2024/05/22كانت مستشعرات EMCCD بمثابة ثورة: زيادة الحساسية عن طريق تقليل ضوضاء القراءة. حسنًا، تقريبًا، وبشكل أكثر واقعية، كنا نزيد الإشارة لجعل ضوضاء القراءة تبدو أقل.
وقد أحببناها، ووجدت مكانًا مناسبًا لها فورًا في تطبيقات الإشارات المنخفضة مثل دراسة الجزيئات المفردة والتحليل الطيفي، ثم انتشرت بين موردي أنظمة المجهر لتطبيقات مثل المجهر ذي القرص الدوار، والمجهر فائق الدقة، وما بعد ذلك. ثم تخلصنا منها. أم أننا لم نفعل؟
تتمتع تقنية EMCCD بتاريخ عريق مع موردين رئيسيين: e2V وTexas Instruments. بدأت شركة E2V، التي تُعرف الآن باسم Teledyne e2V، في تطوير هذه التقنية من خلال أجهزة استشعار مبكرة في أواخر التسعينيات، لكنها حققت تقدماً ملحوظاً مع النسخة الأكثر قبولاً، والتي تحتوي على مصفوفة 512 × 512 بكسل بحجم 16 ميكرون.
كان لهذا المستشعر EMCCD الأولي، وربما الأكثر انتشارًا، تأثيرٌ حقيقي، ويعود نصف هذا التأثير إلى حجم البكسل. فقد جمعت بكسلات بحجم 16 ميكرون على المجهر ضوءًا أكثر بست مرات من مستشعر CCD الأكثر شيوعًا في ذلك الوقت، وهو ICX285، المستخدم في سلسلتي CoolSnap وOrca الشهيرتين. وبالإضافة إلى حجم البكسل، كانت هذه الأجهزة مزودة بإضاءة خلفية، مما حوّل 30% فوتونات أكثر، ليصل بذلك مستوى الحساسية من ستة أضعاف إلى سبعة أضعاف.
لذا، كانت حساسية كاميرا EMCCD أعلى بسبع مرات قبل تشغيلها وملاحظة تأثير زيادة حساسيتها. بالطبع، يمكن القول إنه كان بالإمكان دمج البكسلات في مستشعر CCD، أو استخدام البصريات لزيادة حجم البكسلات، لكن معظم المصورين لم يفعلوا ذلك!
إضافةً إلى ذلك، كان خفض مستوى ضوضاء القراءة إلى أقل من إلكترون واحد أمرًا بالغ الأهمية. كان كذلك، لكنه لم يكن مجانيًا. فقد زادت عملية التضخيم من عدم دقة قياس الإشارة، ما يعني أن ضوضاء الطلقة، والتيار المظلم، وأي عوامل أخرى كانت موجودة قبل التضخيم، قد زادت بمقدار 1.4 ضعف. فماذا يعني ذلك؟ حسنًا، يعني ذلك أن كاميرا EMCCD أصبحت أكثر حساسية، ولكن فقط في ظروف الإضاءة المنخفضة، وهذا هو الوقت الذي نحتاج فيه إلى هذه الحساسية، أليس كذلك؟
مقارنةً بتقنية CCD التقليدية، لم تكن هناك منافسة. بكسلات كبيرة، وكفاءة كمية أعلى، وكسب كهرومغناطيسي أكبر. وكنا جميعًا سعداء، وخاصةً العاملين في مبيعات الكاميرات: 40,000 دولار، من فضلك...
الأشياء الوحيدة التي كان بإمكاننا فعل المزيد بها هي السرعة، ومساحة المستشعر، وحجم البكسل الأصغر (مع أننا لم نكن نعلم أنه ممكن).
ثم جاءت ضوابط التصدير والامتثال، ولم يكن ذلك بالأمر الهين. اتضح أن تتبع الجزيئات المفردة وتتبع الصواريخ أمران متشابهان، واضطرت شركات الكاميرات وعملاؤها إلى التحكم في مبيعات الكاميرات وصادراتها.
ثم ظهرت تقنية sCMOS، التي بدأت بوعدٍ كبير، ثم حققته تقريبًا على مدى السنوات العشر التالية. بكسلات أصغر حجمًا أتاحت للمستخدمين الحصول على دقة 6.5 ميكرون التي كانوا يعشقونها مع عدسات تكبير 60x، وكل ذلك مع ضوضاء قراءة منخفضة تصل إلى حوالي 1.5 إلكترون. صحيح أن هذه التقنية لم تكن بمستوى EMCCD تمامًا، لكنها كانت مذهلة مقارنةً بتقنية CCD المماثلة في ذلك الوقت، والتي كانت تتطلب 6 إلكترونات فقط.
كانت كاميرات sCMOS الأولية لا تزال تعمل بإضاءة أمامية. ولكن في عام 2016، ظهرت كاميرات sCMOS بإضاءة خلفية، ولجعلها تبدو أكثر حساسية من النسخ الأصلية ذات الإضاءة الأمامية، زُوّدت ببكسلات بحجم 11 ميكرون. ومع تحسين كفاءة الكم وزيادة حجم البكسل، شعر العملاء بميزة قدرها 3.5 أضعاف.
وأخيرًا، في عام 2021 تم كسر ضوضاء القراءة دون الإلكترون حيث وصلت بعض الكاميرات إلى مستوى منخفض يصل إلى 0.25 إلكترون - لقد انتهى كل شيء بالنسبة لـ EMCCD.
أم كان الأمر كذلك...
حسناً، لا يزال جزء من المشكلة يكمن في حجم البكسل. يمكنك فعل ما تشاء من الناحية البصرية، ولكن في النظام نفسه، يجمع بكسل بحجم 4.6 ميكرون ضوءاً أقل بمقدار 12 مرة من بكسل بحجم 16 ميكرون.
يمكنك الآن استخدام تقنية تجميع البكسلات، ولكن تذكر أن هذه التقنية في كاميرات CMOS العادية تزيد التشويش بنسبة تتناسب مع عامل التجميع. لذا، يكتفي معظم المستخدمين ببكسلات 6.5 ميكرون ظنًا منهم أن بإمكانهم الوصول إلى حساسية عالية من خلال تجميع البكسلات، لكنهم في الواقع يضاعفون تشويش القراءة إلى 3 إلكترونات.
حتى لو أمكن تقليل الضوضاء، فإن حجم البكسل، والبئر الكامل في هذا الشأن، لا يزال يمثل حلاً وسطاً لجمع الإشارة الحقيقية.
أما الأمر الآخر فهو الكسب والتباين؛ فزيادة درجات الرمادي وتقطيع الإشارة إلى أجزاء أصغر يُحسّن التباين. قد يكون مستوى التشويش نفسه، ولكن عند عرض درجتين رماديتين فقط لكل إلكترون باستخدام مستشعر CMOS، لن يكون لديك مجال كبير للتحسين عند وجود خمسة إلكترونات فقط في الإشارة.
وأخيرًا، ماذا عن الغالق؟ أحيانًا أعتقد أننا ننسى مدى قوة هذه الأداة في EMCCD: فالغالق العالمي يساعد حقًا وهو خفيف الوزن وفعال من حيث السرعة، خاصة في الأنظمة المعقدة متعددة المكونات.
الكاميرا الوحيدة بتقنية sCMOS التي رأيتها تقترب من دقة مستشعر EMCCD بدقة 512 × 512 هي Aries 16. تبدأ هذه الكاميرا ببكسلات حجمها 16 ميكرون، وتوفر ضوضاء قراءة منخفضة للغاية تبلغ 0.8 إلكترون دون الحاجة إلى تجميع البكسلات. بالنسبة للإشارات التي تزيد عن 5 فوتونات (لكل بكسل بحجم 16 ميكرون)، أعتقد أنها الأفضل على الإطلاق، وبسعر يقارب نصف سعر EMCCD.
هل انتهى عصر EMCCD؟ كلا، ولن ينتهي فعلاً حتى نجد تقنية بمثل هذه الجودة مجدداً. المشكلة تكمن في كل المشاكل: التشويش الزائد، وتدهور جودة الصورة مع مرور الوقت، وقيود التصدير...
لو كانت تقنية EMCCD طائرة، لكانت طائرة كونكورد. كل من سافر على متنها أحبها، لكنهم ربما لم يكونوا بحاجة إليها، والآن مع المقاعد الأكبر والأسرة المسطحة - ما عليك سوى النوم خلال تلك الساعات الثلاث الإضافية عبر المحيط الأطلسي.
لا تزال مؤسسة EMCCD، على عكس مؤسسة كونكورد، قائمة لأن بعض الناس - عدد قليل ومتناقص باستمرار - ما زالوا بحاجة إليها. أو ربما يعتقدون فقط أنهم بحاجة إليها؟
إن استخدام كاميرا EMCCD، وهي أغلى تقنيات التصوير وأكثرها تعقيدًا وانتشارًا، لا يجعلك مميزًا أو خبيرًا في التصوير، بل يجعلك ببساطة تقوم بشيء مختلف. وإذا لم تحاول التغيير، فربما عليك أن تفعل.
