屏下摄像头要上场？vivo新概念机摄像头处屏幕透光率是其他区域6倍！

全面屏，是目前所有手机厂商对手机屏幕的极致追求，从刘海屏到水滴屏，从挖孔屏到升降式摄像头，无不在追求更高层次的屏占比。

2月28日，vivo发布了旗下第三代概念机——APEX 2020。这款手机首次搭载了屏下摄像头，完全消除了刘海和边框。APEX 2020最大的亮点就是这颗摄像头，在一块6.45英寸的120度一体屏上，屏下摄像头的位置，屏幕透光率是其他区域的6倍，加上1600万像素，能够实现屏下成像的功能。

一直以来，前置摄像头对于全面屏来说真的是噩梦般的存在，不管屏幕如何设计，总要给摄像头留出位置，这样一来，全面屏就不再“全面”，反而变得残缺，不管是刘海屏、水滴屏还是挖孔屏，这种残缺在目前主流的全面屏解决方案中尤为严重。

vivo在前几年尝试了自己的全面屏解决方案：升降式摄像头，但是随着5G的来临，手机内部空间进一步压缩，升降式摄像头方案已经不能满足5G时代的需求，想要继续追求真正的全面屏，也只有屏下摄像头技术能担此重任了。

屏下摄像头技术原理解析

介绍下屏下摄像头的技术原理。这里特此说明，今天这里要讲的屏幕下摄像头，指的是摄像头区域还能够正常显示，那种直接挖掉一部分显示区域进行拍照的水滴屏、刘海屏等显示上的异形屏不在讨论范围。

首先我们来看看手机显示屏的结构，下图我画出来6层，从上到下依次为玻璃盖板（也就是我们常说的外屏），OCA胶，偏光片层，上玻璃，下玻璃，以及泡棉。

手机OLED显示屏结构

要在屏幕下放置摄像头，同时摄像头还要能拍照，那就意味着摄像头上面的透过率要比较高，通常要超过60%以上，这个要怎么实现呢？
1、泡棉这层是不透明的，肯定要开孔
2、下玻璃本身是透明的，不需要开孔
3、上玻璃也是透明度，也不需要开孔
4、偏光片层目前的透过率大部分在45%以内，不满足透过率要求，偏光片也要开孔
5、OCA胶水层是透明的，不需要开孔
6、玻璃盖板也是透明的，不需要开孔
你以为只要把泡棉和偏光片开孔就完了？太天真了。

如果我们把一块OLED显示屏的玻璃盖板，OCA胶，保护泡棉都去掉，只剩上下玻璃以及中间的发光层，这时候我们用透过率仪器测定，发现透过的光能量只剩下6%以内了，注意图光线的粗细，示意了光能的大小。也是就说，OLED的发光层是不透明的。

而我们的目的是在不拍照的时候，让这个区域发光层正常显示，拍照的时候发光层又有比较高的透过率。该怎么办呢？

我们来看看发光层的结构再说说解决方案。OLED的结构如图所示，由以下层级构成：
阳极（Anode)、
空穴注入层（HIL，Hole Injection Layer），
空穴传输层（HTL，Hole Tranport Layer），
发光层（EML，Emission layer），
电子传输层（ETL，Electron Transport Layer)
阴极（Cathode）。
更一般的还有空穴阻挡层（HBL，Hole Block Layer），电子阻挡层(EBL，Electron Block Layer）和封盖层（CPL，Capping Layer）。

阴极：
需要选择低功率的材料作为OLED的阴极。采用低功函数的材料作为阴极，不仅可以提高电子注入效率，还可以降低OLED工作时产生的焦耳热，提高器件的寿命。比如常用的阴极材料：金属单质：Ag, Al, Li, Mg, Ca, In等。单质金属性质活泼，容易被氧化，导致寿命缩短。
此时，麻烦大家回去看第一张图，在上玻璃和下玻璃之前，留了个空白层，这层经常做成真空或者充入惰性气体，就是为了防止电极和生物材料氧化。三星通常的做法是充入低压氮气。

阳极：
因为需要将空穴注入到OLED中，因此需要其具有较高的功函数（work function）。通常选薄而透明的ITO。
当电子和空穴复合刺激生物材料发光后，发光角度各个角度都是有的，手机显示只需要单侧发光，因此阴极同步也要起到反射膜的作用，来提升显示亮度。
有些文献上讲到，阴极和阳极之间形成了一个谐振腔，可以调节出光效率，提升光谱纯度。其实这个调节能力聊胜于无而已，所以目前OLED的开发方向依然在于从材料上提升发光效率和光谱纯度。
下面是在显微镜下实拍的OLED的微结构，每个小矩形代表一个像素，可以清楚看到像素分布以及走线。前面提到实测OLED透过率不超过6%，主要就是由于走线与电极不透明的反射层造成的。

从图中可以明显看到，反射电极的遮光占比很大，有些朋友就提出，可否把阴极做得比较透明，去掉反射层的遮挡，类似透明OLED，就可以做屏下摄像头了。
但是，手机上做成透明OLED后会带来显示亮度低，且显示对比度下降的问题，如下图的透明OLED所示。这个方案会造成摄像头区域显示效果和正常区域显示效果差异较大。

所以，采取了什么技术呢？——那就是低PPI技术

手机显示屏的分辨率现在都做到比较细腻了，目前大部分做到400PPI以上了。所以要提高屏幕透过率，那就把摄像头区域的像素密度降低，比如屏幕是400PPI，那我们把摄像头区域做到200PPI，多出来的间隙用来透光，如下图所示，相同的大小的区域，像素占比降低，透光面积明显变大。低PPI技术，最初是由JDI提出的，不过JDI业务自身难保，三星在OLED方面花样百出。

低PPI技术的实现，也有两个途径：
1、 单一屏，在摄像头区域降低分辨率
2、 屏中屏，摄像头区域用低PPI的小屏
无论用哪种低PPI方案，为了尽可能地保持摄像头孔区域的显示功能，这部分的分辨率也不能做得太低，所以OLED厂商在降低分辨率的同时，也在优化走线，希望走线绕开摄像头孔区域，经过各种努力，目前OLED透过率从6%提升到了接近50%，要继续提升的难度也越来越大。同步，也需要摄像头提升感光能力。
网上很多高赞的答案，A商采用投影，B商采用微透镜阵列，C商采用XXX等等。
由于没有找到Vvivo的相关信息，这里以OPPO的屏下摄像头来补充说明。
这是2018年6月4日OPPO就申请的屏下摄像专利图。

能看到，图中的屏幕被分割成了透光区域和不透光区域。实际上透光区域就是一个透镜，而不透光区域才是屏幕。
在透光区域有着摄像头在下面，在摄像头和透光区域之间，有两个组件，分别是成像组件和投影组件。这两个组件，正是实现屏下摄像头的关键。这两个组件也是被放置在一起的。
此外，还有处理单元同时连接非透光区域、投影组件和摄像头。也就是说，上述的成像组件和投影组件是需要处理单元控制的，处理单元并不控制前置摄像头本身。
那么前置屏下摄像怎么通过这两个组件实现的？
不得不说，OPPO玩前置的有一手
从n3电控前置摄像头反转，到OPPO findx的升降3D前置摄像头，到reno的铡式前置，配合上了前后闪光灯。
OPPO再次用独特的思维解决了屏下摄像。

在另一张专利图中，我们能清晰的看到在投影元件和成像组件下还有驱动原件。
驱动元件直接改变上述两个组件的效果，也就是改变屏幕透光区域下面的组件工作状态。
当成像组件在工作时，感光元件配合透镜下面的前置摄像头进行拍摄，此时的投影组件是关闭的，并且是透光的。而且周边屏幕有区域都是黑色的（减少对成像组件的干扰）
这个地方有一个问题，就是为什么投影组件可以不影响成像组件工作？
下面依然是我的推测
我不知道大家有没有看过《红海行动》，里面的狙击手给瞄准镜套上了网布以后，没有影响到自己观察敌人，只是减少了瞄准镜里的亮度。
这种遮光的机械，实际上就是遮光筒。遮光筒通过透镜成像以后，只会影响亮度，不会影响采集完整的像。

原理是，物体反射或发出无数条光线，经凸透镜折射后有无数光线相交，这时物体就成像。遮挡住凸透镜一部分后，只是遮住了部分光线，仍有光线能相交，所以仍能成像，只是暗一点罢了。
透光的投影组件和透镜在一起，就好似无数个微小的透镜和无数用于显示的元件组合在一起，就成了被网遮住的透镜，仍然可以透过它成像。
投影组件下的透镜，不会因为投影组件就不能成像，它是能帮助成像组件完成像的采集，因此屏下摄像也对透镜的透光率提出了挑战。
当然，这个地方的透镜也有可能是微透镜排列，微透镜的大小在μm级别，完全能够在oled的屏幕（投影元件）的透明空隙下排列布置。

这个地方的透镜确实用的是微透镜技术，除了硬件提升透光率以外，还在算法优化上下了很大功夫。

当投影组件在工作的时候，手机就通过发光元件等配合屏幕非透光区域完成全面屏显示。而成像组件就在老老实实休息。
目前猜测到这个专利的技术难点:
一是微型的驱动元件和成像组件、投影组件的稳定性和抗震抗摔性
二是对透镜透光率的考验
三投影组件的显示效果有没有受到影响
但是这么小的前置摄像头方案，肯定也给机身留下了更多的空间来发挥。
而这次vivo的apex的发布，是否标志着真全面屏离我们是否越来越近了？

电子发烧友综合报道，参考自知乎@孔老师、OLEDindustry，创客居，转载请注明以上来源和作者。