Miroir (optique)

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Miroir d'un télescope
Un miroir à couche d'or utilisé en laboratoire de physique.

Un miroir en optique est une surface réfléchissante. Les miroirs, par opposition aux éléments dits « réfractifs » tels que les dioptres, lentilles, etc. sont dits éléments « réflectifs ». Un miroir est le plus souvent un élément de verre de forme particulière dont une des face est traitée de manière à réfléchir la lumière incidente mais peut aussi être une surface réfléchissante seule.

Les premiers miroirs étaient argentés à l'arrière, puis étamés. Désormais de multiples types de traitements réflectifs existent, par dépôt de multiples couches de diélectriques par exemple.

Outre les multiples formes de miroirs, sphériques, paraboliques, plans, etc. il existe aussi des miroirs dits semi-réfléchissants qui permettent de ne réfléchir qu'une partie d'un faisceau (par exemple les miroirs dichroïques), des miroirs segmentés qui avec l'émergence de l'optique adaptative ont permis d'agrandir encore plus les miroirs des télescopes.

Historique[modifier | modifier le code]

Article connexe : Miroir.

Un miroir n'a longtemps été qu'une plaque de métal polie, généralement en cuivre ou en bronze[1]. À la Renaissance, les premiers miroirs en verre apparaissent mais utilisent un alliage de mercure qui est toxique. Ce n'est qu'en 1835 que le chimiste allemand Justus von Liebig parvient à réaliser pour la première fois un dépôt d'argent sur verre, permettant la fabrication de miroir verre-argent[2]. En 1887, Nahrwold réalise le premier dépôt sous vide, permettant la fabrication des miroirs verre-aluminium[3].

Techniques de fabrication[modifier | modifier le code]

On distingue plusieurs catégories de miroirs : les miroirs métalliques et les miroirs en verre avec une couche réfléchissante métallique ou un traitement multicouches.

Les miroirs métalliques[modifier | modifier le code]

On les obtient par polissage d'un métal. En réduisant la rugosité on augmente la réflexivité. On sait fabriquer de tels miroirs depuis l'Antiquité, bien que les techniques de polissage se soient améliorées depuis.

Les miroirs en verre[modifier | modifier le code]

Le support est ici en verre, sur lequel on dépose une fine couche métallique réfléchissante. Selon l'usage, on distingue deux procédés : les miroirs utilisés au quotidien sont réalisés par dépôt du métal sur la face arrière du miroir. Le verre protège ainsi la surface réfléchissante (contre l'oxydation par exemple), mais la lumière traverse la couche de verre. Il est courant d'ajouter une couche d'un autre métal derrière la couche réfléchissante afin de protéger celle-ci et rendre le miroir complètement opaque[4]. Les miroirs utilisés en optique (astronomie, interférométrie) sont en général réalisés par dépôt du métal sur la face avant. Ainsi la lumière ne traverse pas le verre, qui ne sert que de support. Ceci permet d'éviter tout problème lié à la réfraction ou la dispersion[5], le verre pouvant introduire des distorsions et des pertes d'énergie lumineuse[6].

Les miroirs multicouches[modifier | modifier le code]

Au lieu de déposer une unique couche métallique, on peut également déposer une superposition de nombreuses et diverses couches minces et modifier les propriétés réflectives de l'ensemble en jouant sur leurs épaisseurs et les matériaux utilisés.

Dépôt de la couche réfléchissante[modifier | modifier le code]

On utilise aujourd'hui principalement deux techniques de dépôt pour la couche réfléchissante. La première permet le dépôt d'une fine couche d'argent et se fait par réduction chimique en recouvrant le verre d'une solution de nitrate d'argent. La deuxième est un dépôt sous vide, permettant la réalisation d'une fine couche d'aluminium ou d'or.

Le dépôt d'argent par réduction chimique doit se faire sur une surface préalablement décapée, sans quoi l'argent n’adhérera pas suffisamment bien. La réaction mise en jeu est celle du réactif de Tollens avec un aldéhyde[7].

Le dépôt d'aluminium se fait dans une enceinte sous vide, c'est-à-dire à très basse pression. Le métal, chauffé, s'évapore et se dépose sur la surface froide du verre. Le vide permet de limiter au maximum les collisions entre les particules jusqu'à ce qu'elles arrivent au miroir. Pour cela, il faudra descendre la pression à moins de 10-4 Torr (soit moins de 10-2 Pa). L'épaisseur de la couche déposée est de l'ordre de quelques dizaines de nanomètre[8].

Polissage et nettoyage du verre[modifier | modifier le code]

Réflectivité des métaux[modifier | modifier le code]

Critères de qualité[modifier | modifier le code]

La qualité d'un miroir dépend beaucoup de celle de la surface du support, généralement en verre. On attend que cette surface soit la plus uniforme et la plus lisse possible. Un premier critère de qualité d'un miroir réside donc dans la forme (grande échelle spatiale) et dans les ondulations (moyenne échelle spatiale), c'est-à-dire l'écart à la forme souhaitée. Un trop gros défaut de forme ou de trop importantes ondulations donneront une image déformée, de mauvaise qualité, ou empêcheront de focaliser les rayons à l'endroit voulu, par exemples. Un deuxième critère est celui de la rugosité (faible échelle spatiale) : plus celle-ci est importante, plus il y aura de diffusion, ce qui dégrade l'image formée. Un critère supplémentaire réside dans la réflectivité de la couche réfléchissante.

Les attentes quant au respect de ces critères dépendent du domaine d'utilisation du miroir. Les miroirs utilisés en interférométrie devront avoir des défauts de forme très faibles, tandis qu'on tolérera un défaut non-visible à l’œil nu pour un miroir domestique. Des domaines comme l'astronomie, où la qualité de l'image formée est primordiale, seront très exigeants en termes de rugosité[9].

Techniques de contrôle mécaniques[modifier | modifier le code]

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Ces techniques utilisent un palpeur qui se déplace le long de la surface à contrôler. Les variations de hauteur du palpeur permettent de détecter les défauts et cartographier la surface.

La précision des profilomètres est limitée par la taille de leur palpeur, on ne peut détecter que des défauts plus grands que la pointe du palpeur.

[10]

Déplacer le palpeur sur la totalité de la surface pouvant prendre beaucoup de temps, il est fréquent de se contenter de faire des mesures sur des axes ou uniquement sur une zone bien précise.

Ces techniques présentent un inconvénient majeur : le palpeur est au contact direct de la surface et peut, dans certain cas, la dégrader. Sur une surface fragile, il faudra donc préférer des techniques optiques.

Techniques de contrôle optiques[modifier | modifier le code]

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Les profilomètres optiques utilisent des techniques interférométriques. Les franges d'interférence représentent alors des lignes de niveaux de la surface étudiée par rapport à une surface de référence considérée parfaite. Contrairement aux techniques mécaniques, les techniques optiques permettent un contrôle de la surface sans aucun contact physique avec celle-ci. Elles permettent de repérer la présence et l'intensité des défauts, mais ne renseignent pas toujours sur leur forme.

Différents types de miroir[modifier | modifier le code]

Miroir plan[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Miroir plan.

Un miroir plan est, en optique, une surface plane parfaitement réfléchissante. Toutefois, un dioptre, même en présence de réfraction, entraîne un phénomène de réflexion partielle. C'est pourquoi, il est possible, à travers une vitre, de voir à la fois son propre reflet et ce qui se trouve derrière.

image donnée par un miroir plan

Les lois de la réflexion (dite spéculaire) sont les mêmes.
La conséquence est qu'un miroir est un système stigmatique rigoureux pour tout point et que l'image donnée par un miroir est une image virtuelle.

Dans la figure ci-contre, ont été représentés quelques rayons issus d'un objet lumineux réel et venant se réfléchir sur le miroir (que l'on schématise par un segment muni de hachure à l'arrière) selon les lois de Snell-Descartes.
Un observateur, et ce quelle que soit sa position, recevra de la lumière qui lui semble provenir d'un point symétrique de l'objet par rapport au miroir : l'image (virtuelle) que l'observateur voit.

Miroir courbe : généralités[modifier | modifier le code]

Réflexion sur un miroir courbe convexe, plan tangent au point d'impact

Dans le cas d'un miroir courbe, on considère localement le plan tangent à l'endroit de l'impact du rayon sur le miroir, et on applique la loi de la réflexion à ce plan tangent.

Le miroir est dit convexe si les rayons se réfléchissent à l'extérieur de la calotte (comme sur la figure ci-dessus), et concave si la réflexion se produit à l'intérieur de la calotte (comme sur la figure ci-dessous).

Notons que les miroirs courbes ne sont pas stigmatiques. En effet, les rayons partant d'un point ne se croisent pas tous au même point après avoir été réfléchis par le miroir, mise à part pour quelques points particuliers (dans le cas du miroir sphérique, seuls le centre et les points du miroir donnent une « image unique »). Cependant, si l'on respecte les conditions de Gauss, c'est-à-dire :

  • le rayon est presque parallèle à l'axe optique ;
  • le rayon frappe le miroir à proximité de l'axe optique ;

alors, on peut considérer que le miroir est quasiment stigmatique.

Pour la distance, la notion de « proche » fait référence au rayon de courbure : la distance entre le sommet de la calotte située sur l'axe optique et le point d'impact du rayon est petit devant la courbure. Pour l'angle, dans le cas d'un miroir sphérique, cela signifie que l'angle α entre le rayon passant par le centre et la normale à l'impact du rayon vérifie : cos(α) est petit devant 1, ou plus précisément si ε désigne la distance entre le point émetteur A et le centre C, alors 2.(ε/r).cos(α)<<1.le principe du miroir et de réfléchir un objet pour donner une image.

Miroir sphérique[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Miroir sphérique.

Un miroir sphérique est constitué d'une calotte sphérique, c'est-à-dire une sphère tronquée par un plan. L'ouverture du miroir est donc un cercle et l'axe du miroir est la droite normale à l'ouverture et passant par son centre.

Le miroir sphérique n'est pas stigmatique. Il peut toutefois, si sa courbure est faible, être utilisé en stigmatisme approché. Il est alors représenté par un segment avec des hachures comme pour le miroir plan, mais avec l'indication de sa courbure par un trait "rabattu" aux extrémités.

Dans ce cas, des règles simples analogues à celles des lentilles minces permettent de déterminer par construction géométrique l'image d'un objet lumineux.

Autres miroirs courbes particuliers[modifier | modifier le code]

Certains miroirs courbes sont fréquemment utilisés en raison de leurs propriétés particulières. Ce sont des miroirs dont la surface est obtenue en faisant tourner une conique (cercle, ellipse, parabole, hyperbole) autour de leur axe (la surface s'appelle respectivement une sphère, un ellipsoïde de révolution, un paraboloïde de révolution et un hyperboloïde de révolution). La notion mathématique de foyer de la conique (point permettant, avec la droite directrice et l'excentricité, de caractériser la conique) ne recoupe en général pas celle de foyer en optique géométrique (point où convergent les rayons venant de l'infini après déviation), sauf dans le cas de la parabole. Les courbes génératrices étant soit fermées, soit d'extension infinie, les miroirs réels sont donc des surfaces tronquées.

Miroir parabolique[modifier | modifier le code]

Un miroir parabolique est un miroir dont la forme est une portion de paraboloïde de révolution. Ils furent notamment étudiés par le mathématicien italien Ghetaldi.

profil d'un miroir parabolique ; concentration au foyer

Les miroirs paraboliques concaves dont l'efficacité a été mis en lumière par le physicien Georges Penciolelli, sont beaucoup utilisés soit pour produire des faisceaux de lumière parallèles, notamment dans des projecteurs, soit pour recueillir la lumière provenant d'une source lointaine et la concentrer en son foyer. Le principe est le même en vertu du principe du retour inverse de la lumière.

Ceci provient d'une propriété géométrique de la parabole : si l'on met une lampe au foyer de la parabole, les rayons réfléchis ressortent parallèles à l'axe de la parabole (le foyer géométrique est ici confondu avec le foyer optique).

Dans le cas par exemple d'un projecteur à miroir parabolique, sans contre-miroir (figure de gauche ci-dessous), une partie du faisceau se perd et forme un halo diffus qui ne contribue pas au faisceau parallèle ; ce halo s'étend lorsque l'on s'éloigne du projecteur, et l'intensité de ce halo diminue. Avec un contre-miroir sphérique (figure de droite ci-dessous), tous les rayons sont récupérés, mais on a une tache sombre au centre. L'intensité récupérée par le contre-miroir est plus importante que l'intensité perdue dans la tache sombre ; par ailleurs, le faisceau n'étant pas parfaitement parallèle, la tache sombre s'estompe lorsque l'on s'éloigne du projecteur. Le réglage du contre-miroir est parfois délicat, son usage n'est donc pas systématique.

projecteur à miroir parabolique ; sans contre-miroir (figure de gauche), avec un contre-miroir sphérique (figure de droite),
Projecteur à miroir parabolique : sans contre-miroir (figure de gauche), avec un contre-miroir sphérique (figure de droite)

La technique de miroir liquide permet d'obtenir des miroirs parfaitement paraboliques, et dont on peut régler la courbure.

Miroir elliptique[modifier | modifier le code]

Un miroir elliptique épouse la forme d'un ellipsoïde de révolution. On utilise des miroirs elliptiques concaves pour former un faisceau lumineux convergent, par exemple dans les lanternes de projecteurs de cinéma.

Lanterne de cinéma

En effet, selon une propriété géométrique des ellipses, un rayon partant d'un foyer est réfléchi vers l'autre foyer (il s'agit là des foyers au sens géométrique, et non pas d'un point permettant la création d'un faisceau parallèle).

Ainsi, on place la lampe à un des foyers et le centre optique de l'objectif à l'autre foyer, ce qui permet de concentrer le flux de lumière.

Applications[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

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