24.05.22EMCCD-Sensoren waren eine Offenbarung: Sie erhöhten die Empfindlichkeit, indem sie das Leserauschen reduzierten. Na ja, fast, realistischer ausgedrückt: Wir verstärkten das Signal, um das Leserauschen kleiner erscheinen zu lassen.
Und wir waren begeistert von ihnen. Sie fanden sofort ein Zuhause in der Arbeit mit schwachen Signalen, wie Einzelmolekül- und Spektroskopie, und verbreiteten sich dann unter Anbietern von Mikroskopsystemen für Dinge wie Spinning Disc, Superauflösung und mehr. Und dann haben wir sie getötet. Oder etwa nicht?
Die EMCCD-Technologie hat ihre Geschichte mit zwei Hauptlieferanten: e2V und Texas Instruments. E2V, heute Teledyne e2V, begann Ende der 1990er Jahre mit frühen Sensoren, machte aber mit der am weitesten verbreiteten Variante, einem 512 x 512 Pixel großen Array mit 16 Mikrometer großen Pixeln, große Fortschritte.
Dieser erste und wahrscheinlich gängigste EMCCD-Sensor hatte einen echten Einfluss, der zur Hälfte auf die Pixelgröße zurückzuführen war. 16-Mikrometer-Pixel auf einem Mikroskop sammelten sechsmal mehr Licht als der damals gängigste CCD-Sensor, der ICX285, der in den beliebten CoolSnap- und Orca-Serien verbaut war. Neben der Pixelgröße wurden diese Geräte auch von hinten beleuchtet, wodurch 30 % mehr Photonen umgewandelt wurden, was die Empfindlichkeit auf das Sechsfache von siebenfach erhöhte.
EMCCD war also effektiv siebenmal empfindlicher, bevor wir es überhaupt eingeschaltet und die Wirkung der EMCCD-Verstärkung wahrgenommen haben. Nun kann man natürlich argumentieren, dass man den CCD in Bins unterteilen oder mithilfe optischer Geräte größere Pixelgrößen erzeugen könnte – die meisten Leute haben das nur nicht getan!
Darüber hinaus war es entscheidend, das Leserauschen unter 1 Elektron zu halten. Das war zwar wichtig, aber nicht umsonst. Der Multiplikationsprozess erhöhte die Unsicherheit der Signalmessung, d. h. Schrotrauschen, Dunkelstrom und alles andere, was wir vor der Multiplikation hatten, erhöhten sich um den Faktor 1,4. Was bedeutete das? Nun, es bedeutete, dass EMCCD empfindlicher war, aber nur bei schwachem Licht – und genau dann braucht man es, oder?
Gegen einen klassischen CCD war es kein Wettbewerb. Große Pixel, mehr QE, EM Gain. Und wir waren alle glücklich, besonders diejenigen von uns im Kameraverkauf: 40.000 Dollar, bitte ...
Die einzigen Dinge, bei denen wir mehr hätten tun können, wären Geschwindigkeit, Sensorfläche und (nicht, dass wir gewusst hätten, dass es möglich wäre) eine kleinere Pixelgröße gewesen.
Dann kamen Exportkontrollen und Compliance-Maßnahmen, und das war kein Spaß. Es stellte sich heraus, dass die Verfolgung einzelner Moleküle und die Verfolgung von Raketen ähnlich sind, und Kameraunternehmen und ihre Kunden mussten den Verkauf und Export von Kameras kontrollieren.
Dann kam sCMOS, das zunächst große Erwartungen versprach – und diese in den folgenden zehn Jahren fast erfüllte. Kleinere Pixel ermöglichten die 6,5 Mikrometer, die man für 60x-Objektive so sehr schätzte, und das alles bei einem geringeren Leserauschen von etwa 1,5 Elektronen. Das war zwar noch nicht ganz EMCCD, aber im Vergleich zu den 6 Elektronen der vergleichbaren CCD-Technologie der damaligen Zeit war es erstaunlich.
Die ersten sCMOS-Modelle waren noch von vorne beleuchtet. 2016 kamen dann die von hinten beleuchteten sCMOS-Modelle auf den Markt. Um sie noch empfindlicher erscheinen zu lassen als die ursprünglichen Versionen mit Frontbeleuchtung, verfügten sie über 11-Mikrometer-Pixel. Dank der verbesserten Quanteneffizienz und der größeren Pixelgröße hatten die Kunden das Gefühl, einen 3,5-fachen Vorteil zu haben.
Im Jahr 2021 wurde schließlich das Subelektronen-Leserauschen durchbrochen, wobei einige Kameras bis auf 0,25 Elektronen herunterkamen – das war das Ende für EMCCD.
Oder war es ...
Ein Teil des Problems ist immer noch die Pixelgröße. Auch hier können Sie optisch machen, was Sie wollen, aber auf demselben System sammelt ein 4,6-Mikron-Pixel 12-mal weniger Licht als ein 16-Mikron-Pixel.
Nun könnte man Binning verwenden, aber bedenken Sie, dass Binning bei normalem CMOS das Rauschen um den Binning-Faktor erhöht. Die meisten Leute sind also mit ihren 6,5-Mikrometer-Pixeln zufrieden und denken, sie könnten durch Binning die Empfindlichkeit erhöhen, aber sie verdoppeln ihr Leserauschen auf 3 Elektronen.
Auch wenn das Rauschen reduziert werden kann, sind die Pixelgröße und das gesamte Gerät immer noch ein Kompromiss für die echte Signalerfassung.
Ein weiterer Punkt sind Verstärkung und Kontrast. Mehr Grautöne und eine kleinere Signalzerlegung sorgen für einen besseren Kontrast. Das Rauschen bleibt gleich, aber wenn man mit einem CMOS nur zwei Grautöne pro Elektron anzeigt, hat man bei einem Signal von nur fünf Elektronen nicht viel Spielraum.
Und schließlich: Was ist mit dem Shuttering? Manchmal denke ich, wir vergessen, wie leistungsfähig dieses Tool in EMCCD war: Global Shutters sind wirklich hilfreich und sehr leicht und geschwindigkeitseffizient, insbesondere in komplizierten Mehrkomponentensystemen.
Die einzige sCMOS-Kamera, die ich kenne und die dem 512 x 512 EMCCD-Sensor auch nur nahe kommt, ist die Aries 16. Sie startet mit 16-Mikrometer-Pixeln und liefert 0,8 Elektronen Leserauschen ohne Binning. Für Signale über 5 Photonen (pro 16-Mikrometer-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 auch nicht wirklich sterben, bis wir wieder etwas so Gutes haben. Das Problem sind, nun ja, all die Probleme: übermäßiges Rauschen, Gain Aging, Exportkontrollen …
Wäre EMCCD-Technologie ein Flugzeug, wäre es eine Concorde. Alle, die damit geflogen sind, waren begeistert, aber wahrscheinlich brauchten sie sie nicht. Und jetzt, mit größeren Sitzen und Pritschen – schlafen Sie einfach die zusätzlichen drei Stunden über den Atlantik.
EMCCD existiert im Gegensatz zu Concord noch, weil einige Menschen – eine kleine, immer kleiner werdende Zahl – es noch immer brauchen. Oder glauben sie vielleicht nur, dass sie es brauchen?
Die Verwendung eines EMCCD, der teuersten und kompliziertesten Bildgebungstechnologie, macht Sie weder zu etwas Besonderem noch zu einem Bildgebungsexperten – Sie machen einfach etwas anderes. Und wenn Sie noch nicht versucht haben, sich zu ändern, sollten Sie das wahrscheinlich tun.
