有直觀圖象顯示的靈巧卡閱讀器的製作方法
2023-10-10 23:41:44
專利名稱：有直觀圖象顯示的靈巧卡閱讀器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於閱讀靈巧卡的可攜式設備。
靈巧卡正在全世界迅速普及。一般說來，靈巧卡被視為一種卡(在尺寸上小於通用的信用卡)，它包含一個有某些電子器件的半導體晶片和一個用於存儲信息的存儲器。靈巧卡用來存儲個人信息，其範圍從醫療信息到財務數據。存於靈巧卡中的大量信息或數據，甚至對擁有者來說，一般也是不可訪問的。此外，目前正在使用各種不同的靈巧卡，包括以各種不同電壓操作的靈巧卡，可用電接觸來訪問的靈巧卡，非接觸性的卡，光學可讀卡，磁學可讀卡等。因此需要提供一種裝置，使擁有者藉此觀察卡上的存儲信息，以確定其狀態。
本發明之目的在於提供新的先進儀器，用於觀察存於靈巧卡上的信息。
本發明之另一目的在於提供新的先進儀器，用於觀察存於靈巧卡的信息，該儀器能被標準化，以便實際上接收多種靈巧卡中任何一種卡。
本發明之又一目的在於提供新的先進儀器，用於觀察存於靈巧卡上的信息，該儀器包含若干安全特徵，以防不應有地觀察信息。
本發明之進一步目的在於提供新的先進儀器，用於觀察存於靈巧卡上的信息，該儀器是可攜式的，容易操作的。
用一個靈巧卡閱讀器至少可部分地解決上述問題和其他問題，並可達到上述目的和其他目的；該閱讀器包括一個帶有一個觀察窗口的可攜式外殼，和包括一個裝在該外殼內的虛擬圖象顯示器，用於提供一個在觀察窗口觀察的圖象。該虛擬圖象顯示器還包括一個旨在接收其上圖象數據的數據輸入終端。一個傳感器結構裝於外殼內，並被建造得使其上存有數據的靈巧卡按照數據傳感並置法(data sensing juxtaposition)置於與它相鄰的位置。電子器件裝於外殼內，並且連接於傳感器結構的輸出端，以接收所傳感的數據；這些器件還連接於虛擬圖象顯示器的輸入端，以便根據所傳感的數據向它提供圖象數據。
請參看附圖
圖1是一個根據本發明的可攜式靈巧卡閱讀器的立體圖；圖2是一個沿圖1的線2-2看的簡化斷面圖；圖3是圖1的可攜式靈巧卡閱讀器的一個部分的簡化示意圖；圖4是圖1的可攜式靈巧卡閱讀器的一個部分的簡化方塊圖；圖5是圖4的儀器的一個部分的頂視圖；圖6、7和8是圖1的可攜式靈巧卡閱讀器的一個部分的頂、前和側視圖；圖9是一個圖6儀器的放大側視圖；圖10是一個用於圖1可攜式靈巧卡閱讀器的另一直觀顯示的方塊圖；圖11是一個說明圖1可攜式靈巧卡閱讀器操作的立體圖；圖12是圖1的可攜式靈巧卡閱讀器的方塊圖。
現在轉向附圖，圖1和2根據本發明說明一個靈巧卡閱讀器10的具體實施例。靈巧卡閱讀器10包括一個可攜式外殼11，它從人類工程學上設計成能夠持在手中，即，外殼11被製成得方便地適應人手，允許舒適地使用控制器件和操作設備。外殼11還包括一個槽12，用於在其中接收一個靈巧卡13，和允許讀取靈巧卡13上存儲的信息。槽12被設計成按照數據傳感並置方法，把靈巧卡13置於在外殼10中安裝的傳感器結構15的附近。當然要知道，雖然優先選擇槽12來正確地定位靈巧卡13，但其他結構也是可以使用的，包括只把靈巧卡13置於可在外面訪問的傳感器結構附近。
外殼11還有一個裝於其中的直觀顯示器14，用於提供存於靈巧卡13上的信息的直觀圖象。電子器件16裝於外殼10中，它與傳感器結構15保持電聯繫；在這個具體實施例中，為說明起見，它直接裝於一個電路板上，板上裝有電子器件16和傳感器結構15，並互連之。還把裝有電子器件16的電路板布置成在其上安裝一個儀器20，它電連接於電子器件16，儀器20包括一個二維陣列的發光器件，用於在直觀顯示器14中提供一個完全真實圖象。一般說來，電子器件16包括一個中央處理單元(CPU)，和一個能夠同CPU和直觀顯示器14一起工作的存儲器(RAM或ROM)。
在一個優選的實施例中，傳感器結構15被設計成在物理上嚙合靈巧卡13上的外部電觸點，使靈巧卡13直接連接於電子器件中的CPU。對CPU編製程序，使它同靈巧卡13上的存儲器和電路接口，並把存於靈巧卡13上的信息以圖象數據的形式供給直觀顯示器14。然後，直觀顯示器14從靈巧卡13產生所傳感數據的一個圖象(或一些圖象)。要知道，傳感器結構15可以包括光學傳感器，磁學傳感器，和/或電子傳感器，還要加上物理上嚙合的電觸點，或不用這些電接點。還要知道，在某些具體的情況下，同靈巧卡上的電子器件進行一定數量的通信可能是需要的，或甚至是必要的(當前要討論的安全問題)；並且在這些情況下，傳感器結構15被設計成把信息從CPU傳到靈巧卡13，以及把信息從靈巧卡傳到CPU。
專門參閱圖3，它以簡化的示意圖說明直觀顯示器14的一個實例。顯示器14包括一個儀器20，用於在表面23上提供一個圖象。一個用透鏡24表示的光學系統被置於一個到儀器20的表面23有一定距離的地方，並且產生一個可在離開透鏡24確定的小孔25有一定距離的地方，用人眼觀察的虛擬圖象。
在圖4更詳細地說明儀器20，舉例來說，它包括一些半導體電子器件，例如一用數據處理電路27驅動的發光器件(LED)陣列26。舉例來說，數據處理電路27包括一些邏輯與開關電路陣列，用於控制LED陣列26中的每個LED。數據處理電路27除了邏輯與開關陣列之外還包括，或者不用這些陣列而用一個微處理器或類似的電路系統，用於處理一些軟體指令的輸入信號，以便在一個象LED陣列26之類的器件上產生一個所需的圖象。要知道，數據處理電路27和LED陣列26，雖然為描述起見而分別予以說明，但在某些應用中能夠形成於同一塊半導體晶片上。
在這個具體的實施例中，LED陣列26包括一些發光二極體，之所以利用它們是因為能獲得極小的尺寸，和因為結構與操作均簡單。當然，要知道，還可利用其他的圖象生成器件，包括雷射(例如垂直空腔表面發射雷射)，LCD，有機發光二極體等器件，但不限於這些器件。專門參閱圖5，其中說明一個LED陣列26的平面圖在一個單獨的基底29上以規則的行列圖形製成LED，在本實施例中，該基底是一個半導體晶片。對基底29分段，以簡化圖5，但要知道，可以在同一基底上安裝一些其他的電路，尤其是驅動電路。以眾所周知的方式按照行列對具體的LED進行尋址，就可激勵這些具體的LED，以產生一個圖象或一些圖象。在輸入端28接收數字數據或模擬數據，並用數據處理電路27把這些數據轉換成一些信號，這些信號能夠激勵所選擇的LED，以生成預定的圖象。
本專業的技術人員會知道，LED陣列26和基底29在圖中是被明顯放大的。基底29的實際尺寸沿每條邊只有幾個毫米的量級；發光區或陣列一般為2至50毫米的範圍，較可取者為5至10毫米；每個LED的每條邊小於20微米，較可取者為每邊小至1微米的量級。應知道，實際的發光器件陣列是小得多的，因為焊點等要佔用每邊幾個毫米的區域。一般說來，較大尺寸的基底或晶片只意味著，在陣列中使用較多的發光器件去提供較好的清晰度、顏色等。因為半導體技術可減小晶片的尺寸，故需要較大的放大率和較小的透鏡系統。在增大放大率時減小透鏡尺寸，可導致明顯限制視野，顯著減小人眼的調劑，並減小透鏡系統的工作距離『d』。
用透鏡24示意性表示的透鏡系統，是按照離開儀器20的表面23的間隔關係來安裝的，以便接收來自表面23的圖象，把它放大一定的倍數，並產生一個可其中觀察虛象的孔徑。在本實施例中，透鏡24把圖象放大15倍(15×)，以便把來自LED陣列26的圖象放大到它原始角度尺寸的15倍。一般說來，需要至少10倍的放大率，去放大足以用人眼看出的實際圖象。當然，要知道，在需要時，可為焦距和附加的放大率而調節透鏡系統，或者為簡單起見，可把它固定於外殼11中。
圖6、7和8分別示出一個小型虛擬圖象顯示器30的頂視圖、前視圖和側立視圖；在一個優選的實施例中，該顯示器用作靈巧卡閱讀器10中的直觀顯示器14。小型虛擬圖象顯示器30裝有一個單獨的重疊式光學放大器32。圖6、7和8示出接近實際尺寸的小型虛擬圖象顯示器30，以便對該儀器達到的尺寸減小程度提供某種指示。顯示器30包括一個帶有發光器件陣列的實際圖象生成儀器35，這類發光器件的實例有有機或無機發光二極體，場致發射器件，垂直空腔表面發射雷射器，LCD等。在這個具體的實施例中，儀器35包括144個發光器件乘240個發光器件。每個發光器件都被製成按一邊計接近20微米長，在相鄰器件之間的從中心到中心的間距不超過20微米。用約1.8伏的電壓接通每個發光器件，當它被接通時，可利用約50μA的電流。儀器35產生的亮度小於約15fL。
儀器35裝在玻璃表面36的下表面上，驅動電路板38是凸緣焊接於基底36上的。在1995年7月11日發布和授予同一受讓人的，題為「集成電光組件」的，美國專利No.5,432,358中，公開了關於驅動電路板和把基底焊接到驅動電路板上的附加信息，在此附上這種信息供參考。
最好看圖7，單重疊光學放大器32也裝在基底36上，並且包括多個確定從儀器35到觀察孔39的光路的光學元件。多個光學元件被製成在一個第一光學元件的光入口，對由儀器35生成的圖象，按大於10倍的放大率進行角度放大。由於光路的長度和儀器35(圖象源)的尺寸原因，其水平光學視場範圍為從在10x放大率下的約11度到在20x放大率下的22度；在本實施例情況下，水平視場約為16度，放大率為15x。
專門參閱圖9，為闡明起見，把圖6所示顯示器30的側立視圖放大4倍。從圖9可知，多個光學元件包括一個具有光入口42的第一光學元件40，一個用作光出口43且同光入口42成一定角度的球面，和一個光學地定位於光入口42與光出口43之間，以便把光從光入口42引向光出口43的反射面45。在這個具體的實施例中，元件40被製成一種稜鏡，由一種光學質量的塑料壓制而成。一般說來，要知道，光學質量的塑料是一種有高折射率的材料，其折射率約為1.5至1.6。反射表面45可以是一個簡單地壓入元件40中的單獨的鍍銀反射鏡，或者可以是在製成元件40以後鍍銀的，或者可以是不鍍層而以總的內部反射方式使用的。
在本實施例中，光入口42採用一種非球面場平化凹表面的形式，該表面直接壓入元件40中，並成為它的整體部分。然而不用說，光入口42能製成一個單獨的透鏡，並隨後按照與元件40的下表面的光學對準而定位。當然，單獨的部件會導致附加的部件和組裝步驟，能增加成本和最終結構的尺寸。
反射面45是根據光入口42和光出口43而配置的，它以一個約80度至100度的角度對通過第一元件40的光進行彎折或彎曲。更具體地說，在所述的實施例中，以約95度的角度使光反射。例如，業已發現，95度的角度可避免在光放大器32的出口處損失圖象下部的光。
顯示器30的設計的一個重要部分是使用一種有凸輸出面的固態、單摺疊稜鏡，它同使用空氣中的單旋轉鏡相比，在相同的空間體積情況下，能夠增加角放大率(減小有效焦距)。
多個光學元件還包括一個光學透鏡47，它具有一個位於第一光學元件40的光出口43附近的光入口，和一個光出口。在所述的具體實施例中，光學透鏡47是一個雙非球面光學透鏡，具有一個確定光入口的非球面表面和一個確定光出口的非球面表面。光學透鏡47是用任何一種方便的方法相對於第一元件40而定位安裝的，它包括一個外殼(在圖6-8中示意地表示的)，一個固定架，或任何其他的方便結構。非球面的表面包括光學透鏡47的光出口和光入口，和元件40的光出口43和場平化光入口42，這些表面被設計成當波前從光入口42傳到光學透鏡47的光出口時，減小和/或消除波前中的任何光行差。
多個光學元件包括第一元件40和光學透鏡47，它們確定一個從第一元件40的光入口42到光學透鏡47的光出口的光路。為了製作一個用於靈巧卡閱讀器的單摺疊光學放大器，光路的總平均光學長度應當在約15至35毫米的範圍內。在本實施例中，從光入口42到那個確定光學透鏡47的光出口的非球面表面的光路，約為20毫米。
此外，包括第一元件40和光學透鏡47在內的多個光學元件被設計成，至少包括一個位於光路中的衍射光學元件，用於提供附加的、主色(在本實施例中)、象差校正。在所述的實施例中把一個衍射光學元件49裝入這個確定光透鏡47的光輸入的非球面表面內。當然不用說，能把衍射光學元件裝入顯示器30中多個元件的任何其他表面上，取代或附上這些表面均可。如果把一個衍射光學元件裝入一個大體上垂直於光路的表面，與那些光在其中以某一角度入射表面的元件相反，則衍射光學元件由於旋轉對稱而頗容易製作，而那些光以某一角度入射其上的表面則沒有旋轉對稱性。由於非球面表面和衍射光學元件49使透鏡47比較複雜，故業已發現，最好是用注入壓製法製作光學透鏡47。
雖然能夠把第一元件40和透鏡47製成一個完整的放大器，但在這個具體的實施例中，作為放大器可能擴展的實例，可裝入一個低功率的光學透鏡48。光學透鏡48包括一個確定光輸入的球面表面，和一個確定光輸出的球面表面。在透鏡48的輸入表面上形成一個衍射光學元件50，以提供附加的象差校正。光學透鏡48裝於光學透鏡47附近，並且形成一個確定一個孔徑的輸出光學元件，通過該孔徑能夠觀察角放大圖象。添加光學透鏡48可能稍微增加顯示器30的尺寸和複雜性，但可提供一些角度放大和象差校正，從而可減小各種其他元件的複雜性，這在許多應用中能夠降低顯示器30的總成本。由於放大率低，故透鏡48也可用作組件窗，或觀察孔。在那些只利用第一元件40和光學透鏡47的應用中，確定觀察孔可能是方便的，該孔帶有一個可能是清楚的玻璃或塑料窗，一個濾光器等。
在許多應用中，可能需要裝入一種聚焦最終圖象的儀器。為此，通過一個能用一個指旋螺絲、螺絲起子等旋轉的螺旋調節器52，把元件40(需要時加上其他元件47和48)裝到基底36上，以便在垂直地向著和離開基底36與儀器35的方向上移動元件40、47和48的固定組件。只通過改變在光入口42與儀器35上所生成圖象之間的距離，就可達到聚焦的目的。
圖10是一個直接視網膜掃描顯示器的方塊圖，它也可用作圖2的直觀顯示器14。雷射器60可以是任何一種眾所周知的雷射器，包括固態雷射器，例如垂直空腔表面發射雷射器，二極體雷射器，二極體抽運雷射器等；它把一種相干光束供給一個調製器62。調製器62把視頻信息傳遞到該光束中，方法通常是調製該光束的強度，作為實例，提供雷射器60的功率電平上的變化。根據應用，調製可能是象斷開和接通雷射器60那樣簡單的，這從本質上講是轉變成一個數字系統的。聲光調製器是一種應用很廣的優選調製器，但其他的技術，例如電光技術和機械技術是完全可行的。
來自調製器62的調製光束被送到一個偏轉系統63。一個透鏡系統64用於把來自偏轉系統63的光束聚焦到人眼。選擇透鏡系統64的焦距，使掃描系統的焦點位於人眼的光瞳孔範圍以內，並且相干光束焦點處在人眼的視網膜處。
電子器件65提供調製器62和偏轉系統63的計時和控制。電子器件65包括一個基本的振蕩器，或定時器，它提供定時信號，以便按照固定的時間發生掃描和調製。此外，電子器件65還向調製器62提供視頻信號，以便按照所需的時間把光束調製成正確的光強度。此外，電子器件65還提供水平和垂直(正交)的偏轉信號，使偏轉系統63周期地掃描光柵中的光束。根據應用和所需圖象解析度，水平偏轉頻率可以是15至30KHz的量級，垂直偏轉頻率不低於60Hz，並且調製頻率可以是12MHz的量級。
偏轉系統63的用途是掃描人眼視網膜上的調製光束，或在視網膜上「寫入」圖象。根據顯示器的應用和需要在人眼中形成怎樣的圖象，有許多可能的偏轉系統63和透鏡系統64的結構。在1994年8月18日提交的、賦予同一受讓人、序號08/292,193、題為「直接視網膜掃描顯示器」的共同未決美國專利申請中，載有這種顯示器的附加信息；該專利是1992年3月24日提交、序號07/857,193、題為「直接視網膜掃描顯示器」的美國專利申請的繼續。雖然直接視網膜掃描顯示器在技術上不產生虛象，但由於與它相似，故在這項公開的虛擬顯示設備的定義中包含直接視網膜掃描顯示器。
參閱圖11，它說明一個靈巧卡閱讀器10的透視圖，其中裝有一個小型虛象顯示器，可見一個觀察孔39。圖11還說明一個典型圖70，或虛象，其中有存於靈巧卡13上的信息，這是操作員從靈巧卡閱讀器10的觀察孔39看到的，在靈巧卡閱讀器10的外面呈現圖70(虛象)。圖70能夠象8.5×11紙張那樣大，並能包括例如一個完整的財務報表，信用卡會計事項和結餘，醫療記錄等。
現在轉向圖12，它說明一個靈巧卡閱讀器10的簡化方塊圖。在靈巧卡閱讀器10的這個具體實施例中，示出一個中央處理單元(CPU)75，它使用一個隨機存取存儲器(RAM)76和一個只讀存儲器(ROM)77。在這個優選的實施例中，用在市場上從MOTOROLA，LNC.買到的一種MC68HCO5SC21作CPU75。當然不用說，RAM76和ROM77可以是CPU75內部的存儲器，和/或可以是為附加特徵和專業化特徵而提供的外部存儲器。提供一個功率管理電路80，以適應有不同功率和/或不同電壓要求(例如在1至12伏範圍內的電壓)的不同靈巧卡的情況。
用一個卡接口82把靈巧卡耦合到CPU75上，並且如上所述，該接口可包括任何一個或全部電觸點，用於直接物理連接，光學閱讀器，磁學傳感器，電子傳感器(例如用於無觸點卡的紅外傳感器，RF傳感器等)。在本實施例中，卡接口82包括傳感器結構15(圖2)。
提供一個用戶接口85，使用戶同CPU75通信，並最終同靈巧卡通信。用戶接口85包括用於操作圖象顯示器14的各種按鈕和控制器(在本實施例中)。一般說來，用戶接口85包括至少一個OFF/ON控制器和裝置，例如一個用於往下拉菜單，前進/倒退圖象等的光標，以控制正在由圖象顯示器14生成的圖象。用戶接口85涉及一個安全電路86，它通常只允許根據靈巧卡持有者唯一地知道的某種保密信息，例如一個插頭號，某種匹配靈巧卡內部電路的內部電路等，來操作靈巧卡閱讀器10。為此，用戶接口85可以包括一個或多個按鈕，這是必須由用戶正確操作才能觸發靈巧卡閱讀器的。
直觀顯示器90包括一個耦合於驅動電路92的發光器件陣列，和一個用於存儲和/或正確定位CPU75所供應圖象數據的RAM93。一般說來，直觀顯示器90可以是任何一種上述的顯示器，最好是小型虛象顯示器(圖6-9)。如上所述，圖象顯示器90可以包括一個LCD陣列，例如在美國專利No.5,486,946中描述的陣列，該專利題為「用於反射空間光調製器的集成電光組件」，1996年1月23日發布，且賦予同一受讓人。此外，用於在發光器件陣列上生成圖象的某些類型的電子器件也描述於美國專利No.5,432,358中，該專利題為「集成電光組件」，1995年7月11日發布，且賦予同一受讓人。
用於觀察存於靈巧卡上信息的新的先進儀器就這樣被公開。可使這種新的先進儀器標準化，以便實際上接收多種靈巧卡中的任何一種卡，並且包含一些防止不正當地觀察信息的安全特徵。此外，用於觀察存於靈巧卡上信息的新的先進儀器是可攜式的，和容易操作的，從而每個靈巧卡持有者在需要時便於隨題身攜帶它，或者在家裡或辦公室中放一臺，以便立即獲悉靈巧卡上所存信息。
雖然我們已說明和描述一些本發明的具體實施例，但本專業的技術人員會對此作進一步的修正和改進。因此，我們希望下述情況被理解本發明不限於所示的特殊形式，我們想在所附的權利要求書中覆蓋全部不脫離本發明精神與範圍的修正。
權利要求
1.一種靈巧卡閱讀器，其特徵在於一個可攜式外殼包含一個觀察孔；一個虛像顯示器裝於外殼中，且被定位成提供一個在觀察孔觀察的圖象，該虛像顯示器包括一個旨在接收其上圖象數據的數據輸入端；傳感器結構裝於外殼中，並且構造成使一個有數據存於其上的靈巧卡按照數據傳感並置的方式置於該處附近，傳感器結構包括一個有讀出數據置於其上的輸出端；和電子器件裝於外殼中，且連接於傳感器結構的輸出端，用於接收所讀出的數據，還連接於虛像顯示器的輸入端，用於根據所讀出的數據向那裡供應圖象數據。
2.根據權利要求1所述的靈巧卡閱讀器，其中傳感器結構之特徵還在於諸觸點被安置成電嚙合於靈巧卡。
3.根據權利要求1所述的靈巧卡閱讀器，其中傳感器結構之特徵還在於一個磁性傳感器讀出靈巧卡上的磁性地存儲的信息。
4.根據權利要求1所述的靈巧卡閱讀器，其中傳感器結構之特徵還在於一個光學傳感器讀出在靈巧卡上光學地存儲的信息。
5.根據權利要求1所述的靈巧卡閱讀器，其中虛像顯示器之特徵還在於連接一個發光器件的二維陣列，以提供一個完整的實像，該二維陣列耦合於虛像顯示器的輸入端，用於根據該處的輸入，接收圖象數據和生成實像。
6.根據權利要求5所述的靈巧卡閱讀器，其中發光器件的二維陣列的特徵還在於它是一個發光二極體的二維陣列。
7.根據權利要求5所述的靈巧卡閱讀器，其中發光器件的二維陣列的特徵還在於它是一個有機的發光二極體的二維陣列。
8.根據權利要求5所述的靈巧卡閱讀器，其中發光器件的二維陣列的特徵還在於它是一個液晶器件的二維陣列。
9.根據權利要求1所述的靈巧卡閱讀器，其中電子器件之特徵還在於它包括一個中央處理單元(CPU)和一個隨機存取存儲器(RAM)。
10.根據權利要求1所述的靈巧卡閱讀器，其特徵還在於它有一些用於防止不正當地觀察的安全特點。
全文摘要
一種靈巧卡閱讀器包括一個有一觀察孔的可攜式外殼，和一個被安置成在該孔提供圖象的虛象顯示器。一個外殼中的傳感器被構造成，使一個其上存有數據的靈巧卡，按照數據傳感並置方式置於該處附近。一些電子器件裝於外殼中，且連接於用來接收所讀出數據的傳感器，還連接於用來向該處供應圖象數據的虛象顯示器。
文檔編號G06K13/08GK1169001SQ97109919
公開日1997年12月31日 申請日期1997年3月28日 優先權日1996年3月29日
發明者斯科特·R·諾威斯, 卡倫·E·加吉莫維茨, 丹尼斯·巴利, 傑克·范·齊爾 申請人:摩託羅拉公司