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ORCA-Quest 2 qCMOS 相机
C15550-22UP
它具有开创性的概念和前所未有的性能。
ORCA-Quest 是全球首款通过光子数解析实现定量成像的相机，其 qCMOS® 图像传感器采用滨松独特的设计技术和时新的制造技术开发。
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。
ORCA 是滨松光子学株式会社的注册商标（中国、欧盟、法国、德国、日本、英国、美国）。
qCMOS 是滨松光子学株式会社的注册商标（中国、欧盟、日本、英国、美国）。
关于 ORCA-Quest 的新闻
ORCA-Quest qCMOS 相机入围 2022 年 SPIE 棱镜奖决赛名单
由 ORCA-Quest 演化而来
更快的超静扫描模式
ORCA-Quest 凭借超静扫描模式下的超低噪声特性、达到了实现光子数分辨的水平。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，在保持类似的超低噪声特性的同时，将帧速提高了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分辨功能！
UV QE 提升
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保持不変。QE 的提升扩展了 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意算法来估算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。
四大关键特点
为了探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。相机以及定制传感器的开发均采用最新的 CMOS 技术，实现了 0.30 个电子的极低噪声性能。
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
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。“光子数分辨”是一种通过对光电子计数来精确测量光的方法。*
为了对这些光电子进行计数，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，因此难以进行光电子计数。
ORCA-Quest 2 采用先进的相机技术，可对光电子进行计数，并实现 0.30 个电子 rms（超静扫描模式下）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。
* 光子数分辨是独特的方法，与光子计数有很大不同（更精确地说，该方法解析光电子的数量。然而，由于单光子计数已取代单光电子计数用于该领域的可比较方法，因此我们在本宣传册中将使用术语“光子数分辨”）。
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）
高 QE 对于光子的高效探测至关重要，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。
MTF 测量结果
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。
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 2 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，具有标准扫描功能的 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，具有超静扫描功能的 ORCA-Quest 2 实现了光子数分辨成像，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
数据率比较
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前沿方法、qCMOS 图像传感器以及光子数分辨的挑战。
请在下方的白皮书中查看详细信息。
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。
用途
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
数据来源： Steven Coleman (Visitech international Ltd.)，采用 VT-iSIM 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的情况下也需要高灵敏度相机。
双波长同步发光成像
NanoLuc 融合蛋白质 ARRB2 和 Venus 融合蛋白质 V2R 接近时，即将发生 BRET（生物发光共振能量转移）。
相机：ORCA-Quest + W-VIEW GEMINI
物镜：20× / 曝光时间：30 s / 像素合并：4×4
显微镜系统的外观
数据来源：Dr. Masataka Yanagawa, Department of Molecular & Cellular Biochemistry Graduate School of Pharmaceutical Science, Tohoku University
植物中的延迟荧光
植物会释放很小一部分光能量，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 s 后曝光 10 s）
案例研究
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
自适应光学比较
数据来源： Department of Astronomy，Kyoto University 的 Kodai Yamamoto 博士
案例研究
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探测瞬时现象。
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 ms，总测量时间：6.5 min
实验设置
相机设置
数据来源： Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) 高级研究员 Masato Hoshino 博士的 SPring-8 BL20B2 beamline
案例研究
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。这种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 相机
EM-CCD 相机
出版物
ORCA-Quest
| Application | Title | Auther | Source |
|---|---|---|---|
| Life Science | Unique algorithm for the evaluation of embryo photon emission and viability | József Berke, István Gulyás, Zoltán Bognár, Dávid Berke, Attila Enyedi, Veronika Kozma-Bognár, Péter Mauchart, Bernadett Nagy, Ákos Várnagy, Kálmán Kovács & József Bódis | Nature (2024) |
| Life Science | Volumetric imaging of fast cellular dynamics with deep learning enhanced bioluminescence microscopy | Luis Felipe Morales-Curiel, et al. | Commun Biol 5, 1330 (2022). |
| Life Science |
Multiphoton imaging using a quantitative CMOS camera | Mbaye Diouf, et al. | Proceedings Volume 11965, Multiphoton Microscopy in the Biomedical Sciences XXII; 119650D (2022) |
| Astronomy | The ORCA-TWIN qCMOS Experiment I. Science Case and Commissioning at Calar Alto Observatory | Martin M. Roth, Paško Roje, Stella Vješnica, Stefan Cikota, Alex J. Brown, Mike Kretlow, Marco Azzaro, Santiago Reinhart, Jesús Aceituno, Harry Dawson, Carsten Denker, Torsten Enßlin, Stephan Geier, Thomas Granzer, Thomas Kupfer, Gianluca Li Causi, Samaya Nissanke, José Luis Ortiz, Fernando Pedichini, Katja Poppenhäger, Axel Schwope | Astronomical Notes, e70110, July 2026. |
| Astronomy | proto-Lightspeed: a high-speed, ultra-low read noise imager on the Magellan Clay Telescope | Christopher Layden, Kevin Burdge, Gabor Furesz, Juliana García-Mejía, Jack Dinsmore, Geoffrey Mo, David Osip, John J. Piotrowski, Roger W. Romani, August Berne, Deepto Chakrabarty & Emma Chickles | arXiv:2601.16268v2 |
| Astronomy | qCMOS Detectors and the Case of Hypothetical Primordial Black Holes in the Solar System, near Earth Objects, Transients, and Other High-cadence Observations | Martin M. Roth | Res. Notes AAS 8 282 (2024) |
| Astronomy | Photonic spectro-interferometry with SCExAO/FIRST at the Subaru Telescope: towards H-alpha imaging of protoplanets | Sébastien Vievard, et al. | Proc. SPIE 12680, Techniques and Instrumentation for Detection of Exoplanets XI, 126800H (5 October 2023) |
| HEP/Synchrotron | X-ray imaging with Micromegas detectors with optical readout | A. Cools, et al | JINST 18 C06019 |
| HEP/Synchrotron | Sub-micrometer real-time imaging of trajectory of alpha particles using GAGG plate and CMOS camera | Seiichi Yamamoto, et al. | 2024 JINST 19 P01010 |
| HEP/Synchrotron | Rational partitioning of spectral feature space for effective clustering of massive spectral image data | Yusei Ito, Yasuo Takeichi, Hideitsu Hino, Kanta Ono | Scientific Reports volume 14, Article number: 22549 (2024) |
| Image Sensors | Efficient and accurate conversion-gain estimation of a photon-counting image sensor based on the maximum likelihood estimation | Katsuhiro Nakamoto and Hisaya Hotaka | Opt. Express 30, 37493-37506 (2022) |
PC 建议
随着ORCA-Quest 2的推出，用户现在能够以每秒120帧的速度将940万像素的图像流式传输到他们的计算机。通过使用ORCA-Quest 2 PC建议列出的指南，可以满足计算机对高数据率的建议。
软件
详细参数
| 产品编号 | C15550-22UP |
|---|---|
| 成像设备 | qCMOS 图像传感器 |
| 有效像素数 | 4096 (H) × 2304 (V) |
| 像素尺寸 | 4.6 μm (H) × 4.6 μm (V) |
| 有效面积 | 18.841 mm (H) × 10.598 mm (V) |
| 量子效率（典型值） | 85%（峰值 QE） |
| 满阱容量（典型值） | 7000 个电子 |
| 读出噪声（典型值） | 标准扫描：0.43 个电子 (rms)，0.39 个电子（中位数） 超静音扫描：0.30 个电子 rms (rms)，0.25 电子（中位数） |
| 动态范围（典型值） *1 | 23 000 : 1(rms)，28 000 : 1（中位数） |
| 暗信号非均匀性 (DSNU) （典型值） *2 | 0.06 个电子 |
| 光响应非均匀性 (PRNU) （典型值） *2*3 | <0.1% |
| 线性误差 | 0.5% |
| 冷却方法（珀耳帖制冷） | 强制风冷（环境温度：+25 ̊C）：-20 ̊C 水冷（水温：+25 ̊C）*4：-20 ̊C 水冷【最大制冷（水温： +20 ̊C，环境温度：+20 ̊C）】*4：-35 ̊C（典型值） |
| 暗电流（典型值） | 强制风冷（环境温度：+25 ̊C）：0.016 个电子/像素/秒 水冷（水温：+25 ̊C）*4：0.016 个电子/像素/秒 水冷【最大制冷（水温：+20 ̊C，环境温度：+20 ̊C）】*4：0.006 个电子/像素/秒 |
| 全分辨率下的帧速率 | 标准扫描*5：120 帧/秒（CoaXPress），17.6 帧/秒（USB） 超静音扫描，PNR，Raw：25.4 帧/秒（CoaXPress），17.6 帧/秒（USB） |
| 曝光时间 | 标准扫描*5：7.2 μs 至 1800 s 超静音扫描，PNR, Raw：33.9 μs 至 1800 s *6 |
| 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 |
| 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 |
| 数字输出 | 16 位、12 位、8 位 |
| 老型号等效模式 | 缺陷像素校正（开或关，热像素校正 3 步） |
| 仿真模式 | 可用 (ORCA-Quest, ORCA-Fusion) |
| 接口 | USB 3.1 Gen 1，CoaXPress (Quad CXP-6) |
| 触发输入连接器 | SMA |
| 触发输出连接器 | SMA |
| 透镜接口 | C 型接口 *7 |
| 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 |
| 操作环境湿度 | 30% 至 80%（无凝结） |
| 存储环境温度 | -10 ̊C 至 +50 ̊C |
| 存储环境湿度 | 最高 90% （无凝结） |
*1：根据超静扫描中满阱容量与读出噪声的比值计算。
*2：在超静扫描模式下。
*3：在 3500 个电子、图像传感器中心 1500 × 1500 区域、1000 次整合的条件下。
*4：水量为 0.46 L/m。
*5：仅正常区域读出模式
*6：全局复位边缘发和全局复位电平发的最小曝光时间为 67.8 µs。
*7：另提供 F 型接口产品（C15550-22UP01）。如有兴趣，请联系滨松的现地法人或经销商。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。
光谱灵敏度特性
尺寸
我们出版了 ORCAⓇ-Quest 客户的案例研究文章。
相关文档
说明手册
技术说明（针对前代型号，ORCA-Quest）
相机阵容目录
特殊站点
本网站提供有关科研相机的信息。
由于相机类型和性能范围广泛，因此要为每种用途选择最佳相机，这非常重要。
网站介绍了技术信息、模拟工具和实际用途示例，帮助您全面了解相机的性能并选择最适合您用途的相机。
相机模拟实验室
当将相机用于工业或研究用途时，必须考虑各种条件（例如待捕获图像的波长和光强度）来选择相机。我们提供“相机模拟实验室”，该工具允许用户在检查模拟图像时直观地比较相机性能导致的成像结果差异。
相机应用案例研究集
同步辐射分析“Ryugu”相机应用案例研究
人们认为，小行星Ryugu仍含有约46亿年前的水和有机化合物，我们的太阳系被认为是在那时形成的。我们采访了负责分析Ryugu样品的Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) 的 Mr. Uesugi，了解分析方法和结果以及未来前景。
本案例研究包括对 Mr. Uesugi的采访，并介绍了我们适用于同步辐射成像的相机产品阵容。
天文相机应用案例研究
天文学是一个进行研究以发现和探索未知天体和天文现象的领域。本手册介绍了此类用途的示例，并识别适用于每种用途的相机。
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