24/05/22EMCCD სენსორები ნამდვილი აღმოჩენა იყო: გაზარდეთ მგრძნობელობა წაკითხვის ხმაურის შემცირებით. უფრო რეალისტურად რომ ვთქვათ, ჩვენ ვზრდიდით სიგნალს, რათა წაკითხვის ხმაური უფრო პატარა ჩანდეს.
და ჩვენ ისინი ძალიან მოგვეწონა, მათ დაუყოვნებლივ იპოვეს ადგილი დაბალი სიგნალის მქონე სამუშაოებში, როგორიცაა ერთმოლეკულა და სპექტროსკოპია, შემდეგ კი გავრცელდნენ მიკროსკოპის სისტემების მომწოდებლებში, როგორიცაა მბრუნავი დისკი, სუპერ გარჩევადობა და სხვა. შემდეგ კი ჩვენ ისინი გავანადგურეთ. თუ არა საერთოდ?
EMCCD ტექნოლოგიას თავისი ისტორია აქვს ორ ძირითად მომწოდებელთან: e2V-თან და Texas Instruments-თან. E2V-მ, ამჟამად Teledyne e2V-მ, ეს პროცესი ადრეული სენსორებით 1990-იანი წლების ბოლოს დაიწყო, მაგრამ რეალურ წინსვლას მიაღწია ყველაზე აღიარებული ვარიანტით, რომელსაც ჰქონდა 512 x 512 მასივი 16 მიკრონი პიქსელით.
ამ საწყის და, ალბათ, ყველაზე დომინანტურ EMCCD სენსორს რეალური გავლენა ჰქონდა და ამ მაჩვენებლის ნახევარი რეალურად პიქსელის ზომა იყო. მიკროსკოპზე 16 მიკრონიანი პიქსელები 6-ჯერ მეტ სინათლეს აგროვებდა, ვიდრე იმ დროის ყველაზე პოპულარული CCD, ICX285, რომელიც პოპულარულ CoolSnap-ისა და Orca სერიებში იყო წარმოდგენილი. პიქსელის ზომის გარდა, ეს მოწყობილობები განათებული იყო 30%-ით მეტი ფოტონის გარდაქმნით, რაც 6-ჯერ მეტ მგრძნობელობას 7-მდე აჰყავდა.
ამგვარად, EMCCD 7-ჯერ უფრო მგრძნობიარე იყო მის ჩართვამდე და EMCCD-ის გაძლიერების ეფექტის მიღებამდე. ახლა, რა თქმა უნდა, შეგიძლიათ იკამათოთ, რომ CCD-ის გადატანა ან ოპტიკის გამოყენება შეიძლებოდა უფრო დიდი პიქსელების შესაქმნელად - უბრალოდ, ადამიანების უმეტესობამ ასე არ მოიქცა!
ამას გარდა, 1 ელექტრონზე ნაკლები ხმაურის მიღება მნიშვნელოვანი იყო. ეს მნიშვნელოვანი იყო, მაგრამ უფასო არ იყო. გამრავლების პროცესმა გაზარდა სიგნალის გაზომვის გაურკვევლობა, რაც იმას ნიშნავს, რომ გასროლის ხმაური, ბნელი დენი და ყველაფერი, რაც გამრავლებამდე გვქონდა, 1.4-ჯერ გაიზარდა. მაშ, რას ნიშნავდა ეს? ეს ნიშნავდა, რომ EMCCD უფრო მგრძნობიარე იყო, მაგრამ მხოლოდ დაბალი განათების პირობებში, ანუ დაახლოებით მაშინ, როცა გჭირდებათ, არა?
კლასიკურ CCD-თან კონკურენცია არ იყო. დიდი პიქსელები, მეტი QE, ელექტრომაგნიტური გაძლიერება. და ყველანი კმაყოფილები ვიყავით, განსაკუთრებით ისინი, ვინც კამერების გაყიდვით ვიყავით დაკავებული: 40,000 დოლარი, გთხოვთ...
მეტის გაკეთება მხოლოდ სიჩქარე, სენსორის ფართობი და (თუმცა არ ვიცოდით, რომ ეს შესაძლებელი იყო) უფრო მცირე პიქსელის ზომა შეგვეძლო.
შემდეგ ექსპორტის კონტროლი და შესაბამისობის დადგენა დაიწყო, რაც სახალისო არ იყო. აღმოჩნდა, რომ ცალკეული მოლეკულების თვალყურის დევნება და რაკეტების თვალყურის დევნება მსგავსია და კამერების მწარმოებელ კომპანიებსა და მათ მომხმარებლებს კამერების გაყიდვებისა და ექსპორტის კონტროლი უწევდათ.
შემდეგ გამოჩნდა sCMOS, თავდაპირველად მსოფლიოსთვის დაპირებით, ხოლო მომდევნო 10 წლის განმავლობაში თითქმის სრულად შეასრულა ეს დაპირება. პატარა პიქსელები ადამიანებს 60-ჯერადი ობიექტივებისთვის სასურველ 6.5 მიკრონს სძენდა და ეს ყველაფერი უფრო დაბალი, დაახლოებით 1.5 ელექტრონის ხმაურით. ეს ზუსტად EMCCD არ იყო, მაგრამ იმდროინდელი შედარებითი CCD ტექნოლოგიის 6 ელექტრონთან შედარებით, ის საოცარი იყო.
საწყისი sCMOS დისპლეები კვლავ წინა განათებით იყო აღჭურვილი. თუმცა, 2016 წელს გამოჩნდა უკანა განათებით აღჭურვილი sCMOS დისპლეები და იმისათვის, რომ ის წინა განათებით ორიგინალ ვერსიებთან შედარებით კიდევ უფრო მგრძნობიარე ყოფილიყო, მას 11 მიკრონიანი პიქსელი ჰქონდა. QE-ს გაძლიერებისა და პიქსელების ზომის გაზრდის წყალობით, მომხმარებლებმა იგრძნეს, რომ მათ 3.5-ჯერ მეტი უპირატესობა ჰქონდათ.
საბოლოოდ, 2021 წელს, ქვეელექტრონული წაკითხვის ხმაური გაქრა და ზოგიერთ კამერაში დონე 0,25 ელექტრონამდე დაეცა - EMCCD-სთვის ყველაფერი დასრულდა.
ან იყო თუ არა...
პრობლემა მაინც პიქსელის ზომაა. ოპტიკურადაც შეგიძლიათ გააკეთოთ ის, რაც გსურთ, მაგრამ იმავე სისტემაზე 4.6 მიკრონიანი პიქსელი 12-ჯერ ნაკლებ სინათლეს აგროვებს, ვიდრე 16 მიკრონიანი.
ახლა შეგიძლიათ ბინირება, მაგრამ გახსოვდეთ, რომ ნორმალური CMOS-ით ბინირება ხმაურს ბინირების კოეფიციენტის ფუნქციით ზრდის. ამგვარად, ადამიანების უმეტესობა კმაყოფილია თავისი 6.5 მიკრონიანი პიქსელებით და ფიქრობს, რომ მათ შეუძლიათ მგრძნობელობის გაზრდა, მაგრამ ისინი აორმაგებენ წაკითხვის ხმაურს 3 ელექტრონამდე.
მაშინაც კი, თუ ხმაურის შემცირება შესაძლებელია, პიქსელის ზომა და, უფრო სწორად, ეს მაინც კომპრომისია რეალური სიგნალის შეგროვებისთვის.
კიდევ ერთი ფაქტორია გაძლიერება და კონტრასტი - მეტი ნაცრისფერი და სიგნალის დაპატარავება უკეთეს კონტრასტს იძლევა. შეიძლება იგივე ხმაური გქონდეთ, მაგრამ როდესაც CMOS-ით თითოეული ელექტრონიდან მხოლოდ 2 ნაცრისფერი ჩანს, დიდი სიამოვნება არ გექნებათ, როდესაც სიგნალის მხოლოდ 5 ელექტრონი გაქვთ.
და ბოლოს, რაც შეეხება ჩამკეტებს? ზოგჯერ მგონია, რომ გვავიწყდება, რამდენად ძლიერი ინსტრუმენტი იყო ეს EMCCD-ში: გლობალური ჩამკეტები ნამდვილად გვეხმარება და ძალიან მსუბუქი და სწრაფია, განსაკუთრებით რთულ მრავალკომპონენტიან სისტემებში.
ერთადერთი sCMOS კამერა, რომელიც მინახავს და 512 x 512 EMCCD სენსორთან ახლოსაც კი აღმოჩნდა, არის Aries 16. ის იწყება 16 მიკრონი პიქსელით და 0.8 ელექტრონის წაკითხვის ხმაურს გამოყოფს, ბინირების საჭიროების გარეშე. 5 ფოტონზე მეტი სიგნალისთვის (თითო 16 მიკრონ პიქსელზე), ვფიქრობ, ეს საუკეთესოა, რაც კი ოდესმე მინახავს და დაახლოებით ნახევარ ფასად.
მაშ, EMCCD მკვდარია? არა, და ის ნამდვილად არ მოკვდება მანამ, სანამ ისევ ასეთ კარგ რამეს არ მივიღებთ. პრობლემა, რა თქმა უნდა, ყველა პრობლემაა: ზედმეტი ხმაური, დაბერება, ექსპორტის კონტროლი...
EMCCD ტექნოლოგია თვითმფრინავი რომ ყოფილიყო, ეს Concord იქნებოდა. ყველას, ვინც ამით იფრინა, ძალიან მოეწონა, თუმცა, ალბათ, არ სჭირდებოდათ და ახლა, უფრო დიდი სავარძლებითა და ბრტყელი საწოლებით, უბრალოდ, ატლანტის ოკეანის გადაღმა დამატებით 3 საათით იძინებთ.
EMCCD, Concord-ისგან განსხვავებით, ჯერ კიდევ არსებობს, რადგან ზოგიერთ ადამიანს - მცირე, მუდმივად კლებად რაოდენობას - ის კვლავ სჭირდება. ან იქნებ უბრალოდ ფიქრობენ, რომ სჭირდებათ?
EMCCD-ის, ყველაზე ძვირადღირებული და რთული, ფართოდ გამოყენებადი ვიზუალიზაციის ტექნოლოგიის, გამოყენება არ გხდით განსაკუთრებულს ან ვიზუალიზაციის ექსპერტს - თქვენ უბრალოდ რაღაც განსხვავებულს აკეთებთ. და თუ არ გიცდიათ შეცვლა, მაშინ ალბათ უნდა ეცადოთ.
