24/05/22Οι αισθητήρες EMCCD ήταν μια αποκάλυψη: αυξήστε την ευαισθησία σας μειώνοντας τον θόρυβο ανάγνωσης. Λοιπόν, σχεδόν, πιο ρεαλιστικά, αυξάναμε το σήμα για να κάνουμε τον θόρυβο ανάγνωσης να φαίνεται μικρότερος.
Και τα λατρέψαμε, βρήκαν άμεση στέγη σε εργασίες χαμηλού σήματος, όπως η μονομοριακή και η φασματοσκοπία, και στη συνέχεια εξαπλώθηκαν μεταξύ των παρόχων συστημάτων μικροσκοπίου για πράγματα όπως ο περιστρεφόμενος δίσκος, η υπερανάλυση και άλλα. Και μετά τα εξαφανίσαμε. Ή μήπως όχι;
Η τεχνολογία EMCCD έχει ιστορία με δύο βασικούς προμηθευτές: την e2V και την Texas Instruments. Η E2V, τώρα Teledyne e2V, ξεκίνησε αυτή την κυκλική πορεία με τους πρώτους αισθητήρες προς τα τέλη της δεκαετίας του 1990, αλλά σημείωσε πραγματική πρόοδο με την πιο αποδεκτή παραλλαγή, που είχε μια συστοιχία 512 x 512 με pixel 16 μικρών.
Αυτός ο αρχικός, και πιθανώς ο πιο κυρίαρχος, αισθητήρας EMCCD είχε πραγματικό αντίκτυπο και το μισό από αυτό αφορούσε πραγματικά το μέγεθος των pixel. Τα pixel των 16 μικρών σε ένα μικροσκόπιο συνέλεγαν 6 φορές περισσότερο φως από το πιο δημοφιλές CCD της εποχής, το ICX285, που υπήρχε στις δημοφιλείς σειρές CoolSnap και Orca. Πέρα από το μέγεθος των pixel, αυτές οι συσκευές φωτίζονταν από πίσω, μετατρέποντας 30% περισσότερα φωτόνια, ανεβάζοντας αυτή την 6 φορές μεγαλύτερη ευαισθησία στο 7.
Έτσι, ουσιαστικά το EMCCD ήταν 7 φορές πιο ευαίσθητο πριν καν το ενεργοποιήσουμε και να έχουμε την επίδραση του κέρδους EMCCD. Τώρα, φυσικά, μπορείτε να υποστηρίξετε ότι θα μπορούσατε να βάλετε σε έναν κάδο τον CCD ή ότι θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε οπτικά για να δημιουργήσετε μεγαλύτερα μεγέθη pixel - απλώς οι περισσότεροι άνθρωποι δεν το έκαναν!
Πέρα από αυτό, η λήψη θορύβου ανάγνωσης κάτω από 1 ηλεκτρόνιο ήταν το κλειδί. Ήταν το κλειδί, αλλά δεν ήταν δωρεάν. Η διαδικασία πολλαπλασιασμού αύξησε την αβεβαιότητα της μέτρησης του σήματος, που σημαίνει ότι ο θόρυβος της βολής, το σκοτεινό ρεύμα και οτιδήποτε άλλο είχαμε πριν από τον πολλαπλασιασμό αυξήθηκε κατά έναν συντελεστή 1,4. Τι σήμαινε λοιπόν αυτό; Λοιπόν, σήμαινε ότι το EMCCD ήταν πιο ευαίσθητο αλλά μόνο σε χαμηλό φωτισμό, δηλαδή τότε είναι που το χρειάζεσαι, σωστά;
Εναντίον ενός κλασικού CCD, δεν υπήρχε ανταγωνισμός. Μεγάλα pixel, περισσότερο QE, EM Gain. Και ήμασταν όλοι χαρούμενοι, ειδικά όσοι από εμάς πουλούσαμε κάμερες: 40.000 δολάρια, παρακαλώ...
Τα μόνα πράγματα που θα μπορούσαμε να κάνουμε περισσότερα ήταν η ταχύτητα, η περιοχή του αισθητήρα και (όχι ότι ξέραμε ότι ήταν δυνατό) ένα μικρότερο μέγεθος pixel.
Στη συνέχεια, ήρθαν οι έλεγχοι εξαγωγών και η συμμόρφωση, και αυτό δεν ήταν ευχάριστο. Αποδείχθηκε ότι η παρακολούθηση μεμονωμένων μορίων και η παρακολούθηση πυραύλων είναι παρόμοιες, και οι εταιρείες φωτογραφικών μηχανών και οι πελάτες τους έπρεπε να ελέγχουν τις πωλήσεις και τις εξαγωγές φωτογραφικών μηχανών.
Έπειτα ήρθε το sCMOS, ξεκινώντας με την υπόσχεση στον κόσμο - και στη συνέχεια, μέσα στα επόμενα 10 χρόνια, σχεδόν το υλοποίησαν. Μικρότερα pixel έδιναν στους ανθρώπους τα 6,5 μικρά που αγαπούσαν για αντικειμενικούς φακούς 60x και όλα αυτά με χαμηλότερο θόρυβο ανάγνωσης περίπου 1,5 ηλεκτρονίων. Αυτό δεν ήταν ακριβώς EMCCD, αλλά σε σύγκριση με τα 6 ηλεκτρόνια της συγκριτικής τεχνολογίας CCD της εποχής ήταν καταπληκτικό.
Τα αρχικά sCMOS είχαν ακόμα εμπρόσθιο φωτισμό. Αλλά το 2016 εμφανίστηκαν τα sCMOS με οπίσθιο φωτισμό και, για να φαίνονται ακόμα πιο ευαίσθητα σε σχέση με τις αρχικές εκδόσεις με εμπρόσθιο φωτισμό, είχαν pixel 11 micron. Με την ενίσχυση QE και την αύξηση του μεγέθους των pixel, οι πελάτες ένιωσαν ότι είχαν πλεονέκτημα 3,5 φορές.
Τελικά, το 2021, ο θόρυβος ανάγνωσης υποηλεκτρονίων διακόπηκε, με ορισμένες κάμερες να φτάνουν ακόμη και τα 0,25 ηλεκτρόνια - όλα είχαν τελειώσει για την EMCCD.
Ή μήπως ήταν...
Λοιπόν, ένα μέρος του προβλήματος εξακολουθεί να είναι το μέγεθος των pixel. Και πάλι, μπορείτε να κάνετε ό,τι θέλετε οπτικά, αλλά στο ίδιο σύστημα, ένα pixel 4,6 μικρών συλλέγει 12 φορές λιγότερο φως από ένα 16 μικρών.
Τώρα θα μπορούσατε να κάνετε bining, αλλά να θυμάστε ότι η bining με κανονικό CMOS αυξάνει τον θόρυβο κατά μια συνάρτηση του συντελεστή binning. Έτσι, οι περισσότεροι άνθρωποι είναι ευχαριστημένοι με τα pixel των 6,5 μικρών τους, νομίζοντας ότι μπορούν να bining για να επιτύχουν ευαισθησία, αλλά διπλασιάζουν τον θόρυβο ανάγνωσης σε 3 ηλεκτρόνια.
Ακόμα κι αν ο θόρυβος μπορεί να μειωθεί, το μέγεθος των pixel, και φυσικά το πολύ-πολύ, εξακολουθεί να αποτελεί συμβιβασμό για την πραγματική συλλογή σήματος.
Το άλλο θέμα είναι το κέρδος και η αντίθεση – το να έχεις περισσότερα γκρι και να μικραίνεις το σήμα σου δίνει καλύτερη αντίθεση. Μπορείς να έχεις τον ίδιο θόρυβο, αλλά όταν εμφανίζεις μόνο 2 γκρι για κάθε ηλεκτρόνιο με ένα CMOS, δεν έχεις πολλά να πειραματιστείς όταν έχεις μόνο 5 ηλεκτρόνια σήματος.
Τέλος, τι γίνεται με το κλείστρο; Μερικές φορές νομίζω ότι ξεχνάμε πόσο ισχυρό εργαλείο ήταν αυτό στο EMCCD: τα παγκόσμια κλείστρα βοηθούν πραγματικά και είναι πολύ αποτελεσματικά ως προς το ελαφρύ βάρος και την ταχύτητα, ειδικά σε περίπλοκα συστήματα πολλαπλών στοιχείων.
Η μόνη κάμερα sCMOS που έχω δει να πλησιάζει έστω και λίγο τον αισθητήρα EMCCD 512 x 512 είναι η Aries 16. Ξεκινά με pixel 16 μικρών και παρέχει 0,8 ηλεκτρόνια θορύβου ανάγνωσης χωρίς να χρειάζεται bin. Για σήματα άνω των 5 φωτονίων (ανά pixel 16 μικρών), νομίζω ότι είναι η καλύτερη που έχω δει ποτέ και περίπου στη μισή τιμή.
Είναι, λοιπόν, νεκρό το EMCCD; Όχι, και δεν θα πεθάνει πραγματικά μέχρι να αποκτήσουμε ξανά κάτι τόσο καλό. Το πρόβλημα είναι, λοιπόν, όλα τα προβλήματα: υπερβολικός θόρυβος, γήρανση του κέρδους, έλεγχοι εξαγωγών...
Αν η τεχνολογία EMCCD ήταν αεροπλάνο, θα ήταν ένα Concord. Όλοι όσοι το πετούσαν το λάτρευαν, αλλά πιθανότατα δεν το χρειάζονταν και τώρα με μεγαλύτερα καθίσματα και καρότσες - απλώς κοιμούνται αυτές τις επιπλέον 3 ώρες στην άλλη πλευρά του Ατλαντικού.
Το EMCCD, σε αντίθεση με το Concord, εξακολουθεί να υπάρχει επειδή ορισμένοι άνθρωποι - ένας μικρός, συνεχώς μειούμενος αριθμός - το χρειάζονται ακόμα. Ή μήπως απλώς νομίζουν ότι το χρειάζονται;
Η χρήση ενός EMCCD, της πιο ακριβής και περίπλοκης τεχνολογίας απεικόνισης που χρησιμοποιείται ευρέως, δεν σας κάνει ξεχωριστούς ή ειδικούς στην απεικόνιση - απλώς κάνετε κάτι διαφορετικό. Και αν δεν έχετε προσπαθήσει να αλλάξετε, τότε μάλλον θα έπρεπε.
