光學和超聲兩種屏下指紋方案以及結構光和TOF兩種3D識別方案介紹

光學和超聲兩種屏下指紋方案以及結構光和TOF兩種3D識別方案介紹

胡薇 發表於 2018-06-12 16:08:23

「全面屏」時代的到來使得傳統的「Home鍵+電容式」指紋的生物識別方式無法滿足屏佔比不斷擴張的需要，行動裝置端生物識別面臨一場新的革命，也就是屏下指紋和3D識別的岔路口。

3D識別已被蘋果採用，並有望指向虛擬實境（VR/AR）和人工智慧等新興技術，而屏下指紋操作便捷、環境適應性強、符合用戶傳統使用習慣。

本文是來自中信建投的屏下指紋專題研究報告，著重介紹光學和超聲兩種屏下指紋方案以及結構光和TOF兩種3D識別方案，對於幾種方案的技術路徑、方案優劣、上下遊產業鏈以及市場規模進行了詳細分析。

以下為智能內參整理呈現的乾貨：

全面屏時代開啟20億美元市場

隨著智能化時代的到來以及人們對於信息管理的安全性和便捷性需求的提升，生物識別應用日漸廣泛。生物識別主分 5種：指紋、虹膜、人臉、聲紋以及靜脈，特點、用途各不相同。

自 2013 年 iPhone5s 首次搭載指紋識別以後，帶有指紋識別功能的 Home 鍵模塊以其價格低廉、使用便捷、解鎖迅速等優異性能迅速佔領市場。截止 2017 年，全球智慧型手機市場指紋方案的滲透率達到 55%，由「聽筒/前置攝像頭+屏幕+指紋」構成的三段式公模方案一度成為絕大多數手機的共同選擇。

但是，2016 年起智慧型手機全面屏趨勢使得傳統的機身正面指紋識別方案面臨挑戰：經典指紋識別方案基於電容式模組，成本最低，識別速度最快且技術最為成熟，但穿透深度僅為 0.3mm，小於現有屏幕厚度（0.5mm），因此這一傳統方案不再適應屏下指紋的要求。

因此，一場全新的生物識別革命正在展開。

目前主流的替代方案主要有兩種——一種是以 iPhone X 為代表的 3D 面部識別方案，而另一種是以 vivoX21 為代表的屏下指紋識別方案。此外，還有技術難度較低的後置指紋方案，已被三星、小米、OV 等廠商採用，但其在便捷性、美觀性、背部整體性上有所不足，預計未來主要將用於一些低端機。

中信建投認為，受到用戶習慣和使用便捷性的影響，加上方案成本和技術成熟度，未來在智慧型手機識別領域，屏下指紋仍然會在較長的時間內成為主流。

根據 IHS Markit，預計 2019 年使用屏下指紋傳感器的智慧型手機出貨量至少將達到 1 億臺，到 2020 年則進一步翻倍至 2 億臺，市場空間超 20 億美元，有望在未來 3 年保持高速增長。中信建投預計，2018/2019/2020 年屏下指紋識別方案的滲透率將分別達到 1/8/15%，2020 年市場規模有望接近 20 億美元。

廠商如何 Pick 指紋方案

為應對全面屏時代電容式指紋面臨的困難，供應鏈廠商主要提出三種不同的解決方案，第一種是以匯頂、新思為代表的光學方案，第二種是以高通為代表的超聲波指紋識別方案，最後一種是以韓國廠商 CrucialTec 等為代表的 DFS 全屏幕識別方案。

▲指紋識別有望引領全面屏時代

三種方案中， DFS 方案對於屏幕和指紋識別模組的整合程度要求較高，可能帶來高成本等問題，目前方案仍處於試驗階段，存在不確定性。與之相比，光學方案和超聲方案相對成熟，其中光學方案兼容 OLED 軟硬屏，相對適用於軟屏的超聲波方案應用範圍更廣，預計將在一定將期間內成為屏下指紋方案的主流。

光學方案：已突入市場

隨著 vivoX20Plus 屏幕指紋版的正式上市，vivo 成為第一個實現屏下指紋商用的手機製造商，設備方案的提供商為美國新思（Synaptics）；2018 年 3 月，華為發布了新款手機 Mate RS 上又一次搭載了光學式屏下指紋方案，方案供應商為國內指紋識別大廠匯頂科技。

此外，今年三星新機大概率也將搭載光學屏下指紋識別模組（可能會採用新思的方案），蘋果子公司 AuthenTec 也依然在光學屏下指紋領域積極探索，並曾表示未來可能將會在新機型上同時搭載人臉識別和屏下指紋兩種方案。

光學方案技術由來已久，主要基於折反原理，但在 2017 年以前始終沒能應用於智慧型手機，主要的原因是光學傳感器的體積過大，且系統無法對皮膚真皮層的識別，因而安全性相對較低。

隨著 2016 年以來新思、匯頂先後發布新一代的光學指紋識別方案，仍然是基於折反原理，另外疊加小孔成像和透鏡成像功能，以提高識別的精確度。得益於 OLED 產能障壁的打破、技術成熟度以及可預見的成本下降，光學方案正式成為屏下指紋識別最重要的實現手段之一。

以匯頂的方案為例，匯頂光學指紋識別方案主要由 OLED 屏、CMOS 以及 lens組成。其中 OLED 充當光學指紋識別系統的光源，通過自發光照亮指紋，之後折返光通過 lens 進行準直聚焦並穿過 OLED 像素點之間的縫隙成像至 CMOS 上，CMOS 將接收到的光學信號轉化為電信號，經過處理器晶片的分析比對以驗證指紋。

通過光源集成和光路重新設計，新的方案能夠有效降低體積和功耗，同時匯頂的方案能夠支持活體檢測。此外，光學方案固有的穿透距離較長的特性也得到充分發揮，在屏下指紋領域得到了很好的應用。

超聲波方案利用回波強度識別指紋，優點在於其穿透性更強，能夠進行深層的皮下指紋識別且能夠辨別活體，因而方案的安全性更高；此外，從理論上來講，超聲波方案不易受到油漬和水漬以及強光的幹擾，因而解鎖更加穩定可靠。

目前，涉足超聲波指紋方案的廠商主要有美國高通、FPC、Sonavation 和 ADI 等，不過除高通以外，其他廠商在該領域的探索尚處於產品研發階段。目前，高通的方案已能穿透 0.8mm 的玻璃，0.65mm 的金屬以及 1.2mm 的 OLED 屏，從而實現屏下識別。

2015 年高通的超聲波指紋方案發布，而後分別被小米 5s 和樂視 Max Pro 所採用（當時由於超聲波方案的穿透距離有限，提供的是類似於電容識別的 Home 鍵方案和背部指紋方案）；2017 年，高通的屏下指紋方案曾經提交 vivo 進行測試，儘管最終並沒有被採納，但也顯示此方案正在逐步成熟。

從發展趨勢來看，未來指紋識別可能會向半屏甚至全屏的方向發展。目前全屏幕指紋識別主要的相關方案有非矽基襯底方案（off-chip），即將電容指紋傳感器集成到玻璃面板上，以實現傳感器的透明化，目前模組精細化、小型化尚待提升。

代表性方案供應商包括JDI（已於 2018 年 CITE 展會上提出 Pixel eyes 指紋識別技術：透明傳感器被放置在顯示面板的上方，並利用硬度升級之後的偏光片代替傳統的玻璃蓋板，以保證傳感器上方蓋板的厚度保持在 0.2mm 左右因而解決了傳統電容方案穿透力不足的問題），以及韓國廠商 CrucialTec、挪威廠商 IDEX、國內廠商上海蘿箕等。

產業鏈及供應商

光學指紋識別方案的產業鏈主要分為算法及晶片（核心領域）、CMOS （將光信號轉化為電信號）、Lens（主要是微透鏡陣列） 、濾光片以及產品封裝。總體來看，中信建投認為光學屏下指紋產業鏈中最值得關注的國內廠商包括上遊方案提供商匯頂科技和下遊獨家封裝廠商歐菲科技。

以下是中信建投預估的光學指紋識別方案產業鏈市場格局（規模、主要廠商）：

1、算法晶片：短期內匯頂、新思或將暫時瓜分光學屏下指紋市場，按照 2019 年光學方案與超聲方案市場佔比 7:3，其中光學方案及晶片佔總識別模組比 50%，模組單價 10 美元，有望為方案廠商帶來近 4 億美元收入規模。

2、Lens ：主要關注的境外廠商有大立光、玉晶光和關東辰美等，其中大立光是光學鏡片行業的傳統龍頭，關東辰美是蘋果產業鏈的重要供應商，舜宇是近年來手機和車用攝像等設備領域成長最快的一家企業。

3、CMOS ：國際上主要的提供商有括索尼、三星、海力士、豪威（被中國企業收購）和安森美等；國內主要關注格科微（在與中芯國際的合作下，公司到 2017 年已經成長為僅次於索尼的全球第二大 CMOS 晶片生產企業）。

4、封裝：主要的企業有歐菲科技（安卓系屏下指紋模組封裝的獨家供應商）、丘鈦科技、比亞迪電子、三星、TDK 等。預計 2019 年全球屏下指紋設備的出貨量將超過 1 億部，按照每套模組 10 美元，市場規模將近 10 億美元，其中假設歐菲科技市佔 50%，則識別模組將公司帶來約 5 億美元營收。

超聲波指紋識別方案的產業鏈可以分為算法晶片、傳感器以及封裝三部 分，而傳感器的上遊主要是壓電材料。

以下是中信建投總結的超聲波指紋識別方案產業鏈市場狀態：

1、算法晶片：目前高通是該領域唯一一個已經實現方案商用的企業，而除高通外，Sonovation、InvenSense 以及 FPC 等廠商也在探索相應的解決方案。

2、壓電材料：目前高通使用 PVDF 有機聚合物材料，Sonovation 和 InvenSense 使用壓電陶瓷材料；主要生產廠商有新加坡 IME 和國內的三環集團等。

3、傳感器：主要有 InvenSense、臺積電、意法半導體等境外企業生產。

4、封裝：目前高通的主要合作商為臺灣 GIS 和歐菲科技。

3D光學識別方案的技術路徑則主要分為結構光方案（前置識別）和TOF（後置/動態場景）。

結構光算法晶片主要廠商有 Primesense、MV 和英特爾，國內奧比中光擁有自主產權；發射端（雷射器和光學元件）國外為主，行業壁壘較高；接收端（鏡頭和模組）國產化替代程度較大，水晶光電、舜宇光學、歐菲光、丘鈦科技等廠商已切入該領域並實現量產。

TOF 產業鏈主要包括紅外光源、紅外傳感器、紅外濾光片，以及傳統的光學組件和鏡頭。相較結構光方案而言，TOF 方案在發射端不需要 DOE 和準直鏡頭，而僅僅只需要 VCSEL 光源即可，算法晶片供應商主要為微軟、TI 、三星等。

隨著3D面部識別的易用性、可靠性和技術成熟度獲得逐步認證，以及相關VR/AR應用的拓展，這將成為主流的全面屏時代生物識別方案，但在此之前，基於用戶習慣和使用便捷性，屏下指紋識別將在接下來幾年贏得市場，相關產業鏈國產替代進程有望加速，且且未必會被3D面部識別方案擠壓（或如此前蘋果公司表示的：未來的新機型將同時搭載人臉識別和屏下指紋兩種方案）。

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