24. 5. 2022Senzorji EMCCD so bili razodetje: povečajte občutljivost z zmanjšanjem bralnega šuma. No, skoraj bolj realistično smo povečali signal, da bi bil vaš bralni šum videti manjši.
In oboževali smo jih, takoj so se uveljavili pri delu z nizkimi signali, kot so posamezne molekule in spektroskopija, nato pa so se razširili med ponudnike mikroskopskih sistemov za stvari, kot so vrteči se disk, superločljivost in še več. In potem smo jih uničili. Ali pa ne?
Tehnologija EMCCD ima svojo zgodovino pri dveh ključnih dobaviteljih: e2V in Texas Instruments. E2V, zdaj Teledyne e2V, je to začel z zgodnjimi senzorji proti koncu devetdesetih let prejšnjega stoletja, vendar je dosegel pravi napredek z najbolj sprejeto različico, ki ima matriko 512 x 512 s 16-mikronskimi slikovnimi pikami.
Ta začetni in verjetno najbolj prevladujoči senzor EMCCD je imel resničen vpliv, polovica tega pa je bila v resnici velikost slikovnih pik. 16-mikronske slikovne pike na mikroskopu so zbrale 6-krat več svetlobe kot takrat najbolj priljubljen CCD, ICX285, ki je bil predstavljen v priljubljenih serijah CoolSnap in Orca. Poleg velikosti slikovnih pik so bile te naprave osvetljene od zadaj, kar je pretvorilo 30 % več fotonov, kar je pomenilo 6-krat večjo občutljivost na 7.
Torej je bil EMCCD dejansko 7-krat bolj občutljiv, še preden smo ga vklopili in opazili vpliv ojačanja EMCCD. Seveda lahko trdite, da bi lahko CCD izločili ali uporabili optiko za ustvarjanje večjih velikosti slikovnih pik – le večina ljudi tega ni storila!
Poleg tega je bilo ključnega pomena doseči šum pri branju pod enim elektronom. Bilo je ključno, vendar ni bilo zastonj. Postopek množenja je povečal negotovost meritve signala, kar pomeni, da se je šum strela, temni tok in vse ostalo, kar smo imeli pred množenjem, povečalo za faktor 1,4. Kaj je torej to pomenilo? No, pomenilo je, da je bil EMCCD bolj občutljiv, vendar le pri šibki svetlobi, no, takrat ga nekako potrebuješ, kajne?
Proti klasičnemu CCD-ju ni bilo konkurence. Veliki slikovni elementi, več kvantne regeneracije, elektromagnetno ojačanje. In vsi smo bili zadovoljni, še posebej tisti, ki prodajamo fotoaparate: 40.000 dolarjev, prosim ...
Edino, pri čemer bi lahko naredili več, so bile hitrost, površina senzorja in (čeprav nismo vedeli, da je to mogoče) manjša velikost slikovnih pik.
Nato sta prišla na vrsto kontrola izvoza in skladnost s predpisi, kar ni bilo zabavno. Izkazalo se je, da sta sledenje posameznim molekulam in sledenje raketam podobna, podjetja, ki proizvajajo kamere, in njihove stranke pa so morale nadzorovati prodajo in izvoz kamer.
Nato je prišel sCMOS, ki je svetu najprej obljubil nekaj novega – in nato v naslednjih 10 letih to skoraj uresničil. Manjši slikovni elementi so ljudem omogočili 6,5 mikronov, ki so jih imeli radi, za objektive s 60-kratno povečavo, vse z nižjim bralnim šumom približno 1,5 elektrona. To sicer ni bilo ravno EMCCD, ampak v primerjavi s 6 elektroni primerljive CCD tehnologije tistega časa je bilo neverjetno.
Začetni sCMOS-i so bili še vedno osvetljeni od spredaj. Leta 2016 pa so prišli sCMOS-i z osvetlitvijo od zadaj, ki so bili videti še občutljivejši v primerjavi z originalnimi različicami s sprednjo osvetlitvijo in so imeli 11-mikronske slikovne pike. Z izboljšanjem QE in povečanjem velikosti slikovnih pik so stranke imele občutek, da imajo 3,5-kratno prednost.
Končno je bil leta 2021 šum pri branju podelektronov odpravljen, saj so nekatere kamere dosegle le 0,25 elektrona – za EMCCD je bilo vsega konec.
Ali pa je bilo ...
No, del problema je še vedno velikost slikovne pike. Optično lahko počnete, kar želite, vendar v istem sistemu slikovna pika velikosti 4,6 mikrona zbere 12-krat manj svetlobe kot slikovna pika velikosti 16 mikronov.
Sedaj bi lahko združevali, vendar ne pozabite, da združevanje z običajnim CMOS-om poveča šum za funkcijo faktorja združevanja. Večina ljudi je torej zadovoljna s svojimi 6,5-mikronskimi slikovnimi pikami in misli, da lahko z združevanjem dosežejo občutljivost, vendar s tem podvojijo svoj bralni šum na 3 elektrone.
Tudi če je mogoče zmanjšati šum, sta velikost slikovnih pik in celotna globina še vedno kompromis za resnično zbiranje signala.
Druga stvar je ojačanje in kontrast – več sivin in manjše sekanje signala sicer dajeta boljši kontrast. Lahko imaš enak šum, toda ko s CMOS-om prikažeš le 2 sivina za vsak elektron, se nimaš veliko igrati s tem, ko imaš le 5 elektronov signala.
Končno, kaj pa opaži? Včasih mislim, da pozabljamo, kako močno orodje je bilo to v EMCCD: globalni opaži resnično pomagajo in so zelo lahki in hitro učinkoviti, zlasti v zapletenih večkomponentnih sistemih.
Edina sCMOS kamera, ki sem jo videl in se vsaj približno približa senzorju EMCCD z ločljivostjo 512 x 512, je Aries 16. Ta se začne s 16-mikronskimi slikovnimi pikami in zagotavlja 0,8 elektrona bralnega šuma brez potrebe po združevanju. Za signale nad 5 fotoni (na 16-mikronski slikovni piksel) mislim, da je najboljša, kar sem jih kdaj videl, in približno za polovico cenejša.
Je torej EMCCD mrtev? Ne, in ne bo zares umrl, dokler ne bomo spet dobili nečesa tako dobrega. Problem so, no, vsi problemi: prekomerni šum, staranje ojačanja, nadzor izvoza ...
Če bi bila tehnologija EMCCD letalo, bi bil to Concord. Vsi, ki so ga leteli, so ga imeli radi, vendar ga verjetno niso potrebovali, zdaj pa z večjimi sedeži in ploščatimi posteljami – preprosto spijo tiste dodatne 3 ure čez Atlantik.
EMCCD, za razliko od Concorda, še vedno obstaja, ker ga nekateri ljudje – majhno, vedno manjše število – še vedno potrebujejo. Ali pa morda samo mislijo, da ga potrebujejo?
Uporaba EMCCD, najdražje in najzahtevnejše široko uporabljene tehnologije slikanja, vas ne naredi posebnega ali strokovnjaka za slikanje – preprosto počnete nekaj drugačnega. In če še niste poskusili spremeniti, potem bi verjetno morali.
