CN113994392A - 超声成像设备及超声设备中图像获取的方法 - Google Patents

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Abstract

用于超声生物特征成像设备(100)中图像获取方法，该方法包括：确定(200)触摸表面(104)的目标区域(107)；由布置在触摸表面的外围的多个超声换能器(106)利用传送波束成形朝向目标区域发射(202)成形的超声波束；由超声换能器接收(204)由所接收的RF数据限定的反射超声回波信号，该反射超声回波信号是由于与在目标区域处接触触摸表面的对象的交互而产生的；从所接收的RF数据中减去(206)背景RF数据以形成干净图像；执行(208)接收侧波束成形以由干净图像形成重建图像；以及对于由于针对给定目标区域的多个发射的超声波束而产生的多个重建图像，将所述多个重建图像相加以形成求和图像。

Description

超声成像设备及超声设备中图像获取的方法
技术领域
本发明涉及超声成像设备及超声设备中图像获取的方法。特别地，本发明涉及基于成像设备中的超声反射来形成图像。
背景技术
生物特征系统被广泛用作用于增加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，现在在所有新发布的个人通信设备例如移动电话的大部分个人通信设备中都包括指纹感测系统。
电容式指纹传感器由于其卓越的性能和相对低的成本已经被用于绝大多数生物特征系统中。
在其他指纹感测技术中，超声感测也具有提供有利性能的潜力，例如从非常潮湿的手指获取指纹(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，在所述系统中，沿着用户要触摸的设备元件的表面传送声学信号，并且基于所接收的声学信号来确定指纹(掌纹)表示，所接收的声学信号是由于设备构件和用户皮肤之间的界面与所传送的声学信号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可以是光学透明的感测区域，不存在指纹感测系统必须随感测区域成比例缩放的成本，并且从而使得超声指纹传感器能够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射频数据，并且从而难以应用所需的图像重建和匹配过程。
因此，需要利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和其他缺点，本发明的目的是提供一种使用波束成形超声生物特征成像设备中图像获取的改进的方法和系统。
根据本发明的第一方面，提供一种超声生物特征成像设备中图像获取的方法。该方法包括：确定触摸表面的目标区域；由布置在触摸表面的外围的多个超声换能器，利用传送波束成形朝向目标区域发射成形的超声波束；由超声换能器接收限定所接收的RF数据的反射超声回波信号，该反射超声回波信号由于与在目标区域处触摸触摸表面的对象的交互而产生的；从所接收的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由干净图像形成重建图像；以及对于由于针对给定目标区域的多个发射的超声波束而产生的多个重建图像，将所述多个重建图像相加以形成求和图像。
本方法旨在当手指或手掌与触摸表面接触时获取生物特征例如指纹或掌纹的图像。触摸表面可以例如是智能电话、平板电脑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，例如交互式电视、会议桌、智能板、信息终端或者具有超声可以传播的透明或非透明盖结构的任何其他设备。由于换能器被布置在有源触摸表面的外围，因此所描述的方法也可以在例如商店、博物馆中的交互式店铺橱窗或展示柜中使用。在一些应用中，生物特征对象可以是用户的脸颊或耳朵。
形成成形的超声波束的步骤也可以被称为传送侧波束成形，其中，基于检测到的触摸表面的目标区域来进行波束成形。传送波束成形可以意指在传送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送延迟生成聚焦的、散焦的或未聚焦的超声波束并且朝向目标区域发射。
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)。超声换能器在本文中将被描述为能够传送和接收超声信号的收发器。然而，也可以形成包括单独且分开的超声传送器和超声接收器的系统。
该设备还被认为包括被配置成控制超声信号的传送和接收的超声换能器控制电路系统，并且被认为包括从所接收的超声回波信号提取图像所需的适当的信号处理电路系统。
超声信号可以由射频数据(RF数据)描述。无线电频谱可以包括从3Hz到至多3THz的频率，并且对于超声信号，适用的频率范围为约20kHz到至多几GHz，例如3GHz。因此，所接收的RF数据描述了由所传送的超声波束的回波而产生的振荡信号。类似地，背景RF数据描述了在不存在与触摸表面接触的对象的情况下接收的针对所发射的超声波束的超声信号。使用哪个超声频率或频率范围是基于现有的应用确定的，并且可以取决于诸如所需分辨率、换能器类型、超声信号将在其中传播的材料、电力消耗要求等参数而变化。
本发明基于这样的认识，即包括传送波束成形和接收波束成形两者的图像获取方法提供了优于其中将单个元件用于每个传送-接收(脉冲-回波)操作的其他方法的许多优点。
通过使用聚焦波束，可以获得更高的横向分辨率。聚焦的另一有利结果在于由于分散的能量较少而使瞄准目标区域的能量最大化。对于接收侧波束成形也是如此，这将致使信噪比(SNR)增加，继而使得所发射的超声波束的穿透深度增加。
此外，作为对多个重建图像求和的结果，所描述的方法使得SNR提高，这用于抑制随机且不相关的噪声。此外，在使用所述方法的设备中，由于模数转换器(ADC)的各个通道将不决定最终图像的SNR，因此可以降低ADC的SNR要求。
如果使用聚焦波束，能量将更加集中地朝向目标，并且将实现更好的灵敏度。
如果波束散焦或未聚焦，则超声能量在许多不同方向上传播并且因此具有较低的穿透深度，但是可以以低得多的重复次数覆盖手指区域，并且因此可以在目标区域靠近换能器的情况下使用。
根据本发明的一个实施方式，该方法还可以包括通过取得求和图像的包络来形成最终图像。通过取得求和图像的包络，可以将图像的可能为正也可能为负的RF数据值转换成仅正值。包括正值和负值的求和图像可以例如由适于处理原始数据的指纹匹配算法使用。然而，在一些应用中，可能需要获取指纹的视觉上更准确的表示，这可以通过如上所述取求和图像的包络来实现。
根据本发明的一个实施方式，该方法还可以包括将所接收的RF数据转换成同相正交复数数据。将所接收的RF数据转换成同相正交复数数据可以包括使用希尔伯特变换。此外，将所接收的RF数据转换成同相数据使得将多个重建图像同相相加以形成求和图像变得简单。由于所接收的RF数据的噪声可以被认为是随机的，因此从由一个超声波束产生的一个接收图像数据集到由下一个超声波束产生的一个接收图像数据集，噪声同相的可能性非常低。因此，通过将同相数据相加，可以显著抑制噪声。然而，由于所接收的RF数据的可以同时具有正值和负值的性质，因此属于不同超声波束的RF数据的交互可以产生建设性和解构性效应。无论何时正值或负值彼此相加都是建设性的，并且无论何时正值与负值相加都是解构性的。
根据本发明的一个实施方式，该方法可以包括将多个重建图像异相相加以形成求和图像。如上所述，图像的同相求和可能导致干扰效应，并且在样的效应特别不利或在观察到强干扰的情况下，可能需要使用异相数据来添加图像。异相相加可以通过确保在不需要RF值的相位信息的情况下总是将它们的值相加在一起而有助于增加所得求和图像中的对比度。
根据本发明的一个实施方式，用于接收超声回波信号的超声换能器的数量与用于发射成形的超声波束的超声换能器的数量相同。因此，即使不能准确知道回波信号的传播方向，也不需要使用额外的换能器来接收回波信号。
根据本发明的一个实施方式，该方法还可以包括通过控制所发射的用于形成求和图像的超声波束的数量来控制最终图像的分辨率。在形成图像的第一次尝试中，可以使用每秒发射的超声波束来形成求和图像，并且如果分辨率变得不足，可以使用所有发射的超声波束。
根据本发明的一个实施方式，确定目标区域包括从触摸感测装置接收描述目标区域的信息，该触摸感测装置被配置成检测与触摸表面接触的对象的位置。确定触摸区域的步骤可以例如使用电容式触摸屏的电容元件或通过仅使用超声换能器来执行。通过确定目标区域例如手指在屏幕上的位置，可以使超声波束瞄准并朝向目标位置发射。使用超声方法来检测手指在屏幕上的位置可能是优选的选择，因为这使得超声成像系统能够作为独立系统来操作。在使用超声系统时，传送未聚焦波束(平面波)以覆盖触摸表面的整个区域例如显示器盖玻璃，并且通过分析所接收的回波，可以足够准确地确定手指在显示器上的位置。此处假设仅一个手指与触摸表面接触。对于多个手指在显示器上的情况，传送过程是相同的，即传送未聚焦波束。然而，在预期手指位置多于一个地点的情况下，需要对所接收的信号进行进一步分析并且需要不同的方法。
根据本发明的第二方面，提供一种超声生物特征成像设备，该超声生物特征成像设备包括：盖结构，其包括触摸表面；布置在触摸表面的外围的多个超声换能器，其被配置成利用传送波束成形朝向目标区域发射成形的超声波束以及接收限定所接收的RF数据的发射超声回波信号，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：从所接收的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由干净图像形成重建图像；对于由于针对给定目标区域的多个发射的超声波束而产生的多个重建图像，将所述多个重建图像相加以形成求和图像；以及通过取得求和图像的包络来形成最终图像。
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上成单行布置。由于可以通过波束成形来控制成行布置的超声波束的换能器以生成瞄准特定目标位置的超声波束，因此足以在触摸表面的单侧上提供换能器同时仍然能够获取触摸表面上任何位置处的目标区域的图像。
根据本发明的一个实施方式，超声成像设备还可以包括触摸感测装置，该触摸感测装置被配置成检测与触摸表面接触的对象的位置。例如，触摸感测装置可以包括位于盖结构下方例如在电容式触摸表面板中的多个触摸感测元件。触摸感测装置还可以包括用于获取生物特征图像的相同的超声换能器。
本发明的第二方面的附加效果和特征在很大程度上类似于上面结合本发明的第一方面所描述的那些效果和特征。
根据本发明的第三方面，提供一种用于获取超声生物特征成像设备中背景数据的方法，该方法包括：检测接近成像设备的触摸表面的手指；基于检测到的手指确定目标区域；在手指接触触摸表面之前，由布置在触摸表面的外围的多个超声换能器朝向目标区域发射超声信号；由超声换能器接收由所接收的射频数据(RF数据)限定的反射超声回波信号；以及基于所接收的反射超声回波信号确定背景射频数据。
所描述的具有布置在触摸表面的外围(例如在盖玻璃的边缘下方)的换能器的配置产生来自例如玻璃的边界和拐角的经反射和散射的静止回波。即使没有手指与触摸表面接触，这些回波也会被换能器接收到。这样的回波可以被称为背景信号RF-back。当手指放在盖玻璃上时，所接收的信号RF-total被描述为RF-total＝Rf-finger+RF-back。
为了从手指获得RF信号RF-finger、背景数据RF-back必须是已知的或估计的。
通过使用电容式触摸屏的所谓悬停模式，可以在实际的触摸/力施加在触摸表面上之前感测手指位置，在此期间可以基于手指位置执行超声传送序列。因此，换能器所接收的回波描述了背景数据，即在没有手指触摸表面时目标区域的特性。所描述的方法简化了背景数据获取并减少了否则需要作为背景数据存储的数据的量。
根据本发明的一个实施方式，朝向目标区域发射超声信号包括使用多个超声换能器的子集，该子集是基于目标区域来被定义。例如，可以仅激活目标区域附近的换能器，从而简化背景数据的获取。因此，可以基于从换能器到目标区域的距离确定要使用哪些换能器，并且优选地将换能器的子集定义成使得可以获取足够量的背景数据。
根据本发明的一个实施方式，朝向目标区域发射超声信号包括利用传送波束成形朝向目标区域发射成形的超声波束，并且其中，基于所接收的反射超声回波信号确定背景射频数据包括接收侧波束成形。因此可以使用传送侧波束成形和接收侧波束成形来形成背景数据。波束成形可能在计算上要求更高，但它也可以使得能够更准确地获取指定目标区域的背景数据。
根据本发明的一个实施方式，使用电容式触摸感测元件来检测接近成像设备的触摸表面的手指。电容式触摸元件可以例如是电容式触摸屏的一个或更多个元件。
根据本发明的一个实施方式，该方法还包括：由布置在触摸表面的外围的多个超声换能器，利用传送波束成形朝向目标区域发射成形的超声波束；由超声换能器接收由所接收的RF数据限定的反射超声回波信号，该反射超声回波信号是由于与在目标区域处接触触摸表面的对象的交互而产生的；从所接收的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由干净图像形成重建图像；以及对于由于针对给定目标区域的多个发射的超声波束而产生的多个重建图像，将多个重建图像相加以形成求和图像。
此外，被发射以形成求和图像的成形的超声波束与被发射以获取背景RF数据的成形的超声波束相同。从而可以确保背景数据尽可能与指纹获取中包括的背景数据相对应。
本发明的第三方面的另外的效果和特征在很大程度上类似于上面结合本发明的第一方面和第二方面描述的效果和特征。
根据本发明的第四方面，提供一种超声生物特征成像设备，包括：具有触摸表面的盖结构；电容式触摸感测元件，其被配置成检测接近触摸表面的手指以及基于检测到的手指来确定目标区域；布置在触摸表面的外围的多个超声换能器，其被配置成在手指接触触摸表面之前朝向目标区域发射超声信号、接收由所接收的射频数据(RF数据)限定的反射超声回波信号以及基于所接收的反射超声回波信号来确定背景射频数据(RF数据)。
根据本发明的一个实施方式，多个超声换能器被配置成利用传送波束成形朝向目标区域发射成形的超声波束以及接收由所接收的RF数据限定的反射超声回波信号，该反射超声回波信号由在目标区域处与触摸表面接触的对象的反射产生，超声成像设备还包括生物特征成像控制单元，该生物特征成像控制单元被配置成：从所接收的RF数据中减去背景射频数据(RF数据)以形成干净图像；执行接收侧波束成形以由干净图像形成重建图像；以及对于由于针对给定目标区域的多个发射的超声波束而产生的多个重建图像，将所述多个重建图像相加以形成求和图像。
本发明的第四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、第二和第三方面所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，利用本发明的其他特征和优点将变得明显。技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征以创建不同于以下描述的实施方式的实施方式。
附图说明
现在将参照示出本发明的示例实施方式的附图来更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装置的显示设备；
图1B是根据本发明的实施方式的包括生物特征成像装置的显示设备的截面图；
图2是概述根据本发明的实施方式的用于获取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方法和系统的特征；
图4A至图4B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；以及
图5是概述根据本发明的实施方式的方法的一般步骤的流程图。
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，应该注意的是，所描述的技术可以在一系列不同的应用中实施。
图1A示意性地示出了集成在智能电话103形式的电子设备中的生物特征成像设备100。所示的智能电话100包括具有盖玻璃102形式的盖结构102的显示面板。盖玻璃102限定被配置成由手指105触摸的外表面104，外表面104在本文中被称为触摸表面104。此处，盖结构102被示为通常在智能电话103的显示面板中使用的类型的透明盖玻璃。然而，盖结构102同样也可以是非透明盖板，只要盖结构102的声学特性允许超声能量的传播即可。
显示装置还包括连接至盖结构102并且位于盖结构102的外围的多个超声换能器106。因此，超声换能器106在此处被示为不与由超声换能器106和盖结构102形成的生物特征成像设备的有效感测区域104交叠。然而，超声换能器106也可以被布置和配置成使得其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沿着显示面板的所有侧均匀地分布在盖结构102周围。然而，其他换能器分布也是可能的，例如将换能器106布置在显示面板的一个、两个或三个侧上，并且不规则的分布也是可能的。
图1B是盖结构102的截面图，其中示出了超声换能器106被布置在盖结构102之下并且被附接至盖结构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(pitch)可以在发射信号的波长的一半与波长的1.5倍之间，其中换能器的波长与换能器的尺寸有关。对于已知将需要波束控制(beam steering)的应用，间距可以优选地为波长的一半，使得栅瓣(grating lobe)位于有效成像区域之外。由于栅瓣将接近主波瓣，因此近似等于发射信号的波长的间距可以很好地适于不需要波束控制的应用。换能器的波长应当近似等于要检测的特征的尺寸，在指纹成像装置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具体换能器封装，超声换能器106可以具有不同的配置。因此，换能器的尺寸和形状以及电极配置均可以变化。此外，可以使用用于生成超声信号的其他类型的装置，例如微机械超声换能器(MUT)，其包括电容式(cMUT)和压电式(pMUT)两者。
此外，需要合适的控制电路系统114来控制换能器以发射具有所需特性(关于例如幅度、脉冲形状和时序)的声学信号。然而，用于超声换能器的这样的控制电路系统对于技术人员是公知的，因此本文将不会详细讨论。
每个超声换能器106被配置成传送在盖结构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接触散射(contact scattering)引起的。手指105与盖板103之间的接触点处的声学交互还可以引起声学传送信号ST的折射、衍射、分散和耗散。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。为了简单起见，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系统114被配置成基于所接收的超声回波信号SR来确定对象105的特性。多个超声换能器106连接至超声换能器控制电路系统114并受其控制。可以以许多不同的方式来体现用于控制换能器106的控制电路系统114。控制电路系统114可以例如是一个中央控制单元114，其负责确定要传送的声学信号ST的特性以及分析随后的交互信号SIN。此外，每个换能器106可以另外包括用于基于所接收的命令来执行指定动作的控制电路系统。
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另一可编程装置。控制单元114还可以或者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、可编程逻辑装置或数字信号处理器。在控制单元114包括可编程装置例如上面提及的微处理器、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装置的操作的计算机可执行代码。也可以将控制电路系统114的功能集成在用于控制智能电话100的显示面板或其他特征件的控制电路系统中。
图2是概述根据本发明的实施方式的用于超声生物特征成像设备100中图像获取的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来描述该方法。
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表面板或者触摸感测装置可以由超声换能器形成。
一旦确定了目标区域，多个超声换能器106利用传送波束成形朝向目标区域107发射202成形的超声波束。从而，布置在触摸表面104的外围的多个超声换能器106朝向触摸表面的选定子区域发射超声波束。可以通过控制相应换能器的触发延迟即发射来自特定换能器的脉冲的特定时间来执行传送波束成形。从而生成聚焦的、散焦的或未聚焦的超声波束并朝向目标区域107发射。
接下来，超声换能器接收204由所接收的RF数据限定的反射超声回波信号。如上所讨论的，反射超声回波信号SR是由于与在目标区域处接触触摸表面的对象的交互而产生的。
为了更清楚地区分所接收的RF数据中的回波信号SR，从所接收的RF数据中减去206背景RF数据以形成此处称为干净图像的图像。从所获取的RF数据中减去背景RF数据可以在原始RF数据中完成也可以在接收侧波束成形过程之后完成，这将在下面进一步详细描述。为了在RF数据域中减去背景RF数据，存储每个单独换能器元件的响应并且从所获取的RF数据中减去每个换能器元件的相应背景测量值。应当注意的是，所有操作都是在数字域中进行的，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。此处，将减去背景RF数据之后得到的图像称为干净图像。
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时(例如在设备中的应用提示的情况下)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并存储大量的数据，并且如果可能的话，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。这转而需要预先知道手指将放置在触摸表面上的位置。
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悬停模式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、可以预测目标区域并且可以在图像获取之前获取预期目标的背景RF数据。然而，原则上，在触摸发生之后即当用户移开手指时获取背景噪声也是可能的，尽管这可能会限制图像获取设备的可能实现方式。
可以在上述减去背景RF数据之前或之后执行208接收侧波束成形以由干净图像形成重建图像。通过对所接收的回波信号的延迟值进行调整以使它们“聚焦”在每个单个成像像素处来动态地执行接收侧波束成形。重复进行将所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求和波束成形的接收侧波束成形的示例实现方式：
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以估计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)对所有接收信道的RF幅度求和。
该方法还包括将由针对给定目标区域的多个发射的超声波束产生的多个重建图像相加210以形成求和图像。可以基于目标区域处的传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传送事件的数量。因此，在假定目标区域处的传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的情况下相比，聚焦的发射波束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)或是否期望增加图像的对比度(可以通过异相相加实现)，可以将针对每个传送事件的重建图像相干或非相干(即同相或异相)地相加在一起。
通过将所接收的RF数据转换成同相正交复数数据(IQ数据)，可以实现重建图像的同相相加，从而使得相位信息可用。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，如果应当将重建图像异相(不相干)地相加，则不需要IQ数据。
异相组合可以通过确保在不需要脉冲的相位信息(即它们是正值还是负值)的情况下总是将脉冲值相加在一起而有助于增加对比度。
通过取得求和图像的包络形成212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来显示完整的图像。在RF值中，正的大值和负的大值均表示反射率强，接近零的值表示反射率低。因此，可以使用包络检测将原始表示转换成仅在正范围内的值。然而，应当注意的是，取图像包络的步骤是可选的，并且在一些应用中可以直接根据求和图像得到足够的信息。
图3A至图3B示意性地示出了传送波束成形的示例，其中图3A示出了散焦波束300并且图3B示出了聚焦波束302。此处，一行超声换能器106被放置在触摸表面104的左侧，并且在图3A中，在换能器106的左侧示出多个虚拟源304a至304c。在图3B中，替代地，虚拟源306a至306c位于这行换能器106的右手侧。
图4A是示出经波束成形的成形超声传送波束ST的强度分布400的曲线图，其中，焦点402大致在图像的中心处，对应于目标区域。
图4B是示出所接收的经波束成形的反射回波信号SR的强度分布404的曲线图，其中，焦点404大致在图像的中心处，即与传送信号的焦点402在相同的位置处。
图4C是示出形成对应于虚拟目标区域的组合焦点408的传送波束成形和接收波束成形的组合的曲线图。因此，可以通过传送波束成形和接收波束成形的组合在目标区域107处实现有效的生物特征成像。
图4A示出了聚焦波束并且在发射散焦或未聚焦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，覆盖目标区域所需的传输将较少，但分辨率将会相应降低。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的、未聚焦的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)和轴向分辨率(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，并且在当前情况下，PSF将基本上是圆形的。
生物特征图像获取需要足够高的空间分辨率以解析生物特征对象的特征，例如解析指纹的脊和谷。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。
通过使用所描述的系统，可以形成仅需要位于触摸区域一侧的几个换能器来检测对象例如手指或触笔尖端的触摸事件的触摸检测系统或触摸跟踪系统。由于仅需要检测和跟踪单个点，因此可以大大降低系统的复杂性。因此，不需要对图像进行波束成形或重建，仅需找到屏幕上最大幅度的位置并保持以高精度跟踪该点即可。然后，元件的尺寸可以相对大，因为同样不需要生成图像，因此信号幅度也可以相对高。可以通过ADC ASIC中或主机CPU内部的小型处理器对RF数据进行处理。
图5是描述根据上述任一实施方式的用于获取超声生物特征成像设备100中背景数据的方法的步骤的流程图。该方法包括例如通过在悬停检测模式下操作电容触摸屏来检测500接近成像设备100的触摸表面104的手指105。一旦检测到手指，下一步骤包括基于检测到的手指105确定502目标区域107。从而，目标区域是触摸表面的可以预期手指与触摸表面接触的区域。目标区域可以具有与指纹相同的尺寸或者可以将其限定为比指纹稍大，以补偿手指朝向触摸表面移动时的横向手指移动。
接下来，在手指105接触触摸表面104之前，由布置在触摸表面104的外围的多个超声换能器106朝向目标区域107发射504超声信号，并且由超声换能器接收506由所接收的射频数据(RF数据)限定的反射超声回波信号。
该方法还包括基于所接收的反射超声回波信号确定508背景RF数据，并且可以随后从所获取的指纹图像中减去所确定的背景数据，以便通过去除伪影等来提高指纹图像的质量。
在没有波束成形的情况下使用换能器的子集来获取背景数据的实施方式中，指纹图像捕获序列可以包括从每个有效的接收器信道收集数据、减去相应接收信道的背景RF数据、然后通过波束成形来形成最终图像。因此，与使用波束成形执行背景捕获的情况相比，在波束成形之前减去背景RF数据可以减少计算负荷。
尽管已经参照本发明的具体示例性实施方式描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，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。
另外，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施所要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施方式的变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，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记载某些措施的这一事实不表示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (28)

1.一种用于超声生物特征成像设备(100)中图像获取的方法，所述方法包括：
确定(200)触摸表面(104)的目标区域(107)；
由布置在所述触摸表面的外围的多个超声换能器(106)，利用传送波束成形朝向所述目标区域发射(202)成形的超声波束；
由所述超声换能器接收(204)由所接收的射频数据(RF数据)限定的反射超声回波信号，所述反射超声回波信号是由于与在所述目标区域处接触所述触摸表面的对象的交互而产生的；
从所接收的RF数据中减去(206)背景RF数据以形成干净图像；
执行(208)接收侧波束成形以由所述干净图像形成重建图像；以及
对于由于针对给定目标区域的多个发射的超声波束而产生的多个重建图像，将所述多个重建图像相加(210)以形成求和图像。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：通过取得所述求和图像的包络来形成(212)最终图像。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括将所接收的RF数据转换成同相正交复数数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，将所接收的RF数据转换成同相正交复数数据包括使用希尔伯特变换。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述多个重建图像相加以形成求和图像包括将所述多个图像同相相加。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将所述多个重建图像相加以形成求和图像包括将所述多个图像异相相加。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，用于接收所述超声回波信号的超声换能器的数量与用于发射所述成形的超声波束的超声换能器的数量相同。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括通过控制所发射的用于形成求和图像的超声波束的数量来控制所述最终图像的分辨率。
9.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。
10.一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)；
布置在所述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利用传送波束成形朝向目标区域发射成形的超声波束以及接收限定所接收的RF数据的反射超声回波信号，所述反射超声回波信号是由于在所述目标区域处接触所述触摸表面的对象的反射而产生的；以及
生物特征成像控制单元(114)，其被配置成：
从所接收的RF数据中减去背景射频数据(RF数据)以形成干净图像；
执行接收侧波束成形以由所述干净图像形成重建图像；以及
对于由于针对给定目标区域的多个发射的超声波束而产生的多个重建图像，将所述多个重建图像相加以形成求和图像。
11.根据权利要求10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侧上成单行布置。
12.根据权利要求10所述的超声成像设备，其中，所述多个换能器被布置和配置成使得x方向上的分辨率与y方向上的分辨率相同，所述x方向和所述y方向限定所述触摸区域的平面。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的超声成像设备，还包括触摸感测装置，所述触摸感测装置被配置成检测与所述触摸表面接触的对象的位置。
14.根据权利要求10至12中任一项所述的超声成像设备，其中，所述触摸感测装置包括位于所述盖结构下方的多个触摸感测元件。
15.一种电子用户设备，包括根据权利要求10至14中任一项所述的超声生物特征成像设备。
16.根据权利要求15所述的电子用户设备，其中，所述盖结构为显示面板。
17.一种用于获取超声生物特征成像设备中背景数据的方法，所述方法包括：
检测(500)接近所述成像设备的触摸表面的手指(105)；
基于检测到的手指确定(502)目标区域(107)；
在所述手指与所述触摸表面接触之前，由布置在所述触摸表面的外围的多个超声换能器(106)朝向所述目标区域发射(504)超声信号；
由所述超声换能器接收(506)由所接收的射频数据(RF数据)限定的反射超声回波信号；以及
基于所接收的反射超声回波信号确定(508)背景RF数据。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，朝向所述目标区域发射(504)超声信号包括使用所述多个超声换能器的子集，所述子集是基于所述目标区域来被定义。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，朝向所述目标区域发射(504)超声信号包括利用传送波束成形朝向所述目标区域发射成形的超声波束，并且其中，基于所接收的反射超声回波信号确定背景射频数据(RF数据)包括接收侧波束成形。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，其中，所述目标区域是所述触摸表面的子区域。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其中，使用电容式触摸感测元件来执行接近所述成像设备的触摸表面的手指的检测。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的方法，还包括：
由布置在所述触摸表面的外围的多个超声换能器(106)，利用传送波束成形朝向所述目标区域发射(202)成形的超声波束；
由所述超声换能器，接收(204)由所接收的射频数据(RF数据)限定的反射超声回波信号，所述反射超声回波信号是由于与在所述目标区域处接触所述触摸表面的对象的交互而产生的；
从所接收的RF数据中减去(206)所述背景RF数据以形成干净图像；
执行(208)接收侧波束成形以由所述干净图像形成重建图像；以及
对于由于针对给定目标区域的多个发射的超声波束而产生的多个重建图像，将所述多个重建图像相加(210)以形成求和图像。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，被发射以形成求和图像的成形的超声波束与被发射以获取所述背景RF数据的成形的超声波束相同。
24.一种超声生物特征成像设备，包括：
盖结构(103)，其具有触摸表面(104)；
电容式触摸感测元件，其被配置成检测接近所述触摸表面的手指以及基于检测到的手指确定目标区域(107)；
布置在所述触摸表面的外围的多个超声换能器(106)，其被配置成：
在所述手指与所述触摸表面接触之前，朝向所述目标区域发射超声信号；
接收由所接收的射频数据(RF数据)限定的反射超声回波信号；以及
基于所接收的反射超声回波信号确定背景射频数据(RF数据)。
25.根据权利要求24所述的超声成像设备，其中，所述电容式触摸感测元件为电容式触摸屏。
26.根据权利要求24或25所述的超声成像设备，其中，所述多个超声换能器被配置成朝向所述目标区域发射超声信号，朝向所述目标区域发射超声信号包括使用换能器的子集，所述子集是基于所述目标区域来被定义。
27.根据权利要求24或25所述的超声成像设备，其中，所述多个超声换能器被配置成利用传送波束成形朝向所述目标区域发射成形的超声波束。
28.根据权利要求24至27中任一项所述的超声成像设备，其中，所述多个超声换能器被配置成利用传送波束成形朝向所述目标区域发射成形的超声波束以及接收由所接收的RF数据限定的反射超声回波信号，所述反射超声回波信号是由于在所述目标区域处接触所述触摸表面的对象的反射而产生的，所述超声成像设备还包括生物特征成像控制单元(114)，生物特征成像控制单元(114)被配置成：
从所接收的RF数据中减去背景射频数据(RF数据)以形成干净图像；
执行接收侧波束成形以由所述干净图像形成重建图像；以及
对于由于针对给定目标区域的多个发射的超声波束而产生的多个重建图像，将所述多个重建图像相加以形成求和图像。
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