2017年蘋果發佈採用OLED螢幕和3D結構光的iPhone X,以3D人臉辨識Face ID徹底取代了Touch ID電容式指紋辨識解鎖,從此拉開了螢幕佔比越來越大的戰爭。多年來一直以蘋果為風向標的中國國產手機廠商這下傻眼了,3D結構光技術難度高不說,即便能夠克服技術壁壘,這麼高的成本Android手機也難以承受。

既然不能再像以前那樣跟著領頭羊走,那就得自主創新了。能否在螢幕上直接進行指紋解鎖呢?這是幾大主流廠商和指紋辨識供應商一直在琢磨的問題。在指紋辨識領域的「中國芯」代表匯頂科技和上海思立微率先推出屏下光學指紋辨識方案,並於2018年在華為、vivo、OPPO和小米的高階OLED螢幕機型上綻放光芒。不用跟著蘋果的屁股走,「中國芯」讓中國手機廠商在全球市場上更加昂首挺胸,以更高的性價比贏得更多客戶青睞。

為了追求更高的螢幕佔比,屏下指紋解鎖成為Android手機的首選,而目前屏下指紋有光學和超聲波兩種技術方案,其中屏下光學指紋辨識技術已經成熟,將成為主流方案。屏下指紋成為引領Android手機潮流的新標準,自然也帶動了屏下指紋模組的爆發。據市場分析資料預測,未來4年屏下指紋模組出貨量將保持77%年複合成長率(CAGR),到2022年將超過3億片。然而這樣的樂觀預測是基於OLED螢幕供貨充足和價格持續下降的前提,因為目前屏下指紋只適用於OLED螢幕。

目前產業主流的屏下指紋方案都是與OLED面板配套的光學屏下指紋方案,其主要原理是將可見光攝影鏡頭透過特定的制程與顯示面板結合,利用OLED面板的透光性,將指紋用「拍照」的方式獲取。而LCD顯示幕由於背光的存在,無法透光,市場上一直沒有廠商推出支持LCD面板的屏下指紋,因此,業界分析人士認為屏下指紋本來就與LCD面板無緣,LCD手機只能繼續採用傳統的電容式指紋方案了。

螢幕佔比隨著全屏手機的推出越來越受到消費者關注,根據國金證券的統計,目前新推出的OLED 手機中,螢幕佔比超過90% 的機型滲透率已逾65%。反觀LCD手機,屏佔比超過90%的機型滲透率還不到30%。LCD手機如果只能採用電容式指紋辨識方案,螢幕佔比就難以提高,只能面臨快速被OLED螢幕手機替代的命運。

然而,在2018年全球14.6億部手機銷售中,千元上下的中低階機型仍佔絕地主流。若按照手機螢幕類型劃分,LCD手機佔據85%的絕對份額,OLED及其他螢幕的手機僅佔15%。

據專注於背光源和觸控螢幕的寶明科技總經理李晗稱,隨著OLED技術逐漸成熟,產能會逐漸提升,中階機型也將開始使用OLED螢幕,其出貨量和佔比也會逐年增加。與此同時,中國主流面板廠仍在擴產投資LCD,比如BOE 10.5代線和華星11代線。此外,從面板供應商的角度看,LCD產線一般是10年的折舊。中國上一代的LCD產線基本上接近折舊期末,這意味著LCD螢幕的價格還可以進一步下降,這是利潤本來就微薄的Android手機廠商不得不考慮的因素。

未來幾年,LCD面板無論是產能還是銷量仍然會遠超OLED面板。因此,過去2年來指紋晶片廠商針對LCD不透光這一問題一直在尋求突破,期望採用LCD螢幕的流行爆款也能有屏下指紋這一賣點。從結構上對比,OLED是自發光的,而LCD需要背光模組,背光是由多層光學膜和導光板及支撐框架構成,LCD顯示模組實現光學屏下指紋最大的難點就是光線難以穿透背光多層結構成像。此外,LCD光線利用率也比較低,一般不超過10%。這些難題讓開發LCD屏下指紋方案成了「Mission Impossible」,但是有一家初創公司竟然開發出來了,而且今年就可以投入量產。

20190429NT61P1 LCD背光模組的工作原理。

4月24日,阜時科技正式對外發佈其LCD屏下指紋方案。這一歷時兩年開發出來的屏下指紋辨識技術包括:主動式高穿透發射光源、寬域波長光接收技術、LCD屏背光膜材組合,以及自主研發的神經網路影像重構演算法。阜時科技累計申請了160多項LCD屏下指紋專利,目前正在與華為榮耀和小米等手機大廠抓緊測試模組方案,預計今年下半年即可投入量產,配備LCD屏下指紋解鎖功能的主流手機即可上市。

據阜時科技總經理莫良華稱,經過之前好幾個失敗的方案,研發團隊並沒有氣餒,而是堅持大膽探索,小心求證,最終才有今日的成果。在2019年春節前後,第一個可以清晰看到指紋影像的LCD面板+屏下指紋方案終於出現在阜時科技的實驗室中。在對應 LCD 屏下指紋採集的局限環境下,阜時科技採用了演算法輔助的做法。透過採用最新的深度學習神經網路演算法最佳化,實現了LCD屏下指紋的快速辨識,目前得知其指紋辨識率可媲美傳統電容式指紋,並且演算法還在不斷進化中。

「在LCD屏下指紋開發上,堅持不懈是至關重要的,只有熬下去才能抓住最後的成功,」 阜時科技研發負責人林峰在發佈會上感慨道。理論上需要嚴謹的推理和論證,這本身就需要強有力的專家型人才來實現。實踐上需要不斷打磨完善,考驗工程技術團隊的攻堅能力和忍耐力。基於過去在指紋、顯示技術等方面的累積,阜時科技的研發團隊經歷了至少三次大的方案路線調整,才進入不斷收穫驚喜的發展期。

在研究3D人臉辨識方案時,研發團隊總結了大量經驗,被成功吸收到屏下指紋的研發中來,使得產品研發在經過一段時間的沉默期之後,迎來了一個又一個技術突破的機會,並成功轉化成可以預見的技術成果。透過對LCD背光板的不斷改造與嘗試,對指紋光路方案的不斷調整與改進,成功解決了顯示效果、指紋成像效果等瓶頸問題。

產品研發過程中的協作也很重要,阜時科技與背光供應商寶明經過一年的合作研發攻堅,成功實現了紅外光從背光背側透過背光和LCD,照亮指紋,再將指紋影像以近乎準直方向反向穿透LCD和背光到達感測器,從而實現指紋辨識和解鎖功能。

隨著華米歐維等中國手機品牌的崛起,以及蘋果和三星加速將手機顯示幕採購轉移到中國顯示面板廠商,中國已經成為全球最大的顯示幕生成和消費國,而LCD產業仍是國際重點扶持的產業。

LCD相比OLED顯示在成本和產能上有較大優勢,隨著LCD屏下指紋技術實現突破和量產,LCD在全螢幕和高色域方面逐步接近OLED,未來數年LCD仍將佔據手機顯示幕的主導地位,包括背光和屏下指紋模組在內的部件需求也將持續增長。一旦阜時科技證明LCD屏下指紋的技術可行性和商業潛力,像匯頂和思立微等競爭對手也會跟進,屏下光學指紋與超聲波指紋、結構光和ToF等解鎖技術將在智慧型手機終端上展開新一輪的較量。

本文為姊妹刊EE Time China原創文章