Quand l’holographie fournit des images 3 D animées

L’holographie permet d’obtenir des images en trois dimensions qui donnent à l’œil nu une impression de vérité extrême. Si on parvenait à transmettre une séquence d’ hologrammes d’un sujet vivant, on pourrait avoir la sensation de  côtoyer celui-ci  à distance. Jusqu’ici la puissance de calcul nécessaire pour générer un hologramme par ordinateur et l’absence d’un support holographique de grande dimension capable de reproduire la variation dans le temps a empêché la réalisation de cela. Des chercheurs de l’Université d’Arizona, à Tucson, Arizona, Etats-Unis, sont parvenus, en utilisant un matériau polymère photoréfractif et un laser pulsé, à obtenir des vues holographiques qui peuvent être rafraîchies toutes les deux secondes.

Fig.1 Images d’un hologramme enregistré avec le laser pulsé. On voit respectivement en a, b, c, les images prises par un appareil photo à partir de la gauche, du centre, et de la droite.  Le caractère tridimensionnel de l’image holographique (ici celle d’un petit avion modèle réduit) apparaît nettement . Crédit Nature.

L’holographie fournit un enregistrement (l’hologramme) de la phase et de l’amplitude de l’onde lumineuse diffractée par un objet.Pour obtenir un hologramme, on  illumine l’objet par une source de lumière cohérente, un laser,  et on enregistre les interférences entre le faisceau réfléchi par l’objet et la lumière incidente. La lecture restitue une image en trois dimensions de l’objet. Voir le schéma ci-dessous.

 

A gauche, enregistrement d’un hologramme, Σ(A) représente le front d’onde de la lumière diffractée par l’objet, ΣR(AR) celui de la lumière de référence. A droite, lecture d’un hologramme.

Les chercheurs  ont choisi comme milieu d’enregistrement un polymère photoréfractif particulier qu’ils ont spécialement conçu. Ses particularités sont que l’enregistrement de l’hologramme y est immédiat, sans traitement à la différence des plaques photo, et que l’on peut y enregistrer des vues successives, la dernière écrite effaçant la précédente.

Pour l’inscription de l’hologramme, on utilise un laser pulsé donnant des impulsions extrêmement courtes de 6 nanosecondes (la nanoseconde vaut un milliardième de seconde) à une fréquence de 50 Hz. Le temps d’écriture de l’hologramme dans le polymère photo-réfractif est suffisamment bref pour obtenir en 2 secondes un enregistrement holographique de 100 cm2 avec une résolution de 1mm par  « hogel », qui est l’équivalent du pixel en holographie. A cette résolution, il y a 100 hogels par cm2. Une seule impulsion laser nanoseconde suffit à inscrire un hogel dans la plaque photo-réfractive.

L´effet photo-réfractif consiste en une variation locale de l’indice d’un milieu induite par l’énergie de l’onde lumineuse incidente qui l’éclaire.

Le laser de  lecture de l’hologramme peut se remplacer par une DEL (diode émettrice  de lumière) dont le spectre de lumière émis comprend la longueur d’onde du laser utilisé à l’inscription de l’hologramme.

Les hologrammes en couleurs

L’obtention d’images en couleur est plus compliquée. Il faut alors utiliser trois lasers qui inscrivent simultanément dans le matériau photo-réfractif trois hologrammes différents qui sont lus à l’aide de DEL s  (diodes émettrices de lumière) de couleurs différentes (une rouge, une verte, une bleue). La figure 2 en présente deux exemples.

Fig.2.  Images d’hologrammes en couleurs. a) Deux voitures modèles réduits enregistrées
sur une plaque en polymère photo-réfractif de 30 cm de diamètre. b) Hologramme d’un vase de fleurs. Crédit Nature.

La transmission d’hologrammes animés

En prenant en un lieu  des images sous des angles multiples, en les envoyant en un autre endroit à l’aide d’un lien Ethernet et en les inscrivant à l’arrivée dans une  plaque photo-réfractive,  les chercheurs ont  réalisé une expérience de télé-présence.

Le terme télé-présence fait référence à une technique qui permet à une personne d’être visualisé à distance en temps réel et en trois dimensions.

Pour cela ils ont utilisé 16 caméras numériques prenant  toutes les secondes des images simultanées d’une scène réelle. Les 16 images sont transformées en données d’hologramme par calcul sur l’ordinateur auquel sont branchées les caméras. Les données sont  transmises  par simple liaison Ethernet à un système d’enregistrement holographique par laser pulsé semblable à celui décrit plus haut. Celui-ci est utilisé pour inscrire dans une plaque photo-réfractive de 100 cm2 un hologramme de 120 hogels toutes les secondes.  Les images 3D sont donc constamment rafraîchies. On lit l’hologramme grâce à une DEL de couleur (pour l’instant, par simplification,  le système n’est que monochrome).

On remarque que la prise de vues s’effectue à l’aide de caméras. Une raison en est qu’actuellement, qu’il faudrait mettre au point un système d’enregistrement numérique ultra-rapide des hogels.  Une autre qu’on ne saurait protéger les sujets du rayonnement laser nécessaire à la prise de l’hologramme.

 

La vidéo suivante (Crédit Nature)  montre la lecture d’un hologramme de télé-présence qui est simultanément inscrit dans la  plaque photoréfractive  par le procédé décrit plus haut :

Bien sûr, l’image 2D de votre écran ne peut rendre l’effet de relief que par la perspective, mais elle rend bien compte du  mouvement.

Cette technique peut conduire à de nombreuses applications, par exemple en télémédecine : des chirurgiens,  basés en différents points du monde, pourraient observer en trois dimensions un acte chirurgical et même y participer.

Pour en savoir plus:    Nature 468, 80–83 (04 November2010) doi:10.1038/nature09521.