2024년 5월 22일EMCCD 센서는 획기적인 기술이었습니다. 판독 노이즈를 줄여 감도를 높일 수 있었죠. 정확히 말하자면, 신호 강도를 높여서 판독 노이즈가 작아 보이는 효과를 낸 것이었습니다.
우리는 그 기술들을 좋아했습니다. 그 기술들은 단일 분자 및 분광학 같은 저신호 분석 분야에서 즉시 자리를 잡았고, 이후 스피닝 디스크, 초고해상도 현미경 등 다양한 분야의 현미경 시스템 공급업체들로 퍼져나갔습니다. 그러다 우리는 그 기술들을 단종시켰습니다. 아니, 정말 단종시킨 걸까요?
EMCCD 기술은 e2V와 텍사스 인스트루먼트라는 두 주요 공급업체와 함께 역사를 쌓아왔습니다. 현재 텔레다인 e2V로 사명을 변경한 e2V는 1990년대 후반 초기 센서를 개발하며 이 기술 개발을 시작했지만, 512 x 512 배열과 16마이크론 픽셀 크기를 가진 가장 널리 사용되는 변형 센서를 통해 진정한 발전을 이루었습니다.
이 초기형이자 아마도 가장 지배적인 EMCCD 센서는 상당한 영향을 미쳤으며, 그 영향의 절반은 픽셀 크기 덕분이었습니다. 현미경에 사용된 16마이크론 픽셀은 당시 가장 널리 사용되던 CCD인 ICX285(인기 있는 CoolSnap 및 Orca 시리즈에 사용됨)보다 6배 더 많은 빛을 모았습니다. 픽셀 크기 외에도, 이 장치는 후면 조명 방식을 채택하여 30% 더 많은 광자를 변환함으로써 6배 향상된 감도를 7배로 끌어올렸습니다.
그러니까 EMCCD는 전원을 켜고 EMCCD 게인의 영향을 받기 전에도 사실상 감도가 7배나 더 높았습니다. 물론 CCD를 비닝하거나 광학계를 사용해서 더 큰 픽셀 크기를 만들 수도 있다고 주장할 수도 있겠지만, 대부분의 사람들은 그렇게 하지 않았습니다!
이 외에도, 판독 노이즈를 1전자 미만으로 줄이는 것이 핵심이었습니다. 매우 중요했지만, 그 대가도 만만치 않았습니다. 신호 증폭 과정은 신호 측정의 불확실성을 증가시켰고, 이는 증폭 전의 샷 노이즈, 암전류 등 모든 요소가 1.4배 증가했음을 의미합니다. 그렇다면 이것은 무엇을 의미할까요? EMCCD는 저조도 환경에서 더 높은 감도를 갖게 되었지만, 바로 그런 저조도 환경에서 그 효과가 두드러진다는 뜻입니다.
기존 CCD 카메라와 비교하면, 비교할 대상이 아니었습니다. 더 큰 화소, 더 높은 양자 효율, 전자기파 이득까지. 우리 모두, 특히 카메라 판매 담당자들은 기뻐했습니다. "4만 달러 주세요!"
우리가 더 개선할 수 있었던 부분은 속도, 센서 면적, 그리고 (가능하다는 것을 알지는 못했지만) 더 작은 픽셀 크기뿐이었습니다.
그러다 수출 통제와 규제가 생겨났고, 그건 결코 즐거운 일이 아니었습니다. 분자 하나를 추적하는 것과 로켓을 추적하는 것이 비슷하다는 사실이 밝혀지면서, 카메라 회사와 고객들은 카메라 판매와 수출을 통제해야 했습니다.
그러다가 sCMOS가 등장했는데, 처음에는 엄청난 가능성을 제시했고, 이후 10년 동안 거의 그 가능성을 현실로 만들어냈습니다. 픽셀 크기가 작아져 사람들이 60배율 대물렌즈에 적합한 6.5 마이크론 크기를 구현했고, 판독 노이즈는 약 1.5 전자 정도로 낮아졌습니다. 이는 EMCCD와는 완전히 같지는 않았지만, 당시 비교 대상이었던 CCD 기술의 6 전자에 비하면 놀라운 성능이었습니다.
초기 sCMOS는 여전히 전면 발광 방식이었습니다. 하지만 2016년에 후면 발광 방식의 sCMOS가 등장했고, 기존 전면 발광 방식보다 감도가 더 뛰어난 것처럼 보이도록 11마이크론 픽셀 크기를 적용했습니다. 양자 효율(QE) 향상과 픽셀 크기 증가로 인해 사용자들은 체감 성능이 3.5배 향상된 것을 느꼈습니다.
마침내 2021년, 일부 카메라에서 0.25 전자까지 낮아지는 서브 전자 판독 노이즈가 달성되면서 EMCCD 시대는 막을 내렸습니다.
아니면…
음, 문제의 일부는 여전히 픽셀 크기에 있습니다. 광학적으로는 원하는 대로 할 수 있지만, 동일한 시스템에서 4.6마이크론 픽셀은 16마이크론 픽셀보다 12배 적은 빛을 모읍니다.
비닝을 사용할 수도 있지만, 일반 CMOS에서 비닝을 하면 비닝 계수에 비례하여 노이즈가 증가한다는 점을 기억해야 합니다. 대부분의 사람들은 6.5 마이크론 픽셀을 사용하면서 비닝을 통해 감도를 높일 수 있다고 생각하지만, 실제로는 판독 노이즈가 3 전자로 두 배로 증가하는 것입니다.
잡음을 줄일 수 있다 하더라도, 픽셀 크기, 그리고 풀웰 크기는 여전히 실제 신호 수집에 있어 타협의 산물입니다.
또 다른 중요한 점은 게인과 콘트라스트입니다. 더 많은 회색조를 사용하고 신호를 더 작게 분할하면 콘트라스트가 향상됩니다. 노이즈는 동일할 수 있지만, CMOS 센서에서 전자 하나당 2개의 회색조만 표시하면 신호의 전자 수가 5개에 불과할 때 활용할 수 있는 색상이 매우 제한적입니다.
마지막으로, 셔터는 어떨까요? EMCCD에서 셔터가 얼마나 강력한 도구였는지 가끔 잊는 것 같습니다. 글로벌 셔터는 특히 복잡한 다중 구성 요소 시스템에서 매우 유용하고 가볍고 속도 효율이 뛰어납니다.
제가 본 sCMOS 카메라 중에서 512 x 512 EMCCD 센서에 근접하는 유일한 제품은 Aries 16입니다. 이 제품은 16마이크론 픽셀로 시작하여 비닝 없이 0.8 전자의 판독 노이즈를 제공합니다. 5개 이상의 광자(16마이크론 픽셀당) 신호에 대해서는 제가 본 것 중 최고이며 가격도 절반 정도입니다.
그렇다면 EMCCD는 이제 끝난 걸까요? 아닙니다. 다시 그만큼 좋은 기술이 나올 때까지는 완전히 사라지지 않을 겁니다. 문제는, 뭐랄까, 모든 문제점들이죠: 과도한 잡음, 게인 노화, 수출 규제 등등...
EMCCD 기술이 비행기라면 콩코드와 같을 겁니다. 콩코드를 타본 사람들은 모두 만족했지만, 사실 그들에게는 필요 없는 비행기였을지도 모릅니다. 이제 더 넓어진 좌석과 완전히 눕힐 수 있는 침대가 있으니, 대서양 횡단 비행에서 3시간을 더 푹 자면 되죠.
EMCCD는 Concord와는 달리 여전히 건재한 이유는 소수의 사람들, 그것도 점점 줄어드는 사람들이 여전히 그것을 필요로 하기 때문입니다. 아니면 그들은 단지 필요하다고 생각할 뿐일까요?
가장 비싸고 복잡하며 널리 사용되는 영상 기술인 EMCCD를 사용한다고 해서 당신이 특별하거나 영상 전문가가 되는 것은 아닙니다. 단지 다른 방식으로 접근하는 것일 뿐입니다. 그리고 변화를 시도해 보지 않았다면, 아마 시도해 보는 것이 좋을 것입니다.
