Истоки

С незапамятных исторических времен, отражения приводили человечество в восторг. Якобы Нарцисс был околдован своим собственным отображением в водной глади, а в сказках магические силы были сосредоточены в зеркалах. Зеркала берут свое начало от отражаемых водных поверхностей и полированных металлических пластин до портативного зеркальца и зеркал для ванных комнат. Зеркала используются в декорировании интерьеров с 17 века, а отражающие поверхности на машинах и на лобби отелей до сих пор достаточно популярны в современном дизайне. Зеркала используются практически везде: зеркала, в которые мы смотримся, зеркала заднего вида на автомобилях, в строительстве небоскребов, в изготовлении приборов для научных исследований, таких как микроскопы и лазеры.

В сущности, отличие современного зеркала от отражения в водной гладит не так фундаментально. Когда свет попадает на какую-либо поверхность, большинство из них будут отражаться. Зеркала это просто гладкие поверхности с глянцевыми, непрозрачными задними фонами, которые очень хорошо отражают. Вода отражает хорошо, стекло отражает недостаточно, полированный металл отражает очень хорошо. Степень отражаемости (как много света отражается от поверхности, коэффициент диффузии поверхности, каково направление светового отражения от поверхности) может варьироваться. Тем не менее, данные вариации всего лишь тонкости. Обычно все отражающие поверхности и зеркала имеют одинаковые свойства. Зеркала, сделанные человеком, существовали с древних времен. Первые зеркала представляли чаще всего кусок полированного железа и использовались только высшей знатью. Внешний вид отражал, а в некоторых случаях, и устанавливал положение и власть в обществе, поэтому потребность в отражаемом стекле была очень высока, точно так же как и потребность в усовершенствовании техники производства зеркал. Серебрение - процесс нанесения на заднюю поверхность стекла расплавленного серебра - стало очень популярным методом в изготовлении зеркал в 17 веке. Стекло, используемое в этих ранних зеркалах, очень часто было покоробленным, тем самым искажало картинку. Иногда отражения в таких зеркалах напоминали отражения в сегодняшних «Комнатах смеха». Современное изготовление зеркал и металлургические технологии позволяют делать лист стекла очень гладким с равномерным покрытием задней поверхности, придавая поверхности идеальную четкость. До сих пор качество зеркал зависит от времени и материалов, затраченных на их производство. Портативное зеркало для сумочки может искажать изображение, тогда как хорошее зеркало для ванной комнаты вряд ли будет иметь видимые недостатки. Зеркала для науки изготавливаются практически без дефектов и искажающих свойств.

Свойства материалов оказывает большое влияние на качество зеркала. Свет лучше отражается от не диффузионных, гладких и непроницаемых поверхностей, чем от прозрачных. Малейшее отклонение от этих постулатов уменьшает эффективность зеркала.

Инновации в производстве зеркал направлено непосредственно на придание стеклу гладкости и нанесения металлического покрытия одинаковой толщины, потому что свет, проникая через разные толщины стекла, может создавать искаженную картинку в отражении.

Сырье

Стекло, основной элемент зеркала, плохой отражатель. Оно отражает лишь 4% света, падающего на него. Но, тем не менее, стекло обладает хорошим свойством однородности, особенно в полированном виде. Это значит, что после полировки на стекле практически не остается углублений, что создает прекрасную базу для нанесения отражающего металлического покрытия. Когда слой металла нанесен, покрытие становится очень ровным, без выпуклостей и впадин. Есть еще одна причина тому, что стекло это отличный материал для зеркал. Дело в том, что стекло можно формовать, придавая ему различные формы для специфических зеркал. Пластины стекла делаются из диоксида кремния, добытого или очищенного из песка. Стекло, сделанное из природных кристаллов диоксида кремния, известно как плавленый кварц. Существуют так же синтетические стекла, которые относятся к синтетическому плавленому кварцу. Диоксид кремния или кварц расплавляются при высокой температуре и отливаются в листы.

Эти базовые материалы должны иметь покрытие, чтобы получилось зеркало. Металлическое покрытие является общепринятым. Разнообразные виды металлов, такие как серебро, золото, хром, используются для этого. Серебро было наиболее популярно сто лет назад. Отсюда и происхождение термина «серебрение». На старых зеркалах, имеющие серебряную основу, часто видны темные полосы на стекле, это из-за того, что материал был покрыт толстым неоднородным слоем, что приводило к напластовыванию, царапанью и тусклости. До 1940 года, производители зеркал использовали ртуть. Она идеально ровно ложилась на поверхность и не тускнела. Но такая практика вскоре забылась, так как было проблематично хранить токсичную жидкость. Сегодня, алюминий является общепризнанным металлическим покрытием для зеркал.

Научные зеркала иногда покрывают другими металлами, например, диоксидом кремния и нитридом кремния. Эти типы покрытия используется как изолирующие покрытия, и используются в качестве, как отражателей, так и защитной отделкой на металлическом покрытии. Они меньше подвержены повреждениям, чем металл. Научные зеркала так же покрывают серебром или золотом, чтобы иметь возможность отражать определенные цвета света.

Структура

Поверхность - это наиболее важная часть в дизайне зеркала. Зеркала, используемые в домашнем хозяйстве, имеет приблизительно те же характеристики, как и оконное стекло или стекло для фото рамки. Используемое стекло должно быть достаточно ровным и прочным. Конструктору достаточно только определить желаемую толщину стекла, например, более толстое стекло - более прочное, но и более тяжелое. Научные зеркала обычно имеют специальную структуру покрытия. Такие покрытия идеально гладкие, в несколько тысячных дюймов, со специально сконструированным искривлением, почти как в линзах для очков. Структура таких зеркал так же важна, как и для линз, использующихся в офтальмологии. Зеркало может быть предназначено как для фокусирования света, так и для его рассеивания. Конструкция зеркала также должна соответствовать типу покрытия, нанесенного на него. Покрывающий материал выбирается, исходя из требований прочности и степени отражения, и может зависеть от предназначения зеркала. Покрытие может наноситься на переднюю и на заднюю часть зеркала. Каждый последующий защитный слой должен быть точно определен соответственно каждому этапу нанесения. Для большинства зеркал, отражающее покрытие наносится на заднюю часть поверхности стекла, так как она менее подвержена повреждениям. Задняя поверхность зеркала чаще всего защищена пластиковой или металлической пластиной, что позволяет защищать покрытие от доступа воздуха и острых предметов.
Для научного применения обязательно учитывается цвет, длина световой волны, которую будет отражать зеркало. По стандарту, для зеркал, применяемых для видимого света и ультрафиолетового излучения, используется покрытие из алюминия. Если зеркало предназначено для инфракрасного излучение, то лучше использовать покрытие из серебра или золота. Диэлектрическое покрытие также хорошо подходит для ИК-диапазонов. В итоге можно сказать, что выбор покрытия одинаково зависит и от прочности, и от диапазона длины волн, и иногда отражательными свойствами жертвуют в пользу прочности. Диэлектрическое покрытие, например, менее подвержено царапинам, чем металлическое, и, несмотря на дополнительные расходы по стоимости, часто наносится поверх металлического, чтобы защитить его. Покрытия на научных зеркалах с распределением коэффициента отражения обычно наносятся на переднюю поверхность стекла, потому что свет, проходящий через стекло всегда будет искажаться в немалой степени. А это нежелательно во многих научных применениях.

Производственный процесс

Порезка и придание формы стеклу

Первый шаг в производстве зеркала - вырезка по эскизу стекла - заготовки для придания ей в последствие желаемой формы. Если зеркало вырезается для автомобиля, например, то стекло будет вырезано по шаблонам зеркал для машины. Некоторые производители зеркал сами режут стекло, некоторые получают уже готовые заготовки. Не зависимо от того, кто режет стекло, для порезки используются высокотвердые, хорошо заостренные ножи. Алмазные резцы или пилы - острые металлические наконечники или дисковые пилы с алмазным напылением на них- используются чаще всего, так как алмаз не изнашивается стеклом. Метод порезки стекла напрямую зависит от формы, которую хотят придать зеркалу. Например, по одному методу ножи прорезают зеркало в нескольких местах (точечно), а потом под давлением стекло выдавливается по прорезанным контурам. По другому методу специальная машина с алмазными дисками режет стекло по всей длине и ширине по принципу автоматической ленточной пилы. Порезка осуществляется всегда перед нанесением покрытия. Как альтернатива порезки стекла на заготовки существует формовка стекла в расплавленном виде.

Далее заготовки помещаются в оптическую шлифовальную машину. Эта машина состоит из широких плит-оснований с выемками, которые удерживают заготовки стекла. Закрепленную заготовку располагают вплотную к другой металлической плите, которая содержит желаемое покрытие: плоское, выпуклое или вогнутое. Шлифовальная смесь – жидкость с абразивом - распределяется на стеклянной заготовке вращательными и втирательными движениями. Процесс очень похож на размалывание специй в ступке. Шлифовальные зерна постепенно стирают слой поверхности стекла до тех пор, пока оно не примет форму шлифовальной пластины. В процессе шлифования диаметр абразивных зерен каждого номера уменьшают до тех пор, пока поверхность гладкая и ровная. Отшлифованный слой стекла снимается с помощью полировки.

Существует ручной способ шлифовки, но он очень трудоемкий и трудно контролируемый. Этот способ используется в тогда, когда механическое шлифование невозможно, например, в случае если стекло очень широкое или специфической формы. Заводские шлифовальные машины могут размещать одновременно от 50 до 200 заготовок, полируя их вместе. Это более эффективно, чем ручная шлифовка. Даже специализированную оптику изготавливают механически, с помощью специальных приспособлений.

Нанесение отражающего материала

Когда зеркалу придали нужную форму и отполировали, конструктор выбирает желаемое отражающее покрытие. Независимо от того, какое покрытие выбирается, наносится оно на одной и той же машине, которая называется выпариватель. Выпариватель - это широкая вакуумная камера, сверху которой находится плита, поддерживающая заготовку зеркала, а снизу находится контейнер-кристаллизатор для плавления покрывающего металла. Машина называется так, потому что металл нагревается в контейнере - кристаллизаторе до температуры, при которой он выпаривается в вакуум, распределяя покрытие на поверхность стекла. Заготовки помещают по центру над отверстиями верхней удерживающей плиты, так чтобы пары металла достигли поверхности стекла. Металлы могут нагреваться до сотни и тысячи градусов (в зависимости от точки кипения того или иного металла), прежде чем начнется выпаривание. Температурный и временной режимы контролируются очень тщательно, это нужно для того, чтобы достичь правильной толщины покрытия. Такой метод нанесения создает однородную и качественную отражающую поверхность.

Форма отверстий в верхней плите передает металл на стекло, как краски через трафарет. Этот эффект используется для придания зеркалу заданного узора.

Диэлектрическое покрытие наносится аналогичным образом. В качестве диэлектрического покрытия чаще всего используются диоксид кремния и нитрид кремния. Когда газы этих металлов смешиваются при экстремальном нагревании, они вступают в реакцию, образуя при этом очень твердую субстанцию. Такая реакция создает формы покрытия по прочности, не уступающие металлическим.

Некоторые этапы выпаривания могут комбинироваться для создания сложно структурных слоев покрытия. Прозрачные диэлектрические материалы могут наноситься поверх металлов или других диэлектриков, чтобы изменить рефлективные или механические качества поверхности.

Зеркала с серебряным покрытием на задней части стекла, например, имеют матовое диэлектрическое покрытие, чтобы улучшить отражающие свойства и уберечь металлическое покрытие от повреждений.

Наконец, когда покрытие нанесено, зеркало аккуратно упаковывается в противоударную упаковку для транспортировки.

Контроль качества

Как определить насколько хорошо зеркало, и насколько хорошим оно должно быть? Достаточно ли того, что оно отражает 80% света? И все ли 80% света отражаются в одном направлении? Ответ зависит от применения. Карманные зеркала отражают на 80 или 90% и могут иметь небольшие неровности в толщине стекла (подобие водной ряби). Картинка может быть слегка искажена в таком случае, но дефекты не видны невооруженным глазом. Если зеркало предназначается для использования в научных целях, например для телескопа, форма стекла и рефлективная способность рассчитывается до мелочей, дабы быть уверенным, что отражаемый свет пройдет именно там, где нужно конструктору и с определенной интенсивностью. Устойчивость зеркал определяется затратами на изготовление, насколько сложным или простым был процесс производства.

Однородность партии зеркал первостепенная задача обеспечения качества. Зеркала, произведенные с помощью разных производственных аппаратов, могут иметь различную поверхность. Если в одной партии товара широкий диапазон толщин или гладкость покрытия, то нужно улучшать способы производства, чтобы достигать максимальной однородности в одной партии.

Некоторые методы направлены на проверку целостности зеркала. Качество поверхности сначала определяется визуально: царапины, неровность, точки или разводы. Это можно сделать невооруженным глазом или с помощью микроскопа или фотографического процесса с инфракрасным светом, благодаря которому определяется разница в толщине металлического покрытия.

Для более точного контроля качества поверхности, используется метод прогона иглы по всей длине поверхности. Как только игла натыкается на препятствие, этот шаг сразу же записывается. Но при таком способе тестирования игла может механически повредить поверхность. Производители зеркал пришли к единому мнению: нужно использовать лазер. Лазер будет использоваться для бесконтактного тестирования поверхности, по принципу как СD диск проигрывается в музыкальном центре. Вдобавок к таким механическим тестам существуют тесты на восприимчивость к окружающей среде. Например, зеркала для машин проверяют в условиях экстремального холода и жары, проверяя, как они поведут себя в различных погодных условиях, тогда как зеркала для ванных комнат тестируют на водостойкость.

Будущее

Так как производство стекла усовершенствуется, зеркала находят применения во многих отраслях искусства и архитектуры. Более прочные и светлые зеркала наиболее привлекательны для дизайнеров. Некоторые технологии производства односторонних зеркал позволяют изготавливать окна с внешней зеркально стороной, тогда как внутренняя сторона остается прозрачной. Это придает интересный и необычный вид зданиям. Мало того, делает систему кондиционирования здания более эффективной, так как зеркало отталкивает жару в летний период. Такой вид окон стал наиболее популярен в офисных строениях.