[原创] 汽车成像的创新技术
2020-10-04
14:00:17
来源: 半导体行业观察
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，安森美半导体就是这样一家企业。
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，安森美半导体又陆续收购了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，安森美半导体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，安森美半导体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，都是由半导体制成。易继辉表示，市场上有一个误区，认为GPU和CPU是半导体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。
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。
据安森美半导体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，安森美半导体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，要在半导体层面上解决这一问题。安森美半导体的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。
安森美半导体推出了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。现在安森美半导体的RDM在整个业界也居于榜首。
除此之外，安森美半导体采用的是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。
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