相机在生命科学中的应用
摄像头为机器人和或运动控制自动化提供视觉，以处理DNA或实验室样本进行分析，存储，包装或制备。条形码读取摄像头在氨基酸机执行阵列分析和测试。临床实验室自动化摄像头有助于管理药物、生物标本和处理样本和有彩色瓶塞的玻璃医疗小瓶。相机也被用于医疗设备，眼科，生物医学研究和病理学。
摄像头会检查是否有生物样本，针管中是否含有液体，以确保针管没有破损。在这些应用中，摄像机需要体积小、结构紧凑、独立，并与自己的照明和通信接口集成，以将数据保存到数据库或发送通过/失败验收通知给PLC。
新传感器技术的迅速出现对产品开发产生了深远的影响。为生命科学成像平台选择正确的传感器可能是一个挑战。像素数、传感器的真实灵敏度、相互竞争的技术之间的权衡、产品生命周期的长度以及长期成本只是需要考虑的几个方面。
顶级机器视觉相机的考虑
在选择相机时，用户应该从更高的层面考虑机器视觉系统将帮助他们应对的业务挑战。添加机器视觉摄像机是为了增加生产线上的产量或产量，还是为了满足联邦法规将有助于确定特定的摄像机。
相机的具体用途的物理尺寸和形式是接下来最重要的考虑因素。用户应该知道它是否需要紧凑、小，或者不经过修改就集成到现有机器中。
相机使用的环境和场景以及系统是否依赖环境光是下一个重要的考虑因素。操作环境经常被忽视，但会影响在各种条件或地点的鲁棒性和稳定性，这可能是相机的一个关键要求。摄像头接口、带宽要求以及处理器与摄像头位置的接近程度也是重要的因素。
平台的寿命是另一个关键的考虑因素，它被认为是迄今为止生命科学领域用户最重要的因素。销售给世界各地实验室和医院的手术、眼科和医疗诊断设备的客户，会以拥有一项技术的最新版本来换取某种长期使用的技术。保证产品平台在整个升级和系统生命周期中的稳定性只是稳定性需要考虑的一个方面。
对于那些产品需要FDA批准(这可能需要数年时间)的客户来说，零部件供应商的长期稳定至关重要。寻找考虑产品生命周期很长的供应商是一个关键的考虑因素。寻找那些有经济实力和稳定生产记录的公司，他们会为客户冻结他们的相机版本，以确保产品不会过时。
寻找能够灵活调整相机以满足客户需求的供应商也很重要。通常，相机必须符合医院或其他医疗办公室要求的特定颜色、材料和标签的标准化医疗住房格式。
其次，每个应用程序都有自己的关键考虑因素，因为相机可以从入门水平的教育目的，以更高端的相机，在极低的光计数电子。分辨率、像素大小和间距可能会在显微镜上使用相机的市场中发挥作用，例如在研究中，而不是在工业机器视觉应用中使用相机。明场、暗场、相位对比和荧光显微镜都有不同的需求，其灵敏度取决于所使用的物镜和应用。
在色彩应用中，重要的是相机准确地再现颜色，具有高动态范围和高量子效率(QE)。它们还需要低噪声的传感器，以在弱光下具有良好的灵敏度。在长时间曝光期间，传感器应该有低的暗电流噪声，热相关的噪声积累在传感器和相机，相机应该有良好的热管理，以保持设备凉爽。
什么相机参数对生命科学用户重要?分辨率，fps，光圈和传感器类型
根据系统将检测到的缺陷类型，相机必须满足最低分辨率要求，以确定物品是否属于图像，这使得相机的分辨率非常重要。
相机的光圈和每秒帧数也很重要，但两者都高度依赖于应用。在生命科学中，如果样本是固定的，比如染色的载玻片，帧率就不重要了(相反，颜色复制成为一个关键因素)。跟踪移动的样本，如鱼或血液流动，快速帧率将是关键的相机。但是，处理器比传感器对相机速度的影响更大。有一些技术可以实现更高的帧率，例如运行双线或使用视觉处理器的更高处理能力。
根据所拍摄的图像类型，视野也会有所不同。当拍摄大样本的倾斜图像时，较大的FOV允许用户拍摄更少的照片，比使用较小的FOV更快地完成整个过程。
从客户的角度来看，传感器的类型是最不重要的，因为他们感兴趣的是整体解决方案，而不是通常使用的技术，但这取决于他们对相机的熟练程度。在低噪声是关键的应用，如荧光，传感器类型变得重要，但它不是在其他应用，如明亮场成像。
在科学级相机中，在视场中不产生扭曲或像差是至关重要的，使用高质量的玻璃就变得很重要。工业级相机使用较低等级的眼镜，许多实验室在显微镜上使用它们会遇到质量问题。
红外的灵敏度也是关键，因为越来越多的工程观众对稳定的红外解决方案感兴趣，而不管环境条件如何。
相机接口
千兆以太网(Gigabit Ethernet, GigE)是迄今为止最常见和首选的机器视觉摄像头接口，因为已经有一个网络基础设施，许多人都熟悉IP寻址和在网络上注册设备。在需要多个摄像头或仪器之间距离较大的应用中，比如在实验室自动化中，GigE是最需要新设计获胜的。它具有较长的电缆距离和处理多个分布式摄像机的能力。
一些更高端的相机应用程序可能提供专用的接口，如用于显微镜的高帧率冷却相机，需要在主机上的帧捕捉卡来捕捉图像。但自2014年以来，USB 3.0正成为用于更高帧率相机和需要快速图像传输速率的应用程序的技术。
由于其较短的电缆长度的限制，有一个权衡要求相机更近，如果速度是理想的。通常情况下，如果应用程序使用的是一个需要连接到主机PC并且距离较近的单摄像头，那么USB 3.0可以驱动更快的数据速率，这可能是更高的分辨率或更高的帧速率。但当需要多个摄像头或设备分布在更大的区域时，USB 3.0不实用，而GigE提供了一个优势。
Firewire作为一种数字接口仍有很强的影响力，这是一种较老的技术，但由于寿命较长，它仍主要在医疗和生命科学市场上发挥重要作用。在长期供应方面，很多客户不愿意改变。
作为一项技术，Firewire摄像头在USB 2.0推出后就消失了。现在，USB接口几乎可以在每台电脑上进行即插即用。在生命科学市场上，许多相机都使用USB 2.0接口，当它适合传输的数据量时。用户需要一个提供更高带宽的接口，同时仍然提供即插即用和随时可用，将使用USB 3.0具有更高的吞吐量。
标准化的相机接口
相机接口需要做的一个决定是使用专有接口还是标准化接口。如果使用专有接口，您通常只能使用相机和相机制造商提供的软件。相反，如果您使用标准化的界面，您就可以灵活地使用任何符合标准的相机或软件。这种灵活性为用户提供了更广泛的解决方案，甚至能够在未来以很少的投资更改系统的全部或部分。此外，标准化的设备通常更便宜，因为它们销售到更大的市场。
AIA和其他领先的全球视觉协会已经将这些标准的优秀参考资料汇集在一起，称为“全球机器视觉接口标准-了解当今数码相机接口选项”。这可以通过点击下载在这里．
以下是领先的现代数字接口标准。点击每一个将带您到关于标准的更多信息。
Camera Link, Camera Link HS和CoaXpress需要一个帧抓取器，而GigE Vision和USB3 Vision通过PC的本地总线适配器操作。
色和单色
使用彩色或单色相机取决于用户的特定应用程序。在显微镜技术中，80%的时间用户使用明亮的视野成像来观察颜色样本，而不用担心灵敏度。在这种情况下，他们可以根据预算限制使用彩色相机。
在实验室自动化、条形码读取和流量控制过程等领域，颜色的重要性不如单色相机能够提供的精确定位和处理或对比信息。与其他行业的标准一样，生命科学中95%的相机是灰色的，只有5%左右是彩色的。
所有的相机设计都是从单色传感器开始的。彩色相机在传感器上使用拜耳或其他滤镜，产生红色、绿色和蓝色像素，只捕获照射到该像素的1/3的光，减少了到达传感器的整体光量。如果同一相机有单声道和彩色版本，一般来说，未经过滤的单声道具有更高的量子效率(QE)，具有更高的能力将光子转换为电子。
大多数荧光应用是低光和需要更敏感的单色相机。单色照相机也被用于荧光应用，因为它们有更精确的分辨率。与彩色相机相比，彩色相机估计和插值相邻像素以产生最终的彩色像素，它们提供了尖锐的边缘、轮廓和细节。这种处理导致的分辨率低于单色相机的传感器。
彩色相机是重要的医学诊断或明亮的荧光应用和关键时检查小瓶瓶盖。眼科检查用彩色相机检查眼睛的拓扑结构。但是，许多使用彩色相机的应用程序实际上需要单色，因为它们提供了更多的灵敏度。
数码相机很流行，但模拟相机仍然很重要
生命科学中的大多数相机现在都是数字化的，因为它们可以在更高的帧率下产生更高分辨率的图像，并使用数字CMOS传感器。
低功率模拟相机在有尺寸限制和没有严格分辨率要求的专业生命科学市场中仍然很重要。一个这样的例子是内窥镜使用的相机-非常小的相机或传感器嵌入内窥镜头部与一个紧密的光学束在一个唇膏大小的管子将进入人体。
CCD和CMOS传感器选项
直到最近，CCD传感器一直是最受欢迎的选择，但随着CMOS传感器开始变得更有吸引力，该行业正在转型。在此之前，CMOS传感器并不常用于生命科学市场，因为它们被认为更便宜、质量更低。他们进入了入门级和预算紧张的应用程序，如教育相机。ccd被保留在更高端的成像诊断或研究应用，进行关键的图像分析，精确的高质量的图像，真实的彩色再现，和低噪声是更重要的。
但是，CMOS传感器行业在过去几年发生了变化，现在提供了更好的质量传感器，在低噪声、低光下长时间曝光的更好的灵敏度，以及更好的色彩保真度。随着相机制造商生产更多的CMOS相机，为高端成像应用提供极好的图像，该行业正在迅速转变。
一些相机制造商专注于低端市场，使用成本较低的CMOS传感器，其他主要使用CCD传感器。选择哪个选项取决于具体的应用程序。CCD传感器仍然比CMOS提供更低的暗电流，使得CCD在一些应用中成为普遍的选择，例如宽场荧光显微镜。
生命科学相机的成本
有低端、中端和高端相机，涵盖生命科学中使用的所有价格点。应用程序定义了使用的相机类型，构建和组件的质量决定了价格差异。例如，在需要更好图像质量的相机中使用更高等级的玻璃。制造商发现，生命科学和医疗市场的用户愿意为必须满足更严格要求的相机支付更多的钱。生命科学领域的用户对价格不太敏感，因为他们对产品的寿命、图像质量和适应性更敏感。
当客户和应用程序可以以较低的价格换取图像质量时，用于大量生命科学市场的传统机器视觉相机的价格可能不到500美元。通常工业领域的相机像素大，捕捉速度快。VGA摄像头提供基本信息，以确保整个自动灌装过程的质量，检查小瓶是否正确密封或灌装，可以卖到几百美元。
用于生命科学教育的最低端体面相机大约500美元。大多数相机的价格在3,000美元至10,000美元之间，而针对小众应用的特殊相机，比如大分辨率全画幅相机，价格更高。电子倍增器CCD相机的深度冷却可以满足更低的噪音和更高的QE要求，价格超过20,000美元。
相机制造商如何克服生命科学应用带来的主要挑战
确保相机产品的长期可用性是一个重要的挑战，可能是行业中最困难的。为了确保使用寿命，相机制造商仔细选择相机硬件的组件，并与供应商合作，以确保组件能够长期销售。规模较大、财力较强的制造商可以对传感器供应商施加影响，确保产品的长期安全。在开发过程中，当客户使用的某个传感器使用寿命已到尽头时，集成商会与客户合作，购买足够的库存，使其产品能够使用十年或更长时间。
制造商还优化了长期供应的相机设计，使用更稳定和长期类型的技术，以确保他们不会成为依赖一个新的或新兴的技术，可能无法长期生存。他们构建并测试自己的软件，以确保产品在经过客户验证后不需要更新。如果产品确实需要更改，制造商会仔细控制产品的发布，并尽早向客户提供信息和咨询，以便有足够的时间对他们的需求做出反应。
进入保护或IP等级是相机制造商的另一个挑战，相机需要封闭或将在压力洗涤或化学洗涤剂环境中使用。现有的相机满足IP67标准，这是用户在生命科学中要求的更常见的标准。但是，需要满足更严格的IP69k标准的摄像机更难找到，这对制造商构成了挑战。生命科学用户使用生物样品进行工作，在运行样品或定期维护房间或系统以确保卫生之间使用化学洗涤剂清洗，这是最常见的要求。制造商最终不得不将相机封装在一个外壳中，因为大多数相机本身并没有达到IP69k的要求。
生命科学领域的机器视觉摄像机没有“杀手级应用”
生命科学市场中的许多领域往往是周期性的，由消费者需求驱动，并与经济周期相关。然而，医疗市场的连续性更强，对通常是长期客户的稳定需求，使其成为一个有吸引力的市场。该领域的发展领域包括医学诊断、眼科、外科设备、牙科扫描仪、显微镜、病理学、实验室自动化和其他一些较小的研究领域，如DNA和基因测序。但它们的增长似乎都是一样的，没有一项应用脱颖而出成为明显的领先者。其他增长良好的领域是使用廉价相机和适合低预算的开放式微观管理软件的教育市场。
一致性和数据管理是底线
针对不同的应用程序，相机的构建方式也不同。但是，总的来说，如果机器视觉相机用户需要考虑一个最重要的因素，那么一致性和可靠性就会高于其他因素。用户不希望相机的结果随着时间的推移而改变，他们更喜欢重复的，一致的性能和行为。
传感器的选择、相机指标和整个系统，包括稳定的照明、相机的白平衡和校准显示器以确保颜色不熄灭，在没有任何后期处理的情况下，会极大地影响结果是否可重现和可靠。在生命科学领域，机器视觉相机捕捉并产生所看到的东西的准确、可靠的再现，这与依赖后期处理的消费级相机不同。
条形码读取摄像头提供的图像是关于失败的方式和原因的数据。在这些情况下，数据管理是最重要的因素，对生命科学行业来说比图像本身更重要。当用户想在同一操作中进行检查和读取条形码时，摄像头是否能同时用于这两种目的就成了一个关键因素。与安装两个摄像头不同，条形码读取算法和机器视觉算法应该同时安装在一个摄像头上，以节省时间并在检查期间提供可追溯性。