Miroir

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Contexte

Depuis la plus ancienne histoire enregistrée, les humains ont été fascinés par les reflets. Narcisse aurait été ensorcelé par son propre reflet dans un bassin d'eau, et des pouvoirs magiques sont attribués aux miroirs dans les contes de fées. Les miroirs sont passés des piscines réfléchissantes et des surfaces métalliques polies aux miroirs de poche et de salle de bain en verre transparent. Ils sont utilisés dans la décoration intérieure depuis le 17ème siècle, et les surfaces réfléchissantes sur les voitures et dans les halls d'hôtel sont toujours populaires dans le design moderne. Les miroirs sont également utilisés à des fins pratiques :examiner notre apparence, examiner ce qui se trouve derrière nous sur la route, construire des gratte-ciel et fabriquer des instruments de recherche scientifique, tels que des microscopes et des lasers.

La nature des miroirs modernes n'est pas fondamentalement différente d'une piscine d'eau. Lorsque la lumière frappe n'importe quelle surface, une partie sera réfléchie. Les miroirs sont simplement des surfaces lisses avec des arrière-plans brillants et sombres qui se reflètent très bien. L'eau se reflète bien, le verre se reflète mal et le métal poli se reflète extrêmement bien. Le degré de réflectivité (la quantité de lumière qui rebondit sur une surface) et la diffusivité d'une surface (la direction dans laquelle la lumière rebondit sur une surface) peuvent être modifiés. Ces modifications ne sont cependant que des raffinements. En général, toutes les surfaces réfléchissantes, et donc tous les miroirs, ont vraiment le même caractère.

Les miroirs artificiels existent depuis l'Antiquité. Les premiers miroirs étaient souvent des feuilles de métal poli et étaient utilisés presque exclusivement par les classes dirigeantes. L'apparence reflétait souvent, et dans certains cas déterminé, la position et le pouvoir dans la société, de sorte que la demande de lunettes était élevée, tout comme la demande d'amélioration des techniques de fabrication de miroirs. L'argenture - le processus de revêtement du dos d'une feuille de verre avec de l'argent fondu - est devenue la méthode la plus populaire pour fabriquer des miroirs dans les années 1600. Le verre utilisé dans ces premiers miroirs était souvent déformé, créant une ondulation dans l'image. Dans certains cas graves, les images que ces miroirs reflétaient étaient similaires à celles que nous voyions aujourd'hui dans un miroir amusant. Les techniques modernes de verrerie et de métallurgie facilitent la production de feuilles de verre très plates et uniformément revêtues au dos, améliorant considérablement la clarté de l'image. Pourtant, la qualité d'un miroir dépend du temps et des matériaux dépensés pour le fabriquer. Un miroir de sac à main peut refléter une image déformée, tandis qu'un bon miroir de salle de bain n'aura probablement aucune distorsion notable. Les miroirs scientifiques sont conçus avec pratiquement aucune imperfection ni aucune qualité de distorsion.

La technologie des matériaux affecte considérablement la qualité d'un miroir. La lumière se réfléchit mieux sur des surfaces non diffusantes, c'est-à-dire lisses et opaques, plutôt que transparentes. Tout défaut dans cet arrangement nuira à l'efficacité du miroir. Les innovations dans la fabrication de miroirs ont été orientées vers l'aplatissement du verre utilisé et l'application de revêtements métalliques d'épaisseur uniforme, car la lumière traversant différentes épaisseurs de verre sur différentes parties d'un miroir entraîne une image déformée. C'est à cause de ces irrégularités que certains miroirs vous font paraître plus mince et certains plus gros que la normale. Si le support métallique d'un miroir est rayé ou mince par endroits, la luminosité du reflet sera également inégale. Si le revêtement est très fin, il peut être possible de voir à travers le miroir. C'est ainsi que sont fabriqués les miroirs sans tain. Un revêtement non opaque est appliqué sur le support métallique mince et un seul côté du miroir (le côté réfléchissant) est allumé. Cela permet à un spectateur de l'autre côté, dans une pièce sombre, de voir à travers.

Matières premières

Le verre, le composant principal des miroirs, est un mauvais réflecteur. Il ne réfléchit qu'environ 4% de la lumière qui le frappe. Il possède cependant la propriété d'uniformité, en particulier lorsqu'il est poli. Cela signifie que le verre contient très peu de piqûres après polissage et formera une base efficace pour une couche réfléchissante de métal. Lorsque la couche métallique est déposée, la surface est très uniforme, sans bosses ni creux. Le verre est également considéré comme un bon matériau pour les miroirs car il peut être moulé sous diverses formes pour des miroirs spécialisés. Les feuilles de verre sont fabriquées à partir de silice, qui peut être extraite ou raffinée à partir de sable. Le verre fabriqué à partir de cristaux naturels de silice est connu sous le nom de quartz fondu. Il existe également des verres synthétiques, appelés silice fondue synthétique. La silice, ou quartz, est fondue à des températures élevées, et versée ou roulée en feuilles.

Quelques autres types de verre sont utilisés pour les miroirs de qualité scientifique. Ceux-ci contiennent généralement un autre composant chimique pour renforcer le verre ou le rendre résistant à certaines conditions environnementales extrêmes. Le pyrex, par exemple, est un verre borosilicaté, un verre composé de silice et de bore, qui est utilisé lorsque les miroirs doivent résister à des températures élevées.

Dans certains cas, un substrat en plastique fera aussi bien l'affaire qu'un substrat en verre. En particulier, les miroirs des jouets pour enfants sont souvent fabriqués de cette façon, de sorte qu'ils ne se cassent pas aussi facilement. Les polymères plastiques sont fabriqués à partir de pétrole et d'autres produits chimiques organiques. Ils peuvent être moulés par injection dans n'importe quelle forme souhaitée, y compris des feuilles plates et des cercles, et peuvent être opaques ou transparents selon la conception.

Ces matériaux de base doivent être enduits pour faire un miroir. Les revêtements métalliques sont les plus courants. Une variété de métaux, tels que l'argent, l'or, et chrome, sont appropriés pour cette application. L'argent était le support de miroir le plus populaire il y a cent ans, ce qui a conduit à la création du terme « argentage ». Cependant, les vieux miroirs à dos argenté ont souvent des lignes sombres derrière le verre, car le matériau était enduit très finement et de manière inégale, ce qui le faisait s'écailler, rayer ou ternir. Plus récemment, avant 1940, les fabricants de miroirs utilisaient du mercure car il se répandait uniformément sur la surface du verre et ne ternissait pas. Cette pratique fut aussi finalement abandonnée, car elle posait le problème de l'étanchéité dans le liquide toxique. Aujourd'hui, l'aluminium est le revêtement métallique le plus couramment utilisé pour les miroirs.

Les miroirs de qualité scientifique sont parfois recouverts d'autres matériaux, comme des oxydes de silicium et des nitrures de silicium, en plusieurs centaines de couches d'une épaisseur de 10 000ème de pouce chacune. Ces types de revêtements, appelés revêtements diélectriques, sont utilisés à la fois comme réflecteurs et comme finitions protectrices sur les revêtements métalliques. Ils sont plus résistants aux rayures que le métal. Les miroirs scientifiques utilisent également des revêtements en argent, et parfois des revêtements en or, pour refléter plus ou moins bien la lumière d'une couleur particulière.

Conception

La régularité de la surface est probablement la caractéristique de conception la plus importante des miroirs. Les miroirs à usage domestique doivent répondre à peu près aux mêmes spécifications que les vitres et le verre des cadres. Les feuilles de verre utilisées doivent être raisonnablement plates et durables. Le concepteur n'a qu'à préciser l'épaisseur requise; par exemple, les miroirs plus épais sont plus durables, mais ils sont également plus lourds. Les miroirs scientifiques ont généralement des surfaces spécialement conçues. Ces surfaces doivent être uniformément lisses à quelques dizaines de centimètres près, et peuvent être conçues avec une courbure spécifique, tout comme les verres de lunettes. Le principe de conception de ces miroirs est le même que celui des lunettes :un miroir peut être destiné à focaliser la lumière aussi bien qu'à la refléter.

La conception du miroir précisera également le type de revêtement à utiliser. Le matériau de revêtement est choisi en fonction de la durabilité et de la réflectivité requises et, selon l'usage prévu du miroir, il peut être appliqué sur la surface avant ou arrière du miroir. Toutes les couches ultérieures de revêtements protecteurs doivent également être spécifiées à ce stade. Pour la plupart des miroirs courants, le revêtement réfléchissant sera appliqué sur la surface arrière du verre car il est moins susceptible d'y être endommagé. La face arrière est ensuite fréquemment montée dans un La première étape de la fabrication des miroirs consiste à découper et à façonner les ébauches de verre. La coupe est généralement effectuée avec une scie avec de la poussière de diamant incrustée dans les pointes. Ensuite, les ébauches sont placées dans des rectifieuses optiques, qui utilisent un liquide abrasif plus une plaque de meulage pour produire une finition très uniforme et lisse sur les ébauches. Le matériau réfléchissant est ensuite appliqué dans un évaporateur, qui chauffe le revêtement métallique jusqu'à ce qu'il s'évapore sur la surface des flans. cadre en plastique ou en métal de manière à sceller entièrement le revêtement de l'air et des objets tranchants.

Pour une utilisation scientifique, la couleur ou la longueur d'onde de la lumière que le miroir reflétera doit être prise en compte. Pour les miroirs standard à lumière visible ou à lumière ultraviolette, les revêtements en aluminium sont courants. Si le miroir doit être utilisé avec une lumière infrarouge, un revêtement en argent ou en or est préférable. Les revêtements diélectriques sont également bons dans la gamme infrarouge. En fin de compte, cependant, le choix du revêtement dépendra de la durabilité ainsi que de la plage de longueurs d'onde, et une certaine réflectivité peut être sacrifiée pour la résilience. Un revêtement diélectrique, par exemple, est beaucoup plus résistant aux rayures qu'un revêtement métallique et, malgré le coût supplémentaire, ces revêtements sont souvent ajoutés sur le métal pour le protéger. Les revêtements sur les miroirs de qualité scientifique sont généralement appliqués sur la surface avant du verre, car la lumière qui traverse le verre se déforme toujours dans une faible mesure. Ceci est indésirable dans la plupart des applications scientifiques.

Le processus de fabrication

Découpe et façonnage du verre

• 1 La première étape de la fabrication d'un miroir consiste à découper le contour du verre "à blanc" en fonction de l'application. Si le rétroviseur est destiné à une automobile, par exemple, le verre sera découpé pour s'adapter au support de rétroviseur de la voiture. Bien que certains fabricants de miroirs coupent leur propre verre, d'autres reçoivent du verre qui a déjà été découpé en ébauches. Peu importe qui coupe le verre, des lames très dures et finement pointues sont utilisées pour faire la coupe. Des scribes ou des scies en diamant - des pointes de métal tranchantes ou des scies contenant de la poussière de diamant - sont souvent utilisés car le diamant usera le verre avant que le verre n'use le diamant. La méthode de coupe utilisée dépend entièrement de la forme finale que prendra le miroir. Dans une méthode, les lames ou les scribes peuvent être utilisés pour couper en partie à travers le verre; la pression peut ensuite être utilisée pour briser le verre le long de la ligne de score. Dans une autre méthode, une machine utilise une scie diamantée pour couper tout le verre en tirant la lame d'avant en arrière ou de haut en bas plusieurs fois, comme une scie à ruban automatisée. La coupe est généralement effectuée avant l'application du revêtement métallique, car le revêtement peut s'écailler du verre à la suite de la coupe. Une alternative à la découpe du verre pour former des ébauches consiste à mouler le verre à l'état fondu.
• 2 ébauches sont ensuite placées dans des rectifieuses optiques. Ces machines sont constituées de grandes plaques de base pleines de dépressions qui retiennent les ébauches. La base remplie de blanc est placée contre une autre plaque métallique avec la forme de surface souhaitée :plate, convexe ou concave. Un composé de broyage - un liquide granuleux - est étalé sur les flans de verre lorsqu'ils sont frottés ou roulés contre la surface incurvée. L'action est similaire au broyage d'épices avec un mortier et un pilon. Le grain dans le composé use progressivement la surface du verre jusqu'à ce qu'il prenne la même forme que la plaque de broyage. Des grains de plus en plus fins sont utilisés jusqu'à ce que la surface soit très lisse et uniforme.

  Des techniques de meulage manuel existent également, mais elles sont extrêmement chronophages et difficiles à contrôler. Ils ne sont utilisés que dans les cas où le meulage mécanique serait impossible, comme c'est le cas avec des surfaces très grandes ou de forme inhabituelle. Un broyeur optique commercial peut accueillir de 50 à 200 flans, qui sont tous polis simultanément. C'est beaucoup plus efficace que le meulage manuel. Même les optiques spécialisées peuvent être fabriquées mécaniquement dans des équipements réglables.

Application du matériau réfléchissant

• 3 Lorsque les surfaces en verre sont façonnées de manière appropriée et polies pour obtenir une finition lisse, elles sont recouvertes du matériau réfléchissant choisi par le concepteur. Quel que soit le matériau de revêtement, il est appliqué dans un appareil appelé évaporateur. L'évaporateur est une grande chambre à vide avec une plaque supérieure pour supporter les miroirs vierges et un creuset inférieur pour faire fondre le métal de revêtement. On l'appelle ainsi parce que le métal est chauffé dans le creuset au point qu'il s'évapore dans le vide, en déposant un revêtement sur la surface du verre un peu comme le souffle chaud produira de la vapeur sur une fenêtre froide. Les ébauches sont centrées sur des trous dans la plaque supérieure qui permettent à la vapeur de métal d'atteindre la surface du verre. Les métaux peuvent être chauffés à plusieurs centaines ou milliers de degrés (selon le point d'ébullition du métal), avant de se vaporiser. La température et le calendrier de cette procédure sont contrôlés très précisément pour obtenir exactement la bonne épaisseur de métal. Cette méthode de revêtement crée des surfaces très uniformes et hautement réfléchissantes.
• 4 La forme des trous de la plaque supérieure sera transférée sur le verre en métal, comme la peinture à travers un pochoir. Cet effet est souvent utilisé pour modeler intentionnellement le miroir. Des pochoirs en métal, ou masques, peuvent être appliqués sur la surface du verre pour créer un ou plusieurs motifs.
• 5 Les revêtements diélectriques—soit sous forme de couches réfléchissantes, soit sous forme de couches protectrices sur des couches métalliques—sont appliqués à peu près de la même manière, sauf que des gaz sont utilisés à la place de morceaux de métal. Les oxydes de silicium et les nitrures de silicium sont généralement utilisés comme revêtements diélectriques. Lorsque ces gaz se combinent dans une chaleur extrême, ils réagissent pour former une substance solide. Ce produit de réaction forme un revêtement tout comme le métal.
• 6 Plusieurs étapes d'évaporation peuvent être combinées pour réaliser un revêtement multicouche. Des matériaux diélectriques transparents peuvent être évaporés sur du métal ou d'autres diélectriques pour modifier les propriétés réfléchissantes ou mécaniques d'une surface. Les miroirs argentés au dos du verre, par exemple, ont souvent une couche diélectrique opaque appliquée pour améliorer la réflectivité et empêcher le métal de se rayer. Les miroirs sans tain sont l'exception à cette procédure, auquel cas un grand soin doit être pris pour ne pas endommager le revêtement métallique mince.
• 7 Enfin, lorsque les revêtements appropriés ont été appliqués, le miroir fini est monté dans une base ou emballé soigneusement dans un emballage résistant aux chocs pour l'expédition.

Contrôle qualité

À quel point un miroir doit-il être bon ? Est-il suffisant que 80 % de la lumière rebondisse ? Est-ce que tous les 80 pour cent doivent rebondir exactement dans la même direction ? La réponse dépend de l'application. Un miroir de sac à main peut n'être réfléchissant qu'à 80 ou 90 % et peut présenter une légère irrégularité dans l'épaisseur du verre (comme des ondulations à la surface d'un étang). L'image serait légèrement déformée dans ce cas, mais la déformation serait à peine visible à l'œil nu. Si, toutefois, un miroir doit être utilisé pour une application scientifique, par exemple dans un télescope, la forme de la surface et la réflectivité du revêtement doivent être connues à un degré très précis, pour garantir que la lumière réfléchie va exactement là où le le concepteur du télescope le veut, et à la bonne intensité. Les tolérances sur le miroir affecteront le coût et la facilité avec laquelle il peut être fabriqué.

L'uniformité des miroirs de lots est le premier et le plus important travail d'assurance qualité. Les miroirs sur le bord d'une plaque de broyage ou d'une chambre d'évaporation peuvent ne pas avoir la même surface ou le même revêtement que ceux au centre de l'appareil. S'il existe une large gamme d'épaisseurs de métal ou de planéités de surface dans un seul lot de miroirs, le processus doit être ajusté pour améliorer l'uniformité.

Plusieurs méthodes sont utilisées pour tester l'intégrité d'un miroir. La qualité de la surface est d'abord examinée visuellement à la recherche de rayures, d'irrégularités, de piqûres ou d'ondulations. Cela peut être fait à l'œil nu, avec un microscope ou avec un procédé photographique infrarouge conçu pour montrer les différences d'épaisseur de métal.

Pour un contrôle de surface plus strict, un profil du miroir peut être mesuré en passant un stylet le long de la surface. La position du stylet est enregistrée lorsqu'il est déplacé sur le miroir. Ceci est similaire à la façon dont fonctionne un tourne-disque. Comme le tourne-disque, l'inconvénient d'un stylet mécanique est qu'il peut endommager la surface qu'il détecte. Les fabricants de miroirs sont venus à la même solution que l'industrie de l'enregistrement :utiliser un laser. Le laser peut être utilisé pour des contrôles non destructifs de la même manière qu'un lecteur de disque compact lit la musique d'un disque sans en altérer la surface.

En plus de ces tests mécaniques, les miroirs peuvent être exposés à diverses conditions environnementales. Les rétroviseurs de voiture, par exemple, sont soumis à des températures extrêmes de froid et de chaleur pour Un miroir typique peut inclure une couche réfléchissante en métal et un ou plusieurs revêtements diélectriques, en tant que couches protectrices sur le métal . Les revêtements diélectriques sont appliqués à peu près de la même manière que les couches métalliques, sauf que des gaz tels que les oxydes de silicium et les nitrures de silicium sont utilisés à la place des morceaux de métal. assurez-vous qu'ils résisteront aux conditions météorologiques, tandis que les miroirs de salle de bain sont testés pour la résistance à l'eau.

Le futur

À mesure que les techniques de fabrication du verre s'améliorent, les miroirs trouvent une place plus élaborée dans l'art et l'architecture. Des verres plus solides et plus légers sont plus attrayants pour les concepteurs. Certaines techniques de fabrication de miroirs sans tain permettent de fabriquer des fenêtres qui sont reflétées à l'extérieur. Cela crée une apparence distinctive sur un bâtiment et rend également le système de climatisation du bâtiment plus efficace en déviant la chaleur pendant l'été. Ce type de miroir est maintenant couramment vu sur les immeubles de bureaux.

Les miroirs continueront également d'être utilisés dans des applications optiques sophistiquées, des microscopes et télescopes aux systèmes de lecture laser tels que les lecteurs de disques compacts et les lecteurs de codes-barres.