【導(dǎo)讀】隨著自動(dòng)駕駛等級(jí)進(jìn)階,搭載的攝像頭數(shù)量越來(lái)越多性能越來(lái)越高。為幫助自動(dòng)駕駛車(chē)輛描繪出一幅幅精準(zhǔn)細(xì)膩的“路況圖”,其幕后英雄圖像傳感器正在嶄露頭角,高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍等技術(shù)方向的推進(jìn)迫在眉睫。
隨著自動(dòng)駕駛等級(jí)進(jìn)階,搭載的攝像頭數(shù)量越來(lái)越多性能越來(lái)越高。為幫助自動(dòng)駕駛車(chē)輛描繪出一幅幅精準(zhǔn)細(xì)膩的“路況圖”,其幕后英雄圖像傳感器正在嶄露頭角,高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍等技術(shù)方向的推進(jìn)迫在眉睫。
搭上汽車(chē)快車(chē)道,車(chē)載攝像頭和圖像傳感器持續(xù)增長(zhǎng)
行業(yè)內(nèi)流傳著一個(gè)從消費(fèi)者角度評(píng)判汽車(chē)智能化的標(biāo)準(zhǔn)——
“感受汽車(chē)智能化?坐進(jìn)駕駛室就知道。”
“評(píng)判駕駛室智能化?數(shù)數(shù)傳感器種類(lèi)和數(shù)量。”
毫無(wú)疑問(wèn),傳感器已經(jīng)成為了自動(dòng)駕駛的競(jìng)爭(zhēng)高地。當(dāng)前的自動(dòng)駕駛感知技術(shù)主要有兩大技術(shù)路線(xiàn):一種是特斯拉為代表,僅使用攝像頭作為傳感器進(jìn)行信息采集的純視覺(jué)路線(xiàn),一種是同時(shí)使用“攝像頭+雷達(dá)”的多傳感器融合路線(xiàn)。這兩種方案的共同之處在于都需要攝像頭作為基礎(chǔ)傳感器。
目前,新推出的中高端車(chē)型平均搭載超過(guò)10顆攝像頭,而攝像頭在汽車(chē)領(lǐng)域仍有巨大增長(zhǎng)空間,一份調(diào)研報(bào)告的數(shù)據(jù)可以佐證這一觀(guān)點(diǎn)。Yole Group旗下的Yole Intelligence發(fā)布《Imaging for Automotive 2023》,其中預(yù)計(jì)車(chē)載攝像頭市場(chǎng)和圖像傳感器市場(chǎng)將分別以9.7%和8.7%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng),截至2028年將達(dá)到94億美元和37億美元。
資料來(lái)源于Yole《Imaging for Automotive 2023》
在車(chē)載領(lǐng)域,圖像傳感器被廣泛應(yīng)用于前視和后視攝像、360°環(huán)視系統(tǒng)、座艙監(jiān)控系統(tǒng)以及高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)等方面。隨著自動(dòng)駕駛等級(jí)的不斷提升,汽車(chē)需要的攝像頭數(shù)量也越來(lái)越多,其苛刻應(yīng)用條件和功能安全無(wú)疑對(duì)圖像傳感器提出了更高要求。
從邊界工況出發(fā),看車(chē)載CMOS圖像傳感器面臨的挑戰(zhàn)
邊界工況決定了先進(jìn)安全自動(dòng)駕駛的能力,作為智能駕駛之眼,CMOS圖像傳感器也需要一路升級(jí)打怪。
高動(dòng)態(tài)范圍
在隧道環(huán)境中,光線(xiàn)亮度差異大,容易導(dǎo)致圖像過(guò)曝或過(guò)暗,進(jìn)而影響圖像質(zhì)量和可視性。高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)的圖像傳感器能夠有效應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn),同時(shí)捕捉明亮和暗部的細(xì)節(jié),提供更清晰、更準(zhǔn)確的圖像。
高動(dòng)態(tài)范圍的技術(shù)路線(xiàn)包括連續(xù)多次曝光得到多幀圖像、大小像素技術(shù),相對(duì)于現(xiàn)在的應(yīng)用,這兩種方法在性能和設(shè)計(jì)有一些局限性。一些國(guó)際大廠(chǎng)通常采用超級(jí)曝光技術(shù)。
以在汽車(chē)圖像傳感器領(lǐng)域占有40%市場(chǎng)份額的安森美(onsemi)為例,通過(guò)將像素的感光和存儲(chǔ)功能分離,超級(jí)曝光技術(shù)可以在感光二極管飽和后將溢出的電荷存儲(chǔ)到電容器中,從而顯著增加像素的動(dòng)態(tài)范圍。
安森美的超級(jí)曝光技術(shù)可以通過(guò)一次曝光來(lái)實(shí)現(xiàn)較寬的動(dòng)態(tài)范圍,例如,第一代超級(jí)曝光技術(shù)Hayabusa平臺(tái)的AR0233傳感器一次曝光可達(dá)到95dB的動(dòng)態(tài)范圍,相比傳統(tǒng)的70+ dB的動(dòng)態(tài)范圍,一次曝光就能達(dá)到兩次曝光的效果。而第二代超級(jí)曝光技術(shù)Hyperlux平臺(tái)的圖像傳感器,一次曝光能達(dá)到120 dB的動(dòng)態(tài)范圍。
LED抑制閃爍
另外一個(gè)常見(jiàn)的挑戰(zhàn)是LED燈閃爍,LED閃爍問(wèn)題的根源是光照條件的變化,由于LED燈發(fā)出的光是脈沖光,傳感器在感光過(guò)程中的每一行的起始點(diǎn)是不同的,這導(dǎo)致一些行捕捉到了脈沖,而其他行在曝光時(shí)錯(cuò)過(guò)了脈沖。結(jié)果就是圖像中的一些行是亮的,而其他行是暗的,這就是LED閃爍的典型效果。
改善LED閃爍的主要思路是延長(zhǎng)曝光時(shí)間,從而捕捉到更多的脈沖。這樣,行與行之間的亮度差異就會(huì)減小,達(dá)到抑制LED閃爍的效果。因此,當(dāng)我們討論LED閃爍抑制時(shí),實(shí)際上是在討論是否可以延長(zhǎng)曝光時(shí)間。
然而,延長(zhǎng)曝光時(shí)間會(huì)導(dǎo)致信號(hào)過(guò)曝溢出,超級(jí)曝光技術(shù)可以解決這個(gè)問(wèn)題,因其可在同一幀的曝光條件下容忍更長(zhǎng)的曝光時(shí)間,即使在光照較亮的情況下也能避免過(guò)曝。所以,超級(jí)曝光技術(shù)實(shí)際上可以抑制LED閃爍效應(yīng)。
此外,LED抑制閃爍,還可以通過(guò)軟件的方法解決。安森美的傳感器內(nèi)置了DLO模式,它可以檢測(cè)LED閃爍的區(qū)域,并通過(guò)軟件補(bǔ)償?shù)姆绞较魅鮈ED閃爍對(duì)亮度的影響。
低照性能
由于人類(lèi)視力的局限性,低光照度等駕駛條件會(huì)顯著增加道路危險(xiǎn)性。在黑暗條件下,駕駛員往往無(wú)法及時(shí)察覺(jué)風(fēng)險(xiǎn)。而且,對(duì)向車(chē)燈會(huì)讓駕駛員眩目,使問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。
低噪性能作為圖像傳感器評(píng)估的重要指標(biāo),通常使用線(xiàn)性信噪比(SNR)來(lái)衡量。如下圖公式所示,SNR是信號(hào)均值與總噪聲的比值。噪聲方面主要包括暗電流噪聲、隨機(jī)噪聲,像素間差異引起的固定模式噪聲(FPN),光子隨機(jī)噪聲,以及像素信號(hào)的讀出噪聲。在低光環(huán)境下,暗電流噪聲占主導(dǎo)地位,因此改善SNR主要通過(guò)改善暗電流噪聲來(lái)實(shí)現(xiàn)。
此外,從公式中可以看出,SNR與曝光時(shí)間、溫度密切相關(guān)。隨著溫度變化,SNR值是否能保持穩(wěn)定取決于暗電流噪聲水平在溫度變化過(guò)程中的表現(xiàn)。
Hyperlux系列通過(guò)安森美的超級(jí)曝光專(zhuān)利像素設(shè)計(jì)和最新的生產(chǎn)工藝,顯著降低了暗電流噪聲,從而提高了SNR和低噪性能,這種改進(jìn)使得Hyperlux在低光條件下表現(xiàn)出色。出色的設(shè)計(jì)和工藝使得Hyperlux能夠在不同溫度下保持相對(duì)穩(wěn)定的SNR值。
高分辨率和小像素尺寸
手機(jī)上億像素時(shí)代,汽車(chē)頂配通常為800萬(wàn)像素。這是因?yàn)榭梢暰嚯x隨著像素的增加而增加,但這種關(guān)系不是線(xiàn)性的,從成本角度考慮,過(guò)高像素會(huì)導(dǎo)致投入與回報(bào)不成正比。尤其在夜間條件下,反而會(huì)增加噪聲。因此,像素不是越高越好,200萬(wàn)到800萬(wàn)像素是一個(gè)比較好的平衡點(diǎn)。
圖像傳感器從VGA時(shí)代就用于汽車(chē)中了,一開(kāi)始是后視倒車(chē)影像,后來(lái)是100萬(wàn)像素圖像傳感器主要用于環(huán)視,到現(xiàn)在200萬(wàn)、300萬(wàn)或者800萬(wàn)像素圖像傳感器開(kāi)始逐漸應(yīng)用到前視、后視、環(huán)視等各個(gè)領(lǐng)域。
另外一個(gè)趨勢(shì)是,在分辨率逐漸升高的過(guò)程中,像素尺寸越來(lái)越小。像素尺寸需要與速度、靈敏度、圖像質(zhì)量達(dá)到完美平衡,更大的像素具有更大的面積來(lái)收集可用光線(xiàn),但這并不意味著總能得到更好的圖像質(zhì)量。一個(gè)擁有較小像素的傳感器在覆蓋相同光學(xué)面積的情況下,其性能可能超過(guò)擁有較大像素的傳感器。從2000年開(kāi)始,在A(yíng)DAS等高分辨率應(yīng)用中,幾乎都采用了2.1μm。安森美最新推出的系列產(chǎn)品也都采用了2.1μm。
Hyperlux傳感器助力汽車(chē)邁向更安全的道路
Hyperlux系列是安森美的創(chuàng)新圖像傳感器產(chǎn)品,采用了2.1μm的超級(jí)曝光像素平臺(tái)。該系列包括多種分辨率的傳感器,如300萬(wàn)像素的AR0341、830萬(wàn)像素的AR0823以及更高分辨率的傳感器,可以滿(mǎn)足各種應(yīng)用需求,如環(huán)視和自動(dòng)駕駛等。
Hyperlux傳感器具有超高的動(dòng)態(tài)范圍,最高可達(dá)150dB以及120dB的LED無(wú)閃爍功能。這些性能使得傳感器在各種光照條件下都能提供清晰、生動(dòng)的圖像。Hyperlux傳感器的SNR和動(dòng)態(tài)范圍在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定,通過(guò)簡(jiǎn)化曝光控制,可以滿(mǎn)足各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。此外,Hyperlux傳感器還具有超低功耗的性能,可以延長(zhǎng)使用壽命,并且可以實(shí)現(xiàn)更小尺寸和更好的散熱設(shè)計(jì)。
值得一提的是,Hyperlux還支持功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全,它根據(jù)ASIL-D標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),支持SLC功能安全。通過(guò)提供更具性?xún)r(jià)比的解決方案,Hyperlux圖像傳感器可以幫助車(chē)輛制造商提高交通安全性。
文章來(lái)源:安森美
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀:
氮化鎵在高壓應(yīng)用中提供強(qiáng)大的解決方案
在使用快速共模和隔離探頭進(jìn)行浮動(dòng)測(cè)量
開(kāi)關(guān)模式電源問(wèn)題分析及其糾正措施:檢測(cè)電阻器違規(guī)