滨松c15550-22up单光子量子相机与PCIe1004采集卡

滨松c15550-22up单光子相机与PCIe1004采集卡

滨松 ORCA-Quest 2（C15550-22UP）是一款基于 qCMOS 传感器的高性能科学级相机，具备 940 万像素(4096*2304 mono16)全画幅分辨率和极低读出噪声（0.30 e⁻ rms），广泛应用于光片显微镜、单分子荧光成像、超分辨率显微镜及量子技术等前沿领域，尤其是在量子计算领域，该型号qcmos 相机处于统治地位。

在使用该相机进行测控时，往往需要实时采集图像，并进行高速、低延迟的图像处理工作，星测电子的PCIe1004 CXP采集卡已经被广泛部署于量子测控客户现场，搭配滨松最新的GenIcam 兼容版本相机，为客户提供即插即用、全功能适配的能力。

PCIe-1004 是一款四通道 CoaXPress V2.0 图像采集卡，单通道带宽达 12.5 Gbps（CXP-12），四通道聚合带宽 50 Gbps，能够充分承载 C15550-22UP 的高速数据流。板载 Xilinx Kintex UltraScale FPGA 与 4 GB DDR4 内存为大数据量实时处理提供保障，内置 PoCXP 功能可通过同轴电缆直接为相机供电，同时提供 Aravis SDK / GenTL SDK，与相机的 GenICam 标准接口完全兼容。因此，PCIe-1004 采集卡是全面测试该相机 ROI、像素格式、触发模式、数字 I/O、LUT、MasterPulse 时序控制等功能的理想平台。

滨松 ORCA-Quest 2（C15550-22UP）与PCIe-1004 4 Channel CoaXPress Frame Grabber实物图

1.PC滨松 ORCA-Quest 2（C15550-22UP）qCMOS 相机介绍

本次测试的相机是GenICam兼容版本，为国内首台升级版，对于客户关心的水冷控制等问题均得到了解决，和之前老版本相机相比，寄存器地址有较大差异，不能通用。

1.核心规格

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参数
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规格
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传感器类型
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qCMOS 图像传感器（背照式）
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有效像素
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4096 × 2304（940 万像素）
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像素尺寸
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4.6 μm × 4.6 μm
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有效面积
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18.841 mm × 10.598 mm
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峰值量子效率（QE）
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85%（@460 nm）；50%（@300 nm）；30%（@900 nm）
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满阱容量
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7000 个电子
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读出噪声
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标准扫描：0.43 e⁻ rms；超静扫描：0.30 e⁻ rms
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动态范围
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23,000:1（rms）
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全分辨率帧率
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标准扫描 120 fps / 超静扫描 25.4 fps（CoaXPress）
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位深
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16 位 / 12 位 / 8 位
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数据接口
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CoaXPress（Quad CXP-6）/ USB 3.1 Gen 1
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制冷方式
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强制风冷（-20 ℃）/ 水冷（-35 ℃）
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暗电流
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风冷：0.016 e⁻/px/s；水冷：0.006 e⁻/px/s
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镜头接口
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C 型接口（另有 F 型接口可选）
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2.四大核心特性

极低噪声性能：超静扫描模式下读出噪声仅 0.30 e⁻ rms，远低于传统 sCMOS 和 EM-CCD 相机，为弱光成像提供了无与伦比的信噪比。
光子数分辨（PNR）：凭借超低读出噪声，相机可直接对每个像素上的光电子进行精确计数，实现真正的定量成像，成像结果符合泊松统计分布。
背照式高分辨率：采用沟槽隔离结构的背照式传感器，在保持高量子效率的同时有效抑制像素间串扰，MTF（调制传递函数）表现优于传统背照式 sCMOS。
大量像素与高速读出：940 万像素的全画幅配合 CoaXPress 接口可实现 120 fps 高速读出；通过 ROI（子阵列）功能，帧率可进一步提升。

3.读出模式

标准扫描（Standard Scan）：适用于常规高速成像，读出噪声 0.43 e⁻ rms。
超静扫描（Ultra Quiet Scan）：超低噪声模式，读出噪声 0.30 e⁻ rms，是 PNR 模式的前提条件。
光子数分辨（PNR）模式：在超静扫描基础上输出光电子计数值（仅通过 DCAM Configurator 配置）。
原始数据输出（Raw）模式：输出未经校正的原始数字信号，供用户自定义算法处理。
光片读出模式（Lightsheet Readout）：专为光片显微镜设计的专利功能。

4.软件与接口

相机支持 DCAM-API 驱动和 GenICam 标准接口，兼容 Windows 和 Linux 操作系统。GenICam 接口覆盖设备控制、图像格式、采集控制、LUT 控制、数字 I/O、计数器/定时器、MasterPulse 控制、埋藏数据等功能模块。本次测试使用GenICam 模式。

5.典型应用

生命科学：光片显微镜、单分子荧光成像、超分辨率显微镜、生物发光成像
天文学：幸运成像、自适应光学波前传感
光谱学：拉曼光谱、同步辐射 X 射线成像
量子技术：俘获离子量子实验（得益于 UV 波段高 QE）

2.PCIe1004采集卡介绍

PCIe-1004 4 Channel CoaXPress Frame Grabber是一款专为工业成像应用设计的高性能四通道 CoaXPress (CXP) 图像采集卡。该板卡支持最新的 CoaXPress V2.0 标准，能够通过单根同轴电缆同时传输高速图像数据和电源（Power over CoaXPress, PoCXP），简化了系统集成与布线复杂度。此外，它还提供了丰富的外部接口与内部扩展接口，满足多种工业自动化需求。

PCIe-1004 采用 Xilinx Kintex UltraScale FPGA 作为核心处理单元，提供强大的实时图像预处理能力与灵活的用户逻辑扩展选项。配合高达 4GB DDR4 SDRAM 的板载内存，确保即使在高帧率、大数据量的应用场景下也能流畅运行。

板卡功能：

支持四路独立 CXP 2.0 输入，每通道带宽可达 12.5Gbps；
内置 PoCXP 功能，支持通过同轴电缆对相机供电，最大功率17W每通道；
提供 Aravis SDK和GenTL Producer SDK，兼容主流机器视觉软件平台；
配备丰富的 External I/O 接口（如 RS-485、光耦隔离输入/输出、LVDS、TTL），适用于复杂工业环境。

板卡示意图

26 Pin I/O：面板上26 针输入/输出(I/O)接口，提供外部数字信号输入/输出。
LED×4：四颗 LED 指示灯。
HDBNC 12.5Gbps ×4：四个 CoaXPress HDBNC 接口，支持 CXP-12 标准，单通道最高传输速率 12.5 Gbps。可连接最多四台 CoaXPress 相机，实现高分辨率、高速图像采集。支持 PoCXP 功能，为相机提供 24V 供电。
External I/O：外部 I/O 扩展接口，用于连接额外的触发信号、编码器、用户自定义控制线等。
PCIe Gen3 x8 主板连接插槽：采用 PCIe Gen3 x8 物理接口，满足多相机高速数据回传需求。
ATX power supply interface 6-pin： PCIe 辅助电源接口，用于接入 ATX 电源，为 PoCXP 功能提供额外+12V 输入。当启用 CoaXPress 相机的 PoCXP 供电时，必须连接此电源，否则无法为相机供电。

本次测试使用的相机是滨松c15550-22up，该相机需要接入四根HDBNC-DIN线缆，如果使用一根线缆，会导致带宽不够，相机无法进行采集。相机接线顺序如下图所示。

PCIe-1004采集卡侧连线示意图，需要将相机与采集卡的线缆标号顺序一一对应。

3.ImgGrab软件下载

到重庆星测电子科技官网的下载中心安装ImgGrab。下载网址：Chongqing Xingce Electronic Technology Co Ltd.-Download

下载好后按提示安装即可。

4.使用ImgGrab采图

打开ImgGrab，出现如下图界面。

选中相机后，点击下图所示按钮即可连接/断开相机（或者双击相机即可连接）

出现如下图所示界面，点击采如图所示按钮即可采集

采集成功

5.相机功能测试

1.相机ROI功能

相机默认宽高图像采集

相机宽高调整为默认值的一半，即Width=2048，Height=1152，如下图所示配置并采集成功。

设置任意宽高采集图像正常

2.相机PixelFormat配置

相机默认为Mono16，现改为Mono8与Mono12进行测试。

PixelFormat为Mono8

PixelFormat为Mono12

3.相机Binning配置

相机默认BinningHorizontal与BinningVertic al为1

BinningHorizontal与BinningVertical为1

BinningHorizontal与BinningVertical为2

BinningHorizontal与BinningVertical从1变为2，图像亮度增加，宽高减半。

4.相机触发模式配置

CXPTrigger模式

使用CXPTrigger模式，直接使用CXP线缆即可测试。

首先进行如下图示所示设置

然后点击PCIe1004采集卡，点击Trigger Control并按下图所示设置

然后再点击Counter And Timer Control，进行如下图所示设置

点击采集，如下图所示CXPTrigger模式正常采集

外部触发模式

相机外部触发测试，触发源（幅度3.3V，偏置1.65V，频率70HZ，方波信号）

设如下图所示，外部触发信号接入相机EXT.TRIG接口

采集结果如下图所示，帧率与外部触发信号频率基本相同

5.LUTControl

用于对图像像素值进行映射变换，将输入像素值按预定义关系转换为输出像素值。

默认LUTControl设置时采集的图像

开启LUTControl，且所有设置为默认时的采集图像

开启LUTControl，将LUTOutputMax调整为最大值65535的一半，图像明显变暗，所有像素值压缩到一半范围。

开启LUTControl，将LUTOutputMin调整为最大值65535的一半，图像明显变亮，所有像素值被抬升到上半范围

开启LUTControl，LUTInputMin设置为10000，LUTInputMax设置为40000，10000~40000 范围的像素被拉伸到 0~65535，低于 10000 的变纯黑，高于 40000 的变纯白

6.DigitalIOControl

DigitalIOControl 是滨松 C15550-22UP 相机 GenICam 特性集中的一个 Expert 级功能分类，负责管理相机的数字输入/输出信号线（I/O Line）。对应相机背板上的 4 个 SMA 接口

DigitalIOControl 默认设置

UserOutput 固定电平输出测试

Line0（外部触发输入 SMA）、Line1/2/3（时序输出 SMA）

1.Line1测试

如下图所示设置

如下如所示，Line1输出为高电平

将TURE改为FALSE，Line1输出为低电平

2.Line2测试

如下图所示设置

如下如所示，Line2输出为高电平

将TURE改为FALSE，Line2输出为低电平

3.Line3测试

如下图所示设置

如下如所示，Line3输出为高电平

将TURE改为FALSE，Line3输出为低电平

7.CounterAndTimerControl****（counter模式不支持）

1.Line1测试

Timer定时器测试，输出口为相机的line1。

如下图进行设置

设置完成后，点击图像采集，在示波器上可以观察到脉冲信号

点击停止采集，将TimerDuration设置为5000 µs，再次启动采集，输出信号结果如下图所示

将TimerTriggerSource设置为ExposureEnd

点击图像采集，在示波器上可以观察到脉冲信号

2.Line2测试

Timer定时器测试，输出口为相机的line2

如下图进行设置，如果选择line2后没有如下图所示参数，请点击刷新按钮

点击图像采集，在示波器上可以观察到脉冲信号

点击停止采集，将TimerDuration设置为5000 µs，再次启动采集，输出信号结果如下图所示

将TimerTriggerSource设置为FrameEnd再次启动采集，输出信号结果如下图所示

3.Line3测试

Timer定时器测试，输出口为相机的line3

如下图进行设置，如果选择line3后没有如下图所示参数，请点击刷新按钮

点击图像采集，在示波器上可以观察到脉冲信号

点击停止采集，将TimerDuration设置为5000 µs，再次启动采集，输出信号结果如下图所示

将TimerTriggerSource设置为ExposureEnd

8.MasterPulseControl

进行如下图参数设置

MasterPulseInterval = 相邻两个 MasterPulse 脉冲之间的时间间隔（周期），单位µs。

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项目
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值
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含义
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脉冲与脉冲之间的间隔时间
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单位
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µs（微秒）
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范围
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5 µs ~ 10 s（即 5 ~ 10000000）
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步进
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1 µs
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默认值
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100000 µs（= 100 ms → 10 Hz）
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脉冲频率 = 1 / MasterPulseInterval

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MasterPulseInterval
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等效频率
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100000 µs（默认）
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10 Hz
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10000 µs
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100 Hz
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1000 µs
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1 kHz
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5 µs
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200 kHz
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1 s
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1 Hz
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