安森美 (onsemi) 的影像感測器採用像素溢位方法（也稱為超曝光），透過非常大的像素內溢位記憶體將動態範圍擴大許多倍，大大緩解了 120 dB LED 閃爍現象。 先進的超曝光像素技術不僅能讓汽車滿足 ADAS 的要求，還可以解決有關 LED 閃爍的難題。

LED 燈光透過脈衝寬度調變 (PWM) 生成，其中，PWM 是一種數位技術，常用於降低頭燈、尾燈、交通號誌和車輛資訊系統的功耗。 雖然 LED 的開關脈衝頻率僅憑人眼無法察覺，但這會導致影像感測器難以準確捕捉實際影像。

為防止場景內的明亮區域過度飽和，系統通常需要藉助短曝光成像，而短曝光又會導致 LED 脈衝流失。 這就是為什麼有時圖像中的 LED 呈現關閉狀態，如圖 1 中的左側圖片所示。 在視訊場景中，LED 燈看起來不斷地亮起和熄滅，這種現象稱為 LED 閃爍。 LED 廣泛用於現代車輛照明和數位標牌，如果拍攝的影片因為 LED 閃爍而出現不同的條紋或分段偽影，則可能會對駕駛員和乘客造成很大的干擾。

圖 1. LFM 取樣：30 fps、10% 佔空比、10 ms 週期 (100 Hz) 出處 : 安森美



這個問題非同小可，可能會導致駕駛誤判。 例如，當駕駛透過顯示器觀察周圍情況時，LED 閃爍可能會讓顯示器中後方車輛的車燈呈閃爍狀態，進而導致駕駛誤認為那是正在執行任務的緊急車輛。 此外，LED 閃爍還可能幹擾用於識別電子限速標誌、交通號誌燈顏色或煞車燈的演算法（如圖 2 所示），造成某些事關安全的情況無法得到準確判斷。 車載影像感測器必須能夠應對 LED 閃爍等頗具挑戰的場景，同時提供超過 140 dB 的高動態範圍 (HDR)，並能在最高達 +125°C 結溫的高溫下正常運作。

首先簡要介紹車載影像感測器中常用於 HDR 和 LED 閃爍消除 (LFM) 的一些光學技術工作原理和相關限制，然後介紹可以克服種種限制，並為多種 LFM 類型提供更佳 HDR 的新型感測器。

圖 2. LED 尾燈閃爍    出處 : 安森美



傳統多重曝光 HDR

使用 HDR 捕捉場景時，通常需要拍攝多張影像，每張影像都有不同的曝光時間設置，然後將這些影像處理並合併成一張影像。 使用多種曝光設定是為了能從場景的亮區和暗區收集更多可用的影像資料。 例如，長曝光時間可在暗區擷取更多的影像訊息，而短曝光時間可在亮區擷取更多可用資料。 最終處理的影像會從每次曝光中提取相對較好的數據，並將它們合併成 HDR 影像（見圖 3 頂部的圖片）。

大小像素同時曝光
大小像素 (Split−Pixel) 感測器技術用於幫助汽車應用捕獲 HDR 影像，能夠同時捕捉多重曝光，而無需按照順序，因此可以減少物體運動導致的模糊和顏色偽影。 為了產生 HDR 影像，該技術先使用較大且較小的子像素捕捉原始影像，然後將這些子像素合併到 HDR 輸出中（見圖 3 中間的圖片）。

較大的子像素用於捕捉影像的較暗部分，較小的子像素則負責捕捉中等亮度及較亮部分，從而進一步擴展動態範圍。 較大子像素會收集更多的光線，因此在更亮的條件下會飽和。 相反，較小子像素收集的光線較少，所以能夠曝光更長時間而不會輕易飽和。 較大、較小的子像素分別在低光和明亮條件下發揮作用，兩者結合起來便可以擴展動態範圍。 像素感光區域的相對大小（填充因數）對於影像品質影響很大。
大小像素也並非完美，在微光條件下，大部分像素面積被較小的子像素所佔據，這導致了可用於捕捉影像的像素面積減少。 較小子像素的可用面積非常小，因此產生的訊號強度要弱得多，相應地訊噪比也更低。 若使用較小子像素和較大子像素來處理相同的場景，二者所輸出影像也會有所不同。
此外，來自透鏡的光線入射角與陣列中兩種不同大小的像素以不同方式相互作用，可能會導致明顯的顏色偽影和偏移。 為了消除這些偽影，我們還需要專門校準感測器，並對感測器進行精細的內部校正，因此大小像素感測器的功耗通常較高。 而且，當環境溫度超過 +100°C（甚至 +80°C）時，基於這種技術的影像感測器的性能可能會下降，訊號雜訊比轉換甚至會遠低於 25 dB。

超曝光像素
安森美開發的影像感測器具有一系列強大功能，可滿足感知類和視覺攝影機應用的需求。 一方面，這些影像感測器提供能夠捕捉 120 dB HDR 影像並實現 LED 閃爍消除的工作模式，非常適合環視和電子後視鏡應用。 另一方面，經典的多重曝光操作將總動態範圍擴展至 140 dB 以上，甚至可以應對前向和環繞感知中更具挑戰的場景。
這些感測器還有第三種脈衝 LFM 模式，可應對前燈閃爍且亮度過高等極端情況。 在所有情況下，這些感測器的訊號雜訊比 (SNR) 轉換均保持在 30 dB 以上，即使在高達 +125°C 結溫下也是如此。 這些影像感測器能夠滿足 ADAS 安全系統和自動駕駛系統設計對於高性能的需求，就比如在烈日當空的炎炎酷暑中，緊湊封裝的前置相機可能溫度非常高，而其內部的感測器仍然能夠可靠運作。
圖 3. 不同曝光技術    出處 : 安森美

安森美的新車載 HDR 影像感測器採用了超曝光技術，可在整個汽車應用溫度範圍內高效實施一系列操作，包括：
1. 150 dB HDR LFM 超曝光
2. 脈衝 LED 閃爍消除 (pLFM)
3. 多重曝光 140 dB 以上的 HDR 影像捕捉
這些模式涵蓋了所有典型的汽車應用場景，可有效減輕 LED 和其他燈光的閃爍影響。 影像感測器的HDR 性能結合高轉換增益(HCG) 訊號讀出，能夠提供媲美電影的影像質量，在超低到超高光照水平範圍內保持出色的像素線性度，實現清晰、高色彩保真度的 畫面捕捉效果。
有些感測器提供額外的工作模式，與由單一微鏡頭覆蓋的兩個光電二極體 (PD) 相結合，可實現近距離提取，並使用像素內相位檢測獲得彩色影像。 在室溫下對四次曝光 HDR 模式進行表徵後發現，其動態範圍為 140 dB，所有總信噪比轉換等於或高於 30 dB，第一次 T1 曝光讀出使用 HCG。
圖 4. 室溫下四次曝光 140 dB 動態範圍總訊號雜訊比     出處 :   安森美

與傳統的多重曝光影像感測器相比，這些超曝光 HDR LFM 影像感測器可以更好地捕捉明亮的 LED 閃爍，並消除運動偽影，如圖 5 所示。
圖 5. 比較多重曝光 HDR（上面三張圖片）和 LFM HDR（下面三張圖片）在 LED 閃爍情況下的影像捕捉結果    出處 : 安森美

性能優異
超曝光像素 HDR 影像感測器能夠在整個汽車應用溫度範圍內，提供更出色的 HDR 和優異的 LFM，適合在要求嚴苛的照明和溫度環境下運行的安全應用及其他應用。 我們的第二代超曝光技術基於相同的架構原理，可實現尺寸更小、效能更佳的 HDR LFM 像素。