摘要：全面屏?xí)r代，3D結(jié)構(gòu)光與屏下指紋之爭(zhēng)愈演愈烈。然而兩者在功能與應(yīng)用場(chǎng)景中可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。未來3D結(jié)構(gòu)光與屏下指紋或仍將完美共存。而隨著OLED面板技術(shù)的不斷發(fā)展，真全面屏產(chǎn)品或許將在幾年內(nèi)到來。
隨著智能機(jī)行業(yè)進(jìn)入全面屏?xí)r代，更高的屏占比成為了眾廠商追逐的重點(diǎn)。然而，急速增長(zhǎng)的屏占比使傳統(tǒng)前置指紋識(shí)別的生存空間被逐漸壓縮。而隨著行業(yè)整體的發(fā)展后置指紋識(shí)別也注定將被淘汰。智能機(jī)上的生物識(shí)別技術(shù)迫切需要新的變革。
以iPhone X為代表的3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)與以vivo X21為代表的屏下指紋技術(shù)就此登上舞臺(tái)。目前來看，兩陣營(yíng)各有擁簇。但更多的廠商仍在兩陣營(yíng)間徘徊不定，難以押注。
就現(xiàn)階段而言，屏下指紋技術(shù)無疑更成熟，制造成本更低，更適合大面積推廣。而3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)無疑更有前景，從生物識(shí)別到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)可以讓智能機(jī)真正感知“環(huán)境”，賦予智能機(jī)智能。
屏下指紋技術(shù)原理
目前市面常見的指紋識(shí)別，多是電容式指紋識(shí)別。經(jīng)過多年的發(fā)展，電容式指紋識(shí)別方案的技術(shù)最為成熟，制造成本最低。然而，電容式指紋識(shí)別穿透深度僅為0.3mm，穿透能力較弱，無法滿足屏下識(shí)別的要求。
現(xiàn)階段取代電容式指紋識(shí)別方案的是光學(xué)指紋識(shí)別方案與超聲波指紋識(shí)別方案。
光學(xué)指紋識(shí)別方案依賴于OLED屏幕。由于OLED自發(fā)光的特性，理論上可以精確控制每一個(gè)像素點(diǎn)。OLED屏幕也足夠薄，可以減輕放置屏下指紋傳感器帶來的機(jī)身變厚問題。
當(dāng)下商用的光學(xué)指紋識(shí)別方案主要依據(jù)于折反原理。此外為提高識(shí)別精度，另加入小孔成像和透鏡成像功能。簡(jiǎn)單來說，可以將其理解為“拍照”。通過點(diǎn)亮OLED屏幕充當(dāng)光源，照亮指紋形成的折返光聚焦后通過OLED像素點(diǎn)的縫隙成像至CMOS上，經(jīng)對(duì)比分析來驗(yàn)證身份。
超聲波指紋識(shí)別方案依靠超聲波構(gòu)建手指指紋的3D圖形。超聲波傳感器發(fā)出的脈沖可以感應(yīng)指紋特有的孔和脊，形成3D深度數(shù)據(jù)。通過與已錄入指紋信息對(duì)比進(jìn)行身份判斷。其優(yōu)勢(shì)在于穿透力更強(qiáng)，能降低污垢、油脂與汗水的干擾，水下也能正常工作。此外也支持活體檢測(cè)。
屏下指紋行業(yè)現(xiàn)狀
高通產(chǎn)品市場(chǎng)資深經(jīng)理劉學(xué)微曾表示2022年銷售的智能手機(jī)中將有53%包含有指紋傳感器。臺(tái)灣媒體Digitimes報(bào)道，到2018年底，屏下指紋傳感器的出貨量將達(dá)到4200萬。而到了2019年，這一數(shù)據(jù)有望達(dá)到1億。未來一段時(shí)間，不止高端旗艦，屏下指紋技術(shù)將逐漸下放到中低端產(chǎn)品。
光學(xué)指紋識(shí)別方案包括算法芯片、CMOS（光電信號(hào)轉(zhuǎn)換）、Lens（微透鏡陣列）、濾光片以及產(chǎn)品封裝。其中算法芯片為核心部分。
現(xiàn)階段，算法芯片市場(chǎng)由匯頂與新思國(guó)際暫時(shí)瓜分。匯頂科技曾在2017年MWC大會(huì)上展示過屏下指紋識(shí)別技術(shù)，新思國(guó)際則推出了全球首款屏下指紋傳感器Clear ID FS9500。此外如FPC、三星等也有相關(guān)產(chǎn)品處于試驗(yàn)階段。根據(jù)中信建投的預(yù)估數(shù)據(jù)，2019年市場(chǎng)有望為算法芯片方案廠商帶來近4億美元的收入。
Lens主要關(guān)注的境外廠商有大立光、玉晶光以及關(guān)東辰美。其中大立光是光學(xué)鏡片行業(yè)的傳統(tǒng)巨頭，關(guān)東辰美則是蘋果產(chǎn)業(yè)鏈的重要供應(yīng)商。CMOS方面，主要關(guān)注索尼、三星、海力士等國(guó)際廠商，國(guó)內(nèi)廠商則以格科微與豪威科技為主。
在封裝方面，歐菲科技是目前安卓廠商屏下光學(xué)指紋方案的獨(dú)家供應(yīng)商，預(yù)計(jì)在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將占據(jù)較大的市場(chǎng)份額。中信建投表示，預(yù)計(jì)2019年全球市場(chǎng)屏下指紋設(shè)備出貨量有望達(dá)到1億部，按照每套模組10美元計(jì)算，市場(chǎng)規(guī)模將接近10億美元。假設(shè)歐菲科技的市場(chǎng)份額為50%，將帶來約5億美元的營(yíng)收。
超聲波指紋識(shí)別方案分為算法芯片、傳感器以及封裝三個(gè)部分。算法芯片方面目前只有高通實(shí)現(xiàn)了商用。包括Sonovation、InvenSense以及FPC等廠商尚在探索相應(yīng)的解決方案。
傳感器的上游壓電材料方面目前有兩種選擇，高通支持PVDF有機(jī)聚合物材料，Sonovation以及InvenSense使用壓電陶瓷材料。傳感器方面主要由InvenSense、臺(tái)積電、意法半導(dǎo)體等境外企業(yè)生產(chǎn)。
封裝方面，高通選擇的合作伙伴為臺(tái)灣GIS與歐菲科技。
屏下指紋識(shí)別方案的不斷成熟有望加速其普及，使?jié)B透率快速提升。IHSMarkit預(yù)測(cè)，到2020年使用屏下指紋傳感器的智能手機(jī)出貨量將較2019年實(shí)現(xiàn)翻倍至2億臺(tái)，市場(chǎng)空間規(guī)模超20億美元，并有望在未來三年保持高速增長(zhǎng)。
屏下指紋終端應(yīng)用
目前上市的屏下指紋手機(jī)均采用光學(xué)指紋識(shí)別方案。其中以vivo最為激進(jìn)，包括vivo X20Plus UD、vivo X21、vivo NEX等均配備了光學(xué)指紋識(shí)別。而包括小米8、華為Mate RS、魅族16th等一系列國(guó)產(chǎn)旗艦均選擇跟進(jìn)光學(xué)指紋識(shí)別。目前還有消息表示，下一代華為Mate系列旗艦也將配備光學(xué)指紋識(shí)別。
按照行業(yè)規(guī)律，旗艦機(jī)的技術(shù)最終將下放到中低端產(chǎn)品上。借著今明兩年的屏下指紋熱潮，其普及速度必將加快。
盡管大部分國(guó)產(chǎn)旗艦選擇支持屏下指紋，但這并不意味它們放棄了3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)。目前來看，OPPO與小米已經(jīng)推出了搭載3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)的量產(chǎn)產(chǎn)品（OPPO Find X與小米8透明探索版）。同時(shí)，OPPO和vivo在各自的技術(shù)溝通會(huì)上也表示即將量產(chǎn)搭載TOF攝像頭的智能機(jī)產(chǎn)品。
搭載超聲波屏下指紋識(shí)別技術(shù)的智能機(jī)產(chǎn)品曾短暫出現(xiàn)過，但由于識(shí)別速度不理想等問題最終沒能被更多廠商接納。而今高通發(fā)布了新一代超聲波指紋識(shí)別技術(shù)。據(jù)悉面向顯示屏的版本能夠穿透1200微米的OLED顯示屏，面向玻璃和金屬的版本能夠穿透800微米的玻璃面板與650微米鋁材質(zhì)外殼，識(shí)別速度與精度均得到大幅提高。
近期上市的榮耀10便搭載了這一技術(shù)。而從三星Galaxy Note9發(fā)布會(huì)泄露的圖片來看，三星下一代旗艦產(chǎn)品將搭載屏下指紋技術(shù)。目前有消息稱三星更傾向于超聲波指紋識(shí)別。倘若如此，以三星與高通在安卓陣營(yíng)的影響力，勢(shì)必將帶動(dòng)超聲波指紋識(shí)別技術(shù)市場(chǎng)出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。
3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)原理
目前來看，3D攝像可以分為3D結(jié)構(gòu)光解決方案與TOF解決方案兩類。
3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)由于被蘋果采用，成為當(dāng)下最受關(guān)注的生物識(shí)別方案。以iPhone X為例，點(diǎn)陣投影儀投射出多達(dá)30000個(gè)光點(diǎn)到被測(cè)物體上，紅外鏡頭通過讀取點(diǎn)陣圖案，捕捉紅外圖像，經(jīng)過處理便能獲得一張“結(jié)構(gòu)圖”。結(jié)合前置鏡頭記錄的人臉圖像，兩者相結(jié)合，便能得出一張精準(zhǔn)的3D人臉數(shù)據(jù)圖。
TOF技術(shù)即飛行時(shí)間技術(shù)，是利用傳感器測(cè)量光線時(shí)間，機(jī)型距離的一種測(cè)量方案。通過連續(xù)不斷的發(fā)射“面光源”投射到物體，傳感器接收返回光計(jì)算發(fā)射光到接收光的時(shí)間差來判斷距離，以此獲得物體的3D結(jié)構(gòu)圖。
結(jié)構(gòu)光發(fā)射的是散斑光，TOF發(fā)射的是均勻面光，因此TOF技術(shù)的光信息不會(huì)像結(jié)構(gòu)光技術(shù)的光信息一樣出現(xiàn)大量衰減，理論上只要提高發(fā)射功率，TOF技術(shù)就能保證足夠的應(yīng)用距離。
兩者對(duì)比，結(jié)構(gòu)光方案的功耗更小，技術(shù)更成熟，更適用于靜態(tài)場(chǎng)景。TOF方案在遠(yuǎn)距離下噪聲較低，同時(shí)具有更高的FPS，更適用于動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。目前主流發(fā)展方向是3D結(jié)構(gòu)光方案用于前置解鎖支付等安全情景，TOF方案用于智能機(jī)后置攝影，以期在AR、VR等領(lǐng)域發(fā)揮更好的作用。但不能排除TOF方案全面取代3D結(jié)構(gòu)光方案的可能。
3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)行業(yè)現(xiàn)狀
據(jù)Trend Force預(yù)測(cè)，未來幾年3D傳感市場(chǎng)規(guī)模將呈現(xiàn)幾何式增長(zhǎng)，到2020年市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)到108.9億美元，到2023年市場(chǎng)空間有望達(dá)到180億美元。其中在智能機(jī)市場(chǎng)的滲透率將不斷提升，從2017年的2.1%提升到2020年的28.6%。
中信建投預(yù)測(cè)隨著國(guó)產(chǎn)旗艦紛紛引入3D結(jié)構(gòu)光解決方案，2019年市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到40億美元，滲透率在25%左右。
目前全球的結(jié)構(gòu)光供應(yīng)鏈已經(jīng)較為完善。整體技術(shù)方案有Primesense、奧比中光、英特爾、以色列Mantis Vision、圖漾科技、奧比中光、華捷艾米等。其中Primesense是蘋果的全資子公司，方案芯片專供于蘋果。Mantis Vision的方案在DOE（衍射光學(xué)元件）的加工上獨(dú)具特點(diǎn)，目前在識(shí)別精度方面則可以超過蘋果的第一代DOE解決方案。
在3D圖像處理芯片方面，由Primesense、意法半導(dǎo)體、德州儀器、英飛凌等少數(shù)幾家芯片巨頭提供。
國(guó)內(nèi)廠商方面，丘鈦科技日前發(fā)布公告表示已經(jīng)取得3D結(jié)構(gòu)光模組方面的重大突破，并已經(jīng)正式開始量產(chǎn)和銷售。據(jù)悉，OPPO Find X的3D結(jié)構(gòu)光模組就是來自丘鈦科技，首批模組出貨量達(dá)到100萬。而OPPO Find X的結(jié)構(gòu)光整體技術(shù)方案來自奧比中光。
小米8透明探索版的結(jié)構(gòu)光整體解決方案來自Mantis Vision，3D結(jié)構(gòu)光模組則由歐菲科技提供。另據(jù)消息人士透露，華為已于今年3月就完成了3D攝像頭相關(guān)設(shè)計(jì)，其將同舜宇光學(xué)合作。
聯(lián)創(chuàng)電子表示其3D結(jié)構(gòu)光模組已經(jīng)進(jìn)入中國(guó)前4家手機(jī)品牌中的2家。此外由中國(guó)長(zhǎng)電科技在韓國(guó)投資的子公司JSCK于今年同蘋果展開合作，開發(fā)后置三鏡頭模組中的3D Sensing模組。
TOF技術(shù)方面，vivo選擇同松下合作。據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，vivo的3D攝像頭模組將由舜宇光學(xué)和歐菲科技一同供應(yīng)。
3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)終端應(yīng)用
目前以量產(chǎn)搭載3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)的智能機(jī)產(chǎn)品并不多，主要有蘋果iPhone X，OPPO的Find X以及小米8透明探索版。
目前可以確定的是2018年新iPhone將繼續(xù)采用3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)，并且有望實(shí)現(xiàn)全iPhone系列普及。這一點(diǎn)從蘋果VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器，用于提供FaceID和Animoji)主要供應(yīng)商Lumentum Holdings第二季度財(cái)報(bào)中就能看出，其AR和3D感應(yīng)業(yè)務(wù)有大幅攀升。其中3D感應(yīng)業(yè)務(wù)出現(xiàn)特別強(qiáng)勁的增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)這種增長(zhǎng)勢(shì)頭將持續(xù)至今年年底。
隨著新款iPhone的發(fā)布，必將再度帶動(dòng)市場(chǎng)對(duì)于3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)的研究。而隨著蘋果與谷歌相繼發(fā)布新一代AR SDK，3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)同AR的碰撞將產(chǎn)生怎樣的化學(xué)反應(yīng)也值得期待。
TOF技術(shù)也將飛速發(fā)展。據(jù)悉即將發(fā)布的OPPO R17 PRO與一加6T有望搭載后置TOF鏡頭，vivo先前也承諾將盡快帶來相關(guān)產(chǎn)品。事實(shí)上，蘋果對(duì)于TOF技術(shù)也有興趣。知名分析師郭明錤表示，蘋果有望在2019年iPhone中使用后置三鏡頭或者TOF技術(shù)。
智能機(jī)生物識(shí)別技術(shù)發(fā)展展望
如果僅以追求極致屏占比的角度看，無疑屏下指紋識(shí)別技術(shù)比3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。然而，智能機(jī)想要發(fā)展AR，想要真正實(shí)現(xiàn)智能，則無法離開3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)。
可以假設(shè)，未來屏下指紋與3D結(jié)構(gòu)光仍將是共存的狀態(tài)。兩者各有優(yōu)劣。屏下指紋在識(shí)別精度上仍有不足，識(shí)別速度上也有欠缺，3D結(jié)構(gòu)光則對(duì)佩戴口罩等場(chǎng)景無能為力。從識(shí)別的角度看，共存或許是最佳的解決方案。
就發(fā)展方向來看，目前屏下指紋技術(shù)更加成熟，成本也更低。未來主要的研發(fā)方向在于實(shí)現(xiàn)全屏幕識(shí)別。隨手一按便可解鎖，也可以解決潛在的燒屏問題。目前，韓國(guó)CrucialTec已經(jīng)獲得了DFS（顯示屏指紋解決方案）相關(guān)的美國(guó)專利。其支持屏幕內(nèi)任意位置解鎖，甚至能兼容三星全視曲面屏這類柔性O(shè)LED面板。此外，DFS也不限于光學(xué)方案，還支持傳統(tǒng)的電容方案。
3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)的發(fā)展除性能加強(qiáng)（識(shí)別更精準(zhǔn)、快速等）外，一個(gè)重要的發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)屏下隱藏。目前受限于技術(shù)水平實(shí)現(xiàn)完全隱藏還有很長(zhǎng)的路要走，但這并不意味著現(xiàn)階段毫無技術(shù)突破。早先微博上有業(yè)內(nèi)人士透露索尼已經(jīng)開發(fā)出屏下攝像頭解決方案，并且三星已經(jīng)生產(chǎn)出符合要求的OLED面板。或許不久后我們就能見到相關(guān)產(chǎn)品問世。
總結(jié)
3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)與屏下指紋技術(shù)之爭(zhēng)很難做出勝者預(yù)測(cè)，兩者各有優(yōu)劣。屏下指紋技術(shù)更加成熟，即使脫離智能機(jī)這一載體依舊有發(fā)展空間。3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)作為“新生技術(shù)”，業(yè)界的研究會(huì)更多。此外，對(duì)于3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)的研究也有利于AR技術(shù)的發(fā)展。而想要真正賦予智能機(jī)智能，3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)更是不可缺席。
