2022년 5월 24일EMCCD 센서는 혁신이었습니다. 판독 노이즈를 줄여 감도를 높였습니다. 아니, 거의, 더 현실적으로 말하자면, 신호를 증가시켜 판독 노이즈가 더 작아 보이게 한 것입니다.
그리고 우리는 그것들을 사랑했습니다. 그것들은 단일 분자 및 분광학 같은 저신호 작업에 바로 적용되었고, 그 후 회전 디스크, 초고해상도 등의 분야에 사용되는 현미경 시스템 공급업체들로 퍼져나갔습니다. 그리고 우리는 그것들을 없앴습니다. 아니면 정말 그랬을까요?
EMCCD 기술은 e2V와 Texas Instruments라는 두 주요 공급업체와 오랜 역사를 가지고 있습니다. E2V(현 Teledyne e2V)는 1990년대 말 초기 센서를 출시하며 이 기술을 개발하기 시작했지만, 16마이크론 픽셀을 가진 512 x 512 배열을 갖춘 가장 널리 사용되는 변형 모델로 큰 진전을 이루었습니다.
이 초기이자 아마도 가장 널리 사용되었을 EMCCD 센서는 실질적인 영향을 미쳤으며, 그 중 절반은 픽셀 크기였습니다. 현미경의 16마이크론 픽셀은 당시 가장 널리 사용되었던 CCD인 CoolSnap과 Orca 시리즈에 사용된 ICX285보다 6배 더 많은 빛을 수집했습니다. 픽셀 크기 외에도, 이 장치들은 후면 조명을 통해 30% 더 많은 광자를 변환하여 6배 더 높은 감도를 7배로 높였습니다.
따라서 EMCCD는 실제로 작동하기 전에도 7배 더 민감했고, EMCCD 이득의 영향을 받았습니다. 물론 CCD를 비닝하거나 광학 장치를 사용하여 픽셀 크기를 더 크게 만들 수 있다고 주장할 수도 있지만, 대부분의 사람들은 그렇게 하지 않았습니다!
이 외에도, 1전자 미만의 판독 잡음을 얻는 것이 핵심이었습니다. 핵심이긴 했지만, 공짜는 아니었습니다. 곱셈 과정은 신호 측정의 불확실성을 증가시켜, 산탄 잡음, 암전류, 그리고 곱셈 이전의 다른 모든 것들이 1.4배 증가했습니다. 그렇다면 무슨 뜻일까요? EMCCD가 더 민감해졌지만, 저조도에서만 그렇다는 뜻입니다. 바로 그런 상황에서 필요한 거 아닌가요?
고전적인 CCD에 비하면 비교도 안 될 만큼 훌륭했습니다. 픽셀이 크고, 양적완화(QE), 전자기 이득(EM Gain)도 더 높았죠. 그리고 우리 모두, 특히 카메라 판매를 하는 우리 같은 사람들은 만족했습니다. 4만 달러 주세요...
우리가 더 개선할 수 있었던 점은 속도, 센서 영역, 그리고 (그럴 수 있다는 걸 몰랐지만) 더 작은 픽셀 크기뿐이었습니다.
그러다 수출 통제와 규정 준수가 시작되었는데, 그건 재미없는 일이었습니다. 알고 보니 단일 분자 추적과 로켓 추적은 비슷했고, 카메라 회사와 그 고객들은 카메라 판매와 수출을 통제해야 했습니다.
그러다 sCMOS가 등장했습니다. 처음에는 세상을 놀라게 할 만한 약속을 했고, 그 후 10년 동안 거의 실현에 가까운 결과를 냈습니다. 더 작은 픽셀 덕분에 사람들은 60배 배율 대물렌즈에 애용했던 6.5마이크론을 구현했고, 읽기 노이즈도 약 1.5개 전자 수준으로 낮아졌습니다. EMCCD와는 완전히 다른 기술이었지만, 당시 CCD 기술의 6개 전자에 비하면 놀라웠습니다.
초기 sCMOS는 여전히 전면 조명 방식이었습니다. 그러나 2016년 후면 조명 sCMOS가 출시되면서, 기존 전면 조명 방식보다 더욱 민감하게 보이도록 11마이크론 픽셀을 탑재했습니다. QE 향상과 픽셀 크기 증가로 고객들은 3.5배의 이점을 누리게 되었습니다.
마침내 2021년에 일부 카메라에서 전자 이하 읽기 노이즈가 0.25개까지 낮아지면서 EMCCD는 끝났습니다.
아니면 ...
음, 문제는 여전히 픽셀 크기입니다. 광학적으로는 원하는 대로 할 수 있지만, 같은 시스템에서 4.6마이크론 픽셀은 16마이크론 픽셀보다 12배 적은 빛을 수집합니다.
이제 비닝할 수도 있지만, 일반 CMOS로 비닝하면 비닝 계수에 따라 노이즈가 증가한다는 점을 기억하세요. 따라서 대부분의 사람들은 6.5마이크론 픽셀에 만족하며 감도를 높일 수 있다고 생각하지만, 실제로는 읽기 노이즈가 전자 3개로 두 배로 증가합니다.
노이즈를 줄일 수 있다 하더라도 픽셀 크기와 풀웰은 여전히 실제 신호 수집을 위한 타협안입니다.
또 다른 요소는 이득과 대비입니다. 회색조를 더 많이 사용하고 신호를 더 작게 자르면 대비가 더 좋아집니다. 동일한 노이즈를 가질 수 있지만, CMOS에서 각 전자에 대해 회색조를 2개만 표시하면 신호 전자가 5개뿐일 때는 조정할 수 있는 부분이 많지 않습니다.
마지막으로 셔터링은 어떨까요? 가끔 우리는 이것이 EMCCD에서 얼마나 강력한 도구였는지 잊고 있는 것 같습니다. 글로벌 셔터는 정말 도움이 되고, 특히 복잡한 다중 구성 요소 시스템에서 매우 가볍고 속도 효율적입니다.
제가 본 sCMOS 카메라 중 512 x 512 EMCCD 센서에 근접하는 유일한 제품은 Aries 16입니다. 이 카메라는 16마이크론 픽셀로 시작하여 0.8개의 전자를 판독할 수 있으며, 비닝(bining)이 필요 없습니다. 16마이크론 픽셀당 5개 이상의 광자 신호를 처리하는 경우, 제가 본 것 중 가장 성능이 좋고 가격도 절반 정도라고 생각합니다.
EMCCD는 사라진 걸까요? 아니요, 그렇게 좋은 제품이 다시 나올 때까지는 정말 사라지지 않을 겁니다. 문제는, 음, 온갖 문제입니다. 과도한 소음, 게인 에이징, 수출 규제...
EMCCD 기술이 비행기라면 콩코드일 겁니다. 콩코드를 탄 사람들은 모두 콩코드를 좋아했지만, 아마 콩코드가 필요 없었을 겁니다. 이제 더 큰 좌석과 플랫베드가 있으니까요. 대서양을 건너는 동안 3시간 정도 더 자면 되니까요.
Concord와는 달리 EMCCD가 여전히 건재한 이유는 소수의, 점점 줄어들고 있는, 일부 사람들이 여전히 EMCCD를 필요로 하기 때문입니다. 아니면 그저 필요하다고 생각하는 걸까요?
가장 비싸고 복잡하며 널리 사용되는 이미징 기술인 EMCCD를 사용한다고 해서 특별하거나 이미징 전문가가 되는 것은 아닙니다. 그저 다른 방식으로 작업하는 것일 뿐입니다. 아직 변화를 시도해 보지 않았다면, 지금 당장 바꿔야 할 것입니다.
