24. 5. 2022Senzory EMCCD byly zjevením: zvyšte citlivost snížením šumu při čtení. No, skoro realističtěji řečeno, zvyšovali jsme signál, aby šum při čtení vypadal menší.
A my jsme je milovali, našly si okamžité uplatnění v práci s nízkými signály, jako je spektroskopie jednotlivých molekul, a poté se rozšířily mezi dodavatele mikroskopických systémů pro věci, jako je rotující disk, superrozlišení a další. A pak jsme je zabili. Nebo ne?
Technologie EMCCD má svou historii se dvěma klíčovými dodavateli: e2V a Texas Instruments. E2V, nyní Teledyne e2V, zahájila tento proces s prvními senzory ke konci 90. let, ale skutečného pokroku dosáhla s nejuznávanější variantou s polem 512 x 512 s 16mikronovými pixely.
Tento první a pravděpodobně nejdominantnější EMCCD senzor měl skutečný dopad a polovina z něj byla ve skutečnosti velikost pixelu. 16mikronové pixely na mikroskopu shromažďovaly 6krát více světla než tehdy nejoblíbenější CCD snímač ICX285, který byl součástí populárních řad CoolSnap a Orca. Kromě velikosti pixelu byla tato zařízení podsvícena, což konvertovalo o 30 % více fotonů, což znamenalo 6krát větší citlivost na 7.
Takže EMCCD byl v podstatě 7krát citlivější, ještě než jsme ho zapnuli a pocítili dopad zesílení EMCCD. Samozřejmě můžete namítnout, že byste mohli CCD filtrovat nebo použít optiku k vytvoření větších pixelů – jen to většina lidí neudělala!
Kromě toho bylo klíčové dosáhnout šumu při čtení pod 1 elektron. Bylo to klíčové, ale nebylo to zadarmo. Proces násobení zvýšil nejistotu měření signálu, což znamenalo, že šum při čtení, temný proud a vše ostatní, co jsme měli před násobením, se zvýšilo faktorem 1,4. Co to tedy znamenalo? Znamenalo to, že EMCCD byl citlivější, ale pouze při slabém osvětlení, no, to je přesně ta doba, kdy ho potřebujete, že?
Proti klasickému CCD snímači to nebyla žádná konkurence. Velké pixely, větší kvantová konstanta, elektromagnetický zisk. A všichni jsme byli spokojení, zejména ti z nás, co prodávají fotoaparáty: 40 000 dolarů, prosím...
Jediné, s čím jsme mohli udělat víc, byla rychlost, plocha senzoru a (ne že bychom věděli, že je to možné) menší velikost pixelu.
Pak přišly kontroly vývozu a dodržování předpisů, a to nebyla žádná legrace. Ukázalo se, že sledování jednotlivých molekul a sledování raket je podobné a společnosti vyrábějící fotoaparáty a jejich zákazníci museli kontrolovat prodej a vývoz fotoaparátů.
Pak přišel sCMOS, který světu sliboval – a během následujících 10 let ho téměř splnil. Menší pixely lidem poskytly 6,5 mikronu, které milovali, pro objektivy s 60násobným zvětšením, a to vše s nižším čtecím šumem, asi 1,5 elektronu. To sice nebylo úplně EMCCD, ale proti 6 elektronům srovnatelné CCD technologie té doby to bylo úžasné.
Původní sCMOS tranzistory byly stále s předním osvětlením. V roce 2016 se však objevily sCMOS tranzistory se zadním osvětlením, které, aby se jevily ještě citlivějšími než původní verze s předním osvětlením, měly 11mikronové pixely. Díky vylepšení kvantového efektu (QE) a zvětšení velikosti pixelů měli zákazníci pocit, že mají 3,5násobnou výhodu.
Konečně v roce 2021 byl subelektronový šum při čtení prolomen, některé kamery dosáhly až 0,25 elektronů – pro EMCCD to byl konec.
Nebo to bylo...
No, trochu problém je stále velikost pixelu. Opticky si můžete dělat, co chcete, ale na stejném systému pixel o velikosti 4,6 mikronu shromažďuje 12krát méně světla než pixel o velikosti 16 mikronů.
Teď byste mohli binovat, ale nezapomeňte, že binning u normálního CMOS čipu zvyšuje šum v závislosti na faktoru binningu. Většina lidí je tedy spokojená se svými 6,5mikronovými pixely v domnění, že si můžou binováním zvýšit citlivost, ale zdvojnásobují svůj čtecí šum na 3 elektrony.
I když lze šum snížit, velikost pixelu a vlastně i plná jamka jsou stále kompromisem pro skutečný sběr signálu.
Další věcí je zesílení a kontrast – větší počet odstínů šedé a menší rozdělení signálu sice dává lepší kontrast. Můžete mít stejný šum, ale když s CMOS čipem zobrazíte pouze 2 odstíny šedé na každý elektron, nemáte s čím moc hrát, když máte signál pouze s 5 elektrony.
A co konečně bednění? Někdy si myslím, že zapomínáme, jak mocným nástrojem to v EMCCD bylo: globální bednění opravdu pomáhají a jsou velmi lehká a rychlá, zejména ve složitých vícekomponentních systémech.
Jediná sCMOS kamera, kterou jsem viděl a která se alespoň přiblížila senzoru EMCCD s rozlišením 512 x 512, je Aries 16. Ta začíná s 16mikronovými pixely a poskytuje 0,8 elektronů čtecího šumu bez nutnosti slučování. Pro signály s více než 5 fotony (na 16mikronový pixel) si myslím, že je to nejlepší, co jsem kdy viděl, a za zhruba poloviční cenu.
Takže je EMCCD mrtvý? Ne, a doopravdy neumře, dokud se nám nepodaří znovu získat něco tak dobrého. Problém je, no, ve všech problémech: nadměrný šum, stárnutí zesílení, kontroly exportu...
Kdyby technologie EMCCD byla letadlo, byl by to Concord. Všichni, kdo s ním létali, ho milovali, ale pravděpodobně ho nepotřebovali a teď s většími sedadly a plošinovými lůžky – stačí jen spát ty 3 hodiny navíc za Atlantikem.
EMCCD, na rozdíl od Concordu, stále existuje, protože někteří lidé – malý, stále klesající počet – ho stále potřebují. Nebo si to možná jen myslí?
Používání EMCCD, nejdražší a nejsložitější a široce používané zobrazovací technologie, z vás nedělá někoho speciálního ani experta na zobrazování – jen děláte něco jiného. A pokud jste se o změnu nepokusili, pravděpodobně byste to měli udělat.
