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屏内指纹识别大比拼!光学or超声波,谁能搭上全面屏的东风?

自去年小米MIX发布之后,全面屏可谓是备受关注,今年以来全面屏更是备受业内追捧,不少业内人士纷纷将今年称之为“全面屏元年”。3月底,三星的新旗舰手机Galaxy S8正式发布,这款产品不仅采用了全面屏,而且还取消了正面的HOME键,使得全面屏的效果得到了更好的发挥,唯一备受吐槽的就是其指纹识别被放到了背面。即将在今年秋季发布的新一代iPhone(以下简称“iPhone 8”),不仅将会采用全面屏设计,而且据说还会首次采用新的屏幕内指纹识别技术。这也极大的牵动着整个指纹识别行业的神经。

其实早在今年的巴塞罗那MWC2017展会上,国内的汇顶科技首次展示了其研发的屏幕内指纹识别技术。不过到目前为止,汇顶科技的这项技术似乎都还没有量产,也没有厂商宣布采用。而在昨天MWC2017上海展上,国产手机品牌厂商vivo示了展示了一款采用屏幕内指纹识别技术的样机,而其所采用的屏幕内指纹识别技术则来自于高通,采用的是高通新一代的超声波指纹识别技术。而一旦屏幕内指纹识别技术成功被应用在智能手机上,可以预见,这将进一步推动全面屏手机的发展。

那么今天芯智讯就来为大家来介绍下目前可以实现屏幕内指纹识别的一些技术和厂商:

一、光学指纹识别

其实光学识别是应用比较早的一种指纹识别技术,比如之前很多的考勤机、门禁都采用的就是光学指纹识别技术。不过,传统的光学指纹识别技术有很多的缺点,比如受手指表面是否干净影响较大,而且对于干手指识别率低,当然更为关键的是该类型指纹模块较大(因为需要有独立的光学系统),所以之前一直没有被用在移动设备上。

而现在新的光学指纹识别技术都主要是针对智能手机来做的,其抛弃了传统的光学指纹的光学系统,转而借用手机屏幕的光线来作为光源。这其中就分为了两种类型,一种是基于OLED屏设计的,另外一种则是基于LCD屏来设计的。目前主流的解决方案就是通过可以自发光的OLED屏来做光学指纹,而LCD无法自法光,需要用到背光,而且整个模组很厚,这也使得想实现LCD屏下指纹识别就变得非常困难(OLED可以做的很薄),不过这种方案依然有厂商在做,因为其面对的市场更为广阔。

1、基于OLED屏的光学指纹

目前有多家厂商在做基于OLED屏的光学指纹,其中就包括汇顶、传闻中的苹果、新思,除了这些大厂之外,据芯智讯了解国内的费恩格尔、迈瑞微也有在做。

A、汇顶

早在今年2月的巴塞罗那MWC展会上,国内的指纹识别厂商汇顶科技就展示了一项全新的“屏幕内指纹识别”技术(屏幕内特定区域,非全屏指纹),汇顶称,“显示屏内指纹识别技术是将指纹识别功能完整的集成到了AMOLED显示屏中”,而且不会影响屏幕的显示。这一技术引起了业内的广泛关注。那么汇顶的屏幕内指纹识别技术是如何来实现的呢?

△汇顶科技在MWC2017现场展示的样机

根据汇顶CEO张帆接受采访时称,汇顶的屏幕内指纹识别是通过光学的方式来实现的,光路是借用了AMOLED屏的光路,所以并不需要找屏厂特别去定制,只是通过在标准的AMOLED屏(LCD屏不行)下方加入汇顶的指纹传感器即可实现。并且在息屏状态下,屏幕内的指纹区域也是会有熄屏显示的,让用户知道哪里是指纹区域。

通过张帆的介绍,我们大致可以判断出,汇顶的指纹识别传感器是通过AMOLED屏的光线来照射指纹,然后通过返回的光线穿透OLED屏的缝隙打到屏下的CIS上,然后再对返回光线进行分析,结合软件算法,实现指纹识别。

但是这种方式会面临一个问题,那就是当屏幕亮度不足、或者指纹区域有其他显示图像干扰时,指纹识别可能就会出现比较大的偏差。所以通过识别区域“息屏显示”的方式来实现屏幕解锁是可以的,但是如果要在屏幕显示各种图像的基础上来实现指纹应用就有些困难(比如指纹识别区域正显示支付宝支付界面,这时需要进行指纹支付),当然这也可以通过软件来解决,比如要做指纹应用时,将指纹识别区空一个干净的区域来(没有花花绿绿的图像)。

另外,还有一个问题是,在完全黑屏的状态下,要想实现指纹解锁,那么就需要先唤醒屏幕,再进行解锁。或者指纹识别区域时刻保持“息屏显示”。显然后一种方案是比较可行的,但是现在手机用户的手机基本都是不会关机,那么指纹识别区域长期的“息屏显示”将会使得那部分的OLED寿命迅速下降。

所以,个人认为汇顶的这种指纹识别技术还有待进一步优化和完善。另外据芯智讯的了解,汇顶目前正在进行其第二代光学指纹技术的研发,据说新的技术还加入了红外技术。

B、苹果

今年初,美国专利和商标局(USPTO)通过了一项苹果申请的专利,这份专利名称为“带有红外发光二极管的交互式显示面板”专利,综合利用嵌入在显示屏中的红外光线发射器和传感器探测手指位置、扫描用户指纹,可以实现屏幕内指纹识别。这项专利最初来自于由苹果2014年收购的LuxVue。LuxVue 主要开发低功耗 microLED 显示屏。

这份专利中介绍了通过使用特殊 microLED 感知技术的屏幕实现指纹识别的方式,这种屏幕技术与目前大多数智能手机和平板电脑上使用的屏幕不同。

该技术用较小的红外光发射器和传感器代替较大的电容传感器,发射器和传感器位于 RGB LED 显示基板旁边或安装在基板上的微芯片上。这些“交互式像素”结构可以进行校准,并执行特定功能,包括环境光感测,距离检测,以及特别复杂的触摸检测。工作原理是通过从用户的手指反射回红外光并回到感测二极管。通过对反射光进行分析,使得能够对物体及其表面曲率进行更深入的分析,例如对应于指纹的脊和谷的暗点和亮点。

这项技术的优势在于,其可以在不需要亮屏的情况下,完成指纹识别。对于如何提示用户“指纹识别区域”的问题,其实使用习惯了,用户根本不需要提示指纹识别区域。对于需要提示的人来说,其完全也可以通过红外光发射器在侦测手指在特定区域的动作,侦测到有指纹识别动作而又无法识别的时候,自动亮屏提示指纹识别区域。另外,这项技术既可以应用在屏幕的特定区域,或者也可以应用到整个显示屏,这需要将整个屏幕都要有高密度的交互式像素的微型红外光发射器,当然这样做成本会很高。

当然这项技术也有它的劣势,那就是其需要屏厂来配合,需要将红外LED集成到OLED屏上,这个需要屏厂来支持,当然三星应该能够帮助苹果实现。不过这必然会导致整个屏幕生产周期的拉长以及良率的降低,一旦出现问题,整个屏幕可能都要报废,成本也是会大幅增加。当然,对于苹果来说,这可能也不是难题。但是对于其他的厂商来说,应该还是会和汇顶一样,尽量做通用类的光学指纹,可以支持任何一家的普通OLED屏。

C、Synaptics(新思)

目前并没有太多关于新思的光学指纹识别的信息,不过在日前的媒体沟通会上,新思确认其采用的是基于OLED屏的光学指纹识别技术。另外,据新思中国区总经理卢兵向芯智讯透露,新思的OLED屏下光学指纹,预计将在明年3月就会有相应的终端面世。

D、费恩格尔

虽然此前费恩格尔一直是主攻中低端智能手机的指纹识别市场,而且价格策略也一直很犀利。不过其也看到了全面屏的趋势,很早也开始投入了屏幕内指纹识别的研发。这一次,费恩格尔选择的也是基于OLED的光学指纹识别技术。

据芯智讯了解,费恩格尔采用的是与汇顶类似的技术,也是通过OLED屏光源对于指纹的照射,然后通过屏下的CIS对于反射光的侦测来做指纹识别。不过,费恩格尔还加入了近红外光感技术,采用的是定制的近红外CIS pixel工艺,进一步增强了对于环境的适应性。据了解,目前费恩格尔正在与一家OLED屏厂商在进行合作。

E、迈瑞微

不久前,迈瑞微在深圳的一场全面屏会议上展示了其最新的in-glass指纹识别技术。迈瑞微研发的in-glass指纹识别方案已经量产,此方案通过TSV封装技术可以做的非常薄,薄到可以嵌入到了玻璃当中。

而在屏幕内指纹识别方面,迈瑞微也已经有了布局。据迈瑞微研发总监李扬渊透露,目前迈瑞微正在研发新的光学指纹。 “我们将研发新材料、新工艺来呈现技术巅峰水准的光学指纹传感器,完全超越现行工业水准。和某些厂商只能在夜晚和室内进行展示的样品相比,将是巨大的突破。” 但是具体的细节并未透露。

2、基于LCD屏的光学指纹

就现在已有的信息来看,目前只有上海萝箕技术有限公司在做基于LCD屏的光学指纹。虽然,相对于OLED来说,做LCD屏的光学指纹识别会比较困难,但是目前市场上大多数的智能手机都还是LCD屏,所以不言而喻的是,虽然基于LCD屏的光学指纹难度大,但是市场空间也更大,更易普及。

另外一个特别值得注意的是,萝箕的创始人顾铁正是深圳天马的前总经理。而萝箕之前的光学指纹正是利用了现在天马最便宜的4.5代线进行生产配套,据了解,一张TFT基板就可以做5000片光学指纹传感器。

根据此前业内人士孙昌旭对于萝箕的采访资料来看,“萝箕的超薄光学按压式指纹传感器的叠层结构,共分为四层:上面是盖板,第二层是传感器,第三层是光路、第四层是PCBA或者软板。光转换成电,由读出芯片输出”。传感器厚度小于1mm,可以做到全隐藏式设计,支持冷屏唤醒。

不过从资料来看,这一款光学指纹方案还不是针对屏幕内指纹识别的,不过可以做到正面的隐藏式指纹识别,如下图:

去年12月14日,Synaptics就宣布与上海萝箕达成独家合作关系,并且还投资了萝箕。显然,Synaptics也非常看好萝箕光学指纹识别技术。

不过要想利用LCD屏来做到屏幕内的光学指纹识别并不容易,因为LCD屏是需要背光的,所以传感器只能放在背光层的上方,但是又要尽量做到不影响屏幕的显示,那么传感器就需要尽量做成透明的,这样就不会遮挡背光,进而影响显示效果。

由于萝箕一直比较低调,所以目前并不清楚萝箕的屏幕内的光学指纹进展如何。

二、超声波指纹识别

相对于光学指纹和电容式指纹识别来说,超声波信号具有较好的穿透性,可在实现对于指纹识别的同时,能降低手指污垢、油脂以及汗水的干扰,在水下也不会对解锁产生影响。目前主要是高通在做。

早在2015年的时候,高通就推出了自己的超声波指纹识别技术。2016年9推出的小米5s就是首款采用此方案的智能手机产品,这也是超声波指纹识别技术首次被成功运用于智能手机上。但是从用户的反馈来看,其识别率还是存在一些问题,特别是对于干手指。而且超声波指纹识别模组的成本也比较高。随后的小米旗舰机也没有继续采用高通的超声波指纹识别技术。

6月28日,MWC2017上海展第一天,vivo在展会期间举行了一场发布会,展示了全新的屏幕内指纹识别技术。该屏幕内指纹识别是利用了高通的新一代超声波指纹识别技术,相对于高通之前的隐藏式超声波指纹识别技术,新一代的超声波指纹识别技术已经可以放到屏幕下方,而这也意味着信号的穿透性变得更强了。不过需要指出的是,目前这项技术只能用在OLED屏上。因为相比OLED屏,传统的需要带背光的LCD屏模组厚度更厚,超声波信号的穿透力有限。

vivo指纹识别新技术

根据之前的信息显示,高通上一代的超声波指纹识别技术其信号只能穿透400微米(0.4mm)的厚度(可能更高,但是要保证能够准确获取清晰指纹信号可能比较难,所以此前的小米5s的指纹识别上方的玻璃盖板也进行了减薄处理)。如果将超声波指纹识别传感器放在显示屏下方,就需要穿透显示屏、触摸屏(也可以直接在盖板玻璃上进行镀膜和光刻实现)以及盖板玻璃的厚度。

而柔性AMOLED屏的厚度则可以控制到0.2mm左右(据说最薄可以缩减到0.1mm),但是玻璃盖板的厚度大都在0.5mm以上,苹果iPhone通常所采用的大猩猩玻璃第四代是0.4mm(第五代是0.6mm)。这也意味超声波指纹识别技术实现屏幕内指纹识别,其信号强度至少需要穿透0.6mm的厚度,才能保证能够在一定的准确度上获取指纹信息。

屏内指纹大比拼!光学or超声波,谁能搭上全面屏的东风?

据高通介绍,其新一代指纹识别技术“Qualcomm Fingerprint Sensors for Display是首款商业化以超音波技术为基础的整合式移动解决方案,能侦测心跳与血流,进而改善行动类身份认证的体验”。新的超声波指纹识别技术已经可以穿透1.2mm的OLED屏,或者0.8mm的玻璃,显然穿透0.2mm的OLED屏 0.5mm的玻璃盖板应该是没有问题的(现场展示的样机就是基于柔性OLED屏的vivo Xplay6的样机)。另外,其信号也可以穿透0.65mm的金属后盖,这也意味着高通的第二代超声波指纹识别可以放到金属后盖的里面,而后盖不需要开孔(可能需要减薄),就可以实现指纹识别。

高通在其展台上也演示了这项技术,从指纹的录入和解锁方面来看,该技术完成度已经非常高。据高通介绍,这项新的屏幕内指纹识别技术目前已经可以商用,将支持骁龙800系列以及骁龙600系列处理器的手机。此外,未来也可能会开放高通以外的平台。不过,高通的屏幕内指纹识别方案要想实现量产还有一段距离。可能最快也要等到明年了。据说高通的新一代超声波指纹芯片,给了vivo首发保护期。

除了高通之外,苹果似乎也在研究利用超声波指纹识别技术实现屏幕内指纹识别。

根据美国专利商标局最新公布资料显示,苹果近期也获得了一项全新的超声波生物识别技术专利。根据专利显示,苹果是将超声波生物识别感测装置在手机屏幕下方,屏幕上的覆盖玻璃的#110号区域可以当做超声波生物识别感测设备的一种输入界面。也就是说可以实现屏幕内指纹识别。

三、电容式指纹识别

虽然电容式指纹识别是目前最为常见的指纹识别技术。但是要想通过电容传感器来实现屏幕内指纹识别却有着非常高的难度。

目前比较可行的一个方案是将指纹识别感应层做在显示屏上方,指纹识别通过采用与触摸屏(可以直接在盖板玻璃上进行镀膜和光刻实现触摸屏的功能)类似的ITO导电玻璃来实现,不过需要解决指纹感应层与触控感应层信号相互干扰的问题,另外还要将指纹感应层做到完全透明,这样才不会影响显示效果。这其中还要很多的难题。苹果很早也在研究这方面的技术。

2015年2月,美国专利商标局公布的一份新专利申请显示,苹果拟将Touch ID指纹验证技术集成到触控显示屏本身,以实现更加自然和无缝的验证体验。该项专利申请被称为“电子设备中的指纹传感器”。从其描绘草图看,苹果希望将指纹验证操作直接通过触控显示屏完成。

苹果可以预先在屏幕中指定一个固定位置,以方便第三方应用进行指纹验证。或者苹果可以进一步将Touch ID拓展至整个屏幕、任意位置,以至于做到让多个指纹同时进行验证。

苹果新专利申请:指纹验证直接镶嵌到屏幕上

苹果新专利申请:指纹验证直接镶嵌到屏幕上

此外,在2015年6月,苹果旗下的AuthenTec的联合创始人戴尔·塞特拉克(Dale R. Setlak)也申请了一项关于电容式屏幕内指纹识别的专利。该专利名为“在触摸屏中包含手指生物信息传感器的电子设备以及相关方法”。

苹果新专利:整个屏都能识别指纹 放哪儿都解锁

根据专利显示,这是通过屏幕中的多层结构进行指纹的读取,其中包括显示层(最底部)、透明导电层(ITO)、粘合层、低透明介质层、指纹感应层指纹读取层。生物识别传感器包括一个互连层以及介于感知和互连层之间的“透明电介质层”。所有这些层都被夹在最底层的显示层和最上层的“透明绝缘层”之间(盖板玻璃)。虽然指纹认证功能可能局限于显示屏上的特定区域,但也可能覆盖整个可视区域,使整块显示屏成为一个指纹传感器。

通过上面的介绍,我们可以看到,苹果的这项电容式全屏指纹识别模组会被镶嵌在手机盖板玻璃和触控显示模组之间,使得整个手机面板的结构自上而下依次为:盖板玻璃、指纹层、触控层、显示层。其中,指纹层中主要结构采用与触摸屏类似的ITO 感应层,另外指纹层与触控层之间,会有一个通常是玻璃的绝缘层,其作用是将指纹层与触控层贴合在一起。

随后苹果的另外一项名为“包含有静电透镜的电容式指纹传感器”的专利,静电透镜消除了由电场造成的模糊效应,解决了电容式指纹识别的精度问题。

如果真的能够实现,就相当于是将现在的触摸屏和指纹识别合二为一了,用户通过直接触摸屏幕上的任何一个地方都能够实现指纹识别。这也意味着,用在需要指纹验证时,无须完成“单独的认证过程”,一切将会变得非常的自然。

不过,虽然苹果已有专利,但是从技术到商用并不是那么简单。至少到目前为止,还没有看到有厂商已作出原型产品。

光学or超声波,谁能搭上全面屏的东风?

从目前的情况来看,对于屏幕内指纹识别方案,形成了光学和超声波两大派,那么究竟谁能够搭上全面屏手机爆发的东风呢?

“屏下指纹现在量产可能性最大的还是光学指纹方案。”费恩格尔CEO黄昊告诉芯智讯:“超声波指纹识别应用到屏下,需要穿透更高的厚度,其将面临功耗和信号一致性方面的问题,并且量产难度也很大。”

迈瑞微研发总监李扬渊也表示:“超声波要实现屏下指纹识别,就必须贴到OLED屏下,一个不良,就等于是废了一个OLED屏。虽然光学的传感器也需要贴到OLED屏下,但是光学胶更容易贴,因为胶密度有差别不会导致光学效应变化,但是对于声学效应影响就很大。一个没贴好,就需要拆下来重新贴,而这就会很容易损坏OLED。”

显然,相对于屏下光学指纹识别来说,屏下的超声波指纹识别的量产难度更大,不良率也会更高一些。而且,相对于利用屏幕自身光源的屏下光学指纹识别,屏下超声波指纹识别则是主动式感应,其本身的功耗就比较高,如果要保持持续的工作状态,那么功耗将会更高。

另外,我们可以看到,包括苹果在内的众多指纹识别厂商更多的都是将目光投向了通过光学指纹的方式来实现屏幕内指纹识别。而苹果一向是行业的标杆,一旦苹果选择在iPhone 8上采用光学指纹识别,那么必将带动整个光学指纹产业链的快速成熟,同时也有助于整体的成本的快速降低。当然,这并不是说超声波就没有机会,毕竟差异化本身就是一种价值的体系。更何况高通也是业内极具影响力的厂商。如果其能够解决量产、功耗以及成本方面的问题,那么其可能也将会被广泛应用。毕竟相对于光学指纹来说,超声波的环境适应性更强。

作者:芯智讯-浪客剑

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