JP2017514108A - Multispectral ultrasound imaging - Google Patents

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Abstract

マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムおよび方法が開示される。一実施形態では、複数の超音波スキャン周波数において指がスキャンされる。各スキャン周波数は、指が置かれるプラテンの表面から反射されるエネルギーの量を示す信号強度を含む、指の複数のピクセルを記述する画像情報セットを提供する。ピクセルの各々に対して、スキャン周波数の各々に対応するピクセル出力値が、各ピクセルに対する合成されたピクセル出力値を生成するように合成される。マルチスペクトル超音波撮像のデータ捕捉を改善するためのシステムおよび方法も開示される。Systems and methods for multispectral ultrasound imaging are disclosed. In one embodiment, the finger is scanned at multiple ultrasound scan frequencies. Each scan frequency provides a set of image information describing a plurality of pixels of the finger, including a signal intensity that indicates the amount of energy reflected from the surface of the platen on which the finger is placed. For each of the pixels, a pixel output value corresponding to each of the scan frequencies is combined to produce a combined pixel output value for each pixel. Systems and methods for improving multispectral ultrasound imaging data acquisition are also disclosed.

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる、2014年3月6日に出願された「Multi-Spectral Ultrasonic Imaging」という表題の米国仮出願第61/948,778号、および2015年3月4日に出願された「Multi-Spectral Ultrasonic Imaging」という表題の米国非仮出願第14/639,116号の優先権および利益を主張する。
CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application is a US Provisional Application No. 61 / 948,778 entitled “Multi-Spectral Ultrasonic Imaging” filed March 6, 2014, the entire contents of which are incorporated herein by reference. And claims the priority and interest of US Non-Provisional Application No. 14 / 639,116, filed March 4, 2015, entitled “Multi-Spectral Ultrasonic Imaging”.

本開示は、マルチスペクトル超音波撮像を使用するデバイスおよび方法に関する。   The present disclosure relates to devices and methods using multispectral ultrasound imaging.

超音波スキャナは、様々なタイプの材料から構成され得る。通常、そのようなスキャナにおいて使用される超音波エネルギーは、これらの材料の大半を通過することが求められる。超音波が通過または衝突する様々な材料の特性は、分散、回折、吸収、および反射に関して異なる特性を有し得るので、材料は超音波エネルギーを様々に分散し、回折し、吸収し、反射して、これらの違いは超音波エネルギーの波長に依存し得る。単一の超音波周波数を使用して特定の物体を撮像すると、撮像される物体についての情報および細部が制限され得る。   Ultrasonic scanners can be constructed from various types of materials. Usually, the ultrasonic energy used in such scanners is required to pass through most of these materials. The properties of the various materials through which the ultrasound passes or impinges can have different properties with respect to dispersion, diffraction, absorption, and reflection, so that the material disperses, diffracts, absorbs, and reflects the ultrasonic energy in various ways. Thus, these differences can depend on the wavelength of the ultrasonic energy. Imaging a particular object using a single ultrasound frequency can limit information and details about the object being imaged.

超音波センサアレイの製造の間に、許容誤差が超音波センサ積層体内で積み重なることがあり、このことは、信号経路に影響を与え、収集されたデータが利用可能な最適な信号およびシステムの応答を使用しない状況を作り出し得る。さらに、データ品質は周波数依存性であることがあり、対象物の構造的な構成は周波数依存性を示すことがある。   During manufacturing of an ultrasonic sensor array, tolerances can build up in the ultrasonic sensor stack, which affects the signal path and optimizes the signal and system response for which the collected data is available. You can create a situation that doesn't use. Furthermore, the data quality may be frequency dependent and the structural configuration of the object may be frequency dependent.

米国特許第7,287,013号U.S. Patent No. 7,287,013

超音波スキャニングシステムの製造に起因する通常の変動により、ある超音波スキャニングシステムと別のスキャニングシステムが所望の許容誤差内で、かつ同じ手順に従って製造されていても、ある超音波スキャニングシステムが別のスキャニングシステムとは著しく異なるように動作するようになり得る。これらの差の結果は、あるスキャナは最適な周波数において情報を収集するが、別のスキャナはそうしないことを意味し得る。   Due to the normal variability resulting from the manufacture of an ultrasound scanning system, even if one ultrasound scanning system and another scanning system are manufactured within the desired tolerances and according to the same procedure, It can behave differently from a scanning system. The result of these differences may mean that one scanner collects information at the optimal frequency, while another scanner does not.

従来技術において適用されてきた基本的な方法は、センサ積層体内に配置された薄膜トランジスタ(TFT)アレイによって捕捉されるような信号出力を最大にする単一の特定の周波数においてスキャンを実行することであった。この単一の周波数は、センサ積層体の厚みおよび材料特性によって主に決定され、撮像されている指の指紋の隆起の領域と谷の領域を区別するために使用され得る。(指紋を参照しない)製造の状況において、超音波送信機励振電圧がオンの場合と送信機がオフの場合という2つの場合の間の、センサアレイ出力が最大になる周波数を選ぶことによって、周波数の決定が行われ得る。この方法は、より現実世界の状況では、指紋画像の鮮明度に関して期待される結果に合わないことがある画像情報を生み出すことがある。通常の使用において終始動作周波数を合わせる必要があることもあり、これは一貫しない結果につながり得る。   The basic method that has been applied in the prior art is to perform a scan at a single specific frequency that maximizes the signal output as captured by a thin film transistor (TFT) array located in the sensor stack. there were. This single frequency is largely determined by the thickness and material properties of the sensor stack and can be used to distinguish between the raised and valley areas of the fingerprint of the finger being imaged. In a manufacturing situation (without reference to fingerprints), the frequency is determined by choosing the frequency at which the sensor array output is maximized between the two cases, when the ultrasonic transmitter excitation voltage is on and when the transmitter is off. Decisions can be made. This method may produce image information that may not meet the expected results for the sharpness of the fingerprint image in more real-world situations. It may be necessary to tune the operating frequency throughout normal use, which can lead to inconsistent results.

本発明の一態様は、指をスキャンする方法として説明され得る。方法は、複数の超音波スキャン周波数によって、超音波センサの撮像面に置かれた指をスキャンするステップを含み得る。組織領域への超音波信号の侵入深さは、異なる周波数では異なることがあり、TFTアレイによって捕捉されるときに反射される信号レベルの変動をもたらすことがある。複数の試験周波数において撮像面に指が存在しない状態でスキャンし、ピーク試験周波数を特定することによって、複数のスキャン周波数が選択され得る。ピーク試験周波数は、すぐ下の試験周波数およびすぐ上の試験周波数がそのピーク試験周波数よりも少ないエネルギーを返す試験周波数であり得る。   One aspect of the present invention can be described as a method of scanning a finger. The method may include scanning a finger placed on the imaging surface of the ultrasonic sensor with a plurality of ultrasonic scan frequencies. The penetration depth of the ultrasound signal into the tissue region can be different at different frequencies and can result in variations in the signal level reflected when captured by the TFT array. A plurality of scan frequencies can be selected by scanning at a plurality of test frequencies with no finger on the imaging surface and specifying a peak test frequency. The peak test frequency may be a test frequency at which the test frequency immediately below and the test frequency immediately above returns less energy than the peak test frequency.

方法は、スキャン周波数の各々のために、超音波センサの複数のピクセルから超音波画像情報セットを生成するステップを含み得る。画像情報セットは、複数のピクセルの各々からのピクセル出力値を含んでよく、各ピクセル出力値は、撮像面から反射されるエネルギーの量を示す。各スキャン周波数は、指紋と関連付けられる複数のピクセル出力信号レベルを記述する画像情報セットを提供し得る。各ピクセル出力値は、指が置かれるプラテンの表面から反射される超音波エネルギーの量を示す信号強度を示し得る。本明細書において使用される場合、「画像」という用語は、ある形態の画像情報セットを指す。   The method may include generating an ultrasound image information set from a plurality of pixels of the ultrasound sensor for each of the scan frequencies. The image information set may include pixel output values from each of the plurality of pixels, each pixel output value indicating the amount of energy reflected from the imaging surface. Each scan frequency may provide a set of image information describing a plurality of pixel output signal levels associated with the fingerprint. Each pixel output value may indicate a signal intensity indicative of the amount of ultrasonic energy reflected from the surface of the platen on which the finger is placed. As used herein, the term “image” refers to a form of image information set.

方法はさらに、スキャン周波数の各々に対応する画像情報セットを合成して、合成された画像情報セットを生成するステップを含み得る。合成された画像情報セットは、複数のピクセルの各々からの合成されたピクセル出力値を含み得る。画像情報セットを合成するステップは、ピクセル出力値を加算して合計を生成するステップと、スキャン周波数の数により合計を除算してピクセルの各々の平均値を生成するステップと、平均値を合成された値として使用するステップとを含み得る。本明細書において使用される場合、「合成された」という用語は、数学的に合成されたことを意味する。   The method may further comprise the step of combining the image information sets corresponding to each of the scan frequencies to generate a combined image information set. The combined image information set may include a combined pixel output value from each of the plurality of pixels. The steps of combining the image information set include adding pixel output values to generate a sum, dividing the sum by the number of scan frequencies to generate an average value for each of the pixels, and combining the average values. Used as a value. As used herein, the term “synthesized” means mathematically synthesized.

いくつかの実施形態では、方法はさらに、複数の超音波画像情報セットを使用して生体性の決定を行うステップと、生体性の決定を示す生体性出力信号を提供するステップとを含み得る。   In some embodiments, the method may further include using a plurality of ultrasound image information sets to make a biological determination and providing a biological output signal indicative of the biological determination.

いくつかの実施形態では、方法はさらに、各ピクセル出力値をグレースケール値に変換するステップと、複数のピクセルのためのグレースケール値を、指の指紋を表す合成された画像情報セットとして提供するステップとを含み得る。   In some embodiments, the method further provides converting each pixel output value to a grayscale value and providing the grayscale values for the plurality of pixels as a combined image information set representing a finger fingerprint. Steps.

いくつかの実施形態では、画像情報セットを合成するステップは、各スキャン周波数に対して、重み付け係数を特定するステップと、対応する重み付け係数により各ピクセル出力値を乗算してピクセル出力値の積を生成するステップと、ピクセル出力値の積を加算して合計を生成するステップと、スキャン周波数の数により合計を除算してピクセル出力値の各々の平均値を生成するステップと、平均値を合成されたピクセル出力値として使用するステップとを含む。重み付け係数は、次の式を使用して計算され得る。
w(fi) = (e(avgi * fi) - e(avgi * fmax)) / (e(avgi * fmin) - e(avgi * fmax))
ここで、w(fi)はi番目のスキャン周波数のための重み付け係数であり、avgiはi番目のスキャン周波数およびその次に低いスキャン周波数におけるピクセル出力値の平均値であり、fminは最低のスキャン周波数であり、fmaxは最高のスキャン周波数である。
In some embodiments, the step of synthesizing the image information set includes identifying a weighting factor for each scan frequency and multiplying each pixel output value by the corresponding weighting factor to obtain a product of the pixel output values. A step of generating, adding a product of pixel output values to generate a sum, dividing the sum by the number of scan frequencies to generate an average value for each of the pixel output values, and combining the average values. Using as a pixel output value. The weighting factor can be calculated using the following formula:
w (f i ) = (e (avgi * fi)-e (avgi * fmax) ) / (e (avgi * fmin)-e (avgi * fmax) )
Where w (f i ) is a weighting factor for the i-th scan frequency, avg i is the average pixel output value at the i-th scan frequency and the next lower scan frequency, and f min is The lowest scan frequency, and f max is the highest scan frequency.

別の実施形態では、画像情報セットを合成するステップは、スキャン周波数の各々のための共分散行列を作成するステップを含み得る。共分散行列は、画像情報セット中のピクセル出力値から作成され得る。共分散行列は、各ピクセル出力値のための合成された値を有する合成された行列を提供するために、合成され得る。一実施形態では、共分散行列を合成するステップは、共分散行列中の成分の間を補間するステップを含む。   In another embodiment, synthesizing the image information set may include creating a covariance matrix for each of the scan frequencies. A covariance matrix may be created from the pixel output values in the image information set. The covariance matrix can be combined to provide a combined matrix with a combined value for each pixel output value. In one embodiment, synthesizing the covariance matrix includes interpolating between components in the covariance matrix.

一実施形態では、方法は、各スキャン周波数に対して、重み付け係数を特定するステップと、共分散行列を数学的に合成する前に対応する重み付け係数により共分散行列中の各成分を乗算するステップとを含み得る。重み付け係数は、次の式を使用して計算され得る。
w(fi) = (e(avgi * fi) - e(avgi * fmax)) / (e(avgi * fmin) - e(avgi * fmax))
ここで、w(fi)はi番目のスキャン周波数のための重み付け係数であり、avgiはi番目のスキャン周波数およびその次に低いスキャン周波数におけるピクセル出力値の平均値であり、fminは最低のスキャン周波数であり、fmaxは最高のスキャン周波数である。
In one embodiment, the method includes, for each scan frequency, identifying a weighting factor and multiplying each component in the covariance matrix by a corresponding weighting factor before mathematically synthesizing the covariance matrix. Can be included. The weighting factor can be calculated using the following formula:
w (f i ) = (e (avgi * fi)-e (avgi * fmax) ) / (e (avgi * fmin)-e (avgi * fmax) )
Where w (f i ) is a weighting factor for the i-th scan frequency, avg i is the average pixel output value at the i-th scan frequency and the next lower scan frequency, and f min is The lowest scan frequency, and f max is the highest scan frequency.

方法はさらに、ピクセルの各々のための各々の合成された値をグレースケール値と相関付けるステップを含み得る。方法はさらに、指または指紋の表現としてグレースケール値を提供するステップを含み得る。   The method may further include correlating each synthesized value for each of the pixels with a grayscale value. The method may further include providing a grayscale value as a finger or fingerprint representation.

方法は、超音波センサの撮像面に指がない状態で、複数の超音波試験周波数においてスキャンするステップを含み得る。方法はさらに、1つまたは複数のピーク試験周波数を選択するステップを含み得る。各々の選択されたピーク試験周波数は、他のピーク試験周波数の大部分よりも高い反射された信号を有し得る。方法はさらに、選択されたピーク試験周波数を複数のスキャン周波数として使用するステップを含み得る。追加のスキャン周波数は、ピーク試験周波数の選択された1つに所定のオフセットを加算または減算することによって特定され得る。別の実施形態では、追加のスキャン周波数は、ピーク試験周波数の選択された1つを含む範囲を特定し、特定された範囲内にあるようにスキャン周波数を選択することによって、選択され得る。一実施形態では、追加のスキャン周波数は、選択されたピーク試験周波数の高調波を特定することによって選択され得る。別の実施形態では、方法はさらに、ピーク試験周波数の画像品質を評価するステップと、他のピーク試験周波数よりも良い画像品質を有するピーク試験周波数を選択するステップとを含み得る。   The method may include scanning at a plurality of ultrasonic test frequencies with no finger on the imaging surface of the ultrasonic sensor. The method may further include selecting one or more peak test frequencies. Each selected peak test frequency may have a reflected signal that is higher than most of the other peak test frequencies. The method may further include using the selected peak test frequency as a plurality of scan frequencies. Additional scan frequencies can be identified by adding or subtracting a predetermined offset to a selected one of the peak test frequencies. In another embodiment, the additional scan frequency may be selected by identifying a range that includes the selected one of the peak test frequencies and selecting the scan frequency to be within the identified range. In one embodiment, the additional scan frequency may be selected by identifying harmonics of the selected peak test frequency. In another embodiment, the method may further include evaluating the image quality of the peak test frequency and selecting a peak test frequency that has a better image quality than other peak test frequencies.

本発明の一態様は、対象物の自動的に共同登録される画像情報セットを生成するためのシステムとして説明され得る。システムはまた、指をスキャンするためのシステムとして説明され得る。システムは、指を受け入れるように構成される撮像面を含み得る。撮像面は、実質的に平坦であり得る。システムはまた、平面超音波送信機を含み得る。平面超音波送信機は、信号生成器に応答して1つまたは複数の平面超音波を生成することができる。信号生成器は、超音波周波数範囲内の異なる離散周波数の電気信号を作成することが可能であり得る。   One aspect of the present invention may be described as a system for generating an automatically co-registered image information set of objects. The system can also be described as a system for scanning a finger. The system can include an imaging surface configured to accept a finger. The imaging surface can be substantially flat. The system can also include a planar ultrasound transmitter. The planar ultrasound transmitter can generate one or more planar ultrasound waves in response to the signal generator. The signal generator may be capable of generating electrical signals with different discrete frequencies within the ultrasonic frequency range.

システムはさらに、送信機ドライバ増幅器を含み得る。この増幅器は、信号生成器から電気信号を受け取り、この電気信号を使用して超音波送信機を駆動するように構成され得る。超音波は送信機によって撮像面に向けられてよく、1つまたは複数の超音波信号が撮像面から超音波センサアレイに反射されてよく、対象物がその超音波センサアレイに接触している。超音波センサアレイは、1つまたは複数の反射された超音波を検出するように構成され得る。いくつかの実装形態では、システムはさらに、1つまたは複数の検出された超音波を周波数成分へと分離するためのバンドパスフィルタのセットを含み得る。   The system may further include a transmitter driver amplifier. The amplifier may be configured to receive an electrical signal from the signal generator and use the electrical signal to drive an ultrasonic transmitter. The ultrasound may be directed by the transmitter to the imaging surface, one or more ultrasound signals may be reflected from the imaging surface to the ultrasound sensor array, and the object is in contact with the ultrasound sensor array. The ultrasonic sensor array may be configured to detect one or more reflected ultrasonic waves. In some implementations, the system may further include a set of bandpass filters for separating one or more detected ultrasound waves into frequency components.

システムはさらに、関心のある各周波数における各々の受信された信号のための、物体の画像情報セットを形成または生成するための電子サブシステムを含み得る。電子サブシステムは、プロセッサまたは論理回路を含み得る。電子サブシステムはまた、画像情報セットを合成するように構成され得る。画像情報セットは、ネイマン-ピアソンマルチモーダル融合システムを使用してヒューリスティックに合成され、または確率論的に合成されて、画像のような対象物の出力表現を生成し得る。   The system may further include an electronic subsystem for forming or generating an image information set of the object for each received signal at each frequency of interest. The electronic subsystem may include a processor or logic circuit. The electronic subsystem can also be configured to synthesize the image information set. The image information set can be heuristically synthesized using a Neiman-Pearson multimodal fusion system or stochastically synthesized to produce an output representation of the object, such as an image.

本発明の一態様はまた、コンピュータ実行可能コードを記憶する非一時的コンピュータ可読媒体として説明され得る。実行可能コードは、複数の超音波スキャン周波数によって、超音波センサの撮像面に置かれた指をスキャンするための命令を含み得る。実行可能コードはさらに、スキャン周波数の各々のために、超音波センサの複数のピクセルから超音波画像情報セットを生成するための命令を含み得る。画像情報セットは、複数のピクセルの各々からのピクセル出力値を含み得る。各ピクセル出力値は、撮像面から反射されたエネルギーの量を示し得る。実行可能コードはさらに、スキャン周波数の各々に対応する画像情報セットを合成して、合成された画像情報セットを生成するための命令を含み得る。合成された画像情報セットは、複数のピクセルの各々からの合成されたピクセル出力値を含み得る。実行可能コードはさらに、各ピクセル出力値をグレースケール値に変換し、複数のピクセルのためのグレースケール値を、指の指紋を表す合成された画像情報セットとして提供するための命令を含み得る。実行可能コードはさらに、複数の超音波画像情報セットを使用して生体性の決定を行い、生体性の決定を示す生体性出力信号を提供するための命令を含み得る。   One aspect of the invention may also be described as a non-transitory computer-readable medium that stores computer-executable code. The executable code may include instructions for scanning a finger placed on the imaging surface of the ultrasonic sensor with a plurality of ultrasonic scan frequencies. The executable code may further include instructions for generating an ultrasound image information set from a plurality of pixels of the ultrasound sensor for each of the scan frequencies. The image information set may include pixel output values from each of the plurality of pixels. Each pixel output value may indicate the amount of energy reflected from the imaging surface. The executable code may further include instructions for combining the image information sets corresponding to each of the scan frequencies to generate a combined image information set. The combined image information set may include a combined pixel output value from each of the plurality of pixels. The executable code may further include instructions for converting each pixel output value to a grayscale value and providing the grayscale value for the plurality of pixels as a composite image information set representing the fingerprint of the finger. The executable code may further include instructions for making a biological determination using a plurality of sets of ultrasound image information and providing a biological output signal indicative of the biological determination.

本発明の一態様はまた、指をスキャンするためのシステムとして説明され得る。システムは、超音波周波数範囲内の異なる離散周波数の電気信号を作成することが可能な信号生成器に応答して、1つまたは複数の平面超音波(「MFG」)を生成するための手段を含み得る。システムはさらに、信号生成器からの電気信号に応答してMFGを駆動するための手段を含み得る。システムはさらに、指に接触して、MFGからの超音波を超音波信号として超音波センサアレイ手段に反射するための手段を含んでよく、超音波センサアレイ手段は、反射された超音波信号を受信するように構成される。システムはさらに、関心のある各周波数における各々の受信された反射された超音波信号のための指の画像情報セットを形成し、形成された画像情報セットを合成するための手段を含み得る。一実施形態では、システムはさらに、1つまたは複数の受信された超音波信号を周波数成分へと分離するための手段を含み得る。形成された画像情報セットを合成するための手段は、出力画像をヒューリスティックに生成するように、または、ネイマン-ピアソンマルチモーダル融合を使用して出力画像を確率論的に生成するように構成され得る。   One aspect of the invention can also be described as a system for scanning a finger. The system responds to a signal generator capable of generating electrical signals of different discrete frequencies within the ultrasonic frequency range and provides a means for generating one or more planar ultrasound (`` MFG '') May be included. The system may further include means for driving the MFG in response to an electrical signal from the signal generator. The system may further include means for contacting the finger and reflecting the ultrasound from the MFG as an ultrasound signal to the ultrasound sensor array means, the ultrasound sensor array means receiving the reflected ultrasound signal. Configured to receive. The system may further include means for forming a finger image information set for each received reflected ultrasound signal at each frequency of interest and synthesizing the formed image information set. In one embodiment, the system may further include means for separating one or more received ultrasound signals into frequency components. The means for synthesizing the formed image information set may be configured to heuristically generate the output image or to generate the output image stochastically using Neiman-Pearson multimodal fusion. .

本開示の性質および目的のより深い理解のために、添付の図面および後続の説明が参照されるべきである。本開示はここで、添付の図面および図表を参照して、非限定的な例として説明される。   For a deeper understanding of the nature and purpose of the present disclosure, reference should be made to the accompanying drawings and the following description. The present disclosure will now be described by way of non-limiting example with reference to the accompanying drawings and figures.

超音波センサアレイを通過する、各々が異なる周波数である6つの異なる超音波に対応する情報によるプロットを示す図である。FIG. 6 is a plot with information corresponding to six different ultrasonic waves each passing through an ultrasonic sensor array, each at a different frequency. 超音波画像情報セットを生成するための方法であって、異なる周波数のいくつかの送信機励振信号について順次的に送信し、処理し、この方法を繰り返すことに基づく方法を示す図である。FIG. 2 shows a method for generating an ultrasound image information set, based on sequentially transmitting, processing and repeating this method for several transmitter excitation signals of different frequencies. チャープタイプの送信機励振信号に基づく超音波画像情報セットを作成するための方法を示す図である。It is a figure which shows the method for producing the ultrasonic image information set based on a chirp type transmitter excitation signal. 任意選択の重み付けを伴うピクセルごとの算術平均を利用したマルチスペクトル超音波撮像の方法を示すフローチャートである。6 is a flowchart illustrating a method of multispectral ultrasound imaging using an arithmetic average for each pixel with optional weighting. 対象物に対応する超音波画像情報セットを生成するための超音波センサシステムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the ultrasonic sensor system for producing | generating the ultrasonic image information set corresponding to a target object. 超音波センサアレイの外側の表面と接触する物体の超音波画像情報セットを生成するためのシステムの第1の構成を示す図である。1 is a diagram illustrating a first configuration of a system for generating an ultrasonic image information set of an object that contacts an outer surface of an ultrasonic sensor array. FIG. 超音波センサアレイ上に配置されるプラテンの外側の表面と接触している物体の超音波画像情報セットを生成するためのシステムの第2の構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a second configuration of a system for generating an ultrasonic image information set of an object in contact with an outer surface of a platen arranged on an ultrasonic sensor array. 送信機へ順次的に印加される2つ以上の励振周波数のセットについての送信機信号および受信機信号を、各々の印加される周波数に対して取得される画像情報セットとともに示す図である。FIG. 4 shows transmitter and receiver signals for a set of two or more excitation frequencies applied sequentially to a transmitter, with image information sets acquired for each applied frequency. 送信機へ順次的に印加される2つ以上の励振周波数のセットについての送信機信号および受信機信号を、各々の印加される周波数に対して取得される画像情報セットとともに示す図である。FIG. 4 shows transmitter and receiver signals for a set of two or more excitation frequencies applied sequentially to a transmitter, with image information sets acquired for each applied frequency. 送信機へ順次的に印加される2つ以上の励振周波数のセットについての送信機信号および受信機信号を、励振周波数のセットに対して取得される画像情報セットとともに示す図である。FIG. 4 shows a transmitter signal and a receiver signal for a set of two or more excitation frequencies applied sequentially to a transmitter, together with a set of image information acquired for the set of excitation frequencies. 第1の周波数において開始し第2の周波数において終了するチャープ送信機励振シーケンス(アップチャープまたはダウンチャープ)についての送信機信号および受信機信号を示す図である。FIG. 2 shows transmitter and receiver signals for a chirp transmitter excitation sequence (up chirp or down chirp) starting at a first frequency and ending at a second frequency. 超音波画像情報の2つ以上のセットの点ごとの算術平均を示す図である。It is a figure which shows the arithmetic average for every point of two or more sets of ultrasonic image information. 2つ以上の共分散行列を使用して、合成された画像情報セットを作成するための方法を示すフローチャートである。FIG. 6 is a flowchart illustrating a method for creating a composite image information set using two or more covariance matrices. FIG. 共分散に基づく補間を使用して、合成された画像情報セットを作成するための方法を示す図である。FIG. 6 illustrates a method for creating a combined image information set using covariance-based interpolation. 指紋の表現を提供する方法を示すフローチャートである。6 is a flowchart illustrating a method for providing a representation of a fingerprint. 様々な励振周波数の選択に対応するグラフである。It is a graph corresponding to selection of various excitation frequencies. 追加の励振周波数の選択に対応するグラフである。Fig. 6 is a graph corresponding to selection of additional excitation frequencies. 較正の方法を示すグラフである。It is a graph which shows the method of calibration. 較正の追加の方法を示すグラフである。6 is a graph showing an additional method of calibration. チャープされた励振を伴うマルチスペクトル超音波撮像の方法を示すフローチャートである。2 is a flowchart illustrating a method of multispectral ultrasound imaging with chirped excitation. ピクセルごとの算術平均および任意選択の重み付けを伴う、複数情報セットのチャープされた励振のためのマルチスペクトル超音波撮像の方法を示すフローチャートである。FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of multispectral ultrasound imaging for chirped excitation of multiple information sets with arithmetic average per pixel and optional weighting. チャープシーケンスの決定を示す2つのグラフである。2 is two graphs showing the determination of a chirp sequence. 様々なチャープシーケンスを示すグラフである。It is a graph which shows various chirp sequences. 様々なチャープシーケンスを示すグラフである。It is a graph which shows various chirp sequences. チャープコーディングされた送信機信号のFFTを示すグラフである。It is a graph which shows FFT of the transmitter signal by which chirp coding was carried out. チャープコーディングされた送信機信号のFFTを示すグラフである。It is a graph which shows FFT of the transmitter signal by which chirp coding was carried out. チャープコーディングされた送信機信号のFFTを示すグラフである。It is a graph which shows FFT of the transmitter signal by which chirp coding was carried out. チャープコーディングされた送信機信号のFFTを示すグラフである。It is a graph which shows FFT of the transmitter signal by which chirp coding was carried out. 超音波センサアレイの図である。It is a figure of an ultrasonic sensor array. 超音波指紋センサの複数の構成の図である。It is a figure of the some structure of an ultrasonic fingerprint sensor. 超音波センサシステムのブロック図である。It is a block diagram of an ultrasonic sensor system. 送信機オンの条件と送信機オフの条件との間の、センサアレイの出力における差の周波数応答を示す図である。FIG. 6 shows the frequency response of the difference in the output of the sensor array between the transmitter on condition and the transmitter off condition. 2つの場合の、指について取得されるセンサ出力信号振幅のヒストグラムである。6 is a histogram of sensor output signal amplitude obtained for a finger in two cases. 指のサンプル画像の輪郭および対応するヒストグラムのプロットを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a contour of a sample image of a finger and a corresponding histogram plot. 選択された隆起の領域と谷の領域との間でのアナログ電圧の比較を示す変動性のプロットを示す図である。FIG. 6 shows a variability plot showing a comparison of analog voltages between a selected ridge region and a valley region. 空気の場合の電圧から対象物がある場合の電圧を引いた差分を、超音波送信機励振信号の周波数に対してプロットした場合の負のピークと正のピークを示す図である。It is a figure which shows the negative peak at the time of plotting the difference which pulled the voltage when there exists a target object from the voltage in the case of air with respect to the frequency of an ultrasonic transmitter excitation signal. 対象物の生体性を決定することに対する多周波数に基づく手法を示す図である。It is a figure which shows the method based on multiple frequencies with respect to determining the biological property of a target object. 対象物の生体性を決定することに対する多周波数に基づく手法を示す図である。It is a figure which shows the method based on multiple frequencies with respect to determining the biological property of an object. 対象物の生体性を決定することに対する多周波数に基づく手法を示す図である。It is a figure which shows the method based on multiple frequencies with respect to determining the biological property of a target object. 対象物の生体性を決定することに対する多周波数に基づく手法を示す図である。It is a figure which shows the method based on multiple frequencies with respect to determining the biological property of a target object. マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの一構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。FIG. 6 is a plot of signals reflected from various portions of an object in one configuration of a system for multispectral ultrasound imaging. マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの一構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。FIG. 6 is a plot of signals reflected from various portions of an object in one configuration of a system for multispectral ultrasound imaging. マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの一構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。FIG. 6 is a plot of signals reflected from various portions of an object in one configuration of a system for multispectral ultrasound imaging. マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。FIG. 6 is a plot of signals reflected from various portions of an object in another configuration of a system for multispectral ultrasound imaging. マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。FIG. 6 is a plot of signals reflected from various portions of an object in another configuration of a system for multispectral ultrasound imaging. マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。FIG. 6 is a plot of signals reflected from various portions of an object in another configuration of a system for multispectral ultrasound imaging. マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。FIG. 6 is a plot of signals reflected from various portions of an object in another configuration of a system for multispectral ultrasound imaging. マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。FIG. 6 is a plot of signals reflected from various portions of an object in another configuration of a system for multispectral ultrasound imaging. マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。FIG. 6 is a plot of signals reflected from various portions of an object in another configuration of a system for multispectral ultrasound imaging. 図39Aのシステムにおいて実装される様々な距離ゲートに従った、積分された受信機出力のプロットを示す図である。FIG. 39B is a plot of integrated receiver output according to various distance gates implemented in the system of FIG. 39A. 図39Bのシステムにおいて実装される様々な距離ゲートに従った、積分された受信機出力のプロットを示す図である。FIG. 39B shows a plot of integrated receiver output according to various distance gates implemented in the system of FIG. 39B. 図39Cのシステムにおいて実装される様々な距離ゲートに従った、積分された受信機出力のプロットを示す図である。FIG. 39B is a plot of integrated receiver output according to various distance gates implemented in the system of FIG. 39C. マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。FIG. 6 is a plot of signals reflected from various portions of an object in another configuration of a system for multispectral ultrasound imaging. マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。FIG. 6 is a plot of signals reflected from various portions of an object in another configuration of a system for multispectral ultrasound imaging. マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。FIG. 6 is a plot of signals reflected from various portions of an object in another configuration of a system for multispectral ultrasound imaging. 図40Aのシステムにおいて実装される様々な距離ゲートに従った、積分された受信機出力のプロットを示す図である。FIG. 40B is a plot of integrated receiver output according to various distance gates implemented in the system of FIG. 40A. 図40Bのシステムにおいて実装される様々な距離ゲートに従った、積分された受信機出力のプロットを示す図である。FIG. 40B shows a plot of integrated receiver output according to various distance gates implemented in the system of FIG. 40B. 図40Cのシステムにおいて実装される様々な距離ゲートに従った、積分された受信機出力のプロットを示す図である。FIG. 40D shows a plot of integrated receiver output according to various distance gates implemented in the system of FIG. 40C. マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。FIG. 6 is a plot of signals reflected from various portions of an object in another configuration of a system for multispectral ultrasound imaging. マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。FIG. 6 is a plot of signals reflected from various portions of an object in another configuration of a system for multispectral ultrasound imaging. マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムの別の構成における対象物の様々な部分から反射される信号のプロットを示す図である。FIG. 6 is a plot of signals reflected from various portions of an object in another configuration of a system for multispectral ultrasound imaging. 図41Aのシステムにおいて実装される様々な距離ゲートに従った、積分された受信機出力のプロットを示す図である。FIG. 41B is a plot of integrated receiver output according to various distance gates implemented in the system of FIG. 41A. 図41Bのシステムにおいて実装される様々な距離ゲートに従った、積分された受信機出力のプロットを示す図である。FIG. 41B is a plot of integrated receiver output according to various distance gates implemented in the system of FIG. 41B. 図41Cのシステムにおいて実装される様々な距離ゲートに従った、積分された受信機出力のプロットを示す図である。FIG. 41D shows a plot of integrated receiver output according to various distance gates implemented in the system of FIG. 41C. 生体性の検出方法のフローチャートである。It is a flowchart of the biometric detection method. 指をスキャンするための方法のフローチャートである。3 is a flowchart of a method for scanning a finger.

本発明の一態様は全般に、対象物についての情報を提供するための超音波センサシステムに関する。いくつかの実装形態では、この情報は、各々が異なる周波数である超音波送信機に印加される複数の励振信号から取得され得る。複数の超音波周波数を使用することによって、単一の励振周波数を利用することによって提供され得るものよりも多くの、対象物についての情報が提供され得る。   One aspect of the invention generally relates to an ultrasonic sensor system for providing information about an object. In some implementations, this information may be obtained from multiple excitation signals applied to the ultrasound transmitter, each at a different frequency. By using multiple ultrasonic frequencies, more information about the object can be provided than can be provided by utilizing a single excitation frequency.

超音波指紋センサは、超音波を生成してプラテンタイプの撮像面に向かって送信することによって機能し得る。プラテンの上には、それについての情報が所望される対象物があり得る。対象物が指であるとき、所望される情報は指紋に関し得る。プラテンに達する超音波エネルギーの一部は反射され、この反射されるエネルギーが検出され得る。反射されるエネルギーの強度およびそのエネルギーが受け取られる位置が取得され得る。取得される信号は、データセットの形態で記録され得る。データセットは、対象物の視覚的画像を生成するために使用され得るデータストリームを作成するために使用されてよく、この視覚的画像はモニタまたはプリンタを介して提供され得る。いくつかの実装形態では、取得される信号は、超音波画像情報セットとも呼ばれるデータセットを形成することができ、超音波画像情報セットは、合成された画像情報セットを生成するためにさらに処理され得る。合成された画像情報セットは、たとえば、超音波指紋センサを組み込む携帯電話、タブレットコンピュータ、またはポータブル医療機器のようなモバイルデバイスのユーザの、登録、検証、および認証において利用され得る。   An ultrasonic fingerprint sensor can function by generating and transmitting ultrasonic waves toward a platen type imaging surface. There can be an object on the platen for which information is desired. When the object is a finger, the desired information may relate to the fingerprint. A portion of the ultrasonic energy that reaches the platen is reflected and this reflected energy can be detected. The intensity of the reflected energy and the location where that energy is received can be obtained. The acquired signal can be recorded in the form of a data set. The data set may be used to create a data stream that may be used to generate a visual image of the object, which visual image may be provided via a monitor or printer. In some implementations, the acquired signals can form a data set, also referred to as an ultrasound image information set, which is further processed to generate a composite image information set. obtain. The combined image information set may be utilized in registration, verification, and authentication of a user of a mobile device such as a mobile phone, tablet computer, or portable medical device that incorporates an ultrasonic fingerprint sensor, for example.

本発明の一態様は、システム固有の最高限度とより良好に合致するように、マルチスペクトル超音波撮像のためのシステムおよび/または方法において具現化され得る。たとえば、同じ設計に従って製作され同じ製造設備から製造される超音波センサにも、各センサの性能に影響を与え得る差があり得る。   One aspect of the present invention may be embodied in a system and / or method for multispectral ultrasound imaging to better match the system-specific maximum limits. For example, ultrasonic sensors manufactured according to the same design and manufactured from the same manufacturing facility can have differences that can affect the performance of each sensor.

たとえば、超音波センサの製造の間に、超音波が横断するいくつかの材料の境界と材料のバルク媒質がある。製造プロセスにおける通常の変動により、各センサは、共振周波数と、センサの中を通過する超音波信号への影響が、わずかに異なり得る。これらの共振の違いは、かなり小さな周波数の変化に対して、50%程度の変化を示し得る。その結果、20MHzの送信機励振周波数において良好な出力を得る同じシステムが、19MHzまたは21MHzの周波数では半分の出力しか示さないことがある。   For example, during the manufacture of an ultrasonic sensor, there are several material boundaries and bulk material of the material that the ultrasound traverses. Due to normal variations in the manufacturing process, each sensor may have a slightly different effect on the resonant frequency and the ultrasonic signal passing through the sensor. These resonance differences can show as much as 50% change for fairly small frequency changes. As a result, the same system that obtains good output at a 20 MHz transmitter excitation frequency may show only half of the output at 19 or 21 MHz.

2つ以上のスキャン周波数を使用し、次いで、各スキャン周波数に由来する画像情報セットを合成することによって、個々のセンサの違いに対処することができる。加えて、複数の周波数によって音波を印加することで、単一波長の音波の印加よりも対象物の良好な表現を与える対象物についてのデータの収集が可能になり得る。励振周波数のスペクトルを伴う単一の順次的信号と複合信号とのいずれかとして、超音波システムにおいて多数の周波数によって音波を印加することで、システムにおけるより緩い製造上の許容誤差とともに撮像の改良が可能になるので、より費用対効果の高い製造技法を利用することができる。   Individual sensor differences can be addressed by using more than one scan frequency and then combining the set of image information from each scan frequency. In addition, applying sound waves at multiple frequencies may allow data collection for objects that provide a better representation of the object than applying single wavelength sound waves. Applying sound waves at multiple frequencies in an ultrasound system, either as a single sequential signal with a spectrum of excitation frequencies or a composite signal, can improve imaging with less manufacturing tolerances in the system. As it becomes possible, more cost-effective manufacturing techniques can be utilized.

いくつかの実装形態では、マルチスペクトル超音波センサシステムは、対象物に対応する複数のデータセットまたは画像情報セットを生成し、各画像情報セットは、異なる超音波周波数において得られる情報とともに生成される。マルチスペクトルという用語は、一般に、対象物の画像情報セットを構築する際に2つ、3つ、4つ、またはそれよりも多くの周波数または波長を使用するシステムを指す。マルチスペクトルシステムは、ハイパースペクトルシステムとも呼ばれ得る。超音波受信機が多くの異なる周波数における超音波エネルギーを検出することが可能であり、対象物から不変の距離にあるときに、画像情報セットを生成するステップが実行され得る。たとえば、ユーザが指を置き得るプラテンの表面は、背後の超音波センサアレイのピクセル回路から不変の距離にあり得る。所望される超音波は、送信機励振信号によって超音波送信機を駆動して離散周波数の超音波を生成することによって生成され得る。いくつかの実装形態では、送信機は、所望の周波数の加算であり複数の所望の周波数を伴う複合エネルギー超音波波形として同時に出される超音波波形を生成するように駆動され得る。   In some implementations, the multispectral ultrasound sensor system generates multiple data sets or image information sets corresponding to the object, each image information set being generated with information obtained at different ultrasound frequencies. . The term multispectrum generally refers to a system that uses two, three, four, or more frequencies or wavelengths in constructing an image information set of an object. A multispectral system may also be referred to as a hyperspectral system. When the ultrasonic receiver is capable of detecting ultrasonic energy at many different frequencies and is at a constant distance from the object, the step of generating an image information set can be performed. For example, the surface of the platen on which the user can place a finger may be at an invariable distance from the pixel circuit of the underlying ultrasonic sensor array. The desired ultrasound can be generated by driving the ultrasound transmitter with a transmitter excitation signal to generate discrete frequency ultrasound. In some implementations, the transmitter may be driven to generate an ultrasound waveform that is simultaneously added as a composite energy ultrasound waveform that is the sum of the desired frequencies and with multiple desired frequencies.

離散周波数におけるマルチスペクトルスキャンは、「チャープ」として実装され得る。チャープは、周波数が時間とともに上昇する(「アップチャープ」)または下降する(「ダウンチャープ」)信号であり、連続的であり得る。超音波学では、励振信号はチャープを表すように形成されてよく、そうすることで、生成される波は材料の分散特性と相互作用し、超音波信号が伝播するにつれて全体の分散が増大または減少する。チャープされた励振信号を利用することで、より多くの情報の内容を伴うデータの収集が可能になる。   Multispectral scanning at discrete frequencies may be implemented as “chirp”. A chirp is a signal whose frequency increases ("up chirp") or decreases ("down chirp") over time and can be continuous. In ultrasound, the excitation signal may be shaped to represent a chirp so that the generated wave interacts with the dispersion properties of the material, increasing the overall dispersion as the ultrasound signal propagates or Decrease. By using the chirped excitation signal, it is possible to collect data with more information content.

チャープ励振信号の使用により、センサシステムは、音波を印加し、広範囲の周波数にわたって対象物についての情報を収集することが可能になる。超音波センサシステムは、超音波センサアレイ中のセンサピクセルからピクセル出力信号を取得し、ピクセル出力信号をデジタル化し、デジタル化されたピクセル出力信号(または値)を一連のフィルタに通して必要とされるデータを抽出することができる。代替的に、対象物に音波を印加して反射された信号からデータを収集するために離散周波数パルスが使用されてよく、次いで、送信機励振周波数が変更されてよく、複数の異なる周波数において対象物についてのデータを取得するためにこの処理が繰り返される。この処理は、非常に小さな時間の増分において励振信号が送信され、反射される信号が受信され処理される状況において、非常に高速に完了し得る。送信機からプラテンの表面までの、および反対側の超音波センサアレイまでの距離に応じて、この処理は数マイクロ秒(またはより長い距離が伴う場合、ミリ秒)で完了し得る。   The use of the chirp excitation signal allows the sensor system to apply sound waves and collect information about the object over a wide range of frequencies. An ultrasonic sensor system is required to obtain a pixel output signal from sensor pixels in an ultrasonic sensor array, digitize the pixel output signal, and pass the digitized pixel output signal (or value) through a series of filters. Data can be extracted. Alternatively, discrete frequency pulses may be used to apply sound waves to the object and collect data from the reflected signal, and then the transmitter excitation frequency may be changed, and the object at multiple different frequencies. This process is repeated to obtain data about the object. This process can be completed very quickly in situations where the excitation signal is transmitted in very small time increments and the reflected signal is received and processed. Depending on the distance from the transmitter to the platen surface and to the opposite ultrasonic sensor array, this process can be completed in a few microseconds (or milliseconds if longer distances are involved).

超音波システムを動作させるときにチャープに基づく方法を使用することの追加の利点は、超音波送信機-受信機システムを製造する際にさらなる柔軟性が可能になることである。チャープに基づくシステムを使用することで、製造上の差異に対応し、各システムからの応答の改善を可能にすることができる。   An additional advantage of using a chirp-based method when operating an ultrasound system is that it allows more flexibility in manufacturing an ultrasound transmitter-receiver system. Using a chirp-based system can accommodate manufacturing differences and allow improved response from each system.

図1は、超音波センサアレイを通過する、各々が異なる周波数である6つの異なる超音波に対応する情報によるプロットを示す。垂直軸は透過性であり、水平軸はポリスチレン層の厚みであり、ポリスチレン層は超音波センサのためのプラテンとして使用される典型的な材料である。図1の様々なカーブに対応するポリスチレン層の厚み(xi)は、ほぼ0からほぼ5000分の1インチにわたる。透過性(tr)が、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz、25MHz、および30MHzという6つの超音波周波数について示される。図1から、約1.7ミルの厚みにおいて、30MHzがほぼ100%の透過性を与え、15MHzと5MHzの両方が各々約65%の透過性を与えることが確認される。1.7ミルの厚みにおける他の周波数は、50%未満の透過性を与える。図1に示される他の超音波周波数に対するピークの透過性は、概ね次の通りであることに留意されたい。
25MHz - 1.9ミルの厚み 15MHz - 3.5ミルの厚み
20MHz - 2.4ミルの厚み 10MHz - 4.7ミルの厚み
FIG. 1 shows a plot with information corresponding to six different ultrasound waves passing through the ultrasonic sensor array, each at a different frequency. The vertical axis is transmissive and the horizontal axis is the thickness of the polystyrene layer, which is a typical material used as a platen for an ultrasonic sensor. The thickness (xi) of the polystyrene layer corresponding to the various curves in FIG. 1 ranges from approximately 0 to approximately 1/5000 inch. Transparency (tr) is shown for 6 ultrasonic frequencies: 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz, 25 MHz, and 30 MHz. FIG. 1 confirms that at a thickness of about 1.7 mils, 30 MHz gives nearly 100% transparency, and both 15 MHz and 5 MHz each give about 65% transparency. Other frequencies at 1.7 mil thickness give less than 50% permeability. Note that the peak transmission for the other ultrasonic frequencies shown in FIG.
25MHz-1.9mil thickness 15MHz-3.5mil thickness
20MHz-2.4mil thickness 10MHz-4.7mil thickness

30MHzにおける透過性の関数の傾きは、約1.7ミルおよび3.5ミルにあるピークの近くで非常に大きいことも確認される。これは、30MHzにおける透過性が、ポリスチレン層の厚みの小さな変化により、ピークの透過性の近くで急激に低下することを示す。25MHz、20MHz、および15MHzの励振周波数の各々に対するピークの透過性に関して、同じことが当てはまる。すなわち、ポリスチレン層の厚みの小さな変化により、透過性が急激に低下する。図1は、5MHzおよび10MHzがより小さな傾きを有することを示すが、これらの周波数は高い透過性を有するので有用であり、ただし、それは図1に示されるポリスチレンの厚みの範囲の限られた部分だけにおいて当てはまる。   It can also be seen that the slope of the permeability function at 30 MHz is very large near the peaks at about 1.7 mils and 3.5 mils. This indicates that the permeability at 30 MHz decreases sharply near the peak permeability due to small changes in the thickness of the polystyrene layer. The same is true for the peak transparency for each of the 25 MHz, 20 MHz, and 15 MHz excitation frequencies. That is, the permeability rapidly decreases due to a small change in the thickness of the polystyrene layer. Figure 1 shows that 5MHz and 10MHz have smaller slopes, but these frequencies are useful because they have high transparency, but it is a limited part of the polystyrene thickness range shown in Figure 1 Only true.

複数の離散周波数センサシステムまたはチャープに基づくシステムの追加の利点は、観測対象のプラテン上の物体と観測対象ではないプラテン上の物体とを区別できることである。たとえば、超音波マルチスペクトルシステムがモバイルデバイスのディスプレイに内蔵されると仮定する。また、システムが22MHzの音波印加信号を使用すると仮定する。ディスプレイ上の雨粒が対象物に対応する情報と干渉する。しかしながら、周波数がたとえば15MHzに下げられる場合、雨水の小滴は適切な共振を有しないので、超音波観測において現れなくなる。マルチスペクトルセンサ(すなわち、チャープセンサ)は、複数の周波数依存の画像情報セットを提供することによって、雨粒を検出するのを避ける。情報セットの最良の1つがさらなる使用のために選択されてよく、または、情報セットの複合体が作られ使用されてよい。   An additional advantage of multiple discrete frequency sensor systems or chirp based systems is that they can distinguish between objects on the platen being observed and those on the platen not being observed. For example, assume that an ultrasonic multispectral system is built into the display of a mobile device. It is also assumed that the system uses a 22 MHz sound wave application signal. Raindrops on the display interfere with information corresponding to the object. However, if the frequency is lowered to, for example, 15 MHz, the rainwater droplets do not have proper resonance and therefore do not appear in the ultrasound observation. Multispectral sensors (ie, chirp sensors) avoid detecting raindrops by providing multiple frequency dependent image information sets. The best one of the information sets may be selected for further use, or a composite of information sets may be created and used.

図2は、超音波画像情報セットを生成するための方法であって、異なる周波数のいくつかの送信機励振信号について順次的に送信し、処理し、この方法を繰り返すことに基づく方法を示す。この場合、複数の離散周波数を利用するシステムが採用される。第1の周波数が生成され(21)、増幅され(22)、平面超音波を生成する(23)超音波送信機を駆動するために使用され得る。生成され(23)送信機から放出される超音波信号は、結合媒質(もしあれば)および超音波センサ積層体の材料を通過し、対象物と接触しているプラテンの表面と相互作用する(24)。超音波エネルギーの一部が、たとえばプラテンが空気(たとえば、指紋の谷)と相互作用する位置において反射されてよく(25)、次いで反射されたエネルギーは超音波センサアレイに伝わり、そこでそのエネルギーが検出される(26)。検出されたエネルギーに対応する超音波画像情報セットまたはデータセットが生成され、後で使用するために記憶され得る(27)。後の使用は、対象物の画像が、モニタを介して表示されるように、または指紋の登録、検証、および認証のために表示されるようにする、データストリームを作成することを含み得る。この処理は第2の周波数について繰り返され、検出されたエネルギーに対応する第2の画像情報セットが生成され、後で使用するために記憶され得る。この処理は、N個の画像情報セットを作成する(29)ために、N回繰り返され得る。複数の画像情報セットは、マルチスペクトルの合成された画像情報セットを生成する(28)ために合成され得る。   FIG. 2 shows a method for generating an ultrasound image information set based on sequentially transmitting, processing and repeating this method for several transmitter excitation signals of different frequencies. In this case, a system using a plurality of discrete frequencies is employed. A first frequency is generated (21), amplified (22), and can be used to drive an ultrasound transmitter that generates planar ultrasound (23). (23) The ultrasonic signal generated and emitted from the transmitter passes through the binding medium (if any) and the material of the ultrasonic sensor stack and interacts with the surface of the platen in contact with the object ( twenty four). A portion of the ultrasonic energy may be reflected, for example, at a location where the platen interacts with air (e.g., a fingerprint valley) (25), and then the reflected energy is transmitted to the ultrasonic sensor array where the energy is Detected (26). An ultrasound image information set or data set corresponding to the detected energy may be generated and stored for later use (27). Later use may include creating a data stream that causes an image of the object to be displayed via a monitor or for fingerprint registration, verification, and authentication. This process can be repeated for the second frequency and a second set of image information corresponding to the detected energy can be generated and stored for later use. This process can be repeated N times to create N image information sets (29). The plurality of image information sets may be combined to generate a multispectral combined image information set (28).

別のタイプの超音波マルチスペクトル撮像システムが図3において説明される。図3は、チャープタイプの送信機励振信号に基づく超音波画像情報セットを作成するための方法を示す。チャープタイプの信号が、システムの要求される分解能に適した周波数の範囲にわたって、(アップチャープ(上昇する周波数)とダウンチャープ(下降する周波数)のいずれかで)生成される(31)。増幅器32は、励振信号を増幅し、平面超音波生成器を駆動することができる。パルスまたはトーンバースト(TB)と呼ばれることがある超音波信号は、送信機から出て(33)、結合媒質(もしあれば)およびセンサ積層体中の他の材料を通過し、対象物と接触しているプラテンの表面と相互作用する(34)。超音波エネルギーの一部が反射されることがあり、反射されたエネルギーは次いで超音波センサアレイに伝わり(35)、そこでそのエネルギーが検出され(36)電気信号に変換される。超音波センサアレイ中のピクセルからの変換された電気信号は、周波数成分に従って信号の成分を分離するバンドパスフィルタ37に送信され得る。成分の分離は、離散バンドパスフィルタの代わりに高速フーリエ処理を使用して達成され得る。フィルタリング処理から得られる出力は、各々が異なる周波数における対象物を表現する、複数の超音波画像情報セットを構築する(38)ために使用され得る。複数の情報セットは、マルチスペクトル画像情報セットを生成するために合成され得る(39)。   Another type of ultrasonic multispectral imaging system is illustrated in FIG. FIG. 3 shows a method for creating an ultrasound image information set based on a chirp-type transmitter excitation signal. A chirp-type signal is generated (either up-chirp (rising frequency) or down-chirp (falling frequency)) over a range of frequencies appropriate to the required resolution of the system (31). The amplifier 32 can amplify the excitation signal and drive the planar ultrasound generator. Ultrasound signals, sometimes referred to as pulses or tone bursts (TB), exit the transmitter (33), pass through the coupling medium (if any) and other materials in the sensor stack and contact the object Interacts with the surface of the platen (34). A portion of the ultrasonic energy may be reflected, and the reflected energy is then transmitted to the ultrasonic sensor array (35) where it is detected (36) and converted to an electrical signal. The converted electrical signal from the pixels in the ultrasonic sensor array can be sent to a bandpass filter 37 that separates the components of the signal according to frequency components. Component separation can be achieved using fast Fourier processing instead of discrete bandpass filters. The output obtained from the filtering process can be used to construct a plurality of ultrasound image information sets, each representing an object at a different frequency (38). Multiple information sets may be combined (39) to generate a multispectral image information set.

図4は、任意選択の重み付けを伴うピクセルごとの算術平均を利用したマルチスペクトル超音波撮像の方法を示すフローチャートである。複数の超音波周波数(「スキャン周波数」)において指紋がスキャンされ得る。各スキャン周波数は、指紋のような撮像されている物体を記述する画像情報セットを提供し得る。情報セットはスキャン値データから構成されてよく、情報セット中の各データはピクセルの信号強度を示し得る。各ピクセルの信号強度は、その上に指が置かれるプラテンの表面からそのピクセルに反射されるエネルギーの量を示す。複数の周波数においてスキャンすることで、ピクセルの各々のための複数のデータが生成される。スキャン周波数の各々に対応するスキャン値データは、各ピクセルのための合成された値を生成するために数学的に合成され得る。各ピクセルのための合成された値は、各ピクセルのためのグレースケール値を提供するために、グレースケール値と相関付けられ得る。これらのグレースケール値は、指紋を表すために集合的に提供され得る。   FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of multispectral ultrasound imaging using an arithmetic average for each pixel with optional weighting. Fingerprints can be scanned at multiple ultrasound frequencies (“scan frequencies”). Each scan frequency may provide a set of image information that describes the object being imaged, such as a fingerprint. The information set may consist of scan value data, and each data in the information set may indicate the signal strength of the pixel. The signal strength of each pixel indicates the amount of energy reflected back to that pixel from the surface of the platen on which the finger is placed. Scanning at multiple frequencies generates multiple data for each of the pixels. Scan value data corresponding to each of the scan frequencies may be mathematically synthesized to generate a synthesized value for each pixel. The combined value for each pixel can be correlated with the grayscale value to provide a grayscale value for each pixel. These gray scale values can be provided collectively to represent the fingerprint.

ピクセルのための画像情報セットを数学的に合成するステップは、そのピクセルのためのピクセル出力値を加算して合計を生成するステップと、スキャン周波数の数により合計を除算してピクセルの各々の平均値を生成するステップとを含み得る。この平均値は、任意選択の重み付けを伴うピクセルごとの平均を使用して、取得された画像情報セット81、83、85から合成された画像情報セットを計算する(87)のために使用され得る。   Mathematically synthesizing the image information set for a pixel includes adding pixel output values for the pixel to produce a sum, and dividing the sum by the number of scan frequencies to average each of the pixels Generating a value. This average value can be used to calculate (87) a combined image information set from the acquired image information sets 81, 83, 85 using an average per pixel with optional weighting. .

個別の共同登録される情報セットを合成する処理は、異なる情報セットのヒューリスティックな加算、平均、比較、または選択によって実行され得る。情報セットを合成する処理は、ネイマン-ピアソンマルチモーダル融合システムのような確率論的な合成システムを使用することができる(たとえば、米国特許第7,287,013号を参照されたい)。ヒューリスティックシステムは計算的により複雑ではないことがあるが、ネイマン-ピアソンマルチモーダル融合システムは、複雑さの増大という犠牲とともにより正確な出力を生成することができる。   The process of combining individual co-registered information sets may be performed by heuristic addition, averaging, comparison, or selection of different information sets. The process of synthesizing the information set can use a stochastic synthesis system such as the Neyman-Pearson multimodal fusion system (see, eg, US Pat. No. 7,287,013). While heuristic systems may be less computationally complex, Neiman-Pearson multimodal fusion systems can produce more accurate output at the cost of increased complexity.

スキャン値データを数学的に合成するステップは、各スキャン周波数に対して、重み付け係数を特定するステップと、対応する重み付け係数により各スキャン値データを乗算してスキャン値の積を生成するステップとを含み得る。スキャン値の積を加算して合計を生成することができ、合計をスキャン周波数の数により除算してピクセルの各々の平均値を生成することができる。この平均値は、上で言及された合成された値として使用され得る。重み付け係数は、次の式を使用して計算され得る。
w(fi) = (e(avgi * fi) - e(avgi * fmax)) / (e(avgi * fmin) - e(avgi * fmax))
ここで、
w(fi)はi番目のスキャン周波数のための重み付け係数であり、
avgiはi番目のスキャン周波数および次に低いスキャン周波数におけるスキャン値データの平均値であり、
fminは最低のスキャン周波数であり、
fmaxは最高のスキャン周波数である。
The step of mathematically synthesizing the scan value data includes specifying a weighting factor for each scan frequency and multiplying each scan value data by the corresponding weighting factor to generate a product of the scan values. May be included. The product of scan values can be added to produce a sum, and the sum can be divided by the number of scan frequencies to produce an average value for each of the pixels. This average value can be used as the synthesized value mentioned above. The weighting factor can be calculated using the following formula:
w (f i ) = (e (avgi * fi)-e (avgi * fmax) ) / (e (avgi * fmin)-e (avgi * fmax) )
here,
w (f i ) is a weighting factor for the i-th scan frequency,
avg i is the average value of the scan value data at the i-th scan frequency and the next lower scan frequency,
f min is the lowest scan frequency,
f max is the highest scan frequency.

スキャン値データを数学的に合成する別の方法は、情報セット中のスキャン値データからスキャン周波数の各々のための共分散行列を作成するステップと、共分散行列を数学的に合成して各ピクセルのための合成された値を有する合成された行列を提供するステップとを含み得る。共分散行列を合成するために、共分散行列の各々の中の対応する成分は、合成された共分散行列を提供するために補間されてよく、合成された共分散行列の成分は補間された値である。   Another method for mathematically synthesizing the scan value data is to create a covariance matrix for each of the scan frequencies from the scan value data in the information set and to mathematically synthesize the covariance matrix for each pixel. Providing a synthesized matrix having synthesized values for. To synthesize the covariance matrix, the corresponding components in each of the covariance matrices may be interpolated to provide a synthesized covariance matrix, and the components of the synthesized covariance matrix are interpolated Value.

共分散行列の1つまたは複数は重み付けられ得る。特定のスキャン周波数の重み付けが望ましい場合、対応する共分散行列のための重み付け係数が特定されてよく、対応する共分散行列の中の各成分は、共分散行列を数学的に合成する前にその重み付け係数によって乗算され得る。重み付け係数は、次の式を使用して計算され得る。
w(fi) = (e(avgi * fi) - e(avgi * fmax)) / (e(avgi * fmin) - e(avgi * fmax))
ここで、
w(fi)はi番目のスキャン周波数のための重み付け係数であり、
avgiはi番目のスキャン周波数および次に低いスキャン周波数におけるスキャン値データの平均値であり、
fminは最低のスキャン周波数であり、
fmaxは最高のスキャン周波数である。
One or more of the covariance matrices may be weighted. If weighting for a particular scan frequency is desired, a weighting factor for the corresponding covariance matrix may be specified, and each component in the corresponding covariance matrix may have its components before mathematically synthesizing the covariance matrix. Can be multiplied by a weighting factor. The weighting factor can be calculated using the following formula:
w (f i ) = (e (avgi * fi)-e (avgi * fmax) ) / (e (avgi * fmin)-e (avgi * fmax) )
here,
w (f i ) is a weighting factor for the i-th scan frequency,
avg i is the average value of the scan value data at the i-th scan frequency and the next lower scan frequency,
f min is the lowest scan frequency,
f max is the highest scan frequency.

複数の試験周波数において指が存在しない状態でスキャンし、ピーク試験周波数を特定することによって、スキャン周波数が選択され得る。ピーク試験周波数は、すぐ下の試験周波数およびすぐ上の試験周波数がそのピーク試験周波数よりも少ないエネルギーを返す試験周波数である。いくつかのピーク試験周波数を特定したら、指紋を評価するために使用されるピーク試験周波数が選択され得る。選択されるものは、他のピーク試験周波数の大部分よりも高い反射エネルギーを有し得る。つまり、3つの(または何らかの他の数の)ピーク周波数の情報セットが指紋を評価するために使用される場合、3つの(または何らかの他の数の)ピーク試験周波数がスキャン周波数として選択され得る。いくつかの実装形態では、スキャン周波数の範囲は、8MHz未満から12MHz以上にわたり得る。いくつかの実装形態では、スキャン周波数の範囲は、5MHz未満から25MHz以上にわたり得る。いくつかの実装形態では、スキャン周波数の範囲は、1MHz未満から100MHz以上にわたり得る。他の範囲も可能である。選択された範囲内のスキャン周波数の数は、わずか2から50以上にわたり得る。以下でより詳細に説明されるように、スキャン周波数の分離も変化し得る。ハイパースペクトル超音波撮像は、異なる周波数または波長にわたる通常は多数のスキャンにおける複数の周波数での撮像を含む。ハイパースペクトル超音波撮像は、マルチスペクトル撮像の拡張であると考えられる。   A scan frequency can be selected by scanning in the absence of a finger at multiple test frequencies and identifying a peak test frequency. The peak test frequency is the test frequency at which the test frequency immediately below and the test frequency immediately above returns less energy than the peak test frequency. Once several peak test frequencies have been identified, the peak test frequency used to evaluate the fingerprint can be selected. The selection may have a higher reflected energy than most of the other peak test frequencies. That is, if an information set of three (or some other number) peak frequencies is used to evaluate a fingerprint, three (or some other number) peak test frequencies may be selected as the scan frequency. In some implementations, the scan frequency range can range from less than 8 MHz to more than 12 MHz. In some implementations, the scan frequency range can range from less than 5 MHz to more than 25 MHz. In some implementations, the scan frequency range can range from less than 1 MHz to more than 100 MHz. Other ranges are possible. The number of scan frequencies within the selected range can range from only 2 to 50 or more. As described in more detail below, the scan frequency separation may also vary. Hyperspectral ultrasound imaging involves imaging at multiple frequencies, usually in multiple scans over different frequencies or wavelengths. Hyperspectral ultrasound imaging is considered an extension of multispectral imaging.

代替的に、スキャン周波数は、情報セットの品質に基づいて選択され得る。たとえば、ピーク試験周波数の各々に対して、情報セット品質が評価されてよく、最良の情報セットの品質を有するピーク試験周波数が選択されてよい。たとえば、3つ(または何らかの他の数の)ピーク試験周波数がスキャン周波数として選択されることになる場合、他のピーク試験周波数よりも良い品質を有する3つ(または何らかの他の数)のピーク試験周波数が、スキャン周波数として選択され使用され得る。特定の周波数における画像情報セットの品質は、様々な方式で評価され得る。たとえば、情報セットの品質は、指紋画像の隆起と谷との画像コントラスト比を評価することによって決定され得る。より高品質の情報セットは、より高いコントラスト比を有し得る。別の品質の尺度は不明瞭性に関連してよく、すなわち、隆起と谷の明確な描写がある画像は、稜線がぼやけている画像よりも高い品質を有し得る。画像情報セットの品質は、画像全体に対して、または画像内の選択された領域に対して決定され得る。たとえば、画像品質は指の輪郭内で評価されてよく、指のない領域を避ける。情報セットの品質は、撮像されている物体により影響を受けることがある。たとえば、人物の年齢、指のサイズ、または指の中の渦巻きおよび隆起のパターンに関連し得る、ある隆起間の離隔距離により、回折効果が発生し得る。回折効果は、スキャン周波数とともに変化し得る。マルチスペクトル超音波撮像において複数のスキャン周波数を使用することで、たとえば、異なる周波数において生成される画像情報セットの選択的な合成により、回折の影響の一部を軽減することができる。   Alternatively, the scan frequency can be selected based on the quality of the information set. For example, for each of the peak test frequencies, the information set quality may be evaluated and the peak test frequency with the best information set quality may be selected. For example, if three (or some other number) peak test frequencies are to be selected as the scan frequency, three (or some other number) peak tests with better quality than the other peak test frequencies The frequency can be selected and used as the scan frequency. The quality of the image information set at a particular frequency can be evaluated in various ways. For example, the quality of the information set can be determined by evaluating the image contrast ratio between the ridges and valleys of the fingerprint image. A higher quality information set may have a higher contrast ratio. Another quality measure may be related to ambiguity, ie an image with a clear depiction of ridges and valleys may have a higher quality than an image with blurred edges. The quality of the image information set can be determined for the entire image or for selected regions within the image. For example, image quality may be evaluated within the contours of the fingers, avoiding areas without fingers. The quality of the information set may be affected by the object being imaged. For example, diffraction effects can occur due to the distance between certain ridges, which can be related to the age of the person, the size of the finger, or the pattern of swirls and ridges in the finger. The diffraction effect can vary with the scan frequency. By using multiple scan frequencies in multispectral ultrasound imaging, some of the effects of diffraction can be mitigated, for example, by selective synthesis of image information sets generated at different frequencies.

いくつかの実装形態では、スキャン周波数の1つとして初期スキャン周波数(たとえば、最高の平均振幅または最良の品質を有するピーク試験周波数)を選択し、次いで、所定のオフセットを最初に選択されたスキャン周波数に加算すること、および/またはそれから減算することによって追加のスキャン周波数を選択することが、有益であり得る。たとえば、最初に選択されたスキャン周波数がXという周波数を有し、所定のオフセットがYである場合、スキャン周波数のうちの2番目のものはX+Yであってよく、スキャン周波数のうちの3番目のものはX-Yであってよい。   In some implementations, the initial scan frequency (e.g., the peak test frequency with the highest average amplitude or best quality) is selected as one of the scan frequencies, and then the predetermined offset is the first selected scan frequency. It may be beneficial to select additional scan frequencies by adding to and / or subtracting from them. For example, if the first selected scan frequency has a frequency of X and the predetermined offset is Y, the second of the scan frequencies may be X + Y and 3 of the scan frequencies. The second may be XY.

代替的に、初期スキャン周波数は、たとえば、最高の平均値または最良の品質を有するピーク試験周波数を選択し、次いで、最初に選択されたスキャン周波数を含む範囲を特定することによって、選択され得る。追加のスキャン周波数は、ピーク試験周波数を含む範囲内にある周波数から選択され得る。いくつかの実装形態では、追加のスキャン周波数は、選択されたスキャン周波数の整数倍のような、最初に選択されたスキャン周波数の高調波である周波数であるように特定され得る。   Alternatively, the initial scan frequency can be selected, for example, by selecting the highest average value or peak test frequency with the best quality, and then identifying the range that includes the initially selected scan frequency. The additional scan frequency may be selected from frequencies that are within a range that includes the peak test frequency. In some implementations, the additional scan frequency may be specified to be a frequency that is a harmonic of the initially selected scan frequency, such as an integer multiple of the selected scan frequency.

いくつかの実装形態では、複数の情報セットが作成されると、情報セットは、指紋が生物によって提供されたものかどうかを決定するためにも使用され得る。生体性を決定するための方法において、各指紋ピクセルの正規化された多周波数の応答がベクトルとして形成され得る。情報セットのうちの第1の情報セット(たとえば、FoIS(first one of the information sets))が選択されてよく、隆起に対応するFoIS中のピクセル(「隆起ピクセル」)が特定されてよく、谷に対応するFoIS中のピクセル(「谷ピクセル」)が特定されてよい。ベクトルは、谷ピクセルのクラスタを形成するために一緒にクラスタ化され得る。他の情報セットの各々に対して、信号強度ヒストグラム分布情報(「SSHDI」)が隆起ピクセルのために計算されてよく、SSHDIが谷ピクセルのために計算されてよい。隆起ピクセルのSSHDIの特徴量が特定されてよく、谷ピクセルのSSHDIの特徴量が特定されてよい。いくつかの実施形態では、隆起ピクセルの周波数応答強度ヒストグラム分布情報(FSHDI)の特徴量が特定されてよく、谷ピクセルのFSHDIの特徴量が特定されてよい。上で言及された特徴量は、(a)FSHDIもしくはSSHDIに最もよく現れる信号強度、(b)FSHDIもしくはSSHDIに現れる信号強度の中央値、(c)FSHDIもしくはSSHDIの統計的なエネルギー、(d)FSHDIもしくはSSHDIの統計的なエントロピー、または、(e)FSHDIもしくはSSHDIの統計的な分散であり得る。   In some implementations, when multiple information sets are created, the information sets can also be used to determine whether a fingerprint has been provided by a living thing. In the method for determining biometricity, the normalized multi-frequency response of each fingerprint pixel can be formed as a vector. A first information set of information sets (e.g., FoIS (first one of the information sets)) may be selected, pixels in the FoIS corresponding to ridges (`` bulge pixels '') may be identified, and valleys may be identified. The pixels in FoIS corresponding to (“valley pixels”) may be identified. The vectors can be clustered together to form a cluster of valley pixels. For each of the other information sets, signal strength histogram distribution information (“SSHDI”) may be calculated for the raised pixels and SSHDI may be calculated for the valley pixels. The SSHDI feature value of the raised pixel may be specified, and the SSHDI feature value of the valley pixel may be specified. In some embodiments, feature values of frequency response intensity histogram distribution information (FSHDI) of raised pixels may be identified, and FSHDI feature values of valley pixels may be identified. The features mentioned above are: (a) the signal strength most commonly appearing in FSHDI or SSHDI, (b) the median signal strength appearing in FSHDI or SSHDI, (c) the statistical energy of FSHDI or SSHDI, (d ) FSHDI or SSHDI statistical entropy, or (e) FSHDI or SSHDI statistical variance.

それらの他の情報セットの各々に対して、隆起ピクセルの特徴量と谷ピクセルの特徴量との差が、分離値を得るために決定され得る。そして、分離値のいずれかが生体に対応するものとして以前に特定された空間的な位置を特定するかどうかについての決定が行われ得る。   For each of these other information sets, the difference between the raised pixel feature and the valley pixel feature may be determined to obtain a separation value. A determination may then be made as to whether any of the separation values identifies a spatial location previously identified as corresponding to a living organism.

図42は、マルチスペクトル/ハイパースペクトル撮像による生体の検出の一例が多周波数による隆起と谷の分離であることを示す。いくつかの実施形態では、スキャンされている対象物(たとえば、指)は、処理の間に動かないことがある。多周波数による隆起と谷の分離の一実施形態では、隆起と谷の分離が計算される。指紋画像は、指紋の関心のある領域(ROI)を抽出する(422)ための最適な周波数420(他の周波数421におけるスキャンから選択された)において撮られる。ROIは抽出され(422)、1つまたは複数の抽出されたROIに対してバイナリ化が実行され得る。ROIのバイナリ化は、隆起と谷の地図を抽出することができる(423)。ROIおよび最適な周波数420における抽出された(423)隆起-谷の地図は、すべての他の周波数421のスキャンに適用され得る。各周波数421におけるスキャンに対して、隆起ピクセルと谷ピクセルのヒストグラムが別々に計算され得る(424)。隆起-谷のヒストグラムのピークのビン値、隆起-谷のピクセルの中央値、または、隆起-谷のヒストグラムのエネルギー、エントロピー、もしくは分散のような特徴が、隆起および谷のヒストグラムから抽出され得る(425)。所与の周波数における隆起と谷の分離を得るために、谷の特徴量が隆起の特徴量から差し引かれ得る。たとえば、ピークのビン値がヒストグラムからの抽出された特徴として使用されてよく、隆起と谷の分離曲線426が複数の周波数にわたって示され得る(全般に図33〜図36を参照されたい)。異なる材料は異なる音響インピーダンスを有するので、異なる隆起と谷の分離曲線426をもたらす。したがって、隆起と谷の分離曲線426は、対象物の生体性を決定するために使用され得る。   FIG. 42 shows that an example of detection of a living body by multispectral / hyperspectral imaging is separation of ridges and valleys by multiple frequencies. In some embodiments, the object being scanned (eg, a finger) may not move during processing. In one embodiment of multi-frequency ridge and valley separation, ridge and valley separation is calculated. The fingerprint image is taken at the optimal frequency 420 (selected from scans at other frequencies 421) to extract (422) the region of interest (ROI) of the fingerprint. The ROI is extracted (422) and binarization can be performed on the one or more extracted ROIs. ROI binarization can extract uplift and valley maps (423). The extracted (423) ridge-valley map at the ROI and optimal frequency 420 can be applied to all other frequency 421 scans. For the scan at each frequency 421, a histogram of raised and valley pixels may be calculated separately (424). Features such as the peak bin value of the ridge-valley histogram, the median value of the ridge-valley pixel, or the energy, entropy, or variance of the ridge-valley histogram can be extracted from the ridge and valley histogram ( 425). To obtain a ridge and valley separation at a given frequency, the valley feature can be subtracted from the ridge feature. For example, peak bin values may be used as extracted features from the histogram, and ridge and valley separation curves 426 may be shown across multiple frequencies (see generally FIGS. 33-36). Different materials have different acoustic impedances, resulting in different ridge and valley separation curves 426. Thus, the ridge and valley separation curve 426 can be used to determine the biological properties of an object.

図5は、対象物に対応する超音波画像情報セットを生成するための超音波センサシステムを示すブロック図を示す。センサシステムは、超音波を生成するための超音波送信機55を含み得る。システムはさらに、送信機55に所望の周波数において複数の波を提供させるように送信機励振電気信号を作成することが可能な信号生成器57を含み得る。システムはさらに、信号生成器57からの電気信号を増幅するための、および超音波送信機55を駆動するための増幅器56を含み得る。システムはさらに、反射された超音波エネルギーを検出し、検出されたエネルギーに対応するピクセル出力信号を提供することが可能な超音波センサアレイ51を含み得る。システムはさらに、超音波センサアレイ51を制御し、センサアレイ51からピクセル出力信号を受信するためのセンサコントローラ53を含み得る。システムはさらに、各々が異なる周波数に対応する画像情報セットを形成し、次いで画像情報セットを合成された画像情報セットへと合成するための、電子サブシステム54(たとえば、アプリケーションプロセッサ)を含み得る。システムはさらに、受信された信号を周波数成分へと分離するためのバンドパスフィルタ52を含み得る。   FIG. 5 is a block diagram showing an ultrasonic sensor system for generating an ultrasonic image information set corresponding to an object. The sensor system may include an ultrasonic transmitter 55 for generating ultrasonic waves. The system may further include a signal generator 57 capable of generating a transmitter excited electrical signal to cause the transmitter 55 to provide multiple waves at a desired frequency. The system may further include an amplifier 56 for amplifying the electrical signal from the signal generator 57 and for driving the ultrasonic transmitter 55. The system may further include an ultrasonic sensor array 51 capable of detecting the reflected ultrasonic energy and providing a pixel output signal corresponding to the detected energy. The system may further include a sensor controller 53 for controlling the ultrasonic sensor array 51 and receiving pixel output signals from the sensor array 51. The system may further include an electronic subsystem 54 (eg, an application processor) for forming image information sets, each corresponding to a different frequency, and then combining the image information sets into a combined image information set. The system may further include a bandpass filter 52 for separating the received signal into frequency components.

例示的な実施形態
図6は、超音波センサアレイ62の外側の表面と接触する物体61の超音波画像情報セットを生成するためのシステム60の構成を示す図である。この構成では、センサ積層体62は、超音波送信機(底部のTx65)および受信機(頂部のRx64)によって挟まれるTFT基板63を有する。TFT基板63は、上面に配設されるピクセル回路とピクセル回路上に配設される圧電層とを含む、TFT回路を有する。送信機65は、圧電層の各側に配設される1つまたは複数の電極を伴う圧電層を含み得る。上面(図示されず)は、プラテンとして機能し得る保護膜(すなわち、パリレン、アクリル、ハードコート、ダイヤモンド様コーティング(DLC)、インピーダンス整合層、または他の適切なコーティング)によってコーティングされ得る。コントローラ66は、超音波送信機63と関連付けられる電極に送信機励振信号を提供することができる。コントローラ66は、センサアレイ62の上面から反射された超音波信号の取得を制御するための、およびセンサピクセルからピクセル出力信号を抽出するための、様々な制御信号をTFTピクセル回路に送ることができる。センサアレイ62およびコントローラ66は、センサアレイ62からのピクセル出力信号を処理するように機能し得るモバイルデバイス中のアプリケーションプロセッサのような、1つまたは複数のプロセッサ67と通信していてよい。代替的に、本開示全体で説明されるような、薄膜トランジスタとその上に形成される関連する回路とを含むTFT基板は、ガラスまたはプラスチックのTFT基板ではなくシリコン基板の中に、かつそれに接して形成されるトランジスタおよび関連する回路を伴うCMOSセンサアレイのような、シリコンベースの超音波センサアレイによって置き換えられ得る。
Exemplary Embodiment FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a system 60 for generating an ultrasound image information set of an object 61 that contacts an outer surface of an ultrasound sensor array 62. In this configuration, the sensor stack 62 includes a TFT substrate 63 sandwiched between an ultrasonic transmitter (bottom Tx65) and a receiver (top Rx64). The TFT substrate 63 has a TFT circuit including a pixel circuit disposed on the upper surface and a piezoelectric layer disposed on the pixel circuit. The transmitter 65 may include a piezoelectric layer with one or more electrodes disposed on each side of the piezoelectric layer. The top surface (not shown) can be coated with a protective film that can function as a platen (ie, parylene, acrylic, hard coat, diamond-like coating (DLC), impedance matching layer, or other suitable coating). The controller 66 can provide a transmitter excitation signal to the electrode associated with the ultrasonic transmitter 63. The controller 66 can send various control signals to the TFT pixel circuit to control the acquisition of ultrasound signals reflected from the top surface of the sensor array 62 and to extract pixel output signals from the sensor pixels. . Sensor array 62 and controller 66 may be in communication with one or more processors 67, such as an application processor in a mobile device that may function to process pixel output signals from sensor array 62. Alternatively, a TFT substrate comprising thin film transistors and associated circuitry formed thereon, as described throughout this disclosure, is in and in contact with a silicon substrate rather than a glass or plastic TFT substrate. It can be replaced by a silicon-based ultrasonic sensor array, such as a CMOS sensor array with formed transistors and associated circuitry.

図7は、超音波センサアレイ73上に配置されるプラテン72の外側の表面と接触している物体71の超音波画像情報セットを生成するためのシステム70の別の構成を示す図を示す。この構成では、センサアレイ73は、上面にカバー材料(すなわち、ガラスまたはプラスチック)を伴う、超音波送信機(底部のTx76)および受信機(頂部のRx75)によって挟まれたTFT基板74を有し、カバー材料はカバーガラスまたはプラテン72として機能し得る。いくつかの実装形態では、プラテン72は、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリイミド(PI)、または他のポリマー材料の層を含み得る。いくつかの実装形態では、プラテン72は、サファイア、アルカリ-アルミノシリケートシートガラス、アルミニウム、ステンレス鋼、合金、ポリカーボネート、高分子材料、金属充填プラスチック、または他の適切なプラテン材料でできていていよい。いくつかの実装形態では、プラテン72は、プラテン72の一方または両方の側に、1つまたは複数のコーティングまたは音響インピーダンス整合層を含み得る。コントローラ77は、超音波送信機76と関連付けられる電極に送信機励振信号を提供することができる。コントローラ77は、センサアレイ73の上面から反射された超音波信号の取得を制御するための、およびセンサピクセルからピクセル出力信号を抽出するための、様々な制御信号をTFTピクセル回路に送ることができる。センサアレイ73およびコントローラ77は、センサアレイ73からのピクセル出力信号を処理するように機能し得るモバイルデバイス中のアプリケーションプロセッサのような、1つまたは複数のプロセッサ78と通信していてよい。   FIG. 7 shows a diagram illustrating another configuration of a system 70 for generating an ultrasound image information set of an object 71 that is in contact with an outer surface of a platen 72 disposed on an ultrasound sensor array 73. In this configuration, the sensor array 73 has a TFT substrate 74 sandwiched by an ultrasonic transmitter (bottom Tx76) and receiver (top Rx75) with a cover material (i.e., glass or plastic) on the top surface. The cover material may function as a cover glass or platen 72. In some implementations, the platen 72 may include a layer of polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyimide (PI), or other polymeric material. In some implementations, the platen 72 may be made of sapphire, alkali-aluminosilicate sheet glass, aluminum, stainless steel, alloy, polycarbonate, polymeric material, metal-filled plastic, or other suitable platen material. In some implementations, the platen 72 may include one or more coatings or acoustic impedance matching layers on one or both sides of the platen 72. The controller 77 can provide a transmitter excitation signal to the electrode associated with the ultrasonic transmitter 76. The controller 77 can send various control signals to the TFT pixel circuit to control the acquisition of the ultrasound signal reflected from the top surface of the sensor array 73 and to extract the pixel output signal from the sensor pixel. . Sensor array 73 and controller 77 may be in communication with one or more processors 78, such as an application processor in a mobile device that may function to process pixel output signals from sensor array 73.

第1の構成(図6)と第2の構成(図7)の両方において、コントローラ66、77が、送信機65、76を励振してピクセル出力データを捕捉するための、異なる周波数またはチャープシーケンスを伴う信号を生成することができる。任意選択で、プロセッサ67、78は、さらなる処理のために提供され得る。いくつかの実装形態では、プロセッサ67、78は、送信機65、76を励振するためにコントローラ66、77に命令することができる。いくつかの実装形態では、プロセッサ67、78は、携帯電話、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータ、またはポータブル医療機器のような、モバイルプラットフォームで提供され得る。いくつかの実装形態では、アプリケーションプロセッサのようなモバイルデバイス中の1つまたは複数のプロセッサ67、78は、センサアレイ62、73からデータおよび画像情報セットを処理し、電話をアンロックすることまたはユーザを認証することのような他の機能のための出力を提供するように機能し得る。   Different frequencies or chirp sequences for the controllers 66, 77 to excite the transmitters 65, 76 to capture pixel output data in both the first configuration (FIG. 6) and the second configuration (FIG. 7) Can be generated. Optionally, processors 67, 78 may be provided for further processing. In some implementations, the processors 67, 78 can instruct the controllers 66, 77 to excite the transmitters 65, 76. In some implementations, the processors 67, 78 may be provided on a mobile platform, such as a mobile phone, tablet computer, laptop computer, or portable medical device. In some implementations, one or more processors 67, 78 in a mobile device, such as an application processor, process data and image information sets from the sensor arrays 62, 73 to unlock the phone or user May serve to provide output for other functions such as authenticating.

たとえば、本明細書の教示は、限定はされないが、モバイルデバイス、ディスプレイデバイス、電話、マルチメディアインターネット対応携帯電話、モバイルテレビジョン受信機、ワイヤレスデバイス、スマートフォン、bluetoothデバイス、携帯情報端末(PDA)、ワイヤレス電子メール受信機、ハンドヘルドまたはポータブルコンピュータ、ネットブック、ノートブック、スマートブック、タブレット、プリンタ、複写機、スキャナ、ファクシミリデバイス、GPS受信機/ナビゲータ、カメラ、MP3プレーヤー、カムコーダ、ゲームコンソール、医療機器、ウェアラブル電子デバイス、モバイル健康機器、腕時計、時計、計算機、テレビジョンモニタ、フラットパネルディスプレイ、電子書籍デバイス(たとえば、電子リーダー)、コンピュータモニタ、自動車用ディスプレイ(たとえば、オドメーターディスプレイなど)、コックピットコントロールおよび/またはディスプレイ、カメラビューディスプレイ(たとえば、車両の後方カメラのディスプレイ)、または現金自動預払機のような、種々の電子デバイスにおいて実装されてよく、またはそれらと関連付けられてよいことが企図される。   For example, the teachings herein include, but are not limited to, mobile devices, display devices, telephones, multimedia internet enabled mobile phones, mobile television receivers, wireless devices, smartphones, bluetooth devices, personal digital assistants (PDAs), Wireless email receiver, handheld or portable computer, netbook, notebook, smart book, tablet, printer, copier, scanner, facsimile device, GPS receiver / navigator, camera, MP3 player, camcorder, game console, medical equipment Wearable electronic devices, mobile health equipment, watches, watches, calculators, television monitors, flat panel displays, e-book devices (e.g., electronic readers), computer monitors, May be implemented in various electronic devices such as vehicle displays (e.g., odometer displays), cockpit controls and / or displays, camera view displays (e.g., rear camera displays of vehicles), or cash dispensers Or it may be associated with them.

図8Aおよび図8Bは、マルチスペクトル超音波撮像のための動作の方法を示す。図8Aおよび図8Bは、送信機へ順次的に印加される2つ以上の励振周波数のセットについての送信機信号および受信機信号を、各々の印加される周波数に対して取得される画像情報セットとともに示す。2つ以上の励振周波数のセットが、各々の印加されるスキャン周波数のために取得される情報セットとともに送信機に順次的に印加され得る(図8Aにおけるf1および図8Bにおけるfn)。各図の上側部分に示されるように、所定のスキャン周波数における励振信号の1つまたは複数の周期が送信機(Tx)に印加され得る。2つの周期がここで示される。進行中の超音波の送信の間に、受信機バイアス電極への制御信号は、遮断モードに設定され得る。反射された超音波信号はサンプルモードの間に捕捉されてよく、サンプルモードにおいて、受信機バイアス電極への制御信号はサンプル値にされる。望まれない内部反射の検出を防ぐために、受信機バイアス電極は、短い期間、遮断モードに戻され得る。保持モードの間、超音波センサアレイの各センサピクセルに記憶されている信号がクロックに従って送信され得る。図8Aに示されるように、超音波画像情報セットは第1の印加される励振周波数とともに取得されてよく、図8Bに示されるように、第2の超音波画像情報セットは第2の(より高い)印加される励振周波数とともに取得されてよい。 8A and 8B illustrate a method of operation for multispectral ultrasound imaging. FIGS. 8A and 8B show image information sets obtained for each applied frequency with transmitter and receiver signals for a set of two or more excitation frequencies applied sequentially to the transmitter. Shown with. Two or more sets of excitation frequencies can be sequentially applied to the transmitter (f 1 in FIG. 8A and f n in FIG. 8B) with the information set acquired for each applied scan frequency. As shown in the upper part of each figure, one or more periods of the excitation signal at a given scan frequency may be applied to the transmitter (Tx). Two cycles are shown here. During ongoing ultrasound transmission, the control signal to the receiver bias electrode can be set to a blocking mode. The reflected ultrasound signal may be captured during the sample mode, where the control signal to the receiver bias electrode is sampled. In order to prevent detection of unwanted internal reflections, the receiver bias electrode can be returned to blocking mode for a short period of time. During the hold mode, the signal stored in each sensor pixel of the ultrasonic sensor array can be transmitted according to the clock. As shown in FIG.8A, the ultrasound image information set may be acquired with the first applied excitation frequency, and as shown in FIG.8B, the second ultrasound image information set is the second (more (High) may be acquired along with the applied excitation frequency.

別のそのような方法が図9Aに示され、2つ以上の励振周波数のセットのための送信機信号および受信機信号が、送信機に順次的に印加される。図9Aは、送信機へ順次的に印加される2つ以上の励振周波数のセットについての送信機信号および受信機信号を、励振周波数のセットに対して取得される画像情報セットとともに示す。この方法では、ピクセル回路の一部として形成されるピーク検出器は、様々なスキャン周波数からの反射される超音波信号が単一のサンプル区間内で検出されるにつれて、サンプルモードの間にピークの信号振幅を取得するために使用され得る。図9Bは、第1の周波数において開始し第2の周波数において終了するチャープ送信機励振シーケンス(アップチャープまたはダウンチャープ)についての送信機信号および受信機信号を示す(アップチャープシーケンスが示されている)。この方法では、ピクセル回路の一部として形成されるピーク検出器は、超音波送信機に印加されるチャープされた励振信号からの反射された超音波信号が単一のサンプル区間内で検出されるにつれて、サンプルモードの間にピークの信号振幅を取得するために使用され得る。   Another such method is shown in FIG. 9A where transmitter and receiver signals for two or more sets of excitation frequencies are sequentially applied to the transmitter. FIG. 9A shows the transmitter and receiver signals for two or more sets of excitation frequencies applied sequentially to the transmitter, along with the set of image information acquired for the set of excitation frequencies. In this method, a peak detector formed as part of a pixel circuit is used to detect peaks during sample mode as reflected ultrasound signals from various scan frequencies are detected within a single sample interval. Can be used to obtain signal amplitude. FIG.9B shows the transmitter and receiver signals for a chirp transmitter excitation sequence (up-chirp or down-chirp) starting at the first frequency and ending at the second frequency (up-chirp sequence is shown) ). In this method, a peak detector formed as part of a pixel circuit detects a reflected ultrasound signal from a chirped excitation signal applied to an ultrasound transmitter within a single sample interval. As such, it can be used to obtain the peak signal amplitude during the sample mode.

本発明の一例は、離散周波数を使用する合成方法を利用することができる。図4は、任意選択の重み付けを伴うピクセルごとの算術平均を利用した1つのそのような方法を示すフローチャートである。この方法は、ピクセルごとの平均を使用して、各々が異なる周波数に由来する取得された(81、83、85)情報セットから各ピクセルのための合成された値を計算するステップ(87)を伴う。この方法を使用して、それぞれの周波数成分を有する超音波情報セットは、超音波センサアレイによってブロック81、83、および85において取得される。これらの取得された情報セットの各々に対して、ピクセル出力信号または値が座標(x,y)の各画像ピクセルにおいてデジタル化されてよく、ここでxはセンサアレイの水平方向の次元であり、yはセンサアレイの垂直方向の次元である。各位置(x,y)におけるピクセルのデジタル化された値は、すべての選択された情報セットにわたって加算され得る。周波数成分に基づいて、これらのピクセル値は事前に割り当てられた重みによって乗算され得る。すべての選択された情報セットに対する各々のx,yの位置におけるピクセルのこの合計は、取得される情報セットの数によって除算され得る。この動作は、ピクセル位置の一部またはすべてに対して繰り返され得る。得られるデータは、合成された表現または合成された画像情報セットと呼ばれ得る。   An example of the present invention can utilize a synthesis method that uses discrete frequencies. FIG. 4 is a flow chart illustrating one such method utilizing an arithmetic average per pixel with optional weighting. The method uses a pixel-by-pixel average to calculate a composite value (87) for each pixel from the acquired (81, 83, 85) information set, each derived from a different frequency. Accompany. Using this method, an ultrasound information set having respective frequency components is acquired at blocks 81, 83, and 85 by the ultrasound sensor array. For each of these acquired information sets, the pixel output signal or value may be digitized at each image pixel at coordinates (x, y), where x is the horizontal dimension of the sensor array; y is the vertical dimension of the sensor array. The digitized value of the pixel at each location (x, y) can be summed across all selected information sets. Based on the frequency components, these pixel values can be multiplied by pre-assigned weights. This sum of pixels at each x, y location for all selected information sets may be divided by the number of information sets acquired. This operation can be repeated for some or all of the pixel locations. The resulting data may be referred to as a composite representation or a composite image information set.

図10は、超音波画像情報の2つ以上のセットの点ごとの算術平均を示す。図10では、異なる周波数における情報セットからの複数の選択されたピクセルの各ピクセルの大きさを、一緒に加算し、任意選択で正規化して、合成された表現または画像情報セットを形成する。加重平均による点ごとの算術的な平均を使用して、同じピクセルに対する異なる周波数における情報セットからの大きさを、それぞれの周波数依存の重みによって乗算し、一緒に加算し、任意選択で正規化して、合成された表現または画像情報セットを形成することができる。   FIG. 10 shows the arithmetic mean for each point of two or more sets of ultrasound image information. In FIG. 10, the pixel sizes of a plurality of selected pixels from information sets at different frequencies are added together and optionally normalized to form a combined representation or image information set. Using point-by-point arithmetic averaging with weighted averages, the magnitudes from the information set at different frequencies for the same pixel are multiplied by their respective frequency-dependent weights, added together, and optionally normalized. A combined representation or image information set can be formed.

本発明の一例は、任意選択の重み付けを伴う、共分散に基づく補間を利用することができる。図11は、2つ以上の共分散行列を使用して、合成された画像情報セットを生成するための方法を示すフローチャートである。そのような方法では、第1の受信された画像は、第1のスキャン周波数によって取得され得る(101)。第1のスキャン周波数とは異なる第2のスキャン周波数における第2の受信された画像が取得され得る(103)。他のスキャン周波数のための追加の画像も取得され得る(105)。xが画像の水平方向の次元でありyが画像の垂直方向の次元であるとして、座標(x,y)における画像ピクセルを使用して、取得された画像に対応する水平方向および垂直方向のサイズを有する第1の画像の共分散行列が計算され得る(107)。第2の共分散行列が第2の画像から計算され得る(109)。追加の共分散行列が追加の取得された画像から計算され得る(111)。共分散行列は、異なる周波数において取得される画像から生成されてよく、それらの行列を、補間(たとえば、線形補間、キュービック補間、バイキュービック補間、またはスプライン補間)を使用して合成し(113)、任意選択で正規化して、合成された表現を形成することができる。   One example of the present invention can utilize covariance-based interpolation with optional weighting. FIG. 11 is a flowchart illustrating a method for generating a combined image information set using two or more covariance matrices. In such a method, a first received image may be acquired with a first scan frequency (101). A second received image at a second scan frequency different from the first scan frequency may be acquired (103). Additional images for other scan frequencies may also be acquired (105). The horizontal and vertical size corresponding to the acquired image using the image pixel at coordinates (x, y), where x is the horizontal dimension of the image and y is the vertical dimension of the image A covariance matrix of the first image with can be computed (107). A second covariance matrix may be calculated from the second image (109). An additional covariance matrix may be calculated from the additional acquired images (111). Covariance matrices may be generated from images acquired at different frequencies, and the matrices are synthesized using interpolation (e.g., linear interpolation, cubic interpolation, bicubic interpolation, or spline interpolation) (113) , And optionally can be normalized to form a composite representation.

図12は、共分散に基づく補間を使用して、合成された画像情報セットを生成するための方法を示す。それぞれの励振周波数における各々の取得された画像の共分散行列は、任意選択の重み付けを伴って、補間(たとえば、線形補間、キュービック補間、バイキュービック補間、またはスプライン補間)を使用して合成され得る。各座標(x,y)における各共分散行列の要素は、すべての取得される情報セットにわたって同じ位置におけるそれぞれの要素を使用して補間され得る。これらのそれぞれの要素値は、励振周波数に基づいて、割り当てられた重みによって乗算され得る。乗算(139)演算は、合成された(得られる)画像を形成するために、いくつかのまたはすべてのピクセル位置に対して繰り返され得る。情報セットデータのブロックaiは、ai = F * ao + nとして表されてよく、ここでFは既知のNxNの行列であり、a0は元の情報セットのブロック(たとえば、行または列)を表す、推定されることになるピクセル値のNx1ベクトルであり、nは平均が0であり得るNx1のノイズベクトルである。推定される情報セットデータのブロックは、ae = (FT C-1 F)-1 FT C-1 aiとして計算され得る。初期画像データa0のブロックのための共分散行列Cは、次のように表され得る。
Cf1Cf1 Cf1Cf2 … Cf1Cfn
C = Cf2Cf1 Cf2Cf2 … Cf2Cfn
: : : :
CfnCf1 CfnCf2 … CfnCfn
FIG. 12 shows a method for generating a composite image information set using covariance-based interpolation. The covariance matrix of each acquired image at each excitation frequency can be synthesized using interpolation (e.g., linear interpolation, cubic interpolation, bicubic interpolation, or spline interpolation) with optional weighting. . The elements of each covariance matrix at each coordinate (x, y) can be interpolated using the respective elements at the same location across all acquired information sets. Each of these element values can be multiplied by the assigned weight based on the excitation frequency. The multiplication (139) operation may be repeated for some or all pixel locations to form a composite (resulting) image. A block of information set data a i may be represented as a i = F * a o + n, where F is a known NxN matrix and a 0 is a block of the original information set (e.g., a row or Nx1 vector of pixel values to be estimated, representing a column), and n is a Nx1 noise vector whose average can be zero. The estimated block of information set data may be calculated as a e = (F T C −1 F) −1 F T C −1 a i . The covariance matrix C for the block of initial image data a 0 can be expressed as:
C f1 C f1 C f1 C f2 … C f1 C fn
C = C f2 C f1 C f2 C f2 … C f2 C fn
::::
C fn C f1 C fn C f2 … C fn C fn

元の情報セット中のブロックの統計を推定した後で、情報セット中の各ピクセルを中心とする統計を推定するために補間が使用され得る。各ピクセルの周囲の統計を計算した後で、そのピクセルのための推定された画像データが計算され得る。たとえば、各々の合成された値がグレースケール値と相関付けられ得る(140)。推定される画像データは、推定される画像データの各ブロックからの結果を合成することによって取得され得る。合成された表現は、初期画像データの各セットから(たとえば、様々な励振周波数から)の推定された画像データの結果を合成することによって、取得され得る。たとえば、グレースケール値は、指紋の表現として与えられ得る(141)。   After estimating the statistics for blocks in the original information set, interpolation may be used to estimate statistics centered on each pixel in the information set. After calculating the statistics around each pixel, estimated image data for that pixel can be calculated. For example, each synthesized value can be correlated with a grayscale value (140). The estimated image data can be obtained by combining the results from each block of estimated image data. A combined representation may be obtained by combining the estimated image data results from each set of initial image data (eg, from various excitation frequencies). For example, the grayscale value may be given as a representation of a fingerprint (141).

いくつかの実装形態は、送信周波数に基づいて重みを生成するための方法を利用することができる。超音波送信のために使用される周波数は一般に、指数関数的に変動する、センサ積層体において使用される材料における減衰を有する。多周波数による超音波撮像のための重みを生成することに対する1つの手法は、様々な周波数を指数関数的に導出された重み付け係数と関連付けることである。様々な励振周波数を使用して生成されるn個という数の情報セットに対して、n-1個の連続的な重みがあり得る。情報セットは、励振周波数の降順で並べられてよく、最高の周波数を有する画像は第1の重み(たとえば、1)で重み付けられ、2番目に高い周波数を有する情報セットは第2の指数関数的に導出された重みで重み付けられ、以下同様である。   Some implementations may utilize a method for generating weights based on the transmission frequency. The frequency used for ultrasound transmission generally has an attenuation in the material used in the sensor stack that varies exponentially. One approach to generating weights for multi-frequency ultrasound imaging is to associate various frequencies with exponentially derived weighting factors. There can be n-1 consecutive weights for as many as n information sets generated using different excitation frequencies. The information set may be arranged in descending order of excitation frequency, the image with the highest frequency being weighted with a first weight (e.g. 1) and the information set with the second highest frequency being the second exponential And so on, and so on.

様々な励振周波数を使用して取得される画像情報セットから合成された表現(すなわち、合成された画像情報セット)を得るために、空間登録が使用され得る。空間登録は、ブロックごとの歪曲のような技法を使用した、各画像からの特徴の再整列を伴い得る。代替的に、空間登録は、動き補正技法を使用して実現され得る。正規化された相互相関、二乗平均誤差、絶対値の差分の合計、または相互情報量のような方法が、異なる励振周波数から2つ以上の画像を合成するために使用され得る。リサイズ、回転、最近傍、線形、キュービック、またはスプライン技法が、2つ以上の画像情報セットを合成して合成された画像情報セットを得るために使用され得る。合成された情報セットを得るための他の方法は、エッジ検出または勾配に基づく方法を含み得る。   Spatial registration may be used to obtain a composite representation (ie, a composite image information set) from a set of image information acquired using various excitation frequencies. Spatial registration may involve realignment of features from each image using techniques such as block-by-block distortion. Alternatively, spatial registration can be realized using motion compensation techniques. Methods such as normalized cross-correlation, mean square error, sum of absolute difference, or mutual information can be used to synthesize two or more images from different excitation frequencies. Resizing, rotating, nearest neighbor, linear, cubic, or spline techniques can be used to combine two or more image information sets to obtain a combined image information set. Other methods for obtaining a combined information set may include edge detection or gradient based methods.

超音波センサアレイの周波数応答(これは構成要素と、評価、準備、または較正手順の間のセンサ積層体の配置とに一部依存する)に基づいて、マルチスペクトル超音波撮像のための周波数が選択され得る。2つ以上の周波数が使用され得る。いくつかの実装形態では、システムは、撮像のための周波数の好ましいセットを決定するために、較正または自己較正され得る。   Based on the frequency response of the ultrasonic sensor array (which depends in part on the components and placement of the sensor stack during the evaluation, preparation, or calibration procedure), the frequency for multispectral ultrasound imaging is Can be selected. More than one frequency can be used. In some implementations, the system can be calibrated or self-calibrated to determine a preferred set of frequencies for imaging.

図13は、本開示に従った、目標値の表現を提供する1つまたは複数の方法を示すフローチャートである。1つの方法は、他の試験周波数よりも高い反射エネルギーを有するピーク試験周波数を選択するステップ(131)を含み得る。方法は、ピーク試験周波数の画像品質を評価するステップ(132)と、高い画像品質を伴うピーク周波数に基づいてスキャン周波数を選択するステップ(133)とを含み得る。さらなるスキャン周波数が、所定のオフセットを選択された(133)周波数に印加することによって特定され得る(134)。方法はさらに、選択された(133)スキャン周波数の高調波を特定することによってさらなるスキャン周波数を特定するステップ(135)を含み得る。図13に示される方法はさらに、複数のスキャン周波数において指紋をスキャンするステップ(136)を含み得る。スキャンするステップ(136)からのスキャン値データは、スキャン周波数の各々に対応するように数学的に合成され得る。いくつかの実装形態では、スキャン値データの重み付け係数が特定され得る(138)。共分散行列の中の各成分は、対応する重み付け係数によって乗算され得る(139)。各々の合成された値がグレースケール値と相関付けられ得る(140)。いくつかの実装形態では、各々の合成された値は、重み付け係数を特定することなく、または重み付け係数により共分散行列中の各成分を乗算することなく、相関付けられ得る。グレースケール値は、指紋または、スタイラスのような他の対象物の表現として、与えられ得る(141)。   FIG. 13 is a flowchart illustrating one or more methods for providing a target value representation in accordance with the present disclosure. One method may include selecting (131) a peak test frequency that has a higher reflected energy than the other test frequencies. The method may include evaluating (132) the image quality of the peak test frequency and selecting (133) the scan frequency based on the peak frequency with high image quality. Additional scan frequencies can be identified (134) by applying a predetermined offset to the selected (133) frequency. The method may further include identifying (135) additional scan frequencies by identifying harmonics of the selected (133) scan frequency. The method shown in FIG. 13 may further include scanning (136) the fingerprint at a plurality of scan frequencies. The scan value data from the scanning step (136) can be mathematically synthesized to correspond to each of the scan frequencies. In some implementations, a weighting factor for the scan value data may be identified (138). Each component in the covariance matrix may be multiplied by a corresponding weighting factor (139). Each synthesized value may be correlated with a grayscale value (140). In some implementations, each synthesized value may be correlated without specifying a weighting factor or multiplying each component in the covariance matrix by the weighting factor. The grayscale value may be given as a representation of a fingerprint or other object such as a stylus (141).

超音波センサアレイの周波数応答の例が図14に示され、複数のピーク(fr1、fr2、...fr5と標識される局所的な共振)および谷が見えている。 An example of the frequency response of an ultrasonic sensor array is shown in FIG. 14, where multiple peaks (local resonances labeled as f r1 , f r2 ,... F r5 ) and valleys are visible.

超音波センサシステムを較正するステップは、システム応答を決定するために超音波送信機に超音波を放出させるために、(たとえば、約1MHzから約25MHzまで)周波数を変動させることによって実施され得る。システムは、送信機の励振とともに、次いで励振を伴わずに動作してよく、システム応答を決定するために、送信機の励振がオフの状態のバックグラウンド情報セットが、送信機の励振がオンの状態の画像情報セットから差し引かれる。画像情報セットの取得は、たとえば、ピクセルごとに、または超音波センサアレイ中のいくつかまたはすべてのピクセルの相加平均(平均)として行われ得る。   The step of calibrating the ultrasonic sensor system may be performed by varying the frequency (eg, from about 1 MHz to about 25 MHz) to cause the ultrasonic transmitter to emit ultrasonic waves to determine the system response. The system may operate with and without transmitter excitation, a background information set with transmitter excitation off, transmitter excitation on to determine system response. Subtracted from the state image information set. Acquisition of the image information set may be performed, for example, pixel by pixel or as an arithmetic average (average) of some or all pixels in the ultrasonic sensor array.

動作周波数がどのように選択され得るかを各々示す、6つのグラフが図14A〜図14Fに示されている。左上のグラフ(図14A)では、fr2における、最高の振幅応答を有する周波数が選択される。左下のグラフ(図14D)では、2つの最高の振幅応答を有する周波数(fr2およびfr3)が選択される。中上のグラフ(図14B)では、5つの最高の振幅応答を有する周波数(fr1からfr5)が選択される。中下のグラフ(図14E)では、fr3およびfr4に対応する、最良の応答品質を有する周波数が選択される。右上のグラフ(図14C)では、好ましい動作周波数(fr2)が選択され、好ましい動作周波数よりも低いまたは高い1つまたは複数の周波数が選択される(たとえば、等しいステップにおいて選択される)。右下のグラフ(図14F)では、1つまたは複数の好ましい動作周波数が選択され(たとえばfr3)、好ましい動作周波数より低い、それを含む、またはそれより高い周波数のある範囲が選択される。いくつかの実装形態では、選択された周波数は、周波数間の等しい間隔を有し得る。 Six graphs are shown in FIGS. 14A-14F, each showing how the operating frequency can be selected. In the upper left graph (FIG. 14A), the frequency with the highest amplitude response at f r2 is selected. In the lower left graph (FIG. 14D), the frequencies (f r2 and f r3 ) with the two highest amplitude responses are selected. In the upper graph (FIG. 14B), the frequencies (f r1 to f r5 ) with the five highest amplitude responses are selected. In the lower middle graph (FIG. 14E), the frequency with the best response quality corresponding to fr3 and fr4 is selected. In the upper right graph (FIG. 14C), the preferred operating frequency (f r2 ) is selected, and one or more frequencies lower or higher than the preferred operating frequency are selected (eg, selected in equal steps). In the lower right graph (FIG. 14F), one or more preferred operating frequencies are selected (eg, f r3 ), and a range of frequencies below, including, or above the preferred operating frequency is selected. In some implementations, the selected frequencies can have equal spacing between the frequencies.

図15A〜図15Bは、追加の励振周波数の選択に対応するグラフを示す。上のグラフ(図15A)では、1つまたは複数の周波数が送信機の励振のために選択され、情報セットが励振周波数の1つまたは複数の高調波(たとえば、最初に選択された周波数の整数倍、これは、示されるように、5MHz、10MHz、15MHz、および20MHzのような周波数応答の特定のピークにあることもあり、ないこともなる)において取得される。下のグラフ(図15B)において、実質的に最高の振幅応答または応答品質を有する周波数(たとえば、fr2)が送信機の励振のために選択され、画像が励振周波数の1つまたは複数の高調波において取得される。 15A-15B show graphs corresponding to the selection of additional excitation frequencies. In the upper graph (Figure 15A), one or more frequencies are selected for transmitter excitation, and the information set is one or more harmonics of the excitation frequency (e.g., an integer of the first selected frequency). Times, this may be at certain peaks in the frequency response, such as 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, and 20 MHz, as shown). In the graph below (Figure 15B), the frequency with the highest amplitude response or response quality (e.g., fr2 ) is selected for transmitter excitation and the image is one or more harmonics of the excitation frequency. Acquired in the waves.

一部の材料では、波の圧縮相の間に、希薄相と比較して音がより高速に移動することがあり、音波の非線形な伝播を引き起こす。媒質中を移動する音のこの非線形は、励振周波数の様々な高調波を伴う受信信号を生成し得る。あるいは、超音波の非線形性は、キャリア周波数および周波数変調された部分のような、2つ以上の励振周波数が使用されるとき、周波数の合計または差分として応答を生成することができる。受信信号として生成される高調波は、近接場においては支配的ではないが、それでも存在しており検出可能であり得る。マルチスペクトル撮像の間、様々な高調波が超音波センサアレイによって受信され得る。超音波が超音波送信機の表面に垂直な方向に伝播する厚みモードでは、センサ積層体は、基本周波数および関連する奇数倍の高調波において共振し得る。基本周波数における、もしくはその近くの励振周波数、または基本周波数をカバーする帯域において生成されるチャープ送信シーケンスが、共振および関連する倍音を引き起こすために送信され得る。印加される周波数の高調波成分によって形成される情報セットは、合成された表現または画像情報セットを生成するために、ピクセルごとの平均または共分散に基づく補間方法のための入力として使用され得る。これらの手法は、超音波撮像システムの分解能およびコントラストを上げることができ、基本周波数は信号処理の間にフィルタ除去され得る。   For some materials, the sound may travel faster during the compression phase of the wave compared to the dilute phase, causing non-linear propagation of the sound waves. This non-linearity of the sound traveling through the medium can produce a received signal with various harmonics of the excitation frequency. Alternatively, ultrasound nonlinearity can produce a response as the sum or difference of frequencies when two or more excitation frequencies are used, such as a carrier frequency and a frequency modulated portion. The harmonics generated as a received signal are not dominant in the near field, but may still be present and detectable. During multispectral imaging, various harmonics can be received by the ultrasonic sensor array. In a thickness mode in which ultrasound propagates in a direction perpendicular to the surface of the ultrasound transmitter, the sensor stack can resonate at the fundamental frequency and the associated odd multiples. A chirp transmission sequence generated at or near the excitation frequency at or near the fundamental frequency, or a band covering the fundamental frequency, may be transmitted to cause resonance and associated harmonics. The information set formed by the harmonic components of the applied frequency can be used as input for a pixel-by-pixel average or covariance based interpolation method to generate a combined representation or image information set. These approaches can increase the resolution and contrast of the ultrasound imaging system, and the fundamental frequency can be filtered out during signal processing.

システムは、対象物の表現を捕捉するための好ましい周波数を決定するために、較正または自己較正され得る。図16A〜図16Bは、較正の方法を示すグラフである。第1の方法(図16A)では、より低いスキャン周波数「1」(たとえば、1MHz)およびより高いスキャン周波数「2」(たとえば、24MHz)が選択されてよく、システム応答と共振のピークとを決定するために、より低いスキャン周波数とより高いスキャン周波数との間でスキャンが行われる。この例では、周波数「3」(fr2)が最大の応答を有し、動作のために選択され得る。第2の方法(図16B)において、試験対象はセンサのプラテン上に置かれてよく、対象は、指紋の隆起および谷の間の様々な離隔を表現する突起とくぼみを含む。スキャンが行われてよく、最良の画像品質を有する周波数「3」が動作のために選択されてよい(これは、ピーク周波数以外の周波数にあり得る)。様々な較正方法について、温度変化に伴う選択された周波数の変化が、ある範囲の温度にわたる温度試験および較正によって、または、超音波センサの典型的な温度応答をモデル化し、局所的な温度測定に基づいて印加される励振周波数を修正することによって、決定され得る。 The system can be calibrated or self-calibrated to determine the preferred frequency for capturing the representation of the object. 16A to 16B are graphs showing a calibration method. In the first method (Figure 16A), a lower scan frequency `` 1 '' (e.g. 1 MHz) and a higher scan frequency `` 2 '' (e.g. 24 MHz) may be selected to determine the system response and resonance peak In order to do so, a scan is performed between a lower scan frequency and a higher scan frequency. In this example, the frequency “3” (f r2 ) has the greatest response and can be selected for operation. In the second method (FIG. 16B), the test object may be placed on the sensor platen, which includes protrusions and indentations representing various separations between the fingerprint ridges and valleys. A scan may be performed and the frequency “3” with the best image quality may be selected for operation (this may be at a frequency other than the peak frequency). For various calibration methods, changes in the selected frequency with temperature changes can be modeled by temperature testing and calibration over a range of temperatures, or by modeling the typical temperature response of an ultrasonic sensor for local temperature measurements. Can be determined by modifying the applied excitation frequency based on it.

図17A〜図17Bは、較正の追加の方法を示すグラフを示す。第3の方法(図17A)では、より低いスキャン周波数「1」(たとえば、1MHz)およびより高いスキャン周波数「2」(たとえば、24MHz)が選択されてよく、システム応答と共振のピークとを決定するために、試験対象を伴って、より低いスキャン周波数とより高いスキャン周波数との間でスキャンが行われる。肌のような試験対象がセンサのプラテンに置かれた(指紋の隆起を表す)場合の最低の出力信号を示す第1の周波数「3」が決定されてよく、空気(指紋の谷を表す)の場合の最高の出力信号を示す第2の周波数「4」が決定されてよい。空気の場合の最高の出力信号と肌のような試験対象の場合の最低の出力信号が、最高のシステムのピークと最低のシステムのピークとともに常に発生するとは限らないことに留意されたい。この例では、2つの決定された周波数3および4が動作のために選択され得る。温度変化に伴う周波数3および4の変化が含まれ得る。第4の方法(図17B)では、より低いスキャン周波数「1」(たとえば、1MHz)およびより高いスキャン周波数「2」(たとえば、24MHz)が選択されてよく、システム応答と共振のピークとを決定するために、試験対象を伴って、より低いスキャン周波数とより高いスキャン周波数との間でスキャンが行われる。たとえば、肌のような試験対象がセンサのプラテンに置かれた場合の低い出力信号に基づいて、第1の周波数「3」が決定されてよく、たとえば、プラテンに空気が接している場合の高い出力信号に基づいて、第2の周波数「4」が決定されてよく、3と4の間の中間のいくつかの周波数「5」が(たとえば、許容されるシステム周波数の増分に基づいて)決定されてよい。ある周波数帯域において、2つの決定された周波数3および4とともに中間の周波数5が次いで、動作のために選択され得る。温度変化に伴う周波数の変化が含まれ得る。いくつかの実装形態では、スキャン周波数の第2の帯域が含まれ得る。スキャン周波数の第2の帯域が同様の方式で決定されてよく、しかし第1の周波数範囲とは異なる周波数範囲に注目する。   17A-17B show graphs showing additional methods of calibration. In the third method (Figure 17A), a lower scan frequency `` 1 '' (e.g. 1 MHz) and a higher scan frequency `` 2 '' (e.g. 24 MHz) may be selected to determine the system response and resonance peak In order to do so, a scan is performed between a lower scan frequency and a higher scan frequency with the test object. The first frequency `` 3 '' indicating the lowest output signal when a test object such as skin is placed on the sensor platen (representing a fingerprint ridge) may be determined, and air (representing a fingerprint valley) In this case, the second frequency “4” indicating the highest output signal may be determined. Note that the highest output signal for air and the lowest output signal for test subjects such as skin do not always occur with the highest system peak and the lowest system peak. In this example, two determined frequencies 3 and 4 can be selected for operation. Changes in frequency 3 and 4 with temperature changes can be included. In the fourth method (Figure 17B), a lower scan frequency `` 1 '' (e.g. 1 MHz) and a higher scan frequency `` 2 '' (e.g. 24 MHz) may be selected to determine the system response and resonance peak In order to do so, a scan is performed between a lower scan frequency and a higher scan frequency with the test object. For example, the first frequency “3” may be determined based on a low output signal when a test object such as skin is placed on the sensor platen, eg, high when air is in contact with the platen. Based on the output signal, the second frequency “4” may be determined, and some frequencies “5” between 3 and 4 are determined (eg, based on an increment of the allowed system frequency). May be. In a frequency band, the intermediate frequency 5 along with the two determined frequencies 3 and 4 can then be selected for operation. A change in frequency with a change in temperature may be included. In some implementations, a second band of scan frequencies may be included. The second band of scan frequencies may be determined in a similar manner, but note a frequency range that is different from the first frequency range.

図18は、チャープされた励振を伴うマルチスペクトル超音波撮像の1つの方法を示すフローチャートである。具体的には、図18は、単一情報セットのチャープされた励振の方法を示す。そのような方法では、単一の情報セットだけが取得される。この方法は、ピーク検出器に基づくピクセル回路とともに機能し、送信機励振の開始とサンプルモードの開始との間の制御される距離ゲートの時間遅延を使用し、この時間遅延は、所望の時間において反射された信号を受信するように調整され得る。このチャープシーケンスは、単一の情報セットを生成するために生成されてよく、より高いフレームレートを可能にする。一実施形態では、チャープシーケンスが決定される(181)。チャープシーケンスは、送信機に印加される(183)。受信機は、チャープされた送信機励振から各ピクセルにおいてピーク信号を捕捉する(185)。チャープされた画像が次いで、たとえば、捕捉された(185)ピーク信号を操作するプロセッサによって取得される(187)。   FIG. 18 is a flowchart illustrating one method of multispectral ultrasound imaging with chirped excitation. Specifically, FIG. 18 illustrates a method of chirped excitation of a single information set. In such a method, only a single information set is acquired. This method works with a pixel circuit based on a peak detector and uses a controlled distance gate time delay between the start of transmitter excitation and the start of sample mode, this time delay being at the desired time. It may be adjusted to receive the reflected signal. This chirp sequence may be generated to generate a single information set, allowing higher frame rates. In one embodiment, a chirp sequence is determined (181). The chirp sequence is applied to the transmitter (183). The receiver captures a peak signal at each pixel from the chirped transmitter excitation (185). The chirped image is then acquired (187), for example, by a processor operating on the captured (185) peak signal.

図19は、ピクセルごとの算術平均(および任意選択の重み付け)を伴う、複数画像のチャープされた励振のための方法を示すフローチャートである。一実施形態では、チャープシーケンスは、たとえば、プロセッサによって、または以前の構成を通じて決定される(191)。第1の画像が、第1のチャープシーケンスを使用して取得される(192)。第2の画像が次いで、第2のチャープシーケンスを使用して取得される(193)。追加の画像が、様々な他のチャープシーケンスのために取得され得る(194)。第1の共分散行列が第1の画像から計算され得る(195)。第2の共分散行列が第2の画像から計算され得る(196)。追加の共分散行列が任意の追加の取得された(194)画像から計算され得る(197)。共分散行列は、たとえば、補間(たとえば、線形補間、キュービック補間、バイキュービック補間、またはスプライン補間)を使用することによって、合成された画像を形成するために合成され得る(198)。共分散行列の合成198は重み付けられ得る。   FIG. 19 is a flowchart illustrating a method for chirped excitation of multiple images with an arithmetic average per pixel (and optional weighting). In one embodiment, the chirp sequence is determined (191), eg, by a processor or through previous configuration. A first image is acquired using a first chirp sequence (192). A second image is then acquired using the second chirp sequence (193). Additional images may be acquired for various other chirp sequences (194). A first covariance matrix may be calculated from the first image (195). A second covariance matrix may be calculated from the second image (196). An additional covariance matrix may be calculated (197) from any additional acquired (194) images. The covariance matrix may be synthesized to form a synthesized image, for example, by using interpolation (eg, linear interpolation, cubic interpolation, bicubic interpolation, or spline interpolation) (198). The covariance matrix composition 198 may be weighted.

図20は、チャープシーケンスの決定を例示するのを助ける2つのグラフを示す。図20の上のグラフは、第1の周波数において開始し第2の周波数において終了する線形のチャープを示す。図20の下のグラフは、第1の周波数において開始し第2の周波数において終了する指数関数的なチャープを示す。1つまたは複数の情報セットが、いずれかのスキャンの間に(たとえば、矢印によって示される周波数において)取得され得る。チャープシーケンスは、たとえば、線形であってよく、二次であってよく、指数的であってよく、対数的であってよく、または、個々の周波数を含んでよい。チャープは一般に、開始周波数および終了周波数を有する。一部のチャープは、低い周波数で開始し高い周波数で終了し得るが、他のチャープは高い周波数で開始し低い周波数で終了し得る。開始チャープ周波数および終了チャープ周波数は、ピーク振幅における周波数、第2のピーク振幅における周波数、ピーク周波数における、もしくはその近くの周波数、または超音波センサの他の周波数であってよい。   FIG. 20 shows two graphs that help illustrate the determination of the chirp sequence. The upper graph of FIG. 20 shows a linear chirp that starts at a first frequency and ends at a second frequency. The lower graph of FIG. 20 shows an exponential chirp that starts at a first frequency and ends at a second frequency. One or more information sets may be acquired during any scan (eg, at the frequency indicated by the arrows). A chirp sequence may be, for example, linear, quadratic, exponential, logarithmic, or may include individual frequencies. A chirp generally has a start frequency and an end frequency. Some chirps can start at a low frequency and end at a high frequency, while other chirps can start at a high frequency and end at a low frequency. The start chirp frequency and end chirp frequency may be the frequency at the peak amplitude, the frequency at the second peak amplitude, the frequency at or near the peak frequency, or other frequencies of the ultrasonic sensor.

使用され得るいくつかの異なるタイプのチャープシーケンスは、1)拡張された周波数成分の範囲を有する拡張チャープ、2)受信機アレイの最高のピーク周波数と2番目に高いピーク周波数との間に延びる周波数を有するピークトゥピークチャープ、3)システムピークの1つの周りの周波数を有する近隣チャープ、および4)超音波センサアレイの1つまたは複数のピークを通って延びる周波数の2つ以上の帯域を有するギャップ付きチャープである。チャープシーケンスは、システム応答の最高のピークに基づいて選択され得る。チャープシーケンスは、それから得られる画像に基づいて選択されてよく、チャープシーケンスは画像品質または他の尺度の評価から決定される。1つまたは複数のチャープが連続的に印加され得る(たとえば、繰り返され得る)。受信機の最大の周波数応答をカバーする多周波数の成分を伴うチャープシーケンスを使用して、単一の情報セットが取得され得る。1つまたは複数のチャープシーケンスを使用して複数の情報セットが取得されてよく、これらの情報セットは合成される。超音波センサは、これらのチャープシーケンスを使用して較正され得る。   Several different types of chirp sequences that can be used are: 1) extended chirp with an extended range of frequency components, 2) frequency extending between the highest peak frequency of the receiver array and the second highest peak frequency 3) a neighboring chirp with a frequency around one of the system peaks, and 4) a gap with two or more bands of frequencies extending through one or more peaks of the ultrasonic sensor array It is chirp with. The chirp sequence can be selected based on the highest peak of the system response. A chirp sequence may be selected based on the image obtained therefrom, and the chirp sequence is determined from an evaluation of image quality or other measure. One or more chirps may be applied sequentially (eg, repeated). A single information set can be obtained using a chirp sequence with multiple frequency components covering the maximum frequency response of the receiver. Multiple information sets may be obtained using one or more chirp sequences, and these information sets are combined. Ultrasonic sensors can be calibrated using these chirp sequences.

図21A〜図21Bは、様々なチャープシーケンスを示すグラフを示す。第1の方法(拡張チャープ、図21A参照)では、より低いチャープ周波数「1」(たとえば、5MHz)およびより高いチャープ周波数「2」(たとえば、20MHz)が選択され、より低いチャープ周波数とより高いチャープ周波数との間でチャープが行われる。いくつかの実装形態では、システムの周波数応答の測定に基づいて、より低いチャープ周波数およびより高いチャープ周波数が決定され得る。いくつかの実装形態では、同様に構築されたセンサアレイの試験に基づいて、より低いチャープ周波数およびより高いチャープ周波数が選択され得る。チャープが完了した後で、情報セットが取得され得る。代替的に、1つまたは複数の情報セットがチャープの間に取得され得る。第2の方法(ピークトゥピークチャープ、図21B参照)では、より低いチャープ周波数「1」(たとえば、約1MHz)およびより高いチャープ周波数「2」(たとえば、約9.5MHz)がシステムの共振のピークにおいて、またはその近くで選択され、より低いチャープ周波数とより高いチャープ周波数との間でチャープが行われる。チャープが完了した後で、情報セットが取得され得る。代替的に、1つまたは複数の情報セットがチャープの間に取得され得る。   21A-21B show graphs showing various chirp sequences. In the first method (extended chirp, see Figure 21A), a lower chirp frequency `` 1 '' (e.g. 5 MHz) and a higher chirp frequency `` 2 '' (e.g. 20 MHz) are selected, with a lower chirp frequency and higher Chirping is performed between the chirp frequency. In some implementations, a lower chirp frequency and a higher chirp frequency may be determined based on measurement of the frequency response of the system. In some implementations, a lower chirp frequency and a higher chirp frequency may be selected based on testing a similarly constructed sensor array. After the chirp is complete, an information set can be obtained. Alternatively, one or more information sets can be obtained during the chirp. In the second method (peak-to-peak chirp, see FIG. At or near, and chirped between a lower chirp frequency and a higher chirp frequency. After the chirp is complete, an information set can be obtained. Alternatively, one or more information sets can be obtained during the chirp.

線形のチャープ信号は、時間とともに線形に変化する周波数を有し、たとえば、0<time<Tに対して、
Chirp(time)=sin[2π(f0+(B/2T)*time)time]
であり、ここでf0は開始周波数であり、Bは周波数帯域幅であり、Tはチャープの持続時間である。
A linear chirp signal has a frequency that varies linearly with time, for example, for 0 <time <T,
Chirp (time) = sin [2π (f 0 + (B / 2T) * time) time]
Where f 0 is the starting frequency, B is the frequency bandwidth, and T is the chirp duration.

図22A〜図22Bは、他の様々なチャープシーケンスを示すグラフを示す。第3の方法(近隣チャープ、図22A参照)では、システムのピークをカバーするより低いチャープ周波数「1」(たとえば、4MHz)およびより高いチャープ周波数「2」(たとえば、6MHz)が選択され、より低いチャープ周波数とより高いチャープ周波数との間でスキャンが行われる。チャープが完了した後で、情報セットが取得され得る。代替的に、1つまたは複数の情報セットがチャープの間に取得され得る。第4の方法(ギャップ付きチャープ、図22B参照)では、第1の共振のピークの周りでより低いチャープ周波数「1」(たとえば、4MHz)およびより高いチャープ周波数「2」(たとえば、6MHz)が選択され、第2の共振のピークの周りで第2のより低いチャープ周波数「3」(たとえば、15MHz)および第2のより高いチャープ周波数「4」(たとえば、17MHz)が選択される。第1の範囲のより低いチャープ周波数とより高いチャープ周波数との間(1から2)でスキャンが行われ、それに続いて、第2の範囲のより低いチャープ周波数とより高いチャープ周波数の間(3から4)でスキャンが行われ得る。チャープが完了した後で、情報セットが取得され得る。代替的に、1つまたは複数の情報セットがチャープの間に取得され得る。   22A-22B show graphs illustrating various other chirp sequences. In the third method (neighboring chirp, see Figure 22A), a lower chirp frequency `` 1 '' (e.g. 4 MHz) and a higher chirp frequency `` 2 '' (e.g. 6 MHz) covering the system peak are selected and more A scan is performed between a lower chirp frequency and a higher chirp frequency. After the chirp is complete, an information set can be obtained. Alternatively, one or more information sets can be obtained during the chirp. The fourth method (gapped chirp, see Figure 22B) has a lower chirp frequency `` 1 '' (e.g. 4 MHz) and a higher chirp frequency `` 2 '' (e.g. 6 MHz) around the peak of the first resonance. A second lower chirp frequency “3” (eg, 15 MHz) and a second higher chirp frequency “4” (eg, 17 MHz) are selected around the peak of the second resonance. A scan is performed between the lower and higher chirp frequencies of the first range (1 to 2), followed by the lower and higher chirp frequencies of the second range (3 To 4) can be scanned. After the chirp is complete, an information set can be obtained. Alternatively, one or more information sets can be obtained during the chirp.

チャープコーディングされた送信機信号が、超音波システムのピーク振幅応答の周りで線形周波数帯域を使用して生成され得る。ブロードバンドパルスおよびチャープパルスはともに、同じピーク振幅を有し得るが、チャープパルスは、そのより大きな長さにより、はるかに大きなパルスエネルギーを有し得る。一般に、送信される信号エネルギーが多いほど、反射される信号が大きくなる。チャープパルスは、パルスの間に変化する振幅および周波数とともに形成され得る。より短いチャープパルスは、より高速なセンサフレームレートを可能にし得る。チャープパルスは、多パルス、多周波数の方式の送信パルスの間の対象物の動きにより発生し得る動きのアーティファクトを軽減するために、単一の送信されるパルスを使用し得る。   A chirp coded transmitter signal can be generated using a linear frequency band around the peak amplitude response of the ultrasound system. Both the broadband pulse and the chirp pulse may have the same peak amplitude, but the chirp pulse may have a much larger pulse energy due to its greater length. In general, the more signal energy that is transmitted, the greater the reflected signal. Chirp pulses can be formed with amplitudes and frequencies that change during the pulse. A shorter chirp pulse may allow for a faster sensor frame rate. A chirped pulse may use a single transmitted pulse to mitigate motion artifacts that may be caused by object motion during multipulse, multifrequency transmission pulses.

図23Aおよび図23Bは、チャープコーディングされた送信機信号のFFTを示すグラフを示す。図23Aは、チャープコーディングされた「拡張チャープ」送信機信号のFFTを示し、線形の周波数帯域は5MHzから20MHzである。図23Bは、チャープコーディングされた「ピークトゥピークチャープ」送信機信号のFFTを示し、線形の周波数帯域は7.5MHzから12.5MHzである。   FIG. 23A and FIG. 23B show graphs showing the FFT of the chirp coded transmitter signal. FIG. 23A shows an FFT of a chirp coded “extended chirp” transmitter signal, with a linear frequency band from 5 MHz to 20 MHz. FIG. 23B shows an FFT of a chirp-coded “peak-to-peak chirp” transmitter signal with a linear frequency band from 7.5 MHz to 12.5 MHz.

図24Aおよび図24Bは、チャープコーディングされた送信機信号のFFTを示すグラフを示す。図24Aは、チャープコーディングされた「近隣チャープ」送信機信号のFFTを示し、線形の周波数帯域は7MHzから8.5MHzである。図24Bは、チャープコーディングされた「ギャップチャープ」送信機信号のFFTを示し、線形の周波数帯域は7.5MHzから8.5MHzおよび11MHzから12.5MHzである。   FIG. 24A and FIG. 24B show graphs showing the FFT of the chirp coded transmitter signal. FIG. 24A shows an FFT of a chirp coded “neighboring chirp” transmitter signal with a linear frequency band from 7 MHz to 8.5 MHz. FIG. 24B shows an FFT of a chirp coded “gap chirp” transmitter signal with linear frequency bands of 7.5 MHz to 8.5 MHz and 11 MHz to 12.5 MHz.

図25は、超音波センサアレイを示す図である。センサアレイ243は、TFT基板241と受信機247とを含み得る。センサアレイ243は、ガラスカバーまたはLCDディスプレイのようなディスプレイ/カバー242と物理的に連絡していてよい。受信機247は、1つまたは複数の受信機バイアス245と、1つまたは複数の受信機電極246とを含み得る。センサアレイ243はまた、送信機250に対して配置され得る。送信機250は、複数の送信電極248および249を含み得る。センサアレイ243は、約50μmのピクセルピッチを有し得る。センサアレイ243は、サイズが約15mm x 6mmからフルディスプレイサイズにまでわたり得る。他のサイズには、11mm x 11mm、および1インチ x 1インチのサイズがあり得る。センサアレイ243は、ロープロファイル(約1mm)を有し得る。センサアレイ243は、高い動作周波数(5〜25MHz)を有し得る。センサアレイ243は、指紋スキャンデバイスの周縁に、ディスプレイ242の一部分の背後に、ディスプレイ全体の背後に、またはデバイスの筐体中の他の箇所にあり得る。   FIG. 25 is a diagram showing an ultrasonic sensor array. The sensor array 243 may include a TFT substrate 241 and a receiver 247. The sensor array 243 may be in physical communication with a display / cover 242 such as a glass cover or LCD display. The receiver 247 can include one or more receiver biases 245 and one or more receiver electrodes 246. The sensor array 243 can also be positioned with respect to the transmitter 250. The transmitter 250 can include a plurality of transmission electrodes 248 and 249. The sensor array 243 may have a pixel pitch of about 50 μm. The sensor array 243 can range in size from about 15 mm x 6 mm to full display size. Other sizes can be 11 mm x 11 mm, and 1 inch x 1 inch sizes. The sensor array 243 may have a low profile (about 1 mm). The sensor array 243 may have a high operating frequency (5-25 MHz). The sensor array 243 can be on the periphery of the fingerprint scanning device, behind a portion of the display 242, behind the entire display, or elsewhere in the device housing.

図26は、本開示に従った、超音波指紋センサのいくつかの可能な構成を示す。センサは、ディスプレイおよび指紋センサに対して、別々のまたは共通のTFT基板を有し得る。共通のカバーガラスまたはタッチスクリーンが、センサの要素の間で共有され得る。超音波指紋センサアレイ(および任意選択のコーディングまたはカバー層)が、モバイルデバイスの筐体のベゼルに、側部に、または背部に配置され得る。センサは、ボタン(機械的または非機械的なボタン、認証用または非認証用のボタン)の上に置かれてよく、またはボタンの一部として配置されてよい。たとえば、指紋センサ264は、ディスプレイ(ディスプレイのカラーフィルタガラス262およびディスプレイのTFT基板263を含む)の周縁にあってよい。この例では、指紋センサ264は、ディスプレイのカバーガラス261の下に置かれる。別の例では、指紋センサ264は、ディスプレイとは別に置かれ、センサ264を保護するためにカバー層でコーディングされ得る。別の例では、指紋センサ264は、ディスプレイ(ディスプレイのカラーフィルタガラス262およびディスプレイのTFT基板263を含む)の下(または背後)に置かれ得る。別の例では、指紋センサ264は、ディスプレイのTFT基板263に組み込まれ得る。   FIG. 26 illustrates some possible configurations of an ultrasonic fingerprint sensor according to the present disclosure. The sensor may have a separate or common TFT substrate for the display and fingerprint sensor. A common cover glass or touch screen may be shared between the sensor elements. An ultrasonic fingerprint sensor array (and optional coding or cover layer) may be placed on the bezel, side or back of the mobile device housing. The sensor may be placed on a button (mechanical or non-mechanical button, authentication or non-authentication button) or may be placed as part of the button. For example, the fingerprint sensor 264 may be at the periphery of the display (including the display color filter glass 262 and the display TFT substrate 263). In this example, the fingerprint sensor 264 is placed under the cover glass 261 of the display. In another example, the fingerprint sensor 264 can be placed separately from the display and coded with a cover layer to protect the sensor 264. In another example, fingerprint sensor 264 may be placed under (or behind) the display (including display color filter glass 262 and display TFT substrate 263). In another example, the fingerprint sensor 264 can be incorporated into the TFT substrate 263 of the display.

図27は、1つのそのような超音波センサシステムのブロック図を示す。図27の超音波センサシステムは、超音波センサピクセル回路アレイ272を有する超音波送信機271を含む。超音波送信機271は、送信機ドライバ276と(たとえば、1つまたは複数の電気的接続を通じて)電気的に連絡している。たとえば、送信機ドライバ276は、超音波送信機271と電気的に連絡している正の極性の信号と負の極性の信号とを有し得る。送信機ドライバ276は、センサコントローラ278の制御ユニット279と電気的に連絡していることがある。制御ユニット279は、送信機ドライバ276に送信機励振信号を提供することができる。制御ユニットはまた、レベル選択入力バスを通じて、受信機バイアスドライバ274と電気的に連絡していてよい。受信機バイアスドライバ274は、超音波センサピクセル回路アレイ272に取り付けられ得る、圧電受信機層の表面に配設される受信機バイアス電極に、受信機バイアス電圧を与えることができる。制御ユニット279はまた、1つまたは複数のデマルチプレクサ277とも電気的に連絡していることがある。デマルチプレクサ277は、複数のゲートドライバ275と電気的に連絡していることがある。ゲートドライバ275は、超音波送信機271中の超音波センサピクセル回路アレイ272と電気的に連絡していることがある。ゲートドライバ275は、超音波センサピクセル回路アレイ272の外部に配置され、またはいくつかの実装形態では、超音波センサピクセル回路アレイ272と同じ基板上に含まれることがある。超音波センサピクセル回路アレイ272の外部にあり得る、またはそれとともに含まれ得るデマルチプレクサ277は、特定のゲートドライバ275を選択するために使用され得る。超音波センサピクセル回路アレイ272は、1つまたは複数のデジタイザ273と電気的に連絡していてよい。デジタイザ273は、超音波センサピクセル回路アレイ272からのアナログ信号を、センサコントローラ278中のデータプロセッサ280に適したデジタル信号に変換することができる。センサコントローラ280は、モバイルデバイスのアプリケーションプロセッサのような外部システムに、デジタル出力を提供することができる。   FIG. 27 shows a block diagram of one such ultrasonic sensor system. The ultrasonic sensor system of FIG. 27 includes an ultrasonic transmitter 271 having an ultrasonic sensor pixel circuit array 272. The ultrasonic transmitter 271 is in electrical communication with the transmitter driver 276 (eg, through one or more electrical connections). For example, the transmitter driver 276 may have a positive polarity signal and a negative polarity signal in electrical communication with the ultrasonic transmitter 271. The transmitter driver 276 may be in electrical communication with the control unit 279 of the sensor controller 278. The control unit 279 can provide a transmitter excitation signal to the transmitter driver 276. The control unit may also be in electrical communication with the receiver bias driver 274 through a level select input bus. The receiver bias driver 274 can provide a receiver bias voltage to a receiver bias electrode disposed on the surface of the piezoelectric receiver layer that can be attached to the ultrasonic sensor pixel circuit array 272. Control unit 279 may also be in electrical communication with one or more demultiplexers 277. Demultiplexer 277 may be in electrical communication with a plurality of gate drivers 275. The gate driver 275 may be in electrical communication with the ultrasonic sensor pixel circuit array 272 in the ultrasonic transmitter 271. The gate driver 275 may be located external to the ultrasonic sensor pixel circuit array 272 or may be included on the same substrate as the ultrasonic sensor pixel circuit array 272 in some implementations. A demultiplexer 277 that can be external to or included with the ultrasonic sensor pixel circuit array 272 can be used to select a particular gate driver 275. The ultrasonic sensor pixel circuit array 272 may be in electrical communication with one or more digitizers 273. The digitizer 273 can convert the analog signal from the ultrasonic sensor pixel circuit array 272 into a digital signal suitable for the data processor 280 in the sensor controller 278. The sensor controller 280 can provide a digital output to an external system, such as an application processor of a mobile device.

特定の周波数において情報セットが取得されるとき、得られる情報セットは、指紋の鮮明さが反転していることがある(たとえば、センサアレイ出力画像において通常は明るく見える隆起の領域が暗く見え、指の谷の領域に対してはその逆である)。これらの観測結果は、5〜20MHzの動作範囲の中のいくつかの特定の周波数で発生し得るが、事前に定義された最適な周波数に対して狭い範囲の中で最大の出力を有し得る。この挙動に対する仮説は、センサ積層体における送信信号と受信信号の共振により定在波が生成され、そしてその定在波が特定の周波数において強め合うようにまたは弱め合うように干渉してそのようなパターンを生むというものである。   When an information set is acquired at a particular frequency, the resulting information set may have a reversed fingerprint sharpness (e.g., a region of ridges that normally appear bright in the sensor array output image appears dark and the finger The opposite is true for the valley region). These observations can occur at several specific frequencies within the operating range of 5-20 MHz, but can have the largest output in a narrow range for a pre-defined optimal frequency . The hypothesis for this behavior is that a standing wave is generated by the resonance of the transmit and receive signals in the sensor stack, and that the standing wave interferes to strengthen or weaken at a particular frequency. It produces patterns.

そのような挙動の例が、図28に示されている。図28は、トーンバーストがオンの条件でのアレイの出力とオフの条件でのアレイの出力の差の周波数応答を示す。指紋画像が、それが取得された周波数において重畳され、黒い太線のボックスによってマークされた画像は反転しているように見える。通常、ピーク応答は、最大の信号伝送を生む最適な動作周波数(最適周波数)であるように決定される。重畳のプロットは、それぞれの周波数において撮られた指紋画像を含む。輪郭が黒い太線のボックスである画像は、画像の反転を強調している(指紋の隆起に対するグレースケール値と谷に対するグレースケール値が入れ替わっている)。この挙動は、ピーク周波数の周りではるかに強く、感受性があり、観測可能であることにも留意されたい。この挙動は、情報セットを処理し、出力画像の全体的な信号対雑音比を改善するために使用され得る。この提案される方法では、指紋画像が、前に決定された「最適周波数」(アレイによる読み取られるトーンバーストオンの場合の信号とトーンバーストオフの場合の信号の差が最も大きい周波数)の上および下の2つから4つの周波数において、同時に撮られ得る。情報セットが得られると、別個の指紋および谷のパターンの識別を改善するための、いくつかの方法の1つがあり得る。   An example of such behavior is shown in FIG. FIG. 28 shows the frequency response of the difference between the output of the array with tone burst on and the output of the array with off. The fingerprint image is superimposed at the frequency at which it was acquired, and the image marked by the thick black box appears to be inverted. Usually, the peak response is determined to be the optimum operating frequency (optimum frequency) that produces the maximum signal transmission. The overlay plot includes fingerprint images taken at each frequency. An image whose outline is a thick black box emphasizes the inversion of the image (the grayscale value for the fingerprint ridge and the grayscale value for the valley are interchanged). Note also that this behavior is much stronger, sensitive and observable around the peak frequency. This behavior can be used to process the information set and improve the overall signal-to-noise ratio of the output image. In this proposed method, the fingerprint image is above the previously determined `` optimal frequency '' (the frequency at which the difference between the tone burst on signal read by the array and the tone burst off signal is the largest) and It can be taken simultaneously at the bottom two to four frequencies. Once the information set is obtained, there can be one of several ways to improve the identification of distinct fingerprints and valley patterns.

1つのそのような例が図29に示され、ここで、2つの画像が取得され、一方は最適周波数(12.6MHz)において、他方は隆起の領域と谷の領域の完全な反転をもたらしたやや低い周波数(10.4MHz)において取得される。これらの個々の画像は次いで、より良好な分離のために、対応するバックグラウンド画像(指がない状態で同じ周波数の条件で撮られた画像)から差し引かれる。例として、事後の正規化において、2つの異なる周波数において捕捉されたデータが加算され、これは、隆起と谷の領域に起因する信号全体の増大をもたらす。応答における分離を改善するという同じ目的を果たす、実施することができるいくつかの他の画像処理方法があり得る。図29は、2つの場合において得られる信号振幅を示す(1つは単一の最適周波数において、もう1つは2つの周波数において得られ、それらのうちの1つが画像の反転をもたらした)。ヒストグラムのプロットは、2つの場合に対する典型的な電圧出力の分布を明らかにしており、後者は顕著に高い出力の分布を示している。   One such example is shown in FIG. 29, where two images were acquired, one at the optimal frequency (12.6 MHz) and the other somewhat resulting in complete inversion of the raised and valley regions. Acquired at low frequency (10.4MHz). These individual images are then subtracted from the corresponding background images (images taken at the same frequency without a finger) for better separation. As an example, in post-normalization, data captured at two different frequencies are added, which results in an increase in the overall signal due to the ridge and valley regions. There can be several other image processing methods that can be implemented that serve the same purpose of improving separation in response. FIG. 29 shows the signal amplitudes obtained in two cases (one at a single optimal frequency and one at two frequencies, one of which resulted in an inversion of the image). The histogram plot reveals a typical voltage output distribution for the two cases, the latter showing a significantly higher output distribution.

本開示の1つの目的は、複数の周波数関連の信号反転を利用することにより、指紋の鮮明さの向上につながる特定の目標周波数を使用することである。鮮明さを改善するための処理方法はいくつかあることがあり、具体的な問題に基づいて選ばれ得る。サンプリングパラメータに基づく画像の捕捉に関する、いくつかの相互に結びついた要因がある。そのような反転の挙動の観測結果に影響するであろう重要な要因は、サンプリングとバースト開始との間の遅延、使用される超音波パルスの数、および超音波パルスの周波数である。しかしながら、センサの適切なチューニングにより、これらのパラメータ(すなわち、パルスの数、遅延、バースト開始、および周波数)は調整され得る。   One object of the present disclosure is to use a specific target frequency that leads to improved fingerprint sharpness by utilizing multiple frequency-related signal inversions. There may be several processing methods to improve the sharpness and can be chosen based on the specific problem. There are several interrelated factors related to image capture based on sampling parameters. Important factors that will affect the observation of such reversal behavior are the delay between sampling and burst start, the number of ultrasonic pulses used, and the frequency of the ultrasonic pulses. However, with appropriate tuning of the sensor, these parameters (ie, number of pulses, delay, burst start, and frequency) can be adjusted.

たとえば、別個の隆起および谷のパターンの識別を改善するための1つの方法は、2つの別個の周波数設定(1つは隆起が明るく見える「正常」、他方は隆起が谷の領域よりも暗く見える「反転」)において指紋画像を取得するステップを伴う。図30は、サンプル画像の輪郭およびヒストグラムのプロットを示し、これらは、指紋の隆起および谷のADC(アナログデジタルコンバータ)による後変換に対応する電圧を示す。図30のヒストグラムおよび画像のプロットは、容易に比較ができるように同じ目盛りを有する。図30において隆起の領域と谷の領域との間のコントラストは同等に見えるが、周波数の各々に対応するヒストグラムは、隆起の領域および谷の領域に対応する情報セットの分布がある周波数(6.5MHz)から他の周波数(8.5MHz)に変化したことを示す。   For example, one way to improve the distinction between distinct ridges and valley patterns is to use two distinct frequency settings (one is "normal" where the ridges appear bright and the other is darker than the valley region) With the step of acquiring a fingerprint image in “invert”). FIG. 30 shows sample image contour and histogram plots, which show the voltage corresponding to fingerprint ridges and post-transformation by valley ADCs (analog-to-digital converters). The histogram and image plots in FIG. 30 have the same scale for easy comparison. In FIG. 30, the contrast between the ridge and valley regions appears to be equivalent, but the histogram corresponding to each of the frequencies shows a frequency (6.5 MHz) with a distribution of information sets corresponding to the ridge and valley regions. ) To other frequency (8.5MHz).

データ分布のさらなる精査が図31に示される。図31は、選択された隆起の点と谷の点とのアナログ電圧の比較を示す変動性のプロットである。ここで、指の隆起の領域と谷の領域に対応するランダムに選択された点のグループが、2つの動作周波数に対して追跡される。指の隆起を表す領域は、2つの動作周波数の間で最大の変化を示すが、指の「谷」の領域はほとんど変化しないままであることが確認され得る。   Further review of the data distribution is shown in FIG. FIG. 31 is a variability plot showing a comparison of analog voltages at selected raised and valley points. Here, randomly selected groups of points corresponding to the finger ridge and valley regions are tracked for the two operating frequencies. It can be seen that the region representing the finger ridge shows the greatest change between the two operating frequencies, but the “valley” region of the finger remains largely unchanged.

選択された周波数における測定結果を得ることによって、隆起の領域と谷の領域との差は、周波数に伴う出力の変化に基づいて画像またはピクセルの領域を追跡することによって、増幅され得る。効果的な処理のために、周波数とともに出力がより大きく変化しやすい隆起の領域が、情報セットの適切な勾配領域の処理による後続の閾値処理を使用して特定され得る。別の潜在的な利点は、取得される画像のSNR(信号対雑音比)の改善である。2つの動作周波数の間で最大の勾配を有する領域と最小の勾配を有する領域とを特定することで、単一周波数の画像取得処理と比較して、SNRを潜在的に改善することができる。   By obtaining measurement results at a selected frequency, the difference between the raised and valley regions can be amplified by tracking the image or pixel region based on the change in output with frequency. For effective processing, regions of ridges whose output is more likely to change with frequency can be identified using subsequent thresholding with appropriate gradient region processing of the information set. Another potential advantage is an improvement in the SNR (signal to noise ratio) of the acquired image. Identifying the region with the largest gradient and the region with the smallest gradient between the two operating frequencies can potentially improve the SNR compared to single frequency image acquisition processing.

最適な動作周波数を決定するために、音響特性が指に類似している対象材料(たとえば、ゴム)を使用することによって、標準的な工場様の較正方法が利用され得る。2セットの測定が行われてよく、一方のセットはプラテンを対象材料が完全に覆った状態(指を模擬する)で行われ、もう一方はプラテン上に対象物がない状態(「空気」の測定)で行われる。トーンバースト信号の周波数が掃引されてよく、両方の場合(対象物がある状態とない状態)についてTFT応答が捕捉される。次いで、2つの信号の間の差が、空気の場合と対象物がある場合の差分信号(「空気マイナス対象物」)の負の最大値と正の最大値によって与えられる、反転の挙動が最も観測される最適点を決定するために使用される。図32は、空気の場合の電圧から対象物がある場合の電圧を引いた差分を、超音波信号の周波数に対してプロットした場合の負のピークと正のピークを示す。   In order to determine the optimal operating frequency, standard factory-like calibration methods can be utilized by using a target material (eg, rubber) whose acoustic characteristics are similar to a finger. Two sets of measurements can be taken, one set with the platen completely covered by the target material (simulating a finger) and the other with no target on the platen (`` air '' Measurement). The frequency of the tone burst signal may be swept and a TFT response is captured for both cases (with and without the object). The difference between the two signals is then the best inversion behavior, given by the negative maximum and the positive maximum of the difference signal in the case of air and in the presence of the object (`` air minus object ''). Used to determine the optimal point to be observed. FIG. 32 shows a negative peak and a positive peak when the difference obtained by subtracting the voltage when there is an object from the voltage when air is plotted against the frequency of the ultrasonic signal.

本開示の別の実施形態は、指紋の生体性を決定することに関し得る。指紋は、対象の身元を区別するための効果的な生体測定上の特性であることが分かっている。指紋認証は広く使用されている。しかしながら、指紋認証はなりすましに対して脆弱である。偽の指(「スプーフ」としても知られている)が、登録された本物の指の型から作られ、不正に認証を得るために使用されることがある。この型は、ユーザの協力により、または協力を伴わずに作られることがある。スプーフの使用から守るために、対象物が生きているかどうかを決定するための試みが行われることがある。既存の生体性試験は、2つのグループに分類され得る。1つのグループは画像に基づく手法であり、これは、指紋画像において視覚的に知覚可能なかすかな特徴を利用して、本物の指と偽の指を区別する。この手法は、生体性を適切に評価するために、かなり高い分解能(500〜1000dpi)を必要とする。生体性試験の第2のグループはハードウェアに基づく手法であり、これは、血圧、脈拍、導電性などのような、生体の特徴を捉えるための、指紋センサ以外のハードウェアを必要とする。   Another embodiment of the present disclosure may relate to determining fingerprint biometrics. Fingerprints have been found to be an effective biometric characteristic for distinguishing the identity of an object. Fingerprint authentication is widely used. However, fingerprint authentication is vulnerable to impersonation. A fake finger (also known as a “spoof”) can be made from a registered real finger mold and used to obtain unauthorized authentication. This type may be created with or without user cooperation. In order to protect against the use of spoofs, attempts may be made to determine whether an object is alive. Existing biological tests can be divided into two groups. One group is an image-based approach that distinguishes between real and fake fingers using faint features that are visually perceptible in a fingerprint image. This technique requires a fairly high resolution (500-1000 dpi) in order to properly assess biological properties. The second group of biometric tests is a hardware based approach that requires hardware other than a fingerprint sensor to capture biological features such as blood pressure, pulse, conductivity, and the like.

本開示の一実施形態は、多周波数の超音波情報セットを使用することによって生体性を試験することを組み込む。最適な動作周波数において、本物と指と偽物の指は両方とも同じように見え、画像ベースの生体性の特徴においてはごくわずかな差しかもたらさないことがある。しかしながら、異なる材料は、異なる周波数にわたって異なる超音波反射率を有する。ある周波数範囲にわたる差が、スプーフを識別するために使用され得る。各ピクセルに対して、生体性の特徴のベクトルが抽出され得る。ベクトルは、基準周波数応答を使用して正規化され得る。正規化された周波数応答ベクトルは次いで、その材料の多周波数のシグネチャと、したがって生体性のための良好な指標とを生成するために処理され得る。図33〜図36は、生体性試験に対する多周波数による手法の結果を示す。   One embodiment of the present disclosure incorporates testing biogenicity by using a multi-frequency ultrasound information set. At the optimal operating frequency, both real, fake and fake fingers look the same and may offer very little in image-based biometric features. However, different materials have different ultrasonic reflectance over different frequencies. Differences over a range of frequencies can be used to identify the spoof. For each pixel, a vector of biological features can be extracted. The vector can be normalized using the reference frequency response. The normalized frequency response vector can then be processed to generate a multi-frequency signature of the material and thus a good indication for biological properties. FIGS. 33-36 show the results of the multi-frequency approach for biological testing.

多周波数による手法を使用して生体性を決定する1つの方法は、情報セットのうちの第1の情報セット(「FoIS」)を選択するステップを含み、情報セットのグループは、多周波数超音波センサによって捕捉される情報セットを含む。方法はさらに、指紋の隆起に対応するFoISの中のピクセル(「隆起ピクセル」)を特定するステップを含み得る。方法はさらに、指紋の谷に対応するFoISの中のピクセル(「谷ピクセル」)を特定するステップを含み得る。   One method of determining biogenicity using a multi-frequency approach includes selecting a first information set (“FoIS”) of information sets, where the group of information sets includes multi-frequency ultrasound. Contains a set of information captured by the sensor. The method may further include identifying a pixel in the FoIS that corresponds to the fingerprint ridge (“protrusion pixel”). The method may further include identifying a pixel in the FoIS that corresponds to the valley of the fingerprint (“valley pixel”).

他の情報セットの各々について、方法はさらに、隆起ピクセルに対するSSHDIまたはFSHDIと、谷ピクセルに対するSSHDIまたはFSHDIとを計算するステップを含み得る。これらの他の情報セットの各々について、方法はさらに、隆起ピクセルのSSHDIまたはFSHDIの特徴量と、谷ピクセルのSSHDIまたはFSHDIの特徴量とを特定するステップを含み得る。他の情報セットの各々に対して、方法はさらに、隆起ピクセルの特徴量と谷ピクセルの特徴量との差を決定して分離値を得るステップを含み得る。他の情報セットの各々に対して、方法はさらに、その分離値が、生物に対応するものとして以前に特定された空間的な位置を特定するかどうかを、決定するステップを含み得る。   For each of the other information sets, the method may further include calculating SSHDI or FSHDI for the raised pixels and SSHDI or FSHDI for the valley pixels. For each of these other information sets, the method may further include identifying an SSHDI or FSHDI feature for the raised pixel and an SSHDI or FSHDI feature for the valley pixel. For each of the other information sets, the method may further include the step of determining a difference between the feature values of the raised pixels and the feature values of the valley pixels to obtain a separation value. For each of the other information sets, the method may further include determining whether the separation value specifies a spatial location previously identified as corresponding to the organism.

一実施形態では、特徴量は、SSHDIまたはFSHDIにおいて最もよく現れる信号強度である。別の実施形態では、特徴量は、SSHDIまたはFSHDIにおいて現れる信号強度の中央値である。しかしながら、特徴量は、SSHDIまたはFSHDIの統計的なエネルギー、統計的なエントロピー、または統計的な分散であり得る。   In one embodiment, the feature is the signal strength that most commonly appears in SSHDI or FSHDI. In another embodiment, the feature is the median signal strength that appears in SSHDI or FSHDI. However, the feature quantity may be SSHDI or FSHDI statistical energy, statistical entropy, or statistical variance.

以下では、本開示に従った、複数の周波数および超音波を使用して指紋のような対象物についての情報を得る特定のセンサのための動作情報について説明する。動作情報は、センサの材料のタイプおよび他の特性を含み得る。この特定のセンサは信号のピークを検出するために積分器を使用するが、信号のピークを検出するために他のデバイスが使用され得ることに留意されたい。   The following describes operational information for a particular sensor that uses multiple frequencies and ultrasound to obtain information about an object such as a fingerprint according to the present disclosure. The operational information may include the material type and other characteristics of the sensor. Note that although this particular sensor uses an integrator to detect the signal peak, other devices may be used to detect the signal peak.

この特定のセンサでは、トーンバースト生成器関数が作成される。次の式において、f=周波数、n=パルスの数、t=時間、t0=開始時間、およびA=振幅である。トーンバースト生成器関数は、次の式によって表され得る。 For this particular sensor, a tone burst generator function is created. In the following equation, f = frequency, n = number of pulses, t = time, t 0 = start time, and A = amplitude. The tone burst generator function may be represented by the following equation:

Figure 2017514108
Figure 2017514108

反射されるトーンバーストは、次の式によって表され得る。   The reflected tone burst can be represented by the following equation:

Figure 2017514108
Figure 2017514108

PVDF、パリレン、およびポリカーボネートにおける音の速さは、それぞれ次の通りであり得る。   The speed of sound in PVDF, parylene, and polycarbonate can be as follows:

Figure 2017514108
Figure 2017514108

この特定のセンサにおけるPVDF、パリレン、およびポリカーボネートの厚みは、それぞれ次のように表され得る。
δpvdf : 28μm、δpary : = 25μm、δpcar : = 254μm
The PVDF, parylene, and polycarbonate thicknesses in this particular sensor can each be expressed as:
δ pvdf : 28μm , δ pary : = 25μm, δ pcar : = 254μm

距離ゲート関数は、次の式によって表され得る。
RangeGate(t, rgstart, rgstop, X): = if[(t≧rgstart)Λ[t≦(rgstop)],X, -X]
The distance gate function can be represented by the following equation:
RangeGate (t, rgstart, rgstop, X): = if [(t ≧ rgstart) Λ [t ≦ (rgstop)], X, -X]

インデックス、時間の列、およびトーンバースト中のパルスの数は、次のように表され得る。
j := 0..2000、tj := jns、n :=4
The index, the sequence of times, and the number of pulses in the tone burst can be expressed as:
j: = 0..2000, t j : = jns, n: = 4

圧電層および圧電層の頂部のパリレンコーティングが最初に観測され得る。次の式は、可能性のある観測結果を表す。   The parylene coating on the piezoelectric layer and the top of the piezoelectric layer can first be observed. The following equation represents a possible observation.

Figure 2017514108
Figure 2017514108

以下のパラメータは、この特定のセンサに関連があり得る。
rgon := 150ns、rgoff := 600ns (任意の距離ゲートの開始および距離ゲートの終了)
p(f,τ):= η(f, n, τ, 0ns, 1) (主要なパルス)
r(f, τ,δt) := rη(f, n, τ, δt,1) (反射されたパルス)
x(f,τ,δt,σ):= p(f,τ) + r(f, τ,δt) - σ
(干渉変調されたパルス(受信機層における固有の反射を満たすパルス))
q(f,τ,δt,σ) := if(x(f,τ,δt,σ) < 0, 0, x(f,τ,δt,σ))
(パルスおよび反射に起因する整流された電気信号)
The following parameters may be relevant for this particular sensor.
rg on : = 150ns, rg off : = 600ns (arbitrary gate start and distance gate end)
p (f, τ): = η (f, n, τ, 0ns, 1) (main pulse)
r (f, τ, δt): = rη (f, n, τ, δt, 1) (reflected pulse)
x (f, τ, δt, σ): = p (f, τ) + r (f, τ, δt)-σ
(Interferometrically modulated pulse (a pulse that satisfies the intrinsic reflection at the receiver layer))
q (f, τ, δt, σ): = if (x (f, τ, δt, σ) <0, 0, x (f, τ, δt, σ))
(Rectified electrical signal due to pulse and reflection)

Figure 2017514108
Figure 2017514108

Film(t, δt,X) := if(t<δt, -X,X) (フィルムの厚みのマーカー関数) Film (t, δt, X): = if (t <δt, -X, X) (film thickness marker function)

次の式は臨界の距離ゲート点を表し、δtはプラテンの厚み(エコーの開始)であり、   The following equation represents the critical distance gate point, δt is the thickness of the platen (start of echo),

Figure 2017514108
Figure 2017514108

はTBの長さ(TBの終了)であり、 Is the length of TB (TB end),

Figure 2017514108
Figure 2017514108

はエコーの終了である。 Is the end of the echo.

Figure 2017514108
Figure 2017514108

出力の周波数掃引が、受信機から捕捉され得る。たとえば、周波数掃引は、1MHzにおいて開始し、上側の周波数、たとえば33MHzに達するまで、0.1MHzのインクリメントで徐々に増大する。以下の構成を使用して、図37A〜図37Cおよび図39A〜図39Cにおいて示されるように、信号が捕捉される。   A frequency sweep of the output can be captured from the receiver. For example, the frequency sweep starts at 1 MHz and gradually increases in 0.1 MHz increments until the upper frequency, eg 33 MHz, is reached. The following configurations are used to capture signals as shown in FIGS. 37A-37C and 39A-39C.

Figure 2017514108
Figure 2017514108

Capture(f, t, gs, ge,σ):= if[(t≧gs)Λ[t≦ge], p(f,t) + r(f, t, δt)σ,0]
Rectifier(f, t, gs, ge,σ):= if(Capture(f, t, gs, ge,σ) ≦0, 0, Capture(f, t, gs, ge,σ))
Capture (f, t, gs, ge, σ): = if [(t ≧ gs) Λ [t ≦ ge], p (f, t) + r (f, t, δt) σ, 0]
Rectifier (f, t, gs, ge, σ): = if (Capture (f, t, gs, ge, σ) ≤0, 0, Capture (f, t, gs, ge, σ))

図39D〜図39Fは、様々な距離ゲートに基づく、周波数により積分された受信機出力を示す。   39D-39F show the receiver output integrated by frequency based on various distance gates.

(254μmのポリカーボネートのプラテンを加えた)以下の構成を使用すると、図38A〜図38Cに示されるような信号が捕捉される。   Using the following configuration (with a 254 μm polycarbonate platen added), signals as shown in FIGS. 38A-38C are captured.

Figure 2017514108
Figure 2017514108

Capture(f, t, gs, ge,σ,δt):= if[(t≧gs)Λ[t≦ge], p(f,t) + r(f, t, δt)σ,0]
Rectifier(f, t, gs, ge,σ,δt):= if(Capture(f, t, gs, ge,σ,δt) ≦0, 0, Capture(f, t, gs, ge,σ,δt))
Capture (f, t, gs, ge, σ, δt): = if [(t ≧ gs) Λ [t ≦ ge], p (f, t) + r (f, t, δt) σ, 0]
Rectifier (f, t, gs, ge, σ, δt): = if (Capture (f, t, gs, ge, σ, δt) ≤0, 0, Capture (f, t, gs, ge, σ, δt ))

以下の積分関数が使用され得る。   The following integration functions can be used.

Figure 2017514108
Figure 2017514108

谷と隆起の差分を積分したものを表すために、次の式が使用され得る。   To represent the integrated valley and ridge difference, the following equation can be used:

Figure 2017514108
Figure 2017514108

この特定のセンサでは、超音波信号は圧電フィルムに入り、そのフィルムを通過して下に反射する。信号が指紋の谷(空気)に遭遇する場合、入射パルスと反射パルスの両方が圧電フィルムを励振して、電気信号を生成する。信号が指紋の隆起のような指の組織を通過する状況では、入射パルスだけが圧電フィルムを励振する。信号は、254μmのポリカーボネート(図40A〜図40C参照)または500μmのプラテン(図41A〜図41C参照)のように、遅延線の分だけフィルムと対象物との間で遅延し得る。図40D〜図40Fは、254のμmのポリカーボネート層の場合の、様々な距離ゲートに基づく、周波数により積分された受信機出力を示す。図41D〜図41Fは、500のμmのプラテン層の場合の、様々な距離ゲートに基づく、周波数により積分された受信機出力を示す。   In this particular sensor, the ultrasonic signal enters the piezoelectric film and reflects down through the film. When the signal encounters a fingerprint valley (air), both incident and reflected pulses excite the piezoelectric film to generate an electrical signal. In situations where the signal passes through finger tissue, such as a fingerprint ridge, only the incident pulse excites the piezoelectric film. The signal can be delayed between the film and the object by a delay line, such as a 254 μm polycarbonate (see FIGS. 40A-40C) or a 500 μm platen (see FIGS. 41A-41C). FIGS. 40D-40F show the frequency-integrated receiver output based on various distance gates for a 254 μm polycarbonate layer. FIGS. 41D-F show the receiver output integrated by frequency based on various distance gates for a 500 μm platen layer.

図43は、指をスキャンするマルチスペクトル方法のフローチャートである。この方法は、様々なスキャン周波数において複数の超音波によって指をスキャンするステップ(431)を含み得る。方法はさらに、スキャン周波数の各々のために、複数のピクセル出力値から超音波画像情報セットを生成するステップ(432)を含み得る。方法はさらに、スキャン周波数の各々に対応する画像情報セットを合成して、合成された画像情報セットを生成するステップ(433)を含み得る。方法はさらに、各ピクセル出力値をグレースケール値に変換するステップ(434)を含み得る。方法はさらに、グレースケール値を合成された画像情報セットとして提供するステップ(435)を含み得る。方法はさらに、複数の超音波画像情報セットを使用して、生体性の決定を行うステップ(436)を含み得る。方法はさらに、生体性の決定を示す生体性出力信号を提供するステップ(437)を含み得る。   FIG. 43 is a flowchart of a multispectral method for scanning a finger. The method may include a step (431) of scanning the finger with a plurality of ultrasound waves at various scan frequencies. The method may further include generating (432) an ultrasound image information set from the plurality of pixel output values for each of the scan frequencies. The method may further include the step (433) of combining the image information sets corresponding to each of the scan frequencies to generate a combined image information set. The method may further include converting (434) each pixel output value to a grayscale value. The method may further include providing (435) the grayscale values as a combined image information set. The method may further include the step (436) of making a biometric determination using the plurality of sets of ultrasound image information. The method may further include providing (437) a biological output signal indicative of the biological determination.

本開示は、1つまたは複数の特定の実施形態に関して説明されてきたが、本開示の他の実施形態が、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく実現され得ることが理解されるだろう。よって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびその妥当な解釈のみによって制限されると見なされる。   While this disclosure has been described with respect to one or more specific embodiments, it will be understood that other embodiments of this disclosure may be implemented without departing from the spirit and scope of this disclosure. . Accordingly, the present disclosure is deemed limited only by the appended claims and the reasonable interpretation thereof.

22 増幅器
32 増幅器
51 センサアレイ
52 バンドパスフィルタ
53 センサコントローラ
54 電子サブシステム
55 超音波送信機
56 増幅器
57 信号生成器
60 システム
61 物体
62 センサ積層体
63 TFT基板
64 ピクセル出力データ
65 送信機
66 コントローラ
67 プロセッサ
70 システム
71 物体
72 プラテン
73 超音波センサアレイ
74 TFT基盤
75 超音波受信機
76 超音波送信機
77 コントローラ
78 プロセッサ
241 TFT基板
242 ディスプレイ/カバー
243 センサアレイ
245 受信機バイアス
246 受信機電極
247 受信機
248 送信電極
249 送信電極
250 送信機
261 ディスプレイカバーガラス
262 ディスプレイカラーフィルタガラス
263 ディスプレイTFT基板
264 指紋センサ
271 超音波送信機
272 超音波センサピクセル回路アレイ
273 デジタイザ
274 受信機バイアスドライバ
275 ゲートドライバ
276 送信機ドライバ
277 デマルチプレクサ
278 センサコントローラ
279 制御ユニット
280 データプロセッサ
420 最適な周波数
421 他の周波数
426 隆起と谷の分離曲線
22 Amplifier
32 Amplifier
51 Sensor array
52 Bandpass filter
53 Sensor controller
54 Electronic subsystem
55 Ultrasonic transmitter
56 Amplifier
57 Signal generator
60 system
61 objects
62 Sensor stack
63 TFT substrate
64 pixel output data
65 Transmitter
66 Controller
67 processor
70 system
71 objects
72 platen
73 Ultrasonic sensor array
74 TFT substrate
75 Ultrasonic receiver
76 Ultrasonic transmitter
77 Controller
78 processor
241 TFT substrate
242 Display / Cover
243 Sensor array
245 Receiver bias
246 Receiver electrode
247 receiver
248 Transmitter electrode
249 Transmitter electrode
250 transmitter
261 Display cover glass
262 Display color filter glass
263 Display TFT substrate
264 fingerprint sensor
271 Ultrasonic transmitter
272 Ultrasonic Sensor Pixel Circuit Array
273 Digitizer
274 Receiver bias driver
275 gate driver
276 Transmitter Driver
277 Demultiplexer
278 Sensor controller
279 Control unit
280 data processor
420 Optimal frequency
421 other frequencies
426 Separation curve of uplift and valley

Claims (30)

指をスキャンする方法であって、
複数の超音波スキャン周波数によって、超音波センサの撮像面に置かれた指をスキャンするステップと、
前記スキャン周波数の各々のために、前記超音波センサの複数のピクセルから超音波画像情報セットを生成するステップであって、前記画像情報セットが前記複数のピクセルの各々からのピクセル出力値を含み、各ピクセル出力値が前記撮像面から反射されるエネルギーの量を示す、ステップと、
前記スキャン周波数の各々に対応する前記画像情報セットを合成して、合成された画像情報セットを生成するステップであって、前記合成された画像情報セットが前記複数のピクセルの各々からの合成されたピクセル出力値を含む、ステップとを含む、方法。
A method of scanning a finger,
Scanning a finger placed on the imaging surface of the ultrasonic sensor with a plurality of ultrasonic scan frequencies;
Generating an ultrasound image information set from a plurality of pixels of the ultrasound sensor for each of the scan frequencies, the image information set including pixel output values from each of the plurality of pixels; Each pixel output value indicates the amount of energy reflected from the imaging surface; and
Combining the image information sets corresponding to each of the scan frequencies to generate a combined image information set, wherein the combined image information set is combined from each of the plurality of pixels; Including a pixel output value.
各ピクセル出力値をグレースケール値に変換するステップと、
前記複数のピクセルのための前記グレースケール値を、前記指の指紋を表す前記合成された画像情報セットとして提供するステップとをさらに含む、請求項1に記載の方法。
Converting each pixel output value to a grayscale value;
2. The method of claim 1, further comprising: providing the grayscale values for the plurality of pixels as the combined image information set representing a fingerprint of the finger.
前記複数の超音波画像情報セットを使用して生体性の決定を行うステップと、
前記生体性の決定を示す生体性出力信号を提供するステップとをさらに含む、請求項1に記載の方法。
Performing a biological determination using the plurality of ultrasound image information sets;
Providing a biogenic output signal indicative of the biogenic determination.
前記画像情報セットを合成するステップが、前記ピクセル出力値を加算して合計を生成するステップと、超音波スキャン周波数の数により前記合計を除算して前記ピクセル出力値の各々の平均値を生成するステップと、前記平均値を前記合成されたピクセル出力値として使用するステップとを含む、請求項1に記載の方法。   Combining the image information set includes adding the pixel output values to generate a sum, and dividing the sum by the number of ultrasound scan frequencies to generate an average value for each of the pixel output values. The method of claim 1, comprising: and using the average value as the synthesized pixel output value. 前記画像情報セットを合成するステップが、
各スキャン周波数に対して、重み付け係数を特定するステップと、
前記対応する重み付け係数により各ピクセル出力値を乗算してピクセル出力値の積を生成するステップと、
前記ピクセル出力値の積を加算して合計を生成するステップと、スキャン周波数の数により前記合計を除算して前記ピクセル出力値の各々の平均値を生成するステップと、前記平均値を前記合成されたピクセル出力値として使用するステップとを含む、請求項1に記載の方法。
Synthesizing the image information set comprises:
Identifying a weighting factor for each scan frequency;
Multiplying each pixel output value by the corresponding weighting factor to produce a product of pixel output values;
Adding a product of the pixel output values to generate a sum; dividing the sum by a number of scan frequencies to generate an average value for each of the pixel output values; and combining the average values. Using the output as a pixel output value.
前記重み付け係数が、
w(fi) = (e(avgi * fi) - e(avgi * fmax)) / (e(avgi * fmin) - e(avgi * fmax))
という式を使用して計算され、
ここで、
w(fi)がi番目のスキャン周波数のための前記重み付け係数であり、
avgiが前記i番目のスキャン周波数および次に低いスキャン周波数における前記ピクセル出力値の前記平均値であり、
fminが最低のスキャン周波数であり、
fmaxが最高のスキャン周波数である、
請求項5に記載の方法。
The weighting factor is
w (f i ) = (e (avgi * fi)-e (avgi * fmax) ) / (e (avgi * fmin)-e (avgi * fmax) )
Is calculated using the formula
here,
w (f i ) is the weighting factor for the i th scan frequency,
avg i is the average value of the pixel output values at the i-th scan frequency and the next lower scan frequency,
f min is the lowest scan frequency,
f max is the highest scan frequency,
6. The method according to claim 5.
前記画像情報セットを合成する方法が、前記画像情報セット中の前記ピクセル出力値から前記スキャン周波数の各々のための共分散行列を作成するステップと、前記共分散行列を合成して各ピクセル出力値のための合成された値を有する合成された行列を提供するステップとを含む、請求項1に記載の方法。   A method of synthesizing the image information set includes creating a covariance matrix for each of the scan frequencies from the pixel output values in the image information set, and synthesizing the covariance matrix to output each pixel output value. Providing a synthesized matrix having synthesized values for. 前記共分散行列を合成するステップが、前記共分散行列中の成分の間を補間するステップを含む、請求項7に記載の方法。   8. The method of claim 7, wherein synthesizing the covariance matrix includes interpolating between components in the covariance matrix. 各スキャン周波数に対して、重み付け係数を特定するステップと、
前記共分散行列を合成する前に、前記対応する重み付け係数により前記共分散行列中の各成分を乗算するステップとをさらに含む、請求項8に記載の方法。
Identifying a weighting factor for each scan frequency;
9. The method of claim 8, further comprising multiplying each component in the covariance matrix by the corresponding weighting factor before combining the covariance matrix.
前記重み付け係数が、
w(fi) = (e(avgi * fi) - e(avgi * fmax)) / (e(avgi * fmin) - e(avgi * fmax))
という式を使用して計算され、
ここで、
w(fi)がi番目のスキャン周波数のための前記重み付け係数であり、
avgiが前記i番目のスキャン周波数および次に低いスキャン周波数における前記ピクセル出力値の前記平均値であり、
fminが最低のスキャン周波数であり、
fmaxが最高のスキャン周波数である、
請求項9に記載の方法。
The weighting factor is
w (f i ) = (e (avgi * fi)-e (avgi * fmax) ) / (e (avgi * fmin)-e (avgi * fmax) )
Is calculated using the formula
here,
w (f i ) is the weighting factor for the i th scan frequency,
avg i is the average value of the pixel output values at the i-th scan frequency and the next lower scan frequency,
f min is the lowest scan frequency,
f max is the highest scan frequency,
The method of claim 9.
前記複数のスキャン周波数が、
前記超音波センサの前記撮像面に指がない状態で、複数の超音波試験周波数においてスキャンし、
ピーク試験周波数を特定することによって選択され、ピーク試験周波数が、すぐ下の試験周波数およびすぐ上の試験周波数が前記ピーク試験周波数よりも少ないエネルギーを返す試験周波数である、請求項1に記載の方法。
The plurality of scan frequencies are
Scanning at a plurality of ultrasonic test frequencies with no finger on the imaging surface of the ultrasonic sensor,
The method of claim 1, wherein the method is selected by identifying a peak test frequency, wherein the peak test frequency is a test frequency at which the test frequency immediately below and the test frequency immediately above returns less energy than the peak test frequency. .
ピーク試験周波数を選択するステップであって、各々の選択されたピーク試験周波数が他の試験周波数の大部分よりも高い反射エネルギーを有する、ステップと、前記選択されたピーク試験周波数を前記複数のスキャン周波数として使用するステップとをさらに含む、請求項11に記載の方法。   Selecting a peak test frequency, each selected peak test frequency having a reflected energy higher than a majority of the other test frequencies, and scanning the selected peak test frequency with the plurality of scans. 12. The method of claim 11, further comprising using as a frequency. 前記ピーク試験周波数の画像品質を評価するステップと、
ピーク試験周波数を選択するステップであって、各々の選択されたピーク試験周波数が他のピーク試験周波数よりも良好な画像品質を有する、ステップと、前記選択されたピーク試験周波数を前記複数のスキャン周波数として使用するステップとをさらに含む、請求項11に記載の方法。
Evaluating the image quality of the peak test frequency;
Selecting a peak test frequency, each selected peak test frequency having better image quality than the other peak test frequencies; and selecting the selected peak test frequencies to the plurality of scan frequencies. 12. The method of claim 11, further comprising using as a step.
前記ピーク試験周波数の1つを選択するステップと、
前記選択されたピーク試験周波数を前記複数のスキャン周波数の1つとして使用するステップとをさらに含む、請求項11に記載の方法。
Selecting one of the peak test frequencies;
12. The method of claim 11, further comprising using the selected peak test frequency as one of the plurality of scan frequencies.
所定のオフセットを前記ピーク試験周波数の前記選択された1つに加算または減算することによって、前記複数のスキャン周波数の追加のスキャン周波数を特定するステップをさらに含む、請求項14に記載の方法。   15. The method of claim 14, further comprising identifying additional scan frequencies of the plurality of scan frequencies by adding or subtracting a predetermined offset to the selected one of the peak test frequencies. 前記ピーク試験周波数の前記選択された1つを含む範囲を特定し、
前記特定された範囲内にあるように前記スキャン周波数を選択する
ことによって、前記複数のスキャン周波数の追加のスキャン周波数を特定するステップをさらに含む、請求項14に記載の方法。
Identify a range including the selected one of the peak test frequencies;
15. The method of claim 14, further comprising identifying an additional scan frequency of the plurality of scan frequencies by selecting the scan frequency to be within the identified range.
前記選択されたピーク試験周波数の高調波を特定することによって、前記複数のスキャン周波数の追加のスキャン周波数を特定するステップをさらに含む、請求項14に記載の方法。   15. The method of claim 14, further comprising identifying additional scan frequencies of the plurality of scan frequencies by identifying harmonics of the selected peak test frequency. 超音波情報セットを生成するステップがさらに、各ピクセルに対する生体性のベクトルを生成するステップを含む、請求項3に記載の方法。   4. The method of claim 3, wherein generating the ultrasound information set further comprises generating a biological vector for each pixel. 指をスキャンするためのシステムであって、
指を受け入れるように構成される撮像面と、
複数の電気信号に応答して、前記撮像面に向けられた1つまたは複数の平面超音波を生成するための平面超音波送信機と、
前記信号生成器から電気信号を受け取り、前記電気信号を使用して前記超音波送信機を駆動するように構成される、送信機ドライバ増幅器と、
前記撮像面から1つまたは複数の反射された超音波信号を受信するように構成される超音波センサアレイと、
関心のある各周波数における前記1つまたは複数の反射された超音波信号に対応する画像情報セットを生成し、前記画像情報セットを合成するための電子サブシステムとを含む、システム。
A system for scanning a finger,
An imaging surface configured to accept a finger;
A planar ultrasound transmitter for generating one or more planar ultrasound waves directed to the imaging surface in response to a plurality of electrical signals;
A transmitter driver amplifier configured to receive an electrical signal from the signal generator and use the electrical signal to drive the ultrasound transmitter;
An ultrasonic sensor array configured to receive one or more reflected ultrasonic signals from the imaging surface;
An electronic subsystem for generating and synthesizing the image information set corresponding to the one or more reflected ultrasound signals at each frequency of interest.
超音波周波数範囲内の複数の異なる離散周波数の電気信号を前記平面超音波送信機に送信するように構成される信号生成器をさらに含む、請求項19に記載のシステム。   20. The system of claim 19, further comprising a signal generator configured to transmit a plurality of different discrete frequency electrical signals within an ultrasound frequency range to the planar ultrasound transmitter. 超音波周波数範囲内の複数の変化する周波数の電気信号を前記平面超音波送信機に送信するように構成される信号生成器をさらに含む、請求項19に記載のシステム。   20. The system of claim 19, further comprising a signal generator configured to transmit electrical signals at a plurality of varying frequencies within an ultrasound frequency range to the planar ultrasound transmitter. 前記1つまたは複数の受信された超音波を周波数成分へと分離するためのバンドパスフィルタのセットをさらに含む、請求項19に記載のシステム。   20. The system of claim 19, further comprising a set of bandpass filters for separating the one or more received ultrasound waves into frequency components. 前記システムによって収集される前記情報セットが、出力画像を生成するためにヒューリスティックに合成される、請求項22に記載のシステム。   23. The system of claim 22, wherein the information set collected by the system is heuristically synthesized to produce an output image. 前記システムによって収集される前記情報セットが、出力画像を生成するためにネイマン-ピアソンマルチモーダル融合システムを使用して確率論的に合成される、請求項23に記載のシステム。   24. The system of claim 23, wherein the information set collected by the system is probabilistically synthesized using a Neiman-Pearson multimodal fusion system to generate an output image. コンピュータ実行可能コードを記憶する非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記実行可能コードが、
複数の超音波スキャン周波数によって、超音波センサの撮像面に置かれた指をスキャンするための命令と、
前記スキャン周波数の各々のために、前記超音波センサの複数のピクセルから超音波画像情報セットを生成するための命令であって、前記画像情報セットが前記複数のピクセルの各々からのピクセル出力値を含み、各ピクセル出力値が前記撮像面から反射されるエネルギーの量を示す、命令と、
前記スキャン周波数の各々に対応する前記画像情報セットを合成して、合成された画像情報セットを生成するための命令であって、前記合成された画像情報セットが前記複数のピクセルの各々からの合成されたピクセル出力値を含む、命令とを含む、非一時的コンピュータ可読媒体。
A non-transitory computer readable medium storing computer executable code, the executable code comprising:
Instructions for scanning a finger placed on the imaging surface of the ultrasonic sensor with a plurality of ultrasonic scan frequencies;
Instructions for generating an ultrasound image information set from a plurality of pixels of the ultrasound sensor for each of the scan frequencies, wherein the image information set includes a pixel output value from each of the plurality of pixels. Instructions, each pixel output value indicating the amount of energy reflected from the imaging surface;
An instruction for combining the image information sets corresponding to each of the scan frequencies to generate a combined image information set, wherein the combined image information set is combined from each of the plurality of pixels. A non-transitory computer readable medium comprising instructions including a programmed pixel output value.
各ピクセル出力値をグレースケール値に変換するための命令と、
前記複数のピクセルのための前記グレースケール値を、前記指の指紋を表す前記合成された画像情報セットとして提供するための命令とをさらに含む、請求項25に記載の方法。
Instructions for converting each pixel output value to a grayscale value;
26. The method of claim 25, further comprising instructions for providing the grayscale values for the plurality of pixels as the composite image information set representing the fingerprint of the finger.
前記複数の超音波画像情報セットを使用して生体性の決定を行うための命令と、
前記生体性の決定を示す生体性出力信号を提供するための命令とをさらに含む、請求項25に記載の方法。
Instructions for making a biological determination using the plurality of ultrasound image information sets;
26. The method of claim 25, further comprising instructions for providing a biological output signal indicative of the biological determination.
指をスキャンするためのシステムであって、
超音波周波数範囲内の異なる離散周波数の電気信号を作成することが可能な信号生成器に応答して、1つまたは複数の平面超音波(「MFG」)を生成するための手段と、
前記信号生成器からの電気信号に応答して前記MFGを駆動するための手段と、
前記指に接触して、前記MFGからの超音波を超音波信号として超音波センサアレイ手段に反射するための手段であって、前記超音波センサアレイ手段が、前記反射された超音波信号を受信するように構成される、手段と、
関心のある各周波数における各々の受信された反射された超音波信号のための前記指の画像情報セットを形成し、前記形成された画像情報セットを合成するための手段とを含む、システム。
A system for scanning a finger,
Means for generating one or more planar ultrasound waves (`` MFG '') in response to a signal generator capable of generating electrical signals of different discrete frequencies within the ultrasonic frequency range;
Means for driving the MFG in response to an electrical signal from the signal generator;
A means for touching the finger and reflecting ultrasonic waves from the MFG as an ultrasonic signal to an ultrasonic sensor array means, the ultrasonic sensor array means receiving the reflected ultrasonic signal Means configured to, and
Forming a finger image information set for each received reflected ultrasound signal at each frequency of interest, and means for synthesizing the formed image information set.
前記1つまたは複数の受信された超音波信号を周波数成分へと分離するための手段をさらに含む、請求項28に記載のシステム。   30. The system of claim 28, further comprising means for separating the one or more received ultrasound signals into frequency components. 前記形成された画像情報セットを合成するための前記手段が、出力画像をヒューリスティックに生成するように、または、ネイマン-ピアソンマルチモーダル融合を使用して出力画像を確率論的に生成するように構成される、請求項29に記載のシステム。   The means for synthesizing the formed image information set is configured to heuristically generate an output image or to generate an output image stochastically using Neiman-Pearson multimodal fusion 30. The system of claim 29, wherein:
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