24/05/22Os sensores EMCCD foram uma revelação: aumentam a sensibilidade reduzindo o ruído de leitura. Bem, quase, de forma mais realista, estávamos aumentando o sinal para fazer com que o ruído de leitura parecesse menor.
E nós os amávamos, eles encontraram um lar imediato em trabalhos de baixo sinal, como moléculas únicas e espectroscopia, e depois se espalharam entre os fornecedores de sistemas de microscópio para coisas como disco giratório, super-resolução e muito mais. E então nós os eliminamos. Ou será que não?
A tecnologia EMCCD tem sua história com dois fornecedores principais: e2V e Texas Instruments. A E2V, agora Teledyne e2V, começou a ser usada com os primeiros sensores no final da década de 1990, mas fez grandes avanços com a variante mais aceita, com uma matriz de 512 x 512 pixels com 16 micrômetros.
Este sensor EMCCD inicial, e provavelmente o mais dominante, teve um impacto real, e metade disso se deveu ao tamanho do pixel. Pixels de 16 mícrons em um microscópio coletavam 6 vezes mais luz do que o CCD mais popular da época, o ICX285, presente nas populares séries CoolSnap e Orca. Além do tamanho do pixel, esses dispositivos eram retroiluminados, convertendo 30% mais fótons, elevando essa sensibilidade 6 vezes maior para 7.
Então, efetivamente, o EMCCD era 7 vezes mais sensível antes mesmo de o ligarmos e obtermos o impacto do ganho do EMCCD. Agora, é claro, você pode argumentar que poderia descartar o CCD ou usar a óptica para criar pixels maiores – só que a maioria das pessoas não fez isso!
Além disso, obter ruído de leitura abaixo de 1 elétron foi fundamental. Foi fundamental, mas não foi de graça. O processo de multiplicação aumentou a incerteza da medição do sinal, o que significa que o ruído de disparo, a corrente escura e tudo o mais que tínhamos antes da multiplicação foram aumentados por um fator de 1,4. Então, o que isso significava? Bem, significava que o EMCCD era mais sensível, mas apenas com pouca luz. Bem, é aí que você precisa dele, certo?
Contra um CCD clássico, não houve competição. Pixels grandes, mais QE, ganho EM. E todos nós ficamos felizes, especialmente nós, que vendemos câmeras: US$ 40.000, por favor...
As únicas coisas que poderíamos ter feito mais eram velocidade, área do sensor e (não que soubéssemos que isso era possível) um tamanho de pixel menor.
Depois, vieram os controles de exportação e a conformidade, e isso não foi nada divertido. Acontece que rastrear moléculas individuais e rastrear foguetes são coisas semelhantes, e as empresas de câmeras e seus clientes tiveram que controlar as vendas e exportações de câmeras.
Então veio o sCMOS, que começou prometendo o mundo — e, ao longo dos 10 anos seguintes, quase o entregou. Pixels menores, proporcionando às pessoas os 6,5 mícrons que elas tanto amavam, para objetivas de 60x, e tudo com um ruído de leitura menor, de cerca de 1,5 elétron. Isso não era exatamente um EMCCD, mas, comparado aos 6 elétrons da tecnologia CCD comparável da época, era incrível.
Os sCMOS iniciais ainda eram frontalmente iluminados. Mas em 2016, o sCMOS com retroiluminação chegou e, para torná-lo ainda mais sensível às versões originais com iluminação frontal, ele tinha pixels de 11 mícrons. Com o aumento do QE e do tamanho dos pixels, os clientes sentiram que tinham uma vantagem de 3,5 vezes.
Finalmente, em 2021, o ruído de leitura de subelétrons foi quebrado, com algumas câmeras chegando a apenas 0,25 elétrons - foi o fim para o EMCCD.
Ou foi...
Bem, um pouco do problema ainda é o tamanho do pixel. Novamente, você pode fazer o que quiser opticamente, mas no mesmo sistema, um pixel de 4,6 mícrons coleta 12 vezes menos luz do que um de 16 mícrons.
Agora você poderia binar, mas lembre-se de que binar com CMOS normal aumenta o ruído em função do fator de binning. Portanto, a maioria das pessoas fica satisfeita com seus pixels de 6,5 mícrons, achando que podem binar até atingir a sensibilidade, mas estão dobrando seu ruído de leitura para 3 elétrons.
Mesmo que o ruído possa ser reduzido, o tamanho do pixel e o poço completo ainda são um comprometimento para a coleta real do sinal.
A outra coisa é o ganho e o contraste – ter mais tons de cinza e dividir o sinal em partes menores resulta em melhor contraste. Você pode ter o mesmo ruído, mas quando mostra apenas 2 tons de cinza para cada elétron com um CMOS, não há muito o que fazer quando se tem apenas 5 elétrons de sinal.
Por fim, e quanto à cofragem? Às vezes, acho que esquecemos o quão poderosa essa ferramenta era no EMCCD: as cofragem global realmente ajudam e são muito leves e rápidas, especialmente em sistemas multicomponentes complexos.
A única câmera sCMOS que vi chegar perto do sensor EMCCD de 512 x 512 é a Aries 16. Ela começa com pixels de 16 mícrons e fornece 0,8 elétrons de ruído de leitura sem necessidade de binarização. Para sinais acima de 5 fótons (por pixel de 16 mícrons), acho que é a melhor que já vi e custa cerca de metade do preço.
Então o EMCCD está morto? Não, e ele não vai morrer de verdade até que tenhamos algo tão bom novamente. O problema é, bem, todos os problemas: excesso de ruído, envelhecimento do ganho, controles de exportação...
Se a tecnologia EMCCD fosse um avião, seria um Concord. Todos que voaram adoraram, mas provavelmente não precisavam dele e agora, com assentos maiores e camas, basta dormir aquelas 3 horas extras do outro lado do Atlântico.
O EMCCD, ao contrário de Concord, ainda está vivo porque algumas pessoas — um número pequeno e cada vez menor — ainda precisam dele. Ou talvez elas simplesmente pensem que precisam?
Usar um EMCCD, a tecnologia de imagem mais cara e complexa, não o torna especial ou um especialista em imagem – você está apenas fazendo algo diferente. E se você ainda não tentou mudar, provavelmente deveria.
