面積の大きい超音波接触画像処理

インコヒーレントC−モード超音波検出器は、音響顕微鏡および2Dアレイと同様の走査された単一の要素デバイスにおける高解像度面接触画像処理に用いられてきた。しかし、これら全ての検出器は、対象の表面からの反射性の情報を収集するために、パルス反射法を用いる。これらのデバイスの面積を拡大するために必要な電子構造および音響構造は、複雑になり、実用的ではなく、または、コストがかかるようになる。

米国特許第5456256号および米国特許出願第2007/0258628A1号は、より小さいサイズの要素の動的な集束を用いた平面的な(2D)アレイ手法について記載している。しかし、時間遅延および位相の各要素に必要な電子機器は、複雑であり、多数の要素に対して適合するのは困難である。この手法はまた、広範囲における課題である、共通の基準信号の分布を必要とする。これらの回路の複雑さのゆえに、上記回路は、多結晶シリコン薄膜トランジスタ(TFT)、および、低コストで面積の大きい他の電子機器の使用を妨げている。従って、面積が拡大された場合、この手法の電子機器の要件は、極めて複雑でコストがかかる。

一実施形態に従ったシステムを示す図である。

一実施形態に従った超音波接触画像処理ユニットを示す図である。

一実施形態に従った超音波接触画像処理ユニットに生成および受信される信号を示す図である。

一実施形態に従った送信信号および反射信号の重ね合わせを示す図である。

一実施形態に従った応答の周波数分析を示す図である。

一実施形態に従った距離関数としての受信器での電圧を示す図である。

一実施形態に従った周波数とコントラスト比とのトレードオフを示す図である。

一実施形態に従った超音波接触画像処理を実行するためのプロセスを示すフローチャートである。

本実施形態の開示された1つの特徴は、超音波接触画像処理のための技術である。薄膜トランジスタ(TFT)アレイが、基板に堆積されている。上記TFTアレイには、複数の受信器要素を備えた受信器が堆積されており、受信信号を受信する。上記受信器に隣接している送信器が、超音波周波数で送信信号を発生させる。上記送信信号は、表面から反射され、反射信号を作り出す。上記表面は、デバイススタックの最上層に接している。受信信号は、干渉の結果として送信信号と反射信号とを重ね合わせたものである。全デバイススタックの厚さは、受信信号が表面の全域での音響インピーダンスの差を表すように、選択される。これらの音響インピーダンスの差によって、受信器において色々な信号レベルが得られる。

本実施形態の開示された1つの特徴は、TFT技術の面積が大きく低コストな利点を有するインコヒーレントな超音波接触画像処理のための方法およびデバイスである。上記技術は、パルス反射手法の代わりに、準連続波の手法を用いて高解像度でインコヒーレントな超音波接触イメージャを作り出すことができる。2つの超音波が、互いに重ねられ、画像処理構造に接触して表面からの反射性を表す。この構造における層が薄く、上記2つの波が干渉するので、超音波の伝播距離は波長と似通って非常に短くてもよい。従って、複雑な音響の構造または集束電子機器なしに上記デバイスが高解像度を維持できるように、超音波の拡散は比較的少ない。単一のレンジゲートピーク検出器が、反射性のデータを収集してもよく、多結晶シリコンTFTのような低コストで面積の広い電子機器の使用を可能にする。従って、本実施形態の開示された1つの特徴は、最小限の複雑さおよびコストで面積を拡大可能であることである。

図1は、一実施形態に従ったシステム100を示す図である。システム100は、画像処理構造110、処理回路120、および、像平面130を含む。

画像処理構造110は、超音波接触画像処理ユニットである。上記構造は、準連続波(CW)モードで動作する超音波を用いて被写体115の画像を獲得する。準CWモードでの動作により、より低い駆動電圧を用いることができる。パルス反射モードでは、超音波が伝わる長い距離の間に材料を介して回折および減衰による著しい損失がある。画像処理構造110では、上記移動距離は非常に短く、波形の干渉がある。パルス反射デバイスでは、受信器において100mVppの信号を得るために、最大振幅(pp)が約200Vの送信器の電圧が必要とされる。これに対して、画像処理ユニット110では、受信器においてほぼ100mVppの信号を得るために、送信器において10Vppが必要なだけである。

画像処理構造110は、送信器、受信器、および、接触層を含んでいてもよい。被写体115は、その画像が画像処理構造110によって得られる、いかなる被写体であってもよい。上記画像は、被写体115が画像処理構造110の表面に接触すると、得られる。概して、被写体115は、画像処理構造110の最上層のインピーダンスと一致したインピーダンスを有していてもよい。一実施形態では、被写体115は、指紋を採ることができる人の指である。上記接触層は、その表面が被写体115に接触している層である。上記層は、画像処理構造110の最上層である。画像処理構造110は、上記最上層を介して超音波信号を送信する。上記送信信号は、最上層の表面において反射され、反射信号となる。上記反射信号と上記送信信号とは、上記画像処理構造内で重なり、組み合わさった信号は、上記受信器によって受信される。

処理回路120は、画像処理構造110に結合されており、上記受信信号を処理して画像を形成する。次に、上記画像は像平面130に投影される。

図2は、一実施形態に従った図1の超音波接触画像処理ユニット110を示す図である。画像処理ユニット110は、基板210、薄膜トランジスタ(TFT)アレイ225、受信器220、絶縁体230、送信器240、および、接触層250を含む。画像処理ユニット110は、おおよそ上記要素を含んでいてもよい。音響スタックは、別々の受信器および送信器を備えている。別々に送信および受信する変換器を備えていることは、各画素において、高電圧送信/受信スイッチといった複雑な電子機器の必要をなくすには有効であろう。送信に必要な高電圧は、受信器から物理的および電気的に分離されていてもよい。このことは、大部分の超音波システムに共通の高電圧送信/受信スイッチを除去することによって、画素電子機器の複雑さを低減してもよい。これにより、上記画素電子機器は大いに簡略化され、TFTが使用可能になる。

基板210は、ガラス、石英、プラスチック、ステンレス鋼、または、可塑性ポリイミドといった、あらゆる適切な基板であってもよい。鋼は、インピーダンスのより高い材料がより高いコントラスト比を作り出すので、有効であろう。TFTアレイ225は、基板210に堆積される。上記アレイは、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンであってもよい。上記アレイは、複数の個々のTFT画素およびそれらに関連した電極を含んでいてもよい。

受信器220は、TFTアレイ225に堆積され、受信信号を受信する。上記受信器は、複数のTFT画素に対応した複数の受信器要素を備えていてもよい。上記受信器要素のそれぞれは、ポリマー受信器および受信器回路を含んでいてもよい。ポリマー受信器は、フッ化ポリビニリデン(PVDF)、フッ化ポリビニリデン‐トリフロロエチレン(PVDF‐TrFE)、圧電変換器(PZT)、または、静電型変換器のうちの1つから形成されていてもよい。上記受信器回路は、受信信号を収集してTFTアレイ225に画素を作り出すための、レンジゲートピークコレクタを含んでいてもよい。受信器220上には、導電層235があり、上記導電層は、複数の受信器要素の全域で分配されるバイアス信号を含んでいてもよい。

絶縁体230は、受信器220と送信器240とを隔てる、いかなる適切な誘電性の絶縁体または電気絶縁体であってもよい。絶縁体230は、任意であってもよいし、完全に除去されてもよい。この状況において、受信器220の上端電極および送信器240の下端電極は、広範囲において生じる接着層におけるショートを回避するために、両方ともアースに接続される必要がある。

送信器240は、受信器220に隣接し、送信信号を発生させて、超音波周波数で送信信号を発生させる。上記送信信号は、反射信号を作り出すために、表面260から反射されてもよい。送信器240は、アース層245および熱電極層255を備えていてもよい。送信器240は、PVDF、PVDF‐TrFE、PZT、または、静電型変換器のうちの1つから形成されていてもよい。

接触層250は、送信器240に堆積される。上記接触層には層表面260があり、信号の干渉の結果として上記受信信号が送信信号と反射信号とを重ね合わせたものになるような被写体表面と厚さとを有する被写体(例えば、図1に示した被写体115)からの接触を受ける。上記受信信号は、上記表面の全域での音響インピーダンスの差を表している。これらの音響インピーダンスの差によって、受信器において色々な信号レベルが得られる。被写体が層表面260に接触すると、上記受信信号が、層表面260における被写体表面の反射性に比例してもよく、それゆえに、上記被写体表面の構造を特徴づけてもよく、従って、上記被写体表面の画像を提供する。上記受信信号は、続いて、上記被写体表面の画像を作り出すために、処理されてもよい。

接触層250は、マイラー、エポキシ、シリコン、ポリ(メタクリル酸メチル)(PMMA)、または、ポリジメチルシロキサン(PDMS)のうちの1つから形成されていてもよい。接触層250の厚さTは、超音波周波数の波長未満であってもよい。上記厚さは、受信信号の振幅がほぼゼロになる層表面260に被写体115からの接触がない場合に、上記送信信号と上記反射信号とが位相を異にするように、選択されてもよい。この接触層250の厚さTが波長未満であるので、伝播距離は短く、このことは、画像処理ユニットが複雑な集束電子機器、レンズ、または、導波管構造を必要とせずによい画像解像度を提供することを意味する。

上記層に加えて、さらに、画像処理構造110のあらゆる個所に、音響層が加えられてもよく、上記音響層は、電気的特性または音響特性を改善する。例えば、より厚い銀インクの層が電極として用いられてもよい。つまり、この6ミクロンインクは、導電率を改善してもよいが、著しい厚さが音響特性に影響を及ぼしてしまう。上記デバイスの上端に加えられた他の層も、音響的一致のために用いることができる。

上記層の厚さは、概して、反射信号と送信信号とが同相であるか、あるいは、互いにいかなる他の位相関係をも有しているように、変更されてもよい。例えば、送信信号と反射信号とが同相であるように上記構造の層を変更することにより、色々なインピーダンス/反射性の被写体間にコントラストが作り出される。特に、上記スタックの厚さは、最大の受信信号をもたらす層表面での接触がない場合に送信信号と反射信号とが同相であるように、選択されてもよい。概して、全デバイススタックの厚さは、送信信号と反射信号との間の干渉信号が表面の全域での音響インピーダンスの差を表しているように、設計または選択されていてもよい。音響インピーダンスの差によって、受信器において色々な信号レベルが得られてもよい。一実施形態では、表面と送信器との間の効果的な音響の長さは、超音波の動作波長の4分の1のほぼ整数倍であってもよい。

図3は、一実施形態に従った超音波接触画像処理ユニット110に生成および受信される信号を示す図である。画像処理ユニット110は、接触層250と接触する表面260から反射性の画像処理を可能にする送信信号および反射信号の干渉を用いることにより、画像を形成する。送信器240は、点310において送信信号320、325を発生させる。概して、送信信号320、325は同じである。

送信信号320は、反射信号330を供給するために、層表面260上の位置301において反射される。位置301は、被写体との接触がなく、空気が表面における媒体である所である。空気が表面にあるので、反射係数はほぼ100%である。接触層250の厚さTは、送信信号320(または325)および反射信号330が180度位相を異にするように選択される。送信信号325と反射信号330とは、送信器240における信号の干渉のゆえに重なり、受信器220によって受信される受信信号335を形成する。送信信号325と反射信号330とが180度位相を異にするので、あるいは、互いに補足的であるので、上記信号が組み合わせられた信号、または、受信信号335は、ほぼゼロであってもよい。つまり、接触層に被写体がない場合、何も表さないか、または、空気のみを表す画素は、暗い。

送信器240は、点340において送信信号350、355を発生させる。概して、送信信号350、355は同じである。被写体115が、接触層250の層表面260における位置302で接触するとする。送信信号350は、反射信号360を供給するために、層表面260の位置302において反射する。送信信号355と反射信号360とは、送信器240における信号の干渉のゆえに重なり、受信器220によって受信される受信信号365を形成する。被写体115が今や空気ではなく表面に位置しているので、反射係数は100%ではない。従って、送信信号350の一部は被写体115を介して送信され、その一部は反射されて反射信号360となる。反射信号360は、従って、送信信号355に対して180度位相を異にしない。結果的に、送信信号355と反射信号360とは、互いに完全には相殺しない。受信信号365は、従って、ゼロではない大きさを有している。上記大きさの値は、被写体表面の関数である層表面260における反射性に比例している。つまり、受信信号365は、表面の全域での音響インピーダンスの差を表している。

図4は、一実施形態に従った送信信号および反射信号の重ね合わせを示す図である。信号320、325は、送信器240によって生成される送信信号を表す。空気が表面にある場合、信号330は反射信号である。上記信号は、信号325に対して180度位相を異にする。信号335は、信号325、330を重ね合わせた受信信号である。信号325、330は、間隔Lにおいて互いに相殺する。結果的に、信号335が間隔Lと一致した統合期間に統合されると、その値はほぼゼロになる。

信号350、355は、送信器240によって生成される送信信号を表す。信号360は、被写体が表面に位置している場合は反射信号である。上記信号は、信号355に対して位相を異にしない。信号365は、信号355と信号350とを重ね合わせた受信信号である。信号355、350は、間隔Lの間に互いに相殺しない。結果的に、信号365が間隔Lと一致した統合期間に統合されると、その値はゼロではなくなり、表面における反射性に比例し、従って、表面の全域での音響インピーダンスの差を表している。

図5は、一実施形態に従った応答の周波数分析を示す図である。画像処理ユニット110の性能を検証するために、シミュレーションが実行されている。上記シミュレーションは、圧電変換器用の送信モデルである連続波を利用する。画像処理ユニットは、以下のパラメータ:15MHzの超音波周波数、12ミクロンのPVDF‐trFEからなる受信器、12ミクロンのPVDFからなる送信器、および、28ミクロンのマイラーからなる絶縁体、を有するようにシミュレートされる。この構造に関して、接触層は65ミクロンのマイラーからなる。65ミクロンの厚さは、反射信号を完全に相殺するために選択されたものである。

周波数応答は、周波数関数として比V_out/V_inを示す。曲線510は、表面における空気に相当し、曲線520は、表面における指に相当する。15MHzでは、周波数応答は、空気用にゼロ値を示し、指用にゼロではない値を示す。この周波数では、コントラスト比は、(空隙用の)指紋隆線と指紋谷線との間でほぼ50である。

図6は、一実施形態に従った距離関数としての受信器の電圧を示す図である。曲線610は、接触層の表面において受信器の電圧を距離関数として表す。ゼロミクロンでは、接触層の表面での空気負荷から指負荷への段階的移行がある。ほぼ200ミクロンの移行距離は、画像処理ユニットの画像解像度は約200ミクロンであるということを示す。

図7は、一実施形態に従った周波数とコントラスト比とのトレードオフを示す図である。周波数応答を分析することにより、動作周波数とコントラスト比との評価がなされてもよい。コントラスト比は、(例えば、接触しない場合の)空気負荷と(例えば、被写体が接触する場合の)被写体負荷との間の動作周波数での応答間の比に比例していてもよい。曲線710は、空気負荷に相当する。曲線720は、指負荷に相当する。

曲線710、720の応答がピークに達するほぼ35MHzでは、信号はより大きいが、コントラスト比はほんの約2である。この周波数は、信号強度が強いために電子回路のノイズが大きい場合に、好ましい。

ほぼ43MHzでは、曲線710はゼロであり、他方、曲線720はかなり著しい値である。結果的に、コントラスト比は35MHzよりもよい大きさである。

図8は、一実施形態に従った超音波接触画像処理を実行するためのプロセス800を示すフローチャートである。

開始に関して、プロセス800は、送信器に堆積された接触層を介して、超音波周波数で送信器によって送信信号を発生させる(ブロック810)。上記送信信号は、接触層の層表面から反射され、反射信号を作り出す。次に、プロセス800は、基板に堆積された薄膜トランジスタ(TFT)アレイに、受信器によって受信信号を受信する(ブロック820)。上記受信信号は、干渉の結果として送信信号と反射信号とを重ね合わせたものである。上記受信信号は、表面の全域での音響インピーダンスの差を表している。

次に、プロセス800は、レンジゲートピークコレクタによって受信信号を収集して、TFTアレイに画素を作り出す(ブロック830)。次に、プロセス800は、統合期間に受信信号を統合し、画素を作り出す(ブロック840)。次に、プロセス800は終了する。