汽车成像的创新技术
2020-10-08
来源:开云棋牌官网在线客服行业观察
对于具有深厚技术积累的模拟芯片厂商来说,为了应对市场需求的发展和变化,需要通过开发创新技术,以及行业并购来提升自身竞争力,安森美开云棋牌官网在线客服就是这样一家企业。
该公司在成像传感器行业有超过40年的历史,其在汽车用传感器市场一直保持行业领头羊的位置。
来自日本市场调研公司TSR(Techno Systems Research)的统计显示。汽车传感器分为两个市场,一是汽车成像市场,专门给人眼看的,如驾驶员、乘客、后视、环视、电子后视镜。安森美在全球占>60%的市场份额;二是汽车感知,也就是给人工智能和机器视觉用的感知系统,安森美占全球>80%的市场份额,而且还在逐年扩大。
在此基础上,为了应对市场应用需求,特别是汽车市场的需求和发展特点,安森美于六年前成立了智能感知部,与此同时,通过几次战略并购,不断加强其在该技术领域的实力。
下图给出了该公司在传感器领域的一些并购企业。TRUESENSE前身是柯达影像,柯达影像的核心技术来源于贝尔实验室CCD影像。Aptina前身是美国航天宇航局JPL喷气式推动器实验室。1993年,JPL为了阿波罗登月开发出全球首款CMOS图像传感器。27年过去后的今天,CMOS图像传感器已经普遍应用。
从三年前开始,安森美开云棋牌官网在线客服又陆续收购了IBM在以色列的毫米波雷达研发中心,以及专注于飞行时间(ToF)激光雷达传感器开发的爱尔兰SensL公司。对此,安森美开云棋牌官网在线客服智能感知部全球市场和应用工程副总裁易继辉(Sammy Yi)先生表示:“公司在图像传感器上,拥有行业内最多的成像专利,最庞大的传感器产品阵容,再加上强有力的供应链,安森美开云棋牌官网在线客服每个礼拜销售的芯片产品总数量就超过10亿件。这是非常巨量的供应链和服务。”
据易继辉介绍,该公司的智能感知部门有三个主要的市场方向:汽车、机器视觉和边缘人工智能。汽车是非常传统的行业,但是最近几年,由于电力化和智能化,使这个行业产生了新的发展动力,特别是智能化,各种感知产品的应用,使汽车变得更加安全、更加舒适。这个市场成长也非常快。我们在汽车的智能感知方面的成长速度,远比汽车本身的成长速度快得多,就是因为汽车采用新技术的速度非常快。
汽车成像需要技术创新
汽车成像的挑战非常多,有三个比较突出的方面:一是宽动态;二是环境条件,车要能在零下几十度的环境开,也能够在高温条件下工作;三是对图像传感器本身的独特挑战。
上面是一个图像传感器的示意图,看起来像是高楼大厦,一共有六层。这是整个图像传感器的内部结构,都是由开云棋牌官网在线客服制成。易继辉表示,市场上有一个误区,认为GPU和CPU是开云棋牌官网在线客服里挑战性和难度最高的,实际上和传感器相比它是小巫见大巫。因为GPU和CPU里,它所要对付的主要在电子(Electron)。但在图像传感器里,既要对付电子又要对付光子,光子和电子的结合使图像传感器变成非常复杂。未来还有更多功能可以叠加进去,加上一些更智能化的,包括人工智能,都可以直接放在图像传感器里。所以,这需要非常长时间的技术积累和投入。
在图像传感的光电转换过程中,光子打进来以后转换成电核,变成电信号,这就相当于下雨时拿着水桶接雨,水桶越大接的雨量越大,同样,容积越大,光子转化成电子的电容、电荷量就越多。据易继辉介绍,安森美有一种新技术,专门用在高端、专业的摄影机上,好莱坞的导演都非常喜欢用的摄影机上,就采用了这种专用技术。简单来讲,就是在传统小像素旁边开个大的“蓄水池”,把多余的电荷存在里面,从而把整个光强量、信息量提高,增加动态范围。在高端摄影机里,比如好莱坞著名导演李安拍摄《少年派的奇幻漂流》使用的ARRI公司摄影机,就是用的安森美的图像传感器。现在,该公司逐渐将这种技术转入汽车行业,主要是汽车传感器,接下去会逐渐转入到工业机器视觉和其它应用领域。
安森美的Hayabusa系列产品用了这种技术以后,一次曝光就能实现95dB,这是很大的进步。经过多次曝光可以达到120dB,未来的平台,下一代产品一次曝光希望能够达到110dB,多次曝光可以达到140dB。
为什么宽动态范围非常重要?宽动态不好的情况下,照顾了暗的部分,但亮的部分就都失去了。宽动态好的话,不光暗的地方看得非常清楚,在亮的地方,包括红绿灯,前面的车辆都能看得很清楚,这就给人工智能、算法提供了非常准确和全面的信息,可以做出非常准确和安全的判断。因此,宽动态是非常重要的。
另外一个场景就是车灯,在这个场景下,它的宽动态范围是102dB。如果传感器只是70dB,这种场景很多地方你看不出来。比如旁边有一个行人,如果传感器的宽动态不够,不到100dB,你完全看不出来这有一个行人。在用机器视觉可能不能侦探到有一个行人在车子旁边。所以,110dB传感器可以提供非常详细的信息。
还有一个场景就是夜视,在几乎没有灯的情况下。安森美新一代产品开发出来的近红外+(NIR+)工艺,在近红外光电转换效应提高了4倍。
图像传感器发展趋势
易继辉还谈到了安森美对图像传感器发展大趋势的看法。下图是1.3英寸固定尺寸的图像传感器在这些年的发展趋势。图像传感器的分辨率在逐年提升,从过去的200万像素,500万,800万,1200万,现在达到超过2000万。二是噪声导数,相当于图像质量,在同样大小的尺寸下的图像传感器逐年随着像素的增大,图像质量也在不断提高。带宽也在逐年提高。这里有一个很好的例子,29×29mm2标准的工业用摄像头,在十年以前可能只是200万像素,后来逐渐增加到300万、500万、1200万,今年已经能够用到1600万像素。安森美每一代产品都是这样在逐渐提高,能实现这样的结果最主要的是靠技术的推动。安森美在技术上有长时间的积累:全局快门,是在高速运动下使图像不会有拖影;内校正,像素内的校正,以前都是在系统里通过软件校正,现在直接做到硬件里,像素内部去做图像校正;工艺节点,从110纳米到65纳米,再到45纳米,甚至更小,这样就充分利用了摩尔定律的优势,即成本、尺寸、耗电量都在逐年下降;背照式,在同样尺寸下,分辨率越来越高,像素尺寸可能越来越小,感光量、感光度,特别是暗光下,性能可能就会降低,背照式就是用来提高感光能力;堆栈架构,以后就不光是两维空间了,而是三维,堆栈式,两次堆栈,三次堆栈都有可能实现。以后不光把模拟和数字信号放在第二层,甚至可以将人工智能的一些算法放在第三层里。因此,图像传感器正在向高智能化的方向前进。
激光雷达和毫米波雷达
激光雷达的传统技术是APD(雪崩光电二极管),它的缺点是体积大、功耗高、侦测距离范围有限、一致性不好。安森美推出了SiPM(硅光电倍增管)技术,它的优势在于增益是APD的1万倍,灵敏度是APD的2000倍,工作电压要求非常低,只要30V,而APD要250V。它的一致性非常好,特别在大批量生产的时候可以批量化。
据易继辉介绍,安森美的激光雷达产品有单点的,在医疗、工业、汽车都有应用,还有新开发出来的阵列,如1×12或1×16,下一代的激光雷达都会用到这样的产品。最新开发出来的叫做SPAD面阵,是400×100,它已经不是点云了,已经和图像传感器差不多了,相当于是一个图像,将来完全可以实现有深度信息的图像。
据安森美开云棋牌官网在线客服智能感知部大中华区市场总监郗蕴侠博士(Yolanda XI)介绍,激光雷达的关键在于传感器,也叫探测器,它主要有SiPM和SPAD,它们采用同样的工艺。现在有很多机械式雷达都在用APD技术。但它的可靠性以及耐久性欠佳,一般的机械式雷达保质期只有一年。因为它需要旋转,所以损耗很大,而且现在量还比较小,不能够大批量,所以它的一致性不好,几百台、几千台还可以,但到以后大批量量产时,这种工艺是绝对不行的。就SiPM和SPAD工艺来说,在很多行业,尤其是汽车行业,安森美开云棋牌官网在线客服是最早给客户提供该技术的,已在医疗方面大量应用,且已是量产状态。对比其他竞争对手而言,该技术的优势主要体现在以下几方面:
车规化。现在之所以很多激光雷达可靠性不高,是因为没有车规化里的器械,且它的系统也达不到车规化。所以,要在开云棋牌官网在线客服层面上解决这一问题。安森美开云棋牌官网在线客服的SiPM产品是全球第一个车规化的,今年还推出了一个单点的车规RD产品。
安森美开云棋牌官网在线客服推出了RDM。“M”就是Micro Lens微镜,本来这个微镜是用在图像传感器上的,但现在用在了激光雷达上。其好处在于,在激光雷达的探测器中有个特别重要的指标:PDE,即Photon Detection Efficiency(光子探测效率),它相当于图像传感器QE指标。这个指标越高,就说明它的光子转化成电子的效率越高。在行业内基本都要参考这个参数。安森美在这一参数上做得很好,RD参数很高。在RDM系列中加了微镜技术以后,它的透光率就更高,转化出来的PDE提升也非常高。现在安森美开云棋牌官网在线客服的RDM在整个业界也居于榜首。
除此之外,安森美开云棋牌官网在线客服采用的是CMOS工艺。未来图像传感器输出量一年可能是上亿的,如果上到万的等级,以前的APD都不可能用人工标定。而安森美采用的是CMOS工艺,可以达到真正的低成本、低功耗,以及优化尺寸等,能真正实现激光雷达车规化的落地。
毫米波雷达方面,在不同级别的自动驾驶上都有应用。安森美下一代毫米波雷达的重点放在了L3上,该公司开发了称为 “MIMO+”的专利技术,它能够提供4D信息,包括R(距离),V(速度),A(角度),以及E(高度),能够为L3级自动驾驶提供四维信息。