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。

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。

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。

vivo 屏下指纹原型机的结构示意

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。

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。

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)。

总结

原理对比:


光学指纹堆叠图:


技术方案对比:


RFsister,星极科技