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■ORCA-Quest qCMOSカメラ: C15550-20UP
(浜松ホトニクス株式会社)


世界で初めてqCMOSイメージセンサを搭載したカメラです。究極の定量イメージングを実現しています。
製品外観


【概 要】

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。


有効画素数:4096 (H) × 2304 (V)
読み出し速度:120フレーム/秒
読み出しノイズ: 0.27 electrons rms
ダイナミックレンジ:25 900:1


【4つの特長】

1.極限の低ノイズ性能
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 という極限の低ノイズ性能を実現することができました。
極限の低ノイズ性能
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。
光子数識別出力の実現
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。
背面照射構造と高分解能の両立
4. 高画素・高速読み出しの実現
今までは、EM-CCDに代表される、増倍型カメラを用いてフォトンカウンティングレベルの画像を取得しておりました。これらのカメラの画素数は代表的には0.3 メガピクセル程度でしたが、ORCA-Quest では9.4 メガピクセルの画素数を用いてフォトンカウンティングレベルの画像だけでなく、光子数識別画像の取得が可能です。また、画素数の異なるカメラの読み出し速度は単純にフレームレートでは比較できません。その場合、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)が使用されます。これまでフォトンカウンティング可能な読み出し速度の速いカメラはEM-CCDの約27 メガピクセル/秒と考えられますが、ORCA-Quest では約47 メガピクセル/秒と2倍近いスピードの光子数識別イメージングが可能になります。
高画素・高速読み出しの実現


【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。
White paper


【用途】

量子技術
中性原子、イオントラップ
中性原子やイオンは、ひとつでも複数の性質を併せ持つ「重ね合わせ状態」を取ることができ、いわゆる量子ビットとして見なすことができます。その性質を利用して、量子コンピューティングや量子シミュレーションを実現する試みが積極的に行われています。トラップされたイオンや中性原子の蛍光を観察することで、量子ビットの状態を知ることができ、その読み出しに低ノイズカメラが用いられます。
シミュレーション画像
シミュレーション画像(Rb 原子 @780 nm/原子個数 5×5 アレイ/原子発光量 2000 フォトン/背景 5 フォトン/倍率 20×(NA:0.4)/原子と原子の間隔 5 μm)
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
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
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。
アセトンのラマンスペクトル画像
直線部の平均のラマンスペクトル
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。
遅延蛍光
遅延蛍光(励起光消光後、10 秒経過してから10秒間露光)


【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、CoaXPress動作:120 フレーム/秒
Standard scan *1、全画素読み出し時、USB動作:17.6 フレーム/秒
Ultra quiet scan、全画素読み出し時、CoaXPress動作、USB動作:5 フレーム/秒
読み出しノイズ Standard scan:0.43 electrons rms (typ.)
Ultra quiet scan:0.27 electrons rms (typ.)
露光時間 Standard scan *1:7.2 μs〜1800 s
Ultra quiet scan:199.9 ms〜1800 s *2
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)):−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 25 900 : 1 (typ.) ※3
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)
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
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)
動作周囲湿度 90 %以下(結露しないこと)
*1:エリア読み出しのみ
*2: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選択時は172.8 μs〜1800 s、読み出し同期トリガ選択時は200.2 ms〜1800 sとなります。
*3:飽和電荷量とUltra quiet scan時の読み出しノイズから算出


【分光感度特性】

分光感度特性


【システム構成例】

システム構成例


【外形寸法図】

(単位:mm)
外形寸法図


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