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黑科技|HOVM争夺5年却被中兴摘桃子，屏下摄像头黑科技是如何实现的？


自被美国封杀并且“休克”之后 ， 中兴作为曾经的全球顶级科技公司颇有些沉寂 。 不过 ， 在数码科技爱好者的圈子里 ， 这个名字最近被提起的次数又多了起来 。
上月初 ， 中兴手机业务负责人倪飞在微博一语惊人 ， 解开了一个在数码圈内保持了许久的悬念：“全球首款屏下摄像头智能手机 ， 就是我中兴!”
苹果也做“丑”手机
2017年9月 ， 苹果在极具视觉冲击力的史蒂夫·乔布斯剧院隆重推出了同样极具视觉冲击力的iPhone X系列手机 。 和其他厂商一样 ， 苹果也在追赶全面屏的潮流 。 不同的是 ， 他们更加极端 ， 不仅仅把两侧的边框做得极窄 ， 也毫无保留地去掉了屏幕上方的额头和下巴 ， 达到了削减边框的极致效果 。
这时候 ， 要实现真·全面屏效果 ， 只剩下一只拦路虎 。 遗憾的是 ， 这只拦路虎如此重要 ， 以至于在赶走他之前的一切努力 ， 都暂时被看做白费 。 因为这只拦路虎 ， 苹果寄予厚望、投入巨资开发的新iPhone设计 ， 在大量媒体和用户中获得了苹果产品中罕有的“丑”的评价 。
这只拦路虎就是前置摄像头 。
在移动互联网时代 ， 用手机自拍、P图、发微博、发朋友圈 ， 这几乎是大部分女性用户的刚需 。 那么 ， 前置摄像头自然是不可或缺的 ， 甚至于还取代后置拍照 ， 成为部分厂商争夺火热的点 。
但是 ， 前置摄像头的存在 ， 和正面一整块屏幕的目标是冲突的 。 即便是苹果 ， 在这个问题上也不得不暂时妥协 ， 在屏幕上方出挖空一块作为安放摄像头和Face ID组件的空间 ， 也就是后来说的“刘海屏” 。 要解决这个问题 ， 只能把摄像头做到屏幕下边去 。
去年6月3日 ， 连续2家大厂展示了自家的屏下摄像头原型机——先是前OPPO副总裁沈义人在微博发布了一段视频 ， 接着在同一天下午 ， 小米除了展示了自己的屏下摄像头手机视频外 ， 还用公布了自家的“透明屏”技术概念 。
这顿时让整个手机圈沸腾了 ， 期待了这么久的技术 ， 这回终于要实现了吗?紧接着 ， 又有许多圈内“消息人士”借着热度 ， 透露了华为、vivo、魅族等厂商也有自己方案的消息 ， 这让沸腾的情绪更加高涨 。
不过 ， 他们也许没想到 ， 下一次沸腾要等到今年6月了 。 6月8日 ， 维信诺宣布推出全球首个可量产的屏下前置摄像头解决方案 ， 采用新透明OLED器件、新型驱动电路和像素结构、高透明新材料等 。 直到8月初中兴公布消息 ， 称今天将发布量产的屏下摄像头手机 ， 圈内才终于又狂欢起来 。
屏幕是个大问题
可能很多人有疑问 ， 被黑漆漆的屏幕挡着 ， 摄像头是怎么看到外面的?实际上 ， 这就是这项技术的关键所在 ， 也是折磨了厂商和爱好者许久的最大难题 。
这个技术的核心问题在于屏幕 ， 要搞清楚技术 ， 首先要简单了解一下关于手机屏幕的知识 。
乍一看 ， 手机屏幕似乎是一整块会发光、显示图案的板子 ， 但如果贴得很近了 ， 就会看到 ， 它实际上是由无数个小点组成的 。
这些小点就是像素点 ， 或者像素 ， 平常我们说的某某手机屏幕xx像素 ， 或者摄像头xx像素 ， 就是指这个屏幕/摄像头感光元件上有xx个这种小点 。

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这些小点很小 ， 排列又密集 ， 所以只有靠得很近才能看清楚 ， 离远一点就看不出来了 。 当要显示图像时 ， 背后的控制芯片指挥电流通过 ， 让这些小点按照需要发出不同颜色的光 ， 从整体上看就组成了一幅完整的图片 。
对于一个屏幕 ， 像素密度 ， 即单位面积内有多少像素是个很关键的指标 。 像素密度越大 ， 图像自然越清晰 ， 像素密度越小 ， 图像就越贴近马赛克的效果 。 通常这个指标用ppi(屏幕像素/对角线长度)来衡量 。
在2010年发布iPhone 4时 ， 乔布斯曾提出过“视网膜屏幕”的理论 。 按照他的说法 ， 人在离手机屏幕最舒适距离(10-12英寸 ， 约25-30厘米)上 ， 屏幕ppi至少要达到300 ， 才看不到像素点 。 从此以后 ， ppi>300成为手机屏幕的下限 。
可能还有人有疑问 ， 这些像素小点是怎么显示不同颜色的呢?
这些像素小点实际上不是最小的单位 ， 每个像素还可以分成更小的几块 ， 也就是子像素 。 这些子像素会发出不同颜色的光 ， 其排列方法称为像素排列 。
比如 ， 我们平常见到的RGB、RGBW ， 说的就是像素排列 ， RGB指的是1个像素分成红(Red)、绿、(Green)、蓝(Blue)3个子像素 ， RGBW则多分出1个白色(White)小块 ， 具体怎么分布取决于厂商对不同屏幕指标(亮度、色差等)的取舍 。

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在发光时 ， 这些子像素会被激活 ， 像素点也显示相应的颜色 ， 接着组合在一起变成一幅完整的图片 。
可能有人会问 ， 为什么屏幕是由这么多小块组成的 ， 近看可以看出 ， 摸上去确实一整块的感觉的?原因很简单 ， 因为你摸到的不是屏幕 ， 只是外面的盖板玻璃 。 通常盖板玻璃下面还有一层触摸层 ， 用来感应触摸操作的 ， 再下面才是显示面板 。
接下来再说一下屏幕的材质 ， 这里以目前最为流行的OLED屏幕为例 。
OLED是有机发光二极管(Organic Light-EmitTIng Diode)的英文简称 ， 其发光机制是通过载流子注入和复合导致发光 。
OLED屏幕的结构共有6层 ， 从上到下分别是基层、阳极、空穴传输层、发光层、电子传输层、阴极 。 具体来说 ， 当通电时 ， 电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传输层 ， 然后分别迁移到发光层 ， 相遇形成激子使发光分子激发 ， 后者经过辐射后发出可见光 。

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大致上 ， OLED屏幕的像素就是一个“三明治” ， 正负电分分别从阳极和阴极到达发光层 ， 相遇后发出能量激活发光层 ， “biu”一下射出有颜色的光线来 。
了解了以上屏幕知识 ， 接下来就可以看看屏下摄像头的难题具体是怎么解决的了 。
各显神通
目前虽然有很多厂商在攻关这个技术 ， 但略微有些具体信息的技术只有2种 。
透明像素方案
早前 ， 深圳地铁6号、10号线和北京地铁6号线都出现了一种奇特窗户 。 这种窗户虽然是透明的 ， 但在部分位置却可以显示出图像 ， 播放站点资讯和新闻 ， 十分抓人眼球 。
同时 ， 小米前不久在的10周年发布会上推出了一种售价5万元的透明电视 。 同样 ， 这种电视平时也是透明的 ， 但是打开后却能在透明的玻璃上播放图像 。
目前 ， 电视上用到的大型OLED面板基本上都是LG提供的 ， 这里我们介绍一下LG的做法——它屏幕中新增了一种“透明子像素” 。 这种像素并不会发光 ， 也不会参与到图像显示 ， 但它自身却是由高透明材料制成的 。
最终 ， 当无数个这样的像素点均匀地分布在面板上时 ， 屏幕也自然而然地会获得一定的通透效果 ， 但同时又能兼顾彩色图像的显示 。
比如 ， 小米透明电视就是添加增加了近50%区域的“透明子像素” ， 从而在视觉上实现了较高的透明度 。
但是这种方法的弊端也很明显——你添加了50%区域的不发光像素 ， 那不就相当于降低了50%的像素密度吗?这实际上造成了分辨率的大大下降 ， 这也是为什么包括小米透明电视只能做到40%透明度、1080P分辨率的水平 。
不过 ， 这种方法还有一个升级版 ， 这和OLED材料的特质有关 。
从上面的图片中可以看到 ， OLED屏幕的结构非常简单 ， 在透明的玻璃基板之上 ， 基本上就是阳极和阴极夹着发光层的“三明治”结构 。 那么 ， 保证发光层不动 ， 把上下2层“面包”做成透明的 ， 不就可以使这个像素在不通电的时候呈现透明颜色吗?
这也是部分厂商正在尝试的方案 ， 比如小米曾经公布的方案：

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他们表示 ， “全新定制屏幕在前置摄像机区域是一块小的‘透明屏’ ， 具有低反射、高透光率的特性 。 平时可以作为正常的显示区域 ， 而在拍照时将会变成透明 ， 让光线通过 ， 从而实现自拍 。 在显示区域的下方 ， 集成了我们传统的摄像头模组 。 ”
像素缝隙方案
另一种方法是不改变像素 ， 而是利用屏幕本身特质的 。
前面讲到 ， 虽然手机屏幕看起来是一整块面板 ， 但实际上并不是完整的 ， 而是由几千万个小的像素点之间组成的 ， 像素点之间存在缝隙 。 这就构成了屏下摄像头的基础 。
看过红海行动的人或许记得电影中的一幕 ， 狙击手在瞄准时 ， 他的瞄准镜蒙着一块布 。 可能很多人看到这里都会有疑惑 ， 难道这样不影响视线吗?
不仅不影响视线 ， 这样做还可以避免镜头反光照到对方 ， 引起警觉 。
这么做的原理是 ， 物体反射或发出无数条光线 ， 其中部分会在穿过透光点后相交 ， 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 。
不信的话 ， 你可以想一想百叶窗 。 当你从远处看半开着的百叶窗 ， 虽然叶片阻住了部分 ， 但仍能看到外面的景象 。 或者你可以现在拿出一张纸巾 ， 将其最薄一层揭下 ， 放在眼前 ， 看看能不能看到外面的景象 。
屏下摄像头同样可以利用这个原理 ， 利用像素之间的缝隙作为透光孔采集图像 。 根据此前公布的专利 ， 这应该是OPPO的技术方案之一 。
不过 ， 这种方案有一个先天的限制 ， 那就是能有多少光线透过来 。 正如百叶窗一样 ， 叶片合上得越多 ， 透过的光线就越少 ， 接收到的景象就越模糊 。 而屏幕的透光率和像素指标是冲突的 ， 像素越密集 ， 像素间的缝隙就越小 ， 能透过的光就越少 。
为了解决这个问题 ， OPPO一方面在硬件上下功夫 ， 在屏下摄像头的区域 ， 采用一种透光率更高的“透明材料”进行覆盖 ， 同时对摄像头组件进行定制化升级 ， 提高感光率 。 除此之外 ， 根据他们的专利 ， 他们还在像素缝隙中使用了微透镜 ， 增加采光量 。

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此外 ， 这种方法还需要非常强大的算法配合 ， 因为经过不同部分缝隙透过来的光 ， 传递的信息都是不同的 ， 要用算法将其整合成一张图像 。 不过在AI技术发达的今天 ， 算法“猜”图像已经不是新鲜事儿了 。
有意思的是 ， 在中兴宣布将发布首款量产屏下摄像头手机后 ， 小米也紧接着公布了一款“明年量产”的“第三代屏下摄像头”手机 。 而根据其描述 ， 这个“第三代屏幕摄像头”技术似乎不同于他们之前公布的透明像素方案 ， 而是采用了像素缝隙的方案 。
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除了上述2种方案外 ， 据行业消息人士称 ， 其他手机或供应链厂商还有多种方案 ， 比如昨晚中兴发布的屏下摄像头手机 ， 好像是在透明像素和像素排列方面双管齐下：

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【黑科技|HOVM争夺5年却被中兴摘桃子，屏下摄像头黑科技是如何实现的？】

vivo采用2块屏幕方案 ， 在屏幕主要部分使用AMOLED材质屏幕 ， 在屏下摄像头上方使用透光率更高的PMOLED屏幕;
魅族则是考虑采用石墨烯材料作为导光材料;
京东方的方案简单粗暴 ， 直接就在屏下摄像头处配备2块屏幕 ， 需要用到屛下摄像头时 ， 对应部分的屏幕直接移动走;
华为的方案则比较奇葩 ， 通过液晶调光膜+补光灯 ， 用电压调节部分屏幕区域液晶层的透明度 。 这种方法不仅可以用于屛下摄像头 ， 还可以调节背盖的透明度 ， 实现手机背盖在雾面和透明之间的随意调节 。


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