低稳定时间微扫描系统的制作方法

专利名称：低稳定时间微扫描系统的制作方法
低稳定时间微扫描系统对相关申请的交叉引用
本申请按照35 U. S. C. 119(e)要求2009年6月15日提交的、题为“LOW SETTLE TIMEMICRO-SCANNING SYSTEM”的临时申请第61々68，896号和2010年6月14提交的、题为“LOWSETTLE TIME MICRO-SCANNING SYSTEM”的发明申请第12/814，655号的权益。这些申请的全部内容通过引用而合并于此。
背景技术：
获得指纹图像的传统方法是首先向受检者的手指施加墨，然后通过将手指按压到纸上而将凸部(ridge)和凹部(valley)的指纹图案转印到纸张上。凸部的指纹图案转印到纸上，而凹部没有。为了获得滚动指纹图像(rolled fingerprint image)，涂有墨的手指的一侧放置在纸的指定区域中，然后手指在纸上滚动到其另一侧。光电系统可以在不使用墨的情况下来捕获滚动指纹图像。通常，成像表面上的滚动手指的一系列光学图像从图像传感器传播并且被转换为数字数据。可以使用多种方法从表示一系列图像的数字数据生成滚动指纹图像。在指纹成像行业中看到了对于提高的光学分辨率的驱动力。近年来图像传感器分辨率的提高清楚地表示了该行业趋势。

发明内容
此处公开了用于在微扫描技术中使用的系统、挠曲设备以及方法。在一个实施例中，被配置成对指纹图像进行微扫描的设备包括图像传感器，被配置成捕获指纹图像；第一致动器；第二致动器；以及组件。该组件包括安装点，被配置成保持该图像传感器；第一安装区域，被配置成保持第一致动器；第二安装区域，被配置成保持第二致动器；以及加强(stiffening)装置。第一致动器被配置成产生安装点的线性平移。第二致动器被配置成产生安装点的线性平移，第二致动器产生的线性平移基本上垂直于第一致动器产生的线性平移。加强装置耦合到安装点、第一致动器以及第二致动器。加强装置具有如下几何形状其被配置成建立安装点对由被配置成产生安装点的线性平移的第一致动器引起的力的抵抗，以及建立安装点对由被配置成产生安装点的线性平移的第二致动器引起的力的抵抗。在一个实施例中，被配置成对指纹图像进行微扫描的系统包括图像传感器，被配置成捕获指纹图像；第一致动器；第二致动器；组件；以及控制单元，被配置成利用驱动信号驱动第一致动器和第二致动器。组件包括安装点，被配置成保持图像传感器；第一安装区域，被配置成保持第一致动器；第二安装区域，被配置成保持第二致动器；加强装置；以及多个平行四边形结构。加强装置耦合到安装点、第一致动器以及第二致动器。多个平行四边形结构被配置成限定由于第一致动器引起的力而导致的安装点的第一线性平移以及由于第二致动器引起的力而导致的安装点的第二线性平移。第一线性平移基本上垂直于第二线性平移。多个平行四边形结构基本上还防止安装点在组件的平面中的旋转。
在一个实施例中，生成指纹图像的方法包括利用在第一位置处的图像传感器收集来自手指的光，以捕获第一图像。然后，将图像传感器从第一位置平移到第二位置。从第一位置到第二位置的平移基本上沿着四个顶点的基本矩形集的第一对角线。利用在第二位置处的图像传感器收集来自手指的光，以捕获第二图像，第二图像是在小于捕获第一图像的大约20毫秒内捕获的。然后，将图像传感器从第二位置平移到第三位置。从第二位置到第三位置的平移基本上沿着四个顶点的基本矩形集的第一条边。利用在第三位置处的图像传感器收集来自手指的光，以捕获第三图像，第三图像是在小于捕获第二图像的大约20毫秒内捕获的。然后，将图像传感器从第三位置平移到第四位置。从第三位置到第四位置的平移基本上沿着四个顶点的基本矩形集的第二对角线。利用在第四位置处的图像传感器收集来自手指的光，第四图像是在小于捕获第三图像的大约20毫秒内捕获的。然后，可以将第一、第二、第三和第四图像组合成合成图像，该合成图像具有比第一、第二、第三和第四图像的分辨率高的分辨率。在一个实施例中，生成指纹图像的方法包括利用在第一位置处的图像传感器收集来自手指的光，以捕获第一图像。然后，将图像传感器从第一位置平移到第二位置。利用在第二位置处的图像传感器收集来自手指的光，以捕获第二图像，第二图像是在小于捕获第一图像的大约20毫秒内捕获的。然后，将图像传感器从第二位置平移到第三位置。从第二位置到第三位置的平移基本上垂直于从第一位置到第二位置的平移。利用在第三位置处的图像传感器收集来自手指的光，以捕获第三图像，第三图像是在小于捕获第二图像的大约20毫秒内捕获的。然后，将图像传感器从第三位置平移到第四位置。从第三位置到第四位置的平移基本上平行于从第一位置到第二位置的平移。利用在第四位置处的图像传感器收集来自手指的光，以捕获第四图像，第四图像是在小于捕获第三图像的大约20毫秒内捕获的。然后，可以将第一、第二、第三和第四图像组合成合成图像，合成图像具有比第一、第二、第三和第四图像的分辨率高的分辨率。在一个实施例中，生成滚动指纹图像的方法包括a)利用在一个位置处的图像传感器收集来自滚动手指的光，以捕获图像；b)将图像传感器平移到新位置；以及C)利用在新位置处的图像传感器收集来自滚动手指的光，以捕获另一图像。重复步骤b)和C)，其中，在每次重复步骤b)和C)之后的当前新位置位于距之前的新位置为图像传感器的像素间间距的分数的距离。重复步骤b)和C)以捕获多个图像，这多个图像可以组合成合成图像，该合成图像具有比多个图像中的各个图像的分辨率高的分辨率。在附图和以下描述中阐述了一个或多个实施例的细节。其它特征、目的和优点将从描述和附图以及从权利要求而变得明显。


图1示意性地示出了两个平行四边形结构。图2A示意性地示出了根据本发明的一个实施例的挠曲(flexure)设备。图2B示意性地示出了图2A的挠曲设备的一部分的放大视图。图2C示意性地示出了图2A的挠曲设备可以平移安装点的位置序列的示例。图2D示意性地示出了图2A的挠曲设备的一部分的放大视图。图3示意性地示出了图2A所示的挠曲设备，其突出了内置于组件中的平行四边形结构。图4是根据本发明的一个实施例的微扫描方法的流程图。
具体实施例方式本发明涉及电子指纹图像捕获系统、挠曲设备以及方法，并且具体地，涉及用于捕获高分辨率数字图像中的滚动指纹图像的微扫描系统和方法。然而，微扫描系统、挠曲设备以及方法也可以用于捕获联指(slap fingerprint)图像、前指纹图像以及掌印图像，或者可以被实现在包括显微镜的其它领域中。提高图像传感器分辨率是提高光学分辨率的直接方式。称为微扫描的技术也可以用于增强光学分辨率。微扫描由利用常用数字成像系统从多个有利位置捕获静止场景或相对静止场景的多个图像组成。不同的有利位置以非常小的距离分隔，该距离通常为图像传感器的像素间距的分数。可以将多个图像组合为合成图像，该合成图像具有比原本图像传感器分辨率高的分辨率。为了将图像传感器移动到微扫描所需的各个有利位置，可以采用由组件(也称为挠曲)和压电致动器组成的机械系统(即，挠曲设备)。包括图像传感器的成像电路附连到组件；组件可以是相对于被成像的对象固定的金属件的一部分。致动器放置在挠曲设备中，以使得以期望方式使图像传感器位移。如上所述，为了使用微扫描技术实现高分辨率数字图像，组合数字图像以形成合成图像。为了足够快地形成合成图像以支持实时图像(诸如滚动指纹图像)，合成图像速率必须为大约每秒12幅图像或者更高。当微扫描方法采用组合从四个不同的有利位置得到的四幅图像以创建每个合成图像时，图像获取速率必须为大约每秒48幅图像，由以下给出12幅合成图像/秒X4幅图像/合成图像=48幅图像/秒。挠曲设备用在微扫描系统中以将图像传感器移动到不同的位置，从而捕获生成合成图像所需的图像。例如，如果图像传感器具有大约每英寸大约500个像素(ppi)的分辨率，则可以组合根据微扫描技术利用图像传感器得到的四幅图像，以生成具有大约1000 ppi的分辨率的合成图像。存在发生于每个图像获取的时段内的两件事。第一是图像传感器的移动，这在微扫描技术中是非常小的移动。第二是图像的获取，其包括图像获取和图像数据传输两者。为每个图像的捕获分配的时间是图像获取速率的倒数，在该情况下为20. 83毫秒(即，1秒/48幅图像)。图像获取和图像数据传递会耗费该时间的大部分，仅剩下大约3至10毫秒用于图像传感器移动和稳定。如所述的，图像获取速率对实时图像是迅速的，并且图像传感器必须快速地移动到不同的位置。当图像传感器平移到不同位置的距离较小(通常为图像传感器的像素间距的分数，在一些实例中为大约1至5微米，或者在其它实例中为大约3微米)时，平移时间不仅仅是当移动图像传感器时必须计入的时间。还必须花费时间以确保图像传感器在其到达要得到图像的位置之后不振动。为了保证图像传感器在所需的时间量中稳定(即，不振动)，重要的是或者以某种形式的阻尼(主动的或者其它)抑制挠曲设备的谐振行为，或者避免激励一起谐振。抑制谐振行为需要使用额外的电路或额外的材料，这进而意味着额外的成本和/或复杂度。挠曲设备的一种设计方法是将设备设计为使得谐振在频率方面尽可能高，并且然后通过限制用于驱动致动器的波形的频率内容(即，致动器驱动信号)来避免激励谐振。实现这种方法的设计可以被配置为开环系统，这是由于主动阻尼可能不必要。这避免了与采用主动阻尼的闭环设计相关联的另外的电路，该电路包括诸如电容式传感器或应变计的反馈传感器。为了理解可以如何设计挠曲设备以最大化装置谐振，有启示性的是考虑将系统谐振频率与其它系统参数关联的方程。系统谐振的控制方程为
ι Ik
谐振频率=一一(方程1)
2π ^ M
κ是系统的刚度，并且M是系统的质量。因此，为了最大化系统谐振的频率，目标是减小质量并且增大系统的刚度。微扫描系统中的挠曲设备的常用几何结构是平行四边形。图1中示意性地示出了两个平行四边形结构。平行四边形结构是扭转方面非常刚性的，这防止了图像传感器旋转(即，在绘制平行四边形结构的纸张的平面中顺时针或逆时针旋转)，同时提供在期望方向上的平移。如果允许图像传感器旋转，则无法组合单独的图像以产生合成图像。单个平行四边形结构102提供一个运动度(degree of motion)(在该情况下为水平运动)。在复合平行四边形结构104中，第二平行四边形结构10 可以与第一平行四边形结构104b分开构建，以提供第二运动度(在该情况下为水平移动和垂直移动)。在诸如图1所示的平行四边形结构的用于微扫描的挠曲设备中，这种设备的质量和刚度是基本上相互依赖的。这是因为系统的刚度被合并到平行四边形腿中。如果通过增加平行四边形腿的厚度来增大系统的刚度，则系统的质量也增加。这限制了挠曲设备的性能，这是由于确定图像传感器的稳定时间的机械谐振由系统的刚度和质量来设置。本发明的挠曲设备的实施例解决了上述挑战和问题。本发明的挠曲设备包括平行四边形结构和独立地调整设备的刚度的加强装置。加强装置提供的另外的自由度(即，调整设备的刚度)将针对其各自的应力限制设计平行四边形结构的问题与确定加强装置的尺寸分开，以使得其可以提供实现期望的系统谐振频率目标所需的刚度。设备
图2A示意性地示出了根据本发明的一个实施例的挠曲设备202。图2B示意性地示出了图2A的挠曲设备的一部分的放大视图。该设备被视为是并联装置，在于一个致动器不是串联连接到另一致动器，如图1中的复合平行四边形结构104的情况一样。设备包括两个致动器232、234、图像传感器(未示出)以及框204，框204包括扭转减缓机构222、安装孔224以及组件，组件包括加强装置216、图像传感器的安装点218以及多个平行四边形结构(在图3中更详细地示出)。这里讨论这些部件中的每个部件。在操作中，挠曲设备202被配置成非常迅速地将附连到安装点218的图像传感器移动到四个位置(在该示例中)。图像传感器在这四个位置的每个位置处捕获图像，并且四幅图像随后被组合成合成图像。四个位置由未通电的或通电的每个致动器的四种不同的组合来限定。沿水平轴的两个位置由致动器232限定，并且沿垂直轴的两个位置由致动器234限定。对于未通电的或通电的两个致动器中的每个致动器的四种不同的组合，安装点可以移动到基本上形成方形或矩形图案的四个不同的位置。以图2C的250示出了安装点可以移动通过的位置的一个示例序列。可以在图案250的每个顶点1、2、3和4 (以该顺序)处
9捕获图像。安装点不一定沿逆时针方向移动，并且在一些实施例中，安装点沿顺时针方向移动。在另外的实施例中，安装点可以沿对角线跨越方形或矩形的中心从一个顶点移动到另一顶点。以图2C的251示出了安装点可以移动通过的位置的另一示例序列。可以在图案251的每个顶点1、2、3和4 (以该顺序)处捕获图像。安装点沿对角线移动跨越方形或矩形的中心可以最小化由于成像对象的运动而产生的影响。可以出于各种目的而优化安装点的移动的其它图案。在其它实施例中，挠曲设备202被配置成非常迅速地将附连到安装点218的图像传感器移动到多个位置(例如，在一些情况下为多于四个位置，而在其它情况下为少于四个位置)。例如，挠曲设备可以被配置成在一些情况下将图像传感器移动到六个不同的位置，在其它情况下移动到九个不同的位置，以及在其它情况下移动到十六个不同的位置。九个位置可以由未通电的、半通电的以及全通电的每个致动器的九种不同的组合来限定。沿水平轴的三个位置由致动器232限定，并且沿垂直轴的三个位置由致动器234限定。对于未通电的、半通电的或全通电的两个致动器中的每个致动器的九种不同的组合，安装点可以移动到基本上形成方形或矩形图案的九个不同的位置。六个位置可以由具有两个状态的一个致动器和具有三个状态的一个致动器限定。十六个位置可以由均具有四个状态的每个致动器限定。因此，安装点的位置数量可以由nXm来限定，其中η是一个致动器的状态数量，并且m是另一致动器的状态数量。安装点移动的位置的图案可以与上述的位置图案相同。例如，对于安装点的九个不同的位置(即，沿每个边缘的三个位置以及在方形或矩形的中心的一个位置)，安装点可以基本上沿着方形或矩形的周界平移，并且然后(在一些情况下)移动到中心位置。替选地，安装点可以基本上沿着方形或矩形的对角线平移。以图2C的252示出了安装点可以移动通过的位置的一个示例序列。可以在图案252的每个位置1、2、3、4、5、6、7、8和9 (以该顺序)处捕获图像。安装点的移动非常小。在一些实施例中，安装点移动图像传感器的像素间间距的分数，并且在另外的实施例中，安装点移动像素间间距的分数1/n，其中η是正整数(例如，在一些情况下，像素间间距的1/2)。图像传感器的像素间间距可以小至几微米。例如，在像素间间距为大约6微米的实施例中，安装点在水平和垂直方向上移动大约3微米。挠曲设备的框204可以由多种不同的金属或具有所需的机械特性的其它材料制成。在一些实施例中，框由不锈钢制成。框的特征可以在框中使用多种不同的加工技术来加工。在一些实施例中，使用放电加工(EDM)来对框中的特征进行加工。在一些实施例中，框在加工之前被低温退火，以移除框中任何残留的应力。框需要被设计成使得其在设备工作时不会塑性变形。框通常为大约0.1至0.4英寸厚。在特定实施例中，框为大约0.2英寸厚。在一些实施例中，框可以为大约2. 75英寸乘以3. 5英寸。对于微扫描系统，数字图像传感器附连到安装点218。可使用任何数量的数字图像传感器。在一些实施例中，图像传感器包括电荷耦合器件(CCD)装置。在其它实施例中，图像传感器包括互补金属氧化物半导体(CMOS)装置。根据方程1，与安装点218相关联的材料(包括加强装置和平行四边形结构)、图像传感器、其相关电路以及将图像传感器连接到安装点的硬件的质量限定了针对系统谐振目的的系统质量。因此，在一些实施例中，该组件(即，安装点、图像传感器、其相关电路以及相关联的硬件)的质量被最小化。尽管可以实现图像传感器、其电路以及连接硬件的质量的一些减小，但是减小限于组件质量的相对小的百分数。也可以通过利用一个小机械连接点将图像传感器附连到安装点来最小化组件质量。以202示出的挠曲设备利用这样的单点安装方法。以202示出的挠曲设备还最小化质量同时仍提供必要的扭转刚度。在一些实施例中，用于安装图像传感器及其电路的安装点中的孔的直径为大约0. 063至0. 25英寸。在特定实施例中，孔的直径为大约0. 15英寸。在一些实施例中，使用小螺丝将图像传感器附连到安装点218 (S卩，存在图像传感器到安装点的一个连接点)。如此处所说明的，低质量组件对于实现组件的低稳定时间的目标是重要的。致动器232和234可以是任意致动器，其被配置成在致动器的各个安装点212与213、214与215之间施加力。在特定实施例中，压电致动器用于致动器。当在致动器两端施加电势时，压电致动器膨胀。任意数量的不同的压电材料可以用于压电致动器，包括钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅、铌酸钾、铌酸锂、钽酸锂(lithium tantalite)以及钨酸钠。在一些实施例中，使用来自Thorlabs (牛顿，新泽西州)的压电致动器。在特定实施例中，压电致动器的长为大约0. 8英寸，并且横截面为大约0. 15英寸X0. 15英寸。对于各种挠曲设备的一个挑战是将致动器加载到挠曲设备中。与挠曲设备和致动器相关联的容差以及致动器的预加载程度(即，预加载力)确定安装点(以及所附连的致动器安装点212和214)必须移动多少以加载致动器。如果简单的平行四边形结构(例如，如图1所示)用于挠曲设备，并且挠曲设备被设计成避免最大应力，则刚度是固定的并且可用于调整谐振频率的唯一自由度是组件的质量(即，系统的刚度是设定的)。如上所述，组件的质量可以稍微减小，但是一般对组件的质量具有较少控制。这意味着关于调整组件的谐振频率，简单的平行四边形结构提供非常小的灵活性。然而，对于图2A所示的挠曲设备，平行四边形结构和加强装置216被配置为使得安装点218可以水平和垂直地移动大约0. 002至0. 012英寸以加载致动器。在一些实施例中，安装点218可以移动大约0. 005至0. 006英寸以加载致动器。加强装置216可以被配置成当加载致动器时以及当挠曲设备工作时调节组件的刚度(即，安装点对运动的抵抗)，以使得组件实现期望的谐振频率目标。加强装置设置组件沿水平运动方向和垂直运动方向两者的刚度。建立组件的刚度限定了组件的谐振频率。在此处公开的实施例中，组件的谐振频率建立在基本上高于挠曲设备致动器的驱动信号的频率内容的值。当例如大约每20毫秒捕获图像时，致动器驱动信号的频率内容将需要为大约90赫兹(Hz)。这假设允许大约20%的捕获时间或者大约4毫秒用于组件移动和稳定。假设一阶系统，驱动信号所需的频率内容需要为近似0. 35/4毫秒或者87. 5Hz。在一些实施例中，加强装置被配置成使得组件的谐振频率高于大约500Hz。在另外的实施例中，加强装置被配置成使得组件的谐振频率为大约700Hz至IOOOHz或者高于大约700Hz至IOOOHz。图2D中示出了加强装置216的一部分的放大视图。可以增大组件的刚度的一种方式是通过增加加强装置线圈的厚度，即，增加厚度沈2。该线圈的厚度在整个加强装置中可以是均勻的，或者某些部分可以比其它部分厚以建立组件的期望刚度。可以增大组件的刚度的另一种方式是通过减少加强装置线圈的段266的数量。在加强装置中的加强装置线圈具有较少的段266的情况下，组件的刚度将增大。因此，对于这样的挠曲设备，可以利用加强装置的几何形状来建立组件的刚度，但是平行四边形结构和加强装置的组合仍允许在加载致动器期间安装点的相对大的位移。在没有允许在加载致动器期间安装点的大位移的这种加强装置的情况下，框在加载致动器时可能会塑性变形，从而使得挠曲设备不可用。图3示意性地示出了图2A所示的挠曲设备202，其突出了作为组件的一部分的平行四边形结构。该组件包括以白色虚线矩形表示的平行四边形结构272、273、274、275、276和277。箭头282表示由平行四边形结构限定的、允许安装点移动通过的运动方向。平行四边形结构允许安装点在第一方向和第二方向上移动，其中第二方向基本上垂直于第一方向。虚线箭头284表示平行四边形结构对抗的旋转方向。如此处所指出的，平行四边形结构防止图像传感器在框的平面中旋转。挠曲设备的另一设计目标是低成本和对微扫描系统的剩余部分的复杂度的最小影响。为此，设备的相关设计目标是避免对运行时间校准的需要。在许多微扫描系统中，每次系统获取指纹图像的图像集时或者每次向系统施加功率时，需要运行时间校准。该运行时间校准用于确定将从其捕获图像的不同位置(例如，图像2是利用距图像1水平位移了 3微米的图像传感器捕获的)。准确地知道从其捕获每个图像的相对位置对于使用微扫描技术从分开的图像生成合成图像是必要的。避免运行时间校准避免了与光学对准目标相关联的成本以及时间的开销和所需软件的成本。也可以避免会使系统响应时间降级的、与每次运行时间校准相关联的延迟。如果可以执行一次性的工厂校准且不需要进一步的运行时间校准，则可以大大简化微扫描系统。具有加强装置和平行四边形结构的挠曲设备202被配置成用于一次性工厂校准。在一次性工厂校准中，确定致动器232响应于施加到致动器的输入信号而将安装点218水平平移的距离。对于压电致动器，输入信号是施加在压电致动器两端的特定电势。类似地，确定致动器234响应于输入信号而将安装点218垂直平移的距离。需要准确地知道这些距离以从在由致动器限定的四个位置中的每个位置处捕获的图像生成合成图像。由于挠曲设备202的平行四边形结构和加强装置的配置，这两个距离(即，水平平移量和垂直平移量)在挠曲设备的工作寿命期间或者随外界条件(例如，温度或湿度)基本上不变。因此，为了确定致动器将平移图像传感器的不同位置，不需要执行运行时间校准。为了避免在挠曲设备工作时激励组件的谐振，在一些实施例中，通过对波形应用滤波器来保持提供用于致动致动器的波形的频率内容(即，驱动信号)为低。在一些实施例中，该波形是由控制单元提供的。当例如挠曲设备以每秒大约50个位置工作时，提供到致动器的波形将包括高达大约90Hz的频率。控制单元可利用低通滤波器对波形进行滤波，以从波形移除较高的频率。在组件的谐振频率(即，高于大约500Hz，或者在一些情况下大约700至1000Hz)高于设备工作频率时，从驱动信号波形移除这些较高频率避免了激励较高的频率谐振。在一些实施例中，使用相位线性滤波器。相位线性滤波器通常是低通滤波器。可使用任意数量的不同低通滤波器。在一些实施例中，使用高斯滤波器、贝塞耳滤波器、贝塞耳-汤姆逊滤波器或者升余弦滤波器。在一些实施例中，使用具有大约200Hz的频率截止的低通滤波器。在其它实施例中，使用具有大约225Hz的频率截止的低通滤波器，或者在另外的实施例中，使用具有大约MOHz的频率截止的低通滤波器。使得用于驱动致动器的波形的频率内容最小化还使得挠曲设备在工作时生成的声学噪声最小化，这也是所期望的。图2A中的挠曲设备202的框204还包括作为安装区域的一部分的安装孔224，该安装区域用于将挠曲设备安装在指纹扫描仪或其它成像系统中。在一些实施例中采用框中的切口形式的扭转减缓机构222将框的安装区域与组件分开。在不存在这样的扭转减缓机构的情况下，如果从安装区域在框中引起了力矩(例如，通过没有安装在平坦表面上的安装区域或者温度引起的力矩)，则安装点与组件之间的连接的刚度将传递力矩，从而潜在地使组件变形。例如，这会由于改变挠曲设备的位移以及在潜在地要求操作前的运行时间校准而妨碍挠曲设备的性能。然而，通过包括扭转减缓机构，通过扭转减缓机构有效地从组件阻挡了框的安装区域经历的任意力矩引起的扭曲(即，扭转减缓机构基本上将组件与安装区域中的应力和力矩隔离)。扭转减缓机构有助于允许组件保持平坦以及独立于框的安装区域中的应力和力矩。组件对安装区域力矩的不灵敏性还允许组件以基本上一致的方式动作而与挠曲设备的剩余部分无关，还有助于消除对运行时间校准的需要。总之，所公开的挠曲设备的实施例包括加强装置，其基本上建立了组件刚度并且独立于平行四边形结构。加强装置显著地减少了组件质量和刚度的相互依赖性，从而允许以最小的稳定时间来调谐组件。更具体地，此处描述的挠曲设备包括将组件刚度与组件质量分开的新颖几何形状，从而允许以最小的稳定时间来调谐组件。这进而允许使用低成本的、被动的开环驱动电路。用于致动器的驱动信号的适当滤波器也可以包括在微扫描系统中。扭转减缓机构可以包括在挠曲设备的一些实施例中，从而允许组件独立于安装条件而保持平坦。这允许安装点行进在各种条件下保持一致。这些特征可以组合以创建微扫描系统的低成本高性能挠曲设备。操作方法
如此处所说明的，微扫描由从多个有利位置捕获场景的多个图像组成。上述挠曲设备被配置成以较快速率捕获此类多个图像。这些图像用于生成合成图像，合成图像具有比单独图像高的分辨率。图4是根据本发明的一个实施例的微扫描方法的流程图。在402中，利用在第一位置处的图像传感器收集来自手指的光，以捕获第一图像。该图像数据被传递到存储系统。例如，存储系统可以是作为计算机系统的一部分的存储器装置(例如，硬盘驱动器或RAM装置)。在404中，将图像传感器从第一位置平移到第二位置。在捕获第二图像之前，被配置成保持图像传感器设备的组件需要基本上是静止的(即，图像传感器需要是稳定的且不振动)。然后，在406中，利用在第二位置处的图像传感器收集来自手指的光，以捕获第二图像。第二图像是在小于捕获第一图像的大约20毫秒内捕获的。因此，在该大约20毫秒内，需要发生图像传感器从第一位置到第二位置的平移以及第二图像的捕获。获取光以得到第二图像以及将数据传递到存储系统可能耗费该大约20毫秒的大部分，剩下少量的时间用于图像传感器平移和稳定。给定用于图像传感器平移和稳定的时间随着图像获取速率增加而减小(例如，当第二图像是在小于捕获第一图像的大约10毫秒内捕获的时)。此处描述的挠曲设备的实施例被配置成使得不通过激励组件的谐振频率来使得稳定时间最小化。在406中，利用在第二位置处的图像传感器收集来自手指的光，以捕获随后被传递到存储系统的第二图像。在408至414中，挠曲设备的操作继续并且捕获第三和第四图像且随后将其传递到存储系统。在408中，将图像传感器从第二位置平移到第三位置。从第二位置到第三位置的平移基本上垂直于从第一位置到第二位置的平移(根据图2C中的图案250)。在410中， 利用在第三位置处的图像传感器收集来自手指的光，以在小于捕获第二图像的大约20毫秒内捕获第三图像。在412中，将图像传感器从第三位置平移到第四位置。从第三位置到第四位置的平移基本上平行于从第一位置到第二位置的平移(根据图2C中的图案250)。在 414中，利用在第四位置处的图像传感器收集来自手指的光，以在小于捕获第三图像的大约 20毫秒内捕获第四图像。在一些实施例中，第一、第二、第三和第四图像可以是在图2C中的图案250的位置1、2、3和4 (以该顺序)处捕获的。为了重复循环，将图像传感器从第四位置平移到第一位置。从第四位置到第一位置的平移基本上平行于从第二位置到第三位置的平移(根据图2C中的图案250)。然后，利用在第一位置处的图像传感器收集来自手指的光，以在小于捕获第四图像的大约20毫秒内捕获另一第一图像。在其它实施例中，跨越方形或矩形的中心将图像传感器沿对角线从一个顶点平移到另一顶点(例如，移动到按图2C中的图案251的1、2、3和4的顺序的顶点)。在402中， 利用在第一位置处的图像传感器收集来自手指的光，以捕获第一图像。在404中，将图像传感器从第一位置平移到第二位置。从第一位置到第二位置的平移基本上沿着四个顶点的基本矩形集的第一对角线。然后，在406中，利用在第二位置处的图像传感器收集来自手指的光，以捕获第二图像。第二图像是在小于捕获第一图像的大约20毫秒内捕获的。在408中， 将图像传感器从第二位置平移到第三位置。从第二位置到第三位置的平移基本上沿着四个顶点的基本矩形集的第一条边。在410中，利用在第三位置处的图像传感器收集来自手指的光，以在小于捕获第二图像的大约20毫秒内捕获第三图像。在412中，将图像传感器从第三位置平移到第四位置。从第三位置到第四位置的平移基本上沿着四个顶点的基本矩形集的第二对角线。在414中，利用在第四位置处的图像传感器收集来自手指的光，以在小于捕获第三图像的大约20毫秒内捕获第四图像。为了重复循环，将图像传感器从第四位置平移到第一位置。从第四位置到第一位置的平移基本上沿着四个顶点的基本矩形集的第二条边并且基本上平行于从第二位置到第三位置的平移。然后，利用在第一位置处的图像传感器收集来自手指的光，以在小于捕获第四图像的大约20毫秒内捕获另一第一图像。重复循环(即，捕获第一、第二、第三和第四图像)，直至捕获到足够的图像以使得可以生成足够的合成图像，从而可以生成联指图像或滚动指纹图像。当生成联指图像或滚动指纹图像时，第一、第二、第三和第四图像的每个集可以组合成合成图像420。合成图像具有比第一、第二、第三和第四图像高的分辨率。在一些实施例中，第一、第二、第三和第四图像中的每个图像的分辨率是大约500 ppi。在一些实施例中，合成图像的分辨率是大约 1000 ppi。在一些实施例中，合成图像的分辨率高于大约1000 PPi(例如，至少为大约1000 ppi)。较高分辨率的合成图像然后用于生成联指图像或滚动指纹图像。在另外的实施例中，挠曲设备被配置成捕获多于4幅图像。例如，在一些实施例中，挠曲设备被配置成捕获九幅图像，并且在另外的实施例中，捕获十六幅图像。使用这样的挠曲设备的微扫描方法可以用于生成具有比可以利用四幅图像生成的分辨率更高的分辨率的合成图像。替选地，使用这样的挠曲设备的微扫描方法可以采用具有较低分辨率的图像传感器，并且可以用于生成具有与可以利用四幅图像生成的分辨率大致相同的分辨率的合成图像。 已描述了本发明的多个实施例。但是，应理解，可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改。
权利要求
1.一种被配置成对指纹图像进行微扫描的设备，包括图像传感器，被配置成捕获指纹图像；第一致动器；第二致动器；以及组件，所述组件包括安装点，被配置成保持所述图像传感器，第一安装区域，被配置成保持所述第一致动器，第二安装区域，被配置成保持所述第二致动器，以及加强装置，耦合到所述安装点、所述第一致动器以及所述第二致动器，其中，所述加强装置具有以下几何形状被配置成建立所述安装点对由被配置成产生所述安装点的线性平移的所述第一致动器引起的力的抵抗以及建立所述安装点对由被配置成产生所述安装点的线性平移的所述第二致动器引起的力的抵抗，其中，所述第二致动器产生的线性平移基本上垂直于所述第一致动器产生的线性平移。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述加强装置对由所述第一致动器引起的力或由所述第二致动器引起的力的抵抗导致所述组件的高谐振频率。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述组件的谐振频率大于大约500Hz。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一致动器和所述第二致动器包括压电装置。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述安装点平移的图案是基本矩形的。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述图像传感器被配置成在基本矩形图案的每个顶点处捕获指纹图像。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述安装点被平移到基本矩形集的四个顶点，其中所述安装点的至少一次平移基本上沿着四个顶点的所述基本矩形集的对角线。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述图像传感器被配置成在所述四个顶点中的每个顶点处捕获指纹图像。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，在每个顶点处捕获的四个指纹图像中的每个指纹图像被配置成组合成合成图像，其中，所述合成图像具有比每个所述指纹图像的分辨率高的分辨率。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述合成图像是滚动指纹图像。
11.根据权利要求1所述的设备，还包括控制单元，被配置成利用驱动信号驱动所述第一致动器和所述第二致动器，其中，所述驱动信号包括大约50赫兹的频率，其中，所述控制单元被配置成使所述驱动信号通过低通滤波器，所述低通滤波器被配置成从所述驱动信号移除高于大约200赫兹的频率。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述图像传感器是CMOS传感器或CCD传感器。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述图像传感器被配置成大约每20毫秒捕获图像。
14.根据权利要求1所述的设备，还包括第三安装区域，被配置成将所述设备安装至对象；以及减缓机构，在所述第三安装区域与所述组件之间，其中，所述减缓机构被配置成基本上将所述组件与所述第三安装区域中的应力和力矩隔离。
15.根据权利要求1所述的设备，其中，由所述组件的质量、所述图像传感器的质量、与所述图像传感器相关联的电路板的质量以及与所述图像传感器相关联的安装硬件的质量限定的质量被最小化。
16.一种被配置成对指纹图像进行微扫描的系统，包括图像传感器，被配置成捕获指纹图像；第一致动器；第二致动器；组件，所述组件包括安装点，被配置成保持所述图像传感器，第一安装区域，被配置成保持所述第一致动器，第二安装区域，被配置成保持所述第二致动器，加强装置，耦合到所述安装点、所述第一致动器以及所述第二致动器，以及多个平行四边形结构，所述多个平行四边形结构被配置成限定由于所述第一致动器引起的力而导致的所述安装点的第一线性平移以及由于所述第二致动器引起的力而导致的所述安装点的第二线性平移，其中，所述第一线性平移基本上垂直于所述第二线性平移，并且其中，所述多个平行四边形结构基本上防止所述安装点在所述组件的平面中的旋转·’以及控制单元，被配置成利用驱动信号驱动所述第一致动器和所述第二致动器。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述组件的所述多个平行四边形结构由六个平行四边形结构组成。
18.—种生成指纹图像的方法，包括利用在第一位置处的图像传感器收集来自手指的光，以捕获第一图像；将所述图像传感器从所述第一位置平移到第二位置，其中，从所述第一位置到所述第二位置的平移基本上沿着四个顶点的基本矩形集的第一对角线；利用在所述第二位置处的所述图像传感器收集来自所述手指的光，以捕获第二图像，其中，所述第二图像是在小于捕获所述第一图像的大约20毫秒内捕获的；将所述图像传感器从所述第二位置平移到第三位置，其中，从所述第二位置到所述第三位置的平移基本上沿着四个顶点的所述基本矩形集的第一条边；利用在所述第三位置处的所述图像传感器收集来自所述手指的光，以捕获第三图像，其中，所述第三图像是在小于捕获所述第二图像的大约20毫秒内捕获的；将所述图像传感器从所述第三位置平移到第四位置，其中，从所述第三位置到所述第四位置的平移基本上沿着四个顶点的所述基本矩形集的第二对角线；以及利用在所述第四位置处的所述图像传感器收集来自所述手指的光，以捕获第四图像，其中，所述第四图像是在小于捕获所述第三图像的大约20毫秒内捕获的，其中，所述第一、第二、第三和第四图像可以组合成合成图像，并且其中，所述合成图像具有比所述第一、第二、第三和第四图像的分辨率高的分辨率。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述合成图像的分辨率为大约每英寸1000个像素。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，在所述第一、第二、第三和第四位置之间平移所述图像传感器是以低于组件的谐振频率的频率进行的，所述组件被配置成保持所述图像传感器。
21.根据权利要求18所述的方法，还包括将所述图像传感器从所述第四位置平移到所述第一位置，其中，从所述第四位置到所述第一位置的平移基本上沿着四个顶点的所述基本矩形集的第二条边并且基本上平行于从所述第二位置到所述第三位置的平移。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括重复在所述第一、第二、第三和第四位置处捕获图像，直至捕获到足以生成多个合成图像的多个图像为止，其中，合成图像的数量足以生成滚动指纹图像。
23.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第二图像是在小于捕获所述第一图像的大约10毫秒内捕获的，其中，所述第三图像是在小于捕获所述第二图像的大约10毫秒内捕获的，并且其中，所述第四图像是在小于捕获所述第三图像的大约10毫秒内捕获的。
24.一种生成指纹图像的方法，包括利用在第一位置处的图像传感器收集来自手指的光，以捕获第一图像；将所述图像传感器从所述第一位置平移到第二位置；利用在所述第二位置处的所述图像传感器收集来自所述手指的光，以捕获第二图像，其中，所述第二图像是在小于捕获所述第一图像的大约20毫秒内捕获的；将所述图像传感器从所述第二位置平移到第三位置，其中，从所述第二位置到所述第三位置的平移基本上垂直于从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处的所述图像传感器收集来自所述手指的光，以捕获第三图像，其中，所述第三图像是在小于捕获所述第二图像的大约20毫秒内捕获的；将所述图像传感器从所述第三位置平移到第四位置，其中，从所述第三位置到所述第四位置的平移基本上平行于从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处的所述图像传感器收集来自所述手指的光，以捕获第四图像，其中，所述第四图像是在小于捕获所述第三图像的大约20毫秒内捕获的，其中，可以将所述第一、第二、第三和第四图像组合成合成图像，并且其中，所述合成图像具有比所述第一、第二、第三和第四图像的分辨率高的分辨率。
25.根据权利要求M所述的方法，还包括将所述图像传感器从所述第四位置平移到所述第一位置，其中，从所述第四位置到所述第一位置的平移基本上平行于从所述第二位置到所述第三位置的平移。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括重复在所述第一、第二、第三和第四位置处捕获图像，直至捕获到足以生成多个合成图像的多个图像为止，其中，所述合成图像的数量足以生成滚动指纹图像。
27.一种生成滚动指纹图像的方法，包括a)利用在一个位置处的图像传感器收集来自滚动手指的光，以捕获图像；b)将所述图像传感器平移到新位置；c)利用在所述新位置处的所述图像传感器收集来自所述滚动手指的光，以捕获另一图d)重复步骤b)和c)，其中，在每次重复步骤b)和c)之后的当前新位置位于距之前的新位置为所述图像传感器的像素间间距的分数的距离，其中，重复步骤b)和c)以捕获多个图像，其中，所述多个图像可以组合成合成图像，并且其中，所述合成图像具有比所述多个图像中的每个图像的分辨率高的分辨率。
全文摘要
提供了用于为微扫描系统提供用于指纹图像捕获的低稳定时间的系统、设备以及方法。在一个实施例中，挠曲设备包括加强装置和平行四边形结构。挠曲设备被配置成将图像传感器移动到不同的位置，以捕获可以用于根据微扫描技术形成合成图像的图像。加强装置允许以高于挠曲设备的工作频率的水平建立挠曲设备的谐振频率，从而使得挠曲设备所需的稳定时间最小化。
文档编号H04N7/18GK102577371SQ201080036157
公开日2012年7月11日 申请日期2010年6月15日 优先权日2009年6月15日
发明者F. 马斯 D., D. 汉雷 J. 申请人:伊登蒂克斯公司