專利名稱：低穩定時間微掃描系統的制作方法
低穩定時間微掃描系統對相關申請的交叉引用
本申請按照35 U. S. C. 119(e)要求2009年6月15日提交的、題為“LOW SETTLE TIMEMICRO-SCANNING SYSTEM”的臨時申請第61々68，896號和2010年6月14提交的、題為“LOWSETTLE TIME MICRO-SCANNING SYSTEM”的發明申請第12/814，655號的權益。這些申請的全部內容通過引用而合并于此。
背景技術：
獲得指紋圖像的傳統方法是首先向受檢者的手指施加墨，然后通過將手指按壓到紙上而將凸部(ridge)和凹部(valley)的指紋圖案轉印到紙張上。凸部的指紋圖案轉印到紙上，而凹部沒有。為了獲得滾動指紋圖像(rolled fingerprint image)，涂有墨的手指的一側放置在紙的指定區域中，然后手指在紙上滾動到其另一側。光電系統可以在不使用墨的情況下來捕獲滾動指紋圖像。通常，成像表面上的滾動手指的一系列光學圖像從圖像傳感器傳播并且被轉換為數字數據。可以使用多種方法從表示一系列圖像的數字數據生成滾動指紋圖像。在指紋成像行業中看到了對于提高的光學分辨率的驅動力。近年來圖像傳感器分辨率的提高清楚地表示了該行業趨勢。
發明內容
此處公開了用于在微掃描技術中使用的系統、撓曲設備以及方法。在一個實施例中，被配置成對指紋圖像進行微掃描的設備包括圖像傳感器，被配置成捕獲指紋圖像；第一致動器；第二致動器；以及組件。該組件包括安裝點，被配置成保持該圖像傳感器；第一安裝區域，被配置成保持第一致動器；第二安裝區域，被配置成保持第二致動器；以及加強(stiffening)裝置。第一致動器被配置成產生安裝點的線性平移。第二致動器被配置成產生安裝點的線性平移，第二致動器產生的線性平移基本上垂直于第一致動器產生的線性平移。加強裝置耦合到安裝點、第一致動器以及第二致動器。加強裝置具有如下幾何形狀其被配置成建立安裝點對由被配置成產生安裝點的線性平移的第一致動器引起的力的抵抗，以及建立安裝點對由被配置成產生安裝點的線性平移的第二致動器引起的力的抵抗。在一個實施例中，被配置成對指紋圖像進行微掃描的系統包括圖像傳感器，被配置成捕獲指紋圖像；第一致動器；第二致動器；組件；以及控制單元，被配置成利用驅動信號驅動第一致動器和第二致動器。組件包括安裝點，被配置成保持圖像傳感器；第一安裝區域，被配置成保持第一致動器；第二安裝區域，被配置成保持第二致動器；加強裝置；以及多個平行四邊形結構。加強裝置耦合到安裝點、第一致動器以及第二致動器。多個平行四邊形結構被配置成限定由于第一致動器引起的力而導致的安裝點的第一線性平移以及由于第二致動器引起的力而導致的安裝點的第二線性平移。第一線性平移基本上垂直于第二線性平移。多個平行四邊形結構基本上還防止安裝點在組件的平面中的旋轉。
在一個實施例中，生成指紋圖像的方法包括利用在第一位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以捕獲第一圖像。然后，將圖像傳感器從第一位置平移到第二位置。從第一位置到第二位置的平移基本上沿著四個頂點的基本矩形集的第一對角線。利用在第二位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以捕獲第二圖像，第二圖像是在小于捕獲第一圖像的大約20毫秒內捕獲的。然后，將圖像傳感器從第二位置平移到第三位置。從第二位置到第三位置的平移基本上沿著四個頂點的基本矩形集的第一條邊。利用在第三位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以捕獲第三圖像，第三圖像是在小于捕獲第二圖像的大約20毫秒內捕獲的。然后，將圖像傳感器從第三位置平移到第四位置。從第三位置到第四位置的平移基本上沿著四個頂點的基本矩形集的第二對角線。利用在第四位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，第四圖像是在小于捕獲第三圖像的大約20毫秒內捕獲的。然后，可以將第一、第二、第三和第四圖像組合成合成圖像，該合成圖像具有比第一、第二、第三和第四圖像的分辨率高的分辨率。在一個實施例中，生成指紋圖像的方法包括利用在第一位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以捕獲第一圖像。然后，將圖像傳感器從第一位置平移到第二位置。利用在第二位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以捕獲第二圖像，第二圖像是在小于捕獲第一圖像的大約20毫秒內捕獲的。然后，將圖像傳感器從第二位置平移到第三位置。從第二位置到第三位置的平移基本上垂直于從第一位置到第二位置的平移。利用在第三位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以捕獲第三圖像，第三圖像是在小于捕獲第二圖像的大約20毫秒內捕獲的。然后，將圖像傳感器從第三位置平移到第四位置。從第三位置到第四位置的平移基本上平行于從第一位置到第二位置的平移。利用在第四位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以捕獲第四圖像，第四圖像是在小于捕獲第三圖像的大約20毫秒內捕獲的。然后，可以將第一、第二、第三和第四圖像組合成合成圖像，合成圖像具有比第一、第二、第三和第四圖像的分辨率高的分辨率。在一個實施例中，生成滾動指紋圖像的方法包括a)利用在一個位置處的圖像傳感器收集來自滾動手指的光，以捕獲圖像；b)將圖像傳感器平移到新位置；以及C)利用在新位置處的圖像傳感器收集來自滾動手指的光，以捕獲另一圖像。重復步驟b)和C)，其中，在每次重復步驟b)和C)之后的當前新位置位于距之前的新位置為圖像傳感器的像素間間距的分數的距離。重復步驟b)和C)以捕獲多個圖像，這多個圖像可以組合成合成圖像，該合成圖像具有比多個圖像中的各個圖像的分辨率高的分辨率。在附圖和以下描述中闡述了一個或多個實施例的細節。其它特征、目的和優點將從描述和附圖以及從權利要求而變得明顯。
圖1示意性地示出了兩個平行四邊形結構。圖2A示意性地示出了根據本發明的一個實施例的撓曲(flexure)設備。圖2B示意性地示出了圖2A的撓曲設備的一部分的放大視圖。圖2C示意性地示出了圖2A的撓曲設備可以平移安裝點的位置序列的示例。圖2D示意性地示出了圖2A的撓曲設備的一部分的放大視圖。圖3示意性地示出了圖2A所示的撓曲設備，其突出了內置于組件中的平行四邊形結構。圖4是根據本發明的一個實施例的微掃描方法的流程圖。
具體實施例方式本發明涉及電子指紋圖像捕獲系統、撓曲設備以及方法，并且具體地，涉及用于捕獲高分辨率數字圖像中的滾動指紋圖像的微掃描系統和方法。然而，微掃描系統、撓曲設備以及方法也可以用于捕獲聯指(slap fingerprint)圖像、前指紋圖像以及掌印圖像，或者可以被實現在包括顯微鏡的其它領域中。提高圖像傳感器分辨率是提高光學分辨率的直接方式。稱為微掃描的技術也可以用于增強光學分辨率。微掃描由利用常用數字成像系統從多個有利位置捕獲靜止場景或相對靜止場景的多個圖像組成。不同的有利位置以非常小的距離分隔，該距離通常為圖像傳感器的像素間距的分數。可以將多個圖像組合為合成圖像，該合成圖像具有比原本圖像傳感器分辨率高的分辨率。為了將圖像傳感器移動到微掃描所需的各個有利位置，可以采用由組件(也稱為撓曲)和壓電致動器組成的機械系統(即，撓曲設備)。包括圖像傳感器的成像電路附連到組件；組件可以是相對于被成像的對象固定的金屬件的一部分。致動器放置在撓曲設備中，以使得以期望方式使圖像傳感器位移。如上所述，為了使用微掃描技術實現高分辨率數字圖像，組合數字圖像以形成合成圖像。為了足夠快地形成合成圖像以支持實時圖像(諸如滾動指紋圖像)，合成圖像速率必須為大約每秒12幅圖像或者更高。當微掃描方法采用組合從四個不同的有利位置得到的四幅圖像以創建每個合成圖像時，圖像獲取速率必須為大約每秒48幅圖像，由以下給出12幅合成圖像/秒X4幅圖像/合成圖像=48幅圖像/秒。撓曲設備用在微掃描系統中以將圖像傳感器移動到不同的位置，從而捕獲生成合成圖像所需的圖像。例如，如果圖像傳感器具有大約每英寸大約500個像素(ppi)的分辨率，則可以組合根據微掃描技術利用圖像傳感器得到的四幅圖像，以生成具有大約1000 ppi的分辨率的合成圖像。存在發生于每個圖像獲取的時段內的兩件事。第一是圖像傳感器的移動，這在微掃描技術中是非常小的移動。第二是圖像的獲取，其包括圖像獲取和圖像數據傳輸兩者。為每個圖像的捕獲分配的時間是圖像獲取速率的倒數，在該情況下為20. 83毫秒(即，1秒/48幅圖像)。圖像獲取和圖像數據傳遞會耗費該時間的大部分，僅剩下大約3至10毫秒用于圖像傳感器移動和穩定。如所述的，圖像獲取速率對實時圖像是迅速的，并且圖像傳感器必須快速地移動到不同的位置。當圖像傳感器平移到不同位置的距離較小(通常為圖像傳感器的像素間距的分數，在一些實例中為大約1至5微米，或者在其它實例中為大約3微米)時，平移時間不僅僅是當移動圖像傳感器時必須計入的時間。還必須花費時間以確保圖像傳感器在其到達要得到圖像的位置之后不振動。為了保證圖像傳感器在所需的時間量中穩定(即，不振動)，重要的是或者以某種形式的阻尼(主動的或者其它)抑制撓曲設備的諧振行為，或者避免激勵一起諧振。抑制諧振行為需要使用額外的電路或額外的材料，這進而意味著額外的成本和/或復雜度。撓曲設備的一種設計方法是將設備設計為使得諧振在頻率方面盡可能高，并且然后通過限制用于驅動致動器的波形的頻率內容(即，致動器驅動信號)來避免激勵諧振。實現這種方法的設計可以被配置為開環系統，這是由于主動阻尼可能不必要。這避免了與采用主動阻尼的閉環設計相關聯的另外的電路，該電路包括諸如電容式傳感器或應變計的反饋傳感器。為了理解可以如何設計撓曲設備以最大化裝置諧振，有啟示性的是考慮將系統諧振頻率與其它系統參數關聯的方程。系統諧振的控制方程為
ι Ik
諧振頻率=一一(方程1)
2π ^ M
κ是系統的剛度，并且M是系統的質量。因此，為了最大化系統諧振的頻率，目標是減小質量并且增大系統的剛度。微掃描系統中的撓曲設備的常用幾何結構是平行四邊形。圖1中示意性地示出了兩個平行四邊形結構。平行四邊形結構是扭轉方面非常剛性的，這防止了圖像傳感器旋轉(即，在繪制平行四邊形結構的紙張的平面中順時針或逆時針旋轉)，同時提供在期望方向上的平移。如果允許圖像傳感器旋轉，則無法組合單獨的圖像以產生合成圖像。單個平行四邊形結構102提供一個運動度(degree of motion)(在該情況下為水平運動)。在復合平行四邊形結構104中，第二平行四邊形結構10 可以與第一平行四邊形結構104b分開構建，以提供第二運動度(在該情況下為水平移動和垂直移動)。在諸如圖1所示的平行四邊形結構的用于微掃描的撓曲設備中，這種設備的質量和剛度是基本上相互依賴的。這是因為系統的剛度被合并到平行四邊形腿中。如果通過增加平行四邊形腿的厚度來增大系統的剛度，則系統的質量也增加。這限制了撓曲設備的性能，這是由于確定圖像傳感器的穩定時間的機械諧振由系統的剛度和質量來設置。本發明的撓曲設備的實施例解決了上述挑戰和問題。本發明的撓曲設備包括平行四邊形結構和獨立地調整設備的剛度的加強裝置。加強裝置提供的另外的自由度(即，調整設備的剛度)將針對其各自的應力限制設計平行四邊形結構的問題與確定加強裝置的尺寸分開，以使得其可以提供實現期望的系統諧振頻率目標所需的剛度。設備
圖2A示意性地示出了根據本發明的一個實施例的撓曲設備202。圖2B示意性地示出了圖2A的撓曲設備的一部分的放大視圖。該設備被視為是并聯裝置，在于一個致動器不是串聯連接到另一致動器，如圖1中的復合平行四邊形結構104的情況一樣。設備包括兩個致動器232、234、圖像傳感器(未示出)以及框204，框204包括扭轉減緩機構222、安裝孔224以及組件，組件包括加強裝置216、圖像傳感器的安裝點218以及多個平行四邊形結構(在圖3中更詳細地示出)。這里討論這些部件中的每個部件。在操作中，撓曲設備202被配置成非常迅速地將附連到安裝點218的圖像傳感器移動到四個位置(在該示例中)。圖像傳感器在這四個位置的每個位置處捕獲圖像，并且四幅圖像隨后被組合成合成圖像。四個位置由未通電的或通電的每個致動器的四種不同的組合來限定。沿水平軸的兩個位置由致動器232限定，并且沿垂直軸的兩個位置由致動器234限定。對于未通電的或通電的兩個致動器中的每個致動器的四種不同的組合，安裝點可以移動到基本上形成方形或矩形圖案的四個不同的位置。以圖2C的250示出了安裝點可以移動通過的位置的一個示例序列。可以在圖案250的每個頂點1、2、3和4 (以該順序)處
9捕獲圖像。安裝點不一定沿逆時針方向移動，并且在一些實施例中，安裝點沿順時針方向移動。在另外的實施例中，安裝點可以沿對角線跨越方形或矩形的中心從一個頂點移動到另一頂點。以圖2C的251示出了安裝點可以移動通過的位置的另一示例序列。可以在圖案251的每個頂點1、2、3和4 (以該順序)處捕獲圖像。安裝點沿對角線移動跨越方形或矩形的中心可以最小化由于成像對象的運動而產生的影響。可以出于各種目的而優化安裝點的移動的其它圖案。在其它實施例中，撓曲設備202被配置成非常迅速地將附連到安裝點218的圖像傳感器移動到多個位置(例如，在一些情況下為多于四個位置，而在其它情況下為少于四個位置)。例如，撓曲設備可以被配置成在一些情況下將圖像傳感器移動到六個不同的位置，在其它情況下移動到九個不同的位置，以及在其它情況下移動到十六個不同的位置。九個位置可以由未通電的、半通電的以及全通電的每個致動器的九種不同的組合來限定。沿水平軸的三個位置由致動器232限定，并且沿垂直軸的三個位置由致動器234限定。對于未通電的、半通電的或全通電的兩個致動器中的每個致動器的九種不同的組合，安裝點可以移動到基本上形成方形或矩形圖案的九個不同的位置。六個位置可以由具有兩個狀態的一個致動器和具有三個狀態的一個致動器限定。十六個位置可以由均具有四個狀態的每個致動器限定。因此，安裝點的位置數量可以由nXm來限定，其中η是一個致動器的狀態數量，并且m是另一致動器的狀態數量。安裝點移動的位置的圖案可以與上述的位置圖案相同。例如，對于安裝點的九個不同的位置(即，沿每個邊緣的三個位置以及在方形或矩形的中心的一個位置)，安裝點可以基本上沿著方形或矩形的周界平移，并且然后(在一些情況下)移動到中心位置。替選地，安裝點可以基本上沿著方形或矩形的對角線平移。以圖2C的252示出了安裝點可以移動通過的位置的一個示例序列。可以在圖案252的每個位置1、2、3、4、5、6、7、8和9 (以該順序)處捕獲圖像。安裝點的移動非常小。在一些實施例中，安裝點移動圖像傳感器的像素間間距的分數，并且在另外的實施例中，安裝點移動像素間間距的分數1/n，其中η是正整數(例如，在一些情況下，像素間間距的1/2)。圖像傳感器的像素間間距可以小至幾微米。例如，在像素間間距為大約6微米的實施例中，安裝點在水平和垂直方向上移動大約3微米。撓曲設備的框204可以由多種不同的金屬或具有所需的機械特性的其它材料制成。在一些實施例中，框由不銹鋼制成。框的特征可以在框中使用多種不同的加工技術來加工。在一些實施例中，使用放電加工(EDM)來對框中的特征進行加工。在一些實施例中，框在加工之前被低溫退火，以移除框中任何殘留的應力。框需要被設計成使得其在設備工作時不會塑性變形。框通常為大約0.1至0.4英寸厚。在特定實施例中，框為大約0.2英寸厚。在一些實施例中，框可以為大約2. 75英寸乘以3. 5英寸。對于微掃描系統，數字圖像傳感器附連到安裝點218。可使用任何數量的數字圖像傳感器。在一些實施例中，圖像傳感器包括電荷耦合器件(CCD)裝置。在其它實施例中，圖像傳感器包括互補金屬氧化物半導體(CMOS)裝置。根據方程1，與安裝點218相關聯的材料(包括加強裝置和平行四邊形結構)、圖像傳感器、其相關電路以及將圖像傳感器連接到安裝點的硬件的質量限定了針對系統諧振目的的系統質量。因此，在一些實施例中，該組件(即，安裝點、圖像傳感器、其相關電路以及相關聯的硬件)的質量被最小化。盡管可以實現圖像傳感器、其電路以及連接硬件的質量的一些減小，但是減小限于組件質量的相對小的百分數。也可以通過利用一個小機械連接點將圖像傳感器附連到安裝點來最小化組件質量。以202示出的撓曲設備利用這樣的單點安裝方法。以202示出的撓曲設備還最小化質量同時仍提供必要的扭轉剛度。在一些實施例中，用于安裝圖像傳感器及其電路的安裝點中的孔的直徑為大約0. 063至0. 25英寸。在特定實施例中，孔的直徑為大約0. 15英寸。在一些實施例中，使用小螺絲將圖像傳感器附連到安裝點218 (S卩，存在圖像傳感器到安裝點的一個連接點)。如此處所說明的，低質量組件對于實現組件的低穩定時間的目標是重要的。致動器232和234可以是任意致動器，其被配置成在致動器的各個安裝點212與213、214與215之間施加力。在特定實施例中，壓電致動器用于致動器。當在致動器兩端施加電勢時，壓電致動器膨脹。任意數量的不同的壓電材料可以用于壓電致動器，包括鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛、鈮酸鉀、鈮酸鋰、鉭酸鋰(lithium tantalite)以及鎢酸鈉。在一些實施例中，使用來自Thorlabs (牛頓，新澤西州)的壓電致動器。在特定實施例中，壓電致動器的長為大約0. 8英寸，并且橫截面為大約0. 15英寸X0. 15英寸。對于各種撓曲設備的一個挑戰是將致動器加載到撓曲設備中。與撓曲設備和致動器相關聯的容差以及致動器的預加載程度(即，預加載力)確定安裝點(以及所附連的致動器安裝點212和214)必須移動多少以加載致動器。如果簡單的平行四邊形結構(例如，如圖1所示)用于撓曲設備，并且撓曲設備被設計成避免最大應力，則剛度是固定的并且可用于調整諧振頻率的唯一自由度是組件的質量(即，系統的剛度是設定的)。如上所述，組件的質量可以稍微減小，但是一般對組件的質量具有較少控制。這意味著關于調整組件的諧振頻率，簡單的平行四邊形結構提供非常小的靈活性。然而，對于圖2A所示的撓曲設備，平行四邊形結構和加強裝置216被配置為使得安裝點218可以水平和垂直地移動大約0. 002至0. 012英寸以加載致動器。在一些實施例中，安裝點218可以移動大約0. 005至0. 006英寸以加載致動器。加強裝置216可以被配置成當加載致動器時以及當撓曲設備工作時調節組件的剛度(即，安裝點對運動的抵抗)，以使得組件實現期望的諧振頻率目標。加強裝置設置組件沿水平運動方向和垂直運動方向兩者的剛度。建立組件的剛度限定了組件的諧振頻率。在此處公開的實施例中，組件的諧振頻率建立在基本上高于撓曲設備致動器的驅動信號的頻率內容的值。當例如大約每20毫秒捕獲圖像時，致動器驅動信號的頻率內容將需要為大約90赫茲(Hz)。這假設允許大約20%的捕獲時間或者大約4毫秒用于組件移動和穩定。假設一階系統，驅動信號所需的頻率內容需要為近似0. 35/4毫秒或者87. 5Hz。在一些實施例中，加強裝置被配置成使得組件的諧振頻率高于大約500Hz。在另外的實施例中，加強裝置被配置成使得組件的諧振頻率為大約700Hz至IOOOHz或者高于大約700Hz至IOOOHz。圖2D中示出了加強裝置216的一部分的放大視圖。可以增大組件的剛度的一種方式是通過增加加強裝置線圈的厚度，即，增加厚度沈2。該線圈的厚度在整個加強裝置中可以是均勻的，或者某些部分可以比其它部分厚以建立組件的期望剛度。可以增大組件的剛度的另一種方式是通過減少加強裝置線圈的段266的數量。在加強裝置中的加強裝置線圈具有較少的段266的情況下，組件的剛度將增大。因此，對于這樣的撓曲設備，可以利用加強裝置的幾何形狀來建立組件的剛度，但是平行四邊形結構和加強裝置的組合仍允許在加載致動器期間安裝點的相對大的位移。在沒有允許在加載致動器期間安裝點的大位移的這種加強裝置的情況下，框在加載致動器時可能會塑性變形，從而使得撓曲設備不可用。圖3示意性地示出了圖2A所示的撓曲設備202，其突出了作為組件的一部分的平行四邊形結構。該組件包括以白色虛線矩形表示的平行四邊形結構272、273、274、275、276和277。箭頭282表示由平行四邊形結構限定的、允許安裝點移動通過的運動方向。平行四邊形結構允許安裝點在第一方向和第二方向上移動，其中第二方向基本上垂直于第一方向。虛線箭頭284表示平行四邊形結構對抗的旋轉方向。如此處所指出的，平行四邊形結構防止圖像傳感器在框的平面中旋轉。撓曲設備的另一設計目標是低成本和對微掃描系統的剩余部分的復雜度的最小影響。為此，設備的相關設計目標是避免對運行時間校準的需要。在許多微掃描系統中，每次系統獲取指紋圖像的圖像集時或者每次向系統施加功率時，需要運行時間校準。該運行時間校準用于確定將從其捕獲圖像的不同位置(例如，圖像2是利用距圖像1水平位移了 3微米的圖像傳感器捕獲的)。準確地知道從其捕獲每個圖像的相對位置對于使用微掃描技術從分開的圖像生成合成圖像是必要的。避免運行時間校準避免了與光學對準目標相關聯的成本以及時間的開銷和所需軟件的成本。也可以避免會使系統響應時間降級的、與每次運行時間校準相關聯的延遲。如果可以執行一次性的工廠校準且不需要進一步的運行時間校準，則可以大大簡化微掃描系統。具有加強裝置和平行四邊形結構的撓曲設備202被配置成用于一次性工廠校準。在一次性工廠校準中，確定致動器232響應于施加到致動器的輸入信號而將安裝點218水平平移的距離。對于壓電致動器，輸入信號是施加在壓電致動器兩端的特定電勢。類似地，確定致動器234響應于輸入信號而將安裝點218垂直平移的距離。需要準確地知道這些距離以從在由致動器限定的四個位置中的每個位置處捕獲的圖像生成合成圖像。由于撓曲設備202的平行四邊形結構和加強裝置的配置，這兩個距離(即，水平平移量和垂直平移量)在撓曲設備的工作壽命期間或者隨外界條件(例如，溫度或濕度)基本上不變。因此，為了確定致動器將平移圖像傳感器的不同位置，不需要執行運行時間校準。為了避免在撓曲設備工作時激勵組件的諧振，在一些實施例中，通過對波形應用濾波器來保持提供用于致動致動器的波形的頻率內容(即，驅動信號)為低。在一些實施例中，該波形是由控制單元提供的。當例如撓曲設備以每秒大約50個位置工作時，提供到致動器的波形將包括高達大約90Hz的頻率。控制單元可利用低通濾波器對波形進行濾波，以從波形移除較高的頻率。在組件的諧振頻率(即，高于大約500Hz，或者在一些情況下大約700至1000Hz)高于設備工作頻率時，從驅動信號波形移除這些較高頻率避免了激勵較高的頻率諧振。在一些實施例中，使用相位線性濾波器。相位線性濾波器通常是低通濾波器。可使用任意數量的不同低通濾波器。在一些實施例中，使用高斯濾波器、貝塞耳濾波器、貝塞耳-湯姆遜濾波器或者升余弦濾波器。在一些實施例中，使用具有大約200Hz的頻率截止的低通濾波器。在其它實施例中，使用具有大約225Hz的頻率截止的低通濾波器，或者在另外的實施例中，使用具有大約MOHz的頻率截止的低通濾波器。使得用于驅動致動器的波形的頻率內容最小化還使得撓曲設備在工作時生成的聲學噪聲最小化，這也是所期望的。圖2A中的撓曲設備202的框204還包括作為安裝區域的一部分的安裝孔224，該安裝區域用于將撓曲設備安裝在指紋掃描儀或其它成像系統中。在一些實施例中采用框中的切口形式的扭轉減緩機構222將框的安裝區域與組件分開。在不存在這樣的扭轉減緩機構的情況下，如果從安裝區域在框中引起了力矩(例如，通過沒有安裝在平坦表面上的安裝區域或者溫度引起的力矩)，則安裝點與組件之間的連接的剛度將傳遞力矩，從而潛在地使組件變形。例如，這會由于改變撓曲設備的位移以及在潛在地要求操作前的運行時間校準而妨礙撓曲設備的性能。然而，通過包括扭轉減緩機構，通過扭轉減緩機構有效地從組件阻擋了框的安裝區域經歷的任意力矩引起的扭曲(即，扭轉減緩機構基本上將組件與安裝區域中的應力和力矩隔離)。扭轉減緩機構有助于允許組件保持平坦以及獨立于框的安裝區域中的應力和力矩。組件對安裝區域力矩的不靈敏性還允許組件以基本上一致的方式動作而與撓曲設備的剩余部分無關，還有助于消除對運行時間校準的需要。總之，所公開的撓曲設備的實施例包括加強裝置，其基本上建立了組件剛度并且獨立于平行四邊形結構。加強裝置顯著地減少了組件質量和剛度的相互依賴性，從而允許以最小的穩定時間來調諧組件。更具體地，此處描述的撓曲設備包括將組件剛度與組件質量分開的新穎幾何形狀，從而允許以最小的穩定時間來調諧組件。這進而允許使用低成本的、被動的開環驅動電路。用于致動器的驅動信號的適當濾波器也可以包括在微掃描系統中。扭轉減緩機構可以包括在撓曲設備的一些實施例中，從而允許組件獨立于安裝條件而保持平坦。這允許安裝點行進在各種條件下保持一致。這些特征可以組合以創建微掃描系統的低成本高性能撓曲設備。操作方法
如此處所說明的，微掃描由從多個有利位置捕獲場景的多個圖像組成。上述撓曲設備被配置成以較快速率捕獲此類多個圖像。這些圖像用于生成合成圖像，合成圖像具有比單獨圖像高的分辨率。圖4是根據本發明的一個實施例的微掃描方法的流程圖。在402中，利用在第一位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以捕獲第一圖像。該圖像數據被傳遞到存儲系統。例如，存儲系統可以是作為計算機系統的一部分的存儲器裝置(例如，硬盤驅動器或RAM裝置)。在404中，將圖像傳感器從第一位置平移到第二位置。在捕獲第二圖像之前，被配置成保持圖像傳感器設備的組件需要基本上是靜止的(即，圖像傳感器需要是穩定的且不振動)。然后，在406中，利用在第二位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以捕獲第二圖像。第二圖像是在小于捕獲第一圖像的大約20毫秒內捕獲的。因此，在該大約20毫秒內，需要發生圖像傳感器從第一位置到第二位置的平移以及第二圖像的捕獲。獲取光以得到第二圖像以及將數據傳遞到存儲系統可能耗費該大約20毫秒的大部分，剩下少量的時間用于圖像傳感器平移和穩定。給定用于圖像傳感器平移和穩定的時間隨著圖像獲取速率增加而減小(例如，當第二圖像是在小于捕獲第一圖像的大約10毫秒內捕獲的時)。此處描述的撓曲設備的實施例被配置成使得不通過激勵組件的諧振頻率來使得穩定時間最小化。在406中，利用在第二位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以捕獲隨后被傳遞到存儲系統的第二圖像。在408至414中，撓曲設備的操作繼續并且捕獲第三和第四圖像且隨后將其傳遞到存儲系統。在408中，將圖像傳感器從第二位置平移到第三位置。從第二位置到第三位置的平移基本上垂直于從第一位置到第二位置的平移(根據圖2C中的圖案250)。在410中， 利用在第三位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以在小于捕獲第二圖像的大約20毫秒內捕獲第三圖像。在412中，將圖像傳感器從第三位置平移到第四位置。從第三位置到第四位置的平移基本上平行于從第一位置到第二位置的平移(根據圖2C中的圖案250)。在 414中，利用在第四位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以在小于捕獲第三圖像的大約 20毫秒內捕獲第四圖像。在一些實施例中，第一、第二、第三和第四圖像可以是在圖2C中的圖案250的位置1、2、3和4 (以該順序)處捕獲的。為了重復循環，將圖像傳感器從第四位置平移到第一位置。從第四位置到第一位置的平移基本上平行于從第二位置到第三位置的平移(根據圖2C中的圖案250)。然后，利用在第一位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以在小于捕獲第四圖像的大約20毫秒內捕獲另一第一圖像。在其它實施例中，跨越方形或矩形的中心將圖像傳感器沿對角線從一個頂點平移到另一頂點(例如，移動到按圖2C中的圖案251的1、2、3和4的順序的頂點)。在402中， 利用在第一位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以捕獲第一圖像。在404中，將圖像傳感器從第一位置平移到第二位置。從第一位置到第二位置的平移基本上沿著四個頂點的基本矩形集的第一對角線。然后，在406中，利用在第二位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以捕獲第二圖像。第二圖像是在小于捕獲第一圖像的大約20毫秒內捕獲的。在408中， 將圖像傳感器從第二位置平移到第三位置。從第二位置到第三位置的平移基本上沿著四個頂點的基本矩形集的第一條邊。在410中，利用在第三位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以在小于捕獲第二圖像的大約20毫秒內捕獲第三圖像。在412中，將圖像傳感器從第三位置平移到第四位置。從第三位置到第四位置的平移基本上沿著四個頂點的基本矩形集的第二對角線。在414中，利用在第四位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以在小于捕獲第三圖像的大約20毫秒內捕獲第四圖像。為了重復循環，將圖像傳感器從第四位置平移到第一位置。從第四位置到第一位置的平移基本上沿著四個頂點的基本矩形集的第二條邊并且基本上平行于從第二位置到第三位置的平移。然后，利用在第一位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以在小于捕獲第四圖像的大約20毫秒內捕獲另一第一圖像。重復循環(即，捕獲第一、第二、第三和第四圖像)，直至捕獲到足夠的圖像以使得可以生成足夠的合成圖像，從而可以生成聯指圖像或滾動指紋圖像。當生成聯指圖像或滾動指紋圖像時，第一、第二、第三和第四圖像的每個集可以組合成合成圖像420。合成圖像具有比第一、第二、第三和第四圖像高的分辨率。在一些實施例中，第一、第二、第三和第四圖像中的每個圖像的分辨率是大約500 ppi。在一些實施例中，合成圖像的分辨率是大約 1000 ppi。在一些實施例中，合成圖像的分辨率高于大約1000 PPi(例如，至少為大約1000 ppi)。較高分辨率的合成圖像然后用于生成聯指圖像或滾動指紋圖像。在另外的實施例中，撓曲設備被配置成捕獲多于4幅圖像。例如，在一些實施例中，撓曲設備被配置成捕獲九幅圖像，并且在另外的實施例中，捕獲十六幅圖像。使用這樣的撓曲設備的微掃描方法可以用于生成具有比可以利用四幅圖像生成的分辨率更高的分辨率的合成圖像。替選地，使用這樣的撓曲設備的微掃描方法可以采用具有較低分辨率的圖像傳感器，并且可以用于生成具有與可以利用四幅圖像生成的分辨率大致相同的分辨率的合成圖像。 已描述了本發明的多個實施例。但是，應理解，可以在不背離本發明的精神和范圍的情況下進行各種修改。
權利要求
1.一種被配置成對指紋圖像進行微掃描的設備，包括圖像傳感器，被配置成捕獲指紋圖像；第一致動器；第二致動器；以及組件，所述組件包括安裝點，被配置成保持所述圖像傳感器，第一安裝區域，被配置成保持所述第一致動器，第二安裝區域，被配置成保持所述第二致動器，以及加強裝置，耦合到所述安裝點、所述第一致動器以及所述第二致動器，其中，所述加強裝置具有以下幾何形狀被配置成建立所述安裝點對由被配置成產生所述安裝點的線性平移的所述第一致動器引起的力的抵抗以及建立所述安裝點對由被配置成產生所述安裝點的線性平移的所述第二致動器引起的力的抵抗，其中，所述第二致動器產生的線性平移基本上垂直于所述第一致動器產生的線性平移。
2.根據權利要求1所述的設備，其中，所述加強裝置對由所述第一致動器引起的力或由所述第二致動器引起的力的抵抗導致所述組件的高諧振頻率。
3.根據權利要求2所述的設備，其中，所述組件的諧振頻率大于大約500Hz。
4.根據權利要求1所述的設備，其中，所述第一致動器和所述第二致動器包括壓電裝置。
5.根據權利要求1所述的設備，其中，所述安裝點平移的圖案是基本矩形的。
6.根據權利要求5所述的設備，其中，所述圖像傳感器被配置成在基本矩形圖案的每個頂點處捕獲指紋圖像。
7.根據權利要求1所述的設備，其中，所述安裝點被平移到基本矩形集的四個頂點，其中所述安裝點的至少一次平移基本上沿著四個頂點的所述基本矩形集的對角線。
8.根據權利要求7所述的設備，其中，所述圖像傳感器被配置成在所述四個頂點中的每個頂點處捕獲指紋圖像。
9.根據權利要求8所述的設備，其中，在每個頂點處捕獲的四個指紋圖像中的每個指紋圖像被配置成組合成合成圖像，其中，所述合成圖像具有比每個所述指紋圖像的分辨率高的分辨率。
10.根據權利要求9所述的設備，其中，所述合成圖像是滾動指紋圖像。
11.根據權利要求1所述的設備，還包括控制單元，被配置成利用驅動信號驅動所述第一致動器和所述第二致動器，其中，所述驅動信號包括大約50赫茲的頻率，其中，所述控制單元被配置成使所述驅動信號通過低通濾波器，所述低通濾波器被配置成從所述驅動信號移除高于大約200赫茲的頻率。
12.根據權利要求1所述的設備，其中，所述圖像傳感器是CMOS傳感器或CCD傳感器。
13.根據權利要求1所述的設備，其中，所述圖像傳感器被配置成大約每20毫秒捕獲圖像。
14.根據權利要求1所述的設備，還包括第三安裝區域，被配置成將所述設備安裝至對象；以及減緩機構，在所述第三安裝區域與所述組件之間，其中，所述減緩機構被配置成基本上將所述組件與所述第三安裝區域中的應力和力矩隔離。
15.根據權利要求1所述的設備，其中，由所述組件的質量、所述圖像傳感器的質量、與所述圖像傳感器相關聯的電路板的質量以及與所述圖像傳感器相關聯的安裝硬件的質量限定的質量被最小化。
16.一種被配置成對指紋圖像進行微掃描的系統，包括圖像傳感器，被配置成捕獲指紋圖像；第一致動器；第二致動器；組件，所述組件包括安裝點，被配置成保持所述圖像傳感器，第一安裝區域，被配置成保持所述第一致動器，第二安裝區域，被配置成保持所述第二致動器，加強裝置，耦合到所述安裝點、所述第一致動器以及所述第二致動器，以及多個平行四邊形結構，所述多個平行四邊形結構被配置成限定由于所述第一致動器引起的力而導致的所述安裝點的第一線性平移以及由于所述第二致動器引起的力而導致的所述安裝點的第二線性平移，其中，所述第一線性平移基本上垂直于所述第二線性平移，并且其中，所述多個平行四邊形結構基本上防止所述安裝點在所述組件的平面中的旋轉·’以及控制單元，被配置成利用驅動信號驅動所述第一致動器和所述第二致動器。
17.根據權利要求16所述的系統，其中，所述組件的所述多個平行四邊形結構由六個平行四邊形結構組成。
18.—種生成指紋圖像的方法，包括利用在第一位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以捕獲第一圖像；將所述圖像傳感器從所述第一位置平移到第二位置，其中，從所述第一位置到所述第二位置的平移基本上沿著四個頂點的基本矩形集的第一對角線；利用在所述第二位置處的所述圖像傳感器收集來自所述手指的光，以捕獲第二圖像，其中，所述第二圖像是在小于捕獲所述第一圖像的大約20毫秒內捕獲的；將所述圖像傳感器從所述第二位置平移到第三位置，其中，從所述第二位置到所述第三位置的平移基本上沿著四個頂點的所述基本矩形集的第一條邊；利用在所述第三位置處的所述圖像傳感器收集來自所述手指的光，以捕獲第三圖像，其中，所述第三圖像是在小于捕獲所述第二圖像的大約20毫秒內捕獲的；將所述圖像傳感器從所述第三位置平移到第四位置，其中，從所述第三位置到所述第四位置的平移基本上沿著四個頂點的所述基本矩形集的第二對角線；以及利用在所述第四位置處的所述圖像傳感器收集來自所述手指的光，以捕獲第四圖像，其中，所述第四圖像是在小于捕獲所述第三圖像的大約20毫秒內捕獲的，其中，所述第一、第二、第三和第四圖像可以組合成合成圖像，并且其中，所述合成圖像具有比所述第一、第二、第三和第四圖像的分辨率高的分辨率。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，所述合成圖像的分辨率為大約每英寸1000個像素。
20.根據權利要求18所述的方法，其中，在所述第一、第二、第三和第四位置之間平移所述圖像傳感器是以低于組件的諧振頻率的頻率進行的，所述組件被配置成保持所述圖像傳感器。
21.根據權利要求18所述的方法，還包括將所述圖像傳感器從所述第四位置平移到所述第一位置，其中，從所述第四位置到所述第一位置的平移基本上沿著四個頂點的所述基本矩形集的第二條邊并且基本上平行于從所述第二位置到所述第三位置的平移。
22.根據權利要求21所述的方法，還包括重復在所述第一、第二、第三和第四位置處捕獲圖像，直至捕獲到足以生成多個合成圖像的多個圖像為止，其中，合成圖像的數量足以生成滾動指紋圖像。
23.根據權利要求18所述的方法，其中，所述第二圖像是在小于捕獲所述第一圖像的大約10毫秒內捕獲的，其中，所述第三圖像是在小于捕獲所述第二圖像的大約10毫秒內捕獲的，并且其中，所述第四圖像是在小于捕獲所述第三圖像的大約10毫秒內捕獲的。
24.一種生成指紋圖像的方法，包括利用在第一位置處的圖像傳感器收集來自手指的光，以捕獲第一圖像；將所述圖像傳感器從所述第一位置平移到第二位置；利用在所述第二位置處的所述圖像傳感器收集來自所述手指的光，以捕獲第二圖像，其中，所述第二圖像是在小于捕獲所述第一圖像的大約20毫秒內捕獲的；將所述圖像傳感器從所述第二位置平移到第三位置，其中，從所述第二位置到所述第三位置的平移基本上垂直于從所述第一位置到所述第二位置的平移；利用在所述第三位置處的所述圖像傳感器收集來自所述手指的光，以捕獲第三圖像，其中，所述第三圖像是在小于捕獲所述第二圖像的大約20毫秒內捕獲的；將所述圖像傳感器從所述第三位置平移到第四位置，其中，從所述第三位置到所述第四位置的平移基本上平行于從所述第一位置到所述第二位置的平移；利用在所述第四位置處的所述圖像傳感器收集來自所述手指的光，以捕獲第四圖像，其中，所述第四圖像是在小于捕獲所述第三圖像的大約20毫秒內捕獲的，其中，可以將所述第一、第二、第三和第四圖像組合成合成圖像，并且其中，所述合成圖像具有比所述第一、第二、第三和第四圖像的分辨率高的分辨率。
25.根據權利要求M所述的方法，還包括將所述圖像傳感器從所述第四位置平移到所述第一位置，其中，從所述第四位置到所述第一位置的平移基本上平行于從所述第二位置到所述第三位置的平移。
26.根據權利要求25所述的方法，還包括重復在所述第一、第二、第三和第四位置處捕獲圖像，直至捕獲到足以生成多個合成圖像的多個圖像為止，其中，所述合成圖像的數量足以生成滾動指紋圖像。
27.一種生成滾動指紋圖像的方法，包括a)利用在一個位置處的圖像傳感器收集來自滾動手指的光，以捕獲圖像；b)將所述圖像傳感器平移到新位置；c)利用在所述新位置處的所述圖像傳感器收集來自所述滾動手指的光，以捕獲另一圖d)重復步驟b)和c)，其中，在每次重復步驟b)和c)之后的當前新位置位于距之前的新位置為所述圖像傳感器的像素間間距的分數的距離，其中，重復步驟b)和c)以捕獲多個圖像，其中，所述多個圖像可以組合成合成圖像，并且其中，所述合成圖像具有比所述多個圖像中的每個圖像的分辨率高的分辨率。
全文摘要
提供了用于為微掃描系統提供用于指紋圖像捕獲的低穩定時間的系統、設備以及方法。在一個實施例中，撓曲設備包括加強裝置和平行四邊形結構。撓曲設備被配置成將圖像傳感器移動到不同的位置，以捕獲可以用于根據微掃描技術形成合成圖像的圖像。加強裝置允許以高于撓曲設備的工作頻率的水平建立撓曲設備的諧振頻率，從而使得撓曲設備所需的穩定時間最小化。
文檔編號H04N7/18GK102577371SQ201080036157
公開日2012年7月11日 申請日期2010年6月15日 優先權日2009年6月15日
發明者F. 馬斯 D., D. 漢雷 J. 申請人:伊登蒂克斯公司