苹果新专利：从芯片层面定义图像传感器

近日，苹果公司公开的一项名为"具有高动态范围和低噪点的堆叠像素图像传感器"专利，揭示了该公司在影像传感器领域的重大突破。这项技术不仅可能彻底改变iPhone的摄影能力，甚至有望挑战专业电影摄影机的成像质量。

该专利详细描述了一种堆叠式传感器设计，能够实现高达 20 档的动态范围，这意味着在同一画面中，传感器可以同时捕捉到从最亮到最暗的光线，对比度高达1,048,576:1，且不会丢失任何细节。值得一提的是，动态范围是衡量相机捕捉光线范围能力的重要指标，以“档（stop）”为单位，每增加一档，光线强度就会翻倍或减半。

作为对比，目前 iPhone 16 Pro Max 的传感器尚未公布官方动态范围规格，但根据CineD对 iPhone 15 Pro Max 24mm 相机的综合估算，其动态范围在ISO 55时约为 12 档，而在ISO 1200时，动态范围为 13.4 档。而人眼的瞬时动态范围平均在10到14档左右，经过瞳孔和视网膜调整后可达20到30档。

技术突破

苹果的这项专利采用了一种双层堆叠式传感器架构：上层是包含光电二极管和模拟电路的传感器芯片，下层则是处理读出、噪声消除和控制功能的逻辑芯片。这与索尼现有的堆叠式传感器技术类似，但苹果通过三项关键创新实现了性能突破：

FIC（横向溢流积分电容器）电路 这是实现20档动态范围的核心技术。每个像素内包含三个独立的电荷存储层级：浮动扩散节点(弱光)、第一级LOFIC电容器(中等光照)和第二级LOFIC电容器(强光)。当入射光强度变化时，电荷会自动流向相应层级的存储器，实现单次曝光即可捕捉超大动态范围，避免了传统HDR多帧合成的运动伪影问题。

内置噪声感应电路 每个像素在逻辑芯片上都包含精密的电流存储电路，能够实时感测和消除热噪声(kTC噪声)。这项技术利用相关双采样(CDS)方法，在信号读出过程中精确扣除固有噪声成分，即使在低光照条件下也能输出异常干净的图像，无需依赖后期处理的软件降噪算法。

反常规的3T像素设计 苹果采用了通常被认为更简单但噪声更大的3晶体管(3T)设计，而非行业标准的4晶体管(4T)设计。通过LOFIC电路和电流存储噪声消除技术的组合，苹果成功克服了3T像素的固有缺陷，使其噪声表现甚至优于传统4T像素，同时获得了更高的填充因子和制造良率。

通过将传感器堆叠在芯片上，苹果为每个像素添加了一个独立的快门，并在图像离开芯片之前进行降噪处理。这种设计不仅提高了传感器的动态范围，还显著降低了噪声。

苹果这项专利不仅仅是相机软件的改进，而是从芯片层面重新定义图像传感器。如果投入生产，可能首先应用于未来的iPhone 17 Pro或Apple Vision Pro 2等设备。更深远的影响是苹果可能借此摆脱对索尼高端相机传感器的依赖，甚至以竞争对手身份进入专业图像传感器市场。