屏下指纹识别的爆发是全面屏大趋势下的必然,相比于人脸识别,屏下指纹拥有成熟度、用户习惯和价格等多重优势,未来二者有望维持长期并存的格局。屏下指纹技术的成本和识别率在 2018 年取得巨大进步,为 2019 年渗透率的高速提升奠定了基础。

展望未来, 屏下指纹识别作为 OLED 全面屏设计的“副产物”,未来的发展趋势将围绕 OLED 主线。随着大陆 OLED 产能的释放, OLED 向中端机型渗透的趋势将更加确立, 这为屏下指纹在中高端机型的渗透奠定了基础。

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一、 指纹识别的二次创新

指纹识别是生物识别中的一种技术路径,根据美国咨询与市场调研机构 Lucintel 的统计与预测数据,2017年全球指纹识别市场约为 13亿美元,占生物识别市场份额为 10.32%。预计 2022 年指纹识别市场将增长至 28 亿美元, 占当年生物识别市场份额为 8.62% 指纹识别未来将依然是生物识别领域的重要市场, 行业复合增速 16.59%,在智能终端保持创新的持续动力,屏下指纹的趋势正在引发行业发展的二次加速。

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2017-2022 年全球生物识别系统市场收入预测(十亿美元)

指纹识别技术最早发源于苹果在 2013 年推出的 iPhone 5S,当时随着智能手机用户粘性的迅猛提升, 便捷的解锁方式是用户的一大痛点。因此指纹识别的问世,将苹果创新力推向新的高峰。 然而, 2017 年苹果推出的十周年纪念机型 iPhone X 中, 却首次弃用Touch ID,改为 Face ID,主要原因在于苹果期望实现的全屏幕屏下指纹识别在当时的技术条件下不具备可行性。

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iPhone多年前使用Touch ID 解锁

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iPhone X 首次以 Face ID 代替 Touch ID

屏下指纹识别是全面屏时代的必然,提升屏占比成为 2018 年创新的两条核心主线之一。刘海屏、美人尖、水滴屏、挖孔屏等等设计是对前置摄像头空间的挤占,而 COF、 FOD等新技术则是对边框和 Home 键的压缩。

不同于苹果, 站在时代十字路口的安卓阵营对 FODFingerprint-on-display) 屏下指纹识别表现出极高的兴趣,特别是人脸识别推出后并未得到消费者的一致认可。随着技术的发展,不仅使 FOD 成为一条硬件创新的高速通道,且可以取得创新的领先。2018 年的 CES 大会上,vivo 率先发布屏下指纹识别的旗舰机, 开启了安卓阵营在屏下指纹识别的装备竞赛。

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电容式、 屏下光学、屏下超声波与热敏指纹识别技术原理

目前主流的 FOD 技术主要有光学式与超声波式:

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两种主流屏下指纹识别技术对比

光学指纹识别凭借更好的体验、成本优势以及相对更加成熟的供应链,取得了大部分的市场份额, 根据 TrendForce 预测, 2019 年光学式屏下指纹识别占比有望达到 82%。三星在年初发布的基于高通超声波方案旗舰机型将贡献剩下 18%份额中的主要部分。

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vivo X20 Plus 光学指纹识别

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三星 Galaxy S10/S10+使用超声波指纹识别

2018 年是屏下指纹识别爆发的一年,在 HOVM+魅族、一加等国产品牌显示出很高的搭载率,全年一共有近 20 款旗舰机使用屏下指纹识别。其中 vivo 一口气推出五代光电屏幕指纹技术,侧面反映了光学式识别技术成熟度的高速发展。

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2018 年主要品牌屏下指纹手机发布信息汇总

通过梳理最新 2019 年一季度屏下指纹识别的应用情况,不难看出当前屏下指纹还停留在高端旗舰的普及期, 超声波指纹识别首次出现在高出货量旗舰机型。

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2019 年一季度主要品牌屏下指纹手机发布信息汇总

从上一轮电容式指纹识别渗透的过程来看,当前时点的 FOD 指纹技术发展与电容式指纹识别在 2014 年的加速渗透非常相似。 根据 IHS 统计数据, 2018 年屏幕指纹模组出货量仅 3000 万颗左右, 2019 年有望突破至 2 亿颗。 TrendForce 预计 2019 FOD 指纹识别渗透率提升至 22.9%,相比 18 年上升近 20 个百分点, 预计 2022 FOD 指纹技术占有率将超越传统电容式。

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指纹识别手机出货量

二、 长期视角看屏下指纹识别

我们梳理了 vivo 六代屏幕指纹识别的升级过程,自 vivo X20 Plus UD2018.1.24 发布)搭载第一代光学指纹技术以来,识别准确性、解锁速度有了大幅提升,其中 vivo NEX2018.6.12 发布) 精度相比前作提升 50%, 准确率达到支付安全级别, 是屏幕指纹识别技术发展的重要里程碑。

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vivo 六代屏幕指纹技术的演变

Vivo 针对光线穿透过程中发生的折射和散射现象,在 NEX 三代光电指纹技术中增加了准直层,很好的解决了感光元件在低透过率发光显示屏下感光不足的瓶颈,从而实现了准确率和解锁速度的大幅提升。

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NEX 搭载第三代屏幕指纹技术增加准直层

目前 vivo 光学指纹识别解锁速度已经达到 0.29 秒以内, 传统电容式虽可以做到 0.2 秒以内,但对于用户而言体验差别并不大。 屏下指纹技术成熟度在 2018 年取得巨大进步,为 2019 年渗透率的高速提升奠定了基础。

屏下指纹识别与面部识别均是全面屏浪潮下的创新线索。 特别是指纹识别转入屏下后,对屏占比的提升不再有任何影响。正如电容式指纹识别未能替代密码解锁一样, 人脸识别的出现也不意味着指纹识别时代的落幕

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指纹识别、人脸识别与虹膜识别的对比

对比三种主流的生物识别技术,目前指纹识别依然是用户基数最大、用户习惯培养最好的识别方式。

2018 年到 2019 年, 光学式屏下指纹识别经历了一轮技术升级, 由准直光方案变为小孔成像方案, 最后变为摄像头模组方案,识别方案的改进使得模组价格显著下降。

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屏下光学式指纹识别位置

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初代光学指纹光线穿透 OLED 是通过准直孔

2018 年国产旗舰中, 汇顶与新思的光学式指纹识别是通过 OLED 屏幕微孔,以微透镜阵列搜集光线成像,并识别指纹图像是否符合。

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▲OLED 屏下光学指纹识别结构及原理

考虑到屏幕与玻璃盖板的厚度,光学式指纹技术在准直层的基础上,衍生出了小孔成像方案,将原先较厚的一块准直层拆分为两层薄的小孔板及中间的透光材料, 能够降低厚度与成本、增加透光量和识别率。

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准直层方案(左)与小孔成像方案(右)

为了降低屏下指纹的成本,以便未来增加识别覆盖区域, 摄像头方案应运而生。 通过安装屏下摄像头,以图像传感器识别手指反射的光线加以比对和识别。 屏下摄像头方案的优势在于:

1)大幅降低贴合成本。 由于无需将指纹模组与 OLED 屏幕贴合, 避免了贴合良率带来的损失(可能使得屏幕也同样报废)。屏下摄像头模组固定在中框上。

2) 成熟的模组。 屏下摄像头模组制造较主摄像头简单许多, 拥有成熟的摄像头供应链,因此成本更加低廉。

3)清晰的识别。 屏下摄像头方案只需提升像素即可获得更清晰的成像, 而不用因为准直孔径提升而被迫增加像素大小,降低清晰度。

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屏下指纹摄像头方案结构

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电容式指纹识别历史价格趋势(美元)

屏下摄像头方案的好处是显而易见的, 一代屏下指纹模组的成本通常在 15-17 美元(芯片 8-9 美元+模组 7-9 美元), 二代屏下摄像头方案模组成本通常在 8 美元左右(芯片 6美元+模组 2 美元)。 当前屏下指纹成本下降主来得益于技术路径的变化, 传统电容式指纹识别的价格下跌,则主要来自于行业竞争格局变化和 8 英寸芯片代工成本下降。

由于光学式指纹识别的原理是通过透光屏幕下方设置摄像头拍摄指纹图像,再以算法与储存的指纹信息进行比对。 目前主流显示技术中, TFT-LCD 由于是被动发光, TFT 层透光性较差, 因此屏下指纹传感器很难识别到指纹信息,而 OLED 面板具有透光性,因此当前的光学屏下指纹必须搭配 OLED 屏幕使用。

屏下指纹识别作为 OLED 全面屏设计的副产物, 未来的发展趋势将围绕OLED 主线。 随着大陆 OLED 产能的释放, OLED 向中端机型渗透的趋势将更加确立,这为屏下指纹在中高端机型的渗透奠定了基础。

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国内 OLED 产线情况

屏下指纹将由高端旗舰向中端智能手机下沉, 应用空间全面打开, 有望复制传统电容式指纹识别的发展路径, 创新成长性值得看好。

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全球中小尺寸 AMOLED 产能(百万平米)

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全球柔性和刚性 OLED 出货量占比预测

屏下指纹识别产业链比较简单, 主要包括芯片设计、芯片制造、芯片封装、模组、方案商和终端应用。 上游价值的重心在于识别芯片和算法, 下游则由模组厂组装为成品, 与传统电容式指纹识别相似。 指纹识别芯片的价格决定模组价值量。

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屏下指纹识别产业链

从屏下指纹模组的价格来看, 2018 年上半年与下半年差距较大,从 15-17 美元下降至8-9 美元。前文所述,主要的原因在于技术路径的变化带来的成本下降。 与电容式指纹识别因竞争格局恶化而导致的芯片价格快速下跌不同, 从 2018 年至 2019Q1, 屏下指纹识别芯片价格比较稳定。

在屏下光学指纹识别芯片领域, 已经形成国内企业为主导的竞争格局, 超声波屏下指纹识别则形成以高通为首, 国内企业加速追赶的局面。

智东西认为,随着技术的发展,以苹果为代表的部分厂商选择了3D人脸识别技术,通过结构光构建人脸模型进行识别。但此类技术不可避免涉及到刘海屏问题。但以vivo等为代表的厂商选择了另一条路线,即屏下指纹解决方案。其优点在于能够避免刘海屏的出现。不仅如此, 屏下指纹更拥有成熟度、用户习惯和价格等多重优势。随着屏下指纹技术的成本和识别率的进步,相信会出现屏下指纹和人脸识别平分天下的局面。
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