24/05/22EMCCD-sensors was 'n openbaring: verhoog jou sensitiwiteit deur jou leesgeraas te verminder. Wel, amper, meer realisties, het ons die sein verhoog om jou leesgeraas kleiner te laat lyk.
En ons was mal oor hulle, hulle het dadelik 'n tuiste gevind met lae seinwerk soos enkelmolekule- en spektroskopie en toe versprei onder mikroskoopstelselverskaffers vir dinge soos draaiende skywe, superresolusie en meer. En toe het ons hulle doodgemaak. Of het ons?
EMCCD-tegnologie het sy geskiedenis met twee sleutelverskaffers: e2V en Texas Instruments. E2V, nou Teledyne e2V, het teen die einde van die 1990's met vroeë sensors begin, maar het groot vooruitgang gemaak met die mees aanvaarde variant, met 'n skikking van 512 x 512 met 16-mikron pixels.
Hierdie aanvanklike, en waarskynlik mees dominante EMCCD-sensor, het 'n werklike impak gehad en die helfte hiervan was werklik pixelgrootte. 16-mikron pixels op 'n mikroskoop het 6 keer meer lig versamel as die gewildste CCD van die tyd, die ICX285, wat in die gewilde CoolSnap- en Orca-reekse verskyn het. Benewens pixelgrootte, is hierdie toestelle terugbelig, wat 30% meer fotone omskakel, wat daardie 6 keer groter sensitiwiteit tot 7 geneem het.
So effektief was EMCCD 7 keer meer sensitief voordat ons dit selfs aangeskakel het en die impak van die EMCCD-wins gekry het. Nou kan jy natuurlik argumenteer dat jy die CCD kan weggooi, of jy kan optika gebruik om groter pixelgroottes te skep – dis net dat die meeste mense dit nie gedoen het nie!
Verder was dit belangrik om leesgeraas onder 1 elektron te kry. Dit was belangrik, maar dit was nie gratis nie. Die vermenigvuldigingsproses het die onsekerheid van die seinmeting verhoog, wat beteken het dat die skootgeraas, donkerstroom en enigiets anders wat ons voor vermenigvuldiging gehad het, met 'n faktor van 1.4 verhoog is. So, wat het dit beteken? Wel, dit het beteken dat EMCCD meer sensitief was, maar slegs by lae lig, wel, dis soort van wanneer jy dit nodig het, reg?
Teen 'n klassieke CCD was dit geen kompetisie nie. Groot pixels, meer QE, EM-wins. En ons was almal gelukkig, veral dié van ons in kameraverkope: $40,000, asseblief ...
Die enigste dinge waarmee ons meer kon gedoen het, was spoed, sensorarea en (nie dat ons geweet het dit was moontlik nie) 'n kleiner pixelgrootte.
Toe kom uitvoerbeheer en nakoming, en dit was nie lekker nie. Dit blyk dat die opsporing van enkele molekules en die opsporing van vuurpyle soortgelyk is, en kameramaatskappye en hul kliënte moes kameraverkope en -uitvoere beheer.
Toe kom sCMOS, wat begin het deur die wêreld te belowe - en toe oor die volgende 10 jaar dit amper te lewer. Kleiner pixels wat mense die 6.5 mikron gee wat hulle liefgehad het vir 60x objektiewe en alles met laer leesgeraas van ongeveer 1.5 elektrone. Nou, dit was nie heeltemal EMCCD nie, maar teen die 6 elektrone van die vergelykende CCD-tegnologie van daardie tyd was dit verstommend.
Die aanvanklike sCMOS was steeds voorverligte. Maar in 2016 het agterverligte sCMOS aangekom, en om dit selfs meer sensitief te laat lyk as die oorspronklike voorverligte weergawes, het dit 11-mikron pixels gehad. Met die QE-hupstoot en pixelgrootte-toename het kliënte gevoel dat hulle 'n 3.5 x voordeel gehad het.
Uiteindelik, in 2021, is die sub-elektron leesgeraas gebreek met sommige kameras wat so laag as 0.25 elektrone kon kry - dit was alles verby vir EMCCD.
Of was dit...
Wel, 'n deel van die probleem is steeds die pixelgrootte. Weereens kan jy opties doen wat jy wil, maar op dieselfde stelsel versamel 'n 4.6-mikron pixel 12 keer minder lig as 'n 16-mikron een.
Nou kan jy bin, maar onthou binning met normale CMOS verhoog geraas met 'n funksie van die binningfaktor. Dus is die meeste mense tevrede met hul 6.5-mikron pixels en dink hulle kan hul pad na sensitiwiteit bin, maar hulle verdubbel hul leesgeraas na 3 elektrone.
Selfs al kan geraas verminder word, is die pixelgrootte, en wel wat dit betref, steeds 'n kompromis vir werklike seininsameling.
Die ander ding is die wins en die kontras – om meer grys te hê en jou sein kleiner te maak, gee beter kontras. Jy kan dieselfde geraas hê, maar as jy slegs 2 grys vir elke elektron met 'n CMOS wys, kry jy nie veel om mee te speel as jy net 5 elektrone sein het nie.
Laastens, wat van die bekisting? Soms dink ek ons vergeet hoe kragtig 'n instrument dit in EMCCD was: globale bekistings help regtig en is baie lig en spoeddoeltreffend, veral in ingewikkelde multikomponentstelsels.
Die enigste sCMOS-kamera wat ek nog gesien het wat naby die 512 x 512 EMCCD-sensor kom, is die Aries 16. Dit begin met 16-mikron pixels en lewer 0.8 elektrone leesruis sonder dat dit nodig is om te bin. Vir seine van meer as 5 fotone (per 16-mikron pixel), dink ek dis die beste wat ek nog ooit gesien het en omtrent die helfte van die prys.
So, is EMCCD dood? Nee, en dit sal nie regtig doodgaan totdat ons weer iets so goeds kry nie. Die probleem is, wel, al die probleme: oormatige geraas, versterkingsveroudering, uitvoerbeheer...
As EMCCD-tegnologie 'n vliegtuig was, sou dit 'n Concord wees. Almal wat dit gevlieg het, was mal daaroor, maar hulle het dit waarskynlik nie nodig gehad nie en nou met groter sitplekke en platbeddens – slaap net daardie ekstra 3 uur oorkant die Atlantiese Oseaan.
EMCCD, anders as Concord, bestaan steeds omdat sommige mense – 'n klein, steeds afnemende getal – dit steeds nodig het. Of miskien dink hulle net hulle het dit?
Deur 'n EMCCD te gebruik, die duurste en mees ingewikkelde beeldtegnologie wat algemeen gebruik word, maak dit jou nie spesiaal of 'n beeldkenner nie – jy doen net iets anders. En as jy nog nie probeer het om te verander nie, moet jy waarskynlik.
