Cinéma et lampes à arc aux halogénures métalliques

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Photon

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Cinéma et lampes à arc aux halogénures métalliques

Message » jeu. 6 août 2015 - 0:56

J'ouvre ce nouveau fil au titre barbare afin de traiter d'une technologie de source lumineuse qui est très intéressante et est omniprésente dans l'éclairage de studio et de plateau cinéma. Elle est présente sous plusieurs noms, tels que HMI, MSR, MSI, CSI etc... Cette technologie a aussi eu de part le passé un rôle dans la projection film 8 mm.

J'ouvre ce sujet aussi par ce que je vient tout juste de recevoir la toute première de ces lampes. Je la présenterai un peu plus tard car avant toute chose je doit commencer ce fil en introduisant cette fameuse technologie.

L'idée de base consiste a améliorer la qualité de la lumière émise par les arcs au mercure (sujet traité ici) en ajoutant d'autre éléments dont l'émission spectrale comble les lacunes de celle du mercure. La première mise en pratique de ce principe date des années 40, où l'on introduisit du cadmium et du zinc dans des lampes standards. Bien que ces additifs rayonnent dans les trois couleurs primaires, la correction chromatique restait bien médiocre et l'impact sur les performances de ces lampes était globalement négatif (hausse des pertes thermiques, corrosion du quartz, etc..). Bref, cette première approche ne fut pas vraiment un succès.

Le développement dans les années 50 du raffinage de métaux en phase vapeur, motivé par la forte demande en uranium enrichi pour l'industrie nucléaire (et militaire), offrit à l'industrie de l'éclairage une solution intéressante au problème des additifs dans les lampes au mercure. Cette solution consiste à l'usage non de métaux purs, mais d'halogénures métalliques (i.e. iodures, bromures et chlorures). Non seulement cette approche étend grandement la nombre d'éléments qui peuvent être utilisés comme additifs (car les sels métalliques sont plus volatiles que les métaux purs, mis à part pour les métaux alcalins), la combinaison avec un halogène neutralise les effets corrosifs de bon nombre d'éléments.

Cette nouvelle approche fut décisive et initia en 1960 une toute nouvelle famille de lampes à décharge et à arc aux performances optiques et photométriques grandement améliorées. Les premières lampes aux halogénures métalliques furent développées par General Electric (USA) au début des années 60 et on trouve maintenant ces lampes quasiment partout: dans les magasins, dans nos centres villes, pour l'éclairage des routes, des parkings, des stades... et aussi des studios et des scènes, bien sûr.

En ce qui concerne les lampes à arc court pour un usage photo/ciné, la photo ci-dessous montre l'impact (à droite) de la présence d'halogénures métalliques sur la structure et l'émission d'un arc au mercure (à gauche, sans additif). Le cas présent est celui d'une lampe HMI, où les additifs sont des sels de terres rares tels que le dysprosium, le thullium et l'holmium.

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Ces éléments sont particulièrement choisis pour leurs émissions optique qui couvre toute la partie visible du spectre, assurant de ce fait la production d'une lumière du jour de très grande qualité, comme le montre le spectre ci-dessous.

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Ce qui est intéressant, c'est que ces lampes HMI (et consorts) ne furent pas les premières lampes à arc courts aux halogénures métalliques. Il fallut presque une décennie de développement en laboratoire afin de produire les premières sources compactes aux halogénures de terres rares. Pendant ce temps là, General Electric développa au début des 60s la toute première source halogénures à arc court, dont la conception et le principe de fonctionnement sont radicalement différents des sources actuelles. Ce sera le sujet du prochain post, en espérant que vous avez apprécié cette intro rapide (bien sûr, je reviendrai sur le sujet des HMI).
Modifié en dernier par Photon le lun. 10 août 2015 - 20:08, modifié 1 fois.

Photon

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Message » lun. 10 août 2015 - 18:52

Pas de réaction ... je continu donc avec la toute première lampe à arc court aux halogénures métalliques: La MARC 300W de General Electric (USA).

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Pour les dimensions réelles de cette lampe, il ne faut pas vraiment se fier à la photo; la source est assez courte (67 mm de long) et a un diamètre total n'excédant pas 11 mm. Cette lampe fut conçue de manière à pouvoir être intégrée dans les optiques existantes des projecteurs films en 8, 16 et 35 mm.
Le cliché du carton, présenté ci-dessous, indique bien le statut de prototype du modèle ci-présent, ainsi que sa date de fabrication: le 30 Novembre 1967. GE inventa cette source en 1965 et la commercialisa trois ans plus tard.

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Comme la photo macro ci-dessous le montre, la construction de la MARC 300W est assez particulière. Elle intègre des électrodes asymétriques pour un fonctionnement en courant continu, et l'épaisseur de l'ampoule de quartz est assez conséquente (4.4 mm de chaque coté!).

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L'anode est constituée d'une simple tige de tungstène qui s'étend sur 19 mm afin d'en assurer le bon refroidissement par rayonnement thermique. Ce qui est intéressant, c'est que la très forte épaisseur de l'ampoule de quartz ne sert pas à contenir une atmosphère en surpression - la pression de mercure n'excède pas les 30 bars - mais a fournir une masse de quartz assez importante autour de l'arc afin d'éviter la destruction rapide le la lampe par fusion. En fonctionnement, la paroi interne du brûleur a une température dépassant le point de ramollissement du quartz!

De manière générale, et aussi à cause des détails singuliers déjà mentionnés, cette lampe fait figure de mouton à cinq pattes dans la famille des lampes à arc aux halogénures métalliques.
Au début des années 60, la conception d'une source compacte destinée à la projection vidéo/ciné était loin d'être acquise, car d'une part la recherche sur cette technologie était tout juste balbutiante, mais d'autre part les critères de design requis pour une telle lampe étaient particulièrement contraignants: en plus de corriger la couleur blafarde du mercure et de délivrer une lumière du jour d'excellente qualité, le ou les additifs métalliques doivent aussi assurer que l'arc a une teinte homogène - pas comme dans le cas the l'arc à droite, sur la première photo du post précédent! Cette dernière condition est très importante car elle garantie une couleur homogène de l'image projetée (ce qui est d'ailleurs l'avantage principal des lampes au xénon).

Heureusement, il fut très vite découvert que certains halogénures métallique émettent un rayonnement de type moléculaire. C'est à dire que certaines vapeurs d'iodures, de bromures ou de chlorures sont dominées par la présence de molécules qui sont responsable de l'émission lumineuse. Le gros avantage de ce mode particulier de génération de lumière est qu'il est caractérisé par un spectre continu, donc assurant une excellent qualité de lumière.
Dans les labos de GE, E. Fridrich découvrit ainsi en 1961 que les halogénures d'indium peuvent générer une lumière du jour adéquate aux besoins spécifiés pour une source compacte à arc court. Le spectre ci-dessous, mesuré et publié par Osram en 1967, montre la nature du spectre de l'iodure d'indium à 0.5 bar de pression:

Image

Comme l'iodure d'indium est un sel métallique particulièrement volatile et peu agressif, General Electric développa donc très rapidement une source compacte à arc court avec un remplissage de mercure et une dose de cet halogénure (i.e. InI3 = les traces jaunes visibles au niveau de l'anode sur les deux premières photos de la MARC 300 W). Le design de cette lampe fût quasiment définitif vers fin 1965, comme l'atteste le cliché publié en Janvier 1966 dans le Transactions of the Illuminating Engineering Society:

Image

Entre temps, Osram (Allemagne de l'Ouest) développa une version de ce type de lampe plus pour l'éclairage de studio que pour la projection de film. L'entreprise introduisit ainsi ses HBI en 1967, en 250, 650 et 1600 Watts. Ces HBI étaient les ancêtres des HMI, introduites en 1968-69, dont on reconnait déjà bien la géométrie.

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Une caractéristique très intéressante des plasmas moléculaires tels que ceux à base d'iodure d'indium, est que les molécules responsables de l'émission lumineuse dans les parties chaudes de l'arc, causent aussi une forte absorption optique dans les zones plus froides. Dans le cas de l'indium, cette absorption se fait principalement dans le violet et l'ultraviolet, avec la conséquence heureuse que les lampes remplies d'halogénures d'indium n'émettent effectivement pas d'UV.
Le diagramme ci-dessous, publié par Osram en 1967, montre la baisse progressive de l'émission UV en dessous de 300 nm (mais aussi entre 315-335 nm), à mesure que la lampe chauffe après l'amorçage, et que la pression d'iodure d'indium augmente progressivement. Les spectres se lisent de haut en bas en commençant à t=0 en haut, 20s séparant chaque spectre.

Image

Voilà pour ce soir. Il reste encore pas mal de choses a raconter sur la MARC de GE, notamment sur son emploi en projection film, mais ce sera le sujet du prochain post.

Timecode

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Message » mar. 11 août 2015 - 16:10

Merci pour tous ces posts passionnants.
Intéressante cette MARC 300. Étonnant cette épaisseur de verre, et la proximité avec l’arc du coup !

Est-ce que l’effet de cycle (évaporation/redéposition) des halogénures et du tungstène est également recherché dans ces technologies de lampes ?

J’aurais bien d’autres questions encore... (mais je ne voudrais pas perturber votre exposé !)
Quels sont les intérêts qualitatifs à fonctionner en courant continu ? (outres les intérêts... ou désavantages de fonctionnement)
Est-ce que la qualité du courant continu change le rendu ? Je pense par exemple à de l’alternatif simplement redressé ou pulsé, en comparaison du continu lissé (batteries ou lissage par condensateurs). En rapport avec la température j'imagine ou la stabilité de l'arc ?
Et pareil avec l'alternatif, selon la fréquence et la forme du courant (sinus / carré)

Photon

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Message » dim. 16 août 2015 - 15:31

Timecode a écrit :J’aurais bien d’autres questions encore... (mais je ne voudrais pas perturber votre exposé !)

Bien au contraire, je ne veux pas que mes posts deviennent des monologues. Autant j'aime écrire sur ces sujets là -cela me permet aussi d'organiser un peu l'historique de ces technologies de lampes- autant j'apprécie aussi les contributions et questions diverses car elles permettent d'élargir le champ du sujet traité. So, ask away! :D

Timecode a écrit :Intéressante cette MARC 300. Étonnant cette épaisseur de verre, et la proximité avec l’arc du coup!)

Oui, c'est une particularité très intéressante de ces lampes là, quelque chose qui m'a bien intrigué au début.
Comme le montre le schéma ci-dessous, la cavité contenant l'arc aux iodures d'indium fait 3 mm de long pour seulement 2.25 mm de large, ce qui en fait officiellement un arc capillaire!

Image

General Electric a choisi cette configuration particulière afin de compenser une caractéristique intrinsèque des arcs aux halogénures métalliques: l'expansion du plasma. Comme le montre la toute première photo de ce fil, l'ajout de sels métalliques cause une augmentation de l'émission lumineuse dans la périphérie de l'arc. Cela est causé principalement par les niveaux énergétiques plus bas des additifs que ceux du mercure, comme le montre bien le diagramme de l'avant-dernière image de mon post précédent. Cette caractéristique est ainsi responsable de l'excitation des additifs à plus basse température, dans des zones de l'arc où le mercure ne rayonne plus.

Les problèmes principaux de cet élargissement de l'arc en présence d'halogénures est d'une part la possibilité d'une ségrégation chromatique, le centre de l'arc émettant principalement un rayonnement en provenance du mercure alors que l'émission périphérique est dominée par les sels métalliques. D'autre part, cela élargit la zone d'émission optique et la luminance (ou brillance) de l'arc devient ainsi plus faible. Ce dernier point diminue grandement la quantité de lumière qui peut être injectée dans un système optique de projection.

General Electric a donc choisi de confiner l'arc aux iodures d'indium dans un tube capillaire afin d'éviter ces deux problèmes. Si cette approche fut un succès, cela causa aussi la surchauffe du quartz, dont la température devient trop élevée pour garantir l'intégrité mécanique du brûleur. Dans ce cas là, la solution consistait normalement à refroidir la lampe avec de l'eau (j'en parlerai plus en détail dans mon prochain post sur les lampes au mercure à arc capillaire), mais vu que cette option n'était pas viable pour l'application pratique de la lampe, GE choisit donc d'accroître l'épaisseur de quartz afin de permettre à la température de baisser suffisamment vers la surface externe de la lampe afin de permettre un fonctionnement stable à l'air libre.

Il faut cependant noter que ce mode de confinement de l'arc, qui est commun à tous les arcs capillaires, résulte dans une durée de vie très limitée du fait de la dégradation rapide de la surface interne du brûleur. Dans le cas de la MARC 300 (et des lampes qui en résultèrent), la durée de vie est limitée à 300-400 heures - ce qui reste tout de même suffisant pour la projection ciné.

Timecode a écrit :Quels sont les intérêts qualitatifs à fonctionner en courant continu ? (outres les intérêts... ou désavantages de fonctionnement)

Ce qui est intéressant, c'est que hormis l'usage d'électrodes asymétriques, ce types d'arc peut très bien fonctionner en courant alternatif et les premiers prototypes de ces lampes étaient conçus dans ce sens. La seule motivation derrière le fonctionnement en continu est d'éviter tout phénomène stroboscopique avec l'obturation cyclique de la lumière.

Il est vrai que ce problème aurait pu aussi être évité avec une alimentation en courant à onde carré. Cependant, l'électronique de puissance à commutation par transistor n'était pas suffisamment développée dans les années 60 afin de permettre la conception d'une alimentation compacte et abordable pour un usage dans des produits grand publique (ces lampes étaient destinées surtout aux projecteurs 8 mm portables). Donc l'usage du courant continu était plus logique.

Timecode a écrit :Est-ce que l’effet de cycle (évaporation/redéposition) des halogénures et du tungstène est également recherché dans ces technologies de lampes ?

Tout à fait, le cycle tungstène-halogène est particulièrement recherché dans ces lampes compactes car le faible volume de leurs brûleurs les rends particulièrement vulnérables au noircissement dû à l'évaporation des électrodes.
Si la plupart des HMI/MSR/... actuelles ont un cycle actif qui fonctionne effectivement, ce ne fut pas toujours le cas avec les premières des ces lampes, car l'établissement de ce cycle repose sur une balance délicate entre la pression de vapeur de tungstène aux électrodes, et celle au niveaux de la surface interne de l'ampoule (la dernière devant être un peu plus élevée que la première). Cette balance chimique requiert donc un design très, très optimisé de la lampe (la chimie est aussi très complexe) ainsi que des conditions très strictes de fonctionnement car les pressions de tungstène (et de ses composés) dépendent directement de la température en différent points de la lampe.

En ce qui concerne la MARC 300, les températures et la chimie ne sont pas optimales et le cycle n'est pas balancé correctement. La densité de courant aux électrodes est telle que leurs extrémités sont fondues. Ceci, plus la forte densité d'iode, résulte dans une très forte pression de tungstène aux électrodes (du fait de la formation d'iodure de tungstène, entre autre). Comme cette pression est plus élevée qu'au niveau de la surface de quartz, un transport net de tungstène s'opère donc vers la paroi interne du brûleur.

sylpieste

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Message » dim. 16 août 2015 - 20:41

Toujours très intéressants vos posts sur les lampes.
Cela fourmille de détails et les photos qui "éclairent" le tout sont excellentes.
Encore une fois merci.

Dans le cadre du fonctionnement de mon association "Images d'argent" je suis amené quelquefois a faire des expositions de matériels anciens de photo et cinéma ancien. Si un jour je traite plus spécifiquement de la lumière pensez vous qu'il me serait possible d'utiliser vos exposés et vos photos en citant la source bien entendu.

Pour en savoir un peu plus sur mes collection et l'association je vous invite a regarder ma page Facebook ici : https://www.facebook.com/imagesdargent?ref=hl

je suis actuellement à l'étranger, vous pouvez éventuellement me joindre sur la boite de l'asso ici : imagesdargent@free.fr ou sur ma boite sur le forum. je ne manquerai pas de vous contacter dès mon retour éventuellement.

Bonne continuation :wink:
"Images d'argent" association loi 1901 (Sauvegarde du Patrimoine Photographique et Cinématographique Argentique), nous assurons le démontage et l'enlèvement de matériel pour restauration et expositions. https://www.facebook.com/imagesdargent/

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Message » sam. 26 sept. 2015 - 12:42

sylpieste a écrit :Dans le cadre du fonctionnement de mon association "Images d'argent" je suis amené quelquefois a faire des expositions de matériels anciens de photo et cinéma ancien. Si un jour je traite plus spécifiquement de la lumière pensez vous qu'il me serait possible d'utiliser vos exposés et vos photos en citant la source bien entendu.


Il n'y a pas de souci, tu peux utiliser toutes ces infos comme bon te semble - d'ailleurs c'est une des raisons pour lesquelles je les publient dans un lieu public comme ce forum (trop de boulot et trop occupé en ce moment pour monter un site complet sur le sujet, mais ça viendra pour sûr dans les prochaines années).

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Message » dim. 18 oct. 2015 - 18:07

Je vais tout de même clore le sujet des lampes à arc à vapeur d'indium car Il me reste encore quelques photos intéressantes concernant la MARC de GE et de ses modèles dérivés. En 1965, General Electric inventa donc la première lampe à arc court aux halogénures métalliques destinée à la projection ciné. Afin de faciliter l'application de cette source lumineuse dans les système commerciaux, GE combina ses MARC avec des optiques de précision, d’abord en implémentant une configuration latérale du brûleur (image publiée en 1966 dans le Journal of the IES):

Image

puis quelques années plus tard avec une configuration axiale, qui permet un meilleur contrôle optique de la lumière émise.

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Ce qui est intéressant, c'est que l'usage d'un réflecteur intégré permit aussi de modifier le spectre de la lumière injectée dans l'optique de projection du projecteur. A cet effet, GE employa un miroir dichroique, c'est à dire, une surface réfléchissante composée d'une multitude de couches de verre superposées et ayant un indice de réfraction alternativement élevé et bas. Les interférences optiques résultantes des réflexions aux interfaces entre deux couches de verre successives ont pour conséquence des spectres de réflexion et de transmission qui sont complémentaires et ajustable selon la nature et l'épaisseur des couches de verre. Par cet effet, le miroir employé dans les MARC est conçut afin de transmettre un peu dans les rouges et les bleus/violet, beaucoup dans les infrarouges, et de réfléchir au maximum les autre couleurs, donnant ainsi la différence spectrale clairement visible ci-dessous (J of IES, 1966):

Image

Cette différence permet ainsi de réduire considérablement la charge thermique imposée au film tout en assurant une qualité optimale de la lumière du jour artificielle émise par la source.

Bien que les sources MARC étaient initialement conçues afin de remplacer les lampes à incandescence dans les projecteur 35 mm, leurs puissances et émissions optique restreintes limita leurs utilisations dans les projecteurs portables 16 et 8 mm. Afin de permettre une intégration optimale de cette technologie, General Electric développa des alimentations en courant continu de format compacte (J of IES, 1966):

Image

Si la taille et configuration de ces alimentations changea au cours des décennies, les lampes présentées ci-dessus restèrent identique en performances et en design jusqu'à la fin de leur production vers 2010.

Voilà pour ce qui en est de la première source à arc en vapeur moléculaire. Mon (mes) prochain(s) poste(s) traitera(ont) de la deuxième source de ce type: les lampes à arc à vapeur d'étain. Là, on traversera l'Océan Atlantique afin de se concentrer sur les développements qui ont eu lieu en la matière en Angleterre et aux Pays-Bas.