CN113950708A - 超声成像设备及超声设备中的图像采集的方法 - Google Patents

超声成像设备及超声设备中的图像采集的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于超声生物特征成像设备(100)中的图像采集的方法，该设备包括沿触摸表面(104)的一侧布置在该触摸表面的外围的多个超声换能器(106)。该方法包括：确定(200)触摸表面(104)的目标区域(107)；识别(202)阻挡特征(302)，阻挡特征阻止超声波在触摸表面中传播，使得该阻挡特征在触摸表面中产生不能进行图像采集的阻挡区域(304)；确定(204)目标区域与阻挡区域至少部分交叠；将换能器划分(206)为第一子集和第二子集，第一子集和第二子集被限定为由相应子集发射的超声波在阻挡特征的第一侧以及第二侧到达目标区域；以及使用发射波束成形和接收波束成形捕获生物特征对象的图像。

Description

超声成像设备及超声设备中的图像采集的方法
技术领域
本发明涉及超声成像设备及超声设备中的图像采集的方法。特别地，本发明涉及基于成像设备中的超声反射形成图像。
背景技术
生物特征系统被广泛用作提高个人电子设备例如移动电话等的便利性和安全性的手段。特别地，现在所有新发布的个人通信设备例如移动电话的很大一部分中都包括指纹感测系统。
由于其出色的性能和相对较低的成本，电容式指纹传感器已被用于绝大多数生物特征系统。
在其他指纹感测技术中，超声感测还具有提供有利性能的潜力，例如从非常潮湿的手指采集指纹(或掌纹)图像的能力等。
一类特别令人关注的超声指纹系统是这样的系统，在该系统中，沿着用户要触摸的设备元件的表面传送声学信号，并且基于接收到的声学信号来确定指纹(掌纹)表示，接收到的声学信号是由所传送的声学信号与设备元件和用户皮肤之间的界面之间的交互而产生的。
例如，在US 2017/0053151中总体上描述的这样的超声指纹感测系统可以提供可控分辨率并且允许较大的感测区域，该感测区域可以是光学透明的，不存在指纹感测系统必须随感测区域缩放的成本，并且从而使得能够将超声指纹传感器集成到设备的显示器中。
然而，当前的解决方案难以利用全显示器内屏(full in-display screen)的大覆盖区域提供高分辨率指纹，这是因为难以应对和处理针对每个触摸事件生成的大量RF数据，并且从而难以应用所需的图像重建和匹配过程。
因此，需要使用超声技术进行大面积指纹成像的改进的方法和系统。
发明内容
鉴于现有技术的上述及其他缺点，本发明的目的是提供一种用于能够基于触摸表面的特性适配成像采集过程的超声生物特征成像设备中的图像采集的方法和系统。
根据本发明的一个实施方式，提供一种用于超声生物特征成像设备中的图像采集的方法。该超声生物特征成像设备包括沿触摸表面的一侧布置在触摸表面的外围的多个超声换能器。该方法包括：确定触摸表面的目标区域；识别阻挡特征，阻挡特征阻止超声波在触摸表面中或在触摸表面处传播，使得该阻挡特征在触摸表面中产生不能进行图像采集的阻挡区域；确定目标区域与阻挡区域至少部分交叠；将所述多个换能器划分为第一子集和第二子集，第一子集被限定为由第一子集发射的超声波在阻挡特征的第一侧到达目标区域，并且第二子集被限定为由第二子集发射的超声波在阻挡特征的第二侧到达目标区域；控制换能器的第一子集使用发射波束成形朝向目标区域发射第一超声波束并且控制换能器的第二子集使用发射波束成形朝向目标区域发射第二超声波束，超声波束是散焦或未聚焦的超声波束；通过超声换能器接收由接收的RF数据限定的反射超声回波信号，反射超声回波信号由与在目标区域处和触摸表面接触的对象的交互产生；从接收的RF数据中减去背景RF数据以形成干净图像；执行接收侧波束成形以根据干净图像形成重建图像；以及对于针对给定目标区域由多个发射超声波束产生的多个重建图像，将所述多个重建图像相加以形成加和图像。
本方法旨在当手指或手掌与触摸表面接触时采集生物特征对象的图像，例如指纹或掌纹。例如，触摸表面可以是智能电话、平板计算机等中的显示器盖玻璃的表面。然而，所描述的方法同样可以在其他设备中实施，例如交互式TV、会议桌、智能板、信息终端或具有超声波可以传播的透明或不透明盖结构的任何其他设备。由于换能器被布置在有效触摸表面(active touch surface)的外围，因此所描述的方法也可以被用在例如商店、博物馆等中的交互式店铺橱窗或展示柜中。在一些应用中，生物特征对象可以是用户的脸颊或耳朵。
发射波束成形可以意指在发射步骤中使用多个换能器元件，使得通过调整相应换能器的传输延迟来生成散焦或未聚焦的超声波束并将其朝向目标区域发射。得到的超声波束的方向性受用于形成波束的相应换能器的张角的限制。
超声换能器通常包括压电材料，该压电材料响应于通过顶部电极和底部电极施加在材料上的电场而生成超声信号。原则上，也可以使用其他类型的超声换能器，例如电容式微机械超声换能器(CMUT)或压电式微机械超声换能器(PMUT)。在本文中，超声换能器将被描述为能够发送和接收超声信号的收发器。然而，也可以形成包括独立且分开的超声发送器和超声接收器的系统。
该设备还被认为包括超声换能器控制电路，该超声换能器控制电路被配置成控制超声信号的发送和接收，并且该设备被认为包括从所接收的超声回波信号中提取图像所需的适当的信号处理电路。
可以用射频数据(RF数据)来描述超声信号。射频频谱可以包括从3Hz至3THz的频率，并且对于超声信号，适用的频率范围是大约20kHz至几GHz，例如3GHz。因此，接收的RF数据描述了由发射的超声波束的回波产生的振荡信号。类似地，背景RF数据描述了在没有对象与触摸表面接触的情况下针对发射的超声波束的接收的超声信号。使用哪个超声频率或频率范围是基于现有应用确定的，并且可以根据参数例如所需的分辨率、换能器类型、超声信号将在其中传播的材料、功耗要求等而变化。
本发明基于以下认识：通过使用用于包括发射波束成形和接收波束成形两者的图像采集的方法，可以控制发射的超声信号，以使得可以在否则将被触摸表面的阻挡特征遮挡的区域捕获与触摸表面接触的对象的图像。换句话说，本质上，利用在固体材料中传播的声波的衍射特性来观察拐角周围。通过将波束成形与散焦或未聚焦的波束结合使用，由此可以捕获位于“隐藏区域”中的对象的图像，在“隐藏区域”中，触摸表面的阻挡特征阻止平面波传播。未聚焦波束是通过波束成形控制成在朝向目标区域传播时既不发散也不会聚的波束。然而，由于衍射，将存在一些发散。散焦波束是通过波束成形控制成好像是源自位于超声换能器后面的虚拟点源的发散波束。
根据本发明的一个实施方式，形成散焦波束包括执行发射波束成形以形成位于换能器后面且处于触摸表面外部的虚拟点源。因此，发射的波束将具有锥体形状，其中锥体的尖端位于虚拟点源处，这意指当在触摸表面中观看时，波束形状将具有截锥体的形状。
根据本发明的一个实施方式，该方法还可以包括由换能器的第一子集和第二子集发射相应的第一定向散焦波束和第二定向散焦波束，使得阻挡区域最小化。从而基于阻挡特征的已知特性确定发射的波束的形状，使得阻挡区域被最小化或甚至被消除。基于对阻挡特征的了解，可以估计针对非定向发射的超声波束的阻挡区域，并且可以适当地调整这些波束以使所述阻挡区域最小化。
根据本发明的一个实施方式，该方法还可以包括由换能器的第一子集和第二子集发射相应的第一定向散焦波束和第二定向散焦波束，其中第一定向散焦波束和第二定向散焦波束具有相同的形状。对于如从多个换能器看到的对称阻挡特征例如圆形开口，优选地使用从阻挡特征的相对侧到达目标区域具有相同形状的两个波束。
根据本发明的一个实施方式，该方法还可以包括基于触摸表面中的声速来控制超声换能器发射散焦波束或未聚焦波束。发射的超声波的衍射特性取决于这些波在材料中传播的传播速度，并且波长λ、传播速度vUS和频率f之间的关系被描述为λ＝vUS/f。由于波长应当相同以实现期望的分辨率，因此较低的传播速度意味着可以在保持相同分辨率时使频率成比例地降低。与较高频率相比，未聚焦波束在较低频率下会表现出更大的色散，因此使得在较低频率下使用未聚焦波束更加可行。用于指纹识别的示例波长可以为约175μm，对于1750m/s的传播速度，其频率为10MHz。未聚焦波束的声能以与1/√r成比例的比率下降，其中r是从换能器到波前的距离。对于散焦波束，能量下降与1/r成比例，这意指能量随距离更快地损失。因此，如果可能的话，更优选地使用未聚焦波束。
根据本发明的一个实施方式，触摸表面可以是显示面板的表面，并且阻挡特征是该显示面板中的开口。阻挡特征可以例如是显示面板中用于扬声器或麦克风的切口，或者阻挡特征可以是用于摄像机的切口或开口。对于这样的阻挡特征，可以假设阻挡特征的特性对于生物特征成像系统是已知的，并且阻挡区域的特性同样是已知的，因此成像系统可以适应阻挡区域而不必进行任何测量或校准。
因此，识别阻挡特征可以包括检索描述阻挡特征的特性的存储信息，例如阻挡特征是否是其中布置有生物特征成像设备的设备的组成部分。
根据本发明的一个实施方式，识别阻挡特征可以包括：形成触摸表面的至少一部分的图像、检测所形成的图像中的阻挡特征以及基于所形成的图像确定阻挡特征的特性。从而，即使成像系统没有阻挡特征的先验知识，也可以确定阻挡特征和阻挡区域的特性。例如，这在触摸表面中突然形成阻挡特征的情况下是有利的。这样的阻挡特征可以是显示器玻璃中的划痕或裂纹。如果在图像中检测到的特征足够突出并且如果所述特征对生物特征对象的检测产生负面影响，则可以将所述特征定义为阻挡特征。
根据本发明的一个实施方式，使用发射波束成形朝向目标区域发射第一超声波束和第二超声波束可以包括发射相对于阻挡特征具有最大可能角度的第一超声波束和第二超声波束，这将起到使阻挡区域最小化的作用。
根据本发明的一个实施方式，确定目标区域包括从被配置成检测与触摸表面接触的对象的位置的触摸感测装置接收描述目标区域的信息。因此，生物特征成像设备不必用于检测目标区域，从而具有生物特征成像设备可以处于空闲模式或休眠模式直至检测到目标区域的效果。触摸感测装置还可以用于确定阻挡特征的特性，使得可以基于来自触摸感测装置的输入来确定阻挡区域。
根据本发明的第二方面，提供一种超声生物特征成像设备，该设备包括：盖结构，盖结构包括触摸表面；布置在触摸表面的外围的多个超声换能器，所述多个超声换能器被配置成使用发射波束成形朝向目标区域发射散焦或未聚焦的超声波束以及接收限定接收的RF数据的反射超声回波信号，该反射超声回波信号由在目标区域处与触摸表面接触的对象的反射产生；以及生物特征成像控制单元。
生物特征成像控制单元被配置成：确定触摸表面的目标区域；识别阻挡特征，阻挡特征阻止超声波在触摸表面中或在触摸表面处传播，使得阻挡特征在触摸表面中产生不能进行图像采集的阻挡区域；确定目标区域与阻挡区域至少部分交叠；将多个换能器划分成第一子集和第二子集，第一子集被限定为由第一子集发射的超声波在阻挡特征的第一侧到达目标区域，并且第二子集被限定为由第二子集发射的超声波在阻挡特征的第二侧到达目标区域；控制换能器的第一子集使用发射波束成形朝向目标区域发射第一超声波束并且控制换能器的第二子集使用发射波束成形朝向目标区域发射第二超声波束，所述超声波束是散焦或未聚焦的超声波束；通过超声换能器接收由接收的RF数据限定的反射超声回波信号，该反射超声回波信号由与在目标区域处和触摸表面接触的对象的交互产生；从接收的RF数据中减去背景RF数据以形成干净图像；执行接收侧波束成形以根据干净图像形成重建图像；以及对于针对给定目标区域由多个发射超声波束产生的多个重建图像，将所述多个重建图像相加以形成加和图像。
根据本发明的一个实施方式，阻止超声波传播的阻挡特征是盖结构中位于盖结构的边缘处的切口，并且其中，超声换能器的第一子集位于该切口的第一侧，并且超声换能器的第二子集位于该切口的与第一侧相对的第二侧。通过在阻挡特征的相应侧布置换能器，可以对从阻挡特征的各侧发射的超声波束进行引导以最佳地最小化阻挡区域。
阻止超声波传播的阻挡特征可以例如是盖结构中位于盖结构的边缘处的开口或盖结构中位于盖结构的边缘处的裂缝，并且盖结构可以是用户设备例如智能电话中的显示器玻璃。
根据本发明的一个实施方式，多个换能器可以在触摸表面的单侧被布置成单行。通过所描述的使用发射波束成形和接收波束成形的方法和系统，可以使用在触摸表面的仅一侧的换能器来从整个触摸区域采集图像。当然，这还取决于其他因素，例如触摸表面的大小和换能器的功率。
本发明的第二方面的另外的效果和特征在很大程度上类似于上文结合本发明的第一方面描述的那些效果和特征。
当研究所附权利要求书和以下描述时，本发明的其他特征和优点将变得明显。本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，本发明的不同特征可以被组合以产生除以下描述的那些实施方式以外的实施方式。
附图说明
现在将参照示出本发明的示例实施方式的附图更加详细地描述本发明的这些方面和其他方面，在附图中：
图1A示意性地示出了根据本发明的实施方式的包括生物特征成像设备的显示装置；
图1B是根据本发明的实施方式的包括生物特征成像设备的显示装置的横截面图；
图2是概述根据本发明的实施方式的用于采集图像的方法的一般步骤的流程图；
图3A至图3B示意性地示出了根据本发明的实施方式的生物特征成像设备；以及
图4A至图4C示意性地示出了根据本发明的实施方式的生物特征成像设备的特征。
具体实施方式
在本详细描述中，主要参考适于形成放置在智能电话的显示器玻璃上的手指的图像的生物特征成像设备来描述根据本发明的系统和方法的各个实施方式。然而，应当注意的是，所描述的技术可以在一系列不同的应用中实现。
图1A示意性地示出了集成在呈智能电话103的形式的电子设备中的生物特征成像设备100。所示出的智能电话103包括具有呈盖玻璃102形式的盖结构102的显示面板。盖玻璃102限定外表面104，外表面104被配置成由手指105触摸，在本文中被称为触摸表面104。此处，盖结构102被示出为通常在智能电话103的显示面板中使用的类型的透明盖玻璃102。然而，只要盖结构102的声学特性允许超声能量的传播，盖结构102同样可以是不透明盖板。
显示装置还包括连接至盖结构102并位于盖结构102的外围的多个超声换能器106。因此，超声换能器106在此处被示为与由超声换能器106和盖结构103形成的生物特征成像设备的有效感测区域不交叠。然而，超声换能器106也可以被布置和配置成使得它们与有效感测区域交叠。图1A示出了换能器106的示例分布，其中换能器106沿盖结构102的一个边缘均匀分布。然而，其他的换能器分布同样是可能的，例如将换能器106布置在显示面板的两个、三个或四个侧上，并且不规则分布也是可能的。
可以例如基于期望区域的大小来选择换能器的分布。对于智能电话等中的典型显示器，例如沿着显示器的顶部和底部边缘布置换能器以实现全区域覆盖就足够了。
图1B是盖结构102的横截面图，在该横截面图中示出超声换能器106被布置在盖结构102下方并附接至盖结构102的底表面118。超声换能器106是包括布置在压电元件112的相对侧上的第一电极108和第二电极110的压电换能器，使得可以通过控制两个电极108、110的电压来生成传播到盖结构102中的超声信号。
换能器的间距可以在发射信号的波长的一半与所述波长的1.5倍之间，其中换能器的波长与换能器的大小有关。对于已知将需要波束控制的应用，间距可以优选地为波长的一半，使得栅瓣位于有效成像区域之外。由于栅瓣将接近主瓣，因此近似等于发射信号的波长的间距可以很好地适用于不需要波束控制的应用。换能器的波长应近似等于要检测的特征的大小，在指纹成像的情况下，这意指使用在50μm至300μm范围内的波长。取决于换能器的类型并且还取决于所使用的特定换能器封装，超声换能器106可以具有不同的配置。因此，换能器的大小和形状以及电极配置可以变化。此外，可以使用其他类型的设备来生成超声信号，例如微机械超声换能器(MUT)，包括电容式(cMUT)和压电式(pMUT)两者。
此外，需要合适的控制电路114来控制换能器发射具有关于例如幅度、脉冲形状和时序所需的特性的声学信号。然而，这样的用于超声换能器的控制电路是本领域技术人员公知的，并且本文将不再详细讨论。
每个超声换能器106被配置成发送在盖结构102中传播的声学信号ST以及接收受与感测表面104接触的对象105(此处由手指105表示)影响的反射超声信号SR。
目前认为声学交互作用信号SR主要是由于在盖结构102与用户(手指105)的皮肤之间的接触区域处的所谓的接触散射引起的。手指105与盖板103之间的接触点处的声学交互还可能引起声学发送信号ST的折射、衍射、色散和耗散。因此，基于所描述的交互现象有利地分析交互信号SR以基于所接收的超声信号确定手指105的特性。为简单起见，此后将所接收的超声交互信号SR称为反射超声回波信号SR。
因此，超声换能器106和相关联的控制电路114被配置成基于所接收的超声回波信号SR来确定对象的特性。多个超声换能器106连接至超声换能器控制电路114并由其控制。用于控制换能器106的控制电路114可以以许多不同的方式实施。控制电路114例如可以是一个中央控制单元114，其负责确定要发送的声学信号ST的特性以及对后续的交互信号SIN进行分析。此外，每个换能器106另外可以包括用于基于接收的命令来执行指定动作的控制电路。
控制单元114可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或其他可编程设备。控制单元114还可以包括或替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑设备或数字信号处理器。在控制单元114包括可编程设备例如以上提及的微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器的情况下，处理器还可以包括控制可编程设备的操作的计算机可执行代码。控制电路114的功能也可以集成在用于控制智能电话100的显示面板或其他特征的控制电路中。
图2是概述根据本发明的实施方式的超声生物特征成像设备100中的图像采集方法的一般步骤的流程图。将参照图1A至图1B中示出的设备100以及图3A至图3B来描述该方法，图3A至图3B示意性地示出了集成在智能电话中的生物特征成像设备100，所述智能电话包括在显示面板的盖玻璃102中的呈切口形式的阻挡特征302。
第一步骤包括确定200触摸表面104的目标区域107。确定目标区域107可以包括从被配置成检测与触摸表面接触的对象的位置的触摸感测装置接收描述目标区域107的信息。触摸感测装置可以例如是显示面板中的电容式触摸面板或者触摸感测装置可以由超声换能器形成。
以下步骤包括识别202阻挡特征302，阻挡特征302阻止超声波在触摸表面104中传播，使得阻挡特征302在触摸表面104中产生不能进行图像采集的阻挡区域304。因此，阻挡区域不是超声波为空的区域，它被定义为所得图像的分辨率不足以准确确定所寻找的生物特性例如指纹的脊和谷的区域。因此，对阻挡区域304的扩展可以根据给定应用的分辨率要求而变化。
在图3A至图3B中，阻挡特征302是显示器玻璃中可以容纳扬声器的预先存在的切口，这意指在切口302的位置处没有沿盖玻璃102布置的超声换能器106。此外，可以假设生物特征成像系统已知阻挡特征的大小和形状。因此，识别202阻挡特征302的步骤可以包括获取描述阻挡特征302的特性的存储信息。
一旦确定了阻挡特征302的特性，就确定204目标区域107与阻挡区域107至少部分地交叠。如果没有交叠，则不需要基于阻挡特征调整发射的一个或多个超声波束。然而，生物特征成像通常可以有利地使用所描述的包括发射波束成形和接收波束成形的方法。
如图3A所示，如果确定阻挡区域304与目标区域107之间存在交叠，则将多个换能器划分206为第一子集306和第二子集308，第一子集306被限定为由第一子集306发射的超声波在阻挡特征302的第一侧到达目标区域107，并且第二子集308被限定为由第二子集308发射的超声波在阻挡特征302的第二侧到达目标区域107，其中，此处第二侧与第一侧相对。在图3A示出的实施方式中，简单地从位于阻挡特征302左侧的换能器中选择换能器的第一子集306，并且从位于阻挡特征302右侧的换能器中选择换能器的第二子集308。第一子集306可以包括位于阻挡特征302左侧的所有换能器，或者第一子集306可以包括提供具有期望形状的超声波束所需的特定换能器。通常，可以认为换能器的第一子集和第二子集由换能器的与阻挡特征的位置和大小相关的发射角确定。
图3B示出的接下来的步骤包括控制208换能器的第一子集306使用发射波束成形朝向目标区域发射第一超声波束310和控制208换能器的第二子集308使用发射波束成形朝向目标区域发射第二超声波束312，所示出的超声波束是散焦的超声波束。超声波束也可以是未聚焦的超声波束。
通过发射波束成形，在盖玻璃102的外部并且在相应的换能器306、308行的后面形成一个或更多个虚拟点源314、316。由此，形成具有锥体形状的散焦超声波束310、312。从而，在不直接处于换能器的视线中的区域中发生这两个超声波束310、312的衍射，这有效地减小了阻挡区域的大小。
超声波束的方向性受超声换能器的张角的限制。张角与换能器的工作频率成反比，使得发射的超声波的较高频率导致较窄的张角。
接下来，超声换能器接收210由接收的RF数据限定的反射超声回波信号。如以上所讨论的，反射超声回波信号SR由与在目标区域处和触摸表面接触的对象的交互产生。
为了更清楚地区分接收的RF数据中的回波信号SR，从接收的RF数据中减去212背景RF数据以形成此处称为干净图像的图像。从获取的RF数据中减去背景RF数据可以在原始RF数据中完成或者在接收侧波束成形过程之后完成，将在下面进一步详细描述接收侧波束成形过程。为了在RF数据域中减去背景RF数据，存储每个单独的换能器元件的响应，并且从获取的RF数据中减去每个换能器元件的相应背景测量结果。应当注意的是，所有操作都是在数字域中执行的，这意指在减去背景RF数据之前执行AD转换，并且背景RF数据需要以数字形式可用。减去背景RF数据之后得到的图像在本文中被称为干净图像。
可以以不同方式获取背景RF数据。可以例如通过以规则的间隔或者在预期手指将被放置在触摸表面上(例如在设备中的应用提示的情况下)时捕获整个触摸表面的图像来获取背景数据。然而，捕获触摸表面的图像需要获取和存储大量的数据，并且如果可能，期望仅获取触摸表面的与目标区域对应的子区域的背景数据。这又需要预先知道手指将放置在触摸表面的位置。
在包括电容式触摸屏的设备中，可以使用电容式触摸屏的所谓的悬停模式(hovermode)来在实际接触发生之前确定目标位置。在悬停模式下，可以检测手指的接近度，可以预期目标区域，并且可以在图像采集之前获取预期目标的背景RF数据。然而，原则上，也可以在触摸发生之后即当用户移开手指时获取背景噪声，尽管这可能会限制图像采集设备的可能实现方式。
可以在如上所描述的减去背景RF数据之前或之后执行214接收侧波束成形以根据干净图像形成重建图像。通过调整接收的回波信号的延迟值使得它们被“聚焦”在每个单个成像像素处来动态执行接收侧波束成形。重复进行将接收的信号聚焦在任何成像点处直至生成完整的图像。通常，可以通过三个步骤来描述被称为延迟叠加(delay-and-sum)波束成形的接收侧波束成形的示例实现：
1)估计每个成像点离开焦点与返回每个接收元件之间的延迟。
2)在插值步骤中使用所估计的延迟来估计RF数据值。使用插值是因为在两个样本之间可能存在延迟。例如，可以使用样条插值。
3)跨所有接收信道对RF幅度求和。
该方法还包括将针对给定目标区域由多个发射超声波束产生的多个重建图像相加216以形成加和图像。可以基于目标区域处发送波束的宽度与目标区域的宽度之间的关系来估计捕获目标区域所需的发送事件的数量。因此，对于聚焦的发射波束，在假设目标区域处发送波束的宽度小于目标区域的宽度的情况下，与使用未聚焦或散焦波束时相比，通常需要更大数量的发射波束。
取决于是否需要减少图像中的噪声(通过同相相加实现)或是否期望提高图像的对比度(可以通过异相相加实现)，可以将针对每个发送事件的重建图像相干或非相干地——即同相或异相地——相加在一起。
通过将接收的RF数据转换为同相正交复数数据——IQ数据，可以实现重建图像的同相相加，从而使相位信息可用。因此，由IQ数据表示的重建图像随后将被同相(相干)地相加。然而，如果重建图像应该被异相(非相干)地相加，则不需要IQ数据。
异相组合可以通过确保总是将脉冲值相加在一起而无需其相位信息——即不管它们是正值还是负值来帮助提高对比度。
通过取加和图像的包络形成218最终图像。由于RF值的性质，每个成像像素的最终值可能为正也可能为负。然而，优选地基于图像的亮度显示完整图像。在RF值中，正的大值和负的大值两者均表示强反射率，并且接近零的值表示低反射率。因此，包络检测可以用于将原始表示转换为仅在正范围内的值。然而，应该注意的是，取图像包络的步骤是可选的，并且在某些应用中可以直接从加和图像中获得足够的信息。
图4A是示出经波束成形的成形超声发送波束ST的强度分布400的曲线图，强度分布400的焦点402近似位于图像的中心处，对应于目标区域。
图4B是示出经波束成形的接收的反射回波信号SR的强度分布404的曲线图，强度分布404的焦点404近似位于图像的中心处，即在与发射信号的焦点402的位置相同的位置处。
图4C是示出形成对应于虚拟目标区域的焦点408的发射波束成形和接收波束成形的组合的曲线图。因此，可以通过发射波束成形和接收波束成形的组合实现在目标区域107处的有效的生物特征成像。
图4A示出了聚焦波束并且当发射散焦或未聚焦的波束时也应用相同的推理，不同之处在于所得焦点将更大。因此，由于焦点较大，覆盖目标区域将需要较少的传输，但是分辨率会相应较低。因此可以基于成像速度与成像分辨率的要求来选择是使用聚焦、未聚焦还是散焦的发射波束。
系统的空间分辨率是指分辨彼此非常接近的点的能力。在所描述的系统中，横向分辨率(x轴)和纵向分辨率(y轴)优选地相同。这将确保总分辨率在两个方向上均匀且对称。空间分辨率可以由点扩展函数(PSF)表示，并且在本案中，PSF将基本上是圆形的。生物特征图像采集需要足够高的空间分辨率来分辨生物特征对象的特征，例如，分辨指纹的脊和谷。然而，所描述的方法和系统也可以用在需要低得多的分辨率的应用中，例如，用在触摸检测系统中。
总之，所描述的方法和系统对于在阻挡特征限制发射的超声波的传播路径的应用中改进超声生物特征成像系统的区域覆盖是有用的。
所描述的方法和系统还可以用于在存在影响成像特性的裂缝、划痕或其他表面损坏的情况下扩展感测区域。
此外，所描述的方法和系统可以有利地用于不包括显示器的应用中。特别地，所描述的方法可以用在触摸表面包括多个开口或其他类型的可能不存在于显示屏中的阻挡特征的应用中。
尽管本发明已经参考其具体示例性实施方式进行了描述，但是对于本领域技术人员来说，许多不同的改变、修改等将变得明显。此外，应当注意，可以以各种方式省略、互换或布置所述方法和系统的各部分，而该方法和系统仍然能够执行本发明的功能。
此外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的实施方式的各种变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他要素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中引用某些措施的仅有事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (16)

1.一种用于超声生物特征成像设备(100)中的图像采集的方法，所述超声生物特征成像设备包括沿触摸表面(104)的一侧布置在所述触摸表面的外围的多个超声换能器(106)，所述方法包括：
确定(200)所述触摸表面(104)的目标区域(107)；
识别(202)阻挡特征(302)，所述阻挡特征阻止超声波在所述触摸表面中传播，使得所述阻挡特征在所述触摸表面中产生不能进行图像采集的阻挡区域(304)；
确定(204)所述目标区域与所述阻挡区域至少部分交叠；
将所述多个换能器划分(206)为第一子集和第二子集，所述第一子集被限定为由所述第一子集发射的超声波在所述阻挡特征的第一侧到达所述目标区域，并且所述第二子集被限定为由所述第二子集发射的超声波在所述阻挡特征的第二侧到达所述目标区域；
控制(208)所述换能器的第一子集使用发射波束成形朝向所述目标区域发射第一超声波束并且控制所述换能器的第二子集使用发射波束成形朝向所述目标区域发射第二超声波束，所述超声波束是散焦的或未聚焦的超声波束；
通过所述超声换能器接收(210)由接收的射频数据(RF数据)限定的反射超声回波信号，所述反射超声回波信号由与在所述目标区域处和所述触摸表面接触的对象的交互产生；
从接收的RF数据中减去(212)背景RF数据以形成干净图像；
执行(214)接收侧波束成形以根据所述干净图像形成重建图像；以及
对于针对给定目标区域由多个发射超声波束产生的多个重建图像，将所述多个重建图像相加(216)以形成加和图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，形成散焦波束包括执行发射波束成形以形成位于所述换能器后面且处于所述触摸表面外部的虚拟点源。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括由所述换能器的第一子集和第二子集发射相应的第一定向散焦波束和第二定向散焦波束，使得所述阻挡区域被最小化。
4.根据权利要求1或2所述的方法，还包括由所述换能器的第一子集和第二子集发射相应的第一定向散焦波束和第二定向散焦波束，其中，所述第一定向散焦波束和所述第二定向散焦波束具有相同的形状。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括基于所述触摸表面中的声速控制所述超声换能器发射散焦波束或未聚焦波束。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述触摸表面是显示面板的表面并且所述阻挡特征是所述显示面板中的开口。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，识别阻挡特征包括检索描述所述阻挡特征的特性的存储信息。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，识别阻挡特征包括：形成所述触摸表面的至少一部分的图像、检测所形成的图像中的阻挡特征以及基于所形成的图像确定所述阻挡特征的特性。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用发射波束成形朝向所述目标区域发射第一超声波束和第二超声波束包括发射相对于所述阻挡特征具有最大可能角度的第一超声波束和第二超声波束。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定所述目标区域包括从被配置成检测与所述触摸表面接触的对象的位置的触摸感测装置接收描述所述目标区域的信息。
11.一种超声生物特征成像设备，包括：
盖结构(103)，其包括触摸表面(104)；
多个超声换能器(106)，其被布置在所述触摸表面的外围，所述多个超声换能器被配置成使用发射波束成形朝向目标区域发射散焦或未聚焦的超声波束以及接收由接收的射频数据(RF数据)限定的反射超声回波信号，所述反射超声回波信号由在所述目标区域处与所述触摸表面接触的对象的反射产生；以及
生物特征成像控制单元(114)，其被配置成：
确定触摸表面的目标区域；
识别阻挡特征(302)，所述阻挡特征阻止超声波在所述触摸表面中或在所述触摸表面处传播，使得所述阻挡特征在所述触摸表面中产生不能进行图像采集的阻挡区域(304)；
确定所述目标区域与所述阻挡区域至少部分交叠；
将所述多个换能器划分为第一子集和第二子集，所述第一子集被限定为由所述第一子集发射的超声波在所述对象的第一侧到达所述目标区域，并且所述第二子集被限定为由所述第二子集发射的超声波在所述对象的第二侧到达所述目标区域；
控制所述换能器的第一子集使用发射波束成形朝向所述目标区域发射第一超声波束并且控制所述换能器的第二子集使用发射波束成形朝向所述目标区域发射第二超声波束，所述超声波束是散焦或未聚焦的超声波束；
通过所述超声换能器接收由接收的RF数据限定的反射超声回波信号，所述反射超声回波信号由与在所述目标区域处和所述触摸表面接触的对象的交互产生；
从接收的RF数据中减去背景RF数据以形成干净图像；
执行接收侧波束成形以根据所述干净图像形成重建图像；以及
对于针对给定目标区域由多个发射超声波束产生的多个重建图像，将所述多个重建图像相加以形成加和图像。
12.根据权利要求11所述的超声成像设备，其中，阻止超声波传播的阻挡特征是所述盖结构中位于所述盖结构的边缘处的切口，并且其中，所述超声换能器的第一子集位于所述切口的第一侧，并且所述超声换能器的第二子集位于所述切口的与所述第一侧相对的第二侧。
13.根据权利要求11或12所述的超声成像设备，其中，阻止超声波传播的阻挡特征是所述盖结构中位于所述盖结构的边缘处的开口。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的超声成像设备，其中，阻止超声波传播的阻挡特征是所述盖结构中位于所述盖结构的边缘处的裂缝。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的超声成像设备，其中，所述盖结构为显示器玻璃。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的超声成像设备，其中，所述多个换能器在所述触摸表面的单个侧被布置成单行。
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