Holographie - Définition et Explications

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L'holographie du visible est un procédé de photographie en trois dimensions utilisant les propriétés de la lumière cohérente issue des lasers. Le mot holographie vient du grec holos " en entier " et graphein " écrire ". Holographie (L'holographie du visible est un procédé de photographie en trois dimensions utilisant les...) signifie donc " tout représenter ".

Le principe de l'holographie a été découvert par Dennis Gabor (Dennis Gabor (5 juin 1900 à Budapest, Hongrie - 8 février 1979 à Londres) était...) en 1948 alors qu'il travaillait à l'amélioration de microscopes électroniques dans la compagnie Thomson-Houston à Rugby en Angleterre (L’Angleterre (England en anglais) est l'une des quatre nations constitutives du Royaume-Uni....). Une source cohérente est utilisée pour interférer avec le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) diffracté par un " objet ". Cette interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type...) est soit enregistrée pour donner un hologramme (L'hologramme est le produit de l'holographie. Il s'agit historiquement d'un procédé de...), soit modifiée par une lentille qui en donnant une transformée de Fourier (En analyse, la transformation de Fourier est un analogue de la théorie des séries de Fourier pour...) forme une " image 3D " de l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...).

On produit un hologramme en éclairant un objet par une source de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) cohérente (laser) et en enregistrant sur une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) sensible (par exemple, une plaque photographique) les franges d’interférences obtenues en combinant l’onde émise par la source laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) (onde de référence) et l’onde réfléchie par l’objet. Lors de la " restitution " de l’image holographique, l’hologramme est éclairé par un laser (voire par une lumière non cohérente) et il agit alors comme un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...), pour former une image en relief (Le relief est la différence de hauteur entre deux points. Néanmoins, ce mot est souvent employé...) de l’objet initial. Un avantage de cette technique est que chaque morceau d’hologramme peut restituer la même image que l’hologramme entier, netteté mise à part, même si l’on a cassé la plaque. Au lieu d’être produit à partir d’un objet réel, un hologramme peut être aussi calculé par un ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant...) à partir d’une image de synthèse en 3D.

Il a fallu attendre la mise au point (Graphie) des lasers dans les années soixante pour que son application avec des ondes optiques soit menée, parallèlement aux États-Unis et en URSS.

Principe de l'holographie

Lorsqu'on photographie un objet de façon classique, on enregistre sur une plaque sensible la luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit...) des différents points de cet objet. Autrement dit, seule la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) par unité de surface des ondes lumineuses émises par cet objet est prise en compte.

On ne peut pas enregistrer la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) de la lumière. Aucune surface sensible (rétine, plaque photographique, capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une...) à semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un...), etc.) n'est sensible à la phase. Dans un hologramme on contourne cette difficulté en faisant interférer la lumière venant de la scène avec un faisceau de référence de lumière cohérente avec la lumière éclairant la scène. De telle manière, ce que l'on enregistre sur la plaque photographique est une image interférométrique formée par de zones plus ou moins lumineuses. Les zones le plus lumineuses seront celles dans lesquelles la lumière venant de la scène et celle du faisceau de référence sont en phase. Cette luminosité dépendra aussi de l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de la lumière venant de la scène.

L'hologramme ainsi enregistré et traité sera lu en l'éclairant avec un faisceau de lumière monochromatique (On qualifie de monochromatique (du grec mono-, un seul et chromos, couleur) une lumière dont la...) similaire à celui utilisé comme référence. L'hologramme laissera passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) plus de lumière aux endroits où l'amplitude de la lumière venant de la scène était plus grande est surtout là où la phase de cette lumière était proche de celle du faisceau de référence. L'hologramme n'enregistre pas vraiment la phase de la lumière (c'est impossible) mais il enregistre les endroits où la phase "était la bonne". Ainsi, lors de la lecture, la phase de la lumière qui sort de l'hologramme n'est pas identique à la phase de celle qui la enregistré, mais elle est suffisamment proche, pour que cette information de phase permette de restituer la profondeur de l'objet, et de recréer l'image réelle (au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) optique) de la scène.

L'aspect d'un hologramme est celui d'une pellicule gris plus ou moins uniforme. Les détails sont pratiquement invisibles car ils sont de dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) comparables à la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) de la lumière (un demi-micromètre pour le vert).

Enregistrement d'un hologramme

Écriture d'un hologramme

Pour enregistrer un hologramme, il faut parvenir à coder sur un support l'amplitude et la phase de la lumière issue de l'objet considéré. Pour cela, on fait interférer deux faisceaux cohérents sur une plaque photographique. Le premier faisceau, appelé onde de référence, est envoyé directement sur la plaque. Le second, appelé onde objet, est envoyé sur l'objet à photographier, qui diffuse cette lumière en direction de la plaque photographique. La figure d'interférences ainsi formée contient toutes les informations concernant l'amplitude et la phase de l'onde objet, c'est-à-dire la forme et la position de l'objet dans l'espace.

Puisqu'il fait intervenir un phénomène d'interférences, l'enregistrement holographique n'est possible que si la lumière utilisée est cohérente, c'est-à-dire :

  • monochromatique (cohérence temporelle)
  • en phase (cohérence temporelle)
  • directive (cohérence spatiale)

La seule source de lumière qui répond à ces exigences est le laser.

On mentionne depuis 1973 (IBM Systems Journal), et à intervalles irréguliers depuis, la création expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) d'hologrammes par ordinateur (infographie), c'est-à-dire la réalisation directe d'un réseau calculé à partir d'un modèle numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) de l'image à obtenir. Mais cette opération étant lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) et donc non-interactive (pour le moment), elle n'a pas bouleversé la profession.

Lecture d'un hologramme

Lecture d'un hologramme

Après développement de la plaque photographique, on éclaire celle-ci avec l'onde de référence. En pratique il peut s'agir du laser utilisé lors de l'enregistrement, éclairant la plaque avec le même angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) d'incidence. L'onde restituée par la plaque est alors une onde identique à l'onde objet, avec la même amplitude et la même phase que lors de l'enregistrement. En regardant un hologramme, nous avons vraiment l'impression que l'objet se situe devant nous. Cependant les couleurs ne sont généralement pas restituées, à cause de l'utilisation d'une source laser monochromatique.

Certains hologrammes peuvent aussi être regardés avec une lumière non cohérente: la profondeur de l'image bien restituée est d'autant plus grande que cette lumière incidente est plus directive et plus monochromatique. Des hologrammes pas trop profonds sont ainsi très convenablement restitués quand ils sont directement exposés à la lumière du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...), directive seulement à un demi-degré près et pas du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) monochromatique.

Holographie numérique

Il faut aussi mentionner que, depuis quelques années, une nouvelle branche de l'holographie s'est développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...): l'holographie numérique. En effet, grâce aux progrès dans le domaine des caméras numériques et celui des ordinateurs, il est maintenant possible d'enregistrer un hologramme sur une caméra numérique (Une caméra numérique est un appareil d'enregistrement d'images animées et du son sur un support...), et de reconstruire l'objet numériquement en simulant le processus d'illumination de l'hologramme avec une "onde de référence numérique".

Cette idée a été proposé pour la première fois en 1967 par J.W Goodman et R.W Laurence dans l'article "Digital image formation from electronically detected holograms". Ils enregistraient encore l'hologramme sur une plaque photographique, mais ils l'échantillonaient de manière numérique afin de reconstruire l'objet numériquement. L'holographie numérique complète dans le sens de l'enregistrement et de la reconstruction a été effectuée tout d'abord par O. Coquoz et al. (O. Coquoz et al. "Numerical reconstruction of images from endoscopic holograms," presenté à la 14e Annual International Conference of the IEEE - EMBS, Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...), IEEE, p.338-339, 1992.) puis par U. Schnars et W. Jüptner en 1994 quand ils ont introduit une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil...) CCD comme support d'enregistrement ((lien)). En 1999, Cuche et al. ont appliqué l'holographie numérique à la microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) et ont démontré que, à partir d'un unique holograme numérique, on peut mesurer les valeurs quantitatives de l'amplitude et de la phase d'une onde, avec une résolution latérale de l'ordre du micron (semblable à la microscopie classique) et surtout avec une résolution axiale de l'ordre du nanomètre ((lien),(lien)). Depuis cette date, de nombreux groupes à travers le monde (Le mot monde peut désigner :) travaillent sur le sujet de l'holographie numérique.

L'avantage de cette technique est la possibilité d'enregistrer des hologrammes à fréquences vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la...) et donc d'obtenir des vues tridimentionnelle quantitatives d'objets en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) réel. De plus, il a été montré que, avec l'introduction d'objectifs de microscopes, il est possible de représenter quantitativement la forme d'objets microscopiques comme des cellules ((lien)). Enfin, comme le processus de reconstruction se fait numériquement, il est possible d'appliquer des traitements numériques sur l'hologramme ou dans le processus afin d'améliorer la qualité des images, de changer la position du plan de reconstruction ou encore de compenser les aberrations.

Formalisme succinct pour l'enregistrement et la lecture

En un point du support photographique, l'éclairement E est :

E = (O + R)(O + R) *

O est l'amplitude complexe de l'onde objet et R celle de l'onde de référence. Cette expression de l'éclairement tient compte de l'interférence entre les deux ondes mises en jeu. Toutes les grandeurs considérées dépendent du point de l'hologramme considéré, i.e de la variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...) d'espace \vec r.

Prenons l'hypothèse simple d'un hologramme fonctionnant en transmission, dont la transmittance est simplement proportionnelle à l'éclairement :

t = A * E = A * (OO * + RR * + OR * + RO * )

Lorsqu'on vient relire cet hologramme avec une onde de lecture égale à l'onde de référence R, nous obtenons une onde diffractée dont l'amplitude complexe U est donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) par :

U = t * R = A * [O + 2 * R + O * ].

Ici, on a considéré des ondes d'amplitude unitaire, c'est-à-dire OO * = 1 et RR * = 1.

Explicitons ces trois termes :

  • Le premier terme O est la restitution de l'onde objet (ordre +1 de diffraction)
  • Le deuxième terme 2 * R est l'ordre 0 de diffraction (transmission de l'onde de lecture R)
  • Le troisième terme est l'onde objet conjuguée (ordre -1 de diffraction)

La perception de l'objet par l'observateur se fait grâce au premier terme.

Types d'hologrammes

On distingue 3 types de support holographiques :

  • Les supports minces
  • Les hologrammes à modulation de la surface, tels que les hologrammes arc-en-ciel (Un arc-en-ciel est un phénomène optique et météorologique qui rend visible le...) présentant un effet miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme...), ou les caméras holographiques sans effet miroir
  • Les hologrammes de volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) (dans des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) photoréfractifs par exemple)

On distingue également deux types de fonctionnement d'hologramme. Si l'onde de référence et l'onde objet sont du même côté par rapport au support holographique lors de l'enregistrement, on parle d'hologramme par transmission. Dans le cas contraire il s'agit d'hologramme par réflexion.

Applications de l'holographie

Imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui...) holographique

  • Hologrammes d'objets rares ou fragiles exposés dans les musées
  • Publicité (Bien que le terme (Werbung en allemand, Publicity et Advertising en anglais) désignât d'abord le...)
  • Industrie des loisirs (jeux, souvenirs, etc.)

Protection

  • Protection contre les contrefaçons (cartes de crédit)
  • Surveillance d'accès (badges holographiques)

Stockage d'information

L'holographie de volume par exemple permet d'enregistrer un très grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) d'images dans un volume restreint. En théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...), une telle mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir...) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) permettrait de stocker environ 1014 bits par cm3 .

Lecture

L'holographie permet par exemple de remplacer un écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent...) et de percevoir un film ou une émission en 3D

Contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) — Mesure

  • Positionnement (On peut définir le positionnement comme un choix stratégique qui cherche à donner à une offre...) tridimensionnel de petit objet (de l'ordre de 10 a 100 fois la longueur d'onde de la reference). Cette technique est notamment utilisée pour la localisation de traceur dans un jet en mecanique des fluides. L'avantage de cette méthode est qu'elle ne nécessite qu'un seul capteur pour un positionnement 3D (donc moins de calibration).
  • L'interférométrie (L'interférométrie est une méthode de mesure qui exploite les interférences intervenant entre...) holographique permet, en comparant l'hologramme d'un objet dans un état donné à l'hologramme de cet objet ou à l'objet lui-même dans un autre état, de mesurer et déceler les défauts de structures ou d'endurance (L'endurance est la capacité de maintenir dans le temps un certain niveau d'intensité...). On obtient un résultat similaire au moiré : l'écart entre l'objet et l'image génère des franges claires et sombres.

Sources

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