 수직하게 구비되어 있어 상기 렌즈계를 통해서 상기 인식 대상에 대한 상이 상기 광축에 수직하게 결상되는 이미지 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 인식 광학계.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 인식 대상은 인체의 지문인 것을 특징으로 하는 지문 인식 광학계.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 면 사이의 각(a)은 30°<a<90°인 것을 특징으로 하는 지문 인식 광학계.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 광원은 상기 프리즘의 제2 면에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 지문 인식 광학계.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 광원은 상기 프리즘의 제3 면에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 지문 인식 광학계.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 광원은 상기 제1 면과 대향하는 모서리의 절단면에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 지문 인식 광학계.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 광원은 상기 제3 면과 평행한 평행 광원인 것을 특징으로 하는 지문 인식 광학계.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 제3 면과 상기 평행 광원 사이에 상기 평행 광원으로부터 방출되는 광을 상기 제1 면을 향해 고르게 분산시키는 확산판이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 지문 인식 광학계.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 모서리 절단면과 상기 광원 사이에 상기 제1 면을 향해 고르게 분산시키는 확산판이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 지문 인식 광학계.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 렌즈계는 그 광축이 상기 제2 면에서 굴절된 굴절광선과 수직하도록 상기 제2 면과 대향하는 위치에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 지문 인식 광학계.