24.05.22.EMCCD сензори су били откриће: повећајте осетљивост смањењем шума при читању. Па, готово реалније, повећавали смо сигнал како би шум при читању изгледао мањи.
И волели смо их, одмах су се применили у раду са ниским сигналима, као што су појединачни молекули и спектроскопија, а затим су се проширили међу добављачима микроскопских система за ствари као што су ротирајући диск, суперрезолуција и још много тога. А онда смо их убили. Или јесмо?
EMCCD технологија има своју историју са два кључна добављача: e2V и Texas Instruments. E2V, сада Teledyne e2V, започео је овај пут са раним сензорима крајем 1990-их, али је направио праве кораке са најприхваћенијом варијантом, која има низ од 512 x 512 са пикселима од 16 микрона.
Овај почетни и вероватно најдоминантнији EMCCD сензор имао је прави утицај, а половина тога је заправо била величина пиксела. Пиксели од 16 микрона на микроскопу сакупљали су 6 пута више светлости него најпопуларнији CCD тог времена, ICX285, који се налазио у популарним серијама CoolSnap и Orca. Поред величине пиксела, ови уређаји су били осветљени са задње стране, конвертујући 30% више фотона, што је чинило осетљивост 6 пута већом на 7.
Дакле, ефикасно је EMCCD био 7 пута осетљивији чак и пре него што смо га укључили и осетили утицај EMCCD појачања. Сада, наравно, можете тврдити да бисте могли да изолујете CCD или да бисте могли да користите оптику за креирање већих величина пиксела – само што већина људи то није радила!
Поред овога, кључно је било смањити шум очитавања испод 1 електрона. Било је кључно, али није било бесплатно. Процес множења је повећао несигурност мерења сигнала, што значи да је шум сачма, тамна струја и све остало што смо имали пре множења повећано за фактор 1,4. Дакле, шта је то значило? Па, то је значило да је EMCCD био осетљивији, али само при слабом осветљењу, па, тада вам је отприлике потребан, зар не?
Против класичног CCD-а, није било конкуренције. Велики пиксели, више квантне резонанције, електромагнетно појачање. И сви смо били срећни, посебно они од нас који продају камере: 40.000 долара, молим...
Једино са чиме смо могли више да урадимо биле су брзина, површина сензора и (не да смо знали да је то могуће) мања величина пиксела.
Онда су дошле контроле извоза и усклађеност, а то није било забавно. Испоставило се да су праћење појединачних молекула и праћење ракета слични, а компаније за производњу камера и њихови купци морали су да контролишу продају и извоз камера.
Онда је дошао sCMOS, почевши са обећањем свету - а затим током наредних 10 година скоро га и испоручивши. Мањи пиксели су људима дали 6,5 микрона које су волели за објективе са 60x увећањем, а све то са нижим шумом очитавања од око 1,5 електрона. Сада, ово није било баш EMCCD, али у поређењу са 6 електрона упоредне CCD технологије тог времена било је невероватно.
Првобитни sCMOS транзистори су и даље имали предње осветљење. Али 2016. године стигли су sCMOS транзистори са задњим осветљењем, и да би изгледали још осетљивији у односу на оригиналне верзије са предњим осветљењем, имали су пикселе од 11 микрона. Са QE појачањем и повећањем величине пиксела, купци су имали осећај да имају 3,5 пута већу предност.
Коначно, 2021. године, шум очитавања испод електрона је прекинут, а неке камере су достигле само 0,25 електрона - све је било готово за EMCCD.
Или је то било...
Па, део проблема је и даље величина пиксела. Опет, можете оптички радити шта год желите, али на истом систему, пиксел од 4,6 микрона сакупља 12 пута мање светлости од пиксела од 16 микрона.
Сада можете да бинујете, али запамтите да биновање са нормалним CMOS-ом повећава шум пропорционално фактору биновања. Дакле, већина људи је задовољна својим пикселима од 6,5 микрона мислећи да могу да биновањем повећају осетљивост, али удвостручују свој шум при читању на 3 електрона.
Чак и ако се шум може смањити, величина пиксела, па и сама величина бунара, и даље су компромис за стварно прикупљање сигнала.
Друга ствар је појачање и контраст – више сивих тонова и мање уситњавање сигнала даје бољи контраст. Можете имати исти шум, али када приказујете само 2 сиве за сваки електрон са CMOS-ом, немате много тога за експериментисање када имате само 5 електрона сигнала.
Коначно, шта је са оплатом? Понекад мислим да заборављамо колико је ово био моћан алат у EMCCD-у: глобалне оплате заиста помажу и веома су лагане и брзе, посебно у компликованим вишекомпонентним системима.
Једина sCMOS камера коју сам видео која се и близу EMCCD сензору од 512 x 512 је Aries 16. Она почиње са пикселима од 16 микрона и испоручује 0,8 електрона шума при читању без потребе за бинарним снимањем. За сигнале од преко 5 фотона (по пикселу од 16 микрона), мислим да је најбоља коју сам икада видео и отприлике је упола јефтинија.
Дакле, да ли је EMCCD мртав? Не, и неће заиста умрети док поново не добијемо нешто тако добро. Проблем су, па, сви проблеми: прекомерна бука, старење појачања, контрола извоза...
Да је EMCCD технологија авион, био би то Конкорд. Сви који су њиме летели су га волели, али им вероватно није био потребан, а сада са већим седиштима и равним креветима – само преспавајте та додатна 3 сата преко Атлантика.
EMCCD, за разлику од Concord-а, још увек постоји јер је неким људима - малом, све мањем броју - и даље потребан. Или можда само мисле да јесте?
Коришћење EMCCD-а, најскупље и најкомпликованије широко коришћене технологије снимања, не чини вас посебним, нити стручњаком за снимање - ви само радите нешто другачије. А ако нисте покушали да се промените, вероватно би требало.
