KR20020033459A - 광학식 영상취득장치에서의 사다리꼴 왜곡감소 및선명도개선 장치와 방법 - Google Patents

광학식 영상취득장치에서의 사다리꼴 왜곡감소 및선명도개선 장치와 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 사다리꼴 왜곡이 감소되거나 거의 제거된 고콘트라스트 저왜곡의 영상을 제공하며, 비교적 저렴한 제조비용이 드는 소형 영상취득 장치에 관한 것이다. 본 장치는, 광굴절기상에 물체의 영상을 형성하기 위해 물체가 놓이는 면인 영상면(imaging surface)과, 출사면(viewing surface)과, 다른 제3의 면(further surface)을 갖는 광굴절기(light refractor)를 포함한다. 상기 출사면은 사이각 γ(감마)가 되도록 상기 영상면에 인접해 있다. 출사면을 통하여 물체의 영상이 출사된다. 본 장치는 또한, 상기 출사면에 인접하고 있는 렌즈를 포함하는데, 렌즈는 물체의 영상을 받아서 결상하는 역할을 한다. 상기 렌즈는 렌즈의 광축에 수직인 렌즈면을 갖고 있는데, 렌즈면은 상기 출사면과 δ(델타)의 각을 사이에 두고 위치한다. γ와 δ는, 물체 영상의 일부분에서 렌즈면까지 도달되는 제1광선의 광로길이와, 물체 영상의 다른 부분에서 렌즈면까지(궁극적으로는 영상센서) 도달되는 다른 광선들(상기 제1광선과는 실질적으로 평행함)의 광로길이를 실질적으로 동일하게 맞출 수 있는 각도로 설정된다.

Description

광학식 영상취득장치에서의 사다리꼴 왜곡감소 및 선명도개선 장치와 방법 {Method and apparatus for reduction of trapezoidal distortion and improvement of image sharpness in an optical image capturing system}
패턴화된 물체(영상취득 장치의 대상이 되는 물체로서, 지문을 예로 들 수 있다. 이하, "물체"라 한다.)를 인식하는 시스템이 산업계, 상업계에서 일반화되어 다양한 용도로 사용되고 있다. 예를 들어, 이러한 물체 인식 시스템은 문자, 도면, 사진 등을 스캔하는 스캐너에 사용될 수 있다. 최근에, 제조업계에서는 소비재로서의 경쟁력을 제고하기 위해 물체 인식 시스템과 관련된 비용을 줄이려는 시도를 하고 있다. 이러한 소비재로서의 한 응용분야에 지문취득ㆍ인식 시스템이 포함된다. 이러한 시스템은, 예를 들자면, 잠재적 사용자의 지문을, 컴퓨터나 특정 파일 등에 접근권한 있는 사용자의 지문과 비교함으로써 컴퓨터의 보안성을 높이는데 사용가능하다. 이러한 시스템은 로그인 이름과 암호를 사용하는 보안장치를 대체할 수 있다.
이러한 지문인식 시스템 내지는 물체 인식 시스템에서 가장 중요한 것으로는 정확하게 지문이나 기타 물체 등을 읽어들여 분석하는 것이다. 이러한 물체를 취득하는데 많은 방식이 존재하고 있다. 가령, 미국특허 제3975711, 4681435, 5051576, 5177435, 5233404호에는 모두 물체의 영상을 취득하는 장치가 개시되어 있다.
도1은 종래의 광학식 지문취득/인식 시스템 중 하나의 개요도이다. 도1에서, 광학식 인식시스템(108)은 광원(112), 삼각프리즘(110), 렌즈부(lens assembly, 114), 영상센서(image sensor, 116), 저장/처리부(storage and processing unit, 125)로 구성된다. 프리즘(110)은 영상면(imaging surface, 118), 수광면(light receiving surface, 120), 출사면(viewing surface, 122)을 갖고 있다. 영상면(118)은 영상취득을 위해 지문 등의 물체가 접촉하는 면이다. 광원(112)은 예를 들어, LED 등과 같은 것인데, 수광면(120)에 인접해 있으며 입사광(incident light, 124)을 형성하고, 입사광(124)은 프리즘(110)으로 보내진다. 프리즘(110)은 직각이등변 삼각형이며, 영상면(118)과 마주보는 각도가 90도에 가깝고, 다른 두 베이스각(base angle, 즉, 이등변 프리즘의 양쪽 밑각)은 각각 45도에 가깝다.
일반적으로, 입사광(124)은 입사면의 법선(115)에 대해 소정의 각도(126)로 영상면(118)에 입사된다. 입사각(126)은 임계각(128)보다 크다. 일반적으로, 임계각은 입사광선과 표면의 법선 사이에서 측정된다. 입사각이 임계각보다 클 때 입사광은 표면의 내부에서 전반사되며, 임계각보다 작을 때 입사광은 표면을 거의 통과해 버린다. 따라서, 임계각(128)은 영상면(118)으로부터 전반사된 반사광(130)이출사면(122)을 통해 출사될 때의, 영상면(118)의 법선(normal line)에 대한 각도가 된다.
반사광(130)은 출사면(122)에 인접해 있는 렌즈부(114)를 통과한다. 렌즈부 (114)는 한 개 이상의 광학 렌즈들을 포함할 수 있다. 렌즈부(114)로부터의 광은 영상센서(116)에 의해 취득된다. 영상센서(116)로는 예를 들어 CCD 또는 CMOS 소자가 사용 가능하며, 광학적으로 영상을 취득하고 취득한 영상을 전기 신호로 변환한다. 이와같은 영상센서들은 당업자에게 잘 알려져 있다. 그리고, 전기 신호는 저장/처리부(125)로 보내진다.
저장/처리부(125)는 메모리, 프로세서, AD컨버터를 포함할 수 있다(도시 생략). AD컨버터는 영상센서(116)로부터 나온 아날로그 전기신호를 디지털 데이터로 변환한다. 메모리는 저장된 지문영상과 취득된(captured) 지문영상과의 비교를 위한 알고리즘과 디지털 데이터를 저장하기 위해 사용된다. 프로세서는 취득된 디지털 데이터를 데이터비교 알고리즘에 기하여 사전에 저장된 데이터와 비교한다. 프로세서는 또한, 저장된 데이터의 비교가 아닌 다른 목적을 위해 취득 데이터를 분석할 수도 있다. 이러한 저장/처리부는 당업자에게 잘 알려져 있으며, 적합한 소프트웨어를 구비한 표준화된 PC를 포함할 수 있다. 영상 데이터의 비교 및 처리를 위한 알고리즘으로 발표된 것은, 미국특허 4135147과 4688995를 예로 들 수 있다.
지문이 프리즘의 영상면(118) 위에 놓였을 때, 지문의 융선(ridges, 111)은 영상면(118)에 닿고, 지문의 골(valleys, 109)은 영상면(118)에 닿지 않는 상태를 유지한다. 따라서, 광원(112)으로부터 프리즘(110)으로 들어가는 입사광(124)의 입사각이 프리즘(110)의 임계각을 넘는다면, 지문의 골(109)이 접해 있는 영상면(118)에서 내부 전반사된다(internally totally reflected). 그러나, 지문의 융선(111)에서 약간의 입사광(124)은 흡수되어 산란(scattering)된다. 여기서 사용된 바와 같이, "산란"이란 빛이 불규칙한 면에 부딪힌(strike) 후, 여러 방향으로 방사되거나 불규칙하게 반사되는 것을 가리킨다.
산란과 흡수의 결과로서, 지문 융선(111)에서 입사광(124)의 내부 전반사는아주 적게 일어난다. 따라서, 지문의 골(109)로부터 프리즘(110)을 떠난 반사광 (130)의 광량은 지문의 융선(111)으로부터 프리즘(110)을 떠난 반사광(130)보다 크다. 융선(111)으로부터 산란된 낮은 광량의 반사광(130)은 어둡게 나타나, 광선과 지문표면 사이의 광입사 지점에 물체가 있음을 나타낸다. 반대로, 내부 전반사된 높은 광량의 반사광(130)은 밝게 나타나, 입사광(124)과 영상면(118) 사이의 광입사 지점에 물체가 없음을 나타낸다. 이것은 상대적으로 밝은 지문 골(109) 영역과 상대적으로 어두운 지문 융선(111) 영역을 구분하게 해준다. 왜냐하면, 지문 융선 (111) 부분에서의 입사광의 흡수는 주로 지문영상의 형성에 영향을 미치기 때문이다. 이러한 시스템(108)을 흡수방식(absorption) 영상 시스템이라 한다.
상기에 서술한 시스템은, 광학적으로 지문영상을 취득하고 지문영상의 전기적인 데이터의 처리를 가능하게 한다. 그러나, 지문 융선(111) 부분에서, 입사광 (124)은 여전히 반사광(130)에 평행한 방향으로 약간의 내부 전반사와 산란을 일으킨다. 그러므로, 지문 융선(111)과 지문 골(109)로부터 반사광(130)의 광량 차이는 상대적으로 작을 수 있다. 즉, 지문영상에 있어서 지문 융선(111)과 지문 골(109)사이의 콘트라스트가 낮게 될 수 있다. 이것은, 영상의 취득ㆍ처리 및 비교를 어렵게 한다.
한편, 상기 광학식 인식 시스템(108)과 같은 인식시스템에서는, 렌즈부(114)에 있는 첫번째 렌즈의 직경이 출사면(122)에서 출사되는 지문영상의 크기보다 작은 것이 바람직할 수 있다. 이러한 이유로 광학식 인식 시스템(108)이 비교적 소형이 되고 제조비용이 저렴해질 수 있다.
그러나, 도2에 나타낸 것과 같이, 상기 시스템(108)과 같은 흡수식 시스템에서는, 렌즈부(114)의 첫번째 렌즈의 직경이 영상면(118)에 올려져 있는 지문보다 작은 경우라면, 렌즈부(114)가 출사면(122)으로부터 비교적 멀리 떨어지도록 배치되어야 한다. 이로써 상기 시스템(108)에 의해 취득되는 지문영상이 지문영상의 가장자리로 가면서 선명해 질 수 있다. 즉, 만일에 렌즈부(114)가 출사면(122)과 너무 가깝게 배치되어 있다면 지문영상의 가장자리가 손실 또는 왜곡될 것이다. 이는, 흡수식 시스템에서는 지문영상의 각 부분의 광선이 모두 평행하게 결상되기 때문이다. 그리고, 만일 렌즈부(114)의 첫번째 렌즈가 영상면(118)의 지문보다 작다면, 지문영상의 가장자리 부근의 광선(이 광선은 지문영상 중앙 부근의 광선과 평행하다)은 렌즈부(114)에 입사되지 못할 수도 있다. 이렇게 되면 지문영상의 가장자리는 초점이 맞지 않는 상태(out of focus)가 되거나 손실될 것이다.
따라서, 도2와 같이, 상기 광학식 인식 시스템(108)의 렌즈부(114)가 점선으로 표시한 114'의 위치에 놓이게 되면, 서로 거의 평행한 반사광(130, 130')은 렌즈부(114')에 입사되지 못할 것이다. 그래서, 렌즈부(114)가 114'의 위치에 설치되는한, 상기 시스템(108)에서는 영상면(118)에 놓인 지문의 A, B 부근에서는 선명한 영상을 얻을 수 없다.
따라서, 도2에서와 같은 흡수식 시스템에서는, 렌즈부(114)의 첫번째 렌즈를 소형화하는데 한계가 있다. 왜냐하면, 소형의 렌즈를 이용하여 완전한 지문영상을 얻기 위해서는 렌즈부(114)가 출사면(122)으로부터 비교적 먼 거리에 떨어져서 설치되어야 하기 때문이다. 이 때문에, 광학식 인식 시스템(108)을 컴팩트하게 제작하기가 곤란하다. 또한, 출사면(122)과 렌즈부(114) 사이의 거리가 멀어질수록 빛의 간섭으로 인해 지문영상에서 콘트라스트의 손실을 초래할 수 있다.
더욱이, 상기 광학식 인식 시스템(108)에서, 렌즈부(114)의 첫번째 렌즈가 출사면(122)에서 출사되는 지문영상보다 작을 때에는 사다리꼴 왜곡 현상이 발생할 수 있다. 영상 시스템에서의 사다리꼴 왜곡이란 시스템이 취득한 사각형의 영상이 사다리꼴로 보여지는 것을 말한다.
도2는 영상취득 시스템(108)에서 왜 사다리꼴 왜곡이 발생되는지를 보여주는 모식도이다. 광원(112)으로부터 입사광(124)은 프리즘(110)으로 들어가고, 영상면(118)에서 반사되어 영상 AB를 만든다. 그리고, 반사광(130)은 출사면(122)을 통과하여 렌즈부(114)의 A'와 B' 지점에 상 A'B'를 형성한다. 출사면(122)에서 보이는 상 AB는 상 ab에 "겉보기영상(apparent image)"으로 나타날 수 있다. 구체적으로 말하면, A는 출사면(122)으로부터의 거리가 aa'인 a 지점에 있는 것처럼 보이고, B는 출사면(122)으로부터의 거리가 bb'인 b 지점에 있는 것처럼 나타난다. 출사면(122)으로부터 물체의 겉보기영상이 나타나는 거리는, 출사면(122)으로부터의 실제 거리를 프리즘(110)의 굴절률 n으로 나눈 값으로 주어진다. 구체적으로, 거리 aa'은, aa'=Aa'/n 으로 나타낼 수 있다. 여기서, n은 프리즘(110)의 굴절률(index of refraction)이다. 마찬가지로, bb' = Bb'/n 으로 나타낼 수 있다. 사다리꼴 왜곡은 물체의 겉보기영상으로부터 렌즈부(114)의 렌즈면(107)까지의 광로의 길이가 영상취득된 물체의 타부분과 달라질 때, 및, 렌즈부(114)의 렌즈가 출사면(122)을 통해 나오는 지문영상보다 작을 때 일어난다. 구체적으로, 사다리꼴 왜곡은 상기 시스템(108)에서 거리 aA'가 bB'보다 길고, 렌즈부(114)의 직경이 출사면(122)에서의 거리 a'b'보다 작기 때문에 일어난다.
aA'가 bB'보다 길기 때문에 일어나는 다른 결과로는, 영상의 각 부분의 초점이 선명하게 맺히기가 어렵다는 것이다. 더 일반적으로 말하자면, 물체의 겉보기 영상으로부터 렌즈면(궁극적으로는 영상센서까지)까지의 광로 길이가 물체의 타부분과 다를 경우에는 항상, 렌즈면에 맺힌 영상의 일부분에서는 선명하게 초점이 맞지만 일부분에서는 초점이 어긋날 수 있다.
이러한 문제점들(즉, 사다리꼴 왜곡과, 초점이 맞지 않는 영상을 얻는 문제) 을 보정하기 위하여, 종래에는 렌즈부(114)의 렌즈면(107)과 영상센서(116)를 기울여서 두 지점의 거리가 근접될 정도로 bB'의 거리를 늘이고 aA'의 거리를 줄이는 방법을 취하고 있다. 그러나, 직각이등변 프리즘(즉, 정점각(apex angle)은 90°에 가깝고 밑각(base angle)은 45°에 가까운 삼각형)의 특성상, 반사광(130)은 출사면(122)에 거의 수직으로 프리즘(110)을 나간다. 즉, 반사광(130)이 출사면(122)을 빠져 나가면서 굴절되지 않는다. 더욱이, 일반적으로, 투명한 물체의 표면에 입사되는 각이 클수록 표면에서 반사되는 광이 많아진다. 따라서, 렌즈부(114)를 기울임에 의해 사다리꼴 왜곡을 줄일 수는 있으나, 이는 반사광(130)이 입사각보다 크게 렌즈부(114)에 입사되기 때문에 렌즈부(114)의 표면과 영상센서(116)의 표면에서 반사광(130)의 많은 반사를 일으킨다. 영상센서(116)로 들어가는 빛의 광량의 감소로 인해 이미지 처리와 비교를 더욱 어렵게 만든다.
또한, 광원(112)과 렌즈부(114)의 상대적인 배치는 광원(112)으로부터 새어 나온 광(stray light, 113)이 렌즈부(114)로 들어가는 것을 가능하게 한다. 이로 인해, 취득된 영상의 질이 저하되고 영상 처리를 더욱 어렵게 만드는 부가적인 배경 "잡음광"이 발생된다.
이러한 흡수식 영상취득 시스템의 문제점을 극복하기 위하여, 영상취득 시스템은 흡수식(absorption)보다는 산란식(scattering)을 기반으로 설계되고 있다. 이러한 영상취득 시스템은, 1993.8.3.에 등록된 미국 특허 5233404(Lougheed 외)에 개시되어 있다. 도3은 Lougheed 특허의 영상취득 장치의 일부분을 설명하는 구성도이다. 도3에 나타낸 바와 같이, 선행 기술의 영상취득 시스템(208)은 사다리꼴 프리즘(210), 광원(212), 렌즈부(214), 영상센서(216)로 구성된다. 사다리꼴 프리즘(210)은 적어도 영상면(218), 수광면(220), 출사면(222)을 포함한다.
영상면(218)은 지문 등의 물체 영상이 접촉하는 면이다. 광원(212)은 영상면 (218)에 평행한 수광면(220)을 바라보면서 이에 인접해 있다. 그러므로, 입사광(224)은 영상면(218)과 프리즘(210)을 통한 광원(212)에 의해 영상면(218)의 임계각(228)보다 작은 각으로 입사된다. 따라서, 지문의 골(209)이 영상면에 닿은부분에서는 내부 전반사가 일어나지 않고 영상면(218)을 통해 빠져 나간다. 영상면(218)에 접촉해 있는 지문의 융선(211) 부분에 부딪힌(strike) 입사광(224)은 산란(불규칙 반사)된다. 산란된 광(230)은 출사면(222)에 인접해 놓인 렌즈부(214)의 방향을 포함한 모든 방향으로 프리즘(210)으로 역전파(propagate)된다. 산란된 광은 출사면(222)을 통과하고 렌즈부(214)로 들어가서, CCD, CMOS 또는 다른 타입의 검출기인 영상센서(216)에 의해 검출된다.
지문의 골(209) 부분에서 입사광(224)은 영상면(218)을 통해 지나간다. 그리고, 지문 융선(211)이 접해 있는 영상면(218)에서 산란된 입사광(224)은 렌즈부(214)와 영상센서(216)에 의해 포착된다. 따라서, 지문의 영상은 지문 융선(211)에서 상대적으로 밝으며, 지문 골(209)에서 상대적으로 어둡다. 산란된 광(230)이 영상센서(216)에 의해 포착되기 때문에, 이러한 방식의 시스템을 산란식(scattering) 시스템이라 한다.
도1에 나타낸 바와 같이, 산란방식에 의해 형성된 지문영상의 융선과 골 사이의 빛의 광량 차이는 흡수 방식에 의해 형성된 지문영상의 융선과 골 사이의 빛의 광량 차이보다 크다. 그 결과, 지문영상의 지문 융선과 골 사이의 콘트라스트는 산란방식에 의해 형성된 지문의 경우가 흡수방식에 의해 형성된 것보다 높다. 따라서, 산란식에 있어서 영상은 영상센서(216)에 의해 보다 더 정확하게 취득될 수 있다. 이로써, 시스템에 의해 수행되는 후속단계의 지문 비교 단계에 있어서 에러를 줄일 수 있다.
또한, 산란식 시스템의 특성상, 지문영상을 형성하기 위해 렌즈부(214)에 들어가는 광선이, 선명한 영상을 만들기 위해 평행광선일 필요가 없다. 따라서, 렌즈부(214)의 첫번째 렌즈가 출사면(222)에서의 지문영상보다 작다면, 렌즈부(214)는 영상 가장자리 부근에서의 선명도를 손해보지 않고도 출사면(222)에 가깝게 배치될 수 있다.
그러나, 도1에서 나타낸 바와 같이, 프리즘으로서는 사다리꼴 프리즘(210)이 프리즘(110)보다 제조비용이 더 많이 들어간다. 여러가지 이유가 있지만, 사다리꼴 프리즘이 프리즘보다 연마해야 할 면이 더 있기 때문이다. 이것은 영상 시스템의 가격을 상승시킬 수 있으며, 소비자로 하여금 사용을 주저하게 한다.
더욱이, 프리즘(210)에서의 지문의 겉보기 영상의 각 부분과 렌즈부(214)까지의 산란광의 광로길이가 다르기 때문에, 상기 영상취득 시스템(208)에서도 광학식 인식 시스템(108)과 유사하게 지문영상에 초점이 맞지않는 부분이 발생하게 된다. 또한, 도3에는 표시하지 않았지만, 영상취득 시스템(208)의 렌즈부(214)의 첫번째 렌즈가 출사면(222)에서의 지문영상보다 작다면, 프리즘(210)에서의 지문의 겉보기 영상의 각 부분으로부터 렌즈부(214) 및 영상센서(216)까지의 산란광의 광로차에 사다리꼴 왜곡을 일으킬 수 있다.
상기에서 논의한 바와 같이, 물체 인식 시스템의 사용을 위해서는 개량된 영상취득 장치를 필요로 한다. 즉, 사다리꼴 왜곡을 감소하거나 거의 제거한 영상취득 장치가 바람직하다. 또한, 영상의 거의 모든 부분에서 초점이 맞게 형성되는 이미지를 취득하는 장치인 것이 바람직하다. 또한, 장치는 소형이어야 하며 제조비가 저렴하여야 한다.
본 발명은 영상취득 및 인식시스템에 사용되는 광학식 영상취득장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 광학식 영상취득장치에 있어서 패턴화된 물체(patterned object)의 영상에 생긴 사다리꼴 왜곡을 감소 또는 거의 제거하여 영상 선명도(sharpness)를 높히는 기술에 관한 것이다.
도1은 종래의 흡수식 영상 취득장치의 개요도.
도2는 도1에서 발생하는 사다리꼴 왜곡을 나타내는 개요도.
도3은 종래의 산란식 영상 취득장치의 개요도.
도4는 본 발명에 따라, 프리즘, 광원, 렌즈부, 영상센서를 갖는 영상취득 장치의 개요도.
도5는 도4의 프리즘과 광원을 나타내는 사시도.
도6은 도4의 영상취득 장치에서 사다리꼴 왜곡이 어떻게 줄어드는지를 나타내는 설명도.
도7은 도4의 영상취득 장치에서 사용될 수 있는 렌즈부의 구성도.
도8은 도4의 영상취득 장치에서 바람직하게 사용될 수 있는 프리즘과 렌즈부의 구성도.
도9는 본 발명에 따른 영상취득 장치의 다른 실시예로서, 산란된 광선의 광로를 나타내는 개요도.
도10은 도9의 프리즘에서 산란되는 다른 광선의 광로를 나타내는 개요도.
본 발명은 사다리꼴 왜곡이 감소되거나 거의 제거된 고콘트라스트 저왜곡의 영상을 제공하며, 비교적 저렴한 제조비용이 드는 소형 영상취득 장치에 관한 것이다. 본 장치는, 광굴절기상에 물체의 영상을 형성하기 위해 물체가 놓이는 면인 영상면(imaging surface)과, 출사면(viewing surface)과, 다른 제3의 면(further surface)을 갖는 광굴절기(light refractor)를 포함한다. 상기 출사면은 사이각 γ(감마)가 되도록 상기 영상면에 인접해 있다. 출사면을 통하여 물체의 영상이 출사된다. 본 장치는 또한, 상기 출사면에 인접하고 있는 렌즈를 포함하는데, 렌즈는 물체의 영상을 받아서 결상하는 역할을 한다. 상기 렌즈는 렌즈의 광축에 수직인 렌즈면을 갖고 있는데, 렌즈면은 상기 출사면과 δ(델타)의 각을 사이에 두고 위치한다. γ와 δ는, 물체 영상의 일부분에서 렌즈면까지 도달되는 제1광선의 광로길이와, 물체 영상의 다른 부분에서 렌즈면까지(궁극적으로는 영상센서) 도달되는 다른 광선들(상기 제1광선과는 실질적으로 평행함)의 광로길이를 실질적으로 동일하게 맞출 수 있는 각도로 설정된다. γ와 δ는 아래의 수식에 의해 결정되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 영상취득할 물체가 놓이는 영상면의 모든 영역에서는 적어도 하나 이상의 광선이 산란되어 이 산란된 광선과 출사면이 소정 각도로 교차함으로써, 출사면과 영상면이 교차된 지점에, 90°보다 작은 각도를 이루는 것이 바람직하다.
본 발명의 또다른 특징에 따르면, 물체의 영상을 형성하는 방법에는 영상면, 출사면, 다른 제3의 면을 갖는 광굴절기를 제공하는 것이 포함된다. 출사면에 의해 정의되는 평면(이하, 출사면 평면)과 영상면에 의해 정의되는 평면(이하, 영상면 평면) 사이에는 각 γ가 설정된다. 물체는 영상면에 놓여지며 입사광이 광굴절기 내부로 입사된다. 입사된 광은 영상면과 물체에서 산란되어 출사면으로 나온다. 출사면에 인접한 위치에 렌즈가 제공되는데, 렌즈의 초점면과 출사면 평면의 사잇각이 δ로 설정된다. γ와 δ는, 물체 영상의 일부분에서 렌즈면까지 도달되는 제1광선의 광로길이와, 물체 영상의 다른 부분에서 렌즈면까지(궁극적으로는 영상센서) 도달되는 다른 광선들(상기 제1광선과는 실질적으로 평행함)의 광로길이를 실질적으로 동일하게 맞출 수 있는 각도로 설정된다. γ와 δ는 아래의 수식에 의해 결정되는 것이 바람직하다.
또한, 영상이 형성되는 면인 영상면의 영역에서는 적어도 하나 이상의 광선이 산란되어 이 산란된 광선과 출사면이 소정 각도로 교차함으로써, 출사면과 영상면이 교차된 지점에, 각도가 90°보다 작은 제1각을 이루는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명에 따른 장치와 방법은 사다리꼴 왜곡이 감소되거나 거의 제거된 물체 영상을 제공하며, 선명하게 초점이 맞는 완전한 영상을 형성할 수 있다. 이러한 장점은 물체의 영상 취득에 있어서 보다 더 정확한 처리 및 비교기능을 수행토록 할 것이다.
도4와 도5는 본 발명에 따른 물체영상 취득 시스템(308)을 나타낸다. 영상취득 시스템(308)은 프리즘(310), 광원(light source, 312), 렌즈부(lens assembly, 314), 영상센서(316)로 구성된다. 프리즘(310)은 도4가 표시된 종이면 속으로 연장되는 길이를 갖는 5면체의 이등변삼각형 프리즘이다. 프리즘(310)은 지문(335) 등의 영상취득하려는 물체(물체)가 놓이는 직사각형의 영상면(imaging surface, 318)을 포함한다. 또한, 프리즘(310)은 영상면(318)에 접촉한 지문(335)의 영상을 프리즘(310) 밖으로 출사시키는 직사각형의 출사면(viewing surface, 320)을 포함한다. 도4와 5의 실시예에서, 출사면(320)은 프리즘(310) 안으로 빛이 들어가게 하기 위한 수광면(light receiving surface)으로서 작용한다. 프리즘의 광산란면(322)은 프리즘(310)의 제3 직사각형 면을 형성한다. 아래에 자세한 이유를 논하지만, 광산란면(322)은 되도록 확산판 처리된(diffusive) 것을 사용하는 것이 바람직하다.
광원(312)은 되도록이면 프리즘(310)의 길이(도4가 표시된 종이의 평면 속으로 연장된) 정도로 길게 연장되어 일렬로 배열된 LED 어레이가 좋다. 만일 이러한 LED 어레이가 광원으로 쓰인다면, 확산 덮개가 영상면(318)의 좀더 균일한 조명을 위하여 LED들과 출사면(320) 사이에 설치될 수 있다. 그러나, 광원(312)으로서는 어떠한 타입의 광원이라도 프리즘(310) 안으로 입사광을 보낼 수 있으면 본 발명의 범위에 속할 것이다. 광원(312)은 되도록이면 영상면(318)을 마주보고 있는 모서리 (338)를 따라 설치되는 것이 바람직하다. 그러나, 광원의 형태와 위치를 다른 방법으로 구성하는 것도 또한 본 발명의 기술적 범위에 포함된다. 예를 들어, 다른 방식의 광원으로서 본 발명의 장치에 사용될 수 있는 광원에 대해서 1998년 11월 12일 현재 출원중인 미국특허출원 제09/191428호에 개시되어 있다(발명의 명칭: 고콘트라스트 저왜곡의 광학식 영상취득 시스템; High Contrast, Low Distortion Optical Acquisition System for Image Capturing). 개시되어 있는 내용을 소개하면, 출사면(320)의 한 모서리 338과, 출사면(320)과 모서리 365와 만나는 출사면(320)에 수직한 선의 교차에 의해 형성되는 라인 360 사이의 임의의 위치의 출사면(320) 상에 광원(312)이 설치된다.
렌즈부(314)는 지문(335)으로부터 산란된 광(330)을 받아서, 영상센서(316)상에 이 산란광(330)의 초점을 형성하기 위한 것이다. 렌즈부 (314)는 하나의 렌즈일 수도 있으며, 다수의 렌즈들로 이루어질 수도 있다. 가장 바람직하게는, 렌즈부(314)는 대략 13.48mm의 초점거리를 갖고 출사면(320)으로부터 대략 13.5mm의 위치에 있는 것이 좋다. 또한, 렌즈부(314)의 한 실시예의 구성도인 도7에서 보여지는 바와 같이, 렌즈부는 세 개의 렌즈(904, 906, 908)로 구성되는 것이 가장 바람직한데, 각각의 광축은 공통된 광축(902)상에 일렬로 정렬된다. 렌즈(904)는 약 17.8mm의 직경을 가지며, 두 렌즈(906, 908)는 약 6mm의 직경을 갖는 것이 가장 바람직하다. 그러나, 렌즈부(314)에는 어떠한 수의 렌즈가 포함되더라도 관계없다.
영상센서(316)는 렌즈부(314)로부터 광학적 광영상을 취득하고, 취득한 영상을 전기신호로 변환한다. 영상센서(316)로는 광신호를 아날로그 또는 디지털 신호로 변환할 수 있는 CCD 또는 다른 변환수단을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 영상센서(316)로서 CMOS 소자를 사용하는 것이 좋다. CCD와 CMOS 영상센서는 당업자에게 잘 알려져 있다. 영상센서(316)에 의해 형성된 전기신호는 주지의 수단에 의해 처리되어 지문 등의 입력패턴을 비교하는데 사용된다. 배경기술에서 설명한 바와 같이, 이러한 신호처리 방법은 미국특허 4135147과 4688995에 개시된 바와 같다.
영상센서(316) 상에 지문(335)의 광학적 영상을 형성하기 위해서, 지문(335)이 영상면(318)에 놓인다. 광원(312)으로부터의 입사광(324)은 출사면(320)을 통과하여 프리즘(310)으로 들어간다. 광원(312)이 모서리(338)에 인접해 있기 때문에, 입사광(324)은 산란면(322)에 부딪힌다. 앞에서 설명한 바와 같이, 산란면(322)은 확산성(diffusive)인 것이 좋다. 그래야 비교적 많은 양의 입사광 (334)이 산란면(322)으로부터 산란되어 프리즘(310) 안으로 들어간다. 비록 광 산란면(322)이 확산성이 아닐지라도, 거의 모든 입사광(324)은 산란면(322)의 임계각보다 큰 각도(323)로 산란면(322)에 부딪힌다. 그러므로, 입사광은 산란면(322)에서 반사되어 영상면(318)에 부딪힌다. 산란면(322)에서 입사광의 반사를 증대시키기 위하여, 산란면(322) 쪽으로 거울면이 향하도록 반사면(381)을 설치하는 것도 고려해 볼만 하다.
입사광(324)이 산란면(322)에서 산란되거나 직접 반사되기 때문에, 상대적으로 많은 양의 입사광(324)이 영상면(318)의 임계각(328)보다 작은 각도(327)로 영상면(318)에 부딪힐 것이다. 따라서, 지문의 골(309)에서 영상면(318)에 부딪히는 입사광(324)은 내부 전반사를 일으키지 못하고, 대개가 영상면(318)을 빠져 나가게 된다. 그리하여 지문의 골(309)이 접촉된 영상면(318) 영역에서는 거의 광이 검출되지 않는다. 반면에, 지문의 융선(311)이 접촉되어 있는 영상면(318) 영역에 부딪힌 입사광(324)은 대부분이 산란되어 산란광(330)을 만든다. 산란광의 일부분은 출사면(320)을 통해 프리즘(310)으로 빠져 나간다. 산란광(330)은 프리즘(310)을 빠져 나가서 렌즈부(314)로 회절되어 들어가며, 영상센서(316)에 초점을 맺는다.
입사광(324)은 산란면(322)에 의해 산란되기 때문에, 입사광(324)은 비교적균일한 조도로 영상면(318)에 제공되어야 균일한 화질의 영상을 형성할 수 있다. 균일한 조도의 영상을 얻어야 하는 이유는, 그래야 저장된 지문 데이터와의 비교 및 처리가 쉽게 되기 때문이다. 영상면(318)에 대한 조도의 균일성을 증가하기 위하여, 도5에 나타낸 바와 같이, 광원(312)과 맞닿은 출사면(320)의 일부가 에칭 라인(370)에 의해 줄이 그어질 수 있다. 에칭 라인(370)은 모서리 선단(338)에 평행하게 프리즘(310)의 길이 방향으로 그어진다. 에칭 라인(370)에 의해, 광원(312)으로부터 입사된 광이 출사면(320)을 통과하면서 확산되어 조도가 균일해 진다.
앞에서 설명한 구성요소들 이외에, 영상취득 시스템(308)은 광원(312)에 인접한 수광면의 일부에 차광막(light blocking shield, 350)을 포함하는 것이 바람직하다. 차광막(350)은 프리즘(310)의 길이 전체에 걸쳐 있는(도4가 그려진 평면 속으로) 것이 바람직하다. 차광막(350)은, 광원(312)으로부터 새어 나온 빛이 렌즈부(314)로 들어가 지문영상과 간섭되거나(interfere), 영상을 흐릿하게 만드는 문제를 배제하기 위한 것이다. 또한 고려해야 할 점은, 프리즘(310)의 안쪽과 맞닿은 차광막(350)의 표면은 거울면(mirrored surface)이 되어야 하는 것이다. 이러한 거울면에 의해 영상면(318)상에 산란된 입사광의 광량을 높여줄 수 있다. 차광막(350)에 덧붙여(또는 차광막 대신에), 제2의 차광막(352)이 광원(312)과 렌즈부(314) 사이에 설치될 수 있다. 제2의 차광막(352)은 렌즈부(314)로 들어가는 광원(312)으로부터 새어 나오는 빛을 막기 위한 각도로 출사면(320)에 설치되는 것이 바람직히다.
광원(312)이 비교적 좁고 영상면(318) 맞은 편의 모서리(338)에 인접해 위치하기 때문에, 영상면(318)에 도달하는 거의 모든 입사광(324)은 반사 또는 산란되어 렌즈부(314)로 들어간다. 즉, 영상센서(316)에 의해 포착되는 입사광(324) 중에서 지문의 융선(311)이 접촉해 있는 영상면(318)에서 산란되지 않은 거의 없다. 지문의 골(309)로 흡수된 입사광이 렌즈부(314)를 통해 영상센서(316)에 도달하는 것을 줄이기 위하여, 도5에 나타낸 바와 같이, 광원(312)이 라인(360)을 넘지 않도록 하는 것이 좋은데, 이 라인(360)은 출사면(320)에 수직한 평면과 영상면(318)에 연하고 있는 모서리(365)의 교차점에 의해 구획되어 프리즘(310)의 길이 방향으로 그어진다. 만일 광원(312)이 모서리 선단(338)과 동일한 선상을 유지한다면, 광원(312)으로부터 수직으로 입사되어 지문의 융선(311)에서 산란되지 않고 영상센서(316)에 도달하는 입사광(324)은 거의 없을 것이다.
광원(312)으로부터 영상면에 직접적으로 입사되는 입사광(324)을 최소화시킴으로써, 지문의 골(309)이 접촉되어 있는 영상면(318) 영역에서 입사광(324)의 내부 전반사는 거의 일어나지 않는다. 이것은 지문의 골 부분으로부터 출사면(320)을 통해 렌즈부(314)로 들어가는 빛은 거의 없는 것을 의미한다. 반면에, 영상면(318)으로부터 렌즈부(314)로 들어가는 거의 모든 광은 영상면(318)상의 지문 융선(311)으로부터 산란된 것이다. 이로써, 지문영상에 있어서 지문의 융선(311)과 골(309) 의 사이에서 높은 대비도(콘트라스트)를 갖게 된다. 이와같이 높은 콘트라스트를 갖는 지문영상은 다른 지문영상과의 비교 및 처리를 쉽게 하고 처리의 정확성을 증대시키는 이점이 있다.
또한, 영상취득을 위해 사용되는 산란 방식의 기술이, 배경기술에서 논의한Lougheed의 특허에서 개시된 사다리꼴 프리즘이 아닌 프리즘으로 구현된다. 프리즘이 사다리꼴 프리즘보다 제조하는데 있어서 훨씬 효율적이기 때문에, 본 발명에 따른 영상취득 시스템(308)의 제조비용이 상대적으로 저렴한 이점이 있다.
게다가 본 발명에서는, 산란된 빛이 물체로부터 한 방향이 아닌 여러 방향으로 산란된다. 그리고, 배경기술에서 설명한 것과 같이, 비평행 산란광들이 렌즈부에 의해서 물체의 영상을 결상(focus)하는데 사용될 수 있다. 따라서, 도6의 광학식 인식 시스템(318)에서와 같이, 렌즈부(314)의 첫번째 렌즈가 출사면(322) 상의 지문(335)의 대각선보다 작은 직경일 때에는 비평행 산란광선이 지문(335)의 영상을 결상하는데 사용될 수 있다. 그래서, 렌즈부(314)는, 본 시스템(308)에 의해 형성되는 지문영상의 가장자리 부근에서의 화질이 손실되지 않으면서도 출사면(320)에 비교적 가깝게 설치될 수 있다. 그러나, 반드시 그렇게 설치될 필요는 없다. 이러한 장점때문에 본 영상취득 시스템(308)을 비교적 소형으로 제작할 수 있고, 렌즈부(314)를 상대적으로 저렴한 비용으로 제작할 수 있다.
도6에서 나타낸 바와 같이, 렌즈부(314)의 첫번째 렌즈의 직경이 영상면(318) 상의 지문(335) 크기보다 작을 때에는 형성된 영상에 사다리꼴 왜곡이 일어날 수 있다. 그러나, 본 발명의 영상 취득 장치에서는 사다리꼴 왜곡을 줄이고, 전체적인 선명도를 향상시킬 수 있다. 배경기술에서 논의한 바와 같이, 사다리꼴 왜곡은 실제 물체의 영상으로부터 왜곡되는 크기를 갖는 영상에 있어서 분명해진다. 사다리꼴 왜곡과 초점이 맞지 않는(out of focus) 부분을 갖는 영상은, 물체의 겉보기영상(apparent image)으로부터 렌즈부(314)로(궁극적으로는영상센서(316)로) 도달되는 광로 길이의 차이가, 영상의 일부분과 다른부분이 서로 다르게 됨으로써 발생된다. 그러나, 도6에 나타낸 바와 같이, 영상취득 시스템(308)에 있어서, 지문(335)의 겉보기영상(335')의 서로 다른 지점으로부터 렌즈부(314) 및 영상센서(316)로 산란된 광(330)의 광로길이가 거의 동일하다. 구체적으로 말하면, AA'와 BB'와 CC'의 경로가 거의 같다. 따라서, 본 발명에서는 사다리꼴 왜곡이 줄어들고 전체적인 선명도가 향상될 수 있다. 도6에서 보여지는 바와 같이, 경로 AA', BB', CC'의 동일화는 출사면(320)에 대해 렌즈부(314)를 기울임으로써 수월해진다.
그러나, 도1의 종래 광학식 인식장치(108)와 달리, 상기와 같이 렌즈부(314)를 기울이는 것이 영상센서(316)에 도달되는 영상의 밝기를 심각하게 감소시키지는 않는다. 배경기술에서 설명한 시스템(108)에서는, 렌즈부(114)를 기울이면 반사광(130)이 렌즈부(114)의 첫번째 렌즈에 수직으로 부딪히게 되므로, 렌즈부(114)의 표면에서 큰 반사가 일어나게 되어 영상센서(116)에 도달하는 영상의 밝기를 감소시키는 불리한 점이 있었다.
그러나, 프리즘(310)의 굴절률은 1보다 큰 것이 바람직하므로, 출사면(320)에 부딪히는 산란광(330)이 프리즘(310)을 빠져나가면서, 출사면(320)의 법선보다 작은 각도로 굴절된다. 따라서, 렌즈부(314)의 렌즈면(307)을 기울이면 산란광(330)은 거의 90°로 렌즈부(314)에 부딪히게 된다. 따라서, 렌즈부(314) 표면에서 쓸데없이 반사되는 산란광이 적어지기 때문에 영상의 밝기 손실이 적거나 없게 된다. 그래서, 영상센서(316)에서의 영상 밝기가 손실되지 않고도, 사다리꼴왜곡이 줄어들 수 있으며 전체적인 영상선명도가 향상된다.
도8을 참조하면, 렌즈부(314)를 기울이는 적절한 각도가 결정될 수 있다. 도8에서, 광선 410, 412는 영상면의 한 모서리(414)와 다른 모서리(416)에서 각각 산란된다. 렌즈면(307)은 렌즈부(314)의 두께를 "0"으로 가정하여 상정한 이론적인 면이다. 거리 Aa는 광선 412에 대하여 프리즘(310)에서의 물체의 겉보기영상으로부터 렌즈면(307)까지의 거리이고, 거리 B'b는 광선 416에 대하여 프리즘(310)에서의 물체의 겉보기영상으로부터 렌즈면(307)까지의 거리를 나타낸다. 사다리꼴 왜곡을 실질적으로 줄이기 위해서는 Aa가 B'b와 거의 동일해야 한다. B'b가 프리즘(310)에서의 모서리 B에서의 물체의 겉보기 심도(apparent depth)이기 때문에, 배경기술 항목에서 설명한 것과 같이
이 된다. 여기서, Bb는 모서리 416의 B점에서 b점까지의 거리이다. 사다리꼴 왜곡의 실질적인 제거와 전체 영상선명도의 향상에 관한 조건은 다음 수학식1과 같이 표현된다.
출사면(320)에 입사되는 광선 412의 각도, 즉, 출사면(320)의 수직선(법선)과 프리즘(310) 내부의 광선 412 사이의 각도는 도8에서 θ1로 표시되어 있다. 광선 412가 프리즘(310)을 빠져나간 후 굴절되는 각도는 θ2로 표시되어 있다. 따라서, 스넬의 법칙에 의해 수학식2가 된다.
또한, 기본적인 삼각함수 관계를 이용하면 수학식2는 아래 수학식3과 같이 된다. 수학식3에서, AB는 프리즘(310)의 영상면의 AB 사이의 거리이고, Ab는 출사면(320)에서의 Ab 사이의 거리이고, α'은(90°-θ1과 같음) 광선 412와 출사면(320) 사이의 각도이고, γ는 영상면(318)과 출사면(320) 사이의 각도이다(도8의 각도 342 참조).
마지막으로, 사인법칙을 활용하면, 상기 식은 수학식4와 같이 된다.
상기 수학식1,2,3,4를 활용하면 사다리꼴 왜곡을 거의 제거하고 전체적인 영상서녕도를 증대시키는 조건을 얻을 수 있다. 수학식5는 렌즈면(307)과 출사면(320)이 이루는 각도의 조건을 나타낸다.
수학식5에서, δ는 렌즈부(314)의 렌즈면(307)과 출사면(320) 사이의 각도이다. 따라서, 본 발명에 따른 영상시스템(308)은 바람직하게는 수학식5에 따라 구성되어 사다리꼴 왜곡을 제거하고 전체적인 영상 선명도를 개선한다.
그러나, 영상시스템(308)을 제조하는 데 있어서, 각도 γ와 δ의 정확한 허용범위를 정하는 것은 어렵고도 비용이 많이 들 수가 있다. 따라서, 본 발명에 따른 영상시스템에서는 아래의 수학식6에 따라 30%의 제조 허용범위를 주는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 영상시스템에서 아래의 수학식7에 따라 15%의 제조 허용범위를 주는 것이 보다 더 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 영상시스템에서 아래의 수학식8에 따라 7.5%의 제조 허용범위를 주는 것이 보다 더 바람직하다.
앞에서 언급한 것과 같이, 수학식5~8에 의해 영상시스템(308)을 구성하면, 사다리꼴 왜곡이 실질적으로 감소되거나 제거되고 전체적인 영상 선명도가 개선될수 있다. 이러한 장점은 물체의 영상 취득에 있어서 보다 더 정확한 처리 및 비교기능을 수행토록 할 것이다.
프리즘(310)은 공기의 굴절률인 1과는 다른 굴절률을 갖는 유리, 아크릴, 기타 투명 재료로 만들 수 있다. 프리즘은 대한민국의 신광사(Shinkwang Ltd.)에서 원하는 굴절률과 각도로 제작될 수 있으며, LaK-7 또는 LaK-8로 명명된 유리로 제작될 수 있다.
렌즈부(314)는, 한국의 옵티컬시스템사에 의해 제작가능한데, BK7라는 상업적 호칭으로 명명된 유리로 제작하였다. 만일 도6에 나타낸 렌즈부(314)에 한 개 이상의 렌즈가 사용된다면, 각 렌즈는 당업자에게 알려진 플라스틱 몰딩 방법 또는 다른 제조수단에 의해 제작된 프레임에 의해 정렬되고 간격이 조절될 수 있다.
광원(312)은 회로기판상에 기성품 LED어레이 4개가 일직선으로 배열되어 구성된다. LED의 전력공급 방식은 당업자에게 잘 알려져 있다. 영상센서(316)는 CMOS 타입의 센서가 바람직하며, 한국의 현대전자, 미국 캘리포니아 산호세의 VLSI 비전 또는 캘리포니아 서니베일의 옴니비젼테크놀로지로부터 구입할 수 있다.
영상취득용 구성요소를 도4에 도시한 정위치에 위치시키기 위해, 각 구성요소를 수용하는 홀딩슬롯(holding slot)을 갖는 프레임을 플라스틱 몰딩 또는 다른 수단으로 제작할 수 있다. 광원(312)은 출사면(320)에 인접한 홀딩슬롯에 삽입되거나 공지된 투명 접착제에 의해 출사면(320)에 직접 부착될 수 있다.
수학식 5~8은 영상면(318)의 전체폭 AB가 영상취득에 이용된다는 가정에서 도출된 것이다. 그러나, 프리즘의 영상면보다 작은 영역만이 영상취득에 이용될 수가 있다. 이러한 경우의 예를 들자면, 90°이상의 각을 갖는 삼각프리즘이 광굴절기로서 사용되는 경우이다. 그러나, 프리즘의 영상면 전체가 물체의 영상화에 이용되지 않는다면, 수학식5~8에 의해 구성되는 것과는 다른 조건으로 이러한 영상시스템을 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 별도의 조건은 도9에서 둔각(541)을 갖는 삼각 프리즘(510)의 경우에 볼 수 있다. 삼각프리즘(510)은 평평한 영상면(518), 평평한 출사면(520), 평평한 제3의 면(522)로 구성된다. 도9에는 또한, 앞에서 나온 광원(312)와 거의 동일한 광원(512)과 렌즈부(미도시)의 렌즈면(507)이 표시되어 있다. 본 프리즘(510)에 사용된 렌즈부는 앞서 설명한 렌즈부(314)와 거의 동일하다.
도9에서, 광선(612)는 영상면(518)의 D점에서 산란되고, 또다른 광선(610)은 A점에서 산란된다. 프리즘(510)과 렌즈면(507)은 수학식5에 의해 구성된다. 또한, 구간 a'd'은 렌즈면(507)에 평행하다. 그리고, 거리 D'd'은 프리즘(510)의 영상면(518)상의 D점에서의 물체 영상의 겉보기 심도(apparent depth)이기 때문에, 구간 Aa'과 D'd'은 동일하다. 프리즘(510)의 굴절률이 1보다 크기 때문에, 광선(612)가 d'점에서 프리즘(510)을 나감에 따라 이 광선은 출사면(520)의 법선(620)에서 멀어지도록 굴절될 것이다. 도9에서 α'로 표시된 각 545는 90°보다 작은데, 이 각 545는 광선(612)와 출사면(520)이 교차하는 각으로서 출사면과 영상면과의 교차선에 인접한 각이다. 따라서, 광선(612)이 프리즘(510)을 통과하여 법선(620)에서 굴절됨에 따라, 이 광선은 프리즘(510) 외부의 광선(610)의 광로와 평행하게 전파된다. 따라서, 구간 a'a와 d'd의 길이 또한 같아진다. 이에 따라, 프리즘(510)의 겉보기영상으로부터 렌즈면(507)까지의(궁극적으로는 영상센서까지의) 전체 광로길이는 A점과 B점에서 영상면(518) 상의 물체와 같아지게 된다. 이로써, 전체적인 영상 선명도가 향상될 수 있다.
도10을 참조한다. 도10에서도 프리즘(510)이 도시되어 있는데, 영상면(518)의 E점에 놓인 물체의 프리즘내 겉보기영상으로부터의 광로길이가, 프리즘(510)의 A점에 놓인 물체의 프리즘내 겉보기영상으로부터의 광로길이와 다른 경우를 나타낸다. 광선(612)은 영상면(518)의 E점에 놓인 물체로부터 산란된 광선이다. 위에서와 같이, 프리즘(510)의 굴절률이 1보다 크기 때문에, 광선(612)가 e'점에서 프리즘(510)을 나감에 따라 이 광선은 출사면(520)의 법선(620)에서 멀어지도록 굴절될 것이다. 따라서, α'로 표시된 각 545가 90°보다 크기 때문에, 프리즘(510) 외부의 광선(612)의 광로는 프리즘(510) 외부의 광선(610)의 광로와 평행하지 않게된다. 광선 610과 612가 평행하지 않기 때문에, 구간 e'e의 길이는 a'a의 길이와 달라지게 될 것이다. 이는 곧, 프리즘(510)내의 겉보기영상으로부터 렌즈면(507)까지의 전체 광로길이가 영상면(318)의 E점에 놓인 물체 및 A점에 놓인 물체와 달라지게 됨을 의미한다. 따라서, 상대적으로 큰 사다리꼴 왜곡과 초점이 맞지 않는 영상이 형성될 것이다.
위에서 설명한 것과 같이, 이러한 현상을 피하기 위해, 90°이상의 각을 갖는 프리즘을 본 발명에 따른 장치에 사용할 때에는 영상면의 전체면보다 작은 면을 이용하여 물체의 영상을 형성하는 것이 바람직하다. 위에서 보인 것과 같이, α'이 90°보다 작고 영상취득 시스템이 수학식5~8에 의해 구성될 때에는, 사다리꼴 왜곡이 거의 제거될 수 있다. 그리고, α'이 90°이상일 때에는 사다리꼴 왜곡이 발생할 수 있다. 따라서, 프리즘의 영상면(518) 전체면보다도 작은 면을 사용하여 물체를 접촉하는 경우라면, 영상형성에 사용될 영상면(518)의 각 부분에서 적어도 하나의 산란 광선을 가질 수 있게 된다. 그래야 하나의 광선과 출사면(520)의 교차지점에서 도9와 도10에서 본 각도 α'(출사면과 영상면과의 교차점에 인접한 각이며 90°보다 작은 각임)을 형성할 수 있다. 이러한 원리에 의해 수학식5~8에 따라 구성되는 영상시스템에서의 사다리꼴 왜곡을 감소하거나 거의 제거하고 전체적인 영상 선명도를 향상시킬 수 있다.
프리즘(510)과 광원(512)는, 앞에서 프리즘(310)과 광원(312)에 대해 설명한 것과 거의 동일한 방법과 재료로 제작될 수 있다.
본 발명의 개념과 범위에서 벗어나지 않는 한도에서 다양한 실시예가 구성될 수 있다. 본 발명이 상기 기술된 실시예에만 한정되지 않는 것은 당연하다. 예를 들어, 명세서에서는 지문영상에 대한 실시예를 위주로 설명하였지만, 기타 다른 물체가 본 발명에 따라 영상취득되는데 적용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 광을 반사하고 굴절시키는 광굴절기로서, 광굴절기내에 물체의 겉보기영상을 형성하기 위해 물체가 놓이는 면인 영상면(imaging surface); 상기 영상면과 γ(감마)의 각도로 설치되며 물체의 영상이 출사되는 출사면(viewing surface); 상기 영상면에 접한 제3의 면(further surface)을 갖는 광굴절기와,
    상기 출사면에 인접하여 설치되고, 출사면에서 출사되는 물체 영상을 받아서 결상하는 역할을 하며, 상기 출사면과 δ의 각도를 이루고 광축과 수직된 렌즈면을 갖는 적어도 한 개 이상의 렌즈를 포함하는 장치로서,
    상기 각 γ와 δ는, 물체의 겉보기영상의 일부분에서 렌즈면까지 도달되는 제1광선의 광로길이와, 물체의 겉보기영상의 다른 부분에서 렌즈면까지 도달되는 다른 광선들(상기 제1광선과는 실질적으로 평행함)의 광로길이를 실질적으로 동일하게 맞출 수 있는 각도로 설정되는 것을 특징으로 하는, 물체로부터 고콘트라스트 저왜곡의 영상을 형성하는 장치.
  2. 청구항 1에서, 각 γ와 δ는 아래 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 청구항 1에서, 각 γ와 δ는 아래 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 청구항 1에서, 각 γ와 δ는 아래 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 청구항 1~4중 어느 한 항에서, 영상이 형성되는 면인 상기 영상면의 영역에서는 적어도 하나 이상의 광선이 산란되어 이 산란된 광선과 상기 출사면이 소정 각도로 교차함으로써, 출사면과 영상면이 교차된 지점에, 각도가 90°보다 작은 제1각을 이루는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 청구항 1에서, 상기 광굴절기에 인접하게 설치되어 출사면에서 물체의 영상을 형성하기 위하여 광굴절기에 빛을 입사하는 적어도 하나 이상의 광원이 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 청구항 6에서,
    프리즘은 영상면에 대향하며 출사면에 접하는 제1모서리를 포함하고,
    광원은 출사면을 향하여 출사면에 평행하게 상기 제1모서리에 인접하여 설치되는 긴 LED 어레이인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 청구항 1에서, 상기 적어도 하나의 렌즈의 직경은 영상취득될 물체의 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 영상면, 출사면, 제3의 면을 갖는 광굴절기가 제공되고,
    출사면에 의해 정의되는 평면과 영상면에 의해 정의되는 평면 사이에 각 γ가 형성되고,
    광굴절기의 영상면에 물체를 올려놓고,
    광굴절기에 광을 입사하고,
    입사된 광이 영상면과 물체에서 산란되어 출사면에서 출사되고,
    출사면에 인접하여 렌즈가 제공되고, 출사면에 의해 정의되는 평면과 렌즈의 렌즈면 사이에 각 δ가 형성되고,
    상기 각 γ와 δ를, 물체의 겉보기영상의 일부분에서 렌즈면까지 도달되는 제1광선의 광로길이와, 물체의 겉보기영상의 다른 부분에서 렌즈면까지 도달되는 다른 광선들(상기 제1광선과는 실질적으로 평행함)의 광로길이가 실질적으로 동일해질 수 있는 각도로 설정하는 것을 특징으로 하는, 패턴화된 물체로부터 영상을 형성하는 방법.
  10. 청구항 9에서, 각 γ와 δ를 설정하는 단계에서, 각 γ와 δ는 아래 식에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 청구항 9에서, 각 γ와 δ를 설정하는 단계에서, 각 γ와 δ는 아래 식에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 청구항 9에서, 각 γ와 δ를 설정하는 단계에서, 각 γ와 δ는 아래 식에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 청구항 9~12중 어느 한 항에서, 영상면에 물체를 놓는 단계에서, 물체가 놓여진 상기 영상면의 영역에서는 적어도 하나 이상의 광선이 산란되어 이 산란된 광선과 상기 출사면이 소정 각도로 교차함으로써, 출사면과 영상면이 교차된 지점에, 각도가 90°보다 작은 제1각을 이루는 것을 특징으로 하는 방법.
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