Voir en 3D : progrès de la technologie d’affichage holographique

Les progrès de la technologie holographique, associés à l’avènement des réseaux 5G à haut débit / latence élevée, signifient que d’ici quelques années, vous pourriez disposer d’un Smartphone holographique qui reproduit certaines scènes cultes de l’univers de la science-fiction, dans votre propre salon. Par exemple:

• Vodaphone a utilisé un réseau 5G pour effectuer un appel holographique en direct en Grande-Bretagne. Ils ont transmis une image 3D d’une personne debout à Manchester à un casque VR à l’extérieur de Londres, et ont simultanément projeté l’image de la personne sur une scène devant un public en direct.
• Verizon et Korean Telecom ont également utilisé un réseau 5G pour permettre à un employé de Séoul d’avoir une conversation en direct avec l’hologramme 3D d’un employé du New Jersey.

Qu’est-ce qu’on hologramme ?

Un hologramme est une projection tridimensionnelle (3D) qui prend place librement dans l’espace et est créée à l’aide d’émetteurs lasers et de lumière. La lumière projetée produit des images 3D lumineuses et immersives pouvant être vues simultanément par plusieurs personnes sous différents angles dans une vraie perspective.

Chronologie du développement de l’affichage holographique en 2D et 3D

La théorie des hologrammes (initialement appelée reconstruction de front d’onde) a été développée pour la première fois dans les années 1940 par le physicien hongrois Dennis Gabor, grâce à ses travaux sur les microscopes électroniques. Il a inventé le nom de son idée à partir des mots grecs holos, signifiant «entier», et gramma, signifiant «message».

La technologie n’a cependant pas pu être développée à l’époque, car les sources lumineuses disponibles à l’époque n’étaient pas suffisamment «cohérentes». Une source de lumière cohérente est monochromatique, émanant d’un seul point à une seule longueur d’onde.

Dans les années 1960, le développement des lasers a finalement permis de créer des hologrammes. Emmet Leith et Juris Upatnieks de l’Université du Michigan ont proposé une méthode pour créer des hologrammes 3D, qui est depuis devenue l’équipement standard mis en place, utilisant «un laser à onde continue, des dispositifs optiques (lentille, miroirs et séparateurs de faisceau) pour diriger le laser lumière, un support de film et une table d’isolation sur laquelle les expositions sont effectuées.

La stabilité est absolument essentielle, car un mouvement aussi petit qu’un quart de longueur d’onde de la lumière lors d’expositions de quelques minutes voire quelques secondes peut complètement gâcher un hologramme. La technique de base hors axe développée par Leith et Upatnieks est toujours la base de la méthodologie holographique.

Créer un hologramme

Un hologramme utilise la diffraction de la lumière pour créer une image. En photographie normale, un objectif est utilisé pour faire la mise au point sur une image, puis les zones claires, sombres et colorées de l’image (considérées comme une lumière réfléchie) sont enregistrées sur un film ou un capteur numérique. En revanche, l’holographie est une technique photographique qui enregistre la forme des ondes lumineuses lorsqu’elles rebondissent sur un objet.

Lorsque les ondes lumineuses se rencontrent, elles interfèrent (de la même manière, les ondulations de l’eau interfèrent l’une avec l’autre si vous jetez deux cailloux dans un étang). Ce motif d’interférence d’onde lumineuse (un champ lumineux) est ensuite enregistré pour former un hologramme. Parce que les lasers créent une lumière pure et cohérente, ils permettent d’enregistrer avec précision les motifs d’interférence des ondes lumineuses et de recréer une image 3D à partir d’eux.

Essentiellement, un hologramme est créé lorsqu’un faisceau de lumière laser est divisé en deux, l’un des faisceaux résultants étant projeté sur un objet (le faisceau objet) puis diffusé sur une plaque photographique, tandis que l’autre faisceau est dirigé directement sur la plaque (un faisceau de référence). Une image holographique est dérivée des différences entre les deux faisceaux.

Le défi des trois dimensions

Cependant, alors que les images holographiques standard ont un aspect tridimensionnel, elles sont toujours essentiellement bidimensionnelles, car elles sont visualisées sur l’écran plat d’un moniteur d’affichage ou projetées sur une surface plane telles qu’un mur ou une feuille de verre. Un spectateur doit regarder directement (ou dans une plage d’angles de vue limitée) la surface plane pour voir la projection. Alors que l’image apparaît en trois dimensions, il s’agit techniquement d’une projection 3D, pas d’un hologramme.

Il s’avère que créer des hologrammes 3D «dans lesquels une scène 3D est codée en termes de diffraction optique, transformée en motifs de frange de l’hologramme qui est ensuite converti en un signal pour un modulateur spatial de lumière (MSL) et affiché en réel temps, est une entreprise extrêmement difficile.

Au cours des 40 dernières années, les développeurs se sont inspirés de la « princesse Leia » (personnage de fiction dans la Saga Star Wars) pour essayer de créer de véritables hologrammes 3D qui peuvent être projetés dans les airs, également appelés «images volumétriques», qui seraient visibles de tous les côtés avec une dimensionnalité visuelle à 360 degrés.

En plus des défis optiques de la capture et de la projection d’hologrammes 3D tirés d’images du monde réel, l’industrie est également aux prises avec les défis de la création de contenu généré par ordinateur qui peut être visualisé au format holographique 3D. Des modèles mathématiques d’objets 3D tels que des algorithmes de nuages de points et des algorithmes basés sur des polygones peuvent être utilisés, mais ils créent une charge de calcul importante pour tout appareil de projection holographique à traiter en temps réel.

Projections et affichages holographiques

Les projecteurs traditionnels fonctionnent en faisant passer la lumière à travers une image graphique qui bloque une partie de la lumière, créant un ombrage et une couleur de l’image projetée. Les projecteurs holographiques créent une image par réfraction lorsque la lumière passe à travers le motif d’interférence enregistré. La lumière qui brille à travers un motif d’interférence plat (enregistré sur une plaque holographique) produit une image qui a des qualités tridimensionnelles, mais qui est toujours plate.

Pour projeter une véritable image 3D, un système de miroir rotatif peut être utilisé. Développée pour la première fois par des chercheurs de l’Institute for Creative Technology de l’Université de Californie du Sud, la technique utilise un vidéoprojecteur haute vitesse visant une plate-forme tournante avec un miroir attaché, un diffuseur holographique et du matériel pour décoder les images numériques. Parce que le miroir pivote rapidement, il réfléchit dans toutes les directions, permettant aux spectateurs sous n’importe quel angle de voir l’image en trois dimensions.

Un motif d’interférence holographique ne fonctionne qu’avec une seule couleur, car le motif d’interférence est enregistré en utilisant une seule longueur d’onde de lumière. Pour créer des hologrammes colorés, plusieurs motifs d’interférence doivent être enregistrés en utilisant différentes longueurs d’onde, puis les projecteurs holographiques utilisent des lasers colorés qui éclairent les motifs d’interférence correspondants pour leurs couleurs respectives.

Les images holographiques peuvent être projetées sur du verre ou du plexiglas, ou sur des «écrans» plus non conventionnels tels qu’un filet semi-transparent ou même un nuage de fumée. Les hologrammes qui apparaissent dans les vidéos et les films, ou dans les applications de jeu et AR / VR sont, bien sûr, affichés sur tout appareil ou écran utilisés pour ce contenu, qu’il s’agisse d’un téléviseur ou d’une paire de lunettes intelligentes. Quelle que soit la projection du support d’affichage, les images 3D présentées peuvent être capturées à l’aide d’approches de photographie holographique ou peuvent être un contenu entièrement généré par ordinateur.

L’état des hologrammes 3D actuels

Les professionnels de tous les secteurs sont enthousiasmés par le potentiel de la technologie holographique 3D, y compris la télévision, les jeux, l’imagerie médicale, la conception assistée par ordinateur, les systèmes robotisés automatisés, le contrôle du trafic aérien, l’éducation et la diffusion du patrimoine culturel. 3 Le potentiel des visuels interactifs 3D et de la communication à distance est attrayant.

De nombreux «hologrammes» actuellement sur le marché sont encore techniquement des images 3D présentées sur une surface 2D, aussi réelles qu’elles puissent paraître. Par exemple, un hologramme dans une application de réalité virtuelle est toujours un élément 2D, car il est visualisé sur l’écran plat d’un casque VR, même s’il semble être (et avec lequel il peut interagir) dans l’environnement 3D perçu par le spectateur. Mais des hologrammes 3D complets émergent. La science holographique a avancé au point de fournir une parallaxe à mouvement complet (à la fois verticale et horizontale), une mise au point à différentes profondeurs (fournissant tous les indices de profondeur) qui est visible par plusieurs spectateurs avec des perspectives uniques et des angles de vision larges.

De manière créative, quelle que soit la technologie utilisée, de nombreuses applications des images holographiques que nous voyons aujourd’hui sont assez excitantes et réalistes. Il y en a déjà beaucoup – du marqueur holographique sur les cartes de crédit et les permis de conduire, aux autocollants d’authentification sur l’emballage du produit, en passant par le dernier prototype d’écrans de télévision transparents OLED.

Pendant ce temps, une prolifération de nouvelles technologies est à l’étude pour créer des images volumétriques 3D. Par exemple:

• Le physicien Daniel Smalley de l’Université Brigham Young a mis au point une méthode qu’il décrit moins comme un hologramme et plus «comme un Etch a Sketch à grande vitesse». Il utilise la force de faisceaux laser invisibles pour manipuler une particule de cellulose qui crée des images en se déplaçant à très haute vitesse. Cependant, la technique n’est pas encore suffisamment sûre pour une utilisation par les consommateurs.
• Des scientifiques sud-coréens ont trouvé un moyen de produire des écrans holographiques 3D en plaçant un film de titane recouvert de minuscules trous d’épingle derrière un écran LCD standard.
• La société japonaise Aerial Burton a créé des motifs de points lumineux 3D tactiles à l’aide d’une technologie plasma.

Mesure de la qualité et de la précision des écrans holographiques

Depuis plus de 20 ans, Radiant Vision Systems mesure la lumière et la couleur avec des systèmes de précision qui simulent la perception de la vision humaine. Certains types de photomètres et colorimètres d’imagerie peuvent être utilisés pour quantifier et qualifier tout, des LED et écrans aux images projetées et aux émetteurs laser (Diodes laser à onde continue). Étant à l’avant-garde de la mesure de la lumière pour les écrans, lorsque les hologrammes sont prêts à faire leur entrée sur le marché, il serait intéressant de voir comment leurs propriétés pourraient être mesurées.