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再见孔洞齐刘海!屏下摄像头的“隐秘战事”

发布日期:2021-10-04 07:23   来源:未知   阅读:

  集微网报道,智能手机下一个创新高地在哪?目前看,经历了屏下指纹、影像、屏幕、快充等领域的竞逐之后,屏下摄像正在成为巨头们征战的新赛场。

  下半年起,中兴Axon30 5G、小米MIX 4、三星Galaxy Z Fold 3等带有屏下摄像功能的智能手机陆续发布,OPPO、vivo的新品呼之欲出,苹果、华为此前也在相关专利方面进行布局屏下摄像进入爆发前夜。

  如果说苹果iPhoneX提出了全面屏概念,三星A8s开启了打孔屏时代,那么真正让全面屏回归其本质的屏下摄像技术创新浪潮则完全由国内厂商引领,全球首个量产屏下摄像技术方案和首款量产屏下摄像手机均来自中国。

  依托于协同创新研发,在屏下摄像方面,国内面板厂商和手机厂商站上C位,也占据了技术和市场上的先发优势。而作为屏下摄像技术主要创新贡献者,屏厂在其中发挥了关键作用。按照目前已发布的产品表现来看,甚至可以说,中国屏幕技术首次引领了全球的创新方向和进程。

  屏下摄像技术应用和市场的前景如何?有哪些技术难点?国内厂商是如何突破的?对产业链有何影响?围绕这些话题,集微网走访了相关人士,探究屏下摄像技术创新突破的背后。

  为了追求屏幕的完整性,从早期的屏下指纹到窄边框,从齐刘海到打孔、水滴,手机厂商干掉了“黑边”、干掉了“下巴”,前置摄像头却成了唯一“羁绊”。

  有些厂商试图通过滑盖,机械式升降等方式解决,但又带来机身厚重、易故障等问题。

  消费者对于全面屏的渴望是迫切的。中兴手机发布的一份消费者调研报告显示,三分之二的受访对象希望拥有全面屏手机,市场对于全面屏的接受度较高。

  手机厂商的追求,或者说消费者的希望,其实是“全面屏”能够真正回归其本质和真实的定义,即一块完整的屏幕。

  这一夙愿,在去年中兴发布全球首款屏下摄像手机Axon 20时得以实现,由此,“真·全面屏”时代正式开启。

  在一位手机行业分析师人士看来,屏下摄像技术被看好,一方面是存在市场需求痛点,此前的方案均一定程度上破坏了屏幕的整体性。

  另一方面,如今手机硬件方面配置日渐趋同,屏幕上的创新重新成为手机厂商竞争的焦点,比如高像素、高刷新率等等,而屏下摄像技术的出现,则成为手机厂商进一步塑造差异化以及市场营销方面的主要卖点。

  “屏下摄像技术成熟后,手机厂商在屏幕上的竞争将进入新的阶段,特别是如今手机厂商普遍都围绕智能手机建立生态,在移动PC、大屏、智能穿戴等领域,屏幕扮演的角色将愈发重要。”该人士表示。

  今年被视为智能手机屏下摄像的元年,下半年起,中兴、小米、三星已陆续发布了屏下摄像头手机,OPPO和vivo的相关产品也即将发布,手机厂商间的屏下摄像大战烽烟渐起。

  行业研究机构CINNO Research的分析指出,随着屏下摄像头方案不断完善迭代,将会和打孔方案共同成为未来市场的两个主流技术。CINNO预计到2023年,采用屏下摄像的智能手机出货量将在5%左右,即3000-4000万量级的市场空间。

  “相比于此前刘海、水滴屏、打孔屏从推出到占据市场50%左右份额基本上都要1-2年的时间周期,屏下摄像方案目前仍受制于技术复杂度、成本等问题,随着方案的进一步成熟,成本下降,未来手机厂商切换全面屏的速度可能会加快。”上述手机行业人士表示。

  自2019年起,陆续有OPPO、vivo、小米等厂商进行了屏下摄像头技术的演示,直至去年9月,中兴发布全球首款量产屏下摄像头手机Axon 20,才标志着屏下摄像技术的真正落地。

  此前屏下摄像技术之所以未得到有效解决,主要是因为无法有效解决“显示-透光(成像)”这对智能手机上最为显性的矛盾。

  提升显示质量,像素增多,就会降低透光率,影响前摄摄像头的成像质量,如果提升透光率,前置摄像头的区域就会出现“纱窗”,影响屏幕的一致性,无法做到前置摄像头的完全隐藏。

  图注:OPPO在2019年MWC上展示的屏下摄像头技术——透视全景屏,自2019年起,OPPO多次推出屏下摄像Demo,致力于100%全面屏。

  这块被称为“副屏”的区域,有别于传统的屏幕,相比于打孔屏85%-90%以上的穿透率,副屏区域的光学穿透率目前只有20%。

  据CINNO Research首席分析师周华介绍,屏下摄像头技术主要存在三方面的挑战:

  一是OLED像素驱动需要大量TFT器件和金属走线,这些器件的大小和数量决定前置摄像头区域屏幕光线透过率。

  二是OLED结构复杂,有十几层结构,每层结构材质透光均不是100%,多层叠加后对透光率有一定影响,特别是目前柔性PI衬底依然是黄色材质,对成像影响较大。

  三是由于屏幕子像素间的缝隙较小,将光线分成网格,同时随着光被分得越多,直线光波变成光带的衍射现象越明显,最终会影响前置成像效果,尤其是人像边缘模糊化,因此,像素的存在导致无法避免光的衍射问题。

  以上只是两块不同材质的屏幕带来的问题,而因为这两块不同的屏在设计、结构以及驱动方式都有差异,考虑到模组堆叠对空间的要求、成本的控制,需要使用一颗驱动IC,实现主副屏在不同结构、电压、电流下表现出颜色、亮度、频率等性能上的一致。

  “要达到一致的显示效果,让人感觉不到这个副屏的存在,难度是很大的。就像你两个不同的乐器,比方说一个萨克斯,那么一个钢琴,然后人家弹出来的声音让它一样,那么这个调试是很难的。”维信诺屏下摄像技术总工楼均辉表示。

  用中兴通讯显示规划总工王吉思的话说,“屏下摄像技术的研发这是一个极其虐心过程。”

  比如,减少像素数量增加透光率的方案,屏下前置摄像头区域的PPI会降低,该位置需要增大功率才能达到与其他位置相同的视觉亮度,因此该技术对子像素的材料有着一定要求;而维持像素数量方案通过减小每个像素面积增加可透光率,但是屏下区域的像素变小,功率增大,同样对材料寿命有一定挑战。

  上述两种方案,不仅容易引起烧屏带来使用寿命下降的问题,而且不能有效解决光的衍射问题。

  因此,目前主流解决像素问题的方案,是在TFT器件和走线技术方面,通过一组TFT来驱动四组像素,从而不减少发光层,并增强透光率,在非精细画质的要求时可以达到一致的显示效果,在精细画质要求时会有略微的现实差异。

  而在解决前置摄像头区域的显示材料透光问题上,主要在保证亮度、颜色和主屏一致的前提下,通过采用改变显示材料(替换成透明度较高的材料),如透明阳极、无偏光片、以及导入透明PI等方式,而替换的材料需要保证具有可量产型。

  而对于光的衍射问题,则更多需要通过前置摄像头的选型来配合。比如采用感光面积更大的大底sensor,同时设计高效的AI算法,提升画面解析力,从而改善曝光不足、噪声明显等问题,降低对屏下摄像头成像素质的要求,达到在较低的透光率下实现理想的成像效果。

  这方面的主要工作由手机厂商完成www.br6e7.com.cn,即通过前置摄像头的硬件选择以及搭配自研算法的结合,达到和正常使用的手机接近的拍照水平。

  因此,可以看到,屏下摄像的愿景虽好,但其中涉及大量的技术创新,属于系统性工程,需要面板和手机厂商进行大量的工作协同研发,多次迭代,才得以攻克这一技术壁垒。而在解决了技术问题后,量产、良率与成本又成为需要攻克的“下一座城池”。

  在目前发布和展示的几款采用屏下摄像技术的手机中,中兴Axon 20的首发和中兴Axon 30持续保持先发优势,依托的是维信诺提供的屏下摄像方案,也是全球最早实现规模量产的方案。

  小米的MIX 4则采用华星光电的方案,但小米董事长兼CEO雷军在发布会上公开表示,由于在3D柔性屏上采用屏下技术,目前该屏幕的良率较低,成本较高。而据集微网了解,MIX 4线月才能提货。

  在目前众多屏下摄像技术方案中,中兴与维信诺和合作采用的方案,被业界视为较为成熟的主流方案。

  该方案最主要的核心专利技术,是在前置摄像头区域(副屏)采用“一驱多”阵列设计,即“1个子像素驱动电路同时驱动其他同色子像素”,这样可以简化透明区布线设计,极大增加透过率,使屏下摄像技术的量产成为可能。据了解,该技术是“屏下摄像”最为关键的底层专利技术,是现有工艺条件下突破量产的必经之路。

  “相比于业界其他厂商推出的一驱一方案,一驱多阵列设计突破了现有的驱动架构,需要创造性,选择的原因就是为了追求显示效果和可量产性间的一个最佳平衡点。”楼均辉强调。

  作为屏下摄像量产的主要推手,维信诺此前一直在幕后鲜为人知,直至近日,维信诺才第一次走到台前揭示自己的屏下摄像技术核心。

  除了首创“一驱多”阵列设计之外,据楼均辉介绍,维信诺的屏下摄像技术还首创了包括像素驱动电路边置、蛇形电极走线方案等核心发明点,简化副屏区布线,同时抑制衍射现象,提升摄像头拍照清晰度。

  CINNO Research首席分析师周华表示,目前最成熟的屏下技术方案应该就是现在维信诺和中兴合作的这种屏下技术,包括小米用的也是类似技术,周华认为该技术应该会成为未来屏下摄像的主流技术。

  自2006年起,维信诺便开始进行包括PMOLED透明屏和HUD透明显示方面的研究。2017年起,维信诺开始进行屏下摄像头技术的研发探索,针对目前的屏下摄像方案,经历了从2018开始的PMOLED+AMOLED方案,半AMOLED+AMOLED方案,2019年透明屏显示色块方案,2019年透明屏小阳极方案,2019年透明屏显示效果提升方案等多个技术研发迭代。

  图注:维信诺在2021世界显示产业大会上展示的新一代可量产屏下摄像解决方案InV see Pro

  因多年来专注在OLED以及透明显示领域的积累,目前在屏下摄像技术方面,维信诺拥有的相关专利授权最多、授权最早,专利申请量达千项以上。

  这也是为何维信诺能够在去年成功推出全球首个屏下技术的量产和商用方案InV see,今年又推出升级版方案InV see Pro,在副屏的分辨率、透过率等方面实现快速迭代和性能提升,持续引领屏下摄像技术发展的原因。据集微网了解,维信诺的方案是目前迭代最快、量产经验最丰富、良率最高、综合成本最有竞争力的屏下技术方案。

  部分业内人士看来,尽管目前屏下摄像方案具有一定的成熟度,但仍有优化的空间。

  比如在提升透明度方面,王吉思表示,中兴的下一个目标是在保证400PPI像素的前提下,将透光率从目前的20%提高到30%左右。

  “虽然只有10%的提升,但并不容易,需要搭配摄像头的选型以及选择更好的拍摄算法,进一步提升透明度和抑制衍射。”王吉思表示。

  此外,屏下摄像头还将集成更多屏下感应技术,如屏下3D人脸识别、屏下环境光感应等,这样可以使未来手机的集成度更高。

  同时,目前屏下技术的制程仍然较为复杂,成本较高。据王吉思介绍,中兴采用的屏下摄像屏比打孔屏成本高50%以上,未来需要通过规模普及进一步降低成本。

  屏下摄像头技术作为一个基础平台性技术,无论是硬屏AMOLED屏下摄像、柔性AMOLED屏下摄像、高端柔性屏下摄像、中尺寸屏下摄像等方面都是应用的方向,在笔记本电脑、智能手表、智能手环等产品中均能够应用。

  “针对上述应用场景,维信诺均能够提供完备的解决方案,拥有完整的客户需求定制开发能力。”楼均辉说。

  一是材料:因为屏下摄像技术涉及到的材料和正常屏差别较大,在新材料方面存在机会。比如透明胶材料就有机会将传统的透明度较差的替换掉。

  二是芯片:因为屏下技术采用主副两块屏幕,要把两块屏幕的驱动做到一致,显示效果做到一致,这就对芯片提出了更高的要求,虽然是挑战,但对芯片厂商来说是机会。

  三是摄像头:原来的摄像头适合盲孔或者通孔,现在因为要适应透明屏,所以需要新的摄像头去适配。

  相比于以往全面屏上的技术创新主要由苹果、三星等国外厂商引领,屏下摄像技术的变革则主要由中国公司推动,中兴、小米与OPPO成为最先量产和公布屏下技术的三个厂商,其背后,则依托的是维信诺、华星光电、京东方的解决方案。

  如前文所述,屏下摄像涉及屏幕材料、OLED器件、阵列设计、驱动算法等多项技术,属于系统式创新。

  特别对于屏幕厂商而言,这样的创新难度是巨大的。当无论是客户、材料设备厂商都并不清楚真正的“屏下摄像”会是一个什么产品形态时,需要面板厂商自己设计产品形态、制定标准、设计开发、材料寻源、测试,试错难度大、风险也较高。

  “当时我们做这个技术的时候,全球没有任何样品,当然也没有任何产品,所以说我们没有任何参考,我们所谓的方案都是我们自己想,然后自己去尝试。当时确实有人质疑能不能做成,与国外专家交流的时候,面对客户、产业链的时候,都受到过质疑,觉得显示-透光这个矛盾无法解决。直到我们拿着demo给他们看如果我们不去做这些,屏下技术的商用进程至少再晚1-2年。”楼均辉坦言。

  在集微咨询显示行业首席分析师李雷广看来,国内面板和手机厂商在屏下摄像技术上的创新,对产业而言具有方向性的指引意义。

  “一方面,起到了对供应链的培育、对客户的引导作用,供应链有了明确的方向去优化产品性能,客户也可以将更多精力、开发资源,集中在适合终端厂商努力的方向上。另一方面,当产品成功量产上市之后,对于其技术的研究可以帮助产业少走很多弯路,减少很多试错成本,时间和资金投入都能集中在已经被验证过的方案上,能够加速屏下技术的推广和普及。”李雷广说。金石资源2021年半年度董事会经营评述