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手機屏占比新戰場:摸索中的屏下攝像頭技術

手機“全面屏”所展現的,遠非面板封裝技術提升這么簡單。在提升手機“屏占比”的過程中,每推進哪怕1%的程度,人類都在為之歡呼雀躍。

手機“全面屏”所展現的,遠非面板封裝技術提升這么簡單。在提升手機“屏占比”的過程中,每推進哪怕1%的程度,人類都在為之歡呼雀躍。

今年6月,OPPO和小米的高層都相繼在微博上披露了自家的“屏下攝像頭”方案。屏下攝像頭技術,是將前置攝像頭“埋進”手機屏幕下方,且“埋藏”攝像頭的屏幕區域本身不僅可用于顯示,也能從容應對自拍之類的場景,不需要特別在屏幕上為攝像頭專門預留位置,也就進一步提升了屏占比。

這類技術或許很難用“革命性”來形容,但就技術研究方向來看,它足以成為一種趨勢。

OLED更利于攝像頭“穿透”

要將攝像頭這類傳感器隱于屏幕下方,就直覺來看,至少要求屏幕材料本身有透明或半透明屬性。實際上,OLED和LCD屏幕都具備這種屬性基礎,但LCD因為有背光層的存在,且屏幕結構相對復雜、面板厚度偏厚、透光率也更難做高,所以LCD先天不具備隱藏傳感器的優越性。

OLED有機發光二極管屏幕在結構上先天有著“半透明”優勢屬性。這類屏幕不需要背光和filter濾光片,其基板和ITO(銦錫氧化物)陽極一般是透明的,陰極雖然本身不透光,但當厚度達到相應程度時就呈現出半透明。在屏下攝像頭之前,屏下環境光傳感器、屏下指紋識別傳感器等已得到成功應用。

OLED顯示屏具備半透明和超薄的特點,屏下環境光傳感器能順利實現其功能。環境光傳感器在手機上的價值,主要在于感應外界光線強弱,并動態調整手機屏幕亮度。實際屏下環境光傳感器早在Apple Watch設備上就有利用,ams艾邁斯板代替很早就提供了這類方案。

不過在穿透屏幕的問題上,仍有很多實際問題需要解決。比如屏下環境光傳感器需要解決精準的測光問題,解決光學串擾,以及屏幕本身在發光時,如何通過算法來抵消屏幕發光對于環境光偵測的影響等。

屏下攝像頭在基本需求上,是需要將照片拍好看的。一般攝像頭的光學鏡頭都需要特別設計,即便高透光率的OLED屏幕,擋在攝像頭前方,實際也很難滿足“拍好”的需求。這是屏下攝像頭時至今日也仍未普及的原因。

所以實現屏下攝像頭的主體,在“透過屏幕”的解決方案,以及如何通過圖像后期算法來修正因為屏幕遮擋導致的畫質損失。這是不同層級的廠商開始各顯神通的時候。也是小米、OPPO率先公開正在研發in-display攝像頭方案抓人眼球的原因所在。

殊途同歸的解決方案

當前有關屏下攝像頭的技術細節還很少,畢竟這項技術也還處在初生階段。《國際電子商情》嘗試從專利申請層面來了解這類技術,還是能夠描摹出大致輪廓的。首先來看看小米和OPPO已經對外公布的方案。

 

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圖1 小米的小“透明屏”

就小米公開的資料來看,小米展示的“隱視屏”在前置攝像頭區域,是個所謂的小“透明屏”,示意圖(圖1)中提到了“透明陰極”和“透明陽極”,應該是在陰極和陽極的材料方面做了透光率提升,同時降低反射率,而且這部分也“充當鏡片的作用”,那么可能還會有更多材料和結構選擇上的優化。小米公司產品總監王騰表示,“顯示效果還需要時間優化”,指的應該就是針對透光率及光學素質的損失,所需的后期算法優化。

實際從國家知識產權局官網查詢可知,小米曾經在2018年11月申請過一項電子設備專利(申請公告號:CN208924293U),這項專利與屏下攝像頭相關。不過此專利描述的方案更偏向于,一般情況下設備為全面屏顯示,在自拍時,則通過馬達移開攝像頭上方的一部分顯示區域。看起來,這項專利極有可能和小米當前公開的技術不一致。

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圖2 OPPO在專利中將屏幕分成透光區域和非透光區域

就OPPO于去年6月申請的專利(申請公告號:CN108551505A)來看,其技術方案和小米的完全不同。OPPO在專利中將屏幕分成透光區域和非透光區域(圖2),這里的透光區域也就是前置攝像頭所在區域——實際這個區域包含了“成像組件”和“投影組件”,這兩個組件下方都設有驅動元件。驅動元件可控制兩個組件的工作狀態,當成像組件——也就是攝像頭工作時,投影組件關閉,做到透光。在投影組件工作時,這部分就作為常規屏幕顯示區域,與其它“非透光區域”一同顯示屏幕內容。

這里還用到了微透鏡技術,利用顯示屏像素點之間的縫隙來實現光的通過,到達攝像頭也就可以拍照了。專利中,攝像頭上方的這部分屏幕,其像素密度也特別做了降低處理,像素間的間隙也就更大,使得更多光能夠傳統屏幕到達攝像頭內部。

雖然這種實現方案與小米在材料透過率方面下功夫不一樣,但總體也是殊途同歸的,即讓更多的光能夠透過攝像頭上方的屏幕。

除了小米和OPPO之外,實際已經有屏下攝像頭專利儲備的公司也不少。比如屏幕制造商京東方本家的專利方案(申請公告號:CN109561183A),在主屏之外還有個“副屏”。副屏位于主屏出光面的一側,通過機械結構可以控制副屏和屏下攝像頭的“交替”。在需要拍照時,上攝像頭;在拍照完成后,上副屏——此時攝像頭會隱藏在主屏下方。這個方案思路似乎與小米申請的專利很像。

華為的方案(申請公告號:CN109618029A)則著重在通過電壓調節來控制屏幕的透明度。這套方案可能針對LCD,主要組成部分包括了顯示屏、液晶調光膜和補光燈。攝像頭(實則為CIS圖像傳感器)上方正對液晶調光膜。液晶調光膜的結構包括兩層導電膜和中間的液晶層,導電膜之間的電壓能夠根據信號進行調整,以“改變液晶層的透光率”。補光燈用于在CIS停止工作時,為液晶調光膜補光,起到遮蔽CIS也就是攝像頭的作用。

還有像是vivo的專利方案,是在攝像頭上方區域的顯示區域,專門采用PMOLED材料,而其它主體顯示區域則仍用AMOLED,攝像頭所處位置的顯示區域也就做到了更高的透光率;還有一些廠商考慮更多其它材料來提升透光率。

總的來說,除了像京東方這類用機械結構來交替顯示和拍照的方案,其余各種專利都是在屏下攝像頭顯示區域的透光率上下功夫。無論是PMOLED、更高透光率的OLED陰極與陽極材料,還是調整顯示像素密度的多微透鏡方案,其目標都是一致的。

技術成熟時的機遇

不過這些都只是各廠商的專利儲備,未來是否應用于實際量產產品也很難說。但無論將來何種方案成為主流,屏下攝像頭就現在看來的技術核心都在屏幕面板上,這對屏幕制造商而言,可能會成為未來1-2年內的市場機遇和利潤增長點。

與此同時,顯示屏即便提升透光率,仍然造成對前置攝像頭的遮擋,前攝成像素質相較以往的傳統方案必然發生倒退。這在成像領域可能促成兩種市場走向,其一是拍照后期算法的強化——這就成為手機SoC制造商以及成像解決方案提供商的一波機遇;其二,和屏下指紋識別傳感器的方向類似,屏下攝像頭可能與屏幕本身達成更高的集成度。這對手機制造商的結構工程能力提出了更高的要求。

不難想見,未來手機的宣傳點中,可能會針對自拍做更大力的宣傳投入。自拍更強的手機制造商往往也意味著更強的技術實力。

而屏下攝像頭的整體解決方案,在技術邁向成熟以后,目前的“百家爭鳴”局面最終都會走向終結。屏下指紋識別技術的發展走向即是最佳例證。在Synaptics與vivo攜手發布首個屏幕指紋識別手機之后,在成本下降、市場逐漸邁向成熟之際,最終的贏家卻是匯頂科技。

從屏下指紋識別市場的發展,亦不難窺見屏下攝像頭的市場走勢。各種“屏下”傳感器技術,實質都在為“真”全面屏鋪路,這也是手機走向未來的重要一步。

不過就屏下攝像頭目前的市場現狀來看,其發展階段還相當初級,市場上甚至還沒有量產設備問世,如OPPO甚至都只是展示了一個研發階段尚早的原型設備。在經歷如屏幕指紋識別傳感器市場那樣的試錯階段以后,屏下攝像頭才會逐漸走向成熟,而且這個過程可能會更加漫長。

著名分析師郭明錤上個月表示,預計2021年蘋果會徹底去掉iPhone屏幕上方的劉海。在整個解決方案中,蘋果的TrueDepth系統——也就是劉海內部的絕大部分傳感器預計都將遷移到屏幕后方。這在技術層面提出了相當大的挑戰。而屏下攝像頭市場的大規模崛起,預計至少還要再等一年。

責任編輯:Momo

原創
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黃燁鋒
歐陽洋蔥,編輯、上海記者,專注成像、移動與半導體,熱愛理論技術研究。
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