CCD、CMOS传感器将成为汽车的通用工具
2010-11-30
作者：Uwe Hock 夏普微电子(欧洲)公司
来源：汽车电子设计
TFT LCD(液晶显示器)进一步推动了此一成长：汽车在使用越来越多的LCD，它不仅被用于导航、娱乐和舒适电子的中央工作单元，还作为仪表板上各式各样的显示模块，该趋势为基于相机的驾驶辅助系统铺平了道路。作为对雷达、超音波和红外线传感器的补充，照相机为各种驾驶路况提供了完整影像信息。例如，对具有视觉能力的人类来说，在停车时，与借助用以指示车辆与邻近障碍物距离的声音警示信号来精确评估周围环境相较，透过清晰的影像能容易地多地做出评判。对许多新式汽车、特别是视野受限(尤其是后视时)的越野车和多种小型车来说，可视化功能为防范事故做出了重大贡献。目前为止，尚没有对声音驾驶信息这种抽象形式的替代。但，专门为驾驶舱汽车应用设计LCD的推出，使借助完整影像信息告知驾驶在他们驾驶车辆的周围所发生的情况成为可能。最精确的视觉输入是作为影像传感器的照相机所提供的，它将提升未来驾驶辅助系统的感知能力。
对驾驶信息和主动驾驶辅助系统的不同要求，使系统各具特色。
严格说来，驾驶辅助系统这个宽广领域可细分为两个在技术途径上截然不同的分支。第一类是为驾驶提供‘视觉辅助’。这类具有辅助视觉的系统借助不同的传感器提供车辆外围的其它信息；例如，提供处在盲区(或在晚间)的障碍物或其它道路使用者的情况。但这种系统完全由司机评估这些信息并做出相应反应。主动驾驶辅助系统则与此不同，这体现在诸如规避交通事故或根据交通流量和限速要求来变更车速等方面。主动系统不仅告知驾驶相应的驾驶状况且还在行车过程中对驾驶行为进行主动干预。两种系统的不同功能使对各自系统所用的传感器有根本不同的要求。
与大小和分辨率类似的CMOS传感器相较，由于技术原因，CCD传感器通常有更高的光感应度。因此，车用后视摄影镜头注定会采用CCD传感器，在车辆后视应用中能在光线不好的条件下提供清晰的影像很重要；如：在黑暗的多层停车场或夜晚的街道等场合。夏普为该特定应用推出的照相机模块采用的是270k像素分辨率和1.8勒克司灵敏度的1/4英寸芯片组。该指标相当于晚间、月光下街道的光照条件，在这种场合，该相机模块能输出详细、明亮的影像。镜头具有130°视角，可以清楚地显示车后部的情况。180°视角的CCD模块已处于原型制造阶段。归功于软件的改善，下一代CCD模块还将整合自动导引功能；例如，在倒车时该功能可辨认出有直接危险的区域。
图1：CCD和CMOS摄影镜头相得益彰。驾驶信息系统和驾驶辅助系统具有不同要求。
CMOS：未来汽车的通用技术
主动驾驶辅助系统所用传感器应具有的首要特性是：速度快。特别是在高速行驶场合，系统必须能记录关键驾驶状况、评估这种状况并实时启动相应措施。在140 km/h的速度，汽车每秒要移动40公尺。为避免主动驾驶辅助系统两次信息获取间隔及其间自动操控的行驶距离过长，要求相机具有最慢不低于30帧/秒的影像捕捉速率，在汽车制造商的规格中，甚至提出了60和120帧/秒的要求。虽然借助逐行扫描等方法，CCD传感器的影像捕捉速率也可提升到一定水平(如60帧/秒)；但在此，CMOS传感器有如下优势：本质上，CMOS是种更快的影像采集技术——CMOS传感器内的单元通常是由3个晶体管主动控制和读出的，这就显着加速了影像采集过程。用于汽车应用的CMOS相机模块，如夏普开发的那些，就具有30帧/秒的影像采集速率。CMOS传感器性能还有很大的提升空间，目前，基于CMOS的高性能相机能达到约5,000帧/秒的水平。
采用CMOS传感器的前视相机之所以是更好的选择，并不仅仅因为其更快的影像捕捉速度。在高亮度环境下，对后视摄影镜头来说CCD很重要的高的光感应度，将引发所谓的‘绽放效应’(blooming effects)，其原因是：在传感器内的单元被读取前，一个单元内的过多电荷扩散到周围的其它单元因而损坏了影像。前视摄影镜头往往受到迎面而来车辆的强光照射或要求它能在强烈的亮-暗反差对比下(如进出隧道时)也可提供详细的影像。更大的动态范围，也为在前视摄影镜头中选用CMOS照相机模块加分。目前的CMOS传感器的动态范围大约在60到90db，人眼能够观察到105db，夏普努力使其新一代CMOS模块尽可能地接近这一基准。
CMOS传感器还具有数字图像处理方面的优势。CCD传感器通常提供模拟TSC/PAL信号，也许必须采用额外的AD转换器对其进行转换、或是CCD传感器要与带数字影像输出的逐行扫描方法一起工作。无论哪种方式，让采用CCD的照相机提供数字影像信号都显着增加了系统复杂性；而CMOS传感器可直接提供LVDS或数字输出信号，主动驾驶辅助系统内的各组成部份可直接、无延迟地处理这些信号。
图2：摄影镜头模块必须小巧、坚固、防水。
与传统数字相机或相机手机比，不论采用哪种技术，车用相机模块的使用都有特殊要求。机械强度和耐高温性是其中决定性的标准。为满足欧洲汽车产业日益成长的要求，夏普未来的模块可工作在-40℃到150℃的温度范围。这些模块将采用特殊封装，使相机兼具所需的强韧性和抗渗透性——它们是嵌入在车前部、主动驾驶辅助系统的一项基本要求。这些模块不仅暴露在车外，还会受到高速行驶时飞奔而来的水滴的高压击打。因用于主动驾驶辅助系统的照相机是关乎行车安全的组件，它们还必须能在供电系统暂时断电时可靠工作。虽然一般用于后视摄影镜头，夏普的CCD模块还具有一到两分钟(取决于车载电压)的电能储备，即使(暂时)没电时，该模块也能完全正常工作。
车用模块要求非常紧密的建构。汽车制造商的要求是要能以几乎觉察不到的方式把照相机整合在车辆设计中。例如，在实践中，这意味着要把照相机模块嵌放在车的后窗框、车外镜或保险杆内，CCD或CMOS模块越紧密、这种整合就越雅致。夏普目前拥有用于汽车应用的最小CCD相机模块，其尺寸只有28 × 28 × 25.4毫米。随着车用相机的持续小型化，CMOS技术将在未来发挥越来越重要的作用。因CMOS模块的系统复杂性比CCD模块的低，所以CMOS模块可做得比CCD模块的小得多。
高对比度显示器明察秋毫
分辨率是车用相机模块的第二个关键指标。就整合在目前和下一代车辆仪表盘内的LCD来说，根据制造商和型号的不同，其分辨率是QVGA和WVGA水平。夏普的采用CCD模块、具有270k分辨率的照相机已能提供可被大多数显示器显示的影像信息量。目前市场上的大多数CMOS传感器也是这种情况。在车用领域，体现显示器清晰程度的对比度是比分辨率要关键得多的指标。2,500:1的对比度确保了车用显示器即便在恶劣光照条件下也具有最佳分辨率，因而使来自不同驾驶辅助系统的影像信息在任何时候都清晰可见。此外，诸如半透半反式显示和1/4λ防反射涂层等技术运用特殊的附带光相移方法消除了反射，这样即便在阳光直射条件下，车内显示器的内容仍清晰可辨。
本文小结
因CCD和CMOS摄影镜头的不同特点，这两种技术被认为在汽车领域具有互补性。CCD模块具有更高的灵敏度，因而主要作为后视摄影镜头；CMOS摄影镜头，因其高影像捕捉速率和更大的动态范围，所以主要作为主动驾驶辅助系统的‘眼睛’。这两种类型的相机都必须满足主要围绕于耐高温、机械强度、抗渗透性和紧密建构形态等方面的高要求。
长期看来，CMOS系统将主导汽车相机市场。一旦CMOS传感器实现了在黑暗环境中、特别是为后视摄影镜头所必须的影像性能，它们就还将提供其它好处。这主要体现在更高的撷取速度、更紧密的设计和更低成本以及其它若干好处上，另外，持续在车上应用CMOS模块所促成的更低的整体系统复杂性也对实现这些利益有贡献。长期看，一个重要的方面是人们期待照相机不仅是用于驾驶辅助系统的传感器，它还能完成其它功用；例如，作为停放车辆的监控相机，以防范车辆被撬锁破窗及遭受其它破坏。