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屏下指紋識別市場現狀與發展趨勢

  “全面屏”時代,屏下指紋、3D 面部識別、背部指紋成為現階段3 種主要備選方案。手機廠商紛紛追求最大化屏占比,而在此目標下,前置鏡頭、聽筒、光線傳感器等都面臨縮小或者從手機正面移除的要求,其中首當其沖的便是指紋識別模塊。

  在屏下指紋、3D光學和背部指紋三種方案中,背部指紋方案由于在便捷性上不及正面指紋方案,且會破壞機身背部整體性,在美觀程度上也有所不足,因而我們認為該方案未來主要將用于一些低端機型上,而就高端機型而言,該方案大概率作為一種過渡性的方案;3D 光學方案自被iPhoneX 采用以來一直爭議不斷,該方案面臨的主要問題包括識別前需要喚醒屏幕,識別易受手機握持角度、距離、周圍環境的影響,從而導致使用不夠便捷等,

  目前市場上能夠是實現商用的指紋識別方案主要有三種,分別是電容方案、光學方案和超聲波方案。

  三種方案中,電容方案成本最低,識別速度最快且技術最為成熟,因而在智能手機市場上一度處于壟斷地位。

但是,由于電容式指紋方案的穿透深度僅為0.3mm,而目前智能手機正面蓋板玻璃的厚度普遍超過0.5mm,因此這一傳統方案不再適應屏下指紋的要求。

  為應對電容式指紋面臨的困難,供應鏈廠商主要提出三種不同的解決方案,第一種是以匯頂、新思為代表的光學方案,第二種是以高通為代表的超聲波指紋識別方案,最后一種是以韓國廠商CrucialTec等為代表的DFS 全屏幕識別方案。三種方案中,由于DFS 方案對于屏幕和指紋識別模組的整合程度要求較高,可能帶來高成本等問題,目前方案仍處于試驗階段,存在不確定性。與之相比,光學方案和超聲方案相對成熟,其中光學方案兼容OLED 軟硬屏,相對適用于軟屏的超聲波方案應用范圍更廣,成為目前屏下指紋方案的主流。

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iPhone5s 電容式指紋模組

  光學方案技術由來已久,主要基于折反原理。

  在各類指紋識別方案中,光學方案其實是一種早已被廣泛應用的技術,例如之前很多考勤機、門禁都采用該技術,傳統指紋識別方案主要由光源、三棱鏡和感光組件構成——通過光源照亮指紋,然后利用三棱鏡將指紋投射到感光組件上進行識別。不過在2017 年以前,光學方案始終沒能應用于智能手機,主要的原因是光學傳感器的體積過大,通常是電容式指紋設備的幾倍乃是10 幾倍的大小,此外,光學式指紋識別系統無法對皮膚真皮層的識別,因而安全性相對較低,限制了其使用領域的拓展。

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傳統光學指紋識別原理

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屏下光學指紋識別示意

  隨著2016 年以來新思、匯頂先后發布新一代的光學指紋識別方案,光學方案正式成為屏下指紋識別最重要的實現手段之一。

  新一代的光學指紋方案仍然是基于折反原理,另外疊加小孔成像和透鏡成像功能,以提高識別的精確度。以匯頂的方案為例,匯頂光學指紋識別方案主要有OLED 屏、CMOS 以及lens組成。

  其中OLED 充當光學指紋識別系統的光源,通過自發光照亮指紋,之后折返光通過lens進行準直聚焦并穿過OLED 像素點之間的縫隙成像至CMOS 上,CMOS 將接收到的光學信號轉化為電信號,經過處理器芯片的分析比對以驗證指紋。通過光源集成和光路重新設計,新的方案能夠有效降低體積和功耗,同時匯頂的方案能夠支持活體檢測。此外,光學方案固有的穿透距離較長的特性也得到充分發揮,在屏下指紋領域得到了很好的應用。

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光學屏下指紋模組結構

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vivo X20 屏下指紋結構示意

  超聲波方案利用回波強度識別指紋,防油防水、穿透性強。

  超聲波方案則是利用指紋模組發出的特定頻率的超聲波掃描手指,由于超聲波到達不同材質表面時被吸收、穿透和反射的程度不同,因而可以利用皮膚和空氣對于聲波阻抗的差異,對指紋的嵴與峪所在的位置進行識別。

  超聲方案的優點在于其穿透性更強,能夠進行深層的皮下指紋識別且能夠辨別活體,因而方案的安全性更高;此外,從理論上來講,超聲波方案不易受到油漬和水漬以及強光的干擾,因而解鎖更加穩定可靠,有望成為指紋之別方案發展的一個重要方向。

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超聲指紋識別原理

電容式

原理/構成:皮膚表面凹凸導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,這樣就可以實現準確的指紋測定。

優勢:體積小、成本低廉、解鎖迅速(反應時間約為0.15-0.2s

劣勢:難以屏下放置,主要是因為屏幕模組本身的厚度導致傳

感器收集不到足夠多有用的信號;手指污垢、汗水和油脂會對解鎖產生影響。

算法提供商:AuthenTecFPCSynapticsIDEX、匯頂科技、

神盾等。

光學式

原理/構成:在屏幕下方集成光學傳感器,通過發出近紅外光(或利用OLED 的自發光)照亮指紋,然后利用指紋的折反光的干射條紋來識別用戶的指紋紋路。

優勢:面積小、厚度薄,可集成到OLED 屏幕當中;能夠識別指紋的300 個不同特征;解鎖的成功率高,解鎖速度較快(約0.7s,與第一代電容相當);安全性較高(誤識率僅為五萬分之一,與電容式相當)。

劣勢:錄入時的次數較多,時間慢;易受背景光干擾;受手指表面的油污干擾大。

算法提供商:Synaptics、匯頂科技、FPCCrucialTec 三星等。

超聲波式

原理/構成:通過指紋模組發出的特定頻率的超聲波掃描手指,利用手指紋理及其它材質對聲波的吸收、反射和穿透作用的差異,對指紋的嵴與峪所在的位置進行識別。

優勢:具有較強的穿透性(可以穿透OLED 軟硬屏),可以獲得皮膚深層指紋,破解難度更高,更安全;對于手指的干濕度要求更低。

劣勢:體積相對較大、識別率和識別速度低。

算法提供商:高通、FPC

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結構光方案產業鏈匯總-資料來源:驅動之間、中國產業網等,中信證券研究部

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各大廠商新機型生物識別方案-資料來源:中信證券研究部

部分案例解析

iPhone 5S/6

iPhone 5S/6指紋識別原理:

  iPhone 5S/6Touch ID指紋傳感器被放置在Home鍵中,Home鍵傳感器表面由激光切割的藍寶石水晶制成,能夠實現精確聚焦手指,保護傳感器的作用,并且傳感器會在此時進 行指紋信息的紀錄與識別,而傳感器按鈕周圍則是不銹鋼環,用于監測手指,激活傳感器和改善信噪比。隨后,軟件將讀取指紋信息,查找匹配指紋來解鎖手機。

  其中指紋傳感器部分在開始表格中提到的基于電容和無線射頻的半導體傳感器,這位指紋讀取做了兩層驗證。第一層是借助了一個指紋電容傳感識別器來識別整個 接觸面的指紋圖像。第二層則是利用無線射頻技術并通過藍寶石片下面的感應組件讀取從真皮層反射回來的信號,形成一幅指紋圖像。

電容傳感識別:手指構成電容的一極,另一邊一個硅的傳感器陣列構成電容另一極,通過人體帶有的微電場與電容傳感器間形成微電流,指紋的波峰波谷與感應器之間的距離形成電容高低差,從而描繪出指紋圖像的

無線射頻識別:將一個低頻的射頻信號發射到真皮層。由于人體細胞液是導電的,讀取真皮層的電場分布而獲得整個真皮層最真皮層,并且通過讀取真皮層的電場分布而獲得整個真皮層最精確的圖像,而Touch ID外面有一個驅動環,由它將射頻信號發射出來。

  經過對指紋圖像的紀錄,將其數據錄入到數據庫中,然后Touch ID在指紋驗證過程中,獲得指紋掃描圖像之后,其能夠對指紋進行360°全方位的掃描并且與數據庫指紋數據進行比對判斷。當新的指紋圖像與數據庫樣本 指紋互相匹配成功,該指紋圖像就能夠用于加強和完善數據庫的樣本信息,這樣能夠使得更多的樣本信息被紀錄了,提高指紋識別的成功率以及能夠在各種角度成功 的識別指紋。

魅族MX4 Pro指紋識別原理

  魅族認為背部的指紋識別體驗不好,因此魅族在最后時刻選擇了匯頂,MX4 Pro采用的是匯頂科技GT6618/28指紋識別模塊,下圖為該模塊的具體參數。其中工作模式中的Finger Flash模式是匯頂的專利技術。

  在Finger Flash模式下,魅族MX4 Pro可以實現從息屏到亮屏然后到喚醒最后解鎖這樣的一體化操作。在鎖屏狀態下,用戶通過按壓HOME鍵點亮屏幕并在Home鍵上停留一會就可以實現解 鎖,這與iPhone6在鎖屏狀態下采用的解鎖實現方案是一樣的,此外在屏幕點亮的情況下,兩者均可實現輕觸HOME鍵解鎖。

華為Mate 7指紋識別原理

  華為Mate 7 采用瑞典FPC公司的FPC1020指紋識別方案 ,該方案是將傳感器置于手機后蓋中,雖說是按壓式指紋識別技術,但是它應該屬于接觸式。只需要對將手機輕輕放在解鎖區域,就能夠進行解鎖。

  華為Mate7指紋傳感器上覆蓋一層銀色的鍍膜,指紋識別區域和后殼之間還有一圈環形金屬狀,類似于包裹住iphone5s指紋感應區的不銹鋼探測環 Stainless steel detection ring),這個金屬環除了充當指紋觸發器感覺還可以有很多功能。此外成熟的FPC1020的識別的面積是現階段其他手機的面積中最大的。

oppo N3所使用的方案

  oppo N3使用的是FPC1020的升級版-FPC1021。兩者差異性并不大,所以筆者就不進行贅述了,不過FPC1021相較于FPC102030%,但是相對于iPhoneTouch ID依然還是有點大,放在Android手機正面,不太合適,因此,OPPO N3 將它放在了背面。

三星Note 4指紋識別方案原理

  三星Note 4指紋識別傳感器跟蘋果一樣,同樣選擇集成在Home鍵之下,不過三星Note 4采用的是Synaptics& Validity的方案,屬于摩擦類型,在解鎖菜單設置過程也和iphone5s類似。

  三星Galaxy S5 滑動式指紋識別必須從上向下滑動,當手指劃過傳感器的時候,會對手指進行逐行掃描,這樣就要要求你必須固定姿勢,固定方向并且手指覆蓋整個Sensor才可被識別。這樣要求你固定姿勢的劃擦,相對而言,用戶體驗就會變得差很多了。

vivo X20 Plus UD

  vivo X20 Plus UD是第一部屏下指紋手機。vivo X20 Plus UD使用的指紋方案是SynapticsClear ID FS9500,該方案僅適用與OLED屏幕,激活時會在指定的屏幕區域發光來提示用戶。另外該模組并不會大幅增加OLED屏幕的厚度,其傳感器厚度很低,與屏幕結合起來的厚度也僅在1.5mm左右。

vivo X21

  vivo X21屏下指紋芯片由匯頂科技和新思兩家供應,而匯頂的屏下指紋在vivo全新屏幕指紋手機X21的成功應用,也標志著業界翹首以盼的匯頂科技屏下光學指紋方案(INDISPLAYFINGERPRINTSENSORTM)規模商用。Synaptics也是X21屏幕指紋的主要供應商,vivo X21有采用Clear ID FS9500光學指紋系列2.0升級版方案。

vivo NEX 

  vivo NEX 屏下光學指紋識別方案是由匯頂科技屏下光學指紋技術(INDISPLAY FINGERPRINT SENSOR)獨家提供,且獨家提供電容指紋方案。

華為Mate RS

  華為Mate RS保時捷搭載的是匯頂最新研發的屏內光學指紋識別技術,也是全球首個能夠同時支持OLED軟、硬屏的屏內光學指紋方案。小米8探索版則采用匯頂科技的屏下光學指紋識別方案(IN-DISPLAY FINGERPRINT SENSOR )以及3D結構光方案,其供應商是高通和Himax

Galaxy S10

  除此之外,Galaxy S10也將搭載屏下指紋識別技術。其屏下指紋技術將與高通進行合作,高通將向三星方面提供超聲波屏下指紋傳感器。業內人士稱,三星之所以選擇超聲波方案而不是光學方案,是因為超聲波傳感器識別能夠得到指紋溝壑甚至毛孔的信息,并實現帶有深度數據的3D的指紋掃描,從而保證生物驗證的安全性。

iPhone

  前段時間,蘋果也在向美國專利商標局提交智能手機所用的屏下指紋專利。專利顯示,蘋果采用了更安全的超聲波方案,而不是現在普遍采用的光電式屏下指紋。同時蘋果的方案還能夠同時在屏幕的多個區域識別多個指紋。


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