光子产品:科学CMOS相机:sCMOS相机达到了新的能力水平

时间:2018-06-08 08:56来源:Laser Focus World作者:Jucy 点击:
------分隔线----------------------------

摘要:当CMOS相机首次上市时,它们的成像能力对于科学和工业中的许多精确应用来说太过基础。 然而,多年来,CMOS成像技术在效率,动态范围,帧率和信噪比方面都有所提高,形成了科学CMOS (sCMOS)传感器 - 而sCMOS技术仍在不断发展。

关键字:光子,产品,科学,CMOS,相机,sCMOS,达,到了,新的

sCMOS相机现在广泛用于各种前沿显微镜技术,以及天文学和其他领域。


当CMOS相机首次上市时,它们的成像能力对于科学和工业中的许多精确应用来说太过基础。 然而,多年来,CMOS成像技术在效率,动态范围,帧率和信噪比方面都有所提高,形成了科学CMOS (sCMOS)传感器 - 而sCMOS技术仍在不断发展。

虽然背照式电子倍增CCD(EMCCD)相机对于某些需要最低噪声和暗电流的用途是最佳选择,但 sCMOS技术以其更高的像素数和更低的成本可成为各种高精确的应用程序。 sCMOS器件可以在全像素或像素的矩形子集上以全局快门“快照”模式捕捉数据,并且还可以在滚动模式下操作。

安道尔技术公司(北爱尔兰贝尔法斯特),生产sCMOS和EMCCD相机,以及前照式行间CCD,都对这些技术进行了广泛的比较。 该公司的结论就是你所期望的 - 每种设备都有其自身的优势(见图1)。 1

图1. Andor Technology公司制造的两种Zyla相机与公司的iXon背照式电子倍增CCD(EMCCD)相比,信噪比与光子强度的比较(a)显示EMCCD对于最低光子速率是最好的,包括单光子计数,而sCMOS接管更高(但仍然非常低)的光子速率)。安道尔Zyla相机的量子效率(QE)针对一系列荧光团(b)进行了优化。

图1. Andor Technology公司制造的两种Zyla相机与公司的iXon背照式电子倍增CCD(EMCCD)相比,信噪比与光子强度的比较(a)显示EMCCD对于最低光子速率是最好的,包括单光子计数,而sCMOS接管更高(但仍然非常低)的光子速率)。 安道尔Zyla相机的量子效率(QE)针对一系列荧光粉(b)进行了优化。

“科学CMOS(sCMOS)技术由于其独特的同时提供极低噪声,高帧率,宽动态范围,高量子效率和高分辨率的能力,在广泛的要求苛刻的成像应用中获得广泛认可。大视野,“安道尔的比较状态。 安道尔的数据显示,在大多数关键应用中,sCMOS相机的性能优于行间CCD相机。 只有EMCCD相机比sCMOS有优势,主要用于“极低照度的应用,在相当快的帧速下要求绝对的原始灵敏度。”安道尔制造了两款前照式sCMOS相机:空气冷却或水冷Zyla,以及Neo,在-40°C的真空冷却下运行。 Zyla相机拥有4.2和5.5 M像素尺寸,适用于生命科学和物理科学应用。 量子效率(QE)针对所有荧光团进行了优化,Zyla 4.4和Zyla 5.5达到了82%。 这些器件具有0.9读电子噪声,水冷暗电流为0.019 e /像素/秒,动态范围为33,000:1,并具有100帧/秒的性能,发送数据时降至53帧/秒通过USB 3.0。 由于其真空冷却 ,5.5 Mpixel Neo相机具有0.007 e- /像素/秒的暗电流

背照式sCMOS

普林斯顿仪器公司(马萨诸塞州阿克顿)生产背照式sCMOS照相机,称为Kuro,可提供1200×1200和2048×2048像素分辨率。 普林斯顿仪器公司的成像产品经理Mike Melle表示:“这款新一代 sCMOS相机显着降低了前照式sCMOS相机的固定模式噪声。 他指出,Kuro在不使用微透镜的情况下具有100%的填充因子,根据Melle的说法,“允许从紫外到近红外探测光子而不降低量子效率”

图2.背照式sCMOS技术根据普林斯顿仪器公司的数据,在广泛的光谱范围内提供了非常高的QE,包括UV。

图2.背照式sCMOS技术根据普林斯顿大学的数据显示,在广泛的光谱范围内(包括紫外线)提供了非常高的QE

Kuro 2048B在550-600 nm波长处的QE> 95%(见图2)和1.3 e均方根(RMS)的读出噪声。 该相机在全分辨率下可提供42帧/秒的分辨率,在1200×512像素分辨率下可提供100帧/秒的速度,适用于活细胞成像等高速应用。 除了显微镜和荧光应用之外,Kuro相机还针对天文学中的多种用途,包括自适应光学幸运成像 ,散斑成像,系外行星搜索,追踪近地物体以及太阳能等等。

高动态范围

Thorlabs(Newton,NJ)生产的sCMOS照相机Quantalux适用于荧光显微镜,夜视成像,海洋生物学,生物发光,材料检测,多光谱成像或荧光原位杂交(FISH)等成像应用。 它具有1e-的读取噪声,200万像素的1920×1080分辨率以及高达50帧/秒的全传感器帧速率。 该装置的QE为61%,读取噪音为1 e-。 传感器和电子元件采用2.38×1.88×2.78英寸的外壳封装,为传感器提供被动热量管理,以便在不使用冷却风扇或热电冷却器的情况下将暗电流的增加降至最低

“在低光成像条件下,相机必须产生足够大的信号来克服噪声,以获得可辨别的图像,”Thorlabs Scientific Imaging的首席技术专家兼共同经理Ash Prabala说。 “当在相对较短的曝光期间收集到相对较少的信号光子时,读噪声是噪声的主要来源。 在这些条件下,人们寻找低噪音的敏感相机:具有更高QE和更低读噪声的相机是最理想的。 在低光照条件下(所有其他条件相同),具有更高QE与读取噪声比的相机将产生更高的信噪比(SNR )。“

Prabala指出,科学成像中的一个常见问题涉及在昏暗的背景下对明亮的特征进行成像。 “如果相机没有足够大的动态范围,饱和度和地板限制将限制同时捕捉明亮和暗淡的细节,”他解释说。 “凭借Quantalux相机高达87 dB的动态范围,单次曝光可同时收集明亮,中等和昏暗物体的足够对比度。 我们与加拿大阿尔伯塔省卡尔加里大学的Craig Brideau合作,用含有硫代黄素S染色的淀粉样蛋白斑的约20μm厚的5xFAD小鼠切片证明了这一点(见图3)。“

图3.屏幕截图(a)显示了由单色Quantalux sCMOS相机捕获的未处理图像。该样品是厚约20μm的5xFAD小鼠切片,其具有用硫磺素S染色的淀粉样斑块。使用具有水的20X,0.75NA浸没物镜在65ms曝光下获得图像,校正所使用的#1.5盖玻片。然后调整原始数据的图像对比度(b)以突出淀粉样斑块核心细节;然而,包括原纤维和细胞在内的背景仍然是隐藏的。进一步的对比度调整(c)突出了样品中的原纤维,导致原始图像中的斑块核心细节饱和。最后,最大化背景对比度显示附近的细胞体和细胞核用于细胞计数(d);然而,对比度调整使纤丝和斑块核心饱和。 (由加拿大艾伯塔卡尔加里大学Craig Brideau提供)

图3.屏幕截图(a)显示了由单色Quantalux sCMOS相机捕获的未处理图像。 该样品是厚约20μm的5xFAD小鼠切片,其具有用硫磺素S染色的淀粉样斑块。使用具有水的20X,0.75NA浸没物镜在65ms曝光下获得图像,校正所使用的#1.5盖玻片。 然后调整原始数据的图像对比度(b)以突出淀粉样斑块核心细节; 然而,包括原纤维和细胞在内的背景仍然是隐藏的。 进一步的对比度调整(c)突出了样品中的原纤维,导致原始图像中的斑块核心细节饱和。 最后,最大化背景对比度显示附近的细胞体和细胞核用于细胞计数(d); 然而,对比度调整使纤丝和斑块核心饱和。 (由 加拿大 艾伯塔卡尔加里大学Craig Brideau提供

空间碎片追踪

Ximea(德国Münster)是另一家生产CCD和sCMOS相机的公司 - sCMOS传感器被热电冷却到-20°C。

“关于sCMOS,Gpixel是我们的传感器的主要供应商,它非常适用于低光照,高能物理,x射线断层摄影,能量色散直接x射线探测,天文学,显微镜等等,” Ximea的销售工程师Kevin Toerne。 他指出,光子匮乏和/或需要长时间集成的应用将会受益

Ximea的xiJ相机系列包括一个4.2 Mpixel型号(GSENSE2020BSI背照式传感器),读取噪音为2e-。 背光照明提供95%的QE水平,可以检测非常微弱的辐射,传感器的低温有助于长时间曝光,Toerne 解释说。

“所有这些都与高速CMOS技术相结合,可以快速读出40帧/秒和更快的速度。 该摄像机还通过为每个像素使用双放大器提供了大动态范围,“他补充说,动态范围,高灵敏度和快速读出功能使摄像机非常适合空间碎片追踪等应用,以更好地预测轨道周期。

sCMOS擅长显微镜

相关公司Photometrics(亚利桑那州图森)和QImaging(加拿大卑诗省萨里)提供CCD,EM CCD和
sCMOS相机进行生命科学研究,并对各种相机类型进行了比较。 2这两家公司的CMOS相机分为两个产品系列,Prime和Iris系列,如应用程序团队经理 Daniel Croucher所述

Prime sCMOS是一款前照式相机,具有72%QE,6.5μm像素,100帧/秒速度,4.2 M像素(2048×2048)和18.8 mm对角线视野。 Prime BSI是Prime sCMOS的背照式版本,将QE提升至95%。 它有63帧/秒的速度。 Prime 95B也具有背照式(95%QE),但与其他规格中的Prime sCMOS和BSI不同:11μm像素,82帧/秒速度,1.44 M像素(1200×1200)和18.66 mm对角线场看法。

“巅峰sCMOS可用于广泛的荧光显微镜应用,从高光到弱光,如宽场成像,光片显微镜,细胞成像,微流控和钙成像,”Croucher说,“但它会在非常弱光。 Prime Prime BSI是Prime sCMOS的下一步,因为量子效率从72%提高到95%,而无需改变其他规格。 这意味着相机具有更高的灵敏度,因此可为低光成像应用提供更高的性能。“

Prime CBS的灵敏度更高,可用于超分辨率定位显微镜(PALM,STORM,DNA-PAINT),单分子成像,旋转盘共焦和TIRF显微镜。 “Prime 95B也是背照式的,但像素尺寸比BSI更大(11μm)。 这使得它更加敏感,并成为EMCCD的替代品,“他说。 “该相机专为最低光照应用而设计,是旋转盘共聚焦显微镜,TIRF显微镜,超分辨率定位显微镜(PALM,STORM,DNA-PAINT),SIM超分辨显微镜和单分子成像的首选。”

Iris系列CMOS相机的QE为73%,像素为4.25μm,速度 30帧/秒。 Iris 9具有9 M像素(2968×2968)和17.8 mm对角线视野,而Iri 15具有 15 M像素(5056×2968)和25 mm对角线视野。

“相机的真正优势来自较小的像素尺寸 (4.25μm),适用于更高分辨率的成像,更适合较低放大倍数的目标,”Croucher说。 “另一个主要优势是Iris 15提供了大量的视野。”这两款Iris相机的应用领域大部分是相同的荧光,多色荧光,光学显微镜,细胞成像,微流控和高内涵sc reening。

纽约大学医学院(纽约,纽约)的Eli Rothenberg实验室专注于研究实时和纳米级生物分子和过程的新型光学方法(见图4)。 3成像复制DNA的挑战之一是细胞核内有许多标记成分挤在一起,以及需要清晰解析的非常小的成分

图4. U2OS细胞的这三幅图像由纽约大学医学院的研究人员使用Photometrics背照式sCMOS照相机以150X放大倍数(配置的像素尺寸为73nm)使用最大似然估计(MLE)重构拍摄单点扩散函数拟合算法。 (由纽约大学医学院的Eli Rothenberg提供)

图4. U2OS细胞的这三幅图像由纽约大学医学院的研究人员使用Photometrics背照式sCMOS照相机以150X放大倍数(配置的像素尺寸为73nm)使用最大似然估计(MLE)重构拍摄单点扩散函数拟合算法。 (由纽约大学医学院的Eli Rothenberg提供

研究人员从EMCCD技术转移到Prime 95B背照式sCMOS照相机。 “对于单分子定位成像,最重要的是我们如何将每个单分子点扩散函数拟合到其质心坐标中的重建过程,”研究人员Yandong Yin说,他指出超过90%的Photometrics相机中的像素属于非常严格的噪音分布

另一种类型的低光CMOS

Photonis公司(Mérignac,法国Mérignac,位于马萨诸塞州Sturbridge的美国办事处)制造的低照度CMOS相机中的传感器与sCMOS工业中许多其他公司使用的传感器不同,因为许多公司使用相同的传感器源,根据Photonis的国际营销经理Margaret Cooley说。 “我们的传感器是我们专有的,” 他指出。

“技术上存在显着差异,最显着的像素尺寸:[标准] sCMOS为6.5μm,Photonis传感器为9.7μm,”Cooley说。 “我们的传感器在弱光条件下非常有用,其中传感器需要宽带响应 - 我们覆盖350-1100 nm。”这使得Photonis传感器对于使用红外照明检测的日夜监控更有用,她解释说 ,科学应用

“但是,我们目前正在研究内窥镜技术,其中可以使用更小的纤维导向器(因此,更小的切口); 在低光照条件下的极端灵敏度仍然可以提供明显的细节,并且不需要冷却,“Cooley说,虽然她确实注意到传感器的尺寸(1280×1024像素)和标准视频帧速率(50/60 Hz)不要使传感器适用于帧数在数秒钟内的超分辨率荧光应用

Photonis的彩色夜摄相机包含专有的KAMELEON传感器,帧频为100 Hz,读取噪声为4 e-。

【光粒网综合报道】( 责任编辑:Jucy )
顶一下
(0)
0%
踩一下
(0)
0%
------分隔线----------------------------

凡光粒网注明"来源:光粒网"或"来源:www.diodelaser.com.cn"的作品,包括但不限于本网刊载的所有与光粒网栏目内容相关的文字、图片、图表、视频等网上内容,版权属于光粒网和/或相关权利人所有,任何媒体、网站或个人未经光粒网书面授权不得转载、摘编或利用其它方式使用上述作品;已经书面授权的,应在授权范围内使用,并注明"来源:光粒网"。违反上述声明者,本网将追究其相关法律责任。

【免责申明】本文仅代表作者个人观点,与光粒网无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本站证实,对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺,请读者仅作参考,并请自行核实相关内容。

在线投稿有投稿需求的公司企业请直接在线申请,其他项目合作联系 QQ:1965483967 QQ:2644977628 → 在线申请投稿 >
Copyright  ©  2010-2018 oeworld.cn Inc. All rights reserved.光粒网 版权所有
鄂ICP备11013139号-2