Microscope optique - Définition et Explications

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Introduction

Un microscope optique de base.

Le microscope optique est un instrument d'optique muni d'un objectif et d'un oculaire qui permet de grossir l'image d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) de petites dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) (ce qui caractérise son grossissement) et de séparer les détails de cette image (et son pouvoir de résolution) afin qu'il soit observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire...) par l'œil humain. Il est utilisé en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....), pour observer les cellules, les tissus, en pétrographie pour reconnaître les roches, en métallurgie (La métallurgie est la science des matériaux qui étudie les métaux, leurs...) et en métallographie (La métallographie est la technique consistant à déterminer la structure d'un métal en...) pour examiner la structure d'un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) ou d'un alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments...).

Il ne faut pas le confondre avec la loupe (Une loupe est un instrument d'optique subjectif constitué d'une lentille convexe permettant...) binoculaire qui n'exige pas des échantillons plats de faible épaisseur, ou réfléchissants, et permet d'observer des pièces naturelles sans préparation en grossissant l'image d'un facteur peu élevé, mais en gardant une vision stéréoscopique propice à l'examen macroscopique révélateur de grains, de criques, de fissures, etc.

Histoire

Il est difficile de dire qui a inventé le microscope composé. On dit souvent que l'opticien hollandais Hans Janssen et son fils Zacharias Janssen fabriquèrent le premier microscope en 1590, mais ceci provient d'une déclaration de Zacharias Janssen lui-même au milieu du XVIIe siècle. La date annoncée est assez improbable étant donné qu'il a été montré que Zacharias Janssen est né vers 1590.

Un autre favori au titre d'inventeur du microscope est Galilée (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence,...). Il a développé un occhiolino, un microscope composé d'une lentille convexe (En géométrie, un objet est convexe si pour toute paire de points { A , B } de cet objet, le...) et d'une autre concave en 1609.

Un dessin par Francesco Stelluti de trois abeilles figure sur le sceau du pape Urbain VIII (1623-1644) et passe pour la première image de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) publiée. Christian Huygens, un autre Hollandais, a développé à la fin du XVIIe siècle un oculaire (Un oculaire est un système optique complémentaire de l'objectif. Il est utilisé dans...) simple à deux lentilles corrigé des aberrations chromatiques, ce qui fut un grand pas en avant dans le développement du microscope. L'oculaire de Huygens est toujours fabriqué aujourd'hui, mais souffre d'un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) assez réduit et d'autres problèmes mineurs.

On attribue en général à Antoni van Leeuwenhoek (Antoine van Leeuwenhoek (ou Antoni ou Anthonie) (24 octobre 1632, Delft – 27 août 1723,...) (1632-1723) le fait d'avoir attiré l'attention des biologistes sur les utilisations du microscope, même si des loupes ordinaires étaient déjà fabriquées et utilisées au XVIe siècle. Les microscopes artisanaux de Van Leeuwenhoek étaient des instruments simples et de taille réduite comprenant une lentille unique mais forte. En comparaison, les systèmes à plusieurs lentilles restaient difficiles à mettre au point (Graphie) et il fallut pas moins de 150 ans de développement des optiques avant que le microscope composé puisse livrer une qualité d'image équivalente à celle des microscopes simples de Van Leeuwenhoek. Néanmoins, et malgré de nombreuses revendications, on ne peut pas considérer Van Leeunwenhoek comme l'inventeur du microscope composé.

Utilisations et perfectionnement du microscope optique

Microscopie en réflexion

Quand on utilise un microscope classique, on l'utilise en transmission, c'est-à-dire que la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de...) l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) observé. Il est également possible de travailler « en réflexion ». Dans ce cas, l'échantillon est illuminé du même côté que l'observateur, soit par le dessus pour un microscope droit et par le dessous dans le cas des microscopes inversés utilisés en métallographie ou en cristallographie. La lumière produite par la source passe une première fois par l'objectif, arrive sur l'échantillon, est réfléchie et repasse par l'objectif pour observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) ce qui nécessite plusieurs jeux de miroirs ou prismes.

La microscopie en réflexion permet d'examiner des objets opaques, ou trop épais pour la transmission. En contrepartie bien entendu, elle ne peut donner que des informations sur la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) de l'échantillon dans le cas de l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) en lumière blanche ; en lumière polarisée, elle permet de révéler les orientations de grains des constituants des minéraux ou métaux.

Un cas classique est la métallographie où l'on réalise des observations de pièces de métal appelées micrographies de cette manière. Comme dit plus haut le microscope est souvent inversé, la pièce à observer placée posée sur la plaque support (en général percée d'un trou circulaire).

L'éclairage épiscopique

A contrario des éclairage diascopiques (dia - à travers), l'éclairage épiscopique (épi - autour) permet d'observer des objets opaques en couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) et en leur donnant un rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie)...) plus « naturel ».

L'idée d'un tel éclairage est ancienne, puisqu'en 1740, Descartes a inspiré Lieberkühm qui a créé pour ses observations au microscope un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme...) en argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du...) entourant l'objectif, le foyer de ce miroir ciblant la préparation.

Microscopie en champ clair

La microscopie optique en champ clair (ou « à fond clair ») est la plus simple et la plus ancienne des techniques de microscopie. Les longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) utilisées (spectre visible) limitent le pouvoir séparateur de ce microscope à 0,2 µm pour ceux d'entre eux qui ont les meilleures optiques.
L'illumination se fait par transmission de lumière blanche, c'est-à-dire que l'échantillon est illuminé par dessous et observé par dessus. Les limitations de cette technique sont principalement un faible contraste de la plupart des échantillons biologiques et une résolution faible due au flou créé par la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) hors du plan focal. En contrepartie, la technique est simple et l'échantillon ne nécessite qu'une préparation minime.

Si l'échantillon est éclairé par dessus, le microscope est dit « microscope inversé » ; L'objectif est alors situé en dessous de la préparation, et le tube porte oculaire redresse les faisceaux de lumière pour que les oculaires soient "normalement" positionnés pour l'utilisateur.

Microscopie en champ sombre

Le microscope à fond noir qui utilise le principe de la « microscopie en champ sombre » permet d'améliorer le contraste d'échantillons transparents mais non teintés.
L'illumination de champ sombre utilise une source de lumière alignée avec soin afin de minimiser la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de lumière directement transmise et de ne collecter que la lumière diffusée par l'échantillon. Elle permet d'augmenter considérablement le contraste, particulièrement pour les échantillons transparents, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en ne nécessitant que peu d'équipement et une préparation d'échantillon simple. Toutefois, cette technique souffre d'une faible intensité lumineuse collectée et est toujours affectée par la limite de résolution.

L'illumination de Rheinberg est une variante de l'illumination en champ sombre dans laquelle des filtres transparents de couleur sont insérés juste avant le condenseur, de sorte que les rayons lumineux plus ou moins obliques soient colorés différemment ( le fond de l'image peut être bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs...) tandis que l'échantillon apparaît jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même...) brillant). La limite de résolution est la même que celle en champ sombre. D'autres combinaisons de couleurs sont possibles, mais leur efficacité est assez variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...).

La microscopie à fond noir est particulièrement adaptée aux échantillons frais et autorise la microcinématographie (par exemple de bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées...) en déplacement). Elle n'a pas d'intérêt pour les objets colorés (frottis ou coupes colorés). Elle est notamment utile pour : - observer des êtres ou objets plats à structure régulière et transparents tels que diatomées, radiolaires... - observer des formations filiformes (ex : flagelles, fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...), bactéries, certains cristaux...) - observer des objets punctiformes ou linéaires très fins, dont la taille serait limite pour la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque...) du microscope à fond clair. Ces objets donneront une image de points ou traits très lumineux, (Exemple : Treponema pallidum, agent de la syphilis) et aux contours nets si l'objet est suffisamment épais, ou borrelia (Les borrélies sont un genre (Borrelia) de bactéries spiralées du groupe des...) agent de la maladie de Lyme (La maladie de Lyme est une maladie bactérienne. Elle est multiviscérale (pouvant affecter...), pour les bactéries les plus grandes)

Illumination oblique

L'utilisation d'une illumination oblique (par le côté) donne une image d'apparence tridimensionnelle et peut mettre en valeur des aspects invisibles autrement. C'est le principal avantage. Les limitations sont les mêmes que celles de la microscopie en champ clair.

Microscopie en lumière polarisée

En microscopie en lumière polarisée, on place l'échantillon entre un polariseur et un analyseur afin de détecter les variations de polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments...) de la lumière après la traversée de l'échantillon. Cette technique est très utile pour l'observation des milieux biréfringents, notamment en minéralogie.

Microscopie en fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que...)

Quand certains composés sont illuminés par une source de lumière de haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...), ils émettent alors de la lumière à une énergie plus basse. C'est le phénomène de fluorescence. La microscopie à fluorescence consiste à former une image en collectant cette lumière émise.

Cette méthode est aujourd'hui de première importance dans les sciences de la vie (La vie est le nom donné :). Elle peut être très sensible, autorisant même la détection de molécules isolées. On utilise plusieurs teintures fluorescentes afin de marquer différentes structures ou composés chimiques. Ceci permet de détecter simultanément des composés différents, tout en les différenciant par leur couleur de fluorescence.

Le microscope à contraste de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...)

Le contraste de phase est une technique largement utilisée qui permet de mettre en valeur les différences d'indices de réfraction (La réfraction, en physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie...) comme différence de contraste. Elle a été développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) par le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) hollandais Frederik Zernike dans les années 1930 (il reçut pour cela le prix Nobel en 1953). Le noyau d'une cellule par exemple apparaîtra sombre dans le cytoplasme (Le cytoplasme désigne le contenu d'une cellule vivante. Plus exactement, il s'agit de la...) environnant. Le contraste est excellent, néanmoins cette technique ne peut être utilisée avec les objets épais. Bien souvent, un halo se forme autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) des petits objets qui peut noyer (Le noyer (Juglans) est un genre de plantes appartenant à la famille des Juglandacées,...) des détails.

Le système consiste en un anneau circulaire dans le condenseur qui produit un cône de lumière. Ce cône est superposé à un anneau de taille similaire dans l'objectif. Chaque objectif a un anneau de taille différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...), aussi il est nécessaire d'adapter le condenseur à chaque changement d'objectif. L'anneau dans l'objectif a des propriétés optiques spéciales : il réduit l'intensité de la lumière directe et, ce qui est plus important, il crée une différence de phase artificielle d'un quart de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde qui crée des interférences avec la lumière diffusée, et qui crée le contraste de l'image.

Le microscope confocal

Le microscope confocal génère une image d'une manière totalement différente de la microscopie normale en champ clair. La résolution est légèrement meilleure, mais le point le plus important est qu'il permet de former une image de coupes transversales sans être perturbé par la lumière hors du plan focal. Il donne donc une image très nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces...) des objets en trois dimensions. Le microscope confocal est souvent utilisé en conjonction avec la microscopie à fluorescence.

Le microscope à statif inversé

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