C13440-20CUORCA-Flash4.0 V3 デジタルCMOSカメラ

”新たに「データ量削減機能」を搭載!”

すべてのサイエンティストのために!
進化を遂げたCMOS カメラが先端研究を強力にサポート。

ライフサイエンス分野でスタンダードカメラとしてご好評を頂いておりますデジタルCMOSカメラ ORCA-Flash4.0シリーズがさらに進化しました。この度、弊社の回路技術を結集し、新たなグレードへの一歩を踏み出すORCA-Flash4.0 V3を開発。すべてのサイエンティストの研究を強力にサポートいたします。

主な特長

ORCA-Flash4.0 V3 は、従来製品ORCA-Flash4.0 V2 の優れた性能はそのままに、数々の新規機能を搭載しています。

●量子効率82 %(Peak QE)

c13440-20cu 分光感度グラフ


●低ノイズ

0.8 electrons (スロースキャンモード30 フレーム/ 秒)
1.0 electrons (スタンダードスキャンモード100 フレーム/ 秒)


●高速読み出し

100 フレーム/ 秒 (Camera Link)
80 フレーム/ 秒 (USB3.0 /8 bit)★新機能
53 フレーム/ 秒 (USB3.0/12 bit)★新機能


●高解像度

400 万画素 (2048×2048)


●搭載機能

・8 bit/12 bit 出力
・ライトシート読み出しモード特許取得済み)
・W-VIEW モード
・デュアルライトシート読み出しモード(特許取得済み)

 

 

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新機能

浜松ホトニクスだけが提供できるユニークな機能

近年、ライフサイエンス研究分野では、生物個体や組織の生体イメージングに有効なライトシート顕微鏡や多波長イメージングに対する関心が高まっています。 浜松ホトニクスでは、独自のカメラ技術を駆使し、これら先端研究に対する最適な機能をカメラに搭載しました。


ライトシート読み出しモード(特許取得済み)

ライトシート読み出しモードは、ライトシート顕微鏡画像のS/N を改善するsCMOS カメラの読み出し方法です。ライトシート顕微鏡は、シート状の励起光を試料の側面から照射(上下に走査)することで光学断面像を得る蛍光顕微鏡です。
ライトシート読み出しモードでは、カメラの読み出しタイミングを励起光の動きに同期して調整できるため、散乱の影響を受けないS/N の高い画像取得が可能です。


c13440-20cu 製品特長

 

W-VIEW モード

カメラのセンサ(CMOS)の上下で独立した「露光時間の 設定」、「サブアレイの設定(特許出願中)」、「読み出し方向 の設定」ができるモードです。 W-VIEW GEMINI などのイメージスプリッティング光学 系と組み合わせ、1 台のカメラで2 波長同時イメージング を強力にサポートする機能です。


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デュアルライトシート読み出しモード(特許取得済み)

ライトシート読み出しモードとW-VIEW モードを組み合わせて使用できる機能です。 ライトシート顕微鏡における2波長同時イメージングに対応します。
デュアルライトシート読み出しモードは、センサの上半分と下半分のエリアを同時に読み出すことができるため、ライトシート読み出しモードの2倍の速度で読み 出すことができます。また、センサの上半分と下半分のエリアで独立したサブアレイ読み出し設定が行えます。


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8 bit/12 bit出力で読み出し速度を向上(USB 3.0 使用時)

近年の科学計測用カメラにおける、高速、広視野、高解像度化の流れは、取得する画像データ量の増大を伴っています。 そのため、多くの研究者が「解析に掛かる時間や手間が増加した」「膨大な画像データの保存方法や保存環境に苦労する」といった課題に直面しています。
ORCA-Flash4.0 V3 は、データ量の軽減と同時に読み出し速度の向上や解析時間の短縮を実現する機能を搭載しています。


8 bit/12 bit 出力

カメラが取得した16 bit のデータの内、必要なレンジのデータのみをLUT(Look Up Table)を使って8 bit や12 bit のデータとして出力することができます。 この機能により、不要部分の画像データを出力することなく、結果としてデータの容量を削減できるだけでなく、USB3.0 を使用した際、従来品に比べて読み出し速度を向上させることが可能となりました。

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科学計測用に求められる定量性と高画質

科学計測用CMOS カメラには、定量性が求められます。優れた定量性を実現するにはリニアリティに優れていることはもちろんですが、さらにパターンノイズがなく、 画素ごとのばらつきが非常に小さく抑えられた均一な画質が必要です。 特に、ローカライゼーション法をはじめとする超解像顕微鏡の画像取得では、画素ごとのばらつきは1分子の位置精度に影響を及ぼすため、より高い均一性が必要と されます。浜松ホトニクスは、蓄積した回路技術のノウハウを活かし、均一性に優れた画質を実現しました。


定量性の追求

特に光量の低い領域でのリニアリティが優れていることに加え、画素間の差を最小限にすることで固定パターンノイズを減少させることに成功しました。 結果として出力画像の均一性を示すPRNU(Photo Response Non-Uniformity)とDSNU(Dark Signal Non-Uniformity)は優れた値を示しています。


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多彩な画質改善モード

目的・用途に合わせ、複数レベルでの画質補正を可能にしました。 CMOSカメラ特有の長時間露光時の白点補正にも対応します。



データ量削減機能

ORCA-Flash4.0 V3 は、400 万画素の高解像度で100 フレーム/ 秒の高速読み出し、かつ1 画素あたり16 bit の階調(65,536 階調)を持つため、 1 秒間に800 MB の画像データを出力します。このデータを保存するために大容量の記憶装置が必要となります。数テラバイトにも及ぶ膨大なデータを保存 するための記憶装置は高額であり、また、そのデータの移動や解析も容易ではありません。 そのため、カメラから出力される画像データの削減に対する要求が 急速に高まっています。
ORCA-Flash4.0 V3 は、新たにデータ量削減機能を搭載し、必要なデータのみ効率良く出力することを可能にしました。

データ量の削減には、下記の2つの手法があります。


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① 画像切り出し機能

◆画像の切り出し
ROI またはByte Mask によって指定された領域の画素データのみを出力 します。これより、DCIMG ファイル※として記録されるデータの容量を 大幅に削減します。

《メリット》
指定した領域の画素データのみを出力(取得)することで、データ量を劇的 に削減することができます。その結果、データの取得、管理、運用に掛かる人・ 物・経費が削減できます。

・データサイズの削減
・記録装置に掛かるコストの削減
・データの移動や解析に掛かる時間の削減 など


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◆ソフトウエアサポート
研究用途で広く使われている主要なソフトウエアが、画像切り出し機能(及びDCIMG ファイル ※)をサポートしています。


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※ DCIMG ファイルフォーマットとは…
DCAM-API のレコーディング機能を利用してファイルに記録する際に使用するファイルフォーマットで、カメラから出力される高速・大容量 のデータの記録に最適な設計がなされています。

<特長>
カメラから出力されるデータをデコードすることなく直接ファイルに書き込んでいるため、記録時にデータの損失が発生しません。 すなわちカメラ内部で削減されたデータのまま記録されるため、ファイルサイズが劇的に削減されます。

<対応ソフト>
ユーザーは、 LabVIEW やImageJ 、MATLAB といった研究用途で広く使われている主要なソフトウエアにおいてDCIMG ファイルから画像 を取り出すことができます。
また、プログラミング知識のある方は、ソフトウエア開発キットを利用して、自作のソフトウエアにおいて直接DCIMG ファイルからデコード された画像を取り出すことも可能です。



② 8 bit/12 bitデジタル出力

◆1 画素あたりの階調を軽減
1画素あたりの階調を12 bit(4,096階調)や8 bit(256階調)に減らすことでデータ量を削減します。

・12 bitデジタル出力時: 16 bit出力時の3/4のデータ量に削減
・8 bitデジタル出力時: 16 bit出力時の半分のデータ量に削減

また、USB 3.0インターフェース使用時には、8 bit/12 bitデジタル出力により、16 bitデジタル出力よりも読み出し速度を向上させることができます。


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◆LUT で輝度値を選択
8 bit/12 bitにすることで、1画素あたりの階調データは減ってしまいますが、ルックアップテーブル機能(LUT)を用いて必要な範囲の輝度値を選択するこ とで、欠落する階調データを最小限に抑えることができます。LUTは16 bitの中で出力する範囲を選択します。

画像切り出し機能(P4参照)は、16 bitデジタル出力設定時のみ有効です。


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より便利に、より簡単に

マスターパルス機能

通常のカメラでは、複数のカメラを同期させる場合や周 辺機器と同期させる場合にはパルスジェネレータなどを 別途追加で準備する必要があります。ORCA-Flash4.0 V3 は、シンプルなタイミングジェネレータを内蔵して いるため、カメラ自身がタイミング制御を行うことが可 能です。


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ハイコントラストモード

従来、 EM-CCD カメラを使用するような微弱光領域におけ るCMOS カメラの画像は、コントラストの不足、背景の抜 けなどにより十分な視認性が得られず、画質の改善が求め られていました。ORCA-Flash4.0 V3 は、新たにハイコ ントラストモードを搭載し、コントラストを改善した綺麗 な画像表示を可能にしました。


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V2 コンパチブルモード

V2 コンパチブルモードを選択することで、従来のORCA-Flash4.0 V2でご使用いただいたソフトウエア環境をそのままご使用いただけます。



ソフトウエア開発キット

DCAM-SDK & DCIMG-SDK

SDK とはSoftware Development Kit の略で、アプリケーションソフトウエアを作るための 開発キットです。DCAM-API を使ってカメラを制御するソフトウエアを作成する場合は DCAM-SDK を、DCIMG ファイルを読み込むソフトウエアを作成する場合にはDCIMG-SDK をそれぞれ使うことでアプリケーションソフトウエアを作成することができます。
DCAM-SDK 及びDCIMG-SDK は、専用サイト(https://dcam-api.com/)のDCAM-SDK からユーザー登録後、ダウンロード可能です。
その他、浜松ホトニクスが提供するソフトウエアについても同サイトをご参照ください。


GPU 利用のサンプルコード

DCAM-SDK の中には、アプリケーションソフトウエアの開発の参考になるサンプルコードが数多く含まれています。その中にDCAM-API から受け取った画像 データをCUDA対応GPU で処理を行うサンプルコードも含まれています。
DCAM-APIのシンプルでパワフルな関数群とCUDA のネイティブ関数群の組み合わせは、SDKユーザーに制限のない自由な開発手法を開放しています。

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その他の特長・機能

高量子効率

蛍光イメージングでは、EM-CCDを凌駕するパフォーマンスを発揮!

これまで、TIRF や超解像イメージングに代表される微弱光領域において、多くの研究者はEM-CCD カメラを使用してきました。
ORCA-Flash4.0 V3 は、S/N の高い画像を必要とする蛍光アプリケーションにおいて、EM-CCD カメラを上回る高いパフォーマンスを発揮します。


●高い量子効率:82 %(Peak QE)

ORCA-Flash4.0 V3 は、82 %(Peak QE)という高い 量子効率を実現しています。従来のsCMOS カメラを凌ぐ だけでなく、EM-CCD カメラと比較しても優れた感度を有 しています。暗い蛍光観察において、EM-CCD カメラは電 子増倍する過程で発生する増倍ノイズ(過剰雑音)の影響 でS/N が低下するのに対し、ORCA-Flash4.0 V3 は高感 度かつ安定した画像取得が可能です。

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◇蛍光ライブセルイメージングへの応用 ⇒ 《S/N を向》

実験:蛍光ライブセルイメージングにおける効果をシミュレーションしました。
   同じ入射フォトン数でCCD カメラや第一世代sCMOS カメラ、従来品と同条件でシミュレーションによる比較をしました。
   それぞれの取得画像は視覚的に比較できるようにLUT を調整してあります。

結果:同じ入射フォトン数でのシミュレーションでは、CCD カメラや第一世代sCMOS カメラ、さらに従来品に比べても高S/N な画像を
   取得しました。
   より励起光を弱め、光毒性や褪色の影響を抑えた長時間のタイムラプス記録が可能となります。


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◇超解像顕微鏡への応用(ローカライゼーション法) ⇒ 《位置精度を向上》

量子効率の向上により、ローカライゼーション法を使用した超解像顕微鏡イメージングにおいて、従来品に比べて位置精度を向上させることが可能です。


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広視野・高解像度

一般的なEM-CCDカメラに比べ、2.5倍以上の広い視野を実現!

一度に多くの細胞や現象を観察でき、「高感度」「高速」の特長と合わせ、実験/ 観察のスループットを大幅に向上します。また、広い視野に加え、解像度も 高いため、任意の部分を拡大しても詳細まで鮮明に観察することが可能です。


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高速

100 フレーム/秒の高速撮影により、瞬間的な現象を逃さず捕捉!

従来のCCD カメラは読み出し速度が遅く、より高速な生命現象を正確に解明するには性能が不十分でした。ORCA-Flash4.0 V3 は、2048 画素 × 2048 画素という高い解像度でありながら100 フレーム/ 秒の高速イメージングが可能なため、瞬間的な現象を逃さず捉えることができます。


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低ノイズ読み出し・短時間のスナップショット

スロースキャンモード

0.8 electrons の低い読み出しノイズを実現するスロースキャンモード(30 フレー ム/ 秒)を搭載しています。ノイズが少ないことが重要な微弱蛍光観察に適したモー ドです。スロースキャンモードは、USB 3.0 とCamera Link の両インターフェー スで使用できます。

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グローバルリセットモード

グローバルリセットモードでは、グローバルシャッタで撮像した画像と同様に同時 性のある画像を取得できます。極めて短い時間でのスナップショットが必要な場合 などに有効です。

 
 

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画像取得・解析ソフトウエア

HSR ソフトウエア U12174

HSR(High Speed Recording)は、ORCA-Flash4.0 V3に標準装備された画像取得ソフトウエアです。ライブ、スナップショット、録画、再生を行うことを目的としたシンプルな構成により、容易な操作性を実現しています。

特長
・録画・再生に機能を絞り込んだグラフィックインターフェース
・瞬間的な現象を逃さずとらえる使い易い操作性
・データの後処理を考慮した汎用性
・日本語・英語 環境に対応


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HCImage Live ソフトウエア U11158-01

HCImage Liveは、ORCA-Flash4.0 V3に標準装備された画像取得解析ソフトウエアです。カメラドライバソフトウエア「DCAM-API」を十分に活用するために最適化され、カメラの性能や機能を最大限に引き出すことができます。粒子測定、輝度の経時変化の解析、対象物の追跡、多次元タイムラプスイメージングなど、ライフサイエンスや材料研究の幅広い用途に向け、使いやすくフレキシブルなソリューションを提供します。

特長
・ライブ画像の取得をはじめ、取得後の画像処理や解析を行うための豊富なツールを装備
・画像取得から解析までを一括してコントロール
・操作性をより高めるため、画像の取得・処理・解析を150以上の計測モードから選択可能
・有償版にて様々な電動周辺機器をサポート(電動顕微鏡・共焦点スキャナユニットなど)

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動画ギャラリー

ライトシート顕微鏡への応用

DSLM (Digital Scanned Light-sheet Microscope)を使い、大アメーバの動態を高速かつ広視野高解像度の立体動画にすることができます。

GFP蛍光リアルタイム血流観察

GFPラベルした血管の血流をリアルタイムで捉えます。

 

超高速(400 fps)微分干渉観察

超高速撮影で心臓拍動の動きを精緻に捉えます。

心筋細胞塊の拍動に伴う膜電位変化観察

ヒトiPS細胞由来である心筋細胞塊の、自発的な拍動に併せた膜電位変化を高解像度で捉えることができます。

 

超解像顕微鏡への応用

従来EMCCDでなければ不可能とされていた超解像顕微鏡へも適用することが可能です。

実体顕微鏡での高速高解像度撮影

エビ遊泳脚の運動を高速高解像度に捉えます。

 

花粉の共焦点断層画像

スピニングディスク共焦点システムと合わせることで、高速かつ広視野高解像度の立体画像を取得することができます。

TIRF顕微鏡による糸状仮足の伸長観察

ORCA-Flash4.0 V2はTIRF顕微鏡においてEMCCDと遜色無い品質の画像を得つつ広視野を得られます。

 

共焦点高速カルシウムイメージング観察

スピニングディスク共焦点システムと合わせることで、細胞内カルシウム分布の変化も高速で捉えることができます。

顕微鏡による細胞内微小管の伸長観察

細胞内の微細な構造を高解像度で捉えることができます。

 

薬理刺激によるPKCのトランスローケーション観察

TEAによる刺激でPKCがトランスロケーションする様子を高解像度かつ広視野で捉えることができます。

心筋細胞塊の拍動に伴うカルシウムイメージング

ヒトiPS細胞由来である心筋細胞塊の、自発的な拍動に併せたカルシウム濃度変化を高速で捉えることができます。

 

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システム構成図

c13440-20cu システム構成図

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仕様

型名 C13440-20CU
撮像素子 科学計測用CMOSイメージセンサ
有効画素数 2048(H)×2048(V)
画素サイズ 6.5 μm×6.5 μm
有効素子サイズ 13.312 mm×13.312 mm
飽和電荷量 30 000 electrons(typ.)
読み出し速度 スタンダードスキャンモード(全画素読み出し時):100 フレーム/秒(Camera Link)
スタンダードスキャンモード(全画素読み出し時):40 フレーム/秒(USB 3.0、16 bit)
スタンダードスキャンモード(全画素読み出し時):53 フレーム/秒(USB 3.0、12 bit)
スタンダードスキャンモード(全画素読み出し時):80 フレーム/秒(USB 3.0、8 bit)
読み出しノイズ スタンダードスキャンモード(100 フレーム/秒):1.0 electrons median(typ.)、1.6 electrons rms(typ.)
スロースキャンモード(30 フレーム/秒):0.8 electrons median(typ.)、1.4 electrons rms(typ.)
露光時間 内部同期時:1 ms~10 s(スタンダードスキャン)
内部同期時:3 ms~10 s(スロースキャン)
内部同期サブアレイ時:38.96 μs~10 s(スタンダードスキャン)
内部同期サブアレイ時:129.99 μs~10 s(スロースキャン)
外部トリガ時:1 ms~10 s(スタンダードスキャン)
外部トリガ時:3 ms~10 s(スロースキャン)
冷却方式 ペルチェ冷却
冷却温度 強制空冷(周囲温度+20 ℃):-10 ℃
水冷(水温+20 ℃):-10 ℃
水冷(水温+15 ℃):-30 ℃
暗電流 0.06 electrons/pixel/s(-10 ℃)(typ.)
0.06 electrons/pixel/s(-10 ℃)(typ.)
0.006 electrons/pixel/s(-30 ℃)(typ.)
ダイナミックレンジ 37 000:1 (typ.)
外部トリガモード ノーマルエリアモード時、 W-VIEW モード時: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
ライトシート読み出しモード時、デュアル ライトシート読み出しモード時:エッジトリガ、スタートトリガ
入力コネクタ SMA、Camera Link I/F
トリガ遅延機能 0μs ~ 10 s(1 μs ステップ)
トリガ出力 プログラマブルタイミング出力×3系統、グローバル露光タイミング出力、トリガレディ出力
出力コネクタ SMA
画像改善機能 リアルタイムオフセット補正、リアルタイムゲイン補正(カラム/ピクセル)、リアルタイム欠陥画素補正(白点補正3段階)、画像切出し
インターフェース Camera Link full configuration Deca mode、USB 3.0
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 AC100 V/AC117 V/AC220 V/AC240 V、50 Hz/60 Hz
消費電力 約 70 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)

 

読み出し時間 スタンダードスキャンモード 10 ms
スロースキャンモード 33 ms
暗出力不均一性 (DSNU) (Typ.) 0.3 electrons rms
感度不均一性 (PRNU) 15 000 electrons時 (Typ.) 0.06 % rms
700 electrons時 (Typ.) 0.3 % rms
リニアリティエラー EMVA 1288 standard (Typ.) 0.5 %
500 electrons以下時 (Typ.) 0.2 %、絶対誤差換算時 1 electron以下
●読み出しモード
読み出しモード ビニング読み出しモード(デジタルビニング 2x2/4x4)
サブアレイ読み出しモード
ライトシート読み出しモード 読み出し時間 20 ms ~ 204.8 s
読み出しモード 全画面/サブアレイ読み出しモード
読み出し方向 フォワード読み出し、バックワード読み出し
W-VIEW モード 読み出しモード ビニング読み出しモード(デジタルビニング 2x2/4x4)、
サブアレイ読み出しモード
読み出し方向 フォワード読み出し、バックワード読み出し(上下独立設定可)
デュアルライトシート読み出しモード 読み出し時間 10 ms ~ 102.4 s
読み出しモード 全画面、サブアレイ読み出しモード
読み出し方向 フォワード読み出し、バックワード読み出し(上下独立設定可)
 
 

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分光感度特性

c13440-20cu 分光感度グラフ 

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外形寸法図

c13440-20cu 外形寸法図

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参考文献

発表文献リスト

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