推进汽车成像的挑战

随着车辆从完全由驾驶员控制，到提供驾驶员辅助，再到最终接管驾驶任务，它们需要能够感知周围环境。虽然车辆可以使用几种不同的传感器模式，但图像传感器是最通用和最受欢迎的传感器之一，因为它们具有捕获形状、纹理和颜色的独特能力，而且成本相对较低。

照明不足和高温会降低传感器性能，路况变得具有挑战性。因此，图像传感器必须在自动驾驶的所有条件下提供出色的性能。

在汽车环境中部署图像传感器存在许多挑战。光线条件可能会产生极端的对比度和潮湿道路的眩光，而包括雨、雾和雪在内的天气条件会妨碍能见度。交通信号灯、路标、车辆前灯和尾灯通常使用 LED 照明。LED照明的一大优点是它非常高效;然而，它通常是脉冲的。虽然人眼看不到这一点，但图像传感器会将其呈现为闪烁的图像流。

汽车视觉的主要作用之一是检测车辆路径中的物体。物体看得越远，车辆可用的决策和反应时间就越长。这就是为什么需要高分辨率和高图像质量来辨别远处的物体。

成本至关重要，因为车辆在整个系统中部署了更多的图像传感器——不仅用于前方查看，还用于提供 360 度视图和监控乘客舱。有些汽车有十几个图像摄像头。

从协助转向自动化

美国汽车工程师协会 （SAE） 定义了一个六级模型，该模型绘制了在所有驾驶条件下从没有智能的车辆到全自动车辆的过程。

目前，许多车辆能够在 2 级下运行，其中包括最基本的控制，例如纠正高速公路上的车道漂移。向 3 级的过渡意义重大，因为 3 级对车辆移动的自动化控制更加自动化。图像传感器需要提供8万像素（MP）的分辨率来支持这一点 - 比目前通常使用的分辨率增加了四倍。在某些情况下，这对于某些自主操作（例如在高速公路上）来说已经足够了。进入4级和5级操作，图像传感器的分辨率需要更高，从而支持所有情况下的自主操作。

同样，环绕感应和盲点摄像头也将分辨率提高到 3 MP 甚至 8 MP，具体取决于其使用情况，并同时包含 LED 闪烁缓解和高动态范围 （HDR） 操作。

此外，非拜耳滤光片已越来越多地取代拜耳滤色片阵列（CFA），以改善低光操作，同时仍提供良好的色彩性能。

像素大小

如果像素尺寸保持不变（目前从4.2μm降至3μm），则提高传感器的分辨率会导致成本显着增加。但是，将像素尺寸减小到 2.1 μm 将导致 8 MP 传感器的成本显着降低，这意味着与具有 8.2 μm 或 1 μm 像素的 8 MP 传感器相比，具有 4.2 μm 像素的 3 MP 传感器的成本要小得多。

有人可能会认为，因此，在关键性能参数（如低光性能、信噪比（SNR）或HDR））方面会有一些权衡。然而，事实并非如此。具有1.3 μm、3 μm和75.3 μm像素的onsemi传感器的低光性能指标（SNR2和SNR1）基本相似。新型安森美2.1 μm像素图像传感器的信噪比和HDR性能优于3 μm像素图像传感器。

此外，与其他供应商的3.0 μm 3 MP或5 MP传感器相比，onsemi 2.1 μm 8 MP传感器解决方案以类似或更低的成本改善了检测距离。

在夜间仅由前灯照明的岩石检测具有挑战性的例子中，3 μm 3 MP 和 5 MP 传感器分别实现了 125 m 和 150 m 的检测距离。相比之下，安森美半导体传感器达到170米（图4）。这种额外的距离相当于更多的系统响应时间，有助于提高安全性。

图像质量和更高的汽车温度

将滤色片从拜耳更改为RYYCy或RCCB，并结合Clarity+等高质量HDR色彩管线，可显著提高传感器性能和图像质量。非拜耳滤色片图案允许更多的光子进入每个像素，从而提高低光性能。这使得传感器能够在具有挑战性的条件下更好地“看清”，同时产生经过处理成高质量图像的色彩准确的原始捕获。

SNR是所有图像传感器的重要参数，因为这与系统检测传感器生成的图像中的物体的能力有关。在高温下，典型的3 μm分离二极管传感器的SNR下降到20 dB左右。在这个水平上，噪点清晰可见，物体检测更加困难。类似的安森美半导体传感器可提供超过30 dB的SNR水平。在此级别，噪声明显减少，对象检测也容易得多，从而为查看应用程序提供更赏心悦目的图像。

温度始终是图像传感器面临的一个挑战，并且会显著降低图像质量和性能。在汽车应用中尤其如此，在这些应用中，传感器在80°C或更高的结温下运行超过80%的使用寿命 - 由于放置在阳光直射下，并设计在狭小的封闭空间中，其他电子设备在工作期间产生热量。

即使在125°C的结温下，2.1μm像素尺寸的onsemi图像传感器也可以在中高光条件下实现超过25 dB的SNR性能，确保在所有工作条件下都能进行准确的物体检测。

现代 2.1 μm 汽车 HDR LFM 图像传感器

安森美最新的汽车图像传感器提供3840 x 2160（8.3 MP）分辨率和最新一代2.1μm超曝光像素。该传感器采用真正的 LED 闪烁抑制 （LFM） 像素技术，可生成高达 155 dB 的 HDR 图像，并在无闪烁操作下超过 110 dB。HDR 帧速率最高可达 60 fps，而将帧速率降低到 45 fps 会将 HDR 从 110 dB 增加到 145 dB 以上。

在低光性能方面，2.1 μm 传感器的性能与最好的 3 μm 像素传感器相当或更好。显示了2.1 μm传感器与竞争对手的3 μm传感器的HDR图像质量差异，突出了更好的动态范围，并捕捉了更好的细节和交通信号灯的真实色彩。在结温（Tj）至30°C时，跃迁SNR超过100 dB，即使在极端温度（Tj=125°C）下，SNR也超过25 dB。在所有条件下，传感器都能产生具有高色彩保真度的清晰图像，部分原因是拜耳和非拜耳CFAs技术的范围 - RGGB，RCCB，RCCG和RYYCy。

总结

先进的自动驾驶汽车越来越依赖于高性能成像仪，使它们能够感知周围的环境。虽然可以提高图像传感器的性能，但不增加成本是具有挑战性的。

安森美成像设备设计表明，减小像素尺寸使8 MP传感器的价格与当前的2 MP 4.2 μm传感器和4-5 MP 3 μm传感器相似，而不会影响低光性能SNR和HDR。此外，采用非拜耳CFA进一步增强了最重要的低光性能。

温度始终是一个挑战，传感器安装在有限的空间内，内部有发热组件并暴露在阳光下。安森美半导体传感器可以在高达125°C的温度下提供出色的性能，确保在所有操作条件下捕获高质量的图像。

下一代图像传感器对于过渡到具有更高自主性的安全和功能强大的车辆至关重要。

审核编辑：郭婷