La photographie à trois dimensions
de notre correspondant aux îles Britanniques
EN MARS 1977, les visiteurs de la Société Royale des Arts à Londres ont assisté à la démonstration d’une méthode nouvelle et passionnante, considérée comme un prodige de la photographie au vingtième siècle. Il s’agit de l’holographie. En cette occasion, on pouvait voir l’image à trois dimensions [3 D] d’un téléphone suspendu dans l’air, si réaliste que vous auriez été excusable de vouloir vous en servir.
L’exposition, qui avait pour but de faire connaître au public les applications scientifiques et plaisantes des rayons lasers, s’appelait à juste raison “Lumière fantastique”. Comme les visiteurs ont pu s’en rendre compte, au lieu d’avoir un cliché sur une surface plane, l’holographie permet de projeter dans l’espace une image à 3 D que l’on peut regarder sous différents angles.
Peut-être avez-vous entendu prononcer les mots “holographie” et “hologramme” en rapport avec les applications récentes des rayons lasers à des fins divertissantes. Dans les jeux de lumière aux rayons lasers, ces rayons multicolores, tels des dards tourbillonnants et spiralés, modulent selon le rythme de la musique. Parfois, on se sert des images à 3 D de l’holographie pour obtenir des effets spéciaux.
Le fonctionnement
On emploie le terme “holographie” pour décrire le procédé, car le préfixe “holo” signifie “tout entier” ou “complet”. Les images obtenues par l’holographie sont plus complètes que par un procédé photographique classique.
On peut comprendre le principe fondamental de l’holographie en comparant celle-ci à l’enregistrement et à la reproduction du son. Prenons l’exemple d’un orchestre symphonique qui interprète une œuvre de musique classique, les notes produites par les divers instruments donnant un ensemble complexe de sons. Bien entendu, cet ensemble peut être enregistré, le disque “emmagasinant” le son sous une forme codée (en réalité, par des variations dans ses sillons). Quand on passe le disque, on entend un ensemble de sons qui reproduit les notes originales issues de l’orchestre, car des ondes sonores identiques ont été reconstituées.
De la même façon, l’holographie enregistre les ondes lumineuses pour les reproduire plus tard. Voyons comment cela est possible.
Tout d’abord, que faut-il pour que nous puissions voir une personne, une scène ou un objet? Comme nous ne pouvons pas voir dans le noir, nous avons besoin de lumière venant soit du soleil, soit d’une autre source. D’ailleurs, toutes les parties d’un objet, si minuscules soient-elles, reflètent de la lumière, dont l’intensité et les couleurs varient. Issu de l’objet, un ensemble complexe de lumières est donc produit, semblable aux sons issus de l’orchestre. Nous voyons l’objet lorsque cet ensemble atteint nos yeux et qu’il est analysé par le cerveau.
Supposons que l’ensemble des ondes lumineuses venant d’un ami assis en face de vous soit interrompu et enregistré ou “emmagasiné” de la même façon qu’un disque “emmagasine” les sons. Votre ami se lève et s’en va. Si vous “passez ce disque”, le même ensemble de lumières sera reconstitué et atteindra vos yeux et votre cerveau. La personne semblera réapparaître. De plus, puisque les ondes lumineuses reconstituent et reproduisent l’original (comme dans le cas de la reproduction des sons), une image à 3 D apparaît, identique à la personne.
C’est là la principale différence entre la photographie et l’holographie. La photographie donne une image plane d’une scène ou d’une personne, comme le tableau d’un artiste, mais l’holographie reconstitue l’ensemble original des ondes lumineuses elles-mêmes.
Comment faire un hologramme?
Le support sur lequel les ondes lumineuses sont “emmagasinées” est appelé “hologramme”. Semblable au film d’un appareil photo, mais de meilleure qualité, il a généralement la forme d’une plaque photographique en verre.
Le schéma 1 montre comment est fait l’enregistrement. Un pinceau de lumière venant d’un laser est d’abord divisé en deux parties par un miroir spécial. Une partie (appelée “onde de référence”) est dirigée sur la plaque photographique tandis que l’autre illumine l’objet. Le faisceau lumineux réfléchi par l’objet diffuse en direction de la plaque photographique. La lumière, venant des deux directions, atteint donc la plaque et produit sur elle un enregistrement très détaillé.
Le schéma 2 montre comment le procédé de la reconstitution s’effectue pour donner une image à 3 D. La plaque est d’abord développée (comme dans le cas d’une photographie) et l’on supprime l’objet. On éclaire alors la plaque par un seul faisceau lumineux. La lumière, en pénétrant dans la plaque, est modifiée par l’ensemble des ondes lumineuses que celles-ci contient. La lumière qui en résulte reproduit exactement la lumière originale venant de l’objet et celui-ci semble réapparaître. Pour le spectateur, la plaque photographique est comme une fenêtre à travers laquelle il peut voir l’objet en relief. En regardant par la “fenêtre” dans différentes directions, il voit l’objet sous divers angles. L’image est d’un tel réalisme que le spectateur peut être tenté d’étendre la main et de la toucher, mais, bien entendu, il n’y a rien.
Des propriétés intéressantes
Les hologrammes et les images qu’ils produisent ont de nombreuses propriétés curieuses et attrayantes. La plaque holographique est l’équivalent du négatif obtenu au moyen d’un film. Cependant, elle est différente à certains égards. Par exemple, si vous regardez à la lumière un négatif en noir et blanc, vous constaterez qu’il contient l’image (en couleurs inversées, les zones sombres sont claires, et les zones claires sont sombres). Mais tenez une plaque holographique à la lumière, et ce que vous verrez ne ressemble en rien à une quelconque image. C’est seulement au microscope que l’on découvre quelque chose, et encore il ne s’agit que d’un ensemble tout à fait irrégulier et indéchiffrable de lignes, de taches et de circonvolutions.
Si une partie d’un négatif ordinaire est endommagée ou coupée, la partie correspondante de la photo sera abîmée ou manquera. Mais écrasez une plaque holographique en verre et vous serez surpris. L’image entière peut être reconstituée à partir de n’importe lequel des morceaux. La qualité en souffrira quelque peu, selon la dimension du morceau. Néanmoins, l’image sera toujours complète.
Sous plusieurs aspects, le réalisme d’une image à 3 D produite à partir d’un hologramme est évident. Si vous changez de position tandis que vous regardez à travers la “fenêtre” (la plaque holographique en verre), la perspective de l’image change, tout comme si vous regardiez la scène originale. Si quelque chose au premier plan vous empêche de voir un objet, vous pourrez apercevoir ce dernier en bougeant la tête. Vous découvrirez aussi que votre pupille se modifie selon que vous regardez des parties rapprochées ou éloignées de la scène, et si vous êtes myope, vous aurez besoin de vos lunettes.
Il se produit un effet intéressant quand on réalise l’hologramme d’une bague en diamant. Dans l’image holographique, le diamant scintille de mille feux qui apparaissent ou disparaissent suivant les mouvements de la tête du spectateur, tout comme dans le cas d’un diamant réel.
Brièvement, disons que la reconstitution a, sur l’aspect visuel, toutes les propriétés de l’objet véritable.
Certains progrès
Les principes fondamentaux de l’holographie sont connus depuis plus de 30 ans, puisque cette technique a été inventée en 1948 par Dennis Gabor. Mais ce n’est que dans les années 60, avec l’invention du laser, qu’on a pu démontrer pleinement les capacités de l’holographie. Un laser est une source de lumière pure, régulière ou “cohérente”. Et ce genre de lumière est généralement nécessaire pour enregistrer des hologrammes d’objets. Cependant, l’usage de lasers a des désavantages en ce qui concerne les applications pratiques de l’holographie. Les rayons lasers sont onéreux et ils sont parfois dangereux. Peut-on réduire à un minimum leur usage?
On doit un grand progrès à cet égard au chercheur soviétique Yu. N. Denisyuk. Il a eu l’idée remarquable de combiner l’holographie avec une forme de photographie en couleurs inventée par le physicien français Gabriel Lippmann en 1891. Grâce à l’idée de Denisyuk, si l’on doit toujours employer les lasers pour enregistrer l’hologramme (schéma 1), dans la reconstitution (schéma 2), on peut se servir d’une source de lumière classique. De plus, en utilisant trois lasers pendant l’enregistrement correspondant aux trois couleurs fondamentales (rouge, vert et bleu), l’hologramme donne une image entièrement en couleurs.
Il existe un moyen assez particulier appelé “technique multi-plex” qui permet d’éviter complètement l’usage de lasers. La méthode consiste à faire l’hologramme à partir d’un grand nombre de photos ordinaires. Une personne est assise sur un plateau qui tourne lentement, et à l’aide d’une caméra ordinaire, elle prend des centaines de vues, dans tous les sens. Les vues sont synthétisées en un hologramme unique à partir duquel on peut reconstituer une image à 3 D. La technique a permis d’enregistrer le mouvement dans l’hologramme, du moins dans une certaine mesure. On peut voir une personne remuer la main ou sourire. Cela fait penser aux premiers jours du cinéma, mais cette fois en vrai 3 D.
Applications pratiques
Il est vraiment attrayant de fabriquer et de regarder des hologrammes, mais quelles en sont les applications pratiques?
Peut-être pensera-t-on immédiatement au cinéma et à la télévision à 3 D auxquels l’holographie donnerait un réalisme étonnant. Bien qu’en principe la chose soit possible, pour le moment on est loin d’une pareille réalisation. Le problème réside dans le grand nombre d’informations dans la plaque holographique. Une plaque holographique de 20 cm de côté peut contenir 300 000 fois plus d’informations qu’une seule image télévisée. Les systèmes actuels de télévision sont loin de pouvoir traiter pareille quantité de données.
L’holographie trouve aussi une application dans la publicité. Une société de panneaux publicitaires du métro londonien s’est dite intéressée par l’utilisation d’hologrammes, et il est possible que les représentants de demain transportent des hologrammes comme échantillons de produits volumineux ou lourds.
Dans les musées, les objets de valeur peuvent être remplacés par des répliques holographiques. On a innové cette technique en URSS; le musée l’Hermitage de Leningrad est en train de se constituer une collection d’hologrammes pour les prêter à d’autres musées. Nul doute que dans un proche avenir, les portraits à 3 D remporteront un grand succès.
L’holographie a aussi trouvé quelques importantes applications dans l’industrie et la recherche. Par exemple, dans la fabrication de cylindres pour les moteurs, on peut faire l’hologramme d’un cylindre étalon. On superpose alors exactement l’image holographique au cylindre réel, et immédiatement le moindre défaut apparaît. On détecte dans la forme des erreurs de moins d’un micron (un millième de millimètre).
Dans la recherche, des expériences qui se déroulent trop vite pour que l’œil puisse les suivre peuvent être holographiées à l’aide de lasers. Certains lasers, tels un superflash adapté à l’appareil holographique, émettent des éclairs très courts. Un laser rubis, par exemple, peut produire un éclair ne durant que 0,000 000 03 de seconde. L’éclair capte effectivement un fait qui se produit en moins d’un millionième de seconde, ou saisit le mouvement d’un objet extrêmement rapide. Le fait est recréé dans l’image holographique. On peut étudier les vibrations dans des machines ou des instruments de musique et il est également possible d’analyser des réactions chimiques rapides.
Comparée à la photographie, l’holographie est encore une opération assez coûteuse et incommode. Elle est aussi quelque peu limitée à cause de la dimension des hologrammes. C’est pourquoi, au lieu de remplacer la photographie, l’holographie en est plutôt une forme améliorée qui peut être utilisée dans des domaines particuliers. Elle constitue une autre utilisation des lois naturelles, en réalité des lois du Créateur, pour le bien et la joie de l’humanité. À mesure que l’on perfectionnera le procédé et qu’on en réduira le coût, nul doute qu’on découvrira de nouveaux champs d’application qui concerneront encore davantage notre vie.
[Schémas, page 13]
(Voir la publication)
Schéma no 1
Lumière cohérente produite par un laser
Miroir qui divise l’onde
Onde de référence
Venant de deux directions, un paquet d’ondes lumineuses est transmis à la plaque.
HOLOGRAMME
Plaque en verre
Objet réel
Émulsion photographique transparente
Schéma no 2
Source lumineuse issue du laser
HOLOGRAMME
Image à 3 D
L’ŒIL: voit une image à 3 D identique à l’objet réel