Projet Vidéoprojecteur 3D - Naimobox

Par Naimo

 

Présentation rapide :

Ce projecteur 3d est basé sur le design Allinbox habituel:

Pour en donner un petit résumé, une dalle LCD, récupéré d'un vieux moniteur externe ou d'un vieil ordinateur portable, est réutilisé comme source d'image, après avoir enlevé les couches superficielles. La partie éclairage est remplacée par une lampe puissante et une première lentille de Fresnel, qui produisent une lumière intense et parallèle passant par la dalle LCD. De l'autre côté de la dalle, une deuxième lentille de Fresnel et un objectif (lentille triplet) s'occupent ensuite de la projection de l'image sur un mur ou écran de projection.

 

La différence dans ce projet 3D est la partie projection qui a été modifiée. La lumière passant par les moitiés hautes et basses de la dalle LCD, tournée de 90degrés, est guidée par deux ensembles d'optiques séparés. Grâce au placement calculé des lentilles de Fresnel et des objectifs de projection, les images formées par les moitiés hautes et basses de la dalle se superposent exactement sur l'écran de projection. En appliquant les bons filtres polarisants à ces deux faisceaux, l'écran peut finalement être regardé grâce à des lunettes polarisantes comme celles utilisées dans les cinémas 3D (IMAX ou RealD).

Beaucoup plus de détails, ainsi que l'évolution du projet, peuvent être vus sur le forum Allinbox à l'adresse suivante

http://forum.allinbox.com/aspectgeek/Projetsencours/3D-Stereoscopie/vp-3d-naimobox-sujet_9474_1.htm

 

Matériaux utilisés (désolé pour les unités de mesure anglo-saxonnes):

Contreplaqué 1/2" : (x2) 14"x32", (x2) 12"x32" €25

MDF 3/4": (x2) 14"x12" €10

Lampe Ushio UHI-S400DD et e-ballast Blueline 400W d'occasion sur ebay €40 FDP inclus

Lentilles de Fresnel (optolife.com): (x2) 310x310mm, (x1) 395x395mm €27 + €24 frais de port

Lentille condensatrice et réflecteur (optolife.com): €8 + €12 frais de port

Lentilles triplet (optolife.com) : (x2) 327mm focale €26 + €9 frais de port

Ordinateur Lenovo 3000 N100 d'occasion sur ebay €15 + €10 frais de port

Composants électroniques, fixations et cablage : €40

Ecran de projection Da-Lite Silver Lite 80"x60" pour 3D passive : €110

Dalle thermique lexan : €7.5

Filtres polarisants : €30 FPD inclus

Plaques d'alu et bois additionnelles récupérées dans les ateliers de l'université

Teinture à bois : 5€

Total : €398.5

 

Temps passé :

Quelques heures par semaine, en moyenne une semaine par mois, sur une durée de un an. Il y'a eu beaucoup de temps morts à cause de mes études et des délais de livraison.

 

Le projet en image :

01_PassageLumiereSuperposition.jpg

Schéma, en vue de côté, détaillant l'idée principale du projecteur 3D.
Une dalle LCD 15.4", tournée de 90degrés (la plus grand dimension est maintenant la hauteur), est utilisée pour afficher les deux images d'un flux vidéo stéréo (3D) sur ses deux moitiés hautes et basses.
Grâce à un système optique de lentilles minces et lentilles de fresnel, la lumière émise par une lampe de 400W est guidée à travers la dalle LCD jusqu'à un écran de projection sur lequel les deux images du flux stéréo se superposent. Les rayons représentés en rouge et en bleu correspondent respectivement aux images destinées à l'oeil droit et à l'oeil gauche du spectateur, par exemple.
En plaçant des filtres polarisants différents devant les deux objectifs, il est possible de voir la vidéo projetée en 3D grâce à des lunettes de cinéma 3D comme celles utilisées par les technologies IMAX3D ou RealD.
La distance de projection est d'environ 3m, la hauteur d'image sur l'écran de projection (en fonction du format vidéo) est au maximum environ 1m50.

 

Schéma détaillant le passage de la lumière à l'intérieur de la boîte. Y sont représentés dans l'ordre de gauche à droite : la lampe, la lentille pré condensatrice, la lentille fresnel F1, l'écran LCD, les deux lentilles fresnel F2, les deux objectifs.

La partie éclairage (lampe, lentille pré condensatrice et lentille F1) est la même que pour un projecteur Allinbox standard. Le point principal étant d'avoir des rayons parallèles passant au travers de la dalle LCD, et une distance focale de la F1 suffisante pour avoir une intensité de lumière relativement homogène.

De la même façon, comme pour un projecteur Allinbox 2D, la distance des F2 par rapport à la dalle LCD, et surtout celle des objectifs par rapport aux F2, détermine la distance de projection et la taille de l'image.

La différence pour le projecteur 3D, c'est qu'il faut ajouter un décalage des centres des lentilles (lens shift), le même pour les F2 et les objectifs, pour aussi décaler les images projetées afin qu'elles se superposent. L'image haute est décalée vers le bas et l'image basse vers le haut, grâce à des déplacements des centres des lentilles respectivement dans les mêmes directions.

Pour les F2, cela nécessite une découpe asymétrique afin qu'elles puissent être accolées pour ne pas perdre de précieux pixels de la dalle LCD. Comme le décalage nécessaire pour avoir superposition des images dépend de la distance de projection et la taille de l'image, ce n'est pas évident de calculer le déplacement adéquat des objectifs et la découpe des F2.

Pour m'aider, j'ai écrit un petit script Mathematica qui calcule ces dimensions en fonction de certains paramètres tels que les distances focales des différentes lentilles, les distances entre les lentilles et le LCD, la hauteur de la dalle LCD, etc.

Le script calcule aussi, entre autres, la taille de l'image de l'arc au niveau des objectifs et la position des images virtuelle du LCD par les F2. Le script est accessible après avoir téléchargé un plugin (désolé, c'est la seule manière de le rendre accessible et interactif) à l'adresse : http://nicolas.aimon.fr/projector/.

 

Découpe du contreplaqué et MDF aux dimensions finales de la boîte à la scie circulaire.

Hauteur : 14 pouces = 35.5cm

Longueur : 32 pouces = 81cm

Largeur : 12 pouces = 30cm

 

Les objectifs sont montés sur des panneaux en contreplaqué incluant des fentes de chaque côté pour permettre leur déplacement vertical pour les aligner avec le centre des fresnels F2 et ajuster la superposition des images sur l'écran de projection, tout en contrôlant les fuites de lumière.

Les objectifs peuvent aussi glisser le long des vis qui les maintiennent sur les panneaux contreplaqués, pour pouvoir ajuster la distance avec les F2 et donc le focus, la distance de projection, etc.

 

Des petites découpes en bois ont été fixées sur les parois de la boîte pour guider et positionner les lentilles fresnel et le LCD. Les F2 ont été découpées à la largeur de la boite, tandis que la F1 (dont on voit le guide sur la photo) est découpée moins large que la boîte pour laisser passer un filet d'air sur un des côtés vers le compartiment d'éclairage pour le refroidissement.

J'ai aussi fixé à l'intérieur de la boîte l'ordinateur portable d'occasion duquel l'écran LCD a été extrait, qui contrôlera ce qui est affiché par le projecteur.

 

Ouvertures dans l'une des deux lentilles fresnels F2 pour le passage des cables entre l'avant et l'arrière de la boîte (alimentation de la lampe, des ventilateurs, et cable vidéo pour la dalle LCD).

 

Modèle du module d'éclairage, utilisé pour la découpe au jet d'eau dans une plaque en aluminium.

 

Module d'éclairage découpé et assemblé, incluant la lampe, la lentille pré condensatrice et le miroir sphérique pour maximiser l'intensité lumineuse passant par la dalle LCD.

Au fond de la boîte, deux ventilateurs sont placés pour extraire l'air chaud autour de la lampe.

 

Les deux image de l'arc de la lampe formées par l'ensemble de lentilles précondeuseur-F1-F2 tombent bien au niveau des ouvertures pour les objectifs à l'avant de la boîte. C'est rassurant et signe que le script utilisé pour calculer les dimensions et décalages des lentilles est correct.

 

Des ouvertures dans le couvercle de la boîte donnent accès aux ports USB de l'ordinateur portable, pour le branchement de clavier et souris qui permettent de copier et lancer la lecture des films, ainsi qu'au port VGA qui permet le branchement d'un moniteur externe.

 

Test de projection et vérification de la bonne superposition des images passant par le haut et le bas de la dalle LCD.

 

Test de projection et de superposition avec un flux vidéo stéréo. Le premier plan est net et les images se superposent bien, tandis que l'arrière plan apparaît dédoublé à cause de la différence entre les deux images gauche et droite du flux 3D.

Les fuites de lumières autour de la dalle LCD ont été corrigées par la suite.

Il ne reste plus qu'à s'occuper de la polarisation de la lumière pour avoir un projecteur 3D !

 

Une photo prises très proche de l'écran de projection montre l'image des pixels de la dalle LCD, qui a une résolution de 1680x1050. Ceci confirme qu'on est à la bonne distance de projection, qui correspond aussi à la distance à laquelle les images des deux moitiés de la dalle se superposent sur l'écran grâce au petit script Mathematica.

 

Exemple d'image envoyée à la dalle LCD du projecteur, constituée des deux images du flux stéréo l'une au dessus de l'autre, centrées sur les deux moitiés de la dalle, avec des bandes noires supplémentaires pour former une image à la même résolution que la dalle.

Un script AVIsynth a été utilisé pour convertir les formats 3D Bluray en vidéo compatible avec mon projecteur 3D. Le script est disponible sur le thread du forum associé à mon projet.

 

Il faut que les deux images du flux stéréo puissent être filtrées par les lunettes 3D IMAX our RealD. Imax utilise des filtres polarisants linéaires verticaux et horizontaux, tandis que RealD utilise des filtres circulaires gauche et droite.

Au début, je pensais utiliser les RealD parce qu'elles permettent de pouvoir tourner la tête sans perdre le filtrage. Malheureusement je me suis rendu compte que les lames quart d'ondes que j'utilisais pour passer de lumière linéaire à circulaire étaient légèrement chromatiques, ce qui donnait un filtrage incomplet des deux images au niveau des lunettes.

Du coup je suis passé aux lunettes IMAX, et j'utilise une lame demi-onde pour tourner la lumière du LCD de 45 degrés dans des sens différents pour les deux yeux. Comme il y'a encore un peu de chromatisme au niveau des lames demi ondes, il faut ensuite faire passer la lumière par des filtres polarisants linéaires pour se débarrasser de la quantité marginale de lumière qui est mal polarisée.

Je pourrais utiliser directement des filtres polarisants linéaires, placés à 45degrés par rapport à la polarisation du LCD, mais la perte de lumière serait bien plus importante (divisée par deux).

J'espère que le schéma rend les choses un peu plus claires, la direction de propagation de la lumière est de la gauche vers la droite. Désolé pour l'anglais, j'ai fait ce schéma pour expliquer mon idée à des amis d'université.

 

L'image est bien filtrée par les lunettes 3D, ici l'oeil droit.

 

Et l'oeil gauche.

L'écran de projection doit être métallisé pour qu'il conserve la polarisation de la lumière et permette le filtrage de l'image projetée par les lunettes.

J'ai acheté un écran Da-Lite Silverlight, qui est conçu spécialement pour la 3D passive (à lumière polarisée).

Et ça marche ! Je peux maintenant regarder des films en 3D à la maison, il me suffit juste de convertir le BluRay 3D grâce à AVIsynth, le copier sur l'ordinateur portable dans la boîte, m'installer confortablement dans mon canap' et lancer la lecture !

 

Maintenant que mon projecteur marche, il me faut juste finir de fixer les différents éléments internes, s'occuper des fuites de lumière et rendre l'extérieur un peu plus esthétique.

Les alimentations (ordi portable, ventilateurs, ballast pour la lampe) sont placées à l'avant de la boîte, loin de la chaleur dégagée par la lampe. Les cables sont guidées le long des parois de la boîte grâce à des serre-câble en plastique. C'est rudimentaire mais ça marche, et l'intérieur de la boîte n'a pas besoin d'être très esthétique.

 

Les ouvertures sur le côté de la boîte sont les entrées de ventilation. L'air frais se faufile d'abord entre la lentille fresnel F1 et le LCD, puis passe dans le compartiment d'éclairage avant d'être extrait à l'arrière de la boîte par les deux ventilateurs.

Des interrupteurs ont été fixés sur le dessus de la boîte, pour allumer et éteindre l'ordinateur, la lampe et les ventilateurs.

 

Tout a été démonté pour la finition : ponçage et traitement du bois avec de la teinture pour accentuer la texture du contreplaqué et imiter un bois sombre.

 

Des petites pièces en bois ont été découpées, teintes puis collées dans les ouvertures de ventilation pour former une grille et limiter les fuites de lumière.

 

Enfin terminé !

Vue générale du projecteur, lampe allumée, après l'avoir remonté et ajouté des charnières pour l'ouverture du couvercle. Les grilles de ventilations donnent plutôt bien.

 

Vue de face, lampe allumée.

 

Vue arrière.

C'est au niveau des ventilateurs qu'il y'a le plus de fuites de lumière, mais ce n'est pas gênant puisque ce n'est pas dirigé vers l'écran. On peut aussi y voir le connecteur d'alimentation.



   
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