Dans un projecteur, la lampe conditionne plusieurs performances : le flux, mais aussi l’uniformité et dans une moindre mesure la colorimétrie. Mentionnons au passage que la source lumineuse est la plus importante source de chaleur dans un vidéoprojecteur.

Voir la source comme un système

Le problème du choix ou de la conception d’une source d’illumination pour vidéoprojecteur est complexe car il s’agit, non seulement d’engendrer de la lumière de bonne qualité, mais surtout d’en faire rentrer le plus possible dans le chemin optique du projecteur, et faire en sorte que la plus grande partie possible de cette lumière participe à la luminosité de l’image.
Ainsi, dans ce qu‘on peut appeler la source lumineuse, il y a une lampe (ou ce qui en tient lieu), et aussi un réflecteur (si la lampe émet de la lumière dans toutes les directions), et divers dispositifs optiques permettant de former un faisceau lumineux le plus puissant et le plus uniforme possible dans une fenêtre d’entrée du moteur optique.

Ce système d’illumination impose des réglages parfois délicats pour optimiser le faisceau (compromis flux/uniformité). Aussi, lorsqu’on remplace la source (si elle est sujet à usure), il est de plus en plus rare de remplacer seulement la lampe. Au contraire, on propose le plus souvent l’échange d’un bloc, qu’on peut manipuler et installer rapidement, sans risque et avec un outillage minimal, en retrouvant instantanément les performances d’un appareil neuf.
La source présente également un aspect système thermique, dans la mesure où la constitution mécanique de l’ensemble interchangeable est telle que les flux d’air (injectés par les ventilateurs installés sur le châssis du projecteur) sont orientés pour refroidir de manière optimale les parties qui en ont besoin.

L’équation de la source dans le vidéoprojecteur

L’optique est relativement simple à mettre au point (au moins en théorie) lorsqu’on dispose de sources ponctuelles. Malheureusement, les calculs et constructions réalisées à partir de ce modèle ne peuvent être que des approximations grossières car les sources dont on dispose ne sont pas ponctuelles, ni uniformes, ni isotropes.

Le problème à résoudre est le suivant : on dispose d’une source lumineuse non ponctuelle, et le système optique a une fenêtre d’entrée qui possède aussi une certaine géométrie. Il faut donc optimiser la quantité de lumière que reçoit cette fenêtre à partir de l’ensemble des points de la source. La grandeur correspondante s’appelle l’étendue.
Si on considère une source Σ et un récepteur S, on peut déterminer l’étendue géométrique élémentaire de chaque élément de surface d’émetteur dΣ vers chaque élément de surface de récepteur dS par la formule dans laquelle (voir figure 1) :

– dΣ et dS sont deux éléments de surface élémentaires qu’on peut assimiler à des portions de plan, appartenant respectivement à Σ et à S, reliés par un rayon lumineux élémentaire, et sont respectivement les vecteurs normaux unitaires des éléments de surface dΣ et dS.
– αΣ et αS sont les angles entre la direction de propagation et le vecteur normal correspondant, respectivement et, dΩΣ est l’angle solide sous lequel l’élément de surface dΣ est vu depuis l’élément de surface dS, par définition : dΩΣ = dS cos α S/d2.
– d est la distance des deux surfaces élémentaires dΣ et dS.

Figure 1 : éléments pour le calcul de l’étendue géométrique élémentaire d’une source Σ par rapport à un récepteur S.

On notera au passage que l’étendue géométrique de dΣ vers dS est égale à l’étendue géométrique de dS vers dΣ. En effet, le chemin qui relie les deux surfaces est le même dans les deux sens ! Connaissant l’étendue géométrique élémentaire d2G, il est facile (du moins sur le papier !) de calculer l’étendue géométrique de Σ vers S par intégration. Là aussi on pourra remarquer que l’étendue géométrique « n’a pas de sens », car l’étendue de Σ vers S est identique à l’étendue de S vers Σ.
Bien entendu, entre la source et la fenêtre du récepteur peuvent se trouver divers obstacles et milieux d’indices de réfraction différents, par exemple. Dans ce cas, pour en tenir compte, on ne parle plus d’étendue géométrique mais d’étendue optique O. On peut, pour chaque rayon élémentaire d’étendue optique d2O, tenir compte des caractéristiques des milieux traversés, puis comptabiliser le tout dans l’intégration finale (même formule que plus haut, en remplaçant G par O.

Tout cela n’a pas pour but de vous gaver d’équations aussi absconses qu’indigestes, mais de faire comprendre que le problème n’est pas si simple, mais cela peut s’arranger, car on dispose d’ordinateurs puissants et d’algorithmes de plus en plus complexes et efficaces. C’est l’une des raisons qui permettent désormais d’obtenir des flux importants avec des sources moins puissantes (on est encore bien loin du seuil psychologique de 100 lm/W visé dans les applications d’éclairage général !).
Car dans beaucoup de projecteurs, une partie non négligeable de la lumière de la source était perdue au niveau du réflecteur et au niveau de la fenêtre d’entrée du moteur optique. En effet, pour obtenir une uniformité correcte du faisceau, on n’en prenait que la partie centrale, les parties latérales étant perdues sur les bords du diaphragme d’entrée (voir figure 2 et 3).

Figure 2. : Des dispositifs optiques parfois complexes peuvent considérablement améliorer l’étendue des sources, comme cette optique à facettes, qui crée plusieurs images décalées de l’arc de la lampe.

Figure 3. : Si on se réfère à la figure 2., la lampe sans son dispositif optique donnerait un très mauvais compromis flux/uniformité dans la fenêtre représentée par le pointillé (à gauche). En superposant des images décalées de la lampe, l’optique à facettes contribue à créer une illumination beaucoup plus uniforme (85 % au lieu de 30 % !)

La lampe à arc

Historiquement, la lampe à arc est un dispositif constitué de deux électrodes en charbon ou en métal, dans l’air. Il est alimenté à courant constant. Les lampes à arc modernes comprennent deux électrodes métalliques enfermées dans une enveloppe de silice ou de verre, remplie d’un mélange gazeux adéquat (on parle aussi de lampe à décharge). Elles s’alimentent en courant continu. Leur refroidissement est critique et nécessite un flux d’air forcé correctement dirigé.
En cas d’interruption du flux d’air en plein fonctionnement, l’arrêt immédiat s’impose. En cas d’arrêt de la machine, il est également nécessaire de continuer à ventiler la lampe jusqu’à refroidissement complet. Le système de gestion embarqué prend en charge ces contraintes. A noter que, en ce qui concerne la dernière, certaines lampes récentes de puissance modérée sont susceptibles d’y échapper et d’autoriser un arrêt instantané de la machine avec arrêt de la ventilation et mise hors tension totale.

Figure 4a : lampe à arc au Xénon de type cinéma pour la projection numérique (à gauche, Ushio DXL, d’après document Ushio).

Le mélange de gaz confiné dans l’enveloppe conditionne la stabilité de l’arc et le contenu spectral de la lumière émise. Le premier gaz utilisé pour ce type de lampes est le Xénon. C’est un gaz peu réactif et « noble ».
Les lampes à arc au Xénon émettent une lumière proche de celle du soleil et constituent depuis les années 1940 un remplaçant idéal pour les arcs au charbon, s’usant moins et émettant moins de nuisances.
Elles existent en format « cinéma » de 600 W à 10 kW et plus, munies de contacts métalliques massifs et, pour certains types, d’une tresse terminée par une cosse côté anode) et ont été adoptées par divers fabricants de vidéoprojecteurs, et intégrées par la suite dans des formats et des montages développés en collaboration avec les concepteurs de vidéoprojecteurs et les lampistes (voir figure 4a).

Figure 5 : spectres d’une lampe à arc au Xénon (bleu) et d’une lampe à arc au mercure (rouge). Ce dernier présente des raies beaucoup plus marquées et une allure plus irrégulière (d’après document Christie).

Diverses évolutions ont vu le jour. En particulier, il est apparu qu’il était avantageux d’introduire un peu de mercure dans l’enveloppe (voir note 1), avec une amélioration du rendement lumineux, mais au détriment de la régularité du spectre (voir figure 5).
Puis sont apparues des lampes dans lesquelles règne un mélange de mercure et d’halogènes. Les halogènes se combinent aux ions métalliques et permettent leur recyclage, réduisant l’usure des électrodes et évitant l’obscurcissement de l’enveloppe.
Elles correspondent à diverses appellations commerciales : HMI, UHE, NSH, etc. De par la qualité de son spectre, mais aussi son moindre rendement et sa longévité inférieure, la lampe au Xénon est en principe à réserver aux applications plus exigeantes que les lampes au mercure ou aux halogénures métalliques.

Parallèlement, la tendance est au raccourcissement de l’arc, avec plusieurs avantages : luminosité accrue, plus grande facilité de mise en œuvre (on se rapproche du modèle idéal de source ponctuelle), réduction des tensions de fonctionnement et d’amorçage. On atteint ainsi 0,2 mm pour des lampes de 100/120 W (Philips UHP).
Simultanément, divers aspects de la construction de l’enveloppe ont également fait l’objet de perfectionnement, en particulier les soudures verre-métal ou céramique-métal. Le redémarrage à chaud est désormais possible alors qu’il est impossible, voire interdit sur les lampes plus anciennes (risque de détérioration de la lampe et de l’amorceur).

Dans les vidéoprojecteurs, les lampes à arc sont associées à un dispositif collecteur de lumière comprenant un réflecteur dont la surface est une section de paraboloïde ou d’ellipsoïde de révolution, de manière à récupérer une partie importante de la lumière émise vers l’arrière. Ce réflecteur est éventuellement en verre ou silice recouvert d’une couche dichroïque, de manière à éviter la réflexion de la fraction infrarouge du spectre émis par la lampe (miroir froid, voir figures 6 et 7).

Figure 6 : courbes de réponse optiques en transmission (rouge) et en réflexion (bleu) d’un « miroir froid ». La lumière visible est réfléchie, l’infrarouge le traverse sans réflexion ni atténuation. La lumière réfléchie est donc « froide », c’est-à-dire dépourvue d’infrarouge.

Figure 7 : miroir froid ellipsoïdal (en coupe). La lampe doit être placée dans le réflecteur de manière à ce que l’arc coïncide avec le foyer F1 de l’ellipsoïde de révolution. Les rayons émis en direction de la surface réfléchissante sont concentrés vars le second foyer de l’ellipsoïde F2. Si la surface du réflecteur est de type dichroïque « miroir froid » conformément à la figure 6., la source virtuelle qui apparaît en F2 est dépourvue d’infrarouge (rayons en rouge) et donc « froide ».

Le tout est, du moins pour les puissances faibles à moyennes, intégré dans un module avec, à l’avant, une fenêtre ouverte ou fermée par une lame transparente (avec ou sans filtrage IR/UV), des trous ou plots de fixation et un connecteur pour les raccordements. La lampe est scellée à l’intérieur dans sa position optimale réglée en usine (voir figure 4b), afin d’obtenir un résultat correct immédiatement après remplacement du module.

Figure 4b : Lampe au Xénon avec réflecteur de moyenne puissance (Osram XBO de 100 à 300 W, d’après document Osram).

Plus la lampe est puissante et plus ce module a des formes tarabiscotées pour orienter le flux d’air autour de la lampe et le concentrer sur les parties les plus critiques. Avec cette conception, le remplacement de la lampe est immédiat ou presque, ne nécessitant pas d’outillage ou un outillage minimum (un simple tournevis, par exemple). Il n’y a aucun réglage à faire pour la remise en service, si on excepte la remise à zéro du compteur horaire.
Pour les lampes de plus grande puissance et/ou de type « cinéma », le remplacement est plus délicat et nécessite des précautions vis-à-vis des risques d’explosion (kit de sécurité comprenant masque, gants et tablier de cuir). Cette opération doit s’effectuer de préférence en atelier. Sur site, elle n’est réalisable que si le projecteur est installé dans une cabine ou un emplacement qui s’y prête.

Durée de vie des lampes à arc

Comme toutes les sources lumineuses, les lampes pour la vidéoprojection ont une vie limitée selon plusieurs critères :

• Des difficultés d’allumage ou de stabilité de l’arc peuvent survenir,
• Les risques d’explosion deviennent significatifs,
• Le flux a diminué (principalement par noircissement et dévitrification de l’enveloppe),
• Le spectre s’est modifié et la colorimétrie a changé (par les mêmes mécanismes et par légère modification de l’atmosphère interne).

Selon les modèles de lampe, la durée de vie va de 500 h (lampes au Xénon de type cinéma) à 10 000 heures, mais la moyenne se situe entre 2 000 et 5 000 heures. Signalons, sur de nombreux projecteurs, la possibilité de faire durer plus longtemps les lampes en utilisant un mode dit « économique », dans lequel la lampe fonctionne à courant réduit, au prix d’une diminution du flux.

Alimentation des lampes à arc

Une lampe à arc, en régime établi, doit s’alimenter à courant constant (continu). La technologie moderne permet, grâce au découpage à fréquence élevée, d’obtenir des alimentations de lampe compactes et à rendement élevé, et de les intégrer avec l’alimentation de l’ensemble des systèmes du projecteur.
Toute la difficulté vient de la nécessité d’allumer la lampe ! En effet, une lampe à décharge froide se présente comme un circuit ouvert, et le courant n’y passe pas ! L’allumage de la lampe s’effectue en trois phases. La première phase est dite d’amorçage durant laquelle un amorceur applique à la lampe des trains d’impulsions de haute fréquence et de haute tension (plusieurs kilovolts). Son but est d’ioniser le gaz entre les électrodes et de le rendre suffisamment conducteur pour pouvoir poursuivre l’allumage (Voir note 2).

Suite à cette phase d’ignition, une tension de l’ordre de 100 V est appliquée à la lampe. Cela permet d’échauffer le gaz entre les électrodes et de le porter à une température à partir de laquelle l’arc peut s’établir et se stabiliser. Accessoirement, cela vaporise le mercure contenu dans l’ampoule, qui donne à l’arc sa conductivité et ses caractéristiques colorimétriques finales.
Bien que cette phase soit brève, il faut encore plusieurs secondes pour que l’ensemble se stabilise et atteigne son point de fonctionnement et ses caractéristiques nominales. Comme on l’aura pressenti, l’allumage d’une lampe à arc est un processus violent qui met en œuvre une énergie importante.

• Génération d’interférences et perturbations.
• Erosion des électrodes.
• Amorçage à chaud : le gaz encore chaud présente une résistance trop basse pour permettre un fonctionnement normal de l’amorceur, si celui-ci se déclenche néanmoins, il provoque sur des électrodes chaudes une usure largement supérieure à celle qui se produit sur des électrodes froides. L’amorçage à chaud est possible avec certains types de lampes, mais nécessite une conception particulière de l’amorceur.

Solutions à plusieurs lampes

Une mention spéciale est à décerner aux projecteurs où on peut gérer un pool de lampes en ne les utilisant pas toutes à la fois selon ses besoins. Si on se réfère à cette conception, il semble qu’un ensemble de plusieurs lampes (par exemple 4 de 250 W) avec un système d’addition des flux soit techniquement plus avantageux et plus économique, qu’une unique lampe. En tous cas, la souplesse est évidente, puisqu’on peut par exemple faire varier l’intensité dans un rapport 1 à 4, ce qu’une unique lampe ne permettrait évidemment pas. On est aussi gagnant au niveau de la durée de vie.
Cette disposition a été introduite en son temps sur des « gros » projecteurs LCD de Sanyo (également vendus en OEM sous de nombreuses autres marques, et pas des moindres !). L’activité vidéoprojecteurs de Sanyo ayant été reprise par Panasonic en 2012, le procédé perdure sur des projecteurs DLP de Panasonic à 2 et 4 lampes. Il s’avère particulièrement intéressant pour les applications qui exigent un fonctionnement en continu 24h/24-7j/7.

Le projecteur tri-DLP WUXGA PT-DZ21K2 de Panasonic fournit un flux maximum de 20 000 lm avec 4 lampes UHM de 432 W et des cycles de maintenance de 3000 h (format paysage) ou 1000 h (format portrait). Il autorise le fonctionnement sur 1, 2, 3 ou 4 lampes avec commutation automatique en cas de défaillance. Les lampes sont incluses dans deux cassettes extractibles à l’arrière et se changent avec une grande facilité. Le fabricant propose aussi des modèles à 2 lampes (documents Panasonic).

Conclusion : la lampe est morte, vive la lampe !

Comme dans le domaine de l’éclairage scénique, les sources lumineuses à lampe pour la vidéoprojection ont du plomb dans l’aile. Malgré cela, les nombreux progrès réalisés avec les décennies de recul qu’offre cette technologie, font encore des lampes des sources efficaces et économiques pour les projecteurs de 1 000 à 20 000 lumens et plus. La seule contrainte, c’est que ces sources réclament un peu plus d’attention au niveau de la maintenance et sont à l’origine de coûts répétitifs.
La surenchère pour acquérir un appareil garantissant 20 000 heures sans maintenance vaut-elle plus ou moins que les 20 lampes équivalentes d’une durée de vie de 1000 heures ? Tout bien pesé, la lampe semble avoir encore un avenir, d’autant que les technologies alternatives que nous allons voir par la suite ne sont pas forcément abouties et stabilisées, et seront peut-être obsolètes au bout des 20 000 heures promises !

Et avec les épisodes précédents :

• Lien Ep1 : La vidéoprojection face aux écrans, les compromis sur l’image
• Lien Ep2 : La vidéoprojection face aux écrans led, à chaque environnement sa solution
• Lien Ep3 : Spécifier un projecteur : Spécifications relatives à l’image
• Lien EP4 : Spécifier un vidéo projecteur : Placement, installation, environnement et ergonomie
• Lien EP5 : Spécifier un vidéo projecteur : Des interfaces vidéo pour la vidéoprojection
• Lien EP6 : Spécifier un projecteur : des interfaces vidéo à très haute résolution

Vivement la suite ! Les lampes, c’est (presque) du passé. Dans notre prochain épisode, nous vous parlerons des sources solides, LED et surtout diodes laser en vidéoprojection. Même si les constructeurs n’ont pas tous voulu communiquer abondamment et sans réticence, nous vous en montrerons plein et vous comprendrez pourquoi, notamment avec le laser, la vidéoprojection atteint des performances superlatives, encore totalement inimaginables il y a quelques années.