24/05/22חיישני EMCCD היו גילוי: הגבירו את הרגישות על ידי הפחתת רעש הקריאה. ובכן, כמעט, באופן מציאותי יותר, הגברנו את האות כדי לגרום לרעש הקריאה להיראות קטן יותר.
ואהבנו אותם, הם מצאו בית מיידי עם עבודה עם אותות נמוכים כמו מולקולה בודדת וספקטרוסקופיה ואז התפשטו בין ספקי מערכות מיקרוסקופ לדברים כמו דיסק מסתובב, רזולוציה-על ועוד. ואז הרגנו אותם. או שמא לא?
לטכנולוגיית EMCCD יש היסטוריה משלה עם שני ספקים מרכזיים: e2V ו-Texas Instruments. E2V, כיום Teledyne e2V, החלה את תהליך הפיתוח עם חיישנים מוקדמים לקראת סוף שנות ה-90, אך עשתה צעדים משמעותיים עם הגרסה המקובלת ביותר, בעלת מערך של 512 x 512 עם פיקסלים של 16 מיקרון.
חיישן EMCCD הראשוני הזה, וכנראה הדומיננטי ביותר, השפיע רבות, וחצי מזה נבע מגודל הפיקסלים. פיקסלים של 16 מיקרון במיקרוסקופ אספו פי 6 יותר אור מאשר ה-CCD הפופולרי ביותר באותה תקופה, ה-ICX285, שהופיע בסדרות הפופולריות CoolSnap ו-Orca. מעבר לגודל הפיקסלים, התקנים אלה היו מוארים לאחור, מה שהמיר 30% יותר פוטונים, מה שהביא את הרגישות הגבוהה פי 6 ל-7.
אז למעשה, EMCCD היה רגיש פי 7 עוד לפני שהפעלנו אותו והבנו את ההשפעה של שבח EMCCD. עכשיו כמובן שאפשר לטעון שאפשר לרוקן את ה-CCD, או שאפשר להשתמש באופטיקה כדי ליצור פיקסלים גדולים יותר - פשוט רוב האנשים לא עשו זאת!
מעבר לכך, קבלת רעש קריאה מתחת לאלקטרון אחד הייתה קריטית. זה היה קריטי, אבל זה לא היה בחינם. תהליך ההכפלה הגביר את אי הוודאות של מדידת האות, כלומר רעש הצילום, זרם החושך וכל דבר אחר שהיה לנו לפני ההכפלה הוגדל פי 1.4. אז מה זה אומר? ובכן, זה אומר ש-EMCCD היה רגיש יותר אבל רק בתאורה חלשה, ובכן זה בערך הזמן שצריך את זה, נכון?
מול CCD קלאסי, לא היה תחרות. פיקסלים גדולים, יותר QE, EM Gain. וכולנו היינו מרוצים, במיוחד אלה מאיתנו שמוכרים מצלמות: 40,000 דולר, בבקשה...
הדברים היחידים שיכולנו לעשות איתם יותר היו מהירות, שטח חיישן, ו(לא שידענו שזה אפשרי) גודל פיקסל קטן יותר.
ואז הגיעו בקרות יצוא ותאימות, וזה לא היה כיף. מסתבר שמעקב אחר מולקולות בודדות ומעקב אחר רקטות דומים, וחברות מצלמות ולקוחותיהן היו צריכים לשלוט במכירות וביצוא של מצלמות.
ואז הגיע sCMOS, שהחל בהבטחה לעולם - ובמהלך 10 השנים הבאות כמעט סיפק אותה. פיקסלים קטנים יותר שנותנים לאנשים את 6.5 המיקרונים שהם אהבו עבור מטרות 60x, וכל זאת עם רעש קריאה נמוך יותר של כ-1.5 אלקטרונים. עכשיו, זה לא היה ממש EMCCD, אבל לעומת 6 האלקטרונים של טכנולוגיית CCD היחסית של אותה תקופה, זה היה מדהים.
גרסאות ה-sCMOS הראשוניות עדיין היו בעלות תאורה קדמית. אבל בשנת 2016 הגיעו גרסאות sCMOS בעלות תאורה אחורית, וכדי לגרום להן להיראות רגישות עוד יותר לגרסאות המקוריות עם תאורה קדמית, היו להן פיקסלים של 11 מיקרון. עם הגברת ה-QE והגדלת גודל הפיקסלים, הלקוחות הרגישו שיש להם יתרון של פי 3.5.
לבסוף, בשנת 2021 רעש קריאת התת-אלקטרונים נשבר, כאשר חלק מהמצלמות הגיעו ל-0.25 אלקטרונים בלבד - הכל נגמר עבור EMCCD.
או שמא זה היה...
ובכן, חלק מהבעיה עדיין היא גודל הפיקסל. שוב, מבחינה אופטית, אפשר לעשות מה שרוצים, אבל באותה מערכת, פיקסל של 4.6 מיקרון אוסף פי 12 פחות אור מפיקסל של 16 מיקרון.
עכשיו אפשר לשלב בין פקסים (bin), אבל זכרו ש-binning עם CMOS רגיל מגביר את הרעש בהתאם לגורם ה-binning. אז רוב האנשים מרוצים מהפיקסלים שלהם בגודל 6.5 מיקרון וחושבים שהם יכולים לשלב בין פקסים (bin) כדי להגיע לרגישות, אבל הם מכפילים את רעש הקריאה שלהם ל-3 אלקטרונים.
אפילו אם ניתן להפחית את הרעש, גודל הפיקסל, ובכלל, מהווה עדיין פשרה לאיסוף אותות אמיתי.
הדבר השני הוא הרווח והניגודיות - יותר גווני אפור וקיצוץ האות קטן יותר אכן נותן ניגודיות טובה יותר. אפשר לקבל את אותו הרעש אבל כשמציגים רק 2 גווני אפור לכל אלקטרון עם CMOS אין הרבה עם מה לשחק כשיש רק 5 אלקטרונים של אות.
לבסוף, מה לגבי התריסים? לפעמים אני חושב שאנחנו שוכחים כמה כלי רב עוצמה זה היה ב-EMCCD: תריסים גלובליים באמת עוזרים והם קלים מאוד ויעילים במהירות, במיוחד במערכות מרובות רכיבים מורכבות.
מצלמת ה-sCMOS היחידה שראיתי שמתקרבת אפילו לחיישן EMCCD בגודל 512 x 512 היא ה-Aries 16. היא מתחילה עם פיקסלים של 16 מיקרון ומספקת 0.8 אלקטרונים של רעש קריאה ללא צורך ב-bin. עבור אותות מעל 5 פוטונים (לכל פיקסל של 16 מיקרון), אני חושב שזו הטובה ביותר שראיתי אי פעם ובערך חצי מהמחיר.
אז האם EMCCD מת? לא, והוא לא באמת ימות עד שנקבל שוב משהו כל כך טוב. הבעיה היא, ובכן, כל הבעיות: רעש עודף, הזדקנות רווח, בקרות ייצוא...
אם טכנולוגיית EMCCD הייתה מטוס, זה היה קונקורד. כל מי שטס בה אהב אותה, אבל כנראה שלא היה צריך אותה, ועכשיו עם מושבים גדולים יותר ומשטחי מיטה שטוחים - פשוט ישנו את 3 השעות הנוספות האלה מעבר לאוקיינוס האטלנטי.
EMCCD, בניגוד לקונקורד, עדיין חי משום שחלק מהאנשים - מספר קטן, שהולך ופוחת - עדיין זקוקים לו. או שאולי הם פשוט חושבים שכן?
שימוש ב-EMCCD, טכנולוגיית ההדמיה היקרה והמסובכת ביותר הנמצאת בשימוש נרחב, לא הופך אותך למיוחד, או למומחה הדמיה - אתה פשוט עושה משהו שונה. ואם לא ניסית להשתנות, אז כנראה שכדאי לך לעשות זאת.
