24/05/22Датчики EMCCD стали настоящим открытием: повысьте чувствительность, снизив уровень шума при считывании. Вернее, если говорить более реалистично, мы увеличивали сигнал, чтобы уровень шума при считывании казался меньше.
И мы их полюбили. Они сразу же нашли применение в работе с низким уровнем сигнала, например, в исследованиях отдельных молекул и спектроскопии, а затем распространились среди поставщиков микроскопических систем для таких задач, как вращающиеся диски, сверхвысокое разрешение и многое другое. А потом мы их уничтожили. Или нет?
Технология EMCCD имеет свою историю благодаря двум ключевым поставщикам: e2V и Texas Instruments. Компания E2V, ныне Teledyne e2V, начала этот путь с первых датчиков в конце 1990-х годов, но добилась реальных успехов с наиболее распространённым вариантом, имеющим матрицу 512 x 512 с 16-микронными пикселями.
Этот первый и, пожалуй, самый популярный датчик EMCCD оказал реальное влияние, и половина этого влияния заключалась в размере пикселя. 16-микронные пиксели микроскопа собирали в 6 раз больше света, чем самая популярная ПЗС-матрица того времени, ICX285, использовавшаяся в камерах серий CoolSnap и Orca. Помимо размера пикселя, эти устройства имели обратную подсветку, преобразуя на 30% больше фотонов, что доводило чувствительность с 6 до 7.
Таким образом, EMCCD-матрица фактически была в 7 раз чувствительнее ещё до того, как мы её включили и почувствовали влияние усиления EMCCD. Конечно, можно утверждать, что можно было бы уменьшить размер ПЗС или использовать оптику для создания пикселей большего размера — просто большинство людей этого не делали!
Кроме того, ключевым фактором было снижение шума считывания ниже 1 электрона. Это было ключевым фактором, но не бесплатно. Процесс умножения увеличивал неопределённость измерения сигнала, то есть дробовой шум, темновой ток и всё остальное, что было до умножения, увеличивалось в 1,4 раза. Итак, что это означало? Ну, это означало, что EMCCD был более чувствительным, но только при слабом освещении, то есть именно тогда, когда это и нужно, верно?
Против классической ПЗС-матрицы это был вне конкуренции. Крупные пиксели, больше квантовой эффективности, усиление электромагнитного поля. И мы все были счастливы, особенно те, кто занимался продажами фотоаппаратов: 40 000 долларов, пожалуйста...
Единственное, в чем мы могли бы добиться большего, — это скорость, площадь сенсора и (хотя мы и не знали, что это возможно) меньший размер пикселя.
Затем появились экспортный контроль и требования к соблюдению нормативных требований, и это было совсем не весело. Оказалось, что отслеживание отдельных молекул и отслеживание ракет — это одно и то же, и производителям камер и их клиентам пришлось контролировать продажи и экспорт камер.
Затем появилась технология sCMOS, которая сначала обещала миру будущее, а затем, в течение следующих 10 лет, практически осуществила его. Более мелкие пиксели дали людям столь любимый размер 6,5 микрон для 60-кратных объективов, и всё это с меньшим шумом чтения — примерно 1,5 электрона. Конечно, это был не совсем EMCCD, но на фоне 6 электронов сопоставимой технологии ПЗС того времени это было просто потрясающе.
Первые sCMOS-матрицы всё ещё имели фронтальную подсветку. Но в 2016 году появились sCMOS с задней подсветкой, и, чтобы казаться ещё более чувствительными по сравнению с оригинальными моделями с фронтальной подсветкой, размер пикселов составлял 11 мкм. С повышением QE и увеличением размера пикселов покупатели почувствовали, что получили 3,5-кратное преимущество.
Наконец, в 2021 году шум субэлектронного считывания был преодолен, и некоторые камеры достигли уровня всего 0,25 электронов — для EMCCD все было кончено.
Или это было...
Ну, проблема всё ещё кроется в размере пикселя. С оптикой, опять же, можно делать всё, что угодно, но в той же системе 4,6-микронный пиксель собирает в 12 раз меньше света, чем 16-микронный.
Конечно, можно использовать биннинг, но помните, что биннинг с обычной КМОП-матрицей увеличивает шум пропорционально коэффициенту биннинга. Поэтому большинство людей довольны своими 6,5-микронными пикселями, думая, что могут увеличить чувствительность с помощью биннинга, но при этом шум чтения удваивается до 3 электронов.
Даже если шум можно уменьшить, размер пикселя, и вообще все равно, являются компромиссом для реального сбора сигнала.
Другой аспект — усиление и контрастность: увеличение количества серых оттенков и дробление сигнала на более мелкие составляющие действительно даёт лучший контраст. Уровень шума может быть тем же, но если вы отображаете только два серых оттенка на каждый электрон с помощью КМОП-матрицы, то при наличии всего пяти электронов сигнала вам не с чем будет экспериментировать.
Наконец, что насчёт опалубки? Иногда мне кажется, что мы забываем, насколько мощным инструментом это было в EMCCD: глобальные опалубки действительно помогают, они очень лёгкие и эффективные в работе, особенно в сложных многокомпонентных системах.
Единственная sCMOS-камера, которую я видел, хоть как-то приближается к EMCCD-сенсору 512 x 512, — это Aries 16. Она использует 16-микронные пиксели и обеспечивает шум чтения 0,8 электронов без необходимости биннинга. Для сигналов более 5 фотонов (на 16-микронный пиксель) это, на мой взгляд, лучшая из всех, что я видел, и стоит примерно вдвое дешевле.
Так что, EMCCD умер? Нет, и он не умрёт по-настоящему, пока мы снова не получим что-то столь же хорошее. Проблема, собственно, во всех проблемах: избыточный шум, старение усиления, экспортный контроль...
Если бы технология EMCCD была самолётом, это был бы «Конкорд». Все, кто летал на нём, были от него в восторге, но, вероятно, он им не был нужен. А теперь, с большими креслами и раскладушками, просто поспите лишние три часа в пути через Атлантику.
В отличие от «Конкорда», EMCCD всё ещё жив, потому что некоторым людям — небольшому и постоянно уменьшающемуся числу — он всё ещё нужен. Или, может быть, они просто думают, что он нужен?
Использование EMCCD, самой дорогой и сложной из широко распространённых технологий визуализации, не делает вас особенным или экспертом в области визуализации — вы просто делаете что-то другое. И если вы ещё не пробовали что-то изменить, то, вероятно, стоит это сделать.
