摘要：全面屏時代，3D結構光與屏下指紋之爭愈演愈烈。然而兩者在功能與應用場景中可以實現互補。未來3D結構光與屏下指紋或仍將完美共存。而隨著OLED面板技術的不斷發展，真全面屏產品或許將在幾年內到來。
隨著智能機行業進入全面屏時代，更高的屏占比成為了眾廠商追逐的重點。然而，急速增長的屏占比使傳統前置指紋識別的生存空間被逐漸壓縮。而隨著行業整體的發展后置指紋識別也注定將被淘汰。智能機上的生物識別技術迫切需要新的變革。
以iPhone X為代表的3D結構光技術與以vivo X21為代表的屏下指紋技術就此登上舞臺。目前來看，兩陣營各有擁簇。但更多的廠商仍在兩陣營間徘徊不定，難以押注。
就現階段而言，屏下指紋技術無疑更成熟，制造成本更低，更適合大面積推廣。而3D結構光技術無疑更有前景，從生物識別到增強現實，3D結構光技術可以讓智能機真正感知“環境”，賦予智能機智能。
屏下指紋技術原理
目前市面常見的指紋識別，多是電容式指紋識別。經過多年的發展，電容式指紋識別方案的技術最為成熟，制造成本最低。然而，電容式指紋識別穿透深度僅為0.3mm，穿透能力較弱，無法滿足屏下識別的要求。
現階段取代電容式指紋識別方案的是光學指紋識別方案與超聲波指紋識別方案。
光學指紋識別方案依賴于OLED屏幕。由于OLED自發光的特性，理論上可以精確控制每一個像素點。OLED屏幕也足夠薄，可以減輕放置屏下指紋傳感器帶來的機身變厚問題。
當下商用的光學指紋識別方案主要依據于折反原理。此外為提高識別精度，另加入小孔成像和透鏡成像功能。簡單來說，可以將其理解為“拍照”。通過點亮OLED屏幕充當光源，照亮指紋形成的折返光聚焦后通過OLED像素點的縫隙成像至CMOS上，經對比分析來驗證身份。
超聲波指紋識別方案依靠超聲波構建手指指紋的3D圖形。超聲波傳感器發出的脈沖可以感應指紋特有的孔和脊，形成3D深度數據。通過與已錄入指紋信息對比進行身份判斷。其優勢在于穿透力更強，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。
屏下指紋行業現狀
高通產品市場資深經理劉學微曾表示2022年銷售的智能手機中將有53%包含有指紋傳感器。臺灣媒體Digitimes報道，到2018年底，屏下指紋傳感器的出貨量將達到4200萬。而到了2019年，這一數據有望達到1億。未來一段時間，不止高端旗艦，屏下指紋技術將逐漸下放到中低端產品。
光學指紋識別方案包括算法芯片、CMOS（光電信號轉換）、Lens（微透鏡陣列）、濾光片以及產品封裝。其中算法芯片為核心部分。
現階段，算法芯片市場由匯頂與新思國際暫時瓜分。匯頂科技曾在2017年MWC大會上展示過屏下指紋識別技術，新思國際則推出了全球首款屏下指紋傳感器Clear ID FS9500。此外如FPC、三星等也有相關產品處于試驗階段。根據中信建投的預估數據，2019年市場有望為算法芯片方案廠商帶來近4億美元的收入。
Lens主要關注的境外廠商有大立光、玉晶光以及關東辰美。其中大立光是光學鏡片行業的傳統巨頭，關東辰美則是蘋果產業鏈的重要供應商。CMOS方面，主要關注索尼、三星、海力士等國際廠商，國內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指紋方案的獨家供應商，預計在未來很長一段時間內仍將占據較大的市場份額。中信建投表示，預計2019年全球市場屏下指紋設備出貨量有望達到1億部，按照每套模組10美元計算，市場規模將接近10億美元。假設歐菲科技的市場份額為50%，將帶來約5億美元的營收。
超聲波指紋識別方案分為算法芯片、傳感器以及封裝三個部分。算法芯片方面目前只有高通實現了商用。包括Sonovation、InvenSense以及FPC等廠商尚在探索相應的解決方案。
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、臺積電、意法半導體等境外企業生產。
封裝方面，高通選擇的合作伙伴為臺灣GIS與歐菲科技。
屏下指紋識別方案的不斷成熟有望加速其普及，使滲透率快速提升。IHSMarkit預測，到2020年使用屏下指紋傳感器的智能手機出貨量將較2019年實現翻倍至2億臺，市場空間規模超20億美元，并有望在未來三年保持高速增長。
屏下指紋終端應用
目前上市的屏下指紋手機均采用光學指紋識別方案。其中以vivo最為激進，包括vivo X20Plus UD、vivo X21、vivo NEX等均配備了光學指紋識別。而包括小米8、華為Mate RS、魅族16th等一系列國產旗艦均選擇跟進光學指紋識別。目前還有消息表示，下一代華為Mate系列旗艦也將配備光學指紋識別。
按照行業規律，旗艦機的技術最終將下放到中低端產品上。借著今明兩年的屏下指紋熱潮，其普及速度必將加快。
盡管大部分國產旗艦選擇支持屏下指紋，但這并不意味它們放棄了3D結構光技術。目前來看，OPPO與小米已經推出了搭載3D結構光技術的量產產品（OPPO Find X與小米8透明探索版）。同時，OPPO和vivo在各自的技術溝通會上也表示即將量產搭載TOF攝像頭的智能機產品。
搭載超聲波屏下指紋識別技術的智能機產品曾短暫出現過，但由于識別速度不理想等問題最終沒能被更多廠商接納。而今高通發布了新一代超聲波指紋識別技術。據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微米鋁材質外殼，識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。而從三星Galaxy Note9發布會泄露的圖片來看，三星下一代旗艦產品將搭載屏下指紋技術。目前有消息稱三星更傾向于超聲波指紋識別。倘若如此，以三星與高通在安卓陣營的影響力，勢必將帶動超聲波指紋識別技術市場出現爆發式增長。
3D結構光技術原理
目前來看，3D攝像可以分為3D結構光解決方案與TOF解決方案兩類。
3D結構光技術由于被蘋果采用，成為當下最受關注的生物識別方案。以iPhone X為例，點陣投影儀投射出多達30000個光點到被測物體上，紅外鏡頭通過讀取點陣圖案，捕捉紅外圖像，經過處理便能獲得一張“結構圖”。結合前置鏡頭記錄的人臉圖像，兩者相結合，便能得出一張精準的3D人臉數據圖。
TOF技術即飛行時間技術，是利用傳感器測量光線時間，機型距離的一種測量方案。通過連續不斷的發射“面光源”投射到物體，傳感器接收返回光計算發射光到接收光的時間差來判斷距離，以此獲得物體的3D結構圖。
結構光發射的是散斑光，TOF發射的是均勻面光，因此TOF技術的光信息不會像結構光技術的光信息一樣出現大量衰減，理論上只要提高發射功率，TOF技術就能保證足夠的應用距離。
兩者對比，結構光方案的功耗更小，技術更成熟，更適用于靜態場景。TOF方案在遠距離下噪聲較低，同時具有更高的FPS，更適用于動態場景。目前主流發展方向是3D結構光方案用于前置解鎖支付等安全情景，TOF方案用于智能機后置攝影，以期在AR、VR等領域發揮更好的作用。但不能排除TOF方案全面取代3D結構光方案的可能。
3D結構光技術行業現狀
據Trend Force預測，未來幾年3D傳感市場規模將呈現幾何式增長，到2020年市場規模可達到108.9億美元，到2023年市場空間有望達到180億美元。其中在智能機市場的滲透率將不斷提升，從2017年的2.1%提升到2020年的28.6%。
中信建投預測隨著國產旗艦紛紛引入3D結構光解決方案，2019年市場規模有望達到40億美元，滲透率在25%左右。
目前全球的結構光供應鏈已經較為完善。整體技術方案有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（衍射光學元件）的加工上獨具特點，目前在識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、意法半導體、德州儀器、英飛凌等少數幾家芯片巨頭提供。
國內廠商方面，丘鈦科技日前發布公告表示已經取得3D結構光模組方面的重大突破，并已經正式開始量產和銷售。據悉，OPPO Find X的3D結構光模組就是來自丘鈦科技，首批模組出貨量達到100萬。而OPPO Find X的結構光整體技術方案來自奧比中光。
小米8透明探索版的結構光整體解決方案來自Mantis Vision，3D結構光模組則由歐菲科技提供。另據消息人士透露，華為已于今年3月就完成了3D攝像頭相關設計，其將同舜宇光學合作。
聯創電子表示其3D結構光模組已經進入中國前4家手機品牌中的2家。此外由中國長電科技在韓國投資的子公司JSCK于今年同蘋果展開合作，開發后置三鏡頭模組中的3D Sensing模組。
TOF技術方面，vivo選擇同松下合作。據業內人士介紹，vivo的3D攝像頭模組將由舜宇光學和歐菲科技一同供應。
3D結構光技術終端應用
目前以量產搭載3D結構光技術的智能機產品并不多，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將繼續采用3D結構光技術，并且有望實現全iPhone系列普及。這一點從蘋果VCSEL(垂直腔面發射激光器，用于提供FaceID和Animoji)主要供應商Lumentum Holdings第二季度財報中就能看出，其AR和3D感應業務有大幅攀升。其中3D感應業務出現特別強勁的增長，預計這種增長勢頭將持續至今年年底。
隨著新款iPhone的發布，必將再度帶動市場對于3D結構光技術的研究。而隨著蘋果與谷歌相繼發布新一代AR SDK，3D結構光技術同AR的碰撞將產生怎樣的化學反應也值得期待。
TOF技術也將飛速發展。據悉即將發布的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產品。事實上，蘋果對于TOF技術也有興趣。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。
智能機生物識別技術發展展望
如果僅以追求極致屏占比的角度看，無疑屏下指紋識別技術比3D結構光技術更有優勢。然而，智能機想要發展AR，想要真正實現智能，則無法離開3D結構光技術。
可以假設，未來屏下指紋與3D結構光仍將是共存的狀態。兩者各有優劣。屏下指紋在識別精度上仍有不足，識別速度上也有欠缺，3D結構光則對佩戴口罩等場景無能為力。從識別的角度看，共存或許是最佳的解決方案。
就發展方向來看，目前屏下指紋技術更加成熟，成本也更低。未來主要的研發方向在于實現全屏幕識別。隨手一按便可解鎖，也可以解決潛在的燒屏問題。目前，韓國CrucialTec已經獲得了DFS（顯示屏指紋解決方案）相關的美國專利。其支持屏幕內任意位置解鎖，甚至能兼容三星全視曲面屏這類柔性OLED面板。此外，DFS也不限于光學方案，還支持傳統的電容方案。
3D結構光技術的發展除性能加強（識別更精準、快速等）外，一個重要的發展方向是實現屏下隱藏。目前受限于技術水平實現完全隱藏還有很長的路要走，但這并不意味著現階段毫無技術突破。早先微博上有業內人士透露索尼已經開發出屏下攝像頭解決方案，并且三星已經生產出符合要求的OLED面板。或許不久后我們就能見到相關產品問世。
總結
3D結構光技術與屏下指紋技術之爭很難做出勝者預測，兩者各有優劣。屏下指紋技術更加成熟，即使脫離智能機這一載體依舊有發展空間。3D結構光技術作為“新生技術”，業界的研究會更多。此外，對于3D結構光技術的研究也有利于AR技術的發展。而想要真正賦予智能機智能，3D結構光技術更是不可缺席。
01月07日 18:14
