24/05/22EMCCD सेंसर एक नया रहस्योद्घाटन थे: अपने रीड नॉइज़ को कम करके अपनी संवेदनशीलता बढ़ाएँ। लगभग, ज़्यादा यथार्थवादी तौर पर, हम सिग्नल को बढ़ा रहे थे ताकि आपका रीड नॉइज़ कम लगे।
और हम उन्हें बहुत पसंद करते थे, उन्हें एकल अणु और स्पेक्ट्रोस्कोपी जैसे कम सिग्नल वाले कामों में तुरंत जगह मिल गई और फिर स्पिनिंग डिस्क, सुपर रेज़ोल्यूशन और उससे भी आगे की चीज़ों के लिए माइक्रोस्कोप सिस्टम प्रदाताओं के बीच फैल गए। और फिर हमने उन्हें मार डाला। या मार डाला?
EMCCD तकनीक का इतिहास दो प्रमुख आपूर्तिकर्ताओं के साथ रहा है: e2V और टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स। E2V, जिसे अब टेलीडाइन e2V कहा जाता है, ने 1990 के दशक के अंत में शुरुआती सेंसरों के साथ इसकी शुरुआत की थी, लेकिन 16-माइक्रोन पिक्सल वाले 512 x 512 के आकार वाले सबसे लोकप्रिय संस्करण के साथ इसने वास्तविक प्रगति की।
इस शुरुआती और शायद सबसे प्रभावशाली EMCCD सेंसर का वास्तविक प्रभाव पड़ा और इसका आधा हिस्सा वास्तव में पिक्सेल आकार का था। माइक्रोस्कोप पर 16-माइक्रोन पिक्सेल उस समय के सबसे लोकप्रिय CCD, ICX285, जो लोकप्रिय CoolSnap और Orca श्रृंखला में शामिल था, की तुलना में 6 गुना अधिक प्रकाश एकत्र करते थे। पिक्सेल आकार के अलावा, इन उपकरणों को बैक इल्यूमिनेट किया गया था जिससे 30% अधिक फोटॉन परिवर्तित हुए, जिससे 6 गुना अधिक संवेदनशीलता 7 गुना हो गई।
तो प्रभावी रूप से, EMCCD चालू होने और EMCCD लाभ का प्रभाव प्राप्त करने से पहले ही 7 गुना अधिक संवेदनशील था। अब आप तर्क दे सकते हैं कि आप CCD को हटा सकते हैं, या आप ऑप्टिक्स का उपयोग करके बड़े पिक्सेल आकार बना सकते हैं - लेकिन ज़्यादातर लोगों ने ऐसा नहीं किया!
इसके अलावा, रीड नॉइज़ को 1 इलेक्ट्रॉन से नीचे लाना ज़रूरी था। यह ज़रूरी तो था, लेकिन मुफ़्त नहीं था। गुणन प्रक्रिया ने सिग्नल मापन की अनिश्चितता को बढ़ा दिया, यानी शॉट नॉइज़, डार्क करंट, और गुणन से पहले जो कुछ भी हमारे पास था, वह 1.4 गुना बढ़ गया। तो, इसका क्या मतलब था? इसका मतलब था कि EMCCD ज़्यादा संवेदनशील था, लेकिन सिर्फ़ कम रोशनी में, और यही तो ज़रूरत होती है ना?
एक पारंपरिक सीसीडी के सामने, यह कोई मुकाबला नहीं था। बड़े पिक्सल, ज़्यादा क्यूई, ईएम गेन। और हम सब खुश थे, खासकर कैमरा बेचने वाले: $40,000, कृपया...
एकमात्र चीज जिसके साथ हम और अधिक कर सकते थे, वह थी गति, सेंसर क्षेत्र, और (हमें नहीं पता था कि यह संभव है) छोटा पिक्सेल आकार।
फिर निर्यात नियंत्रण और अनुपालन की बात आई, और वह मज़ेदार नहीं था। पता चला कि एकल अणुओं को ट्रैक करना और रॉकेटों को ट्रैक करना एक जैसे हैं, और कैमरा कंपनियों और उनके ग्राहकों को कैमरों की बिक्री और निर्यात पर नियंत्रण रखना पड़ा।
फिर sCMOS आया, जिसने दुनिया को वादे करके शुरुआत की और अगले 10 सालों में लगभग उसे पूरा भी कर दिखाया। छोटे पिक्सल लोगों को 6.5 माइक्रोन का वह आकार दे रहे थे जो उन्हें 60x ऑब्जेक्टिव के लिए पसंद था और वह भी लगभग 1.5 इलेक्ट्रॉनों के कम रीड नॉइज़ के साथ। यह पूरी तरह से EMCCD तो नहीं था, लेकिन उस समय की तुलनात्मक CCD तकनीक के 6 इलेक्ट्रॉनों के मुकाबले यह कमाल का था।
शुरुआती sCMOS अभी भी फ्रंट-इल्युमिनेटेड थे। लेकिन 2016 में बैक-इल्युमिनेटेड sCMOS आ गए, और इन्हें मूल फ्रंट-इल्युमिनेटेड संस्करणों की तुलना में और भी ज़्यादा संवेदनशील बनाने के लिए इनमें 11-माइक्रोन पिक्सेल थे। QE बूस्ट और पिक्सेल साइज़ में वृद्धि के साथ, ग्राहकों को लगा कि उन्हें 3.5 गुना ज़्यादा फ़ायदा हो गया है।
अंततः, 2021 में उप-इलेक्ट्रॉन रीड शोर टूट गया, कुछ कैमरों में यह 0.25 इलेक्ट्रॉन तक कम हो गया - EMCCD के लिए यह सब खत्म हो गया।
या ये था ...
खैर, समस्या अभी भी पिक्सेल आकार की है। आप ऑप्टिकली जो चाहें कर सकते हैं, लेकिन उसी सिस्टम पर, 4.6-माइक्रोन पिक्सेल, 16-माइक्रोन पिक्सेल की तुलना में 12 गुना कम प्रकाश एकत्र करता है।
अब आप बिन कर सकते हैं, लेकिन याद रखें कि सामान्य CMOS के साथ बिनिंग करने पर नॉइज़ बिनिंग फ़ैक्टर के एक फंक्शन के अनुसार बढ़ जाता है। इसलिए ज़्यादातर लोग अपने 6.5-माइक्रोन पिक्सल से खुश हैं और सोचते हैं कि वे अपनी संवेदनशीलता को बिन कर सकते हैं, लेकिन वे अपने रीड नॉइज़ को दोगुना करके 3 इलेक्ट्रॉन कर रहे हैं।
भले ही शोर को कम किया जा सके, लेकिन पिक्सेल आकार और उस मामले में पूर्ण वेल, अभी भी वास्तविक सिग्नल संग्रहण के लिए एक समझौता है।
दूसरी बात है गेन और कंट्रास्ट - ज़्यादा ग्रे होने और सिग्नल को छोटा-छोटा करने से बेहतर कंट्रास्ट मिलता है। शोर तो वही हो सकता है, लेकिन जब आप CMOS में हर इलेक्ट्रॉन के लिए सिर्फ़ 2 ग्रे दिखाते हैं, तो सिग्नल के सिर्फ़ 5 इलेक्ट्रॉन होने पर आपके पास ज़्यादा कुछ करने को नहीं होता।
आखिर में, शटरिंग के बारे में क्या? कभी-कभी मुझे लगता है कि हम भूल जाते हैं कि EMCCD में यह कितना शक्तिशाली उपकरण था: ग्लोबल शटर वाकई मददगार होते हैं और बहुत हल्के और तेज़ होते हैं, खासकर जटिल बहु-घटक प्रणालियों में।
512 x 512 EMCCD सेंसर के आस-पास आने वाला एकमात्र sCMOS कैमरा, एरीज़ 16 है। यह 16-माइक्रोन पिक्सल से शुरू होता है और बिना किसी बाइन के 0.8 इलेक्ट्रॉन रीड नॉइज़ प्रदान करता है। 5 फोटॉन (प्रति 16-माइक्रोन पिक्सल) से अधिक के सिग्नल के लिए, मुझे लगता है कि यह अब तक का सबसे अच्छा कैमरा है और इसकी कीमत भी लगभग आधी है।
तो क्या EMCCD खत्म हो गया है? नहीं, और यह तब तक नहीं मरेगा जब तक हमें फिर से कुछ उतना अच्छा नहीं मिल जाता। समस्या तो यही है कि ये सारी समस्याएँ हैं: अत्यधिक शोर, गेन एजिंग, निर्यात नियंत्रण...
अगर EMCCD तकनीक एक हवाई जहाज़ होती, तो वह कॉनकॉर्ड होता। इसे उड़ाने वाले सभी लोग इसे पसंद करते थे, लेकिन शायद उन्हें इसकी ज़रूरत नहीं थी और अब बड़ी सीटों और फ़्लैटबेड के साथ - अटलांटिक के उस पार बस तीन घंटे और सो सकते हैं।
कॉनकॉर्ड के विपरीत, EMCCD अभी भी जीवित है क्योंकि कुछ लोगों को - एक छोटी, लगातार घटती संख्या में - अभी भी इसकी ज़रूरत है। या शायद उन्हें लगता है कि उन्हें इसकी ज़रूरत है?
सबसे महंगी और जटिल, व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली इमेजिंग तकनीक, EMCCD का इस्तेमाल करने से आप कोई खास या इमेजिंग विशेषज्ञ नहीं बन जाते - आप बस कुछ अलग कर रहे हैं। और अगर आपने बदलाव की कोशिश नहीं की है, तो शायद आपको करनी चाहिए।
