濱松光子的相機研發(fā)史：ORCA系列與qCMOS的誕生（下）

  ICC訊 自1971年，濱松光子開始研發(fā)相機以來(追溯1971，濱松光子的相機研發(fā)史(上))，在濱松光子的世界里，時間就像是一條長長的路，而他們研發(fā)的相機，就像是路上的一個個腳印，一個接著一個，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，每一個名字都記錄著濱松光子在成像技術道路上的堅持與探索。

  ORCA®系列相機研發(fā)的開始

  1996年，濱松光子充分發(fā)揮出了自己的強項，推出了一款沒有機械快門的科研相機，型號是C4742-95，能夠以每秒9幀的速度捕獲圖像。以前的相機都是按型號來命名，這次不一樣，C4742-95名字太長，大家叫著也不順口，同時也為了表示對這款革命性相機的喜愛，濱松賦予了它一個更順口的昵稱，最終“ORCA”脫穎而出。這個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物——虎鯨，它們在海洋食物鏈中占據頂端位置。ORCA，這個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)的霸氣宣言。

圖1 ORCA® (C4742-95)

  設計ORCA®相機的丸野正(現任公司CEO)，當時為了推廣這款相機，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。那時候，綠色熒光蛋白(GFP)在活細胞成像里用得越來越多。有了GFP，就能看到活體生物里目標的運動，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，這下主動找上門來了。

圖2 丸野 正(圖右)在美國西海岸參與ORCA®相機的銷售推廣活動時

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

  C7190-20 EB-CCD 相機

  濱松光子一直想造出更靈敏的相機，這次他們挑戰(zhàn)的是EB-CCD相機，目標是超過SIT或I-CCD相機的靈敏度。傳統(tǒng)的高靈敏度CCD傳感器有個問題，次級電子倍增的時候，入射電子的響應會波動，信噪比就降低了，很難同時實現高靈敏度和高畫質。而且，結構復雜得很，檢測前要經過好多道工序。

  濱松光子的EB-CCD傳感器原理很簡單。低強度的光線在光陰極上轉化為電子，然后給電子加電壓，讓它們去轟擊CCD傳感器，電子數量就放大了。理論上，倍增因子波動不會影響信噪比，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、電子管事業(yè)部的光陰極制造和真空技術，還有系統(tǒng)事業(yè)部的視頻攝像機制造和制冷技術都用上，一起攻克這個難題。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，產生大量電荷，實現放大功能。理論上，就算在-8kV的電壓下，也能實現600倍的放大增益，而且沒有波動，靈敏度和畫質(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)驅動系統(tǒng)來改善暗電流特性。這樣一來，相機就能在從單光子到亮場的寬動態(tài)范圍內成像了。濱松光子還解決了大家最擔心的壽命問題。以前壽命短，是因為電壓加速的電子在硅中快速停止時會產生X射線，X射線會讓暗電流迅速增加，壽命就短了。背照式CCD傳感器受損小，因為電子是從傳感器背面發(fā)射出來的。MPP操作還能減少因損傷導致的暗電流。結果，新傳感器的壽命超過5000小時，差不多是傳統(tǒng)I-CCD產品的五倍。就這樣，濱松光子成功把世界上第一個高靈敏度電子轟擊CCD相機商業(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，用來拍動態(tài)圖像。

圖3 C7190

  C7190-10這臺相機，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。要是再配上長時間曝光，它甚至能捕捉到單光子級別的信號。而且，它還有個閘門功能，能對短時間發(fā)生的現象進行高靈敏度的拍攝。

圖4 C7190-20

  C7190-20這臺相機，配備了幀存儲器，圖像質量更高。它的控制器里還集成了遞歸濾波器和實時背景減除功能，靈敏度和傳統(tǒng)的高靈敏度相機一樣。它用的是RS170A電視標準傳輸視頻信號，可以直接連到普通的電視監(jiān)視器和錄像機上。而且，它還有RS232C和SCSI接口，能從計算機操作，還能通過SCSI把640×480的圖像傳到計算機里存成數字數據。

圖5 榮獲中日產業(yè)技術獎(摘自公司新聞簡報第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，半導體故障檢測，天文觀測等。C7190-20還在1999年拿了第13屆中日產業(yè)技術獎特別鼓勵獎。

ImagEM® C9100-13

  濱松光子在研發(fā)出EB-CCD相機后，又開始投入研發(fā)EM-CCD相機。這種新型的CCD相機，芯片上集成了電子倍增功能，一下子把成像技術帶到了新高度。以前的制冷型CCD相機，想在微光條件下拍出圖像，就得延長積分時間?？蒃M-CCD相機不一樣，它不用延長積分時間，就能實現電子倍增，既能保持高時間分辨率，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。

  濱松光子的第一臺EM-CCD相機C9100-12在2003年問世，后來經過大改，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相機里的“EM”(電子倍增)。經過無數次試驗和改進，ImagEM的設計就是為了把時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1200倍，足夠捕捉到每一個光子對應的電子。而且，它還有實時圖像增強功能，能實時輸出陰影校正等增強圖像數據。

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

從CCD到CMOS：濱松光子的轉型之路

  濱松光子一直相信，從CCD到CMOS的轉變是大勢所趨。他們決定在競爭對手之前，把CMOS技術用在ORCA®系列相機里。他們的目標很明確：造出環(huán)保型的相機，通過降低傳感器驅動電壓、電源電壓類型、功耗和成本，讓相機對環(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設計的科學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個電子，性能比傳統(tǒng)的ORCA®-R2產品還要好。相機的冷卻溫度設定在5oC，就是為了抑制暗電流。這款相機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。相機還自帶陰影校正、暗矯正和像素校正功能，這些功能都能實時處理數據，讓圖像達到最佳效果。此外，相機還提供多種外部觸發(fā)功能和定時輸出，方便和外圍設備同步操作。2011年，濱松光子發(fā)布了ORCA®-Flash 2.8 C11440-10C相機?！癋lash”這個名字，就是CMOS技術的標志。C11440-10C相機的輸入輸出線性特性特別出色，能忠實地檢測信號，非常適合需要定量性能的科學測量應用。它還能在半導體觀察、X射線閃爍體讀出等多個領域進行高精度成像測量。

圖7 ORCA®-Flash2.8 C11440-10C

  qCMOS® 相機 ORCA®-QUEST C15550-20UP的研發(fā)在C11440-10C相機開發(fā)之后，濱松光子沒有停下腳步，繼續(xù)推動性能提升。2012年，他們推出了ORCA®-Flash 4.0 C11440-22C相機。這款專為顯微應用設計的相機，銷量突破了10,000臺，經過一系列版本升級后，依然是主力產品。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)推進相機的開發(fā)。傳統(tǒng)相機雖然在高靈敏度上有所側重，但在暗環(huán)境中產生的光子數量減少，單個像素進入的光子數量很難準確計數。于是，濱松光子決定開發(fā)一款能實現這一測量的產品。2016年，時任系統(tǒng)產品開發(fā)部門經理的丸野正和傳感器制造商開會時說：“要是能把噪聲降到極限，說不定就能計數光子?！睘I松光子決定試試這個想法，2017年和傳感器制造商簽了開發(fā)合同。經過3年半的研究，濱松光子選擇了高轉換增益的精細工藝和最新的降噪技術。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，量子效率從藍色到近紅外的寬波長范圍內都得到了提升，同時最小化了像素間的串擾。結合背照式結構，傳感器在475 nm處實現了近90%的高量子效率，在900 nm處達到了30%，分辨率也很高。優(yōu)化的列放大器A/D在圖像傳感器內部，幫助實現了940萬像素的高像素數、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電路設計技術、高精度傳感器冷卻技術和專有信號處理技術，抑制了每個像素的電特性變化，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，還能計數光電子的數量。通過把光子計數轉換成圖像，實現了世界上首次2D光子數量測量(即光子分辨Photon number resolving功能)。

圖8 ORCA®-Quest C15550-20UP

  2021年5月，qCMOS®相機ORCA®-Quest C15550-20UP正式推向市場，服務國內外大學和公司的研究者。以前，ORCA®系列主要用在生命科學領域，但C15550-20UP能測量光子，所以也適用于物理領域。比如，它能定量成像來自離子和中性原子的光量，準確觀察它們的量子狀態(tài)，推動了量子計算機等量子技術的研究和開發(fā)，還在空間和天文領域派上了用場。此外，這款產品實現了世界上首次2D光子數量測量，開辟了新的領域和應用，這些領域以前根本無法測量。qCMOS®還獲得了包括2022年創(chuàng)新獎在內的多項獎項。

  2024年，濱松光子進一步推出了ORCA® QUEST2 C15550-22UP，其幀速和紫外量子效率又得到了進一步升級，繼續(xù)引領相關領域的技術發(fā)展。

圖9 ORCA®-QUEST 研發(fā)團隊

  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，每一臺都像是一個新故事的開始。這些相機，有的用在了顯微鏡下，有的用在了遙遠的星空，有的幫助科學家們看到了肉眼看不到的東西，有的推動了那些聽起來就很遙遠的量子技術。濱松光子還在繼續(xù)往前走，他們的故事還在繼續(xù)。就像那些科學家們一樣，他們也在自己的道路上，一步一個腳印，慢慢地，卻很堅定。他們相信，只要往前走，總會有新的發(fā)現，總會有新的故事。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)的宏偉目標邁進。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、愿景與實踐。