CN102289313B - 复合式图像感测装置、复合式图像感测方法及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合式图像感测装置、复合式图像感测方法及电子设备。该复合式图像感测装置包括多个非机构式感测元以及多个机构式感测元。非机构式感测元感测一物体的一图像的多个第一部分，以获得多个第一模拟信号。机构式感测元感测物体的图像的多个第二部分，以获得多个第二模拟信号。此等机构式感测元及此等非机构式感测元混合配置成一感测矩阵。一种复合式图像感测方法及使用前述复合式图像感测装置的电子设备亦一并揭露。

Description

复合式图像感测装置、复合式图像感测方法及电子设备

技术领域

本发明涉及一种图像感测装置及其感测方法及使用其的电子设备，尤其涉及一种结合至少两种感测元的复合式图像感测装置及其感测方法及使用其的电子设备。

背景技术

传统的图像感测装置，例如指纹感测装置，有许多不同的感测技术，例如光学、电容、电场及热感应等等技术，每一单独技术都有其感测的限制，例如光学感测对于干手指的感测效果不好，且对于脏污的手指也无法得到好的图像对比；电容及电场感测方式对于湿手指无法感测图像对比；热感应式则反应相当慢，且很容易受环境温度变化及手指皮肤温度的影响。

发明内容

为此，本发明希望解决上述问题，提供一感测装置，特别是单体化(monolithic)的感测装置，其在感测干湿手指时不受干扰，不受外界温度变化影响，不受手指表面脏污的影响，而且具有好的灰阶图像输出，以利指纹图像算法的处理，而不易产生误判的结果。

因此，本发明的一个目的是提供一种复合式图像感测装置及其感测方法及使用其的电子设备，以有效地感测轻轻碰触或甚至没有碰触到的手指的指纹，并能感测沾有液体的手指的指纹。

本发明的另一目的是提供一种复合式图像感测装置及其感测方法，其在感测干湿手指时不受干扰，不受外界温度变化影响，不受手指表面脏污的影响，而且具有好的灰阶图像输出，以利指纹图像算法的处理，而不易产生误判的结果。

为达上述目的，本发明提供一种复合式图像感测装置，包括多个非机构式感测元以及多个机构式感测元。非机构式感测元感测一物体的一图像的多个第一部分，以获得多个第一模拟信号。机构式感测元感测物体的图像的多个第二部分，以获得多个第二模拟信号。此等机构式感测元及此等非机构式感测元混合配置成一感测矩阵。

本发明亦提供一种复合式图像感测方法，包括以下步骤：提供多个非机构式感测元，其感测一物体的一图像的多个第一部分，以获得多个第一模拟信号；提供多个机构式感测元，其感测物体的图像的多个第二部分，以获得多个第二模拟信号，其中此等机构式感测元及此等非机构式感测元混合配置成一感测矩阵；将此等第一模拟信号转换成多个第一数字信号，并将此等第二模拟信号转换成多个第二数字信号；以及依据此等第一数字信号及此等第二数字信号产生多个第三数字信号，其中各第三数字信号为此等第一数字信号及此等第二数字信号的相邻的N个乘以N个权重系数的总和，N为大于1的正整数。

通过本发明的复合式图像感测装置及其感测方法，可以有效地感测轻轻碰触或甚至没有碰触到的手指的指纹，并能感测沾有液体的手指的指纹，使本发明可以适合于各种恶劣或复杂的环境的应用。此外，复合式图像感测装置在感测干湿手指时不受干扰，不受外界温度变化影响，不受手指表面脏污的影响，而且具有好的灰阶图像输出，以利指纹图像算法的处理，不易产生误判的结果。

附图说明

图1显示依据本发明第一实施例的复合式图像感测装置的示意图。

图2显示依据本发明第一实施例的复合式图像感测装置的局部放大示意图。

图3显示依据本发明第二实施例的复合式图像感测装置的示意图。

图4与图5显示依据本发明第二实施例的复合式图像感测装置的应用。

图6显示依据本发明第三实施例的复合式图像感测装置的示意图。

图7显示依据本发明第四实施例的复合式图像感测装置的示意图。

图8显示依据本发明第三实施例的复合式图像感测均一化的方法的一例。

附图标号

F：手指/物体

FV：纹谷

FR：纹峰

SD1：第一数字信号

SD2：第二数字信号

SD3：第三数字信号

SA1：第一模拟信号

SA2：第二模拟信号

1：图像感测装置

2：笔记本电脑

3：鼠标光标

4：移动电话

5：主机系统

10：非机构式感测元

12：下电极

20：机构式感测元

22：下电极

24：上电极

30：前处理单元

40：后处理单元

50：输出单元

101-105：感测元

201-204：机构式感测元

具体实施方式

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

图1显示依据本发明第一实施例的复合式图像感测装置的示意图。图2显示依据本发明第一实施例的复合式图像感测装置的局部放大示意图。如图1与图2所示，本实施例的复合式图像感测装置1可连接至一主机系统5，并包括多个非机构式感测元(标示为A)10及多个机构式感测元(标示为B)20。

非机构式感测元10感测譬如是手指F的物体的表面或内部图像的多个第一部分，以获得多个第一模拟信号SA1。非机构式感测元10表示感测元结构不会变形的感测元，或者是不是依据感测元的结构变形量得到感测值的感测元，举例而言，譬如是一种电容式感测元。手指F跟非机构式感测元10形成一个感测电容。感测电容的电容值与手指F到感测元10的距离成反比。因此，通过感测元10可以检测到手指皮肤纹峰FR或纹谷FV与多个电容式感测元间的3D纹路分布，最后可以被转换成2D分布的灰阶图像(灰阶代表垂直距离的变化)。这种感测元的基本特色为具有非接触的感测能力，例如即使手指的纹谷没接触到电容感测元，仍然可以测量纹谷至电容感测元的距离。其中除了电容式感测元之外，所述非机构式感测元也可以是具有其他非接触感测原理，例如通过光、热、电场、磁场等等感测方法形成的感测元皆可以应用于本发明。除了上述具有非接触感测的优点外，这类型感测元都有一些感测瓶颈，例如湿手指，可能除了热感应方式，都无法分辨手指的纹峰及纹谷，因为水分会干扰测量，抑或者有残留的水分或油酯在感测元上方也会干扰测量，而例如热感测会受环境及手指皮肤温度影响，而例如光学感测会受干手指与光学镜头接触密合度不好而影响，或者受到脏污手指或光学镜头脏污影响。

于本发明的一实施例中，各非机构式感测元10包括一下电极12，下电极12与物体F形成一电容。

机构式感测元20感测物体F的图像的多个第二部分，以获得多个第二模拟信号SA2。机构式感测元20表示结构会变形的感测元，或者是依据感测元结构的变形量得到感测值的感测元，举例而言，譬如是触压感测元。手指F使机构式感测元20变形，而机构式感测元20本身就形成一个可变感测电容。感测电容的电容值变化随手指F压迫感测元20的变形量增大而增加。这种触压感测元的特色为接触感测，也就是说例如手指的纹谷没接触到感测元，则没有感测元结构变形，因此没有信号变量，所以触压感测元必须要接触才能感测物体的信号，对于例如手指皮肤纹路而言，无法反应整体的3D图像分布，仅能反映接触点所形成2D的分布。然而这种触压式感测元可以解决上述例如湿手指或干手指的问题，不易受环境及手指状况的影响。

简而言之，非机构感测元可以提供非接触式的3D感测的能力，但是易受感测环境及物体变化的影响；而机构感测元因需要接触感测，仅可以提供接触点构成2D感测的能力，但是较不受感测环境及物体变化的影响。

本发明就是要结合上述两者的优点于一单一感测装置上，特别是单一感测芯片，解决已知技术的缺点，其特色为不怕例如接触物体为手指时的皮肤干湿及环境温度变化，且具有似3D(Psudo 3D)感测的功能。

于本发明的一实施例中，各机构式感测元20包括一下电极22及一上电极24，下电极22与上电极24形成一电容，且上电极24可被物体F触压变形而靠近此下电极22。

为了兼顾感测轻轻接触感测元的手指的指纹(或甚至没有碰触到的手指的指纹)以及感测沾有液体的手指的指纹的功能，此等机构式感测元20及此等非机构式感测元10混合配置成一感测矩阵。混合配置的方式有很多种，譬如是机构式感测元20彼此不相邻，而由非机构式感测元10隔开，或者是一行机构式感测元20搭配一行非机构式感测元10等，于此不特别作限定。

此外，复合式图像感测装置1可以更包括一前处理单元30，其电连接至此等非机构式感测元10及此等机构式感测元20，其将此等第一模拟信号SA1转换成多个第一数字信号SD1，并将此等第二模拟信号SA2转换成多个第二数字信号SD2，据此，组合第一数字信号SD1及第二数字信号SD2是可以得到接触物体(例如手指)的部分面积的一指纹图像，另一种本发明装置实施例的应用为：当手指在所述感测装置1上方移动时，连续性的片段指纹图像就可以被读取，例如滑动式指纹感测装置，可以将所述连续性片段图像重组成单一完整图像。

通常此前处理单元可以包括例如信号放大器及模拟/数字转换器，并且在本发明复合式图像感测装置1具有感测元阵列设计，为了有效将每一感测元的信号输出至前处理单元30，在本发明中每一感测元更可以包括一信号读取电路(图中未示)，以便就地处理每一感测元的信号，并且不受几何阵列影响的传送此等第一模拟信号SA1及此等第二模拟信号SA2。

在本发明的一实施例，例如组合电容感测元及电容触压感测元，虽然其感测元结构不同，但是读取电容的方法可以是相同的，也就是说可以使用相同的信号读取电路于此电容感测元及电容触压感测元，来读取电容值的变化，这样的设计可以大幅减少芯片设计的复杂度。

再者，复合式图像感测装置1可以更包括一输出单元50，其电连接至前处理单元30，接收此等第一数字信号SD1及此等第二数字信号SD2，并将此等第一数字信号SD1及此等第二数字信号SD2输出。主机系统5可以依据此等第一数字信号SD1及此等第二数字信号SD2产生第三数字信号SD3。

图3显示依据本发明第二实施例的复合式图像感测装置的示意图。如图3所示，本实施例类似于第一实施例，不同之处在于复合式图像感测装置1更包括一后处理单元40及一输出单元50。后处理单元40电连接至前处理单元30，并依据此等第一数字信号SD1及此等第二数字信号SD2产生第三数字信号SD3。举例而言，后处理单元40接收此等第一数字信号SD1及此等第二数字信号SD2组合而成的接触物体的片段图像，例如片段指纹图像。在本发明的一实施例，后处理单元40为一运算单元，可以连续接收此等片段图像并运算及处理，并输出例如不重叠的连续图像的第三数字信号SD3，以组合成一完整的指纹图像。或者通过处理这些连续性图像并且产生了具有向量信息的信号，并包括于第三数字信号SD3中，向量信息产生方式可以通过比对连续图像的变化，例如通过图像处理技术中常用的动作估计(Motion Estimation)方法便可以达到此目的。而为了处理片段图像信息，后处理单元更可以包括供暂时存取用的储存器。

输出单元50电连接至后处理单元40，接收此等第三数字信号SD3，并将此等第三数字信号SD3输出。

图4与图5显示依据本发明第二实施例的复合式图像感测装置的应用。如图4所示，复合式图像感测装置1可以被应用在笔记本电脑2，作为指纹输入装置，或者利用手指移动以控制鼠标光标3的移动及相关的按键功能。如图5所示，复合式图像感测装置1可以被应用在移动电话4，以达到相同于前述的功能，并控制移动电话4的软件及硬件的相关操作。其中，作为指向装置的复合式图像感测装置1利用可以取代传统机械操作装置的方向选取及按压选取，更可以提供左击、右击、双轴卷动、放大、缩小、切换、双击(Doubleclick)，以及长按超过一预定时间后进入预设应用程序等功能。当然除了上述笔记本电脑2及移动电话4的应用外，本发明复合式图像感测装置1更可以被应用在任何需要指纹输入装置或指向性装置的电子装置。因此，本发明更提供一种具有前述复合式图像感测装置1的电子设备，以控制此电子设备的操作。

图6显示依据本发明第三实施例的复合式图像感测装置的示意图。如图6所示，本实施例的复合式图像感测装置类似于第一实施例，不同之处在于感测元10及20是以行行交错的方式排列。

图7显示依据本发明第四实施例的复合式图像感测装置的示意图。如图7所示，本实施例的复合式图像感测装置类似于第二实施例，不同之处在于感测元10及20的信号输出方式，其中第一模拟信号SA1及第二模拟信号SA2是由不同的路径输出至前处理单元30。

此外，为了均一化非机构式感测元10及机构式感测元20输出信号的灰阶度。本发明亦提供一种复合式图像感测均一化的方法，包括以下步骤。

首先，提供一复合式图像感测装置，其具有机构式感测元20及非机构式感测元10混合配置成感测矩阵。多个非机构式感测元10感测物体F的图像的多个第一部分，以获得多个第一模拟信号SA1。

多个机构式感测元20感测物体F的图像的多个第二部分，以获得多个第二模拟信号SA2。

然后，将此等第一模拟信号SA1转换成多个第一数字信号SD1，并将此等第二模拟信号SA2转换成多个第二数字信号SD2。

接着，依据此等第一数字信号SD1及此等第二数字信号SD2产生多个第三数字信号SD3，其中各第三数字信号SD3为包括输出此等第一数字信号SD1的感测元或输出此等第二数字信号SD2的感测元的相邻的N个感测元输出的信号乘以N个权重系数的总和，N为大于1的正整数。因此，各第三数字信号SD3为此等第一数字信号SD1及此等第二数字信号SD2的相邻的N个乘以N个权重系数的总和，N为大于1的正整数。此步骤可以在主机系统5或图像感测装置1中执行。

图8显示依据本发明第三实施例的复合式图像感测均一化的方法的一例。于本例子中，以机构式感测元103为中心，包括周围八个感测元，一共九个感测元，N等于9。这9个感测元分别是机构式感测元101至105以及非机构式感测元201至204。假设感测装置具有一8位的A/D转换器，并假设机构式感测元101、102、103与手指的纹峰FR接触，其余机构式感测元104及105没与纹峰FR接触。而非机构式感测元201至204有的完全与纹峰FR接触，有的部分接触或没接触，这些都可以由图的数值了解，其中255代表最大的数值输出，而0代表最小的数值输出(101:238，102:210，103:196，104:0，105:0，201:255，202:220，203:128，204:96)，其中虽然感测元204没直接与纹峰FR接触，但是因为在纹峰FR的边缘，且为其具有遥测功能，因此仍然有感应的数值，而感测元203仅有接触部分纹峰FR，因此有部分数值。而机构式感测元104及105没与纹峰FR接触，因此输出值为0。而虽然机构式感测元101、102、103与纹峰FR接触，然而其信号输出是出自于触压产生，因此较易受施力不均匀影响。

如果根据前述的信号直接输出的话，指纹图像的每个小区域也会有严重的图像强度变化，导致指纹辨识算法处理时，有可能当作指纹线条不连续的误判。因此我们可以利用每一感测元周围的几个感测元的权重来重建图像的连续性及均匀性，这种做法从来没有人将的运用于本发明复合式图像感测装置上，因为复合式感测装置不同感测元原理不同，本就很难将的整合于单一感测芯片或装置上，这也是本发明最大特色。

为了得到新的感测值当作感测元103的感测值，可以利用不同的权重系数来加总这九个感测元的感测值。举例而言，感测元103的感测值的权重系数为0.4，感测元201至204的感测值的权重系数分别为0.1，而感测元101、102、104、105的感测值的权重系数为0.05。那么，加总的感测值等于：

238*0.05+210*0.05+196*0.4+0*0.05+0*0.05+255*0.1+220*0.1+128*0.1+96*0.1＝170.7

或者，可以仅取N等于5，也就是取感测元201至204与中心感测元103作权重分配，但是在此种情况下，权重因子也可以随着修改。虽然权重系数及N值可以有很多种选择，但于此不特别限定本例子所描述着。

通过本发明的复合式图像感测装置及其感测方法，可以有效地感测轻轻碰触或甚至没有碰触到的手指的指纹，并能感测沾有液体的手指的指纹，使本发明可以适合于各种恶劣或复杂的环境的应用。此外，复合式图像感测装置在感测干湿手指时不受干扰，不受外界温度变化影响，不受手指表面脏污的影响，而且具有好的灰阶图像输出，以利指纹图像算法的处理，不易产生误判的结果。

在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅方便说明本发明的技术内容，而非将本发明狭义地限制于上述实施例，在不超出本发明的精神及权利要求的情况，所做的种种变化实施，皆属于本发明的范围。

Claims (11)

1.一种用于指纹感测的复合式图像感测装置，其特征在于，所述复合式图像感测装置包括：

多个非机构式感测元，其感测一手指的一图像的多个第一部分，以获得多个第一模拟信号，所述非机构式感测元为不是依据感测元的结构变形量得到感测值的感测元，通过所述非机构式感测元可以检测到所述手指的皮肤纹峰或纹谷与所述非机构式感测元间3D纹路分布，最后可以被转换成2D分布的灰阶图像；以及

多个机构式感测元，其感测所述手指的所述图像的多个第二部分，以获得多个第二模拟信号，其中所述机构式感测元为依据感测元结构的变形量得到感测值的感测元，所述手指的纹谷没接触到所述机构式感测元，则没有所述机构式感测元的结构变形，用来反映接触点所形成2D的分布，所述的多个机构式感测元及所述的多个非机构式感测元混合配置成一感测矩阵。

2.如权利要求1所述的复合式图像感测装置，其特征在于，所述复合式图像感测装置更包括一前处理单元，电连接至所述的多个非机构式感测元及所述的多个机构式感测元，将所述的多个第一模拟信号转换成多个第一数字信号，并将所述的多个第二模拟信号转换成多个第二数字信号。

3.如权利要求2所述的复合式图像感测装置，其特征在于，所述复合式图像感测装置更包括一输出单元，电连接至所述前处理单元，接收所述的多个第一数字信号及所述的多个第二数字信号，并将所述的多个第一数字信号及所述的多个第二数字信号输出。

4.如权利要求2所述的复合式图像感测装置，其特征在于，所述复合式图像感测装置更包括一后处理单元，电连接至所述前处理单元，并依据所述的多个第一数字信号及所述的多个第二数字信号产生多个第三数字信号。

5.如权利要求4所述的复合式图像感测装置，其特征在于，所述复合式图像感测装置更包括一输出单元，电连接至所述后处理单元，接收所述的多个第三数字信号，并将所述的多个第三数字信号输出。

6.如权利要求1所述的复合式图像感测装置，其特征在于，各所述非机构式感测元包括一下电极，所述下电极与所述手指形成一电容。

7.如权利要求1所述的复合式图像感测装置，其特征在于，各所述机构式感测元包括一下电极及一上电极，所述下电极与所述上电极形成一电容，且所述上电极可被所述手指触压变形而靠近所述下电极。

8.一种用于指纹感测的复合式图像感测方法，其特征在于，所述复合式图像感测方法包括以下步骤：

提供多个非机构式感测元，其感测一手指的一图像的多个第一部分，以获得多个第一模拟信号，所述非机构式感测元包括一下电极，所述下电极与所述手指形成一电容，通过所述非机构式感测元可以检测到所述手指的皮肤纹峰或纹谷与所述非机构式感测元间的3D纹路分布，最后可以被转换成2D分布的灰阶图像；

提供多个机构式感测元，其感测所述手指的所述图像的多个第二部分，以获得多个第二模拟信号，其中所述的多个机构式感测元及所述的多个非机构式感测元混合配置成一感测矩阵，所述机构式感测元包括一下电极及一上电极，所述下电极与所述上电极形成一电容，且所述上电极可被所述手指触压变形而靠近所述下电极，所述手指的纹谷没接触到所述机构式感测元，则没有所述机构式感测元的结构变形，用来反映接触点所形成2D的分布；

将所述的多个第一模拟信号转换成多个第一数字信号，并将所述的多个第二模拟信号转换成多个第二数字信号，所述的多个第一数字信号和所述的多个第二数字信号为所述非机构式感测元和所述机构式感测元的感测值；以及

依据所述的多个第一数字信号及所述的多个第二数字信号产生多个第三数字信号，其中各所述第三数字信号为所述的多个第一数字信号及所述的多个第二数字信号的相邻的N个乘以N个权重系数的总和，N为大于1的正整数。

9.如权利要求8所述的复合式图像感测方法，其特征在于，N等于9。

10.如权利要求8所述的复合式图像感测方法，其特征在于，N等于5。

11.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1至7的任一项所述的用于指纹感测的复合式图像感测装置，以控制所述电子设备的操作。

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