(57)【要約】  マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムおよび方法が開示される。一実施形態では、複数の超音波スキャン周波数において指がスキャンされる。各スキャン周波数は、指が置かれるプラテンの表面から反射されるエネルギーの量を示す信号強度を含む、指の複数のピクセルを記述する画像情報セットを提供する。ピクセルの各々に対して、スキャン周波数の各々に対応するピクセル出力値が、各ピクセルに対する合成されたピクセル出力値を生成するように合成される。マルチスペクトル超音波撮像のデータ捕捉を改善するためのシステムおよび方法も開示される。
2017514108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指をスキャンする方法であって、
複数の超音波スキャン周波数によって、超音波センサの撮像面に置かれた指をスキャンするステップと、
前記スキャン周波数の各々のために、前記超音波センサの複数のピクセルから超音波画像情報セットを生成するステップであって、前記画像情報セットが前記複数のピクセルの各々からのピクセル出力値を含み、各ピクセル出力値が前記撮像面から反射されるエネルギーの量を示す、ステップと、
前記スキャン周波数の各々に対応する前記画像情報セットを合成して、合成された画像情報セットを生成するステップであって、前記合成された画像情報セットが前記複数のピクセルの各々からの合成されたピクセル出力値を含む、ステップとを含む、方法。
【請求項２】
各ピクセル出力値をグレースケール値に変換するステップと、
前記複数のピクセルのための前記グレースケール値を、前記指の指紋を表す前記合成された画像情報セットとして提供するステップとをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記複数の超音波画像情報セットを使用して生体性の決定を行うステップと、
前記生体性の決定を示す生体性出力信号を提供するステップとをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
前記画像情報セットを合成するステップが、前記ピクセル出力値を加算して合計を生成するステップと、超音波スキャン周波数の数により前記合計を除算して前記ピクセル出力値の各々の平均値を生成するステップと、前記平均値を前記合成されたピクセル出力値として使用するステップとを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記画像情報セットを合成するステップが、
各スキャン周波数に対して、重み付け係数を特定するステップと、
前記対応する重み付け係数により各ピクセル出力値を乗算してピクセル出力値の積を生成するステップと、
前記ピクセル出力値の積を加算して合計を生成するステップと、スキャン周波数の数により前記合計を除算して前記ピクセル出力値の各々の平均値を生成するステップと、前記平均値を前記合成されたピクセル出力値として使用するステップとを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項６】
前記重み付け係数が、
w(fi) = (e(avgi * fi) - e(avgi * fmax)) / (e(avgi * fmin) - e(avgi * fmax))
という式を使用して計算され、
ここで、
w(fi)がi番目のスキャン周波数のための前記重み付け係数であり、
avgiが前記i番目のスキャン周波数および次に低いスキャン周波数における前記ピクセル出力値の前記平均値であり、
fminが最低のスキャン周波数であり、
fmaxが最高のスキャン周波数である、
請求項5に記載の方法。
【請求項７】
前記画像情報セットを合成する方法が、前記画像情報セット中の前記ピクセル出力値から前記スキャン周波数の各々のための共分散行列を作成するステップと、前記共分散行列を合成して各ピクセル出力値のための合成された値を有する合成された行列を提供するステップとを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
前記共分散行列を合成するステップが、前記共分散行列中の成分の間を補間するステップを含む、請求項7に記載の方法。
【請求項９】
各スキャン周波数に対して、重み付け係数を特定するステップと、
前記共分散行列を合成する前に、前記対応する重み付け係数により前記共分散行列中の各成分を乗算するステップとをさらに含む、請求項8に記載の方法。
【請求項１０】
前記重み付け係数が、
w(fi) = (e(avgi * fi) - e(avgi * fmax)) / (e(avgi * fmin) - e(avgi * fmax))
という式を使用して計算され、
ここで、
w(fi)がi番目のスキャン周波数のための前記重み付け係数であり、
avgiが前記i番目のスキャン周波数および次に低いスキャン周波数における前記ピクセル出力値の前記平均値であり、
fminが最低のスキャン周波数であり、
fmaxが最高のスキャン周波数である、
請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
前記複数のスキャン周波数が、
前記超音波センサの前記撮像面に指がない状態で、複数の超音波試験周波数においてスキャンし、
ピーク試験周波数を特定することによって選択され、ピーク試験周波数が、すぐ下の試験周波数およびすぐ上の試験周波数が前記ピーク試験周波数よりも少ないエネルギーを返す試験周波数である、請求項1に記載の方法。
【請求項１２】
ピーク試験周波数を選択するステップであって、各々の選択されたピーク試験周波数が他の試験周波数の大部分よりも高い反射エネルギーを有する、ステップと、前記選択されたピーク試験周波数を前記複数のスキャン周波数として使用するステップとをさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１３】
前記ピーク試験周波数の画像品質を評価するステップと、
ピーク試験周波数を選択するステップであって、各々の選択されたピーク試験周波数が他のピーク試験周波数よりも良好な画像品質を有する、ステップと、前記選択されたピーク試験周波数を前記複数のスキャン周波数として使用するステップとをさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１４】
前記ピーク試験周波数の1つを選択するステップと、
前記選択されたピーク試験周波数を前記複数のスキャン周波数の1つとして使用するステップとをさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１５】
所定のオフセットを前記ピーク試験周波数の前記選択された1つに加算または減算することによって、前記複数のスキャン周波数の追加のスキャン周波数を特定するステップをさらに含む、請求項14に記載の方法。
【請求項１６】
前記ピーク試験周波数の前記選択された1つを含む範囲を特定し、
前記特定された範囲内にあるように前記スキャン周波数を選択する
ことによって、前記複数のスキャン周波数の追加のスキャン周波数を特定するステップをさらに含む、請求項14に記載の方法。
【請求項１７】
前記選択されたピーク試験周波数の高調波を特定することによって、前記複数のスキャン周波数の追加のスキャン周波数を特定するステップをさらに含む、請求項14に記載の方法。
【請求項１８】
超音波情報セットを生成するステップがさらに、各ピクセルに対する生体性のベクトルを生成するステップを含む、請求項3に記載の方法。
【請求項１９】
指をスキャンするためのシステムであって、
指を受け入れるように構成される撮像面と、
複数の電気信号に応答して、前記撮像面に向けられた1つまたは複数の平面超音波を生成するための平面超音波送信機と、
前記信号生成器から電気信号を受け取り、前記電気信号を使用して前記超音波送信機を駆動するように構成される、送信機ドライバ増幅器と、
前記撮像面から1つまたは複数の反射された超音波信号を受信するように構成される超音波センサアレイと、
関心のある各周波数における前記1つまたは複数の反射された超音波信号に対応する画像情報セットを生成し、前記画像情報セットを合成するための電子サブシステムとを含む、システム。
【請求項２０】
超音波周波数範囲内の複数の異なる離散周波数の電気信号を前記平面超音波送信機に送信するように構成される信号生成器をさらに含む、請求項19に記載のシステム。
【請求項２１】
超音波周波数範囲内の複数の変化する周波数の電気信号を前記平面超音波送信機に送信するように構成される信号生成器をさらに含む、請求項19に記載のシステム。
【請求項２２】
前記1つまたは複数の受信された超音波を周波数成分へと分離するためのバンドパスフィルタのセットをさらに含む、請求項19に記載のシステム。
【請求項２３】
前記システムによって収集される前記情報セットが、出力画像を生成するためにヒューリスティックに合成される、請求項22に記載のシステム。
【請求項２４】
前記システムによって収集される前記情報セットが、出力画像を生成するためにネイマン-ピアソンマルチモーダル融合システムを使用して確率論的に合成される、請求項23に記載のシステム。
【請求項２５】
コンピュータ実行可能コードを記憶する非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記実行可能コードが、
複数の超音波スキャン周波数によって、超音波センサの撮像面に置かれた指をスキャンするための命令と、
前記スキャン周波数の各々のために、前記超音波センサの複数のピクセルから超音波画像情報セットを生成するための命令であって、前記画像情報セットが前記複数のピクセルの各々からのピクセル出力値を含み、各ピクセル出力値が前記撮像面から反射されるエネルギーの量を示す、命令と、
前記スキャン周波数の各々に対応する前記画像情報セットを合成して、合成された画像情報セットを生成するための命令であって、前記合成された画像情報セットが前記複数のピクセルの各々からの合成されたピクセル出力値を含む、命令とを含む、非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項２６】
各ピクセル出力値をグレースケール値に変換するための命令と、
前記複数のピクセルのための前記グレースケール値を、前記指の指紋を表す前記合成された画像情報セットとして提供するための命令とをさらに含む、請求項25に記載の方法。
【請求項２７】
前記複数の超音波画像情報セットを使用して生体性の決定を行うための命令と、
前記生体性の決定を示す生体性出力信号を提供するための命令とをさらに含む、請求項25に記載の方法。
【請求項２８】
指をスキャンするためのシステムであって、
超音波周波数範囲内の異なる離散周波数の電気信号を作成することが可能な信号生成器に応答して、1つまたは複数の平面超音波(「MFG」)を生成するための手段と、
前記信号生成器からの電気信号に応答して前記MFGを駆動するための手段と、
前記指に接触して、前記MFGからの超音波を超音波信号として超音波センサアレイ手段に反射するための手段であって、前記超音波センサアレイ手段が、前記反射された超音波信号を受信するように構成される、手段と、
関心のある各周波数における各々の受信された反射された超音波信号のための前記指の画像情報セットを形成し、前記形成された画像情報セットを合成するための手段とを含む、システム。
【請求項２９】
前記1つまたは複数の受信された超音波信号を周波数成分へと分離するための手段をさらに含む、請求項28に記載のシステム。
【請求項３０】
前記形成された画像情報セットを合成するための前記手段が、出力画像をヒューリスティックに生成するように、または、ネイマン-ピアソンマルチモーダル融合を使用して出力画像を確率論的に生成するように構成される、請求項29に記載のシステム。
【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、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる、2014年3月6日に出願された「Multi-Spectral Ultrasonic Imaging」という表題の米国仮出願第61/948,778号、および2015年3月4日に出願された「Multi-Spectral Ultrasonic Imaging」という表題の米国非仮出願第14/639,116号の優先権および利益を主張する。
【０００２】
本開示は、マルチスペクトル超音波撮像を使用するデバイスおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
超音波スキャナは、様々なタイプの材料から構成され得る。通常、そのようなスキャナにおいて使用される超音波エネルギーは、これらの材料の大半を通過することが求められる。超音波が通過または衝突する様々な材料の特性は、分散、回折、吸収、および反射に関して異なる特性を有し得るので、材料は超音波エネルギーを様々に分散し、回折し、吸収し、反射して、これらの違いは超音波エネルギーの波長に依存し得る。単一の超音波周波数を使用して特定の物体を撮像すると、撮像される物体についての情報および細部が制限され得る。
【０００４】
超音波センサアレイの製造の間に、許容誤差が超音波センサ積層体内で積み重なることがあり、このことは、信号経路に影響を与え、収集されたデータが利用可能な最適な信号およびシステムの応答を使用しない状況を作り出し得る。さらに、データ品質は周波数依存性であることがあり、対象物の構造的な構成は周波数依存性を示すことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第7,287,013号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超音波スキャニングシステムの製造に起因する通常の変動により、ある超音波スキャニングシステムと別のスキャニングシステムが所望の許容誤差内で、かつ同じ手順に従って製造されていても、ある超音波スキャニングシステムが別のスキャニングシステムとは著しく異なるように動作するようになり得る。これらの差の結果は、あるスキャナは最適な周波数において情報を収集するが、別のスキャナはそうしないことを意味し得る。
【０００７】
従来技術において適用されてきた基本的な方法は、センサ積層体内に配置された薄膜トランジスタ(TFT)アレイによって捕捉されるような信号出力を最大にする単一の特定の周波数においてスキャンを実行することであった。この単一の周波数は、センサ積層体の厚みおよび材料特性によって主に決定され、撮像されている指の指紋の隆起の領域と谷の領域を区別するために使用され得る。(指紋を参照しない)製造の状況において、超音波送信機励振電圧がオンの場合と送信機がオフの場合という2つの場合の間の、センサアレイ出力が最大になる周波数を選ぶことによって、周波数の決定が行われ得る。この方法は、より現実世界の状況では、指紋画像の鮮明度に関して期待される結果に合わないことがある画像情報を生み出すことがある。通常の使用において終始動作周波数を合わせる必要があることもあり、これは一貫しない結果につながり得る。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、指をスキャンする方法として説明され得る。方法は、複数の超音波スキャン周波数によって、超音波センサの撮像面に置かれた指をスキャンするステップを含み得る。組織領域への超音波信号の侵入深さは、異なる周波数では異なることがあり、TFTアレイによって捕捉されるときに反射される信号レベルの変動をもたらすことがある。複数の試験周波数において撮像面に指が存在しない状態でスキャンし、ピーク試験周波数を特定することによって、複数のスキャン周波数が選択され得る。ピーク試験周波数は、すぐ下の試験周波数およびすぐ上の試験周波数がそのピーク試験周波数よりも少ないエネルギーを返す試験周波数であり得る。
【０００９】
方法は、スキャン周波数の各々のために、超音波センサの複数のピクセルから超音波画像情報セットを生成するステップを含み得る。画像情報セットは、複数のピクセルの各々からのピクセル出力値を含んでよく、各ピクセル出力値は、撮像面から反射されるエネルギーの量を示す。各スキャン周波数は、指紋と関連付けられる複数のピクセル出力信号レベルを記述する画像情報セットを提供し得る。各ピクセル出力値は、指が置かれるプラテンの表面から反射される超音波エネルギーの量を示す信号強度を示し得る。本明細書において使用される場合、「画像」という用語は、ある形態の画像情報セットを指す。
【００１０】
方法はさらに、スキャン周波数の各々に対応する画像情報セットを合成して、合成された画像情報セットを生成するステップを含み得る。合成された画像情報セットは、複数のピクセルの各々からの合成されたピクセル出力値を含み得る。画像情報セットを合成するステップは、ピクセル出力値を加算して合計を生成するステップと、スキャン周波数の数により合計を除算してピクセルの各々の平均値を生成するステップと、平均値を合成された値として使用するステップとを含み得る。本明細書において使用される場合、「合成された」という用語は、数学的に合成されたことを意味する。
【００１１】
いくつかの実施形態では、方法はさらに、複数の超音波画像情報セットを使用して生体性の決定を行うステップと、生体性の決定を示す生体性出力信号を提供するステップとを含み得る。
【００１２】
いくつかの実施形態では、方法はさらに、各ピクセル出力値をグレースケール値に変換するステップと、複数のピクセルのためのグレースケール値を、指の指紋を表す合成された画像情報セットとして提供するステップとを含み得る。
【００１３】
いくつかの実施形態では、画像情報セットを合成するステップは、各スキャン周波数に対して、重み付け係数を特定するステップと、対応する重み付け係数により各ピクセル出力値を乗算してピクセル出力値の積を生成するステップと、ピクセル出力値の積を加算して合計を生成するステップと、スキャン周波数の数により合計を除算してピクセル出力値の各々の平均値を生成するステップと、平均値を合成されたピクセル出力値として使用するステップとを含む。重み付け係数は、次の式を使用して計算され得る。
w(fi) = (e(avgi * fi) - e(avgi * fmax)) / (e(avgi * fmin) - e(avgi * fmax))
ここで、w(fi)はi番目のスキャン周波数のための重み付け係数であり、avgiはi番目のスキャン周波数およびその次に低いスキャン周波数におけるピクセル出力値の平均値であり、fminは最低のスキャン周波数であり、fmaxは最高のスキャン周波数である。
【００１４】
別の実施形態では、画像情報セットを合成するステップは、スキャン周波数の各々のための共分散行列を作成するステップを含み得る。共分散行列は、画像情報セット中のピクセル出力値から作成され得る。共分散行列は、各ピクセル出力値のための合成された値を有する合成された行列を提供するために、合成され得る。一実施形態では、共分散行列を合成するステップは、共分散行列中の成分の間を補間するステップを含む。
【００１５】
一実施形態では、方法は、各スキャン周波数に対して、重み付け係数を特定するステップと、共分散行列を数学的に合成する前に対応する重み付け係数により共分散行列中の各成分を乗算するステップとを含み得る。重み付け係数は、次の式を使用して計算され得る。
w(fi) = (e(avgi * fi) - e(avgi * fmax)) / (e(avgi * fmin) - e(avgi * fmax))
ここで、w(fi)はi番目のスキャン周波数のための重み付け係数であり、avgiはi番目のスキャン周波数およびその次に低いスキャン周波数におけるピクセル出力値の平均値であり、fminは最低のスキャン周波数であり、fmaxは最高のスキャン周波数である。
【００１６】
方法はさらに、ピクセルの各々のための各々の合成された値をグレースケール値と相関付けるステップを含み得る。方法はさらに、指または指紋の表現としてグレースケール値を提供するステップを含み得る。
【００１７】
方法は、超音波センサの撮像面に指がない状態で、複数の超音波試験周波数においてスキャンするステップを含み得る。方法はさらに、1つまたは複数のピーク試験周波数を選択するステップを含み得る。各々の選択されたピーク試験周波数は、他のピーク試験周波数の大部分よりも高い反射された信号を有し得る。方法はさらに、選択されたピーク試験周波数を複数のスキャン周波数として使用するステップを含み得る。追加のスキャン周波数は、ピーク試験周波数の選択された1つに所定のオフセットを加算または減算することによって特定され得る。別の実施形態では、追加のスキャン周波数は、ピーク試験周波数の選択された1つを含む範囲を特定し、特定された範囲内にあるようにスキャン周波数を選択することによって、選択され得る。一実施形態では、追加のスキャン周波数は、選択されたピーク試験周波数の高調波を特定することによって選択され得る。別の実施形態では、方法はさらに、ピーク試験周波数の画像品質を評価するステップと、他のピーク試験周波数よりも良い画像品質を有するピーク試験周波数を選択するステップとを含み得る。
【００１８】
本発明の一態様は、対象物の自動的に共同登録される画像情報セットを生成するためのシステムとして説明され得る。システムはまた、指をスキャンするためのシステムとして説明され得る。システムは、指を受け入れるように構成される撮像面を含み得る。撮像面は、実質的に平坦であり得る。システムはまた、平面超音波送信機を含み得る。平面超音波送信機は、信号生成器に応答して1つまたは複数の平面超音波を生成することができる。信号生成器は、超音波周波数範囲内の異なる離散周波数の電気信号を作成することが可能であり得る。
【００１９】
システムはさらに、送信機ドライバ増幅器を含み得る。この増幅器は、信号生成器から電気信号を受け取り、この電気信号を使用して超音波送信機を駆動するように構成され得る。超音波は送信機によって撮像面に向けられてよく、1つまたは複数の超音波信号が撮像面から超音波センサアレイに反射されてよく、対象物がその超音波センサアレイに接触している。超音波センサアレイは、1つまたは複数の反射された超音波を検出するように構成され得る。いくつかの実装形態では、システムはさらに、1つまたは複数の検出された超音波を周波数成分へと分離するためのバンドパスフィルタのセットを含み得る。
【００２０】
システムはさらに、関心のある各周波数における各々の受信された信号のための、物体の画像情報セットを形成または生成するための電子サブシステムを含み得る。電子サブシステムは、プロセッサまたは論理回路を含み得る。電子サブシステムはまた、画像情報セットを合成するように構成され得る。画像情報セットは、ネイマン-ピアソンマルチモーダル融合システムを使用してヒューリスティックに合成され、または確率論的に合成されて、画像のような対象物の出力表現を生成し得る。
【００２１】
本発明の一態様はまた、コンピュータ実行可能コードを記憶する非一時的コンピュータ可読媒体として説明され得る。実行可能コードは、複数の超音波スキャン周波数によって、超音波センサの撮像面に置かれた指をスキャンするための命令を含み得る。実行可能コードはさらに、スキャン周波数の各々のために、超音波センサの複数のピクセルから超音波画像情報セットを生成するための命令を含み得る。画像情報セットは、複数のピクセルの各々からのピクセル出力値を含み得る。各ピクセル出力値は、撮像面から反射されたエネルギーの量を示し得る。実行可能コードはさらに、スキャン周波数の各々に対応する画像情報セットを合成して、合成された画像情報セットを生成するための命令を含み得る。合成された画像情報セットは、複数のピクセルの各々からの合成されたピクセル出力値を含み得る。実行可能コードはさらに、各ピクセル出力値をグレースケール値に変換し、複数のピクセルのためのグレースケール値を、指の指紋を表す合成された画像情報セットとして提供するための命令を含み得る。実行可能コードはさらに、複数の超音波画像情報セットを使用して生体性の決定を行い、生体性の決定を示す生体性出力信号を提供するための命令を含み得る。
【００２２】
本発明の一態様はまた、指をスキャンするためのシステムとして説明され得る。システムは、超音波周波数範囲内の異なる離散周波数の電気信号を作成することが可能な信号生成器に応答して、1つまたは複数の平面超音波(「MFG」)を生成するための手段を含み得る。システムはさらに、信号生成器からの電気信号に応答してMFGを駆動するための手段を含み得る。システムはさらに、指に接触して、MFGからの超音波を超音波信号として超音波センサアレイ手段に反射するための手段を含んでよく、超音波センサアレイ手段は、反射された超音波信号を受信するように構成される。システムはさらに、関心のある各周波数における各々の受信された反射された超音波信号のための指の画像情報セットを形成し、形成された画像情報セットを合成するための手段を含み得る。一実施形態では、システムはさらに、1つまたは複数の受信された超音波信号を周波数成分へと分離するための手段を含み得る。形成された画像情報セットを合成するための手段は、出力画像をヒューリスティックに生成するように、または、ネイマン-ピアソンマルチモーダル融合を使用して出力画像を確率論的に生成するように構成され得る。
【００２３】
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。本開示はここで、添付の図面および図表を参照して、非限定的な例として説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】超音波センサアレイを通過する、各々が異なる周波数である6つの異なる超音波に対応する情報によるプロットを示す図である。
【図２】超音波画像情報セットを生成するための方法であって、異なる周波数のいくつかの送信機励振信号について順次的に送信し、処理し、この方法を繰り返すことに基づく方法を示す図である。
【図３】チャープタイプの送信機励振信号に基づく超音波画像情報セットを作成するための方法を示す図である。
【図４】任意選択の重み付けを伴うピクセルごとの算術平均を利用したマルチスペクトル超音波撮像の方法を示すフローチャートである。
【図５】対象物に対応する超音波画像情報セットを生成するための超音波センサシステムを示すブロック図である。
【図６】超音波センサアレイの外側の表面と接触する物体の超音波画像情報セットを生成するためのシステムの第1の構成を示す図である。
【図７】超音波センサアレイ上に配置されるプラテンの外側の表面と接触している物体の超音波画像情報セットを生成するためのシステムの第2の構成を示す図である。
【図８Ａ】送信機へ順次的に印加される2つ以上の励振周波数のセットについての送信機信号および受信機信号を、各々の印加される周波数に対して取得される画像情報セットとともに示す図である。
【図８Ｂ】送信機へ順次的に印加される2つ以上の励振周波数のセットについての送信機信号および受信機信号を、各々の印加される周波数に対して取得される画像情報セットとともに示す図である。
【図９Ａ】送信機へ順次的に印加される2つ以上の励振周波数のセットについての送信機信号および受信機信号を、励振周波数のセットに対して取得される画像情報セットとともに示す図である。
【図９Ｂ】第1の周波数において開始し第2の周波数において終了するチャープ送信機励振シーケンス(アップチャープまたはダウンチャープ)についての送信機信号および受信機信号を示す図である。
【図１０】超音波画像情報の2つ以上のセットの点ごとの算術平均を示す図である。
【図１１】2つ以上の共分散行列を使用して、合成された画像情報セットを作成するための方法を示すフローチャートである。
【図１２】共分散に基づく補間を使用して、合成された画像情報セットを作成するための方法を示す図である。
【図１３】指紋の表現を提供する方法を示すフローチャートである。
【図１４】様々な励振周波数の選択に対応するグラフである。
【図１５】追加の励振周波数の選択に対応するグラフである。
【図１６】較正の方法を示すグラフである。
【図１７】較正の追加の方法を示すグラフである。
【図１８】チャープされた励振を伴うマルチスペクトル超音波撮像の方法を示すフローチャートである。
【図１９】ピクセルごとの算術平均および任意選択の重み付けを伴う、複数情報セットのチャープされた励振のためのマルチスペクトル超音波撮像の方法を示すフローチャートである。
【図２０】チャープシーケンスの決定を示す2つのグラフである。
【図２１】様々なチャープシーケンスを示すグラフである。
【図２２】様々なチャープシーケンスを示すグラフである。
【図２３Ａ】チャープコーディングされた送信機信号のFFTを示すグラフである。
【図２３Ｂ】チャープコーディングされた送信機信号のFFTを示すグラフである。
【図２４Ａ】チャープコーディングされた送信機信号のFFTを示すグラフである。
【図２４Ｂ】チャープコーディングされた送信機信号のFFTを示すグラフである。
【図２５】超音波センサアレイの図である。
【図２６】超音波指紋センサの複数の構成の図である。
【図２７】超音波センサシステムのブロック図である。
【図２８】送信機オンの条件と送信機オフの条件との間の、センサアレイの出力における差の周波数応答を示す図である。
【図２９】2つの場合の、指について取得されるセンサ出力信号振幅のヒストグラムである。
【図３０】指のサンプル画像の輪郭および対応するヒストグラムのプロットを示す図である。
【図３１】選択された隆起の領域と谷の領域との間でのアナログ電圧の比較を示す変動性のプロットを示す図である。
【図３２】空気の場合の電圧から対象物がある場合の電圧を引いた差分を、超音波送信機励振信号の周波数に対してプロットした場合の負のピークと正のピークを示す図である。
【図３３】対象物の生体性を決定することに対する多周波数に基づく手法を示す図である。
【図３４】対象物の生体性を決定することに対する多周波数に基づく手法を示す図である。
【図３５】対象物の生体性を決定することに対する多周波数に基づく手法を示す図である。
【図３６】対象物の生体性を決定することに対する多周波数に基づく手法を示す図である。
【図３７Ａ】マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの一構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。
【図３７Ｂ】マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの一構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。
【図３７Ｃ】マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの一構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。
【図３８Ａ】マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。
【図３８Ｂ】マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。
【図３８Ｃ】マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。
【図３９Ａ】マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。
【図３９Ｂ】マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。
【図３９Ｃ】マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。
【図３９Ｄ】図39Aのシステムにおいて実装される様々な距離ゲートに従った、積分された受信機出力のプロットを示す図である。
【図３９Ｅ】図39Bのシステムにおいて実装される様々な距離ゲートに従った、積分された受信機出力のプロットを示す図である。
【図３９Ｆ】図39Cのシステムにおいて実装される様々な距離ゲートに従った、積分された受信機出力のプロットを示す図である。
【図４０Ａ】マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。
【図４０Ｂ】マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。
【図４０Ｃ】マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。
【図４０Ｄ】図40Aのシステムにおいて実装される様々な距離ゲートに従った、積分された受信機出力のプロットを示す図である。
【図４０Ｅ】図40Bのシステムにおいて実装される様々な距離ゲートに従った、積分された受信機出力のプロットを示す図である。
【図４０Ｆ】図40Cのシステムにおいて実装される様々な距離ゲートに従った、積分された受信機出力のプロットを示す図である。
【図４１Ａ】マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。
【図４１Ｂ】マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。
【図４１Ｃ】マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。
【図４１Ｄ】図41Aのシステムにおいて実装される様々な距離ゲートに従った、積分された受信機出力のプロットを示す図である。
【図４１Ｅ】図41Bのシステムにおいて実装される様々な距離ゲートに従った、積分された受信機出力のプロットを示す図である。
【図４１Ｆ】図41Cのシステムにおいて実装される様々な距離ゲートに従った、積分された受信機出力のプロットを示す図である。
【図４２】生体性の検出方法のフローチャートである。
【図４３】指をスキャンするための方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の一態様は全般に、対象物についての情報を提供するための超音波センサシステムに関する。いくつかの実装形態では、この情報は、各々が異なる周波数である超音波送信機に印加される複数の励振信号から取得され得る。複数の超音波周波数を使用することによって、単一の励振周波数を利用することによって提供され得るものよりも多くの、対象物についての情報が提供され得る。
【００２６】
超音波指紋センサは、超音波を生成してプラテンタイプの撮像面に向かって送信することによって機能し得る。プラテンの上には、それについての情報が所望される対象物があり得る。対象物が指であるとき、所望される情報は指紋に関し得る。プラテンに達する超音波エネルギーの一部は反射され、この反射されるエネルギーが検出され得る。反射されるエネルギーの強度およびそのエネルギーが受け取られる位置が取得され得る。取得される信号は、データセットの形態で記録され得る。データセットは、対象物の視覚的画像を生成するために使用され得るデータストリームを作成するために使用されてよく、この視覚的画像はモニタまたはプリンタを介して提供され得る。いくつかの実装形態では、取得される信号は、超音波画像情報セットとも呼ばれるデータセットを形成することができ、超音波画像情報セットは、合成された画像情報セットを生成するためにさらに処理され得る。合成された画像情報セットは、たとえば、超音波指紋センサを組み込む携帯電話、タブレットコンピュータ、またはポータブル医療機器のようなモバイルデバイスのユーザの、登録、検証、および認証において利用され得る。
【００２７】
本発明の一態様は、システム固有の最高限度とより良好に合致するように、マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムおよび/または方法において具現化され得る。たとえば、同じ設計に従って製作され同じ製造設備から製造される超音波センサにも、各センサの性能に影響を与え得る差があり得る。
【００２８】
たとえば、超音波センサの製造の間に、超音波が横断するいくつかの材料の境界と材料のバルク媒質がある。製造プロセスにおける通常の変動により、各センサは、共振周波数と、センサの中を通過する超音波信号への影響が、わずかに異なり得る。これらの共振の違いは、かなり小さな周波数の変化に対して、50%程度の変化を示し得る。その結果、20MHzの送信機励振周波数において良好な出力を得る同じシステムが、19MHzまたは21MHzの周波数では半分の出力しか示さないことがある。
【００２９】
2つ以上のスキャン周波数を使用し、次いで、各スキャン周波数に由来する画像情報セットを合成することによって、個々のセンサの違いに対処することができる。加えて、複数の周波数によって音波を印加することで、単一波長の音波の印加よりも対象物の良好な表現を与える対象物についてのデータの収集が可能になり得る。励振周波数のスペクトルを伴う単一の順次的信号と複合信号とのいずれかとして、超音波システムにおいて多数の周波数によって音波を印加することで、システムにおけるより緩い製造上の許容誤差とともに撮像の改良が可能になるので、より費用対効果の高い製造技法を利用することができる。
【００３０】
いくつかの実装形態では、マルチスペクトル超音波センサシステムは、対象物に対応する複数のデータセットまたは画像情報セットを生成し、各画像情報セットは、異なる超音波周波数において得られる情報とともに生成される。マルチスペクトルという用語は、一般に、対象物の画像情報セットを構築する際に2つ、3つ、4つ、またはそれよりも多くの周波数または波長を使用するシステムを指す。マルチスペクトルシステムは、ハイパースペクトルシステムとも呼ばれ得る。超音波受信機が多くの異なる周波数における超音波エネルギーを検出することが可能であり、対象物から不変の距離にあるときに、画像情報セットを生成するステップが実行され得る。たとえば、ユーザが指を置き得るプラテンの表面は、背後の超音波センサアレイのピクセル回路から不変の距離にあり得る。所望される超音波は、送信機励振信号によって超音波送信機を駆動して離散周波数の超音波を生成することによって生成され得る。いくつかの実装形態では、送信機は、所望の周波数の加算であり複数の所望の周波数を伴う複合エネルギー超音波波形として同時に出される超音波波形を生成するように駆動され得る。
【００３１】
離散周波数におけるマルチスペクトルスキャンは、「チャープ」として実装され得る。チャープは、周波数が時間とともに上昇する(「アップチャープ」)または下降する(「ダウンチャープ」)信号であり、連続的であり得る。超音波学では、励振信号はチャープを表すように形成されてよく、そうすることで、生成される波は材料の分散特性と相互作用し、超音波信号が伝播するにつれて全体の分散が増大または減少する。チャープされた励振信号を利用することで、より多くの情報の内容を伴うデータの収集が可能になる。
【００３２】
チャープ励振信号の使用により、センサシステムは、音波を印加し、広範囲の周波数にわたって対象物についての情報を収集することが可能になる。超音波センサシステムは、超音波センサアレイ中のセンサピクセルからピクセル出力信号を取得し、ピクセル出力信号をデジタル化し、デジタル化されたピクセル出力信号(または値)を一連のフィルタに通して必要とされるデータを抽出することができる。代替的に、対象物に音波を印加して反射された信号からデータを収集するために離散周波数パルスが使用されてよく、次いで、送信機励振周波数が変更されてよく、複数の異なる周波数において対象物についてのデータを取得するためにこの処理が繰り返される。この処理は、非常に小さな時間の増分において励振信号が送信され、反射される信号が受信され処理される状況において、非常に高速に完了し得る。送信機からプラテンの表面までの、および反対側の超音波センサアレイまでの距離に応じて、この処理は数マイクロ秒(またはより長い距離が伴う場合、ミリ秒)で完了し得る。
【００３３】
超音波システムを動作させるときにチャープに基づく方法を使用することの追加の利点は、超音波送信機-受信機システムを製造する際にさらなる柔軟性が可能になることである。チャープに基づくシステムを使用することで、製造上の差異に対応し、各システムからの応答の改善を可能にすることができる。
【００３４】
図1は、超音波センサアレイを通過する、各々が異なる周波数である6つの異なる超音波に対応する情報によるプロットを示す。垂直軸は透過性であり、水平軸はポリスチレン層の厚みであり、ポリスチレン層は超音波センサのためのプラテンとして使用される典型的な材料である。図1の様々なカーブに対応するポリスチレン層の厚み(xi)は、ほぼ0からほぼ5000分の1インチにわたる。透過性(tr)が、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz、25MHz、および30MHzという6つの超音波周波数について示される。図1から、約1.7ミルの厚みにおいて、30MHzがほぼ100%の透過性を与え、15MHzと5MHzの両方が各々約65%の透過性を与えることが確認される。1.7ミルの厚みにおける他の周波数は、50%未満の透過性を与える。図1に示される他の超音波周波数に対するピークの透過性は、概ね次の通りであることに留意されたい。
25MHz - 1.9ミルの厚み 15MHz - 3.5ミルの厚み
20MHz - 2.4ミルの厚み 10MHz - 4.7ミルの厚み
【００３５】
30MHzにおける透過性の関数の傾きは、約1.7ミルおよび3.5ミルにあるピークの近くで非常に大きいことも確認される。これは、30MHzにおける透過性が、ポリスチレン層の厚みの小さな変化により、ピークの透過性の近くで急激に低下することを示す。25MHz、20MHz、および15MHzの励振周波数の各々に対するピークの透過性に関して、同じことが当てはまる。すなわち、ポリスチレン層の厚みの小さな変化により、透過性が急激に低下する。図1は、5MHzおよび10MHzがより小さな傾きを有することを示すが、これらの周波数は高い透過性を有するので有用であり、ただし、それは図1に示されるポリスチレンの厚みの範囲の限られた部分だけにおいて当てはまる。
【００３６】
複数の離散周波数センサシステムまたはチャープに基づくシステムの追加の利点は、観測対象のプラテン上の物体と観測対象ではないプラテン上の物体とを区別できることである。たとえば、超音波マルチスペクトルシステムがモバイルデバイスのディスプレイに内蔵されると仮定する。また、システムが22MHzの音波印加信号を使用すると仮定する。ディスプレイ上の雨粒が対象物に対応する情報と干渉する。しかしながら、周波数がたとえば15MHzに下げられる場合、雨水の小滴は適切な共振を有しないので、超音波観測において現れなくなる。マルチスペクトルセンサ(すなわち、チャープセンサ)は、複数の周波数依存の画像情報セットを提供することによって、雨粒を検出するのを避ける。情報セットの最良の1つがさらなる使用のために選択されてよく、または、情報セットの複合体が作られ使用されてよい。
【００３７】
図2は、超音波画像情報セットを生成するための方法であって、異なる周波数のいくつかの送信機励振信号について順次的に送信し、処理し、この方法を繰り返すことに基づく方法を示す。この場合、複数の離散周波数を利用するシステムが採用される。第1の周波数が生成され(21)、増幅され(22)、平面超音波を生成する(23)超音波送信機を駆動するために使用され得る。生成され(23)送信機から放出される超音波信号は、結合媒質(もしあれば)および超音波センサ積層体の材料を通過し、対象物と接触しているプラテンの表面と相互作用する(24)。超音波エネルギーの一部が、たとえばプラテンが空気(たとえば、指紋の谷)と相互作用する位置において反射されてよく(25)、次いで反射されたエネルギーは超音波センサアレイに伝わり、そこでそのエネルギーが検出される(26)。検出されたエネルギーに対応する超音波画像情報セットまたはデータセットが生成され、後で使用するために記憶され得る(27)。後の使用は、対象物の画像が、モニタを介して表示されるように、または指紋の登録、検証、および認証のために表示されるようにする、データストリームを作成することを含み得る。この処理は第2の周波数について繰り返され、検出されたエネルギーに対応する第2の画像情報セットが生成され、後で使用するために記憶され得る。この処理は、N個の画像情報セットを作成する(29)ために、N回繰り返され得る。複数の画像情報セットは、マルチスペクトルの合成された画像情報セットを生成する(28)ために合成され得る。
【００３８】
別のタイプの超音波マルチスペクトル撮像システムが図3において説明される。図3は、チャープタイプの送信機励振信号に基づく超音波画像情報セットを作成するための方法を示す。チャープタイプの信号が、システムの要求される分解能に適した周波数の範囲にわたって、(アップチャープ(上昇する周波数)とダウンチャープ(下降する周波数)のいずれかで)生成される(31)。増幅器32は、励振信号を増幅し、平面超音波生成器を駆動することができる。パルスまたはトーンバースト(TB)と呼ばれることがある超音波信号は、送信機から出て(33)、結合媒質(もしあれば)およびセンサ積層体中の他の材料を通過し、対象物と接触しているプラテンの表面と相互作用する(34)。超音波エネルギーの一部が反射されることがあり、反射されたエネルギーは次いで超音波センサアレイに伝わり(35)、そこでそのエネルギーが検出され(36)電気信号に変換される。超音波センサアレイ中のピクセルからの変換された電気信号は、周波数成分に従って信号の成分を分離するバンドパスフィルタ37に送信され得る。成分の分離は、離散バンドパスフィルタの代わりに高速フーリエ処理を使用して達成され得る。フィルタリング処理から得られる出力は、各々が異なる周波数における対象物を表現する、複数の超音波画像情報セットを構築する(38)ために使用され得る。複数の情報セットは、マルチスペクトル画像情報セットを生成するために合成され得る(39)。
【００３９】
図4は、任意選択の重み付けを伴うピクセルごとの算術平均を利用したマルチスペクトル超音波撮像の方法を示すフローチャートである。複数の超音波周波数(「スキャン周波数」)において指紋がスキャンされ得る。各スキャン周波数は、指紋のような撮像されている物体を記述する画像情報セットを提供し得る。情報セットはスキャン値データから構成されてよく、情報セット中の各データはピクセルの信号強度を示し得る。各ピクセルの信号強度は、その上に指が置かれるプラテンの表面からそのピクセルに反射されるエネルギーの量を示す。複数の周波数においてスキャンすることで、ピクセルの各々のための複数のデータが生成される。スキャン周波数の各々に対応するスキャン値データは、各ピクセルのための合成された値を生成するために数学的に合成され得る。各ピクセルのための合成された値は、各ピクセルのためのグレースケール値を提供するために、グレースケール値と相関付けられ得る。これらのグレースケール値は、指紋を表すために集合的に提供され得る。
【００４０】
ピクセルのための画像情報セットを数学的に合成するステップは、そのピクセルのためのピクセル出力値を加算して合計を生成するステップと、スキャン周波数の数により合計を除算してピクセルの各々の平均値を生成するステップとを含み得る。この平均値は、任意選択の重み付けを伴うピクセルごとの平均を使用して、取得された画像情報セット81、83、85から合成された画像情報セットを計算する(87)のために使用され得る。
【００４１】
個別の共同登録される情報セットを合成する処理は、異なる情報セットのヒューリスティックな加算、平均、比較、または選択によって実行され得る。情報セットを合成する処理は、ネイマン-ピアソンマルチモーダル融合システムのような確率論的な合成システムを使用することができる(たとえば、米国特許第7,287,013号を参照されたい)。ヒューリスティックシステムは計算的により複雑ではないことがあるが、ネイマン-ピアソンマルチモーダル融合システムは、複雑さの増大という犠牲とともにより正確な出力を生成することができる。
【００４２】
スキャン値データを数学的に合成するステップは、各スキャン周波数に対して、重み付け係数を特定するステップと、対応する重み付け係数により各スキャン値データを乗算してスキャン値の積を生成するステップとを含み得る。スキャン値の積を加算して合計を生成することができ、合計をスキャン周波数の数により除算してピクセルの各々の平均値を生成することができる。この平均値は、上で言及された合成された値として使用され得る。重み付け係数は、次の式を使用して計算され得る。
w(fi) = (e(avgi * fi) - e(avgi * fmax)) / (e(avgi * fmin) - e(avgi * fmax))
ここで、
w(fi)はi番目のスキャン周波数のための重み付け係数であり、
avgiはi番目のスキャン周波数および次に低いスキャン周波数におけるスキャン値データの平均値であり、
fminは最低のスキャン周波数であり、
fmaxは最高のスキャン周波数である。
【００４３】
スキャン値データを数学的に合成する別の方法は、情報セット中のスキャン値データからスキャン周波数の各々のための共分散行列を作成するステップと、共分散行列を数学的に合成して各ピクセルのための合成された値を有する合成された行列を提供するステップとを含み得る。共分散行列を合成するために、共分散行列の各々の中の対応する成分は、合成された共分散行列を提供するために補間されてよく、合成された共分散行列の成分は補間された値である。
【００４４】
共分散行列の1つまたは複数は重み付けられ得る。特定のスキャン周波数の重み付けが望ましい場合、対応する共分散行列のための重み付け係数が特定されてよく、対応する共分散行列の中の各成分は、共分散行列を数学的に合成する前にその重み付け係数によって乗算され得る。重み付け係数は、次の式を使用して計算され得る。
w(fi) = (e(avgi * fi) - e(avgi * fmax)) / (e(avgi * fmin) - e(avgi * fmax))
ここで、
w(fi)はi番目のスキャン周波数のための重み付け係数であり、
avgiはi番目のスキャン周波数および次に低いスキャン周波数におけるスキャン値データの平均値であり、
fminは最低のスキャン周波数であり、
fmaxは最高のスキャン周波数である。
【００４５】
複数の試験周波数において指が存在しない状態でスキャンし、ピーク試験周波数を特定することによって、スキャン周波数が選択され得る。ピーク試験周波数は、すぐ下の試験周波数およびすぐ上の試験周波数がそのピーク試験周波数よりも少ないエネルギーを返す試験周波数である。いくつかのピーク試験周波数を特定したら、指紋を評価するために使用されるピーク試験周波数が選択され得る。選択されるものは、他のピーク試験周波数の大部分よりも高い反射エネルギーを有し得る。つまり、3つの(または何らかの他の数の)ピーク周波数の情報セットが指紋を評価するために使用される場合、3つの(または何らかの他の数の)ピーク試験周波数がスキャン周波数として選択され得る。いくつかの実装形態では、スキャン周波数の範囲は、8MHz未満から12MHz以上にわたり得る。いくつかの実装形態では、スキャン周波数の範囲は、5MHz未満から25MHz以上にわたり得る。いくつかの実装形態では、スキャン周波数の範囲は、1MHz未満から100MHz以上にわたり得る。他の範囲も可能である。選択された範囲内のスキャン周波数の数は、わずか2から50以上にわたり得る。以下でより詳細に説明されるように、スキャン周波数の分離も変化し得る。ハイパースペクトル超音波撮像は、異なる周波数または波長にわたる通常は多数のスキャンにおける複数の周波数での撮像を含む。ハイパースペクトル超音波撮像は、マルチスペクトル撮像の拡張であると考えられる。
【００４６】
代替的に、スキャン周波数は、情報セットの品質に基づいて選択され得る。たとえば、ピーク試験周波数の各々に対して、情報セット品質が評価されてよく、最良の情報セットの品質を有するピーク試験周波数が選択されてよい。たとえば、3つ(または何らかの他の数の)ピーク試験周波数がスキャン周波数として選択されることになる場合、他のピーク試験周波数よりも良い品質を有する3つ(または何らかの他の数)のピーク試験周波数が、スキャン周波数として選択され使用され得る。特定の周波数における画像情報セットの品質は、様々な方式で評価され得る。たとえば、情報セットの品質は、指紋画像の隆起と谷との画像コントラスト比を評価することによって決定され得る。より高品質の情報セットは、より高いコントラスト比を有し得る。別の品質の尺度は不明瞭性に関連してよく、すなわち、隆起と谷の明確な描写がある画像は、稜線がぼやけている画像よりも高い品質を有し得る。画像情報セットの品質は、画像全体に対して、または画像内の選択された領域に対して決定され得る。たとえば、画像品質は指の輪郭内で評価されてよく、指のない領域を避ける。情報セットの品質は、撮像されている物体により影響を受けることがある。たとえば、人物の年齢、指のサイズ、または指の中の渦巻きおよび隆起のパターンに関連し得る、ある隆起間の離隔距離により、回折効果が発生し得る。回折効果は、スキャン周波数とともに変化し得る。マルチスペクトル超音波撮像において複数のスキャン周波数を使用することで、たとえば、異なる周波数において生成される画像情報セットの選択的な合成により、回折の影響の一部を軽減することができる。
【００４７】
いくつかの実装形態では、スキャン周波数の1つとして初期スキャン周波数(たとえば、最高の平均振幅または最良の品質を有するピーク試験周波数)を選択し、次いで、所定のオフセットを最初に選択されたスキャン周波数に加算すること、および/またはそれから減算することによって追加のスキャン周波数を選択することが、有益であり得る。たとえば、最初に選択されたスキャン周波数がXという周波数を有し、所定のオフセットがYである場合、スキャン周波数のうちの2番目のものはX+Yであってよく、スキャン周波数のうちの3番目のものはX-Yであってよい。
【００４８】
代替的に、初期スキャン周波数は、たとえば、最高の平均値または最良の品質を有するピーク試験周波数を選択し、次いで、最初に選択されたスキャン周波数を含む範囲を特定することによって、選択され得る。追加のスキャン周波数は、ピーク試験周波数を含む範囲内にある周波数から選択され得る。いくつかの実装形態では、追加のスキャン周波数は、選択されたスキャン周波数の整数倍のような、最初に選択されたスキャン周波数の高調波である周波数であるように特定され得る。
【００４９】
いくつかの実装形態では、複数の情報セットが作成されると、情報セットは、指紋が生物によって提供されたものかどうかを決定するためにも使用され得る。生体性を決定するための方法において、各指紋ピクセルの正規化された多周波数の応答がベクトルとして形成され得る。情報セットのうちの第1の情報セット(たとえば、FoIS(first one of the information sets))が選択されてよく、隆起に対応するFoIS中のピクセル(「隆起ピクセル」)が特定されてよく、谷に対応するFoIS中のピクセル(「谷ピクセル」)が特定されてよい。ベクトルは、谷ピクセルのクラスタを形成するために一緒にクラスタ化され得る。他の情報セットの各々に対して、信号強度ヒストグラム分布情報(「SSHDI」)が隆起ピクセルのために計算されてよく、SSHDIが谷ピクセルのために計算されてよい。隆起ピクセルのSSHDIの特徴量が特定されてよく、谷ピクセルのSSHDIの特徴量が特定されてよい。いくつかの実施形態では、隆起ピクセルの周波数応答強度ヒストグラム分布情報(FSHDI)の特徴量が特定されてよく、谷ピクセルのFSHDIの特徴量が特定されてよい。上で言及された特徴量は、(a)FSHDIもしくはSSHDIに最もよく現れる信号強度、(b)FSHDIもしくはSSHDIに現れる信号強度の中央値、(c)FSHDIもしくはSSHDIの統計的なエネルギー、(d)FSHDIもしくはSSHDIの統計的なエントロピー、または、(e)FSHDIもしくはSSHDIの統計的な分散であり得る。
【００５０】
それらの他の情報セットの各々に対して、隆起ピクセルの特徴量と谷ピクセルの特徴量との差が、分離値を得るために決定され得る。そして、分離値のいずれかが生体に対応するものとして以前に特定された空間的な位置を特定するかどうかについての決定が行われ得る。
【００５１】
図42は、マルチスペクトル/ハイパースペクトル撮像による生体の検出の一例が多周波数による隆起と谷の分離であることを示す。いくつかの実施形態では、スキャンされている対象物(たとえば、指)は、処理の間に動かないことがある。多周波数による隆起と谷の分離の一実施形態では、隆起と谷の分離が計算される。指紋画像は、指紋の関心のある領域(ROI)を抽出する(422)ための最適な周波数420(他の周波数421におけるスキャンから選択された)において撮られる。ROIは抽出され(422)、1つまたは複数の抽出されたROIに対してバイナリ化が実行され得る。ROIのバイナリ化は、隆起と谷の地図を抽出することができる(423)。ROIおよび最適な周波数420における抽出された(423)隆起-谷の地図は、すべての他の周波数421のスキャンに適用され得る。各周波数421におけるスキャンに対して、隆起ピクセルと谷ピクセルのヒストグラムが別々に計算され得る(424)。隆起-谷のヒストグラムのピークのビン値、隆起-谷のピクセルの中央値、または、隆起-谷のヒストグラムのエネルギー、エントロピー、もしくは分散のような特徴が、隆起および谷のヒストグラムから抽出され得る(425)。所与の周波数における隆起と谷の分離を得るために、谷の特徴量が隆起の特徴量から差し引かれ得る。たとえば、ピークのビン値がヒストグラムからの抽出された特徴として使用されてよく、隆起と谷の分離曲線426が複数の周波数にわたって示され得る(全般に図33〜図36を参照されたい)。異なる材料は異なる音響インピーダンスを有するので、異なる隆起と谷の分離曲線426をもたらす。したがって、隆起と谷の分離曲線426は、対象物の生体性を決定するために使用され得る。
【００５２】
図5は、対象物に対応する超音波画像情報セットを生成するための超音波センサシステムを示すブロック図を示す。センサシステムは、超音波を生成するための超音波送信機55を含み得る。システムはさらに、送信機55に所望の周波数において複数の波を提供させるように送信機励振電気信号を作成することが可能な信号生成器57を含み得る。システムはさらに、信号生成器57からの電気信号を増幅するための、および超音波送信機55を駆動するための増幅器56を含み得る。システムはさらに、反射された超音波エネルギーを検出し、検出されたエネルギーに対応するピクセル出力信号を提供することが可能な超音波センサアレイ51を含み得る。システムはさらに、超音波センサアレイ51を制御し、センサアレイ51からピクセル出力信号を受信するためのセンサコントローラ53を含み得る。システムはさらに、各々が異なる周波数に対応する画像情報セットを形成し、次いで画像情報セットを合成された画像情報セットへと合成するための、電子サブシステム54(たとえば、アプリケーションプロセッサ)を含み得る。システムはさらに、受信された信号を周波数成分へと分離するためのバンドパスフィルタ52を含み得る。
【００５３】
例示的な実施形態
図6は、超音波センサアレイ62の外側の表面と接触する物体61の超音波画像情報セットを生成するためのシステム60の構成を示す図である。この構成では、センサ積層体62は、超音波送信機(底部のTx65)および受信機(頂部のRx64)によって挟まれるTFT基板63を有する。TFT基板63は、上面に配設されるピクセル回路とピクセル回路上に配設される圧電層とを含む、TFT回路を有する。送信機65は、圧電層の各側に配設される1つまたは複数の電極を伴う圧電層を含み得る。上面(図示されず)は、プラテンとして機能し得る保護膜(すなわち、パリレン、アクリル、ハードコート、ダイヤモンド様コーティング(DLC)、インピーダンス整合層、または他の適切なコーティング)によってコーティングされ得る。コントローラ66は、超音波送信機63と関連付けられる電極に送信機励振信号を提供することができる。コントローラ66は、センサアレイ62の上面から反射された超音波信号の取得を制御するための、およびセンサピクセルからピクセル出力信号を抽出するための、様々な制御信号をTFTピクセル回路に送ることができる。センサアレイ62およびコントローラ66は、センサアレイ62からのピクセル出力信号を処理するように機能し得るモバイルデバイス中のアプリケーションプロセッサのような、1つまたは複数のプロセッサ67と通信していてよい。代替的に、本開示全体で説明されるような、薄膜トランジスタとその上に形成される関連する回路とを含むTFT基板は、ガラスまたはプラスチックのTFT基板ではなくシリコン基板の中に、かつそれに接して形成されるトランジスタおよび関連する回路を伴うCMOSセンサアレイのような、シリコンベースの超音波センサアレイによって置き換えられ得る。
【００５４】
図7は、超音波センサアレイ73上に配置されるプラテン72の外側の表面と接触している物体71の超音波画像情報セットを生成するためのシステム70の別の構成を示す図を示す。この構成では、センサアレイ73は、上面にカバー材料(すなわち、ガラスまたはプラスチック)を伴う、超音波送信機(底部のTx76)および受信機(頂部のRx75)によって挟まれたTFT基板74を有し、カバー材料はカバーガラスまたはプラテン72として機能し得る。いくつかの実装形態では、プラテン72は、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリイミド(PI)、または他のポリマー材料の層を含み得る。いくつかの実装形態では、プラテン72は、サファイア、アルカリ-アルミノシリケートシートガラス、アルミニウム、ステンレス鋼、合金、ポリカーボネート、高分子材料、金属充填プラスチック、または他の適切なプラテン材料でできていていよい。いくつかの実装形態では、プラテン72は、プラテン72の一方または両方の側に、1つまたは複数のコーティングまたは音響インピーダンス整合層を含み得る。コントローラ77は、超音波送信機76と関連付けられる電極に送信機励振信号を提供することができる。コントローラ77は、センサアレイ73の上面から反射された超音波信号の取得を制御するための、およびセンサピクセルからピクセル出力信号を抽出するための、様々な制御信号をTFTピクセル回路に送ることができる。センサアレイ73およびコントローラ77は、センサアレイ73からのピクセル出力信号を処理するように機能し得るモバイルデバイス中のアプリケーションプロセッサのような、1つまたは複数のプロセッサ78と通信していてよい。
【００５５】
第1の構成(図6)と第2の構成(図7)の両方において、コントローラ66、77が、送信機65、76を励振してピクセル出力データを捕捉するための、異なる周波数またはチャープシーケンスを伴う信号を生成することができる。任意選択で、プロセッサ67、78は、さらなる処理のために提供され得る。いくつかの実装形態では、プロセッサ67、78は、送信機65、76を励振するためにコントローラ66、77に命令することができる。いくつかの実装形態では、プロセッサ67、78は、携帯電話、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータ、またはポータブル医療機器のような、モバイルプラットフォームで提供され得る。いくつかの実装形態では、アプリケーションプロセッサのようなモバイルデバイス中の1つまたは複数のプロセッサ67、78は、センサアレイ62、73からデータおよび画像情報セットを処理し、電話をアンロックすることまたはユーザを認証することのような他の機能のための出力を提供するように機能し得る。
【００５６】
たとえば、本明細書の教示は、限定はされないが、モバイルデバイス、ディスプレイデバイス、電話、マルチメディアインターネット対応携帯電話、モバイルテレビジョン受信機、ワイヤレスデバイス、スマートフォン、bluetoothデバイス、携帯情報端末(PDA)、ワイヤレス電子メール受信機、ハンドヘルドまたはポータブルコンピュータ、ネットブック、ノートブック、スマートブック、タブレット、プリンタ、複写機、スキャナ、ファクシミリデバイス、GPS受信機/ナビゲータ、カメラ、MP3プレーヤー、カムコーダ、ゲームコンソール、医療機器、ウェアラブル電子デバイス、モバイル健康機器、腕時計、時計、計算機、テレビジョンモニタ、フラットパネルディスプレイ、電子書籍デバイス(たとえば、電子リーダー)、コンピュータモニタ、自動車用ディスプレイ(たとえば、オドメーターディスプレイなど)、コックピットコントロールおよび/またはディスプレイ、カメラビューディスプレイ(たとえば、車両の後方カメラのディスプレイ)、または現金自動預払機のような、種々の電子デバイスにおいて実装されてよく、またはそれらと関連付けられてよいことが企図される。
【００５７】
図8Aおよび図8Bは、マルチスペクトル超音波撮像のための動作の方法を示す。図8Aおよび図8Bは、送信機へ順次的に印加される2つ以上の励振周波数のセットについての送信機信号および受信機信号を、各々の印加される周波数に対して取得される画像情報セットとともに示す。2つ以上の励振周波数のセットが、各々の印加されるスキャン周波数のために取得される情報セットとともに送信機に順次的に印加され得る(図8Aにおけるf1および図8Bにおけるfn)。各図の上側部分に示されるように、所定のスキャン周波数における励振信号の1つまたは複数の周期が送信機(Tx)に印加され得る。2つの周期がここで示される。進行中の超音波の送信の間に、受信機バイアス電極への制御信号は、遮断モードに設定され得る。反射された超音波信号はサンプルモードの間に捕捉されてよく、サンプルモードにおいて、受信機バイアス電極への制御信号はサンプル値にされる。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は、短い期間、遮断モードに戻され得る。保持モードの間、超音波センサアレイの各センサピクセルに記憶されている信号がクロックに従って送信され得る。図8Aに示されるように、超音波画像情報セットは第1の印加される励振周波数とともに取得されてよく、図8Bに示されるように、第2の超音波画像情報セットは第2の(より高い)印加される励振周波数とともに取得されてよい。
【００５８】
別のそのような方法が図9Aに示され、2つ以上の励振周波数のセットのための送信機信号および受信機信号が、送信機に順次的に印加される。図9Aは、送信機へ順次的に印加される2つ以上の励振周波数のセットについての送信機信号および受信機信号を、励振周波数のセットに対して取得される画像情報セットとともに示す。この方法では、ピクセル回路の一部として形成されるピーク検出器は、様々なスキャン周波数からの反射される超音波信号が単一のサンプル区間内で検出されるにつれて、サンプルモードの間にピークの信号振幅を取得するために使用され得る。図9Bは、第1の周波数において開始し第2の周波数において終了するチャープ送信機励振シーケンス(アップチャープまたはダウンチャープ)についての送信機信号および受信機信号を示す(アップチャープシーケンスが示されている)。この方法では、ピクセル回路の一部として形成されるピーク検出器は、超音波送信機に印加されるチャープされた励振信号からの反射された超音波信号が単一のサンプル区間内で検出されるにつれて、サンプルモードの間にピークの信号振幅を取得するために使用され得る。
【００５９】
本発明の一例は、離散周波数を使用する合成方法を利用することができる。図4は、任意選択の重み付けを伴うピクセルごとの算術平均を利用した1つのそのような方法を示すフローチャートである。この方法は、ピクセルごとの平均を使用して、各々が異なる周波数に由来する取得された(81、83、85)情報セットから各ピクセルのための合成された値を計算するステップ(87)を伴う。この方法を使用して、それぞれの周波数成分を有する超音波情報セットは、超音波センサアレイによってブロック81、83、および85において取得される。これらの取得された情報セットの各々に対して、ピクセル出力信号または値が座標(x,y)の各画像ピクセルにおいてデジタル化されてよく、ここでxはセンサアレイの水平方向の次元であり、yはセンサアレイの垂直方向の次元である。各位置(x,y)におけるピクセルのデジタル化された値は、すべての選択された情報セットにわたって加算され得る。周波数成分に基づいて、これらのピクセル値は事前に割り当てられた重みによって乗算され得る。すべての選択された情報セットに対する各々のx,yの位置におけるピクセルのこの合計は、取得される情報セットの数によって除算され得る。この動作は、ピクセル位置の一部またはすべてに対して繰り返され得る。得られるデータは、合成された表現または合成された画像情報セットと呼ばれ得る。
【００６０】
図10は、超音波画像情報の2つ以上のセットの点ごとの算術平均を示す。図10では、異なる周波数における情報セットからの複数の選択されたピクセルの各ピクセルの大きさを、一緒に加算し、任意選択で正規化して、合成された表現または画像情報セットを形成する。加重平均による点ごとの算術的な平均を使用して、同じピクセルに対する異なる周波数における情報セットからの大きさを、それぞれの周波数依存の重みによって乗算し、一緒に加算し、任意選択で正規化して、合成された表現または画像情報セットを形成することができる。
【００６１】
本発明の一例は、任意選択の重み付けを伴う、共分散に基づく補間を利用することができる。図11は、2つ以上の共分散行列を使用して、合成された画像情報セットを生成するための方法を示すフローチャートである。そのような方法では、第1の受信された画像は、第1のスキャン周波数によって取得され得る(101)。第1のスキャン周波数とは異なる第2のスキャン周波数における第2の受信された画像が取得され得る(103)。他のスキャン周波数のための追加の画像も取得され得る(105)。xが画像の水平方向の次元でありyが画像の垂直方向の次元であるとして、座標(x,y)における画像ピクセルを使用して、取得された画像に対応する水平方向および垂直方向のサイズを有する第1の画像の共分散行列が計算され得る(107)。第2の共分散行列が第2の画像から計算され得る(109)。追加の共分散行列が追加の取得された画像から計算され得る(111)。共分散行列は、異なる周波数において取得される画像から生成されてよく、それらの行列を、補間(たとえば、線形補間、キュービック補間、バイキュービック補間、またはスプライン補間)を使用して合成し(113)、任意選択で正規化して、合成された表現を形成することができる。
【００６２】
図12は、共分散に基づく補間を使用して、合成された画像情報セットを生成するための方法を示す。それぞれの励振周波数における各々の取得された画像の共分散行列は、任意選択の重み付けを伴って、補間(たとえば、線形補間、キュービック補間、バイキュービック補間、またはスプライン補間)を使用して合成され得る。各座標(x,y)における各共分散行列の要素は、すべての取得される情報セットにわたって同じ位置におけるそれぞれの要素を使用して補間され得る。これらのそれぞれの要素値は、励振周波数に基づいて、割り当てられた重みによって乗算され得る。乗算(139)演算は、合成された(得られる)画像を形成するために、いくつかのまたはすべてのピクセル位置に対して繰り返され得る。情報セットデータのブロックaiは、ai = F * ao + nとして表されてよく、ここでFは既知のNxNの行列であり、a0は元の情報セットのブロック(たとえば、行または列)を表す、推定されることになるピクセル値のNx1ベクトルであり、nは平均が0であり得るNx1のノイズベクトルである。推定される情報セットデータのブロックは、ae = (FT C-1 F)-1 FT C-1 aiとして計算され得る。初期画像データa0のブロックのための共分散行列Cは、次のように表され得る。
Cf1Cf1   Cf1Cf2   …   Cf1Cfn
C    =   Cf2Cf1   Cf2Cf2   …   Cf2Cfn
:       :        :     :
CfnCf1   CfnCf2   …   CfnCfn
【００６３】
元の情報セット中のブロックの統計を推定した後で、情報セット中の各ピクセルを中心とする統計を推定するために補間が使用され得る。各ピクセルの周囲の統計を計算した後で、そのピクセルのための推定された画像データが計算され得る。たとえば、各々の合成された値がグレースケール値と相関付けられ得る(140)。推定される画像データは、推定される画像データの各ブロックからの結果を合成することによって取得され得る。合成された表現は、初期画像データの各セットから(たとえば、様々な励振周波数から)の推定された画像データの結果を合成することによって、取得され得る。たとえば、グレースケール値は、指紋の表現として与えられ得る(141)。
【００６４】
いくつかの実装形態は、送信周波数に基づいて重みを生成するための方法を利用することができる。超音波送信のために使用される周波数は一般に、指数関数的に変動する、センサ積層体において使用される材料における減衰を有する。多周波数による超音波撮像のための重みを生成することに対する1つの手法は、様々な周波数を指数関数的に導出された重み付け係数と関連付けることである。様々な励振周波数を使用して生成されるn個という数の情報セットに対して、n-1個の連続的な重みがあり得る。情報セットは、励振周波数の降順で並べられてよく、最高の周波数を有する画像は第1の重み(たとえば、1)で重み付けられ、2番目に高い周波数を有する情報セットは第2の指数関数的に導出された重みで重み付けられ、以下同様である。
【００６５】
様々な励振周波数を使用して取得される画像情報セットから合成された表現(すなわち、合成された画像情報セット)を得るために、空間登録が使用され得る。空間登録は、ブロックごとの歪曲のような技法を使用した、各画像からの特徴の再整列を伴い得る。代替的に、空間登録は、動き補正技法を使用して実現され得る。正規化された相互相関、二乗平均誤差、絶対値の差分の合計、または相互情報量のような方法が、異なる励振周波数から2つ以上の画像を合成するために使用され得る。リサイズ、回転、最近傍、線形、キュービック、またはスプライン技法が、2つ以上の画像情報セットを合成して合成された画像情報セットを得るために使用され得る。合成された情報セットを得るための他の方法は、エッジ検出または勾配に基づく方法を含み得る。
【００６６】
超音波センサアレイの周波数応答(これは構成要素と、評価、準備、または較正手順の間のセンサ積層体の配置とに一部依存する)に基づいて、マルチスペクトル超音波撮像のための周波数が選択され得る。2つ以上の周波数が使用され得る。いくつかの実装形態では、システムは、撮像のための周波数の好ましいセットを決定するために、較正または自己較正され得る。
【００６７】
図13は、本開示に従った、目標値の表現を提供する1つまたは複数の方法を示すフローチャートである。1つの方法は、他の試験周波数よりも高い反射エネルギーを有するピーク試験周波数を選択するステップ(131)を含み得る。方法は、ピーク試験周波数の画像品質を評価するステップ(132)と、高い画像品質を伴うピーク周波数に基づいてスキャン周波数を選択するステップ(133)とを含み得る。さらなるスキャン周波数が、所定のオフセットを選択された(133)周波数に印加することによって特定され得る(134)。方法はさらに、選択された(133)スキャン周波数の高調波を特定することによってさらなるスキャン周波数を特定するステップ(135)を含み得る。図13に示される方法はさらに、複数のスキャン周波数において指紋をスキャンするステップ(136)を含み得る。スキャンするステップ(136)からのスキャン値データは、スキャン周波数の各々に対応するように数学的に合成され得る。いくつかの実装形態では、スキャン値データの重み付け係数が特定され得る(138)。共分散行列の中の各成分は、対応する重み付け係数によって乗算され得る(139)。各々の合成された値がグレースケール値と相関付けられ得る(140)。いくつかの実装形態では、各々の合成された値は、重み付け係数を特定することなく、または重み付け係数により共分散行列中の各成分を乗算することなく、相関付けられ得る。グレースケール値は、指紋または、スタイラスのような他の対象物の表現として、与えられ得る(141)。
【００６８】
超音波センサアレイの周波数応答の例が図14に示され、複数のピーク(fr1、fr2、...fr5と標識される局所的な共振)および谷が見えている。
【００６９】
超音波センサシステムを較正するステップは、システム応答を決定するために超音波送信機に超音波を放出させるために、(たとえば、約1MHzから約25MHzまで)周波数を変動させることによって実施され得る。システムは、送信機の励振とともに、次いで励振を伴わずに動作してよく、システム応答を決定するために、送信機の励振がオフの状態のバックグラウンド情報セットが、送信機の励振がオンの状態の画像情報セットから差し引かれる。画像情報セットの取得は、たとえば、ピクセルごとに、または超音波センサアレイ中のいくつかまたはすべてのピクセルの相加平均(平均)として行われ得る。
【００７０】
動作周波数がどのように選択され得るかを各々示す、6つのグラフが図14A〜図14Fに示されている。左上のグラフ(図14A)では、fr2における、最高の振幅応答を有する周波数が選択される。左下のグラフ(図14D)では、2つの最高の振幅応答を有する周波数(fr2およびfr3)が選択される。中上のグラフ(図14B)では、5つの最高の振幅応答を有する周波数(fr1からfr5)が選択される。中下のグラフ(図14E)では、fr3およびfr4に対応する、最良の応答品質を有する周波数が選択される。右上のグラフ(図14C)では、好ましい動作周波数(fr2)が選択され、好ましい動作周波数よりも低いまたは高い1つまたは複数の周波数が選択される(たとえば、等しいステップにおいて選択される)。右下のグラフ(図14F)では、1つまたは複数の好ましい動作周波数が選択され(たとえばfr3)、好ましい動作周波数より低い、それを含む、またはそれより高い周波数のある範囲が選択される。いくつかの実装形態では、選択された周波数は、周波数間の等しい間隔を有し得る。
【００７１】
図15A〜図15Bは、追加の励振周波数の選択に対応するグラフを示す。上のグラフ(図15A)では、1つまたは複数の周波数が送信機の励振のために選択され、情報セットが励振周波数の1つまたは複数の高調波(たとえば、最初に選択された周波数の整数倍、これは、示されるように、5MHz、10MHz、15MHz、および20MHzのような周波数応答の特定のピークにあることもあり、ないこともなる)において取得される。下のグラフ(図15B)において、実質的に最高の振幅応答または応答品質を有する周波数(たとえば、fr2)が送信機の励振のために選択され、画像が励振周波数の1つまたは複数の高調波において取得される。
【００７２】
一部の材料では、波の圧縮相の間に、希薄相と比較して音がより高速に移動することがあり、音波の非線形な伝播を引き起こす。媒質中を移動する音のこの非線形は、励振周波数の様々な高調波を伴う受信信号を生成し得る。あるいは、超音波の非線形性は、キャリア周波数および周波数変調された部分のような、2つ以上の励振周波数が使用されるとき、周波数の合計または差分として応答を生成することができる。受信信号として生成される高調波は、近接場においては支配的ではないが、それでも存在しており検出可能であり得る。マルチスペクトル撮像の間、様々な高調波が超音波センサアレイによって受信され得る。超音波が超音波送信機の表面に垂直な方向に伝播する厚みモードでは、センサ積層体は、基本周波数および関連する奇数倍の高調波において共振し得る。基本周波数における、もしくはその近くの励振周波数、または基本周波数をカバーする帯域において生成されるチャープ送信シーケンスが、共振および関連する倍音を引き起こすために送信され得る。印加される周波数の高調波成分によって形成される情報セットは、合成された表現または画像情報セットを生成するために、ピクセルごとの平均または共分散に基づく補間方法のための入力として使用され得る。これらの手法は、超音波撮像システムの分解能およびコントラストを上げることができ、基本周波数は信号処理の間にフィルタ除去され得る。
【００７３】
システムは、対象物の表現を捕捉するための好ましい周波数を決定するために、較正または自己較正され得る。図16A〜図16Bは、較正の方法を示すグラフである。第1の方法(図16A)では、より低いスキャン周波数「1」(たとえば、1MHz)およびより高いスキャン周波数「2」(たとえば、24MHz)が選択されてよく、システム応答と共振のピークとを決定するために、より低いスキャン周波数とより高いスキャン周波数との間でスキャンが行われる。この例では、周波数「3」(fr2)が最大の応答を有し、動作のために選択され得る。第2の方法(図16B)において、試験対象はセンサのプラテン上に置かれてよく、対象は、指紋の隆起および谷の間の様々な離隔を表現する突起とくぼみを含む。スキャンが行われてよく、最良の画像品質を有する周波数「3」が動作のために選択されてよい(これは、ピーク周波数以外の周波数にあり得る)。様々な較正方法について、温度変化に伴う選択された周波数の変化が、ある範囲の温度にわたる温度試験および較正によって、または、超音波センサの典型的な温度応答をモデル化し、局所的な温度測定に基づいて印加される励振周波数を修正することによって、決定され得る。
【００７４】
図17A〜図17Bは、較正の追加の方法を示すグラフを示す。第3の方法(図17A)では、より低いスキャン周波数「1」(たとえば、1MHz)およびより高いスキャン周波数「2」(たとえば、24MHz)が選択されてよく、システム応答と共振のピークとを決定するために、試験対象を伴って、より低いスキャン周波数とより高いスキャン周波数との間でスキャンが行われる。肌のような試験対象がセンサのプラテンに置かれた(指紋の隆起を表す)場合の最低の出力信号を示す第1の周波数「3」が決定されてよく、空気(指紋の谷を表す)の場合の最高の出力信号を示す第2の周波数「4」が決定されてよい。空気の場合の最高の出力信号と肌のような試験対象の場合の最低の出力信号が、最高のシステムのピークと最低のシステムのピークとともに常に発生するとは限らないことに留意されたい。この例では、2つの決定された周波数3および4が動作のために選択され得る。温度変化に伴う周波数3および4の変化が含まれ得る。第4の方法(図17B)では、より低いスキャン周波数「1」(たとえば、1MHz)およびより高いスキャン周波数「2」(たとえば、24MHz)が選択されてよく、システム応答と共振のピークとを決定するために、試験対象を伴って、より低いスキャン周波数とより高いスキャン周波数との間でスキャンが行われる。たとえば、肌のような試験対象がセンサのプラテンに置かれた場合の低い出力信号に基づいて、第1の周波数「3」が決定されてよく、たとえば、プラテンに空気が接している場合の高い出力信号に基づいて、第2の周波数「4」が決定されてよく、3と4の間の中間のいくつかの周波数「5」が(たとえば、許容されるシステム周波数の増分に基づいて)決定されてよい。ある周波数帯域において、2つの決定された周波数3および4とともに中間の周波数5が次いで、動作のために選択され得る。温度変化に伴う周波数の変化が含まれ得る。いくつかの実装形態では、スキャン周波数の第2の帯域が含まれ得る。スキャン周波数の第2の帯域が同様の方式で決定されてよく、しかし第1の周波数範囲とは異なる周波数範囲に注目する。
【００７５】
図18は、チャープされた励振を伴うマルチスペクトル超音波撮像の1つの方法を示すフローチャートである。具体的には、図18は、単一情報セットのチャープされた励振の方法を示す。そのような方法では、単一の情報セットだけが取得される。この方法は、ピーク検出器に基づくピクセル回路とともに機能し、送信機励振の開始とサンプルモードの開始との間の制御される距離ゲートの時間遅延を使用し、この時間遅延は、所望の時間において反射された信号を受信するように調整され得る。このチャープシーケンスは、単一の情報セットを生成するために生成されてよく、より高いフレームレートを可能にする。一実施形態では、チャープシーケンスが決定される(181)。チャープシーケンスは、送信機に印加される(183)。受信機は、チャープされた送信機励振から各ピクセルにおいてピーク信号を捕捉する(185)。チャープされた画像が次いで、たとえば、捕捉された(185)ピーク信号を操作するプロセッサによって取得される(187)。
【００７６】
図19は、ピクセルごとの算術平均(および任意選択の重み付け)を伴う、複数画像のチャープされた励振のための方法を示すフローチャートである。一実施形態では、チャープシーケンスは、たとえば、プロセッサによって、または以前の構成を通じて決定される(191)。第1の画像が、第1のチャープシーケンスを使用して取得される(192)。第2の画像が次いで、第2のチャープシーケンスを使用して取得される(193)。追加の画像が、様々な他のチャープシーケンスのために取得され得る(194)。第1の共分散行列が第1の画像から計算され得る(195)。第2の共分散行列が第2の画像から計算され得る(196)。追加の共分散行列が任意の追加の取得された(194)画像から計算され得る(197)。共分散行列は、たとえば、補間(たとえば、線形補間、キュービック補間、バイキュービック補間、またはスプライン補間)を使用することによって、合成された画像を形成するために合成され得る(198)。共分散行列の合成198は重み付けられ得る。
【００７７】
図20は、チャープシーケンスの決定を例示するのを助ける2つのグラフを示す。図20の上のグラフは、第1の周波数において開始し第2の周波数において終了する線形のチャープを示す。図20の下のグラフは、第1の周波数において開始し第2の周波数において終了する指数関数的なチャープを示す。1つまたは複数の情報セットが、いずれかのスキャンの間に(たとえば、矢印によって示される周波数において)取得され得る。チャープシーケンスは、たとえば、線形であってよく、二次であってよく、指数的であってよく、対数的であってよく、または、個々の周波数を含んでよい。チャープは一般に、開始周波数および終了周波数を有する。一部のチャープは、低い周波数で開始し高い周波数で終了し得るが、他のチャープは高い周波数で開始し低い周波数で終了し得る。開始チャープ周波数および終了チャープ周波数は、ピーク振幅における周波数、第2のピーク振幅における周波数、ピーク周波数における、もしくはその近くの周波数、または超音波センサの他の周波数であってよい。
【００７８】
使用され得るいくつかの異なるタイプのチャープシーケンスは、1)拡張された周波数成分の範囲を有する拡張チャープ、2)受信機アレイの最高のピーク周波数と2番目に高いピーク周波数との間に延びる周波数を有するピークトゥピークチャープ、3)システムピークの1つの周りの周波数を有する近隣チャープ、および4)超音波センサアレイの1つまたは複数のピークを通って延びる周波数の2つ以上の帯域を有するギャップ付きチャープである。チャープシーケンスは、システム応答の最高のピークに基づいて選択され得る。チャープシーケンスは、それから得られる画像に基づいて選択されてよく、チャープシーケンスは画像品質または他の尺度の評価から決定される。1つまたは複数のチャープが連続的に印加され得る(たとえば、繰り返され得る)。受信機の最大の周波数応答をカバーする多周波数の成分を伴うチャープシーケンスを使用して、単一の情報セットが取得され得る。1つまたは複数のチャープシーケンスを使用して複数の情報セットが取得されてよく、これらの情報セットは合成される。超音波センサは、これらのチャープシーケンスを使用して較正され得る。
【００７９】
図21A〜図21Bは、様々なチャープシーケンスを示すグラフを示す。第1の方法(拡張チャープ、図21A参照)では、より低いチャープ周波数「1」(たとえば、5MHz)およびより高いチャープ周波数「2」(たとえば、20MHz)が選択され、より低いチャープ周波数とより高いチャープ周波数との間でチャープが行われる。いくつかの実装形態では、システムの周波数応答の測定に基づいて、より低いチャープ周波数およびより高いチャープ周波数が決定され得る。いくつかの実装形態では、同様に構築されたセンサアレイの試験に基づいて、より低いチャープ周波数およびより高いチャープ周波数が選択され得る。チャープが完了した後で、情報セットが取得され得る。代替的に、1つまたは複数の情報セットがチャープの間に取得され得る。第2の方法(ピークトゥピークチャープ、図21B参照)では、より低いチャープ周波数「1」(たとえば、約1MHz)およびより高いチャープ周波数「2」(たとえば、約9.5MHz)がシステムの共振のピークにおいて、またはその近くで選択され、より低いチャープ周波数とより高いチャープ周波数との間でチャープが行われる。チャープが完了した後で、情報セットが取得され得る。代替的に、1つまたは複数の情報セットがチャープの間に取得され得る。
【００８０】
線形のチャープ信号は、時間とともに線形に変化する周波数を有し、たとえば、0<time<Tに対して、
Chirp(time)=sin[2π(f0+(B/2T)*time)time]
であり、ここでf0は開始周波数であり、Bは周波数帯域幅であり、Tはチャープの持続時間である。
【００８１】
図22A〜図22Bは、他の様々なチャープシーケンスを示すグラフを示す。第3の方法(近隣チャープ、図22A参照)では、システムのピークをカバーするより低いチャープ周波数「1」(たとえば、4MHz)およびより高いチャープ周波数「2」(たとえば、6MHz)が選択され、より低いチャープ周波数とより高いチャープ周波数との間でスキャンが行われる。チャープが完了した後で、情報セットが取得され得る。代替的に、1つまたは複数の情報セットがチャープの間に取得され得る。第4の方法(ギャップ付きチャープ、図22B参照)では、第1の共振のピークの周りでより低いチャープ周波数「1」(たとえば、4MHz)およびより高いチャープ周波数「2」(たとえば、6MHz)が選択され、第2の共振のピークの周りで第2のより低いチャープ周波数「3」(たとえば、15MHz)および第2のより高いチャープ周波数「4」(たとえば、17MHz)が選択される。第1の範囲のより低いチャープ周波数とより高いチャープ周波数との間(1から2)でスキャンが行われ、それに続いて、第2の範囲のより低いチャープ周波数とより高いチャープ周波数の間(3から4)でスキャンが行われ得る。チャープが完了した後で、情報セットが取得され得る。代替的に、1つまたは複数の情報セットがチャープの間に取得され得る。
【００８２】
チャープコーディングされた送信機信号が、超音波システムのピーク振幅応答の周りで線形周波数帯域を使用して生成され得る。ブロードバンドパルスおよびチャープパルスはともに、同じピーク振幅を有し得るが、チャープパルスは、そのより大きな長さにより、はるかに大きなパルスエネルギーを有し得る。一般に、送信される信号エネルギーが多いほど、反射される信号が大きくなる。チャープパルスは、パルスの間に変化する振幅および周波数とともに形成され得る。より短いチャープパルスは、より高速なセンサフレームレートを可能にし得る。チャープパルスは、多パルス、多周波数の方式の送信パルスの間の対象物の動きにより発生し得る動きのアーティファクトを軽減するために、単一の送信されるパルスを使用し得る。
【００８３】
図23Aおよび図23Bは、チャープコーディングされた送信機信号のFFTを示すグラフを示す。図23Aは、チャープコーディングされた「拡張チャープ」送信機信号のFFTを示し、線形の周波数帯域は5MHzから20MHzである。図23Bは、チャープコーディングされた「ピークトゥピークチャープ」送信機信号のFFTを示し、線形の周波数帯域は7.5MHzから12.5MHzである。
【００８４】
図24Aおよび図24Bは、チャープコーディングされた送信機信号のFFTを示すグラフを示す。図24Aは、チャープコーディングされた「近隣チャープ」送信機信号のFFTを示し、線形の周波数帯域は7MHzから8.5MHzである。図24Bは、チャープコーディングされた「ギャップチャープ」送信機信号のFFTを示し、線形の周波数帯域は7.5MHzから8.5MHzおよび11MHzから12.5MHzである。
【００８５】
図25は、超音波センサアレイを示す図である。センサアレイ243は、TFT基板241と受信機247とを含み得る。センサアレイ243は、ガラスカバーまたはLCDディスプレイのようなディスプレイ/カバー242と物理的に連絡していてよい。受信機247は、1つまたは複数の受信機バイアス245と、1つまたは複数の受信機電極246とを含み得る。センサアレイ243はまた、送信機250に対して配置され得る。送信機250は、複数の送信電極248および249を含み得る。センサアレイ243は、約50μmのピクセルピッチを有し得る。センサアレイ243は、サイズが約15mm x 6mmからフルディスプレイサイズにまでわたり得る。他のサイズには、11mm x 11mm、および1インチ x 1インチのサイズがあり得る。センサアレイ243は、ロープロファイル(約1mm)を有し得る。センサアレイ243は、高い動作周波数(5〜25MHz)を有し得る。センサアレイ243は、指紋スキャンデバイスの周縁に、ディスプレイ242の一部分の背後に、ディスプレイ全体の背後に、またはデバイスの筐体中の他の箇所にあり得る。
【００８６】
図26は、本開示に従った、超音波指紋センサのいくつかの可能な構成を示す。センサは、ディスプレイおよび指紋センサに対して、別々のまたは共通のTFT基板を有し得る。共通のカバーガラスまたはタッチスクリーンが、センサの要素の間で共有され得る。超音波指紋センサアレイ(および任意選択のコーディングまたはカバー層)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。センサは、ボタン(機械的または非機械的なボタン、認証用または非認証用のボタン)の上に置かれてよく、またはボタンの一部として配置されてよい。たとえば、指紋センサ264は、ディスプレイ(ディスプレイのカラーフィルタガラス262およびディスプレイのTFT基板263を含む)の周縁にあってよい。この例では、指紋センサ264は、ディスプレイのカバーガラス261の下に置かれる。別の例では、指紋センサ264は、ディスプレイとは別に置かれ、センサ264を保護するためにカバー層でコーディングされ得る。別の例では、指紋センサ264は、ディスプレイ(ディスプレイのカラーフィルタガラス262およびディスプレイのTFT基板263を含む)の下(または背後)に置かれ得る。別の例では、指紋センサ264は、ディスプレイのTFT基板263に組み込まれ得る。
【００８７】
図27は、1つのそのような超音波センサシステムのブロック図を示す。図27の超音波センサシステムは、超音波センサピクセル回路アレイ272を有する超音波送信機271を含む。超音波送信機271は、送信機ドライバ276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。たとえば、送信機ドライバ276は、超音波送信機271と電気的に連絡している正の極性の信号と負の極性の信号とを有し得る。送信機ドライバ276は、センサコントローラ278の制御ユニット279と電気的に連絡していることがある。制御ユニット279は、送信機ドライバ276に送信機励振信号を提供することができる。制御ユニットはまた、レベル選択入力バスを通じて、受信機バイアスドライバ274と電気的に連絡していてよい。受信機バイアスドライバ274は、超音波センサピクセル回路アレイ272に取り付けられ得る、圧電受信機層の表面に配設される受信機バイアス電極に、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279はまた、1つまたは複数のデマルチプレクサ277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277は、複数のゲートドライバ275と電気的に連絡していることがある。ゲートドライバ275は、超音波送信機271中の超音波センサピクセル回路アレイ272と電気的に連絡していることがある。ゲートドライバ275は、超音波センサピクセル回路アレイ272の外部に配置され、またはいくつかの実装形態では、超音波センサピクセル回路アレイ272と同じ基板上に含まれることがある。超音波センサピクセル回路アレイ272の外部にあり得る、またはそれとともに含まれ得るデマルチプレクサ277は、特定のゲートドライバ275を選択するために使用され得る。超音波センサピクセル回路アレイ272は、1つまたは複数のデジタイザ273と電気的に連絡していてよい。デジタイザ273は、超音波センサピクセル回路アレイ272からのアナログ信号を、センサコントローラ278中のデータプロセッサ280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280は、モバイルデバイスのアプリケーションプロセッサのような外部システムに、デジタル出力を提供することができる。
【００８８】
特定の周波数において情報セットが取得されるとき、得られる情報セットは、指紋の鮮明さが反転していることがある(たとえば、センサアレイ出力画像において通常は明るく見える隆起の領域が暗く見え、指の谷の領域に対してはその逆である)。これらの観測結果は、5〜20MHzの動作範囲の中のいくつかの特定の周波数で発生し得るが、事前に定義された最適な周波数に対して狭い範囲の中で最大の出力を有し得る。この挙動に対する仮説は、センサ積層体における送信信号と受信信号の共振により定在波が生成され、そしてその定在波が特定の周波数において強め合うようにまたは弱め合うように干渉してそのようなパターンを生むというものである。
【００８９】
そのような挙動の例が、図28に示されている。図28は、トーンバーストがオンの条件でのアレイの出力とオフの条件でのアレイの出力の差の周波数応答を示す。指紋画像が、それが取得された周波数において重畳され、黒い太線のボックスによってマークされた画像は反転しているように見える。通常、ピーク応答は、最大の信号伝送を生む最適な動作周波数(最適周波数)であるように決定される。重畳のプロットは、それぞれの周波数において撮られた指紋画像を含む。輪郭が黒い太線のボックスである画像は、画像の反転を強調している(指紋の隆起に対するグレースケール値と谷に対するグレースケール値が入れ替わっている)。この挙動は、ピーク周波数の周りではるかに強く、感受性があり、観測可能であることにも留意されたい。この挙動は、情報セットを処理し、出力画像の全体的な信号対雑音比を改善するために使用され得る。この提案される方法では、指紋画像が、前に決定された「最適周波数」(アレイによる読み取られるトーンバーストオンの場合の信号とトーンバーストオフの場合の信号の差が最も大きい周波数)の上および下の2つから4つの周波数において、同時に撮られ得る。情報セットが得られると、別個の指紋および谷のパターンの識別を改善するための、いくつかの方法の1つがあり得る。
【００９０】
1つのそのような例が図29に示され、ここで、2つの画像が取得され、一方は最適周波数(12.6MHz)において、他方は隆起の領域と谷の領域の完全な反転をもたらしたやや低い周波数(10.4MHz)において取得される。これらの個々の画像は次いで、より良好な分離のために、対応するバックグラウンド画像(指がない状態で同じ周波数の条件で撮られた画像)から差し引かれる。例として、事後の正規化において、2つの異なる周波数において捕捉されたデータが加算され、これは、隆起と谷の領域に起因する信号全体の増大をもたらす。応答における分離を改善するという同じ目的を果たす、実施することができるいくつかの他の画像処理方法があり得る。図29は、2つの場合において得られる信号振幅を示す(1つは単一の最適周波数において、もう1つは2つの周波数において得られ、それらのうちの1つが画像の反転をもたらした)。ヒストグラムのプロットは、2つの場合に対する典型的な電圧出力の分布を明らかにしており、後者は顕著に高い出力の分布を示している。
【００９１】
本開示の1つの目的は、複数の周波数関連の信号反転を利用することにより、指紋の鮮明さの向上につながる特定の目標周波数を使用することである。鮮明さを改善するための処理方法はいくつかあることがあり、具体的な問題に基づいて選ばれ得る。サンプリングパラメータに基づく画像の捕捉に関する、いくつかの相互に結びついた要因がある。そのような反転の挙動の観測結果に影響するであろう重要な要因は、サンプリングとバースト開始との間の遅延、使用される超音波パルスの数、および超音波パルスの周波数である。しかしながら、センサの適切なチューニングにより、これらのパラメータ(すなわち、パルスの数、遅延、バースト開始、および周波数)は調整され得る。
【００９２】
たとえば、別個の隆起および谷のパターンの識別を改善するための1つの方法は、2つの別個の周波数設定(1つは隆起が明るく見える「正常」、他方は隆起が谷の領域よりも暗く見える「反転」)において指紋画像を取得するステップを伴う。図30は、サンプル画像の輪郭およびヒストグラムのプロットを示し、これらは、指紋の隆起および谷のADC(アナログデジタルコンバータ)による後変換に対応する電圧を示す。図30のヒストグラムおよび画像のプロットは、容易に比較ができるように同じ目盛りを有する。図30において隆起の領域と谷の領域との間のコントラストは同等に見えるが、周波数の各々に対応するヒストグラムは、隆起の領域および谷の領域に対応する情報セットの分布がある周波数(6.5MHz)から他の周波数(8.5MHz)に変化したことを示す。
【００９３】
データ分布のさらなる精査が図31に示される。図31は、選択された隆起の点と谷の点とのアナログ電圧の比較を示す変動性のプロットである。ここで、指の隆起の領域と谷の領域に対応するランダムに選択された点のグループが、2つの動作周波数に対して追跡される。指の隆起を表す領域は、2つの動作周波数の間で最大の変化を示すが、指の「谷」の領域はほとんど変化しないままであることが確認され得る。
【００９４】
選択された周波数における測定結果を得ることによって、隆起の領域と谷の領域との差は、周波数に伴う出力の変化に基づいて画像またはピクセルの領域を追跡することによって、増幅され得る。効果的な処理のために、周波数とともに出力がより大きく変化しやすい隆起の領域が、情報セットの適切な勾配領域の処理による後続の閾値処理を使用して特定され得る。別の潜在的な利点は、取得される画像のSNR(信号対雑音比)の改善である。2つの動作周波数の間で最大の勾配を有する領域と最小の勾配を有する領域とを特定することで、単一周波数の画像取得処理と比較して、SNRを潜在的に改善することができる。
【００９５】
最適な動作周波数を決定するために、音響特性が指に類似している対象材料(たとえば、ゴム)を使用することによって、標準的な工場様の較正方法が利用され得る。2セットの測定が行われてよく、一方のセットはプラテンを対象材料が完全に覆った状態(指を模擬する)で行われ、もう一方はプラテン上に対象物がない状態(「空気」の測定)で行われる。トーンバースト信号の周波数が掃引されてよく、両方の場合(対象物がある状態とない状態)についてTFT応答が捕捉される。次いで、2つの信号の間の差が、空気の場合と対象物がある場合の差分信号(「空気マイナス対象物」)の負の最大値と正の最大値によって与えられる、反転の挙動が最も観測される最適点を決定するために使用される。図32は、空気の場合の電圧から対象物がある場合の電圧を引いた差分を、超音波信号の周波数に対してプロットした場合の負のピークと正のピークを示す。
【００９６】
本開示の別の実施形態は、指紋の生体性を決定することに関し得る。指紋は、対象の身元を区別するための効果的な生体測定上の特性であることが分かっている。指紋認証は広く使用されている。しかしながら、指紋認証はなりすましに対して脆弱である。偽の指(「スプーフ」としても知られている)が、登録された本物の指の型から作られ、不正に認証を得るために使用されることがある。この型は、ユーザの協力により、または協力を伴わずに作られることがある。スプーフの使用から守るために、対象物が生きているかどうかを決定するための試みが行われることがある。既存の生体性試験は、2つのグループに分類され得る。1つのグループは画像に基づく手法であり、これは、指紋画像において視覚的に知覚可能なかすかな特徴を利用して、本物の指と偽の指を区別する。この手法は、生体性を適切に評価するために、かなり高い分解能(500〜1000dpi)を必要とする。生体性試験の第2のグループはハードウェアに基づく手法であり、これは、血圧、脈拍、導電性などのような、生体の特徴を捉えるための、指紋センサ以外のハードウェアを必要とする。
【００９７】
本開示の一実施形態は、多周波数の超音波情報セットを使用することによって生体性を試験することを組み込む。最適な動作周波数において、本物と指と偽物の指は両方とも同じように見え、画像ベースの生体性の特徴においてはごくわずかな差しかもたらさないことがある。しかしながら、異なる材料は、異なる周波数にわたって異なる超音波反射率を有する。ある周波数範囲にわたる差が、スプーフを識別するために使用され得る。各ピクセルに対して、生体性の特徴のベクトルが抽出され得る。ベクトルは、基準周波数応答を使用して正規化され得る。正規化された周波数応答ベクトルは次いで、その材料の多周波数のシグネチャと、したがって生体性のための良好な指標とを生成するために処理され得る。図33〜図36は、生体性試験に対する多周波数による手法の結果を示す。
【００９８】
多周波数による手法を使用して生体性を決定する1つの方法は、情報セットのうちの第1の情報セット(「FoIS」)を選択するステップを含み、情報セットのグループは、多周波数超音波センサによって捕捉される情報セットを含む。方法はさらに、指紋の隆起に対応するFoISの中のピクセル(「隆起ピクセル」)を特定するステップを含み得る。方法はさらに、指紋の谷に対応するFoISの中のピクセル(「谷ピクセル」)を特定するステップを含み得る。
【００９９】
他の情報セットの各々について、方法はさらに、隆起ピクセルに対するSSHDIまたはFSHDIと、谷ピクセルに対するSSHDIまたはFSHDIとを計算するステップを含み得る。これらの他の情報セットの各々について、方法はさらに、隆起ピクセルのSSHDIまたはFSHDIの特徴量と、谷ピクセルのSSHDIまたはFSHDIの特徴量とを特定するステップを含み得る。他の情報セットの各々に対して、方法はさらに、隆起ピクセルの特徴量と谷ピクセルの特徴量との差を決定して分離値を得るステップを含み得る。他の情報セットの各々に対して、方法はさらに、その分離値が、生物に対応するものとして以前に特定された空間的な位置を特定するかどうかを、決定するステップを含み得る。
【０１００】
一実施形態では、特徴量は、SSHDIまたはFSHDIにおいて最もよく現れる信号強度である。別の実施形態では、特徴量は、SSHDIまたはFSHDIにおいて現れる信号強度の中央値である。しかしながら、特徴量は、SSHDIまたはFSHDIの統計的なエネルギー、統計的なエントロピー、または統計的な分散であり得る。
【０１０１】
以下では、本開示に従った、複数の周波数および超音波を使用して指紋のような対象物についての情報を得る特定のセンサのための動作情報について説明する。動作情報は、センサの材料のタイプおよび他の特性を含み得る。この特定のセンサは信号のピークを検出するために積分器を使用するが、信号のピークを検出するために他のデバイスが使用され得ることに留意されたい。
【０１０２】
この特定のセンサでは、トーンバースト生成器関数が作成される。次の式において、f=周波数、n=パルスの数、t=時間、t0=開始時間、およびA=振幅である。トーンバースト生成器関数は、次の式によって表され得る。
【０１０３】
【数１】
2017514108.tif 000003
【０１０４】
反射されるトーンバーストは、次の式によって表され得る。
【０１０５】
【数２】
2017514108.tif 000004
【０１０６】
PVDF、パリレン、およびポリカーボネートにおける音の速さは、それぞれ次の通りであり得る。
【０１０７】
【数３】
2017514108.tif 000005
【０１０８】
この特定のセンサにおけるPVDF、パリレン、およびポリカーボネートの厚みは、それぞれ次のように表され得る。
δpvdf : 28μm、δpary : = 25μm、δpcar : = 254μm
【０１０９】
距離ゲート関数は、次の式によって表され得る。
RangeGate(t, rgstart, rgstop, X): = if[(t≧rgstart)Λ[t≦(rgstop)],X, -X]
【０１１０】
インデックス、時間の列、およびトーンバースト中のパルスの数は、次のように表され得る。
j := 0..2000、tj := jns、n :=4
【０１１１】
圧電層および圧電層の頂部のパリレンコーティングが最初に観測され得る。次の式は、可能性のある観測結果を表す。
【０１１２】
【数４】
2017514108.tif 000006
【０１１３】
以下のパラメータは、この特定のセンサに関連があり得る。
rgon := 150ns、rgoff := 600ns (任意の距離ゲートの開始および距離ゲートの終了)
p(f,τ):= η(f, n, τ, 0ns, 1) (主要なパルス)
r(f, τ,δt) := rη(f, n, τ, δt,1) (反射されたパルス)
x(f,τ,δt,σ):= p(f,τ) + r(f, τ,δt) - σ
(干渉変調されたパルス(受信機層における固有の反射を満たすパルス))
q(f,τ,δt,σ) := if(x(f,τ,δt,σ) < 0, 0, x(f,τ,δt,σ))
(パルスおよび反射に起因する整流された電気信号)
【０１１４】
【数５】
2017514108.tif 000007
【０１１５】
Film(t, δt,X) := if(t<δt, -X,X) (フィルムの厚みのマーカー関数)
【０１１６】
次の式は臨界の距離ゲート点を表し、δtはプラテンの厚み(エコーの開始)であり、
【０１１７】
【数６】
2017514108.tif 000008
【０１１８】
はTBの長さ(TBの終了)であり、
【０１１９】
【数７】
2017514108.tif 000009
【０１２０】
はエコーの終了である。
【０１２１】
【数８】
2017514108.tif 000010
【０１２２】
出力の周波数掃引が、受信機から捕捉され得る。たとえば、周波数掃引は、1MHzにおいて開始し、上側の周波数、たとえば33MHzに達するまで、0.1MHzのインクリメントで徐々に増大する。以下の構成を使用して、図37A〜図37Cおよび図39A〜図39Cにおいて示されるように、信号が捕捉される。
【０１２３】
【数９】
2017514108.tif 000011
【０１２４】
Capture(f, t, gs, ge,σ):= if[(t≧gs)Λ[t≦ge], p(f,t) + r(f, t, δt)σ,0]
Rectifier(f, t, gs, ge,σ):= if(Capture(f, t, gs, ge,σ) ≦0, 0, Capture(f, t, gs, ge,σ))
【０１２５】
図39D〜図39Fは、様々な距離ゲートに基づく、周波数により積分された受信機出力を示す。
【０１２６】
(254μmのポリカーボネートのプラテンを加えた)以下の構成を使用すると、図38A〜図38Cに示されるような信号が捕捉される。
【０１２７】
【数１０】
2017514108.tif 000012
【０１２８】
Capture(f, t, gs, ge,σ,δt):= if[(t≧gs)Λ[t≦ge], p(f,t) + r(f, t, δt)σ,0]
Rectifier(f, t, gs, ge,σ,δt):= if(Capture(f, t, gs, ge,σ,δt) ≦0, 0, Capture(f, t, gs, ge,σ,δt))
【０１２９】
以下の積分関数が使用され得る。
【０１３０】
【数１１】
2017514108.tif 000013
【０１３１】
谷と隆起の差分を積分したものを表すために、次の式が使用され得る。
【０１３２】
【数１２】
2017514108.tif 000014
【０１３３】
この特定のセンサでは、超音波信号は圧電フィルムに入り、そのフィルムを通過して下に反射する。信号が指紋の谷(空気)に遭遇する場合、入射パルスと反射パルスの両方が圧電フィルムを励振して、電気信号を生成する。信号が指紋の隆起のような指の組織を通過する状況では、入射パルスだけが圧電フィルムを励振する。信号は、254μmのポリカーボネート(図40A〜図40C参照)または500μmのプラテン(図41A〜図41C参照)のように、遅延線の分だけフィルムと対象物との間で遅延し得る。図40D〜図40Fは、254のμmのポリカーボネート層の場合の、様々な距離ゲートに基づく、周波数により積分された受信機出力を示す。図41D〜図41Fは、500のμmのプラテン層の場合の、様々な距離ゲートに基づく、周波数により積分された受信機出力を示す。
【０１３４】
図43は、指をスキャンするマルチスペクトル方法のフローチャートである。この方法は、様々なスキャン周波数において複数の超音波によって指をスキャンするステップ(431)を含み得る。方法はさらに、スキャン周波数の各々のために、複数のピクセル出力値から超音波画像情報セットを生成するステップ(432)を含み得る。方法はさらに、スキャン周波数の各々に対応する画像情報セットを合成して、合成された画像情報セットを生成するステップ(433)を含み得る。方法はさらに、各ピクセル出力値をグレースケール値に変換するステップ(434)を含み得る。方法はさらに、グレースケール値を合成された画像情報セットとして提供するステップ(435)を含み得る。方法はさらに、複数の超音波画像情報セットを使用して、生体性の決定を行うステップ(436)を含み得る。方法はさらに、生体性の決定を示す生体性出力信号を提供するステップ(437)を含み得る。
【０１３５】
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】
【０１３６】
22  増幅器
32  増幅器
51  センサアレイ
52  バンドパスフィルタ
53  センサコントローラ
54  電子サブシステム
55  超音波送信機
56  増幅器
57  信号生成器
60  システム
61  物体
62  センサ積層体
63  TFT基板
64  ピクセル出力データ
65  送信機
66  コントローラ
67  プロセッサ
70  システム
71  物体
72  プラテン
73  超音波センサアレイ
74  TFT基盤
75  超音波受信機
76  超音波送信機
77  コントローラ
78  プロセッサ
241  TFT基板
242  ディスプレイ/カバー
243  センサアレイ
245  受信機バイアス
246  受信機電極
247  受信機
248  送信電極
249  送信電極
250  送信機
261  ディスプレイカバーガラス
262  ディスプレイカラーフィルタガラス
263  ディスプレイTFT基板
264  指紋センサ
271  超音波送信機
272  超音波センサピクセル回路アレイ
273  デジタイザ
274  受信機バイアスドライバ
275  ゲートドライバ
276  送信機ドライバ
277  デマルチプレクサ
278  センサコントローラ
279  制御ユニット
280  データプロセッサ
420  最適な周波数
421  他の周波数
426  隆起と谷の分離曲線
【図１】
2017514108.tif 000015
【図２】
2017514108.tif 000016
【図３】
2017514108.tif 000017
【図４】
2017514108.tif 000018
【図５】
2017514108.tif 000019
【図６】
2017514108.tif 000020
【図７】
2017514108.tif 000021
【図８Ａ】
2017514108.tif 000022
【図８Ｂ】
2017514108.tif 000023
【図９Ａ】
2017514108.tif 000024
【図９Ｂ】
2017514108.tif 000025
【図１０】
2017514108.tif 000026
【図１１】
2017514108.tif 000027
【図１２】
2017514108.tif 000028
【図１３】
2017514108.tif 000029
【図１４Ａ】
2017514108.tif 000030
【図１４Ｂ】
2017514108.tif 000031
【図１４Ｃ】
2017514108.tif 000032
【図１４Ｄ】
2017514108.tif 000033
【図１４Ｅ】
2017514108.tif 000034
【図１４Ｆ】
2017514108.tif 000035
【図１５Ａ】
2017514108.tif 000036
【図１５Ｂ】
2017514108.tif 000037
【図１６Ａ】
2017514108.tif 000038
【図１６Ｂ】
2017514108.tif 000039
【図１７Ａ】
2017514108.tif 000040
【図１７Ｂ】
2017514108.tif 000041
【図１８】
2017514108.tif 000042
【図１９】
2017514108.tif 000043
【図２０Ａ】
2017514108.tif 000044
【図２０Ｂ】
2017514108.tif 000045
【図２１Ａ】
2017514108.tif 000046
【図２１Ｂ】
2017514108.tif 000047
【図２２Ａ】
2017514108.tif 000048
【図２２Ｂ】
2017514108.tif 000049
【図２３Ａ】
2017514108.tif 000050
【図２３Ｂ】
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【図２４Ａ】
2017514108.tif 000052
【図２４Ｂ】
2017514108.tif 000053
【図２５】
2017514108.tif 000054
【図２６】
2017514108.tif 000055
【図２７】
2017514108.tif 000056
【図２８】
2017514108.tif 000057
【図２９】
2017514108.tif 000058
【図３０】
2017514108.tif 000059
【図３１】
2017514108.tif 000060
【図３２】
2017514108.tif 000061
【図３３】
2017514108.tif 000062
【図３４】
2017514108.tif 000063
【図３５】
2017514108.tif 000064
【図３６】
2017514108.tif 000065
【図３７Ａ】
2017514108.tif 000066
【図３７Ｂ】
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【図３７Ｃ】
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【図３８Ａ】
2017514108.tif 000069
【図３８Ｂ】
2017514108.tif 000070
【図３８Ｃ】
2017514108.tif 000071
【図３９Ａ】
2017514108.tif 000072
【図３９Ｂ】
2017514108.tif 000073
【図３９Ｃ】
2017514108.tif 000074
【図３９Ｄ】
2017514108.tif 000075
【図３９Ｅ】
2017514108.tif 000076
【図３９Ｆ】
2017514108.tif 000077
【図４０Ａ】
2017514108.tif 000078
【図４０Ｂ】
2017514108.tif 000079
【図４０Ｃ】
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【図４０Ｄ】
2017514108.tif 000081
【図４０Ｅ】
2017514108.tif 000082
【図４０Ｆ】
2017514108.tif 000083
【図４１Ａ】
2017514108.tif 000084
【図４１Ｂ】
2017514108.tif 000085
【図４１Ｃ】
2017514108.tif 000086
【図４１Ｄ】
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【図４１Ｅ】
2017514108.tif 000088
【図４１Ｆ】
2017514108.tif 000089
【図４２】
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【図４３】
2017514108.tif 000091
【手続補正書】
【提出日】平成28年9月7日(2016.9.7)
【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】
指をスキャンする方法であって、
複数の超音波スキャン周波数によって、超音波センサの撮像面に置かれた指をスキャンするステップと、
前記超音波スキャン周波数の各々のために、前記超音波センサの複数のピクセルから超音波画像情報セットを生成するステップであって、前記超音波画像情報セットが前記複数のピクセルの各々からのピクセル出力値を含み、各ピクセル出力値が前記撮像面から反射されるエネルギーの量を示す、ステップと、
前記超音波スキャン周波数の各々に対応する前記超音波画像情報セットを合成して、合成された画像情報セットを生成するステップであって、前記合成された画像情報セットが前記複数のピクセルの各々からの合成されたピクセル出力値を含む、ステップとを含む、方法。
【請求項２】
各ピクセル出力値をグレースケール値に変換するステップと、
前記複数のピクセルのための前記グレースケール値を、前記指の指紋を表す前記合成された画像情報セットとして提供するステップとをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記複数の超音波画像情報セットを使用して生体性の決定を行うステップと、
前記生体性の決定を示す生体性出力信号を提供するステップとをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
前記超音波画像情報セットを合成するステップが、前記ピクセル出力値を加算して合計を生成するステップと、超音波スキャン周波数の数により前記合計を除算して前記ピクセル出力値の各々の平均値を生成するステップと、前記平均値を前記合成されたピクセル出力値として使用するステップとを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記超音波画像情報セットを合成するステップが、
各スキャン周波数に対して、重み付け係数を特定するステップと、
前記対応する重み付け係数により各ピクセル出力値を乗算してピクセル出力値の積を生成するステップと、
前記ピクセル出力値の積を加算して合計を生成するステップと、スキャン周波数の数により前記合計を除算して前記ピクセル出力値の各々の平均値を生成するステップと、前記平均値を前記合成されたピクセル出力値として使用するステップとを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項６】
前記重み付け係数が、
w(fi) = (e(avgi * fi) - e(avgi * fmax)) / (e(avgi * fmin) - e(avgi * fmax))
という式を使用して計算され、
ここで、
w(fi)がi番目のスキャン周波数のための前記重み付け係数であり、
avgiが前記i番目のスキャン周波数および次に低いスキャン周波数における前記ピクセル出力値の平均値であり、
fminが最低のスキャン周波数であり、
fmaxが最高のスキャン周波数である、
請求項5に記載の方法。
【請求項７】
前記超音波画像情報セットを合成する方法が、前記超音波画像情報セットの中の前記ピクセル出力値から前記超音波スキャン周波数の各々のための共分散行列を作成するステップと、前記共分散行列を合成して各ピクセル出力値のための合成された値を有する合成された行列を提供するステップとを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
前記共分散行列を合成するステップが、前記共分散行列の成分の間を補間するステップを含む、請求項7に記載の方法。
【請求項９】
各スキャン周波数に対して、重み付け係数を特定するステップと、
前記共分散行列を合成する前に、前記対応する重み付け係数により前記共分散行列の各成分を乗算するステップとをさらに含む、請求項8に記載の方法。
【請求項１０】
前記重み付け係数が、
w(fi) = (e(avgi * fi) - e(avgi * fmax)) / (e(avgi * fmin) - e(avgi * fmax))
という式を使用して計算され、
ここで、
w(fi)がi番目のスキャン周波数のための前記重み付け係数であり、
avgiが前記i番目のスキャン周波数および次に低いスキャン周波数における前記ピクセル出力値の平均値であり、
fminが最低のスキャン周波数であり、
fmaxが最高のスキャン周波数である、
請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
前記複数のスキャン周波数が、
前記超音波センサの前記撮像面に指がない状態で、複数の超音波試験周波数においてスキャンし、
ピーク試験周波数を特定することによって選択され、ピーク試験周波数が、すぐ下の試験周波数およびすぐ上の試験周波数が前記ピーク試験周波数よりも少ないエネルギーを返す試験周波数である、請求項1に記載の方法。
【請求項１２】
ピーク試験周波数を選択するステップであって、各々の選択されたピーク試験周波数が他の試験周波数の大部分よりも高い反射エネルギーを有する、ステップと、前記選択されたピーク試験周波数を前記複数のスキャン周波数として使用するステップとをさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１３】
前記ピーク試験周波数の画像品質を評価するステップと、
ピーク試験周波数を選択するステップであって、各々の選択されたピーク試験周波数が他のピーク試験周波数よりも良好な画像品質を有する、ステップと、前記選択されたピーク試験周波数を前記複数のスキャン周波数として使用するステップとをさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１４】
前記ピーク試験周波数の1つを選択するステップと、
前記選択されたピーク試験周波数を前記複数のスキャン周波数の1つとして使用するステップとをさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１５】
所定のオフセットを前記ピーク試験周波数の前記選択された1つに加算または減算することによって、前記複数のスキャン周波数の追加のスキャン周波数を特定するステップをさらに含む、請求項14に記載の方法。
【請求項１６】
前記ピーク試験周波数の前記選択された1つを含む範囲を特定し、
前記特定された範囲内にあるように前記超音波スキャン周波数を選択する
ことによって、前記複数のスキャン周波数の追加のスキャン周波数を特定するステップをさらに含む、請求項14に記載の方法。
【請求項１７】
前記選択されたピーク試験周波数の高調波を特定することによって、前記複数のスキャン周波数の追加のスキャン周波数を特定するステップをさらに含む、請求項14に記載の方法。
【請求項１８】
超音波情報セットを生成するステップがさらに、各ピクセルに対する生体性のベクトルを生成するステップを含む、請求項3に記載の方法。
【請求項１９】
指をスキャンするためのシステムであって、
指を受け入れるように構成される撮像面と、
複数の電気信号に応答して、ある周波数範囲にわたって、前記撮像面に向けられた1つまたは複数の平面超音波を生成するための平面超音波送信機と、
信号生成器から電気信号を受け取り、前記電気信号を使用して前記平面超音波送信機を駆動するように構成される、送信機ドライバ増幅器と、
前記撮像面から1つまたは複数の反射された超音波信号を受信するように構成される超音波センサアレイと、
関心のある各周波数における前記1つまたは複数の反射された超音波信号に対応する画像情報セットを生成し、前記画像情報セットを合成するための電子サブシステムとを含む、システム。
【請求項２０】
超音波周波数範囲内の複数の異なる離散周波数の電気信号を前記平面超音波送信機に送信するように構成される信号生成器をさらに含む、請求項19に記載のシステム。
【請求項２１】
超音波周波数範囲内の複数の変化する周波数の電気信号を前記平面超音波送信機に送信するように構成される信号生成器をさらに含む、請求項19に記載のシステム。
【請求項２２】
前記1つまたは複数の受信された超音波を周波数成分へと分離するためのバンドパスフィルタのセットをさらに含む、請求項19に記載のシステム。
【請求項２３】
前記システムによって収集される前記画像情報セットが、出力画像を生成するためにヒューリスティックに合成される、請求項22に記載のシステム。
【請求項２４】
前記システムによって収集される前記画像情報セットが、出力画像を生成するためにネイマン-ピアソンマルチモーダル融合システムを使用して確率論的に合成される、請求項23に記載のシステム。
【請求項２５】
コンピュータ実行可能コード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、前記コンピュータ実行可能コードが、
複数の超音波スキャン周波数によって、超音波センサの撮像面に置かれた指をスキャンするための命令と、
前記超音波スキャン周波数の各々のために、前記超音波センサの複数のピクセルから超音波画像情報セットを生成するための命令であって、前記超音波画像情報セットが前記複数のピクセルの各々からのピクセル出力値を含み、各ピクセル出力値が前記撮像面から反射されるエネルギーの量を示す、命令と、
前記超音波スキャン周波数の各々に対応する前記超音波画像情報セットを合成して、合成された画像情報セットを生成するための命令であって、前記合成された画像情報セットが前記複数のピクセルの各々からの合成されたピクセル出力値を含む、命令とを含む、非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項２６】
各ピクセル出力値をグレースケール値に変換するための命令と、
前記複数のピクセルのための前記グレースケール値を、前記指の指紋を表す前記合成された画像情報セットとして提供するための命令とをさらに含む、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】
前記複数の超音波画像情報セットを使用して生体性の決定を行うための命令と、
前記生体性の決定を示す生体性出力信号を提供するための命令とをさらに含む、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】
指をスキャンするためのシステムであって、
超音波周波数範囲内の異なる離散周波数の電気信号を作成することが可能な信号生成器に応答して、ある周波数範囲にわたって、1つまたは複数の平面超音波(「MFG」)を生成するための手段と、
前記信号生成器からの電気信号に応答して前記MFGを駆動するための手段と、
前記指に接触して、前記MFGからの超音波を超音波信号として超音波センサアレイ手段に反射するための手段であって、前記超音波センサアレイ手段が、前記反射された超音波信号を受信するように構成される、手段と、
関心のある各周波数における各々の受信された反射された超音波信号のための前記指の画像情報セットを形成し、前記形成された画像情報セットを合成するための手段とを含む、システム。
【請求項２９】
前記1つまたは複数の受信された超音波信号を周波数成分へと分離するための手段をさらに含む、請求項28に記載のシステム。
【請求項３０】
前記形成された画像情報セットを合成するための前記手段が、出力画像をヒューリスティックに生成するように、または、ネイマン-ピアソンマルチモーダル融合を使用して出力画像を確率論的に生成するように構成される、請求項29に記載のシステム。
【国際調査報告】
2017514108.tif 000092
2017514108.tif 000093
2017514108.tif 000094
2017514108.tif 000095
2017514108.tif 000096