Physique optique

 » Wow, c’est incroyable » était la réaction d’au moins un visiteur à l’exposition scientifique d’été de l’année dernière à la Royal Society à Londres. Leur enthousiasme n’était pas principalement dû à la présence de la Reine, qui avait auparavant ouvert l’exposition dans le cadre des célébrations du 350e anniversaire de la société. Leur enthousiasme était plutôt dû aux derniers écrans à cristaux liquides présentés par les laboratoires Sharp à Oxford. Les téléspectateurs ont pu regarder des images animées en 3D sur un ordinateur portable – sans avoir besoin de lunettes spéciales. Ils pouvaient voir des pigeons nourris sur la place Saint-Marc, à Venise, avec les oiseaux apparemment descendant de leurs épaules, ou ils pouvaient se livrer à une aventure en 3D en poursuivant les méchants dans le jeu informatique interactif Quake.

L’écran 3D sans lunettes présenté à la Royal Society n’était que le dernier exemple de la révolution provoquée par les écrans à cristaux liquides, qui permettent désormais de visualiser des images en mouvement sur tout, des téléphones mobiles et des téléviseurs à écran plat de 46 pouces aux jeux électroniques personnels portatifs, en passant par l’iPad et d’autres tablettes. Pourtant, il est étonnant de penser que cela ne fait que 40 ans que le brevet clé a été déposé qui a marqué la naissance de l’écran à cristaux liquides moderne – une technologie si réussie que son acronyme, LCD, est instantanément reconnu même par les non–scientifiques. Bien que les diodes électroluminescentes organiques (OLED), les plasmas et « l’encre électronique » modifient également la nature de l’affichage moderne, ce sont les propriétés remarquables des cristaux liquides qui sont maintenant à la pointe de la technologie d’affichage 3D.

Imagerie en 3D

Regarder des images en 3D sans lunettes est une expérience vraiment étonnante, mais voyons d’abord comment cela s’intègre aux autres techniques d’imagerie 3D. Il existe trois techniques principales – stéréoscopique, holographique et volumétrique – qui fonctionnent toutes sur les mêmes principes, que l’écran utilise des cristaux liquides, des plasmas ou des OLED. Ils présentent chacun des avantages et des inconvénients en termes de réalisme, de complexité, de taille et de coût, mais la méthode la plus commercialement viable, utilisée dans la majeure partie des téléviseurs 3D prenant d’assaut la rue, consiste à montrer une perspective différente d’une image à chacun de nos yeux. Cette technique « stéréoscopique » imite le monde réel, où chaque œil voit une perspective différente et le cerveau « fusionne » les deux images pour créer une perception 3D de l’environnement (figure 1a).

La tâche consistant à afficher séparément des images à l’œil gauche et à l’œil droit a été abordée de diverses manières ingénieuses au fil des ans. Expérimentée dans les cinémas dès les années 1950, l’approche que beaucoup de gens connaîtront implique que l’utilisateur porte des lunettes avec des lentilles séparées de couleur rouge et bleue sur l’œil gauche et l’œil droit, respectivement. L’idée ici est qu’une image est divisée en canaux rouges, verts et bleus, l’œil gauche ne voyant que l’image rouge et l’œil droit ne voyant que les images vertes et bleues.

Les systèmes plus récents éliminent les lentilles colorées et utilisent plutôt des lunettes qui transmettent et bloquent alternativement la lumière à chaque œil. En d’autres termes, les lentilles agissent comme des « volets optiques » de sorte qu’à tout moment un œil peut voir une image fixe, mais l’autre ne le peut pas. Si nous étiquetons les images fixes successives d’un film L1, R1, L2, R2, L3, R3 et ainsi de suite, alors l’œil gauche ne voit que les « scènes L » et l’œil droit ne voit que les « scènes R ». Ces lunettes nécessitent divers éléments électroniques pour les faire fonctionner, tandis que les scènes elles-mêmes sont mises à jour à des fréquences typiquement de 120 Hz ou 240 Hz. (Une approche alternative – courante avec les écrans de projection que l’on trouve dans les pubs pour regarder du sport – consiste à afficher les scènes L et R avec des polarisations différentes, ce qui oblige l’utilisateur à porter des lunettes noires contenant des lentilles avec des polarisations différentes.)

Les images produites à l’aide de cette approche stéréoscopique peuvent sortir de l’écran avec un réalisme surprenant. Cependant, les images stéréoscopiques ne sont pas parfaites car tous les objets qu’elles contiennent sont au point, quelle que soit leur position 3D prévue. Dans le monde réel, en revanche, différentes profondeurs d’une image 3D sont mises au point à différentes positions. Une technique pour créer des images 3D qui traitent correctement de la mise au point est l’holographie (figure 1b). Les hologrammes sont créés en enregistrant dans un matériau photosensible le motif d’interférence créé lorsque la lumière réfléchie cohérente d’un objet chevauche un faisceau de référence cohérent de la même longueur d’onde. Le motif est stocké sous la forme d’un changement d’absorption, d’indice de réfraction ou d’épaisseur du matériau photosensible et une copie de l’objet peut être recréée en éclairant le motif avec un laser de lecture. Un hologramme 3D est essentiellement comme avoir une pile d’images 2D haute résolution, où chaque image représente un plan d’image différent.

Le gros avantage d’un hologramme 3D est que la perception de la tridimensionnalité par le spectateur est totale car pour passer d’un objet à l’avant de la scène à un objet à l’arrière, le spectateur doit ajuster la mise au point de ses yeux. Malheureusement, la création et le contrôle de fronts d’onde optiques avec une précision suffisante pour générer des images holographiques réalistes nécessitent des affichages avec des densités de pixels généralement des milliers de fois supérieures à celles des écrans LCD commerciaux actuels, ainsi qu’une puissance de traitement informatique prodigieuse pour gérer les volumes de données nécessaires. Ainsi, bien que leurs images soient supérieures, d’autres innovations techniques sont encore nécessaires avant que les écrans holographiques ne deviennent une réalité commerciale.

La stéréoscopie, en revanche, repose sur le fait que notre cerveau est bon pour déduire la profondeur de nos yeux droit et gauche ayant des perspectives différentes d’une image. En pratique, cela signifie qu’un écran stéréoscopique peut créer une image 3D en utilisant seulement deux fois la quantité de données dont un écran « normal » a besoin pour créer une image 2D, c’est pourquoi ils se révèlent si prometteurs sur le plan commercial.

La troisième approche pour faire des affichages 3D consiste à supprimer les pixels 2D conventionnels disposés dans un plan et à utiliser à la place des pixels 3D, volumétriques ou « voxels ». Une façon de créer de tels voxels consiste à utiliser des projecteurs qui brillent sur un écran tournant (figure 1c). En synchronisant les projecteurs avec l’écran, la lumière peut être réfléchie sur l’écran à n’importe quelle position dans le volume cylindrique qu’elle balaie. Bien que les écrans volumétriques puissent créer une forte impression 3D, un problème est que la lumière projetée dans le volume de l’écran est libre de se propager dans cet espace. Cela peut rendre les objets transparents, avec des objets soi-disant cachés derrière les autres ayant tendance à « scintiller » ceux devant. Les affichages volumétriques ont également tendance à être assez volumineux.

Stéréoscopie sans lunettes

Jusqu’à présent, nous avons décrit des écrans 3D stéréoscopiques à base de lunettes, mais ce que tout le monde veut, c’est supprimer complètement les lunettes. C’est un domaine de recherche actif poursuivi par probablement toutes les grandes entreprises d’affichage et à partir duquel de nouveaux produits de consommation commencent maintenant à émerger. Nintendo, par exemple, a déjà sorti sa console de jeux Nintendo 3DS sans lunettes, tandis que les téléphones mobiles 3D sont disponibles chez Sharp.

Tous ces écrans sans lunettes sont basés sur la stéréoscopie et le défi consiste à s’assurer que des images différentes sont dirigées vers chaque œil. Il existe trois méthodes principales pour y parvenir, chacune ayant ses propres avantages et inconvénients en fonction de ce à quoi elle pourrait être utilisée. L’approche la plus courante est celle où l’utilisateur doit s’asseoir dans une position fixe devant l’écran, et cela est utilisé, par exemple, sur la Nintendo 3DS, le téléphone mobile LYNX 3D SH-03C de Sharp et sur l’écran à l’arrière de l’appareil photo 3D W3 de Fujifilm. La prochaine approche implique l’affichage suivant la position de visualisation de l’utilisateur, et bien qu’il n’y ait actuellement aucun produit utilisant cela sur le marché, des prototypes ont été présentés lors d’expositions industrielles ces dernières années. La touche finale est « multi view », que l’on trouve déjà dans certains téléviseurs 3D sans lunettes, bien qu’ils n’aient pas encore fait de grandes incursions sur le marché, en partie parce qu’il n’est pas facile de générer de la 3D multi-view sans changer les normes de radiodiffusion.

La méthode « position fixe » suppose que l’utilisateur regarde l’écran de front de sorte que son regard soit à 90 ° de l’écran lui-même (figure 1a) – une hypothèse valable pour la plupart des appareils mobiles. L’image est séparée en minuscules bandes L, R, L, R, L, R, toutes les images L étant envoyées à l’œil gauche et toutes les images R étant envoyées à l’œil droit au moyen d’un dispositif physique appelé « barrière de parallaxe » (figure 2). Cette technique, connue depuis près de 70 ans, pourrait bien sûr être appliquée à toutes les images – qu’il s’agisse de photos ou de peintures – et pas seulement à un écran LCD, à condition bien sûr que les images gauche et droite puissent être entrelacées en bandes d’image gauche et droite pour travailler avec la barrière de parallaxe.

Un inconvénient de la barrière de parallaxe est que, chaque œil ne pouvant voir que la moitié des pixels, la lumière voyageant dans la « mauvaise » direction – c’est–à-dire d’une bande L à l’œil droit ou de la bande R à l’œil gauche – est absorbée par la barrière. Cela réduit l’intensité de l’affichage d’environ la moitié et réduit la résolution. Concrètement, cela signifie que lorsque l’affichage est utilisé en mode 2D classique, la barrière de parallaxe doit être supprimée. Dans la plupart des écrans 3D, tels que le téléphone mobile 3D de Sharp, cela est réalisé en créant la barrière à partir d’une couche de cristaux liquides qui peut être activée ou désactivée électriquement.

Il serait bien sûr beaucoup plus efficace de se passer d’une barrière de parallaxe et d’utiliser à la place des lentilles, transparentes, pour rediriger la lumière L et R vers l’œil approprié. En effet, les chercheurs ont déjà développé des lentilles cylindriques de haute qualité utilisant des cristaux liquides qui peuvent le faire. Le principe est simple: comme l’indice de réfraction des cristaux liquides varie avec la tension, les lentilles fabriquées à partir de ces matériaux peuvent être allumées lorsqu’une tension est appliquée et éteintes lorsque la tension est supprimée. Ces lentilles cylindriques à cristaux liquides prennent la place de la barrière de parallaxe, redirigeant la lumière dans la bonne direction (figure 3). Cette technologie est susceptible de doubler l’efficacité des écrans 3D sans lunettes à l’avenir, de nombreuses entreprises étant connues pour mener activement des recherches à leur sujet.

Un inconvénient de la technologie parallaxe est que l’utilisateur doit s’asseoir dans une certaine position par rapport à l’écran. La technique de « position de visualisation suivie », en revanche, permet de visualiser les écrans 3D sans lunettes sous n’importe quel angle en suivant la position de la tête de l’utilisateur. Cela pourrait être réalisé, par exemple, en équipant un ordinateur portable d’une caméra Web orientée vers l’avant pour identifier l’emplacement du visage et des yeux de l’utilisateur. En effet, cette technologie est déjà courante dans de nombreux appareils photo numériques vendus dans la rue pour s’assurer qu’un visage devient automatiquement le centre de mise au point. Tout ce qui est alors nécessaire pour une visualisation 3D sans lunettes est une barrière de parallaxe réglable automatiquement qui peut changer l’angle auquel les images de gauche et de droite sont vues. La caméra peut alors identifier la position de l’utilisateur, tandis que la barrière de parallaxe dirige les perspectives gauche et droite à l’angle approprié.

Cet ajustement peut être effectué à l’aide d’algorithmes de suivi de visage écrits sur des puces de traitement d’image, qui fonctionnent très efficacement, ce qui signifie qu’il ne faut pas trop de puissance de traitement. La caméra peut également surveiller la distance entre l’utilisateur et l’écran et ajuster les images en conséquence. En pratique, le spectateur peut se déplacer jusqu’à 30 cm de la distance de vision idéale, tandis que son mouvement d’un côté à l’autre est limité à environ ± 30 ° de la normale. Accueillir plus d’un utilisateur est en principe possible, mais la complexité du système est considérablement augmentée. Outre que le spectateur est libre de se déplacer, l’autre avantage du système de position de visualisation suivie est que si l’image provient d’une scène générée par ordinateur, le point de vue peut être ajusté en fonction de la position de l’utilisateur. Par exemple, un spectateur pourrait littéralement regarder autour du côté d’un objet (un cube par exemple) pour en faire voir des visages inédits.

En ce qui concerne la troisième méthode de génération de vues 3D sans lunettes – multi–vues – son objectif est de travailler avec un large éventail de positions de visualisation et de visionneuses multiples. Pour ce faire, l’affichage affiche non seulement deux perspectives, mais généralement huit ou plus. L’utilisateur peut alors positionner ses yeux pour voir les perspectives 1 et 3, ou 2 et 4, etc., de sorte que l’effet 3D peut être obtenu sous un large éventail d’angles. Un système multi-vues avec, disons, huit vues nécessite une résolution huit fois supérieure à celle d’un système 2D, et une certaine ingéniosité est nécessaire pour synthétiser les huit vues ou les transmettre dans la bande passante de télévision disponible. Néanmoins, cette technologie est probablement le candidat le plus fort pour la télévision 3D sans lunettes, Philips et Toshiba ayant tous deux déjà lancé un téléviseur multi-vues sur le marché.

Avance rapide

Comme nous l’avons discuté, Sharp a déjà conçu et construit un écran à cristaux liquides sur l’un de ses téléphones mobiles qui fonctionne comme une barrière de parallaxe commutable. Utilisé en tandem avec un écran classique à cristaux liquides doté de données d’entrée stéréoscopiques, ce système donne des images 3D sans lunettes de haute qualité. Cependant, l’industrie des médias électroniques a une vision de l’avenir dans laquelle les écrans 3D ne sont pas seulement un produit de niche, mais font partie intégrante de la vie moderne. Cela signifie des systèmes de cinéma maison montrant des films en 3D, des jeux informatiques joués avec un environnement 3D immersif et des photographies de vacances présentées avec profondeur.

Nous pouvons donc nous attendre à ce qu’une variété de méthodes de génération 3D deviennent disponibles pour les différentes applications, et dans chaque méthode, nous pouvons nous attendre à des technologies optiques améliorées et à de nouvelles technologies connexes telles que celles permettant l’interaction 3D. Il est fort probable que tous ces dispositifs exploitent les propriétés électro-optiques particulières des cristaux liquides. Les produits exposés à l’exposition de la Royal Society l’été dernier, qui sont déjà sur le marché cette année, ne sont qu’un début.