24.05.22 г.Сензорите EMCCD бяха истинско откровение: увеличете чувствителността си, като намалите шума при четене. Е, почти, по-реалистично казано, ние увеличавахме сигнала, за да направим шума при четене да изглежда по-малък.
И ние ги обичахме, те веднага намериха приложение в работа с ниски сигнали, като например единични молекули и спектроскопия, а след това се разпространиха сред доставчиците на микроскопски системи за неща като въртящ се диск, суперрезолюция и други. И тогава ги убихме. Или не?
Технологията EMCCD има своята история с два ключови доставчика: e2V и Texas Instruments. E2V, сега Teledyne e2V, започна това с ранни сензори към края на 90-те години на миналия век, но постигна истински крачки с най-приетия вариант, имащ масив от 512 x 512 с 16-микронни пиксели.
Този първоначален и вероятно най-доминиращ EMCCD сензор имаше реално въздействие и половината от него беше всъщност размер на пиксела. 16-микронните пиксели на микроскоп събираха 6 пъти повече светлина от най-популярния CCD по това време, ICX285, представен в популярните серии CoolSnap и Orca. Освен размера на пиксела, тези устройства бяха осветени отзад, преобразувайки 30% повече фотони, което доведе до 6 пъти по-голяма чувствителност до 7.
Така че на практика EMCCD беше 7 пъти по-чувствителен, преди дори да го включим и да усетим влиянието на усилването на EMCCD. Разбира се, можете да твърдите, че бихте могли да използвате CCD или да използвате оптика, за да създадете по-големи размери на пикселите – просто повечето хора не го правеха!
Освен това, постигането на шум от четене под 1 електрон беше ключово. Беше ключово, но не беше безплатно. Процесът на умножение увеличи неопределеността на измерването на сигнала, което означава, че шумът от дробове, тъмният ток и всичко останало, което имахме преди умножението, се увеличи с коефициент 1,4. И така, какво означаваше това? Ами, означаваше, че EMCCD е по-чувствителен, но само при слаба светлина, е, горе-долу тогава е нужен, нали?
Срещу класически CCD, това беше безспорен проблем. Големи пиксели, повече квантово осветление, електромагнитно усилване. И всички бяхме доволни, особено тези от нас, които продават фотоапарати: 40 000 долара, моля...
Единствените неща, с които можехме да направим повече, бяха скоростта, площта на сензора и (не че знаехме, че е възможно) по-малък размер на пикселите.
След това дойдоха контролът върху износа и спазването на изискванията, а това не беше забавно. Оказа се, че проследяването на единични молекули и проследяването на ракети са сходни и компаниите за фотоапарати и техните клиенти трябваше да контролират продажбите и износа на фотоапарати.
След това се появи sCMOS, като започна с обещания на света - и през следващите 10 години почти го предостави. По-малки пиксели, които дадоха на хората 6,5 микрона, които обичаха, за 60x обективи и всичко това с по-нисък шум при четене от около 1,5 електрона. Това не беше съвсем EMCCD, но спрямо 6-те електрона на сравнителната CCD технология от онова време беше невероятно.
Първоначалните sCMOS транзистори все още бяха с предно осветяване. Но през 2016 г. се появиха sCMOS транзистори със задно осветяване, които за да изглеждат още по-чувствителни в сравнение с оригиналните версии с предно осветяване, имаха 11-микронни пиксели. С QE boost-а и увеличението на размера на пикселите, клиентите почувстваха 3,5-кратно предимство.
Накрая, през 2021 г. шумът от четене на субелектрони беше преодолян, като някои камери достигнаха едва 0,25 електрона - всичко свърши за EMCCD.
Или беше...
Е, част от проблема все още е размерът на пиксела. Отново можете да правите каквото искате оптически, но на една и съща система, 4,6-микронен пиксел събира 12 пъти по-малко светлина от 16-микронен.
Сега бихте могли да използвате бининг, но не забравяйте, че бинингът с нормален CMOS увеличава шума с функция на коефициента на бининг. Така че повечето хора са доволни от своите 6,5-микронни пиксели, мислейки си, че могат да бинират по-голяма чувствителност, но те удвояват шума си при четене до 3 електрона.
Дори ако шумът може да бъде намален, размерът на пиксела, и всъщност пълният обхват на изображението, все още са компромис за реалното събиране на сигнал.
Другото нещо е усилването и контрастът – наличието на повече сиви тонове и по-малкият разрез на сигнала дава по-добър контраст. Можете да имате същия шум, но когато показвате само 2 сиви тонове за всеки електрон с CMOS, нямате много за експериментиране, когато имате само 5 електрона сигнал.
И накрая, какво ще кажете за кофражите? Понякога си мисля, че забравяме колко мощен инструмент беше това в EMCCD: глобалните щори наистина помагат и са много леки и бързи, особено в сложни многокомпонентни системи.
Единствената sCMOS камера, която съм виждал да се доближава дори до 512 x 512 EMCCD сензора, е Aries 16. Тя започва с 16-микронни пиксели и осигурява 0,8 електрона шум при четене без необходимост от групиране. За сигнали над 5 фотона (на 16-микронен пиксел), мисля, че е най-добрата, която съм виждал, и е на около половината от цената.
Значи EMCCD мъртъв ли е? Не, и наистина няма да умре, докато не получим отново нещо толкова добро. Проблемът е, ами, във всички проблеми: прекомерен шум, стареене на усилването, контрол върху износа...
Ако технологията EMCCD беше самолет, щеше да е Конкорд. Всички, които летяха с нея, я обичаха, но вероятно не им беше нужна, а сега с по-големи седалки и плоски легла – просто спят тези допълнителни 3 часа отвъд Атлантика.
EMCCD, за разлика от Concord, все още е жив, защото някои хора - малък, постоянно намаляващ брой - все още се нуждаят от него. Или може би просто си мислят, че имат?
Използването на EMCCD, най-скъпата и сложна широко използвана технология за изображения, не ви прави специални или експерт по изображения - вие просто правите нещо различно. И ако не сте се опитали да се промените, вероятно би трябвало.
