Voici les secrets du capteur qui pourrait faire du Galaxy S23 le champion de la photo

Troisième itération de la gamme HP, le capteur d’image ISOCELL HP2 de Samsung reprend la définition de 200 Mpix de ses ancêtres. Mais son électronique améliorée promet des bonds technologiques majeurs à la fois dans la qualité de la perception des couleurs, dans la plage dynamique ainsi que dans le domaine de la mise au point. Un fleuron capable de placer le Galaxy S23 au top de la photo en 2023 ?

Jamais deux sans trois : Samsung annonce aujourd’hui son troisième capteur d’image 200 Mpix à destination des smartphones, l’ISOCELL HP2. La nouveauté n’est donc pas à la définition d’image, ni à la structure des photodiodes  que l’on retrouve déjà dans les modèles précédents. Non, l’essentiel des innovations se trouve dans les entrailles électroniques du composant.

Entre des améliorations de vitesse qui influencent à la fois la mise au point et la lecture du capteur (et ainsi la fluidité vidéo), les nouveaux convertisseurs de signaux qui pourraient donner un nouvel élan au HDR, ou encore une plus grande finesse dans la perception des couleurs, l’ISOCELL HP2 est un capteur plein de promesses… et qui devrait profiter au futur fleuron de Samsung. Selon le leaker Ice universe, généralement très bien renseigné sur les terminaux Samsung, ce serait bien ce capteur que le constructeur coréen mettrait au cœur de sa nouvelle fournée de smartphones haut de gamme.

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Mais qu’il soit ou non intégré dans les futurs Galaxy S23 peu importe : il va repousser encore un peu plus la qualité d’image de nos smartphones. Et mérite en conséquence une petite analyse anatomique !

Les fondamentaux du 200 Mpix

Les fondamentaux du capteur 200 Mpix

Comme ses prédécesseurs les HP1 et HP3, l’ISCOCELL HP2 de Samsung est un capteur 200 Mpix à structure dite tetrapixel. C’est-à-dire que le capteur intègre des groupes de 4×4 photodiodes d’une couleur (rouge, vert ou bleu) répartis selon une matrice dite de Bayer. L’intérêt pour Samsung de conserver à la fois la même définition d’image native ( x ) et cette structure est de ne pas avoir à réinventer la roue à chaque fois. Les algorithmes fondamentaux de traitement d’image pouvant ainsi passer d’une génération à l’autre de manière transparente.

Comme son aïeul les HP1 et HP3, le capteur ISOCELL HP2 de Samsung s’appuie sur une définition de 200 Mpix, avec des groupes de 4x4 photodiodes (ou pixels). © Samsung
Comme son aïeul les HP1 et HP3, le capteur ISOCELL HP2 de Samsung s’appuie sur une définition de 200 Mpix, avec des groupes de 4×4 photodiodes (ou pixels). © Samsung

Le HP2 n’est pas le plus grand capteur de la famille : il affiche un format de 1/1.3 pouce, contre 1/1.22’’ pour le HP1 (un peu plus grand) et 1/1.4‘’ (plus petit) pour le HP3. Samsung a tapé entre les deux précédents modèles sans chercher à aller taquiner le « grand » format 1 pouce. Sans aucun doute à dessein : si la quantité de lumière capturée est supérieure à 1 pouce (ainsi que le rendu des arrières-plans flous, etc.) un plus grand capteur a un coût. Non seulement financier, mais aussi énergétique et spatial. Plus le capteur est grand, plus il occupe d’espace, plus il demande des optiques imposantes et couteuses, etc. On sent Samsung pragmatique dans ce domaine.

Un capteur plus sensible et beaucoup plus rapide

Cette vue en coupe de deux photodiodes permet de comprendre comment l’ajout d’une seconde « porte de transfert verticale » (vertical transfer gate en anglais) permet de récupérer plus d’électrons. Et donc d’affiner la qualité du signal lumineux perçu par le capteur, notamment en hautes lumières où les pixels sont très rapidement saturés. © Samsung
Cette vue en coupe de deux photodiodes permet de comprendre comment l’ajout d’une seconde « porte de transfert verticale » (vertical transfer gate en anglais) permet de récupérer plus d’électrons. Et donc d’affiner la qualité du signal lumineux perçu par le capteur, notamment en hautes lumières où les pixels sont très rapidement saturés. © Samsung

Comme on l’a dit plus haut, les améliorations principales de ce capteur par rapport aux précédentes itérations à 200 Mpix sont à chercher dans les entrailles de sa structure électronique. Le premier étant l’intégration au sein de chaque photodiode non pas d’une, mais de deux « portes de transfert ». Les transfer gates (de leur nom en anglais et dans la littérature scientifique) sont responsables de l’absorption des électrons – les photons de la lumière excitent la surface photosensible de la diode, qui créée elle-même un signal électrique que la transfer gate va mesurer. Le souci étant que ces transfer gates ont une limite d’absorption. Une partie du signal est donc perdue quand elles sont saturées.

Comme tous les acteurs du domaines, Samsung avait déjà développé des transfer gates verticales dans ses photodiodes inférieures à un micron. Cette fois, le coréen réalise une prouesse en installant non pas une, mais deux de ces transfer gates. Améliorant de 33% (selon ses promesses) la quantité d’électrons capturés – et de ce fait le nombre de photons mesurés. Si cet élément est très technique, il est aussi capital : cela devrait permettre au capteur HP2 de mieux reconnaître les couleurs, notamment en plein jour, où la saturation des puits de lumière des photodiodes est extrêmement rapide.

Puisque l’on parle de rapidité, le HP2 dispose aussi d’une nouvelle technologie de mise au point appelée Quad Phase Detection, ou détection de phase quadruple introduite avec le HP3 (vous pouvez lire ici en anglais une interview corporate des ingénieurs qui ont développé cette fonction). Les photodiodes réunies par groupe de 4×4 sont en le même filtre coloré mais comportent en fait quatre microlentilles. Chaque groupe de quatre photodiodes est utilisé comme une unité de détection de phase. Permettant à l’intégralité de capteur de participer à la mise au point. Ce qui fait passer la couverture de l’autofocus à 100% de la surface du capteur, améliorant ainsi vitesse et précision d’acquisition des sujets.

Cette image d’un autre champion des capteurs, OmniVision, permet de bien comprendre comment l’organisation en groupes de quatre photodiodes (technologie dite QPD pour Quad Phase Detection) permet de faire participer tout le capteur à la mise au point. © OmniVision
Cette image d’un autre champion des capteurs, OmniVision, permet de bien comprendre comment l’organisation en groupes de quatre photodiodes (technologie dite QPD pour Quad Phase Detection) permet de faire participer tout le capteur à la mise au point. © OmniVision

Mais il y a aussi une amélioration de vitesse dans la lecture des informations du capteur, dont les fréquences d’enregistrement vidéo découlent. Alors que les HP1 et HP3 étaient limitées à 7,5 images par seconde pour une définition (énorme !) de 200 Mpix, le HP2 double cette vitesse en passant à 15 i/s. Un progrès qui, mécaniquement, profite aux définitions inférieures : 50 Mpix passe de 22 i/s à 30 i/s, 12,5 Mpix de 60 i/s à 120 i/s. Ainsi, les terminaux équipés de ce capteur devraient profiter de modes vidéo avec un plus grand nombre de trames par seconde que la génération précédente.

HDR intégrée au capteur en une seule prise de vue

Basique sur le papier mais électroniquement extrêmement complexe, l’ajout d’un second circuit de gain (conversion du signal) est une avancée majeure pour ce capteur. Qui peut alors réaliser une image HDR en une seule prise de vue. Evitant ainsi les défauts liés au traitement d’image à postériori, et accélérant le flux de calcul. © Samsung
Basique sur le papier mais électroniquement extrêmement complexe, l’ajout d’un second circuit de gain (conversion du signal) est une avancée majeure pour ce capteur. Qui peut alors réaliser une image HDR en une seule prise de vue. Evitant ainsi les défauts liés au traitement d’image à postériori, et accélérant le flux de calcul. © Samsung

L’amélioration de la plage dynamique est un des points forts de ce capteur. Pour bien comprendre, arrêtons-nous sur la nécessité du HDR dans les capteurs de smartphones. Bien plus petits que les capteurs d’appareils photo « normaux » et dotés d’optiques de bien moins bonne qualité, les capteurs de smartphones ont du mal à percevoir suffisamment de détails à la fois dans les hautes et basses lumières. Pour pallier cela, les ingénieurs ont mis au point une solution agrégeant les images. Concrètement, on capture dans un intervalle de temps très réduit, plusieurs images à des valeurs d’exposition et des sensibilités différentes. Puis les algorithmes et les processeurs effectuent leur travail pour les assembler en une image unique. Qui est à la fois bien exposée, suffisamment définie et avec de bonnes couleurs.

Les limites vous les connaissez : l’exagération de l’intensité des contours causée par le traitement numérique. Et surtout, les images ont parfois des artéfacts ou des flous au rendu surnaturel du fait de l’écart de temps entre toutes les prises de vue. C’est là que la partie électronique du capteur Samsung HP2 rentre en scène. Toutes les photodiodes sont équipées d’un double gain, c’est-à-dire qu’elles sont à même d’appliquer simultanément deux valeurs de conversion du signal. Pour capturer, en une seule prise de vue, des détails à la fois dans les hautes lumières (faible gain donc basse sensibilité) et dans les basses lumières (gain élevé donc haute sensibilité). La promesse étant un rendu plus naturel, avec une image finale exempt d’éventuels parasites. Notez que ce système ne fonctionne pas en définition native, mais monte jusqu’à 50 Mpix (12,5 Mpix max dans les générations précédentes).

La densité gagne du terrain, Samsung marque des points

Les spécifications techniques du capteur Samsung ISOCELL HP2. © Samsung
Les spécifications techniques du capteur Samsung ISOCELL HP2. © Samsung

Comme nous vous en parlions dans l’actualité relative à la « conversion » d’Apple au capteur 48 Mpix, le monde des smartphones préfère désormais largement des capteurs denses en pixels plutôt que des capteurs avec des photodiodes très larges. Une partie de cette conversion est à mettre au crédit de l’amélioration des semi-conducteurs, les fondeurs que sont Sony, Samsung, etc. arrivant à très bien isoler les photodiodes les unes des autres – par le passé, les photons pouvaient facilement passer d’un puit de lumière à l’autre.

Lire aussi : Test photo de l’iPhone 14 Pro : Apple se convertit aux grands capteurs, mais rate l’épreuve du zoom (oct. 2022)

Mais cette évolution technique est aussi à mettre au crédit de l’augmentation de la puissance de calcul des puces. Outre la plus grande taille des « tuyaux » (on parle du pipeline) ainsi que les performances brutes des ISP, on parle aussi ici de la puissance des algorithmes (et avec eux les GPU et NPU) pour traiter les défauts des images. Et améliorer ces dernières. Par le passé, un capteur trop dense produisait, par ricochet, des défauts dans l’image (bruit numérique, artéfacts colorés, etc.) que ni la puissance brute (dépassée), ni la qualité des algorithmes (pas assez efficaces, ni assez rapides) ne pouvaient corriger de manière satisfaisante. Les monstres de silicium que sont les derniers Snapdragon 8 Gen1/2 et autres A15/A16 Bionic

Il faut aussi mettre au crédit de Samsung le fait que ce dernier marque des points. Ses capteurs, notamment les plus denses, sont utilisés dans de nombreux terminaux et même des fleurons. Si Sony reste le maître incontesté dans plusieurs domaines (qualité de la conversion analogique numérique, vitesse de lecture, etc.), Samsung peut monter très haut en densité de photodiodes. La grâce en soit rendue aux fondements de sa technologie ISOCELL, qui consiste à parfaitement isoler chaque « pixel ». Une isolation qui non seulement évite les fuites d’électrons, mais dont la grande finesse permet à Samsung de pousser plus loin que les autres la densité de photodiodes.

Il reste désormais à vérifier sur le terrain, c’est à dire au sein d’un terminal si les promesses de Samsung sont aussi quantifiables dans la vie réelle que sur les promesses des ingénieurs. Et voir quelle sera la réponse de Sony. Qui reste à ce jour, et de loin, le king des capteurs d’images. Le premier réponse sera-t-il dans le test photo des futurs Galaxy S23 ?

Source :

Samsung



Voici les secrets du capteur qui pourrait faire du Galaxy S23 le champion de la photo