CHAPITRE PREMIER PRINCIPE DU MICROSCOPE

Le microscope est un instrument (roplique qui permet de voir et déludierdes objets que leur petitesse rend plus ou moins invisibles à Toeil nu ; il fournit de ces objets une image considérablement agrandie. Ce résultat est obtenu par des combinaisons de lentilles.

Le microscope est donc essentiellement constitué par deux systèmes de lentilles qui forment la partie optique et sont portées par un ensemble de pièces représentant la partie mécanique. Ce microscope correspond à ce que les physiciens nomment microscope composé, par opposition à la loupe ou microscope simple^ constitué par une lentille ou })ar un système de lentilles fonctionnant comme lentille simple.

Un microscope, adapté aux besoins de la techni(jue moderne, se compose d'une monture (par lie mécanique) , d'un appareil d'éclairage, d'objectifs et d'oculaires [partie optique), et enfin d'un certain nombre d'accessoires destinés aux mensurations, aux dessins, etc. Pour utiliser complètement les ressources que fournil

M. Langeron. — Précis de Microscopie. 1

le microscope, il est nécessaire de coaiiaîlre la sigiiificalioii et l'emploi de chacune de ses parties.

Rappelons d'abord en quelques mots le principe sur lequel est fondé le microscope et donnons quelques délinilions indispensables pour comprendre la construction de sa partie optique. Dans ces notions très sommaires, nous faisons intentionnellement abstraction de toute donnée mathématique, de façon à conserver à cet ouvrage son caractère exclusivement pratique.

Lentilles. — Les lentilles sont des instruments d'optique qui produisent la convergence ou la divergence des rayons lumineux. Elles sont construites en verre, sauf dans des cas particuhers. Elles sont limitées soit par deux surfaces courbes, soit par une surface plane et une surface courbe. Dans le premier cas, elles peuvent être biconvexes, ou encore convexes-concaves; dans le second cas, elles sont plan-convexes ou plan-concaves. Les lentilles à surfaces convexes sont dites encore positives, convergentes, collectrices ou grossissantes; les lentilles à surfaces concaves sont dites négatives, divergentes, dispersives et fournissent une image réduite. Dans le cas des lentilles convexes-concaves, c'est la surface à courbure la plus accentuée qui détermine les propriétés de la lentille.

Réfraction. — Ces propriétés des lentilles sont dues aux phénomènes de réfraction que subissent les rayons lumineux qui les traversent. Lorsqu'un rayon lumineux, dit rayon incident, arrive normalement à la surface d'une lame de verre à faces parallèles, il n'est pas dévié de son trajet rectiligne en passant de l'air dans le verre et du verre dans l'air. Au contraire, si ce rayon tombe obliquement sur la lame du verre, il est dévié de sa direction rectiligne, d'abord à son entrée dans le verre, c'est-à-dire au moment de son passage d'un milieu moins dense dans un milieu plus dense, puis au moment de sa sortie du verre et de son nouveau passage dans un milieu de moindre densité.

Cette déviation se nomme réfraction. La nouvelle direction que prend le rayon réfracté dépend de la densité du milieu traversé. Lorsque le rayon incident passe de l'air dans le verre, il se rapproche de la normale au point d'incidence; au contraire, lorsqu'il sort du verre pour repasser dans l'air, il s'éloigne de la normale. La figure 1 rend compte de ce phénomène. Soient nn la normale au point d'incidence b, ob le rayon incident, bc la direction du rayon réfracté après passage d'un milieu moins dense dans un milieu plus dense (bc se rapproche de la

Fig. 1. — Réfraction à travers une lanae de verre à faces parallèles, ab, rayon incident; bcd, rayon réfracté ; nn\ normale au point d'incidence b. — Original.

normale nn'), cd la direction du rayon réfracté après passage d'un milieu plus dense dans un milieu moins dense {rd s'éloigne de la normale ??»').

Réfraction dans les lentilles. — Dans les lentilles convexes, les seules qui nous intéressent, la réfraction se produit suivant les mêmes lois.

L'étude sommaire de ces phénomènes est indispensable pour comprendre les propriétés des lentilles. Prenons d'abord &

comme exemple une lentille plan-convexe (iig'. 2). Supposons trois rayons a, 6, c, dont l'incidence est normale par rapport à la face plane de la lentille. Ces rayons ne seront pas réfractés; ils vont traverser la lentille, arriver à la face convexe où leur sort est différent.

Le rayon hn, qui coïncide avec l'axe de la lentille, n'est pas réfracté. Il se comporte comme s'il sortait, au niveau

du point d'émergence, d'une facette plane, parallèle à la surface d'incidence.

Les rayons a et c sont au contraire obliques par rapport à la surfiice courbe de la lentille.

Ils vont donc être réfractés et s'éloigneront de la normale xy, x'y' au point d'incidence, puisqu'ils passent du verre dans l'air. Ils se rapprochent de l'axe de la lentille et vont venir couper le rayon bn au point /"(lîg. 2) .

Deux lois résultent de ces considérations :

1° Tout rayon passant par le centre d'une lentille n'est pas réfracté ;

2° Tout rayon ne passant pas par le centre est réfracté : la déviation est d'autant plus grande qu'il traverse la lentille en un point plus éloigné du centre. Les rayons ainsi réfractés convergent tous en un point qui est le foyer de la lentille.

Fig. 2. — Réfraction, dans une lentille plan-convexe, a, ô,c, rayons incidents parallèles; xy, x'y\ normales aux points d'incidence ; xc' xa', rayons réfractés ; /', foyer de la lentille. — Orifjinal.

Foyer. — Le foyer est donc le point on viennent converger les rayons parallèles à Taxe, après avoir traversé la lentille.

On peut facilement s'en rendre compte en recevant sur une lentille plan-convexe ou biconvexe les rayons provenant d'une source lumineuse très éloignée, par exemple du soleil. Ces rayons sont parallèles et on les voit converger en arrière de la lentille en un point qui est à la fois très lumineux et très chaud, d'où le nom de foyer. Les rayons calorifiques suivent la même marche que les rayons lumineux.

Distance focale. — La distance focale est la distance qui sépare le foyer du centre de la lentille.

En réalité cette définition n'est pas exacte, car la distance focale est celle qui sépare les foyers des plans principaux de la lentille. Les plans principaux sont les plans perpendiculaires à l'axe de la lentille, nu niveau desquels se coupent les rayons incidents et réfractés. Prati(iuement nous ne pouvons pas tenir compte de cette marche réelle des

rayons et nous compterons la distance focale à partir du centre de la lentille.

Nous avons, pour plus de simplicité, pris le cas dune lentille plan-convexe. La marche des rayons est fondamentalement la Fig. 3. — Réfraction dans une lentille même dans une lentille biconbiconvexe. a,b.c, rayons incidents; /", yexe (fig. 3). La seule différence foyer; première réfraction en «' et c'; ^g^ jg^ ravons subissent deux

deuxième réfraction en e' et é'. - réfractions successives, la preuricniud. . , ^ ^ , ■ . .-n

miere en entrant dans la lentille,

la seconde à la sortie, puisque ces rayons, sauf celui qui passe par l'axe oplique, se trouvent être obliques par rapport aux surfaces convexes. Pourtant, dans les constructions très simples que nous avons à faire, nous négligerons ces deux réfractions et nous supposerons (jue les rayons incidents ne sont réfractés qu'une seule fois, au niveau d'un plan perpendiculaire à l'axe optique et passant par le centre de la lentille.

Formation de l'image par les lentilles convexes. — Les

phénomènes de réfraction que nous venons d'étudier vont nous permettre d'expliquer comment les lentilles peuvent former des images.

Prenons une lentille ])iconvexe et un ohjet. L'image de cet ohjet variera suivant qu'il sera plus ou moins éloigné de la lentille. Trois cas peuvent se présenter :

1" L'objet est très éloigné de la lentille, à une distance plus

grande que le double de la dislance focale. L'image sera réelle^ renversée et d'autant plus petite que Tobjel sera plus éloigné. C'est le cas des objectifs pliotographiques.

2° L'objet est placé un peu au delà du foyer, l'image sera réelle, renversée et d'autant plus grande que l'objet sera plus rapproché du foyer. C'est le cas des objectifs de microscope.

3'' L'objet est placé entre la lentille et le foyer. L'image sera virtuelle, droite et d'autant plus petite que l'objet sera plus rapproché de la lentille. C'est le cas des loupes et des oculaires de microscope.

Ces lois sont les mêmes pour les combinaisons de lentilles formant un système centré.

Lentilles concaves — Ajoutons, pour être complet, que les lentilles concaves donnent toujours une image virtuelle et renversée, placée entre le foyer et la lentille. Cette image est d'autant plus petite et plus rapprochée du foyer que l'objet est plus (•loigné de la lentille.

Image réelle. — Les images réelles sont formées par des rayons convergents, elles peuvent être recneillies sur un écran ou sur une plaque photographique.

Image virtuelle. — Les images virtuelles sont dues à des rayons divergents; elles ne sont pas constituées comme les images réelles par une véritable convergence de rayons. Ce sont des images purement subjectives qui ne peuvent être recueillies sur un écran ou une plaque photographique. Nous ne les percevons que parce que notre œil suit le prolongement de ces rayons divergents en arrière de l'objet et les fait converger de manière à constituer l'image virtuelle. Ces images jouent un grand rôle dans les instruments d'optique.

Prenons deux exemples pour montrer comment se forme l'image réelle d'un objectif microscopique simple et l'image virtuelle d'une loupe.

P'" cas. — L'objet ab (fig. 4) est placé un peu au delà du foyer f d'une lentille biconvexe. Le rayon ae, parallèle à l'axe optique, est réfracté au foyer f et continue son tiajet rectiligne jusqu'au point a', où il rencontre le rayon ac qui, passant par le centre de la lentille, n'a pas été réfracté. Tous les rayons qui ])artent du point a se réunissent donc en a' pour y former l'image du pointa. Il en est de même pour le point b et pour tous les points qui se trouvent entre a et b. Comme le point a se trouve de l'autre côté

Fig. 4. — Image réelle. L'objet ab est placé en avant du foyer, l'image cib' est réelle, agrandie et renversée. — Original.

de Taxe opli(nie par rapport au point a, il en résulte que Timage est renversée. En outre c'est nne image réelle qu'on peut recevoir sur un écran.

2*^ cas. — L'objet aO (lig. 5) est placé en dedans du foyer /",

d'une lentille biconvexe. Parmi les rayons émis par l'objet, les uns sont réfractés et viennent se réunir au foyer f. Les autres, ac et 6c, ne sont pas réfractés, continuent leur trajet rectiligne et ne peuvent converger avec les rayons réfractés pour former une image réelle. Mais l'œil suit le trajet de ces rayons qui paraissent converger en arrière de l'objet, de façon à former l'image virtuelle et agrandie a'b'. Celle-ci se trouve toujours en arrière de l'objet et c'est elle seule

que l'œil perçoit.

Formation de Limage dans le microscope composé. — Ce que nous savons des propriétés des lentilles va nous permettre de comprendre le principe du microscope composé. Cet instrument est ainsi nommé par opposition à la loupe, ou microscope simple, parce qu'il est formé de deux svstèmes de lentilles. Ces deux systèmes, qui doivent être centrés, c'est-à-dire avoir le même axe optique, peuvent être considérés chacun comme une lentille simple.

La lentille qui est tournée du côté de l'objet se nomme objectif

Fig. 5. — Image virtuelle. L'objet ab est placé en dedans du foyer, l'image a'b' est virtuelle, agrandie et droite. — Original.

et possède une distance focale très courte. Il est donc facile de placer Tobjet un peu au delà de son foyer, de façon à obtenir une image réelle, renversée et agrandie.

La lentille par laquelle regarde Tobservaleur se nomme oculaire. Elle fonctionne comme loupe et sert à observer et à agrandir l'image réelle fournie par Tobjectif. La distance entre rociilaire et Tobjectif doit donc être calculée de telle sorte que l'image réelle fournie par la lentille objective se forme en dedans du foyer de la lentille oculaire.

Le grossissement fourni par le microscope composé dépendra donc d'abord de la longueur focale de l'objectif. Plus cette longueur sera petite et plus l'objet sera rapproché de l'objectif, plus l'image réelle sera grande. Le grossissement dépend en outre de la longueur focale de la lentille oculaire qui grossira d'autant plus l'image réelle que son foyer sera plus court.

Une construction très simple (fig. 6) rendra compte de cette marche des rayons. Soient Obj l'objectif et Oc l'oculaire, ab l'objet, f le foyer de l'objectif, f le foyer de l'oculaire. La lentille objective fournit limage réelle, renversée et agrandie a'b'. Cette image se forme en dedans du foyer f' de la lentille oculaire. L'œil de l'observateur percevra donc, à travers cette dernière, l'image virtuelle, droite et agrandie a"b" de l'image réelle a'b' .

Fig. 6. — Principe du microscope composé. Obj., objectif; Oc, oculaire ; ab, objet. — Original.