指纹识别仪的技术基础

指纹识别仪是通过人体的生物特征指纹进行身份识别的一种专用仪器。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。

一、光学识别技术

借助光学技术采集指纹是历史最久远、使用最广泛的技术。将手指放在光学镜片上，手指在内置光源照射下，用棱镜将其投射在电荷耦合器件(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。

光学的指纹采集技术有明显的优点：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。也有明显的缺点：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。

光学指纹传感局限性体现于潜在指印方面(潜在指印是手指在台板上按完后留下的)，不但会降低指纹图像的质量，严重时还可能导致2个指印重叠，显然，难以满足实际应用需要。此外，台板涂层及CCD阵列会随时间推移产生损耗，可能导致采集的指纹图像质量下降。但是具有无法进行活体指纹鉴别、对干湿手指的适用性差等缺点。

光学指纹识别系统由于光不能穿透皮肤表层(死性皮肤层)，所以只能够扫描手指皮肤的表面，或者扫描到死性皮肤层，但不能深入真皮层。在这种情况下，手指表面的干净程度，直接影响到识别的效果。如果，用户手指上粘了较多的灰尘，可能就会出现识别出错的情况。并且，如果人们按照手指，做一个指纹手模，也可能通过识别系统，对于用户而言，使用起来不是很安全和稳定 。

二、温差感应式识别技术

温差感应式识别技术是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。

它的优点是可在01s内获取指纹图像，而且传感器体积和面积最小，即目前通常所说的滑动式指纹识别仪就是采用该技术。缺点是：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 。

三、半导体硅感技术(电容式技术)

20世纪90年代后期，基于半导体硅电容效应的技术趋于成熟。硅传感器成为电容的一个极板，手指则是另一极板，利用手指纹线的脊和谷相对于平滑的硅传感器之间的电容差，形成8bit的灰度图像。电容传感器发出电子信号，电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层，直达手指皮肤的活体层(真皮层)，直接读取指纹图案。由于深入真皮层，传感器能够捕获更多真实数据，不易受手指表面尘污的影响，提高辨识准确率，有效防止辨识错误。

半导体指纹传感器包括半导体压感式传感器、半导体温度感应传感器等，其中，应用最广泛的是半导体电容式指纹传感器。

半导体电容传感器根据指纹的嵴和峪与半导体电容感应颗粒形成的电容值大小不同，来判断什么位置是嵴什么位置是峪。其工作过程是通过对每个像素点上的电容感应颗粒预先充电到某一参考电压。当手指接触到半导体电容指纹表现上时，因为嵴是凸起、峪是凹下，根据电容值与距离的关系，会在嵴和峪的地方形成不同的电容值。然后利用放电电流进行放电。因为嵴和峪对应的电容值不同，所以其放电的速度也不同。嵴下的像素(电容量高)放电较慢，而处于峪下的像素(电容量低)放电较快。根据放电率的不同，可以探测到嵴和峪的位置，从而形成指纹图像数据。

与光学设备多采用人工调整改善图像质量不同，电容传感器采用自动控制技术调节指纹图像像素以及指纹局部范围敏感程度，在不同环境下结合反馈信息生成高质量图像。由于提供了局部调整能力，即使对比度差的图像(如手指压得较轻的区域)也能被有效检测到，并在捕捉瞬间为这些像素提高灵敏度，生成高质量指纹图像。

半导体电容指纹传感器优点为图像质量较好、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。

半导体硅感技术最重要的优点是能够达到活体指纹识别。还可以在较小的表面上获得比光学技术更好的图像质量，在25px×375px的表面上获得 200-300线的分辨率(较小的表面也导致成本的下降和能被集成到更小的设备中)。体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在安全防范和高档消费类电子产品中使用，被称为光学以后的第二代指纹识别技术 。

四、超声波技术

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。

指纹识别由于其技术的成熟和成本降低，开始彻底走向民用。国内生物识别未来将形成上百亿元的市场，其中安防业是最重要的应用领域之一，市场空间很大。目前，罗湖口岸已经用了指纹通关，德国将指纹识别付款应用到某些超市中？预计指纹门禁、指纹读卡器、指纹智能锁，指纹门禁考勤一体机及相关指纹身份识别系统将会迅速普及到每一个安全防范项目和智能大厦，目前国内年门禁安装数量大约是在50万门以上，其中指纹识别的在门禁应用大概只有1% 左右，而一般国外这个比例大约应为20%以上。换句话说，在国内安防业，生物识别产品的市场缺口在95万台左右，另一个比较明显的状况是，目前专门从事指纹读头和指纹门禁生产和销售企业很少，所以综合起来看这个市场有两个明显的特点：市场大，竞争少 。

全面屏手机的普及，为我们的工作与生活带来了许多便捷，同时也改变了以往的用机习惯，而最显著的当属屏幕解锁方案。厂商为了争取更高的屏占比和更完美无孔的机身，实体指纹识别按键逐渐消失，屏下指纹成为了当下主流，不过目前的屏下指纹大多是光学指纹方案，即通过隐藏在屏幕下的摄像头来识别指纹并解锁，目前技术已经非常成熟。

而近日，OPPO公开了另一种屏下指纹技术专利——超声波指纹识别，通过多个超声波指纹识别模组，能够有效提高超声波指纹识别的准确度。要知道，超声波指纹识别作为第三代指纹识别技术，具有穿透材料的能力，因此与目前流行的光学指纹相比，指纹识别准确率更高，即使在脏手、湿手的情况下也能快速解锁，其安全系数更高，也更具前景。

不仅如此，超声波指纹识别还可以带来更大的识别区域。目前主流的光学指纹解锁方案的识别面积仅有一个拇指大小，用户必须将手指对准指定的位置，才能够进行解锁。如果手机厂商指纹识别模块放置的地方太过靠下或者偏上的话，那么对于用户来说，每一次解锁的体验都不是非常的友好。而超声波指纹识别理论上可以做到半屏识别甚至是全屏识别，这样大家在解锁时就不用拘泥于某一区域了，解锁会更加方便、快速。

有意思的是，此前OPPO为了解决这一痛点，早在此前就已经曝光了“一种支持全屏指纹识别的模组、终端设备及指纹识别方法”专利授权。通过这一技术，手机可以提供一种结构将指纹识别功能设置在显示屏上，从而实现全屏指纹识别功能。这样一来，OPPO的全屏指纹识别可以让如今全面屏手机的指纹识别区域增加，用户在解锁时，无需对准指纹位置，在屏幕上任意位置就可以对手机进行解锁，在操作的体验上相比如今单一区域的指纹识别，确实会有着不小的提升，加上超声波指纹识别的优势，屏下指纹解锁体验自然会更快、更准确。

值得一提的是，全屏指纹识别的技术原理是利用了OLED的RGB像素的间隙来放置光感指纹识别单元，从而实现的全屏指纹识别功能，这对于指纹识别模块的的感光能力和面积有着很高的要求，技术难度也很大，OPPO创新技术的功力可见一斑。不过从OPPO近年来在技术研发上的表现来看，截至6月30日，全球专利申请量超过65000件，发明专利申请在所有专利申请中占比90%，在2021年中国企业PCT国际专利申请TOP100榜单中，OPPO排名第二。在如此雄厚的创新实力加持下，OPPO能够率先为屏下指纹提供更好的方案也就不足为奇了。

总的来说，在光学屏幕指纹成为主流的背景下，OPPO一直在蓄力研发更快更准确的指纹解锁方案，不仅获得了全屏指纹解锁专利，还推出了更先进的超声波指纹识别技术，给行业带来了另一种解锁方案。相信以OPPO的技术普及力度，或许在不久之后我们就可以看到OPPO推出基于此项专利的手机，届时相信在屏下指纹识别的体验这一块，会有一个较大幅度的改善，不妨期待一下。