24/05/22Les capteurs EMCCD ont été une révélation : augmenter la sensibilité en réduisant le bruit de lecture. Enfin, plus réalistement, nous augmentions le signal pour donner l'impression que le bruit de lecture était plus faible.
Et nous les avons adorés ; ils ont immédiatement trouvé preneur dans des travaux à faible signal, comme la spectroscopie monomoléculaire, puis se sont répandus parmi les fournisseurs de systèmes de microscopie pour des applications comme le disque rotatif, la super résolution et bien plus encore. Et puis, nous les avons éliminés. Ou est-ce vraiment le cas ?
La technologie EMCCD est issue de l'histoire de deux fournisseurs clés : e2V et Texas Instruments. E2V, aujourd'hui Teledyne e2V, a lancé ce projet avec les premiers capteurs vers la fin des années 1990, mais a connu une véritable avancée avec la variante la plus répandue, dotée d'une matrice de 512 x 512 pixels de 16 microns.
Ce capteur EMCCD initial, et probablement le plus répandu, a eu un impact réel, dont la moitié résidait dans la taille des pixels. Des pixels de 16 microns sur un microscope collectaient six fois plus de lumière que le CCD le plus répandu de l'époque, l'ICX285, présent dans les célèbres séries CoolSnap et Orca. Au-delà de la taille des pixels, ces dispositifs étaient rétroéclairés, convertissant 30 % de photons supplémentaires, portant cette sensibilité six fois supérieure à sept.
Ainsi, l'EMCCD était effectivement sept fois plus sensible avant même que nous l'activions et que nous ne ressentions l'impact du gain EMCCD. Bien sûr, on peut argumenter qu'il serait possible de réduire la taille du CCD, ou d'utiliser des optiques pour créer des pixels plus grands ; c'est juste que la plupart des gens ne l'ont pas fait !
Au-delà de cela, obtenir un bruit de lecture inférieur à 1 électron était essentiel. C'était essentiel, mais ce n'était pas gratuit. Le processus de multiplication augmentait l'incertitude de la mesure du signal, ce qui signifie que le bruit de grenaille, le courant d'obscurité et tout autre paramètre avant la multiplication étaient multipliés par 1,4. Alors, qu'est-ce que cela signifiait ? Eh bien, cela signifiait que l'EMCCD était plus sensible, mais seulement en faible luminosité, c'est-à-dire dans ces cas-là qu'on en a besoin, non ?
Face à un capteur CCD classique, il n'y avait pas de concurrence. Grands pixels, meilleur QE, gain EM. Et nous étions tous ravis, surtout ceux d'entre nous qui vendaient des appareils photo : 40 000 $, s'il vous plaît…
Les seules choses que nous aurions pu faire davantage étaient la vitesse, la surface du capteur et (même si nous ne savions pas que c'était possible) une taille de pixel plus petite.
Puis sont apparus les contrôles à l'exportation et la conformité, et ce n'était pas une partie de plaisir. Il s'avère que le suivi de molécules individuelles et le suivi de fusées sont similaires, et les fabricants d'appareils photo et leurs clients ont dû contrôler les ventes et les exportations d'appareils photo.
Puis le sCMOS est arrivé, promettant d'abord des résultats exceptionnels, puis, au cours des dix années suivantes, presque au rendez-vous. Des pixels plus petits permettaient d'obtenir les 6,5 microns tant attendus pour les objectifs 60x, le tout avec un bruit de lecture inférieur d'environ 1,5 électron. Ce n'était pas tout à fait un EMCCD, mais comparé aux 6 électrons de la technologie CCD comparable de l'époque, c'était incroyable.
Les sCMOS initiaux étaient encore rétroéclairés. Mais en 2016, le sCMOS rétroéclairé est arrivé. Pour paraître encore plus sensible que les versions originales rétroéclairées, il était équipé de pixels de 11 microns. Grâce au QE boost et à l'augmentation de la taille des pixels, les clients ont eu l'impression d'avoir un avantage de 3,5 fois.
Finalement, en 2021, le bruit de lecture des sous-électrons a été brisé, certaines caméras obtenant jusqu'à 0,25 électron - tout était terminé pour EMCCD.
Ou était-ce...
Eh bien, une partie du problème réside toujours dans la taille des pixels. On peut faire ce qu'on veut en termes optiques, mais sur le même système, un pixel de 4,6 microns capte 12 fois moins de lumière qu'un pixel de 16 microns.
Vous pouvez maintenant utiliser le binning, mais n'oubliez pas que le binning avec un CMOS classique augmente le bruit d'un facteur de binning. La plupart des utilisateurs se contentent donc de pixels de 6,5 microns, pensant pouvoir augmenter leur sensibilité grâce au binning, mais ils doublent leur bruit de lecture à 3 électrons.
Même si le bruit peut être réduit, la taille des pixels, et même celle du signal lui-même, restent un compromis pour une collecte de signal réelle.
L'autre point important est le gain et le contraste : plus de gris et un signal plus fin donnent un meilleur contraste. On peut avoir le même bruit, mais avec un CMOS, avec seulement 2 gris par électron, on ne peut pas vraiment jouer avec un signal de 5 électrons.
Enfin, qu'en est-il du coffrage ? On oublie parfois à quel point cet outil était puissant dans EMCCD : les obturateurs globaux sont vraiment utiles et très légers et rapides, surtout dans les systèmes multi-composants complexes.
La seule caméra sCMOS que j'ai vue s'approchant du capteur EMCCD 512 x 512 est l'Aries 16. Elle démarre avec des pixels de 16 microns et produit 0,8 électron de bruit de lecture sans nécessiter de bin. Pour des signaux supérieurs à 5 photons (par pixel de 16 microns), je pense que c'est la meilleure que j'aie jamais vue, et elle coûte environ la moitié du prix.
Alors, l'EMCCD est-il mort ? Non, et il ne mourra pas vraiment tant que nous n'aurons pas retrouvé quelque chose d'aussi performant. Le problème, c'est… tous les problèmes : bruit excessif, vieillissement du gain, contrôles à l'exportation…
Si la technologie EMCCD était un avion, ce serait un Concorde. Tous ceux qui l'ont piloté l'ont adoré, mais ils n'en avaient probablement pas besoin. Et maintenant, avec des sièges plus grands et des couchettes, il suffit de dormir trois heures de plus de l'autre côté de l'Atlantique.
Contrairement à Concord, l'EMCCD est toujours en vie parce que certaines personnes – un nombre restreint et en constante diminution – en ont encore besoin. Ou peut-être pensent-elles simplement qu'elles en ont besoin ?
Utiliser un EMCCD, la technologie d'imagerie la plus coûteuse et la plus complexe du marché, ne fait pas de vous un expert en imagerie ; vous faites simplement quelque chose de différent. Et si vous n'avez pas encore essayé de changer, vous devriez probablement le faire.
