24.05.22Czujniki EMCCD były rewelacją: zwiększ swoją czułość, redukując szum odczytu. No cóż, prawie, bardziej realistycznie rzecz biorąc, zwiększaliśmy sygnał, aby szum odczytu wydawał się mniejszy.
I pokochaliśmy je, natychmiast znalazły dom w badaniach o niskim sygnale, takich jak pomiary pojedynczych cząsteczek i spektroskopia, a następnie rozpowszechniły się wśród dostawców systemów mikroskopowych, takich jak wirujący dysk, superrozdzielczość i inne. A potem je zabiliśmy. A może jednak?
Technologia EMCCD ma swoją historię z dwoma kluczowymi dostawcami: e2V i Texas Instruments. E2V, obecnie Teledyne e2V, zapoczątkował tę technologię, wprowadzając pierwsze czujniki pod koniec lat 90., ale prawdziwy postęp poczynił dzięki najbardziej akceptowanej odmianie, z matrycą o rozdzielczości 512 x 512 pikseli i rozdzielczości 16 mikronów.
Ten początkowy i prawdopodobnie najbardziej dominujący czujnik EMCCD miał realny wpływ, a połowa z tego to rozmiar piksela. 16-mikronowe piksele w mikroskopie zbierały 6 razy więcej światła niż najpopularniejszy wówczas przetwornik CCD, ICX285, stosowany w popularnych seriach CoolSnap i Orca. Poza rozmiarem piksela, urządzenia te były podświetlane od tyłu, przetwarzając o 30% więcej fotonów, co przekładało się na 6-krotnie większą czułość (7).
W efekcie czułość EMCCD była 7 razy większa, zanim jeszcze ją włączyliśmy i odczuliśmy wpływ wzmocnienia EMCCD. Oczywiście można argumentować, że można by wyrzucić matrycę CCD albo użyć optyki, aby uzyskać większe rozmiary pikseli – po prostu większość osób tego nie zrobiła!
Poza tym, kluczowe było uzyskanie szumu odczytu poniżej 1 elektronu. Było to kluczowe, ale nie było darmowe. Proces mnożenia zwiększał niepewność pomiaru sygnału, co oznaczało, że szum śrutowy, prąd ciemny i wszystko inne, co mieliśmy przed mnożeniem, wzrosło 1,4-krotnie. Co to oznaczało? Cóż, oznaczało to, że EMCCD było bardziej czułe, ale tylko przy słabym oświetleniu, no cóż, wtedy jest to potrzebne, prawda?
W porównaniu z klasycznym przetwornikiem CCD nie było to żadnym wyzwaniem. Duże piksele, więcej QE, wzmocnienie elektromagnetyczne. I wszyscy byliśmy zadowoleni, zwłaszcza ci z nas, którzy sprzedawali aparaty: 40 000 dolarów, proszę...
Jedyne, co moglibyśmy poprawić, to szybkość, powierzchnia czujnika i (nie wiedzieliśmy, że to możliwe) mniejszy rozmiar piksela.
Potem pojawiły się kontrole eksportu i przepisy, co nie było przyjemne. Okazuje się, że śledzenie pojedynczych cząsteczek i śledzenie rakiet to podobne procesy, a firmy produkujące aparaty fotograficzne i ich klienci musieli kontrolować sprzedaż i eksport aparatów.
Potem pojawił się sCMOS, początkowo obiecujący cuda – a przez kolejne 10 lat niemal je spełniający. Mniejsze piksele zapewniły użytkownikom 6,5 mikrometra, które uwielbiali, dla obiektywów 60x, a wszystko to przy niższym szumie odczytu, wynoszącym około 1,5 elektrona. Nie było to może EMCCD, ale w porównaniu z 6 elektronami w porównywalnej technologii CCD tamtych czasów, było to niesamowite.
Początkowe matryce sCMOS nadal były podświetlane od przodu. Jednak w 2016 roku pojawiły się matryce sCMOS z podświetleniem od tyłu, które, aby uzyskać jeszcze większą czułość w porównaniu z oryginalnymi wersjami z podświetleniem od przodu, miały piksele o rozmiarze 11 mikronów. Dzięki wzmocnieniu QE i zwiększeniu rozmiaru pikseli klienci odczuli 3,5-krotną przewagę.
Wreszcie w 2021 r. udało się przełamać szum odczytu subelektronów, a niektóre kamery osiągnęły poziom zaledwie 0,25 elektronów - oznaczało to koniec EMCCD.
A może to było...
Cóż, problemem pozostaje rozmiar piksela. Optycznie możesz zrobić, co chcesz, ale w tym samym systemie piksel o rozmiarze 4,6 mikrometra zbiera 12 razy mniej światła niż piksel o rozmiarze 16 mikrometrów.
Teraz możesz sortować, ale pamiętaj, że sortowanie w przypadku standardowego CMOS zwiększa szum o funkcję współczynnika sortowania. Dlatego większość osób zadowala się pikselami o rozmiarze 6,5 mikrometra, myśląc, że mogą sortować, aby uzyskać czułość, ale podwajają swój szum odczytu do 3 elektronów.
Nawet jeśli uda się zredukować szum, rozmiar piksela, a co za tym idzie cała studnia, nadal stanowi kompromis w przypadku rzeczywistego zbierania sygnału.
Drugą kwestią jest wzmocnienie i kontrast – większa liczba odcieni szarości i mniejsze fragmenty sygnału dają lepszy kontrast. Można uzyskać ten sam szum, ale jeśli na matrycy CMOS na każdy elektron przypada tylko 2 odcienie szarości, to niewiele można zdziałać, mając sygnał składający się z zaledwie 5 elektronów.
A co z przesłonami? Czasami myślę, że zapominamy, jak potężnym narzędziem były one w EMCCD: globalne przesłony naprawdę pomagają, są lekkie i szybkie, szczególnie w skomplikowanych systemach wielokomponentowych.
Jedynym aparatem sCMOS, jaki widziałem, który choć trochę zbliżył się do matrycy EMCCD 512 x 512, jest Aries 16. Zaczyna się od pikseli o wielkości 16 mikronów i generuje 0,8 elektronów szumu odczytu bez konieczności binowania. W przypadku sygnałów powyżej 5 fotonów (na piksel o wielkości 16 mikronów) uważam, że jest to najlepszy model, jaki widziałem, i kosztuje około połowę mniej.
Czy zatem EMCCD umarło? Nie, i tak naprawdę nie umrze, dopóki nie powstanie coś równie dobrego. Problemem są, cóż, wszystkie problemy: nadmierny hałas, starzenie się wzmacniaczy, kontrola eksportu...
Gdyby technologia EMCCD była samolotem, byłby to Concord. Wszyscy, którzy nim latali, byli nim zachwyceni, ale prawdopodobnie go nie potrzebowali. Teraz, dzięki większym fotelom i płaskim leżankom, można po prostu przespać te dodatkowe 3 godziny nad Atlantykiem.
EMCCD, w przeciwieństwie do Concord, wciąż istnieje, ponieważ niektórzy ludzie – niewielka, stale malejąca liczba – wciąż go potrzebują. A może tylko im się tak wydaje?
Korzystanie z EMCCD, najdroższej i najbardziej skomplikowanej powszechnie stosowanej technologii obrazowania, nie czyni Cię kimś wyjątkowym ani ekspertem w dziedzinie obrazowania – po prostu robisz coś innego. A jeśli jeszcze nie próbowałeś/aś, to prawdopodobnie powinieneś/powinnaś to zrobić.
