Darraïdou Miguel Lahirigoyen Peio Gariador Anthony
Comment parvient t’on à reconstituer une image en 3D à partir d’une source de lumière particulière ?
Sommaire
I Présentation des hologrammes
III Le passage à la 3° dimension
B Enregistrement et restitution
Depuis toujours, l’homme cherche à immortaliser ce qui l’entoure en copiant ce qu’il voit. Mais la technique a beaucoup évoluée. Les premières peintures rupestres ont laissé place à la photographie et les sculptures, jadis seul moyen de reproduire la profondeur et le volume, ont un nouveau concurrent : les hologrammes.
Les hologrammes permettent la restitution fidèle du relief des objets. L’hologramme est un objet optique qui commence à faire son apparition dans la vie courante, notamment sur les cartes de crédit. La technique de l’holographie, ou production d’images en 3 dimensions, est promise à un très bel avenir à l’instar de la photographie. C’est l’un des enfants les plus étranges du laser. En effet, l’utilisation d’une lumière cohérente, comme le laser, est obligatoire pour réaliser un hologramme.
Comment, à partir d’une source de lumière particulière, parvient t’on à reconstituer une image en 3D ?
Après une description complète, nous tenterons d’expliquer ce phénomène en nous appuyant tout d’abord sur la mise en œuvre pratique puis en révélant le principe du passage à la 3 dimensions.
I Présentation des hologrammes
Un « hologramme » (du grec « holos » qui signifie « entier » et « gramma » qui veut dire « message ») peut en quelque sorte être considéré comme un cliché photographique d’un objet, à la différence près qu’il est transparent et surtout en relief. C’est la reproduction exacte de cet objet sous forme lumineuse. L’image perçue est appelée « image holographique ».
Cette image se forme à l’avant ou à l’arrière d’un support plat qui constitue la plaque holographique. L’image est totalement immatérielle mais le relief perçu est bien réel et ne relève d’aucune illusion optique. Elle est visible à l’œil nu et donc ne nécessite aucune lunette pour être vue. Selon la méthode utilisée lors de l’enregistrement, elle peut être colorée d’une ou plusieurs couleurs.
L’image holographique ne peut être restituée que lorsqu’elle est éclairée adéquatement. De plus, elle ne peut être perçue que dans un champs précis : le champs visuel holographique.
Quelques hologrammes : on peut même tirer des portraits !
Ce sont les travaux du chercheur britannique d'origine hongroise, Dennis Gabor qui ont conduit à l'élaboration de l'holographie en 1941. Il a reçu le Prix Nobel en 1971 pour sa découverte. Il y est parvenu en travaillant à l'amélioration du microscope électronique et à la modélisation en trois dimensions des molécules. C'est aussi Gabor qui a choisi le nom de cette nouvelle technique.
Dennis Gabor recevant le prix Nobel en 1971.
Mais cette dernière n'a pu être développée à cette époque car les sources lumineuses n'étaient pas cohérentes. En 1960, grâce à l'invention du laser, dont la lumière est pure, intense et donc idéale, le problème a pu être résolu et ainsi la fabrication d'hologrammes a été possible.
En 1962, Emmeth Leith et Juris Upatnieks, deux chercheurs de l'université du Michigan, ont réalisé, grâce à leurs travaux de recherche sur le radar, que l'holographie pourrait être utilisée comme moyen de visualisation en 3D. Ils réalisèrent le premier hologramme d’un objet : il représentait un train miniature et un oiseau. Leurs travaux ont mené à la standardisation du matériel utilisé pour la fabrication d'hologrammes.
De même en 1962, le chercheur russe Y.N Denisyuk a combiné l'holographie avec les travaux de photographie en couleur naturelle du gagnant du prix Nobel de 1908, Gabriel Lippmann. Les travaux de Denisyuk ont ainsi produit les premiers hologrammes de réflexion visibles en lumière blanche et qui pour la première fois ont pu être visionné par la lumière d'une ampoule incandescente normale.
Le chercheur russe Denisyuk.
Un grand progrès en holographie a été fait en 1968 lorsque le docteur Stephen A.Benton inventa les hologrammes de transmission visibles en lumière blanche, créant des images de types arc en ciel, utilisant les 7 couleurs de la lumière blanche. La profondeur et la luminosité de ce type d'hologramme ont rapidement attiré l'attention des artistes qui ont adapté cette technique à leur art et qui ont rendu l'holographie encore plus présent auprès du public.
En 1972, Lloyd développe l'hologramme intégral en combinant l'hologramme à transmission visible en lumière blanche avec la cinématographie pour produire des hologrammes en mouvement. Ceci a permis de trouver une nouvelle application pour le grand public.
En 1984, 11 millions d'hologrammes ont été diffusés à travers le monde par le biais du magazine National Géographie de l'édition mars 1984. En effet ce magazine a été le premier à utiliser un hologramme pour sa couverture. Le magasine a réutilisé ce procédé à plusieurs reprises, en novembre 1985 et en décembre 1988 (où la couverture complète a été holographiée).
On attend encore beaucoup de progrès dans le domaine de l’holographie, notamment au sujet de la télévision en relief…
L’holographie est longtemps restée une curiosité de laboratoire. Ce pendant, après avoir connu une évolution considérable, il est rentré dans notre vie courante.
Médicalement, l’hologramme a apporté de nombreux services. Grâce à lui, il est désormais possible de reconstituer les images en 3 dimensions des os ou d’organes intéressants du corps humain. Le médecin peut ainsi donner un diagnostic plus rapidement et mieux repérer les cassures ou les tumeurs. Il sait exactement quels gestes effectuer pour réussir l’opération. Encore à ses débuts, l’holographie médicale est promise à un brillant avenir.
Dans le domaine militaire, l’holographie a su trouver une place de choix. Dans l’aéronautique par exemple, l’hologramme peut constituer une sécurité. Les pilotes de chasse doivent en permanence connaître les informations fournies par leur tableau de bord sans pour autant quitter le ciel des yeux. L’holographie leur vient en aide en projetant les indications sur le pare-brise. Le procédé est également utilisé en F1.
Cependant, c’est dans l’industrie que l’holographie trouve ses applications les plus intéressantes. Dans le domaine des technologies de pointe, l’interférométrie holographique constitue sans doute une des principales applications. Cette technique permet de comparer au même instant 2 états d’un objet, en réalité séparés dans le temps, par exemple après une contrainte. Ainsi, lors de la conception des moteurs, on peut déceler le moindre défaut en comparant 2 hologrammes de l’objet, l’un pris au repos et l’autre après l’avoir soumis à différentes fréquences de vibrations. Si le moteur a des faiblesses mêmes minimes, on voit apparaître des franges d’interférences. Cette technique permet de corriger les défauts des pièces concernées.
En mécanique, l’holographie permet de déceler les moindres faiblesses des moteurs.
L’hologramme peut aussi constituer un système de protection. En effet, sa conception requiert du matériel et une technique de haut niveau ce qui limite sérieusement les risques de contrefaçon.
Les hologrammes sont utilisés dans la lutte contre la contrefaçon.
De plus, un hologramme peut contenir une quantité énorme d’informations. Si on utilise la place servant à coder la 3D pour stocker des informations plus classiques, l’holographie devient une technique très utile pour l’archivage. Dans un hologramme de 1 cm³, on stocke jusqu’à 10000 pages imprimées.
La restitution d’une image en 3D par l’holographie trouve également des applications plus ludiques, notamment dans les parcs d’attraction et pourquoi pas un jour, dans le cinéma holographique…
Le mot LASER est formé à partir des initiales de « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations » c'est-à-dire « Amplification de lumière par émission stimulée de radiations ».
Le laser est indispensable pour réaliser un hologramme.
En effet, la lumière ordinaire est constituée d’un flux de photons aux caractéristiques très variables et émis à des moments quelconques .Toutes les longueurs d’ondes (couleurs) sont présentent. La lumière d’une source ponctuelle voyage en ligne droite en s’étendant dans toutes les directions.
La lumière émise par une ampoule ordinaire est chaotique
Mais avec le laser, tous les photons ont la même longueur d’onde. Ils sont émis dans une même direction. Ainsi, ils se déplacent en ordre et ne se dispersent pas. La lumière émise par un laser est donc très structurée. Or en holographie, il faut absolument une lumière structurée (voir « Le passage à la 3D »).
Le laser possède les 3 caractéristiques essentielles à l’holographie :
· Le monochromatisme
· La cohérence spatiale
· La phase (cohérence temporelle)
Le monochromatisme, c’est la propriété d’émettre de la lumière d’une seule couleur (ou longueur d’onde). En effet, si tous les rayons lumineux qui atteignent la plaque holographique sont de la même couleur, on pourra restituer l’image enregistrée en éclairant la plaque avec la même lumière.
La lumière émise par un laser est monochromatique, c’est-à-dire d’une seule couleur : tous les rayons émis ont la même longueur d’onde.
La cohérence spatiale correspond au départ de tous les rayons lumineux d’un seul point. Comme le rayon laser est très directif et très droit, il respecte ce critère essentiel pour enregistrer des hologrammes.
Tous les rayons partent du même point.
La phase ou cohérence temporelle correspond à un départ simultané des rayons lumineux à partir de la source. C’est un peut comme s’ils voyageaient sur une même montagne russe. Le laser, lui, possède justement cette propriété parce que le rayon est créé par des photons qui en arrachent d’autres. Ils partent donc tous du laser en même temps.
Toutes les ondes émises par le laser sont en phase : elles partent simultanément.
Les hologrammes utilisent toujours le même principe : un faisceau laser ayant été réfléchi sur l’objet à holographier (faisceau objet) et un autre n’ayant subi aucune modification (faisceau de référence) se croisent et interfèrent entre eux permettant ainsi d’enregistrer le relief de l’objet (voir dernière partie).
Il existe cependant des variations dans la technique utilisée. Voici donc les 3 principaux types d’hologrammes pour mieux se visualiser le principe avant de passer à la théorie pure.
Hologramme par émission
Les hologrammes par émission sont les plus simples à réaliser. Le faisceau laser est séparé en 2 faisceaux : l’un va directement sur la plaque holographique et sert de faisceau de référence. L’autre frappe d’abord l’objet avant d’être réfléchi en direction de la plaque : c’est le faisceau objet.
Les hologrammes par émission sont aussi ceux qui permettent le meilleur résultat. Cependant, pour être observés, ils doivent être éclairés avec le même laser et sous le même angle que lors de l’enregistrement ce qui limite leur intérêt. De plus, ils sont monochromatiques, c'est-à-dire de la même couleur que le laser utilisé pour les fabriquer.
Hologramme par réflexion
L’hologramme par réflexion a l’avantage d’être observable à la lumière blanche.
Pour réaliser ce type d’hologramme, on place la plaque entre l’objet et le laser. La lumière provenant du laser rencontre la plaque et la traverse en jouant le rôle de faisceau de référence. Puis elle poursuit son chemin, rencontre l’objet et se réfléchit vers la plaque, devenant ainsi le faisceau objet, où elle interfère avec le faisceau de référence, produisant ainsi un hologramme.
Si l’hologramme par réflexion est observable à la lumière blanche, c’est parce qu’il laisse passer sans les réfléchir tous les rayons lumineux qui ne sont pas exactement de la même couleur que le laser qui a servi à le réaliser. Sans cet effet de filtrage, l’image serait floue et contiendrait toutes les couleurs du spectre. C’est pourquoi un hologramme observé à la lumière blanche est toujours de la même couleur que celle du laser utilisé à la prise de vue.
Hologramme arc-en-ciel
L’hologramme arc-en-ciel est le plus répandu et on peut, si on le désire, le reproduire en masse.
On le retrouve souvent dans les cartes de crédit, les gadgets, les logiciels informatiques...
L’hologramme arc-en-ciel présente une caractéristique. En effet, la profondeur dans l’axe vertical est sacrifiée. On restitue l’image grâce à la lumière blanche et, suivant l’angle de vue, l’hologramme change de couleur.
Bien qu’il soit énormément utilisé, cet hologramme sera probablement complètement dépassé dans quelques années.
Le problème de la couleur
Une des difficultés de l’holographie est sans doute de donner de la couleur aux hologrammes. Plusieurs techniques existent donc pour les colorer.
Une technique est de prendre trois hologrammes de réflexion enregistrés à trois longueurs d’onde différentes. Les hologrammes en vraies couleurs sont extrêmement difficiles à réaliser et ils sont donc très rares. Pour les obtenir, on doit faire trois hologrammes sur le même film, en utilisant chaque fois un laser différent.
En superposant un laser rouge, vert et bleu, on recrée une lumière blanche cohérente. Cela permet d’obtenir des hologrammes en couleur de très grande qualité, comme ce clown incroyablement proche de la réalité !
Pour que l'hologramme restitue l'objet holographié, il faut se trouver dans conditions particulières. De ces conditions dépendra la qualité de l’hologramme.
L'espacement entre les franges d'interférences (voir dernière partie) est très faible, de l'ordre de quelques micromètres. Il faut donc utiliser des récepteurs capables d'enregistrer des éléments si petits. Le film holographique doit donc avoir un grain très fin.
Pendant toute la durée de l'enregistrement, il est important que le déplacement relatif des faisceaux lumineux et du récepteur ne soit pas supérieur à une fraction de micromètre, sinon on risque de brouiller l'hologramme. Il faut donc prendre de grandes précautions pour limiter l'influence des déplacements et des déformations des supports, des turbulences de l'air ... Pour cela, on utilise une table anti-vibration sur coussins d’air.
Pour les hologrammes les plus communs, les hologrammes par émission, le faisceau de lecture doit être identique au faisceau de référence.
Le faisceau objet et le faisceau de référence doivent être cohérents, pour que l'interférence puisse avoir lieu. Ils sont donc issus du même laser.
Il y a un grand impératif à respecter obligatoirement : les distances parcourues par les différents faisceaux ne doivent pas différer de plus de la longueur de cohérence du laser utilisé.
La réalisation d’un hologramme doit se dérouler dans des conditions très précises si l’on veut obtenir un résultat correct. Le choix de la table et du laser est déterminant.
III Le passage à la 3° dimension
La lumière peut être assimilée à une onde mécanique.Toute onde lumineuse possède une longueur d’onde, une amplitude et une phase.
L’onde lumineuse : amplitude et longueur d’onde
Pour mieux se représenter ces paramètres, prenons l’exemple des vagues de l’océan : la longueur d’onde, c’est l’intervalle qui sépare 2 vagues consécutives et l’amplitude, c’est la hauteur des crêtes. La phase, quant à elle, indique si l’on est au sommet ou au creux de la vague ou quelque part entre les deux. C’est elle qui contient les informations concernant le relief de l’objet. Nous voyons un objet parce qu’il modifie la lumière qu’il reçoit avant de la réémettre vers l’oeil. Cette modification porte en général sur 2 paramètres de l’onde lumineuse, son amplitude et sa phase. Or, les récepteurs capables d’enregistrer une image ne sont sensibles qu’à l’intensité lumineuse, ce qui conserve les variations d’amplitude mais sacrifie celles de phase et, donc, une partie de l’information qu’elles transportent. C’est le cas de la photographie. Le problème est alors de coder les modifications de phase sous forme de variations d’amplitude de façon à pouvoir les enregistrer.
La solution repose sur les propriétés des interférences lumineuses que l’on utilise pour enregistrer la totalité de l’information présente dans la lumière issue d’un objet.
Le faisceau issu du laser est séparé en 2 faisceaux cohérents, c’est-à-dire monochromatiques (d’une seule longueur d’onde = d’une seule couleur), d’amplitude constante et d’une seule même phase. Lorsque le faisceau-objet frappe l’objet, sa phase est modifiée. Ces 2 rayons interfèrent alors entre eux.
L’expérience de Young permet de mettre en évidence les interférences lumineuses : au niveau des traits rouges, les ondes lumineuses s’additionnent et une franges d’intensité plus élevée apparaît.
Reprenons l’image de la houle. Lorsque 2 vagues se chevauchent, leurs effets se combinent.
Quand 2 crêtes se superposent, (les 2 ondes sont dites en phase), leurs amplitudes s’ajoutent : l’interférence est alors dite constructrice.
Ondes en phases : les ondes s’additionnent.
Lorsqu’un creux et une crête arrivent ensembles (les deux ondes sont dites en opposition de phase), ils se neutralisent : l’interférence est dite destructrice.
Ondes déphasées de 180° : les ondes se soustraient
Toutes les combinaisons intermédiaires existent, selon le degré de déphasage entre les 2 ondes.
Grâce à l’utilisation du laser, toute perturbation de la phase du faisceau-objet apparaît clairement sur l’ « arrière-plan » constitué par l’onde de référence. C’est pour cela que la distance parcourue par l’onde de référence et le faisceau objet doivent être exactement les mêmes. Si les 2 faisceaux ne sont pas cohérents, les franges d’interférence n’apparaîtront pas clairement. C’est la principale difficulté lors des expériences : s’il y a la moindre vibration lors de la prise de vue, l’hologramme sera flou. Si toutes les précautions sont respectées, l’information concernant le relief peut alors être enregistrée sur la plaque holographique.
B Enregistrement et restitution
Pour enregistrer une image holographique, on utilise une plaque holographique. Il s’agit en fait d’un film, semblable à ceux utilisés en photographie mais avec un grain beaucoup plus fin et donc une bien meilleure précision. De plus, ce film possède une épaisseur de l’ordre de quelques millimètres. Différence supplémentaire avec une photographie, l’hologramme n’enregistre pas directement une image mais une information codée sous forme de franges d’interférence. Examinées au microscope, celles-ci apparaissent sous la forme d’une composition abstraite, faite d’une multitude de minuscules taches sombres et claires, d’intensité variable. Chaque groupe de taches contient l’information concernant tout l’objet, vu sous un angle à chaque fois différent. Voilà pourquoi, lorsqu’on se déplace devant un hologramme, comme devant une fenêtre, on voit l’objet successivement sous différentes perspectives. C’est aussi pourquoi, quand on brise un hologramme en morceaux, on continue de voir tout l’objet à travers chaque morceau. On appelle cela la propriété de redondance de l’holographie. Si la dimension de l’objet reste la même quelque soit la taille des morceaux, l’angle de perception est d’autant plus limité que ceux-ci sont plus petits.
Comment reconstruire, à partir de franges d’interférence, abstraites et en 2 dimensions, l’image en 3 dimensions de l’objet ?
Lorsqu’on éclaire l’hologramme à l’aide d’un rayon laser de même longueur d’onde que l’onde de référence et sous le même angle que lors de l’enregistrement, chaque frange se comporte comme une sorte de mini projecteur : la lumière « émise » par chacun d’eux interfère avec celle de tous ses voisins, rétablissant les interférences constructives et destructives mémorisées dans l’hologramme. L’ensemble de ces interférences reconstitue le front d’ondes envoyé par l’objet sur la plaque holographique lors de la prise de vue.
Il se forme ainsi l’image impalpable mais complète de l’objet en 3 dimensions.
Enregistrement et restitution du front d’ondes
Les hologrammes sont des images entièrement en 3 dimensions. Le relief obtenu est bien réel et il n’y a besoin d’aucun artifice pour les observer. Seul un éclairage spécifique, cohérent comme celui d’un laser est nécessaire pour certains types d’entre eux.
Les hologrammes sont donc des objets optiques spectaculaires mais fondés sur des principes optiques simples. Le passage à la 3° dimension est obtenu par l’enregistrement du déphasage créé lors de la réflexion du faisceau laser par l’objet. Les interférences permettent de repérer ce déphasage en « comparant » en quelque sorte le faisceau réfléchi avec le faisceau laser. Leur enregistrement et leur restitution permettent de recréer le relief.
Les applications de l’holographie sont très nombreuses. Cependant, l’utilisation de cette technique reste encore limitée car méconnue. Seuls quelques domaines très pointus (armement, médecine…) y ont recours et le grand public n’y a pas encore accès. Mais il est certain que l’holographie est promise à un très bel avenir : il s’agit peut-être là de la photographie du futur…
L’holographie sera peut-être un jour aussi accessible que la photographie.
Achromatique : Lorsqu'on s'en sert pour décrire une image holographique : sans couleurs.
Cohérence spatiale : État d'ondes lumineuses se déplaçant dans l'espace non seulement à la même fréquence mais également en phase.
Cohérence temporelle : État d'ondes lumineuses qui sont monochromatiques, c'est-à-dire dont chaque cycle requiert le même intervalle de temps pour traverser un point donné dans l'espace.
Cohérent : Se dit d'ondes qui sont en phase.
Faisceau objet : La partie du rayon principal émis par le laser qui est dirigée sur l'objet holographié; elle sera modifiée par celui-ci avant d'atteindre la pellicule holographique, où elle interagira avec le faisceau de référence.
Faisceau de référence : La partie du rayon principal émis par le laser qui n'est pas modifiée par l'objet avant d'atteindre la pellicule holographique, où elle interagira avec le faisceau objet.
Franges : Motif composé de bandes claires et sombres résultant de l'interférence constructive et destructive d'ondes lumineuses sur une émulsion holographique.
Hologramme : Type de photographie renfermant des données sur l'intensité et la phase de la lumière réfléchie par un objet. Lorsque illuminé au même angle que pour l'exposition de l'objet avec de la lumière suffisamment cohérente, un hologramme produit un train d'ondes diffractées d'amplitude et de répartition de phases identiques à celles de la lumière réfléchie par l'objet lui-même, d'où création d'une image tridimensionnelle que l'on peut observer et photographier.
Hologramme par émission : Hologramme réalisé par l'interférence des rayons objet et de référence à partir du même côté de la pellicule. Pour la reconstitution de l'image, on éclaire l'hologramme avec de la lumière filtrée semi cohérente ou de la lumière laser très cohérente qui sera retransmise vers l'observateur à travers l'hologramme.
Hologramme par réflexion : Type d'hologramme réalisé par l'interférence des rayons objet et de référence à partir de côtés opposés de la pellicule. Pour la reconstruction de l'image, on éclaire l'hologramme avec de la lumière incohérente qui sera réfléchie vers l'observateur.
Monochromatique : Qui est d'une seule couleur.
Interférence constructive : Effet résultant de la superposition d'ondes cohérentes, par exemple la superposition d'une crête sur l'autre.
Interférence destructive : Effet résultant de la superposition de la crête d'une onde et du creux d'une autre, l'amplitude positive de la crête étant annulée par l'amplitude négative du creux, ce qui se produit fréquemment lorsque des ondes sont déphasées.
Laser : Acronyme formé à partir des initiales des mots anglais Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (création de lumière par stimulation des émissions de radiations) et qui désigne un appareil qui produit, grâce à un tube de résonance, un rayon intense de lumière cohérente.
Longueur d'onde : Distance entre deux points équivalents de deux cycles consécutifs d'une onde, par exemple entre deux crêtes consécutives.
Phase (en) : Se dit de deux phénomènes périodiques de même fréquence lorsque leurs valeurs sont maximales (crêtes) ou minimales (creux) au même instant.
Ouvrages consultés :
· Encyclopaedia Universalis p 553
· Quid 1999 p 1352
· Le livre mondial des inventions 93
· La Grande Encyclopédie p 6986
· Le Grand Larousse Universel p 231
· Le Grand Dictionnaire Encyclopédique Larousse p 5310
· BT2 n°260
· Science et Vie hors-série n°186
Sites consultés :
· http://www.museedelholographie.fr
· http://www.holoworld.com
· http://holostar.cmaisonneuve.qc.ca
· http://scio.free.fr/ondes/hologrammes.php3
· http://3dmania.ifrance.com/3dmania
· http://pecdc.univ.lemans.fr/holo
Pas de demande de documentation SVP, c'est juste un TPE que nous devions faire dans le cadre du bac.
Lexique 
