22-05-2024EMCCD-sensoren waren een openbaring: verhoog je gevoeligheid door de uitleesruis te verminderen. Nou ja, bijna, realistischer gezien versterkten we het signaal om de uitleesruis kleiner te laten lijken.
En we waren er dol op, ze vonden meteen een plek bij toepassingen met een laag signaalniveau, zoals single molecule- en spectroscopie, en verspreidden zich vervolgens onder leveranciers van microscopen voor toepassingen zoals spinning disc-microscopie, superresolutie en meer. En toen hebben we ze de nek omgelegd. Of toch niet?
De EMCCD-technologie kent een geschiedenis die verbonden is aan twee belangrijke leveranciers: e2V en Texas Instruments. E2V, nu Teledyne e2V, zette de toon met vroege sensoren aan het einde van de jaren negentig, maar maakte pas echt grote stappen voorwaarts met de meest gangbare variant, met een array van 512 x 512 pixels van 16 micron.
Deze eerste, en waarschijnlijk meest dominante EMCCD-sensor had een enorme impact, en de helft daarvan was te danken aan de pixelgrootte. Pixels van 16 micron op een microscoop vingen zes keer meer licht op dan de meest populaire CCD van die tijd, de ICX285, die te vinden was in de populaire CoolSnap- en Orca-series. Naast de pixelgrootte waren deze apparaten ook voorzien van achtergrondverlichting, waardoor 30% meer fotonen werden omgezet, wat de zes keer hogere gevoeligheid tot zeven keer verhoogde.
Dus in feite was EMCCD zeven keer gevoeliger nog voordat we het apparaat aanzetten en het effect van de EMCCD-versterking merkten. Natuurlijk kun je beargumenteren dat je de CCD had kunnen binnen, of dat je optische methoden had kunnen gebruiken om grotere pixels te creëren – maar de meeste mensen deden dat gewoon niet!
Daarnaast was het cruciaal om de uitleesruis onder de 1 elektron te krijgen. Dat was essentieel, maar niet zonder kosten. Het vermenigvuldigingsproces verhoogde de onzekerheid van de signaalmeting, wat betekende dat de schotruis, de donkerstroom en alles wat we vóór de vermenigvuldiging hadden, met een factor 1,4 toenam. Wat betekende dat? Nou, het betekende dat EMCCD gevoeliger was, maar alleen bij weinig licht, en dat is nu juist wanneer je het nodig hebt, toch?
Vergeleken met een klassieke CCD was er geen twijfel mogelijk. Grote pixels, hogere kwantumrendement, elektromagnetische versterking. En we waren allemaal blij, vooral degenen onder ons die in de cameraverkoop werkten: 40.000 dollar, alstublieft...
De enige dingen die we nog hadden kunnen verbeteren waren de snelheid, het sensoroppervlak en (hoewel we niet wisten dat het mogelijk was) een kleinere pixelgrootte.
Vervolgens kwamen de exportcontroles en de bijbehorende regelgeving, en dat was geen pretje. Het bleek dat het volgen van individuele moleculen en het volgen van raketten vergelijkbaar zijn, en camerafabrikanten en hun klanten moesten de verkoop en export van camera's controleren.
Toen kwam sCMOS, dat aanvankelijk de wereld beloofde en die belofte in de daaropvolgende 10 jaar bijna volledig waarmaakte. Kleinere pixels leverden de gewenste 6,5 micron op voor objectieven met 60x vergroting, en dat alles met een lagere uitleesruis van ongeveer 1,5 elektron. Dit was nog niet helemaal EMCCD, maar vergeleken met de 6 elektronen van de vergelijkbare CCD-technologie uit die tijd was het verbluffend.
De eerste sCMOS-sensoren waren nog steeds frontaal belicht. Maar in 2016 kwamen de back-illuminated sCMOS-sensoren op de markt, en om ze nog gevoeliger te laten lijken dan de originele frontaal belichte versies, hadden ze pixels van 11 micron. Door de verbeterde kwantumrendement (QE) en de toename in pixelgrootte hadden klanten het gevoel dat ze een 3,5 keer zo groot voordeel hadden.
Uiteindelijk, in 2021, werd de ruisgrens van sub-elektronen doorbroken, waarbij sommige camera's ruisniveaus van slechts 0,25 elektronen bereikten - het was gedaan met EMCCD.
Of was het ...
Een deel van het probleem zit hem nog steeds in de pixelgrootte. Optisch gezien kun je weliswaar doen wat je wilt, maar in hetzelfde systeem vangt een pixel van 4,6 micron twaalf keer minder licht op dan een pixel van 16 micron.
Je zou kunnen binnen, maar onthoud dat binnen met normale CMOS de ruis verhoogt met een factor die gelijk is aan de binningfactor. De meeste mensen zijn tevreden met hun 6,5-micron pixels en denken dat ze door te binnen de gevoeligheid kunnen verhogen, maar daarmee verdubbelen ze de uitleesruis naar 3 elektronen.
Zelfs als ruis kan worden verminderd, blijven de pixelgrootte, en daarmee ook de volledige pixelinhoud, een compromis voor een daadwerkelijke signaalverzameling.
Een ander aspect is de versterking en het contrast – meer grijstinten en het opsplitsen van het signaal in kleinere stukjes zorgt voor een beter contrast. Je kunt dezelfde ruis behouden, maar als je met een CMOS-sensor slechts 2 grijstinten per elektron weergeeft, heb je weinig speelruimte als je maar 5 elektronen aan signaal hebt.
En tot slot, hoe zit het met de sluitertijd? Soms vergeten we hoe krachtig dit hulpmiddel was in EMCCD: globale sluiters zijn echt een uitkomst en zijn zeer licht en snelheidsefficiënt, vooral in complexe systemen met meerdere componenten.
De enige sCMOS-camera die ik ken die ook maar enigszins in de buurt komt van de 512 x 512 EMCCD-sensor is de Aries 16. Deze begint met pixels van 16 micron en levert een uitleesruis van 0,8 elektronen zonder dat binning nodig is. Voor signalen van meer dan 5 fotonen (per pixel van 16 micron) vind ik het de beste camera die ik ooit heb gezien, en hij is ongeveer half zo duur.
Is EMCCD dan dood? Nee, en het zal pas echt dood zijn als we weer iets van die kwaliteit hebben. Het probleem is, tja, alle problemen: overmatige ruis, veroudering van de versterking, exportbeperkingen...
Als EMCCD-technologie een vliegtuig zou zijn, dan zou het een Concorde zijn. Iedereen die ermee gevlogen heeft, was er dol op, maar waarschijnlijk hadden ze het niet nodig. En nu, met grotere stoelen en volledig verstelbare bedden, kunnen ze die extra 3 uur over de Atlantische Oceaan gewoon uitslapen.
EMCCD bestaat, in tegenstelling tot Concord, nog steeds omdat sommige mensen – een klein en steeds kleiner wordend aantal – het nog steeds nodig hebben. Of misschien denken ze dat ze het nodig hebben?
Het gebruik van een EMCCD, de duurste en meest geavanceerde beeldvormingstechnologie die er is, maakt je niet bijzonder of een beeldvormingsexpert – je doet gewoon iets anders. En als je nog niet hebt geprobeerd om te veranderen, dan zou je dat misschien wel moeten doen.
