# « Le Rayon Extraordinaire »... quand la polarisation inspire l'art

Fred MURIE<fnref n="1" />, Flavien THÉRY<fnref n="1" />, Julien FADE<fnref n="2" />,<fnref n="3" />,*

© G. Juilén / Service Culture / Univ. Rennes

<figure><img src="image_1.png" /></figure>

> Le projet de création Art & Sciences et l'exposition « *Le Rayon Extraordinaire* » visent à croiser des recherches artistiques et scientifiques autour du phénomène de polarisation de la lumière. À l'issue d'une résidence d'artistes de deux ans à l'Institut Foton (Univ. Rennes), une vingtaine d'œuvres originales proposent une expérience sensible d'une réalité d'ordinaire imperceptible à nos yeux, explorant aussi bien ses aspects fondamentaux que ses liens avec nos technologies du quotidien ou encore le vivant...

https://doi.org/10.1051/photon/202312026

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Visiter « Le Rayon Extraordinaire », c'est vivre une expérience sensorielle complète, à la rencontre d'une réalité physique « invisible » à nos yeux : la polarisation de la lumière. En pénelétrant dans l'exposition, le spectateur se retrouve immergé dans une atmosphère obscure de laboratoire d'optique où brillent des œuvres lumineuses aux formats divers, associant principes optiques et technologies numériques, dans une esthétique de science fiction. La bande originale de l'exposition, composée pour l'occasion par le musicien Thomas Poli et diffusée dans la salle, contribue à installer un climat propice à l'immersion et à la contemplation des œuvres pour inviter les visiteurs à explorer cette dimension cachée, révélant une porosité entre les mondes réel et virtuel, naturel et artificiel. Durant sa présentation aux

Champs Libres à Rennes, de novembre 2022 à mars 2023, l'exposition « Le Rayon Extraordinaire » a touché un large public de près de 30 000 personnes, témoignant de l'équilibre trouvé entre une démarche artistique exigeante sur un sujet scientifique – pouvant paraître aride de prime abord – et une proposition accessible au plus grand nombre.

Ce projet est né en 2015 de la rencontre du duo d'artistes rennais Flavien Théry & Fred Murie [1] avec le chercheur Julien Fade de l'Institut Foton (Univ Rennes/CNRS) à l'occasion de l'année internationale de la lumière. Mais c'est en 2020 qu'il prend corps sous l'impulsion des Champs Libres et du Service Culturel de l'Université de Rennes à travers la coproduction d'une exposition et la mise en place d'une résidence d'artistes au sein de l'Institut Foton entre

septembre 2020 et août 2022. Pendant deux ans, les artistes se sont immergés dans le quotidien d'un laboratoire d'optique. Ils ont partagé leurs interrogations et leurs expériences avec les personnels de l'équipe de recherche dans un véritable dialogue Art & Science – conduisant même certaines pièces artistiques à être cosignées entre artistes et chercheur – sans rien concéder à une forme de « rigueur » scientifique du exposant artistique. La résidence de création a pu également bénéficier des moyens techniques de l'université (électronique, mécanique, FabLab...) et profiter des richesses des collections universitaires (collections de zoologie, minéralogie et instruments scientifiques anciens) mises à leur disposition par le Service Culturel pour la conception de plusieurs pièces artistiques.

<footnote n="1">¹ Collectif Spéculaire, F-35000 Rennes, France</footnote>

<footnote n="2">² Univ Rennes, CNRS, Institut FOTON - UMR 6082, F-35000 Rennes, France</footnote>

<footnote n="3">³ Aix-Marseille Univ, École Centrale Méditerranée, CNRS, Institut Fresnel - UMR 7249, F-13000 Marseille, France</footnote>

<footnote>*julien fade@fresnel.fr</footnote>
Le résultat de ce travail est une ex-
position d'une vingtaine d'œuvres
présentées sur 400 m² et mêlant une
diversité de formats plus ou moins
« contemporains » : du crayonné au
fusain au casque à réalité virtuelle, de
la peinture à l'huile au cinéma 3D, de
la sculpture en plâtre aux dispositifs
numériques à double écrans à cris-
taux liquides... Ces derniers, conçus
à partir de téléviseurs LCD modifiés,
sont utilisés depuis longtemps dans
les créations de Flavien Théry car
ils permettent de créer l'illusion de
formes animées se déployant en pro-
fondeur dans l'espace vide entre deux
trames vidéos complémentaires et
astucieusement affichées sur les
écrans en avant et arrière plan.

Le parcours de l'exposition présente
une logique à la fois chronologique
et esthétique : les premières œuvres
s'inspirent des concepts fondamen-
taux de la polarimétrie (rayons ordi-
naires/extraordinaires, surface des
indices de Fresnel, biréfringence,...)
tandis que la seconde partie de l'expo-
sition aborde les notions de percep-
tion de cette information « cachée »,
liées à l'imagerie polarimétrique et la
vision polarimétrique dans le règne
animal. La charnière entre ces deux
parties s'opère au niveau de la pièce
« Tu contemples ton âme », où une

image uniformément blanche diffu-
sée par un écran de télévision modifié
se révèle être une surface océanique
mouvante et graphique, en noir et
blanc, dans le reflet d'une glace noire,
hommage aux polariseurs ancestraux
utilisés par les opticiens des siècles
passés. Servies par une scénogra-
phie d'exposition judicieuse, plusieurs
œuvres se font écho l'une à l'autre,

offrant ainsi un parcours cohérent au
spectateur malgré la grande diversité
de formes. S'il n'est malheureusement
pas possible ici de traduire fidèlement
cette expérience sensorielle, ni d'ex-
pliciter l'ensemble des œuvres, nous
proposons dans la suite de cet article
de détailler quelques clés de lecture
scientifiques et artistiques de cer-
taines pièces de l'exposition.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>**Figure 1.** Vue d'ensemble de l'exposition « Le Rayon Extraordinaire » en salle Anita Conti des Champs Libres à Rennes, du 15 novembre 2022 au 5 mars 2023. Une vingtaine d'œuvres ou de séries ont pu être présentées à un public de près de 30 000 personnes. (© G. Julien/Service Culture/Univ Rennes)</figcaption></figure>

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<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>**Figure 2.** L'installation « Le Rayon extraordinaire » (a) donne l'illusion qu'un cristal de calcite colore un faisceau laser blanc incident pour former deux rayons aux couleurs complémentaires qui évoluent avec la rotation du cristal (b). Un effet de sélection polarimétrique est en réalité à l'œuvre dans ce phénomène en choisissant judicieusement les polarisations des trois lasers (RVB) combinés dans le faisceau blanc (c). (© G. Julien/Service Culture & J. Fade/Univ Rennes)</figcaption></figure>

La première œuvre présentée à l'entrée de l'exposition prend la forme d'une véritable manipulation de laboratoire (Fig. 2.a). Pièce éponyme de l'exposition, elle utilise un cristal naturel massif de calcite poli pour donner à voir le phénomène de double réfraction – qui a mené à la découverte des effets de polarisation au XVIe siècle – sous une forme originale. Le défi créatif de cette pièce a été d'exploiter ce phénomène extrêmement connu et documenté en enseignement et vulgarisation pour l'exploiter esthétiquement de façon inédite. Dans « *Le Rayon Extraordinaire* », un laser « blanc » est séparé en deux rayons aux couleurs distinctes et changeantes au gré de la rotation du minéral de calcite (Fig. 2.b). Un dispositif fumigène permet de révéler les faisceaux laser à travers un brouillard léger et fantomatique, augmentant l'impression d'étrangeté et de surnaturel de cette œuvre interactive, qui s'allume et se met en mouvement en présence de visiteurs. Le choix des matières et le soin apporté à sa réalisation rappelle le haut niveau de finition et d'esthétique des instruments scientifiques anciens, source d'inspiration pour les artistes.

La coloration des rayons à travers le cristal repose en réalité sur une « illusion » polarimétrique. Le rayon blanc incident résulte de la superposition de trois faisceaux rouge, vert et bleu, dont les polarisations linéaires sont ajustées à 120° l'une de l'autre (Fig. 2.c). En pénétrant la calcite, chacune de ces trois polarisations se retrouve projetée sur les axes propres de propagation du cristal anisotrope, avec plus ou moins d'efficacité selon l'angle entre l'axe de polarisation

incident et l'orientation des axes propres du cristal. En sortie, les deux rayons ordinaires et extraordinaires séparés lors de la propagation dans le matériau anisotrope présentent alors des couleurs complémentaires et changeantes au fur et à mesure de la rotation. En effet, il est intéressant de noter que le choix de disposer les polarisations du faisceau blanc (RVB) incident selon une symétrie d'ordre 3 implique que les colorations des faisceaux de sortie sont nécessairement complémentaires, c'est-à-dire opposées sur le cercle chromatique, sur lequel les couleurs primaires rouge, verte et bleue sont disposées à 120° les unes des autres... En revisitant une expérience plus que classique, cette œuvre d'art – ou devrait-on dire ici cette manip ? – permet de relier polarisation et colorimétrie au travers d'un phénomène visuel, saisisant et esthétique.

Le lien étroit entre polarisation et vivant fut une autre grande source d'inspiration de ce travail de résidence. En particulier, la question de la « sensibilité » polarimétrique qui sous-tend une grande part de l'exposition, et l'idée que la polarisation pouvait véhiculer un sens « caché » indiscernable aux yeux non initiés se retrouvaient naturellement dans une des plus fascinantes espèces sous-marines : la seiche, céphalopode aux propriétés optiques hors du commun. Les céphalopodes font en effet partie des animaux qui ont développé une vision sensible à ces propriétés ondulatoires de la lumière (avec certains insectes, poissons...). Si l'on sait que les abeilles exploitent les contrastes de polarisation du ciel pour s'orienter, l'utilisation de la polarisation

par les seiches est encore plus fascinante : elles s'en serviraient pour distinguer une proie (ou un prédateur) de son image réfléchie à la surface de l'eau – le miroir d'eau ayant tendance à polariser la lumière qui s'y reflète. Mais les recherches récentes sur le comportement de ces animaux fantastiques suggèrent une hypothèse encore plus incroyable : les seiches, championnes incontestées du camouflage et du mimétisme adaptatif sous-marin, pourraient avoir développé une communication intra-espèce basée sur l'émission de motifs polarisés sur leur épiderme [2]. Des cellules apelées iridophores sont à l'origine de cette polarisation par réflexion sur certains organes de la seiche (le long des bras-tentacules) tandis que les cellules chromatiques de l'épiderme (chromatophores), qui assurent l'essentiel du travail de camouflage, ne possèdent pas cette propriété.

Ce sont précisément ces signatures polarisées, rarement observées jusqu'ici, que nous nous sommes mis au défi de capter et de sublimer dans les pièces « *Les discrètes* » et « *Le secret* » de l'exposition. Accueillis au Marinarium de la station marine de Concarneau (Museum National d'Histoire Naturelle) durant une semaine de mars 2021, nous avons pu exploiter une caméra polarimétrique de dernière génération (intégrant un capteur muni d'une grille de micropolariseurs) [3] pour filmer un spécimen de seiche élevé en captivité et déceler ces motifs polarisés qui s'expriment fugacement, au gré de l'humeur de l'animal. Loin d'un travail rigoureux d'éthologie, ces captations contribuent néanmoins
## OSEZ L'OPTIQUE

à confirmer la réalité de ces signatures en lumière polarisée exprimées sur les bras de la seiche !

La restitution sous forme artistique de ce travail de collecte a longuement mûri, passant de l'idée d'un « aquarium vidéo » à une diffusion des signaux polarisés en fausses couleurs sur un dispositif à double-écrans, le second écran affichant l'image brute en niveau de gris du capteur polarimétrique (« Les discrètes »). Mais c'est justement la basse résolution et la trame toute particulière de ce détecteur polarimétrique à division de plan focal qui ont inspiré aux artistes le choix audacieux de restituer une image statique mais monumentale de la seiche sous la forme d'une tapisserie numérique au point d'Aubusson (Fig. 3.a), parfaite-ment adaptée à la granularité de l'image brute du capteur. Ce procédé nous a permis de faire effectuer le tissage au moyen de 3 fils colorés (noir, blanc, gris) auquel s'adjoint un fil métallisé doré qui vient tisser les signatures polarimétriques sur l'épiderme de la seiche (Fig. 3.b). En illuminant la tapisserie « Le secret » en lumière polarisée linéairement, et en exploitant la préservation de la polarisation sur une réflexion métallique (contrairement aux autres fils), le signal polarimétrique est alors révélé au spectateur lorsqu'il observe l'œuvre à travers un petit dispositif polarisant à cristaux liquides qui permet de faire « battre » ce message secret de la seiche. Ainsi, ce médium de la tapisserie s'est imposé

comme “incarnation” idéale de l'image, lui donnant une vraie présence matérielle et un certain caractère organique. Si la technique est résolument contemporaine, la référence au champ de la tapisserie inscrit le sujet dans une temporalité autre, lui conférant une dimension quasi mythologique...

Au-delà de la manifestation ou de la cap-
tation de l'information polarimétrique, la
recherche Art & Science s'est également
orientée vers la question de la repré-
sentation et de la visualisation de cette
“dimension cachée”, qui intéressait les
partenaires aussi bien artistes que scien-
tifiques. Il s'agit dans un cas comme dans
l'autre de permettre de “rendre visible”,
ou plus facilement appréhendable, quan-
tifiable, des phénomènes ou des notions
qui restent sinon trop évanescents, théo-
riques ou abstraits pour pouvoir s'en
faire une représentation mentale. Cette
démarche exploratoire sur la représenta-
tion sensorielle et mentale de l'informa-
tion polarimétrique rejoint à la fois des
problématiques scientifiques réelles [4] et des champs de recherche artistiques
et poétiques.

En effet, même quand l'information pola-
rimétrique se retrouve résumée à un seul
paramètre numérique scalaire – comme
souvent dans beaucoup d'applications
concrètes –, l'artiste ou le chercheur est
à court de moyens pour la représenter,
sur une image couleur, de façon sensible
et quantitative à nos sens visuels limités.
Parmi les solutions exploitées

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**Figure 3.** (a) La tapisserie numérique au point d'Aubusson « Le secret » présentait en très grand format le signal polarimétrique émis sur les bras de la seiche filmée au moyen d'un capteur polarimétrique. (b) Grâce au tissage (vue de détail sur la figure) réalisé en quadrichromie incluant un fil métallisé doré et à l'illumination de la tapisserie en lumière polarisée, le public pouvait observer ce signal battre à travers un dispositif polarisant à cristaux liquides placé devant l'œuvre.

(© Spéculaire)

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**Figure 4.** Plusieurs pièces de l'exposition reposent sur l'utilisation de la 3e dimension de l'espace pour encoder une information polarimétrique scalaire (degré de polarisation, DOP) (a) : cet artifice permet de « donner à voir » cette information cachée, et révéler des paysages fantastiques, comme si l'on basculait dans une réalité alternative (b). Divers formats exploitent cette approche originale dans l'exposition : impression 3D (a), tirage photographique (b), réalité virtuelle (c) ou projection monumentale 3D à lunettes polarisantes (d). (© J. Fade/Univ Rennes, Spéculaire, G. Julien/Service Culture/Univ Rennes)

(Fig. 4.c) ou encore projection murale tri-
dimensionnelle à lunettes polarisantes
(Fig. 4.d). Cette dernière installation
emporte le spectateur dans une mise
en abyme circulaire : on donne à voir
la polarisation par l'artefact d'une pro-
fondeur artificielle... elle-même rendue
visible à l'œil par un dispositif technolo-
gique reposant sur... la polarisation de
la lumière !

Pour conclure, si nos sens ne nous
donnent accès qu'à une infime part de
la réalité, les sciences, tout comme les
arts, n'ont de cesse de dépasser cet en-
vironnement tangible et observable.
L'exposition « *Le rayon extraordinaire* » en-
tendait ainsi s'aventurer au-delà de notre
perception pour nous dévoiler un monde
qui suscite l'émerveillement et impose le
respect. Au vu de la fréquentation et des
retours sur l'exposition et sur les événe-
ments annexes (conférence scientifique
grand public, débat art & science, per-
formance/concert), les acteurs du projet
ont le sentiment d'avoir réussi ce pari à
travers une aventure humaine d'une
extraordinaire richesse, au croisement
de deux disciplines si différentes mais
dont les démarches sont finalement si
semillables.

pour donner à voir le contraste de de-
gré de polarisation (qui quantifie la façon
dont l'objet imagé dépolarise – « désor-
donne » – plus ou moins l'état polari-
métrique d'éclairement [4]), nous avons
proposé d'utiliser la troisième dimension
spatiale, l« altitude » venant encoder
directement le degré de polarisation
(Fig. 4.a).

Cet artifice permet de révéler cette in-
formation cachée, mais offre surtout un
potentiel de création et d'imagination
extraordinaire, chaque image à deux
dimensions se transfigurant alors sous
la forme d'un « paysage » façonné par
les propriétés polarimétriques des ob-
jets imagés, et dans lequel le spectateur
peut s'immerger. Ces paysages polarimé-
triques ont été exploités dans plusieurs
pièces de l'exposition, sous des formes
plastiques différentes : impression 3D
(Fig. 4.a), tirages photographiques (Fig.
4.b), restitution vidéo, réalité virtuelle

Pour en savoir plus

* Site web de l'exposition https://www.leschampslibres.fr/expositions/expositions-passees/le-rayon-extraordinaire/

• Thomas Poli, vinyle Le Rayon Extraordinaire, https://impersonalfreedom.bandcamp.com/

* « Fred Murie & Flavien Théry, artistes spéculaires », P. Dorval, https://www.leschampslibres.fr/fileadmin/Champs_Libres/Documents/Photos/Expos/2022/LeRayon_extraordinaire/rayonextra-articleartistesspeculaires-philipedorval.pdf

* « Regard scientifique sur Le Rayon Extraordinaire », J. Fade, https://www.leschampslibres.fr/fileadmin/Champs_Libres/Documents/Photos/Expos/2022/LeRayon_extraordinaire/rayonextra-article-regardscientifiquepolarisation-julienfade.pdf

* Conférence grand public à l'Espace des Sciences de Rennes, 29/11/2022, https://www.espace-sciences.org/conferences/la-polarisation-de-la-lumiere-du-rayon-extraordinaire-aux-applications-modernes

RÉFÉRENCES

[1] https://www.speculaire.fr

[2] N. Shashar et al., J. of Exp. Bio. **199**, 2077 (1996)

[3] J. Fade et al., Photoniques **109**, 57 (2021)

[4] A. W. Kruse et al., Opt. Eng. **58**, 082414 (2019)