車載用イメージセンサーパラメータ - 信号対雑音比に関する簡単な説明

著者 | William Chen、オン セミコンダクター中国、自動車分野アプリケーション エンジニアリング マネージャー

インテリジェントな運転は徐々に自動車の一般的な機能となり、自動車の快適性と快適性が向上しています。知覚能力はドライバーの作業強度を軽減し、運転の安全性を効果的に向上させることができます。その中で、CMOS イメージセンサーに基づくカメラは、インテリジェント運転システムが外部環境を認識するための主要なツールの 1 つです。

CMOSイメージ センサーはイメージ センサーであり、本質的にはメモリとアナログ - デジタル変換 (ADC) です。 ＃＃＃） 組み合わせ。シリコンの光電効果に基づいて、入射光はセンサー ピクセルの光電ダイオードの電荷を励起し、その電荷が収集および保存され、ADC を介してデジタル出力に変換されます。

図

1光電効果

## 構造的には、CMOS イメージ センサーはメモリに似ており、多数の記憶セルを備え、行および列のアドレス指定をサポートしています。の違いは、メモリが回路によって書き込まれるのに対し、sセンサーの内容は可視光または近赤外光によって書き込まれることです。

センサーによって収集された電荷には 2 つの部分が含まれます。1 つの部分は、予想される電荷​​であり、周囲光からの励起された有効信号、その他の部分はユーザーが望まない干渉によって生成された電荷です 一般にノイズと呼ばれる干渉源は数多くあります。

画像内の情報が有効であればあるほど、より良いものになり、干渉ノイズが少なくなることを願っています。よりいい。画像ノイズの影響を測定するための一般的な指標は、信号対ノイズ比 SNR (信号とノイズの比) です。信号対ノイズ比が大きいほど、画像ノイズの相対的な内容が小さくなり、画質が向上します。 SNR の単位は比率にすることも、対数単位 dB に変換することもできます。

#CMOS

センサー データシートには、通常、以下に示すように信号対雑音比パラメーター SNR が記載されています。

よくある質問があります: 46dB の S/N 比を持つセンサーの低照度効果は、43dB を持つセンサーの効果より優れていますか?

答えは必ずしもそうとは限りません。条件から外れた結論は落とし穴に陥ることがよくあります。

SNR は点ではなく、照明条件の関数です。図 2 に示すように、SNR は次のような線になります。照明の強さが変化する曲線。低照度効果インジケーターとして使用する場合は、低照度条件下での SNR 値を選択する必要があります。業界のセンサー データ マニュアルの SNR パラメーターは通常、最大 SNR 値であり、照明環境が非常に明るい場合の SNR 値、つまり SNR

Max に対応します。図の青い SNR 曲線の右上隅にある点。左下の青線部分のSNR値は低照度を評価するパラメータとして適しており、このときの照度は不十分で低照度環境に相当します。リンゴを売るのと同じで、一番上の層が最高で、カゴを開けて中のリンゴの品質を確認する必要があります。

図

2

信号対雑音比 SNR 曲線

最大 SNR ポイントに基づいてセンサーを判断することには、過度の一般化の問題があります。ニーズに応じて、ユーザーは特定の露出条件に対応する SNR サイズを選択して、低照度ノイズを評価できます。SNR が大きいほど優れており、SNR を SNR# などの固定値に制限することもできます。 ##=5, このとき必要な露光条件の Exposure 値を使用して低照度ノイズを判断します。Exposure 値が小さいほど、同じ SNR を達成するために必要な照明リソースが少なくて済みます。センサーの低照度でのパフォーマンスが向上します。

図 2 は、通常のセンサーの SNR を示しており、単調増加曲線です。自動車で使用される CMOS センサーには、全天候アプリケーション シナリオに適合する高ダイナミック レンジ HDR が必要です。HDR の一般的な方法は、センサーの感度を変更し、さまざまな明るさをサンプリングすることです。次に、複数のサンプリングされた画像フレームを標準化された線形データ空間にマッピングし、最後に異なる感度を持つフレームから適切なピクセルを選択して完全な画像フレームを形成します。「車載用画像センサーのパラメータに関する簡単な説明 - ダイナミック レンジ」を参照してください。

センサーの感度の変化は、座標系の SNR ラインが異なる位置に移動し、SNR が変化することに対応します。最終的な HDR 画像の曲線 図 3 の青い線などの複数の SNR 曲線のフィッティング結果は、単調増加曲線ではなくなりました。低照度 SNR が非常に小さいことに加えて、複数の極小値も存在します。作業時 ポイントが SNR 低下範囲にある場合、その時点で環境が非常に明るい場合でも、ノイズが悪化します。

これは、画像内の人間の目の認識に反する現象を引き起こします。 、明るさが増加すると、画質は悪い状態から良い状態になり、その後突然再び悪化します。したがって、従来のリニア センサーとは異なり、車載ワイド ダイナミック センサーの S/N 比は、明るい条件下での最小値の指標も評価する必要があります。

図 3 HDR 画像の SNR

図 4 SNR とノイズ

車載センサーの SNR は非単調曲線であり、車載アプリケーション環境によって変化します。問題はさらに複雑です。センサーはアナログ デバイスです。ADC の前に、信号およびノイズ データは電荷の形で保存されます。センサーの暗電流も電荷を蓄積します。その生成速度は、露光時間にほぼ比例し、温度に指数関数的に関係します。 。したがって、温度、露光時間、アナログゲインが暗状態ノイズに与える影響も考慮する必要があります。 SNR は温度、露光時間、シミュレーション ゲインの関数であり、その曲線は多次元曲線クラスターになっています。

温度の影響を例にとると、図 5 は SNR= です。 10必要な Exposure 値は、センサーの内部温度が上昇するにつれて変化します。sセンサー# が異なることがわかります。 # #温度ドリフトに対する感度が異なります。これら 2 つのセンサーの SNR 露出値は 60°C で交差します。これは、室温では 2# であることを意味します。 ##5℃ と高温 80℃ を別々に評価した場合、到達した SNR の結論は完全に逆でした。

図

5

ウェーハ内部の温度影響

車載カメラの有効ライフサイクルの温度分布によると、8#を超えています。 ##8% のライフサイクル中、センサー内部の温度は 40℃ を超え、80 を超えます。 % セクション温度が時間内に 60℃を超え、65% セクション温度が超過しました#0℃以内に8##。 温度ドリフトの影響により、SNR 曲線がさらに変化します。図 6 の赤い点線で示されているように、温度が上昇すると、SNR 曲線は低照度領域とハイライトされた局所領域で減少し続けます。

図

6

温度と HDR の関係 SNR への影響

現在業界では、自動車画像への影響 センサーの SNR の評価は、欧州マシン ビジョン協会の EMVA

1288 標準を使用してテストされることがよくあります。 EMVA1288 規格の信号対雑音比 SNR は、従来の単調リニア センサー モデルに基づいて定義されており、車載ワイド ダイナミック イメージ センサーの SNR 特性の記述は完全ではありません。電気電子学会 IEEE は、自動車用画像の新しい品質テスト標準 P2020 を定義しています。オン セミコンダクターはワーキング グループのメンバーとして、IEEE に取り組んでいます。 P2020 規格の画像ノイズ規格の草案には、SNR パラメーターが含まれています。

最後に、車載用 CMOS イメージ センサーの信号対雑音比 SNR は重要な画質指標であり、非単調な特性を持ち、多くの要因の影響を受けます。自動車アプリケーション環境における SNR 評価は、多次元の包括的な評価タスクです。客観的かつ包括的な SNR 評価のみが、センサーの性能を真に記述し、車載イメージング製品の開発を正しく導くことができます。

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