KR20100054840A - 고성능 다중-모드 손바닥지문 및 손가락지문 스캐닝 장치 및 시스템 - Google Patents

Abstract

소형의 장치에서 굴린 손가락지문(rolled fingerprint) 획득 및 손바닥 획득 성능을 제공하기 위한 시스템, 장치 및 방법이 제공된다. 특정 실시예에서, 시스템 및 방법은, 컴팩트 장치의 하나의 연속적인 작업의 흐름에서 굴린 손가락지문, 슬랩(slap) 손가락지문 및 손바닥지문의 획득을 제공한다. 특정 실시예에서, 수분 구별 광소자 및/또는 오직 손가락지문만을 획득하도록 설계된 장치에서만 얻을 수 있었던 향상된 해상도 이미지 형성이 제공된다. 특정 실시예에서, 상기 시스템은 500 ppi 및/또는 1000 ppi의 손바닥 및 손가락 지문 이미지를 획득하기 위한 단일의 스캐닝 장치를 이용한다.

Description

고성능 다중-모드 손바닥지문 및 손가락지문 스캐닝 장치 및 시스템{HIGH PERFORMANCE MULTI-MODE PALMPRINT AND FINGERPRINT SCANNING DEVICE AND SYSTEM}

본 출원은 미국 특허법(35 U.S.C. 119(e)) 하의 2007.9.4.자 미국특허가출원번호 60/967,601 호(발명의 명칭: "HIGH PERFORMANCE MULTI-MODE PALMPRINT AND FINGERPRINT SCANNING DEVICE AND SYSTEM")를 기초로 우선권을 주장하며, 이 선출원의 내용은 본원에서 참조로서 인용된다.

손가락지문 이미징 시스템(Fingerprint imaging system)은, 사이사이에 오목부분이 있는 일련의 볼록부분(ridge)으로 손가락의 표면 지형을 어림잡을 수 있도록 손가락 지문 패턴을 형성하는, 당 업계에 잘 알려진 접촉 방법을 적용한다. 손가락지문 및 손바닥의 손 전체 이미지를 획득하는 종래의 손 전체 이미지 획득 장치는, 원통형 드럼 또는 플래튼(platen)에 걸쳐 손을 이동하여 손 및 손바닥의 볼록부분 구조 데이터를 획득할 것을 요구한다. 이는 작동자의 상당한 기술을 요한다. 더욱이, 이러한 이미지를 획득하기 위해 이용되는 기술적 시스템은 굴린 손가락지문(rolled fingerprint)을 획득하는데 적합하지 않은 선 배열 센서를 이용한다. 움직이는 선 배열 수단과 함께 고정된 플래튼 프리즘을 이용하는 손바닥 획득 장치가 존재하는데, 이러한 시스템은 보다 낮은 작동자의 기술을 요하나 오로지 손바닥 이미지만을 획득한다.

그 밖의 다른 손/손바닥 이미지 획득 시스템이 존재하는데, 이는 움직이는 광학/이미저(imager) 시스템과 함께 원추형의 손 수용 표면을 이용하여 손/손바닥 이미지를 형성한다. 그러나, 이러한 시스템은 인간공학적 및 전자공학적으로, 굴린 손가락 지문을 스캐닝 할 수 없다. 또한, 상기 시스템은 필요한 수단을 담아두기 위하여 매우 큰 치수의 캐비닛을 필요로 하며, 제어된 방법으로 수단을 움직이고 젖은 손에 의한 응결을 막기 위해 원추형의 손 수용 표면을 가열하는데 상당한 작동 전력을 필요로 한다.

두 개의 스캐닝 장치를 이용(즉, 한 개는 손바닥 및 슬랩(slap) 손가락지문 획득용 및 다른 하나는 굴린 손가락 지문 획득용)하는 시스템이 사용되어져 왔다. 그러나, 이들은 크고 무거우며, 두 개의 스캐너 덕에 제작 비용이 많이 든다. 게다가, 이들 장치는 젖은 손으로부터의 응결을 막기 위하여 큰 프리즘의 가열을 필요로하는 부분으로 인해 작동에 상당한 전력이 요구된다.

광 파이프 조명 방식을 이용하는 시스템이 이용되어 왔다. 그러나, 조명되는 표면이 상대적으로 좁으며, 이러한 광 파이프 구조에서는 광 파이프의 측면에 소수의 LED 광원이 구성된다. LED로부터 빛을 수용하기 위해, 이러한 시스템에 필요한 광 파이프의 두께가 상당하고, 따라서 프리즘 조명면(illumination face) 아래에 손가락 위치를 수용하기 위한 장치 하우징의 인간 공학적 설계를 제한한다.

본 발명의 일형태는, 소형 장치에서 굴린 손가락(rolled fingerprint) 지문 획득 및 손바닥 획득 성능을 제공하기 위한 시스템, 장치 및 방법을 특징으로 한다. 특정 실시예에서, 상기 시스템 및 방법은, 컴팩트 장치에서 하나의 연속적인 작업 흐름으로 굴린 손가락 지문, 슬랩(slap) 손가락 지문 및 손바닥 지문 획득하는 과정을 제공한다. 특정 실시예에서, 오로지 손가락 지문만을 획득하도록 설계된 장치에서만 얻을 수 있었던, 향상된 해상도 이미지 형성 및/또는 수분 구별 광소자가 제공된다. 특정 실시예에서, 상기 시스템은 500 ppi 및/또는 1000 ppi의 손바닥 및 손가락 지문 이미지를 획득하기 위한 단일 스캐닝 장치를 이용한다.

본 발명의 일형태는 물체를 광학적으로 이미징하기 위한 시스템을 특징으로 한다. 상기 시스템은 손바닥을 이미지화하기에 충분히 큰 물체 수용 표면을 갖는 광학 플래튼(platen)을 포함한다. 광원은 상기 물체 수용 표면을 조명하도록 위치된다. 이미지 평면을 갖는 이미징 시스템은, 물체 수용 평면으로부터 빛을 수용하도록 위치되어 상기 물체 수용 표면상의 물체의 이미지를 형성한다. 렌즈 수단은 물체 수용 표면으로부터의 빛이 상기 이미지 평면에 포커싱되도록 위치된다. 다양한 실시예에서, 상기 시스템은, 손바닥 이미지에 부합하는 FBI 어펜딕스 F를 획득하기에 충분한, 시야에 따른 높은 변조 전달 함수(modulation transfer function,MTF)와, 굴린 손가락 이미지에 부합하는 FBI 어펜딕스를 이미징하기 위한, 시야의 낮은 영역에서의 높은 MTF를 제공하는 광소자 시스템을 제공한다. 특정 실시예에서, 상기 낮은 영역은 물체 수용 표면의 왼쪽 및 오른쪽 코너를 포함한다.

본 발명의 다양한 실시예는 아래의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이미저(imager)는, 인간공학적으로 수용 가능한 시야(field of view,FOV) 영역에서 굴린 손가락 영역을 정의하기에 적합한 관심 영역 주소화(addressability)를 제공하고, 상기 영역에서 12 fps보다 큰 프레임 속도를 제공한다. 다양한 실시예에 따르면 렌즈 수단은 다수의 렌즈 구성요소를 포함하고, 일 실시예에서 두 쌍의 접합렌즈(doublet) 및 두 개의 단일렌즈(singlet)를 포함한다. 렌즈 수단은 색수차의 상당 부분을 제거한다. 렌즈 수단은 구경(aperture)을 포함한다. 시스템은 물체 수용 표면으로부터의 빛이 렌즈 수단을 향하도록 하는 하나 이상의 접이식 거울을 더 포함할 수 있다. 특정 실시예에서 시스템은 세 개의 접이식 거울을 포함할 수 있다. 시스템은 단색 CMOS 이미저를 포함할 수 있다. 이미저는 수직 방향으로부터 특정 각도로 틸트(tilt)된다. 그 밖의 다른 실시예에서, 시스템은 CCD 또는 CMOS 이미저를 포함한다. 시스템은 500 및 1000 ppi 이미지를 생성한다. 시스템은 적어도 네 손가락 슬랩(slap), 단일 손가락 슬랩, 및 굴린 손가락 지문 이미지를 획득하도록 구성된다. 또한 특정 실시예에서, 광소자 시스템은 소프트웨어에서의 기하학적 왜곡 보정을 요하지 않으며, 수분을 이미지화하지 않는다.

본 발명의 또 다른 태양에서, 시야에 걸쳐 균일한 조명을 제공하고, 굴린 손가락 지문의 경우 손가락 및 엄지손가락 움직임에 알맞게 최적의 인간공학적 언더컷(unedrcut)을 가능하게 하는 기계적으로 가느다란 조명 방식이 제공된다.

하나 이상의 실시예의 세부사항이 첨부된 도면과 이하의 기재 내용으로 설명된다. 그 밖의 다른 특징, 목적, 및 이점이 설명, 도면, 및 청구항으로부터 분명히 나타난다.

도 1은 본 발명의 특정 실시예에 따른 이미징 시스템의 측단면도를 도식으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 특정 실시예에 따른 광원의 평면도를 도식으로 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 광원의 사시도를 도식으로 나타낸다.
도 4는 도 2에 도시된 광원의 측면도를 도식으로 나타낸다.
도 5는 본 발명의 특정 실시예에 따른 광원의 다양한 구성요소의 배열을 도식으로 나타낸다.
도 6은 본 발명의 특정 실시예에 따른 대물 렌즈 시스템의 구성요소를 도식으로 나타낸다.
도 7은 본 발명의 특정 실시예에 따른 시스템의 광-기계적 구현예를 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 특정 실시예에 따른 이미징 시스템의 시야에 따른 변조 전달 함수(MTF) 프로파일을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 특정 실시예에 따른 이미징 시스템의 시야의 변조 전달 함수(MTF) 프로파일을 오버레이하는 굴림(roll) 가능 영역을 나타낸다.
도 10은 도 1의 이미징 시스템을 위한 처리 시스템을 도식적으로 나타낸다.

잊혀지거나 잃어버릴 수 없는 식별자로서, 본원에 기술된 손바닥 지문 및 손가락 지문 장치 및 시스템은 폭넓은 분야에서 이용되며 그 범위는 끊임없이 확대되고 있다. 예를 들어, 손바닥 지문 및 손가락 지문이 접근키로서 이용될 수 있다.

손바닥 지문 및 손가락 지문 이미징 장치가, 손바닥 및 손 전체 이미지뿐만 아니라 네 손가락 슬랩(slap), 단일 손가락 슬랩, 및 굴린 손가락 지문(rolled fingerprint) 이미지 획득에도 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 이러한 장치가 500 ppi(pixels per inch) 이미지뿐만 아니라 1000 ppi 이미지도 생성할 수 있다. 상기 이미지는, 샘플링이 앨리어싱(aliasing)을 발생시키는 주파수까지 포함하는 모든 자극 주파수에서, 가령 FBI 전자지문 전송 사양(CJIS-RS-0010) 어펜딕스 F 자격과 같은 특정 자격 또는 표준을 만족시키거나, 이를 초과한다. 또한 손바닥 및 손가락 지문 이미징 장치는 고분해능 이미지를 지원하고, 발전된 표준과도 조화된다.

도 1은 손바닥 지문 및 손가락 지문 시스템(10)을 나타낸다. 이전의 손바닥 지문 및 손가락 지문 시스템이 (1) 손바닥/슬랩 손가락 지문, 및 (2)굴린 손가락 지문을 이미지화 하기 위해 2-카메라 시스템을 이용한 반면, 상기 시스템(10)은, 낮은 프레임 속도, 넓은 시야(FOV) 광소자를 이용한 관심 영역(region of interest,ROI) 주소화(addressable) 이미저 및 구조적으로 얇은 프리즘 광원을 이용하여, 단일의 저비용 컴팩트 장치에서 손바닥 지문, 슬랩 손가락지문 및 굴린 손가락 지문의 획득을 가능하게 한다. 상기 시스템은, 인간공학적 제한에 의해 굴린 지문이 획득되어야 하고, 종래의 광소자 설계에 기인하여 통상적으로 성능이 저하되는 시야의 저 영역에 대하여 특별한 주의를 갖는 요구되는 시야에 걸친 높은 이미징 성능을 달성할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 시스템은, 오버 샘플링 및 매우 작은 블러 스팟(blur spot)을 갖는 광소자를 이용하여, 가령, 수분 구별 광소자, 높은 콘트라스트(contrast)의 향상된 해상도와 같이 기능적으로 바람직한 특징부를 포함한다.

도 1에서 보이는 바와 같이, 시스템(10)은 광학판 즉, 플래튼(platen)(32), 제 1 렌즈(24), 거울 시스템(36), 대물렌즈 시스템(22), 이미지 센서 시스템(38), 및 광원(18)을 포함한다. 참조를 위해, 직교 좌표 시스템의 방향 Y와 Z가 도 1에 화살표로 도시되어 있다. 상기 직교 좌표 시스템의 제 3 방향 X가 도 1의 제도평면과 수직이다. 물체 수용 표면(12)이 시스템의 물체 평면을 포함하며, 프리즘(15)의 일면에 해당한다. 식별되어야 할 물체(가령, 손바닥 또는 하나 이상의 손가락)이 상기 표면(12)에 가해진다. 프리즘의 또 다른 표면(14)이 상기 물체 평면의 표면(12)에 대한 광원을 수용하도록 구성된다. 물체 평면의 표면(12)은, 손가락 피부의 볼록 부분(ridge)과 오목 부분(valley)을 연결하는 손가락 시야 영역과 손바닥 피부의 볼록 부분과 오목 부분을 연결하는 손바닥 영역을 포함할 수 있다. 물체 수용 표면(12)은 피부의 볼록 부분과의 정교한 접촉을 제공하기 위해 광학적으로 매끄러운 표면을 가진다. 다양한 실시예에 따르면, 물체 수용 표면은 충분히 커서 굴린 손가락 지문 이미지뿐만 아니라 손바닥을 이미지화하기에 충분한 X-Y치수를 제공한다. 특정 실시예에서, 물체 수용 표면은 충분히 커서 굴린 손가락 지문 이미지뿐만 아니라, 4 손가락 지문 및 손바닥을 동시에 이미지화하기에 충분한 치수를 제공한다. X-Y 평면의 물체 수용 표면의 외면은, 가령, 길이가 약 127 밀리미터(mm)(X 방향) 그리고 폭이 약 127 mm(Y 방향)이다. 프리즘의 제 3면(16)은 전반사(TIR)에 의해 볼 수 있는 조명된 물체 평면을 통해 보이는 면이다. 손바닥 또는 손가락이 물체 평면(12)에 가해질 때, 전반사 장애(FTIR)에 의해 손바닥 또는 손가락 피부 능선(friction ridge) 세부사항을 볼 수 있다. 물체 수용 표면(12) 및 표면(14 및 16)은 평면 형태이다. 이미지의 다양한 특성을 향상시키기 위하여 이들 표면 중 어느 한 평면 또는 모든 평면에 대하여 그 밖의 다른 형태(가령, 원통 형태)도 가능하다. 표면(14)은 물체 평면 표면(12)에 대한 광원을 수용하도록 구성된다. 또한, 표면(16)은 TIR에 의해 볼 수 있는 조명된 물체 평면을 통해 보이는 면이다. 표면(14)은 도 1에서 보이는 바와 같이 특정 각도로 물체 수용 표면에 대해 기울어진다. 이러한 각도 값은 물체 평면에 대하여 요구되는 조명을 얻기 위해 일반적으로 선택된다. 표면(16)은 물체 수용 평면으로 기울어져 있다. 물체 평면 표면(12)은, 대략 시야각(25-50°)과 동일한 각도에서 프리즘의 조명면(14)을 통해 조명된다. 일 실시예에서, 물체 평면 표면(12)과 표면(16) 사이, 그리고 표면(12)과 표면(14) 사이의 각도는 각각 대략 40° 및 50°일 수 있다. 상기 실시예는 명시야 조명(bright field illumination)을 나타낸다. 또한, 물체 평면이 대략 90°의 각도에서 조명되는 암시야 조명(Dark field illumination)도 이용될 수 있다. 이러한 경우, 손가락 피부 능선은 암시야 배경 위에 밝은 물체처럼 보인다. 암시야 구현예는, 물체 평면 프리즘 또는 판의 앞면보다 그 밖의 다른 면으로부터 조명이 제공되도록 광소자의 패키지가 지시하는 특정의 경우에서 바람직할 수 있다.

제 1 렌즈(24)는 광학판(32)의 외부에 그리고 광학판의 측면(16) 뒤쪽에 위치된다. 제 1 렌즈(24)는, 가령, 사각 시야 렌즈(square field lens)(16)를 포함할 수 있다. 상기 시야 렌즈는 물체 평면에서 광선의 텔레센트리시티(telecentricity)를 얻는다. 상기 렌즈는 물체 평면으로부터의 빛을 대물 렌즈 시스템(22)으로 향하게 한다. 특정 실시예에서, 시야 렌즈는, 반경 513.500mm cx, 513.500mm cx, 테두리 직경 96.0x144.0, 두께 18.000mm, 재료 F2의 사양을 갖는 양-볼록 렌즈(equi-convex lens)이다.

손가락 및/또는 손바닥이 물체 평면에 가해질 때, 손가락 볼록 부분 세부사항이 전반사 장애(FTIR)에 의해 보여진다. 일 실시예에서, 광학판 또는 프리즘은 수분 구별 원리를 이용하는데, 이때, 유리의 굴절률 및 물체 평면의 시야각이 물체 평면 표면에서의 피부의 굴절률과, 공기 및 물 모두의 굴절률을 구별할 수 있다. 이러한 기법은 본 출원의 양수인에게 양도된 미국특허번호 5,416,573호(발명의 명칭: Apparatus For Producing Fingerprint Images Which Are Substantially Free Of Artifacts Attributable To Moisture On The Finger Being Imaged)에 기술되어 있으며, 본원에서 참조로서 인용된다.

구체적으로, 일 실시예에서, 이미지 센서 시스템(38)은, 공기 또는 물과 접촉하고 있는 플래튼 표면으로부터 빛을 수용하나, 굴곡 있는 피부와 접촉하고 있는 플래튼 표면 영역으로부터는 상당히 적은 빛을 수용한다. 일반적으로, 수분 구별은, 수용 가능한 기하학적 왜곡을 갖는 TIR을 구현하기 위하여, 큰 굴절률을 갖는 유리를 이용해 수행된다. 더 작은 굴절률을 갖는 유리 또한, 관련된 가파른 시야에서 기하학적 왜곡을 보정하고 수용 가능한 콘트라스트 전달 함수(CTF)를 제공하기 위하여 관련 기법을 이용해 실현 가능하다.

프리즘은 고품질 유리 제작자로부터 즉시 입수 가능한 SF-11 유리(굴절률=1.785)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 시야각은, 수분 구별을 위하여 언급된 바와 같이 대략 50°이다. 더 작은 굴절률을 갖는 유리(가령, BK7 유리)가 사용될 수 있고, 물체 평면은 상기 물체 평면에 가해지는 피부 및 물에 대한 FTIR을 얻기 위하여 더 낮은 각도(가령, 대략 65°의 각도)에서 보일 수 있다. 그 밖의 다른 투명한 물질(가령, 유리 또는 플라스틱)이 이들 특정 유리를 대신하여 사용될 수 있다.

특정 실시예에서, 거울 시스템(36)은 접이식 거울(42, 46 및 48)을 포함한다. 상기 거울들은 보이는 바와 같이, 광원(18)에 의해 생성된 파장의 빛(가령, 450 내지 650nm)을 반사한다.

대물 렌즈(22)와 시야 렌즈(field lens)(24) 설계의 독특한 조합은, 시야의 다른 곳에서 MTF를 충분히 높게 유지하는 동시에, 대물렌즈에 가해진 광선의 텔레센트리시티를 얻고 시야의 하부에서 변조 전달 함수(MTF)를 최적화한다. 물체 평면은 시야각(35-50도)과 대체로 동일한 각도에서 프리즘의 조명면(illumination face)을 통해 조명된다.

특정 실시예에서, 광원(18)은 프리즘의 조명면(illumination face) 아래에 큰 언더컷(영역 20)을 제공하도록 두께가 실질적으로 감소하여, 굴린 손가락 지문을 획득하는 동안 손가락 위치를 수용할 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 광원(18)은 독특한 광 패널 또는 장치이다. 특정 실시예에서, 광원은, 넓은 스펙트럼 조명(대략 140-160도 반치각(half intensity) 프로파일)을 이용하는 다수의 작은(대략, 1.6mm x 0.8mm x 0.6mm) 발광 다이오드(LED)를 갖는 인쇄 회로 어셈블리로 구성된 패널을 포함한다. 상기 광원은, LED로부터 빛을 수용하여 동일한 방식으로 상기 빛을 표면(14)에 투사하기 위하여 각각의 표면에 광 성형 확산기(light shaping diffuser)를 갖는 대략 0.125 인치 두께의 얇은 아크릴 기판을 포함하는 광 확산판(light diffusing plate)을 더 포함한다. 원형 또는 타원형 패턴을 제공하는 Luminit 또는 Vikuiti로부터 입수 가능한 것과 같은 광 성형 확산기가 사용될 수 있다. 상기 확산기의 초점은 아크릴판의 두께를 결정한다. 기술된 광원은, 요구되는 손가락 위치 특징을 제공하기 위해 필요한 씬 프로파일(thin profile)을 제공하고, 넓은 5 x 5 시야를 조명하기 위해 필요한 넓은 영역에 걸쳐 넓은 조명부를 제공한다. 깨끗한 아크릴 광 파이프 장치의 측면에 빛을 주입하는 광 파이프 조명 기법은 충분히 균일한 조명을 제공하지 않고, 따라서, 요구되는 배경 조명의 균일성을 달성함에 있어 어려움이 있는 밝은 영역과 어두운 영역을이 나타내게 된다. 렌즈 시스템이 좁은 파장 대역(가령, 파랑, 빨강, 또는 녹색 스펙트럼)만을 통과시킬 수 있기 때문에, 백색광 LED 또는 단색 LED가 이용될 수 있다. 이는, 장기간의 사용으로 제품의 사용자 일부가 이의를 제기할 수 있는 통상적인 단색 광원(가령, 녹색 또는 빨강)보다 눈에 더욱 더 즐거움을 주는 백색광의 이용을 가능하게 한다.

도 2 및 3은 다양한 실시예에 따른 광 패널 즉, 광원을 도시한다. 도 2는 프리즘(15)의 상부를 통해 본 광 패널을 나타내고, 도 3은 광 패널(18)의 측면도를 나타낸다. 시야 렌즈 즉, 제 1 렌즈(24)가 도 2에 도시된다. 확산기 판에 투사된 LED 패턴이 도식적으로 나타나 있는데, 다수의 LED 배열 중 하나의 LED(25)가 표시된다. 도 3은 표시된 확산기 패널(26)과 LED 프로파일 프로젝션(27)을 갖는 인쇄 회로 어셈블리(28)를 나타낸다. 이러한 실시예에서, 조명의 균일성을 얻기 위하여 100개 이상의 LED가 이용된다. 도 4는 케이스(50) 내의 광 패널(18), 프리즘(15), 및 시야 렌즈(14)의 측면도를 나타낸다. 수직 시야가 29에서 표시된다. 손가락을 굴리는 동안 케이스 외부의 큰 영역(20) 즉, 인간공학적 언더컷이 손가락 위치로 이용 될 수 있다. 손가락 지문을 굴릴 때, 광 패널(18)의 씬(thin) 프로파일이 공간(20)을 손가락과 엄지손가락의 위치로 이용될 수 있도록 한다. 손가락 지문을 굴리는 동안 손가락이 케이스를 쳐서 굴린 손가락이 바람직하지 않은 방식으로 움직여 지문이 얼룩지는 결과를 피하기 위해, 프리즘 아래에 손가락을 위한 넉넉한 공간을 제공하는 것이 중요하다.

또 다른 실시예에서, 광원(18)은 광 파이프를 포함한 백라이트 패널 어셈블리이다. 도 5는 이러한 어셈블리의 다양한 구성요소를 나타낸다. 인쇄 회로 기판(명확성을 위해 도시되지 않음)이 빛을 제공하기 위해 LED를 포함하며, 광 도파관 즉 파이프(506)와 역 반사기(505) 사이에 위치된다. 광 도파관(506) 위의 열 전달 호일(511) 또한 도시된다. LED로부터 방출된 빛은, 확산기 판(507)으로 빛을 향하게 하는 도파관(506)으로 이동하거나, 또는 파이프 즉, 도파관(506)과 확산기 판(507)으로 빛을 역 반사시키는 역 반사기(505)로 이동한다. 프리즘 필름(508 및 509)이 확산기 판(507)의 상부 표면에 붙여진다. 조명을 확산시키고 밝게 하기 위하여, 필름 휘도 강화 필름(brightness enhanced films,BEF)을 포함한 하나 이상의 상기와 같은 프리즘 필름이 사용될 수 있고, 또는, 역 프리즘 및 DBEF와 같은 편광 필름을 포함하는 그 밖의 다른 필름도 사용될 수 있다. 전술된 실시예와 같이, 렌즈 시스템이 좁은 파장 대역(가령, 파랑, 빨강, 또는 녹색 스펙트럼)만을 통과시킬 수 있기 때문에, 백색 광 LED 또는 단색 LED가 광 패널에서 사용될 수 있다. 전술된 실시예와 같이, 렌즈 시스템이 좁은 파장 대역(가령, 파랑, 빨강, 또는 녹색 스펙트럼)을 통과시키도록 강제된 이후로, 백색광 LED 또는 단색 LED가 이용될 수 있다. 이는, 장기간의 사용으로 제품의 사용자 일부가 이의를 제기할 수 있는 통상적인 단색 광원(가령, 녹색 또는 빨강)보다 눈에 더욱 더 즐거움을 주는 백색광의 이용을 가능하게 한다. 하우징(510)은 패널을 둘러싼다. 광 파이프를 이용하는 이전 스캐너의 광 패널과 달리, 도 5에 도시된 패널은 후면 발광 LED(backlit LED) 기술을 이용하기 때문에 매우 얇다.

전술한 바와 같이, 특정 실시예에서, 광 패널 디스플레이가 충분히 얇아 스캐너 하우징이 프리즘(15)의 전방 각도에 따라 꼭 들어맞도록 하며, 그로 인해 굴린 손가락 지문을 획득하는 동안 손가락 및 손의 위치를 위한 공간이 마련된다. 특정 실시예에서, 광 패널의 두께는 1/8-3/8 인치 사이이다.

텔레센트릭 시야 렌즈(24) 및 대물 렌즈 시스템(22)을 포함하는 광소자 방식은, 관심 영역에 걸쳐 이미지화 하면서 손바닥 지문을 위해 필요한 더 넓은 시야에 걸친 이미지화를 가능하게 한다. 대물 렌즈 시스템은 다수의 구성요소를 갖는 대물 렌즈이다. 도 6은 특정 실시예에 따른 대물 렌즈 시스템(22)을 나타낸다. 도 6에서 보이는 바와 같이, 대물 렌즈 시스템(601)은 한 쌍의 접합 렌즈(아크로매트) 즉, 제 1 접합 렌즈(621)와 제 2 접합 렌즈(622)를 포함한다. 상기 접합렌즈(621)는 렌즈(623 및 624)를 포함한다. 또한 상기 접합렌즈(622)는 유사한 방법으로 구성된 두 개의 렌즈(625 및 626)을 포함한다. 아크로매틱 렌즈로서 접합렌즈 각각의 기능으로 인해 실질적인 색수차를 제거할 수 있다. 즉 일 실시예에서, 접합렌즈는, 가령 약 600 내지 650nm의 관심 파장에 대하여 측방향 및 축방향 색채 보정을 제공한다. 또한 대물 렌즈 시스템(601)은 두 개의 단일렌즈 즉, 제 1 단일렌즈(627) 및 제 2 단일렌즈(628)를 포함한다. 또한 이러한 렌즈 수단은 특정 실시예에서 구경 조리개(aperture stop)를 제공한다.

특정 실시예에서, 대물 렌즈 시스템은 후술되는 사양을 구비한 6개의 구성요소를 갖는 시스템이다.

배율: 3.479x(물체 평면에서의 이미지)

구경 조리개: 직경 15.0(고정됨)

스펙트럼 범위: 625nm +/-20nm (적광 확산)

스펙트럼 가중치: 1.0 @ 625nm, 0.5 @ 605 및 645nm

FOV: 물체 공간에서 127.0 x 84.9 (Diag.=152.8)

이미지 공간에서 36.48 x 24.384(Diag.=43.88)

왜곡: 물체 공간에서 0.008%(정상상태) +/-0.20%

상면만곡(field curvature): 상면만곡 보정(Flat Field)

분해능: 물체 공간에서 55 cy/mm COF(정상상태), (이미지 공간에서 190 cy/mm COF)

MTF: FOV의 어느 곳에서나 >30% @ 25 cy/mm (사인파 응답)

투과율(transmission): >85%

대물 렌즈 OAL: 48.928 정점 대 정점

트랙 길이: 703.882(이미지 대 물체)

경동 길이: 60.0 +/-0.25 (큰 단부에서 가능한 필터에 대한 추가적인 길이 포함)

경동 직경: 40.00 +/-0.050

제 1 단일 렌즈: 반경 29.300 mm cx, 81.280 mm cc; 테두리 직경 26.000 mm; 두께 4.000 mm; 재료 SK2

제 2 단일 렌즈: 반경 102.900 mm cc, 42.093 mm cv; 테두리 직경 34.000 mm; 두께 5.000 mm; 재료 SK2

제 1 접합 렌즈: 반경 27.860 mm cx, 50.800 mm, 19.230 mm cc; 테두리 직경 26.000 mm, 26.000 mm, 두께 4.000 mm, 3.5 mm; 재료 SK4, F8

제 2 접합 렌즈: 반경 19.230 mm cc, 플라노(plano) 34.000 mm cx; 테두리 직경 34.000 mm, 34.000 mm, 두께 3.000 mm, 7.000 mm; 재료 F8, SK4

더 높은 비용에서 증가된 성능을 위한 서로 다른 수치의 앞뒤 초점거리 및 더 작은 블러 스팟(blur spot)을 달성하기 위하여 다수의 구성요소를 갖는 그 밖의 다른 대물렌즈 시스템이 사용될 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시예에 따라, 세 개의 단일 렌즈 및 두 개의 접합 렌즈로 구성된 일곱 개의 구성요소를 갖는 렌즈, 또는 세 개의 단일 렌즈, 한 개의 접합 렌즈 및 높은 정도의 만곡을 갖는 한 개의 단일 렌즈로 구성된 변형 형태가 사용될 수 있다.

따라서, 물체 평면 시야는 접이식 거울을 포함한 색 보정 광소자를 통해 이미지 센서 시스템(38)으로 매핑된다. 상기 광소자의 구성은 물체 평면 및 이미지 평면 모두에서 텔레센트릭하여 높은 광학 성능을 갖는 넓은 영역을 제공함으로써, 선택된 색채의 파장에 대한 FOV를 통해 작은 블러 스팟을 표시한다. 다양한 실시예에서, 수직 FOV는 약 2 내지 5 인치 사이이다. 특정 실시예에서, 이미지 센서 시스템(38)은 단일의 단색 CMOS 이미저를 포함한다. 그 밖의 다른 실시예에서, 다수의 이미저가 사용될 수 있다. 또한, 칼라 이미저가 사용될 수 있는데, 가령, 단일의 또는 다수의 고 픽셀 밀도 칼라 CMOS 이미저가 백색 LED 광원 및 색 보정 광소자와 함께 사용될 수 있고, 또는 색 보정 렌즈를 갖춘 단색 광원과 함께 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, CMOS 이미저를 대신하여 하나 이상의 CCD 이미저가 사용된다. 또한 특정 실시예에서, 14 Mpel 단색 이미저가 사용된다. 또한 14 Mpel보다 큰 CMOS 또는 CCD 이미저가 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 12 Mpel 이미저가 사용되며, 상기 이미저는 1/2 픽셀보다 작은 단계에서 기계적으로 디더링(dithering)되어 원 이미지를 구성하며, 상기 원 이미지는 최종 1000 ppi 이미지로 구성될 수 있다. 이와 유사하게, 특정 실시예에서, 12 Mpel보다 작은 이미저가 사용되며, 상기 이미저는 1/2 픽셀보다 작은 단계에서 기계적으로 디더링(dithering)되어 원 이미지를 구성하며, 상기 원 이미지는 최종 500 ppi 이미지로 구성될 수 있다.

이미지 센서(복수의 이미지 센서 포함)는 약 12 fps(frames per second) 또는 그 이상의 프레임 속도에서 디지털 출력 데이터를 제공한다. 상기 프레임 속도는 충분히 높아 아티팩트를 피할 수 있다(가령, 굴린 지문에 대하여 12fps, 슬랩 지문에 대하여 8fps보다 큰 속도, 손바닥 이미지에 대하여 4fps). 상기 센서는, 가파른 경사각에 의해 초래되는 수직 FOV에서 사다리꼴 이미지 왜곡 및 초점 변경에 대한 샤임플러그 보정(Scheimpflug correction)을 수행하기 위해 틸트(tilt)된다.

도 7은 시스템의 광-기계적 실시예를 도시한다. 주요 구성요소 즉, 광 패널(78), 프리즘(75), 시야 렌즈(74), 대물 렌즈(72) 및 카메라 어셈블리(76)가 단면도에 도시된다. 또한, 이미지 획득을 제어하고 호스트 컴퓨터로의 통신을 제공하는 임베디드 DSP 컴퓨터 인쇄 기판 어셈블리(79) 또한 도시된다. 시야를 통해 요구되는 이미지 선명도(MTF)를 얻기 위하여, 대물 렌즈 시스템은 시야를 통해 높은 MTF를 얻기 위한 독특한 프리스크립션(prescription)을 이용하여 설계되나, 굴린 손가락 지문이 획득되는 낮은 영역에 대한 바이어스는 이용하지 않는다. 도 8a 및 8b는 시야에 따른 MTF 프로파일을 나타낸다. FOV의 하단을 향하는 바이어스가 나타난다.

특정 실시예에서, 시스템은, 최고 성능을 위하여 상기 낮은 영역의 중앙부에서 손가락 지문을 굴리도록 구성된다. 그러나, MTF 성능은 수용 가능한 결과를 위하여 양 코너에서의 굴리기(rolling)를 지원한다. 10 cycle/mm에서 30%를 초과하는 MTF는 사양 부합 결과를 나타낸다.

도 9는 손가락 지문 굴리기를 위해 선택될 수 있는 가능 영역(901)을 도시한다. 굴리기를 위해 요구되는 영역은 1.6 (w) x 1.5 (h) 인치이다. 나타난 수치는 대략적이다. 도시된 시야는 이미저에 매핑된 물체 평면(약 5 x 5 인치)의 지도(map)이다. 사각에 가까운 시야의 종횡비(aspect shift) 이동은, TIR 각도에서 프리즘을 통해 보이는 물체 평면의 함수이다.

상기 시스템의 특정 실시예는, 사이프레스 반도체에 의해 제조된 14 Mpel 롤링 셔터 단색 CMOS 이미저(IBIS4-14000)를 이용한다. 상기 장치는, 전체 시야보다 관심 영역이 더 작은 경우 프레임 속도 증가를 이용하여 관심 영역 주소화(addressability)를 제공한다. 그러나, 프레인 속도 증가는 어느 관심 영역이 선택되는지에 관한 함수이다. 도 9에 나타난 예시에서, 프레임 속도의 가장 높은 증가는 ROI가 더 낮은 왼쪽 코너로서 선택될 때 얻어진다. 관심 영역이 오른쪽으로 이동함에 따라, 프레임 속도는 최저점까지 감소하며, 그 후 더 낮은 오른쪽 코너에서 다시 증가한다. 따라서, 성능은 코너에서 최적이다. 상기 시스템의 다양한 실시예는, 인간공학적 장애 없이 주요 시야의 하부에 걸친 임의의 영역에 관심 있는 굴림(roll) 영역을 할당한다.

또한, 굴린 손가락을 위한, 보여지는 것보다 더 큰 관심 영역이 4-손가락 슬랩 획득을 위해 할당된다(통상적으로, 3.2 x 3.0 인치 또는, 3.2 x 2.0 인치). 이는 증가하는 프레임 속도에 대해 바람직하며, 그로 인해 슬랩 이미지를 획득할 때 움직임의 영향을 최소화한다.

상기 시스템의 광소자 프리스크립션이 25 마이크론 수준의 작은 블러 스팟 성과를 위하여 설계된다. 이는 두 가지 성능 이점을 지원한다. 즉, (1) 시스템 출력이 500 ppi로 특정되는 경우와 같이 시야에 대하여 오버-샘플링을 제공하는 이미저를 사용할 때의 매우 높은 콘트라스트(contrast), 및 (2) 시스템이 1000 ppi 출력을 위해 설계된 경우의 좋은 콘트라스트의 이점을 지원한다. 특정 실시예에서, 1000 ppi 출력을 위해, 상기 이미저는, 각각의 위치에서 획득된 이미지를 이용하여 1/2 픽셀에 의해 수평 및 수직 방향으로 기계적으로 디더링될 수 있다. 그 후 4개의 이미지는, 앨리어싱 없이 물체 평면에서 20 cycles/mm의 높은 MTF 특징을 이용하여 1000 ppi 이미지를 형성하는데 이용하기 위해 인터리브된 픽셀과 조합될 수 있다.

일 실시예에서, 4536 (h) x 3024 (v) 픽셀의 14 Mpel 이미지가 대략 900 pixel/inch(수평) x 600 pixels/inch(수직)의 원 이미지 포맷을 지원한다. 그 후 이러한 높은 MTF의 원 이미지는 매우 높은 콘트라스트를 표시하는 500 ppi로 비율조정된다.

굴린 지문 획득을 위한 관심 영역의 할당에 있어 유연성을 획득하기 위해, 임의의 관심 영역에서의 이미지 획득을 최적화 하고 각각의 관심 영역에서 최적의 이미지 처리를 제공하며, 임베디드 DSP 컴퓨터가 상기 시스템 설계에 특성화되어 제공된다.

DSP 컴퓨터는 카메라 출력 데이터를 수신하여, FBI 특수 자격에 부합하는 손가락 지문 이미지를 형성하며, 이미지 및 텍스트 데이터 세트로 구성된 “레코드”로의 어셈블리를 위해 상기 이미지를 호스트 컴퓨터로 출력한다. 상기 시스템은 도 10에 도시된다.

도 10에 보이는 바와 같이, 이미징 표면(1012)으로부터 얻어진 이미저 데이터에 대한 이미저 또는 카메라(1028)로부터의 처리는 특수 목적의 디지털 신호 처리(DSP) 컴퓨터(1050)에서 수행된다. 상기 컴퓨터(1050)는 손가락 지문/손바닥 지문 이미지 센서 즉, 이미저(1028)로부터 이미지 출력 데이터를 수신한다. 상기 처리된 이미지 데이터는 FBI 특수 자격, 가령, FBI 어펜딕스 F 사양에 부합한다. 상기 처리된 이미지는 이미지 및 텍스트 데이터 세트로 구성된 레코드로의 어셈블리를 위하여 IEEE 1394 파이어와이어(Firewire) 링크(1054)를 통해 호스트 컴퓨터(도시되지 않음)로 출력된다. 상기 컴퓨터(1050)의 이미지 그랩은 본 출원의 양수인에게 양도된 "Method and Device for Reducing Smear in Rolled Fingerprint Image" 제목의 미국 특허 번호 5,748,766 호 또는 "System for Generating Rolled Fingerprint Images" 제목의 미국 특허 번호 4,933,976호에 기술된 것과 같은 기법을 이용하여 구현되며, 상기 특허는 본원에서 참조로서 인용된다.

또한 상기 컴퓨터(1050)는, 제어 박스(1058)에 의해 나타난 바와 같이, 광소자 및 카메라 어셈블리(1010)를 포함하여 이미지 센서 시스템(1028)의 동작을 제어한다. 이미징 시스템(1000)의 광소자가 박스(1060)에 의해 표시된다. 또 다른 실시예에서, 데이터가, 최종 손가락 지문 형태로 처리되기 전에 호스트 컴퓨터로 전송된다. 그 후 최종 손가락 지문 처리가 호스트 컴퓨터 상의 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합에서 수행된다.

또한, 광학적 손 스캐너가 이미징 시스템(1000)과 함께 사용될 수 있다. 손 스캐너는 상기 컴퓨터(1050)의 제어 하에서 작동한다. 상기 컴퓨터는 손 스캐너로부터 이미지 출력 데이터를 수신한다. 상기 손 스캐너는 본 출원의 양수인에게 양도된 "Apparatus And Method For Optically Imaging Features On The Surface Of A Hand" 제목의 미국 특허 번호 6,175,407호에 기술된 유형일 수 있으며, 상기 특허는 본원에서 참조로서 인용된다.

다수의 구현예 및 기법이 기술되었다. 그러나, 다양한 변경이 기술된 구성요소와 기법에 가해질 수 있다. 예를 들어, 개시된 기법의 단계가 서로 다른 순서로 수행되거나, 기술된 시스템의 구성요소가 서로 다른 방식으로 조합되거나, 또는 그 밖의 다른 구성요소에 의해 대체되거나 보완되더라도 여전히 유리한 결과를 달성할 수 있다.

예를 들어, 이미징 시스템의 광학적 설계는 오직 하나의 접이식 거울을 이용하거나, 두 개의 접이식 거울을 이용할 수 있다. 또한 일 실시예에서, 더 긴 하우징에서 앞 뒤 초점 거리 또는 대물렌즈를 감소시킴으로써, 및/또는 광소자 시스템을 패키징함으로써 접이식 거울 전체를 제거하는 것도 가능하다. 대물렌즈 시스템은 두 쌍의 접합렌즈 및 두 개의 단일 렌즈 이외에도 다른 일부 렌즈의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 더 넓은 FOV에 걸쳐 더 높은 CTF를 제공하기 위해 세 쌍의 접합렌즈의 조합이 이용될 수 있다. 또한, 손가락 이외의 다른 물체가 상기 이미징 장치에 의해 이미지화될 수 있다.

또한, 하나의 이미저 대신, 다수의 이미저가 사용될 수 있다. 또 다른 구성에서, 논의된 상기 광원은, CMOS 또는 CCD 이미징 장치에서 둘 이상의 픽셀 색채를 자극하기 위해, 색채-보정 광소자를 통해 둘 이상의 파장의 빛을 제공하는 다중-색채일 수 있다. 예를 들어, CMYK(남색(Cyan)-자홍색(magenta)-노랑(yellow)-검정(black)) 이미저가, 4개의 이미저 색채(4번째의 이미저 색채가 아님) 중 세 개를 자극하는 광원을 이용하여 효율적으로 조명될 수 있다. 광소자에서 색채 보정은 지원되어야 하는 파장의 확산이 적은 덕에 더 용이해질 것이며, 조명은 2색 LED를 이용하여 수행될 수 있다.

본 발명의 다수의 실시예가 기술되었다. 그러나, 본 발명의 사상과 범위를 변경하지 않고 다양한 변경이 가해질 수 있음이 이해될 것이다.

Claims (19)

1. 시야(field of view)의 물체를 광학적으로 이미지화하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은,
   물체 수용 표면을 가지는 광학 플래튼(platen),
   상기 물체 수용 표면을 조명하도록 위치된 광원,
   이미지 평면을 가지며, 상기 물체 수용 표면으로부터의 빛을 수용하도록 위치되어 상기 물체 수용 표면상의 물체의 이미지를 형성하는 이미징 수단(imaging system), 및
   상기 물체 수용 표면으로부터의 빛의 초점을 상기 이미지 평면에 맞추도록 하기 위한 렌즈 수단
   을 포함하며, 이때, 상기 시스템은 전체 시야 내의 이미지와, 시야 내에서의 관심영역(region of interest)을 획득하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광학적 이미징 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 물체는 손인 것을 특징으로 하는 광학적 이미징 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 시스템은 손바닥지문 이미지 및 손가락지문 이미지 중 적어도 하나를 획득하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광학적 이미징 시스템.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 렌즈 수단은 복수의 구성요소를 갖는 렌즈인 것을 특징으로 하는 광학적 이미징 시스템.
5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 렌즈 수단은 6개의 구성요소를 갖는 렌즈인 것을 특징으로 하는 광학적 이미징 시스템.
6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 렌즈 수단은 두 쌍의 접합렌즈(doublet) 및 한 쌍의 단일렌즈(singlet)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 이미징 시스템.
7. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 시스템은,
   상기 물체 수용 표면으로부터의 빛을 상기 렌즈 수단으로 향하도록 하는 접이식 거울을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 이미징 시스템.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 접이식 거울은 세 개인 것을 특징으로 하는 광학적 이미징 시스템.
9. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 이미징 시스템은 단색의 CMOS 이미저(imager)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 이미징 시스템.
10. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    500 및 1000 ppi(pixels per inch) 이미지가 생성되는 것을 특징으로 하는 광학적 이미징 시스템.
11. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 광원은 단색 광원(monochromatic light source)인 것을 특징으로 하는 광학적 이미징 시스템.
12. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 광원은 광 파이프를 포함하는 백라이트 패널 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 이미징 시스템.
13. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 광원은 3/8 인치를 초과하지 않는 두께를 가지는 패널을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 이미징 시스템.
14. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 시스템은,
    손 또는 손가락 및 엄지손가락 위치설정(positioning)을 위한 상기 광원 아래의 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 이미징 시스템.
15. 손을 광학적으로 이미지화하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은,
    물체 수용 표면을 가지는 광학 플래튼(platen),
    상기 물체 수용 표면을 조명하도록 위치된 광원,
    이미지 평면을 가지며, 상기 물체 수용 표면으로부터의 빛을 수용하도록 위치되어 상기 물체 수용 표면상의 물체의 이미지를 형성하는 이미징 수단(imaging system), 및
    상기 물체 수용 표면으로부터의 빛의 초점을 상기 이미지 평면에 맞추도록 하기 위한 렌즈 수단
    을 포함하며, 이때, 상기 시스템은 손바닥 이미지와 손가락 지문 이미지를 획득하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광학적 이미징 시스템.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 시스템은 손바닥 이미지 및 굴리는 손가락지문(rolling fingerprint) 이미지 중 적어도 하나를 획득하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광학적 이미징 시스템.
17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 상기 시스템은,
    엄지손가락 또는 손가락 위치설정을 위한 상기 광원 아래의 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 이미징 시스템.
18. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 물체 수용 표면의 x 및 y 치수 각각이 적어도 5 인치인 것을 특징으로 하는 광학적 이미징 시스템.
19. 손을 이미지화 하는 방법으로서, 상기 방법은,
    광학 플래튼의 물체 수용 표면에서 손을 수용하는 단계,
    광원으로 상기 물체 수용 표면을 조명하는 단계,
    상기 물체 수용 표면으로부터의 빛을 수집하는 단계, 및
    상기 수집된 빛의 초점을 이미징 시스템의 이미지 평면에 맞춰서 상기 손의 이미지를 형성하는 단계
    를 포함하며, 이때, 상기 이미지는 손의 손바닥 이미지 및 손의 하나 이상의 손가락 이미지를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미징 방법.

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