KR20050020327A

KR20050020327A - 회절격자판을 이용한 지문인식장치

Info

Publication number: KR20050020327A
Application number: KR1020030058170A
Authority: KR
Inventors: 임덕선
Original assignee: 주식회사 우량정보기술
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2005-03-04

Abstract

회절격자판을 이용한 지문인식장치에 대해 개시한다. 본 발명의 회절격자판을 이용한 지문인식장치는, 760㎚∼800㎚, 830㎚∼870㎚ 영역 파장의 빛을 방사하는 광원; 손가락이 안착되는 지문입력면과 상기 지문입력면의 마주보는 모서리 중 한쪽 모서리를 Al, Au, Ag 중에서 어느 하나의 전반사재질로 코팅하거나, Al₂O₃및 TiOx를 15회 내지 20회 반복적층, SiO₂ 및 TiOx를 15회 내지 20회 반복적층하여 코팅한 광반사면을 70°∼80°로 형성시키고, 광반사면과 상기 지문입력면의 마주보는 모서리 중 나머지 모서리인 광출사면을 55°∼65°로 형성시킨 프리즘; 상기 지문입력면 상에 회절격자를 형성시킨 회절격자판; 및 상기 광출사면을 통해 전달되어 지문이미지의 결상이 이루어지는 광학계를 광축방향에 배치하여 지문이미지의 영상처리가 이루어지는 지문영상처리부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 복사지문의 도용을 방지할 수 있으며, 회절격자판을 이용하여 가시도를 최적화시킴으로써 패턴 형성이 뚜렷해지므로 양질의 지문 이미지를 얻을 수 있다.

Description

회절격자판을 이용한 지문인식장치 {Apparatus for recognizing finger print by diffractive optical element}

본 발명은 회절격자판을 이용한 지문인식장치에 관한 것으로, 특히 지문영상의 가시도(Visibility)를 최적화시키기 위해 회절격자판을 이용하여 빛을 회절시켜 지문의 골과 융선을 명확히 구분함으로써 고품질의 지문영상을 획득할 수 있는 회절격자판을 이용한 지문인식장치에 관한 것이다.

도 1은 종래의 지문인식장치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 지문인식장치는 빛을 발생시키는 광원(1)과, 광원(1)으로부터 발생된 빛을 일정 각도로 반사시키는 프리즘(2)과, 지문 영상이 맺혀지는 렌즈(3)와, 결상된 지문 영상을 전기적인 신호로 변환하는 검출기(4)와, 검출기(4)로부터 얻은 전기적인 신호를 컴퓨터 등 기타의 처리장치로 보내거나 직접 처리하는 영상처리부(5)로 구성되어 있다. 상기 광원(1)은 방사되는 빛을 지문입력면(21)에서 모두 전반사시키기 위해 지문입력면(21)의 임계각보다 큰 각도로 입사되도록 배치되어 있다. 상기 프리즘(2)은 사람의 손가락(P)의 골(Pa)과 융선(Pb)이 접촉되는 지문입력면(21)과, 빛이 입사되는 광입사면(22)과, 지문영상을 포함하여 빛이 입사되는 광출사면(23)으로 구성되어 있다.

이러한 지문인식장치의 동작에 대해 간략하게 설명한다.

광원(1)으로부터 방사되는 빛이 지문입력면(21)에 입사되면, 프리즘(2)의 지문입력면(21)에 놓여진 손가락(P) 지문의 융선(Pb) 부분으로 입사되는 빛과, 손가락(P) 지문의 골(Pa) 부분의 입사되는 빛이 반사되어 광출사면(23)으로 출력되게 된다. 이 때, 손가락(P) 지문의 골(Pa) 부분에 입사되는 빛은 골(Pa)부위에서 산란되며, 이 산란된 빛은 프리즘(2)으로 입사되지 못하거나 부분적으로 입사되게 된다. 이에 광출사면(23)으로 출력된 빛은 상기한 렌즈(3), 검출기(4), 및 영상처리부(5)로 전달되어 지문영상이 출력되게 된다. 이 때, 지문의 골(Pa)에 대응하는 어두운 상과 지문의 융선(Pb)에 대응하는 밝은 상을 배경으로 하고 있으므로 밝은 상과 어두운 상의 밝기 차이가 커야만 고화질의 지문영상을 얻을 수 있다.

그런데, 종래의 지문인식장치는 지문의 골(Pa)과 융선(Pb)이 흑백의 프린트용지와 같은 복사지문을 지문입력면(21)에 놓으면 이 복사지문이 그대로 반사되어 정상적인 지문으로 인식되는 지문도용의 문제점을 안고 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 출력이 높은 광원(1)이나 광원(1)의 수를 늘리고 프리즘(2)의 형상을 복잡하게 하는 등의 방법을 사용하였다. 그러나 이러한 방법 역시, 프리즘(2) 내부의 전반사 조건을 만족하기 위해 광원(1)과 검출기(4)의 위치 및 각도 조절에 의해 지문인식장치의 크기가 커지는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 지문영상의 가시도(Visibility)를 최적화시키기 위해 회절격자판을 이용하여 빛을 회절시켜 지문의 골과 융선을 명확히 구분함으로써 건조한 지문, 습한 지문 및 강한 힘이 들어간 지문 등 지문에 대한 정보(특징점 등)가 감소 및 왜곡되는 경우를 최소화하여 고품질의 지문영상을 획득할 수 있는 회절격자판을 이용한 지문인식장치를 제공하는데 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 회절격자판을 이용한 지문인식장치는, 760㎚∼800㎚, 830㎚∼870㎚ 영역 파장의 빛을 방사하는 광원; 손가락이 안착되는 지문입력면과 상기 지문입력면의 마주보는 모서리 중 한쪽 모서리를 Al, Au, Ag 중에서 어느 하나의 전반사재질로 코팅하거나, Al₂O₃및 TiOx를 15회 내지 20회 반복적층, SiO₂ 및 TiOx를 15회 내지 20회 반복적층하여 코팅한 광반사면을 70°∼80°로 형성시키고, 광반사면과 상기 지문입력면의 마주보는 모서리 중 나머지 모서리인 광출사면을 55°∼65°로 형성시킨 프리즘; 상기 지문입력면 상에 회절격자를 형성시킨 회절격자판; 및 상기 광출사면을 통해 전달되어 지문이미지의 결상이 이루어지는 광학계를 광축방향에 배치하여 지문이미지의 영상처리가 이루어지는 지문영상처리부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 광출사면과 광학계 사이에 760㎚∼800㎚, 830㎚∼870㎚ 영역 파장을 통과시키는 밴드패스필터를 더 형성시키는 것이 바람직하다. 또한, 상기 회절격자판 상면에 DLC(Diamond Like Carbon) 코팅함으로써 손 지문의 사용에 따라 유리표면이 닳아지는 현상을 최소화 할 수 있으며, TiOx계열의 코팅을 함으로써 항균 효과를 얻을 수 있는 시스템이다. 그리고, 상기 지문영상처리부는, 지문영상처리부의 중심축과 지문입력면의 법선방향으로의 지문입력면과 경사각이 로 경사지게 배치한다. 여기서, (n은 프리즘의 굴절율), 은 지문입력면과 광반사면의 사이각, 는 광반사면과 광출사면의 사이각, 은 지문입력면과 광출사면의 사이각을 각각 의미한다.

한편, 상기 회절격자판은 지문입력면과 분리제조되어 지문입력면에 결합되어서 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 회절격자판을 이용한 지문인식장치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 지문인식장치는 빛을 발생시키는 광원(10)과, 광원(10)으로부터 발생된 빛을 일정 각도로 반사시키는 프리즘(12)과, 특정파장만을 통과시키는 밴드패스필터(14)와, 지문 영상이 맺혀지는 렌즈(16)와, 결상된 지문 영상을 전기적인 신호로 변환하는 이미지센서(18)로 구성되어 있다. 상기 프리즘(12)은 사람의 손가락(P)의 골(Pa)과 융선(Pb)이 접촉되는 지문입력면(12a)과, 지문영상을 포함하여 지문입력면(12a)으로부터 전달된 빛을 반사시키는 광반사면(12b)과, 빛을 출력시키는 광출사면(12c)으로 구성되어 있다. 이의 구성은 종래의 지문인식장치와 유사함을 알 수 있다.

본 발명의 특징은 이들 구성에, 회절격자판(20)을 지문입력면(12a) 상에 형성시킨 것을 가장 큰 특징으로 한다. 그리고, 여기에 본 발명에서는 가시도(Visibility)를 최적화시키기 위해 근적외선, 즉 760㎚∼800㎚, 830㎚∼870㎚ 영역 파장의 빛을 이용한다. 이 때 광원(10)은 프리즘(12)의 측면 일부 위에 배치되어 프리즘(12) 내부로 광원(10)을 방사하게 된다. 여기서 광원(10)은 측면의 일부 위에 배치되지만 프리즘(12)의 측면에 접촉하여 배치하는 것도 바람직할 것이다.

상기 회절격자판(20)은 하기하는 회절격자의 두께(d)와 회절격자가 형성되는 주기(p)의 백분율비가 20±5％(d/p*100)를 갖는 회절격자판으로서, 1cm당 300개∼200개 정도의 가는 줄, 즉 회절격자(202)를 일정한 간격으로 평행하게 형성되어 있다. 상기한 가는 줄(202)의 범위는 임의로 설정된 것이며 필요에 따라 변화될 수 있음은 주지의 사실이다. 이 가는 줄(202)은 빛에 대해 불투명하게 되고 가는 줄(202)과 줄 사이의 평면부가 슬릿을 역할을 수행하여 회절된 빛의 방사가 이루어지게 된다. 이에 따라 지문 패턴의 가시도(Visibility)를 높일 수 있다. 이 회절격자판(20)은 프리즘(12)의 지문입력면(12a) 상면에 결합시켜서 이루어진다.

또한, 본 발명을 이루기 위한 필수구성으로서, 프리즘(12)은 지문입력면(12a)과, 상기 지문입력면(12a)의 마주보는 모서리 중 한쪽 모서리를 포함하여 이루어진 광반사면(12b)과, 상기 지문입력면(12a) 모서리의 반대쪽 모서리를 포함하여 이루어진 광출사면(12c)으로 프리즘(12)이 구성되어 있으며, 지문입력면(12a)과 광반사면(12b)이 이루는 각도()를 75±5°로, 광반사면(12b)과 광출사면(12c)이 이루어는 각도()를 45±5°로, 상기 지문출력면과 광출사면(12c)이 이루는 각도()를 60°로 설정한다.

한편, 지문입력면(12a)에서 광반사면(12b)으로 입력되는 광의 입력각은 프리즘(12)의 전반사 각과 일치하지 않으므로 광반사면(12b)에서 프리즘(12) 외부로 방출되게 되어 광출사면(12c)으로 반사되는 반사광이 감소하게 됨으로서 지문인식이 곤란하게 되므로, 이를 방지하기 위하여 금, 은, 알루미늄 등의 재질로 지문입력면(12a)에서 반사된 광의 전부를 광출사면(12c)으로 반사시키기 위하여 전반사 코팅처리하여 광반사면(12b)에 입사되는 빛의 전부를 반사시킨다.

한편, 손가락(P)의 골(Pa)과 융선(Pb)이 접촉되는 회절격자판(20) 상면에는 지문입력면(12a)에 손가락(P)에 의한 면이 닳아 없어지는 현상과 손가락 지문의 밀림성을 좋게하기 위해 DLC(Diamond Like Carbon) 하드 코팅(Hard Coating) 처리를 적용시켜 회절격자판(20) 상면의 훼손방지 역할을 하게 된다. 또한, 회절격자판(20) 상면에 항균성이 있는 코팅 막을 부가하여 사용자의 위생적 사용이 가능하도록 TiOx계열의 코팅을 동일하게 적용시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 회절격자판(20)을 이용한 지문인식장치를 적용한 지문인식시스템을 개략적으로 나타낸 도면 및 회절격자판(20) 일부 확대단면도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 지문인식시스템은 상기한 도 2의 지문인식장치의 구성을 모두 포함하며, 여기에 카메라모듈(22), 지문인식단말기(24) 및 컨트롤러(26)를 포함하여 이루어져 있다.

상기와 같이 구성된 지문입력장치의 작용에 대해 설명한다.

먼저 손가락(P)의 접촉이 이루어지는 프리즘(12)(Prism)의 지문입력면(12a)을 통하여 지문영상을 포함한 빛이 형성되면, 광반사면(12b)을 통하여 반사가 이루어지며, 이 빛이 광출사면(12c)을 거쳐 나오게 하여, 밴드패스필터(14)를 통하여 선택적 파장만을 투과시키고, 이를 카메라모듈(22)를 통하여 결상을 이루어지게 된다.

손가락(P)의 지문 정보에 대한 도용, 예를 들면 지문을 복사한 용지 등에 대한 감지를 0으로 하기 위하여 순수 접촉에 의한 영상 정보만을 감지할 필요성이 있는데, 이는 프리즘(12)의 지문입력면(12a)과 카메라모듈(22)에 포함되는 렌즈(16)의 광축이 일치되는 시스템에서 프리즘(12) 내부 전반사 조건을 만족시킴으로써 복사지문에 대해서 프리즘(12)(Prism)의 지문입력면(12a)에 접촉(1/2이하)이 이루어지지 않는 이상 외부로부터의 빛은 프리즘(12) 내부의 결상 광로에 영향을 못 미치게 되어 카메라에 포함되는 이미지센서(18)에 결상이 이루어지지 않는 관계로 프린트에 의한 지문 이미지 획득은 불가하여 지문 도용의 방지가 가능하게 된다. 즉, 평면상에 복사된 지문 이미지는 프리즘(12)에 첩촉 시 본 시스템은 이미지가 없는 평면 데이터로 받아들이게 된다.

프리즘(12)의 지문입력면(12a)에 손가락(P) 지문을 접촉하는 경우 지문의 반사 효율이 높아져 산의 지문 패턴이 밝게 보이고 지문의 골(Pa)은 어둡게 보여줌으로써 단색(MONO)의 지문 패턴이 보여지는 것이다. 본 시스템에서는 광원(10) 선택에 있어서 컬러(Color)에 의한 노이즈를 줄이기 위해 단파장이고 근적외선(NIR) 영역의 850㎚ 또는 780㎚의 파장을 이용하고 있으며, 단색의 깨끗하고 선명한 지문 이미지를 획득하고 있다. 그러나 프리즘(12) 지문입력면(12a)의 외부 빛은 모든 영역의 파장(가시광선, 적외선, 자외선 등)에 해당하는 빛이 들어오는 까닭에 신호 잡음과 센서 노출 등에 영향을 줌으로써 이미지 전체의 밝기에 많은 영향을 준다. 이러한 문제점을 줄이기 위해 프리즘(12)의 광출사면(12c)과 렌즈(16) 앞 사이에 선택적 파장(850㎚, 780㎚) 필터를 놓는다. 또한 임의의 각도를 줌으로써 광원(10)(LED, LD)이 직접 결상에 나타나지 않게 하고 있다.

도 4는 본 발명에 사용되는 회절격자판(20)에 대한 첫 번째 평면파를 나타내 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 회절격자(DOE=Diffraction Optical Element) 판에 대한 첫 번째 평면파에 대한 도면으로서, 그레이팅 법칙은 으로 임의의 파장(특히 850㎚) 대한 평면 출 사각을 알 수 있다. 그레이팅의 기하학적 모양에 따라 회절오더(diffracted order)의 크기와 위상 차이가 나며 위 그레이팅 법칙에 따라 계산이 가능하다. 또한, 회절격자의 두께(d)와 회절격자가 형성되는 주기(p)의 백분율비가 20±5％(d/p*100) 의 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.

도 5는 그레이팅 법칙에 따라 출사하는 평면파의 파면(Wavefront)에 대한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 그레이팅 법칙에 따라 출사하는 평면파의 파면(Wavefront)을 고려하면 으로 표현하고 의 위상에 영향을 주는 그레이팅 변위를 계산할 수 있다. 파면에 대한 광학거리 차는 으로 계산 가능하며 회절오더에 대한 상변화는 으로 표현 가능하며 일반적인 N번째 회절에 대한 상변화는 으로 표현이 가능하다. 결국 입사 평면파에 대한 회절에 대한 강도는 다음과 같이 계산한다.

여기서 임.

위 식에 따라 회절된 빛의 강도가 지문의 융선(Pb)에 따라 회절격자판(20)의 지문입력면(12a)에 그림자 패턴이 선명하게 잘 나타내어지고 이미지 프로세싱에 유리하게 그레이 레벨이 잘 표현되어진다.

도 6은 회절격자를 통하여 얻은 지문 융선의 패턴 모습을 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 지문영상의 골(Pa)과 융선(Pb)이 선명하게 구분된 패턴 영상을 얻을 수 있다.

이와 같이, 기존 프리즘(12)에 회절격자판(20)을 접합시킴으로써 지문의 산과 골(Pa)의 높이 차가 작아 패턴 형성이 뚜렷하지 않는 사람(주부, 노무자 등)의 지문과 땀이 많은 사람의 경우 지문패턴 형성이 뚜렷해지는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 외부 빛(자외선, 가시광선, 적외선 등)에 의한 컬러(Color) 노이즈를 없애고 근적외선 영역(850㎚, 780㎚)의 파장의 밴드패스필터(14)를 이용한 노이즈 제거와 근적외선(850㎚, 780㎚) 조명계(LED, LD)를 이용한 흑백의 지문 이미지를 얻을 수 있다. 컬러 이미지 센서를 이용하여도 모노(Mono) 지문 이미지를 쉽게 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 회절격자판을 이용한 지문인식장치는 다음과 같은 효과가 있다.

지문입력면과 카메라모듈 렌즈의 광축을 수평하게 유지하고 프리즘(Prism)의 각도를 조절함으로써 지문 접촉면에 접촉이 이루어지는 부위만을 조명계에 의해 산란시키게 하여 임의로 조작된 복사지문에 의한 도용의 방지할 수 있다.

회절격자판을 도입하여 지문의 산과 골의 높이 차가 작아 패턴 형성이 뚜렷하지 않는 지문과 땀이 많은 사람의 경우 지문의 산과 산사이의 골에 땀이 채워짐에 따라 패턴이 뚜렷하지 않아 이미지 프로세싱 한 후 지문의 융선이 이웃하는 융선과 붙은 두꺼운 패턴을 이루게 되어 정보오류가 되어져 개인 식별에 오류가 발생하는 것을 회절격자판을 이용함으로써 패턴 형성이 뚜렷해 양질의 지문 이미지를 얻을 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다.

도 1은 종래의 지문인식장치를 개략적으로 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 회절격자판을 이용한 지문인식장치를 개략적으로 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 회절격자판을 이용한 지문인식장치를 적용한 지문인식시스템을 개략적으로 나타낸 도면 및 회절격자판 일부 확대도,

도 4는 본 발명에 사용되는 회절격자판에 대한 첫 번째 평면파를 나타내 도면,

도 5는 그레이팅 법칙에 따라 출사하는 평면파의 파면(Wavefront)에 대한 도면,

도 6은 회절격자를 통하여 얻은 지문 융선의 패턴 모습을 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 광원 12 : 프리즘

12a : 지문입력면 12b : 광반사면

12c : 광출사면 14 : 밴드패스필터

16 : 렌즈 18 : 이미지센서

20 : 회절격자판 22 : 카메라모듈

24 : 지문인식단말기 26 : 컨트롤러

Claims

760㎚∼800㎚, 또는 830㎚∼870㎚ 영역 파장의 빛을 방사하는 광원;

손가락이 안착되는 지문입력면이 회절격자판과 프리즘 면의 결합으로 이루지고 상기 지문입력면의 마주보는 모서리 중 70°∼80°에 해당하는 면에 Al, Au, Ag 중에서 어느 하나의 전반사재질로 코팅하거나, Al₂O₃및 TiOx를 15회 내지 20회 반복적층, SiO₂ 및 TiOx를 15회 내지 20회 반복적층하여 코팅한 광반사면을 형성시키고, 광반사면과 상기 지문입력면의 마주보는 모서리 중 나머지 모서리인 광출사면을 55°∼65°로 형성시킨 프리즘;

상기 지문 입력면 상에 회절격자를 형성시킨 회절격자판 및

상기 광출사면을 통해 전달되어 지문이미지의 결상이 이루어지는 광학계를 광축방향에 배치하여 지문이미지의 영상처리가 이루어지는 지문영상처리부

를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 지문인식장치.(여기서, x는 자연수)
제 1 항에 있어서, 상기 광출사면과 광학계 사이에 760㎚∼800㎚ 또는 830㎚∼870㎚ 영역 파장을 통과시키는 밴드패스필터를 더 형성시켜서 이루어진 것을 특징으로 하는 회절격자판을 이용한 지문인식장치.
제 1 항에 있어서, 상기 회절격자판 상면에 다이아몬드상 카본 또는 항균 보호막 TiOx 계열을 코팅하여 이루어진 것을 특징으로 하는 회절격자판을 이용한 지문인식장치.(여기서, x는 자연수)
제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 회절격자판에 형성된 회절격자의 두께(d)와 형성주기(p)의 백분율비가 15％ 내지 25％ 범위내의 값을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 회절격자판을 이용한 지문인식장치.