屏下指紋識別的概念、技術與發展

李鵬飛　淡美俊

摘 要：隨著人們對手機屏占比的追求，屏下指紋識別技術應運而生。文章介紹了屏下指紋識別技術的概念、光學屏下指紋技術和超聲波屏下指紋技術及其實現原理，并指出了兩種方式的優缺點。

關鍵詞：屏下指紋，光學，超聲波，OLED

中圖分類號：N04；TN27 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1673-8578.2018.04.016

Abstract： With a great demand for a higher screentobody ratio， the technology of under screen fingerprint has been developed. This paper introduces the concept of under screen fingerprint， explains implementation principle of optical screen fingerprint technology and ultrasonic screen fingerprint technology， and points out advantages and disadvantages of the two technologies.

Keywords： under screen fingerprint， optical， ultrasonic， OLED

引 言

指紋識別技術是移動終端目前所搭載的最主流的生物識別方式，其應用普及程度遠超過其他識別手段，比如虹膜識別、靜脈識別、人臉識別等。由于全面屏概念的流行，傳統指紋解鎖無論采用正面刮擦或按壓方式解鎖，還是采用背面解鎖，都會影響手機等智能設備的外觀。指紋識別需要指紋采集窗，勢必會影響屏占比，因此屏下指紋識別應運而生。

一 屏下指紋識別的概念

屏下指紋識別技術，也稱為“隱形指紋技術”，是通過將指紋識別傳感器放置于屏幕玻璃下方，從而完成指紋識別解鎖過程的新技術。相比傳統的指紋識別，屏下指紋無須在手機正面設置額外的指紋識別窗，因而可以極大地提高手機的屏占比，帶來震撼的視覺效果和極佳的使用體驗。由于反射光和超聲波可以穿透一定厚度的玻璃，所以目前的屏下指紋識別技術主要采用這兩種方式：將光學感應器或超聲波傳感器置于屏幕下方，利用其可穿透性，從而達到識別指紋的目的。

二 屏下指紋識別的主流技術

屏下指紋識別技術按照其工作原理可以分為光學屏下指紋和超聲波屏下指紋兩種方式。

1.光學屏下指紋技術

光學屏下指紋技術目前主要分為專門針對有機發光二極管（organic light emitting diode，OLED）顯示面板的屏下指紋模組和針對傳統液晶面板（LCD）的屏下指紋模組。在OLED顯示面板中，由于每個像素是否發光可以單獨控制，理論上講，可以將指紋模組置于任一像素下方，在指紋識別模式激活時，相應的像素發光，照亮位于面板玻璃上方的指紋，被指紋反射后的光線經過透鏡準直，被位于發光像素下方的光學識別模組接收，轉化成微弱的電流信號被識別，由于指紋存在脊和谷，其對應的光電流有所不同，通過識別該光電流就可以實現指紋識別。OLED顯示面板屏下指紋識別的好處在于可以將指紋置于任一像素下方，僅依靠某幾個像素提供照明光，功耗較低。但是，由于屏下指紋識別模組和OLED顯示面板成本都比較高，所以，整體成本偏高。目前，中國手機廠商維沃（VIVO）已經推出了基于屏下指紋識別技術的手機，其采用了OLED面板，這是全球首款采用屏下指紋識別技術的手機。同時，維沃于2017年9月28日提交了國家發明專利申請（公開號為CN107644215A）。

基于光學原理的屏下指紋識別方式也可以應用于傳統的液晶面板，一般的做法是在液晶面板的每一像素處均設置光學感應器。其優點是可以實現真正意義上的全屏指紋識別，但是，由于液晶面板不能對單個像素的發光進行控制，所以，在指紋識別模式激活時，必須點亮整個背光模組，由此帶來了較高的功耗。此外，由于在每一像素處均設置有光學感應器，所以，整體布線極其復雜，對生產工藝要求較高，較難實現量產。

2.超聲波屏下指紋技術

基于超聲波原理的屏下指紋識別技術也是目前應用較多的一種屏下指紋識別方式。超聲指紋識別是利用了超聲波具有穿透材料的能力，所使用的超聲波頻率為1×10.4～1×10.9Hz，能量被控制在對人體無損的程度。在進行指紋識別時，超聲波傳感器發射超聲波，入射到手指上，由于指紋存在脊和谷，導致超聲波傳播路徑長度不同，所以，被指紋的脊和谷所反射的回波到達超聲波接收器的時間就有所差異，分析處理這些差異就可以描繪出指紋圖譜。由于超聲波傳感器的尺寸很小，所以，在屏下指紋識別領域具有廣闊的應用前景。目前的超聲波屏下指紋技術主要包括兩種實現方式，第一種是將超聲波傳感器置于屏幕的非顯示區域，例如手機的四個邊框內部，通過多個傳感器的協同工作識別指紋，這種技術記載于2018年3月23日公開的專利CN107832599A中；另一種方式是將超聲波傳感器陣列直接置于手機屏幕下方，實現真正意義上的屏下指紋識別，該技術已經被蘋果公司申請專利，記載于美國專利US9747488B2中。

基于超聲波原理的屏下指紋識別具有如下優點：相比光學指紋模組而言，其體積較小，且可以實現全屏指紋識別，即不管手指放置于屏幕上的任何位置，理論上都可以識別。但是，超聲波對于玻璃的穿透性并不好，對玻璃蓋板的厚度有較高要求，并且，屏幕面板內部存在復雜的布線，這些都會使超聲回波信號衰減，影響超聲波指紋識別的速度和精度。

三 結 語

隨著全面屏時代的開啟，傳統指紋識別方案中需要獨立實體觸摸區的設計將逐漸被替代，屏下指紋具有廣闊的應用前景。在同質化嚴重、競爭慘烈的手機行業，率先推出成熟的屏下指紋識別方案，將是對行業的引領和自身實力的佐證[1]。光學屏下指紋和超聲波屏下指紋是目前屏下指紋識別的兩種主要方式，各有優點和不足。其中，OLED 顯示面板相比傳統的液晶面板在屏下指紋領域表現出巨大的優勢，因為它不需要背光模組，且可控制像素單獨發光。目前已經商用的屏下指紋識別技術均采用了OLED面板，并基于光學指紋識別技術，例如，維沃推出的智能手機X21UD、NEX等。另外，基于超聲波技術的屏下指紋識別已經取得了技術突破，即將實現量產。可以預見，在不久的將來，超聲波屏下指紋識別將大放異彩，因為其可以實現真正意義上的全屏指紋識別。

參考文獻

[1] 藏瑾. 全面屏手機將至 廠商備戰“屏下指紋”[N]. 21世紀經濟報道.2017-06-23（16）.