di Sergey Velichko | Senior Manager – ASD Tech and Product Strategy di onsemi
In passato le automobili erano mezzi completamente controllati dal conducente. Oggi vediamo auto equipaggiate con sistemi sempre più avanzati di assistenza alla guida e parliamo di guida autonoma, ossia di veicoli in grado di operare in modo completamente indipendente. Per una guida in sicurezza, però, i mezzi devono essere in grado di percepire l’ambiente circostante. A rendere possibile tutto ciò sono essenzialmente i sensori e, in particolare, i sensori di immagine ad alta risoluzione come quelli proposti da onsemi, che garantiscono le prestazioni richieste dal settore a un prezzo in linea con le aspettative.
Le peculiarità dei sensori di immagine
I sensori di immagine sono tra i sensori più versatili e diffusi, grazie alla loro capacità di acquisire forme, trame (texture) e colori e al loro costo relativamente contenuto. Il loro impiego non è però esente da criticità: le condizioni di illuminazione potrebbero provocare livelli di contrasto estremi e riverberi dalle strade bagnate, mentre determinate condizioni atmosferiche, come pioggia, nebbia e neve, possono ostacolare la visibilità. E, ancora, semafori, segnali stradali, fari e luci posteriori utilizzano solitamente l’illuminazione a Led, un’illuminazione a elevata efficienza che però ha lo svantaggio di essere di tipo pulsato: l’occhio umano non nota questo fenomeno, mentre un sensore di immagine lo interpreta come un flusso di immagini soggetto a sfarfallio (flickering).
Inoltre, uno dei compiti fondamentali dei sensori di immagine in campo automotive è rilevare oggetti che si trovano lungo il percorso del veicolo: maggiore è la distanza alla quale è possibile vedere un oggetto, più lungo sarà il tempo a disposizione del veicolo per prendere una decisione e reagire di conseguenza. Per questo sono richieste un’alta risoluzione e un’elevata qualità delle immagini nell’identificare gli oggetti a distanza. Infine, anche il costo rappresenta un fattore critico: i veicoli utilizzano più sensori di immagine in tutto il sistema, non solo per la visione frontale, ma anche per fornire una panoramica a 360° e monitorare l’abitacolo. Pensate che alcuni modelli di automobili prevedono oltre una decina di telecamere. I sensori di immagine della prossima generazione svolgeranno un ruolo cruciale nel processo di transizione che porterà sulle nostre strade un numero crescente di veicoli più sicuri, ricchi di funzionalità e sempre più autonomi.
Dalla guida assistita alla guida autonoma
La statunitense Society of Automotive Engineers ha definito un modello a sei livelli che traccia l’evoluzione degli stadi di automazione in campo automotive, dai veicoli privi di qualsiasi forma di intelligenza a quelli autonomi in tutte le condizioni di guida. Al momento attuale, molti veicoli sono in grado di funzionare al livello 2, che include i controlli basilari, come ad esempio la correzione in caso di deviazione dalla corsia di marcia in autostrada. Il passaggio al livello successivo è significativo, in quanto il livello 3 prevede un controllo più automatizzato del movimento del veicolo. Per supportare ciò i sensori di immagine devono essere caratterizzati da una risoluzione di 8 MP (MegaPixel), un valore quattro volte superiore rispetto a quello dei sensori impiegati attualmente. Un simile livello di risoluzione sarà sufficiente per supportare alcune funzionalità autonome in determinate situazioni, come ad esempio durante la marcia in autostrada. Per le funzionalità previste dagli ultimi due livelli (4 e 5) saranno necessari sensori di immagine con una risoluzione ancora maggiore, che garantiscano il funzionamento autonomo in tutte le condizioni di guida. In modo del tutto analogo, le telecamere per i punti ciechi e per il rilevamento dell’ambiente circostante dovranno essere contraddistinte da una risoluzione maggiore, compresa tra 3 e 8 MP in base al loro utilizzo, nonché garantire simultaneamente l’attenuazione dello sfarfallio dei Led e il funzionamento in modalità Hdr (High Dynamic Range, dove la gamma dinamica si riferisce al rapporto tra la massima e la minima luminosità misurabile in un’immagine). I filtri non Bayer, invece, stanno sostituendo le matrici di filtri colorati di Bayer per migliorare il funzionamento in presenza di scarsa illuminazione, garantendo, allo stesso tempo, ottime prestazioni cromatiche.
Dimensioni dei pixel
L’incremento della risoluzione dei sensori comporta un significativo aumento dei costi se le dimensioni dei pixel, attualmente comprese tra 4,2 e 3 μm, rimangono le stesse. Tuttavia, riducendo le dimensioni dei pixel a 2,1 μm si può avere una diminuzione del costo di un sensore da 8 MP: quindi, un sensore da 8 MP con pixel da 2,1 μm sarà molto più economico rispetto a un sensore con la medesima risoluzione con pixel da 4,2 o 3 μm. A questo punto sarebbe lecito ipotizzare l’esistenza di qualche compromesso per quel che riguarda i parametri che definiscono le prestazioni critiche come quelle in condizioni di scarsa illuminazione, il rapporto tra segnale e rumore o l’elevata gamma dinamica. Nel caso dei sensori di onsemi con pixel di dimensioni pari a 3,75, 3 e 2,1 μm, però, gli indicatori (metrics) che determinano le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione (Snr1 e Snr3) sono sostanzialmente simili. Invece, le prestazioni in termini di Snr e Hdr dei nuovi sensori di immagine con pixel da 2,1 μm sono superiori a quelle di analoghi sensori con pixel da 3 μm. Un esempio? Nel rilevamento di una roccia, di notte, illuminata solamente dai fari del veicolo, i sensori con pixel da 3 μm e risoluzione di 3 e 5 MP sono stati in grado di raggiungere distanze di rilevamento di 125 e 150 m rispettivamente, mentre con il sensore di onsemi è stato possibile ottenere una distanza di rilevamento pari a 170 m. Grazie alla maggior distanza alla quale è possibile individuare un oggetto, aumenta il tempo di reazione a disposizione per il sistema, il che equivale a un incremento significativo del livello di sicurezza.
Qualità dell’immagine ed elevate temperature
Il cambiamento della tipologia di filtri colorati, da quelli di Bayer ai filtri RYYCy o RCCB, e l’integrazione di una pipeline di colori HDR di elevato livello qualitativo come Clarity+ hanno permesso di migliorare in modo significativo le prestazioni del sensore e la qualità dell’immagine. Le disposizioni (pattern) dei filtri colorati di tipo “non Bayer” consentono l’ingresso di un numero maggiore di fotoni in ciascun pixel, migliorando le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione. In questo modo il sensore sarà in grado di “vedere” meglio in condizioni difficili e di produrre acquisizioni “grezze” accurate per quel che concerne i colori, che vengono trasformate in immagini di elevato livello qualitativo. Il rapporto tra segnale e rumore è un parametro importante per tutti i sensori di immagine, in quanto correlato alla capacità del sistema di rilevare oggetti all’interno delle immagini generate dal sensore. In presenza di temperature elevate, un sensore con pixel da 3 μm a diodo diviso (split-diode) fa registrare una diminuzione dell’Snr pari a circa 20 dB. A questo livello il rumore è chiaramente visibile, rendendo più difficile il rilevamento di oggetti. Un analogo sensore prodotto da onsemi è in grado di assicurare livelli di Snr superiori a 30 dB. A questi livelli il rumore è sensibilmente inferiore e la rilevazione di oggetti molto più semplice: il risultato è un’immagine più adatta per le applicazioni di visualizzazione. La temperatura, infine, rappresenta sempre un problema per i sensori di immagine e può deteriorare in maniera significativa prestazioni e qualità dell’immagine. Ciò vale in particolare per le applicazioni automotive, dove i sensori devono operare a elevate temperature di giunzione (pari o superiori a 80 °C) per oltre l’80% della loro durata operativa, in quanto esposti alla luce solare diretta e ospitati in involucri di ridotte dimensioni insieme ad altri circuiti elettronici che generano calore durante il loro funzionamento. Anche a temperature di giunzione di 125 °C, i sensori di immagine di onsemi con dimensioni dei pixel pari a 2,1 μm garantiscono valori di Snr superiori a 25 dB in condizioni di illuminazione di intensità medio-alta, assicurando un rilevamento accurato degli oggetti in tutte le condizioni operative.
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