۲۴/۰۵/۲۲حسگرهای EMCCD یک کشف بزرگ بودند: با کاهش نویز خواندن، حساسیت خود را افزایش دهید. خب، تقریباً، واقع‌بینانه‌تر اینکه ما سیگنال را افزایش می‌دادیم تا نویز خواندن شما کوچکتر به نظر برسد.
و ما عاشق آنها شدیم، آنها جایگاه خود را در کارهای سیگنال پایین مانند تک مولکول و طیف‌سنجی پیدا کردند و سپس در بین ارائه دهندگان سیستم‌های میکروسکوپی برای مواردی مانند دیسک چرخان، وضوح فوق‌العاده و فراتر از آن گسترش یافتند. و سپس ما آنها را از بین بردیم. یا ما این کار را کردیم؟
فناوری EMCCD سابقه‌ی خود را با دو تأمین‌کننده‌ی کلیدی دارد: e2V و Texas Instruments. E2V که اکنون Teledyne e2V نام دارد، این کار را با حسگرهای اولیه در اواخر دهه‌ی ۱۹۹۰ آغاز کرد، اما با پذیرفته‌شده‌ترین نوع آن، با آرایه‌ای از ۵۱۲ در ۵۱۲ پیکسل با پیکسل‌های ۱۶ میکرونی، گام‌های واقعی برداشت.
این حسگر EMCCD اولیه و احتمالاً غالب‌ترین حسگر، تأثیر واقعی داشت و نیمی از این تأثیر، واقعاً به اندازه پیکسل مربوط می‌شد. پیکسل‌های ۱۶ میکرونی روی یک میکروسکوپ، ۶ برابر نور بیشتری نسبت به محبوب‌ترین CCD آن زمان، ICX285 که در سری‌های محبوب CoolSnap و Orca استفاده می‌شد، جمع‌آوری می‌کردند. فراتر از اندازه پیکسل، این دستگاه‌ها دارای نور پس زمینه بودند و ۳۰٪ فوتون بیشتر را تبدیل می‌کردند و آن حساسیت ۶ برابری را به ۷ برابر می‌رساندند.
بنابراین EMCCD عملاً 7 برابر حساس‌تر بود، حتی قبل از اینکه آن را روشن کنیم و تأثیر بهره EMCCD را ببینیم. حالا البته می‌توانید استدلال کنید که می‌توانید CCD را حذف کنید، یا می‌توانید از اپتیک برای ایجاد اندازه پیکسل‌های بزرگتر استفاده کنید - فقط اکثر مردم این کار را نمی‌کنند!
فراتر از این، گرفتن نویز خوانش زیر ۱ الکترون کلیدی بود. کلیدی بود، اما رایگان نبود. فرآیند ضرب، عدم قطعیت اندازه‌گیری سیگنال را افزایش داد، به این معنی که نویز ضربه‌ای، جریان تاریک و هر چیز دیگری که قبل از ضرب داشتیم، با ضریب ۱.۴ افزایش یافت. خب، این به چه معناست؟ خب، به این معنی بود که EMCCD حساس‌تر بود اما فقط در نور کم، خب این زمانی است که به آن نیاز دارید، درست است؟
در مقابل یک CCD کلاسیک، هیچ رقیبی نداشت. پیکسل‌های بزرگ، QE بیشتر، EM Gain. و همه ما خوشحال بودیم، مخصوصاً آن‌هایی که دوربین می‌فروشند: ۴۰۰۰۰ دلار، لطفاً...
تنها چیزهایی که می‌توانستیم روی آنها کار بیشتری انجام دهیم، سرعت، مساحت حسگر و (نه اینکه می‌دانستیم امکان‌پذیر است) اندازه پیکسل کوچکتر بود.
سپس کنترل صادرات و رعایت مقررات از راه رسید، و این اصلاً جالب نبود. معلوم شد که ردیابی تک مولکول‌ها و ردیابی موشک‌ها مشابه هستند، و شرکت‌های دوربین‌سازی و مشتریانشان مجبور بودند فروش و صادرات دوربین را کنترل کنند.
سپس sCMOS از راه رسید، که با وعده دادن به جهان شروع شد - و سپس طی 10 سال بعد تقریباً به آن جامه عمل پوشاند. پیکسل‌های کوچکتر، 6.5 میکرون مورد علاقه مردم را برای لنزهای 60x و همه با نویز خوانش کمتر حدود 1.5 الکترون به ارمغان آوردند. البته این کاملاً EMCCD نبود، اما در مقایسه با 6 الکترون فناوری CCD مشابه آن زمان، شگفت‌انگیز بود.
sCMOS های اولیه هنوز از نوع front-illuminated بودند. اما در سال ۲۰۱۶، sCMOS های back-illuminated از راه رسیدند و برای اینکه نسبت به نسخه‌های front-illuminated اصلی حساس‌تر به نظر برسند، پیکسل‌های ۱۱ میکرونی داشتند. با تقویت QE و افزایش اندازه پیکسل، مشتریان احساس کردند که ۳.۵ برابر مزیت دارند.
سرانجام، در سال ۲۰۲۱، نویز خوانش زیرالکترون با رسیدن برخی دوربین‌ها به ۰.۲۵ الکترون از بین رفت - همه چیز برای EMCCD تمام شد.
یا اینکه بود...
خب، کمی از مشکل هنوز اندازه پیکسل است. باز هم می‌توانید هر کاری که می‌خواهید از نظر نوری انجام دهید، اما در همان سیستم، یک پیکسل ۴.۶ میکرونی ۱۲ برابر نور کمتری نسبت به یک پیکسل ۱۶ میکرونی جمع‌آوری می‌کند.
حالا می‌توانید bin کنید، اما به یاد داشته باشید که bin کردن با CMOS معمولی، نویز را به میزان تابعی از ضریب bining افزایش می‌دهد. بنابراین اکثر مردم از پیکسل‌های ۶.۵ میکرونی خود راضی هستند و فکر می‌کنند می‌توانند حساسیت را bin کنند، اما نویز خواندن خود را به ۳ الکترون دو برابر می‌کنند.
حتی اگر نویز قابل کاهش باشد، اندازه پیکسل، و به طور کلی، هنوز هم برای جمع‌آوری سیگنال واقعی یک مصالحه محسوب می‌شود.
نکته دیگر، بهره و کنتراست است - داشتن خاکستری‌های بیشتر و خرد کردن سیگنال به بخش‌های کوچکتر، کنتراست بهتری ایجاد می‌کند. می‌توانید همان نویز را داشته باشید، اما وقتی فقط ۲ خاکستری برای هر الکترون با CMOS نشان می‌دهید، وقتی فقط ۵ الکترون سیگنال دارید، چیز زیادی برای بازی کردن ندارید.
در نهایت، در مورد شاترینگ چطور؟ گاهی اوقات فکر می‌کنم فراموش می‌کنیم که این ابزار در EMCCD چقدر قدرتمند بود: شاترهای سراسری واقعاً کمک می‌کنند و بسیار سبک و از نظر سرعت کارآمد هستند، به خصوص در سیستم‌های پیچیده چند جزئی.
تنها دوربین sCMOS که دیده‌ام و حتی به حسگر EMCCD با ابعاد ۵۱۲ در ۵۱۲ پیکسل نزدیک هم شده، Aries 16 است. این دوربین با پیکسل‌های ۱۶ میکرونی شروع می‌شود و ۰.۸ الکترون نویز خوانش را بدون نیاز به bin ارائه می‌دهد. برای سیگنال‌های بالای ۵ فوتون (به ازای هر پیکسل ۱۶ میکرونی)، فکر می‌کنم بهترین دوربینی است که تا به حال دیده‌ام و حدود نصف قیمت آن است.
بنابراین آیا EMCCD از بین رفته است؟ نه، و تا زمانی که دوباره چیزی به آن خوبی پیدا نکنیم، واقعاً از بین نخواهد رفت. مشکل، خب، همه مشکلات است: سر و صدای زیاد، فرسودگی گین، کنترل صادرات...
اگر فناوری EMCCD یک هواپیما بود، آن یک کنکورد می‌شد. هر کسی که با آن پرواز کرد، عاشقش شد، اما احتمالاً به آن نیازی نداشت و حالا با صندلی‌های بزرگتر و تخت‌های تخت - فقط آن ۳ ساعت اضافی را در آن سوی اقیانوس اطلس بخوابید.
EMCCD، برخلاف کنکورد، هنوز زنده است زیرا برخی افراد - تعداد کمی که دائماً در حال کاهش است - هنوز به آن نیاز دارند. یا شاید آنها فقط فکر می‌کنند که به آن نیاز دارند؟
استفاده از EMCCD، گران‌ترین و پیچیده‌ترین فناوری تصویربرداری که به طور گسترده استفاده می‌شود، شما را خاص یا یک متخصص تصویربرداری نمی‌کند - شما فقط کار متفاوتی انجام می‌دهید. و اگر سعی در تغییر نکرده‌اید، احتمالاً باید این کار را انجام دهید.
