24.05.22.EMCCD sensori bija atklāsme: palieliniet jutību, samazinot lasīšanas troksni. Nu, gandrīz vai reālistiskāk, mēs palielinājām signālu, lai lasīšanas troksnis izskatītos mazāks.
Un mēs tos mīlējām, tie uzreiz atrada savu vietu zema signāla pētījumos, piemēram, atsevišķu molekulu un spektroskopijas jomā, un pēc tam izplatījās starp mikroskopu sistēmu piegādātājiem tādām lietām kā rotējošie diski, superizšķirtspējas mikroskopi un citas. Un tad mēs tos nogalinājām. Vai tomēr tomēr?
EMCCD tehnoloģijas vēsture ir saistīta ar diviem galvenajiem piegādātājiem: e2V un Texas Instruments. E2V, tagad Teledyne e2V, šo darbību uzsāka ar pirmajiem sensoriem 20. gs. deviņdesmito gadu beigās, taču ievērojamus panākumus guva ar vispieņemamāko variantu, kam bija 512 x 512 pikseļu masīvs ar 16 mikronu pikseļiem.
Šim sākotnējam un, iespējams, dominējošākajam EMCCD sensoram bija reāla ietekme, un puse no tās patiesībā bija pikseļu izmērs. 16 mikronu pikseļi mikroskopā savāca 6 reizes vairāk gaismas nekā tā laika populārākais CCD sensors ICX285, kas bija iekļauts populārajās CoolSnap un Orca sērijās. Papildus pikseļu izmēram šīs ierīces bija apgaismotas no aizmugures, pārveidojot par 30% vairāk fotonu, ņemot vērā šo 6 reizes lielāko jutību līdz 7.
Tātad EMCCD faktiski bija 7 reizes jutīgāks, pirms mēs to pat ieslēdzām un saņēmām EMCCD pastiprinājuma ietekmi. Protams, jūs varat apgalvot, ka varētu apvienot CCD vai izmantot optiku, lai radītu lielākus pikseļu izmērus – vienkārši vairums cilvēku to nedarīja!
Papildus tam, galvenais bija panākt nolasīšanas troksni zem 1 elektrona. Tas bija svarīgi, bet nebija bez maksas. Reizināšanas process palielināja signāla mērījuma nenoteiktību, kas nozīmē, ka šāviena troksnis, tumšā strāva un viss pārējais, kas mums bija pirms reizināšanas, tika palielināts 1,4 reizes. Ko tas nozīmēja? Tas nozīmēja, ka EMCCD bija jutīgāks, bet tikai vājā apgaismojumā, un tieši tad tas ir vajadzīgs, vai ne?
Salīdzinot ar klasisko CCD sensoru, konkurence nebija nekāda. Lieli pikseļi, vairāk kvantu efekta, elektromagnētiskā pastiprinājuma. Un mēs visi bijām laimīgi, īpaši tie no mums, kas nodarbojās ar kameru pārdošanu: 40 000 USD, lūdzu...
Vienīgās lietas, ar kurām mēs varējām paveikt vairāk, bija ātrums, sensora laukums un (ne jau tā, ka zinājām, ka tas ir iespējams) mazāks pikseļu izmērs.
Tad nāca eksporta kontrole un atbilstība prasībām, un tas nebija jautri. Izrādās, ka atsevišķu molekulu izsekošana un raķešu izsekošana ir līdzīgas, un kameru ražotājiem un to klientiem bija jākontrolē kameru pārdošanas apjomi un eksports.
Tad parādījās sCMOS, sākotnēji solot pasaulei un nākamo 10 gadu laikā gandrīz pilnībā īstenojot solījumu. Mazāki pikseļi nodrošināja cilvēkiem tik 6,5 mikronus, kādus viņi tik ļoti vēlējās 60x objektīviem, un tas viss ar zemāku nolasīšanas troksni – aptuveni 1,5 elektroniem. Tas nebija gluži EMCCD, bet salīdzinājumā ar tā laika salīdzinošās CCD tehnoloģijas 6 elektroniem tas bija pārsteidzoši.
Sākotnējie sCMOS joprojām bija ar priekšējo apgaismojumu. Taču 2016. gadā parādījās sCMOS ar aizmugures apgaismojumu, un, lai tas izskatītos vēl jutīgāks salīdzinājumā ar sākotnējām versijām ar priekšējo apgaismojumu, tam bija 11 mikronu pikseļi. Ar QE palielinājumu un pikseļu izmēra palielinājumu klienti juta, ka viņiem ir 3,5 reizes lielāka priekšrocība.
Visbeidzot, 2021. gadā subelektronu nolasīšanas troksnis tika pārtraukts, dažām kamerām nolasot pat 0,25 elektronus — EMCCD bija beidzies.
Vai arī tas bija...
Nu, daļa problēmas joprojām ir pikseļu izmērs. Atkal optiski var darīt, ko vien vēlas, bet tajā pašā sistēmā 4,6 mikronu pikselis savāc 12 reizes mazāk gaismas nekā 16 mikronu pikselis.
Tagad jūs varētu veikt grupēšanu, bet atcerieties, ka grupēšana ar parasto CMOS palielina troksni atkarībā no grupēšanas koeficienta. Tāpēc lielākā daļa cilvēku ir apmierināti ar saviem 6,5 mikronu pikseļiem, domājot, ka viņi var grupēt, lai palielinātu jutību, bet viņi dubulto nolasīšanas troksni līdz 3 elektroniem.
Pat ja troksni var samazināt, pikseļu izmērs un, protams, joprojām ir kompromiss reālai signālu uztveršanai.
Otra lieta ir pastiprinājums un kontrasts — lielāks pelēktoņu skaits un signāla sagriešana mazākos daudzumos nodrošina labāku kontrastu. Trokšņa līmenis var būt tāds pats, bet, ja CMOS attēlo tikai 2 pelēkos toņus uz katru elektronu, tad, ja signālam ir tikai 5 elektroni, nav daudz iespēju eksperimentēt.
Visbeidzot, kā ar slēģiem? Dažreiz man šķiet, ka mēs aizmirstam, cik spēcīgs instruments tas bija EMCCD: globālie slēģi patiešām palīdz un ir ļoti viegli un ātri lietojami, īpaši sarežģītās daudzkomponentu sistēmās.
Vienīgā sCMOS kamera, ko esmu redzējis un kas kaut vai tuvojas 512 x 512 EMCCD sensoram, ir Aries 16. Tā sākas ar 16 mikronu pikseļiem un nodrošina 0,8 elektronu lasīšanas troksni bez nepieciešamības grupēt. Signāliem, kas pārsniedz 5 fotonus (uz 16 mikronu pikseli), manuprāt, tā ir labākā, ko jebkad esmu redzējis, un apmēram uz pusi lētāka.
Tātad, vai EMCCD ir miris? Nē, un tas īsti nemirs, kamēr mēs atkal neiegūsim kaut ko tik labu. Problēma ir, nu, visas problēmas: pārmērīgs troksnis, pastiprinājuma novecošanās, eksporta kontrole...
Ja EMCCD tehnoloģija būtu lidmašīna, tā būtu Concord. Ikvienam, kas ar to lidoja, tā patika, taču viņiem tā droši vien nebija vajadzīga, un tagad ar lielākiem sēdekļiem un plakanvirsmām – vienkārši izgulieties tās papildu 3 stundas pāri Atlantijas okeānam.
EMCCD, atšķirībā no Concord, joprojām pastāv, jo dažiem cilvēkiem — nelielam, arvien sarūkošam skaitam — tas joprojām ir vajadzīgs. Vai varbūt viņi vienkārši domā, ka ir vajadzīgs?
Izmantojot EMCCD, visdārgāko un sarežģītāko plaši izmantoto attēlveidošanas tehnoloģiju, jūs nepadarāt jūs par īpašu vai attēlveidošanas ekspertu — jūs vienkārši darāt kaut ko atšķirīgu. Un, ja neesat mēģinājis mainīties, tad jums droši vien vajadzētu.
