24/05/22EMCCD-sensorer var en uppenbarelse: öka din känslighet genom att minska ditt läsbrus. Ja, nästan, mer realistiskt sett ökade vi signalen för att få ditt läsbrus att se mindre ut.
Och vi älskade dem, de hittade ett omedelbart hem med arbete med låga signaler som enskilda molekyler och spektroskopi och spreds sedan bland leverantörer av mikroskopsystem för saker som snurrande skivor, superupplösning och mer därtill. Och sedan tog vi livet av dem. Eller gjorde vi det?
EMCCD-tekniken har sin historia med två viktiga leverantörer: e2V och Texas Instruments. E2V, numera Teledyne e2V, började med tidiga sensorer mot slutet av 1990-talet men gjorde stora framsteg med den mest accepterade varianten, med en uppsättning på 512 x 512 med 16 mikronpixlar.
Denna första, och förmodligen mest dominerande, EMCCD-sensor hade en verklig inverkan och hälften av detta var egentligen pixelstorlek. 16-mikronpixlar på ett mikroskop samlade in 6 gånger mer ljus än den mest populära CCD:n på den tiden, ICX285, som fanns i de populära CoolSnap- och Orca-serierna. Utöver pixelstorleken var dessa enheter bakbelysta, vilket omvandlade 30 % fler fotoner, vilket gav den 6 gånger större känsligheten en känslighet på 7.
Så i praktiken var EMCCD sju gånger känsligare innan vi ens slog på den och fick uppleva effekten av EMCCD-förstärkningen. Nu kan man ju naturligtvis argumentera för att man skulle kunna kassera CCD:n, eller så skulle man kunna använda optik för att skapa större pixlar – det är bara det att de flesta inte gjorde det!
Utöver detta var det viktigt att få läsbrus under 1 elektron. Det var viktigt, men det var inte gratis. Multiplikationsprocessen ökade osäkerheten i signalmätningen, vilket innebar att skottbruset, mörkströmmen och allt annat vi hade före multiplikationen ökade med en faktor 1,4. Så, vad betydde det? Det betydde att EMCCD var känsligare men bara i svagt ljus, det är typ då man behöver det, eller hur?
Mot en klassisk CCD var det ingen konkurrens. Stora pixlar, mer QE, elektromagnetisk förstärkning. Och vi var alla nöjda, särskilt vi som sålde kameror: 40 000 dollar, tack ...
Det enda vi kunde ha gjort mer med var hastighet, sensoryta och (inte för att vi visste att det var möjligt) en mindre pixelstorlek.
Sedan kom exportkontroller och efterlevnad, och det var inte roligt. Det visar sig att spårning av enskilda molekyler och spårning av raketer är liknande, och kameraföretag och deras kunder var tvungna att kontrollera kamerförsäljning och export.
Sedan kom sCMOS, som började med att lova världen – och sedan under de kommande 10 åren nästan levererade det. Mindre pixlar gav människor de 6,5 mikrometer de älskade för 60x objektiv, och allt med lägre läsbrus på cirka 1,5 elektroner. Nu var detta inte riktigt EMCCD, men jämfört med de 6 elektronerna hos den jämförbara CCD-tekniken på den tiden var det fantastiskt.
De ursprungliga sCMOS-kretsarna var fortfarande framåtbelysta. Men 2016 kom bakåtbelysta sCMOS, och för att få dem att se ännu känsligare ut än de ursprungliga versionerna med framåtbelysning hade de 11 mikronpixlar. Med QE-boosten och ökningen av pixelstorleken kände kunderna att de hade en 3,5 gånger större fördel.
Slutligen, år 2021, bröts subelektronavläsningsbruset med vissa kameror så låga som 0,25 elektroner – det var över för EMCCD.
Eller var det ...
Nå, en del av problemet är fortfarande pixelstorleken. Återigen kan man göra vad man vill optiskt, men på samma system samlar en 4,6-mikronpixel 12 gånger mindre ljus än en 16-mikronpixel.
Nu skulle man kunna bin-a, men kom ihåg att binning med vanlig CMOS ökar bruset med en funktion av binningsfaktorn. Så de flesta är nöjda med sina 6,5-mikronpixlar och tror att de kan bin-a sig till känslighet, men de fördubblar sitt läsbrus till 3 elektroner.
Även om bruset kan minskas är pixelstorleken, och för den delen, fortfarande en kompromiss för verklig signalinsamling.
Den andra saken är förstärkningen och kontrasten – att ha fler gråtoner och minska signalen ger bättre kontrast. Man kan ha samma brus, men när man bara visar 2 gråtoner för varje elektron med ett CMOS får man inte mycket att leka med när man bara har 5 elektroner i signalen.
Slutligen, hur är det med formgjutningen? Ibland tror jag att vi glömmer hur kraftfullt ett verktyg detta var i EMCCD: globala slutare hjälper verkligen till och är mycket lätta och hastighetseffektiva, särskilt i komplicerade flerkomponentsystem.
Den enda sCMOS-kameran jag har sett som ens kommer i närheten av 512 x 512 EMCCD-sensorn är Aries 16. Denna börjar med 16 mikronpixlar och levererar 0,8 elektroner läsbrus utan behov av bin-funktion. För signaler över 5 fotoner (per 16 mikronpixel) tycker jag att den är den bästa jag någonsin sett och ungefär halva priset.
Så är EMCCD dött? Nej, och det kommer inte att dö förrän vi får något så bra igen. Problemet är, ja, alla problem: överdrivet brus, föråldrande förstärkning, exportkontroller...
Om EMCCD-tekniken vore ett flygplan skulle det vara en Concord. Alla som flög det älskade det, men de behövde det förmodligen inte och nu med större säten och flak – sov bara de där extra 3 timmarna på andra sidan Atlanten.
EMCCD, till skillnad från Concord, lever fortfarande eftersom vissa människor – ett litet, ständigt minskande antal – fortfarande behöver det. Eller kanske tror de bara att de gör det?
Att använda en EMCCD, den dyraste och mest komplicerade bildtekniken som används, gör dig inte speciell eller till en bildexpert – du gör bara något annorlunda. Och om du inte har försökt att förändras, så borde du förmodligen göra det.
