|
智能手机、笔记本电脑和其他电子设备已成为我们生活中不可或缺的一部分。从休闲到与朋友和家人保持联系或在旅途中管理工作，这些设备正改变了我们的生活和工作方式，而显示技术在这里面起到了至关重要。对于移动设备来说，通过触摸屏直接与内容交互的能力彻底改变了人机交互。但这仅仅是开始。在过去几年中，设备已经发展到包含更多传感器，以增强用户的体验和安全性。其中包括接近传感器、指纹读取器、用于面部识别的 3D 传感、虹膜扫描和前置摄像头。 然而，传感器的倍增与其他理想的属性相矛盾：美观和功能也推动了对尽可能高的屏幕与机身比例的需求（即消除显示器中的边框和切口）。由于显示器切口和打孔技术的进步，传感器最初位于显示器外部（设备的边缘），现已逐渐嵌入显示器中。 Yole声称，理想情况下，传感器将完全隐形在显示屏下方。然而，这带来了巨大的挑战，因为传感器需要从设备环境中收集信息（例如光和声音）。许多人还需要向外界发送信号并收集有关环境如何改变该信号的数据。显示器对传感器和环境之间的双向交换构成了巨大的障碍。 “显示屏下方”传感器必须接收通过显示屏进出的信号，并且仍然足够薄，不会增加设备的厚度。这意味着不仅需要针对传感器进行特定设计，而且在大多数情况下还需要针对显示器进行特定设计，以便信号可以双向传输并保持可利用性（图1 ）。
图1、屏下传感器面临的挑战。IR：红外线；PI：聚酰亚胺；TFT：薄膜晶体管。来源：OTI 向屏下功能的过渡 第一个移动到显示屏后面的传感器是指纹扫描仪 (FPS)。现在，我们将大量个人和关键信息（例如银行凭证和健康相关数据）委托给我们的移动设备，可靠的身份验证已成为一项关键功能。传统的电容式 FPS 要求手指与传感器之间的距离保持相当短，因此不适合屏下集成。然而，2017 年，高通开发了一种 440 微米厚的超声波 FPS，可以在 0.8 毫米的玻璃下运行。 华为首先在其 Mate 机型中采用了该技术，三星在 2018 年的 Galaxy 10 中采用了该技术。此外，Synaptics、Goodix 和 Egis 开发了基于互补金属氧化物半导体 (CMOS) 图像传感器的光学屏下 FPS。该距离最大可达 1.5 毫米。这些光学传感器比超声波传感器更便宜，但更容易被欺骗。然而，在这两种情况下，传感区域仅限于传感器的区域。 设备制造商最终希望全屏 FPS 能够实现多指身份验证，从而将安全性和可靠性提高多个数量级。在 IMID 2022 上，三星显示表示，从一个指纹到两个或三个指纹，安全级别分别提高了 5 × 10 4和 2.5 × 10 9倍。 尽管高通展示了更大的 (20 × 30 mm 2 ) 传感器，但使用 CMOS 成像器或超声波传感器来实现完整的显示传感并不实际。因此，各公司正在开发基于薄膜晶体管（TFT）的全显示传感器。京东方于 2018 年展示了每英寸 500 像素 (ppi) 的解决方案，友达光电 (AUO) 紧随其后，于 2019 年推出了 403 ppi 的解决方案。天马在2022年展示了1,000ppi。Isorg还开发了TFT和有机光电二极管解决方案（图2））。然而，基于 TFT 的传感需要单独的 TFT 模块 (Isorg) 或将 FPS 集成到显示堆栈中 (Samsung)，但代价是显着增加复杂性并可能增加良率损失。非 TFT 解决方案也在开发中，例如 Vkansee 的解决方案，它使用矩阵针孔图像传感技术。
图2、Isorg 的 300μm厚 TFT + 有机光电二极管全显示屏 FPS Yole估计，屏下FPS市场将从2022年的3.79亿台增长到2027年的6.19亿台，占市场份额超过50%。 人脸识别在许多智能手机中用作唯一（iPhone）或替代（Android）身份验证方式。Apple 使用基于结构光方法的专有 3D 人脸识别技术。2019 年的一些 Android 手机使用了 3D ToF方法。此后Android 设备的采用率一直在下降，但可能很快就会反弹。大多数其他手机仅依赖于对前置（自拍）摄像头捕获的 2D 图像进行软件分析。 对于 FPS，希望在显示器下方集成 3D 传感器（图3 ），尽管主要障碍包括 OLED 面板对光的高吸收和衍射。为此，开发人员正在将红外 (IR) 波长从近红外 (NIR) 转变为短波长红外 (SWIR)。由于 OLED 在这些波长下具有更高的透明度以及在这些波长下对脆弱有机材料造成的损害减少，因此存在着关于 OLED 是否会具有一些优势的争论。但真正的好处主要是减少背景噪音（来自场景的寄生光），这有助于补偿 OLED 吸收造成的信噪比损失。2022 年 6 月，Trinamix 推出了基于标准 CMOS 传感器和艾迈斯欧司朗开发的专用投影仪的屏下 3D 面部认证解决方案。
图3、Apple iPhone 的传感器集成路线图。资料来源：Yole 作为红外传感器屏下集成的第一步，艾迈斯半导体于 2020 年推出了用于接近传感器的完整“后置 OLED”(BOLED) 解决方案，该解决方案还包括自动亮度调节、通话期间自动关闭触摸屏以及闪烁功能用于消除视频上的条带的检测。 iPhone 14 Pro 采用屏下接近传感器，采用基于磷化铟 (InP) 技术的边缘发射激光器 (EEL)，在短波红外光谱部分运行，这与目前使用的砷化镓 (GaAs) 发射器不同近红外光谱（图4 ）。
图4、iPhone 14 Pro 的屏下接近传感器。来源：Yole 隐藏的自拍策略 屏下传感的最好的方案可能是用于自拍相机。2020年，中兴通讯的Axon 20是首款配备屏下摄像头（UDC）的智能手机，该摄像头基于OLED面板制造商维信诺开发的解决方案。小米的 Mi MIX4 紧随其后。三星的首款 UDC 同年出现在 Galaxy Z-Fold 3 中。所有主要 OLED 显示器制造商（三星显示器、京东方 [与 Oppo 合作] 和 TCL-CSOT）现在都有 UDC 解决方案。然而，采用率仍然有限。由于 OLED 材料和 TFT 电路的阻碍，OLED 面板的图像质量受到限制。提高 OLED 透明度的选项包括降低像素密度或相机上方像素的尺寸（图5））。三星通过降低像素密度同时增加子像素尺寸以保持亮度，实现了相机传感器上方 OLED 显示屏 33% 的透明度。LG Display 于 2021 年开始开发，目标是 2023 年 OLED 透射率达到 20%，2024 年达到 40%。
图5、三星和小米采用的策略是提高 OLED 面板在屏下摄像头上方的透射率。插图：Yole 金属共阴极是一个主要问题。OTI Lumionics 等公司正在与领先的面板制造商合作，实施阴极图案化工艺，让足够的光线穿过面板。聚酰亚胺 (PI) TFT 基板的黄色色调是另一个问题。相机软件必须将颜色恢复正常。摄像头模块还必须变得更薄，才能安装在显示屏下方。最终，这些挑战会导致图像模糊，因为衍射图案、较差的低光性能、潜在的像素老化，以及由于镜头上方所需的像素结构和尺寸的变化而导致相机区域保持可见。 一种可能且更有前景的替代方案是使用散布在 OLED 像素中或周围的光传感器阵列。苹果在各种专利中描述了一种依赖OLED的解决方案。OLED像素可以共享阴极和其他结构，例如空穴传输层 (HTL)、电子传输层 (ETL)、空穴注入层 (HIL) 和电子注入层 (EIL)、OLED像素层。OLED像素可以用作能够获取通话环境的一个或多个元素的图像的相机（可见光相机或IR相机）、用户的图像（用户的脸部、手指或视网膜）。 MicroLED 来了 microLED显示器的开发始于2000年代初，由索尼和堪萨斯州立大学等多个学术研究机构牵头。Apple 于 2014 年收购了 LuxVue（一家自 2009 年以来一直在开发 microLED 显示器的初创公司），使该技术成为人们关注的焦点，促使许多公司进入该领域并呈指数级加速发展。截至 2023 年初，大多数领先的显示器制造商和各种电子公司都展示了 microLED 显示器原型。多种尺寸、像素密度和外形尺寸以及透明和柔性显示器已被证明，可能服务于从增强现实 (AR) 到汽车、可穿戴设备、电视和公共信息显示器的一系列应用。 MicroLED 显示器有可能提供高对比度、高切换速度、宽视角、低功耗和其他非常理想的功能。 有多种可能的 microLED 显示架构，基于 TFT 背板、微驱动器集成电路 (IC) 或两者的组合。然而，所有设计都有一个共同特征，这是无机 LED 所固有的。由于无机 LED 的效率峰值处于比 OLED 高得多的电流密度（1–10 A/cm 2与 1–100 mA/cm 2），并且可以处理比 OLED 高得多的电流而不损坏，因此 LED 可以提供非常高的单位亮度表面积。这允许使用面积远小于像素间距的发射器，从而导致大多数应用中的填充因子特别低（表 1）。 表 1. 各种 microLED 显示应用的填充因子
这种配置已经更有利于增加显示透明度。此外，大多数 microLED 显示架构都是顶部发射的（即，TFT 电路不会像某些（但不是全部）OLED 架构那样阻碍光发射）。PlayNitride、天马和友达等各种 microLED 厂商已经展示了在 114 ppi 的像素密度下透明度高达 70% 的显示器。相比之下，目前的 55 英寸全高清商用透明 OLED 显示器在 40 ppi 的像素密度下只能提供 38% 的透射率。在 Cite 2023 上，天马讨论了通过优化像素组和 TFT 电路架构来保持高 ppi microLED 显示器高透明度的具体努力。 MicroLED 显示器的高透明度是该技术的一个强大的差异化元素。它可能会实现各种新的商业和运输应用。许多原型车和概念车的驾驶舱都使用透明显示器。友达在Touch Taiwan 2023上展示了各种透明显示器概念。2022年，该公司已在台湾高雄航运公司运营的渡船上安装了第一批商用透明microLED显示器。 定位在同一平面上 提高透明度已经是 microLED 的一项了不起的壮举，与 OLED 或 LCD 相比，它首先将允许在显示器后面更轻松地安装传感器。 但是，当低填充系数留下足够的空间将微型 IC 和传感元件与 microLED 发射器一起放置在同一平面上时，为什么要把传感器放在显示器下方呢？随着microLED技术的成熟，将传感器从显示器下方直接移动到前平面将消除显示器的任何障碍并减少设备厚度（图6）。
图6、屏下传感器和屏内传感器移动到前平面消除了障碍并减少了厚度 来源：Yole 相同的 RGB 或红外 microLED 可以用作发射器或光传感器（在反向偏压下）。传感器可以由 TFT 背板驱动，尽管即使是最好的薄膜技术（例如低温多晶硅 (LTPS) 或氧化物）所提供的有限晶体管性能，其复杂性也可能具有挑战性。这就是 Si-CMOS 微驱动器集成可以发挥作用的地方，可以在很小的占地面积内集成复杂的功能。微型集成电路可以驱动显示器和传感器。 探索可能性 MicroLED 显示器制造商很快就建议在前平面中实现许多功能。来自主要显示器和消费电子公司以及初创公司和大学的 100 多个专利家族涉及这一主题。著名的公司包括苹果、谷歌、Facebook、英特尔、欧司朗、Synaptics 以及几乎所有领先的显示器制造商。 描述的传感功能包括触摸、指纹、接近传感、光传感、3D传感（面部、手势识别）、眼动追踪、温度传感、健康传感（心率、血氧、温度和静脉成像）、无镜头相机、天线，甚至用于集成扬声器或压力传感的微压电元件（图7 ）。
图7、潜在的 microLED 显示屏传感器。NIR：近红外；RGB：红、绿、蓝。来源：Yole （左）；原理图和表格来自苹果公司申请的专利。 许多公司已经展示了在前平面上实现功能的概念。X-Display 从一开始就取消了 TFT 背板，转而依靠微型 IC 来驱动其 microLED 显示器（图8）。微型 IC 采用与发射器相同的巨量转移印刷技术组装在前平面上。在其技术的某些版本中，发射器和微驱动器被准备为集成微系统，其中 microLED 发射器堆叠在微驱动器顶部。其他公司，例如 Apple 或 V-Technology使用了微型 IC 概念。在所有这些演示中，很容易想象扩展 IC 的功能以驱动额外的 microLED 红外发射器和微传感器。
图8、使用微驱动器 IC (micro-IC) 的 MicroLED 显示器。(a) 使用与 microLED 分离的微型 IC。(b) 封装小芯片中 micro-LED 的特写，发射器堆叠在 micro-IC 顶部。(c) 驱动架构。来源：X-Display 然而，microLED 显示屏内传感技术的公开演示却很少。2021 年，台湾工业技术研究院 (ITRI) 声称将指纹感应集成到 microLED 显示器中，但没有提供有关架构和性能的任何细节。2022年，工研院还展示了使用一系列IR microLED进行发射和传感，以在AR眼镜中实现眼动追踪。 2022 年 4 月，艾迈斯欧司朗推出了一项结合 microLED 和红外传感器的显示屏内传感专有技术。该公司展示了手指跟踪功能，能够识别、旋转和缩放距显示屏 20-30 厘米的手指手势。未来，可以使用激光而不是光电二极管来测量距离和速度，并且自混合干涉测量（SMI）可以实现新功能（图9 ）。
图9、集成传感和手指跟踪是艾迈斯半导体欧司朗显示屏手势识别的示例。来源：艾迈斯欧司朗 |
|
|
