Dossier: La projection laser de A à Z

Les lampes xénon sont utilisées depuis longtemps dans les projecteurs 35 mm et ont été reprises presque à l’identique pour la projection numérique, avant que ne viennent les lampes mercure. Qu’apporte le laser de si remarquable pour que tous les constructeurs s’y intéressent aujourd’hui ?
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Principe d’un laser

Un laser (acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ou « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement ») est un appareil qui produit une lumière monochromatique, autrement dit d’une seule fréquence, ou encore d’une longueur d’onde unique.

En quelques mots, le principe physique repose sur l’interaction entre la lumière et la matière. Un atome, lorsqu’il reçoit un photon, absorbe son énergie et atteint un niveau d’excitation supérieur. Inversement, un atome excité peut perdre spontanément son énergie en émettant un photon, avec une fréquence et dans une direction aléatoires.

Mais un atome déjà excité recevant un nouveau photon peut aussi perdre son énergie, produisant alors deux photons simultanément. Il y a donc amplification lumineuse, puisque, en plus du photon incident, est émis un photon supplémentaire, identique au premier en fréquence et en direction.

Un laser est une sorte de chambre de résonnance entre un miroir totalement réfléchissant (symbolisé ci-dessous à gauche) et un autre semi-transparent (à droite). L’énergie apportée – opération appelée le « pompage » – excite les atomes du milieu amplificateur qui, recevant par ailleurs de cette boucle entre les miroirs une partie des photons qu’il a lui-même produit, génère d’autres photons identiques, de même longueur d’onde et de même direction. Le faisceau réalisé est ainsi dit « cohérent », c’est-à-dire unidirectionnel, monochromatique et polarisé.

La source d’énergie peut être un générateur électrique ou un autre laser, et il existe plusieurs sortes de milieux amplificateurs : cristallin, à colorant, à gaz, à électrons libres, et à diode. Les diodes laser (laser diode ou LD) sont ainsi utilisées par exemple dans les lecteurs de DVD (laser rouge de 650 nm) ou Blu-ray (laser bleu de 405 nm).

Comme le dit bien l’article Wikipédia sur le laser, on peut comparer ce processus à l’effet Larsen, qui se produit lorsque l’entrée d’un amplificateur, le micro, capte sa propre sortie, le haut-parleur. Une boucle se crée où le moindre bruit qui entre génère un son qui sature le système. Mais dans un laser, cette énergie maximale est limitée par la puissance de la source de pompage, et par le nombre d’atomes qui peuvent être simultanément excités.

 

Le laser dans les projecteurs

Les premiers affichages laser, sans doute influencés par la vidéo analogique, ont tenté de produire une image en balayant l’écran à la façon d’un tube cathodique. Mais le mouvement ne pouvant se faire ici que mécaniquement, par exemple avec un miroir déviant le faisceau, et les fréquences atteignant, pour une simple définition SD, des milliers de Hertz, il a fallu abandonner cette piste.

Tous les systèmes de projection laser actuels – appelés laser-illuminated projection, c’est-à-dire « projection éclairée par laser » – ne modulent pas leur source, qui n’arrive pas non plus directement sur l’écran, mais la focalisent sur un intégrateur optique qui recrée une source blanche. Ils se reposent ensuite sur la technologie des DMD, LCD, ou LCoS pour produire l’affichage. Ils utilisent des diodes laser de très petite taille, dont les avantages sont la compacité, la facilité de modulation à des fréquences élevées, la faible tension de service, et la faible puissance consommée. Elles produisent une couleur unique, très pure, très directionnelle, et si les constructeurs ont quelques contraintes quant à la gamme des fréquences disponibles, ils en ont tout de même le choix. Chez Christie, par exemple, les longueurs d’onde sont de 638 nm pour le rouge, 532 nm pour le vert, et 465 nm pour le bleu, tandis que Laser Light Engines cite respectivement 642 nm, 532 nm, 464 nm.

 

Un obstacle législatif ?

Les lasers de faible puissance (dits classe 1 – par exemple les lecteurs de DVD et de Blu-ray – ou classe 2 – lecteurs de code à barres…) sont sans danger pour l’être humain ni pour l’œil. Mais, au-delà, leur puissance les rend capables de détruire la matière et leur usage est strictement réglementé.

Pour la projection cinéma, on l’a compris, la lumière des lasers est diffusée par l’intégrateur optique, et n’est donc pas plus dangereuse de celle d’un xénon. Néanmoins, la loi est la loi, et l’on ne la change pas si facilement.

C’est pour cela que s’est créée la LIPA (Laser Illuminated Projector Association), une association de promotion des projecteurs lasers qui milite pour faire comprendre aux autorités qu’il est nécessaire de réviser cette législation.

En attendant, les constructeurs utilisent des sources en dessous de 5 000 lm, et les multiplient pour obtenir la puissance souhaitée.

(Pour plus de détails, voir lipainfo.org, ainsi que l’article « A-t-on le droit de faire de la projection laser ? » sur Manice.org.)

 

Trilasers vs monolasers

Deux technologies sont en présence.

L’une utilise des diodes laser rouges, vertes et bleues, dont la lumière est amenée directement, ou conduite par des fibres, jusqu’à un intégrateur optique qui prend la place de la lampe xénon. Ensuite, comme dans un projecteur classique, la lumière est séparée par des filtres dichroïques et éclaire les trois puces, DMD, LCD, ou LCoS. Néanmoins, il faut se rappeler que la lumière qui sort de l’objectif, si elle paraît pour l’œil effectivement « blanche », est en réalité constituée des seules trois fréquences des lasers.

L’autre méthode utilise seulement des diodes laser bleues qui excitent du phosphore, lequel produit une lumière blanche. Cette lumière est amenée à l’intégrateur optique puis, après séparation par les filtres, aux trois puces comme précédemment. Le phosphore est monté sur un disque rotatif pour éviter son épuisement. Ici, au contraire du trilaser, la lumière blanche contient tout le spectre des fréquences émises par le phosphore, du rouge au bleu.

Une variante consiste à diviser en deux la lumière des lasers bleus, par exemple au moyen d’un miroir semi-transparent : une partie est dirigée sur la roue couverte de phosphore qui, ici, produit une lumière jaune, et une autre directement vers l’intégrateur. Dans ce cas, la lumière à la sortie de l’objectif est composée d’une part d’une fréquence unique de bleu, et d’autre part du spectre généré par le phosphore jaune, c’est-à-dire du rouge au vert.

Dans tous les cas, la source lumineuse peut être séparée du projecteur, mais il faut savoir que l’intensité lumineuse diminue tout de même avec la longueur de la fibre optique, et ce, inégalement selon les fréquences : le vert baisse de 98 % sur 5 mètres à 79 % sur 100 m, les chiffres du rouge sont semblables, mais le bleu baisse de 97 % sur 5 m à 50 % sur 100 m ! (Chiffres Laser Light Engine.)

 

Espace colorimétrique

Cette nouvelle source lumineuse apporte son lot d’avantages.

Le gamut des projecteurs monolasers équivaut à celui d’un xénon ou d’un mercure, mais celui des trilasers est plus étendu, proche du Rec 2020 recommandé par l’ITU pour l’UHD.

Le bénéfice est la reproduction des teintes les plus saturées, celles qui auparavant restaient hors de la capacité des projecteurs numériques, voire de la pellicule.

Dans la pratique, on peut tout de même imaginer quelques difficultés de compatibilité. Si un film a été vu par la production sur un projecteur xénon, son signal RVB transformé en XYZ pour le DCP devrait être correctement recodé en RVB par le projecteur laser qui connaît ses primaires : l’image sera donc identique à ce qui avait été validé. En revanche si, dans le futur, une production conçoit le film en exploitant l’espace colorimétrique du laser, l’image ne pourra pas être reproduite à l’identique sur un projecteur xénon, il faudra convertir l’espace colorimétrique pour le réduire.

Barco a organisé des projections comparatives en plaçant côte à côte un xénon et un laser devant des professionnels à Hollywood, et « aucune différence significative » n’a été relevée. En général, la plupart des spectateurs ont préféré la projection laser, car elle offrait un meilleur contraste et un meilleur piqué (sharpness).

 

Intensité lumineuse

Aujourd’hui, une lampe xénon ne dépasse guère 30 000 lm, car seulement un tiers de son énergie est visible. Son enveloppe approche les 1 000 °C, alors que le quartz fond à 1 300 °C, et sa pression interne va de 5 à 10 atmosphères, autrement dit c’est un objet dangereux – tous les projectionnistes le savent –, mais elle donne une très belle image.

Les sources laser actuelles sont de l’ordre de 5 000 lm, cependant, en multipliant les baies, on dépasse largement ces valeurs. Elles produisent une lumière uniforme, avec un bon étalement sur l’écran.

La source des projecteurs monolasers peut être modulée de 40 à 100 %, tandis que pour modifier celles des trilasers on doit jouer sur l’allumage ou l’extinction d’une baie entière.

 

Durée de vie

Un avantage souvent mis en avant est la durée de vie des diodes laser. Les chiffres varient d’un constructeur à l’autre, mais si l’on admet qu’une source n’est plus utilisable quand elle tombe à 50 % de son intensité, un projecteur monolaser durerait 20 000 heures et, pour les trilasers, certains parlent de 20 000 heures également, d’autres disent qu’à 30 000 heures le laser ne serait encore qu’à 80 % de son intensité et n’atteindrait 50 % que vers 70 000 heures… Quoi qu’il en soit, à l’échelle de vie d’un projecteur numérique, sur dix années d’exploitation normale, soit quelque 36 000 heures, on peut pratiquement considérer qu’il n’y aura plus de remplacement des sources lumineuses, et par conséquent plus besoin non plus de stocker des lampes d’avance. Néanmoins, en cas de panne, ces sources sont modulaires, et peuvent être remplacées séparément. D’une manière générale, les projecteurs laser demandent un entretien réduit par rapport à ceux à lampes.

La durée de vie des diodes lasers dépend aussi de leur refroidissement. Les garder à une température stable et avec un faible taux d’humidité leur permet d’espérer une durée de vie accrue. De même, soulager régulièrement l’intensité du laser lui assure une meilleure longévité. Sony pour ses monolasers vidéo dispose d’une fonction Auto Dimming qui met en place un cycle de protection : 5 % du temps à 100 % de la puissance ; 85 % du temps à 85 % de la puissance ; et 10 % du temps à 5 % de la puissance.

Et évidemment, les lasers ne contiennent pas de mercure, qui pose un problème de recyclage à chaque changement de lampe.

 

Climatisation

Par ailleurs, la consommation électrique est réduite, les lasers chauffent moins, et il faut donc moins de climatisation. La source peut être séparée du projecteur, et la lumière, amenée par des fibres optiques : si on les limite à une vingtaine de mètres, les déperditions qu’elles introduisent ne sont pas gênantes. Dans ce cas, le projecteur n’a plus besoin d’extraction, et l’on peut même le mettre directement dans la salle ! La suppression de la cabine fera gagner à l’exploitant plusieurs rangées de fauteuils.

 

Utilisation

De plus, un projecteur laser démarre et s’arrête plus vite que son homologue xénon : là où ce dernier réclame environ 1 minute au lancement et 30 secondes de refroidissement à l’extinction, un laser s’allumera en une dizaine de secondes, sortira de veille en une seconde, s’éteindra instantanément (chiffres Sony).

Enfin, il peut être installé dans n’importe quel axe, à 360°.

 

Moirage

Cependant, la projection laser apporte aussi quelques nouveaux problèmes. Par exemple, le rapport entre le nombre de lumens produits et la puissance utilisée n’est pas constant pour les trois primaires : les diodes laser rouges vont de 50 à 400 lm/W, les vertes de 400 à 683, les bleues seulement de 10 à 60 lm/W (chiffres Laser Light Engines). Il est aussi possible que certains photomètres ne soient plus aussi précis avec des sources laser.

Mais le principal problème reste, dans les trilasers, les interférences qui se produisent lorsque les trois sources monochromatiques sont diffusées sur un écran mat.

Un écran mat n’est pas parfaitement lisse : à l’échelle de la lumière il est composé de creux et de bosses. Une même fréquence lumineuse aura donc des trajets de longueurs différentes, et pourra arriver dans l’œil en phase ou en opposition. Ces variations créent une sorte de moirage, dit speckles, de petites taches dont l’intensité varie aléatoirement du plus sombre au plus clair.

Telles que perçues, ces taches ont une taille proportionnelle à l’angle d’acuité visuelle du spectateur. Le défaut est donc subjectif, et d’autant plus visible lorsqu’on bouge la tête en l’avançant ou la reculant.

Ce moirage, particulièrement visible sur des zones brillantes et uniformes comme les ciels, également sur des plages de vert ou de rouge, diminue entre autres la sensation de contraste. Il est exprimé par un pourcentage, ou par une valeur de 0 à 1, le zéro représentant l’absence de moirage. Tous les fabricants travaillent sur des solutions pour le réduire ou l’éliminer, par exemple en variant les fréquences des diodes laser dans un même groupe (cf. ci-dessous à propos du relief), ou en les faisant tourner, ou vibrer, voire en faisant vibrer l’écran !

 

Relief

Après une montée en flèche, le relief a subi depuis quelques années un ralentissement, à la fois du nombre de films produits et des revenus qu’il rapporte. Beaucoup pensent que le laser, combiné au 4K et au HFR, peut lui donner une nouvelle chance dans les années à venir.

Les projecteurs trilasers proposent une solution ingénieuse : puisqu’on peut choisir les longueurs d’onde des diodes laser, on en utilise deux jeux, décalés chacun d’une vingtaine de nanomètres : trois primaires sont dédiées à l’œil gauche, et trois à l’œil droit. On parle de projecteurs « 6P ».

C’est le principe du décalage spectral qui avait été développé par Infitech et repris par Dolby, mais ici on évite l’absorption de lumière à la source – rappelons que tous les systèmes de reproduction du relief actuels absorbent, entre les filtres sur le projecteur et les lunettes, de 70 à 85 % de la lumière. Des lunettes fabriquées par Dolby ont été adaptées à la longueur d’onde des sources laser. Toutes les fréquences arrivent sur les deux verres qui sont traités pour ne laisser passer chacun qu’un jeu de primaires, correspondant respectivement à l’image gauche et droite.

Avec cette solution, on peut utiliser un écran mat et offrir une projection en relief qui respectera la luminance requise de 48 cd/m2 (14 foot-lambert). En outre, si le spectateur retire ses lunettes, il ne sera pas ébloui. Enfin, il n’y a plus de diaphotie, les lasers s’éteignant beaucoup plus rapidement.

 

Barco

Chez Barco, la lumière est directement couplée à l’intégrateur optique, elle n’est pas amenée par des fibres qui, selon Goran Stojmenovik, Product Manager, font perdre une partie de l’efficacité des diodes, et peuvent aussi apporter des défauts, notamment dans les parties coudées.

Pour le relief, Barco utilise le 6P dans un seul projecteur, lequel affiche successivement les images gauche et droite. Cela permet de limiter l’encombrement et de diminuer le coût par rapport à une configuration à deux projecteurs, mais, de ce fait, on conserve un triple flash à 144 Hz, c’est-à-dire que chaque œil n’a l’image que la moitié du temps.

Ce type de projecteur est compatible avec tous les systèmes de reproduction du relief et, notamment, la lumière émise par les diodes laser étant « dépolarisée » par l’intégration optique, ceux basés sur la polarisation distincte des images gauche et droite.

De plus, en projection sans relief, l’utilisation simultanée de deux jeux de primaires avec des fréquences décalées réduit le défaut de moirage (speckles).

Le projecteur Barco fonctionnera en principe avec la plupart des blocs média, mais le meilleur résultat sera obtenu avec le lecteur intégré Alchemy qui permet de projeter en 4K sans relief à 60 i/s ou 4K relief en 24 i/s. Avec un lecteur standard (IMB ou IMS), on s’arrêtera au 4K sans relief ou au 2K à 60 i/s.

Le prix d’achat reste plus élevé que celui d’un projecteur xénon, mais les coûts totaux sur plusieurs années, en incluant les remplacements de lampes et l’entretien, seront très proches.

Barco installera ses premiers projecteurs laser chez des exploitants avant l’été aux USA et en Chine, et dans le reste du monde avant la fin 2014.

 

Christie

Christie fait partie du groupe Ushio et est, par conséquent, sœur de NECSEL qui fabrique des diodes laser miniaturisées : la société a donc son fournisseur sous la main ! Elle commercialise des projecteurs monolasers à phosphore pour sa gamme vidéo et, concernant le cinéma numérique, elle utilise la solution à trois primaires – et à six primaires pour le relief. Les diodes laser se trouvent dans une baie distante du projecteur, chaque baie produit 5 000 lm, et l’on augmente la puissance en multipliant le nombre de baies. En configuration expérimentale, Christie a ainsi déjà dépassé les 100 000 lm.

Pour le relief, Christie promeut une solution utilisant deux projecteurs, ce qui permet d’éviter l’alternance gauche-droite : chaque œil reçoit toujours une image.

Le CP42LH, disponible aujourd’hui, est un projecteur 4K et, avec son IMS, il supporte le HFR sans problème. Néanmoins, Pascal Gervais, Directeur Régional Christie France, pense que la projection laser ne se démocratisera pas avant cinq ou six ans. Le coût du lumen est encore de 7 € environ (projecteur complet) : un 60 000 lm coûterait donc dans les 420 k€. On comprend vite que pour le moment cette technologie soit réservée au relief et aux « Premium Large Format Theaters », c’est-à-dire aux salles de prestige cherchant à se démarquer par le haut.

 

Digital Projection

Digital Projection est depuis longtemps impliqué dans le cinéma numérique : la société a participé depuis les années 80 au développement du DMD, puis à la définition du DCI, elle a eu un temps Imax parmi ses actionnaires, et elle a appartenu à NEC avant de devenir une structure indépendante. C’est pourquoi, si elle achète toujours les DMD chez Texas, la puce de contrôle est développée en interne.

Le HIGHLite Laser est un projecteur WUXGA (1920 x 1200) qui utilise le principe du laser bleu associé au phosphore jaune et dont une partie va directement dans l’intégrateur optique.

Il est dit Rec 709, cependant son espace colorimétrique le dépasse légèrement, notamment dans le rouge et le vert. Il est néanmoins probable que, dans une exploitation vidéo, la distorsion introduite ne soit pas véritablement gênante.

La durée de vie du laser est estimée à 20000 heures. Si une diode laser devait tomber en panne, sur la centaine mise en œuvre, la perte de luminosité serait difficilement sensible. Si néanmoins il devenait nécessaire de la remplacer, on peut échanger le bloc laser, le refroidisseur, ainsi que la roue phosphore.

Les DMD sont de 0,67 pouce et autorisent des objectifs de petite taille. Leur espace interpixel est plus fin et ils affichent donc un meilleur contraste.

Le relief est aussi disponible ici (pour la réalité virtuelle, l’architecture, l’armement, les musées 3D…) et le projecteur recevra les signaux classiques côte à côte, dessus dessous, séquentiels, etc., jusqu’au 60 i/s, l’affichage pouvant être doublé pour ne plus sentir les flashes. Il est possible d’utiliser un système à polarisation, mais le plus simple reste de piloter des lunettes actives en envoyant au générateur, infrarouge ou radiofréquence, le signal TTL sorti du projecteur.

Tout est inclus dans le corps du projecteur, dont le boîtier conserve une taille modeste : sans objectif, il pèse 45 kg et mesure 29 x 55 x 67 cm. Le HIGHLite Laser annonce 10 000 lumens pour 30800€, tandis qu’un second modèle, disponible en septembre, proposera 12 000 lumens pour 31900€.

Stéphane Bourdon, National Sales Manager pour la France, a l’habitude de dire que le coût du HIGHLite Laser est celui d’un projecteur xénon équivalent, plus un an de lampes de secours – alors que celui-ci durera dix ans !

 

NEC

NEC utilise les deux techniques décrites : le NC 1100 N est un monolaser 2K, tandis que le NC 1040 est un trilaser 4K. L’avantage du premier est la compacité, puisque tout est dans un même boîtier, mais d’une puissance limitée à 5 000 lm, alors que du second, plus volumineux, on peut déporter la baie où se trouvent les sources lumineuses. Le NC 1100 N convient pour des écrans en dessous de 10 m, au-dessus il faut le NC 1040.

Le NC 1100 N est, avec objectif, IMS, et 5 000 lm, à 60 k€, et le NC 1040, dans la même configuration, à 110 k€, les 5 000 lm supplémentaires étant à 35 k€. Selon Michel Jacob, DG France de NEC, le prix des lasers devrait baisser prochainement, mais pour le moment une baie de 10 000 lm est plus chère que deux baies de 5 000 lm.

 

Sony

Sony commercialise un projecteur monolaser WUXGA tri-LCD de 4 000 lm, le VPL-FHZ55. C’est l’exemple où la lumière du laser bleu n’atteint jamais directement l’écran, le phosphore produisant une lumière blanche.

Des filtres dichroïques séparent les spectres rouge, vert, bleu et la lumière est envoyée sur trois LCD, puis les trois images sont alignées optiquement pour être projetées.

(Sans doute à cause du Festival de Cannes, nous n’avons reçu aucune réponse de Sony quant à un projecteur laser pour le cinéma.)

Le laser est donc plein de promesses, il est entré dans une phase active de commercialisation, mais à cause de son coût il n’est pas certain qu’il détrône les lampes xénon et mercure tout de suite. Les fabricants de lampes ont le temps d’organiser leur migration.

 


 

Acronymes

DCP : Digital Cinema Package.

DMD : Digital Micromirror Device (micromiroirs pivotants).

HFR : High Frame Rate (cadences de 48 i/s et au-dessus.)

IMB : Integrated Media Block (bloc média intégré dans le projecteur).

IMS : Integrated Media Server (bloc média et lecteur intégrés dans le projecteur).

ITU : International Telecommunication Union.

LCD : Liquid Crystal Display (cristaux liquides).

LCoS : Liquid Crystal on Silicon (cristaux liquides sur base silicium formant miroir).

Lm : lumen (unité de flux lumineux, de puissance lumineuse.)

RVB : Signal représentant les valeurs primaires de rouge, vert, bleu.

TTL : Transistor-Transistor Logic.

UHD : Ultra Haute Définition (se divise en UHD-1, 3840 x 2160, et UHD-2, 7680 x 4320).

WUXGA : Wide Ultra eXtended Graphics Array (résolution de 1920 x 1200).

XYZ : Passage des primaires RVB dans un repère orthonormé XYZ qui permet d’en conserver une valeur absolue, indépendante des valeurs RVB utilisées par la caméra.