22/05/2024Los sensores EMCCD fueron toda una revelación: aumentar la sensibilidad reduciendo el ruido de lectura. Bueno, casi; para ser más precisos, lo que hacíamos era aumentar la señal para que el ruido de lectura pareciera menor.
Nos encantaron; encontraron su lugar de inmediato en trabajos de baja señal, como la espectroscopia y el análisis de moléculas individuales, y luego se extendieron entre los proveedores de sistemas de microscopía para aplicaciones como el microscopio de disco giratorio, la superresolución y más allá. Y entonces los eliminamos. ¿O no?
La tecnología EMCCD tiene su historia ligada a dos proveedores clave: e2V y Texas Instruments. E2V, ahora Teledyne e2V, inició este desarrollo con los primeros sensores a finales de la década de 1990, pero dio pasos de gigante 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 6 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 retroiluminación, lo que convertía un 30 % más de fotones, aumentando esa sensibilidad de 6 a 7.
En efecto, el EMCCD era siete veces más sensible incluso antes de encenderlo y percibir el impacto de su ganancia. Claro que se podría argumentar que se podría agrupar los CCD o usar óptica para crear píxeles de mayor tamaño, ¡pero la mayoría no lo hizo!
Además, lograr que el ruido de lectura fuera inferior a 1 electrón era fundamental. Era fundamental, pero no era gratis. El proceso de multiplicación aumentaba la incertidumbre de la medición de la señal, lo que significaba que el ruido de disparo, la corriente oscura y cualquier otro factor que tuviéramos antes de la multiplicación se incrementaban en un factor de 1,4. Entonces, ¿qué significaba eso? Bueno, significaba que el EMCCD era más sensible, pero solo con poca luz, que es precisamente cuando se necesita, ¿no?
Frente a un CCD clásico, no había comparación. Píxeles grandes, mayor eficiencia cuántica, ganancia electromagnética. Y todos estábamos contentos, especialmente 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 agradable. Resulta que rastrear moléculas individuales y rastrear cohetes son prácticas similares, y las empresas de cámaras y sus clientes tuvieron que controlar las ventas y exportaciones de cámaras.
Luego llegó la tecnología sCMOS, que al principio prometía maravillas y, durante los siguientes 10 años, casi las cumplió. Sus píxeles más pequeños permitieron obtener los 6,5 micras que tanto apreciaban los usuarios para objetivos de 60x, todo ello con un ruido de lectura 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 sensores sCMOS con iluminación trasera, y para que parecieran aún más sensibles que las versiones originales con iluminación frontal, se les añadieron píxeles de 11 micras. Gracias a la mejora en la eficiencia cuántica y al aumento del tamaño de los píxeles, los clientes percibieron una ventaja de 3,5 veces.
Finalmente, en 2021 se superó el límite del ruido de lectura subelectrónico, y algunas cámaras lograron reducirlo hasta 0,25 electrones; fue el fin de la era EMCCD.
¿O fue...?
Bueno, parte del problema sigue siendo el tamaño de los píxeles. De nuevo, puedes hacer lo que quieras ópticamente, pero en el mismo sistema, un píxel de 4,6 micras capta 12 veces menos luz que uno de 16 micras.
Ahora bien, podrías agrupar los píxeles, pero recuerda que hacerlo con CMOS normal aumenta el ruido en función del factor de agrupamiento. Así que la mayoría de la gente se conforma con sus píxeles de 6,5 micras pensando que pueden lograr la sensibilidad deseada 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 también el área de cobertura total, siguen siendo un compromiso para la captación de señales reales.
Otro aspecto importante es la ganancia y el contraste: al tener más tonos de gris y dividir la señal en segmentos más pequeños, se obtiene un mejor contraste. Se puede mantener el mismo nivel de ruido, pero al mostrar solo dos tonos de gris por cada electrón con un sensor CMOS, no se dispone de mucho margen de maniobra cuando la señal es de tan solo cinco electrones.
Por último, ¿qué hay del obturador? A veces creo que olvidamos lo útil que era esta herramienta en EMCCD: los obturadores globales son de gran ayuda y resultan muy eficientes en cuanto a ligereza y velocidad, especialmente en sistemas complejos de múltiples componentes.
La única cámara sCMOS que he visto que se acerque al sensor EMCCD de 512 x 512 píxeles es la Aries 16. Esta cámara utiliza 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 muerto el EMCCD? No, y no morirá realmente hasta que volvamos a tener algo igual de bueno. El problema es, bueno, todos los problemas: exceso de ruido, envejecimiento de la ganancia, controles de exportación...
Si la tecnología EMCCD fuera un avión, sería un Concorde. Todos los que volaron en él lo adoraban, pero probablemente no lo necesitaban, y ahora, con asientos más grandes y camas planas, simplemente pueden dormir esas 3 horas extra al cruzar el Atlántico.
EMCCD, a diferencia de Concord, sigue existiendo porque algunas personas —un número pequeño y cada vez menor— aún lo necesitan. ¿O tal vez solo creen que lo necesitan?
Utilizar un 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.
