24.5.2022EMCCD-anturit olivat ilmestys: herkkyyttä voi lisätä vähentämällä lukukohinaa. Melkein, realistisemmin, lisäsimme signaalia, jotta lukukohina näyttäisi pienemmältä.
Ja me rakastimme niitä, ne löysivät heti kodin matalan signaalin työstä, kuten yksittäisistä molekyyleistä ja spektroskopiasta, ja levisivät sitten mikroskooppijärjestelmätoimittajien keskuudessa esimerkiksi pyörivien kiekkojen, superresoluution ja muiden laitteiden alalla. Ja sitten me tappoimme ne. Vai tappoimmeko?
EMCCD-teknologialla on historiansa kahden keskeisen toimittajan, e2V:n ja Texas Instrumentsin, kanssa. E2V, nykyinen Teledyne e2V, aloitti tämän kehityksen varhaisilla antureilla 1990-luvun lopulla, mutta teki todellisia edistysaskeleita hyväksytyimmän variantin myötä, jossa oli 512 x 512:n matriisi 16 mikronin pikseleillä.
Tällä alkuperäisellä ja luultavasti hallitsevimmalla EMCCD-anturilla oli todellinen vaikutus, ja puolet tästä oli pikselikokoa. Mikroskoopin 16 mikronin pikselit keräsivät kuusi kertaa enemmän valoa kuin aikansa suosituin CCD, ICX285, jota käytettiin suosituissa CoolSnap- ja Orca-sarjoissa. Pikselikoon lisäksi nämä laitteet olivat taustavalaistuja, mikä muunsi 30 % enemmän fotoneja, jolloin kuusi kertaa suurempi herkkyys nousi arvoon 7.
EMCCD oli siis käytännössä seitsemän kertaa herkempi jo ennen kuin edes käynnistimme sen ja havaitsimme EMCCD-vahvistuksen vaikutuksen. Voidaan tietenkin väittää, että CCD-kenno voitaisiin poistaa käytöstä tai että optiikkaa voitaisiin käyttää suurempien pikselien luomiseen – useimmat ihmiset eivät vain tehneet niin!
Tämän lisäksi avainasemassa oli saada lukukohinaa alle yhden elektronin kokoon. Se oli avainasemassa, mutta se ei ollut ilmaista. Kertolaskuprosessi lisäsi signaalimittauksen epävarmuutta, mikä tarkoitti, että laukauskohina, pimeävirta ja kaikki muu ennen kertolaskua lisääntyi kertoimella 1,4. Mitä se sitten tarkoitti? No, se tarkoitti, että EMCCD oli herkempi, mutta vain hämärässä, no, silloin sitä juuri tarvitaan, eikö niin?
Klassista CCD-kennoa vastaan kilpailu ei ollut ongelma. Suuret pikselit, enemmän kvanttimekaanista eksymistä, sähkömagneettinen vahvistus. Ja me kaikki olimme tyytyväisiä, erityisesti me kameramyynnissä olevat: 40 000 dollaria, kiitos...
Ainoat asiat, joilla olisimme voineet tehdä enemmän, olivat nopeus, anturin pinta-ala ja (emme tosin tienneet sen olevan mahdollista) pienempi pikselikoko.
Sitten tulivat vientisäännöstely ja -määräysten noudattaminen, eikä se ollut hauskaa. Kävi ilmi, että yksittäisten molekyylien ja rakettien seuranta ovat samankaltaisia, ja kamerayhtiöiden ja niiden asiakkaiden oli kontrolloitava kameroiden myyntiä ja vientiä.
Sitten tuli sCMOS, joka aluksi lupasi maailmalle – ja seuraavien 10 vuoden aikana melkein toimitti sen. Pienemmät pikselit antoivat ihmisille heidän rakastamansa 6,5 mikronia 60x objektiiveihin ja kaikki tämä pienemmällä, noin 1,5 elektronin lukukohinalla. Tämä ei ollut aivan EMCCD:tä, mutta verrattuna aikakauden vastaavan CCD-tekniikan 6 elektroniin se oli hämmästyttävää.
Alkuperäiset sCMOS-piirit olivat vielä edestä valaistuja. Mutta vuonna 2016 markkinoille tulivat takaa valaistut sCMOS-piirit, ja jotta ne näyttäisivät vieläkin herkemmiltä alkuperäisiin edestä valaistuihin versioihin verrattuna, niissä oli 11 mikronin pikselit. QE-tehostuksen ja pikselikoon kasvun myötä asiakkaat kokivat 3,5-kertaisen edun.
Lopulta vuonna 2021 alielektronien lukukohina katkesi, ja jotkut kamerat pääsivät jopa 0,25 elektroniin – EMCCD:lle kaikki oli ohi.
Vai oliko se...
No, osittainen ongelma on edelleen pikselikoko. Jälleen kerran voit tehdä optisesti mitä haluat, mutta samassa järjestelmässä 4,6 mikronin pikseli kerää 12 kertaa vähemmän valoa kuin 16 mikronin pikseli.
Voit kyllä käyttää binning-toimintoa, mutta muista, että normaalin CMOS-sensorin binning-toiminto lisää kohinaa binning-kertoimen funktiona. Useimmat ihmiset ovat tyytyväisiä 6,5 mikronin pikseleihinsä ja ajattelevat, että he voivat binning-toiminnolla lisätä herkkyyttä, mutta he kaksinkertaistavat lukukohinansa kolmeen elektroniin.
Vaikka kohinaa voitaisiin vähentää, pikselikoko ja oikeastaan koko on silti kompromissi todellisen signaalin keräämisessä.
Toinen asia on vahvistus ja kontrasti – enemmän harmaasävyjä ja signaalin pilkkominen pienemmiksi antaa paremman kontrastin. Kohina voi olla sama, mutta kun CMOS-kennolla näytetään vain kaksi harmaasävyä jokaista elektronia kohden, ei ole paljonkaan leikittelyvaraa, kun signaalia on vain viisi elektronia.
Entäpä lopuksi sulkumekanismi? Joskus mielestäni unohdamme, kuinka tehokas työkalu se oli EMCCD:ssä: globaalit sulkimet todella auttavat ja ovat erittäin kevyitä ja nopeustehokkaita, erityisesti monimutkaisissa monikomponenttijärjestelmissä.
Ainoa näkemäni sCMOS-kamera pääsee lähellekään 512 x 512 EMCCD-anturia, on Aries 16. Se alkaa 16 mikronin pikseleillä ja tuottaa 0,8 elektronia lukukohinaa ilman binäärittelyä. Yli 5 fotonin signaaleille (16 mikronin pikseliä kohden) se on mielestäni paras näkemäni ja noin puoleen hintaan.
Onko EMCCD siis kuollut? Ei, eikä se oikeasti kuole, ennen kuin saamme taas jotain yhtä hyvää. Ongelmana on, no, kaikki ongelmat: liiallinen kohina, vahvistuksen ikääntyminen, vientirajoitukset...
Jos EMCCD-teknologia olisi lentokone, se olisi Concord. Kaikki sillä lentäneet rakastivat sitä, mutta he eivät luultavasti tarvinneet sitä, ja nyt suuremmilla istuimilla ja leveillä vuoteilla – nukkukaa ne kolme ylimääräistä tuntia Atlantin yli.
EMCCD, toisin kuin Concord, on edelleen elossa, koska jotkut ihmiset – pieni, jatkuvasti pienenevä joukko – tarvitsevat sitä edelleen. Tai ehkä he vain luulevat tarvitsevansa?
EMCCD:n, kalleimman ja monimutkaisimman laajalti käytetyn kuvantamisteknologian, käyttäminen ei tee sinusta erityistä tai kuvantamisasiantuntijaa – teet vain jotain erilaista. Ja jos et ole yrittänyt muuttua, sinun luultavasti pitäisi.
