CN107750365B - 超声波传感器中的衍射效应的校正 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了校正超声波传感器中的衍射效应的实施例。在一个实施例中，超声波传感器可以包含：超声波发射器，其经配置以发射超声波；压电接收器层，其经配置以接收所述超声波的反射波，其中所述反射波包括指纹的具有按照时间顺序的多个相位的多个图像；以及压板层，其经配置以保护所述超声波发射器和所述压电接收器层。所述超声波传感器可以进一步包含超声波传感器阵列和处理器，所述处理器经配置以对以复合相位指数倍增的所述多个图像求和以形成积分后的复合图像、将所述积分后的复合图像对齐到预先选择的相位以形成对齐的复合图像、使用所述对齐的复合图像确定最大能量相位，以及至少部分地基于在所述最大能量相位处的所述对齐的复合图像计算用以表示所述指纹的最大能量图像。
Description
相关申请的交叉参考
本申请主张“超声波传感器中的衍射效应的校正(Correction of DiffractionEffects in an Ultrasonic Sensor)”的2016年6月30日递交的第15/198,686号美国非临时申请的权益，所述非临时申请主张“超声波按钮中的衍射效应的校正(Correction ofDiffraction Effects in an Ultrasonic Button)”的2015年7月5日递交的第62/188,706号美国临时申请的权益。前述美国申请的全文特此以引用的方式并入。
技术领域
本发明涉及图像处理的领域。具体地说，本发明涉及用于校正超声波传感器中的衍射效应的方法。
背景技术
在例如移动电话、平板计算机和可穿戴装置的移动装置中，通常需要用可以改进机械稳固性和可靠性的硬质材料保护移动装置的显示器和触摸接口。然而，在传感器与手指之间添加硬质材料层(例如，由玻璃或塑料制成的压板)可以对移动装置的显示器和触摸接口造成衍射效应。
图1A说明超声波传感器中的衍射的不利影响。如图1A所示，衍射效应可以造成图像区域严重地减弱，例如，箭头104所指的区域。此外，衍射效应可以造成图像区域为相对于其它区域是反相的，例如箭头106所指的区域。此外，与裸露的传感器相比信噪比(SNR)可能较低。这些不利影响可以引起较差的指纹匹配性能。因此，希望校正超声波传感器中的衍射效应。
发明内容
公开了校正超声波传感器中的衍射效应的实施例。在一个实施例中，超声波传感器可以包含：超声波发射器，其经配置以发射超声波；压电接收器层，其经配置以接收超声波的反射波，其中反射波包括具有按照时间顺序的多个相位的指纹的多个图像；以及压板层，其经配置以保护超声波发射器和压电接收器层。超声波传感器可以进一步包含超声波传感器阵列和处理器，所述超声波传感器阵列和处理器经配置以对以复合相位指数倍增的多个图像求和以形成积分后的复合图像、将积分后的复合图像对齐到预先选择的相位以形成对齐的复合图像、使用对齐的复合图像确定最大能量相位，以及至少部分地基于在最大能量相位处的对齐的复合图像计算最大能量图像以表示指纹。
在另一实施例中，公开了一种校正超声波传感器的压板层中的衍射效应的方法。所述方法包含：俘获具有按照时间顺序的多个相位的指纹的多个图像、对以复合相位指数倍增的多个图像求和以形成积分后的复合图像、将积分后的复合图像对齐到预先选择的相位以形成对齐的复合图像、使用对齐的复合图像确定最大能量相位，以及至少部分地基于在最大能量相位处的对齐的复合图像来确定最大能量图像以表示指纹。
在一些实施例中，俘获指纹的多个图像包含从超声波发射器中发射超声波、在压电接收器层处接收超声波的反射波，其中所述反射波包括具有按照时间顺序的多个相位的指纹的多个图像。
在一些实施例中，对多个图像求和包含对以复合相位指数倍增的多个图像随时间推移进行积分以生成积分后的复合图像，其中积分后的复合图像包含实图像部分和虚图像部分，并且实图像部分和虚图像部分具有相位中近似90度的偏移。对多个图像求和进一步包含移除所发射信号的时间相关性。
在一些实施例中，将积分后的复合图像对齐到预先选择的相位包含将积分后的复合图像与复合内核卷积(其中复合内核是脉冲响应的空间部分的倒数)，并且从积分后的复合图像的相位分量中分离出空间分量。将积分后的复合图像对齐到预先选择的相位可以任选地/另外地包含移除边缘效应，方法是沿着积分后的复合图像的边缘使用积分后的复合图像的复本。
在一些实施例中，确定最大能量图像以表示指纹可以包含计算相对于相位的对齐的复合图像的能量的导数、通过设定相对于相位的对齐的复合图像的能量的导数为零来计算最大能量相位，以及将在最大能量相位处的对齐的复合图像的实分量指派为最大能量图像。
根据本发明的方面，校正超声波传感器的压板层中的衍射效应的方法可以进一步包含使用最大能量图像生成指纹图像信息以及使用指纹图像信息来认证具有超声波传感器阵列的用户。
附图说明
在结合以下图式的非限制性和非穷尽性方面阅读本发明的实施例的详细描述之后，本发明的前述特征和优点以及其额外特征和优点将可更清楚地理解。在整个图式中使用相同的标号。
图1A说明超声波传感器中的衍射的不利影响。
图1B说明根据本发明的方面模型化超声波传感器中的衍射效应的方法。
图2A说明用于模型化衍射效应的示例性图像；图2B说明图2A的接收到的图像；图2C说明根据本发明的方面在发射之后在不同延迟处采样的图2A的另一接收到的图像。
图3A说明根据本发明的方面校正超声波传感器的压板层中的衍射效应的方法。
根据本发明的方面，图3B说明示例性输入图像；图3C说明集成复合图像的实部；图3D说明集成复合图像的虚部。
根据本发明的方面，图3E说明俘获指纹的多个图像的示例性实施方案；图3F说明对图3E的指纹的多个图像求和的示例性实施方案；图3G说明将积分后的复合图像对齐到预先选择的相位的示例性实施方案；图3H说明确定最大能量图像以表示指纹的示例性实施方案。
根据本发明的方面，图4A说明模拟衍射的所估计频率响应的实部的示例性表示；图4B说明模拟衍射的所估计的频率响应的虚部的示例性表示；图4C说明图4A和图4B的总和的示例性表示。
根据本发明的方面，图5A说明对齐的复合图像的示例性实部；图5B说明对齐的复合图像的示例性虚部；图5C说明示例性最大能量图像。
根据本发明的方面，图6A说明使用超声波传感器的压板层中的所估计的声速的经处理的图像；图6B说明使用超声波传感器的压板层中的另一所估计的声速的另一经处理的图像；图6C说明使用图1B的所估计的对角线最大距离的又一个经处理的图像；图6D说明使用图1B的另一所估计的对角线最大距离的又一个经处理的图像。
图7说明根据本发明的方面可以使用超声波传感器的移动装置的示例性框图。
图8A-8C说明根据本发明的方面的超声波传感器的实例。
图9A说明用于超声波传感器阵列的传感器像素四乘四阵列的实例。图9B说明超声波传感器系统的高层级框图的实例。
具体实施方式
公开了校正超声波传感器中的衍射效应的实施例。呈现以下描述以便使得所属领域的技术人员能够制作并使用本发明。特定实施例及应用的描述是仅作为实例而提供。本文中所描述的实例的各种修改和组合对于所属领域的技术人员将是易于显而易见的，并且本文中所定义的一般原理可以应用到其它实例和应用而不会脱离本发明的范围。因此，本发明并非意图限于所描述和示出的实例，而应符合与本文中所公开的原理和特性相一致的范围。词语“示例性”或“实例”在本文中用于意指“充当实例、例子或说明”。本文中描述为“示例性”或“实例”的任何方面或实施例未必应被解释为比其它方面或实施例优选或有利。
图1B说明根据本发明的方面模型化超声波传感器中的衍射效应的方法。在图1B中所示的实例中，为了计算点(0,0)对在(x，y)处的像素值的份额，声学信号可以假定为从在压板108(例如，玻璃或塑料)的底部处的转换器行进到顶部(距离d)、命中手指110，能量中的一些可以由手指110吸收(或没有吸收，如果它命中了波谷)并且随后对角地行进到底部朝向(x，y)。因此，
r＝d+√(x2+y2+d2)
根据本发明的方面，假定信号作为所行进的距离的函数以指数方式下降。衰减常数与频率f成正比。如果s(t)是在时间t处所发射的信号且c是玻璃中的声速，那么由此得出脉冲响应h(x，y，t)可如下表达：
h(x,y,t)＝e-αfrs(t-r/c)
并且在时间t处所测量的图像I(x,y,t)可以是脉冲响应与理想图像f(x,y)的卷积加上一些白高斯噪声：
I(x,y,t)＝h(x,y,t)*f(x,y)+n(x,y,t)
f(x，y)是对于t的若干值的估计的给定I(x，y，t)。所发射信号s(t)可以是通过脉冲倍增的正弦曲线：
对于0<t<P/f；或者0，否则的话
其中P是所发射的周期的数量，例如，5，并且可为取决于发射硬件(电容器、电感器等)的一些相位。
在一些实施方案中，可以简化脉冲响应h(x，y，t)的表达式。如果衰减常数α较小，那么可以忽略指数衰减项并且h(x，y，t)可如下表示：
对于0<t-r/c<P/f；或者0，否则的话
假定对于获取测量值I的时间t来说：对于在此范围中的任何t来说以及对于小于图像的大小的任何r来说t-r/c<P/f是真的。此外，可以假定t的范围足够小使得对于一些常数t0来说t-r/c≈t0-r/c。由此得出
对于r≤rmax；或者0，对于r>rmax
对于一些常数rmax来说。
图2A说明用于根据本发明的方面模型化衍射效应的示例性图像。用于模型化衍射效应的示例性图像202在本发明中也被称作f(x，y)。
图2B说明根据本发明的方面的图2A的接收到的图像。此接收到的图像204是针对t，f，c，P，d，α(和噪声)的一些值的I(x，y，t)所获取的结果。在图2B的实例中，接收到的图像204示出了伪声(也被称作浑浊)，即在混浊的两侧之间的某些空间频率的衰减和倒相。应注意，如果所有参数保持固定且仅改变时间t，那么混浊可以移动，这在图2C的接收到的图像206中示出。
图3A说明根据本发明的方面校正超声波传感器的压板层中的衍射效应的方法。如图3A所示，在框302中，方法俘获具有按照时间顺序的多个相位的指纹的多个图像，例如，图2B中所示的图像204和图2C中所示的图像206。在框304中，方法对以复合相位指数倍增的多个图像求和以形成积分后的复合图像。以此方法，可以移除脉冲响应的时间相关的部分cos(2πft)。
在一个实施例中，为了移除时间相关部分，I1(x，y)可如下计算：
其中在范围I(x，y，t)内对t的值进行积分以获取：
应注意，如果积分是对全部时间积分，那么(f-1)项的值可能较小且可忽略。此外，对于单个t，I1(x，y)的信噪比(SNR)可能以Δt的因数(积分的范围)高于I(x，y，t)。
应注意I1(x，y)是复合图像。I1(x，y)的实部和I1(x，y)的虚部可以彼此互补：其中I1(x，y)的实部具有浑浊、I1(x，y)的虚部并不具有浑浊，或反之亦然。这些特征在图3B-图3D中示出。根据本发明的方面，图3B说明示例性输入图像322；图3C说明集成复合图像的实部324；图3D说明集成复合图像的虚部326。
在图3C和图3D中，应注意I1(x，y)的实部具有与输入图像相同的相位，而I1(x，y)的虚部可以为90°异相且补充I1(x，y)的实部。还应注意已经改进图像的SNR。由于实部和虚部彼此补充，所以复合图像没有浑浊，尽管实部和虚部确实具有浑浊。
图3E说明根据本发明的方面俘获指纹的多个图像的示例性实施方案。在框332中，超声波发射器可经配置以发射超声波。在框334中，压电接收器层可经配置以接收超声波的反射波，其中反射波包括指纹的具有按照时间顺序的多个相位的多个图像。
图3F说明根据本发明的方面对指纹的多个图像求和的示例性实施方案。在框338中，处理器或处理逻辑可经配置以随时间推移对以复合相位指数倍增的多个图像进行积分以生成积分后的复合图像。应注意，积分后的复合图像包含实图像部分和虚图像部分，并且其中实图像部分和虚图像部分可能具有约90度的相位偏移。
图3G说明根据本发明的方面将积分后的复合图像对齐到预先选择的相位的示例性实施方案。在框342中，处理器或处理逻辑可经配置以将积分后的复合图像与复合内核卷积，其中复合内核是脉冲响应的空间部分的倒数。在一些实施例中，处理器或处理逻辑可以任选地/另外经配置以使用其它方法将空间分量与积分后的复合图像的相位分量隔开。在框344中，处理器或处理逻辑可经配置以通过使用离散余弦变换(DCT)执行卷积来移除边缘效应。在一些实施例中，处理器或处理逻辑可以任选地/另外经配置以移除边缘效应，方法是沿着积分后的复合图像的边缘使用积分后的复合图像的复本。
图3H说明根据本发明的方面确定用以表示指纹的最大能量图像的示例性实施方案。在框352中，处理器或处理逻辑可经配置以计算对齐的复合图像相对于相位的能量的导数。在框354中，处理器或处理逻辑可经配置以计算最大能量相位，方法是将对齐的复合图像相对于相位的能量的导数设定为零。在框356中，处理器或处理逻辑可经配置以将在最大能量相位处的对齐的复合图像的实分量指派为最大能量图像。
参考图4A和图4B，在频域中，和可以分别如图4A和图4B表示。根据本发明的方面，图4A说明模拟的衍射的所估计的频率响应的实部402的示例性表示；图4B说明模拟的衍射的所估计的频率响应的虚部404的示例性表示。
图4C说明根据本发明的方面图4A和图4B的总和的示例性表示406。如图4C中所示，实部和虚部的频谱中的黑色环对应于浑浊的位置，而复合指数的频谱要平滑的多。此外，当改变时黑色环的位置改变，而指数的频谱可相同，仅相位改变。复合指数的另一个优点是它允许空间项与整体相位项分离。
返回参考图3A，在框306中，方法将积分后的复合图像对齐到预先选择的相位以形成对齐的复合图像。应注意，在一些实施例中，预先选择的相位可为相位的矩阵(图像)。以此方法，可以移除脉冲响应的空间部分-2πfr/c。在上文示出的模型中，来自第一步骤的输出I1(x，y)可近似地等于(多达常数和一些相加噪声)：
h1＝exp(-2πifr/c)
由于h1已知，所以I1(x，y)可以与其倒数卷积：
然而，由于h1的频谱在一些点处可能接近零，所以执行以下运算：
在没有任何相位失真的情况下，中间项是带通滤波器。
在与h2卷积期间为了避免边缘效应，在一个示例性方法中，可以原始图像大小两倍的图像进行卷积，方法是沿着每个边缘镜面反射且获取在端部处的中间部分。根据本发明的方面，图5A说明对齐的复合图像的示例性实部502；图5B说明对齐的复合图像的示例性虚部504。
返回参考图3A，在框308中，方法使用对齐的复合图像确定最大能量相位。在框310中，方法至少部分地基于在最大能量相位处的对齐的复合图像计算最大能量图像以表示指纹。以此方式，可以移除整体相位在图5A和图5B中所示的实例中，对齐的复合图像的虚部504与对齐的复合图像的实部502相比具有更好的图像质量，并且应注意对齐的复合图像的虚部504和实部502两者并不具有倒相。在此情况下原因是在通常情况中为了找到最佳相位，给出最大能量到实部的相位可以如下计算：
并且随后设置
在此优化方法中，表达式可以相对于微分，
其中
S＝∫I2(x,y)2dxdy
应注意S是复数，而不是总能量。等化到0给出：
选择正号是因为负号给出最小值。在一个实施例中，I3可如下计算：
I3＝(I2/√S)
应注意S具有两个平方根，不同之处仅为符号。为了固定整体符号，可以计算与输入图像中的一个一起的I3的相关系数。在一些实施方案中，如果I3结果为负，那么它可以设置为：I3＝-I3。图5C说明根据本发明的方面的示例性最大能量图像506。
根据本发明的方面，可以选择声速c和rmax的参数。其它参数可以设置成它们的已知值。在一些实施例中，通过选择产生最高质量输出图像的参数可以获取c和rmax两者。在一些实施方案中，对于玻璃层来说，c和rmax的值可以选择为：c＝3700m/s，rmax＝1.33。对于塑料层来说，c和rmax的值可以选择为：c＝2000m/s，rmax＝1.33。
应注意，即使参数值可能不准确，本文中所描述的方法也可以起作用。举例来说，如果c改变～±20％，那么仍然可以获取合理地良好的图像。根据本发明的方面，图6A说明使用超声波传感器的压板层中的所估计的声速的经处理的图像602；图6B说明使用超声波传感器的压板层中的另一所估计的声速的另一经处理的图像604。
类似地，如果rmax改变～±20％，那么仍然可以获取合理地良好的图像。根据本发明的方面，图6C说明使用图1B的所估计的对角线最大距离的又一个经处理的图像606；图6D说明使用图1B的另一所估计的对角线最大距离的又一个经处理的图像608。
图7说明根据本发明的方面可以使用超声波传感器的装置的示例性框图。可以使用超声波传感器的装置可以包括图7中所示的移动装置700的一或多个特性。在某些实施例中，移动装置700可以包含无线收发器721，所述无线收发器能够经由无线天线722在无线通信网络上发射和接收无线信号723。无线收发器721可以通过无线收发器总线接口720连接到总线701。在一些实施例中，无线收发器总线接口720可以至少部分地与无线收发器721集成。一些实施例可包含多个无线收发器721和无线天线722以根据对应的多个无线通信标准实现发射和/或接收信号，所述标准例如IEEE Std.802.11的版本、CDMA、WCDMA、LTE、UMTS、GSM、AMPS、Zigbee和等。
移动装置700还可以包括能够经由GPS天线758接收和获取GPS信号759的GPS接收器755。GPS接收器755还可完全或部分地处理所获取的GPS信号759以用于估计移动装置的位置。在一些实施例中，还可以利用处理器711、存储器740、DSP 712和/或专用处理器(未示出)以完全或部分地处理所获取的GPS信号和/或与GPS接收器755结合计算移动装置700的所估计位置。GPS或其它信号的存储可以在存储器740或寄存器(未示出)中进行。
并且在图7中示出，移动装置700可以包括通过总线接口710连接到总线701的数字信号处理器(DSP)712、通过总线接口710连接到总线701的处理器711以及存储器740。总线接口710可以与DSP 712、处理器711和存储器740集成。在各种实施例中，可以响应于存储在存储器740(例如，在计算机可读取存储媒体(例如，RAM、ROM、FLASH、或磁盘驱动器(仅举几个实例))上)中的一或多个机器可读指令的执行来实施功能。一或多个指令可以通过处理器711、专用处理器或DSP 712执行。存储器740可包括非暂时性处理器可读存储器和/或计算机可读存储器，所述存储器存储可由处理器711和/或DSP 712执行以执行本文中所描述的功能的软件代码(编程代码、指令等)。在特定实施方案中，无线收发器721可以通过总线701与处理器711和/或DSP 712通信以使得移动装置700能够经配置为无线站点。处理器711和/或DSP 712可以执行指令以执行下文结合图8所论述的过程/方法的一或多个方面。处理器711和/或DSP 712可以执行图3A和图3E-3H的方法和功能。
并且在图7中示出，用户接口735可以包括若干装置中的任一者，例如，扬声器、麦克风、显示装置、振动装置、键盘、触摸屏等。提供给用户的用户接口信号可以是由扬声器、麦克风、显示装置、振动装置、键盘、触摸屏等中的任何者所提供的一或多个输出。在特定实施方案中，用户接口735可以使得用户能够与在移动装置700上托管的一或多个应用程序交互。举例来说，用户接口735的装置可以将模拟或数字信号存储在存储器740上以响应于来自用户的动作由DSP 712或处理器711进一步处理。类似地，在移动装置700上托管的应用程序可以将模拟或数字信号存储在存储器740上以将输出信号呈现给用户。在另一实施方案中，移动装置700可任选地包含专用音频输入/输出(I/O)装置770，其包括(例如)专用扬声器、麦克风、数/模电路系统、模/数电路系统、放大器和/或增益控件。在另一实施方案中，移动装置700可以包括响应于键盘或触摸屏装置上的接触或压力的触摸传感器762。
移动装置700还可以包括用于俘获静止或移动图像的专用相机装置764。专用相机装置764可包括(例如)成像传感器(例如，电荷耦合装置或CMOS成像器)、镜头、模/数电路系统、帧缓冲器等。在一个实施方案中，可以在处理器711或DSP 712处执行表示所俘获图像的信号的额外处理、调节、编码或压缩。替代地，专用视频处理器768可以执行表示所俘获图像的信号的调节、编码、压缩或操控。另外，专用视频处理器768可以解码/解压所存储的图像数据以用于在移动装置700上的显示装置(未示出)上呈现。
移动装置700还可以包括耦合到总线701的传感器760，所述传感器760可包含(例如)惯性传感器和环境传感器。传感器760的惯性传感器可包括(例如)加速计(例如，在三个维度中共同地响应于移动装置700的加速度)、一或多个陀螺仪或一或多个磁力计(例如，支持一或多个指南针应用)。移动装置700的环境传感器可包括(例如)温度传感器、气压传感器、环境光传感器，以及相机成像器、麦克风(仅举几个实例)。传感器760可以生成模拟或数字信号，所述模拟或数字信号可以存储在存储器740中且通过支持一或多个应用程序(例如，涉及定位或导航操作的应用程序)的DPS或处理器711处理。
在特定实施方案中，移动装置700可包括专用调制解调器处理器766，所述专用调制解调器处理器766能够执行在无线收发器721或GPS接收器755处接收和降频转换的信号的基带处理。类似地，专用调制解调器处理器766可以执行待升频转换以用于由无线收发器721发射的信号的基带处理。在替代性实施方案中，可通过处理器或DSP(例如，处理器711或DSP 712)执行基带处理，而非具有专用调制解调器处理器。
图8A-8C说明根据本发明的方面的超声波传感器的实例。如图8A中所示，超声波传感器10可包含压板40下面的超声波发射器20和超声波接收器30。超声波发射器20可以是可生成超声波21(参见图8B)的压电发射器。超声波接收器30可以包含安置在衬底上的压电材料和像素电路阵列。在操作中，超声波发射器20生成一或多个超声波，所述一或多个超声波通过超声波接收器30行进到压板40的暴露表面42。在压板40的暴露表面42处，超声波能量可以通过与压板40接触的物体25(例如，指纹脊线28的皮肤)透射、吸收或散射，或者反射回去。在空气接触压板40的暴露表面42的那些位置(例如，指纹脊线28之间的谷线27)中，大部分超声波将朝超声波接收器30被反射回去以用于检测(参见图8C)。电子控制器50可以耦合到超声波发射器20和超声波接收器30，并且可以供应定时信号，所述定时信号使得超声波发射器20生成一或多个超声波21。电子控制器50可随后从超声波接收器30接收指示所反射的超声波能量23的信号。电子控制器50可以使用从超声波接收器30接收的输出信号来构造物体25的数字图像。在一些实施方案中，电子控制器50还可以随时间推移连续地对输出信号进行采样以检测物体25的存在和/或移动。
根据本发明的方面，超声波传感器可以包含压板40下面的超声波发射器20和超声波接收器30。超声波发射器20可以是包含基本上平面的压电发射器层的平面波生成器。可以根据所施加的信号，通过向压电层施加电压以使所述层膨胀或收缩而生成超声波，由此生成平面波。电压可以经由第一发射器电极和第二发射器电极施加到压电发射器层。以此方式，可通过经由压电效应改变层的厚度而产生超声波。这个超声波穿过压板40朝向手指(或其它有待检测的物体)行进。未被待检测的物体吸收或透射的波的一部分可以反射以便穿过压板40返回并且由超声波接收器30接收。第一和第二发射器电极可以是金属化电极，例如，涂覆压电发射器层的相对侧的金属层。
超声波接收器30可以包含安置在衬底(其也可被称为背板)上的像素电路阵列以及压电接收器层。在一些实施方案中，每个像素电路可以包含一或多个TFT元件、电互连迹线，并且在一些实施方案中包含一或多个额外的电路元件，例如，二极管、电容器等等。每个像素电路可经配置以将接近像素电路的压电接收器层中生成的电荷转换成电信号。每个像素电路可以包含像素输入电极，所述像素输入电极将压电接收器层电耦合到像素电路。
在所说明的实施方案中，接收器偏置电极安置在接近压板40的压电接收器层的侧面上。接收器偏置电极可为金属化电极并且可以接地或加偏置以控制哪些信号被传递到TFT阵列。从压板40的暴露(顶部)表面42反射的超声波能量通过压电接收器层转换成局部化的电荷。这些局部化的电荷被像素输入电极收集，并且传递到下伏像素电路上。电荷可以通过像素电路放大并且被提供到电子控制器，所述电子控制器处理输出信号。图9A中示出了实例像素电路的简化示意图，但是所属领域的一般技术人员将理解，可预期对简化示意图中所示的实例像素电路的许多变化和修改。
电子控制器50可以电连接到第一发射器电极和第二发射器电极，并且电连接到接收器偏置电极和衬底上的像素电路。电子控制器50可以基本上如先前相对于图8A-8C所论述而操作。
压板40可以是任何适当的材料，其可以声学耦合到接收器，实例包含塑料、陶瓷、玻璃、蓝宝石、不锈钢、金属合金、聚碳酸酯、聚合材料或填充着金属的塑料。在一些实施方案中，压板40可以是盖板，例如，用于显示装置或超声波传感器的防护玻璃罩或镜头玻璃。必要时，可以通过相对厚(例如3mm和以上)的压板执行检测和成像。
可以根据各种实施方案采用的压电材料的实例包含具有适当声学特性的压电聚合物，例如，声学阻抗在约2.5兆瑞利与5兆瑞利之间。可以采用的压电材料的特定实例包含铁电聚合物，例如，聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)共聚物。PVDF共聚物的实例包含60:40(摩尔百分比)的PVDF-TrFE、70:30的PVDF-TrFE、80:20的PVDF-TrFE和90:10的PVDR-TrFE。可以采用的压电材料的其它实例包含聚偏二氯乙烯(PVDC)均聚物和共聚物，聚四氟乙烯(PTFE)均聚物和共聚物以及二异丙胺溴化物(DIPAB)。
可以选择压电发射器层和压电接收器层中的每一者的厚度以便适用于生成和接收超声波。在一个实例中，PVDF压电发射器层的厚度近似是28μm，且PVDF-TrFE接收器层的厚度近似是12μm。超声波的实例频率在5MHz到30MHz的范围内，波长大约是四分之一毫米或更小。
图8A-8C示出了超声波传感器中的超声波发射器和接收器的实例布置，其它布置也是可能的。举例来说，在一些实施方案中,超声波发射器20可以在超声波接收器30上方，即，更接近检测物体。在一些实施方案中,超声波传感器可以包含声学延迟层。举例来说，声学延迟层可以并入到超声波传感器10中，在超声波发射器20与超声波接收器30之间。可以采用声学延迟层来调整超声波脉冲定时，且同时将超声波接收器30与超声波发射器20电绝缘。延迟层可以具有基本上均匀的厚度，用于延迟层的材料和/或延迟层的厚度选择成提供反射的超声波能量到达超声波接收器30的时间的所希望的延迟。通过这种做法，可以使通过被物体反射而承载关于所述物体的信息的能量脉冲在从超声波传感器10的其它部分反射的能量不大可能到达超声波接收器30的时间范围期间到达超声波接收器30。在一些实施方案中,TFT衬底和/或压板40可以充当声学延迟层。
图9A描绘超声波传感器的像素的4×4像素阵列。每个像素可以例如与压电式传感器材料的局部区域、峰值检测二极管和读出晶体管相关联；许多或所有这些元件可以形成于背板上或形成于背板中以形成像素电路。实际上，每个像素的压电式传感器材料的局部区域可以将接收到的超声波能量变换成电荷。峰值检测二极管可以寄存压电式传感器材料的局部区检测到的最大电荷量。可随后例如通过行选择机构、栅极驱动器或移位寄存器扫描像素阵列的每个行，并且可以触发每个行的读出晶体管以允许每个像素的峰值电荷的幅值由额外的电路系统读取，例如，多路复用器和A/D转换器。像素电路可以包含一或多个TFT以允许对像素进行选通、寻址和重设。
每个像素电路可以提供关于超声波传感器10检测到的物体的一小部分的信息。虽然，为说明的方便起见，图9A中所示的实例的分辨率相对粗略，但是具有数量级为每英寸500像素或更高的分辨率的超声波传感器配置有分层结构。超声波传感器10的检测区域可以根据期望的检测物体选择。举例来说，检测区域可以在一根手指约5mm×5mm到四根手指约3英寸×3英寸的范围内变动。包含正方形、矩形和非矩形几何形状的较小和较大区域可视物体的需要而使用。
图9B示出了超声波传感器系统的高级框图的实例。所示的许多元件可形成电子控制器50的一部分。传感器控制器可以包含控制单元，所述控制单元经配置以控制传感器系统的各个方面，例如，超声波发射器定时和激励波形、超声波接收器和像素电路系统的偏置电压、像素寻址、信号滤波和转换、读出帧率等等。传感器控制器还可包含从超声波传感器电路像素阵列中接收数据的数据处理器。数据处理器可以将数字化数据翻译成指纹的图像数据，或者将数据格式化以供进一步处理。
举例来说，控制单元可以用规则间隔向发射器(Tx)驱动器发送Tx激励信号，以便使Tx驱动器激励超声波发射器并且产生平面超声波。控制单元可以通过接收器(Rx)偏置驱动器发送电平选择输入信号以便向接收器偏置电极加偏置，并且允许通过像素电路系统的声学信号检测的选通。可以使用多路分用器接通和关闭栅极驱动器，其致使传感器像素电路的特定行或列提供传感器输出信号。可以通过电荷放大器、例如RC滤波器或抗混叠滤波器等滤波器和数字化器将来自像素的输出信号发送到数据处理器。应注意，系统的一些部分可以包含在TFT背板上，并且其它部分可以包含于相关联的集成电路中。
根据本发明的方面，超声波传感器可经配置以产生用于用户验证和认证的高分辨率指纹图像。在一些实施方案中，超声波指纹传感器可经配置以检测与压板的外表面与手指脊线(组织)和谷线(空气)之间的差分声学阻抗成正比的反射信号。举例来说，超声波的超声波能量的一部分可以从传感器透射到脊线区域中的手指组织中，而超声波能量的其余部分朝传感器反射回去，而波的较小部分可以透射到手指的谷线区域中的空气中，而超声波能量的其余部分反射回到传感器。本文中公开的校正衍射效应的方法可以增大全部信号和来自传感器的图像对比度。
根据本发明的方面，具有指纹传感器的超声波传感器可以应用于多种多样的应用(包含移动电话、平板计算机、可穿戴装置和医疗装置)中的用户认证。超声波认证按钮可以用于例如药物递送装置的个人医疗装置中。这些装置可以无线地连接以追踪和验证用户识别、药物类型、剂量、递送时间和递送模式。装置上的认证按钮可经配置以允许单个用户登记(例如，在家里或在药店)和用于后续摄取药物的局部验证。快速识别和验证可能表现得与药物递送无缝对接，因为超声波传感器的按压可经配置以调用用户验证和药物递送。移动连接认证药物递送装置可以包含个人化注射笔和吸入器。所连接的注射笔、吸入器和其它医疗装置可以并入超声波传感器以用于患者识别和验证。
应注意至少以下三个段落，图3A、图3E-3H、图7到图9B和它们的对应的描述提供了：用于俘获具有按照时间顺序的多个相位的指纹的多个图像的装置；用于对以复合相位指数倍增的多个图像求和以形成积分后的复合图像的装置；用于将积分后的复合图像对齐到预先选择的相位以形成对齐的复合图像的装置；用于使用对齐的复合图像确定最大能量相位的装置；用于至少部分地基于在最大能量相位处的对齐的复合图像确定最大能量图像以表示指纹的装置；用于发射超声波的装置；用于接收超声波的反射波的装置；用于对以所述复合相位指数倍增的多个图像随时间推移进行积分以生成积分后的复合图像的装置；用于将积分后的复合图像与复合内核卷积的装置；用于通过使用离散余弦变换执行卷积来移除边缘效应的装置；用于计算相对于相位的对齐的复合图像的能量的导数的装置；用于通过将相对于相位的对齐的复合图像的能量的导数设定为零来计算最大能量相位的装置；用于将在最大能量相位处的对齐的复合图像的实分量指派为最大能量图像的装置；用于使用最大能量图像生成指纹图像信息的装置；以及用于使用指纹图像信息以认证具有超声波传感器阵列的用户的装置。
可取决于根据特定实例的应用而通过各种装置实施本文中所描述的方法。举例来说，此类方法可实施于硬件、固件、软件或其组合中。举例来说，在硬件实施方案中，处理单元可实施于一或多个专用集成电路(“ASIC”)、数字信号处理器(“DSP”)、数字信号处理装置(“DSPD”)、可编程逻辑装置(“PLD”)、现场可编程门阵列(“FPGA”)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、电子装置、经设计以执行本文中所描述的功能的其它装置单元或其组合内。
就特定的设备或专用计算装置或平台的存储器内存储的二进制数字信号的操作的算法或符号表示而言呈现包含在本文中的详细描述的一些部分。在这个特定说明书的情形下，术语特定设备或类似物包含通用计算机(一旦其经编程以依据来自程序软件的指令执行特定操作)。算法描述或符号表示是信号处理或相关技术的技术人员用来向所属领域的其它技术人员传达其工作的实质内容的技术的实例。在此算法一般被视为产生所希望的结果的操作或类似信号处理的自身一致的序列。在此情形下，操作或处理涉及对物理量的物理操纵。通常，虽然不一定，但是此类量可呈能够被存储、传递、组合、比较或以其它方式操控的电信号或磁性信号的形式。主要出于常见使用的原因，有时将此类信号称为位、数据、值、元素、符号、字符、术语、编号、数字或类似物已证实为方便的。然而，应理解，所有这些或类似术语应与适当物理量相关联且仅为方便的标记。除非确切地陈述是其它情况，否则如在本文中的论述显而易见，应了解贯穿本说明书利用例如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”等的术语的论述指的是特定设备的行为或过程，所述特定设备为例如专用计算机、专用计算设备或类似的专用电子计算装置。因此，在本说明书的情形下，专用计算机或类似专用电子计算装置能够操控或变换信号，所述信号通常表示为在专用计算机或类似专用电子计算装置的存储器、寄存器或其它信息存储装置、发射装置或显示装置内的物理电子或磁性量。
本文中所描述的无线通信技术可结合各种无线通信网络，例如，无线广域网(“WWAN”)、无线局域网(“WLAN”)、无线个人局域网(WPAN)等等。本文中术语“网络”和“系统”可互换使用。WWAN可为码分多址(“CDMA”)网络、时分多址(“TDMA”)网络、频分多址(“FDMA”)网络、正交频分多址(“OFDMA”)网络、单载波频分多址(“SC-FDMA”)网络，或上文网络的任何组合等等。CDMA网络可实施一或多个无线电接入技术(“RAT”)，例如，cdma2000、宽带CDMA(“W-CDMA”)，仅列举一些无线电技术。此处，CDMA2000可包含根据IS-95、IS-2000和IS-856标准实施的技术。TDMA网络可实施全球移动通信系统(“GSM”)、数字高级移动电话系统(“D-AMPS”)，或一些其它RAT。GSM和W-CDMA描述于来自名称为“第三代合作伙伴计划”(“3GPP”)的联盟的文档中。Cdma2000描述于来自名称为“第三代合作伙伴计划2”(“3GPP2”)的联盟的文档中。3GPP和3GPP2文档可公开获得。在一方面，4G长期演进(“LTE”)通信网络也可以根据所主张的标的物来实施。WLAN可包括IEEE802.11x网络，并且WPAN可包括(例如)网络、IEEE 802.15x。本文中所描述的无线通信实施方案也可以与WWAN、WLAN或WPAN的任何组合结合使用。
在另一方面中，如先前所提到，无线发射器或接入点可包括用以将蜂窝式电话服务延伸到企业或家庭中的毫微微小区。在此实施方案中，一或多个移动装置可经由(例如)码分多址(“CDMA”)蜂窝式通信协议与毫微微小区通信，且毫微微小区可对移动装置提供借助于例如互联网等另一宽带网络对较大蜂窝式电信网络的接入。
本文中所描述的技术可与包含若干GNSS中的任一者和/或GNSS的组合的GPS一起使用。此外，此类技术可与利用充当“伪卫星”的地面发射器或者人造卫星(SV)与此类地面发射器的组合的定位系统一起使用。地面发射器可(例如)包含广播PN码或其它测距代码(例如，类似于GPS或CDMA蜂窝信号)的基于地面的发射器。此发射器可被指派唯一PN码以便准许远程接收器的识别。地面发射器可以例如用于在来自轨道SV的GPS信号可能不可用的情形中(例如，在隧道、矿场、建筑物、城市峡谷或其它封闭区域中)增强GPS。伪卫星的另一实施方案被称为无线电信标。如本文中所使用的术语“SV”意图包含充当伪卫星、伪卫星的等效物和可能其它者的地面发射器。如本文所使用的术语“GPS信号”和/或“SV信号”意图包含来自地面发射器(包含充当伪卫星或伪卫星的等效物的地面发射器)的类似GPS的信号。
如本文中所使用的术语“和”和“或”可包含多种含义，其将至少部分取决于使用所述术语的情境。通常，“或”如果用于关联一列表(例如，A、B或C)，那么意图表示A、B和C(此处是在包含性意义上使用)，以及A、B或C(此处是在排他性意义上使用)。贯穿本说明书对“一个实例”或“一实例”的参考意味着结合实例描述的特定特性、结构或特征包含在所主张的标的物的至少一个实例中。因此，短语“在一个实例中”或“实例”贯穿本说明书在各处的出现不必全部参考同一实例。此外，可在一或多个实例中组合所述特定特性、结构或特征。本文中所描述的实例可包含使用数字信号操作的机器、装置、引擎或设备。此类信号可包括电子信号、光信号、电磁信号或提供位置之间的信息的任何形式的能量。
虽然已说明且描述当前视为实例特性的内容，但所属领域的技术人员将了解，在不脱离所主张的标的物的情况下可做出各种其它修改且可替代等效物。另外，在不脱离本文中描述的中心概念的情况下，可进行许多修改以使特定情形适合于所主张的标的物的教示。因此，希望所主张的标的物不限于所公开的特定实例，而是此类所主张的标的物还可包含属于所附权利要求书及其等效物的范围内的所有方面。
Claims (30)
1.一种校正超声波传感器的压板层中的衍射效应的方法，其中所述超声波传感器包括超声波发射器、压电接收器层、超声波传感器阵列和处理器，其包括：
俘获指纹的具有按照时间顺序的多个相位的多个图像；
对以复合相位指数倍增的所述多个图像求和以形成积分后的复合图像；
将所述积分后的复合图像对齐到预先选择的相位以形成对齐的复合图像；
使用所述对齐的复合图像确定最大能量相位；以及
至少部分地基于在所述最大能量相位处的所述对齐的复合图像确定用以表示所述指纹的最大能量图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中俘获指纹的多个图像包括：
从所述超声波发射器中发射超声波，其中所述所发射的超声波被建模为通过脉冲倍增的正弦函数；以及
在所述压电接收器层处接收所述超声波的反射波，其中所述反射波包括所述指纹的具有按照时间顺序的所述多个相位的所述多个图像。
3.根据权利要求1所述的方法，其中对所述多个图像求和包括：
随时间推移对以所述复合相位指数倍增的所述多个图像进行积分以生成所述积分后的复合图像，
其中所述积分后的复合图像包含实图像部分和虚图像部分，并且其中所述实图像部分和所述虚图像部分具有约90度的相位偏移。
4.根据权利要求1所述的方法，其中将所述积分后的复合图像对齐到所述预先选择的相位包括：
将所述积分后的复合图像与复合内核卷积，其中所述复合内核是脉冲响应的空间部分的倒数。
5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括
通过使用离散余弦变换执行所述卷积来移除边缘效应。
6.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述最大能量相位包括：
计算所述对齐的复合图像相对于相位的能量的导数；以及
通过将所述对齐的复合图像相对于相位的所述能量的所述导数设定为零来计算所述最大能量相位。
7.根据权利要求1所述的方法，其中确定用以表示所述指纹的所述最大能量图像包括：
将在所述最大能量相位处的所述对齐的复合图像的实分量指派为所述最大能量图像。
8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
使用所述最大能量图像生成指纹图像信息；以及
使用所述指纹图像信息运用所述超声波传感器阵列来认证用户。
9.一种超声波传感器，其包括：
超声波发射器，其经配置以发射超声波；
压电接收器层，其经配置以接收所述超声波的反射波，其中所述反射波包括指纹的具有按照时间顺序的多个相位的多个图像；
压板层，其经配置以保护所述超声波发射器和所述压电接收器层；以及
超声波传感器阵列和处理器，所述处理器经配置以进行以下操作：
对以复合相位指数倍增的所述多个图像求和以形成积分后的复合图像；
将所述积分后的复合图像对齐到预先选择的相位以形成对齐的复合图像；
使用所述对齐的复合图像确定最大能量相位；以及
至少部分地基于在所述最大能量相位处的所述对齐的复合图像计算用以表示所述指纹的最大能量图像。
10.根据权利要求9所述的超声波传感器，其中所述处理器进一步经配置以进行以下操作：
随时间推移对以所述复合相位指数倍增的所述多个图像进行积分以生成所述积分后的复合图像，
其中所述积分后的复合图像包含实图像部分和虚图像部分，并且其中所述实图像部分和所述虚图像部分具有约90度的相位偏移。
11.根据权利要求9所述的超声波传感器，其中所述处理器进一步经配置以进行以下操作：
将所述积分后的复合图像与复合内核卷积，其中所述复合内核是脉冲响应的空间部分的倒数。
12.根据权利要求11所述的超声波传感器，其中所述处理器进一步经配置以进行以下操作：
通过使用离散余弦变换执行所述卷积来移除边缘效应。
13.根据权利要求9所述的超声波传感器，其中所述处理器进一步经配置以进行以下操作：
计算所述对齐的复合图像相对于相位的能量的导数；以及
通过将所述对齐的复合图像相对于相位的所述能量的所述导数设定为零来计算所述最大能量相位。
14.根据权利要求9所述的超声波传感器，其中所述处理器进一步经配置以进行以下操作：
将在所述最大能量相位处的所述对齐的复合图像的实分量指派为所述最大能量图像。
15.根据权利要求9所述的超声波传感器，其中所述处理器进一步经配置以进行以下操作：
使用所述最大能量图像生成指纹图像信息；以及
使用所述指纹图像信息在所述超声波传感器阵列处认证用户。
16.根据权利要求9所述的超声波传感器，其中所述压板层由蓝宝石、大猩猩玻璃、聚碳酸酯、聚合材料或金属填充塑料中的至少一种制成。
17.一种超声波传感器，其包括：
用于俘获指纹的具有按照时间顺序的多个相位的多个图像的装置；
用于对以复合相位指数倍增的所述多个图像求和以形成积分后的复合图像的装置；
用于将所述积分后的复合图像对齐到预先选择的相位以形成对齐的复合图像的装置；
用于使用所述对齐的复合图像确定最大能量相位的装置；以及
用于至少部分地基于在所述最大能量相位处的所述对齐的复合图像确定用以表示所述指纹的最大能量图像的装置。
18.根据权利要求17所述的超声波传感器，其中所述用于俘获指纹的多个图像的装置包括：
用于发射超声波的装置，其中将所述所发射的超声波建模为通过脉冲倍增的正弦函数；以及
用于接收所述超声波的反射波的装置，其中所述反射波包括所述指纹的具有按照所述时间顺序的所述多个相位的所述多个图像。
19.根据权利要求17所述的超声波传感器，其中用于对所述多个图像求和的所述装置包括：
用于随时间推移对以所述复合相位指数倍增的所述多个图像进行积分以生成所述积分后的复合图像的装置，
其中所述积分后的复合图像包含实图像部分和虚图像部分，并且其中所述实图像部分和所述虚图像部分具有约90度的相位偏移。
20.根据权利要求17所述的超声波传感器，其中用于将所述积分后的复合图像对齐到所述预先选择的相位的所述装置包括：
用于将所述积分后的复合图像与复合内核卷积的装置，其中所述复合内核是脉冲响应的空间部分的倒数。
21.根据权利要求20所述的超声波传感器，其进一步包括：
用于通过使用离散余弦变换执行所述卷积来移除边缘效应的装置。
22.根据权利要求17所述的超声波传感器，其中用于确定所述最大能量相位的所述装置包括：
用于计算所述对齐的复合图像相对于相位的能量的导数的装置；以及
用于通过将所述对齐的复合图像相对于相位的所述能量的所述导数设定为零来计算所述最大能量相位的装置。
23.根据权利要求17所述的超声波传感器，其中用于确定用以表示所述指纹的所述最大能量图像的所述装置包括：
用于将在所述最大能量相位处的所述对齐的复合图像的实分量指派为所述最大能量图像的装置。
24.根据权利要求17所述的超声波传感器，其进一步包括：
用于使用所述最大能量图像生成指纹图像信息的装置；以及
用于使用所述指纹图像信息运用所述超声波传感器阵列来认证用户的装置。
25.一种存储供由一或多个处理器执行以校正超声波传感器的压板层中的衍射效应的指令的非暂时性媒体，其中所述超声波传感器包括超声波发射器、压电接收器层、超声波传感器阵列和处理器，所述指令包括：
用于俘获指纹的具有按照时间顺序的多个相位的多个图像的指令；
用于对以复合相位指数倍增的所述多个图像求和以形成积分后的复合图像的指令；
用于将所述积分后的复合图像对齐到预先选择的相位以形成对齐的复合图像的指令；
用于使用所述对齐的复合图像确定最大能量相位的指令；以及
用于至少部分地基于在所述最大能量相位处的所述对齐的复合图像确定用以表示所述指纹的最大能量图像的指令。
26.根据权利要求25所述的非暂时性媒体，其中所述用于俘获指纹的多个图像的指令包括：
用于从所述超声波发射器中发射超声波的指令，其中将所述所发射的超声波建模为通过脉冲倍增的正弦函数；以及
用于在所述压电接收器层处接收所述超声波的反射波的指令，其中所述反射波包括所述指纹的具有按照所述时间顺序的所述多个相位的所述多个图像。
27.根据权利要求25所述的非暂时性媒体，其中用于对所述多个图像求和的所述指令包括：
用于随时间推移对以所述复合相位指数倍增的所述多个图像进行积分以生成所述积分后的复合图像的指令，
其中所述积分后的复合图像包含实图像部分和虚图像部分，并且其中所述实图像部分和所述虚图像部分具有约90度的相位偏移。
28.根据权利要求25所述的非暂时性媒体，其中用于将所述积分后的复合图像对齐到所述预先选择的相位的所述指令包括：
用于将所述积分后的复合图像与复合内核卷积的指令，其中所述复合内核是脉冲响应的空间部分的倒数。
29.根据权利要求25所述的非暂时性媒体，其中所述用于确定所述最大能量相位的指令包括：
用于计算所述对齐的复合图像相对于相位的能量的导数的指令；以及
用于通过将所述对齐的复合图像相对于相位的所述能量的所述导数设定为零来计算所述最大能量相位的指令。
30.根据权利要求25所述的非暂时性媒体，其中用于确定用以表示所述指纹的所述最大能量图像的所述指令包括：
用于将在所述最大能量相位处的所述对齐的复合图像的实分量指派为所述最大能量图像的指令。
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