《電子技術應用》
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汽車成像的創新技術

2020-10-08
來源:半導體行業觀察

  對于具有深厚技術積累的模擬芯片廠商來說,為了應對市場需求的發展和變化,需要通過開發創新技術,以及行業并購來提升自身競爭力,安森美半導體就是這樣一家企業。

  該公司在成像傳感器行業有超過40年的歷史,其在汽車用傳感器市場一直保持行業領頭羊的位置。

  來自日本市場調研公司TSR(Techno Systems Research)的統計顯示。汽車傳感器分為兩個市場,一是汽車成像市場,專門給人眼看的,如駕駛員、乘客、后視、環視、電子后視鏡。安森美在全球占>60%的市場份額;二是汽車感知,也就是給人工智能和機器視覺用的感知系統,安森美占全球>80%的市場份額,而且還在逐年擴大。

  在此基礎上,為了應對市場應用需求,特別是汽車市場的需求和發展特點,安森美于六年前成立了智能感知部,與此同時,通過幾次戰略并購,不斷加強其在該技術領域的實力。

  下圖給出了該公司在傳感器領域的一些并購企業。TRUESENSE前身是柯達影像,柯達影像的核心技術來源于貝爾實驗室CCD影像。Aptina前身是美國航天宇航局JPL噴氣式推動器實驗室。1993年,JPL為了阿波羅登月開發出全球首款CMOS圖像傳感器。27年過去后的今天,CMOS圖像傳感器已經普遍應用。

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  從三年前開始,安森美半導體又陸續收購了IBM在以色列的毫米波雷達研發中心,以及專注于飛行時間(ToF)激光雷達傳感器開發的愛爾蘭SensL公司。對此,安森美半導體智能感知部全球市場和應用工程副總裁易繼輝(Sammy Yi)先生表示:“公司在圖像傳感器上,擁有行業內最多的成像專利,最龐大的傳感器產品陣容,再加上強有力的供應鏈,安森美半導體每個禮拜銷售的芯片產品總數量就超過10億件。這是非常巨量的供應鏈和服務。”

  據易繼輝介紹,該公司的智能感知部門有三個主要的市場方向:汽車、機器視覺和邊緣人工智能。汽車是非常傳統的行業,但是最近幾年,由于電力化和智能化,使這個行業產生了新的發展動力,特別是智能化,各種感知產品的應用,使汽車變得更加安全、更加舒適。這個市場成長也非常快。我們在汽車的智能感知方面的成長速度,遠比汽車本身的成長速度快得多,就是因為汽車采用新技術的速度非常快。

  汽車成像需要技術創新

  汽車成像的挑戰非常多,有三個比較突出的方面:一是寬動態;二是環境條件,車要能在零下幾十度的環境開,也能夠在高溫條件下工作;三是對圖像傳感器本身的獨特挑戰。

  上面是一個圖像傳感器的示意圖,看起來像是高樓大廈,一共有六層。這是整個圖像傳感器的內部結構,都是由半導體制成。易繼輝表示,市場上有一個誤區,認為GPU和CPU是半導體里挑戰性和難度最高的,實際上和傳感器相比它是小巫見大巫。因為GPU和CPU里,它所要對付的主要在電子(Electron)。但在圖像傳感器里,既要對付電子又要對付光子,光子和電子的結合使圖像傳感器變成非常復雜。未來還有更多功能可以疊加進去,加上一些更智能化的,包括人工智能,都可以直接放在圖像傳感器里。所以,這需要非常長時間的技術積累和投入。

  在圖像傳感的光電轉換過程中,光子打進來以后轉換成電核,變成電信號,這就相當于下雨時拿著水桶接雨,水桶越大接的雨量越大,同樣,容積越大,光子轉化成電子的電容、電荷量就越多。據易繼輝介紹,安森美有一種新技術,專門用在高端、專業的攝影機上,好萊塢的導演都非常喜歡用的攝影機上,就采用了這種專用技術。簡單來講,就是在傳統小像素旁邊開個大的“蓄水池”,把多余的電荷存在里面,從而把整個光強量、信息量提高,增加動態范圍。在高端攝影機里,比如好萊塢著名導演李安拍攝《少年派的奇幻漂流》使用的ARRI公司攝影機,就是用的安森美的圖像傳感器。現在,該公司逐漸將這種技術轉入汽車行業,主要是汽車傳感器,接下去會逐漸轉入到工業機器視覺和其它應用領域。

  安森美的Hayabusa系列產品用了這種技術以后,一次曝光就能實現95dB,這是很大的進步。經過多次曝光可以達到120dB,未來的平臺,下一代產品一次曝光希望能夠達到110dB,多次曝光可以達到140dB。

  為什么寬動態范圍非常重要?寬動態不好的情況下,照顧了暗的部分,但亮的部分就都失去了。寬動態好的話,不光暗的地方看得非常清楚,在亮的地方,包括紅綠燈,前面的車輛都能看得很清楚,這就給人工智能、算法提供了非常準確和全面的信息,可以做出非常準確和安全的判斷。因此,寬動態是非常重要的。

  另外一個場景就是車燈,在這個場景下,它的寬動態范圍是102dB。如果傳感器只是70dB,這種場景很多地方你看不出來。比如旁邊有一個行人,如果傳感器的寬動態不夠,不到100dB,你完全看不出來這有一個行人。在用機器視覺可能不能偵探到有一個行人在車子旁邊。所以,110dB傳感器可以提供非常詳細的信息。

  還有一個場景就是夜視,在幾乎沒有燈的情況下。安森美新一代產品開發出來的近紅外+(NIR+)工藝,在近紅外光電轉換效應提高了4倍。

  圖像傳感器發展趨勢

  易繼輝還談到了安森美對圖像傳感器發展大趨勢的看法。下圖是1.3英寸固定尺寸的圖像傳感器在這些年的發展趨勢。圖像傳感器的分辨率在逐年提升,從過去的200萬像素,500萬,800萬,1200萬,現在達到超過2000萬。二是噪聲導數,相當于圖像質量,在同樣大小的尺寸下的圖像傳感器逐年隨著像素的增大,圖像質量也在不斷提高。帶寬也在逐年提高。這里有一個很好的例子,29×29mm2標準的工業用攝像頭,在十年以前可能只是200萬像素,后來逐漸增加到300萬、500萬、1200萬,今年已經能夠用到1600萬像素。安森美每一代產品都是這樣在逐漸提高,能實現這樣的結果最主要的是靠技術的推動。安森美在技術上有長時間的積累:全局快門,是在高速運動下使圖像不會有拖影;內校正,像素內的校正,以前都是在系統里通過軟件校正,現在直接做到硬件里,像素內部去做圖像校正;工藝節點,從110納米到65納米,再到45納米,甚至更小,這樣就充分利用了摩爾定律的優勢,即成本、尺寸、耗電量都在逐年下降;背照式,在同樣尺寸下,分辨率越來越高,像素尺寸可能越來越小,感光量、感光度,特別是暗光下,性能可能就會降低,背照式就是用來提高感光能力;堆棧架構,以后就不光是兩維空間了,而是三維,堆棧式,兩次堆棧,三次堆棧都有可能實現。以后不光把模擬和數字信號放在第二層,甚至可以將人工智能的一些算法放在第三層里。因此,圖像傳感器正在向高智能化的方向前進。

  激光雷達和毫米波雷達

  激光雷達的傳統技術是APD(雪崩光電二極管),它的缺點是體積大、功耗高、偵測距離范圍有限、一致性不好。安森美推出了SiPM(硅光電倍增管)技術,它的優勢在于增益是APD的1萬倍,靈敏度是APD的2000倍,工作電壓要求非常低,只要30V,而APD要250V。它的一致性非常好,特別在大批量生產的時候可以批量化。

  據易繼輝介紹,安森美的激光雷達產品有單點的,在醫療、工業、汽車都有應用,還有新開發出來的陣列,如1×12或1×16,下一代的激光雷達都會用到這樣的產品。最新開發出來的叫做SPAD面陣,是400×100,它已經不是點云了,已經和圖像傳感器差不多了,相當于是一個圖像,將來完全可以實現有深度信息的圖像。

  據安森美半導體智能感知部大中華區市場總監郗蘊俠博士(Yolanda XI)介紹,激光雷達的關鍵在于傳感器,也叫探測器,它主要有SiPM和SPAD,它們采用同樣的工藝。現在有很多機械式雷達都在用APD技術。但它的可靠性以及耐久性欠佳,一般的機械式雷達保質期只有一年。因為它需要旋轉,所以損耗很大,而且現在量還比較小,不能夠大批量,所以它的一致性不好,幾百臺、幾千臺還可以,但到以后大批量量產時,這種工藝是絕對不行的。就SiPM和SPAD工藝來說,在很多行業,尤其是汽車行業,安森美半導體是最早給客戶提供該技術的,已在醫療方面大量應用,且已是量產狀態。對比其他競爭對手而言,該技術的優勢主要體現在以下幾方面:

  車規化。現在之所以很多激光雷達可靠性不高,是因為沒有車規化里的器械,且它的系統也達不到車規化。所以,要在半導體層面上解決這一問題。安森美半導體的SiPM產品是全球第一個車規化的,今年還推出了一個單點的車規RD產品。

  安森美半導體推出了RDM。“M”就是Micro Lens微鏡,本來這個微鏡是用在圖像傳感器上的,但現在用在了激光雷達上。其好處在于,在激光雷達的探測器中有個特別重要的指標:PDE,即Photon Detection Efficiency(光子探測效率),它相當于圖像傳感器QE指標。這個指標越高,就說明它的光子轉化成電子的效率越高。在行業內基本都要參考這個參數。安森美在這一參數上做得很好,RD參數很高。在RDM系列中加了微鏡技術以后,它的透光率就更高,轉化出來的PDE提升也非常高。現在安森美半導體的RDM在整個業界也居于榜首。

  除此之外,安森美半導體采用的是CMOS工藝。未來圖像傳感器輸出量一年可能是上億的,如果上到萬的等級,以前的APD都不可能用人工標定。而安森美采用的是CMOS工藝,可以達到真正的低成本、低功耗,以及優化尺寸等,能真正實現激光雷達車規化的落地。

  毫米波雷達方面,在不同級別的自動駕駛上都有應用。安森美下一代毫米波雷達的重點放在了L3上,該公司開發了稱為 “MIMO+”的專利技術,它能夠提供4D信息,包括R(距離),V(速度),A(角度),以及E(高度),能夠為L3級自動駕駛提供四維信息。

 

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