布鲁塞尔AutoSens 2022

图像传感器技术

汽车图像传感器亮点

济(Shukri

TechInsights最近参加了9月12日至15日在布鲁塞尔市中心的汽车世界举行的2022年布鲁塞尔汽车博览会。

说到汽车世界，博物馆可能是一个最合适的地点，以讨论汽车运输的未来。它收藏了大量从20世纪初到20世纪60年代和70年代的老爷车(由Mahy家族收藏)。它与新兴的配备先进驾驶辅助系统(ADAS)的车辆并排展出，突显了汽车行业已经经历(并且仍在经历)的技术历程的鲜明对比。

AutoSens Brussels 2022邀请了主要的行业利益相关者，包括CMOS图像传感器(CIS)提供商Onsemi、索尼、OmniVision和三星、图像信号处理(ISP)提供商arm、nextchip和人工智能芯片供应商GEO Semiconductor。参加会议的激光雷达/三维传感公司包括Baraja、三星先进技术研究所(SAIT)、Cepton、TriEye、Algolux和IMEC。

这篇博客提供了一些来自布鲁塞尔AutoSens的CMOS图像传感器的最新发展和趋势。

2022年布鲁塞尔汽车世界

图1。2022年布鲁塞尔汽车世界。

Onsemi

Onsemi介绍了他们最新的高动态范围(HDR)图像传感器，该传感器结合了用于ADAS/AV应用的LED闪烁抑制(LFM)。新型汽车传感器(据报道为AR0823)的分辨率为8.3 MP，像素间距为2.1µm。

Onsemi表示，ADAS汽车应用程序需要8mp的分辨率来分辨近距离的砖块或岩石等小物体，或100米距离的自行车或行人等较大物体。在高动态范围(HDR)方面，AR0823采用了Onsemi的超曝光(SE)像素技术，具有非常大的全阱容量(FWC)光电二极管和像素内溢流电容器(OFC)，提供了业界最高的150 dB的整体动态范围。

这样的动态范围是在连续两次(交错)曝光中实现的，第一次“长”曝光捕捉到一个较低的照明范围，提供~ 110 dB，而第二次曝光^nd“短”曝光可获得更高的照明，并提供剩余的~ 40 dB HDR。Onsemi报告最小的图像模糊的动态范围和一个完整的LFM能力。LED闪烁主要通过1捕获^圣曝光，充分的LFM能力实现。

Onsemi

图2。不同的高动态范围(HDR)策略的比较(来源:Onsemi在2022年欧洲图像传感器展上的演示)。

Onsemi将这种2.1微米像素间距高FWC + OFC传感器的性能与竞争的2.1微米和3.0微米分裂光电二极管像素设计进行了比较。Onsemi报告称，在特定的光照和温度条件下，单次超曝光技术在总体信噪比(SNR)和调制传递函数(MTF)方面具有优势，从而可以在角落情况下更好地检测物体。

Onsemi还在开发一款分辨率更低的3.0 MP传感器，HDR范围同样为150 dB，预计很快就会发布。AR0823和更新的传感器都有滚动快门，根据Onsemi的说法，可以提供高达60 fps的输出，足以满足当前的汽车场景，同时避免全局快门像素的复杂性和成本。

根据Onsemi的说法，汽车摄像头的要求是由检测物体的范围和检测标准来定义的。对于物体识别，在整个物体的高对比度图像中需要8个像素，而物体识别需要16个像素。考虑到ADAS摄像机需要检测道路上小到岩石或砖块的物体，ADAS应用程序需要约8mp的分辨率。然而，这取决于所使用相机的视场(FOV)。较低的视场可以适应较低分辨率的CIS，但140度以上的高视场相机可能需要更大的分辨率。

由于大多数oem更喜欢光学格式为~ 1/3“到1/2”的小传感器封装尺寸，因此必须选择像素间距来满足这些标准，同时在较低照明下不损失灵敏度。除了ADAS用例外，Onsemi还将其~ 8mp分辨率传感器用于驾驶员监控和乘员监控系统(DOMS)的舱内用例。

索尼

索尼展示了用于汽车图像传感器的“富士”像素架构。索尼还采用了800万像素，2.1微米像素间距的CIS，索尼认为这是前感汽车CIS的主流。此外，索尼表示，这种更大的分辨率还可以满足汽车原始设备制造商的愿望，即将单一类型的相机用于多种用例，有助于标准化集成。

索尼的“富士”传感器架构使用相当复杂的像素设计实现了高动态范围。它采用了分裂光电二极管(PD)方法，大的PD用于低照度，小的PD用于高照度。小型PD包含像素内溢出电容，以进一步扩大高照明水平的动态范围。“富士”像素还在大光电二极管上集成了双转换增益，用于中等照明的低转换增益，以及用于极低光照水平的高转换增益。

因此，这种像素架构比单次曝光的大FWC像素更复杂，但索尼认为这种折衷设计产生了最佳的整体信噪比和动态范围。同时曝光的三个像素读数提供了约108 dB的动态范围。加上2^nd短曝光的大光电二极管(低增益)，极高的光照，如阳光直射可以处理。根据索尼的说法，这种方法在中等温度条件下实现了130 dB的动态范围。图3再现了Sony提供的时间序列。

图3。索尼“富士”像素HDR读出(基于索尼AutoSens 2022演示)。

在输出方面，索尼讨论了优化汽车使用的图像格式的方法，即同时生成RAW和YUV输出，用于传感和观看。目前，图像传感器RAW管道输出是针对计算机视觉(传感)进行优化的。YUV颜色感知编码的图像处理是在下游完成的，并使用RAW输入，这不是最优的。通过为RAW和YUV图像处理集成单独的专用ISP芯片，可以独立处理图像，提高每个用例的图像质量，并为多个用例标准化相机系统架构。如果采用这种方法，它将由CIS + ISP1 + ISP2的三重堆叠传感器组成，这将是索尼汽车传感器的未来(图4)。

图4。索尼提出了集成双ISP的CIS。

OmniVision

OmniVision在分辨率、帧速率和总体数据速率方面介绍了汽车图像传感器的几个趋势。在分辨率方面，OmniVision计划提高ADAS / AV摄像机的分辨率，可能达到1500万像素。对更高分辨率的需求有两个方面，首先是对更远距离的物体进行最佳探测。这提供了早期检测，尤其是在高速公路上。

2^nd因素是增加视野。oem对更大的FOV相机越来越感兴趣，以限制未来相机的总数。更大的FOV意味着需要更大的角度分辨率，因此也需要更大的CIS分辨率。对于环绕观看，OmniVision还预测分辨率将在目前的300万像素之上不断提高。也就是说，目前的观看分辨率主要取决于舱内显示器的分辨率，但未来更大的显示器将需要更好的CIS观看分辨率，超过300万像素。

除了CIS分辨率外，汽车传感器的输出帧率预计将从目前的约30帧/秒增加到45帧/秒甚至60帧/秒，这取决于分辨率，但对于4/5级自动驾驶来说尤其需要。这些更高的CIS分辨率和帧速率意味着未来汽车成像的总体数据速率要高得多，这将需要更强大的处理能力。更重要的是，这将需要更好的数据质量和更少的不确定性。换句话说，芯片上的功能越多，摄像头级别的信息处理和审查越多，整个系统的性能就越好、越快(图5)。

OmniVision

图5。随着分辨率和帧速率的增加而增加数据速率。

为了促进这种功能，OmniVision还预测了更大的图像传感器集成，并从2模堆叠成像仪过渡到3模堆叠成像仪，其中目前的ISP芯片包含模拟和数字电路，其中模拟和数字逻辑被隔离到专用的芯片中。这可以优化每个芯片的工艺技术，并提供更小的模具尺寸和更低的功率(图6)。

OmniVision

图6。OmniVision预测3-Die堆叠汽车传感器与专用的模拟和数字ISP Die。

三星

三星没有展示其汽车图像传感器，但在其展台上展示了两个传感器。传感器是3B6，一个3MP (1920 x 1536) RGB图像传感器，像素间距为3 μ m，用于环绕视图;更高分辨率的8.3 MP (3840 x 2160) RGB传感器1H1，像素间距为2.1 μ m，用于正面传感和查看应用。这两种传感器都有三星的分裂光电二极管“转角像素”架构，并且已经部署了很长一段时间。

三星表示，滚动快门足以满足当前ADAS应用程序的帧速率要求，但舱内/DMS用例确实需要全局快门功能。因此，据推测，上述两个传感器确实是卷帘式快门，因为三星尚未报告用于驾驶员/机舱监控的专用传感器。有趣的是，三星此前公布的汽车传感器4AC(据报道也采用了CornerPixel)既没有被观察到，也没有在AutoSens上展出。

也就是说，据报道，三星目前正在开发一款分辨率为15mp的汽车传感器，可能是1P1，也用于前置传感应用，尽管目前还没有正式宣布。

图7。三星汽车图像传感器产品概述。1P1预计会推出，但尚未正式宣布。

意法半导体

意法半导体展示了其最新发布的舱内传感器VB1940 / VD1940，这是一种堆叠式、背光的4×4 RGB-NIR模式(用于940nm增强检测的近红外滤波器)。主要应用于驾驶员监控和舱室监控。

在驾驶员监控方面，该传感器的性能被证明可以有效、快速地检测眼睛注视，即使是在距离较远的情况下，并且受试者戴着眼镜。VB1940 / VD1940还具有两种快门模式，全局快门用于检测快速运动，如眼睛注视和滚动快门用于机舱乘客监控用例。它具有5.1 MP分辨率，2.25 μ m像素间距，在滚动快门模式下线性动态范围高达100 dB。ISP提供片上拜耳化或近红外升级(图8)。