24/05/22Os sensores EMCCD foron unha revelación: aumentar a sensibilidade reducindo o ruído de lectura. Ben, case, de xeito máis realista, estabamos aumentando o sinal para que o ruído de lectura parecese menor.
E encantáronnos, atoparon un fogar inmediato con traballos de baixo sinal, como moléculas individuais e espectroscopia, e logo estendéronse entre os provedores de sistemas de microscopio para cousas como discos xiratorios, superresolución e moito máis. E logo nós matámolos. Ou si?
A tecnoloxía EMCCD ten a súa historia con dous provedores clave: e2V e Texas Instruments. E2V, agora Teledyne e2V, comezou este desenvolvemento cos primeiros sensores a finais da década de 1990, pero fixo avances reais coa variante máis aceptada, que tiña unha matriz de 512 x 512 con píxeles de 16 micras.
Este sensor EMCCD inicial, e probablemente o máis dominante, tivo un impacto real e a metade disto foi realmente polo tamaño dos píxeles. Os píxeles de 16 micras nun microscopio recolleron 6 veces máis luz que o CCD máis popular da época, o ICX285, que aparecía nas populares series CoolSnap e Orca. Ademais do tamaño dos píxeles, estes dispositivos estaban retroiluminados convertendo un 30 % máis de fotóns, o que elevou esa sensibilidade 6 veces maior a 7.
Entón, o EMCCD era 7 veces máis sensible antes mesmo de que o activásemos e percibísemos o impacto da ganancia do EMCCD. Por suposto, pódese argumentar que se podería eliminar o CCD ou que se podería usar a óptica para crear píxeles máis grandes, pero é que a maioría da xente non o fixo!
Ademais disto, conseguir un ruído de lectura por debaixo dun electrón era fundamental. Era fundamental, pero non era gratuíto. O proceso de multiplicación aumentaba a incerteza da medición do sinal, o que significaba que o ruído de disparo, a corrente escura e calquera outra cousa que tivésemos antes da multiplicación aumentaba nun factor de 1,4. Entón, que significaba iso? Ben, significaba que a EMCCD era máis sensible pero só con pouca luz, ben, nese caso é cando a necesitas, non si?
Contra un CCD clásico, non había competencia. Píxeles grandes, máis QE, ganancia EM. E todos quedamos contentos, especialmente os que estabamos en vendas de cámaras: 40.000 dólares, por favor...
As únicas cousas coas que poderiamos ter feito máis eran a velocidade, a área do sensor e (non é que soubésemos que fose posible) un tamaño de píxel máis pequeno.
Despois chegaron os controis de exportación e o cumprimento das normas, e iso non foi divertido. Resulta que o rastrexo de moléculas individuais e o rastrexo de foguetes son similares, e as empresas de cámaras e os seus clientes tiñan que controlar as vendas e exportacións de cámaras.
Despois chegou o sCMOS, que comezou prometendo o mundo e, nos seguintes 10 anos, case o cumpriu. Píxeles máis pequenos que lle daban á xente os 6,5 micrómetros que tanto quería para obxectivos de 60x e todo cun ruído de lectura máis baixo, duns 1,5 electróns. Isto non era exactamente EMCCD, pero fronte aos 6 electróns da tecnoloxía CCD comparativa da época era incrible.
Os sCMOS iniciais aínda tiñan iluminación frontal. Pero en 2016 chegaron os sCMOS con iluminación traseira e, para que parecesen aínda máis sensibles ás versións orixinais con iluminación frontal, tiñan píxeles de 11 micras. Co aumento da QE e o aumento do tamaño dos píxeles, os clientes sentiron que tiñan unha vantaxe de 3,5 veces.
Finalmente, en 2021, o ruído de lectura subelectrónica eliminouse e algunhas cámaras chegaron a obter valores de tan só 0,25 electróns: todo rematou para o EMCCD.
Ou foi...?
Ben, parte do problema segue sendo o tamaño dos píxeles. De novo, podes facer o que queiras opticamente, pero no mesmo sistema, un píxel de 4,6 micras recolle 12 veces menos luz que un de 16 micras.
Agora poderías facer binning, pero lembra que o binning con CMOS normal aumenta o ruído en función do factor de binning. Polo tanto, a maioría da xente está contenta cos seus píxeles de 6,5 micras pensando que poden facer binning para alcanzar a sensibilidade, pero están duplicando o seu ruído de lectura a 3 electróns.
Mesmo se se pode reducir o ruído, o tamaño do píxel, e o total, seguen sendo un compromiso para a recollida de sinais reais.
A outra cousa é a ganancia e o contraste: ter máis grises e cortar o sinal en partes máis pequenas dá un mellor contraste. Podes ter o mesmo ruído, pero cando só mostras 2 grises por cada electrón cun CMOS, non tes moito co que xogar cando só tes 5 electróns de sinal.
Finalmente, que pasa co encofrado? Ás veces creo que esquecemos o poderosa ferramenta que foi esta en EMCCD: os obturadores globais axudan moito e son moi lixeiros e eficientes en canto á velocidade, especialmente en sistemas complexos de varios compoñentes.
A única cámara sCMOS que vin que se achega sequera ao sensor EMCCD de 512 x 512 é a Aries 16. Esta comeza con píxeles de 16 micras e proporciona 0,8 electróns de ruído de lectura sen necesidade de agrupar. Para sinais de máis de 5 fotóns (por píxel de 16 micras), creo que é a mellor que vin nunca e custa aproximadamente a metade.
Entón, está morto o EMCCD? Non, e non morrerá realmente ata que volvamos ter algo tan bo. O problema son, ben, todos os problemas: exceso de ruído, envellecemento da ganancia, controis de exportación...
Se a tecnoloxía EMCCD fose un avión, sería un Concord. A todos os que o pilotaban encantáballes, pero probablemente non a necesitaban e agora, con asentos máis grandes e camas planas, só hai que durmir esas 3 horas extra alén do Atlántico.
A diferenza de Concord, a EMCCD segue viva porque algunhas persoas (un número pequeno e cada vez menor) aínda a necesitan. Ou quizais simplemente pensan que si?
Empregar un EMCCD, a tecnoloxía de imaxe máis cara e complexa de uso común, non te converte en especial nin nun experto en imaxes; simplemente estás a facer algo diferente. E se non intentaches cambiar, probablemente deberías facelo.
