Anatomie d’un microscope

Qu’est-ce qu’un microscope ?

Les microscopes sont des instruments conçus pour produire des images visuelles ou photographiques agrandies de petits objets. Un microscope se doit d’accomplir trois tâches : produire une image agrandie, séparer les détails de l’image et rendre ces détails visibles pour l’œil humain ou pour la caméra. Ces instruments regroupent des modèles de microscopes à plusieurs lentilles équipés d’objectifs et de condenseurs, mais aussi des dispositifs simples à une seule lentille qui sont souvent portatifs, comme une loupe.

Parties d’un microscope composé simple

Le microscope illustré à la figure 1 ci-dessous est un microscope composé simple inventé par le microscopiste britannique Robert Hooke au cours des années 1660.

Éléments d’un microscope de Hooke

Ce microscope de très belle facture est doté d’un objectif situé à proximité de l’échantillon, et la mise au point s’effectue en tournant le corps du microscope pour rapprocher ou éloigner l’objectif de l’échantillon. Un oculaire est inséré en haut du microscope et, dans de nombreux cas, il y a une lentille de champ interne dans le barrillet pour agrandir le champ de vision.

Le microscope de la figure 1 est éclairé par une lampe à huile et un réservoir sphérique rempli d’eau (également illustrés à la figure 1). La lumière de la lampe est diffusée lorsqu’elle traverse le réservoir d’eau, et elle est ensuite focalisée sur l’échantillon grâce à une lentille fixée au réservoir. Ce premier microscope souffrait d’aberrations chromatiques (et sphériques), et toutes les images visualisées en lumière blanche contenaient des « halos » de couleur bleue ou rouge.

Relation entre les microscopes et l’œil

Étant donné que de nombreux utilisateurs de microscopes s’appuient sur l’observation directe, il est important de comprendre la relation qui existe entre le microscope et l’œil. Nos yeux peuvent distinguer les couleurs dans la partie visible du spectre, du violet au rouge en passant par le bleu, le vert, le jaune et l’orange, mais ils ne peuvent pas percevoir les rayons ultraviolets ou infrarouges.

L’œil peut également détecter des différences de luminosité ou d’intensité du noir au blanc et toutes les nuances de gris intermédiaires. Ainsi, pour qu’une image soit vue par l’œil, l’image doit être présentée dans les couleurs du spectre visible et/ou dans des degrés variables d’intensité lumineuse.

Les récepteurs que nos yeux utilisent pour détecter les couleurs sont appelés « cônes ». Les cellules permettant de distinguer les niveaux d’intensité, et non la couleur, sont quant à elles appelées « bâtonnets ». Chacun de ces types de cellules se trouve sur la rétine au fond de l’intérieur de l’œil. L’avant de l’œil (voir la figure 2), qui comprend l’iris, la cornée et le cristallin, laisse entrer la lumière et la focalise sur la rétine.

Pour qu’une image soit clairement visible, elle doit s’étendre sur la rétine selon un angle de vue suffisant. Si la lumière tombe sur des rangées non adjacentes de cellules rétiniennes (ce qui est fonction du grossissement et de la mesure dans laquelle l’image s’étend), il ne nous est pas possible d’identifier des détails rapprochés comme étant distincts (on parle de « résolution »). En outre, il doit y avoir un contraste suffisant entre les détails adjacents et/ou l’arrière-plan pour rendre visible l’image grossie et résolue.

La capacité du cristallin de l’œil à changer de forme étant limitée, il n’est pas possible de focaliser l’image des objets placés très près de l’œil sur la rétine. La distance de visualisation communément admise est de 25 centimètres.

Histoire du microscope

Le microscope simple

Il y a plus de 500 ans, des loupes simples en verre furent développées sous la forme de lentilles convexes (plus épaisses au centre qu’en périphérie). La mise au point sur le spécimen ou l’objet pouvait alors se faire en déplaçant la loupe placée entre l’objet et l’œil. Ces microscopes simples pouvaient étendre l’image sur la rétine par grossissement en augmentant l’angle de vue sur la rétine.

Ce microscope simple, ou loupe, a été optimisé au cours du XVII^e siècle par le travail d’Anton von Leeuwenhoek. Ce dernier a été capable d’observer des êtres unicellulaires (qu’il a surnommés « animalcules ») et même des bactéries de grande taille en se servant d’un microscope simple semblable à celui illustré à la figure 3 ci-dessous.

L’image produite par cette loupe maintenue près de l’œil de l’observateur apparaît comme si elle se trouvait du même côté de la lentille que l’objet. Ce type d’image, vue comme si elle se trouvait à 25 cm de l’œil, est connu sous le nom d’image virtuelle et ne peut pas être captée sur une pellicule.

Éléments d’un microscope simple

Le microscope composé

Vers le début du XVII^e siècle, grâce à des travaux attribués aux frères Janssen aux Pays-Bas et à Galilée en Italie, le microscope composé a été mis au point (voir le microscope illustré à la figure 4).

Éléments d’un microscope composé

Dans sa forme la plus simple, le microscope composé était constitué de deux lentilles convexes alignées en série : une lentille d’objet (objectif) proche de l’objet ou de l’échantillon, et une lentille d’œil (oculaire) proche de l’œil de l’observateur (avec un mécanisme d’ajustement de la position de l’échantillon et des lentilles du microscope). L’objectif projette une image agrandie dans le corps cylindrique du microscope, puis l’oculaire agrandit encore l’image projetée par l’objectif. De la sorte, le microscope composé réalise un grossissement en deux temps.

Les microscopes composés développés au cours des XVII^e et XVIII^e siècles étaient limités par les aberrations optiques (chromatiques et sphériques), un défaut aggravé par l’utilisation de plusieurs lentilles. Ces microscopes avaient d’ailleurs de moins bonnes performances que les microscopes à lentille unique de l’époque en raison de ces artefacts. Les images produites étaient souvent floues et présentaient des halos colorés associés aux aberrations chromatiques qui non seulement dégradaient la qualité des images, mais limitaient également leur résolution.

Au milieu du XVIII^e siècle, les fabricants de lentilles ont découvert qu’en combinant deux lentilles en verre présentant des dispersions des couleurs différentes, une grande partie des aberrations chromatiques pouvait être réduite, voire éliminée. Cette découverte a tout d’abord été mise à profit sur les télescopes, qui ont des lentilles beaucoup plus grandes que celles des microscopes. Ce n’est qu’au début du XIX^e siècle que les lentilles corrigées des aberrations chromatiques sont devenues courantes dans les microscopes composés.

Avancées dans les microscopes composés

Les XVIII^e et XIX^e siècles ont vu une grande amélioration de la qualité mécanique et optique des microscopes composés. Les progrès réalisés dans le domaine des machines-outils ont permis de fabriquer des pièces plus sophistiquées. Au milieu du XIX^e siècle, le laiton était l’alliage de choix pour fabriquer des microscopes de haute qualité.

De nombreux fabricants de microscopes britanniques et allemands ont prospéré pendant cette période. Leurs microscopes variaient grandement en matière de conception et de qualité de production, mais les principes généraux définissant leurs propriétés optiques demeuraient relativement homogènes. Le microscope illustré à la figure 5 ci-dessous a été fabriqué par Hugh Powell et Peter Lealand vers 1850. Le socle-trépied fournissait un support solide à ce microscope, que beaucoup de gens considèrent comme le plus abouti de son époque.

Schéma des éléments d’un microscope de Powell et Lealand

Vers la fin du XIX^e siècle, les fabricants de microscopes se sont livré une rude concurrence. En conséquence, les coûts de développement et de production des microscopes sont devenus importants. Le laiton, le matériau privilégié par les fabricants de microscopes, était très coûteux. L’usinage, le polissage et le laquage des corps du microscope et des autres pièces en laiton prenaient beaucoup de temps. Pour réduire les dépenses, les fabricants de microscopes ont commencé à peindre la surface extérieure du corps et de la potence du microscope, ainsi que la platine et d’autres pièces non mobiles.

Microscopes du XX^e siècle

Au cours du premier quart du XX^e siècle, de nombreux fabricants de microscopes ont commencé à remplacer le laiton par la fonte dans les statifs et les platines des microscopes. Le fer était beaucoup moins cher et ne se distinguait pas du laiton une fois peint en noir. Les fabricants ont commencé également à recourir à l’électroplacage d’un grand nombre de composants critiques en laiton tels que les molettes, les barillets d’objectifs, les tourelles porte-objectifs, les oculaires et les platines mécaniques (voir la figure 6 ci-dessous).

Ces microscopes du début du XX^e siècle étaient toujours conçus selon un même modèle. Ils étaient monoculaires, avec un miroir sous la platine utilisé avec une lampe externe pour éclairer l’échantillon. Le microscope de laboratoire Zeiss présenté à la figure 6 est un bon exemple de microscope typique de cette époque. Ce type de microscope est très fonctionnel, et on en utilise encore beaucoup aujourd’hui.

Éléments d’un microscope de laboratoire Zeiss

Microscopes modernes

Les microscopes modernes dépassent de loin les caractéristiques techniques de ceux fabriqués avant le milieu du XX^e siècle. Les formulations de verre ont été considérablement améliorées, ce qui permet une meilleure correction des aberrations optiques que par le passé. Les revêtements synthétiques antireflet sont désormais très évolués. La technologie des circuits intégrés a permis aux fabricants de produire des microscopes « intelligents » qui intègrent des microprocesseurs dans le statif du microscope. La photomicrographie est plus facile que jamais grâce à des accessoires qui contrôlent l’intensité lumineuse, calculent l’exposition en fonction de la sensibilité de la pellicule et effectuent automatiquement des tâches complexes telles que le bracketing, l’exposition multiple et la photographie séquentielle.

Le microscope illustré à la figure 7 est un microscope de recherche Provis AX70 d’Olympus. Lancé dans les années 1990, ce microscope présentait une conception sophistiquée intégrant plusieurs dispositifs d’éclairage (épiscopiques et diascopiques), analyseurs et polariseurs, prismes de CID, accessoires de fluorescence et capacités de contraste de phase. Le système de photomicrographie comprend des fonctions de mesure spot, de contrôle automatique de l’exposition et de zoom pour un cadrage simple et flexible. Le statif en Y a amélioré l’ergonomie et la facilité d’utilisation. Aujourd’hui, les fabricants de microscopes continuent de développer de nouvelles technologies de microscope afin d’améliorer le confort de l’utilisateur et la facilité d’utilisation et d’assister de nouvelles recherches.

Éléments d’un microscope Provis AX70 d’Olympus

Utilisations pratiques pour la microscopie

Pratiquement tout le monde a, à un moment ou à un autre, observé le monde en regardant dans un microscope optique. Si pour la plupart des gens, cette expérience se produit pendant les cours de biologie au lycée ou à l’université, certains scientifiques amateurs ont acheté leur propre microscope, soit seul, soit dans le cadre d’un coffret scientifique.

La photographie au microscope, ou photomicrographie, est depuis longtemps un outil utile pour les scientifiques. Les sciences biologiques et médicales ont largement fait appel à la microscopie pour comprendre les caractéristiques morphologiques des spécimens, mais elles s’en sont également servies comme outil quantitatif pour enregistrer des caractéristiques optiques et des données. Le microscope optique s’est ainsi avéré être un outil précieux pour étudier les mystères de la vie.

La microscopie est devenue très utilisée en physique et en sciences des matériaux, ainsi que dans l’industrie des semi-conducteurs, en raison de la nécessité d’observer les caractéristiques de surface des nouveaux matériaux de haute technologie et des circuits intégrés. La microscopie s’est également avérée utile pour les experts en criminalistique qui doivent examiner les poils, les fibres, les vêtements, les taches de sang, les balles et d’autres éléments impliqués dans des crimes. Les avancées modernes dans les techniques utilisant des d’anticorps monoclonaux et des fluorochromes ont ouvert la voie à un recours de plus en plus important à la microscopie de fluorescence dans le domaine de l’analyse biomédicale et de la biologie cellulaire.

La différence entre la microscopie biomédicale et la microscopie des matériaux

Les différences fondamentales entre la microscopie biomédicale et la microscopie des matériaux reposent sur la façon dont le microscope projette la lumière sur l’échantillon. En microscopie biologique classique, la lumière traverse ou est transmise à travers des échantillons très minces, focalisée au moyen de l’objectif, puis transmise dans les oculaires du microscope.

Pour observer la surface des circuits intégrés (qui sont essentiels au fonctionnement interne des ordinateurs modernes), la lumière passe par l’objectif avant d’être réfléchie à la surface de l’échantillon pour être renvoyée dans l’objectif du microscope. En terminologie scientifique, les microscopies à lumière transmise et à lumière réfléchie sont connues respectivement sous le nom de microscopie à éclairage diascopique et microscopie à éclairage épiscopique. Les photomicrographies de nos galeries de photos proviennent d’études scientifiques réalisées avec des microscopes optiques à lumière transmise et à lumière réfléchie.

Un des problèmes courants en microscopie est le faible contraste produit lorsque la lumière traverse des échantillons très fins ou est réfléchie sur les surfaces présentant un degré élevé de réflectivité. Pour surmonter le faible contraste, diverses techniques optiques ont été développées pour augmenter le contraste et apporter des variations de couleur dans les échantillons. Parmi ces techniques optiques, on peut citer :

• La lumière polarisée
• L’imagerie en contraste de phase
• Le contraste interférentiel différentiel
• L’éclairage d’excitation de fluorescence
• L’éclairage en fond noir
• L’éclairage de Rheinberg
• La modulation de contraste d’Hoffman
• L’utilisation de divers filtres optiques en gélatine

Vous retrouverez une présentation approfondie de ces techniques optiques dans la section des techniques de microscopie spécialisées de cette introduction à la microscopie. Pour plus de commodité, les références sont données sous forme de bibliographie classique et sous forme de liens vers des sites Internet. Ces ressources vous aideront à en apprendre davantage sur la microscopie et la photomicrographie ou à former d’autres personnes.