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iPhone X 背後的光學故事
北京時間9月13日，蘋果在喬布斯劇院正式發布了三部新款iPhone，分別是iPhone 8、iPhone 8 Plus和iPhone X。關於它的各種傳說，早已以「山雨欲來風滿樓」之勢，席卷了國內各大論壇，成為手機發燒友們津津樂道的談資。
雖然iPhone X與此前的各種預測分析並無二致，但當蘋果真正向世人展示這部充滿未來感的手機時，相信很多人依舊被震撼到了。
蘋果也絲毫不掩飾對自家新產品的自豪感，為 iPhone X 打出了“Say hello to the future”（你好，未來） 的廣告詞。那麼今天就掀起iPhone X的蓋頭來，談一談它背後的光學故事。
一杯敬朝陽，一杯敬LED異形全麵屏
據Digitimes公司公布的一份報告顯示，2017年出貨的智能手機中大約27.6%將采用AMOLED顯示屏。在未來三年中，AMOLED屏幕的比例還可能會增加至50%。而這熱到燙手、紅到發紫的AMOLED到底是個什麼樣的小妖精，竟如此讓各大手機廠商競相追隨？
OLED即有機發光二極管（Organic Light-Emitting Diode）又稱為有機電激光顯示、有機發光半導體（Organic Electroluminescence Display， OLED）。與液晶顯示（Liquid Crystal Display， LCD）是不同類型的發光原理。
其實是香港美籍華裔教授鄧青雲（Ching W. Tang）於1983年在實驗室中發現的，由此展開了對OLED的研究。OLED顯示技術具有自發光、廣視角、響應快、高對比度、低能耗、高柔韌性等優點。被譽為代替液晶技術理想的下一代顯示技術。
從圖中可以看出， OLED多層結構包括玻璃基板（TFT）、陽極（Anode）、空穴注入層（HIL）、空穴傳輸層（HTL）、有機發光層（EL）、電子傳輸層（ETL）、電子注入層（EIL）、及金屬陰極（Cathode）。發光的部位在器件中間的有機發光層（再具體點就是發光層中的摻雜材料），發光機理如下圖所示：
OLED發光的整個過程如下：
1. 電子和空穴在發光層中相遇時，會產生複合效應；
2. 複合的過程中產生激子，激子在電場的作用下遷移，將能量轉移給發光層中的摻雜材料；
3. 摻雜材料中的電子吸收能量後，從基態躍遷到激發態;
4. 因為激發態是不穩定的，電子會從激發態再次躍遷回基態，同時釋放出能量，產生光子。
根據發光材料激發態能級的不同，電子在躍遷回基態的過程中釋放出不同能量的光子，根據公式E=hv，能量決定光的波長，而波長意味著光的顏色。而作為一種新技術，AMOLED當然具備諸多優勢。
廣色域
簡單來說，就是屏幕能夠顯示的色彩更多了。而具有更多意義的，則是其對比度的有效提升（是LCD的幾百倍），無論是更接近於黑夜的陰影，還是介於藍綠之間的青色，都可以完美呈現。
超薄
AMOLED是自發光屏幕，由於發光體原理不同，不需要如LCD一般“背負”太多部件。集成觸摸技術也讓AMOLED顯示屏可以做到更輕薄。
戶外可讀性強
現在很多手機都存在戶外可讀性差的情況，即在戶外強光下很難看清手機圖像。戶外可讀性與“彩度X亮度”是成正比的，AMOLED的彩度遠高於LCD，即使在明亮陽光下顏色也可清楚呈現。同時，藍光的減少以及響應速度的增加，也進一步提高了閱讀體驗。
能耗低
通過前文的構成圖也看到，LCD有一個背光模組，它發射的亮度是100%，局部亮度變化是通過控製液晶分子的轉動方向來實現的。而AMOLED屏則是“哪裏需要亮哪裏”，每個像素都可以被獨立控製，無需恒定背光。這就是“一直開著燈”和“需要時再開燈”所產生的能耗差異。
高柔韌度
“曲屏”、“全麵屏”（full screen display）概念想必小夥伴們已不陌生。比起玻璃基板，AMOLED有更強的柔韌性。這樣說起來，以後將手機卷起來揣在包包裏，可能就不會隻是腦洞裏才會出現的場景。
我沒有說謊，我有Face ID
iPhone X 留給人們最深刻的印象無疑是其 Face ID 麵部識別功能，不管是叫好還是惡搞，Face ID 在一夜之間已經火遍個大社交媒體。網友們為 Face ID 惡搞出的各種“應用場景”更是層出不窮。
那麼iPhoneX的Face ID與一般手機的麵部識別有什麼不同呢？首先，用戶通過Face ID，iPhone可以檢測用戶眼球是否在注視iPhone的顯示屏，也就是說，iPhoneX上的Face ID是基於3D掃描技術的麵部識別。
此外，從設計上看，iPhone X 在全麵屏上方多出了一塊“劉海”區域，雖然這個設計一曝光即被網友和其他手機廠商作為“槽點”狠狠戲弄了一番。但不論從 OLED 全麵屏中這塊異形區域的加工難度，或者其內部暗藏的眾多傳感器來看，這種設計可能是蘋果能找到的最佳解決方案。
結構化光發射器模塊由6個組件組成，來自10個不同的供應商，包括主動對準設備，濾波器，晶片光學元件，衍射光學元件，VCSEL和外延晶片；結構化光接收模塊包括大約六家供應商的四個組件：紅外透鏡，濾光片，CIS和CMOS圖像傳感器（140萬像素）這兩個傳感器能準確識別麵部的立體結構，想用一張照片解鎖是不可能的。
從上圖可以看見，“劉海”區域內整合了的原深感攝像頭（TrueDepth Camera）和點位投射器（Dot Projector）是 Face ID 麵部識別功能的核心組件。你甚至可以這麼簡單粗暴的理解：蘋果將一整組 Xbox Kinect 微型化，並統統塞進了 iPhone X 的“劉海”中。
iPhoneX無論是黑色還是白色，前麵板均采用了黑色的設計，原因不言而喻，前麵的“劉海”中的傳感器太多，采用白色麵板恐怕會讓人產生密集恐懼症。而iPhoneX也成為iPhone的第二款熊貓色手機。（第一款為iPhone5c）
Face ID 麵部識別功能室 iPhone X 的一大特色，但蘋果顯然還要拿它做更多的事。
發布會上演示的一些 AR 遊戲顯然是其應用場景。而且，對自動駕駛激光雷達稍有了解的人應該知道，既然是深度相機，又具有點位投射器輔助，測距與成像勢必成為潛在應用場景。
為了展示 iPhone X 在這方麵的潛能，蘋果開發了一款極具趣味性，又比較“接地氣”的應用：Animoji 動態表情。
Animoji 是 iOS 11 中加入的一項新功能，可以簡單看作是 iPhone 表情包 emoji 的動畫版本。Animoji 通過 iPhone X 搭載的原深感攝像頭對用戶表情進行實時捕捉，並同步到卡通形象上。
我們也有理由相信，蘋果 ARKit 平台在早前的布局，iPhone X 及其麵部識別相關技術的隨後推出，已經為 AR 的真正落地打開了一條路。全新的 A11 Bionic 芯片、原深感攝像頭、紅外攝像頭、點位投射器，以及一係列軟硬件技術，將遠遠不止為手機刷臉解鎖，或者刷臉支付這麼簡單。
我要穩穩的幸福 能用後豎置雙攝雙光學來防抖
這次的iPhoneX後置雙攝和爆料的一致，采用豎置雙攝的設計。至於為什麼采用這種“紅綠燈”式的雙攝，蘋果的解釋是為了更好地實現AR的相關功能。
將手機橫過來之後，雙攝便也橫置，這樣更方便拍攝AR內容，我們都知道，AR 的立體感是通過模擬人的雙眼視差，也就是左右眼看物體角度的微妙區別來實現的。豎排的雙攝像頭在橫過來拍攝的時候，就可以模擬出這樣的效果。
iPhone X采用雙1200萬像素的OIS光學防抖相機，沒錯，和三星Note8一樣，兩顆攝像頭均搭載光學防抖。蘋果在發布會中展示的樣張十分震感，無論是色彩還原度還是細節保留都很完善
點破天機，用iOS11中AR的力氣
早在六月份的WWDC2017上，蘋果就發布了iOS11係統，其中AR（Augmented Reality）技術應用令人印象深刻，這項技術早在1990年就已經被提出，這是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度並加上相應圖像、視頻、3D模型的技術。
隨著iPhone 8和iPhone X的正式發布，AR功能也正式呈現在我們麵前。正如發布會上所演示的，iPhone 8的AR功能可以用來玩各類增強現實遊戲。
那麼問題來了，什麼是AR？
對於傳統手機、電腦等智能設備，我們通過手指觸控的方式來進行信息輸入。但AR眼鏡則不同，它幾乎沒有物理操作按鈕，因此想要得到更好的增強現實體驗，交互是首先得解決的問題。現在的方案有手勢操控、語音識別、體感操控等。
無論是增強現實還是虛擬現實，FOV 都是影響使用體驗的最重要因素之一。現在的AR眼鏡的可視廣角普遍不高，HoloLens有30°，Meta One隻有23°，而公眾最為熟悉的Google Glass視角僅有12°。這是由於鏡片成像技術和光學模組不成熟造成的，現在還沒有太好的解決方案，但太窄的視角顯然讓增強現實效果大打折扣。
目前AR功能還主要集中在遊戲方麵，相信開發者們之後也會開發更多更實用的AR功能。
不過目前看來，AR遊戲無論是從玩法上還是從視覺效果上都比較震感，等到iOS11正式版推送時候，老款的iPhone也能夠體驗到部分AR遊戲功能。
iPhoneX能再次改變世界嗎？
這需要時間來證明，但筆者知道，iPhoneX又將引領一次Face ID和AR的潮流。
來源/長春理工光學測量作者劉佳紅
最後更新：2017-10-09 01:21:15