24. 5. 2022Senzory EMCCD boli zjavením: zvýšte svoju citlivosť znížením šumu pri čítaní. Takmer realistickejšie sme zvyšovali signál, aby šum pri čítaní vyzeral menší.
A milovali sme ich, okamžite si našli uplatnenie v práci s nízkymi signálmi, ako sú napríklad jednotlivé molekuly a spektroskopia, a potom sa rozšírili medzi poskytovateľov mikroskopických systémov pre veci ako rotujúci disk, superrozlíšenie a ďalšie. A potom sme ich zabili. Alebo nie?
Technológia EMCCD má svoju históriu s dvoma kľúčovými dodávateľmi: e2V a Texas Instruments. E2V, teraz Teledyne e2V, začala s prvými senzormi koncom 90. rokov 20. storočia, ale skutočný pokrok dosiahla s najuznávanejším variantom s poľom 512 x 512 so 16-mikrónovými pixelmi.
Tento prvý a pravdepodobne najdominantnejší EMCCD senzor mal skutočný vplyv a polovica z neho bola skutočne veľkosť pixelu. 16-mikrónové pixely na mikroskope zhromaždili 6-krát viac svetla ako najpopulárnejší CCD tej doby, ICX285, ktorý sa nachádzal v populárnych sériách CoolSnap a Orca. Okrem veľkosti pixelu boli tieto zariadenia podsvietené, čím konvertovali o 30 % viac fotónov, čo malo 6-krát vyššiu citlivosť na 7.
Takže EMCCD bol v podstate 7-krát citlivejší ešte predtým, ako sme ho zapli a pocítili vplyv zosilnenia EMCCD. Samozrejme, môžete tvrdiť, že by ste mohli CCD rozdeliť do skupín alebo použiť optiku na vytvorenie väčších pixelov – len väčšina ľudí to nerobila!
Okrem toho bolo kľúčové dosiahnuť šum pri čítaní pod 1 elektrón. Bolo to kľúčové, ale nebolo to zadarmo. Proces násobenia zvýšil neistotu merania signálu, čo znamená, že šum pri čítaní, tmavý prúd a všetko ostatné, čo sme mali pred násobením, sa zvýšilo faktorom 1,4. Čo to teda znamenalo? Znamenalo to, že EMCCD bol citlivejší, ale iba pri slabom osvetlení, no vtedy ho tak nejako potrebujete, však?
Proti klasickému CCD snímaču to nebola žiadna konkurencia. Veľké pixely, viac kvantového zlepšovania, elektromagnetické zosilnenie. A všetci sme boli spokojní, najmä tí z nás, ktorí predávajú fotoaparáty: 40 000 dolárov, prosím...
Jediné, s čím sme mohli urobiť viac, bola rýchlosť, plocha snímača a (nie že by sme vedeli, že je to možné) menšia veľkosť pixelu.
Potom prišli kontroly vývozu a dodržiavanie predpisov, a to nebola žiadna zábava. Ukázalo sa, že sledovanie jednotlivých molekúl a sledovanie rakiet sú podobné a spoločnosti vyrábajúce fotoaparáty a ich zákazníci museli kontrolovať predaj a vývoz fotoaparátov.
Potom prišiel sCMOS, ktorý najprv sľuboval svetu – a potom ho v priebehu nasledujúcich 10 rokov takmer aj splnil. Menšie pixely priniesli ľuďom 6,5 mikrónov, ktoré milovali, pre objektívy so 60-násobným zväčšením a to všetko s nižším čítacím šumom okolo 1,5 elektrónu. Toto síce nebolo celkom EMCCD, ale oproti 6 elektrónom porovnávacej CCD technológie tej doby to bolo úžasné.
Pôvodné sCMOS boli stále s predným osvetlením. Ale v roku 2016 prišli sCMOS so zadným osvetlením, ktoré sa zdali byť ešte citlivejšie ako pôvodné verzie s predným osvetlením, mali 11-mikrónové pixely. Vďaka vylepšeniu QE a zväčšeniu veľkosti pixelov mali zákazníci pocit, že majú 3,5-násobnú výhodu.
Nakoniec, v roku 2021 bol subelektrónový šum pri čítaní prerušený, pričom niektoré kamery dosiahli až 0,25 elektrónu – pre EMCCD to bolo všetko.
Alebo to bolo...
Problémom je stále veľkosť pixelu. Opticky si môžete robiť, čo chcete, ale na rovnakom systéme 4,6-mikrónový pixel zhromažďuje 12-krát menej svetla ako 16-mikrónový.
Teraz by ste mohli binovať, ale nezabudnite, že binning s normálnym CMOS zvyšuje šum o funkciu binningového faktora. Väčšina ľudí je teda spokojná so svojimi 6,5-mikrónovými pixelmi a myslí si, že si môžu binovaním zvýšiť citlivosť, ale zdvojnásobujú svoj čítací šum na 3 elektróny.
Aj keď sa dá znížiť šum, veľkosť pixelu a vlastne aj plná jamka sú stále kompromisom pre skutočný zber signálu.
Ďalšia vec je zisk a kontrast – viac odtieňov sivej a menšie skrátenie signálu prináša lepší kontrast. Môžete mať rovnaký šum, ale keď zobrazíte iba 2 odtiene sivej na každý elektrón s CMOS čipom, nemáte s čím veľa hrať, keď máte iba 5 elektrónov signálu.
A čo nakoniec debnenie? Niekedy si myslím, že zabúdame, aký silný nástroj to bolo v EMCCD: globálne uzávery skutočne pomáhajú a sú veľmi ľahké a rýchle, najmä v zložitých viacprvkových systémoch.
Jediná sCMOS kamera, ktorú som videl a ktorá sa aspoň trochu priblížila senzoru EMCCD s rozlíšením 512 x 512, je Aries 16. Táto kamera začína so 16-mikrónovými pixelmi a poskytuje 0,8 elektrónu šumu pri čítaní bez nutnosti zlučovania. Pre signály s viac ako 5 fotónmi (na 16-mikrónový pixel) si myslím, že je to najlepšia kamera, akú som kedy videl, a stojí približne polovicu ceny.
Takže je EMCCD mŕtvy? Nie a naozaj nezomrie, kým opäť nezískame niečo také dobré. Problém je, no, vo všetkých týchto problémoch: nadmerný šum, starnutie zosilnenia, kontroly exportu...
Keby bola technológia EMCCD lietadlom, bol by to Concord. Každý, kto s ním lietal, ho miloval, ale pravdepodobne ho nepotreboval a teraz s väčšími sedadlami a plošinovými lôžkami – stačí si len vyspať tie 3 hodiny navyše cez Atlantik.
EMCCD, na rozdiel od Concordu, stále žije, pretože niektorí ľudia – malý, stále klesajúci počet – ho stále potrebujú. Alebo si možno len myslia, že ho potrebujú?
Používanie EMCCD, najdrahšej a najzložitejšej a najpoužívanejšej zobrazovacej technológie, z vás nerobí žiadnu špecialistku ani experta na zobrazovanie – robíte len niečo iné. A ak ste sa o zmenu nepokúsili, pravdepodobne by ste mali.
