KR20140054189A - 리지 패턴 기록 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생체 인식 분야에 관한 것이다. 본 발명의 기술적 효과는 고품질의 이미지를 제공하며 치수들을 작게 하고 동작속도를 높여주며 에너지 소비를 감시켜 주는 리지 패턴 기록 시스템의 신뢰도가 높아지게 되며 비용이 감소하게 된다. 상기 리지 패턴 기록 시스템은 광원, 주사면(scanning surface)의 위치를 결정하는 컴포넌트, 광학 시스템, 다중-요소 이미지 센서, 전자 메모리 및 처리 유닛을 포함하며, 이 경우에 상기 리지 패턴 기록 시스템으로부터의 전자식 출력 이미지는 상기 처리 장치에서 병합 처리함으로써 상기 주사면으로부터의 광학 이미지에 결부되는 적어도 2개의 이미지에 결부되고, L보다 작은 파장들을 갖는 방사비임이 L보다 큰 파장들을 갖는 방사비임보다 적어도 5배 크며, L의 값은, 이하의 수학식 0.37·L^1.5/(A·N·T^{1 .2}) < 1인 조건을 만족시키며, 상기 수학식 중, L은 마이크로미터 단위의 경계 파장이고, T는 마이크로미터 단위의 감광 요소들의 간격이며, A는 이미지 센서 측 상에서의 광학 시스템의 개구수(numerical aperture)이고, N은 상기 출력 이미지의 한 요소에 대한 이미지 센서의 감광 요소들의 개수이다.

Description

리지 패턴 기록 시스템{Ridge pattern recording system}

본 발명은 생체 인식 분야에 관한 것으로, 특히 리지 패턴들을 자동으로 기록하는 시스템들에 관한 것이다.

도 1에는 리지 패턴들을 기록하는 전형적인 시스템이 선도로 도시되어 있다. 광원(1)은 손가락 또는 손바닥 상의 리지 라인(ridge line)들과 같은 기록될 대상에 대한 주사면(scanning surface; 3)의 위치를 결정하는 컴포넌트(2) 상으로 방사한다. 상기 주사면 상에는, 상기 광원으로부터의 광속(光束)은 리지 패턴의 골(trough)들 및 마루(peak)들에 상응하는 부위들이 반영된 차(difference)들에 기초하여 리지 패턴의 이미지를 지니게 된다. 일반적으로 집광 렌즈(4), 미러 시스템(5), 대물 렌즈(6), 보호 글라스(7) 및 이미지 센서 상의 마이크로렌즈들(8)을 포함하는 광학 시스템이 이러한 광속을 취하여 다중-요소 이미지 센서의 감광면(9) 상에 리지 패턴의 이미지를 생성한다. 이미지 센서는 상기 이미지를 광학 이미지로부터 해당 감광 요소 상에 입사되는 방사속(radiant flux)에 비례하는 강도 값 어레이의 형태로 이루어진 전자식 디지털 이미지로 변환시키고, 이러한 이미지를 전자 메모리(10)에 전송한다. 처리 유닛(11)은 이러한 전자식 디지털 이미지의 크기 조정을 표준화함으로써, 상기 시스템의 출력 이미지를 생성한다.

기록될 대상의 위치를 결정하는 컴포넌트는 일반적으로 광학적으로 투명한 등변 사변형 프리즘으로서 설계되어 있다. 그러나, 리지 패턴들을 기록하기 위한 시스템의 설계에 있어서의 변형예들이 존재하는데, 이 경우에 복잡한 형태의 프리즘들, 즉 원통 형상의 컴포넌트들 또는 평행 평면판들이 상기 주사면의 위치를 결정하는 컴포넌트로서의 기능을 수행한다. 좀더 드문 변형예들에서는, 상기 시스템의 몸체 요소가 상기 주사면의 위치를 결정하는 컴포넌트이다.

상기 광학 시스템에 있어서의 미러들의 개수는 가변적일 수 있으므로 상기 광학 시스템의 형상 및 전체 치수들을 결정한다.

방사선 센서는 일반적으로 금속 산화물 반도체 트랜지스터들 또는 전하 결합 소자들의 바(bar) 또는 매트릭스로서 구성되어 있다.

상기 이미지의 품질에 대한 매우 엄격한 요건들의 결과로 상기 시스템들의 한가지 일반적인 단점은 비교적 큰 감광 요소들을 갖는 이미지 센서들을 사용하는 것이 필요하다는 점이고, 이는 센서 동작면의 총체적인 면적이 넓어지게 하는 결과를 초래하며, 결과적으로는 상기 이미지 센서들의 사용으로 구성되는 시스템들의 비용이 상당히 많이 드는 결과를 초래한다.

대면적의 센서들의 가격이 비싼 이유는 상기 센서들이 제조되는 실리콘 웨이퍼들이 고가이고 이러한 실리콘 웨이퍼들의 유용한 수율(收率; yield percentage)이 낮기 때문이다.

도 2a에는 1000 dpi의 분포를 가지고 손바닥의 리지 패턴을 기록하는 시스템용의 전형적인 이미지 센서에 대한 결정(crystals; 13)이 150 ㎜ 직경의 실리콘 웨이퍼(12) 상에 배치된 것이 도시되어 있다. 이러한 종류의 센서는 상기 센서의 감광 요소들이 6.8 마이크로미터인 치수들을 지니며 수평으로 7216개의 요소들을 포함하고 수직으로 5412개의 요소들을 포함한다. 본 도면에서 볼 수 있는 바와 같이 이러한 종류의 단지 4개의 결정만이 상기 웨이퍼 상에 수용될 수 있다. 더욱이, 이러한 경우에, 결정의 제조에 사용가능한 유용한 웨이퍼 면적이 상기 웨이퍼의 총체적인 면적 중 약 50%를 점유한다. 총 4가지 중요 생산 결함(14)이 제조시에 허용되지만, 이러한 총 4가지 중요 생산 결함(14)이 예를 들면 도 2a에 도시된 바와 같이 배치되어 있는 경우에, 상기 웨이퍼로부터 하나가 아닌 사용가능한 결정이 획득되게 된다.

센서가 동수이지만 1.4 마이크로미터의 크기를 갖는 감광 요소들로 만들어지는 경우에, 150 ㎜ 직경의 웨이퍼(15) 상에 상기 결정이 배치되는 것은 예를 들면 도 2b에 예시된 바와 같을 수 있다. 이 경우에, 상기 웨이퍼는 상기 웨이퍼의 면적 중 80% 만큼 점유하는 137개의 결정(16)을 수용한다. 동시에, 총 4개의 중요 생산 결함(17)이 제조시 허용되고, 이러한 총 4개의 중요 생산 결함(17)이 도 2a에 도시된 바와 같이 배치되어 있는 경우에, 상기 웨이퍼로부터 133개의 사용가능한 결정이 획득되게 된다. 이리하여 결함들로 인한 손실들은 상기 웨이퍼 상의 총 결정 개수 중 단지 3% 정도에 달하게 된다.

그러나, 명백한 이점들에 불구하고, 감광 요소들이 작은 센서들의 리지 패턴들을 기록하는 시스템들의 사용은 형성되는 이미지의 품질에 의해 제약을 받는데, 그 이유는 특히 요소들 간의 전하 확산 및 노이즈에 의해, 생체 인식 분야의 현재 표준에 부합하는데 불충분하기 때문이다. FBI EBTS Appendix F는 현재 리지 패턴 기록 시스템들에 대한 주요 표준이다.

비교적 값싼 이미지 센서들을 사용하면서 요구된 주사 범위의 해상도 및 크기를 유발시키는 리지 패턴들을 기록하는 시스템들의 설계에 대한 변형예들이 몇 가지 있다.

따라서, IPC G01B11/124로 분류된 1999년 1월 12일 미국 특허 5859420에는 리지 패턴들을 기록하는 시스템의 해상도가 상기 시스템들을 복수 개의 채널들로 세분화시킴으로써 증가하게 되는 시스템이 개시되어 있는데, 상기 복수 개의 채널들 각각이 기록될 대상의 이미지의 개별 부분을 형성한 후에는 상기 이미지의 부분들이 출력 이미지로 결합하게 된다.

IPC G06K9/32로 분류된 2005년 8월 9일 미국 특허 6928195에는 시스템의 장동(章動) 미러(nutating mirror)를 사용하여 복수 개의 변위된 중간 이미지들을 생성하고 상기 중간 이미지들의 요소들이 인터레이스(interlace) 방식으로 이루어진 출력 이미지를 형성함으로써 이미지 센서에서 감광 요소들의 개수를 증가시키지 않고 리지 패턴들을 기록하는 시스템의 해상도의 증가를 허용하는 시스템이 개시되어 있다.

이러한 시스템은 제안된 발명에 가장 근접한 유사물이다. 상기 시스템의 주된 결점은 비록 비교적 값싼 센서의 사용을 허용하지만, 자체적으로 상기 시스템의 비용에 대한 추가적 기여(additional contribution)를 하며 상기 시스템의 신뢰도를 낮추는 부가적인 요소들 및 절차들이 존재한다는 점이다. 그 결과로, 상기 시스템의 총 비용에 있어서의 실질적 감소가 이루어지지 않게 됨과 동시에, 신뢰도가 감소하게 되며, 에너지 소비가 많아지게 되고 상기 시스템의 동작 속도가 느려지게 된다.

본 발명의 목적은 비용이 적게 들고 신뢰도가 높으면서 고품질의 이미지들을 제공하고, 전체 치수들을 작게 하며, 동작속도를 높여주고 에너지 소비가 감소되게 하는 리지 패턴들을 기록하는 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적은 리지 패턴들을 기록하는 시스템이 광원, 주사면(scanning surface)의 위치를 결정하는 요소, 광학 시스템, 다중-요소 이미지 센서, 이미지들을 저장하는 전자 메모리 및 처리 유닛을 포함하고, 상기 시스템으로부터의 출력 이미지가 상기 주사면 상의 완전히 동일한 영역의 서로 다른 중간 이미지들에 상응하는 중간 이미지들의 요소들의 강도 값들을 상기 처리 유닛에서 혼합함으로써, 그리고, 이러한 영역에 상응하는 강도에 대해 획득된 값을 상기 출력 이미지의 요소에 할당함으로써 상기 전자 메모리에서 적어도 2개의 중간 이미지와 전기적으로 결부되며, 상기 중간 이미지들 각각이 상기 이미지 센서의 감광 요소들과 전기적으로 결부되고, 상기 이미지 센서의 감광 요소들은 상기 광학 시스템에 의해 형성된 리지 패턴 주사면의 이미지를 통해 상기 광원 및 상기 리지 패턴 주사면과 광학적으로 결부되며, 상기 이미지 센서의 감도의 스펙트럼 범위에서, 경계 파장(boundary wavelength; L)보다 작은 파장들을 갖는 유용한 총 광속은 L보다 큰 파장들을 갖는 표류하는(stray) 총 광속보다 적어도 5배 크고, L의 값은,

이하의 수학식

인 조건을 만족시키며, 상기 수학식 중,

L은 마이크로미터 단위로 표기되는 경계 파장이고,

T는 마이크로미터 단위로 표기되는 이미지 센서에서 유용한 광에 민감한 요소들의 중심들 간의 간격이며,

A는 이미지 센서 측 상에서, 이미지 센서의 감광면 상에 주사면의 이미지를 형성하는 광학 시스템의 유효 개구수(effective numerical aperture)이고,

N은 상기 출력 이미지의 한 요소당 이미지 센서의 감광 요소들의 개수인 점에서 달성된다.

컴퓨터는 중간 이미지들을 병합(倂合) 처리하기 위한 이미지 처리 유닛으로서 채용되는 것이 바람직하다. 본 발명의 다른 한 실시예에서는, 디지털 신호 프로세서가 중간 이미지들을 병합 처리하기 위한 이미지 처리 유닛으로서 채용될 수 있다.

상기 처리 유닛, 전자 메모리 및 이미지 센서는 단일 구조 요소로 일체화될 수 있다.

상기 이미지 센서는 단색(monochromatic) 이미지 센서인 것이 바람직하다.

위에서 언급한 특징들의 집합에 의해 제공된 기술적 효과는 리지 패턴들을 기록하는 시스템에서 비용이 감소하게 되고, 신뢰도가 높아지게 되며, 고품질 이미지가 제공되게 하고, 전체 치수들이 작아지게 되며, 동작속도가 높아지게 되고, 에너지 소비가 감소하게 된다는 점이다.

선행 기술 및 본 발명의 요체가 첨부도면들을 통해 설명될 것이다.

도 1은 리지 패턴 기록 시스템의 전형적인 설계를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 감광 요소들의 치수들이 서로 다르고 150 ㎜ 직경의 웨이퍼 상에 수평으로 7216개의 감광 요소를 지니고 수직으로 5412개의 감광 요소를 지니는 이미지 센서의 결정을 배치한 것을 보여주는 도면으로서, 도 2a에는 6.8 마이크로미터의 요소들을 갖는 결정이 도시되어 있고, 도 2b에는 1.4 마이크로미터의 요소들을 갖는 결정이 예시되어 있다.
도 3은 상기 이미지들의 요소들에 대한 강도 값들의 평균을 냄으로써 중간 이미지들을 출력 이미지로 병합 처리하는 것을 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 1에는 본 발명의 대표적인 실시예가 선도로 나타나 있다. 470 나노미터의 주 방사선 파장을 갖는 발광 디이오드들로서 구성된, 광 패널(1)의 형태를 취하는 광원은 광학적으로 투명한 재료로 만들어진 등변 사변형 프리즘(2)을 비춘다. 상기 프리즘의 입력 레그 페이스(input leg face; 21)를 통과할 때, 광이 빗변(또는 사변(斜邊); hypotenuse) 페이스(3) 상에서 내부 전반사가 일어나는 각도로 입사되어 자체적으로 리지 패턴 주사면이 결정되게 한다. 지문 또는 손바닥과 같은 기록될 대상이 이러한 면 상에 놓이게 된다. 리지 패턴의 마루들에 상응하는 지점들에서는, 상기 광원으로부터의 광속이 기록될 대상에 의해 부분적으로 흡수되지만, 나머지 부위들에서는 상기 광원으로부터의 광속이 상기 프리즘의 빗변 페이스에 의해 완전 반사된다. 이러한 방식으로, 상기 광속은 기록될 리지 패턴의 이미지를 지니게 된다. 그 후에는, 광이 상기 프리즘의 출력 레그 페이스(exit leg face; 22) 및 상기 집광 렌즈(4)를 통과하게 되고 미러(5) 상에서 반사되어 대물 렌즈(6) 상에 입사된다. 간섭 피막은 상기 대물 렌즈의 광학 컴포넌트들 중 한 광학 컴포넌트의 동작면에 도포되어 490 나노미터보다 큰 파장을 갖는 방사선을 차폐하는 클리핑 광 필터로서의 기능을 수행하게 된다. 출력 개구수가 적어도 0.08인 대물 렌즈는 1.7 마이크로미터의 요소들 간의 간격들을 갖는, 금속 산화물 반도체로 이루어진 트랜지스터들의 매트릭스로서 구성된 단색 카메라의 감광면(9) 상에 기록될 대상의 이미지를 형성하는데, 이 경우에 하나의 감광 요소는 기록될 대상 상에서 요구된 해상도의 하나의 요소용으로 필요하며, 광학 시스템 및 이미지 센서의 요소들은 단일 몸체를 형성하도록 견고하게 고정된다. 상기 카메라는 해당 감광 요소 상에 입사되는 광속에 연관된 강도 값들의 어레이의 형태로 기록될 대상의 디지털 이미지를 생성하고 이를 USB 인터페이스를 통해 프로세서(11)를 구비한 컴퓨터의 메모리(10)에 전송한다. 이러한 방식으로, 하나의 출력 이미지로 형성되는 4개의 중간 이미지가 전송된다. 이를 달성하기 위하여는, 프로그램이 4개 모두의 중간 이미지를 통해 동일한 요소에 대한 평균 강도 값을 계산하고 획득된 값을 출력 이미지의 해당 요소에 할당한다. 도 3에는 이와 같이 상기 이미지의 부분들을 병합 처리하는 원리가 도표로 도시되어 있다.

상기 시스템의 다른 한 변형 설계에서는, 프로그램이 일시적으로 강도 값들의 평균을 내어 강도 값들의 크기를 재조정하고, 0 내지 255 단위의 강도 범위를 0 내지 65535 단위의 범위로 변환시킴으로써 상기 이미지들을 병합 처리한다. 이는 병합 처리된 강도 값들을 합산하고, 획득된 값을 소정의 계수로 승산하여 획득된 값을 출력 이미지의 해당 요소에 할당한다.

본 발명의 또 다른 한 실시예에서는, 상기 시스템의 조정 절차를 단순화하기 위해, 정확히 말하면 광학 배율을 수동으로 조정하기 위한 필요성을 억제하기 위해, 상기 대물 렌즈는 상기 출력 이미지에서 요구된 요소들의 개수를 초과하는 다수의 감광 요소들을 포함하는 이미지를 형성한다. 동시에, 소프트웨어는 출력 이미지의 크기 조정을 압축하는 방식으로 수정한다. 따라서, 예를 들면, 상기 대물 렌즈가 2가지 수직 방향 각각에서 상기 출력 이미지의 해당 방향들의 요소들에 의해 요구된 것보다 10% 많은 개수의 감광 요소들을 포함하면서 상기 이미지를 형성하는 경우에, 소프트웨어는 데이터를 압축하고, 각각의 요소에는 상기 출력 이미지에서 상기 센서의 1.1² = 1.21개의 감광 요소가 할당된다. 더욱이, 조정의 단순화와 함께, 이 경우에는 이하의 수학식 0.37·L^{1 .5}/(A·N·T^{1 .2}) < 1인 조건에 따라 조정을 단순화함과 함께, 이미지의 품질에 손상을 주지 않고 그리고 에너지 소비를 증가시키지 않고 넓은 스펙트럼 범위를 사용함으로써 큰 방사속(radiant flux)을 제공하는 것이 가능해진다.

본 출원인은 위에서 특정된 매개변수들을 갖는 견본들을 포함하여, 스캐너 면 크기가 129 ㎜ x 129 ㎜이고 이러한 면 상의 해상도가 인치당 500 도트와 동등한 여러 견본용 손바닥 리지 패턴 스캐너를 제조하였다. 상기 매개변수들을 지니는 장치는 FBI EBTS Appendix F 표준에 부합하는 이미지 품질을 생성할 수 있었던 그러한 감광 요소들의 작은 크기를 지니는 최초로 공지된 리지 패턴 스캐너이었다. 본 센서에 요구되는 개수의 중간 이미지들의 병합 처리로 그리고 비율 0.37·L^1.5/(A·N·T^{1 .2}) < 1인 구현으로 감광 요소들이 작은 임의의 이용가능한 이미지 스캐너를 사용하여 상기 표준에 부합하는 리지 패턴 기록 시스템을 구성하는 것이 가능하다는 것이 실험 데이터로 확인되었다. 동시에, 동작 방사속이 기생 방사속보다 적어도 5배 크다는 사항은 이러한 기생 방사속이 상기 광학 시스템에서의 광의 산란 및 기생 반사들와 같은 부차적인 요인들의 영향과 동등한 레벨로 이미지의 품질에 영향을 미친다는 것을 의미한다.

각각의 요소가 동작 방사선에 민감한 감광 요소들의 크기가 작고 단색 카메라가 사용되는 결과로서, 사용된 이미지 센서의 센서 부위의 총 크기가 비교적 작은데, 이는 상기 센서의 비용이 감소되게 하며 에너지 소비가 낮아지게 하는 결과를 초래한다. 또한, 감광면의 크기가 작기 때문에, 대물 렌즈의 초점 거리가 가장 근접한 유사물의 초점거리보다 상당히 짧은데, 이는 상기 시스템의 전체 치수들 및 렌즈의 비용이 감소되게 하는 결과를 초래한다. 상기 시스템에서는 어떠한 가동 요소들도 존재하지 않는데, 이는 상기 시스템에 가장 근접한 유사물에 비하여 상기 시스템의 동작 속도 및 신뢰도가 증가되게 하는 결과를 초래한다. 중간 이미지들의 병합 처리 및 비교적 짧은 파장들을 갖는 방사선의 사용으로 FBI EBTS Appendix F 표준에 부합하는 고품질의 이미지가 취득될 수 있었다.

Claims (5)

1. 광원, 주사면(scanning surface)의 위치를 결정하는 요소, 광학 시스템, 다중-요소 이미지 센서, 이미지들을 저장하는 전자 메모리 및 처리 유닛을 포함하는, 리지 패턴들을 기록하는 시스템에 있어서, 상기 리지 패턴들의 기록 시스템으로부터의 출력 이미지는 상기 주사면 상의 완전히 동일한 영역의 서로 다른 중간 이미지들에 상응하는 중간 이미지들의 요소들의 강도 값들을 상기 처리 유닛에서 혼합함으로써, 그리고, 상기 영역에 상응하는 강도에 대해 획득된 값을 상기 출력 이미지의 요소에 할당함으로써 상기 전자 메모리에서 적어도 2개의 중간 이미지와 전기적으로 결부되며, 상기 중간 이미지들 각각이 상기 이미지 센서의 감광 요소들과 전기적으로 결부되고, 상기 이미지 센서의 감광 요소들은 상기 광학 시스템에 의해 형성된 리지 패턴 주사면의 이미지를 통해 상기 광원 및 상기 리지 패턴 주사면과 광학적으로 결부되며, 상기 이미지 센서의 감도의 스펙트럼 범위에서, 경계 파장(boundary wavelength; L)보다 작은 파장들을 갖는 유용한 총 광속은 L보다 큰 파장들을 갖는 표류하는(stray) 총 광속보다 적어도 5배 크고, L의 값은,
   이하의 수학식
   

   

   
   인 조건을 만족시키며, 상기 수학식 중,
   L은 마이크로미터 단위로 표기되는 경계 파장이고,
   T는 마이크로미터 단위로 표기되는 이미지 센서에서 유용한 광에 민감한 요소들의 중심들 간의 간격이며,
   A는 이미지 센서 측 상에서, 이미지 센서의 감광면 상에 주사면의 이미지를 형성하는 광학 시스템의 유효 개구수(effective numerical aperture)이고,
   N은 상기 출력 이미지의 한 요소당 이미지 센서의 감광 요소들의 개수인 것을 특징으로 하는, 리지 패턴들의 기록 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 처리 유닛은 컴퓨터인 것을 특징으로 하는, 리지 패턴들의 기록 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 처리 유닛은 디지털 신호 프로세서인 것을 특징으로 하는, 리지 패턴들의 기록 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 이미지 센서, 전자 메모리 및 처리 유닛은 단일 구조 요소로 일체화되는 것을 특징으로 하는, 리지 패턴들의 기록 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 이미지 센서는 단색(monochromatic) 이미지 센서인 것을 특징으로 하는, 리지 패턴들의 기록 시스템.

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