24/05/22EMCCD sensörleri bir devrim niteliğindeydi: Okuma gürültünüzü azaltarak hassasiyetinizi artırın. Aslında, neredeyse, daha gerçekçi bir şekilde, okuma gürültünüzün daha az görünmesini sağlamak için sinyali artırıyorduk.
Ve biz onları çok sevdik, tek molekül ve spektroskopi gibi düşük sinyalli çalışmalarda hemen kendilerine bir yuva buldular ve ardından dönen disk, süper çözünürlük ve daha fazlası gibi mikroskop sistemi sağlayıcıları arasında yayıldılar. Ve sonra onları öldürdük. Yoksa öldürdük mü?
EMCCD teknolojisinin geçmişi iki önemli tedarikçiyledir: e2V ve Texas Instruments. E2V (şimdiki adıyla Teledyne e2V), 1990'ların sonlarına doğru ilk sensörleriyle bu işe girişmiş, ancak en çok kabul gören çeşidi olan 16 mikron pikselli 512 x 512 piksellik bir diziyle gerçek ilerlemeler kaydetmiştir.
Bu ilk ve muhtemelen en baskın EMCCD sensörü gerçek bir etki yarattı ve bunun yarısı piksel boyutundan kaynaklanıyordu. Bir mikroskoptaki 16 mikron pikseller, dönemin 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 aydınlatılarak %30 daha fazla foton dönüştürüyor ve bu da 6 kat daha fazla hassasiyeti 7'ye çıkarıyordu.
Yani EMCCD, biz onu açıp EMCCD kazancının etkisini görmeden önce bile 7 kat daha hassastı. Elbette CCD'yi çöpe atabileceğinizi veya daha büyük piksel boyutları oluşturmak için optik kullanabileceğinizi iddia edebilirsiniz - ama çoğu insan bunu yapmadı!
Bunun ötesinde, okuma gürültüsünü 1 elektronun altına indirmek önemliydi. Önemliydi, ama bedava değildi. Çarpma işlemi, sinyal ölçümünün belirsizliğini artırdı; yani atış gürültüsü, karanlık akım ve çarpmadan önce sahip olduğumuz her şey 1,4 kat arttı. Peki, bu ne anlama geliyordu? EMCCD'nin daha hassas olduğu anlamına geliyordu, ancak yalnızca düşük ışıkta, yani tam da ihtiyaç duyduğunuzda.
Klasik bir CCD ile rekabet yoktu. Büyük pikseller, daha fazla QE, EM kazancı. Ve hepimiz mutluyduk, özellikle de kamera satışlarında olanlar: 40.000 dolar, lütfen...
Daha fazlasını yapabileceğimiz tek şey hız, sensör alanı ve (bunu mümkün olduğunu bilmesek de) daha küçük bir piksel boyutuydu.
Sonra ihracat kontrolleri ve uyumluluk geldi ve bu hiç de eğlenceli değildi. Tek molekülleri takip etmekle roketleri takip etmenin benzer olduğu ve kamera şirketlerinin ve müşterilerinin kamera satışlarını ve ihracatlarını kontrol etmek zorunda kaldığı ortaya çıktı.
Ardından sCMOS geldi ve dünyaya vaatlerde bulunarak başladı - ve sonraki 10 yıl içinde neredeyse bunu gerçekleştirdi. Daha küçük pikseller, insanların 60x objektifler için sevdikleri 6,5 mikronları elde etmesini sağladı ve tüm bunlar yaklaşık 1,5 elektronluk daha düşük okuma gürültüsüyle gerçekleşti. Bu tam olarak EMCCD değildi, ancak dönemin karşılaştırmalı CCD teknolojisinin 6 elektronuyla karşılaştırıldığında inanılmazdı.
İlk sCMOS'lar hâlâ önden aydınlatmalıydı. Ancak 2016'da arkadan aydınlatmalı sCMOS piyasaya sürüldü ve orijinal önden aydınlatmalı versiyonlara göre daha hassas görünmesi için 11 mikron piksellere sahipti. QE artışı ve piksel boyutu artışıyla, müşteriler 3,5 kat daha avantajlı olduklarını hissettiler.
Son olarak 2021'de bazı kameraların 0,25 elektrona kadar düşmesiyle alt elektron okuma gürültüsü kırıldı - EMCCD için her şey bitti.
Yoksa öyle miydi...
Aslında, sorunun bir kısmı hâlâ piksel boyutunda. Optik olarak istediğinizi yapabilirsiniz, ancak aynı sistemde 4,6 mikronluk bir piksel, 16 mikronluk bir pikselden 12 kat daha az ışık toplar.
Artık çöp kutusuna atabilirsiniz, ancak normal CMOS ile çöp kutusuna atmanın, gürültüyü çöp kutusuna atma faktörünün bir fonksiyonu kadar artırdığını unutmayın. Yani çoğu kişi, hassasiyete ulaşmak için çöp kutusuna atabileceklerini düşünerek 6,5 mikron piksellerinden memnun, ancak okuma gürültüsünü 3 elektrona iki katına çıkarıyorlar.
Gürültü azaltılsa bile, piksel boyutu ve hatta tam kuyu, gerçek sinyal toplama için hala bir uzlaşmadır.
Diğer bir konu ise kazanç ve kontrasttır; daha fazla griye sahip olmak ve sinyalinizi daha küçük parçalara bölmek daha iyi kontrast sağlar. Aynı gürültüye sahip olabilirsiniz, ancak CMOS ile her elektron için yalnızca 2 gri gösterdiğiniz zaman, yalnızca 5 elektronluk sinyaliniz olduğunda oynayacak pek bir şeyiniz olmaz.
Son olarak, panjurlar ne olacak? Bazen bunun EMCCD'de ne kadar güçlü bir araç olduğunu unuttuğumuzu düşünüyorum: küresel panjurlar gerçekten işe yarıyor ve özellikle karmaşık çok bileşenli sistemlerde çok hafif ve hızlılar.
512 x 512 EMCCD sensörüne yakın olduğunu gördüğüm tek sCMOS kamera Aries 16. Bu kamera, 16 mikron piksellerle başlıyor ve çöp kutusuna gerek kalmadan 0,8 elektron okuma gürültüsü sağlıyor. 5 fotonun üzerindeki sinyaller için (16 mikron piksel başına), gördüğüm en iyi kamera olduğunu ve fiyatının da yaklaşık yarı yarıya daha ucuz olduğunu düşünüyorum.
Peki EMCCD öldü mü? Hayır, ve tekrar iyi bir şey elde edene kadar da ölmeyecek. Sorun şu ki, tüm sorunlar: aşırı gürültü, kazanç eskimesi, ihracat kontrolleri...
EMCCD teknolojisi bir uçak olsaydı, Concord olurdu. Uçan herkes onu çok sevdi, ama muhtemelen ihtiyaçları yoktu. Şimdi daha büyük koltuklar ve düz yataklı uçaklarla, Atlantik'i geçerken sadece 3 saat uyuyabilirsiniz.
EMCCD, Concord'un aksine, hâlâ hayatta çünkü bazı insanlar -sayıları giderek azalan küçük bir grup- hâlâ ona ihtiyaç duyuyor. Ya da belki de sadece ihtiyaç duyduklarını düşünüyorlar?
En pahalı ve karmaşık, yaygın olarak kullanılan görüntüleme teknolojisi olan EMCCD'yi kullanmak sizi özel veya bir görüntüleme uzmanı yapmaz; sadece farklı bir şey yapıyorsunuz. Ve eğer değişmeyi denemediyseniz, muhtemelen denemelisiniz.
