24/05/22EMCCD-sensorer var en åbenbaring: øg din følsomhed ved at reducere din læsestøj. Tja, næsten, mere realistisk set øgede vi signalet for at få din læsestøj til at se mindre ud.
Og vi elskede dem, de fandt et øjeblikkeligt hjem med arbejde med lavt signalniveau, såsom enkeltmolekyle- og spektroskopi, og spredte sig derefter blandt mikroskopsystemudbydere til ting som roterende disk, superopløsning og mere. Og så slog vi dem ihjel. Eller gjorde vi det?
EMCCD-teknologien har sin historie med to nøgleleverandører: e2V og Texas Instruments. E2V, nu Teledyne e2V, startede dette med tidlige sensorer mod slutningen af 1990'erne, men gjorde store fremskridt med den mest accepterede variant, der havde et array på 512 x 512 med 16 mikron pixels.
Denne første, og sandsynligvis mest dominerende EMCCD-sensor havde en reel indflydelse, og halvdelen af dette var virkelig pixelstørrelse. 16-mikron pixels på et mikroskop indsamlede 6 gange mere lys end datidens mest populære CCD, ICX285, der var en del af de populære CoolSnap- og Orca-serier. Ud over pixelstørrelsen blev disse enheder bagbelyst, hvilket konverterede 30 % flere fotoner, hvilket bragte den 6 gange større følsomhed op på 7.
Så EMCCD var effektivt 7 gange mere følsom, før vi overhovedet tændte den og fik effekten af EMCCD-forstærkningen. Nu kan man selvfølgelig argumentere for, at man kunne kassere CCD'en, eller man kunne bruge optik til at skabe større pixelstørrelser – det gjorde de fleste bare ikke!
Derudover var det afgørende at få læsestøj under 1 elektron. Det var vigtigt, men det var ikke gratis. Multiplikationsprocessen øgede usikkerheden ved signalmålingen, hvilket betød, at skudstøjen, mørkestrømmen og alt andet, vi havde før multiplikationen, blev øget med en faktor 1,4. Så hvad betød det? Det betød, at EMCCD var mere følsom, men kun ved svagt lys, ja, det er jo sådan, man har brug for det, ikke?
Mod en klassisk CCD var det ingen konkurrence. Store pixels, mere QE, EM-gain. Og vi var alle glade, især os der solgte kameraer: $40.000, tak ...
De eneste ting, vi kunne have gjort mere med, var hastighed, sensorområde og (ikke at vi vidste, at det var muligt) en mindre pixelstørrelse.
Så kom eksportkontrol og overholdelse af regler, og det var ikke sjovt. Det viser sig, at sporing af enkeltmolekyler og sporing af raketter minder om hinanden, og kameravirksomheder og deres kunder var nødt til at kontrollere kamerasalg og -eksport.
Så kom sCMOS, der startede med at love verden – og derefter næsten leverede det i løbet af de næste 10 år. Mindre pixels, der gav folk de 6,5 mikron, de elskede til 60x objektiver, og alt sammen med lavere læsestøj på omkring 1,5 elektroner. Nu var dette ikke helt EMCCD, men i forhold til de 6 elektroner fra den sammenlignelige CCD-teknologi på den tid var det fantastisk.
De oprindelige sCMOS'er var stadig frontbelyste. Men i 2016 kom bagbelyste sCMOS'er, og for at få dem til at virke endnu mere følsomme i forhold til de originale frontbelyste versioner havde de 11 mikron pixels. Med QE-boostet og pixelstørrelsesforøgelsen følte kunderne, at de havde en 3,5 gange fordel.
Endelig, i 2021, blev subelektronlæsestøjen brudt, hvor nogle kameraer nåede så lave som 0,25 elektroner - det var slut for EMCCD.
Eller var det ...
Nå, en del af problemet er stadig pixelstørrelsen. Igen kan du gøre, hvad du vil, optisk, men på det samme system opsamler en 4,6-mikron pixel 12 gange mindre lys end en 16-mikron.
Nu kunne man jo bin-basere, men husk at binning med normal CMOS øger støjen med en funktion af binningfaktoren. Så de fleste er tilfredse med deres 6,5-mikron pixels og tror, at de kan bin-basere sig vej til følsomhed, men de fordobler deres læsestøj til 3 elektroner.
Selv hvis støj kan reduceres, er pixelstørrelsen, og for den sags skyld, stadig et kompromis for reel signalopsamling.
Den anden ting er forstærkningen og kontrasten – at have flere gråtoner og at reducere signalet giver bedre kontrast. Man kan have den samme støj, men når man kun viser 2 gråtoner for hver elektron med et CMOS, får man ikke meget at lege med, når man kun har 5 elektroner i signalet.
Hvad med forskallingen? Nogle gange tror jeg, at vi glemmer, hvor kraftfuldt et værktøj dette var i EMCCD: globale forskallinger hjælper virkelig og er meget lette og hastighedseffektive, især i komplicerede flerkomponentsystemer.
Det eneste sCMOS-kamera, jeg har set, der kommer i nærheden af 512 x 512 EMCCD-sensoren, er Aries 16. Dette starter med 16 mikron pixels og leverer 0,8 elektroner læsestøj uden behov for bin. For signaler over 5 fotoner (pr. 16 mikron pixel) synes jeg, det er det bedste, jeg nogensinde har set, og det koster omkring halvdelen.
Så er EMCCD død? Nej, og den vil ikke rigtig dø, før vi får noget så godt igen. Problemet er, ja, alle problemerne: overdreven støj, forstærkningsældning, eksportkontrol...
Hvis EMCCD-teknologien var et fly, ville det være en Concord. Alle, der fløj med den, elskede den, men de havde sandsynligvis ikke brug for den, og nu med større sæder og flatbeds – sov bare de ekstra 3 timer på den anden side af Atlanten.
EMCCD, i modsætning til Concord, lever stadig, fordi nogle mennesker - et lille, stadigt faldende antal - stadig har brug for det. Eller måske tror de bare, at de har det?
At bruge en EMCCD, den dyreste og mest komplicerede billeddannelsesteknologi, gør dig ikke til en speciel billeddannelsesekspert – du gør bare noget anderledes. Og hvis du ikke har prøvet at ændre dig, så burde du nok gøre det.
