24/05/22Senzorii EMCCD au fost o revelație: creșteți sensibilitatea prin reducerea zgomotului de citire. Ei bine, aproape, mai realist vorbind, creșteam semnalul pentru a face ca zgomotul de citire să pară mai mic.
Și i-am iubit, și-au găsit imediat un loc în domeniul lucrărilor cu semnale reduse, cum ar fi spectroscopia cu o singură moleculă și apoi s-au răspândit printre furnizorii de sisteme de microscopie pentru lucruri precum discul rotativ, super-rezoluția și nu numai. Și apoi i-am ucis. Sau nu i-am făcut?
Tehnologia EMCCD are o istorie cu doi furnizori cheie: e2V și Texas Instruments. E2V, acum Teledyne e2V, a început această dezvoltare cu primii senzori spre sfârșitul anilor 1990, dar a făcut progrese reale cu varianta cea mai acceptată, având o matrice de 512 x 512 cu pixeli de 16 microni.
Acest senzor EMCCD inițial și probabil cel mai dominant a avut un impact real, iar jumătate din acesta a fost reprezentat de dimensiunea pixelilor. Pixelii de 16 microni de pe un microscop colectau de 6 ori mai multă lumină decât cel mai popular CCD al vremii, ICX285, prezent în popularele serii CoolSnap și Orca. Dincolo de dimensiunea pixelilor, aceste dispozitive erau iluminate din spate, convertind cu 30% mai mulți fotoni, ducând sensibilitatea de 6 ori mai mare la 7.
Deci, practic, EMCCD era de 7 ori mai sensibil înainte să-l pornim și să simțim impactul câștigului EMCCD. Acum, desigur, puteți argumenta că ați putea elimina CCD-ul sau că ați putea folosi optica pentru a crea pixeli mai mari - doar că majoritatea oamenilor nu au făcut-o!
Dincolo de asta, obținerea unui zgomot de citire sub 1 electron a fost esențială. A fost esențială, dar nu a fost gratuită. Procesul de multiplicare a crescut incertitudinea măsurării semnalului, ceea ce înseamnă că zgomotul de împușcare, curentul de întuneric și orice altceva aveam înainte de multiplicare a fost crescut cu un factor de 1,4. Deci, ce însemna asta? Ei bine, însemna că EMCCD era mai sensibil, dar numai la lumină slabă, ei bine, cam atunci ai nevoie de el, nu?
Împotriva unui CCD clasic, nu a fost nicio concurență. Pixeli mari, mai mult QE, EM Gain. Și am fost cu toții mulțumiți, mai ales cei dintre noi care se ocupau de vânzările de camere: 40.000 de dolari, vă rog...
Singurele lucruri cu care am fi putut face mai mult au fost viteza, suprafața senzorului și (nu că am fi știut că este posibil) o dimensiune mai mică a pixelilor.
Apoi au apărut controalele la export și conformitatea, iar asta nu a fost deloc plăcut. Se pare că urmărirea moleculelor individuale și urmărirea rachetelor sunt similare, iar companiile de camere și clienții lor au trebuit să controleze vânzările și exporturile de camere.
Apoi a apărut sCMOS, care a început prin a promite lumii întregi - și apoi, în următorii 10 ani, aproape a livrat-o. Pixeli mai mici le-au oferit oamenilor cei 6,5 microni pe care îi iubeau pentru obiective de 60x și totul cu un zgomot de citire mai mic, de aproximativ 1,5 electroni. Acum, aceasta nu era chiar EMCCD, dar față de cei 6 electroni ai tehnologiei CCD comparative din acea vreme, era uimitor.
Memoarele sCMOS inițiale erau încă iluminate frontal. Dar în 2016 a apărut tehnologia sCMOS cu iluminare din spate, iar pentru a le face să pară și mai sensibile față de versiunile originale cu iluminare frontală, aveau pixeli de 11 microni. Odată cu creșterea QE și a dimensiunii pixelilor, clienții au simțit că au un avantaj de 3,5 ori.
În cele din urmă, în 2021, zgomotul de citire a subelectronilor a fost eliminat, unele camere atingând valori de până la 0,25 electroni - totul s-a terminat pentru EMCCD.
Sau a fost...?
Ei bine, o parte din problemă este tot dimensiunea pixelilor. Din nou, poți face ce vrei optic, dar pe același sistem, un pixel de 4,6 microni colectează de 12 ori mai puțină lumină decât unul de 16 microni.
Acum ai putea face binning, dar ține minte că binning-ul cu CMOS normal crește zgomotul în funcție de factorul de binning. Așadar, majoritatea oamenilor sunt mulțumiți cu pixelii lor de 6,5 microni, crezând că își pot croi drum spre sensibilitate, dar își dublează zgomotul de citire la 3 electroni.
Chiar dacă zgomotul poate fi redus, dimensiunea pixelului, și, de altfel, întregul, reprezintă încă un compromis pentru colectarea reală a semnalului.
Celălalt aspect este amplificarea și contrastul - mai multe nuanțe de gri și segmentarea semnalului oferă un contrast mai bun. Poți avea același zgomot, dar când arăți doar 2 nuanțe de gri pentru fiecare electron cu un CMOS, nu ai prea multe de gestionat când ai doar 5 electroni de semnal.
În cele din urmă, cum rămâne cu cofrajul? Uneori cred că uităm cât de puternic a fost acesta în EMCCD: obloanele globale chiar ajută și sunt foarte ușoare și eficiente din punct de vedere al vitezei, mai ales în sistemele complicate cu mai multe componente.
Singura cameră sCMOS pe care am văzut-o care se apropie măcar puțin de senzorul EMCCD de 512 x 512 este Aries 16. Aceasta începe cu pixeli de 16 microni și furnizează 0,8 electroni de zgomot de citire fără a fi nevoie de bin-uri. Pentru semnale de peste 5 fotoni (per pixel de 16 microni), cred că este cea mai bună pe care am văzut-o vreodată și cam la jumătate din preț.
Deci, EMCCD a murit? Nu, și nu va muri cu adevărat până nu vom obține din nou ceva atât de bun. Problema sunt, ei bine, toate problemele: zgomot excesiv, îmbătrânirea amplificării, controalele la export...
Dacă tehnologia EMCCD ar fi un avion, ar fi un Concord. Toți cei care l-au pilotat au iubit-o, dar probabil că nu aveau nevoie de ea, iar acum, cu scaune mai mari și platforme – pur și simplu dormiți acele 3 ore suplimentare peste Atlantic.
Spre deosebire de Concord, EMCCD există încă pentru că unii oameni - un număr mic, din ce în ce mai mic - încă au nevoie de el. Sau poate doar cred că au?
Utilizarea unui EMCCD, cea mai scumpă și complicată tehnologie de imagistică utilizată pe scară largă, nu te face special sau expert în imagistică - pur și simplu faci ceva diferit. Și dacă nu ai încercat să te schimbi, probabil că ar trebui.
