KR20160071304A - 전장이 짧은 홍채인식용 광학계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전장이 짧은 홍채인식용 광학계를 개시한다. 본 발명에 따른 홍채인식용 광학계는, 물체측으로부터 양(+)의 굴절력을 갖는 제1렌즈(L1)와 음(-)의 굴절력을 갖는 제2렌즈(L1)가 순서대로 배치되고, 상기 제1렌즈의 물체측면은 광축을 중심으로 형성된 제2반사면(S3)과 제2반사면(S3)의 주변에 형성된 제1투과면(S1)을 포함하고, 상측면은 광축을 중심으로 형성된 제2투과면(S4)과 제2투과면(S4)의 주변에 형성된 제1반사면(S2)을 포함하며, 상기 제1투과면(S1)은 오목한 곡면이거나 광축에 대해 수직면인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 홍채인식용 광학계는 제1렌즈에 2개의 반사면을 형성함으로써 초점거리 대비 전장이 매우 짧아지며, 이로 인해 스마트폰 등과 같이 두께가 얇은 소형제품에도 탑재하는 것이 가능해지게 된다. 또한 스마트폰의 사용자가 편하게 촬영할 수 있는 약 300mm의 거리에서도 홍채영상을 안정적으로 획득할 수 있게 된다.

Description

전장이 짧은 홍채인식용 광학계{Iris recognition optical system having short total length}

본 발명은 광학계에 관한 것으로서, 구체적으로는 2개의 반사면을 갖는 렌즈를 사용함으로써 초점거리 대비 전장이 매우 짧아지고, 이로 인해 핸드폰, 스마트폰, 태블릿PC, 노트북 등과 같은 휴대용 전자기기에서 안정적으로 홍채를 인식할 수 있는 홍채인식용 광학계에 관한 것이다.

최근 출입통제시스템, 컴퓨터보안시스템 등을 중심으로 인간의 신체적 특징을 이용하여 개인의 신원을 확인하는 생체인식기술을 적용하는 경우가 크게 늘어나고 있으며, 생체인식기술의 범위도 종래에는 지문인식이 주류를 이루었으나 최근에는 홍채인식, 음성인식, 정맥인식 등과 같이 그 범위가 점차 확대되고 있다.

특히 눈의 동공을 둘러싸는 홍채는 일란성 쌍둥이도 완전히 다른 패턴을 가질 정도로 개인별 특성이 뚜렷하고 지문에 비해 훨씬 구별력이 좋은 것으로 알려져 있어, 홍채인식기술을 적용하는 사례가 크게 늘어나고 있다.

홍채인식을 위해서는 광학계를 이용하여 홍채의 영상을 획득하는 과정과, 홍채의 영상데이터로부터 특징을 추출하여 홍채코드를 생성하는 과정, 생성된 홍채코드를 저장된 홍채코드와 대비하여 일치 여부를 확인하는 과정 등을 거치게 된다.

한편 홍채영상을 소프트웨어적으로 처리하여 특징을 정확히 추출하기 위해서는 홍채의 직경이 11~12mm, 물체거리가 300mm라고 할 때, 카메라모듈의 이미지센서에 맺히는 상이 통상 세로방향으로 200픽셀 이상 되어야 하는 것으로 알려져 있다.

최소형(1/10인치) VGA급 센서(640*480)의 픽셀크기가 2.25㎛이므로 200픽셀의 크기는 0.45mm이고, 홍채크기 12mm와 대비하면 광학계의 배율은 0.0375배가 된다. 따라서 사용자가 촬영에 큰 불편을 느끼지 않을 정도의 거리(약, 300mm)에서 홍채를 촬영하여 만족할 만한 영상을 얻기 위해서는 VGA급 센서를 기준으로 이 정도 배율 이상을 구현해야 한다.

그런데 도 1과 같이 2매 렌즈(L1, L2)를 포함하는 간단한 구성의 광학계에서 이러한 배율을 얻으려면 초점거리가 12mm이상 되어야 하며, 이 정도의 초점거리를 얻으려면 1/10인치 VGA급 센서를 사용하여 센서 단변의 50%(0.9mm)의 크기로 홍채이미지를 결상시키더라도 광학계의 전장(제1렌즈 첫면에서 센서면까지의 거리)이 10.9mm 정도는 되어야 한다.

통상의 보안장치에 탑재되는 광학계라면 이 정도의 전장이 큰 문제가 되지는 않겠지만, 전체 두께가 10mm 보다 얇은 스마트폰, 태블릿PC, 노트북 등과 같은 휴대용 전자기기에 이러한 광학계를 장착하는 것은 불가능하다.

또한 1600만 화소의 카메라를 사용한다고 해도, 근접촬영이 아닌 일반적인 촬영모드에서는 홍채의 직경이 11~12mm, 물체거리가 300mm라고 할 때, 150픽셀 정도에만 홍채이미지가 결상되므로 이를 소프트웨어적으로 처리하는 데 어려움이 있다.

또한 광학계의 배율을 충분히 높이면 200픽셀 이상의 홍채영상을 어렵지 않게 획득할 수는 있으나, 배율을 높이면 초점거리가 길어지고 초점거리가 길어지면 전장도 길어지기 때문에 기존의 광학계 구성으로는 무작정 배율을 높일 수 없는 한계가 있다.

또한 사용자의 눈을 근접 촬영해도 200픽셀 이상의 홍채영상을 어렵지 않게 획득할 수는 있으나, 이러한 방식은 사용이 너무 불편하기 때문에 휴대용 전자기기의 통상의 사용환경에 해당하는 거리(약 300mm )에서 촬영하는 것을 기준으로 광학계의 전장을 줄일 필요가 있다.

한편, 도 2는 특허문헌 1에 소개된 홍채인식용 광학계의 구성도로서, 물체측에서부터 순서대로 배치된 양볼록 구면렌즈(2A), 양오목 구면렌즈(3A), 가시광컷필터(4A), 패키지 글라스(6) 및 이미지센서(5)를 포함한다.

그런데 특허문헌 1에는 양볼록 구면렌즈(2A)의 두께가 2.92mm, 양오목 구면렌즈(3A)의 두께가 3.00mm, 양오목 구면렌즈(3A)와 가시광컷필터(4A)의 간격이 2.45mm, 가시광컷필터(4A)의 두께가 3.00mm 이어서, 광학계 전체의 전장이 20mm 를 훨씬 초과하는 것으로 나타난다.

따라서 특허문헌 1과 같은 방식의 홍채인식용 광학계는 전술한 휴대용 전자기기기에 적용하는 것이 거의 불가능하다.

한국공개특허 제10-2008-0049022호(2008.06.03 공개)

본 발명은 이러한 배경에서 안출된 것으로서, 핸드폰, 스마트폰, 태블릿PC,노트북 등과 같은 휴대용 전자기기에 장착할 수 있을 뿐만 아니라, 이들 기기의 통상적인 사용 조건에서도 안정적으로 홍채의 영상을 획득할 수 있는 홍채인식용 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다. 또한 휴대용 전자기기에 장착할 수 있을 정도로 종래보다 초점거리 대비 전장이 매우 짧은 홍채인식용 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은, 물체측으로부터 양(+)의 굴절력을 갖는 제1렌즈(L1)와 음(-)의 굴절력을 갖는 제2렌즈(L1)가 순서대로 배치되고, 상기 제1렌즈의 물체측면은 광축을 중심으로 형성된 제2반사면(S3)과 제2반사면(S3)의 주변에 형성된 제1투과면(S1)을 포함하고, 상측면은 광축을 중심으로 형성된 제2투과면(S4)과 제2투과면(S4)의 주변에 형성된 제1반사면(S2)을 포함하며, 상기 제1투과면(S1)은 오목한 곡면이거나 광축에 대해 수직면인 것을 특징으로 하는 홍채인식용 광학계를 제공한다.

본 발명의 일 양상에 따른 홍채인식용 광학계에 있어서, 상기 제1반사면(S2)과 상기 제2반사면(S3)은 상측으로 볼록한 형상이고, 상기 제2투과면(S4)은 오목한 형상인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 홍채인식용 광학계에 있어서, 상기 제1렌즈(L1)의 제1반사면(S2), 제2반사면(S3) 및 제2투과면(S4)은 비구면이고, 상기 제2렌즈(L2)는 양면 비구면인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 홍채인식용 광학계는, 광학계의 전장(제1렌즈 첫면에서 센서면까지의 거리)를 T, 광학계의 전체 초점거리를 F라고 할 때, T/F < 0.65 의 조건을 만족하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이때 상기 제1투과면(S1)은 물체측으로 오목한 곡면으로서, -100,000 < 곡률반경(S1) < -100 의 조건을 만족하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 홍채인식용 광학계는 제1렌즈에 2개의 반사면을 형성함으로써 초점거리 대비 전장이 매우 짧아지며, 이로 인해 핸드폰, 스마트폰, 태블릿PC, 노트북 등과 같이 두께가 얇은 소형 휴대용 전자기기에 탑재하는 것이 가능해지게 된다. 또한 휴대용 전자기기의 통상의 사용조건에 해당하는 약 300mm의 거리에서도 사용자의 홍채영상을 안정적으로 획득할 수 있으므로 사용편의성이 크게 개선된다.

도 1은 종래 홍채인식용 광학계의 일 예를 나타낸 구성도
도 2는 종래 홍채인식용 광학계의 다른 예를 나타낸 구성도
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 구성도
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 수차도
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 구성도
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 수차도
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계의 구성도
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계의 수차도

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 광학계는 도 3, 도 5 및 도 7의 구성도에 따른 나타낸 바와 같이, 물체측에서부터 순서대로 양(+)의 굴절력을 갖는 제1렌즈(L1)와 음(-)의 굴절력을 갖는 제2렌즈(L2)를 포함하며, 도면에는 나타내지 않았으나 제2렌즈(L2)와 이미지센서의 사이에 조리개가 배치될 수 있다.

특히, 본 발명의 실시예에 따른 광학계에서는 제1렌즈(L1)가 물체측면과 상측면에 각각 반사면을 구비한다.

구체적으로 살펴보면, 제1렌즈(L1)의 물체측면은 광축을 중심으로 형성된 제2반사면(S3)과 제2반사면(S3)의 주변에 형성된 제1투과면(S1)을 포함하고, 제1렌즈(L1)의 상측면은 광축을 중심으로 형성된 제2투과면(S4)과 제2투과면(S4)의 주변에 형성된 제1반사면(S2)을 포함한다.

따라서 제1투과면(S1)으로 입사한 빛은 상측면에 형성된 제1반사면(S2)에서 반사되어 제2반사면(S3)으로 입사하고, 다시 제2반사면(S3)에서 반사되어 제2투과면(S2)을 거쳐 제2렌즈(L2)로 입사하게 된다.

제1 투과면(S1)은 광축에 대해 수직면이거나 물체측으로 오목한 형상인 것이 바람직하다. 종래에도 전방위 광학계 또는 파노라마 광학계에서 2개의 반사면을 구비한 렌즈를 사용하는 구성이 소개된 바 있으나, 이들 광학계는 넓은 화각을 전제로 하므로 제1투과면(S1)이 물체측으로 큰 곡률로 볼록한 형상을 가진다. 그러나 본 발명과 같이 홍채인식을 위하여 화각을 좁혀야 하는 광학계에는 제1 투과면을 이러한 형상으로 적용하는 것은 적합하지 않다.

즉, 대략 300mm 정도의 거리에서 홍채를 정확히 촬영하기 위해서는 상대적으로 좁은 화각에서 높은 배율을 구현할 수 있어야 하며, 이를 위해서는 본 발명의 실시예와 같이 제1렌즈(L1)의 제1 투과면(S1)은 물체측으로 작은 곡률로 오목한 것이 바람직하며, 적어도 광축에 대해 수직면을 벗어나지 않는 것이 바람직하다.

제1투과면(S1)을 이와 같이 오목하게 형성하는 경우에는 다음의 조건식 1을 만족하도록 설계하는 것이 바람직하다.

<조건식 1 >

-100,000 < 곡률반경 < -100

한편 제1렌즈(L1)의 제1 반사면(S2)과 제2 반사면(S3)은 각각 상측으로 볼록한 형상이며, 각각 알루미늄, 은 등의 반사물질로 코팅되거나 반사필름이 부착될 수 있다. 또한 제1렌즈(L1)의 제2투과면은 상측으로 오목한 형상인 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에서는 제1렌즈(L1)와 제2렌즈(L2)에 모두 플라스틱 렌즈를 사용하였으나, 그 재질이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

또한 본 발명의 실시예에서는 제1렌즈(L1)의 제1반사면(S2), 제2반사면(S3) 및 제2투과면(S4)을 모두 비구면으로 형성하였고, 제2렌즈(L2)도 양면(S5,S6) 모두 비구면으로 형성하였다.

특히 본 발명의 실시예에서는 홍채인식에 충분한 화각과 배율(또는 초점거리)을 확보하면서도 스마트폰 등에 탑재할 수 있을 정도로 짧은 전장을 구현하기 위하여 다음의 조건식 2를 만족하도록 렌즈를 설계하였다

<조건식 2 >

망원비(T/F) < 0.65

T: 광학계의 전장(제1렌즈 첫면에서 센서면까지의 거리), F: 광학계의 전체 초점거리.

실제로 위 조건을 벗어나면, 물체거리 300mm 를 기준으로 할 때 전장이 너무 길어져서 스마트폰, 태블릿PC, 노트북 등과 같은 얇은 휴대용 전자기기에 탑재하기 어려워진다.

이하에서는 전술한 조건이 적용된 홍채인식용 광학계의 구체적인 실시예를 설명한다.

먼저 도 3 및 도 4는 각각 제1 실시예에 따른 홍채인식용 광학계의 구성도 및 수차도이고, 도 5 및 도 6은 각각 제2 실시예에 따른 홍채인식용 광학계의 구성도 및 수차도이고, 도 7 및 도 8은 각각 제3 실시예에 따른 홍채인식용 광학계의 구성도 및 수차도이다.

그리고 아래의 표 1은 제1실시예에 따른 홍채인식용 광학계에 적용된 각 렌즈의 곡률반경, 두께 및 굴절률의 데이터를 나타낸 것이고, 표 2는 제1실시예에 따른 광학계에 적용된 각 렌즈면의 비구면데이터를 나타낸 것이다.

또한 다음의 표 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 홍채인식용 광학계에 적용된 각 렌즈의 곡률반경, 두께 및 굴절률의 데이터를 나타낸 것이고, 표 4는 제2실시예에 따른 광학계에 적용된 각 렌즈면의 비구면데이터를 나타낸 것이다.

또한 다음의 표 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 홍채인식용 광학계에 적용된 각 렌즈의 곡률반경, 두께 및 굴절률의 데이터를 나타낸 것이고, 표 6은 제3 실시예에 따른 광학계에 적용된 각 렌즈면의 비구면데이터를 나타낸 것이다.

위 표 2, 표 4 및 표 6에서 K는 Conic 상수이고, A,B,C,D는 각각 비구면 계수로서 비구면 형상에 관한 다음의 수학식 1에 적용된다.

여기서 Z는 렌즈의 정점으로부터 광축방향으로의 거리, Y는 광축에 수직인 방향으로의 거리, c는 렌즈 정점에서의 곡률반경(r)의 역수이다.

그리고 제1 내지 제3 실시예에 따른 각 광학계의 초점거리와, 전장 및 망원비(T/F)는 다음의 표 7에 나타낸 바와 같다.

표 7을 살펴보면, 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 홍채인식용 광학계는 물체거리가 각각 340mm, 248mm, 340mm 일 때, 초점거리(efl)가 각각 10.85mm, 12.42mm, 10.81mm 이다.

이러한 초점거리는 도 1에 나타낸 종래의 홍채인식용 광학계의 경우와 큰 차이가 없으나, 본 발명의 실시예에 따른 광학계의 전장(T)은 각각 3.17mm, 3.74mm, 3.18mm 로서 종래에 비해 1/3 이하의 수준으로 매우 짧아졌음을 알 수 있다.

홍채인식용 광학계가 이 정도로 짧은 전장을 가진다면, 최근 출시되는 가장 얇은 두께의 휴대용 전자기기에도 장착이 가능하므로 스마트폰, 핸드폰, 태블릿PC, 노트북 등과 같은 대부분의 휴대용 전자기기는 물론이고 이와 유사한 소형 전자기기에 얼마든지 장착될 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 구체적인 적용에 있어서 다양한 형태로 변형 또는 수정될 수 있으며 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 포함된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다.

L1: 제1렌즈 L2: 제2렌즈
S1: 제1투과면 S2: 제1반사면
S3: 제2반사면 S4: 제2 투과면

Claims (5)

1. 물체측으로부터 양(+)의 굴절력을 갖는 제1렌즈(L1)와 음(-)의 굴절력을 갖는 제2렌즈(L1)가 순서대로 배치되고,
   상기 제1렌즈의 물체측면은 광축을 중심으로 형성된 제2반사면(S3)과 제2반사면(S3)의 주변에 형성된 제1투과면(S1)을 포함하고, 상측면은 광축을 중심으로 형성된 제2투과면(S4)과 제2투과면(S4)의 주변에 형성된 제1반사면(S2)을 포함하며,
   상기 제1투과면(S1)은 물체측으로 오목한 곡면이거나 광축에 대해 수직면인 것을 특징으로 하는 홍채인식용 광학계
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1반사면(S2)과 상기 제2반사면(S3)은 상측으로 볼록한 형상이고, 상기 제2투과면(S4)은 오목한 형상인 것을 특징으로 하는 홍채인식용 광학계
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1렌즈(L1)의 제1반사면(S2), 제2반사면(S3) 및 제2투과면(S4)은 비구면이고, 상기 제2렌즈(L2)는 양면 비구면인 것을 특징으로 하는 홍채인식용 광학계
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   광학계의 전장(제1렌즈 첫면에서 센서면까지의 거리)를 T, 광학계의 전체 초점거리를 F라고 할 때 다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 홍채인식용 광학계
   T/F < 0.65
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1투과면(S1)은 물체측으로 오목한 곡면으로서 다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 홍채인식용 광학계
   -100,000 < 곡률반경(S1) < -100

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