Hologramme

L'hologramme est le produit de l'holographie. Il s'agit historiquement d'un procédé de photographie en relief. Aujourd'hui, un hologramme représente une image en trois dimensions apparaissant comme « suspendue en l'air ». Le mot hologramme provient du grec holos « en entier » et gramma « lettre ».

On appelle aussi, à tort, « hologrammes » les dispositifs que l'on appose sur des cartes bancaires, billets, passeports ou boîtes de logiciel. Leurs caractéristiques sont difficiles à reproduire par des faussaires. Ils ne contiennent pas d'information 3D. Le relief apparent s'inverse quand on tourne le dispositif de 180° (la tête en bas). Le relief disparaît si l'on tourne de 90°.

Les principes de l'holographie furent énoncés par le physicien hongrois Dennis Gabor en 1948 après qu'il eut découvert des équations évoquant un système photographique tridimensionnel qu'il appela holographie. Le premier hologramme fut construit en 1965 à l'aide d'un laser par Emmett Leith et Juris Upatnieks. En 1969 à l'université Stanford, Karl H. Pribram, physiologiste du cerveau renommé, suggéra que l'hologramme offrait un puissant modèle des processus cérébraux. En 1971, David Bohm qui avait travaillé avec Albert Einstein conforta la théorie de Pribram et soumit la proposition d'une organisation holographique de l'univers. Pribram stipula que notre cerveau se comporte comme un hologramme et que la vraie réalité se trouve dans l'énergie que détectent nos sens et pas dans les objets que nous appelons réels. Selon lui, nos sens se conjuguent pour créer l'illusion du monde qui nous entoure.

Contrairement à la photographie traditionnelle, qui ne contient qu'une information bidimensionnelle, un hologramme contient beaucoup d'informations tridimensionnelles. Il résulte en une image d'interférence entre les ondes issues de l'objet photographié et d'une partie du même faisceau laser utilisée pour éclairer l'objet. Les détails dans l'hologramme sont très petits (inférieurs au micromètre). Sa réalisation demande :

• des pellicules spéciales avec du grain très fin.
• une disposition mécanique qui supprime ou compense des vibrations à des amplitudes inférieures au micron.
• une source de lumière avec une distance de cohérence de l'ordre de grandeur de la distance entre l'objet photographié et la plaque sensible.

L'information de la totalité de la scène est distribuée sur toute la surface de l'hologramme. Un petit morceau d'un hologramme permet de reconstituer toute l'image. Mais la définition (netteté) de l'image sera plus faible et les angles sous lesquels on peut observer la scène seront plus restreints.

Si l'on tourne l'hologramme, l'image pivote avec lui, mais conserve sa profondeur.

L'hologramme est enregistré avec une lumière monochromatique, ponctuelle et cohérente : le laser.

Il existe deux sortes d'hologrammes.

• Les hologrammes à réflexion, qui s'éclairent à la lumière comme une lampe si elle est bien orientée vers l'hologramme; ce sont les plus courants.
• Les hologrammes à transmission, qui réclament pour être vus une lumière identique à celle qui a servi à les enregistrer : un laser.

Si on prend un petit caillou et qu'on le jette dans l'eau, il va produire une série d'ondes. Maintenant si on prend 2 cailloux et qu'on les jette dans l'eau en même temps, leur ondes vont interférer.

C'est le même principe avec l'hologramme. On prend une plaque photographique spéciale et on prend un faisceau laser scindé (avec des miroirs semi-réfléchissants) en deux faisceaux cohérents. On en envoie un directement sur la plaque et l'autre sur l'objet à holographier où il est réfléchi sur la plaque. Les interférences entre les deux faisceaux vont imprimer une image 3D sur la plaque. Pour restituer l'image, il faut envoyer un faisceau laser sous la plaque. Contrairement à une photographie où seule l'intensité est enregistrée sur la plaque, l'hologramme contient également une notion de distance (phase de l'onde) qui résulte de l'interférence avec le second faisceau.

Pour comprendre le principe de fonctionnement nous allons décrire l'enregistrement d'un hologramme mince d'une scène qui ne comporte qu'un seul point réfléchissant la lumière. Cette description est seulement schématique et ne respecte pas les échelles entre les objets et les longueurs d'onde. Elle ne sert qu'à comprendre le principe.

Enregistrement d'un hologramme

Dans la figure de droite on éclaire la scène avec des ondes planes venant de gauche. Une partie de cette lumière est réfléchie par le point représenté par un rond blanc. Seules les ondes réfléchies vers la droite ont été dessinées. Ces ondes sphériques s'éloignent du point et s'additionnent avec les ondes planes qui illuminent la scène. Là où les sommets coïncident avec des sommets et les creux avec des creux, il y aura un maximum d'amplitude. Symétriquement, quand des sommets coïncident avec des creux, l'amplitude sera moindre. Il faut remarquer qu'il y a des points de l'espace qui correspondent toujours à un maximum d'amplitude et d'autres qui correspondent toujours à un minimum d'amplitude.

On place une surface photosensible à l'endroit indiqué par des pointillés. La surface sensible subira un maximum d'exposition là où l'amplitude est maximale et moins là où l'amplitude est minimale. Après traitement adéquat de la plaque, les zones très exposées deviendront plus transparentes que les zones moins exposées. Dans la figure nous avons entouré de pointillés les zones qui deviendront plus opaques.

Il est intéressant de remarquer que si, pendant l'exposition, la plaque se déplace d'une demi longueur d'onde, une bonne partie des zones aura changé de peu exposé à plus exposé et réciproquement. Dans ce cas l'enregistrement échouera.

Lecture de l'hologramme

On éclaire l'hologramme avec des ondes planes venant de gauche. La lumière passe par les « trous » non opaques de l'hologramme, et chaque « trou » donne naissance à des ondes demi-sphériques qui se propagent à droite de la plaque. Dans la figure de droite nous avons dessiné uniquement le sommet de la partie plus intéressante de ces ondes. On constate que les ondes qui sortent des trous de la plaque s'additionnent pour donner des fronts d'onde sphériques similaires à ceux produits par la lumière diffusée par le point lumineux. Un observateur placé à droite de l'hologramme voit de la lumière qui semble sortir d'un point placé là où se trouvait le point réfléchissant. Ceci est dû au fait que l'hologramme ne laisse passer – ou favorise – que la lumière qui a la « bonne » phase au « bon endroit ».

Un objet à la place d'un seul point

Dans la réalité, la lumière réfléchie par une petite partie d'un objet (le point de l'exemple précédent) est faible et ne peut que rendre des zones de l'hologramme un tout petit peu plus opaques ou transparentes. Ceci n'empêche pas la création des fronts d'onde demi-sphériques lors de la lecture de l'hologramme. Seulement l'observateur trouvera que le point n'est pas très brillant.

Un deuxième point réfléchissant ajoutera, lors de l'enregistrement, ses propres zones un peu plus claires ou sombres. À la lecture, le deuxième jeu de zones claires et sombres créera un autre ensemble de fronts d'onde demi-sphériques qui sembleront sortir de la position où se trouvait le deuxième point. Si le point se trouvait plus loin de la plaque, on le « verrait » plus loin et réciproquement. L'hologramme a enregistré l'information tridimensionnelle de la position des points. Un objet étendu n'est autre chose qu'un ensemble de points. Chaque zone ponctuelle de l'objet crée des zones plus ou moins grises qui s'ajoutent sur la plaque. Chaque ensemble de zones grises crée, à la lecture, des ondes demi-sphériques qui semblent sortir du « bon » endroit de l'espace : nous revoyons l'image (virtuelle) de l'objet.

Dans la pratique ce type d'hologramme – mince et avec éclairage perpendiculaire – est très peu utilisé car les émulsions sensibles sont plus épaisses que la longueur d'onde. De plus les hologrammes droits donnent aussi des images réelles (dans le sens optique du terme) gênantes à la lecture.

À l'occasion de l'élection présidentielle américaine de 2008, la chaîne américaine CNN utilise pour la première fois un hologramme à la télévision. Sur le plateau, le présentateur parle avec l'hologramme d'une journaliste, présente à 1 250 km de là, puis avec celui de plusieurs invités dont l'artiste Will.i.am. En réalité, il ne s'agit pas de véritables hologrammes, le présentateur ne pouvait pas les voir et parlait donc dans le vide avec un simple retour écran ; l'image reconstituée étant intégrée à la vidéo diffusée en temps quasi-réel. En réalité, il s'agit là d'une simulation d'hologramme, la technique étant celle d'une incrustation video 3D qui ne donne qu'à l'image TV l'impression holographique (le présentateur, lui, n'est en face de rien, même pas une image). La technique utilisée est la Tomographie, notamment utilisée en imagerie médicale.

D'autres applications ont été faussement imputables à l'holographie, par exemple la prestation de Gorillaz et de Madonna aux Emmy Awards, qui représente une simple projection animée sur un écran, jouant sur le principe d'illusion d'optique. Depuis septembre 2009, la chanteuse Lara Fabian, présente un spectacle où le système holographique est appliqué pour la première fois au monde sur scène. On voit donc accompagner la chanteuse par ses choristes, et ses musiciens par ce système. Sur scène on voit également Édith Piaf, Véronique Sanson, Françoise Hardy, Nana Mouskouri, ou encore son amie Maurane.