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CMOS 進步能否替代生物醫學應用中的 sCMOS 傳感器?

CMOS 進步能否替代生物醫學應用中的 sCMOS 傳感器?

2022/3/21 11:51:15

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補充醫學的金屬氧化物半導體 (CMOS) 技術現如今具備了許多生物醫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 傳感器為數個行業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學和生命科學成像應用中的優勢和成本。

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 開發早期彌補新型 CMOS 傳感器與傳統 CCD(電荷耦合器件)傳感器之間的差距。起初,由于動態范圍、讀取噪聲、幀率和分辨率方面的限制,生物醫學應用無法使用 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 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療應用的可行選項。而且大多數 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,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,但對于某些生物醫療成像應用來說,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。許多案例中,視覺系統設計師驚喜地發現,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 - 美國自動成像協會)及日本(JIIA - 日本工業成像協會)攝像頭規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,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 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。

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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。

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Blackfly S 和 Oryx 攝像頭系列均可通過用于加快創建應用的 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。量子效率是指給定波長下轉化為電子的光子。動態范圍是信號與噪聲(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?請聯系我們的機器視覺攝像頭專家以節省您的研究時間。如需更加深入研究關于生物醫療及生命科學應用之機器視覺攝像頭選擇的重要參數,請參閱我們的文章《生物醫學成像:機器視覺攝像頭技術規格選擇及計算方法指南》。

審核編輯(
黃莉
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