Avec les Quantum Dots, Samsung bouleverse l’Ultra HD

Sur les linéaires de nos magasins, là où les téléviseurs se jouxtent, il est évident que celui qui présente la plus contrastée des images, celui affichant les couleurs les plus éclatantes, voire la luminosité la plus forte, dispose d’un avantage réel vis‑à‑vis de la concurrence. Qui plus est, dès qu’ils sont observés d’un peu loin, ce qui est le cas dans les espaces de vente, les téléviseurs Ultra HD ont parfois du mal à faire valoir la finesse de l’image annoncée qu’ils délivrent par rapport aux équipements de génération précédente, à savoir les téléviseurs Full HD 1 080p. De ce constat est née, essentiellement sous l'égide de Samsung en partenariat avec les studios hollywoodiens Fox lors du salon CES de Las Vegas 2015, l’idée de téléviseurs HDR et WCG, c’est‑à‑dire High Dynamic Range et Wide Color Gamut.

Lorsque l’on sait qu’un téléviseur Ultra HD est plus onéreux que son homologue Full HD à diagonale d’écran identique, ne pas afficher immédiatement de différences visuelles notables en termes de qualité d'image peut vite s'avérer un véritable handicap. Ce dernier pouvant se révéler gênant en cette période de transition technologique et affecter lourdement la rentabilité du marché TV. Pourquoi le consommateur changerait son écran si les nouveaux modèles proposés n'apparaissent pas meilleurs à ses yeux ?

 

 

L'argument de l'accroissement du nombre de pixels associé à l'Ultra HD comparé
à la HD, 8 millions d'un côté contre 2 millions de l'autre, est appréciable seulement sur
les TV de grande taille. En‑deça de 65", il est très difficile de faire la différence entre un signal Ultra HD et un signal HD « upscalé » en UHD. C'est pourquoi les constructeurs ont rajouté des ingrédients technologiques à l'image Ultra HD
avec les fonctions HDR et WCG

 

Par ailleurs, contrairement au passage de la SD à la HD où le grand public a pu vérifier de visu le saut qualitatif annoncé avec l'arrivée rapide de sources idoines, et le bien‑fondé d'un nouvel équipement Full HD, les sources Ultra HD sont encore peu répandues pour mettre en lumière les TV UHD. Si le format Ultra HD Blu‑Ray commence à faire son apparition, il est encore loin de se banaliser. Les téléviseurs Ultra HD ont donc encore du mal à prouver leur supériorité puisqu’ils n'affichent, pour l’essentiel, que des images HD « upscalées » en Ultra HD. Et même si, le surcroît de pixels nécessite de (très) grandes diagonales pour faire la différence avec un TV Full HD. Bref, pour être démonstratif et attirer d’éventuels acquéreurs, il ne suffit pas à un téléviseur d’être estampillé Ultra HD. L’idée des constructeurs fut donc d’offrir une image toujours plus attirante en introduisant de nouvelles technologies.

 

 

 

Il aura fallu attendre trois ans après le lancement des premiers TV Ultra HD pour disposer d'une source Ultra HD native avec la commercialisation des lecteurs et disques Ultra HD Blu‑Ray mi‑2016. En effet, les offres de streaming UHD/4K ne sont toujours accessibles qu'à quelques poignées de privilégiés (besoin en bande passante énorme).

 

 

HDR et Wide Color Gamut

 

Pour simplifier, il s'agit d'écrans capables d’offrir une meilleure dynamique de contraste associée à une palette de couleurs élargie, ces deux aspects étant étroitement liés. En effet, pour optimiser la dynamique de contraste, la profondeur des couleurs (leur encodage) passe en 10 bits. Dans le même esprit, le Gamut, ou espace couleur, est étendu. On parle de « Wide Color Gamut ». Il en découle une palette de teintes disponible encore enrichie.

 

 

La réponse de Samsung pour profiter des fonctions HDR et WCG se nomme Quantum Dots. Comme expliqué dans la suite de ce dossier, l'un des atouts primordiaux des TV Quantum Dots réside dans sa capacité à afficher un espace couleur étendu, soit un nombre plus important de couleurs à l'écran, pour des images plus riches et plus naturelles

 

Précisons que si de telles options deviennent effectivement un atout en magasin, elles offrent une fois à domicile un gain certain en termes de dynamique d’image, de réalisme et de confort de vision, justifiant le passage d’un TV Full HD à un modèle Ultra HD. À savoir, pour que le consommateur bénéficie pleinement de ces évolutions, le téléviseur qui ne constitue que le maillon final de la chaîne graphique ne peut, à lui seul, répondre à l’ensemble des nouvelles contraintes des technologies HDR et WCG. S’il a les pleins pouvoirs pour ce qui est de la restitution finale, encore faut-il que des contenus dignes de ses qualités soient disponibles.

 

 

Pour simplifier, le HDR permet d'afficher des noirs plus noirs et des blancs plus blancs avec, en plus, moult détails et couleurs dans des hautes et basses lumières qui étaient auparavant, soit avec un signal SDR, invisibles à l'œil (cf. schéma ci‑dessus). Au final, l'image apparaît beaucoup plus riche et naturelle.

 

 

L’Ultra HD Alliance, regroupant divers constructeurs de téléviseurs (là encore, Samsung a joué un véritable rôle d'initiateur) mais aussi des créateurs de contenus, notamment des studios hollywoodiens ainsi que des diffuseurs tels que Direct TV ou Netflix, a donc mené une réflexion commune autour du HDR et du WCG. Le fruit de ces échanges réside dans des contenus originaux ou remasterisés désormais disponibles sous forme dématérialisée via streaming, sur Netflix et bientôt CanalPlay par exemple, ou sur support physique avec les nouveaux disques Ultra HD Blu‑Ray, ces derniers proposant une qualité audio‑vidéo ultime et totalement inédite.

 

 

 

L'organisme UHD Alliance a jeté les bases des technologies vidéo liées à l'Ultra HD, dans le but d'offrir une image de qualité largement supérieure à la HD. Pour rappel, celui-ci regroupe tous les acteurs de la chaîne de l'image (studios hollywoodiens en tête), mais aussi les principaux protagonistes de la post‑production et fournisseurs de technologies comme Technicolor et Dolby, les distributeurs de contenus plus,
bien sûr, les plus grandes marques et constructeurs TV.

  

 

Noir extrême ou ultra‑haute luminosité, deux options pour le HDR

 

Cependant, toutes les technologies de restitution d’image ne se comportent pas de manière identique, notamment vis‑à‑vis de la dynamique de contraste qu’elles sont capables de reproduire. En fait, dans ce domaine, deux technologies s’affrontent sur le marché : la filière Oled, bien maîtrisée par LG pour les vastes écrans, et la filière LCD dans laquelle Samsung excelle (le constructeur vient de fêter pour la dixième année consécutive sa place de leader du marché TV). Rappelons que ce dernier, après diverses tentatives jugées non pérennes, s’est retiré de la filière Oled, laissant seul son concurrent LG sur le sujet. En revanche, il a concentré sa puissance de recherche et d’innovation sur la technologie LCD, pour laquelle Samsung dispose d’un savoir‑faire qui n’est plus à prouver, notamment avec l’annonce lors du salon IFA de Berlin en septembre du développement de la technologie Quantum Dots (cf. pages suivantes).

 

 

 

Samsung présenta au monde le TV Oled KN55S9C au salon CES de Las Vegas de 2013, allant jusqu'à commercialiser ce produit à la rentrée de cette même année. Depuis, tout le monde attendait son successeur… Jusqu'à l'annonce de Samsung, au salon IFA de Berlin en septembre dernier, de se retirer de la filière Oled pour les grandes tailles d'écran, au profit du développement de la technologie Quantum Dots.

 

 

Ce en quoi, les deux filières disposent d’atouts qui leur sont propres. La force des écrans Oled réside dans la profondeur des noirs qu’ils sont capables d’offrir. Un comportement que l’on peut rapprocher du plasma, un procédé aujourd'hui définitivement abandonné. En revanche, les Oled peinent à restituer les luminosités les plus fortes et ces écrans ont encore du mal à dépasser les 550 nits (on attend mieux sur les modèles de la gamme 2017). En pratique, pour bénéficier pleinement de la dynamique de contraste d’un écran Oled, l’idéal est de le regarder dans le noir complet. Un choix que refuse catégoriquement Samsung, car peu conforme aux habitudes des utilisateurs. À domicile d’une part, dans la journée, personne ne va fermer ses volets pour regarder un film, et d’autre part, même de nuit, une lumière d’ambiance est le plus souvent présente pour un meilleur confort. 

Quantum Dots, ou la refonte totale de la chaîne graphique

 

De leur côté, les TV LCD peuvent afficher de très fortes luminosités (plus de 1 200 nits chez Samsung en 2016, largement plus en 2017 avec les modèles présentés au CES de Las Vegas au mois de janvier, dans quelques jours). Reste que si, grâce à leur puissant rétroéclairage, les écrans LCD arrivent à délivrer des images particulièrement lumineuses, les noirs sont souvent moins profonds. Un phénomène lié au fait que les cellules LCD de l’écran formant chaque pixel éprouvent des difficultés à occulter totalement la lumière provenant du rétroéclairage (là encore, Samsung promet des avancées sensibles dans le domaine lors du CES de Las Vegas 2017). Les LCD, rappelons‑le, fonctionnent un peu à la manière de minuscules stores vénitiens et l’occultation totale n’est jamais possible.

 

 

 

Ci-dessus, trois fioles remplies d'un liquide contenant des nanocristaux Quantum Dots de taille différentes. Ces derniers réagissent à la lumière
en produisant une couleur fonction de leur taille.

 

 

De même, des filtres colorés rouge, vert et bleu sont utilisés pour restituer les couleurs. De leur qualité dépend le gamut (l'espace couleur) et donc la palette de teintes colorimétriques reproductible. Des points qui semblaient jusqu’à présent fixer des limites incontournables à cette technologie mais sur lesquels Samsung, mettant ses ingénieurs au défi de dépasser ces contraintes techniques, a réalisé des progrès considérables en intégrant les Quantum Dots dans ses récentes générations de téléviseurs avec, entre autres, une luminosité moyenne au‑delà de 1 000 nits et une prise en charge de l’espace couleur Rec.2020, le plus riche de tous. Une qualité d’image totalement inédite donc, égale voire supérieure à celle du cinéma. Explications.

 

 

Jouer au niveau quantique pour des couleurs ultra‑pures

 

En 2104, les ingénieurs de Samsung sont donc quasiment repartis d’une page blanche pour jeter les bases techniques d’une nouvelle génération de téléviseurs. Comme déjà mentionné, une nouvelle génération d’écrans, baptisée SUHD, a ainsi vu le jour en 2015. L’essentiel des innovations se situe au niveau du rétroéclairage et de l'intégration d'un film Quantum Dots (une nano structure cristalline, composée de quelques atomes seulement, ce qui lui confère une spécificité très intéressante pour réaliser un écran couleur) juste avant les filtres de couleur des sub‑pixels rouge‑vert‑bleu.

 

 

Les nanocristaux Quantum Dots sont de taille extrêmement réduites,

environ vingt fois plus petite que celle d'un cheveu humain.

 

 

En effet, les lois quantiques qui gèrent les électrons et leur déplacement au sein des nano dimensions leur offrent des propriétés particulières. Dans le cas qui nous intéresse, un phénomène de fluorescence apparaît et peut être mis à profit. Lorsqu’ils sont soumis à de la lumière, ce qui constitue un apport d’énergie aux électrons contenus dans la nano structure, les Quantum Dots la restituent en émettant à leur tour de la lumière. Mais, c’est là tout l’intérêt du système, la longueur d’onde de la lumière alors émise, donc sa couleur, est fonction des dimensions de la nano structure Quantum Dot. Ainsi, il est possible de créer des sources lumineuses émettant de manière très précise sur un type de rouge, de vert ou de bleu parfaitement calibré. On parle alors d’un phénomène de photoluminescence.

 

Comme indiqué plus haut, de la taille du Quantum Dot dépend sa couleur émise (2 nm pour du Cyan, 6 nm pour du rouge…). On peut donc imaginer associer d'autres QD aux couleurs précises, dans le cadre d'une dalle de type Quatron par exemple. Rien de plus simple que de former un quatuor QD Rouge, Vert, Bleu et Jaune.

 

 

Sur les téléviseurs Quantum Dots, la source de lumière primaire, celle qui « illumine » les Quantum Dots, se base sur un jeu de LED bleues, à l’instar des TV LCD/LED « classiques ». Il est ainsi possible d’appliquer à la dalle tous les principes de Local Dimming, par exemple pour augmenter le taux de contraste comme sur une dalle conventionnelle. Une technologie que maîtrise parfaitement Samsung. Le gain en qualité de la technologie QD se joue essentiellement dans son rôle de génération des couleurs de base. En effet, pour sélectionner une couleur, les filtres conventionnels éliminent les longueurs d’onde des couleurs qui ne lui correspondent pas. En d’autres termes, un filtre rouge, par exemple, va éliminer toutes les longueurs d’onde qui ne correspondent pas au rouge. D’où une perte de lumière, donc de luminosité, en plus d'un rouge pas toujours parfaitement rouge puisque l’élimination des longueurs d’ondes indésirables n’est jamais totale.

 

La présence d'un film Quantum Dots sur les TV QD améliore sensiblement le filtre des couleurs au niveau du filtre RVB des sub‑pixels. Cela est dû à des couleurs générées par les matériaux QD extrêmement pures et parfaitement définies. De plus, chaque Quantum Dot possède une large palette de teintes pour un espace couleur étendu.

 

 

À l’opposé, la technologie QD joue un rôle de « convertisseur de longueur d’onde ». La lumière à laquelle est soumis un nanocristal excite ses électrons au niveau quantique pour qu’à leur tour ils émettent une longueur d’onde spécifique, fonction de la taille du nanocristal. Ce mode de fonctionnement présente deux principaux atouts. En premier lieu, la couleur émise par chaque cristal Quantum Dot est parfaitement définie, pure et plus facilement « filtrées » au niveau des sub‑pixels, d’où un rendu colorimétrique de l’écran grandement amélioré (on parle aussi de spectre colorimétrique), ou étendu (WCG…), notamment dans les teintes rouges et vertes.

 

Les TV Quantum Dots possèdent un spectre colorimétrique très équilibré sur les trois couleurs Rouge, Vert et Bleu. Cela est dû à la faculté des nanocristaux de générer des couleurs pures, possédant donc beaucoup d'énergie, et parfaitement définies. Cette donnée joue un rôle essentiel sur le résultat final à l'écran avec une parfaite justesse des teintes affichées.

 

 

Autre point, la conversion de lumière au niveau du filtrage des sub‑pixels offre la possibilité d’accéder à des luminosités beaucoup plus élevées car les couleurs générées par les Quantum Dots dispose d'une plus grande énergie. Il n’y a moins de « lumière perdue ». Ainsi, les téléviseurs Quantum Dots proposés par Samsung disposent d’une luminosité qui peut dépasser les 1 000 nits. Et même si les noirs sont légèrement moins profonds qu’avec des Oled, la dynamique de contraste est largement suffisante pour répondre aux exigences du label HDRLe millésime 2017 dévoilé au CES 2017 au mois de janvier s'annonce plus exceptionnel encore en termes de qualité d'image. 

Des TV SUHD aux TV Quantum Dots auto-émissifs

 

Mais les ingénieurs de Samsung ne comptent pas en rester là, et c’est bien l’essentiel de l’annonce de la marque au salon IFA de Berlin 2016, au mois de septembre. Si la technologie Quantum Dots repousse déjà les limites actuelles des téléviseurs LED et LCD, nous sommes encore loin d’avoir vu l’ensemble de son potentiel. En effet, si les nanocristaux Quantum Dots répondent à un éclairement (procédé de photoluminescence déjà mentionné plus haut), ils peuvent aussi générer spontanément de la lumière lorsqu’ils sont traversés par un courant électrique : on parle alors d’un phénomène d’électroluminescence. À terme, l’idée de Samsung et de ses ingénieurs est donc de remplacer totalement le matériau LCD et les filtres de couleur par un panneau constitué de pixels Quantum Dots auto‑émissifs, une triplette de QD RVB.

 

 

Les Quantum Dots n'ont pas fini de faire parler d'eux. S'ils sont, aujourd'hui,
utilisés via un fonctionnement photoluminescent, ils peuvent aussi fonctionner selon
un principe d'électroluminescence, c'est‑à‑dire traversés par un courant électrique.
Ainsi, ils deviennent des nanocristaux auto‑émissifs. Cette propriété intéresse beaucoup les ingénieurs de Samsung qui souhaitent proposer en 2019 des TV QD auto‑émissifs,
dont le fonctionnement serait au final quasi‑similaire à l'Oled
.

 

Les avantages de ce mode de fonctionnement sont multiples. Outre la capacité à générer un espace couleur toujours plus étendu, la consommation électrique est par exemple encore largement moindre qu’avec un TV Quantum Dots actuel (il suffit simplement de ne pas alimenter un pixel pour obtenir un noir parfait).

 

 

Quantum Dot, matériau inorganique

 

Autre énorme atout, à mettre au profit des TV Quantum Dots, les matériaux utilisés sont de type inorganiques (à l’opposé, par exemple, des Oled organiques), ils ne sont donc pas sujets au vieillissement. Pour être plus clair, ces derniers peuvent être exposés à une luminosité extrême (plusieurs milliers de nits) sans altération de leurs propriétés, donc de leur fonctionnement.

 

 

Parmi les avantages des nanocristaux Quantum Dots, il faut évoquer la qualité inorganique du matériau. Ainsi il peut être exposé à des pics de luminosité extrême sans subir le moindre dysfonctionnement. Son vieillissement est invisible à l'œil.
Un atout réel comparé à l'Oled dont on sait qu'une forte luminosité altère
les propriétés de la diode organique.

 

 

Voilà qui ouvre des perspectives fabuleuses avec la possibilité, pourquoi pas, de commercialiser des TV capables d'afficher un pic lumineux de 10 000 nits pour répondre aux exigences les plus sévères des futures évolutions de la norme HDR. Une technologie qui, si elle aboutit, pourrait sérieusement concurrencer la filière Oled.