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Sona sCMOS

Sona は、Andor 最新の高性能 sCMOS カメラプラットホームで、蛍光顕微鏡用に特化して設計されました。この度発売を開始した Sona 4.2B-11、Sona 2.0B-11 の両モデルは、いずれも背面照射型で量子効率 (QE) 95%、真空冷却による冷却温度は業界トップの -45 °C を実現しました。

  • QE 95%、冷却温度 -45 °C: 超高感度背面照射 sCMOS を採用

  • 4.2 メガピクセル (Sona 4.2B) : 細胞や全胚を広視野で捕捉

  • 70 fps フルフレーム: ダイナミックプロセスにもスメアなく追随可能

  • リニアリティ 99.7% 以上 : ダイナミックレンジ全域にわたり最高の定量精度

  • 長期の真空度保持および品質確保: センサ表面の湿気ゼロ、QE劣化なし


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Sonaは、Andor社最新の高性能sCMOSカメラプラットホームで、特に蛍光顕微鏡用に設計されました。この度発売を開始したSona 4.2B-11、Sona 2.0B-11の両モデルは、いずれも背面照射型で量子効率 (QE) 95%、真空冷却による冷却温度は業界トップの -45 °Cを実現しました。

sCMOS感度を究極化するというAndor独自の技術によって、例え励起出力が低下した場合においても蛍光顕微鏡のSN比を最適化させることを可能としました。その結果、測定時間が延長した場合も生細胞が保存されます。またSonaの感度が極めて高いことも蛍光色素分子濃度の低下に対して有利に作用し、細胞の生理機能の混乱が最小限に抑えられます。感度が上がるということはすなわち露光時間を短くできるということであり、細胞内の信号伝達メカニズムや細胞運動性のようなダイナミックプロセスに対してより高いフレームレートでの測定を可能としました。ダイナミックレンジを拡げる「デュアルオペレーショナルアンプリファイア」法は、神経細胞のような難易度の高いサンプルの高精度のイメージングおよび定量化に最適な手法です。さらには、このクラス最高の定量精度を達成するため、Andorは搭載ソフトウェアの強化にも取り組みました。その結果、ダイナミックレンジ全域にわたり 99.7% を超え、市場をリードするリニアリティを実現しました。

フラッグシップモデルである 4.2 メガピクセル Sona 4.2B-11 は、2048 x 2048 ピクセル全域に有効なアクセスを可能とする独自の技術を駆使して、画期的な 32 mm 対角センサを導入しました。その結果、顕微鏡サイドが利用可能な視野全域がシステム全体の視野となりました。これは情報量の最大化が求められるアプリケーションに最適な特性であり、細胞、全胚、細胞組織のサンプルを完ぺきな明瞭さで、かつ大きな視野で取得することができます。

Sona 4.2B-11の視野に関する優位性: 2048 x 2048 ピクセル Sona 4.2B-11 は、1608 x 1608 ピクセル背面照射 sCMOS カメラよりも視野が 62% 広くなります。画像は、60x 対物レンズと組込み型 1.5x チューブレンズを装着した Nikon Ti2 顕微鏡を使って取得したもので、Nyquist 解像鮮明度を維持しながら 2048 x 2048 のピクセル全域にアクセスができています。 各種の顕微鏡ポートに Andor マグニファイングカプラユニット(MCU)を装着することによって増倍効果を付加するという選択肢にもご注目ください。

  • Sona 4.2B-11 (4.2メガピクセル) には標準品としてFマウントアタッチメントが付属していますが、当社は、柔軟性を最大にするためCマウントカップリングも提供しています(オプション)。カップリングの交換は簡単で、1400 x 1400(2メガピクセル)までのROIサイズに対応可能です。
  • Sona 2.0B-11 (2 メガピクセル) はCマウント専用で、各種顕微鏡の最大22 mmまでのCマウントポートに対応可能です。このモデルの 1400 x 1400 フルピクセルは、22 mm新型Cマウントポートを前提に設計されており、この共通マウントポートを介して利用可能な視野を最大化するものです。ただしセンターを合わせたROIを予め準備しておき、より小さな顕微鏡ポートに直接装着することも可能です。

Sona は、真空背面照射sCMOSプラットホームとしては唯一のものです。ノイズレベルの超最小化の実現もさることながら、性能の長寿命化という成果をもたらしたセンサ真空筐体に関するAndorの技術力も見逃さないでください。もし筐体による保護が不完全であれば、背面照射型のシリコンセンサは、湿気、炭化水素およびその他のガス汚染物質からの腐食作用の影響を受けやすく、QEの低下を含む性能の経年劣化が起こります。 Andorの知的財産 UltraVacTM プロセスの要素技術である密閉真空シールは、外気からのいかなる気体および湿気の侵入も阻止します。それによってセンサ表面の結露が防止されます。修理のために工場に持ち帰る必要もありません。

95%のQEと最小のノイズ - 長期の生細胞観察や正確な生理機能測定

4.2メガピクセル32mmのFマウント(Sona 4.2B-11) - 最大の視野と感度で、細胞と大きな組織サンプルの最大の領域をキャプチャ可能です。60倍および40倍の対物レンズに容易に対応可能。拡大カプラユニット(MCU)と組み合わせることができ、さまざまなサンプルで光学的な鮮明さを維持します。

2.0メガピクセル22mmのCマウント(Sona 2.0B-11) - 22mmまでのCマウントポートを持つ最新の顕微鏡に最適です。

NEW 4.2メガピクセルのCマウント(Sona 4.2B-6) - 6.5µmのより小さい画素サイズの恩恵を受けるアプリケーションに最適です。感度、速度、および分解能の組み合わせにより、40倍および60倍の倍率に適しています。低ノイズモードは、相関マルチサンプリングを使用して、フレームレートに影響することなく均一のきれいな画像を撮影します。

-45°Cに真空冷却 - 信号が非常に弱い場合には、ノイズレベルも最小にする必要があります。カメラの熱ノイズを気にする必要はありません。

唯一の真空背面照射型sCMOS - Andor独自のUltraVac™技術により、(a) QEの低下と (b) 結露からセンサーを保護します。

グロー抑制テクノロジー - 長時間露光で4.2メガピクセルアレイ全体にアクセスできるため、視野と感度の利点が最大限に引き出します。

ハイスピードイメージング - 細胞運動性、膜動力学、イオン束、血流などの極めて動的なサンプルを、信号スミアなしに高ダイナミックな撮影を可能にします(Sona 4.2B-11:48fps、Sona 4.2B-6:74fps)。

拡張ダイナミックレンジモード - 最大の信号レンジでの「ワンスナップ定量化」(Sona 4.2B-11:53,000:1、Sona 4.2B-6:35,000:1)で、ニューロンなどの難しいサンプルを簡単に測定できます。

> 99.7%の線形性 - 信号レンジ全体で他社には類を見ない定量的精度を実現し、信号強度が局所濃度を示すあらゆるアプリケーションで測定の信頼性を確立します。

ユーザが設定できるROI - さまざまなサイズの顕微鏡ポート用に調節できます。フレームレートを上げて、データ保存スペースを節約できます。

ファンと水冷を標準装備 - 水冷は最大感度を実現し、超解像や電気生理学などで使用する振動に敏感なセットアップに対応

高速インタフェース - Sonaのすべてのモデルは、USB 3.0(USB 3.1 Gen 1)を搭載しており、便利な高速インタフェースを実現しています。しています。Sona 4.2B-6はCoaXPressを使用して最速のデータ転送速度を実現します。

最高感度の背面照射型sCMOS

Sona背面照射型sCMOSモデルの特長は、95%の量子効率(QE)と他社には類を見ない-45°Cの真空冷却です。

Sona 4.2B-11で使用されるタイプの、GPixel sCMOSセンサーの暗電流は、ZylaおよびNeo sCMOSカメラで使用するBAE/FairchildイメージングsCMOSセンサーと比べると比較的高いので、ノイズレベルを抑制するため、つまり、カメラの検出限界を最小限に抑えるためには、センサーの深冷処理がますます必要になります。Sonaは、独自の真空設計テクノロジーにより、内部ファンだけで熱を放散し、高精度と高安定度を保ちながら、-25°Cに熱電気的に冷却されます。さらに、Sonaは冷却水を使用して-45°Cに冷却できるので、競合製品に大きく差をつけます。

「背面照射型センサーは感度の高さが特に高く評価されています。このハイエンドテクノロジーから生まれた最高感度の製品を選ぶのは賢明な判断です。」

最高感度の背面照射型sCMOSカメラを装備すると、蛍光顕微鏡内で以下のような実用面での利点が多数実現されます。

  • レーザ照度の減少 - 研究を通して細胞を生かしておく(つまり、光毒性作用を抑制する)ことができ、色素の光退色も抑制できます。
  • 蛍光色素分子濃度の低下 - 生体試料の正確な生理機能を維持します。
  • 露光時間の短縮 - プロセスを高速化できます。
  • TIRFおよび共焦点微弱光モダリティによるS/N比の改善 - 焦点外のフォトンを除去する手法で写像性を強化します。

グロー抑制:センサーアレイ全体へのアクセス

GPixelのGSense400背面照射型センサーは、センサーの端でグローが生じることが広く知られています。このグローは疑似信号として現れ、露光の影響を受けます。このため、カメラメーカーは、これまで、センサーの実用領域を元の2048 × 2048の最大分解能より相当小さいアレイサイズに制限するか、またはカメラで許される最大露光時間に対して30ミリ秒という厳しい制限を課すことを余儀なくされていました。どちらにしても、視野または感度が制限されるため、さまざまなアプリケーションで性能と実用性が根本的に制限されます。

AndorはSona 4.2B-11で、このセンサーの問題を詳しく研究して特性を測定し、独自のグロー抑制テクノロジーを開発および導入することによってこの問題に対処しました。グロー抑制テクノロジーを利用した場合と利用しない場合のGSense 400背面照射型センサーの暗画像を下の図に示します。グロー抑制テクノロジーによる差は明白で、これによりAndorは露光時間を大幅に増加しながら2048 × 2048アレイ全体を活用できます。

低ノイズの相関マルチサンプリング

Sonaの16ビット高ダイナミックレンジモードは、スピード、最も広いダイナミックレンジ、および低ノイズレベルを兼ね備えており、ほとんどのアプリケーションにおいて、最も柔軟で、実用的なモードです。ただし、ノイズレベルを最小化する必要がある場合は、Sona 4.2B-6で使用されているGS2020BSIセンサーには低ノイズモードを備えています。このモードでは、フレームレートを犠牲にすることや、露光時間を増加させる必要なく低ノイズレベルを実現するために、相関マルチサンプリング(CMS)手法を使用します。このため、このモードは、照度を下げて短い露光時間を使用し、研究する細胞の生活現象を最小限にすることを目指す生細胞イメージングに適しています。細胞の生活現象は、2つのゲインチャンネルを使用してその出力を組み合わせることによって、低ノイズCMSモードで最小限に抑えることができます。このモードでは、ノイズは[Symbol]2だけ削減されます。これは約1.6e-~1.2e-の削減と同じです。Andor TechnologyがGSENSE2020BSIで測定した標準値は、これらの測定値と一致しています。このノイズ低減方法により「より鮮明な」画像を実現できます。2つのゲインチャンネルが16ビットレンジをカバーするために使用されるのではなく、12ビット出力として組み合わされるので、ダイナミックレンジは縮小されます。ただし、Sona 4.2B-6の利用可能ウェル深度はこのモードを使用する他のカメラのほぼ2倍で、はるかに大きいダイナミックレンジと使用方法の柔軟性が提供されます。また、このより広いレンジはより高い定量的精度で処理されます。

GSENSE2020BSIセンサーを使用するカメラの相関マルチサンプリング低ノイズモード実装の比較。

* センサーメーカーが指定し、Andor Technologyが測定した2-CMSモード。

** カメラメーカーの公表値。

拡大カプラユニット(MCU)

Andorは、複数の一般的な種類の最新型研究用蛍光顕微鏡でこの大型センサーの視野全体を利用するために、Sona 4.2B-11と使用できるオプションの拡大カプラユニット(MCU)アクセサリを提供します。このアクセサリは、60倍および40倍の対物レンズと使用するためにSona 4.2B-11またはSona 2.0B-11を調節し、ナイキスト解像明瞭度も維持しながらサンプル上の視野を拡大するために使用できます。直径32mmのセンサーエリアで画像が2倍に拡大されるため、MCUは16mm以上の画像出力を提供するどのポートにも取り付けることができます。このことは、販売されている顕微鏡ポートのほぼ全てに該当します。画素がより小さいSona 4.2B-6のセンサーサイズでは、拡大する必要がなく、本来の状態で、標準の顕微鏡ポートに適合します。

詳細については、Andor拡大カプラユニットのスペックシートを参照してください。

拡張ダイナミックレンジと優れた線形性

sCMOSセンサーの革新的なデュアルアンプアーキテクチャでは、高ゲインアンプと低ゲインアンプを選択する必要がありません。つまり、高ゲイン(低ノイズ)アンプと低ゲイン(高容量)アンプの両方で同時に信号をサンプリングすることが可能です。こうして、最大ウェル深度とともにセンサーの最小ノイズを利用して、最大のダイナミックレンジを実現できます。結果として、このような比較的小さな画素設計では類をみない35,000:1のダイナミックレンジ(Sona 4.2B-6)と53,000:1のダイナミックレンジSona 4.2B-11)を実現しています。

さらに、カメラに搭載されたインテリジェンス機能が高度なリニアリティを提供するので、ダイナミックレンジ全体で99.7%を超える圧倒的な定量的測定精度を実現します。これは定量的測定に依存するアプリケーションが増えている現在、非常に便利です。また、イオンフラックス、FRET、発現解析などの局所濃度を信号強度によって表示する全アプリケーションで、信頼性を高めます。

高速フレームレート

Sonaの各モデルは、最大74fps、高帯域幅USB 3.0によるPCへのデータストリーミング、およびCoaXPressインタフェースを提供できます。このため、細胞運動性、イオンスラックス 、血流イメージングなどの高速アプリケーションに最適です。

関心領域(ROI)の選択により、ROIの高さだけでスケーリングを実行し、さらなる高速化を図ることもできます。これは、平滑筋細胞のカルシウムフラックスを測定するような、高速フレームレートで細長いサンプルをイメージングする場合に有用です。

SonaのsCMOSセンサーは高度に並列化された読み出しアーキテクチャを備えているため、高速データ読み出し速度と高フレームレートを容易に実現できます。すべてのカラムに独自のアンプとアナログ/デジタル変換器(ADC)があるため、全列が並列に読み出されます。

ローリングシャッタ

Sonaの各カメラはローリングシャッター露光メカニズムを使用しています。ローリングシャッターでは、基本的に、読み出しの「波」がセンサー、1番下の行を、Sona 4.2B-11の場合はセンサーの遠位端の行のおよそ21ms前に通り抜けて露光を開始するように、アレイのラインがそれぞれ異なるタイミングで露光されます。このモードでは、読み出しノイズが最小、フレームレートが最速となります。ローリングシャッタが唯一問題になるのは、領域内の比較的大きくて、動きの速い物体をイメージングする場合です。この場合、まずモーションブラーのリスクがあります。これは、動作速度を時間的にアンダーサンプリングするため、イメージング条件に影響を与えるおそれがあります。さらに、ローリングシャッタの空間歪みのおそれもあります。ただし、フレームレートで時間的にオーバーサンプリングされている速度で比較的小さい物体が動く場合のように、大多数の使用事例では、実際には歪みはあまり生じません。

他にローリングシャッタのマイナス面となりうるのは、露光される画像の各領域が他の領域と時間内に正確に相互に関連付けられない点です。領域間の関連付けは、アプリケーションによっては非常に重要な場合があります。たとえば、細胞を電気的に刺激して、刺激事象に関連するカルシウムスパークの開始を測定することが重要な場合は、ローリングシャッタを使用すべきではありません。この場合は、Zyla 5.5 およびNeo 5.5 sCMOSカメラが提供する、真の意味でのグローバルシャッタモードが必要です。

GPU Express

Andor GPU Expressライブラリは、カメラからCUDA対応NVidia GPU(Graphical Processing Unit)カードへのデータ転送を簡素化および最適化し、取得パイプラインの一部であるGPU処理の高速化を促進するために作られました。GPU ExpressはAndor sCMOSカメラ向けのSDK3に簡単に統合され、高帯域幅データフローの課題を管理するための使いやすいながら強力なソリューションを提供し、ライトシート顕微鏡、超解像顕微鏡、補償光学などのデータ集約型のアプリケーションに最適です。

  • シンプルで最適化されたGPUデータ管理によって実現される利便性の強化
  • 最適なデータスループットを保証
  • 優れた文書と例に簡単にアクセス可能

疑似ノイズフィルタ

AndorのSona sCMOSカメラは、高ノイズ画素の発生頻度を減らすためにリアルタイムで動作する内蔵FPGAフィルタを標準装備しています。このリアルタイムフィルタは、フィルタがない状態では画像内に疑似「ごま塩」スパイクノイズとして現れる画素に対して補正を行います。

このようなノイズの多い画素は見た目では、EMCCDカメラ内のCIC(Clock Induced Charge)スパイクノイズの状況と似ています。それは、センサーの大部分でノイズが大幅に低減されているため、見た目が問題になる疑似的にノイズが多い画素はごく少ないからです。使用されるフィルタは、このような高ノイズ画素を動的に特定し、フレームレートとは無関係に隣接する画素の平均値と置き換えます。

ハードウェアタイムスタンプ

Sonaプラットフォームは、最高25nsの精度で画像ごとにタイムスタンプを生成できます。フレーム時間の正確な知識が時間的動的解析に影響する場合、精密なタイムスタンプが重要になりえます。特にコンピュータとインタフェースのレイテンシを考慮する必要がある高速な事象で重要です。分野としては、シグナリングカスケード、小胞輸送、脂質動態、シナプスリモデリング、光遺伝学や光生理学を使用した活動電位研究などがあります。タイムスタンプは、拡散速度の概算を容易にするため、FRAP解析にも有用です。

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