JP7058832B2 - シートおよび光学式指紋認識装置 - Google Patents

Description

関連出願との相互引用
本発明は２０１７．１１．０７付け韓国特許出願第１０－２０１７－０１４７０３３号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。

技術分野
本発明は、光学式指紋の認識に使用可能なシートおよびこれを含む装置に関する。

スマートフォンやタブレットＰＣなどの携帯用モバイル機器の普遍化と使用頻度の増加により、これらの機器のセキュリティー性が重要視されている。特に、これらの機器を利用した電子商取引やバンキング分野でのセキュリティーの維持はさらにそうである。セキュリティーの維持のために機器の使用者を識別又は認証するには、使用者の生体情報、例えば、指紋、紅彩、顔面または音声などの情報が利用され得る。最近では指紋を通じての使用者認証技術が適用された携帯用モバイル機器が商業的に興行したりもした。

一方、指紋を認識する方法は、光学式、超音波式、静電容量方式、電場測定方式、および熱感知方式などに分類することができる。この中で光学式指紋認識方法は、装置の透明な指紋接触部と直接接触する指紋のリッジ（ｒｉｄｇｅ）部分で散乱する光を検出するいわゆる散乱方式と、指紋のバレー（ｖａｌｌｅｙ）部分に対応する指紋接触部の表面から全反射する光を検出するいわゆる全反射方式に分けることができる。前者の場合、散乱する光を検出しなければならないため指紋のパターンの識別に十分な光量がセンサに提供され難くなり得、散乱光の経路が本来の光源の光経路と重なり得るためコントラストが低下する可能性がある。そして、散乱方式では光経路差によって発生する台形ひずみ（Ｔｒａｐｅｚｏｄｉａｌ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）も発生する。多くの論文と特許を通じて前記問題を解決するための多様な構造の装置が提案されたりもしたが、バルキーなプリズムを使うなどの理由により、前記散乱式方法は携帯用モバイル機器に適合するとは言えない。また、後者の場合には、散乱光を検出する方式よりはより多くの光量を確保できる利点があるものの、センサに向かう全反射光が導波管に沿って全反射を繰り返す過程で全反射経路が長くなると、隣接する指紋で全反射した光が互いに干渉してコントラストを低下させ得る。また、従来の全反射方式を利用する場合には、センサやプリズムなどを別途に装着しなければならないなどの理由で装置の大きさが増加し得、光源が位置した導波管の一末端の反対側の末端にセンサが位置するように指紋認識装置の入・出射構造が非常に制限されるため、大面積ディスプレイを有する携帯用モバイル機器に対する適合性も良くない問題がある。

本発明の一目的は、指紋接触部の汚染の程度にかかわらず、コントラストの高い指紋情報を検出できるようにする、光学式指紋認識用（または入力用）シートおよびこれを含む装置を提供することである。

本発明の他の目的は、構造が簡単であり、大面積で複数の指紋を同時に認識できる、光学式指紋認識用（または入力用）シートおよびこれを含む装置を提供することである。

本発明の前記目的およびその他の目的は下記で詳細に説明される本発明によりすべて解決され得る。

前記した従来技術の問題点を解決し、前記目的を達成するために、本発明は、シートの構成のうち特定層間の積層構造内でのみ常に全反射する光を提供できる第１光制御部；および前記第１光制御部から提供されて特定層間の積層構造内で全反射する光の一部を所定角度に変換させて出射することによって、前記特定層間の積層構造内で全反射せず、シートの表層に到達してシートの表層に接する指紋のパターンにより全反射の有無が決定される光を提供できる第２光制御部；を単一層内に含むシートおよび装置を提供する。

本発明は、コントラストの高い指紋情報を提供し、複数の指紋のパターンが互いに影響を受けずに認識できるようにする光学式指紋認識用シートを提供することができる。また、本発明は、入射および出射構造に制約を受けず、大面積センサおよび画面表示装置を有することができる装置を提供することができる。さらに、本発明は、シート指紋接触部の汚染の程度にかかわらず前記効果を発揮できるシートおよび装置を提供することができる。

本発明の一実施例に係る光学式指紋認識用（または入力用）シートおよびこれを含む装置の断面を概略的に図示した図面。 本発明の一実施例に係るシートを利用して撮影された指紋のイメージ。

以下、本発明の一例に係るシートおよびこれを含む装置を、添付された図面を参照して詳細に説明する。説明の便宜のために、図示された各構成の大きさや形状は誇張されるか縮小され得る。

本発明に関する一例において、本発明は、光学式指紋認識用シートまたは指紋入力用シートに関する。前記シートは所定の積層構成を有する光学フィルムを含む。下記で説明されるように、本発明のシートは、外部光源に由来する光が所定の積層構造を有する光学フィルム内に、互いに異なる角度の２つの光（線）で存在できるように構成され得る。前記光（線）のうち一つは前記所定の積層構成を有する光学フィルム内で常に全反射され得る。他の一つの光（線）は前記所定の積層構成を有する光学フィルム内で全反射されなくてもよい。具体的には、前記他の一つの光線は、前記所定の積層構成を有する光学フィルムを透過した後、シートの外部で接触する物質のパターンによりシートの表層で全反射の有無が決定され、全反射された後にはシートの下部に到達するかこれを透過して、シートの下部に位置するセンサで識別され得る。この時、所定の積層構成とは、下記で説明されるように、対向する２つの低屈折層間に光制御層が位置する構成を意味する。また、本発明でシートの表層とは、下記で説明される透明基材層と関連されたものであって、空気と接する透明基材層の上面を意味する、または指紋のようにパターンを有する物体と直接または間接的に接する透明基材層の上面を意味し得る。

これと関連して図１は、本発明の一実施例に係る光学式指紋認識用（または入力用）シートおよびこれを含む装置の断面を概略的に図示する。図１を参照して本発明を説明すると下記の通りである。

本発明のシートは、対向する２つの低屈折層およびこれらの間に位置する光制御層を有する光学フィルムを含むことができる。すなわち、本発明のシートに使われる光学フィルムは、下部低屈折層、前記下部低屈折層上に位置する光制御層、および前記光制御層上に位置する上部低屈折層を含むことができる。本発明で、層間積層位置と関連して使われる「上」または「上に」という用語は、ある構成が他の構成の真上に形成される場合だけでなく、これらの構成間に第３の構成が介在する場合まで含むことを意味し得る。また、本発明で、「低屈折層」とは、例えば、光制御層がある２つの層間に介在される場合、前記２つの層の屈折率が光制御層より低いことと同様に、いずれか一つの層が隣接する層に比べて相対的に低い屈折率を有する場合を意味し得る。

光制御層は第１光制御部と第２光制御部を含む。前記光制御部は特定の角度で入射する光に対してのみ所定の機能を遂行するように設けられた構成であり得る。それにより、下記で説明されるように、第１光制御部は、上部低屈折層の下面と下部低屈折層の上面のそれぞれに対して常に全反射する光を提供することができる。また、前記第２光制御部は、上部低屈折層、具体的には前記所定の積層構成の光学フィルムを透過し、シートの表層では、シートの表層に接する指紋のパターンにより全反射の有無が決定され得る光をシートの表層に提供することができる。本発明で「下面」とは、下部低屈折層と向き合うか接する光制御層（または光制御部）、上部低屈折層、および透明基材層の一面を意味し得、「上面」とは、当該下面を有する光制御層（または光制御部）、上部低屈折層および透明基材層のその反対の一面を意味し得る。前記下面または上面は、光の進行経路により、入光面や入射面そして出光面や出射面と呼称され得る。

図１のように、前記第１光制御部は、下部低屈折層を通じて第１光制御部の下面に対して第１角度θ_０で入射した光を、第１角度θ_０と異なる第２角度θ_Ａの光Ａで上部低屈折層の下面に出射することができる。一つの例示において、前記第２角度θ_Ａの光が出射する第１光制御部の出射面は、第１光制御部の下面を除いた他の一面または内部のある領域であり得る。より具体的には、本発明のシートは、第１光制御部の側面および／または上面や、第１光制御部の内部のある領域および／または地点で第２角度θ_Ａの光が出射できるように構成され得る。この時、前記第２角度θ_Ａの光は、例えば上部低屈折層と光制御層の界面のような上部低屈折層の下面で、そして例えば下部低屈折層と光制御層の界面のような下部低屈折層の上面でそれぞれ全反射する光であり得る。本発明で「界面」とは、隣接した２つの層間の境界面、または光が通る経路に置かれた異種の媒質間の境界面を意味し得る。本発明で、角度は、水平面に置かれたシート（または入光層や入光面）に対する法線から光の進行方向がなす角度であって、その単位は°（度：ｄｅｇｒｅｅ）であり、０°超過～９０°未満の大きさを有することができる。また、光が有する角度は、光の進行方向に沿った各構成の相対的な位置により、入射角または出射角と呼称され得る。

図１のように、前記第２光制御部は、例えば上部低屈折層の下面で全反射して第２光制御部に第２角度θ_Ａで入射した光を、第２角度θ_Ａの光Ａおよび第２角度θ_Ａと異なる第３角度θ_Ｂの光Ｂで上部低屈折層の下面に出射することができる。一つの例示において、前記第２角度θ_Ａの光および第３角度θ_Ｂの光が出射する第２光制御部の出射面は、第２光制御部の下面を除いた他の一面または内部のある領域であり得る。より具体的には、本発明のシートは、第２光制御部の側面および／または上面や、第１光制御部の内部のある領域および／または地点で第２角度θ_Ａの光および第３角度θ_Ｂの光Ｂが出射され得るように構成され得る。この時、前記第３角度θ_Ｂの光は上部低屈折層の下面、例えば上部低屈折層と光制御層の界面で全反射せず、上部低屈折層の下面または上部低屈折層を透過する光であり得る。

前記のように、本発明の光制御層は、光の角度や経路などを互いに異なって制御できる２つの部分に区画され得るため、図１でのように、光制御層上に位置する上部低屈折層に向かって、具体的には上部低屈折層に対して、より具体的には上部低屈折層の下面に対して、角度が互いに異なる２つの光（ＡおよびＢ）を提供（出射）することができる。

具体的な一例において、本発明のシートは、第１光制御部から上部低屈折層に向かって出射した第２角度θ_Ａの光が、下記の関係式１および２を満足して、上部低屈折層の下面および下部低屈折層の上面のいずれでも全反射し得るように設けられ得る。すなわち、前記第１光制御部は、その下面に対して第１角度θ_０で入射した光を下記の関係式１および２を満足する第２角度θ_Ａの光に変換して、光制御層の上面または上部低屈折層の下面に向かって出射することができる。下記で説明される関係式はスネルの法則を利用して得ることができる。

［関係式１］
θ_Ａ＞（１８０°／π）×ｓｉｎ^－１（ｎ_２／ｎ_３）

前記関係式１は、光制御層で上部低屈折層に進行する第２角度θ_Ａの光が、上部低屈折層の下面、例えば、光制御層と上部低屈折層の界面で全反射する条件を例示的に規定したものである。前記関係式１で、ｎ_２は上部低屈折層の屈折率であり、ｎ_３は光制御層のうち第１光制御部または第２光制御部の屈折率であり、ｎ_３はｎ_２より大きい。

［関係式２］
θ_Ａ＞（１８０°／π）×ｓｉｎ^－１（ｎ_４／ｎ_３）

前記関係式２は、関係式１を満足する光が上部低屈折層の下面で全反射して光制御層に入射した後、下部低屈折層に向かう場合に、下部低屈折層の上面、例えば下部低屈折層と光制御層の界面で全反射する条件を例示的に規定したものである。前記関係式２で、ｎ_３は光制御層のうち第１光制御部または第２光制御部の屈折率であり、ｎ_４は下部低屈折層の屈折率であり、ｎ_３はｎ_４より大きい。

前記のように、本発明のシートは、所定の積層構造内で常に全反射する全反射光が存在できるように設けられ得る。一方、本発明で、第２角度θ_Ａの光は指紋の接触の有無にかかわらず常に全反射する光であるため、シート内でその光量が一定水準に維持され得る。そして、下記で説明されるように指紋の認識に使われる角度θ_Ｂ’の光は、角度θ_Ａの全反射光が変換された角度θ_Ｂの光に起因するため、指紋イメージを生成するための角度θ_Ｂ’の光も指紋の接触有無にかかわらずシート内でその光量が一定に維持され得る。

前記第２光制御部は、上部低屈折層の下面と下部低屈折層の上面で全反射して第２光制御部に第２角度θ_Ａで入射した光を、第２光制御部の上面または上部低屈折層の下面に向かって、第２角度θ_Ａの光Ａおよび第２角度θ_Ａと異なる第３角度θ_Ｂの光Ｂで出射することができる。すなわち、前記第２光制御部は角度θ_Ａの光Ａの一部を角度θ_Ｂの光Ｂに変換させることができる。前記変換の程度、すなわち、θ_Ａで入射した光Ａがθ_Ｂである光Ｂに変換されて出射する比率は特に制限されず、例えば０％超過～１００％未満の範囲で適切に調節され得る。この時、θ_Ａおよびθ_Ｂは、第１光制御部で出射した光および第２光制御部で出射した光のそれぞれが、入射面である上部低屈折層の下面に対して有する（入射）角度であり得る。本発明で、第３角度θ_Ｂの光は、指紋の接触の有無にかかわらず前記第２光制御部によって生成される。

本発明で、前記第２光制御部によって生成される第３角度θ_Ｂの光は、下記で説明されるように、指紋の認識に使われ得る。指紋の認識に使われるためには第２光制御部で出射した第３角度θ_Ｂの光が前記積層構造の光学フィルム内で全反射せず、上部低屈折層を透過して指紋が接するシートの表層に到達しなければならない。

第３角度θ_Ｂと関連して、本発明のシートは、第２光制御部で出射する第３角度θ_Ｂの光が、下記の関係式３を満足して、前記上部低屈折層を透過するように設けられ得る。

［関係式３］
θ_Ｂ＜（１８０°／π）×ｓｉｎ^－１（ｎ_２／ｎ_３）

前記関係式３は、光制御層の第２光制御部で上部低屈折層に向かう第３角度θ_Ｂの光が、上部低屈折層の下面で全反射しない条件を例示的に規定したものである。すなわち、前記関係式３は、第２光制御部で出射した角度θ_Ｂの光が上部低屈折層の下面または上部低屈折層を透過できる条件を意味する。前記関係式３で、ｎ_２は上部低屈折層の屈折率であり、ｎ_３は光制御層のうち第１光制御部または第２光制御部の屈折率であり、ｎ_３はｎ_２より大きい。

一つの例示において、本発明のシートは、指紋が直接または間接的に接触できる透明基材層をさらに含むことができる。シートが透明基材層を含む場合、前記透明基材層は上部低屈折層上に位置することができる。すなわち、前記シートは下部低屈折層、光制御層、上部低屈折層、および透明基材層を順に含むことができる。特に別途に定義しない限り、本発明で層の性質と関連して使われる用語「透明」とは、３８０ｎｍ～７８０ｎｍ波長の可視光に対する透過率の下限が６５％以上、７０％以上、７５％以上、８０％以上、８５％以上、９０％以上または９５％以上であり、その上限は約１００％であって１００％未満の範囲である場合を意味し得る。

前記のような構成によって、透明基材層と接する指紋の情報がセンサに伝達され得る。すなわち、光源から下部低屈折層を経て第１光制御部に入射した光は、第１光制御部によって上部低屈折層の下面および下部低屈折層の上面のそれぞれで常に全反射され得る角度θ_Ａの光で出射され、第１光制御部で出射した角度θ_Ａの光は指紋と透明基材層の接触の有無にかかわらず全反射しながら第２光制御部に入射する。そして、前記第２光制御部は、入射した角度θ_Ａの光のうち一部を角度θ_Ｂの光に変換して上部低屈折層と透明基材層側に出射する。この時、第２光制御部で角度θ_Ｂの光に変換されていないθ_Ａの光は下部低屈折層の上面で全反射する。また、角度θ_Ｂで上部低屈折層の下面に入射した光は、上部低屈折層を透過して透明基材層に入射しながら角度θ_Ｂとは異なる第４角度θ_Ｂ’の光に変換（屈折）されて透明基材層に入射され得る。そして本発明では、前記第４角度θ_Ｂ’の光が透明基材層と指紋の接触部である指紋のリッジ（ｒｉｄｇｅ）では透過し、透明基材層と指紋の非接触部である指紋のバレー（ｖａｌｌｅｙ）では全反射するようにシートが構成され得る。そして、指紋のバレー（ｖａｌｌｅｙ）部分で全反射した光は、上部低屈折層と光制御層を経て、下部低屈折層に到達する又は下部低屈折層を透過してセンサに認識されるように本発明のシートが構成され得る。指紋のリッジ（ｒｉｄｇｅ）で前記第４角度θ_Ｂ’の光が透明基材層の上面を透過する場合、透過とともに散乱および／または反射が行われ得る。

本発明の発明者は、指紋認識用または入力用シートおよび装置と関連して、韓国特許出願第１０－２０１７－０１４７００８号で、常に全反射する光が全反射され得る界面のうち一つが指紋が接触するシートの最上層面、すなわち透明基材層の上面になる発明を提案したことがある。前記出願で提案されたシートおよび装置も従来技術の問題点を解消するためのものであるが、多様な原因によって全反射する光のうち一部が損失され得るという問題を発見した。全反射光を損失させる原因としては、透明基材層の汚染、透明基材層と水分の接触、または指紋で加えられる圧力の大きさの差を挙げることができる。しかし本発明では、指紋の接触の有無にかかわらず常に所定の積層構造内で全反射し、所定の経路を経ながら指紋の識別に使われる角度の光θ_Ｂ’に変換され得る角度θ_Ａの全反射光が全反射する界面を、シートの表層面ではなくシートの内部に位置させるため、透明基材層の汚染や指紋の状態のような外部要因に相対的に鈍感である長所がある。

本発明の一具体例によると、前記のような機能を遂行するために、本発明のシートは下記のように構成または設けられ得る。

一つの例示において、前記第１光制御部および第２光制御部は回折光学素子または屈折光学素子を含むことができる。

屈折光学素子（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）は隣接媒質との屈折率差によって進行する光の方向や角度が決定される特性の素子を意味し得る。本発明の光制御部が屈折光学素子である場合には、本発明で説明される光経路を満足するように各層間屈折率が考慮されて光制御部が構成され得る。

回折光学素子（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）はパターンの形とパターン間の間隔によって光の進行方向や角度が決定される特性の素子を意味し得る。本発明の光制御部が回折光学素子である場合には、本発明で説明される光経路を満足するように各層間屈折率と回折パターンが考慮されて光制御部が構成され得る。

一つの例示において、本発明の光制御層は回折光学素子を含むことができる。具体的には、前記第１光制御部および第２光制御部は互いに異なる機能の回折光学素子を含むことができ、前記回折光学素子はフィルム形態のホログラフィック光学素子（ＨＯＥ：ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）であり得る。ホログラフィックとは、ホログラムと呼ばれる３次元像を再生するために感光媒体に干渉パターンを記録する技術である。また、ホログラフィックフィルムは、ホログラフィック記録が記録されたフィルムを意味し、感光粒子が非常に小さいフィルム上に記録光を利用して干渉縞を記録し、再生光を利用してこれを再現できるフィルムを意味し得る。ホログラフィックフィルムは記録された光に対してのみ機能を遂行し、記録された光以外の光に対しては要求される機能を遂行しないことがあり得るため、前記第１光制御部および前記第２光制御部にホログラフィックフィルムを使う場合、本発明で要求される光の角度、光路および／または光量を調節するのに特に有利である。

前記ホログラフィックフィルムは、記録媒体として感光材料を含むことができる。前記感光材料としては、フォトポリマー（ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒ）、フォトレジスト（ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ）、ハロゲン化銀エマルジョン（ｓｉｌｖｅｒ ｈａｌｉｄｅ ｅｍｕｌｓｉｏｎ）、重クロム酸ゼラチン（ｄｉｃｈｒｏｍａｔｅｄ ｇｅｌａｔｉｎ）、フォトグラフィックエマルジョン（ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ ｅｍｕｌｓｉｏｎ）、フォトサーモプラスチック（ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ）または光屈折（ｐｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ）材料などが使われ得る。一つの例示において、前記ホログラフィックフィルムは感光材料としてフォトポリマーを含むことができ、具体的にはフォトポリマーのみからなるフィルムであるか、またはフォトポリマー層（ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒ ｌａｙｅｒ）および前記層に対する基材（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）を共に含む重層構造のフィルムであり得る。この場合、フォトポリマーとともに使われる基材は透明基材であり得、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、またはトリアセチルセルロース（ＴＡＣ）等を含む基材であり得るが、特に制限されるものではない。

一つの例示において、前記第１光制御部および第２光制御部の回折効率は、互いに同一または異なり得る。具体的には、前記第１光制御部はその全体面積で同一の回折効率を有することができ、前記第２光制御部もその全体面積で同一の回折効率を有することができ、この時、各光制御部が有する回折効率は互いに同一または異なり得る。

一つの例示において、前記第１光制御部および第２光制御部は、一つの層上で記録光の角度または回折パターンだけを異ならせてそれぞれ形成された一部の領域であり得る。または別途に製作された第１光制御部と第２光制御部が単一層を形成できるように、第１光制御部および第２光制御部を直接付着するまたは他の媒体を媒介に付着して光制御層が形成されてもよい。

前記説明された透過率を満足する場合であれば、前記透明基材層の種類は特に制限されない。例えば、ガラスまたは高分子樹脂を含むことができる。高分子樹脂としては、ＰＣ（ポリカーボネート；Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＰＥＮ（ポリ（エチレンナフタレート）；ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ））またはＰＥＴ（ポリ（エチレンテレフタレート）；ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ））のようなポリエステルフィルム、ＰＭＭＡ（ポリ（メチルメタクリレート）；ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ））のようなアクリルフィルム、またはＰＥ（ポリエチレン；ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）またはＰＰ（ポリプロピレン；ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）のようなポリオレフィンフィルムなどが使われ得るが、これに制限されるものではない。一つの例示において、前記透明基材層は前記複数のガラスまたは高分子樹脂が積層された構成を有することができる。このような積層構成を有する場合にも、本発明で要求される機能を遂行し、下記の関係式を満足するように透明基材層が設けられ得る。

一つの例示において、前記透明基材層は硬度強化フィルム、防汚フィルム、反射防止フィルムおよびデコフィルムで構成された機能性フィルムのうち一つ以上をさらに含むことができる。例えば、透明基材層がガラスと機能性フィルムを含む場合、ガラスがいわゆるカバーガラスであって指紋と接触するシートの表層に位置することができ、前記機能性フィルムはガラスと上部低屈折層間に介在され得る。またはガラスの上部に前記機能性フィルムのうちいずれか一つ以上が位置することができる。このような構成を有する場合にも、前記透明基材層は本発明で説明された機能を遂行し、本発明で規定される関係式を満足するように設けられ得る。

一つの例示において、前記上部低屈折層および下部低屈折層は、本発明で規定される屈折率と関係式を満足する粘着層（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ａｄｈｅｓｉｖｅ ｌａｙｅｒ）であり得る。粘着層の種類や組成は特に制限されず、例えば、アクリル系粘着層またはシリコーン系粘着層であり得る。さらに一つの例示において、前記下部基材層は粘着物質の他に、前記説明された透明樹脂フィルムをさらに含むことができ、これらは粘着物質に対する基材として機能するか、その他に異なる機能を付与する目的で使われ得る。このような構成を有する場合にも、本発明で要求される機能を遂行し、下記の関係式を満足するように下部基材層が設けられ得る。

本発明で、下部低屈折層、光制御層、上部低屈折層、および透明基材層のそれぞれは、互いに同じであるか異なる屈折率を有することができる。一つの例示において、前記層はそれぞれ独立的に１超過～５以下、または１超過～３以下の範囲の屈折率を有することができ、層間屈折率の差は０．０００１～２以下であり得る。光制御層の場合、本発明で要求される機能を遂行できる範囲で、第１光制御部と第２光制御部の屈折率は同一または互いに異なるように調節され得る。

一つの例示において、上部低屈折層の屈折率は、前記光制御層の屈折率および透明基材層の屈折率より小さくてもよい。同様に、下部低屈折層の屈折率は、前記光制御層の屈折率および透明基材層の屈折率より小さくてもよい。特に制限されはしないが、前記屈折率関係を満足する場合、低屈折層と光制御層、または低屈折層と透明基材層の屈折率差は０．１以下であり得る。

一つの例示において、前記透明基材層は、光制御層より屈折率が高くてもよい。特に制限されはしないが、前記屈折率関係を満足する場合、透明基材層と光制御層の屈折率差は０．０５以下であり得る。

本発明で、上部低屈折層、下部低屈折層、光制御層、透明基材層、またはその他に含まれ得る構成の厚さは特に制限されない。例えば、本発明で説明されるシートの機能が発揮される場合であれば、前記構成の厚さは制限されず、例示的にはその下限が０．１μｍ以上または１μｍ以上であり得、その上限は１，０００μｍ以下または５００μｍ以下であり得る。

前記構成を有する本発明のシートで、第２光制御部から第３角度θ_Ｂに出射されて上部低屈折層を透過した光は、透明基材層上に高低が異なる物体が存在するかまたはその物体のパターンがどのようなものであるかにより、透明基材層の上面での全反射の有無が決定され得る。これと関連して、透明基材層の屈折率が上部低屈折層の屈折率より高く、第３角度θ_Ｂで上部低屈折層の下面に入射した光が上部低屈折層を透過して第３角度θ_Ｂと異なる第４角度θ_Ｂ’で透明基材層に入射する場合に、第４角度θ_Ｂ’の光が下記の関係式４および５を満足するように本発明のシートが設けられ得る。

［関係式４］
θ_Ｂ’＞（１８０°／π）×ｓｉｎ^－１（ｎ_０／ｎ_１）

前記関係式４は、第４角度θ_Ｂ’の光が空気と接する透明基材層の上面で全反射する条件を例示的に規定したものである。前記関係式４で、ｎ_０は空気の屈折率であって１であり、ｎ_１は透明基材層の屈折率である。

［関係式５］
θ_Ｂ’＜（１８０°／π）×ｓｉｎ^－１（ｎ_ｈ／ｎ_１）

前記関係式５は、高さが異なるパターンを有する物体が透明基材層と接触する場合、高さが異なるパターンを有する物体と透明基材層が直接接触する透明基材層の上面で第４角度θ_Ｂ’の光が透過（または透過と散乱、および反射が同時に発生し得る）される条件を例示的に規定したものである。前記関係式５で、ｎ_１は透明基材層の屈折率であり、ｎ_ｈは高さが異なるパターンを有する物体のうち透明基材層と直接接触する部分の屈折率である。この時、高さが異なるパターンを有する物体は指紋（ｆｉｎｇｅｒ ｐｒｉｎｔ）であり得、高さが異なるパターンを有する物体のうち透明基材層と直接接触する部分は指紋のリッジ（ｒｉｄｇｅ）であり得る。一方、高さが異なるパターンを有する物体のうち透明基材層と直接接触しない部分は指紋のバレー（ｖａｌｌｅｙ）であり得、バレー部分は空気が占めているため、バレー部分の屈折率は１（＝ｎ_０）と見ることができる。このように、前記角度θ_Ｂ’の光は透明基材層上に物体が存在しない場合には透明基材層と空気の界面で全反射するが、高さが異なるパターンを有する物体が透明基材層に接触する場合には透明基材層に対する物体の直接接触部（ｒｉｄｇｅ）で透過（または透過と散乱、および反射が同時に発生し得る）される光であり得る。

また、本発明で、前記シートは、空気と接する透明基材層の上面で全反射した前記第４角度θ_Ｂ’の光が、上部低屈折層の上面を透過できるように設けられ得る。透明基材層の屈折率が上部低屈折層より大きい場合には、上部低屈折層の上面、すなわち上部低屈折層と透明基材層の界面で全反射が起きてはならないため、前記第４角度θ_Ｂ’の光は下記の関係式６を満足することができる。

［関係式６］
θ_Ｂ’＜（１８０°／π）×ｓｉｎ^－１（ｎ_２／ｎ_１）

前記関係式６は、透明基材層の屈折率が上部低屈折層の屈折率より大きい場合に、透明基材層と上部低屈折層の界面で全反射が発生せず、第４角度θ_Ｂ’の光が上部低屈折層上面を透過できる条件を例示的に規定したものである。前記関係式６で、ｎ_１は透明基材層の屈折率であり、ｎ_２は上部低屈折層の屈折率であり、ｎ_１はｎ_２より大きい。

また、本発明のシートは、第４角度θ_Ｂ’の光のうち透明基材層と空気の界面で全反射した光が、上部低屈折層および光制御層を通り、下部低屈折層の下面に到達する又は下部低屈折層を透過できるように設けられ得る。下部低屈折層に到達する又は下部低屈折層を透過した光は、下部低屈折層の下に位置したセンサで認識され得る。このためには上部低屈折層を透過した光が下部低屈折層の上面、すなわち光制御層と下部低屈折層の界面で全反射してはならない。これと関連して、前記第４角度θ_Ｂ’の光は下記の関係式７を満足することができる。

［関係式７］
θ_Ｂ’＜（１８０°／π）×ｓｉｎ^－１（ｎ_４／ｎ_１）

前記関係式７は、第４角度θ_Ｂ’の光が、透明基材層と空気の界面で全反射した後、上部低屈折層および光制御層を経て、下部低屈折層（下面）に到達する又は下部低屈折層を透過できる条件を例示的に規定したものである。前記関係式７で、ｎ_１は透明基材層の屈折率であり、ｎ_４は下部低屈折層の屈折率である。

前記のように透明基材層の表層で全反射する光の角度θ_Ｂ’が前記関係式６および７を満足する場合、図１に図示された通り、シートの下部に存在するセンサは下部低屈折層（下面）に到達する又は下部低屈折層を透過する光を認識することができる。すなわち、本発明のシートは、前記第２光制御部が出射する第３角度θ_Ｂの光に起因する第４角度θ_Ｂ’の光のうち、空気と接触する透明基材層の上面（シートの表層）で全反射する光と透明基材層および物体の直接接触部で透過（または透過と散乱、および反射が同時に発生し得る）される光の光量差を識別する方式を利用して使用者の指紋が認識されるようにする。

このように、本発明はシート内で常に全反射する光を指紋の識別に直接利用するものではない。具体的には、本発明では、第１光制御部で提供されて指紋接触の有無にかかわらず、常に全反射する第２角度θ_Ａの光のうち一部が、第２光制御部によってθ_Ａと異なる第３角度θ_Ｂの光に変換されて透明基材層に向かって出射され、透明基材層の表層に到達する第４角度θ_Ｂ’の光が外部の物体が接触する透明基材層の表面からシートの内部に全反射およびシートの外部に透過（または透過と散乱、および反射が同時に発生し得る）される場合に、これらの光の光量差を指紋の識別に利用するものである。すなわち、前記θ_Ｂ’角度の光のうち、指紋との非接触部で全反射してセンサに進行する光の光量と指紋との接触部で透過（または透過と散乱、および反射が同時に発生し得る）されて減少した光の光量差が指紋の識別に利用される。

また、本発明で、前記角度θ_Ｂ’の光は、指紋の有無にかかわらずシート内で常に全反射する光に起因する。したがって、本発明では、常にシートの内部を全反射する光を利用して前記指紋の識別に利用される光の光量も一定に維持することができ、その結果、角度θ_Ｂ’の光のうち透明基材層と空気の界面で全反射する光と透明基材層と物体の直接接触部で透過（または透過と散乱、および反射が同時に発生し得る）される光の光量差がより明確にセンサで認識され得る。さらに、本発明では、指紋の有無にかかわらず生成される前記角度（θ_Ｂまたはθ_Ｂ’）の光のうち、透明基材層と空気の界面で全反射する光と透明基材層と物体の直接接触部で透過（または透過と散乱、および反射が同時に発生し得る）される光を指紋の識別に利用するので、複数の指紋のパターンが透明基材層に接触しても互いに影響を受けずに識別することができる。

一つの例示において、第１光制御部の投影面積（Ｓ１）は前記第２光制御部の投影面積（Ｓ２）より小さくてもよい。本発明で「投影面積」とは、シートをその表面の法線方向と平行な方向の上部または下部で観察する時、当該構成が視認される面積、例えば正射影面積を意味し得る。したがって、面積比較対象構成が有する凹凸などによる実際の面積の増減は考慮されない。特に制限されはしないが、Ｓ１：Ｓ２は５～４０：６０～９５の範囲であり得る。

本発明に関する他の一例において、本発明は光学式指紋認識装置または指紋入力装置に関する。

一つの例示において、前記装置は、光源部をさらに含むことができる。前記光源部は、前記シートに向かって光を照射できる構成を意味する。前記機能を遂行できるのであれば、光源部の具体的な構成は特に制限されない。前記光源部は、図１のように、前記シートの下部低屈折層の一面、より具体的には第１光制御部が接する前記下部低屈折層の一面の反対の一面上に位置することができる。光源部から入射した光は下部低屈折層を経て前記光制御層の第１光制御部に入射し、シート内で常に全反射できる光がシートに提供され得る。一つの例示において、第１光制御部に入射する光は第１光制御部の下面に対して垂直であり得る。本発明で「垂直」とは、目的とする効果を損傷させない範囲での実質的な垂直を意味するものであって、例えば、製造誤差（ｅｒｒｏｒ）または偏差（ｖａｒｉａｔｉｏｎ）等を勘案した意味で使われる。この時、誤差や偏差は±１０°以内、±８°以内、±６°以内、±４°以内、±２°以内、±１°以内、±０．５°以内、±０．２°以内、または±０．１°以内であり得る。

一つの例示において、前記装置はセンサ部をさらに含むことができる。センサ部とは、下部低屈折層に到達する又は下部低屈折層を透過する光を感知する構成を意味し得る。前記機能を遂行できるのであれば、センサ部の構成は特に制限されず、公知とされているセンサが使われ得る。前記センサ部は、図１のように、前記シートの下部低屈折層の一面、より具体的には前記第２光制御部が接する前記下部低屈折層の一面の反対の一面上に位置することができる。前述された通り、低屈折層の界面での全反射光を除き、指紋と直接接触する透明基材層の部分で全反射する光は下部低屈折層に到達するまたは下部低屈折層を透過してセンサ部で感知され得、前記センサ部はこれを通じて透明基材層に接触した物体のパターン、すなわち指紋を認識することができる。一つの例示において、前記センサ部は透明であり得る。

一つの例示において、前記装置は画面表示部をさらに含むことができる。画面表示部は、例えば、機器で再生されたイメージや動映像が使用者に視認されるようにする構成であり得る。図１のように、前記画面表示部は、前記シートの下部低屈折層の一面、より具体的には前記第２光制御部が接する前記下部低屈折層の一面の反対の一面上に位置することができる。

さらに一つの例示において、前記装置は画面表示部とセンサ部を同時に含むことができる。この場合、前記装置は画面表示部、センサ部およびシートを順に含むか、センサ部、画面表示部およびシートを順に含むことができる。また、画面表示部とセンサ部のうちいずれか一つは光源部と一つの層を形成してもよい。

さらに一つの例示において、前記装置は画面表示機能とセンサ機能を同時に遂行する一つの部（ｐａｒｔ）をさらに含むことができる。この場合、前記一つの部（ｐａｒｔ）は光源部と一つの層を形成してもよい。

図２は、本発明の一実施例に係るシートを利用して撮影された指紋のイメージである。撮影に使われたシートとしては、波長５３２ｎｍの光に対する屈折率が１．４１である下部低屈折層、５３２ｎｍ波長の光に対する屈折率が１．５０であるホログラフィックフィルムを含む光制御層、波長５３２ｎｍの光に対する屈折率が１．４１である上部低屈折層、および波長５３２ｎｍの光に対する屈折率が１．５１であるガラス基材層（ｃｏｖｅｒ ｇａｌｓｓ）を順に含む積層体を使った。前記光制御層の場合、公知のフォトポリマーフィルムを使って製造した。具体的には、第１光制御部はシート（透明基材層）に対する法線を基準として入射光を７３°で出射するように、前記第２光制御部は入射光のうち一部をシート（透明基材層）に対する法線を基準として４５°の角度で出射できるように、光制御層に回折縞が記録された。その後、シート（透明基材層）に対する法線を基準として０°で外部光をシートに照射し、透明基材層の表面に指紋を接触して下部低屈折層の下端に現れる像をＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ－ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）で撮影した。

前記のように、本発明に関する例示的な実施例である図１および図２を参照して本発明の発明を説明したが、本発明の保護範囲は前記特定された実施例と図面に限定されない。また、本技術分野が属する技術分野で通常の知識を有する者は、出願された本発明の技術的思想と範囲内で、特許請求の範囲に記載された発明を多様に変更または変形できることが理解できるであろう。

Claims (11)

1. 下部低屈折層；前記下部低屈折層上に位置し、第１光制御部および第２光制御部を含む光制御層；前記光制御層上に位置する上部低屈折層；および前記上部低屈折層上に位置する透明基材層を順に含むシートであり、
   前記第１光制御部は、下部低屈折層を通じて第１角度（θ_０）で第１光制御部の下面に入射した光を上部低屈折層の下面および下部低屈折層の上面のそれぞれで全反射する第２角度（θ_Ａ）の光で上部低屈折層の下面に出射するように設けられ、
   前記第２光制御部は、上部低屈折層の下面で全反射して第２角度（θ_Ａ）で第２光制御部に入射した光を第２角度（θ_Ａ）の光および第２角度と異なる第３角度（θ_Ｂ）の光で上部低屈折層の下面に出射するように設けられ、
   前記第１光制御部で出射する第２角度（θ _Ａ ）の光が、下記の関係式１および２を満足して、上部低屈折層の下面および下部低屈折層の上面のそれぞれで全反射するように設けられ、
   前記第２光制御部で出射する第３角度（θ _Ｂ ）の光が、下記の関係式３を満足して、前記上部低屈折層の下面を透過するように設けられ、
   第３角度（θ _Ｂ ）で上部低屈折層の下面に入射した光が上部低屈折層を透過しながら第３角度（θ _Ｂ ）と異なる第４角度（θ _Ｂ’ ）で透明基材層に入射し、
   前記第４角度（θ _Ｂ’ ）の光が下記の関係式４を満足して空気と接する透明基材層の上面で全反射するように、そして前記第４角度（θ _Ｂ’ ）の光が下記の関係式５を満足して高さが異なるパターンを有する物体と透明基材層が直接接触する透明基材層の上面で透過できるように設けられ、
   空気と接する透明基材層の上面で全反射した前記第４角度（θ _Ｂ’ ）の光が、下記の関係式６を満足して、上部低屈折層の上面を透過できるように設けられ、
   空気と接する透明基材層の上面で全反射した前記第４角度（θ _Ｂ’ ）の光が、下記の関係式７を満足して、上部低屈折層および光制御層を通って下部低屈折層の下面に到達できるように設けられる、シート：
   ［関係式１］
   θ _Ａ ＞（１８０°／π）×ｓｉｎ ^－１ （ｎ _２ ／ｎ _３ ）
   ［関係式２］
   θ _Ａ ＞（１８０°／π）×ｓｉｎ ^－１ （ｎ _４ ／ｎ _３ ）
   ［関係式３］
   θ _Ｂ ＜（１８０°／π）×ｓｉｎ ^－１ （ｎ _２ ／ｎ _３ ）
   ［関係式４］
   θ _Ｂ’ ＞（１８０°／π）×ｓｉｎ ^－１ （ｎ _０ ／ｎ _１ ）
   ［関係式５］
   θ _Ｂ’ ＜（１８０°／π）×ｓｉｎ ^－１ （ｎ _ｈ ／ｎ _１ ）
   ［関係式６］
   θ _Ｂ’ ＜（１８０°／π）×ｓｉｎ ^－１ （ｎ _２ ／ｎ _１ ）
   ［関係式７］
   θ _Ｂ’ ＜（１８０°／π）×ｓｉｎ ^－１ （ｎ _４ ／ｎ _１ ）
   （ただし、前記関係式１～７中、ｎ _０ は空気の屈折率であって１であり、ｎ _１ は透明基材層の屈折率であり、ｎ _２ は上部低屈折層の屈折率であり、ｎ _３ は光制御層のうち第１光制御部または第２光制御部の屈折率であり、ｎ _４ は下部低屈折層の屈折率であり、ｎ _ｈ は高さが異なるパターンを有する物体が前記透明基材層に接触する場合に高さが異なるパターンを有する物体のうち透明基材層と直接接触する部分の屈折率であり、ｎ _１ はｎ _２ より大きく、ｎ _３ はｎ _２ およびｎ _４ のそれぞれより大きい）。
2. 前記第１光制御部および第２光制御部は回折光学素子または屈折光学素子を含む、請求項１に記載のシート。
3. 前記第１光制御部および第２光制御部はホログラフィックフィルムを含む、請求項１又は２に記載のシート。
4. 前記下部低屈折層および前記上部低屈折層はアクリル系透明粘着層またはシリコーン系透明粘着層を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のシート。
5. 前記透明基材層はガラスまたは高分子樹脂を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載のシート。
6. 前記透明基材層は、硬度強化フィルム、防汚フィルム、デコフィルムおよび反射防止フィルムで構成された機能性フィルムのうち一つ以上をさらに含む、請求項１～５のいずれか一項に記載のシート。
7. 光学式指紋認識または光学式指紋入力に使われる、請求項１～６のいずれか一項に記載のシート。
8. 請求項１～６のいずれか一項に記載されたシートを含む、光学式指紋認識または入力装置。
9. 光源部をさらに含み、前記光源部は前記第１光制御部が接する前記下部低屈折層の一面の前記光制御部が接する側とは反対の一面上に位置する、請求項８に記載の光学式指紋認識または入力装置。
10. 前記光源部は前記第１光制御部の下面に対して、誤差±１０°以内の垂直の光を前記第１光制御部に出射できるように設けられる、請求項９に記載の光学式指紋認識または入力装置。
11. 画面表示部およびセンサ部のうち一つ以上をさらに含む、請求項８～１０のいずれか一項に記載の光学式指紋認識または入力装置。

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