¿Pueden los nuevos avances en CMOS reemplazar los sensores sCMOS en las aplicaciones biomédicas?

La tecnología de semiconductor complementario de óxido metálico (CMOS) actualmente ofrece las capacidades para reproducir imágenes de avanzada requeridas por muchas aplicaciones biomédicas, pero ¿puede reemplazar a los sensores sCMOS (CMOS científico) más costosos? Los sensores CMOS y sCMOS han establecido el punto de referencia para el rendimiento y el valor de la visión artificial en varias industrias, y en este artículo se explicarán los costes y beneficios de cada tecnología para aplicaciones de reproducción de imágenes muy exigentes en el campo biomédico y de las ciencias biológicas.

¿Cuál es la diferencia entre los sensores CMOS y sCMOS?

Generalmente, un sensor sCMOS se concibe como un sensor CMOS de “última generación”. La tecnología sCMOS fue introducida para cubrir la brecha entre los nuevos sensores CMOS y los sensores tradicionales CCD (dispositivo de acoplamiento de carga) durante las primeras etapas de desarrollo de los CMOS. Inicialmente, las aplicaciones biomédicas no podían utilizar los sensores CMOS debido a que comprometían el rango dinámico, el ruido de lectura, la velocidad de imagen y las resoluciones. Cuando se introdujeron las cámaras sCMOS, utilizaban principios de diseño y técnicas de fabricación muy similares a las de los sensores CMOS, pero incorporaron muchas funciones que ayudaron a superar las deficiencias de CMOS iniciales. Esto hizo que los sensores sCMOS sean muy adecuados para las aplicaciones científicas donde el rendimiento en luz tenue, un amplio rango dinámico y una alta fidelidad eran fundamentales.

No obstante, en los años posteriores a la introducción de las cámaras sCMOS, los sensores CMOS convencionales han mejorado significativamente en términos de eficiencia cuántica y la capacidad para reducir su ruido interno propio, lo que hizo que las cámaras CMOS sean una opción viable para muchas aplicaciones biomédicas avanzadas. Además, la mayoría de las cámaras CMOS son significativamente menos costosas que las cámaras sCMOS. Este factor solo ha motivado a muchos ingenieros e investigadores a considerar evaluar el reciente sensor CMOS cuando necesitan elegir una cámara de microscopía, una cámara de histología, una cámara de citología/citogenética o una cámara de epifluorescencia para su aplicación.  

¿Necesito un sensor CMOS o un sensor sCMOS?

La elección de un sensor CMOS o sCMOS depende de varios factores. Si está debatiendo entre los dos, es probable que esté utilizando iluminación por epifluorescencia, porque la luz blanca es lo suficientemente brillante para que no se requiera un sensor sCMOS. El grado de adecuación de uno u otro sensor puede a veces ser tan simple como la cantidad de luz que alcanza la cámara, o una combinación de los parámetros de rendimiento que son únicos para una aplicación en particular. Independientemente de CMOS o sCMOS, deberá elegir un sensor monocromático por encima del equivalente de color para el beneficio de eficiencia cuántica inherente proporcionado por un sensor monocromático.

Un sensor sCMOS se caracteriza por una iluminación en la parte trasera y píxeles grandes que ayudan a reducir el ruido general (como la tecnología CCD). Además, las cámaras sCMOS generalmente incluyen un sistema de enfriamiento Peltier para reducir el ruido generado térmicamente en exposiciones prolongadas. Las cámaras que usan sensores sCMOS también necesitan una interfaz de ancho de banda elevado, como CameraLink o CoaXpress, con una placa del capturador de fotogramas, lo que hace que estos sistemas de visión sean más complejos y, por ende, más costosos. 

Para contrarrestar esto, los fabricantes de CMOS siguieron haciendo mejoras significativas en la eficiencia cuántica (la capacidad para recoger los fotones entrantes), la reducción del ruido de lectura (garantizar incluso que los niveles bajos de fotones entrantes no se pierdan en este ruido) y la implementación de iluminación trasera. Si bien el enfriamiento Peltier es una opción con algunos de los sensores CMOS, las mejoras en la eficiencia cuántica y la reducción del ruido hicieron que el enfriamiento no sea necesario para ciertas aplicaciones de reproducción de imágenes biomédicas.

Otra forma de reducir los costes es la interfaz. Durante años, los sensores CMOS se han combinado con las interfaces de consumidor, como USB3, GigE y 10 GigE. Estas interfaces no requieren un capturador de fotogramas, lo cual reduce la complejidad (y el coste) del sistema. Las próximas interfaces, como 25/100GigE, USB4 y CXPX, ayudarán a eliminar este problema completamente al proporcionar anchos de banda significativamente mayores.

Los sensores CMOS son una alternativa de menor coste

Solo el menor coste ha motivado a muchos ingenieros y diseñadores de sistemas a considerar evaluar los últimos sensores CMOS en lugar de un sistema basado en sensores sCMOS. En muchos casos, los diseñadores de sistemas de visión se sorprenden al hallar una cámara CMOS adecuada por menos de 1000 USD, cuando una configuración sCMOS típica con parámetros de rendimiento similares podría costar más de 10 000 USD.

Ya sea que se trate de los sensores sCMOS o CMOS, muchos fabricantes de cámaras no utilizan una sola norma para comparar las cámaras. Por lo tanto, puede ser difícil comparar cámaras independientemente del tipo de sensor utilizado. En el mundo de la visión artificial, EMVA1288 se ha convertido en la norma aceptada para las especificaciones y mediciones de las cámaras en Europa, América (AIA, Asociación Americana de Imágenes Automatizadas) y Japón (JIIA, Asociación Japonesa de Imágenes Industriales). Haga clic aquí para conocer más acerca de la norma EMVA 1288 sobre visión artificial. 

A modo de resumen, para los casos que requieren niveles de rendimiento extremos, una cámara sCMOS podría ser necesaria. Sin embargo, podría ser útil identificar los parámetros de rendimiento más importantes para su aplicación específica y hacer una comparación justa entre las cámaras CMOS y sCMOS antes de elegir una o la otra. Los sensores CMOS están en constante avance y la relación precio-rendimiento entre el sensor CMOS y el sensor sCMOS se está restringiendo rápidamente. Si los requisitos de su aplicación pueden cumplirse con un sensor CMOS convencional, podría ser una alternativa mucho más económica para usted y su equipo.

Cómo elegir una cámara de visión artificial CMOS de FLIR

Si decide que necesita una cámara CMOS para su aplicación, las dos familias de cámaras FLIR más populares para las aplicaciones de epifluorescencia incluyen Backfly S y Oryx.

La familia de cámaras Blackfly S ofrece la mayor variedad de sensores e interfaces, USB3 y GigE. Existe también una amplia variedad de opciones de sensores con factores de forma con carcasa y de nivel de placa.

La familia de cámaras Oryx ofrece sensores de alta resolución junto con la interfaz rápida 10GigE. Las cámaras Oryx vienen con todas las funciones y son adecuadas para aplicaciones más avanzadas, pero tienen un factor de forma mayor. Si las velocidades de transferencia son fundamentales, Oryx sería una opción fácil.

Tanto la familia de cámaras Blackfly S como Oryx se pueden controlar y programar usando GenICam3 y Spinnaker SDK, que fueron diseñados para ayudarle a crear su aplicación con mayor rapidez.

Para restringir más las opciones de modelos de cámara, nuestro selector de modelos de visión artificial viene con parámetros de reproducción de imágenes 14+ (basados en EMVA 1288) para filtrar. Para buscar modelos que den buen resultado en condiciones de luz tenue, filtre para hallar los valores de rango dinámico, sensibilidad absoluta alta y eficiencia cuántica. La sensibilidad absoluta es la cantidad de fotones necesarios para obtener una señal equivalente al ruido observado por el sensor. La eficiencia cuántica es el porcentaje de fotones convertidos a electrones en una longitud de onda dada. El rango dinámico es la relación de la señal con el ruido, incluido el ruido oscuro temporal (el ruido del sensor cuando no hay señal). Además, tenga en cuenta que los modelos monocromáticos tienen un mejor funcionamiento con luz tenue comparado con los equivalentes de color.

Para ver los detalles del funcionamiento de una cámara de visión artificial, observe la documentación de funcionamiento de la producción de imágenes de EMVA para el modelo. Esto se puede encontrar en la pestaña de recursos de la página de soporte de todas las cámaras o en nuestra Reseña del sensor de visión artificial.

¿Todavía necesita ayuda para decidir o tiene alguna pregunta acerca de su proyecto específico? Haga clic aquí para contactarse, uno de nuestros expertos en cámaras de visión artificial puede ahorrarle horas de investigación. Para explorar más los parámetros importantes a la hora de elegir cámaras de visión artificial para aplicaciones biomédicas y de ciencias biológicas, consulte nuestro artículo Reproducción de imágenes biomédicas: Guía para elegir las especificaciones de la cámara de visión artificial y cómo calcularlas.