22/05/2024I sensori EMCCD sono stati una rivelazione: aumentare la sensibilità riducendo il rumore di lettura. Beh, quasi, più realisticamente stavamo aumentando il segnale per far sembrare che il rumore di lettura fosse minore.
E noi li adoravamo, trovarono subito applicazione in ambiti come la microscopia a singolo molecola e la spettroscopia, per poi diffondersi tra i fornitori di sistemi di microscopia per applicazioni quali microscopia a disco rotante, super risoluzione e altro ancora. E poi li abbiamo uccisi. O forse no?
La tecnologia EMCCD ha le sue radici in due fornitori chiave: e2V e Texas Instruments. E2V, ora Teledyne e2V, ha dato il via a questo sviluppo 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 da 16 micron.
Questo sensore EMCCD iniziale, e probabilmente il più dominante, ebbe un impatto reale, e metà di questo impatto era dovuto alle dimensioni dei pixel. I pixel da 16 micron di un microscopio raccoglievano 6 volte più luce rispetto al CCD più diffuso all'epoca, l'ICX285, presente nelle popolari serie CoolSnap e Orca. Oltre alle dimensioni dei pixel, questi dispositivi erano retroilluminati, convertendo il 30% in più di fotoni e portando la sensibilità da 6 a 7 volte superiore.
In pratica, l'EMCCD era 7 volte più sensibile ancor prima di accenderlo e di constatare l'impatto del suo guadagno. Ora, ovviamente, si potrebbe obiettare che si sarebbe potuto selezionare i pixel del CCD, oppure utilizzare ottiche per creare pixel più grandi, ma la maggior parte delle persone non lo faceva!
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 significa che il rumore di shot, la corrente di buio e qualsiasi altro valore presente prima della moltiplicazione venivano aumentati di un fattore 1,4. Quindi, cosa significava? Beh, significava che l'EMCCD era più sensibile, ma solo in condizioni di scarsa illuminazione, che è proprio quando serve, no?
Rispetto a un CCD classico, non c'era paragone. Pixel più grandi, maggiore efficienza quantica, guadagno EM. Ed eravamo tutti contenti, soprattutto noi che ci occupavamo delle vendite di fotocamere: 40.000 dollari, per favore...
Le uniche cose che avremmo potuto migliorare erano la velocità, l'area del sensore e (anche se non sapevamo che fosse possibile) una dimensione dei pixel più piccola.
Poi sono arrivati i controlli sulle esportazioni e gli obblighi di conformità, e non è stato affatto piacevole. Si è scoperto che tracciare singole molecole e tracciare razzi sono attività simili, e le aziende produttrici di fotocamere e i loro clienti hanno dovuto controllare le vendite e le esportazioni di dispositivi.
Poi arrivò l'sCMOS, che inizialmente prometteva mari e monti, e nei successivi 10 anni si avvicinò molto a mantenerli. Pixel più piccoli che permisero di raggiungere i 6,5 micron tanto desiderati per gli obiettivi 60x, il tutto con un rumore di lettura inferiore, di circa 1,5 elettroni. Non era ancora EMCCD, ma rispetto ai 6 elettroni della tecnologia CCD dell'epoca era un risultato straordinario.
I primi sensori sCMOS erano ancora a illuminazione frontale. Ma nel 2016 è arrivato l'sCMOS a illuminazione posteriore e, per farlo apparire ancora più sensibile rispetto alle versioni originali a illuminazione frontale, presentava pixel da 11 micron. Grazie all'aumento dell'efficienza quantica e delle dimensioni dei pixel, i clienti percepivano un vantaggio di 3,5 volte.
Infine, nel 2021, il rumore di lettura sub-elettronico è stato superato, con alcune telecamere che hanno raggiunto valori minimi di 0,25 elettroni: per l'EMCCD era finita.
Oppure era...
Beh, parte del problema è ancora legato alla dimensione dei pixel. Certo, si può fare quello che si vuole a livello ottico, ma nello stesso sistema un pixel da 4,6 micron raccoglie 12 volte meno luce di uno da 16 micron.
Ora, si potrebbe ricorrere al binning, ma ricordate che con i normali sensori CMOS il binning aumenta il rumore in funzione del fattore di binning. Quindi, molti sono soddisfatti dei loro pixel da 6,5 micron, pensando di poter aumentare la sensibilità con il binning, ma in realtà raddoppiano il rumore di lettura a 3 elettroni.
Anche se il rumore può essere ridotto, le dimensioni dei pixel, e di conseguenza anche la capacità di accumulo, rappresentano comunque un compromesso per una reale raccolta del segnale.
Un altro aspetto riguarda il guadagno e il contrasto: avere più livelli di grigio e suddividere il segnale in segmenti più piccoli offre un contrasto migliore. Si può avere lo stesso livello di rumore, ma quando si visualizzano solo 2 livelli di grigio per ogni elettrone con un sensore CMOS, non si ha molto margine di manovra quando si hanno solo 5 elettroni di segnale.
Infine, che dire dell'otturatore? A volte penso che ci dimentichiamo di quanto fosse potente questo strumento nell'EMCCD: gli otturatori globali sono davvero utili e risultano molto efficienti in termini di leggerezza e velocità, soprattutto in sistemi complessi multicomponente.
L'unica fotocamera sCMOS che ho visto avvicinarsi al sensore EMCCD da 512 x 512 è l'Aries 16. Questa parte da pixel da 16 micron e offre un rumore di lettura di 0,8 elettroni senza bisogno di binning. Per segnali superiori a 5 fotoni (per pixel da 16 micron), penso 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 è, beh, un insieme di problemi: rumore eccessivo, invecchiamento del guadagno, controlli di esportazione...
Se la tecnologia EMCCD fosse un aereo, sarebbe un Concorde. Tutti coloro che ci hanno volato lo adoravano, ma probabilmente non ne avevano bisogno, e ora, con sedili più grandi e sedili reclinabili, basta dormire quelle 3 ore in più durante la traversata atlantica.
A differenza di Concord, l'EMCCD è ancora in attività perché alcune persone - un numero esiguo e in costante diminuzione - ne hanno ancora bisogno. O forse credono soltanto di averne bisogno?
Utilizzare una telecamera EMCCD, la tecnologia di imaging più costosa e complessa tra quelle più diffuse, non vi rende speciali o esperti nel settore: state semplicemente facendo qualcosa di diverso. E se non avete ancora provato a cambiare, probabilmente dovreste farlo.
