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未来已来 | 全面屏手机屏下指纹识别技术与工作原理解析

1月24日,全球第一台量产的屏幕指纹手机vivo X20 Plus屏幕指纹版正式在北京亮相。 据悉,该手机屏幕指纹版​​​​已经支持支付宝和微信的指纹支付。
屏幕指纹解锁
vivo X20 Plus屏下指纹,其原理是利用光电反射技术,专门适配OLED屏幕的RGB Pixel发出光线,穿透0.68mm厚度的玻璃盖板到达手指,因手指的不同纹路导致反射光线不同,这些反射光线再穿透屏幕,到达指纹Sensor,从而实现指纹识别。

利用光电反射技术

在实际使用测试过程中,手机提起的时候,屏幕指纹识别区域自动亮起提示,直接手指放上去即可解锁,不需要操作电源键。按压力度方面,在录入指纹的时候相比起过去的指纹识别,在按下去的时候要稍微多一点点力,毕竟中间多了一层OLED屏幕,始终没有传统指纹识别那么直接。不过,前面说的只是录入,录入完之后,指纹识别就很好解锁了,不用按下去的动作,直接把手指轻触屏幕就可以解锁,跟以往的指纹解锁并没有区别。

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此前三星中国设计研究所所长@李炫弘ShaneLee 曾在微博写道:“屏下指纹识别技术现状:硬伤(1):目前良率偏低且年底之前还无法大量生产,并且只是拿了高通+某厂的方案;硬伤 (2):只能穿透AMOLED屏幕(TFT还用不了)要注意,这里同样提到屏下指纹识别要配合OLED屏幕使用,那么我们就来谈谈屏下指纹识别技术。

微信截图_20170629110144 副本

指纹识别技术类型浅析:

众所周知,目前市面上支持指纹识别的手机分三种,一种是集成在正面底部的电源键上,另一种是设计在背部机身上,第三种则是设计在边框上。智能手机进入全面屏时代后,业内普遍认为屏下指纹会是未来发展趋势。

手机行业中市场份额最大的几家指纹识别模组供应商,瑞典 FPC、美国的 Synaptics、深圳汇顶(Goodix)、台湾 Egis 等都在研发自己的屏下指纹识别技术

从指纹识别的技术原理来看,光学、电容、热敏和超声波是四种常见的指纹识别方式。而在手机、平板等电子设备上,体积轻巧、成本低廉的电容式模组是大多数消费电子厂商的首选。

光学、电容、热敏和超声波,四种常见指纹识别技术

第一代指纹系技术采用光学识技术,由于光不能穿透皮肤表层(死性皮肤层),所以只能够扫描手指皮肤的表面,或者扫描到死性皮肤层,但不能深入真皮层。在这种情况下,手指表面的干净程度,直接影响到识别的效果。

第二代指纹识别采用电容传感器技术,目前主流的技术是电容式指纹传感器,然而超音波指纹传感器也有逐渐流行起来趋势。电容式指纹传感器作用时,手指是电容的一极、另一极则是硅芯片数组,透过人体带有的微电场与电容传感器之间产生的微电流,指纹的波峰波谷与传感器之间的距离形成电容高低差,来描绘出指纹的图形。


iPhone 5采用电容式指纹识别 

第三代指纹识别采用射频技术,分为无线电波探测与超声波探测两种,其原理都与探测海底物质的的声纳类似,是靠特定频率的信号反射来探知指纹的具体形态的。


 
超声波指纹识别技术被称作第三代指纹识别技术的代表,相比第一代和第二代指纹识别技术,进步还是相当明显的。

安放在 Home 键或机身背部下方的电容传感器能够采集手指表面丰富的纹路数据,并加密保存在一个独立的安全区内。完整录入一枚指纹,通常需要在按键上贴 8-12 次。


今天的电容式指纹传感器识别+解锁速度已经非常理想,从贴上手指到进入主屏只需要 0.15-0.2 秒,日常使用几乎感觉不到等待的时间。

在安全性上,不少电容指纹模组已经集成了活体检测功能,可以通过热敏(Thermal)传感器感知手指表面的温度变化,人造的假手指或者冷掉的断手指很难通过识别。

不过,电容传感器也有缺点。它没办法隔着手机屏识别按在屏幕上的指纹,主要是因为屏幕模组本身的厚度导致传感器收集不到足够多有用的信号。超声波指纹传感器,其原理是直接扫描并测绘指纹纹理,甚至连毛孔都能测绘出来。因此超声波获得的指纹是3D立体的,而电容指纹是2D平面的。超声波不仅识别速度更快、而且不受汗水油污的干扰、指纹细节更丰富难以破解。

这样一来,屏下指纹识别就只能通过穿透力更强的光学和超声波两种方案来实现。

手机屏下指纹识别专利技术与工作原理解析


目前已知的屏下指纹识别方案主要为两个方向:一是利用OLED实现,另一个则是利用超声波实现。光学指纹识别需要光的发射和感应装置由于LCD和OLED均可以当做光源,那是否意味着在屏幕下面垫一个CMOS传感器就行了呢?


利用OLED屏技术实现屏下指纹识别

屏下指纹识别没有采用TFT-LCD做,其原因在于LCD是被动发光,通过底部的LED背光源透过TFT发光。这层TFT本身并不是那么透光,如果不做改动,直接把手指放上去,屏幕底下的传感器很难识别到指纹。因此如果用TFT-LCD做屏下光学指纹识别,必须给TFT层做技术改进,如加一些缝隙或是打开一个区域,让LED背光照上来。但即使这样,LED背光光源也会很大的干扰指纹反射的光线。所以TFT-LCD屏下光学指纹识别很难实现。

光学指纹识别的工作原理图

而由于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。汇顶科技就展示过利用AMOLED屏幕实现屏下指纹识别的案例,演示机型为三星Galaxy S7 Edge和vivo Xplay6。而汇顶科技就是在屏幕下方布置了一个CMOS传感器,根据汇顶科技在美帝注册的专利: 玄机就在这三张图里了。

FIG.21A、FIG.21B
FIG.21A和FIG.21B从俯视和侧视两个角度说明了指纹识别传感器放置的地方。
FIG.24
FIG.24从微观角度则说明了光线是如何穿透OLED屏幕的,最上面的就是手指;偏上这层灰色区域就是手机的屏幕部分。透过屏幕的小孔,汇顶称之为“准直孔(Collimator Hole)”,手指反射回的光线光学传感器搜集、处理。
FIG.26~27
FIG.10C

怎么保证光线搜集到的就是来自指纹的反光呢?这就需要对光线准直处理。如图FIG.27,汇顶定制了专门的微透镜阵列(MicroLens Array)、光学空间滤光器阵列(Spatial Filter Array),微透镜阵列需要经过MEMS(微机电系统)技术处理或化学处理。这两个阵列能够保证进入传感器的光线基本都是来自指纹的反光,而非屏幕或是阳光。

而根据苹果2015年的专利,苹果的实现方式是通过在OLED屏幕下方布置红外发射器(IR Emitter)实现。但苹果已发布的专利较少。

LCD屏下指纹识别即将到来

据悉,vivo新品所采用的屏下指纹识别模块由芯片厂商Synaptics新思国际提供技术支持,传感器型号为Natural ID FS9100,是首款面向手机和平板电脑的光学指纹传感器。它可透过0.68mm厚的盖板玻璃扫描,配置于正面边框底部的盖板玻璃内层(包括2.5D玻璃),来实现光学反射指纹识别。

近日,JDI也在拿自己的LCD面板做文章。他们以高透明度的玻璃为基质,通过提升已有的Pixel Eyes技术,检测出手指接触屏幕后由于指纹纹理引起的电容变化,从而实现指纹识别。由于没有使用到硅基传感器,屏幕背光可以透过整个指纹识别组件。

目前他们已经试制了一块8×8毫米0.45英寸的指纹传感器,拥有160×160的分辨率和508的dpi。JDI表示,传感器的尺寸未来可以根据实际需求来特别订制,同时也可以做的更薄甚至是可弯曲的。这样,指纹传感器就能应用于手机、电脑、汽车以及未来物联网的方方面面。不过这项技术刚刚研发成功,JDI计划在明年3月前将其商业化。

利用超声波技术实现屏下指纹识别

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。


2017年6 月,vivo 曾展示过基于高通超声波方案的屏下指纹识别原型机。同样在2018 CES峰会中,该机就获得了众多媒体和消费者关注。

vivo 屏下指纹原型机的结构示意

不过,据媒体现场的体验后表示,稍微改变手指的按压角度,这台 Xplay 6 就会显示解锁不成功。vivo 并没有提供这台原型机具体的识别准确率数据。

按照高通的说法,这种超声波屏下指纹识别技术可以穿透 1200 微米厚的 OLED 屏幕、800 微米的玻璃和 650 微米的铝合金。  

足够强的穿透性能,就意味着更高的功耗和更大的模组体积。据了解,为高通提供超声波指纹识别模组封装的欧菲光等公司,目前还无法将体积缩到足够小,识别准确率和速度也需要大幅提升。
 

原理参照声呐:

指纹传感器发出超声波,接收被手指反射回来的信号,就能绘制出指纹的“高低起伏”了。

具体一点讲,其原理是利用超声波具有穿透材料的能力,且随材料的不同产生大小不同的回波(超声波到达不同材质表面时,被吸收、穿透与反射的程度不同)。因此,利用皮肤与空气对于声波阻抗的差异,就可以区分指纹嵴与峪所在的位置。超声波技术所使用的超声波频率为1×104Hz-1×109Hz,能量被控制在对人体无损的程度(与医学诊断的强度相同)。


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发布的方案更丧心病狂,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。

最后:

根据根据其他屏下指纹识别厂商反馈,目前屏下指纹识别良产率依然是行业共性问题,同时三星的屏幕将会成为众多想要搭载这一功能的手机厂商的桎梏。(屏下指纹识别所引发的交互上的变革和UI的调整是行业性的)而JDI新LCD技术将会让屏下指纹识别走向主流。

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