Cinéma 3D en lumière polarisée

Pour une bonne compréhension il peut être utile que vous ayez lu le post sur la lumière. Après avoir vu un film comme "Avatar" ou bientôt "Alice au pays des merveilles", on peut se demander comment marchent ces lunettes qui bluffent notre cerveau. Je vais donc essayer de présenter une des technologies de projection de film 3D sur les écrans de cinéma.

1. Lumière

Une chose que tout le monde connaît de la lumière c’est sa vitesse c = 3×10^8m/s, au travers de la formule E=mc². Vous avez probablement aussi entendu parler des photons, ses composants mis en évidence au début du 20ème siècle. Mais saviez-vous qu’il s’agit en fait d’une perturbation électromagnétique qui se propage dans la matière ? Elle traverse certains éléments comme le verre, le plastique ou l’air mais rebondit sur d’autres comme le papier, les miroirs,... Elle peut aussi être absorbée et transformée en énergie photo-voltaïque ou photo-thermique. La lumière est riche d’applications. Après sa première apparition au cinéma avec les frères Lumières, le 22 Mars 1895, le cinéma nous offre aujourd'hui la 3D.

2. Théorie

Je ne vous parlerai pas de théorie amenant à manipuler les équations de Maxwell. Je vais plutôt vous donner des notions des axes fondateurs d’une des technologies 3D qui font leur arrivées au cinéma.

2.1. Onde électromagnétique. Comme je le laissais comprendre dans l’introduction, la lumière est une perturbation électromagnétique qui se propage dans la matière avec une fréquence propre à sa couleur. La figure ci-dessus présente une onde électromagnétique se propageant. C’est comme si l’on avait une photo de la lumière sur laquelle était dessiné en chaque point le champs magnétique et le champs électrique ; avec k le vecteur indiquant le sens de propagation de l’onde. Dans notre exemple, si l’on regarde l’onde arriver de face, les champs E et B sont toujours alignés dans la même direction. Le champs E varie de haut en bas mais toujours suivants le même axe, c’est ce que l’on appelle la polarisation rectiligne. Ce fait n’est pas chose naturelle, le champs E pourrait très bien varier en rond, ou n’importe comment comme la lumière du soleil. Après tout, les vagues dans la mer ont toutes une forme différente et ceux sont aussi des ondes.

2.2. Polarisation. La polarisation est définie par la règle déterminant la manière dont évolue le trièdre (k, E , B), au cours du temps, en regardant l’onde arriver (par convention). Ainsi une polarisation circulaire pourra être qualifiée de gauche ou droite suivant son sens de rotation. L'animation sur le coté nous montre une polarisation circulaire gauche ou l'on voit le champs électrique qui tourne au cours du temps. La trajectoire de la pointe de sa flèche, ressemblera à un tire-bouchon. D'ailleurs, tous les tire-bouchons se tournent dans le même sens : vue de dessus c'est le sens des aiguilles d'une montre et cela correspond à la polarisation circulaire gauche. Donc si vous regardez votre tirebouchon de profil, cela correspond à la forme d'une onde polarisée circulairement à gauche.

3. Applications

3.1. Filtres polarisés. Dans certains matériaux le chemin que parcourt la lumière en les traversant dépend de sa polarisation. Cela peut amener à une séparation du rayon en deux, créant des images décalées. Cela peut aussi permettre de filtrer une partie du rayon suivant sa polarisation.

En projetant, sur un écran, une image avec de la lumière polarisée circulairement à gauche et en regardant cet écran avec un filtre ne laissant passer que de la lumière polarisée circulairement à droite, on verra un écran tout noir.

Pour approfondir : milieux actifs, molécules chirales et milieux lévogyres ou dextrogyres.

3.2. Lunettes 3D. Les lunettes 3D basées sur ce principe sont donc constituées de deux verres filtrant pour l’un la lumière polarisée circulairement à gauche et pour l’autre la lumière polarisée circulairement à droite. Pour quoi prendre de la lumière polarisée circulairement ? Tout simplement parce qu’elle est optimale vu les conditions d'utilisation des spectateurs. Ils sont tous faces à l’écran et même s’il penchent la tête à gauche ou à droite la polarisation circulaire est toujours vue de la même manière sans perte d’intensité.

Pour approfondir : polariseur, axe optique, analyseur, projection orthogonale.

3.3. Stéréoscopie. Avec de telles lunettes, on est capable d’avoir une image différente par œil. Comme dans la vie de tous les jours chacun de nos yeux voit une image différente. Expérience : Fermer un œil après l’autre en fixant le même objet pour vous en convaincre. Il suffit donc de filmer une scène avec deux objectifs espacés de la même distance que celle entre nos yeux (64mm) pour avoir ainsi deux images telles que nous les verrions. On reconstruit alors une image composée de ces deux images sources que l’on projette sur un écran et les lunettes re-séparent l’image de chaque œil : gauche et droite.

Remarque : Les casques de réalité virtuelle ne font rien de plus que de projeter une image différente sur chacun de nos yeux. Ici le filtrage par polarisation circulaire permet de recréer ces deux images nécessaires à notre vision 3D.

Références

[1] Eric Aristidi, Optique ondulatoire cours en ligne. Il s’agit d’un cours en ligne de Eric Aristidi, Maitre de conférence à l’université de Nice.

[2] Wikipedia, Polarisation optique. L'encyclopédie en ligne toujours aussi utile pour compléter les notions abordées.