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L’objectif, un ensemble de lentilles accolées

Les trois objectifs d’un microscope de lycée
L'objectif du microscope en est l’élément essentiel. En général l’instrument en est équipé d’un ensemble dont le tableau ci-dessous résume les caractéristiques essentielles (2y représentant le diamètre du champ objet correspondant à un champ oculaire de 15 mm), chacun d’eux étant repéré par la gravure de son grandissement et de son ouverture numérique sur sa monture.


gob
n sin U
U
(degrés)
f'ob
(mm)
2 y
(mm)
pi
2
10
25
40
63
100
0,25
0,45
0,65
0,85
1,25
14,5
27
40
58
55
15
6
4
2,5
1,8
1,5
0,6
0,4
0,25
0,15
1
0,6
0,4
0,3
0,2
8
2,5
1,2
0,6
0,4


L'approximation de Gauss ne pouvant être retenue pour la conception de l'objectif, celui-ci ne peut être constitué d’une seule lentille. En effet, pour un système aussi simple, à chaque point du plan objet ne peut correspondre un point unique du plan image. En supposant qu’un point du plan objet considéré comme une source lumineuse ponctuelle émette une onde sphérique, sa transmission par la lentille n’est pas une onde sphérique centrée sur l'image de Gauss, mais une onde déformée dont les écarts par rapport à l'onde sphérique idéale traduisent l'existence d'aberrations géométriques. Elles se décomposent en composantes, fonctions de degrés divers de l'ouverture et du champ. Les termes ne dépendant que de l’ouverture, concernant l'aberration sphérique, conditionnent l'obtention du stigmatisme sur l'axe. Les termes dépendant du champ au premier degré, qualifiés de coma ou d'aigrette, ainsi que ceux d’ordre impair supérieur, intéressent l'aplanétisme. Les termes proportionnels à l’ouverture concernent l'astigmatisme et la courbure de champ. Néanmoins le champ de l’objectif étant angulairement faible, l’astigmatisme n’est pas toujours pris en compte alors que la courbure difficilement corrigeable reste souvent présente pour les objectifs les plus usuels, ce qui impose de n’observer que le centre du champ. Enfin, la distorsion, ne dépendant pas de l’ouverture, est rarement prise en compte s’il ne s’agit pas de systèmes destinés à la reproduction ultraprécise de motifs géométriques.

La multiplication du nombre de lentilles
Les effets de ces diverses aberrations sont corrigés en multipliant le nombre de lentilles constituant l’objectif afin d’en obtenir la puissance recherchée à l’aide de composants de faible puissance individuelle de façon à réduire les angles d’incidence des rayons lumineux sur les dioptres. Le fait de multiplier ces éléments pour constituer un système centré impose au concepteur de prendre en compte la possibilité d’apparition d’autres aberrations dites d'excentrement provenant de défauts de construction ou suite à des erreurs de manipulation. Ceci fixe des tolérances d'exécution et de montage très strictes, ces défauts provoquant des termes de coma et d'astigmatisme intolérables.

Les aberrations géométriques ne sont pas les seules à entacher la qualité de l’image. Les verres qui constituent l’essentiel des systèmes optiques dispersent la lumière, leurs indices de réfraction variant avec la longueur d’onde de la lumière qui les traverse. Les images bleue, verte ou rouge données d’un objet par une lentille ne sont pas situées dans un même plan et ne sont pas de même dimension.

La correction de ces aberrations chromatiques, dont l’influence croît en même tant que l’ouverture augmente, nécessite l’association de verres d’indices et de dispersions différents pour constituer chacun des éléments de l’objectif.

Le degré de correction des aberrations est conditionné par l’emploi auquel l’objectif est destiné, c’est-à-dire par la qualité de l’observation requise. Cela contribue à l’existence de classes d’objectifs, de qualités différentes car de corrections différentes et bien entendu de coûts pouvant être fort différents.

Les objectifs les plus simples
Constitués, suivant une proposition de Lister, d’un seul doublet, association de deux lentilles collées convergente et divergente d’indices et de dispersions différents, les objectifs les plus simples sont les objectifs achromatiques ou achromats corrigés du chromatisme pour deux longueurs d'onde. Leurs images bleue et rouge sont confondues. Pour une longueur d'onde intermédiaire, ils sont corrigés de l'aberration sphérique. Il est possible ainsi d’atteindre une ouverture numérique de 0,10, pouvant être portée à 0,25 par association de deux doublets du même type. Pour atteindre une ouverture de 0,60, on ajoute (fig. 1), suivant la solution d’Amici, un ou deux ménisques aplanétiques, lentilles dont la première face est centrée au point de Weierstrass objet de la seconde, point pour lequel il n'y a ni aberration sphérique ni coma.

Figure 1

Cette solution présente un grave inconvénient provenant de la lentille frontale fragile aux chocs, difficile à nettoyer; en outre, pour une utilisation en immersion homogène on remplace le premier ménisque par une lentille plan convexe, ce qui permet d’atteindre une ouverture numérique de 0,85.

Pour réduire le chromatisme, on remplace, selon les solutions de Abbe, les doublets par des triplets. Ces objectifs apochromatiques ou apochromats (fig. 2), sont corrigés du chromatisme pour trois longueurs d'onde (les images se forment dans le même plan), de l'aberration sphérique et de la coma pour deux de ces longueurs d'onde et peuvent atteindre une ouverture de 0,90.

Figure 2

S’ils sont bien corrigés du chromatisme de position, les apochromats conservent, comme les achromats, du chromatisme de grandeur, l'image bleue étant plus grande que l'image rouge. On y remédie par l’emploi d’oculaires compensateurs permettant la vision des images sous le même angle corrigeant le chromatisme apparent ou perspectif de l'ensemble.

Pour ces classes d’objectifs - achromats et apochromats - les plus courantes, l'astigmatisme n’est pas corrigé. Malheureusement leur courbure de champ, de l'ordre de la puissance de l'objectif, est très forte. Peu gênante en observation visuelle, l’observateur amenant sa zone d’intérêt au centre du champ, la courbure de champ rend ces objectifs inutilisables en observation photographique. Elle peut être réduite par un oculaire divergent à pupille de sortie virtuelle, interdisant son utilisation visuelle, fournissant une image réelle dans le plan de l’émulsion photographique. Pour corriger la courbure et accéder à la vision totale du champ et permettre notamment la microscopie quantitative est apparue plus récemment la classe des objectifs plans.

Cette correction entraîne encore une augmentation du nombre de lentilles de l'objectif et ne concerne plus aujourd’hui que les apochromats donnant naissance aux objectifs planapochromats (fig. 3) corrigés de la courbure pour la longueur d'onde centrale.

Figure 3

L'apparition simultanée du contraste de phase ne nécessitant pas la coloration des préparations et de sources quasi monochromatiques de grande luminance a entraîné la conception d'objectifs monochromatiques corrigés de la courbure. Cette conception concerne encore les objectifs photoréducteurs.

Notons que pour chacune de ces classes il existe deux familles d’objectifs selon qu’ils sont utilisés pour l’observation d’objets transparents (objectifs biologiques) ou d’objets réfléchissants (objectifs métallographiques). La finesse des préparations biologiques, imposée par la faible profondeur de champ de l'objectif, nécessite l'emploi d'une lamelle couvre-objet pour les rendre planes et les protéger, lame à faces planes et parallèles d’indice et d’épaisseur normalisés introduisant aberration géométrique et chromatisme devant être pris en compte dans le calcul de l'objectif. Il en est de même de la nature et de l'indice du liquide d'immersion utilisé pour augmenter l'ouverture numérique.


 
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Créé en avril 2003 - Actualisé en novembre 2006 - Tous droits réservés. Limitation à l'usage non commercial, privé ou scolaire.