[Entrevista] Os menores pixels de alta definição do mundo: como a Samsung desenvolveu o sensor de imagem ISOCELL HP3

Sungsoo Choi (à esquerda) do Centro de P&D de Semicondutores e Myoungoh Ki da Equipe de Desenvolvimento de Sensores Avançados do Negócio de Sistema LSI da Samsung Electronics que desenvolveu o ISOCELL HP3

As lentes do tamanho de uma unha que são encontradas em dispositivos móveis evoluíram extraordinariamente desde que foram criadas. Depois de se tornar a primeira empresa do setor a lançar sensores de imagem CMOS (CIS) com 108 e 200 megapixels em 2019 e 2021, respectivamente, a Samsung Electronics surpreendeu o mercado mais uma vez com o ISOCELL HP3, um sensor de imagem com 200 milhões de pixels de 0,56 micrômetros (μm), os menores pixels da indústria*.

A Samsung é líder em tecnologias de sensores de imagem com designs inovadores de semicondutores que podem capturar imagens impressionantes com grandes quantidades de pixels. Com o anúncio da produção em massa do sensor de imagem de ultra definição ISOCELL HP3 , a empresa passa a comercializar o desenvolvimento de sensores de imagem de 200MP com pixels ultrapequenos.

Para saber mais sobre como a Samsung desenvolveu este sensor de imagem de pixel de ultra definição líder do setor, a Samsung Newsroom conversou com Myoungoh Ki e Sungsoo Choi, desenvolvedores do Negócio de Sistema LSI e do Centro de P&D de Semicondutores, respectivamente, que desempenharam um papel de liderança no desenvolvimento do novo ISOCELL HP3.

Menor e melhor: a primeira empresa do setor a comercializar pixels de 0,56μm

Um sensor de imagem é um sistema semicondutor que converte em sinais digitais a luz que entra no dispositivo por meio da lente da câmera. De câmeras digitais e smartphones a laptops e carros, os sensores de imagem são integrados a todos os produtos eletrônicos que possuem uma câmera. O ISOCELL HP3 que a Samsung recentemente revelou é um sensor de imagem que contém 200 milhões de pixels de 0,56μm, os menores pixels da indústria, em um formato¹ óptico de 1/1,4”.

Desde 2019, a Samsung conseguiu reduzir anualmente o tamanho de pixel para corresponder ao menor tamanho do setor. Pixels menores são necessários para manter os dispositivos finos.

“Com um tamanho de pixel unitário menor, o tamanho físico do sensor e do módulo pode ser reduzido, permitindo que o tamanho e a largura da lente também sejam menores”, explicou Ki. “Isso pode eliminar elementos que interferem no design do dispositivo, como uma câmera que se projeta, além de poder reduzir o consumo de energia.”

Imagem meramente ilustrativa

Enquanto pixels menores permitem que os dispositivos sejam mais finos, manter a qualidade da imagem com pixels menores é fundamental. Desenvolvido com tecnologia de ponta, o ISOCELL HP3, que possui um tamanho de pixel 12% menor que o modelo ISOCELL HP1, pode reduzir em até 20% a área de superfície do módulo da câmera em um dispositivo móvel. Apesar de seu tamanho de pixel menor, o sensor foi desenvolvido usando tecnologia que maximiza a capacidade total da absorção de fótons (FWC) e minimiza a perda de sensibilidade. Além disso, novos recursos foram adicionados ao sensor, incluindo foco automático para todos os pixels e funções que permitem a produção de vídeo de alta velocidade, juntamente o aprimoramento de cores.

Maiores absorção de luz e capacidade de fotodiodo usando recursos tecnológicos exclusivos

Um tamanho de pixel menor é ideal para criar dispositivos menores e mais finos, mas isso pode resultar em menos luz capturada pelo dispositivo ou até interferências entre pixels adjacentes. Apesar desses desafios, a Samsung conseguiu utilizar os menores pixels da indústria para criar um novo e inovador sensor.

“Tudo graças às capacidades tecnológicas proprietárias da Samsung”, disse Ki. “A tecnologia inovadora da Samsung é capaz de fornecer alto desempenho mesmo em dispositivos muito menores.”

A Samsung conseguiu criar paredes físicas entre pixels mais finos e profundos usando sua tecnologia proprietária chamada de isolamento de vala profunda Full Depth (DTI), garantindo alto desempenho mesmo com 0,56μm. DTI, a tecnologia chave do ISOCELL, cria um componente isolado entre os pixels, atuando como uma parede para evitar a perda de luz e melhorar o desempenho óptico. O desenvolvedor Choi comparou essa tecnologia à construção de uma barreira fina entre as diferentes salas de um prédio.

“Em termos leigos, é o mesmo que tentar criar uma parede mais fina entre o seu quarto e o quarto ao lado sem afetar o nível de isolamento acústico”, explicou Choi.

A chave para o DTI é criar paredes de silicone mais finas e profundas para aumentar o ISO e reduzir a diafonia², pois componentes de isolamento maiores entre os pixels significam uma maior perda de luz. Ao aplicar essa técnica aos pixels de 0,56μm, a Samsung aumentou a absorção de luz e maximizou a capacidade do fotodiodo (PD). Portanto, a utilização de pixels ultra pequenos tornou-se possível, pois mais luz por pixel pode ser armazenada e processada mesmo com uma área receptora de luz menor.

O recurso de foco automático para todos os 200 megapixels oferece maior velocidade e precisão

A tecnologia Super Quad Phase Detection (QPD), que foi usada pela primeira vez no HP3, permite que todos os 200 megapixels foquem ao aumentar a intensidade do pixel de foco automático para 100%. O Super QPD oferece um recurso de foco automático mais rápido e preciso, utilizando uma lente em quatro pixels, permitindo a medição de todas as diferenças de fase dos lados esquerdo, direito, superior e inferior do sujeito fotografado. Não só o foco automático é preciso mesmo quando está escuro, mas a alta definição é mantida mesmo quando ampliada.

Para resolver o problema da baixa qualidade de imagem em ambientes com pouca luz, a Samsung utilizou a inovadora tecnologia de pixel para garantir imagens de alta qualidade. “Utilizamos uma versão atualizada da tecnologia Tetra² pixel proprietária da Samsung, que combina quatro ou 16 pixels adjacentes para operar como um pixel grande em ambientes com pouca luz”, disse Choi. A tecnologia de pixel atualizada permite filmagens de alta resolução em 8K a 30 quadros por segundo (fps) e em 4K a 120fps sem perda no campo de visão. Além disso, é possível filmar vídeos 8K em resolução ultra-alta com o mesmo campo de visão de quando se registra fotografias.

Semelhante a ambientes com pouca luz, também é difícil tirar fotos quando há muita luz solar. Para lidar com esse problema, é necessária uma tecnologia exclusiva para ajustar os níveis nas fotos e capturar a imagem corretamente. “Quando há muita ou pouca luz, é importante aumentar o alcance³ dinâmico para registrar uma foto natural que se pareça com o que vemos com nossos olhos”, disse Ki. “Ao usar a tecnologia Smart-ISO Pro, que usa dois ganhos de conversão, e o recurso Staggered High Dynamic Range (HDR)⁴, que transforma três quadros com exposições diferentes (exposição curta, exposição média e exposição longa) em um, ele habilita a criação de fotografias HDR que gera imagens naturais mesmo ao fotografar em condições de iluminação imperfeitas, o que proporciona um resultado ideal.”

Colaboração: a chave para superar limitações técnicas e permitir um desenvolvimento rápido

Durante a criação do ISOCELL HP3, os desenvolvedores enfrentaram vários desafios técnicos. “Como este foi o primeiro produto que utilizou a tecnologia Super QPD, houve muitas tentativas e erros ao utilizar uma nova estrutura que não podia ser encontrada no Front Deep Trench Isolation (FDTI) existente, e também enfrentamos problemas que não foram previstos em cada estágio de desenvolvimento”, disse Choi.

Apesar de um processo de desenvolvimento tão difícil, o novo sensor foi anunciado menos de um ano após o lançamento do modelo anterior. Os dois desenvolvedores atribuíram esse rápido desenvolvimento e lançamento do produto à colaboração entre diferentes equipes.

“Sempre que enfrentamos um problema técnico, respondemos cooperando estreitamente com diferentes divisões de negócios, nossa equipe e até centros de pesquisa no exterior”, disse Ki. “Conseguimos criar sinergia adicionando know-how a produtos de primeira linha, como chips de memória do centro de P&D de semicondutores, chips lógicos e muito mais. Este novo produto pode ser o maior esforço colaborativo entre diferentes departamentos até agora, incluindo funcionários do Centro de P&D de Semicondutores, Equipe de Desenvolvimento de Pixel, fundição, pesquisadores do SSIR e todos os grupos da equipe de desenvolvimento avançado, como design de sensor, pixel, solução, tecnologia de produto, fabricação e algoritmo.”

Orgulho em liderar a proeza técnica: liderando o mercado de sensores de imagem

Embora se espere que o mercado de sensores de imagem experimente um rápido crescimento devido ao aumento da demanda por câmeras e à diversificação de produtos relacionados, a Samsung está definindo tendências para câmeras no mercado de sensores móveis de imagem  de próxima geração, superando as limitações da miniaturização de pixels. A Samsung Newsroom perguntou aos dois desenvolvedores como eles se sentiam ao liderar o desenvolvimento técnico do ISOCELL HP3, o primeiro sensor de imagem de 200MP do setor a usar pixels de 0,56μm.

“Tenho muito orgulho de estarmos criando tendências no mercado de sensores de imagem e estou confiante de que continuaremos a liderar as tecnologias de micropixels”, disse Choi. “Como as aplicações de sensores de imagem estão se tornando mais difundidas em vários setores, como realidade aumentada (RA), realidade virtual (RV) e indústria automobilística, além da indústria de smartphones, lideraremos o desenvolvimento de tecnologias e mercados futuros baseados em nossas capacidades tecnológicas únicas”, disse Ki, compartilhando suas ambições futuras.

A Samsung criou com sucesso dispositivos ultrapequenos que capturam imagens em alta definição por meio de sua inovadora tecnologia de sensor de imagem. A Samsung continuará a liderar o mercado de sensores de imagem por meio de suas inovações exclusivas, como o sensor de imagem ISOCELL, que oferece experiências avançadas e otimizadas aos seus usuários.

* Menores pixels da Samsung.

¹ O diâmetro da área que é capturada através da lente da câmera.

² Um fenômeno onde a luz interfere com os fotodiodos de pixels adjacentes.

³ A proporção entre as partes mais claras e mais escuras em uma imagem digital.

⁴ Uma tecnologia que expande o escopo do brilho, tornando as partes claras mais brilhantes e as partes escuras mais escuras, semelhante à forma como o olho humano real vê.