KR20020078004A - 광학식 지문입력장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광학식 지문입력장치에 관한 것으로서, 사각 프리즘의 외부에 광로변경용 미러를 설치하여 광학식 지문입력장치의 광학계를 소형화하는 것에 관한 것이다. 본 발명에 따른 프리즘에는, 지문접촉면과는 θ₁의 각을 이루고 광입사면과는 θ₂의 각을 이루며 지문접촉면에서 반사된 광이 일차적으로 출사되고 외부에서 다시 재입사되는 일차출사/재입사면과, 지문접촉면과 지문대향면을 연결하는 면으로서 상기 일차출사/재입사면으로 재입사된 광을 외부로 최종 출사하는 최종출사면이 추가로 포함된다. 또한, 상기 프리즘의 일차출사/재입사면으로부터 외부로 출사되는 지문반사광을 수용하여 광로를 변경시키는 제1미러와, 제1미러에서 광로변경된 지문반사광의 광로를 다시 변경하여 프리즘의 일차출사/재입사면으로 재입사시키는 제2미러와, 프리즘으로 재입사되어 최종출사면으로 출사되는 지문반사광을 집광하는 집광렌즈가 추가로 포함된다.

Description

광학식 지문입력장치{Optical fingerprint acquisition device}

본 발명은 광학식 지문입력장치에 관한 것으로서, 프리즘을 사각형으로 구성하고 외부에 광로변경용 미러를 설치하여 광학계를 소형화한 광학식 지문입력장치에 관한 것이다.

입력된 지문과 미리 등록된 사용자의 지문을 비교하여 문이나 금고의 잠금장치, 출입관리, 근태관리, 컴퓨터 엑세스 제어 등에 활용하는 지문인식 기술이 있다. 지문입력장치는 이러한 지문인식을 수행하기 위하여 인증을 원하는 자의 지문을 취득하는 장치로서, 크게 광학식과 비광학식으로 대별된다.

비광학식 지문입력장치로는 반도체 방식이 있는데, 반도체 제조공정에 의해 제작되므로 매우 소형으로 제작할 수 있다.

광학식 지문입력장치는 프리즘 등에 놓여진 지문에 빛을 비추어 지문의 골(valley)이나 융선(ridge)의 형태에 따라 반사되어 영상 센서에 형성된 지문영상을 해석하여 미리 저장되어 있는 지문과 대조를 하는 장치이다. 대표적인 광학식 지문입력장치의 원리를 도1에 나타내었다.

도1의 광학식 지문입력장치는 "산란식" 지문입력장치로서, 프리즘(1), 광원(3), 렌즈(4), 영상센서(5)로 구성된다. 광원(3)으로부터의 빛이 프리즘(1)의 지문입력창(2)으로 직각 혹은 임계각보다 훨씬 작은 각으로 입사하기 때문에, 지문입력창(2)에 닿지 않는 지문의 골에서는 광이 지문입력창(2)을 통과하여 나가므로 영상센서에 도달되지 않고, 지문의 융선에서는 입사광이 융선에 반사되어 산란된다. 산란된 광은 렌즈(4)로 입사되고 영상센서(5)에 의해 검출된다. 따라서, 영상취득 센서(5)에 입사되는 광량은 지문의 골과 융선에 따라 서로 다르게 되고 결국 영상취득 센서(5)에서는 지문의 패턴에 따라 서로 다른 레벨의 전기신호를 출력하게 된다. 영상처리부(6)에서는 영상취득 센서(5)의 출력값을 디지탈신호로 정형하고 영상처리하여 지문패턴을 인식하게 된다.

광학식 지문입력장치는 비광학식보다 취득되는 지문의 화질이 우수한 장점이 있지만, 그 구조상 프리즘과 렌즈가 반드시 필요하므로 전체적인 물리적 크기가 비광학식보다 크다. 또한, 광학식의 장점인 우수한 지문영상을 얻기 위해서는 광원과 지문영상 취득센서 사이의 광로가 충분히 확보되어야 한다. 이러한 이유로 광학식 지문입력장치의 소형화가 더욱 어려워진다. 최근에는 지문입력장치를 컴퓨터 마우스 등의 소형제품에 내장하여 개인인증을 하고 있기 때문에, 지문입력장치의 소형화가 강하게 요구된다.

따라서, 본 발명의 목적은 프리즘을 사각형으로 구성하고 프리즘 외부에 광로변경용 미러를 복수개 설치하여 광로의 전체 길이를 유지하는 상태에서 광학계의 크기가 축소된 광학식 지문입력 장치를 제공하는 것이다.

도1은 일반적인 광학식 지문인식장치의 개략도.

도2는 본 발명에 따른 광학계의 구성도.

도3은 다른 실시예의 구성도.

도4는 본 발명에 따른 광학계의 개략적 사시도.

도5는 도4에 원통형 렌즈가 추가된 실시예의 사시도.

도6은 도4의 광원의 위치가 변경된 실시예의 사시도.

<도면부호의 설명>

프리즘(1), 지문접촉면(2), 광원(3), 렌즈(4), 영상취득 센서(5), 프리즘(10), 지문접촉면(11), 지문대향면(12), 일차출사/재입사면(13), 최종출사면(14), 광원(20, 20'), 제1미러(30), 제2미러(40), 집광렌즈(50), 원통형 렌즈(55), 영상취득 센서(60), 제3미러(70)

발명의 개요

작은 크기의 광학계 내에서 충분한 광로를 확보하기 위해서는 작은 공간 내에서 광로변경의 횟수가 많을 것이 요구된다. 그러나, 프리즘만을 이용하여 광로변경의 횟수를 증가시키는 것은 매우 곤란하다. 왜냐하면, 프리즘을 반사체로 이용하기 위하여는 프리즘 내부에서의 전반사를 이용하여야 하는데, 하나의 프리즘으로써 내부에서 여러 번의 전반사가 일어나도록 설계하는 것은 수학식 1과 같이 주어지는 전반사 조건을 맞추기가 어렵기 때문이다.

이에, 본 발명에서는 광학계를 소형화하기 위하여 4각 프리즘을 사용하되, 프리즘 내에서의 광로 변경을 위해 프리즘 외부에 미러를 설치하여 해결하였다. 즉, 프리즘 외부의 미러와 프리즘의 굴절면을 이용하여 광로변경 횟수를 늘림으로써 충분한 광로를 확보하여 광학계를 소형화하였다.

본 명세서에서 사용된 "지문반사광"이라는 용어는, 지문의 융선에서 반사되어 산란되는 광으로서 지문접촉면으로부터 영상취득 센서에 도달되는 광 전체에 대해 사용된 용어이다.

발명의 구성

도2는 본 발명의 구성을 개념적으로 표시한 그림이다. 도2에서 보듯이, 본 발명에 사용된 프리즘은 4개의 면을 갖고 있는 사각형이다. 종래의 광학식 지문입력장치용 프리즘에서와 같이, 지문입력을 하고자 하는 자의 지문을 접촉하는 지문접촉면(11)과 이 지문접촉면(11)과 대향하고 있는 지문대향면(12)을 갖는 이외에, 본 발명의 사각(육면체) 프리즘(10)에는, 지문접촉면(11)과는 θ₁의 각을 이루고 지문대향면(12)과는 θ₂의 각을 이루며 지문접촉면(11)으로부터의 지문반사광이 일차적으로 출사되고 외부에서 다시 재입사되는 일차출사/재입사면(13)과,지문접촉면(11)과 지문대향면(12)을 연결하는 면으로서 지문접촉면과는 θ₃의 각을 이루며 상기 일차출사/재입사면(13)으로 재입사된 광을 외부로 최종 출사하는 최종출사면(14)이 추가로 포함된다.

또한, 상기 프리즘(10)의 외부에는, 프리즘의 일차출사/재입사면(13)으로부터 외부로 출사되는 지문반사광을 수용하여 광로를 변경시키는 제1미러(30)와, 제1미러(30)에서 광로변경된 지문반사광의 광로를 다시 변경하여 프리즘의 일차출사/재입사면(13)으로 재입사시키는 제2미러(40)와, 프리즘(10)으로 재입사되어 최종출사면(14)으로 출사되는 지문반사광을 집광하는 집광렌즈(50)를 추가로 포함한다.

집광렌즈(50)에서 집광된 지문반사광은 통상의 지문입력장치에서와 마찬가지로 영상취득 센서(60)에 의해 이미지 캡쳐되어 영상처리된다(그림표시 생략). 그리고, 외부의 광원(20)은 도2에서와 같이 지문대향면(12)으로 광을 조사하지만, 도6에서 설명한 것과 같이 지문접촉면(11)과 지문대향면(12)을 연결하는 2개의 면으로 광을 조사할 수도 있다(도6 및 해당 설명 참조).

도2에서, 프리즘(10)의 지문접촉면(11)과 일차출사/재입사면(13)의 사잇각 θ₁은 지문대향면(12)과 일차출사/재입사면(13)의 사잇각 θ₂보다 작게 되도록 지문접촉면(11)이 형성되는 것을 알 수 있다. θ₁과 θ₂는 프리즘의 굴절률과 전체 광학계의 사이즈를 고려하여 당업자가 임의로 설정할 수 있는데, θ₁과 θ₂는 프리즘의 지문접촉면(11)에서 반사된 지문반사광이 일차출사/재입사면(13)으로 출사되어 제1미러(30)로 도달되도록 하는 각도로 결정되어야 한다. 도2에서, 0°< θ₁< 90°이고, 90°< θ₂< 180°로 결정되며, 보다 바람직하게는 45°≤θ₁≤80°이고, 100°≤θ₂≤135°인 것이 좋다.

또한, 도2에서, 지문접촉면(11)과 지문대향면(12)을 θ₃의 사잇각으로 연결하는 최종출사면(14)에 있어서, θ₃의 설정도 중요하다. 이상적인 경우에는 θ₃가 90°가 되도록 최종출사면(14)이 형성되면 되지만, 지문입력창(11)의 중앙부의 영상이 최종출사면(14)을 거쳐 집광렌즈(50)의 중앙에 정확하게 위치하도록 하기 위해서는, 최종출사면(14)의 각도를 조절하여 최종적으로 출사되는 지문반사광의 굴절 정도를 조정하여야 한다. 이를 위해 θ₃는 약 70°~ 90°의 범위에서 조정된다.

한편, 제2미러(40)와 제1미러(30)는 사잇각 θ_m을 두고 설치되는데, θ_m은 제1미러(30)에서 광로변경된 지문반사광이 프리즘의 일차출사/재입사면(13)으로 재입사될 수 있는 각도로 당업자가 결정할 수 있다. 도2에서, 0°< θ_m< 90°로 결정되는데, 보다 바람직하게는 45°≤θ_m≤65°인 것이 좋다.

도2의 광학계에서, 집광렌즈(50)와 영상취득 센서(60) 사이의 광로를 변경시킴으로써 전체 광학계의 길이를 줄일 수 있다. 이를 위해 도3에서와 같이, 집광렌즈(50)와 영상취득 센서(60) 사이에 제3미러(70)를 추가로 설치하여 집광렌즈(50)에서 집광된 지문반사광의 광로를 변경시켰다. 제3미러(70)라는 부품은 하나 더 추가되었지만, 전체 광학계의 길이는 감소되었음을 알 수 있다.

본 발명은 도4와 같이 컴팩트하게 조립된다. 즉, 광원(20)과 영상취득 센서(60)를 하나의 기판에 설치하고 기판 위에 다른 구성요소들(프리즘(10), 제1, 2, 3미러(30, 40, 70), 집광렌즈(50))을 탑재하여 조립할 수 있다. 구조상 전체적인 크기가 줄어들 수 있고, 특히 높이가 대폭 줄어든다.

변형 실시예

도2~4의 광학계에서는, 집광렌즈(50)를 통과하여 영상취득 센서(60)에 형성되는 지문반사광에 있어서 광학계의 특성상 수직초점 거리와 수평초점 거리가 다르게 되어 영상취득 센서(60)에 맺히는 초점이 불일치하게 되어 영상 왜곡이 발생할 수 있다. 이를 보정하기 위하여 집광렌즈(50)와 영상취득 센서(60) 사이에 수직방향으로만 곡률을 갖는 원통형 렌즈(cylindrical lens)(55)를 도5에서와 같이 추가로 포함하였다.

또한, 도4의 광학계 높이를 더욱 축소하기 위하여 광원(20')의 위치를 프리즘(10)의 양측면, 즉 지문접촉면(11)과 지문대향면(12)과 접해 있는 2개의 면(15, 16)의 모두에 또는 둘 중 어느 한 면에 설치할 수 있다. 이렇게 함으로써 도4에서와 같이 프리즘(10)의 아래에 광원(20)이 위치하는 것보다 광원의 높이만큼 광학계 전체의 높이가 축소되는 이점이 있다.

본 발명의 광학식 지문입력장치에 따르면 도4에서와 같이 광학계의 사이즈를작고 얇게 제작할 수 있기 때문에, 전체적인 지문입력장치의 사이즈를 줄일 수 있으며, 특히 마우스나 노트북 컴퓨터 등의 소형기기에 용이하게 내장할 수 있다.

Claims (12)

1. 지문입력을 하고자 하는 자의 지문을 접촉하는 지문접촉면과 이 지문접촉면에 대향하고 있는 지문대향면을 갖는 프리즘을 포함하는 광학식 지문입력장치에 있어서,

   상기 프리즘에는, 지문접촉면과는 θ₁의 각을 이루고 지문대향면과는 θ₂의 각을 이루며 지문접촉면에서 반사된 광이 일차적으로 출사되고 외부에서 다시 재입사되는 일차출사/재입사면과, 지문접촉면과 지문대향면을 연결하는 면으로서 지문접촉면과는 θ₃의 각을 이루며 상기 일차출사/재입사면으로 재입사된 광을 외부로 최종 출사하는 최종출사면이 추가로 포함되고,

   상기 지문입력장치는, 프리즘의 일차출사/재입사면으로부터 외부로 출사되는 지문반사광을 수용하여 광로를 변경시키는 제1미러와, 제1미러에서 광로변경된 지문반사광의 광로를 다시 변경하여 프리즘의 일차출사/재입사면으로 재입사시키는 제2미러와, 프리즘으로 재입사되어 최종출사면으로 출사되는 지문반사광을 집광하여 영상취득 센서에 초점을 맺게 하는 집광렌즈를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 지문입력장치.
2. 청구항 1에서, 프리즘 내부의 지문접촉면에 광을 조사하기 위한 광원으로부터의 광이 상기 지문대향면으로 입사되는 것을 특징으로 하는 광학식 지문입력장치.
3. 청구항 1에서, 프리즘 내부의 지문접촉면에 광을 조사하기 위한 광원으로부터의 광이 상기 지문접촉면과 지문대향면을 연결하는 2개의 면 또는 둘 중 어느 하나의 면으로 입사되는 것을 특징으로 하는 광학식 지문입력장치.
4. 청구항 1에서, 집광렌즈에서 집광된 지문반사광의 광로를 변경시키는 제3미러가 추가로 포함되는 광학식 지문입력장치.
5. 청구항 1에서, 집광렌즈를 통과하여 영상취득 센서에 형성되는 지문반사광의 수직초점과 수평초점의 불일치를 보정하기 위하여 집광렌즈와 영상취득 센서 사이에 수직방향으로만 곡률을 갖는 원통형 렌즈(cylindrical lens)가 추가로 포함되는 광학식 지문입력장치.
6. 청구항 1~5중 한 항에서, 프리즘의 지문접촉면과 일차출사/재입사면의 사잇각 θ₁은 광입사면과 일차출사/재입사면의 사잇각 θ₂보다 작은 것을 특징으로 하는 광학식 지문입력장치.
7. 청구항 6에서, 0°< θ₁< 90°이고, 90°< θ₂< 180°인 것을 특징으로 하는 광학식 지문입력장치.
8. 청구항 7에서, 45°≤θ₁≤80°이고, 100°≤θ₂≤135°인 것을 특징으로 하는 광학식 지문입력장치.
9. 청구항 1~5중 한 항에서, 프리즘의 지문접촉면과 최종출사면의 사잇각 θ₃는 70°~ 90°인 것을 특징으로 하는 광학식 지문입력장치.
10. 청구항 1~5중 한 항에서, 상기 제2미러는 상기 제1미러와 θ_m의 각도로 설치되는데, θ_m은 제1미러에서 광로변경된 지문반사광을 프리즘의 일차출사/재입사면으로 재입사시킬 수 있는 각도로 결정되는 것을 특징으로 하는 광학식 지문입력장치.
11. 청구항 10에서, 0°< θ_m< 90°인 것을 특징으로 하는 광학식 지문입력장치.
12. 청구항 11에서, 45°≤θ_m≤65°인 것을 특징으로 하는 광학식 지문입력장치.