Les microscopes

L'aspect historique de la microscopie

Si l'on considère qu'un microscope est un instrument optique qui permet l'observation d'objets trop petits pour être vus à l'œil nu, alors il ne présente aucune distinction de principe avec la loupe et donc la lentille convergente.
Dans ces conditions son histoire remonte à la plus haute antiquité.

En effet, une lentille de cristal de roche a été retrouvée dans les ruines de Ninive.
Il semble établi que Néron, qui était myope, regardait les combats des gladiateurs à travers une émeraude polie taillée en lentille concave
Citons encore ; Aristophane, Sénèque, Pline et bien d'autres faisant état dans de nombreuses expériences d'utilisation de lentilles constituées à partir de cristal de roche, d'émeraude et de verre.

Puis une très longue période de plus de 1000 ans s'écoule sans que cette optique naissante fasse le moindre progrès.
Les premières informations certaines sur le pouvoir grossissant des loupes remontent au début du XII° siècle vers 1100.

Il faut encore attendre près de deux siècles pour que le moine anglais Roger Bacon, enseignant à l'université d'Oxford , préconise l'utilisation de lentilles pour corriger les défauts del'œil .
Ainsi les lunettes sont inventées ; par la suite l'usage des lunettes pour corriger la vue se répand.

Au XVI° siècle les premières utilisations scientifiques concrètes apparaissent, ainsi sont publiées des descriptions fines portant surtout sur les petits insectes ; ces descriptions sont réalisées à l'aide de lentilles bi-convexes de faible focale, utilisées comme loupe placée très près de l'objet.
Ces appareils de qualité optique modeste constituaient les premiers microscopes simples .
Ces instruments modestes permirent toutefois des avancées scientifiques remarquables , ainsi Antoni Van leeuwenhoek put observer et décrire des bactéries.

C'est au milieu du XVII° siècle qu'est construit le premier microscope composé par association des lentilles biconvexes.
Les grossissements sont considérablement augmentés, mais en contre partie s'accroissent également les inconvénients dus aux défauts propres aux lentilles elles mêmes, ce que l'on a appelé plus tard les aberrations chromatiques et géométriques.
Les images obtenues à forts grossissements étaient de si mauvaise qualité que de nombreux scientifiques rejetèrent le microscope composé et réutilisèrent le microscope simple qui bien qu'offrant des grossissements moindres donnait cependant des images plus nettes .

Le microscope composé s'imposera lorsque l'on saura corriger les aberrations chromatiques par associations de lentilles, à cet égard le XIX° siècle est riche de progrès.
De grands noms restent attachés à cette période de grands progrès citons Lister, Amici qui conçoivent les premiers objectifs achromatiques à grand angle d'ouverture, les oculaires ne restent pas à l'écart de ces améliorations.

C'est donc de cette époque que date le microscope achromatique qui va permettre de grandes découvertes comme la cellule vivante et l'éclosion ou le développement de disciplines comme la biologie, la bactériologie , la parasitologie , etc. …A cette époque le microscope ressemble au microscope actuel et jusqu'à ce jour des perfectionnements porteront sur la complexité et la qualité des objectifs et des oculaires , sur la finesse et la précision des mouvements mécaniques , sur le système d'éclairage.

Depuis les premières loupes de l'antiquité le microscope optique a connu bien des améliorations atteignant des grossissements pouvant atteindre 1500 même si les observations courantes sont faites entre 20 et 400 fois la taille de l'objet

Le principe du microscope 

Un microscope est constitué d'un objectif et d'un oculaire , formés chacun par plusieurs lentilles afin de réduire les aberrations géométriques et chromatiques que présentent toujours les lentilles uniques .
Par soucis de simplification on peut assimiler l'objectif et l'oculaire à 2 lentilles simples ayant les vergences des systèmes qu'elles représentent .On a alors un microscope simplifié .
L'objectif est assimilable à une lentille convergente de courte distance focale , par ex 11 mm .
L'objet à examiner est placé assez près de l'objectif .
L'oculaire est également convergent mais de focale plus grande , par ex 20mm .

Représentation symbolique des lentilles :

----------> Sens de la lumière sens positif
	Axe optique
lentille convergente F est le foyer principal objet F'est le foyer principal image		lentille divergente OF' est la distance focale de la lentille OF' > 0 pour les lentilles convergentes OF'< 0 pour les lentilles divergentes

La vergence C

C =1/ OF' s'exprime en dioptries ( δ ) , OF' étant exprimé en m , C >0 pour lentilles convergentes, C < 0 pour lentilles divergentes
O est le centre optique de la lentille , tout rayon lumineux passant par O ne subit pas de déviation
Tout rayon parallèle à l'axe optique sort de la lentille en passant par le foyer principal image
Tout rayon passant par (ou dirigé vers ) le foyer principal objet sort de la lentille parallèle à l'axe optique
Ces quelques propriétés sont suffisantes pour construire les images d'un objet , données par un microscope.

On modifie la distance O1O2 afin de former une image A''B''virtuelle beaucoup plus grande que l'objet AB observé , pour cela il faut que l'image A'B'donnée par l'objectif se forme entre le foyer F2 et O2 a''
Le grossissement est par définition : G=a"/a
a'' est l'angle sous lequel on voit l'image A''B''
a................................................................. l'objet AB sans instrument

Pour une vision à l'infini ,ce qui constitue les meilleures conditions d'observation , on déplace l'oculaire de manière que l'image A1B1 se forme au foyer objet F2

On désigne par dm la distance minimum de vision distincte , elle est conventionnellement fixée à 250 mm
Pour une loupe de distance focale f , le grossissement est G = dm / f . Dans le microscope l'oculaire joue le rôle de loupe vis à vis de l'image A1B1 donnée par l'objectif.

Posons O1F1' = f 1 et O2F2' = f 2 et a =AB/dm et ici a'' =A1B1/f2

G =a"/a
G=(A1B1/f2)*(dm/AB)) = g 1 X G 2 ou
G1 est le grandissement de l'objectif.
G2 est le grossissement de l'oculaire.
G = g 1 X G 2
Les valeurs de g 1 et de G 2 sont gravées sur les composants respectifs d'ou l'utilité de la formule précédente

Limite de résolution et pouvoir séparateur du microscope 

  L a limite de résolution est la plus petite distance AB dont on peut séparer les extrémités en observant AB dans l'instrument
Le pouvoir séparateur ou pouvoir de résolution : est l'inverse de la limite de résolution , car plus la limite de résolution est petite plus le pouvoir de résolution de l'appareil est grand

D' une manière générale , pour un point objet A ,un système optique ( microscope , lunette , télescope …) donne une image A' ; cette image n'est jamais rigoureusement ponctuelle . C'est une petite tache lumineuse entourée alternativement d'anneaux obscurs et lumineux . Ceci est dû au phénomène de diffraction qui vient du caractère ondulatoire de la lumière.
L'étude de la diffraction montre que le rayon r de la tache lumineuse centrale a pour expression

r = 1,22λ / 2 n' sin u'
n' est l'indice du milieu image
λ est la longueur d'onde de la lumière utilisée
u' est l'angle sous lequel on voit de A' la pupille de sortie de l'appareil

Considérons maintenant le cas de 2 points objets A et B très voisins qui donnent à travers le système optique 2 images A' et B'qui très voisines vont en partie se superposer et donc se brouiller mutuellement

---------> éclairement
	La courbe représentant l'éclairement présente 2 max et entre les deux un sillon moins éclairé qui sera vu par contraste.

A la limite , A' et B' sont séparées par l'œil lorsque la périphérie de la tache centrale lumineuse de A' passe par le centre de la tache centrale lumineuse B' , on considère que le contraste est alors suffisant.
On aura A'B' = r = 1,22 λ / 2n'sinu', on passe alors à l'expression de AB correspondant par la relation d' Abbe qui lie l'objet AB , son image A'B' , le milieu transparent dans lequel se trouve l'objet AB soit n son indice , le milieu transparent dans lequel se trouve l'image soit n' son indice , l'angle u sous lequel de A on voit le rayon de la pupille d'entrée et l'angle u' sous lequel de A' on voit le rayon de la pupille de sortie

Relation d'Abbe : n . AB . sin u = n' . A'B' . sin u'

On en déduit puisque A'B' = 1,22λ / 2n' sin u' d'où AB = 1,22λ / 2 n sin u la limite de résolution du microscope.

	Pour avoir AB très petit , donc un bon pouvoir de résolution il faut : utiliser λ faible c'est à dire travailler dans l'UV mais dans ce cas il faudra opérer par photographie u faire n > 1 , on utilisera un objectif à immersion enfin se donner un angle d'ouverture u grand de façon que sin u soit proche de 1.

Toutefois cette expression de la limite de résolution doit être discutée car il y a une limite à la limite de résolution en lumière visible . Si l'on décompose la lumière à travers un prisme ou un réseau on obtient son spectre constitué d'une infinité de lumières colorées . Chaque couleur ou radiation monochromatique est une onde caractérisée par sa longueur d'onde λ . Le spectre visible s'étale de λ = 400 nm pour le violet extrême jusqu'à λ = 780 nm pour le rouge extrême ;
domaine des ondes électromagnétiques visibles:

Comme 2 points A et B ne peuvent vus séparés , sous une lumière de longueur d'onde λ , que si
λ < AB ; alors le microscope optique utilisé dans le visible a , dans le meilleur des cas , une limite de résolution de 400 nm .

Utilisation du microscope 

Pour une utilisation correcte du microscope il convient de respecter l'ordre des manipulations suivantes :

Le microscope étant sur le plan de travail, tourner la crosse vers soi
En tournant la tourelle mettre en place l' objectif de grossissement le plus faible
Utiliser également un oculaire de faible grossissement car son champ est plus grand. On pourra, par la suite, le remplacer par un oculaire plus fort
Placer la lampe de façon à éclairer le miroir , le réglage se fait en regardant par l' oculaire, veiller à ce que le maximum de lumière traverse le bloc optique
Vérifier que la lampe n'ait aucun contact ni avec le miroir ni avec platine
Placer l'objet sur la platine en veillant bien au centrage
Remonter la platine en regardant latéralement, au besoin avec une loupe, afin d'amener l'objet (qui sera souvent une préparation) à quelques mm de l'objectif. En regardant dans l'oculaire, une mise au point approximative sera faite avec la vis macrométrique, le réglage fin se fera ensuite à l'aide de la vis micrométrique
Parfaire les réglages du centrage et de l'éclairage à l'aide des diaphragmes et du condenseur
Pour observer à plus fort grossissement, il suffit de tourner la tourelle pour choisir un nouvel objectif ; la mise au point ne nécessite par la suite que la vis micrométrique

Remarque : avoir toujours à portée de main, un chiffon sec propre et non pelucheux ainsi que du papier joseph, pour nettoyer soigneusement, objectifs et oculaires, avant et après chaque observation. Recouvrir le microscope avec sa housse après son utilisation

Le microscope stéréoscopique

Le microscope stéréoscopique possède deux oculaires et surtout deux objectifs ; cela lui confère des qualités particulières très appréciées par de nombreux utilisateurs.

D'un objet il donne une image a trois dimensions d'ou la qualification de stéréoscopique.
Ceci en fait un appareil indispensable au biologiste, au bijoutier, au géologue mais aussi au minéralogiste, au mécanicien, au policier … à tous ceux qui travaillent sur documents pour lesquels une grande précision est de nécessaire.
Les grossissements vont de20X à 400X.
Mais c'est surtout la profondeur de champ et la largeur de champ qui font tout l'intérêt de l'appareil.
Muni d'un dispositif microphotographique et d'une sortie imprimante couleur il est possible de réaliser des documents de bonne tenue scientifique.