2024/05/22EMCCD感測器的出現令人耳目一新：透過降低讀出雜訊來提高靈敏度。嗯，差不多是這樣，更準確地說，我們是透過增強訊號來使讀出雜訊看起來更小。
我們很喜歡它們，它們很快就在低訊號強度的工作領域找到了用武之地，例如單分子和光譜學，然後又被顯微鏡系統供應商廣泛應用，用於旋轉盤顯微鏡、超解析度顯微鏡等更高級的應用。然後我們扼殺了它們。或者，我們真的扼殺了它們嗎？
EMCCD技術的發展歷史與兩家主要供應商密切相關：e2V和德州儀器。 e2V（現為Teledyne e2V）在1990年代末期憑藉早期感測器開啟了這項技術的發展，但真正取得重大進展的是目前最被廣泛接受的512 x 512像素陣列，其像素尺寸為16微米。
這款最初也是最主流的EMCCD感測器產生了深遠的影響，其中一半的功勞在於其像素尺寸。顯微鏡上的16微米像素收集到的光量是當時最受歡迎的CCD（如CoolSnap和Orca系列中所採用的ICX285）的6倍。除了像素尺寸之外，這些裝置採用背照式設計，能夠轉換多30%的光子，使靈敏度從6倍提升至7倍。
所以實際上，在我們還沒開啟EMCCD並感受到其增益效果之前，它的靈敏度就已經高出7倍了。當然，你可能會說你可以對CCD進行像素合併，或者使用光學元件來增加像素尺寸——只是大多數人沒有這麼做！
除此之外，將讀出雜訊降至 1 個電子以下至關重要。這固然重要，但並非沒有代價。倍增過程增加了訊號測量的不確定性，這意味著散粒雜訊、暗電流以及倍增之前存在的其他所有因素都增加了 1.4 倍。那麼，這意味著什麼呢？這意味著 EMCCD 的靈敏度更高，但僅限於低光照條件下，而這正是我們最需要它的時候，對吧？
與傳統的CCD相機相比，它毫無懸念。更大的像素、更高的量子效率、更高的電磁增益。我們都非常高興，尤其是我們這些負責相機銷售的人：4萬美元，謝謝…
我們唯一可以做得更好的地方是速度、感測器面積，以及（雖然我們當時並不知道這是否可行）更小的像素尺寸。
隨後出現了出口管制和合規要求，可就不好玩了。事實證明，追蹤單一分子和追蹤火箭有相似之處，相機公司及其客戶不得不控制相機的銷售和出口。
隨後，sCMOS技術問世，它最初承諾帶來無限可能，並在接下來的十年中幾乎實現了這些承諾。更小的像素尺寸讓人們能夠使用60倍物鏡獲得夢寐以求的6.5微米分辨率，同時讀出雜訊也降低至約1.5個電子。雖然它還不及EMCCD，但與當時CCD技術的6個電子讀出雜訊相比，sCMOS已經非常出色了。
最初的sCMOS晶片仍採用前照式設計。但到了2016年，背照式sCMOS晶片問世，為了使其在性能上超越早期的前照式版本，其像素尺寸達到了11微米。憑藉量子效率的提升和像素尺寸的增大，使用者感覺效能提升了3.5倍。
最終，在 2021 年，亞電子讀出噪音被突破，一些相機的讀出噪音低至 0.25 個電子——EMCCD 的時代結束了。
或者，是…
嗯，部分問題仍然在於像素尺寸。雖然你可以從光學角度實現你想要的效果，但在相同的系統中，4.6微米的像素收集到的光量比16微米的像素少12倍。
現在你可以進行像素合併，但請記住，使用普通CMOS進行像素合併會增加噪聲，增加的幅度取決於合併倍數。因此，大多數人對6.5微米像素感到滿意，認為可以透過像素合併來提高靈敏度，但實際上卻將讀出雜訊增加了一倍，達到3個電子。
即使雜訊可以降低，像素尺寸以及滿阱容量仍然是真實訊號擷取的一種妥協。
另一個需要考慮的因素是增益和對比度——擁有更多灰階並將訊號分割得更細，確實能帶來更好的對比。即使雜訊相同，但當CMOS感測器每個電子只顯示2個灰階時，如果只有5個電子的訊號，那麼可調整的空間就非常有限。
最後，快門又如何呢？有時我覺得我們忘記了它在EMCCD中是多麼強大的工具：全域快門確實很有幫助，而且非常輕巧、高效，尤其是在複雜的多組件系統中。
我見過的唯一一款性能接近 512 x 512 EMCCD 感測器的 sCMOS 相機是 Aries 16。它採用 16 微米像素，無需像素合併即可實現 0.8 個電子的讀出雜訊。對於每個 16 微米像素超過 5 個光子的訊號，我認為它是迄今為止我見過的最好的，而且價格只有 EMCCD 的一半左右。
所以EMCCD技術就此消亡了嗎？不，除非我們能再次找到同樣優秀的技術，否則它不會真正消亡。問題在於，嗯，所有的問題都存在：噪音過大、增益老化、出口管制…
如果EMCCD技術是一架飛機，那它就是協和式飛機。所有乘坐過它的人都喜歡它，但他們可能並不需要它。現在有了更大的座椅和可平躺的床——只需在橫跨大西洋的旅途中多睡3個小時。
與康科德不同，EMCCD之所以還能存在，是因為有些人——人數很少，而且還在不斷減少——仍然需要它。或者，也許他們只是認為自己需要它？
使用EMCCD這種最昂貴、最複雜且應用最廣泛的成像技術，並不會讓你顯得與眾不同，也不會讓你成為成像專家——你只是在做一些不同的事情。如果你還沒有嘗試過改變，那麼你或許應該考慮一下。
