Le nuove tecnologie CMOS possono sostituire i sensori sCMOS nelle applicazioni biomedicali?

La tecnologia CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, semiconduttore a ossido di metallo complementare) oggi offre le funzionalità di acquisizione avanzata delle immagini necessarie per molte applicazioni biomedicali, ma può sostituire i sensori sCMOS (scientific CMOS) più sofisticati e costosi? I sensori CMOS e sCMOS hanno definito i punti di riferimento per prestazioni e valore nel campo della machine vision in diversi settori. In questo articolo si illustreranno i vantaggi e i costi delle due tecnologie nelle applicazioni di acquisizione delle immagini più impegnative nei settori biomedicale e delle scienze biologiche.

Quali sono le differenze tra i sensori CMOS e sCMOS?

In genere un sensore sCMOS viene considerato come un sensore CMOS di "nuova generazione". La tecnologia sCMOS è stata introdotta per colmare le lacune che si sono create tra i nuovi sensori CMOS e i sensori CCD (Charge Coupling Device, dispositivi ad accoppiamento di carica) tradizionali nelle prime fasi dello sviluppo della tecnologia CMOS. In origine non era possibile utilizzare i sensori CMOS per le applicazioni biomedicali, a causa dei compromessi adottati in termini di gamma dinamica, rumore in lettura, cadenze di quadro e risoluzioni. Le prime telecamere sCMOS utilizzate erano caratterizzate da principi di progettazione e tecniche di produzione molto simili a quelli dei sensori CMOS, ma con l'aggiunta di alcune funzionalità che consentivano di superare le limitazioni iniziali della tecnologia CMOS. I sensori sCMOS si sono quindi imposti come l'opzione ideale per le applicazioni scientifiche in cui le prestazioni a bassa luminosità, l'ampia gamma dinamica e l'alta fedeltà erano di rilevanza critica.

Tuttavia, negli anni successivi all'introduzione dei sensori sCMOS, le tecnologia dei sensori CMOS convenzionali ha fatto registrare progressi notevoli in termini di efficienza quantica e capacità di ridurre il rumore interno. Le telecamere CMOS sono quindi diventate alternative praticabili per molte applicazioni biomedicali avanzate. Inoltre, la maggior parte delle telecamere CMOS sono molto meno costose delle telecamere sCMOS. Questo semplice fattore ha spinto molti ingegneri e ricercatori a prendere in considerazione l'adozione dei sensori CMOS più recenti al momento di scegliere la telecamera per un microscopio, una telecamera istologica o per le applicazioni di citologia/citogenetica oppure una telecamera a epifluorescenza per le proprie applicazioni.  

Quando scegliere un sensore CMOS o sCMOS

La scelta tra un sensore CMOS o sCMOS dipende da una serie di fattori. Se sussiste il dubbio, è perché si utilizza probabilmente l'illuminazione a epifluorescenza, poiché la luce bianca è abbastanza luminosa da non richiedere necessariamente un sensore sCMOS. La preferenza da accordare all'uno o all'altro a volte dipende semplicemente dalla quantità di luce che giunge alla telecamera o da una combinazione di parametri prestazionali specifici per un'applicazione particolare. Indipendentemente da CMOS o sCMOS, è preferibile scegliere un sensore monocromatico rispetto all'equivalente a colori, per i vantaggi inerenti in fatto di efficienza quantica garantiti da un sensore monocromatico.

Un sensore sCMOS è caratterizzato da illuminazione posteriore e pixel di grandi dimensioni che aiutano a ridurre il rumore complessivo (come con la tecnologia CCD). Inoltre, le telecamere sCMOS includono in genere un sistema di raffreddamento Peltier per ridurre il rumore generato dal calore nelle esposizioni più lunghe. Le telecamere che utilizzano sensori sCMOS devono inoltre essere connesse a un'interfaccia con maggiore larghezza di banda, ad esempio CameraLink o CoaXpress con digitalizzatore video, esigenza che rende il sistema di visione più complesso e, di conseguenza, più costoso. 

Per risolvere questo problema, i produttori di CMOS hanno continuato a fare progressi significativi in termini di efficienza quantica (ovvero la capacità di captare i fotoni in ingresso), riduzione del rumore in lettura (garantendo livelli ancora più bassi di fotoni in ingresso persi con il rumore) e implementazione dell'illuminazione posteriore. Il raffreddamento Peltier resta un'opzione valida anche per i sensori CMOS, tuttavia i progressi segnati nei campi di efficienza quantica e riduzione del rumore hanno eliminato la necessità del raffreddamento per alcune applicazioni di acquisizione di immagini biomedicali.

Un'altra possibilità di riduzione dei costi è offerta dall'interfaccia. Per anni i sensori CMOS sono stati associati a interfacce di livello consumer come USB3, GigE e 10 GigE. Queste interfacce non richiedono un digitalizzatore video, con il risultato di una riduzione di complessità e costi del sistema. Le interfacce del futuro, come 25/100GigE, USB4 e CXPX, aiuteranno a eliminare del tutto questo problema offrendo larghezze di banda molto maggiori.

I sensori CMOS rappresentano una valida alternativa a costi inferiori

La semplice riduzione dei costi ha spinto molti ingegneri e progettisti di sistemi a valutare l'opportunità di adottare i sensori CMOS più recenti in sostituzione dei sistemi basati su sCMOS. In molti casi i progettisti di sistemi di visione si sono mostrati sorpresi di trovare telecamere CMOS idonee a meno di $ 1.000 dollari USA, quando un tipico sistema basato su sCMOS con parametri di prestazioni simili può arrivare a costare oltre $ 10.000 dollari USA.

Sia nel caso di sCMOS che di CMOS, molti produttori di telecamere non adottano uno standard unico per confrontare le telecamere. Si è quindi dimostrato difficile confrontare le telecamere, indipendentemente dal tipo di sensore. Nel mondo della machine vision, EMVA 1288 è diventato lo standard di riferimento per le specifiche e misurazioni delle telecamere in Europa, America (AIA - American Automated Imaging Association) e Giappone (JIIA - Japan Industrial Imaging Association). Per ulteriori informazioni sullo standard EMVA 1288 per la machine vision, fare clic qui. 

In sintesi, nei casi in cui siano necessarie livelli di prestazioni estremi, può essere necessario ricorrere a una telecamera sCMOS. Vale tuttavia la pena individuare i parametri delle prestazioni più importanti per l'applicazione specifica e stabilire un confronto corretto tra telecamere CMOS e sCMOS prima di scegliere. I sensori CMOS sono in costante progresso con un rapporto prezzo/prestazioni tra CMOS e sCMOS che continua a ridursi. Se è possibile soddisfare i requisiti della propria applicazione con un sensore CMOS convenzionale, questo si può affermare come un'alternativa molto meno costosa per l'organizzazione.

Scelta di una telecamera per machine vision CMOS FLIR

Se per la propria applicazione si sceglie una telecamera CMOS, le due famiglie di telecamere FLIR più apprezzate per le applicazioni in epifluorescenza sono Backfly S e Oryx.

La famiglia di telecamere Blackfly S offre la più vasta gamma di sensori e interfacce, sia USB3 che GigE. Anche la gamma di sensori è molto vasta, con fattori di forma sia con alloggiamento che board level.

La famiglia di telecamere Oryx offre sensori ad alta risoluzione con una veloce interfaccia 10GigE. Le telecamere Oryx sono dotate di funzionalità complete per le applicazioni più complesse, ma le dimensioni sono maggiori. Se la velocità di trasferimento dei dati è un parametro fondamentale, la famiglia Oryx è certamente da preferire.

Le famiglie di telecamere Blackfly S e Oryx si possono controllare e programmare utilizzando GenICam3 e SDK Spinnaker, progettato per velocizzare la creazione delle applicazioni.

Per ridurre ulteriormente il lotto delle telecamere tra cui scegliere, il nostro selettore del modello di machine vision offre più di 14 (secondo lo standard EMVA 1288) parametri di acquisizione delle immagini da utilizzare come filtri. Per trovare modelli in grado di offrire buone prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione, impostare un filtro con valori elevati di sensibilità assoluta, efficienza quantica e gamma dinamica. La sensibilità assoluta è costituita dal numero di fotoni necessari per ottenere un segnale equivalente al rumore osservato dal sensore. L'efficienza quantica è la percentuale di fotoni convertiti in elettroni a una determinata lunghezza d'onda. La gamma dinamica è il rapporto segnale/rumore compreso il rumore di lettura al buio (ovvero il rumore nel sensore quando non c'è segnale). È inoltre opportuno ricordare che i modelli monocromatici offrono prestazioni migliori in condizioni di bassa luminosità rispetto agli equivalenti a colori.

Per visualizzare i dettagli delle prestazioni delle telecamere di machine vision, consultare il documento sulle prestazioni EMVA correlato al modello specifico. Il documento è disponibile nella scheda delle risorse in tutte le pagine di supporto delle telecamere della nostra valutazione dei sensori di machine vision.

Serve ulteriore aiuto per decidere o si hanno domande su un progetto specifico? Fare clic qui per contattare uno dei nostri esperti di telecamere di machine vision ed evitare ore spese in ricerche infruttuose. Per ulteriori informazioni sui parametri da valutare per la scelta di una telecamera di machine vision per applicazioni nei campi biomedicale e delle scienze biologiche, leggere il nostro articolo Imaging biomedicale: guida alla scelta delle specifiche della telecamera di machine vision e ai relativi calcoli.