Tanggal 24/05/22Sensor EMCCD adalah sebuah pencerahan: tingkatkan sensitivitas Anda dengan mengurangi noise pembacaan. Yah, hampir, lebih realistisnya, kami meningkatkan sinyal agar noise pembacaan Anda tampak lebih kecil.
Dan kami mencintai mereka, mereka langsung menemukan tempat di pekerjaan sinyal rendah seperti molekul tunggal dan spektroskopi, lalu menyebar di antara penyedia sistem mikroskop untuk hal-hal seperti cakram putar, resolusi super, dan seterusnya. Lalu kami mematikan mereka. Atau benarkah?
Teknologi EMCCD memiliki sejarah dengan dua pemasok utama: e2V dan Texas Instruments. E2V, yang kini bernama Teledyne e2V, memulai pengembangan ini dengan sensor-sensor awal menjelang akhir tahun 1990-an, tetapi mencapai kemajuan pesat dengan varian yang paling diterima, yaitu array beresolusi 512 x 512 piksel dengan 16 mikron.
Sensor EMCCD pertama, dan mungkin yang paling dominan, ini memberikan dampak nyata, dan setengahnya sebenarnya adalah ukuran piksel. Piksel 16 mikron pada mikroskop mengumpulkan cahaya 6 kali lebih banyak daripada CCD paling populer saat itu, ICX285, yang terdapat dalam seri CoolSnap dan Orca yang populer. Selain ukuran piksel, perangkat ini juga mendapatkan iluminasi balik yang mengonversi 30% lebih banyak foton, sehingga sensitivitasnya yang 6 kali lebih besar menjadi 7 kali lipat.
Jadi, efektifnya, EMCCD 7 kali lebih sensitif bahkan sebelum kami menyalakannya dan merasakan dampak penguatan EMCCD. Tentu saja, Anda bisa berargumen bahwa CCD bisa dibuang, atau Anda bisa menggunakan optik untuk menghasilkan ukuran piksel yang lebih besar – hanya saja kebanyakan orang tidak melakukannya!
Selain itu, mendapatkan noise pembacaan di bawah 1 elektron adalah kuncinya. Memang kuncinya, tapi tidak gratis. Proses perkalian meningkatkan ketidakpastian pengukuran sinyal, yang berarti noise tembakan, arus gelap, dan apa pun yang kita miliki sebelum perkalian meningkat sebesar 1,4 kali lipat. Jadi, apa artinya itu? Artinya, EMCCD lebih sensitif, tetapi hanya pada kondisi cahaya redup. Ya, itulah saat kita membutuhkannya, kan?
Melawan CCD klasik, hasilnya tak tertandingi. Piksel besar, QE lebih tinggi, EM Gain. Dan kami semua senang, terutama kami yang bergerak di bidang penjualan kamera: $40.000, ya...
Satu-satunya hal yang dapat kami lakukan lebih baik adalah kecepatan, luas sensor, dan (meskipun kami tidak tahu itu mungkin) ukuran piksel yang lebih kecil.
Kemudian kontrol dan kepatuhan ekspor muncul, dan itu tidak menyenangkan. Ternyata pelacakan molekul tunggal dan pelacakan roket itu serupa, dan perusahaan kamera serta pelanggan mereka harus mengendalikan penjualan dan ekspor kamera.
Kemudian sCMOS hadir, awalnya menjanjikan dunia—dan kemudian hampir mewujudkannya selama 10 tahun berikutnya. Piksel yang lebih kecil menghasilkan 6,5 mikron yang mereka sukai untuk lensa objektif 60x, dan semuanya dengan noise baca yang lebih rendah, sekitar 1,5 elektron. Memang ini belum sepenuhnya EMCCD, tetapi dibandingkan dengan 6 elektron pada teknologi CCD komparatif saat itu, hasilnya sungguh menakjubkan.
sCMOS awal masih menggunakan iluminasi depan. Namun, pada tahun 2016, sCMOS iluminasi belakang hadir, dan agar tampak lebih sensitif dibandingkan versi iluminasi depan aslinya, sCMOS ini memiliki piksel 11 mikron. Dengan peningkatan QE dan ukuran piksel, pelanggan merasa memiliki keunggulan 3,5 kali lipat.
Akhirnya, pada tahun 2021, gangguan pembacaan subelektron dipecahkan dengan beberapa kamera mendapatkan hingga serendah 0,25 elektron - semuanya berakhir untuk EMCCD.
Atau apakah itu...
Nah, sedikit masalahnya masih terletak pada ukuran piksel. Sekali lagi, Anda bisa melakukan apa pun yang Anda inginkan secara optik, tetapi pada sistem yang sama, piksel 4,6 mikron mengumpulkan cahaya 12 kali lebih sedikit daripada piksel 16 mikron.
Anda bisa melakukan binning, tetapi ingat bahwa binning dengan CMOS normal meningkatkan noise berdasarkan fungsi faktor binning. Jadi, kebanyakan orang puas dengan piksel 6,5 mikron mereka karena mengira mereka bisa melakukan binning untuk mencapai sensitivitas, tetapi noise pembacaannya justru meningkat dua kali lipat menjadi 3 elektron.
Sekalipun noise dapat dikurangi, ukuran piksel, dan hal itu sepenuhnya, tetap merupakan kompromi untuk pengumpulan sinyal nyata.
Hal lainnya adalah gain dan kontras – memiliki lebih banyak warna abu-abu dan memotong sinyal lebih kecil memang menghasilkan kontras yang lebih baik. Anda bisa mendapatkan noise yang sama, tetapi ketika Anda hanya menampilkan 2 warna abu-abu untuk setiap elektron dengan CMOS, Anda tidak akan mendapatkan banyak hal untuk dimainkan ketika hanya memiliki 5 elektron sinyal.
Terakhir, bagaimana dengan bekistingnya? Terkadang saya pikir kita lupa betapa hebatnya alat ini di EMCCD: global shutter memang sangat membantu dan sangat ringan serta efisien dalam kecepatan, terutama dalam sistem multi-komponen yang rumit.
Satu-satunya kamera sCMOS yang pernah saya lihat yang mendekati sensor EMCCD 512 x 512 adalah Aries 16. Kamera ini dimulai dengan piksel 16 mikron dan menghasilkan derau baca 0,8 elektron tanpa perlu bin. Untuk sinyal di atas 5 foton (per piksel 16 mikron), menurut saya ini yang terbaik yang pernah saya lihat dan harganya sekitar setengahnya.
Jadi, apakah EMCCD sudah mati? Tidak, dan EMCCD tidak akan benar-benar mati sampai kita mendapatkan sesuatu yang sebagus itu lagi. Masalahnya, yah, semua masalahnya: kebisingan yang berlebihan, penuaan gain, kontrol ekspor...
Jika teknologi EMCCD adalah sebuah pesawat, itu pasti Concord. Semua orang yang menerbangkannya menyukainya, tetapi mereka mungkin tidak membutuhkannya dan sekarang dengan kursi yang lebih besar dan tempat tidur datar – tidurlah selama 3 jam ekstra melintasi Atlantik.
EMCCD, tidak seperti Concord, masih bertahan karena sebagian orang—yang jumlahnya kecil dan terus berkurang—masih membutuhkannya. Atau mungkin mereka hanya berpikir demikian?
Menggunakan EMCCD, teknologi pencitraan paling mahal dan rumit yang paling banyak digunakan, tidak menjadikan Anda istimewa, atau ahli pencitraan—Anda hanya melakukan sesuatu yang berbeda. Dan jika Anda belum mencoba berubah, mungkin Anda harus mencobanya.
