屏下光学指纹识别方案介绍和展望
刘延 于 2018.11.05 22:03:43 | 源自:www.soomal.com | 版权:原创 | 平均/总评分:09.78/313
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    • 目前量产机型中,不管是率先采用屏下指纹的vivo,还是兄弟企业OPPO,或是自称黑科技的小米,还有魅族、华为等仅仅试水屏下指纹的厂商们,其方案均为光学屏下指纹。尽管市场有传闻称三星将在下一代S系列高端机型中采用高通第三代超声波屏下指纹方案,然而三星最早采用的,依然是来自于国内指纹巨头——汇顶科技的光学屏下指纹方案。

      在《谈谈手机产业链和手机厂商的相互影响 》[作者:刘延 ] 中,我提及了以下一段:

      • 全球第一款量产的屏下指纹手机为X20 UD,其屏下指纹芯片由新思提供。今年的第一款是vivo的X21,屏下指纹由汇顶和新思供应,此时屏下指纹模组成本在15美金左右;第二款则是vivo NEX旗舰版,由汇顶科技独家供应屏下指纹;第三款则是魅族16,屏下指纹芯片由新思独供,指纹模组成本价格在17美金左右;第四款则是此次OPPO发布的R 17系列,思立微独供屏下指纹芯片,模组一供为信利二供为欧菲科技,此时的模组出厂成本,已经被压缩到8-9美金左右。第五款则是vivo将在9月初发布的X23,屏下指纹芯片将由汇顶科技独供,模组成本同样已经下降到8-9美金左右。

      为什么屏下指纹模组会呈现两档差异较大的价格[几美元对于手机生产成本来说已经有很大的差别]?这就是我们今天要介绍的内容。

      光学屏下指纹识别的方法,都是利用屏幕照亮手指,随后手指的成像透过OLED屏幕的小孔,被屏幕下方的光学传感器所感知,进而比对识别。而光线在透过屏幕的过程中,阻挡、折射、反射光线的有玻璃盖板、AMOLED 显示层、滤光片等,因此光线不容易在屏幕下方的光学传感器上清晰成像。因此,如何收集并进一步识别透过屏幕的光线,便成为各家厂商关注的焦点。

      在汇顶的口径下,目前汇顶一共有两代光学屏下指纹方案。在更早《全面屏手机的屏下指纹识别专利技术与工作原理解析 》[作者:刘延 ] 的文章中,我们曾提到过汇顶科技在美国申请的专利,这个方案便是第一代屏下指纹方案;而第二代采用的是摄像模组的方案。第一代手机光线的方法包括准直层方案和小孔成像方案。

      准直层方案

      简单点说,这种类型的方案是将光线传感器直接放在OLED屏幕之下,通过微透镜收集从OLED屏幕小孔透下来的光线成像,并判别指纹是否正确。这种方案的提供商主要有汇顶和新思。采用这种方案的手机型号不少,包括vivo X20Plus指纹版、vivo X21、华为Mate RS屏下指纹版、小米8探索版、魅族16th等等。

      还是从vivo的专利开始说起。第一代屏下指纹方案中,vivo采用了准直层结构。如上图所示,vivo在感光元件和AMOLED屏幕之间加入了一层准直层。那,什么又是准直层?

      简单点说,准直层就是一层板,在这层板上有若干个光通道,除了通道是透光的,其他区域都采用了遮光材料。这种结构下,来自指纹的光线通过盖板玻璃、OLED层以后,进入准直层,进而过滤掉折射和散射光线,到达感光元件的光线便是准直光,得到相对清晰的指纹图像,最终识别指纹。

      小孔成像方案

      尽管准直层方案解决了一部分成像问题,但由于手机结构中存在盖板玻璃和OLED显示屏,屏下指纹模块到屏幕表面的距离大约有0.5毫米,得到的图像依然相对较为模糊。因此,小孔成像方案应运而生。小孔成像方案是准直层方案基础上的改进,相对于准直层方案,小孔成像方案清晰度更高,且模组厚度更薄。区别在哪?答案还得从vivo的专利说明书里头找。

      上图中,左侧是原来的准直层方案,右侧则是新的小孔成像方案。小孔成像方案中,准直器不再是原来的厚板,而是由两层带有小孔的薄板(红圈和蓝圈内的薄板),以及夹在中间的透光材料组成。这种方案可以有效降低结构厚度,同时也能降低折返光线的损耗,增加透光量,使得到达光线传感器的图像更为清晰。当然,这种结构还能进一步降低生产成本。

      当然,上面这种方案也有问题,最大的问题就是——贵。有多贵呢?多大指纹识别区域,就需要多大的指纹识别传感器。面积通常在4x4mm或5x5mm,也就是16平方毫米或者25平方毫米,折算下来面积大约和1/3英寸,或1/2.3英寸的图像传感器面积差不多大,因此成本也就上去了。在降低成本的需求下,新的方案应运而生。

      摄像模组方案

      最新的摄像模组方案的实质,是屏下摄像头。上图同样来自于vivo的专利报告书,这个屏下指纹模组中,12为光线传感器,15为镜头组件。光线通过光圈均匀照射到手指后,然后聚焦到图像传感器上,进而进行比对,实现指纹识别。

      相较于一代准直方案,屏下摄像头方案的模组成像更为简单,也相对更为清晰。主要优点在于:
      1、屏幕贴合更简单。一代准直方案中,模组必须和OLED屏幕紧密贴合,在贴合过程中有一定概率损坏屏幕,而贴合良率也存在一定问题;摄像模组方案中,模组无需贴合屏幕,仅需固定在中框上,贴合难度大大降低,成本也随之降低。

      2、模组更简单,芯片尺寸更小。屏下指纹摄像模组类似传统摄像头模组,各类模组厂商均有能力生产,生产过程相对简单,传感器尺寸也更小。但屏下指纹摄像模组相对厚度更厚,一般都在2mm以上,结构组装相对困难,因此需要电池设计配合绕开指纹模组。

      3、成像更清晰。一代准直方案中,准直孔需要有一定尺寸,保证光线进入,同时还要保证准直孔与像素点对应,准直孔过大还会导致像素点过大,影响成像质量。摄像模组方案中,无需考虑准直孔的问题,提高像素即可解决。

      当然,价格也更便宜了。我们前面提到,初代屏下指纹价格大约为15-17美元,其中芯片大约为8-9美元,模组大约为7-9美元;而二代屏下摄像模组方案,芯片目前大约为6美元,模组仅为约2美元。因此我们看到,在vivo X23上,屏下指纹的图像密度提升至750PPI,这就是用提高感光器像素的方式解决问题。

      这还没完。既然是摄像头,那么相机的技术,就都能用上了。在NEX的屏幕指纹识别上,vivo用上了多帧合成、畸变校正、划痕检测等相机方面技术,并加入了多种指纹图像算法;而在X23上,vivo和高通合作,在高通骁龙670的DSP的处理能力下,X23的解锁速度又有了进一步提升,同时也加入了多项新的指纹识别算法。Vivo宣称,这个方案已经从年初的是7-8%拒识率(FRR), 降到与传统电容指纹接近的2%。

      屏下指纹识别技术方向展望

      上一期,我们提到了来自FPC(FingerPrint Cards)的超声波屏下指纹。这次我们再来聊聊基于TFT技术的屏下指纹识别:

      Vivo APEX那个半屏屏下指纹识别,下面就是那么大的光线传感器,有多大呢?从各路视频上猜测,大约为50mm x 35mm,面积大约是两个全画幅(36mm x 24mm),或者,拿贵(通货)的来说,2.3个英伟达GTX2080TI。根据佳能展示,12寸晶圆大约能切36片全画幅传感器,也就是说,如果用硅片来做,大约只能切15片左右APEX的屏下指纹识别传感器,扣除良率影响,大约只能切10-12片。仅看晶圆成本,APEX的屏下指纹传感器就在100-200美元,如果算上全过程,包含设计到最终制造,保守估计,成本可能超过500美元。

      但是,如果采用TFT方案就不一样了。根据某些不那么可信渠道的报道,APEX上那个半屏屏下指纹识别技术来自上海箩箕。目前采用TFT方案的,主要为日本的JDI和中国的上海箩箕。根据上海箩箕的说明,TFT方案(薄膜光学指纹传感器技术)技术原理为:

      • 指纹信息经由盖板玻璃反射后被像素的光敏器件获取,光子转换为电信号后通过特殊设计的16位模拟/数字电路进行数据分析,再由图像处理技术处理后输出清晰完整的指纹图像。

      这种技术成本更低,理论上说,只需要液晶面板生产线就能生产,无需硅晶圆。不仅能解决产能问题,还能解决成本问题。

      总结

      目前,光学屏下指纹已经走过了准直光方案,主流产品来到了屏下摄像模组方案。在屏下摄像模组方案的高毛利的驱使下,不断有光学传感器厂商杀入这个领域,近期传闻国内摄像芯片传感器龙头格科微已经加入战场,价格战即将展开。

      在硬件的逐渐成熟下,能否通过软件算法提升识别速度与识别率,将成为屏下摄像模组方案中,区分各厂商未来屏下光学指纹识别产品体验的关键点。未来,超声波方案和TFT方案还在枕戈待旦,这两种方案能实现更大面积的识别区域,当然,价格、功耗、成熟度都是制约这些方案的重要因素。根据IDC数据,2018年第三季度,全球手机销量进一步下滑。手机行业已经成为残酷的修罗场,让我们期待这些屏下指纹的大招吧。

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苹果在这方面刘海屏走到黑肯定迟早要被淘汰啊,国产企业一定的技术创新还是值得肯定的。
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发表于2018.11.15 13:11:48
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苹果在这方面刘海屏走到黑肯定迟早要被淘汰啊,国产企业一定的技术创新还是值得肯定的。
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发表于2018.11.15 13:11:46
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超声波屏下指纹原理是怎么样的?优势何在?
发表于2018.11.15 09:22:29
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发表于2018.11.14 17:15:26
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学习了
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