Polarisation circulaire et cinéma 3D

Il arrive qu’on assiste par inadvertance à la projection d’un film en 3D, et voilà qu’on se retrouve avec deux paires de lunettes en plastique chez soi. On peut alors jouer à superposer et orienter ces lunettes de manière à ce que les verres deviennent tout noirs, et découvrir des choses très étranges, par exemple que l’ordre des verres compte : parfois la lumière passe si on place le verre 1 sur le verre 2 mais ne passe plus si on les intervertit. Ce n’est pas un comportement très intuitif !

Cet article a pour but de donner des explications sur le fonctionnement des lunettes 3D actuelles, afin de pouvoir en prédire les bizarreries. Tous les cas de figure sont donnés à la fin de cette page sous forme de schémas. Pour en arriver à la prédiction, il faut d’abord expliquer succinctement ce qu’est la lumière polarisée et voir en quoi les polarisations circulaires et linéaires de la lumière interviennent dans l’affaire, par l’action successive des lames quart d’onde et des filtres polarisants.

La polarisation en deux mots

Le principe général de la polarisation pour le cinéma 3D est assez bien connu du public. Les verres ne laissent passer la lumière que lorsqu’elle est dans un certain état qu’on appelle la polarisation. Un projecteur éclaire l’écran de deux images ayant chacune une certaine polarisation. Le verre de l’œil droit ne laisse passer que la lumière d’une seule des deux images, et le verre de l’œil gauche laisse passer l’autre. Chaque œil voit une image différente, la magie de la 3D peut opérer.

Lorsque la lumière se propage, à un point donné sur ce qu’on appelle couramment un rayon lumineux, il y a des oscillations de deux champs, le champ électrique et le champ magnétique. Ces champs peuvent être représentés par des vecteurs, un pour le champ électrique et un pour le champ magnétique. Dans le cas des ondes et sous certaines conditions qui sont celles qui nous intéressent, le vecteur du champ électrique et celui du champ magnétique sont orthogonaux entre eux. Ils sont aussi orthogonaux à la direction de la propagation de l’onde. De plus, leurs oscillations dépendent l’une de l’autre. On peut donc ne s’intéresser qu’à un seul des deux champs. Habituellement, on ne s’occupe que du champ électrique et on note E son vecteur, ou E(p,t) pour se souvenir que sa direction et sa norme dépendent de la position et du temps.

Selon la source de lumière et les différents filtres en amont, en un point fixé, E peut varier de plusieurs manières au cours du temps :

  • Si E varie en gardant toujours la même direction (sur un axe qui est dans le plan perpendiculaire à la direction de propagation), on dit que la lumière est polarisée linéairement. C’est ce type de lumière qui sort des écrans LCD de nos ordinateurs et de nos téléphones portables.
  • Si E a toujours la même norme et qu’il tourne, on dit que la lumière est polarisée circulairement. Comme on le verra plus bas, c’est ce type de lumière qui est utilisé actuellement pour le cinéma 3D.
  • E peut aussi faire des ellipses, c’est un cas hybride entre la lumière polarisée linéairement et circulairement.
  • Si E fait n’importe quoi, on dit que la lumière n’est pas polarisée. C’est ce qui se passe pour la lumière qui nous vient directement du soleil ou d’une ampoule à filament.

Pour plus de détails, on peut aller regarder du côté des cours d’introduction à l’électromagnétisme.

Polarisation linéaire et pourquoi ça ne suffit pas pour les lunettes 3D

Il existe des filtres dits polarisants qui ne laissent passer que les oscillations de E qui sont dans un certain axe. Ils permettent de filtrer une lumière non polarisée pour obtenir de la lumière polarisée linéairement, ou encore d’empêcher le passage d’une lumière polarisée linéairement en orientant convenablement le filtre. Deux filtres polarisants superposés et tournés de 90° bloquent complètement la lumière. Ces filtres sont utilisés dans les lunettes 3D et ils expliquent certains comportements vus dans la vidéo, mais pas tous ! On les représente avec un ou plusieurs traits symbolisant la direction selon laquelle les vibrations de E peuvent passer le filtre.


Schéma de filtres polarisants. Pour des axes de polarisation arbitraires de l’onde incidente, il y a toujours une part de l’onde qui passe et une part qui est filtrée.

En réalité ces filtres polarisants sont faits de plastique ayant de longues molécules alignées dans une direction orthogonale à celle qu’on représente sur les schémas.

Pour bloquer complètement de la lumière avec ces filtres, ils doivent être précisément orientés. Il n’est donc pas très avantageux de les utiliser tels quels pour le cinéma 3D, parce qu’on ne pourrait pas pencher la tête, et on n’est jamais à l’abri d’un moment de faiblesse lors d’un film long et ennuyeux. C’est pour cette raison qu’on ne les utilise pas seuls mais combinés avec des lames quart d’onde.

Polarisation circulaire et lame quart d’onde

Les lunettes 3D actuelles reposent sur l’utilisation de lames quart d’onde. Ces lames permettent de transformer une lumière polarisée circulairement en une lumière polarisée linéairement et vice versa. On les représente souvent avec une croix (avec une petite barre et une grande barre). Ces lames quart d’onde ont les propriétés suivantes :

  • Pour les lunettes, elles ont deux axes principaux orthogonaux entre eux et au plan de la lame.
  • La lame quart d’onde transmet plus ou moins rapidement les vibrations de E selon leur orientation par rapport aux axes de la lame. Le petit et grand axe représentent respectivement les directions pour lesquelles les vibrations sont transmises le moins rapidement et le plus rapidement.
  • Le déphasage (ou retard) de certaines vibrations par rapport à d’autres peut avoir pour effet de transformer une onde polarisée linéairement en une onde polarisée circulairement. Il faut toutefois que l’onde incidente soit polarisée à 45° des axes de la lame quart d’onde.
  • Inversement, une lame quart d’onde transforme toute onde polarisée circulairement en une onde polarisée linéairement avec un axe à 45° par rapport aux axes de la lame quart d’onde.
  • Dans ce cas de figure, on peut faire tourner arbitrairement la lame quart d’onde autour de l’axe de propagation et l’onde polarisée circulairement va toujours être transformée en une onde polarisée linéairement. En revanche, l’axe de la polarisation linéaire va tourner avec la lame quart d’onde. C’est cette propriété qui est utilisée pour les lunettes 3D et qui permet de pencher la tête au cinéma.
  • Selon que le vecteur E d’une lumière polarisée circulairement tourne dans un sens ou dans l’autre, l’axe de la polarisation linéaire en sortie peut varier de +90° ou -90°. C’est une propriété utilisée pour filtrer sélectivement les deux images au cinéma.


Schéma du changement de polarisation par une lame quart d’onde. En pratique, la lame est bien plus épaisse que la longueur l’onde.

Comment les lunettes 3D utilisent la polarisation circulaire

Nos lunettes 3D sont faites d’une lame quart d’onde, à l’avant des lunettes, et
d’un filtre polarisant, côté œil. Le projecteur polarise la lumière des images droite et gauche circulairement et avec des sens de rotation de E opposés. La lame quart d’onde de chaque verre transforme les deux images en ondes linéairement polarisées, à 90° l’une de l’autre, puis les filtres polarisants ne laissent passer qu’une seule des deux images.

Si on penche la tête, les lunettes continuent de séparer les deux images ! En revanche, il ne faut pas trop pencher car alors la position de nos yeux ne correspond plus à la position des deux caméras, qui étaient décalées horizontalement lors du tournage ou du rendu, et on perd la 3D.

On peut maintenant prévoir le comportement des verres dans tous les cas de figures, et voir que l’ordre des verres est important. La lumière non polarisée est représentée par une sorte d’étoile. Voilà ce qui se passe quand on superpose deux verres identiques :

Et voilà les différents cas de figure pour la superposition de deux verres différents :

Notes

Les lames quart d’onde sont utilisées en photographie juste derrière les filtres polarisants pour ne pas perturber certains systèmes d’autofocus. Ces filtres, parfois appelés « filtres circulaires », ressemblent donc à des verres de lunettes de cinéma 3D mis à l’envers, mais en beaucoup plus cher. Pour le photographe, ils s’utilisent exactement pareil que les filtres polarisants seuls, et ils permettent de filtrer la lumière polarisée linéairement de certains reflets ou du ciel.

Il est rigolo de se regarder dans un miroir en portant des lunettes 3D et en clignant des yeux.

Quelques sources

Ici, ici, et plus généralement .

D’autres gens en parlent : , et .

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée.

Le temps imparti est dépassé. Merci de recharger le CAPTCHA.