24/05/22EMCCD-sensoren waren een openbaring: verhoog je gevoeligheid door je leesruis te verminderen. Nou ja, bijna realistischer: we versterkten het signaal om je leesruis er kleiner uit te laten zien.
En we waren er dol op, ze vonden meteen een thuis in werk met lage signalen, zoals enkelvoudige moleculen en spectroscopie, en verspreidden zich vervolgens onder leveranciers van microscoopsystemen voor zaken als roterende schijven, superresolutie en meer. En toen hebben we ze gedood. Of niet?
EMCCD-technologie kent zijn oorsprong bij twee belangrijke leveranciers: e2V en Texas Instruments. E2V, nu Teledyne e2V, begon eind jaren negentig met de eerste sensoren, maar boekte grote vooruitgang met de meest geaccepteerde variant, een matrix van 512 x 512 pixels met een resolutie van 16 micron.
Deze eerste, en waarschijnlijk meest dominante EMCCD-sensor had een echte impact, waarvan de helft te danken was aan pixelgrootte. Pixels van 16 micron op een microscoop verzamelden 6 keer meer licht dan de populairste CCD van die tijd, de ICX285, die in de populaire CoolSnap- en Orca-serie werd gebruikt. Naast pixelgrootte werden deze apparaten van achteren belicht, waardoor ze 30% meer fotonen omzetten, waardoor de gevoeligheid 6 keer zo groot werd als 7.
Dus effectief was EMCCD 7 keer gevoeliger voordat we het überhaupt aanzetten en de impact van de EMCCD-versterking merkten. Je zou natuurlijk kunnen stellen dat je de CCD weg kon gooien, of dat je optica kon gebruiken om grotere pixels te creëren – alleen deden de meeste mensen dat niet!
Daarnaast was het cruciaal om de leesruis onder 1 elektron te krijgen. Dat was cruciaal, maar het was niet gratis. Het vermenigvuldigingsproces verhoogde de onzekerheid van de signaalmeting, waardoor de schotruis, donkerstroom en alles wat we vóór vermenigvuldiging hadden, met een factor 1,4 toenam. Dus, wat betekende dat? Nou, het betekende dat EMCCD gevoeliger was, maar alleen bij weinig licht. Tja, dat is nou net wanneer je het nodig hebt, toch?
Tegen een klassieke CCD was het geen wedstrijd. Grote pixels, meer QE, EM Gain. En we waren allemaal blij, vooral degenen onder ons die in de cameraverkoop zitten: $40.000, alstublieft...
De enige dingen waar we meer mee hadden kunnen doen, waren de snelheid, het sensoroppervlak en (niet dat we wisten dat dat mogelijk was) een kleinere pixelgrootte.
Toen kwamen de exportcontroles en de naleving van wet- en regelgeving, en dat was geen pretje. Het bleek dat het volgen van afzonderlijke moleculen en het volgen van raketten vergelijkbaar zijn, en dat camerafabrikanten en hun klanten de verkoop en export van camera's moesten controleren.
Toen kwam sCMOS, dat aanvankelijk de wereld beloofde - en het in de daaropvolgende 10 jaar bijna waarmaakte. Kleinere pixels leverden mensen de 6,5 micron op die ze graag wilden voor 60x-objectieven, en dat alles met een lagere leesruis van ongeveer 1,5 elektronen. Dit was niet helemaal EMCCD, maar vergeleken met de 6 elektronen van de vergelijkbare CCD-technologie van die tijd was het verbazingwekkend.
De eerste sCMOS-schermen waren nog steeds front-illuminated. Maar in 2016 kwamen back-illuminated sCMOS-schermen op de markt, en om ze nog gevoeliger te laten lijken dan de originele front-illuminated versies, hadden ze pixels van 11 micron. Met de QE-boost en de grotere pixelgrootte hadden klanten het gevoel dat ze een 3,5x voordeel hadden.
In 2021 werd de sub-elektronen-leesruis eindelijk doorbroken, waarbij sommige camera's zelfs 0,25 elektronen haalden. Daarmee was het einde verhaal voor EMCCD.
Of was het ...
Nou, een deel van het probleem is nog steeds de pixelgrootte. Ook hier kun je optisch doen wat je wilt, maar op hetzelfde systeem verzamelt een pixel van 4,6 micron 12 keer minder licht dan een pixel van 16 micron.
Je zou kunnen binnen, maar onthoud dat binning met een normale CMOS de ruis verhoogt met een functie van de binningfactor. De meeste mensen zijn dus tevreden met hun pixels van 6,5 micron en denken dat ze de gevoeligheid kunnen binnen, maar verdubbelen hun leesruis tot 3 elektronen.
Ook al kan ruis worden verminderd, de pixelgrootte, en dan met name de volledige resolutie, vormen nog steeds een compromis voor het daadwerkelijk verzamelen van signalen.
Het andere aspect is de versterking en het contrast – meer grijstinten en een kleiner signaal geeft een beter contrast. Je kunt dezelfde ruis hebben, maar als je met een CMOS slechts twee grijstinten per elektron weergeeft, heb je niet veel speelruimte met slechts vijf elektronen aan signaal.
En tot slot, hoe zit het met de sluiters? Soms denk ik dat we vergeten hoe krachtig dit was in EMCCD: globale sluiters helpen echt en zijn erg licht en snel, vooral in complexe systemen met meerdere componenten.
De enige sCMOS-camera die ik ooit heb gezien die ook maar in de buurt komt van de 512 x 512 EMCCD-sensor, is de Aries 16. Deze begint met pixels van 16 micron en levert 0,8 elektronen leesruis zonder dat er hoeft te worden gebind. Voor signalen van meer dan 5 fotonen (per pixel van 16 micron) is dit volgens mij de beste die ik ooit heb gezien, en ongeveer de helft van de prijs.
Is EMCCD dus dood? Nee, en het zal niet echt doodgaan totdat we weer iets zo goeds krijgen. Het probleem is, nou ja, alle problemen: overmatige ruis, veroudering van de versterking, exportbeperkingen...
Als EMCCD-technologie een vliegtuig was, zou het een Concorde zijn. Iedereen die ermee vloog, was er dol op, maar waarschijnlijk hadden ze het niet nodig. Nu met grotere stoelen en bedbodems – slaap gewoon die extra 3 uur over de Atlantische Oceaan.
EMCCD bestaat, in tegenstelling tot Concord, nog steeds omdat sommige mensen – een klein, steeds kleiner wordend aantal – het nog steeds nodig hebben. Of denken ze dat misschien alleen maar?
Het gebruik van een EMCCD, de duurste en meest gecompliceerde en veelgebruikte beeldvormingstechnologie, maakt je niet speciaal of een expert in beeldvorming - je doet gewoon iets anders. En als je nog niet hebt geprobeerd te veranderen, dan zou je dat waarschijnlijk moeten doen.
