細分領(lǐng)域的專利代理-淺談光電顯示指紋識別技術(shù)

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作者：劉鋒 超凡知識產(chǎn)權(quán)服務(wù)股份有限公司

原標題：細分領(lǐng)域的專利代理-淺談光電顯示指紋識別技術(shù)

對細分領(lǐng)域的鉆研是提高專利代理師專業(yè)性和技術(shù)能力的重要手段，深耕細分領(lǐng)域也是專利代理機構(gòu)提升行業(yè)競爭力的必要戰(zhàn)略。在各細分領(lǐng)域中，光電顯示技術(shù)以其技術(shù)含量高、市場廣闊等特點，成為熱門細分領(lǐng)域。光電顯示技術(shù)的產(chǎn)品例如各種顯示屏，廣泛應(yīng)用于手機、平板電腦等電子終端設(shè)備，具有廣泛的用戶群體。光電顯示技術(shù)的分支較多，其中指紋識別技術(shù)近年來逐漸成為非常熱門的技術(shù)。本文搜集整理了指紋識別相關(guān)背景技術(shù)材料和典型結(jié)構(gòu)專利案例，主要介紹指紋識別技術(shù)、應(yīng)用于手機的指紋識別以及光學屏下指紋識別技術(shù)的典型專利案例，旨在為專利代理從業(yè)人員提供光電顯示應(yīng)用的指紋識別技術(shù)的背景技術(shù)知識，為專利代理師提供指紋識別技術(shù)的技術(shù)儲備，并通過典型案例的解析，希望能夠?qū)＠韼煄ヒ欢ǖ膮⒖家饬x。

關(guān)鍵詞：光電顯示、指紋識別、屏下指紋識別、電子終端設(shè)備

一、指紋識別技術(shù)的介紹

1.1 指紋識別技術(shù)的原理和過程

指紋識別是指通過比較不同指紋的細節(jié)特征點來進行鑒別的生物識別技術(shù)，可用于身份鑒定。指紋由于其具有終身不變性、唯一性和方便性，已幾乎成為生物特征識別的代名詞。指紋是指人的手指末端正面皮膚上凸凹不平產(chǎn)生的紋線。紋線有規(guī)律的排列形成不同的紋型。紋線的起點、終點、結(jié)合點和分叉點，稱為指紋的細節(jié)特征點（minutiae）。 指紋識別即指通過比較不同指紋的細節(jié)特征點來進行鑒別，因此如何正確提取特征和實現(xiàn)正確匹配，是指紋識別技術(shù)的關(guān)鍵。

圖1.1 指紋識別過程

參見圖1.1，指紋識別技術(shù)主要經(jīng)過以下4個步驟：

1.指紋圖像的獲?。褐讣y圖像的獲取是指紋識別技術(shù)的基礎(chǔ)，也是非常重要的一環(huán)，獲取的指紋圖像的準確性，直接影響后續(xù)步驟以及指紋識別是否成功。指紋圖像的獲取技術(shù)主要有4種類型：光學掃描設(shè)備（例如微型三棱鏡矩陣）、溫差感應(yīng)式指紋傳感器、半導體指紋傳感器、超聲波指紋掃描。

2.指紋圖像的預處理：為了得到比較準確的指紋特征點，指紋圖像預處理一般要經(jīng)過圖像增強(濾波去掉噪聲)、計算方向圖，二值化和細化等過程。

3.指紋特征的提?。杭毠?jié)點特征的提取，就是在指紋圖像中找到脊線終點和脊線分叉兩個特征。

4.指紋特征匹配：包括點模式匹配、脊模式匹配、基于圖像的匹配和基于圖形的匹配等。

1.2 指紋識別技術(shù)的類型

指紋識別技術(shù)主要分為4個類型：光學識別技術(shù)、溫差感應(yīng)式識別技術(shù)、電容式指紋識別、超聲波技術(shù)。

1.2.1光學識別技術(shù)

參見圖1.2，光學識別技術(shù)的原理：主要是利用光的折射和反射原理，將手指放在光學鏡片上，內(nèi)置光源（LED）發(fā)出的光穿過光學鏡片，照射到手指上，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，因此由手指上折回的光反向穿過光學玻璃并射向三棱鏡，經(jīng)三棱鏡射出的光，再經(jīng)凸透鏡射出，最終光線投射在電荷耦合器件上CMOS或者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）呈白色的數(shù)字化的、可被指紋設(shè)備算法處理的多灰度指紋圖像。然后對比資料庫看是否一致。關(guān)于光學識別技術(shù)，下文中另有具體介紹。

圖1.2

光學的指紋采集技術(shù)的優(yōu)點：它已經(jīng)過較長時間的應(yīng)用考驗，一定程度上適應(yīng)溫度的變異，可達到500DPI的較高分辨率等，最主要是價格低廉。

光學的指紋采集技術(shù)的缺點：由于要求足夠長的光程，因此要求足夠大的尺寸，而且過分干燥和過分油膩的手指也將使光學指紋產(chǎn)品的效果變壞。

1.2.2溫差感應(yīng)式識別技術(shù)

參見圖1.3，溫差感應(yīng)式識別技術(shù)原理：基于溫度感應(yīng)的原理而制成的，每個像素都相當于一個微型化的電荷傳感器，用來感應(yīng)手指與芯片映像區(qū)域之間某點的溫度差，產(chǎn)生一個代表圖像信息的電信號。根據(jù)指紋波峰與波谷而產(chǎn)生的溫差不同，形成指紋影像，再通過與電子設(shè)備內(nèi)部的指紋庫進行匹配，從而完成指紋識別。

圖1.3

溫差感應(yīng)式指紋識別技術(shù)的優(yōu)點：可在0.1s內(nèi)獲取指紋圖像，而且傳感器體積和面積最小，即通常所說的滑動式指紋識別儀就是采用該技術(shù)。

溫差感應(yīng)式指紋識別技術(shù)的缺點：受制于溫度局限，時間一長，手指和芯片就處于相同的溫度了。熱敏傳感器也曾經(jīng)被開發(fā)過，但是熱敏傳感器受外界溫度、兩次按壓時間間隔影像太大，無法達到消費級電子的要求。因此這種指紋識別方式也逐漸匿跡。

1.2.3電容式指紋識別

參見圖1.4，電容式指紋識別的原理：電容式指紋模塊是利用指紋sensor與導電的皮下電解液形成電場，指紋的高低起伏會導致二者之間的壓差出現(xiàn)不同的變化，借此可實現(xiàn)準確的指紋測定。

圖1.4

電容式指紋采集技術(shù)的優(yōu)點：圖像質(zhì)量較好、一般無畸變、尺寸較小、易集成于各種設(shè)備。其發(fā)出的電子信號將穿過手指的表面和死性皮膚層，達到手指皮膚的活體層（真皮層），直接讀取指紋圖案，從而大大提高了系統(tǒng)的安全性。

電容式指紋采集技術(shù)的缺點：會受靜電干擾（可通過安裝時接地解決）。

1.2.4超聲波指紋識別技術(shù)

超聲波指紋識別技術(shù)原理：超聲波指紋采集是一種新型技術(shù)，其原理是利用超聲波具有穿透材料的能力，且隨材料的不同產(chǎn)生大小不同的回波（超聲波到達不同材質(zhì)表面時，被吸收、穿透與反射的程度不同）。因此，利用皮膚與空氣對于聲波阻抗的差異，就可以區(qū)分指紋嵴與峪所在的位置。

超聲波指紋識別技術(shù)的優(yōu)點：超聲波技術(shù)所使用的超聲波頻率為1×104Hz-1×109Hz，能量被控制在對人體無損的程度（與醫(yī)學診斷的強度相同）。

超聲波指紋識別技術(shù)的缺點：超聲波技術(shù)產(chǎn)品能夠達到最好的精度，它對手指和平面的清潔程度要求較低，但其采集時間會明顯地長于前述兩類產(chǎn)品，而且價格昂貴，也并不能做到活體指紋識別，所以目前使用稀少。

二、應(yīng)用于手機的指紋識別技術(shù)

2.1 手機指紋識別技術(shù)的發(fā)展

手機是人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｊ褂玫碾娮釉O(shè)備，指紋識別在手機上的應(yīng)用也經(jīng)歷了快速的發(fā)展。在功能機時代，指紋識別技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)在手機上了。1998年西門子研發(fā)出世界上首款搭載指紋的手機，指紋位于背部。但是，這款手機并未量產(chǎn)。

參見圖2.1，在智能機時代，第一款指紋手機是摩托羅拉于2011年4月推出的MB860。MB860將指紋和電源鍵結(jié)合在了一起，算是最早將兩者結(jié)合的手機了，指紋識別放在手機后面靠近頂部位置，可以用來解鎖手機，但當時僅僅是指紋識別功能的啟蒙階段，沒有好軟件的配合，指紋識別功能顯得十分不順手。但是該機的出現(xiàn)意義重大，它是智能手機向指紋識別功能邁出的第一步。

圖2.1

參見圖2.2，2013 年蘋果發(fā)布 Touch ID ，應(yīng)用于iPhone5。這是首款正面按壓式指紋識別手機，相較之前的滑動式指紋體驗上出色的太多。在這之后，手機指紋識別發(fā)展進入新紀元。指紋識別的手機在2015年呈現(xiàn)爆發(fā)趨勢，差不多是之前十年的總和。

圖2.2

參見圖2.3，各手機品牌均涌現(xiàn)出大量具有指紋識別功能的手機。指紋識別模塊的設(shè)置位置也多種多樣。例如，之前提到的位于機身頂部的Moto MB860，位于機身正面的iPhone 5s（集成于Home鍵），還有位于機身左側(cè)的榮耀7i和位于機身右側(cè)的索尼Xperia Z5（集成于電源鍵）。

圖2.3

2014年起，陸續(xù)有廠商提出了隱藏式指紋識別技術(shù)。與傳統(tǒng)電容式指紋識別相比，隱藏式指紋識別具有“更加美觀、更大屏顯、防水防塵”等優(yōu)勢。

圖2.4

參見圖2.4，在2014年9月匯頂科技就提出隱藏式指紋識別方案（是世界上第一個提出該方案的廠商），IFS指紋識別與觸控一體化技術(shù)（Invisible Fingerprint Sensor）將指紋識別模塊隱藏在觸控面板之下。隨后在2015年7月挪威IDEX生物是被技術(shù)公司推出了玻璃指紋技術(shù)，可以將指紋識別芯片置入玻璃之中。2016年2月的時候FPC也成功的將指紋識別傳感器和面板玻璃結(jié)合到了一起。在隨后的5月LG子公司Innotek向外界展示其融合了指紋功能的玻璃面板。

2.2 屏下指紋識別

2.2.1屏下指紋識別簡介

隨著顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，無邊框全屏化的顯示面板成為一種可能趨勢，而如何在全屏上集成指紋識別技術(shù)成為一項新的挑戰(zhàn)。屏下指紋識別對于全面屏的發(fā)展起助力作用，第一款真正量產(chǎn)的屏下指紋手機是來自vivo，到現(xiàn)在為止，各大廠商都推出了自家的屏下指紋手機。

以蘋果為代表的部分廠商選擇了3D識別技術(shù)，通過結(jié)構(gòu)光構(gòu)建人臉模型進行識別。但此類技術(shù)不可避免涉及到劉海屏問題。以vivo等為代表的廠商選擇了另一條路線，即屏下指紋解決方案。其優(yōu)點在于能夠“隱藏”，避免劉海屏的出現(xiàn)。

屏下指紋識別，按照技術(shù)原理與實現(xiàn)方法又可以細分為三種，光學式、超聲波式（參見圖2.5）、電容式（參見圖2.6）。三種屏下指紋識別各有不同，現(xiàn)階段發(fā)展狀況也各有差異。其中，光學式屏下指紋識別技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，因此本文著重介紹光學式屏下指紋識別技術(shù)。

圖2.5

圖2.6

2.2.2幾種光學指紋識別的常規(guī)技術(shù)

1.三棱鏡型：

參見圖2.7，該識別方式通過增強指紋谷線和脊線的對比度，以識別指紋；但由于該種識別方式中需要設(shè)置包括三棱鏡、光源、透鏡系統(tǒng)、CCD/CMOS圖像傳感器等諸多結(jié)構(gòu)，導致指紋采集設(shè)備體積較大，難以應(yīng)用于手機、平板電腦等電子終端設(shè)備。

圖2.7

2.片狀棱鏡型：

參見圖2.8，該識別方式通過使用片狀棱鏡(即棱鏡片)替換棱鏡，雖然能夠在一定程度上減少設(shè)備的體積，使其能夠適用于手機、平板電腦等小型電子設(shè)備，但是，該識別方式要求光源光線具有一定方向，也無法應(yīng)用于電子設(shè)備的顯示屏下指紋識別。

圖2.8

3.矩陣小孔型：

參見圖2.9，該識別方式通過將矩陣小孔圖像傳感器設(shè)置于顯示屏幕下方，利用小孔成像的原理實現(xiàn)指紋采集，但是該識別方式需要非常高PPI(pixels per inch，分辨率)的傳感器，且只能用于局部屏下指紋識別，難以實現(xiàn)全屏指紋識別。

圖2.9

2.2.3光學式屏下指紋識別的原理

圖2.10

參見圖2.10，光學式屏下指紋識別的技術(shù)原理為，由于OLED屏幕像素間天生具有一定的間隔，能夠保證光線透過。當用戶手指按壓屏幕時，OLED屏幕發(fā)出光線將手指區(qū)域照亮，照亮指紋的反射光線透過屏幕像素的間隙返回到緊貼于屏下的傳感器上。最終形成的圖像通過與數(shù)據(jù)庫中已存的圖像進行對比分析，進行識別判斷。

OLED是主動發(fā)光，理論上說可以精確控制到每一個子像素點，所以O(shè)LED材質(zhì)的屏幕是更理想的發(fā)射光光源，此外，OLED顯示模組更薄，也可以減輕由于放置屏下指紋傳感器帶來的整體機身變厚的問題。

三、光學屏下指紋識別的典型案例

3.1案例一（CN201880004449.1）

技術(shù)問題：當顯示屏受到強烈的環(huán)境光照射時，若環(huán)境光透過顯示屏照射到指紋模組，經(jīng)指紋模組反射后的光線透過顯示屏射出，則人眼可觀察到指紋模組位置與其他位置的差異，降低了終端的美觀度，給用戶帶來較差的體驗。

圖3.1

圖3.2

技術(shù)方案：屏下指紋識別終端的結(jié)構(gòu)如圖3.1和3.2所示。

其中，四分之一波片421具有以下特性：若以線偏振光入射到四分之一波片，且振動方向與四分之一波片光軸夾角為45°，則從四分之一波片出射的光為圓偏振光；反之，圓偏振光通過四分之一波片后變?yōu)榫€偏振光。

工作過程：經(jīng)過顯示屏41后的光線81(即第一入射光線)通常為圓偏振光或者是橢圓偏振光，若圓偏振光或橢圓偏振光直接入射到線偏振片上，則僅有少量光線能夠通過。而在該實施例中，在顯示屏41和線偏振片420之間增加了相位補償片422，如圖8所示，相位補償片422能夠?qū)饩€81進行相位補償，使得從相位補償片422出射的光線82（即第一出射光線）為線偏振光，且光線82的振動方向為線偏振片420允許通過的振動方向。光線82經(jīng)過線偏振片420后的光線83仍為線偏振光，且振動方向不變。光線83經(jīng)過四分之一波片421后的光線84變?yōu)閳A偏振光，圓偏振光經(jīng)指紋模組表面反射的光線85（即第一反射光線）仍為圓偏振光。光線85經(jīng)過四分之一波片421后的光線86變?yōu)榫€偏振光，但線偏振光86是經(jīng)過兩次四分之一波片421得到的，故而此時得到的線偏光86與線偏振光83相比，振動方向旋轉(zhuǎn)了90°，而振動方向旋轉(zhuǎn)了90°的線偏光86則無法再透過線偏振片420。

關(guān)于案例一的小結(jié)：該案例的屏下指紋識別終端為指紋模組相關(guān)光學元件的層疊設(shè)置結(jié)構(gòu)。此類屏下指紋識別終端的專利申請撰寫時需要注意，各個模組之間的層疊排布關(guān)系，四分之一波片和偏振片對于系統(tǒng)的作用及技術(shù)效果，光路的詳細說明以及技術(shù)效果的詳細推導過程。

3.2案例二（CN201880004449.1）

技術(shù)問題：目前的終端設(shè)備都是在手機上單獨設(shè)置一個用于識別指紋的硬件模塊，顯然出于方便考慮，該硬件模塊一般位于屏幕顯示區(qū)的外側(cè)，這樣一來不僅占用顯示區(qū)的空間，還使屏幕的整個機械強度下降。

圖3.3

（圖中標號：襯底基板1；光學感應(yīng)元件2；不透光圖形3；用戶手指4；黑矩陣31）

圖3.4

技術(shù)方案：參見圖3.3，非顯示區(qū)上設(shè)置有光學感應(yīng)元件2，以及位于該光學感應(yīng)元件2與襯底基板1之間的不透光圖形3。光學感應(yīng)元件2能夠?qū)⒔邮盏降墓庑盘栟D(zhuǎn)換為電信號，而不透光圖形3在襯底基板1上的正投影完全覆蓋光學感應(yīng)元件2在襯底基板1上的正投影，從而避免來自下方的背光源照射到光學感應(yīng)元件。

參見圖3.4，陣列基板的非顯示區(qū)的結(jié)構(gòu)包括：襯底基板21；形成在襯底基板上的柵極22和公共電極走線23；覆蓋柵極22和公共電極走線23的第一絕緣層24；形成在第一絕緣層24上的源極25、漏極26；形成漏極26上方，且與該漏極26接觸的PN結(jié)27，該PN結(jié)即本發(fā)明的光學感應(yīng)元件；覆蓋源極25、漏極26的第二絕緣層28；形成在第二絕緣層28上的公共電極29，該公共電極29通過第二絕緣層28的過孔分別與PN結(jié)27以及公共電極走線23連接。在顯示階段，公共電極走線23為公共電極29加載公共信號，當PN結(jié)27接受到用戶手指反射回來的光線后，能夠生成對應(yīng)電信號，由于公共電極29與漏極26形成壓差，使得PN結(jié)27的電信號通過漏極26經(jīng)源極25從數(shù)據(jù)線傳輸至芯片上，該芯片可以根據(jù)電信號進一步再確定出用戶指紋。

關(guān)于案例二的小結(jié)：該案例涉及陣列基板的結(jié)構(gòu)，需要代理師熟悉陣列基板的相關(guān)背景技術(shù)。該類案件屬于基于指紋識別技術(shù)的光電顯示結(jié)構(gòu)案件。在撰寫上注意寫清楚陣列基板的結(jié)構(gòu)與指紋識別光學元件的位置關(guān)系，寫清楚基于該陣列基板結(jié)構(gòu)的指紋識別的光路和原理。

3.3案例三（CN201811275268.0）

技術(shù)問題：如何實現(xiàn)全屏指紋識別。

圖3.5

（圖中附圖標記：01-顯示面板；10-指紋識別組件；11-點光源；12-感光單元；20-襯底基板；21-觸控電極層；22-蓋板玻璃；23-像素單元；）

技術(shù)方案（結(jié)構(gòu)）：參見圖3.5，陣列排布的多個點光源11可形成點光源陣列。由于指紋脊線是直接接觸到顯示面板的觸控面(例如為蓋板玻璃)上的，而指紋谷線由于相對于指紋脊線凹陷，即指紋谷線不與觸控面相接觸，在指紋谷線界面處有空氣層。因此，在脊的位置光會由玻璃進入皮膚發(fā)生散射，在谷的位置光會由玻璃進入到空氣，當點光源發(fā)出的光線角度達到或超過光線在玻璃和空氣的界面處的全反射角時，所有到達指紋谷線界面的光線將100％發(fā)生反射。即，點光源輻射的光線從指紋谷線界面反射回傳感器的光線范圍是介于全反射角與大于該全反射角的角度之間。這樣，可以根據(jù)指紋谷、脊界面的光強不同來實現(xiàn)指紋識別。

圖3.6

技術(shù)方案（控制時序）：參見圖3.6，當進行指紋識別操作時，驅(qū)動多個像素單元23在第一顯示周期T1中的第一時間段t1內(nèi)進行顯示畫面刷新、驅(qū)動指紋識別組件10在該第一顯示周期T1中的第二時間段t2內(nèi)進行指紋識別操作；其中，第一顯示周期T1包括一個第一時間段t1和一個第二時間段t2，且一個第二時間段t2位于相鄰的兩個第一時間段t1之間；該第一顯示周期T1，為在進行指紋識別操作時，顯示一幀畫面時多個像素單元23開始刷新至顯示下一幀畫面時多個像素單元23開始刷新之間的間隔時間。

關(guān)于案例三的小結(jié)：該案例為技術(shù)較為綜合的案例，涉及屏下指紋識別技術(shù)的結(jié)構(gòu)、控制時序、電路以及控制方式，技術(shù)上較為全面。撰寫上也可以給代理師提供值得參考的地方。例如關(guān)于結(jié)構(gòu)的撰寫，注意顯示面板本身結(jié)構(gòu)的描述，多個實施例之前的區(qū)別與技術(shù)效果，段落之間的起承轉(zhuǎn)合等。

結(jié)語：

本文主要是對光電顯示細分領(lǐng)域的指紋識別技術(shù)分支的相關(guān)背景技術(shù)進行搜集和整理，以幫助專利代理師熟悉指紋識別技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)和技術(shù)原理，并通過對近來熱門的屏下指紋識別技術(shù)進行檢索，搜集屏下指紋識別相關(guān)典型案例，涉及不同類型的屏下指紋識別結(jié)構(gòu)，一方面為專利代理師熟悉相關(guān)技術(shù)提供素材，另一方面為專利代理師撰寫屏下指紋識別相關(guān)技術(shù)的專利申請?zhí)峁┚哂兄笇б饬x的案例。希望能夠?qū)α⒅居谏罡怆婏@示細分領(lǐng)域的專利代理師們有所裨益。

來源：IPRdaily中文網(wǎng)（iprdaily.cn）

作者：劉鋒 超凡知識產(chǎn)權(quán)服務(wù)股份有限公司

編輯：IPRdaily王穎          校對：IPRdaily縱橫君

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