24/05/22Os sensores EMCCD foram uma revelação: aumentar 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 havia 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 o rastreamento de moléculas individuais e o rastreamento de foguetes são semelhantes, e as empresas de câmeras e seus clientes tiveram que controlar as vendas e exportações de câmeras.
Então surgiu 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, 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 da metade do preço.
Então o EMCCD está morto? Não, e ele não vai morrer de verdade até que tenhamos algo tão bom de novo. 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 o pilotaram 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 nem um especialista em imagem – você está apenas fazendo algo diferente. E se você ainda não tentou mudar, provavelmente deveria.
