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全面屏手机(OLED、LCD)屏下指纹识别技术与工作原理(2)

菜鸟
2019-05-20 13:47:35    评分

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?

2.1 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。




关键词: 指纹识别    

菜鸟
2019-05-20 13:48:31    评分
2楼

2.2 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。

2.3 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。


菜鸟
2019-05-20 13:49:29    评分
3楼

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。

结束语

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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