屏下光學指紋識別方案介紹和展望
劉延 于 2018.11.05 22:03:43 | 源自:www.soomal.com | 版權:原創 | 平均/總評分:10.00/210
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    • 目前量產機型中,不管是率先采用屏下指紋的vivo,還是兄弟企業OPPO,或是自稱黑科技的小米,還有魅族、華為等僅僅試水屏下指紋的廠商們,其方案均為光學屏下指紋。盡管市場有傳聞稱三星將在下一代S系列高階機型中采用高通第三代超聲波屏下指紋方案,然而三星最早采用的,依然是來自于國內指紋巨頭——匯頂科技的光學屏下指紋方案。

      在《談談手機產業鏈和手機廠商的相互影響 》[作者:劉延 ] 中,我提及了以下一段:

      • 全球第一款量產的屏下指紋手機為X20 UD,其屏下指紋晶片由新思提供。今年的第一款是vivo的X21,屏下指紋由匯頂和新思供應,此時屏下指紋模組成本在15美金左右;第二款則是vivo NEX旗艦版,由匯頂科技獨家供應屏下指紋;第三款則是魅族16,屏下指紋晶片由新思獨供,指紋模組成本價格在17美金左右;第四款則是此次OPPO發布的R 17系列,思立微獨供屏下指紋晶片,模組一供為信利二供為歐菲科技,此時的模組出廠成本,已經被壓縮到8-9美金左右。第五款則是vivo將在9月初發布的X23,屏下指紋晶片將由匯頂科技獨供,模組成本同樣已經下降到8-9美金左右。

      為什么屏下指紋模組會呈現兩檔差異較大的價格[幾美元對于手機生產成本來說已經有很大的差別]?這就是我們今天要介紹的內容。

      光學屏下指紋識別的方法,都是利用熒幕照亮手指,隨后手指的成像透過OLED熒幕的小孔,被熒幕下方的光學傳感器所感知,進而比對識別。而光線在透過熒幕的過程中,阻擋、折射、反射光線的有玻璃蓋板、AMOLED 顯示層、濾光片等,因此光線不容易在熒幕下方的光學傳感器上清晰成像。因此,如何收集并進一步識別透過熒幕的光線,便成為各家廠商關注的焦點。

      在匯頂的口徑下,目前匯頂一共有兩代光學屏下指紋方案。在更早《全面屏手機的屏下指紋識別專利技術與工作原理解析 》[作者:劉延 ] 的文章中,我們曾提到過匯頂科技在美國申請的專利,這個方案便是第一代屏下指紋方案;而第二代采用的是攝像模組的方案。第一代手機光線的方法包括準直層方案和小孔成像方案。

      準直層方案

      簡單點說,這種類型的方案是將光線傳感器直接放在OLED熒幕之下,通過微透鏡收集從OLED熒幕小孔透下來的光線成像,并判別指紋是否正確。這種方案的提供商主要有匯頂和新思。采用這種方案的手機型號不少,包括vivo X20Plus指紋版、vivo X21、華為Mate RS屏下指紋版、小米8探索版、魅族16th等等。

      還是從vivo的專利開始說起。第一代屏下指紋方案中,vivo采用了準直層結構。如上圖所示,vivo在感光元件和AMOLED熒幕之間加入了一層準直層。那,什么又是準直層?

      簡單點說,準直層就是一層板,在這層板上有若干個光通道,除了通道是透光的,其他區域都采用了遮光材料。這種結構下,來自指紋的光線通過蓋板玻璃、OLED層以后,進入準直層,進而過濾掉折射和散射光線,到達感光元件的光線便是準直光,得到相對清晰的指紋圖像,最終識別指紋。

      小孔成像方案

      盡管準直層方案解決了一部分成像問題,但由于手機結構中存在蓋板玻璃和OLED顯示屏,屏下指紋模塊到熒幕表面的距離大約有0.5毫米,得到的圖像依然相對較為模糊。因此,小孔成像方案應運而生。小孔成像方案是準直層方案基礎上的改進,相對于準直層方案,小孔成像方案清晰度更高,且模組厚度更薄。區別在哪?答案還得從vivo的專利說明書里頭找。

      上圖中,左側是原來的準直層方案,右側則是新的小孔成像方案。小孔成像方案中,準直器不再是原來的厚板,而是由兩層帶有小孔的薄板(紅圈和藍圈內的薄板),以及夾在中間的透光材料組成。這種方案可以有效降低結構厚度,同時也能降低折返光線的損耗,增加透光量,使得到達光線傳感器的圖像更為清晰。當然,這種結構還能進一步降低生產成本。

      當然,上面這種方案也有問題,最大的問題就是——貴。有多貴呢?多大指紋識別區域,就需要多大的指紋識別傳感器。面積通常在4x4mm或5x5mm,也就是16平方毫米或者25平方毫米,折算下來面積大約和1/3英寸,或1/2.3英寸的圖像傳感器面積差不多大,因此成本也就上去了。在降低成本的需求下,新的方案應運而生。

      攝像模組方案

      最新的攝像模組方案的實質,是屏下攝像頭。上圖同樣來自于vivo的專利報告書,這個屏下指紋模組中,12為光線傳感器,15為鏡頭組件。光線通過光圈均勻照射到手指后,然后聚焦到圖像傳感器上,進而進行比對,實現指紋識別。

      相較于一代準直方案,屏下攝像頭方案的模組成像更為簡單,也相對更為清晰。主要優點在于:
      1、熒幕貼合更簡單。一代準直方案中,模組必須和OLED熒幕緊密貼合,在貼合過程中有一定概率損壞熒幕,而貼合良率也存在一定問題;攝像模組方案中,模組無需貼合熒幕,僅需固定在中框上,貼合難度大大降低,成本也隨之降低。

      2、模組更簡單,晶片尺寸更小。屏下指紋攝像模組類似傳統攝像頭模組,各類模組廠商均有能力生產,生產過程相對簡單,傳感器尺寸也更小。但屏下指紋攝像模組相對厚度更厚,一般都在2mm以上,結構組裝相對困難,因此需要電池設計配合繞開指紋模組。

      3、成像更清晰。一代準直方案中,準直孔需要有一定尺寸,保證光線進入,同時還要保證準直孔與畫素點對應,準直孔過大還會導致畫素點過大,影響成像質量。攝像模組方案中,無需考慮準直孔的問題,提高畫素即可解決。

      當然,價格也更便宜了。我們前面提到,初代屏下指紋價格大約為15-17美元,其中晶片大約為8-9美元,模組大約為7-9美元;而二代屏下攝像模組方案,晶片目前大約為6美元,模組僅為約2美元。因此我們看到,在vivo X23上,屏下指紋的圖像密度提升至750PPI,這就是用提高感光器畫素的方式解決問題。

      這還沒完。既然是攝像頭,那么相機的技術,就都能用上了。在NEX的熒幕指紋識別上,vivo用上了多幀合成、畸變校正、劃痕檢測等相機方面技術,并加入了多種指紋圖像算法;而在X23上,vivo和高通合作,在高通驍龍670的DSP的處理能力下,X23的解鎖速度又有了進一步提升,同時也加入了多項新的指紋識別算法。Vivo宣稱,這個方案已經從年初的是7-8%拒識率(FRR), 降到與傳統電容指紋接近的2%。

      屏下指紋識別技術方向展望

      上一期,我們提到了來自FPC(FingerPrint Cards)的超聲波屏下指紋。這次我們再來聊聊基于TFT技術的屏下指紋識別:

      Vivo APEX那個半屏屏下指紋識別,下面就是那么大的光線傳感器,有多大呢?從各路視訊上猜測,大約為50mm x 35mm,面積大約是兩個全畫幅(36mm x 24mm),或者,拿貴(通貨)的來說,2.3個英偉達GTX2080TI。根據佳能展示,12寸晶圓大約能切36片全畫幅傳感器,也就是說,如果用硅片來做,大約只能切15片左右APEX的屏下指紋識別傳感器,扣除良率影響,大約只能切10-12片。僅看晶圓成本,APEX的屏下指紋傳感器就在100-200美元,如果算上全過程,包含設計到最終制造,保守估計,成本可能超過500美元。

      但是,如果采用TFT方案就不一樣了。根據某些不那么可信渠道的報道,APEX上那個半屏屏下指紋識別技術來自上海籮箕。目前采用TFT方案的,主要為日本的JDI和中國的上海籮箕。根據上海籮箕的說明,TFT方案(薄膜光學指紋傳感器技術)技術原理為:

      • 指紋資訊經由蓋板玻璃反射后被畫素的光敏器件獲取,光子轉換為電訊號后通過特殊設計的16位模擬/數字電路進行數據分析,再由圖像處理技術處理后輸出清晰完整的指紋圖像。

      這種技術成本更低,理論上說,只需要液晶面板生產線就能生產,無需硅晶圓。不僅能解決產能問題,還能解決成本問題。

      總結

      目前,光學屏下指紋已經走過了準直光方案,主流產品來到了屏下攝像模組方案。在屏下攝像模組方案的高毛利的驅使下,不斷有光學傳感器廠商殺入這個領域,近期傳聞國內攝像晶片傳感器龍頭格科微已經加入戰場,價格戰即將展開。

      在硬體的逐漸成熟下,能否通過軟體算法提升識別速度與識別率,將成為屏下攝像模組方案中,區分各廠商未來屏下光學指紋識別產品體驗的關鍵點。未來,超聲波方案和TFT方案還在枕戈待旦,這兩種方案能實現更大面積的識別區域,當然,價格、功耗、成熟度都是制約這些方案的重要因素。根據IDC數據,2018年第三季度,全球手機銷量進一步下滑。手機行業已經成為殘酷的修羅場,讓我們期待這些屏下指紋的大招吧。

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發表于2018.11.10 15:52:28
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211.094.109.***
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發表于2018.11.08 20:54:05
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學習了
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發表于2018.11.08 18:58:00
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113.057.155.***
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發表于2018.11.08 13:01:35
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發表于2018.11.08 00:04:03
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114.218.179.***
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發表于2018.11.07 15:55:28
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好文,算是解惑了,大概知道了屏下指紋的各種原理,以及為什么這么慢了。。。
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發表于2018.11.07 14:54:28
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03
沒錯,寫的時候腦子抽了,是格科微。
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發表于2018.11.07 11:35:49
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03
相較于一代準直方案,屏下攝像頭方案的模組成像更為簡單,也相對更為清晰。主要優點在于:
1、熒幕貼合更簡單。一代準直方案中,模組必須和OLED熒幕緊密貼合,在貼合過程中有一定概率損壞熒幕,而貼合良率也存在一定問題;攝像模組方案中,模組無需貼合熒幕,僅需固定在中框上,貼合難度大大降低,成本也隨之降低。

2、模組更簡單,晶片尺寸更小。屏下指紋攝像模組類似傳統攝像頭模組,各類模組廠商均有能力生產,生產過程相對簡單,傳感器尺寸也更小。但屏下指紋攝像模組相對厚度更厚,一般都在2mm以上,結構組裝相對困難,因此需要電池設計配合繞開指紋模組。

3、成像更清晰。一代準直方案中,準直孔需要有一定尺寸,保證光線進入,同時還要保證準直孔與畫素點對應,準直孔過大還會導致畫素點過大,影響成像質量。攝像模組方案中,無需考慮準直孔的問題,提高畫素即可解決。

當然,價格也更便宜了。我們前面提到,初代屏下指紋價格大約為15-17美元,其中晶片大約為8-9美元,模組大約為7-9美元;而二代屏下攝像模組方案,晶片目前大約為6美元,模組僅為約2美元。因此我們看到,在vivo X23上,屏下指紋的圖像密度提升至750PPI,這就是用提高感光器畫素的方式解決問題。
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發表于2018.11.07 11:33:29
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218.003.176.***
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發表于2018.11.07 11:07:28
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發表于2018.11.07 01:03:36
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深度好問,不過寫的有點深度了,適合發燒友看,對于我這種小白還是有點難度,看了之后還是不明白哪一種更好,好像兩種方式都差不多,主要是在識別速度和準確率上面有對比嗎?目前屏下指紋還是比不上實體鍵指紋識別,甚至比不上人臉識別(當然安全性也需要考慮)。
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發表于2018.11.06 22:28:36
34
111.058.145.***
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發表于2018.11.06 20:58:47
32
近期傳聞國內攝像晶片傳感器龍頭思立微已經加入戰場,價格戰即將展開。
這句話里面應該有錯誤,“思立微”應該改成“思比科”
思立微是和匯頂一樣提供指紋方案的公司。
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發表于2018.11.06 20:52:52
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058.020.254.***
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發表于2018.11.06 19:53:18
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180.157.147.***
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發表于2018.11.06 16:54:41
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發表于2018.11.06 16:25:05
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