Почему SPAD-сенсоры Canon не заменят привычные матрицы в камерах?

Canon анонсировала свою вторую камеру, построенную на базе сенсора с ″лавинным″ фотодиодом - Single Photon Avalanche Diode (SPAD). Это принципиально новая технология, и мы в редакции H2F постараемся объяснить, чем SPAD кардинально отличается от привычных нам CMOS-матриц.

Примечание редакции H2F:SPAD базируется на совершенно ином физическом явлении и фиксирует попадание каждого отдельного фотона. В отличие от традиционных сенсоров, которые накапливают свет (электрический заряд) в течение времени экспозиции, SPAD-сенсоры превращают каждый пойманный фотон в мощный электрический импульс. Это позволяет камере видеть практически в полной темноте, где обычные сенсоры выдают только шум.

Новая модель MS-510 представляет собой корпусную камеру, предназначенную для таких задач, как ночное наблюдение за границами и морской мониторинг на больших дистанциях. В ней установлен SPAD-сенсор 1-го типа (площадью около 131 мм²) с разрешением 3,2 Мп, на базе которого камера формирует видеоряд в формате 1920 × 1080. По заявлению Canon, новинка обладает еще большей чувствительностью к ближнему ИК-диапазону, чем предыдущая модель.

В традиционных CMOS-конструкциях электрический заряд накапливается по мере того, как прибывающие фотоны света высвобождают электроны посредством фотоэлектрического эффекта. Этот заряд увеличивается в течение всей экспозиции, а его величина считывается только в самом конце цикла.

В SPAD-сенсоре мощное электрическое поле ускоряет прилетающие фотоны таким образом, что энергия их удара провоцирует ″лавину″ электронов внутри полупроводника. Это позволяет матрице работать на уровне чувствительности к отдельным квантам света.

Таким сенсорам не нужно накапливать заряд перед считыванием, поэтому появление каждого фотона фиксируется в момент его прибытия. Процесс превращается в непрерывный поток данных, а не в серию отдельных, дискретных экспозиций, как мы привыкли.

Поскольку каждая ″лавина″ электронов настолько мощная, что её невозможно спутать со случайным электронным шумом, из такой системы удается практически полностью исключить шум считывания. Тем не менее, сама природа света диктует свои правила: дробовой шум фотонов (естественная случайность распределения частиц света) всё равно будет неизбежно присутствовать на любом снимке.

Такие характеристики идеально подходят для видеосъемки в условиях экстремально низкой освещенности. Ранее Canon уже демонстрировала возможности SPAD-сенсора, визуализируя движение одиночного импульса лазерного луча.

Модель MS-510 ориентирована на чуть менее динамичные сценарии и оснащена подвижным инфракрасным фильтром. Это позволяет камере захватывать свет за пределами видимого спектра, обеспечивая еще более впечатляющие результаты в глубокой темноте.

Как и предшественница, MS-510 совместима с вещательными (broadcast) объективами, разработанными для сенсоров типа 2/3. Чтобы максимально эффективно использовать всю площадь матрицы, перед сенсором установлена специальная увеличительная оптика.

Несмотря на то, что некоторые из этих свойств звучат крайне заманчиво для фотографии, а сама компания Canon ранее заявляла, что SPAD-сенсор способен сравниться по производительности с матрицами в 10 раз большего размера, не стоит ожидать появления этой технологии в камерах линейки EOS.

Основная причина кроется в законах физики. Электрическое поле, необходимое для ускорения фотонов внутри сенсора, потребляет значительно больше энергии, чем привычные нам CMOS-матрицы. У нас есть данные только по камере MS510 в целом (включая питание контроллеров и вентилятора), но для сравнения: другие камеры Canon серии MS с сенсорами Super 35 и Full-frame CMOS потребляют от 8 до 12 Вт, в то время как MS510 требует 24 Вт.

Такое потребление делает создание портативной камеры с сенсором SPAD для фотографа невозможным - это вызов и для ресурса аккумуляторов, и для системы теплоотвода. Кроме того, на текущем этапе развития технологии серьезным ограничением остается невысокое разрешение сенсоров.