【原】屏下指紋識別技術(shù) 究竟難在哪？

alexlinsw 2020-11-09

展開全文

指紋解鎖并不是一項“黑科技”，早在2013年，蘋果公司就在iPhone 5S上加入了Touch ID指紋識別功能。隨后，Android陣營的手機也逐漸跟進，使指紋識別成為智能手機的標配。但隨著工業(yè)設(shè)計的進一步發(fā)展，傳統(tǒng)指紋解鎖技術(shù)已不能滿足更苛刻的工藝水平要求。

屏下指紋識別技術(shù)，這幾個月內(nèi)被炒得火熱的名詞，并沒有出現(xiàn)在號稱承前啟后的iPhone X上。在最新的iPhone X上，蘋果采用了Face ID代替原來的Touch ID作為身份驗證。但坊間傳聞蘋果想要屏下指紋從未停止過。事實上，蘋果的屏下指紋識別并沒有停止研發(fā)，只是時間周期不太夠。

連蘋果公司都沒用到的屏下指紋識別，究竟難在哪?

指紋識別技術(shù)是眾多生物特征識別技術(shù)中的一種?？捎玫纳锾卣髯R別技術(shù)有指紋、人臉、聲紋、虹膜等。指紋是其中應(yīng)用最為廣泛的一種。應(yīng)用于智能手機的指紋采集技術(shù)目前主要有三種：電容式、光學(xué)式和超聲波式。其中，電容式在智能手機應(yīng)用領(lǐng)域目前仍然有最高的市場占有率。

由于我們的指紋是由凹凸不平的皮膚紋路構(gòu)成，每個手指的紋路都完全不同，因此通過傳感器可以獲得不同的指紋圖像。由于皮膚表面凹凸導(dǎo)致指紋不同位置到傳感器之前的距離不同，測量到的電容也不同，最終將指紋圖像翻譯成芯片能理解的電信號，這樣就可以實現(xiàn)準確的指紋測定。但電容指紋傳感器也有缺點，它無法隔著手機屏識別按在屏幕上的指紋，這主要是因為屏幕模組本身的厚度導(dǎo)致傳感器收集不到足夠多有用的信號。這就使得前置電容式指紋識別方案在全面屏手機上沒有了用武之地。

全面屏，從字面上解釋就是手機的正面全部都是屏幕，采用無邊框設(shè)計，追求接近100%的屏占比。但由于受限于目前的技術(shù)，業(yè)界宣稱的全面屏手機暫時只是超高屏占比的手機，沒有能做到手機正面屏占比100%的手機?，F(xiàn)在業(yè)內(nèi)所說的全面屏手機是指真實屏占比可以達到80%以上，擁有超窄邊框設(shè)計的手機。如果想將全面屏變得更加“全面”甚至趨近于真正的“全面屏”的話，屏下指紋識別就必須攻克。

屏下指紋識別技術(shù)，也叫隱形指紋技術(shù)，是在屏幕玻璃下方完成指紋識別解鎖過程的新技術(shù)，主要利用超聲波、光學(xué)等穿透技術(shù)，穿透各種不同的材質(zhì)，從而達到識別指紋的目的。

所謂屏下指紋，指的就是隔著屏幕完成采集的識別技術(shù)，無需手指與指紋模塊直接接觸。屏下指紋識別能保證屏幕的完整性，手指直接貼在屏幕上就能識別并解鎖。同時，屏下指紋識別還可以較大程度降低手指污垢、油脂以及汗水對解鎖的影響。

目前已知的屏下指紋識別方案主要有兩種：一種是利用OLED實現(xiàn)，也就是光學(xué)式指紋識別;另一種是超聲波式指紋識別。

光學(xué)式指紋識別是在屏幕下方設(shè)置光學(xué)傳感器，通過發(fā)出近紅外光來識別用戶的指紋紋路。而超聲波式指紋識別就是在屏幕下方設(shè)置超聲波傳感器，通過超聲波完成指紋識別工作。

屏下指紋識別技術(shù)方案

屏下指紋識別是把指紋識別芯片放置在顯示模組下方，可以同時實現(xiàn)全面屏和指紋識別的功能；屏內(nèi)指紋識別是對屏下指紋識別的進一步發(fā)展，是把指紋識別芯片集成到OLED像素矩陣中，難度很大。

由于電容式穿透能力差，在這種模式下基本已無法工作，所以光學(xué)和超聲波是屏下指紋與屏內(nèi)指紋識別的最佳選擇方案。

光學(xué)指紋識別以我國匯頂科技和韓國CrucialTec的方案為代表，超聲波指紋識別則以美國高通公司為代表。

光學(xué)方案是依靠光線反射探測指紋紋路，所以光學(xué)屏下/屏內(nèi)指紋識別更適合與OLED屏配合，因為OLED面板具有自發(fā)光的特性，使得各像素之間可以留有一定間隔，保證光線透過。光學(xué)式指紋識別目前在產(chǎn)業(yè)鏈成熟度和精度上都有更好表現(xiàn)，有望成為全面屏的標配指紋識別技術(shù)。

匯頂科技在三星S7edge為原型機上，展示了光學(xué)屏內(nèi)指紋方案，將指紋識別集成到OLED顯示屏中，用戶觸摸屏幕指定位置可實現(xiàn)指紋識別。

三星的合作伙伴CrucialTec剛剛獲得了與DFS（顯示屏指紋解決方案）相關(guān)的美國專利，并宣布明年正式商用。和匯頂方案不同，DFS支持在屏幕任意位置指紋解鎖，甚至能夠兼容像三星全視曲面屏這類柔性O(shè)LED面板，而且DFS不僅限于光學(xué)方案，還支持傳統(tǒng)的電容方案。

由于厚度問題，指紋傳感器位于顯示器下方的識別率往往較低，且只能應(yīng)用于屏幕的一部分。而DFS可以在屏幕任意區(qū)域解鎖，在識別率和厚度方面都更有優(yōu)勢。

超聲波式指紋識別是由高通首次推出，之后在小米5S上得到應(yīng)用，通過超聲波來感應(yīng)指紋，高通提供芯片、歐菲光提供整體解決方案。

高通發(fā)布的第三代超聲波指紋識別方案。該技術(shù)可穿透金屬、OLED軟屏、玻璃、塑料等物體，最高能穿透OLED屏幕1200微米，因而能夠?qū)崿F(xiàn)隔著屏幕就能識別。

雖然識別準確率還有待提升，但其無需開孔、無需直接接觸、不受濕手指和微臟污影響的優(yōu)勢能顯著增強用戶體驗，在產(chǎn)業(yè)鏈進一步成熟、準確率進一步提升之后，有望成為全面屏指紋識別非?？尚械姆桨钢?。

另外，三星提交了一份關(guān)于正面屏下指紋識別技術(shù)的專利文檔這次提交的屏下指紋識別不僅僅是普通的光學(xué)指紋識別，而是一個帶有壓感型傳感器的指紋識別系統(tǒng)。這就意味著應(yīng)用這項技術(shù)的三星手機可以在熄屏狀態(tài)下通過按壓指定位置就可以激活屏幕并實現(xiàn)指紋識別，而不需要像之前曝光的類似技術(shù)那樣需要先點亮屏幕再進行指紋識別。

屏下指紋識別技術(shù)工作原理

目前已知的屏下指紋識別方案主要分為兩個方向：一是利用OLED實現(xiàn)，另一個則是利用超聲波實現(xiàn)。

光學(xué)指紋識別的工作原理

先來說說OLED。蘋果采用來自三星的OLED屏幕，為什么蘋果要選擇OLED作為旗下最高端產(chǎn)品的屏幕呢？顯示效果是一方面，坊間傳聞的屏下指紋，也很可能是選擇OLED的原因。但為何OLED能實現(xiàn)屏下指紋，而TFT-LCD不行？

關(guān)于手機指紋識別，坊間有很多資料，我們不再多說，而屏下指紋識別正是利用了光學(xué)原理。光學(xué)指紋識別需要光的發(fā)射和感應(yīng)裝置，由于LCD和OLED均可以當做光源，那是不是在屏幕下面墊一個CMOS傳感器就行了呢？

然而沒那么簡單，TFT-LCD做屏下指紋識別很難。這是由于LCD是被動發(fā)光，通過底部的LED背光源透過TFT發(fā)光。這層TFT本身并不是那么透光，如果不做改動，直接把手指放上去，屏幕底下的傳感器很難識別到指紋。因此如果用TFT-LCD做屏下光學(xué)指紋識別，必須給TFT層做技術(shù)改進，如加一些縫隙或是打開一個區(qū)域，讓LED背光照上來。但即使這樣，LED背光光源也會很大的干擾指紋反射的光線。所以TFT-LCD屏下光學(xué)指紋識別很難實現(xiàn)。

而OLED則是主動發(fā)光，理論上說可以精確控制到每一個子像素點,所以O(shè)LED材質(zhì)的屏幕是更理想的發(fā)射光光源，此外，OLED顯示模組更薄，也可以減輕由于放置屏下指紋傳感器帶來的整體機身變厚的問題。

目前產(chǎn)業(yè)鏈有三種利用OLED屏幕的開發(fā)方向：1，直接在屏幕下方布置一個CMOS傳感器，利用OLED的子像素之間縫隙讓光線穿透過去，進而識別指紋；2，縮小傳感器，插入OLED的像素點之間；3，將CMOS傳感器做成透明的，直接貼裝于AMOLED屏幕上方，將光學(xué)指紋識別做成一層識別層。

在光學(xué)屏下指紋識別方面，很多公司已經(jīng)開始做出了嘗試，并有了初步結(jié)果。匯頂科技就展示過利用AMOLED屏幕實現(xiàn)屏下指紋識別的案例，演示機型為三星Galaxy S7 Edge和vivo Xplay6。而匯頂科技就是在屏幕下方布置了一個CMOS傳感器，根據(jù)匯頂科技在美帝注冊的專利：玄機就在這三張圖里了。

FIG.21A和FIG.21B從俯視和側(cè)視兩個角度說明了指紋識別傳感器放置的地方。

FIG.24從微觀角度則說明了光線是如何穿透OLED屏幕的，最上面的就是手指；偏上這層灰色區(qū)域就是手機的屏幕部分。透過屏幕的小孔，匯頂稱之為“準直孔（Collimator Hole）”，手指反射回的光線光學(xué)傳感器搜集、處理。

怎么保證光線搜集到的就是來自指紋的反光呢？這就需要對光線準直處理。如圖FIG.27，匯頂定制了專門的微透鏡陣列（MicroLens Array）、光學(xué)空間濾光器陣列（Spatial Filter Array），微透鏡陣列需要經(jīng)過MEMS（微機電系統(tǒng)）技術(shù)處理或化學(xué)處理。這兩個陣列能夠保證進入傳感器的光線基本都是來自指紋的反光，而非屏幕或是陽光。

另一個屏下指紋識別方向則是利用超聲波指紋識別

高通方案稱其為Sense ID，指紋識別的龍頭企業(yè)FPC也剛剛發(fā)布了他們的方案。超聲波既不需要感光元件也不需要電容感應(yīng)，因此更適合做屏下指紋識別。Vivo演示機使用的全屏幕指紋識別，采用的正是高通的方案以及歐菲的模組。

目前大規(guī)模應(yīng)用的超聲波指紋識別手機并不太多，主要是樂視的LeMax2和小米5s。LeMax2將指紋放在了后面，而小米5s則是在正面，當時超聲波還穿透不了太厚的玻璃，最厚大約是0.4mm左右，而手機蓋板玻璃厚度大約為0.6mm~0.9mm，因此0.4mm的有效厚度不足以穿透玻璃+顯示屏（0.6mm+0.3mm）的厚度。小米只好和藍思科技商量，給前面板玻璃多挖一塊走，這樣才能保證超聲波能穿透，因此把指紋識別區(qū)域的玻璃削薄了一些。根據(jù)高通官網(wǎng)公開的資料顯示，新一代的Sense ID可以穿透1.2mm的OLED屏幕或0.65mm的鋁或0.8mm的玻璃。這樣的穿透能力，用在目前的玻璃或OLED屏幕上也夠了。

但為什么vivo還沒開始在量產(chǎn)的X20等手機上使用？這是因為還需要時間優(yōu)化算法。新技術(shù)從發(fā)布到正式應(yīng)用還需要一個調(diào)試的過程，指紋識別是一項對安全性要求相對較高的生物識別技術(shù)，因此需要時間對算法優(yōu)化以提高安全性、識別速度、識別率等。

然而FPC剛發(fā)布的方案更喪心病狂，F(xiàn)PC稱，不管手是干的還是濕的，不管你屏幕是AMOLED還是LCD的，甚至不管你表面材質(zhì)是不是玻璃，我們都能識別。能穿透多厚呢？20mm！20mm！20mm！重要的事情說三遍。作為對比，高通初代Sense ID是0.4mm，二代也就能穿透1.2mm。FPC能穿透的厚度是高通的16倍多。

FPC新技術(shù)的優(yōu)勢包括：

1、支持智能手機（任何其他設(shè)備）干凈正面外觀設(shè)計，可用于顯示，并且還包含指紋識別功能，以最優(yōu)化屏幕與手機的比例；

2、全屏幕可用于指紋識別。無需在視覺上或物理上突出智能手機的特定區(qū)域做為指紋識別；

3、該技術(shù)能夠在不同的表面材質(zhì)捕獲指紋，如在厚玻璃和金屬運行。當手指濕潤或手指淹沒在水下時，它也能夠運作，這種技術(shù)在所有不同的玻璃厚度下工作得很好，即使是市場上最厚的玻璃；

4、這獨特的技術(shù)在LCD面板以及OLED面板同樣能夠出色運作。

屏下指紋識別技術(shù)相關(guān)廠商

目前，手機業(yè)界主流的指紋識別解決方案提供者主要有美國公司AuthenTec和Synaptics、瑞典廠商FingerprintCards（FPC）和中國的匯頂科技。

FPC

FPC是一家瑞典生物識別傳感器科技公司，主要開發(fā)、生產(chǎn)和銷售指紋識別技術(shù)。2013年，F(xiàn)PC開始大舉進軍智能手機市場，得益于競爭對手AuthenTec只對蘋果提供產(chǎn)品和技術(shù)，F(xiàn)PC成了非蘋果手機陣營的老大。

FPC的技術(shù)競爭優(yōu)勢包括獨特的圖像質(zhì)量、低功耗和完整的生物識別系統(tǒng)，但它的傳感器價格也不低。不過隨著眾多國產(chǎn)指紋芯片廠商（特別是匯頂）的沖擊，F(xiàn)PC的價格也在不斷下滑，市場份額也逐漸被搶奪。

2015年FPC幾乎壟斷安卓機指紋芯片市場，2016年總體市場情況看，國產(chǎn)廠商已搶回不少市場，但安卓手機體系的指紋芯片仍然是FPC占領(lǐng)最多份額，達到40%，2017年1-6月份FPC成為指紋芯片當中最大的贏家，出貨量居首達到了123KK。

AuthenTec

AuthenTec成立于1998年，一直是全球感應(yīng)性指紋識別傳感器最大供應(yīng)商，其指紋識別組件很多年前就被嵌入了Windows筆記本。2011年，AuthenTec研發(fā)出了一種基于電容和射頻識別的指紋識別新技術(shù)，稱之為“TruePrint”，TruePrint專利技術(shù)能夠讀取皮膚表層下的活動層（人的指紋真正所在之處），實現(xiàn)極其精確可靠的指紋成像。

在2012年之前，AuthenTec就已經(jīng)成為世界領(lǐng)先的指紋傳感器及芯片與模組、身份識別軟件和加密安全方案的供應(yīng)商，年銷售額達7千萬美元，擁有200多項專利和230名員工，在世界范圍內(nèi)使用的傳感器超過3500萬個，其客戶包括阿爾卡特-朗訊，思科，惠普，三星，聯(lián)想，LG，摩托羅拉，諾基亞等等。

AuthenTec是蘋果iPhone上TouchID的締造者。2012年7月蘋果公司斥資3.56億美元收購了AuthenTec公司，AuthenTec開始停止向第三方銷售指紋芯片。2013年蘋果iPhone5sTouchID芯片便是AuthenTec的產(chǎn)品，得到市場一致好評，也掀起了指紋識別熱潮。隨后蘋果的眾多新品中均搭載AuthenTec指紋識別芯片。

蘋果最近將代表AuthenTec縮寫的auth.com收歸到自己名下，業(yè)界人士認為是蘋果將有新動作，聯(lián)系到AuthenTec的業(yè)務(wù)內(nèi)容，很可能是蘋果要在屏下指紋識別技術(shù)上發(fā)力。

不過，日前蘋果首席工程師DanRiccio表示蘋果公司就已經(jīng)確定要完全把指紋識別給拋棄了，還強調(diào)蘋果從來沒有在iPhoneX上嘗試過屏下、背部以及側(cè)面按鍵指紋的想法。這就讓人非常難懂了，畢竟AuthenTec的核心優(yōu)勢就在于指紋識別。

匯頂科技

匯頂科技成立于2002年，并于2016年10月17日登陸A股市場。2016年財報顯示，匯頂科技凈利潤達到8.57億，同比增長126.51%，截至2017年9月，匯頂科技已申請、取得的國際、國內(nèi)專利共計1500+項。

匯頂?shù)闹讣y識別產(chǎn)品目前的客戶群包括華為、OPPO、vivo、樂視、中興、小米、魅族、聯(lián)想、金立、TCL、Amazon、Dell、HP、ASUS、acer、TOSHIBA、Panasonic等眾多海內(nèi)外終端廠商。

魅族旗艦PRO6Plus還首發(fā)搭載了匯頂?shù)幕铙w指紋識別芯片；華為Mate10、P10/P10Plus、MatebookX、榮耀系列旗艦機型均采用的是匯頂?shù)闹讣y識別方案。得益于眾多品牌廠商的采用，匯頂今年的指紋識別芯片出貨出現(xiàn)了爆炸式的增長。

在MWC2017大會上，匯頂首發(fā)了屏內(nèi)指紋識別技術(shù)。此項技術(shù)是指將指紋識別功能完整的集成在AMOLED顯示屏里，用戶可以直接輕觸移動端顯示屏指定的區(qū)域便可以實現(xiàn)指紋識別。

Synaptics新思

Synaptics成立于1986年，2002年Synaptics在納斯達克證交所上市并開始交易。2015年初，Synaptics也針對高端移動設(shè)備推出了按壓式（NaturalID）指紋識別技術(shù)。目前國內(nèi)的聯(lián)想、中興、金立、酷派等也有采用Synaptics的指紋識別傳感器。

美國當?shù)貢r間2016年12月12日，Synaptics宣布旗下的第三代NaturalID玻璃內(nèi)層（under-glass）指紋傳感器NaturalIDFS4500已經(jīng)從9月份開始出樣。FS4500可透過玻璃或者陶瓷按鍵掃描指紋，在出樣之后，大規(guī)模量產(chǎn)預(yù)計在今年第四季度就能實現(xiàn)。

2016年12月13日，Synaptics又宣布推出業(yè)內(nèi)首款面向智能手機和平板電腦的光學(xué)指紋傳感器的NaturalID系列生物認證解決方案FS9100。據(jù)介紹，NaturalIDFS9100系列光學(xué)指紋傳感器可透過1mm的完整蓋板玻璃完成高分辨率掃描，并實現(xiàn)簡潔、無需按鍵的工業(yè)設(shè)計，可為手機廠商提供屏下指紋識別技術(shù)方案。

最新消息顯示，國內(nèi)深圳一家名為UMIDIGI的手機廠商近日發(fā)布了一款名為UMIDIGIZ2的全面屏智能手機，其將采用類似iPhoneX的外觀設(shè)計，但最大的亮點在于屏下指紋方面。據(jù)報道，這款產(chǎn)品有望采用Synaptics的FS9100光學(xué)指紋傳感器實現(xiàn)屏下指紋識別。

敦泰

敦泰2005年在美國成立，2013年在臺灣上市，是全球領(lǐng)先的人機界面解決方案提供商，電容屏觸控方案、指紋識別方案以及全方位的TFTLCD顯示驅(qū)動&控制方案提供商。

2014年9月24日敦泰與挪威指紋辨識廠IDEX合作（IDEX專注指紋辨識技術(shù)開發(fā)，擁有多達200多項專利權(quán)，其中包括與AuthenTec有專利交叉授權(quán)），共同開發(fā)滑條式指紋感測器，搶攻指紋辨識市場。

2014年底敦泰正式發(fā)布了完整的指紋識別方案，隨后基于敦泰FT9200指紋識別方案的智能手機也于2015年2月正式上市，但是之后敦泰的指紋業(yè)務(wù)差不多就陷入了停滯，目前敦泰指紋芯片出貨非常少，因為原有指紋識別技術(shù)團隊大部分骨干的出走，一部分人跟著莫良華（敦泰原副總）成立了信煒科技，另外一批人則成立了芯啟航，這兩家公司都定位于指紋識別領(lǐng)域。

據(jù)悉，因光學(xué)式產(chǎn)業(yè)鏈相對成熟，敦泰會主攻光學(xué)式屏下指紋。

高通

高通相信大家都非常熟悉了，這里就不再啰嗦介紹。

2015年MWC展會上，高通發(fā)布了SenseID3D超聲波指紋識別技術(shù)。SenseID超聲波掃描可以穿透手指的外層皮膚，捕捉到指紋脊和汗毛孔等獨特特征，識別出用戶指紋獨特的3D特征。

今年6月，高通在MWC上海大會上正式宣布推出該技術(shù)，稱之為下一代超聲波指紋解決方案指紋傳感器。

該技術(shù)面向顯示屏的指紋傳感器能透過厚至1200微米的OLED顯示屏實現(xiàn)指紋的掃描、錄入和匹配；面向玻璃和金屬的指紋傳感器可透過厚至800微米玻璃面板和厚至650微米鋁材質(zhì)外殼實現(xiàn)掃描的解決方案，在上一代400微米的玻璃或金屬穿透能力之上實現(xiàn)提升。