追溯1971，濱松光子的相機(jī)研發(fā)史（上）

  ICC訊 從20世紀(jì)70年代的第一臺(tái)C1000 Vidicon相機(jī)開始，濱松光子一路跌跌撞撞地走來，試圖用技術(shù)點(diǎn)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(jiān)定。接下來請(qǐng)大家與小編一起回顧這一段關(guān)于光與影、關(guān)于堅(jiān)持與探索的濱松相機(jī)研發(fā)史(上)。這只是一個(gè)開端，接下來我們會(huì)與大家分享ORCA系列相機(jī)以及這個(gè)系列里面的王牌產(chǎn)品qCMOS相機(jī)的誕生歷史(下)，希望大家一同期待。

  在20世紀(jì)70年代，大多數(shù)相機(jī)廠商還在采用“一單一設(shè)計(jì)"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(gè)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(jī)，這款相機(jī)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(dāng)時(shí)，集成電路的性能有限且價(jià)格昂貴，濱松光子不得不采用分立元件來構(gòu)建相機(jī)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了無數(shù)次的試驗(yàn)和改進(jìn)，最終達(dá)到了先進(jìn)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。他們還對(duì)相機(jī)的溫度特性進(jìn)行了精確補(bǔ)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(jiǎng)項(xiàng)，還在工廠自動(dòng)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(jì)算機(jī)用Vidicon相機(jī)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(qiáng)對(duì)比度(VEC)技術(shù)，這項(xiàng)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(duì)比度樣本，比如白天的星星。次年(1984年)，該公司正式推出劃時(shí)代的C1966 AVEC光子顯微鏡系統(tǒng)。該設(shè)備通過獨(dú)特的電信號(hào)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(hào)，為生命科學(xué)領(lǐng)域研究神經(jīng)細(xì)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(gè)系統(tǒng)遇到了一些小麻煩：光學(xué)鏡頭上的污垢和劃痕會(huì)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(jī)一動(dòng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(chǔ)器中記錄的光學(xué)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(xiàng)創(chuàng)新功能：圖像平均處理技術(shù)顯著提升信噪比，動(dòng)態(tài)軌跡追蹤模塊支持活體樣本觀察，獨(dú)有的視頻處理器不僅兼容VHS格式模擬記錄，更實(shí)現(xiàn)了時(shí)間戳標(biāo)注和屏幕信息疊加功能，這些在當(dāng)時(shí)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(jià)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(jī)，基于C1000的技術(shù)，推出了C2400顯微鏡用TV相機(jī)。這款相機(jī)能夠捕捉細(xì)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(jī)家族不斷擴(kuò)充，衍生出了CCD型和圖像增強(qiáng)器型等多種型號(hào)，形成了一個(gè)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(jī)

  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(xué)研究所的PLANET-A項(xiàng)目啟動(dòng)，濱松光子參與其中，為觀測哈雷彗星的“SUISEI”號(hào)火箭開發(fā)了一款CCD相機(jī)。那顆遙遠(yuǎn)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(jì)的制冷型CCD相機(jī)技術(shù)，開發(fā)出了新型CCD相機(jī)。這款相機(jī)能夠進(jìn)行長時(shí)間曝光，這是基于傳統(tǒng)攝像管的高靈敏度相機(jī)(SIT相機(jī))所無法實(shí)現(xiàn)的。濱松堅(jiān)信，通過在芯片上集成圖像并使用適合長時(shí)間曝光的CCD，能夠捕捉到普通TV相機(jī)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(fèi)級(jí)電視速率運(yùn)行。

  CCD圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的：操作簡便、無燒錄現(xiàn)象、抗沖擊和振動(dòng)，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(shì)并最大化性能，濱松光子特別設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)時(shí)序、驅(qū)動(dòng)電路和讀出電路。

  為了實(shí)現(xiàn)長時(shí)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(jì)的電路以及電子水冷技術(shù)，將溫度冷卻至-30℃，就足以實(shí)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(jìn)，濱松光子成功開發(fā)出C3140高精度高靈敏度CCD相機(jī)。在傳統(tǒng)高靈敏度電視相機(jī)或SIT相機(jī)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(jī)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(jià)格僅為當(dāng)時(shí)高端儀器C1966AVEC的1/10，具備實(shí)時(shí)改善模糊圖像、顯示計(jì)時(shí)器和刻度、測量樣本尺寸等功能，并可通過PC控制實(shí)現(xiàn)2倍和4倍變焦。ARGUS-10不僅可獨(dú)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(jī)和傳感器，實(shí)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(jì)算機(jī)，進(jìn)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(xué)研究對(duì)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(xì)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(shí)現(xiàn)細(xì)胞間信息傳遞的實(shí)時(shí)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(jī)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從早期的 C1000 Vidicon 計(jì)算機(jī)用相機(jī)開啟的創(chuàng)新之路，到如今在多個(gè)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(duì)技術(shù)的執(zhí)著追求和對(duì)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(biāo)邁進(jìn)。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(jì)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(shí)踐。