CN106068515A - 多频谱超声成像 - Google Patents

Abstract

本发明揭示用于多频谱超声成像的系统及方法。在一个实施例中，以多个超声扫描频率扫描手指。每一扫描频率提供描述所述手指的多个像素的图像信息集，包含指示从手指提供于其上的压板的表面反射的能量的量的信号强度。针对所述像素中的每一者，组合对应于所述扫描频率中的每一者的像素输出值以产生每一像素的组合像素输出值。本发明还揭示用于改进多频谱超声成像的数据捕获的系统及方法。

Description

多频谱超声成像

相关申请案交叉参考

本申请案主张在2014年3月6日申请的标题为“多频谱超声成像(Multi-SpectralUltrasonic Imaging)”的美国临时申请案第61/948,778号及在2015年3月4日申请的标题为“多频谱超声成像(Multi-Spectral Ultrasonic Imaging)”的美国非临时申请案第14/639,116号的优先权及权益，所述美国非临时申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及使用多频谱超声成像的装置及方法。

背景技术

超声扫描器可由各种类型的材料构成。通常，要求此扫描器中所使用的超声能穿过这些材料的大部分。超声波穿过或击穿的各种材料的性质可具有关于分散、衍射、吸收及反射的不同性质，使得所述材料将以不同方式分散、衍射、吸收及反射超声能，且这些差异可取决于超声能的波长。使用单个超声频率来成像特定对象可产生有限的关于正成像的对象的信息和细节。

在超声传感器阵列的制造期间，容差可在超声传感器堆栈内增加，其影响信号路径且可造成其中所收集数据确实利用系统的最优可用信号及响应的情况。此外，数据质量可为频率相依且目标的结构组成可呈现频率相依性。

由制造超声扫描系统引起的正常变化可致使一个超声扫描系统以显著不同于另一者的方式表现，尽管两个扫描系统是在所要容差内且根据相同程序制造。这些差异的结果可意味着一个扫描器以最优频率收集信息，而另一扫描器没有。

现有技术中已应用的基本方法论必须以单个特定频率执行扫描，所述单个特定频率使信号输出在被定位在传感器堆栈内的薄膜晶体管(TFT)阵列捕获时最大化。单个频率可主要由传感器堆栈的厚度及材料性质确定且用于区分所成像的手指的指纹凸起纹与凹陷纹区域。在制作设置(无指纹参考的情况下)中，通过选择传感器阵列输出在两种状况(一种状况为超声发射器激励电压接通且一种状况为发射器关断)下最大化的频率来作出频率确定。此方法论可产生在较现实设置中可能不匹配关于指纹图像清晰度的预期结果的图像信息集。还可能需要在整个正常使用中调谐操作频率，此可导致不一致结果。

发明内容

本发明的一个方面可描述为扫描手指的方法。方法可包含：以多个超声扫描频率扫描定位在超声传感器的成像表面上的手指。超声信号到组织区域的穿透深度可针对不同频率不同且最终可导致在被TFT阵列捕获时反射信号水平的变化。可通过在无手指存在于成像表面上以多个测试频率进行扫描且识别峰值测试频率来选择多个扫描频率。峰值测试频率可为紧接较低测试频率及紧接较高测试频率较之所述峰值测试频率返回较少能量的测试频率。

所述方法可包含：针对所述扫描频率中的每一者从所述超声传感器的多个像素产生超声图像信息集。所述图像信息集可包含来自所述多个像素中的每一者的像素输出值，每一像素输出值指示从所述成像表面反射的能量的量。每一扫描频率可提供描述与指纹相关联的多个像素输出信号水平的图像信息集。每一像素输出值可指示信号强度，所述信号强度指示从手指提供于其上的压板的表面反射的超声能的量。如本文中所使用，术语“图像”是指图像信息集的一种形式。

所述方法可进一步包括：组合对应于所述扫描频率中的每一者的所述图像信息集以产生组合图像信息集的步骤。所述组合图像信息集可包含来自所述多个像素中的每一者的组合像素输出值。组合所述图像信息集可包含：将像素输出值相加以产生一和，使所述和除以扫描频率的数目以产生所述像素中的每一者的平均值，及使用所述平均值作为所述组合值。如本文中所使用，术语“组合”意指数学组合。

在一些实施例中，所述方法可进一步包含：使用所述多个超声图像信息集来作出活性确定及提供指示所述活性确定的活性输出信号。

在一些实施例中，所述方法可进一步包含：将每一像素输出值变换成灰度值并将所述灰度值提供用于所述多个像素作为表示所述手指的所述指纹的所述组合图像信息集。

在一些实施例中，组合所述图像信息集包含：针对每一扫描频率，识别权重因数；使每一像素输出值乘以所述对应权重因数以产生像素输出值乘积；将所述像素输出值乘积相加以产生一和，使所述和除以扫描频率的数目以产生针对所述像素输出值中的每一者的平均值，及将所述平均值用作组合像素输出值。可使用以下方程式计算所述权重因数：

w(f_i)＝(e^(avgi*fi)–e^(avgi*fmax))/(e^(avgi*fmin)–e^(avgi*fmax))

其中w(f_i)为针对第i个扫描频率的权重因数，avg_i为第i个扫描频率及下一较低扫描频率下的像素输出值的平均值，f_min为最低扫描频率；且f_max为最高扫描频率。

在另一实施例中，组合所述图像信息集可包含：形成针对所述扫描频率中的每一者的协方差矩阵。所述协方差矩阵可从图像信息集中的像素输出值形成。所述协方差矩阵可经组合以提供具有每一像素输出值的组合值的组合矩阵。在一个实施例中，组合所述协方差矩阵包括：在所述协方差矩阵中的各项之间进行插值。

在一个实施例中，所述方法可包含：针对每一扫描频率，识别权重因数；及在数学组合所述协方差矩阵之前使所述协方差矩阵中的每一项乘以所述对应权重因数。可使用以下方程式计算所述权重因数：

w(f_i)＝(e^(avgi*fi)–e^(avgi*fmax))/(e^(avgi*fmin)–e^(avgi*fmax))

其中w(f_i)为针对所述第i个扫描频率的权重因数，avg_i为所述第i个扫描频率及下一扫描频率下的像素输出值的平均值，f_min为最低扫描频率，且f_max为最高扫描频率。

所述方法可进一步包含：使所述像素中的每一者的每一组合值与灰度值相关的步骤。所述方法可进一步包含：将所述灰度值提供作为所述手指或指纹的表示的步骤。

所述方法可进一步包含：在手指不在超声传感器的成像表面上的情况下以多个超声测试频率进行扫描的步骤。所述方法可进一步包含：选择一或多个峰值测试频率的步骤。每一所选择峰值测试频率可具有高于大部分其它峰值测试频率的反射信号。所述方法可进一步包含：将所选择峰值测试频率用作多个扫描频率的步骤。可通过对所述峰值测试频率中的所选择者加上或减去预定偏移来识别额外扫描频率。在另一实施例中，可通过以下操作来选择额外扫描频率：识别包含峰值测试频率中的所选择者的范围及选择将在所识别范围内的扫描频率。在一个实施例中，可通过识别所选择峰值测试频率的谐波来选择额外扫描频率。在另一实施例中，所述方法可进一步包含：评估所述峰值测试频率的图像质量及选择具有比其它峰值测试频率更佳的图像质量的峰值测试频率。

本发明的一个方面可被描述为用于产生目标对象的自动共同寄存图像信息集的系统。所述系统还可被描述为用于扫描手指的系统。所述系统可包括经配置以接纳手指的成像表面。所述成像表面可为基本上平面的。所述系统还可包括平面波超声发射器。所述平面波超声发射器可响应于信号产生器而产生一或多个超声平面波。所述信号产生器可能够形成在超声频率范围内的不同离散频率的电信号。

所述系统可进一步包括发射器驱动器放大器。所述放大器可经配置以从所述信号产生器接收电信号并使用所述电信号来驱动所述超声发射器。可通过所述发射器将超声波引导至所述成像表面，且可将一或多个超声信号从所述成像表面反射到超声传感器阵列，且所述目标对象接触所述超声传感器阵列。所述超声传感器阵列可经配置以检测一或多个经反射超声波。在一些实施方案中，所述系统可进一步包含用于将所述一或多个所检测超声波分成其频率分量的一组带通滤波器。

所述系统可进一步包含用于针对在每一关注频率下的每一所接收信号形成或产生对象的图像信息集的电子子系统。电子子系统可包括处理器或逻辑电路。电子子系统还可经配置以组合所述图像信息集。可使用奈曼皮尔逊多模融合系统来将图像信息集启发式地组合或概率性地组合以产生目标对象的输出表示，例如图像。

本发明的一个方面还可被描述为存储计算机可执行代码的非暂时性计算机可读媒体。所述可执行代码可包括用以以多个超声扫描频率扫描定位在超声传感器的成像表面上的手指的指令。所述可执行代码可进一步包括用以针对所述扫描频率中的每一者从所述超声传感器的多个像素产生超声图像信息集的指令。所述图像信息集可包含来自多个像素中的每一者的像素输出值。每一像素输出值可指示从所述成像表面反射的能量的量。所述可执行代码可进一步包括用以组合对应于所述扫描频率中的每一者的所述图像信息集以产生组合图像信息集的指令。所述组合图像信息集可包含来自所述多个像素中的每一者的组合像素输出值。所述可执行代码可进一步包括用以将每一像素输出值变换成灰度值及将所述多个像素的所述灰度值提供作为表示所述手指的所述指纹的组合图像信息集的指令。所述可执行代码可进一步包括用以使用多个超声图像信息集来进行活性确定及提供指示所述活性确定的活性输出信号的指令。

本发明的一个态样还可被描述为用于扫描手指的系统。所述系统可包括用于响应于能够产生超声频率范围内的不同离散频率的电信号的信号产生器而产生一或多个超声平面波(“MFG”)的装置。所述系统可进一步包括用于响应于来自所述信号产生器的电信号而驱动所述MFG的装置。所述系统可进一步包括：用于接触所述手指并将来自所述MFG的超声波作为超声信号反射到超声传感器阵列装置的装置，其中所述超声传感器阵列装置经配置以接收所述经反射超声信号。所述系统可进一步包括用于针对在每一关注频率下的每一所接收经反射超声信号形成所述手指的图像信息集并组合所述所形成图像信息集的装置。在一个实施例中，所述系统可进一步包括用于将所述一或多个所接收超声信号分成其频率分量的装置。用于组合所形成图像信息集的装置可经配置以使用奈曼皮尔逊多模融合来启发式地产生输出图像或概率性地产生输出图像。

附图说明

为了较全面理解本发明的性质及目的，应参考随附图式及随后描述。现在将参考附图通过非限制性实例对本发明进行描述，其中：

图1展示具有对应于横穿超声传感器阵列的六个不同超声波(每一者处于不同频率)的信息的标绘图；

图2描绘用于产生超声图像信息集的方法，所述超声图像信息集基于针对不同频率的数个发射器激励信号依序发射、处理及重复所述方法；

图3说明用于形成基于线性调频脉冲类型发射器激励信号的超声图像信息集的方法；

图4为说明利用具有任选加权的逐像素算术平均的多频谱超声成像的方法的流程图；

图5说明描绘用于产生对应于目标对象的超声图像信息集的超声传感器系统的框图；

图6为展示用于产生与超声传感器阵列的外表面接触的对象的超声图像信息集的系统的第一配置的图；

图7描绘展示用于产生与定位在超声传感器阵列上的压板的外表面接触的对象的超声图像信息集的系统的第二配置的图；

图8A及8B描绘依序应用于发射器的针对一组两个或两个以上激励频率的发射器及接收器信号，其中针对每一所应用频率获取图像信息集；

图9A描绘依序应用于发射器的针对一组两个或两个以上激励频率的发射器及接收器信号，其中针对所述激励频率组获取图像信息集；

图9B描绘针对以第一频率开始且以第二频率结束的线性调频脉冲发射器激励序列(向上线性调频脉冲或向下线性调频脉冲)的发射器及接收器信号；

图10描绘两个或两个以上超声图像信息集的逐点算术平均；

图11为说明用于使用两个或两个以上协方差矩阵来形成组合图像信息集的方法的流程图；

图12描绘用于使用基于协方差的插值来形成组合图像信息集的方法；

图13为说明提供指纹表示的方法的流程图；

图14描绘对应于各种激励频率选择的曲线图；

图15描绘对应于额外激励频率选择的曲线图；

图16描绘说明校准方法的曲线图；

图17描绘说明额外校准方法的曲线图；

图18为说明借助线性调频脉冲激励的多频谱超声成像的方法的流程图；

图19为说明用于借助逐像素算术平均及任选加权的多信息集线性调频脉冲激励的多频谱超声成像的方法的流程图；

图20描绘说明线性调频脉冲序列确定的两个曲线图；

图21及22描绘说明各种线性调频脉冲序列的曲线图；

图23A、23B、24A及24B描绘说明经线性调频脉冲编码的发射器信号的FFT的曲线图；

图25为超声传感器阵列的图；

图26为超声指纹传感器的多个配置；

图27描绘超声传感器系统的框图；

图28描绘发射器接通与发射器关断条件之间的传感器阵列的输出的差异的频率响应；

图29描绘针对在两种状况下的手指所获得的传感器输出信号振幅的直方图；

图30描绘手指的样本图像轮廓及对应直方图；

图31描绘展示所选择凸起纹区域与凹陷纹区域之间的模拟电压比较的变化性图；

图32描绘如在空气减去目标电压差对超声发射器激励信号的频率之间所标绘的负峰值及正峰值；

图33到36描绘用以确定目标对象的活性的基于多频的方法；

图37A到C描绘在用于多频谱超声成像的系统的一个配置中从目标对象的各种部分反射的信号的标绘图；

图38A到C描绘在用于多频谱超声成像的系统的另一配置中从目标对象的各种部分反射的信号的标绘图；

图39A到C描绘在用于多频谱超声成像的系统的另一配置中从目标对象的各种部分反射的信号的标绘图；

图39A到F描绘图39A到C的系统中实施的各种距离门的集成接收器输出的标绘图；

图40A到C描绘在用于多频谱超声成像的系统的另一配置中的从目标对象的各种部分反射的信号的标绘图；

图40A到F描绘图39A到C的系统中实施的各种距离门的集成接收器输出的标绘图；

图41A到C描绘在用于多频谱超声成像的系统的另一配置中的从目标对象的各种部分反射的信号的标绘图；

图41A到F描绘图41A到C的系统中实施的各种距离门的集成接收器输出的标绘图；

图42为活性检测方法的流程图；且

图43为用于扫描手指的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的一个方面大体来说涉及用于提供关于目标对象的信息的超声传感器系统。在一些实施方案中，信息可从应用于超声发射器的多个激励信号获得，每一激励信号处于不同频率。与通过利用单个激励频率可提供的相比，通过使用多个超声频率，可提供更多关于目标对象的信息。

超声指纹传感器可通过产生超声波并将其发射朝向压板型成像表面来起作用。期望关于其的信息的目标对象可位于所述压板上。在目标对象为手指时，所要信息可与指纹有关。到达压板的超声能中的一些被反射，且此反射能可被检测。可获取所述反射能的强度及接收其所在位置。可以数据集的形式记录所获取信号。所述数据集可用于形成数据流，所述数据流可用于产生目标对象的视觉图像，所述视觉图像可经由监视器或打印机来提供。在一些实施方案中，所获取信号可形成也称作超声图像信息集的数据集，所述超声图像信息集可进一步经处理以产生组合图像信息集。所述组合图像信息集可(例如)用于并入有超声指纹传感器的移动装置(例如，移动电话、平板计算机或便携式医疗装置)的用户的注册、验证及鉴别。

本发明的一个方面可体现于用于多频谱超声成像以与系统特定最大值更接近对准的系统及/或方法中。举例来说，根据相同设计生产且从相同生产设施制造的超声传感器可仍然具有可影响每一传感器的性能的差异。

举例来说，在超声传感器的制造期间，将存在多个超声波横穿的材料界面及材料块体介质。由于制造过程中的正常变化，每一传感器可在超声信号穿过其时在其共振频率方面且在其效应方面稍微不同。这些共振差异可在频率的合理小改变范围内展示多达50％的改变。因此，在20MHz的发射器激励频率下获得良好输出的相同系统可在19MHz或21MHz的频率的情况下仅展示所述输出的一半。

可通过使用一个以上扫描频率，且接着组合从每一扫描频率导出的图像信息集来调节个别传感器之间的差异。另外，通过多个频率的声透射可允许收集关于目标对象的数据，其赋予比单个单色声透射更佳的目标对象的表示。通过多个频率的超声系统中的声透射(作为单个序列信号或作为具有激励频率频谱的复合信号)允许增强成像同时允许系统中的较宽松制作容差且因此可使用更成本有效的制作技术。

在一些实施方案中，多频谱超声传感器系统产生多个对应于目标对象的数据集或图像信息集，每一图像信息集是借助在不同超声频率下获得的信息而产生的。术语多频谱通常是指在构造目标对象的图像信息集中使用2个、3个、4个或4个以上频率或波长的系统。多频谱系统还可被称作超频谱系统。在超声接收器能够在许多不同频率下检测到超声能，且距目标对象固定距离时，可执行产生图像信息集。举例来说，用户可将手指放置在其上的压板的表面可距下伏超声传感器阵列的像素距离固定距离。可通过用发射器激励信号来驱动超声发射器以产生离散频率超声波来产生所要超声波。在一些实施方案中，发射器可经驱动以产生超声波形，所述超声波形为所要频率的和且作为具有多个所要频率的复合能量超声波形同时发布。

离散频率下的多频谱扫描可实施为“线性调频脉冲”。线性调频脉冲为频率随时间增加(‘向上线性调频脉冲’)或减少(‘向下线性调频脉冲’)且可连续的信号。在超声学中，可形成激励信号以展现线性调频脉冲，且在这样做时所产生波形将与材料的色散性质交互，随着超声信号传播增加或减少总色散。利用线性调频脉冲激励信号允许收集具有更多信息内容的数据。

线性调频脉冲激励信号的使用使得传感器系统能够在广泛频率范围内声穿透并收集关于目标的信息。超声传感器系统可从超声传感器阵列中的传感器像素获取像素输出信号，将像素输出信号数字化，并通过一系列滤波器传递经数字化像素输出信号(或值)以提取所需要数据。替代地，可使用离散频率脉冲来声穿透目标并从反射信号收集数据，接着发射器激励频率可被改变且重复过程以在多个不同频率下获得关于目标对象的数据。可在非常小时间增量内借助发射激励信号和接收及处理反射信号来非常快速地完成所述过程。取决于从发射器到压板的表面且返回到超声传感器阵列的距离，此过程可在数微秒(或如果涉及较大距离，那么数毫秒)内完成。

在操作超声系统时使用基于线性调频脉冲的方法的额外优点为允许制造超声发射器接收器系统的更多灵活性。使用基于线性调频脉冲的系统可调节制造差异且允许来自每一系统的经改进响应。

图1展示具有对应于横穿超声传感器阵列的六个不同超声波(每一超声波处于不同频率)的信息的标绘图。垂直轴为传递率且水平轴为聚苯乙烯层的厚度，所述聚苯乙烯层为用作超声传感器的压板的典型材料。对应于图1的各种曲线的聚苯乙烯层的厚度(x_i)的范围从几乎零到几乎1英寸的千分之5。传递率(tr)针对六个超声频率展示为：5MHz、10MHz、15MHz、20MHz、25MHz及30MHz。从图1将观察到，在大约1.7密耳厚度处，30MHz产生几乎100％传递率，且15MHz及5MHz两者各自产生大致65％传递率。1.7密耳厚度处的其它频率产生小于50％传递率。应注意，图1中所展示的其它超声频率的峰值传递率大致为

25MHz—1.9密耳厚度 15MHz—3.5密耳厚度

20MHz—2.4密耳厚度 10MHz—4.7密耳厚度

还将观察到，30MHz下的传递率函数的斜率相当陡峭接近峰值，所述峰值在大约1.7密耳及3.5密耳处发生。此指示在30MHz下的传递率随着聚苯乙烯层的厚度的小改变而迅速地下降接近峰值传递率。关于针对25MHz、20MHz及15MHz激励频率中的每一者的峰值传递率，同样如此—传递率随着聚苯乙烯层的厚度的小改变而迅速地下降。尽管图1指示5MHz及10MHz具有较不陡峭的斜率，但这些频率具有高传递率且因此有用，然而仅在图1上所描绘的聚苯乙烯厚度的范围的有限部分中。

多离散频率传感器系统或基于线性调频脉冲的系统的额外优点为能够区分压板上关注的对象与并非关注的那些对象的能力。举例来说，假定超声多频谱系统被内建到移动装置的显示器中。还假定系统使用22MHz声透射信号。显示器上的雨滴将干扰对应于目标对象的信息。然而，如果频率下降至大概15MHz，那么雨水的水滴现在变得相对于超声不可见，这是因为其不具有恰当共振。多频谱传感器(即，线性调频脉冲传感器)将通过提供多个频率相依图像信息集来避免检测雨滴。可选择信息集中的最佳者供进一步使用，或可进行并使用信息集的复合。

图2描绘用于产生超声图像信息集的方法，所述超声图像信息集基于针对不同频率的数个发射器激励信号依序发射、处理及重复所述方法。在此状况下使用利用多个离散频率的系统。第一频率可经产生21、放大22并用于驱动超声发射器，所述超声发射器产生23平面超声波。从发射器产生23及射出的超声信号行进穿过超声传感器堆栈的耦接介质(若存在)及材料并与和目标对象接触的压板表面交互24。举例来说，在压板与空气(例如，指纹凹陷纹)介接的那些位置可反射25超声能的部分，且反射能接着行进到超声传感器阵列，在所述超声传感器阵列处检测26到所述反射能。产生且可存储27对应于所检测能量的超声图像信息集或数据集以供稍后使用。所述稍后使用可包含形成数据流，所述数据流致使目标对象的图像经由监视器显示或用于指纹注册、验证及鉴别。用第二频率重复过程，且产生且可存储对应于所检测能量的第二图像信息集以供稍后使用。可重复此过程N次以便形成N个图像信息集29。多个图像信息集可经组合以产生28多频谱组合图像信息集。

图3中描述另一类型的超声多频谱成像系统。图3说明用于形成基于线性调频脉冲类型发射器激励信号的超声图像信息集的方法。在适合于系统需要的分辨率的频率范围内，产生31线性调频脉冲类型信号(向上线性调频脉冲(频率增加)或向下线性调频脉冲(频率下降))。放大器32可放大激励信号并驱动超声平面波产生器。超声信号(有时称作脉冲或单频脉冲串(TB))从发射器发出33，行进穿过传感器堆栈的耦接介质(若存在)及其它材料，且与和目标对象接触的压板表面交互34。可反射超声能的部分，且反射能接着行进35到超声传感器阵列，在所述超声传感器阵列处检测到36所述反射能并将其转换成电信号。可将来自超声传感器阵列中的像素的经转换电信号发送到带通滤波器37，所述带通滤波器根据频率内容分离信号的分量。可使用快速傅立叶处理替代离散带通滤波器来实现分量的分离。来自滤波过程的所得输出可用于构造38多个超声图像信息集，每一超声图像信息集代表不同频率下的目标对象。多个信息集可经组合39以产生多频谱图像信息集。

图4为说明利用具有任选加权的逐像素算术平均的多频谱超声成像的方法的流程图。可以多个超声频率(“扫描频率”)扫描指纹。每一扫描频率可提供描述成像对象(例如指纹)的图像信息集。信息集可由扫描值数据构成，且信息集中的每一基准可指示像素的信号强度。每一像素的信号强度指示从手指提供于其上的压板的表面反射到所述像素的能量的量。以多个频率进行扫描产生关于像素中的每一者的多个数据。对应于扫描频率中的每一者的扫描值数据可经数学组合以产生每一像素的组合值。每一像素的组合值可与灰度值相关，以便提供每一像素的灰度值。那些灰度值可共同提供以表示指纹。

数学组合像素的图像信息集可包含：将所述像素的像素输出值相加以产生一和，及使所述和除以扫描频率的数目以产生关于像素中的每一者的平均值。此平均值可用于使用具有任选加权的逐像素求平均来从所获取图像信息集81、83、85计算87组合图像信息集。

可通过不同信息集的启发式求和、求平均、比较或选择来执行组合离散共同注册信息集的过程。组合信息集的过程可使用概率性组合系统，例如奈曼皮尔逊多模融合系统(举例来说，参见美国专利第7,287,013号)。启发式系统可在计算上较不复杂，但奈曼皮尔逊多模融合系统可能以额外复杂性为代价产生较准确输出。

数学组合扫描值数据可包含：针对每一扫描频率，识别权重因数，及使每一扫描值基准乘以对应权重因数以产生扫描值乘积。可将扫描值乘积相加以产生一和，及可使所述和除以扫描频率的数目以产生针对像素中的每一者的平均值。此平均值可用作上文所提及的组合值。可使用以下方程式计算权重因数：

w(f_i)＝(e^(avgi*fi)–e^(avgi*fmax))/(e^(avgi*fmin)–e^(avgi*fmax))

其中

w(f_i)为第i个扫描频率的权重因数；

avg_i为第i个扫描频率及下一较低扫描频率下的扫描值数据的平均值；

f_min为最低扫描频率；且

f_max为最高扫描频率。

数学组合扫描值数据的另一方法可包含：从信息集中的扫描值数据形成扫描频率中的每一者的协方差矩阵，及数学组合所述协方差矩阵以提供具有每一像素的组合值的组合矩阵。为组合协方差矩阵，协方差矩阵中的每一者中的对应项可经插值以提供组合协方差矩阵，其中的项为经插值的值。

可对协方差矩阵中的一或多者加权重。如果期望特定扫描频率的权重，那么可识别用于对应协方差矩阵的权重因数，且可在数学组合协方差矩阵之前使对应协方差矩阵中的每一项乘以权重因数。可使用以下方程式计算权重因数：

w(f_i)＝(e^(avgi*fi)–e^(avgi*fmax))/(e^(avgi*fmin)–e^(avgi*fmax))

其中

w(f_i)为第i个扫描频率的权重因数；

avg_i为第i个扫描频率与下一扫描频率下的扫描值数据的平均值；

f_min为最低扫描频率；且

f_max为最高扫描频率。

可通过在多个测试频率下部存在任何手指的情况下进行扫描并识别峰值测试频率来选择扫描频率。峰值测试频率为紧接较低测试频率及紧接较高测试频率较之所述峰值测试频率返回较少能量的测试频率。已识别峰值测试频率的数目，可选择将用于评估指纹的那些峰值测试频率。所选择的那些峰值测试频率可具有比大部分其它峰值测试频率高的返回能量。也就是说，如果将使用三个(或某一其它数目)峰值频率的信息集来评估指纹，那么可选择峰值测试频率中的三个(或某一其它数目个)来作为扫描频率。在一些实施方案中，扫描频率的范围可从小于8MHz到超过12MHz不等。在一些实施方案中，扫描频率的范围可从小于5MHz到超过25MHz不等。在一些实施方案中，扫描频率的范围可从小于1MHz到超过100MHz不等。其它范围也是可能的。选择范围内的扫描频率的数目可从低达两个到五十个或五十个以上不等。扫描频率之间的分离也可变化，如下文更详细描述。超频谱超声成像包含通常在不同频率或波长范围内的大数目个扫描中在多个频率下成像。超频谱超声成像被视为多频谱成像的扩展。

替代地，可基于信息集质量来选择扫描频率。举例来说，针对峰值测试频率中的每一者，可评估信息集质量，且可选择具有最佳信息集质量的那些峰值测试频率。举例来说，如果将选择峰值测试频率中的三个(或某一其它数目个)作为扫描频率，那么可选择三个(或某一其它数目个)具有优于其它峰值测试频率的质量的峰值测试频率且将其用作扫描频率。可以各种方式评估特定频率下的图像信息集的质量。举例来说，可通过评估指纹图像的凸起纹及凹陷纹之间的图像对比度比率来确定信息集的质量。具有较高质量的信息集可具有较高对比度比率。另一质量度量可与模糊性有关，即，在凸起纹与凹陷纹之间具有清晰轮廓的图像可具有高于具有模糊边缘的图像的指令。可在整个图像或所述图像内的所选择区域上确定图像信息集的质量。举例来说，可在手指的轮廓内评估图像质量，避免无手指的区域。信息集质量可受所成像对象的影响。举例来说，可以某些凸起纹到凸起纹分隔距离发生衍射效应，所述凸起纹到凸起纹分隔距离与个人的年龄、手指大小或手指内的涡及凸起纹的图案有关。衍射效应可随扫描频率而改变。在多频谱超声成像中使用多个扫描频率可缓和衍射的效应中的一些，举例来说，通过选择性组合在不同频率下产生的图像信息集。

在一些实施方案中，选择初始扫描频率(举例来说，具有最高平均振幅或最佳质量的峰值测试频率)作为扫描频率中的一者，且接着通过将预定偏移加入到初始所选择扫描频率及/或将预定偏移从初始所选择扫描频率减去来选择额外扫描频率。举例来说，如果初始所选择扫描频率具有频率X且预定偏移为Y，那么扫描频率中的第二者可为X+Y且扫描频率中的第三者可为X-Y。

替代地，可通过(例如)选择具有最高平均值或最佳质量的峰值测试频率，且接着识别包含初始所选择扫描频率的范围来选择初始扫描频率。可从在包含峰值测试频率的范围内的频率选择额外扫描频率。在一些实施方案中，可将额外扫描频率识别为是初始所选择扫描频率的谐波的那些频率，例如所选择扫描频率中的整数倍数。

在一些实施例中，一旦已形成多个信息集，信息集还可用于确定指纹是否由生命提供。在用于确定活性的方法中，每一指纹像素的归一化多频响应可形成为矢量。可选择信息集中的第一者(“FoIS”)，可识别FoIS中对应于凸起纹的像素(“凸起纹像素”)，且可识别FoIS中对应于凹陷纹的像素(“凹陷纹像素”)。矢量可群集在一起以形成凹陷纹像素群集。针对其它信息集中的每一者，可针对凸起纹像素计算信号强度直方图分布信息(“SSHDI”)，且可针对凹陷纹像素计算SSHDI。可识别凸起纹像素SSHDI的特征值，且可识别凹陷纹像素SSHDI的特征值。在一些实施例中，可识别凸起纹像素频率响应强度直方图分布信息(FSHDI)的特征值，可识别凹陷纹像素FSHDI的特征值。上文所提及的特征值可为(a)FSHDI或SSHDI中最通常出现的信号强度，(b)FSHDI或SSHDI中出现的中位信号强度，(c)FSHDI或SSHDI的统计能量，(d)FSHDI或SSHDI的统计熵，或(e)FSHDI或SSHDI的统计方差。

针对那些其它信息集中的每一者，可确定凸起纹像素特征值与凹陷纹像素特征值之间的差以便获得分离值。接着可进行关于分离值中的任何者是否识别先前识别为对应于生命的空间位置的确定。

图42展示借助多频谱/超频谱成像的活性检测的一个实例为多频凸起纹-凹陷纹分离。在一些实施例中，所扫描的目标对象(例如，手指)在所述过程期间可不移动。在多频凸起纹-凹陷纹分离的一个实施例中，计算凸起纹-凹陷纹分离。在最优频率420(选自其它频率421下的扫描)下捕获的指纹图像以提取422指纹关注区域(ROI)。提取422ROI，且可对一或多个所提取ROI执行二进制化。ROI的二进制化可提取423凸起纹及凹陷纹图。在最优频率420下提取423的ROI及凸起纹-凹陷纹图可应用于所有其它频率421的扫描。针对每一频率421下的扫描，可单独地计算424凸起纹及凹陷纹像素的直方图。可从凸起纹及凹陷纹直方图提取425特征，例如凸起纹-凹陷纹直方图的峰值的柄值(bin value)、凸起纹-凹陷纹像素的中值或凸起纹-凹陷纹直方图的能量、熵或方差。可将凹陷纹特征值从凸起纹特征值减去以获得给定频率下的凸起纹-凹陷纹分离。举例来说，峰值柄值可用作从直方图提取的特征，且可在多个频率范围内展示凸起纹-凹陷纹分离曲线426(通常，参见图33到36)。不同材料具有不同声阻抗且因此导致不同凸起纹-凹陷纹分离曲线426。因此，凸起纹-凹陷纹分离曲线426可用于确定目标对象的活性。

图5说明描绘用于产生对应于目标对象的超声图像信息集的超声传感器系统的框图。传感器系统可包括用于产生超声波的超声发射器55。所述系统可进一步包括能够形成电发射器激励信号以致使发射器55提供所要频率下的多个波的信号产生器57。所述系统可进一步包括用于放大来自信号产生器57的电信号且用于驱动超声发射器55的放大器56。所述系统可进一步包括能够检测所反射的超声能且提供对应于所检测到能量的像素输出信号的超声传感器阵列51。所述系统可进一步包括用于控制超声传感器阵列51且用于从传感器阵列51接收像素输出信号的传感器控制器53。所述系统可进一步包括用于形成图像信息集的电子子系统54(例如，应用处理器)，每一图像信息集对应于不同频率，且接着将图像信息集组合成组合图像信息集。所述系统可进一步包括用于将所接收信号分成其频率分量的带通滤波器52。

示范性实施例

图6为展示用于产生与超声传感器阵列62的外表面接触的对象61的超声图像信息集的系统的配置的图。在此配置中，传感器堆栈62具有夹在超声发射器(Tx 65，在底部)与接收器(Rx 64，在上部)之间的TFT衬底63。TFT衬底63具有TFT电路，所述TFT电路包含安置在上表面上的像素电路及安置在像素电路上的压电层。发射器65可包含压电层及安置在压电层的每一侧上的一或多个电极。顶表面(未展示)可涂布有可用作压板的保护膜(即，聚对二甲苯、丙烯酸、硬涂层、类金刚石涂层(DLC)、阻抗匹配层或其它适合涂层)。控制器66可将发射器激励信号提供到与超声发射器63相关联的电极。控制器66可将各种控制信号发送到TFT像素电路以用于控制从传感器阵列62的上表面获取经反射超声信号及用于从传感器像素提取像素输出信号。传感器阵列62及控制器66可与一或多个处理器67(例如可用于处理来自传感器阵列62的像素输出信号的移动装置中的应用处理器)进行通信。替代地，包含形成于其上的薄膜晶体管及相关联电路(如贯穿本发明所描述)的TFT衬底可替换为基于硅的超声传感器阵列，例如其中晶体管及相关联电路形成于硅衬底中及其上而非玻璃或塑料TFT衬底上的CMOS传感器阵列。

图7描绘展示用于产生与定位于超声传感器阵列73上的压板72的外表面接触的对象71的超声图像信息集的系统70的另一配置的图。在此配置中，传感器阵列73具有夹在超声发射器(Tx 76，在底部)与接收器(Rx 75，在顶部)之间的TFT衬底74，及位于顶表面上的覆盖材料(即，玻璃或塑料)，其可用作覆盖玻璃或压板72。在一些实施方案中，压板72可包含一层聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)或其它聚合物材料。在一些实施方案中，压板72层可由蓝宝石、碱性铝硅酸盐薄板玻璃、铝、不锈钢、金属合金，聚碳酸酯、聚合材料、金属填充塑料或其它适合压板材料。在一些实施方案中，压板72可包含位于压板72的一侧或两侧上的一或多个涂层或声阻抗匹配层。控制器77可将发射器激励信号提供到与超声发射器76相关联的电极。控制器77可将各种控制信号发送到TFT像素电路用于控制从传感器阵列73的上表面获取经反射超声信号及用于从传感器像素提像素输出信号。传感器阵列73及控制器77可与一或多个处理器78(例如可用于处理来自传感器阵列73的像素输出信号的移动装置中的应用处理器)进行通信。

在第一配置(图6)及第二配置(图7)中，控制器66、77可产生具有不同频率或线性调频脉冲序列的信号以用于激励发射器65、76并捕获像素输出数据。任选地，处理器67、78可经提供用于进一步处理。在一些实施方案中，处理器67、78可指示控制器66、77来激励发射器65、76。在一些实施方案中，处理器67、78可被提供在移动平台(例如，移动电话、平板计算机、膝上型计算机或便携式医疗装置)上。在一些实施方案中，移动装置中的一或多个处理器67、78(例如应用处理器)可用于处理来自传感器阵列62、73的数据及图像信息集并提供关于其它功能(例如解锁电话或鉴别用户)的输出。

举例来说，预期本文中的教示可实施于各种电子装置或与其相关联，例如但不限于以下各项：移动装置、显示装置、电话、具有多媒体因特网能力的蜂窝式电话、移动电视接收器、无线装置、智能电话、蓝牙装置、个人数据助理(PDA)、无线电子邮件接收器、手持式或便携式计算机、上网本、笔记本、智能本、压板、打印机、复印机、扫描器、传真装置、GPS接收器/导航器、摄像机、MP3播放器、便携式摄像机、游戏控制台、医疗装置、可佩戴电子装置、移动健康装置、腕表、时钟、计算器、电视监视器、扁平面板显示器、电子阅读装置(例如，电子阅读器)、计算机监视器、汽车显示器(例如，里程表显示器等)、驾驶舱控制及/或显示器、摄像机视图显示器(例如，车辆中的后视摄像机的显示器)或自动柜员机。

图8A及8B说明用于多频谱超声成像的操作的方法。图8A及8B描绘依序应用于发射器的针对一组两个或两个以上激励频率的发射器及接收器信号，其中针对每一所应用频率获取图像信息集。可将一组两个或两个以上激励频率依序应用于发射器(在图8A中为f₁且在图8B中为f_n)，其中针对每一所应用扫描频率获取信息集。可将在预定扫描频率下的激励信号的一或多个循环应用于发射器(Tx)，如在每一图的顶部部分中所展示。此处展示两个循环。在出射超声波的发射期间，到接收器偏压电极的控制信号可被设定成块模式。在采样模式期间，当到接收器偏压电极的控制信号达到样本值时，可捕获经反射超声信号。为防止检测不想要的内部反射，可使接收器偏压电极返回到块模式达短时间周期。在保持模式期间，可计时输出存储在超声传感器阵列的每一传感器像素中的信号。在如图8A中所展示的第一应用激励频率的情况下可获得超声图像信息集，且在如图8B中所展示的第二(更高)应用激励频率的情况下可获得第二超声图像信息集。

另一此类方法在图9A中加以展示，其中将针对一组两个或两个以上激励频率的发射器及接收器信号依序应用到发射器。图9A描绘依序应用于发射器的针对一组两个或两个以上激励频率的发射器及接收器信号，其中针对所述组激励频率获取图像信息集。在此方法中，形成为像素电路的一部分的峰值检测器可用于在采样模式期间当在单个采样窗口内检测到来自各种扫描频率的经反射超声信号时获取峰值信号振幅。图9B描绘针对以第一频率开始且以第二频率结束的线性调频脉冲发射器激励序列(向上线性调频脉冲或向下线性调频脉冲)的发射器及接收器信号(展示向上线性调频脉冲序列)在此方法中，形成为像素电路的一部分的峰值检测器可用于在采样模式期间当在单个采样窗口内检测到来自应用于超声发射器的线性调频脉冲激励信号的经反射超声信号时获取峰值信号振幅。

本发明的一个实例可使用离散频率来利用组合方法。图4为说明利用具有任选加权的逐像素算术平均的一种此类方法的流程图。此方法涉及使用逐像素平均来计算87关于来自所获取81、83、85信息集(每一信息集是从不同频率导出)的每一像素的组合值。使用此方法，具有借助超声传感器阵列在框81、83及85中获取具有相应频率分量的超声信息集。针对这些所获取信息集中的每一者，可在具有坐标(x,y)的每一图像像素处将像素输出信号或值数字化，其中x为传感器阵列的水平维度且y为垂直维度。可跨越所有经选择信息集对每一位置(x,y)处的像素的数字化值求和。基于频率分量，可使这些像素值乘以预先指派权重。可使针对所有经选择信息集的每一x,y位置处的像素的此和除以所获取信息集的数目。可针对像素位置中的一些或全部重复所述操作。所得数据可称作组合表示或组合图像信息集。

图10描绘两个或两个以上超声图像信息集的逐点算术平均。在图10中，可将来自不同频率的信息集的多个经选择像素的每一像素的量级一起相加且任选地归一化以形成组合表示或图像信息集。使用具有加权平均的逐点算术平均，可使相同像素的来自不同频率下的信息集的量级乘以其相应频率相依权重，一起相加，及任选地归一化以形成组合表示或图像信息集。

本发明的一个实例可利用具有任选加权的基于协方差的插值。图11为说明用于使用两个或两个以上协方差矩阵来产生组合图像信息集的方法的流程图。在此方法中，可以第一扫描频率获取101第一所接收图像。可获取103在不同于第一扫描频率的第二扫描频率下的第二所接收图像。还可获取105针对其它扫描频率的额外图像。使用在坐标(x,y)(其中x为图像的水平维度且y为垂直维度)处的图像像素，可计算107具有对应于所获取图像的水平及垂直大小的第一图像协方差矩阵。可依据第二图像计算109第二协方差矩阵。可依据额外所获取图像计算111额外协方差矩阵。可从在不同频率下获取的图像产生协方差矩阵，且那些矩阵可使用插值(例如，线性、立方、双立方或样条)组合113且任选地归一化以形成组合表示。

图12描绘用于使用基于协方差的插值来产生组合图像信息集的方法。可用任选加权使用插值(例如，线性、立方、双立方或样条)来组合在其相应激励频率下的每一所获取图像的协方差矩阵。可跨越所有所获取信息集使用每一坐标(x,y)处的相应元素来对相同位置处的每一协方差矩阵元素进行插值。可基于激励频率使这些相应元素值乘以指派权重。可针对一些或全部像素位置重复乘法139运算以形成组合(所得)图像。信息集数据a_i块可表示为aⁱ＝F*a^o+n，其中F为已知N×N矩阵，a^o为表示原始信息集的块(例如，行或列)的待估计像素值的N×1矢量，且n为可具有零平均值的N×1噪声矢量。所估计的信息集数据的块可计算为a^e＝(F^T C^-1F)^-1F^T C^-1aⁱ。关于初始图像数据a^o块的协方差矩阵C可表达为

$C=\begin{array}{cccc}{C}_{f1}{C}_{f1}& C_{f1}{C}_{f2}& ...& C_{f1}{C}_{fn}\\ C_{f2}{C}_{f1}& C_{f2}{C}_{f2}& ...& C_{f2}{C}_{fn}\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ C_{fn}{C}_{f1}& C_{fn}{C}_{f2}& ...& C_{fn}{C}_{fn}\end{array}$

在估计原始信息集中的块的统计量之后，可使用插值来估计以信息集中的每一像素为中心的统计量。在计算以每一像素为中心的统计量之后，可计算针对所述像素的所估计图像数据。举例来说，可使每一组合值与灰度值相关140。可通过组合来自所估计图像数据的每一块的结果来获得所估计图像数据。可通过组合来自每一初始图像数据集(例如，来自各种激励频率)的所估计图像数据的结果来获得组合表示。举例来说，可提供141灰度值作为指纹的表示。

一些实施方案可利用用于基于发射频率产生权重的方法。用于超声发射的频率通常在传感器堆栈中所使用的材料中具有以指数方式变化的衰减。用以针对多频超声成像产生权重的一种方法为使各种频率与以指数方式导出的权重因数有关。针对使用各种激励频率产生的n数目个信息集，可存在n-1个连续权重。所述信息集可以其激励频率的递减次序布置，且具有最高频率的图像以第一权重(例如，一)加权，且针对第二高频率的信息集以第二以指数方式导出的权重加权，等等。

可使用空间配准(Spatial registration)来从使用各种激励频率获得的图像信息集获得组合表示(即，组合图像信息集)。其可涉及使用例如逐块变形的技术来使来自每一图像的特征重新对准。替代地，可使用运动校正技术来获得空间配准。可使用例如归一化互相关、均方误差、绝对差求和或互信息的方法来组合来自不同激励频率的两个或两个以上图像。可使用重新定大小、旋转、最近邻、线性、立方或样条技术来组合两个或两个以上图像信息集来获得组合图像信息集。用以获得组合信息集的其它方法可包含边缘检测或基于梯度的方法。

基于超声传感器阵列的频率响应(其部分地基于在评估、布建或校准程序期间的传感器堆栈的组件及布置)，可选择用于多频谱超声成像的频率。可使用两个或两个以上频率。在一些实施方案中，系统可经校准或自校准以确定用于成像的优选频率集。

图13为描绘与本发明一致地提供目标值的表示的一或多种方法的流程图。一种方法可包含：选择131具有高于其它测试频率的返回能量的峰值测试频率。方法可包含：评估132峰值测试频率的图像质量及基于具有高图像质量的峰值频率选择133扫描频率。可通过将预定偏移应用于所选择133频率来识别134其它扫描频率。所述方法可进一步包含：通过识别所选择133扫描频率的谐波来识别135其它扫描频率。图13中所展示方法可进一步包括：在多个扫描频率下扫描136指纹。可来自扫描136的扫描值数据可经数学组合以对应于扫描频率中的每一者。在一些实施方案中，可识别138用于扫描值数据的权重因数。可使协方差矩阵中的每一项乘以139对应权重因数。可使每一组合值与灰度值相关140。在一些实施方案中，可使每一组合值相关而无需识别权重因数或使协方差矩阵中的每一项乘以权重因数。可提供141灰度值作为指纹或其它目标对象(例如触笔)的表示。

图14中展示超声传感器阵列的频率响应的实例，其中多个峰值(标记为f_r1、f_r2、…f_r5的局部共振)及凹陷纹可见。

可通过使频率变化(例如，从大约1MHz到大约25MHz)来实施校准超声传感器系统以便致使超声发射器发射超声波以便确定系统响应。可在发射器激励的情况下且接着在无发射器激励的情况下操作系统，且将在发射器激励关断情况下的背景信息集从在发射器激励接通情况下的图像信息集减去以确定系统响应。可(例如)在逐像素基础上或依据超声传感器阵列中的一些或全部像素是平均数(平均值)来进行图像信息集获取。

图14A到F中展示六个曲线图，每一曲线图指示可如何选择操作频率。在左上曲线图(图14A)中，选择在f_r2处具有最高振幅响应的频率。在左下曲线图(图14B)中，选择具有两个最高振幅响应(f_r2及f_r3)的频率。在上部中间曲线图(图14C)中，选择具有五个最高振幅响应(f_r1到f_r5)的频率。在下部中间曲线图(图14D)中，选择具有最佳响应质量(对应于f_r3到f_r4)的频率。在右上曲线图(图14E)中，选择优选操作频率(f_r2)的频率，且选择低于或高于优选操作频率的一或多个频率(例如，以相等步长进行选择)。在右下曲线图(图14F)中，选择一或多个优选操作频率(例如，f_r3)，且选择低于(包含)及高于优选操作频率的频率范围。在一些实施方案中，所选择频率可在其间具有相等间隔。

图15A-B展示对应于额外激励频率选择的曲线图。在上图(图15A)中，选择一或多个频率用于发射器激励，且在激励频率的一或多个谐波下获取信息集(例如，在初始所选择频率的整数倍数下，其可在频率响应中的特定峰值或可不在频率响应中的特定峰值，例如所展示的5、10、15及20MHz)。在下图(图15B)中，选择具有基本上最高振幅响应或响应质量的频率(例如，f_r2)用于发射器激励，且在所述激励频率的一或多个谐波下获取图像。

声音在一些材料中与稀疏相相比在波的压缩相期间可行进较快，从而导致声波的非线性传播。声音在介质中行进的此非线性可以激励频率的各种谐波产生接收信号。替代地，超声波的非线性可在使用一个以上激励频率(例如载波频率及经频率调制部分)时作为频率和或差产生响应。作为接收信号产生的谐波在近场中较不太显性，但仍可存在且可检测。在多频谱成像期间，可通过超声传感器阵列接收各种谐波。在其中超声波沿垂直于超声发射器的表面的方向传播的厚度模式中，传感器堆栈可以基本频率及相关联奇数谐波共振。可发射在基本频率或在覆盖基本频率的频带中产生的线性调频脉冲发射序列下或接近其的激励频率来引起共振及相关联泛音。由所应用频率的谐波分量形成的信息集可用作逐像素求平均或基于协方差的插值方法的输入用于产生组合表示或图像信息集。这些方法可增加超声成像系统的分辨率及对比度，这是因为可在信号处理期间过滤掉基本频率。

系统可经校准或自校准以确定用于捕获目标对象的表示的优选频率。图16A到B描绘说明校准方法的曲线图。在第一方法(图16A)中，可选择较低扫描频率“1”(例如，1MHz)及较高扫描频率“2”(例如，24MHz)且在较低扫描频率与较高扫描频率之间进行扫描以确定系统响应及共振峰值。在此实例中，频率“3”(f_r2)具有最大响应且可经选择用于操作。在第二方法(图16B)中，可将测试目标放置在传感器压板上，所述目标含有表示指纹凸起纹与凹陷纹之间的各种间隔的突出及凹处。可进行扫描且可选择具有最佳图像质量的频率“3”用于操作(此可处于除峰值频率外的频率)。可通过在温度范围内进行温度测试及校准或通过基于局部温度测量来建模超声传感器的典型温度响应并修改所应用激励频率来确定针对各种校准方法在温度改变的情况下的所选择频率的移位。

图17A到B描绘说明校准的额外方法的曲线图。在第三方法(图17A)中，可选择较低扫描频率“1”(例如，1MHz)及较高扫描频率“2”(例如，24MHz)且用测试目标在较低扫描频率与较高扫描频率之间进行扫描以确定系统响应及共振峰值。可确定在类皮肤测试目标应用于传感器压板(表示指纹凸起纹)的情况下表示最低输出信号的第一频率“3”，且可确定在空气(表示指纹凹陷纹)的情况下表示最高输出信号的第二频率“4”。注意，在空气情况下的最高输出信号及在类皮肤测试目标情况下的最低输出信号可并不始终与最高及最低系统峰值一起发生。在此实例中，可选择两个经确定频率3及4用于操作。可包含在温度改变的情况下的频率3及4的移位。在第四方法(图17B)中，可选择较低扫描频率“1”(例如，1MHz)及较高扫描频率“2”(例如，24MHz)且用测试目标在较低扫描频率与较高扫描频率之间进行扫描以确定系统响应及共振峰值。可(例如)基于在类皮肤测试目标应用于传感器压板的情况下的低输出信号来确定第一频率“3”，可(例如)基于在空气抵靠压板的情况下的高输出信号来确定第二频率“4”，且可确定(例如，基于所允许的系统频率增量)在3与4之间的中间频率“5”的数目。接着可选择频带中的两个经确定频率3及4连同中间频率5以用于操作。可包含在温度改变情况下的频率的移位。在一些实施方案中，可包含第二扫描频率带。可以类似方式确定第二扫描频率带，但侧重于不同于第一扫描频率的频率范围。

图18为说明借助线性调频脉冲激励的多频谱超声成像的一种方法的流程图。具体来说，图18展示单个信息集线性调频脉冲激励的方法。在此方法中，仅获取单个信息集。所述方法基于峰值检测器与像素电路一起工作且使用发射器激励的开始与采样模式的开始之间的控制距离门时间延迟，其可经调整以在所要时间接收反射信号。可产生线性调频脉冲序列以产生单个信息集，允许较高帧速率。在一个实施例中，确定181线性调频脉冲序列。将所述线性调频脉冲序列应用183于发射器。接收器在来自经线性调频脉冲发射器激励捕获185峰值信号。接着，例如，通过操纵所捕获185峰值信号的处理器来获取187经线性调频脉冲图像。

图19为说明用于借助逐像素算术平均(及任选加权)的多图像线性调频脉冲激励的方法的流程图。在一个实施例中，例如，通过处理器或通过先前配置，确定191线性调频脉冲序列。使用第一线性调频脉冲序列获取192第一图像。接着使用第二线性调频脉冲序列获取193第二图像。可针对各种其它线性调频脉冲序列获取194额外图像。可依据第一图像计算195第一协方差矩阵。可依据第二图像计算196第二协方差矩阵。可依据任何额外所获取194图像计算197额外斜方差矩阵。举例来说，可通过使用插值(例如，线性、立方、双立方或样条插值)来组合198协方差矩阵以形成组合图像可对协方差矩阵的组合198进行加权。

图20描绘有助于说明线性调频脉冲序列确定的两个曲线图。图20的上方曲线图展示以第一频率开始且以第二频率结束的线性线性调频脉冲。图20的下方曲线图展示以第一频率开始且以第二频率结束的指数线性调频脉冲。可在任一扫描期间(例如，在由箭头指示的频率下)获取一或多个信息集。举例来说，线性调频脉冲序列可为线性、平方、指数、对数或包括个别频率。线性调频脉冲通常具有开始频率及结束频率；一些线性调频脉冲可以低频率开始且以高频率结束，而其它线性调频脉冲可以高频率开始且以低频率结束。开始及结束线性调频脉冲频率可为处于峰值振幅的频率，处于第二峰值振幅的频率、处于或接近峰值频率的频率或超声传感器的其它频率。

可使用的数个不同类型的线性调频脉冲序列为：1)具有扩展频率分量范围的经扩展线性调频脉冲；2)具有在接收器阵列的最高峰值频率与第二最高峰值频率之间扩展的频率的峰间(peak-to-peak)线性调频脉冲；3)具有在系统峰值中的一者周围的频率的接近线性调频脉冲；及4)具有扩展穿过超声传感器阵列的一或多个峰值的两个或两个以上频率带的间隔线性调频脉冲。可基于系统响应的最高峰值来选择线性调频脉冲序列可基于自其获得的图像来选择线性调频脉冲序列，其中从对图像质量或其它度量的评估确定线性调频脉冲序列。可连续应用(例如，重复)一或多个线性调频脉冲。可使用具有覆盖最大接收器频率响应的多频率内容的线性调频脉冲序列来获取单个信息集。可使用一或多个线性调频脉冲序列及所组合的信息集来获取多个信息集。可使用这些线性调频脉冲序列来校准超声传感器。

图21A到B描绘说明各种线性调频脉冲序列的曲线图。在第一方法(经扩展线性调频脉冲—参见图21A)中，选择较低线性调频脉冲频率“1”(例如，5MHz)及较高线性调频脉冲频率“2”(例如，20MHz)，且在较低线性调频脉冲频率与较高线性调频脉冲频率之间进行线性调频脉冲。在一些实施方案中，可基于系统的频率响应的测量来确定较低线性调频脉冲频率及较高线性调频脉冲频率。在一些实施方案中，可基于类似构造的传感器阵列的测试来选择较低及较高线性调频脉冲频率。可在已完成线性调频脉冲之后获取信息集。替代地，可在线性调频脉冲期间获取一或多个信息集。在第二方法(峰间线性调频脉冲—参见图21B)中，在系统的共振峰值下或接近其选择较低线性调频脉冲频率“1”(例如，～1MHz)及较高线性调频脉冲频率“2”(例如，～9.5MHz)，且在较低线性调频脉冲频率与较高线性调频脉冲频率之间进行线性调频脉冲。可在已完成线性调频脉冲之后获取信息集。替代地，可在线性调频脉冲期间获取一或多个信息集。

线性线性调频脉冲信号具有随时间线性改变的频率，举例来说，

针对0<时间<T，其中f_o为开始频率，B为频率带宽，且T为线性调频脉冲的时间持续时间。

图22A到B描绘说明其它各种线性调频脉冲序列的曲线图。在第三方法(接近线性调频脉冲—参见图22A)中，选择较低线性调频脉冲频率“1”(例如，4MHz)及较高线性调频脉冲频率“2”(例如，6MHz)，其覆盖系统峰值，且在较低线性调频脉冲频率与较高线性调频脉冲频率之间进行扫描。在已完成线性调频脉冲之后，可获取信息集。替代地，可在线性调频脉冲期间获取一或多个信息集。在第四方法(间隔线性调频脉冲—参见图22B)中，在第一共振峰值周围选择较低线性调频脉冲频率“1”(例如，4MHz)及较高线性调频脉冲频率“2”(例如，6MHz)，且在第二共振峰值周围选择第二较低线性调频脉冲频率“3”(例如，15MHz)及第二较高线性调频脉冲频率“4”(例如，17MHz)。可在第一范围(1到2)的较低线性调频脉冲频率与较高线性调频脉冲频率之间进行扫描，后续接着在第二范围(3到4)的较低线性调频脉冲频率与较高线性调频脉冲频率之间进行扫描。可在已完成线性调频脉冲之后获取信息集。替代地，可在线性调频脉冲期间获取一或多个信息集。

可在超声系统中使用峰值振幅响应周围的线性频率来产生经线性调频脉冲编码的发射器信号。宽带脉冲及线性调频脉冲脉冲可双方具有相同峰值振幅，但线性调频脉冲脉冲可由于其增加长度而具有更多脉冲能。一般而言，发射信号能越多，反射信号越大。线性调频脉冲脉冲可是在脉冲期间用变化的振幅及频率形成。较短线性调频脉冲脉冲可允许较快传感器帧速率。线性调频脉冲脉冲可使用单个发射脉冲，以便减轻可从多脉冲、多频率方案的发射脉冲之间的目标对象的运动发生运动伪影。

图23A及23B描绘说明经线性调频脉冲编码发射器信号的FFT的曲线图。图23A展示经线性调频脉冲编码的“扩展线性调频脉冲”发射器信号的FFT，其中线性频带从5MHz到20MHz。图23B展示经线性调频脉冲编码“峰间线性调频脉冲”发射器信号的FFT，其中线性频带从7.5MHz到12.5MHz。

图24A及24B描绘展示经线性调频脉冲编码发射器信号的FFT的曲线图。图24A展示经线性调频脉冲编码“接近线性调频脉冲”发射器信号的FFT，其中线性频带从7MHz到8.5MHz。图24B展示经线性调频脉冲编码“间隔线性调频脉冲”发射器信号的FFT，其中线性频带从7.5MHz到8.5MHz且11MHz到12.5MHz。

图25为描绘超声传感器阵列的图。传感器阵列243可包含TFT衬底241及接收器247。传感器阵列243可与例如玻璃盖或LCD显示器的显示器/盖242物理连通。接收器247可包括一或多个接收器偏压245及一或多个接收器电极246。传感器阵列243还可经布置成与发射器250有关。发射器250可包括多个发射电极248及249。传感器阵列243可具有大约50μm的像素间距。传感器阵列243的大小范围可从大致15mm×6mm到完全显示器大小。其它大小可包含11mm×11mm及1英寸×1英寸大小。传感器阵列243可具有低轮廓(大致1mm)。传感器阵列243可具有高操作频率(5到25MHz)。传感器阵列243可位于指纹扫描装置的外围，在显示器242的部分的后面，在整个显示器的后面，或在装置外壳中的其它地方。

图26描绘与本发明一致的超声指纹传感器的一些可能配置。传感器可具有用于显示器及指纹传感器的单独或共同TFT衬底。可在传感器的元件之间共享共用盖玻璃或触摸屏。超声指纹传感器阵列(及任选涂层或覆盖层)可定位于移动装置外壳的边框、边侧或背部上。传感器可放置在按钮(机械或非机械；鉴别或非鉴别)上面或定位成其一部分。举例来说，指纹传感器264可在显示器(包括显示器滤色器玻璃262及显示器TFT衬底263)的外围。在此实例中，指纹传感器264被设置于显示器盖玻璃261下方。在另一实例中，指纹传感器264可被设置成与显示器分离且涂布有覆盖层以保护传感器264。在另一实例中，指纹传感器264可被设置在显示器(包括显示器滤色器玻璃262及显示器TFT衬底263)下方(或后面)。在另一实例中，可将指纹传感器264集成在显示器TFT衬底263内。

图27描绘一种此类超声传感器系统的框图。图27的超声传感器系统包括具有超声传感器像素电路阵列272的超声发射器271。超声发射器271与发射器驱动器276电子通信(例如，通过一或多个电子连接)。举例来说，发射器驱动器276可具有与超声发射器271电子通信的正极性信号及负极性信号。发射器驱动器276可与传感器控制器278的控制单元279电子通信。控制单元279可将发射器激励信号提供到发射器驱动器276。控制单元还可通过电平选择输入总线与接收器偏压驱动器274电子通信。接收器偏压驱动器274可将接收器偏压电压提供到安置在压电接收器层的表面上的接收器偏压电极，所述压电接收器层可附接到超声传感器像素电路阵列272。控制单元279还可与一或多个多路分用器277电子通信。多路分用器277可与多个门驱动器275电子通信。门驱动器275可与超声发射器271中的超声传感器像素电路阵列272电子通信。门驱动器275可定位在超声传感器像素电路阵列272外部或在一些实施方案中被包含在与超声传感器像素电路阵列272相同的衬底上。可在超声传感器像素电路阵列272外部或与其一起被包含的多路分用器277可用于选择特定门驱动器275。超声传感器像素电路阵列272可与一或多个数字化器273电子通信。数字化器273可将来自超声传感器像素电路阵列272的模拟信号转换成适合于传感器控制器278中的数据处理器280的数字信号。传感器控制器280可将数字输出提供到外部系统，例如移动装置的应用处理器。

在以特定频率获取信息集时，所得信息集可反转指纹清晰度(例如，通常在传感器阵列输出图像中显得明亮的凸起纹区域似乎显得暗淡且针对手指凹陷纹区域反之亦然)。这些观察可在5到20MHz操作范围中的数个特定频率下发生，但可相对于先前定义的最优频率在窄范围中具有最大输出。此行为的假设为由于传感器堆栈中的发射及接收信号的共振而形成驻波，此接着在特定频率下相长或相消地干涉以产生此样式。

图28中展示此行为的实例。图28展示在单频脉冲串接通及关断条件之间的阵列的输出的差异的频率响应。指纹图像在获得其的频率下重叠，且由粗黑框标记的图像似乎反转。通常，峰值响应被确定为产生最大信号传送的操作的最优频率(“最优频率”)。重叠标绘图包含在相应频率下取得的指纹图像。用粗黑框画出轮廓的图像强调图像的反转(指纹凸起纹及凹陷纹的灰度值看起来被对换)。还可注意到，此行为在峰值周围更强、更敏感且可观察到。此行为可用于处理信息集且改进输出图像中的整体信噪比。在此提出的方法论中，可在高于及低于先前确定“最优频率”(阵列所读取的单频脉冲串接通及关断信号变化最大的频率)的两到四个频率下同时取得指纹图像。一旦获得信息集，可存在用以改进迥异凸起纹及凹陷纹图案的识别的数种方式中的一者。

图29中说明一个此类实例，其中获取两个图像，一个在最优频率(12.6MHz)下且另一者处于稍微低于导致凸起纹及凹陷纹区域的完全反转的所述频率的频率(10.4MHz)。接着将这些个别图像从其对应背景图像(在无手指的情况下在相同频率条件下取得的图像)减去以获得更佳隔离。作为实例，在归一化后，加入在两个不同频率下捕获的数据，其致使归因于凸起纹及凹陷纹区域的整个信号的增加。可存在可被实施以使得起到作为响应改进分离的相同目的的数个其他图像处理方法。图29展示在两个状况(一者处于单个最优频率且第二者处于两个频率下，其中的一个频率造成图像反转)下获得的信号振幅。直方图强调针对两个状况的典型电压输出分布，其中后者展示显著较高输出分布。

本发明的一个目的为通过采用多频率有关信号反转来使用引起更佳指纹清晰度的特定目标频率。用以增加清晰度的处理方法论可为数个且可基于特定关注点而进行选择。基于取样参数存在数个与图像捕获有关的同类因素。将影响此反转行为的观察的显著参数为取样与突发开始之间的延迟、所使用的超声脉冲的数目及其频率。然而，通过传感器的适合调谐，可调整这些参数(即，脉冲数目、延迟、突发开始及频率)。

举例来说，用以改进识别迥异凸起纹及凹陷纹图案的一个方式涉及以两个迥异频率设置(一者为“正常”，其中凸起纹显得明亮；且另一者为“反转”，其中凸起纹与凹陷纹区域相比显得较暗淡)获得指纹图像。图30描绘样本图像轮廓及直方图，所述直方图展示在通过ADC(模数转换器)的转换后对应于指纹凸起纹及凹陷纹的电压。图30中的直方图及图像标绘图具有相同比例尺以实现容易比较。尽管图30中凸起纹及凹陷纹区域之间的对比度看起来可比较，但对应于频率中的每一者的直方图展示对应于凸起纹及凹陷纹区域的信息集的分布已从一个频率(6.5MHz)改变到另一频率(8.5MHz)。

图31中展示数据分布的进一步检查。图31为展示所选择凸起纹点及凹陷纹点之间的模拟电压比较。此处，针对两个操作频率，追踪对应于手指的凸起纹区域及凹陷纹区域的一群随机选择点。可看到，表示手指的凸起纹的区域展示两个操作频率之间的最大改变，而手指的“凹陷纹”区域保持完全未改变。

通过获得在所选择频率下的量测值，可通过基于图像区域或像素随频率的输出改变来追踪所述图像区域或像素而放大凸起纹区域与凹陷纹区域之间的差异。通过信息集的适合梯度域处理，可识别较易于随频率进行显著输出改变的凸起纹区域以供使用随后阈值进行有效处理。另一潜在优点为所获取图像的SNR(信噪比)的改进。当与单个频率图像获取过程相比，借助两个操作频率之间的最大梯度改变与最小梯度改变进行的区域识别可潜在地改进SNR。

为确定最优操作频率，可通过使用声学性质类似于手指的目标材料(例如，橡胶)来采用标准工厂化校准方法。可进行两组测量，一组目标材料完全覆盖压板(模拟手指)且另一组在压板上无任何目标对象(“空气”测量)。可扫描单频脉冲串信号的频率，且针对两个状况(具有目标及无目标)捕获TFT响应。接着使用两个信号之间的差异来确定其中最佳观察到反转行为的最优点，此是通过空气及目标的差异信号(“空气减去目标”)的负及正最大值得出。图32说明如在空气减去目标电压差对超声信号的频率之间所标绘的负峰值及正峰值。

本发明的另一实施例可与确定指纹活性有关。指纹被证明为用以辨别受试者的身份的有效生物特征。指纹鉴别已被广泛地使用。然而，指纹鉴别易受到电子欺骗的攻击。伪造手指(又称作“电子欺骗”)可由所登记的真实手指的模具制成，且用于错误地获得鉴别。所述模具可是在用户合作或无用户合作的情况下制成。为了防止使用电子欺骗，可尝试进行确定目标对象是否有生命。现有活性测试可分类成两群。一群为基于图像的方法，其依赖于指纹图像中视觉可感知的微妙特征来辨别真实与伪造的手指。此方法需要相当高分辨度(500到1000dpi)以恰当地评估活性。第二群活性测试为基于硬件方法，其除指纹传感器外还需要硬件来捕获活性特征，例如血压、脉搏、传导性等。

本发明的一个实施例并入有通过使用多频超声信息集来测试活性。在最优操作频率下，真实手指及伪造手指块可能看起来相似且在基于图像的活性特征中造成非常微妙的差异。然而，不同材料在不同频率范围内具有不同超声反射比。可使用频率范围内的差异来识别电子欺骗。针对每一像素，可提取活性特征矢量。可使用参考频率响应将所述矢量归一化。接着可处理经归一化频率响应矢量以产生所述材料的多频特征且因此活性的良好指示。图33到36说明活性测试的基于多频方法的结果。

使用基于多频的方法来确定活性的一种方法包括：选择信息集中的第一者(“FoIS”)，信息集群包含通过多频超声传感器捕获的信息集。方法可进一步包括：识别FoIS中对应于指纹的凸起纹的像素(“凸起纹像素”)的步骤。方法可进一步包括：识别FoIS中对应于指纹的凹陷纹的像素(“凹陷纹像素”)的步骤

针对其它信息集中的每一者，方法可进一步包括：计算凸起纹像素的SSHDI或FSHDI及凹陷纹像素的SSHDI或FSHDI。针对这些其它信息集中的每一者，方法可进一步包括：识别凸起纹像素SSHDI或FSHDI的特征值及凹陷纹像素SSHDI或FSHDI的特征值。针对其它信息集中的每一者，方法可进一步包括：确定凸起纹像素特征值与凹陷纹像素特征值之间的差以获得分离值。针对其它信息集中的每一者，方法可进一步包括：确定分离值是否识别先前识别为对应于生命的空间位置。

在一个实施例中，特征值为SSHDI或FSHDI中最通常出现的信号强度。在另一实施例中，特征值为SSHDI或FSHDI中出现的中位信号强度。然而，特征值可为SSHDI或FSHDI的统计能量、统计熵或统计方差。

以下描述与本发明一致的关于使用多个频率及超声波来获得关于例如指纹的目标对象的信息的特定传感器的操作信息。操作信息可包含传感器的材料类型及其它方面。应注意，此特定传感器使用积分仪来检测信号峰值，但可使用其它装置来检测信号峰值。

在此特定传感器中，形成单频脉冲串产生器函数。针对以下方式，f＝频率，n＝脉冲的数目，t＝时间，t₀＝开始时间，且A＝振幅。可通过以下方程式描述单频脉冲串函数产生器：

$\mathrm{\&eta;}(f,n,t,t_0,A):=if\&lsqb;t<t_0,0,if\&lsqb;t>(t_0+\frac{n}{f}),0,A(sin\&lsqb;2\mathrm{\&pi;}f(t-t_0)\&rsqb;)\&rsqb;\&rsqb;$

可通过以下方程式描述所反射的单频脉冲串：

$r\mathrm{\&eta;}(f,n,t,t_0,A):=if\&lsqb;t<t_0,0,if\&lsqb;t>(t_0+\frac{n}{f}),0,A(sin\&lsqb;2\mathrm{\&pi;}f(t-\frac{t_0}{2})\&rsqb;)\&rsqb;\&rsqb;$

PVDF、聚对二甲苯及聚碳酸酯中的声速可分别如下：

$c_{pvdf}:=2200\frac{m}{s},c_{pary}:=2307\frac{m}{s},c_{pcar}:=2241\frac{m}{s}$

此特定传感器中的PVDF、聚对二甲苯及聚碳酸酯的厚度可分别描述如下：

δ_pvdf∶＝28μm，δ_pary∶＝25μm，δ_pcar∶＝254μm

距离门函数可通过以下方程式描述：

RangeGate(t,rgstart,rgstop,X)∶＝if[(t≥rgstart)∧[t≤(rgstop)],X,-X]

单频脉冲串中的指数、时间阵列及脉冲数目可描述如下：

j∶＝0..2000，t_j∶＝jns，n∶＝4

可首先观察压电层及所述压电层的顶部上的聚对二甲苯涂层。以下方程式描述可能观察：

(即，输入接收器堆叠、反射并返回的时间)

以下参数可与此特定传感器相关：

rg_on∶＝150ns，rg_off∶＝600ns(任意距离门开始及距离门结束)

p(f,τ)∶＝η(f,n,τ,0ns,1)(主脉冲)

r(f,τ,δt)∶＝rη(f,n,τ,δt,1)(反射脉冲)

x(f,τ,δt,σ)∶＝p(f,τ)+r(f,τ,δt)-σ

(干扰调制脉冲(在接收器层满足其特有反射的脉冲))

q(f,τ,δt,σ)∶＝if(x(f,τ,δt,σ)<0,0,x(f,τ,δt,σ))

(从脉冲及其反射所得的经整流电信号)

凹陷纹＝1，凸起纹＝0，

(反射率)，其中W_air∶＝0.000412MRayl，W_pvdf

∶＝4.005MRayl，W_pc∶＝2.672MRayl，R(W_air,W_pvdf)

＝0.9997943，R(W_pvdf,W_air)＝-0.9997943，R(W_air,W_pc)

＝0.9996917，R(W_pc,W_air)＝-0.9996917

Film(t,δt,X)∶＝if(t<δt,-X,X)(膜厚度标记函数)

以下方程式表示临界距离门点，其中δt为压板厚度(回声的开始)，为TB长度(TB结束)，且为回声的结束：

$rg(f,n,\mathrm{\&delta;}t):=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\&delta;}t\\ \frac{n}{f}\\ \mathrm{\&delta;}t+\frac{n}{f}\end{array}\right)$

可从接收器捕获输出的频率扫描。举例来说，频率扫描可以1MHz开始且以0.1MHz增量渐进地增加，直至达到较高频率(例如，33MHz)为止。使用以下配置，捕获信号，如在图37A到C及图39A到C中所展示：

$\mathrm{\&delta;}t:=2(\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{pvdf}}{c_{pvdf}}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{pary}}{c_{pary}})=47.128ns$

Rectifier(f,t,gs,ge,σ)∶＝if(Capture(f,t,gs,ge,σ)≤0,0,Capture(f,t,gs,ge,σ))

图39D到F展示通过基于各种距离门的频率展示集成接收器输出。

使用以下配置(加入254μm的聚碳酸酯压板)，捕获信号，如在图38A到C中所展示：

$\mathrm{\&delta;}t:=2(\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{pvdf}}{c_{pvdf}}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{pary}}{c_{pary}}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{pcar}}{c_{pcar}})=273.812ns$

Rectifier(f,t,gs,ge,σ,δt)∶＝if(Capture(f,t,gs,ge,σ,δt)≤0,0,Capture(f,t,gs,ge,σ,δt))

可使用以下积分函数：

其中σ

＝表面状态(1＝凹陷纹，0＝凸起纹)，f＝频率，τ＝瞬时时间，δt

＝厚度(时间)，rg_off＝距离门关断，rg_on＝距离门接通

可使用以下方式来描述积分凹陷纹减去凸起纹：

$Idf(f,\mathrm{\&delta;}t,{\mathrm{rg}}_{on},{\mathrm{rg}}_{off}):={\&Integral;}_{{\mathrm{rg}}_{on}}^{{\mathrm{rg}}_{off}}\frac{q(f,\mathrm{\&tau;},\mathrm{\&delta;}t,1)-q(f,\mathrm{\&tau;},\mathrm{\&delta;}t,0)}{{\mathrm{rg}}_{off}-{\mathrm{rg}}_{on}}d\mathrm{\&tau;}$

在此特定传感器，超声信号输入压电膜，穿过所述膜且往回反射。如果信号遇到指纹凹陷纹(空气)，那么输入脉冲及反射脉冲两者将激励压电膜以产生电信号。在其中信号穿过手指组织(例如，指纹凸起纹)的情况中，仅输入脉冲将激励压电膜。可通过延迟线(例如，254μm的聚碳酸酯(参见图40A到C)或500μm压板(参见图41A到C))来使信号在膜与目标对象之间延迟。图40D到F通过在254μm聚碳酸酯层情况下基于各种距离门的频率展示集成接收器输出。图41D到F通过在500μm压板层情况下基于各种距离门的频率展示集成接收器输出。

图43为扫描手指的多频谱方法的流程图。所述方法可包含：在各种扫描频率下以多个超声波扫描431手指。所述方法可进一步包含：针对所述扫描频率中的每一者从多个像素输出值产生432超声图像信息集。所述方法可进一步包含：组合433对应于所述扫描频率中的每一者的图像信息集以产生组合图像信息集。所述方法可进一步包含：将每一像素输出值变换434成灰度值。所述方法可进一步包含：提供435所述灰度值作为所述组合图像信息集。所述方法可进一步包含：使用436所述多个超声图像信息集来进行活性确定。所述方法可进一步包含：提供437指示所述活性确定的活性输出信号。

尽管已关于一或多个特定实施例描述本发明，但应理解可在不脱离本发明的精神及范围的情况下进行本发明的其它实施例。因此，本发明被认为仅受随附权利要求书及其合理解释限制。

Claims (30)

1.一种扫描手指的方法，其包括：

以多个超声扫描频率扫描定位在超声传感器的成像表面上的手指；

针对所述扫描频率中的每一者从所述超声传感器的多个像素产生超声图像信息集，所述图像信息集包含来自所述多个像素中的每一者的像素输出值，每一像素输出值指示从所述成像表面反射的能量的量；及

组合对应于所述扫描频率中的每一者的所述图像信息集以产生组合图像信息集，所述组合图像信息集包含来自所述多个像素中的每一者的组合像素输出值。

2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

将每一像素输出值变换成灰度值；及

提供所述多个像素的所述灰度值作为表示所述手指的指纹的所述组合图像信息集。

3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

使用所述多个超声图像信息集来作出活性确定；及

提供指示所述活性确定的活性输出信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其中组合所述图像信息集包含：将所述像素输出值相加以产生和；使所述和除以超声扫描频率的数目以产生所述像素输出值中的每一者的平均值；及使用所述平均值作为所述组合像素输出值。

5.根据权利要求1所述的方法，其中组合所述图像信息集包含：

针对每一扫描频率，识别权重因数；

使每一像素输出值乘以所述对应权重因数以产生像素输出值乘积；及

将所述像素输出值乘积相加以产生和；使所述和除以扫描频率的数目以产生所述像素输出值中的每一者的平均值；及将所述平均值用作所述组合像素输出值。

6.根据权利要求5所述的方法，其中使用以下方程式计算所述权重因数：

w(f_i)＝(e^(avgi*fi)–e^(avgi*fmax))/(e^(avgi*fmin)–e^(avgi*fmax))

其中

w(f_i)为针对第i个扫描频率的所述权重因数；

avg_i为所述第i个扫描频率及下一较低扫描频率下的所述像素输出值的所述平均值；

f_min为最低扫描频率；及

f_max为最高扫描频率。

7.根据权利要求1所述的方法，其中组合所述图像信息集包含：从所述图像信息集中的所述像素输出值形成针对所述扫描频率中的每一者的协方差矩阵；及组合所述协方差矩阵以提供具有每一像素输出值的组合值的组合矩阵。

8.根据权利要求7所述的方法，其中组合所述协方差矩阵包括：在所述协方差矩阵中的各项之间进行插值。

9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括：

针对每一扫描频率，识别权重因数；及

在组合所述协方差矩阵之前使所述协方差矩阵中的每一项乘以所述对应权重因数。

10.根据权利要求9所述的方法，其中使用以下方程式计算所述权重因数：

w(f_i)＝(e^(avgi*fi)–e^(avgi*fmax))/(e^(avgi*fmin)–e^(avgi*fmax))

其中

w(f_i)为针对第i个扫描频率的所述权重因数；

avg_i为所述第i个扫描频率及下一较低扫描频率下的所述像素输出值的所述平均值；

f_min为最低扫描频率；且

f_max为最高扫描频率。

11.根据权利要求1所述的方法，其中通过以下操作选择所述多个扫描频率：

在手指不在所述超声传感器的所述成像表面上的情况下以多个超声测试频率进行扫描；及

识别峰值测试频率，其中峰值测试频率为紧接较低测试频率及紧接较高测试频率较之所述峰值测试频率返回较少能量的测试频率。

12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：

选择峰值测试频率，每一所选择峰值测试频率具有高于大部分其它测试频率的返回能量，且将所述所选择峰值测试频率用作所述多个扫描频率。

13.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：

评估所述峰值测试频率的图像质量；

选择峰值测试频率，每一所选择峰值测试频率具有比其它峰值测试频率更佳的图像质量，及将所述所选择峰值测试频率用作所述多个扫描频率。

14.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：

选择所述峰值测试频率中的一者，及

将所述所选择峰值测试频率用作所述多个扫描频率中的一者。

15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括：通过对所述峰值测试频率中的所述所选择峰值测试频率加上或减去预定偏移来识别所述多个扫描频率中的额外扫描频率。

16.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括：通过以下操作识别所述多个扫描频率中的额外扫描频率：

识别包含所述峰值测试频率中的所述所选择峰值测试频率的范围；及

选择将在所述所识别范围内的所述扫描频率。

17.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括：通过识别所述所选择峰值测试频率的谐波来识别所述多个扫描频率中的额外扫描频率。

18.根据权利要求3所述的方法，其中产生超声信息集进一步包括：产生每一像素的活性矢量。

19.一种用于扫描手指的系统，其包括：

成像表面，其经配置以接纳手指；

平面波超声发射器，其用于响应于多个电信号而产生引导朝向所述成像表面的一或多个超声平面波；

发射器驱动器放大器，其经配置以从信号产生器接收电信号及使用所述电信号来驱动所述超声发射器；

超声传感器阵列，其经配置以从所述成像表面接收一或多个经反射超声信号；及

电子子系统，其用于产生对应于在每一关注频率下的所述一或多个经反射超声信号的图像信息集及组合所述图像信息集。

20.根据权利要求19所述的系统，其进一步包括信号产生器，所述信号产生器经配置以将超声频率范围内的多个不同离散频率的电信号发射到所述平面波超声发射器。

21.根据权利要求19所述的系统，其进一步包括信号产生器，所述信号产生器经配置以将超声频率范围内的多个变化频率的电信号发射到所述平面波超声发射器。

22.根据权利要求19所述的系统，其进一步包括用于将所述一或多个所接收超声波分成其频率分量的一组带通滤波器。

23.根据权利要求22所述的系统，其中由所述系统收集的所述信息集经启发式地组合以产生输出图像。

24.根据权利要求23所述的系统，其中由所述系统收集的所述信息集是使用奈曼皮尔逊多模融合系统概率式地组合以产生输出图像。

25.一种存储计算机可执行代码的非暂时性计算机可读媒体，所述可执行代码包括用以进行以下操作的指令：

以多个超声扫描频率扫描定位在超声传感器的成像表面上的手指；

针对所述扫描频率中的每一者从所述超声传感器的多个像素产生超声图像信息集，所述图像信息集包含来自所述多个像素中的每一者的像素输出值，每一像素输出值指示从所述成像表面反射的能量的量；及

组合对应于所述扫描频率中的每一者的所述图像信息集以产生组合图像信息集，所述组合图像信息集包含来自所述多个像素中的每一者的组合像素输出值。

26.根据权利要求25所述的方法，其进一步包括用以进行以下操作的指令：

将每一像素输出值变换成灰度值；及

提供所述多个像素的所述灰度值作为表示所述手指的所述指纹的所述组合图像信息集。

27.根据权利要求25所述的方法，其进一步包括用以进行以下操作的指令：

使用所述多个超声图像信息集来进行活性确定；及

提供指示所述活性确定的活性输出信号。

28.一种用于扫描手指的系统，其包括：

用于响应于能够产生超声频率范围内的不同离散频率的电信号的信号产生器而产生一或多个超声平面波(“MFG”)的装置；

用于响应于来自所述信号产生器的电信号而驱动所述MFG的装置；

用于接触所述手指并将来自所述MFG的超声波作为超声信号反射到超声传感器阵列装置的装置，其中所述超声传感器阵列装置经配置以接收所述经反射超声信号；及

用于针对在每一关注频率下的每一所接收经反射超声信号形成所述手指的图像信息集并组合所述所形成图像信息集的装置。

29.根据权利要求28所述的系统，其进一步包括用于将所述一或多个所接收超声信号分成其频率分量的装置。

30.根据权利要求29所述的系统，其中用于组合所述所形成图像信息集的所述装置经配置以使用奈曼皮尔逊多模融合来启发式地产生输出图像或概率性地产生输出图像。