Rétro-ingénierie : comment fonctionnent les projecteurs laser ?

Luca Fontana

7/10/2019

Traduction: Sophie Boissonneau

Photos: Manuel Wenk

Les projecteurs lasers RGB représentent l'avenir. Pour mieux vous expliquer, mais aussi pour mieux comprendre, nous avons sacrifié un projecteur à 6000 francs : le démonter est une chose, le remonter une tout autre...

Les projecteurs sont un condensé de technologie absolument passionnant. Il s'agit d'un boîtier. Avec une lampe à l'intérieur, qui émet soit sur une puce, soit sur un LCD. De là, le faisceau lumineux passe à travers une lentille et apparaît ensuite sur l'écran. Et voilà, c'est la magie du cinéma.

Enfin, ce n'est pas vraiment aussi simple.

Alors que dans l'article précédent, je m'intéressais principalement à la question de savoir comment l'image est créée dans un projecteur, j'aimerais aujourd'hui examiner de plus près la technologie d'éclairage. Plus précisément, celle d'un projecteur laser. Le nouveau projecteur ultra courte distance de LG m'en a donné l'opportunité.

J'ai pu démonter le projecteur et le mettre à rude épreuve pour percer les secrets de LG. J'ai pris tout ça très au sérieux et n'ai pas réussi à remonter ma malheureuse victime après les faits. Je ne pourrai donc pas tester le vidéoprojecteur pour vous, désolé. Mais voyons le positif, nous avons de superbes et très rares photos du fonctionnement intérieur d'un projecteur laser.

C'est parti !

Le présent : un laser dans le projecteur

Les projecteurs laser ont la spécificité d'utiliser un laser au lieu de l'habituelle lampe comme source lumineuse. Pas un laser à la « James Bond 007 contre Dr No », mais des dizaines de petites diodes laser regroupées en un seul et grand faisceau lumineux. Un seul laser plus puissant pourrait être utilisé à mauvais escient. Ou causer des brûlures et des éblouissements par accident.

En principe, plus il y a de diodes, plus la lumière est forte. Cela est particulièrement intéressant pour la qualité de l'image dans les pièces lumineuses. D'autant plus que les diodes ont une durée de vie plus longue. Une lampe UHP a une durée de vie d'environ 4000 heures, tandis que les diodes laser peuvent fonctionner jusqu'à 20 000 heures.

Projecteur laser DLP avec roue chromatique au phosphore

Dans les projecteurs DLP, l'image est créée à l'aide de la puce DMD d'environ 1x1,5 cm. Sa surface se compose de millions de petits miroirs microscopiques disposés en grille, qui peuvent être contrôlés individuellement et représentent chacun un pixel. Lorsque le pixel doit rayonner, son miroir est placé dans le faisceau lumineux afin que la lumière soit réfléchie vers la lentille.

La couleur du pixel provient de la roue chromatique, car la lumière originalement blanche doit être « colorée ».

Les projecteurs laser font face à un problème : les lasers émettent une lumière légèrement bleuâtre. Non pas parce qu'on n'arrive pas à produire des diodes produisant de la lumière blanche. Mais parce que ces dernières sont plus chères à produire et ont une durée de vie inférieure.

C'est pourquoi on place une roue au phosphore devant la roue chromatique : la lumière laser bleue dégageant une forte énergie excite la couche de phosphore qui émet de la lumière jaune. La lumière jaune est ensuite conduite à travers la roue chromatique et « colorée » en rouge et vert. Les composantes spectrales de la lumière laser bleue sont conservées : la lumière rouge, verte et bleue arrive sur la puce DMD et de là sur l'écran.

Projecteur laser LCD avec miroirs dichroïques

En principe, les projecteurs LCD fonctionnent exactement de la même manière que les téléviseurs LCD : la lumière arrive sur les écrans LCD par derrière, ces derniers se composent de millions de pixels et génèrent l'image. Seule différence, il n'y a pas qu'un seul, mais trois écrans LCD dans le projecteur.

Chacun de ces trois panneaux LCD représente une couleur primaire : le rouge, le vert ou le bleu. La lumière qui frappe le panneau LCD par l'arrière est de la même couleur que le panneau lui-même. Dans les projecteurs LCD, la lumière n'est cependant pas colorée, mais divisée en ses composantes spectrales : la lumière blanche se composant des couleurs rouge, vert et bleu. La lumière est divisée par des miroirs dichroïques. Ceux-ci peuvent refléter ou transmettre des composantes spectrales choisies – comme le rouge uniquement ou encore le vert.

Mais avec la lumière laser, que ce soit sur un projecteur LCD ou DLP, on a le même problème : elle est bleue au départ. On ajoute donc une roue au phosphore pour la transformer en lumière blanche, on n'obtient jamais un blanc pur, mais on s'en approche.

Ci-dessus : la roue phosphore juste devant le module laser est éclairée par le laser bleu, qui fait briller le phosphore et convertit ainsi la lumière bleue en lumière jaunâtre. Ensuite, les miroirs dichroïques – représentés par les barres turquoise obliques – divisent le spectre de la lumière jaunâtre en rouge et vert, tandis que le bleu du laser est réfléchi directement sur le panneau LCD.

Ci-dessous : une vue du module laser qui brillerait directement sur le miroir dichroïque s'il était allumé. Ce qui manque ici, c'est la roue au phosphore. C'est une photo du projecteur laser RGB, où il n'y a plus besoin de roue au phosphore. Je vous en dirai plus là-dessus plus bas.

A la fin, tous les rayons lumineux passent à travers un prisme – le « X » turquoise dans l'illustration ci-dessus. Dans le prisme, les images rouge, verte et bleue sont combinées en une seule image colorée. Elle passe ensuite par la lentille et va sur l'écran.

Les projecteurs DLP et LCD a faisceau laser présentent un seul inconvénient : seule la couleur bleue provient directement du laser. Le rouge et le vert n'existent qu'en combinaison avec le phosphore. Si vous faisiez un diagramme de l'image produite par le projecteur avec ses différentes composantes spectrales, il ressemblerait à ceci :

Ci-dessus : les parties bleues sont nombreuses et surtout fines. Optiquement, il en résulte un bleu très pur et intense. Le vert et le rouge, par contre, sont à large bande et donc nettement plus pâles.

Pour produire une image SDR, ça n'est pas un problème. La plupart des projecteurs laser corrigent le manque de rouge et de vert à l'aide d'un puissant logiciel de gestion des couleurs. Pour produire une image HDR, c'est-à-dire une image avec des espaces colorimétriques élevés qui donnent une image plus contrastée avec des couleurs naturelles, la tâche se complique. C'est pourquoi les projecteurs laser compatibles HDR sont si rares.

Le futur proche : projecteurs laser RGB

Les projecteurs laser RGB n'utilisent pas un module laser avec une lumière laser bleutée, mais trois : deux modules bleus et un module rouge. Devant l'un des deux modules bleus, une lentille appelée « G-refiner » change la lumière bleue en lumière verte.

Dans le projecteur laser RGB LG avec sa puce DMD, cela ressemble schématiquement à ça :

Et dans la pratique ? Je ne suis pas sûr à 100 % de savoir où se trouvent les diodes laser. Les ingénieurs, qui le savent, sont probablement assis en Corée du Sud, où les projecteurs sont fabriqués ou du moins conçus.

Je vais vous exposer ma théorie dans un instant. Voilà ce que j'ai vu en enlevant quelques vis :

Je suppose que les deux modules laser bleus sont en haut à droite et sur le côté droit. Là où la lumière est bleuâtre et orange. La lentille située devant les diodes à droite est plus grande que les autres lentilles. Je soupçonne donc qu'il s'agit de la lentille G-Refiner qui convertit la lumière laser bleue en lumière verte. Sur la photo, on voit du orange qui vient certainement du fait que j'ai enlevé le couvercle : la lentille divise la lumière ambiante qui ne traverse normalement pas le boîtier.

Les diodes laser rouges doivent se trouver dans le coin supérieur gauche. Dans le miroir dichroïque vert, les trois rayons de lumière se rencontrent et se reflètent vers la puce DMD – c'est ma théorie.

Je ne peux malheureusement pas vérifier la justesse de ma théorie. Il faudrait que je branche le projecteur et que je l'allume. Je ne sais pas si c'est une bonne idée avec les lasers exposés.

De toute façon, le projecteur ne fonctionnera plus : pour voir l'intérieur et observer le chemin parcouru par la lumière, j'ai dû utiliser la force dans des endroits où il ne fallait absolument pas utiliser la force. Sur le module de refroidissement par exemple. Dans l'image ci-dessous, on peut le voir en haut à droite – une boîte rainurée avec des connexions en cuivre.

Le refroidisseur est monté au ciel. Le producteur vidéo Manu était sur le point de prendre la photo suivante quand les deux modules laser on traversé les lentilles.

Il aurait de toute façon fallu le démonter pour photographier les diodes séparément. Mais le refroidisseur bloquait l'accès aux vis. Il devait donc partir. Mais soyez assuré que ce que nous faisons, nous le faisons pour la science. Et pas pour le simple plaisir de détruire.

Mais si vous avez autre hypothèse sur le fonctionnement du projecteur, écrivez-la dans les commentaires. Si en plus vous êtes certain de votre hypothèse, nous pourrons écrire la suite de cet article ensemble.

Ce que je peux cependant dire avec certitude, c'est que grâce aux deux modules supplémentaires, il n'y a pas besoin de phosphore ou de roue chromatique, comme c'est le cas habituellement avec les projecteurs DLP. Ainsi, le rouge et le vert dans l'image du projecteur RGB sont aussi purs que le bleu. Cela permet d'obtenir des espaces colorimétriques nettement plus grands qu'avec d'autres projecteurs. De plus, l'[effet arc-en-ciel] (https://www.youtube.com/watch?v=bYBurcnYx2g) habituel avec les projecteurs DLP dans les scènes d'action rapides est éliminé.

Lire dans les entrailles de la technologie : une partie de plaisir

Vous avez pu voir des images extrêmement rares de l'intérieur d'un projecteur. Peut-être même les seules qui existent. Le bêta que je suis aurait dû penser à tester le projecteur avant de le démonter, car le remonter n'est pas si simple, voire impossible.

Je pense cependant que le jeu en valait la chandelle. J'ai donc une question pour vous : que dois-je démonter après l'avoir testé la prochaine fois ? Est-ce que ce genre d'articles vous intéresse ? Si oui, je vais voir ce que je peux faire. Tous les fabricants ne sont pas si enclins à me laisser démonter un de leurs produits phares pièce par pièce.

Mais ça ne coûte rien de demander.

Luca Fontana

Senior Editor

Luca.Fontana@digitecgalaxus.ch

Vivre des aventures et faire du sport dans la nature et me pousser jusqu’à ce que les battements du cœur deviennent mon rythme – voilà ma zone de confort. Je profite aussi des moments de calme avec un bon livre sur des intrigues dangereuses et des assassins de roi. Parfois, je m’exalte de musiques de film durant plusieurs minutes. Cela est certainement dû à ma passion pour le cinéma. Ce que j’ai toujours voulu dire: «Je s’appelle Groot.» plus

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