iPhone X用于FaceID认证的多个传感器 - 图片来自苹果官网

FaceID认证效果图 - 来自苹果官网

在最新的iPhone X上，苹果采用了Face ID代替原来的Touch ID作为身份验证。Face ID如何，我们在后面的文章中会细说，但坊间传闻苹果想要屏下指纹从未停止过。事实上，根据产业链消息，苹果的屏下指纹识别并没有停止研发，只是时间周期不太够。

另一方面，全面屏设计已经成为手机行业趋势。但不管是指纹放在背面还是人脸解锁，用起来终究还是有点麻烦。为了更方便快捷的使用体验，正面指纹识别还得加回去。今天我们就来谈谈关于屏下指纹识别技术的话题。

目前已知的屏下指纹识别方案主要分为两个方向：一是利用OLED实现，另一个则是利用超声波实现。先来说说OLED。苹果本次采用来自三星的OLED屏幕，尽管OLED屏幕做异形切割有天生优势，但TFT-LCD做异形切割也不难，比如夏普S1、Essential Phone，这两款都是采用LCD做异形切割，并且都是由国内一家上市公司——长信科技旗下子公司德普特承接的。既然OLED不是异形屏幕的唯一选择，那为什么苹果要选择OLED作为旗下最高端产品的屏幕呢？显示效果是一方面，坊间传闻的屏下指纹，也很可能是选择OLED的原因。但为何OLED能实现屏下指纹，而TFT-LCD不行？

光学指纹识别的工作原理图

我们先回顾《手机生物识别安全认证系统简介[一] 指纹识别》[作者:农步祥 ] 这篇内容，屏下指纹识别正是利用了光学原理。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，那是不是在屏幕下面垫一个CMOS传感器就行了呢？

然而没那么简单，TFT-LCD做屏下指纹识别很难。这是由于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。

而OLED则是主动发光，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（查看地址： http://www.freepatentsonline.com/y2017/0270342.html）： 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。

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。

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刚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。

简单总结

随着未来“全面屏”的潮流，屏下指纹识别将成为趋势。屏下指纹识别主要包括两种方案，利用OLED实现光学指纹识别、利用超声波。苹果更希望通过OLED实现屏下指纹识别，iPhone X开始采用OLED屏幕便是第一步；而超声波方案理论上可以应用于任何屏幕，技术成熟后，在FPC与高通的推广下，未来安卓阵营手机厂商有可能会大规模采用屏下指纹识别。

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