24/05/22كانت مستشعرات EMCCD بمثابة اكتشاف مذهل: فهي تزيد من حساسيتك بتقليل ضوضاء القراءة. حسنًا، وبشكل أكثر واقعية، كنا نزيد الإشارة لجعل ضوضاء القراءة تبدو أقل.
وقد أحببناها، ووجدت لها مكانًا فورًا في أعمال الإشارة المنخفضة، مثل الجزيء الواحد والتحليل الطيفي، ثم انتشرت بين مزودي أنظمة المجاهر لأشياء مثل القرص الدوار والدقة الفائقة وما إلى ذلك. ثم قتلناها. أم أننا فعلنا؟
لتقنية EMCCD تاريخٌ عريقٌ مع مورّدين رئيسيين: e2V وTexas Instruments. بدأت E2V، المعروفة الآن باسم Teledyne e2V، هذا التطور مع أجهزة الاستشعار المبكرة في أواخر التسعينيات، لكنها حققت تقدمًا ملحوظًا مع الإصدار الأكثر شيوعًا، والذي يتضمن مصفوفة من 512 × 512 بكسلًا بدقة 16 ميكرون.
كان لمستشعر EMCCD الأولي، وربما الأكثر انتشارًا، تأثيرٌ حقيقي، وكان نصف هذا التأثير في الواقع حجم البكسل. جمعت وحدات البكسل التي يبلغ حجمها 16 ميكرون على المجهر ضوءًا أكثر بستة أضعاف من جهاز ICX285، أشهر أجهزة CCD آنذاك، والذي ظهر في سلسلتي CoolSnap وOrca الشهيرتين. بالإضافة إلى حجم البكسل، كانت هذه الأجهزة مضاءة من الخلف، مما أدى إلى تحويل فوتونات أكثر بنسبة 30%، مما رفع حساسية هذه الأجهزة، التي كانت أكبر بستة أضعاف، إلى 7 أضعاف.
لذا، كان جهاز EMCCD أكثر حساسيةً بسبع مرات حتى قبل تشغيله وملاحظة تأثير مكسب EMCCD. بالطبع، يُمكنك القول إنه يُمكنك التخلص من جهاز CCD، أو استخدام البصريات لإنشاء أحجام بكسل أكبر - لكن معظم الناس لم يفعلوا ذلك!
علاوة على ذلك، كان الحصول على ضوضاء قراءة أقل من إلكترون واحد أمرًا بالغ الأهمية. كان أمرًا بالغ الأهمية، ولكنه لم يكن مجانيًا. زادت عملية الضرب من عدم اليقين في قياس الإشارة، مما يعني أن ضوضاء القذف والتيار المظلم وأي شيء آخر لدينا قبل الضرب زاد بمقدار 1.4. إذن، ماذا يعني ذلك؟ حسنًا، هذا يعني أن EMCCD كان أكثر حساسية، ولكن فقط في الإضاءة المنخفضة، حسنًا، هذا هو الوقت المناسب، أليس كذلك؟
أمام جهاز CCD كلاسيكي، لم يكن هناك أي منافسة. بكسلات أكبر، كفاءة عالية في التصوير، وكسب كهرومغناطيسي. وكنا جميعًا سعداء، وخاصةً أولئك الذين يعملون في مجال بيع الكاميرات: ٤٠ ألف دولار، من فضلكم...
كانت الأشياء الوحيدة التي كان بإمكاننا القيام بها بشكل أكبر هي السرعة، ومساحة المستشعر، وحجم بكسل أصغر (وليس أننا كنا نعلم أن ذلك ممكنًا).
ثم جاءت ضوابط التصدير والامتثال، ولم يكن ذلك ممتعًا. اتضح أن تتبع الجزيئات المنفردة وتتبع الصواريخ أمران متشابهان، واضطرت شركات الكاميرات وعملاؤها إلى التحكم في مبيعات الكاميرات وتصديرها.
ثم ظهرت تقنية sCMOS، التي بدأت بوعودٍ عظيمة، ثم كادت أن تحققها خلال السنوات العشر التالية. بكسلات أصغر تُمكّن الناس من الحصول على 6.5 ميكرون التي كانوا يطمحون إليها لأهداف 60x، وكل ذلك بضوضاء قراءة أقل تبلغ حوالي 1.5 إلكترون. لم تكن هذه التقنية تُضاهي تقنية EMCCD تمامًا، ولكنها كانت مذهلة مقارنةً بتقنية CCD المُقارنة آنذاك بستة إلكترونات.
كانت شرائح sCMOS الأولية لا تزال مضاءة من الأمام. ولكن في عام ٢٠١٦، ظهرت شرائح sCMOS المضاءة من الخلف، ولجعلها تبدو أكثر حساسية للإصدارات الأصلية المضاءة من الأمام، كانت تحتوي على بكسلات ١١ ميكرون. مع زيادة QE وزيادة حجم البكسل، شعر العملاء بميزة قدرها ٣.٥ ضعف.
أخيرًا، في عام 2021، تم كسر ضوضاء القراءة الفرعية للإلكترون مع وصول بعض الكاميرات إلى 0.25 إلكترون - وانتهى الأمر بالنسبة لـ EMCCD.
أم كان...
حسنًا، لا يزال حجم البكسل يمثل جزءًا من المشكلة. يمكنك فعل ما تشاء بصريًا، ولكن على نفس النظام، تجمع البكسلات التي يبلغ حجمها 4.6 ميكرون ضوءًا أقل بـ 12 مرة من البكسلات التي يبلغ حجمها 16 ميكرون.
يمكنك الآن فرز الصور، ولكن تذكر أن فرز الصور باستخدام CMOS العادي يزيد الضوضاء بمقدار عامل فرز الصور. لذا، يرضى معظم الناس بوحدات البكسل التي يبلغ حجمها 6.5 ميكرون، ظنًا منهم أنها قادرة على فرز الصور لزيادة حساسيتها، لكنهم يضاعفون ضوضاء القراءة إلى 3 إلكترونات.
حتى لو كان من الممكن تقليل الضوضاء، فإن حجم البكسل، والبئر الكامل في هذا الصدد، لا يزال يشكل حلاً وسطًا لجمع الإشارة الحقيقية.
الأمر الآخر هو الكسب والتباين - فزيادة درجات الرمادي وتصغير الإشارة يُعطيان تباينًا أفضل. قد تحصل على نفس الضوضاء، ولكن عند عرض درجتي رمادي فقط لكل إلكترون باستخدام CMOS، لن تحصل على الكثير من التحسينات عندما يكون لديك 5 إلكترونات فقط من الإشارة.
أخيرًا، ماذا عن القوالب؟ أحيانًا أعتقد أننا ننسى مدى فعالية هذه الأداة في EMCCD: القوالب الشاملة مفيدة جدًا، وهي خفيفة الوزن وفعالة جدًا في السرعة، خاصةً في الأنظمة المعقدة متعددة المكونات.
كاميرا sCMOS الوحيدة التي رأيتها تُقارب مستشعر EMCCD بدقة 512 × 512 هي Aries 16. تبدأ هذه الكاميرا ببكسلات 16 ميكرون، وتُنتج 0.8 إلكترون من ضوضاء القراءة دون الحاجة إلى التجميع. بالنسبة لإشارات تزيد عن 5 فوتونات (لكل بكسل 16 ميكرون)، أعتقد أنها أفضل ما رأيته على الإطلاق، وبنصف سعرها تقريبًا.
هل انتهى إذن نظام EMCCD؟ لا، ولن ينتهي فعليًا حتى نحصل على نظام جيد كهذا. المشكلة، حسنًا، هي كل المشاكل: الضوضاء الزائدة، وشيخوخة المكسب، وضوابط التصدير...
لو كانت تقنية EMCCD طائرة، لكانت كونكورد. أحبها كل من طار بها، لكنهم على الأرجح لم يحتاجوا إليها، والآن مع مقاعد أكبر وأسرّة مسطحة، يكفيهم النوم لثلاث ساعات إضافية عبر المحيط الأطلسي.
على عكس كونكورد، لا يزال نظام EMCCD قائمًا لأن بعض الناس - وهم عدد قليل ومتناقص باستمرار - ما زالوا بحاجة إليه. أو ربما يظنون ذلك فحسب؟
إن استخدام تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي الكهروستاتيكي (EMCCD)، وهي أغلى وأعقد تقنيات التصوير وأكثرها استخدامًا، لا يجعلك مميزًا أو خبيرًا في التصوير، بل أنت ببساطة تقوم بشيء مختلف. وإذا لم تحاول التغيير بعد، فربما عليك فعل ذلك.
