24.05.22.EMCCD senzori su bili otkriće: povećajte osjetljivost smanjenjem šuma pri čitanju. Pa, gotovo realnije rečeno, povećavali smo signal kako bi šum pri čitanju izgledao manji.
I voljeli smo ih, odmah su pronašli dom u radu na niskim signalima kao što su pojedinačni molekuli i spektroskopija, a zatim su se proširili među dobavljačima mikroskopskih sistema za stvari kao što su rotirajući disk, superrezolucija i dalje. A onda smo ih uništili. Ili jesmo?
EMCCD tehnologija ima svoju historiju s dva ključna dobavljača: e2V i Texas Instruments. E2V, sada Teledyne e2V, započeo je ovaj put s ranim senzorima krajem 1990-ih, ali je napravio pravi napredak s najprihvaćenijom varijantom, koja ima niz od 512 x 512 sa 16-mikronskim pikselima.
Ovaj početni i vjerovatno najdominantniji EMCCD senzor imao je pravi uticaj, a polovina toga je zapravo bila veličina piksela. Pikseli od 16 mikrona na mikroskopu sakupljali su 6 puta više svjetlosti od najpopularnijeg CCD-a tog vremena, ICX285, koji se nalazio u popularnim serijama CoolSnap i Orca. Pored veličine piksela, ovi uređaji su bili pozadinski osvijetljeni, pretvarajući 30% više fotona, uzimajući tu 6 puta veću osjetljivost na 7.
Dakle, efektivno je EMCCD bio 7 puta osjetljiviji čak i prije nego što smo ga uključili i osjetili utjecaj EMCCD pojačanja. Naravno, možete tvrditi da biste mogli isključiti CCD ili koristiti optiku za stvaranje većih veličina piksela - samo što većina ljudi to nije radila!
Osim toga, ključno je bilo dovesti do šuma očitavanja ispod 1 elektrona. Bilo je ključno, ali nije bilo besplatno. Proces množenja povećao je nesigurnost mjerenja signala, što znači da su šum sačme, tamna struja i sve ostalo što smo imali prije množenja povećani za faktor 1,4. Dakle, šta je to značilo? Pa, to je značilo da je EMCCD bio osjetljiviji, ali samo pri slabom osvjetljenju, pa, to je otprilike vrijeme kada vam je potreban, zar ne?
Protiv klasičnog CCD-a, nije bilo konkurencije. Veliki pikseli, više kvantne regeneracije (QE), EM pojačanje. I svi smo bili sretni, posebno oni od nas koji prodaju kamere: 40.000 dolara, molim...
Jedino s čime smo mogli više uraditi bile su brzina, površina senzora i (ne da smo znali da je to moguće) manja veličina piksela.
Zatim su uslijedile kontrole izvoza i usklađenost, a to nije bilo zabavno. Ispostavilo se da su praćenje pojedinačnih molekula i praćenje raketa slični, te da su kompanije koje proizvode kamere i njihovi kupci morali kontrolirati prodaju i izvoz kamera.
Zatim se pojavio sCMOS, koji je svijetu obećao nešto novo, a zatim ga je tokom sljedećih 10 godina gotovo i isporučio. Manji pikseli su ljudima dali 6,5 mikrona koje su voljeli za objektive sa 60x uvećanjem, a sve to uz niži šum očitavanja od oko 1,5 elektrona. Ovo nije bilo baš EMCCD, ali u poređenju sa 6 elektrona komparativne CCD tehnologije tog vremena bilo je nevjerovatno.
Početni sCMOS su i dalje imali prednje osvjetljenje. Ali 2016. godine stigao je sCMOS sa pozadinskim osvjetljenjem, koji je, kako bi izgledao još osjetljiviji u odnosu na originalne verzije sa prednjim osvjetljenjem, imao piksele od 11 mikrona. Sa QE pojačanjem i povećanjem veličine piksela, kupci su osjećali kao da imaju 3,5x prednost.
Konačno, 2021. godine, šum očitavanja ispod elektrona je prekinut, a neke kamere su postigle i do 0,25 elektrona - sve je bilo gotovo za EMCCD.
Ili je to bilo...
Pa, dio problema je i dalje veličina piksela. Opet, optički možete raditi šta god želite, ali na istom sistemu, piksel od 4,6 mikrona sakuplja 12 puta manje svjetlosti od piksela od 16 mikrona.
Sada biste mogli binirati, ali zapamtite da binning s normalnim CMOS-om povećava šum za funkciju faktora binninga. Dakle, većina ljudi je zadovoljna svojim pikselima od 6,5 mikrona misleći da mogu binirati kako bi povećali osjetljivost, ali udvostručuju svoj šum čitanja na 3 elektrona.
Čak i ako se šum može smanjiti, veličina piksela, i sama slika, i dalje su kompromis za stvarno prikupljanje signala.
Druga stvar je pojačanje i kontrast – više sivih tonova i manje usitnjavanje signala daje bolji kontrast. Možete imati isti šum, ali kada prikazujete samo 2 sive za svaki elektron pomoću CMOS-a, nemate s čime puno eksperimentirati kada imate samo 5 elektrona signala.
Konačno, šta je sa oplatama? Ponekad mislim da zaboravljamo koliko je ovo bio moćan alat u EMCCD-u: globalne oplate zaista pomažu i vrlo su lagane i brze, posebno u složenim višekomponentnim sistemima.
Jedina sCMOS kamera koju sam vidio koja se i blizu približava EMCCD senzoru od 512 x 512 je Aries 16. Ova kamera počinje sa pikselima od 16 mikrona i isporučuje 0,8 elektrona šuma pri čitanju bez potrebe za grupiranjem. Za signale od preko 5 fotona (po pikselu od 16 mikrona), mislim da je najbolja koju sam ikada vidio, a košta otprilike upola manje.
Dakle, je li EMCCD mrtav? Ne, i neće zaista umrijeti dok ponovo ne dobijemo nešto tako dobro. Problem su, pa, svi problemi: prekomjerna buka, starenje pojačanja, kontrola izvoza...
Da je EMCCD tehnologija avion, bio bi to Concord. Svi koji su letjeli njime su ga voljeli, ali im vjerovatno nije bio potreban, a sada sa većim sjedištima i ravnim krevetima - samo prespavajte ta dodatna 3 sata preko Atlantika.
EMCCD, za razliku od Concorda, još uvijek postoji jer ga neki ljudi - mali, sve manji broj - još uvijek trebaju. Ili možda samo misle da im je potreban?
Korištenje EMCCD-a, najskuplje i najkomplikovanije široko korištene tehnologije snimanja, ne čini vas posebnim, niti stručnjakom za snimanje - vi samo radite nešto drugačije. A ako niste pokušali promijeniti nešto, vjerovatno biste trebali.
