3D polarisée ou passive

La 3D polarisée ou passive

La polarisation, utilisée avec des lunettes (dites « passives ») qui sont polarisées, est la méthode la plus récente pour visionner des films en trois dimensions. Le film Avatar de James Cameron en 2009 a principalement mis en avant cette méthode au cinéma.

En temps normal, les ondes lumineuses qui nous entourent vibrent dans tous les sens, sans direction précise. Si ces ondes sont polarisées, elles vibrent toutes dans le même axe : on peut alors définir un plan de polarisation.

Les filtres polarisants ou verres polarisants permettent de ne laisser passer que certaines ondes vibrant dans un sens précis.

A l'état initial, la lumière est dite « non polarisée » : les ondes lumineuses vibrent dans tous les sens. Après avoir passé le premier filtre (qui n'a laissé passer qu'un « type » d'onde) , les ondes vibrent dans le même sens : on dit alors que la lumière est polarisée. Puis ces ondes passent dans le deuxième filtre qui a été tourné d'un quart de tour et qui ne laisse passer que les ondes « horizontales».

La lumière polarisée obtenue après le passage par le premier filtre polarisant contient seulement des ondes « verticales », alors aucune lumière ne sortira du deuxième filtre polarisant.

On peut donc définir la polarisation comme un phénomène qui se traduit par l'introduction d'une dissymétrie par rapport à la direction de propagation des radiations.

Schéma de la polarisation d'une onde

Ci-dessus, le champ électrique est représenté en bleu par le vecteur et le champ magnétique en rouge par le vecteur .

Il existe trois sortes de polarisation : la polarisation linéaire (ou rectiligne), la polarisation circulaire et la polarisation elliptique. Pour reproduire la 3D on se sert seulement de la polarisation linéaire et circulaire, la polarisation elliptiqe n'étant qu'un cas plus complexe de la polarisaion circulaire.

*La polarisation est dite linéaire (ou rectiligne) quand le champ

magnétique reste dans le même plan.

*La polarisation est dite elliptique quand le vecteur tourne

autour de son axe et change d’amplitude pour former une ellipse.

*La polarisation est dite circulaire quand le vecteur

tourne autour de son axe de façon à former un cercle.

La polarisation linéaire (ou rectiligne)

Pour la polarisation rectiligne, on utilise un polariseur rectilgne : c'est une grille métallique sur laquelle les fils de fer sont parallèles les uns aux autres. Les fils de fer agissent comme un "peigne métallique" et polarisent les ondes.

Le système de polarisation rectiligne au cinéma est utilisé dans 80% des salles et le fournisseur s'appelle Real 3D.

Pour l'utiliser on place devant l'objectif un commutateur de polarisation qui va changer la polarisation de la lumière. A la sortie du filtre, les images, gauche et droite, sont chacune dotées d'une polarisation gauche et droite.

Les images sont projetées sur un écran métallisé et les verres gauche et droit du spectateur sont pourvus de filtres polarisants correspondants aussi appelés "analyseurs" ( ils polarisent des ondes déjà polarisées. )

Schéma représentant la vision en 3D avec la polarisation rectiligne

Afin d'observer la troisième dimension, on porte des lunettes polarisantes de façon à ce que l'image droite aille dans le filtre de l’œil droit et l'image gauche dans le filtre de l’œil gauche : les filtres polarisants et les lunettes doivent être coordonnés.

Ainsi, chaque œil verra correctement son image et l'autre image apparaîtra noire comme le montre ce schéma ci-dessous :

Schéma de la superposition perpendiculaire de deux filtres polarisants

Afin que l'image soit vue parfaitement, les axes de chaque filtre doivent être perpendiculaires. Si le spectateur penche la tête, le relief ne sera pas parfait...

Schéma illustrant la superposition non perpendiculaire de deux filtres polarisants

En résumé:

Ce système de polarisation rectiligne n'est donc pas la meilleure solution afin de voir un film en 3D car en bougeant la tête (et donc les lunettes), l’effet de trois dimensions ne sera pas net.

Avec cette technique de la polarisation des images, chaque oeil percevra une image différente et pourra ainsi recréer un effet de trois dimensions.

On peut démontrer qu’en superposant deux filtres polarisants (un horizontalement et un verticalement), il n’y a plus de lumière à la sortie des filtres :

Soit:

- , l’angle entre les axes de polarisation de chaque polariseur

- a, l’amplitude de l’onde lumineuse transmise à travers le premier filtre polarisant

- b, l’amplitude de la lumière transmise par b= a*cos

- notons It, l’intensité

Étant donné que l’intensité lumineuse correspond au carré de l’amplitude, on obtient :

Intensité = b²=a²*cos²

Si les deux polariseurs sont croisés à 90° (un polariseur horizontal et un polariseur vertical superposés)

Or cos²(90)=0

On obtient It= 0

Grâce à la supperposition d'un filtre polarisant verticalement et d'un autre horizontalement, on obtient une intensité lumineuse égale à 0 à la sortie des deux filtres.

=90°

Schéma illustrant l’intensité lumineuse selon la position des deux polariseurs

La polarisation circulaire

La polarisation circulaire utilise le même principe que la polarisation rectiligne. Cependant, la lumière est polarisée de façon circulaire : un filtre va alors « faire tourner » les images dans le sens trigonométrique, ou le sens contraire. En passant dans le filtre, une lame quart d'onde (λ/4) de 90° transforme la polarisation rectiligne en polarisation circulaire. Cette méthode est plus efficace que la polarisation linéaire car elle permet au spectateur de pencher la tête sans que sa vision de la 3D soit gênée.

Schéma illustrant la polarisation circulaire

Les polariseurs et analyseurs :

Dans le domaine de la polarisation rectiligne, on utilise un polarisateur rectiligne, composé d’une grille métallique constituée de fils de métal parallèles les uns aux autres. Les seules ondes pouvant passer de l’autre côté du polariseur sont celles ayant un champ magnétique dans le même sens que les fils.

Puis, pour la polarisation circulaire, on utilise une lame quart d'onde (ou λ/4) qui décompose la polarisation circulaire en deux composantes rectilignes perpendiculaires.

Enfin, les verres de lunettes polarisées ne sont pas striés comme l'indiquent les schémas. Elles sont souvent utilisées dans les cinémas, notamment le Mega CGR de Tours Centre, car elles sont confortables pour le spectateur, le prix intéressant (environ 1€), et n'ont pas besoin d'être récupérées après la séance.

Néanmoins, équiper une seule salle de cinéma avec la 3ème dimension en utilisant le fournisseur Real 3D coûte 100 000 euros. L'écran sur lequel les images sont projetées est un écran gris métallisé : certains cinémas utilisent des écrans blancs mais les écrans gris métallisés sont de meilleure qualité car ils évitent les reflets que l'on appelle « images fantôme ». Les écrans blancs posent des problèmes de colorimétrie et de perte de luminosité.

Lunettes passives utilisé par le fourniseur Real 3D

Photo d'un projecteur de film en 3D

Photo de l'objectif et des filtres polarisants projetant un film en 3D au cinéma