СИСТЕМА МИКРОСКАНИРОВАНИЯ С МАЛЫМ ВРЕМЕНЕМ УСТАНОВКИ
MICROSCANNING SYSTEM WITH LOW SETTING TIME

Перекрестная ссылка на родственные заявки
В данной заявке заявлено преимущество в соответствии с 35 U.S.C 119(e) относительно предварительной заявки № 61/268,896, поданной 15 июня 2009 г., под названием "LOW SETTLE TIME MICRO-SCANNING SYSTEM", и заявки на полезную модель № 12/814,655, поданной 14 июня 2010 г., под названием "LOW SETTLE TIME MICRO-SCANNING SYSTEM". Эти заявки представлены здесь полностью в качестве ссылочного материала.
Уровень техники
Традиционный способ получения изображения отпечатка пальца состоит в том, что вначале наносят чернила на палец субъекта и затем переносят структуру отпечатка пальца, состоящую из выступов и углублений, на лист бумаги путем нажима пальцем на бумагу. Структуру отпечатка пальца, состоящую из выступов, переносят на бумагу, в то время как углубления не переносят. Для получения прокатанного изображение отпечатка пальца боковую сторону пальца с нанесенными чернилами помещают в требуемой области бумаги и затем палец прокатывают на его другую сторону по бумаге.
Оптоэлектронные системы могут снимать прокатанное изображение отпечатка пальца без использования чернил. Как правило, последовательность оптических изображений прокатываемого пальца на поверхности формирования изображения передают из датчика изображения и преобразуют в цифровые данные. Различные способы можно использовать для генерирования прокатанного изображения отпечатка пальца из цифровых данных, представляющих последовательность изображений.
В области техники формирования отпечатков пальцев заметна тенденция в направлении повышения оптической разрешающей способности. Повышение разрешающей способности датчика изображения в последние годы ясно обозначило эту тенденцию в данной области техники.
Сущность изобретения
Здесь раскрыты системы, устройство отклонения и способы для использования в технологиях микросканирования.
В одном варианте осуществления устройство, выполненное с возможностью микросканирования изображения отпечатка пальцев, включает в себя датчик изображения, выполненный с возможностью захвата изображения отпечатка пальцев, первый приводной элемент, второй приводной элемент и узел. Узел включает в себя позицию установки, выполненную с возможностью удержания датчика изображения, первую область установки, выполненную с возможностью удержания первого приводного элемента, вторую область установки, выполненную с возможностью удержания второго приводного элемента, и устройство придания жесткости. Первый приводной элемент выполнен с возможностью выполнять линейное перемещение позиции установки. Второй приводной элемент выполнен с возможностью выполнять линейное перемещение позиции установки, линейное перемещение, выполняемое вторым приводным элементом, по существу, ортогонально линейному перемещению, выполняемому первым приводным элементом. Устройство придания жесткости соединено с позицией установки первым приводным элементом и вторым приводным элементом. Устройство придания жесткости имеет структуру, выполненную с установлением сопротивления позиции установки силе, индуцируемой первым приводным элементом, который выполнен с возможностью выполнения линейного перемещения позиции установки и установления сопротивления позиции установки силе, индуцируемой вторым приводным элементом, выполненным с возможностью выполнения линейного перемещения позиции установки.
В одном варианте осуществления система, выполненная с возможностью микросканирования изображения отпечатка пальцев, включает в себя датчик изображения, выполненный с возможностью захвата изображения отпечатка пальца, первый приводной элемент, второй приводной элемент, узел и модуль управления, выполненный с возможностью управления первым приводным элементом и вторым приводным элементом по сигналу управления. Узел включает в себя позицию установки, выполненную с возможностью удержания датчика изображения, первую область установки, выполненную с возможностью удержания первого приводного элемента, вторую область установки, выполненную с возможностью удержания второго приводного элемента, устройство придания жесткости и множество структур параллелограмма. Устройство придания жесткости соединено с позицией установки, первым приводным элементом и вторым приводным элементом. Множество структур параллелограмма, выполненных с возможностью определения первого линейного перемещения позиции установки под действием силы, индуцируемой первым приводным элементом, и второго линейного перемещения позиции установки под действием силы, индуцируемой вторым приводным элементом. Первое линейное перемещение, по существу, ортогонально второму линейному перемещению. Множество структур параллелограмма также, по существу, предотвращает вращение позиции установки в плоскости узла.
В одном варианте осуществления способ генерирования изображения отпечатка пальца включает в себя: собирают свет от пальца с помощью датчика изображения в первом положении для захвата первого изображения. Датчик изображения затем перемещают из первого положения во второе положение. Перемещение из первого положения во второе положение, по существу, выполняется вдоль первой диагонали, по существу, прямоугольного набора из четырех вершин. Свет собирают от пальца с помощью датчика изображения во втором положении для захвата второго изображения, причем второе изображение захватывают в пределах менее чем приблизительно 20 миллисекунд после захвата первого изображения. Датчик изображения затем перемещают из второго положения в третье положение. Перемещение из второго положения в третье положение, по существу, выполняют вдоль первой стороны, по существу, прямоугольного набора из четырех вершин. Свет собирают от пальца с помощью датчика изображения в третьем положении для захвата третьего изображения, третье изображение захватывают в течение менее чем приблизительно 20 миллисекунд после захвата второго изображения. Датчик изображения затем перемещают из третьего положения в четвертое положение. Перемещение из третьего положения в четвертое положение, по существу, выполняют вдоль второй диагонали, по существу, прямоугольного набора из четырех вершин. Свет собирают от пальца с помощью датчика изображения в четвертом положении для захвата четвертого изображения, четвертое изображение захватывают в течение менее чем приблизительно 20 миллисекунд после захвата третьего изображения. Первое, второе, третье и четвертое изображения могут затем быть скомбинированы в композитное изображение, композитное изображение, имеющее более высокое разрешение, чем разрешение первого, второго, третьего и четвертого изображений.
В одном варианте осуществления способ генерирования изображения отпечатка пальца включает в себя: собирают свет от пальца с помощью датчика изображения в первом положении для захвата первого изображения. Датчик изображения затем перемещают из первого положения во второе положение. Свет собирают от пальца с помощью датчика изображения во втором положении для захвата второго изображения, второе изображение захватывают в течение менее чем приблизительно 20 миллисекунд после захвата первого изображения. Датчик изображения затем перемещают из второго положения в третье положение. Перемещение из второго положения в третье положение выполняют, по существу, ортогонально перемещению из первого положения во второе положение. Свет собирают от пальца с помощью датчика изображения в третьем положении для захвата третьего изображения, третье изображение захватывают в пределах менее чем приблизительно 20 миллисекунд после захвата второго изображения. Датчик изображения затем перемещают из третьего положения в четвертое положение. Перемещение из третьего положения в четвертое положение выполняют, по существу, параллельно перемещению из первого положения во второе положение. Свет собирают от пальца с помощью датчика изображения в четвертом положении для захвата четвертого изображения, четвертое изображение захватывают в течение менее чем приблизительно 20 миллисекунд после захвата третьего изображения. Первое, второе, третье и четвертое изображения могут быть затем скомбинированы в композитное изображение, композитное изображение, имеющее более высокое разрешение, чем разрешение первого, второго, третьего и четвертого изображений.
В одном варианте осуществления способ генерирования прокатанного изображения отпечатка пальцев включает в себя: а) собирают свет от прокатываемого пальца с помощью датчика изображения в одном положении для захвата изображения; b) перемещают датчик изображения в новое положение и с) собирают свет от прокатываемого пальца с помощью датчика изображения в новом положении для захвата другого изображения. Этапы b) и с) повторяют, в которых текущее новое положение после каждого повторения этапов b) и с) размещают на некотором расстоянии от предыдущего нового положения, которое представляет собой дробную часть промежутка от пикселя к пикселю датчика изображения. Этапы b) и с) повторяют для захвата множества изображений, которые могут быть скомбинированы в композитное изображение, имеющее более высокое разрешение, чем разрешение каждого из изображений множества изображений.
Детали одного или больше вариантов осуществления представлены на приложенных чертежах и в описании, представленном ниже. Другие особенности, цели и преимущества будут понятны из описания и чертежей, а также из формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично показаны две структуры параллелограмма.
На фиг. 2А схематично показано устройство отклонения в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения.
На фиг. 2В схематично показан с увеличением вид части устройства отклонения по фиг. 2А
На фиг. 2С показаны примеры последовательностей местоположений, в которые устройство отклонения по фиг. 2А может перемещать позицию установки.
На фиг. 2D схематично показан с увеличением вид части устройства отклонения по фиг. 2А.
На фиг. 3 схематично показано устройство отклонения, как показано на фиг. 2А, с выделением структур параллелограмма, встроенных в узел.
На фиг. 4 представлена блок-схема последовательности операций для способа микросканирования в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретение.
Подробное описание изобретения
Изобретение относится к электронным системам захвата изображения отпечатка пальца, устройству отклонения и способам, в частности, к системам и способам микросканирования для захвата изображения прокатываемого отпечатка пальцев с получением цифрового изображения с высоким разрешением. Системы микросканирования, устройство отклонения и способы, однако, также можно использовать для захвата изображения отпечатка пальцев, полученного в результате шлепка, изображения отпечатка указательного пальцев и изображений отпечатка ладоней, или могут быть выполнены в других областях, включающих в себя микроскопию.
Увеличение разрешения датчика изображения представляет собой прямой способ повышения оптического разрешения. Технология, называемая микросканированием, также может использоваться для улучшения оптического разрешения. Микросканирование состоит из захвата множества изображений неподвижной сцены или относительно неподвижной сцены из множества точек наблюдения, используя обычную систему цифрового формирования изображений. Разные точки наблюдения разделяет очень малое расстояние, обычно доля промежутка между пикселями датчика изображения. Множество изображений могут быть скомбинированы в композитное изображение с большим разрешением, чем собственная разрешающая способность датчика изображения. Для перемещения датчика изображения в различные точки наблюдения, требуемые для микросканирования, можно использовать механическую систему (то есть устройство отклонения), состоящую из узла (также называемого отклонением) и пьезоэлектрических приводных элементов.
Схема формирования изображения, включающая в себя датчик изображения, закреплена на узле; узел может составлять часть металлической детали, которая является фиксированной относительно снимаемого объекта. Приводные элементы размещают в устройстве отклонения таким образом, что они смещают датчик изображения требуемым образом.
Как отмечено выше, для получения цифрового изображения с высоким разрешением, используя технологии микросканирования, цифровые изображения комбинируют так, чтобы сформировать композитное изображение. Для достаточно быстрого формирования композитных изображений, для поддержки получения изображения в режиме реального времени, например, при захвате изображений прокатываемых отпечатков пальцев частота захвата композитного изображения должна составлять приблизительно 12 изображений в секунду или выше. Когда подход микросканирования с использованием четырех изображений, снимаемых из четырех разных выгодных точек, комбинируют для получения каждого композитного изображения, частота получения изображений должна составлять приблизительно 48 изображений в секунду, в результате чего получают: 12 композитных изображений/секунду × 4 изображения/композитные изображения = 48 изображений/секунду. Устройство отклонения используется в системах микросканирования для перемещения датчика изображения в разные положения для захвата изображений, необходимых для генерирования композитного изображения. Например, если датчик изображения имеет разрешение приблизительно 500 пикселей на дюйм (пкс/дюйм), четыре изображения, снятые с помощью датчика изображения, в соответствии с технологиями микросканирования могут быть скомбинированы для генерирования композитного изображения с разрешением приблизительно 1000 пкс/дюйм.
Существуют два момента, которые происходят в течение периода времени при каждом захвате изображений. Первый представляет собой движение датчика изображения, которое является очень малым движением в технологиях микросканирования. Второе представляет собой получение изображения, которое включает в себя как получение изображений, так и передачу данных изображения. Время, выделенное для захвата каждого изображения, составляет обратную величину скорости захвата изображений, которая в данном случае составляет 20,83 миллисекунды (то есть 1 сек/48 изображений). Получение изображений и передача данных изображения могут потреблять большую часть этого времени, оставляя примерно 3-10 миллисекунд для перемещения и установки датчика изображения.
Как отмечено, требуется высокая частота получения изображений для получения изображений в режиме реального времени и датчик изображения требуется быстро перемещать в разные положения. В то время как расстояние, на которое перемещают датчик изображения в разные положения, является малым (обычно доля промежутка между пикселями датчика изображения приблизительно 1-5 микрометров в некоторых случаях, или приблизительно 3 микрометра в других случаях), время перемещения не является единственным временем, которое требуется учитывать при перемещении датчика изображения. Также требуется учитывать время для обеспечения отсутствия вибраций датчика изображения после того, как он достигнет положения, в котором требуется выполнить захват изображения. Для обеспечения того, что датчик изображения установился (то есть в нем отсутствуют вибрации) в течение требуемого времени, важно либо демпфировать резонансное поведение устройства отклонения, используя некоторую форму демпфирования, активную или другую, или исключить возбуждение резонансов в целом. Демпфирование резонансного поведения требует использования дополнительной схемы или дополнительного материала, что, в свою очередь, приводит к дополнительным затратам и/или повышению сложности.
Один конструктивный подход для устройства отклонения состоит в разработке такого устройства, чтобы резонансные колебания имели как можно большую частоту с последующим исключением возбуждения резонансных колебаний путем ограничения частотного содержания в форме волны колебаний, используемой для управления приводных элементов (то есть сигналов управления приводного элементами). В конструктивном варианте осуществления такой подход может быть выполнен как система с разомкнутым контуром обратной связи, поскольку активное демпфирование может не быть необходимым. Это исключает дополнительную схему, включающую в себя датчики обратной связи, такие как емкостные датчики или тензодатчики, ассоциированные с конструкциями с замкнутым контуром обратной связи, в которых используется активное демпфирование.
Для того чтобы понять, как может быть разработано устройство отклонения с обеспечением максимального резонанса устройства, требуется учесть резонансные частоты системы, относящейся к уравнению, с другими параметрами системы. Основное уравнение для системы резонанса представляет собой:
К представляет собой жесткость системы, и М представляет массу системы. Таким образом, для того чтобы обеспечить максимальную частоту, при которой происходит резонанс системы, цель состоит в уменьшении массы и увеличении жесткости системы.
Обычно используемая геометрическая структура для устройства отклонения в системе микросканирования представляет собой параллелограмм. Две структуры параллелограмма схематично показаны на фиг. 1. Структура параллелограмма обладает очень высокой жесткостью при кручении, что препятствует вращению датчика изображения (то есть не позволяет поворачиваться по часовой стрелке или против часовой стрелки в плоскости листа бумаги, на котором представлены структуры параллелограмма), обеспечивая возможность перемещения в требуемом направлении. Если позволить датчику изображения вращаться, отдельные изображения нельзя будет скомбинировать для получения композитного изображения. Одиночная структура 102 параллелограмма обеспечивает одну степень подвижности (горизонтальное движение в данном случае). В составной структуре 104 параллелограмма вторая структура 104а параллелограмма может быть построена на основе первой структуры 104b параллелограмма для обеспечения второй степени подвижности (горизонтальное движение и вертикальное движение в данном случае).
В устройстве отклонения для микросканирования, которое содержит структуры параллелограмма, показанные на фиг. 1, масса и жесткость такого устройства являются, по существу, взаимосвязанными. Это связано с тем, что жесткость системы обеспечивается ножками параллелограмма. Если жесткость системы повышать путем увеличения толщины ножек параллелограмма, масса системы также увеличивается. Это ограничивает рабочие характеристики устройства отклонения, поскольку механические резонансные колебания, которые определяют время установки датчика изображения, будут установлены жесткостью и массой системы.
Варианты осуществления устройства отклонения в соответствии с настоящим изобретением направлены на решение описанных выше проблем и задач. Устройство отклонения в соответствии с настоящим изобретением включает в себя структуры параллелограмма и устройство придания жесткости, которое независимо регулирует жесткость устройства. Дополнительная степень свободы (то есть регулирование жесткости устройства), обеспечиваемая устройством придания жесткости, разделяет задачу разработки структур параллелограмма в их соответствующих пределах механических напряжений и установления размеров устройства придания жесткости так, чтобы оно могло обеспечить жесткость, необходимую для достижения требуемых целей резонансной частоты системы.
Устройство
На фиг. 2А схематично иллюстрируется устройство 202 отклонения в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг. 2В схематично иллюстрируется увеличенный вид участка устройства отклонения по фиг. 2А. Это устройство считается параллельным устройством ввиду того, что один приводной элемент не соединен последовательно с другим, как было в случае структуры 104 составного параллелограмма по фиг. 1. Устройство включает в себя два приводных элемента 232, 234, датчик изображения (не показан) и рамку 204, включающую в себя механизм 222 ослабления скручивания, монтажные отверстия 224 и узел, который включает в себя устройство 216 придания жесткости, позицию установки для датчика 218 изображения и множество структур параллелограмма (более подробно показано на фиг. 3). Каждый из этих компонентов описан здесь.
Во время работы устройство 202 отклонения выполнено с возможностью очень быстро перемещать датчик изображения, который закреплен в позиции установки 218, в четыре положения (в данном примере). Датчик изображения захватывает изображение в каждом из этих четырех положений и четыре изображения впоследствии комбинируют в композитное изображение. Эти четыре положения определены четырьмя разными комбинациями каждого приводного элемента, к которым подают напряжение или к которым не подают напряжение. Два положения вдоль горизонтальной оси определены приводным элементом 232 и два положения вдоль вертикальной оси определены приводным элементом 234. Используя четыре разных комбинации каждого из этих двух приводных элементов, в которые подают питание или в которые не подают питание, позиция установки может перемещаться в четыре разных местоположения, по существу, формируя структуру квадрата или прямоугольника. Один пример последовательности мест положения, через которые может перемещаться позиция установки, показан в позиции 250 на фиг. 2С. Изображение может быть захвачено в каждой вершине 1, 2, 3 и 4 (в данном порядке) структуры 250. Позиция установки необязательно должна перемещаться в направлении против часовой стрелки, и в некоторых вариантах осуществления позиция установки движется в направлении по часовой стрелке. В дополнительных вариантах осуществления позиция установки может перемещаться по диагонали через центр квадрата или прямоугольника из одной вершины в другую. Другой пример последовательности мест положений, через которые может перемещаться позиция установки, показан в позиции 251 на фиг. 2С. Изображение может быть захвачено в каждой вершине 1, 2, 3 и 4 (в данном порядке) структуры 251. Позиция установки, движущаяся по диагонали через центр квадрата или прямоугольника, может свести к минимуму эффекты, связанные с движением захватываемого изображения. Другие структуры движения позиции установки могут быть оптимизированы с различной целью.
В других вариантах осуществления устройство 202 отклонения выполнено с возможностью очень быстрого перемещения датчика изображения, который закреплен на позиции установки 218 в множество положений (например, более чем в четыре положения в некоторых случаях, и менее чем в четыре положения в других случаях). Например, устройство отклонения может быть выполнено с возможностью перемещения датчика изображения в шесть разных положений в некоторых случаях в девять разных положений в других случаях и в шестнадцать разных положений в еще других случаях. Девять положений могут быть определены девятью разными комбинациями каждого приводного элемента, в который подают питание, в который подают половину питания и в который подают полное питание. Три положения вдоль горизонтальной оси определены приводным элементом 232 и три положения вдоль вертикальной оси определены приводным элементом 234. Используя девять разных комбинаций каждого из двух приводных элементов, в которые подают питание, подают половину питания или подают полное питание, позиция установки может перемещаться в девять разных мест положения, по существу, формируя структуру квадрата или прямоугольника. Шесть положений могут быть определены одним приводным элементом, имеющим два состояния, и одним приводным элементом, имеющим три состояния. Шестнадцать положений могут быть определены каждым приводным элементом, имеющим четыре состояния. Таким образом, количество положений позиции установки может быть определено, как n×m, где n представляет собой количество состояний одного приводного элемента, и m представляет собой количество состояний другого приводного элемента.
Структура мест положения, в которой позиция установки движется, может быть такой же, как и структура мест положения, описанная выше. Например, при использовании девяти разных мест положения позиции установки (то есть трех вдоль каждой кромки и одного в центре квадрата или прямоугольника) позиция установки может перемещаться, по существу, вдоль периметра квадрата или прямоугольника и затем (в некоторых случаях) в центральное местоположение. В качестве альтернативы, позиция установки может перемещаться, по существу, вдоль диагоналей квадрата или прямоугольника. Одна примерная последовательность мест положения, через которые может перемещаться позиция установки, показана в позиции 252 на фиг. 2С. Изображение может быть снято в каждом из положений 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9 (в данном порядке) структуры 252.
Движение позиции установки очень мало. В некоторых вариантах осуществления позиция установки перемещается на расстояние доли промежутка от пикселя к пикселю датчика изображения и в дополнительных вариантах осуществления позиция установки движется на расстояние, составляющее долю, равную 1/n, где n представляет собой положительное целое число промежутка от пикселя к пикселю (например, 1/2 промежутка от пикселя к пикселю, в некоторых случаях). Промежуток от пикселя к пикселю датчика изображения может быть малым и может составлять несколько микрометров. Например, в варианте осуществления, где промежуток от пикселя к пикселю составляет приблизительно 6 микрометров, позиция установки перемещается приблизительно на 3 микрометра в горизонтальном и вертикальном направлениях.
Рамка 204 устройства отклонения может быть изготовлена из множества разных металлов или других материалов, имеющих требуемые механические свойства. В некоторых вариантах осуществления рамку изготавливают из нержавеющей стали. Элементы рамки могут быть механически обработаны с получением рамки с использованием множества разных технологий механической обработки. В некоторых вариантах осуществления электроэрозионная обработка (EDM, ЭЭО) используется для механической обработки элементов рамки. В некоторых вариантах осуществления рамку закаляют, используя криогенные технологии, перед ее механической обработкой для удаления каких-либо остаточных механических напряжений в рамке. Рамка должна быть разработана таким образом, чтобы она не деформировалась пластично во время работы устройства. Рамка обычно имеет толщину от приблизительно 0,1 до 0,4 дюйма. В конкретном варианте осуществления рамка имеет толщину приблизительно 0,2 дюйма. Рамка в некоторых вариантах осуществления может иметь размер от приблизительно 2,75 на 3,5 дюйма.
Для системы микросканирования датчик цифрового изображения установлен в позиции установки 218. Любое количество цифровых датчиков изображения можно использовать. В некоторых вариантах осуществления датчик изображения включает в себя устройство прибора с зарядовой связью (CCD, ПЗС). В других вариантах осуществления датчик изображения включает в себя устройство типа комплементарного металлооксидного полупроводника (CMOS, КМОП).
Масса материала, связанного с позицией установки 218 (включая в себя устройство придания жесткости и структуры параллелограмма), датчик изображения, связанны с ним электрическая схема и аппаратные средства, которые соединяют датчик изображения с позицией установки, определяют массу системы для определения резонанса системы в соответствии с Уравнением 1. Таким образом, масса этого узла (то есть позиция установки датчика изображения, его соответствующая электрическая схема и ассоциированные аппаратные средства) сводится к минимуму, в некоторых вариантах осуществления. В то время как может быть реализовано некоторое уменьшение массы датчика изображения, его схемы и соединенных аппаратных средств, это уменьшение ограничено относительно малым процентом массы узла. Масса узла также может быть сведена к минимуму в результате закрепления датчика изображения на позиции установки с одной малой механической точкой соединения. В устройстве отклонения, показанном в позиции 202, используется такой способ установки в одной точке. В устройстве отклонения, показанном в позиции 202, также сводят к минимуму массу, все еще обеспечивая необходимую жесткость на скручивание. В некоторых вариантах осуществления отверстие в позиции установки, используемой для монтажа датчика изображения и его схемы, составляет от приблизительно 0,063 до 0,25 дюймов в диаметре. В конкретном варианте осуществления отверстие имеет диаметр приблизительно 0,15 дюймов. В некоторых вариантах осуществления малый винт используют для прикрепления датчика изображения к позиции установки 218 (то есть имеется одна точка соединения для датчика изображения с позицией установки). Как пояснялось здесь, узел с малой массой является важным для достижения цели малого времени установки узла.
Приводные элементы 232 и 234 могут представлять собой любые приводные элементы, которые выполнены с возможностью прикладывать силу между соответствующими позициями установки 212 и 213, 214 и 215 приводных элементов. В конкретном варианте осуществления пьезоэлектрические приводные элементы используют в качестве приводных элементов. Пьезоэлектрический приводной элемент расширяется, когда электрический потенциал прикладывают к приводному элементу. Любое количество разных пьезоэлектрических материалов можно использовать в качестве пьезоэлектрических приводных элементов, включая в себя титанат бария, титанат свинца, цирконат-титанат свинца, ниобат калия, ниобат лития, танталит лития и вольфрамат натрия. В некоторых вариантах осуществления используют пьезоэлектрические приводные элементы производства Thorlabs (г. Ньютон, Нью-Джерси). В конкретном варианте осуществления пьезоэлектрические приводные элементы имеют приблизительно 0,8 дюйма в длину и приблизительно 0,15 на 0,15 дюйма в поперечном сечении.
Одна из проблем, связанная с различными устройствами отклонения, состоит в загрузке приводных элементов в устройство отклонения. Допуски, связанные с устройством отклонения приводных элементов вместе со степенью предварительного нагружения (то есть силой предварительного нагружения) приводных элементов, определяют, в какой степени позицию установки (вместе с прикрепленными позициями установки 212 и 214 приводных элементов) требуется переместить для загрузки приводных элементов. Если используется простая структура параллелограмма (например, как показана на фиг. 1) для устройства отклонения и устройство отклонения разработано так, чтобы исключить максимальные механические напряжения, жесткость является фиксированной и единственная степень свободы, доступная для регулировки частоты резонанса, представляет собой массу узла (то есть жесткость системы установлена). Как пояснялось выше, масса узла может быть уменьшена в некоторой степени, но имеется, в общем, мало возможностей управления массой узла. Это означает, что простые структуры в виде параллелограмма обеспечивают очень малую гибкость в отношении регулировки частоты резонанса узла.
В устройстве отклонения, показанном на фиг. 2А, однако, структуры параллелограмма и устройство 216 придания жесткости выполнены таким образом, что позиция установки 218 может перемещаться на расстояние от приблизительно 0,002 до 0,012 дюйма горизонтально и вертикально для нагрузки приводных элементов. В некоторых вариантах осуществления позиция установки 218 может перемещаться приблизительно на от 0,005 до 0,006 дюйма для загрузки приводных элементов. Устройство 216 придания жесткости может быть выполнено с возможностью обеспечения жесткости узла (то есть сопротивления движению позиции установки) как при загрузке приводных элементов, так и во время работы устройства отклонения таким образом, что узел позволяет достичь требуемых целей резонансной частоты. Устройство придания жесткости устанавливает жесткость узла как вдоль горизонтального направления движения, так и вдоль вертикального направления движения.
Установление жесткости узла определяет резонансные частоты узла. В раскрытых здесь вариантах осуществления резонансные частоты узла устанавливают на значении, по существу, выше частотного содержания сигнала управления для приводных элементов устройства отклонения. Когда, например, выполняют захват изображения приблизительно каждые 20 миллисекунд, частотное содержание сигнала управления приводного элемента должно потребоваться с частотой приблизительно 90 Герц (Гц). Это предполагает, что приблизительно 20% времени захвата может быть предоставлено для движения узла и его установки или приблизительно 4 миллисекунды. Предполагая систему первого порядка, требуемое частотное содержание для сигнала управления должно быть приблизительно равным 0,35/4 миллисекунды или 87,5 Гц. В некоторых вариантах осуществления устройство придания жесткости выполнено таким образом, что частота резонанса узла составляет выше приблизительно 500 Гц. В других вариантах осуществления устройство придания жесткости выполнено так, что частота резонанса узла составляет приблизительно от 700 Гц до 1000 Гц или выше от приблизительно 700 Гц до 1000 Гц.
Увеличенный вид участка устройства 216 придания жесткости показан на фиг. 2D. Один способ, с помощью которого может быть увеличена жесткость узла, состоит в увеличении толщины катушки устройства придания жесткости; то есть увеличение толщины 262. Толщина этой катушки может быть однородной для всего устройства придания жесткости или отдельные участки могут быть более толстыми, чем другие для установления требуемой жесткости узла. Другой способ, с помощью которого может быть увеличена жесткость узла, состоит в уменьшении количества участков 266 катушки устройства придания жесткости. При меньшем количестве участков 266 катушки устройства придания жесткости жесткость узла увеличивается. Таким образом, в таком устройстве отклонения жесткость комбинации структур параллелограмма и устройства придания жесткости все еще обеспечивает возможность относительно большого смещения позиции установки во время загрузки приводных элементов. Без такого устройства придания жесткости, которое обеспечивает возможность большого смещения позиции установки во время загрузки приводных элементов, рамка, весьма вероятно, будет пластично деформироваться при загрузке приводных элементов, делая устройство отклонения не пригодным для использования.
На фиг. 3 схематично иллюстрируется устройство 202 отклонения, как показано на фиг. 2А, с выделением структур параллелограмма, которые составляют часть узла. Узел включает в себя структуры 272, 273, 274, 275, 276 и 277 параллелограмма, обозначенные белыми пунктирными прямоугольниками. Стрелки 282 иллюстрируют направление движения, через которое обеспечивается возможность движения позиции установки, как определено структурами параллелограмма. Структуры параллелограмма обеспечивают возможность движения позиции установки в первом направлении и во втором направлении, при этом второе направление, по существу, ортогонально первому направлению. Пунктирные стрелки 284 обозначают направление вращения, которому противостоят структуры параллелограмма. Как отмечено здесь, структуры параллелограмма предотвращают вращение датчика изображения в плоскости рамки.
Другая цель конструкции для устройства отклонения состоит в обеспечении низкой стоимости и минимального влияния на сложность остальной системы микросканирования. С этой целью соответствующие цели конструкции для устройства состоят в том, чтобы исключить необходимость калибровки во время работы. Во множестве систем микросканирования необходима калибровка во время работы каждый раз, когда система получает набор изображений для изображения отпечатков пальцев, или каждый раз, когда питание подают в систему. Такая калибровка во время работы используется для определения разных положений, из которых будет выполнен захват изображения (например, изображение 2 захватывают с помощью датчика изображения, смещенного горизонтально на 3 микрометра от изображения 1). В качестве альтернативы, знание относительных положений, из которых захватывают каждое изображение, необходимо для генерирования композитного изображения из отдельных изображений, используя технологию микросканирования. Благодаря исключению калибровки во время работы обеспечивается уменьшение затрат, связанных с целями оптического выравнивания, непроизводительных затрат времени и затрат, связанных с программными аппаратными средствами. Задержка, связанная с каждой калибровкой в рабочее время, которая может ухудшить время отклика системы, может быть также исключена. Если может быть выполнена однократная калибровка на предприятии-изготовителе без необходимости дополнительных калибровок во время работы система микросканирования может быть значительно упрощена.
Устройство 202 отклонения с устройством придания жесткости и структурами параллелограмма выполнено для его использования с однократной калибровкой на предприятии-изготовителе. При однократной калибровке на предприятии-изготовителе определяют расстояние, на которое приводной элемент 232 перемещают в горизонтальном направлении позиции установки 218 в ответ на входной сигнал, прикладываемый к приводному элементу. Для пьезоэлектрического приводного элемента входной сигнал представляет собой конкретный потенциал, прикладываемый к пьезоэлектрическому приводному элементу. Аналогично определяют расстояние, на которое приводной элемент 234 перемещает вертикально позицию установки 218 в ответ на входной сигнал. Эти расстояния необязательно должны быть известны точно для генерирования композитного изображения по изображениям, захваченным в каждом из четырех положений, определенных приводными элементами. Благодаря такой конфигурации со структурами параллелограмма и устройством придания жесткости устройства 202 отклонения эти два расстояния (то есть величина горизонтального перемещения и величина вертикального перемещения) не меняются существенно в течение срока службы устройства отклонения или при изменении окружающих условий (например, температуры или влажности). Таким образом, калибровку во время работы не требуется выполнять для определения разных положений, в которых приводные элементы перемещают датчик изображения.
Для исключения возбуждения резонансов узла во время работы устройства отклонения, в некоторых вариантах осуществления, частотное содержание формы колебаний, подаваемых для активации приводных элементов (то есть сигнал управления), поддерживают низкими путем применения фильтра к этим формам колебаний. Такие формы колебаний подают с помощью модуля управления, в некоторых вариантах осуществления. Когда, например, устройство отклонения работает со скоростью приблизительно 50 положений в секунду, форма колебаний, подаваемых в приводные элементы, может включать в себя частоты вплоть до приблизительно 90 Гц. Форма колебаний может быть отфильтрована с помощью модуля управления с помощью фильтра низкой частоты для удаления более высоких частот из формы колебаний. Когда резонансные частоты узла (то есть приблизительно выше 500 Гц или приблизительно 700-1000 Гц, в некоторых случаях) выше, чем частота работы устройства, удаление этих более высоких частот из формы колебаний сигнала привода позволяет исключить возбуждение резонансных колебаний на более высоких частотах. В некоторых вариантах осуществления используется фазовый линейный фильтр. Фазовый линейный фильтр обычно представляет собой фильтр низкой частоты. Можно использовать любое количество разных фильтров низкой частоты. В некоторых вариантах осуществления используют Гауссов фильтр, фильтр Бесселя, фильтр Бесселя-Томсона или фильтр приподнятого косинуса. В некоторых вариантах осуществления используется фильтр нижних частот со срезом частоты приблизительно 200 Гц. В другом варианте осуществления используется фильтр низкой частоты со срезом частоты приблизительно 225 Гц или в дополнительных вариантах осуществления приблизительно 240 Гц. Минимизация частотного содержания формы колебаний, используемых для управления приводными элементами, также сводит к минимуму акустические шумы, которые генерирует устройство отклонения во время работы, что также является желательным.
Рамка 204 устройства 202 отклонения на фиг. 2А также включает в себя монтажное отверстие 224, которое представляет собой часть области установки, которую используют для установки устройства отклонения в сканере отпечатков пальца или в другой системе формирования изображения. Механизм 222 ослабления скручивания, который может быть выполнен в форме разреза в рамке, в некоторых вариантах осуществления отделяет область опоры рамки от узла. При отсутствии такого механизма ослабления скручивания, если будет индуцирован момент в рамке из области установки (например, когда область установки не установлена на плоской поверхности или в случае движений, индуцированных температурой), жесткость соединения между позициями установки и узлом будет передавать момент, потенциально деформирующий узел. Это может ухудшить рабочие характеристики устройства отклонения путем изменения его смещения и потенциально требуя выполнения калибровки во время работы, например перед выполнением операций. Однако путем включения механизма ослабления скручивания любой момент индуцирования скручивания, воздействующий на область установки рамки, будет эффективно блокирован со стороны узла с помощью механизма ослабления скручивания (то есть механизмы ослабления скручивания, по существу, изолируют узел от механических напряжений и моментов в области установки). Механизм ослабления скручивания помогает поддерживать узел плоским и независимым от механических напряжений и моментов в области установки рамки. Нечувствительность узла к моментам в области установки также позволяет обеспечить, по существу, последовательное поведение узла независимо от остального устройства отклонения, что также помогает исключить необходимость в калибровке во время работы.
В общем, варианты осуществления раскрытого устройства отклонения включают устройство придания жесткости, которое, по существу, устанавливает жесткость узла и которое является независимым от структур параллелограмма. Устройство придания жесткости значительно уменьшает взаимозависимость массы и жесткости узла, обеспечивая возможность настройки узла в течение минимального времени установки. Более конкретно, устройство отклонения, описанное здесь, включает в себя новую структуру, которая отделяет жесткость узла от массы узла, обеспечивая возможность настройки узла в течение минимального времени установки. Это, в свою очередь, обеспечивает возможность использования пассивной схемы управления с открытым контуром обратной связи с низкой стоимостью. Соответствующий фильтр для сигнала управления для приводных элементов также может быть встроен в систему микросканирования. Механизм ослабления скручивания может быть включен в некоторые варианты осуществления устройства отклонения, обеспечивая возможность выполнить узел плоским независимо от условий установки. Это обеспечивает возможность перемещения позиции установки так, что оно остается последовательным в различных условиях. Эти элементы могут быть скомбинированы для формирования устройства отклонения с низкой стоимостью с такими рабочими характеристиками для системы микросканирования.
Способ работы
Как пояснялось здесь, микросканирование состоит в захвате множества изображений сцены из множества точек наблюдения. Устройство отклонения, описанное выше, выполнено с возможностью захвата такого множества изображений с высокой скоростью. Эти изображения используют для генерирования композитного изображения, причем такое композитное изображение имеет более высокое разрешение, чем отдельные изображения.
На фиг. 4 показана блок-схема последовательности операций для способа микросканирования в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. На этапе 402 собирают свет от пальца с помощью датчика изображения в первом положении для захвата первого изображения. Эти данные изображения передают в систему накопления. Например, система накопления может представлять собой запоминающее устройство (например, привод жесткого диска или устройство RAM), которое представляет собой часть компьютерной системы.
На этапе 404 датчик изображения перемешают из первого положения во второе положение. Перед захватом второго изображения узел, который выполнен с возможностью удержания устройства датчика изображения, должен быть, по существу, неподвижным (то есть датчик изображения должен быть установлен и не должен вибрировать). Затем, на этапе 406, свет собирают от пальца так, что датчик изображения находится во втором положении для захвата второго изображения. Второе изображение захватывают в течение периода менее чем приблизительно 20 миллисекунд после захвата первого изображения. Таким образом, в течение этого периода приблизительно 20 миллисекунд должно произойти перемещение датчика изображения во второе положение из первого положения и захват второго изображения. Получение света для второго изображения и передача данных в систему накопителя могут занимать значительную часть этих приблизительно 20 миллисекунд, оставляя меньшее количество времени для перемещения и установки датчика изображения. Время, предоставленное для датчика изображения, для перемещения и установки, уменьшается по мере увеличения скорости получения изображения (например, когда второе изображение захватывают в пределах менее чем приблизительно 10 миллисекунд после захвата первого изображения). Варианты осуществления устройства отклонения, описанные здесь, выполнены таким образом, чтобы время установки было сведено к минимуму благодаря тому, что не возбуждается резонансная частота узла. На этапе 406 свет собирают от пальца с помощью датчика изображения во втором положении для захвата второго изображения, которое последовательно передают в систему накопления. На этапах 408-414 операция устройства отклонения продолжается и выполняют захват третьего и четвертого изображений и последовательную передачу в систему накопителя. На этапе 408 датчик изображения перемешают из второго положения в третье положение. Перемещение из второго положения в третье положение выполняют, по существу, ортогонально перемещению из первого положения во второе положение (в соответствии со структурой 250 на фиг. 2С). На этапе 410 собирают свет от пальца с помощью датчика изображения в третьем положении, для захвата третьего изображения в течение менее чем приблизительно 20 миллисекунд после захвата второго изображения. На этапе 412 датчик изображения перемешают из третьего положения в четвертое положение. Перемещение из третьего положения в четвертое положение выполняют, по существу, параллельно перемещению из первого положения во второе положение (в соответствии со структурой 250 на фиг. 2С). На этапе 414 свет собирают от пальца с помощью датчика изображения в четвертом положении для захвата четвертого изображения в течение менее чем приблизительно 20 миллисекунд после захвата третьего изображения. Первое, второе, третье и четвертое изображения могут быть захвачены в положениях 1, 2, 3 и 4 (в данном порядке) структуры 250 на фиг. 2С, в некоторых вариантах осуществления.
Для повторения цикла датчик изображения переводят из четвертого положения в первое положение. Перемещение из четвертого положения в первое положение выполняется, по существу, параллельно перемещению из второго положения в третье положение (в соответствии со структурой 250 на фиг. 2С). Свет затем собирают от пальца с помощью датчика изображения в первом положении для захвата другого первого изображения в течение менее чем приблизительно 20 миллисекунд после захвата четвертого изображения.
В других вариантах осуществления датчик изображения перемещается диагонально через центр квадрата или прямоугольника от одной вершины к другой вершине (например, двигаясь к вершине в порядке 1, 2, 3 и 4 по структуре 251 на фиг. 2С). На этапе 402 свет собирают от пальца с помощью датчика изображения в первом положении для захвата первого изображения. На этапе 404 датчик изображения перемешается из первого положения во второе положение. Перемещение из первого положения во второе положение выполняют, по существу, вдоль первой диагонали, по существу, прямоугольного набора из четырех вершин. Затем, на этапе 406, свет собирают от пальца с помощью датчика изображения во втором положении для захвата второго изображения. Второе изображение захватывают в течение менее чем приблизительно 20 миллисекунд после захвата первого изображения. На этапе 408 датчик изображения перемещают из второго положения в третье положение. Перемещение из второго положения в третье положение, по существу, выполняют вдоль первой стороны, по существу, прямоугольного набора из четырех вершин. На этапе 410 свет собирают от пальца с помощью датчика изображения в третьем положении для захвата третьего изображения в течение менее чем приблизительно 20 миллисекунд после захвата второго изображения. На этапе 412 датчик изображения перемещают из третьего положения в четвертое положение. Перемещение из третьего положения в четвертое положение выполняют, по существу, вдоль второй диагонали, по существу, прямоугольного набора из четырех вершин. На этапе 414 свет собирают от пальца с помощью датчика изображения в четвертом положении для захвата четвертого изображения в течение менее чем приблизительно 20 миллисекунд после захвата третьего изображения.
Для повторения цикла датчик изображения перемещают из четвертого положения в первое положение. Перемещение из четвертого положения в первое положение выполняют, по существу, вдоль второй стороны, по существу, прямоугольного набора из четырех вершин и, по существу, параллельно перемещению из второго положения в третье положение. Свет затем собирают от пальца с помощью датчика изображения в первом положении для захвата другого первого изображения в течение менее чем приблизительно 20 миллисекунд после захвата четвертого изображения.
Цикл (то есть захват первого, второго, третьего и четвертого изображений) повторяют до тех пор, пока достаточное количество изображений не будет захвачено таким образом, чтобы достаточное количество композитных изображений можно было бы сгенерировать так, чтобы можно было сгенерировать изображение отпечатка пальца, полученное при шлепке, или изображение прокатанного отпечатка пальца. При генерировании изображения отпечатка пальца, полученного при шлепке, или изображения прокатанного отпечатка пальца каждый набор из первого, второго, третьего и четвертого изображений может быть скомбинирован в композитное изображение 420. Композитное изображение имеет более высокое разрешение, чем первое, второе, третье и четвертое изображения. В некоторых вариантах осуществления разрешение каждого из первого, второго, третьего и четвертого изображений составляет приблизительно 500 пкс/дюйм. В некоторых вариантах осуществления разрешение композитного изображения составляет приблизительно 1000 пкс/дюйм. В некоторых вариантах осуществления разрешение композитного изображения выше чем приблизительно 1000 пкс/дюйм (например, по меньшей мере, приблизительно 1000 пкс/дюйм). Композитное изображение с более высоким разрешением затем используют для генерирования изображения отпечатка пальца, полученного в результате шлепка, или изображения прокатанного отпечатка пальца.
В дополнительных вариантах осуществления устройство отклонения выполнено с возможностью захвата более чем 4 изображений. Например, в некоторых вариантах осуществления устройство отклонения выполнено с возможностью захвата девяти изображений и в дополнительных вариантах осуществления шестнадцати изображений. Способ микросканирования, использующий такое устройство отклонения, может использоваться для генерирования композитного изображения с еще большим разрешением, чем может быть сгенерировано с использованием четырех изображений. В качестве альтернативы, в способе микросканирования с использованием такого устройства отклонения может использоваться датчик изображения с более низким разрешением и он будет использоваться для генерирования композитного изображения приблизительно с тем же разрешением, которое можно сгенерировать из четырех изображений.
Выше было описано множество вариантов осуществления изобретения. Однако следует понимать, что различные модификации могут быть выполнены без отхода от сущности и объема изобретения.