La vidéoprojection dans tous ses états: Les sources solides LED et lasers

La lampe, c’est ringard. Il y a du verre, ça chauffe, c’est fragile, ça casse, ça vieillit, ça meurt assez vite, ça coûte cher et c’est contraignant. Bref, cela n’est plus vraiment dans le vent. Donc, dans la vidéoprojection aussi, place aux LED et aux lasers !
Tout comme dans l’éclairage, on attend des sources solides souplesse, robustesse, haut rendement et fiabilité à toute épreuve. Et on espère ne pas avoir à supporter de trop grosses contraintes.

LED et vidéoprojection

Module laser trichrome Necsel. La sortie est disponible sur fibre optique… Cela explique clairement la structure des systèmes laser direct de Christie (sources déportées dans des baies externes reliées à la tête de projection par fibre optique). De semblables modules existent en rouge, jaune, vert, bleu et infrarouge.

Il semble naturel de faire pour la vidéoprojection le même chemin que pour les projecteurs scéniques, et considérer les LED comme successeurs désignés des lampes à décharge.
Il semble toutefois que l’intégration de LED de forte puissance, qui semble pourtant à première vue avantageuse, notamment du fait de la séparation native des primaires RVB, dans les vidéoprojecteurs, pose plus de problèmes que dans les projecteurs scéniques.

Quelques fabricants ont développé des LED, assemblages ou modules de LED, destinés à la vidéoprojection, mais cela reste marginal. En fait, les projecteurs à LED restent confinés dans des applications de petite puissance (1000 à 1500 lumens au maximum), mais bénéficient d’avantages particuliers comme la miniaturisation extrême (« picoprojecteurs »), et la possibilité d’usage mobile ou nomade, les LED pouvant facilement s’alimenter sur batterie. Mais pour les applications de projection à grand spectacle à base de LED seules, il faudra attendre… si les constructeurs veulent bien s’engager dans cette voie, ce qui n’est pas certain du tout.

Les diodes laser

Le candidat « solid state » le plus sérieux pour la vidéoprojection est actuellement la diode laser. Non pas en usage direct associé à un modulateur électro-optique et système de balayage « raster » électromécanique, mais comme source lumineuse, directe ou indirecte, avec un moteur optique spatio-temporel similaire à celui qu’on associé habituellement aux sources à lampe.
Pourquoi la diode laser ? Parce qu’on dispose désormais de diodes laser de forte puissance émettant en continu (en particulier dans le bleu, mais pas que), avec un rendement énergétique convenable (environ 30 %), et une facilité d’alimentation et de contrôle que n’ont pas les lampes à décharge. Pour obtenir le flux souhaité, il faut en général non pas une, mais un certain nombre de diodes laser montées dans une matrice (array) (voir figure 1), avec un refroidissement efficace, le plus souvent à circuit liquide.

En effet, les puces sont minuscules et le dégagement de chaleur est concentré dans un très petit volume, ce qui nécessite des techniques de refroidissement similaires à celles qu’on associe aux microprocesseurs qui équipent les puissants ordinateurs. Le faisceau laser est parallèle ou peu divergent, et à bords abrupts. La puissance y est concentrée. Les projecteurs d’éclairage commencent à les utiliser et on retrouve certains principes similaires dans certaines configurations de vidéoprojecteurs.

Figure 1a : Diode laser. On notera la solide embase métallique destinée à favoriser le refroidissement de la puce.

Figure 1b : Boîtier destiné à recevoir un ensemble de diodes laser organisé en matrice pour une puissance optique atteignant 50 W (documents Osram).


Un mot sur les diodes laser de puissance
On pourrait presque affirmer que le seul point de comparaison entre LED et diode laser, c’est que les deux composants utilisent les mêmes matériaux semi-conducteurs un peu « exotiques » (AsGa, GaN, GaAlAs, etc.) diversement dopés. Mais aussi bien sur le plan optique que sur la structure, il y a tellement de différences qu’il paraît hasardeux de rapprocher les deux composants.
Contrairement aux LED, qui émettent la lumière en surface, sur le dessus de la puce, les premières diodes laser émettent par la tranche. Il faut bien reconnaître que cela n’est pas très pratique. Puis sont apparues les structures de type VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser), de structure complexe et de fabrication délicate, mais qui ont le mérite d’émettre par le dessus et de fonctionner en régime continu. Les VCSEL sont principalement dans l’infrarouge et utilisés massivement dans les télécommunications optiques.
Amélioration décisive du VCSEL, la structure Necsel (Novalux Extended Cavity Surface Emitting Laser) est capable d’émettre dans le visible des puissances accrues et se prête à une fabrication en série à des prix compatibles avec les marchés de masse. Christie, par exemple, utilise des modules Necsel dans ses projecteurs pour le cinéma électronique. Mais quoi d’étonnant, puisque Ushio, la maison-mère de Christie, a acquis en 2010 Necsel, émanation de Novalux, elle-même fondée en 1998 par Aram Mooradian.


La technologie pure laser (laser direct)

Cette technologie consiste à utiliser directement les faisceaux issus de trois sources à diodes laser (R, V, B) pour illuminer les relais optiques. Elle est réservée aux systèmes haut de gamme qui fonctionnent en trichromie simultanée, c’est-à-dire qui incluent un relais optique séparé pour chaque primaire. Compte tenu des obligations réglementaires en matière d’usage du laser, elle ne peut, dans la pratique, être utilisée que dans des salles de type cinéma, avec des précautions de manière à éviter que les yeux puissent être atteints par le faisceau direct du projecteur.

Figure 2 : Projecteur à laser direct pour le cinéma numérique capables de fournir 60 000 lumens, le DP4K-60L de Barco, dont le système optique est tout intégré, mais qui nécessite deux unités de réfrigération externes, reliées par des câbles et tuyaux.

Chez deux constructeurs, la technologie laser direct est mise en œuvre différemment sur des projecteurs Tri-DMD (on verra plus tard ce qui se cache derrière cette appellation), mais avec des caractéristiques de flux similaires (jusque 60 000 lumens).
Dans le DP4K-60L de Barco, les sources laser sont intégrées dans le projecteur, mais celui-ci nécessite d’être accompagné de deux volumineuses unités de refroidissement actif (plus ou moins similaires à la partie extérieure d’un climatiseur « split »), reliées au projecteur par un ensemble de câbles et de tuyaux (voir figure 2).

Avec cette technologie, les lasers peuvent illuminer directement les relais optiques dans chaque couleur, ce qui simplifie globalement l’optique.
Dans l’approche de Christie, ce sont les sources laser qui sont séparées de la tête de projection, et reliées à celle-ci par une fibre optique qui peut atteindre 20 m de long. Les sources RVB sont regroupées dans des modules laser donnant un flux unitaire de 5 000 lumens (voir figure 3), placés dans une baie capable d’en contenir 12 (ou 7 pour des applications moins puissantes).

Figure 3 : Module source laser de Christie (document Christie)

De ce fait, le refroidissement est totalement séparé, et le projecteur peut être isolé des nuisances qu’il génère (bruit, vibrations, surveillance…). Mais à l’arrivée, les faisceaux issus de chaque ensemble de diodes laser doivent être séparée et mis en forme (voir figure 4), ce qui peut compliquer un peu l’optique et peut, éventuellement, en réduire le rendement.

Figure 4 : Avec les sources déportées, la tête de projection laser est « presque » vide. On distingue ici le barreau d’intégration (« integration rod »), mince et longue tige de verre qui, grâce aux nombreuses réflexions qu’il subit, le faisceau lumineux s’homogénéise et s’uniformise.

Utilisé ainsi, le laser facilite aussi la mise en œuvre de la projection 3D (relief). En effet, le procédé utilisé pour faire des images en relief et en couleurs consiste à projeter sur le même écran deux images de la même scène, vue sous deux angles légèrement différents, une pour chaque œil (stéréoscopie).
La plupart des systèmes stéréoscopiques projettent ces deux images de manière séquentielle, c’est-à-dire l’une après l’autre. Pour adresser chaque image à l’œil à laquelle elle est destinée, le spectateur doit porter des lunettes. La solution la plus simple utilise des lunettes actives dont chaque verre est en fait un obturateur à cristaux liquides.

La projection n’utilise qu’un seul projecteur émettant séquentiellement les deux images, les obturateurs masquant l’œil opposé à celui auquel l’image en cours est destinée. Un signal de synchronisation (par exemple infrarouge) est diffusé dans la salle pour déclencher l’obturation aux bons moments. D’autres variantes exploitent la polarisation de la lumière. Les deux images sont émises avec deux polarisations perpendiculaires (par exemple à 45° de la verticale). Les lunettes sont alors passives, les verres sont des polariseurs linéaires dont les axes sont orientés parallèlement à la direction de la polarisation de l’image destinée à chaque œil respectif.

Les bénéfices colorimétriques du laser

Figure 5 : Diverses spécifications d’espaces colorimétriques représentés dans le diagramme CIE 1931. L’espace de la recommandation 2020 constitue une sorte d’Everest qui n’est accessible qu’aux projecteurs à laser direct pour le cinéma électronique (document Christie).

Au fur et à mesure que les technologies évoluent, les exigences évoluent parallèlement, donnant aux concepteurs toujours de nouveaux objectifs. Ainsi la projection a conquis le domaine de la télévision et de la haute définition, et pour ces applications, ne se pose plus guère de questions, la plupart des appareils sérieux couvrent l’espace sRGB et atteignent les spécifications de la recommandation BT.709 (voir figure 5).
Mais cela ne suffit plus, car de nouveaux défis colorimétriques se présentent, issus du monde du cinéma. Ainsi, on cherche souvent la conformité avec la spécification DCI P3, accessible à beaucoup de projecteurs laser-phosphore et surtout laser-phosphore « améliorés » (avec laser ou LED rouge). Mais l’objectif ultime, le Graal de la colorimétrie, semble être la spécification BT.2020 (qui, pour corser la chose, ne se conçoit qu’avec une grande dynamique de reproduction « HDR »). Ce but ultime ne semble accessible qu’aux projecteurs à laser direct.

En effet, pour couvrir l’espace de couleurs BT.2020 (et, en général, un espace de couleur le plus large possible), il faut disposer de primaires les plus pures –monochromatiques- possibles, et situées de manière optimale dans le domaine des couleurs réelles (l’idéal serait d’avoir des primaires extérieures à ce domaine, mais ça, on ne sait pas le faire !). Or si on considère les spectres des différentes sources disponibles en vidéoprojection (voir figure 6.), il saute aux yeux que seules les sources laser répondent à ces exigences, et de ce manière superlative.

Figure 6 : spectre de trois types de sources utilisées en vidéoprojection : lumière directe de la source (en pointillé) et lumière disponible pour le moteur optique après séparation des primaires (en trait plein).

Figure 6a : Lampe à arc au Xénon

Figure 6b : Laser-phosphore (on remarque un spectre ressemblant globalement à celui d’une LED blanche)

Figure 6c : Laser direct. L’avantage de ce dernier en termes de monochromaticité est parfaitement évident.


Même les LED, qu’on n’a pas représentées sur la figure, ne sont pas, et de très loin, suffisamment monochromatiques). Cela laisse présager une évolution possible dans l’avenir : avec la maîtrise de la technologie pur laser dans les fortes puissances et son acceptation de plus en plus large, on pourrait voir apparaître des projecteurs pur laser de plus faible puissance, apportant ainsi une colorimétrie de type BT.2020 dans des domaines d’application et pour des utilisateurs moins exceptionnels.


Les procédés séquentiels ont l’avantage de n’utiliser qu’un seul projecteur, mais ils ont deux gros inconvénients : le premier est que la luminosité perçue est divisée par 2, puisque chaque œil ne reçoit la lumière que la moitié du temps. Ensuite, si la succession des images n’est pas assez rapide, le spectateur éprouve une sensation de papillotement, une fatigue visuelle et un certain malaise. En utilisant la polarisation, il est possible de s’affranchir de la projection séquentielle, en utilisant deux projecteurs identiques qui diffusent simultanément les images destinées aux deux yeux, chacune selon une polarisation perpendiculaire à l’autre. Le spectateur visionne l’image avec les mêmes lunettes polarisantes passives que dans le cas précédent, sans ressentir de baisse de flux (mais il est vrai qu’en réalité, en utilisant deux projecteurs, on l’a doublé !), et surtout sans papillotement. Toutefois, la séparation des images par polarisation peut présenter des imperfections à l’origine de fatigue visuelle. Le laser RVG peut remédier à ce problème.

Les projecteurs que nous avons évoqués plus haut sont capables de réaliser la projection en 3D relief selon les méthodes déjà décrites. On parle de systèmes 3P (c’est-à-dire à trois primaires). Mais la finesse des raies spectrales émises par les lasers permet, avec deux projecteurs, d’utiliser deux jeux de primaires légèrement différents tout en conservant la gamme de couleur spécifiée. En utilisant chaque projecteur pour l’image destinée à l’un des deux yeux, on réaliser une projection en 3D relief que le spectateur visionne au moyen de lunette dont chaque verre est un filtre qui isole les trois primaires correspondant à l’œil concerné. On parle alors de système 6P. La séparation des images est annoncée comme meilleure, et surtout, elle ne dépend pas de la position de la tête du spectateur. Cette méthode est bien adaptée pour la projection sur écran, courbe ou sphérique (dôme).

Le fléau du speckle (chatoiement, tavelures, granularité)

Les tavelures (speckle) sont des petites taches rapidement fluctuantes qui apparaissent dans la texture d’une image ou à l’intérieur d’un faisceau lumineux, et qui lui donnent un aspect granuleux. Avec un faisceau de lumière cohérente, elles sont dues à des interférences qui se produisent à l’intérieur même du faisceau lorsqu’il se propage dans un milieu où siègent de faibles variations d’indice de réfraction ou lorsqu’il frappe une cible comportant des irrégularités à l‘échelle de la longueur d’onde (donc le plus plan de tous les écrans présente ce type d’irrégularité). On observe ce phénomène lorsqu’on utilise des lasers, et ce d’autant plus que le faisceau est de bonne qualité. On l’observe aussi en astronomie, où il brouille les images observées depuis l’atmosphère terrestre, mais c’est un autre sujet…

Le phénomène de speckle est bien présent dans la vidéoprojection à base de lasers, et, bien évidemment, en particulier dans l’approche laser direct. On peut y remédier de diverses manières, en particulier en utilisant des lasers de longueurs d’onde très légèrement différente et/ou en « brouillant » la polarisation. La première solution tient au choix des nombreuses puces qui constituent les sources laser, et qu’on peut sélectionner et combiner en conséquence. Les solutions du deuxième type se présentent comme des filtres (« despeckle filter » ou « despeckler »), éventuellement « actifs » (par exemple incluant des modulateurs à cristaux liquides ou des miroirs rapidement mobiles) qu’on intercale dans le trajet optique. Il semble que cela soit un sujet d’études et de recherches encore « chaud ». Mais à part une éventuelle perte d’insertion, ces dispositifs n’ont aucun effet sur l’image (autre que la réduction de la granularité) dans la mesure où la cohérence du faisceau n’intervient pas dans le processus d’imagerie.

(à suivre)

Et avec les épisodes précédents :

Crédits - Texte et Photos JP Landragin

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