JP2002524752A - キャパシタンスによる画像検出方法および装置 - Google Patents
キャパシタンスによる画像検出方法および装置Info
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Abstract
(57)【要約】
画像、特に指紋画像をキャパシタンスによって検出するセンサでは、各ピクセルに割り当てられているキャパシタ(C12)が基準電極により補完される。この基準電極は結合キャパシタンス(Ck)を介して相互に容量結合されている。設けられた測定電極と付加的な基準電極とを用いた画像の並列検出により、一方ではラスタに相応して分割された画像が供給され、他方では容量結合から得られるローカルの平均化が行われて、その平均値がローカルの基準値として利用される。
Description
【0001】 本発明は、特に指紋の白黒画像を検出するのに適したキャパシタンスによる画
像検出方法および装置に関する。
像検出方法および装置に関する。
【0002】 指紋を記録する容量性のセンサマトリクスの実現形態については種々の手法が
知られている。文献 S.Jung et al., "A Low-Power and High-Performance CMOS
Fingerprint Sensing and Encoding Architecture", ESSCIRC'98 には、キャパ
シタンスによる指紋検出を可能とする指紋センサとこれに対応する測定法とが記
載されている。指の表面と上部電極との間の有効キャパシタンスは画素すなわち
ピクセルごとに検出される。上部電極の下方には給電線路のほかにそれぞれ結合
電極が存在しており、この結合電極は上部電極から電気的に絶縁され、かつ上部
電極とともに別のキャパシタンスを形成している。ここでは電子回路が設けられ
ており、この電子回路によって各結合電極が所定の電位まで充電され、スイッチ
を介して測定用の上部電極も別の電位まで充電される。スイッチが開放された後
、装置に対する所定のチャージ特性および電圧特性が発生し、これにより検出が
行われて当該のピクセルでの各キャパシタンスを求めるのに用いられる。この手
法では指紋を表す画像に充分な画像品質を得るために、つねにセンサのキャリブ
レーションを行うか、または少なくとも1度外部からの基準値を供給しなければ
ならない。この基準値は連続的なセンサデータ(すなわちセンサスキーマによっ
て得られた指の表面とセンサ表面との間のキャパシタンス値に相応する電圧値)
から更なる処理に適した離散的な画像を得るのに必須のものである。白黒画像を
記録する際には、基準値がオフセットされた結果としてコントラストが不充分に
なり領域によって画像が黒または白となる場合にきわめて劣悪な結果が発生する
ことがある。実際にはセンサ値またはキャパシタンス値から求められる電圧値に
対して導出される電気的パラメータの値が局所的に変化するので、このことは回
避できない。こうした問題点はきわめて複雑な手段で、何段階もの離散画像を記
憶および処理しないかぎり回避できない。
知られている。文献 S.Jung et al., "A Low-Power and High-Performance CMOS
Fingerprint Sensing and Encoding Architecture", ESSCIRC'98 には、キャパ
シタンスによる指紋検出を可能とする指紋センサとこれに対応する測定法とが記
載されている。指の表面と上部電極との間の有効キャパシタンスは画素すなわち
ピクセルごとに検出される。上部電極の下方には給電線路のほかにそれぞれ結合
電極が存在しており、この結合電極は上部電極から電気的に絶縁され、かつ上部
電極とともに別のキャパシタンスを形成している。ここでは電子回路が設けられ
ており、この電子回路によって各結合電極が所定の電位まで充電され、スイッチ
を介して測定用の上部電極も別の電位まで充電される。スイッチが開放された後
、装置に対する所定のチャージ特性および電圧特性が発生し、これにより検出が
行われて当該のピクセルでの各キャパシタンスを求めるのに用いられる。この手
法では指紋を表す画像に充分な画像品質を得るために、つねにセンサのキャリブ
レーションを行うか、または少なくとも1度外部からの基準値を供給しなければ
ならない。この基準値は連続的なセンサデータ(すなわちセンサスキーマによっ
て得られた指の表面とセンサ表面との間のキャパシタンス値に相応する電圧値)
から更なる処理に適した離散的な画像を得るのに必須のものである。白黒画像を
記録する際には、基準値がオフセットされた結果としてコントラストが不充分に
なり領域によって画像が黒または白となる場合にきわめて劣悪な結果が発生する
ことがある。実際にはセンサ値またはキャパシタンス値から求められる電圧値に
対して導出される電気的パラメータの値が局所的に変化するので、このことは回
避できない。こうした問題点はきわめて複雑な手段で、何段階もの離散画像を記
憶および処理しないかぎり回避できない。
【0003】 本発明の課題は、キャパシタンスによる画像検出方法および装置を提供して、
細部の再現に充分なコントラストを有するラスタ状の白黒画像を簡単に記録でき
るようにすることである。
細部の再現に充分なコントラストを有するラスタ状の白黒画像を簡単に記録でき
るようにすることである。
【0004】 この課題は請求項1の特徴を有する方法、または請求項5の特徴を有する装置
により解決される。有利な実施形態は従属請求項から得られる。
により解決される。有利な実施形態は従属請求項から得られる。
【0005】 本発明の方法では検出された測定信号に1段のバイナリのアナログディジタル
変換を行う。空間的に変化する輝度差またはコントラスト差を補償するために、
各ピクセルで検出されたキャパシタンスの測定値をローカルの閾値比較にかける
。このようにして限界値としての基準値が得られ、1段のディジタル結果(バイ
ナリ0または1)が測定値に割り当てられる。キャパシタンス測定による画像検
出および閾値の算出はそれぞれ画像の制限された部分の条件から得られ、本発明
の方法では同時に並列的に行われる。本発明の方法を実施する装置は外部の基準
値に依存して動作し、例えば指紋を検出するために半導体チップに集積されてい
る。
変換を行う。空間的に変化する輝度差またはコントラスト差を補償するために、
各ピクセルで検出されたキャパシタンスの測定値をローカルの閾値比較にかける
。このようにして限界値としての基準値が得られ、1段のディジタル結果(バイ
ナリ0または1)が測定値に割り当てられる。キャパシタンス測定による画像検
出および閾値の算出はそれぞれ画像の制限された部分の条件から得られ、本発明
の方法では同時に並列的に行われる。本発明の方法を実施する装置は外部の基準
値に依存して動作し、例えば指紋を検出するために半導体チップに集積されてい
る。
【0006】 キャパシタンスによる画像検出は基本的には冒頭で言及した文献に記載されて
いる手法と同様に行われる。ラスタ状に配置された電気導体を使用し、この電気
導体が画像表面に対する対向電極を形成する。画像表面は例えば指の腹側の皮膚
表面である。皮膚表面のやまとたにとのパターンにより空間的に異なるキャパシ
タンスが平面に測定電極として配置された電気導体と皮膚表面との間に得られる
。この皮膚表面は一定の電位に置かれていると見なされる。画像表面から大きな
距離を置いて別の電極が前述の電極に対して平行な平面に結合電極として配置さ
れる。適切な電位を印加し当該の電位を画像表面に対して密な間隔で配置された
ほうの電極で遮断することにより、それぞれの測定電極と画像表面との間のキャ
パシタンスが当該のピクセルで測定される。
いる手法と同様に行われる。ラスタ状に配置された電気導体を使用し、この電気
導体が画像表面に対する対向電極を形成する。画像表面は例えば指の腹側の皮膚
表面である。皮膚表面のやまとたにとのパターンにより空間的に異なるキャパシ
タンスが平面に測定電極として配置された電気導体と皮膚表面との間に得られる
。この皮膚表面は一定の電位に置かれていると見なされる。画像表面から大きな
距離を置いて別の電極が前述の電極に対して平行な平面に結合電極として配置さ
れる。適切な電位を印加し当該の電位を画像表面に対して密な間隔で配置された
ほうの電極で遮断することにより、それぞれの測定電極と画像表面との間のキャ
パシタンスが当該のピクセルで測定される。
【0007】 本発明の方法では、測定のために付加的な別の電極が基準電極として使用され
る。この基準電極は本来の測定電極に隣接するように配置される。基準電極は基
本的に本来の測定電極と同じ測定を行えるように配置ないし設計されている。た
だし基準電極はその配置の様態と幾何学的形状とにより、少なくとも直接に隣接
している電極とは強く容量結合し、場合によっては他の基準電極とも容量結合し
てしまう。このためこの電極を用いた測定の際にはそれぞれ所定のピクセルの周
囲の画像領域全体にわたって平均化が行われる。基準電極によって検出される平
均値は閾値または限界値として利用され、キャパシタンス測定から本来の測定電
極を用いて得られた各測定値と比較される。この平均値により、画面全体にわた
る一定の基準値の代わりに空間的に変化する比較値が得られ、この値は画像に局
所的にきわめて明るい個所またはきわめて暗い個所がある場合でも細部の再生に
充分なコントラストを生じさせる。
る。この基準電極は本来の測定電極に隣接するように配置される。基準電極は基
本的に本来の測定電極と同じ測定を行えるように配置ないし設計されている。た
だし基準電極はその配置の様態と幾何学的形状とにより、少なくとも直接に隣接
している電極とは強く容量結合し、場合によっては他の基準電極とも容量結合し
てしまう。このためこの電極を用いた測定の際にはそれぞれ所定のピクセルの周
囲の画像領域全体にわたって平均化が行われる。基準電極によって検出される平
均値は閾値または限界値として利用され、キャパシタンス測定から本来の測定電
極を用いて得られた各測定値と比較される。この平均値により、画面全体にわた
る一定の基準値の代わりに空間的に変化する比較値が得られ、この値は画像に局
所的にきわめて明るい個所またはきわめて暗い個所がある場合でも細部の再生に
充分なコントラストを生じさせる。
【0008】 測定の際に測定電極に印加される電圧は基準電極へ印加される電圧とは異なっ
ている。図1には本発明の方法に適した装置の基本回路図が示されている。電気
導体の2つの層の間、すなわち測定電極と結合電極との間で各ピクセルにキャパ
シタンスC12が存在している。結合電極は電位V2に置かれている。画像表面
、例えば指紋の皮膚表面は一定の電位VFに置かれているとする。測定電極に所
定の電位が印加され、スイッチを操作することにより電極から分離される。個々
のピクセルでのそれぞれのキャパシタンスの関係に相応して、電極に対する充電
の大きさを表す種々の値が発生する。この値が測定され、測定電極と画像表面と
の間のそれぞれのキャパシタンスが求められる。基準電極を用いて測定を行う場
合には電極間に存在するキャパシタンスを考慮しなければならない。なぜならこ
の基準電極の配置ないし構成では図1に示されている結合キャパシタンス(相互
キャパシタンス)Ckが無視することのできない値を有するからである。基準電
極に印加される電圧は本来の測定のために測定電極に印加される電圧と同じであ
ってもよいし異なっていてもよいが、この電圧の遮断後、基準電極に対して各ピ
クセルでそれぞれ電極‐ピクセルキャパシタンスCF,iに相応する値VG,r
ef,iが発生する。このようにして行われるキャパシタンス測定では、検出す
べき画像のいわゆる汚れたコピーまたは褪せたコピーが形成される。基準電極間
の容量結合に起因するキャパシタンス測定の際のアンシャープネスはこの測定の
ローカルの値を基準値として測定電極を介して求められた値との比較に利用され
る。
ている。図1には本発明の方法に適した装置の基本回路図が示されている。電気
導体の2つの層の間、すなわち測定電極と結合電極との間で各ピクセルにキャパ
シタンスC12が存在している。結合電極は電位V2に置かれている。画像表面
、例えば指紋の皮膚表面は一定の電位VFに置かれているとする。測定電極に所
定の電位が印加され、スイッチを操作することにより電極から分離される。個々
のピクセルでのそれぞれのキャパシタンスの関係に相応して、電極に対する充電
の大きさを表す種々の値が発生する。この値が測定され、測定電極と画像表面と
の間のそれぞれのキャパシタンスが求められる。基準電極を用いて測定を行う場
合には電極間に存在するキャパシタンスを考慮しなければならない。なぜならこ
の基準電極の配置ないし構成では図1に示されている結合キャパシタンス(相互
キャパシタンス)Ckが無視することのできない値を有するからである。基準電
極に印加される電圧は本来の測定のために測定電極に印加される電圧と同じであ
ってもよいし異なっていてもよいが、この電圧の遮断後、基準電極に対して各ピ
クセルでそれぞれ電極‐ピクセルキャパシタンスCF,iに相応する値VG,r
ef,iが発生する。このようにして行われるキャパシタンス測定では、検出す
べき画像のいわゆる汚れたコピーまたは褪せたコピーが形成される。基準電極間
の容量結合に起因するキャパシタンス測定の際のアンシャープネスはこの測定の
ローカルの値を基準値として測定電極を介して求められた値との比較に利用され
る。
【0009】 図1には本発明の方法のキャパシタンス測定の平均化の基本図が示されている
。図2、図3には本発明の方法に適した電極装置の概略図が示されている。この
電極装置は対応する装置としてもこの手法で実現可能である。図4には本発明に
よる画像品質の改善法を説明するためのダイアグラムである。
。図2、図3には本発明の方法に適した電極装置の概略図が示されている。この
電極装置は対応する装置としてもこの手法で実現可能である。図4には本発明に
よる画像品質の改善法を説明するためのダイアグラムである。
【0010】 図2には実施例として、六角形のラスタ上に配置された六角形の測定電極1の
ラスタ状装置の部分図が示されている。測定電極はそれぞれリング状に同心の六
角形で縁取られた基準電極2によってリング状に包囲されている。各2つの基準
電極間の結合キャパシタンスCkはこの図では小さなキャパシタとして示されて
いる。これはキャパシタとして実際に存在してはおらず、基準電極2によって現
実に発生するキャパシタンスの等価回路図である。
ラスタ状装置の部分図が示されている。測定電極はそれぞれリング状に同心の六
角形で縁取られた基準電極2によってリング状に包囲されている。各2つの基準
電極間の結合キャパシタンスCkはこの図では小さなキャパシタとして示されて
いる。これはキャパシタとして実際に存在してはおらず、基準電極2によって現
実に発生するキャパシタンスの等価回路図である。
【0011】 図3には図2に相応する平面図が示されており、ここではこの実施例における
基準電極2の構造が正確に示されている。基準電極2はこの場合には櫛状に構成
されており、2つの隣接するピクセルの基準電極間の結合キャパシタンスができ
る限り大きくなるように相互に噛み合わされている。基準電極2はこのように隣
接するピクセルに割り当てられた基準電極3とともに最大の容量を有するキャパ
シタを形成している。本発明の方法のこの実施例ではこの装置を用いて最良の平
均値形成が達成される。画像構造に起因してピクセルごとの測定値に発生する変
動は大幅に補償され、主として複数のピクセルにわたって求められた平均値のみ
が測定される。
基準電極2の構造が正確に示されている。基準電極2はこの場合には櫛状に構成
されており、2つの隣接するピクセルの基準電極間の結合キャパシタンスができ
る限り大きくなるように相互に噛み合わされている。基準電極2はこのように隣
接するピクセルに割り当てられた基準電極3とともに最大の容量を有するキャパ
シタを形成している。本発明の方法のこの実施例ではこの装置を用いて最良の平
均値形成が達成される。画像構造に起因してピクセルごとの測定値に発生する変
動は大幅に補償され、主として複数のピクセルにわたって求められた平均値のみ
が測定される。
【0012】 本発明の方法ではしたがって、測定電極で検出されたローカルの画像情報が基
準電極を介した並列的な測定においてローカルの平均値により置換される。平均
化の行われた領域の半径および全画像中の位置に応じたローカル平均の重みづけ
はキャパシタンスCk、C12の比によって調整することができる。極端なケー
ス、すなわちCk=0ではほぼ測定電極で検出された画像に相応する画像が得ら
れ、Ckが無限大である場合には各基準電極で画像全体のグローバルな平均値に
相応する等しい電位が形成される。キャパシタンスの比はそれぞれの適用分野に
適合される。例えば本発明の方法を指紋センサに使用する場合、領域全体にわた
る平均値を求める際に、その領域の半径が有利には指紋の典型的な空間的に異な
る畝構造に適合されるように選定する。
準電極を介した並列的な測定においてローカルの平均値により置換される。平均
化の行われた領域の半径および全画像中の位置に応じたローカル平均の重みづけ
はキャパシタンスCk、C12の比によって調整することができる。極端なケー
ス、すなわちCk=0ではほぼ測定電極で検出された画像に相応する画像が得ら
れ、Ckが無限大である場合には各基準電極で画像全体のグローバルな平均値に
相応する等しい電位が形成される。キャパシタンスの比はそれぞれの適用分野に
適合される。例えば本発明の方法を指紋センサに使用する場合、領域全体にわた
る平均値を求める際に、その領域の半径が有利には指紋の典型的な空間的に異な
る畝構造に適合されるように選定する。
【0013】 測定電極および基準電極の構成は有利には各ピクセルに対して同等に選択され
る。有利には同種の電子回路を設け、これにより各ピクセルの電極に所定の電位
を印加および遮断することができる。各ピクセルで形成される測定電極および基
準電極上の電位は有利には比較器回路によって比較される。この比較から、測定
値が当該の平均値よりも下方にあるか上方にあるかに応じて、白黒画像の黒ピク
セルまたは白ピクセルが得られる。比較器回路は例えばダイナミックラッチとし
て構成することができる。
る。有利には同種の電子回路を設け、これにより各ピクセルの電極に所定の電位
を印加および遮断することができる。各ピクセルで形成される測定電極および基
準電極上の電位は有利には比較器回路によって比較される。この比較から、測定
値が当該の平均値よりも下方にあるか上方にあるかに応じて、白黒画像の黒ピク
セルまたは白ピクセルが得られる。比較器回路は例えばダイナミックラッチとし
て構成することができる。
【0014】 装置は集積回路として実現することができる。これには実施例として示した六
角形の測定電極の装置が特に適している。測定電極をそれぞれ相互に接する六角
形の辺を備えたラスタとして密に配置することができるので、基準電極も最大の
結合キャパシタンスを形成するのに特に適した状態でそこに配置できる。
角形の測定電極の装置が特に適している。測定電極をそれぞれ相互に接する六角
形の辺を備えたラスタとして密に配置することができるので、基準電極も最大の
結合キャパシタンスを形成するのに特に適した状態でそこに配置できる。
【0015】 図4には本発明の方法に則した3つのダイアグラムが示されている。xで表さ
れている測定電極の平面形装置の方向の拡がりは任意の単位で横軸線上に示すこ
とができる。個々のピクセルで測定されたキャパシタンスに対応する電圧値はV
Gとして縦軸線に示されている。図示された曲線8はx方向で変化する電圧VG
を表している。電圧値VGが基準電圧Vrefよりも大きいかまたは小さいかに
応じて当該のピクセルは黒または白で表される。図4のaからわかるように、基
準電圧Vrefしか使用されない場合、ダイアグラムの右方の領域で電圧VGは
つねに基準電圧の上方に存在しており、画像はそこで均一に黒く示される。電圧
の変動(曲線8のやまとたに)は考慮されず、画像の細部の分解能もこの個所で
は不可能である。グレースケールによる画像の正確な再現は、図4のbに相応し
て種々の基準電圧Vref1,Vref2,Vref3をグレー値でスケーリン
グされた画像の形成に使用する際に達成される。ただしこの種の測定結果の評価
には高いコストがかかる。本発明によれば図4のcに相応して、破線で示された
基準電圧Vrefが平均値形成により空間的に画像の条件に適合され、右方に示
された領域では電圧VGの変動が画像の輝度値すなわち白黒のスケーリングに利
用される。この基準電圧Vrefの算出は、前述のように、容量結合された基準
電極を使用した平均値形成により行われる。
れている測定電極の平面形装置の方向の拡がりは任意の単位で横軸線上に示すこ
とができる。個々のピクセルで測定されたキャパシタンスに対応する電圧値はV
Gとして縦軸線に示されている。図示された曲線8はx方向で変化する電圧VG
を表している。電圧値VGが基準電圧Vrefよりも大きいかまたは小さいかに
応じて当該のピクセルは黒または白で表される。図4のaからわかるように、基
準電圧Vrefしか使用されない場合、ダイアグラムの右方の領域で電圧VGは
つねに基準電圧の上方に存在しており、画像はそこで均一に黒く示される。電圧
の変動(曲線8のやまとたに)は考慮されず、画像の細部の分解能もこの個所で
は不可能である。グレースケールによる画像の正確な再現は、図4のbに相応し
て種々の基準電圧Vref1,Vref2,Vref3をグレー値でスケーリン
グされた画像の形成に使用する際に達成される。ただしこの種の測定結果の評価
には高いコストがかかる。本発明によれば図4のcに相応して、破線で示された
基準電圧Vrefが平均値形成により空間的に画像の条件に適合され、右方に示
された領域では電圧VGの変動が画像の輝度値すなわち白黒のスケーリングに利
用される。この基準電圧Vrefの算出は、前述のように、容量結合された基準
電極を使用した平均値形成により行われる。
【図1】 本発明の方法のキャパシタンス測定の平均化の基本図である。
【図2】 本発明の方法に適した電極装置の概略図である。
【図3】 本発明の方法に適した電極装置の概略図である。
【図4】 本発明による画像品質の改善法を説明するためのダイアグラムである。
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成12年10月17日(2000.10.17)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0003
【補正方法】変更
【補正内容】
【0003】 ヨーロッパ特許出願公開第0786745明細書から、キャパシタンスによる
画像検出の1つの手法が公知である。ここでは空間平均値を算出して獲得する手
段が設けられており、この手段は画像検出装置から分離されて配置されている。 本発明の課題は、キャパシタンスによる画像検出方法および装置を提供して、
細部の再現に充分なコントラストを有するラスタ状の白黒画像を簡単に記録でき
るようにすることである。
画像検出の1つの手法が公知である。ここでは空間平均値を算出して獲得する手
段が設けられており、この手段は画像検出装置から分離されて配置されている。 本発明の課題は、キャパシタンスによる画像検出方法および装置を提供して、
細部の再現に充分なコントラストを有するラスタ状の白黒画像を簡単に記録でき
るようにすることである。
Claims (6)
- 【請求項1】 ラスタ状に配置された複数の電極を用いて各電極とピクセル
との間の電気キャパシタンスを測定することにより画像を検出し、 ラスタ状に配置され相互に容量結合された別の電極を用いて、画像の制限領域
内で相応に測定された電気キャパシタンスの空間的な平均値を求め、 該平均値を当該の領域内の少なくとも1つのピクセルで測定された電気キャパ
シタンスに対する基準値として使用する、 ことを特徴とするキャパシタンスによる画像検出方法。 - 【請求項2】 各1つの平均値が検出される領域のサイズを画像内で変更す
る、請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 前記平均値をそれぞれ限界値として使用し、測定されたキャ
パシタンスと該限界値とを比較することにより各ピクセルに2つの可能な値のう
ち一方を割り当てる、請求項1または2記載の方法。 - 【請求項4】 指紋の白黒画像を検出する、請求項3記載の方法。
- 【請求項5】 ラスタ状のピクセルから成る画像を検出するために、検出す
べき画像を配置する表面と、該表面に対して異なる距離で配置された2つの層と
、ラスタに相応に分割され相互に分離されている測定電極としての電気導体とが
設けられており、 前記表面に対して小さな距離で配置された層は基準電極としての別の電気導体
を有しており、該別の電気導体はラスタに相応して測定電極に隣接するように配
置されており、該別の電気導体は所定の領域の内部でピクセルごとに基準電極に
よってキャパシタンス測定の空間平均が行われるように容量結合されており、 電子回路が設けられており、該電子回路により測定のために測定電極および基
準電極に同様に電位が印加され、ピクセルと電極との間に存在する各キャパシタ
ンスが求められる、 ことを特徴とするキャパシタンスによる画像検出装置。 - 【請求項6】 前記基準電極は櫛状構造部を有しており、該構造部は隣接す
る基準電極の櫛状構造部と噛み合っている、請求項5記載の装置。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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DE19841001.8 | 1998-09-08 | ||
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