KR102150344B1

KR102150344B1 - 홍채 인식을 위한 최적화된 이미지 형성 장치

Info

Publication number: KR102150344B1
Application number: KR1020167001188A
Authority: KR
Inventors: 살릴 프랍하칼; 발렌타인 드보로브킨
Original assignee: 델타 아이디 아이엔씨.
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2020-09-01
Also published as: WO2014205022A1; KR20160033691A; WO2014205020A1; CN105474222A; JP2018128687A; EP3010393A1; CN105473057B; KR20180021912A; EP3010392A4; US9366843B2; CN105473058A; EP3011495A4; JP2016533566A; CN105473057A; US10018804B2; KR101831973B1; EP3011495A1; EP3010392A1; EP3011495B1; KR20160031491A

Abstract

본 발명은 이미지 센서와 광학 조립체를 갖는 이미지 형성 장치 구성 방법을 포함한다. 본 방법은 광학 조립체의 이미지-측 표면과 이미지 형성 표면 사이에 굴절 광학 요소를 개재함으로써 상기 이미지 형성 장치의 제1 이미지 형성 구성을 변경하여 상기 이미지 형성 장치의 제2 이미지 형성 구성을 달성한다. 또 다른 실시 예에서, 본 방법은 광학 조립체의 이미지-측 표면과 이미지 형성 표면 사이에서 굴절 광학 요소를 제거함으로써 상기 이미지 형성 장치의 제1 이미지 형성 구성을 변경하여 상기 이미지 형성 장치의 제2 이미지 형성 구성을 달성한다. 본 발명은 또한 제1 이미지 형성 구성에서 제2 이미지 형성 구성으로 변경하도록 구성된 이미지 형성 장치를 포함한다. 제1 이미지 형성 구성과 제2 이미지 형성 구성 중 적어도 하나는 홍채 이미지 형성을 위해 구성될 수 있다.

Description

홍채 인식을 위한 최적화된 이미지 형성 장치{OPTIMIZED IMAGING APPARATUS FOR IRIS IMAGING}

본 발명은 이미지 형성 장치와 방법에 관한 것으로, 생체 인식을 위한 대상자의 눈의 하나 이상의 특징들에 대한 이미지들을 획득할 수 있는 이미지 형성 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 홍채 이미지 포착 및 홍채 인식을 위한 이미지 형성 장치들을 최적화하도록 작동 가능하다.

눈의 특징들을 비롯한 얼굴의 특징들을 바탕으로 생체 인식을 하는 방법은 종래에 알려진 방법이다. 홍채 인식 방법들은 패턴-인식 기술들을 사용해 대상자의 홍채에 대해 획득된 이미지를 사전에 획득한 대상자의 홍채의 이미지와 비교하여, 대상자의 신원을 판단 또는 검증한다. 획득된 홍채 이미지에 대응되는 디지털 템플릿이 상기 획득된 이미지를 바탕으로 수학적/통계적 알고리즘들을 사용해 부호화된다. 그런 다음, 디지털 템플릿은 (이전에 획득된 홍채 이미지들에 대응되는) 이전에 부호화된 디지털 템플릿들의 데이터베이스들과의 비교를 통해, 매칭되는 위치를 찾아서 대상자의 신원 파악 및 검증이 이루어진다.

홍채 인식을 위한 장치들은 대상자의 홍채(들)의 이미지 포착을 위한 이미지 형성 장치 및 포착된 이미지를 이전에 저장한 홍채 이미지 정보와 비교하기 위한 이미지 처리 장치를 포함할 수 있다. 이미지 형성 장치와 이미지 처리 장치는 별도의 장치들을 포함하거나 단일 장치 안에 결합 될 수 있다.

홍채 인식 장치들은 이전에는 전용 장치 또는 독립형 장치들로서 제공되었으나, 가령 휴대폰, 스마트 폰, PDA(개인용 정보 단말기), 태블릿 또는 랩탑 장치들과 같이, 점차 홍채 인식 기능들을 카메라가 내장된 모바일 통신 장치들이나 모바일 컴퓨팅 장치들(집합적으로 "모바일 장치들"이라고 일컬음) 안에 포함시키는 것이 바람직해지고 있다.

그러나, 모바일 장치 내 카메라들은 모바일 장치로부터 광범위한 거리들에 위치한 물체들의 이미지들을 포착할 수 있는 범용 카메라들로서 작동하는 것을 목적으로 한다는 것이 밝혀졌다. 생체 인식 목적을 위해 홍채 이미지들을 획득하기 위한 고려 사항들은 비-홍채 이미지들의 이미지 포착에 적용 가능한 고려 사항들과는 상당한 차이가 있다. 구체적으로, 홍채 이미지 형성을 위해서는 이미지 형성 장치에 의해 획득된 홍채 이미지가 물체 평면에서 최소 픽셀 해상도를 충족시키도록 대상자의 홍채를 정의된 이미지 포착 영역 안에 위치시켜야 한다. 홍채의 크기, 및 모바일 장치 카메라들에 일반적으로 사용되는 이미지 센서들의 픽셀 크기를 고려할 때, 이미지 평면에서 적합한 홍채 직경을 갖는 홍채 이미지를 포착하도록 카메라를 구성하기 위해서는, 구체적인 물체 거리 (즉, 대상자의 홍채가 위치되어야 하는 거리)가 필요하다. 이러한 방식으로 모바일 장치 안에 내장되는 카메라를 구성하게 되면, 적절한 선명도와 디테일을 갖는 이미지들을 획득하기 위해 물체가 카메라에 매우 가까이 위치되어야 하기 때문에 (범용 촬영 특성들을 유지하면서 홍채 이미지 형성 등을 할 수 있는) 다용도에는 적합하지 않은 카메라가 제공된다.

카메라의 물체 평면을 변경하기 위한 종래 기술들은 렌즈 조립체의 본체를 따라 축을 중심으로 미끄러져서 초점 길이와 렌즈 조립체의 배율을 변경할 수 있는 다수의 개별 렌즈들을 포함하는 줌 렌즈 유형의 배열 구성을 포함한다. 그러나, 줌 렌즈들은 값이 고가이고 크기도 커서, 모바일 장치 안에 내장되는 카메라에 사용하기에는 문제가 있다.

고정식 초점 카메라의 듀얼 사용에서 발생하는 또 다른 문제점은 홍채 이미지 포착은 적외선 (IR) 파장에 달려있는데, 비홍채 이미지 포착은 일반적으로 (가시 파장들은 렌즈 조립체를 통과하여 이미지 센서에 도달하도록 하는 한편 IR 파장들은 반사하거나 흡수하는) IR 차단 필터들을 사용함으로써 IR 파장을 제거하고자 한다는 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 홍채 이미지 형성에 최적화된 이미지 형성 장치나 카메라 등을 모바일 장치 안에 구성하는 효율적이고 경제적인 메커니즘을 제공하는 것이다.

본 발명은 이미지 센서와 광학 조립체를 갖는 이미지 형성 장치를 구성하는 방법에 관한 것으로, 상기 광학 조립체는 이미지-측 표면과 물체-측 표면을 포함하고 상기 이미지 센서의 이미지 형성 표면상에 물체 평면에 대한 이미지를 형성하도록 구성된다. 본 방법은 상기 이미지 형성 장치의 제1 이미지 형성 구성을 변경하여 상기 이미지 형성 장치의 제2 이미지 형성 구성을 달성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 이미지 형성 구성을 변경하는 단계는 굴절 광학 요소를 상기 광학 조립체의 이미지-측 표면과 상기 이미지 형성 표면 사이에 배치하는 단계를 포함한다.

또는, 본 발명은 상기 이미지 형성 장치의 제2 이미지 형성 구성을 달성하기 위해 상기 이미지 형성 장치의 제1 이미지 형성 구성을 변경하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제1 이미지 형성 구성을 변경하는 단계는 상기 광학 조립체의 이미지-측 표면과 이미지 형성 표면 사이의 상기 굴절 광학 요소를 제거하는 단계를 포함한다.

또 다른 일 실시 예에서, 본 발명은 제1 이미지 형성 구성에서 제2 이미지 형성 구성으로 스위칭하도록 구성된 이미지 형성 장치를 포함한다. 본 장치는 이미지 형성 표면을 갖는 이미지 센서, 이미지-측 표면과 물체-측 표면을 포함하는 광학 조립체, 그리고 굴절 광학 요소를 포함한다. 상기 제1 이미지 형성 구성에서, 상기 광학 조립체는, 상기 이미지 형성 표면상에, 상기 광학 조립체의 물체-측 표면에서 제1 물체 거리에 위치한 제1 물체 평면에 위치된 물체의 초점이 맞는 이미지를 형성한다. 상기 제2 이미지 형성 구성에서, 상기 광학 조립체는 상기 이미지 형성 표면상에, 상기 광학 조립체의 물체-측 표면에서 제2 물체 거리에 위치한 제2 물체 평면에 위치된 물체의 초점이 맞는 이미지를 형성한다. 본 장치 내의 굴절 광학 요소는 상기 제1 이미지 형성 구성에서 상기 제2 이미지 형성 구성으로 스위칭하기 위해 상기 광학 조립체의 이미지-측 표면과 상기 이미지 센서 사이에 배치되도록 구성될 수 있다.

방법 또는 장치 실시 예들 내 상기 굴절 광학 요소는 (i) 상기 이미지 형성 표면의 방향으로 이동 거리 만큼 상기 광학 조립체의 이미지-측 주평면을 이동시키고, (ii) 상기 이미지 형성 표면의 방향으로 이동 거리 만큼 상기 광학 조립체의 이미지-측 초점 평면을 이동시키도록 구성될 수 있다. 상기 제1 이미지 형성 구성에서, 상기 광학 조립체는 상기 이미지 형성 표면상에, 상기 광학 조립체의 물체-측 표면에서 제1 물체 거리에 위치된 제1 물체 평면에 위치된 물체의 초점이 맞는 이미지를 형성할 수 있다. 상기 제2 이미지 형성 구성에서, 상기 광학 조립체는 상기 이미지 형성 표면상에, 상기 광학 조립체의 물체-측 표면에서 제2 물체 거리에 위치된 제2 물체 평면에 위치된 물체의 초점이 맞는 이미지를 형성할 수 있는데, 이때 상기 제2 물체 거리는 상기 제1 물체 거리보다 크다. 본 발명의 목적들을 위해, 상기 이동 거리는 상기 광학 조립체가 상기 제1 물체 평면에 위치된 물체의 초점이 맞는 이미지를 형성하는 제1 이미지 평면과, 상기 광학 조립체가 상기 제2 물체 평면에 위치된 물체의 초점이 맞는 이미지를 형성하는 제2 이미지 평면 사이의 거리이다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 굴절 광학 요소의 굴절 인덱스는, 상기 광학 조립체의 이미지-측 주평면과 이미지-측 초점 평면이 상기 이동 거리 만큼 상기 이미지 형성 표면 방향으로 이동하도록 선택될 수 있다.

본 발명의 상기 제1 및 제2 이미지 형성 구성들 중 하나는 홍채 이미지 형성을 위해 최적화될 수 있다. 일 실시 예에서, 상기 제1 이미지 형성 구성은 홍채 이미지 형성에 최적화되도록 구성된다.

일 실시 예에서, 상기 굴절 광학 요소는 평면-평행(plano-parallel) 요소일 수 있다. 상기 평면-평행 요소는 광학 필터를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 상기 제1 이미지 형성 구성이 홍채 이미지 형성에 최적화된 경우, 상기 광학 필터는 적외선 통과 필터일 수 있다. 상기 제2 이미지 형성 구성이 홍채 이미지 형성에 최적화된 경우, 상기 광학 필터는 적외선 차단 필터일 수 있다.

상기 이미지 형성 장치의 광학 조립체는 고정식 초점 광학 조립체일 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광학 조립체의 초점 길이, 및 상기 광학 조립체의 이미지 형성 표면과 이미지-측 표면 사이의 거리 중 적어도 하나 또는 둘 다는 상기 제1 및 제2 이미지 형성 구성 모두에서 일정하게 유지될 수 있다.

사이에 게재된 요소와 이미지 형성 표면 사이에는 또 다른 광학 요소들이 배치될 수 있다. 이러한 또 다른 광학 요소들은 평면-평행 커버 유리, 컬러 마스크, 그 외 광학 필터들, 마이크로렌즈, 종래의 렌즈 요소들 등과 같은 상기 이미지 센서의 부품들을 포함할 수 있으나, 여기에 한정되지 않는다.

도 1은 홍채 이미지-기반 인식을 위해 구성된 모바일 장치의 기능 블록도이다.
도 2는 이미지 형성 장치의 일 실시 예를 도시하고 있다.
도 3은 이미지 형성 장치의 기본면들을 도시하고 있다.
도 4, 도 5, 및 도 6은 이미지 형성 장치 내에서 광학 렌즈 조립체와 이미지 센서 사이에 굴절 광학 요소를 추가하는 것의 영향을 도시하고 있다.

도 1은 이미지 형성 장치(102)와 이미지 처리 장치(104)를 포함하는, 홍채 이미지 기반 인식을 위해 구성된 모바일 장치(100)의 기능 블록도이다. 이미지 형성 장치(102)는 대상자의 홍채의 이미지를 획득하여, 획득된 이미지를 이미지 처리 장치(104)로 전달한다. 이미지 형성 장치(102)에 의해 포착된 이미지는 정지 이미지이거나 동영상 이미지일 수 있다. 그런 다음, 이미지 처리 장치(104)는 획득된 이미지 프레임(들)을 분석한 후, 대응되는 디지털 특징 세트를 이전에 획득한 홍채 이미지들을 바탕으로 부호화되고 저장된 디지털 템플릿들과 비교하여, 대상자를 식별하거나 대상자의 신원을 검증한다.

도 1에 도시되어 있지는 않지만, 모바일 장치(100)는 동영상 이미지들에서 정지 프레임들을 추출하기 위한 구성 요소, 이미지 데이터를 처리하고 디지털화하기 위한 구성 요소, 홍채 이미지들의 등록(대상자를 위한 홍채 정보의 포착 및 저장, 및 상기 저장된 정보를 대상자와 연계시키는 과정) 및 비교(대상자의 신원 식별 또는 검증을 위해 대상자로부터 획득된 홍채 정보를 등록 시 이전에 획득한 정보와 비교하는 과정)를 위한 구성 요소, 그리고 모바일 장치의 구성 요소들 간의 통신을 가능하게 하는 구성 요소를 포함할 수 있다. 이미지 형성 장치, 이미지 처리 장치 및 모바일 장치의 그 외 구성 요소들은 각각 별도의 장치들을 포함하거나, 단일 모바일 장치 안에 결합될 수 있다.

도 2는 하우징(202), 이미지 센서(204), 및 광학 조립체(206)를 갖는 이미지 형성 장치(102)의 일 예시적 실시 예를 도시한 것으로, 여기서 이미지 센서(204)와 광학 조립체(206)는 하우징(206) 내에 배치된다.

이미지 형성 장치(102)는 종래의 고체 형태의 스틸 카메라(still camera)나 비디오 카메라를 포함할 수 있고, 이미지 센서(204)는 고체 촬상 소자(charged coupled device, CCD)나 상보형 금속 산화 반도체(complementary metal oxide semiconductor, CMOS) 장치를 포함할 수 있다. 이미지 센서(204)는 400 나노미터 내지 1000 나노미터의 범위 내 임의의 파장을 갖는 빛에 적어도 감도를 갖도록 선택될 수 있다. 광학 조립체(206)는 일체형으로 형성되거나 단일형으로 형성된 요소를 포함하거나, 원하는 이미지 형성 특성들을 달성하기 위해 선택되고 구성된 광학 요소들의 조립체를 포함할 수 있다. 도시된 이미지 형성 장치는 종래에는 모바일 장치들 내에 배치되는 유형의 고정식 초점을 갖는다.

도 2에서는 범용 목적 촬영용 고정식 초점 카메라들을 홍채 이미지 형성이 가능한 구성에 적용하거나 또는 반대로 홍채 이미지 형성용 카메라들을 범용 목적 촬영용 고정식 초점 카메라들에 적용하는데 있어서의 문제점을 예시적으로 도시하고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 광학 조립체(206)와 이미지 센서(204)는 대상자의 눈(E)이 물체 평면(OP1)에 위치되고 눈의 초점이 맞는 이미지(E')가 이미지 평면(IP1)에 형성되도록, 서로에 대해 상대적으로 구성되고 배치될 수 있다. 이때 이미지 평면은 이미지 센서(204)의 이미지 형성 표면과 일치한다. 반면, 도시된 이미지 형성 장치의 고정식 초점 구성을 감안할 때, 물체(O)가 물체 평면(OP2)에 배치되는 경우 (이때 물체 평면(OP2)은 물체 평면(OP1)과 비교해 이미지 형성 장치로부터 더 멀리 위치한다), 물체의 이미지(O')는 이미지 평면(IP2)에 형성되고, 이때 이미지 평면은 이미지 센서(204)의 이미지 형성 표면과 일치하지 않음으로써, 이미지 센서(204)에 의해서 초점이 안 맞는 이미지가 획득되도록 한다. 이에 따라, 물체 평면의 이동 때문에 이미지 평면이 이동하게 되고, 이러한 이동은 고정식 초점 광학 조립체에서는 보상이 불가능하다.

상술한 내용을 바탕으로 하면, 이미지 평면에서 적합한 홍채 직경을 갖는 홍채 이미지를 포착하도록 카메라를 구성하기 위해서는 특정한 물체 거리 (즉, 대상자의 홍채가 위치되어야 하는 거리)가 요구된다. 이러한 방식으로 모바일 장치 내에 내장된 카메라를 구성하게 되면, 적절한 선명도와 디테일을 갖는 이미지들을 획득하려면 물체를 카메라에 매우 가깝게 배치해야 하기 때문에 카메라가 다른 용도에는 적합하지 않을 수 있다.

본 발명은 광학 조립체의 초점 길이를 변경할 필요 없이 홍채 이미지 형성 뿐만 아니라 범용 촬영을 위한 이미지 형성 장치를 최적화할 수 있는 장치와 방법들을 제공한다.

(모바일 장치 내에 제공되는 유형 등의) 범용 촬영용으로 구성된 고정식 초점 이미지 형성 장치가 홍채 이미지 인식 처리를 위한 충분한 해상도의 홍채 이미지를 포착할 수 있도록 하기 위해, 대상자의 홍채는, 일반적으로 범용 촬영에 적합한 것으로 간주는 위치보다 이미지 형성 장치의 광학 조립체에 더 가까운 물체 평면에 위치되어야 한다. 도 2를 참조로 상술한 바와 같이, 고정식 초점 카메라의 경우, 물체 평면의 위치를 변경하게 되면 이미지 평면의 위치에 영향을 미치게 되어 이미지 평면이 이미지 센서의 이미지 형성 표면과 더 이상 일치하지 않음으로써 결과적으로 초점이 안 맞는 이미지 인식이 이루어진다. 이는 범용 촬영 모드와 홍채 이미지 인식 모드 사이에서 변경 가능한 카메라를 구성하려고 할 때 문제가 되는데, 이 두 가지 모드에 대한 물체 평면들과 이미지 형성 장치의 광학 조립체 사이의 거리가 상당한 차이가 있기 때문이다. 가령, 모바일 장치 내에 배치된 고정식 초점 이미지 형성 장치들의 경우 홍채 이미지 형성을 위한 이미지 형성 장치를 구성하기 위해서는 광학 조립체의 물체-측 표면으로부터 250 ㎜ 이내로 홍채를 이동시켜야 한다는 것이 밝혀졌다. 반대로, 범용 촬영의 경우에는 물체를 광학 조립체의 물체-측 표면의 250 ㎜ 이내에 위치시키는 것은 매우 실제적이지 못할 것이다.

본 발명에 따른 이미지 형성 장치를 위한 구성들을 설명하기 위해, 도 3에서는 홍채 이미지 형성 장치의 다양한 기본면들을 도시하고 있다. 도 3의 도시에서는, 물체 평면(OP)에 위치된 물체(304)에 대한 초점이 맞는 이미지(305)가 이미지 평면(IP)에 형성되도록 물체 평면(OP)과 이미지 평면(IP) 사이에 배치된 광학 조립체(301)를 포함한다.

광학 조립체(301)는, 이미지 평면(IP)이 이미지 형성 장치 내의 이미지 센서의 이미지 형성 표면과 일치하도록 구성 및 위치될 수 있다. 도시된 실시예에서, 광학 조립체(301)는 물체-측 표면(302)과 이미지-측 표면(303)을 포함한다. 광학 조립체(301)의 기본면들은 물체-측 초점 평면(306), 물체-측 주평면(307), 이미지-측 초점 평면(308) 및 이미지-측 주평면(309)을 포함한다.

본 발명의 목적들을 위해, 근축 근사치에 따라, "초점 평면"이라는 용어는 렌즈 조립체의 광학 축에 평행한 입사광들이 한 점에 모이는 평면을 일컫는 것으로 이해된다. "주평면"이라는 용어는 렌즈 조립체의 광학 축에 평행한 각각의 입사광이 렌즈 조립체에서 나가는 대응되는 광선과 교차하는 평면을 일컫는다.

초점 길이 F, 물체 거리 S (렌즈 조립체의 물체-측 초점 평면과 물체 평면 사이의 거리) 및 이미지 거리 S' (렌즈 조립체의 이미지-측 초점 평면과 이미지 평면 사이의 거리 / 이미지 센서) 인 렌즈 조립체의 경우 다음이 성립된다:

이에 따라, 고정식 초점 길이를 갖는 렌즈 조립체를 구비한 이미지 형성 장치의 경우, 홍채 이미지 처리를 위한 디테일이 충분한 홍채 이미지 포착을 달성하기 위해 물체 거리 S를 줄이려면 이미지 센서에 형성되는 이미지가 선명도를 유지하고 초점이 맞도록 이미지 거리 S'를 그에 상응하게 증가시켜야 한다.

모바일 장치 이미지 형성 장치 내 광학 렌즈 조립체가 일반적으로 이미지 센서에 대해 이동 가능하지 않은 점을 비추어 볼 때, 본 발명은 (i) 렌즈 조립체의 초점 길이 또는 (ii) 렌즈 조립체의 최후측 표면과 이미지 센서 사이의 물리적 거리를 변경할 필요 없이, 이미지 거리를 변경함으로써 물체 거리 변화에 대응하는 메커니즘을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서, 본 발명은 렌즈 조립체의 후측 초점 평면과 이미지 센서 사이에 굴절 광학 요소를 선택적으로 배치하거나 제거함으로써 물체 거리에 있어서의 변화에 대응한다. 물체 거리가 S₀이고, 초점이 맞는 이미지가 일반적으로 이미지 거리 S'₀에 형성되는 경우, 굴절 광학 요소는, 렌즈 조립체의 이미지-측 주평면과 이미지-측 초점 평면을 이미지 센서를 향해 후측으로 이동함시킴으로써 유효 이미지 거리를 S'₁으로 증가시키도록 선택 및 위치된다. 추후 더 자세히 설명하겠지만, 본 발명은 유효 이미지 거리를 증가시킴으로써 (이미지 센서를 고정식 초점 렌즈 조립체로부터 멀리 상응한 거리만큼 이동시킬 필요 없이) 물체의 초점이 맞는 이미지가 이미지 센서 상에 계속해서 형성되도록 유효 이미지 거리를 증가시킴으로써 물체 거리에 있어서의 감소를 보상한다.

도 4에서는 바로 앞에서 설명한 원리들을 도시하고 있다.

도 4에서는 렌즈 조립체와 이미지 센서 사이에 (평면-평행(plano-parallel) 광학 요소 등과 같은) 굴절 광학 요소를 추가하는 것의 영향을 도시하고 있다. 도 4의 굴절 광학 요소는 평면-평행 굴절 요소(401)이다. 이미지 형성 장치의 실제 구성 요소들과 광학 렌즈 조립체를 통한 광 경로는 도 4에는 도시되어 있지 않다.

도 4에서, 평면-평행 굴절 요소(401)가 광학 렌즈 조립체와 이미지 평면(408) 사이에 배치되지 않은 첫 번째 상황의 경우, 광학 축 o에 평행한 광 a는 렌즈 조립체에 입사된 후 광 b가 되어 출력된다. 광 a와 광 b가 교차하는 지점인 A는 이미지-측 주평면(402)을 규정하는 지점이다. B가 출력광 b와 광학 축 o 사이의 교차점에 위치하고 이미지-측 초점 평면(403)을 규정하도록 출력광 b의 유효 경로는 AB가 된다.

평면-평행 요소(401)가 시스템 안에 배치되면, 광학 축 o에 평행한 광 a는 렌즈 조립체에 입사되고, 렌즈 조립체에서 출력된 후, 경로 AC를 지나고, 평면-평행 요소(401)의 물체-측 표면(404) 상의 지점 C에서 굴절된 후, 평면-평행 요소(401) 내의 경로 CD를 지나, 평면-평행 요소(401)의 이미지-측 표면(405) 상의 D에서 굴절된 후, 경로 DE를 지나 광 c로서 출력된다.

교차점 DE와 입사광 a는 새로운 이미지-측 주평면(406)을 규정하고, 광학 축 o과의 교차점 DE는 평면-평행 요소(401)를 포함하는 광학 시스템의 새로운 이미지-측 초점 평면(407)을 규정한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 각도 α'와 β가 서로 같고, 이에 대응되게 각도 α와 β'가 서로 같기 때문에 출력광 c는 광 b에 평행하다. 광학 시스템의 초점 길이 f는 다음과 같다:

f = S₄₀₂ _-403 = S₄₀₆ _-407

도 4의 도시에서 이해할 수 있는 바와 같이, 광학 시스템의 초점 길이는 평면-평행 요소 존재 여부와 상관없이 동일하게 유지된다. 그러나, 평면-평행 요소를 사이에 배치하게 되면, 광학 시스템의 이미지-측 주평면(402에서 406) 및 이미지-측 초점 평면(403에서 407)에서 (이미지 평면 / 이미지 센서 방향으로의) 후측 이동을 일으킨다. 상기 두 가지 후측 기본면들의 후측 이동은 고정 오프셋값 만큼 일어나는데, 이때 오프셋은 평면-평행 요소의 두께와 굴절 인덱스의 함수이다.

도 4의 시스템에 근축 근사치를 적용하는 경우,

tan(α) = sin(α) = α, (1) 및

α' = α/n (2)인

여기서, α는 렌즈 조립체(402)에서 출력되는 광과 광학 축 o 사이의 각도이고, α'는 사이에 배치된 평면-평행 광학 요소(401)에서 출력되는 광과 광학 축 o 사이의 각도이고, n은 사이에 배치된 평면-평행 광학 요소 물질(401)의 굴절 인덱스이다.

두 개의 후측 기본면들의 이동 거리 S₄₀₂ _-403과 S₄₀₆ _-40는 아래 식에 의해 도달 가능하다.

S₄₀₂ _-406 = S₄₀₃ _-407 =

여기서, d는 사이에 배치된 평면-평행 광학 요소(401)의 두께이다.

도 4에 분명히 나타난 바와 같이, 시스템의 물체-측 주평면과 물체-측 초점 평면은 평면-평행 요소의 시스템 내 개재 여부와 상관없이 변동 없이 유지된다.

도 5와 도 6에서는 (평면-평행 요소와 같은) 굴절 광학 요소를 광학 조립체의 이미지-측 초점 평면과 이미지 센서 사이에 개재함으로써 물체에 대한 원하는 배율을 달성하는 한편 물체 위치에 있어서의 변화를 보상할 수 있는 방법을 도시하고 있다.

도 5에서는 평면-평행 굴절 요소 없는 광학 시스템의 영향을 도시하고 있고 도 6에서는 평면-평행 요소가 개재된 광학 시스템의 영향을 도시하고 있다. 도 6에서는 광학 시스템 내의 실제 평면-평행 요소를 구체적으로 묘사하지 않고 있다.

(평면-평행 요소가 없는 광학 시스템을 도시하고 있는) 도 5에서는:

·F₀ = 물체-측 초점 평면

·F'₀ = 이미지-측 초점 평면

·P₀ = 물체-측 주평면

·P'₀ = 이미지-측 주평면

·H₀ = 물체의 높이

·H'₀ = 이미지의 높이

·S₀ = 물체 거리 (물체-측 주평면 P₀과 물체 사이의 거리) 및

·S'₀ = 이미지 거리 (이미지-측 주평면 P'₀과 이미지 센서 상에 형성된 이미지 사이의 거리)이다.

마찬가지로, (평면-평형 요소가 개재된 광학 시스템을 도시한) 도 6에서는:

·F₁ = 물체-측 초점 평면

·F'₁ = 이미지-측 초점 평면

·P₁ = 물체-측 주평면

·P'₁ = 이미지-측 주평면

·H₁ = 물체의 높이

·H'₁ = 이미지의 높이

·S₁ = 물체 거리 (물체-측 주평면 P₀과 물체 사이의 거리) 및

·S'₁ = 이미지 거리 (이미지-측 주평면 P'₀과 이미지 센서 상에 형성된 이미지 사이의 거리)이다.

도 5와 도 6의 비교, 및 도 3을 참조로 한 상기 내용을 바탕으로,

S'₀ = S'₁ + 이동 거리 (즉, 도 4로부터 S₄₀₂ _-406)이다.

렌즈 공식을 적용하면,

즉,

S₀ < S₁이다.

도 4 내지 도 6 및 상기 내용을 바탕으로, 이미지 형성 장치에서 (평면-평행 요소 등의) 굴절 광학 요소를 생략 또는 제거함으로써 렌즈 조립체와 이미지 평면(렌즈 조립체에 대한 이미지 센서의 위치)의 초점 길이는 변동하지 않으면서 이미지 거리를 줄일 수 있음을 이해할 수 있다.

도 6을 참조로 설명한 바와 같이, 이미지 형성 장치 내에 (평면-평행 요소와 같은) 굴절 광학 요소를 개재하게 되면, 렌즈 조립체와 (이미지 센서의 위치) 이미지 평면의 초점 길이는 변경하지 않으면서 증가된 물체 거리 (및 그에 따른 더 큰 선형 시야)에서 이미지 포착이 가능하다.

일 실시 예에서, 이미지 형성 장치에서 굴절 광학 요소/평면-평행 요소를 제거함으로써 홍채 이미지 형성을 위한 감소된 물체 거리에서 홍채 이미지 포착이 가능하도록 이미지 형성 장치가 구성될 수 있다. 증가된 물체 거리에서의 비홍채 이미지 포착을 위한 이미지 형성 장치는 이미지 센서의 정면에 굴절 광학 요소를 개재함으로써 구성 가능하고, 이에 따라 렌즈 조립체와 이미지 센서의 위치를 변경하지 않으면서 광학 시스템의 후측 주평면과 후측 초점 평면에서 원하는 후측 거리 이동을 달성하는 한편 유효 이미지 거리를 줄일 수 있다.

도 5와 도 6에 도시된 본 발명의 실시 예들에 따르면, 평면-평행 요소를 선택적으로 추가하거나 제거함으로써 물체 거리와 배율을 원하는 만큼 변경할 수 있다. 또 다른 실시 예에 따르면, 제1 굴절 광학 요소/평면-평행 요소를 두께 및/또는 굴절 인덱스가 다른 굴절 광학 요소/평면-평행 요소로 대체함으로써 물체 거리와 배율을 원하는 만큼 변경할 수 있다.

배치되고 개재된 굴절 요소/평면-평행 및 이미지 형성 표면 사이에 또 다른 광학 요소들이 배치될 수 있음을 이해해야할 것이다. 이러한 다른 광학 요소들은 평면-평행 커버 유리, 컬러 마스크, 기타 광학 필터들, 마이크로렌즈, 종래의 렌즈 요소들 등과 같은 이미지 센서의 부품들을 포함하나 여기에 한정되지 않는다.

굴절 요소/평면-평행 요소를 광학 조립체의 이미지-측 표면과 이미지 형성 표면 사이에 개재하는 것은 상기 굴절 요소/평면-평행 요소를 수동으로 삽입 또는 제거함으로써 달성 가능하다. 또 다른 일 실시 예에서, 본 발명은 굴절 요소/평면-평행 요소를 수용하도록 구성되고 적어도 제1 및 제2 위치를 갖는 하나 이상의 홀더(holder)를 포함할 수 있다. 제1 위치에서, 굴절 요소/평면-평행 요소는 이미지 형성 표면과 광학 렌즈 조립체 사이에 개재되어, 제1 물체 평면에 위치된 물체들의 이미지를 이미지 형성 표면상에 형성할 수 있다. 제2 위치에서, 굴절 요소/평면-평행 요소는 이미지 형성 표면과 광학 렌즈 조립체 사이에서 제거되어, 제2 물체 평면에 위치된 물체들에 대한 이미지를 이미지 형성 표면상에 형성할 수 있다. 또는, 상기 하나 이상의 홀더들은 두께 및/또는 굴절 인덱스가 다른 적어도 두 개의 굴절 요소들/평면-평행 요소들을 지지하도록 구성될 수 있고, 상기 적어도 두 개의 굴절 요소들/평면-평행 요소들 중 하나를 이미지 형성 표면과 광학 렌즈 조립체 사이에 서로 교대로 배치하도록 구성될 수 있다. 굴절 요소들/평면-평행 요소들은 제1 굴절 요소/평면-평행 요소를 이미지 형성 표면과 광학 렌즈 조립체 사이에 개재하면 이미지 형성 표면상에 제1 물체 평면에 대한 초점이 맞는 이미지가 형성되고, 제2 굴절 요소/평면-평행 요소를 이미지 형성 표면과 광학 렌즈 조립체 사이에 개재하면 이미지 형성 표면상에 제2 물체 평면에 대한 초점이 맞는 이미지가 형성되도록 구성 및 위치될 수 있다.

평면-평행 요소들을 제거 가능하게 위치시키기 위한 홀더들은 이미지 센서와 광학 렌즈 조립체 사이에 굴절 요소/평면-평행 요소를 위치시키고 제거할 수 있는 임의의 기계적 또는 전자기계적 구성을 포함할 수 있다. 이러한 구성에는 회전식 홀더, 축회전 암(pivoting arm), 슬라이딩 윈도우 배열, 및 그 외에도 이미지 센서 앞에 굴절 요소/평면-평행 요소를 추가하거나 제거하고, 또는 이미지 센서 앞의 하나의 굴절 요소/평면-평행 요소를 또 다른 굴절 요소/평면-평행 요소로 교체할 수 있는 구성들이 포함된다.

제거 가능한 굴절 요소/평면-평행 요소를 적절히 구성함으로써, 광학 조립체는, 이미지 센서 앞에 굴절 요소/평면-평행 요소를 개재하는 것에 상응하는 제1 이미지 포착 특성 세트, 및 이미지 센서 앞에서 굴절 요소/평면-평행 요소를 제거하는 것에 상응하는 제2 이미지 포착 특성 세트를 포함하도록 구성될 수 있다.

이미지-측 초점 평면과 이미지-측 주평면을 변경하는 것과 더불어, 굴절 요소/평면-평행 요소는 또한 (비-홍채 이미지 형성 모드들을 위한) 또는 (홍채 이미지 형성 모드들을 위한) 적외선 통과 필터를 비롯한 광학 필터의 역할을 하도록 선택될 수 있다.

본 발명의 예시적 실시 예들은 본 명세서에서 설명 및 도시되었으나, 이는 단지 도시의 목적인 것으로 이해해야 할 것이다. 당업자라면 첨부한 청구항들에 기재된 본 발명의 사상과 범위 내에서 실시 예들에 대해 형태 및 세부적으로 다양한 변형을 가할 수 있음을 이해해야 할 것이다.

Claims

이미지 센서, 및 이미지-측 표면과 물체-측 표면을 포함하고 상기 이미지 센서의 이미지 형성 표면상에 물체 평면의 이미지를 형성하도록 구성된 광학 조립체를 포함하는 이미지 형성 장치를 구성하는 방법으로서,
상기 이미지 형성 장치의 제1 이미지 형성 구성을 변경하여 상기 이미지 형성 장치의 제2 이미지 형성 구성을 달성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 이미지 형성 구성을 변경하는 단계는 상기 광학 조립체의 이미지-측 표면과 상기 이미지 형성 표면 사이에 굴절 광학 요소를 개재하는 단계를 포함하고, 상기 개재되는 굴절 광학 요소는,
(i) 상기 광학 조립체의 이미지-측 주평면을 상기 이미지 형성 표면 방향으로 이동 거리 만큼 이동시키고;
(ii) 상기 광학 조립체의 이미지-측 초점 평면을 상기 이미지 형성 표면 방향으로 상기 이동 거리 만큼 이동시키도록 구성되고,
상기 제1 이미지 형성 구성에서는, 상기 광학 조립체가 상기 이미지 형성 표면상에, 상기 광학 조립체의 물체-측 표면에서 제1 물체 거리에 위치하는 제1 물체 평면에 위치된 물체의 초점이 맞는 이미지를 형성하고;
상기 제2 이미지 형성 구성에서는, 상기 광학 조립체가 상기 이미지 형성 표면상에, 상기 광학 조립체의 물체-측 표면에서 제2 물체 거리에 위치하는 제2 물체 평면에 위치된 물체의 초점이 맞는 이미지를 형성하고, 상기 제2 물체 거리는 상기 제1 물체 거리보다 길고;
상기 이동 거리는 상기 광학 조립체가 상기 제1 물체 평면에 위치된 물체의 초점이 맞는 이미지를 형성하는 제1 이미지 평면과, 상기 광학 조립체가 상기 제2 물체 평면에 위치된 물체의 초점이 맞는 이미지를 형성하는 제2 이미지 평면 사이의 거리인, 이미지 형성 장치 구성 방법.
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제1항에 있어서,
상기 제1 이미지 형성 구성은 홍채 이미지 형성에 최적화된, 이미지 형성 장치 구성 방법.
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이미지 센서, 및 이미지-측 표면과 물체-측 표면을 포함하고 상기 이미지 센서의 이미지 형성 표면상에 물체 평면의 이미지를 형성하도록 구성된 광학 조립체를 포함하는 이미지 형성 장치를 구성하는 방법으로서,
상기 이미지 형성 장치의 제1 이미지 형성 구성을 변경하여 상기 이미지 형성 장치의 제2 이미지 형성 구성을 달성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 이미지 형성 구성을 변경하는 단계는 상기 광학 조립체의 이미지-측 표면과 상기 이미지 형성 표면 사이에 굴절 광학 요소를 제거하는 단계를 포함하고, 상기 제거되는 굴절 광학 요소는,
(i) 상기 광학 조립체의 이미지-측 주평면을 상기 이미지 형성 표면 방향으로 이동 거리 만큼 이동시키고;
(ii) 상기 광학 조립체의 이미지-측 초점 평면을 상기 이미지 형성 표면 방향으로 상기 이동 거리 만큼 이동시키도록 구성되고,
상기 제1 이미지 형성 구성에서는, 상기 광학 조립체가 상기 이미지 형성 표면상에, 상기 광학 조립체의 물체-측 표면에서 제1 물체 거리에 위치하는 제1 물체 평면에 위치된 물체의 초점이 맞는 이미지를 형성하고;
상기 제2 이미지 형성 구성에서는, 상기 광학 조립체가 상기 이미지 형성 표면상에, 상기 광학 조립체의 물체-측 표면에서 제2 물체 거리에 위치하는 제2 물체 평면에 위치된 물체의 초점이 맞는 이미지를 형성하고, 상기 제1 물체 거리는 상기 제2 물체 거리보다 길고;
상기 이동 거리는 상기 광학 조립체가 상기 제1 물체 평면에 위치된 물체의 초점이 맞는 이미지를 형성하는 제1 이미지 평면과, 상기 광학 조립체가 상기 제2 물체 평면에 위치된 물체의 초점이 맞는 이미지를 형성하는 제2 이미지 평면 사이의 거리인, 이미지 형성 장치 구성 방법.
제1항 또는 제12항에 있어서,
상기 굴절 광학 요소의 너비 및 굴절 인덱스는, 상기 광학 조립체의 이미지-측 주평면과 이미지-측 초점 평면이 상기 이동 거리 만큼 상기 이미지 형성 표면 방향으로 이동하도록 선택되는, 이미지 형성 장치 구성 방법.
제1항 또는 제12항에 있어서,
상기 제1 및 제2 이미지 형성 구성들 중 하나는 홍채 이미지 형성에 최적화된, 이미지 형성 장치 구성 방법.
삭제
제14항에 있어서,
상기 굴절 광학 요소는 평면-평행 요소이거나 평면-평행 광학 필터인, 이미지 형성 장치 구성 방법.
삭제
제16항에 있어서,
상기 굴절 광학 요소는 평면-평행 광학 필터이고,
상기 제1 이미지 형성 구성이 홍채 이미지 형성에 최적화될 때 상기 광학 필터는 적외선 통과 필터이고, 또는
상기 제2 이미지 형성 구성이 홍채 이미지 형성에 최적화될 때 상기 광학 필터는 적외선 차단 필터인, 이미지 형성 장치 구성 방법.
삭제
제1항 또는 제12항에 있어서,
상기 광학 조립체는 고정식 초점 광학 조립체인, 이미지 형성 장치 구성 방법.
제1항 또는 제12항에 있어서,
상기 광학 조립체의 초점 길이, 및 상기 이미지 형성 표면과 상기 광학 조립체의 이미지-측 표면 사이의 거리 중 적어도 하나는 상기 제1 및 제2 이미지 형성 구성들 모두에서 일정한, 이미지 형성 장치 구성 방법.
삭제
제1 이미지 형성 구성에서 제2 이미지 형성 구성으로 변경하도록 구성된 이미지 형성 장치로,
이미지 형성 표면을 포함하는 이미지 센서; 및
이미지-측 표면과 물체-측 표면을 포함하는 광학 조립체를 포함하고,
상기 광학 조립체는, 상기 제1 이미지 형성 구성에서는, 상기 광학 조립체가 상기 이미지 형성 표면상에, 상기 광학 조립체의 물체-측 표면에서 제1 물체 거리에 위치하는 제1 물체 평면에 위치된 물체의 초점이 맞는 이미지를 형성하고;
상기 제2 이미지 형성 구성에서는, 상기 광학 조립체가 상기 이미지 형성 표면상에, 상기 광학 조립체의 물체-측 표면에서 제2 물체 거리에 위치하는 제2 물체 평면에 위치된 물체의 초점이 맞는 이미지를 형성하도록, 상기 이미지 센서의 이미지 형성 표면상에 물체 평면에 대한 이미지를 형성하기 위해 구성되고,
상기 제2 물체 거리는 상기 제1 물체 거리보다 길고,
상기 제1 이미지 형성 구성에서 상기 제2 이미지 형성 구성으로 변경하도록 상기 광학 조립체의 이미지-측 표면과 상기 이미지 센서 사이에 개재되도록 구성된 굴절 광학 요소를 포함하고;
상기 개재된 굴절 광학 요소는,
(i) 상기 광학 조립체의 이미지-측 주평면을, 상기 이미지 형성 표면의 방향으로 기설정된 이동 거리 만큼 이동시키고;
(ii) 상기 광학 조립체의 이미지-측 초점 평면을, 상기 이미지 형성 표면의 방향으로 상기 이동 거리 만큼 이동시키도록 구성되고,
상기 이동 거리는 상기 광학 조립체가 상기 제1 물체 평면에 위치된 물체의 초점이 맞는 이미지를 형성하는 제1 이미지 평면과, 상기 광학 조립체가 상기 제2 물체 평면에 위치된 물체의 초점이 맞는 이미지를 형성하는 제2 이미지 평면 사이의 거리인, 이미지 형성 장치.
제23항에 있어서,
상기 굴절 광학 요소는 상기 제1 이미지 형성 구성을 달성하기 위해 상기 광학 조립체의 이미지-측 표면과 상기 이미지 형성 표면 사이에서 제거 가능하도록 구성된, 이미지 형성 장치.
제24항에 있어서,
상기 굴절 광학 요소의 너비 및 굴절 인덱스는, 상기 광학 조립체의 이미지-측 주평면과 이미지-측 초점 평면이 상기 이동 거리 만큼 상기 이미지 형성 표면 방향으로 이동하도록 선택되는, 이미지 형성 장치.
제24항에 있어서,
상기 제1 및 제2 이미지 형성 구성들 중 하나는 홍채 이미지 형성에 최적화된, 이미지 형성 장치.
삭제
제26항에 있어서,
상기 굴절 광학 요소는 평면-평행 요소 또는 평면-평행 광학 필터인, 이미지 형성 장치.
삭제
제28항에 있어서,
상기 굴절 광학 요소는 평면-평행 광학 필터이며,
상기 제1 이미지 형성 구성이 홍채 이미지 형성에 최적화될 때 상기 광학 필터는 적외선 통과 필터이고, 또는
상기 제2 이미지 형성 구성은 홍채 이미지 형성에 최적화될 때 상기 광학 필터는 적외선 차단 필터인, 이미지 형성 장치.
삭제
제23항에 있어서,
상기 광학 조립체는 고정식 초점 광학 조립체인, 이미지 형성 장치.
제23항에 있어서,
상기 광학 조립체의 초점 길이, 및 상기 이미지 형성 표면과 상기 광학 조립체의 이미지-측 표면 사이의 거리 중 적어도 하나는 상기 제1 및 제2 이미지 형성 구성들 모두에서 일정한, 이미지 형성 장치.
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