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CMOS 进步能否替代生物医学应用中的 sCMOS 传感器?
作者:FLIR Systems
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补充医学的金属氧化物半导体 (CMOS) 技术现如今具备了许多生物医学应用所需的高级成像能力,但它可以代替昂贵得多的 sCMOS(科学 CMOS)传感器吗?CMOS 与 sCMOS 传感器为数个行业中机器视觉的性能及价值建立了基准,本文将分别阐释这两种技术在极为严苛的生物医学和生命科学成像应用中的优势和成本。

CMOS 和 sCMOS 传感器的差异是什么?

一般来说,sCMOS 传感器属于“新一代” CMOS 传感器。引入 sCMOS 技术是为了在 CMOS 开发早期弥补新型 CMOS 传感器与传统 CCD(电荷耦合器件)传感器之间的差距。起初,由于动态范围、读取噪声、帧率和分辨率方面的限制,生物医学应用无法使用 CMOS 传感器。 后来推出的 sCMOS 摄像头 采用与 CMOS 传感器非常相似的设计原理和制造技艺,但具备了几种可以克服最初 CMOS 缺陷的功能。这使得 sCMOS 传感器非常适合看重弱光性能、交广动态范围和较高保真度的科学应用。

然而,自推出 sCMOS 摄像头后,传统 CMOS 传感器在量子效率和降低自身内部噪声方面获得了巨大提升,使 CMOS 摄像头成为许多高级生物医疗应用的可行选项。而且大多数 CMOS 摄像头要比 sCMOS 实惠得多。许多工程师和研究人员需要为其应用选择显微镜学摄像头、组织学摄像头、细胞学/细胞遗传学摄像头或落射荧光摄像头时,单单实惠这一因素便能燃起他们评估最新款 CMOS 传感器的积极性。

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我需要 CMOS 还是 sCMOS 传感器?

选择 CMOS 还是 sCMOS 传感器,取决于一系列因素。如果您在两者间举棋不定,可以使用落射荧光照明,因为即便不购买 sCMOS 传感器,白光也已足够。其中一种是否比另一种适当很多时候只需考虑到达摄像头的光线量,或者考虑具体应用的特殊性能参数组合。无论是 CMOS 还是 sCMOS,应当选择单色传感器,而非彩色传感器,因为前者自身具备量子效率优势。

sCMOS 传感器的特点是背面照明和能够降低总体噪声的较大像素(如 CCD 技术)。另外,sCMOS 摄像头通常包含一个 Peltier 冷却系统,以减少影响长曝光的热生成噪声。使用 sCMOS 传感器的摄像头也需要较大带宽接口,例如带帧采集板的 CameraLink 或 CoaXpress,造成这类视觉系统更加复杂,因此也更加昂贵。

为解决这个问题,CMOS 制造商不断提升量子效率(收集入射光子的能力),降低读取噪声(确保较低程度的入射光子不在噪声中丢失)并采用背面照明。虽然有的 CMOS 传感器也可以使用 Peltier 冷却系统,但对于某些生物医疗成像应用来说,量子效率和减噪方面的改进已无需再使用冷却了。

接口也不断降低成本——多年来,CMOS 传感器已适配了消费者接口,如 USB3、GigE 和 10 GigE。这些接口不需要抓帧器,降低了系统的复杂性(以及成本)。即将推出的 25/100GigE、USB4 和 CXPX 接口将可以大幅增加带宽,有助于完全解决此问题。

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CMOS 传感器是成本更低的替代方案

许多工程师和系统设计师仅因为成本更低就有动力考虑评估用最新的 CMOS 传感器代替基于 sCMOS 的系统。许多案例中,视觉系统设计师惊喜地发现,1千美元内就可以找到一款合适的 CMOS 摄像头,而通常相似性能参数的 sCMOS 设置可能需要 1 万美元以上。

无论对于 sCMOS 还是 CMOS,许多摄像头制造商不以单一标准比较摄像头。所以,不考虑所使用的传感器类型而对比摄像头会比较困难。在机器视觉领域,EMVA1288 是欧洲、美国(AIA - 美国自动成像协会)及日本(JIIA - 日本工业成像协会)摄像头规格与测量的公认标准。点击此处进一步了解机器视觉的 EMVA 1288 标准。

总之,对于要求极高性能的情况,可能必须使用 sCMOS 摄像头。但在选用一种并弃用一种前,也有必要确定您的具体应用最重要的性能参数,然后合理对比 CMOS 与 sCMOS 摄像头。CMOS 传感器正在不断进步,CMOS 与 sCMOS 的性价比在不断缩小。如果传统 CMOS 传感器就可以满足应用要求,那么它可以为您及团队所用,成为一种实惠巨大的替代方案。

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选择 FLIR CMOS 机器视觉摄像头

如果您决定对应用使用 CMOS 摄像头,可以选择落射荧光应用最常用的两种 FLIR 摄像头系列,即 Backfly S 和 Oryx。

Blackfly S 摄像头系列提供非常丰富的传感器和接口(USB3 和 GigE 都有)。符合盒装和板级外形尺寸的传感器选项也很广泛。

Oryx 摄像头系列拥有适配最快 10GigE 接口的高分辨率传感器。Oryx 摄像头功能全面,适合较高的端部应用,但外形尺寸更大。如果传输速度很重要,Oryx 是很好的选择。

Blackfly S 和 Oryx 摄像头系列均可通过用于加快创建应用的 GenICam3 及 Spinnaker SDK 进行控制和编程。

如需进一步缩小摄像头型号选择范围,可以使用我们的机器视觉型号选择器,它包含 14+(基于 EMVA 1288)成像参数筛选条件。如需查找弱光条件下性能良好的型号,请筛选绝对灵敏度、量子效率和动态范围值较高的。绝对灵敏度就是得到相当于传感器所观测噪声之信号所需的光子数。量子效率是指给定波长下转化为电子的光子。动态范围是信号与噪声(包括颞暗噪声)比值,颞暗噪声是指无信号时传感器内的噪声。请记住,单色型号的弱光性能优于彩色型号。

如需查看某个机器视觉摄像头的性能详情,请阅读其型号的 EMVA 成像性能文档。该文档位于每个摄像头支持页面的“资源”选项卡,或参阅《机器视觉传感器综述》。

仍需帮您决定或您对具体项目有疑问?请点击此处联系我们的机器视觉摄像头专家以节省您的研究时间。如需更加深入研究关于生物医疗及生命科学应用之机器视觉摄像头选择的重要参数,请参阅我们的文章Biomedical Imaging: Guide to Choosing Machine Vision Camera Specifications and How to Calculate Them。

关于菲力尔公司(FLIR Systems, Inc.)

菲力尔公司(FLIR Systems, Inc.)成立于1978年,是一家世界领先的工业技术公司,专注于开发面向国防、工业和商业应用的智能传感解决方案。菲力尔(FLIR Systems)的愿景是成为“世界第六感”,创造技术,帮助专业人士做出更明智的决策,拯救生命、改善生活。如需了解更多信息,敬请访问 www.flir.cn并关注“菲力尔”官方微信号。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (1/28/2021)
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