量子计算滨松c15550-22up单光子相机与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 | 规格 |
| 传感器类型 | qCMOS 图像传感器（背照式） |
| 有效像素 | 4096 × 2304（940 万像素） |
| 像素尺寸 | 4.6 μm × 4.6 μm |
| 有效面积 | 18.841 mm × 10.598 mm |
| 峰值量子效率（QE） | 85%（@460 nm）；50%（@300 nm）；30%（@900 nm） |
| 满阱容量 | 7000 个电子 |
| 读出噪声 | 标准扫描：0.43 e⁻ rms；超静扫描：0.30 e⁻ rms |
| 动态范围 | 23,000:1（rms） |
| 全分辨率帧率 | 标准扫描 120 fps / 超静扫描 25.4 fps（CoaXPress） |
| 位深 | 16 位 / 12 位 / 8 位 |
| 数据接口 | CoaXPress（Quad CXP-6）/ USB 3.1 Gen 1 |
| 制冷方式 | 强制风冷（-20 ℃）/ 水冷（-35 ℃） |
| 暗电流 | 风冷：0.016 e⁻/px/s；水冷：0.006 e⁻/px/s |
| 镜头接口 | C 型接口（另有 F 型接口可选） |

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。

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

脉冲频率 = 1 / MasterPulseInterval

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

MasterPulseInterval=100000 µs时图像采集如下如所示