ORCA-Quest qCMOSカメラ

C15550-20UP

Single photon countingから、Photon number resolvingへ

浜松ホトニクスは、1980年代から独自のカメラ設計技術を生かした 高感度・低ノイズなカメラの開発を続け、常に最先端の科学技術研究の発展に貢献してきました。そして、その究極ともいえる性能をもったカメラがこの「ORCA-Quest」です。 C15550-20UPは、世界で初めてqCMOSイメージセンサを搭載し、新たに開発した専用の技術を駆使して光電子数の識別を実現したカメラです。究極の定量イメージングを実現しています。

 

ORCA-Questに関するニュース記事

 

SPIE主催 Prism Awards 2022 Quantum部門ファイナリスト選出 

 

LASER World of PHOTONICS主催 Innovation Award 2022 Biophotonics & Medical Engineering部門  Category Winner受賞 

4つの特長

1. 極めて優れた低ノイズ性能

微弱光を高S/N で検出するために、ORCA-Quest では、センサの構造からエレクトロニクスまでのありとあらゆる部分の最適化を図った設計を行いました。さらに最新のCMOS テクノロジーを使用したカスタムセンサを開発することにより、0.27 electrons rms という極めて優れた低ノイズ性能を実現することができました。

補償光学で波面を補正

補償光学 比較

ピクセルあたり平均1フォトン入射画像(疑似カラー表示)の比較

露光時間:200 ms 表示レンジ:最小 ~ 最大カウント値 比較範囲:512 pixels × 512 pixels

2. 光子数識別出力の実現

「光」とは、多数の「光子(Photon)」の集まりです。光子はセンサ上で電子に変換され、この電子を「光電子(Photoelectron)」といいます。光電子を数えることにより、光を正確に計測する方法が「光子数識別(Photon number resolving)※」です。光電子を数えるためには光電子の信号量よりカメラ側のノイズが十分に小さい必要があります。従来のsCMOSカメラも読み出しノイズを小さく抑えていますが、それでも光電子の信号量よりもノイズは大きく、光電子を数えることは困難でした。ORCA-Questでは、低読み出しノイズの0.27 electrons rms(@Ultra quiet scan)および、温度や時間に対する安定性、各画素値の個別校正とリアルタイム補正などの高度なカメラ技術の投入により、光子数識別を実現しています。

※光子数識別とは「光電子」の数を識別するもので、正確には「光子の検出」とは異なります。しかし、この分野における類似の手法である単一の光電子検出に対して「単一光子検出(Single photon counting)」という用語が用いられていることから、「光子数識別(Photon number resolving)」という用語を使用しています。

光電子の確率分布シミュレーションデータ (1画素あたりの平均発生光電子数 2 electrons)

光電子の確率分布シミュレーションデータ (1画素あたりの平均発生光電子数 2 electrons)

3. 背面照射構造と高分解能の両立

効率よく光子を検出するためには高量子効率を実現することが不可欠であり、この一つの手段として、背面照射構造の採用があります。従来の背面照射型センサでは、画素の区切りがないため、画素間でクロストークが発生し、分解能は前面照射型センサに比べて通常劣ります。ORCA-Quest では、背面照射構造によって高量子効率を実現するだけでなく、画素を一つ一つに区切るトレンチ構造を採用し、画素間クロストーク低減を実現しました。

トレンチ構造とは

補償光学で波面を補正

MTF測定結果

補償光学 比較

※MTFとは、Modulation Transfer Function の略で、分解能評価指標の一種です。被写体のコントラストをどれだけ正確に再現することができるかを示す値です。

4. 高画素・高速読み出しの実現

ORCA-Questでは、極低ノイズを実現しながらも、9.4メガピクセルの画素数(4096(H)× 2304(V))という高画素を実現することで、従来のGenⅡ sCMOSカメラ、EM-CCDカメラの画素数に比べて、一度により多くの対象物を撮像することが可能になりました。

また、読み出し速度においてもORCA-Questは突出した性能を持っています。ここでは、各カメラで画素数が異なるため、1秒間に読み出せる画素数であるデータレート(画素数 × フレームレート)で読み出し速度の比較をします。ORCA-QuestのStandard scanでは、0.43 electronと従来のsCMOSカメラより読み出しノイズがさらに小さく、かつさらに高速なデータレートを実現しています。また、Ultra quiet scanでは、従来の単一光子検出カメラであるEM-CCDに対して、2倍近いスピードのデータレートで光子数識別イメージングが可能になります。

画素数比較

補償光学で波面を補正

データレート比較

補償光学 比較

Ultra quiet scanモードのさらなる高速化にも対応(フレームレートオプション M17230)

ORCA-Questは極めて優れた低ノイズ性能により光子数識別を実現していますが、低速なUltra quiet scanモードでのみ使用可能なため、ユーザーが限定的となっていました。

Ultra quiet scanを高速化するオプション、M17230により、従来と同等のノイズ性能を維持しながら、全画素(4096×2304)読み出しで25.4フレーム/秒を実現したUltra quiet scanを使用することができます。

Ultra quiet scanモード(フレームレートオプション M17230)

White paper

CMOS技術の絶え間ない進歩により、トランジスタの小型化、暗電流効果の低減、電子機器の読み出しノイズの低減が次々と実現されてきました。そして、イメージングの新たな時代の幕開けとなる新しい定量的CMOS(quantitative CMOS)技術が誕生。ピクセル内の光子数を確実に定量化するという物理的な限界についに到達し、技術による「解像度」「感度」「速度」のトレードオフを解消します。

 

qCMOS技術、Photon number resolving(光子数識別)の詳細は、以下のホワイトペーパーにてご紹介していますので、ぜひご覧ください。

 

※資料は英語版のみです。

c15550-20UP ホワイトペーパー

用途

量子技術

中性原子、イオントラップ

量子コンピューティングにおける量子ビット(Qubit)として、中性原子やイオンは、一つ一つ、真空中にトラップ、配列されて計算に使用されます。それらの量子状態は蛍光を発するかどうかで判定することができますが、その蛍光計測は短時間かつ低光量下で行われるため、高速かつ低ノイズな光検出器が必要となります。ORCA-Questはその低ノイズ、高速な読み出し速度から、原子アレイの全体像観測だけでなく、個々の量子ビットの状態判定を行うことが可能です。

Rb原子アレイの蛍光イメージング

Rb原子アレイの蛍光イメージング 

ご提供:大阪大学 山本俊 様、小林俊輝 様

量子光学

量子光学の研究では、光子の量子的性質を研究、利用するために単一光子源を使用します。その際に、同様に単一光子検出器が必要となり、近年では検出器に入射した光子の数を識別できる検出器の必要性が出てきています。カメラ技術の新たなコンセプトである、光子数識別可能なカメラが、この分野で新たな発見をもたらすことが期待されています。

補償光学で波面を補正

補償光学で波面を補正

補償光学 比較

補償光学 比較

ご提供:Prof. Miles Padgett (University of Glasgow)

ライフサイエンス

超解像顕微鏡法

超解像顕微鏡法とは回折限界を越える空間分解能を得るための手法を指しており、高い空間分解能を得るために低ノイズ、かつ小ピクセルサイズの科学計測用カメラを必要とします。

超解像画像 ORCA-Quest

qCMOSカメラ / 4.6 μm  pixel size / 超解像システム:VT-iSIM

超解像画像 ORCA-Fusion

Gen III sCMOSカメラ / 6.5 μm pixel size / 超解像システム:VT-iSIM

実験セットアップ (カメラ:ORCA-Quest)

ご提供:Steven Coleman (Visitech international Ltd.)

生物発光計測

近年、生物発光顕微鏡法が、従来の蛍光顕微鏡法に対して、励起光を必要としないなどユニークな特徴をもつという理由から注目を集めています。生物発光の主な欠点としては、その非常に小さい発光量が挙げられており、十分な画質の画像を取得することが難しいことにあります。そのため、生物発光の観測には長い露光時間を必要とするため、長時間露光下でも十分に高感度なカメラが必要とされます。

NanoLuc融合たんぱく質ARRB2と、Venus融合たんぱく質V2Rが近接してBRETが起きている様子

視野全体像(対物レンズ:20×、露光時間:30 sec、ビニング:4×4)

顕微鏡システム外観

ご提供:東北大学大学院薬学研究科 分子細胞生化学分野 柳川正隆 様

植物の遅延蛍光

植物は光合成のために吸収した光エネルギーのごく一部を、時間をかけて光として放出します。この現象は遅延蛍光と呼ばれています。この僅かな光を検出することにより、化学物質、病原体、環境、その他ストレス要因が植物に与える影響を観察することが可能です。

c15550-20UP 用途4

遅延蛍光(励起光消光後、10 秒経過してから10秒間露光)

天文

ラッキーイメージング

地上から星を観察する場合、大気のゆらぎにより、星像がぼけます。しかし、短時間露光であれば、その時間内では大気が安定し、きれいな画像が得られることがあります。このため多くの画像を取得し、きれいな画像のみを位置を合わせながら積算する手法がラッキーイメージングです。

オリオン座大星雲 3波長フィルタを使用したカラー画像

顕微鏡システム外観

補償光学

補償光学技術は、大気ゆらぎにより乱れた波面を即時に補正し、望遠鏡の性能限界における最も歪みのない鮮明な星像を得る手法です。リアルタイムかつ高精度な波面補正を実現する装置にするため、波面の乱れを測定するカメラには、高速な読み出し性能と高い分解能が求められます。また、より暗い天体やレーザ人工星など、非常に光子数が少ない状況で波面補正が行われる場合もあり、カメラには高い感度が必要となります。

補償光学で波面を補正

補償光学で波面を補正

補償光学 比較

補償光学 比較

ご提供:京都大学大学院理学研究科付属天文台 山本広大 様

高エネルギー物理学/放射光実験

X線や高エネルギー粒子のイメージング用途で、可視光に変換するシンチレータをカップリングした科学計測用カメラが使用されています。瞬間的な現象をリアルタイム検出するために、低ノイズかつ高速なイメージング検出システムを必要としています。

マウス胎仔のX線位相CT像

カメラ:ORCA-Quest / 光学系:X線イメージングシステムM11427 / ビームライン:Spring-8 BL20B2 / 露光時間:15 msec / トータル計測時間:6.5 min

測定光学系全景

カメラ付近拡大

ご提供:JASRI散乱・イメージング推進室 主幹研究員 星野真人 様

ラマン分光

物質に光を照射すると、光と物質の相互作用が発生します。このうち、入射光とは異なる波長に散乱されるものをラマン散乱と呼び、この波長を測定することにより、物質の特性を測定する手法をラマン分光と言います。ラマン分光により、分子レベルの構造解析が可能であり、これにより化学結合、結晶性等の情報が得られます。

ラインスキャン型ラマンイメージングシステムにおけるqCMOSとEMCCDのスペクトル比較(1画素の光量が等しい条件)

ラマン画像

qCMOS

EM-CCD

@10 photon/pixel/frame, 532 nm laser excitation

参照資料(qCMOSカメラのラマンイメージングへの応用)

シミュレーションラボ

産業用・研究用途でカメラを用いる場合、撮影する対象の波長や光量など、様々な条件を考慮してカメラを選定する必要があります。

弊社では、シミュレーション画像を確認しながら直感的にカメラの性能によるイメージングの結果の違いなどを比較できるツール「カメラシミュレーションラボ」を提供しています。

c15550-20UP カメラシミュレーションラボ

ソフトウエアサポート

様々なプログラミング環境に対応した豊富な開発用ツールや多数のサードパーティ製ユーザーインターフェースまで、弊社カメラは多様なソフトウエアでサポートしています。

仕様

型名 C15550-20UP
撮像素子 qCMOSイメージセンサ
有効画素数 4096(H)× 2304(V)
画素サイズ 4.6 μm(H)× 4.6 μm(V)
有効素子サイズ 18.841 mm(H)× 10.598 mm(V)
飽和電荷量 7000 electrons(typ.)
読み出し速度 Standard scan *1:全画素読み出し時、120フレーム/秒(CoaXPress動作)、17.6フレーム/秒(USB動作)
Ultra quiet scan:全画素読み出し時、5フレーム/秒(CoaXPress動作、USB動作)
Ultra quiet scan(M17230オプション適用時):全画素読み出し時、25.4フレーム/秒(CoaXPress動作)、17.6フレーム/秒(USB動作)
読み出しノイズ Standard scan:0.43 electrons rms(typ.)
Ultra quiet scan:0.27 electrons rms(typ.)
Ultra quiet scan(M17230オプション適用時):0.30 electrons rms(typ.)
露光時間 Standard scan *1:7.2 μs~1800 s
Ultra quiet scan:199.9 ms*2 ~ 1800 s(内部同期、エッジトリガ、レベルトリガ、スタートトリガ)
Ultra quiet scan:200.2 ms*2 ~ 1800 s(読み出し同期トリガ)
Ultra quiet scan:172.8 μs ~ 1800 s(グローバルリセットエッジトリガ、グローバルリセットレベルトリガ)
Ultra quiet scan(M17230オプション適用時):33.9 μs ~ 1800 s(33.9 μs ステップ)
冷却温度 強制空冷(周囲温度+25 ℃):-20 ℃
水冷(水温+25 ℃):-20 ℃
水冷(最大冷却(水温+20 ℃、周囲温度+20 ℃ 時))*3:-35 ℃(typ.)
暗電流 強制空冷(周囲温度+25 ℃):0.016 electrons/pixels/s(typ.)
水冷(水温+25 ℃):0.016 electrons/pixels/s(typ.)
水冷(最大冷却(水温+20 ℃、周囲温度+20 ℃ 時)):0.006 electrons/pixels/s(typ.)
ダイナミックレンジ 26 000 : 1 (rms)(Typ.) *4
外部トリガモード エッジトリガ、グローバルリセットエッジトリガ、レベルトリガ、グローバルリセットレベルトリガ、読み出し同期トリガ、スタートトリガ
入力コネクタ SMA
トリガ遅延機能 0 μs ~ 10 s(1 μs ステップ)
トリガ出力 グローバル露光タイミング出力、エニーロー露光タイミング出力、トリガレディ出力、プログラマブルタイミング出力× 3 系統、ハイ出力、ロー出力
出力コネクタ SMA
画像改善機能 欠陥画素補正(ON-OFF 可能、白点補正3段階選択可)
エミュレーションモード 有(ORCA-Fusion)
インターフェース USB 3.1 Gen 1, CoaXPress (Quad CXP-6 )
A/Dコンバータ 16 bit、12 bit、8 bit
レンズマウント Cマウント*5
電源 AC 100 V ~ AC 240 V、50 Hz/60 Hz
消費電力 約155 VA
動作周囲温度 0 ℃ ~ +40 ℃
保存周囲温度 -10 ℃ ~ +50 ℃
動作周囲湿度 30 % ~ 80 %(結露しないこと)
保存周囲湿度 90 %以下(結露しないこと)

*1:エリア読み出しのみ
*2:さらに短い露光時間の設定が必要な場合は、弊社までお問い合わせください。なお、露光時間を短くした場合も読み出し速度は変わりません。
*3:冷却水の水量は0.46 L/分
*4:飽和電荷量とUltra quiet scan時の読み出しノイズから算出
*5:Fマウント対応の製品(C15550-20UP01)もございます。ご希望の場合、弊社までお問い合わせください。Fマウントは構造上光漏れがあり、特に長時間露光測定ではその影響を受ける可能性があります。

分光感度特性

外形寸法図

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天文学者への貴重なインタビューやカメララインアップを掲載「Astronomy カメラアプリケーション事例集」

未知の天体や天文現象の発見・探求のため、様々な研究が行われている天文学。 そのアプリケーション事例と各用途に適した弊社のカメラを一冊にまとめてご紹介しています。

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