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濱松sCMOS相機的外觸發(Trigger)和同步功能的基礎介紹

作者:東方閃光
濱松sCMOS相機的外觸發(Trigger)和同步功能的基礎介紹

| 1. 基本概念介紹

1.1. Rolling Shutter(卷簾曝光)

當今市面上主流的中高端sCMOS相機均采用卷簾曝光(Rolling Shutter)讀出模式。此讀出模式與外觸發和同步功能聯系緊密,是以我們首先介紹Rolling Shutter讀出模式的基本情況。

簡單的說,sCMOS面陣相機有許多行像素:相機拍照時,每行像素的曝光時間是一緻的,但相鄰兩行之間的曝光開始時間會有相對的延遲。以濱松FusionBT sCMOS相機的高速模式為例,如果設定曝光時間為10 ms,那麼第k行和第k+1行像素的曝光時間都是10 ms;但第k+1行像素會比第k行像素晚4.87 us開始曝光;是以,第k行像素的曝光時間範圍是從0.00000 ms-10.00000 ms;而第k+1行像素的曝光時間範圍是從0.00487 ms-10.00487 ms。

這種模式就稱為Rolling Shutter讀出模式。

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1.2. 相機外觸發功能相關的電平信号

實際使用中,為了讓相機的拍照行為和其他硬體(如電動平台)進行同步,除了通過軟體指令,還可以通過電平信号(如TTL電平信号,LVCMOS電平信号等)在不同硬體之間進行溝通。相機既可以接收電平信号,也可以輸出電平信号。

粗略的說,電平信号有兩個狀态——高電平和低電平(如下圖);通過高低電平變換所傳遞的資訊,相機就可以與其他硬體進行溝通。其中有些參數簡介如下:

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電平信号高低電平的電壓差。不同相機的要求不完全相同,需要參考Instruction Manual;對于濱松sCMOS相機,一般為3.3 V。

相機等硬體一般會用到以下幾類信号:(1)上升沿和下降沿,指的是高低電平變換時的電壓突變;(2)電平的持續時間。在External Level Trigger等模式中會用得到(參考1.4節的介紹)。

1.3. External trigger mode & Trigger Output

在相機和其他硬體的同步中:相機既可以對接收到的電平信号進行各種響應;也可以輸出各種電平信号給其他硬體。

濱松sCMOS相機均有一個端口用于接收電平信号(如下圖的EXT.TRIG.端口)。相機可以設定多種模式(External Trigger Mode),不同模式對同樣一個電平信号的響應并不一樣。詳細請參考”External Trigger Mode的幾個基本模式“。

濱松sCMOS相機一般有1-3個端口(如下圖的TIMING端口)用于輸出電平信号,我們可以為每一個輸出端口設定獨立的輸出信号。具體可以設定的類型和參數請參考”Trigger Output的幾個基本類型和參數“。

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1.4. External trigger mode的幾個基本模式

與External Trigger Mode相對的概念是Internal Mode。在Internal Mode中,相機隻聽軟體的指令,軟體說拍照,相機就開始拍照;而在External Trigger Mode中,相機先需要軟體下達指令,進入”預備狀态“;然後等到電平信号通過EXT.TRIG.端口輸入時,相機再根據設定的External Trigger Mode進行對應的拍照。打個比方,External Trigger Mode模式下的相機拍照,就像時田徑比賽的起跑——軟體下指令可以比作裁判的”預備“口号;電平信号的輸入則是”跑!“或者發令槍響。

濱松sCMOS相機的External Trigger Mode主要有如下幾個基本類型(并非全部,具體型号的情況請參考對應的Instruction Manual)。

1.4.1. Start Trigger Mode. 相機接收到電平信号的上升沿(或下降沿,取決于設定)之後,按照預設的曝光時間和拍照幀數進行連續拍攝。

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1.4.2. External Edge Trigger Mode. 相機每接收到1個電平信号的上升沿(或下降沿,取決于設定),就按照預設的曝光時間拍攝1張圖檔。

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1.4.3. External Level Trigger Mode. 相機每接收到1個電平信号,就拍攝1張圖檔;曝光時間取決于電平信号的寬度。相機接收到電平信号的上升沿(或下降沿,取決于設定)時開始曝光;接收到同一個信号的下降沿(或上升沿,取決于設定)時,結束本張圖檔的曝光。

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1.4.4. Synchronous Readout Trigger Mode. 相機接收到第1個信号的上升沿(或下降沿,取決于設定)時,第1張圖像開始曝光;接收到第2個信号的上升沿(或下降沿,取決于設定)時,第1張圖像停止曝光,同時第2張圖像開始曝光。以此類推。

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1.5. Trigger Output的幾個基本類型和參數

1.5.1. Global Exposure Timing Output. 對于同一幀圖檔,當所有像素都在曝光時,端口輸出高電平(或低電平,取決于設定)。

1.5.2. Trigger Ready output. 當相機可以對EXT.TRIG.端口能夠接收到的信号做響應時,端口輸出高電平(或低電平,取決于設定)。舉個案例,對于External Edge Trigger Mode,第1個信号來的時候,相機會按照設定的曝光時間——比如10 ms——進行曝光;但如果第2個信号在第1個信号之後5 ms到來,相機由于第1張圖像沒有曝光結束,是以實際上不會對第2個信号做任何響應;對應狀況下,我們可以考慮讓相機輸出Trigger Ready Output信号給其他硬體做參考,當且僅當相機輸出Trigger Ready Output信号的時候,相機才能夠響應下一個電平信号。

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1.5.3. Programmable Timing Output. 以每張圖像曝光過程中的一些特定時間點作為參考點,從端口輸出電平信号,可以設定電平寬度(width)和相對參考點的滞後時間(delay)。不同相機、不同拍照模式可用的參考點可能會有所差別,具體參考對應型号的Instruction Manual。下圖為一款特定型号的說明示意圖,供了解。

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1.5.4. High output 和 Low output. 電平信号有高電平和低電平兩個狀态,當端口設定為High Output或者Low Output時,端口會持續輸出高電平或者低電平。

| 2. HCimage Live中的設定和使用

Hcimage Live是濱松相機的免費軟體,擁有齊全的相機控制功能。下圖所示為HCimage Live中External Trigger Mode和Trigger Output相關設定的位置。更多解釋請參考檔案《濱松Flash 4.0系列相機的Trigger和同步功能在HCimage Live中的設定》;

此檔案為針對Flash 4.0系列sCMOS相機制作,但其他濱松sCMOS相機的相關模式基本一緻,詳細細節資訊可參考Instruction Manual。

濱松sCMOS相機的外觸發(Trigger)和同步功能的基礎介紹

以濱松Flash 4.0 sCMOS相機為例,着重介紹在HCimage Live軟體中與外觸發和同步相關的各項設定,重點在于展示軟體中的參數設定都在哪裡;部分設定的含義在本文檔中會直接說明,但對于技術細節或者比較複雜的概念,文檔将會提示相關内容在Instruction Manual中的哪些條目下面有。

| 3. 外觸發和同步功能的軟體二次開發簡介

關于濱松sCMOS相機的軟體二次開發介紹和資源下載下傳,請參考:《基于DCAMAPI的濱松探測器軟體二次開發》。

對于External Trigger Mode以及Trigger Output的設定方法,請參考下面的Demo Code。

濱松sCMOS相機的外觸發(Trigger)和同步功能的基礎介紹

濱松sCMOS相機外觸發模式設定及外觸發輸出端口設定的示範代碼

C/C++代碼。

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