推進汽車成像的挑戰(zhàn)

隨著車輛從完全由駕駛員控制，到提供駕駛員輔助，再到最終接管駕駛?cè)蝿?wù)，它們需要能夠感知周圍環(huán)境。雖然車輛可以使用幾種不同的傳感器模式，但圖像傳感器是最通用和最受歡迎的傳感器之一，因為它們具有捕獲形狀、紋理和顏色的獨特能力，而且成本相對較低。

照明不足和高溫會降低傳感器性能，路況變得具有挑戰(zhàn)性。因此，圖像傳感器必須在自動駕駛的所有條件下提供出色的性能。

在汽車環(huán)境中部署圖像傳感器存在許多挑戰(zhàn)。光線條件可能會產(chǎn)生極端的對比度和潮濕道路的眩光，而包括雨、霧和雪在內(nèi)的天氣條件會妨礙能見度。交通信號燈、路標、車輛前燈和尾燈通常使用 LED 照明。LED照明的一大優(yōu)點是它非常高效;然而，它通常是脈沖的。雖然人眼看不到這一點，但圖像傳感器會將其呈現(xiàn)為閃爍的圖像流。

汽車視覺的主要作用之一是檢測車輛路徑中的物體。物體看得越遠，車輛可用的決策和反應時間就越長。這就是為什么需要高分辨率和高圖像質(zhì)量來辨別遠處的物體。

成本至關(guān)重要，因為車輛在整個系統(tǒng)中部署了更多的圖像傳感器——不僅用于前方查看，還用于提供 360 度視圖和監(jiān)控乘客艙。有些汽車有十幾個圖像攝像頭。

從協(xié)助轉(zhuǎn)向自動化

美國汽車工程師協(xié)會 （SAE） 定義了一個六級模型，該模型繪制了在所有駕駛條件下從沒有智能的車輛到全自動車輛的過程。

目前，許多車輛能夠在 2 級下運行，其中包括最基本的控制，例如糾正高速公路上的車道漂移。向 3 級的過渡意義重大，因為 3 級對車輛移動的自動化控制更加自動化。圖像傳感器需要提供8萬像素（MP）的分辨率來支持這一點 - 比目前通常使用的分辨率增加了四倍。在某些情況下，這對于某些自主操作（例如在高速公路上）來說已經(jīng)足夠了。進入4級和5級操作，圖像傳感器的分辨率需要更高，從而支持所有情況下的自主操作。

同樣，環(huán)繞感應和盲點攝像頭也將分辨率提高到 3 MP 甚至 8 MP，具體取決于其使用情況，并同時包含 LED 閃爍緩解和高動態(tài)范圍 （HDR） 操作。

此外，非拜耳濾光片已越來越多地取代拜耳濾色片陣列（CFA），以改善低光操作，同時仍提供良好的色彩性能。

像素大小

如果像素尺寸保持不變（目前從4.2μm降至3μm），則提高傳感器的分辨率會導致成本顯著增加。但是，將像素尺寸減小到 2.1 μm 將導致 8 MP 傳感器的成本顯著降低，這意味著與具有 8.2 μm 或 1 μm 像素的 8 MP 傳感器相比，具有 4.2 μm 像素的 3 MP 傳感器的成本要小得多。

有人可能會認為，因此，在關(guān)鍵性能參數(shù)（如低光性能、信噪比（SNR）或HDR））方面會有一些權(quán)衡。然而，事實并非如此。具有1.3 μm、3 μm和75.3 μm像素的onsemi傳感器的低光性能指標（SNR2和SNR1）基本相似。新型安森美2.1 μm像素圖像傳感器的信噪比和HDR性能優(yōu)于3 μm像素圖像傳感器。

此外，與其他供應商的3.0 μm 3 MP或5 MP傳感器相比，onsemi 2.1 μm 8 MP傳感器解決方案以類似或更低的成本改善了檢測距離。

在夜間僅由前燈照明的巖石檢測具有挑戰(zhàn)性的例子中，3 μm 3 MP 和 5 MP 傳感器分別實現(xiàn)了 125 m 和 150 m 的檢測距離。相比之下，安森美半導體傳感器達到170米（圖4）。這種額外的距離相當于更多的系統(tǒng)響應時間，有助于提高安全性。

圖像質(zhì)量和更高的汽車溫度

將濾色片從拜耳更改為RYYCy或RCCB，并結(jié)合Clarity+等高質(zhì)量HDR色彩管線，可顯著提高傳感器性能和圖像質(zhì)量。非拜耳濾色片圖案允許更多的光子進入每個像素，從而提高低光性能。這使得傳感器能夠在具有挑戰(zhàn)性的條件下更好地“看清”，同時產(chǎn)生經(jīng)過處理成高質(zhì)量圖像的色彩準確的原始捕獲。

SNR是所有圖像傳感器的重要參數(shù)，因為這與系統(tǒng)檢測傳感器生成的圖像中的物體的能力有關(guān)。在高溫下，典型的3 μm分離二極管傳感器的SNR下降到20 dB左右。在這個水平上，噪點清晰可見，物體檢測更加困難。類似的安森美半導體傳感器可提供超過30 dB的SNR水平。在此級別，噪聲明顯減少，對象檢測也容易得多，從而為查看應用程序提供更賞心悅目的圖像。

溫度始終是圖像傳感器面臨的一個挑戰(zhàn)，并且會顯著降低圖像質(zhì)量和性能。在汽車應用中尤其如此，在這些應用中，傳感器在80°C或更高的結(jié)溫下運行超過80%的使用壽命 - 由于放置在陽光直射下，并設(shè)計在狹小的封閉空間中，其他電子設(shè)備在工作期間產(chǎn)生熱量。

即使在125°C的結(jié)溫下，2.1μm像素尺寸的onsemi圖像傳感器也可以在中高光條件下實現(xiàn)超過25 dB的SNR性能，確保在所有工作條件下都能進行準確的物體檢測。

現(xiàn)代 2.1 μm 汽車 HDR LFM 圖像傳感器

安森美最新的汽車圖像傳感器提供3840 x 2160（8.3 MP）分辨率和最新一代2.1μm超曝光像素。該傳感器采用真正的 LED 閃爍抑制 （LFM） 像素技術(shù)，可生成高達 155 dB 的 HDR 圖像，并在無閃爍操作下超過 110 dB。HDR 幀速率最高可達 60 fps，而將幀速率降低到 45 fps 會將 HDR 從 110 dB 增加到 145 dB 以上。

在低光性能方面，2.1 μm 傳感器的性能與最好的 3 μm 像素傳感器相當或更好。顯示了2.1 μm傳感器與競爭對手的3 μm傳感器的HDR圖像質(zhì)量差異，突出了更好的動態(tài)范圍，并捕捉了更好的細節(jié)和交通信號燈的真實色彩。在結(jié)溫（Tj）至30°C時，躍遷SNR超過100 dB，即使在極端溫度（Tj=125°C）下，SNR也超過25 dB。在所有條件下，傳感器都能產(chǎn)生具有高色彩保真度的清晰圖像，部分原因是拜耳和非拜耳CFAs技術(shù)的范圍 - RGGB，RCCB，RCCG和RYYCy。

總結(jié)

先進的自動駕駛汽車越來越依賴于高性能成像儀，使它們能夠感知周圍的環(huán)境。雖然可以提高圖像傳感器的性能，但不增加成本是具有挑戰(zhàn)性的。

安森美成像設(shè)備設(shè)計表明，減小像素尺寸使8 MP傳感器的價格與當前的2 MP 4.2 μm傳感器和4-5 MP 3 μm傳感器相似，而不會影響低光性能SNR和HDR。此外，采用非拜耳CFA進一步增強了最重要的低光性能。

溫度始終是一個挑戰(zhàn)，傳感器安裝在有限的空間內(nèi)，內(nèi)部有發(fā)熱組件并暴露在陽光下。安森美半導體傳感器可以在高達125°C的溫度下提供出色的性能，確保在所有操作條件下捕獲高質(zhì)量的圖像。

下一代圖像傳感器對于過渡到具有更高自主性的安全和功能強大的車輛至關(guān)重要。

審核編輯：郭婷