22/05/2024Os sensores EMCCD foram uma revelação: aumentava-se a sensibilidade reduzindo o ruído de leitura. Bem, quase isso; mais realisticamente, estávamos aumentando o sinal para que o ruído de leitura parecesse menor.
E nós os adorávamos; eles encontraram um lar imediato em trabalhos com baixo sinal, como moléculas individuais e espectroscopia, e depois se espalharam entre os fornecedores de sistemas de microscopia para coisas como disco giratório, super-resolução e muito mais. E então nós os matamos. Ou será que não?
A tecnologia EMCCD tem sua história ligada a dois fornecedores principais: a e2V e a Texas Instruments. A e2V, agora Teledyne e2V, deu início a esse desenvolvimento com os primeiros sensores no final da década de 1990, mas obteve avanços significativos com a variante mais aceita, que possui uma matriz de 512 x 512 pixels de 16 mícrons.
Este sensor EMCCD inicial, e provavelmente o mais dominante, teve um impacto real, e metade disso se devia 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 vezes.
Na prática, o EMCCD era 7 vezes mais sensível antes mesmo de o ligarmos e considerarmos o impacto do seu ganho. Claro que se pode argumentar que seria possível reduzir a resolução do CCD ou usar componentes ópticos para criar pixels maiores – mas a maioria das pessoas não o fez!
Além disso, reduzir o ruído de leitura para menos de 1 elétron era fundamental. Era crucial, mas não era gratuito. O processo de multiplicação aumentava a incerteza da medição do sinal, o que significa que o ruído de disparo, a corrente escura e qualquer outro fator presente antes da multiplicação aumentavam em 1,4 vezes. Então, o que isso significava? Bem, significava que o EMCCD era mais sensível, mas apenas em condições de baixa luminosidade, e é justamente nessas condições que precisamos de maior sensibilidade, certo?
Contra um CCD clássico, não havia comparação. Pixels grandes, maior QE, ganho EM. E todos nós ficamos felizes, especialmente nós da área de vendas de câmeras: US$ 40.000, por favor...
As únicas coisas em que poderíamos ter feito melhor eram velocidade, área do sensor e (não que soubéssemos que isso fosse possível) um tamanho de pixel menor.
Em seguida, vieram os controles de exportação e as exigências de conformidade, e isso não foi nada divertido. Descobriu-se que rastrear moléculas individuais e rastrear foguetes são processos semelhantes, e as empresas de câmeras e seus clientes tiveram que controlar as vendas e exportações de câmeras.
Então veio o sCMOS, começando por prometer o mundo — e, ao longo dos 10 anos seguintes, quase o cumprindo. Pixels menores proporcionaram aos usuários os 6,5 mícrons que tanto apreciavam para objetivas de 60x, tudo isso com um ruído de leitura reduzido de cerca de 1,5 elétrons. Não chegava a ser um EMCCD, mas comparado aos 6 elétrons da tecnologia CCD da época, era incrível.
Os primeiros sensores sCMOS ainda eram iluminados pela frente. Mas, em 2016, chegaram os sensores sCMOS com iluminação traseira e, para torná-los ainda mais sensíveis do que as versões originais com iluminação frontal, passaram a ter pixels de 11 mícrons. Com o aumento da eficiência quântica e do tamanho dos pixels, os clientes sentiram que tinham uma vantagem de 3,5 vezes.
Finalmente, em 2021, o ruído de leitura subeletrônico foi superado, com algumas câmeras atingindo níveis tão baixos quanto 0,25 elétrons – o fim para o EMCCD.
Ou será que era...?
Bem, parte do problema ainda reside no 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 usar o binning, mas lembre-se de que o binning com CMOS normal aumenta o ruído em função do fator de binning. Portanto, a maioria das pessoas está satisfeita com seus pixels de 6,5 mícrons, pensando que podem aumentar a sensibilidade usando o binning, mas estão dobrando o ruído de leitura para 3 elétrons.
Mesmo que o ruído possa ser reduzido, o tamanho do pixel, e o poço de potencial, ainda representam um compromisso para a coleta real do sinal.
Outro fator importante é o ganho e o contraste: ter mais tons de cinza e fragmentar o sinal em blocos menores resulta em melhor contraste. Você pode ter o mesmo nível de ruído, mas quando exibe apenas 2 tons de cinza para cada elétron em um sensor CMOS, a margem de manobra é bastante limitada com apenas 5 elétrons de sinal.
Por fim, e quanto ao obturador? Às vezes, acho que nos esquecemos de quão poderosa essa ferramenta era no EMCCD: os obturadores globais realmente ajudam, além de serem muito leves e rápidos, especialmente em sistemas complexos com múltiplos componentes.
A única câmera sCMOS que vi chegar perto do sensor EMCCD de 512 x 512 pixels é a Aries 16. Ela começa com pixels de 16 mícrons e oferece 0,8 elétrons de ruído de leitura sem necessidade de binning. 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 não vai morrer de verdade até que tenhamos algo tão bom quanto ele novamente. O problema são, bem, todos os problemas: ruído excessivo, envelhecimento do ganho, controles de exportação...
Se a tecnologia EMCCD fosse um avião, seria um Concorde. Todos que voaram nele adoraram, mas provavelmente não precisavam dela, e agora, com assentos maiores e camas totalmente reclináveis, basta dormir essas 3 horas extras durante a travessia do Atlântico.
Ao contrário de Concord, a EMCCD ainda existe porque algumas pessoas — um número pequeno e cada vez menor — ainda precisam dela. Ou talvez elas apenas pensem que precisam?
Usar uma EMCCD, a tecnologia de imagem mais cara e complexa amplamente utilizada, não te torna especial ou um especialista em imagem — você está apenas fazendo algo diferente. E se você ainda não tentou mudar, provavelmente deveria.
