Спосіб ємнісного знімання зображення

1 Спосіб ємнісного знімання зображення, у якому a) поверхню (1), що має бути знята як зображення, розкладають на растрові елементи зображення, яким ставлять у ВІДПОВІДНІСТЬ структуру електричних провідників, яка для кожного елемента зображення містить вимірювальний провідник (2) і щонайменше один екранувальний провідник (7, 8), b) поверхню (1), що має бути знята як зображення, розміщують навпроти вимірювальних провідників (2), завдяки чому між елементами зображення і вимірювальними провідниками виникають залежні від властивостей конкретних елементів зображення ємності, c) в кожній провідник (2) під'єднуються потенціалу Винахід стосується способу ємнісного знімання зображень, придатного зокрема для знімання відбитків пальців за допомогою ємнісних вимірювальних датчиків У ємнісних поверхневих датчиках, наприклад, у датчиках відбитків пальців, вимірюється відстань між об'єктом, що підлягає вимірюванню (наприклад, поверхня пальця), і датчиком за допомогою растрової структури маленьких електропровідних площадок У разі датчика відбитків пальців ці електропровідні площадки мають розміри від 50мкм до ЮОмкм Такі ЄМНІСНІ датчики відбитків пальців описані, наприклад, у статті М Tartagm, Guernen "A 390dpi Live Fingerprint Imiger Based on Feedback Capacitive Sensing Scheme" в ISSCC97, сторінки 154, 155 і 402 Ємності об'єктів вимірювання дуже малі, внаслідок чого паразитні ємності, наприклад, сусідніх провідників або носія датчика значною мірою спотворюють результат вимірювання Для відокремлення слабких вимірюваних сигналів від порівняно великих сигналів перешкод необхідні чутливі підсилювачі Сигнали перешкод, що містяться у підсилених сигналах, можуть бути точці зображення вимірювальний та екранувальний провідник (7, 8) до одного і того ж електричного і знову роз'єднуються, який відрізняється тим, що d) для кожного елемента зображення наявний на вимірювальному провіднику (2) і/або на екранувальному провіднику (7, 8) заряд передають у ВІДПОВІДНИЙ накопичувальний конденсатор (Cs), причому одночасно компенсують різницю потенціалів, що виникає між вимірювальним провідником (2) і екранувальним провідником (7, 8), є) кроки с і d повторюють до накопичення на конденсаторах (Cs) зарядів, достатніх для їх однозначного вимірювання 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що різницю потенціалів між вимірювальними провідниками (2) і екранувальними провідниками (7, 8) для всіх елементів зображення компенсують однаковим чином шляхом прикладення до екранувальних провідників (7, 8) одного й того ж попередньо заданого потенціалу 3 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що різницю потенціалів між вимірювальними провідниками (2) і екранувальними провідниками (7, 8) для кожного елемента зображення компенсують окремо шляхом прикладення до екранувального провідника (7, 8) потенціалу, прикладеного до ВІДПОВІДНОГО вимірювального провідника (2) О ю ю ю ю 55554 зменшені або безпосередньо апаратними засобами, або після аналого-цифрового перетворення шляхом цифрової обробки Ці заходи є витратними і потребують високої точності Задача винаходу полягає у розробці способу ємнісного знімання зображень, придатного зокрема для знімання відбитків пальців і здатного бути реалізованим з незначними технічними витратами Ця задача вирішена способом ємнісного знімання зображення, у якому a) поверхню, що має бути знята як зображення, розкладають на растрові елементи зображення, яким ставлять у ВІДПОВІДНІСТЬ структуру електричних провідників, яка для кожного елемента зображення містить вимірювальний провідник і щонайменше один екранувальний провідник, b) поверхню, що має бути знята як зображення, розміщують навпроти вимірювальних провідників, завдяки чому між елементами зображення і вимірювальними провідниками виникають залежні від властивостей конкретних елементів зображення ємності, c) в кожній точці зображення вимірювальний провідник та екранувальний провідник під'єднуються до одного і того ж електричного потенціалу і знову роз'єднуються, який відрізняється тим, що d) для кожного елемента зображення наявний на вимірювальному провіднику і/або на екранувальному провіднику заряд передають у ВІДПОВІДНИЙ накопичувальний конденсатор, причому одночасно компенсують різницю потенціалів, що виникає між вимірювальним провідником і екранувальним провідником, є) кроки с) і d) повторюють до накопичення на конденсаторах зарядів, достатніх для їх однозначного вимірювання Форми виконання відображені у залежних пунктах формули винаходу ВІДПОВІДНО ДО винаходу використовується пристрій із окремих ємнісних вимірювальних датчиків, кожен з яких виконаний у вигляді електропровідних площадок, які з одного боку виконують функцію вимірювального провідника, а з іншого боку використовуються як екранувальні провідники, призначені для екранування ємностей окремих датчиків від сусідніх датчиків За допомогою транзисторів, використовуваних як перемикачі, до всіх провідників циклічно підводять попередньо заданий електричний потенціал, а заряд, що збирається на вимірювальних провідниках в залежності від зумовлених зображенням різних ємностей між вимірювальними провідниками і вимірюваним об'єктом, відводять до накопичувального конденсатора В ході цього процесу за допомогою компенсаційного провідника, який у переважній формі здійснення винаходу з'єднаний з охопленим зворотним зв'язком компаратором, забезпечують щонайменше приблизну рівність потенціалів на провідниках, завдяки чому до конденсаторів не прикладається електрична напруга і заряджання відбувається лише за рахунок додаткової зовнішньої ємності, а не за рахунок паразитних струмів зміщення між провідниками Поверхня зображення, яке підлягає зніманню, і яке викликає змінну від місця до місця ємність відносно розміщених у вигляді растру провідників, що відбувається, наприклад, у разі знімання відбитка пальця, під час процесу вимірювання розміщена паралельно до поверхні провідників Таким чином окремі вимірювальні площадки заряджаються по-різному ВІДПОВІДНО ДО ЄМНОСТІ, що утворюється між ними і об'єктом, зображення якого підлягає зніманню Шляхом багаторазового заряджання і розряджання "конденсаторів" окремих датчиків можна утворені на них заряди зібрати на додатковому конденсаторі до отримання величини заряду, яку можна виміряти з незначними технічними витратами Провідники, включно з провідниками, використовуваними як захисне кільце, за допомогою спеціальної схеми постійно підтримують під однаковим потенціалом, завдяки чому між усіма провідниками не виникають паразитні струми зміщення Таким чином винайдений спосіб дозволяє за допомогою в принципі відомої структури для знімання зображень знімати також зображення, наприклад, відбитки пальців, які викликають лише дуже незначні ЄМНІСНІ ВІДМІННОСТІ Нижче наведено детальніший опис винайденого способу з використанням фігур 1-3 На них зображено Фіг 1 Поперечний переріз окремого датчика з ВІДПОВІДНОЮ схемою, фіг 2 Епюри електричних потенціалів у різних точках схеми згідно з ф і г 1 , фіг З У виді зверху структура придатних для здійснення способу провідників На фіг 1 зображений поперечний переріз придатної для здійснення способу структури провідників у двох копланарних рівнях Фрагмент поверхні 1 об'єкта, зображення якого підлягає зніманню, наприклад, ЛІНІЯ відбитка пальця, знаходиться над вимірювальним провідником 2 верхнього рівня провідників Цей вимірювальний провідник 2 призначений для вимірювання ємності між поверхнею 1 об'єкта і цим рівнем провідників (ємність 3 "об'єкт-провідник") У тому ж рівні поруч з вимірювальним провідником 2 розміщені ІНШІ провідники, що утворюють верхні екранувальні провідники 8 У другому рівні навпроти кожного вимірювального провідника 2 розміщений інший провідник, який утворює нижній екранувальний провідник 7, він електричне з'єднаний з верхніми екранувальними провідниками 8 Екранувальний конденсатор 5, утворений вимірювальним провідником 2 і верхнім екранувальним провідником 8, а також екранувальний конденсатор 6, утворений вимірювальним провідником 2 і нижнім екранувальним провідником 7, як і утворений вимірюваним об'єктом і вимірювальним провідником 2 конденсатор, що відповідає ємності 3, зображені штриховими ЛІНІЯМИ, щоб підкреслити, що в цих місцях відсутні спеціально для цього передбачені конденсаторні пластини, це лише умовне позначення конденсатора на еквівалентній схемі У цьому прикладі верхній екранувальний провідник 8 може бути виконаний таким чином, що він оточує вимірювальний провідник 2 з усіх боків 55554 Таким чином, зображені на фіг 1 частини верхнього екранувального провідника 8 є елементами поперечного перерізу такого екранувального провідника, розміщеного навколо вимірювального провідника 2 Крім того, на фіг 1 для прикладу зображена схема, за допомогою якої здійснюють вимірювання Згідно З винайденим способом спочатку до кожного провідника (вимірювального і екранувального провідника), що відповідає окремому елементу поля зображення, підводять певний потенціал Це здійснюють за допомогою зображеної схеми шляхом відкривання верхніх за схемою транзисторів, подаючи сигнал управління на тактовий вхід Фі внаслідок чого потенціал VDD живлення передається в точки S і Р схеми і, ВІДПОВІДНО, на провідники 2, 7, 8 Шляхом подачі сигналу управління на другий тактовий вхід t2 відкривають обидва нижні за схемою транзистори і заряд з провідників відводять таким чином, що, наскільки дозволяють схемно-технологічні можливості, між вимірювальним провідником і обома екранувальними провідниками не виникає різниці потенціалів РІВНІСТЬ потенціалів у точках S і Р забезпечує схема 9 Ця схема 9 виконана у вигляді охопленого зворотним зв'язком операційного підсилювача 10 Також і в режимі, коли сигналом на тактовому вході Фа відкриваються нижні за схемою транзистори, схема 9 забезпечує рівність потенціалів у точках S і Р Згідно з переважною формою здійснення винайденого способу потенціал для кожного елемента зображення, тобто в кожному окремому датчику, передається вказаним чином, завдяки чому усувається виникнення різниці потенціалів на провідниках Таким чином досягається більша чутливість окремого вимірювання, оскільки паразитні ємності або ємності витікання екрануються, а небажані струми зміщення блокуються Крім того, утворюється однорідне електричне поле між обома рівнями провідників на краю вимірювального провідника 2 До того ж, нижній екранувальний провідник 7 екранує вимірювальний пристрій від паразитних ємностей, зумовлених, наприклад, під клад инкою, на якій розміщений пристрій (конденсатор 4 "датчикпідкладинка" на фіг1) Як нижній екранувальний провідник 7 принципово може бути використаний будь-який шар багатошарової металізованої структури Розрядження вимірювальної структури, здійснюване після кожного циклу заряджання, виконується через накопичувальний конденсатор Cs, на якому збираються часткові заряди доти, доки заряд в цьому конденсаторі або напруга на ньому не досягне значення, придатного для вимірювання з незначними технічними витратами Внаслідок зумовлених зображенням об'єкта різних значень ємності 3 "об'єкт-провідник" для різних елементів зображення на провідниках виникають різні заряди ВІДПОВІДНО ДО ЦЬОГО заряди, що збираються на накопичувальних конденсаторах Cs, для різних окремих елементів зображення також різні, завдяки чому шляхом визначення цих зарядів може бути реконструйоване зображення Управління окремими елементами зображення здійснюють через шини зчитування LL за принципом коміркового поля матричного запам'ятовуючого пристрою Така структура є складною До того ж, вона вимагає наявності операційного підсилювача 10 і компенсаційного провідника LLN для кожної комірки растрової структури окремих датчиків Винайдений спосіб може бути здійснений також за допомогою простішої провідникової структури, якщо відмовитися від повної компенсації різниці потенціалів між вимірювальними провідниками 2 і екранувальними провідниками 7, 8 Тоді для компенсації достатньо однієї схеми 9 і можна обійтися одним операційним підсилювачем 10 для усіх шин LL зчитування Управління цим операційним підсилювачем 10 може здійснюватися від однієї з цих шин зчитування, розміщеної, наприклад, посередині коміркового поля (растрової структури окремих датчиків) Оскільки хід зміни потенціалів під час процесів заряджання і розряджання відповідає середньому ходу цих процесів в окремих датчиках, для кожного окремого датчика компенсація здійснюється з достатньою точністю Інша можливість здійснення способу за допомогою порівняно простого пристрою полягає у повній ВІДМОВІ від управління через шину зчитування Кожна шина зчитування моделюється вимірюваною ємністю датчика, заряд котрого просто знімається з накопичувального конденсатора Cs Ці заряди знімаються технічними засобами, коли їх величина досягне достатнього значення після кількох циклів заряджаннярозряджання Найпростішою формою компенсації є встановлення сталої напруги Для цього до точки Q схеми прикладають сталий потенціал і обходяться без схеми 9 Цей потенціал однаковий для всіх окремих датчиків Хоча компенсаційний провідник на початку має надто мале, а в КІНЦІ надто велике зміщення напруги, в середньому здійснюється задовільна компенсація В обох описаних випадках з однаковою компенсацією для всіх окремих датчиків управління може здійснюватися від краю поля датчиків, що значно зменшує схемні витрати На фіг 2 представлено типові епюри зміни електричних потенціалів в окремих точках схеми, зображеної на фіг 1 Сигнали розряджання на тактовому вході Фг зміщені в часі відносно сигналів заряджання на тактовому вході Фі Хід напруги в точках Р і S внаслідок здійснюваної компенсації однаковий або - в разі виконання способу за допомогою спрощеної схеми щонайменше приблизно однаковий Напруга в точках Р і S при розрядженнях зменшується на все меншу величину, оскільки накопичувальний конденсатор Cs заряджається все більше і тому мінімальна напруга в точках Р і S з часом зростає Зміна потенціалу у точці R і потенціалу у точці Q, який відслідковує потенціал у точці R, також показана на фіг 2 На фіг 3 зображена растрова структура призначених для знімання зображення вимірювальних провідників 2 верхнього рівня провідників з розміщеними між ними 55554 екранувальними провідниками 8 Як наступний приклад виконання ці екранувальні провідники 8 виконані у вигляді смуг між колонками 11 матричної структури Замість такого екранування можуть бути передбачені також кільцеві екранувальні провідники 8, розміщені навколо кожного вимірювального провідника 2, як показано штриховими ЛІНІЯМИ Спосіб згідно з винаходом може бути здійснений незалежно від точної структури провідників Суттєвим є лише те, що для кожного ФІГ.1 Фіг.2 8 елемента зображення є група провідників, один з яких обернений до поверхні зображення і призначений для вимірювання, а ІНШІ служать для екранування Також має використовуватися схема, за допомогою якої електричний потенціал на екранувальних провідниках при заряджанні і при розряджанні вимірювального провідника має відслідковувати потенціал вимірювального провідника Геометрична структура екранувальних провідників легко може бути узгоджена з конкретними вимогами 55554 10 11 Фіг.З Підписано до друку 05 05 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24