【应用】CMOS快照相机芯片MLX75006/MLX75007为汽车成像仪提供出色的动态范围

在过去的十年中，CMOS和CCD图像传感器驱动了许多新的消费应用，比如移动摄像机。在汽车中引入成像传感器已经严重滞后，因为高速总线、高质量显示器和紧凑的低成本信号处理单元和存储器目前还没有。 此外，上一代相机传感器的性能还不够好，并且不能满足严格的汽车需求。今天，随着新开发的汽车摄像头传感器的推出，可以为明天的汽车创造革命性的安全和舒适特性。目前的相机IC具有高动态范围、高灵敏度的光谱（可见光和近红外）、快速帧速率、不晕染、低成本和现场可测试能力，这给了汽车设计者以前无法提供的驱动选项能力。

存在两种不同类型的应用，两者具有明显不同的要求和需求：人类视觉应用，通常用于舒适系统和机器视觉应用，通常是安全关键的并且用于驾驶员辅助系统中。

在第一个应用组中，成像器的任务是向驾驶员显示一个或多个摄像机图像。这些应用通常需要一个小型的自主色彩传感器，大多数时候会产生NTSC或等效信号以进行即插即用操作。在这个集合中我们找到了例如停车辅助，辅助超车（从另一个角度看左侧镜子的另一侧道路），盲点检测系统。显示器组的子集是夜视，其中可能优选具有更高成本和更高分辨率的黑白传感器。

第二组应用是处理图像处理和通常与安全相关的应用，如车道跟踪、智能气囊的座椅占用、自动盲点检测、自动巡航控制，在这些应用中至关重要的传感器是一个快照，黑色和白色+近红外光谱，完全测试的、高度可靠的CMOS成像。由于要连接到计算单元而不是显示器，所以并行数字输出优于普通视频标准。迈来芯传感器的设计符合安全关键应用的苛刻标准，并且完美地符合机器视觉应用的需求，同时它们也可以轻松用于构建第一类原型（人类视觉）。

解释在“图像处理”类别中需要“智能相机”的好例子是非预期的车道偏离。在2001发生的所有致命事故中，有43%是这样的事件。智能摄像机可以应用于几乎所有道路提供车道偏离警告。一旦消费者意识到智能相机的重要性，它将成为“必备”功能。现有的系统只是发出警告，但没有采取实际行动。（例如声音报警，座椅振动，闪光灯，…）。最终目标是可以根据智能摄像头和其他传感器输入控制转向和制动的汽车，但这是非常遥远的。中间状态是通过多个传感器输入的组合进行平滑引导。

在本文中，将主要讨论的机器视觉（图像处理）和安全相关应用的传感器。汽车应用中的CMOS成像器必须满足以下几个目标：低价格，高温和低温下的良好性能。在汽车中发现的严重环境因素和在生产和现场的严格可测试性的影响下很少或没有老化。

作为对这些苛刻的汽车要求的回应，迈来芯开发了两款CMOS快照相机芯片，可满足内外视觉要求。本文将展示MLX75006（CIF，352x288 = 0.1Mpixels）和MLX75007（全景VGA，750x400 = 0.3Mpixels）这两个部分如何应对这些挑战。 芯片设计确保了宽频谱的高灵敏度，出色的动态范围，所有这些都具有高帧率，并且没有CCD成像器问题，如模糊和难以控制。为了在恶劣的汽车条件下生存，我们开发了一种带有集成无焦点玻璃透镜堆叠的模压塑料封装。这种紧凑的芯片封装透镜组合可以满足市场的价格预期，同时在视野和NIR优化中提供必要的灵活性。这些器件在生产中得到充分验证，并且可以在现场实时测试完整性。

2.汽车成像仪要求和迈来芯解决方案

2.1 技术和商业要求

如简介中所述，汽车图像传感器应符合多种不同要求，以满足汽车市场的需求。

•良好的图像质量：宽光谱范围和宽动态范围内的高灵敏度，所有这些都在很宽的温度范围内：-40ºC - +105ºC和振动模式（快照）。一些应用还需要颜色。

•可靠性：相机专为良好的测试而设计，在生产中测试良好，并允许用户进行现场自检和实时完整性检查。

•具有最佳成本的紧凑型系统：高度集成的摄像头，具有许多内部功能（ADC，...），易于编程，并且最好具有匹配的玻璃透镜系统，同样最小的尺寸和成本，但不影响汽车资格要求。

2.2 良好图像质量的解决方案

虽然不一定意味着同样的事情，但机器和人类视觉应用都需要“良好的图像质量”。虽然视觉应用将更加强调图像的美学方面，而机器视觉应用将更多地关注清晰度，允许边缘和图案检测，“视觉”是两者的关键。传感器需要足够灵敏，以便在任何情况下都能提供“良好”的图像。

由于“视觉”是关键，MELEXIS使用优化的NIR灵敏度过程，产生如下所示的响应曲线，波长为700nm时的灵敏度峰值和高达900nm的高灵敏度。 通过使用相对较大的10μm×10μm像素尺寸来满足高灵敏度的绝对值。

图1 相对于555nm的光谱响应

由于光照条件可以急剧变化（全光照、阴影、隧道、雪和雨、夜晚等），并且在所有这些情况下都需要良好的图像，所以汽车图像传感器需要具有极高的动态范围。

动态范围是常见的消费者图像传感器的限制因素之一。这些传感器永远不需要处理阴影中的黑暗物体，因为在阳光下的地面，反射的光包围着潮湿的道路。消费者传感器通常能够拍摄非常明亮和非常黑暗的场景，但不能同时拍摄。这是汽车图像传感器必须具备的特性。

CMOS图像传感器提供了具有非线性像素响应的可能性。这种非线性可以是分段线性响应（也称为多斜率）、对数响应或不同响应的混合。Melexis的解决方案是分段线性响应，其中总集成时间分布在所有像素上，最亮的集成时间比最暗的集成时间低，因此不会饱和。非饱和允许在非常亮的区域中检测物体，从而将动态范围扩展到更高的极限。当最暗的像素看到正常的线性响应时，它们的噪声水平保持低，接近最低限度的动态范围不变。总之，这导致了一个显著扩展的动态范围，超过100dB。根据所使用的计算方法和假设，精确的动态范围计算可能会有很大差异。乐观的计算可以达到120，130dB，但人们可能想知道是否所有噪声源和温度效应都被考虑在内。

图2 高动态范围图片的示例

由于汽车环境要求温度范围至少从-40ºC到+85ºC，因此必须对图像传感器进行设计和调整以适应这种宽范围。通过优化设计和技术，迈来芯传感器可提供保证从-40ºC到+105ºC的操作光学质量等级。

良好的高温行为的物理限制是泄漏。该效应是温度的指数函数，并且将以非均匀且不可预测的方式降低图像传感器的响应，限制动态范围并在图像映射上随机地产生白点。Melexis传感器包括内部“热点”抑制和一般黑电平补偿，以抵消一些高温泄漏效应，并超过+85ºC限制，具有良好的图像质量。

图3 在25°C和105°C下的相同场景

图3比较了不同温度下的两个相同场景。第一张照片是在室温下拍摄的，必须与在105°C拍摄的第二张照片进行比较，用“热点”消除和偏移补偿，但具有相同的集成时间和速度设置。

为了维持高质量水平和避免图像在所有（汽车驾驶和振动）条件下的倾斜，所有像素在同一时刻集成并“同时冻结图像”的全局快门是关键特征。然而，对于人类视觉应用来说，全局快门要求可能是过度的，对于更复杂的像素这个缺点不值得主意，对于安全关键机器视觉应用，全局快门是必须的。

而在“滚动快门”相机中，每个像素或线条在不同的时刻对图像进行采样，在“全局快门”中，整个阵列中的每个像素在相同时刻对图像进行集成和采样（锁定）。Melexis相机具有非常高的帧速率，可以监控非常快速移动的物体，如旋转风扇，而没有任何模糊的效果。为了设计一个良好的全局快门相机，需要在每个单独的像素中有一个高效的“存储器”单元和足够先进的技术，以便在一个完整的读出周期中保持图像信息存储在该单元中。在极端的阳光条件下，这对于市场上所有的全局快门传感器都不明显。这个限制被测量的参数被称为“快门效率”，其行为很大程度上取决于像素设计本身。

图4 一些彩色图片

在机器视觉应用中，复杂的算法不断地搜索以识别边缘过渡、相关性或其他突然的强度变化。没有人脑可以帮助解释一些奇怪的假象，并且最好避免任何额外的软件开销来补偿由于滚动快门引起的潜在的错位。因此，对于这组应用，全局快门是绝对必要的。

另一方面，颜色选项是人类视觉应用必须的（由于高端用户的市场需求），但对于机器视觉来说并不总是必需的（仅当颜色在机器解释中有显著差异时才需要）。

迈来芯及其合作伙伴开发了彩色滤光片，可以添加在黑白相机的顶部，以便制作真正的彩色相机。迈来芯选择了重复彩色图案的RGB滤波器，被称为拜耳图案。每个2×2像素的块等于3色像素，并且可以用于重建彩色图像。如图4所示，可以达到高保真度。

2.3 用于图像传感器的汽车可靠性和可测试性的解决方案

对于在汽车安全应用中起关键作用的任何其他组件，可靠性是在汽车图像传感器的设计和生产阶段必须解决的重要主题。

迈来芯的汽车图像传感器战略遵循与所有其他汽车零部件相同的路线。

1.基于DFMEA的传感器级可测试性设计（目标是在芯片上实现高效的高测试覆盖率）和应用级设计

2.汽车AEC-Q100合格试验组

3.在不同温度下生产过程中的100％光学和电气测试

4.几个内置的测试模式和实时完整性检查，允许用户在现场监控其应用。

在像成像仪这样复杂的传感器芯片中获得高测试覆盖率并不简单。因此，在设计周期中特别注意这一点。通过使用一些块的完全电分离，使用高级软件工具来编写优化的测试模式，最后但并非最不重要的是，使用传感器的连续数据流来在操作期间合并内部节点的信息，从而达到高的测试覆盖率。与领先的Tier1供应商一起，在应用层面上进行了多次DFMEA讨论，以确保Melexis能够提供符合汽车标准的图像传感器。

在将成像仪发布到汽车生产之前，对所有部件进行标准的汽车合格试验，所有的测试都具有适当的温度水平。由于仅使用标准工艺，所以不会出现重大问题。但是，较低标准的滤色镜技术和集成镜头堆叠（参见下文）也将遵循相同的准则。

为了达到几个ppm的EOL失效水平的汽车目标，需要100％测试输出的生产部件。 使用专为测试和高覆盖率设计的传感器，可以安装高效且优化的测试程序。在这里，迈来芯利用多年来积累的经验和专有技术来测试另一个光学安全关键部件MLX90255线性光学阵列。Melexis能够在-40ºC和+125ºC之间的任何温度下，在晶圆级和最终测试下进行全面的光学和电气测试，并使用自动化的大容量测试设备。

图5 大容量自动测试设备

构建强大的安全关键应用需要对所有关键构建块进行高级完整性检查。由于大多数机器视觉应用需要强大的处理单元，而内置的空间非常有限，所以一些系统是通过所谓的“双盒解决方案”来制造的：一部分由成像器、透镜和置于临界感测区域的一些离散电子器件组成。控制单元和电压基准器件被放置在车内的另一部分。构建这样的系统不仅需要对构建块本身进行良好的验证，而且还需要对通信线路进行良好的监视。

Melexis成像仪提供了多种功能，即使使用双盒概念，用户也可以构建强大的应用。在完成每个图像之后，由照相机发送多个已知的测试模式到处理器，允许用户验证上行链路和下行链路通信线路（也使用所发送的命令字）。由于集成在标准CMOS技术中的现代图像传感器由几个其他功能组成，如内部ADC，白点校正，高级编程功能等，因此在可用的芯片本身上对该系统进行完整性验证也很重要。在每一行之后混合，并在完整图片结束时，相机发送已知的测试模式，允许用户验证成像器本身的模拟和数字域中的几个内部节点的完整性。所有这些完整性模式都是实时的，并且可以非常高效地与正常操作交错。但是，如果出现问题，用户还可以使用其他更高级的测试模式，以确定可能出现问题的位置。要访问这些高级测试模式，传感器必须退出正常操作，但可以始终在测试模式和正常模式之间快速进行单帧切换。

虽然符合汽车使用要求的电子传感器（包括图像传感器！）的预期故障率在ppm范围内，但所有关键部件（包括布线）的完全可见性对于构建稳健的最终系统至关重要。通过各种实现的测试模式，并与MeleXIS成像仪提供，可以保证这一点。然而，第一代安全关键驾驶辅助系统肯定不会超过驾驶员的决定，但主要是在潜在的危险情况下提供帮助。

2.4 最佳尺寸和成本的解决方案

在汽车领域，除了性能和可靠性外，尺寸和成本也是极其重要的标准。

凭借光学线性阵列的经验和专业知识，迈来芯与其合作伙伴进一步开发了塑料包覆成型腔体封装概念。 该解决方案具有以下优点：

1.一种众所周知的标准包装技术，价格相对较低，并提供与汽车中使用的其他几种塑料包装相似的质量性能。

2.尽管腔体提供了一条通向光敏传感器光线区域的简便路径，但所有其他部件都包覆成型，包括一些敏感的电子元件，当然还有键合线和键合焊盘。

3.由于光学感测区域可以自由存取，所以也有聚焦透镜安装的机会，在尺寸，易于操作和最终总成本方面为用户提供了一些额外的优势。

用于光学线性阵列的塑料腔概念的几年经验使我们能够将塑料腔封装概念精心制作成通用的图像传感器封装技术。使用标准的工艺和化合物，可以达到标准的汽车质量水平。MSL 3级是标准的，但是通过选择适当的化合物，MSL 1级可以作为目标。目前，基于引线框架的解决方案（如MQFP型封装）在汽车领域被广泛接受，但如果QFN技术将获得与MQFP相同的接受水平，则相同的腔技术可应用于无引线QFN类型。

封装可靠性中最关键的一点是键合线和键合焊盘。由于它们与任何其他标准汽车塑料包装完全相同，因此不会出现质量差异。只要在腔和键合焊盘位置之间保持足够的保护带，塑料腔封装概念就提供与标准塑料封装相同的可靠性性能。由于敏感的非光学电子器件覆盖有塑料，因此不需要额外的金属层来覆盖。这可以允许更便宜的传感器技术并且还可以改善诸如速度或匹配的一些电气行为。而且，厚的塑料层是比薄金属层更有效的光学密封剂。

图6 采用MQFP44封装的MLX75006（CIF传感器）

所有光学系统都需要一个或多个镜头。这种开放式封装技术允许将透镜直接安装在传感器上。为此，开发了一种由多个镜头接口组成的集成镜头堆栈，这些镜头接口针对MLX75007图像传感器的所谓全景VGA分辨率进行了优化。镜头提供60度视野。光学设计与传感器性能相匹配，并针对近红外线的宽波长范围进行了优化。边缘失真被限制到最小，并且在50lp/mm处MTF为40%，通常可以在宽的波长范围和视野下实现。

安装镜头时，使用塑料封装或PCB板作为参考，由于公差的高度增加，需要额外的调整方法。通过将集成透镜堆栈（ILS）直接放置在封装内，将传感器区域作为参考平面，并通过良好控制公差，可以提供完全无焦点的集成透镜解决方案。除了最佳尺寸之外，易于处理也给用户带来了几个优点：

1.终端用户不需要聚焦，也不可能失焦（按设计）

2.模块：传感器+镜头接口可以在发货前由迈来芯进行全面测试

3.目标是提供完整的气密和光学密封解决方案，能够承受标准焊接技术，因此是即插即用组件，类似于许多其他当前使用的传感器。

2.5 如何设计汽车视觉应用：“寻求最佳折衷”

任何（视觉）应用最终成功的关键在于对所有应用需求的正确判断以及硬件和软件需求的正确选择。每个构建快都有其独特的优势，也有其价格，因此，一如既往地设计好，意味着实现优化和均衡的折衷。

如本文所述，关于图像传感器，应该相互权衡几个规格要求：全局快门与滚动快门，颜色与黑白，像素大小和分辨率。

如上所述，全局快门对于相机来说是非常有趣的特征，但是它需要复杂的像素设计。因此，如果不需要，滚动快门可能是一个有趣的替代品，可能具有更高的光敏感度，价格更低。这同样适用于颜色。它的需求应该在整个系统中仔细平衡和考虑，因为它将具有显着较低的光敏感度和动态范围以增加成本。

像素大小和分辨率将在很大程度上决定成像仪的最终成本，但也会影响镜头成本和软件需求。太大的镜头对于大规模汽车市场来说将是非常昂贵的。由于非常高的帧/秒的百万像素图像流，极高的带宽和处理能力对于处理器要求和EMC资格也可能是令人望而却步的。对于某些特定应用，“老式电子”CCD解决方案甚至可能仍然是当今的最佳选择。然而，对于其他应用，将需要CMOS全局快门图像传感器。

最终的汽车视觉应用将是一系列平衡判断的最终结果：使用优化软件的正确部件，以可接受的市场价格获得正确的性能。

3 结论

本文介绍了图像传感器在高要求汽车领域应用时应遵守的主要标准。除了图像质量，尺寸和成本等明显参数之外，可靠性和完整性验证手段还将确定将汽车图像传感器集成到安全关键汽车应用中的可能性。此外，包覆成型的开放式封装与无焦点集成透镜堆叠的独特组合可成功解决尺寸和成本要求。