将来の Apple デバイスでは、ディスプレイの下に大型の Touch ID を搭載するために画面をさらに活用する可能性があり、さらに大型のアンテナを埋め込むことで Wi-Fi と携帯電話の受信状態も改善されるでしょう。
これはAppleが長年行ってきたトレードオフです。ベゼルとノッチを減らしつつ、より優れた信号受信と安全なユーザー認証を実現するにはどうすればいいか、という問題です。そして今、AppleはTouch IDとアンテナを内蔵したエッジツーエッジディスプレイを実現する方法を見つけたのかもしれません。
Appleはディスプレイ内蔵型Touch IDの検討を重ねており、このテーマに関する特許を複数取得しています。中には音響イメージングソリューションや赤外線技術を用いたものなど、様々なものがあります。このアイデアは、アナリストのミンチー・クオ氏による噂や主張、そしてTwitterでのリーク情報の対象にもなっています。
しかし、ディスプレイの下にセンサーを移動させるのがなぜAppleが実現しないほど複雑なのか、具体的な議論はほとんど行われていません。新たに公開された特許出願では、問題点が詳細に説明されており、光を透過させる以上の機能を持つ層を重ねてディスプレイを構成するという解決策が提案されています。
ディスプレイの下にTouch IDを内蔵するのに加え、関連特許出願では、これらの層を利用して画面内にRFアンテナを組み込むことも提案されています。Wi-Fiや携帯電話の信号には露出したアンテナが必要なため、iPhoneのディスプレイ全体を占めるアンテナの方が、デバイス側面の狭い帯状のアンテナよりも優れているはずです。
ディスプレイ下のTouch ID
「角度に焦点を合わせた狭い視野角のフィルターを使用した強化されたディスプレイ下指紋センサー」は、2019年6月にAppleによって申請されたが、今になって初めて公開された。
「指紋の検知と照合は、個人の識別や認証のための信頼性の高い技術として広く利用されています」と始まります。そして、Face IDの存在自体を認めることなく、特許出願ではTouch IDが依然として有用である理由を論じています。
「光学指紋センサーは、電子機器、特に携帯機器における検証や認証に特に有利である可能性がある」と報告書は述べている。「光学指紋センサーが電子機器やホストデバイスに統合されている場合、例えばホストデバイスのプロセッサによって認証を迅速に実行できる。」
問題は、Touch IDに頼るなら、信頼性と速度が求められることです。特に、旧型のホームボタンのようにTouch IDセンサーが小型の場合、これは大きな問題となります。
「光学指紋センサーが直面する課題は、ガラスと空気の界面が小面積の照合には十分に安定していないため、経時的な性能の安定性を維持することです」と特許は続ける。「一方、相補型金属酸化膜半導体（CMOS）を用いた大面積センサーは費用対効果が低いのです。」
「（次に）さまざまな角度での異なる反射光線を分離することが別の課題です。反射光線を分離するには多くの照明パターンを使用する必要があり、画像キャプチャ時間が長くなります（たとえば、数秒）。」と論文は述べています。
解決策としては、Touch IDセンサーを大きくすることが考えられますが、製造コストがかさんだり、デバイス上でスペースを占有したりするほど大きくはならないようにします。つまり、センサーをディスプレイの下に配置する方法を見つけることで、これらの問題を解決できる可能性があります。
特許出願の大部分は、ディスプレイに画像を表示するために光を放射しながら、指紋の光学スキャンをデバイス内に反射させるという難しさについて焦点を当てています。
特許の詳細。ディスプレイの層と、それに触れる指（110と表示）を示す。
Apple の提案は、「発光層、光学層、フィルター層、ピクセル化された画像センサーを含む」ディスプレイです。
「発光層は透明層で覆われており、透明層に接する表面を照射し、表面からの反射光を光学層へ透過させる」と特許出願には記されている。「光学層またはフィルタ層の少なくとも一方は、反射光を角度に応じて焦点を絞った視野フィルタリングを可能にする。」
FOV は視野であり、この特許出願の中心となるのは、表示される画像と指紋の光学スキャンを異なる角度から実行できるというアイデアです。
ある例では、Apple はユーザーの指を「右側から照らす」ことができ、「角度 (例: 42 度) で放射された光が反射され、撮像領域に到達する」ことを示唆しています。
特許出願全体を通して、Appleは物体によって光が遮られるオクルージョン（閉塞）を懸念している。しかし、指紋スキャンが複数の角度から行われる場合、デバイスは各角度によって生じる異なるオクルージョンを考慮することができる。
「これは、追加の遮蔽パターン（第2の遮蔽パターン）が、タッチの同じ領域に関連しているにもかかわらず、最初の遮蔽パターンとは異なるためです」とAppleは述べています。「さらに、異なる方向からの照明によって、より多くの遮蔽パターンが生成され、タッチディスプレイ層のOLEDの遮蔽効果を平均化して軽減することができます。」
3人の発明者のうち2人、Mohammad Yeke Yazdandoost氏とGiovanni Gozzini氏は、関連特許出願にも記載されています。「電子デバイスディスプレイの発光層への入射光を検出するセンシングシステム」も同様に、ベゼルの下に隠すのではなく、ディスプレイ内にセンサーを埋め込むことに関するものです。
ディスプレイにRFアンテナを埋め込む
Apple がディスプレイをさらに活用する決意をしていることを示唆する、同様のアイデアに関する新たに公開された 2 番目の特許出願は、4 人の発明者からなるまったく別のチームによるものであるとされている。
この場合、「ディスプレイ統合型ハイブリッド透明アンテナ」は、無線フロントエンドモジュール (RFEM) を画面内に埋め込む方法に関するものです。
「今日のワイヤレスシステム（例えば、スマートウォッチやディスプレイ機能が主眼にある他のデバイス）は、より小さなベゼル、あるいはベゼルレスのディスプレイソリューションでエッジツーエッジディスプレイを実現しようと努めている」と特許出願には記されている。
画面内アンテナとの間で信号を送受信する方法を示す特許の詳細
「特にスマートウォッチ、スマートグラス、スマート健康関連モニタリングデバイスなどのウェアラブルデバイスの場合、ディスプレイが小さく、サポートが必要な無線通信（Bluetooth、GPS、WiFi、3G/4G/LTE、FMなど）の数と関連アンテナが増加しています」と続けます。
特許出願では、「このようなデバイス向けのアンテナソリューションは困難を伴う可能性がある」と述べ、提案されたソリューションの詳細を12,000語にわたって説明しています。詳細はBluetoothからWLANまで、あらゆるアンテナの異なるニーズを網羅していますが、基本的な原理はどれも同じです。
Appleの提案は、「液晶ディスプレイ（LCD）層、タッチパネル層、カバーガラス層を含む多層ディスプレイを搭載した」デバイスだ。
「本装置は、さらに、RF信号を送信するように構成されたアンテナを備える」と説明は続く。「アンテナは、給電線を介して無線フロントエンドモジュールからRF信号を受信するように構成された一次結合給電構造を備える。また、アンテナは、RF信号を放射するように構成された発電構造も備える。」
アンテナとの間で信号を送受信する上で問題が生じますが、重要なのは、ディスプレイにアンテナを埋め込むことで、ディスプレイのスペースを犠牲にすることなく、受信エリアを広く確保できる点です。
