22/05/2024Los sensores EMCCD fueron una revelación: aumentaban la sensibilidad reduciendo el ruido de lectura. Bueno, casi; siendo más realistas, aumentábamos la señal para que el ruido de lectura pareciera menor.
Y nos encantaron; encontraron rápidamente su lugar en trabajos con señales débiles, como la espectroscopia de moléculas individuales, y luego se extendieron entre los proveedores de sistemas de microscopía para aplicaciones como la microscopía de disco giratorio, la superresolución y más allá. Y luego los eliminamos. ¿O no?
La tecnología EMCCD tiene su historia con dos proveedores clave: e2V y Texas Instruments. E2V, ahora Teledyne e2V, inició su desarrollo con los primeros sensores a finales de la década de 1990, pero logró avances significativos con la variante más aceptada, que cuenta con una matriz de 512 x 512 píxeles de 16 micras.
Este sensor EMCCD inicial, y probablemente el más dominante, tuvo un impacto real, en gran parte debido al tamaño de sus píxeles. Los píxeles de 16 micras en un microscopio captaban seis veces más luz que el CCD más popular de la época, el ICX285, presente en las populares series CoolSnap y Orca. Además del tamaño de los píxeles, estos dispositivos contaban con iluminación trasera, lo que convertía un 30 % más de fotones, elevando esa sensibilidad de seis a siete veces mayor.
En resumen, la sensibilidad de la EMCCD era siete veces mayor incluso antes de encenderla y experimentar el efecto de su ganancia. Claro que se podría argumentar que se podría agrupar el CCD o usar óptica para crear píxeles de mayor tamaño, ¡pero la mayoría no lo hizo!
Además, lograr un ruido de lectura inferior a 1 electrón era fundamental. Fundamental, sí, pero costoso. El proceso de multiplicación incrementaba la incertidumbre de la medición de la señal, lo que significaba que el ruido de disparo, la corriente oscura y cualquier otro factor presente antes de la multiplicación aumentaban en un factor de 1,4. ¿Qué implicaba esto? Pues bien, que la EMCCD era más sensible, pero solo con poca luz; y precisamente en esas condiciones se necesita, ¿verdad?
Frente a un CCD clásico, no había color. Píxeles grandes, mayor eficiencia cuántica, ganancia electromagnética. Y todos estábamos encantados, sobre todo los que nos dedicábamos a la venta de cámaras: ¡40.000 dólares, por favor!
Lo único que podríamos haber mejorado era la velocidad, el área del sensor y (aunque no sabíamos que era posible) un tamaño de píxel más pequeño.
Luego llegaron los controles de exportación y el cumplimiento normativo, y eso no fue nada fácil. Resulta que rastrear moléculas individuales y rastrear cohetes es similar, y las empresas de cámaras y sus clientes tuvieron que controlar las ventas y exportaciones de cámaras.
Luego llegó la tecnología sCMOS, que prometía mucho y, durante los siguientes 10 años, casi lo logró. Píxeles más pequeños que permitieron alcanzar los 6,5 micras que tanto se buscaban para objetivos de 60x, todo ello con un ruido de lectura inferior, de aproximadamente 1,5 electrones. Si bien no era exactamente EMCCD, comparado con los 6 electrones de la tecnología CCD de la época, era asombroso.
Los primeros sensores sCMOS aún utilizaban iluminación frontal. Sin embargo, en 2016 llegaron los sCMOS con iluminación trasera, y para que parecieran aún más sensibles que las versiones originales con iluminación frontal, incorporaban píxeles de 11 micras. Gracias a la mejora en la eficiencia cuántica y al aumento del tamaño de los píxeles, los usuarios percibieron una ventaja de 3,5 veces.
Finalmente, en 2021 se rompió el límite del ruido de lectura subelectrónico, con algunas cámaras alcanzando niveles tan bajos como 0,25 electrones; fue el fin para la tecnología EMCCD.
¿O fue...?
Bueno, parte del problema sigue siendo el tamaño del píxel. De nuevo, se puede hacer lo que se quiera ópticamente, pero en el mismo sistema, un píxel de 4,6 micras recoge 12 veces menos luz que uno de 16 micras.
Ahora bien, podrías usar el agrupamiento de píxeles, pero recuerda que con CMOS normal, el agrupamiento aumenta el ruido en función del factor de agrupamiento. Por eso, la mayoría se conforma con sus píxeles de 6,5 micras pensando que pueden aumentar la sensibilidad mediante el agrupamiento, pero en realidad están duplicando el ruido de lectura a 3 electrones.
Aunque se pueda reducir el ruido, el tamaño del píxel, y el pozo de potencial completo en ese sentido, siguen siendo una solución de compromiso para la captación real de la señal.
Otro aspecto importante es la ganancia y el contraste: al tener más niveles de gris y segmentar la señal en intervalos más pequeños, se obtiene un mejor contraste. Se puede mantener el mismo nivel de ruido, pero al mostrar solo dos niveles de gris por cada electrón con un sensor CMOS, el margen de maniobra es muy limitado cuando solo se dispone de cinco electrones de señal.
Por último, ¿qué ocurre con el obturador? A veces creo que olvidamos lo poderosa que era esta herramienta en EMCCD: los obturadores globales son realmente útiles y muy ligeros y rápidos, especialmente en sistemas complejos de múltiples componentes.
La única cámara sCMOS que he visto que se acerca al sensor EMCCD de 512 x 512 es la Aries 16. Esta cámara cuenta con píxeles de 16 micras y ofrece un ruido de lectura de 0,8 electrones sin necesidad de agrupamiento de píxeles. Para señales superiores a 5 fotones (por píxel de 16 micras), creo que es la mejor que he visto y cuesta aproximadamente la mitad.
¿Está muerta la tecnología EMCCD? No, y no morirá realmente hasta que consigamos algo igual de bueno. El problema son, bueno, todos los problemas: exceso de ruido, envejecimiento de la ganancia, controles de exportación...
Si la tecnología EMCCD fuera un avión, sería un Concorde. A todos los que volaron en él les encantó, pero probablemente no la necesitaban y ahora, con asientos más grandes y camas planas, basta con dormir esas 3 horas adicionales durante el vuelo transatlántico.
EMCCD, a diferencia de Concord, sigue existiendo porque algunas personas —un número pequeño y cada vez menor— todavía lo necesitan. ¿O tal vez solo creen que lo necesitan?
Utilizar una EMCCD, la tecnología de imagen más cara y compleja del mercado, no te convierte en alguien especial ni en un experto en imagen; simplemente estás haciendo algo diferente. Y si no has intentado cambiar, probablemente deberías hacerlo.
