24/05/22I sensori EMCCD sono stati una rivelazione: aumentavano la sensibilità riducendo il rumore di lettura. O meglio, più realisticamente, aumentavamo il segnale per far sembrare più piccolo il rumore di lettura.
E li abbiamo amati, hanno trovato subito impiego nei lavori a basso segnale, come la spettroscopia e la molecola singola, e poi si sono diffusi tra i fornitori di sistemi di microscopia per applicazioni come il disco rotante, la super risoluzione e oltre. E poi li abbiamo uccisi. O forse sì?
La tecnologia EMCCD ha una lunga storia con due fornitori chiave: e2V e Texas Instruments. E2V, ora Teledyne e2V, ha iniziato a svilupparla con i primi sensori verso la fine degli anni '90, ma ha fatto passi da gigante con la variante più diffusa, dotata di una matrice di 512 x 512 pixel con pixel da 16 micron.
Questo sensore EMCCD iniziale, e probabilmente il più diffuso, ebbe un impatto reale, e metà di questo impatto fu dovuto alle dimensioni dei pixel. Pixel da 16 micron su un microscopio raccoglievano 6 volte più luce del CCD più diffuso dell'epoca, l'ICX285, presente nelle popolari serie CoolSnap e Orca. Oltre alle dimensioni dei pixel, questi dispositivi erano retroilluminati, convertendo il 30% di fotoni in più, portando quella sensibilità da 6 a 7 volte.
Quindi, in effetti, l'EMCCD era 7 volte più sensibile prima ancora che lo attivassimo e ne ricavassimo l'impatto del guadagno. Ora, naturalmente, si può sostenere che si potrebbe separare il CCD, o che si potrebbero usare ottiche per creare pixel di dimensioni maggiori, ma la maggior parte delle persone non lo fa!
Oltre a questo, ottenere un rumore di lettura inferiore a 1 elettrone era fondamentale. Era fondamentale, ma non era gratuito. Il processo di moltiplicazione aumentava l'incertezza della misurazione del segnale, il che significava che il rumore di lettura, la corrente di buio e qualsiasi altro dato presente prima della moltiplicazione aumentavano di un fattore 1,4. Quindi, cosa significava? Beh, significava che l'EMCCD era più sensibile, ma solo in condizioni di scarsa illuminazione, beh, è proprio in quel momento che ne hai bisogno, giusto?
Contro un CCD classico, non c'era paragone. Pixel più grandi, più QE, guadagno EM. Ed eravamo tutti contenti, soprattutto quelli di noi che vendevano fotocamere: 40.000 dollari, per favore...
Le uniche cose che avremmo potuto fare di più erano la velocità, l'area del sensore e (non che sapessimo che fosse possibile) una dimensione dei pixel più piccola.
Poi sono arrivati i controlli sulle esportazioni e la conformità, e non è stato divertente. A quanto pare, tracciare singole molecole e tracciare razzi sono operazioni simili, e le aziende produttrici di fotocamere e i loro clienti hanno dovuto controllare le vendite e le esportazioni di fotocamere.
Poi arrivò la tecnologia sCMOS, che inizialmente prometteva il meglio del mondo, per poi, nei successivi 10 anni, quasi realizzarlo. Pixel più piccoli consentivano di raggiungere i 6,5 micron tanto amati per gli obiettivi 60x, il tutto con un rumore di lettura inferiore di circa 1,5 elettroni. Non si trattava ancora di una tecnologia EMCCD (Electronic Motion Detection and Detection), ma rispetto ai 6 elettroni della tecnologia CCD comparativa dell'epoca era sorprendente.
I primi sCMOS erano ancora illuminati frontalmente. Ma nel 2016 è arrivato l'sCMOS retroilluminato, che per apparire ancora più sensibile alle versioni originali illuminate frontalmente aveva pixel da 11 micron. Con l'aumento della QE e delle dimensioni dei pixel, i clienti hanno avuto la sensazione di avere un vantaggio di 3,5 volte.
Infine, nel 2021, il rumore di lettura subelettronico è stato interrotto, con alcune telecamere che hanno raggiunto valori pari a 0,25 elettroni: per l'EMCCD è stata la fine.
Oppure era...
Beh, un po' del problema è ancora la dimensione dei pixel. Anche in questo caso, si può fare quello che si vuole otticamente, ma sullo stesso sistema, un pixel da 4,6 micron raccoglie 12 volte meno luce di uno da 16 micron.
Ora, si potrebbe fare il binning, ma ricordate che il binning con i normali CMOS aumenta il rumore in base al fattore di binning. Quindi, la maggior parte delle persone si accontenta dei propri pixel da 6,5 micron pensando di poter raggiungere la sensibilità desiderata, ma in realtà raddoppia il rumore di lettura a 3 elettroni.
Anche se il rumore può essere ridotto, la dimensione dei pixel, e in generale tutto il resto, rappresentano comunque un compromesso per la raccolta del segnale reale.
L'altro aspetto è il guadagno e il contrasto: avere più grigi e suddividere il segnale in parti più piccole garantisce un contrasto migliore. Si può ottenere lo stesso rumore, ma quando si visualizzano solo 2 grigi per ogni elettrone con un CMOS, non si ha molto con cui giocare quando si hanno solo 5 elettroni di segnale.
Infine, che dire delle otturazioni? A volte penso che dimentichiamo quanto fossero potenti in EMCCD: le otturazioni globali sono davvero utili e sono molto leggere e veloci, soprattutto nei sistemi multicomponente complessi.
L'unica fotocamera sCMOS che abbia mai visto avvicinarsi anche solo lontanamente al sensore EMCCD 512 x 512 è l'Aries 16. Questa parte da pixel da 16 micron e fornisce 0,8 elettroni di rumore di lettura senza bisogno di bin. Per segnali superiori a 5 fotoni (per pixel da 16 micron), penso che sia la migliore che abbia mai visto e costa circa la metà.
Quindi l'EMCCD è morto? No, e non morirà davvero finché non avremo di nuovo qualcosa di altrettanto valido. Il problema sono, beh, tutti i problemi: rumore eccessivo, invecchiamento del guadagno, controlli sulle esportazioni...
Se la tecnologia EMCCD fosse un aereo, sarebbe un Concord. Tutti coloro che l'hanno pilotato lo adoravano, ma probabilmente non ne avevano bisogno e ora, con sedili più grandi e letti completamente reclinabili, basta dormire quelle 3 ore in più attraversando l'Atlantico.
L'EMCCD, a differenza di Concord, è ancora in vita perché alcune persone – un numero piccolo e in continua diminuzione – ne hanno ancora bisogno. O forse credono solo di averne bisogno?
Utilizzare un EMCCD, la tecnologia di imaging più costosa e complessa attualmente in uso, non ti rende speciale o un esperto di imaging: stai solo facendo qualcosa di diverso. E se non hai ancora provato a cambiare, probabilmente dovresti farlo.
