本发明涉及用于阅读灵巧卡的便携式设备。

灵巧卡正在全世界迅速普及。一般说来，灵巧卡被视为一种卡(在 尺寸上小于通用的信用卡)，它包含一个有某些电子器件的半导体芯片 和一个用于存储信息的存储器。灵巧卡用来存储个人信息，其范围从医 疗信息到财务数据。存于灵巧卡中的大量信息或数据，甚至对拥有者来 说，一般也是不可访问的。此外，目前正在使用各种不同的灵巧卡，包 括以各种不同电压操作的灵巧卡，可用电接触来访问的灵巧卡，非接触 性的卡，光学可读卡，磁学可读卡等。因此需要提供一种装置，使拥有 者借此观察卡上的存储信息，以确定其状态。

本发明之目的在于提供新的先进仪器，用于观察存于灵巧卡上的信 息。

本发明之另一目的在于提供新的先进仪器，用于观察存于灵巧卡的 信息，该仪器能被标准化，以便实际上接收多种灵巧卡中任何一种卡。

本发明之又一目的在于提供新的先进仪器，用于观察存于灵巧卡上 的信息，该仪器包含若干安全特征，以防不应有地观察信息。

本发明之进一步目的在于提供新的先进仪器，用于观察存于灵巧卡 上的信息，该仪器是便携式的，容易操作的。

用一个灵巧卡阅读器至少可部分地解决上述问题和其他问题，并可 达到上述目的和其他目的；该阅读器包括一个带有一个观察窗口的便携 式外壳，和包括一个装在该外壳内的虚拟图象显示器，用于提供一个在 观察窗口观察的图象。该虚拟图象显示器还包括一个旨在接收其上图象 数据的数据输入终端。一个传感器结构装于外壳内，并被建造得使其上 存有数据的灵巧卡按照数据传感并置法(data sensing juxtaposition)置 于与它相邻的位置。电子器件装于外壳内，并且连接于传感器结构的输 出端，以接收所传感的数据；这些器件还连接于虚拟图象显示器的输入 端，以便根据所传感的数据向它提供图象数据。

请参看附图：

图1是一个根据本发明的便携式灵巧卡阅读器的立体图；

图2是一个沿图1的线2-2看的简化断面图；

图3是图1的便携式灵巧卡阅读器的一个部分的简化示意图；

图4是图1的便携式灵巧卡阅读器的一个部分的简化方块图；

图5是图4的仪器的一个部分的顶视图；

图6、7和8是图1的便携式灵巧卡阅读器的一个部分的顶、前和 侧视图；

图9是一个图6仪器的放大侧视图；

图10是一个用于图1便携式灵巧卡阅读器的另一直观显示的方块 图；

图11是一个说明图1便携式灵巧卡阅读器操作的立体图；

图12是图1的便携式灵巧卡阅读器的方块图。

现在转向附图，图1和2根据本发明说明一个灵巧卡阅读器10的具 体实施例。灵巧卡阅读器10包括一个便携式外壳11，它从人类工程学 上设计成能够持在手中，即，外壳11被制成得方便地适应人手，允许舒 适地使用控制器件和操作设备。外壳11还包括一个槽12，用于在其中 接收一个灵巧卡13，和允许读取灵巧卡13上存储的信息。槽12被设计 成按照数据传感并置方法，把灵巧卡13置于在外壳10中安装的传感器 结构15的附近。当然要知道，虽然优先选择槽12来正确地定位灵巧卡 13，但其他结构也是可以使用的，包括只把灵巧卡13置于可在外面访问 的传感器结构附近。

外壳11还有一个装于其中的直观显示器14，用于提供存于灵巧卡 13上的信息的直观图象。电子器件16装于外壳10中，它与传感器结构 15保持电联系；在这个具体实施例中，为说明起见，它直接装于一个电 路板上，板上装有电子器件16和传感器结构15，并互连之。还把装有 电子器件16的电路板布置成在其上安装一个仪器20，它电连接于电子 器件16，仪器20包括一个二维阵列的发光器件，用于在直观显示器14 中提供一个完全真实图象。一般说来，电子器件16包括一个中央处理单 元(CPU)，和一个能够同CPU和直观显示器14一起工作的存储器 (RAM或ROM)。

在一个优选的实施例中，传感器结构15被设计成在物理上啮合灵巧 卡13上的外部电触点，使灵巧卡13直接连接于电子器件中的CPU。对 CPU编制程序，使它同灵巧卡13上的存储器和电路接口，并把存于灵巧 卡13上的信息以图象数据的形式供给直观显示器14。然后，直观显示 器14从灵巧卡13产生所传感数据的一个图象(或一些图象)。要知道， 传感器结构15可以包括光学传感器，磁学传感器，和/或电子传感器，还 要加上物理上啮合的电触点，或不用这些电接点。还要知道，在某些具 体的情况下，同灵巧卡上的电子器件进行一定数量的通信可能是需要 的，或甚至是必要的(当前要讨论的安全问题)；并且在这些情况下， 传感器结构15被设计成把信息从CPU传到灵巧卡13，以及把信息从灵 巧卡传到CPU。

专门参阅图3，它以简化的示意图说明直观显示器14的一个实例。 显示器14包括一个仪器20，用于在表面23上提供一个图象。一个用透 镜24表示的光学系统被置于一个到仪器20的表面23有一定距离的地 方，并且产生一个可在离开透镜24确定的小孔25有一定距离的地方， 用人眼观察的虚拟图象。

在图4更详细地说明仪器20，举例来说，它包括一些半导体电子器 件，例如一用数据处理电路27驱动的发光器件(LED)阵列26。举例 来说，数据处理电路27包括一些逻辑与开关电路阵列，用于控制LED 阵列26中的每个LED。数据处理电路27除了逻辑与开关阵列之外还包 括，或者不用这些阵列而用：一个微处理器或类似的电路系统，用于处 理一些软件指令的输入信号，以便在一个象LED阵列26之类的器件上 产生一个所需的图象。要知道，数据处理电路27和LED阵列26，虽然 为描述起见而分别予以说明，但在某些应用中能够形成于同一块半导体 芯片上。

在这个具体的实施例中，LED阵列26包括一些发光二极管，之所 以利用它们是因为能获得极小的尺寸，和因为结构与操作均简单。当然， 要知道，还可利用其他的图象生成器件，包括激光(例如垂直空腔表面 发射激光)，LCD，有机发光二极管等器件，但不限于这些器件。专门 参阅图5，其中说明一个LED阵列26的平面图：在一个单独的基底29 上以规则的行列图形制成LED，在本实施例中，该基底是一个半导体芯 片。对基底29分段，以简化图5，但要知道，可以在同一基底上安装一 些其他的电路，尤其是驱动电路。以众所周知的方式按照行列对具体的 LED进行寻址，就可激励这些具体的LED，以产生一个图象或一些图 象。在输入端28接收数字数据或模拟数据，并用数据处理电路27把这 些数据转换成一些信号，这些信号能够激励所选择的LED，以生成预定 的图象。

本专业的技术人员会知道，LED阵列26和基底29在图中是被明显 放大的。基底29的实际尺寸沿每条边只有几个毫米的量级；发光区或阵 列一般为2至50毫米的范围，较可取者为5至10毫米；每个LED的每 条边小于20微米，较可取者为每边小至1微米的量级。应知道，实际的 发光器件阵列是小得多的，因为焊点等要占用每边几个毫米的区域。一 般说来，较大尺寸的基底或芯片只意味着，在阵列中使用较多的发光器 件去提供较好的清晰度、颜色等。因为半导体技术可减小芯片的尺寸， 故需要较大的放大率和较小的透镜系统。在增大放大率时减小透镜尺 寸，可导致明显限制视野，显著减小人眼的调剂，并减小透镜系统的工 作距离‘d’。

用透镜24示意性表示的透镜系统，是按照离开仪器20的表面23 的间隔关系来安装的，以便接收来自表面23的图象，把它放大一定的倍 数，并产生一个可其中观察虚象的孔径。在本实施例中，透镜24把图象 放大15倍(15×)，以便把来自LED阵列26的图象放大到它原始角 度尺寸的15倍。一般说来，需要至少10倍的放大率，去放大足以用人 眼看出的实际图象。当然，要知道，在需要时，可为焦距和附加的放大 率而调节透镜系统，或者为简单起见，可把它固定于外壳11中。

图6、7和8分别示出一个小型虚拟图象显示器30的顶视图、前视 图和侧立视图；在一个优选的实施例中，该显示器用作灵巧卡阅读器10 中的直观显示器14。小型虚拟图象显示器30装有一个单独的重叠式光 学放大器32。图6、7和8示出接近实际尺寸的小型虚拟图象显示器30， 以便对该仪器达到的尺寸减小程度提供某种指示。显示器30包括一个带 有发光器件阵列的实际图象生成仪器35，这类发光器件的实例有有机或 无机发光二极管，场致发射器件，垂直空腔表面发射激光器，LCD等。 在这个具体的实施例中，仪器35包括144个发光器件乘240个发光器件。 每个发光器件都被制成按一边计接近20微米长，在相邻器件之间的从中 心到中心的间距不超过20微米。用约1.8伏的电压接通每个发光器件， 当它被接通时，可利用约50μA的电流。仪器35产生的亮度小于约15fL。

仪器35装在玻璃表面36的下表面上，驱动电路板38是凸缘焊接于 基底36上的。在1995年7月11日发布和授予同一受让人的，题为“集 成电光组件”的，美国专利No.5,432,358中，公开了关于驱动电路板 和把基底焊接到驱动电路板上的附加信息，在此附上这种信息供参考。

最好看图7，单重叠光学放大器32也装在基底36上，并且包括多 个确定从仪器35到观察孔39的光路的光学元件。多个光学元件被制成 在一个第一光学元件的光入口，对由仪器35生成的图象，按大于10倍 的放大率进行角度放大。由于光路的长度和仪器35(图象源)的尺寸原 因，其水平光学视场范围为从在10x放大率下的约11度到在20x放大率 下的22度；在本实施例情况下，水平视场约为16度，放大率为15x。

专门参阅图9，为阐明起见，把图6所示显示器30的侧立视图放大 4倍。从图9可知，多个光学元件包括一个具有光入口42的第一光学元 件40，一个用作光出口43且同光入口42成一定角度的球面，和一个光 学地定位于光入口42与光出口43之间，以便把光从光入口42引向光出 口43的反射面45。在这个具体的实施例中，元件40被制成一种棱镜， 由一种光学质量的塑料压制而成。一般说来，要知道，光学质量的塑料 是一种有高折射率的材料，其折射率约为1.5至1.6。反射表面45可以 是一个简单地压入元件40中的单独的镀银反射镜，或者可以是在制成元 件40以后镀银的，或者可以是不镀层而以总的内部反射方式使用的。

在本实施例中，光入口42采用一种非球面场平化凹表面的形式，该 表面直接压入元件40中，并成为它的整体部分。然而不用说，光入口42 能制成一个单独的透镜，并随后按照与元件40的下表面的光学对准而定 位。当然，单独的部件会导致附加的部件和组装步骤，能增加成本和最 终结构的尺寸。

反射面45是根据光入口42和光出口43而配置的，它以一个约80 度至100度的角度对通过第一元件40的光进行弯折或弯曲。更具体地 说，在所述的实施例中，以约95度的角度使光反射。例如，业已发现， 95度的角度可避免在光放大器32的出口处损失图象下部的光。

显示器30的设计的一个重要部分是使用一种有凸输出面的固态、单 折叠棱镜，它同使用空气中的单旋转镜相比，在相同的空间体积情况下， 能够增加角放大率(减小有效焦距)。

多个光学元件还包括一个光学透镜47，它具有一个位于第一光学元 件40的光出口43附近的光入口，和一个光出口。在所述的具体实施例 中，光学透镜47是一个双非球面光学透镜，具有一个确定光入口的非球 面表面和一个确定光出口的非球面表面。光学透镜47是用任何一种方便 的方法相对于第一元件40而定位安装的，它包括一个外壳(在图6-8 中示意地表示的)，一个固定架，或任何其他的方便结构。非球面的表 面包括光学透镜47的光出口和光入口，和元件40的光出口43和场平化 光入口42，这些表面被设计成当波前从光入口42传到光学透镜47的光 出口时，减小和/或消除波前中的任何光行差。

多个光学元件包括第一元件40和光学透镜47，它们确定一个从第 一元件40的光入口42到光学透镜47的光出口的光路。为了制作一个用 于灵巧卡阅读器的单折叠光学放大器，光路的总平均光学长度应当在约 15至35毫米的范围内。在本实施例中，从光入口42到那个确定光学透 镜47的光出口的非球面表面的光路，约为20毫米。

此外，包括第一元件40和光学透镜47在内的多个光学元件被设计 成，至少包括一个位于光路中的衍射光学元件，用于提供附加的、主色 (在本实施例中)、象差校正。在所述的实施例中把一个衍射光学元件 49装入这个确定光透镜47的光输入的非球面表面内。当然不用说，能把 衍射光学元件装入显示器30中多个元件的任何其他表面上，取代或附上 这些表面均可。如果把一个衍射光学元件装入一个大体上垂直于光路的 表面，与那些光在其中以某一角度入射表面的元件相反，则衍射光学元 件由于旋转对称而颇容易制作，而那些光以某一角度入射其上的表面则 没有旋转对称性。由于非球面表面和衍射光学元件49使透镜47比较复 杂，故业已发现，最好是用注入压制法制作光学透镜47。

虽然能够把第一元件40和透镜47制成一个完整的放大器，但在这 个具体的实施例中，作为放大器可能扩展的实例，可装入一个低功率的 光学透镜48。光学透镜48包括一个确定光输入的球面表面，和一个确 定光输出的球面表面。在透镜48的输入表面上形成一个衍射光学元件 50，以提供附加的象差校正。光学透镜48装于光学透镜47附近，并且 形成一个确定一个孔径的输出光学元件，通过该孔径能够观察角放大图 象。添加光学透镜48可能稍微增加显示器30的尺寸和复杂性，但可提 供一些角度放大和象差校正，从而可减小各种其他元件的复杂性，这在 许多应用中能够降低显示器30的总成本。由于放大率低，故透镜48也 可用作组件窗，或观察孔。在那些只利用第一元件40和光学透镜47的 应用中，确定观察孔可能是方便的，该孔带有一个可能是清楚的玻璃或 塑料窗，一个滤光器等。

在许多应用中，可能需要装入一种聚焦最终图象的仪器。为此，通 过一个能用一个指旋螺丝、螺丝起子等旋转的螺旋调节器52，把元件40 (需要时加上其他元件47和48)装到基底36上，以便在垂直地向着和 离开基底36与仪器35的方向上移动元件40、47和48的固定组件。只 通过改变在光入口42与仪器35上所生成图象之间的距离，就可达到聚 焦的目的。

图10是一个直接视网膜扫描显示器的方块图，它也可用作图2的直 观显示器14。激光器60可以是任何一种众所周知的激光器，包括固态 激光器，例如垂直空腔表面发射激光器，二极管激光器，二极管抽运激 光器等；它把一种相干光束供给一个调制器62。调制器62把视频信息 传递到该光束中，方法通常是调制该光束的强度，作为实例，提供激光 器60的功率电平上的变化。根据应用，调制可能是象断开和接通激光器 60那样简单的，这从本质上讲是转变成一个数字系统的。声光调制器是 一种应用很广的优选调制器，但其他的技术，例如电光技术和机械技术 是完全可行的。

来自调制器62的调制光束被送到一个偏转系统63。一个透镜系统 64用于把来自偏转系统63的光束聚焦到人眼。选择透镜系统64的焦距， 使扫描系统的焦点位于人眼的光瞳孔范围以内，并且相干光束焦点处在 人眼的视网膜处。

电子器件65提供调制器62和偏转系统63的计时和控制。电子器件 65包括一个基本的振荡器，或定时器，它提供定时信号，以便按照固定 的时间发生扫描和调制。此外，电子器件65还向调制器62提供视频信 号，以便按照所需的时间把光束调制成正确的光强度。此外，电子器件 65还提供水平和垂直(正交)的偏转信号，使偏转系统63周期地扫描光 栅中的光束。根据应用和所需图象分辨率，水平偏转频率可以是15至 30KHz的量级，垂直偏转频率不低于60Hz，并且调制频率可以是12MHz 的量级。

偏转系统63的用途是扫描人眼视网膜上的调制光束，或在视网膜上 “写入”图象。根据显示器的应用和需要在人眼中形成怎样的图象，有 许多可能的偏转系统63和透镜系统64的结构。在1994年8月18日提 交的、赋予同一受让人、序号08/292,193、题为“直接视网膜扫描显示 器”的共同未决美国专利申请中，载有这种显示器的附加信息；该专利 是1992年3月24日提交、序号07/857,193、题为“直接视网膜扫描显 示器”的美国专利申请的继续。虽然直接视网膜扫描显示器在技术上不 产生虚象，但由于与它相似，故在这项公开的虚拟显示设备的定义中包 含直接视网膜扫描显示器。

参阅图11，它说明一个灵巧卡阅读器10的透视图，其中装有一个 小型虚象显示器，可见一个观察孔39。图11还说明一个典型图70，或 虚象，其中有存于灵巧卡13上的信息，这是操作员从灵巧卡阅读器10 的观察孔39看到的，在灵巧卡阅读器10的外面呈现图70(虚象)。图 70能够象8.5×11纸张那样大，并能包括例如一个完整的财务报表，信 用卡会计事项和结余，医疗记录等。

现在转向图12，它说明一个灵巧卡阅读器10的简化方块图。在灵 巧卡阅读器10的这个具体实施例中，示出一个中央处理单元(CPU) 75，它使用一个随机存取存储器(RAM)76和一个只读存储器 (ROM)77。在这个优选的实施例中，用在市场上从MOTOROLA， LNC.买到的一种MC68HCO5SC21作CPU75。当然不用说，RAM76 和ROM77可以是CPU75内部的存储器，和/或可以是为附加特征和专业 化特征而提供的外部存储器。提供一个功率管理电路80，以适应有不同 功率和/或不同电压要求(例如在1至12伏范围内的电压)的不同灵巧卡 的情况。

用一个卡接口82把灵巧卡耦合到CPU75上，并且如上所述，该接 口可包括任何一个或全部电触点，用于直接物理连接，光学阅读器，磁 学传感器，电子传感器(例如用于无触点卡的红外传感器，RF传感器 等)。在本实施例中，卡接口82包括传感器结构15(图2)。

提供一个用户接口85，使用户同CPU75通信，并最终同灵巧卡通 信。用户接口85包括用于操作图象显示器14的各种按钮和控制器(在 本实施例中)。一般说来，用户接口85包括至少一个OFF/ON控制器和 装置，例如一个用于往下拉菜单，前进/倒退图象等的光标，以控制正在 由图象显示器14生成的图象。用户接口85涉及一个安全电路86，它通 常只允许根据灵巧卡持有者唯一地知道的某种保密信息，例如一个插头 号，某种匹配灵巧卡内部电路的内部电路等，来操作灵巧卡阅读器10。 为此，用户接口85可以包括一个或多个按钮，这是必须由用户正确操作 才能触发灵巧卡阅读器的。

直观显示器90包括一个耦合于驱动电路92的发光器件阵列，和一 个用于存储和/或正确定位CPU75所供应图象数据的RAM93。一般说 来，直观显示器90可以是任何一种上述的显示器，最好是小型虚象显示 器(图6-9)。如上所述，图象显示器90可以包括一个LCD阵列， 例如在美国专利No.5,486,946中描述的阵列，该专利题为“用于反射 空间光调制器的集成电光组件”，1996年1月23日发布，且赋予同一 受让人。此外，用于在发光器件阵列上生成图象的某些类型的电子器件 也描述于美国专利No.5,432,358中，该专利题为“集成电光组件”， 1995年7月11日发布，且赋予同一受让人。

用于观察存于灵巧卡上信息的新的先进仪器就这样被公开。可使这 种新的先进仪器标准化，以便实际上接收多种灵巧卡中的任何一种卡， 并且包含一些防止不正当地观察信息的安全特征。此外，用于观察存于 灵巧卡上信息的新的先进仪器是便携式的，和容易操作的，从而每个灵 巧卡持有者在需要时便于随题身携带它，或者在家里或办公室中放一 台，以便立即获悉灵巧卡上所存信息。

虽然我们已说明和描述一些本发明的具体实施例，但本专业的技术 人员会对此作进一步的修正和改进。因此，我们希望下述情况被理解： 本发明不限于所示的特殊形式，我们想在所附的权利要求书中覆盖全部 不脱离本发明精神与范围的修正。