ORCA-Quest qCMOS 相机 C15550-22UP | 滨松光子学株式会社

它具有开创性的概念和前所未有的性能。

自 20 世纪 80 年代以来，滨松光子学株式会社一直利用其独特的相机设计技术开发高灵敏度、低噪声相机，并始终为前沿科学和技术研究的发展做出贡献。ORCA-Quest 是一款采用 qCMOS 图像传感器的相机，而该传感器采用我们独特的设计技术和最新的制造技术开发。它也是全球第一款通过光子数解析实现终极定量成像的相机。

ORCA-Quest 2 是一款新的 qCMOS 相机，是 ORCA-Quest 的后续产品，具有多项进一步的进步，例如在极低噪声扫描模式下读出速度更快，紫外区域灵敏度更高。

关于 ORCA-Quest 的新闻

ORCA-Quest qCMOS 相机入围 2022 年 SPIE 棱镜奖决赛名单

ORCA-Quest 相机荣获 2022 年生物光子学与医学工程学类别创新奖

Catalog 16.0 MB/PDF

由 ORCA-Quest 演化而来
四大关键功能
白皮书
网络研讨会
相机文章
用途
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由 ORCA-Quest 演化而来

更快的超静音扫描模式

ORCA-Quest 凭借超静音扫描模式下的超低噪声特性达到了实现光子数解析的水平。然而，这种可用性对用户来说是有限的，因为只有当相机以每秒 5 帧（全分辨率）的速度运行时，才能获得超低噪声。

ORCA-Quest 2 通过优化传感器运行，将帧速率提高了 5 倍，并具有类似的超低噪声特性。现在大多数用户都可以使用光子数解析功能！

UV QE 改进

与大多数传统的科学相机相比，ORCA-Quest 在 280 nm-400 nm 紫外区域具有较高的量子效率 (QE)。

受市场需求的启发，ORCA-Quest 2 通过优化传感器窗口的抗反射膜，实现了更高的 UV QE，而可见光和近红外波长范围没有变化。QE 的改进扩大了 ORCA-Quest 系列在俘获离子量子实验等多种用途中的通用性。

原始数据输出

该功能允许您应用任何算法来估计原始数字信号的光电子数量。

更快的边缘触发模式

新的边缘触发模式使您能够在卷帘快门读出时输入外部触发信号并开始曝光，从而获得更快的帧速率。

四大关键功能

1. 极低噪声性能

为了检测具有高信噪比的弱光，ORCA-Quest 2 针对传感器从结构到电子元件的各个方面进行了设计和优化。相机开发以及定制传感器开发都采用最新的 CMOS 技术，实现了 0.30 电子的极低噪声性能。

補償光学で波面を補正

補償光学比較

平均每像素 1 个光子的图像（伪彩色）比较

曝光时间：200 ms LUT：最小值至最大值比较面积：512 像素 × 512 像素

2. 实现光子数解析 (PNR) 输出

光是许多光子的集合。光子在传感器上转化为电子，这些电子被称为光电子。“光子数解析*”是一种通过对光电子计数来精确测量光的方法。为了计算这些光电子，相机噪声必须足够小于光电子信号量。传统的 sCMOS 相机可实现较小的读出噪声，但仍大于光电子信号，因此难以计算光电子。ORCA-Quest 2 采用先进的相机技术，可对光电子进行计数，并提供 0.27 电子 rms（@Ultra 安静扫描）的超低读出噪声、温度和时间稳定性、单个校准以及每个像素值的实时校正。

*光子数解析是唯一的，与光子计数有很大不同（更精确地说，该方法解析光子的数量。然而，由于单光子计数代替单光电子计数已用于该领域的可比较方法，因此我们将使用术语“光子数解析”）。

光电子概率分布的模拟数据（每个像素生成的光电子的平均数量：2 个电子）

3. 背照式结构和高分辨率

高 QE 对于检测光子的高效性至关重要，并且通过背照式结构实现。在传统的背照式传感器中，由于没有像素分离，像素之间会发生串扰，分辨率通常低于前照式传感器。ORCA-Quest 2 qCMOS 的传感器具有用于实现高量子效率的背照式结构，以及用于减少串扰的一对一像素的沟槽结构。

什么是沟槽结构？

補償光学で波面を補正

MTF 测量结果

補償光学比較

调制传递函数 (MTF) 是一种分辨率评估。它是表明物体对比度能够被精确再现的程度的值。

4. 实现大量像素和快速读出

ORCA-Quest 2 以 940 万像素 (4096 (H) × 2304 (V)) 实现超低噪声。与 Gen Ⅱ sCMOS 和 EM-CCD 相机等传统科学相机相比，ORCA-Quest 能够捕获更多对象。

此外，ORCA-Quest 2 的读出速度表现优异。这里，我们指的是“数据率（像素数 × 帧速率）”，它表示相机在 1 秒内读取多少像素，以便比较各种科学相机。与传统的 sCMOS 相机相比，带标准扫描功能的 ORCA-Quest 2 即使在较低的读出噪声下也能实现更高的数据率。此外，具有超静音扫描功能的 ORCA-Quest 2 实现了光子数解析成像，其数据率比 EM-CCD 相机的单光子计数成像快了 10 倍。

像素比较

補償光学で波面を補正

数据率比较

補償光学比較

白皮书

成像技术的发展与新的科学成就直接相关。科学成像已将许多实验从依靠主观记录转变为可客观记录、可重复和可量化的方法。如果没有合适的图像传感器，就不可能实现要求苛刻且极具价值的技术，例如基于单分子的方法。新颖的量化 CMOS (qCMOS) 技术终于达到了物理极限：可靠量化每个像素内的光子数，消除了技术对“沮丧三角”（分辨率、灵敏度、速度）的影响。本白皮书讨论了作为 qCMOS 相机核心的新型图像传感器技术。主题包括半导体图像传感器、定量半导体图像传感器的最新方法、qCMOS 图像传感器以及光子数解析的挑战。

请在下方的白皮书中查看详细信息。

白皮书[1.95 MB/PDF]

网络研讨会

我们正处于 CMOS 和科学成像技术的新时代来临之际。为了充分了解为什么我们推出采用光子数解析技术的全新 ORCA-Quest 定量 CMOS (qCMOS) 相机是一项工程壮举，它能够为生物学、物理学、天文学和量子学研究的新发现道路提供助力，我们邀请您观看由 Peter Seitz 博士主持的发布日网络研讨会。Seitz 博士将简要回顾半导体图像传感器的发展历程和传感器设计原理，并展示如何将光子和相机噪声原理与半导体制造的进步相结合，最终实现世界上第一个 qCMOS 技术。

自 2021 年 5 月 19 日起，Laurin Publishing Company, Inc. 是视频制作人和所有者。

观看网络研讨会

相机文章

qCMOS 相机与 EM-CCD 相机 – 光子计数相机的性能比较

qCMOS 相机定位为超灵敏相机，由于其噪音极低，可提供终极的定量成像。因此，在比较 qCMOS 和 EM-CCD 相机时，需要判断哪种相机最适合您的用途。

本文旨在比较 qCMOS 和 EM-CCD 相机，以帮助您选择最适合您用途的相机。

用途

量子技术

中性原子，离子阱

中性原子和离子在阵列中逐个排列，用作量子计算的量子位。量子位状态可以通过观察它们各自散发的荧光来确定。荧光测量需要在短时间内完成，还需要具有极低噪声和很高速度的光电检测器。ORCA-Quest 2 既可以对整个量子位阵列进行诊断，也可以对每个量子位进行状态检测，具有极低的噪声特性和快速读出能力。此外，QE 覆盖主要离子和原子物质的广泛波长范围。

使用 ORCA-Quest 对 Rb 原子阵列进行荧光成像

数据提供：大阪大学山本隆教授和小林俊辉助理教授

量子光学

量子光学使用单光子源来利用单光子的量子特性。量子光学研究还使用单光子计数探测器，并且现在还出现了使用光子数解析检测器以区分进入检测器的光子数的新兴需求。相机技术的新概念，光子计数相机，预计将在该领域获得新的发现。

補償光学で波面を補正

使用 ORCA-Quest 进行量子成像的实验设置

補償光学比較

使用 ORCA-Quest 进行量子成像的图像

数据提供：格拉斯哥大学 Miles Padgett

生命科学

超分辨率显微镜

超分辨率显微镜是指获得空间分辨率高于衍射极限的显微镜图像的一系列方法。超分辨率显微镜需要配备兼具极低噪声和小像素尺寸，从而产生更高分辨率的科学相机。

ORCA-Quest 生成的超高分辨率图像

qCMOS 相机 / 4.6 μm 像素尺寸

ORCA-Fusion 生成的超高分辨率图像

Gen III sCMOS 相机/6.5 μm 像素尺寸

使用 ORCA-Quest 进行实验设置

由 Visitech International 的 Steven Coleman 提供，该图像采用 VT-iSIM 这种高速超分辨率活细胞成像系统生成。

生物发光

与传统荧光显微镜相比，生物发光显微镜具有独特优势（例如不需要激发光），因而备受关注。生物发光的主要缺点是其非常低的光强度，这会导致曝光时间长、图像质量低。生物发光研究即使在长时间曝光时也需要高灵敏度相机。

NanoLuc 融合蛋白质 ARRB2 和 Venus 融合蛋白质 V2R 位于附近，即将发生 BRET。

视场整体图像（物镜：20× / 曝光时间：30 秒 / 像素合并：4×4）

显微镜系统的外观

数据提供：东北大学分子和细胞生物化学研究生院柳川正隆博士

植物中的延迟荧光

植物会释放极小一部分光能量，在一段时间内作为光进行光合作用。这种现象被称为延迟荧光。通过检测这种微弱光，可以观察化学物质、病原体、环境和其他应激源对植物的影响。

观赏植物的延迟荧光（在激发光淬灭 10 秒后曝光 10 秒）

天文学

幸运成像

当从地面观察星星时，由于大气湍流，星星的图像可能模糊，因此大大降低捕获清晰图像的能力。但是，由于曝光时间短且大气条件适宜，有时可以拍摄到清晰的图像。因此，幸运成像是一种获取大量图像并在对齐时仅整合最清晰的图像的方法。

Orion Nebula（带 3 个波长滤光片的彩色图像）

成像设置

自适应光学

通过自适应光学方法，系统可立即校正受大气波动干扰的入射光的波前。为了执行实时和高精度的波前校正，相机必需以高速和高空间分辨率获取图像。此外，由于波前校正是在测量激光导星的极暗状态下执行的，因此相机还需要具备高灵敏度。

通过自适应光学进行波前校正

補償光学で波面を補正

自适应光学比较^＊

補償光学比較

*数据提供：京都大学天文系山本广大博士

HEP/同步加速器

对于 X 射线或其他类型的高能粒子的成像，通常使用连接了闪烁体的科学相机。成像系统需要低噪声和高速度来检测瞬时现象。

小鼠胚胎 X 射线相差 CT 图像

ORCA-Quest 结合高分辨率 X 射线成像系统 (M11427) 生成的小鼠胚胎的 X 射线相差 CT 图像

曝光时间：15 毫秒，总测量时间：6.5 分钟

实验设置

相机设置

数据提供：日本同步加速器辐射研究所 (JASRI) 高级研究员 Masato Hoshino 博士对 SPring-8 BL20B2 光束线进行的研究

拉曼光谱仪

拉曼效应是波长不同于入射光的光散射，拉曼光谱仪是一种通过测量该波长来确定材料特性的技术。拉曼光谱仪可在分子层面进行结构分析，提供化学键合、结晶度等信息。

线扫描类型拉曼成像系统中每像素光子数相等条件下的拉曼光谱（单帧）比较

拉曼图像

qCMOS

EM-CCD

@10 光子/像素/帧，532 nm 激光激发

参考资料：qCMOS 相机在拉曼光谱和成像中的光子数解析能力

详细参数

类型编号	C15550-22UP
成像设备	qCMOS 图像传感器
有效像素数	4096 (H) × 2304 (V)
细胞大小	4.6 μm (H) × 4.6 μm (V)
有效面积	18.841 mm (H) × 10.598 mm (V)
量子效率	85%（峰值 QE）（典型值）
最大阱容	7000 个电子（典型值）
读出速度	标准扫描 ^1：120 帧/秒（全分辨率，CoaXPress），17.6 帧/秒（全分辨率，USB）超静音扫描，PNR，Raw ^2：25.4 帧/秒（全分辨率，CoaXPress），17.6 帧/秒（全分辨率，USB）
读出噪声	标准扫描：0.43 个电子 rms（典型值），0.39 电子中值（典型值）超静音扫描：0.30 个电子 rms（典型值），0.25 电子中值（典型值）
曝光时间	标准扫描^1：7.2 μs 至 1800 s 超静音扫描，PNR, Raw ^2： 33.9 μs 至 1800 s
冷却温度	强制风冷（环境温度：+25 ̊C）：-20 ̊C 水冷（水温：+25 ̊C）^3：-20 ̊C 水冷（最大制冷；水温为 +20 ̊C，环境温度为 +20 ̊C）^3：-35 ̊C（典型值）
暗电流	强制风冷（环境温度：+25 ̊C）：0.016 个电子/像素/秒（典型值）水冷（水温：+25 ̊C）：0.016 个电子/像素/秒（典型值）水冷（最大制冷；水温为 +20 ̊C，环境温度为 +20 ̊C）：0.006 个电子/像素/秒（典型值）
动态范围	23 000:1 (rms)（典型值），28 000:1（中值）（典型值）^*4
外部触发模式	边缘/全局复位边缘/电平/全局复位电平/同步读出/启动
外部触发信号路由	SMA
触发延迟功能	0 s 至 10 s，步长为 1 μs
触发输出	全局曝光定时输出/任意行曝光定时输出/触发就绪输出/3 个可编程定时输出/高输出/低输出
外部信号输出路由	SMA
图像处理功能	缺陷像素校正（开或关，热像素校正 3 步）
仿真模式	Available (ORCA-Quest, ORCA-Fusion)
接口	USB 3.1 Gen 1，CoaXPress (Quad CXP-6)
AD 转换器	16 位、12 位、8 位
透镜接口	C 型接口^*5
电源	AC100 V 至 AC240 V，50 Hz/60 Hz
用电功耗	约 155 VA
操作环境温度	0 ̊C 至 +40 ̊C
存储环境温度	-10 ̊C 至 +50 ̊C
操作环境湿度	30% 至 80%（无雾气现象）
存储环境湿度	最高 90% （无雾气现象）

*1：仅正常区域读出模式
*2：PNR 模式和 Raw 模式可以通过 DCAM 配置器切换。默认选择 PNR 模式。
*3：水量为 0.46 L/m。
*4：根据超静音扫描中最大阱容与读出噪声的比值计算
*5：另提供 F 型接口 (C15550-22UP01) 产品。如有兴趣，请联系您当地的滨松代表或经销商。F 型接口结构导致漏光，可能会影响测量，尤其是在曝光时间较长时。