24/05/22Els sensors EMCCD van ser tota una revelació: augmentaven la sensibilitat reduint el soroll de lectura. Bé, gairebé, de manera més realista, estàvem augmentant el senyal per fer que el soroll de lectura semblés més petit.
I ens encantaven, van trobar un lloc immediat amb treballs de baix senyal com ara molècules individuals i espectroscòpia i després es van estendre entre els proveïdors de sistemes de microscopi per a coses com ara disc giratori, superresolució i més enllà. I llavors els vam eliminar. O sí que ho vam fer?
La tecnologia EMCCD té la seva història amb dos proveïdors clau: e2V i Texas Instruments. E2V, ara Teledyne e2V, va començar aquest procés amb els primers sensors cap a finals dels anys noranta, però va fer grans progressos amb la variant més acceptada, que tenia una matriu de 512 x 512 amb píxels de 16 micres.
Aquest sensor EMCCD inicial, i probablement el més dominant, va tenir un impacte real i la meitat d'aquest impacte era realment la mida dels píxels. Els píxels de 16 micres en un microscopi recollien 6 vegades més llum que el CCD més popular de l'època, l'ICX285, que apareixia a les populars sèries CoolSnap i Orca. Més enllà de la mida dels píxels, aquests dispositius estaven retroil·luminats convertint un 30% més de fotons, cosa que portava aquesta sensibilitat 6 vegades més gran a 7.
Així doncs, efectivament, l'EMCCD era 7 vegades més sensible abans que l'encenguéssim i veiéssim l'impacte del guany de l'EMCCD. Ara, és clar, es pot argumentar que es podria esborrar el CCD o que es podria utilitzar òptica per crear píxels més grans, però és que la majoria de la gent no ho feia!
Més enllà d'això, aconseguir un soroll de lectura per sota d'1 electró era clau. Era clau, però no era gratuït. El procés de multiplicació augmentava la incertesa de la mesura del senyal, és a dir, el soroll de tret, el corrent fosc i qualsevol altra cosa que tinguéssim abans de la multiplicació es va incrementar per un factor d'1,4. Aleshores, què volia dir això? Bé, volia dir que l'EMCCD era més sensible però només amb poca llum, doncs això és quan ho necessites, oi?
Contra un CCD clàssic, no hi havia competència. Píxels grans, més QE, guany EM. I tots estàvem contents, sobretot els que teníem vendes de càmeres: 40.000 dòlars, si us plau...
Les úniques coses amb què podríem haver fet més eren la velocitat, l'àrea del sensor i (no és que sabéssim que fos possible) una mida de píxel més petita.
Després van arribar els controls d'exportació i el compliment normatiu, i això no va ser divertit. Resulta que el seguiment de molècules individuals i el seguiment de coets són similars, i les empreses de càmeres i els seus clients havien de controlar les vendes i exportacions de càmeres.
Aleshores va arribar l'sCMOS, que va començar prometent el món, i després, durant els següents 10 anys, gairebé ho va aconseguir. Píxels més petits que aconseguien a la gent els 6,5 micres que tant els agradaven per a objectius de 60x i tot amb un soroll de lectura més baix, d'uns 1,5 electrons. Això no era exactament EMCCD, però en comparació amb els 6 electrons de la tecnologia CCD comparativa de l'època era increïble.
Els sCMOS inicials encara tenien il·luminació frontal. Però el 2016 van arribar els sCMOS amb il·luminació posterior, i per fer-los semblar encara més sensibles a les versions originals amb il·luminació frontal, tenien píxels d'11 micres. Amb l'augment de la QE i la mida dels píxels, els clients van sentir que tenien un avantatge de 3,5 vegades.
Finalment, el 2021 es va trencar el soroll de lectura subelectrònica amb algunes càmeres que aconseguien fins a 0,25 electrons: tot s'havia acabat per a l'EMCCD.
O era...?
Bé, una part del problema continua sent la mida dels píxels. De nou, pots fer el que vulguis òpticament, però en el mateix sistema, un píxel de 4,6 micres recull 12 vegades menys llum que un de 16 micres.
Ara podries fer binning, però recorda que el binning amb CMOS normal augmenta el soroll en funció del factor de binning. Així que la majoria de la gent està contenta amb els seus píxels de 6,5 micres pensant que poden aconseguir la sensibilitat mitjançant el binning, però estan duplicant el soroll de lectura a 3 electrons.
Fins i tot si es pot reduir el soroll, la mida del píxel, i bé, la totalitat, continuen sent un compromís per a la recollida de senyals reals.
L'altra cosa és el guany i el contrast: tenir més grisos i tallar el senyal en parts més petites dóna un millor contrast. Pots tenir el mateix soroll, però quan només mostres 2 grisos per cada electró amb un CMOS, no tens gaire amb què jugar quan només tens 5 electrons de senyal.
Finalment, què passa amb l'encofrat? De vegades crec que oblidem la potència d'aquesta eina a l'EMCCD: els obturadors globals ajuden molt i són molt lleugers i eficients en termes de velocitat, especialment en sistemes complexos de diversos components.
L'única càmera sCMOS que he vist que s'acosta ni de bon tros al sensor EMCCD de 512 x 512 és l'Aries 16. Aquesta comença amb píxels de 16 micres i proporciona 0,8 electrons de soroll de lectura sense necessitat de fer-ne un bin. Per a senyals de més de 5 fotons (per píxel de 16 micres), crec que és la millor que he vist mai i costa aproximadament la meitat de preu.
Així doncs, l'EMCCD ha mort? No, i realment no morirà fins que no tornem a tenir alguna cosa tan bona. El problema són, bé, tots els problemes: excés de soroll, envelliment del guany, controls d'exportació...
Si la tecnologia EMCCD fos un avió, seria un Concord. A tothom qui el volava li encantava, però probablement no la necessitaven i ara, amb seients més grans i llits plans, només cal dormir aquestes 3 hores extres a l'altra banda de l'Atlàntic.
L'EMCCD, a diferència de Concord, encara és viu perquè algunes persones (un nombre petit i cada cop menor) encara la necessiten. O potser només pensen que sí?
Utilitzar un EMCCD, la tecnologia d'imatge més cara i complicada que s'utilitza àmpliament, no et fa especial ni un expert en imatges, simplement estàs fent alguna cosa diferent. I si no has intentat canviar, probablement hauries de fer-ho.
