Nová sCMOS kamera Zyla ZL41 Wave pro fyzikální vědy a astronomii

Firma Andor představila nový přírůstek do populární řady sCMOS kamer Zyla. Nová kamera ZL41 Wave je speciálně navržená pro vědecký výzkum v oblasti fyzikálních věd a astronomie.

A co všechno nabízí?

• Až 82% kvantová účinnost

• < 1 e- čtecí šum

• Až 100 fps

• 32-bit binning režim

• Režimy pro spektroskopii

• Provoz do okolní teploty až -20°C 

Aplikace

• Průzkumy oblohy

• Rentgenová nebo neutronová tomografie

• Kvantové zobrazování

• Hyperspektrální aplikace

• Vysoce rozlišitelné snímání

Přečtěte si více o novince na produktové stránce ZDE.

sCMOS vs CMOS kamery: Jaký je mezi nimi rozdíl?

Kamerové technologie se stále vyvíjejí a nabízejí lepší citlivost, rozlišení a rychlost, což současným vědcům pomáhá v mnoha oblastech výzkumu. Většina moderních zobrazovacích kamer je založena na snímačích CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), přičemž kdysi oblíbené snímače CCD (Charge Coupled Device) jsou nyní omezeny na více specializované aplikace. Kamery CMOS se vyrábějí v široké škále formátů snímačů a v různých cenových relacích. Často se také můžeme setkat se značením některých kamer jako vědecké CMOS nebo sCMOS. Jaké jsou tedy rozdíly mezi fotoaparáty CMOS a sCMOS? A co to znamená  z hlediska jejich zobrazovacích schopností a zamýšleného použití?

Kamera Balor sCMOS pro astronomii

Co je společné pro CMOS a sCMOS?

Jak již názvy napovídají, CMOS i sCMOS jsou založeny na stejné technologii snímačů, konkrétně na konstrukci komplementárních polovodičových snímačů na bázi oxidů kovů. Stručně řečeno, sCMOS si lze představit jako CMOS vyšší třídy a vyššího výkonu.

Jaké jsou rozdíly mezi CMOS a sCMOS?

Hlavní rozdíl mezi CMOS a sCMOS spočívá v tom, že kamery CMOS jsou zobrazovací kamery pro všeobecné použití, zatímco kamery sCMOS jsou navrženy speciálně pro vědecké výzkumné aplikace, které vyžadují přesné a precizní měření intenzity signálu. sCMOS kamery dosahují vyššího zobrazovacího výkonu několika způsoby:

Senzory s vysokým QE (kvantová účinnost) a nízkým šumem pro nejlepší citlivost a detekci signálu. 

Citlivost - neboli schopnost snímače detekovat signály - je do značné míry dána QE a základními šumovými charakteristikami        snímače. QE popisuje, jak účinný je senzor při převodu příchozího signálu ve formě světla (fotonů) na elektrický signál. Senzory mají také určitou úroveň šumu. Zdroje šumu se označují jako čtecí šum (šum samotného snímače při měření signálu a odečítání hodnoty pro každý pixel) a temný proud (tepelný šum, který vzniká při absenci jakéhokoli signálu).

Senzory sCMOS se zadní detekcí (back illuminated) a řízením tepelného šumu

Snímače sCMOS mají obvykle velmi nízký čtecí šum 1-2 e-, což znamená, že šumové dno kamery je velmi nízké a signály nízké úrovně lze od šumového dna odlišit. Snímače CMOS mají obvykle vyšší čtecí šum, který může být 6-8e- nebo vyšší. Čtecí šum popisuje odchylku měření signálu. Čím nižší je tato odchylka, tím lépe - tj. čtecí šum 1e- znamená, že v měření je odchylka pouze 1e, zatímco čtecí šum 10e- znamená, že v měření je odchylka 10e.

Snímače sCMOS jsou obvykle chlazeny, aby se snížil tepelný šum. Zobrazovací senzory podléhají tepelnému šumu, který by v případě, že by nebyl řešen, zvýšil šumovou hladinu kamery a ovlivnil tak detekční limit kamery. Chlazení snímače představuje účinný způsob kontroly tepelného šumu a často se jedná o klíčový rozdíl mezi kamerami CMOS a sCMOS.

Kamery CMOS mají pasivní chlazení snímačů pracujících při okolních teplotách, což znamená, že teplo generované snímačem je odváděno přes kovové pouzdro kamery. To postačuje pro snímání pro všeobecné účely při krátkých expozicích a při vysokých úrovních signálu. U fluorescenčních nebo spektroskopických aplikací, kdy jsou úrovně signálu mnohem nižší, nebo při delších expozicích je tento tepelný šum na úkor zobrazovacího výkonu. Navíc čím větší je snímač a čím rychleji fotoaparát pracuje, tím více tepelného šumu je třeba kontrolovat. Při vyšších okolních teplotách nebo v uzavřených prostorách může být tepelný šum obzvláště problematický.

Kvantitativní přesnost a dynamický rozsah

Klíčovou vlastností kamer sCMOS je, že jsou optimalizovány tak, aby bylo možné snímač použít jako analytický nástroj pro měření intenzity světla. Stejně jako se provádí kalibrace pro experimenty, je i kamera optimalizována tak, aby odezva každého pixelu napříč snímačem byla co nejpřesnější. Jak bylo popsáno výše, každý pixel snímače na bázi CMOS má svůj vlastní zesilovač na pixelu, v každém sloupci probíhá analogově-digitální převod a čtení po řádcích. To umožňuje dosáhnout vysokých snímkových frekvencí a větších formátů snímačů, které nahradily pomalejší kamery založené na CCD se sériovým procesem čtení. To však znamená, že v reakci na světlo jsou u každého pixelu a sloupce velmi malé rozdíly. Tyto rozdíly jsou tak malé, že pokud máme dostatek světla nebo se kamera nepoužívá pro účely měření, jsou nutné jen minimální korekce. Pro aplikace, kde je nízká hladina světla nebo kde je třeba porovnávat experimentální podmínky, je nutná přesná optimalizace snímače.

Kamery CMOS jsou konstruovány tak, aby poskytovaly dobrou úroveň výkonu, umožňovaly rychlou a snadnou velkosériovou výrobu, a to vše při zachování nízké ceny. sCMOS kamery využívají mnohem více funkcí vestavěného FPGA ke korekci těchto malých rozdílů pro jednotlivé provozní režimy. To sice zvyšuje cenu kamery, ale zároveň zajišťuje, že kamery lze používat pro kvantitativní měření. Obvykle se u kamer sCMOS tato specifikace uvádí jako kvantitativní přesnost nebo linearita kamery ve tvaru 99,7% linearita nebo 0,3% nelinearita. Tato specifikace může být ve specifikačních listech kamer CMOS vynechána.

Dalším rozdílem je dynamický rozsah - schopnost fotoaparátu zachytit slabé i světlé části obrazu v jednom snímku. Levnější fotoaparáty CMOS často dělají kompromisy v dynamickém rozsahu, což znamená, že jsou náchylnější k saturaci obrazu při zpracování snímků se slabou a jasnou informací o signálu. sCMOS fotoaparáty mají často mnohem širší kapacitu zpracování signálu v některých režimech - obvykle se popisuje jako 16bitový režim s vysokým dynamickým rozsahem, spíše než 8, 10 nebo 12bitové režimy.

Vědecké domény a možnosti kamer

V mnoha vědeckých oblastech, jako jsou biologické vědy, mikroskopie, astronomie a průmyslové zobrazování, se používají kamery sCMOS i CMOS. O tom, která možnost je nejlepší, rozhodují požadavky dané aplikace.

• Aplikace, které vyžadují vynikající kvalitu obrazu, nízký šum a vysokou citlivost, často volí kamery sCMOS. Jedná se o fluorescenční zobrazování, zobrazování jedné molekuly a mikroskopii se superrozlišením.
• Pro aplikace vyžadující vysokorychlostní zobrazování, jako je sledování částic, vysokorychlostní průmyslová kontrola nebo zachycení rychlých biologických procesů, jsou vhodné kamery CMOS.

Výběr mezi kamerami sCMOS a CMOS

Při rozhodování mezi kamerami sCMOS a CMOS pro váš výzkum je třeba vzít v úvahu omezení experimentu. Kamery CMOS poskytují vysokorychlostní zobrazování v rámci omezení malého rozpočtu, ale kamery sCMOS jsou lepší v citlivosti, nízkém šumu a dynamickém rozsahu. Je důležité uvědomit si výhody a slabiny každé technologie a porovnat je případ od případu s konkrétními podmínkami vašeho experimentu.

Vědecké kamery, jako je například ZL41 Cell, mají vysoký dynamický rozsah, ale také lineární odezvu na světlo. To znamená, že kamera reaguje na signál lineárně, úměrně tomu, jak se úroveň světla snižuje na hranici citlivosti. To znamená, že je možné kvantifikovat signál a vztáhnout jej k měřením. Průmyslové kamery obvykle nejsou takto konfigurovány a mohou trpět nelinearitou jak na dolní hranici, tak až do bodu nasycení. Kromě toho mnoho kamer používá více zesilovačů, aby bylo možné digitalizovat celou obrazovou informaci. Pokud nejsou správně nastaveny, může dojít k přeskokům u detekovaného signálu.

Existuje také vliv na úrovni jednotlivých pixelů. U snímače sCMOS bude mít každý pixel jinou odezvu na světlo. Vědecké fotoaparáty budou mít účinné mapy pixelů, které tyto rozdíly zohledňují. To znamená, že je možné sledovat úroveň osvětlení a kdy je nutná výměna.

Klíčové vlastnosti:

• Znalost základů: Technologie komplementárních oxidů kovů a polovodičů, která je společná pro fotoaparáty sCMOS i CMOS, umožňuje přeměnu světla (fotonů) na elektrický signál.
• Citlivost a poměr signálu k šumu: Kamery sCMOS mají velmi nízkou úroveň šumu, velkou kvantovou účinnost, a proto poskytují oproti kamerám CMOS značnou výhodu v citlivosti. Kamery CMOS nabízejí méně příznivý poměr signálu k šumu, protože mají vyšší úroveň šumu a nižší QE. Přesto stále poskytují dostatečnou citlivost pro aplikace, které disponují velkým množstvím světla. Kromě toho jsou v případě méně složité konstrukce kamery, chlazení nebo optimalizace k dispozici za mnohem nižší ceny.
• Rychlost a snímková frekvence: Jednou z hlavních vlastností kamer CMOS je schopnost zaznamenávat snímky vysokou snímkovou frekvencí. Díky vysoké rychlosti čtení jsou ideální pro zachycení dynamických událostí nebo objektů v pohybu. Přestože jsou kamery sCMOS pomalejší než kamery CMOS, poskytují rozumné snímkové frekvence, které jsou vhodné pro širokou škálu vědeckých aplikací.
• Dynamický rozsah: Kamery sCMOS jsou často chváleny pro svůj široký dynamický rozsah, který jim umožňuje zachytit detaily v jasných i tmavých částech experimentu. Jsou proto velmi užitečné v aplikacích, které vyžadují přesné zachycení širokého rozsahu intenzit. Přestože mají kamery CMOS dobrý dynamický rozsah, nemusí být v tomto ohledu tak schopné jako kamery sCMOS.
• Náklady a dostupnost: Kamery CMOS jsou cenově dostupnější než kamery sCMOS, což je samozřejmě výhoda. Díky své ceně jsou CMOS kamery dostupné širšímu okruhu spotřebitelů, zejména těm, kteří mají omezené zdroje nebo finanční prostředky. Na druhou stranu jsou kamery sCMOS kvůli svým větším výkonnostním vlastnostem obvykle dražší.