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屏下摄像头的技术难点与改进方法

2023-5-25 18:52| 发布者：温柔老虎| 查看：34208| 评论：0

摘要：屏下摄像头技术需要兼顾屏幕显示效果和前置摄像头成像效果，但存在着诸多技术难点，如屏幕透光率偏低、屏幕像素电路引起的衍射问题、偏色问题和水波纹现象等。本文分析了这些难点，并探讨了改进方法，包括面板设计和算法端的优化。如果您对屏下摄像头技术感兴趣，那么这篇文章一定不容错过。

作者：小小光08
1. 屏下摄像头的技术难点屏下摄像技术是将手机前置摄像头隐藏于显示屏下方的技术。屏下摄像技术需要兼顾屏幕显示效果和前置摄像头成像效果，这两个要素存在天然的矛盾，两者互相牵制，互相影响。AMOLED屏幕结构对摄像头的影响主要有以下几个方面：（1）屏幕透光率偏低，摄像头进光量不足相较于普通前摄工作场景，在屏下摄像技术中外界环境光穿透屏幕到达前置摄像头需要穿过屏幕的众多膜层，以目前量产柔性AMOLED屏幕膜层叠构方案为例（如图1），主要影响屏幕透光率的膜层有偏光片（透光率＜50%），阴极层（Mg-Ag材料，透光率＜60%），阳极层、TFT驱动线路层（整体透光率＜15%）和PI基板（透光率＜95%），由此估算屏幕整体透光率＜4%。

图1：外界环境光到达前置摄像头需要穿过AMOLED屏幕的膜层穿透屏幕到达前置摄像头的外界环境光严重不足，造成前置摄像头成像曝光不足而无法正常成像，即使在较亮环境光下，也会导致感光芯片增益值过大而带来噪声严重等问题。因此，只有大幅提升屏幕的透光率，才能满足前置摄像头的正常工作需求。(2）屏幕像素电路等造成衍射问题，摄像头成像质量下降

图2：屏下摄像头的成像模型屏下摄像头的成像模型如图2所示，外界环境光穿过AMOLED屏幕，经过摄像头的透镜系统，最终成像于摄像头CMOS芯片的成像平面。其中屏幕摄像头区的不透光膜层，包括像素电路及相关走线，类似于一道光栅，加在摄像头成像系统前，这会引起光的衍射，导致摄像头成像质量下降。研究表明，衍射会引起成像参数PSF（Point Spread Function）及MTF（Modulation Transfer Function）的明显变化，在屏幕光栅的影响下，PSF由单峰变为多峰，MTF曲线由平滑曲线变为剧烈抖动曲线，如图3所示），摄像头成像表现出明显的解析度下降和眩光问题。当摄像头透过屏幕拍摄时，直观的表现为画面变模糊，像蒙上了一层“雾”，同时显示细节丢失。

图3：衍射引起的成像PSF和MTF曲线变化此外，当发生衍射时，拍摄较亮光源或对比度较高的场景会出现明显的眩光及色散现象。如图4所示，当摄像头透过屏幕拍摄点光源时，会看到光源出现长长的扩散状“拖尾”，这通常称为眩光，同时能看到彩虹状纹路，这称为色散。色散产生的原因是光的波长不同，衍射特性不同。

图4：摄像头穿过屏幕拍摄点光源的图片及红蓝光衍射峰示意图具体地，以图4中右图所示的红光和蓝光衍射峰为例，两者次级衍射峰峰位距离为Δx，即色散程度，它受到镜头焦距、波长和光栅（屏幕走线）周期的共同影响。对应到前摄常见的人像自拍场景，逆光拍摄出现眩光或色散可能会影响人像拍摄的完整性。屏幕线路衍射引起摄像头成像画质的大幅下降，这明显是不符合用户需求的。(3）偏色问题AMOLED屏幕中部分膜层具有吸收蓝光的特性，尤其是PI基板。目前量产常用的耐高温制程（400℃以上）的PI基板均为黄色，对450nm波长以下的蓝光具有明显的吸收作用，Array层中的像素定义层材料和平坦层材料均为PI，PI与OLED器件中的阴极层和发光层材料都具有吸收蓝光的特性。（4）“水波纹”现象AMOLED屏幕中有众多膜层，各膜层材料的折射率和吸收率等光学特性各有差异，当外界环境光穿透这些膜层时，在各膜层界面发生反射、折射及透射，并且在一定条件下出现干涉。穿透屏幕膜层的光线的干涉特性与膜层厚度、折射率、入射角度及波长等因素相关。也就是说，当同样成分的外界环境光经不同的角度入射到摄像头CMOS传感器时，不同视场的图像接收到的光信号可能不相同。实验发现，一些光源（如TL84光源等）的光线穿透屏幕拍摄的照片，在可见视场中心有同心色环，如图5（a）所示，这称为“中心水波纹”现象。

图5：屏下摄像头拍摄看到的“水波纹”现象另外，屏幕个别膜层内应力不均，表现出双折射特性，会引起“光弹”现象。 “光弹”现象表现为，穿透屏幕拍摄的照片会出现“边缘水波纹”。在拍摄时，在屏幕和摄像头之间加入检偏器，可以更清晰地表征“边缘水波纹”，拍摄出的图片如图5（b）所示。2. 屏下摄像技术的改进方法屏下摄像技术是涉及到屏幕、摄像头及算法端的系统化工程。（1）面板设计在屏下摄像技术中，面板设计需要考虑两个方面，一是提升面板在摄像头区的透光率，二是抑制面板图案引起的衍射。在提升透光率方面，面板设计需要尽量减少摄像头区的不透光材料，尤其是像素电路、阳极及相关走线，必要时部分走线需要使用透明材料。由于像素阳极材料为不透光材料，为减小阳极引起的透光率损失，屏下摄像区（CUP区）需要使用不同于正常显示区（AA区）的像素设计方案。

图6：屏下摄像技术的面板设计方案目前主流解决方案分为两种，即降PPI方案和像素阳极减小方案，如图6所示。降PPI方案即删除CUP区的部分像素，这样对应驱动电路及走线可明显减少，从而带来CUP区透光率的明显提升，但该方案会较大程度地牺牲显示画质，损失显示细节。像素阳极减小方案，即减小像素阳极面积，以空出更多空间透过光线。在面板设计实际方案中，可能会有两种方案的叠加。在衍射抑制方面，需要调整不透光图案相关的物理尺寸特性，如线宽、线距、周期和形状等，以调整其衍射特性，改善屏下摄像头拍摄的解析度。（2）面板制程和材料开发围绕屏下摄像技术相关的面板制程和材料开发，主要涉及淡黄色或透明PI材料及制程开发、Pol-less制程开发、阴极图案化制程开发、低“光弹”特性材料开发等技术。淡黄色或透明PI材料导入主要是为了解决屏幕黄色PI基板引起的偏色问题。透明PI材料的耐受温度普遍在350℃以下，低于目前商用黄色PI材料400℃以上的耐受温度。淡黄色或透明PI材料导入带来的工艺温度降低对TFT器件特性的影响是实现量产需要解决的重要问题。低“光弹”特性材料开发是指导入各向同性的模组膜层材料，避免外界环境光在穿过这些膜层时产生“水波纹”现象。（2）IC驱动设计在IC驱动设计方面，主要目标是保证CUP区和AA区显示效果的均一性。CUP区的像素设计与AA区不同，若两区要在亮度和色度上达到一致，则需要对两区分别进行Gamma调整，这就要求屏幕的驱动IC可以支持CUP区单独进行Gamma调整，并且需要比正常的IC具有更多的寄存器来存储Gamma信息。从量产角度来看，CUP区单独进行Gamma调整所带来的时间损失，是限制产能的重要因素。另外，驱动IC需要支持CUP区单独进行寿命补偿，以解决CUP区与AA区寿命衰减速度不同引起的亮色度差异。CUP区特殊的像素排列SPR算法与边界过渡补偿算法是驱动IC需要兼顾的算法。参考资料：《柔性显示技术》

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