指紋識別新的投資機會：光學、超聲波

1.1巨頭指紋策略：iPhone8取消指紋，三星選擇後置

今年迎來蘋果十周年，3D成像、OLED全面屏、無線充電、雙電芯、不銹鋼中框+玻璃後蓋等創新基本都被市場挖掘，唯有指紋識別方案，是用光學指紋、後置電容、與電源鍵結合還是取消，一直反反復復、懸而未決。我們判斷今年蘋果iPhone8大概率沒有指紋識別，而是用虹膜識別、人臉識別代替。

另一巨頭三星的策略則較為折中，由於量產困難暫時放棄計劃使用的光學指紋方案，在兩款旗艦機型S8和Note8上全部採用後置指紋，同時提供虹膜識別和人臉識別。

1.2 為什麼今年指紋識別方案一直懸而未決？

1.2.1 蘋果新機採用全面屏，正面電容指紋需要重新設計

我們在全面屏深度報告中指出，全面屏將螢幕比例從16:9 提升到 18:9，在不改變整機尺寸情況下明顯增加主機尺寸（從主流的 5.2/5.5 寸增加到5.7/6寸以上），屏占比躍升帶來驚艷的視覺體驗。全面屏的超高屏占比、極佳用戶體驗是手機ID設計的巨大創新，將引領未來2-3年手機ID設計潮流。根據產業鏈的調研情況，今年下半年各品牌的旗艦機型基本都會以全面屏的形式出現，即使千元機也有不少全面屏出貨。

對於採用全面屏設計的品牌來說，下邊框需要做到9mm以內，蘋果甚至打算做進5mm以內，那麼占用過多下邊框的正面指紋識別模塊就必須重新設計。主流的電容指紋位置有正面和背面兩種，也有少數在側面：蘋果、新思、匯頂以正面為主，FPC主要是後置。目前高端品牌基本都採用正面電容方案，改回後置十分影響用戶體驗。另外，正面指紋對整機美觀和防水也有影響，正面電容方案需要重新設計。

1.2.2 虹膜、人臉識別興起，短期仍難以完全替代指紋

三星在虹膜、人臉識別領域走得更早一些。去年8月，三星首次在自己的旗艦機型Note7上搭載了虹膜識別，引起巨大轟動；今年3月，三星S8上延續了虹膜識別的使用，並加入人臉識別功能。而今年蘋果新機虹膜識別和3D成像的使用，有望掀起虹膜、人臉識別熱潮。

指紋識別主要用來解鎖手機、快捷支付、快速登錄軟件等，而這些虹膜識別和人臉識別都能做到，特別是虹膜識別準確率、安全性更佳，那為什麼短期指紋識別難以被替代呢？

最主要的原因是指紋識別的速度快和使用方便、體驗佳。三種生物識別技術中，指紋識別速度最快。同時，指紋識別，只需手指與識別區域接觸就能完成解鎖、支付，非常方便；虹膜識別首先要喚醒螢幕，其次虹膜錄影頭有34°的視場角，接收的虹膜信息需要在視場角範圍內，限制了虹膜識別使用的便捷性；人臉識別和虹膜識別類似，雖然視場角更寬，但喚醒和使用位置限制依舊存在，而且化妝、戴口罩之後識別不方便。

我們認為短期各生物識別技術將會共存，基於各自的優劣在不同領域發揮作用。指紋識別憑借其識別速度快、體驗佳繼續在手機解鎖、快速登錄軟件發揮優勢；虹膜識別由於安全性極高非常適合金融支付；3D成像除了人臉識別外，還有AR交互、AI機器視覺等更多功能。真正取代需要在虹膜識別、人臉識別的識別速度和使用便捷程度都改善之後才能發生。

2 蘋果今年雖未使用，但指紋識別仍將是智能機常見配置

今年蘋果的iPhone8雖然取消了指紋識別，但我們認為指紋識別仍將是智能機常見配置。蘋果今年新機配置人臉識別、虹膜識別在年初就基本確定，隨後在指紋領域的嘗試卻一直進行：測試高通、新思屏下指紋方案、申請屏內指紋識別專利、申請Touch ID與電源鍵集成專利、測試後置指紋等等。供應鏈的諸多測試消息從側面反映了蘋果還是非常看好指紋識別的。

其實，蘋果今年取消計劃的光學指紋最主要的原因是OLED面板透光率達不到屏下方案要求（也有識別精度PPI不夠、顯示+指紋模組整體厚度過大、螢幕亮度一致性不佳問題），蘋果也嘗試在OLED面板上下各加一層可透光薄膜的方案來解決，但量產還是比較困難。我們預計明年面板透光率不足問題有望解決，在明年下半年新機iPhone9（猜測名）量產，並成為其賣點。

一向比較激進的三星則可能推進的更快一些，原計劃在S8上就採用光學指紋，也由於螢幕透光率不足、識別精度PPI不夠、顯示+指紋模組整體厚度過大、螢幕亮度一致性不佳等問題導致量產困難而擱置。

根據供應鏈消息，經過不斷優化，導致量產困難的問題正在逐漸解決。比如剛性OLED基板和封裝材料都是玻璃，柔性OLED基膜（PI、PET等）和封裝材料都是薄膜，和玻璃相比，PI/PET膜的透光率稍微差一些，明年三星會將光學指紋模組與剛性OLED配合使用提升透光率；同時採用高精度圖像傳感器接收信號，提升識別精度；整體模組厚度和螢幕亮度一致性問題也都有積極的應對策略。

我們認為雖然今年iPhone8暫時取消指紋識別，但指紋識別仍將是智能機常見配置。目前虹膜識別、人臉識別等生物識別技術的識別速度和使用體驗與指紋識別尚有差距，隨著光學、超聲波指紋方案逐漸成熟，將成為電容指紋向其他識別方式發展的過渡方案，特別是光學方案由於成熟度較高明年下半年大概率先行規模化量產。

3 光學、超聲波UD逐漸成熟成為高端之選，中低端將重回後置

毫無疑問，電容指紋識別一統天下的局面即將被打破，這幾年雖然是以電容式指紋識別方案為主，但光學和超聲波方案也都在進行積極的儲備，技術已經走向成熟，而正面電容方案與全面屏設計、外觀和防水需求的矛盾正日益激化，光學和超聲波方案由於能夠和螢幕融合，完美解決正面電容的三大痛點，有望在蘋果、三星等高端品牌率先滲透，引領新一輪指紋識別潮流。中低端品牌則更關注成本，將重回後置指紋識別方案。

3.1 光學方案

3.1.1 光學指紋歷史悠久、原理清晰

雖然現在以電容式指紋識別為主，其實光學指紋識別出現的最早，被稱為第一代指紋識別技術。早期光學式設計架構很簡單，靠著光源、三棱鏡、感光組件就能記錄指紋。主要利用光的折射和反射原理，將手指放在光學鏡片上，在內置光源照射下，光從底部射向三棱鏡，並經棱鏡射出，射出的光線在手指表面指紋凹凸不平的線紋上折射的角度及反射回去的光線明暗就會不一樣。用棱鏡將其投射在電荷耦合器件（CMOS/CCD）上，進而形成脊線（指紋圖像中具有一定寬度和走向的紋線）呈黑色、谷線（紋線之間的凹陷部分）呈白色的多灰度指紋圖像，然後對比資料庫看是否一致。

光學指紋識別主要應用於考勤機、門禁等方面，一直沒能應用於智能機，主要是因為光學指紋識別系統只能夠掃描手指皮膚的表面，不能深入真皮層，手指表面的乾淨程度直接影響到識別的效果，而且指紋手模也可能通過識別系統，安全性堪憂。另外，光學傳感器中存在棱鏡，體積較大，一般為半導體的幾倍甚至10倍大小，所以限制了其在小型設備上的應用。

3.1.2 Under Display方案較為成熟，OLED屏UD方案有望先行

經過多年發展，光學指紋識別已經逐漸可以滿足智能機的識別精度、安全性和小型化要求，最為關鍵的是，光信號可以穿透厚玻璃、螢幕，即光學指紋識別能和螢幕融為一體，這一點是信號衰減較強的電容方案無法做到的。

根據指紋識別晶片所處位置，光學方案主要分為Under Display和In Display兩種。Under Display是將指紋識別晶片、發光二極管置於螢幕下方，In Display是將指紋識別晶片、發光二極管集成到螢幕的像素矩陣中。

Under Display是將指紋模組貼於螢幕下方，目前只能搭配OLED屏而不適用於LCD屏，因為：1）由於LCD屏需要背光模組，背光模組中導光板的存在，使得光線無法穿透LCD屏；2）LCD模組（最小0.5mm）要比OLED屏（最小0.15mm）厚很多，為了在屏下貼合指紋模組而不加重螢幕厚度負擔，OLED更合適一些，而且螢幕越薄穿透越容易，功耗越小；3）OLED的RGB像素點之間的縫隙可以通過一些工藝使得光線穿過去，再做運行相關算法去識別指紋。當然，In Display方案也是和OLED屏更搭配。

在光學指紋技術方面，新思、匯頂、蘋果、OXI、Cucial Tec和印象認知布局較為領先，新思和匯頂科技近期已經有較為成熟的方案的設計方案公布。

今年3月新思發布Natural ID FS4600指紋傳感器系列，可以將指紋模塊集成到螢幕下，產品可以支持方形、圓形、橢圓形和細長矩形指紋模組。

同樣在3月，國內指紋晶片龍頭匯頂科技在西班牙MWC上首次展示了基於OLED屏的Under Display方案，用三星的S7與vivo Xplay6改裝，也就是說，匯頂的光學指紋不需要特殊的螢幕定制，使用標準的螢幕就可以。

匯頂的光學指紋識別系統由OLED屏、CMOS傳感器和lens組成，在OLED螢幕背部的遮光層局部開口，OLED屏發出的光線在手指表面反射，借用的是OLED屏的光路，通過lens對光線過濾，準直後被光學指紋傳感器收集，CMOS上的pixel單元將收集到的光信號轉換成電信號。其中，透鏡使用microlens，設計要求較高，從而滿足光學指紋識別小型化的設計要求。匯頂科技自己也有介紹，此次推出的光學指紋傳感器體積小，功耗低以及採用標準應用接口的優勢，容易適應移動設備不同的設計需求並滿足客戶大規模量產的需求，具有非常廣闊的市場應用前景。

另外，匯頂科技的光學指紋Under Display方案同樣擁有活體檢測。在沒有開啟「防止假指紋」功能時，真假指紋都可以解鎖；而在開啟「防止假指紋」功能時，只有真實人體的手指觸摸才能解鎖，而假指紋無法解鎖，有效保障了光學指紋識別的安全性問題。

近期指紋識別龍頭新思、匯頂科技相繼推出光學指紋識別方案，在小型化、識別精度、安全性方面較傳統光學指紋識別都有很大突破。我們認為，光學指紋識別技術逐步成熟，疊加其可與螢幕融合，做到全面屏設計、外觀美化、防水升級的天然優勢，目前正處於爆發前夜，基於OLED的Under Display方案由於技術難度較低有望率先量產。

3.1.3 蘋果In Display專利居多，深度布局光學指紋識別

那麼In Display的難點在哪里呢？In Display將指紋模塊置於螢幕內，晶片、光源集成到螢幕的像素矩陣中，需將Sensor和Display的生產制程結合在一起，制成一體化產品。這就需要和面板廠商一起共同開發，即需要產業鏈的配合，比如之前In cell觸控IC的開發，研發、生產難度都較大。而Under Display目前在硬件方面的難度在於 Sensor需要高信噪比、紅外光對於使用場景的限制和結構堆疊等；軟件方面的難度在於需要算法輔助還原分析圖像，這些都可以在目前的技術領域突破或升級來做到。

蘋果發布的光學指紋識別專利主要是採用的In Display方案。2015年11月，蘋果申請了基於OLED螢幕的內置指紋識別器專利，在OLED的RGB子像素之間集成近紅外發射器和檢測器，該方法與獨立的顯示和檢測器層的設計相比，要薄很多，同時Home鍵也沒有存在的必要了。

今年2月，蘋果再次申請了一項屏內指紋識別專利：配備紅外二極管的交互式螢幕面板，不需要專門的Touch ID傳感器。這次屏內指紋識別技術是基於MicroLED，這種螢幕技術與目前大多數智慧型手機和平板電腦上使用的螢幕不同，並且被認為是繼OLED後的下一代顯示面板技術。專利最初來自於 LuxVue，2014年被蘋果收購，LuxVue 主要開發低功耗MicroLED螢幕。

專利使用較小的紅外光發射器和傳感器代替較大的電容傳感器，發射器和傳感器位於RGB LED顯示基板旁邊或安裝在基板上的微晶片上，即In Display

方案。這些「交互式像素」結構可以進行校準，並執行環境光感測、距離檢測以及特別複雜的觸摸檢測等功能。如果這些像素集中在某一區域，則構成區域指紋識別，虛擬Home按鈕可以位於其中；或者，這些像素在整個螢幕分布足夠數量，則可以在螢幕任何部分進行指紋識別。

雖然蘋果在光學In Display方案上進行了深入布局，但我們認為短時間內並不會得到推廣：InDisplay方案將傳感器集成到像素中難度較大，並且需要更改OLED面板設計，而目前OLED面板資源基本掌握在最大的競爭對手三星手中，更改難度非常大。

3.1.4 OXI為LCD屏提供更大空間

不管是UD方案還是ID方案，似乎都需要OLED螢幕配合，那是否就意味著LCD屏就沒有做到光學指紋的機會了呢？

目前上海蘿箕（OXI）正致力於研發基於LCD屏的光學指紋，推出的OXI的薄膜光學指紋技術（T.O.T）的疊層結構為4層，從上到下分別是蓋板玻璃、傳感器、背光和PCBA或者軟板。指紋識別位於顯示區域，LED背光源發出的光線被導光板均勻化，穿過傳感器到達指紋，反射後反射光在傳感器上形成圖像。

去年年底新思也投資了OXI，並達成獨家合作協議。我們認為如果OXI基於LCD的光學指紋能解決透光率、分辨率燈問題，未來也存在發展空間。

3.2 超聲波方案

超聲波指紋是通過超聲波飛行時間測距原理把指紋的形態構建出一個3D圖形，構圖依賴指紋皺褶凸起（皮膚）和凹陷（空氣）之間不同的密度來形成圖像結果。