22/05/2024EMCCD sensörleri bir devrim niteliğindeydi: okuma gürültüsünü azaltarak hassasiyetinizi artırın. Aslında, neredeyse öyleydi; daha gerçekçi olmak gerekirse, okuma gürültüsünün daha küçük görünmesini sağlamak için sinyali artırıyorduk.
Ve biz onları çok sevdik, tek molekül ve spektroskopi gibi düşük sinyalli çalışmalarda hemen kendilerine yer buldular ve ardından dönen disk, süper çözünürlük ve ötesi gibi şeyler için mikroskop sistemi sağlayıcıları arasında yayıldılar. Ve sonra onları öldürdük. Yoksa öldürmedik mi?
EMCCD teknolojisinin geçmişi iki önemli tedarikçiye dayanmaktadır: e2V ve Texas Instruments. Şimdi Teledyne e2V olan E2V, 1990'ların sonlarına doğru ilk sensörlerle bu süreci başlattı, ancak 16 mikron pikselli 512 x 512 dizilimine sahip en kabul gören varyantıyla gerçek ilerlemeyi kaydetti.
Bu ilk ve muhtemelen en baskın EMCCD sensörünün gerçek bir etkisi oldu ve bunun yarısı piksel boyutundan kaynaklanıyordu. Bir mikroskoptaki 16 mikronluk pikseller, o zamanın en popüler CCD'si olan ve popüler CoolSnap ve Orca serilerinde yer alan ICX285'ten 6 kat daha fazla ışık topluyordu. Piksel boyutunun ötesinde, bu cihazlar arkadan aydınlatmalıydı ve %30 daha fazla foton dönüştürerek bu 6 katlık hassasiyeti 7 kata çıkarıyordu.
Yani, EMCCD'yi açmadan ve EMCCD kazancının etkisini görmeden önce bile, EMCCD aslında 7 kat daha hassastı. Şimdi elbette, CCD'yi gruplandırabileceğinizi veya daha büyük piksel boyutları oluşturmak için optik kullanabileceğinizi savunabilirsiniz – sadece çoğu insan bunu yapmadı!
Bunun ötesinde, okuma gürültüsünü 1 elektronun altına indirmek çok önemliydi. Çok önemliydi, ama bedava değildi. Çarpma işlemi, sinyal ölçümünün belirsizliğini artırdı; yani çarpma işleminden önce sahip olduğumuz atış gürültüsü, karanlık akım ve diğer her şey 1,4 kat arttı. Peki, bu ne anlama geliyordu? EMCCD'nin daha hassas olduğu anlamına geliyordu, ancak sadece düşük ışıkta; yani tam da ihtiyaç duyulan zamanlarda, değil mi?
Klasik bir CCD'ye karşı hiç şansı yoktu. Büyük pikseller, daha fazla QE, EM Kazancı. Ve hepimiz, özellikle de kamera satışında çalışanlar, çok mutluyduk: 40.000 dolar, lütfen...
Daha iyisini yapabileceğimiz tek şeyler hız, sensör alanı ve (mümkün olduğunu bilmesek de) daha küçük piksel boyutuydu.
Ardından ihracat kontrolleri ve uyumluluk konuları devreye girdi ve bu hiç de eğlenceli değildi. Tek molekülleri takip etmekle roketleri takip etmenin benzer şeyler olduğu ortaya çıktı ve kamera şirketleri ile müşterileri kamera satışlarını ve ihracatlarını kontrol etmek zorunda kaldılar.
Ardından sCMOS geldi, dünyaya büyük vaatlerde bulunarak başladı ve sonraki 10 yıl içinde bu vaatlerini neredeyse yerine getirdi. Daha küçük pikseller, insanlara 60x objektifler için sevdikleri 6,5 mikron çözünürlüğü sağladı ve tüm bunlar yaklaşık 1,5 elektronluk daha düşük okuma gürültüsüyle gerçekleşti. Bu tam olarak EMCCD değildi, ancak o dönemin karşılaştırmalı CCD teknolojisinin 6 elektronuna kıyasla inanılmazdı.
İlk sCMOS'lar hala önden aydınlatmalıydı. Ancak 2016'da arkadan aydınlatmalı sCMOS'lar geldi ve orijinal önden aydınlatmalı versiyonlara göre daha hassas görünmesi için 11 mikron piksel boyutuna sahipti. QE artışı ve piksel boyutundaki artışla birlikte, müşteriler 3,5 kat daha fazla avantaja sahip olduklarını hissettiler.
Sonunda, 2021'de bazı kameraların 0,25 elektrona kadar düşen değerler elde etmesiyle elektron altı okuma gürültüsü kırıldı ve EMCCD için her şey sona erdi.
Yoksa öyle miydi...?
Sorunun bir kısmı hala piksel boyutuyla ilgili. Optik olarak istediğinizi yapabilirsiniz, ancak aynı sistemde 4,6 mikronluk bir piksel, 16 mikronluk bir piksele göre 12 kat daha az ışık toplar.
Şimdi piksel birleştirme (binleme) yapabilirsiniz, ancak normal CMOS'da piksel birleştirmenin, birleştirme faktörünün bir fonksiyonu kadar gürültüyü artırdığını unutmayın. Bu nedenle çoğu insan 6,5 mikronluk piksellerinden memnundur ve piksel birleştirme ile hassasiyeti artırabileceklerini düşünür, ancak okuma gürültüsünü 3 elektrona çıkararak iki katına çıkarırlar.
Gürültü azaltılabilse bile, piksel boyutu ve hatta tam kuyu, gerçek sinyal toplama için hala bir uzlaşmayı temsil etmektedir.
Diğer bir konu ise kazanç ve kontrasttır; daha fazla gri tonu kullanmak ve sinyali daha küçük parçalara ayırmak daha iyi kontrast sağlar. Gürültü seviyesi aynı olabilir, ancak CMOS sensörde her elektron için yalnızca 2 gri tonu gösterdiğinizde, sadece 5 elektronluk bir sinyal söz konusu olduğunda fazla bir şeyle oynama şansınız olmaz.
Son olarak, deklanşörlere ne demeli? Bazen EMCCD'de bunun ne kadar güçlü bir araç olduğunu unutuyoruz diye düşünüyorum: küresel deklanşörler gerçekten yardımcı oluyor ve özellikle karmaşık çok bileşenli sistemlerde çok hafif ve hızlılar.
Gördüğüm kadarıyla 512 x 512 EMCCD sensörüne en çok yaklaşan sCMOS kamera Aries 16. Bu kamera 16 mikron piksellerle başlıyor ve binlemeye gerek kalmadan 0,8 elektron okuma gürültüsü sunuyor. 16 mikron piksel başına 5 fotonun üzerindeki sinyaller için, gördüğüm en iyisi olduğunu düşünüyorum ve fiyatı da yaklaşık yarı yarıya daha düşük.
Peki EMCCD öldü mü? Hayır, ve biz onun kadar iyi bir şey elde edene kadar da gerçekten ölmeyecek. Sorun şu ki, her türlü sorun var: aşırı gürültü, kazanç eskimesi, ihracat kontrolleri...
EMCCD teknolojisi bir uçak olsaydı, Concorde olurdu. Onunla uçan herkes bayıldı, ama muhtemelen ona ihtiyaç duymadılar ve şimdi daha büyük koltuklar ve yatak haline gelebilen koltuklarla – Atlantik'i geçerken o fazladan 3 saati uyuyarak geçirebilirsiniz.
EMCCD, Concord'un aksine, hâlâ varlığını sürdürüyor çünkü az sayıda ve sürekli azalan bazı insanlar hâlâ ona ihtiyaç duyuyor. Ya da belki de sadece ihtiyaç duyduklarını düşünüyorlar?
En pahalı ve karmaşık, yaygın olarak kullanılan görüntüleme teknolojisi olan EMCCD kullanmak sizi özel veya bir görüntüleme uzmanı yapmaz; sadece farklı bir şey yapıyorsunuz demektir. Ve eğer değişmeyi denemediyseniz, muhtemelen denemelisiniz.
