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来源：IPRdaily中文网（iprdaily.cn）
作者：骆宗力 北京品源知识产权管理咨询有限公司
原标题：iPhone 13为什么还在用“祖传刘海”
美国苹果公司（Apple Inc.）于北京时间2021年9月15日凌晨1点在Apple Park发布iPhone 13系列手机（图1）。
图1 iPhone 13系列手机
至此，苹果公司已发布32款手机产品，并且依靠2010年6月8日发布的iPhone 4系列手机的巨大成功，苹果公司一跃成为世界中高端手机市场销售额第一的手机制造厂商，并一直持续至今。
于苹果公司发布iPhone 13系列手机的次日（2021年9月16日），研究机构Counterpoint发布了2021年第二季度全球中高端智能手机市场报告（图2）。报告显示，在400美元（约合人民币2572元）以上的手机市场中，苹果公司毫无意外地继续霸占榜首，且遥遥领先其他手机制造厂商。
图2 中高端智能手机2021年第二季度市场占比
在本文中，笔者不去评估在iPhone 12系列手机发布后，网友戏言的“不要买苹果12，因为'十三香'的结论”是否有道理，笔者仅试图从苹果公司的相关专利布局来探究苹果公司执着于采用“刘海屏”的原因是什么。
苹果公司自从2017年9月发布“刘海屏”造型的iPhone X系列手机以来，一直沿用这一在手机屏幕正面的顶部中央保留部分非显示区的造型，这使得广大网友将这一屏幕造型戏称为苹果公司的“祖传刘海”。为了满足广大网友的好奇心，笔者试图从苹果公司的相关专利，以及手机屏幕的大概结构来解释iPhone系列手机执着于“刘海屏”的原因。
1、为什么要有非显示区？
参考图3，图3为苹果公司申请的混合有源像素元件和无源像素元件的相关专利附图，但在此由于主要用于说明显示正面保留非显示区的必要性，笔者不对其发明点进行分析。在图3中，101所示区域为显示基板（又可称之为阵列基板），显示基板上承载了主要的发光元件矩阵102、驱动发光元件矩阵102工作的驱动电路（行驱动器121和列驱动器131）以及将发光元件矩阵102与驱动电路连接起来的各类信号线。其中，驱动电路设置于发光元件矩阵102的周缘，各类信号线在发光元件矩阵102的外围通常以扇出（Fanout）方式与驱动电路电连接，发光元件矩阵102所在区域可以用于显示，而信号线与驱动电路的扇出区域以及驱动电路所在区域则不可用于显示，这些不可显示区域在手机外观上，通常以“边框”形式体现。
图3 显示基板的布局示意图
除此之外，参考图4，其他布置于手机正面的功能器件（例如指纹传感器、前置摄像头和结构光模块等）也可能会使部分区域不可显示，这些非显示区可称之为功能器件区（例如图4中的16和12）。
图4 功能器件区示意图
2、屏幕正面必须存在非显示区吗？
上文说到了边框和功能器件区的功能，不难看出，在屏幕架构不出现革命性优化的情况下，仍然需要边框和功能器件区来放置上述不可用于显示的器件或结构。那么如何降低或消除非显示区对屏幕屏占比的影响呢？
（1）、缩小或消除边框
有机电致发光（Organic Light-Emitting Diode，OLED）显示面板、Micro-LED显示面板以及量子点（Quantum Dot，QD）显示面板等有机发光显示面板具有可柔性制备的特点，该特点使得彻底消除“边框”对于屏幕屏占比的影响成为可能。
参考图5，图5为苹果公司申请的“柔性显示面板的弯曲基板”专利，该专利利用有机发光显示像素可在柔性衬底（基板）上制备的特点，将柔性衬底（基板）的扇出区域以及用于承载驱动电路的部分（即边框）通过弯折的方式弯到屏幕背面，这样从屏幕正面看过去，就只剩下位于中央的显示区域，大大提高了屏幕的屏占比。
图5 衬底弯折方案专利典型附图
但该弯折方案仅仅解决了信号扇出线和驱动电路的“隐藏”，而指纹传感器、前置摄像头、结构光传感器和亮度传感器等必须设置在屏幕正面的结构，却无法通过该弯折方案实现“隐藏”。对此，苹果公司也布局了相关专利，以期降低指纹传感器、前置摄像头、结构光模块和亮度传感器对于屏幕屏占比的负面影响。
（2）、“隐藏”指纹传感器
屏下指纹技术是指将指纹感应区设置于显示区内部，且该指纹感应区仍可用于正常显示的技术。屏下指纹技术目前已日臻成熟，苹果公司也对该技术布局了相关专利。
参考图6，图6为苹果公司申请的具有显示开口的电子装置（Electronic device with display apertures）专利，在该专利中，像素单元（发光二极管）的有源区中形成有多个小孔形成的相机孔径阵列，该小孔允许光线通过，以使位于相机孔径阵列下方的光敏指纹传感器可以基于透过显示区的光线进行工作。基于类似技术，可实现在显示区中设置指纹感应区，且不影响屏幕显示的目的，实现功能器件区的部分“隐藏”。
图6 屏下指纹专利典型附图
（3）其他功能元件的放置
本文中将其他需要放置在屏幕正面的功能元件统称为其他功能元件，这些功能元件大概包括：前置摄像头、亮度传感器和结构光模块等。其中，前置摄像头多用于实现自拍功能，亮度传感器则多用于实现屏幕亮度自动调节功能，而结构光模块则多用于辅助实现人脸识别等功能。
如图7（苹果公司申请的“显示器的数据信号调整”专利）所示，苹果公司自从iPhone X以来，基本采取在屏幕正面设置缺口（notch）的方式放置上述其他功能元件，
由于缺口的存在，导致缺口两侧的显示区信号线的负载与其他显示区的负载有着较大差异，这可能会出现缺口两侧的显示区与其他显示区的显示参数（亮度、色域等）不同的情况，进而出现明显的“显示分屏”现象，因此需要采取一定的手段进行补偿。在该专利中，苹果公司通过采取侦测衰减数据信号，并为衰减区域提供数据信号补偿的方式进行补偿，以期解决“显示分屏”的问题。
图7 “刘海屏”典型专利附图
苹果公司的上述方案将缺口两侧的区域也用于显示，一定程度上增加了屏幕的屏占比，有利于改善用户的显示感受。
但由于缺口区域（即俗称的“刘海”区域）仍然不能进行显示，且苹果公司连续多年未对这一问题进行改进，难免引起一些众多网友对这一问题的吐槽。
其他厂商为了解决这一问题，采取了挖孔或打孔的方式来设置前置摄像头等功能器件，以期进一步缩小屏幕正面的非显示区。例如韩国三星（Samsung）公司，就在其旗舰产品Note系列和S系列中大量采用了打孔屏结构，如图8所示。并且在“具有窗口的电致发光器件”等专利中，就挖孔屏结构的设计作了具体的布局和研究。需要注意的是，在打孔屏中的“打孔”设计中，大致分为“真孔”和“盲孔”两类技术，“真孔”技术即将阵列基板在“孔”所在区域内的各个膜层均挖掉，仅保留一层透明薄膜或透明玻璃作为保护层的技术；“盲孔”技术则是保留阵列基板的各个膜层结构（或挖掉部分膜层），仅在“孔”所在区域不制作显示像素和薄膜晶体管等遮光结构的技术。相比较而言“真孔”技术形成的“孔”的透光率更好，更有利于前置摄像头等功能元件的工作，而“盲孔”技术的制备良率更高，技术难度更小。
图8 打孔屏专利典型附图
（4）“附条件”的全面屏？
从上文描述不难看出，无论是“刘海屏”还是“打孔屏”，都仍然会在屏幕正面留下或大或小的非显示区，并且这些非显示区“嵌”在显示区中间，给用户的视觉体验带来了较大的负面影响。
为了解决这一问题，如图9所示，有手机厂商采用了 “滑盖式”“旋转式”“弹出式”等伸缩式结构来设置前置摄像头，这些结构的共同点是在摄像头不被使用时均将摄像头隐藏在手机内部，而当需要使用摄像头时，通过机械结构将摄像头移出进行使用，这样屏幕正面就无需再为前置摄像头设置非显示区了，在附加机械结构的基础上，基本实现了真正的全面屏。
但是这些结构由于需要额外设置摄像头的机械移出机构，因此通常厚度较大，重量较重。并且在某些情况下，用户为某些应用授权摄像头权限时，隐藏的摄像头也会莫名伸出来，给用户带来了不良的使用体验。由于这些比较致命的缺点，这些结构有逐渐被替代的趋势。
图9 伸缩式摄像头典型手机
（5）真·全面屏
经历了“弹出式”“滑盖式”等全面屏的探索后，中国屏幕生产厂商积极布局屏下摄像头和屏下传感器等相关专利。屏下摄像头或屏下传感器的基本实现思路与屏下指纹的基本思路相似，大多都是通过在显示区挖小孔阵列的方式提高特定区域的透光率，从而满足摄像头或传感器对于透光率的要求，使其能够正常工作。但屏下摄像头和屏下传感器由于对透光率有着更高的要求，因此其具体实现技术相对屏下指纹更难。
参考图10，图10示出了京东方（BOE）、天马微电子（TIANMA）、华星光电（CSOT）和维信诺（Visionox）有关屏下摄像头或屏下传感器的部分相关专利布局。
图10 屏下摄像头（传感器）专利典型附图
其中，华星光电和维信诺已经有成熟的全面屏产品上市（维信诺生产的全面屏产品搭载于中兴A20系列手机，华星光电与小米集团联合研发、生产的全面屏则搭载于小米MIX 4系列手机，参考图11）。而京东方和天马微电子也进行了专利布局和产品试制。从上述公司的相关专利布局中简单总结可得出如下结论：提升屏下摄像头（传感器）布置区域的透光率，且保持屏下摄像头（传感器）布置区域和其他区域的显示一致性的思路大体有以下几种：
通过该节描述可知，目前较为理想的全面屏实现工艺即边框区弯折工艺+屏下指纹工艺+屏下摄像头（传感器）工艺，这些工艺的结合已经能针对某些手机实现全面屏的展示效果。例如在2021年8月10日发布的小米MIX 4手机，已经采用了华星光电基于CUP全面屏技术生产的全面屏屏幕，从图11来看，屏幕正面已经几乎不存在非显示区了。
图11 搭载屏下摄像头（传感器）技术的典型手机外观
3、既然已经有了可以商业化的屏下摄像头（传感器）技术，iPhone 13为什么还在用“刘海屏”？
通过上一节分析可以发现，屏下摄像头和屏下传感器技术相关技术已较为成熟，那么最近发布的iPhone 13系列手机为什么还在用“刘海屏”呢？笔者认为可能存在以下几种原因：
（1）、由于近几年苹果公司推出的iPhone系列手机均采用了面部识别（Face ID）的解锁功能，而这一功能主要依赖于结构光模块等结构实现，可能存在由于结构光模块对于透光率要求更高，而导致结构光模块不能类比适用现有的屏下摄像头（传感器）技术的问题。
（2）、屏下摄像头（传感器）技术由于工艺相对复杂，成品率不高，且需要设计新的屏幕生产线，一定程度上提高了屏幕的成本。苹果公司可能对于成品率和可靠性要求较高，而屏下摄像头（传感器）技术目前的成品率和可靠性还未满足苹果公司的要求。另外，由于新冠肺炎（Corona Virus Disease 2019，COVID-19）疫情的持续影响，全球经济退坡，人们消费能力减弱，苹果公司可能为了压缩iPhone 13系列手机的发售价而考虑降低手机各组件的成本，因此成本相对较低且技术更为成熟的“刘海屏”成为了苹果公司的首选。
（3）、苹果公司可能在相关技术的专利布局较晚，且iPhone 13系列手机的传闻屏幕供应商（三星、LG Display、京东方）均未有成熟的全面屏屏幕出产，为了保证屏幕良率或降低屏幕成本或降低侵权风险（或专利授权使用费）等原因，苹果公司在“刘海屏”还可被大部分用户接受的情况下，仍然坚持采用了“刘海屏”。并且从iPhone 13系列手机在发布一周以后，仍然需要“预约”、“抢购”的现象也可印证用户对于“刘海屏”的接受度仍然处于较高水平。
最后，由于行文时对苹果公司的海量专利（超过十三万件）和技术路线未尽详尽研究，上述原因仅是笔者经过简单检索和分析推测而得，欢迎提出批评指正。
来源：IPRdaily中文网（iprdaily.cn）
作者：骆宗力 北京品源知识产权管理咨询有限公司
编辑：IPRdaily王颖 校对：IPRdaily纵横君
注：原文链接：iPhone 13为什么还在用“祖传刘海”（点击标题查看原文）
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