WO2017188743A1

WO2017188743A1 - 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 해당 파장대역을 포함하여 촬영시 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 cmos 이미지 센서

Info

Publication number: WO2017188743A1
Application number: PCT/KR2017/004473
Authority: WO
Inventors: 김대훈; 백승민; 전병진
Original assignee: 아이리텍 잉크; 김대훈
Priority date: 2016-04-29
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2017-11-02
Also published as: KR20170123498A; KR101813141B1

Abstract

본 발명은 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한, 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상된 이미지 센서에 관한 것이다. 이에 따라, 실외에서 홍채 촬영시 태양광에 의한 노이즈가 저감되고, 고품질 홍채이미지의 획득이 가능하다.

Description

적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 해당 파장대역을 포함하여 촬영시 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서

본 발명은 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상된 이미지 센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 기존의 CMOS 센서와 달리, 고품질의 홍채이미지를 획득하기 위하여 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율(quantum efficiency)을 향상시킨 이미지 센서로 해당 파장대역을 포함해서 촬영하여 고품질의 홍채이미지를 획득하는 방법에 관한 것이다.

생체인식기술의 이용은 점점 더 빈번해지고 있다. 특히, 생체인식기술 중에서 지문인식기술은 과거부터 널리 사용되어 왔으나, 지문의 소실 및 도난 가능성 등으로 인해 다른 생체인식기술에도 관심이 쏠리고 있으며, 홍채인식기술은 뛰어난 변별력과 장비의 지속적인 가격 하락 등의 요인으로 인해 사용이 점차 증대되고 있다.

홍채는 일란성 쌍둥이라도 서로 다른 것으로 알려져 있으며, 특별한 외상이나 심각한 질병에 걸리지 않는 한, 평생 변하지 않는다. 홍채는 동공의 크기가 변함에 따라 수축 이완되는 복잡한 섬유 조직으로 구성되며, 홍채의 무늬는 대부분 생후 6개월 이내에 형성되어 2~3세에 완전히 결정된다. 또한, 동일인이라 하더라도 양쪽 눈의 홍채 모양이 서로 다르다.

홍채는 대략 266개의 측정 가능한 식별 특징을 지니고 있어 40개 정도의 식별 특징을 갖고 있는 지문보다 훨씬 복잡하고 정교하며, 다른 생체인식 방법에 비해 인식률이 매우 높은 장점을 가지고 있는 것으로 알려져 있다.

이러한 홍채인식을 수행하기 위해서는 홍채이미지 등록 단계에서 피촬영자의 홍채이미지를 획득하여 템플릿으로 변환한 다음, 서버 또는 등록데이터 저장소 등에 보관을 한다. 추후 인증 단계에서 마찬가지로 피촬영자의 홍채이미지를 획득하여 템플릿으로 변환을 하고, 이것과 기등록된 피촬영자의 템플릿을 서로 비교함으로써, 인증 또는 신원확인을 하게 된다. 이 과정에서 홍채인식에 적합한 고품질의 홍채이미지를 획득하는 것은 매우 중요한 요소가 된다.

홍채인식에 적합한 홍채이미지를 획득하기 위해서는 일반적인 사진 촬영 등에 쓰이는 가시광선 조명이 아니라, ISO/IEC 19794-6의 2011년 버전에서 권장하는 700nm~900nm의 근적외선 영역의 조명이 일반적으로 사용되고 있다. 이는 홍채의 반사도(Reflectance)가 근적외선 영역에서 가장 높기 때문이다. 이와 관련하여서는 특허문헌 1인 미국 등록특허 7,428,320 B2의 FIG. 4에 도시되어 있다. 홍채는 약 500nm의 파장을 갖는 가시광선 영역에서는 약 0.4%의 반사도를 나타내고, 약 780nm의 근적외선 영역에서는 약 5%의 반사도를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 따라서 기존에는 홍채의 높은 반사도를 나타내는 파장대역을 이용하기 위하여, 해당 영역의 파장대의 빛만 통과시키는 대역필터(band-pass filter)와 함께 근적외선 영역의 조명을 사용하고 있었다.

또한, 홍채 인식(iris recognition)을 위한 기존의 이미지 센서는 스마트폰 또는 디지털 카메라 등에 이용되는 일반적인 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 이미지 센서(CIS; 컬러, 근적외선, 단색)를 이용하고 있었고, 일반적인 이미지 센서는 가시광선 영역에서 고효율의 양자효율(quantum efficiency)을 나타내도록 설계되어 있는 동시에, 근적외선 영역을 포함한 적외선 영역에서 양자효율이 상당히 낮아지게 설계되어 있었다.

이는 반도체의 에너지 갭(energy gap; 또는 bandgap energy)에 의하여 발생되는 센서의 장파장 측의 감도한계로서, 장파장에서의 낮은 양자효율은 반도체의 차단파장(또는 파장한계)을 의미하게 된다. 즉, 기존의 스마트폰 또는 디지털 카메라에 이용되는 이미지 센서에서는 적외선 파장대의 영향으로 인해 화질이 저하되는 것을 방지하기 위해 이미지 센서의 적외선 파장대의 감도를 낮추었다. 구체적으로 적외선 파장대의 영향에 관하여, 컬러 이미지 센서의 경우에는 촬영된 이미지가 붉은 색의 영향을 많이 받으며, 흑백 이미지 센서의 경우에는 이미지가 밝아지는 경향이 발생되었다. 위와 같은 이유로, 기존의 스마트폰 또는 디지털 카메라에 이용되는 이미지 센서는 근적외선 이상의 파장의 양자효율을 낮추고 있었다. 특히 최근의 CMOS 이미지 센서들은 예전에 휴대폰이나 디지털 카메라에 이용하던 CCD 이미지 센서에 비해, IR 영역에서 양자효율을 훨씬 더 저감시키는 것을 확인할 수 있다.

이러한 이유로, 대략 900nm 이상의 파장대역에서의 영상은, 비특허문헌 1에 기재된 바와 같이, 홍채와 공막 사이의 경계가 불분명하여 홍채영역 분리에 어려움이 있어서 이용하지 않고 있었다.

그러나 이와 같은 700nm~900nm의 근적외선 영역의 조명은 최대 수 천 룩스(lux)의 밝기를 가지는 실내에서는 적용이 가능하나, 태양광으로 인해 수 만 룩스(lux) 이상의 밝기를 가지는 실외 환경에서는 빛의 반사 현상이 발생하여 홍채인식에 적합한 홍채이미지 획득을 어렵게 만들고 있었다. 태양은 가시광선 영역부터 적외선 영역에 이르기까지 다양한 파장대의 빛을 방출하고 있으며, 그 복사조도(irradiance)의 세기는 실내 환경에 비할 수 없을 정도로 높다. 이것이 실외에서 홍채 촬영시 태양광의 간섭현상이 생기는 원인이 된다. 따라서 실외에서 홍채 촬영시 태양광에 의해 강한 반사광이 함께 촬영되게 되고, 홍채 이미지에 반사광의 이미지가 함께 출력되는 문제가 발생하므로, 이 문제 해결에 대한 필요성이 대두되고 있다.

태양은 가시광선 영역부터 적외선 영역에 이르기까지 다양한 파장대의 빛을 방출하고 있다. 특히, 가시광선 영역의 복사조도가 가장 높으므로, 기존의 홍채인식장치는 가시광선 반사광 때문에 근적외선 영역을 이용하고 있었다. 하지만, 근적외선 영역을 이용하는 기존의 홍채인식장치는 여전히 실외에서 근적외선 영역의 태양광의 반사광에 의한 노이즈가 문제되고 있었다. 기존의 CMOS 이미지 센서는 근적외선 영역에서 양자 효율이 매우 낮음에도 불구하고, 태양광의 근적외선 영역의 복사조도(irradiance)의 세기는 실내 환경에 비할 수 없을 정도로 높기 때문에 반사광의 문제가 상존하고 있던 것이다. 이것이 실외에서 홍채 촬영시 태양광의 간섭현상이 생기는 원인이 된다. 따라서 실외에서 홍채 촬영시 태양광에 의해 강한 반사광이 함께 촬영되게 되고, 홍채 이미지에 반사광의 이미지가 함께 출력되는 문제가 발생하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득을 위해, 기존의 CMOS 이미지 센서(2013년 기준, CIS 시장의 약 34%를 차지하고 있는 SONY의 Exmor 시리즈, 시장의 약 18%를 차지하고 있는 Omnivision의 OV16820과 OV16825 등 OV 시리즈, SAMSUNG 등)와 달리, 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 실내뿐만 아니라 실외에서도 해당 파장대역을 포함하여 촬영하면 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서를 제공하는데에 있다.

이하 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구체적 수단에 대하여 설명한다.

본 발명의 목적은, 실내 또는 실외에서 홍채이미지를 획득하는 장치에 구성되는 CMOS 이미지 센서에 있어서, 상기 CMOS 이미지 센서는, 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역의 일부인 흡수 파장대역에서, 기존의 CMOS 이미지 센서에 비해 상기 흡수 파장대역에 대한 양자효율(quantum efficiency)이 높게 구성되며, 상기 흡수 파장대역을 포함하여 홍채이미지를 촬영 시 태양광에 의한 노이즈가 저감되는 것을 특징으로 하는, 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 해당 파장대역을 포함하여 촬영시 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서를 제공하여 달성된다.

또한, 본 발명의 목적은, 상기 흡수 파장대역이, 파장이 920nm~960nm인 제1대역, 1,110nm~1,160nm인 제2대역 및 1,300nm~1,500nm인 제3대역 중 적어도 하나의 적어도 일부인 것을 특징으로 하는, 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 해당 파장대역을 포함하여 촬영시 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서를 제공하여 달성될 수 있다.

또한, 본 발명의 목적은, 상기 기존의 CMOS 이미지 센서가, SONY의 IMX 계열, Omnivision의 OV계열 또는 SAMSUNG의 S5K의 CMOS 이미지 센서인 것을 특징으로 하는, 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 해당 파장대역을 포함하여 촬영시 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서를 제공하여 달성될 수 있다.

또한, 본 발명의 목적은, 상기 CMOS 이미지 센서가, 상기 흡수 파장대역에서 양자효율의 피크(peak)가 존재하는 것을 특징으로 하는, 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 해당 파장대역을 포함하여 촬영시 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서를 제공하여 달성될 수 있다.

또한, 본 발명의 목적은, 상기 CMOS 이미지 센서가, Si layer의 두께를 변경하는 방법, MgF2 및 HfO2 중 하나로 반사방지 코팅층(Anti-Reflection Coating Layer)을 구성하는 방법, 공핍영역(depletion region)의 크기를 변경하는 방법 중 하나의 방법을 통해 상기 흡수 파장대역에 대한 양자효율을 기존의 CMOS 이미지 센서보다 높게 구성하는 것을 특징으로 하는, 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 해당 파장대역을 포함하여 촬영시 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서를 제공하여 달성될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 이하와 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명의 일실시예에 따라 실외 홍채인식에 사용되는 주요 파장대역인 920nm~960nm 범위에서 양자효율(quantum efficiency)이 기존의 CMOS 이미지 센서보다 높게 나타나는 이미지 센서를 사용함으로써, 실외에서 해당 파장대역을 포함하여 홍채 촬영시 태양광에 의한 노이즈가 저감되고, 고품질 홍채이미지의 획득이 가능해지는 효과가 발생된다.

둘째, 본 발명의 일실시예에 따르면 외부조명의 강도를 낮추더라도 동일 수준 이상의 고품질 홍채이미지를 획득할 수 있는 효과가 있다. 이에 따라 홍채이미지 획득에 소비되는 소비전력을 줄일 수 있다.

셋째, 본 발명의 일실시예에 따르면 값비싼 적외선 전용 이미지 센서를 이용하는 것이 아닌, 기존의 CMOS 공정에서 생성되는 CMOS 이미지 센서를 이용하는 비용이 상당히 절감되는 효과가 발생된다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명의 범위는 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.

도 1은 기존의 컬러 이미지 센서의 파장에 대한 양자효율 그래프의 예,

도 2는 기존의 근적외선/단색 이미지 센서의 양자효율 그래프의 예,

도 3은 기존의 일부 업체의 내부에서 개발중인 이미지 센서의 양자효율 그래프의 예,

도 4는 기존의 CMOS 이미지 센서를 이용하여 실외에서 근적외선 영역을 이용하여 홍채를 촬영한 홍채이미지,

도 5는 태양 복사 스펙트럼으로, clear sky condition 및 sea level에서의 파장 대비 복사조도를 도시한 그래프,

도 6, 7은 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서(실선)와 기존의 CMOS 이미지 센서(점선)의 파장에 따른 양자 효율을 비교한 그래프,

도 8은 기존의 CMOS 이미지 센서를 이용하여 실외에서 근적외선 영역을 이용하여 홍채를 촬영한 홍채이미지와 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 이용하여 실외에서 태양광의 흡수율이 특히 높은 해당 파장영역을 포함하여 홍채를 촬영한 홍채이미지를 도시한 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작원리를 상세하게 설명함에 있어서 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명의 일실시예에 따른 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서는, 휴대폰, 스마트폰, 디지털 카메라는 물론 방송용 장비와 바코드 리더기, CCTV 카메라 등에도 적용될 수 있고, 자동차 전후방 카메라나 로봇, 태블릿 PC, 랩탑, 자동차, 스마트 TV, 각종 웨어러블 디바이스 등에도 적용되는 것을 포함할 수 있다.

이하에서는 설명의 편의를 위해 CMOS로 기재하였으나, 본 발명의 범위는 CCD, sCMOS 등의 이미지 센서를 포함할 수 있다.

이하에서, 기존의 CMOS 이미지 센서는 CIS 시장 전체 매출의 약 34%(2013년 기준)를 차지하고 있는 SONY의 IMX230, IMX214, IMX219와 같은 IMX 계열, 시장의 약 18%(2013년 기준)를 차지하고 있는 Omnivision의 OV16820과 OV16825 등 OV 계열, SAMSUNG의 S5K2P8, S5K4H5YB 등의 S5K계열을 포함하는 CIS(CMOS Image Sensor)를 의미할 수 있다.

일반적으로 파장대(wavelength range)와 파장대역(wavelength band)은 동일한 의미로 혼용되어 사용되고 있으나, 본 발명에서는 의미의 혼돈을 방지하기 위하여 파장대는 임의로 지정한 파장 범위를 통칭하는 것으로 정의하며, 파장대역은 임의로 지정한 범위에 속하는 일부 파장 범위를 나타내는 것으로 정의한다. 예를 들면, 700nm~900nm에 해당하는 파장 범위 전체를 임의로 ISO 권장 파장대라고 정의하면, 700nm~800nm와 같은 파장 범위는 ISO 권장 파장대의 일부 파장범위를 나타내기 때문에 파장대역에 해당한다.

일반적으로 실외 환경에서는 짧은 감마선에서부터 장파인 라디오파에 이르기까지 다양한 파장의 빛이 존재하는데, 그 중에서 대부분은 자외선, 가시광선, 적외선이다. 이러한 다양한 파장 중에서 적외선의 파장 범위는 일반적으로 700nm~1,000μm에 해당하는 것으로 알려져 있다. 본 발명에서는 국제조명위원회(international commission on illumination)의 근적외선(700nm~1,400nm), 중적외선(1,400nm~3,000nm), 원적외선(3,000nm~1mm)으로 구분한 규정에 근거하여 서술하지만, 본 발명의 목적과 취지에 부합되는 한 어떤 기관의 정의를 사용해도 무방하다. 산업용 적외선 영상 장비는 사용 목적에 따라 NIR (0.75~1.4 μm), SWIR (1.4~3 μm), MWIR (3~8 μm), LWIR (8~15 μm), FIR (15~1,000 μm) 밴드로 구분한다. 그러나 천문관측용 적외선 기기는 검출기의 특성과 사용 환경에 따라서 근적외선(near-IR, 1-5 μm), 중적외선(mid-IR, 5-30 μm), 원적외선(far-IR, 30-300 μm)으로 구분한다.

적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 해당 파장대역에서 촬영하면 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서

본 발명의 일실시예에 따른 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 해당 파장대역을 포함하여 촬영하면 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서는, 스마트폰이나 디지털 카메라 등에 이용되던 기존의 CMOS 이미지 센서와 달리 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 홍채이미지 획득장치에 이용되는 이미지 센서를 의미할 수 있다. 보다 구체적으로는, (a)적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역의 적어도 일부를 포함한 흡수 파장대역에서 기존의 CMOS 이미지 센서에 비해 높은 양자효율을 갖는 양자효율의 피크(peak)가 존재하는 이미지 센서, (b)적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역의 적어도 일부를 포함한 흡수 파장대역에서 기존의 CMOS 이미지 센서에 비해 양자효율이 높은 이미지 센서를 의미할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어, 해당 파장대역에서 촬영하면 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서는, 기존의 CMOS 센서와 같이, 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge)과 같은 4족 원소의 크리스탈 격자(crystal lattice) 구조로 구성될 수 있다. 이때, 불순물(impurity)이 섞이지 않은 순수 결정을 진성반도체(intrinsic semiconductor)라고 한다. 안정된 상태에서는 모든 전자가 격자에 속박되어 있는 원자가 전자(valance electron)로 존재하지만, 외부에서 입사한 광자에너지를 흡수하여 자유전자가 되면 이 결정체는 순간적으로 도체의 성질을 갖게 된다. 이때 반도체에 전압을 걸고 흐르는 전하의 양을 측정하면 흡수된 광자의 수를 측정할 수 있다.

입사한 광자의 에너지가 원자가전자를 속박하는 밴드갭 에너지(bandgap energy)보다 작으면 이미지 센서는 반응하지 않는다. 따라서, 이미지 센서를 구성하는 반도체 물질의 밴드갭 에너지가 작을수록 긴 파장의 전자기파를 관측할 수 있다. 이하의 표 1은 이미지 센서에 이용될 수 있는 반도체의 물성, 온도(T)에 따른 밴드갭 에너지(Eg), 파장한계(λ_c)를 기재한 것이다.

이름	T (K)	E_g (eV)	λ_c (μm)
Si	295	1.12	1.11
Ge	295	0.67	1.85
PbS	295	0.42	2.95
InSb	77	0.23	5.4
Hg_xCd_1-xTe (MCT, x=0.554)	77	0.5	2.5

이때, 원자가전자는 외부의 광자 에너지 없이도 자체 온도에 의한 Maxell-Boltzmann 분포에 따라 자유전자가 되므로 이미지 센서를 냉각해야 한다.

표 1에서 보여주듯이 CMOS 이미지 센서로 가장 많이 쓰이는 Si는 1.1 μm 보다 짧은 파장대의 관측을 할 수 있다. Si의 파장한계인 1.1 μm 때문에 기존에 이용되는 대부분의 CMOS 이미지 센서는 적외선 영역에서 양자효율이 극적으로 감소되는 것이다.

도 1은 기존의 컬러 이미지 센서(Omnivision 사의 OV7725)의 파장에 대한 양자효율 그래프의 예를 도시한 것이다. 이미지 센서의 감도를 평가하는 기준의 한 가지로서 양자 효율(quantum efficiency)이 있다. 양자 효율이란, 센서로 입사된 광자(photon)가 전자(electron)로 전환되는 비율을 말하며, 그 값이 높을수록 선명한 영상을 얻을 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 컬러 이미지 센서는 적외선 영역으로 갈수록 양자효율이 극심하게 감소되는 것을 확인할 수 있다.

도 2는 기존의 근적외선/단색 이미지 센서(E2V Technologies 사의 EV76C661ABT)의 양자효율 그래프의 예를 도시한 것이다. 기존의 근적외선/단색 이미지 센서도 도 1과 마찬가지로 적외선 영역으로 갈수록 양자효율이 극심하게 감소되는 것을 확인할 수 있다.

도 3은 기존의 일부 업체의 내부에서 개발중인 이미지 센서(SiOnyx 사의 XQE-0570)의 양자효율 그래프의 예를 도시한 것이다. 기존의 일부 업체에서 개발중인 이미지 센서도 도 3과 마찬가지로 적외선 영역의 상대적 양자효율의 값이 가시광선 영역의 상대적 양자효율의 절반 이하인 것을 확인할 수 있다.

도 4는 기존의 CMOS 이미지 센서를 이용하여 실외에서 근적외선 영역을 이용하여 홍채를 촬영한 홍채이미지를 도시한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 근적외선 영역에서 홍채를 촬영함에도 불구하고, 홍채이미지에 태양광의 반사광 노이즈가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이러한 반사광 노이즈는 실외에서의 홍채인식을 어렵게 하는 원인이 된다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어, 해당 파장대역을 포함하여 촬영하면 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서는, 기존의 CMOS 이미지 센서와 달리 태양광 흡수율이 인접 파장 영역보다 특히 높은 적외선 파장대역에서의 양자효율이 향상되어, 해당 파장대역을 포함하여 홍채이미지를 획득하는 장치에 이용되는 이미지 센서를 의미할 수 있다. 상기 태양광 흡수율이 인접 파장 영역보다 특히 높은 적외선 파장대역에 대해 이하에서 검토한다.

도 5는 태양 복사 스펙트럼으로, clear sky condition 및 sea level에서의 파장 대비 복사조도를 도시한 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 적외선 영역(약 700nm 이상)에서는 태양광 흡수율이 인접 파장 영역보다 높은 파장대역이 크게 3개 있는 것을 확인할 수 있다. 이에 관련된 내용은 비특허문헌 2인 Pettit(1951)에서 확인할 수 있다.

보다 구체적으로는, 도 5와 같이 clear sky 환경의 sea level에서 조사되는 태양 복사에 따르면, 대략 920nm~960nm 파장대역(제1대역), 1,110nm~1,160nm 파장대역(제2대역) 및 1,300nm~1,500nm 파장대역(제3대역)이 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 흡수율이 인접 파장 영역보다 높은 파장대역으로 정의될 수 있다. 특히, 제1대역과 제2대역은 H₂O에 의해 주로 흡수되는 영역이고, 제3대역은 H₂O와 CO₂에 의해 주로 흡수되는 영역이다. 적외선 영역에서 이러한 본 발명의 일실시예에 따라 정의된 태양광 흡수율이 인접 파장 영역보다 높은 파장대역이 아닌 다른 영역(인접 파장 영역)을 적외선 창(Infrared Window)라고 칭한다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서는, 기존의 CMOS 이미지 센서와 달리 적외선 파장대역 중에 태양광 흡수율이 인접 파장 영역보다 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 해당 파장대역에서 촬영하면 고품질 홍채이미지를 획득할 수 있는 장치에 이용되는 이미지 센서를 의미할 수 있고, 본 발명의 일실시예에 따른 홍채인식장치에서 사용되는 주요 파장대역인 제1대역(920nm~960nm), 제2대역(1,110nm~1,160nm), 제3대역(1,300nm~1,500nm)에서 양자효율이 기존의 CMOS 이미지 센서보다 더 높게 구성되는 CMOS 이미지 센서를 사용한다. 이에 따라 태양광에 의해 발생되는 노이즈가 저감되는 효과가 발생된다. 또한, 이 경우, 실내에서 홍채이미지 촬영시 외부 조명의 강도를 기존보다 낮추더라도 기존보다 고품질인 홍채이미지의 획득이 가능해지는 효과가 발생된다. 또한, 외부조명의 강도를 낮출 수 있게 됨으로서 홍채이미지 획득장치의 소비전력이 저감되는 효과가 발생된다. 또한, 기존의 CMOS 공정을 이용함으로써, InP 등의 소재로 적외선 전용 이미지 센서를 별도 공정에서 제작하는 것에 비해 크게 저렴한 가격으로 홍채이미지의 품질을 향상시킬 수 있다. 이미 CMOS 이미지 센서는 규모의 경제를 만족하고 있기 때문이다.

본 발명의 일실시예에 따른 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어, 해당 파장대역을 포함하여 촬영하면 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서의 구성과 관련하여, 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 해당 파장대역을 포함하여 촬영하면 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서는, 기존의 CMOS 이미지 센서 공정에서 몇 가지를 변경하는 방식으로 양자효율에 대해 어느 정도 수정이 가능하다. 예를 들어, Si layer의 두께를 변경한다던지, 다른 소재층을 추가한다던지, MgF₂, HfO₂ 등으로 반사방지 코팅층(Anti-Reflection Coating Layer)을 구성하는 공정을 추가한다던지, 공핍영역(depletion region)의 크기를 변경하는 등의 방법으로 양자효율의 수정이 가능하다.

본 발명의 일실시예에 따른 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어, 해당 파장대역을 포함하여 촬영하면 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서의 구성과 관련하여, 보다 구체적으로는, (a)적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역의 적어도 일부에서 기존의 CMOS 이미지 센서에 비해 높은 양자효율을 갖는 양자효율의 피크(peak)가 존재하는 이미지 센서, (b)적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서 기존의 CMOS 이미지 센서에 비해 양자효율이 높은 이미지 센서를 의미할 수 있다. 도 6, 7은 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서(실선)와 기존의 CMOS 이미지 센서(점선)의 파장에 따른 양자 효율을 비교한 그래프이다. 도 6는 위의 (a)에 대응되는 그래프, 도 7은 위의 (b)에 대응되는 그래프이다. 도 6, 7에 도시된 바와 같은 방식으로 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어, 해당 파장대역을 포함하여 촬영하면 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서의 양자 효율이 구성될 수 있다. 또한, 도 6, 7에 도시된 바와 같이 단순히 필터와 적외선 조명을 이용하여 해당 파장대역을 포함하여 홍채를 촬영하는 것보다, 해당 파장대역의 적어도 일부인 파장대역을 포함하여 사용되는 필터, 적외선 조명과 함께 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서를 이용할 때 훨씬 더 고품질의 홍채이미지를 얻을 수 있다. 필터와 적외선 조명으로는 CMOS 이미지 센서 자체의 감도를 향상시킬 수 없기 때문이다.

도 8은 기존의 CMOS 이미지 센서를 이용하여 실외에서 근적외선 영역을 이용하여 홍채를 촬영한 홍채이미지와 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 이용하여 실외에서 태양광의 흡수율이 특히 높은 해당 파장영역을 포함하여 홍채를 촬영한 홍채이미지를 도시한 것이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 기존의 CMOS 이미지 센서를 이용하여 근적외선 영역을 이용하여 홍채를 촬영한 것(a)에 비해, 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 이용하여 태양광의 흡수율이 특히 높은 해당 파장영역을 이용하여 홍채를 촬영한 것(b)이 훨씬 반사광 노이즈가 적은 것을 확인할 수 있다. 또한, 해당 파장대역의 적어도 일부인 파장대역을 포함하여 사용되는 필터, 적외선 조명과 함께 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 이용하여 해당 파장대역을 포함하여 홍채를 촬영하는 것은, 단순히 필터와 적외선 조명을 이용하여 해당 파장대역을 포함하여 홍채를 촬영하는 것보다 훨씬 더 고품질의 홍채이미지를 얻을 수 있다. 필터와 적외선 조명으로는 CMOS 이미지 센서 자체의 감도를 향상시킬 수 없기 때문이다. 또한, 해당 파장영역에 대해 CMOS 이미지 센서 자체의 감도를 향상시키는 것이, 적외선 조명의 강도를 저감시킬 수 있어서 전력 측면, 홍채이미지 선명도 측면에서 월등히 효과적이다.

본 발명의 다른 일실시예에 따른 CMOS 센서는 근적외선(near-IR)에 포함되는 1-5 μm 파장대를 검출할 수 있는 반도체 물질로 구성될 수 있다. 그 중에서 HgCdTe는 수은과 카드뮴의 화합 비율에 따라 밴드갭 에너지가 달라지는데, 천문학에서는 2.5 um까지 관측할 수 있는 HgCdTe 이미지 센서를 가장 많이 사용한다. 표준 측광 밴드인 J(1.3 μm), H(1.6 μm), K(2.2 μm) 밴드보다 긴 L(3.5 μm), M-밴드(4.8 μm)를 관측하는 경우 InSb 이미지 센서를 사용할 수 있다. 하지만, 이러한 새로운 소재를 이용한 이미지 센서의 가격은 지나치게 값비싸서 사업성이 없다. 따라서 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어, 해당 파장대역에서 촬영하면 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서에 따르면 저렴한 가격으로 태양광에 의한 노이즈가 제거된 고품질의 홍채이미지 획득이 가능해지는 효과가 발생된다.

적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 해당 파장대역에서 촬영하면 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서를 이용한 홍채이미지 획득방법 및 장치

본 발명의 일실시예에 따른 고품질 홍채이미지 획득방법과 관련하여, 본 발명의 일실시예에 따른 고품질 홍채이미지 획득방법은 적외선 조명 제어단계, 홍채이미지 촬영 단계, 홍채이미지 출력 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 고품질 홍채이미지 획득방법은 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어, 해당 파장대역에서 촬영하면 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서가 포함된 홍채이미지 획득장치를 이용할 수 있다.

적외선 조명 제어단계는 제어부에서 적외선 조명을 제어하여 피촬영 홍채에 적외선 조명을 조사하는 단계이다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 해당 파장대역에서의 이미지 센서의 감도가 향상되어 적외선 조명의 강도를 낮출 수 있다.

홍채이미지 촬영 단계는 제어부에서 해당 파장대역에서의 홍채이미지의 촬영을 수행하여, 렌즈에 홍채이미지가 집광되고, 대역필터에 의해 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역을 포함한 영역만이 통과되고, 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서에서 감지하여 이를 전류로 출력하는 단계이다.

홍채이미지 출력 단계는 이미지 센서와 연결된 출력부에 의해 고품질 홍채이미지를 획득하고 출력하는 단계이다.

본 발명의 일실시예에 따른 홍채이미지 획득장치와 관련하여, 홍채이미지 획득장치는 렌즈, 메모리, 대역필터, 이미지 센서, 적외선 조명, 제어부, 출력부를 포함할 수 있다. 이때 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서 덕분에, 기존과 달리 적외선 조명의 강도가 저감될 수 있다.

렌즈는 홍채이미지 획득장치의 전면에 설치되며, 피사체인 홍채에서 반사되는 빛을 집광하여 홍채이미지를 받아들이는 구성이다. 메모리는 감지된 홍채이미지를 저장하는 구성이다. 대역필터는 홍채이미지 촬영 시 발생하는 반사이미지가 방지되거나 반사노이즈가 감소된 고품질의 홍채이미지를 획득하기 위해 이미지 센서 전단에 설치되는 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역보다 높은 파장대역의 전부 또는 일부만을 통과시키는 대역 통과 필터를 의미한다. 이미지 센서는 렌즈를 통해서 입력되는 홍채이미지를 감지하여 광자를 전자로 변환하여 디지털 신호를 생성하는 구성이고, 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 해당 파장대역에서 촬영하면 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서이다. 적외선 조명은 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역보다 높은 파장대역을 통과하는 파장을 가진 적외선 조명을 의미한다. 제어부는 메모리, 대역필터의 적용, 이미지 센서의 처리, 적외선 조명의 제어를 수행하는 구성이다. 출력부는 이미지 센서와 연결되어 이미지 센서에서 생성되는 홍채이미지를 출력하는 구성이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

실내 또는 실외에서 홍채이미지를 획득하는 장치에 구성되는 CMOS 이미지 센서에 있어서,

상기 CMOS 이미지 센서는, 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역의 일부인 흡수 파장대역에서, 기존의 CMOS 이미지 센서에 비해 상기 흡수 파장대역에 대한 양자효율(quantum efficiency)이 높게 구성되며,

상기 흡수 파장대역을 포함하여 홍채이미지를 촬영 시 태양광에 의한 노이즈가 저감되는 것을 특징으로 하는,

적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 해당 파장대역을 포함하여 촬영시 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서.
제1항에서,

상기 흡수 파장대역은, 파장이 920nm~960nm인 제1대역, 1,110nm~1,160nm인 제2대역 및 1,300nm~1,500nm인 제3대역 중 적어도 하나의 적어도 일부인 것을 특징으로 하는,

적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 해당 파장대역을 포함하여 촬영시 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서.
제1항 또는 제2항에서,

상기 기존의 CMOS 이미지 센서는, SONY의 IMX 계열, Omnivision의 OV계열 또는 SAMSUNG의 S5K의 CMOS 이미지 센서인 것을 특징으로 하는,

적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 해당 파장대역을 포함하여 촬영시 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서.
제1항 또는 제2항에서,

상기 CMOS 이미지 센서는, 상기 흡수 파장대역에서 양자효율의 피크(peak)가 존재하는 것을 특징으로 하는,

적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 해당 파장대역을 포함하여 촬영시 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서.
제1항 또는 제2항에서,

상기 CMOS 이미지 센서는, Si layer의 두께를 변경하는 방법, MgF2 및 HfO2 중 하나로 반사방지 코팅층(Anti-Reflection Coating Layer)을 구성하는 방법, 공핍영역(depletion region)의 크기를 변경하는 방법 중 하나의 방법을 통해 상기 흡수 파장대역에 대한 양자효율을 기존의 CMOS 이미지 센서보다 높게 구성하는 것을 특징으로 하는,

적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 해당 파장대역을 포함하여 촬영시 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 CMOS 이미지 센서.