2009年美国有一部名叫《2012》的灾难片，片中一位富豪角色使用的一台手机有着独特的身份认证方式，那就是屏下指纹识别。通过在屏幕上按下手指进行指纹识别来认证身份的镜头给无数的观众留下了深刻的印象，但这个情景在当时也只能出现在像这样的科幻灾难片中。2013年带有指纹识别功能的iPhone5S的出现，让指纹识别技术成为了热门话题，这项从前只在特殊场合应用的技术从此走进了寻常百姓家。但由于技术所限，那时手机上的指纹识别模块仍然不能与屏幕相结合，只能摆在屏幕下方或者是手机的背面。直到去年，我们终于看到了当年电影《2012》中那将手指按在屏幕上便能认证身份的场景成为了现实。国内手机厂商vivo首次向全世界展示了他们和高通公司合作的超声波屏下指纹识别方案，但由于这个方案成本过高，vivo并没有在他们的新手机上采用。2018年初，vivo宣布和新思科技合作，推出了可以量产并应用在手机上的一种成熟的屏下指纹识别方案，光学屏下指纹识别技术。

    目前世界上能提供成熟的光学屏下指纹识别方案的主要有两家公司，分别是新思科技（Synopsys）和汇顶科技（Goodix）。但是这两家公司提供的方案都大同小异，这里就不作分开对比而是一起来讨论。屏下指纹识别相比起传统的指纹识别方案最大的优点在于保证了手机正面的完整性，也就是说不需要在手机正面玻璃面板开孔。相比起背部指纹识别，屏下指纹识别更加直观也更符合我们的使用习惯。那么这项技术是如何实现的呢？

    光学指纹识别技术的原理并不难，目前已经被应用的一种方案简单地说，就是手指按在手机屏幕上，此时在手指下方的屏幕区域发出强光，照亮整个手指表面，这些光被手指反射后再次进入屏幕，通过屏幕下的透镜成像在屏幕下方的CCD或CMOS传感器上，这些感光元件采集指纹图像后通过与储存器中已的录入的指纹进行比对来达到身份认证的效果。原理虽简单但是实际使用上仍然有不少难点，这就是为什么现在技术所有采用光学屏下指纹识别技术的手机都是各家手机厂商推出的旗舰顶配手机。

    首先，要实现这个技术第一步的关键就是屏幕。由于要精确照亮手指按下的屏幕区域，而其他区域又不能发出强光防止损伤用户眼睛，目前被各大手机厂商采用的LCD（液晶显示器）屏幕就不符合这个要求，而要采用能够更加精准控制发光的OLED（有机发光二极管）屏幕。由于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。目前产业链有三种利用OLED屏幕的开发方向：1、直接在屏幕下方布置一个CMOS传感器，利用OLED的子像素之间缝隙让光线穿透过去，进而识别指纹；2、缩小传感器，插入OLED的像素点之间；3、将CMOS传感器做成透明的，直接贴装于AMOLED（主动式OLED）屏幕上方，将光学指纹识别做成一层识别层。其中第一种方案最为成熟也是目前被vivo、oppo、小米以及华为这几家公司所采用的方案，所以从这里看来我国在屏下指纹识别领域上是走在世界前列的。

    除了准确控制屏幕发光区域照亮手指外，如何让屏幕下方的CCD或CMOS感光元件接收到这些反射自手指的光而不是来自太阳的光或者是屏幕自身的光也是这项技术的一个难点。汇顶科技给出的解决方案是在OLED屏幕上开了一些极微小的小孔，这些透过屏幕的小孔，汇顶称之为“准直孔（Collimator Hole）”，手指反射回的光线通过这些准直孔被光学元件搜集、处理。而为了确保这些进入光学元件上的光来自手指反射，汇顶定制了专门的微透镜阵列（MicroLens Array）、光学空间滤光器阵列（Spatial Filter Array），微透镜阵列需要经过MEMS（微机电系统）技术处理或化学处理。这两个阵列能够保证进入传感器的光线基本都是来自指纹的反光，而非屏幕或是阳光。

    最后要说的是，光学屏下指纹识别的核心，就是为于屏幕下方的这颗光学传感器件。全球首款屏下指纹传感器是来自新思科技的Clear ID FS9500。据介绍，这枚传感器采用光学生产材料和工艺制作，可直接封装在 AMOLED 柔性显示屏下方或集成到 OLED 屏幕中，厚度仅为 1.5mm。而前文提到的vivo、oppo、小米以及华为等他们的手机采用的则是来自中国的汇顶科技公司的指纹传感器。同时，通过强光照射下或者是屏幕发出纯色光时我们隐约可以看见手机屏幕下方的指纹识别模组，几乎目前所有采用光学屏下指纹识别的手机上的指纹识别模组都是成一定角度斜着摆放的，这也通过拆机得到了验证。这些指纹识别模组不是正着摆放而是斜着摆放的原因也很简单，就是为了提高识别的准确率，更准确的说是为了消除摩尔纹对识别造成的影响。摩尔纹在生活中很常见，它其实是差拍原理的一种表现，如果感光元件CCD或CMOS像素的空间频率与影像中条纹的空间频率接近，就会产生摩尔纹。要想消除摩尔纹，一种方法是使镜头分辨率远小于感光元件的空间频率，而另一种更加直接的方法就是旋转CCD或CMOS的角度来达到减弱甚至消除摩尔纹的效果。这就是为什么要将这些指纹传感器斜置的原因，并不是我们认为的为了方便右手识别而作出的角度调整。

    以上就是光学指纹识别技术的基本原理，其本质仍然是一套符合高斯光学，由透镜、反射镜、棱镜和光阑等多种光学元件按一定次序组合成的光学成像系统。但光学屏下指纹识别却是一项伟大的发明，我们可以预见，它的出现将会极大地推动全面屏手机的发展，相信这项技术将是我们实现“手机正面全是屏幕”这一美好梦想的重要基础。随着越来越多搭载屏下指纹识别技术的手机上市，这项曾经只出现在科幻电影中的“未来玩意儿”也逐步普及到每个人手中，就像当年iPhone5S那惊艳全世界的指纹解锁TouchID一样。让我们共同期待越来越多让人类生活更加美好，更加舒适的技术能够应用到日常生活中。最后以小米说的一句话结束本文，“Innovation for everyone”让每个人都享受科技的乐趣。