刚过去的苹果发表会，iPhone 13 亮点之一：浏海砍掉 20%。对“苦浏海久矣”的人而言，20% 几乎没有变化，网友都调侃是挤牙膏设计。不过技术面看这 20%，其实得来不易。
因为这片浏海共有前置镜头、麦克风、激光二极管等8个重要元件。对Face ID和前镜头有关键作用的主要两部分：激光二极管模组和接收装置。
“从结构光的基础原理来看，激光二极管和接收装置必须有一定距离，才能保持成像精准，且等效距离越长，精准度越高，反之亦然。这是苹果保留浏海的根本原因。”光鉴科技首席科学家吕方璐说。iPhone 12 这段距离约27毫米。此次浏海缩减20%，苹果官方表示，这“得益于感测器重排、微缝听筒等技术引入”。
“如果要缩短等效距离且保持精准度，技术难度很大。”吕方璐表示，苹果应是采取另一种方法，即借由累积的脸部数据最佳化3D脸部算法模型，放宽对3D成像的精准度要求。
换句话说，就是用算法弥补感测器重排的数据感测精准度问题，这其实是取巧，要求也较高，要有大量脸部数据支持，持续最佳化算法。但这种方法不具可复制性，一是算法本身有缺陷，需不断用数据回馈调整；二是现在脸部数据监管日趋严格。
最佳解决方法是将原有相机模组放入屏幕下，即业界经常提及的“屏幕下结构光解决方案”。这既符合全屏幕的发展趋势，又能解决因缩短激光二极管和接收装置距离造成的成像精准度低问题。
早在2月，光鉴科技就和中兴手机推出全球首款屏幕下结构光技术，引起舆论重视。吕方璐表示，屏幕下3D技术已达量产要求，但具体机型还涉及产品化开发和最佳化，未能实际量产。且屏幕下3D技术也还有些问题待解决。
透光率：屏幕下结构光的致命伤
谈屏幕下结构光前，先简单谈谈iPhone 3D结构光的技术原理。3D结构光模组包括发射端（点阵投影器和泛光感应元件）和接收端（红外镜头），原理如下：
- 激光二极管发出特定波长的近红外光，形成横截面积很窄的平行光束，经过扩束器后，横截面积均匀放大。
- 放大后的光束，透过准直镜头平行，均匀入射光学衍生元件（DOE），光束经过器件时会形成特定的光学图案，经过投影透镜后发射。
- 光束投射到物体表面时，光讯号会变化。
- 接收端（镜头）接收到变化后，计算物体位置及深度等资讯，再经过特定的算法复原三度空间。
泛光照明器（Flood illuminator）由低功率VCSEL激光和扩散片等组成，作用是发射不可见红外光线，使红外镜头在黑暗中也能接收反射自面部的位图案。屏幕下结构光，其实就是将包含这些元件的相机模组装在“透明”屏幕下，既能保持摄影功能，又最大化利用屏幕面积。
但衍生的问题是：透明的屏幕对相机模组的成像精准度影响多大？如何弥补光通过屏幕时的能量损耗？光从激光二极管发出、抵达物体表面，再被感测器吸收，要穿过屏幕两次，会造成能量损耗，这就是屏幕下结构光面临的“透光率”问题。
“对红外线来说，目前屏幕经过特殊处理后，光透率约30%，甚至更低。”吕方璐表示，屏幕下结构光只能采用OLED屏幕，因OLED属于有机材料发光，不需类似LCD的背光源。
不过有机发光材料发光需电流，且电极层一般不透光，所以激光二极管发的光通过屏幕时，大部分光会被电极层挡住或散射掉，造成很小部分光可利用。此外光通过屏幕时，由于屏幕本身是周期性结构，画素不停重复，因此导致衍射效应，比如一束光会衍射为几束光，光的传播方向也会受影响。
而实际环境中，透光率还会受各种干扰影响。室外太阳光红外线照在人脸，会干扰激光二极管发出的红外线。如果激光二极管能量不够，就会严重影响成像效果。
（Source：苹果）
“屏幕下结构光首先要保证屏幕效果显示正常，不能影响用户体验，在此条件之下，再解决光透率问题，是最大的难点。”吕方璐表示，这也是阻碍屏幕下结构光“量产”的根本原因。
三种解法：屏幕、元器件和算法
问题已提出，剩下的就是对症下药找解方。屏幕下结构光最大的难题是“透光率”，可从三角度解决。一是从OLED屏幕出发，提高面板透光率，或屏幕客置化。
三星折叠屏幕手机，用的是UPC（Under Panel Camera，屏幕下镜头）技术，核心是提高面板透光率的“Eco OLED”和最佳化画素孔径。提高透光率和客制化屏幕虽然最直接有效，但太依赖面板技术，且涉及面板供应商、屏幕下结构光解决方案商和手机厂商合作。
“屏幕从设计到开发再到实际运用，周期相对较长。”吕方璐表示，面板技术尚未取得开创性突破和大规模运用前，要提高透光率，就要另辟蹊径。
二是从器件模组入手。
既然光通过屏幕时损耗，就可在发射端增强光能量抵消能耗。但这方法问题在增强光能量就要增加功率，更增加功耗。如何增强光能量时又不增加能耗，是这套方案的核心，也是技术难点。
三是利用算法补偿。
接收端收到光讯息后会计算，就会用到算法，可最佳化算法补偿“透光率”的部分能量损耗。如果数据量够大，算法够成熟，便可降低成像精准度的要求。
如苹果Face ID就利用脸部数据训练3D算法。这方法的缺陷也很明显：需要大量数据，且算法面对特定场景时也会有偏差。
（Source：Flickr/Tinh tế Photo CC BY 2.0）
三种解法从不同方面提高“透光率”，但其实相互交叉，如面板客制化，要适应器件模组，要与算法相结合；相关算法虽然可最佳化成像精确度，只能当辅助。“要做到屏幕下结构光量产，需要整个产业链合作与进步。”吕方璐表示。
中国屏幕下结构光之殇
从浏海屏幕到打孔屏幕，缩小浏海以扩大屏幕的使用面积，最终达到全面屏幕，一直以来是手机厂商的终极目标。
屏幕下3D结构光被视为最佳解决方案，虽然有“透光率”问题待解决，但方法总比问题多，上述三种解法可解决大部分难点。然而中国厂商要发展屏幕下结构光，还要面临技术外的高门槛：专利。
3D结构光需要激光二极管发射数万个激光散斑，这对激光器性能和功耗要求很高，目前基本是用VCSEL激光二极管；光线还透过衍生光学器件（DOE）“衍射”，“切分”光线，以达成投射激光散斑的功能。遗憾的是两大元件，VCSEL激光器和衍射光学元件（DOE）制造，基本上为美国、英国及台湾厂商垄断，中国仅三安光电可代工VCSEL芯片。
苹果无疑是“VCSEL＋DOE”3D结构光方案的核心受益者，同时也掌握技术专利。专利保护愈受重视的背景下，这给苹果以外厂商一个难题：如何做一套具备完全知识产权的方案？
光鉴科技对此的解法是：以边缘发射激光器（EEL）为光源，然后利用自研的波前调制器（WFP），透过在亚波长尺度调整光场，做到投射激光散斑功能。这方法避免“VCSEL+DOE”的技术专利，EEL的制程比较成熟，成本上也可控，中国厂商有相应的生产能力。
“光鉴科技的WFP芯片，制程大概250奈米，中国厂商已能量产。”吕方璐表示。
对屏幕下结构光难点，光鉴科技主要从器件模组和算法突破，借由与OLED屏幕厂商长期研发合作，最佳化3D成效效果和屏幕显示效果。
元件方面，光鉴科技提高激光发射模组从电到光的整体转换效率，也就是发射端增强光能量；同时基于EEL边缘发射激光器减短脉冲，提升光线强度，补偿因“透光率”失去的能量损耗。
激光发射模组从电到光的整体转换效率相较VSCEL方案提高80%；EEL边光发射器每个脉冲的亮度是VSCEL方案4倍左右。算法部分，光鉴科技利用自研算法建构激光资讯，保持同样效果的情况下缩减算力，不必依靠ASIC芯片，以减少计算成本。
“光鉴科技和苹果是不同路径，避免了与苹果专利冲突的风险，核心元件都国产化。”吕方璐表示，中国厂商也在创新，如奥比中光，屏幕下3D技术越来越受重视。
总结
从苹果Face ID的3D结构光，到业界共推的全屏幕，“浏海”不断缩小背后是技术更新与演进。
“未来视觉必然会从2D转到3D，因3D资讯更丰富全面。”吕方璐表示，3D资讯能简化计算量，不需收集过多数据和模型训练。屏幕下3D结构光为全屏幕核心技术，虽然技术还有难点，但应用前景较乐观。
“未来一两年，屏幕下3D结构光技术应该就能大规模运用。”
（本文由 雷锋网 授权转载；首图来源：苹果）
