全面屏手机的屏下指纹识别专利技术与工作原理解析
刘延 于 2017.11.20 21:25:54 | 源自:www.soomal.com | 版权:投稿
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    • 在最新的iPhone X上,苹果采用了Face ID代替原来的Touch ID作为身份验证。Face ID如何,我们在后面的文章中会细说,但坊间传闻苹果想要屏下指纹从未停止过。事实上,根据产业链消息,苹果的屏下指纹识别并没有停止研发,只是时间周期不太够。

      另一方面,全面屏设计已经成为手机行业趋势。但不管是指纹放在背面还是人脸解锁,用起来终究还是有点麻烦。为了更方便快捷的使用体验,正面指纹识别还得加回去。今天我们就来谈谈关于屏下指纹识别技术的话题。

      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。但为何OLED能实现屏下指纹,而TFT-LCD不行?

      我们先回顾《手机生物识别安全认证系统简介[一] 指纹识别》[作者:农步祥 ] 这篇内容,屏下指纹识别正是利用了光学原理。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,那是不是在屏幕下面垫一个CMOS传感器就行了呢?

      然而没那么简单,TFT-LCD做屏下指纹识别很难。这是由于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。

      而OLED则是主动发光,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(查看地址: http://www.freepatentsonline.com/y2017/0270342.html): 玄机就在这三张图里了。

      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。

      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。

      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。

      简单总结

      随着未来“全面屏”的潮流,屏下指纹识别将成为趋势。屏下指纹识别主要包括两种方案,利用OLED实现光学指纹识别、利用超声波。苹果更希望通过OLED实现屏下指纹识别,iPhone X开始采用OLED屏幕便是第一步;而超声波方案理论上可以应用于任何屏幕,技术成熟后,在FPC与高通的推广下,未来安卓阵营手机厂商有可能会大规模采用屏下指纹识别。

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发表于2017.11.21 18:29:28
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去年双11买的,今年mix2发布的时候在小米官网无意间看到5S回收价格还在一千以上,果断出手,没一点犹豫。
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发表于2017.11.21 17:28:02
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发表于2017.11.21 16:18:21
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现在这东西够复杂的,成本也不会低,等着技术成熟了再说
发表于2017.11.21 13:24:36
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发表于2017.11.21 12:39:23
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不过对于我自己来说指纹识别用不上,甚至滑动解锁都是关了的,解锁过程虽然不超过0.5秒但是依然不想多这个步骤,支付还是用6位密码。
此帖使用Win10提交
发表于2017.11.21 12:39:12
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