Hologramme
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Introduction

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 (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...) 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 (En informatique, un logiciel est un ensemble d'informations relatives à des traitements effectués automatiquement par un appareil informatique. Y sont...). Leurs caractéristiques sont difficiles à reproduire par des faussaires. Ils ne contiennent pas d'information 3D. Le relief (Le relief est la différence de hauteur entre deux points. Néanmoins, ce mot est souvent employé pour caractériser la forme de la surface de la Terre.) apparent s'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un...) quand on tourne le dispositif de 180° (la tête en bas). Le relief disparaît si l'on tourne de 90°.

Hologramme photographique

Les principes de l'holographie (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...) furent énoncés par le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot...) 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 (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain...) par Emmett Leith et Juris Upatnieks. En 1969 à l'université Stanford (La Leland Stanford Junior University, plus connue sous le nom d'université Stanford, est l'une des plus prestigieuses universités...), Karl H. Pribram, physiologiste du cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la motricité volontaire, et constitue le...) renommé, suggéra que l'hologramme offrait un puissant modèle des processus cérébraux. En 1971, David Bohm qui avait travaillé avec Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien qui fut...) conforta la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) de Pribram et soumit la proposition d'une organisation (Une organisation est) holographique de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Pribram stipula que notre cerveau se comporte comme un hologramme et que la vraie réalité se trouve dans l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) que détectent nos sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du vieillissement, suivi de son...) et pas dans les objets que nous appelons réels. Selon lui, nos sens se conjuguent pour créer l'illusion du monde (Le mot monde peut désigner :) 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 (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l'une avec l'autre. Ce phénomène apparaît...) entre les ondes issues de l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné...) 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 (En météorologie maritime: Un grain est un vent violent et de peu de durée qui s'élève soudainement et qui est généralement accompagné de précipitations. Il se produit généralement...) très fin.
  • une disposition mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de...) qui supprime ou compense des vibrations à des amplitudes inférieures au micron.
  • une source de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde...) 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 (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) de l'hologramme. Un petit morceau d'un hologramme permet de reconstituer toute l'image. Mais la définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) (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 (On qualifie de monochromatique (du grec mono-, un seul et chromos, couleur) une lumière dont la couleur n'est formée que d'une fréquence ou, par extension de...), 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.

Principe de fonctionnement

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 (Graphie) réfléchissant la lumière. Cette description est seulement schématique et ne respecte pas les échelles entre les objets et les longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.). Elle ne sert qu'à comprendre le principe.

Enregistrement d'un hologramme

Enregistrement de l'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 ( Le mot rond caractérise et par abus de langage désigne un cercle ou une sphère. En argot, un rond c'est un sou. Une affaire rondement menée est une affaire traitée rapidement en ayant passé tous les...) blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu, d'où l'image que...). 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 (Dans cette simple équation d’onde :). 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 (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de...), 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

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 (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) – ou favorise – que la lumière qui a la « bonne » phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) 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 (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) 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 (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) 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 (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum...) – 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 (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) du terme) gênantes à la lecture.

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