光子定量qCMOS相机ORCA-Quest技术解析（三）

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光子定量qCMOS相机ORCA-Quest技术解析（三）

来源: | 作者:topphotonics | 发布时间: 2022-01-18 | 628 次浏览 | 分享到:

相机特点

3-1. 读出和帧速

3-1-1. 帧速（读出速度）

帧速（读出速度）是指可以连续摄制图像的数量，规定为帧/秒（fps）。ORCA-Quest的最大帧速是120fps（@4096*2304像素），采用相同方向同时双行读出模式获得。

3-1-2. CoaXPress和USB 3.1 Gen 1接口

许多实验和科研问题，具有超过30-40fps的成像速度的要求。因为高速成像就会产生额外的成本和其他考虑因素，ORCA-Quest被设计成具有多功能的接口，每一台ORCA-Quest同时具有USB 3.1 Gen 1和CoaXPress接口。可以在采购相机时购买CoaXPress采集卡和线缆，或者在后期实验需要时再购买。CoaXPress是最先进的高速相机接口，可以很快的采集大量的图像数据。滨松DCAM驱动为这两种接口优化。

3-1-3. CoaXPress接口

当连接CoaXPress接口，940万像素16bit的图像可以以120fps的帧速传递到计算机。这个接口速度甚至比传感器读出速度都要高，这意味着使用CoaXPress接口在速度上不需要妥协。

3-1-4. USB 3.1 Gen 1接口

USB 3.1 Gen 1接口是通用的接口，最大速度是500MB/s，是计算机的标准接口。ORCA-Quest使用USB接口时全分辨率的最大帧速是17.7帧/秒，但是ORCA-Quest为用户提供可以控制的寻址表（LUT）进行8bit或12bit数据输出，只用来记录需要范围的数据输出。使用这个功能，通过消除不需要的图像数据，不仅可以减小数据量，还可以提高帧速。

3-2. 相机结构和特点

3-2-1. 水冷和风冷

和ORCA-Flash4.0相机相似，ORCA-Fusion/ORCA-Fusion BT/ORCA-Quest相机同时具有风冷和水冷。在大部分情况下，风冷已经足够使得暗电流减小到无关紧要的水平。水冷可以减小因为风扇产生的振动。

3-2-2. 暗电流

ORCA-Quest具有两个目标温度，稳定制冷和最大制冷，当选择稳定制冷，传感器温度降低到-20℃，暗电流为0.016e/pixel/s，当选择最大制冷，传感器温度降低到-35℃，暗电流为0.006e/pixle/s。

3-2-3. 风扇振动

在倒置显微镜使用100倍物镜时，ORCA-Quest风扇振动为亚像素级别。图3-4显示风扇开和风扇关状态下振动的差别。风扇引起的纯粹振动，是用风扇开减掉风扇关状态的振动来估算的。当风扇的最小振动比实验要求振动还要高时，可以选择连接水冷。

3-2-4. 宽工作温度范围

在理想的实验室环境下，温度和湿度可以被控制在稳定状态，但是在炎热或潮湿的夏天时实验室环境无法保障。在这种条件下，环境湿度超过相机的工作湿度参数，相机前面窗口就会产生冷凝，影响成像质量。为了避免这个问题，ORCA-Quest设计为可以工作在较宽的温度和湿度范围。

读出模式

相机只是一套复杂的成像系统中的一部分。为了将ORCA-Quest成功集成到许多成像场景中，我们可以提供多种相机模式，实现读出模式、扫描模式、工作模式的组合。

4-1. 读出模式

可提供标准区域模式、光子数解析模式、光片模式

4-1-1. 标准区域模式

标准区域模式是所有标准2D相机的基本读出模式。

4-1-2. 光子数解析模式

光子数解析模式是ORCA-Quest独有的模式，可以对光子（光电子）数进行计数。

4-1-3. 光片读出模式

光片模式是适用于数字扫描光片显微镜（DSLM）读出的特殊模式。通过相机行扫描速度与光束扫描速度同步，排布曝光行宽度和光束宽度，可以去掉焦面以外的荧光，获得高对比度图像。

4-2. 扫描模式

ORCA-Quest具有两种扫描模式，标准扫描模式和超静扫描模式。针对低光亮成像，读出噪声是最重要的噪声，众所周知，较低的扫描速度会产生较低的读出噪声，但是较低的扫描速度也会使得帧速降低，扫描速度需要根据成像的场景来选择。

4-2-1. 标准扫描模式

在标准扫描模式下，ORCA-Quest在940万像素下可以获得120fps的帧速，等于像素速率1.13G像素/秒。即使是在这个帧速和像素速率下，读出噪声也只有0.5电子rms，是CMOS相机的较高水平。

4-2-2. 超静扫描模式

在超静扫描模式下，ORCA-Quest在940万像素下帧速是5fps，可以获得最低的读出噪声，可以进行光子数解析。

4-3. 工作模式

相机只是一套复杂的成像系统中的一部分，需要和其他仪器配合使用，例如光源、快门、X-Y位移台，有时候需要和相机同步。ORCA-Quest具有三种触发工作模式。

4-3-1. 自由运行模式（内部触发模式）

在自由运行模式（某些时候也称为内部触发模式），相机工作时序和相机内部产生的触发同步。如果需要，其他仪器可以与相机的输出触发信号同步。在这种同步时，相机是主机，其他仪器是从机。ORCA-Quest具有多种触发信号输出。

4-3-2. 起始触发模式

在起始触发模式，收到其他仪器发出的一个脉冲（一个触发）同步信号，相机开始工作。相机的初始曝光和输入的外部触发信号同步，但是第二和后续曝光和相机的内部时序同步。

4-3-3. 外部触发模式

在外部触发模式，相机需要等待其他仪器发出的触发信号输入。一旦触发信号输入，相机就会曝光一帧，如果需要更多帧，就需要更多触发信号。ORCA-Quest具有五种外部触发模式，edge，global reset edge，level，global reset level，synchrous readout trigger。

这些外部触发模式在标准扫描模式和光子数解析模式下都可以选择。在光片模式下只能选择edge触发模式。需要根据应用选择最合适的外部触发模式。

4-4. 其他读出模式

4-4-1. 子阵列读出或兴趣区域（ROI）

子阵列读出是只读出包含用户选择兴趣区域（ROI）图像的方法，因为只有少部分数据被读出和传递，这种方法可以提高最大帧速，不会增加读出噪声。因为CoaXPress速度比传感器最快的速度要快，最快的帧速受限于传感器速度（取决于子阵列大小和扫描速度）。相反，因为USB速度比传感器最快速度要慢，使用USB帧速受限于接口速度，可以通过设置子阵列大小和扫描速度来提升帧速。

表4-1为在标准扫描模式下CoaXPress和USB的最大帧速。使用USB接口，当水平像素数小于512像素时，最大帧速和CoaXPress相同。这表明当水平像素数小于512时，最大帧速受限于传感器速度。

4-4-2. 像素合并读出

像素合并方法是将相邻像素的信号合并在一起获得高灵敏度，但是会牺牲分辨率。像素合并可以提高信噪比，提高USB连接时的帧速，减小图像数据量。ORCA-Quest可以进行相机内像素合并2×2或4×4，信噪比增加2倍或4倍。整个传感器（4096×2304）的2×2合并会导致每个像素的信号变成4倍，信噪比增加2倍，图像会变为2048×1152像素。速度的增加结果取决于输出接口，可以见表4-2。在使用2×2像素合并时，图像数据量减小到1/4，在使用4×4像素合并时，数据量减小到1/16。