Die neue sCMOS-Kamera Zyla ZL41 Wave für die Naturwissenschaften und die Astronomie

Das Unternehmen Andor hat ein neues Modell der beliebten sCMOS-Kameraserie Zyla vorgestellt . Die neue Kamera ZL41 Wave wurde speziell für die wissenschaftliche Forschung in den Bereichen Physik und Astronomie entwickelt.

Und was hat sie alles zu bieten?

• Bis zu 82 % Quanteneffizienz

• < 1 e- Ausleserauschen

• Bis zu 100 fps

• 32-Bit-Binning-Modus

• Modi für die Spektroskopie

• Betrieb bei Umgebungstemperaturen bis zu -20 °C 

Anwendungen

• Himmelsdurchmusterungen

• Röntgen- oder Neutronentomographie

• Quantenbildgebung

• Hyperspektralanwendungen

• Hochauflösende Bildgebung

Erfahren Sie mehr über die Neuheit auf der Produktseite„ “ HIER.

 

sCMOS- vs. CMOS-Kameras: Was ist der Unterschied?

Die Kameratechnologien entwickeln sich ständig weiter und bieten eine immer bessere Empfindlichkeit, Auflösung und Geschwindigkeit, was den heutigen Wissenschaftlern in vielen Forschungsbereichen hilft. Die meisten modernen Bildkameras basieren auf CMOS-Sensoren (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), während die einst beliebten CCD-Sensoren (Charge Coupled Device) mittlerweile auf spezialisiertere Anwendungen beschränkt sind. CMOS-Kameras werden in einer breiten Palette von Sensorformaten und in verschiedenen Preisklassen hergestellt. Häufig werden bestimmte Kameras auch als wissenschaftliche CMOS- oder sCMOS-Kameras bezeichnet. Worin bestehen also die Unterschiede zwischen CMOS- und sCMOS-Kameras? Und was bedeutet das im Hinblick auf ihre Bildgebungsfähigkeiten und den vorgesehenen Einsatzzweck?

Was haben CMOS und sCMOS gemeinsam?

Wie die Bezeichnungen bereits andeuten, basieren sowohl CMOS als auch sCMOS auf derselben Sensortechnologie, nämlich auf dem Aufbau komplementärer Halbleitersensoren auf Metalloxidbasis. Kurz gesagt lässt sich sCMOS als CMOS der höheren Klasse und mit höherer Leistung.

Was sind die Unterschiede zwischen CMOS und sCMOS?

Der Hauptunterschied zwischen CMOS und sCMOS besteht darin, dass CMOS-Kameras Bildaufnahmekameras für den allgemeinen Gebrauch sind, während sCMOS-Kameras speziell für wissenschaftliche Forschungsanwendungen konzipiert sind, die eine genaue und präzise Messung der Signalintensität erfordern. sCMOS-Kameras erzielen auf verschiedene Weise eine höhere Bildleistung:

Sensoren mit hoher QE (Quantenausbeute) und geringem Rauschen für beste Empfindlichkeit und Signalerfassung. 

Die Empfindlichkeit – also die Fähigkeit des Sensors, Signale zu erfassen – wird maßgeblich durch die QE und die grundlegenden Rauschcharakteristika Eigenschaften des Sensors. Die QE beschreibt, wie effizient der Sensor ein eingehendes Signal in Form von Licht (Photonen) in ein elektrisches Signal umwandelt. Sensoren weisen zudem ein gewisses Rauschniveau auf. Die Rauschquellen werden als Ausleserauschen (das Rauschen des Sensors selbst bei der Signalmessung und dem Auslesen des Wertes für jedes Pixel) und als Dunkelstrom (thermisches Rauschen, das bei Fehlen jeglichen Signals entsteht) bezeichnet.

CMOS-Sensoren mit Rückseitenbeleuchtung (back illuminated) und Wärm gerauschunterdrückung

CMOS-Sensoren weisen in der Regel ein sehr geringes Ausleserauschen von 1–2 e- auf, was bedeutet, dass das Rauschgrundniveau der Kamera sehr niedrig ist und Signale mit niedrigem Pegel vom Rauschgrundniveau unterschieden werden können. CMOS-Sensoren weisen in der Regel ein höheres Ausleserauschen auf, das 6–8 e- oder mehr betragen kann. Das Ausleserauschen beschreibt die Abweichung der Signalmessung. Je geringer diese Abweichung ist, desto besser – d. h. ein Ausleserauschen von 1 e- bedeutet, dass die Messabweichung nur 1 e beträgt, während ein Ausleserauschen von 10 e- bedeutet, dass die Messabweichung 10 e beträgt.

sCMOS-Sensoren werden in der Regel gekühlt, um das thermische Rauschen zu reduzieren. Bildsensoren unterliegen einem thermischen Rauschen, das, wenn es nicht bekämpft würde, den Rauschpegel der Kamera erhöhen und somit die Nachweisgrenze der Kamera beeinträchtigen würde. Die Kühlung des Sensors stellt eine wirksame Methode zur Kontrolle des thermischen Rauschens dar und ist oft der entscheidende Unterschied zwischen CMOS- und sCMOS-Kameras.

CMOS-Kameras verfügen über eine passive Kühlung der bei Umgebungstemperatur arbeitenden Sensoren, was bedeutet, dass die vom Sensor erzeugte Wärme über das Metallgehäuse der Kamera abgeleitet wird. Dies reicht für allgemeine Aufnahmezwecke bei kurzen Belichtungszeiten und hohen Signalpegeln aus. Bei Fluoreszenz- oder spektroskopischen Anwendungen, bei denen die Signalpegel wesentlich niedriger sind, oder bei längeren Belichtungszeiten geht dieses thermische Rauschen zu Lasten der Bildqualität. Je größer der Sensor und je schneller die Kamera arbeitet, desto mehr thermisches Rauschen muss kontrolliert werden. Bei höheren Umgebungstemperaturen oder in geschlossenen Räumen kann das thermische Rauschen besonders problematisch sein.

Quantitative Genauigkeit und Dynamikbereich

Ein wesentliches Merkmal von sCMOS-Kameras ist, dass sie so optimiert sind, dass der Sensor als analytisches Instrument zur Messung der Lichtintensität eingesetzt werden kann. Genauso wie bei Experimenten eine Kalibrierung durchgeführt wird, ist auch die Kamera so optimiert, dass die Reaktion jedes Pixels über den gesamten Sensor hinweg so präzise wie möglich ist. Wie oben beschrieben, verfügt jedes Pixel eines CMOS-Sensors über einen eigenen Pixelverstärker; in jeder Spalte erfolgt eine Analog-Digital-Wandlung und ein zeilenweises Auslesen. Dies ermöglicht hohe Bildraten und größere Sensorformate, die die langsameren CCD-basierten Kameras mit serieller Auslesung abgelöst haben. Das bedeutet jedoch, dass es bei der Reaktion auf Licht bei jedem Pixel und jeder Spalte sehr kleine Unterschiede gibt. Diese Unterschiede sind so gering, dass bei ausreichender Beleuchtung oder wenn die Kamera nicht zu Messzwecken eingesetzt wird, nur minimale Korrekturen erforderlich sind. Für Anwendungen mit geringer Beleuchtung oder bei denen die Versuchsbedingungen verglichen werden müssen, ist eine präzise Optimierung des Sensors erforderlich.

CMOS-Kameras sind so konstruiert, dass sie eine gute Leistung bieten, eine schnelle und einfache Großserienfertigung ermöglichen und dabei kostengünstig bleiben. sCMOS-Kameras nutzen die Funktionen des integrierten FPGA in viel größerem Umfang, um diese geringen Abweichungen für die einzelnen Betriebsmodi zu korrigieren. Dies erhöht zwar den Preis der Kamera, stellt aber gleichzeitig sicher, dass die Kameras für quantitative Messungen eingesetzt werden können. In der Regel wird diese Spezifikation bei sCMOS-Kameras als quantitative Genauigkeit oder Linearität der Kamera angegeben, beispielsweise als 99,7 % Linearität oder 0,3 % Nichtlinearität. Diese Angabe kann in den Datenblättern von CMOS-Kameras fehlen.

Ein weiterer Unterschied ist der Dynamikbereich – die Fähigkeit der Kamera, sowohl dunkle als auch helle Bildbereiche in einem einzigen Bild festzuhalten. Günstigere CMOS-Kameras gehen oft Kompromisse beim Dynamikbereich ein, was bedeutet, dass sie anfälliger für Bildsättigung sind, wenn Bilder mit schwachen und hellen Signalinformationen verarbeitet werden. sCMOS-Kameras verfügen in bestimmten Modi oft über eine wesentlich größere Signalverarbeitungskapazität – dies wird üblicherweise als 16-Bit-Modus mit hohem Dynamikbereich beschrieben, im Gegensatz zu 8-, 10- oder 12-Bit-Modi.

Wissenschaftliche Anwendungsbereiche und Kameramöglichkeiten

In vielen wissenschaftlichen Bereichen wie den Biowissenschaften, der Mikroskopie, der Astronomie und der industriellen Bildgebung werden sowohl sCMOS- als auch CMOS-Kameras eingesetzt. Welche Option die beste ist, hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab.

• Anwendungen, die eine hervorragende Bildqualität, geringes Rauschen und hohe Empfindlichkeit erfordern, entscheiden sich häufig für sCMOS-Kameras. Dazu gehören die Fluoreszenzbildgebung, die Einzelmolekülbildgebung und die Superauflösungsmikroskopie.
• Für Anwendungen, die eine Hochgeschwindigkeitsbildgebung erfordern, wie beispielsweise die Partikelverfolgung, die Hochgeschwindigkeits- industrielle Inspektion oder die Erfassung schneller biologischer Prozesse, eignen sich CMOS-Kameras.

Die Wahl zwischen sCMOS- und CMOS-Kameras

Bei der Entscheidung zwischen sCMOS- und CMOS-Kameras für Ihre Forschung müssen die Einschränkungen Ihres Experiments berücksichtigt werden. CMOS-Kameras bieten Hochgeschwindigkeitsbildgebung im Rahmen eines begrenzten Budgets, während sCMOS-Kameras hinsichtlich Empfindlichkeit, geringem Rauschen und dem Dynamikbereich überlegen. Es ist wichtig, sich der Vor- und Nachteile jeder Technologie bewusst zu sein und diese von Fall zu Fall mit den konkreten Bedingungen Ihres Experiments zu vergleichen.

Wissenschaftliche Kameras wie beispielsweise die ZL41 Cell verfügen über einen hohen Dynamikbereich, aber auch über eine lineare Lichtempfindlichkeit. Das bedeutet, dass die Kamera linear auf das Signal reagiert, proportional dazu, wie der Lichtpegel an der Grenze der Empfindlichkeit abnimmt. Das bedeutet, dass es möglich ist, das Signal zu quantifizieren und mit den Messwerten in Beziehung zu setzen. Industriekameras sind in der Regel nicht so konfiguriert und können sowohl an der unteren Grenze als auch bis zum Sättigungspunkt unter Nichtlinearität leiden. Darüber hinaus verwenden viele Kameras mehrere Verstärker, um die gesamten Bildinformationen digitalisieren zu können. Sind diese nicht richtig eingestellt, kann es zu Sprüngen im erfassten Signal kommen.

Es gibt auch Auswirkungen auf die Ebene der einzelnen Pixel. Bei einem CMOS-Sensor reagiert jedes Pixel anders auf Licht. Wissenschaftliche Kameras verfügen über effektive Pixelkarten, die diese Unterschiede berücksichtigen. Das bedeutet, dass es möglich ist, den Beleuchtungsgrad zu überwachen und festzustellen, wann ein Austausch erforderlich ist.

Schlüsselmerkmale:

• Grundlagenwissen: Die Technologie der komplementären Metalloxide und Halbleiter, die sowohl bei sCMOS- als auch bei CMOS-Kameras zum Einsatz kommt, ermöglicht die Umwandlung von Licht (Photonen) in ein elektrisches Signal.
• Empfindlichkeit und Signal-Rausch-Verhältnis: sCMOS-Kameras weisen ein sehr geringes Rauschen und eine hohe Quanteneffizienz auf und bieten daher im Vergleich zu CMOS-Kameras einen erheblichen Vorteil hinsichtlich der Empfindlichkeit. CMOS-Kameras bieten ein weniger günstiges Signal-Rausch-Verhältnis, da sie ein höheres Rauschniveau und eine geringere Quanteneffizienz (QE) aufweisen. Dennoch bieten sie immer noch eine ausreichende Empfindlichkeit für Anwendungen mit hoher Lichtmenge. Zudem sind sie bei weniger komplexem Kameradesign, Kühlung oder Optimierung zu deutlich niedrigeren Preisen erhältlich.
• Geschwindigkeit und Bildfrequenz: Eine der Hauptmerkmale von CMOS-Kameras ist die Fähigkeit, Bilder mit hoher Bildfrequenz aufzunehmen. Dank ihrer hohen Auslesegeschwindigkeit eignen sie sich ideal zur Erfassung dynamischer Ereignisse oder sich bewegender Objekte. Obwohl sCMOS-Kameras langsamer sind als CMOS-Kameras, bieten sie angemessene Bildraten, die für eine breite Palette wissenschaftlicher Anwendungen geeignet sind.
• Dynamikbereich: sCMOS-Kameras werden oft für ihren großen Dynamikbereich gelobt, der es ihnen ermöglicht, Details sowohl in hellen als auch in dunklen Bereichen eines Experiments zu erfassen. Sie sind daher sehr nützlich in Anwendungen, die eine präzise Erfassung eines breiten Intensitätsbereichs erfordern. Obwohl CMOS-Kameras einen guten Dynamikbereich aufweisen, sind sie in dieser Hinsicht möglicherweise nicht so leistungsfähig wie sCMOS-Kameras.
• Kosten und Verfügbarkeit: CMOS-Kameras sind kostengünstiger als sCMOS-Kameras, was natürlich ein Vorteil ist. Dank ihres Preises sind CMOS-Kameras für einen breiteren Kreis von Verbrauchern zugänglich, insbesondere für diejenigen, die über begrenzte Ressourcen oder finanzielle Mittel verfügen. Andererseits sind sCMOS-Kameras aufgrund ihrer besseren Leistungsmerkmale in der Regel teurer.