在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，CMOS將成為sCMOS傳感器的平價(jià)替代

隨著科技的發(fā)展，補(bǔ)充醫(yī)學(xué)的金屬氧化物半導(dǎo)體 （CMOS） 技術(shù)已經(jīng)具備了許多生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用所需的高級(jí)成像能力，但它可以代替價(jià)格昂貴的sCMOS（科學(xué)CMOS）傳感器嗎？CMOS與 sCMOS傳感器為數(shù)個(gè)行業(yè)中機(jī)器視覺的性能及價(jià)值建立了基準(zhǔn)，今天小菲將分別來闡釋這兩種技術(shù)，在極為嚴(yán)苛的生物醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)成像應(yīng)用中的優(yōu)勢和成本。

CMOS與sCMOS的區(qū)別

通常，sCMOS傳感器被認(rèn)為是“下一代”CMOS傳感器。

引入sCMOS 技術(shù)是為了在CMOS開發(fā)早期彌補(bǔ)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(dòng)態(tài)范圍、讀取噪聲、幀率和分辨率方面的限制，生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用無法使用CMOS傳感器。

引入sCMOS相機(jī)時(shí)，它們使用了與CMOS傳感器非常相似的設(shè)計(jì)原理和制造技術(shù)，但結(jié)合了多種功能來幫助他們克服最初的CMOS缺點(diǎn)。這使得sCMOS傳感器適合于要求低光性能，寬動(dòng)態(tài)范圍和高保真度的科學(xué)應(yīng)用。

然而，自推出sCMOS相機(jī)后，傳統(tǒng)CMOS傳感器在量子效率和降低自身內(nèi)部噪聲方面獲得了巨大提升，使CMOS相機(jī)成為許多高級(jí)生物醫(yī)療應(yīng)用的可行選擇。而且大多數(shù)CMOS相機(jī)要比sCMOS相機(jī)實(shí)惠得多。僅此一個(gè)因素便促使許多工程師和研究人員在需要為其應(yīng)用選擇顯微鏡相機(jī)，組織學(xué)相機(jī)，細(xì)胞學(xué)/細(xì)胞遺傳學(xué)相機(jī)或落射熒光相機(jī)時(shí)考慮使用最新的CMOS傳感器。

產(chǎn)品推薦

如果您選擇使用CMOS相機(jī)，可以選擇落射熒光應(yīng)用比較常用的FLIR Backfly S系列。

Blackfly S相機(jī)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(jí)外形尺寸的傳感器選項(xiàng)也很廣泛。

CMOS與sCMOS的選擇

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?yàn)榧幢悴毁徺IsCMOS傳感器，白光也已足夠。其中一種是否比另一種適當(dāng)，很多時(shí)候只需考慮到達(dá)相機(jī)的光線量，或者考慮具體應(yīng)用的特殊性能參數(shù)組合。

無論是CMOS還是sCMOS，您都應(yīng)當(dāng)選擇單色傳感器，而非彩色傳感器，因?yàn)閱紊珎鞲衅骶哂泄逃械牧孔有蕛?yōu)勢。

sCMOS傳感器的特點(diǎn)是背面照明和能夠降低總體噪聲的較大像素（如 CCD 技術(shù)）。另外，sCMOS相機(jī)通常包括Peltier冷卻系統(tǒng)，以減少長時(shí)間曝光后由熱產(chǎn)生的噪聲。使用sCMOS傳感器的相機(jī)還需要一個(gè)高帶寬接口，例如帶幀采集板的CameraLink或 CoaXpress，從而使這種視覺系統(tǒng)更加復(fù)雜，因此價(jià)格更高。

為解決這個(gè)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(duì)于某些生物醫(yī)療成像應(yīng)用來說，量子效率和減噪方面的改進(jìn)已無需再使用冷卻了。

降低成本的另一種方法是接口。多年來，CMOS傳感器已與諸如USB3，GigE和10 GigE的消費(fèi)類接口配對(duì)。這些接口不需要幀捕獲器，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)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。

產(chǎn)品推薦

對(duì)于CMOS相機(jī)，您還可以選擇FLIR Oryx系列。

Oryx 相機(jī)系列擁有適配最快10GigE接口的高分辨率傳感器。Oryx相機(jī)功能全面，適合較高的端部應(yīng)用，但外形尺寸更大。如果傳輸速度很重要，Oryx是很好的選擇。

CMOS是sCMOS的優(yōu)惠替代方案

僅僅是較低的成本就促使許多工程師和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師考慮評(píng)估最新的CMOS傳感器，以取代基于sCMOS的系統(tǒng)。在許多案例中，視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)師驚喜地發(fā)現(xiàn)，1千美元內(nèi)就可以找到一款合適的CMOS相機(jī)，而通常相似性能參數(shù)的sCMOS設(shè)置可能需要1萬美。

無論是sCMOS還是CMOS，許多相機(jī)制造商都沒有使用單一的標(biāo)準(zhǔn)來比較相機(jī)。因此，無論使用哪種類型的傳感器，比較相機(jī)都是一個(gè)挑戰(zhàn)。在機(jī)器視覺領(lǐng)域，EMVA1288已經(jīng)成為歐美AIA（美國自動(dòng)成像協(xié)會(huì)）和日本JIIA（日本工業(yè)成像協(xié)會(huì)）公認(rèn)的相機(jī)規(guī)格和測量標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，對(duì)于需要極致性能的情況下，sCMOS相機(jī)可能是必需品。但是，有必要為您的特定應(yīng)用確定最重要的性能參數(shù)，并對(duì)CMOS和sCMOS相機(jī)進(jìn)行合理的比較，然后再相互淘汰。

CMOS傳感器在不斷發(fā)展，CMOS和sCMOS之間的價(jià)格差距正在迅速縮小。如果常規(guī)的CMOS傳感器可以滿足您的應(yīng)用要求，那么對(duì)于您和您的團(tuán)隊(duì)而言，這可能是一種優(yōu)惠得多的替代選擇。

產(chǎn)品選擇

FLIR Blackfly S和Oryx相機(jī)系列均可通過用于加快創(chuàng)建應(yīng)用的GenICam3及Spinnaker SDK進(jìn)行控制和編程。

如需進(jìn)一步縮小相機(jī)型號(hào)選擇范圍，可以使用FLIR機(jī)器視覺型號(hào)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(hào)，可以篩選絕對(duì)靈敏度、量子效率和動(dòng)態(tài)范圍值較高的。