СПОСОБ ЕМКОСТНОЙ СЪЕМКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G06K7/08 

Изобретение относится к способу емкостной съемки изображения, который особенно пригоден для снятия отпечатков пальцев посредством емкостных измерительных датчиков.

В случае емкостных поверхностных датчиков, например в случае датчиков отпечатков пальцев, измеряется расстояние между измеряемым объектом (например, поверхностью пальца) и датчиком с помощью растровой конфигурации малых проводящих участков (контактных площадок). В случае датчиков отпечатков пальцев эти проводящие участки очень малы и имеют размеры порядка от 50 до 100 мкм. Подобные емкостные измерительные датчики отпечатков пальцев описаны, например, в обзорной статье M. Tartagni, R. Guerrieri: "A 390dpi Live Fingerprint Imager Based on Feedback Capacitive Sensing Scheme", ISSCC97, pp. 154, 155, 402. Емкости по отношению к объекту измерения очень малы, так что паразитные емкости, например, по отношению к соседнему проводнику или к носителю соответствующего датчика оказывают помеховое влияние на результат измерений. Чтобы иметь возможность отделить малые сигналы измерений от относительно больших помеховых сигналов, требуются чувствительные усилители. Содержащиеся в усиливаемых сигналах помеховые сигналы могут подавляться либо непосредственно при измерении, либо после аналого-цифрового преобразования путем цифровой обработки принятых сигналов. Такие операции влекут за собой дополнительные затраты и требуют высокой точности.

Задачей настоящего изобретения является создание способа емкостной съемки изображения, который особенно пригоден для снятия отпечатков пальцев и может быть реализован при незначительных технических затратах.

Эта задача решается способом, характеризуемым признаками пункта 1 формулы изобретения. Возможные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах.

В соответствии с изобретением применяется устройство, содержащее отдельные датчики емкостных измерений, которые включают в себя соответственно проводящие пластины, используемые частично в качестве измерительного проводника, а частично - в качестве экранирующего проводника, чтобы экранировать емкости отдельных датчиков от влияния соседних датчиков. Посредством транзисторов, используемых в качестве переключателей, циклически к общему проводнику прикладывается заданный электрический потенциал, и заряд, который вследствие обусловленных изображением различных емкостей по отношению к измерительным проводникам накапливается на них, отводится на накопительный конденсатор. В этом процессе посредством подключенного компенсационного проводника, который в предпочтительном варианте выполнения имеет компаратор с обратной связью, обеспечивается то, что потенциал на проводниках по меньшей мере приближенно сохраняется выровненным, так что к конденсатору не прикладывается электрическое напряжение, и имеющийся заряд может определяться только посредством еще одной внешней емкости, но не нежелательными токами смещения между проводниками.

Поверхность подлежащего съемке изображения, которое вызывает локально изменяющуюся емкость по отношению к проводникам, упорядоченным в растр, что имеет место в случае поверхности кожи отпечатка пальца, во время процесса измерений располагается параллельно плоскости проводника. В результате формируется различный заряд на отдельных участках измерений, соответственно емкости имеющегося изображения. Посредством многократного заряда и разряда конденсаторов отдельных датчиков можно суммировать накапливаемый таким образом заряд на другом конденсаторе до тех пор, пока не появится возможность измерить эти заряды с незначительными техническими затратами. Проводники, включая предусмотренные в качестве защитного кольца, благодаря применяемой схеме находятся постоянно под одним и тем же потенциалом, так что между всеми имеющимися участками проводников не возникают токи смещения. Таким путем достигается то, что с использованием в принципе известной конфигурации датчиков для съемки изображений, можно осуществить съемку таких изображений, как отпечатки пальцев, которые вызывают лишь очень незначительные различия в емкостях.

Более детальное описание соответствующего изобретению способа приведено ниже со ссылками на фиг.1-3, на которых показано следующее:
Фиг. 1 - схема отдельного датчика, схема которого пригодна для использования заявленного способа.

Фиг. 2 - диаграммы электрических потенциалов в различных точках схемы по фиг.1.

Фиг.3 - вид сверху конфигурации электрических проводников, пригодной для использования в заявленном способе.

На фиг.1 представлена пригодная для осуществления способа схема конфигурации проводников в двух копланарных плоскостях в поперечном сечении. Фрагмент поверхности изображения, например, дорожки отпечатка пальца, находится над измерительным проводником 2 верхней плоскости проводников. Этот измерительный проводник 2 предусмотрен в каждом отдельном датчике для измерения емкости между плоскостью 1 изображения и этой плоскостью проводников (емкость 3 между изображением и проводником). В этой же плоскости по бокам от измерительного проводника 2 находятся другие проводники в качестве верхних экранирующих проводников. Во второй плоскости напротив измерительного проводника 2 размещен соответственно еще один проводник, который образует нижний экранирующий проводник 7 и с которым электропроводным способом связан верхний экранирующий проводник 8. Имеющаяся между измерительным проводником 2 и верхним экранирующим проводником 8 емкость 5 экранирования и имеющаяся между измерительным проводником 2 и нижним экранирующим проводником 7 емкость 6 экранирования показаны пунктиром, как и емкость 3 между изображением и проводником, чтобы подчеркнуть, что на соответствующих местах в действительности нет обкладок конденсаторов, а имеется в виду функциональная схема конденсатора. Верхний экранирующий проводник 8 можно в данном примере представить таким образом, что он окружает измерительный проводник 2. Обе показанные на фиг.1 части верхнего экранирующего проводника образуют поперечное сечение такого экранирующего проводника, расположенного вокруг измерительного проводника 2.

На фиг. 1, кроме того, в качестве примера приведена соответствующая схема, с помощью которой осуществляется измерение. Соответствующий изобретению способ осуществляется таким образом, что сначала для каждого минимального элемента изображения (пикселя) поля изображения на соответствующие проводники (измерительный проводник и экранирующий проводник) подается определенный потенциал. Это происходит с помощью показанной схемы таким образом, что показанные сверху на чертеже транзисторы с помощью тактового управления Ф₁ переводятся в проводящее состояние, так что потенциал вывода V_DD прикладывается к показанным на чертеже точкам S и Р и тем самым к проводникам 2, 7, 8 отдельных датчиков. Посредством второго тактового управления Ф₂ и обоих показанных в нижней части Фиг.1 транзисторов заряд на проводниках отводится так, что насколько это возможно реализовать схемотехническими средствами между измерительным проводником 2 и обоими экранирующими проводниками 7, 8 отсутствует разность потенциалов.

Предпочтительно это достигается с помощью схемного блока 9, который обеспечивает то, что в точках Q и R всегда приложен один и тот же потенциал. Этот схемный блок 9 предпочтительно выполнен на операционном усилителе 10 с обратной связью. Когда посредством тактового управления Ф₂ нижние транзисторы переводятся в проводящее состояние, обеспечивается то, что к точкам Р и S схемы прикладывается один и тот же потенциал. Потенциал в предпочтительном варианте осуществления способа для каждого элемента изображения, т.е. каждого отдельного датчика, отдельно отводится дальше, как описано, что препятствует возникновению разности потенциалов на проводниках. Таким путем достигается более высокая чувствительность отдельного измерения, потому что помехи или паразитные емкости экранируются, и нежелательные токи смещения подавляются. Кроме того, электрическое поле между обеими плоскостями проводников на краю измерительного проводника 2 становится однородным. Нижний экранирующий проводник 7 экранирует, кроме того, измерительную конфигурацию от паразитных емкостей, которые вызываются, например, подложкой, на которой размещено устройство (емкость 4 между датчиком и подложкой, показанная на фиг. 1). В качестве нижнего экранирующего проводника 7 принципиально могут использоваться любые противоэлектроды многослойной металлизации.

Цикл разряда измерительного устройства, проводимый после каждого цикла заряда, осуществляется через накопительный конденсатор C_s, на котором накапливаются заряды до тех пор, пока заряд на этом конденсаторе или соответственно напряжение, приложенное к этому конденсатору, не станет настолько большим, что его можно будет измерить с незначительными техническими затратами. Ввиду различных емкостей 3 между изображением и проводником на проводниках, соответствующих отдельным элементам изображения, формируются различные заряды. Соответственно заряды, накопленные на накопительном конденсаторе C_s для отдельных точек изображения, различаются, так что из величин этих зарядов может быть восстановлено изображение.

Предпочтительно отдельные точки изображения посредством проводников считывания LL управляются аналогично полю элементов матричного запоминающего устройства. Подобное устройство является дорогостоящим. Оно требует использования, в частности, операционного усилителя 10 и компенсационного проводника LLN на каждый элемент растровой конфигурации отдельных датчиков.

Соответствующий изобретению способ можно реализовать и с более простой структурой проводников, если отказаться от полной компенсации разности потенциалов между измерительными проводниками 2 и экранирующими проводниками 7, 8. Тогда для компенсации достаточно использовать схему 9 и обойтись одним операционным усилителем 10 для всех проводников считывания LL. Этот операционный усилитель управляется в этом случае с помощью одного проводника считывания LL, например, в центре поля элементов (растровой конфигурации отдельных датчиков). Так как характеристика изменения потенциала во время процессов заряда и разряда соответствует средней характеристике этих процессов для отдельных датчиков, компенсация в каждом отдельном датчике осуществляется с довольно высокой точностью.

Другая возможность выполнения способа с помощью относительно простого устройства состоит в том, чтобы вообще отказаться от управления посредством проводника считывания. Все проводники считывания моделируются посредством измеряемой емкости датчика, заряд которого просто отводится на накопительный конденсатор C_s. Сбор этих зарядов осуществляется измерительными средствами, когда после нескольких циклов заряда и разряда на нем накопится достаточно зарядов. Простейшая форма компенсации состоит в определении по постоянному напряжению. Для этого к точке Q схемы прикладывают постоянный потенциал, и в этом случае обходятся без блока 9. Этот потенциал одинаков для всех отдельных датчиков. Хотя компенсационный проводник сначала имеет слишком малое, а в конце - слишком большое напряжение, в среднем компенсация выравнивается. В обоих описанных случаях с использованием однотипной компенсации для всех отдельных датчиков управление можно осуществлять от края поля датчиков, что сильно сокращает схемотехнические затраты.

На фиг.2 приведены типовые характеристики изменения потенциала в отдельных точках схемы, представленной на фиг.1. Такты разряда Ф₂ смещены во времени по отношению к тактам заряда Ф₁. Характеристики изменения напряжения в точках Р и S ввиду предпринятой компенсации равны, а в случае упрощенной схемы по меньшей мере приближенно равны. Напряжение в точках Р и соответственно S спадает при разрядах на все уменьшающееся значение, так как накопительный конденсатор C_s постепенно заряжается, и поэтому минимальное напряжение в точках Р и соответственно S с течением времени уменьшается. На фиг. 2 также показаны потенциалы в точке Р и в точке Q, причем потенциал в точке Q в процессе компенсации изменяется соответственно потенциалу в точке R.

На фиг. 3 показана растровая конфигурация измерительных проводников 2 верхней плоскости проводников с верхними экранирующими проводниками 8. Эти экранирующие проводники 8 показаны здесь в качестве примера в виде полос между отдельными столбцами 11 матричной конфигурации. Вместо такого экранирования между отдельными столбцами конфигурации могут также использоваться экранирующие проводники 8 вокруг каждого измерительного проводника 2, как показано пунктирными линиями.

Соответствующий изобретению способ может быть реализован независимо от точного структурирования проводников. Существенным при этом является только то, что для каждой точки изображения имеется группа проводников, из которых определенный проводник обращен к плоскости изображения и предусмотрен для измерения, в то время как остальные проводники служат для экранирования. Должна иметься схема, с помощью которой электрический потенциал на экранирующих проводниках при заряде и при разряде измерительного проводника можно довести до потенциала измерительного проводника. Геометрическая конфигурация экранирующих проводников может быть легко согласована с любыми требованиями.

Изобретение относится к способам распознавания образов. Его применение в дактилоскопических исследованиях посредством емкостных датчиков, упорядоченных в растр, позволяет получить технический результат в виде упрощенного снятия отпечатков пальцев. Этот результат достигается благодаря тому, что считываемое изображение помещается над измерительными проводниками, между которыми используют экранирующие проводники; в течение нескольких циклов заряда и разряда потенциал на проводниках, относящихся к каждому элементу изображения, изменяют одинаковым образом, чтобы предотвратить возникновение токов смещения между проводниками экранирования. Для одинакового изменения электрического потенциала на этих проводниках можно использовать, например, операционный усилитель с обратной связью, управляемый с помощью одного проводника считывания. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ емкостной съемки изображений, при котором: а) плоскость (1), подлежащую съемке в качестве изображения, разлагают в растровой форме на элементы изображения, которым ставят в соответствие конфигурацию электрических проводников, которая по меньшей мере для каждого элемента изображения включает в себя измерительный проводник (2) и экранирующий проводник (7, 8); b) плоскость (1), подлежащую съемке в качестве изображения, размещают напротив измерительных проводников (2) так, что между элементами изображения и измерительными проводниками (2) соответственно имеется емкость, зависящая от соответствующего элемента изображения; с) для каждой точки изображения соответственно измерительный проводник (2) и экранирующий проводник (7, 8) с одним и тем же потенциалом соединяют и вновь разъединяют; d) для каждой точки изображения заряд, имеющийся на измерительном проводнике (2) и/или на экранирующем проводнике (7, 8), разряжают на соответствующий накопительный конденсатор С_S, причем одновременно компенсируют имеющуюся между измерительным проводником (2) и экранирующим проводником (7, 8) разность потенциалов и е) повторяют этапы (с) и (d), пока накопленные на накопительных конденсаторах C_S заряды не достигнут по меньшей мере предварительно заданного значения, достаточного для отдельного измерения каждого накопительного конденсатора. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что разность потенциалов между соответствующим измерительным проводником (2) и соответствующим экранирующим проводником (7, 8) для всех точек изображения компенсируют одинаковым образом тем, что к экранирующим проводникам (7, 8) прикладывают один и тот же предварительно заданный потенциал. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что разность потенциалов между соответствующим измерительным проводником (2) и соответствующим экранирующим проводником (7, 8) для всех точек изображения компенсируют отдельно тем, что к экранирующим проводникам (7, 8) прикладывают один и тот же потенциал, который в данный момент приложен к измерительному проводнику (2).