24/05/22Penderia EMCCD adalah satu pendedahan: tingkatkan kepekaan anda dengan mengurangkan bunyi bacaan anda. Hampir, secara lebih realistik, kami meningkatkan isyarat untuk menjadikan bunyi bacaan anda kelihatan seperti ia lebih kecil.
Dan kami menyukai mereka, mereka menemui rumah segera dengan kerja isyarat rendah seperti molekul tunggal dan spektroskopi dan kemudian tersebar di kalangan penyedia sistem mikroskop untuk perkara seperti cakera berputar, resolusi super dan seterusnya. Dan kemudian kami membunuh mereka. Atau adakah kita?
Teknologi EMCCD mempunyai sejarahnya dengan dua pembekal utama: e2V dan Texas Instruments. E2V, kini Teledyne e2V, memulakan pelancaran ini dengan penderia awal menjelang penghujung 1990-an tetapi membuat kemajuan sebenar dengan varian yang paling diterima, mempunyai tatasusunan 512 x 512 dengan piksel 16 mikron.
Penderia EMCCD awal dan mungkin paling dominan ini mempunyai kesan sebenar dan separuh daripada ini adalah saiz piksel yang sebenar. Piksel 16 mikron pada mikroskop mengumpul 6 kali lebih cahaya daripada CCD paling popular pada masa itu, ICX285, yang dipaparkan dalam siri CoolSnap dan Orca yang popular. Melangkaui saiz piksel, peranti ini diterangi kembali dan menukarkan 30% lebih banyak foton yang menjadikan sensitiviti 6 kali lebih besar kepada 7.
Jadi dengan berkesan EMCCD adalah 7 kali lebih sensitif sebelum kami menghidupkannya dan mendapat kesan keuntungan EMCCD. Kini sudah tentu anda boleh berhujah bahawa anda boleh membuang CCD, atau anda boleh menggunakan optik untuk mencipta saiz piksel yang lebih besar – cuma kebanyakan orang tidak melakukannya!
Di luar ini, mendapatkan hingar bacaan di bawah 1 elektron adalah kunci. Ia adalah kunci, tetapi ia bukan percuma. Proses pendaraban meningkatkan ketidakpastian pengukuran isyarat yang bermaksud bunyi pukulan, arus gelap dan apa-apa lagi yang kami ada sebelum pendaraban dinaikkan sebanyak faktor 1.4. Jadi, apa maksudnya? Nah, ini bermakna EMCCD lebih sensitif tetapi hanya pada cahaya malap, begitu juga apabila anda memerlukannya bukan?
Terhadap CCD klasik, ia bukan pertandingan. Piksel besar, lebih banyak QE, Keuntungan EM. Dan kami semua gembira, terutamanya kami dalam jualan kamera: $40,000, sila ...
Satu-satunya perkara yang boleh kami lakukan lebih banyak ialah kelajuan, kawasan penderia dan (bukannya kami tahu ia mungkin) saiz piksel yang lebih kecil.
Kemudian kawalan eksport dan pematuhan datang, dan itu tidak menyeronokkan. Ternyata menjejak molekul tunggal dan menjejak roket adalah serupa, dan syarikat kamera serta pelanggan mereka terpaksa mengawal jualan dan eksport kamera.
Kemudian sCMOS datang, bermula dengan menjanjikan dunia -dan kemudian dalam tempoh 10 tahun akan datang hampir menyampaikannya. Piksel yang lebih kecil menjadikan orang ramai 6.5 mikron yang mereka sukai untuk objektif 60x dan semuanya dengan hingar bacaan yang lebih rendah iaitu kira-kira 1.5 elektron. Sekarang ini bukan EMCCD, tetapi berbanding 6 elektron teknologi perbandingan CCD pada masa itu ia adalah menakjubkan.
sCMOS awal masih bercahaya di hadapan. Tetapi pada tahun 2016 sCMOS bercahaya belakang tiba, dan untuk menjadikannya kelihatan lebih sensitif kepada versi bercahaya hadapan asal ia mempunyai piksel 11 mikron. Dengan rangsangan QE dan peningkatan saiz piksel, pelanggan merasakan mereka mempunyai kelebihan 3.5 x.
Akhirnya, pada tahun 2021 hingar bacaan sub-elektron telah dipecahkan dengan beberapa kamera mendapat serendah 0.25 elektron - semuanya telah berakhir untuk EMCCD.
Atau adakah ia...
Nah, sedikit masalahnya masih saiz piksel. Sekali lagi anda boleh melakukan apa yang anda mahukan secara optikal tetapi pada sistem yang sama, piksel 4.6 mikron mengumpul 12 x kurang cahaya daripada 16 mikron.
Sekarang anda boleh bin, tetapi ingat binning dengan CMOS biasa meningkatkan hingar dengan fungsi faktor binning. Oleh itu, kebanyakan orang berpuas hati dengan piksel 6.5 mikron mereka berfikir bahawa mereka boleh membuang jalan mereka kepada kepekaan, tetapi mereka menggandakan bunyi bacaan mereka kepada 3 elektron.
Walaupun bunyi bising boleh dikurangkan, saiz piksel, dan dengan baik untuk perkara itu, masih merupakan kompromi untuk pengumpulan isyarat sebenar.
Perkara lain ialah keuntungan dan kontras - mempunyai lebih banyak kelabu dan memotong isyarat anda menjadi lebih kecil memberikan kontras yang lebih baik. Anda boleh mempunyai bunyi yang sama tetapi apabila anda menunjukkan hanya 2 kelabu untuk setiap elektron dengan CMOS, anda tidak akan dapat bermain apabila anda hanya mempunyai 5 elektron isyarat.
Akhirnya, bagaimana dengan penutupan? Kadangkala saya rasa kita terlupa betapa hebatnya alat ini dalam EMCCD: pengatup global benar-benar membantu dan sangat ringan serta cekap kelajuan, terutamanya dalam sistem berbilang komponen yang rumit.
Satu-satunya kamera sCMOS yang saya lihat hampir sama dengan penderia EMCCD 512 x 512 ialah Aries 16. Ini bermula dengan piksel 16 mikron dan menyampaikan 0.8 elektron bunyi baca tanpa perlu dibuang. Untuk isyarat melebihi 5 foton (setiap piksel 16 mikron), saya rasa ia adalah yang terbaik yang pernah saya lihat dan kira-kira separuh daripada harga.
Jadi adakah EMCCD sudah mati? Tidak, dan ia tidak akan benar-benar mati sehingga kita mendapat sesuatu yang baik sekali lagi. Masalahnya, semua masalah: bunyi yang berlebihan, penuaan, kawalan eksport...
Jika teknologi EMCCD adalah pesawat, ia akan menjadi Concord. Semua orang yang menerbangkannya menyukainya, tetapi mereka mungkin tidak memerlukannya dan kini dengan tempat duduk dan katil rata yang lebih besar – hanya tidur selama 3 jam tambahan merentasi Atlantik.
EMCCD, tidak seperti Concord, masih hidup kerana sesetengah orang - bilangan yang kecil dan semakin berkurangan - masih memerlukannya. Atau mungkin mereka hanya fikir mereka melakukannya?
Menggunakan EMCCD, teknologi pengimejan yang paling mahal dan rumit yang digunakan secara meluas tidak menjadikan anda istimewa, atau pakar pengimejan - anda hanya melakukan sesuatu yang berbeza. Dan jika anda belum cuba untuk berubah, maka anda mungkin perlu.
