屏下指纹识别原理

 

相比起占用屏幕上的部分显示区域放置摄像头等元器件来做人脸识别,屏下指纹的好处是能够保证整块屏幕的完整性,手指直接贴在屏幕上就能识别并解锁。对已经形成肌肉记忆的用户来说,学习成本也并不高。

 

屏下指纹识别核心在于传感器,目前已经发布了首款屏下指纹识别传感器。

Synaptics(新思国际)正式发布“全球首款量产”的屏下指纹识别传感器——Clear ID FS9500。

 

据介绍,这枚传感器采用光学生产材料和工艺制作,可直接封装在 AMOLED 柔性显示屏下方或集成到 OLED 屏幕中,厚度仅为 1.5mm。同样地,它也具备屏下指纹识别方案的优点——无惧污迹和泥垢等。

 

当 FS9500 传感器被激活时,传感器会通过上层的 OLED 面板背光来照亮指纹识别的区域,然后将反射的光纤传输到底层的传感器中,并完成整个识别过程。

 

从2017年智能手机市场新机发布来看,各大品牌几乎都推出了全面屏产品,根据CINNOResearch的预期,2018年全面屏在智能机市场的渗透率有望达到50%。

 

全面屏已经成为未来智能手机的发展趋势,随之而来的便是指纹识别的难题。由目前的技术水平来说,指纹识别需要接触到手指,而为了迎合市场对于全面屏的喜爱,手机厂商一般都将智能手机的指纹识别系统后置,将其设计在手机背面,或者像iPhoneX一样直接舍弃,采用FaceID。

 

但就用户习惯来说,屏下指纹的体验明显要优于面部识别。

 

屏下指纹识别工作原理

目前已知的屏下指纹识别方案主要分为两个方向:一是利用OLED实现,另一个则是利用超声波实现。先来说说OLED。苹果本次采用来自三星的OLED屏幕,尽管OLED屏幕做异形切割有天生优势,但TFT-LCD做异形切割也不难,比如夏普S1、EssenTIal Phone,这两款都是采用LCD做异形切割,并且都是由国内一家上市公司——长信科技旗下子公司德普特承接的。既然OLED不是异形屏幕的唯一选择,那为什么苹果要选择OLED作为旗下最高端产品的屏幕呢?显示效果是一方面,坊间传闻的屏下指纹,也很可能是选择OLED的原因。

 

OLED实现屏下指纹识别技术

OLED是主动发光,理论上说可以精确控制到每一个子像素点,所以OLED材质的屏幕是更理想的发射光光源,此外,OLED显示模组更薄,也可以减轻由于放置屏下指纹传感器带来的整体机身变厚的问题。目前产业链有三种利用OLED屏幕的开发方向:1,直接在屏幕下方布置一个CMOS传感器,利用OLED的子像素之间缝隙让光线穿透过去,进而识别指纹;2,缩小传感器,插入OLED的像素点之间;3,将CMOS传感器做成透明的,直接贴装于AMOLED屏幕上方,将光学指纹识别做成一层识别层。

 

在光学屏下指纹识别方面,很多公司已经开始做出了尝试,并有了初步结果。

 

超声波实现屏下指纹识别技术

另一个屏下指纹识别方向则是利用超声波指纹识别。高通方案称其为Sense ID,指纹识别的龙头企业FPC也刚刚发布了他们的方案。超声波既不需要感光元件也不需要电容感应,因此更适合做屏下指纹识别。Vivo演示机使用的全屏幕指纹识别,采用的正是高通的方案以及欧菲的模组。

 

目前大规模应用的超声波指纹识别手机并不太多,主要是乙烷的乐视的LeMax2和小米5s。LeMax2将指纹放在了后面,而小米5s则是在正面,当时超声波还穿透不了太厚的玻璃,最厚大约是0.4mm左右,而手机盖板玻璃厚度大约为0.6mm~0.9mm,因此0.4mm的有效厚度不足以穿透玻璃+显示屏(0.6mm+0.3mm)的厚度。小米只好和蓝思科技商量,给前面板玻璃多挖一块走,这样才能保证超声波能穿透,因此把指纹识别区域的玻璃削薄了一些。根据高通官网公开的资料显示,新一代的Sense ID可以穿透1.2mm的OLED屏幕或0.65mm的铝或0.8mm的玻璃。这样的穿透能力,用在目前的玻璃或OLED屏幕上也够了。

 

但为什么vivo还没开始在量产的X20等手机上使用?这是因为还需要时间优化算法。新技术从发布到正式应用还需要一个调试的过程,指纹识别是一项对安全性要求相对较高的生物识别技术,因此需要时间对算法优化以提高安全性、识别速度、识别率等。

 

然而FPC刚发布的方案更加疯狂,FPC称,不管手是干的还是湿的,不管你屏幕是AMOLED还是LCD的,甚至不管你表面材质是不是玻璃,我们都能识别。能穿透多厚呢?20mm!20mm!20mm!重要的事情说三遍。作为对比,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。

 

光学屏下指纹与超声波指纹识别

屏下指纹识别路线之争:光学指纹、超声波指纹

在全面屏时代,前置指纹识别没空间、后置指纹识别没逼格,厂商的选择就只有屏下指纹识别了,目前来说主要的技术路线有光学指纹识别和超声波指纹识别,现在商业化的屏下指纹识别几乎都是光学指纹别,超声波指纹识别技术由高通领头,其实在两年前的小米5s上使用过,但是这个技术依然不成熟,至少今年内都没戏。

 

光学屏下指纹识别:率先商业化,体验在改进

如果单纯说光学指纹识别,那这种技术早就大量应用了,指纹考勤机就是传统光学指纹识别的代表,但这种光学指纹识别方案体积大,也不需要考虑电池等因素,跟智能手机使用的光学指纹识别方案也是不一样的,我们这里所指的是后一种。

 

智能手机使用的光学屏下指纹放弃了传统光学系统,改用智能手机屏幕作为光源,因此自发光的OELD屏幕是光学屏下指纹手机的最佳拍档,LCD屏幕因为需要LED背光模组,不太适合光学屏下指纹,真要做的话技术难度、成本就比较高了,目前还不实用。

 

光学屏下指纹识别的原理就是按压OLED屏幕后,OLED产生的光线会照射手指纹理,然后光线再反射到屏幕下的指纹识别传感器上,产生指纹图像。这个过程说起来简单,但是光学指纹识别要涉及到光学透镜系统、传感器芯片、盖板玻璃、OELD屏幕,研发中要涉及多个供应商。

 

光学指纹识别其实也有两种路线之分,我们常说的屏下指纹识别的屏下就是Under Display方案,指纹模组在OILED屏幕下方,另一种方案是In Display,就是把指纹识别传感器整合到屏幕中,这个方向是未来的屏幕指纹识别的趋势,不过现在的技术还做不到量产。

 

光学屏下指纹识别技术虽然今年初才正式商业化量产,但是发展速度很快,抗干扰性、稳定性都比较好,但是问题也不少,技术原理决定了光学指纹识别要学穿透屏幕及玻璃,所以识别速度、准确率不如电容式指纹识别,借助OLED屏幕发光也会导致OLED屏幕特定区域一直发光,不仅会增加功耗,还对OLED屏幕寿命有影响。

 

超声波指纹别:技术体验好,商业量产进展慢

除了光学屏下指纹识别之外,还有一种体验更好的屏幕指纹识别技术,那就是超声波指纹识别,它的原理跟光学指纹识别不同,不依赖屏幕发光,而是传感器主动发出超声波,穿透屏幕及玻璃达到人体皮肤,然后接收反射回来的信号,利用指纹表面与空气密度的不同从而构建出3D指纹图像,与指纹信息做比对。

 

那么超声波指纹识别的优点就来了,首先是超声波穿透性强,因此不需要担心皮肤表面的水渍、污渍影响,识别率高,还能湿手检测,而且超声波能够穿透皮肤,不像光学指纹识别那样只能检测表皮。

 

算起来超声波指纹识别的(伪)量产时间比光学指纹识别其实更早,乐视在2016年1月、小米在2016年9月就推出了超声波指纹识别手机,不过这两款手机的指纹识别体验都不够好,主要还是当时的技术限制,超声波穿透距离有限,不过随着技术进步,超声波指纹识别对屏幕厚度的要求不断低,高通去年在上海MWC展会上发布了第二代超声波指纹识别技术,已经可以穿透0.8mm的玻璃、0.65mm的金属、1.2mm的OLED屏幕了。