Os novos avanços em CMOS podem substituir os sensores sCMOS em aplicações biomédicas?

A tecnologia de semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS) agora oferece os recursos de imagem avançados necessários para muitas aplicações biomédicas, mas poderá substituir os sensores sCMOS (CMOS científicos) mais caros? Os sensores CMOS e sCMOS estabeleceram a referência para desempenho e valor da visão de máquina em várias indústrias. Este artigo explicará os benefícios e custos de cada tecnologia para aplicações de imagem de alta exigência biomédicas e de ciências biológicas.

Qual é a diferença entre os sensores CMOS e sCMOS?

Normalmente, um sensor sCMOS é considerado um sensor CMOS da “próxima geração”. A tecnologia sCMOS foi introduzida para preencher a lacuna entre os novos sensores CMOS e os sensores CCD (Dispositivo de Carga Acoplada) tradicionais durante as fases iniciais do desenvolvimento do CMOS. Inicialmente, as aplicações biomédicas não podiam usar sensores CMOS devido a compromissos na faixa dinâmica, ruído de leitura, taxas de quadros e resoluções. Quando as câmeras sCMOS foram lançadas, elas usavam princípios de design e técnicas de fabricação muito semelhantes aos sensores CMOS, mas incorporaram vários recursos que superaram as deficiências iniciais do CMOS. Isso tornou os sensores sCMOS adequados para aplicações científicas onde o desempenho em baixa luminosidade, ampla faixa dinâmica e alta confiabilidade eram essenciais.

No entanto, nos anos seguintes em que as câmeras sCMOS foram lançadas, os sensores CMOS convencionais também melhoraram significativamente em termos de eficiência quântica e capacidade de redução do próprio ruído interno, tornando as câmeras CMOS uma opção viável para muitas aplicações biomédicas avançadas. Além disso, a maioria das câmeras CMOS são significativamente mais baratas do que as câmeras sCMOS. Esse fator levou muitos engenheiros e pesquisadores a considerarem os sensores CMOS mais recentes durante a escolha de uma câmera de microscopia, câmera de histologia, câmera de citologia/citogenética ou câmera de epifluorescência para sua aplicação.  

Preciso de um sensor CMOS ou sCMOS?

A escolha de um sensor CMOS ou sCMOS depende de uma série de fatores. Se você está indeciso entre os dois, provavelmente está usando uma iluminação de epifluorescência, porque a luz branca é brilhante o suficiente para não exigir um sensor sCMOS. A adequação de um em relação ao outro pode ser tão simples quanto a quantidade de luz que está atingindo a câmera ou uma combinação de parâmetros de desempenho que são exclusivos de uma aplicação específica. Independentemente do CMOS ou sCMOS, é necessário escolher um sensor monocromático, em vez do seu equivalente colorido, pelo benefício da eficiência quântica inerente fornecido por um sensor monocromático.

Um sensor sCMOS é caracterizado por iluminação de fundo e pixels grandes, ajudando a reduzir o ruído geral (como na tecnologia CCD). Além disso, as câmeras sCMOS normalmente incluem um sistema de resfriamento Peltier para reduzir o ruído gerado termicamente em longas exposições. As câmeras que usam sensores sCMOS também precisam de uma interface de alta largura de banda, como o CameraLink ou CoaXpress com uma placa de captura de quadros, tornando esses sistemas de visão mais complexos e, consequentemente, mais caros. 

Em contrapartida, os fabricantes de CMOS continuaram fazendo melhorias significativas na eficiência quântica (a capacidade de coletar fótons de entrada), reduzindo o ruído de leitura (garantindo que mesmo níveis baixos de fótons de entrada não sejam perdidos dentro desse ruído) e implementando a iluminação posterior. Embora o resfriamento Peltier também seja uma opção com alguns sensores CMOS, as melhorias na eficiência quântica e o ruído reduzido tornaram desnecessário o resfriamento para certas aplicações de imagem biomédica.

Outra forma de reduzir o custo é a interface. Por anos, os sensores CMOS foram combinados com interfaces de consumidor como USB3, GigE e 10 GigE. Essas interfaces não requerem um capturador de quadros, o que reduz a complexidade (e o custo) do sistema. As próximas interfaces, como 25/100GigE, USB4 e CXPX, ajudarão a eliminar totalmente esse problema, fornecendo larguras de banda significativamente maiores.

Sensores CMOS são uma alternativa de baixo custo

O custo mais baixo por si só levou muitos engenheiros e projetistas de sistema a considerar os sensores CMOS mais recentes em vez de um sistema baseado em sCMOS. Em muitos casos, os projetistas de sistemas de visão ficam surpresos ao encontrar uma câmera CMOS adequada por menos de US$ 1.000, quando uma configuração típica de sCMOS com parâmetros de desempenho semelhantes poderia custar mais de US$ 10.000.

Seja sCMOS ou CMOS, muitos fabricantes de câmeras não usam apenas um único padrão para comparar câmeras. Consequentemente, pode ser um desafio compará-las, independentemente do tipo de sensor usado. No mundo da visão de máquina, o EMVA1288 se tornou o padrão aceito para especificações e medição de câmeras na Europa, América (AIA — Associação Americana de Imagem Automatizada) e Japão (JIIA — Associação de Imagem Industrial do Japão). Clique aqui para saber mais sobre o padrão EMVA 1288 para visão de máquina. 

Em resumo, para casos que exigem níveis extremos de desempenho, uma câmera sCMOS pode ser uma necessidade. Mas vale a pena identificar os parâmetros de desempenho mais importantes para sua aplicação específica e fazer uma comparação justa entre as câmeras CMOS e sCMOS antes de descartá-las. Os sensores CMOS estão avançando continuamente e as relações entre preço e desempenho de CMOS e sCMOS estão diminuindo rapidamente. Se os requisitos de sua aplicação podem ser atendidos por um sensor CMOS convencional, pode ser uma alternativa muito mais econômica para você e sua equipe.

Seleção da câmera de visão de máquina FLIR CMOS

Se você decidir que precisa de uma câmera CMOS para sua aplicação, as duas famílias de câmeras FLIR mais populares para aplicações de epifluorescência incluem a Backfly S e a Oryx.

A família de câmeras Blackfly S oferece a mais ampla gama de sensores e interfaces, tanto USB3 quanto GigE. Há também uma ampla gama de opções de sensores, que oferecem formatos com invólucro e a nível de placa.

A família de câmeras Oryx oferece sensores de alta resolução pareados com a interface 10GigE rápida. As câmeras Oryx são completas e adequadas para aplicações de ponta, mas têm um formato maior. Se a velocidade de transferência for um requisito crítico, a Oryx seria a escolha óbvia.

Ambas as famílias de câmeras Blackfly S e Oryx podem ser controladas e programadas com o GenICam3 e o Spinnaker SDK, projetados para ajudá-lo a construir sua aplicação mais rapidamente.

Para afunilar ainda mais a seleção de modelos de câmera, nosso seletor de modelo de visão de máquina vem com filtros para mais de 14 parâmetros de imagem (baseados no EMVA 1288). Para encontrar modelos que funcionam bem em condições de pouca luz, filtre a busca por sensibilidade absoluta alta, eficiência quântica e faixa dinâmica. Sensibilidade absoluta é o número de fótons necessários para obter um sinal equivalente ao ruído observado pelo sensor. A eficiência quântica é a porcentagem de fótons convertidos em elétrons em um determinado comprimento de onda. Faixa dinâmica é a relação entre sinal e ruído, incluindo o ruído escuro temporal (o ruído no sensor quando não há sinal). Além disso, tenha em mente que os modelos monocromáticos têm melhor desempenho com pouca luz em comparação aos modelos coloridos equivalentes.

Para visualizar os detalhes de desempenho de uma câmera de visão de máquina, consulte o documento Desempenho de imagem EMVA referente ao modelo. Ele poderá ser encontrado na aba de recursos em cada página de suporte de câmeras ou em nossa Revisão do sensor de visão de máquina.

Ainda precisa de ajuda para decidir ou tem alguma dúvida para um projeto específico? Clique aqui para entrar em contato. Um de nossos especialistas em câmeras de visão de máquina poderá poupar horas de busca. Para explorar ainda mais os parâmetros importantes de seleção das câmeras de visão de máquina para aplicações biomédicas e de ciências biológicas, consulte nosso artigo Imagem biomédica: Guia de seleção das especificações da câmera de visão de máquina e como calculá-las.