全面屏時代：生物識別新革命

隨著智能化時代的到來以及人們對于信息管理的安全性和便捷性需求的提升，生物識別應用日漸廣泛。而自 2013 年 iPhone5s 首次搭載指紋識別以後，帶有指紋識別功能的 Home 鍵模塊以其價格低廉、使用便捷、解鎖迅速等優異性能迅速占領市場。但是，2016 年起智能手機全面屏趨勢使得傳統的機身正面指紋識別方案面臨挑戰，同時也孕育了一場全新的生物識別革命。目前主流的替代方案主要有兩種——一種是以 iPhone X 爲代表的 3D 面部識別方案，而另一種是以 vivo X21 爲代表的屏下指紋識別方案。我們通過這篇報告，重點介紹了光學和超聲兩種屏下指紋方案以及結構光和 TOF 兩種 3D 識別方案，對于幾種方案的技術路徑、方案優劣、上下遊産業鏈以及市場規模進行了詳細分析。我們認爲受到用戶習慣和使用便捷性的影響，未來在智能手機識別領域，屏下指紋仍然會在較長的時間內成爲主流，且光學方案會在一定期間內略優于超聲方案，而 3D 方案未來應用可能會向 VR/AR、人工智能和後置攝像等方向發展，在新的應用領域打開局面。

“三段式”構成，電容指紋“稱霸”手機市場

生物識別主要分爲5種：指紋、虹膜、人臉、聲紋以及靜脈，特點、用途各不相同。進入智能化時代以來，隨著現代計算機技術的大量使用和人們對于身份認證、安全管理的安全性、便捷性要求的提升，生物識別逐漸受到關注。生物識別主要分爲 5 種，分別是指紋識別、虹膜識別、人臉識別、聲紋識別和靜脈識別。其中指紋識別具有體積小、解鎖迅速、成本低等特點，被廣泛應用于智能手機等領域；靜脈識別和虹膜識別是安全性最高的兩種生物識別方式，誤識率僅爲百萬分之一，因此市場主要布局于專用門禁、公安系統、保險櫃等領域；人臉識別種類繁多，原理各不相同，應用領域也較爲廣闊，覆蓋門禁、消費、簽到、手機應用等多個領域；聲紋識別的優勢在于可實現遠距離識別，缺點是誤識率高、易受幹擾，多應用于人機交互領域。

智能手機領域電容式指紋快速滲透，非全面屏時代“三段式”方案成爲共同選擇。自2013 年 iPhone5s 首次搭載指紋識別以後，帶有指紋識別功能的 Home 鍵模塊以其價格低廉、使用便捷、解鎖迅速等優異性能迅速占領市場， 截止2017 年，全球智能手機市場指紋方案的滲透率達到 55%，除指紋方案外，面部識別和虹膜識別作爲補充方案，也被部份智能手機占比搭載，但占比相對較小。

過去，指紋方案的布局方式主要有兩種，一種是與 Home 鍵相結合的正面式指紋方案，另一種則是背部指紋方案，由于背部方案便捷性不足且容易破壞手機的整體性，因此在全面屏時代到來之前，前置方案逐步成爲主流，根據第一手機研究院的數據，從 2016 年初到 2017 年初，國內市場暢銷手機 TOP20 中，搭載前置指紋識別的機型由 5 款提升至 9 款，後置指紋機型則維持 7 款不變，在主要廠商的旗艦機型上，由“聽筒/前置攝像頭+屏幕+指紋”構成的三段式公模方案一度成爲絕大多數手機的共同選擇。

“全面屏”時代，屏下指紋或成發展趨勢

“全面屏”時代，經典設計遭遇挑戰，屏下指紋、3D 面部識別、背部指紋成爲現階段3 種主要備選方案。盡管“三段式”公模曾一度成就了無數經典，然而全面屏的到來，卻讓這種“公模”徹底瓦解。從小米 MIX 開始，三星 S8、iPhone X、vivo X20、OPPO R11、魅族 S6 以及華爲 P20 等紛紛追求最大化屏占比，而在此目標下，前置鏡頭、聽筒、光線傳感器、指紋鍵乃至品牌 logo 等元素都面臨縮小或者從手機正面移除的要求，其中首當其沖的便是指紋識別模塊。爲應對全面屏需求，目前市場上主流的解決方案有三種，分別是以 vivo X20 Plus 爲代表的光學式屏下指紋解鎖方案，以 iPhone X 爲代表的 3D 結構光方案和以三

星、小米、OV 等爲代表的後置指紋方案。

屏下指紋或成生物識別發展趨勢，3D 光學面向AR/VR、AI 新領域。

在屏下指紋、3D光學和背部指紋三種方案中，背部指紋方案由于在便捷性上不及正面指紋方案，且會破壞機身背部整體性，在美觀程度上也有所不足，因而我們認爲該方案未來主要將用于一些低端機型上，而就高端機型而言，該方案大概率作爲一種過渡性的方案。

3D 光學方案自被 iPhone X 采用以來一直爭議不斷，該方案面臨的主要問題包括識別前需要喚醒屏幕，識別易受手機握持角度、距離、周圍環境的影響，從而導致使用不夠便捷等，但是生物識別只是 3D 方案的一個起點，與 AR/VR 以及人工智能的結合將是一個更廣闊的市場，現實中的 3D 信息直接輸入處理而非降維成 2D 信息，將促進各行業智能化解決方案的發展。

目前 iPhone X 前置 3D Sensing 采用點陣結構光方案，預計 2018 年下半年 A 客戶新機將采用後置 3D 方案，而國産安卓廠商方面也將進一步在旗艦機中加入此類功能。與前面兩種方案相比，屏下指紋識別方案既滿足了全面屏時代對于取消手機 Home 鍵的要求，同時也符合用戶傳統的操作習慣，此外，由于模組整體的價格預計未來將降低到 8 美元以內，有望成爲手機生物識別發展的新趨勢，我們預計 2018/2019/2020 年屏下指紋識別方案的滲透率將分別達到 1/8/15%， 2020 年市場規模有望接近 20 億美元。

屏下指紋識別：20 億美元市場，光學、超聲波方案領銜

技術路徑：光學、超聲波代表當下主流，全屏幕識別展開積極探索

全面屏時代，電容方案受限，光學與超聲方案有望成爲發展主流。目前市場上能夠是實現商用的指紋識別方案主要有三種，分別是電容方案、光學方案和超聲波方案。

三種方案中，電容方案成本最低，識別速度最快且技術最爲成熟，因而在智能手機市場上一度處于壟斷地位。但是，由于電容式指紋方案的穿透深度僅爲 0.3mm，而目前智能手機正面蓋板玻璃的厚度普遍超過 0.5mm，因此這一傳統方案不再適應屏下指紋的要求。

爲應對電容式指紋面臨的困難，供應鏈廠商主要提出三種不同的解決方案，第一種是以彙頂、新思爲代表的光學方案；第二種是以高通爲代表的超聲波指紋識別方案；最後一種是以韓國廠商 CrucialTec 等爲代表的 DFS 全屏幕識別方案。

三種方案中，由于 DFS 方案對于屏幕和指紋識別模組的整合程度要求較高，可能帶來高成本等問題，目前方案仍處于試驗階段，存在不確定性。與之相比，光學方案和超聲方案相對成熟，其中光學方案兼容 OLED 軟硬屏，相對適用于軟屏的超聲波方案應用範圍更廣，成爲目前屏下指紋方案的主流。

光學方案：解鎖穩定、成本可控，OLED 助力方案滲透

光學方案技術由來已久，主要基于折反原理。在各類指紋識別方案中，光學方案其實是一種早已被廣泛應用的技術，例如之前很多考勤機、門禁都采用該技術，傳統指紋識別方案主要由光源、三棱鏡和感光組件構成——通過光源照亮指紋，然後利用三棱鏡將指紋投射到感光組件上進行識別。不過在 2017 年以前，光學方案始終沒能應用于智能手機，主要的原因是光學傳感器的體積過大，通常是電容式指紋設備的幾倍乃是 10 幾倍的大小，此外，光學式指紋識別系統無法對皮膚真皮層的識別，因而安全性相對較低，限制了其使用領域的拓展。

小型化、精准化識別取得突破，光學舊方案煥發新活力。經過不斷的探索，光學指紋識別方案逐步改良，實現小型化、精准化、安全性等要求，隨著 2016 年以來新思、彙頂先後發布新一代的光學指紋識別方案，光學方案正式成爲屏下指紋識別最重要的實現手段之一。新一代的光學指紋方案仍然是基于折反原理，另外疊加小孔成像和透鏡成像功能，以提高識別的精確度。

以彙頂的方案爲例，彙頂光學指紋識別方案主要有 OLED 屏、CMOS 以及 lens 組成。其中 OLED 充當光學指紋識別系統的光源，通過自發光照亮指紋，之後折返光通過 lens 進行准直聚焦並穿過 OLED 像素點之間的縫隙成像至 CMOS 上，CMOS 將接收到的光學信號轉化爲電信號，經過處理器芯片的分析比對以驗證指紋。通過光源集成和光路重新設計，新的方案能夠有效降低體積和功耗，同時彙頂的方案能夠支持活體檢測。此外，光學方案固有的穿透距離較長的特性也得到充分發揮，在屏下指紋領域得到了很好的應用。

圖片來源：芯智訊

▲synaptics屏下指紋模組

OLED 産能障壁打破，屏下指紋獲得廣闊發展空間。由于光學指紋方案的 CMOS 傳感器需要放置在顯示面板的下方，因此爲了能夠有效接收指紋的反射光線，顯示面板需要具備一定的透光性。由于傳統的 TFT LCD 面板需要背光模組，並且在背光 LED 下面增加導光板以增加屏幕亮度，導致光線無法穿透 TFT LCD。而 AMOLED 則不存在這樣的問題，自發光特性無需背光模組，並且 RGB 像素點之間的縫隙可以使光線穿過，從而讓 CMOS 傳感器接收光信號。因此 AMOLED 屏成爲實現光學屏下指紋識別的必選搭配。

此前，由于 AMOLED 産能被以三星爲代表的韓國廠商壟斷，産量供給有限，價格處于高位，因此屏下指紋方案的推廣受到限制，但隨著國內京東方、天馬等廠商的加入，AMOLED 産量和價格的問題基本已經解決，2017 年 OLED 屏（柔性+硬性）在智能手機領域的滲透率已經達到 30%，預計 2018 年這一數值將達到 55%左右。隨著 OLED 産能逐步開出以及和價格回落，光學屏下指紋將獲得更加廣闊的發展空間。

芯智訊補充：另外，根據群智咨詢的報告也顯示，2017年智能手機市場的OLED需求將達到4.04億片，其中剛性OLED達到了2.71億片，而柔性OLED僅有1.33億片。而到2022年，智能手機市場的柔性OLED屏規模將超過7.2億片，遠超剛性OLED的市場規模，年複合增長率將達到33%。足見，OLED屏未來將有望成爲智能手機市場的主流。這也爲光學指紋的發展提供了很好的助力。

圖片來源：芯智訊拍攝

解鎖穩定、迅速，成本有望進一步下降。

光學屏下指紋方案具有諸多優良的性質：首先，相比于此前在小米和樂視手機上采用的超聲波識別方案，光學方案解鎖時間更短——通常情況下光學方案的識別時間在 0.7s 左右，與第一代電容式指紋方案的識別速度相當，並且通過率也較高，解鎖更加方便。在誤識率方面，光學方案的誤識率僅爲五萬分之一，能夠滿足用戶的使用要求。而在價格方面，vivoX21 機型上使用的彙頂光學方案的模組價格大概在 20 美元左右，但根據我們通過調研得知今年下半年光學模組的價格有望下降到 8 美元，而目前電容式指紋方案均價在 3 美元左右。並且由于光學指紋模組的結構構成並不複雜，未來隨著前期研發成本的攤銷，方案整體的價格還將有望進一步降低，帶動該技術滲透率快速提升。

目前vivo、華爲已率先采用了光學屏下指紋，市場反饋良好，行業拓展可期。隨著 vivo X20 Plus 屏幕指紋版的上市，vivo已成爲第一個實現屏下指紋商用的手機制造商，此次指紋設備方案的提供商爲美國新思（Synaptics），上市以來，包括 The Verge、Cnet、Digital Trends、Aandroid Central多家專業機構對該款手機的指紋識別功能進行了評測，其在便捷性、穩定性上均有不俗的表現。隨後，vivo又推出了X21，這款手機在采用Synaptics方案的同時，又新引入了彙頂科技作爲供應商。

而繼 vivo 之後，國內外多家廠商也在自家即將問世的新機上提出采用屏下指紋識別方案。 2018 年 3 月，華爲發布了新款手機 Mate RS 上又一次搭載了光學式屏下指紋方案，方案供應商爲國內指紋識別大廠彙頂科技；此外，今年三星新機大概率也將搭載光學屏下指紋識別模組，可能會采用新思的屏下指紋方案。此外，盡管蘋果在其最新一代旗艦機 iPhoneX 上用人臉識別取代了 3D touch，但其子公司 AuthenTec 依然在光學屏下指紋領域積極探索，此前蘋果公司也曾表示未來可能將會在新機型上同時搭載人臉識別和屏下指紋兩種方案。

超聲波方案：技術日漸成熟，高通公司領銜布局

超聲波方案利用回波強度識別指紋，防油防水、穿透性強。超聲波方案則是利用指紋模 組發出的特定頻率的超聲波掃描手指，由于超聲波到達不同材質表面時被吸收、穿透和反射的程度不同，因而可以利用皮膚和空氣對于聲波阻抗的差異，對指紋的嵴與峪所在的位置進行識別。超聲方案的優點在于其穿透性更強，能夠進行深層的皮下指紋識別且能夠辨別活體，因而方案的安全性更高；此外，從理論上來講，超聲波方案不易受到油漬和水漬以及強光的幹擾，因而解鎖更加穩定可靠，有望成爲指紋之別方案發展的一個重要方向。

巨頭高通領銜布局，穿透深度逐步加強。目前，涉足超聲波指紋方案的廠商主要有美國高通、FPC、Sonavation 和 ADI 等，不過除高通以外，其他廠商在該領域的探索尚處于産品研發階段。在 2015 年世界通信大會（MWC）上，高通首次推出基于超聲波 3D 指紋識別技術的産品，不過彼時由于穿透深度有限，超聲指紋方案未能實現屏下識別，但隨著研發的不斷深入，高通目前已能穿透 0.8mm 的玻璃，0.65mm 的金屬以及 1.2mm 的 OLED 屏，從而實現屏下識別。

從屏上到屏下，超聲波方案市場逐步拓展。2015 年高通的超聲波指紋方案發布，而後分別被小米 5s 和樂視 Max Pro 所采用，盡管當時由于超聲波方案的穿透距離有限，高通在小米 5s 和樂視手機上提供的並非屏下方案，而是類似于電容識別的 Home 鍵方案和背部指紋方案，但依然爲超聲波指紋技術的應用積累了經驗。2017 年，高通的屏下指紋方案曾經提交 vivo 進行測試，盡管最終並沒有被采納，但也顯示此方案正在逐步成熟。

全屏幕識別：小型化尚待提升，未來或成發展趨勢

全屏識別：目前尚無應用，後續發展可期。盡管光學方案和超聲波方案都能夠在一定程度上實現屏下指紋識別，但是識別區域卻仍然受到限制。從發展趨勢來看，未來指紋識別可能會向半屏甚至全屏的方向發展。

在 2018 年 CITE 展會上，JDI展示了一種基于非硅基襯底的指紋識別技術——Pixel eyes 指紋識別技術。方案實現的關鍵在于將電容指紋傳感器集成到玻璃面板上，以實現傳感器的透明化，在 JDI 的方案中，透明傳感器被放置在顯示面板的上方，並利用硬度升級之後的偏光片代替傳統的玻璃蓋板，以保證傳感器上方蓋板的厚度保持在 0.2mm 左右因而解決了傳統電容方案穿透力不足的問題。除了 JDI 之外，在非硅基襯底方案（off-chip）方面展開研發的公司還有很多，比如韓國廠商 CrucialTec、挪威廠商 IDEX 以及國內廠商上海蘿箕等。

JDI玻璃基透明指紋識別芯片（圖片來源：芯智訊拍攝）

DFS方案示意圖（圖片來源：pconline）

精細化、小型化尚待提升，未來有望成爲新趨勢。目前，off-chip 方案已經在安防等領域使用，但在移動終端的應用仍然面臨一些挑戰——例如，電容式 off-chip 方案要求蓋板厚度足夠小，這對手機偏振片的硬度提出了更高的要求，並且手機膜等配件甚至會無法使用，第二，off-chip 模組所需要的放置空間依然較大，可能需要進一步進行小型化的處理，第三，玻璃基傳感器識別的精度可能不及硅基傳感器，由此導致識別質量相對不足等。綜合來看，全屏幕識別是一種仍需不斷完善的技術，但從理論上來講，該技術能夠爲用戶帶來更好的體驗，未來隨著技術的成熟，該方案有望成爲指紋識別發展的新趨勢。

前景展望：屏下指紋將迎爆發增長，光學方案成本占優

用量或超 1 億，2019 年屏下指紋方案有望迎接爆發。屏下指紋方案具有美觀、便捷、解鎖迅速、符合用戶習慣等優點，目前方案的整體成本基本能夠有效控制，已經被不少中端機型采用，我們認爲未來隨著屏下指紋方案的不斷成熟和價格的下降，方案滲透率有望快速提升。根據 IHS Markit，預計 2019 年使用屏下指紋傳感器的智能手機出貨量至少將達到 1 億台，到 2020 年則進一步翻倍至 2 億台，市場空間超 20 億美元，有望在未來 3 年保持高速增長。

光學方案占得先機，兼容 OLED 軟硬屏，短期內將成爲主流。由于目前“off-chip”全屏幕指紋識別方案在移動客戶端的研發尚不成熟，正式使用還需要較長的時間，因此短期來看光學和超聲兩種方案成爲當下屏下指紋角逐的焦點。在兩種方案中，光學方案應用的時間較早，在市場開拓方面具有一定的先發優勢，且方案解鎖成功率相對較高，軟件系統較爲成熟；而超聲波方案的優勢則在于方案的安全性更好，對指紋的幹濕度要求較低，並且可以檢測到手指表面的深層次紋理而不受外界幹擾。成本方面，光學和超聲方案的價格預計在 8-10 美元。但是光學方案兼容 OLED 軟屏和硬屏，但超聲方案受到穿透距離的限制，目前只能搭配 OLED 軟屏。目前，OLED 硬屏的價格在 20 美元左右，而軟屏的價格則要達到 80-90 美元，兩者差距仍較爲明顯，導致柔性 OLED+超聲方案短期之內無法在中低端機型上大量使用。因此，我們判斷短期之內光學方案仍將是屏下指紋識別方案的主流。而超聲方案如能夠對解鎖成功率進行有效優化，或將成爲高端機型的一個重要選擇方案，我們預計短期內兩種方案的市場份額占比大致爲 7:3 左右。

産業鏈：傳統龍頭主導方案，歐菲領跑封裝制造

光學方案傳統龍頭主導，國內廠商全面布局。光學指紋識別方案的産業鏈主要分爲算法及芯片、CMOS、Lens、濾光片以及産品封裝，國內重點關注彙頂、歐菲。算法芯片技術是核心，涉足該領域的主要是新思、彙頂等傳統龍頭。光學元件方面，主要分爲光源、Lens、濾光片以及 CMOS 傳感器，光源主要采用 OLED 自發光，Lens 起聚焦反射光的作用，濾光片過濾雜散光， CMOS 轉換光電信號。 CMOS 光電傳感器方面，國際主要廠商包括索尼、三星、海力士和安森美等，國內則主要有豪威科技和格科微。在下遊封裝方面，歐菲科技目前是安卓系廠商光學指紋方案的獨家供應商。綜合來看，我們認爲光學屏下指紋産業鏈中最值得關注的國內廠商包括上遊方案提供商彙頂科技和下遊獨家封裝廠商歐菲科技。

算法芯片領域，彙頂、Synaptics 居首，短期內或將均分市場。在光學指紋方案的算法芯片環節目前相對領先的是美國 Synaptics 和深圳彙頂，其中 Synaptics 是三星的供應商之一，2016 年 12 月 13 日，Synaptics 宣布推出業內首款面向智能手機和平板電腦的光學指紋傳感器 Natural ID，2018 年 1 月，該方案在 vivoX20Plus 上實現商用，成爲首款正式面向市場的屏下指紋産品，未來 Synaptics 還將有望在小米、三星等廠商的産品上繼續得到使用；彙頂是國內指紋傳感器的龍頭企業，同時也是全球指紋識別行業的前三甲，下遊客戶覆蓋國內安卓系的各大廠商，公司幾乎與 Synaptics 同時研發出光學屏下指紋方案，該方案能夠有效兼容 OLED 軟硬屏，並具有活體檢測功能。目前方案已被 vivoX21、華爲 MateRS 等手機采用。除上述傳統巨頭，敦泰也在積極部署光學屏下指紋方案，其獨有方案能夠檢測 3D 立體指紋圖像，並且兼容 LCD 和 OLED 屏，兼容性和安全性更強，目前方案暫未投入市場。總體來看，短期內彙頂、新思或將暫時瓜分光學屏下指紋市場，按照 2019 年光學方案與超聲方案市場占比 7:3，其中光學方案及芯片占總識別模組比 50%，模組單價 10 美元，有望爲方案廠商帶來近 4 億美元收入規模。

Lens 采用微透鏡陣列，國內關注舜宇、歐菲、水晶光電。光學屏下指紋方案所采用的Lens 主要是微透鏡陣列，用以將透過各個小孔的折返光聚焦，提高信噪比。生産廠商方面，境外廠商主要有大立光、玉晶光和關東辰美等，其中大立光是光學鏡片行業的傳統龍頭，關東辰美是蘋果産業鏈的重要供應商，舜宇是近年來手機和車用攝像等設備領域成長最快的一家企業，同時也是光學鏡頭領域可以比擬大立光的企業。在濾光片方面，濾光片的選取取決于光源的選取，對于紅外光源（敦泰方案需外加紅外光源），濾光片需采用窄帶濾光片，主要供應商由水晶光電等，而對于 OLED 光源，則僅需采用普通濾光片，在這方面歐菲、水晶光電等均有良好的技術積累。

CMOS 傳感器方面，國外廠商市場占比較大，國內格科微發展迅速。CMOS 傳感器在指紋模組中主要用于將光信號轉化爲電信號，由于指紋模組只需要采集紋路信息，而無需采集色彩信息，因此對 CMOS 傳感器色彩識別的要求較低。供應商方面，目前國際上主要的 CMOS 傳感器提供商有括索尼、三星、海力士、豪威（被中國企業收購）和安森美等。而在國內，格科微近年來成長迅速，在與中芯國際的合作下，公司到 2017 年已經成長爲僅次于索尼的全球第二大 CMOS 芯片生産企業。

預計 2019 年封裝業務規模近 10 億美元，歐菲科技市占居首。模組封裝是指紋傳感器生産的另一個重要環節，結合傳統指紋傳感器的成本構成經驗，通常模組封裝會占到模組成本整體的 15%左右。目前，國際上主要的指紋傳模組封裝企業有歐菲科技、丘钛科技、比亞迪電子、三星、TDK 等。其中歐菲科技在屏下指紋方面的布局較爲領先，目前基本是安卓系手機廠商屏下指紋模組封裝的獨家供應商，並且在未來一段時間仍將占有較大的市場份額，我們預計 2019 年全球屏下指紋設備的出貨量將超過 1 億部，按照每套模組 10 美元，市場規模將近 10 億美元，其中假設歐菲科技市占 50%，則識別模組將公司帶來約 5 億美元營收。

超聲波方案國外廠商主導，國內廠商涉足壓電材料、下遊封裝領域

超聲波方案的産業鏈可以分爲算法芯片、傳感器以及封裝三部分，而傳感器的上遊主要是壓電材料。在算法和芯片方面，目前高通是該領域唯一一個已經實現方案商用的企業，而除高通外，Sonovation、InvenSense 以及 FPC 等廠商也在探索相應的解決方案。在壓電材料方面，目前高通使用 PVDF 有機聚合物材料，Sonovation 和 InvenSense 使用壓電陶瓷材料，壓電材料的主要生産廠商有新加坡 IME 和國內的三環集團等，而傳感器制造方面則主要

由 InvenSense、台積電、意法半導體等境外企業生産。在封裝環節，目前高通的主要合作商爲台灣 GIS 和歐菲科技。

3D Sensing：應用領域不斷拓展，滲透率提升可期

技術路徑：前置結構光方案占優，後置 TOF 或成新選擇。

3D 攝像的技術路徑主要分爲兩種，前置識別主要采用結構光方案，TOF 方案更加適用動態場景。3D 攝像主要有兩種實現路徑，一種是結構光方案，另一種是“飛行測距”（TOF）方案。其中結構光方案的優點在于功耗小，技術成熟，更適用于靜態場景，結構光人臉識別技術已經被蘋果、小米等廠商采用，我們認爲該方案未來仍將在面部識別領域占據主導地位；而 TOF 方案的優點在于遠距離情境下噪聲較低，同時具有更高的 FPS，未來在後置 AR、 VR 領域或將得到更廣泛的應用。

結構光方案：率先布局面部識別，滲透率有望持續提升

結構光技術成熟，適用于面部識別、背景虛化等靜態場景。結構光的基本原理是投射光學圖形到被觀測物體上，從而使激光在最終物體表面的落點産生位移。此時使用紅外攝像頭來檢測物體表面上的圖形，通過位移變化就能夠算出物體的位置和深度信息。結構光的優點在于一次成像就可以得到深度信息，能耗低，分辨率高。缺點在于對光源和光學器件有較高要求。結構光因其不用多次成像，能耗較低，便于安裝和維護等特點，使得其在人臉識別的靜態應用場景較爲突出。雖然 TOF 方案的 FPS 更高，但手機面部識別主要針對靜態應用場景，不需要高刷新頻率。結構光的功耗較小有利于節省電量，同時算法較爲簡單。綜合來看結構光是當前面部識別，背景虛化等靜態場景的首選。

結構分爲發射端和接收端，發射端産生特定光學圖案，接收端檢測光斑位移。

結構光的光路分爲發射端和接收端，發射端的主要構成包括點光源、准直鏡頭、光柵元件和 Lens，其中點光源+准直鏡頭充當整個光路的光源，産生擴束平行光，光柵元件分爲兩種，一種是蘋果采用的普通 DOE，另一種則是 Mantis Vision Ltd（MV 公司）所采用的“Pattern”型光柵，無論哪種方案，光柵的作用都是産生衍射圖案，而光柵之後的 Lens 的作用則是將衍射光重新進行准直化處理，以保證光束的密集度。接收端主要是一個紅外接收鏡頭，由光學鏡片、紅外濾光片和 CMOS 傳感器組成，其作用爲通過對反射光斑的探測還原深度信息。

蘋果率先采用結構光方案，預計未來有望持續滲透，19 年市場空間將接近 40 億美元。

2017 年發布的 iPhoneX 首次搭載了結構光方案，從 17 年全年來看，iPhoneX 銷售量占比約爲 15%，相應市場規模約爲 6.5 億美元，而到了 2018 年，預計安卓陣營各大廠商都將在各自的部分旗艦機型上采用前置結構光 3D 面部識別方案，其中今年 5 月 31 日發布的小米 8 已經搭載此功能，成爲安卓端首款搭載 3D 結構光人臉識別的旗艦機，而蘋果今年的新款機型大概率會普及結構光方案。我們預計未來 3D 面部識別的滲透率將有望持續提升，到 2019 年，結構光方案整體的滲透率有望達到 25%左右，市場空間約 40 億美元。

TOF 方案：後置 3D 新選擇，更適用于動態場景

TOF 技術通過計算發射光的反射時間差來換算物體距離。TOF（TimeofFlight）技術的原理是發射紅外光遇物體反射後計算發射光的反射時間差，來換算物體的距離。TOF 方案的優點在于相應速度更快，具有較高的 FPS，且探測誤差與距離呈線性關系，在對遠距離物體的探測方面優于結構光（後者的探測誤差與距離呈現二次型關系）。因而更加適用于動態場景和 3D 攝像。缺點是功率相對較大，且對于近距離物體識別的精度不夠高。目前主流 TOF技術使用 SPAD（single-photon avalanche diode）陣列來檢測反射光的時間空間信息。SPAD是具有較高靈敏度的半導體光電檢測器，能對弱光信號進行較爲精確的識別。

主要組件爲 3 顆紅外激光二極管、1 顆紅外圖像傳感器以及紅外濾光片。TOF 技術路線的代表爲微軟的 Kinect2。Kinect2 是微軟針對 PC 和 Xbox 推出的 3D 感應攝像機。根據 Chipworks 對 Kinect2 的拆解，其主要核心部件爲 3 顆紅外激光二極管、1 顆紅外光圖像傳感器、1 顆可見光圖像傳感器和 1 顆圖像處理主芯片。主要工作原理爲：紅外激光二極管發射近紅外激光，光碰到環境中的物體發生反射，紅外光圖像傳感器采集反射光，計算反射信號與發射信號的時間差，從而得知位置距離信息，采用 3 顆紅外激光二極管的原因在于提供空間自由度更大的探測，可見光相機的作用是獲取環境實時的 XY 平面物體信息。

AR 帶動後置 3D 需求，TOF 有望大顯身手。增強現實技術（AR）是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度並加上相應圖像、視頻、3D 模型的技術，這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界並進行互動。在升級 iOS 11 系統後，蘋果手機可下載 AR 應用，目前應用的實現方式主要爲通過前置結構光攝像頭探測人臉與手機的距離，按照距離的遠近調整畫面和聲音效果，給用戶帶來 3D 感官上的體驗，但這種方案的缺陷在于用戶活動範圍和視角範圍有限，難以帶來沉浸式的感受。

目前，有消息稱蘋果等公司正在開發後置 3D 傳感系統，與頭戴式眼鏡想配合，通過 3D 傳感系統檢測深度信息，構建三維地圖，並將經過系統虛擬加工的環境信息借助手機屏幕輸出給用戶，能夠帶來沉浸式的 3D 體驗。由于 TOF 具有較高的 FPS，在動態識別領域更具優勢，並且隨著技術的發展，目前微軟等公司開發的 TOF 産品對深度的探測誤差已經能夠維持在 0.5%以內，並且視角也較以前有大幅提升，目前基本滿足 3D 拍攝和渲染的要求，並且隨著功耗的不斷降低，TOF 方案已基本能夠搭載于移動設備上，未來該方案或將在 AR 領域大顯身手。

産業鏈：硬件國産化在即，算法領域有望進一步突破

結構光：接收端硬件國産化替代程度較高

結構光發射端國外爲主，接收端國産化替代程度較大。目前結構光方案設備成本約爲 20美金，其中算法芯片 4-6 美金，接收端 5-6 美金，發射端 10 美金左右。發射端的激光器和光學元件行業壁壘較高，目前國內廠商較少涉及該領域。而接收端的濾光片，鏡頭和模組業務壁壘相對較低，國內水晶光電、舜宇光學、歐菲光、丘钛科技等廠商已切入該領域並實現量産。

算法芯片方面，主要廠商有 Primesense、Mantis Vision和英特爾，國內奧比中光擁有自主産權。另外芯智訊了解，華捷艾米也准備推出針對智能手機的小型化的3D結構光方案，算法似乎也是自主的。

圖片來源：芯智訊

在幾家公司中，Primesense 是蘋果的全資子公司，方案芯片專供蘋果，目前已經在 iPhoneX 上得到使用；Mantis Vision 的方案在 DOE 的加工上獨具特點，通過獨特的 Pattern 設計， MV 的方案能夠建立起不同光斑之間的信息聯系，因此目前在識別精度方面要超過蘋果的第一代 DOE 方案。國內方面，目前奧比中光在 3D 方案方面相對領先，公司是國內唯一一家擁有全自主産權的、能夠量産消費級 3D 傳感器公司，2016 年公司曾獲得全球第二大芯片方案商聯發科的戰略投資，並在此後實現電視操作系統中 3D 傳感器的量産，此外奧比還自行設計了基于結構光的 ASIC 芯片，目前已確定被 OPPO 所采用。

聯美控股于 2018 年 1 月投資 3600 萬美元于以色列高科技 3D Sensing 公司 Mantis Vision，持股 17.36%，成爲其最大股東，MV 主營爲基于結構光技術的 3D 模組，其獨有的編碼結構光技術在 3D 傳感和成像方面具有領先優勢，近日發布的小米8透明探索版就是使用了 MV 的 3D結構光方案，由國內的歐菲科技提供模組方案。

小米8透明探索版3D機構光模組結構（圖片來源：芯智訊拍攝）

發射端構成主要爲擴束激光器、衍射光學元件、Lens 等部分組成，供應鏈以國外廠商爲主導。具體而言，VCSEL 紅外光源方面，目前 Lumentum 是蘋果的主要供應商，而國外廠商在該領域具備競爭力的還有 Finsar，Heptagon、II-VI以及ams 等，由于 VCSEL 技術壁壘較高，器件功耗、響應速度、穩定性都存在很高的設計難度，因此，目前全球範圍內具有 VCSEL 設計能力的公司主要爲歐美光通信器件巨頭。

國內方面光迅科技、華芯半導體具備中低端 VCSEL 的設計能力，但整體而言與海外巨頭差距較大。DOE 光柵方面，各家的光柵通常有方案提供商（Primesense、MV）設計，封裝廠商代工，主要封裝制造企業有台積電、歐菲、舜宇等；光學透鏡方面，主要生産廠商目前主要有 Heptagon、台灣奇景光電等，大陸華天科技和晶方科技在 WLO 晶圓級光學透鏡方面也有所布局，其中華天具備較爲成熟的加工能力。

接收端技術壁壘相對較低，國産替代有望達到較高水平。結構光方案的接收端主要由紅外 CMOS 芯片、濾光片、光學鏡頭幾部分構成。紅外 CMOS 傳感器供應商主要有意法半導體，三星電子，OV，Aptina，索尼，蘋果 3D 結構光的 CMOS 芯片主要由意法半導體供應，國內在該領域布局的公司不多，相對而言思比科較爲成熟。濾光片方面，通常采用窄帶幹涉濾光片，産品具有相對較高的技術難度，目前蘋果的主要供貨商爲 VIAVI，其他國際廠商還有 Materion、Buhler 等，國內方面，水晶光電具有較強的競爭力，是全球範圍內最重要的窄帶濾光片供應商之一。

TOF 方案：發射端無需 DOE 與准直鏡頭

TOF 方案不需要 DOE 和准直鏡頭，算法芯片供應商主要爲微軟、TI、三星等。

TOF産業鏈主要包括紅外光源、紅外傳感器、紅外濾光片，以及傳統的光學組件和鏡頭。相較結構光方案而言，TOF 方案在發射端不需要 DOE 和准直鏡頭，而僅僅只需要 VCSEL 光源即可。而在接收端，TOF 方案與結構光方案的供應廠商類似，國內廠商在接收端能夠實現較大程度的國産替代。另外，TOF 方案與結構光産業鏈的另一個主要區別是算法芯片公司不同。結構光的方案提供商主要有 Primesense、MV、奧比等廠商，而 TOF 方案則以Microsoft、TI、三星、松下爲主，國內廠商目前較少涉及 TOF 的方案提供和芯片設計領域。

編輯：芯智訊-浪客劍 報告來源：中信證券

原標題爲：《屏下指紋迎風起，3D Sensing 待燎原》

注：報告部分內容及圖片爲芯智訊補充 。

注：本文由芯智訊獨家整理編輯，部分內容來源網絡

活動預告

去年8月28日，芯智訊主辦了主題爲“新交互·新風口”的第一屆《生物識別技術與應用高峰論壇》，活動邀請到了高通、費恩格爾等指紋芯片廠商，以及指紋算法廠商指芯科技，指紋模組廠商歐菲光，語音識別及聲紋識別代表廠商科大訊飛，人臉識別技術廠商微軟、曠視科技，虹膜識別技術廠商中科虹霸，掌靜脈識別廠商冠智股份等衆多生物識別領域的知名企業和技術專家共同探討了生物識別的前沿技術，解析生物識別技術如何助力行業的創新與變革。

爲加強生物識別行業技術交流，促進行業創新與應用落地，今年，芯智訊計劃于8月24日（暫定），在深圳舉辦第二屆《生物識別技術與應用高峰論壇》。

擬邀請廠商：

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第一屆《生物識別技術與應用高峰論壇》相關報道：2017生物識別論壇：全面屏來襲，超聲波和光學指紋誰將勝出？

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