汽車圖像傳感器的演進(jìn)之旅

作者: Sergey Velichko, 安森美，高級經(jīng)理

這一切始于18年前我開始研究用于后視攝像頭（RVC）的一種首款汽車CMOS圖像傳感器。在當(dāng)時(shí)，配備RVC以幫助駕駛員看到汽車后方是一項(xiàng)偉大創(chuàng)新。二十年后的今天，RVC已成為現(xiàn)代車輛的標(biāo)配，且更多的攝像頭為高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）奠定了基礎(chǔ)。隨著Aptina從當(dāng)時(shí)的美光科技圖像傳感器部門分拆出來，再到后來被安森美（onsemi）收購，我的職業(yè)生涯隨之變化，ADAS系統(tǒng)也經(jīng)歷了一系列重大變革。

時(shí)至今日，更先進(jìn)的汽車系統(tǒng)在以下情況下會向駕駛員發(fā)出警報(bào)：探測到近距離物體或視線盲區(qū)中的汽車、車道偏離以及在定速巡航模式下保持速度和距離。許多這些熟悉的安全功能都是由汽車圖像傳感器實(shí)現(xiàn)的。對我個(gè)人來說能夠成為這場交通變革的一部分也是非常有益的經(jīng)歷。我有機(jī)會在安森美團(tuán)隊(duì)中工作，努力為行業(yè)帶來許多開創(chuàng)性的發(fā)明，這些發(fā)明如今已成為行業(yè)規(guī)范。例如，我們推出了雙增益像素技術(shù)和高動態(tài)范圍成像（HDR），這些技術(shù)現(xiàn)在用于許多傳感器設(shè)計(jì)中。我可以自豪地說，大多數(shù)ADAS系統(tǒng)使用的是安森美開發(fā)的圖像傳感器。

在我的職業(yè)生涯中，圖像傳感技術(shù)的發(fā)展發(fā)生了翻天覆地的變化。我親眼見證了車載圖像傳感器取得的顯著進(jìn)步。

分辨率

圖像分辨率是衡量圖像質(zhì)量的重要參數(shù)之一。尤其對于車載成像而言，更高的分辨率意味著圖像擁有更銳利的邊緣和更細(xì)膩的細(xì)節(jié)。試想一下，當(dāng)視頻圖形陣列（VGA）傳感器剛剛問世時(shí)，它們只能生成30萬像素（0.3MP，640 H x 480 V）的圖像。而我們的AR0820AT則是市場上首款車規(guī)級830萬像素（8.3MP，3840 H x 2160 V）圖像傳感器。這種高分辨率使得單個(gè)攝像頭可以支持多種應(yīng)用（如視覺和感知），并且能夠更好地進(jìn)行物體探測。隨著越來越多的汽車應(yīng)用需要更大量的成像數(shù)據(jù)來輔助做出關(guān)乎安全的關(guān)鍵決策，我們可以預(yù)見市場在未來對更高分辨率的需求將會持續(xù)增長。

圖1.安森美汽車圖像傳感器發(fā)展趨勢

像素尺寸

像素尺寸是選擇傳感器時(shí)要考慮的另一個(gè)因素，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。我們的Hyperlux系列就是一個(gè)例子，它展示了在典型汽車環(huán)境下，2.1μm像素傳感器如何優(yōu)于3μm像素傳感器：在低光環(huán)境、總信噪比（SNRs）以及HDR等方面表現(xiàn)出色。隨著我們研發(fā)更先進(jìn)的圖像傳感器，像素尺寸已從較大的6μm縮小到我們當(dāng)前的2.1μm超級曝光像素，同時(shí)提升了整體性能。

曝光HDR技術(shù)

我們是首家發(fā)明大小像素技術(shù)以生成HDR圖像的公司。通過采用大小像素的方法，專用于單個(gè)像素的傳感器區(qū)域被分為兩部分：一個(gè)較大的光電二極管覆蓋大部分區(qū)域，另一個(gè)較小的光電二極管則利用剩余部分。然而，由于大小像素技術(shù)會導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降、暗噪聲增加以及性能降低，尤其是在較高溫度下表現(xiàn)更為明顯，因此我們不再采用這一技術(shù)。

圖2. 曝光技術(shù)的對比

針對這些缺點(diǎn)，我們的解決方案是超級曝光技術(shù)，也被稱為溢出多重曝光技術(shù)。該技術(shù)在像素內(nèi)增加了一個(gè)區(qū)域，用于容納大信號或電荷溢出的部分。這種方法就像用一個(gè)水桶來接雨水，如果雨水溢出了水桶，我們有一個(gè)更大的盆來裝多余的水。 “桶”內(nèi)的信號可以非常精準(zhǔn)地讀取，因此我們能夠?qū)崿F(xiàn)出色的低光表現(xiàn)；而溢出的盆中則容納了所有超出的部分，從而擴(kuò)展了動態(tài)范圍，并具備捕捉明亮物體和場景真實(shí)色彩的能力。因此，整個(gè)像素區(qū)域可應(yīng)用于低光條件，而在亮光條件下不會飽和。因此，超級曝光技術(shù)為汽車應(yīng)用中的HDR場景提供了更好的圖像質(zhì)量，包括捕捉閃爍的LED燈光和標(biāo)志的所有色彩和細(xì)節(jié)。

動態(tài)范圍

動態(tài)范圍是指場景中最亮部分和最暗部分之間的比值。我們的圖像傳感器率先實(shí)現(xiàn)了120dB以及隨后140dB高動態(tài)范圍（HDR）。我們的Hayabusa系列產(chǎn)品是業(yè)內(nèi)首款面市的實(shí)現(xiàn)120dB HDR并搭載LED頻閃抑制（LFM）功能的傳感器。最近，我們推出了Hyperlux圖像傳感器系列，具備行業(yè)領(lǐng)先的150dB HDR LFM性能以及增強(qiáng)的圖像質(zhì)量。

830萬像素AR0823AT和 300萬像素AR0341AT是首批采用Hyperlux技術(shù)的產(chǎn)品。憑借卓越的HDR性能，Hyperlux能夠提供色彩鮮艷、銳利且充滿細(xì)節(jié)的圖像，由于其極其穩(wěn)定且不受溫度或光照條件變化影響的特性，這為更高安全性的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。如圖3所示，Hyperlux傳感器在最苛刻環(huán)境和極端條件下表現(xiàn)出色。

圖3.Hyperlux與競爭對手傳感器之間的高動態(tài)范圍性能對比

汽車攝像頭系統(tǒng)是主動安全中的關(guān)鍵組成部分，因?yàn)樗鼈兪俏ㄒ荒軌蜃R別道路上不同物體顏色、形狀和大小的感知方式。在整個(gè)發(fā)展歷程中，安森美團(tuán)隊(duì)始終不渝地努力創(chuàng)新，在低光環(huán)境、高動態(tài)范圍（HDR）、圖像質(zhì)量和清晰度等方面樹立新標(biāo)桿。這有助于汽車整車廠商（OEM）成功將早期的后視攝像頭（RVC）升級到L2級自動駕駛車輛系統(tǒng)中，并積極實(shí)施L2+和L3級別的駕駛自動化。憑借行業(yè)領(lǐng)先的性能與功能，Hyperlux傳感器有望提高安全指標(biāo)，助力實(shí)現(xiàn)高速自動駕駛，同時(shí)降低系統(tǒng)開發(fā)成本。因此，眾多OEM廠商和一級供應(yīng)商選擇在他們的ADAS攝像頭設(shè)計(jì)中采用安森美圖像傳感器也就不足為奇了。

通往更安全、更美好的未來之路并未止步于此。讓我們攜手共進(jìn)，繼續(xù)朝著更高的道路安全和駕駛自動化水平邁進(jìn)。了解更多關(guān)于Hyperlux圖像傳感器系列的信息。

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審核編輯 黃宇