摘要：自1971年，滨松光子开始研发相机以来(追溯1971，滨松光子的相机研发史(上))，在滨松光子的世界里，时间就像是一条长长的路，而他们研发的相机，就像是路上的一个个脚印，一个接着一个，带着他们往前走。从ORCA®系列的诞生，到C7190-20的突破，再到Ima
图1 ORCA® (C4742-95)
自1971年，滨松光子开始研发相机以来(追溯1971，滨松光子的相机研发史(上))，在滨松光子的世界里，时间就像是一条长长的路，而他们研发的相机，就像是路上的一个个脚印，一个接着一个，带着他们往前走。从ORCA®系列的诞生，到C7190-20的突破，再到ImagEM®和ORCA®-Flash的升级，以及最新的qCMOS® ORCA® -QUEST2 C15550-22UP，每一个名字都记录着滨松光子在成像技术道路上的坚持与探索。
ORCA®系列相机研发的开始
1996年，滨松光子充分发挥出了自己的强项，推出了一款没有机械快门的科研相机，型号是C4742-95，能够以每秒9帧的速度捕获图像。以前的相机都是按型号来命名，这次不一样，C4742-95名字太长，大家叫着也不顺口，同时也为了表示对这款革命性相机的喜爱，滨松赋予了它一个更顺口的昵称，最终“ORCA”脱颖而出。这个名字灵感来源于一种黑白相间、生活在寒冷北极和南极水域的海洋哺乳动物——虎鲸，它们在海洋食物链中占据顶端位置。ORCA，这个四字母的名字不仅容易书写和记忆，还暗含了“Only Real Camera Available”(唯有真相机)的霸气宣言。
设计ORCA®相机的丸野正(现任公司CEO)，当时为了推广这款相机，奔走于欧美各地。他一家家去拜访图像采集卡制造商，想让ORCA®能通过图像采集卡连上电脑，还提出了合作的建议。可那些制造商不买账，一次次拒绝了他。那时候，绿色荧光蛋白(GFP)在活细胞成像里用得越来越多。有了GFP，就能看到活体生物里目标的运动，还能知道它们在不在。丸野正带着ORCA®找到了北卡罗来纳大学的Ted D. Salmon博士，他知道Salmon博士正在用GFP做研究，就请他试试ORCA®。Salmon博士一看图像，惊叹到：”这相机太棒了!”他开始到处推荐ORCA®，那些之前拒绝丸野正的图像采集卡制造商，这下主动找上门来了。
图2 丸野 正(图右)在美国西海岸参与ORCA®相机的销售推广活动时
从那以后，ORCA®系列就在生命科学领域火了起来。它有高帧率、高分辨率、低噪声，还能在宽波长范围内保持高灵敏度，装在显微镜上也方便得很。
C7190-20 EB-CCD 相机
滨松光子一直想造出更灵敏的相机，这次他们挑战的是EB-CCD相机，目标是超过SIT或I-CCD相机的灵敏度。传统的高灵敏度CCD传感器有个问题，次级电子倍增的时候，入射电子的响应会波动，信噪比就降低了，很难同时实现高灵敏度和高画质。而且，结构复杂得很，检测前要经过好多道工序。
滨松光子的EB-CCD传感器原理很简单。低强度的光线在光阴极上转化为电子，然后给电子加电压，让它们去轰击CCD传感器，电子数量就放大了。理论上，倍增因子波动不会影响信噪比，CCD传感器很有希望成为下一代高灵敏度传感器。不过，CCD传感器的寿命一直是个难题。
滨松光子决定发挥自己的综合优势，把固体事业部的CCD技术、电子管事业部的光阴极制造和真空技术，还有系统事业部的视频摄像机制造和制冷技术都用上，一起攻克这个难题。
为了解决寿命短的问题，他们开发了背照式EB-CCD传感器。这种传感器的光阴极在CCD的前表面，能加速生成电子。电子直接轰击CCD，产生大量电荷，实现放大功能。理论上，就算在-8kV的电压下，也能实现600倍的放大增益，而且没有波动，灵敏度和画质(也就是信噪比)都很高。
他们还用了超过25万像素的CCD传感器，拍出来的图像分辨率很高。为了降低信噪比，他们采用了MPP(多引脚相位)驱动系统来改善暗电流特性。这样一来，相机就能在从单光子到亮场的宽动态范围内成像了。
滨松光子还解决了大家最担心的寿命问题。以前寿命短，是因为电压加速的电子在硅中快速停止时会产生X射线，X射线会让暗电流迅速增加，寿命就短了。背照式CCD传感器受损小，因为电子是从传感器背面发射出来的。MPP操作还能减少因损伤导致的暗电流。结果，新传感器的寿命超过5000小时，差不多是传统I-CCD产品的五倍。
就这样，滨松光子成功把世界上第一个高灵敏度电子轰击CCD相机商业化了。1998年12月，他们推出了两款型号：慢扫描制冷型C7190-10，用来拍静态图像;电视速率C7190-20，用来拍动态图像。
图3 C7190
C7190-10这台相机，传感器被冷却到大约零下25摄氏度，这样就能把暗电流降到最低，灵敏度一下子提上来了。要是再配上长时间曝光，它甚至能捕捉到单光子级别的信号。而且，它还有个闸门功能，能对短时间发生的现象进行高灵敏度的拍摄。
图4 C7190-20
C7190-20这台相机，配备了帧存储器，图像质量更高。它的控制器里还集成了递归滤波器和实时背景减除功能，灵敏度和传统的高灵敏度相机一样。它用的是RS170A电视标准传输视频信号，可以直接连到普通的电视监视器和录像机上。而且，它还有RS232C和SCSI接口，能从计算机操作，还能通过SCSI把640×480的图像传到计算机里存成数字数据。
图5 荣获中日产业技术奖(摘自公司新闻简报第318期，2000年2月)
从发布那天起，C7190-10和C7190-20就在各种低光照测量的领域里大显身手，比如生物研究里的DNA、基因，物理材料研究，半导体故障检测，天文观测等。C7190-20还在1999年拿了第13届中日产业技术奖特别鼓励奖。
ImagEM® C9100-13
滨松光子在研发出EB-CCD相机后，又开始投入研发EM-CCD相机。这种新型的CCD相机，芯片上集成了电子倍增功能，一下子把成像技术带到了新高度。以前的制冷型CCD相机，想在微光条件下拍出图像，就得延长积分时间。可EM-CCD相机不一样，它不用延长积分时间，就能实现电子倍增，既能保持高时间分辨率，又能捕捉低光照下的图像。这是把迟延积分和电子倍增型的功能都集中在了一起的相机。
滨松光子的第一台EM-CCD相机C9100-12在2003年问世，后来经过大改，推出了C9100-13。2006年8月，它以“ImagEM”的名字正式发布。ImagEM这名字，既有“Image them!(把它们拍下来!)”的意思，也代表了EM-CCD相机里的“EM”(电子倍增)。经过无数次试验和改进，ImagEM的设计就是为了把时间延迟积分和电子倍增CCD的性能发挥到极致。
图6 C9100-12
ImagEM®用的是背照式CCD，能高效地检测入射光。量子效率在最大灵敏度波长下能达到90%。新开发的真空制冷系统能把温度降到-90ºC，暗电流噪声一下子降了下来。电子倍增增益高达1200倍，足够捕捉到每一个光子对应的电子。而且，它还有实时图像增强功能，能实时输出阴影校正等增强图像数据。
ImagEM®主要用在生物研究里，特别是显微镜的实时成像测量。以前，很多研究人员用显微镜观察用荧光染料标记的细胞，想观察它们的时间变化。可光照太弱，显微镜下的图像就看不清;要是光照太强，荧光又会褪色。这就需要一台高灵敏度的相机。ImagEM灵敏度高，还不用长时间积分，正好满足了生物研究者对高时间分辨率测量的需求。
从CCD到CMOS：滨松光子的转型之路
滨松光子一直相信，从CCD到CMOS的转变是大势所趋。他们决定在竞争对手之前，把CMOS技术用在ORCA®系列相机里。他们的目标很明确：造出环保型的相机，通过降低传感器驱动电压、电源电压类型、功耗和成本，让相机对环境更友好。
他们推出的FL-280 CMOS图像传感器，是一款专为科研测量相机设计的科学CMOS(sCMOS)。这款传感器有280万像素的高分辨率，每秒能读出45帧图像，噪声低到只有3个电子，性能比传统的ORCA®-R2产品还要好。相机的冷却温度设定在5ºC，就是为了抑制暗电流。
这款相机还有不少厉害的功能。它有拼接功能，能提高检测灵敏度;子阵列功能能让高速读出能力达到1273帧/秒;还有模拟增益功能，方便短曝光和捕捉暗场图像。相机还自带阴影校正、暗矫正和像素校正功能，这些功能都能实时处理数据，让图像达到最佳效果。此外，相机还提供多种外部触发功能和定时输出，方便和外围设备同步操作。
2011年，滨松光子发布了ORCA®-Flash 2.8 C11440-10C相机。“Flash”这个名字，就是CMOS技术的标志。C11440-10C相机的输入输出线性特性特别出色，能忠实地检测信号，非常适合需要定量性能的科学测量应用。它还能在半导体观察、X射线闪烁体读出等多个领域进行高精度成像测量。
图7 ORCA®-Flash2.8 C11440-10C
qCMOS® 相机 ORCA®-QUEST C15550-20UP的研发
在C11440-10C相机开发之后，滨松光子没有停下脚步，继续推动性能提升。2012年，他们推出了ORCA®-Flash 4.0 C11440-22C相机。这款专为显微应用设计的相机，销量突破了10,000台，经过一系列版本升级后，依然是主力产品。
随着市场对更低噪声的需求越来越多，滨松光子和传感器制造商合作，继续推进相机的开发。传统相机虽然在高灵敏度上有所侧重，但在暗环境中产生的光子数量减少，单个像素进入的光子数量很难准确计数。于是，滨松光子决定开发一款能实现这一测量的产品。
2016年，时任系统产品开发部门经理的丸野正和传感器制造商开会时说：“要是能把噪声降到极限，说不定就能计数光子。”滨松光子决定试试这个想法，2017年和传感器制造商签了开发合同。
经过3年半的研究，滨松光子选择了高转换增益的精细工艺和最新的降噪技术。最终，他们和传感器制造商合作，成功开发出了qCMOS® 2D CMOS图像传感器。这款传感器的读出噪声低到极致，只有0.27电子均方根(中值为0.19电子)。
在2D CMOS图像传感器里，量子效率从蓝色到近红外的宽波长范围内都得到了提升，同时最小化了像素间的串扰。结合背照式结构，传感器在475 nm处实现了近90%的高量子效率，在900 nm处达到了30%，分辨率也很高。
优化的列放大器A/D在图像传感器内部，帮助实现了940万像素的高像素数、120fps高帧率和0.43电子均方根的低读出噪声。信号读出速度也从每秒约270万像素提高到约470万像素，提升了1.7倍。
此外，滨松光子利用积累的低噪声相机电路设计技术、高精度传感器冷却技术和专有信号处理技术，抑制了每个像素的电特性变化，从而最大化了2D CMOS图像传感器的性能。
读出噪声降到极限后，无需电子倍增就能检测光子，还能计数光电子的数量。通过把光子计数转换成图像，实现了世界上首次2D光子数量测量(即光子分辨Photon number resolving功能)。
图8 ORCA®-Quest C15550-20UP
2021年5月，qCMOS®相机ORCA®-Quest C15550-20UP正式推向市场，服务国内外大学和公司的研究者。以前，ORCA®系列主要用在生命科学领域，但C15550-20UP能测量光子，所以也适用于物理领域。比如，它能定量成像来自离子和中性原子的光量，准确观察它们的量子状态，推动了量子计算机等量子技术的研究和开发，还在空间和天文领域派上了用场。此外，这款产品实现了世界上首次2D光子数量测量，开辟了新的领域和应用，这些领域以前根本无法测量。qCMOS®还获得了包括2022年创新奖在内的多项奖项。
2024年，滨松光子进一步推出了ORCA® QUEST2 C15550-22UP，其帧速和紫外量子效率又得到了进一步升级，继续引领相关领域的技术发展。
图9 ORCA®-QUEST 研发团队
就这样，滨松光子一路走来，从CCD到CMOS，从ORCA®-Flash到qCMOS®，他们像是在黑暗中摸索的行者，却总能找到那一丝光亮。他们造出了一台又一台相机，每一台都像是一个新故事的开始。这些相机，有的用在了显微镜下，有的用在了遥远的星空，有的帮助科学家们看到了肉眼看不到的东西，有的推动了那些听起来就很遥远的量子技术。
滨松光子还在继续往前走，他们的故事还在继续。就像那些科学家们一样，他们也在自己的道路上，一步一个脚印，慢慢地，却很坚定。他们相信，只要往前走，总会有新的发现，总会有新的故事。
自1953年创立以来，滨松光子已走过了超过70载的历程，如今正稳步朝向成为百年企业的宏伟目标迈进。在庆祝70周年里程碑之后，我们满怀敬意与喜悦之情，特此推出系列纪念文章，旨在与携手同行在“光之大道”上的每一位伙伴，共同回顾、分享滨松的历程、愿景与实践。
来源：东方闪光