摘要：全面屏时代，3D结构光与屏下指纹之争愈演愈烈。然而两者在功能与应用场景中可以实现互补。未来3D结构光与屏下指纹或仍将完美共存。而随着OLED面板技术的不断发展，真全面屏产品或许将在几年内到来。
随着智能机行业进入全面屏时代，更高的屏占比成为了众厂商追逐的重点。然而，急速增长的屏占比使传统前置指纹识别的生存空间被逐渐压缩。而随着行业整体的发展后置指纹识别也注定将被淘汰。智能机上的生物识别技术迫切需要新的变革。
以iPhone X为代表的3D结构光技术与以vivo X21为代表的屏下指纹技术就此登上舞台。目前来看，两阵营各有拥簇。但更多的厂商仍在两阵营间徘徊不定，难以押注。
就现阶段而言，屏下指纹技术无疑更成熟，制造成本更低，更适合大面积推广。而3D结构光技术无疑更有前景，从生物识别到增强现实，3D结构光技术可以让智能机真正感知“环境”，赋予智能机智能。
屏下指纹技术原理
目前市面常见的指纹识别，多是电容式指纹识别。经过多年的发展，电容式指纹识别方案的技术最为成熟，制造成本最低。然而，电容式指纹识别穿透深度仅为0.3mm，穿透能力较弱，无法满足屏下识别的要求。
现阶段取代电容式指纹识别方案的是光学指纹识别方案与超声波指纹识别方案。
光学指纹识别方案依赖于OLED屏幕。由于OLED自发光的特性，理论上可以精确控制每一个像素点。OLED屏幕也足够薄，可以减轻放置屏下指纹传感器带来的机身变厚问题。
当下商用的光学指纹识别方案主要依据于折反原理。此外为提高识别精度，另加入小孔成像和透镜成像功能。简单来说，可以将其理解为“拍照”。通过点亮OLED屏幕充当光源，照亮指纹形成的折返光聚焦后通过OLED像素点的缝隙成像至CMOS上，经对比分析来验证身份。
超声波指纹识别方案依靠超声波构建手指指纹的3D图形。超声波传感器发出的脉冲可以感应指纹特有的孔和脊，形成3D深度数据。通过与已录入指纹信息对比进行身份判断。其优势在于穿透力更强，能降低污垢、油脂与汗水的干扰，水下也能正常工作。此外也支持活体检测。
屏下指纹行业现状
高通产品市场资深经理刘学微曾表示2022年销售的智能手机中将有53%包含有指纹传感器。台湾媒体Digitimes报道，到2018年底，屏下指纹传感器的出货量将达到4200万。而到了2019年，这一数据有望达到1亿。未来一段时间，不止高端旗舰，屏下指纹技术将逐渐下放到中低端产品。
光学指纹识别方案包括算法芯片、CMOS（光电信号转换）、Lens（微透镜阵列）、滤光片以及产品封装。其中算法芯片为核心部分。
现阶段，算法芯片市场由汇顶与新思国际暂时瓜分。汇顶科技曾在2017年MWC大会上展示过屏下指纹识别技术，新思国际则推出了全球首款屏下指纹传感器Clear ID FS9500。此外如FPC、三星等也有相关产品处于试验阶段。根据中信建投的预估数据，2019年市场有望为算法芯片方案厂商带来近4亿美元的收入。
Lens主要关注的境外厂商有大立光、玉晶光以及关东辰美。其中大立光是光学镜片行业的传统巨头，关东辰美则是苹果产业链的重要供应商。CMOS方面，主要关注索尼、三星、海力士等国际厂商，国内厂商则以格科微与豪威科技为主。
在封装方面，欧菲科技是目前安卓厂商屏下光学指纹方案的独家供应商，预计在未来很长一段时间内仍将占据较大的市场份额。中信建投表示，预计2019年全球市场屏下指纹设备出货量有望达到1亿部，按照每套模组10美元计算，市场规模将接近10亿美元。假设欧菲科技的市场份额为50%，将带来约5亿美元的营收。
超声波指纹识别方案分为算法芯片、传感器以及封装三个部分。算法芯片方面目前只有高通实现了商用。包括Sonovation、InvenSense以及FPC等厂商尚在探索相应的解决方案。
传感器的上游压电材料方面目前有两种选择，高通支持PVDF有机聚合物材料，Sonovation以及InvenSense使用压电陶瓷材料。传感器方面主要由InvenSense、台积电、意法半导体等境外企业生产。
封装方面，高通选择的合作伙伴为台湾GIS与欧菲科技。
屏下指纹识别方案的不断成熟有望加速其普及，使渗透率快速提升。IHSMarkit预测，到2020年使用屏下指纹传感器的智能手机出货量将较2019年实现翻倍至2亿台，市场空间规模超20亿美元，并有望在未来三年保持高速增长。
屏下指纹终端应用
目前上市的屏下指纹手机均采用光学指纹识别方案。其中以vivo最为激进，包括vivo X20Plus UD、vivo X21、vivo NEX等均配备了光学指纹识别。而包括小米8、华为Mate RS、魅族16th等一系列国产旗舰均选择跟进光学指纹识别。目前还有消息表示，下一代华为Mate系列旗舰也将配备光学指纹识别。
按照行业规律，旗舰机的技术最终将下放到中低端产品上。借着今明两年的屏下指纹热潮，其普及速度必将加快。
尽管大部分国产旗舰选择支持屏下指纹，但这并不意味它们放弃了3D结构光技术。目前来看，OPPO与小米已经推出了搭载3D结构光技术的量产产品（OPPO Find X与小米8透明探索版）。同时，OPPO和vivo在各自的技术沟通会上也表示即将量产搭载TOF摄像头的智能机产品。
搭载超声波屏下指纹识别技术的智能机产品曾短暂出现过，但由于识别速度不理想等问题最终没能被更多厂商接纳。而今高通发布了新一代超声波指纹识别技术。据悉面向显示屏的版本能够穿透1200微米的OLED显示屏，面向玻璃和金属的版本能够穿透800微米的玻璃面板与650微米铝材质外壳，识别速度与精度均得到大幅提高。
近期上市的荣耀10便搭载了这一技术。而从三星Galaxy Note9发布会泄露的图片来看，三星下一代旗舰产品将搭载屏下指纹技术。目前有消息称三星更倾向于超声波指纹识别。倘若如此，以三星与高通在安卓阵营的影响力，势必将带动超声波指纹识别技术市场出现爆发式增长。
3D结构光技术原理
目前来看，3D摄像可以分为3D结构光解决方案与TOF解决方案两类。
3D结构光技术由于被苹果采用，成为当下最受关注的生物识别方案。以iPhone X为例，点阵投影仪投射出多达30000个光点到被测物体上，红外镜头通过读取点阵图案，捕捉红外图像，经过处理便能获得一张“结构图”。结合前置镜头记录的人脸图像，两者相结合，便能得出一张精准的3D人脸数据图。
TOF技术即飞行时间技术，是利用传感器测量光线时间，机型距离的一种测量方案。通过连续不断的发射“面光源”投射到物体，传感器接收返回光计算发射光到接收光的时间差来判断距离，以此获得物体的3D结构图。
结构光发射的是散斑光，TOF发射的是均匀面光，因此TOF技术的光信息不会像结构光技术的光信息一样出现大量衰减，理论上只要提高发射功率，TOF技术就能保证足够的应用距离。
两者对比，结构光方案的功耗更小，技术更成熟，更适用于静态场景。TOF方案在远距离下噪声较低，同时具有更高的FPS，更适用于动态场景。目前主流发展方向是3D结构光方案用于前置解锁支付等安全情景，TOF方案用于智能机后置摄影，以期在AR、VR等领域发挥更好的作用。但不能排除TOF方案全面取代3D结构光方案的可能。
3D结构光技术行业现状
据Trend Force预测，未来几年3D传感市场规模将呈现几何式增长，到2020年市场规模可达到108.9亿美元，到2023年市场空间有望达到180亿美元。其中在智能机市场的渗透率将不断提升，从2017年的2.1%提升到2020年的28.6%。
中信建投预测随着国产旗舰纷纷引入3D结构光解决方案，2019年市场规模有望达到40亿美元，渗透率在25%左右。
目前全球的结构光供应链已经较为完善。整体技术方案有Primesense、奥比中光、英特尔、以色列Mantis Vision、图漾科技、奥比中光、华捷艾米等。其中Primesense是苹果的全资子公司，方案芯片专供于苹果。Mantis Vision的方案在DOE（衍射光学元件）的加工上独具特点，目前在识别精度方面则可以超过苹果的第一代DOE解决方案。
在3D图像处理芯片方面，由Primesense、意法半导体、德州仪器、英飞凌等少数几家芯片巨头提供。
国内厂商方面，丘钛科技日前发布公告表示已经取得3D结构光模组方面的重大突破，并已经正式开始量产和销售。据悉，OPPO Find X的3D结构光模组就是来自丘钛科技，首批模组出货量达到100万。而OPPO Find X的结构光整体技术方案来自奥比中光。
小米8透明探索版的结构光整体解决方案来自Mantis Vision，3D结构光模组则由欧菲科技提供。另据消息人士透露，华为已于今年3月就完成了3D摄像头相关设计，其将同舜宇光学合作。
联创电子表示其3D结构光模组已经进入中国前4家手机品牌中的2家。此外由中国长电科技在韩国投资的子公司JSCK于今年同苹果展开合作，开发后置三镜头模组中的3D Sensing模组。
TOF技术方面，vivo选择同松下合作。据业内人士介绍，vivo的3D摄像头模组将由舜宇光学和欧菲科技一同供应。
3D结构光技术终端应用
目前以量产搭载3D结构光技术的智能机产品并不多，主要有苹果iPhone X，OPPO的Find X以及小米8透明探索版。
目前可以确定的是2018年新iPhone将继续采用3D结构光技术，并且有望实现全iPhone系列普及。这一点从苹果VCSEL(垂直腔面发射激光器，用于提供FaceID和Animoji)主要供应商Lumentum Holdings第二季度财报中就能看出，其AR和3D感应业务有大幅攀升。其中3D感应业务出现特别强劲的增长，预计这种增长势头将持续至今年年底。
随着新款iPhone的发布，必将再度带动市场对于3D结构光技术的研究。而随着苹果与谷歌相继发布新一代AR SDK，3D结构光技术同AR的碰撞将产生怎样的化学反应也值得期待。
TOF技术也将飞速发展。据悉即将发布的OPPO R17 PRO与一加6T有望搭载后置TOF镜头，vivo先前也承诺将尽快带来相关产品。事实上，苹果对于TOF技术也有兴趣。知名分析师郭明錤表示，苹果有望在2019年iPhone中使用后置三镜头或者TOF技术。
智能机生物识别技术发展展望
如果仅以追求极致屏占比的角度看，无疑屏下指纹识别技术比3D结构光技术更有优势。然而，智能机想要发展AR，想要真正实现智能，则无法离开3D结构光技术。
可以假设，未来屏下指纹与3D结构光仍将是共存的状态。两者各有优劣。屏下指纹在识别精度上仍有不足，识别速度上也有欠缺，3D结构光则对佩戴口罩等场景无能为力。从识别的角度看，共存或许是最佳的解决方案。
就发展方向来看，目前屏下指纹技术更加成熟，成本也更低。未来主要的研发方向在于实现全屏幕识别。随手一按便可解锁，也可以解决潜在的烧屏问题。目前，韩国CrucialTec已经获得了DFS（显示屏指纹解决方案）相关的美国专利。其支持屏幕内任意位置解锁，甚至能兼容三星全视曲面屏这类柔性OLED面板。此外，DFS也不限于光学方案，还支持传统的电容方案。
3D结构光技术的发展除性能加强（识别更精准、快速等）外，一个重要的发展方向是实现屏下隐藏。目前受限于技术水平实现完全隐藏还有很长的路要走，但这并不意味着现阶段毫无技术突破。早先微博上有业内人士透露索尼已经开发出屏下摄像头解决方案，并且三星已经生产出符合要求的OLED面板。或许不久后我们就能见到相关产品问世。
总结
3D结构光技术与屏下指纹技术之争很难做出胜者预测，两者各有优劣。屏下指纹技术更加成熟，即使脱离智能机这一载体依旧有发展空间。3D结构光技术作为“新生技术”，业界的研究会更多。此外，对于3D结构光技术的研究也有利于AR技术的发展。而想要真正赋予智能机智能，3D结构光技术更是不可缺席。
集微网
2018-08-17 10:02
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