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Introduction

Historique

Composants

Bases

Optique géométrique

Optique physique

Eclairage

Techniques spécialess
Clés: italiques: texte pour les expérimentateurs bleu: mots-clés rouge: important!
7. ECLAIRAGE EN MICROSCOPIE
Dans ce chapitre, nous discuterons quelques uns des points d'éclairage les plus fins - et moins connus-. Si vous voulez utiliser un microscope pour un travail de routine, vous pouvez regarder quelques règles et vous référer aux instructions de vptre micorscope. Si vous êtes intéressés au microscope en tant que tel, pourtant, et spécialement si vous voulez combiner un microscope qui n'a pas d'éclairage incorporé avec un éclairage séparé, il y a danc ce chapitre de quoi réfléchir. Commençons par un résumé:
Résumé
- le champ d'observation doit être (raisonablement) uniformément éclairé
- le train de lumière doit être capable d'éclairé entièrement l'ouverture d'un objectif d'ouverture numérique de 1.0
- la source lumineuse doit être mise au point sur l'objet
- dans l'éclairage critique, l'ampoule est la source lumineuse
- dans l'éclairage selon Köhler, la source lumineuse est un diaprhagme attaché à l'éclairage (le limiteur de champ)
- le diaphragme du condenseur est ajusté pour chaque objectif dans les limites montrées à la Fig.16.
Condenseurs
Si la source de lumière doit être mise au point sur l'objet, il est évident que c'est le condenseur qui va le permettre. Comme le condenseur doit par conséquent fprmer une image, on peut assumer que cette image aie un qualité raisonnable - peut-être pas aussi bonne que l'image d'un objet formée par l'objectif, mais pas non plus horrible.
Nous avons vu expérimentalement au Chapitre 3 comment les aberrations chromatique et sphérique ruinent l'image. Dans quelle mesure les aberrations du condenseur sont-elles importantes ?
Dans la Fig.39 le fonctionnement du condenseur est illustré. Les rayons de la source lumineuse sont dessinés en continu, les lignes pointillées montrent la formation de l'image du diaphragme du condenseur. Cette image doit être située à une distance infinie derrière le condenseur. La conception du condenseur doit, par conséquent, être telle que son diaphragme soit situé dans son plan focal frontal. Le condenseur délivre un faisceau de lumière jusqu'à son ouverture numérique maximale (NA=0,95 s'il est sec, plus élevé seulement s'il est utilisé "mouillé") dans l'objectif. L'ouverture numérique effective du condenseur est ajustée en la réduisant à l'aide du diaphragme. Si seulement une petite partie du condenseur est utilisée, les aberrations chromatique et sphérique sont grandement réduite et la première conclusion, par conséquent, est que pour des objectifs jusqu'à environ 20x, NA 0.45, il n'y a pas de souci à se faire.
Si nous nous occupons de la correction de l'aberration sphérique, il est nécessaire de tenir compte d'un facteur de complication. Chaque lentille peut former une image d'un objet placé à n'importe quelle distance, quoique la position de ces images sera très différente. Les règles de conception de la correction de l'aberration sphérique sont telles que de bonnes corrections ne sont possibles que pour un objet dont la place est exactement spécifiée (devant la lentille) et dont l'image est située à un endroit exact derripre la lentille. Pour les autres distances, l'aberration sphérique sera toujours présente. Les locations pour lesquelles la correction sphérique a été optimisée sont appellée les points aplanatiques.
Il se trouve que les fabriquants ont vendu deux types de condenseurs, malheureusement sans spécifier lequel en gravant son type sur le condenseurs. Le premier est "corrigé pour l'infini" : il est conçu de telle manière que la correction sphérique est la meilleure pour une source d'éclairage qui se trouve à l'infini par rapport au condenseur. Un point (devant) aplanatique est ainsi à l'infini, l'autre se trouvant au point focal (derrière) du condenseur. Les condenseurs simples ("non corrigés") sont parfois appellé (de manière totalement erronnée) condenseur de "type Abbe". Les condenseurs des microscopes anciens - mais aussi beaucoup plus récents - sont de cette catégorie.
Le second type est corrigé pour une distance beaucoup plus petite, typiquement 35 cm ou à peu près. Ce n'at pas déraisonnable parceque l'éclairage est placé sur la table ou inclue dans le miscroscope. Le point aplanatique de devant sera ainsi à environ 35 cm. Des exemples typiques existent parmi des condenseurs modernes très bien corrigés.
Même les vendeurs ont tendance devenir vague ou même à se défendre si vous leur demandez si leur condenseur est conçu pour l'infini (peut-être parcequ'ils pensent que vous leur demandez une garantie pour cette période), mais heureusement vous pouvez le trouver vous-même :
Expérience:
Mettre au point avec un objectif 10x sur une lame. N'utilisez pas le règlage faible puissance s'il en a un. Utilisez un miroir plat (si le microscope n'enpossède pas, utilisez un miroir de poche) pour capturer l'image d'un objet en dehors de la pièce, par exemple des arbres. Si vous pouvez aisément mettre au point cette image en positionnant le condenseur tout en haut, il est conçu pour l'infini. Si vous ne le pouvez pas, son point aplanatic frontal est plus proche et vous devez le chercher en renant un crayon à une certaine distance du miroir et en le déplaçant en avant et en arrière jusqu'à ce son image soit nette dans le microscope.
Eclairage critique
Cette forme d'éclairage est approprié pour un consdenseur corrigé à l'onfini. Le train d'éclairage (Fig. 40) commence avec l'ampoule et est suivi par un système de lentilles (une seule dans les cas simples, deux ou trois dans les autres conceptions) qui projette le filament de la lampe à l'infini. Ce système de lentilles est appellé collecteur. La lumière quitte ainsi la lampe comme un faisceau parallèle. Le condenseur étant corrigé pour l'infini, le filament de la lampe paraît maintenant être situé sur le point aplanatique et est mis au point sur l'objet avec l'aberration sphérique minimale que le condenseur puisse fournir.
Le désavantage est que l'image du filament est vu dans l'objet et donc le champ d'observation n'est pas éclairé uniformément. Pour cette raison le verre de l'ampoule ou une des lentilles du collecteur est rendue matte. Un autre inconvénient provient du fait que la lame est éclairée par une cône de lumière fortement convergent, ce qui cause un peu de >>glare<<, réduisant quelque peu le contraste.
Eclairage selon Köhler
Dans ce cas, le filament de la lampe est mis au point par le collecteur de telle manière que son image soit nette sur le plan focal avant du condenseur. Le filament est ainsi projeté comme une image à une distance infine derrière le condenseur. Cela implique que la lame est maintenant éclairée par une faisceau parallèle de lumière, réduisant l'éblouissement. De même, parceque l'image du filament est à l'infini, il n'est plus vu dans l'objet et l'éclairage devient plus homogène.
De plus, une lampe selon Köhler possède son propre diaphragme (Fig. 40). S'il est situé tout près du point aplanatique avant du condenseur, il sera parfaitement mis au point sur l'objet. La protion de l'objet éclairé pourra donc être restreint à la portion qui est effectivement vue dans le microscope (le champ d'observation), reduisant ainsi l'éblouissement. C'est pour cette raison que l'on parle du diaphragme de champ. Il est pourtant évident que le diaphragme de champ n'est pas à l'infini mais près du condenseur. Cela veut dire que le condenseur doit être corrigé pour une plus courte distance (conventionnellement environ 35 cm) que l'infini.
Il est possible d'utiliser un condenseur cirrigé à l'infin dans cette situation si vous le combinez avec une lentille correctrice. Elle travaille comme une paire de lunettes de lecture pour les personnes, la lentille devant avoir une distance focale d'environ 35 cm (+3 dioptries) et placée dans l'anneau porte-filtre. Le microscope ancien de la Fig.9 possède un condenseur aplanatique trps bon mais je ne peux l'utiliser avec l'éclairage de Köhler que si je le combine avec une lentille correctrice, sinon le condenseur n'a que de faibles performances.
Les coses sont rarement idéales en optique et quoique le l'éclairage de Köhler est supposé donner un champ éclairé parfaitement homogène, ce n'est pas toujours le cas. C'est la raison pour laquelle le verre de l'ampoule ou la lentille du collecteur sont la plupart du temps légèrement dépolies dans ce cas également.
Que coûte uncondenseur?
Tous les fabriquants produisent de simples condenseur "non corrigé", mais nombreux sont ceux qui en offrent également des modèles hautement corrigés. Un condenseur non corrigé est bon marché, un aplanatique coûte environ le double et un achromatique-aplanatique encore une fois le double. Au vu des différences, on peut se demander si les avantages valent les coûts.
Il y a beaucoup de littérature à ce sujet et la plupart des conclusions rencontrées ressemblent à "ce qui est cher est meilleur"... Lorsque j'ai commencé sérieusement avec la microscopie, j'ai rencontré un problème sérieux que j'ai dû résoudre moi-même car ni la littérature, ni les fabriquant ne m'ont apporté la solution. Depuis je n'ai rencontré qu'une seule publication ("Teach yourself microscopy" par W.G.Hartley, The Englisj Universities Press 1962 et probablement des édition ultérieures) qui décit exactement le problème que jai rencontré et qui en identifie clairement la cause.
Expérience:
A un faible grossissement (objectif 10x ou 20x) règlez votre microscope selon l'éclairage de Köhler en suivant les instructions de votre manuel ou celles données à la fin de ce chapitre. Un lame avec des diatomées est excellente pour cela. Mettez au point sur l'objet. Vérifiez l'ouverture de façon que le 80% de l'objectif soit rempli avec la lumière. Refermeez le diaphragme de champ (qui doit être exactement mis au point dans le champ d'observation) jusqu'à ce vous le voyiez juste apparaître au bord du champ. Une belle image de Köhler doit être vue.
Passez à un objectif 100x à immersion d'huile, et mettez au point sur l'objet. Utilisez le condenseur "sec", et ouvrez le diaphragme du condenseur en entier. Vérifiez que le 80% de l'ouverturesoit remplie de lumière. Pis tout en observant l'objet, refermez le diaphragme de champ jusqu'à apercevoir son bord.
Si la fermeture du diaphragme de champ produit des changement importants dans l'image, notablement un réduction marquée de la résolution, vérifiez l'ouverture. Dans ce cas, la fermeture du diaphragme de champ (jouez avec son règlage) résulte dans une restriction de la portion éclairée de l'ouverture et vous avez un problème: Une aberration sphérique sévère du condenseur transforme le diapragme de champ en diaphragme d'ouverture.
Dans ce cas, vous devez régler le diaphragme de champ beaucoup plus ouvert que nécessaire. L'éclairage strict de Köhler, qui aiade à réduire l'éblouissement en limitant l'éclairage de l'objet, ne peut pas être atteint car la résolution est diminuée. Une alternative au diaphragme de champ ouvert est l'emploi de l'éclairage critique, qui donne de bons résultats àgalement avec un condenseur de faible perfomance.
Un condenseur aplanatique remplira encore suffisamment l'ouverture d'un objectif à immersion d'huile 100x avec la lumière si le diaphragme de champ est petit - juste assez grand pour voir encore son bord. De cette façon l'éclairage de Köhler pour de hautes ouvertures numériques (NA) ne cause aucun problème. Pourtant le bord du diaphragme de champ présentera une frange irisée. Mettre au point le condenseur jusqu'à ce que la frange interne soit bleuâtre et ouvrez le diaphragme de champ de telle manière que la frange bleue soit en dehors du champ. Un condenseur aplanatique-achromatique minimisera cette frange colorée-
Les conclusion sont en bref:
- Un condenseur non corrigé permet un éclairage selon Kôhler strict jusqu'à des ouvertures numériques (NA) de 0.45 à 0.6 (certains condenseurs non corrigés le sont plus que d'autres). Pour des NA plus grandes, le diaphragme de champ doit être plus ouvert que l'optimum ou il faut utiliser l'éclairage critique.
- Un condenseur aplanatique permettra un éclairage strict selon Kôhler pour les hautes NA. Il faur ouvrir le diaphragme de champ juste assez pour éviter une frange colorée sur le bord du champ (microphotographie couleur!).
- Un condenseur aplanatique-achromatique minimise les franges colorées.
L'achat possàdant le meilleur rapport coût/efficacité est bien sûr le condenseur aplanatique. Pour documenter la discussion ci-dessus, vous trouverez des images de diatomées (Nitzschia sigmoida) prises avec un objectif d'ouverture numérique de 1.0 et un règlage identique du condenseur:
- Fig 41a: éclairage selon Köhler, condenseur aplanatique.
- Fig. 41b: même règlage. condenseur non-corrigé. Les "points" ne sont plus résolus.
- Fig. 41c: même condenseur que la Fig. 41b mais avec un éclairage critique. Il y a encore un peu d'éblouissement par rapport à la Fig 41a et le champ d'observation n'est pas éclairé uniformément, mais les "points" sont résolus.
Procédé général de l'éclirage de Köhler:
- le filament de lampe est mis au point (en ajustant le collecteur de la lampe) exactement sur le plan focal avant du condenseur (où se trouve le diaphragme du condenseur). On peut vérifier à l'aide d'un morceau de papier blanc.
- l'image du filament doit remplir entièrement l'ouverture basse du condenseur. Vérifier également qu'elle soit bien centrée dans l'ouverture du condenseur. Si nécessaire, ajuster avec le système de centage de la lampe.
- mettre au point le microscope sur la lame.
- réduire le diapragme de champ à une faible grandeur, mettre au point le condenseur pour une image nette du diaphragme de champ.
- ouvrez le diaphragme de champ jusqu^à ce que le champ soit entièrement éclairé, centrer si nécessaire.
- régler le diaphragme du condenseur pour obtenir une bonne image.
Si le microscope possède un miroir et est utilisé avec un éclairage séparé, placer la lampe à la distance appropriée, inclinez et tournez la lampe pour capter le miroir, ajustez le miroir pour une image du filament centrée sur le condenseur et précédez comme ci-dessus.
Chemin des raxons lumineux
La Fig.42 montre le chemin des faisceaux lumineux et la formation de l'image dans un microscope. C'est spécialement utile pour comprendre le principe du contraste de phase.
L'objet est situé devant le point aplanatique de l'objectif et son image est formée à la distance du tube (160 mm) dans l'occulaire. La source lumineuse est soit mise au point sur l'objet (éclairage critique) et son image formée de la même manière, soit mise au point sur le plan focal avant du condenseur (éclairage de Kôhler). Dans ce cas un faisceau de lumière parallèle éclaire l'objet et est mis au point derrière le plan focal de l'objectif. L'image dudiaphragme de champ (= source de lumière) est formée de la même manière que dans l'éclairage critique. Le diaphragme du condenseur est devant le plan focal du condenseur et son image est formée comme celle du filament dans l'éclarage de Kôhler, derrière le plan focal de l'objectif.
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September 2002
© Frithjof A. S. Sterrenburg