Những tiến bộ trong CMOS có thể thay thế cảm biến sCMOS không

Công nghệ Chất bán dẫn Oxit kim loại bổ sung (CMOS) hiện cung cấp các khả năng chụp ảnh tiên tiến cần thiết cho nhiều ứng dụng, nhưng liệu nó có thể thay thế các cảm biến sCMOS (CMOS khoa học) đắt tiền hơn không?

Cảm biến CMOS và sCMOS đã thiết lập tiêu chuẩn cho cả hiệu suất và giá trị về thị giác máy trong một số ngành. Bài viết này sẽ giải thích lợi ích và chi phí của từng công nghệ đối với các ứng dụng hình ảnh đòi hỏi khắt khe.

Sự khác biệt giữa cảm biến CMOS và sCMOS?

Thông thường, cảm biến sCMOS được coi là cảm biến CMOS “thế hệ tiếp theo”. Công nghệ sCMOS đã được giới thiệu để thu hẹp khoảng cách giữa cảm biến CMOS mới và cảm biến CCD (Thiết bị ghép nối sạc) truyền thống trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển CMOS. Ban đầu, nhiều ứng dụng không thể sử dụng cảm biến CMOS do ảnh hưởng đến dải động, nhiễu đọc, tốc độ khung hình và độ phân giải. Khi máy ảnh sCMOS được giới thiệu, chúng sử dụng các nguyên tắc thiết kế và kỹ thuật chế tạo rất giống với cảm biến CMOS, nhưng kết hợp một số tính năng giúp chúng khắc phục những thiếu sót ban đầu của CMOS. Điều này làm cho các cảm biến sCMOS rất phù hợp cho các ứng dụng khoa học trong đó hiệu suất ánh sáng yếu, dải động rộng và độ trung thực cao là rất quan trọng.

Tuy nhiên, trong những năm kể từ khi máy ảnh sCMOS được giới thiệu, cảm biến CMOS thông thường đã cải thiện đáng kể về hiệu quả lượng tử và khả năng giảm tiếng ồn bên trong của chính chúng, khiến máy ảnh CMOS trở thành một lựa chọn khả thi cho nhiều ứng dụng nâng cao. Hơn nữa, hầu hết các máy ảnh CMOS đều rẻ hơn đáng kể so với máy ảnh sCMOS. Chỉ riêng yếu tố này đã thúc đẩy nhiều kỹ sư và nhà nghiên cứu xem xét đánh giá cảm biến CMOS mới nhất khi họ cần chọn máy ảnh kính hiển vi, máy ảnh mô học, máy ảnh tế bào học/di truyền tế bào hoặc máy ảnh phát huỳnh quang cho ứng dụng của họ.

Tôi có cần cảm biến CMOS hay sCMOS không?

Việc chọn cảm biến CMOS hay sCMOS phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Nếu bạn đang tranh luận giữa hai điều này, thì có khả năng bạn đang sử dụng ánh sáng phát quang, vì ánh sáng trắng đủ sáng để không cần cảm biến sCMOS. Sự phù hợp của cái này với cái kia đôi khi có thể đơn giản như lượng ánh sáng chiếu tới máy ảnh hoặc sự kết hợp của các thông số hiệu suất dành riêng cho một ứng dụng cụ thể. Bất kể CMOS hay sCMOS, bạn nên chọn cảm biến đơn sắc thay vì màu tương đương để mang lại lợi ích hiệu quả lượng tử vốn có do cảm biến đơn sắc mang lại.

Cảm biến sCMOS được đặc trưng bởi khả năng chiếu sáng mặt sau và điểm ảnh lớn giúp giảm nhiễu tổng thể (như công nghệ CCD). Ngoài ra, máy ảnh sCMOS thường bao gồm hệ thống làm mát Peltier để giảm tiếng ồn do nhiệt tạo ra khi phơi sáng lâu. Máy ảnh sử dụng cảm biến sCMOS cũng cần giao diện băng thông cao như CameraLink hoặc CoaXpress với bảng lấy khung hình, làm cho các hệ thống quan sát như vậy trở nên phức tạp hơn và do đó đắt hơn.

Để chống lại điều này, các nhà sản xuất CMOS đã tiếp tục thực hiện những cải tiến đáng kể về hiệu quả lượng tử (khả năng thu thập các photon tới), giảm nhiễu đọc (đảm bảo ngay cả mức độ thấp của các photon tới cũng không bị mất trong nhiễu này) và thực hiện chiếu sáng mặt sau. Mặc dù làm mát Peltier cũng là một tùy chọn với một số cảm biến CMOS, nhưng những cải tiến về hiệu quả lượng tử và giảm tiếng ồn đã khiến việc làm mát trở nên không cần thiết đối với một số ứng dụng hình ảnh y sinh.

Một cách khác để giảm chi phí là giao diện—trong nhiều năm, cảm biến CMOS đã được ghép nối với các giao diện tiêu dùng như USB3, GigE và 10 GigE. Các giao diện này không yêu cầu bộ lấy khung, giúp giảm độ phức tạp (và chi phí) của hệ thống. Các giao diện sắp tới như 25/100GigE, USB4 và CXPX sẽ giúp loại bỏ hoàn toàn vấn đề này bằng cách cung cấp băng thông cao hơn đáng kể.

Cảm biến CMOS là giải pháp thay thế có chi phí thấp hơn

Chỉ riêng chi phí thấp hơn đã thúc đẩy nhiều kỹ sư và nhà thiết kế hệ thống xem xét đánh giá các cảm biến CMOS mới nhất thay cho hệ thống dựa trên sCMOS. Trong nhiều trường hợp, các nhà thiết kế hệ thống thị giác ngạc nhiên khi tìm thấy một máy ảnh CMOS phù hợp với giá dưới 1.000 USD, trong khi một thiết lập sCMOS điển hình với các thông số hiệu suất tương tự có thể có giá lên tới 10.000 USD. Cho dù đó là sCMOS hay CMOS, nhiều nhà sản xuất máy ảnh không sử dụng một tiêu chuẩn duy nhất để so sánh các máy ảnh. Do đó, có thể khó so sánh các máy ảnh bất kể loại cảm biến được sử dụng. Trong thế giới thị giác máy, EMVA1288 đã trở thành tiêu chuẩn được chấp nhận cho thông số kỹ thuật và phép đo camera ở Châu Âu, Châu Mỹ (AIA – Hiệp hội hình ảnh tự động Hoa Kỳ) và Nhật Bản (JIIA – Hiệp hội hình ảnh công nghiệp Nhật Bản).

Tóm lại, đối với những trường hợp yêu cầu mức hiệu suất cực cao, máy ảnh sCMOS có thể là cần thiết. Nhưng sẽ rất đáng để xác định các thông số hiệu suất quan trọng nhất cho một ứng dụng cụ thể và so sánh công bằng giữa máy ảnh CMOS và sCMOS trước khi loại bỏ cái này hơn cái kia. Cảm biến CMOS liên tục phát triển và tỷ lệ giá trên hiệu suất giữa CMOS và sCMOS đang nhanh chóng bị thu hẹp. Nếu các yêu cầu ứng dụng của bạn có thể được đáp ứng bằng cảm biến CMOS thông thường, thì đó có thể là một giải pháp thay thế ít tốn kém hơn nhiều.

Để biết thêm thông tin: www.flir.com