传统高速视频和成像技术的缺点和新增强型sCMOS相机高速分析技术
2026-05-11 来源:本站 点击次数:88New Intensified sCMOS Camera Technology Improves High-Speed Analysis
“眨眼，你就会错过它”——这个常用语可以用来描述那些会发生得太快以致人眼无法辨别的事件。高速视频使我们能够更准确、更清晰地记录和分析这些事件。然而，在科学和工程分析中遇到的一些现象发生得过快乃至传统的视频或摄影也无法捕捉，因此需要一种优于传统高速视频的方法。
直到最近，在大视场中捕捉这些高速事件的高质量图像的相机技术能力一直受到限制——即无法避免运动模糊（也称为“条纹”）、光污染对图像造成的损坏或成本过高。幸运的是，新的增强型科研级别CMOS技术大大提高了研究人员能达成的研究水平，无论是在物理科学、国防领域，还是任何其他需要高分辨率（200万像素以上）、超短曝光时间（几纳秒）、微光成像（几光子）或高帧速率（每秒超过100帧）的应用领域。
本文分析了传统高速视频和成像技术在这些角色上的缺点，并向读者介绍了一种在苛刻的高速条件下捕获图像的优越的技术方法。
【传统的高速成像应用和技术】
那些需要非常短的曝光时间的高速视频应用服务于各种任务中，包括在高能环境中的操作。当涉及到如此高的能量时，变化会很快发生——例如，当某物爆炸或等离子体放电时。
这类应用的例子包括爆轰/爆破、超高速撞击、粒子图像测速（PIV）和中子成像等。以前的增强技术已经为这些应用有效地创造了一个放大器，原理为光子撞击一个收集器——例如像增强器的光电阴极、像元的光电二极管，它们产生的光电子会被成比例地放大。传统视频的拍摄在这些应用中的主要限制是缺乏足够的快门速度、足够的消光比和分辨率。
增强型电荷耦合器件（ICCD）相机已用于上述一些应用中。ICCD的工作原理是利用像增强器管与CCD相机读出模块的光学耦合。然而，这种技术受到使用18mm像增强器所能达到的最大光学分辨率和视野的限制。ICCD系统在实际应用中经常表现出帧率不高的情况，导致回放不连续、动态范围不够的问题。
同时，电子倍增电荷耦合器件（emCCD）相机已被用于微光应用，但不具备快速快门能力。因此，emCCD可实现的消光比不能够允许极短的门控时间（即，emCCD在技术上不能够在几纳秒内关闭像元）。
了解增强型sCMOS
与emCCD和ICCD相比，增强型sCMOS提供的关键改进是提供更高的图像分辨率和质量，以及增大图像重复速度（即在这种高图像质量下每秒可以记录多少帧）。
直到最近，在大视场中捕捉这些高速事件的高质量图像的相机技术能力一直受到限制——即无法避免运动模糊（也称为“条纹”）、光污染对图像造成的损坏或成本过高。幸运的是，新的增强型科研级别CMOS技术大大提高了研究人员能达成的研究水平，无论是在物理科学、国防领域，还是任何其他需要高分辨率（200万像素以上）、超短曝光时间（几纳秒）、微光成像（几光子）或高帧速率（每秒超过100帧）的应用领域。
本文分析了传统高速视频和成像技术在这些角色上的缺点，并向读者介绍了一种在苛刻的高速条件下捕获图像的优越的技术方法。
【传统的高速成像应用和技术】
那些需要非常短的曝光时间的高速视频应用服务于各种任务中，包括在高能环境中的操作。当涉及到如此高的能量时，变化会很快发生——例如，当某物爆炸或等离子体放电时。
这类应用的例子包括爆轰/爆破、超高速撞击、粒子图像测速（PIV）和中子成像等。以前的增强技术已经为这些应用有效地创造了一个放大器，原理为光子撞击一个收集器——例如像增强器的光电阴极、像元的光电二极管，它们产生的光电子会被成比例地放大。传统视频的拍摄在这些应用中的主要限制是缺乏足够的快门速度、足够的消光比和分辨率。
增强型电荷耦合器件（ICCD）相机已用于上述一些应用中。ICCD的工作原理是利用像增强器管与CCD相机读出模块的光学耦合。然而，这种技术受到使用18mm像增强器所能达到的最大光学分辨率和视野的限制。ICCD系统在实际应用中经常表现出帧率不高的情况，导致回放不连续、动态范围不够的问题。
同时，电子倍增电荷耦合器件（emCCD）相机已被用于微光应用，但不具备快速快门能力。因此，emCCD可实现的消光比不能够允许极短的门控时间（即，emCCD在技术上不能够在几纳秒内关闭像元）。
了解增强型sCMOS
与emCCD和ICCD相比，增强型sCMOS提供的关键改进是提供更高的图像分辨率和质量，以及增大图像重复速度（即在这种高图像质量下每秒可以记录多少帧）。
大幅提高的图像质量源于增强型sCMOS使用25毫米像增强器——这几乎是传统系统（通常是18毫米像增强器）的光学分辨率的两倍——以及使用完美匹配的串联透镜系统代替锥形或单透镜耦合系统。串联透镜耦合（使用准直器透镜和成像透镜）的传输效率约为单个透镜耦合的六倍（30% vs 5%）。
然后，像增强器的输出被送入一个420万像素的sCMOS传感器，该传感器具有高量子效率和几乎没有读出噪声（一个电子）的优点，这意味着噪声几乎可以被完全忽略。该传感器还拥有高达16位的高动态范围，这意味着它可以在同一传感器、同一个图像上区分位置相邻的非常微弱和非常明亮（几乎使您的传感器饱和）的信号。
在图像重复速度方面，以前的增强型相机每秒可能捕捉不到10帧（即，您可以拍摄10 ns曝光的图像，但每秒只能拍摄10次）。因此，每个快照之间的时间差始终大于100毫秒。sCMOS每秒提供100多帧，您可以每10毫秒重拍一次快照。
另外，如果把分辨率拆开（即，将感兴趣区域ROI应用于传感器），增强型sCMOS传感器可以提供更快的帧速率：在较小的感兴趣区域可达到每秒7000多帧。这也提高了时间分辨率——每秒获得的图像越多，就越能完整地描述事件，无论是在纳秒级还是更长的时间（即几毫秒）。
在全分辨率下，增强型sCMOS相机依然可以在使用快速快门的同时提供如此高的帧速率（emccd速度较慢，除非您在非常小的感兴趣区域使用它们以使其更快）。
另外，消光比（也称为“快门的完美度”）在短曝光时间的事件侦测中变得越来越重要。例如，虽然在10 ns内获取了图像，但是sCMOS传感器需要大约10 ms才能读取完整的400万像素图像。在这个读出过程中，如果光进入到sCMOS传感器的表面，它会影响记录的场景（称为非完美消光比）。
像增强器（即，输入设备）位于sCMOS传感器前面，具有近乎完美的消光比，因此作为开启和关闭设备的光电阴极决定了感光度。这种光电阴极，在它封闭的状态下，允许以1:1000万的比率漏光。因此，在1000万光子中，只有一个可以在读出过程中通过，产生信号，并影响图像。
最后，增强型sCMOS系统使用优越的接口。光纤接口（数据传输线）允许相机和个人电脑或工作站远距离传输——这是高能设备所必需的，因为通常人或仪器靠近高能实验太危险。以前的高速成像技术已经通过千兆以太网、USB线或其他基于铜的线缆远程获取数据。这些选项中的每一个都存在着使用光纤时所没有的困难，例如信号减弱、线缆长度有限或对实验附近的强电磁场敏感。
在增强型sCMOS系统中，外部触发信号（即，在事件期间发送一个信号，告诉相机进行记录以及何时进行记录）也沿光纤传输。这种触发器在以前通常使用同轴电缆（铜线），触发线越长，信号质量越差。此外，铜线很可能会像天线一样，从实验产生的电磁脉冲中捕获一些噪声信号，这可能会导致错误的触发，或者至少会干扰触发——光纤传输可以避免以上问题。
【下一代超高速成像】
为了使研究人员和组织获得增强型sCMOS相机所能提供的所有优势，PCO AG推出了pco.dicam C1，一种增强型16位sCMOS相机。凭借PCO AG在增强型相机领域数十年的经验，C1及其四通道对应产品pco.dicam C4证明了超短曝光时间、高分辨率、大视场和增强消光比选通可以共存于同一系统中。
pco.dicam C1的建造从一个金属外壳开始，用额外的铜导体屏蔽，以保护内部电子设备免受电磁场的影响。在该外壳内，基于sCMOS的相机模块允许pco.dicam C1以420万像素分辨率和16位动态范围产生超过每秒100帧的持续帧速率。相机的高运行速度甚至反映在它对触发信号的超短反应时间上（即，触发到达时间和打开光电阴极开始曝光之间的延迟）：< 50 ns。
另外，pco.dicam C1是第一个使用完整光学接口CLHS（相机链路HS）标准的增强型相机系统。因此，您可以将光纤的一端插入相机，另一端插入PC中的采集卡中，并用此光纤来覆盖数百米的数据传输距离（包括数据链接和触发链接），而不会出现铜缆固有的信号丢失或信号损坏——而这些促成了令人吃惊的870 Mbyte/s增强图像数据速率。
激光诱导击穿光谱法（LIBS）是利用增强型sCMOS能力的众多应用之一，它是用高能激光脉冲对准样品进行的。物质在纳秒内蒸发，高能激光脉冲的冲击产生等离子体，在这种等离子体中，您可以看到组成元素的发射光谱特征，然后可以使用相机分析样本中的各个部分。
【结论】
当其他成像技术不能满足应用中的高速要求时，无论您需要超短的曝光时间或更高的分辨率，以及超出非增强型CCD或CMOS相机所能达到的消光比，增强型sCMOS都能提供技术解决方案。
【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。
为了使研究人员和组织获得增强型sCMOS相机所能提供的所有优势，PCO AG推出了pco.dicam C1，一种增强型16位sCMOS相机。凭借PCO AG在增强型相机领域数十年的经验，C1及其四通道对应产品pco.dicam C4证明了超短曝光时间、高分辨率、大视场和增强消光比选通可以共存于同一系统中。
pco.dicam C1的建造从一个金属外壳开始，用额外的铜导体屏蔽，以保护内部电子设备免受电磁场的影响。在该外壳内，基于sCMOS的相机模块允许pco.dicam C1以420万像素分辨率和16位动态范围产生超过每秒100帧的持续帧速率。相机的高运行速度甚至反映在它对触发信号的超短反应时间上（即，触发到达时间和打开光电阴极开始曝光之间的延迟）：< 50 ns。
另外，pco.dicam C1是第一个使用完整光学接口CLHS（相机链路HS）标准的增强型相机系统。因此，您可以将光纤的一端插入相机，另一端插入PC中的采集卡中，并用此光纤来覆盖数百米的数据传输距离（包括数据链接和触发链接），而不会出现铜缆固有的信号丢失或信号损坏——而这些促成了令人吃惊的870 Mbyte/s增强图像数据速率。
激光诱导击穿光谱法（LIBS）是利用增强型sCMOS能力的众多应用之一，它是用高能激光脉冲对准样品进行的。物质在纳秒内蒸发，高能激光脉冲的冲击产生等离子体，在这种等离子体中，您可以看到组成元素的发射光谱特征，然后可以使用相机分析样本中的各个部分。
【结论】
当其他成像技术不能满足应用中的高速要求时，无论您需要超短的曝光时间或更高的分辨率，以及超出非增强型CCD或CMOS相机所能达到的消光比，增强型sCMOS都能提供技术解决方案。
【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。
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