JP2012530463A

JP2012530463A - 低安定時間のマイクロ走査型システム

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Publication number: JP2012530463A
Application number: JP2012516203A
Authority: JP
Inventors: ハムレ・ジョン・ディー．; マーセ・ダニエル・エフ．
Original assignee: Identix Inc
Current assignee: Identix Inc
Priority date: 2009-06-15
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2012-11-29
Anticipated expiration: 2030-06-15
Also published as: WO2010147990A1; JP5795578B2; EP2443828A1; RU2577475C2; EP2443828A4; JP6320351B2; US8547426B2; KR20120030465A; CN102577371B; KR101779619B1; RU2012101233A; JP2016001912A; US20100315499A1; CN102577371A

Abstract

【課題】
【解決手段】指紋像を捕捉するための低安定時間のマイクロ走査型システム用のシステム、装置、及び方法が提供される。一実施形態の場合、屈曲装置に剛直化装置及び平行四辺形構造体が含まれる。剛直化装置はマイクロ走査技術で合成像を形成するのに使用可能な像を捕捉するように撮像センサを移動させるように構成されている。剛直化装置は屈曲装置の共振周波数が屈曲装置の運行周波数より高レベルにさせ、屈曲装置の安定時間を最小化する。
【選択図】図２Ａ

Description

[他の出願との関係］
本出願は米国特許法Ｕ．Ｓ．Ｃ．ァ１１９により、２００９年６月１５日に提出された”ＬｏｗＳｅｔｔｌｅＴｉｍｅＭｉｃｒｏ−ＳｃａｎｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ”と題する特許暫定出願６１／２６８，８９６号、及び２０１０年６月１４日に提出された”ＬｏｗＳｅｔｔｌｅＴｉｍｅＭｉｃｒｏ−ＳｃａｎｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ”と題する実用新案出願１２／８１４，６５５号に基づいて優先権を主張するものである。上記出願の内容の全体はすべての目的に於いて本願に参照して合同されるものとする。

指紋の像を得る従来の方法では、先ず指先にインクを塗り、次いで紙面に指先を押して尾根と谷の指紋のパタンを紙面に転写する。尾根の指紋パタンは紙面に転写されるが、谷は転写されない。転がされた指紋パタンを得るにはインクを塗られた指の側面を紙面の指定された位置に置いてから、紙面上他の側面へと転がす。

光学電子システムを使用すれば、インクを使用せずに転がされた指の指紋パタンを得ることが出来る。典型的には撮像面上を転がされる指面の光学像のシリーズが撮像センサから伝播されてデジタルデータに変換される。像のシリーズを表すデジタルデータから転がされた指の指紋像を生成するには種々の方法が使用可能である。

指紋撮像の分野において、高解像度への努力が見られて居り、近年における撮像センサ解像度の向上はこの傾向を示すものである。

此処に開示されるのは屈曲装置、及びマイクロ走査技術で使用される方法である。

指紋像のマイクロ走査用に構成された一実施形態における装置は、第一アクチュエイター、第二アクチュエイター、及びアセンブリから成るものとされる。アセンブリには撮像センサを保持するように構成された取り付け部、第一アクチュエイターを保持するように構成された第一取り付け区域、第二アクチュエイターを保持するように構成された第二取り付け区域、及び剛直化装置が含まれる。第一アクチュエイターは取り付け部の線的並進を生成するように構成されて居る。第二アクチュエイターも取り付け部の線的並進を生成するように構成されて居るが、第二アクチュエイターが生成する線的並進は第一アクチュエイターが生成する線的並進と実質的に直交するものである。剛直化装置は取り付け部、第一アクチュエイター、及び第二アクチュエイターと連結されて居る。剛直化装置は取り付け部の線的並進を生成するように構成された第一アクチュエイターに誘発される力に対する取り付け部の抵抗を確立させ、取り付け部の線的並進を生成するように構成された第二アクチュエイターに誘発される力に対する取り付け部の抵抗を確立させるような幾何学的形状である。

一実施形態の場合、指紋像のマイクロ走査用に構成された装置には指紋像を捉えるように構成された撮像センサ、第一アクチュエイター、第二アクチュエイター、アセンブリ、及び駆動信号によって第一アクチュエイターと第二アクとを駆動するように構成された制御ユニットが含まれる。アセンブリには撮像センサを保持するように構成された取り付け部、第一アクチュエイターを保持するように構成された第一取り付け区域、第二アクチュエイターを保持するように構成された第二取り付け区域、剛直化装置、及び複数個の平行四辺形構造体が含まれる。剛直化装置は取り付け部、第一アクチュエイター、及び第二アクチュエイターに連結されて居る。複数個の平行四辺形構造体は第一アクチュエイターにより誘発された力による取り付け部の第一線的並進と第二アクチュエイターにより誘発された力による取り付け部の第二線的並進とを定義するように構成されて居る。第一線的並進と第二線的並進とは実質的に直交するものである。複数個の平行四辺形構造体は更に取り付け部のアセンブリの面上での回転を実質上防止するものである。

一実施形態の場合、指紋像を生成する方法には第一位置の撮像センサで指からの光を収集して第一像を得る工程を含むものである。撮像センサは次いで第一位置から第二位置へと並進される。第一位置から第二位置への並進は実質上矩形の四頂点の第一斜線に沿ったものである。光は第一像を捉える約２０ミリ秒以内に第二位置の撮像センサで指から捉えられて第二像が得られる。その後撮像センサは第二位置から第三位置へと並進される。第二位置から第三位置への並進は実質上矩形の四頂点の第一側線に沿ったものである。光は第二像を捉える約２０ミリ秒以内に第三位置の撮像センサで指から捉えられて第三像が得られる。その後撮像センサは第三位置から第四位置へと並進される。第三位置から第四位置への並進は実質上矩形の四頂点の第二斜線に沿ったものである。光は第三像を捉える約２０ミリ秒以内に第四位置の撮像センサで指から捉えられて第四像が得られる。第一，第二、第三、第四の像を組み合わせて合成像とすると、この合成像は第一，第二、第三、第四の像より解像度が高い。

一実施形態の場合、指紋像を生成する方法には第一位置の撮像センサで指からの光を収集して第一像を得る工程を含むものである。撮像センサは次いで第一位置から第二位置へと並進される。光は第一像を捉える約２０ミリ秒以内に第二位置の撮像センサで指から捉えられて第二像が得られる。その後撮像センサは第二位置から第三位置へと並進される。第二位置から第三位置への並進は、第一位置から第二位置への並進と実質上直交するものである。光は第二像を捉える約２０ミリ秒以内に第三位置の撮像センサで指から捉えられて第三像が得られる。その後撮像センサは第三位置から第四位置へと並進される。第三位置から第四位置への並進は第一位置から第二位置への並進と実質上平行である。光は第三像を捉える約２０ミリ秒以内に第四位置の撮像センサで指から捉えられて第四像が得られる。第一，第二、第三、第四の像を組み合わせて合成像とすると、この合成像は第一，第二、第三、第四の像より解像度が高い。

一実施形態による転がされた指の指紋像を生成する方法には、転がされる指からの光を一位置の撮像センサで捉えて像を得る工程ａと、撮像センサを新位置へ並進させる工程ｂと、転がされた指からの光を新位置での撮像センサで捉えて別の像を得る工程ｃが含まれる。工程ｂ及びｃは繰り返され、工程ｂ及びｃが繰り返される毎のその後の現時点での新位置の前回の新位置からの距離は撮像センサの画素間の距離の小部分である。工程ｂ及びｃが繰り返されて得られる複数の像を組み合わされて合成像となると、その解像度は複数の個々の像の解像度より高度である。

一個以上の実施形態の詳細が図示及び以下記述されるが、その他の特徴、目的、利点などは図及び請求項の記述により明白であろう。

二個の平行四辺形構造体を略示するものである。本発明の一実施形態の屈曲装置を略示するものである。図２Ａの屈曲装置の一部を拡大して略示するものである。図２Ａの屈曲装置が取り付け部を並進させる位置のシーケンスの例を示す。図２Ａの屈曲装置の一部を拡大して略示するものである。アセンブリの中の平行四辺形構造体を強調して、図２Ａの屈曲装置を略示するものである。本発明の一実施形態によるマイクロ走査の方法のフロー図である。

本発明は電子的指紋像捕捉システム、屈曲装置、及び方法に関し、殊に、マイクロ走査型システム、及び転がされる指の指紋像を高解像度で捕捉する方法に関する。マイクロ走査型システム、屈曲装置、及び方法はスラップ指紋像、人差し指指紋像、手の平指紋像の捕捉にも使用可能であり、顕微鏡使用法を含む他の分野への応用も可能である。

撮像センサの解像度の向上は光学解像度向上の直接な方法である。マイクロ走査と呼ばれる技術も光学解像度の向上に使用可能である。マイクロ走査は静止場面又は相対的な静止場面の複数の画像を複数の有利な地点から従来のデジタル撮像システムで取得することから成る。これらの異なる有利な地点は典型的には撮像センサの画素の間隔の小部分程度の小距離で離れたものである。複数の像は撮像センサの生来の解像度より大きな解像度の合成像へと組み合わせることが出来る。マイクロ走査に必要な有利地点に撮像センサを移動させるためには、アセンブリ（屈曲とも呼ばれる）から成る機械的装置（即ち屈曲装置）及び圧電アクチュエイターが使用可能である。

撮像センサを含む撮像回路がアセンブリに付けられ、このアセンブリは撮像対象物に対して固定された金属片の一部であってもよい。アクチュエイターは撮像センサを望みの方向に移動できるように屈曲装置内に位置される。

上記の如く、マイクロ走査技術を使用して高解像度のデジタル像を達成すべく、デジタル像は組み合わされて合成像が形成される。転がされる指の指紋像の場合のように合成像を高速度で形成してリアルタイムの像が支持されるように、合成像は毎秒１２像又はそれ以上の速度が必要である。各合成像を生成するのに四カ所の位置の各々からの四個の像を使用するマイクロ走査のアプローチの場合、像獲得レートは１２合成像／秒ｘ４像／合成像＝４８像／秒である。合成像の生成に必要な像を捕捉するのに撮像センサを異なる位置に移動させるのにはマイクロ走査に屈曲装置が使用される。例えば撮像センサの解像度が約５００画素／インチ（ｐｐｉ）である場合、マイクロ走査の撮像センサで得られる四個の像が組み合わされて解像度が約１０００ｐｐｉの合成像が生成される。

各像が得られる期間中に起こることが二つある。その一つは撮像センサの運動であり、これはマイクロ走査技術において非常に小さい運動である。他の一つは像の獲得であり、これには像の獲得と像データの転送とが含まれる。各像の獲得に許容される時間は像獲得レートの逆数であり、後者はこの場合２０．８３ミリ秒（即ち１秒／４８像）である。像の獲得と像データの転送ではこの時間の大部分が消費され、撮像センサの移動と安定化に残されるのは約３から１０ミリ秒しかない。

上記のように、像の獲得レートはリアルタイムの像の場合高速であり、撮像センサは速やかに異なる位置に移動されなくてはならない。撮像センサが異なる位置へ移動される場合の距離は短いものであるが（典型的に撮像センサの画素の間隔の小部分であり、或る場合には約１から５マイクロメートル、他の場合には約３マイクロメートル）、撮像センサの移動に当たって考慮しなくてはならないのはこの並進行為にかかる時間だけではないのである。撮像センサは撮像の位置に到着してから振動しなくなることが確認される時間まで考慮しなくてはならない。必要な時間内で撮像センサが安定化する（即ち振動が止まる）ことが保証されるためには、屈曲装置を能動的又はその他の形態の緩衝で共振作用を減衰させること、又は共振の励起を防止することが重要である。共振作用を緩衝するには追加的回路又は追加的部材の使用が必要となり、これは経費の増加及び／複雑化を意味する。

屈曲装置に関するアプローチの一つは、共振周期がなるべく高くなるように装置を設計し、アクチュエイター駆動に使用される波形（即ちアクチュエイター駆動信号）の周期成分を限定して共振の励起を回避することである。このようなアプローチを実施する設計は能動的緩衝が不必要なので開ループシステムとして構成することが出来る。これにより、能動的緩衝が使用される閉ループデザインに関するキャパシティブセンサやストレインゲージのようなフィードバックセンサを含む追加的回路が回避される。

装置の共振を極大化するのに屈曲装置が如何に設計されるか理解するため、システムの共振周波数と他のシステムパラメタの関係式を考慮するのが有益である。有用な関係式は

であり、ここでＫはシステムの剛直度、Ｍはシステムの質量である。従って、システムが共振する周波数を極大化するには質量を減らしシステムの剛直度を増加すればよい。

マイクロ走査で屈曲装置に一般的に使用される幾何学的形状構造体は平行四辺形である。二個の平行四辺形構造体が図１に略示されて居る。平行四辺形構造体はねじれ力に対して非常に強固であり、撮像センサを望みの方向に並進させる一方、回転（即ち平行四辺形構造体が図示された紙面上時計方向及び反時計方向の回転）を防止することが出来る。撮像センサの回転が許容されると、個々の像は組み合わされて合成像を生成することができない。単一平行四辺形構造体１０２は一自由度（この場合水平運動）を供する。合成平行四辺形構造体１０４の中にあって、第二平行四辺形構造体１０４ａは第二の運動自由度（この場合水平運動と鉛直運動）を供するように第一平行四辺形構造体１０４ｂから形成されることができる。

図１に示される平行四辺形構造体のようなマイクロ走査屈曲装置において、装置の質量と剛直度とは実質上独立したものであり、これはシステムの剛直度が平行四辺形の脚部に合同されて居るからである。システムの剛直度を増加するのに平行四辺形の脚部の厚さを増加すると、システムの質量も増加してしまう。撮像センサの安定時間を決定する機械的共振はシステムの剛直度と質量によって決定されるので、これでは屈曲装置の作用が限定されてしまう。

本発明の屈曲装置の実施形態はこの問題に対応するものである。本発明の屈曲装置には平行四辺形構造体と装置の剛直度を独立的に調節する剛直化装置とが含まれる。この屈曲装置による追加的自由度（即ち装置の剛直度を調節するため）により、平行四辺形構造体の各々をそのストレスによって設計し、剛直化装置の大きさを決定する問題を分離することが出来、目的とするシステムの共振周波数を達成する剛直度を供することが出来る。

装置
図２Ａは本発明の一実施形態の屈曲装置２０２を略示するものである。図２Ｂは図２Ａの屈曲装置の一部を拡大して略示するものである。この装置は図１に示す合成平行四辺形構造体１０４の場合のような直列でないアクチュエイターがあるので、並列装置と見なされる。この装置には二個のアクチュエイター２３２、２３４、撮像センサ（図示なし）、及びねじれ軽減機構２２２、取り付け孔２２４及び屈曲装置２１６、撮像センサ用取り付け部２１８、及び数個の平行四辺形構造体（詳細を図３に示す）を含むアセンブリを含むフレーム２０４が含まれる。これらの各々について以下説明される。

屈曲装置２０２は取り付け部２１８に付けられた撮像センサを運行中非常な高速で四個の位置（この例の場合）へ移動させるように構成されている。これら四個の位置で撮像センサは像を捕捉し、これら四個の像はその後合成像に組み合わされる。これら四個の位置は各アクチュエイターが活性化されるか、非活性化されるかの組み合わせによって定義される。水平軸に沿った二位置はアクチュエイター２３２によって定義され、鉛直軸に沿った二位置はアクチュエイター２３４によって定義される。二個のアクチュエイターの活性化されるか非活性化されるかの四個の異なる組み合わせによって、取り付け部は実質上正方形又は矩形となる異なる四個の位置へと移動される。取り付け部移動シーケンスの一例が図２Ｃの２５０に示されている。パタン２５０の各頂点１、２、３及び４（この順）で像が得られる。取り付け部は必ずしも反時計方向に移動するものではなく、或る実施形態においては時計方向に移動する。更なる実施形態の場合、取り付け部は一頂点から別の頂点へと正方形又は矩形の中心を通って斜めに移動してもよい。取り付け部が通過するシーケンスの他の例は図２Ｃの２５１に示されている。パタン２５１の各頂点１、２、３及び４（この順）で像が捕捉される。正方形又は矩形の中央を斜めに取り付け部が通過すると、撮影対象物の運動の影響が最小化される。取り付け部の運動パタンは種々の目的に応じて最適化されてよい。

他の実施形態の場合として、屈曲装置２０２は取り付け部２１８に付けられた撮像センサを複数個の位置（例えば或る実施形態で四カ所以上、別の場合四カ所未満）に移動させるように構成されている。例えば、屈曲装置は或る場合には撮像サンサを異なる六ヶ所に、別の場合には異なる九カ所に、更なる場合には異なる十六カ所に移動するように構成されてよい。九個の位置は二個のアクチュエイターの各々を非活性化、半分活性化、フルに活性化の組み合わせで定義されてよい。水平軸に沿った三カ所はアクチュエイター２３２で定義され、鉛直軸に沿った三カ所はアクチュエイター２３４で定義される。二個のアクチュエイターの各々を非活性化、半分活性化、フルに活性化するように変化させて得られる九個の組み合わせにより取り付け部は実質的に正方形又は矩形を形成する九個の異なる位置に移動可能である。一個のアクチュエイターを二つの状態に変化させ、別のアクチュエイターを三つの状態に変化させて、六個の位置を定義することが出来る。各アクチュエイターを四つの異なる状態に変化させれば、１６個の位置が定義可能である。ｎが一方のアクチュエイターを変化させる状態の数、ｍが他方のアクチュエイターを変化させる状態の数とすれば、ｎ×ｍの位置を取り付け部に定義することが出来る。

取り付け部を移動させる位置のパタンは上記の位置のパタンと同じでよい。例えば取り付け部が九個の異なる位置の場合（即ち各縁に沿って三個及び正方形又は矩形の中心点）、取り付け部は実質上正方形又は矩形の縁に沿って移動可能であり、そして（或る場合）中心点へも移動可能である。代行的に、取り付け部は実質上正方形又は矩形の斜線に沿って移動されてもよい。図２Ｃの１５１に取り付け部の移動シーケンスの一例が示されている。パタン２５２の各位置１、２、３、４、５、６、７、８、及び９（この順）で像が得られる。

取り付け部の運動は非常に小さい。或る実施形態の場合、取り付け部の移動は撮像センサの画素から画素への間隔の小部分であり、更なる実施形態の場合、これはｎを正の整数として画素から画素への間隔の１／ｎ（例えば或る実施形態の場合画素から画素への間隔の１／２）の小部分である。撮像センサの画素から画素への間隔は数マイクロメートル程度の小距離である。例えば画素から画素への間隔が約６マイクロメートルの実施形態の場合、取り付け部は水平方向及び鉛直方向に約３マイクロメートル移動することになる。

屈曲装置のフレーム２０４は各種の金属又は必要な物理的性質を有する物質で製造可能である。或る実施形態の場合、フレームはステンレス鋼から製造される。フレームの特徴付けは種々の工作法で実施可能である。或る実施形態の場合、放電工作（ＥＤＭ）の方法が使用される。或る実施形態の場合、フレームはフレーム内の残存的ストレスが機械工作的に除去される前に低温学的にアニーリングされる。フレームは装置が使用中に可塑的変形しないように設計される必要がある。フレームの厚さは典型的に約０．２インチである。或る実施形態の場合、フレームは２．７５インチと３．５インチの次元である。

マイクロ走査型システム用として、デジタル撮像センサが取り付け部２１８に付けられる。デジタル撮像センサは何個使用されてもよい。或る実施形態の場合、撮像センサには電荷結合素子（ＣＣＤ）が含まれる。他の実施形態の場合、撮像センサには相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）素子が含まれる。

式（１）によるシステムの共振に関し、取り付け部２１８（剛直化装置及び平行四辺形構造体を含む）、撮像センサ、それに関する回路、及び撮像センサを取り付け部に接続するハードウエアに関連する物質の質量がシステムの質量を定義することになる。従って、或る実施形態の場合、このアセンブリ（即ち、取り付け部、撮像センサ、それに関連する回路、及び関連するハードウエア）の質量が最小化される。撮像センサ、その回路、及び接続されるハードウエアの質量の減少は或る程度達成されるけれど、この減少はアセンブリの質量の相対的に小さい割合に留まる。アセンブリの質量は撮像センサを小さい機械的接続点に付けることによっても最小化することが出来る。２０２に示される屈曲装置はそのような単一点取り付け方法を使用するものである。２０２の屈曲装置は必要とされるねじれに対する剛直性を供する一方質量を最小化するものである。或る実施形態の場合、撮像センサを取り付けるのに使用される孔及びその回路は直径が約０．０６３から０．２５インチである。特種な実施形態の場合、この孔の直径は約０．１５インチである。或る実施形態の場合、撮像センサを取り付け部２１８に接着するのに小さいネジが使用される（即ち、撮像センサを取り付け部へとの接続点が一つ存在する）。上記のように、アセンブリの安定時間を低下させる目的を達成するために、アセンブリの質量を低下させることが重要なのである。

アクチュエイター２３２と２３４は、夫々の取り付け部２１２と２１３、及び２１４と２１５の間に力を及ぼすように構成された如何なるアクチュエイターであってもよい。特種実施形態の場合、圧電アクチュエイターが使用される。圧電アクチュエイターは電圧が与えられることにより拡張する。チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、及びタングステン酸ナトリウムのような圧電物質の何種類でも圧電アクチュエイターに使用可能である。或る実施形態の場合、Ｔｈｏｒｌａｂｓ（Ｎｅｗｔｏｎ，ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ）からの圧電アクチュエイターが使用可能である。特種な実施形態の場合、圧電アクチュエイターの長さは約０．８インチであり、０．１５ｘ０．１５インチの断面を有する。

種々の屈曲装置での問題点の一つは屈曲装置へのアクチュエイターの実装である。屈曲装置及びアクチュエイターに関連する許容誤差、並びにアクチュエイターのプレローディングの度合（即ちプレローディングの力）がアクチュエイターのローディングの為に取り付け部（並びに付けられたアクチュエイター取り付け部２１２及び２１４）がどれほど移動されなくてはならないか決定する。もし簡単な平行四辺形構造体（例えば図１に示されるようなもの）が屈曲装置に使用され、屈曲装置が最大のストレスを回避するように設計されているならば、剛直度は固定されて、共振周波数を調節するのに利用可能な唯一の自由度はアセンブリの質量である（即ち、システムの剛直度は固定されて居る）。上記のように、アセンブリの質量は多少減少可能であるが、アセンブリの質量には一般的にあまり制御が利かない。即ち、簡単な平行四辺形構造体はアセンブリの共振周波数の調節にあまり適応性がないと言うことを意味する。

図２Ａに示す屈曲装置において、平行四辺形構造体及び剛直化装置２１６は取り付け部２１８がアクチュエイターのローディングに約０．００２から０．０１２インチ水平及び鉛直方向に移動するように構成されて居る。或る実施形態の場合、アクチュエイターのローディングに取り付け部は約０．００５から０．００６インチ移動される。剛直化装置２１６はアセンブリが所望の共振周波数を達成するようにアクチュエイターのローディングをする時でも屈曲装置の運転中でも両方アセンブリの剛直度を供するように構成されてよい。剛直化装置は運動の水平方向と鉛直方向の両方に沿った剛直度を設定する。

アセンブリの剛直度を設立すると、アセンブリの共振周波数が定義される。此処に記述される実施形態の場合、アセンブリの共振周波数は屈曲装置アクチュエイターの駆動信号の周波数内容より実質的に高い値に設立される。例えば像が約２０ミリ秒毎に捕捉される場合、アクチュエイター駆動信号の周波数内容は約９０ヘルツ（Ｈｚ）以上であることが必要であろう。これには補足時間の約２０％、即ち約４ミリ秒がアセンブリの移動及び安定化に許容されることが仮定されている。第一次のシステムを仮定した場合、駆動信号の要求される周波数内容は約０．３５／４ミリ秒、又は８７．５Ｈｚであることが必要であろう。或る実施形態の場合、剛直化装置はアセンブリの共振周波数が約５００Ｈｚ以上であるように構成される。更に別の実施形態の場合、剛直化装置はアセンブリの共振周波数が約７００Ｈｚから１０００Ｈｚ、又は約７００Ｈｚから１０００Ｈｚ以上であるように構成される。

剛直化装置２１６の一部の拡大図が図２Ｄに示されている。アセンブリの剛直度を増加させる方法の一つは剛直化装置のコイルの厚さ、即ち厚さ２６２を増加することである。このコイルの厚さは剛直化装置の全体を通じて均一であってもよく、アセンブリの剛直度を所望の程度に設立するために一部を他の部分より厚くしてもよい。アセンブリの剛直度を増加させる他の方法は、剛直化装置のコイルの２６６の部の数を減らすことである。２６６の部分の数が減らされると、アセンブリの剛直度が増加する。従って、このような屈曲装置の場合、アセンブリの剛直度は剛直化装置の幾何学的形状で設定出来、しかも平行四辺形構造体及び剛直化装置の組み合わせによって、アクチュエイターのローディングの間、取り付け部の相対的に長距離の移動が許容される。もしアクチュエイターのローディングの間取り付け部の相対的に長距離の移動を許容するかような剛直化装置がなかったならば、フレームはアクチュエイターのローディングの間に恐らくは可塑的に変形して屈曲装置を使用不可能にすることであろう。

図３は図２Ａに示される屈曲装置を略示するものであり、アセンブリの一部である平行四辺形構造体を強調して示すものである。アセンブリには平行四辺形構造体２７２、２７３、２７４、２７５、２７６、及び２７７が含まれ、これらは白色の破線の矩形で示されて居る。矢印２８２は平行四辺形構造体で定義されるように取り付け部が動ける方向を示すものである。平行四辺形構造体は取り付け部を第一方向及びそれと実質的に直交する第二方向に移動させる。破線の矢印２８４は平行四辺形構造体が対向する回転方向を示す。此処に記述されるように、平行四辺形構造体は撮像センサがフレームの平面内で回転するのを防止するものである。

屈曲装置に関するその他の設計上の目的は、低価格とマイクロ走査型システムのその他の部品を複雑にしないことである。その目的から、更に関連する設計上の目的としては運動時間キャリブレーションを不必要にすることがある。多くのマイクロ走査型システムの場合、運動時間キャリブレーションはシステムが指紋像の一組を獲得する度、又はシステムに動力が与えられる度に必要となる。この運動時間キャリブレーションとは像が捕捉されることになる異なる位置（例えば像２は像１から水平方面に３マイクロメートル離れた撮像センサで捕捉される）を決定するのに使用されるものである。マイクロ走査技術を使用して個別の像から合成像を生成するためには、各々の像が捕捉される相対的位置を正確に知る事が必要である。運動時間キャリブレーションを回避出来れば、光学的整列ターゲットに関する経費、及び時間的一般費用や必要となるソフトウエアの費用が回避される。各運動時間キャリブレーションに関連する遅延はシステムの応答時間を悪化するものであるが、これも回避可能となる。製造工場で一度行ったのみでその後運動時間キャリブレーションが不必要となれば、マイクロ走査型システムは非常に簡素化される。

屈曲装置２０２は剛直化装置及び運動時間キャリブレーションと共にキャリブレーションを製造工場で一度行えばすむように構成されている。この一度のキャリブレーションで、アクチュエイター２１８に引加される入力信号に応えて取り付け部２１８が水平に並進される距離が決定される。圧電アクチュエイターの場合、入力信号とは圧電アクチュエイターに引加される所定の電位である。同様に、入力信号に応えてアクチュエイター２３４が取り付け部２１８を鉛直に並進させる距離が決定される。これらの距離はアクチュエイターによって定義される四位置の各々で捕捉される像から合成像を生成するために正確に知られなくてはならないものである。屈曲装置２０２の運動時間キャリブレーション及び剛直化装置の構成により、これらの距離（即ち水平方向と鉛直方向への並進距離）は屈曲装置の有効生涯を通じ、叉環境（例えば温度又は湿度）の影響によって実質上変化しない。従って運動時間キャリブレーションはアクチュエイターが撮像センサを並進させる位置を決定するために実施する必要がない。

屈曲装置の運行中にアセンブリの共振が励起されないように、或る実施形態の場合、フィルターを使用してアクチュエイターの活性化に与えられる波形（即ち駆動信号）の周波数内容を低く保つことが行われる。この波形は或る実施形態の場合制御ユニットによって与えられる。例えば屈曲装置が毎秒約５０カ所の割合で運行している場合、アクチュエイターに与えられる波形には最高約９０Ｈｚの周波数が含まれて居るであろう。波形は制御ユニットのローパスフィルターで高周波を除去することができる。アセンブリの共振周波数（即ち或る場合約５００Ｈｚ以上、又は約７００から１０００Ｈｚ）が装置運行の周波数より高い場合、駆動信号波形からこれらの高周波を除去すると高周波共振の励起が回避される。或る実施形態の場合、フェイズ線的フィルターが使用される。フェイズ線的フィルターは典型的にローパスフィルターである。異なる種類のローパスフィルターが何個使用されてもよい。或る実施形態の場合、ガウス型、ベッセル、ベッセルートムソン、又はレイズドコサインフィルターが使用される。或る実施形態の場合、周波数カットオフが約２００Ｈｚのローパスフィルターが使用される。別の実施形態の場合、周波数カットオフが約２２５Ｈｚのローパスフィルターが使用され、更に別の実施形態では約２４０Ｈｚのものが使用される。アクチュエイターを駆動するのに使用される波形の周波数の内容を最小化すると運行中に屈曲装置が生成する音響的ノイズも最小化され、これも望ましいことである。

図２Ａに示す屈曲装置２０２のフレーム２０４には、指紋走査器又はその他の撮像装置の屈曲装置の取り付けに使用される取り付け地域の一部としての取り付け孔も供されている。ねじれ軽減機構とは或る実施形態では切れ目であるが、これがフレームの取り付け部位をアセンブリから分離している。このようなねじれ軽減機構がないと、取り付け部位からフレームにモーメントが誘起された場合（例えば取り付け部位が平坦な表面上にない場合、又は温度によって誘発されたモーメントの場合）、取り付け部とアセンブリの間の接続の剛直性がモーメントを転送し、アセンブリを変形させることもある。変位に変化があると屈曲装置の行動に支障が起こり、例えば運行前の運動時間キャリブレーションが必要となる。ねじれ軽減機構が使用されると、ねじれで誘発されフレームの取り付け部位で経験されるモーメントはこのねじれ軽減機構によって効果的に防止される（即ち、このねじれ軽減機構によってアセンブリが取り付け部位のモーメントから隔離される）。ねじれ軽減機構はアセンブリを平坦に留めておき、フレームの取り付け部位のストレスやモーメントから独立させる。アセンブリは取り付け部位のモーメントを感じなくなると屈曲装置の他の部分に影響されずに実質的に首尾一貫した運行が可能となり、運動時間キャリブレーションが不必要となる。

要するに、此処に開示された実施形態の屈曲装置には実質的にアセンブリの剛直性を確立し、運動時間キャリブレーションから独立した剛直化装置が合同される。剛直化装置は有意義的にアセンブリの質量と剛直性との相互依存性を減少させ、アセンブリの安定時間の短縮に貢献する。殊に、此処に記述された屈曲装置は新規な幾何学的形状を有し、アセンブリの剛直性を質量から隔離することにして安定時間が短縮される。これで廉価な、パッシブな開ループ駆動回路の使用が可能となる。マイクロ走査型システムにはアクチュエイター用の駆動信号に適宜なフィルターも使用可能である。ねじれ軽減機構も或る実施形態の屈曲装置に導入されてよく、これにより、取り付けの様式に拘らずアセンブリが平面的に保持される。これにより、取り付け部の移動は種々の条件に応じて一貫したものとなる。これらの特徴を組み合わせてマイクロ走査型システムの屈曲装置の廉価で高精度の運行が可能となる。
運行方法

此処に説明されるように、マイクロ走査とは複数の有利な位置からの場面を複数の像に捕捉することから成るものである。上記の屈曲装置はかような複数の像を高速度で捕捉するように構成される。これらの像は個々の像の解像度より高解像度の合成像の生成に使用される。

図４は本発明の一実施形態によるマイクロ走査法のフロー図である。４０２において、第一位置の撮像センサにより指からの光が捕捉されて第一像が捕捉される。この像データは貯蔵システムに転送される。例えばこの貯蔵システムはコンピュータシステムにおけるメモリ装置（例えばハードドライブ又はＲＡＭ装置）であってよい。

４０４において、撮像センサは第一位置から第二位置へと移動される。第二像が捕捉されるまでに撮像センサ装置を保持するように構成されたアセンブリは実質上静止していなくてはならない（即ち、撮像センサは安定化しており、振動して居てはならない）。次いで４０６において、指からの光が第二位置における撮像センサで捕捉されて第二像が得られる。第二像は第一像の捕捉から約２０ミリ秒以内に捕捉される。従って、この約２０ミリ秒の時間の間に第一位置から第二位置へとの撮像センサの移動及び第二像の捕捉が起こらなくてはならない。第二像用の受光と貯蔵装置へのデータ転送でこの約２０ミリ秒の時間の大部分が消費され、撮像センサの移動と安定化には短時間しか残されない。撮像センサの移動と安定化に残される時間は像の捕捉レートが増加するにつれて減少する（例えば第一像が捕捉される約１０ミリ秒以内に第二像が捕捉される場合）。此処に記述される実施形態の屈曲装置の安定時間が最小化され、アセンブリの共振周波数を励起しないように構成されている。４０６において第二位置における撮像センサは指から受光して第二像を捕捉し、これはその後貯蔵装置に転送される。

４０８から４１４において屈曲装置の運行は継続され、第三像と第四像が捕捉されてその後貯蔵装置に転送される。４０８において、撮像センサは第二位置から第三位置に移動される。第二位置から第三位置への移動は第一位置から第二位置への移動と実質上直交の方向である（図２Ｃにおけるパタン２５０による）。４１０において、第三位置における撮像センサは第二像の捕捉の約２０ミリ秒以内で指から受光して第三像を捕捉する。４１２において、撮像センサは第三位置から第四位置へ移動される。第三位置から第四位置への移動は第一位置から第二位置への移動と実質上平行の方向である（図２Ｃにおけるパタン２５０による）。４１４において、第四位置における撮像センサは第三像の捕捉の約２０ミリ秒以内で指から受光して第四像を捕捉する。或る実施形態の場合、第一、第二、第三、及び第四像は図２Ｃにおけるパタン２５０での位置１、２、３及び４（この順で）で捕捉されてよい。

撮像センサは第四位置から第一位置に移動されて、サイクルが繰り返される。第四位置から第一位置への移動は実質上第二位置から第三位置への移動と平行の方向である（図２Ｃにおけるパタン２５０による）。次いで第一位置における撮像センサは第四像の捕捉の約２０ミリ秒以内で指から受光して別の第一像を捕捉する。

別の実施形態の場合、撮像センサは正方形又は矩形の中心点を斜めに一頂点から別の頂点へ移動される（例えば図２Ｃにおけるパタン２５１の頂点１、２、３、及び４の順に移動）。４０２において、第一位置における撮像センサは指から受光して第一像を捕捉する。４０４において、撮像センサは第一位置から第二位置へ移動される。第一位置から第二位置への移動は実質上矩形を成す四頂点の組の第一斜線に沿うものである。次いで４０６において、指からの光が第二位置における撮像センサで捕捉されて第二像が得られる。第二像は第一像の捕捉から約２０ミリ秒以内に捕捉される。４０８において、撮像センサは第二位置から第三位置に移動される。第二位置から第三位置への移動は実質上矩形を成す四頂点の組の第一側線に沿うものである。４１０において、第三位置における撮像センサは第二像の捕捉の約２０ミリ秒以内で指から受光して第三像を捕捉する。４１２において、撮像センサは第三位置から第四位置へ移動される。第三位置から第四位置への移動は実質上矩形を成す四頂点の組の第二斜線に沿うものである。４１４において、第四位置における撮像センサは第三像の捕捉の約２０ミリ秒以内で指から受光して第四像を捕捉する。

撮像センサは第四位置から第一位置に移動されて、サイクルが繰り返される。第四位置から第一位置への移動は実質上矩形を成す四頂点の組の第二側線に沿うものであり、第二位置から第三位置への移動と実質上平行である。次いで第一位置における撮像センサは第四像の捕捉の約２０ミリ秒以内で指から受光して別の第一像を捕捉する。

このサイクル（即ち、第一、第二、第三、及び第四の像の捕捉）は合成像が生成されてスラップ或は転がされる指の指紋像が生成可能となるのに十分な像が捕捉されるまで繰り返される。スラップ又は転がされる指の指紋像を生成する場合、第一、第二、第三、及び第四の像の各組が合成像４２０に組み合わされてよい。合成像は第一、第二、第三、及び第四の像より解像度が高い。或る実施形態の場合、第一、第二、第三、及び第四の各像の解像度は約５００ｐｐｉである。或る実施形態の場合、合成像の解像度は約１０００ｐｐｉである。或る実施形態の場合、合成像の解像度は約１０００ｐｐｉ以上（例えば最低１０００ｐｐｉ）である。解像度のより高い合成像がスラップ指紋像又は転がされる指の指紋像の生成に使用される。

更なる実施形態の場合、屈曲装置は四個以上の像を捕捉するように構成されている。例えば或る実施形態の場合、屈曲装置は九個の像を捕捉するように、叉別の実施形態では十六個の像を捕捉するように構成されている。このような屈曲装置を使用するマイクロ走査法は四個の像で生成可能な解像度より高度の解像度を有する合成像の生成に使用可能である。代行的に、このような屈曲装置を使用するマイクロ走査法は解像度の低い撮像センサが使用可能であり、叉四個の像で生成可能な解像度と同程度の合成像の生成に使用可能である。

本発明の数々の実施形態が記述されたが、本発明の精神から外れることのないまま、その範囲の中で種々の変形が可能であることは理解可能であろう。

Claims

指紋をマイクロ走査するように構成された装置であって、
指紋像を捕捉するように構成された撮像センサ、
第一アクチュエイター、
第二アクチュエイター、及び
アセンブリを備える装置であり、
前記アセンブリは
前記撮像センサを保持するように構成された取り付け部、
前記第一アクチュエイターを保持するように構成された第一取り付け部位、
前記第二アクチュエイターを保持するように構成された第二取り付け部位、及び
前記取り付け部、前記第一アクチュエイター、及び前記第二アクチュエイターと連結された剛直化装置を含み、
前記剛直化装置は、前記取り付け部の線的並進を生成するように構成された前記第一アクチュエイターによって誘発される力に対する前記取り付け部の抵抗、及び前記取り付け部の線的並進を生成するように構成された前記第二アクチュエイターによって誘発される力に対する前記取り付け部の抵抗を、確立するように構成された幾何学的形状を有し、
前記第二アクチュエイターによって生成される前記線的並進が、前記第一アクチュエイターによって生成される前記線的並進と実質的に直交するものである、装置。
前記第一アクチュエイターによって誘発される前記力、又は前記第二アクチュエイターによって誘発される前記力に対する、前記剛直化装置の前記抵抗の結果として、前記アセンブリの高共振周波数が生じるものである、請求項１に記載の装置。
前記アセンブリの前記共振周波数が約５００Ｈｚ以上である、請求項２に記載の装置。
前記第一アクチュエイター及び前記第二アクチュエイターが圧電装置を含むものである、請求項１に記載の装置。
前記取り付け部が並進されて行くパタンは実質上矩形である、請求項１に記載の装置。
前記撮像センサが、前記実質上矩形であるパタンの各頂点で指紋像を捕捉するように構成されているものである、請求項５に記載の装置。
前記取り付け部が、実質上矩形である一組の四頂点に並進されるものであり、
前記取り付け部の少なくとも一つの並進は、前記実質上矩形の四頂点の組の斜線に実質上沿ったものである、請求項１に記載の装置。
前記撮像センサが前記四頂点の各々において指紋像を捕捉するように構成されたものである、請求項７に記載の装置。
各頂点で捕捉された四指紋像の各々が、合成像へと結合されるように構成されており、
前記合成像は、前記各指紋像の解像度より高度の解像度である、請求項８に記載の装置。
前記合成像が転がされる指の指紋像である、請求項９に記載の装置。
駆動信号によって前記第一アクチュエイター及び前記第二アクチュエイターを駆動するように構成された制御ユニットを更に含み、
前記駆動信号は約５０Ｈｚの周波数を含み、
前記制御ユニットは、前記駆動信号から約２００Ｈｚ以上の周波数を除去するように構成されたローパスフィルターを、前記駆動信号に通過させるように構成されたものである、請求項１に記載の装置。
前記撮像センサがＣＭＯＳセンサ、又はＣＣＤセンサである、請求項１に記載の装置。
前記撮像センサが約２０ミリ秒ごとに像を捕捉するように構成されたものである、請求項１に記載の装置。
物体に前記装置を取り付けるように構成された第三取り付け部位、及び前記第三取り付け部位と前記アセンブリの間の軽減機構を更に含むものであり、
前記軽減機構は前記アセンブリを前記第三取り付け部位内のストレス及びモーメントから実質上隔離するように構成されたものである、請求項１に記載の装置。
前記アセンブリで定義される質量、前記撮像センサの質量、前記撮像センサと関連する回路板の質量、及び前記撮像センサと関連する取り付けハードウエアの質量によって定義される質量が最小化されているものである、請求項１に記載の装置。
指紋をマイクロ走査するように構成された装置であって、
指紋像を捕捉するように構成された撮像センサ、
第一アクチュエイター、
第二アクチュエイター、
アセンブリ、及び
前記第一アクチュエイターと前記第二アクチュエイターを駆動信号によって駆動するように構成された制御ユニットを備える装置であって、
前記アセンブリは
前記撮像センサを保持するように構成された取り付け部、
前記第一アクチュエイターを保持するように構成された第一取り付け部位、
前記第二アクチュエイターを保持するように構成された第二取り付け部位、
前記取り付け部、前記第一アクチュエイター、及び前記第二アクチュエイターと連結された剛直化装置、及び
複数個の平行四辺形構造体を含み、
前記複数個の平行四辺形構造体は、前記第一アクチュエイターによって誘発された力による前記取り付け部の第一線的並進と、前記第二アクチュエイターによって誘発された力による前記取り付け部の第二線的並進と、を定義するように構成されたものであり、
前記第一線的並進は前記第二線的並進と実質上直交しており、
前記複数個の平行四辺形構造体は、前記アセンブリの面内における前記取り付け部の回転を実質上防止するものである、装置。
前記アセンブリの前記複数個の平行四辺形構造体が六個の平行四辺形構造体から成るものである、請求項１６に記載の装置。
指紋像を生成する方法であって、
第一位置における撮像センサで指から受光して第一像を捕捉する工程、
前記撮像センサを前記第一位置から第二位置へ実質上矩形である一組の四頂点の第一斜線に実質上沿って並進させる工程、
前記第二位置における前記撮像センサで前記指から受光して、前記第一像が捕捉される約２０ミリ秒以下以内に第二像を捕捉する工程、
前記撮像センサを前記第二位置から第三位置へ前記実質上矩形である一組の四頂点の第一側線に実質上沿って並進させる工程、
前記第三位置における前記撮像センサで前記指から受光して、前記第二像が捕捉される約２０ミリ秒以下以内に第三像を捕捉する工程、
前記撮像センサを前記第三位置から第四位置へ前記実質上矩形である一組の四頂点の第二斜線に実質上沿って並進させる工程、及び
前記第四位置における前記撮像センサで前記指から受光して、前記第三像が捕捉される約２０ミリ秒以下以内に第四像を捕捉する工程なら成り、
前記第一像、前記第二像、前記第三像、及び前記第四像は、合成像に組み合わされ、
前記合成像は、前記第一像、前記第二像、前記第三像、及び前記第四像の解像度より高度の解像度である、方法。
前記合成像の解像度が約１０００画素／インチである、請求項１８に記載の方法。
前記撮像センサの前記第一位置、前記第二位置、前記第三位置、及び前記第四位置の間の並進が、前記撮像センサを保持するように構成された前記アセンブリの共振周波数以下の周波数で行われるものである、請求項１８に記載の方法。
前記撮像センサを、前記第四位置から前記第一位置へ、前記実質上矩形である一組の四頂点の前記第二側線に実質上沿って、前記第二位置から前記第三位置への並進と実質上平行に、並進させる工程が更に含まれるものである、請求項１８に記載の方法。
転がされる指の指紋像を生成するのに十分な数の前記合成像を生成するのに十分な数の像が捕捉されるまで、前記第一位置、前記第二位置、前記第三位置、及び前記第四位置における像の捕捉を繰り返す工程が更に含まれるものである、請求項２１に記載の方法。
前記第二像は、前記第一像が捕捉される約１０ミリ秒以下以内に捕捉され、
前記第三像は、前記第二像が捕捉される約１０ミリ秒以下以内に捕捉され、
前記第四像は、前記第三像が捕捉される約１０ミリ秒以下以内に捕捉されるものである、請求項１８に記載の方法。
指紋像を生成する方法であって、
第一位置における撮像センサで指から受光して第一像を捕捉する工程、
前記撮像センサを前記第一位置から第二位置へ並進させる工程、
前記第二位置における前記撮像センサで前記指から受光して、前記第一像が捕捉される約２０ミリ秒以下以内に第二像を捕捉する工程、
前記撮像センサを、前記第一位置から前記第二位置への並進と実質上直交する方向に前記第二位置から第三位置へ並進させる工程、
前記第三位置における前記撮像センサで前記指から受光して、前記第二像が捕捉される約２０ミリ秒以下以内に第三像を捕捉する工程、
前記撮像センサを、前記第一位置から前記第二位置への並進と実質上平行する方向に前記第三位置から第四位置へ並進させる工程、及び
前記第四位置における前記撮像センサで前記指から受光して、前記第三像が捕捉される約２０ミリ秒以下以内に第四像を捕捉する工程なら成り、
前記第一像、前記第二像、前記第三像、及び前記第四像は、合成像に組み合わされ、
前記合成像は、前記第一像、前記第二像、前記第三像、及び前記第四像の解像度より高度の解像度である、方法。
前記撮像センサを、前記第二位置から前記第三位置への並進と実質上平行する方向に、前記第四位置から前記第一位置へ並進させる工程が更に含まれるものである、請求項２４に記載の方法。
転がされる指の指紋像を生成するのに十分な数の前記合成像を生成するのに十分な数の像が捕捉されるまで、前記第一位置、前記第二位置、前記第三位置、及び前記第四位置における像の捕捉を繰り返す工程が更に含まれるものである、請求項２５に記載の方法。
転がされる指の指紋像を生成する方法であって、
ａ）所定位置の撮像センサで転がされる指から受光して像を捕捉する工程、
ｂ）前記撮像センサを新位置へ並進させる工程、
ｃ）前記新位置での前記撮像センサで前記転がされる指から受光して別の像を捕捉する工程、及び
ｄ）前記工程ｂ）及びｃ）を繰り返す工程を含み、
前記工程ｂ）及びｃ）の各繰り返しの後の時点における新位置と前回の新位置との間の距離は、前記撮像センサの画素と画素の間の間隔の小部分であり、
前記工程ｂ）及びｃ）の繰り返しによって複数の像が捕捉されるものであり、
前記複数の像は合成像に組み合わされるものであり、
前記合成像は前記複数の像の各々の解像度より高度の解像度である、方法。