(57)【要約】  方法、システム、および記憶媒体が説明され、これらの各々が、平面超音波を使用して物体の画像を生成するために使用され得る。たとえば、生成される画像は、プラテン表面に配置される対象物のものであり得る。画像は、複数の選択されたセンサ画素から取得される訂正された出力信号から導出され得る。訂正された出力信号は、プラテン表面に配置される対象物からの反射された平面超音波の回折に適応し得る。対象物は指またはスタイラスの先端であり得る。
2018535712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を生成する方法であって、
第1の平面超音波をプラテン表面に向かって平面波生成器から発射するステップと、
第1の取得時間遅延の分だけ前記第1の平面超音波の前記発射から遅延する第1の取得時間において画素出力信号の第1のセットを取得するステップであって、画素出力信号の前記第1のセットからの各画素出力信号が、前記プラテン表面から反射された前記第1の平面超音波のセンサ画素アレイにおける局所的な大きさを表す、ステップと、
第2の平面超音波を前記プラテン表面に向かって前記平面波生成器から発射するステップと、
第2の取得時間遅延の分だけ前記第2の平面超音波の前記発射から遅延する第2の取得時間において画素出力信号の第2のセットを取得するステップであって、画素出力信号の前記第2のセットからの各画素出力信号が、前記プラテン表面から反射された前記第2の平面超音波の前記センサ画素アレイにおける局所的な大きさを表す、ステップと、
画素出力信号の前記第1のセットからの選択された出力信号および画素出力信号の前記第2のセットからの第1レベル訂正信号に基づいて、前記センサ画素アレイの選択された画素に対する訂正された出力信号を生成するステップであって、前記選択された出力信号が前記選択された画素に対応し、前記第1レベル訂正信号が前記選択された画素の近くの近隣の画素の第1のセットに対応する、ステップとを備える、方法。
【請求項２】
前記第1の取得時間遅延が、前記選択された画素と前記プラテン表面との間の距離を考慮する、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記第2の取得時間遅延が、前記選択された画素と前記選択された画素の近くの近隣の画素の前記第1のセットとの間の平均距離を考慮する、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
前記選択された画素に対する前記訂正された出力信号を生成するステップが、前記選択された出力信号とは異なるように前記第1レベル訂正信号を重み付けるステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記選択された画素に対する前記訂正された出力信号を生成するステップが、前記選択された画素の前記出力信号と、近隣の画素の前記第1のセットからの前記第1レベル訂正信号との加重和を、較正係数と幾何学的位相係数の組合せを含む画素依存の重みを用いて計算するステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項６】
前記第1の取得時間遅延および前記第2の取得時間遅延が、前記選択された画素に到達する前記反射された第1の平面超音波と近隣の画素の前記第1のセットに到達する前記反射された第2の平面超音波との間の位相の差を考慮するように異なる、請求項1に記載の方法。
【請求項７】
画素出力信号の前記第1のセットを取得するステップが、第1の取得時間枠の間に前記反射された第1の平面超音波の前記局所的な大きさを表す振幅を検出するステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
前記第1の取得時間枠が、前記反射された第1の平面超音波の周期よりも短い時間長、または前記反射された第1の平面超音波の少なくとも1周期の時間長のうちの1つから選択される時間長を有する、請求項7に記載の方法。
【請求項９】
画素出力信号の前記第2のセットを取得するステップが、第2の取得時間枠の間に前記反射された第2の平面超音波の前記局所的な大きさを表す振幅を検出するステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１０】
画素出力信号の前記第1のセットまたは第2のセットを取得するステップが、それぞれ、前記第1の取得時間または前記第2の取得時間において前記センサ画素アレイにサンプリング電圧を印加するステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１１】
前記サンプリング電圧が、前記センサ画素アレイの受信機バイアス電極に印加される、請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
前記サンプリング電圧が、前記センサ画素アレイのダイオードバイアス電極に印加される、請求項10に記載の方法。
【請求項１３】
前記第1の平面超音波または前記第2の平面超音波が1つまたは複数の周期を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１４】
前記第1の平面超音波または前記第2の平面超音波の周波数が、前記センサアレイから前記プラテン表面までの距離に基づく、請求項1に記載の方法。
【請求項１５】
前記第1の平面超音波または前記第2の平面超音波の周波数が、前記プラテン表面に配置される対象物の幅に基づく、請求項1に記載の方法。
【請求項１６】
第3の平面超音波を前記プラテン表面に向かって前記平面波生成器から発射するステップと、
第3の取得時間遅延の分だけ前記第3の平面超音波の前記発射から遅延する第3の取得時間において画素出力信号の第3のセットを取得するステップであって、画素出力信号の前記第3のセットからの各画素出力信号が、前記プラテン表面から反射された前記第3の平面超音波の前記センサ画素アレイにおける局所的な大きさを表し、前記選択された画素に対する前記訂正された出力信号を生成するステップがさらに、画素出力信号の前記第3のセットからの前記選択された出力信号、前記第1レベル訂正信号、および第2レベル訂正信号の加重和に基づき、前記第2レベル訂正信号が前記選択された画素の近くの近隣の画素の第2のセットに対応し、近隣の画素の前記第2のセットが、前記選択された画素からの近隣の画素の前記第1のセットの平均距離と異なる前記選択された画素からの平均距離を有する、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１７】
複数の選択された画素に対する訂正された出力信号に基づいて、前記プラテン表面に配置された対象物の画像を生成するステップをさらに備える、請求項1に記載の方法。
【請求項１８】
センサ画素アレイを含む超音波センサアレイであって、各画素が、受信された超音波に応答して画素出力信号を生成するように構成される、超音波センサアレイと、
プラテン表面を有する、前記センサ画素アレイに固定されるプラテンと、
平面超音波生成器と、
前記センサ画素アレイと通信している1つまたは複数のプロセッサとを備え、前記プロセッサが、
第1の平面超音波を前記プラテン表面に向かって前記平面波生成器から発射することと、
第1の取得時間遅延の分だけ前記第1の平面超音波の前記発射から遅延する第1の取得時間において画素出力信号の第1のセットを取得することであって、画素出力信号の前記第1のセットからの各画素出力信号が、前記プラテン表面から反射された前記第1の平面超音波の前記センサ画素アレイにおける局所的な大きさを表す、取得することと、
第2の平面超音波を前記プラテン表面に向かって前記平面波生成器から発射することと、
第2の取得時間遅延の分だけ前記第2の平面超音波の前記発射から遅延する第2の取得時間において画素出力信号の第2のセットを取得することであって、画素出力信号の前記第2のセットからの各画素出力信号が、前記プラテン表面から反射された前記第2の平面超音波の前記センサ画素アレイにおける局所的な大きさを表す、取得することと、
画素出力信号の前記第1のセットからの選択された出力信号および画素出力信号の前記第2のセットからの第1レベル訂正信号に基づいて、前記センサ画素アレイからの選択された画素に対する訂正された出力信号を生成することであって、前記選択された出力信号が前記選択された画素に対応し、前記第1レベル訂正信号が前記選択された画素の近くの近隣の画素の第1のセットに対応する、生成することと
を行うように構成される、超音波センサシステム。
【請求項１９】
前記訂正された出力信号が、前記プラテン表面に配置される対象物からの反射された平面超音波の回折を訂正する、請求項18に記載のシステム。
【請求項２０】
前記対象物が指の稜線またはスタイラスの先端である、請求項19に記載のシステム。
【請求項２１】
近隣の画素の前記第1のセットが前記選択された画素から等距離である、請求項18に記載のシステム。
【請求項２２】
前記訂正された出力信号を生成するように構成される前記プロセッサが、前記選択された出力信号および前記第1レベル訂正信号の加重和に基づいて前記訂正された出力信号を生成するように構成される前記プロセッサを備える、請求項18に記載のシステム。
【請求項２３】
前記センサ画素アレイの中の各画素が、画素出力信号の前記第1のセットおよび画素出力信号の前記第2のセットの取得の間に位相ロック信号を提供するように構成されるローカル発振器に電気的に結合される、請求項18に記載のシステム。
【請求項２４】
画素出力信号の前記第2のセットの前記取得の間に使用される前記位相ロック信号が、画素出力信号の前記第1のセットの前記取得の間に使用される前記位相ロック信号と比較して、振幅が実質的に同じであるが位相が異なる、請求項23に記載のシステム。
【請求項２５】
画素出力信号の前記第2のセットの前記取得の間に使用される前記位相ロック信号が、画素出力信号の前記第1のセットの取得の間に使用される前記位相ロック信号と比較して、振幅および位相が異なる、請求項23に記載のシステム。
【請求項２６】
前記平面波生成器が前記センサ画素アレイに結合される、請求項18に記載のシステム。
【請求項２７】
前記プラテンが被覆表面を有する被覆層を含み、前記被覆表面が前記プラテン表面として働く、請求項18に記載のシステム。
【請求項２８】
前記プロセッサがさらに、
前記センサ画素アレイの中の複数の選択された画素に対する訂正された出力信号に基づいて、前記プラテン表面に配置された対象物の画像を生成するように構成される、請求項18に記載のシステム。
【請求項２９】
画像を生成するためのシステムであって、
第1の平面超音波をプラテン表面に向かって発射するための手段と、
第1の取得時間遅延の分だけ前記第1の平面超音波の前記発射から遅延する第1の取得時間において画素出力信号の第1のセットを取得するための手段であって、画素出力信号の前記第1のセットからの各画素出力信号が、前記プラテン表面から反射された前記第1の平面超音波における局所的な大きさを表す、手段と、
第2の平面超音波を前記プラテン表面に向かって発射するための手段と、
第2の取得時間遅延の分だけ前記第2の平面超音波の前記発射から遅延する第2の取得時間において画素出力信号の第2のセットを取得するための手段であって、画素出力信号の前記第2のセットからの各画素出力信号が、前記プラテン表面から反射された前記第2の平面超音波における局所的な大きさを表す、手段と、
画素出力信号の前記第1のセットからの選択された出力信号および画素出力信号の前記第2のセットからの第1レベル訂正信号に基づいて、選択された画素に対する訂正された出力信号を生成するための手段であって、前記選択された出力信号が前記選択された画素に対応し、前記第1レベル訂正信号が前記選択された画素の近くの近隣の画素の第1のセットに対応する、手段とを備える、システム。
【請求項３０】
画像を生成する方法を実行するために平面波生成器およびセンサ画素アレイと通信している1つまたは複数のプロセッサによる実行のためのコンピュータ可読命令の1つまたは複数のコンピュータプログラムを備える非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、前記コンピュータプログラムが、
第1の平面超音波をプラテン表面に向かって平面波生成器から発射することと、
第1の取得時間遅延の分だけ前記第1の平面波の前記発射から遅延する第1の取得時間において画素出力信号の第1のセットを取得することであって、画素出力信号の前記第1のセットからの各画素出力信号が、前記プラテン表面から反射された前記第1の平面超音波の前記センサ画素アレイにおける局所的な大きさを表す、取得することと、
第2の平面超音波を前記プラテン表面に向かって前記平面波生成器から発射することと、
第2の取得時間遅延の分だけ前記第2の平面波の前記発射から遅延する第2の取得時間において画素出力信号の第2のセットを取得することであって、画素出力信号の前記第2のセットからの各画素出力信号が、前記プラテン表面から反射された前記第2の平面超音波の前記センサ画素アレイにおける局所的な大きさを表す、取得することと、
画素出力信号の前記第1のセットからの選択された出力信号および画素出力信号の前記第2のセットからの第1レベル訂正信号に基づいて、前記センサ画素アレイからの選択された画素に対する訂正された出力信号を生成することであって、前記選択された出力信号が前記選択された画素に対応し、前記第1レベル訂正信号が前記選択された画素の近くの近隣の画素の第1のセットに対応する、生成することと
を行うための命令を備える、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】
優先権主張
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、2015年9月24日に出願された「RECEIVE-SIDE BEAM FORMING FOR AN ULTRASONIC IMAGE SENSOR」と題する米国特許出願第14/864,555号に対する優先権を主張する。
【０００２】
本開示は、超音波撮像アレイのための位相検出および受信側ビームフォーミングのデバイスと方法とに関する。
【背景技術】
【０００３】
多くの超音波撮像システムは、対象物に向かって送信機から超音波エネルギーを送信することによって、および対象物により反射された送信された超音波エネルギーの部分を検出することによって動作する。反射された超音波エネルギーを検出することは、超音波受信機のアレイによって遂行され得る。そのようなシステムは、たとえば、プラテンに置かれた指に対応する指紋の画像を生み出すために存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
理想的には、送信される超音波エネルギーは対象物へと直線的に進み、対象物により反射されるあらゆる超音波エネルギーは受信機へと直線的に進む。実際には、一部のエネルギーは対象物へ、および対象物からさほど真っ直ぐに進まない。超音波エネルギーの一部は回折し、一部は対象物以外の物体により反射される。したがって、送信機から発散する超音波エネルギーは、送信機から対象物へと、そして受信機へと進むにつれて、まとまったままではなくなる。超音波エネルギーのまとまりが劣化するにつれて、対象物の明瞭な画像を生成する能力も劣化し、それは、受信機アレイの中のある特定の受信機により検出されるエネルギーの一部が、送信機から対象物へと直線的に、次いでその受信機へと直線的に進まなかったからである。したがって、受信機のアレイにおいて受信される一部の超音波エネルギーが送信機から対象物へと直線的に、次いで対象物からアレイの中の特定の受信機へと直線的に進まなかったという事実に起因する、明瞭性の喪失を軽減する方法があることが有用であろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、平面超音波を使用して物体の画像を生成するために使用され得る、方法、システム、および記憶媒体を説明する。たとえば、生成される画像は、プラテン表面に配置される対象物のものであることがあり、複数の選択されるセンサ画素から導出される訂正された出力信号に基づくことがある。訂正された出力信号は、プラテン表面に配置される対象物からの反射された平面超音波の回折を訂正し得る。いくつかの実装形態では、対象物は指の稜線またはスタイラスの先端であり得る。
【０００６】
1つのそのような方法では、第1の平面超音波は、プラテン表面に向かって平面波生成器から発射される。第1の平面超音波は、1つまたは複数の周期を含み得る。第1の平面超音波の周波数は、(a)センサアレイからプラテン表面までの距離、および/または(b)プラテン表面に配置された対象物の幅に基づき得る。
【０００７】
画素出力信号の第1のセットは、第1の取得時間遅延の分だけ第1の平面超音波の発射から遅延する第1の取得時間に取得され得る。第1の取得時間遅延は、選択された画素とプラテン表面との間の距離を考慮し得る。画素出力信号の第1のセットからの各画素出力信号は、プラテン表面から反射された第1の平面超音波のセンサ画素アレイにおける局所的な大きさを表し得る。
【０００８】
次いで、第2の平面超音波が、プラテン表面に向かって平面波生成器から発射され得る。第2の平面超音波は、1つまたは複数の周期を含み得る。第2の平面超音波の周波数は、(a)センサアレイからプラテン表面までの距離、および/または(b)プラテン表面に配置された対象物の幅に基づき得る。
【０００９】
画素出力信号の第2のセットは、第2の取得時間遅延の分だけ第2の平面超音波の発射から遅延する第2の取得時間に取得され得る。第2の取得時間遅延は、選択された画素と選択された画素の近くの近隣の画素の第1のセットとの間の平均距離を考慮し得る。画素出力信号の第2のセットからの各画素出力信号は、プラテン表面から反射された第2の平面超音波のセンサ画素アレイにおける局所的な大きさを表し得る。
【００１０】
センサ画素アレイの選択された画素に対する訂正された出力信号は、(a)画素出力信号の第1のセットからの選択された出力信号、および(b)画素出力信号の第2のセットからの第1レベル訂正信号に基づいて生成され得る。選択された出力信号は選択された画素に対応し、第1レベル訂正信号は選択された画素の近くの近隣の画素の第1のセットに対応する。選択された画素に対する訂正された出力信号を生成することは、選択された出力信号とは異なるように第1レベル訂正信号を重み付けることを含み得る。
【００１１】
第1の取得時間遅延および第2の取得時間遅延は、選択された画素に到達する反射された第1の平面超音波と近隣の画素の第1のセットに到達する反射された第2の平面超音波との間の位相の差を考慮するように異なり得る。
【００１２】
画素出力信号の第1のセットを取得することは、第1の取得時間枠の間に反射された第1の平面超音波の局所的な大きさを表す振幅を検出することを含み得る。第1の取得時間枠は、反射された第1の平面超音波の周期よりも短い時間長を有し得る。第1の取得時間枠は、反射された第1の平面超音波の少なくとも1周期の時間長を有し得る。画素出力信号の第2のセットを取得することは、第2の取得時間枠の間に反射された第2の平面超音波の局所的な大きさを表す振幅を検出することを含み得る。
【００１３】
画素出力信号の第1のセットを取得することは、第1の取得時間においてセンサ画素アレイにサンプリング電圧を印加することを含み得る。画素出力信号の第2のセットを取得することは、第2の取得時間においてセンサ画素アレイにサンプリング電圧を印加することを含み得る。サンプリング電圧は、センサ画素アレイの受信機バイアス電極に印加され得る。そのようなサンプリング電圧は、センサ画素アレイのダイオードバイアス電極に印加され得る。
【００１４】
第3の平面超音波は、プラテン表面に向かって平面波生成器から発射されることがあり、画素出力信号の第3のセットは、第3の取得時間遅延の分だけ第3の平面超音波の発射から遅延する第3の取得時間において取得され得る。画素出力信号の第3のセットからの各画素出力信号は、プラテン表面から反射された第3の平面超音波のセンサ画素アレイにおける局所的な大きさを表し得る。選択された画素に対する訂正された出力信号を生成することは、(a)選択された出力信号、(b)第1レベル訂正信号、および/または(c)第2レベル訂正信号の加重和に基づくことがあり、これらは画素出力信号の第3のセットから導出され得る。第2レベル訂正信号は、選択された画素の近くの近隣の画素の第2のセットに対応し得る。近隣の画素の第2のセットは、選択された画素からの近隣の画素の第1のセットの平均距離と異なる、選択された画素からの平均距離を有し得る。
【００１５】
本開示はセンサシステムを説明する。1つのそのようなセンサシステムは、超音波センサアレイと、プラテンと、平面超音波生成器と、センサ画素アレイと通信している1つまたは複数のプロセッサとを有し得る。プラテンはプラテン表面を有し、プラテンはセンサ画素アレイに固定され得る。プラテンは被覆表面を有する被覆層を含むことがあり、その被覆表面がプラテン表面として働き得る。
【００１６】
平面波生成器はセンサ画素アレイに結合され得る。センサ画素アレイの各画素は、受信された超音波に応答して画素出力信号を生成するように構成され得る。プロセッサは、選択された出力信号および第1レベル訂正信号の加重和に基づいて、訂正された出力信号を生成するように構成され得る。プロセッサは、センサ画素アレイの中の複数の選択された画素に対する訂正された出力信号に基づいて、プラテン表面に配置された対象物の画像を生成するように構成され得る。
【００１７】
1つまたは複数のプロセッサは、プラテン表面に向かう平面波生成器からの第1の平面超音波の発射を開始することと、第1の取得時間遅延の分だけ第1の平面超音波の発射から遅延する第1の取得時間において画素出力信号の第1のセットを取得することであって、画素出力信号の第1のセットからの各画素出力信号がプラテン表面から反射された第1の平面超音波のセンサ画素アレイにおける局所的な大きさを表す、取得することと、プラテン表面に向かう平面波生成器からの第2の平面超音波の発射を開始することと、第2の取得時間遅延の分だけ第2の平面超音波の発射から遅延する第2の取得時間において画素出力信号の第2のセットを取得することであって、画素出力信号の第2のセットからの各画素出力信号がプラテン表面から反射された第2の平面超音波のセンサ画素アレイにおける局所的な大きさを表す、取得することと、(i)画素出力信号の第1のセットからの選択された出力信号に、および(ii)画素出力信号の第2のセットからの第1レベル訂正信号に基づいて、センサ画素アレイの選択された画素に対する訂正された出力信号を生成することであって、選択された出力信号が選択された画素に対応し、第1レベル訂正信号が選択された画素の近くの近隣の画素の第1のセットに対応する、生成することとを行うように構成され得る。近隣の画素の第1のセットは、選択された画素から等距離にあり得る。
【００１８】
センサ画素アレイの中の各画素は、画素出力信号の第1のセットおよび画素出力信号の第2のセットの取得の間に位相ロック信号を提供するように構成される、ローカル発振器に電気的に結合され得る。画素出力信号の第2のセットの取得の間に使用される位相ロック信号は、画素出力信号の第1のセットの取得の間に使用される位相ロック信号と比較して、振幅が実質的に同じであるが位相が異なり得る。画素出力信号の第2のセットの取得の間に使用される位相ロック信号は、画素出力信号の第1のセットの取得の間に使用される位相ロック信号と比較して、振幅および位相が異なり得る。
【００１９】
一般に、本明細書において説明されるシステムは、画像を生成するためのシステムとして要約され得る。そのようなシステムは、プラテン表面に向かって第1の平面超音波を発射するための手段と、第1の取得時間遅延の分だけ第1の平面超音波の発射から遅延する第1の取得時間において画素出力信号の第1のセットを取得するための手段であって、画素出力信号の第1のセットからの各画素出力信号がプラテン表面から反射された第1の平面超音波の局所的な大きさを表す、手段と、プラテン表面に向かって第2の平面超音波を発射するための手段と、第2の取得時間遅延の分だけ第2の平面超音波の発射から遅延する第2の取得時間において画素出力信号の第2のセットを取得するための手段であって、画素出力信号の第2のセットからの各画素出力信号がプラテン表面から反射された第2の平面超音波の局所的な大きさを表す、手段と、画素出力信号の第1のセットからの選択された出力信号に、および画素出力信号の第2のセットからの第1レベル訂正信号に基づいて、選択された画素に対する訂正された出力信号を生成するための手段であって、選択された出力信号が選択された画素に対応し、第1レベル訂正信号が選択された画素の近くの近隣の画素の第1のセットに対応する、手段とを有し得る。
【００２０】
この説明はまた、画像を生成する方法を実行するために平面波生成器およびセンサ画素アレイと通信している1つまたは複数のプロセッサによる実行のためのコンピュータ可読命令の1つまたは複数のコンピュータプログラムを有する、非一時的コンピュータ可読記憶媒体を説明する。コンピュータプログラムは、プラテン表面に向かって平面波生成器から第1の平面超音波を発射することと、第1の取得時間遅延の分だけ第1の超音波の発射から遅延する第1の取得時間において画素出力信号の第1のセットを取得することであって、画素出力信号の第1のセットからの各画素出力信号がプラテン表面から反射された第1の平面超音波のセンサ画素アレイにおける局所的な大きさを表す、取得することと、プラテン表面に向かって平面波生成器から第2の平面超音波を発射することと、第2の取得時間遅延の分だけ第2の超音波の発射から遅延する第2の取得時間において画素出力信号の第2のセットを取得することであって、画素出力信号の第2のセットからの各画素出力信号がプラテン表面から反射された第2の平面超音波のセンサ画素アレイにおける局所的な大きさを表す、取得することと、画素出力信号の第1のセットからの選択された出力信号に、および画素出力信号の第2のセットからの第1レベル訂正信号に基づいて、センサ画素アレイからの選択された画素に対する訂正された出力信号を生成することであって、選択された出力信号が選択された画素に対応し、第1レベル訂正信号が選択された画素の近くの近隣の画素の第1のセットに対応する、生成することを行うための命令を有し得る。
【００２１】
本開示の性質および目的のより深い理解のために、添付の図面および後続の説明が参照されるべきである。次に、添付の図面および図を参照して、本開示が限定しない例として説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】本開示の態様による、超音波センサシステムの例を示す図である。
【図１Ｂ】本開示の態様による、超音波センサシステムの例を示す図である。
【図１Ｃ】本開示の態様による、超音波センサシステムの例を示す図である。
【図２】超音波センサシステムの分解透視図の例である。
【図３】超音波センサシステムのブロック図である。
【図４】超音波センサに対するセンサ画素の4×4の画素アレイの態様を代表的に示す図である。
【図５】図1〜図4の超音波センサに含まれ得るセンサ画素回路の例を示す図である。
【図６Ａ】本開示の態様による、超音波センサアレイ、プラテン、およびプラテンの表面に配置された指などの対象物の、例示的な実装形態の断面図である。
【図６Ｂ】その各側に配設される送信機電極の間に配置された圧電層を有する、超音波送信機から発射される実質的に平面の平面超音波を示す図である。
【図６Ｃ】超音波センサアレイのセンサ表面に配置された指とともに超音波センサアレイの拡大された部分を示す図である。
【図６Ｄ】超音波センサアレイのセンサ表面に配置された指の複数の稜線からの回折効果を示す図である。
【図６Ｅ】超音波センサアレイのセンサ表面に配置されたスタイラスのスタイラス先端からの回折効果を示す図である。
【図６Ｆ】超音波センサアレイのセンサ表面に配置された対象物のある点から放出される球面波を示す図である。
【図７Ａ】背後の超音波センサアレイの選択された画素へのプラテンの表面からの平面超音波の反射を示す図である。
【図７Ｂ】背後の超音波センサアレイの選択された画素の近くの近隣の画素の第1のセットへのプラテンの表面からの平面超音波の反射を示す図である。
【図７Ｃ】背後の超音波センサアレイの選択された画素の近くの近隣の画素の第2のセットへのプラテンの表面からの平面超音波の反射を示す図である。
【図７Ｄ】超音波センサアレイの選択された画素と選択された画素の近くの近隣の画素の複数のセットとを示す図である。
【図８Ａ】超音波送信機に提供される送信機励振信号の周期(上のグラフ)および超音波センサアレイの受信機バイアス電極に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)を、画素出力信号のあるセットの取得を可能にするためのサンプリング時間枠のある時間長およびある取得時間遅延とともにグラフィカルに示す図である。
【図８Ｂ】超音波送信機に提供される送信機励振信号の周期(上のグラフ)および超音波センサアレイの受信機バイアス電極に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)を、画素出力信号のあるセットの取得を可能にするためのサンプリング時間枠のある時間長およびある取得時間遅延とともにグラフィカルに示す図である。
【図８Ｃ】超音波送信機に提供される送信機励振信号の周期(上のグラフ)および超音波センサアレイの受信機バイアス電極に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)を、画素出力信号のあるセットの取得を可能にするためのサンプリング時間枠のある時間長およびある取得時間遅延とともにグラフィカルに示す図である。
【図８Ｄ】超音波送信機に提供される送信機励振信号の周期(上のグラフ)および超音波センサアレイの受信機バイアス電極に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)を、画素出力信号のあるセットの取得を可能にするためのサンプリング時間枠のある時間長およびある取得時間遅延とともにグラフィカルに示す図である。
【図８Ｅ】超音波送信機に提供される送信機励振信号の周期(上のグラフ)および超音波センサアレイの受信機バイアス電極に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)を、画素出力信号のあるセットの取得を可能にするためのサンプリング時間枠のある時間長およびある取得時間遅延とともにグラフィカルに示す図である。
【図８Ｆ】超音波送信機に提供される送信機励振信号の周期(上のグラフ)および超音波センサアレイの受信機バイアス電極に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)を、画素出力信号のあるセットの取得を可能にするためのサンプリング時間枠のある時間長およびある取得時間遅延とともにグラフィカルに示す図である。
【図８Ｇ】超音波送信機に提供される送信機励振信号の周期(上のグラフ)および超音波センサアレイの受信機バイアス電極に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)を、画素出力信号のあるセットの取得を可能にするためのサンプリング時間枠のある時間長およびある取得時間遅延とともにグラフィカルに示す図である。
【図８Ｈ】ローカル発振器の出力(上のグラフ)と同期され超音波送信機に提供される送信機励振信号の周期(中央のグラフ)、および反射された波を検出するために超音波センサアレイの受信機バイアス電極に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)を、画素出力信号のあるセットの取得を可能にするための、サンプリング時間枠のある時間長、超音波の発射からのある取得時間遅延、およびローカル発振器信号とバイアスレベルのある混合とともにグラフィカルに示す図である。
【図８Ｉ】ローカル発振器の出力(上のグラフ)と同期され超音波送信機に提供される送信機励振信号の周期(中央のグラフ)、および反射された波を検出するために超音波センサアレイの受信機バイアス電極に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)を、画素出力信号のあるセットの取得を可能にするための、サンプリング時間枠のある時間長、超音波の発射からのある取得時間遅延、およびローカル発振器信号とバイアスレベルのある混合とともにグラフィカルに示す図である。
【図８Ｊ】ローカル発振器の出力(上のグラフ)と同期され超音波送信機に提供される送信機励振信号の周期(中央のグラフ)、および反射された波を検出するために超音波センサアレイの受信機バイアス電極に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)を、画素出力信号のあるセットの取得を可能にするための、サンプリング時間枠のある時間長、超音波の発射からのある取得時間遅延、およびローカル発振器信号とバイアスレベルのある混合とともにグラフィカルに示す図である。
【図８Ｋ】ローカル発振器の出力(上のグラフ)と同期され超音波送信機に提供される送信機励振信号の周期(中央のグラフ)、および反射された波を検出するために超音波センサアレイの受信機バイアス電極に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)を、画素出力信号のあるセットの取得を可能にするための、サンプリング時間枠のある時間長、超音波の発射からのある取得時間遅延、およびローカル発振器信号とバイアスレベルのある混合とともにグラフィカルに示す図である。
【図８Ｌ】ローカル発振器の出力(上のグラフ)と同期され超音波送信機に提供される送信機励振信号の周期(中央のグラフ)、および反射された波を検出するために超音波センサアレイの受信機バイアス電極に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)を、画素出力信号のあるセットの取得を可能にするための、サンプリング時間枠のある時間長、超音波の発射からのある取得時間遅延、およびローカル発振器信号とバイアスレベルのある混合とともにグラフィカルに示す図である。
【図８Ｍ】超音波送信機に提供される送信機励振信号の周期(上のグラフ)および超音波センサアレイのダイオードバイアス電極に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)をグラフィカルに示す図である。
【図９】超音波センサアレイの中の複数の画素に対する訂正された出力信号に基づくプラテン表面に配置される対象物の画像の生成を示す図である。
【図１０Ａ】訂正を伴わない、プラテン表面に配置されたスタイラス先端の取得された超音波画像を示す図である。
【図１０Ｂ】フィルタリングを伴う、プラテン表面に配置されたスタイラス先端の取得された超音波画像を示す図である。
【図１０Ｃ】受信側ビームフォーミングを伴う、プラテン表面に配置されたスタイラス先端の取得された超音波画像を示す図である。
【図１１Ａ】選択された画素からの出力信号および近隣の画素からの訂正信号に基づいて対象物の超音波画像を生成する方法を示すフローチャートである。
【図１１Ｂ】選択された画素からの出力信号および近隣の画素からの訂正信号に基づいて対象物の超音波画像を生成する方法を示すフローチャートである。
【図１１Ｃ】選択された画素からの出力信号および近隣の画素からの訂正信号に基づいて対象物の超音波画像を生成する方法を示すフローチャートである。
【図１２Ａ】本開示の態様による、ユーザの指紋の登録および/または認証のために超音波センサアレイを使用するための一般化されたフローを示す図である。
【図１２Ｂ】本開示の態様による、スタイラスの検出および場所の決定のために超音波センサアレイを使用するための一般化されたフローを示す図である。
【図１３Ａ】ディスプレイデバイスとともに超音波センサアレイのある構成を示す図である。
【図１３Ｂ】ディスプレイデバイスとともに超音波センサアレイのある構成を示す図である。
【図１３Ｃ】ディスプレイデバイスとともに超音波センサアレイのある構成を示す図である。
【図１３Ｄ】ディスプレイデバイスとともに超音波センサアレイのある構成を示す図である。
【図１４】超音波センサシステムの一般化されたブロック図である。
【図１５Ａ】本明細書において説明されるような超音波センサシステムを含むディスプレイデバイスを示すシステムブロック図の例である。
【図１５Ｂ】本明細書において説明されるような超音波センサシステムを含むディスプレイデバイスを示すシステムブロック図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図1A〜図1Cは、本開示の態様による、超音波センサシステム10の例を示す。図1Aに示されるように、超音波センサシステム10は、プラテン(Platen)40の下に超音波送信機20と超音波受信機30とを含み得る。超音波送信機20は、超音波80a(図1B参照)を生成できる圧電送信機であり得る。超音波受信機30は、圧電材料の層と、基板上に配設された画素回路のアレイとを含み得る。動作中、超音波送信機20は、超音波受信機30を通ってプラテン40の露出面44まで進む1つまたは複数の超音波80aを生成し得る。プラテン40の露出面44において、超音波エネルギーは、指紋の稜線領域72の皮膚などの、プラテン40と接触している対象物70によって伝達され、吸収され、もしくは散乱され、または超音波受信機30に戻るように反射され得る。空気がプラテン40の露出面44に触れる位置、たとえば指紋の稜線領域72の間の谷領域74において、超音波の大半が、検出のための超音波受信機30に向かって戻るように反射される(図1C参照)。制御用電子機器50は、超音波送信機20および超音波受信機30に結合されることがあり、1つまたは複数の超音波80aを超音波送信機20に生成させ発射させるタイミング信号を供給することがある。制御用電子機器50は次いで、プラテン40の露出面44から反射され得る1つまたは複数の反射された超音波80bなどの、反射された超音波エネルギーを示す信号を超音波受信機30から受信し得る。制御用電子機器50は、対象物70のデジタル画像を構築するために、超音波受信機30から受信された出力信号を使用し得る。いくつかの実装形態では、制御電子機器50はまた、対象物70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し得る。
【００２４】
本開示の態様によれば、超音波送信機20は、概ね平坦な圧電送信機層24を含む平面波生成器であり得る。図2参照。超音波は、印加される信号に応じて層24を拡張または収縮させるために圧電層24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得る。電圧は、第1の送信機電極22および第2の送信機電極26を介して圧電送信機層24にわたって印加され得る。このようにして、超音波80aは、圧電効果によって層の厚さを変えることによって作られ得る。超音波80aは、プラテン40を通過して指(または検出されるべき他の物体)に向かって進み得る。検出されるべき物体によって吸収または送信されない波の一部は、プラテン40を通って戻るように反射され、超音波受信機30によって受信され得る。
【００２５】
超音波受信機30は、基板32上に配設された画素回路36のアレイを含む回路33と、圧電受信機層38とを含み得る。いくつかの実装形態では、各画素回路36は、1つまたは複数のトランジスタと、電気的相互接続配線とを含むことがあり、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素子を含むことがある。図2〜図5参照。各画素回路36は、画素回路36に隣接する圧電受信機層38の中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得る。
【００２６】
図2に図示される例示される実装形態では、受信機バイアス電極39は、プラテン40に隣接する圧電受信機層38のある側に配設され得る。受信機バイアス電極39は、メタライズ電極であることがあり、どの信号が画素回路36に渡されるかを制御するために接地されるかまたはバイアスをかけられることがある。プラテン40の露出面(頂面)44から反射された超音波エネルギーは、圧電受信機層38によって局在する電荷に変換され得る。これらの局在する電荷は、画素入力電極37によって収集され、下にある画素回路36に渡され得る。電荷は、画素回路36によって増幅またはバッファリングされ、出力信号を処理できる制御用電子機器50に提供され得る。例示的な画素回路の簡略化された図が図4に示されるが、簡略化された図に示される例示的な画素回路に対する多くの変形および修正が利用され得ることを、当業者は諒解するであろう。
【００２７】
制御用電子機器50は、第1の送信機電極22および第2の送信機電極26、ならびに受信機バイアス電極39、基板32上の画素回路36、およびセンサシステム10と関連付けられる他の制御線とデータ線とに、電気的に接続され得る。
【００２８】
図1A〜図1Cは、超音波センサの中の超音波送信機20および受信機30の構成の例を示し、他の構成が可能である。たとえば、いくつかの実装形態では、超音波送信機20は、超音波受信機30の上、すなわち検出対象物のより近くにあり得る。いくつかの実装形態では、超音波センサは、音響遅延層を含み得る。たとえば、音響遅延層が、超音波送信機20と超音波受信機30との間で超音波センサシステム10に組み込まれ得る。いくつかの実装形態では、基板32が音響遅延層として働くことがある。いくつかの実装形態では、超音波送信機20と超音波受信機30との間に配置される追加の層(図示されず)が、音響遅延層として働くことがある。いくつかの実装形態では、プラテン40、または超音波受信機30とプラテン40との間に配置される追加の層(図示されず)が、音響遅延層として働くことがある。音響遅延層は、超音波パルスのタイミングを調整すると同時に、超音波受信機30を超音波送信機20から電気的に絶縁するために利用され得る。遅延層は、実質的に均一の厚さを有することがあり、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受信機30に到達する時間における望ましい遅延をもたらすように選択される。そうすることで、対象物70によって反射されたために対象物70についての情報を搬送するエネルギーパルスが超音波受信機30に到達させられ得る時間の範囲は、超音波センサシステム10の他の部分から反射されたエネルギーが超音波受信機30に到達している可能性が低い時間の範囲である。
【００２９】
図2は、プラテン40の下に超音波送信機20と超音波受信機30とを含む超音波センサシステム10の分解透視図の例を示す。超音波送信機20は、第1の送信機電極22を伴う実質的に平坦な圧電送信機層24と、圧電送信機層24の各側に配設された第2の送信機電極26とを含み得る。第1の送信機電極22および第2の送信機電極26は、メタライズ電極、たとえば圧電送信機層24の両面を被覆する金属層であり得る。
【００３０】
超音波受信機30は、実装形態に応じて薄膜トランジスタ(TFT)基板、バックプレーン、パネル、サブパネル、または半導体基板とも呼ばれることがある、基板32に配設される画素回路36のアレイと、圧電受信機層38とを含み得る。各画素回路36は、圧電受信機層38を画素回路36に電気的に結合する画素入力電極37を含み得る。圧電受信機層38は、(被覆加工または堆積加工を用いた場合のように)画素入力電極37と直接接触していることがあり、または(圧電層が薄い接着層に取り付けられる接合加工またはラミネート加工を用いた場合のように)画素入力電極37へ容量的に結合されることがある。いくつかの実装形態では、基板32はガラスまたはプラスチックの薄い基板であることがあり、その上にセンサ画素回路36が製作される。いくつかの実装形態では、基板32は、シリコン、単結晶シリコン、または、シリコンウェハもしくはシリコンオンインシュレータウェハなどの他の半導体材料であり得る。画素回路36および基板32に関係する他の回路は、従来のシリコンデバイスウェハなどの基板の中に製作されるトランジスタから形成され得る。画素回路36に加えて、基板32は、1つまたは複数の導電性接合パッドおよび接続配線などの、その上に製作される追加の構成要素を有し得る。
【００３１】
示される実装形態では、図1A〜図1Cに関して上で説明されたように、受信機バイアス電極39は、プラテン40に隣接する圧電受信機層38のある側に配設され得る。制御用電子機器50は、第1の送信機電極22および第2の送信機電極26、ならびに受信機バイアス電極39、画素回路36、および基板32上の他の回路に、電気的に接続され得る。制御用電子機器50は、実質的に、図1A〜図1Cに関して前に論じられたように動作し得る。
【００３２】
プラテン40は、受信機に音響的に結合され得る任意の適切な材料であり得る。音響的に結合される材料は、ある層から別の層への超音波などの音波の伝達を可能にする。プラテンに適している可能性がある材料の例には、プラスチック、セラミック、ガラス、サファイア、ゴリラガラス、アルミニウム、ステンレス鋼、金属、合金、ポリカーボネート、高分子材料、または金属充填プラスチックがあり得る。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のためのカバーガラスまたはレンズガラスであり得る。検出および撮像は、必要な場合、たとえば1mm以上の比較的厚いプラテンを通して実行され得る。
【００３３】
様々な実装形態に従って利用され得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の間の音響インピーダンスを有する圧電ポリマーがある。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ある。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がある。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)がある。
【００３４】
圧電送信機層24および圧電受信機層38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得る。一例では、PVDF圧電送信機層24は約28μm厚であり、PVDF-TrFE受信機層38は約12μm厚である。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。
【００３５】
図3は、超音波センサシステム10のブロック図を示す。超音波センサシステム10は、超音波送信機20を有する超音波センサアレイ102と、超音波センサ画素回路アレイ35を含むTFT回路33を含むTFT基板32とを含み得る。超音波送信機20は、送信機ドライバ168と(たとえば、1つまたは複数の電気的接続を通じて)電気的に連絡していることがある。いくつかの実装形態では、送信機ドライバ168は、超音波送信機20と関連付けられる1つまたは複数の送信機電極22および26と電気的に連絡している正の極性の出力信号と負の極性の出力信号とを有し得る。送信機ドライバ168は、センサコントローラ104の制御ユニット160と電気的に連絡していることがある。示される要素の多くが、上の図1A〜図1Cおよび図2に関して説明されるような制御用電子機器50の一部を形成し得る。センサコントローラ104は、センサシステム10の様々な態様、たとえば超音波送信機のタイミングおよび励起波形、超音波受信機30および画素回路36に対するバイアス電圧、画素アドレス指定、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160を含み得る。制御ユニット160は、送信機ドライバ168に1つまたは複数の送信機励振信号を提供することができる。制御ユニット160は、レベル選択入力バスを通じて、受信機バイアスドライバ162と電気的に連絡していてよい。受信機バイアスドライバ162は、センサ画素回路36の画素入力電極37(図2参照)に取り付けられ得る、圧電受信機層38の表面に配設される受信機バイアス電極39に、受信機バイアス電圧を与えることができる。制御ユニット160は、1つまたは複数のデマルチプレクサ164とも電気的に連絡していることがある。デマルチプレクサ164は、複数のゲートドライバ166と電気的に連絡していることがある。ゲートドライバ166は、超音波センサアレイ102のセンサ画素アレイ35と電気的に連絡していることがある。ゲートドライバ166は、センサ画素アレイ35の外部に配置されることがあり、またはいくつかの実装形態では、センサ画素アレイ35と同じ基板32に含まれることがある。センサ画素アレイ35の外部にあり得る、またはセンサ画素アレイ35とともに同じ基板上に含まれ得るデマルチプレクサ164は、特定のゲートドライバ166を選択するために使用され得る。ゲートドライバ166は、センサ画素アレイ35の1つまたは複数の行または列を選択し得る。センサ画素アレイ35は、1つまたは複数のデジタイザ172と電気的に連絡していることがある。デジタイザ172は、センサ画素アレイ35の1つまたは複数のセンサ画素34からのアナログ画素出力信号を、センサコントローラ104の一部であり得る、またはその外部にあり得るデータプロセッサ170内でさらに処理するのに適した、デジタル信号に変換することができる。センサコントローラ104はまた、センサ画素アレイ35からデータを受信する1つまたは複数のデータプロセッサ170を含み得る。センサコントローラ104は、モバイルデバイスのアプリケーションプロセッサなどの外部システムまたはプロセッサに、デジタル出力を提供することができる。データプロセッサ170は、デジタル化されたデータを指紋の画像データに変換し、またはさらなる処理のためにデータをフォーマットし得る。
【００３６】
いくつかの実装形態では、制御ユニット160は、送信機(Tx)ドライバ168に超音波送信機20を励起させて超音波を生成させるために、一定の間隔でTx励起信号をTxドライバ168に送信し得る。制御ユニット160は、受信機バイアス電極39にバイアスをかけ、センサ画素34による超音波信号検出のためのゲーティングを可能にするために、受信機(Rx)バイアスドライバ162を通してレベル選択入力信号を送信し得る。いくつかの実装形態では、制御ユニット160は、センサ画素アレイ35の画素回路36へ、ダイオードバイアス(DBIAS)ドライバ174を通してレベル選択入力信号を送信し得る。1つまたは複数のデマルチプレクサ164は、センサ画素アレイ35の特定の行または列に画素出力信号を提供させるゲートドライバ166をオンおよびオフするために使用され得る。画素回路36からの出力信号は、電荷増幅器、抵抗キャパシタ(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、およびデジタイザ172を通して、データプロセッサ170に送信され得る。1つまたは複数の制御線176は、センサコントローラ104と超音波センサアレイ102との間で制御信号を搬送し得る。センサコントローラ104の一部はTFTパネル32に含まれることがあり、他の部分は関連する集積回路内に含まれることがあることに留意されたい。
【００３７】
図4は、超音波センサに対するセンサ画素34の4×4の画素アレイ35の態様を代表的に示す。各画素34は、たとえば、圧電センサ材料PSM、ピーク検出ダイオードD1、および読出しトランジスタM3の局所領域と関連付けられることがあり、これらの素子の多くまたはすべてが、画素回路36を形成するために基板32の上または中に形成され得る。実際には、各画素34の圧電センサ材料の局所領域は、受信された超音波エネルギーを電荷に変換し得る。ピーク検出ダイオードD1は、圧電センサ材料PSMの局所領域によって検出された電荷の最大量を記録し得る。次いで、画素アレイ35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通じて走査されることがあり、各画素34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取られることを可能にするように、各列に対する読出しトランジスタM3がトリガされ得る。画素回路36は、画素34のゲーティング、アドレス指定、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を含み得る。
【００３８】
各画素回路36は、超音波センサシステム10によって検出された物体の小部分についての情報を提供し得る。図示を容易にするために、図4に示される例は比較的粗い解像度であるが、1インチ当たり500画素以上のオーダーの解像度を有する超音波センサが、適切な寸法の構造を用いて構成され得る。超音波センサシステム10の検出領域は、意図される検出対象物に応じて選択され得る。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×3インチまでの範囲にわたることがある。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70に対して適宜使用され得る。
【００３９】
図5は、図1〜図4の超音波センサに含まれ得るセンサ画素回路36の例を示す。たとえば、圧電センサ画素回路36は、図3に示される超音波センサアレイ102のセンサ画素アレイ35の中の各センサ画素34に含まれ得る。いくつかの実装形態では、センサ画素アレイ35の中のセンサ画素34の各々がセンサ画素回路36を含み得る。センサ画素回路36は圧電受信機層38などの電気的に結合される圧電層とともに動作し得るので、センサ画素回路36は、圧電層を通過する送信または反射される超音波の局所的な大きさを検出し得る。
【００４０】
図5の例では、センサ画素回路36は、キャパシタCf、キャパシタCp、ダイオードD1、トランジスタM1、トランジスタM2、トランジスタM3、およびキャパシタC2を含み得る。トランジスタM1、M2、およびM3の各々は、n型金属酸化膜半導体(NMOS)トランジスタに対応し得る。ダイオードD1はp-n型ダイオードまたはp-i-n型(PIN)ダイオードに対応することがあり、ピーク検出ダイオードまたは整流ダイオードとして働くことがある。キャパシタCfは、各センサ画素回路36と関連付けられる圧電膜または圧電受信機層38の静電容量を表す。たとえば、キャパシタCfは、受信機バイアス電極39と画素入力電極37との間の静電容量を表すことがあり、圧電受信機層38の一部分は受信機バイアス電極39と画素入力電極37との間に配置される誘電体層である。キャパシタC2は出力静電容量(たとえば、具体的な構成に応じて、列または行の静電容量)を表し、静電容量はセンサアレイのサイズおよび構成とともに変化し得る。たとえば、大きな3インチ×3インチのセンサアレイは、電気的な配線が長いこと、および行または列に取り付けられる出力トランジスタの数がより多いことにより、より小さな長方形の8mm×3mmのセンサアレイよりも、かなり高い出力静電容量C2を有し得る。正方形の構成は、行でアドレス指定されても列でアドレス指定されても実質的に同様の出力静電容量を有し得るが、長方形の構成は、センサアレイが行でアドレス指定されるか列でアドレス指定されるかに応じて異なる出力静電容量を有し得る。図5の例では、キャパシタCfおよびC2はそれぞれ、約13フェムトファラド(fF)および10ピコファラド(pF)の静電容量を有し得る。図5の例は説明のためのものであり、デバイスパラメータ(容量値など)は画素回路の具体的な適用例またはレイアウトに基づいて選択または決定され得ることを理解されたい。代替的に、トランジスタM1、M2、およびM3の各々は、動作に必要な電源電圧および電圧値への調整を伴って、p型金属酸化膜半導体(PMOS)トランジスタに対応することがある。
【００４１】
トランジスタM1は、センサアレイの電源電圧(Vcc)に応答するものであり得る。電源電圧(Vcc)は、「アレイパワー」(AP)と呼ばれることもある。トランジスタM1はソースフォロワとして働くことができ、M1のゲート上の信号がパストランジスタM3に、およびパストランジスタM3がオンであるときには出力Dnに移されることを可能にする。ダイオードD1およびソースフォロワトランジスタM1は、ダイオードバイアス電圧(Diode Biasまたは「DBIAS」)に応答するものであり得る。ダイオードバイアス電圧レベルは、ダイオードD1が順方向にバイアスされているとき、またはリセットトランジスタM2がオンであるとき、M1のゲートに印加され得る。リセットトランジスタM2は、画素回路の隣の第(n+1)の行または列(図示されず)に対するゲートドライバ(Gn+1)に結合されることがあり、トランジスタM3は、第nの行または列(図示されず)に対するゲートドライバ(Gn)に結合されることがある。
【００４２】
たとえば、リセットトランジスタM2は、次の第(n+1)の行または列が読み出されるとき、行または列nの中のトランジスタM1上のゲート電圧をリセットするためにオンにされ得る。ゲートドライバ電圧Gnは、M1のゲート上の信号電圧がセンサ画素回路36から読み出されることを可能にするためにパストランジスタM3を活性化(または「オン」)しながら、前の第(n-1)の行または列(図示されず)のトランジスタM1のゲートをリセットすることもできる。ダイオードD1は、図5に示されるダイオードバイアス信号などのバイアス信号を使用してバイアスされることがあり、このバイアス信号は、説明のための例として、ピーク検出動作モードまたは整流動作モードへとダイオードD1をバイアスし得る。ダイオードバイアス信号は、ダイオードD1のアノードなどのダイオードバイアス電極510に印加され得る。いくつかの実装形態では、ダイオードバイアス信号は、図1の制御用電子機器50または図3のセンサコントローラ104によって生成され得る。他の実装形態では、ダイオードバイアス信号は、図3の超音波センサアレイ102などの別の位置において生成され得る。
【００４３】
動作中、センサ画素回路36は、図1Cに示される反射された超音波80bなどの、画素回路を通過する超音波に応答するものであり得る。図5の例では、超音波は、センサアレイの外側の面に配置された対象物70(たとえば、ユーザの指またはスタイラス)から反射され得る。この反射は、圧電効果に従って電荷/電圧を生成し得る。たとえば、この反射は、センサ画素回路36に結合され得る圧電受信機層38などの圧電デバイスの結晶構造および/またはセラミック構造への、動的な引張応力と機械的な圧縮応力とを発生させ得る。圧電受信機層38に適した材料には、フッ化ポリビニリデン(PVDF)、またはPVDFとトリフルオロエチレンとのコポリマー(PVDF-TrFE)がある。機械的な応力は、整流ダイオードD1などのセンサ画素回路36によって検出され得る表面の電荷または電圧を生成し得る。整流される信号またはM1のゲート上の初期バイアス電圧が、トランジスタM1のゲート電圧を決定することがあり、ゲート電圧はセンサ画素回路36のトランジスタM3をオンにすることによって読み出されることがある。図5の例では、寄生容量Cpがある交流電流(AC)信号をグラウンドへと分流させ、したがってある信号(たとえば、高周波ノイズ)をフィルタリングすることができる。センサ画素回路36は、センサ画素回路36によって検出されるような反射された超音波の強さまたは大きさを示す大きさまたは電圧を有する、第nの行または列に対する画素出力信号またはデータ出力信号(Dn)を生成し得る。データ出力信号(Dn)は、図3のデータ出力サンプルのうちの1つに対応し得る。
【００４４】
いくつかの実装形態では、受信機バイアス電極39および圧電受信機層38は、トランジスタM1のゲートに容量的に結合され得る。容量的な分圧回路が、CfとトランジスタM1のゲート容量との間で形成され得る。容量的な分圧回路の動作は、寄生容量Cpと、トランジスタM2およびダイオードD1に関連付けられる容量とによってさらに影響され得る。受信機バイアス電圧が受信機バイアス電極39に印加されるとき、M1ゲートバイアス電圧は、容量性の分圧回路網に従って、トランジスタM1のゲートにおいて生成され得る。たとえば、M1ゲートバイアス電圧は、トランジスタM1を「オン」状態にバイアスするように働き得る。マルチレベル動作モードでは、受信機バイアス電極39に印加される「ブロック」値または電圧は、通過する超音波が原因で圧電層により生成される電圧が遮断されるようになり得る深い逆バイアスモードで動作するように、ダイオードD1をバイアスすることがあり、受信機バイアス電極39に印加される「サンプル」値または電圧は、順バイアスモードで動作して圧電受信機層38にわたって生成される信号電圧を整流するように、ダイオードD1のカソードの電圧をバイアスすることがあり、受信機バイアス電極39に印加される「ホールド」値または電圧は、緩やかな逆バイアスモードで動作するようにダイオードD1をバイアスし、センサ画素回路36のトランジスタM1のゲート上のサンプル電圧値が望まれるときに読み出されることを可能にすることがある。
【００４５】
ある代替的な動作モードでは、複数のレベルのバイアス電圧が、図5のダイオードバイアス電極510に印加され得る。これらのダイオードバイアス値は、レディまたはホールドモード、ブロックモード、およびサンプルモードでの動作をそれぞれ可能にするための、ホールド値、ブロック値、およびサンプル値に対応し得る。ある説明のための実装形態では、制御用電子機器50は、画素回路36のダイオードバイアス電極510を選択的にバイアスすることによって、超音波センサアレイ102においてホールド動作モード、ブロック動作モード、またはサンプル動作モードを選択的に開始するように構成され得る。たとえば、バイアス電圧は、画素回路36に現在の値を維持させる(たとえば、現在の値を「ホールド」させる)ために、ダイオードバイアス電極510に印加されるホールド値を有し得る。バイアス電圧は、画素回路36が信号を取得または検出するのを妨げる(たとえば、画素回路36が信号を取得または検出するのを「ブロック」する)ために、ダイオードバイアス電極510に印加されるブロック値を有し得る。バイアス電圧は、画素回路36に超音波を検出させる(たとえば、超音波を「サンプリング」させる)ために、ダイオードバイアス電極510に印加されるサンプル値を有し得る。DBIASレベル制御を伴うこれらの動作モードの間、RBIAS(たとえば、受信機バイアス電極39)に印加される値は、一定(接地電位など)に保たれることがあり、またはいくつかの実装形態では変化させられることがある。DBIAS方法を用いる場合の値およびタイミングは、超音波センサアレイ102を動作させるRBIAS方法とは異なり得るが、機能は同様またはほぼ同様であり得る。他の実装形態では、DBIASの機能はRBIASの機能と異なり得る。他の動作モードは、動作の間、RBIAS値、DBIAS値、または両方のいずれかを変え得る。
【００４６】
したがって、TFT画素回路(たとえば、センサ画素回路36)は、ダイオードバイアス信号(たとえば、図5のダイオードバイアス信号)に応答するダイオード(たとえば、ダイオードD1)を含み得る。TFT画素回路は、トランジスタM1などの第1のトランジスタをさらに含み得る。第1のトランジスタは、容量性結合を介して受信機バイアス電圧に応答し得る。たとえば、第1のトランジスタのゲート端子は、受信機バイアス電極39に容量的に結合され得る。圧電受信機層38は、反射された超音波80bなどの反射された超音波に基づいて表面電荷を生成するように構成され得る。ダイオードD1および第1のトランジスタM1は、表面電荷に応答して特定の信号を生成し得る。TFT画素回路36は、トランジスタM3などの第2のトランジスタをさらに含み得る。第2のトランジスタM3は、その特定の信号に応答して、図5のデータ出力信号(Dn)などのTFT画素回路36のデータ出力信号Dnを生成し得る。データ出力信号Dnは、図3のデータ出力に含まれ得る。
【００４７】
図6A〜図6Eは、指またはスタイラスの先端などの対象物70からの反射された超音波信号を示す超音波センサシステム10の超音波センサアレイ102の断面図を示す。
【００４８】
図6Aは、本開示の態様による、超音波センサアレイ102、プラテン40、およびプラテンの露出面44に配置された指などの対象物70の、例示的な実装形態の断面図を示す。図6Aに示される例では、超音波センサアレイ102は、カバー層として働くプラテン40と、受信機バイアス電極39が上にある超音波受信機30と、関連するTFT回路を有するTFT基板32と、超音波送信機20とを含み得る。超音波送信機20は、圧電送信機層の両側に配設された上部電極および下部電極を有し得る。
【００４９】
図6Bは、その各側に配設される送信機電極22と26との間に配置された圧電送信機層24を有する、超音波送信機20から発射される実質的に平面の平面超音波80aを示す。超音波送信機20は、その上にTFT回路33が形成されたTFT基板32に結合され得る。超音波送信機20は、1つまたは複数の平面超音波80aを、TFT基板32、TFT回路33、およびプラテン40を通じて発射し得る。いくつかの実装形態では、プラテン40は保護被覆層42を有し得る。いくつかの実装形態では、ディスプレイデバイスのカバーガラスまたはカバーレンズが、カバー層またはプラテン40として働き得る。保護被覆層42は、プラテン40の外側表面に含まれ得る。被覆層42は、汚れ防止層、耐引掻性層、環境保護層、音響インピーダンス整合層、光学干渉フィルタ、または他の機能的な層として働き得る。被覆層42は、サブレイヤのマルチレイヤスタックを含み得る。いくつかの実装形態では、被覆層42の露出面は、センサ表面44として働き得る。いくつかの実装形態では、被覆層42は、超音波受信機30上に直接配置され、プラテン40として働き得る。いくつかの実装形態では、超音波センサアレイ102は、プラテン40または被覆層42なしで構成されてもよく、超音波受信機30の外側表面がセンサ表面44として働く。多くの実装形態では、センサ表面44はプラテン40の露出面44または被覆層42の外側表面44に対応することに留意されたい。
【００５０】
指70aまたはスタイラス先端などの対象物が、超音波センサアレイ102の外側センサ表面44に配置され得る。プラテン40および任意選択の被覆層42を通って進む平面超音波80aは、超音波センサアレイ102と指70aとの間でセンサ表面44から反射し得る。指70aの稜線領域72の間の谷領域74は、入射する超音波エネルギーの大部分をTFT回路33に向けて反射し得る。センサ表面44と接触している指70aの稜線領域72は、入射する超音波エネルギーを吸収し、分散させ、または伝達し、その結果、TFT回路33に向かって反射される超音波エネルギーの量が少なくなり得る。指70aの稜線領域および谷領域からの反射された超音波エネルギーは、TFT回路33の一部またはすべてを覆って配置された圧電受信機層38によって、TFT回路33のセンサ画素34の下にあるセンサ画素アレイ35によって検出され得る電荷に変換され得る。受信機バイアス電圧は、圧電受信機層38を覆って配置された受信機バイアス電極39に印加されて、反射された超音波80b(図6C参照)が圧電受信機層38およびTFT回路33を通過する際に画像情報の取得を可能にし得る。ひとたび取得されると、センサ画素アレイ35からの画素出力信号は、1つまたは複数のデータ選および制御線を使用したさらなる処理のために、TFT回路33からクロック制御で送信され得る。
【００５１】
図6Cは、指70aが超音波センサアレイ102のセンサ表面44に配置された状態の、超音波センサアレイ102の拡大された部分を示しており、指70aの稜線領域72からの反射された超音波80bを示している。入射する平面超音波80aはセンサ表面44から反射することがあり、反射された波80bの一部分は、指70aの指の稜線領域72の他の部分と比較して、より高い角度で、かつある程度遅延した時間に、指の稜線領域72の端部から反射される。反射された波80bの遅延および回折した部分は、近隣の画素からの画素出力信号を取得し、近隣のセンサ画素によって測定されるような反射される超音波80bの位相の遅延および振幅を考慮し、アレイ102の中の関心のある各画素に対して訂正された出力信号を生成することによって、補償され得る。
【００５２】
図6Dは、超音波センサアレイ102のセンサ表面44に配置された指70aの複数の稜線からの回折効果を示す。回折効果は、指70aの押圧される稜線、または稜線間の、もしくは接触している物体の外側の空気の大きな領域などの、均一である対象物の部分から反射する超音波80bに対しては最小限であり得るが、指、指の稜線、または他の表面特徴などの対象物70の端部または端の特徴においては重大であり得ることに留意されたい。プラテンの厚さが小さいとき、または存在しないときには、回折効果は低減され得ることにも留意されたい。同様の方式で、図6Eは、超音波センサアレイ102のセンサ表面44に配置されたスタイラス70bのスタイラス先端からの反射された超音波80bの回折効果を示し、回折効果はプラテン表面44と接触しているスタイラスの先端の近くで最も顕著である。
【００５３】
図6Fは、超音波センサアレイ102のセンサ表面44に配置された対象物70のある点70cから放出される球面波80cを示す。入射する平面超音波(図示されず)は、点70cに当たり、基本的に球面の波面を伴ってセンサ画素34に向かって反射し得る。半径r1、r2、r3、…rnは、点70cから様々なセンサ画素34までの距離を示し、点70cからの距離とともに変化する、センサ画素34に当たる反射された超音波80cの時間(位相)遅延を示す。画素出力信号に対する訂正が、近隣のセンサ画素に当たる回折された超音波の様々な位相遅延を考慮することによって行われ得る。
【００５４】
図7Aは、背後の超音波センサアレイ102の選択されたセンサ画素34aへのプラテン40の露出面44からの平面超音波80aの反射80bを示す。プラテン表面44とセンサ画素34aとの間の離隔は、距離d0により与えられ得る。センサアレイ102の中のセンサ画素34の5×5の部分は、本明細書において説明される概念を例示するために示されており、5×5のアレイへの限定は意図されていない。送信される平面超音波80aは、センサ画素34のアレイを通過し、プラテン40の露出面44に当たり得る。反射された超音波80bは、センサ画素34のアレイに到達することがあり、そこで、反射された超音波80bの局所的な大きさが検出され得る。反射された波80bをサンプリングする前の第1の取得時間遅延は、選択された画素34aとプラテン表面44との間の距離d0を考慮し得る。たとえば、取得時間遅延(たとえば、RGD1)は、距離d0の2倍を超音波が通過するための飛行時間にほぼ等しいことがあり、これは、プラテン40における音の速さと距離d0の2倍との積(加えて、被覆、整合層、または接着層などの任意の追加の層を通る時間)により与えられる。
【００５５】
図7Bは、背後の超音波センサアレイ102の選択された画素34aの近くの近隣の画素34bの第1のセットへのプラテン40の露出面44からの平面超音波80aの反射80bを示す。回折効果は、反射された平面超音波80bにより長い距離を通過させることがあり、回折効果が原因で、かつそれを補償するために、画素出力信号の第2のセットを取得するときにいくらかより長い取得時間遅延が含まれ得る。たとえば、第2の取得時間遅延は、選択された画素34aと選択された画素34aの近くの近隣の画素34bのセットとの間の平均(mean)(たとえば、平均(average))距離を考慮し得る(近隣の画素34bは、選択された画素34aの側面に隣接するセンサ画素として示されている)。たとえば、第2の取得時間遅延、または等価的には距離ゲート遅延(たとえば、RGD2)は、超音波が距離d0と、辺の長さd0およびd1により与えられる三角形の斜辺とを通過するための飛行時間にほぼ等しいことがあり、ここで、d1は図7Dに関して以下で説明される。第1の取得時間遅延および第2の取得時間遅延は、選択された画素に到達する反射された第1の平面超音波と近隣の画素の第1のセットに到達する反射された第2の平面超音波との間の位相の差を考慮するように異なり得る。
【００５６】
図7Cは、背後の超音波センサアレイ102の選択された画素34aの近くの近隣の画素34cの第2のセットへのプラテン40の露出面44からの平面超音波80aの反射80bを示す。回折効果は、反射された平面超音波80bにさらに長い距離を通過させることがあり、回折効果が原因で、かつそれを補償するために、画素出力信号の第3のセットを取得するときにより長い取得時間遅延が望まれ得る。たとえば、第3の取得時間遅延は、選択された画素34aと選択された画素34aの近くの近隣の画素34cの第2のセットとの間の平均(mean)(たとえば、平均(average))距離を考慮し得る(近隣の画素34cは、選択された画素34aの角と接触するセンサ画素として示されている)。たとえば、第3の取得時間遅延(たとえば、RGD3)は、超音波が距離d0と、辺の長さd0およびd2により与えられる三角形の斜辺とを通過するための飛行時間にほぼ等しいことがあり、ここで、d2は図7Dに関して以下で説明される。
【００５７】
図7Dは、超音波センサアレイ102の選択された画素34a(P0)と選択された画素34aの近くの近隣の画素の複数のセットとを示す。選択された画素34aは、センサアレイ102の中のほとんどすべてのセンサ画素であることがあり、図においてはP0と指定される。例示の目的で、選択された画素P0の中心から近隣の画素の第1のセットP1の中心までの距離d1に対応する半径を有する円が示されており、距離d1は選択された画素P0と近隣の画素の第1のセットP1との間の平均(mean)(平均(average))距離(たとえば、2つの隣り合う画素の間の中心から中心の距離)を表す。選択された画素P0の中心から近隣の画素の第2のセットP2の中心までの距離d2に対応する半径を有する第2の円が示されており、距離d2は選択された画素P0と近隣の画素の第2のセットP2との間の平均(mean)(平均(average))距離を表す。選択された画素P0の中心から近隣の画素の追加のセットPnの中心までの距離d3、d4、およびd5に対応する半径を有する追加の円が示されており、距離d3、d4、およびd5はそれぞれ、選択された画素P0と近隣の画素の追加のセットP3、P4、およびP5との間の平均距離を表す。この手順をたどって、追加のセンサ画素を特定して近隣の画素の様々なセットに割り当て、回折効果の補償を可能にすることができる。
【００５８】
画素出力信号の追加のセットを取得し、画素の近隣のセットからセンサ画素データを伴う訂正された出力信号を生成することによって、回折効果が原因の重大な訂正が画素出力信号に対して行われ得ることに気付き得る。いくつかの実装形態では、訂正は、各々の選択された画素の近くの近隣の画素の1つだけのセット(たとえば、最も近い近隣)から画素出力信号を取得することによって行われ得る。いくつかの実装形態では、訂正は、各々の選択された画素の近くの近隣の画素の2つの異なるセット(たとえば、最も近い近隣および次に近い近隣)から画素出力信号を取得することによって行われ得る。いくつかの実装形態では、訂正は、各々の選択された画素の近くの近隣の画素の3つの、4つの、5つの、またはより多くの異なるセットから画素出力信号を取得することによって行われ得る。
【００５９】
図8A〜図8Gは、超音波送信機に提供される送信機励振信号の様々な周期(上のグラフ)および超音波センサアレイの受信機バイアス電極に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)を、画素出力信号の様々なセットの取得、たとえば、画素出力信号の第1のセット、画素出力信号の第2のセット、または画素出力信号の第3のセットの取得を可能にするためのサンプリング時間枠の様々な時間長および様々な取得時間遅延とともにグラフィカルに示す。以下の説明は、本明細書において開示される様々な実装形態に対して汎用的であるので、平面超音波を発射することに関する以下の説明は、第1の平面超音波および/または第2の平面超音波を発射することに適用可能であるものとして理解されるべきである。同様に、画素出力信号を取得することに関する以下の説明は、画素出力信号の第1のセットおよび/または画素出力信号の第2のセットを取得することに適用可能であるものとして理解されるべきである。以下の取得時間遅延の一般的な説明はまた、第1の取得時間遅延および第2の取得時間遅延に適用可能であるものとして理解されるべきである。
【００６０】
図8Aは、超音波送信機に提供され得る送信機励振信号の周期(上のグラフ)および超音波センサアレイ102の受信機バイアス電極39に印加され得る様々なバイアスレベル(下のグラフ)をグラフィカルに示す。図の上側部分に示されるように、所定の周波数および走査速度における超音波送信機励振信号の1つまたは複数の周期が送信機(Tx)に印加され得る。1つのTx周期が実線により示され、追加の周期が破線により示される。いくつかの実装形態では、単一の送信機励振周期が使用され得る。いくつかの実装形態では、2つの周期、3つの周期、4つの周期、5つ以上の周期などの、複数の励振周期が使用され得る。説明を目的に正弦波として示されているが、いくつかの実装形態における送信機励振信号は、方形波、矩形波、部分波、パルス波、多周波数の波、チャープ波、低デューティ比または高デューティ比の波、可変振幅の波、可変周波数の波、または超音波送信機20を駆動するための他の適切な波形であり得る。出ていく超音波の送信の間、ブロックモードに対応する制御信号が超音波センサアレイ102の受信機バイアス電極39に印加されることがあり、ブロックモードでは、出ていく送信される波からの信号が画素回路36によって捉えられるのを防ぐために、バイアスレベルがブロック値に設定される。反射された超音波信号はサンプルモードの間に捉えられることがあり、サンプルモードの間、受信機バイアス電極39に印加される制御信号のバイアスレベルはサンプル値に設定される。望まれない内部反射の検出を防ぐために、受信機バイアス電極39に印加されるバイアスレベルは、短い期間、ブロック値に戻され得る。受信機バイアス電極39に印加されるバイアスレベルがホールド値にされるホールドモードの間、超音波センサアレイの各センサ画素に記憶される信号はクロック制御で送信され得る。再び図8Aを参照すると、第1の送信機励振信号が超音波送信機20に印加されることがあり、センサアレイのバイアスレベルは発射時間においてブロック値に設定される。距離ゲート遅延(RGD)とも呼ばれる取得時間遅延の後で、バイアスレベルは、サンプル値にされ、サンプリング時間枠または距離ゲート時間枠(RGW)とも呼ばれる取得時間枠に対応する時間長の間、サンプル値に保たれ得る。いくつかの実装形態における取得時間枠は、送信機励振周期の
期間以上の時間間隔に対応することがあり、または他の実装形態では送信機励振周期の期間未満の時間間隔に対応することがあることに留意されたい。送信機励振周期の期間は一般に、対応する送信および反射される超音波の期間に等しいことに留意されたい。取得時間枠に対応する時間間隔の後で、受信機バイアス電極39に印加されるバイアスレベルはブロック値に戻され得る。別の時間間隔の後で、画素出力信号のクロック制御による送信を可能にするために、バイアスレベルはホールド値にされ得る。たとえば、平面超音波は、平面波生成器などの超音波送信機20からプラテン表面に向かって発射時間に発射され得る。画素出力信号のセットは、取得時間遅延の分だけ平面超音波の発射から遅延する取得時間に取得され得る。画素出力信号は、平面波がプラテン表面から反射された後の所定の時間における、平面超音波の局所的な大きさを表し得る。画素出力信号の追加のセットは、追加の平面超音波を発射した後で取得され得る。画素出力信号は、同じまたは異なる取得時間遅延の後に、同じまたは異なる取得時間枠を用いて取得され得る。
【００６１】
図8Bは、超音波送信機に提供され得る送信機励振信号の単一の周期(上のグラフ)および反射された波を検出するために超音波センサアレイ102の受信機バイアス電極39に印加され得る様々なバイアスレベル(下のグラフ)をグラフィカルに示す。第1の時間間隔の後で、平面超音波を発射するために、送信機励振信号が超音波送信機20に印加され得る。受信機バイアス電極39に印加されるバイアスレベルはホールド値からブロック値に変更されることがあり、これは、超音波が画素回路アレイを通過する際に画素回路が信号を取得するのを阻止し得る。取得時間遅延、または等価的には距離ゲート遅延(RGD)に対応する第2の時間間隔の後で、受信機バイアス電極39に印加されるバイアスレベルは、図において受信された波として示される、センサプラテン40の表面から反射された超音波の整流および局所的な大きさのサンプリングを可能にするために、サンプル値にされ得る。取得時間枠、または等価的には距離ゲート時間枠(RGW)に対応する第3の時間間隔の後で、受信機バイアス電極39に印加されるバイアスレベルは、センサスタックにおける超音波のあらゆる反響を静めることを可能にするために、ブロック値に戻され得る。第4の時間間隔の後で、受信機バイアス電極39に印加されるバイアスレベルはホールド値にされることがあり、これは、超音波センサアレイの中の1つまたは複数の画素によって捉えられる画素出力信号が読み出されることを可能にする。第5の時間間隔の後で、この一連の流れが繰り返されることがあり、画素出力信号の追加のセットが取得されることを可能にする。
【００６２】
図8Cは、超音波送信機に提供され得る送信機励振信号の複数の周期(上のグラフ)および反射された波を検出するために超音波センサアレイ102の受信機バイアス電極39に印加され得る様々なバイアスレベル(下のグラフ)をグラフィカルに示す。送信機励振電圧の開始において、受信機バイアス電極39がブロック値にされることがあり、一方、複数の励振周期が超音波送信機20に印加されることがある。励振周期の終わりにおいて、またはその近くで、受信機バイアス電極39はサンプル値にされることがあり、そこで、反射された超音波の大きさの局所的な大きさを示すセンサ信号がセンサ画素において取得される。距離ゲート時間枠(RGW)は、送信機20に印加される周期のいずれからも最大の整流された信号を捉えるのに十分長いものとして示されていることに留意されたい。動作中、距離ゲート時間枠の幅は送信機励振信号の1周期の期間以上であることがあるが、大半の実装形態では、距離ゲート時間枠の幅は、受信された超音波に沿った様々な点におけるサンプリングを可能にするために、送信機励振周期より明らかに短い。
【００６３】
図8Dは、超音波送信機に提供され得る送信機励振信号の単一の周期(上のグラフ)および反射された波を検出するために超音波センサアレイ102の受信機バイアス電極39に印加され得る様々なバイアスレベル(下のグラフ)をグラフィカルに示し、サンプリング時間枠は送信機励振信号の1周期の期間よりはるかに短い。この例では、1周期だけの送信機励振周期が使用され、距離ゲート時間枠は送信機励振周期の期間よりはるかに短い。同様の方式で、図8Eは、超音波送信機に提供される送信機励振信号の複数の周期(上のグラフ)および反射された波を検出するために超音波センサアレイ102の受信機バイアス電極39に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)をグラフィカルに示し、サンプリング時間枠は送信機励振信号の1周期の期間よりはるかに短い。
【００６４】
図8Fは、超音波送信機に提供され得る送信機励振信号の周期(上のグラフ)および反射された波を検出するために超音波センサアレイの受信機バイアス電極に印加され得る様々なバイアスレベル(下のグラフ)をグラフィカルに示し、サンプリング時間枠は送信機励振信号の1周期の期間よりはるかに短く、超音波の発射からの時間とともに変化する(2つのサンプルが示されている)。第1のサンプルの距離ゲート遅延(RGD1a)は第2のサンプルの距離ゲート遅延(RGD1b)より短く、反射された超音波に沿った様々な点における画素出力信号の複数のセットの取得を示す。各サンプリング時間枠内で、超音波信号の整流は一般に、サンプリング時間枠内のピーク信号のみを捉え、これは必ずしも反射された波のピーク信号に相当しない。
【００６５】
図8Gは、超音波送信機に提供され得る送信機励振信号の周期(上のグラフ)および反射された波を検出するために超音波センサアレイの受信機バイアス電極に印加され得る様々なバイアスレベル(下のグラフ)をグラフィカルに示し、サンプリング時間枠は送信機励振信号の1周期の期間よりはるかに短く、選択された画素および近隣の画素のセットからの反射された波の受信を検出するために超音波の発射からの時間とともに変化する(3つのサンプルが示されている)。この例では、反射された超音波の3つのサンプルが、3つの異なる距離ゲート遅延(RGD1、RGD2、およびRGD3)を使用して取得される。
【００６６】
図8H〜図8Lは、ローカル発振器の出力(上のグラフ)と同期され超音波送信機に提供される送信機励振信号の様々な周期(中央のグラフ)、および反射された波を検出するために超音波センサアレイの受信機バイアス電極に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)を、画素出力信号の様々なセットの取得を可能にするための、サンプリング時間枠の様々な時間長、超音波の発射からの様々な取得時間遅延、およびローカル発振器信号とバイアスレベルの様々な混合とともにグラフィカルに示す。
【００６７】
図8Hは、ローカル発振器の出力(上のグラフ)と同期され超音波送信機に提供される送信機励振信号の周期(中央のグラフ)および反射された波を検出するために超音波センサアレイの受信機バイアス電極に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)をグラフィカルに示し、サンプリング時間枠は送信機励振信号の1周期の期間よりはるかに短く、サンプリングの間にローカル発振器信号をバイアスレベルと混合しながら画素出力信号の複数のセットを取得するために超音波の発射から時間とともに変化し(3つのサンプルが示されている)。混合された信号は、受信機バイアス電極の電圧に重畳されることがあり、またはいくつかの実装形態では、サンプリング時間枠の間にのみ、受信機バイアス電極39に印加されることがある。受信機バイアス信号と混合されるときのローカル発振器信号の振幅は送信機励振信号よりはるかに小さいことがあるが、これら2つは時間的に同期されることがある。示されるように、画素出力信号の複数のセットは、ローカル発振器信号の制御された振幅および位相と混合されるような反射された超音波をサンプリングしながら、可変の距離ゲート遅延(RGD1、RGD2、RGD3など)を用いて取得され得る。
【００６８】
図8Iは、ローカル発振器の出力(上のグラフ)と同期され超音波送信機に提供される送信機励振信号の周期(中央のグラフ)および反射された波を検出するために超音波センサアレイの受信機バイアス電極39に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)をグラフィカルに示し、サンプリング時間枠は送信機励振信号の1周期の期間よりはるかに短く、サンプリングの間にローカル発振器信号をバイアスレベルと混合しながら画素出力信号の複数のセットを取得するために超音波の発射から時間とともに変化せず(3つのセットが示されている)、その結果、混合されたローカル発振器信号は、画素出力信号の取得されたセットの間で実質的に同じ振幅を、しかし異なる位相(遅延)を有する。この例では、同じ距離ゲート遅延(RGD1)が各サンプルの取得のために適用され、一方で、混合されたローカル発振器信号は各サンプルに対して同じ振幅を、しかし異なる位相を有する。
【００６９】
図8Jは、ローカル発振器の出力(上のグラフ)と同期され超音波送信機に提供される送信機励振信号の周期(中央のグラフ)および反射された波を検出するために超音波センサアレイ102の受信機バイアス電極39に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)をグラフィカルに示し、サンプリング時間枠は送信機励振信号の1周期の期間よりはるかに短く、サンプリングの間にローカル発振器信号をバイアスレベルと混合しながら画素出力信号の複数のセットを取得するために超音波の発射から時間とともに変化せず(3つのセットが示されている)、その結果、混合されたローカル発振器信号は、画素出力信号の取得されたセットの間で異なる振幅および異なる位相を有する。この例では、距離ゲート遅延(RGD1)が各サンプルに対して同じであり、一方で、混合されたローカル発振器信号は各サンプルに対して異なる振幅および異なる位相を有する。
【００７０】
図8Kは、ローカル発振器の出力(上のグラフ)と同期され超音波送信機に提供される送信機励振信号の周期(中央のグラフ)および反射された波を検出するために超音波センサアレイ102の受信機バイアス電極39に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)をグラフィカルに示し、サンプリング時間枠は送信機励振信号の1周期の期間と実質的に同じ幅を有し、サンプリングの間にローカル発振器信号をバイアスレベルと混合しながら画素出力信号の複数のセットを取得するために超音波の発射から時間とともに変化せず(3つのセットが示されている)、その結果、混合されたローカル発振器信号は、画素出力信号の取得されたセットの間で実質的に同じ振幅を、しかし異なる位相を有する。この例では、距離ゲート遅延(RGD1)が各サンプルに対して同じであり、一方で、混合されたローカル発振器信号は各サンプルに対して実質的に同じ振幅を、しかし異なる位相(0度、90度、および180度が示されている)を有する。
【００７１】
図8Lは、ローカル発振器の出力(上のグラフ)と同期され超音波送信機に提供される送信機励振信号の周期(中央のグラフ)および反射された波を検出するために超音波センサアレイの受信機バイアス電極に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)をグラフィカルに示し、サンプリング時間枠は送信機励振信号の1周期の期間と実質的に同じ幅を有し、サンプリングの間にローカル発振器信号をバイアスレベルと混合しながら画素出力信号の複数のセットを取得するために超音波の発射から時間とともに変化せず(3つのセットが示されている)、その結果、混合されたローカル発振器信号は、画素出力信号の取得されたセットの間で異なる振幅を、しかし実質的に同じ位相を有する。この例では、距離ゲート遅延(RGD1)が各サンプルに対して同じであり、一方で、混合されたローカル発振器信号は各サンプルに対して異なる振幅を、しかし同じ位相を有する。
【００７２】
図8Mは、超音波送信機に提供される送信機励振信号の周期(上のグラフ)および超音波センサアレイのダイオードバイアス電極に印加される様々なバイアスレベル(下のグラフ)をグラフィカルに示す。図の上側部分に示されるように、および図8Aに関して上で説明されたように、所定の周波数および走査速度における超音波送信機励振信号の1つまたは複数の周期が送信機(Tx)に印加され得る。出ていく超音波の送信の間、ブロックモードに対応する制御信号が超音波センサアレイ102のダイオードバイアス電極510に印加されることがあり、ブロックモードでは、バイアスレベルがブロック値に設定される。反射された超音波信号はサンプルモードの間に捉えられることがあり、サンプルモードにおいて、ダイオードバイアス電極510に印加される制御信号のバイアスレベルはサンプル値に設定される。望まれない内部反射の検出を防ぐために、ダイオードバイアス電極510に印加されるバイアスレベルは、短い期間、ブロック値に戻され得る。ダイオードバイアス電極510に印加されるバイアスレベルがホールド値にされるホールドモードの間、超音波センサアレイ102の各センサ画素に記憶される信号はクロック制御で送信され得る。再び図8Mを参照すると、第1の送信機励振信号が超音波送信機20に印加されることがあり、センサアレイ102のバイアスレベルは発射時間にブロック値に設定される。距離ゲート遅延(RGD)とも呼ばれる取得時間遅延の後で、バイアスレベルは、サンプル値にされ、距離ゲート時間枠(RGW)とも呼ばれる取得時間枠に対応する時間長の間、サンプル値に保たれ得る。取得時間遅延は、送信機励振周期の期間以上の時間間隔に対応することがあり、または送信機励振周期より短い時間間隔に対応することがあることに留意されたい。取得時間枠に対応する時間間隔の後で、ダイオードバイアス電極510に印加されるバイアスレベルはブロック値に戻され得る。別の時間間隔の後で、画素出力信号のクロック制御による送信を可能にするために、バイアスレベルはホールド値にされ得る。ダイオードバイアス電圧、および画素出力信号を取得するためにダイオードバイアス電極510に印加されるタイミングの動作は、図8Aおよび他の個所に関して説明されるような、受信機バイアス電極39に印加される電圧およびタイミングとよく似てい
ることがあるが、電圧の極性および大きさはそれらの間で異なることがある。いくつかの実装形態では、超音波センサアレイ102は、希望通りに、超音波撮像のいずれかのモードまたは両方のモードで動作し得る。
【００７３】
図9は、超音波センサアレイ102の中の複数の画素に対する訂正された出力信号に基づいてプラテン表面40に配置される対象物70の画像の生成を示す。画素出力信号の2つ以上のセットの各々は、超音波画像情報の画素ごとの算術的な加重と合成され得る。各画素に対する訂正された出力信号は、画素出力信号の続いて取得されるセットを、最初に取得された画素出力信号とともに重み付け、各画素に対する結果を一緒に合成することによって生成され、任意選択で、合成された表現または画像情報セットを形成するために正規化され得る。近隣の画素からの画素出力信号の重み付けられた合成を用いた、各々の選択された画素の画素出力信号の画素ごとの加重を使用すると、異なる距離ゲート遅延、距離ゲート時間枠、および励振周波数における、画素出力信号の様々なセットからの反射される超音波の局所的な大きさが、それぞれの位相が訂正された重みおよび振幅が訂正された重みと乗算され、一緒に加算され、任意選択で正規化されて、複数の選択された画素の訂正された出力信号に基づいてプラテン表面に配置される対象物70の画像を表す画像情報セットを生成することができる。
【００７４】
いくつかの実装形態では、プラテン表面40に配置される対象物70の画像の生成は、超音波センサアレイ102の中の複数の選択された画素に対する訂正された出力信号に基づき得る。複数の画素は、超音波センサアレイ102の中の各画素、またはそのサブセットを含み得る。たとえば、画像は、センサアレイのアクティブエリアの中の、または、指が置かれていない領域における広範な計算を避けてレイテンシを減らすために、指の摩擦稜線が識別される領域などのアレイ内の画素のより小さなブロックの中の、それぞれすべての画素における訂正された出力値から生成され得る。
【００７５】
センサ画素アレイの中の1つまたは複数の選択された画素に対する訂正された出力信号は、画素出力信号の1つまたは複数のセットに一連の動作を適用することによって生成され得る。画素出力信号の様々なセット(画素出力信号の第1のセット、画素出力信号の第2のセット、および/または画素出力信号の第3のセットなど)は、たとえば、異なる距離ゲート遅延、距離ゲート時間枠、および励振周波数を用いて取得され得る。いくつかの実装形態では、センサ画素アレイの中の1つまたは複数の選択された画素に対する訂正された出力信号は、距離ゲート時間枠の幅の中での精密な段階的変化(たとえば、128MHzのクロック周波数に対して7.8nsのインクリメント)を可能にする、64MHzまたは128MHzなどの高いサンプリングクロック周波数を用いて、超音波センサデータをまず取得することによって生成され得る。距離ゲート遅延は、超音波送信機とセンサ画素との間の距離によって決定されることがあり、この距離は、上にあるプラテンの厚みとプラテンにおける音の速さとに基づき得る。距離ゲート遅延は、約400μmの厚みのガラスプラテンでは、0.65〜1.0マイクロ秒のオーダーであり得る。より厚いもしくは薄い、または異なる材料で作られるプラテンの様々な実装形態では、典型的な距離ゲート遅延は、約0.2マイクロ秒と約2.0マイクロ秒の間で変動し得る。画素出力信号のセットは、距離ゲート遅延と等価な第1の取得時間に取得され得る。サンプリング時間枠は、約54マイクロ秒の取得時間枠の間に7つのクロック周期などの、整数個のサンプリングクロック期間の長さであり得る。送信/反射された超音波の期間より短いことがある時間長を伴う、または、送信/反射された超音波の1周期の長さが少なくともある時間長を伴う、他のサンプリング時間枠のサイズが使用され得る。画素出力信号は平均されることがあり、平均値は、あらゆる0ではないバイアス値を打ち消し、平均が0である画素出力信号の修正されたセットを得るために、各画素出力信号から差し引かれる。画素出力信号の基準のセット(対象物なし)が、画素出力信号の修正されたセットから取得されて差し引かれることがあり、得られるセットが、あらゆるシステム的なバックグラウンド信号を差し引き、値のセットを白色化し、ダイナミックレンジを上げるために正規化され得
る。画素出力信号の修正されたセットは、修正されたセットをe^(-i*2*pi*fc*trgd)という値と乗算することなどによって、あらゆる機械的または電気的なノイズを除去するためにバンドパスフィルタリングされることがあり、ここでfcは送信される超音波信号の中心周波数であり、trgdは画素出力信号のセットに対する取得時間遅延を表す。取得された画素出力信号の追加のセットは、異なる取得時間遅延trgdとともに取得され、上で説明されたように修正され、trgdの対応する値を用いてフィルタリングされ得る。出力信号の追加のセットに対する取得時間遅延は、サンプリングクロック期間の(プラスまたはマイナスの)整数インクリメントによって、初期の取得時間遅延から変動し得る。他の例では、取得時間遅延は、中心送信周波数fcの周期のpi/2倍、pi/4倍、pi/10倍、またはpi/20倍などの、piの何らかの断片の分だけ変動し得る。他の例では、取得時間遅延は、平均的な人の指の稜線から稜線の寸法または登録者の特徴的な稜線から稜線の寸法などの、プラテン表面に配置される典型的な対象物の特徴的な寸法または幅に基づくインクリメントの分だけ変動し得る。他の例では、取得時間遅延は、選択された画素から近隣の画素のセットまでの音響経路の長さと比較した、選択された画素からプラテン表面および裏までの音響経路の長さの差を決定し、次いでプラテンにおける音の速さによって割り、その結果の適切な断片を用いることなどによって、選択された画素と、選択された画素の近くの近隣の画素の第1のセットおよび追加のセットとの間の、平均距離を考慮することができる。他の例では、取得時間遅延は、送信される超音波の波長によって音響経路の長さの差を割り、その結果に2×piを掛けることなどによって、選択された画素に到達する反射された超音波と近隣の画素のセットに到達する反射された超音波との位相の差を考慮するように異なることがある。いくつかの実装形態では、発射される超音波の中心周波数は、対象物の特徴的な幅に基づき得る。
【００７６】
次の動作において、時間領域の値が周波数領域の値に、次いで波数領域の値に、次いで空間領域の値に変換され得る。たとえば、空間領域の値は、線形システムに対しては、各送信機周波数における超音波の群速度により時間領域の値をスケーリングすることによって取得され得る。励振の帯域が狭く分散が最小限である(たとえば、関心のある周波数にわたってプラテン材料を通る音の速さに変化がほとんどない)状況では、時間領域の値は、たとえば離散フーリエ変換(DFT)を使用して周波数領域へと変換され得る。周波数領域の値は、波数領域に変換され、次いで逆離散フーリエ変換を使用して空間領域に変換され得る。高速フーリエ変換(FFT)、離散コサイン変換(DCT)、ラプラス変換(LT)、または他の適切な変換などの、他の変換およびそれぞれの逆変換が使用され得る。超音波周波数における音の挙動が送信周波数に依存し媒体が分散性である非線形システムでは、または高調波の存在下では、群速度と位相速度の両方が、非線形の依存性とともに、時間領域の値を空間領域の値に変換するために使用され得る。
【００７７】
選択された画素に対する訂正された出力信号は、選択された画素からの出力信号と、近隣の画素の第1のセット、近隣の画素の第2のセット、および選択された画素の近くの近隣の画素の追加のセットなどの、近隣の画素のセットからの訂正信号との、加重和であり得る。第1レベル訂正信号および他のレベルの訂正信号は、選択された画素からの出力信号とは異なるように重み付けられ得る。たとえば、画素出力信号の各々の取得されたセットについて上で説明された空間領域の値は、選択された画素から近隣の画素までの幾何学的距離または音響的距離に依存する重み付け、たとえばガウシアン加重方法を用いて加算され得る。いくつかの実装形態では、この重み付けは、いくつか例を挙げると、選択された画素に中心がある5×5の正方形アレイまたは11×11のアレイなどの、各々の選択された画素の近くのセンサ画素の小さなアレイに限定され得る。図9に示されるように、この合計は、第1の取得されたセットからの選択された画素からの変換された値と、後で取得されたセットに対する近くの画素からの値とを備え得る。いくつかの実装形態では、加重係数は、たとえば、プラテン表面に押される尖ったピンまたはスタイラスの先端による超音波送信機の様々な発射に対する画素出力信号の測定およびデコンボリューションによって、経験的にデコンボリューションと取得がされ得る。他の実装形態では、加重係数は、プラテン表面におけるシミュレートされる点源による超音波送信機の様々な発射に対する画素出力信号のシミュレーションに基づいて決定され得る。本明細書では、様々な発射は、プラテン表面に向かう平面波生成器からの平面超音波の複数の発射および取得を指すものとして理解され、ここで各発射および各取得において取得される出力信号は異なる取得時間遅延または距離ゲート遅延を有し得る。
【００７８】
いくつかの実装形態では、受信側ビームフォーミングは、複数の近隣のセンサ画素からの位相シフトおよび振幅訂正を適用することによって、指紋画像の中の各画素に対して取得され得る。一般に、訂正された出力信号を生成するための情報は、各々の選択された画素を含むn×mのエリアの中の近隣の画素から取得され得る。これまでに説明された実装形態はnとmが等しいものと仮定していたが、いくつかの実装形態では、nとmが異なる、各々の選択された画素を囲むn×mのエリアに基づいて訂正された出力信号を生成するのが有用であることがある。たとえば、超音波センサの端においては、またはその近くでは、いくつかの実装形態では、センサアレイに沿ったある次元において別の次元におけるよりも近くにある画素からの情報を使用することが有用であることがある。1つのそのような実装形態では、超音波センサの端にある、またはその近くにある選択された画素を囲む長方形のn×mのエリアは、その端に平行な次元における画素の数と比較して、その端に垂直な次元においてより多くの数の画素を含み得る。超音波送信機の様々な発射および画素出力信号のセットの取得の後で、所与の選択された画素(sp)に対する訂正された出力信号は、以下の式に従って、n×mのエリアの中の画素の画素出力信号の各セットの値を、各々適切な加重係数と乗算した後で加算することによって、取得され得る。
【数１】
2018535712.tif 000003
【００７９】
上で表されたように、いくつかの実装形態では、選択された画素(P'sp)に対する訂正された出力信号を生成することは、選択された画素(Psp)の出力信号と近隣の画素の第1のセット(Pj)からの第1レベル訂正信号との加重和を計算するステップを含む。上の省略符号は、上の式に示されるものと同様の重みを使用して、第2レベル訂正信号およびさらに高レベルの訂正信号を加算に含める可能性を表している。上の式は、(近隣の第2のセットに基づく第3項、近隣の第3のセットに基づく第4項などの可能性とともに)選択された画素の出力信号に基づく第1項と第1レベル訂正信号の加算に基づく第2項を足した形式で表されている。
【００８０】
第1項は、超音波の第1の発射および取得において測定される選択された画素における取得された振幅と、画素依存の重みとの積
【数２】
2018535712.tif 000004
を含む。画素依存の重みDspは、画素ごとのばらつきを考慮するための選択された画素に対する較正係数を表し、φは選択された画素における反射された超音波の位相を表し、θspは選択された画素に対する幾何学的位相係数を表す。いくつかの実装形態では、較正係数は、超音波センサの製作の後に実行される1つまたは複数の較正ステップにおいて決定され、画素ごとの製造上のばらつきを考慮することができる。いくつかの実装形態では、選択された画素における反射された超音波の位相は、経験的な測定およびデコンボリューションに基づいて、またはシミュレーションに基づいて、一度決定され得る。幾何学的位相係数は、選択された画素からプラテンへの、そして選択された画素へ戻る音響経路に関連する。シミュレーションの場合、φおよびθspは独立に計算され得るが、経験的な測定およびデコンボリューションに基づいて決定されるとき、計算される項は一般に和φ+θspに関連するが、φとθspの一方もしくは他方または両方の、分析的な計算または近似も可能である。
【００８１】
第2項は、超音波の第2の発射および取得において測定される近隣の第1のセットPjの各々における取得された振幅と、画素依存の重みとの積
【数３】
2018535712.tif 000005
を含む。第2の加算項において、jは近隣の第1のセットの各々を特定するためのインデックスを表す。画素依存の重みDjは、近隣の第1のセットの各々に対する画素依存の較正係数を表し、φは選択された画素における反射された超音波の位相を表し、θjは近隣の第1のセットの各々に対する幾何学的位相係数を表す。選択された画素と近隣の第1のセットとの間の音響経路の長さが等しい実装形態では、幾何学的位相係数は近隣の第1のセットの各々に対して同じである。幾何学的位相係数は、選択された画素から近隣の画素までの音響経路に2×pi×fcを掛けてプラテンにおける音の速さで割ったものに基づき得る。いくつかの実装形態では、複数の層を伴うプラテンでは、所与の精度まで、幾何学的位相係数は、各プラテン層の厚みk、τk、および各プラテン層における音の速さCkに基づき得る。これらのパラメータから、実効飛行時間TOFeffを、項の加算によって計算することができ、各項は、各プラテン層の厚みを各プラテン層における音の速さで割ったものを含み、たとえば、
【数４】
2018535712.tif 000006
であり、mはプラテンにおける層の総数である。実効飛行時間から、プラテンにおける音の実効速度Ceffが、プラテンの全体の厚みτtotalをTOFeffで割ることで計算され得る。
【数５】
2018535712.tif 000007
プラテンにおける音の実効速度は、プラテンにおける音の実効速度Ceffを発射される超音波の周波数fcで割ることによりプラテンにおける実効波長λeffを計算するために使用され得る。
【数６】
2018535712.tif 000008
たとえば、近隣の第1のセット、第2のセット、第3のセットなどの中の、所与の画素jに対する幾何学的位相係数θjは、いくつかの実装形態における項の1つの表現では、選択された画素から所与の画素jへの音響経路をλeffで割ったものに基づくことがあり、たとえば、
【数７】
2018535712.tif 000009
であり、ここでrjは、
【数８】
2018535712.tif 000010
によって、選択された画素と所与の画素xjとの間の距離または間隔から計算され得る。j=0では、上のθjの表現は、x0が0に等しいのでθspへと簡略化されることに留意されたい。さらに、j=1,2,3,4,...,nであるrjは、図6Fを参照して示されることに留意されたい。他の実装形態では、より高いまたは低い精度で、幾何学的位相係数が、他の形式または方法で、たとえば上で述べられたように、経験的な方法および/もしくはシミュレーションによる方法を使用して、または他の分析的な表現にて、計算または表現され得ることを理解されたい。
【００８２】
訂正された出力信号は、対象物の画像を生成するために使用されることがあり、またはそうでなければ、たとえば実際の画像を生成することとともに、または生成することなく、指紋と照合するように処理されることがある。対象物の画像は、たとえば、画面上の複数の選択された画素からの訂正された画素出力信号を表示することによって、生成され得る。
【００８３】
図10A〜図10Cは、訂正を伴わない(図10A)、フィルタリング(たとえば、画素出力データの局所的な平均化および平滑化)を伴う(図10B)、および受信側ビームフォーミングを伴う(図10C)プラテン表面に配置されたスタイラスの先端の取得された超音波画像を示す。プラテンが取り付けられた超音波センサアレイおよびプラテン表面と接触しているスタイラスの先端からの生の画像が図10Aに示されている。画素ごとのフィルタリングは、図10Bに示される結果をもたらす。取得時間遅延が異なり取得時間枠が短い、近隣の画素からの画素出力信号のセットに適用されるビームフォーミング係数の使用により、図10Cのビームフォーミングされた画像においてスタイラスの先端が明らかになる。
【００８４】
図11A〜図11Cは、選択された画素からの出力信号および近隣の画素からの訂正信号に基づいて対象物の超音波画像を生成する方法を示すフローチャートである。図11Aに示される方法によれば、第1の平面超音波がプラテン表面に向かって発射されることがあり(1102)、画素出力信号の第1のセットが第1の取得時間において取得されることがある(1104)。第2の平面超音波がプラテン表面に向かって発射されることがあり(1106)、画素出力信号の第2のセットが第2の取得時間において取得されることがある(1108)。訂正された出力信号が選択された画素に対して生成されることがあり(1110)、その訂正された出力信号が、画素出力信号の第1のセットからの選択された出力信号から、ならびに、画素出力信号の第2のセットからの第1レベル訂正信号から生成されることがある。複数の画素からの訂正された出力信号を使用することによって、プラテン表面に配置された対象物の画像が生成され得る。
【００８５】
図11Bに示される方法によれば、第1の平面超音波がプラテン表面に向かって発射されることがあり(1122)、画素出力信号の第1のセットが第1の取得時間において取得されることがある(1124)。第2の平面超音波がプラテン表面に向かって発射されることがあり(1126)、画素出力信号の第2のセットが第2の取得時間において取得されることがある(1128)。第3の平面超音波がプラテン表面に向かって発射されることがあり(1130)、画素出力信号の第3のセットが第3の取得時間において取得されることがある(1132)。訂正された出力信号が選択された画素に対して生成されることがあり(1134)、その訂正された出力信号が、画素出力信号の第1のセットからの選択された出力信号から、ならびに、画素出力信号の第2のセットからの第1レベル訂正信号および画素出力信号の第3のセットからの第2レベル訂正信号から生成されることがある。複数の画素からの訂正された出力信号を使用することによって、プラテン表面に配置された対象物の画像が生成され得る。
【００８６】
図11Cに示される方法によれば、第1の平面超音波がプラテン表面に向かって発射されることがあり(1142)、画素出力信号の第1のセットが第1の取得時間において取得されることがある(1144)。追加の平面超音波がプラテン表面に向かって発射されることがあり(1146)、画素出力信号の追加のセットが追加の取得時間において取得されることがある(1148)。訂正された出力信号が選択された画素に対して生成されることがあり(1150)、その訂正された出力信号が、画素出力信号の第1のセットからの選択された出力信号から、ならびに、画素出力信号の追加のセットから生成されることがある。プラテン表面に配置された対象物の画像が生成され得る(1152)。
【００８７】
図12Aは、本開示の態様による、ユーザの指紋の登録および/または認証のために超音波センサアレイを使用するための一般化されたフローを示す。この例では、ブロック1200は登録プロセスを説明し、ブロック1220は検証/認証プロセスを説明する。登録1200の間、取得された画像は、ローカルデータベースまたは外部データベース1210に記憶され得るテンプレート(たとえば、テンプレート情報、テンプレートデータ、バイオメトリック参照データ、または参照)を生成するために処理され得る。参照は、1つまたは複数のテンプレート、モデル、または生画像を含み得ることに留意されたい。いくつかの実装形態では、登録プロセスは、画像取得1202と、画像処理1204と、特徴抽出1206と、テンプレート生成1208と、データベース1210へのデータ記憶とを含み得る。検証/認証プロセス1220は、画像取得1222と、画像処理1224と、特徴抽出1226と、テンプレート生成1228と、データベース1210に記憶された情報を使用する指紋照合1230と、一致出力信号1234を決定および提供するための一致判定1232とを含み得る。識別/検証/認証段階において、取得された各画像は、テンプレートを生成するために処理されることがあり、生成されたテンプレートは、照合のために使用されることがある。指紋検証/認証ブロック1220は、一致が生じたかどうかを示す一致出力信号1234を提供し得る。
【００８８】
図12Bは、本開示の態様による、スタイラスの検出および場所の決定のために超音波センサアレイを使用するための一般化されたフローを示す。この例では、ブロック1240は、スタイラス検出および場所決定のプロセスを説明する。スタイラス検出/場所決定プロセス1240は、画像取得1242と、画像処理1244と、特徴抽出1246と、スタイラス判定1248と、スタイラス位置判定1250とを含み得る。二値のスタイラス/非スタイラス出力信号1252が、スタイラス判定ブロック1248からの出力として提供され得る。指紋対応のタッチスクリーンまたは専用の指紋センサ上のx-y座標などのスタイラス位置出力1254が、スタイラス位置判定ブロック1250からの出力として提供され得る。
【００８９】
図13A〜図13Dは、ディスプレイデバイスとともに超音波指紋センサなどの超音波センサアレイの様々な構成を示す。たとえば、超音波センサアレイ102は、ディスプレイ180および超音波センサアレイ102のために別個のまたは共通のTFT基板を有し得る。超音波センサアレイ102は、指紋センサとして働くことがあり、いくつかの実装形態では、超音波タッチスクリーンまたはタッチパッドとして働くことがある。共通のカバーガラスまたはタッチスクリーンが、超音波センサアレイ102の要素とディスプレイとの間で共有され、超音波センサアレイ102のプラテン40または被覆層42(図6B参照)として働き得る。代替的な構成では、任意選択の被覆層42を伴う超音波センサアレイ102が、モバイルデバイスの筐体のベゼルに、側部に、または背部に配置され得る。いくつかの実装形態では、超音波センサアレイ102は、超音波ボタンの上に置かれ、または超音波ボタンの一部として配置され得る。超音波ボタンは、機械式でも非機械式でもよい。たとえば、超音波ボタンは、電気機械スイッチに機械的に結合され得る。超音波ボタンは、認証するものであっても、認証するものではなくてもよい。いくつかの実装形態では、超音波センサアレイ102は、ディスプレイのアクティブエリアの周辺にあってよく、ディスプレイカラーフィルタガラス184およびディスプレイTFT基板182を含み得る。図13Aに示される例では、超音波センサアレイ102は、超音波センサアレイ102のプラテン40として、およびディスプレイ180のタッチスクリーンまたはカバーガラスとして働き得る共通のカバー層の下に配置される。別の例では、超音波センサアレイ102は、モバイルデバイス筐体(図示せず)のベゼル領域、側壁、または背面などに、ディスプレイとは別個に配置され得る。図13Bに示される別の例では、超音波センサアレイ102は、ディスプレイカラーフィルタガラス184およびディスプレイのTFT基板182などの、ディスプレイ180の要素の下または背後に位置し得る。図13Cに示される別の例では、超音波センサアレイ102の一部またはすべては、ディスプレイのTFT基板182に組み込まれ得る。超音波センサアレイ102は、ディスプレイのTFT基板と統合されることがあり、ディスプレイのアクティブエリアの一部をカバーす
る、まったくカバーしない、またはすべてをカバーする、超音波センサアレイ102のアクティブエリアと共通のTFT基板を共有する。いくつかの実装形態では、超音波センサアレイ102は、ディスプレイ180のアクティブエリアの一部またはすべてを含み得る。図13Dは、プラテン40として働くカバー層が超音波センサアレイ102の上に配置された状態で、超音波送信機20と、TFT基板32を含む超音波受信機30とを有する超音波センサアレイ102の破断図を示す。
【００９０】
図14は、超音波センサシステム10の一般化されたブロック図を示す。超音波センサシステム10は、超音波センサアレイ102とセンサコントローラ104とを含み得る。超音波センサアレイ102は、1つまたは複数のセンサ画素のアレイを含み得る。超音波センサシステム10は、少なくとも1つの超音波センサアレイ102を含み得る。いくつかの実装形態では、超音波センサアレイ102の構成要素は、図15A〜図15Bを参照して以下で説明されるタッチセンサシステムの構成要素と同様であり得る。いくつかの実装形態では、超音波センサアレイ102およびセンサコントローラ104は、異なるように構成され得る。たとえば、超音波センサシステム10および超音波センサアレイ102は、特定の実装形態に応じて、ディスプレイデバイスと関連付けられるタッチセンサシステムの一部であり得る。
【００９１】
センサコントローラ104は、1つまたは複数の汎用シングルまたはマルチチッププロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)もしくは他のプログラマブル論理デバイス、個別ゲートもしくはトランジスタ論理、個別ハードウェア構成要素、またはそれらの組合せを含み得る。センサコントローラ104はまた、1つまたは複数のランダムアクセスメモリ(RAM)デバイス、読取り専用メモリ(ROM)デバイスなどの1つまたは複数のメモリデバイスを含み得る(かつ/またはそのようなメモリデバイスとの通信のために構成され得る)。センサコントローラ104は、超音波センサアレイ102から指紋センサ画像情報を受信し、処理し得る。いくつかの実装では、センサコントローラ104の機能の一部またはすべては、モバイルデバイスのアプリケーションプロセッサに存在することがあり、またはモバイルデバイスのアプリケーションプロセッサによって実行されることがある。
【００９２】
図15Aおよび図15Bは、本明細書において説明されるような指紋感知システムを含むディスプレイデバイスを示すシステムブロック図の例を示す。このディスプレイデバイス1500はたとえば、スマートフォン、セルラー電話または携帯電話などのモバイルディスプレイデバイスであり得る。しかし、ディスプレイデバイス1500の同じ構成要素またはそれらのわずかな変形はまた、テレビジョン、コンピュータ、タブレットコンピュータ、電子リーダー、ハンドヘルドデバイスおよびポータブルメディアデバイスなどの様々なタイプのディスプレイデバイスを例証するものである。
【００９３】
この例では、ディスプレイデバイス1500は、ハウジング1541と、ディスプレイ1530と、超音波センサシステム10(その一部分は、ビジュアルディスプレイ1530の一部であっても、ビジュアルディスプレイ1530から分離されていてもよい)と、アンテナ1543と、スピーカ1545と、入力デバイス1548と、マイクロフォン1546とを含み得る。いくつかの実装形態では、入力デバイス1548は、超音波指紋センサ、タッチパッド、またはタッチスクリーンの一部として働き得る超音波センサアレイ102を含み得る。ハウジング1541は、射出成形および真空成形を含む様々な製造プロセスのいずれによって形成され得る。加えて、ハウジング1541は、限定はされないが、プラスチック、金属、ガラス、サファイア、ゴム、セラミック、またはそれらの組合せを含む様々な材料のいずれかから作られ得る。ハウジング1541は、異なる色を有する、または異なるロゴ、絵、または記号を含む取り外し可能な他の部分と交換され得る、取り外し可能な部分(図示せず)を含み得る。
【００９４】
ディスプレイ1530は、プラズマディスプレイ、有機発光ダイオード(OLED)ディスプレイ、もしくは液晶ディスプレイ(LCD)などのフラットパネルディスプレイ、または陰極線管(CRT)もしくは他のチューブデバイスなどの非フラットパネルディスプレイを含む様々なディスプレイのいずれであってもよい。また、ディスプレイ1530は、干渉変調器(IMOD)ベースのディスプレイまたはマイクロシャッターベースのディスプレイを含み得る。
【００９５】
ディスプレイデバイス1500の一例の構成要素が、図15Bに概略的に示される。ディスプレイデバイス1500は、ハウジング1541を含み、その中に少なくとも部分的に密閉された追加の構成要素を含み得る。たとえば、ディスプレイデバイス1500は、1つまたは複数のトランシーバ1547に結合され得る1つまたは複数のアンテナ1543を伴うネットワークインターフェース1527を含み得る。ネットワークインターフェース1527は、ディスプレイデバイス1500上に表示され得る画像情報のソースであり得る。したがって、ネットワークインターフェース1527は、画像ソースモジュールの一例であるが、プロセッサ1521および入力デバイス1548も画像ソースモジュールとして働き得る。トランシーバ1547は、調整ハードウェア1552に接続され得るプロセッサ1521に接続され得る。調整ハードウェア1552は、信号を調整する(たとえば、信号をフィルタリングする、または別様に操作する)ことが可能であり得る。調整ハードウェア1552は、スピーカ1545およびマイクロフォン1546に接続され得る。プロセッサ1521はまた、入力デバイス1548およびドライバコントローラ1529に接続され得る。ドライバコントローラ1529は、フレームバッファ1528およびアレイドライバ1522に結合されることがあり、アレイドライバ1522はディスプレイアレイ1530に結合されることがある。図15Bに特に示されていない要素を含む、ディスプレイデバイス1500における1つまたは複数の要素は、メモリデバイスとして機能することが可能であり、かつプロセッサ1521または制御システムの他の構成要素と通信することが可能であり得る。いくつかの実装形態では、電源1550は、特定のディスプレイデバイス1500の設計において実質的にすべての構成要素に電力を供給し得る。
【００９６】
この例では、ディスプレイデバイス1500は、タッチおよび/または指紋コントローラ1577を含み得る。タッチおよび/または指紋コントローラ1577は、たとえば、上で説明されたような超音波センサシステム10の一部であり得る。たとえば、タッチおよび/または指紋コントローラ1577は、上で説明されたようなセンサコントローラ104の機能を含み、センサコントローラ104として働き得る。したがって、いくつかの実装形態では、タッチおよび/または指紋コントローラ1577(および/または超音波センサシステム10の他の構成要素)は1つまたは複数のメモリデバイスを含み得る。いくつかの実装形態では、超音波センサシステム10はまた、図15Bに示されるプロセッサ1521、アレイドライバ1522、および/またはドライバコントローラ1529などの構成要素を含み得る。タッチおよび/または指紋コントローラ1577は、たとえば配線を介して超音波センサシステム10と通信することが可能であることがあり、超音波センサシステム10を制御することが可能であることがある。タッチおよび/または指紋コントローラ1577は、超音波センサシステム10上の指、またはその近くの指などの、1つまたは複数の物体の位置および/または動きを決定することが可能であり得る。いくつかの実装形態では、プロセッサ1521(または超音波センサシステム10の別の部分)は、上で説明されたように、タッチおよび/もしくは指紋コントローラ1577、超音波センサシステム10、ならびに/またはセンサコントローラ104の機能のうちのいくつかまたはすべてを提供することが可能であり得る。
【００９７】
タッチおよび/または指紋コントローラ1577(および/または超音波センサシステム10の別の要素)は、1つまたは複数のタッチ位置に応じてディスプレイデバイス1500を制御するための入力を生成することが可能であり得る。いくつかの実装形態では、タッチおよび/または指紋コントローラ1577は、1つまたは複数の位置の動きを決定し、動きに応じてディスプレイデバイス1500を制御するための入力を提供することが可能であり得る。代替または追加として、タッチおよび/または指紋コントローラ1577は、ディスプレイデバイス1500に近接するオブジェクトの位置および/または動きを決定することが可能であり得る。したがって、タッチおよび/または指紋コントローラ1577は、ディスプレイデバイス1500への接触がない場合でも、指またはスタイラスの動き、手によるジェスチャーなどを検出することが可能であり得る。タッチおよび/または指紋コントローラ1577は、そのような検出された動きおよび/またはジェスチャーに応じてディスプレイデバイス1500を制御するための入力を生成することが可能であり得る。
【００９８】
本明細書の他の個所で説明されたように、タッチおよび/または指紋コントローラ1577(または超音波センサシステム10の別の要素)は、1つまたは複数の指紋検出動作モードを提供することが可能であり得る。したがって、いくつかの実装形態では、タッチおよび/または指紋コントローラ1577(または超音波センサシステム10の別の要素)は指紋画像を生成することが可能であり得る。超音波センサシステム10の超音波センサアレイ102がビジュアルディスプレイ1530から物理的に分離されるときなどの、いくつかの実装形態では、超音波センサシステム10のコントローラは、タッチコントローラとは別個であり、タッチコントローラからほとんど独立して動作し得る。
【００９９】
いくつかの実装形態では、超音波センサシステム10は、本明細書の他の個所で説明されるような超音波受信機30および/または超音波送信機20を含み得る。いくつかのそのような実装形態によれば、タッチおよび/または指紋コントローラ1577(または超音波センサシステム10の別の要素)は、超音波受信機30から入力を受信し、ディスプレイデバイス1500の超音波送信機20および/または別の構成要素の電源投入または「ウェイクアップ」を行うことが可能であり得る。
【０１００】
ネットワークインターフェース1527は、ディスプレイデバイス1500がネットワークを介して1つまたは複数のデバイスと通信することができるようにアンテナ1543とトランシーバ1547とを含み得る。ネットワークインターフェース1527はまた、たとえば、プロセッサ1521のデータ処理要件を軽減するために、いくつかの処理能力を有し得る。アンテナ1543は、信号を送受信し得る。いくつかの実装形態では、アンテナ1543は、Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE)16.11(a)、(b)、もしくは(g)を含むIEEE16.11規格、または、IEEE802.11a、b、g、n、ac、adを含むIEEE802.11規格、およびそれらのさらなる実装形態に従って高周波(RF)信号を送信および受信する。いくつかの実装形態では、アンテナ1543は、Bluetooth(登録商標)規格に従ってRF信号を送受信し得る。携帯電話の場合、アンテナ1543は、符号分割多元接続(CDMA)、周波数分割多元接続(FDMA)、時分割多元接続(TDMA)、Global System for Mobile communications(GSM(登録商標))、GSM/General Packet Radio Service(GPRS)、Enhanced Data GSM Environment(EDGE)、Terrestrial Trunked Radio(TETRA)、Wideband-CDMA(W-CDMA)、Evolution Data Optimized(EV-DO)、1xEV-DO、EV-DO Rev A、EV-DO Rev B、High Speed Packet Access(HSPA)、High Speed Downlink Packet Access(HSDPA)、High Speed Uplink Packet Access(HSUPA)、Evolved High Speed Packet Access(HSPA+)、Long Term Evolution(LTE)、AMPS、または3G技術、4G技術、もしくは5G技術を利用するシステムなどの、ワイヤレスネットワーク内で通信するのに使用される他の既知の信号を受信するように設計され得る。トランシーバ1547は、アンテナ1543から受信された信号を、プロセッサ1521により受信されさらに処理され得るように前処理し得る。トランシーバ1547は、プロセッサ1521から受信された信号を、ディスプレイデバイス1500からアンテナ1543を介して送信され得るように処理し得る。
【０１０１】
いくつかの実装形態では、トランシーバ1547は受信機と置き換えられ得る。また、いくつかの実装形態では、ネットワークインターフェース1527は、プロセッサ1521に送信されるべき画像情報を記憶または生成できる画像ソースと置き換えられ得る。プロセッサ1521は、ディスプレイデバイス1500の動作全体を制御し得る。プロセッサ1521は、圧縮された画像情報などのデータをネットワークインターフェース1527または画像ソースから受信し、データを生画像情報へと、または生画像情報へと容易に処理され得るフォーマットへと処理し得る。プロセッサ1521は、処理されたデータを記憶のためにドライバコントローラ1529またはフレームバッファ1528に送り得る。生データは通常、画像内の各位置での画像特性を特定する情報を指す。たとえば、そのような画像特性は、色、彩度、およびグレースケールレベルを含み得る。
【０１０２】
プロセッサ1521は、ディスプレイデバイス1500の動作を制御するためにマイクロコントローラ、CPU、または論理ユニットを含み得る。調整ハードウェア1552は、信号をスピーカ1545に送信し、マイクロフォン1546から信号を受信するための増幅器およびフィルタを含み得る。調整ハードウェア1552は、ディスプレイデバイス1500内の個別構成要素であってもよく、またはプロセッサ1521もしくは他の構成要素内に組み込まれてもよい。
【０１０３】
ドライバコントローラ1529は、プロセッサ1521によって生成された生画像情報をプロセッサ1521から直接取り込むことができ、またはフレームバッファ1528から取り込むことができ、アレイドライバ1522への高速な送信のために生画像情報を適切に再フォーマットすることができる。いくつかの実装形態では、ドライバコントローラ1529は、生画像情報をラスタ状フォーマットを有するデータフローへと再フォーマットすることがあり、それによって、ドライバコントローラ1529は、ディスプレイアレイ1530全体にわたる走査に適した時間順を有する。ドライバコントローラ1529は、フォーマットされた情報をアレイドライバ1522に送信し得る。LCDコントローラなどのドライバコントローラ1529は、しばしば、スタンドアロンの集積回路(IC)としてシステムプロセッサ1521と関連付けられるが、そのようなコントローラは、多くの方法で実装され得る。たとえば、コントローラは、ハードウェアとしてプロセッサ1521に組み込まれることがあり、ソフトウェアとしてプロセッサ1521に組み込まれることがあり、またはアレイドライバ1522とともにハードウェアに完全に統合されることがある。
【０１０４】
アレイドライバ1522は、ドライバコントローラ1529からフォーマットされた情報を受信することができ、ディスプレイ要素のディスプレイのx-yマトリックスからの数百本、場合によっては数千本(またはそれよりも多く)のリード線に毎秒何回も印加される平行な波形のセットへと、ビデオデータを再フォーマットすることができる。
【０１０５】
いくつかの実装形態では、ドライバコントローラ1529、アレイドライバ1522、およびディスプレイアレイ1530は、本明細書において説明されるディスプレイのタイプのうちのいずれにも適している。たとえば、ドライバコントローラ1529は、従来のディスプレイコントローラまたは双安定ディスプレイコントローラであり得る。加えて、アレイドライバ1522は、従来のドライバまたは双安定ディスプレイドライバであり得る。さらに、ディスプレイアレイ1530は、従来のディスプレイアレイまたは双安定ディスプレイであり得る。いくつかの実装形態では、ドライバコントローラ1529は、アレイドライバ1522と一体であり得る。そのような実装形態は、高度に集積されたシステム、たとえば、携帯電話、ポータブル電子デバイス、腕時計またはスモールエリアディスプレイにおいて有用であり得る。
【０１０６】
いくつかの実装形態では、入力デバイス1548は、たとえばユーザがディスプレイデバイス1500の動作を制御できるようにすることが可能であり得る。入力デバイス1548は、QWERTYキーボードもしくは電話キーパッドのようなキーパッド、ボタン、スイッチ、ロッカー、タッチセンシティブスクリーン、ディスプレイアレイ1530と一体化されたタッチセンシティブスクリーン、圧力感応膜もしくは感熱膜、超音波指紋センサ、超音波タッチパッド、または超音波タッチスクリーンを含み得る。マイクロフォン1546は、ディスプレイデバイス1500のための入力デバイスとして働くことが可能であり得る。いくつかの実装形態では、マイクロフォン1546を通じた音声コマンドが、ディスプレイデバイス1500の動作を制御するために使用され得る。
【０１０７】
電源1550は、様々なエネルギー貯蔵デバイスを含み得る。たとえば、電源1550は、ニッケルカドミウム電池またはリチウムイオン電池のような充電式バッテリーであり得る。充電式バッテリーを使用する実装形態では、充電式バッテリーは、たとえば、壁のコンセントまたは光起電性デバイスもしくはアレイからの電力を使用して充電可能であり得る。代替的に、充電式バッテリーはワイヤレス充電可能であり得る。電源1550は、再生可能なエネルギー源、キャパシタ、またはプラスチック太陽電池もしくは塗料型太陽電池を含む太陽電池であり得る。電源1550は、壁のコンセントから電力を受けることが可能であり得る。
【０１０８】
いくつかの実装形態では、電子ディスプレイシステム内のいくつかの場所に位置し得るドライバコントローラ1529に、制御プログラマビリティが存在し得る。いくつかの実装形態では、アレイドライバ1522に制御プログラマビリティが存在し得る。上で説明された最適化は、任意の数のハードウェアおよび/またはソフトウェア構成要素において、ならびに様々な構成において実施され得る。
【０１０９】
本明細書において開示される実装形態に関連して説明される様々な例示的な論理、論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムプロセスは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、または両方の組合せとして実装され得る。ハードウェアとソフトウェアの互換性は、概して機能の観点で説明され、上で説明された様々な例示的な構成要素、ブロック、モジュール、回路、およびプロセスにおいて例証されている。そのような機能がハードウェアに実装されるか、ソフトウェアに実装されるかは、具体的な適用例および全体的なシステムに課された設計制約によって決まる。
【０１１０】
本明細書において開示される態様に関連して説明される様々な例示的な論理、論理ブロック、モジュール、および回路を実装するために使用されるハードウェアおよびデータ処理装置は、汎用シングルチッププロセッサもしくは汎用マルチチッププロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)もしくは他のプログラマブル論理デバイス、個別のゲートもしくはトランジスタ論理、個別のハードウェア構成要素、または、本明細書において説明される機能を実行するように設計されたそれらの任意の組合せとともに実装または実行され得る。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサ、または任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、もしくはステートマシンであり得る。プロセッサはまた、コンピューティングデバイスの組合せ、たとえば、DSPとマイクロプロセッサの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと連携した1つもしくは複数のマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成として実装され得る。いくつかの実装形態では、特定のプロセスおよび方法は、所与の機能に特有の回路によって実行され得る。
【０１１１】
1つまたは複数の態様では、説明される機能は、本明細書において開示される構造およびそれらの構造的等価物を含む、ハードウェア、デジタル電子回路、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、またはそれらの任意の組合せにおいて実装され得る。また、本明細書において説明される主題の実装形態は、1つまたは複数のコンピュータプログラムとして、すなわち、データ処理装置による実行のための、またはデータ処理装置の動作を制御するための、コンピュータ記憶媒体上に符号化されたコンピュータプログラム命令の1つまたは複数のモジュールとして、実装され得る。
【０１１２】
機能は、ソフトウェアにおいて実装される場合、1つまたは複数の命令またはコードとして、非一時的媒体などのコンピュータ可読媒体上に記憶されるか、またはコンピュータ可読媒体を介して送信されることがある。本明細書において開示された方法またはアルゴリズムのプロセスは、コンピュータ可読媒体上に存在し得るプロセッサ実行可能ソフトウェアモジュールにおいて実装され得る。コンピュータ可読媒体は、ある場所から別の場所にコンピュータプログラムを転送することが可能にされ得る任意の媒体を含む、コンピュータ記憶媒体と通信媒体の両方を含む。記憶媒体は、コンピュータによってアクセスされ得る任意の使用可能な媒体であり得る。限定ではなく例として、非一時的媒体は、RAM、ROM、EEPROM、CD-ROMもしくは他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置もしくは他の磁気記憶デバイス、または、命令もしくはデータ構造の形式で所望のプログラムコードを記憶するために使用されコンピュータによってアクセスされ得る任意の他の媒体を含み得る。また、任意の接続がコンピュータ可読媒体と適切に呼ばれ得る。本明細書において使用されるディスク(disk)およびディスク(disc)は、コンパクトディスク(disc)(CD)、レーザーディスク(登録商標)(disc)、光ディスク(disc)、デジタル多用途ディスク(disc)(DVD)、フロッピーディスク(disk)およびBlu-ray(登録商標)ディスク(disc)を含み、ディスク(disk)は通常、データを磁気的に再生し、ディスク(disc)は、レーザーを用いてデータを光学的に再生する。上記の組合せもコンピュータ可読媒体の範囲に含まれるべきである。加えて、方法またはアルゴリズムの動作は、コードおよび命令のうちの1つまたは任意の組合せまたはセットとして、コンピュータプログラム製品に組み込まれ得る機械可読媒体およびコンピュータ可読媒体上に存在し得る。
【０１１３】
本開示は、1つまたは複数の特定の実施形態に関して説明されてきたが、本開示の他の実施形態が、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく実現され得ることが理解されるだろう。よって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびその妥当な解釈のみによって制限されると見なされる。
【符号の説明】
【０１１４】
10  超音波センサシステム
20  超音波送信機
22  第1の送信機電極
24  圧電送信機層
26  第2の送信機電極
30  超音波送信機
32  基板
33  TFT回路
34  センサ画素
35  超音波センサ画素回路アレイ
36  画素回路
37  画素入力電極
38  圧電受信機層
39  受信機バイアス電極
40  プラテン
42  被覆層
44  露出面
50  制御用電子機器
70  対象物
72  稜線領域
74  谷領域
80a、80b  超音波
80c  球面波、超音波
102  超音波センサアレイ
104  センサコントローラ
160  制御ユニット
162  Rxバイアスドライバ
164  マルチプレクサ
166  ゲートドライバ
168  Txドライバ
170  データプロセッサ
172  デジタイザ
174  DBIASドライバ
176  制御信号
180  ディスプレイ
182  TFT基板
184  ディスプレイカラーフィルタガラス
510  ダイオードバイアス電極
1200  登録
1202  画像取得
1204  画像処理
1206  特徴抽出
1208  テンプレート生成
1210  データベース
1220  検証/認証プロセス
1222  画像取得
1224  画像処理
1226  特徴抽出
1228  テンプレート生成
1230  指紋照合
1232  一致判定
1234  一致出力
1240  スタイラス検出/場所決定プロセス
1242  画像取得
1244  画像処理
1246  特徴抽出
1248  スタイラス判定
1250  スタイラス位置判定
1252  スタイラス/非スタイラス出力
1254  スタイラス位置出力
1500  ディスプレイデバイス
1521  プロセッサ
1522  アレイドライバ
1527  ネットワークインターフェース
1528  フレームバッファ
1529  ドライバコントローラ
1530  ディスプレイアレイ
1541  ハウジング
1543  アンテナ
1545  スピーカ
1546  マイクロフォン
1547  トランシーバ
1548  入力デバイス
1550  電源
1552  調整ハードウェア
1577  タッチおよび/または指紋コントローラ
1579  ディスプレイライト
【図１Ａ】
2018535712.tif 000011
【図１Ｂ】
2018535712.tif 000012
【図１Ｃ】
2018535712.tif 000013
【図２】
2018535712.tif 000014
【図３】
2018535712.tif 000015
【図４】
2018535712.tif 000016
【図５】
2018535712.tif 000017
【図６Ａ】
2018535712.tif 000018
【図６Ｂ】
2018535712.tif 000019
【図６Ｃ】
2018535712.tif 000020
【図６Ｄ】
2018535712.tif 000021
【図６Ｅ】
2018535712.tif 000022
【図６Ｆ】
2018535712.tif 000023
【図７Ａ】
2018535712.tif 000024
【図７Ｂ】
2018535712.tif 000025
【図７Ｃ】
2018535712.tif 000026
【図７Ｄ】
2018535712.tif 000027
【図８Ａ】
2018535712.tif 000028
【図８Ｂ】
2018535712.tif 000029
【図８Ｃ】
2018535712.tif 000030
【図８Ｄ】
2018535712.tif 000031
【図８Ｅ】
2018535712.tif 000032
【図８Ｆ】
2018535712.tif 000033
【図８Ｇ】
2018535712.tif 000034
【図８Ｈ】
2018535712.tif 000035
【図８Ｉ】
2018535712.tif 000036
【図８Ｊ】
2018535712.tif 000037
【図８Ｋ】
2018535712.tif 000038
【図８Ｌ】
2018535712.tif 000039
【図８Ｍ】
2018535712.tif 000040
【図９】
2018535712.tif 000041
【図１０Ａ】
2018535712.tif 000042
【図１０Ｂ】
2018535712.tif 000043
【図１０Ｃ】
2018535712.tif 000044
【図１１Ａ】
2018535712.tif 000045
【図１１Ｂ】
2018535712.tif 000046
【図１１Ｃ】
2018535712.tif 000047
【図１２Ａ】
2018535712.tif 000048
【図１２Ｂ】
2018535712.tif 000049
【図１３Ａ】
2018535712.tif 000050
【図１３Ｂ】
2018535712.tif 000051
【図１３Ｃ】
2018535712.tif 000052
【図１３Ｄ】
2018535712.tif 000053
【図１４】
2018535712.tif 000054
【図１５Ａ】
2018535712.tif 000055
【図１５Ｂ】
2018535712.tif 000056
【手続補正書】
【提出日】平成30年3月27日(2018.3.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を生成する方法であって、
第1の平面超音波をプラテン表面に向かって平面波生成器から発射するステップと、
第1の取得時間遅延の分だけ前記第1の平面超音波の前記発射から遅延する第1の取得時間において画素出力信号の第1のセットを取得するステップであって、画素出力信号の前記第1のセットからの各画素出力信号が、前記プラテン表面から反射された前記第1の平面超音波のセンサ画素アレイにおける局所的な大きさを表す、ステップと、
第2の平面超音波を前記プラテン表面に向かって前記平面波生成器から発射するステップと、
第2の取得時間遅延の分だけ前記第2の平面超音波の前記発射から遅延する第2の取得時間において画素出力信号の第2のセットを取得するステップであって、画素出力信号の前記第2のセットからの各画素出力信号が、前記プラテン表面から反射された前記第2の平面超音波の前記センサ画素アレイにおける局所的な大きさを表す、ステップと、
画素出力信号の前記第1のセットからの選択された出力信号および画素出力信号の前記第2のセットからの第1レベル訂正信号に基づいて、前記センサ画素アレイの選択された画素に対する訂正された出力信号を生成するステップであって、前記選択された出力信号が前記選択された画素に対応し、前記第1レベル訂正信号が前記選択された画素の近くの近隣の画素の第1のセットに対応し、前記第1の取得時間遅延と前記第2の取得時間遅延との間の差が前記選択された画素と近隣の画素の前記第1のセットとの間の平均距離に対応する、ステップとを備える、方法。
【請求項２】
前記第1の取得時間遅延が、前記選択された画素と前記プラテン表面との間の距離を考慮する、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記第2の取得時間遅延が前記第1の取得時間遅延より長い、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
前記選択された画素に対する前記訂正された出力信号を生成するステップが、前記選択された出力信号とは異なるように前記第1レベル訂正信号を重み付けるステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記選択された画素に対する前記訂正された出力信号を生成するステップが、前記選択された画素の前記出力信号と、近隣の画素の前記第1のセットからの前記第1レベル訂正信号との加重和を、較正係数と幾何学的位相係数の組合せを含む画素依存の重みを用いて計算するステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項６】
前記第1の取得時間遅延および前記第2の取得時間遅延が、前記選択された画素に到達する前記反射された第1の平面超音波と近隣の画素の前記第1のセットに到達する前記反射された第2の平面超音波との間の位相の差を考慮するように異なる、請求項1に記載の方法。
【請求項７】
画素出力信号の前記第1のセットを取得するステップが、第1の取得時間枠の間に前記反射された第1の平面超音波の前記局所的な大きさを表す振幅を検出するステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
前記第1の取得時間枠が、前記反射された第1の平面超音波の周期よりも短い時間長、または前記反射された第1の平面超音波の少なくとも1周期の時間長のうちの1つから選択される時間長を有する、請求項7に記載の方法。
【請求項９】
画素出力信号の前記第2のセットを取得するステップが、第2の取得時間枠の間に前記反射された第2の平面超音波の前記局所的な大きさを表す振幅を検出するステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１０】
画素出力信号の前記第1のセットまたは第2のセットを取得するステップが、それぞれ、前記第1の取得時間または前記第2の取得時間において前記センサ画素アレイにサンプリング電圧を印加するステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１１】
前記サンプリング電圧が、前記センサ画素アレイの受信機バイアス電極に印加される、請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
前記サンプリング電圧が、前記センサ画素アレイのダイオードバイアス電極に印加される、請求項10に記載の方法。
【請求項１３】
前記第1の平面超音波または前記第2の平面超音波が1つまたは複数の周期を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１４】
前記第1の平面超音波または前記第2の平面超音波の周波数が、前記センサ画素アレイから前記プラテン表面までの距離に基づく、請求項1に記載の方法。
【請求項１５】
前記第1の平面超音波または前記第2の平面超音波の周波数が、前記プラテン表面に配置される対象物の幅に基づく、請求項1に記載の方法。
【請求項１６】
第3の平面超音波を前記プラテン表面に向かって前記平面波生成器から発射するステップと、
第3の取得時間遅延の分だけ前記第3の平面超音波の前記発射から遅延する第3の取得時間において画素出力信号の第3のセットを取得するステップであって、画素出力信号の前記第3のセットからの各画素出力信号が、前記プラテン表面から反射された前記第3の平面超音波の前記センサ画素アレイにおける局所的な大きさを表し、前記選択された画素に対する前記訂正された出力信号を生成するステップがさらに、画素出力信号の前記第3のセットからの前記選択された出力信号、前記第1レベル訂正信号、および第2レベル訂正信号の加重和に基づき、前記第2レベル訂正信号が前記選択された画素の近くの近隣の画素の第2のセットに対応し、近隣の画素の前記第2のセットが、前記選択された画素からの近隣の画素の前記第1のセットの平均距離と異なる前記選択された画素からの平均距離を有する、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１７】
複数の選択された画素に対する訂正された出力信号に基づいて、前記プラテン表面に配置された対象物の画像を生成するステップをさらに備える、請求項1に記載の方法。
【請求項１８】
センサ画素アレイを含む超音波センサアレイであって、各画素が、受信された超音波に応答して画素出力信号を生成するように構成される、超音波センサアレイと、
プラテン表面を有する、前記センサ画素アレイに固定されるプラテンと、
平面超音波生成器と、
前記センサ画素アレイと通信している1つまたは複数のプロセッサとを備え、前記プロセッサが、
第1の平面超音波を前記プラテン表面に向かって前記平面超音波生成器から発射することと、
第1の取得時間遅延の分だけ前記第1の平面超音波の前記発射から遅延する第1の取得時間において画素出力信号の第1のセットを取得することであって、画素出力信号の前記第1のセットからの各画素出力信号が、前記プラテン表面から反射された前記第1の平面超音波の前記センサ画素アレイにおける局所的な大きさを表す、取得することと、
第2の平面超音波を前記プラテン表面に向かって前記平面超音波生成器から発射することと、
第2の取得時間遅延の分だけ前記第2の平面超音波の前記発射から遅延する第2の取得時間において画素出力信号の第2のセットを取得することであって、画素出力信号の前記第2のセットからの各画素出力信号が、前記プラテン表面から反射された前記第2の平面超音波の前記センサ画素アレイにおける局所的な大きさを表す、取得することと、
画素出力信号の前記第1のセットからの選択された出力信号および画素出力信号の前記第2のセットからの第1レベル訂正信号に基づいて、前記センサ画素アレイからの選択された画素に対する訂正された出力信号を生成することであって、前記選択された出力信号が前記選択された画素に対応し、前記第1レベル訂正信号が前記選択された画素の近くの近隣の画素の第1のセットに対応し、前記第1の取得時間遅延と前記第2の取得時間遅延との間の差が前記選択された画素と近隣の画素の前記第1のセットとの間の平均距離に対応する、生成することと
を行うように構成される、超音波センサシステム。
【請求項１９】
前記訂正された出力信号が、前記プラテン表面に配置される対象物からの反射された平面超音波の回折を訂正する、請求項18に記載のシステム。
【請求項２０】
前記対象物が指の稜線またはスタイラスの先端である、請求項19に記載のシステム。
【請求項２１】
近隣の画素の前記第1のセットの各画素が前記選択された画素から等距離である、請求項18に記載のシステム。
【請求項２２】
前記訂正された出力信号を生成するように構成される前記プロセッサが、前記選択された出力信号および前記第1レベル訂正信号の加重和に基づいて前記訂正された出力信号を生成するように構成される前記プロセッサを備える、請求項18に記載のシステム。
【請求項２３】
前記センサ画素アレイの中の各画素が、画素出力信号の前記第1のセットおよび画素出力信号の前記第2のセットの取得の間に位相ロック信号を提供するように構成されるローカル発振器に電気的に結合される、請求項18に記載のシステム。
【請求項２４】
画素出力信号の前記第2のセットの前記取得の間に使用される前記位相ロック信号が、画素出力信号の前記第1のセットの前記取得の間に使用される前記位相ロック信号と比較して、振幅が実質的に同じであるが位相が異なる、請求項23に記載のシステム。
【請求項２５】
画素出力信号の前記第2のセットの前記取得の間に使用される前記位相ロック信号が、画素出力信号の前記第1のセットの取得の間に使用される前記位相ロック信号と比較して、振幅および位相が異なる、請求項23に記載のシステム。
【請求項２６】
前記平面超音波生成器が前記センサ画素アレイに結合される、請求項18に記載のシステム。
【請求項２７】
前記プラテンが被覆表面を有する被覆層を含み、前記被覆表面が前記プラテン表面として働く、請求項18に記載のシステム。
【請求項２８】
前記プロセッサがさらに、
前記センサ画素アレイの中の複数の選択された画素に対する訂正された出力信号に基づいて、前記プラテン表面に配置された対象物の画像を生成するように構成される、請求項18に記載のシステム。
【請求項２９】
画像を生成するためのシステムであって、
第1の平面超音波をプラテン表面に向かって発射するための手段と、
第1の取得時間遅延の分だけ前記第1の平面超音波の前記発射から遅延する第1の取得時間において画素出力信号の第1のセットを取得するための手段であって、画素出力信号の前記第1のセットからの各画素出力信号が、前記プラテン表面から反射された前記第1の平面超音波における局所的な大きさを表す、手段と、
第2の平面超音波を前記プラテン表面に向かって発射するための手段と、
第2の取得時間遅延の分だけ前記第2の平面超音波の前記発射から遅延する第2の取得時間において画素出力信号の第2のセットを取得するための手段であって、画素出力信号の前記第2のセットからの各画素出力信号が、前記プラテン表面から反射された前記第2の平面超音波における局所的な大きさを表す、手段と、
画素出力信号の前記第1のセットからの選択された出力信号および画素出力信号の前記第2のセットからの第1レベル訂正信号に基づいて、選択された画素に対する訂正された出力信号を生成するための手段であって、前記選択された出力信号が前記選択された画素に対応し、前記第1レベル訂正信号が前記選択された画素の近くの近隣の画素の第1のセットに対応し、前記第1の取得時間遅延と前記第2の取得時間遅延との間の差が前記選択された画素と近隣の画素の前記第1のセットとの間の平均距離に対応する、手段とを備える、システム。
【請求項３０】
画像を生成する方法を実行するために平面波生成器およびセンサ画素アレイと通信している1つまたは複数のプロセッサによる実行のためのコンピュータ可読命令の1つまたは複数のコンピュータプログラムを備えるコンピュータ可読記憶媒体であって、前記コンピュータプログラムが、
第1の平面超音波をプラテン表面に向かって平面波生成器から発射することと、
第1の取得時間遅延の分だけ前記第1の平面超音波の前記発射から遅延する第1の取得時間において画素出力信号の第1のセットを取得することであって、画素出力信号の前記第1のセットからの各画素出力信号が、前記プラテン表面から反射された前記第1の平面超音波の前記センサ画素アレイにおける局所的な大きさを表す、取得することと、
第2の平面超音波を前記プラテン表面に向かって前記平面波生成器から発射することと、
第2の取得時間遅延の分だけ前記第2の平面超音波の前記発射から遅延する第2の取得時間において画素出力信号の第2のセットを取得することであって、画素出力信号の前記第2のセットからの各画素出力信号が、前記プラテン表面から反射された前記第2の平面超音波の前記センサ画素アレイにおける局所的な大きさを表す、取得することと、
画素出力信号の前記第1のセットからの選択された出力信号および画素出力信号の前記第2のセットからの第1レベル訂正信号に基づいて、前記センサ画素アレイからの選択された画素に対する訂正された出力信号を生成することであって、前記選択された出力信号が前記選択された画素に対応し、前記第1レベル訂正信号が前記選択された画素の近くの近隣の画素の第1のセットに対応し、前記第1の取得時間遅延と前記第2の取得時間遅延との間の差が前記選択された画素と近隣の画素の前記第1のセットとの間の平均距離に対応する、生成することと
を行うための命令を備える、コンピュータ可読記憶媒体。
【国際調査報告】
2018535712.tif 000057
2018535712.tif 000058
2018535712.tif 000059