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Article

1 - RAPPELS

2 - RÉFLEXION MÉTALLIQUE PAR UNE SURFACE LISSE

3 - MESURER DES INDICES DE RÉFRACTION COMPLEXES

4 - RÉSULTATS DE MODÈLES ET MESURES OBTENUS : UN EXEMPLE D’ALLIAGE BINAIRE

5 - LA SURFACE DE TOUTES LES RÉFLECTANCES SWR ET LA SIMULATION SPECTRALE

6 - CONCLUSION

7 - ANNEXE

Article de référence | Réf : AF3253 v2

Réflexion métallique par une surface lisse
Couleur et apparence visuelle - L’aspect métallique

Auteur(s) : Patrick CALLET

Date de publication : 10 mars 2018

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RÉSUMÉ

Cet article s’intéresse à la réflexion de la lumière par une surface métallique lisse ou rugueuse et à la simulation de son apparence visuelle. Les données fondamentales gouvernant le comportement optique des métaux et milieux conducteurs sont rappelées et de nombreuses valeurs des indices de réfraction complexes des éléments métalliques sont données en annexe. Les propriétés optiques de quelques alliages et minéraux à éclat métallique sont également présentées. Les rudiments théoriques exposés sont appliqués à la simulation de l'apparence visuelle d'alliages binaires ; l'exemple abordé concerne les bronzes (alliages de cuivre et d'étain) mais aussi l'électrum. Les méthodes classiques pour obtenir ces données fondamentales que sont les indices de réfraction complexes sont brièvement décrites.

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ABSTRACT

Color and Visual Appearance. The Metallic Look

Theoretical and practical aspects of the reflection of light by a smooth or rough metallic surface are presented within the framework of a spectral simulation process. Fundamentals data, as the complex indices of refraction are presented for characterizing the metallic reflection from metals, semi-metals, alloys and some minerals. Some complex indices of refraction are given in appendix. A study of binary alloys is described around the example of bronzes (Copper and Tin alloys) and electrum.The methods for acquiring these pertinent data that are the complex indices of refraction are shortly presented.

Auteur(s)

  • Patrick CALLET : Chercheur associé - CAOR-Centre de Robotique de Mines-Paris Tech - PSL Research University - Président du Centre Français de la Couleur - Laboratoire MICS, Centrale Supélec, Université Paris-Saclay - École Centrale Paris Châtenay-Malabry, France

INTRODUCTION

Nous nous intéressons ici à la réflexion de la lumière par une surface métallique lisse ou rugueuse et à la simulation de son apparence visuelle. Les données fondamentales gouvernant le comportement optique des métaux et milieux conducteurs sont rappelées et de nombreuses valeurs des indices de réfraction complexes des éléments métalliques sont données en annexe. Les propriétés optiques de quelques alliages et minéraux à éclat métallique sont également présentées. Ces données, plus que rares dans la littérature scientifique, ont permis de calculer l’apparence visuelle de quelques éléments métalliques et semi-métaux dans un grand état de pureté. Les rudiments théoriques présentés sont appliqués à la simulation de l’apparence visuelle d’alliages binaires ; l’exemple abordé concerne les bronzes (alliages de cuivre et d’étain) mais aussi l’électrum. Les méthodes classiques pour obtenir ces données fondamentales que sont les indices de réfraction complexes sont brièvement décrites. La matière n’étant pas la seule en cause dans l’interaction avec la lumière, et la vision qu’en a l’observateur, ne saurait être complètement décrite sans aborder les effets de l’éclairage. Nous montrons comment l’effet d’un éclairage ambiant orthotrope modifie la perception de l’éclat métallique, sorte de « non-éclat » dans ce cas précis. Ce calcul se fait par la détermination d’une intégrale particulière définissant une surface, nommée SWR. Nous en donnons une version graphique obtenue par intégration numérique dans le cas où la partie imaginaire de l’indice de réfraction n’est pas nulle. Il existe une réponse analytique au calcul de cette intégrale dans le cas où l’indice de réfraction est un nombre réel pur. L’influence d’un éclairage directionnel rend l’interprétation visuelle, la compréhension de ce qui est vu, plus habituelle ; c’est bien là le rôle des images obtenues par une synthèse spectrale d’image fondée sur l’usage exclusif de cette notion d’indice de réfraction complexe et présentées au fil du texte.

Il est recommandé, bien que pas absolument nécessaire au spécialiste, d’avoir lu la première partie de ce texte, intitulée « Le transparent, le translucide et l’opaque » [AF3252].

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KEYWORDS

alloys   |   metals   |   spectroscopic ellipsometry   |   complex indices of refraction

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-af3253


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2. Réflexion métallique par une surface lisse

Le nom d’orichalque fut donné au IIIe siècle avant J.-C. à un alliage de cuivre et de zinc prisé pour son aspect proche de celui de l’or. Dans les textes plus anciens, il correspond à une matière fabuleuse mais indéfinissable. Strabon dans sa Géographie, livre VIII, 56, emprunte un passage aux Philippiques de Théopompe de Chios (IV e siècle avant J.-C.) : « Il y a une pierre près d’Andeira qui donne du fer lorsqu’on la brûle. Après être traité dans un fourneau avec une certaine terre, elle donne des gouttes de faux argent. Celui-ci ajouté au cuivre forme le mélange que certains appellent orichalque. »

Christiane Eluère, Jean-Pierre Mohen (, p. 61)

L’apparence visuelle que les métaux nous offrent nous est familière pour bon nombre d’entre eux. Nous identifions souvent le cuivre, l’or, le plomb, le fer et quelques alliages sans trop d’hésitation. Pourtant, la plupart des surfaces métalliques sont, le plus souvent, recouvertes d’oxydes ou de composés formés lors des interactions avec les agents atmosphériques. Lorsque ces couches superficielles sont suffisamment minces elles n’apportent pas de modification perceptible de l’aspect du substrat métallique. Nous allons voir comment la lumière interagit avec une surface métallique « épaisse », laissant de côté les cas particuliers de couches minces ou ultra-minces. Pour ces phénomènes de résonance impliquant les plasmons de surface nous renvoyons le lecteur aux références générales de la physique des plasmas et à celles des couches minces ainsi qu’à l’important document de cours de l’École de printemps sur la couleur des matériaux, consacrée au métal en 2003 ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - WEAVER (H.), KRAFKA (C.), LYNCH (D.W.), KOCH (E.E.) -   Optical Properties of Metals,  -  volume 18-1 et 18-2. Fachinformationzentrum, 7514 Eggenstein-Leopoldhafen 2, Karlsruhe, Germany (1980).

  • (2) - BORN (M.), WOLF (E.) -   Principles of Optics – Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light–.  -  Pergamon Press, Oxford (1975).

  • (3) - FOURNET (G.) -   Électromagnétisme.  -  [D1020] Génie électrique (1993).

  • (4) - VERNES (A.), SZUNYOGH (L.), WEINBERGER (P.) -   Ab initio calculation of Kerr spectra for semi-infinite systems including multiple reflections and optical interferences.  -  Physical Review B., 65(144448) : 1-11 (2002).

  • (5) - VERNES (A.), SZUNYOGH (L.), WEINBERGER (P.) -   Limitations of the two-media approach in calculating magneto-optical properties of layered systems.  -  Physical Review B., 66(214404) : 1-5 (2002).

  • ...

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