Lösen CMOS den sCMOS bei Life Science Anwendungen ab?
Die CMOS-Technologie bietet mittlerweile erweiterte Bildgebungsfunktionen, die für viele biomedizinischen Anwendungen benötigt werden. Kann sie jedoch die etablierten sCMOS-Sensoren (Scientific CMOS) in der Biomedizin/-wissenschaften ersetzen?
Ob es besser ist einen CMOS oder sCMOS einzusetzen, hängt unter Umständen lediglich davon ab, wie viel Licht die Kamera erreicht, oder von einer individuellen Kombination der Leistungsparameter für eine spezifische Anwendung. (Bild: ©emarys/istockphoto.com)
Die sCMOS-Technologie wurde 2009 eingeführt, um die Lücke zwischen den damals neuen CMOS-Sensoren und herkömmlichen CCD-Sensoren in den frühen Phasen der CMOS-Entwicklung zu schließen. Damals konnten CMOS-Sensoren aufgrund von Abstrichen hinsichtlich Dynamikbereich, Ausleserauschen, Bildraten und Auflösungen in biomedizinischen Anwendungen nicht eingesetzt werden. Als sCMOS-Kameras eingeführt wurden, wiesen sie sehr ähnliche Konstruktionsprinzipien und Fertigungstechniken wie die CMOS-Sensoren auf, jedoch auch Merkmale, mit denen die ursprünglichen CMOS-Defizite überwunden werden konnten. Dadurch eigneten sich sCMOS-Sensoren für wissenschaftliche Anwendungen, bei denen Leistungsfähigkeit bei schlechten Lichtverhältnissen, ein großer Dynamikbereich und eine hohe Bildqualität ausschlaggebend sind. Seitdem wurden herkömmliche CMOS-Sensoren jedoch im Hinblick auf ihre Quantumeffizienz und die Fähigkeit der internen Rauschunterdrückung deutlich verbessert, weshalb heute CMOS-Kameras eine Option für viele biomedizinische Anwendungen darstellen. Darüber hinaus sind die meisten CMOS-Kameras kostengünstiger als sCMOS-Kameras.
Benötige ich einen CMOS- oder sCMOS?
Die Wahl zwischen einem CMOS- und einem sCMOS-Sensor hängt von verschiedenen Faktoren ab. Wenn Sie beide Sensoren in Betracht ziehen, nutzen Sie vermutlich Epifluoreszenzbeleuchtung, da weißes Licht hell genug ist, sodass kein sCMOS-Sensor zwingend erforderlich ist. Die Eignung des einen Sensors im Gegensatz zum anderen kann unter Umständen lediglich davon abhängen, wie viel Licht die Kamera erreicht, oder von einer individuellen Kombination der Leistungsparameter für eine spezifische Anwendung. Ob CMOS oder sCMOS, Anwender sollten einen Monochromsensor aufgrund des Vorteils seiner inhärenten Quanteneffizienz der farbigen Variante vorziehen. Ein sCMOS-Sensor ist gekennzeichnet durch rückwärtige Belichtung und große Pixel, durch die das Rauschen insgesamt reduziert werden kann (wie bei CCDs). Zudem enthalten sCMOS-Kameras in der Regel ein Peltier-Kühlsystem zur Reduzierung von thermisch erzeugtem Rauchen bei langen Belichtungszeiten. Kameras mit sCMOS-Sensoren benötigen außerdem eine Schnittstelle mit hoher Bandbreite wie CameraLink oder CoaXpress mit einem Framegrabber. CMOS-Hersteller haben in den letzten Jahren kontinuierlich die Quantumeffizienz deutlich verbessert, das Ausleserauschen reduziert und rückwärtige Belichtung der Sensoren implementiert. Zwar ist die Peltier-Kühlung auch bei einigen CMOS-Sensoren eine Option, jedoch ist eine Kühlung bei bestimmten biomedizinischen Bildgebungsanwendungen dank verbesserter Quanteneffizienz und reduziertem Rauschen nicht mehr erforderlich. Eine weitere Möglichkeit der Kostenreduzierung bietet die Schnittstelle. Seit Jahren werden CMOS-Sensoren mit Interfaces wie USB3, GigE und 10GigE gekoppelt, bei denen zudem kein Framegrabber erforderlich ist.
Kameras für Epifluoreszenzanwendungen sind unter anderem die Backfly S (r.) und Oryx (l.) (Bild: Flir Systems GmbH)
CMOS als kostengünstigere Alternative
Allein aufgrund der geringeren Kosten ziehen viele Anwender und Systementwickler die neuesten CMOS-Sensoren anstelle von sCMOS-basierten Systemen in Betracht. Häufig sind Entwickler von Bildverarbeitungssystemen erstaunt, dass eine geeignete CMOS-Kamera schon für unter 1.000 US-Dollar erhältlich ist, wohingegen eine typische sCMOS-Konfiguration mit ähnlichen Leistungsparametern mehr als 10.000 US-Dollar kosten kann. Ob CMOS oder CMOS – viele Kamerahersteller verwenden nicht einen einzigen Standard zum Vergleich von Kameras. Daher ist ein Kameravergleich über den EMVA 1288 Standard unabhängig von der Art des verwendeten Sensors oft schwierig. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in Fällen, in denen ein extremes Leistungsniveau erforderlich ist, eine sCMOS-Kamera notwendig sein kann. Dazu sollten Sie die wichtigsten Leistungsparameter Ihrer spezifischen Anwendung identifizieren und einen sachgemäßen Vergleich zwischen CMOS- und sCMOS-Kameras ziehen, bevor Sie sich für eine Option entscheiden. Wenn die Anforderungen mit einem herkömmlichen CMOS-Sensor erfüllt werden können, ist dies womöglich eine viel kostengünstigere Alternative.
(Bild: FLIR Systems GmbH)
Kamerawahl per Selektor
Wenn Sie eine CMOS-Kamera für für Epifluoreszenzanwendungen benötigen, sind die beiden Kameraserien Backfly S und Oryx von Flir eine Möglichkeit. Die Blackfly S bietet eine große Auswahl an Sensoren und Schnittstellen (USB3 und GigE). Die Kameraserie Oryx bietet hochauflösende Sensoren mit einer 10GigE-Schnittstelle. Die Oryx-Kameras sind voll ausgestattet und eignen sich für höherwertige Anwendungen, haben jedoch einen großen Formfaktor. Wenn die Übertragungsgeschwindigkeiten ausschlaggebend sind, ist Oryx die bessere Wahl. Beide Kameraserien können mit GenICam3 und dem Spinnaker-SDK gesteuert und programmiert werden. Zur weiteren Eingrenzung der Kameramodelle bietet der Kamera-Modell-Selektor von Flir Imaging mehr als vierzehn (teilweise EMVA 1288-basierte) Bildgebungsparameter, nach denen gefiltert werden kann.
