24/05/22Cảm biến EMCCD là một phát minh đột phá: tăng độ nhạy bằng cách giảm nhiễu đọc. Thực tế, gần như vậy, chúng tôi tăng tín hiệu để làm cho nhiễu đọc trông nhỏ hơn.
Và chúng tôi yêu thích chúng, chúng đã tìm được chỗ đứng ngay lập tức với các công việc tín hiệu thấp như phân tử đơn lẻ và quang phổ, rồi sau đó lan rộng sang các nhà cung cấp hệ thống kính hiển vi cho những thứ như đĩa quay, siêu phân giải và hơn thế nữa. Và rồi chúng tôi đã giết chết chúng. Hay chúng tôi đã làm vậy?
Công nghệ EMCCD có lịch sử lâu đời với hai nhà cung cấp chính: e2V và Texas Instruments. E2V, nay là Teledyne e2V, bắt đầu với những cảm biến đời đầu vào cuối những năm 1990, nhưng đã đạt được những bước tiến thực sự với biến thể được chấp nhận rộng rãi nhất, với mảng 512 x 512 pixel với điểm ảnh 16 micron.
Cảm biến EMCCD đầu tiên, và có lẽ là nổi trội nhất, này đã có tác động thực sự, và một nửa trong số đó thực sự đến từ kích thước điểm ảnh. Các điểm ảnh 16 micron trên kính hiển vi thu được ánh sáng gấp 6 lần so với CCD phổ biến nhất thời bấy giờ, ICX285, được trang bị trong dòng CoolSnap và Orca nổi tiếng. Ngoài kích thước điểm ảnh, các thiết bị này còn được chiếu sáng ngược, chuyển đổi thêm 30% photon, nâng độ nhạy sáng gấp 6 lần lên 7.
Vậy nên EMCCD thực chất đã nhạy hơn gấp 7 lần trước khi chúng ta bật nó lên và cảm nhận được tác động của độ lợi EMCCD. Giờ thì tất nhiên bạn có thể lập luận rằng bạn có thể bỏ CCD, hoặc bạn có thể sử dụng quang học để tạo ra kích thước điểm ảnh lớn hơn – chỉ là hầu hết mọi người đã không làm vậy!
Ngoài ra, việc giảm nhiễu đọc xuống dưới 1 electron là chìa khóa. Nó là chìa khóa, nhưng không phải là miễn phí. Quá trình nhân lên làm tăng độ bất định của phép đo tín hiệu, nghĩa là nhiễu xung, dòng tối, và bất kỳ thứ gì khác chúng ta có trước khi nhân lên đều tăng lên gấp 1,4 lần. Vậy điều đó có nghĩa là gì? Vâng, nó có nghĩa là EMCCD nhạy hơn nhưng chỉ trong điều kiện ánh sáng yếu, mà đó là lúc bạn cần nó, đúng không?
So với CCD cổ điển, nó không phải là đối thủ. Điểm ảnh lớn, QE nhiều hơn, EM Gain. Và tất cả chúng tôi đều vui mừng, đặc biệt là những người trong ngành bán máy ảnh: 40.000 đô la, làm ơn...
Những thứ duy nhất chúng tôi có thể làm tốt hơn là tốc độ, diện tích cảm biến và (chúng tôi không biết điều đó có thể thực hiện được) kích thước pixel nhỏ hơn.
Sau đó, việc kiểm soát và tuân thủ xuất khẩu được áp dụng, và điều đó chẳng hề dễ dàng. Hóa ra việc theo dõi các phân tử đơn lẻ và theo dõi tên lửa là tương tự nhau, và các công ty máy ảnh cùng khách hàng của họ phải kiểm soát việc bán và xuất khẩu máy ảnh.
Rồi sCMOS xuất hiện, bắt đầu bằng những lời hứa hẹn đầy hứa hẹn - và rồi trong 10 năm tiếp theo, gần như đã hiện thực hóa được điều đó. Các điểm ảnh nhỏ hơn mang lại cho người dùng cảm biến 6,5 micron mà họ yêu thích với vật kính 60x và tất cả đều có độ nhiễu đọc thấp hơn khoảng 1,5 electron. Mặc dù chưa hẳn là EMCCD, nhưng so với công nghệ CCD 6 electron tương đương thời đó thì nó thật tuyệt vời.
Cảm biến sCMOS ban đầu vẫn sử dụng đèn nền chiếu sáng phía trước. Nhưng đến năm 2016, sCMOS chiếu sáng phía sau đã xuất hiện, và để trông nhạy hơn so với các phiên bản chiếu sáng phía trước ban đầu, nó có kích thước điểm ảnh 11 micron. Với sự cải tiến của QE và kích thước điểm ảnh tăng lên, khách hàng cảm thấy mình có lợi thế gấp 3,5 lần.
Cuối cùng, vào năm 2021, tiếng ồn đọc dưới electron đã bị phá vỡ khi một số camera đạt mức thấp tới 0,25 electron - mọi chuyện đã kết thúc đối với EMCCD.
Hay là...
Vâng, một chút vấn đề vẫn nằm ở kích thước điểm ảnh. Một lần nữa, bạn có thể làm bất cứ điều gì bạn muốn về mặt quang học, nhưng trên cùng một hệ thống, điểm ảnh 4,6 micron thu được ít ánh sáng hơn 12 lần so với điểm ảnh 16 micron.
Bây giờ bạn có thể bin, nhưng hãy nhớ rằng bin với CMOS thông thường sẽ làm tăng nhiễu theo hàm của hệ số bin. Vì vậy, hầu hết mọi người đều hài lòng với điểm ảnh 6,5 micron của mình và nghĩ rằng họ có thể bin để tăng độ nhạy, nhưng thực ra họ đang nhân đôi nhiễu đọc lên 3 electron.
Ngay cả khi có thể giảm nhiễu, kích thước pixel và độ sâu của ảnh vẫn là một sự đánh đổi để thu thập tín hiệu thực tế.
Một vấn đề khác là độ khuếch đại và độ tương phản – việc có nhiều vùng xám hơn và cắt nhỏ tín hiệu sẽ mang lại độ tương phản tốt hơn. Bạn có thể có cùng độ nhiễu, nhưng khi chỉ hiển thị 2 vùng xám cho mỗi electron với CMOS, bạn sẽ không có nhiều thứ để xử lý khi chỉ có 5 electron tín hiệu.
Cuối cùng, còn về màn trập thì sao? Đôi khi tôi nghĩ chúng ta quên mất công cụ này mạnh mẽ như thế nào trong EMCCD: màn trập toàn cục thực sự hữu ích, rất nhẹ và hiệu quả về tốc độ, đặc biệt là trong các hệ thống đa thành phần phức tạp.
Máy ảnh sCMOS duy nhất tôi từng thấy có chất lượng gần bằng cảm biến EMCCD 512 x 512 là Aries 16. Cảm biến này bắt đầu với điểm ảnh 16 micron và tạo ra 0,8 electron nhiễu đọc mà không cần bin. Đối với tín hiệu trên 5 photon (trên mỗi điểm ảnh 16 micron), tôi nghĩ đây là máy ảnh tốt nhất tôi từng thấy và giá chỉ bằng một nửa.
Vậy EMCCD đã chết chưa? Không, và nó sẽ không thực sự chết cho đến khi chúng ta có được thứ gì đó tốt như vậy một lần nữa. Vấn đề là, à, tất cả các vấn đề: nhiễu quá mức, lão hóa độ lợi, kiểm soát xuất khẩu...
Nếu công nghệ EMCCD là một chiếc máy bay, nó sẽ là Concord. Ai đã từng bay nó cũng đều yêu thích, nhưng có lẽ họ không cần nó nữa, và giờ đây với ghế ngồi rộng hơn và giường nằm phẳng - chỉ cần ngủ thêm 3 tiếng nữa là qua Đại Tây Dương.
Không giống như Concord, EMCCD vẫn tồn tại vì một số người - một số lượng nhỏ và ngày càng giảm - vẫn cần nó. Hay có lẽ họ chỉ nghĩ vậy?
Sử dụng EMCCD, công nghệ hình ảnh đắt tiền và phức tạp nhất hiện nay, không khiến bạn trở nên đặc biệt hay trở thành chuyên gia hình ảnh - bạn chỉ đang làm điều gì đó khác biệt. Và nếu bạn chưa thử thay đổi, thì có lẽ bạn nên thử.
