24/05/22เซ็นเซอร์ EMCCD ถือเป็นนวัตกรรมใหม่: เพิ่มความไวของคุณโดยการลดสัญญาณรบกวนในการอ่าน จริงๆ แล้ว เรากำลังเพิ่มสัญญาณเพื่อทำให้สัญญาณรบกวนในการอ่านดูเล็กลง
และเราก็รักพวกมัน พวกมันพบบ้านทันทีด้วยงานที่มีสัญญาณต่ำ เช่น โมเลกุลเดี่ยวและสเปกโทรสโกปี จากนั้นก็แพร่กระจายไปยังผู้ให้บริการระบบกล้องจุลทรรศน์สำหรับสิ่งต่างๆ เช่น จานหมุน ความละเอียดระดับสูง และอื่นๆ แล้วเราก็กำจัดพวกมันไป หรือเราทำลายมันไปแล้ว?
เทคโนโลยี EMCCD มีประวัติอันยาวนานกับซัพพลายเออร์หลักสองราย ได้แก่ e2V และ Texas Instruments E2V หรือปัจจุบันคือ Teledyne e2V เริ่มต้นใช้งานด้วยเซ็นเซอร์รุ่นแรกๆ ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 แต่ได้พัฒนาก้าวหน้าขึ้นอย่างมากด้วยเซ็นเซอร์รุ่นที่ได้รับการยอมรับมากที่สุด ซึ่งมีขนาด 512 x 512 พิกเซล และพิกเซลขนาด 16 ไมครอน
เซ็นเซอร์ EMCCD รุ่นแรกนี้ ซึ่งน่าจะเป็นรุ่นที่โดดเด่นที่สุด ได้สร้างผลกระทบอย่างแท้จริง และครึ่งหนึ่งของผลกระทบนี้มาจากขนาดพิกเซล พิกเซลขนาด 16 ไมครอนบนกล้องจุลทรรศน์สามารถเก็บแสงได้มากกว่า CCD รุ่นยอดนิยมในขณะนั้นอย่าง ICX285 ซึ่งอยู่ในซีรีส์ CoolSnap และ Orca ถึง 6 เท่า นอกเหนือจากขนาดพิกเซลแล้ว อุปกรณ์เหล่านี้ยังได้รับแสงจากด้านหลัง ทำให้สามารถแปลงโฟตอนได้มากขึ้น 30% ทำให้ความไวแสงที่เพิ่มขึ้น 6 เท่าเป็น 7
สรุปคือ EMCCD มีความไวแสงสูงกว่าถึง 7 เท่า ก่อนที่เราจะเปิดใช้งานและรับรู้ถึงค่า EMCCD gain เสียอีก แน่นอนว่าคุณสามารถโต้แย้งได้ว่าคุณสามารถทิ้ง CCD หรือใช้ออปติกเพื่อสร้างพิกเซลขนาดใหญ่ขึ้นได้ – เพียงแต่คนส่วนใหญ่ไม่ได้ทำ!
ยิ่งไปกว่านั้น การอ่านค่าสัญญาณรบกวนที่ต่ำกว่า 1 อิเล็กตรอนถือเป็นกุญแจสำคัญ แม้จะสำคัญ แต่ก็ไม่ได้ฟรี กระบวนการคูณเพิ่มความไม่แน่นอนของการวัดสัญญาณ ซึ่งหมายความว่าสัญญาณรบกวนจากช็อต กระแสมืด และสิ่งอื่นๆ ที่เรามีก่อนการคูณเพิ่มขึ้น 1.4 เท่า แล้วนั่นหมายความว่าอย่างไร? หมายความว่า EMCCD มีความไวมากขึ้น แต่เฉพาะในสภาพแสงน้อยเท่านั้น ซึ่งนั่นก็เป็นเวลาที่คุณต้องการใช่ไหม?
เมื่อเทียบกับ CCD แบบคลาสสิกแล้ว ถือว่าสู้ไม่ได้เลย พิกเซลใหญ่ขึ้น QE มากขึ้น EM Gain พวกเราทุกคนก็มีความสุข โดยเฉพาะคนที่ขายกล้องได้ ขอ 40,000 ดอลลาร์...
สิ่งเดียวที่เราสามารถทำได้มากกว่านี้ก็คือ ความเร็ว พื้นที่เซ็นเซอร์ และ (แม้ว่าเราจะรู้ว่ามันเป็นไปได้) ขนาดพิกเซลที่เล็กลง
จากนั้นก็มีการควบคุมการส่งออกและการปฏิบัติตามกฎระเบียบ ซึ่งไม่ใช่เรื่องสนุกเลย ปรากฏว่าการติดตามโมเลกุลเดี่ยวและการติดตามจรวดนั้นมีความคล้ายคลึงกัน และบริษัทกล้องและลูกค้าของพวกเขาต้องควบคุมยอดขายและการส่งออกกล้อง
จากนั้น sCMOS ก็มาถึง โดยเริ่มต้นด้วยคำมั่นสัญญาที่โลกต้องตะลึง และในอีก 10 ปีถัดมา พิกเซลที่เล็กลงทำให้ได้ขนาด 6.5 ไมครอนที่ผู้ใช้ต้องการสำหรับเลนส์วัตถุ 60 เท่า และทั้งหมดนี้มีค่าสัญญาณรบกวนในการอ่านที่ลดลงเหลือเพียงประมาณ 1.5 อิเล็กตรอน นี่ไม่ใช่ EMCCD เสียทีเดียว แต่เมื่อเทียบกับ 6 อิเล็กตรอนของเทคโนโลยี CCD ในยุคนั้นแล้ว ถือว่าน่าทึ่งมาก
sCMOS รุ่นแรกยังคงใช้การฉายแสงด้านหน้า แต่ในปี 2016 sCMOS แบบฉายแสงด้านหลังก็มาถึง และเพื่อให้ดูมีความไวต่อแสงมากขึ้นเมื่อเทียบกับรุ่นดั้งเดิมที่ฉายแสงด้านหน้า จึงใช้พิกเซลขนาด 11 ไมครอน ด้วยการเพิ่ม QE และขนาดพิกเซลที่ใหญ่ขึ้น ลูกค้าจึงรู้สึกว่าตนได้เปรียบกว่าถึง 3.5 เท่า
ในที่สุด ในปี 2021 สัญญาณรบกวนการอ่านอิเล็กตรอนย่อยก็ถูกทำลายลง โดยกล้องบางตัวได้ค่าอิเล็กตรอนต่ำถึง 0.25 อิเล็กตรอน ซึ่งนั่นก็ทำให้ EMCCD ยุติลง
หรือว่ามันเป็น...
ปัญหาส่วนหนึ่งก็ยังคงอยู่ที่ขนาดพิกเซล อีกครั้ง คุณสามารถทำอะไรก็ได้ตามต้องการด้วยแสง แต่ในระบบเดียวกัน พิกเซลขนาด 4.6 ไมครอนจะรับแสงได้น้อยกว่าพิกเซลขนาด 16 ไมครอนถึง 12 เท่า
ตอนนี้คุณสามารถใช้ bin ได้ แต่จำไว้ว่าการใช้ bin ใน CMOS ปกติจะเพิ่มสัญญาณรบกวนตามฟังก์ชันของปัจจัย bin ดังนั้นคนส่วนใหญ่จึงพอใจกับพิกเซลขนาด 6.5 ไมครอน โดยคิดว่าสามารถ bin เพื่อให้ได้ความไวแสง แต่กลับเพิ่มสัญญาณรบกวนในการอ่านเป็นสองเท่าเป็น 3 อิเล็กตรอน
แม้ว่าจะสามารถลดสัญญาณรบกวนได้ แต่ขนาดพิกเซลและคุณภาพโดยรวมก็ยังถือเป็นการประนีประนอมสำหรับการรวบรวมสัญญาณจริง
อีกเรื่องหนึ่งคือค่าเกนและคอนทราสต์ การมีสีเทามากขึ้นและตัดสัญญาณให้เล็กลงจะทำให้คอนทราสต์ดีขึ้น คุณอาจมีสัญญาณรบกวนเท่าเดิมได้ แต่เมื่อคุณแสดงสีเทาเพียง 2 สีต่ออิเล็กตรอนหนึ่งตัวด้วย CMOS คุณจะไม่สามารถทำอะไรได้มากนักเมื่อคุณมีสัญญาณอิเล็กตรอนเพียง 5 ตัว
สุดท้ายแล้ว การชัตเตอร์ล่ะ? บางครั้งผมคิดว่าเราลืมไปว่านี่เป็นเครื่องมือที่ทรงพลังมากใน EMCCD: ชัตเตอร์แบบโกลบอลช่วยได้จริง ๆ แถมยังเบาและรวดเร็วมาก โดยเฉพาะในระบบที่มีส่วนประกอบหลายส่วนที่ซับซ้อน
กล้อง sCMOS ตัวเดียวที่ผมเคยเห็นที่ใกล้เคียงกับเซ็นเซอร์ EMCCD 512 x 512 คือ Aries 16 กล้องตัวนี้เริ่มต้นด้วยพิกเซลขนาด 16 ไมครอน และให้สัญญาณรบกวนการอ่าน 0.8 อิเล็กตรอน โดยไม่ต้องทิ้งสัญญาณรบกวน สำหรับสัญญาณที่มีโฟตอนมากกว่า 5 โฟตอน (ต่อพิกเซลขนาด 16 ไมครอน) ผมคิดว่านี่เป็นกล้องที่ดีที่สุดเท่าที่ผมเคยเห็นมา และราคาถูกกว่าประมาณครึ่งหนึ่ง
แล้ว EMCCD ตายแล้วเหรอ? ไม่หรอก และมันจะไม่ตายจริงๆ จนกว่าเราจะได้อะไรที่ดีแบบนั้นกลับมา ปัญหาก็คือ ปัญหาทั้งหมดนั่นแหละ ทั้งเสียงรบกวนที่มากเกินไป การเสื่อมสภาพของเกน การควบคุมการส่งออก...
ถ้าเทคโนโลยี EMCCD เป็นเครื่องบิน มันคงเป็น Concord ทุกคนที่ได้บินมันต่างชื่นชอบมัน แต่พวกเขาคงไม่จำเป็นต้องใช้มัน และตอนนี้ที่นั่งและเตียงแบบ Flatbed ที่กว้างขึ้นก็ทำให้นอนหลับสบายขึ้นอีก 3 ชั่วโมงข้ามมหาสมุทรแอตแลนติกได้
EMCCD ซึ่งแตกต่างจากคอนคอร์ด ยังคงดำรงอยู่ได้ เพราะบางคน – ซึ่งเป็นจำนวนน้อยและลดลงเรื่อยๆ – ยังคงต้องการมันอยู่ หรือบางทีพวกเขาอาจแค่คิดว่าจำเป็น?
การใช้ EMCCD ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการถ่ายภาพที่มีราคาแพงและซับซ้อนที่สุดและได้รับความนิยมอย่างแพร่หลาย ไม่ได้ทำให้คุณพิเศษหรือกลายเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านการถ่ายภาพ คุณแค่กำลังทำสิ่งที่แตกต่างออกไป และหากคุณยังไม่ได้ลองเปลี่ยนแปลง คุณก็ควรทำ
