邊界工況推動(dòng)下，汽車圖像傳感器的四大發(fā)展方向
隨著自動(dòng)駕駛等級(jí)進(jìn)階，搭載的攝像頭數(shù)量越來越多性能越來越高。為幫助自動(dòng)駕駛車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。
搭上汽車快車道，車載攝像頭和圖像傳感器持續(xù)增長
行業(yè)內(nèi)流傳著一個(gè)從消費(fèi)者角度評(píng)判汽車智能化的標(biāo)準(zhǔn)——
"感受汽車智能化？坐進(jìn)駕駛室就知道。"
"評(píng)判駕駛室智能化？數(shù)數(shù)傳感器種類和數(shù)量。"
毫無疑問，傳感器已經(jīng)成為了自動(dòng)駕駛的競爭高地。當(dāng)前的自動(dòng)駕駛感知技術(shù)主要有兩大技術(shù)路線：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路線，一種是同時(shí)使用"攝像頭＋雷達(dá)"的多傳感器融合路線。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，新推出的中高端車型平均搭載超過10顆攝像頭，而攝像頭在汽車領(lǐng)域仍有巨大增長空間，一份調(diào)研報(bào)告的數(shù)據(jù)可以佐證這一觀點(diǎn)。Yole Group旗下的Yole Intelligence發(fā)布《Imaging for Automotive 2023》，其中預(yù)計(jì)車載攝像頭市場(chǎng)和圖像傳感器市場(chǎng)將分別以9.7%和8.7%的復(fù)合年增長率增長，截至2028年將達(dá)到94億美元和37億美元。
資料來源于Yole《Imaging for Automotive 2023》
在車載領(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，汽車需要的攝像頭數(shù)量也越來越多，其苛刻應(yīng)用條件和功能安全無疑對(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，光線亮度差異大，容易導(dǎo)致圖像過曝或過暗，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。一些國際大廠通常采用超級(jí)曝光技術(shù)。
以在汽車圖像傳感器領(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)可以通過一次曝光來實(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)常見的挑戰(zhàn)是LED燈閃爍，LED閃爍問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曝光時(shí)間。
然而，延長曝光時(shí)間會(huì)導(dǎo)致信號(hào)過曝溢出，超級(jí)曝光技術(shù)可以解決這個(gè)問題，因其可在同一幀的曝光條件下容忍更長的曝光時(shí)間，即使在光照較亮的情況下也能避免過曝。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，駕駛員往往無法及時(shí)察覺風(fēng)險(xiǎn)。而且，對(duì)向車燈會(huì)讓駕駛員眩目，使問題變得更加嚴(yán)重。
低噪性能作為圖像傳感器評(píng)估的重要指標(biāo)，通常使用線性信噪比（SNR）來衡量。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主要通過改善暗電流噪聲來實(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程中的表現(xiàn)。
Hyperlux系列通過安森美的超級(jí)曝光專利像素設(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，汽車頂配通常為800萬像素。這是因?yàn)榭梢暰嚯x隨著像素的增加而增加，但這種關(guān)系不是線性的，從成本角度考慮，過高像素會(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，200萬到800萬像素是一個(gè)比較好的平衡點(diǎn)。
圖像傳感器從VGA時(shí)代就用于汽車中了，一開始是后視倒車影像，后來是100萬像素圖像傳感器主要用于環(huán)視，到現(xiàn)在200萬、300萬或者800萬像素圖像傳感器開始逐漸應(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程中，像素尺寸越來越小。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收集可用光線，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，其性能可能超過擁有較大像素的傳感器。從2000年開始，在ADAS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300萬像素的AR0341、830萬像素的AR0823以及更高分辨率的傳感器，可以滿足各種應(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，通過簡化曝光控制，可以滿足各種應(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。通過提供更具性價(jià)比的解決方案，Hyperlux圖像傳感器可以幫助車輛制造商提高交通安全性。