专利解密！Apple 的下一次相机突破：用纳米柱取代微透镜

Apple 正在研发一代全新的图像传感器架构，用一种基于超表面的光路引导层，取代传统的微透镜结构。该设计通过对不同波长光线进行更精确的控制，提升像素感光效率，改善颜色通道不平衡问题，并增强相位检测自动对焦能力。该技术未来有望应用于 iPhone、iPad、Mac 以及可穿戴设备的摄像系统。

这项专利描述了一种由三层结构组成的图像传感器，包括像素阵列层、彩色滤光层，以及由工程化纳米柱构成的超表面层。与只能在单一区域内均匀聚光的传统微透镜不同，Apple 的超表面可以将不同颜色的光线引导至不同像素，即使这些光路区域在空间上发生重叠，也能实现精确分流。这使得每个颜色通道的有效分辨率与感光能力都可以被单独调校。

那么超表面如何工作？

超表面层位于彩色滤光层之上，由大量精确设计的纳米柱组成。这些纳米结构能够对入射光进行定向控制，将特定波长的光线引导至对应像素。

在该架构中，每个像素都对应一个“有效分辨率区域”，也就是该像素实际从超表面收集光线的面积。Apple 允许不同像素拥有大小不同的有效分辨率区域。

举例来说，红色与蓝色像素通常量子效率较低，可以分配更大的超表面区域来获取更多光子。绿色像素本身效率较高，则可以维持更小但分辨率更高的区域。更关键的是，这些区域可以部分重叠，同一块超表面在不同波长下表现出完全不同的光学行为。

此外，超表面还能被设计成具备角度选择性，模拟甚至强化传统 PDAF 微透镜的功能，使相位检测自动对焦直接集成在这一层中，在不牺牲像素密度的前提下提升对焦性能。

Apple 超表面图像传感器的核心优势1. 在不放大光电二极管的情况下提升感光能力

通过扩大低效率颜色像素的有效采光区域，传感器可以收集更多光子，同时保持像素物理尺寸不变。这对低光环境下的噪声控制尤为关键。

2. 更好的颜色平衡与更干净的白平衡

传统传感器中，绿色像素天然更“亮”，需要大量算法校正。超表面可以在硬件层面拉平三原色的感光差异，从源头降低对白平衡与降噪算法的依赖。

3. 可重叠的超表面区域带来多功能光学能力

同一块超表面区域在不同波长下承担不同角色，这是传统微透镜结构无法实现的，为每个颜色通道的独立优化提供了可能。

4. 更强的相位检测自动对焦

超表面能够实现与 PDAF 微透镜类似的角度选择特性，在弱光或低对比度场景中提升对焦速度与准确性。

5. 为多摄系统提供更高设计自由度

超表面结构更薄、更可定制，有利于在不增加模组厚度的前提下，部署于手机、平板、笔记本与可穿戴设备。

6. 在保持高分辨率的同时提升色彩表现

绿色像素维持高分辨率，红蓝像素通过更大的采光区域获得更高信噪比，从而兼顾清晰度与色彩质量。

为什么这项技术重要

当手机相机逐步逼近物理极限，继续单纯依赖更大的传感器或更复杂的镜头已越来越困难。基于超表面的像素级光学控制，为感光度、色彩准确性与对焦能力提供了一条新的进化路径。

这项技术不仅是对传统微透镜方案的替代，更可能成为未来计算摄影进一步发展的硬件基础，帮助 Apple 在移动影像领域继续保持领先。

专利结构与系统说明

在专利图示中，Apple 展示了一种图像感测设备，由图像传感器与传感器驱动器组成。传感器内部包含像素阵列、行列控制电路以及模拟处理电路。

模拟处理电路负责将光电二极管采集的电荷信号放大并转换为数字信号，并可包含自动增益控制等模块。传感器驱动器则负责控制行列电路，在曝光、读出与复位过程中协调整个传感器的工作，以连续捕捉图像帧。

发明人背景

该专利的首席发明人为 Xiangli Li，现任 Apple CIS Pixel Development Engineering 方向的负责人。该领域专注于 CMOS 图像传感器中“像素”这一最基础单元的设计与制造，是现代影像系统的核心技术之一。

值得注意的是，Apple 历来所有真正落地的硬件与功能，几乎都可以在其早期专利中找到清晰的技术脉络。这项超表面图像传感器，很可能正是下一代 Apple 影像系统的重要基石。