邊界工況推動下，汽車圖像傳感器的四大發(fā)展方向

隨著自動駕駛等級進階，搭載的攝像頭數(shù)量越來越多性能越來越高。為幫助自動駕駛車輛描繪出一幅幅精準細膩的“路況圖”，其幕后英雄圖像傳感器正在嶄露頭角，高分辨率、高動態(tài)范圍等技術方向的推進迫在眉睫。

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)內流傳著一個從消費者角度評判汽車智能化的標準——

“感受汽車智能化？坐進駕駛室就知道?！?/p>

“評判駕駛室智能化？數(shù)數(shù)傳感器種類和數(shù)量?！?/p>

毫無疑問，傳感器已經(jīng)成為了自動駕駛的競爭高地。當前的自動駕駛感知技術主要有兩大技術路線：一種是特斯拉為代表，僅使用攝像頭作為傳感器進行信息采集的純視覺路線，一種是同時使用“攝像頭＋雷達”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，而攝像頭在汽車領域仍有巨大增長空間，一份調研報告的數(shù)據(jù)可以佐證這一觀點。Yole Group旗下的Yole Intelligence發(fā)布《Imaging for Automotive 2023》，其中預計車載攝像頭市場和圖像傳感器市場將分別以9.7%和8.7%的復合年增長率增長，截至2028年將達到94億美元和37億美元。

資料來源于Yole《Imaging for Automotive 2023》

在車載領域，圖像傳感器被廣泛應用于前視和后視攝像、360°環(huán)視系統(tǒng)、座艙監(jiān)控系統(tǒng)以及高級輔助駕駛系統(tǒng)等方面。隨著自動駕駛等級的不斷提升，汽車需要的攝像頭數(shù)量也越來越多，其苛刻應用條件和功能安全無疑對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安全自動駕駛的能力，作為智能駕駛之眼，CMOS圖像傳感器也需要一路升級打怪。

高動態(tài)范圍

在隧道環(huán)境中，光線亮度差異大，容易導致圖像過曝或過暗，進而影響圖像質量和可視性。高動態(tài)范圍（HDR）的圖像傳感器能夠有效應對這一挑戰(zhàn)，同時捕捉明亮和暗部的細節(jié)，提供更清晰、更準確的圖像。

高動態(tài)范圍的技術路線包括連續(xù)多次曝光得到多幀圖像、大小像素技術，相對于現(xiàn)在的應用，這兩種方法在性能和設計有一些局限性。一些國際大廠通常采用超級曝光技術。

以在汽車圖像傳感器領域占有40%市場份額的安森美（onsemi）為例，通過將像素的感光和存儲功能分離，超級曝光技術可以在感光二極管飽和后將溢出的電荷存儲到電容器中，從而顯著增加像素的動態(tài)范圍。

安森美的超級曝光技術可以通過一次曝光來實現(xiàn)較寬的動態(tài)范圍，例如，第一代超級曝光技術Hayabusa平臺的AR0233傳感器一次曝光可達到95dB的動態(tài)范圍，相比傳統(tǒng)的70+ dB的動態(tài)范圍，一次曝光就能達到兩次曝光的效果。而第二代超級曝光技術Hyperlux平臺的圖像傳感器，一次曝光能達到120 dB的動態(tài)范圍。

LED抑制閃爍

另外一個常見的挑戰(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是不同的，這導致一些行捕捉到了脈沖，而其他行在曝光時錯過了脈沖。結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減小，達到抑制LED閃爍的效果。因此，當我們討論LED閃爍抑制時，實際上是在討論是否可以延長曝光時間。

然而，延長曝光時間會導致信號過曝溢出，超級曝光技術可以解決這個問題，因其可在同一幀的曝光條件下容忍更長的曝光時間，即使在光照較亮的情況下也能避免過曝。所以，超級曝光技術實際上可以抑制LED閃爍效應。

此外，LED抑制閃爍，還可以通過軟件的方法解決。安森美的傳感器內置了DLO模式，它可以檢測LED閃爍的區(qū)域，并通過軟件補償?shù)姆绞较魅鮈ED閃爍對亮度的影響。

低照性能

由于人類視力的局限性，低光照度等駕駛條件會顯著增加道路危險性。在黑暗條件下，駕駛員往往無法及時察覺風險。而且，對向車燈會讓駕駛員眩目，使問題變得更加嚴重。

低噪性能作為圖像傳感器評估的重要指標，通常使用線性信噪比（SNR）來衡量。如下圖公式所示，SNR是信號均值與總噪聲的比值。噪聲方面主要包括暗電流噪聲、隨機噪聲，像素間差異引起的固定模式噪聲（FPN），光子隨機噪聲，以及像素信號的讀出噪聲。在低光環(huán)境下，暗電流噪聲占主導地位，因此改善SNR主要通過改善暗電流噪聲來實現(xiàn)。

此外，從公式中可以看出，SNR與曝光時間、溫度密切相關。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曝光專利像素設計和最新的生產(chǎn)工藝，顯著降低了暗電流噪聲，從而提高了SNR和低噪性能，這種改進使得Hyperlux在低光條件下表現(xiàn)出色。出色的設計和工藝使得Hyperlux能夠在不同溫度下保持相對穩(wěn)定的SNR值。

高分辨率和小像素尺寸

手機上億像素時代，汽車頂配通常為800萬像素。這是因為可視距離隨著像素的增加而增加，但這種關系不是線性的，從成本角度考慮，過高像素會導致投入與回報不成正比。尤其在夜間條件下，反而會增加噪聲。因此，像素不是越高越好，200萬到800萬像素是一個比較好的平衡點。

圖像傳感器從VGA時代就用于汽車中了，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用到前視、后視、環(huán)視等各個領域。

另外一個趨勢是，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、圖像質量達到完美平衡，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量。一個擁有較小像素的傳感器在覆蓋相同光學面積的情況下，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的超級曝光像素平臺。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，可以滿足各種應用需求，如環(huán)視和自動駕駛等。

Hyperlux傳感器具有超高的動態(tài)范圍，最高可達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、生動的圖像。Hyperlux傳感器的SNR和動態(tài)范圍在整個溫度范圍內保持相對穩(wěn)定，通過簡化曝光控制，可以滿足各種應用場景的需求。此外，Hyperlux傳感器還具有超低功耗的性能，可以延長使用壽命，并且可以實現(xiàn)更小尺寸和更好的散熱設計。

值得一提的是，Hyperlux還支持功能安全和網(wǎng)絡安全，它根據(jù)ASIL-D標準設計，支持SLC功能安全。通過提供更具性價比的解決方案，Hyperlux圖像傳感器可以幫助車輛制造商提高交通安全性。