ADAS-安森美车载AR0821两帧150dB是如何炼成的？

myhomer

“ 在上篇文章中，我们根据索尼发表的IEEE论文，介绍了索尼车载CIS的大小Pixel的HDR技术，讲述了其Pixel架构、优势。今天，我们再来介绍安森美在2021年于IEEE发布的AR0821架构的论文，我们将介绍安森美是如何在pixel size为2.1um的情况下，动态范围是如何做到单次曝光110dB，两次曝光达到150dB。”



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Introduction

图像传感器扩展动态范围最常见技术是多重曝光方法，将具有不同积分时间的图像合成一个HDR图像，但此方法比较容易造成运动模糊，而且LFM无法保证。

另外在上篇文章中我们介绍了SONY的SubPixel-HDR技术：

索尼使用SubPixel-HDR技术，在3帧的合成的情况下，可以在保证LFM的前提下做到110dB
JokerEye，公众号：ADAS之眼ADAS-一文看懂索尼车载CIS传感器之SubPixel-HDR技术

虽然，SubPixel架构可以有效地扩展Sensor的动态范围，但是受制于像素间距以及工艺影响，当pixel size越做越小的时候，其‘小pixel’则会越来越难做。

因此，更优选的方法是在单个像素在积分时间内完成曝光，然后使动态范围最大化，另外在自然光源下，有LFM的工况下，110 dB几乎涵盖了所有的ADAS使用情况。因此。我们尽力追求单个Pixel的动态范围在一帧曝光的情况下做到110dB。

今天，我们继续从安森美发布的IEEE的技术论文出发，来讲解车载Sensor厂商另外一个专注于“技术”的巨头安森美最新的pixel架构技术，论文DOI号可以关注我公众号，然后私信《安森美AR0821论文》获取。

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‘扩展电容+DCG+多曝光’ HDR

[2.1] Pixel架构

Onsemi论文中给出的AR0821的Pixel架构如下所示：



上图呈现的像素组合为DCG+overflow电容器，单次曝光可以输出三帧图像，这三张图像分别为：

1. HCG(DCG and CAP CLOSED)

2. MCG(DCG ON and CAP CLOSED)

3. LCG(DCG and CAP ON)

其中，高密度MiM电容器相对上一代的低增益平面MiM电容器可用性增加。尽管像素间距减小，但FWC(满井容量)增加了近4倍，达到600 ke-。满井的增加最直接的结果就是单次曝光DR相对之前增加14 dB，同时增加低增益电容降低了低增益读取时的读取噪声。

[2.2] Pixel工作时序

图像曝光、采样时序如下图所示：



可以看出当Sensor工作模式为全HDR合成时，整体曝光分为T1(长曝光)+T2(短曝光)。

在T1周期内分为三帧进行采样，HCG+MCG+LCG，动态范围可以达到110dB，信号位宽为20bit。

在T2周期内，使用LCG模式进行依次短曝光，T1/T2的曝光比为100，换算成bit为6.64bit，传感器的输出bit从20bit到26bit，动态范围由110dB扩展到了150dB。

论文中给出sensor的关键指标如下所示：



可以看出，单帧模式下sensor最快帧率可以达到110dB@60fps。加入T2之后sensor帧率有所下降，可以达到150dB@45fps。

sensor的实拍图如下所示，场景仿真图中给出了ADAS场景中的几个关键场景，如太阳、红绿灯、交通指示灯等场景，可以看出sensor具有较好的动态范围以及LED闪烁抑制功能。



[2.3] Pixel性能对比
论文最后，Onsemi还给出了sensor的SNR曲线以及当前工作和索尼IMX490的关键指标的对比。SNR曲线如下所示：


可以看出，Sensor的SNR最大可以做到45dB左右。最大SNR Drop为T1 LCG与T2 LCG交接处，最大可达7dB左右。与IMX490指标对比如下所示：(虽然论文没有明说...但只要是做车载相机的应该都懂...)


当然孰优孰劣，论文参数只能说明一方面。在实际工程中还要考虑镜头、成本以及国家芯片限制政策各方面因素进行综合考虑。