制造商现在必须处理的另一方面是在交通标志以及汽车前照灯和尾灯中越来越多的使用发光二极管(LED),这增加了汽车成像的挑战。LED照明通常采用脉宽调制(PWM)控制:LED以不同的占空比开关,以控制光的强度和省电,速度太快,人眼无法感知。但是,虽然我们的眼睛不能感知这些灯光的闪烁,但是图像感应器通常会捕获到LED开关时的。这意味着图像传感器输出在显示为视频时将显示此闪烁效果。这是我们不想要的,可能会带来安全问题-和使事情更加复杂,在车辆或交通标志中使用脉冲LED的频率没有标准。对于带有计算机视觉算法的前视摄像头,闪烁效应意味着交通标志可能会被误读或完全漏掉,而对于CMS或后视摄像头等视觉应用,它会让驾驶员分心和困惑。
把这个场景放到背景中,想象一个含高亮度源的场景,比如地平线下的太阳,还有一些看起来更暗的细节,比如路边的行人在附近一棵树的树荫下。为捕获这一高动态范围的场景,常见的图像传感器将通过使用较短的曝光时间来补偿场景的明亮部分,以避免场景的饱和和溢出。在同一场景中出现脉冲光源(如汽车LED大灯)的情况下,用于捕获场景明亮细节的短曝光时间将导致图像传感器捕获大灯实际关闭时的一个帧。虽然它随后将合并多个曝光以输出高动态范围图像,但在明亮的日光场景中,以上述方式部分或全部曝光将忽略LED,并导致前照灯出现闪烁。如果延长曝光时间,试图在LED打开时捕获到场景,那么被强光照射的场景中的部分会被过度曝光,大大缩小动态范围,丢失细节,最终导致图像质量无法接受。
高动态范围和减少LED闪烁
解决这一问题的方案是能够在单个帧内实现更大的动态范围的一种图像传感器,以便能够以足够长的曝光时间捕获明亮区域,在“开启”期间捕获到脉冲光源,而不会过度曝光场景。安森美半导体的Hayabusa™汽车图像传感器平台以一种使能超级曝光(Super-Exposure)的创新的像素技术成功地解决了这一问题。这项技术采用了一种创新的设计和工艺,能够在传感器内存储更多的电荷,使曝光时间在达到饱和前比目前汽车中使用的相同尺寸的传统图像传感器长五倍。通过这种像素技术,Hayabusa™图像传感器实现了120 dB以上的高动态范围成像,同时减少LED闪烁。
该方案的一部分在于构造Hayabusa™超级曝光像素.通过一种新的设计和制造工艺,每个背照式3.0微米像素存储了来自入射光的100,000多个电荷电子,这大大超过了相同像素大小的传统CMOS图像传感器提供的20,000个电子。这导致单个超级曝光捕获95分贝的动态范围,涵盖了大部分场景,而Hayabusa传感器能添加第二个非常短的曝光,通过捕获场景中最亮的部分,将动态范围扩大到超过120 dB。
为了在保持高动态范围输出的同时实现抑制LED闪烁的效果,超级曝光可被限制为足够长的时间来捕获场景中所期望的最低频率脉冲LED的整个周期:如果我们考虑为90 Hz,相当于约11毫秒的曝光时间(在此期间,LED可能只在该时间的1/10或更短的时间内打开)。传感器有100,000个电子电荷的容量,可曝光这么长时间,而不丢失明亮区域的细节,同时捕获LED “打开” 的脉冲信号。其次,较短的曝光时间结合一个专有的片上算法,确保扩大动态范围,同时保留超级曝光捕获的含脉冲LED的场景中的区域,通过二次曝光以防止它们被丢失。因此,传感器能够捕获场景中超过120分贝的动态范围,同时保留由脉冲LED组成的区域,采用一般的传感器时这些脉冲LED看来像是在闪烁。这一现实性能使Hayabusa平台成为开发要求高动态范围的、减少LED闪烁的汽车摄像头的最佳方案,而且由于该平台中的所有产品都具有相同的性能,制造商可以在器件之间任意转换,并且能够重用大部分的工程工作以及用于从其中一个传感器训练算法的数据。
总结
Hayabusa平台的符合车规的图像传感器涵盖从100万像素到500万像素分辨率,可扩展,并为制造商提供用于各种不同应用的配置选项。该平台的首款器件AR0233AT,是一款260万像素的传感器,同时具有高动态范围和抑制LED闪烁能力,以每秒60帧的速度生成1080p视频。