24.05.22.EMCCD senzori bili su otkriće: povećajte osjetljivost smanjenjem šuma očitavanja. Pa, gotovo realnije, povećavali smo signal kako bi šum očitavanja izgledao manji.
I voljeli smo ih, odmah su pronašli dom u radu s niskim signalima poput pojedinačnih molekula i spektroskopije, a zatim su se proširili među dobavljačima mikroskopskih sustava za stvari poput rotirajućeg diska, superrezolucije i dalje. A onda smo ih uništili. Ili jesmo?
EMCCD tehnologija ima svoju povijest s dva ključna dobavljača: e2V i Texas Instruments. E2V, sada Teledyne e2V, započeo je s ranim senzorima krajem 1990-ih, ali je napravio pravi napredak s najprihvaćenijom varijantom, koja ima niz od 512 x 512 s pikselima od 16 mikrona.
Ovaj početni i vjerojatno najdominantniji EMCCD senzor imao je stvarni utjecaj, a polovica toga bila je zapravo veličina piksela. Pikseli od 16 mikrona na mikroskopu skupljali su 6 puta više svjetlosti od najpopularnijeg CCD-a tog vremena, ICX285, koji se nalazio u popularnim serijama CoolSnap i Orca. Osim veličine piksela, ovi uređaji imali su pozadinsko osvjetljenje, pretvarajući 30% više fotona, uzimajući tu 6 puta veću osjetljivost na 7.
Dakle, efektivno je EMCCD bio 7 puta osjetljiviji prije nego što smo ga uopće uključili i osjetili utjecaj EMCCD pojačanja. Naravno, možete tvrditi da biste mogli isključiti CCD ili koristiti optiku za stvaranje većih piksela - samo što većina ljudi to nije učinila!
Osim toga, ključno je bilo smanjiti šum očitavanja ispod 1 elektrona. Bilo je ključno, ali nije bilo besplatno. Proces množenja povećao je nesigurnost mjerenja signala, što znači da su šum sačme, tamna struja i sve ostalo što smo imali prije množenja povećani za faktor 1,4. Dakle, što je to značilo? Pa, značilo je da je EMCCD bio osjetljiviji, ali samo pri slabom osvjetljenju, pa, to je otprilike vrijeme kada vam je potreban, zar ne?
Protiv klasičnog CCD-a, nije bilo konkurencije. Veliki pikseli, više kvantne regeneracije, EM pojačanje. I svi smo bili sretni, posebno oni od nas koji prodaju kamere: 40.000 dolara, molim...
Jedino s čime smo mogli više napraviti bile su brzina, površina senzora i (ne da smo znali da je to moguće) manja veličina piksela.
Zatim su došle kontrole izvoza i usklađenost, a to nije bilo zabavno. Ispostavilo se da je praćenje pojedinačnih molekula i praćenje raketa slično, a tvrtke koje proizvode kamere i njihovi kupci morali su kontrolirati prodaju i izvoz kamera.
Zatim se pojavio sCMOS, koji je svijetu obećao - a zatim ga je tijekom sljedećih 10 godina gotovo i isporučio. Manji pikseli dali su ljudima 6,5 mikrona koje su voljeli za objektive s 60x uvećanjem, a sve to s nižim šumom očitavanja od oko 1,5 elektrona. Ovo nije bilo baš EMCCD, ali u usporedbi sa 6 elektrona usporedive CCD tehnologije tog vremena bilo je nevjerojatno.
Početni sCMOS-ovi su još uvijek bili osvijetljeni sprijeda. No, 2016. godine stigao je sCMOS sa stražnjim osvjetljenjem, koji je, kako bi izgledao još osjetljiviji u odnosu na originalne verzije s prednjim osvjetljenjem, imao piksele od 11 mikrona. S QE pojačanjem i povećanjem veličine piksela, kupci su osjećali kao da imaju 3,5x prednost.
Konačno, 2021. godine šum očitavanja ispod elektrona je prekinut, a neke kamere su postigle samo 0,25 elektrona - za EMCCD je sve bilo gotovo.
Ili je to bilo...
Pa, dio problema je i dalje veličina piksela. Opet, optički možete raditi što god želite, ali na istom sustavu, piksel od 4,6 mikrona skuplja 12 puta manje svjetlosti od piksela od 16 mikrona.
Sada biste mogli binirati, ali zapamtite da binning s normalnim CMOS-om povećava šum za funkciju faktora binninga. Dakle, većina ljudi je zadovoljna sa svojim pikselima od 6,5 mikrona misleći da mogu binirati kako bi povećali osjetljivost, ali udvostručuju svoj šum čitanja na 3 elektrona.
Čak i ako se šum može smanjiti, veličina piksela, pa i sama slika, i dalje su kompromis za stvarno prikupljanje signala.
Druga stvar je pojačanje i kontrast – više sivih tonova i manje usitnjavanje signala daje bolji kontrast. Možete imati isti šum, ali kada s CMOS-om prikazujete samo 2 sive za svaki elektron, nemate se s čime puno igrati kada imate samo 5 elektrona signala.
Konačno, što je s oplatama? Ponekad mislim da zaboravljamo koliko je to bio moćan alat u EMCCD-u: globalne oplate stvarno pomažu i vrlo su lagane i brze, posebno u kompliciranim višekomponentnim sustavima.
Jedina sCMOS kamera koju sam vidio koja se i blizu približava EMCCD senzoru od 512 x 512 je Aries 16. Počinje s pikselima od 16 mikrona i isporučuje 0,8 elektrona šuma čitanja bez potrebe za grupiranjem. Za signale od preko 5 fotona (po pikselu od 16 mikrona), mislim da je najbolja koju sam ikad vidio i otprilike upola jeftinija.
Dakle, je li EMCCD mrtav? Ne, i neće stvarno umrijeti dok opet ne dobijemo nešto tako dobro. Problem su, pa, svi problemi: prekomjerna buka, starenje pojačanja, kontrola izvoza...
Da je EMCCD tehnologija avion, bio bi to Concord. Svi koji su njime letjeli voljeli su ga, ali vjerojatno im nije trebao, a sada s većim sjedalima i ravnim krevetima - samo prespavajte ta dodatna 3 sata preko Atlantika.
EMCCD, za razliku od Concorda, još uvijek postoji jer ga neki ljudi - mali, sve manji broj - još uvijek trebaju. Ili možda samo misle da im je potreban?
Korištenje EMCCD-a, najskuplje i najkompliciranije široko korištene tehnologije snimanja, ne čini vas posebnima ili stručnjakom za snimanje - samo radite nešto drugačije. A ako niste pokušali promijeniti se, vjerojatno biste trebali.
