Können sCMOS-Sensoren durch Fortschritte im Bereich CMOS in biomedizinischen Anwendungen ersetzt werden?

Die CMOS-Technologie (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) bietet nun die erweiterten Bildgebungsfunktionen, die für viele biomedizinischen Anwendungen benötigt werden. Kann sie jedoch die kostspieligeren sCMOS-Sensoren (Scientific CMOS, wissenschaftlicher CMOS) ersetzen? Sowohl CMOS- als auch sCMOS-Sensoren haben Maßstäbe im Hinblick auf Leistung und Mehrwert in der industriellen Bildverarbeitung in unterschiedlichen Branchen gesetzt. In diesem Artikel werden die Kosten und Nutzen beider Technologien für höchst anspruchsvolle Bildgebungsanwendungen in den Bereichen Biomedizin und Bio-Wissenschaften erörtert.

Worin besteht der Unterschied zwischen CMOS- und sCMOS-Sensoren?

Im Allgemeinen gilt ein sCMOS-Sensor als CMOS-Sensor „der nächsten Generation“. Die sCMOS-Technologie wurde eingeführt, um die Lücke zwischen neuen CMOS-Sensoren und herkömmlichen CCD-Sensoren (Charge Coupling Device, ladungsgekoppelte Vorrichtung) in den frühen Phasen der CMOS-Entwicklung zu schließen. Ursprünglich 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 CMOS-Sensoren auf, jedoch auch mehrere 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.

In den Jahren seit der Einführung der ersten sCMOS-Kameras wurden herkömmliche CMOS-Sensoren jedoch im Hinblick auf ihre Quantumeffizienz und die Fähigkeit der internen Rauschunterdrückung deutlich verbessert, weshalb CMOS-Kameras eine tragfähige Option für viele fortschrittliche biomedizinische Anwendungen darstellen. Darüber hinaus sind die meisten CMOS-Kameras deutlich kostengünstiger als sCMOS-Kameras. Allein aufgrund dieser Tatsache ziehen viele Ingenieure und Forscher den neuesten CMOS-Sensor bei der Auswahl einer Mikroskopiekamera, Histologiekamera, Zytologie-/Zytogenetikkamera oder Epifluoreszenzkamera für ihre Anwendung in Betracht.  

Benötige ich einen CMOS- oder einen sCMOS-Sensor?

Die Wahl zwischen einem CMOS- und einem sCMOS-Sensor hängt von verschiedenen Faktoren ab. Wenn Sie diese beiden Sensoren in Betracht ziehen, nutzen Sie vermutlich Epifluoreszenzbeleuchtung, da weißes Licht hell genug ist, sodass kein sCMOS-Sensor 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 Kombination der Leistungsparameter, die für eine spezifische Anwendung einzigartig ist. Ob CMOS oder sCMOS – Sie 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 der CCD-Technologie). 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 einer Framegrabber-Karte, weshalb solche Bildverarbeitungssysteme komplexer und somit kostspieliger sind. 

Um dem entgegenzuwirken, haben CMOS-Hersteller kontinuierlich die Quantumeffizienz (die Fähigkeit, einfallende Photonen zu erfassen) deutlich verbessert, das Ausleserauschen reduziert (um sicherzustellen, dass selbst niedrige Mengen einfallender Photonen in diesem Rauschen nicht verloren gehen) und rückwärtige Belichtung 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 Verbraucherschnittstellen wie USB3, GigE und 10 GigE gekoppelt. Bei diesen Schnittstellen ist kein Framegrabber erforderlich, wodurch die Komplexität (und damit die Kosten) des Systems gesenkt wird. Durch Schnittstellen wie 25/100GigE, USB4 und CXPX wird dieses Problem dank deutlich höherer Bandbreiten zukünftig vollständig gelöst.

CMOS-Sensoren sind eine kostengünstigere Alternative

Allein aufgrund der geringeren Kosten ziehen vielen Ingenieure 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 kann ein Kameravergleich unabhängig von der Art des verwendeten Sensors schwierig sein. In der maschinellen Bildverarbeitung gilt EMVA1288 als akzeptierter Standard für die Spezifikation und Messung von Kameras in Europa, Amerika (AIA – American Automated Imaging Association) und Japan (JIIA – Japan Industrial Imaging Association). Klicken Sie hier, um mehr über den Standard EMVA 1288 für die maschinelle Bildverarbeitung zu erfahren. 

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. CMOS-Sensoren werden kontinuierlich weiter verbessert, wobei sich das Preis-Leistungs-Verhältnis zwischen CMOS und sCMOS schnell angleicht. Wenn die Anforderungen Ihrer Anwendung mit einem herkömmlichen CMOS-Sensor erfüllt werden können, ist dies womöglich eine sehr viel kostengünstigere Alternative für Sie und Ihr Team.

Entscheidung für eine industrielle CMOS-Kamera von FLIR

Wenn Sie eine CMOS-Kamera für Ihre Anwendung benötigen, sind die beiden beliebtesten Kameraserien von FLIR für Epifluoreszenzanwendungen Backfly S und Oryx.

Die Kameraserie Blackfly S bietet die größte Auswahl an Sensoren und Schnittstellen – sowohl USB3 als auch GigE. Es gibt zudem eine breite Palette von Sensoroptionen, die sowohl mit einem Gehäuse- als auch einem Platinenformfaktor gekoppelt sind.

Die Kameraserie Oryx bietet hochauflösende Sensoren mit der schnellen 10GigE-Schnittstelle. Oryx-Kameras sind voll ausgestattet und eignen sich für höherwertige Anwendungen, haben jedoch einen großen Formfaktor. Wenn die Übertragungsgeschwindigkeiten ausschlaggebend sind, ist Oryx die richtige Wahl.

Beide Kameraserien – Blackfly S und Oryx – können mit GenICam3 und dem Spinnaker-SDK gesteuert und programmiert werden, das so konzipiert wurde, dass Sie Ihre Anwendung schneller fertigstellen können.

Zur weiteren Eingrenzung der Auswahl der Kameramodelle bietet unser Modell-Selektor für industrielle Kameras mehr als 14 (EMVA 1288-basierte) Bildgebungsparameter, nach denen Sie filtern können. Um Modelle mit guter Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen zu finden, filtern Sie nach hohen Werten für Grenzempfindlichkeit, Quanteneffizienz und Dynamikbereich. Die Grenzempfindlichkeit bezeichnet die Anzahl an Photonen, die nötig ist, um ein Signal zu erreichen, das dem vom Sensor wahrgenommenen Rauschen entspricht. Die Quanteneffizienz ist der Prozentsatz der Protonen, die bei einer bestimmten Wellenlänge in Elektronen umgewandelt werden. Der Dynamikbereich ist das Signal-Rausch-Verhältnis, darunter auch das zeitliche Dunkelrauschen (Rauschsignal des Sensors ohne eingehendes Signal). Beachten Sie auch, dass Monochrommodelle im Vergleich zu farbigen Varianten eine bessere Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen aufweisen.

Einzelheiten zur Leistung einer industriellen Kamera finden Sie im Dokument zur EMVA-Bildqualität des jeweiligen Modells. Dieses finden Sie auf der Ressourcenregisterkarte der Supportseite der jeweiligen Kamera oder in unserer Evaluierung von Sensoren für industrielle Kameras.

Sie benötigen weitere Unterstützung bei der Entscheidung oder haben Fragen zu Ihrem spezifischen Projekt? Klicken Sie hier, um Kontakt mit uns aufzunehmen. Einer unserer Experten für industrielle Kameras kann Ihnen stundenlange Recherchen ersparen. Weitere Informationen zu wichtigen Parametern bei der Auswahl von industriellen Kameras für biomedizinische und biowissenschaftliche Anwendungen finden Sie in unserem Artikel Biomedizinische Bildgebung: Leitfaden zur Auswahl der Spezifikationen von industriellen Kameras und deren Berechnung.