PL184551B1

PL184551B1 - Sposób identyfikacji struktury i lub usytuowania obiektu i urządzenie do identyfikacji struktury i lub usytuowania obiektu

Info

Publication number: PL184551B1
Application number: PL96325340A
Authority: PL
Inventors: Bicz@Wiesław
Original assignee: Sonident Anstalt
Priority date: 1995-09-07
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 2002-11-29
Also published as: KR19990044467A; ES2138834T3; ATE182450T1; EP0850019B1; WO1997008990A1; CA2231248A1; DK0850019T3; DE19636124A1; JPH11512182A; PL325340A1; EP0850019A1; DE59602565D1; KR100558140B1

Abstract

3. Urzadzenie do identyfikacji struktury i/lub usytuowania obiektu, zawierajace plyte z materialu przewodzacego fale dzwiekowe, stanowiaca powierzchnie kontaktowa dla obiektu badanego oraz co najmniej jeden od- biornik i co najmniej jeden nadajnik fal ultra- dzwiekowych przymocowane do brzegów plyty, znamienne tym, ze przetworniki (4, 5) nadawcze i przetworniki (3) odbiorcze sa przetwornikami fal poprzecznych, przy czym jeden przetwornik stanowi korzystnie zarówno nadajnik jak i odbiornik. Fig. 1 Fig. 2 PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób identyfikacji struktury i/lub usytuowania obiektu i urządzenie do identyfikacji struktury i/lub usytuowania obiektu za pomocą fal ultradźwiękowych.

Sposób identyfikacji struktury i/lub usytuowania obiektu według wynalazku wykorzystuje fale ultradźwiękowe, które doprowadza się do obiektu umieszczonego na powierzchni płyty, przy czym fale ultradźwiękowe prowadzi się wzdłuż płyty a następnie rozproszone przez obiekt fale prowadzi się również wzdłuż płyty do przetworników umieszczonych na jej obrzeżu. Tego rodzaju urządzenia do identyfikacji struktury i/lub usytuowania obiektu przy pomocy fal ultradźwiękowych, zawierają płytę z materiału przewodzącego fale dźwiękowe, stanowiącą powierzchnię kontaktową dla obiektu badanego oraz co najmniej jeden odbiornik i co najmniej jeden nadajnik fal ultradźwiękowych przymocowane do brzegów płyty. Jest to znane na przykład z opisów EP 0557446 i EP 0523200, które mogą rozpoznać położenie obiektu, na przykład położenie palca na powierzchni ekranu. Urządzenia te, tak jak i rozwiązanie znane z opisu patentu amerykańskiego nr US 5072427, nie są w stanie analizować struktury obiektów, jak choćby palców, ponieważ posiadają one zbyt małą rozdzielczość i nie były wykonane do realizacji takiego zadania. Także sposób ich działania jest inny, ponieważ wykorzystują one jedynie wywołane przez obiekt tłumienie fal ultradźwiękowych, co z zasady nie pozwala na odczytanie jego struktury. I tak na przykład rozwiązanie znane z US 5072427 wykorzystując tłumienie fali przez przyłożony obiekt porównuje tylko stan przed przyłożeniem i po przyłożeniu obiektu sygnalizując jego obecność lub jej brak.

Ponadto urządzenia analizujące strukturę obiektów warstwowych przy pomocy ultradźwięków są znane, na przykład z opisu europejskiego patentu EP0262186. Są one oparte na zasadzie tomografii odbiciowej. Ich sposób działania przedstawiony został w formie referatu pod tytułem „Ultrasonic setup for fingerprint pattern detection and evaluation” na konferencji Acoustical Imaging w roku 1995 we Florencji i opublikowany w tomie, zawierającym prace z tej konferencji (Acoustical Imaging 22, Plenum Press). W tym znanym urządzeniu obiekt, leżący na powierzchni urządzenia nadźwiękawiany jest przez umieszczony naprzeciw nadajnik, znajdujący się w obudowie wypełnionej wodą. Użyte może być kilka nadajników i odbiorników lub też jeden przetwornik nadawczo-odbiorczy, umieszczony na nośniku, poruszającym się po wyznaczonej trajektorii. W ten sposób ujęty być może opuszek palca lub inny obiekt, znajdujący się na powierzchni kontaktowej urządzenia. Fale odbite lub rozproszone przez ten obiekt odbierane są przez odbiornik, który informację o ich amplitudzie i fazie przekazuje - przy pomocy wzmacniacza sterowania zależnego od czasu, ewentualnie detektora - komputerowi do analizy i zapisu.

Fale dźwiękowe, które docierają do palca lub też innych badanych obiektów, są wychodzącymi z jednego lub wielu nadajników falami objętościowymi, tak jak i fale odbite i rozproszone; wszystkie one mają częstości od 2 MHz wzwyż.

Okazało się, że urządzenia tego typu są skomplikowane w produkcji, w szczególności dlatego, że obudowa musi być wypełniona wodą. Wymaga to całkowitego jej uszczelnienia, a umieszczone w cieczy przetworniki są dodatkowym źródłem problemów.

Ponadto urządzenia tego typu są z powodu wypełnionej wodą obudowy i użycia fal objętościowych względnie duże, ponieważ nie jest możliwe zmniejszenie ich poniżej pewnej wielkości. Nie pozwalają one też na użycie powierzchni kontaktowej (do której

184 551 przykładany jest badany obiekt) o dużych rozmiarach, co uniemożliwia analizę obiektów o większej powierzchni (np. rąk ludzkich).

Znane są też urządzenia umożliwiające jedynie określanie położenia. Tego typu czujnik kontaktowy opisany jest w patencie JP-A-2195289. Składa się on ze służącej jako falowód rurki, na której niezamkniętym końcu umieszczony jest przetwornik ultradźwiękowy, służący jako nadajnik i odbiornik, podłączony do obwodów przekazujących sygnały i mierzących czas, sprzężonych z procesorem obliczającym dystans. Zależnie od mechanicznego nacisku na falowód występuje odbicie fal ultradźwiękowych i możliwe jest obliczenie punktu nacisku. Przy pomocy tego urządzenia nie może być dokonana analiza struktury.

Celem wynalazku jest zaproponowanie sposobu i urządzenia do analizy struktur powierzchni i strefy przypowierzniowej i/lub położenia obiektów, dopuszczających bardziej zwarty bieg fal i umożliwiających płaskie, małe i zwarte wykonanie. Urządzenie ma być technicznie łatwiejsze do wykonania od dotychczasowych, przy porównywalnych wynikach analizy.

Sposób identyfikacji struktury i/lub usytuowania obiektu, w którym do obiektu umieszczonego na powierzchni płyty doprowadza się fale ultradźwiękowe prowadzone wzdłuż płyty a następnie rozproszone przez obiekt fale prowadzi się do przetworników umieszczonych na jej obrzeżu, polega według wynalazku na tym, że obiekt nadźwiękowuje się spolaryzowanymi horyzontalnie (SH) falami ultradźwiękowymi poprzecznymi, przy czym sygnały elektryczne prowadzi się do przetworników odbiorczych, których sygnały wyjściowe reprezentujące jednowymiarowe rzuty obiektu transformuje się według znanych zasad rekonstrukcji obrazów dwuwymiarowych lub sygnały elektryczne z przetworników odbiorczych zawierające informacje o strukturze i usytuowaniu obiektu przetwarza się przez składanie linii.

Urządzenie do identyfikacji struktury i/lub usytuowania obiektu przy pomocy fal ultradźwiękowych, zawierające płytę z materiału przewodzącego fale dźwiękowe, stanowiącą powierzchnię kontaktową dla obiektu badanego oraz co najmniej jeden odbiornik i co najmniej jeden nadajnik fal ultradźwiękowych przymocowane do brzegów płyty, charakteryzuje się według wynalazku tym, że przetworniki nadawcze i przetworniki odbiorcze są przetwornikami fal poprzecznych, przy czym jeden przetwornik stanowi korzystnie zarówno nadajnik jak i odbiornik.

Korzystnie, płyta urządzenia jest ze szkła, metalu lub kryształu charakteryzujących się małym tłumieniem fal ultradźwiękowych.

Korzystnie, płyta zawiera co najmniej jeden falowód do prowadzenia rozproszonych i/lub odbitych od obiektu fal, przy czym falowód może mieć postać kanału utworzonego przez zmianę gęstości płyty.

Falowód może być utworzony z dwóch materiałów, przy czym zwłaszcza rdzeń falowodu jest wykonany z innego materiału niż jego otoczka.

Korzystnie, urządzenie u dołu płyty ma umieszczony nadajnik.

Urządzenie może mieć płytę zawierającą wiele umieszczonych obok siebie falowodów, na których końcach znajdują się odbiorcze przetworniki.

Falowody mogą mieć przebieg linii łamanej ukierunkowanej spiralnie lub mogą mieć przebieg spiralny.

Możliwe jest też zastosowanie falowodów o zarysie meandrowym, przy czym dłuższe odcinki tego zarysu przebiegają równolegle do siebie.

Korzystnie, wymiary przekroju poprzecznego falowodów są 5-10 razy większe niż długość fali ultradźwiękowej.

Korzystnie, płyta urządzenia jest sferycznie wyoblona.

Jak się okazało na podstawie eksperymentów, także fale dźwiękowe, prowadzone w opisany sposób, dostarczaj ąjednoznaczne i powtarzalne analizy struktury i/lub położenia obiektów. Użyta jest przy tym płyta dowolnych rozmiarów. Nadajnik i odbiornik mogą się też znajdować pod płytą. Do nadźwiękawiania użyte są - zgodnie z wynalazkiem - fale poprzeczne (typu SH), czyli spolaryzowane horyzontalnie. Przetworniki na brzegu płyty mogą oczywiście służyć jednocześnie jako nadajniki i odbiorniki, ponieważ także w przypadku fal

184 551 ultradźwiękowych, wytworzonych lub odebranych na brzegu płyty, prowadzonych wzdłuż jej powierzchni, następuje silne i powtarzalne rozproszenie i/lub odbicie na badanej strukturze, przyłożonej do płyty.

Przynajmniej jedna powierzchnia płyty tworzy ograniczenie, dwuwymiarowo prowadzące falę. Jest przy tym obojętne, czy wysyłana jest fala prowadzona w sposób wymuszony czy też normalna (objętościowa), fala odbita i/lub rozproszona przez obiekt jest dwuwymiarowo prowadzona przez granicę/granice płyty.

Płyta może być też wyposażona w jeden lub wiele kanałów, przez co uzyskana zostaje fala jednowymiarowa, doprowadzana do odbiornika na końcu kanału. Kanały mogą być utworzone przez użycie dwóch graniczących ze sobą materiałów, w sposób podobny jak dzieje się to w przypadku falowodów optycznych, przy czym jądro kanału i jego osłona mogą być wykonane z różnych materiałów

Grubość płyty wynosi 1/3 do 3 mm i jest zależna od długości fali. Okazało się mianowicie, że najkorzystniejsze wymiary grubości płyty leżą w zakresie 5-10 długości użytej fali ultradźwiękowej. W przypadku kanałów w płycie, ich średnica powinna być również 5-10 razy większa niż długość użytej fali ultradźwiękowej. Praktycznie jednowymiarowe prowadzenie fali posiada ponadto jeszcze tą zaletę, że sygnały przychodzą jeden za drugim i tak też mogą być przetwarzane. Możliwe jest używanie grubszych płyt.

Urządzenie zgodne z wynalazkiem charakteryzuje się - w porównaniu ze znanymi urządzeniami - zaletami wynikającymi z płaskiej konstrukcji, przy powtarzalnych i dokładnych danych. Poza tym jego konstrukcja jest mocno uproszczona, odpada bowiem wypełniona wodą obudowa. Propagacja fal ultradźwiękowych odbywa się w obrębie ciała stałego o kształcie płyty, niekonieczne są po temu żadne dodatkowe środki. Umożliwia to konstrukcję małych urządzeń, na przykład wielkości klawisza. Poza tym możliwe jest też wykonanie urządzeń o większych rozmiarach, mogących analizować strukturę obiektu, ale także i jego położenie, co może być na przykład korzystne w sterowaniu komputerami, podobnie jak przy znanych ekranach dotykowych (touch panels) i umożliwia analizę większych obiektów, na przykład całych rąk.

Wynalazek zostanie bliżej przedstawiony w oparciu o przykłady wykonania uwidocznione na rysunku, którego kolejne figury pokazują: fig. 1 - widok z boku w przedstawieniu schematycznym urządzenia, fig. 2 - widok z góry urządzenia przedstawionego na fig. 1, fig. 3 - urządzenie z płytą wyposażoną w jednowymiarowe falowody, fig. 4 - przebieg kanałów w płycie i fig. 5 - dwa kanały w formie spiralnej, umieszczone w jednej płycie.

Figura 1 pokazuje w przedstawionym przykładzie okrągłą płytę 1 z przymocowanymi do jej brzegów przetwornikami 3 i jednym przetwornikiem w postaci nadajnika 2, umieszczonym na spodzie płyty. Na fig. 2, pokazującej widok tej płyty z góry jest widoczne, że przetworniki 4 i 5 umieszczone są wokół płyty 1. Mogą one być zastosowane zarówno jako nadajniki, jak też jako odbiorniki. Przetwornik 2, który może być zastosowany ale nie musi, nie jest widoczny na fig. 2.

W urządzeniu przedstawionym schematycznie na fig. 1 i 2 używane są fale poprzeczne z zakresu ultradźwiękowego, propagujące się w płycie wzdłuż jednej lub obu jej powierzchni granicznych.

Chodzi więc tutaj o fale prowadzone w sposób wymuszony, czyli takie, które nie mogą się rozprzestrzeniać we wszystkich kierunkach. W płycie przedstawionej w przykładzie z fig. 1 i 2 wytwarzane &ą fale dwuwymiarowe, w czasie gt^^ płyty z kanałami dowolnego pochodzenia, jak na przykład te przedstawione na fig. 3, 4 i 5, przedstawiają fale, mogące się rozprzestrzeniać tylko w jednym kierunku. Falowód przedstawiony na fig. 5 ma postać dwuczęściowego falowodu 11, 12.

Podobnie jak w znanych urządzeniach wykorzystujących fale objętościowe, sygnały elektryczne pochodzące od przetworników odbiorczych przekazywane są - poprzez wzmacniacz i ewentualnie detektor, przy pomocy przetwornika analogowo-cyfrowego do komputera, który uzyskuje z nich informacje o strukturze i/lub położeniu analizowanej warstwy.

184 551

Sposób analizy, wykorzystywany przy użyciu fal dwuwymiarowych odpowiada tej, która stosowana jest we wspomnianych na wstępie urządzeniach z falami objętościowymi, może to być np. transformacja Radona, w której sygnały wyjściowe reprezentujące jednowymiarowe rzuty obiektu transformuje się według znanych zasad rekonstrukcji obrazów dwuwymiarowych. Obiekt nadźwiękowiany spolaryzowanymi horyzontalnie falami ultradźwiękowymi poprzecznymi, może być badany też w ten sposób, że sygnały z przetworników odbiorczych zawierające informacje o strukturze i usytuowaniu obiektu przetwarza się przez składanie linii. Wersja używająca falowody w postaci kanałów 6, 11,12 oferuje ponadto jeszcze prostszą możliwość, ponieważ w tym przypadku konieczne jest jedynie zebranie otrzymanych sygnałów, odpowiadające przebiegowi danego kanału 6,11,12.

Metody takie są naturalnie konieczne tylko wtedy, kiedy potrzebne jest oddanie obrazu badanej warstwy. W razie, kiedy cele są inne, mogą być użyte także inne metody obróbki sygnałów, np. zwykłe ich porównanie, inne rodzaje transformacji itd.

Zgodne z wynalazkiem płaskie wykonanie urządzenia oferuje poza tym jeszcze prostą możliwość rozpoznawania struktury i położenia przyłożonych do powierzchni kontaktowej urządzenia warstw obiektu, ponieważ płyta 1 umożliwia też jednowymiarowe prowadzenie fali. Korzyść analizy z wykorzystaniem takiego prowadzenia fali opiera się na możliwości dokonywania próbkowania po linii, czyli geometrycznego składania sygnałów pochodzących z falowodów.

Dla uzyskania fal jednowymiarowych płyta musi się składać, jak pokazano na fig. 3, z przebiegających obok siebie równoległych falowodów 6, których ściany boczne połączone są z sąsiednimi falowodami. Falowody 6 mają na swoich końcach przetworniki 7, które nadająkolejno a odebrane sygnały zamieniająna sygnały elektryczne.

Na fig. 4 pokazany jest falowód 8, pokrywający całą powierzchnię płyty 9 i przekazujący informację z nadźwiękawianego obiektu do przetwornika 10.

Na fig. 5 pokazane są dwa równoległe falowody w postaci kanałów 11 i 12, przebiegających w kształcie kanciastej spirali, przekazujące rozproszone sygnały ultradźwiękowe do przetworników 13 i 14, z których informacje przekazywane są do obróbki komputerowi.

Pokazane wzory przebiegów falowodów są tylko przykładowe, ponieważ przydatna może być każda forma, pozwalająca na jednowymiarowe przekazywanie sygnałów do przetwornika.

184 551

Fig. 4

AO

184 551

Fig. 5

184 551

Fig. 1

Fig.2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz

Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób identyfikacji struktury i/lub usytuowania obiektu, w którym do obiektu umieszczonego na powierzchni płyty doprowadza się fale ultradźwiękowe prowadzone wzdłuż płyty, a następnie rozproszone przez obiekt fale prowadzi się również wzdłuż płyty do przetworników umieszczonych na jej obrzeżu, znamienny tym, że obiekt nadźwiękowuje się spolaryzowanymi horyzontalnie (SH) falami ultradźwiękowymi poprzecznymi, przy czym sygnały elektryczne prowadzi się do przetworników odbiorczych, których sygnały wyjściowe reprezentujące jednowymiarowe rzuty obiektu transformuje się według znanych zasad rekonstrukcji obrazów dwuwymiarowych.
2. Sposób identyfikacji struktury i/lub usytuowania obiektu, w którym do obiektu umieszczonego na powierzchni płyty doprowadza się fale ultradźwiękowe prowadzone wzdłuż płyty a następnie rozproszone przez obiekt fale prowadzi się również wzdłuż płyty do przetworników umieszczonych na jej obrzeżu, znamienny tym, że obiekt nadźwiękowuje się spolaryzowanymi horyzontalnie (SH) falami ultradźwiękowymi poprzecznymi, a sygnały elektryczne z przetworników odbiorczych zawierające informacje o strukturze i usytuowaniu obiektu przetwarza się przez składanie linii.
3. Urządzenie do identyfikacji struktury i/lub usytuowania obiektu, zawierające płytę z materiału przewodzącego fale dźwiękowe, stanowiącą powierzchnię kontaktową dla obiektu badanego oraz co najmniej jeden odbiornik i co najmniej jeden nadajnik fal ultradźwiękowych przymocowane do brzegów płyty, znamienne tym, że przetworniki (4, 5) nadawcze i przetworniki (3) odbiorcze są przetwornikami fal poprzecznych, przy czym jeden przetwornik stanowi korzystnie zarówno nadajnik jak i odbiornik.
4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że płyta (1) jest ze szkła charakteryzującego się małym tłumieniem fal ultradźwiękowych.
5. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że płyta (1) jest z metalu charakteryzującego się małym tłumieniem fal ultradźwiękowych.
6. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że płyta (1) jest z kryształu charakteryzującego się małym tłumieniem fal ultradźwiękowych.
7. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że płyta (1) zawiera co najmniej jeden falowód (8,6 U, 12) do prowadzenia rozproszonych i/lub odbitych od obiektu fal.
8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że falowód (6, 11, 12) ma postać kanału utworzonego przez zmianę gęstości płyty (1).
9. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że falowód (6, 11,12) jest z dwóch materiałów.
10. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że falowód (6,11,12) ma rdzeń wykonany z innego materiału niż jego otoczka.
11. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że u dołu płyty (1) ma umieszczony nadajnik (2).
12. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że płyta (1) zawiera wiele umieszczonych obok siebie falowodów (6), na których końcach znajdują się odbiorcze przetworniki (7).
13. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że falowody (11, 12) mają przebieg linii łamanej ukierunkowanej spiralnie.
14. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że falowody (11, 12) mają przebieg spiralny.

184 551
15. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że falowód (8) ma przebieg o zarysie meandrowym, przy czym jego dłuższe odcinki przebiegają równolegle do siebie.
16. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że wymiary przekroju poprzecznego falowodów (6, 8 11» 12) są 5-10 razy większe niż długość fali ultradźwiękowej.
17. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że płyta (1) jest sferycznie wyoblona.