24/05/22EMCCD-sensorer var en åpenbaring: øk følsomheten ved å redusere lesestøyen. Vel, nesten, mer realistisk sett økte vi signalet for å få lesestøyen til å se mindre ut.
Og vi elsket dem, de fant et umiddelbart hjem med lavsignalarbeid som enkeltmolekyl- og spektroskopi, og spredte seg deretter blant leverandører av mikroskopsystemer for ting som roterende skiver, superoppløsning og mer. Og så drepte vi dem. Eller gjorde vi det?
EMCCD-teknologien har sin historie med to nøkkelleverandører: e2V og Texas Instruments. E2V, nå Teledyne e2V, startet dette med tidlige sensorer mot slutten av 1990-tallet, men gjorde store fremskritt med den mest aksepterte varianten, med en oppløsning på 512 x 512 med 16 mikronpiksler.
Denne første, og sannsynligvis mest dominerende EMCCD-sensoren hadde en reell innvirkning, og halvparten av dette var egentlig pikselstørrelse. 16-mikronpiksler på et mikroskop samlet inn 6 ganger mer lys enn den mest populære CCD-en på den tiden, ICX285, som var en del av de populære CoolSnap- og Orca-seriene. Utover pikselstørrelsen ble disse enhetene bakbelyst, noe som konverterte 30 % flere fotoner, noe som tok den 6 ganger større følsomheten til 7.
Så EMCCD var effektivt sett 7 ganger mer følsom før vi i det hele tatt slo den på og fikk med oss effekten av EMCCD-forsterkningen. Nå kan man selvfølgelig argumentere for at man kan sette CCD-en i bås, eller at man kan bruke optikk til å lage større piksler – det er bare det at folk flest ikke gjorde det!
Utover dette var det viktig å få lesestøy under 1 elektron. Det var viktig, men det var ikke gratis. Multiplikasjonsprosessen økte usikkerheten i signalmålingen, noe som betyr at skuddstøy, mørkstrøm og alt annet vi hadde før multiplikasjonen ble økt med en faktor på 1,4. Så hva betydde det? Vel, det betydde at EMCCD var mer følsom, men bare i svakt lys, vel, det er liksom da man trenger det, ikke sant?
Mot en klassisk CCD var det ingen konkurranse. Store piksler, mer QE, elektromagnetisk forsterkning. Og vi var alle fornøyde, spesielt de av oss som solgte kameraer: 40 000 dollar, takk ...
Det eneste vi kunne ha gjort mer med var hastighet, sensorområde og (ikke at vi visste at det var mulig) en mindre pikselstørrelse.
Så kom eksportkontroll og samsvar, og det var ikke noe gøy. Det viser seg at sporing av enkeltmolekyler og sporing av raketter er likt, og kameraselskaper og deres kunder måtte kontrollere kamerasalg og eksport.
Så kom sCMOS, som startet med å love verden – og så i løpet av de neste 10 årene nesten leverte det. Mindre piksler som ga folk de 6,5 mikronene de elsket for 60x objektiver, og alt med lavere lesestøy på omtrent 1,5 elektroner. Nå var ikke dette helt EMCCD, men mot de 6 elektronene i den komparative CCD-teknologien på den tiden var det fantastisk.
De opprinnelige sCMOS-ene var fortsatt frontbelyste. Men i 2016 kom bakbelyste sCMOS-er, og for å gjøre dem enda mer følsomme enn originale frontbelyste versjoner hadde de 11 mikronpiksler. Med QE-boosten og økningen i pikselstørrelse følte kundene at de hadde en 3,5 ganger fordel.
Til slutt, i 2021, ble subelektronlesestøyen brutt, med noen kameraer så lave som 0,25 elektroner – det var slutt for EMCCD.
Eller var det ...
Vel, noe av problemet er fortsatt pikselstørrelsen. Igjen kan du gjøre hva du vil optisk, men på samme system samler en piksel på 4,6 mikron 12 ganger mindre lys enn en på 16 mikron.
Nå kan du bin-e, men husk at bin-ing med vanlig CMOS øker støyen med en funksjon av bin-faktoren. Så folk flest er fornøyde med sine 6,5 mikronpiksler og tror de kan bin-e seg til følsomhet, men de dobler lesestøyen sin til 3 elektroner.
Selv om støy kan reduseres, er pikselstørrelsen, og vel å merke for den saks skyld, fortsatt et kompromiss for reell signalinnsamling.
Den andre tingen er forsterkningen og kontrasten – å ha flere gråtoner og redusere signalet gir bedre kontrast. Du kan ha den samme støyen, men når du bare viser 2 gråtoner for hvert elektron med en CMOS, får du ikke mye å leke med når du bare har 5 elektroner i signalet.
Til slutt, hva med forskalingen? Noen ganger tror jeg vi glemmer hvor kraftig et verktøy dette var i EMCCD: globale forskalinger hjelper virkelig og er veldig lette og hastighetseffektive, spesielt i kompliserte flerkomponentsystemer.
Det eneste sCMOS-kameraet jeg har sett som kommer i nærheten av 512 x 512 EMCCD-sensoren er Aries 16. Dette starter med 16 mikronpiksler og leverer 0,8 elektroner med lesestøy uten behov for bin. For signaler over 5 fotoner (per 16 mikronpiksel) tror jeg det er det beste jeg noensinne har sett, og det er omtrent halvparten så dyrt.
Så er EMCCD død? Nei, og den vil ikke dø før vi får noe så bra igjen. Problemet er, vel, alle problemene: overdreven støy, forsterkningsaldring, eksportkontroll...
Hvis EMCCD-teknologien var et fly, ville det vært en Concord. Alle som fløy den elsket den, men de trengte den sannsynligvis ikke, og nå med større seter og flatbed – bare sov de ekstra 3 timene over Atlanteren.
EMCCD, i motsetning til Concord, lever fortsatt fordi noen mennesker – et lite, stadig synkende antall – fortsatt trenger det. Eller kanskje de bare tror at de gjør det?
Å bruke en EMCCD, den dyreste og mest kompliserte avbildningsteknologien som brukes, gjør deg ikke spesiell eller til en avbildningsekspert – du gjør bare noe annerledes. Og hvis du ikke har prøvd å forandre deg, bør du sannsynligvis gjøre det.
