24.05.22EMCCD andurid olid ilmutuslik: suurendage tundlikkust lugemismüra vähendamise abil. Peaaegu, realistlikumalt suurendasime signaali, et lugemismüra näiks väiksem.
Ja me armastasime neid, nad leidsid kohe kodu madala signaaliga töödeldes, näiteks üksikmolekulide ja spektroskoopia abil, ning levisid seejärel mikroskoobisüsteemide pakkujate seas selliste asjade jaoks nagu pöörlevad kettad, superresolutsiooniga mikroskoobid ja muud. Ja siis me tapsime nad. Või ikkagi tapsime?
EMCCD tehnoloogia ajalugu hõlmab kahte peamist tarnijat: e2V ja Texas Instruments. E2V, nüüd Teledyne e2V, alustas seda varajaste anduritega 1990. aastate lõpus, kuid tegi suuri edusamme kõige aktsepteerituima variandiga, millel oli 512 x 512 pikslitest koosnev massiiv 16-mikronise piksliga.
See esimane ja ilmselt kõige domineerivam EMCCD-sensor avaldas tõelist mõju ning pool sellest oli tegelikult pikslisuurus. Mikroskoobi 16-mikronilised pikslid kogusid 6 korda rohkem valgust kui tolle aja populaarseim CCD, ICX285, mida kasutati populaarsetes CoolSnapi ja Orca seeriates. Lisaks pikslisuurusele olid need seadmed taustvalgustusega, mis konverteeris 30% rohkem footoneid, viies selle 6 korda suurema tundlikkuse 7-ni.
Seega oli EMCCD juba enne sisselülitamist ja EMCCD võimenduse mõju nägemist seitse korda tundlikum. Muidugi võib väita, et CCD-sensori võiks eraldi kasutada või optikat suuremate pikslite loomiseks – enamik inimesi lihtsalt ei teinud seda!
Lisaks sellele oli võtmetähtsusega lugemismüra saamine alla ühe elektroni. See oli võtmetähtsusega, aga see polnud tasuta. Korrutamisprotsess suurendas signaali mõõtmise ebakindlust, mis tähendas, et laskemüra, tumevool ja kõik muu, mis meil enne korrutamist oli, suurenes 1,4 korda. Mida see siis tähendas? See tähendas, et EMCCD oli tundlikum, aga ainult hämaras, noh, just siis on seda vaja, eks?
Klassikalise CCD-sensoriga võrreldes polnud see mingi võistlus. Suured pikslid, rohkem kvantsiferantset efekti, elektromagnetilist võimendust. Ja me kõik olime õnnelikud, eriti need meist, kes tegelesid kaamerate müügiga: 40 000 dollarit, palun...
Ainsad asjad, millega oleksime saanud rohkem teha, olid kiirus, sensori pindala ja (mitte et me oleksime teadnud, et see on võimalik) väiksem piksli suurus.
Siis tulid ekspordikontrollid ja vastavusnõuded ning see polnud lõbus. Selgus, et üksikute molekulide jälgimine ja rakettide jälgimine on sarnased ning kaamerafirmad ja nende kliendid pidid kontrollima kaamerate müüki ja eksporti.
Seejärel tuli sCMOS, mis alguses maailmale lubas – ja järgmise 10 aasta jooksul peaaegu et pakkuski selle tulemuse. Väiksemad pikslid andsid inimestele 6,5 mikronit, mida nad 60x objektiivide jaoks armastasid, ja seda kõike madalama, umbes 1,5 elektroni suuruse lugemismüraga. See polnud küll päris EMCCD, aga tolleaegse CCD-tehnoloogia 6 elektroni kõrval oli see hämmastav.
Esialgsed sCMOS-id olid ikka veel eestvalgustusega. Kuid 2016. aastal saabusid tagantvalgustusega sCMOS-id ja et need tunduksid algsete eestvalgustusega versioonidega võrreldes veelgi tundlikumad, olid neil 11-mikronised pikslid. Tänu QE-võimendusele ja pikslite suuruse suurenemisele tundsid kliendid, et neil on 3,5-kordne eelis.
Lõpuks, 2021. aastal, katkes subelektronide lugemise müra, mõned kaamerad said kuni 0,25 elektroni – EMCCD jaoks oli kõik läbi.
Või oli see...
Noh, natuke on probleem ikkagi pikslite suuruses. Jällegi võid optiliselt teha mida tahad, aga samas süsteemis kogub 4,6-mikronine piksel 12 korda vähem valgust kui 16-mikronine.
Nüüd võiksite küll prügikasti panna, aga pidage meeles, et tavalise CMOS-i puhul suurendab prügikasti panemine müra prügikasti panemise teguri võrra. Seega on enamik inimesi oma 6,5-mikroniste pikslitega rahul, arvates, et nad saavad tundlikkuse prügikasti panna, aga nad kahekordistavad lugemismüra 3 elektronini.
Isegi kui müra saab vähendada, on pikslite suurus ja üldiselt ikkagi kompromiss reaalse signaali kogumiseks.
Teine asi on võimendus ja kontrastsus – rohkemate hallide toonide ja signaali väiksemaks tükeldamine annab parema kontrasti. Müra võib küll olla sama, aga kui CMOS-is kuvatakse iga elektroni kohta ainult kaks halli tooni, siis pole eriti palju mänguruumi, kui signaali on vaid 5 elektroni.
Lõpuks, kuidas on lood raketistega? Mõnikord arvan, et me unustame, kui võimas tööriist see EMCCD-s oli: globaalsed aknaluugid on tõesti abiks ning on väga kerged ja kiired, eriti keerukates mitmekomponendilistes süsteemides.
Ainus sCMOS-kaamera, mida ma näinud olen, on 512 x 512 EMCCD-sensorile ligilähedanegi, on Aries 16. See algab 16-mikroniliste pikslitega ja tekitab 0,8 elektroni lugemismüra ilma vajaduseta lahterdada. Üle 5 footoni (16-mikronise piksli kohta) signaalide puhul on see minu arvates parim, mida ma kunagi näinud olen, ja umbes poole odavam.
Kas EMCCD on siis surnud? Ei, ja see ei sure päriselt enne, kui midagi nii head jälle kätte saame. Probleem on, noh, kõigis neis probleemides: liigne müra, võimenduse vananemine, ekspordikontroll...
Kui EMCCD tehnoloogia oleks lennuk, oleks see Concord. Kõik, kes sellega lendasid, armastasid seda, aga ilmselt polnud neil seda vaja ja nüüd suuremate istmete ja lamevooditega – lihtsalt maga need kolm lisatundi üle Atlandi ookeani.
Erinevalt Concordist on EMCCD endiselt elus, sest mõned inimesed – väike ja aina vähenev arv – vajavad seda endiselt. Või äkki nad lihtsalt arvavad, et vajavad?
Elektroonika- ja mikroskoopiaseadme (EMCD) kasutamine, mis on kõige kallim ja keerulisem laialdaselt kasutatav pilditehnoloogia, ei tee teist erilist inimest ega pildindusspetsialisti – te lihtsalt teete midagi teistmoodi. Ja kui te pole püüdnud muutuda, siis peaksite ilmselt seda tegema.
