2024/05/22EMCCDセンサーは画期的な技術でした。読み出しノイズを低減することで感度を高めることができたのです。まあ、厳密に言えば、読み出しノイズが小さく見えるように信号強度を高めていたのですが。
そして私たちはそれらを気に入り、単一分子や分光法といった低信号作業にすぐに採用され、その後、スピニングディスク、超解像など、さまざまな用途で顕微鏡システムプロバイダーに広まりました。そして私たちはそれらを葬り去った。いや、本当に葬り去ったのだろうか？
EMCCD技術の歴史は、e2Vとテキサス・インスツルメンツという2つの主要サプライヤーによって築かれてきました。現在テレダインe2Vとなっているe2Vは、1990年代後半に初期のセンサーでこの技術の発展を始めましたが、16ミクロンのピクセルを持つ512×512のアレイを備えた、最も広く受け入れられている方式で真の進歩を遂げました。
この初期の、そしておそらく最も支配的なEMCCDセンサーは大きな影響を与え、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、当時最も普及していたCCDであるICX285（人気のCoolSnapおよびOrcaシリーズに搭載）よりも6倍多くの光を収集しました。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は電源を入れる前から7倍も感度が高く、EMCCDゲインの効果も得られていたということです。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することもできるでしょうが、ほとんどの人はそうしなかっただけです。
さらに、読み出しノイズを1電子以下に抑えることが重要でした。それは重要でしたが、タダではありませんでした。増倍処理によって信号測定の不確実性が増加し、ショットノイズ、暗電流、および増倍前のその他のあらゆる要素が1.4倍に増加しました。では、それはどういう意味だったのでしょうか？つまり、EMCCDは低照度下では感度が高くなったものの、低照度下でのみ感度が高くなったということです。まあ、まさに低照度下でこそ感度が必要になるわけですが。
従来のCCDと比較すると、勝負になりませんでした。大きなピクセル、より高い量子効率、電磁ゲイン。そして私たちは皆満足しました。特にカメラ販売担当者は大喜びでした。「4万ドルください…」
私たちがさらに改善できた点は、速度、センサー面積、そして（可能だとは知らなかったが）ピクセルサイズの縮小だけだった。
その後、輸出規制と法令遵守が求められるようになり、事態は一変した。単一分子の追跡とロケットの追跡は似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ったのだ。
そしてsCMOSが登場し、世界を驚かせるような約束を掲げ、その後10年かけてほぼそれを実現しました。より小さなピクセルによって、60倍対物レンズで人々が愛用していた6.5ミクロンの解像度が実現し、読み出しノイズは約1.5電子と低く抑えられました。これは完全なEMCCDではありませんでしたが、当時の比較対象であるCCD技術の6電子と比較すると、驚くべき進歩でした。
初期のsCMOSは依然として前面照射型だった。しかし2016年に背面照射型sCMOSが登場し、初期の前面照射型よりもさらに感度が高いように見せるため、11ミクロンのピクセルサイズを採用した。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倍の優位性を得たと感じた。
そしてついに2021年、サブ電子レベルの読み出しノイズが破られ、一部のカメラでは0.25電子という低ノイズを実現した。EMCCDの時代は終わった。
それとも…
まあ、問題の一部はやはりピクセルサイズにあります。光学的にやりたいことはできますが、同じシステム上では、4.6ミクロンのピクセルは16ミクロンのピクセルよりも12倍少ない光しか集光しません。
ビンニングを行うこともできますが、通常のCMOSではビンニングによってノイズがビンニング係数に比例して増加することに注意してください。そのため、多くの人は6.5ミクロンのピクセルでビンニングによって感度を上げられると考えていますが、実際には読み出しノイズが3電子に倍増しているのです。
ノイズを低減できたとしても、ピクセルサイズ、ひいてはフルウェルサイズは、実際の信号収集においては依然として妥協点となる。
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。ノイズレベルは同じでも、CMOSセンサーで電子1個あたり2階調しか表示しない場合、信号が5電子しかない状況では、表現の幅が狭くなってしまいます。
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、これがどれほど強力なツールであったかを私たちは時々忘れてしまうように思います。グローバルシャッターは本当に役立ち、特に複雑な多成分システムにおいては、非常に軽量で高速です。
私がこれまで見てきた中で、512×512ピクセルのEMCCDセンサーに匹敵する唯一のsCMOSカメラは、Aries 16です。これは16ミクロンのピクセルサイズから始まり、ビニング処理なしで0.8電子の読み出しノイズを実現しています。16ミクロンピクセルあたり5光子以上の信号であれば、私がこれまで見た中で最高の性能を発揮し、価格も約半分です。
では、EMCCDはもう終わったのでしょうか？いいえ、そして、これほど優れたものが再び登場するまでは、本当には終わらないでしょう。問題は、まあ、あらゆる問題です。過剰なノイズ、ゲインの劣化、輸出規制など…。
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乗り心地を気に入りましたが、おそらく必要ではなかったのでしょう。今では座席が広くなり、フルフラットベッドも備わっているので、大西洋横断の3時間、ただ寝ればいいのです。
EMCCDは、コンコードとは異なり、いまだに存続しているのは、少数の、しかもますます減少している人々がそれを必要としているからだ。あるいは、彼らはそう思っているだけなのかもしれない。
最も高価で複雑な、広く普及している画像処理技術であるEMCCDを使用しているからといって、あなたが特別な存在になったり、画像処理の専門家になったりするわけではありません。単に、これまでとは違うことをしているだけです。もしあなたが変化を試みていないのなら、おそらく試してみるべきでしょう。
