细分领域的专利代理-浅谈光电显示指纹识别技术

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作者：刘锋 超凡知识产权服务股份有限公司

原标题：细分领域的专利代理-浅谈光电显示指纹识别技术

对细分领域的钻研是提高专利代理师专业性和技术能力的重要手段，深耕细分领域也是专利代理机构提升行业竞争力的必要战略。在各细分领域中，光电显示技术以其技术含量高、市场广阔等特点，成为热门细分领域。光电显示技术的产品例如各种显示屏，广泛应用于手机、平板电脑等电子终端设备，具有广泛的用户群体。光电显示技术的分支较多，其中指纹识别技术近年来逐渐成为非常热门的技术。本文搜集整理了指纹识别相关背景技术材料和典型结构专利案例，主要介绍指纹识别技术、应用于手机的指纹识别以及光学屏下指纹识别技术的典型专利案例，旨在为专利代理从业人员提供光电显示应用的指纹识别技术的背景技术知识，为专利代理师提供指纹识别技术的技术储备，并通过典型案例的解析，希望能够对专利代理师带去一定的参考意义。

关键词：光电显示、指纹识别、屏下指纹识别、电子终端设备

一、指纹识别技术的介绍

1.1 指纹识别技术的原理和过程

指纹识别是指通过比较不同指纹的细节特征点来进行鉴别的生物识别技术，可用于身份鉴定。指纹由于其具有终身不变性、唯一性和方便性，已几乎成为生物特征识别的代名词。指纹是指人的手指末端正面皮肤上凸凹不平产生的纹线。纹线有规律的排列形成不同的纹型。纹线的起点、终点、结合点和分叉点，称为指纹的细节特征点（minutiae）。 指纹识别即指通过比较不同指纹的细节特征点来进行鉴别，因此如何正确提取特征和实现正确匹配，是指纹识别技术的关键。

图1.1 指纹识别过程

参见图1.1，指纹识别技术主要经过以下4个步骤：

1.指纹图像的获取：指纹图像的获取是指纹识别技术的基础，也是非常重要的一环，获取的指纹图像的准确性，直接影响后续步骤以及指纹识别是否成功。指纹图像的获取技术主要有4种类型：光学扫描设备（例如微型三棱镜矩阵）、温差感应式指纹传感器、半导体指纹传感器、超声波指纹扫描。

2.指纹图像的预处理：为了得到比较准确的指纹特征点，指纹图像预处理一般要经过图像增强(滤波去掉噪声)、计算方向图，二值化和细化等过程。

3.指纹特征的提取：细节点特征的提取，就是在指纹图像中找到脊线终点和脊线分叉两个特征。

4.指纹特征匹配：包括点模式匹配、脊模式匹配、基于图像的匹配和基于图形的匹配等。

1.2 指纹识别技术的类型

指纹识别技术主要分为4个类型：光学识别技术、温差感应式识别技术、电容式指纹识别、超声波技术。

1.2.1光学识别技术

参见图1.2，光学识别技术的原理：主要是利用光的折射和反射原理，将手指放在光学镜片上，内置光源（LED）发出的光穿过光学镜片，照射到手指上，手指表面指纹凹凸不平的线纹上折射的角度及反射回去的光线明暗就会不一样，因此由手指上折回的光反向穿过光学玻璃并射向三棱镜，经三棱镜射出的光，再经凸透镜射出，最终光线投射在电荷耦合器件上CMOS或者CCD上，进而形成脊线（指纹图像中具有一定宽度和走向的纹线）呈黑色、谷线（纹线之间的凹陷部分）呈白色的数字化的、可被指纹设备算法处理的多灰度指纹图像。然后对比资料库看是否一致。关于光学识别技术，下文中另有具体介绍。

图1.2

光学的指纹采集技术的优点：它已经过较长时间的应用考验，一定程度上适应温度的变异，可达到500DPI的较高分辨率等，最主要是价格低廉。

光学的指纹采集技术的缺点：由于要求足够长的光程，因此要求足够大的尺寸，而且过分干燥和过分油腻的手指也将使光学指纹产品的效果变坏。

1.2.2温差感应式识别技术

参见图1.3，温差感应式识别技术原理：基于温度感应的原理而制成的，每个像素都相当于一个微型化的电荷传感器，用来感应手指与芯片映像区域之间某点的温度差，产生一个代表图像信息的电信号。根据指纹波峰与波谷而产生的温差不同，形成指纹影像，再通过与电子设备内部的指纹库进行匹配，从而完成指纹识别。

图1.3

温差感应式指纹识别技术的优点：可在0.1s内获取指纹图像，而且传感器体积和面积最小，即通常所说的滑动式指纹识别仪就是采用该技术。

温差感应式指纹识别技术的缺点：受制于温度局限，时间一长，手指和芯片就处于相同的温度了。热敏传感器也曾经被开发过，但是热敏传感器受外界温度、两次按压时间间隔影像太大，无法达到消费级电子的要求。因此这种指纹识别方式也逐渐匿迹。

1.2.3电容式指纹识别

参见图1.4，电容式指纹识别的原理：电容式指纹模块是利用指纹sensor与导电的皮下电解液形成电场，指纹的高低起伏会导致二者之间的压差出现不同的变化，借此可实现准确的指纹测定。

图1.4

电容式指纹采集技术的优点：图像质量较好、一般无畸变、尺寸较小、易集成于各种设备。其发出的电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层，达到手指皮肤的活体层（真皮层），直接读取指纹图案，从而大大提高了系统的安全性。

电容式指纹采集技术的缺点：会受静电干扰（可通过安装时接地解决）。

1.2.4超声波指纹识别技术

超声波指纹识别技术原理：超声波指纹采集是一种新型技术，其原理是利用超声波具有穿透材料的能力，且随材料的不同产生大小不同的回波（超声波到达不同材质表面时，被吸收、穿透与反射的程度不同）。因此，利用皮肤与空气对于声波阻抗的差异，就可以区分指纹嵴与峪所在的位置。

超声波指纹识别技术的优点：超声波技术所使用的超声波频率为1×104Hz-1×109Hz，能量被控制在对人体无损的程度（与医学诊断的强度相同）。

超声波指纹识别技术的缺点：超声波技术产品能够达到最好的精度，它对手指和平面的清洁程度要求较低，但其采集时间会明显地长于前述两类产品，而且价格昂贵，也并不能做到活体指纹识别，所以目前使用稀少。

二、应用于手机的指纹识别技术

2.1 手机指纹识别技术的发展

手机是人们日常生活中最常使用的电子设备，指纹识别在手机上的应用也经历了快速的发展。在功能机时代，指纹识别技术已经出现在手机上了。1998年西门子研发出世界上首款搭载指纹的手机，指纹位于背部。但是，这款手机并未量产。

参见图2.1，在智能机时代，第一款指纹手机是摩托罗拉于2011年4月推出的MB860。MB860将指纹和电源键结合在了一起，算是最早将两者结合的手机了，指纹识别放在手机后面靠近顶部位置，可以用来解锁手机，但当时仅仅是指纹识别功能的启蒙阶段，没有好软件的配合，指纹识别功能显得十分不顺手。但是该机的出现意义重大，它是智能手机向指纹识别功能迈出的第一步。

图2.1

参见图2.2，2013 年苹果发布 Touch ID ，应用于iPhone5。这是首款正面按压式指纹识别手机，相较之前的滑动式指纹体验上出色的太多。在这之后，手机指纹识别发展进入新纪元。指纹识别的手机在2015年呈现爆发趋势，差不多是之前十年的总和。

图2.2

参见图2.3，各手机品牌均涌现出大量具有指纹识别功能的手机。指纹识别模块的设置位置也多种多样。例如，之前提到的位于机身顶部的Moto MB860，位于机身正面的iPhone 5s（集成于Home键），还有位于机身左侧的荣耀7i和位于机身右侧的索尼Xperia Z5（集成于电源键）。

图2.3

2014年起，陆续有厂商提出了隐藏式指纹识别技术。与传统电容式指纹识别相比，隐藏式指纹识别具有“更加美观、更大屏显、防水防尘”等优势。

图2.4

参见图2.4，在2014年9月汇顶科技就提出隐藏式指纹识别方案（是世界上第一个提出该方案的厂商），IFS指纹识别与触控一体化技术（Invisible Fingerprint Sensor）将指纹识别模块隐藏在触控面板之下。随后在2015年7月挪威IDEX生物是被技术公司推出了玻璃指纹技术，可以将指纹识别芯片置入玻璃之中。2016年2月的时候FPC也成功的将指纹识别传感器和面板玻璃结合到了一起。在随后的5月LG子公司Innotek向外界展示其融合了指纹功能的玻璃面板。

2.2 屏下指纹识别

2.2.1屏下指纹识别简介

随着显示技术的不断发展，无边框全屏化的显示面板成为一种可能趋势，而如何在全屏上集成指纹识别技术成为一项新的挑战。屏下指纹识别对于全面屏的发展起助力作用，第一款真正量产的屏下指纹手机是来自vivo，到现在为止，各大厂商都推出了自家的屏下指纹手机。

以苹果为代表的部分厂商选择了3D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。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“隐藏”，避免刘海屏的出现。

屏下指纹识别，按照技术原理与实现方法又可以细分为三种，光学式、超声波式（参见图2.5）、电容式（参见图2.6）。三种屏下指纹识别各有不同，现阶段发展状况也各有差异。其中，光学式屏下指纹识别技术应用最为广泛，因此本文着重介绍光学式屏下指纹识别技术。

图2.5

图2.6

2.2.2几种光学指纹识别的常规技术

1.三棱镜型：

参见图2.7，该识别方式通过增强指纹谷线和脊线的对比度，以识别指纹；但由于该种识别方式中需要设置包括三棱镜、光源、透镜系统、CCD/CMOS图像传感器等诸多结构，导致指纹采集设备体积较大，难以应用于手机、平板电脑等电子终端设备。

图2.7

2.片状棱镜型：

参见图2.8，该识别方式通过使用片状棱镜(即棱镜片)替换棱镜，虽然能够在一定程度上减少设备的体积，使其能够适用于手机、平板电脑等小型电子设备，但是，该识别方式要求光源光线具有一定方向，也无法应用于电子设备的显示屏下指纹识别。

图2.8

3.矩阵小孔型：

参见图2.9，该识别方式通过将矩阵小孔图像传感器设置于显示屏幕下方，利用小孔成像的原理实现指纹采集，但是该识别方式需要非常高PPI(pixels per inch，分辨率)的传感器，且只能用于局部屏下指纹识别，难以实现全屏指纹识别。

图2.9

2.2.3光学式屏下指纹识别的原理

图2.10

参见图2.10，光学式屏下指纹识别的技术原理为，由于OLED屏幕像素间天生具有一定的间隔，能够保证光线透过。当用户手指按压屏幕时，OLED屏幕发出光线将手指区域照亮，照亮指纹的反射光线透过屏幕像素的间隙返回到紧贴于屏下的传感器上。最终形成的图像通过与数据库中已存的图像进行对比分析，进行识别判断。

OLED是主动发光，理论上说可以精确控制到每一个子像素点，所以OLED材质的屏幕是更理想的发射光光源，此外，OLED显示模组更薄，也可以减轻由于放置屏下指纹传感器带来的整体机身变厚的问题。

三、光学屏下指纹识别的典型案例

3.1案例一（CN201880004449.1）

技术问题：当显示屏受到强烈的环境光照射时，若环境光透过显示屏照射到指纹模组，经指纹模组反射后的光线透过显示屏射出，则人眼可观察到指纹模组位置与其他位置的差异，降低了终端的美观度，给用户带来较差的体验。

图3.1

图3.2

技术方案：屏下指纹识别终端的结构如图3.1和3.2所示。

其中，四分之一波片421具有以下特性：若以线偏振光入射到四分之一波片，且振动方向与四分之一波片光轴夹角为45°，则从四分之一波片出射的光为圆偏振光；反之，圆偏振光通过四分之一波片后变为线偏振光。

工作过程：经过显示屏41后的光线81(即第一入射光线)通常为圆偏振光或者是椭圆偏振光，若圆偏振光或椭圆偏振光直接入射到线偏振片上，则仅有少量光线能够通过。而在该实施例中，在显示屏41和线偏振片420之间增加了相位补偿片422，如图8所示，相位补偿片422能够对光线81进行相位补偿，使得从相位补偿片422出射的光线82（即第一出射光线）为线偏振光，且光线82的振动方向为线偏振片420允许通过的振动方向。光线82经过线偏振片420后的光线83仍为线偏振光，且振动方向不变。光线83经过四分之一波片421后的光线84变为圆偏振光，圆偏振光经指纹模组表面反射的光线85（即第一反射光线）仍为圆偏振光。光线85经过四分之一波片421后的光线86变为线偏振光，但线偏振光86是经过两次四分之一波片421得到的，故而此时得到的线偏光86与线偏振光83相比，振动方向旋转了90°，而振动方向旋转了90°的线偏光86则无法再透过线偏振片420。

关于案例一的小结：该案例的屏下指纹识别终端为指纹模组相关光学元件的层叠设置结构。此类屏下指纹识别终端的专利申请撰写时需要注意，各个模组之间的层叠排布关系，四分之一波片和偏振片对于系统的作用及技术效果，光路的详细说明以及技术效果的详细推导过程。

3.2案例二（CN201880004449.1）

技术问题：目前的终端设备都是在手机上单独设置一个用于识别指纹的硬件模块，显然出于方便考虑，该硬件模块一般位于屏幕显示区的外侧，这样一来不仅占用显示区的空间，还使屏幕的整个机械强度下降。

图3.3

（图中标号：衬底基板1；光学感应元件2；不透光图形3；用户手指4；黑矩阵31）

图3.4

技术方案：参见图3.3，非显示区上设置有光学感应元件2，以及位于该光学感应元件2与衬底基板1之间的不透光图形3。光学感应元件2能够将接收到的光信号转换为电信号，而不透光图形3在衬底基板1上的正投影完全覆盖光学感应元件2在衬底基板1上的正投影，从而避免来自下方的背光源照射到光学感应元件。

参见图3.4，阵列基板的非显示区的结构包括：衬底基板21；形成在衬底基板上的栅极22和公共电极走线23；覆盖栅极22和公共电极走线23的第一绝缘层24；形成在第一绝缘层24上的源极25、漏极26；形成漏极26上方，且与该漏极26接触的PN结27，该PN结即本发明的光学感应元件；覆盖源极25、漏极26的第二绝缘层28；形成在第二绝缘层28上的公共电极29，该公共电极29通过第二绝缘层28的过孔分别与PN结27以及公共电极走线23连接。在显示阶段，公共电极走线23为公共电极29加载公共信号，当PN结27接受到用户手指反射回来的光线后，能够生成对应电信号，由于公共电极29与漏极26形成压差，使得PN结27的电信号通过漏极26经源极25从数据线传输至芯片上，该芯片可以根据电信号进一步再确定出用户指纹。

关于案例二的小结：该案例涉及阵列基板的结构，需要代理师熟悉阵列基板的相关背景技术。该类案件属于基于指纹识别技术的光电显示结构案件。在撰写上注意写清楚阵列基板的结构与指纹识别光学元件的位置关系，写清楚基于该阵列基板结构的指纹识别的光路和原理。

3.3案例三（CN201811275268.0）

技术问题：如何实现全屏指纹识别。

图3.5

（图中附图标记：01-显示面板；10-指纹识别组件；11-点光源；12-感光单元；20-衬底基板；21-触控电极层；22-盖板玻璃；23-像素单元；）

技术方案（结构）：参见图3.5，阵列排布的多个点光源11可形成点光源阵列。由于指纹脊线是直接接触到显示面板的触控面(例如为盖板玻璃)上的，而指纹谷线由于相对于指纹脊线凹陷，即指纹谷线不与触控面相接触，在指纹谷线界面处有空气层。因此，在脊的位置光会由玻璃进入皮肤发生散射，在谷的位置光会由玻璃进入到空气，当点光源发出的光线角度达到或超过光线在玻璃和空气的界面处的全反射角时，所有到达指纹谷线界面的光线将100％发生反射。即，点光源辐射的光线从指纹谷线界面反射回传感器的光线范围是介于全反射角与大于该全反射角的角度之间。这样，可以根据指纹谷、脊界面的光强不同来实现指纹识别。

图3.6

技术方案（控制时序）：参见图3.6，当进行指纹识别操作时，驱动多个像素单元23在第一显示周期T1中的第一时间段t1内进行显示画面刷新、驱动指纹识别组件10在该第一显示周期T1中的第二时间段t2内进行指纹识别操作；其中，第一显示周期T1包括一个第一时间段t1和一个第二时间段t2，且一个第二时间段t2位于相邻的两个第一时间段t1之间；该第一显示周期T1，为在进行指纹识别操作时，显示一帧画面时多个像素单元23开始刷新至显示下一帧画面时多个像素单元23开始刷新之间的间隔时间。

关于案例三的小结：该案例为技术较为综合的案例，涉及屏下指纹识别技术的结构、控制时序、电路以及控制方式，技术上较为全面。撰写上也可以给代理师提供值得参考的地方。例如关于结构的撰写，注意显示面板本身结构的描述，多个实施例之前的区别与技术效果，段落之间的起承转合等。

结语：

本文主要是对光电显示细分领域的指纹识别技术分支的相关背景技术进行搜集和整理，以帮助专利代理师熟悉指纹识别技术的发展脉络和技术原理，并通过对近来热门的屏下指纹识别技术进行检索，搜集屏下指纹识别相关典型案例，涉及不同类型的屏下指纹识别结构，一方面为专利代理师熟悉相关技术提供素材，另一方面为专利代理师撰写屏下指纹识别相关技术的专利申请提供具有指导意义的案例。希望能够对立志于深耕光电显示细分领域的专利代理师们有所裨益。

来源：IPRdaily中文网（iprdaily.cn）

作者：刘锋 超凡知识产权服务股份有限公司

编辑：IPRdaily王颖          校对：IPRdaily纵横君

注：原文链接：今晚8:00直播！专家指导企业走出海内外专利纠纷与诉讼之困（点击标题查看原文）

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