蘋果自研一顆關鍵芯片

近日的最新消息表明，蘋果正在為一款能夠瞬間定格整個場景的手機攝像頭鋪設基礎。這就是全局快門。一項全新專利證實了這一點。該技術意味着更清晰的運動畫面、更少的閃爍條紋以及更專業的視頻效果。以下是任何人都能輕松理解的簡要解釋。

想象一下裁判一喊「停」。每個人都同時停下。然后攝像機記錄下它所看到的一切。由於同時停下，直線保持筆直。LED牆和舞臺燈光的效果更好。「閃光燈」更容易拍攝比賽瞬間。以下是部分原理：

1、滾動快門逐行讀取圖像。快速運動會使直線物體彎曲併產生抖動。

2、全局快門在同一時刻抓取每個像素，然后讀取數據。

3、蘋果的專利展示了每個像素內部都有一個微小的「緩衝區」，這樣手機就可以一次性定格整幀畫面。這是一個很棒的創意。基於該應用原理，您可以參閱以下方案：

接下來，我們將用通俗的語言解釋蘋果的專利。

首先，我們將每個像素想象成一個三層的堆棧。其中一樓是採光處、二樓是一個小型緩衝區、3 樓是將光轉換成數值的微型計量器。

具體的工作原理如下所示：曝光時，第一層會充滿光線。在凍結瞬間，每個像素會同時將光線從第一層移動到第二層。這樣，整個畫面就被鎖定了。然后，手機逐行將保存的光線從第二層移動到第三層，從而生成照片。中間的那層就是祕密所在，它為每個像素提供了專屬的「停駐點」，用於存放凍結的圖像。

那麼，在這個方案中，蘋果的做法又有何不同呢？

如圖所示，蘋果的方法是向上堆疊，而不是橫向堆疊。縱觀目前市面上的許多設計，他們是將「緩衝區」放在聚光燈旁邊。這會佔用空間和光線。Apple 將通道垂直堆疊，從而節省更多采光空間。

當中，有一個部分承擔了兩項任務——中間層存儲圖像又幫助移動圖像，這使得像素緊湊且易於手機操作。定格畫面中則雜散光更少。該專利描述了在快門「關閉」時保護「緩衝區」的防護罩和溝槽結構。實現更清晰的定格畫面，更清晰的圖像。如下所示，圖紙包括用於自動對焦的背照式照明和分割像素技術。這些都是高密度智能手機傳感器的核心組件，而不是笨重的實驗室零件。

蘋果對這項專利的自述

正如蘋果所説，圖像傳感器可包含多個像素，每個像素可包含一個光電二極管，該光電二極管具有電荷積累區（「PD」）、浮動擴散區（「FD」）以及垂直位於PD和FD之間的電荷傳輸區。垂直電荷傳輸區可包括第一電荷調製區（「P1」）、第二電荷調製區（「P2」）和第三電荷調製區（「P3」）。圖像傳感器可在全局快門模式下工作，其中P2可用作像素內電荷存儲區，用於在電荷從PD經由P1、P2和P3傳輸到FD期間臨時存儲電荷。

至於本專利，則總體上涉及一種圖像傳感器，更具體地説涉及一種具有垂直集成多相電荷轉移技術的圖像傳感器像素技術，用於在全局快門模式下進行圖像捕獲。

蘋果指出，圖像捕獲設備廣泛應用於各種電子設備，例如移動設備（智能手機、平板電腦、筆記本電腦等）、機器人設備或安全監控設備等。圖像捕獲設備可以包括一個具有多個聚光像素的圖像傳感器。每個像素可以包括一個光電二極管。該圖像捕獲設備可以捕獲來自環境的光並將光傳遞到圖像傳感器。當暴露於光線下時，像素的光電二極管可以積累電荷。在讀取時，可以使用一個或多個晶體管從光電二極管中讀出光電二極管的電荷，以生成模擬圖像信號。模擬圖像信號可以轉換為數字信號，並進一步處理以生成圖像。

如蘋果所説，在一些實例中，圖像傳感器可以包括多個聚光像素，例如，這些像素被組織成具有一行或多行像素和一列或多列像素的像素陣列。在一些實例中，圖像傳感器可以是CMOS（互補金屬氧化物半導體）圖像傳感器、CCD（電荷耦合器件）圖像傳感器等。在一些實例中，圖像傳感器可以是圖像捕獲設備（例如，相機）的一部分，該圖像捕獲設備還可以是電子設備（例如，智能手機、平板電腦、筆記本電腦等）、機器人設備或安全監控設備等）的一部分。在一些實例中，圖像傳感器的每個像素可以包括至少一個光電二極管，該光電二極管包括電荷積累區（以下簡稱「PD」）、浮動擴散區（以下簡稱「FD」）以及垂直位於PD和FD之間的電荷傳輸區。

「當每個像素暴露於光線下時，PD 可以積累電荷或光載流子。在讀取時，至少部分電荷可以從 PD 傳輸到 FD，從而在 FD 上生成模擬圖像信號（例如，模擬電壓），該信號可以通過像素外部的像素輸出線進一步訪問。在某些實施例中，通過像素輸出線訪問的模擬圖像信號可以進一步處理，例如，使用模數轉換器進行模數轉換，然后由圖像信號處理器 (ISP) 進行數字處理，以生成一個或多個圖像。」蘋果強調。

蘋果進一步指出，通常，給定的圖像採集設備可以以滾動快門模式或全局快門模式運行。在滾動快門模式下，當讀出的「波」掃過圖像傳感器時，圖像採集設備的圖像傳感器像素陣列的不同行在不同的時間曝光。例如，像素陣列的像素可以被曝光，並且像素的圖像信號可以按順序讀取，例如，從像素陣列的頂部到底部逐行讀取。例如，同一行的像素可以同時讀出，而同一列但不同行的像素可以逐個順序讀出。因此，在滾動快門模式下，圖像傳感器可以逐行順序記錄圖像，而不是一次捕獲整個圖像。

相比之下，在全局快門模式下，所有像素的曝光時間相同，這意味着圖像傳感器中的每個像素可以同時開始和結束曝光。因此，可以一次記錄整個圖像。由於圖像的不同「線條」在不同時間記錄，滾動快門會導致所捕獲圖像的顏色和/或色調變化。在某些應用中，例如高速攝影或錄製，這可能會導致嚴重的干擾，並極大地影響所捕獲圖像的質量。

因此，在某些實例中，全局快門可能是首選。然而，在某些實例中，即使圖像傳感器的像素同時結束曝光，它們的圖像信號仍可能像滾動快門一樣被順序讀取，例如逐行讀取。因此，圖像傳感器可能需要「存儲器」來臨時存儲曝光結束時像素的(a)電荷（例如，在電荷域中）和/或(b)模擬或數字圖像信號（例如，在電壓域中），直到讀取單個像素為止。

爲了解決這個問題，在一些實例中，本文公開的圖像傳感器的每個像素都可以包含一個像素內電荷存儲區域。在曝光結束時，電荷可以從像素探測器（PD）轉移到像素內電荷存儲區域。電荷可以暫時存儲在那里，直到像素讀取。在讀出時，電荷可以從像素內電荷存儲區域轉移到熒光檢測器（FD），然后可以通過像素輸出線從熒光檢測器（FD）進一步訪問模擬圖像信息。

「本領域技術人員應當理解，本文公開的圖像傳感器可以提供多種優勢。」蘋果表示。

首先，它可以為每個像素提供一個像素內電荷存儲區域，用於暫時存儲像素的電荷，從而使圖像傳感器能夠以全局快門模式工作。此外，「存儲器」集成為像素的一部分，用於將電荷存儲在像素內部，從而消除或至少減少了其他額外的存儲組件（例如，圖像傳感器上的存儲芯片等）。因此，這可以減少圖像傳感器的組件數量，減少圖像傳感器的佔用空間，和/或增加傳感器的像素密度。

蘋果強調。本文所述的方法可以在不同的實例中以軟件、硬件或其組合的形式實現。此外，方法各塊的順序可以改變，並且可以添加、重新排序、組合、省略、修改各種元素等。本領域技術人員在受益於本公開內容后，可以做出各種修改和變更。本文所述的各種實例僅用於説明，而非限制。可以進行多種變化、修改、添加和改進。因此，可以為本文所述的組件提供多個實例，但單個實例除外。各種組件、操作和數據存儲之間的邊界在某種程度上是任意的，並且特定操作將在特定説明性配置的上下文中進行説明。可以設想其他功能分配，並且這些分配可能落入后續權利要求的範圍內。

最后，在示例配置中以離散組件形式呈現的結構和功能可以作為組合結構或組件來實現。這些以及其他變化、修改、添加和改進可能落入后續權利要求所定義的實施例的範圍內。