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 vient du grec holos « en entier » et graphein « écrire ». Holographie signifie donc « tout enregistrer ».
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Principe de l'holographie
Le principe de l'holographie en ligne a été découvert par Dennis Gabor en 1947 alors qu'il travaillait à l'amélioration de microscopes électroniques dans la compagnie Thomson-Houston à Rugby en Angleterre. Une source cohérente est utilisée pour interférer avec le rayonnement diffracté par un « objet ». Cette interférence est soit enregistrée pour donner un hologramme, soit modifiée par une lentille qui en en donnant une transformée de fourrier forme une « image 3D » de l'objet. Il a fallu attendre la mise au point des lasers dans les années soixante pour que son application avec des ondes optiques soit menée parallèlement aux États-Unis et en Russie.
Lorsqu'on photographie un objet de façon classique, on enregistre sur une plaque sensible la luminosité des différents points de cet objet. Autrement dit, seule l'amplitude des ondes lumineuses émises par cet objet est prise en compte. Lorsqu'on réalise un hologramme, on enregistre à la fois l'amplitude et la phase des ondes émises. C'est cette information de phase qui permet de restituer la profondeur de l'objet, et de recréer la parallaxe.
L'hologramme est une image interférométrique qui se forme sur la « pellicule » qui enregistre des franges d'interférences, une succession de lignes courbes parallèles. Inversement ce sont les interférences des ondes lumineuses diffractées par ce « réseau » éclairé par une lumière cohérente qui créent l'image en relief. Le « réseau » sur la pellicule est lui-même obtenu par interférence entre un rayon diffracté par l'objet à enregistrer et un rayon de référence.
Enregistrement d'un hologramme
Holographie_ecriture.png
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 d'hologrammes par ordinateur (infographie), c'est-à-dire la réalisation directe d'un réseau calculé à partir d'un modèle numérique de l'image à obtenir. Mais cette opération étant lente et donc non-interactive (pour le moment), elle n'a pas bouleversé la profession.
Lecture d'un hologramme
Holographie_lecture.png
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 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.
Formalisme succinct pour l'enregistrement et la lecture
En un point du support photographique, l'éclairement E est :
E = (O + R)(O + R) *
où 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 d'espace 
.
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 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 présentant un effet miroir, ou les caméras holographiques sans effet miroir
- Les hologrammes de volume (dans des matériaux 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 holographique
- Hologrammes d'objets rares ou fragiles exposés dans les musées
- Publicité
- 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 d'images dans un volume restreint. En théorie, une telle mémoire optique permettrait de stocker environ 1014 bits par cm3 .
Contrôle - Mesure
L'interférométrie 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.
Sources
- TABOURY, Jean. Holographie. Cours de l'École Supérieure d'Optique, 2002.
- Musée de l'Holographie : www.museeholographie.com, (20/04/2004), < http://www.museeholographie.com/ >