2022.05.24.Az EMCCD szenzorok felfedezést jelentettek: növelheted az érzékenységet az olvasási zaj csökkentésével. Nos, szinte, realisztikusabban, növeltük a jelet, hogy az olvasási zaj kisebbnek tűnjön.
És szerettük őket, azonnal otthonra leltek az alacsony jelszintű munkákban, mint például az egymolekulás és spektroszkópiai vizsgálatok, majd elterjedtek a mikroszkóprendszer-gyártók körében olyan dolgokhoz, mint a forgó korong, a szuperfelbontás és azon túl. Aztán megöltük őket. Vagy mégsem?
Az EMCCD technológia története két fő beszállítóval fűződik az e2V-hez és a Texas Instrumentshez. Az E2V, ma már Teledyne e2V, az 1990-es évek vége felé kezdte meg a korai érzékelőkkel való fejlesztését, de igazi előrelépést a legelfogadottabb változattal ért el, amely 512 x 512 felbontású, 16 mikronos pixelekből álló tömböt tartalmazott.
Ez a kezdeti, és valószínűleg a legdominánsabb EMCCD-érzékelő valódi hatást gyakorolt, és ennek a fele valójában pixelméretű volt. A mikroszkóp 16 mikronos pixelei hatszor több fényt gyűjtöttek össze, mint az akkori legnépszerűbb CCD, az ICX285, amely a népszerű CoolSnap és Orca sorozatokban is szerepelt. A pixelméreten túl ezek az eszközök hátsó megvilágításúak voltak, így 30%-kal több fotont konvertáltak, így a hatszor nagyobb érzékenység 7-es értékre csökkent.
Tehát az EMCCD gyakorlatilag hétszer érzékenyebb volt, mielőtt egyáltalán bekapcsoltuk volna és tapasztaltuk volna az EMCCD erősítésének hatását. Persze lehet azzal érvelni, hogy a CCD-t ki lehetne iktatni, vagy optikát lehetne használni nagyobb pixelméretek létrehozására – csak a legtöbb ember nem tette meg!
Ezen túlmenően kulcsfontosságú volt az 1 elektronnál kisebb olvasási zaj elérése. Kulcsfontosságú volt, de nem volt ingyenes. A szorzási folyamat növelte a jelmérés bizonytalanságát, ami azt jelentette, hogy a lövési zaj, a sötétáram és minden más, ami a szorzás előtt volt, 1,4-szeresére nőtt. Szóval, mit jelentett ez? Nos, azt jelentette, hogy az EMCCD érzékenyebb volt, de csak gyenge fényviszonyok mellett, nos, ilyenkor van rá szükség, nem?
Egy klasszikus CCD-vel szemben nem volt verseny. Nagy pixelek, több kvantum-ekvivalens, elektromágneses erősítés. És mindannyian boldogok voltunk, különösen azok, akik a kameraeladásoknál dolgoztunk: 40 000 dollár, kérem szépen...
Az egyetlen dolog, amivel többet tehettünk volna, a sebesség, az érzékelő területe és (nem mintha tudtuk volna, hogy lehetséges) a kisebb pixelméret volt.
Aztán jöttek az exportellenőrzések és a megfelelőség, és ez nem volt kellemes. Kiderült, hogy az egyes molekulák és a rakéták nyomon követése hasonló, és a kameragyártóknak és ügyfeleiknek kellett ellenőrizniük a kameraeladásokat és -exportot.
Aztán jött az sCMOS, amely azzal kezdte, hogy ígéretet tett a világnak – majd a következő 10 évben majdnem be is váltotta. A kisebb pixelek megadták az embereknek a 6,5 mikronos méretet, amit szerettek a 60x-os objektívekhez, és mindezt alacsonyabb, körülbelül 1,5 elektronos olvasási zajjal. Ez még nem egészen EMCCD volt, de a korabeli összehasonlítható CCD-technológia 6 elektronjához képest lenyűgöző volt.
A kezdeti sCMOS-ok még elölről megvilágítottak voltak. De 2016-ban megjelentek a hátulról megvilágított sCMOS-ok, és hogy még érzékenyebbnek tűnjenek az eredeti elölről megvilágított verziókhoz képest, 11 mikronos pixelekkel rendelkeztek. A QE-növekedéssel és a pixelméret növekedésével a vásárlók úgy érezték, hogy 3,5-szeres előnyük van.
Végül 2021-ben megszűnt a szubelektron leolvasási zaj, egyes kamerák akár 0,25 elektront is elkaptak – az EMCCD számára mindennek vége volt.
Vagy az volt...
Nos, a probléma továbbra is a pixelmérettel van. Optikailag azt csinálsz, amit akarsz, de ugyanazon a rendszeren egy 4,6 mikronos pixel 12-szer kevesebb fényt gyűjt össze, mint egy 16 mikronos.
Most már binnelhetsz, de ne feledd, hogy a normál CMOS-szal történő binnelés a binnelési tényező függvényében növeli a zajt. Tehát a legtöbb ember elégedett a 6,5 mikronos pixeleivel, azt gondolva, hogy binneléssel elérhetik az érzékenységet, de ezzel megduplázzák az olvasási zajt 3 elektronra.
Még ha a zaj csökkenthető is, a pixelméret, és igazából az is, hogy ez így van, továbbra is kompromisszumot jelent a valódi jelgyűjtés szempontjából.
A másik dolog az erősítés és a kontraszt – több szürkeárnyalat és a jel kisebbre vágása jobb kontrasztot eredményez. Ugyanaz a zaj lehet, de ha egy CMOS-ban elektrononként csak 2 szürkeárnyalatot jelenítesz meg, akkor nincs sok játéklehetőséged, ha csak 5 elektronnyi jel van.
Végül, mi a helyzet a zsaluzattal? Néha azt hiszem, elfelejtjük, milyen hatékony eszköz volt ez az EMCCD-ben: a globális zsaluzatok valóban segítenek, és nagyon könnyűek és gyorsak, különösen a bonyolult, többkomponensű rendszerekben.
Az egyetlen sCMOS kamera, ami akár csak megközelíti is az 512 x 512-es EMCCD érzékelőt, az Aries 16. Ez 16 mikronos pixelekkel kezdődik, és 0,8 elektronnyi olvasási zajt biztosít bináris bontás nélkül. 5 foton feletti jelek esetén (16 mikronos pixelenként) szerintem ez a legjobb, amit valaha láttam, és körülbelül a fele annyiba kerül.
Szóval az EMCCD halott? Nem, és nem is fog igazán meghalni, amíg valami igazán jót nem kapunk újra. A probléma az, nos, az összes probléma: a túlzott zaj, az erősítés öregedése, az exportellenőrzések...
Ha az EMCCD technológia repülőgép lenne, az egy Concord lenne. Mindenki, aki repült vele, imádta, de valószínűleg nem volt rá szükségük, és most a nagyobb üléseknek és a lapos ágyaknak köszönhetően – csak aludják azt a plusz 3 órát az Atlanti-óceánon át.
Az EMCCD, a Concorddal ellentétben, azért létezik még mindig, mert néhány embernek – egy kis, egyre csökkenő számban – még mindig szüksége van rá. Vagy talán csak azt hiszik, hogy szükségük van rá?
Az EMCCD, a legdrágább és legbonyolultabb, széles körben használt képalkotó technológia használata nem tesz valakit különlegessé vagy képalkotó szakértővé – csupán valami mást csinál. És ha eddig nem próbált változtatni, akkor valószínűleg kellene.
