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iPhone X 背后的光学故事
北京时间9月13日，苹果在乔布斯剧院正式发布了三部新款iPhone，分别是iPhone 8、iPhone 8 Plus和iPhone X。关于它的各种传说，早已以「山雨欲来风满楼」之势，席卷了国内各大论坛，成为手机发烧友们津津乐道的谈资。
虽然iPhone X与此前的各种预测分析并无二致，但当苹果真正向世人展示这部充满未来感的手机时，相信很多人依旧被震撼到了。
苹果也丝毫不掩饰对自家新产品的自豪感，为 iPhone X 打出了“Say hello to the future”（你好，未来） 的广告词。那么今天就掀起iPhone X的盖头来，谈一谈它背后的光学故事。
一杯敬朝阳，一杯敬LED异形全面屏
据Digitimes公司公布的一份报告显示，2017年出货的智能手机中大约27.6%将采用AMOLED显示屏。在未来三年中，AMOLED屏幕的比例还可能会增加至50%。而这热到烫手、红到发紫的AMOLED到底是个什么样的小妖精，竟如此让各大手机厂商竞相追随？
OLED即有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode）又称为有机电激光显示、有机发光半导体（Organic Electroluminescence Display， OLED）。与液晶显示（Liquid Crystal Display， LCD）是不同类型的发光原理。
其实是香港美籍华裔教授邓青云（Ching W. Tang）于1983年在实验室中发现的，由此展开了对OLED的研究。OLED显示技术具有自发光、广视角、响应快、高对比度、低能耗、高柔韧性等优点。被誉为代替液晶技术理想的下一代显示技术。
从图中可以看出， OLED多层结构包括玻璃基板（TFT）、阳极（Anode）、空穴注入层（HIL）、空穴传输层（HTL）、有机发光层（EL）、电子传输层（ETL）、电子注入层（EIL）、及金属阴极（Cathode）。发光的部位在器件中间的有机发光层（再具体点就是发光层中的掺杂材料），发光机理如下图所示：
OLED发光的整个过程如下：
1. 电子和空穴在发光层中相遇时，会产生复合效应；
2. 复合的过程中产生激子，激子在电场的作用下迁移，将能量转移给发光层中的掺杂材料；
3. 掺杂材料中的电子吸收能量后，从基态跃迁到激发态;
4. 因为激发态是不稳定的，电子会从激发态再次跃迁回基态，同时释放出能量，产生光子。
根据发光材料激发态能级的不同，电子在跃迁回基态的过程中释放出不同能量的光子，根据公式E=hv，能量决定光的波长，而波长意味着光的颜色。而作为一种新技术，AMOLED当然具备诸多优势。
广色域
简单来说，就是屏幕能够显示的色彩更多了。而具有更多意义的，则是其对比度的有效提升（是LCD的几百倍），无论是更接近于黑夜的阴影，还是介于蓝绿之间的青色，都可以完美呈现。
超薄
AMOLED是自发光屏幕，由于发光体原理不同，不需要如LCD一般“背负”太多部件。集成触摸技术也让AMOLED显示屏可以做到更轻薄。
户外可读性强
现在很多手机都存在户外可读性差的情况，即在户外强光下很难看清手机图像。户外可读性与“彩度X亮度”是成正比的，AMOLED的彩度远高于LCD，即使在明亮阳光下颜色也可清楚呈现。同时，蓝光的减少以及响应速度的增加，也进一步提高了阅读体验。
能耗低
通过前文的构成图也看到，LCD有一个背光模组，它发射的亮度是100%，局部亮度变化是通过控制液晶分子的转动方向来实现的。而AMOLED屏则是“哪里需要亮哪里”，每个像素都可以被独立控制，无需恒定背光。这就是“一直开着灯”和“需要时再开灯”所产生的能耗差异。
高柔韧度
“曲屏”、“全面屏”（full screen display）概念想必小伙伴们已不陌生。比起玻璃基板，AMOLED有更强的柔韧性。这样说起来，以后将手机卷起来揣在包包里，可能就不会只是脑洞里才会出现的场景。
我没有说谎，我有Face ID
iPhone X 留给人们最深刻的印象无疑是其 Face ID 面部识别功能，不管是叫好还是恶搞，Face ID 在一夜之间已经火遍个大社交媒体。网友们为 Face ID 恶搞出的各种“应用场景”更是层出不穷。
那么iPhoneX的Face ID与一般手机的面部识别有什么不同呢？首先，用户通过Face ID，iPhone可以检测用户眼球是否在注视iPhone的显示屏，也就是说，iPhoneX上的Face ID是基于3D扫描技术的面部识别。
此外，从设计上看，iPhone X 在全面屏上方多出了一块“刘海”区域，虽然这个设计一曝光即被网友和其他手机厂商作为“槽点”狠狠戏弄了一番。但不论从 OLED 全面屏中这块异形区域的加工难度，或者其内部暗藏的众多传感器来看，这种设计可能是苹果能找到的最佳解决方案。
结构化光发射器模块由6个组件组成，来自10个不同的供应商，包括主动对准设备，滤波器，晶片光学元件，衍射光学元件，VCSEL和外延晶片；结构化光接收模块包括大约六家供应商的四个组件：红外透镜，滤光片，CIS和CMOS图像传感器（140万像素）这两个传感器能准确识别面部的立体结构，想用一张照片解锁是不可能的。
从上图可以看见，“刘海”区域内整合了的原深感摄像头（TrueDepth Camera）和点位投射器（Dot Projector）是 Face ID 面部识别功能的核心组件。你甚至可以这么简单粗暴的理解：苹果将一整组 Xbox Kinect 微型化，并统统塞进了 iPhone X 的“刘海”中。
iPhoneX无论是黑色还是白色，前面板均采用了黑色的设计，原因不言而喻，前面的“刘海”中的传感器太多，采用白色面板恐怕会让人产生密集恐惧症。而iPhoneX也成为iPhone的第二款熊猫色手机。（第一款为iPhone5c）
Face ID 面部识别功能室 iPhone X 的一大特色，但苹果显然还要拿它做更多的事。
发布会上演示的一些 AR 游戏显然是其应用场景。而且，对自动驾驶激光雷达稍有了解的人应该知道，既然是深度相机，又具有点位投射器辅助，测距与成像势必成为潜在应用场景。
为了展示 iPhone X 在这方面的潜能，苹果开发了一款极具趣味性，又比较“接地气”的应用：Animoji 动态表情。
Animoji 是 iOS 11 中加入的一项新功能，可以简单看作是 iPhone 表情包 emoji 的动画版本。Animoji 通过 iPhone X 搭载的原深感摄像头对用户表情进行实时捕捉，并同步到卡通形象上。
我们也有理由相信，苹果 ARKit 平台在早前的布局，iPhone X 及其面部识别相关技术的随后推出，已经为 AR 的真正落地打开了一条路。全新的 A11 Bionic 芯片、原深感摄像头、红外摄像头、点位投射器，以及一系列软硬件技术，将远远不止为手机刷脸解锁，或者刷脸支付这么简单。
我要稳稳的幸福 能用后竖置双摄双光学来防抖
这次的iPhoneX后置双摄和爆料的一致，采用竖置双摄的设计。至于为什么采用这种“红绿灯”式的双摄，苹果的解释是为了更好地实现AR的相关功能。
将手机横过来之后，双摄便也横置，这样更方便拍摄AR内容，我们都知道，AR 的立体感是通过模拟人的双眼视差，也就是左右眼看物体角度的微妙区别来实现的。竖排的双摄像头在横过来拍摄的时候，就可以模拟出这样的效果。
iPhone X采用双1200万像素的OIS光学防抖相机，没错，和三星Note8一样，两颗摄像头均搭载光学防抖。苹果在发布会中展示的样张十分震感，无论是色彩还原度还是细节保留都很完善
点破天机，用iOS11中AR的力气
早在六月份的WWDC2017上，苹果就发布了iOS11系统，其中AR（Augmented Reality）技术应用令人印象深刻，这项技术早在1990年就已经被提出，这是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术。
随着iPhone 8和iPhone X的正式发布，AR功能也正式呈现在我们面前。正如发布会上所演示的，iPhone 8的AR功能可以用来玩各类增强现实游戏。
那么问题来了，什么是AR？
对于传统手机、电脑等智能设备，我们通过手指触控的方式来进行信息输入。但AR眼镜则不同，它几乎没有物理操作按钮，因此想要得到更好的增强现实体验，交互是首先得解决的问题。现在的方案有手势操控、语音识别、体感操控等。
无论是增强现实还是虚拟现实，FOV 都是影响使用体验的最重要因素之一。现在的AR眼镜的可视广角普遍不高，HoloLens有30°，Meta One只有23°，而公众最为熟悉的Google Glass视角仅有12°。这是由于镜片成像技术和光学模组不成熟造成的，现在还没有太好的解决方案，但太窄的视角显然让增强现实效果大打折扣。
目前AR功能还主要集中在游戏方面，相信开发者们之后也会开发更多更实用的AR功能。
不过目前看来，AR游戏无论是从玩法上还是从视觉效果上都比较震感，等到iOS11正式版推送时候，老款的iPhone也能够体验到部分AR游戏功能。
iPhoneX能再次改变世界吗？
这需要时间来证明，但笔者知道，iPhoneX又将引领一次Face ID和AR的潮流。
来源/长春理工光学测量作者刘佳红
最后更新：2017-10-09 01:21:15