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光学和超声两种屏下指纹方案以及结构光和TOF两种3D识别方案介绍

发布时间:2022-08-02 点击数:

  的生物识别方式无法满足屏占比不断扩张的需要,移动设备端生物识别面临一场新的革命,也就是屏下指纹和3D识别的岔路口。

  3D识别已被苹果采用,并有望指向虚拟现实(VR/AR)和人工智能等新兴技术,而屏下指纹操作便捷、环境适应性强、符合用户传统使用习惯。

  本文是来自中信建投的屏下指纹专题研究报告,着重介绍光学和超声两种屏下指纹方案以及结构光和TOF两种3D识别方案,对于几种方案的技术路径、方案优劣、上下游产业链以及市场规模进行了详细分析。

  随着智能化时代的到来以及人们对于信息管理的安全性和便捷性需求的提升,生物识别应用日渐广泛。生物识别主分 5种:指纹、虹膜、人脸、声纹以及静脉,特点、用途各不相同。

  自 2013 年 iPhone5s 首次搭载指纹识别以后,带有指纹识别功能的 Home 键模块以其价格低廉、使用便捷、解锁迅速等优异性能迅速占领市场。截止 2017 年,全球智能手机市场指纹方案的渗透率达到 55%,由“听筒/前置摄像头+屏幕+指纹”构成的三段式公模方案一度成为绝大多数手机的共同选择。

  但是,2016 年起智能手机全面屏趋势使得传统的机身正面指纹识别方案面临挑战:经典指纹识别方案基于电容式模组,成本最低,识别速度最快且技术最为成熟,但穿透深度仅为 0.3mm,小于现有屏幕厚度(0.5mm),因此这一传统方案不再适应屏下指纹的要求。

  目前主流的替代方案主要有两种——一种是以 iPhone X 为代表的 3D 面部识别方案,而另一种是以 vivoX21 为代表的屏下指纹识别方案。此外,还有技术难度较低的后置指纹方案,已被三星、小米、OV 等厂商采用,但其在便捷性、美观性、背部整体性上有所不足,预计未来主要将用于一些低端机。

  中信建投认为,受到用户习惯和使用便捷性的影响,加上方案成本和技术成熟度,未来在智能手机识别领域,屏下指纹仍然会在较长的时间内成为主流。

  根据 IHS Markit,预计 2019 年使用屏下指纹传感器的智能手机出货量至少将达到 1 亿台,到 2020 年则进一步翻倍至 2 亿台,市场空间超 20 亿美元,有望在未来 3 年保持高速增长。中信建投预计,2018/2019/2020 年屏下指纹识别方案的渗透率将分别达到 1/8/15%,2020 年市场规模有望接近 20 亿美元。

  为应对全面屏时代电容式指纹面临的困难,供应链厂商主要提出三种不同的解决方案,第一种是以汇顶、新思为代表的光学方案,第二种是以高通为代表的超声波指纹识别方案,最后一种是以韩国厂商 CrucialTec 等为代表的 DFS 全屏幕识别方案。

  三种方案中, DFS 方案对于屏幕和指纹识别模组的整合程度要求较高,可能带来高成本等问题,目前方案仍处于试验阶段,存在不确定性。与之相比,光学方案和超声方案相对成熟,其中光学方案兼容OLED软硬屏,相对适用于软屏的超声波方案应用范围更广,预计将在一定将期间内成为屏下指纹方案的主流。

  随着 vivoX20Plus 屏幕指纹版的正式上市,vivo 成为第一个实现屏下指纹商用的手机制造商,设备方案的提供商为美国新思(Synaptics);2018 年 3 月,华为发布了新款手机 MateRS上又一次搭载了光学式屏下指纹方案,方案供应商为国内指纹识别大厂汇顶科技。

  此外,今年三星新机大概率也将搭载光学屏下指纹识别模组(可能会采用新思的方案),苹果子公司AuthenTec 也依然在光学屏下指纹领域积极探索,并曾表示未来可能将会在新机型上同时搭载人脸识别和屏下指纹两种方案。

  光学方案技术由来已久,主要基于折反原理,但在 2017 年以前始终没能应用于智能手机,主要的原因是光学传感器的体积过大,且系统无法对皮肤真皮层的识别,因而安全性相对较低。

  随着 2016 年以来新思、汇顶先后发布新一代的光学指纹识别方案,仍然是基于折反原理,另外叠加小孔成像和透镜成像功能,以提高识别的精确度。得益于 OLED 产能障壁的打破、技术成熟度以及可预见的成本下降,光学方案正式成为屏下指纹识别最重要的实现手段之一。

  以汇顶的方案为例,汇顶光学指纹识别方案主要由 OLED 屏、CMOS 以及 lens组成。其中 OLED 充当光学指纹识别系统的光源,通过自发光照亮指纹,之后折返光通过 lens 进行准直聚焦并穿过 OLED 像素点之间的缝隙成像至 CMOS 上,CMOS 将接收到的光学信号转化为电信号,经过处理器芯片的分析比对以验证指纹。

  通过光源集成和光路重新设计,新的方案能够有效降低体积和功耗,同时汇顶的方案能够支持活体检测。此外,光学方案固有的穿透距离较长的特性也得到充分发挥,在屏下指纹领域得到了很好的应用。

  超声波方案利用回波强度识别指纹,优点在于其穿透性更强,能够进行深层的皮下指纹识别且能够辨别活体,因而方案的安全性更高;此外,从理论上来讲,超声波方案不易受到油渍和水渍以及强光的干扰,因而解锁更加稳定可靠。

  目前,涉足超声波指纹方案的厂商主要有美国高通、FPC、Sonavation 和ADI等,不过除高通以外,其他厂商在该领域的探索尚处于产品研发阶段。目前,高通的方案已能穿透 0.8mm 的玻璃,0.65mm 的金属以及 1.2mm 的 OLED 屏,从而实现屏下识别。

  2015 年高通的超声波指纹方案发布,而后分别被小米 5s 和乐视 Max Pro 所采用(当时由于超声波方案的穿透距离有限,提供的是类似于电容识别的 Home 键方案和背部指纹方案);2017 年,高通的屏下指纹方案曾经提交 vivo 进行测试,尽管最终并没有被采纳,但也显示此方案正在逐步成熟。

  从发展趋势来看,未来指纹识别可能会向半屏甚至全屏的方向发展。目前全屏幕指纹识别主要的相关方案有非硅基衬底方案(off-chip),即将电容指纹传感器集成到玻璃面板上,以实现传感器的透明化,目前模组精细化、小型化尚待提升。

  代表性方案供应商包括JDI(已于 2018 年 CITE 展会上提出 Pixel eyes 指纹识别技术:透明传感器被放置在显示面板的上方,并利用硬度升级之后的偏光片代替传统的玻璃盖板,以保证传感器上方盖板的厚度保持在 0.2mm 左右因而解决了传统电容方案穿透力不足的问题),以及韩国厂商 CrucialTec、挪威厂商 IDEX、国内厂商上海萝箕等。

  光学指纹识别方案的产业链主要分为算法及芯片(核心领域)、CMOS (将光信号转化为电信号)、Lens(主要是微透镜阵列) 、滤光片以及产品封装。总体来看,中信建投认为光学屏下指纹产业链中最值得关注的国内厂商包括上游方案提供商汇顶科技和下游独家封装厂商欧菲科技。

  1、算法芯片:短期内汇顶、新思或将暂时瓜分光学屏下指纹市场,按照 2019 年光学方案与超声方案市场占比 7:3,其中光学方案及芯片占总识别模组比 50%,模组单价 10 美元,有望为方案厂商带来近 4 亿美元收入规模。

  2、Lens :主要关注的境外厂商有大立光、玉晶光和关东辰美等,其中大立光是光学镜片行业的传统龙头,关东辰美是苹果产业链的重要供应商,舜宇是近年来手机和车用摄像等设备领域成长最快的一家企业。

  3、CMOS :国际上主要的提供商有括索尼、三星、海力士、豪威(被中国企业收购)和安森美等;国内主要关注格科微(在与中芯国际的合作下,公司到 2017 年已经成长为仅次于索尼的全球第二大 CMOS 芯片生产企业)。

  4、封装:主要的企业有欧菲科技(安卓系屏下指纹模组封装的独家供应商)、丘钛科技、比亚迪电子、三星、TDK等。预计 2019 年全球屏下指纹设备的出货量将超过 1 亿部,按照每套模组 10 美元,市场规模将近 10 亿美元,其中假设欧菲科技市占 50%,则识别模组将公司带来约 5 亿美元营收。

  超声波指纹识别方案的产业链可以分为算法芯片、传感器以及封装三部 分,而传感器的上游主要是压电材料。

  1、算法芯片:目前高通是该领域唯一一个已经实现方案商用的企业,而除高通外,Sonovation、InvenSense以及 FPC 等厂商也在探索相应的解决方案。

  2、压电材料:目前高通使用 PVDF 有机聚合物材料,Sonovation 和 InvenSense 使用压电陶瓷材料;主要生产厂商有新加坡 IME 和国内的三环集团等。

  3、传感器:主要有 InvenSense、台积电、意法半导体等境外企业生产。

  3D光学识别方案的技术路径则主要分为结构光方案(前置识别)和TOF(后置/动态场景)。

  结构光算法芯片主要厂商有 Primesense、MV 和英特尔,国内奥比中光拥有自主产权;发射端(激光器和光学元件)国外为主,行业壁垒较高;接收端(镜头和模组)国产化替代程度较大,水晶光电、舜宇光学、欧菲光、丘钛科技等厂商已切入该领域并实现量产。

  TOF 产业链主要包括红外光源、红外传感器、红外滤光片,以及传统的光学组件和镜头。相较结构光方案而言,TOF 方案在发射端不需要 DOE 和准直镜头,而仅仅只需要 VCSEL 光源即可,算法芯片供应商主要为微软、TI、三星等。

  随着3D面部识别的易用性、开奖网,可靠性和技术成熟度获得逐步认证,以及相关VR/AR应用的拓展,这将成为主流的全面屏时代生物识别方案,但在此之前,基于用户习惯和使用便捷性,屏下指纹识别将在接下来几年赢得市场,相关产业链国产替代进程有望加速,且且未必会被3D面部识别方案挤压(或如此前苹果公司表示的:未来的新机型将同时搭载人脸识别和屏下指纹两种方案)。

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