Hur underdisplaykameror kommer att förändra våra skärmar för alltid

I decennier har vi levt med en obekväm teknisk sanning: Kameror och andra sensorer kan inte uppta samma utrymme som våra skärmar. Det är därför, alltmer, smartphones lita på det fruktade "skåran" som ett sätt att maximera förhållandet mellan skärm och kropp samtidigt som den främre kameran och andra sensorer bevaras.

Vissa telefontillverkare, från Opo till OnePlus, komma runt detta problem genom att använda motoriserade popup-kameror, medan andra har tillgripit slå hål i displayer för att förse kameran med ett eget titthål. Det är också därför till och med senaste high-end bärbara datorer har fortfarande tydliga ramar runt sina skärmar. De webbkamera behöver ett hem och det verkar som om ingen är villig att leva med ett hack eller hålslag på en dator.

Men det visar sig att kameror och skärmar inte är riktigt så inkompatibla som de verkar. Tack vare förbättringar av tillverkningstekniker är dessa två motståndare på väg att avsluta sin långvariga territoriella tvist. Detta är inte en långtgående förutsägelse; det händer just nu.

I slutet av 2021 kommer vi att se de första smartphones med osynliga kameror under display (UDC). Bärbara datorer, tabletter, och TV-apparater kommer följa.

Hur kommer detta att åstadkommas och hur kommer det att förändra hur vi använder dessa enheter?

Här är en inblick i vår framtid med dolda kamera.

Varför dölja kameran?

Att klaga på en telefonskåra, hålslagning eller en stor skärmram är själva definitionen av ett förstavärldsproblem. Och att döma av Apples fantastiska försäljningssiffror, ingen av dessa biverkningar av framåtriktade kameror är dealbreakers för köpare.

Men bortsett från estetik finns det tre stora fördelar med att gömma kameror bakom skärmar.

För det första låter det dig göra telefoner som har äkta kant-till-kant-skärmar. Videor och bilder ser bättre ut, och apputvecklare kan använda varje kvadratmillimeter för sin design – allt samtidigt som telefonens kropp är så liten som möjligt.

För det andra, ur design- och tillverkningssynpunkt, om kameror och sensorer kan placeras var som helst, med färre begränsningar för deras storlek och synlighet, ritar den om kartan för telefondesign. Större batterier, tunnare telefoner, fler sensorer och mycket bättre kameror är alla potentiella fördelar.

Men den tredje, och utan tvekan största, fördelen är möjligheten att ställa upp kameran med vår blick.

Kameror placerade i ramar eller skåror skapar den nu alltför välbekanta, besvärliga nedåtgående blick som händer under videosamtal. "För det mesta tittar ni faktiskt inte på varandra när ni pratar över videochatt," Michael Helander, VD på Toronto-baserade OTI Lumionics berättade för Digital Trends. "Den nuvarande placeringen av videokonferenskameror i alla dessa enheter är verkligen suboptimal."

Helander har nog funderat på detta problem mer än de flesta. Hans företag skapar specialmaterial som möjliggör det som en gång var omöjligt – vilket gör skärmar tillräckligt transparenta för att du kan placera en kamera bakom dem.

När en kamera väl sitter bakom skärmen kommer den äntligen att få våra videointeraktioner att se ut och kännas som verkliga, personliga interaktioner – en spelförändring som inte kunde komma vid en bättre tidpunkt i vår covid-begränsade värld.

Hur gör man en skärm transparent?

Skärmteknik domineras av två typer av skärmar. De vanligaste är LCD-skärmar, som inkluderar LED-TV och QLED-TV. Den andra, ekologisk ljusemitterande diod (OLED), dominerar smartphones och surfplattor och växer i användning i bärbara datorer och till och med stationära datorer övervakar

LCD-skärmar är faktiskt genomskinliga när de inte används - det är därför du ser en grå bakgrund på en kalkylatorskärm där de svarta siffrorna inte är aktiva. Men att dra nytta av denna transparens för att ta ett foto utgör stora tekniska hinder, särskilt när du tar hänsyn till behovet av bakgrundsbelysning.

Den aktiva delen av en OLED-skärm är å andra sidan papperstunn. Dess olika lager mäts i nanometer, vilket gör den till den perfekta kandidaten för transparens. Dess nanometertunna toppskikt av metall är redan genomskinligt för synligt ljus, men infrarött ljus är totalt blockerat.

Så frågan blir, hur kan du öka OLED: s transparens utan att skada skärmen med utskärningar?

En lösning som gynnas av Xiaomi och Oppo i deras UDC-prototyper är att förlita sig på en OLED-pixels inneboende transparens. När en OLED-pixel inte används för att avge ljus släpper den in ljus. Så du kan placera en kamera bakom en OLED-skärm och den kommer att kunna samla tillräckligt med ljus för att ta bilder. Men det finns en hake: Du måste fortfarande placera kameran överst eller längst ned på skärmen, för när kameran är aktiv måste OLED-pixlarna ovanför den stängas av, vilket skapar ett tillfälligt svart område på skärm. Det tillvägagångssättet är en lösning på problemet med hack och hålslag, men det gör ingenting för att lösa problemet med blicken nedåt.

Ett annat sätt att uppnå transparens är genom att skapa små fysiska hål som passar mellan en bildskärms pixlar, men det är otroligt svårt i sig.

Den första kommersiellt tillgängliga telefonen med en kamera under displayen — den ZTE Axon 20 5G — använder denna teknik, men den lider också av en mindre än idealisk kompromiss. Moderna smartphones har otroligt tätt packade pixlar. De iPhone 12 Pro har en skärm på 460ppi (pixlar per tum), vilket innebär att det finns mer än 200 000 pixlar i en kvadrattum. Sonys Xperia XZ Premium hade en jättestor skärm på 807ppi (mer än 650 000 pixlar per kvadrattum).

Att slå hål mellan dessa pixlar, även med laser, är så knepigt att ZTE var tvungen att ta bort några pixlar från området ovanför kameran för att köpa lite extra utrymme. Resultatet är en märkbart lägre upplöst ruta på skärmen.

Det som också märks (på grund av storleken på hålen) är själva kameran, som blir synlig i vissa vinklar.

En del av skärmen med lägre upplösning kanske inte stör dig när den är nära toppen, i ett område som mest används för oviktig information. Men få människor skulle acceptera en så uppenbar minskning av upplösningen i mitten av telefonens display, vilket är vad vi skulle behöva för att motverka problemet med blickar nedåt.

Se och synas

Men det finns ett tredje alternativ. Tänk om du, istället för att lita på genomskinliga pixlar eller stansa hål i skärmen efter montering, kunde skapa miljontals små hål i varje lager av en OLED-skärm under tillverkningen?

Genom en process som kallas mönstring har befintliga tillverkningstekniker fört oss lockande nära detta scenario.

"Vi vet hur man gör det i TFT-skiktet [tunnfilmstransistor", sa Helander. "Vi vet hur man gör det i den nedre elektroden. Vi vet hur man gör det i lagret som utgör alla olika pixlar." Men det översta metallskiktet, även känd som katoden, skapas inte som dessa andra lager, och det utgör en unik ingenjörskonst utmaning.

Självmonterade hål

Den översta metallkatoden är inte en metallplåt i konventionell mening. Istället för att binda en separat metallplåt till toppen av skärmen, förångas metallmolekyler och tillåts kondensera över hela ytan, en process som kallas ångavsättning.

Problemet är att när metallskiktet väl har avsatts finns det inget sätt att mönstra det. Det för oss till OTI Lumionics hemliga sås.

"Tekniken som vi har utvecklat är ett sätt att mönstra miljontals små hål i det lagret under tillverkningsprocessen genom vad som kallas självmontering," sa Helander. "När du lägger ihop alla dessa material kommer de naturligtvis att bilda alla dessa små öppningar i displayen, miljoner av dem."

Helander hävdar att självmonteringsprocessen fungerar på alla skärmstorlekar och låter tillverkarna bestämma hur många öppningar som behövs - från bara en till 1 miljard.

När dessa öppningar väl finns kan synligt och infrarött ljus passera obehindrat.

Lita på men verifiera

Lika spännande som det är att tänka att vi snart kommer att kunna ha mycket mer naturliga videosamtal, genom att placera en kamera under en skärm lägger en ännu större skyldighet på tillverkarna att tillhandahålla pålitlig integritet åtgärder.

Vi behöver någon form av pålitlig indikator för när kameran är aktiv och ett lika pålitligt sätt att inaktivera den. Eftersom det är under skärmen finns det inget sätt att fysiskt blockera linsen utan att blockera innehållet på skärmen också.

Apple uppdaterade nyligen iOS för att visa en liten grön prick nära skåran när dess framåtriktade kamera används, och en orange prick för att visa när mikrofonen är aktiv. Det är ett bra sätt att informera oss om vad som händer, men vi behöver något mer.

Smarta högtalare som Google Nest mini levereras med fysiska omkopplare som kan användas för att inaktivera mikrofonerna. Förutsatt att det inte finns något sätt att på distans övervinna switchens position, ger det en mycket god nivå av förtroende. En liknande mekanism på TV-apparater, bildskärmar och bärbara datorer bör vara standard när kameror blir osynliga.

När börjar kameror med underskärm att dyka upp?

OTI Lumionics har redan avtal med flera kinesiska smartphonetillverkare, men på grund av konfidentialitetsbegränsningar kan dessa företag inte namnges ännu. "Många av dem har prototyptelefoner som har byggts och allt ser bra ut", konstaterar Helander, "men ingen av dem vill avslöja något offentligt förrän de är redo för deras faktiska officiella produktmeddelanden." Han är övertygad om att vi kommer att se dessa nya kameramodeller under display någon gång under 2021, även om de kan förbli en exklusiv kinesisk marknad fram till 2022.

Hur mycket kommer de att kosta?

Jag var helt beredd på att Helander skulle berätta att endast de mest premium smartphones, kommande priser på $1 000 eller mer, skulle vara den första att marknadsföra med UDC. Men de första modellerna förväntas vara mellanliggande handenheter. Han tillskriver detta den häftiga konkurrensen mellan de kinesiska varumärkena i $400 till $600 smartphonemarknaden, vilket har lett till en vilja att testa nya funktioner snabbare, även om de misslyckas ta tag i.

Redaktörens rekommendationer

• ZTE lägger ny Under Display Camera på $799 Axon 40 Ultra
• Oppo ser en smartklocka, ett chip och en kamera under skärmen som en del av sin framtid
• Oppos spännande nya teknik döljer selfiekameran under telefonskärmen