KR950015188B1

KR950015188B1 - 지문 인식 장치

Info

Publication number: KR950015188B1
Application number: KR1019940001844A
Authority: KR
Inventors: 이승걸
Original assignee: 손광섭; 조예동; 이상택; 전승용
Priority date: 1994-02-02
Filing date: 1994-02-02
Publication date: 1995-12-23
Also published as: KR950025583A

Abstract

내용 없음.

Description

지문 인식 장치

제1도는 종래의 지문 인식 장치의 구성도.

제2도는 본 발명에 따른 지문 인식 장치의 구성도.

제3도는 제2도에 도시된 지문 인식 장치의 결상원리도.

제4도는 결상렌즈의 도립실상을 설명하는 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

21 : 광원 23 : 프리즘

25,27 : 제1 및 제2측면 29 : 경사면

31 : 손가락 33 : 지문융선

35 : 결상렌즈 37 : 영상검출소자

본 발명은 프리즘(prism)을 이용한 지문 인식 장치에 관한 것으로서, 특히, 프리즘과 지문의 융선(ridge)이 접촉되는 부분에서 산란된 광을 감지하여 지문을 인식하는 지문 인식 장치에 관한 것이다.

지문은 사람의 신체적 특징중의 하나로 모든 사람마다 서로 다르고, 손상을 입지않는 한 평생 변하지 않는다는 2대 특성을 갖는다.

그러므로, 지문은 개인식별의 유효한 수단으로 오래 전부터 상거래 및 범죄조사에 물적증거로 활용되어왔다. 지문 식별은 손가락당 평균 100개 정도 존재하는 것으로 알려진 특징점(지문 융선의 끝점 또는 분기점등)을 조사하므로써 할 수 있는데, 즉, 2개의 지문을 비교하고 특징점이 12개 이상 일치된다고 판단되면 동일한 지문이라고 단정할 수 있다.

종래에는 지문을 식별하기 위해서 사람의 힘으로 일일이 대조하였다. 그러나, 이러한 방법은 많은 시간과 노력을 필요로 하므로 비능률적이어서 컴퓨터의 발전에 따라 지문을 자동으로 인식할 수 있는 시스템이 개발되었다.

지문을 자동으로 인색하는 시스템은 식별시스템(Indentification System)과 인증시스템(Verification System)으로 구별된다. 식별 시스템은 등록된 다수의 지문중에서 입력된 지문을 구별하는 것으로 범죄수사용으로 많이 이용된다. 또한, 인증시스템은 등록된 지문과 입력된 지문을 1대 1로 대조 판별하는 것으로 작업과정이 간단하고 소요시간이 짧아 ID 카드(Identity Card) 대신 사용할 수 있다.

제1도는 종래의 지문을 자동으로 인식하는 프리즘을 사용한 지문인식장치의 구성도, "M. Kawagoe and A. Tojo, "Finerprint pattern classification, " Pattern Recognition 17, 295-303(1984)"에 개시되어 있다. 상기 지문인식장치는 광원(1)과, 상기 광원(1)에서 방출되는 광속을 제1측면(5)으로 입사시켜 경사면(9)의 소정부분에 위치된 손가락(11)의 지문융선(13)과 접촉된 부분에서 산란시키고 나머지 부분에서 전반사시켜 지문의 영상을 발생하는 프리즘(3)과, 상기 전반사된 광속을 결상시키는 결상렌즈(15)와, 상기 결상된 광속으로부터 영상을 검출하는 영상검출소자(17)를 구비한다. 상기에서 지문인식장치는 프리즘(3)을 경사면(9)에 대응하는 제1측면(5)과 제2측면(7) 사이의 각이 90°인 것을 이용한다. 그리고, 광원(1)으로부터 방출(emitting)되어 프리즘(3)의 제1측면(5)을 통해 입사되는 광속이 경사면(9)에서 전반사되고, 이 전반사된 광속이 제2측면(7)을 통해 공기중으로 방출되어 결상렌즈(15)를 통해 결상되도록 배열된다. 그러므로, 프리즘(3)의 경사면(9) 표면에 검사하기 위한 손가락(11)을 위치시키면, 지문융선(13)이 접촉되는 부분에서는 입사되는 광속이 전반사되지 않고 산란되어 지문의 영상이 발생된다. 상기에서 발생된 지문 영상은 프리즘(7)의 제2측면(7)과 결상렌즈(15)를 통해 전하결합소자(Charge Coupled Device ; CCD)등의 영상검출소자(17)에 결상된다. 위와같은 지문인식장치는 영상 검출 소자(16)에서 결상되는 지문의 영상이 지문융선(13)이 접촉 되지 않는 부분에서 전반사되는 광속을 이용하여 얻어지므로 지문영상의 밝기가 매우 높게 된다.

그러나, 이러한 지문인식장치는 입사되는 광속이 경사면(9)과 소정각도 예를들면, 45°의 각도를 가지면, 지문융선(13)이 접촉되지 않은 부분에서 전반사된 광속은 반대쪽 45°의 각도로 진행하게 된다.

이 경우, 지문의 각 부분들은 결상렌즈(15)로부터 각기 다른 물체거리(object distance)를 가지므로 결상된 전체 지문 영상의 각 부분은 각기 다른 횡배율(transverse magnification : 결상의 상의 크기)를 갖게 된다. 즉, 원래의 지문에 비해 지문의 일부분은 확대되며 나머지 부분은 축소된 형태로 지문 영상이 얻어진다. 또한 같은 이유로 지문 영상의 각 부분이 모두 선명하게 형성되는 영역인 상면(image plane)이 곡면을 이루게 되므로, 영상 감지 소자로 지문 영상을 감지할 때 상의 일부분은 선명하게 맺히지만 나머지 부분은 뿌옇게 맺히는 현상도 일어난다.

이러한 현상을 통틀어 사다리꼴 왜곡이라 부르는데 상기 종래의 지문인식 장치에서는 결상 렌즈가 지문을 바로보는 각도가 45이므로 사다리꼴 왜곡이 발생된다. 그리고, 상기 지문인식장치는 앞 사용자의 잠재지문(지문인식을 수행한 후 프리즘 경사면에 남게 되는 지문의 자국)이 남게 되어 경사면(9) 표면에 손가락(11)을 위치시키지 않는 경우에도 지문 영상이 감지되며, 또한, 검사하기 위한 손가락(11)을 위치시키는 경우에는 입사되는 광속이 전반사되어야 할 부분에서 산란이 일어날 수 있어 지문 인식의 신뢰도가 낮아지는 문제점이 있었다.

또한, 프리즘을 이용한 지문인식장치가 "A. Shimisu and M. Hase, "Entry method of fingerpint image using a prism, "Trans, Inst. Electron. Commum. Eng. Jpn. J67-D, 627-628(1984)"에 게시되어 있다. 상기 지문인식장치는 제1도에 도시된 것과 다르게 지문융선과 접촉된 부분에서 산란되는 광속을 이용하여 영상 검출 소자에서 영상을 검출한다. 상기에서 지문융선과 접촉되지 않는 부분에서 광속을 전반사되는데, 이 전반사되는 광속은 반사법칙에 의해 경사면에 대해 입사되는 광속과 동일한 각을 갖는다. 또한, 지문융선과 접촉된 부분에서 입사되는 광속은 프리즘의 내부의 모든 방향으로 산란된다. 그러므로, 상기 지문 인식장치는 결상렌즈와 영상검출소자를 전반사되는 광속의 위쪽이나 아래쪽에 위치시켜 이 전반사되는 광속이 결상렌즈에 입사되는 것을 방지한다. 상술한 지문인식장치는 산란광을 이용하므로 영상 검출소자에 의해 검출되는 지문 영상의 밝기는 감소하지만 전반사되는 광속을 이용하여 지문 영상을 인식하는 경우에 나타나는 잠재지문이 검출되지 않으므로 지문인식의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

그러나, 결상렌즈와 영상검출소자를 전반사되는 광속의 위쪽에 위치시키므로 영상검출소자가 손가락을 바라보는 각이 소장각보다 예를 들면, 45°보다 켜져 사다리꼴 왜곡이 커지는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 잠재지문이 검출되지 않아 인식된 지문의 신뢰도를 향상시키며 사다리꼴 왜곡을 감소시킬 수 있는 지문 인식장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지문인식장치는 광원과 ; 상기 광원에서 방출되어 제1측면을 통해 입사되는 광을 경사면에 의해 손가락을 소정부분에 위치시키는 제2측면으로 전반사시키므로 지문융선이 접촉되는 부분에 조사되는 광을 난반사시켜 경사면을 통해 공기중으로 빠져 나가도록 하는 프리즘과 ; 상기 프리즘에서 빠져나온 산란광의 일부를 결상하는 결상렌즈와 ; 상기 결상렌즈에 의해 결상된 광으로부터 지문영상을 검출하는 영상검출소자를 구비한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

제2도는 본 발명의 실시예에 따른 지문인식장치의 구성도이다.

상기 지문인식장치는 광원(21), 프리즘(23), 결상렌즈(35) 및 영상검출소자(37)를 구비한다.

상기 광원(21)은 단일 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 발광 다이오드 어레이(Light Emitting Diode Array) 또는 레이저 다이오드 어레이(Laser Diode Array)등으로 이루어진다.

프리즘(23)은 경사면(29)과 대응하는 제1측면(25)과 제2측면(27) 사이의 각이 90°정도인 것이 사용된다. 이러한 프리즘(23)은 제1측면(25)을 통해 광원(21)에서 방출되는 광속이 90°정도로(수직) 입사되고, 제2측면(27)의 표면에 손가락(31)이 위치된다. 상기에서 제1측면(25)을 통해 프리즘(23)내로 입사된 광속은 경사면(29)에 대해 45°정도의 각도를 입사되므로 전반사되어 제2측면(27)으로 수직으로 입사된다. 이때, 제2측면(27)으로부터 전반사된 광속중 지문융선(33)과 접촉된 부분에 조사되는 것을 프리즘(23)의 내부로 산란되고, 그 나머지 부분에 조사되는 것을 대부분이 투과되어 손가락에 의해 흡수소멸되거나, 또는 일부(약 4%)가 다시 반사되어 입사광속의 경로와 반대로 진행되어 광원(21)쪽으로 빠져 나간다. 상기에서 제2측면(27)과 지문융선(33)이 접촉된 부분에서 산란된 광은 경사면(29)에 45°정도로 진행하는 것을 제외한 대부분의 나머지는 경사면(29)을 통해 공기중으로 빠져나간다.

상기에 산란되어 45°정도로 진행하는 광속은 지문융선(33)과 접촉되지 않은 부분에서 반사되는 일부광과 같이 광원(21)쪽으로 빠져나간다. 그리고, 45°이외의 각도로 산란된 광은 제1측면(25)에 의해 전반사된 후 경사면 (29)을 투과하여 공기중으로 빠져나가거나, 또는, 제1측면(25)에 반사되지 않고 경사면(29)으로 직접 투과되어 공기중으로 빠져나가게 된다.

상기에서 프리즘(23)의 제2측면(27)에 조사되는 광의 대부분은 대부분 손가락(31)에 흡수소멸되고 일부가 반사되어 광원(21)쪽으로 다시 나가게 되므로 산란광에 거의 영향을 끼치지 않아 지문의 명암차를 향상시킬 수 있다.

결상렌즈(35)는 프리즘(23)의 제2측면(27)과 접촉된 지문융선(33)부분에서 결상된 중 제1측면(25)쪽으로 소정각도(α₁)로 산란되고 제1측면(25)에서 전반사되어 경사면(29)을 통해 빠져나오면서 프리즘(23)과 공기의 굴절률의 차이에 의해 소정각도(α₂)로 굴절된 광을 공기중에 접촉시키는데, 이러한 광은 제1측면(25)에서 전반사되어 경사면(29)을 통해 프리즘(23)밖의 공기중으로 나가게된다. 상기에서 결상렌즈(35)가 제1측면(25)에서 전반사된 산란광을 집속시키는 것은 지문융선(33)를 바라보는 각도를 작게 하여 사다리꼴 왜곡을 감소시킨다. 상기 결상렌즈(35)는 집속시킬 광의 광축과 거의 직각을 이루도록 하는 것이 좋다.

영상검출소자(37)는 전하결합소자등으로 이루어지며 결상렌즈(35)에 의해 결상된 광으로부터 영상을 검출한다. 상기에서 결상렌즈(35)가 손가락(31)을 바라볼 때 소정각도(α₂)를 가지므로 손가락(31)의 각 부분의 지문융선(33)과 결상렌즈(35) 사이의 물체거리가 다르다.

그러므로, 영상검출소자(37)를 결상렌즈(35)와 평행하지 않고 프리즘(33)의 제1측면(25)과 반대방향으로 소정각도(θ)만큼 회전되게 위치시켜 사다리꼴 왜곡을 보정한다. 또한, 영상검출소자(37)는 제2측면(27)과 지문융전(33)이 접촉된 부분에서 산란된 광속으로부터 지문 영상을 검출하므로 잠재지문이 검출되지 않는다.

제3도는 제2도에 도시된 지문인식장치의 결상 원리도이다.

상기 지문인식장치에서 프리즘(23)은 굴절률(n_g)가 1.5이고, 제1 및 제2측면(25)(27)의 길이가 동일하며 사이각이 90°라 가정한다. 상기와 같은 프리즘(23)의 제2측면(27)의 표면의 중앙(x)에 지문의 중심이 일치되도록 손가락(31)을 위치시킨다. 이때, 제2도에 도시된 바와 같이 광원(2)에서 방출된 광이 제1측면(25)에 대해 수직으로 프리즘(23)에 입사되면 이 입사된 광은 경사면(29)에 45°정도의 각도를 가지므로 전반사되어 제2측면(27)에 수직으로 입사된다. 제2측면(27)에 수직으로 입사된 광중 지문융선(33)과 접촉되는 부분에 조사되는 것은 프리즘(23)의 내부로 산란된다. 그러나, 지문융선(33)과 접촉되지 않은 부분에 조사된 것은 제2측면(27)에서 반사되는 일부분(대략 4%)를 제외한 나머지는 제2측면(27)을 투과하여 손가락(31)에 흡수되며, 반사된 일부분의 광은 광원(21)으로부터 방출된 입사광의 경로를 역으로 진행하여 광원(21)쪽으로 빠져나간다.

상기에서 프리즘(23)내부로 산란된 광중 제1측면(25)쪽으로 소정각도(α₁)로 반사된 광이 제1측면(25)에 반사되어 경사면(29)을 통해 공기 중으로 빠져나온다. 이때, 제1측면(25)쪽으로 반사된 광중 소정각도(α₁)이외의 각도를 반사되는 광은 경사면(29)밖으로 나가지 못한다. 또한, 경사면(29)쪽으로 직접 산란되는 광은 일부는 경사면(29)으로부터 프리즘(23)내부로 되반사되므로 프리즘 경사면(29)을 통해 외부로 빠져나가는 광량이 작아 지문 영상을 얻기에 부적합하다.

상기에서 지문융선(33)의 중앙(x)에서 산란되어 제1측면(25)쪽으로 반사된 광이 프리즘(23)외부로 빠져나가기 위한 소정각도(α₁)의 최소각도(α_1mim)은

α_1min=tan^-1(1/2)=26.6°

된다. 상기식에서 삼각형 xob가 직삼각형을 이루며 수직한 두변의 길이가 1 : 2이므로 최소각(α_1min)은 1/2에 대한 tan^-1값으로 구할 수 있다. 또한, 프레임(23)의 제2측면(27)의 중앙(x)에서 산란된 광이 경사면(29)에서 임계각보다 큰 각도로 입사되면 경사면(29)을 빠져나갈 수 없으므로 소정 각도(α₁)의 최대각도(α_1max)는

α_1max=45°+sin^-1(1/n_g=86.8°

가 된다. 그러므로, 상기 소정각도( ₁)는 26.6°<α₁<86.8°의 조건이 만족되어야 하는데, 결상되는 지문의 명암차 및 밝기등을 고려하면 실제로 허용되는 소장각도(α₁)는 40°<α₁<60°정도가 된다.

상기 소정각도(α₁)를 갖고 프리즘(23) 외부로 빠져나간 광은 프리즘(23)과 공기층간의 굴절률(n) 때문에 소정각도(α₂)로 굴절된다.

상기 소정각도(α₂)는

α₂=45°+Sin^-1{n_g/n_a×sin(α₁-45°)}

가 된다. 그러므로, 소정각도(α₂)의 최소각도(α_2min)는 37.5°가 되고, 최대각도(α_2max)는 67.8°가 된다. 이는 공기중에서 손가락(31)을 바라보는 최적의 각도로 결상렌즈(35)와 영상검출소자(37)를 이 범위내에 위치시킨다.

제4도는 결상렌즈(35)에 의해 도립 실상이 결상되는 현상을 설명하는 개략도이다.

임의의 물체가 결상렌즈(35)를 통과하면 상기 거꾸로 맺히는 도립현상이 일어난다. 그러므로, 임의의 점들(A)(B)(C)는 결상렌즈(35)에 의해 점들(A')(B')(C')로 거꾸로 맺힌다. 그러므로 임의의 점(A)을 중심으로 동일 간격으로 이격된 점들(B)(C)는 동일한 광로길이를 갖고 점들(B')(C')로 맺힌다. 이러한 특성을 이용하여 영상검출소자(27)를 광축(A A'을 연결하는 직선)의 수직면과 소정각도(θ_t)를 갖고 프리즘(23)의 제1측면(25)과 반대방향으로 기울어지게 하여 검출되는 지문 영상의 사다리꼴 왜곡을 보정한다. 영상검출소자(37)의 경사각도(θ_t)는

θ_t=tan^-1(M_ttan α₂)

가 된다. 상기에서 M_t는 결상렌즈(35)의 배율(영상의 크기/물체의 크기)로, 상기 식에 의해 영상검출소자(37)의 경사각(θ_t)은 대략 6°∼17°정도가 된다.

따라서, 본 발명은 프리즘의 제2측면과 지문융선이 접촉되는 부분에서 산란된 광을 이용하여 지문 영상을 검출하므로 잠재지문이 검출되지 않으므로 지문인식의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 또한, 결상렌즈가 손가락을 바라보는 각도를 작게하고 영상검출소자를 제1측면의 반대방향으로 소정각도 경사지게 하여 문제거리의 차이를 보정하므로 사다리꼴 왜곡을 줄일 수 있는 잇점이 있다.

Claims

광원과 ; 상기 광원에서 방출되어 제1측면을 통해 입사되는 광을 경사면에 의해 손가락을 소정부분에 위치시키는 제2측면으로 전반사시키므로 지문융선이 접촉되는 부분에 조사되는 광을 난반사시켜 경사면을 통해 공기중으로 빠져 나가도록 하는 프리즘과 ; 상기 프리즘에서 빠져나온 산란광의 일부를 결상시키는 결상렌즈와 ; 상기 결상렌즈에 의해 결상된 광으로부터 지문영상을 검출하는 영상검출소자를 구비하는 지문인식장치.
제1항에 있어서, 상기 손가락을 지문융선의 중심이 제2측면의 중앙에 일치되도록 위치시키는 지문인식장치.
제1항에 있어서, 상기 결상렌즈가 프리즘의 제2측면에서 제1측면쪽으로 40°∼60°정도로 산란된 광을 접속시키는 지문인식장치.
제1항에 있어서, 상기 영상검출소자는 결상소자에 의해 집속된 광과 수직인 면에 대해 6°∼17°경사진 지문인식장치.