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皓天鑫
補充醫(yī)學的金屬氧化物半導體 (CMOS) 技術現(xiàn)如今具備了許多生物醫(yī)學應用所需的高級成像能力，但它可以代替昂貴得多的 sCMOS(科學 CMOS)傳感器嗎？CMOS 與 sCMOS 傳感器為數(shù)個行業(yè)中機器視覺的性能及價值建立了基準，本文將分別闡釋這兩種技術在極為嚴苛的生物醫(yī)學和生命科學成像應用中的優(yōu)勢和成本。
CMOS 和 sCMOS 傳感器的差異是什么？
一般來說，sCMOS 傳感器屬于“新一代” CMOS 傳感器。引入 sCMOS 技術是為了在 CMOS 開發(fā)早期彌補新型 CMOS 傳感器與傳統(tǒng) CCD(電荷耦合器件)傳感器之間的差距。起初，由于動態(tài)范圍、讀取噪聲、幀率和分辨率方面的限制，生物醫(yī)學應用無法使用 CMOS 傳感器。后來推出的 sCMOS 攝像頭 采用與 CMOS 傳感器非常相似的設計原理和制造技藝，但具備了幾種可以克服最初 CMOS 缺陷的功能。這使得 sCMOS 傳感器非常適合看重弱光性能、交廣動態(tài)范圍和較高保真度的科學應用。
然而，自推出 sCMOS 攝像頭后，傳統(tǒng) CMOS 傳感器在量子效率和降低自身內部噪聲方面獲得了巨大提升，使 CMOS 攝像頭成為許多高級生物醫(yī)療應用的可行選項。而且大多數(shù) CMOS 攝像頭要比 sCMOS 實惠得多。許多工程師和研究人員需要為其應用選擇顯微鏡學攝像頭、組織學攝像頭、細胞學/細胞遺傳學攝像頭或落射熒光攝像頭時，單單實惠這一因素便能燃起他們評估最新款 CMOS 傳感器的積極性。
我需要 CMOS 還是 sCMOS 傳感器？
選擇 CMOS 還是 sCMOS 傳感器，取決于一系列因素。如果您在兩者間舉棋不定，可以使用落射熒光照明，因為即便不購買 sCMOS 傳感器，白光也已足夠。其中一種是否比另一種適當很多時候只需考慮到達攝像頭的光線量，或者考慮具體應用的特殊性能參數(shù)組合。無論是 CMOS 還是 sCMOS，應當選擇單色傳感器，而非彩色傳感器，因為前者自身具備量子效率優(yōu)勢。
sCMOS 傳感器的特點是背面照明和能夠降低總體噪聲的較大像素(如 CCD 技術)。另外，sCMOS 攝像頭通常包含一個 Peltier 冷卻系統(tǒng)，以減少影響長曝光的熱生成噪聲。使用 sCMOS 傳感器的攝像頭也需要較大帶寬接口，例如帶幀采集板的 CameraLink 或 CoaXpress，造成這類視覺系統(tǒng)更加復雜，因此也更加昂貴。
為解決這個問題，CMOS 制造商不斷提升量子效率(收集入射光子的能力)，降低讀取噪聲(確保較低程度的入射光子不在噪聲中丟失)并采用背面照明。雖然有的 CMOS 傳感器也可以使用 Peltier 冷卻系統(tǒng)，但對于某些生物醫(yī)療成像應用來說，量子效率和減噪方面的改進已無需再使用冷卻了。
接口也不斷降低成本——多年來，CMOS 傳感器已適配了消費者接口，如 USB3、GigE 和 10 GigE。這些接口不需要抓幀器，降低了系統(tǒng)的復雜性(以及成本)。即將推出的 25/100GigE、USB4 和 CXPX 接口將可以大幅增加帶寬，有助于完全解決此問題。
CMOS 傳感器是成本更低的替代方案
許多工程師和系統(tǒng)設計師僅因為成本更低就有動力考慮評估用最新的 CMOS 傳感器代替基于 sCMOS 的系統(tǒng)。許多案例中，視覺系統(tǒng)設計師驚喜地發(fā)現(xiàn)，1千美元內就可以找到一款合適的 CMOS 攝像頭，而通常相似性能參數(shù)的 sCMOS 設置可能需要 1 萬美元以上。
無論對于 sCMOS 還是 CMOS，許多攝像頭制造商不以單一標準比較攝像頭。所以，不考慮所使用的傳感器類型而對比攝像頭會比較困難。在機器視覺領域，EMVA1288 是歐洲、美國(AIA - 美國自動成像協(xié)會)及日本(JIIA - 日本工業(yè)成像協(xié)會)攝像頭規(guī)格與測量的公認標準。
總之，對于要求極高性能的情況，可能必須使用 sCMOS 攝像頭。但在選用一種并棄用一種前，也有必要確定您的具體應用最重要的性能參數(shù)，然后合理對比 CMOS 與 sCMOS 攝像頭。CMOS 傳感器正在不斷進步，CMOS 與 sCMOS 的性價比在不斷縮小。如果傳統(tǒng) CMOS 傳感器就可以滿足應用要求，那么它可以為您及團隊所用，成為一種實惠巨大的替代方案。
選擇 FLIR CMOS 機器視覺攝像頭
如果您決定對應用使用 CMOS 攝像頭，可以選擇落射熒光應用最常用的兩種 FLIR 攝像頭系列，即 Backfly S 和 Oryx。
Blackfly S 攝像頭系列提供非常豐富的傳感器和接口(USB3 和 GigE 都有)。符合盒裝和板級外形尺寸的傳感器選項也很廣泛。
Oryx 攝像頭系列擁有適配最快 10GigE 接口的高分辨率傳感器。Oryx 攝像頭功能全面，適合較高的端部應用，但外形尺寸更大。如果傳輸速度很重要，Oryx 是很好的選擇。
Blackfly S 和 Oryx 攝像頭系列均可通過用于加快創(chuàng)建應用的 GenICam3 及 Spinnaker SDK 進行控制和編程。
如需進一步縮小攝像頭型號選擇范圍，可以使用我們的機器視覺型號選擇器，它包含 14+(基于 EMVA 1288)成像參數(shù)篩選條件。如需查找弱光條件下性能良好的型號，請篩選絕對靈敏度、量子效率和動態(tài)范圍值較高的。絕對靈敏度就是得到相當于傳感器所觀測噪聲之信號所需的光子數(shù)。量子效率是指給定波長下轉化為電子的光子。動態(tài)范圍是信號與噪聲(包括顳暗噪聲)比值，顳暗噪聲是指無信號時傳感器內的噪聲。請記住，單色型號的弱光性能優(yōu)于彩色型號。
如需查看某個機器視覺攝像頭的性能詳情，請閱讀其型號的 EMVA 成像性能文檔。該文檔位于每個攝像頭支持頁面的“資源”選項卡，或參閱《機器視覺傳感器綜述》。
仍需幫您決定或您對具體項目有疑問？請聯(lián)系我們的機器視覺攝像頭專家以節(jié)省您的研究時間。如需更加深入研究關于生物醫(yī)療及生命科學應用之機器視覺攝像頭選擇的重要參數(shù)，請參閱我們的文章《生物醫(yī)學成像：機器視覺攝像頭技術規(guī)格選擇及計算方法指南》。
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