22.05.2024EMCCD-Sensoren waren eine Offenbarung: Man konnte die Empfindlichkeit erhöhen, indem man das Ausleserauschen reduzierte. Nun ja, fast; realistischerweise verstärkten wir das Signal, um das Ausleserauschen kleiner erscheinen zu lassen.
Und wir liebten sie, sie fanden sofort Anwendung in der Niedrigsignal-Mikroskopie wie Einzelmolekül- und Spektroskopie und verbreiteten sich dann bei Anbietern von Mikroskopsystemen für Anwendungen wie Spinning-Disk-Mikroskopie, Superauflösungsmikroskopie und darüber hinaus. Und dann haben wir sie eingestellt. Oder etwa nicht?
Die EMCCD-Technologie hat ihre Geschichte mit zwei Hauptanbietern: e2V und Texas Instruments. E2V, heute Teledyne e2V, legte mit ersten Sensoren Ende der 1990er-Jahre den Grundstein, erzielte aber mit der am weitesten verbreiteten Variante, die über ein 512 x 512-Pixel-Array mit 16 Mikrometer großen Pixeln verfügt, die größten Fortschritte.
Dieser erste und wahrscheinlich einflussreichste EMCCD-Sensor hatte einen echten Durchbruch, und die Hälfte davon war der Pixelgröße zu verdanken. 16-Mikrometer-Pixel sammelten unter dem Mikroskop sechsmal mehr Licht als der damals beliebteste CCD-Sensor, der ICX285, der in den bekannten CoolSnap- und Orca-Serien verbaut wurde. Neben der Pixelgröße war die Rückseitenbeleuchtung dieser Sensoren entscheidend: Sie wandelten 30 % mehr Photonen um und steigerten die Empfindlichkeit von sechsmal auf siebenfach.
EMCCD war also effektiv siebenmal empfindlicher, noch bevor wir es eingeschaltet und den EMCCD-Verstärkungseffekt bemerkten. Natürlich könnte man argumentieren, dass man den CCD-Sensor auch spalten oder mithilfe von Optiken größere Pixel erzeugen könnte – aber die meisten haben das nicht getan!
Darüber hinaus war es entscheidend, das Ausleserauschen unter ein Elektron zu senken. Das war zwar entscheidend, aber nicht kostenlos. Der Multiplikationsprozess erhöhte die Unsicherheit der Signalmessung, d. h. Schrotrauschen, Dunkelstrom und alle anderen vor der Multiplikation vorhandenen Störungen erhöhten sich um den Faktor 1,4. Was bedeutete das nun konkret? Nun, es bedeutete, dass die EMCCD-Kamera empfindlicher war, aber nur bei schwachem Licht – und genau dann braucht man sie ja, oder?
Im Vergleich zu einem klassischen CCD-Sensor war das ein klarer Sieg. Große Pixel, höhere Quanteneffizienz, EM-Verstärkung. Und wir waren alle zufrieden, besonders wir im Kameravertrieb: 40.000 Dollar, bitte ...
Das Einzige, was wir hätten besser machen können, wären Geschwindigkeit, Sensorfläche und (nicht, dass wir gewusst hätten, dass das möglich wäre) eine kleinere Pixelgröße gewesen.
Dann kamen Exportkontrollen und Compliance-Vorschriften ins Spiel, und das war alles andere als angenehm. Es stellte sich heraus, dass die Verfolgung einzelner Moleküle und die Verfolgung von Raketen ähnliche Prinzipien verfolgen, und Kamerahersteller und ihre Kunden mussten den Kameraabsatz und -export kontrollieren.
Dann kam sCMOS, das mit großen Versprechungen begann und diese in den folgenden zehn Jahren fast vollständig einlöste. Kleinere Pixel ermöglichten die von Fotografen so geschätzten 6,5 Mikrometer für 60-fache Vergrößerungen, und das alles bei einem geringeren Ausleserauschen von etwa 1,5 Elektronen. Zwar war dies noch nicht ganz EMCCD, aber im Vergleich zu den 6 Elektronen der damaligen CCD-Technologie war es erstaunlich.
Die ersten sCMOS-Sensoren waren noch frontseitig belichtet. 2016 kamen dann rückseitig belichtete sCMOS-Sensoren auf den Markt, die – um die Lichtempfindlichkeit gegenüber den frontseitig belichteten Versionen noch zu steigern – 11-Mikrometer-Pixel aufwiesen. Dank der höheren Quanteneffizienz und der größeren Pixel hatten die Kunden das Gefühl, einen 3,5-fachen Vorteil zu haben.
Schließlich wurde im Jahr 2021 das Sub-Elektronen-Ausleserauschen durchbrochen, wobei einige Kameras Werte bis auf 0,25 Elektronen erreichten – das war das Ende für EMCCD.
Oder war es ...
Ein Teil des Problems liegt nach wie vor in der Pixelgröße. Man kann zwar optisch alles Mögliche erreichen, aber im selben System sammelt ein 4,6-Mikrometer-Pixel 12-mal weniger Licht als ein 16-Mikrometer-Pixel.
Man könnte zwar Pixel bündeln, aber bedenken Sie, dass das Bündeln bei herkömmlichen CMOS-Sensoren das Rauschen um den Bündelungsfaktor erhöht. Daher sind die meisten Anwender mit ihren 6,5-Mikrometer-Pixeln zufrieden, weil sie glauben, die Empfindlichkeit durch Bündeln verbessern zu können. Dabei verdoppeln sie jedoch ihr Ausleserauschen auf 3 Elektronen.
Selbst wenn das Rauschen reduziert werden kann, stellen die Pixelgröße und die vollständige Signalverarbeitung immer noch einen Kompromiss für eine realistische Signalerfassung dar.
Ein weiterer Aspekt ist die Verstärkung und der Kontrast – mehr Graustufen und eine feinere Signalunterteilung führen zu einem besseren Kontrast. Das Rauschen kann gleich bleiben, aber wenn man mit einem CMOS-Sensor nur zwei Graustufen pro Elektron darstellt und lediglich fünf Elektronen als Signal vorliegen, hat man kaum Spielraum.
Und was ist mit dem Shutter? Manchmal denke ich, wir vergessen, wie wirkungsvoll dieses Werkzeug bei EMCCD war: Global Shutter sind wirklich hilfreich und sehr leicht und schnell, insbesondere in komplizierten Mehrkomponentensystemen.
Die einzige sCMOS-Kamera, die ich kenne und die auch nur annähernd an den 512 x 512 EMCCD-Sensor herankommt, ist die Aries 16. Sie arbeitet mit 16-µm-Pixeln und liefert ein Ausleserauschen von nur 0,8 Elektronen, ohne dass Binning erforderlich ist. Für Signale mit mehr als 5 Photonen (pro 16-µm-Pixel) ist sie meiner Meinung nach die beste, die ich je gesehen habe, und kostet nur etwa die Hälfte.
Ist EMCCD also tot? Nein, und es wird erst dann wirklich aussterben, wenn wir wieder etwas Vergleichbares haben. Das Problem ist, nun ja, die Summe all dieser Probleme: übermäßiges Rauschen, Verstärkungsalterung, Exportbeschränkungen…
Wenn die EMCCD-Technologie ein Flugzeug wäre, wäre sie die Concorde. Jeder, der damit geflogen ist, war begeistert, aber wahrscheinlich brauchte man sie gar nicht. Mit größeren Sitzen und Liegesitzen kann man die drei zusätzlichen Stunden über dem Atlantik einfach verschlafen.
EMCCD existiert im Gegensatz zu Concord noch immer, weil einige wenige – eine stetig abnehmende Zahl – es noch benötigen. Oder glauben sie das vielleicht nur?
Die Verwendung einer EMCCD-Kamera, der teuersten und komplexesten weit verbreiteten Bildgebungstechnologie, macht Sie weder zu etwas Besonderem noch zu einem Bildgebungsexperten – Sie gehen einfach einen anderen Weg. Und wenn Sie es noch nicht versucht haben, sollten Sie es vielleicht tun.
