CN1148692C - 有直观图象显示的智能卡阅读器 - Google Patents

Abstract

一种智能卡阅读器包括一个有一观察孔的便携式外壳，和一个被安置成在该孔提供图象的虚象显示器。一个外壳中的传感器被构造成，使一个其上存有数据的智能卡，按照数据传感并置方式置于该处附近。一些电子器件装于外壳中，且连接于用来接收所读出数据的传感器，还连接于用来向该处供应图象数据的虚象显示器。

Description

有直观图象显示的智能卡阅读器

本发明涉及用于阅读智能卡的便携式设备。

智能卡正在全世界迅速普及。一般说来，智能卡被视为一种卡(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。智能卡用来存储个人信息，其范围从医疗信息到财务数据。存于智能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智能卡，包括以各种不同电压操作的智能卡，可用电接触来访问的智能卡，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，用于观察存于智能卡上的信息。

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

本发明之又一目的在于提供新的先进仪器，用于观察存于智能卡上的信息，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，用于观察存于智能卡上的信息，该仪器是便携式的，容易操作的。

用一个智能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智能卡按照数据传感并置法(data sensingjuxtaposition)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智能卡阅读器的立体图；

图2是一个沿图1的线2-2看的简化断面图；

图3是图1的便携式智能卡阅读器的一个部分的简化示意图；

图4是图1的便携式智能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的便携式智能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便携式智能卡阅读器的另一直观显示的方块图；

图11是一个说明图1便携式智能卡阅读器操作的立体图；

图12是图1的便携式智能卡阅读器的方块图。

现在转向附图，图1和2根据本发明说明一个智能卡阅读器10的具体实施例。智能卡阅读器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智能卡13，和允许读取智能卡13上存储的信息。槽12被设计成按照数据传感并置方法，把智能卡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来正确地定位智能卡13，但其他结构也是可以使用的，包括只把智能卡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，用于提供存于智能卡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智能卡13上的外部电触点，使智能卡13直接连接于电子器件中的CPU。对CPU编制程序，使它同智能卡13上的存储器和电路接口，并把存于智能卡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从智能卡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，同智能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传到智能卡13，以及把信息从智能卡传到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(15x)，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，该显示器用作智能卡阅读器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。为了制作一个用于智能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，放透镜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，它说明一个智能卡阅读器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，其中有存于智能卡13上的信息，这是操作员从智能卡阅读器10的观察孔39看到的，在智能卡阅读器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，它说明一个智能卡阅读器10的简化方块图。在智能卡阅读器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)的不同智能卡的情况。

用一个卡接口82把智能卡耦合到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，并最终同智能卡通信。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，它通常只允许根据智能卡持有者唯一地知道的某种保密信息，例如一个插头号，某种匹配智能卡内部电路的内部电路等，来操作智能卡阅读器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智能卡阅读器的。

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。

用于观察存于智能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智能卡中的任何一种卡，并且包含一些防止不正当地观察信息的安全特征。此外，用于观察存于智能卡上信息的新的先进仪器是便携式的，和容易操作的，从而每个智能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，以便立即获悉智能卡上所存信息。

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。

Claims (10)

1.一种智能卡阅读器，其特征在于：

一个便携式外壳包含一个观察孔；

一个虚像显示器装于外壳中，且被定位成提供一个在观察孔观察的图象，该虚像显示器包括一个旨在接收其上图象数据的数据输入端；

传感器结构装于外壳中，并且构造成使一个有数据存于其上的智能卡按照数据传感并置的方式置于所述传感器结构附近，传感器结构包括一个有读出数据置于其上的输出端；和

电子器件装于外壳中，且连接于传感器结构的输出端，用于接收所读出的数据，还连接于虚像显示器的输入端，用于根据所读出的数据向那里供应图象数据，所述电子器件包括一个带有存储器的处理单元。

2.根据权利要求1所述的智能卡阅读器，其中传感器结构之特征还在于：诸触点被安置成电啮合于智能卡。

3.根据权利要求1所述的智能卡阅读器，其中传感器结构之特征还在于：一个磁性传感器读出智能卡上的磁性地存储的信息。

4.根据权利要求1所述的智能卡阅读器，其中传感器结构之特征还在于：一个光学传感器读出在智能卡上光学地存储的信息。

5.根据权利要求1所述的智能卡阅读器，其中虚像显示器之特征还在于：连接一个发光器件的二维阵列，以提供一个完整的实像，该二维阵列耦合于虚像显示器的输入端，用于根据该处的输入，接收图象数据和生成实像。

6.根据权利要求5所述的智能卡阅读器，其中发光器件的二维阵列的特征还在于：它是一个发光二极管的二维阵列。

7.根据权利要求5所述的智能卡阅读器，其中发光器件的二维阵列的特征还在于：它是一个有机的发光二极管的二维阵列。

8.根据权利要求5所述的智能卡阅读器，其中发光器件的二维阵列的特征还在于：它是一个液晶器件的二维阵列。

9.根据权利要求1所述的智能卡阅读器，其中电子器件之特征还在于：它包括一个中央处理单元(CPU)和一个随机存取存储器(RAM)。

10.根据权利要求1所述的智能卡阅读器，其特征还在于：它有一些用于防止不正当地观察的安全特征。

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