KR20030016587A - Image sensor for optical fingerprint acquistion apparatus - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An image sensor of an optical fingerprint capturing device is provided to calibrate a trapezoid fingerprint image by making a shape of the image sensor receiving the trapezoid fingerprint image into a trapezoid shape similar to the fingerprint image. CONSTITUTION: The device comprises an image forming prism, a condenser lens for making an image by condensing the fingerprint image outputting from the prism, and an image sensor(30) outputting image data by receiving the trapezoid fingerprint image(10) from the condenser lens. The image sensor(30) forms the trapezoid shape by arranging a plurality of image pixels horizontally and vertically. A short side(102b) of the image sensor(30) is confronted with the short side(102a) of the trapezoid fingerprint image(10) and a long side(104b) of the image sensor is confronted with the long side(104a) of the trapezoid fingerprint image(10). A number of the pixel arranged to the short side is same as the number of the pixel arranged to the long side.

Description

광학식 지문취득장치의 영상센서{Image sensor for optical fingerprint acquistion apparatus}Image sensor for optical fingerprint acquistion apparatus

본 발명은 광학식 지문취득장치에서 지문영상이 사다리꼴로 왜곡되는 것을 보정하기 위한 형상을 갖는 영상센서에 관한 것이다.The present invention relates to an image sensor having a shape for correcting the distortion of the fingerprint image trapezoid in the optical fingerprint acquisition device.

입력된 지문과 미리 등록된 사용자의 지문을 비교하여 문이나 금고의 잠금장치, 출입관리, 근태관리, 컴퓨터액세스 제어 등에 활용되는 지문취득장치에는 지문영상의 취득 방식에 따라 크게, 광학식과 비광학식으로 대별된다.The fingerprint acquisition device used for locking the door or safe, access control, time and attendance, and computer access control by comparing the input fingerprint with the fingerprint of a pre-registered user can be classified into optical and non-optical methods according to the fingerprint image acquisition method. It is rough.

광학식 지문취득장치는 영상 형성용 프리즘에 놓인 지문에 빛을 비추어 지문의 골(valley)과 융선(ridge)의 형태에 따라 반사되어 영상센서에 형성된 지문영상을 해석하여 미리 저장되어 있는 지문과 대조를 하여 응용기기를 제어하는 장치이다. 대표적인 광학식 지문취득장치의 원리를 도1에 나타내었다.The optical fingerprint acquisition device reflects the fingerprint image formed on the image sensor by reflecting the light on the fingerprint placed on the image forming prism and reflecting it according to the shape of the valley and the ridge of the fingerprint to compare it with the previously stored fingerprint. To control the application. The principle of a typical optical fingerprint acquisition device is shown in FIG.

도1은 광학식 지문취득장치의 원리만을 설명하기 위해 매우 간략하게 나타낸 도면이다. 광학식 지문취득장치는 영상 형성용 프리즘(1), 광원(3), 집광렌즈(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 융선에서만 입사광이 반사되어 산란된다. 산란된 광은 집광렌즈(4)로 입사되고 영상센서(5)에 의해 검출된다. 따라서, 영상센서(5)에 입사되는 광량은 지문의 골과 융선에 따라 서로 다르게 되고 결국 영상센서(5)에서는 지문의 패턴에 따라 서로 다른 레벨의 전기신호를 출력하게 된다. 영상처리회로(도시 안함)에서는 영상센서(5)의 출력값을 디지탈신호로 변환하고 영상처리하여 지문패턴을 인식하게 된다. 상기 구성에서 영상센서(5)로는 CCD나 CMOS센서가 사용되고있다.Fig. 1 is a very brief view for explaining only the principle of the optical fingerprint acquisition device. An optical fingerprint acquisition device is composed of an image forming prism 1, a light source 3, a condenser lens 4, and an image sensor 5. Since light from the light source 3 enters the fingerprint input window 2 of the prism 1 at a right angle or an angle smaller than the critical angle, the light enters the fingerprint input window at the valley of the fingerprint not touching the fingerprint input window 2. Since it passes through (2), it does not reach the image sensor, and the incident light is reflected and scattered only at the ridge of the fingerprint. The scattered light is incident on the condenser lens 4 and detected by the image sensor 5. Therefore, the amount of light incident on the image sensor 5 is different depending on the valleys and ridges of the fingerprint, and eventually the image sensor 5 outputs electrical signals having different levels according to the pattern of the fingerprint. An image processing circuit (not shown) converts an output value of the image sensor 5 into a digital signal and processes the image to recognize a fingerprint pattern. In the above configuration, a CCD or CMOS sensor is used as the image sensor 5.

광학식 지문취득장치에 사용되는 광학계에서는 지문으로부터 영상센서까지의 광로상에서 빛의 굴절과 반사작용이 수 회 일어나기 때문에 기본적으로 영상 왜곡이 발생하는바, 이러한 영상 왜곡을 최소화하기 위한 노력들이 계속적으로 진행되고 있다. 가령, 가급적 영상왜곡이 적은 재질로 광학계를 제작하고 렌즈에 왜곡보정용 렌즈를 포함시키는 등 광학분야의 각종 왜곡보정 기술들이 활용되고 있다. 더욱이 광학계를 소형으로 할 경우에는 광경로가 줄어들므로 산란되는 광에 대한 광경로의 차이가 상대적으로 커지므로 더더욱 영상왜곡이 심화되는 경향이 있다.In the optical system used in the optical fingerprint acquisition device, since the refraction and reflection of light occur several times on the optical path from the fingerprint to the image sensor, image distortion occurs basically. Efforts to minimize such image distortion are continuously made. have. For example, various distortion correction techniques in the optical field have been utilized, such as making an optical system with a material having as little image distortion as possible and including a distortion correction lens in the lens. In addition, when the optical system is made smaller, the optical path is reduced, so that the difference in the optical path with respect to the scattered light becomes relatively large, and thus the image distortion tends to be intensified.

지문취득장치를 소형화함에 따라 발생하는 영상왜곡 중에서 중요한 것으로 사다리꼴 왜곡이 있다. 사다리꼴 왜곡은 도2a와 같이 지문영상(10)이 사다리꼴 모양으로 왜곡되는 현상을 말한다. 도2a를 보면, 하변(104a)의 길이가 상변(102a)의 길이보다 길게 되어, 상변(102a)과 하변(104a)의 길이 차이에 의한 전체이미지가 왜곡됨을 볼 수 있다.An important distortion among the image distortions generated by miniaturization of the fingerprint acquisition apparatus is trapezoidal distortion. Trapezoidal distortion refers to a phenomenon in which the fingerprint image 10 is distorted in a trapezoidal shape as shown in FIG. 2A. 2A, it can be seen that the length of the lower side 104a is longer than the length of the upper side 102a, and the entire image is distorted due to the difference in length between the upper side 102a and the lower side 104a.

도2b는 사다리꼴로 왜곡된 지문영상(10)이 CMOS/CCD 등의 영상센서(5)에 결상되는 모습을 나타내는 모식도이다. 좌우변으로 일정한 개수의 화소가 배열되어 있는 영상센서(5)에 점선으로 표시된 사다리꼴 지문영상(10)이 결상되면, 사다리꼴 지문영상(10)의 상변(102a) 부근의 화상은 하변(104a) 부근의 화상보다 적은 수의 영상센서(5) 화소에 의해 독취될 것이다. 따라서, 사다리꼴 지문영상(10)의 상변(102a) 부근의 화상품질이 하변(104a) 부근의 화상품질보다 낮은 상태로 영상데이터가 영상센서(5)에서 출력된다.FIG. 2B is a schematic diagram showing how a trapezoidal distorted fingerprint image 10 is formed on an image sensor 5 such as a CMOS / CCD. When the trapezoidal fingerprint image 10 indicated by the dotted line is formed on the image sensor 5 having a predetermined number of pixels arranged on the left and right sides, the image near the upper side 102a of the trapezoidal fingerprint image 10 is near the lower side 104a. Will be read by fewer pixels of the image sensor 5 than the image of. Therefore, the image data is output from the image sensor 5 with the image quality near the upper side 102a of the trapezoid fingerprint image 10 being lower than the image quality near the lower side 104a.

지문인식에 있어서 지문영상의 특징점의 상대위치와 방향은 항상 일정하여야 하는데, 이러한 사다리꼴 왜곡에 의해 특징점의 상대위치와 방향이 변한다면 지문인식장치에 있어서는 매우 치명적인 문제점이 된다. 이러한 사다리꼴 왜곡을 방지하기 위해서는 물론 지문취득장치의 광로를 충분히 확보해 주면 된다. 그러나, 지문취득장치를 소형화하기 위해서는 광로의 축소가 필연적이고 그에 따라 발생하는 사다리꼴 왜곡은 별도의 방법으로 보정해 주어야만 한다.In the fingerprint recognition, the relative position and direction of the feature point of the fingerprint image should always be constant. If the relative position and the direction of the feature point are changed by the trapezoidal distortion, it becomes a very fatal problem in the fingerprint recognition device. In order to prevent such trapezoidal distortion, of course, the optical path of the fingerprint acquisition device may be sufficiently secured. However, in order to reduce the size of the fingerprint acquisition apparatus, it is necessary to reduce the optical path and the trapezoidal distortion generated accordingly must be corrected by a separate method.

사다리꼴 왜곡을 보정하기 위하여 소프트웨어적으로 화소의 가감 조작에 의한 보정방법이 있지만, 이는 복잡하며 근본적으로 지문영상을 손상시키는 보정방법이다. 본 발명에서는 단순한 방법으로 지문영상에 발생된 사다리꼴 왜곡을 보정하기 위하여, 영상센서로 사용하는 CMOS센서 또는 CCD 등의 영상센서를 사다리꼴 왜곡된 지문영상과 유사한 형상의 사다리꼴로 제작하여 사다리꼴 영상의 전면적에 걸친 지문영상이 영상센서의 전면적에 걸친 화소에 의해 모두 균등하게 독취되도록 하여 사다리꼴로 왜곡된 지문영상을 정상적으로 보정하도록 하고 있다.In order to correct trapezoidal distortion, there is a software correction method by adjusting and subtracting pixels, but this is a complicated and fundamentally damage method for damaging a fingerprint image. In the present invention, in order to correct the trapezoidal distortion generated in the fingerprint image by a simple method, an image sensor such as a CMOS sensor or a CCD used as the image sensor is manufactured in a trapezoid having a shape similar to that of the trapezoidal distorted fingerprint image and applied to the entire area of the trapezoidal image. The entire fingerprint image is read evenly by the pixels across the entire surface of the image sensor so that the trapezoidal distorted fingerprint image is normally corrected.

따라서, 본 발명은 사다리꼴 지문영상이 입사되는 영상센서의 형상을 지문영상과 유사한 형상의 사다리꼴로 제작하여 사다리꼴 지문영상을 보정하는 것을 목적으로 하는 광학식 지문취득장치 영상센서를 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention provides an optical fingerprint acquisition device image sensor for the purpose of correcting a trapezoidal fingerprint image by making a trapezoid of a shape similar to the fingerprint image of the image sensor to which the trapezoidal fingerprint image is incident.

도1은 광학식 지문취득장치의 개략적인 구조도.1 is a schematic structural diagram of an optical fingerprint acquisition device.

도2a는 사다리꼴로 왜곡된 지문영상을 나타내는 그림.Figure 2a is a diagram showing a trapezoidal distorted fingerprint image.

도2b는 사다리꼴 지문영상의 영향을 나타내는 모식도.Figure 2b is a schematic diagram showing the effect of the trapezoid fingerprint image.

도3a는 영상센서로서 사용되는 CMOS센서의 단위셀 구조도.Fig. 3A is a unit cell structure diagram of a CMOS sensor used as an image sensor.

도3b는 일반적인 CMOS센서의 감광면.3B is a photosensitive surface of a typical CMOS sensor.

도4는 본 발명에 따른 CMOS센서의 감광면.4 is a photosensitive surface of a CMOS sensor according to the present invention.

도5는 본 발명의 작용을 나타내는 모식도.5 is a schematic diagram showing the operation of the present invention.

<도면부호의 설명><Description of Drawing>

프리즘(1), 지문입력창(2), 광원(3), 집광렌즈(4), 영상센서(5), 사다리꼴 지문영상(10), CMOS센서(20), 사다리꼴 CMOS센서(30), CMOS센서의 화소배열 구조(100), 사다리꼴 지문영상의 상변(102a), 사다리꼴 지문영상의 하변(104a), 사다리꼴 CMOS센서의 상변(102b), 사다리꼴 CMOS센서의 하변(104b)Prism (1), fingerprint input window (2), light source (3), condenser lens (4), image sensor (5), trapezoidal fingerprint image (10), CMOS sensor (20), trapezoidal CMOS sensor (30), CMOS The pixel array structure 100 of the sensor, the top side 102a of the trapezoidal fingerprint image, the bottom side 104a of the trapezoidal fingerprint image, the top side 102b of the trapezoidal CMOS sensor, and the bottom side 104b of the trapezoidal CMOS sensor

<영상센서 중 CMOS센서의 내부구조><Internal structure of CMOS sensor among image sensors>

영상센서로서 일반적으로 사용되고 있는 소자는 CCD센서 또는 CMOS센서이다.이들 중 특히 최근에 널리 보급되고 있는 CMOS센서의 구조에 관해 설명한다. CMOS센서는 종래의 CCD센서에 비해 값이 싸고 크기가 작으며 전력소모가 작은 이점을 갖고 있어서, 최근에 디지털카메라나 스캐너, 화상인식 장치에 널리 보급되고 있다. CMOS센서는 기본적으로 포토다이오드와 CMOS(complementary metal oxide silicon)형 반도체를 결합한 구조의 영상센서이다. CMOS센서는 다수의 단위셀(100)이 모여서 이루어지는데, 각 단위셀(100)은 포토다이오드와 그 주위에 형성된 CMOS 논리회로 영역(NMOS 및 PMOS)으로 구성된다. 도3a에 간략하게 CMOS센서의 단위셀 구조를 나타내었다. 도3a와 같은 단위셀(100)이 모여서 도3b와 같은 하나의 CMOS센서(20)를 이루는 것이다.A device generally used as an image sensor is a CCD sensor or a CMOS sensor. Among them, the structure of a CMOS sensor that is widely used in recent years will be described. CMOS sensors have the advantages of low cost, small size, and low power consumption compared to conventional CCD sensors, and thus are widely used in digital cameras, scanners, and image recognition devices in recent years. The CMOS sensor is basically an image sensor that combines a photodiode and a complementary metal oxide silicon (CMOS) type semiconductor. The CMOS sensor is composed of a plurality of unit cells 100. Each unit cell 100 includes a photodiode and CMOS logic circuit regions (NMOS and PMOS) formed around the unit cell. 3A briefly illustrates a unit cell structure of a CMOS sensor. The unit cells 100 as shown in FIG. 3A are gathered to form one CMOS sensor 20 as shown in FIG. 3B.

위에서는 주로 CMOS센서를 이용한 영상센서에 관해 설명하였지만, CCD센서를 이용한 영상센서의 경우에도 수광면적에 걸쳐서 가로ㆍ세로로 각 단위셀이 배열되어 하나의 영상센서를 이루는 구조를 갖는다. 가로ㆍ세로로 배열된 각 단위셀을 화소(pixel)라 부른다.In the above, the image sensor using the CMOS sensor has been mainly described, but the image sensor using the CCD sensor has a structure in which each unit cell is arranged horizontally and vertically over the light receiving area to form a single image sensor. Each unit cell arranged horizontally and vertically is called a pixel.

<본 발명에 따른 영상센서><Image sensor according to the present invention>

본 발명은 영상 형성용 프리즘과; 프리즘에서 출사되는 지문영상을 집광하여 결상하기 위한 집광렌즈와; 집광렌즈에서 출사되되, 어느 두 개의 대향변의 길이가 다른 사다리꼴로 왜곡되어 출사되는 사다리꼴 지문영상을 입력받아 영상데이터로 출력하는 영상센서로 구성되는 광학식 지문취득장치에 적용되는 것으로서,The present invention provides an image forming prism; A condenser lens for condensing and imaging a fingerprint image emitted from the prism; Is applied to an optical fingerprint acquisition device consisting of an image sensor that is emitted from the condenser lens, the length of any two opposing sides is distorted in a different trapezoidal shape and receives the output trapezoidal fingerprint image as image data,

상기 영상센서는 다수의 화소가 가로ㆍ세로로 배열된 사다리꼴 형상으로서,영상센서의 짧은 변이 상기 사다리꼴 지문영상의 짧은 변에 대응하고, 영상센서의 긴 변이 상기 사다리꼴 지문영상의 긴 변에 대응하며,The image sensor has a trapezoidal shape in which a plurality of pixels are arranged horizontally and vertically, wherein a short side of the image sensor corresponds to a short side of the trapezoidal fingerprint image, a long side of the image sensor corresponds to a long side of the trapezoidal fingerprint image,

상기 영상센서의 짧은 변에 배열되어 있는 화소의 개수와 영상센서의 긴 변에 배열되어 있는 화소의 개수가 동일한 것을 특징으로 한다.The number of pixels arranged on the short side of the image sensor and the number of pixels arranged on the long side of the image sensor are the same.

<CMOS센서를 이용한 실시예><Example using CMOS sensor>

이하, 상기 영상센서로서 CMOS센서를 사용한 경우의 실시예를 바탕으로 본 발명의 기술사상을 설명한다.Hereinafter, the technical idea of the present invention will be described based on the embodiment when a CMOS sensor is used as the image sensor.

본 발명에 따른 실시예에서는 도3b와 같은 CMOS센서(20)의 감광면 형상을 도4와 같은 형상(30)으로 제작한다. 즉, 도2a에 나타낸 사다리꼴로 왜곡된 지문영상(이하, "사다리꼴 지문영상(10)")의 형상과 유사한 사다리꼴 형상으로 CMOS센서의 감광면(이하, 본 발명에 따른 CMOS센서를 "사다리꼴 CMOS센서(30)"로 칭함)을 제작하는 것이다. 도4에서 사다리꼴 CMOS센서(30)의 형상은 상변(102b)이 짧고 하변(104b)이 긴 사다리꼴 형상이지만, 가로ㆍ세로로 배열되어 있는 화소의 개수는 동일함을 알 수 있다. 여기에 본 발명의 특징이 있다. 이하 설명한다.In the embodiment according to the present invention, the photosensitive surface shape of the CMOS sensor 20 as shown in FIG. 3B is manufactured into the shape 30 as shown in FIG. That is, the photosensitive surface of the CMOS sensor (hereinafter, referred to as the trapezoidal CMOS sensor according to the present invention) has a trapezoidal shape similar to that of the trapezoidally distorted fingerprint image shown in FIG. 2A (hereinafter, referred to as the "trapezoid fingerprint image 10"). (30) "is produced. In FIG. 4, the trapezoidal CMOS sensor 30 has a trapezoidal shape having a short upper side 102b and a long lower side 104b, but the number of pixels arranged horizontally and vertically is the same. Here is a feature of the invention. It demonstrates below.

도5는 본 발명에 따른 CMOS센서의 작용을 나타내는데, 사다리꼴 지문영상(10)이 사다리꼴 CMOS센서(30)로 입사되는 모습을 나타내고 있다. 사다리꼴 지문영상(10)의 상변(102a) 부근의 영상이 사다리꼴 CMOS센서(30)의 상변(102b) 부근에 입사되고 사다리꼴 지문영상(10)의 하변(104a) 부근의 영상이 사다리꼴 CMOS센서(30)의 하변(104b) 부근에 입사된다. 따라서, 사다리꼴 지문영상(10)의 상변(102a) 부근에 있는 영상이 사다리꼴 CMOS센서(30)의 상변(102b)에 배열되어 있는 모든 화소에 의해서 독취되므로, 사다리꼴 지문영상(10)의 하변(104a) 부근에 있는 영상과 같은 수의 CMOS센서(30) 화소에 의해 독취된다. 그리하여, 비록 지문영상(10)은 사다리꼴로 왜곡되어 CMOS센서에 결상되더라도, CMOS센서(30)는 왜곡된 사다리꼴 지문영상의 짧은 쪽 변이나 긴 쪽 변이나 모두 동일한 개수의 화소로 독취하여 정상적인(영상보정된) 영상신호를 출력할 수 있게 되는 것이다.5 shows the operation of the CMOS sensor according to the present invention, in which the trapezoidal fingerprint image 10 is incident to the trapezoidal CMOS sensor 30. An image near the upper side 102a of the trapezoidal fingerprint image 10 is incident near the upper side 102b of the trapezoidal CMOS sensor 30, and an image near the lower side 104a of the trapezoidal fingerprint image 10 is trapezoidal CMOS sensor 30. Incident on the lower side 104b of (). Therefore, since the image near the upper side 102a of the trapezoidal fingerprint image 10 is read by all the pixels arranged at the upper side 102b of the trapezoidal CMOS sensor 30, the lower side 104a of the trapezoidal fingerprint image 10 is read. Is read by the same number of pixels as the CMOS sensor 30 in the vicinity of the image. Thus, although the fingerprint image 10 is trapezoidally distorted and formed on the CMOS sensor, the CMOS sensor 30 reads out the same number of pixels on both the short side and the long side of the distorted trapezoidal fingerprint image so as to be normal. The corrected video signal can be output.

본 발명에 의하면, 광로길이를 충분히 확보하지 못하더라도 CMOS센서의 물리적 형상만을 변경하는 것에 의해 지문영상의 사다리꼴 왜곡을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 지문입력장치의 소형화가 가능해진다.According to the present invention, even if the optical path length is not sufficiently secured, by changing only the physical shape of the CMOS sensor, not only the trapezoidal distortion of the fingerprint image can be prevented, but also the fingerprint input device can be miniaturized.

Claims (2)

영상 형성용 프리즘과; 프리즘에서 출사되는 지문영상을 집광하여 결상하기 위한 집광렌즈와; 집광렌즈에서 출사되되 어느 두 개의 대향변의 길이가 다른 사다리꼴로 왜곡되어 출사되는 사다리꼴 지문영상을 입력받아 영상데이터로 출력하는 영상센서로 구성되는 광학식 지문취득장치에 있어서,An image forming prism; A condenser lens for condensing and imaging a fingerprint image emitted from the prism; In the optical fingerprint acquisition device consisting of an image sensor that is output from the condensing lens, the length of any two opposing sides are distorted in a different trapezoidal shape and outputs the trapezoidal fingerprint image as image data, 상기 영상센서는 다수의 화소가 가로ㆍ세로로 배열된 사다리꼴 형상으로서, 영상센서의 짧은 변이 상기 사다리꼴 지문영상의 짧은 변에 대응하고, 영상센서의 긴 변이 상기 사다리꼴 지문영상의 긴 변에 대응하며,The image sensor has a trapezoidal shape in which a plurality of pixels are arranged horizontally and vertically, wherein a short side of the image sensor corresponds to a short side of the trapezoidal fingerprint image, a long side of the image sensor corresponds to a long side of the trapezoidal fingerprint image, 상기 영상센서의 짧은 변에 배열되어 있는 화소의 개수와 영상센서의 긴 변에 배열되어 있는 화소의 개수가 동일한 것을 특징으로 하는, 광학식 지문취득장치의 영상센서.The number of pixels arranged on the short side of the image sensor and the number of pixels arranged on the long side of the image sensor, the image sensor of the optical fingerprint acquisition device. 청구항 1에서, 상기 영상센서는 CMOS센서 또는 CCD인 것을 특징으로 하는, 광학식 지문취득장치의 영상센서.The image sensor of claim 1, wherein the image sensor is a CMOS sensor or a CCD.
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