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手机屏占比新战场:摸索中的屏下摄像头技术

手机“全面屏”所展现的,远非面板封装技术提升这么简单。在提升手机“屏占比”的过程中,每推进哪怕1%的程度,人类都在为之欢呼雀跃。

手机“全面屏”所展现的,远非面板封装技术提升这么简单。在提升手机“屏占比”的过程中,每推进哪怕1%的程度,人类都在为之欢呼雀跃。

今年6月,OPPO和小米的高层都相继在微博上披露了自家的“屏下摄像头”方案。屏下摄像头技术,是将前置摄像头“埋进”手机屏幕下方,且“埋藏”摄像头的屏幕区域本身不仅可用于显示,也能从容应对自拍之类的场景,不需要特别在屏幕上为摄像头专门预留位置,也就进一步提升了屏占比。

这类技术或许很难用“革命性”来形容,但就技术研究方向来看,它足以成为一种趋势。

OLED更利于摄像头“穿透”

要将摄像头这类传感器隐于屏幕下方,就直觉来看,至少要求屏幕材料本身有透明或半透明属性。实际上,OLED和LCD屏幕都具备这种属性基础,但LCD因为有背光层的存在,且屏幕结构相对复杂、面板厚度偏厚、透光率也更难做高,所以LCD先天不具备隐藏传感器的优越性。

OLED有机发光二极管屏幕在结构上先天有着“半透明”优势属性。这类屏幕不需要背光和filter滤光片,其基板和ITO(铟锡氧化物)阳极一般是透明的,阴极虽然本身不透光,但当厚度达到相应程度时就呈现出半透明。在屏下摄像头之前,屏下环境光传感器、屏下指纹识别传感器等已得到成功应用。

OLED显示屏具备半透明和超薄的特点,屏下环境光传感器能顺利实现其功能。环境光传感器在手机上的价值,主要在于感应外界光线强弱,并动态调整手机屏幕亮度。实际屏下环境光传感器早在Apple Watch设备上就有利用,ams艾迈斯板代替很早就提供了这类方案。

不过在穿透屏幕的问题上,仍有很多实际问题需要解决。比如屏下环境光传感器需要解决精准的测光问题,解决光学串扰,以及屏幕本身在发光时,如何通过算法来抵消屏幕发光对于环境光侦测的影响等。

屏下摄像头在基本需求上,是需要将照片拍好看的。一般摄像头的光学镜头都需要特别设计,即便高透光率的OLED屏幕,挡在摄像头前方,实际也很难满足“拍好”的需求。这是屏下摄像头时至今日也仍未普及的原因。

所以实现屏下摄像头的主体,在“透过屏幕”的解决方案,以及如何通过图像后期算法来修正因为屏幕遮挡导致的画质损失。这是不同层级的厂商开始各显神通的时候。也是小米、OPPO率先公开正在研发in-display摄像头方案抓人眼球的原因所在。

殊途同归的解决方案

当前有关屏下摄像头的技术细节还很少,毕竟这项技术也还处在初生阶段。《国际电子商情》尝试从专利申请层面来了解这类技术,还是能够描摹出大致轮廓的。首先来看看小米和OPPO已经对外公布的方案。

 

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图1 小米的小“透明屏”

就小米公开的资料来看,小米展示的“隐视屏”在前置摄像头区域,是个所谓的小“透明屏”,示意图(图1)中提到了“透明阴极”和“透明阳极”,应该是在阴极和阳极的材料方面做了透光率提升,同时降低反射率,而且这部分也“充当镜片的作用”,那么可能还会有更多材料和结构选择上的优化。小米公司产品总监王腾表示,“显示效果还需要时间优化”,指的应该就是针对透光率及光学素质的损失,所需的后期算法优化。

实际从国家知识产权局官网查询可知,小米曾经在2018年11月申请过一项电子设备专利(申请公告号:CN208924293U),这项专利与屏下摄像头相关。不过此专利描述的方案更偏向于,一般情况下设备为全面屏显示,在自拍时,则通过马达移开摄像头上方的一部分显示区域。看起来,这项专利极有可能和小米当前公开的技术不一致。

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图2 OPPO在专利中将屏幕分成透光区域和非透光区域

就OPPO于去年6月申请的专利(申请公告号:CN108551505A)来看,其技术方案和小米的完全不同。OPPO在专利中将屏幕分成透光区域和非透光区域(图2),这里的透光区域也就是前置摄像头所在区域——实际这个区域包含了“成像组件”和“投影组件”,这两个组件下方都设有驱动元件。驱动元件可控制两个组件的工作状态,当成像组件——也就是摄像头工作时,投影组件关闭,做到透光。在投影组件工作时,这部分就作为常规屏幕显示区域,与其它“非透光区域”一同显示屏幕内容。

这里还用到了微透镜技术,利用显示屏像素点之间的缝隙来实现光的通过,到达摄像头也就可以拍照了。专利中,摄像头上方的这部分屏幕,其像素密度也特别做了降低处理,像素间的间隙也就更大,使得更多光能够传统屏幕到达摄像头内部。

虽然这种实现方案与小米在材料透过率方面下功夫不一样,但总体也是殊途同归的,即让更多的光能够透过摄像头上方的屏幕。

除了小米和OPPO之外,实际已经有屏下摄像头专利储备的公司也不少。比如屏幕制造商京东方本家的专利方案(申请公告号:CN109561183A),在主屏之外还有个“副屏”。副屏位于主屏出光面的一侧,通过机械结构可以控制副屏和屏下摄像头的“交替”。在需要拍照时,上摄像头;在拍照完成后,上副屏——此时摄像头会隐藏在主屏下方。这个方案思路似乎与小米申请的专利很像。

华为的方案(申请公告号:CN109618029A)则着重在通过电压调节来控制屏幕的透明度。这套方案可能针对LCD,主要组成部分包括了显示屏、液晶调光膜和补光灯。摄像头(实则为CIS图像传感器)上方正对液晶调光膜。液晶调光膜的结构包括两层导电膜和中间的液晶层,导电膜之间的电压能够根据信号进行调整,以“改变液晶层的透光率”。补光灯用于在CIS停止工作时,为液晶调光膜补光,起到遮蔽CIS也就是摄像头的作用。

还有像是vivo的专利方案,是在摄像头上方区域的显示区域,专门采用PMOLED材料,而其它主体显示区域则仍用AMOLED,摄像头所处位置的显示区域也就做到了更高的透光率;还有一些厂商考虑更多其它材料来提升透光率。

总的来说,除了像京东方这类用机械结构来交替显示和拍照的方案,其余各种专利都是在屏下摄像头显示区域的透光率上下功夫。无论是PMOLED、更高透光率的OLED阴极与阳极材料,还是调整显示像素密度的多微透镜方案,其目标都是一致的。

技术成熟时的机遇

不过这些都只是各厂商的专利储备,未来是否应用于实际量产产品也很难说。但无论将来何种方案成为主流,屏下摄像头就现在看来的技术核心都在屏幕面板上,这对屏幕制造商而言,可能会成为未来1-2年内的市场机遇和利润增长点。

与此同时,显示屏即便提升透光率,仍然造成对前置摄像头的遮挡,前摄成像素质相较以往的传统方案必然发生倒退。这在成像领域可能促成两种市场走向,其一是拍照后期算法的强化——这就成为手机SoC制造商以及成像解决方案提供商的一波机遇;其二,和屏下指纹识别传感器的方向类似,屏下摄像头可能与屏幕本身达成更高的集成度。这对手机制造商的结构工程能力提出了更高的要求。

不难想见,未来手机的宣传点中,可能会针对自拍做更大力的宣传投入。自拍更强的手机制造商往往也意味着更强的技术实力。

而屏下摄像头的整体解决方案,在技术迈向成熟以后,目前的“百家争鸣”局面最终都会走向终结。屏下指纹识别技术的发展走向即是最佳例证。在Synaptics与vivo携手发布首个屏幕指纹识别手机之后,在成本下降、市场逐渐迈向成熟之际,最终的赢家却是汇顶科技。

从屏下指纹识别市场的发展,亦不难窥见屏下摄像头的市场走势。各种“屏下”传感器技术,实质都在为“真”全面屏铺路,这也是手机走向未来的重要一步。

不过就屏下摄像头目前的市场现状来看,其发展阶段还相当初级,市场上甚至还没有量产设备问世,如OPPO甚至都只是展示了一个研发阶段尚早的原型设备。在经历如屏幕指纹识别传感器市场那样的试错阶段以后,屏下摄像头才会逐渐走向成熟,而且这个过程可能会更加漫长。

著名分析师郭明錤上个月表示,预计2021年苹果会彻底去掉iPhone屏幕上方的刘海。在整个解决方案中,苹果的TrueDepth系统——也就是刘海内部的绝大部分传感器预计都将迁移到屏幕后方。这在技术层面提出了相当大的挑战。而屏下摄像头市场的大规模崛起,预计至少还要再等一年。

责任编辑:Momo

原创
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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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