24.05.22Датчыкі EMCCD сталі адкрыццём: павялічце адчувальнасць, змяншаючы шум чытання. Ну, амаль што, больш рэалістычна мы павялічвалі сігнал, каб шум чытання выглядаў меншым.
І мы іх любілі, яны адразу ж знайшлі прытулак у працах з нізкімі сігналамі, такіх як адзінкавыя малекулы і спектраскапія, а потым распаўсюдзіліся сярод пастаўшчыкоў мікраскопных сістэм для такіх рэчаў, як круцільны дыск, звышвыразрознасць і іншае. А потым мы іх забілі. Ці не?
Тэхналогія EMCCD мае сваю гісторыю з двума ключавымі пастаўшчыкамі: e2V і Texas Instruments. E2V, цяпер Teledyne e2V, пачала свой шлях з ранніх датчыкаў у канцы 1990-х гадоў, але дасягнула рэальных поспехаў з найбольш прынятым варыянтам, які мае масіў 512 x 512 з 16-мікроннымі пікселямі.
Гэты першы і, верагодна, найбольш дамінантны датчык EMCCD аказаў рэальны ўплыў, і палова гэтага была звязана з памерам пікселя. 16-мікронныя пікселі на мікраскопе збіралі ў 6 разоў больш святла, чым самая папулярная CCD-матрыца таго часу, ICX285, якая выкарыстоўвалася ў папулярных серыях CoolSnap і Orca. Акрамя памеру пікселя, гэтыя прылады мелі задняе падсвятленне, што пераўтварала на 30% больш фатонаў, што прыводзіла да павелічэння адчувальнасці ў 6 разоў да 7.
Такім чынам, эфектыўнасць EMCCD была ў 7 разоў большай адчувальнасцю яшчэ да таго, як мы яе ўключылі і адчулі ўплыў узмацнення EMCCD. Вядома, можна сцвярджаць, што можна было б аб'яднаць CCD або выкарыстоўваць оптыку для стварэння пікселяў большага памеру — проста большасць людзей гэтага не рабілі!
Акрамя таго, ключавым фактарам было зніжэнне ўзроўню шуму чытання ніжэй за 1 электрон. Гэта было ключавым фактарам, але не было бясплатным. Працэс памнажэння павялічваў нявызначанасць вымярэння сігналу, гэта значыць, дробавы шум, цёмны ток і ўсё астатняе, што было да памнажэння, павялічвалася ў 1,4 раза. Дык што ж гэта азначала? Ну, гэта азначала, што EMCCD быў больш адчувальным, але толькі пры слабым асвятленні, ну, менавіта тады гэта і патрэбна, ці не так?
Супраць класічнай ПЗС-матрыцы канкурэнцыі не было ніякай. Вялікія пікселі, больш квантавай эластычнасці, узмацненне электрамагнітнай сістэмы. І ўсе мы былі задаволеныя, асабліва тыя з нас, хто прадае камеры: 40 000 долараў, калі ласка...
Адзінае, з чым мы маглі б зрабіць больш, — гэта хуткасць, плошча сэнсара і (хоць мы і не ведалі, што гэта магчыма) меншы памер пікселя.
Затым з'явіліся меры кантролю за экспартам і захавання адпаведнасці, і гэта было не вельмі весела. Аказалася, што адсочванне асобных малекул і адсочванне ракет падобныя, і кампаніі-вытворцы камер і іх кліенты павінны былі кантраляваць продаж і экспарт камер.
Затым з'явіліся sCMOS-матрыцы, якія спачатку абяцалі свету ўсё, а потым, на працягу наступных 10 гадоў, амаль што рэалізавалі гэтае абяцанне. Меншыя пікселі давалі людзям 6,5 мікрона, якія яны любілі, для аб'ектываў з 60-кратным павелічэннем, і ўсё гэта з меншым шумам чытання, каля 1,5 электрона. Гэта было не зусім EMCCD, але ў параўнанні з 6 электронамі параўнальнай CCD-тэхналогіі таго часу гэта было цудоўна.
Першапачатковыя sCMOS-транзістары ўсё яшчэ мелі франтальную падсветку. Але ў 2016 годзе з'явіліся sCMOS-транзістары з задняй падсветкай, і каб зрабіць іх яшчэ больш адчувальнымі ў параўнанні з арыгінальнымі версіямі з франтальнай падсветкай, яны мелі пікселі памерам 11 мікрон. Дзякуючы QE boost і павелічэнню памеру пікселя кліенты адчулі, што ў іх ёсць 3,5-кратная перавага.
Нарэшце, у 2021 годзе субэлектронны шум счытвання быў пераадолены, і некаторыя камеры дасягнулі ўзроўню счытвання ўсяго 0,25 электрона — для EMCCD усё скончылася.
Ці гэта было...
Ну, часткова праблема ўсё яшчэ заключаецца ў памеры пікселя. Зноў жа, можна рабіць што заўгодна аптычна, але ў той жа сістэме піксель памерам 4,6 мікрона збірае ў 12 разоў менш святла, чым піксель памерам 16 мікрон.
Цяпер можна было б бінаваць, але памятайце, што бінінг у звычайнай CMOS-матрыцы павялічвае шум у залежнасці ад каэфіцыента бінінга. Такім чынам, большасць людзей задаволеныя сваімі пікселямі памерам 6,5 мікрона, думаючы, што могуць бінаваць, каб павялічыць адчувальнасць, але яны падвойваюць шум чытання да 3 электронаў.
Нават калі шум можна паменшыць, памер пікселя і, дарэчы, поўная свідравіна ўсё роўна з'яўляюцца кампрамісам для рэальнага збору сігналу.
Іншы момант — гэта ўзмацненне і кантраснасць — большая колькасць шэрых адценняў і памяншэнне сігналу сапраўды дае лепшы кантраст. Можна атрымаць той жа шум, але калі вы паказваеце толькі 2 шэрыя адценні на кожны электрон з дапамогай CMOS-матрыцы, у вас няма з чым паэксперыментаваць, калі ў вас толькі 5 электронаў сігналу.
Нарэшце, як наконт апалубкі? Часам мне здаецца, што мы забываемся, наколькі магутным інструментам гэта быў у EMCCD: глабальныя аканіцы сапраўды дапамагаюць і вельмі лёгкія і хуткадзейныя, асабліва ў складаных шматкампанентных сістэмах.
Адзіная sCMOS-камера, якую я бачыў, і якая хоць трохі набліжаецца да сэнсара EMCCD 512 x 512, — гэта Aries 16. Яна пачынаецца з 16-мікронных пікселяў і забяспечвае 0,8 электрона шуму чытання без неабходнасці бінізацый. Для сігналаў больш за 5 фатонаў (на 16-мікронны піксель), я думаю, што гэта лепшая з тых, што я калі-небудзь бачыў, і прыкладна ўдвая таннейшая.
Дык EMCCD памёр? Не, і ён не памрэ, пакуль мы зноў не атрымаем нешта такое ж добрае. Праблема ў тым, што ўсе праблемы: лішні шум, старэнне ўзмацнення, кантроль экспарту...
Калі б тэхналогія EMCCD была самалётам, гэта быў бы Concord. Усе, хто на ім лётаў, яго любілі, але, напэўна, ім ён не быў патрэбны, а цяпер, з большымі сядзеннямі і плоскімі ложкамі, — проста спяць гэтыя лішнія 3 гадзіны праз Атлантыку.
EMCCD, у адрозненне ад Concord, усё яшчэ жывы, таму што некаторыя людзі — невялікая, пастаянна змяншаючаяся колькасць — усё яшчэ маюць у ім патрэбу. А можа, ім проста здаецца, што ён ім патрэбны?
Выкарыстанне EMCCD, самай дарагой і складанай шырока распаўсюджанай тэхналогіі візуалізацыі, не робіць вас асаблівым чалавекам або экспертам па візуалізацыі — вы проста робіце нешта іншае. І калі вы не спрабавалі змяніцца, то, верагодна, вам варта гэта зрабіць.
