了解增强型sCMOS成像四：相机模块和下一代增强成像
2026-05-09 来源:本站 点击次数:129
4.相机模块
增强型相机内的相机模块与图像增强器中的磷光体的输出光耦合。相机模块的选择决定了图像分辨率、帧速率、动态范围等一般系统参数和双像能力等特殊功能。新型pco.dicam C1的相机模块技术基于我们带有CLHS接口的制冷型sCMOS相机pco.edge 5.5，可以充分利用sCMOS技术在灵敏度、分辨率、速度和动态范围方面的众所周知的优势来创建远远超出CCD模块能力的增强图像数据速率。将sCMOS相机模块集成到 pco.dicam C1的主要工程挑战是图像增强器操作和相机模块上的图像采集之间的精确同步。
图像芯片的尺寸或者为捕获磷光体输出而选择的有效区域尺寸决定了串联透镜系统能提供的成像比例。使用具有25 mm直径且选定2048×2048像素的sCMOS芯片区域的首选高分辨率图像增强器，产生的缩放比例为 13.3 mm：25 mm = 0.53，使用100 mm准直透镜和53mm成像透镜可满足此要求。
投影图像圈完全被sCMOS探测器的2048×2048，6.5 μm像元覆盖——见图21， 没有浪费宝贵的图像增强器面积。因而sCMOS芯片的四个角保持黑色。对于仅仅几条垂直居中线的快速扫描，有2048像素的全线长度可用，对于此类ROI相机模块允许超过1000 fps。
5.下一代增强成像：新的pco.dicam C1
5.1 通过串联透镜耦合获得无与伦比的图像质量
在新的pco.dicam C1中实现的新开发的高性能串联透镜耦合的功能和优点已在第 3章中描述。详见论文集锦：了解增强型sCMOS成像（三）。
5.2 104 fps @ 全分辨率
除了高灵敏度、高动态和高分辨率之外，在pco.dicam C1内使用基于sCMOS的相机模块的主要优势之一是全像素分辨率下的快帧速率。104 fps、4.2 MPix分辨率和 16位动态的持续帧速率首次通过增强型相机变为现实。它不仅是快速的sCMOS芯片，而且还是超快速的CLHS 接口（见下文），它为前所未有的870 MByte/s的增强图像数据速率打开了大门。局部帧速率随其垂直分辨率而变化，例如，将垂直ROI降低到1024行对应208 fps，不管这些垂直行的水平长度如何。
5.3 Camera Link HS
Camera Link HS (CLHS)首次用于增强型相机系统。CLHS是科学相机系统的最新接口标准，专为满足视觉和成像应用的需求而设计。它在相机和图像采集卡之间提供低延迟、低抖动的、实时的信号传输，同时传输大图像数据速率、控制数据和触发事件。该接口添加了新的特性和功能并基于Camera Link的主要优势之上。Camera Link HS已被开发为一种允许充分利用sCMOS芯片技术的接口。拥有终极性能的相机的新接口标准具有以下特点：
更大带宽
更强大的连接
更远的距离
更灵活
更开放
更加经济
为什么在增强型相机中使用FOL接口？
在高能物理学中通常需要我们的pco.dicam系列相机独特的超短选通功能。高能物理研究设施通常是大型设施，包括加速器、对撞机、同步加速器和FEL。由于它们的尺寸很大，相机控制PC和相机位置之间的距离很容易达到数百米。这段距离最好全部用 FOL光缆连接，不需要再部署电光转换器或信号中继器来增加潜在的错误源。此外，这些光纤光缆能够抵抗所有类型的电磁干扰。作为一种通用的基础设施，FOL通常已经可用在高能设施中。
5.4 增强消光比门控
在进行需要图像增强的应用时，一个常见的挑战是在配置的曝光时间结束后（如在数字图像传感器sCMOS的读出过程中）因泄露而到达检测器的大量光。如果整体消光比，即系统阻挡不需要的光的能力不够，则连续泄漏的光可能会导致过曝而无法检测应用中的短事件。
一个非常短且微弱的预放电事件的简化示例可以说明这种情况（图22），捕获此事件时必须考虑如何消除紧随事件其后且持久明亮的放电过程的影响。
配置的光电阴极曝光时间长度与sCMOS探测器读出时间长度之间的关系迫使我们更加关注增强型相机的快门比。纳秒曝光时间到毫秒读出时间定义了10-6图像占空比。那么，例如，要实现10的信噪比，所需的消光比必须至少为10-7。如果仔细观察与波长相关的快门比的数值，会发现较短波长的紫外线和蓝光在关闭/OFF状态下被光电阴极阻挡的效率较低（图23）。
得到的图像占空比为1×10-6，假设消光比为1×10-8，我们预计只有大约1%不需要的图像内容以及得到高达102 的SNR。
5.5 光触发和EF镜头控制
在典型的实验环境中，增强型相机通常会暴露在强电磁场中。这些场对铜缆上触发信号传输的干扰是这些应用中非常常见的挑战。为了减轻干扰，pco.dicam C1的接口背板通过FOL提供额外的光触发输入（图24）。除了能够抵抗所有类型的电磁干扰外，该光学触发接口还可以无损覆盖触发源和相机之间数百米的距离。
安装并运行后，用户对相机的访问受到限制，这也产生了对光学元件的远程控制的需求。pco.dicam C1提供使用范围广泛的佳能EF镜头的选项，EF镜头的远程控制被集成到pco.dicam C1的硬件以及PCO的专有相机控制软件pco.camware中，从而允许从控制PC端调整EF镜头的光圈和焦距。
参考文献：
增强型相机内的相机模块与图像增强器中的磷光体的输出光耦合。相机模块的选择决定了图像分辨率、帧速率、动态范围等一般系统参数和双像能力等特殊功能。新型pco.dicam C1的相机模块技术基于我们带有CLHS接口的制冷型sCMOS相机pco.edge 5.5，可以充分利用sCMOS技术在灵敏度、分辨率、速度和动态范围方面的众所周知的优势来创建远远超出CCD模块能力的增强图像数据速率。将sCMOS相机模块集成到 pco.dicam C1的主要工程挑战是图像增强器操作和相机模块上的图像采集之间的精确同步。
图像芯片的尺寸或者为捕获磷光体输出而选择的有效区域尺寸决定了串联透镜系统能提供的成像比例。使用具有25 mm直径且选定2048×2048像素的sCMOS芯片区域的首选高分辨率图像增强器，产生的缩放比例为 13.3 mm：25 mm = 0.53，使用100 mm准直透镜和53mm成像透镜可满足此要求。
投影图像圈完全被sCMOS探测器的2048×2048，6.5 μm像元覆盖——见图21， 没有浪费宝贵的图像增强器面积。因而sCMOS芯片的四个角保持黑色。对于仅仅几条垂直居中线的快速扫描，有2048像素的全线长度可用，对于此类ROI相机模块允许超过1000 fps。
5.下一代增强成像：新的pco.dicam C1
5.1 通过串联透镜耦合获得无与伦比的图像质量
在新的pco.dicam C1中实现的新开发的高性能串联透镜耦合的功能和优点已在第 3章中描述。详见论文集锦：了解增强型sCMOS成像（三）。
5.2 104 fps @ 全分辨率
除了高灵敏度、高动态和高分辨率之外，在pco.dicam C1内使用基于sCMOS的相机模块的主要优势之一是全像素分辨率下的快帧速率。104 fps、4.2 MPix分辨率和 16位动态的持续帧速率首次通过增强型相机变为现实。它不仅是快速的sCMOS芯片，而且还是超快速的CLHS 接口（见下文），它为前所未有的870 MByte/s的增强图像数据速率打开了大门。局部帧速率随其垂直分辨率而变化，例如，将垂直ROI降低到1024行对应208 fps，不管这些垂直行的水平长度如何。
5.3 Camera Link HS
Camera Link HS (CLHS)首次用于增强型相机系统。CLHS是科学相机系统的最新接口标准，专为满足视觉和成像应用的需求而设计。它在相机和图像采集卡之间提供低延迟、低抖动的、实时的信号传输，同时传输大图像数据速率、控制数据和触发事件。该接口添加了新的特性和功能并基于Camera Link的主要优势之上。Camera Link HS已被开发为一种允许充分利用sCMOS芯片技术的接口。拥有终极性能的相机的新接口标准具有以下特点：
更大带宽
- 大约1187 MB/s 的有效带宽（CLHS X-Protocol - 10 G）大约等于USB 3.1 Gen1 带宽的三倍，并且等于CoaXPress CXP-12的数据速率
更强大的连接
- 前向纠错码 (FEC) 确保在比特误码率 (BER) 为10-12时不会出现通信错误
- 前向纠错可即时纠正多达11位的突发错误
- FEC技术取代数据包重发机制以提高数据可靠性
- 光纤链路 (FOL) 具有高抗 EMC能力并允许使用具有最佳信号完整性的长光缆
更远的距离
- 使用多模光纤的光缆长度超过300 米
- 单模光纤光缆长度超过10 公里
更灵活
- 具有极低抖动的光缆实时触发功能
- 使用GenICam和GenCP，即插即用
- 使用标准LC连接器进行灵活的光缆选用
更开放
- 完整的CLHS规范可免费下载
- AIA IP核可用于快速兼容的FPGA的执行（Xilinx、Altera、Lattice）
更加经济
- 使用来自多个供应商的增强型小型可插拔(SFP+)连接器等标准网络硬件组件，可实现多源采购并降低成本
- 经济的许可证
为什么在增强型相机中使用FOL接口？
在高能物理学中通常需要我们的pco.dicam系列相机独特的超短选通功能。高能物理研究设施通常是大型设施，包括加速器、对撞机、同步加速器和FEL。由于它们的尺寸很大，相机控制PC和相机位置之间的距离很容易达到数百米。这段距离最好全部用 FOL光缆连接，不需要再部署电光转换器或信号中继器来增加潜在的错误源。此外，这些光纤光缆能够抵抗所有类型的电磁干扰。作为一种通用的基础设施，FOL通常已经可用在高能设施中。
5.4 增强消光比门控
在进行需要图像增强的应用时，一个常见的挑战是在配置的曝光时间结束后（如在数字图像传感器sCMOS的读出过程中）因泄露而到达检测器的大量光。如果整体消光比，即系统阻挡不需要的光的能力不够，则连续泄漏的光可能会导致过曝而无法检测应用中的短事件。
一个非常短且微弱的预放电事件的简化示例可以说明这种情况（图22），捕获此事件时必须考虑如何消除紧随事件其后且持久明亮的放电过程的影响。
配置的光电阴极曝光时间长度与sCMOS探测器读出时间长度之间的关系迫使我们更加关注增强型相机的快门比。纳秒曝光时间到毫秒读出时间定义了10-6图像占空比。那么，例如，要实现10的信噪比，所需的消光比必须至少为10-7。如果仔细观察与波长相关的快门比的数值，会发现较短波长的紫外线和蓝光在关闭/OFF状态下被光电阴极阻挡的效率较低（图23）。
因为决定总消光比的主要零件光电阴极显示出这种弱点，所以必须在其他地方进行补偿。在新的pco.dicam C1中我们让快速关闭微通道板成为可能，即在光电阴极曝光时间结束后几微秒内关闭。因此，泄漏的蓝光在MCP内部所激发产生的光电子不再被MCP进行加速和倍增。这种MCP关闭模式有效地将整体消光比提高了两个以上的数量级，结果是在光电阴极曝光时间窗口外到达图像增强器的短波长光子也会遇到优于 10-7的消光比。
举例
举例
texp（光电阴极）10 纳秒，treadout sCMOS 10 微秒，恒定连续照明
得到的图像占空比为1×10-6，假设消光比为1×10-8，我们预计只有大约1%不需要的图像内容以及得到高达102 的SNR。
5.5 光触发和EF镜头控制
在典型的实验环境中，增强型相机通常会暴露在强电磁场中。这些场对铜缆上触发信号传输的干扰是这些应用中非常常见的挑战。为了减轻干扰，pco.dicam C1的接口背板通过FOL提供额外的光触发输入（图24）。除了能够抵抗所有类型的电磁干扰外，该光学触发接口还可以无损覆盖触发源和相机之间数百米的距离。
安装并运行后，用户对相机的访问受到限制，这也产生了对光学元件的远程控制的需求。pco.dicam C1提供使用范围广泛的佳能EF镜头的选项，EF镜头的远程控制被集成到pco.dicam C1的硬件以及PCO的专有相机控制软件pco.camware中，从而允许从控制PC端调整EF镜头的光圈和焦距。
参考文献：
- Roper Scientific: Fiberoptics, technical note, 2000
- fiberoptics technology inc:
http://www.fiberopticstech.com/technical/transmission_loss.php
- Hamamatsu Image Intensifiers, Hamamatsu Photonics K.K., 2016
- ProxiVision GmbH:
https://www.proxivision.de/products/phosphor-screen.html
【关于埃赛力达科技Excelitas Technologies Corp.】
埃赛力达是一家技术经验丰富供应商，致力于提供先进的、改善生活的革新技术，为生命科学、先进工业、新一代半导体、航空航天等各终端市场的全球企业提供服务。公司总部位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡。埃赛力达是光子技术设计、开发和制造领域的重要合作伙伴，为全球客户提供传感、检测、成像、光学和特种光源方面的前沿创新技术。
广州市元奥仪器有限公司作为埃赛力达在国内的核心代理商，根据用户的不同需求提供具备高性能、高质量的产品，为客户提供专业的方案与报价，欢迎咨询！
【关于元奥仪器】
广州市元奥仪器有限公司成立于2007年，是一家专注于图像成像与处理技术领域的科技型企业。公司自成立以来，致力于引进欧、美先进光电相关领域的仪器设备，并为客户提供专业综合系统集成服务，是国内经验丰富的服务商。经过多年的发展，元奥仪器已构建涉及面较广的服务网络，国内总部设立在广州，同时在北京、上海、西安、武汉、长春等地设有办事处，能够高效响应全国各地客户的需求。
元奥仪器凭借深厚的行业资源与专业能力，成为众多国际品牌产品的中国代理商，代理产品涵盖了从高速摄像机、工业相机到显微镜数字相机、专业图像分析系统等多个领域，并根据市场需求进行知识转化，投入自主研发， 为客户提供质量优异，可靠可信的产品。目前我司的这些产品普及应用于各大学院校、中国科学院所属各研究所、工业企业、机械工业等各个行业，助力客户解决复杂的视觉系统难题，提供高性能的产品和完善的解决方案。以其高分辨率的成像质量和性能，在科研领域备受赞。
展望未来，广州市元奥仪器有限公司将继续秉承其发展理念，不断提升自身实力，加强与国际品牌的合作，引进更多先进的仪器设备与自，为中国各行业的科研和生产提供更专业的产品和服务，助力行业的创新与发展。如对相关产品感到兴趣，欢迎随时联系交流，公司网址：www.gzyaco.com、电话：400-860-2677。
【关于埃赛力达科技Excelitas Technologies Corp.】
埃赛力达是一家技术经验丰富供应商，致力于提供先进的、改善生活的革新技术，为生命科学、先进工业、新一代半导体、航空航天等各终端市场的全球企业提供服务。公司总部位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡。埃赛力达是光子技术设计、开发和制造领域的重要合作伙伴，为全球客户提供传感、检测、成像、光学和特种光源方面的前沿创新技术。
广州市元奥仪器有限公司作为埃赛力达在国内的核心代理商，根据用户的不同需求提供具备高性能、高质量的产品，为客户提供专业的方案与报价，欢迎咨询！
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广州市元奥仪器有限公司成立于2007年，是一家专注于图像成像与处理技术领域的科技型企业。公司自成立以来，致力于引进欧、美先进光电相关领域的仪器设备，并为客户提供专业综合系统集成服务，是国内经验丰富的服务商。经过多年的发展，元奥仪器已构建涉及面较广的服务网络，国内总部设立在广州，同时在北京、上海、西安、武汉、长春等地设有办事处，能够高效响应全国各地客户的需求。
元奥仪器凭借深厚的行业资源与专业能力，成为众多国际品牌产品的中国代理商，代理产品涵盖了从高速摄像机、工业相机到显微镜数字相机、专业图像分析系统等多个领域，并根据市场需求进行知识转化，投入自主研发， 为客户提供质量优异，可靠可信的产品。目前我司的这些产品普及应用于各大学院校、中国科学院所属各研究所、工业企业、机械工业等各个行业，助力客户解决复杂的视觉系统难题，提供高性能的产品和完善的解决方案。以其高分辨率的成像质量和性能，在科研领域备受赞。
展望未来，广州市元奥仪器有限公司将继续秉承其发展理念，不断提升自身实力，加强与国际品牌的合作，引进更多先进的仪器设备与自，为中国各行业的科研和生产提供更专业的产品和服务，助力行业的创新与发展。如对相关产品感到兴趣，欢迎随时联系交流，公司网址：www.gzyaco.com、电话：400-860-2677。
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