Laura Dears, Andor Technology

תאור החידוש
ה”CMOS המדעי” (sCMOS) של Andor היא טכנולוגיה פורצת דרך המבוססת על תכנון וייצור חיישן הדמיה CMOS מהדור הבא. שלא כמו דורות קודמים של חיישנים מבוססי-CMOS ו-CCD, sCMOS היא היחידה במינה המסוגלת להציע בו-זמנית רעש נמוך ביותר, קצבי מסגרת מהירים, תחום דינמי רחב, QE גבוה, רזולוציה גבוהה ושדה ראייה רחב.

מה הבעיה?
חיישני הדמיה מדעית מסורתיים סובלים מבלעדיות הדדית בקשר למיטוב פרמטרי ביצועים מפתח. לדוגמה, כדי להשיג מהירויות גבוהות, חייבים להתפשר או ברגישות/תחום דינמי, או ברזולוציה/שדה ראייה. אולם יישומי פוטוניקה מתקדמים דורשים בהתמדה פיתרון “ללא פשרה”. לטכנולוגיית CMOS מסורתית רעש מולד גבוה והיא לא יכולה לספק צרכים אלה. sCMOS מתגבר על כל אלה.

כיצד חידושים פותרים בעיות
פתרון המצלמה sCMOS של Andor משתמש בתכנון וייצור CMOS עדכני, ביחד עם חוכמת FPGA מתקדמת על-המצלמה, תוך הצעה בו-זמנית של רעש קריאה 1 e-, 100 מסגרות/שנייה, 5.5 מגה-פיקסלים רזולוציה/שדה ראייה, יעילות קוונטית גבוהה ותחום דינמי אמיתי 30,000:1. sCMOS גם מתגבר על מחסום הרעש הגבוה הכרוך במדמי CMOS מסורתיים.

מה חדש או ראוי לציון
sCMOS היא הטכנולוגיה הראשונה המציעה רצפת רעש קריאה 1e ללא טכנולוגיית הגברה של האות. ארכיטקטורת מגבר כפול חדישה משמשת להדגים הן אותות חלשים והן בהירים בתוך אותה המסגרת m).µframe, בהרחיבה את התחום הדינמי, אך עם גודל פיקסל קטן יחסית (6.5. הטכנולוגיה מציעה אופני קריאה הן בצמצם מתגלגל והן גלובלי.
הסבר החידוש
CMOS מדעי (sCMOS) היא טכנולוגיה פורצת דרך המבוססת על דור חדש של תכנון חיישני הדמיה והמיוצרת בעזרת תהליך CMOS משלים. sCMOS היא החיישן CMOS הראשון באיכות מדעית והוא מסוגל לביצועים העולים על רוב התקני ההדמיה הנמצאים בשוק כיום. ההתעניינות בטכנולוגיית CMOS כחלופה פחות יקרה למצלמות CCD זכתה לעידוד על-ידי ההתרחבות המהירה של שוקי צריכה בנפחים גבוהים המשתמשים בטלפונים ניידים, מצלמות דיגיטליות, מוצרי ראיית מכונה ורכב, כאשר כל אחת מאלו מייצגות חלק ענק משוק הצריכה האלקטרוני. טכנולוגיית CMOS נהנתה מהחידושים האחרונים בייצור שלה אשר סייעו לה לסתום את הפער עם מצלמות CCD מתקדמות יותר בתחומים בהם רעש הקריאה ומהירות ההדמיה הם גורמי מפתח עבור החוקר. למרות חידושים אלה, המגבלות המסורתיות של טכנולוגיית CMOS משמען שהביצועים לא היו טובים דיים עבור שימוש בניסויים הכרוכים בהדמיה כמותית במדעים הביו-רפואיים ופיזיקאליים. טכנולוגיית sCMOS נועדה בלעדית להתגבר על חסרונות אלה של ה-CMOS המסורתי. בעוד ההמצאות הטכניות הראשוניות המבליטים חידושים אלה צריכות להישאר קנייניות, חלק מהפרטים הארכיטקטוניים ניתנים לחשיפה כדי להבין יותר את המוצר. החיישן מכיל סכימת קריאה מפולגת בה המחצית העליונה והתחתונה של החיישן נקראות בנפרד. כל עמודה בתוך כל אחד מחצאים אלה מצוידת במגברים ברמת העמודה וממירי אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) כפולים. ארכיטקטורה זו נועדה למזער את רעש הקריאה ולמרב את התחום הדינמי בו-זמנית. לזוגות-המגבר ברמת העמודה הכפול/ADC נקודות שבח נפרדות, והתמונה הסופית משוחזרת על-ידי שילוב קריאות הפיקסלים הן מערוץ הקריאה בעל השבח הגבוה והן הנמוך כדי להשיג תחום דינמי בין-זירתי רחב מפסיעת פיקסלים כה קטנה. לכל פיקסל של פוטו-דיודה בעל פינים יש 5 טרנזיסטורים, המאפשרים את מוד “הצמצם הדינמי הגלובלי” החדיש והמקלים גם על ההדגמה הכפולה המקושרת (correlated double sampling –CDS) ופינוי anti-blooming צדדי. החיישן משולב עם מערכת מיקרו-עדשות המשמשת למקד חלק גדול מקרן האור הפוגע לפיקסל הרחק מהטרנזיסטורים ועל הסיליקון החשוף, המתגבר את ה-QE (בדומה לשימוש במיקרו-עדשות ב-CCDs בין השורות כדי למקד את האור הרחק ממסיכות העמודה). החיישן מעוצב להציע זרם חושך נמוך ורעש קריאה נמוך ביותר עם CDS אמיתי. אי-הליניאריות היא פחות מ-1% וניתנת לתיקון נוסף עד פחות מ- 0.2%. לחיישן גם אנטיבלומינג של >10,000:1, שפירושו הוא שניתן להרוות יתר על המידה את הפיקסלים  מבלי שהמטען יפלוש לפיקסלים השכנים. אפשר גם לנצל את יכולת האנטיבלומינג כדי להחזיק את כל החיישן או חלק ממנו במצב של איפוס אפילו כאשר אור לבן מוטל על פיקסלים אלה. Andor השתמשה בטכנולוגיית sCMOS במצלמה sCMOS החדשה המתאימה לסוגים רבים של הדמיה באור חלש. מצלמת ה-sCMOS מסוגלת לספק רעש קריאה נמוך ביותר של 1.e-, דבר זה מציע גבול גילוי נמוך יותר מאשר כל טכנולוגיית CCD, תבנית חיישן גבוהה של 5.5 מגה-פיקסל ו-6.5µm פיקסלים מספק רזולוציה גבוהה במיוחד בשדה ראייה רחב . sCMOS מציע קצבי מסגרת מהירים ביותר של 100 מסגרות מלאות/שנייה ויעילות קוונטית גבוהה של 57%~. מצלמת ה-sCMOS היא ידידותית ל-OEM ונהנית מטכנולוגיית UltraVac™ של Andor המספקת שלמות ריק מתוגברת, הגנה לחיישן וקירור ללא תחרות.

מה חדש בחידוש שלכם?
בעוד טכנולוגיית CMOS מדעית היא שיפור על חיישני CMOS מסורתיים, היא צועדת הרחק מהמקור והופכת להצעה חדשה לחלוטין לשוק המחקר. תהליך התכנון מאחורי ה-sCMOS הופך אותו לחידוש בזכות עצמו. טכנולוגיית CMOS מדעית מציידת את החוקרים בתכונות ביצועים שלא ניתן היה להשיג לפני כן תוך שימוש בטכנולוגיית CMOS מסורתית והתקני הדמיה CCD. טכנולוגיית ה-sCMOS מספקת את החלופות הממשיות הראשונות בשוק, אשר עד כה נשלט על-ידי התקני הדמיה CCD. sCMOS איננה דומה לכל טכנולוגיית CMOS או CCD הידועה לפני כן מאחר שהיא קובעת שיאים חדשים ביכולתה הייחודית לענות בו-זמנית למפרטים הגבוהים ביותר ברגישות, רזולוציה, מהירות, תחום דינמי ושדה ראייה. חיישני הדמיה קודמים רבים סבלו בצורה דרמטית מבלעדיות הדדית. בלעדיות הדדית מציעה גישה רצינית עבור החוקרים, לדוגמה אפשרי עבור CCDs להשיג פחות מ-3 אלקטרונים RMS רעש קריאה, אולם בשל האופי הטורי של CCDs רגילים, ביצועים אלה באים על חשבון קצב המסגרת. הדבר נכון במיוחד אם לחיישן יש כמה מגה-פיקסלים של רזולוציה. בדומה, כאשר מקדמים CCDs לקצבי מסגרת גבוהים יותר, יש להקריב את הרזולוציה ושדה הראייה (כלומר פחות פיקסלים למסגרת לתצוגה) או שרעש הקריאה והתחום הדינמי סובלים. sCMOS עובר מעל שיפור גבולי זה בעניין על-ידי יכולתו להציע ביצועים בו-זמנית במספר תחומי-מפתח הכוללים קצב מסגרת ורזולוציה. היכולת להציע פרמטרים של ביצועים כה גבוהים הופכת את טכנולוגיית sCMOS לייחודית במלואה בשוק ההדמיה המדעית כאשר אין שום התקן אחר המסוגל להגיע בו-זמנית למפרטים הגבוהים הללו. sCMOS  עולה מעל שיפורים צדדיים בטכנולוגיית CMOS רגילה ומבטל לחלוטין את כל חסרונות הביצועים  של חיישני הדמיה CMOS סטנדרטיים. sCMOS מציע חיישן של 5.5 מגה-פיקסל המקנה שדה ראייה ורזולוציה רחבים מבלי לפגוע ברעש הקריאה או בקצב המסגרת. רעש הקריאה בעצמו הוא יוצא מן הכלל, אפילו אם משווים אותו ל-CCDs האיכותיים ביותר. רק CCDs בעלי סריקה איטית מסוגלים לביצועים כה גבוהים ברעש קריאה.  CCDs  בעלי רזולוציה גבוהה וסריקה איטית מאופיינים לרוב באמצעות שניות למסגרת במקום מסגרות לשנייה. התקן ה-cMOS יכול להשיג רעש קריאה של 1 אלקטרון RMS בעוד תצוגה של 5.5 מגה-פיקסלים ב-30 מסגרות הופכת אותו ליוצא מן הכלל ולייחודי לחלוטין בשוק. לשם השוואה תצוגת הרעש הנמוך ביותר בין השורות ב-CCD ב-1.3 מגא-פיקסל ו-16 מסגרות בשנייה בלבד תדרוש רעש קריאה של 10 אלקטרונים. ארכיטקטורת המגבר הכפול שתוארה לעיל היא חדשנית במיוחד, כלומר הנתונים מכל פיקסל מודמים בו-זמנית על-ידי שני המגברים, בעלי שבח גבוה ונמוך, כך שאותות חלשים ובהירים ניתנים לכימות בתוך אותן התמונות (תחום דינמי בין-סצנות). דבר זה מאפשר שטח פיקסל m גבוה באופן יוצא מן הכלל. בשל תחום דינמי של 30,000:1 מגורמי השוואה קטנים יחסית של 6.5 כמו אלה, אפשר להעריך את טכנולוגיית sCMOS  של Andor כחידוש בזכות עצמו ולא כשיפור שולי של טכנולוגיה קיימת.

איך הלקוחות שלכם נהנים מהחידוש?
טכנולוגיית sCMOS מציעה ללקוחות, הן קיימים והן חדשים, הדמיה מדעית אמיתית ללא פשרות. מצלמת ה-sCMOS מבטיחה להביא לחוקרים מכלול מתקדם וייחודי של פרמטרי ביצועים המעניקים לו התאמה למדידות מדעיות כמותיות בנאמנות גבוהה. ה-CMOS המדעי נחשב לייחודי ביותר ביכולתו לספק בו-זמנית פרמטרי ביצועים חיוניים. ה-sCMOS  של Andor יכול לספק רעש תצוגה נמוך ביותר ביחד עם רזולוציה גבוהה וקצב מסגרות מהיר היוצר הדמיות איכותיות תוך קריאה של כל המסגרת בקצב וידאו. חיישן ה-sCMOS הוא הראשון מסוגו המוצג בפני קהילת מחקר ההדמיה. נתונים אלה מציעים את ה-sCMOS כהצעה חדשה ומושכת במיוחד לשוק המחקר אשר נשלט עד כה על-ידי סוגים שונים של מצלמות CCD. ה-sCMOS של Andor יפתח דרכים חדשות של מחקר כאשר המדענים יוכלו לדמות מהר יותר, ברזולוציה יותר טובה ובשדה ראייה פי כמה גדול יותר ממה שניתן היה להשיג בעבר. ה-CMOS המדעי עומד להשיג הכרה נרחבת במגוון רחב של יישומי הדמיה תובעניים מתחומים שונים הכוללים מיקרוסקופיה של תאים חיים ורזולוציית-על, ניתוח רצף של DNA מהדור השני והשלישי וניתוח biochip כמו גם בקרת קרני רנטגן, אסטרונומיה וספקטרוסקופיה. חיישן ה-sCMOS מציע ללקוחות מפרטי ביצועים ללא תחרות המפיקים לבסוף איכות תמונה גבוהה יותר. איכות גבוהה יותר זו של התמונה פירושה שטכנולוגיית ה-sCMOS מתאימה למגוון רחב של יישומים הכולל מיקרוסקופיה של תאים חיים, ספקטרוסקופיה פלואורסצנטית, בקרה פוטו-וולטאית  וגילוי של פרודות יחידות. הלקוחות לא ייאלצו לעסוק יותר באלמנט של בלעדיות הדדית, כפי שנדון לעיל, מאחר שה-sCMOS מסוגל להציע בו-זמנית רעש נמוך ביותר, קצבי מסגרת מהירים, יעילות קוונטית גבוהה, רזולוציה גבוהה ושדה ראייה רחב. פרמטרי-מפתח אלה של ביצועים יוצרים יחדיו איכות תמונה גבוהה יותר לחוקרים בכל השוק של הדמיה מדעית. הלקוחות אמורים ליהנות מ-sCMOS המציע חלופה טובה יותר להתקני ההדמיה CCD אשר שלטו בשוק תקופה ארוכה. sCMOS מציע חלופה יעילה-לעלות ל-CCDs תוך כדי שהיא עונה לפרמטרי-מפתח של ביצועים.

האם נרשם פטנט
PCO ו-Fairchild imaging עובדים על מצלמות המשתמשות באותו חיישן sCMOS. Andor תהיה שונה בכך שתציע יתרונות בתכונות: א) קירור וקום עמוק עד -400C הדרוש לא רק כדי למזער את הזרם החשוך מחיישן ה-sCMOS אלא גם כדי לצמצם את הופעת פגמי הפיקסל בנקודות חמות (פיקסלים אקראיים עם רעש חשוך יותר גבוה מאשר הממוצע), מצלמות המתחרים אינן מקוררות בואקום ויגיעו בד”כ ל-+50C. ב) תבונת FPGA מוגברת – Andor ריכזה מאמץ רב בטיפול ממוקד בנתונים. דבר זה יצר איכות תמונה מצוינת, תוך שימוש בתהליכי FPGA בזמן-אמת דוגמת הריתוק על קו-הבסיס (אשר מסדיר את היסט הממתח בתמונה ובין המסגרות) וסינון הרעש (שניתן להשתמש בו כדי לסנן פיקסלים של רעש אקראיים גבוהים). ג) זיכרון on-head – – קצבי נתונים הם סוגיה משמעותית לאלה המבקשים לדחוף את החיישן עד הגבול, כלומר 5.5 מגה-פיקסל ב-100 מסגרות בשנייה. מצלמת ב-sCMOS של Andor כוללת בלעדית 4GB של זיכרון on-head, המקל על פרצי נתונים במהירות זו. שתי האופציות של קישוריות Cameralink יחידה וכפולה  מציעות העברה מהירה ורציפה של נתונים אל ה-PC. ד) מנטר זרם הנתונים (Data Flow Monitor-DFM). קצבי הנתונים הקיצוניים של ה-sCMOS  פירושם שיש לנקוט מישנה זהירות לרוחב-פס הממשק וקצבי הסליל של הדיסק הקשיח של ה-PC. בהתחשב בקצבי הפיקסלים, binning , גודל ה-ROI, אורך הסדרה הקינטית, קצבי הסליל של ה- PC RAM והדיסק הקשיח ב-PC, התכונה DFM של Andor מהווה כלי ראייה יחיד במינו באמצעותו ניתן לקבוע באם הסדרה הקינטית שנקבעה תהיה מסוגלת להגיע לשלמות.  Hamamatsu גם השיקה את מה שהם מכנים מצלמה מדעית CMOS המכונה Orca Flash2.8. היא שונה מה-sCMOS של Andora בתחומים אחדים: א) רגישות- רעש הקריאה של Flash2.8 הוא משמעותית יותר גבוה ב-3e-. יתירה מזו, ה-m של הפיקסל היותר קטן בהרבה פירושו שרוב היישומים של אור-נמוך (כולל גודל u של ~3.7 מיקרוסקופיה של תאים חיים) ידרשו שימוש של 2×2 binning  כדי להעלות את שטח איסוף הפוטונים לפיקסל ולשפר את רעש אות ל-shot. אולם, ה-binning מבוצע במצלמה ולא בחיישן, ולכן רעש הקריאה מוכפל עד לערךLaura Dears, Andor Technology של 6 e-. ברמה זו היתרון של האור הנמוך מתבטל לחלוטין. להשוואה, ה-sCMOS של Andor מציע רעש קריאה של 1 e בגודל פיקסל של 6.5 מיקרו-מטר, שילוב אידיאלי עבור מיקרוסקופיה באור נמוך. ב) רזולוציה – Flash2.8 מציע 2.8 מגה-פיקסל; ה-sCMOS  של Andor מציע 5.5 מגה-פיקסל. ג) שדה ראייה –גודל המערך של Flash2.8 הוא 36.5 ממ”ר; גודל המערך של ה-sCMOS של Andor הוא 233 ממ”ר, שדה ראייה המכסה את כל קוטר הראייה של מיקרוסקופים מודרניים. ד) קירור/זרם חושך – Flash2.8 מקרר עד +50C ומציע זרם חושך של 1e-/pixel/second dark current; sCMOS של Andor מקרר עד -400C, ומציע 0.03 e-/pixel/second. ה) עומק הבאר – Flash 2.8 מציע עומק באר של 18.000e; ה-sCMOS  של Andor מציע עומק באר של 30,000e. ו) תחום דינמי – Flash 2.8 מציע תחום דינמי של 4,500:1, ה-sCMOS של Andor מציע תחום דינמי של  30.000:1. ז) קצבי מסגרת – Flash 2.8 מציע 45 fps (במערך מלא); ה-sCMOS של Andor מציע 100 fps (במערך מלא) ו-150 fps עם תת-מערך של 2.8 מגה-פיקסל, כלומר פי שלוש מהיר יותר מאשר Flash2.8.

*הכתבה נמסרה באדיבות חברת
New Technology.