Optique Instrumentale || Travaux Pratiques Microscope

1. BUT DE LA MANIPULATION
La manipulation a pour but d'étudier des grandeurs fondamentales qui caractérisent le microscope optique et de mesurer des dimensions de petits objets.


2. PRINCIPE
Le microscope est un instrument d'optique utilisé pour l'observation de petits objets situés à distance finie. Il se compose essentiellement des éléments suivants (Fig. 1):

 Fig. 1 : Microscope optique   

 - Diaphragme: ouverture de diamètre variable permettant de restreindre la quantité de lumière qui éclaire l'échantillon. Comme pour un appareil photo, le diaphragme permet principalement de faire varier la profondeur de champ (ouvert à fond pour des coupe histologiques et plus fermé pour des recherches d'œufs de parasites digestifs).

- Platine porte-échantillon: où l'on pose l'échantillon ; les pinces servent à tenir l'échantillon lorsque celui-ci est mince (par exemple une lame de verre). La platine peut être mobile (gauche-droite et avant-arrière), ce qui permet de balayer l'échantillon et de sélectionner la partie observée.- Objectif: lentille ou ensemble de lentilles (Fig. 2) réalisant le grossissement. Il y a en général plusieurs objectifs, correspondant à plusieurs grossissements, montés sur un barillet.

Fig. 2 : Objectif d'un microscope

Certains objectifs sont dits à immersion car leur puissance ne peut être atteinte qu'en éliminant la lame d'air entre l'échantillon couvert par la lamelle et la frontale de l'objectif. On utilise pour cela de l'huile de cèdre ou des huiles de synthèse dont l'indice de réfraction est proche de celui du verre.

- Tourelle: est un disque mécanique qui comporte plusieurs objectifs de différents  grossissements.

- Oculaire: lentille ou ensemble de lentilles (Fig. 3) formant l'image d'une manière reposante pour l'œil

 ; les rayons arrivent parallèles, comme s'ils venaient de très loin, ce qui permet un relâchement des muscles contrôlant le cristallin ; deux oculaires placés sur une tête dite binoculaire rend plus confortable l'observation (même si elle n'apporte pas de vision stéréoscopique).

Fig. 3 : Oculaire d'un microscope

L'oculaire peut être remplacé par un appareil photographique, ou - dans le cas de la vidéomicroscopie par une caméra vidéo ou une caméra CCD pour faire une acquisition numérique. Ceci permet de faire l'observation sur un moniteur vidéo (écran de type télévision) et de faciliter l'utilisation et le traitement des images (impression, traitement informatique, télémédecine, etc).

- Molettes de mise au point grossière et fine  qui consiste à obtenir une image nette, il faut que l'objet soit dans le plan focal de l'objectif ; ces molettes font monter et descendre l'ensemble objectif-oculaire avec un système de crémaillère, afin d'amener le plan focal sur la zone de l'échantillon à observer.


3. MICROSCOPE MODÉLISE Un microscope modélisé (Fig. 4) est constitué d’un objectif L₁ de très courte distance focale f'₁ (environ 1 mm) placé près de l’objet AB observé, et d’un oculaire L₂ de distance focale f'₂ (1 à 2 cm) placé devant l’œil.

- L’objectif donne de l’objet AB une image réelle renversée et très agrandie A₁B₁.

- L’oculaire sert de loupe pour observer cette image.

L’image finale A'B' est virtuelle, très agrandie et renversée par rapport à AB.

Fig. 4 : Microscope simplifié

Ces deux systèmes optiques convergents sont maintenus à une distance constante O₁O₂ l’un de l’autre.

Seule la distance AO₁ est réglable grâce à une vis de mise au point rapide et à une vis micrométrique.

La distance Δ = F'₁.F₂ entre le foyer image de L₁ et le foyer objet de L₂ est appelée intervalle optique. Sa valeur normalisée est de 16 cm dans les microscopes utilisés en biologie.

4. CARACTÉRISTIQUES D'UN MICROSCOPE OPTIQUE
4.1. Puissance et Grandissement
C'est le rapport de l'angle α' sous lequel on voit l'image A'B' à la longueur de l'objet AB:

P(dioptries) = α' (radians)/AB (mètre) = P_Foc.γ_ob 

avec: 
P_Foc=  α'/A'B': puissance de l'oculaireγ_ob = A'B'/AB : grandissement de l'objectif
4.2.Grossissement
C'est le rapport de l'angle α' sous lequel on voit l'image A'B' à travers le microscope et de l'angle α sous lequel on voit l'objet à l’œil nu à la distance minimale de vision distincte d_m.

G = α'/α = P.d_m

4- Manipulation

1. Réalisation
Dans cette manipulation, on dispose de:
- un microscope optique;
- un objectif;
- un micromètre oculaire (au 1/10 mm) situé entre la lentille de champ et la lentille de l’œil (voir optique instrumentale);
- un micromètre objectif (au 1/100 mm) gravé sur une plaque circulaire collée sur une lame.
- une chambre claire (Fig. 5).

Fig. 5 : Chambre claire

2. Grandissement de l'objectif
- Placer le micromètre objectif sur la platine du microscope.
- Au moyen de la crémaillère, amener le micromètre au voisinage immédiat de l'objectif.
- Regarder dans l'oculaire et faire descendre lentement la platine jusqu'à
voir les défauts de la lame.
- Déplacer alors la lame pour amener le micromètre dans le champ du microscope.
- A l'aide de la vis de réglage fin, terminer la mise au point de façon à ce que l'image apparaisse avec le maximum de netteté.
- Déterminer pour une longueur AB de l'objet (N divisions du micromètre objectif) la dimension de l'image A'B' correspondante (N' divisions du micromètre oculaire).
- Faire trois mesures et donner le résultat sous la forme:

γ_ob = ....... ±  ........

Réponse:
γ_ob = 10,1 ± 0,1
3. Puissance oculaire Puissance totale
Pour mesurer les dimensions d'une image virtuelle, on se sert d'une chambre claire. C'est un instrument, constitué de deux prismes, qui permet de voir simultanément les deux micromètres oculaire et objectif et un papier millimétré placé à côté du microscope (Fig .6).

Fig. 6 : Mesure avec chambre claire

On prend pour objet le micromètre oculaire.
- Si à N' divisions du micromètre oculaire, correspondent N'' mm sur le papier millimétré, donner l'expression de la puissance P_oc en fonction N', N'' et d_m.
- Effectuer 3 mesures de P_oc en faisant varier N' et calculer ΔP_oc.
On prendra d_m = 25 cm.
- En déduire la puissance totale du microscope.Réponse:
P_oc = 10N''/d_mN' = (51,2 ± 1,2) dioptries
P_tot = P_oc .  γ_ob4. Grossissement total
Pour l'évaluer on utilise encore la chambre claire en prenant pour objet le micromètre objectif.
- Si à N divisions du micromètre objectif correspondent N'' mm du papier millimétré, donner l'expression du grossissement G en fonction de N et N''.
- Effectuer 3 mesures et donne G et son incertitude ΔG.
Réponse:
G = 10N''/N = 136,1 ± 3,9
P_tot = P_oc .  γ_ob
5. Mesure de dimension de filsOn se propose de mesurer le diamètre de 2 fils F1 et F2.
- Placer la lame portant le fil F1 (ou F2) sur la platine.
- Compter le nombre de divisions du micromètre oculaire qui recouvrent l'image de l'objet.
- Effectuer 3 mesures du diamètre du fil.