Hochempfindlicher CMOS-Bildsensor für Kfz-Kameras mit gleichzeitiger LED-Flacker-Verminderung und HDR-Aufnahmequalität

Hohe Dynamik ohne Flackern

  • Der CMOS-Bildsensor IMX390CQV für KraftfahrzeugkamerasDer CMOS-Bildsensor IMX390CQV für Kraftfahrzeugkameras
  • Der CMOS-Bildsensor IMX390CQV für Kraftfahrzeugkameras
  • Abb. 1: Vergleichsbeispiel: Gleichzeitige LED-Flackerminderung und HDR-Funktionen (links), nur HDR-Funktion (rechts)
  • Abb. 2: Bildvergleich unter einer Lichtbedingung von 0,1 lx: Sensor IMX390CQV (links), Sichtbild (rechts)

Assistenzsysteme sind aus modernen Kraftfahrzeugen nicht mehr wegzudenken. Dabei spielen die kamerabasierten Systeme eine zentrale Rolle. Die Anforderungen an die Sensorik dieser Kameras sind aufgrund stark veränderlicher Lichtverhältnisse extrem hoch. Daran sind nicht nur die natürlichen Kontrastverhältnisse schuld, sondern auch das Flackern künstlicher Lichtquellen. Hier gibt es eine neue technische Lösung.

In den letzten Jahren wurden LEDs weithin für Verkehrszeichen und Signale, aber auch für Fahrzeugkomponenten wie Frontscheinwerfer und Bremslichter eingesetzt. Ein weiterer Trend war, dass Auto-Kameras in der Lage sein mussten, Bilder mit einem hohen Dynamikbereich zu erfassen, und das auch in Situationen mit extremen Kontrastverhältnissen, zum Beispiel beim Einfahren in Tunnels oder deren Verlassen bei Tageslicht. Um damit umzugehen, setzt jetzt ein neuer Bildsensor von Sony sowohl die LED-Flacker-Minderung als auch HDR-Funktionen gleichzeitig ein und sorgt so für eine genauere Erkennung in unterschiedlichen Verkehrsumgebungen der realen Welt, mit denen die Fahrer konfrontiert werden.
Der neue Bildsensor IMX390CQV ist mit seiner Einführung branchenweit der erste, der sowohl mit einer Funktion zur Verminderung des LED-Flackerns ausgestattet ist, als auch mit einer HDR-Funktion.

Gleichzeitige Reduzierung des LED-Flackerns und HDR-Funktionen

Der Bildsensor setzt die originäre Pixelstruktur und Belichtungsmethoden von Sony ein, womit erstmals in der Branche die gleichzeitige LED-Flackerminderungs- und HDR-Funktionen verwirklicht wird. LED-Zeichen und LED-Autobeleuchtungen vor und hinter dem Fahrzeug sind genau erkennbar und ermöglichen eine Bilderfassung mit hohem Dynamikbereich ohne Highlight-Blowout unter Beibehaltung von Schattendetails in Situationen mit extremem Kontrast, zum Beispiel beim Einfahren in Tunnels oder deren Verlassen.

Eindämmung des LED-Flackerns

In modernen Verkehrsumgebungen finden LEDs häufig sowohl für Verkehrszeichen und Signale als auch für Frontscheinwerfer und Rücklichter im Auto Verwendung. Das bedeutet, dass Kfz-Kamers in der Lage sein müssen, diese Elemente sehr genau zu erfassen.

Allerdings können diese infolge der Tatsache, dass LEDs mit sehr hoher Frequenz flackern (was im Normalfall vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen wird), wenn sie durch Kameras festgehalten werden, einen als LED-Flackern bezeichneten Effekt hervorrufen. Das mit dem durchschnittlichen CMOS-Bildsensor erfasste Licht zeigt dann ein Flackern, welches das genaue Erkennen von Signalen und Automobilen in der Umgebung beeinträchtigt. Sony’s neuer Bildsensor hat sich dieses Problems dadurch angenommen, dass die Belichtungszeit länger ist als die Flackerfrequenz der LED, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Flackern minimiert wird. (Hinweis: Verminderungen des LED-Flackerns von LED-Lichtquellen (Frequenz >90 Hz) sind in EN12966 vorgeschrieben.)

HDR-Funktion

Kraftfahrzeugkameras müssen zudem scharfe Gesamtbilder mit minimalem Rauschen, keinem Verlust von Schattendetails sowie ohne Auslöschen durch Spitzlichter (Highlight Blowout) erfassen können, und das auch in Situationen mit extremen Kontrastverhältnissen, beispielsweise beim Einfahren in und Verlassen von Tunnels bei Tageslicht (Abb. 1), oder bei der nächtlichen Fahrt in Stadtgebieten. Der neue Bildsensor ist durch die originäre Pixelstruktur und Belichtungsmethode von Sony gekennzeichnet, deren HDR-Funktion Aufnahmen mit einem weiten Dynamikbereich von 120 dBii mit geringem Rauschen ermöglicht.

Hohe Empfindlichkeit

Der Bildsensor enthält zudem Schaltungen, die sich bei der Umwandlung der den Fotodioden entstammenden Elektroniksignale in Spannungssignale durch einen verbesserten Wirkungsgrad auszeichnen. Dadurch wird höchste Empfindlichkeit geboten, die ungefähr 1,5-mal höher ist, als die von bisherigen  Bildsensoren bei Automotive-Kameras der 2.0-Megapixel-Klasse (nach Untersuchungen von Sony). Hierdurch kann der Sensor Farbbilder hoher Qualität selbst unter Lichtbedingungen von lediglich 0,1 lx erfassen, wie sie etwa bei Mondlicht herrschen. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Kamera bei der Wiedergabe von Hindernissen und Personen verbessert (Abb. 2).
Darüber hinaus hat Euro NCAP – eine Organisation, die sich mit dem Rating der Automobilsicherheit in europäischen Ländern befasst – entschieden, ab 2018 auch nächtliche Fußgänger als Ziele für automatische Bremssysteme zur Kollisionsvermeidung einzubeziehen. Dies wird die Nachfrage nach hochempfindlicher Bilderfassung mit hoher Qualität im Markt der Kraftfahrzeugkameras steigern

Einhaltung von Qualitätsnormen

Es ist geplant, dass der IMX390CQV noch im laufenden Geschäftsjahr die Anforderungen der Zuverlässigkeitstests von Automotive-Elektronik-Komponenten nach AEC-Q100 Grade 2 erfüllt. Außerdem führt Sony mit diesem neuen Produkt einen Entwicklungsprozess ein, der mit den Automobil-Standards für funktionale Sicherheit ISO 26262 konform ist und ein hohes Design-Qualitätsniveau für ein Automotive-Produkt gewährleistet. Der neue Sensor genügt auch den Anforderungen für funktionale Sicherheit nach ASIL C.
Durch Konformität mit diesen Normen und Qualitätsanforderungen für Automobilkomponenten ist er bereit zum Einsatz in Überwachungskameras (Forward-Sensing Camera = FSC) für fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) sowie Kameras für Erkennungssysteme (Camera Monitoring Systems = CMS), die Personen und Hindernisse auf einem fahrzeuginternen Monitor deutlich sichtbar darstellen – eine Anwendung, der als Ersatz für bisherige Rückspiegel ein hohes Wachstum vorausgesagt wird.

 

 

 

Schlüsselspezifikationen

  • Modellbezeichnung: IMX390CQV
  • Anzahl effektiver Pixel: 2017 (H) × 1217 (V), ungefähr 2,45 Megapixel
  • Bildgröße: Diagonal 6,67 mm (Type 1/2.7)
  • Elementarzellengröße: 3,0 μm (H) × 3,0 μm (V)
  • Bildfrequenz Full-HD1080p: AD10bit 60 fps, AD12bit 40 fps
  • Empfindlichkeit (F5.6, 1/30 Sekunden): 1,953mV (grünes Pixel)
  • Dynamikbereich (EMVA1288-Standard): 120 dB
  • 110 dB (wenn HDR-Funktion und LED-Flackerreduzierung gleichzeitig verwendet werden)
  • Sättigungssignal (Mindestwert): 700 mV
  • Energieversorgung : Analog 2,9 V, Digital 1,2 V, Interface 1,8 V
  • Interface: MIPI CSI-2 serieller Ausgang (4 Lane / 2 Lane)
  • Gehäuse: 96-Pin Kunststoff-BGA
  • Gehäuseabmessungen: 10,0 mm x 10,6 mm
  • Versanddatum  Muster: Mai 2017
  • Versanddatum Massenproduktion: März 2018 (geplant)

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Kemperplatz 1
10785 Berlin
Germany
Telefon: +49 30 2575 500
Telefax: +49 30 2575 5269

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