24/05/22Датчики EMCCD стали відкриттям: збільшити чутливість, зменшивши шум зчитування. Ну, майже, більш реалістично, ми збільшували сигнал, щоб шум зчитування виглядав меншим.
І ми їх полюбили, вони одразу ж знайшли своє застосування в роботі з низькими сигналами, такій як спектроскопія окремих молекул, а потім поширилися серед постачальників мікроскопних систем для таких речей, як обертовий диск, надроздільна здатність тощо. А потім ми їх знищили. Чи не так?
Технологія EMCCD має свою історію, пов'язану з двома ключовими постачальниками: e2V та Texas Instruments. E2V, тепер Teledyne e2V, розпочала цей шлях з перших датчиків наприкінці 1990-х років, але досягла значних успіхів з найбільш прийнятним варіантом, який мав масив 512 x 512 з 16-мікронними пікселями.
Цей початковий і, ймовірно, найдомінантніший датчик EMCCD мав реальний вплив, і половина цього впливу була пов'язана з розміром пікселя. 16-мікронні пікселі на мікроскопі збирали в 6 разів більше світла, ніж найпопулярніша ПЗС-матриця того часу, ICX285, представлена в популярних серіях CoolSnap та Orca. Окрім розміру пікселя, ці пристрої мали заднє підсвічування, що перетворювало на 30% більше фотонів, що призводило до збільшення чутливості в 6 разів до 7.
Отже, фактично EMCCD був у 7 разів чутливішим ще до того, як ми його ввімкнули та відчули вплив посилення EMCCD. Звичайно, можна стверджувати, що можна було б об'єднати CCD або використовувати оптику для створення пікселів більшого розміру – просто більшість людей цього не робили!
Окрім цього, ключовим було зниження рівня шуму зчитування нижче 1 електрона. Це було ключовим, але не безпідставним. Процес множення збільшував невизначеність вимірювання сигналу, а це означає, що дробовий шум, темновий струм та все інше, що було до множення, збільшувалося в 1,4 раза. Отже, що це означало? Ну, це означало, що EMCCD був чутливішим, але лише за слабкого освітлення, ну, саме тоді це потрібно, чи не так?
Проти класичної ПЗС-матриці це не було конкуренцією. Великі пікселі, більше квантової корекції, електромагнітне підсилення. І всі ми були щасливі, особливо ті з нас, хто продає камери: 40 000 доларів, будь ласка...
Єдине, з чим ми могли б зробити більше, це швидкість, площа сенсора та (хоча ми й не знали, що це можливо) менший розмір пікселя.
Потім з'явився експортний контроль та дотримання вимог, і це було не дуже весело. Виявилося, що відстеження окремих молекул та відстеження ракет схожі, і компанії-виробники камер та їхні клієнти мали контролювати продажі та експорт камер.
Потім з'явилися sCMOS-матриці, які спочатку обіцяли світові, а потім, протягом наступних 10 років, майже втілили це в життя. Менші пікселі дали людям 6,5 мікрона, які вони так любили, для об'єктивів із 60-кратним збільшенням, і все це з нижчим шумом зчитування близько 1,5 електрона. Це не було зовсім EMCCD, але порівняно з 6 електронами порівняльної CCD-технології того часу це було вражаюче.
Початкові sCMOS-транзистори все ще мали фронтальне підсвічування. Але у 2016 році з'явилися sCMOS-транзистори із заднім підсвічуванням, і щоб зробити їх ще чутливішими до оригінальних версій з фронтальним підсвічуванням, вони мали пікселі розміром 11 мікрон. Зі збільшенням QE та розміру пікселя клієнти відчули 3,5-кратну перевагу.
Зрештою, у 2021 році субелектронний шум зчитування було подолано, деякі камери отримали лише 0,25 електрона — для EMCCD на цьому все закінчилося.
Або це було...
Ну, частково проблема все ще полягає в розмірі пікселя. Знову ж таки, оптично можна робити все, що завгодно, але в тій самій системі піксель розміром 4,6 мікрона збирає в 12 разів менше світла, ніж піксель розміром 16 мікрон.
Тепер ви можете використовувати бінінг, але пам'ятайте, що бінінг зі звичайною CMOS-матрицею збільшує шум залежно від коефіцієнта бінінгу. Тож більшість людей задоволені своїми 6,5-мікронними пікселями, думаючи, що можуть бінінгувати для підвищення чутливості, але вони подвоюють свій шум зчитування до 3 електронів.
Навіть якщо шум можна зменшити, розмір пікселя, та й повна колодязна стовпчика, якщо на те пішло, все одно є компромісом для реального збору сигналу.
Інший момент — це підсилення та контрастність — збільшення кількості сірих відтінків та зменшення частоти сигналу дійсно забезпечує кращий контраст. Ви можете отримати той самий шум, але коли ви показуєте лише 2 сірих відтінки на кожен електрон за допомогою CMOS-матриці, у вас немає з чим багато гратися, коли у вас лише 5 електронів сигналу.
Зрештою, як щодо опалубки? Іноді, мені здається, ми забуваємо, наскільки потужним інструментом це був у EMCCD: глобальні затвори справді допомагають і є дуже легкими та швидкісними, особливо у складних багатокомпонентних системах.
Єдина sCMOS-камера, яку я бачив, яка хоч трохи наближається до сенсора EMCCD 512 x 512, — це Aries 16. Вона починається з 16-мікронних пікселів і забезпечує 0,8 електрона шуму зчитування без необхідності бінування. Для сигналів понад 5 фотонів (на 16-мікронний піксель), я думаю, що це найкраща камера, яку я коли-небудь бачив, і приблизно вдвічі дешевша.
Тож EMCCD помер? Ні, і він не помре, доки ми знову не отримаємо щось настільки хороше. Проблема полягає, ну, у всіх проблемах: надмірний шум, старіння коефіцієнта підсилення, контроль експорту...
Якби технологія EMCCD була літаком, це був би Конкорд. Усі, хто на ньому літав, його любили, але, ймовірно, він їм не був потрібен, а тепер, з більшими сидіннями та плоскими ліжками, – просто сплять ці додаткові 3 години через Атлантику.
EMCCD, на відміну від Concord, все ще існує, тому що деякі люди — невелика, постійно зменшувана кількість — все ще потребують його. Або, можливо, вони просто думають, що так думають?
Використання EMCCD, найдорожчої та найскладнішої широко використовуваної технології візуалізації, не робить вас особливим чи експертом з візуалізації – ви просто робите щось інше. І якщо ви ще не намагалися змінитися, то, ймовірно, вам варто це зробити.
