互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)現(xiàn)在可以提供許多生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用所需的高級(jí)成像功能，但是它可以代替更昂貴的sCMOS（scientific CMOS）傳感器嗎？

CMOS和sCMOS傳感器已為多個(gè)行業(yè)的機(jī)器視覺(jué)性能和價(jià)值樹(shù)立了標(biāo)桿，本文將解釋每種技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)中要求很高的成像應(yīng)用中的收益和成本。

CMOS和sCMOS傳感器有什么區(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(kāi)發(fā)的早期階段彌合新CMOS傳感器和傳統(tǒng)CCD（電荷耦合器件）傳感器之間的差距。最初，由于動(dòng)態(tài)范圍，讀取噪聲，幀速率和分辨率的折衷，生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用無(wú)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(lái)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。

但是，自從sCMOS相機(jī)問(wèn)世以來(lái)，多年來(lái)，傳統(tǒng)的CMOS傳感器在量子效率和降低自身內(nèi)部噪聲的能力方面都得到了改善，這使得CMOS相機(jī)成為許多高級(jí)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的可行選擇。

此外，大多數(shù)CMOS相機(jī)比sCMOS相機(jī)便宜得多。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。

我該選擇CMOS還是sCMOS傳感器？

選擇CMOS還是sCMOS傳感器取決于一系列因素。如果你在兩者之間猶豫不決，你很可能使用的是外顯照明，因?yàn)榘坠庾銐蛄?，不需要sCMOS傳感器。另外，有時(shí)可能只是簡(jiǎn)單的光照到相機(jī)的程度，或者是特定應(yīng)用中特有的性能參數(shù)的組合，都會(huì)影響選擇。

但不管是CMOS還是sCMOS，您都應(yīng)該選擇單色傳感器，而不是彩色傳感器，因?yàn)閱紊珎鞲衅骶哂泄逃械牧孔有蕛?yōu)勢(shì)。

sCMOS傳感器的特點(diǎn)是背面照明和大像素，有助于降低整體噪聲（如CCD技術(shù)）。此外，sCMOS相機(jī)通常包括Peltier冷卻系統(tǒng)，以減少長(zhǎng)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，例如帶有幀捕捉板的CameraLink或CoaXpress，從而使這種視覺(jué)系統(tǒng)更加復(fù)雜，因此價(jià)格更高。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，CMOS制造商繼續(xù)在量子效率（收集入射光子的能力），降低讀取噪聲（確保即使在這種噪聲中不會(huì)損失低水平的入射光子）方面做出重大改進(jìn)，并實(shí)施了背面照明。雖然Peltier冷卻也是某些CMOS傳感器的一種選擇，但由于量子效率的提高和噪聲的降低，使得某些生物醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用無(wú)需進(jìn)行冷卻。

降低成本的另一種方法是接口。多年來(lái)，CMOS傳感器已與諸如USB3，GigE和10 GigE的消費(fèi)類(lèi)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（和成本）。即將推出的接口（例如25/100GigE，USB4和CXPX）將通過(guò)提供明顯更高的帶寬來(lái)完全消除此問(wèn)題。

CMOS傳感器是一種成本較低的替代品

僅僅是較低的成本就促使許多工程師和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員考慮評(píng)估最新的CMOS傳感器，以取代基于sCMOS的系統(tǒng)。在許多情況下，視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員驚訝地發(fā)現(xiàn)一個(gè)合適的CMOS相機(jī)的價(jià)格低于1000美元，而具有類(lèi)似性能參數(shù)的典型sCMOS設(shè)置可能會(huì)花費(fèi)超過(guò)10000美元。

無(wú)論是sCMOS還是CMOS，許多相機(jī)制造商都沒(méi)有使用單一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)比較相機(jī)。因此，無(wú)論使用哪種類(lèi)型的傳感器，比較相機(jī)都是一個(gè)挑戰(zhàn)。在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域，EMVA1288已經(jīng)成為歐美AIA（美國(guó)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(cè)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)格比正在迅速縮小。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，這可能是一種便宜得多的選擇。
編輯：hfy