سنسور اثر انگشت زیر نمایشگر چگونه کار میکند؟

در کمتر از یک دهه شاهد هستیم که کدهای PIN به عنوان راهکار امنیتی گوشی‌های هوشمند جای خود را به سیستم‌های تشخیص چهره داده‌اند و اخیراً با فناوری جدید دیگری روبرو شده‌ایم که به تولید کنندگان این دستگاه‌های هوشمند اجازه می‌دهد سنسور های اثر انگشت را در زیر نمایشگر جای دهند.

سنسورهای اثر انگشت در طی سال‌های اخیر به خوبی نشان داده‌اند که یک راهکار امن و البته ارزان قیمت برای محافظت از دستگاه‌های هوشمند به ویژه تلفن‌های همراه هستند. اگرچه تاکنون هیچ راهکار امنیتی سبب نشده است که استفاده از رمزهای متنی و کدهای PIN در گوشی‌های هوشمند متوقف شود اما سنسورهای اثر انگشت نیز به خوبی توانسته‌اند با عموم کاربران ارتباط برقرار کنند و از دستگاه‌های هوشمند در برابر خطرهای امنیتی محافظت نمایند.

در حال حاضر اکثر محصولات موجود در بازار این سنسورها را در دکمه Home یا در پنل پشتی خود جای داده‌‌اند. همچنین سامسونگ چندی پیش اسمارت فونی را معرفی کرد که این حسگر را توسط لبه‌ کناری خود در دسترس کاربران قرار می‌داد. اما آنچه این روزها به عنوان آخرین و پیشرفته‌ترین نسل از این حسگرها در گوشی‌های هوشمند دیده می‌شود یکپارچه سازی آن‌ها با پنل‌های نمایش موجود در این دستگاه‌ها است.

انواع سنسور های اثر انگشت یکپارچه

اسکنر اثر انگشت گوشی زیر صفحه نمایش، از یک سنسور کوچک تشکیل شده است که در پشت صفحه نمایش در منطقه کوچکی قرار می گیرد.

اولین سنسور ابداع شده از نوع سنسور نوری (Optical) است. سنسور های نوری عملکردی تقریبا مانند دوربین ها دارند. در این سنسور نور صفحه نمایش به انگشت شما تابانده می شود که برای اطمینان از خواندن دقیق اطلاعات، لازم است صفحه را کمی فشار دهید. این فرآیند به گونه ای انجام می شود تا حسگر اثر انگشت زیر نمایشگر قادر به تفکیک پستی و بلندی های اثر انگشت باشد. به این شکل اثر انگشت شما اسکن می شود.

البته سنسور های اثر انگشت زیر صفحه نمایش از چند نوع تشکیل شده اند. در گوشی های گرانقیت تر از سنسور های اولتراسونیک (Ultrasonic) هم استفاده می شود. در گوشی های مانند Galaxy S10 که از حسگر اثر انگشت زیر صفحه نمایش اولتراسونیک استفاده می کند، فرآیندی مشابه سونوگرافی انجام می شود. یعنی با استفاده از تابش امواج، نقشه سه بعدی از انگشت شما طراحی می شود. دقت این روش بالاتر است. بنابراین اگر انگشت شما آلوده شده باشد، با این توع سنسور بهتر تشخیص داده می شود.

گوشی های مانند Vivo X21 و Xiaomi Mi 8 از سنسور Synaptics’ Clear ID استفاده می کنند. سنسور Clear ID از چیپ CMOS با نام Clear ID FS9500 استفاده می کنند. این تراشه فقط در نمایشگر های OLED و AMOLED کار می کند.

سنسورهای اثر انگشت یکپارچه با نمایشگر چگونه کار می‌کنند؟

برخلاف نسل گذشته از سنسورهای شناسایی اثر انگشت که ساختاری خازنی داشتند و با استفاده از سیگنال‌های الکترونیکی طرح مربوط به انگشت کاربران را ثبت و به پردازنده منتقل می‌کردند؛ این سنسورهای یکپارچه با نمایشگر ساختاری اپتیکی دارند و با استفاده از سیگنال‌های نوری این اطلاعات را دریافت می‌کنند. در گام بعدی طرح نوری ثبت شده توسط این سنسورها بر روی سیستم ذخیره شده و به پردازنده منتقل می‌شود تا مورد پردازش و ارزیابی قرار بگیرد.

کمپانی آمریکایی Synaptics که یکی از بزرگترین تولید کنندگان سنسورهای بیومتریک در دنیا محسوب می‌‌شود در اواخر سال گذشته میلادی اولین نوع از این سنسورهای نوری که قابلیت یکپارچه سازی با پنل‌های نمایش را دارا هستند به مرحله تولید رساند. این محصولات که با عنوان Synaptics Clear ID Sensor و با شماره مدل Clear ID FS9500 شناسایی می‌‌شوند بعدها با همکاری کمپانی Vivo به مرحله تولید انبوه رسید و برای اولین بار در گوشی Vivo X20 Plus UD مورد استفاد قرار گرفت.

با توجه به ساختار نوری این سنسورهای یکپارچه، تنها امکان استفاده از آن‌ها در محصولاتی که از نمایشگرهای OLED بهره می‌برند ممکن است. به همین دلیل است که تمامی گوشی‌های هوشمندی که تا به حال به این سنسورها مجهز شده‌اند دارای این نوع از نمایشگرها هستند. با قرارگیری انگشت در بخشی از نمایشگر گوشی X20 Plus UD که سنسور Clear ID در زیر آن قرار گرفته است، دایره‌ای نورانی بر روی صفحه نمایش نشان داده می‌شود. در گام بعدی این سنسور برای ثبت اثر انگشت کاربر وارد عمل می‌شود و توسط منبع اپتیکی خود نور مورد نیاز برای این کار را تولید می‌کند. این فوتون‌های نوری از میان پیکسل‌های نمایشگر OLED عبور کرده و محل قرارگیری انگشت کاربران را روشن می‌کند. در مرحله بعدی سنسور CMOS موجود در این حسگر که پیش از این بارها و بارها در دوربین‌های عکاسی با آن‌ها آشنا شده‌ایم؛ وارد کار شده و یک تصویر با وضوح بسیار بالا از طرح انگشت را به ثبت می‌رساند.

با پایان رسیدن مراحل عملکرد بخش‌های سخت افزاری، بخش‌های نرم افزاری کار خود را شروع می‌کنند و توسط الگوریتم‌های پردازشی خود این تصویر به ثبت رسیده را مورد تحلیل قرار می‌دهند. هدف اصلی این الگوریتم‌ها شناسایی نقاط روشن و تاریک یا به عبارت دیگر شناسایی برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌های موجود در هر قسمت از این تصویر است. کمپانی Synaptics که تولید کننده انبوه این سنسورهای یکپارچه است برای پیاده سازی مناسب این الگوریتم‌های شناسایی، نرم افزاری با عنوان Quantum Matcher را تدارک دیده و به کمپانی‌های تولید کننده گوشی‌های هوشمند توصیه کرده است برای عملکرد بهتر این سنسورها، دستگاه‌های خود را به آن مجهز نمایند. سنسور Clear ID می‌تواند تمامی مراحل ثبت و شناسایی اثر انگشت را در مدت زمان تقریبی نصف ثانیه به پایان برساند. با توجه به این نوع عملکرد، نیاز است در هنگام استفاده از این سنسورها فشار نسبتاً زیادی از سوی انگشت کاربران به نمایشگر وارد شود تا شناسایی سطوح دارای برآمدگی و فرورفتگی بهتر صورت بگیرد.

به این دلیل که نمایشگرهای OLED برخلاف نمایشگرهای IPS LCD از نور پس زمینه استفاده نمی‌کنند؛ نور تابش شده از سوی این سنسورها می‌تواند از میان پیکسل‌های LED عبور کرده و محل قرار گیری انگشت کاربران را روشن نماید. با توجه به اینکه نمایشگرهای OLED در حال حاضر تنها در گوشی‌های بالارده و گران قیمت مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ گسترش بیشتر این سنسورهای یکپارچه برای استفاده در محصولات میان رده و پایین رده با سدی محکم روبرو شده است. با این وجود در حال حاضر بخشی از کمپانی‌های تولید کننده این سنسورهای بیومتریک در تلاش هستند که به فناوری مورد نیاز برای استفاده همزمان این سنسورها با نمایشگرهای IPS LCD دست پیدا کنند.

همچنین اخیراً کمپانی‌های دیگری نظیر Goodix و کوالکام نیز تولید انبوه این سنسورهای یکپارچه را آغاز کرده‌اند که این امر موجب می‌‌شود در آینده نزدیک امکان دسترسی به این سنسورها با قیمت بسیار کمتری ممکن شود. گوشی Porsche Design Mate RS هواوی، اولین اسمارت فونی بود که با این سنسورهای کمپانی Goodix تولید و روانه بازار شد. عملکرد این سنسورها نیز مشابه با سنسورهای Synaptics است و گفته می‌شود میزان خطا در آن‌ها‌ تنها به ۰٫۰۰۲ درصد می‌رسد.

نکته قابل اهمیت دیگر در هنگام استفاده از این سنسورها، رابطه آن‌ها با صفحات نمایش است. یکی از مزایای مهم سنسورهای یکپارچه، عدم تاثیر آن‌ها در نحوه نمایش تصاویر بر روی نمایشگر است. به عبارت دیگر استفاده از این سنسورها به هیچ طریقی موجب اخلال در عملکرد نمایشگرهای OLED نمی‌شود. با وجود این، اگر بر بخشی از نمایشگر که این سنسور در زیر آن قرار داده شده است نور تابیده شود می‌توان در زوایای مشخصی این سنسور قهوه‌ای رنگ را مشاهده کرد. در هنگام کار با گوشی‌های هوشمند نیز نمی‌توان محل دقیق قرارگیری این سنسورها را تشخیص داد؛ مگر اینکه یکی از برنامه‌های امنیتی گوشی برای ثبت اثر انگشت کاربران، آن را در حالت فعال قرار دهد.

مزایا و معایب حسگر اثر انگشت زیر صفحه نمایش

هدف از طراحی سنسور اثر انگشت زیر صفحه نمایش، یکپارچه سازی سطح جلوی گوشی است. با استفاده از طراحی ناچ اسکرین، انتقال سنسور به زیر صفحه و.. طراحان سعی می کنند به این هدف برسند. اما این فناوری مزایا و معایبی هم دارد.

مزایا اسکنر اثر انگشت زیر صفحه نمایش:

• امکان استفاده از این فناوری با وجود سرد بودن، خیس بودن و.. انگشت وجود دارد.

• طراحی جلو گوشی را یکپارچه تر می کند.

• تاثیر زیادی در افزایش ضخامت گوشی ندارد.

معایب سنسور اثر انگشت زیر صفحه نمایش:

• سرعت آن ها به نسبت نوع معمولی کمی کمتر و کند تر است.

• در حال حاظر درصد خطای زیادی دارند و دقت زیادی ندارند. ممکن است بیشتر دچار اشتباه شوند.

• فریب دادن آن ها راحت تر است. از آن جایی که این سنسور ها نوری هستند و نه خازنی، بنابراین می توان آن ها را با اسکنهای جعلی فریب داد.

• استفاده از محافظ کننده های صفحه نمایش محدود می شود.

Vivo اولین کمپانی بود که از این نوع سنسور استفاده کرد

کمپانی Vivo در اوایل سال ۲۰۱۸، اسمارت فون بدون حاشیه و تمام صفحه‌ای با عنوان APEX را به همگان معرفی کرد که به علت نسبت ۹۹ درصدی نمایشگر به بدنه، مورد توجه عموم کاربران قرار گرفت. اما این اسمارت فون از بابت دیگری هم حایز اهمیت بود. سنسور اثر انگشت یکپارچه چیزی در حدود ۵۰ درصد از نمایشگر این گوشی را پوشانده است؛ به این معنی که کاربران می‌توانند با قرار دادن انگشت خود در تمام نقاط نیمه پایینی این نمایشگر، قفل این دستگاه را باز کنند.

آینده ی حسگر اثر انگشت یکپارچه

انتظار می‌رود در رشد و توسعه این حسگرهای یکپارچه، کمپانی‌هایی نظیر سامسونگ، شیائومی، هواوی و… نقش مهمی داشته باشند. در این بین نقش سامسونگ پر رنگ‌تر به نظر می‌رسد؛ چرا که در حال حاضر این کمپانی بزرگ‌ترین تولید کننده نمایشگرهای OLED برای استفاده در گوشی‌های هوشمند محسوب می‌شود. همچنین با تلاش‌ کمپانی‌های بزرگی نظیر Synaptics، Goodix، Qualcomm، Egis و… که هم اکنون مشغول آماده سازی خط تولید انبوه خود هستند دسترسی به این میزان تولید تا سال ۲۰۲۲ دور از ذهن به نظر نمی‌رسد.

با افزایش حجم تولیدات سنسورهای یکپارچه با نمایشگر، قیمت تمام شده آن‌ها نیز به میزان قابل توجهی کاهش پیدا می‌کند و به این ترتیب می‌توان امیدوار بود که در طی ماه‌های آینده تعداد بیشتری از گوشی‌های هوشمند به ویژه محصولات میان رده از این سنسورهای یکپارچه با نمایشگر بهره ببرند.