L'Holographie

On a pu voir récemment à la télévision deux programmes américain de « news » durant lesquels aucun journaliste n’était physiquement présent sur le studio. Il s’agissait en fait simplement d’hologrammes de ces journalistes et présentateurs télé. La technologie de l’holographie est depuis ce jour au devant de la scène, et il se pourrait alors que le cinéma du futur, après la récente explosion de la 3D, soit le cinéma de l’holographie. Il nous a donc semblé intéressant d’étudier simplement cette technologie en tant qu’ouverture à notre sujet qui porte sur la science et le cinéma. Cependant, étant donné qu’il s’agit d’une ouverture, et que le cinéma et l’holographie ne sont pas encore réellement liés, nous n’étudierons que les grands principes de cette technologie sans rentrer réellement dans les détails très complexes et qui pourraient certainement constitués un sujet d’étude à eux seuls. Nous distinguerons durant notre analyse l’holographie analogique et l’holographie numérique.
Commençons d’abord par quelques définitions.
L’holographie est la technique qui permet l’enregistrement et la restitution complète d’une image ( on y voit toutes les informations, y compris celles concernant les distances ). On peut ainsi la distinguer d’une simple photographie dans la mesure où celle-ci ne donne aucune information de distance. On appelle hologramme ce qui résulte de l’holographie. Etymologiquement parlant «holographie provient du grec holos signifiant entier et de graphein qui signifie écrire.
Un laser est un appareil permettant l’émission d’une lumière monochromatique et cohérente. Etymologiquement parlant, le nom laser est en réalité l’acronyme de « Light Amplification by Stimulated emission of Radiation », c'est-à-dire que la lumière émise par le laser est amplifiée grâce à la désexcitation d’un électron dont la transition entre les deux états électroniques correspond à la longueur d’onde émise.
La longueur d’onde correspond à un instant donné à la plus courte distance séparant deux points exactement identiques d’une onde. C’est en quelque sorte l’équivalent de la période dans l’espace.
Ensuite, une lumière est dite monochromatique lorsque sa couleur n’est composée que d’une fréquence, c'est-à-dire que le rayonnement est émis à une longueur d’onde précise. Le laser est l’archétype des lumières monochromatiques. Etymologiquement parlant, monochromatique vient du grec mono qui signifie un seul, et chromos qui signifie couleur.
Définissons ensuite la cohérence d’une lumière. Une lumière est dite cohérente lorsqu’elle est constituée d’ondes qui peuvent soit se superposer soit s’annuler ce qui créé des franges d’interférences. Si une lumière n’est pas cohérente, on dit qu’elle est chaotique. Par exemple la lumière d’un laser est cohérente, tandis que la lumière d’une ampoule est chaotique.
La photosensibilité correspond à la propriété que possède certains matériaux ( ou organismes ) à réagir à la lumière.
Enfin interférences est le terme désignant la rencontre de deux ondes de même type qui vont interagir l’une avec l’autre.

Historique

L’holographie est une méthode optique permettant d’enregistrer le « relief » d’un objet sur une plaque plane photosensible et de reconstruire cet objet en 3D. Elle pourrait être à terme utilisée pour le cinéma et la télévision.
Nous allons ici étudier l’holographie dite analogique puis l’holographie dite numérique, en traitant tant de l’enregistrement que de la reconstitution de l’objet.
L’holographie, tout du moins sa théorie, remonte au physicien anglo-hongrois Dennis Gabor qui en 1947 après une tentative infructueuse d’améliorer la résolution de son microscope optique parvient à copier un objet avec une nouvelle dimension, c’est celle de la phase de l’onde réfractée.
Depuis quelques années, grâce aux progrès des ordinateurs et des caméras numériques, on parle d’holographie numérique. Cependant cette idée a été pour la première fois proposée par J.W Goodman en 1967 et R.W Laurence dans un article nommé Digital Image Formation From Elecronically Detected Holograms. Les deux hommes enregistraient cependant encore l’hologramme sur une plaque photographique, mais ils l’échantillonnaient de manière numérique. Il faudra attendre 1994 avec U. Schnars et W. Jüptner pour parler d’holographie numérique complète ( avec un enregistrement et une reconstitution numérique ), grâce à l’introduction d’une caméra CDD comme support d’enregistrement. L’avantage de cette technique qu’est le numérique réside dans le fait qu’il est possible d’appliquer des traitements numériques sur l’hologramme pour améliorer la qualité des images, changer la position du plan de reconstruction ou bien compenser les aberrations
L’holographie nécessitant tant pour son enregistrement que sa restitution un faisceau de lumière dit cohérent, il faudra
attendre l’apparition du laser en 1962 pour que se développent les hologrammes.

L'Holographie Analogique

Rappelons d’abord qu’une onde est caractérisée d’abord par son amplitude (l’intensité), puis par sa longueur d’onde (qui détermine sa couleur dans le domaine visible), et enfin par sa phase. Cependant aucune partie de notre œil n’est sensible à la phase, c’est pourtant cette information qui nous donnera l’effet de trois dimensions. Pour obtenir un hologramme, il s’agit d’enregistrer sur une plaque photosensible l’amplitude et la phase de la lumière issue de l’objet que l’on souhaite représenter. On fait donc se croiser deux faisceaux de lumière sur la plaque. Ces deux faisceaux sont d’une part le faisceau ou onde de référence, c’est celui qui est envoyé directement sur la plaque photosensible, et d’autre part le faisceau ou onde objet qui correspond à l’onde diffusée par l’objet, éclairée par l’onde de référence. On fait ainsi intervenir un phénomène d’interférence que l’on enregistre directement sur la plaque photosensible. Si les deux ondes sont en phases elles s’additionnent et on parle d’ondes constructives, si elles sont en oppositions de phase elles se soustraient et on parle d’ondes destructives. Ainsi, la phase et l’amplitude de l’onde objet sont enregistrées ( on peut également dire codées ) sur la plaque photosensible ; cette dernière contient donc toutes les informations de l’objet sous un angle donné ( l’angle téta ).
L’holographie n’est possible qu’avec un laser dans la mesure où lui seul remplit les exigences :

de lumière cohérente
de lumière monochromatique
de rayon en phase, de même amplitude

Schéma de l’enregistrement d’un hologramme

Pour « lire » un hologramme analogique il faut dans un premier temps développer la plaque photosensible, et ensuite l’éclairer avec l’onde de référence qui sert en quelque sorte de clé de décryptage de l’information codée sur la plaque. On utilise souvent le même laser que celui employé pour l’enregistrement. Il ne faut cependant pas modifier l’angle d’incidence de l’éclairement de la plaque par l’onde de référence : c'est-à-dire que l’angle d’incidence de l’éclairement pour l’enregistrement doit être exactement le même pour la restitution, donc l’angle teta ( sur le premier schéma ) doit être égal à l’angle téta ( sur le second ).

Schéma de la restitution d’un hologramme

L'Holographie Numérique

L’holographie numérique diffère de l’holographie analogique non seulement de par les supports d’enregistrement qui sont utilisés mais également par les procédés de restitution de l’image de l’objet. Le principal avantage de l’holographie numérique, outre le fait que le support photosensible numérique est réutilisable, réside dans le fait que l’acquisition de l’image se fait sans avoir à passer par un développement chimique, ce qui représente un gain de temps plus que considérable. Le capteur d’images remplace ici le support photosensible utilisé pour l’holographie analogique. La procédure d’enregistrement reste la même, l’objet diffracte une onde qui interfère avec une onde de référence dans le plan d’enregistrement. Pour les capteurs on peut distinguer deux types de technologies : la technologie CDD (Charges Coupled Devices) et la technologie CMOS (Complementary Metal-Oxyde Semi-conductor). Les matrices d’éléments photosensibles sont appelés pixels et possèdent une géométrie de type carré. Contrairement aux enregistrements analogiques, qualifiés de haute résolution, l’enregistrement numérique est qualifié de basse résolution.

Bibliographie

http://www.stielec.ac-aix-marseille.fr/cours/caleca/fibroptique/lumiere.htm
http://www.lapyramide.org/mee_vitalite.html#lum
http://vannator.leroi.free.fr/
http://www.masc.ulg.ac.be/fiches/FR/holographie.pdf