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Photographie interférentielle des couleurs (LIPPMANN)

Décembre 1908 :
le Prix Nobel de physique était attribué à Gabriel Lippmann pour la découverte de la photographie interférentielle des couleurs et sa mise en œuvre ; 50 ans plus tard, Yuri Denisiuk postulait l’holographie Lippmann à partir d’un prolongement naturel à la photographie Lippmann ; 50 ans encore après, de nos jours, l’œuvre de Gabriel Lippmann fascine toujours.

La photographie interférentielle des couleurs est considérée en général comme un sujet élitiste et rare. La littérature se compose d’articles, essentiellement d’époque, mais d’aucun livre dédié à ce sujet et le traitant globalement.

Cet ouvrage est ainsi une première mondiale en cette année de commémoration du Prix Nobel de Gabriel Lippmann. Son objet principal est de vulgariser le sujet pour le rendre accessible au plus grand nombre.

L’auteur formule une synthèse des connaissances sur la question et précise le contexte historique. Il livre ses réflexions sur le sujet, la relation entre photographie Lippmann et holographie Lippmann, et une biographie de Gabriel Lippmann.

 

 

Photographie interferentielle des couleurs LIPPMANN

 

 
 

La photographie interférentielle des couleurs
© 2008 Alain Conraud
Extrait de l’ouvrage

Au XIXe siècle, Gabriel Jonas Lippmann a mis au point un procédé original de photographie couleur. Sa technique est connue sous l’appellation  de photographie interférentielle des couleurs ou photochromie interférentielle ou photographie en couleur de type Lippmann. Dès 1886, il développa une théorie générale d’enregistrement des couleurs selon un principe d’ondes stationnaires dans l’épaisseur d’une émulsion photosensible. Précisons que sa théorie s’élabora avant la publication en 1890 de l’expérience de Wiener qui fut le premier à enregistrer une onde stationnaire lumineuse. Le principe de Lippmann consistait à enregistrer des spectres monochromatiques mais également polychromatiques, ce qui représentait une approche théorique très avancée ainsi qu’une prouesse technique tout à fait remarquable.

A cette époque, la photographie interférentielle est vécue comme une révolution et représente une démonstration pratique de l’aspect ondulatoire de la lumière. La théorie de Lippmann sur l’enregistrement des spectres polychromatiques par l’application de l’outil mathématique de Fourier constitue l’une des contributions les plus spectaculaires de l’optique du 19ème siècle.

Gabriel Lippmann
Gabriel Lippmann

De 1886 à 1890, Lippmann se consacre à la mise au point d'une émulsion capable de tels enregistrements. A la Sorbonne, avec l'aide de son préparateur, il imagine et expérimente les diverses recettes de ces couches photosensibles qui seraient susceptibles d'enregistrer et de restituer une information chromatique par un moyen interférentiel. Vers la fin de 1890, Lippmann aboutit. En janvier 1891, il dépose un plis cacheté, à l'Académie des sciences, présentant sa découverte.

Toujours en janvier 1891 à l’Académie des Sciences de Paris, Alfred Cornu rapporte l’expérience de Wiener visant à l’enregistrement d’ondes stationnaires à la surface d’une émulsion photosensible. Le dispositif consistait à enregistrer l’impression des ventres de l’onde stationnaire créée par la réflexion d’une lumière monochromatique sur un miroir métallique.

En février 1891, pressé par cet « événement », Lippmann introduit sa photographie interférentielle devant cette même Académie ; il y présente l’enregistrement d’un spectre solaire : une nouvelle technique est née… Elle est le fruit de cinq années d’efforts (depuis 1886) et cette démonstration suscite immédiatement un engouement ; les chercheurs impliqués dans la course à la photographie couleur y voient indiscutablement un procédé prometteur. La méthode de Lippmann est à la fois performante et élégante. Les physiciens y relèvent l’exploitation magistrale de la nature ondulatoire de la lumière dans ce principe d’enregistrement d’interférences.

La présentation de Lippmann en 1891 marque ainsi le point de départ d’une nouvelle voie de recherches. Toujours en France, citons les frères Lumière qui vont s’investir brillamment dans l’étude et l’innovation de la méthode interférentielle. Signalons Richard Neuhauss en Allemagne ou Eduard Valenta en Autriche pour leurs travaux appréciables sur les émulsions Lippmann. Considérons également les contributions d’Hermann Krone, Herbert Ives, Hans Lehmann et d’autres plus modestement. Ces chercheurs explorent et développent cette nouvelle technique de photographie couleur, conduisant à des savoirs-faire complémentaires à ceux de Lippmann. Tous ces travaux se concentrent principalement de 1891 à 1910 environ ; cette double décennie apparaît ainsi comme le théâtre d’intenses activités à propos d'une technique qui va très vite presque totalement disparaître.

Cette diversité de recherches a été rendue possible par le fait que Lippmann n’avait pas déposé de brevet pour protéger son invention ; ce domaine de la photographie interférentielle était ainsi accessible à tous. En pratique, la protection pour Lippmann ou les autres chercheurs résidait dans les savoirs-faire et l’élitisme de fait qu’impliquait cette activité prodigieuse. En 1908, Lippmann reçoit la distinction suprême avec le Prix Nobel pour ses travaux sur la photographie interférentielle.

A cette époque, le procédé est cependant déjà considéré comme sans avenir ; il est jugé comme bien trop pointu et bien trop contraignant. Les autres chercheurs impliqués dans la course à la photographie couleur sont conscients qu’il faut trouver des méthodes bien plus faciles à mettre en œuvre. La photographie Lippmann était ainsi condamnée. Bien que la technique fût séduisante, la mise en œuvre pratique du procédé était évidemment délicate.

Les temps d’exposition étaient longs mais ce n’était pas la seule entrave : la difficulté d’observation des photographies dans les conditions optimales ainsi que le problème de la duplication représentaient des obstacles. La technique exigeait trop de précautions, les causes d'insuccès étaient bien trop nombreuses depuis les préparatifs précédant la prise de vue jusqu'au traitement chimique la suivant. Plus généralement, la pratique de ce type de photographie était bien trop élitiste.

 

principe du dispositif initial de Lippmann
Figure 1 : principe du dispositif initial de Lippmann

 

L’arrangement particulier de prismes autorise la production d'un spectre dans l'axe optique du montage.

photographie interférentielle d'un spectre
Exemple d'une photographie interférentielle d'un spectre

À partir des années 30, le procédé sombra dans l’oubli. Mais dans les années 50, le physicien soviétique Denisiuk allait raviver magistralement le principe de Lippmann pour l’appliquer à l’holographie. Nombre de savoirs-faire avaient disparu et Denisiuk devra patiemment reconstituer les savoirs de base pour démontrer son principe d’holographie. Il s’aidera des contributions de Eduard Valenta & Herbert Ives au delà des recettes de Lippmann. L’avènement de l’holographie dite Lippmann suscitera, en conséquence, un regain d’intérêt pour la photographie interférentielle à partir des années 60.

 

Les contributions de Lippmann au regard de l'holographie

La question des apports de Lippmann est déterminante dans l’histoire de l’holographie. Sa quête d’une photographie absolue l’aura conduit à deux procédés : la photographie interférentielle en 1891 & la photographie intégrale en 1908. C’est la photographie interférentielle qui, sans relever directement de l’holographie, représente une avancée en direction de celle-ci.

De 1954 à 1961, les travaux de Denisiuk constitueront une continuité à l’œuvre de Lippmann pour conduire à une forme élégante d’holographie moderne. En conclusion, l’œuvre théorique de Lippmann ainsi que ses savoirs-faire représentent une contribution remarquable aux sciences & techniques de l’imagerie.

 

Denisiuk à l'Institut d'Optique
Denisiuk à l'Institut d'Optique d'Etat S.I. Vavilov à Leningrad

 

Principes de la photographie interférentielle des couleurs

La photographie Lippmann exploite un principe d’interférences afin d’acquérir de l’information spectrale lors d’une prise de vue ; l’idée étant de mettre en œuvre un phénomène d’ondes stationnaires dans l’épaisseur d’une émulsion photosensible. Dans la version originelle, une émulsion photosensible est couchée à l’arrière d’une plaque de verre, un miroir constitué de mercure est en contact avec cette émulsion, l’ensemble constituant un châssis.

Les figures 2 et 3 présentent une cuvette de mercure fermée à l’avant par la plaque photographique, l’émulsion photosensible se localisant du côté du mercure. Ce châssis est placé dans un appareil photographique. Une image réelle se forme sur le lieu de l’émulsion ; la surface de mercure renvoie la lumière et un jeu d’aller-retour de la lumière est produit dans l’épaisseur de l’émulsion ; ce qui conduit à un phénomène d’ondes stationnaires, l’onde réfléchie interfère avec l’onde incidente.


Figure 2 & Figure 3

 

Il y a onde stationnaire parce que le miroir verrouille la phase et plus encore, de façon naturelle (sans besoin d’asservissement) et absolue. Pendant la prise de vue, le sujet peut bouger, l’appareil photographique peut bouger, l’air peut bouger : le système d’interférences demeure verrouillé « parfaitement » et en résultat, chaque onde stationnaire pour chaque longueur d’onde est acquise avec le contraste maximal quelque soit le temps de pose : le système d’interférences est « idéal ». L’enregistrement de l’onde stationnaire forme un jeu de « strates » dont l’intervalle  correspond à l/2. En pratique, si l’on tient compte de l’indice (n) de l’émulsion, l’intervalle devient l/2n. Suite à la prise de vue, on évacue le mercure et on développe la plaque. Le résultat s’observe par réflexion et par la face anciennement « mercure » ; la première strate est à l/4n de la surface.

 

principe de la photographie Lippmann
Figure 4 : principe de la photographie Lippmann

 

La figure 4 illustre le cas d'un objet constitué de deux couleurs (bleue et rouge) que l'on considère comme monochromatique. La figure 5 présente la formation d’une onde stationnaire traduisant chaque couleur (bleue et rouge) et la figure 6 détaille le repérage des plans ventraux de ces ondes stationnaires. En synthèse, Le verrouillage naturel de phase constitue le principe autorisant l’enregistrement interférentiel dans ce cas de photographie des couleurs.

 

formation des ondes stationnaires
Figure 5 : formation des ondes stationnaires

 

repérage des ondes stationnaires au sein de l'émulsion
Figure 6 : repérage des ondes stationnaires au sein de l'émulsion

 

Lumières monochromatique & polychromatique

Dans le cas d’un spectre polychromatique, le procédé semble devenir impossible. En effet, il y a dans cette situation autant d’ondes stationnaires que de longueurs d’onde distinctes pour un lieu considéré de l’émulsion. Cependant, la sommation algébrique de toutes ces ondes stationnaires conduit à un « profil » qui constitue le moyen physique de codage du spectre que l’on enregistre.

L’explication courante est ainsi que l’enregistrement d’une lumière colorée arbitraire constitue une transformée de Fourier de la composition spectrale de cette lumière et que la restitution de ce spectre à la lecture constitue la transformée de Fourier inverse. Le modèle est généralisé ; l’enregistrement monochromatique constitue un cas particulier : le plus simple.

Voici ce qu’il déclarait pour présenter le cas des spectres polychromatiques :

Il est ainsi nécessaire de formuler la théorie de cette photographie interférentielle en termes plus larges. Le point de départ est le constat que l’amplitude résultant  de l’interférence varie selon une fonction qui est continue même dans le cas d’une simple lumière. Le cas général est dérivé à partir d’une analyse basée sur l’outil mathématique de Fourier. Il peut ainsi être démontré que la photographie de couleurs « composées » est possible.

 

dispositif d’observation d’une plaque Lippmann
Figure 7 : dispositif d’observation d’une plaque Lippmann

 

Comment une plaque Lippmann se présente-t-elle ?

La plupart des plaques sont montées sous prisme pour pouvoir être observé au moyen de dispositifs particuliers dont le but est d'éliminer tout reflet nécessairement présent en surface de l'image. Ce reflet constitue un apport de lumière blanche qui s'ajoute à la couleur de l'image, ce qui nuit à la valeur de ces couleurs. De plus, la photochromie interférentielle craint le contact à l'air libre et la mise sous prisme est l'occasion de sceller l'enregistrement interférentiel, ce qui explique cet aspect d'emballage de l'ensemble. Les photographies ci-dessous présentent l'aspect usuel des plaques Lippmann.

 

Aspect général d’une photochromie interférentielle sous prisme
Aspect général d’une photochromie interférentielle sous prisme

 

Vue de côté de la forme prismatique
Vue de côté de la forme prismatique

 

La figure 8 présente la mise sous prisme d’une photochromie interférentielle. En (a), après la prise de vue, on évacue le mercure, on traite la plaque photographique au moyen d'une chimie appropriée et l'image est alors visible. En (b), on applique une couche de baume du Canada sur la photographie et on referme avec un prisme. En (c), l'ensemble est scellé latéralement avec de la cire et un papier de protection emballe le tout.

Cette mise sous prisme permet aussi d'éviter des inconvénients. Par exemple, l'humidité de l'air agit sur la photographie interférentielle et produit un décalage des couleurs vers le rouge ; l'air agit également sur la reproduction des blancs qui se détériorent dans la durée ; évidemment, la surface de l'émulsion agit de façon interférentielle et ainsi nuit à la valeur des couleurs ; il y a également la brillance de la plaque photographique dans les parties de l'image correspondant aux noirs.

 

conditionnement courant d'une plaque Lippmann
Figure 8 : conditionnement courant d'une plaque Lippmann

 
 
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