追溯1971，濱松光子的相機研發(fā)史（上）

  ICC訊 從20世紀70年代的第一臺C1000 Vidicon相機開始，濱松光子一路跌跌撞撞地走來，試圖用技術(shù)點亮黑暗，用創(chuàng)新打破常規(guī)。每一步都走得艱難，但每一次成功都讓我們更加堅定。接下來請大家與小編一起回顧這一段關(guān)于光與影、關(guān)于堅持與探索的濱松相機研發(fā)史(上)。這只是一個開端，接下來我們會與大家分享ORCA系列相機以及這個系列里面的王牌產(chǎn)品qCMOS相機的誕生歷史(下)，希望大家一同期待。

  在20世紀70年代，大多數(shù)相機廠商還在采用“一單一設(shè)計"的傳統(tǒng)模式，生產(chǎn)成本高昂且效率低下。然而，濱松光子卻提出了一個大膽的創(chuàng)新思路：通過軟件提升硬件的多功能性，從而徹底擺脫傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的束縛。于是，他們決定開發(fā)一款高性能的C1000 Vidicon相機，這款相機能夠連接電腦，專注于圖像輸入功能。C1000的研發(fā)過程充滿挑戰(zhàn)。當時，集成電路的性能有限且價格昂貴，濱松光子不得不采用分立元件來構(gòu)建相機。研發(fā)團隊經(jīng)歷了無數(shù)次的試驗和改進，最終達到了先進的設(shè)計標準。他們還對相機的溫度特性進行了精確補償，確保了設(shè)備在各種環(huán)境下的穩(wěn)定性。1977年，C1000終于成功問世。憑借其卓越的圖像質(zhì)量和可靠的性能，C1000不僅獲得了美國『Research & Development』的R&D 100 Award獎項，還在工廠自動化等領(lǐng)域大獲成功，成為行業(yè)內(nèi)的經(jīng)典之作。

圖1 計算機用Vidicon相機C1000

  1966AVEC光子顯微鏡系統(tǒng)

  1983年，濱松光子研發(fā)出了視頻增強對比度(VEC)技術(shù)，這項突破性創(chuàng)新使科研人員首次能夠清晰觀測到傳統(tǒng)顯微技術(shù)難以捕捉的低對比度樣本，比如白天的星星。次年(1984年)，該公司正式推出劃時代的C1966 AVEC光子顯微鏡系統(tǒng)。該設(shè)備通過獨特的電信號處理技術(shù)，能夠從顯微成像系統(tǒng)背景噪聲中分離出微弱生物信號，為生命科學領(lǐng)域研究神經(jīng)細胞軸突等微觀結(jié)構(gòu)提供了革命性工具。

  然而，在開發(fā)初期，這個系統(tǒng)遇到了一些小麻煩：光學鏡頭上的污垢和劃痕會淹沒必要的信息，讓圖像變得模糊不清。濱松的工程師們靈機一動，設(shè)計了一個巧妙的解決方案：從未經(jīng)處理的顯微鏡圖像中減去圖像存儲器中記錄的光學鏡頭的污垢和劃痕信息，從而提取出清晰的必要信息。

圖2 C1966AVEC

      該系統(tǒng)還具備多項創(chuàng)新功能：圖像平均處理技術(shù)顯著提升信噪比，動態(tài)軌跡追蹤模塊支持活體樣本觀察，獨有的視頻處理器不僅兼容VHS格式模擬記錄，更實現(xiàn)了時間戳標注和屏幕信息疊加功能，這些在當時的日本可是首創(chuàng)之舉。 

  C2400系列顯微成像系統(tǒng)的平民化之路

  盡管C1966AVEC光子顯微鏡系統(tǒng)名聲在外，但高昂的價格讓許多研究者望而卻步。于是，濱松決定開發(fā)一款更親民的顯微鏡成像相機，基于C1000的技術(shù)，推出了C2400顯微鏡用TV相機。這款相機能夠捕捉細胞圖像，其精度之高，甚至可以分辨出1%的差異，比人眼還要敏銳。隨后，C2400相機家族不斷擴充，衍生出了CCD型和圖像增強器型等多種型號，形成了一個完整的產(chǎn)品系列，能夠滿足包括明場、熒光和低光照樣本在內(nèi)的各種觀察需求。

圖3 C2400 系列

  C3140制冷型CCD相機

  1986年，濱松光子的業(yè)務(wù)版圖延伸到了太空。這一年，日本宇宙科學研究所的PLANET-A項目啟動，濱松光子參與其中，為觀測哈雷彗星的“SUISEI”號火箭開發(fā)了一款CCD相機。那顆遙遠的彗星，就這樣被定格在了鏡頭里。

圖4 Suisei

  隨后，濱松光子沒有停下腳步。他們利用為哈雷彗星探測衛(wèi)星設(shè)計的制冷型CCD相機技術(shù)，開發(fā)出了新型CCD相機。這款相機能夠進行長時間曝光，這是基于傳統(tǒng)攝像管的高靈敏度相機(SIT相機)所無法實現(xiàn)的。濱松堅信，通過在芯片上集成圖像并使用適合長時間曝光的CCD，能夠捕捉到普通TV相機無法拍攝的暗區(qū)圖像。于是，他們決定使用通用的CCD圖像傳感器，并以消費級電視速率運行。

  CCD圖像傳感器的優(yōu)點是顯而易見的：操作簡便、無燒錄現(xiàn)象、抗沖擊和振動，受磁場影響小、壽命長、可靠性高，幾乎不產(chǎn)生殘影或圖像失真。為了充分利用這些優(yōu)勢并最大化性能，濱松光子特別設(shè)計了驅(qū)動時序、驅(qū)動電路和讀出電路。

  為了實現(xiàn)長時間曝光，降低暗電流是關(guān)鍵。通常，CCD傳感器需要通過液氮或電子冷卻來有效降低暗電流和固定模式噪聲。美國和歐洲通常使用液氮將傳感器冷卻至約-100℃，而濱松光子僅通過特殊設(shè)計的電路以及電子水冷技術(shù)，將溫度冷卻至-30℃，就足以實現(xiàn)相同的性能。水冷系統(tǒng)需要抽真空以防止凝結(jié)，因此連接了水循環(huán)器和真空泵。

  經(jīng)過一系列的嘗試和改進，濱松光子成功開發(fā)出C3140高精度高靈敏度CCD相機。在傳統(tǒng)高靈敏度電視相機或SIT相機無法成像的黑暗區(qū)域，即使光照低至10微勒克斯以下，C3140也能拍攝出高質(zhì)量的清晰圖像。

圖5 C3140 和 CCD-TA

  ARGUS-10 系列相機研發(fā)

  1989年，濱松光子推出了ARGUS-10，其中“ARGUS”代表“放射自顯影超高靈敏度”(Autoradiography Ultra Sensitivity)。這款儀器價格僅為當時高端儀器C1966AVEC的1/10，具備實時改善模糊圖像、顯示計時器和刻度、測量樣本尺寸等功能，并可通過PC控制實現(xiàn)2倍和4倍變焦。ARGUS-10不僅可獨立使用，還能作為圖像處理系統(tǒng)的預(yù)處理設(shè)備，提升圖像質(zhì)量。

圖6 ARGUS-10的圖像輸出

  1993年，濱松光子推出ARGUS-50/PDA膜電位測量系統(tǒng)，結(jié)合多種相機和傳感器，實現(xiàn)廣泛測量應(yīng)用。1994年，ARGUS-20問世，增加了更多圖像處理功能，并配備SCSI接口，可直接連接計算機，進一步提升了操作便捷性和數(shù)據(jù)處理效率。隨著生命科學研究對測量需求的增加，ARGUS系列不斷拓展應(yīng)用領(lǐng)域。例如，為了可視化神經(jīng)細胞中的信息傳遞，濱松光子開發(fā)了測量鈣離子濃度變化的系統(tǒng)，通過染料熒光實現(xiàn)細胞間信息傳遞的實時監(jiān)測。1997年，公司又開發(fā)了高速鈣離子檢測系統(tǒng)(HiSCA)，能夠以超高速度測量鈣離子濃度變化。

圖7 ARGUS-50

  如今，濱松光子的相機研發(fā)之路仍在繼續(xù)，而過去的成就已經(jīng)為他們奠定了堅實的基礎(chǔ)。從早期的 C1000 Vidicon 計算機用相機開啟的創(chuàng)新之路，到如今在多個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的高性能成像設(shè)備，濱松光子始終保持著對技術(shù)的執(zhí)著追求和對創(chuàng)新的無畏勇氣。在未來，濱松光子將繼續(xù)用他們的智慧和創(chuàng)造力，與光之大道上的友人一起打開更多未知世界的大門，讓人類的視野更加廣闊無垠。

  自1953年創(chuàng)立以來，濱松光子已走過了超過70載的歷程，如今正穩(wěn)步朝向成為百年企業(yè)的宏偉目標邁進。在慶祝70周年里程碑之后，我們滿懷敬意與喜悅之情，特此推出系列紀念文章，旨在與攜手同行在“光之大道”上的每一位伙伴，共同回顧、分享濱松的歷程、愿景與實踐。