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Les dialogues sur la physique-chimie
appliquée aux arts

Chapitre XIV

triptyque laser et 3d

deuxième partie :

L'holographie

Ce chapitre des Dialogues de Dotapea est le second volet d'un triptyque. Il s'agit comme dans l'article précédent, consacré au laser, d'une discussion entre Jean-Louis, physico-chimiste au CNRS, et un candide, Emmanuel. Le chapitre suivant fera intervenir un professionnel de la restitution tridimensionnelle.

Ici, nous évoquerons les étranges particularités physiques de ce procédé. Les aspects historiques, les enjeux et l'avenir de l'holographie et des procédés de restitution immatérielle en trois dimensions seront abordés dans le dernier chapitre de ce triptyque.

Jean-Louis : Le principe de l'holographie, en quelques mots. La lumière, c'est un champ électromagnétique. Les détecteurs usuels (oeil, plaque photo, capteur CCD,...) sont dits "quadratiques", ils détectent le carré de l'amplitude du champ électrique, ce qui n'est autre que l'intensité. Intensité d'un champ = carré de son amplitude, l'amplitude étant la "déformation" associée au champ que subit l'espace. Tu me suis?

Emmanuel : Oui, l'amplitude est la hauteur de la vague. Cela correspond aux schémas de la page "l'onde".

Jean-Louis : La matière, elle, interagit avec l'amplitude du champ. L'amplitude peut être positive (le sommet d'un vague) ou négative (le creux). Si on prend le carré, on sait seulement que le point d'observation s'est déplacé, mais on ne sait pas si c'est vers le haut ou vers le bas. OK ?

Emmanuel : Oui. Le carré fait perdre le signe.

Jean-Louis : Donc quand tu prends une photo, tu enregistres strictement l'intensité de lumière reçue par les différents points de ton sujet. C'est tout.

Emmanuel : D'accord. Encore un phénomène que l'on ne perçoit pas !

Jean-Louis : Mais là, nous ne sommes pas seuls.
Pourtant, si tu pouvais mesurer "le signe" de la lumière reçue par chaque point, tu pourrais dire que tel point est placé en avant ou en arrière de tel autre parce que tu saurais que la lumière qu'il envoie est en avance ou en retard de phase sur l'autre.

Emmanuel : Ah oui !

Question d'amplitude et de phase. Voir la vidéo du chapitre Le laser.

Quand tu roules dans ta voiture et que la voiture que tu suis passe sur une bosse, tu sais que tu vas aussi sentir la bosse dans les secondes qui suivent. Tu as reçu l'information "vers le haut" ou "vers le bas". Si tu ne recevais que l'information "mouvement", tu ne saurais pas dire si ta voiture va rouler sur une bosse ou passer dans un trou.

Emmanuel : Tu saurais juste qu'il y a un trou ou aussi bien une bosse.

Jean-Louis : L'holographie, c'est le moyen d'enregistrer l'information de phase d'un objet éclairé. On fait ça avec des interférences, qui, comme tu le sais maintenant [lien], sont précisément le résultat de deux (ou plusieurs) ondes qui ont une relation de phase particulière. En phase : lumière, en opposition de phase : noir.

L'holographie se fait en éclairant l'objet avec une lumière cohérente, d'autant plus cohérente que l'objet est grand ou la profondeur de champ grande. Il faut que la relation de phase soit conservée entre la lumière qui éclaire le premier plan et celle qui fait l'arrière plan.

Emmanuel : "Celle qui fait l'arrière-plan"... hmm... Est-ce que tu veux dire qu'il y a un miroir quelque part plus ou moins derrière l'objet à holographier pour répercuter la même lumière cohérente par l'arrière ?

Jean-Louis : Je veux dire que tout le volume de l'objet doit être baigné par une lumière cohérente.

Emmanuel : Une seule je suppose.
J'imagine les difficultés des éclairagistes !

Jean-Louis : Il n'y a qu'une seule source, donc effectivement il y a beaucoup d'ombres, mais ça souligne les contrastes.
Cet objet renvoie de la lumière vers une plaque photo.
 

Emmanuel : Une seule plaque photo située "vers nous", ok.

Jean-Louis : La lumière venant du fond arrive plus tard sur la plaque que celle arrivant du devant de la scène. On a donc des ondes déphasées.
Simultanément, la plaque photo est uniformément éclairée avec un faisceau cohérent dit "de référence".

Emmanuel : D'accord, ça crée l'interférence.

Une question en aparté : là, on doit utiliser des cônes laser assez larges pour couvrir la plaque et pareil pour l'objet, a priori. Ou bien est-ce que l'on balaye en s'aidant d'un miroir - mais alors ça complique tout !

Jean-Louis : On doit effectivement élargir les faisceaux laser. C'est pour ça qu'il faut des gros laser pour faire des grands hologrammes, l'énergie lumineuse disponible diminue beaucoup quand on élargit les faisceaux. C'est fait avec des lentilles.

La plaque enregistre donc les interférences entre la lumière du faisceau de référence et la lumière émise par l'objet. C'est l'hologramme. Une fois la plaque développée, pour lire l'hologramme il suffit de l'éclairer avec un faisceau laser homogène semblable à celui utilisé pour la prise de vue.

Emmanuel : D'accord. Pas de développement, pas de tirage, c'est la même plaque.

Jean-Louis : Si, si, c'est une plaque photo normale, avec temps d'exposition, développement et tout.
Ce faisceau interfère avec "l'image" (en fait c'est invisible, juste des points noirs par ci par là) sur la plaque .

Emmanuel : Donc les points noirs restituent les oppositions de phases, c'est ça ?

Et cela restitue une image de l'objet. On a l'impression de voir l'objet par la fenêtre de l'hologramme. Particularité : comme il n'y a aucune lentille de prise de vue, chaque point de l'hologramme contient toute l'information, puisqu'il a reçu de la lumière venant de tous les points de l'objet. Si on casse un hologramme en deux, on peut toujours refaire l'image. Etc... Simplement, la plaque photo devenant de plus en plus petite, la "fenêtre" par laquelle on voit la scène est de plus en plus petite. On perd en luminosité et en angle de vue.

Emmanuel : D'accord.
Une chose me parait un peu difficile à comprendre. Les différences de phases créent les interférences, ok. Mais question échelle, un objet moyen, macroscopique, a des dimensions qui dépassent très largement la longueur des ondes du laser. Le décalage des phases se situe "à l'intérieur" de cette longueur. Comment deux photons déphasés peuvent-ils encore donner d'une manière ou d'une autre l'information de la distance alors qu'il a pu y avoir de nombreux cycles d'écart entre eux ?

Jean-Louis : Oui, bonne question. C'est en fait parce que chaque point de l'objet "holographié" devient une source qui irradie et interfère sur toute la surface de la plaque. C'est pas comme la photo classique où il y a une relation univoque entre chaque point objet et chaque point image. "Holographie" = écrire TOUT ou TOUT écrit. Chaque point objet impressionne toute la plaque, théoriquement chaque point de la plaque contient toute l'image. L'hologramme est donc l'enregistrement d'une infinité d'interférogrammes.

Emmanuel : Chaque point de l'objet impressionne toute la plaque et chaque point de la plaque est une vision d'ensemble. Comme si chaque point de la plaque était un oeil. Est-ce que ça veut dire qu'il y a un effet disons plus ou moins stéréoscopique qui s'ajoute à l'information « phase » indirectement véhiculée par les effets des interférences, mais insuffisante pour restituer des informations macroscopiques ?

Jean-Louis : Non, c'est pas de la stéréoscopie.

Emmanuel : D'accord. Ca semble cependant avoir un puissant rapport avec quelque chose de topologique.

Jean-Louis : Ca dépend de ce que tu appelles topologie, sans doute.

Emmanuel : Le fait qu'il y ait plusieurs yeux, plusieurs visions enregistrées sur la plaque, donc en plusieurs lieux. Est-ce qu'un seul grain de l'émulsion est capable de reconstituer l'intégralité de l'information relief ? Si oui, je ne comprends plus du tout ! L'info phase semble très insuffisante à elle seule.

Jean-Louis : Un seul grain ne suffit pas, il faut un réseau d'interférences. La phase fait tout, mais c'est codé sur une surface, pas sur un seul point.

Autre chose : lors de la projection, il n'y a pas d'écran (alors qu'avec d'autres procédés 3d il y en a un). Est-ce que l'on peut dire que ça passe de la plaque à la rétine, des « visions » de la plaque à celles de nos yeux sans intermédiaire, comme si on court-circuitait quelque chose ?

Jean-Louis : On voit l'hologramme derrière la plaque, c'est une image virtuelle, comme dans un miroir. Sauf que, la plaque étant transparente, tu peux mettre ta main dans l'image. Je crois qu'on sait aussi faire des hologrammes devant la plaque, mais je ne sais pas comment. Mais on ne sait pas faire des hologrammes "dans le vide", genre Guerre des étoiles.

Emmanuel : Donc il y a écran. Le relief est vraiment restitué dans l'air.

Jean-Louis : Non, pas d'écran. Comme une image dans un miroir, derrière la vitre.

Emmanuel : Mais alors pourquoi cela ne fonctionne-t-il pas dans le vide ?

Jean-Louis : Non, l'image holographique peut tout aussi bien être vue dans le vide. Les
miroirs fonctionnent aussi dans l'espace !
Quand je disais "hologramme dans le vide", je voulais dire projeté dans l'air, dans l'espace, sans support physique. Comme Obiwan Kenobi dans la guerre des étoiles.

Emmanuel : Je ne me souviens plus ! C'est si loin ! Je viens de prendre un coup de vieux.
Encore une chose en rapport avec le temps et l'espace : dans les années 70, j'ai vu un hologramme intéressant au Musée de l'holographie de Paris (aujourd'hui disparu).

Jean-Louis : Je l'ai visité, c'était vers Beaubourg.

Emmanuel : Avant la transformation du quartier des Halles/Beaubourg, c'était à l'Unesco (Paris VII^ème). C'est assez ancien. Cela remonte à 76 environ.
Ce hologramme qui restituait l'image d'une jolie femme en train de fumer. En tournant tout simplement autour de l'hologramme, on percevait parfaitement ses mouvements, les volutes, tout. C'était un véritable petit film. Prodigieux ! Avec un procédé holographique classique, sans intervention numérique, on peut donc aussi restituer le mouvement.
Est-ce que l'on obtient ce résultat en plaçant simplement le modèle sur un plateau tournant lors de la prise de vue ?

Jean-Louis : C'est assez compliqué, en fait. La scène a été filmée avec des impulsions laser, et entre chaque flash on faisait un peu tourner la plaque photo. Il y a une autre méthode où on prend plusieurs hologrammes, un par flash, on les coupe en bande et on les recolle. Chaque bande restitue sa scène.

Emmanuel : Beaucoup de travail.
Il me semble me souvenir qu'au musée version Unesco, on expliquait que l'on doit prendre plusieurs vues à cause du fait que l'on n'imprime jamais à chaque fois que le point de vue de la plaque. Je crois que cela pourrait correspondre à un passage en italiques d'un article de Wikipédia : « Chaque fragment de l'hologramme contient toute l'information de la scène vue de l'endroit où se trouvait le fragment. »

A l'inverse, que se passe-t-il si un plasticien décide de concentrer l'éclairage laser derrière l'objet et profite des lacunes d'un arrière - ou d'un avant - mal éclairé ?

Jean-Louis : Profiter des lacunes pour faire quoi?

Emmanuel : Ne pas présenter juste un objet bien net mais une scène derrière, à la limite des capacités de perception de la plaque. Enfin les plasticiens auront sûrement d'autres idées plus ou moins du même genre, surtout lorsque le procédé deviendra plus commun.

Jean-Louis : Je ne sais pas si c'est appelé à devenir très commun. Il faut quand même pas mal de matériel, surtout pour holographier de grandes scènes. Et la restitution n'est vraiment bonne que si on utilise un laser, donc ça multiplie les coûts. Si tu fais une expo avec 5 hologrammes de 50cm X 50cm il te faut 5 lasers à 200 ou 300 kilo-euros pièce, et s'ils tournent tous les jours pendant 1 mois, tu vas avoir de la maintenance...

Emmanuel : La restitution sans laser donc sans l'info "phase", ça donne une mauvaise image ?

Jean-Louis : Ca peut être plutôt mauvais, carrément invisible...

Emmanuel : Comme un banal « logo de carte bleue ». Dommage.
Mais ça veut dire qu'il y a bien un petit apport du seul fait de la présence d'un réseau de « grains ». Comme tu dis, ce n'est pas une relation univoque de point à point comme en photo classique. Le deuxième schéma de l'article de Wikipédia que je citais ci-dessus le fait sentir intuitivement.

Dernière chose. On a vu que c'est l'information « phase » qui donne toute la précision du hologramme. En effet, l'information phase est signifiante sur la longueur d'un cycle d'onde visible, c'est-à-dire 400 à 800 nm environ. Un atome mesure 0,1 ou 0,2 nm. Le cycle balaye donc quelques milliers d'atomes, ce qui est peu. J'ai d'ailleurs entendu dire que l'on s'en sert dans l'industrie pour vérifier les dimensions d'objets manufacturés ultra-précis.

Et j'imagine que l'on doit savoir réaliser des lasers encore plus fins.
On se dit donc que l'ajustement des appareils doit représenter un travail gigantesque simplement pour que cela ne bouge pas à la prise de vue ! Et on imagine un coût pour cela. Pourtant, ne peut-on pas graver un simple dvd dans son salon avec les enfants, Médor et Minou faisant les fous tout autour ? Le diamètre du laser dvd est de 650 nm environ, sa couleur est maintenant bleue ou bleu-violet (plus ou moins autour de 450 nm - voir lien) et pourtant ça marche.
Donc finalement, tant pour les technologies laser que pour l'holographie proprement dite, est-ce que la technologie de l'immobilisation n'est pas un « travail de l'ombre » qui a peut-être nécessité presque autant de recherches que le hologramme ou le laser eux-mêmes ?