文/John Lewis-VSDC

为了开发具有高动态范围的工业相机产品，供应商们可以选择众多不同的CCD及CMOS成像器。例如，在军事、汽车和医疗应用中，具有大动态范围的成像器非常有用，因为它能够捕获到图像中的极亮和极暗部分，随后对其处理用于进一步分析。

由于动态范围的定义是最大非饱和输入信号与最小可检测输入信号之间的比值，因此我们可以通过增大最大非饱和输入信号、或是减小最小可检测输入信号，来提升成像器的动态范围。

目前，许多供应商都调整了他们的CMOS成像器来提高动态范围。当然，提高动态范围有两种主要技术：一种是调整像素曝光时间；另一种是调整像素转换增益。CCD供应商和基于CCD的相机供应商也会采用这两大技术来提升动态范围。

例如，JAI公司（www.jai.com）基于CCD的Fusion系列相机，就采用这种设计方法。它包含一个双CCD架构，其中，每个通道的快门速度和/或增益都可以独立控制，这样就可以实现一个通道捕获画面中明亮区域的细节，而另一个通道捕获较暗区域的细节。将两个通道的内容合成到一起，获得了该公司声称高达118dB的动态范围。

还有许多厂商使用片上像素转换增益的方法，在其高动态范围相机中使用增强型CCD（ICCD）、电子轰击型CCD（EBCCD）和电子倍增型CCD（EMCCD）等，比如e2v公司（www.e2v.com）和德州仪器公司。

安森美半导体公司（www.onsemi.com） 的KAE-02150图像传感器，就使用EMCCD技术，将1920×1080像素、2/3英寸图像传感器的动态范围，从其标准增益模式的66dB提升到了“场景内模式（intra-scene mode）”的86dB。

通过使用EMCCD，这种场景内可切换增益技术以一个个像素为基础对每个电荷包（charge packet）进行采样，根据一个用户可选的阈值来决定将电荷输送至常规增益通道输出，还是送至EMCCD通道输出。当亮物体处于较暗的场景中时，这种技术可以实现在低光条件下捕获图像。

安森美半导体公司产品营销经理Michael DeLuca表示，已经有一些相机公司在他们最新的高动态范围相机中采用了KAE-02150图像传感器，如Bitran公司（www.bitran.co.jp）和Imperx公司（www.imperx.com）。正如Imperx公司相机开发总监Jim DiBella所指出的，使用KAE-02150图像传感器进行相机设计，并非一项轻松的工作。从KAE-02150的数据手册（http://bit.ly/VSD-ONSemi）中可以看出，该器件采用了一种象限输出的架构从CCD中读取像素。

在输出通路的每一级，一个水平输出寄存器对来自器件中每个象限的像素进行移位（见图1）。随后，使用一个输出放大器对每个像素采样，再由FPGA器件将像素数字化为12位数值，并存储在相机内部的FPGA中。为了让相机产生宽动态范围，具有低光值的像素被移入EMCCD以提高增益，经数字化后传送给FPGA；而那些具有相对高亮度值的像素，则绕过EMCCD，再经数字化后存储到FPGA中。为了选择哪些像素需要被EMCCD放大，需要读取像素的原始值，并在FPGA中设定阈值，以将像素送入合适的处理通道。

 “两种类型的像素值都会被数字为12位数值，”DiBella说，“然而，为了获得19位的有效高动态范围，由EMCCD施加的增益也必须应用到那些不曾通过EMCCD通道处理过的像素上。”然后，通过对所有像素数据进行合并，就能得到一幅高动态范围的图像。

当然，要显示这种高动态图像，即便是具有最高动态范围的显示器也是无法做到的。为了观看这种高动态范围图像，可用使用非线性伽马校正，将19位图像转换成8位图像以便显示。“这种图像通常不用于图像分析（图像处理算法要用于具有全动态范围的图像），而仅仅是作为一种工具，让操作人员能够观察到图像。”DiBella说。

Imperx公司在其型号为Puma P1940的Camera Link相机中采用了KAE-02150图像传感器，使其能作为一台标准的机器视觉相机使用，能以高达60fps的帧率传输1920×1080×12-bit的图像。“然而，由于EMCCD器件工作在20MHz，当相机工作在高动态范围模式下时，其帧率将被限制在30fps。”DiBella补充说。继Puma P1940相机之后，Imperx公司还将基于安森美半导体公司的KAI-08151 810万像素图像传感器，开发一款高分辨率EMCCD相机。