(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波センサのプラテン層における回折効果を補正する方法であって、前記超音波センサが、超音波トランスミッタ、圧電レシーバ層、超音波センサアレイ、およびプロセッサを備え、前記方法が、
時間シーケンス内に複数の位相を有する指紋の複数の画像をキャプチャするステップと、
積分された複素画像を形成するために複素位相指数関数によって乗算された前記複数の画像の総和をとるステップと、
揃えられた複素画像を形成するために前記積分された複素画像をあらかじめ選択された位相に揃えるステップと、
前記揃えられた複素画像を使用して最大エネルギー位相を決定するステップと、
前記最大エネルギー位相において前記揃えられた複素画像に少なくとも部分的に基づいて前記指紋を表示するために最大エネルギー画像を決定するステップと
を備える、方法。
【請求項２】
指紋の複数の画像をキャプチャするステップが、
前記超音波トランスミッタから超音波を送信するステップであって、前記送信された超音波がパルスによって乗算された正弦波関数としてモデル化される、ステップと、
前記圧電レシーバ層において前記超音波の反射波を受信するステップであって、前記反射波が、前記時間シーケンス内に前記複数の位相を有する前記指紋の前記複数の画像を備える、ステップと
を備える、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記複数の画像の総和をとるステップが、
前記積分された複素画像を生成するために前記複素位相指数関数によって乗算された前記複数の画像を時間全体にわたって積分するステップ
を備え、
前記積分された複素画像が実数画像部および虚数画像部を含み、前記実数画像部と前記虚数画像部は約90度位相がずれている、
請求項1に記載の方法。
【請求項４】
前記積分された複素画像を前記あらかじめ選択された位相に揃えるステップが、
前記積分された複素画像を複素カーネルと畳み込み積分するステップであって、前記複素カーネルがインパルス応答の空間部分の逆関数である、ステップ
を備える、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
離散コサイン変換を使用して前記畳み込み積分を実行することによってエッジ効果を除去するステップ
をさらに備える、請求項4に記載の方法。
【請求項６】
前記最大エネルギー位相を決定するステップが、
位相に関して前記揃えられた複素画像のエネルギーの導関数を計算するステップと、
位相に関して前記揃えられた複素画像の前記エネルギーの前記導関数を0に設定することによって前記最大エネルギー位相を計算するステップと
を備える、請求項1に記載の方法。
【請求項７】
前記指紋を表示するために前記最大エネルギー画像を決定するステップが、
前記最大エネルギー位相において前記揃えられた複素画像の実数成分を前記最大エネルギー画像になるように割り当てるステップ
を備える、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
前記最大エネルギー画像を使用して指紋画像情報を生成するステップと、
前記超音波センサアレイを用いてユーザを認証するために前記指紋画像情報を使用するステップと
をさらに備える、請求項1に記載の方法。
【請求項９】
超音波を送信するように構成される超音波トランスミッタと、
前記超音波の反射波を受信するように構成される圧電レシーバ層であって、前記反射波が、時間シーケンス内に複数の位相を有する指紋の複数の画像を備える、圧電レシーバ層と、
前記超音波トランスミッタおよび前記圧電レシーバ層を保護するように構成されるプラテン層と、
超音波センサアレイと、プロセッサであって、
積分された複素画像を形成するために複素位相指数関数によって乗算された前記複数の画像の総和をとることと、
揃えられた複素画像を形成するために前記積分された複素画像をあらかじめ選択された位相に揃えることと、
前記揃えられた複素画像を使用して最大エネルギー位相を決定することと、
前記最大エネルギー位相において前記揃えられた複素画像に少なくとも部分的に基づいて前記指紋を表示するために最大エネルギー画像を決定することと
を行うように構成されるプロセッサと
を備える、超音波センサ。
【請求項１０】
前記プロセッサが、
前記積分された複素画像を生成するために前記複素位相指数関数によって乗算された前記複数の画像を時間全体にわたって積分する
ようにさらに構成され、
前記積分された複素画像が実数画像部および虚数画像部を含み、前記実数画像部と前記虚数画像部は約90度位相がずれている、
請求項9に記載の超音波センサ。
【請求項１１】
前記プロセッサが、
前記積分された複素画像を複素カーネルと畳み込み積分することであって、前記複素カーネルがインパルス応答の空間部分の逆関数である、畳み込み積分すること
を行うようにさらに構成される、請求項9に記載の超音波センサ。
【請求項１２】
前記プロセッサが、
離散コサイン変換を使用して前記畳み込み積分を実行することによってエッジ効果を除去する
ようにさらに構成される、請求項11に記載の超音波センサ。
【請求項１３】
前記プロセッサが、
位相に関して前記揃えられた複素画像のエネルギーの導関数を計算することと、
位相に関して前記揃えられた複素画像の前記エネルギーの前記導関数を0に設定することによって前記最大エネルギー位相を計算することと
を行うようにさらに構成される、請求項9に記載の超音波センサ。
【請求項１４】
前記プロセッサが、
前記最大エネルギー位相において前記揃えられた複素画像の実数成分を前記最大エネルギー画像になるように割り当てる
ようにさらに構成される、請求項9に記載の超音波センサ。
【請求項１５】
前記プロセッサが、
前記最大エネルギー画像を使用して指紋画像情報を生成することと、
前記超音波センサアレイにおいてユーザを認証するために前記指紋画像情報を使用することと
を行うようにさらに構成される、請求項9に記載の超音波センサ。
【請求項１６】
前記プラテン層が、サファイア、ゴリラガラス、ポリカーボネート、ポリマー材料、または金属充填プラスチックのうちの少なくとも1つから作られる、請求項9に記載の超音波センサ。
【請求項１７】
時間シーケンス内に複数の位相を有する指紋の複数の画像をキャプチャするための手段と、
積分された複素画像を形成するために複素位相指数関数によって乗算された前記複数の画像の総和をとるための手段と、
揃えられた複素画像を形成するために前記積分された複素画像をあらかじめ選択された位相に揃えるための手段と、
前記揃えられた複素画像を使用して最大エネルギー位相を決定するための手段と、
前記最大エネルギー位相において前記揃えられた複素画像に少なくとも部分的に基づいて前記指紋を表示するために最大エネルギー画像を決定するための手段と
を備える、超音波センサ。
【請求項１８】
指紋の複数の画像を前記キャプチャするための手段が、
超音波を送信するための手段であって、前記送信された超音波がパルスによって乗算された正弦波関数としてモデル化される、手段と、
前記超音波の反射波を受信するための手段であって、前記反射波が、前記時間シーケンス内に前記複数の位相を有する前記指紋の前記複数の画像を備える、手段と
を備える、請求項17に記載の超音波センサ。
【請求項１９】
前記複数の画像の前記総和をとるための手段が、
前記積分された複素画像を生成するために前記複素位相指数関数によって乗算された前記複数の画像を時間全体にわたって積分するための手段
を備え、
前記積分された複素画像が実数画像部および虚数画像部を含み、前記実数画像部と前記虚数画像部は約90度位相がずれている、
請求項17に記載の超音波センサ。
【請求項２０】
前記積分された複素画像を前記あらかじめ選択された位相に前記揃えるための手段が、
前記積分された複素画像を複素カーネルと畳み込み積分するための手段であって、前記複素カーネルがインパルス応答の空間部分の逆関数である、手段
を備える、請求項17に記載の超音波センサ。
【請求項２１】
離散コサイン変換を使用して前記畳み込み積分を実行することによってエッジ効果を除去するための手段
をさらに備える、請求項20に記載の超音波センサ。
【請求項２２】
前記最大エネルギー位相を前記決定するための手段が、
位相に関して前記揃えられた複素画像のエネルギーの導関数を計算するための手段と、
位相に関して前記揃えられた複素画像の前記エネルギーの前記導関数を0に設定することによって前記最大エネルギー位相を計算するための手段と
を備える、請求項17に記載の超音波センサ。
【請求項２３】
前記指紋を表示するために前記最大エネルギー画像を前記決定するための手段が、
前記最大エネルギー位相において前記揃えられた複素画像の実数成分を前記最大エネルギー画像になるように割り当てるための手段
を備える、請求項17に記載の超音波センサ。
【請求項２４】
前記最大エネルギー画像を使用して指紋画像情報を生成するための手段と、
超音波センサアレイを用いてユーザを認証するために前記指紋画像情報を使用するための手段と
をさらに備える、請求項17に記載の超音波センサ。
【請求項２５】
1つまたは複数のプロセッサが実行するための命令を記憶する非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、前記命令が、
時間シーケンス内に複数の位相を有する指紋の複数の画像をキャプチャするための命令と、
積分された複素画像を形成するために複素位相指数関数によって乗算された前記複数の画像の総和をとるための命令と、
揃えられた複素画像を形成するために前記積分された複素画像をあらかじめ選択された位相に揃えるための命令と、
前記揃えられた複素画像を使用して最大エネルギー位相を決定するための命令と、
前記最大エネルギー位相において前記揃えられた複素画像に少なくとも部分的に基づいて前記指紋を表示するために最大エネルギー画像を決定するための命令と
を備える、非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項２６】
指紋の複数の画像をキャプチャするための前記命令が、
超音波トランスミッタから超音波を送信するための命令であって、前記送信された超音波がパルスによって乗算された正弦波関数としてモデル化される、命令と、
圧電レシーバ層において前記超音波の反射波を受信するための命令であって、前記反射波が、前記時間シーケンス内に前記複数の位相を有する前記指紋の前記複数の画像を備える、命令と
を備える、請求項25に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項２７】
前記複数の画像の総和をとるための前記命令が、
前記積分された複素画像を生成するために前記複素位相指数関数によって乗算された前記複数の画像を時間全体にわたって積分するための命令
を備え、
前記積分された複素画像が実数画像部および虚数画像部を含み、前記実数画像部と前記虚数画像部は約90度位相がずれている、
請求項25に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項２８】
前記積分された複素画像を前記あらかじめ選択された位相に揃えるための前記命令が、
前記積分された複素画像を複素カーネルと畳み込み積分するための命令であって、前記複素カーネルがインパルス応答の空間部分の逆関数である、命令
を備える、請求項25に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項２９】
前記最大エネルギー位相を決定するための前記命令が、
位相に関して前記揃えられた複素画像のエネルギーの導関数を計算するための命令と、
位相に関して前記揃えられた複素画像の前記エネルギーの前記導関数を0に設定することによって前記最大エネルギー位相を計算するための命令と
を備える、請求項25に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項３０】
前記指紋を表示するために前記最大エネルギー画像を決定するための前記命令が、
前記最大エネルギー位相において前記揃えられた複素画像の実数成分を前記最大エネルギー画像になるように割り当てるための命令
を備える、請求項25に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、2015年7月5日に出願された米国仮出願第62/188,706号、"Correction of Diffraction Effects in an Ultrasonic Button"の利益を主張する、2016年6月30日に出願された米国非仮出願第15/198,686号、"Correction of Diffraction Effects in an Ultrasonic Sensor"の利益を主張する。前述の米国出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、画像処理の分野に関する。詳細には、本開示は、超音波センサにおける回折効果を補正するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
モバイルフォン、タブレットコンピュータ、およびウェアラブルデバイスなどのモバイルデバイスでは、機械的頑強さおよび信頼性を改善することができる固い材料で、モバイルデバイスのディスプレイおよびタッチインターフェースを保護することが望ましいことが多い。しかしながら、ガラスまたはプラスチックから作られたプラテンなどの、固い材料の層をセンサと指との間に加えることは、モバイルデバイスのディスプレイおよびタッチインターフェースに回折効果を引き起こす可能性がある。
【０００４】
図1Aは、超音波センサにおける回折の悪影響を示す。図1Aに示すように、回折効果は、矢印104によって参照される領域などの、画像の領域を著しく減衰させる可能性がある。加えて、回折効果は、画像の領域を、矢印106によって参照される領域などの、他の領域に対して反転させる可能性がある。さらに、信号対ノイズ比(SNR)は、むき出しのセンサと比較して低い場合がある。これらの悪影響は、不十分な指紋照合性能につながる可能性がある。したがって、超音波センサにおける回折効果を補正することが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
超音波センサにおける回折効果を補正する実施形態が開示される。一実施形態では、超音波センサは、超音波を送信するように構成される超音波トランスミッタと、超音波の反射波を受信するように構成される圧電レシーバ層であって、反射波が時間シーケンス内に複数の位相を有する指紋の複数の画像を備える、圧電レシーバ層と、超音波トランスミッタおよび圧電レシーバ層を保護するように構成されるプラテン層とを含む場合がある。超音波センサは、超音波センサアレイおよび積分された複素画像を形成するために複素位相指数関数によって乗算された複数の画像の総和をとり、揃えられた複素画像を形成するために積分された複素画像をあらかじめ選択された位相に揃え、揃えられた複素画像を使用して最大エネルギー位相を決定し、最大エネルギー位相において揃えられた複素画像に少なくとも部分的に基づいて指紋を表示するために最大エネルギー画像を計算するように構成されるプロセッサをさらに含む場合がある。
【０００６】
別の実施形態では、超音波センサのプラテン層における回折効果を補正する方法が開示される。本方法は、時間シーケンス内に複数の位相を有する指紋の複数の画像をキャプチャするステップと、積分された複素画像を形成するために複素位相指数関数によって乗算された複数の画像の総和をとるステップと、揃えられた複素画像を形成するために積分された複素画像をあらかじめ選択された位相に揃えるステップと、揃えられた複素画像を使用して最大エネルギー位相を決定するステップと、最大エネルギー位相において揃えられた複素画像に少なくとも部分的に基づいて指紋を表示するために最大エネルギー画像を決定するステップとを含む。
【０００７】
いくつかの実施形態では、指紋の複数の画像をキャプチャするステップは、超音波トランスミッタから超音波を送信するステップと、圧電レシーバ層において超音波の反射波を受信するステップであって、反射波が、時間シーケンス内に複数の位相を有する指紋の複数の画像を備える、ステップとを含む。
【０００８】
いくつかの実施形態では、複数の画像の総和をとるステップは、積分された複素画像を生成するために複素位相指数関数によって乗算された複数の画像を時間全体にわたって積分するステップであって、積分された複素画像は実数画像部および虚数画像部を含み、実数画像部と虚数画像部は約90度位相がずれている、ステップを含む。複数の画像の総和をとるステップは、送信された信号の時間依存性を除去するステップをさらに含む。
【０００９】
いくつかの実施形態では、積分された複素画像をあらかじめ選択された位相に揃えるステップは、積分された複素画像を複素カーネルと畳み込み積分するステップであって、複素カーネルがインパルス応答の空間部分の逆関数である、ステップと、積分された複素画像の位相成分から空間成分を分離するステップとを含む。積分された複素画像をあらかじめ選択された位相に揃えるステップは、場合によっては/追加として、積分された複素画像のエッジに沿って積分された複素画像の複製を使用するステップによって、エッジ効果を除去するステップを含む場合がある。
【００１０】
いくつかの実施形態では、指紋を表示するために最大エネルギー画像を決定するステップは、位相に関して揃えられた複素画像のエネルギーの導関数を計算するステップと、位相に関して揃えられた複素画像のエネルギーの導関数を0に設定するステップによって最大エネルギー位相を計算するステップと、最大エネルギー位相において揃えられた複素画像の実数成分を最大エネルギー画像になるように割り当てるステップとを含む場合がある。
【００１１】
本開示の態様によれば、超音波センサのプラテン層において回折効果を補正する方法は、最大エネルギー画像を使用して指紋画像情報を生成するステップと、超音波センサアレイを用いてユーザを認証するために指紋画像情報を使用するステップとをさらに含む場合がある。
【００１２】
本開示の上述の特徴および利点、ならびに本開示の追加の特徴および利点は、以下の図面の非限定的で非網羅的な態様とともに本開示の実施形態の詳細な説明を読めば、より明確に理解できよう。図全体で同様の番号が使用される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】超音波センサにおける回折の悪影響を示す図である。
【図１Ｂ】本開示の態様による、超音波センサにおける回折効果をモデル化する方法を示す図である。
【図２Ａ】本開示の態様による、回折効果をモデル化する際に使用される例示的な画像を示す図である。
【図２Ｂ】本開示の態様による、図2Aの受信画像を示す図である。
【図２Ｃ】本開示の態様による、送信後に異なる遅延でサンプリングされた、図2Aとは別の受信画像を示す図である。
【図３Ａ】本開示の態様による、超音波センサのプラテン層における回折効果を補正する方法を示す図である。
【図３Ｂ】本開示の態様による、例示的な入力画像を示す図である。
【図３Ｃ】本開示の態様による、積分された複素画像の実数部を示す図である。
【図３Ｄ】本開示の態様による、積分された複素画像の虚数部を示す図である。
【図３Ｅ】本開示の態様による、指紋の複数の画像をキャプチャする例示的な実装形態を示す図である。
【図３Ｆ】本開示の態様による、図3Eの指紋の複数の画像の総和をとる例示的な実装形態を示す図である。
【図３Ｇ】本開示の態様による、積分された複素画像をあらかじめ選択された位相に揃える例示的な実装形態を示す図である。
【図３Ｈ】本開示の態様による、指紋を表示する最大エネルギー画像を決定する例示的な実装形態を示す図である。
【図４Ａ】本開示の態様による、シミュレートされた回折の推定周波数応答の実数部の例示的な表示を示す図である。
【図４Ｂ】本開示の態様による、シミュレートされた回折の推定周波数応答の虚数部の例示的な表示を示す図である。
【図４Ｃ】本開示の態様による、図4Aと図4Bの総和の例示的な表示を示す図である。
【図５Ａ】本開示の態様による、揃えられた複素画像の例示的な実数部を示す図である。
【図５Ｂ】本開示の態様による、揃えられた複素画像の例示的な虚数部を示す図である。
【図５Ｃ】本開示の態様による、例示的な最大エネルギー画像を示す図である。
【図６Ａ】本開示の態様による、超音波センサのプラテン層における推定音速を使用した処理画像を示す図である。
【図６Ｂ】本開示の態様による、超音波センサのプラテン層における別の推定音速を使用した別の処理画像を示す図である。
【図６Ｃ】本開示の態様による、図1Bの推定対角最大距離を使用した、また別の処理画像を示す図である。
【図６Ｄ】本開示の態様による、図1Bの別の推定対角最大距離を使用した、また別の処理画像を示す図である。
【図７】本開示の態様による、超音波センサを使用する場合があるモバイルデバイスの例示的なブロック図である。
【図８Ａ】本開示の態様による、超音波センサの一例を示す図である。
【図８Ｂ】本開示の態様による、超音波センサの一例を示す図である。
【図８Ｃ】本開示の態様による、超音波センサの一例を示す図である。
【図９Ａ】超音波センサアレイに対するセンサピクセルの4×4アレイの一例を示す図である。
【図９Ｂ】超音波センサシステムのハイレベルブロック図の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
超音波センサにおける回折効果を補正する実施形態が開示される。以下の説明は、いかなる当業者でも本開示を製作および使用することができるように提示される。特定の実施形態および適用例の説明は、例として与えられるにすぎない。本明細書で説明する例の様々な修正および組合せは当業者には容易に明らかであり、本明細書で定義する一般原理は、本開示の範囲を逸脱することなく他の例および適用例に適用される場合がある。したがって、本開示は、説明され示される例に限定されるものではなく、本明細書で開示する原理および特徴に一致する範囲を与えられるべきである。「例示的」または「例」という語は、本明細書では「例、事例、または例示の働きをすること」を意味するために使用される。「例示的」または「例」として本明細書で説明するいずれの態様または実施形態も、必ずしも、他の態様または実施形態に比べて好ましいか、または有利であると解釈されるべきではない。
【００１５】
図1Bは、本開示の態様による、超音波センサにおける回折効果をモデル化する方法を示す。図1Bに示す例では、点(0,0)の(x,y)におけるピクセルの値に対する寄与を計算するために、音響信号は、プラテン108(たとえば、ガラスまたはプラスチック)の底部のトランスデューサから頂部(ある距離d)に進行すると仮定することができ、指110に当たり、エネルギーの一部が指110によって吸収される可能性があり(音響信号がくぼみに当たる場合、吸収されない)、次いで底部の(x,y)に向かって対角線に進行する。したがって、
r=d+√(x2+y2+z2)
である。
【００１６】
本開示の態様によれば、この信号は、進行距離の関数として指数関数的に低下すると仮定される。減数定数は、周波数fに比例する。s(t)が時刻tにおいて送信された信号であり、cがガラス内の音速である場合、インパルス応答h(x,y,t)は、
h(x,y,t)=e-αfrs(t-r/c)
のように表現されてもよく、時刻tにおける測定画像I(x,y,t)は、理想画像f(x,y)とのインパルス応答の畳み込み積分と何らかの白色ガウスノイズとの和であってもよい。すなわち、
I(x,y,t)=h(x,y,t)*f(x,y)+n(x,y,t)
であり、f(x,y)は、tのいくつかの値に対するI(x,y,t)が与えられれば、推定される。送信信号s(t)は、パルス
s(t)={cos(2πft+φ) (0<t<P/f)、または
0 (その他)
が乗算された正弦曲線である可能性がある。ここで、Pは5などの送信された周期数であり、φは送信用ハードウェア(キャパシタ、インダクタなど)に依存する何らかの位相である可能性がある。
【００１７】
いくつかの実装形態では、インパルス応答h(x,y,t)の式を単純化することができる。減衰定数αが小さい場合、指数関数的減衰項を無視してもよく、h(x,y,t)は、
h(x,y,t)=s(t-r/c)={cos(2πft-2πfr/c+φ)} (0<t-r/c<P/f)、または
0 (その他)
で表現されてもよい。Iの測定値が取得される時間tを仮定すると、この範囲の任意のtと、画像のサイズよりも小さい任意のrとにおいてt-r/c<P/fが真である。加えて、tの範囲が、何らかの定数t0においてt-r/c≒t0-r/cであるほど十分に小さいと仮定することができる。その結果、何らかの定数rmaxにおいて、
h(x,y,t)={cos(2πft-2πfr/c+φ)} (r≦rmax)、または
0 (r>rmax)
である。
【００１８】
図2Aは、本開示の態様による、回折効果をモデル化する際に使用される例示的な画像を示す。回折効果をモデル化する際に使用される例示的な画像202は、本開示ではf(x,y)とも呼ばれる。
【００１９】
図2Bは、本開示の態様による、図2Aの受信画像を示す。この受信画像204は、t、f、c、P、φ、d、α(およびノイズ)の何らかの値に対するI(x,y,t)に関して取得された結果である。図2Bの例では、受信画像204は、アーティファクト(クラウドとも呼ばれる)、すなわち、クラウドの2つの面の間のいくつかの空間周波数および位相反転の減衰を示す。すべてのパラメータが固定され続け、時間のみが変化する場合、図2Cの受信画像206に示すクラウドが動く可能性があることに留意されたい。
【００２０】
図3Aは、本開示の態様による、超音波センサのプラテン層における回折効果を補正する方法を示す。図3Aに示すように、ブロック302では、本方法は、図2Bに示す画像204および図2Cに示す画像206などの、時間シーケンス内に複数の位相を有する指紋の複数の画像をキャプチャする。ブロック304では、本方法は、積分された複素画像を形成するために複素位相指数関数によって乗算された複数の画像の総和をとる。この手法を用いて、インパルス応答の時間依存部分cos(2πft)を除去することができる。
【００２１】
一実施形態では、時間依存部分を除去するために、I1(x,y)が、
I1(x,y)=∫I(x,y,t)e-2πiftdt
のように計算されてもよい。ここで、
I1(x,y)=(∫cos(2πft-2πfr/c+φ)e-2πiftdt)*f(x,y)+n1(x,y)
=const・(exp(-2πifr/c+iφ)+O(f-1))*f(x,y)+n1(x,y)
を取得するために、I(x,y,t)の範囲におけるtの値にわたって積分が実行される。積分が全時間にわたる場合、(f-1)項の値は、小さく無視できる場合があることに留意されたい。加えて、I1(x,y)の信号対ノイズ比(SNR)は、積分範囲Δt倍だけ単一のtに関するI(x,y,t)のSNRよりも高い可能性がある。
【００２２】
I1(x,y)が複素画像であることに留意されたい。I1(x,y)の実数部およびI1(x,y)の虚数部は、互いに補完することができ、ここで、I1(x,y)の実数部はクラウドを有し、I1(x,y)の虚数部はクラウドを有せず、またはその逆もある。これらの特性は、図3B〜図3Dに示される。図3Bは、本開示の態様による、例示的な入力画像322を示し、図3Cは、本開示の態様による、積分された複素画像の実数部324を示し、図3Dは、本開示の態様による、積分された複素画像の虚数部326を示す。
【００２３】
図3Cおよび図3Dでは、I1(x,y)の実数部は、入力画像と同じ位相を有するが、I1(x,y)の虚数部は、90°位相がずれている場合があり、I1(x,y)の実数部を補完する。画像のSNRが改善されたことにも留意されたい。実数部と虚数部が互いに補完するので、複素画像は、実数部と虚数部がクラウドを有しても、クラウドを有しない。
【００２４】
図3Eは、本開示の態様による、指紋の複数の画像をキャプチャする例示的な実装形態を示す。ブロック332では、超音波トランスミッタが、超音波を送信するように構成されてもよい。ブロック334では、圧電レシーバ層が、超音波の反射波を受信するように構成されてもよいが、ここで、反射波は、時間シーケンス内に複数の位相を有する指紋の複数の画像を備える。
【００２５】
図3Fは、本開示の態様による、指紋の複数の画像の総和をとる例示的な実装形態を示す。ブロック338では、プロセッサまたは処理論理は、積分された複素画像を生成するために複素位相指数関数によって乗算された複数の画像を時間全体にわたって積分するように構成されてもよい。積分された複素画像が、実数画像部および虚数画像部を含み、ここで、実数画像部と虚数画像部は、約90度位相がずれている場合があることに留意されたい。
【００２６】
図3Gは、本開示の態様による、積分された複素画像をあらかじめ選択された位相に揃える例示的な実装形態を示す。ブロック342では、プロセッサまたは処理論理は、積分された複素画像を複素カーネルと畳み込み積分するように構成されてもよく、ここで、複素カーネルはインパルス応答の空間部分の逆関数である。いくつかの実施形態では、プロセッサまたは処理論理は、場合によっては/追加として、他の手法を使用して、積分された複素画像の位相成分から空間成分を分離するように構成される場合がある。ブロック344では、プロセッサまたは処理論理は、離散コサイン変換(DCT)を使用して畳み込み積分を実行することによってエッジ効果を除去するように構成される場合がある。いくつかの実施形態では、プロセッサまたは処理論理は、場合によっては/追加として、積分された複素画像のエッジに沿って積分された複素画像の複製を使用することによって、エッジ効果を除去するように構成される場合がある。
【００２７】
図3Hは、本開示の態様による、指紋を表示する最大エネルギー画像を決定する例示的な実装形態を示す。ブロック352では、プロセッサまたは処理論理は、位相に関して揃えられた複素画像のエネルギーの導関数を計算するように構成されてもよい。ブロック354では、プロセッサまたは処理論理は、位相に関して揃えられた複素画像のエネルギーの導関数を0に設定することによって最大エネルギー位相を計算するように構成されてもよい。ブロック356では、プロセッサまたは処理論理は、最大エネルギー位相において揃えられた複素画像の実数成分を最大エネルギー画像になるように割り当てるように構成されてもよい。
【００２８】
図4Aおよび図4Bを参照すると、周波数領域では、cos(-2πfr/c+φ)およびsin(-2πfr/c+φ)は、それぞれ、図4Aおよび図4Bのように表される場合がある。図4Aは、本開示の態様による、シミュレートされた回折の推定周波数応答の実数部402の例示的な表示を示し、図4Bは、本開示の態様による、シミュレートされた回折の推定周波数応答の虚数部404の例示的な表示を示す。
【００２９】
図4Cは、本開示の態様による、図4Aと図4Bの総和の例示的な表示406を示す。図4Cに示すように、実数部と虚数部のスペクトルのブラックリングは、クラウドの位置に対応するが、複素指数関数のスペクトルは、はるかになめらかである。加えて、ブラックリングの位置は、φが変化するとき、変化するが、指数関数のスペクトルは、位相が変化することを除いては、同じである場合がある。複素指数の別の利点は、複素指数が空間項を位相項全体から分離することを可能にすることである。
【００３０】
再び図3Aを参照すると、ブロック306では、本方法は、揃えられた複素画像を形成するために、積分された複素画像をあらかじめ選択された位相に揃える。いくつかの実施形態では、あらかじめ選択された位相は、位相の行列(画像)であってもよいことに留意されたい。この手法を用いて、インパルス応答-2πfr/cの空間部分を除去することができる。上記に示したモデルでは、第1のステップからの出力I1(x,y)は、
I1(x,y)=eiφh1*f(x,y)
h1=exp(-2πifr/c)
にほぼ等しい(定数および何らかの加法性ノイズ次第である)場合がある。h1が既知のため、I1(x,y)は、その逆関数
h1-1=F-1(1/Fh1)
と畳み込み積分することができる。しかしながら、いくつかの点においてh1のスペクトルを0に近づけることができるので、以下の
h2=F-1((Fh1)*/|Fh1|)
I2(x,y)=h2*h1=eiφF-1(|Fh1|)*f(x,y)
の演算が実行される。真ん中の項は、いかなる位相ひずみもないバンドパスフィルタである。
【００３１】
1つの例示的な手法では、h2との畳み込み積分の間、エッジ効果を避けるために、各エッジに沿って鏡面反射させること、および最後に中間部をとることによって、元の画像のサイズの2倍の画像との畳み込み積分が実行される場合がある。図5Aは、本開示の態様による、揃えられた複素画像の例示的な実数部502を示し、図5Bは、本開示の態様による、揃えられた複素画像の例示的な虚数部504を示す。
【００３２】
再び図3Aを参照すると、ブロック308では、本方法は、揃えられた複素画像を使用して、最大エネルギー位相を決定する。ブロック310では、本方法は、最大エネルギー位相において揃えられた複素画像に少なくとも部分的に基づいて指紋を表示するために最大エネルギー画像を計算する。この手法を用いて、位相全体を除去することができる。図5Aおよび図5Bに示す例では、揃えられた複素画像の虚数部504は、揃えられた複素画像の実数部502よりも良い画像品質を有し、揃えられた複素画像の虚数部504と実数部502の両方は、位相反転を有しないことに留意されたい。その理由は、この場合、φ≒±π/2であることである。一般の場合において最適な位相を見つけるために、実数部に最大エネルギーを与える位相は、
φ0=argφmax{∫[Re(eiφI2(x,y))]2dxdy}
で計算することができ、次いで、
I3(x,y)=Re(eiφ0I2(x,y))
を設定する。
【００３３】
この最適化方法では、φについて
Se2iφ+S*e-2iφ
と微分することができ、ここで、
S=∫I2(x,y)2dxdy
である。Sは複素数であり、総エネルギーではないことに留意されたい。0に等しいとすれば、
eiφ0=√(±|S|/S)
となる。
【００３４】
負の符号が最小値を与えるので、正の符号が選択される。一実施形態では、I3は、
I3=(I2/√S)
のように計算されてもよい。
【００３５】
Sは符号だけが異なる2つの平方根を有することに留意されたい。符号全体を固定するために、I3と入力画像のうちの1つとの相関係数を計算することができる。いくつかの実装形態では、I3が負であることがわかると、I3は、I3=-I3のように設定される場合がある。図5Cは、本開示の態様による、例示的な最大エネルギー画像506を示す。
【００３６】
本開示の態様によれば、音速のパラメータcおよびrmaxが選択される場合がある。他のパラメータは、それらの既知の値に設定されてもよい。いくつかの実施形態では、最高の品質の出力画像を生成するパラメータを選択することによって、cとrmaxの両方が取得される場合がある。いくつかの実装形態では、ガラス層において、cおよびrmaxの値は、c=3700m/s、rmax=1.33のように選択される場合がある。プラスチック層において、cおよびrmaxの値は、c=2000m/s、rmax=1.33のように選択される場合がある。
【００３７】
パラメータの値が正確でない場合があっても、本明細書で説明する方法が機能することができることに留意されたい。たとえば、cが約±20%だけ変化する場合、依然として適度に良い画像が取得される場合がある。図6Aは、本開示の態様による、超音波センサのプラテン層における推定音速を使用した処理画像602を示し、図6Bは、本開示の態様による、超音波センサのプラテン層における別の推定音速を使用した別の処理画像604を示す。
【００３８】
同様に、rmaxが約±20%だけ変化する場合、依然として適度に良い画像が取得される場合がある。図6Cは、本開示の態様による、図1Bの推定対角最大距離を使用した、また別の処理画像606を示し、図6Dは、本開示の態様による、図1Bの別の推定対角最大距離を使用した、また別の処理画像608を示す。
【００３９】
図7は、本開示の態様による、超音波センサを使用する場合があるデバイスの例示的なブロック図を示す。超音波センサを使用する場合があるデバイスは、図7に示すモバイルデバイス700の1つまたは複数の特徴を備えてもよい。いくつかの実施形態では、モバイルデバイス700は、ワイヤレス通信ネットワーク上でワイヤレスアンテナ722を介してワイヤレス信号723を送受信することができるワイヤレストランシーバ721を含んでもよい。ワイヤレストランシーバ721は、ワイヤレストランシーババスインターフェース720によってバス701に接続されてもよい。ワイヤレストランシーババスインターフェース720は、いくつかの実施形態では、ワイヤレストランシーバ721と少なくとも部分的に統合される場合がある。いくつかの実施形態は、たとえば、IEEE規格802.11の各バージョン、CDMA、WCDMA(登録商標)、LTE、UMTS、GSM(登録商標)、AMPS、ZigbeeおよびBluetooth(登録商標)などの対応する複数のワイヤレス通信規格に従って信号を送信および/または受信することを可能にするために、複数のワイヤレストランシーバ721およびワイヤレスアンテナ722を含んでもよい。
【００４０】
モバイルデバイス700はまた、GPSアンテナ758を介してGPS信号759を受信および取得することができるGPSレシーバ755を備える場合がある。GPSレシーバ755はまた、モバイルデバイスのロケーションを推定するために、取得されたGPS信号759を全体的または部分的に処理する場合がある。いくつかの実施形態では、取得されたGPS信号を全部もしくは一部処理し、および/またはモバイルデバイス700の推定されるロケーションを計算するために、GPSレシーバ755と連携して、プロセッサ711、メモリ740、DSP712、および/または専用プロセッサ(図示せず)がまた利用される場合がある。GPS信号または他の信号の記憶は、メモリ740またはレジスタ(図示せず)の中で実行されてもよい。
【００４１】
図7に示すように、モバイルデバイス700は、バスインターフェース710によってバス701に接続されたデジタル信号プロセッサ(DSP)712と、バスインターフェース710によってバス701に接続されたプロセッサ711と、メモリ740とを備えてもよい。バスインターフェース710は、DSP712、プロセッサ711、およびメモリ740と統合される場合がある。様々な実施形態では、機能は、ほんの数例を挙げると、RAM、ROM、FLASH、またはディスクドライブなどのコンピュータ可読記憶媒体上などの、メモリ740内に記憶された1つまたは複数の機械可読命令の実行に応答して実行される場合がある。1つまたは複数の命令は、プロセッサ711、専用プロセッサ、またはDSP712によって実行可能である場合がある。メモリ740は、本明細書で説明する機能を実行するために、プロセッサ711および/またはDSP712によって実行可能なソフトウェアコード(プログラミングコード、命令など)を記憶する、非一時的プロセッサ可読メモリおよび/またはコンピュータ可読メモリを備えてもよい。特定の実装形態では、ワイヤレストランシーバ721は、モバイルデバイス700がワイヤレス局として構成されることを可能にするために、バス701を介してプロセッサ711および/またはDSP712と通信する場合がある。プロセッサ711および/またはDSP712は、図8に関して以下で説明するプロセス/方法の1つまたは複数の態様を実行するために命令を実行する場合がある。プロセッサ711および/またはDSP712は、図3Aおよび図3E〜図3Hの方法および機能を実行してもよい。
【００４２】
同じく図7に示すように、ユーザインターフェース735は、たとえば、スピーカー、マイクロフォン、ディスプレイデバイス、振動デバイス、キーボード、タッチスクリーンなどのいくつかのデバイスのうちのいずれか1つを備えてもよい。ユーザに与えられるユーザインターフェース信号は、スピーカー、マイクロフォン、ディスプレイデバイス、振動デバイス、キーボード、タッチスクリーン、などのうちのいずれかによって与えられる1つまたは複数の出力であってもよい。特定の実装形態では、ユーザインターフェース735は、ユーザがモバイルデバイス700上にホストされる1つまたは複数のアプリケーションと対話することを可能にする場合がある。たとえば、ユーザインターフェース735のデバイスは、ユーザからのアクションに応答して、DSP712またはプロセッサ711によってさらに処理されるべきアナログ信号またはデジタル信号をメモリ740上に記憶する場合がある。同様に、モバイルデバイス700上にホストされたアプリケーションは、出力信号をユーザに提示するために、アナログ信号またはデジタル信号をメモリ740上に記憶する場合がある。別の実装形態では、モバイルデバイス700は、たとえば、専用スピーカー、マイクロフォン、デジタル-アナログ回路、アナログ-デジタル回路、増幅器、および/または利得制御を備える専用オーディオ入出力(I/O)デバイス770をオプションで含んでもよい。別の実装形態では、モバイルデバイス700は、キーボードまたはタッチスクリーンデバイスにタッチすること、またはそれに対する圧力に応答するタッチセンサ762を備えてもよい。
【００４３】
モバイルデバイス700はまた、静止画または動画を取り込むための専用カメラデバイス764を備える場合がある。専用カメラデバイス764は、たとえば、撮像センサ(たとえば、電荷結合素子またはCMOSイメージャ)、レンズ、アナログ-デジタル回路構成、フレームバッファなどを備えてもよい。一実施態様では、キャプチャされた画像を表示する信号の追加の処理、調整、符号化または圧縮が、プロセッサ711またはDSP712において実行されてもよい。代替的に、専用ビデオプロセッサ768が、キャプチャされた画像を表示する信号の調整、符号化、圧縮、または操作を実行してもよい。加えて、専用ビデオプロセッサ768は、モバイルデバイス700上のディスプレイデバイス(図示せず)上で提示するために、記憶された画像データを復号/圧縮解除する場合がある。
【００４４】
モバイルデバイス700はまた、たとえば、慣性センサおよび環境センサを含む場合がある、バス701に結合されたセンサ760を備える場合がある。センサ760の慣性センサは、(たとえば、1つもしくは複数のコンパスアプリケーションをサポートするために)たとえば、(たとえば、3次元のモバイルデバイス700の加速度にまとめて応答する)加速度計、1つもしくは複数のジャイロスコープ、または1つもしくは複数の磁力計を備えてもよい。モバイルデバイス700の環境センサは、ほんの数例を挙げると、たとえば、温度センサ、気圧センサ、周辺光センサ、およびカメライメージャ、マイクロフォンを備える場合がある。センサ760は、メモリ740に記憶され、たとえば、測位動作またはナビゲーション動作を対象とするアプリケーションなどの1つまたは複数のアプリケーションをサポートするDSPまたはプロセッサ711によって処理される場合がある、アナログ信号またはデジタル信号を生成する場合がある。
【００４５】
特定の実装形態では、モバイルデバイス700は、ワイヤレストランシーバ721またはGPSレシーバ755において受信され、ダウンコンバートされた信号のベースバンド処理を実行することができる専用モデムプロセッサ766を備えてもよい。同様に、専用モデムプロセッサ766は、ワイヤレストランシーバ721による送信のためにアップコンバートされるべき信号のベースバンド処理を実行する場合がある。代替実装形態では、専用モデムプロセッサを有する代わりに、ベースバンド処理は、プロセッサまたはDSP(たとえば、プロセッサ711またはDSP712)によって実行される場合がある。
【００４６】
図8A〜図8Cは、本開示の態様による、超音波センサの一例を示す。図8Aに示すように、超音波センサ10は、プラテン40の下に超音波トランスミッタ20および超音波レシーバ30を含んでもよい。超音波トランスミッタ20は、超音波21(図8B参照)を生成することができる圧電トランスミッタであってもよい。超音波レシーバ30は、圧電材料と、基板上に配設されたピクセル回路のアレイとを含んでもよい。動作中、超音波トランスミッタ20は、超音波レシーバ30を通ってプラテン40の露出面42まで進行する1つまたは複数の超音波を生成する。プラテン40の露出面42において、超音波エネルギーは、指紋隆線28の皮膚などの、プラテン40と接触している対象物25によって伝達、吸収、もしくは散乱されるか、または戻るように反射される場合がある。空気がプラテン40の露出面42に接触するロケーション、たとえば指紋隆線28の間の谷27において、超音波のほとんどは、反射されて検出のための超音波レシーバ30に向かって戻されることになる(図8C参照)。制御用電子機器50は、超音波トランスミッタ20と超音波レシーバ30とに結合されてもよく、1つまたは複数の超音波21を超音波トランスミッタ20に生成させるタイミング信号を供給する場合がある。次いで、制御電子機器50は、反射された超音波エネルギー23を示す、超音波レシーバ30から信号を受信する場合がある。制御電子機器50は、対象物25のデジタル画像を構成するために、超音波レシーバ30から受信された出力信号を使用する場合がある。いくつかの実装形態では、制御電子機器50はまた、対象物25の存在および/または動きを検出するために、経時的に、連続的に出力信号をサンプリングする場合がある。
【００４７】
本開示の態様によれば、超音波センサは、プラテン40の下に超音波トランスミッタ20および超音波レシーバ30を含んでもよい。超音波トランスミッタ20は、実質的に平坦な圧電トランスミッタ層を含む平面波発生器であってもよい。超音波は、印加される信号に応じて層を拡張または収縮させるために圧電層に電圧を印加し、それにより平面波を生成することによって生成される場合がある。電圧は、第1のトランスミッタ電極および第2のトランスミッタ電極を介して圧電トランスミッタ層に印加される場合がある。このようにして、超音波は、圧電効果を介して層の厚さを変えることによって生成される場合がある。この超音波は、プラテン40を通過して指(または検出されるべき他の対象物)に向かって進行する。検出されるべき対象物によって吸収または伝達されない波の一部は、プラテン40を通って戻るように進行し、超音波レシーバ30によって受信されるように反射される場合がある。第1および第2のトランスミッタ電極は、金属化電極、たとえば圧電トランスミッタ層の両面を被覆する金属層であってもよい。
【００４８】
超音波レシーバ30は、バックプレーンとも呼ばれることがある基板上に配設されたピクセル回路のアレイと、圧電レシーバ層とを含む場合がある。いくつかの実装形態では、各ピクセル回路は、1つまたは複数のTFT要素と、電気的相互接続トレースとを含んでもよく、いくつかの実装形態では、ダイオード、キャパシタなどの1つまたは複数の追加の回路要素を含んでもよい。各ピクセル回路は、ピクセル回路に隣接する圧電レシーバ層内に生成された電荷を電気信号に変換するように構成される場合がある。各ピクセル回路は、圧電レシーバ層をピクセル回路に電気的に結合するピクセル入力電極を含んでもよい。
【００４９】
図示の実装形態では、レシーババイアス電極は、プラテン40に隣接する圧電レシーバ層の一面上に配設される。レシーババイアス電極は、金属化電極であってもよく、どの信号をTFTアレイに通すかを制御するために接地またはバイアスされてもよい。プラテン40の露出面(頂面)42から反射された超音波エネルギーは、圧電レシーバ層によって局所化された電荷に変換される。これらの局所化された電荷は、ピクセル入力電極によって収集され、下にあるピクセル回路に送られる。電荷は、ピクセル回路によって増幅され、出力信号を処理する制御電子機器に供給される場合がある。例示的なピクセル回路の簡略図を図9Aに示すが、簡略図に示す例示的なピクセル回路に対する多くの変形形態および修正形態が企図されてもよいことが、当業者には了解されよう。
【００５０】
制御電子機器50は、第1のトランスミッタ電極および第2のトランスミッタ電極、ならびにレシーババイアス電極および基板上のピクセル回路に、電気的に接続されてもよい。制御電子機器50は、実質的に、図8A〜図8Cに関して前に説明したように動作する場合がある。
【００５１】
プラテン40は、プラスチック、セラミック、ガラス、サファイア、ステンレス鋼、金属合金、ポリカーボネート、ポリマー材料、または金属充填プラスチックを含む例を用いてレシーバに音響的に結合することができる任意の適切な材料であってもよい。いくつかの実装形態では、プラテン40はカバープレートであってもよく、たとえばディスプレイデバイスまたは超音波センサ用のカバーガラスまたはレンズガラスとすることができる。検出および撮像は、必要な場合、たとえば3mm以上の比較的厚いプラテンを通して実行することができる。
【００５２】
様々な実装形態によって利用される場合がある圧電材料の例には、適切な音響特性、たとえば約2.5MRaylsと5MRaylsとの間の音響インピーダンスを有する圧電ポリマーが含まれる。利用され得る圧電材料の具体的な例には、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)およびポリフッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン(PVDF-TrFE)コポリマーなどの強誘電体ポリマーが含まれる。PVDFコポリマーの例には、60:40(モルパーセント)PVDF-TrFE、70:30 PVDF-TrFE、80:20 PVDF-TrFE、および90:10 PVDF-TrFEが含まれる。利用され得る圧電材料の他の例には、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)ホモポリマーおよびコポリマー、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ホモポリマーおよびコポリマー、ならびに臭化ジイソプロピルアンモニウム(DIPAB)が含まれる。
【００５３】
圧電トランスミッタ層および圧電レシーバ層の各々の厚さは、超音波を生成および受信するのに好適であるように選択される場合がある。一例では、PVDF圧電トランスミッタ層は約28μmの厚さであり、PVDF-TrFEレシーバ層は約12μmの厚さである。超音波の例示的な周波数は、5MHz〜30MHzの範囲内であり、波長は、1/4ミリメートル以下程度である。
【００５４】
図8A〜図8Cは、超音波センサにおける超音波トランスミッタおよび超音波レシーバの例示的な配置を示しており、他の配置も可能である。たとえば、いくつかの実装形態では、超音波トランスミッタ20は、超音波レシーバ30の上、すなわち検出対象物のより近くにあってもよい。いくつかの実装形態では、超音波センサは、音響遅延層を含んでもよい。たとえば、音響遅延層が、超音波トランスミッタ20と超音波レシーバ30との間の超音波センサ10に組み込むことができる。音響遅延層は、超音波パルスタイミングを調整すると同時に、超音波レシーバ30を超音波トランスミッタ20から電気的に絶縁するために利用される場合がある。遅延層は、実質的に均一の厚さを有してもよく、遅延層のために使用される材料および/または遅延層の厚さは、反射された超音波エネルギーが超音波レシーバ30に到達する時間における望ましい遅延を与えるように選択される。そうする際に、対象物によって反射されたために対象物についての情報を搬送するエネルギーパルスを超音波レシーバ30に到達させる場合がある時間の範囲は、超音波センサ10の他の部分から反射されたエネルギーが超音波レシーバ30に到着している可能性がない時間範囲の間である。いくつかの実装形態では、TFT基板および/またはプラテン40は、音響遅延層として働く場合がある。
【００５５】
図9Aは、超音波センサに対するピクセルの4×4ピクセルアレイを示す。各ピクセルは、たとえば、圧電センサ材料、ピーク検出ダイオード、および読出しトランジスタの局所領域と関連付けられてもよく、これらの要素の多くまたはすべては、ピクセル回路を形成するためにバックプレーンの上または中に形成されてもよい。実際には、各ピクセルの圧電センサ材料の局所領域は、受信した超音波エネルギーを電荷に変換する場合がある。ピーク検出ダイオードは、圧電センサ材料の局所領域によって検出された電荷の最大量を記録する場合がある。次いで、ピクセルアレイの各行が、たとえば行選択メカニズム、ゲートドライバ、またはシフトレジスタを介して走査されてもよく、各ピクセルに対するピーク電荷の大きさが追加の回路、たとえばマルチプレクサおよびA/Dコンバータによって読み出されることを可能にするために、各列に対する読出しトランジスタがトリガされる場合がある。ピクセル回路は、ピクセルのゲーティング、アドレッシング、およびリセットを可能にするために、1つまたは複数のTFTを含んでもよい。
【００５６】
各ピクセル回路は、超音波センサ10によって検出された対象物の小部分についての情報を提供する場合がある。図示を容易にするために、図9Aに示す例は比較的粗い解像度であるが、500ピクセルパーインチ以上程度の解像度を有する超音波センサが、層状構造で構成される。超音波センサ10の検出領域は、意図された検出対象物に応じて選択される場合がある。たとえば、検出領域は、1本の指に対する約5mm×5mmから、4本の指に対する約3インチ(76mm)×3インチ(76mm)までの範囲である場合がある。正方形、矩形、および非矩形の形状を含め、より小さい領域およびより大きい領域が、対象物に対して適宜使用される場合がある。
【００５７】
図9Bは、超音波センサシステムのハイレベルブロック図の一例を示す。図示の要素の多くは、制御電子機器50の一部を形成することができる。センサコントローラは、センサシステムの様々な態様、たとえば超音波トランスミッタのタイミングおよび励起波形、超音波レシーバおよびピクセル回路に対するバイアス電圧、ピクセルアドレッシング、信号のフィルタリングおよび変換、読出しフレームレートなどを制御するように構成される制御ユニットを含む場合がある。センサコントローラは、超音波センサ回路のピクセルアレイからデータを受信するデータプロセッサを含む場合もある。データプロセッサは、デジタル化データを指紋の画像データに変換するか、またはさらなる処理のためにデータをフォーマットする場合がある。
【００５８】
たとえば、制御ユニットは、トランスミッタ(Tx)ドライバに超音波トランスミッタを励起させて平面超音波を発生させるために、Tx励起信号を一定間隔でTxドライバに送信してもよい。制御ユニットは、レシーババイアス電極にバイアスをかけてピクセル回路による音響信号検出のゲーティングを可能にするために、レシーバ(Rx)バイアスドライバを介してレベル選択入力信号を送信してもよい。デマルチプレクサは、センサピクセル回路の特定の行または列にセンサ出力信号を発生させるゲートドライバをターンオンおよびターンオフするために使用されてもよい。ピクセルからの出力信号は、電荷増幅器、RCフィルタまたはアンチエイリアシングフィルタなどのフィルタ、およびデータプロセッサに対するデジタイザを介して送られる場合がある。システムの一部がTFTバックプレーン上に含まれてもよく、他の部分が関連の集積回路内に含まれてもよいことに留意されたい。
【００５９】
本開示の態様によれば、超音波センサは、ユーザの検証および認証のための高解像度指紋画像を作成するように構成されてもよい。いくつかの実装形態では、超音波指紋センサは、プラテンの外面と指の隆線(組織)との間、およびプラテンの外面と指の谷(空気)との間の差動音響インピーダンスに比例する反射信号を検出するように構成することができる。たとえば、超音波の超音波エネルギーの一部がセンサから隆線領域内の指の組織に伝達される場合があるとともに超音波エネルギーの残部がセンサに向かって戻るように反射されるのに対して、波のより少ない部分が指の谷領域内の空気に伝達される場合があるとともに超音波エネルギーの残部がセンサに戻るように反射される。本明細書で開示する回折効果を補正する方法は、センサからの信号全体および画像コントラストを増大させる場合がある。
【００６０】
本開示の態様によれば、指紋センサを有する超音波センサは、モバイルフォン、タブレットコンピュータ、ウェアラブルデバイス、および医療デバイスを含む広範囲のアプリケーションにおいて、ユーザ認証に適用することができる。超音波認証ボタンは、薬物送達デバイスなどの、パーソナル医療デバイスにおいて利用される場合がある。これらのデバイスは、ユーザの識別、薬物のタイプ、適用量、送達の時間、および送達のスタイルを追跡して検証するために、ワイヤレスに接続される場合がある。オンデバイス認証ボタンは、シングルユーザ登録(たとえば、家庭または薬局において)および後続の薬物消費に対する局所検証を可能にするように構成することができる。超音波センサの押下は、ユーザ検証と薬物送達とを引き起こすように構成することができるので、迅速な識別および検証が、薬物の送達に途切れなくつながるように見える。モバイルに接続されて認証される薬物送達デバイスには、パーソナルなペン型注射器および吸入器が含まれる場合がある。接続された注射器ペン、吸入器、および他の医療デバイスは、患者を識別して検証するための超音波センサを組み込む場合がある。
【００６１】
少なくとも次の3つのパラグラフ、図3A、図3E〜図3H、図7〜図9B、およびそれらに対応する説明は、時間シーケンス内に複数の位相を有する指紋の複数の画像をキャプチャするための手段と、積分された複素画像を形成するために複素位相指数関数によって乗算された複数の画像の総和をとるための手段と、揃えられた複素画像を形成するために積分された複素画像をあらかじめ選択された位相に揃えるための手段と、揃えられた複素画像を使用して最大エネルギー位相を決定するための手段と、最大エネルギー位相において揃えられた複素画像に少なくとも部分的に基づいて指紋を表示するために最大エネルギー画像を決定するための手段と、超音波を送信するための手段と、超音波の反射波を受信するための手段と、積分された複素画像を生成するために複素位相指数関数によって乗算された複数の画像を時間全体にわたって積分するための手段と、積分された複素画像を複素カーネルと畳み込み積分するための手段と、離散コサイン変換を使用して畳み込み積分を実行することによってエッジ効果を除去するための手段と、位相に関して揃えられた複素画像のエネルギーの導関数を計算するための手段と、位相に関して揃えられた複素画像のエネルギーの導関数を0に設定することによって最大エネルギー位相を計算するための手段と、最大エネルギー位相において揃えられた複素画像の実数成分を最大エネルギー画像になるように割り当てるための手段と、最大エネルギー画像を使用して指紋画像情報を生成するための手段と、超音波センサアレイを用いてユーザを認証するために指紋画像情報を使用するための手段とを提供することに留意されたい。
【００６２】
本明細書で説明した方法は、特定の例に従って適用例に応じて様々な手段によって実装される場合がある。たとえば、そのような方法は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはそれらの組合せで実装される場合がある。ハードウェア実施態様では、たとえば、処理ユニットは、1つまたは複数の特定用途向け集積回路("ASIC")、デジタル信号プロセッサ("DSP")、デジタル信号処理デバイス("DSPD")、プログラマブル論理デバイス("PLD")、フィールドプログラマブルゲートアレイ("FPGA")、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、電子デバイス、本明細書で説明した機能を実行するように設計された他のデバイスユニット、またはそれらの組合せ内に実装される場合がある。
【００６３】
本明細書に含まれる詳細な説明のいくつかの部分は、特定の装置または専用のコンピューティングデバイスもしくはプラットフォームのメモリ内に記憶された2値デジタル信号上での動作のアルゴリズムまたは記号表現に関して提示されている。この特定の明細書の文脈において、特定の装置などの用語は、プログラムソフトウェアからの命令に従って特定の動作を実行するように汎用コンピュータがプログラムされた場合、そのような汎用コンピュータを含む。アルゴリズム記述または記号表現は、信号処理または関連技術の当業者が作業の内容を他の当業者に伝えるために使用する技法の例である。アルゴリズムは、ここでは、また一般に、所望の結果につながる首尾一貫した動作シーケンスまたは同様の信号処理であると見なされる。この文脈において、動作または処理は、物理量の物理的操作を伴う。必ずしもそうとは限らないが、通常、そのような量は、記憶、転送、結合、比較、または他の方法で操作されることが可能な、電気信号または磁気信号の形態をとることができる。主に一般的な用法という理由で、そのような信号をビット、データ、値、要素、シンボル、文字、用語、数字、数値などと呼ぶことは、時として好都合であることがわかっている。しかしながら、これらの用語または類似の用語のすべてが、適切な物理量に関連付けられるべきであり、便宜的な呼び方にすぎないことを理解されたい。別段に明記されていない限り、本明細書における説明から明らかなように、本明細書全体にわたって、「処理する」、「計算する」、「算出する」、「決定する」などの用語を利用する説明は、専用コンピュータ、専用コンピューティング装置または類似の専用電子コンピューティングデバイスなどの特定の装置のアクションまたはプロセスを指すことを了解されたい。したがって、本明細書の文脈において、専用コンピュータまたは類似の専用電子コンピューティングデバイスは、専用コンピュータまたは類似の専用電子コンピューティングデバイスのメモリ、レジスタ、または他の情報記憶デバイス、送信デバイス、もしくはディスプレイデバイス内で、通常は物理的で電子的な量または磁気的な量として表される信号を、操作または変換することが可能である。
【００６４】
本明細書で説明したワイヤレス通信技法は、ワイヤレスワイドエリアネットワーク("WWAN")、ワイヤレスローカルエリアネットワーク("WLAN")、ワイヤレスパーソナルエリアネットワーク(WPAN)などの様々なワイヤレス通信ネットワークに関連する場合がある。「ネットワーク」および「システム」という用語は、本明細書では互換的に使用される場合がある。WWANは、符号分割多元接続("CDMA")ネットワーク、時分割多元接続("TDMA")ネットワーク、周波数分割多元接続("FDMA")ネットワーク、直交周波数分割多元接続("OFDMA")ネットワーク、シングルキャリア周波数分割多元接続("SC-FDMA")ネットワーク、または上記のネットワークの任意の組合せなどであってもよい。CDMAネットワークは、ほんのいくつかの無線技術を挙げれば、cdma2000、広帯域CDMA("W-CDMA")などの、1つまたは複数の無線アクセス技術("RAT")を実装する場合がある。ここで、cdma2000は、IS-95規格、IS-2000規格、およびIS-856規格に従って実装される技術を含む場合がある。TDMAネットワークは、モバイル通信用グローバルシステム("GSM"(登録商標):Global System for Mobile Communications)、デジタル高度モバイルフォンシステム("D-AMPS":Digital Advanced Mobile Phone System)、または何らかの他のRATを実装する場合がある。GSM(登録商標)およびW-CDMAは、「第3世代パートナーシッププロジェクト」("3GPP")という名称のコンソーシアムの文書に記載されている。cdma2000は、「第3世代パートナーシッププロジェクト2」("3GPP2")という名称のコンソーシアムの文書に記載されている。3GPP文書および3GPP2文書は、公的に入手可能である。4Gロングタームエボリューション("LTE")通信ネットワークも、一態様において、請求される主題に従って実装される場合がある。たとえば、WLANはIEEE802.11xネットワークを備えてもよく、WPANはBluetooth(登録商標)ネットワーク、IEEE802.15xを備えてもよい。本明細書で説明するワイヤレス通信実装形態は、
WWAN、WLANまたはWPANの任意の組合せに関連して使用される場合もある。
【００６５】
別の態様では、前述のように、ワイヤレストランスミッタまたはアクセスポイントは、セルラー電話サービスをビジネスまたは家庭に拡大するために利用されるフェムトセルを備える場合がある。そのような実装形態では、1つまたは複数のモバイルデバイスは、たとえば、符号分割多元接続("CDMA")セルラー通信プロトコルを介してフェムトセルと通信する場合があり、フェムトセルは、インターネットなどの別のブロードバンドネットワークによって、モバイルデバイスアクセスをより大きいセルラー電気通信ネットワークに提供する場合がある。
【００６６】
本明細書で説明する技法は、いくつかのGNSSのうちのいずれか1つおよび/またはGNSSの組合せを含むGPSとともに使用される場合がある。さらに、そのような技法は、「擬似衛星(pseudolites)」として働く地上波トランスミッタ、または衛星ビークル(SV)とそのような地上波トランスミッタとの組合せを利用する測位システムとともに使用されてもよい。地上波トランスミッタは、たとえば、PNコードまたは(たとえば、GPSまたはCDMAセルラー信号に類似する)他の測距コードをブロードキャストする地上ベースのトランスミッタを含んでもよい。そのようなトランスミッタには、遠隔レシーバによる識別を可能にするように一意のPN符号が割り当てられる場合がある。地上波トランスミッタは、たとえば、トンネル、鉱山、建築物、都市ビルの谷間、または他の閉じられた区域の中などの、軌道を回るSVからのGPS信号が利用できないことがある状況において、GPSを補強するのに有用である場合がある。擬似衛星の別の実装形態は、無線ビーコンとして知られている。本明細書で使用される"SV"という用語は、擬似衛星、擬似衛星の均等物、および場合によっては他のものとして働く地上波トランスミッタを含むものとする。本明細書で使用する「GPS信号」および/または「SV信号」という用語は、擬似衛星、または擬似衛星の均等物として働く地上波トランスミッタを含む、地上波トランスミッタからのGPSのような信号を含むものとする。
【００６７】
本明細書で使用する「および」、および「または」という用語は、それが使用される文脈に少なくとも部分的に依存する様々な意味を含む場合がある。通常、「または」は、A、BまたはCなどのリストを関連付けるために使用される場合、本明細書において包含的な意味で使用される場合の、A、B、およびC、ならびに本明細書において排他的な意味で使用される場合の、A、BまたはCを意味することが意図される。本明細書全体にわたる「一例」または「例」への言及は、その例に関して説明する特定の特徴、構造、または特性が、請求する主題の少なくとも1つの例の中に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体にわたる様々な箇所における「一例では」または「例」という句の出現は、必ずしもすべてが同じ例を指すとは限らない。さらに、それらの特定の特徴、構造、または特性は、1つまたは複数の例において組み合わされる場合がある。本明細書で説明した例は、機械、デバイス、エンジン、またはデジタル信号を使用して動作する装置を含む場合がある。そのような信号は、電子信号、光信号、電磁信号、またはロケーション間で情報を与える任意の形態のエネルギーを備える場合がある。
【００６８】
現時点で例示的な特徴と考えられることについて例示し説明したが、請求する主題から逸脱することなく、様々な他の変更が行われてもよく、均等物が代用されてもよいことが、当業者には理解されよう。さらに、本明細書で説明した主要な概念から逸脱することなしに、特定の状況を請求する主題の教示に適応させるために、多くの修正が行われてもよい。したがって、請求する主題は、開示した特定の例に限定されないが、そのような請求する主題は、添付の特許請求の範囲に含まれるすべての態様、およびそれらの均等物を含む場合があることが意図される。
【符号の説明】
【００６９】
10  超音波センサ
20  超音波トランスミッタ
21  超音波
23  反射された超音波エネルギー
25  対象物
27  谷
28  指紋隆線
30  超音波レシーバ
40  プラテン
42  露出面
50  制御電子機器
104  領域
106  領域
108  プラテン
110  指
202  画像
204  受信画像
206  受信画像
322  入力画像
324  積分された複素数画像の実数部
326  積分された複素数画像の虚数部
402  シミュレートされた回折の推定周波数応答の実数部
404  シミュレートされた回折の推定周波数応答の虚数部
406  図4Aと図4Bの総和の表示
502  揃えられた複素画像の実数部
504  揃えられた複素画像の虚数部
506  最大エネルギー画像
602  超音波センサのプラテン層における推定音速を使用した処理画像
604  超音波センサのプラテン層における別の推定音速を使用した別の処理画像
606  推定対角最大距離を使用した、また別の処理画像
608  別の推定対角最大距離を使用した、また別の処理画像
700  モバイルデバイス
701  バス
710  バスインターフェース
711  プロセッサ
712  デジタル信号プロセッサ、DSP
720  ワイヤレストランシーババスインターフェース
721  ワイヤレストランシーバ
722  ワイヤレスアンテナ
723  ワイヤレス信号
735  ユーザインターフェース
740  メモリ
755  GPSレシーバ
758  GPSアンテナ
759  GPS信号
760  センサ
762  タッチセンサ
764  専用カメラデバイス
766  専用モデムプロセッサ
768  専用ビデオプロセッサ
770  専用オーディオ入出力(I/O)デバイス
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
0006400236.tif 000003
【図２Ａ】
0006400236.tif 000004
【図２Ｂ】
0006400236.tif 000005
【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
0006400236.tif 000007
【図３Ｂ】
0006400236.tif 000008
【図３Ｃ】
0006400236.tif 000009
【図３Ｄ】
0006400236.tif 000010
【図３Ｅ】
0006400236.tif 000011
【図３Ｆ】
0006400236.tif 000012
【図３Ｇ】
0006400236.tif 000013
【図３Ｈ】
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【図４Ａ】
0006400236.tif 000015
【図４Ｂ】
0006400236.tif 000016
【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
0006400236.tif 000020
【図６Ａ】
0006400236.tif 000021
【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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