濱松光子的相機(jī)研發(fā)史：ORCA系列與qCMOS的誕生（下）

自1971年，濱松光子開始研發(fā)相機(jī)以來(追溯1971，濱松光子的相機(jī)研發(fā)史(上))，在濱松光子的世界里，時(shí)間就像是一條長長的路，而他們研發(fā)的相機(jī)，就像是路上的一個(gè)個(gè)腳印，一個(gè)接著一個(gè)，帶著他們往前走。從ORCA?系列的誕生，到C7190-20的突破，再到ImagEM?和ORCA?-Flash的升級，以及最新的qCMOS? ORCA? -QUEST2 C15550-22UP，每一個(gè)名字都記錄著濱松光子在成像技術(shù)道路上的堅(jiān)持與探索。

ORCA?系列相機(jī)研發(fā)的開始

1996年，濱松光子充分發(fā)揮出了自己的強(qiáng)項(xiàng)，推出了一款沒有機(jī)械快門的科研相機(jī)，型號是C4742-95，能夠以每秒9幀的速度捕獲圖像。以前的相機(jī)都是按型號來命名，這次不一樣，C4742-95名字太長，大家叫著也不順口，同時(shí)也為了表示對這款革命性相機(jī)的喜愛，濱松賦予了它一個(gè)更順口的昵稱，最終“ORCA”脫穎而出。這個(gè)名字靈感來源于一種黑白相間、生活在寒冷北極和南極水域的海洋哺乳動(dòng)物——虎鯨，它們在海洋食物鏈中占據(jù)頂端位置。ORCA，這個(gè)四字母的名字不僅容易書寫和記憶，還暗含了“Only Real Camera Available”(唯有真相機(jī))的霸氣宣言。

設(shè)計(jì)ORCA?相機(jī)的丸野正(現(xiàn)任公司CEO)，當(dāng)時(shí)為了推廣這款相機(jī)，奔走于歐美各地。他一家家去拜訪圖像采集卡制造商，想讓ORCA?能通過圖像采集卡連上電腦，還提出了合作的建議?？赡切┲圃焐滩毁I賬，一次次拒絕了他。那時(shí)候，綠色熒光蛋白(GFP)在活細(xì)胞成像里用得越來越多。有了GFP，就能看到活體生物里目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，還能知道它們在不在。丸野正帶著ORCA?找到了北卡羅來納大學(xué)的Ted D. Salmon博士，他知道Salmon博士正在用GFP做研究，就請他試試ORCA?。Salmon博士一看圖像，驚嘆到：”這相機(jī)太棒了!”他開始到處推薦ORCA?，那些之前拒絕丸野正的圖像采集卡制造商，這下主動(dòng)找上門來了。

從那以后，ORCA?系列就在生命科學(xué)領(lǐng)域火了起來。它有高幀率、高分辨率、低噪聲，還能在寬波長范圍內(nèi)保持高靈敏度，裝在顯微鏡上也方便得很。

C7190-20 EB-CCD 相機(jī)

濱松光子一直想造出更靈敏的相機(jī)，這次他們挑戰(zhàn)的是EB-CCD相機(jī)，目標(biāo)是超過SIT或I-CCD相機(jī)的靈敏度。傳統(tǒng)的高靈敏度CCD傳感器有個(gè)問題，次級電子倍增的時(shí)候，入射電子的響應(yīng)會(huì)波動(dòng)，信噪比就降低了，很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度和高畫質(zhì)。而且，結(jié)構(gòu)復(fù)雜得很，檢測前要經(jīng)過好多道工序。

濱松光子的EB-CCD傳感器原理很簡單。低強(qiáng)度的光線在光陰極上轉(zhuǎn)化為電子，然后給電子加電壓，讓它們?nèi)マZ擊CCD傳感器，電子數(shù)量就放大了。理論上，倍增因子波動(dòng)不會(huì)影響信噪比，CCD傳感器很有希望成為下一代高靈敏度傳感器。不過，CCD傳感器的壽命一直是個(gè)難題。

濱松光子決定發(fā)揮自己的綜合優(yōu)勢，把固體事業(yè)部的CCD技術(shù)、電子管事業(yè)部的光陰極制造和真空技術(shù)，還有系統(tǒng)事業(yè)部的視頻攝像機(jī)制造和制冷技術(shù)都用上，一起攻克這個(gè)難題。

為了解決壽命短的問題，他們開發(fā)了背照式EB-CCD傳感器。這種傳感器的光陰極在CCD的前表面，能加速生成電子。電子直接轟擊CCD，產(chǎn)生大量電荷，實(shí)現(xiàn)放大功能。理論上，就算在-8kV的電壓下，也能實(shí)現(xiàn)600倍的放大增益，而且沒有波動(dòng)，靈敏度和畫質(zhì)(也就是信噪比)都很高。

他們還用了超過25萬像素的CCD傳感器，拍出來的圖像分辨率很高。為了降低信噪比，他們采用了MPP(多引腳相位)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來改善暗電流特性。這樣一來，相機(jī)就能在從單光子到亮場的寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)成像了。

濱松光子還解決了大家最擔(dān)心的壽命問題。以前壽命短，是因?yàn)殡妷杭铀俚碾娮釉诠柚锌焖偻Ｖ箷r(shí)會(huì)產(chǎn)生X射線，X射線會(huì)讓暗電流迅速增加，壽命就短了。背照式CCD傳感器受損小，因?yàn)殡娮邮菑膫鞲衅鞅趁姘l(fā)射出來的。MPP操作還能減少因損傷導(dǎo)致的暗電流。結(jié)果，新傳感器的壽命超過5000小時(shí)，差不多是傳統(tǒng)I-CCD產(chǎn)品的五倍。

就這樣，濱松光子成功把世界上第一個(gè)高靈敏度電子轟擊CCD相機(jī)商業(yè)化了。1998年12月，他們推出了兩款型號：慢掃描制冷型C7190-10，用來拍靜態(tài)圖像;電視速率C7190-20，用來拍動(dòng)態(tài)圖像。

圖3 C7190

C7190-10這臺相機(jī)，傳感器被冷卻到大約零下25攝氏度，這樣就能把暗電流降到最低，靈敏度一下子提上來了。要是再配上長時(shí)間曝光，它甚至能捕捉到單光子級別的信號。而且，它還有個(gè)閘門功能，能對短時(shí)間發(fā)生的現(xiàn)象進(jìn)行高靈敏度的拍攝。

圖4 C7190-20

C7190-20這臺相機(jī)，配備了幀存儲器，圖像質(zhì)量更高。它的控制器里還集成了遞歸濾波器和實(shí)時(shí)背景減除功能，靈敏度和傳統(tǒng)的高靈敏度相機(jī)一樣。它用的是RS170A電視標(biāo)準(zhǔn)傳輸視頻信號，可以直接連到普通的電視監(jiān)視器和錄像機(jī)上。而且，它還有RS232C和SCSI接口，能從計(jì)算機(jī)操作，還能通過SCSI把640×480的圖像傳到計(jì)算機(jī)里存成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

圖5 榮獲中日產(chǎn)業(yè)技術(shù)獎(jiǎng)(摘自公司新聞簡報(bào)第318期，2000年2月)

從發(fā)布那天起，C7190-10和C7190-20就在各種低光照測量的領(lǐng)域里大顯身手，比如生物研究里的DNA、基因，物理材料研究，半導(dǎo)體故障檢測，天文觀測等。C7190-20還在1999年拿了第13屆中日產(chǎn)業(yè)技術(shù)獎(jiǎng)特別鼓勵(lì)獎(jiǎng)。

ImagEM? C9100-13

濱松光子在研發(fā)出EB-CCD相機(jī)后，又開始投入研發(fā)EM-CCD相機(jī)。這種新型的CCD相機(jī)，芯片上集成了電子倍增功能，一下子把成像技術(shù)帶到了新高度。以前的制冷型CCD相機(jī)，想在微光條件下拍出圖像，就得延長積分時(shí)間?？蒃M-CCD相機(jī)不一樣，它不用延長積分時(shí)間，就能實(shí)現(xiàn)電子倍增，既能保持高時(shí)間分辨率，又能捕捉低光照下的圖像。這是把遲延積分和電子倍增型的功能都集中在了一起的相機(jī)。

濱松光子的第一臺EM-CCD相機(jī)C9100-12在2003年問世，后來經(jīng)過大改，推出了C9100-13。2006年8月，它以“ImagEM”的名字正式發(fā)布。ImagEM這名字，既有“Image them!(把它們拍下來!)”的意思，也代表了EM-CCD相機(jī)里的“EM”(電子倍增)。經(jīng)過無數(shù)次試驗(yàn)和改進(jìn)，ImagEM的設(shè)計(jì)就是為了把時(shí)間延遲積分和電子倍增CCD的性能發(fā)揮到極致。

圖6 C9100-12

ImagEM?用的是背照式CCD，能高效地檢測入射光。量子效率在最大靈敏度波長下能達(dá)到90%。新開發(fā)的真空制冷系統(tǒng)能把溫度降到-90oC，暗電流噪聲一下子降了下來。電子倍增增益高達(dá)1200倍，足夠捕捉到每一個(gè)光子對應(yīng)的電子。而且，它還有實(shí)時(shí)圖像增強(qiáng)功能，能實(shí)時(shí)輸出陰影校正等增強(qiáng)圖像數(shù)據(jù)。

ImagEM?主要用在生物研究里，特別是顯微鏡的實(shí)時(shí)成像測量。以前，很多研究人員用顯微鏡觀察用熒光染料標(biāo)記的細(xì)胞，想觀察它們的時(shí)間變化?？晒庹仗?，顯微鏡下的圖像就看不清;要是光照太強(qiáng)，熒光又會(huì)褪色。這就需要一臺高靈敏度的相機(jī)。ImagEM靈敏度高，還不用長時(shí)間積分，正好滿足了生物研究者對高時(shí)間分辨率測量的需求。

從CCD到CMOS：濱松光子的轉(zhuǎn)型之路

濱松光子一直相信，從CCD到CMOS的轉(zhuǎn)變是大勢所趨。他們決定在競爭對手之前，把CMOS技術(shù)用在ORCA?系列相機(jī)里。他們的目標(biāo)很明確：造出環(huán)保型的相機(jī)，通過降低傳感器驅(qū)動(dòng)電壓、電源電壓類型、功耗和成本，讓相機(jī)對環(huán)境更友好。

他們推出的FL-280 CMOS圖像傳感器，是一款專為科研測量相機(jī)設(shè)計(jì)的科學(xué)CMOS(sCMOS)。這款傳感器有280萬像素的高分辨率，每秒能讀出45幀圖像，噪聲低到只有3個(gè)電子，性能比傳統(tǒng)的ORCA?-R2產(chǎn)品還要好。相機(jī)的冷卻溫度設(shè)定在5oC，就是為了抑制暗電流。

這款相機(jī)還有不少厲害的功能。它有拼接功能，能提高檢測靈敏度;子陣列功能能讓高速讀出能力達(dá)到1273幀/秒;還有模擬增益功能，方便短曝光和捕捉暗場圖像。相機(jī)還自帶陰影校正、暗矯正和像素校正功能，這些功能都能實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，讓圖像達(dá)到最佳效果。此外，相機(jī)還提供多種外部觸發(fā)功能和定時(shí)輸出，方便和外圍設(shè)備同步操作。

2011年，濱松光子發(fā)布了ORCA?-Flash 2.8 C11440-10C相機(jī)?！癋lash”這個(gè)名字，就是CMOS技術(shù)的標(biāo)志。C11440-10C相機(jī)的輸入輸出線性特性特別出色，能忠實(shí)地檢測信號，非常適合需要定量性能的科學(xué)測量應(yīng)用。它還能在半導(dǎo)體觀察、X射線閃爍體讀出等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行高精度成像測量。

圖7 ORCA?-Flash2.8 C11440-10C

qCMOS? 相機(jī) ORCA?-QUEST C15550-20UP的研發(fā)

在C11440-10C相機(jī)開發(fā)之后，濱松光子沒有停下腳步，繼續(xù)推動(dòng)性能提升。2012年，他們推出了ORCA?-Flash 4.0 C11440-22C相機(jī)。這款專為顯微應(yīng)用設(shè)計(jì)的相機(jī)，銷量突破了10,000臺，經(jīng)過一系列版本升級后，依然是主力產(chǎn)品。

隨著市場對更低噪聲的需求越來越多，濱松光子和傳感器制造商合作，繼續(xù)推進(jìn)相機(jī)的開發(fā)。傳統(tǒng)相機(jī)雖然在高靈敏度上有所側(cè)重，但在暗環(huán)境中產(chǎn)生的光子數(shù)量減少，單個(gè)像素進(jìn)入的光子數(shù)量很難準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。于是，濱松光子決定開發(fā)一款能實(shí)現(xiàn)這一測量的產(chǎn)品。

2016年，時(shí)任系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)部門經(jīng)理的丸野正和傳感器制造商開會(huì)時(shí)說：“要是能把噪聲降到極限，說不定就能計(jì)數(shù)光子?！睘I松光子決定試試這個(gè)想法，2017年和傳感器制造商簽了開發(fā)合同。

經(jīng)過3年半的研究，濱松光子選擇了高轉(zhuǎn)換增益的精細(xì)工藝和最新的降噪技術(shù)。最終，他們和傳感器制造商合作，成功開發(fā)出了qCMOS? 2D CMOS圖像傳感器。這款傳感器的讀出噪聲低到極致，只有0.27電子均方根(中值為0.19電子)。

在2D CMOS圖像傳感器里，量子效率從藍(lán)色到近紅外的寬波長范圍內(nèi)都得到了提升，同時(shí)最小化了像素間的串?dāng)_。結(jié)合背照式結(jié)構(gòu)，傳感器在475 nm處實(shí)現(xiàn)了近90%的高量子效率，在900 nm處達(dá)到了30%，分辨率也很高。

優(yōu)化的列放大器A/D在圖像傳感器內(nèi)部，幫助實(shí)現(xiàn)了940萬像素的高像素?cái)?shù)、120fps高幀率和0.43電子均方根的低讀出噪聲。信號讀出速度也從每秒約270萬像素提高到約470萬像素，提升了1.7倍。

此外，濱松光子利用積累的低噪聲相機(jī)電路設(shè)計(jì)技術(shù)、高精度傳感器冷卻技術(shù)和專有信號處理技術(shù)，抑制了每個(gè)像素的電特性變化，從而最大化了2D CMOS圖像傳感器的性能。

讀出噪聲降到極限后，無需電子倍增就能檢測光子，還能計(jì)數(shù)光電子的數(shù)量。通過把光子計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換成圖像，實(shí)現(xiàn)了世界上首次2D光子數(shù)量測量(即光子分辨Photon number resolving功能)。

圖8 ORCA?-Quest C15550-20UP

2021年5月，qCMOS?相機(jī)ORCA?-Quest C15550-20UP正式推向市場，服務(wù)國內(nèi)外大學(xué)和公司的研究者。以前，ORCA?系列主要用在生命科學(xué)領(lǐng)域，但C15550-20UP能測量光子，所以也適用于物理領(lǐng)域。比如，它能定量成像來自離子和中性原子的光量，準(zhǔn)確觀察它們的量子狀態(tài)，推動(dòng)了量子計(jì)算機(jī)等量子技術(shù)的研究和開發(fā)，還在空間和天文領(lǐng)域派上了用場。此外，這款產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了世界上首次2D光子數(shù)量測量，開辟了新的領(lǐng)域和應(yīng)用，這些領(lǐng)域以前根本無法測量。qCMOS?還獲得了包括2022年創(chuàng)新獎(jiǎng)在內(nèi)的多項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)。

2024年，濱松光子進(jìn)一步推出了ORCA? QUEST2 C15550-22UP，其幀速和紫外量子效率又得到了進(jìn)一步升級，繼續(xù)引領(lǐng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。

就這樣，濱松光子一路走來，從CCD到CMOS，從ORCA?-Flash到qCMOS?，他們像是在黑暗中摸索的行者，卻總能找到那一絲光亮。他們造出了一臺又一臺相機(jī)，每一臺都像是一個(gè)新故事的開始。這些相機(jī)，有的用在了顯微鏡下，有的用在了遙遠(yuǎn)的星空，有的幫助科學(xué)家們看到了肉眼看不到的東西，有的推動(dòng)了那些聽起來就很遙遠(yuǎn)的量子技術(shù)。

濱松光子還在繼續(xù)往前走，他們的故事還在繼續(xù)。就像那些科學(xué)家們一樣，他們也在自己的道路上，一步一個(gè)腳印，慢慢地，卻很堅(jiān)定。他們相信，只要往前走，總會(huì)有新的發(fā)現(xiàn)，總會(huì)有新的故事。

自1953年創(chuàng)立以來，濱松光子已走過了超過70載的歷程，如今正穩(wěn)步朝向成為百年企業(yè)的宏偉目標(biāo)邁進(jìn)。在慶祝70周年里程碑之后，我們滿懷敬意與喜悅之情，特此推出系列紀(jì)念文章，旨在與攜手同行在“光之大道”上的每一位伙伴，共同回顧、分享濱松的歷程、愿景與實(shí)踐。

審核編輯 黃宇