DE19841001C1 - Verfahren und Vorrichtung zur kapazitiven Bilderfassung - Google Patents

Abstract

Bei einem Sensor zur kapazitiven Erfassung von Bildern, insbesondere Fingerabdruckbildern, werden die jedem Bildpunkt zugeordneten Kondensatoren (C12) durch Referenzelektroden, die untereinander mittels Koppelkapazitäten (Ck) kapazitiv verkoppelt sind, ergänzt. Eine parallele Erfassung des Bildes mittels der vorgegebenen Meßelektroden und der zusätzlichen Referenzelektroden liefert zum einen ein dem Raster entsprechend unterteiltes Bild, und zum anderen wird eine sich aus der kapazitiven Kopplung ergebende lokale Mittelung vorgenommen, die als lokaler Referenzwert herangezogen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kapazitiven Bilderfassung, die insbesondere zur Erfassung von Schwarzweißbildern von Fingerabdrücken ge­ eignet sind.

Zur Realisierung von kapazitiven Sensormatrizen für die Auf­ nahme von Fingerabdruckbildern sind verschiedene Verfahren bekannt. In der Veröffentlichung von S. Jung e. a.: "A Low- Power and High-Performance CMOS Fingerprint Sensing and En­ coding Architecture" in ESSCIRC'98 (dazu wurde die Patentan­ meldung DE 197 56 560 A1 eingereicht) sind ein Fingerabdruck­ sensor und zugehöriges Meßverfahren beschrieben, das eine ka­ pazitive Erfassung des Fingerabdrucks ermöglicht. Die effek­ tive Kapazität zwischen der Fingeroberfläche und einer oberen Elektrode wird für jeden Bildpunkt (Pixel) erfaßt. Unterhalb der oberen Elektroden befinden sich außer den elektrischen Zuleitungen jeweils Koppelelektroden, die von den oberen Elektroden elektrisch isoliert sind und mit diesen Elektroden weitere Kapazitäten bilden. Es ist eine elektronische Schal­ tung vorgesehen, die es ermöglicht, die jeweilige Koppelelek­ trode auf ein vorgesehenes Potential zu laden und über einen Schalter die obere Meßelektrode auf ein anderes Potential aufzuladen. Nachdem der Schalter geöffnet wird, stellen sich bestimmte Ladungs- und Spannungsverhältnisse auf der Anord­ nung ein, die erfaßt werden können und der Ermittlung der je­ weiligen Kapazität an dem betreffenden Bildpunkt dienen. Um mit diesem Verfahren zu einem den Fingerabdruck repräsentie­ renden Bild mit ausreichender Bildqualität zu gelangen, ist immer eine Kalibrierung des Sensors oder zumindest eine Zu­ führung einer externen Referenz notwendig. Diese Referenzwer­ te sind notwendig, um aus den kontinuierlichen Sensordaten (d. h. die durch das Sensorschema erhaltenen Spannungswerte, die den Kapazitätswerten zwischen Finger- und Sensoroberflä­ che entsprechen) ein für die Weiterverarbeitung geeignetes, d. h. diskretisiertes Bild zu erhalten. Bei einer vorgesehenen Aufnahme eines Schwarzweißbildes kann es zu sehr schlechten Ergebnissen kommen, wenn bereichsweise das Bild schwarz oder weiß wird, weil sich in Folge einer verschobenen Referenz ein unzureichender Kontrast ergibt. Das ist praktisch nicht zu vermeiden, da entweder die Sensorwerte oder aber die Werte der elektrischen Parameter, welche für die aus den Kapazi­ tätswerten ermittelten Spannungswerten führen, lokal variie­ ren können. Diese Schwierigkeit läßt sich in sehr aufwendiger Weise dadurch umgehen, daß ein mehrstufig diskretisiertes Bild abgespeichert und weiterverarbeitet wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kapazitiven Bilderfassung anzugeben, mit denen es auf einfache Weise möglich ist, ein gerastertes Schwarzweißbild mit einem für die Detailwiedergabe ausrei­ chenden Kontrast, insbesondere zur Reproduktion von Fingerab­ drücken, aufzunehmen.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. mit der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 5 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den ab­ hängigen Ansprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kommt mit einer einstufigen binären Analog-Digital-Wandlung der erfaßten Meßsignale aus. Um örtlich wechselnde Helligkeits- oder Kontrastunterschiede auszugleichen, werden die zu jedem Bildpunkt erfaßten kapazi­ tiven Meßwerte einem lokalen Schwellwertvergleich unterzogen. Auf diese Weise wird eine Referenz gegeben, die es als Grenz­ wert gestattet, ein einstufiges digitales Ergebnis (binäre 0 oder 1) einem Meßwert zuzuordnen. Die kapazitiv messende Er­ fassung des Bildes und die Ermittlung des Schwellwertes, der sich aus den Gegebenheiten eines jeweils begrenzten Aus­ schnittes aus dem Bild ergibt, können bei diesem Verfahren gleichzeitig parallel durchgeführt werden. Eine Vorrichtung, mit der dieses Verfahren ausgeführt werden kann, arbeitet un­ abhängig von externen Referenzwerten und kann z. B. zur Er­ fassung von Fingerabdrücken auf einem Halbleiterchip inte­ griert sein.

Zur kapazitiven Erfassung des Bildes wird im Prinzip wie in der eingangs angegebenen Veröffentlichung beschrieben verfah­ ren. Man verwendet eine rasterförmige Anordnung von elektri­ schen Leitern, die Gegenelektroden zu der Oberfläche des Bil­ des bilden. Die Oberfläche des Bildes kann z. B. die Haut­ oberfläche einer Fingerbeere sein. Durch die Strukturierung der Hautoberfläche in Stege und Furchen ergeben sich so ört­ lich verschiedene Kapazitäten zwischen den in einer Ebene als Meßelektroden angeordneten elektrischen Leitern und der als auf konstantem elektrischem Potential liegend angenommenen Hautoberfläche. In einem größeren Abstand von der Bildober­ fläche sind weitere Elektroden in einer zu den erstgenannten Elektroden parallelen Ebene als Koppelelektroden angeordnet. Durch Anlegen geeigneter Potentiale und Abschalten des be­ treffenden Potentiales von den Elektroden, die in dichterem Abstand zur Bildoberfläche angeordnet sind, kann die Kapazi­ tät zwischen einer jeweiligen solchen Meßelektrode und der Bildoberseite an dem jeweils betreffenden Bildpunkt gemessen werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zur Messung zu­ sätzlich weitere Elektroden als Referenzelektroden verwendet, die jeweils benachbart zu den eigentlichen Meßelektroden an­ geordnet werden. Die Referenzelektroden sind so angeordnet und dimensioniert, daß damit im Prinzip die gleiche Messung durchgeführt werden kann wie mit den eigentlichen Meßelektro­ den. Die Referenzelektroden sind aber durch die Anordnung und gegebenenfalls die geometrische Form so stark mit anderen Re­ ferenzelektroden, zumindest den unmittelbar benachbarten, ka­ pazitiv verkoppelt, daß bei einer Messung mit diesen Elektro­ den jeweils über einen gewissen Bereich des Bildes um einen Bildpunkt herum gemittelt wird. Der mit den Referenzelektro­ den erfaßte Mittelwert wird als Schwellwert oder Grenzwert herangezogen, mit dem der jeweilige Meßwert, der aus der ka­ pazitiven Messung mittels der eigentlichen Meßelektroden stammt, verglichen wird. Mit den Mittelwerten erhält man so statt einer über die gesamte Bildfläche konstanten Referenz einen örtlich variierenden Vergleichswert, der auch bei einem lokal sehr hellen oder sehr dunklen Bild einen für die De­ tailwiedergabe ausreichenden Kontrast liefert.

Die bei der Messung an die Meßelektroden angelegte elektri­ sche Spannung kann von der an die Referenzelektroden angeleg­ ten Spannung verschieden sein. In Fig. 1 ist ein prinzipiel­ les Schaltbild für eine für das Verfahren geeignete Anordnung dargestellt. Zwischen den beiden Schichtlagen elektrischer Leiter (Meßelektroden und Koppelelektroden) sind in jedem Bildpunkt die Kapazitäten C12 vorhanden. Die Koppelelektroden werden auf das elektrische Potential V2 gelegt. Die Bildober­ seite, z. B. die Hautoberfläche des Fingers, wird als auf konstantem Potential VF liegend angenommen. An die Meßelek­ troden wird ein bestimmtes Potential angelegt und durch Betä­ tigen von Schaltern von den Elektroden getrennt. Entsprechend den jeweiligen Kapazitätsrelationen an den einzelnen Bild­ punkten stellen sich unterschiedliche Werte für die Größe der Ladung auf den Elektroden ein, die zur Bestimmung der jewei­ ligen Kapazitäten zwischen der Meßelektrode und der Bildober­ seite gemessen werden. Im Fall der Messung mittels der Refe­ renzelektroden sind die zwischen den Elektroden vorhandenen Kapazitäten zu berücksichtigen, da diese Referenzelektroden so angeordnet und gestaltet sind, daß die in Fig. 1 einge­ zeichneten Koppelkapazitäten Ck nicht vernachlässigbare Werte besitzen. Nach dem Abschalten der auf die Referenzelektroden gelegten Spannung, die gleich oder verschieden sein kann von der für die eigentliche Messung an die Meßelektroden angeleg­ te Spannung, stellt sich auf den Referenzelektroden in jedem Bildpunkt jeweils ein der Elektroden-Bildpunkt-Kapazität CF, i entsprechender Wert VG, ref, i ein. Die derart durchgeführte kapazitive Messung liefert ein sozusagen verschmiertes oder verwaschenes Abbild des zu erfassenden Bildes. Die durch die kapazitive Kopplung zwischen den Referenzelektroden hervorge­ rufene Unschärfe in der kapazitiven Messung wird ausgenutzt, um den lokalen Wert dieser Messung als Referenz (Bezugswert) in einem Vergleich mit den über die Meßelektroden bestimmten Wert heranzuziehen.

Das in

Fig. 1 dargestellte Prinzipschaltbild für die mit­ telnde kapazitive Messung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ergänzt durch

in den Fig. 2 und 3 dargestellte Schemata für eine für das Verfahren geeignete Elektrodenanordnung, die auch in der zu­ gehörigen Vorrichtung in dieser Weise realisiert sein kann, sowie durch die in

Fig. 4 dargestellten Diagramme zur Erläuterung der erfin­ dungsgemäßen Verbesserung der Bildqualität.

Fig. 2 zeigt als Beispiel einen Ausschnitt aus einer raster­ förmigen Anordnung von auf einem hexagonalen Raster angeord­ neten sechseckigen Meßelektroden 1, die jeweils ringförmig von durch konzentrische Sechsecke berandete Referenzelektro­ den 2 umgeben sind. Die Koppelkapazitäten Ck zwischen zwei jeweiligen Referenzelektroden sind in dem Schema als kleine Kondensatoren angedeutet. Diese Kondensatoren sind nicht wirklich vorhanden, sondern stellen nur ein Ersatzschaltbild für die durch die Referenzelektroden 2 real gebildeten Kapa­ zitäten dar.

Fig. 3 zeigt eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht, in der die Struktur der Referenzelektroden 2 in einem Ausführungs­ beispiel genauer angegeben ist. Die Referenzelektroden 2 sind hier kammartig ausgebildet und so miteinander verzahnt, daß die Koppelkapazitäten zwischen den Referenzelektroden zweier benachbarter Bildpunkte möglichst groß sind. Die Referenz­ elektroden 2 bilden auf diese Weise mit den einem benachbar­ ten Bildpunkt zugeordneten Referenzelektroden 3 Kondensatoren einer möglichst großen Kapazität. So wird bei der Ausführung des Verfahrens mittels dieser Anordnung eine möglichst gute Mittelwertbildung erreicht. Die durch die Bildstruktur gege­ benen Schwankungen im Meßwert von Bildpunkt zu Bildpunkt wer­ den damit weitgehend ausgeglichen, und es wird im wesentli­ chen nur ein über mehrere Bildpunkte erfaßter Mittelwert ge­ messen.

Bei diesem Verfahren wird daher die lokale Bildinformation, die mit den Meßelektroden erfaßt wird, in der parallelen Mes­ sung über die Referenzelektroden durch ihren lokalen Mittel­ wert ersetzt. Der Radius des Bereiches, über den gemittelt wird, und die Gewichtungen der lokalen Mittelung je nach der Position in dem Gesamtbild können durch die Verhältnisse der Kapazitäten Ck und C12 eingestellt werden. Die Grenzfälle sind dabei Ck = 0, womit sich ein Bild ergeben sollte, das im wesentlichen dem von den Meßelektroden erfaßten Bild ent­ spricht, und Ck unendlich groß, so daß sich auf jeder Refe­ renzelektrode das gleiche Potential ausbildet, welches dem globalen Mittelwert des gesamten Bildes entspricht. Die Kapa­ zitätsverhältnisse sind an die jeweilige Anwendung anzupassen und z. B. bei der Verwendung des Verfahrens in einem Fingerab­ drucksensor so zu wählen, daß der Mittelwert über einen Be­ reich ermittelt wird, dessen Radius, vorzugsweise örtlich verschieden, an die typische Rillenstruktur eines Fingerab­ druckes angepaßt wird.

Die Anordnung der Meßelektroden und Referenzelektroden ist vorzugsweise für jeden Bildpunkt gleichartig zu wählen. Es sind vorzugsweise gleichartige elektronische Schaltungen vor­ handen, mit denen an die Elektroden in jedem Bildpunkt die vorgegebenen Potentiale angelegt und abgeschaltet werden kön­ nen. Die sich in jedem Bildpunkt bildenden Potentiale auf den Meßelektroden bzw. Referenzelektroden werden vorzugsweise mit einer Komparatorschaltung verglichen. Aus diesem Vergleich resultiert ein schwarzer oder weißer Bildpunkt eines Schwarz­ weißbildes, je nachdem ob der Meßwert unter oder über dem be­ treffenden Mittelwert liegt. Die Komparatorschaltung kann z. B. als ein dynamisches Latch ausgeführt sein.

Die Vorrichtung läßt sich als integrierte Schaltung realisie­ ren, wozu sich die als Beispiel angegebene hexagonale Anord­ nung der Meßelektroden besonders eignet. Wegen der dichten Anordnung der Meßelektroden in einem solchen Raster mit je­ weils aneinander angrenzenden Seiten der Sechsecke lassen sich die Referenzelektroden dort besonders gut zur Ausbildung einer möglichst großen Koppelkapazität anordnen.

Fig. 4 zeigt drei Diagramme anhand derer das erfindungsgemä­ ße Verfahren verdeutlicht wird. Eine mit x bezeichnete Aus­ dehnung in einer Richtung der ebenen Anordnung von Meßelek­ troden ist in beliebiger Einheit auf der Abszisse abgetragen; Spannungswerte, die zu den gemessenen Kapazitäten der einzel­ nen Bildpunkte gehören, sind als VG auf der Ordinate abgetra­ gen. Die eingezeichnete Kurve 8 soll die sich in x-Richtung ändernde Spannung VG repräsentieren. Je nachdem ob der Span­ nungswert VG größer oder kleiner als eine Bezugsspannung Vref ist, wird der betreffende Bildpunkt als schwarz oder weiß re­ präsentiert. Aus der Fig. 4a ist erkennbar, daß bei Verwen­ dung nur einer Bezugsspannung Vref in dem rechten Bereich des Diagrammes die Spannung VG stets oberhalb der Bezugsspannung bleibt, so daß das Bild dort gleichmäßig schwarz dargestellt wird. Die Spannungsschwankungen (Berge und Täler der Kurve 8) werden nicht mehr berücksichtigt, so daß eine Detailauflösung des Bildes an dieser Stelle nicht möglich ist. Eine genauere Wiedergabe des Bildes mit Grauabstufungen ist möglich, wenn entsprechend Fig. 4b verschiedene Bezugsspannungen Vref1, Vref2, Vref3 zur Erzeugung eines in den Grauwerten abgestuf­ ten Bildes verwendet werden. Eine derartige Auswertung der Meßergebnisse ist aber mit hohem Aufwand verbunden. Erfin­ dungsgemäß wird daher entsprechend der Darstellung von Fig. 4c verfahren, in dem die durch die gestrichelte Linie darge­ stellte Bezugsspannung Vref durch die Mittelwertbildung ört­ lich an die Gegebenheiten des Bildes angepaßt werden und so auch in dem rechts eingezeichneten Bereich die Schwankungen der Spannung VG zu Helligkeitswerten, d. h. einer Schwarzweiß­ abstufung, des Bildes herangezogen werden können. Die Ermitt­ lung dieser Bezugsspannung Vref erfolgt in der beschriebenen Weise durch Mittelwertbildung unter Verwendung der kapazitiv gekoppelten Referenzelektroden.

Claims (6)

1. Verfahren zur kapazitiven Bilderfassung,
bei dem ein Bild mittels einer Vielzahl von in einem Raster angeordneten Elektroden durch eine Messung der elektrischen Kapazität zwischen je einer Elektrode und einem Bildpunkt er­ faßt wird,
bei dem mittels weiterer in diesem Raster angeordneter Elek­ troden, die miteinander kapazitiv verkoppelt sind, in jeweils begrenzten Bereichen des Bildes ein örtlicher Mittelwert ei­ ner entsprechenden Messung der elektrischen Kapazitäten er­ faßt wird und
bei dem dieser Mittelwert als Referenzwert für die gemessene elektrische Kapazität an mindestens einem Bildpunkt innerhalb des betreffenden Bereiches verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 bei dem die Abmessungen der Bereiche, in denen jeweils ein Mittelwert erfaßt wird, innerhalb des Bildes verändert wer­ den.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Mittelwerte jeweils als Grenzwerte verwendet wer­ den und durch Vergleich einer gemessenen Kapazität mit dem jeweiligen Grenzwert jedem Bildpunkt einer von zwei möglichen Werten zugeordnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, mit dem ein Schwarzweißbild eines Fingerabdruckes erfaßt wird.

5. Vorrichtung zur kapazitiven Erfassung eines Bildes aus Bildpunkten in einem Raster, bei der vorhanden sind:
eine Oberfläche zur Anordnung eines zu erfassenden Bildes, zwei zu dieser Oberfläche in verschiedenen Abständen angeord­ nete Schichten entsprechend dem Raster unterteilter und ge­ geneinander isolierter elektrischer Leiter als Meßelektroden, in der in geringerem Abstand zu der Oberfläche angeordneten Schicht weitere elektrische Leiter als Referenzelektroden, die entsprechend dem Raster benachbart zu den Meßelektroden so angeordnet und innerhalb vorgegebener Bereiche derart ka­ pazitiv verkoppelt sind, daß um jeden Bildpunkt mittels der Referenzelektroden eine örtlich gemittelte kapazitive Messung vorgenommen werden kann, und
bei der elektronische Schaltungen vorhanden sind, mit denen zum Zweck der vorgesehenen Messung die Meßelektroden und die Referenzelektroden in gleichartiger Weise mit elektrischen Potentialen beaufschlagt werden können und die jeweils zwi­ schen einem Bildpunkt und einer Elektrode vorhandenen Kapazi­ täten ermittelt werden können.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Referenzelektroden kammartige Strukturen aufwei­ sen, die mit kammartigen Strukturen benachbarter Referenze­ lektroden verzahnt sind.