2022年5月24日EMCCDセンサーは画期的な発明でした。読み取りノイズを低減することで感度を向上させることができるのです。正確には、読み取りノイズを小さく見せるために信号を増加させていたと言えるでしょう。
そして私たちはそれらをとても気に入りました。それらは、単一分子や分光法といった低信号分野ですぐに受け入れられ、その後、スピニングディスクや超解像法といった顕微鏡システムプロバイダーの間で広く普及しました。そして、私たちはそれらを廃止しました。本当に廃止したのでしょうか？
EMCCD技術は、e2VとTexas Instrumentsという2つの主要サプライヤーと長い歴史を持っています。E2V（現Teledyne e2V）は、1990年代後半に初期のセンサーでこの技術開発を開始しましたが、最も普及した512 x 512のアレイと16ミクロンのピクセルを備えたバリアントで大きな進歩を遂げました。
この初期の、そしておそらく最も有力なEMCCDセンサーは大きなインパクトを与えましたが、その半分はピクセルサイズによるものでした。顕微鏡の16ミクロンピクセルは、当時最も人気のあるCCDであるICX285（人気のCoolSnapやOrcaシリーズに搭載されていた）の6倍の光を集めました。ピクセルサイズ以外にも、これらのデバイスは裏面照射型で、30%多くの光子を変換し、6倍の感度を7倍に高めました。
つまり、EMCCDは、電源を入れてEMCCDゲインの効果を得る前から、実質的に7倍の感度を持っていたのです。もちろん、CCDをビニングしたり、光学系を使ってピクセルサイズを大きくしたりできると主張する人もいるでしょう。ただ、ほとんどの人はそうしなかったのです！
さらに、読み出しノイズを1電子未満に抑えることが重要でした。確かに重要でしたが、コストはかかりませんでした。増倍プロセスによって信号測定の不確実性が増大し、ショットノイズ、暗電流、そして増倍前のあらゆるデータが1.4倍に増加しました。これはどういう意味でしょうか？つまり、EMCCDの感度は低照度時のみ向上するということです。まあ、低照度時こそ感度が必要な時ですよね？
従来のCCDと比べても、全く遜色ありませんでした。画素が大きく、量子効率が高く、電磁波ゲインも高い。カメラ販売に携わる私たちにとっては特に嬉しい価格でした。「4万ドルでお願いします…」
もっと改善できたのは、速度、センサー領域、そして（可能だとは思っていませんでしたが）ピクセル サイズをもっと小さくすることだけでした。
その後、輸出規制とコンプライアンスが導入され、これは大変なことになりました。単一分子の追跡とロケットの追跡は似通っていることが判明し、カメラメーカーとその顧客はカメラの販売と輸出を管理しなければならなくなりました。
そしてsCMOSが登場し、当初は世界に約束されたように、その後10年かけてほぼ実現しました。ピクセルが小さくなったことで、60倍対物レンズで人々が待ち望んでいた6.5ミクロンの解像度を実現し、読み出しノイズも約1.5電子と低く抑えられました。これはEMCCDとは全く異なる性能でしたが、当時のCCD技術の6電子と比較すると驚異的でした。
初期のsCMOSは依然として表面照射型でした。しかし2016年に裏面照射型のsCMOSが登場し、オリジナルの表面照射型よりもさらに高感度に見えるよう、11ミクロンのピクセルを搭載しました。量子効率の向上とピクセルサイズの拡大により、顧客は3.5倍の優位性を感じました。
ついに 2021 年に、サブ電子の読み取りノイズが解消され、一部のカメラでは 0.25 電子まで低下しました。EMCCD は終わりを迎えました。
それとも…
ええ、まだピクセルサイズが問題の一部です。光学的にやりたいことはできますが、同じシステムでも、4.6ミクロンのピクセルは16ミクロンのピクセルに比べて集光量が12分の1しか集光しません。
ビニングは可能ですが、通常のCMOSでビニングを行うと、ビニング係数に応じてノイズが増加することに注意してください。そのため、6.5ミクロンのピクセルでビニングを行い感度を確保できると考えて満足している人は多いですが、実際には読み出しノイズが3電子に倍増しています。
たとえノイズを削減できたとしても、ピクセル サイズ、さらにはフル ウェルは、実際の信号収集にとって依然として妥協点となります。
もう一つはゲインとコントラストです。グレーの階調数を増やし、信号を細かく分割することで、コントラストが向上します。ノイズは同じでも、CMOSでは1電子あたり2グレーしか表示できないため、信号が5電子しかない場合、あまり活用できません。
最後に、シャッターについてはどうでしょうか？EMCCDにおいて、シャッターがどれほど強力なツールであったかを忘れてしまうことがあるように思います。グローバルシャッターは、特に複雑なマルチコンポーネントシステムにおいて、非常に軽量で高速であるため、非常に役に立ちます。
512 x 512 EMCCDセンサーに匹敵するsCMOSカメラは、私がこれまで見てきた中でAries 16だけです。このカメラは16ミクロンのピクセルから始まり、ビニングなしで0.8電子の読み出しノイズを実現します。5光子（16ミクロンピクセルあたり）以上の信号に対しては、これまで見た中で最高の性能で、価格は約半分です。
では、EMCCDはもう終わりなのでしょうか？いいえ、本当に終わるわけではありません。再び優れた製品が登場するまでは。問題は、過剰なノイズ、ゲインの経年劣化、輸出規制など、あらゆる問題です。
EMCCD技術を飛行機に例えるなら、コンコルドでしょう。搭乗した人は皆、その技術を気に入っていましたが、おそらく必要なかったのでしょう。今では座席も広くなり、フラットベッドも完備。大西洋を渡る間、余分に3時間寝るだけで済むのです。
EMCCDがコンコードと異なり、今もなお存続しているのは、少数ながら、ますます減少している人々を必要としているからだ。それとも、彼らがそう思っているだけなのだろうか？
EMCCDは、最も高価で複雑な、広く普及しているイメージング技術ですが、それを使うからといって、特別な存在になったり、イメージングの専門家になったりするわけではありません。ただ、何か違うことをしているだけです。もし、まだ変化を試していないのであれば、おそらく試してみるべきです。
