microscope

(de micro- et télescope)

Instrument destiné à observer de petits objets dont un système de lentilles (optiques, électroniques ou acoustiques) fournit une image très agrandie.

Microscope optique

Il comprend un objectif et un oculaire. L'objectif est essentiellement constitué par un ensemble de petites lentilles, de très courte distance focale, qui donne, d'un petit objet placé très près du foyer, une image réelle agrandie. L'oculaire est souvent formé de deux lentilles convergentes. Il fonctionne comme une loupe et donne de l'image réelle fournie par l'objectif une image virtuelle agrandie. La distance de l'objectif à l'oculaire est invariable. Pour la mise au point, on rapproche ou l'on éloigne au moyen d'un dispositif mécanique de haute précision l'ensemble optique objectif-oculaire de l'objet à examiner ou la platine portant l'objet du système optique.

L'objet (préparation) est fait d'une coupe mince et translucide, placée sur une lame de verre, d'un moulage d'une surface solide (réplique), d'une goutte d'eau étalée entre deux lames de verre. On utilise divers modes d'éclairage de l'objet, suivant qu'il est transparent ou opaque (lampes à halogène, à vapeur de mercure, U.V., etc.).

Le grandissement linéaire (rapport de la dimension transversale de l'image à celle de l'objet) est la grandeur intéressante en microscopie photographique, alors qu'en microscopie visuelle c'est le grossissement (rapport de l'angle sous lequel on verrait l'objet à la distance conventionnelle de 25 cm) qui caractérise l'objectif utilisé. Le pouvoir séparateur, distance minimale de deux points dont les images sont distinctes, est limité par la diffusion de la lumière. Il peut être amélioré par l'interposition d'une goutte de liquide réfringent entre la préparation et l'objectif (objectif à immersion). Le microscope polarisant permet d'observer les substances biréfringentes ou possédant un pouvoir rotatoire. Le microscope à contraste de phase, très employé en biologie, permet de déceler les variations d'indice de réfraction d'une substance.

Utilisation des microscopes en médecine

Le microscope est indispensable à l'observation et à l'étude – primordiales pour l'établissement des diagnostics – de la structure et de la composition des tissus (histologie), des cellules (cytologie) et des molécules. Avec le développement de la microchirurgie, l'utilisation du microscope en médecine est devenue très importante.

Le microscope optique simple (à lentille unique), mis au point par le naturaliste hollandais Antonie Van Leeuwenhoek (1632-1723), a permis, au xvii^e siècle, la découverte des micro-organismes et l'identification de structures du corps humain comme les capillaires. Son utilisation par le médecin italien Marcello Malpighi (1628-1694) marque la naissance de l'histologie.

Le microscope optique composé classique comporte deux groupes de lentilles : l'objectif, du côté de l'objet à observer, et l'oculaire, du côté de l'œil de l'observateur. Ces lentilles sont montées aux extrémités d'un tube. L'objet à examiner est fixé sur une platine et éclairé par une source lumineuse. Ce type de microscope peut grossir jusqu'à environ 1 500 fois.

Le microscope composé opératoire est un microscope optique de faible puissance, sans platine, dont le système d'éclairage est disposé de façon à éclairer la surface à observer, qui reste accessible au chirurgien car suffisamment distante de la partie inférieure de la lentille.

Le microscope optique binoculaire donne des images en relief et permet la pratique de la microchirurgie.

Microscope électronique

Il permet d'obtenir une image agrandie d'un objet en utilisant son interaction avec des électrons.

1. Le microscope électronique à transmission est formé d'un canon à électrons, obtenus par chauffage d'un filament grâce à une fine pointe métallique soumise à un champ électrique puis accélérés par une ou plusieurs anodes portées à des potentiels adéquats ; ils traversent ensuite une série de lentilles électroniques constituées par des électroaimants percés d'un canal dont l'axe est celui du microscope et où règne un vide de 10⁻⁴ à 10⁻⁷ mm de mercure.

Dans le microscope électronique à transmission conventionnel, ou à faisceau fixe, une gerbe d'électrons, après l'anode, passe par deux lentilles (condensateurs) qui les concentrent, sous un angle donné, sur une aire déterminée de l'objet (en général quelques μm²). À la traversée de l'objet, le faisceau d'électrons est diffusé par les atomes. Les électrons traversant l'objet subissent un changement de direction. Si l'objet est cristallin, la plupart des électrons sont diffractés dans des directions privilégiées et bien déterminées et viennent focaliser dans le plan focal image de l'objectif. On peut ainsi connaître la structure cristalline de l'objet comme dans le cas des rayons X. Il est nécessaire de prendre plusieurs orientations de l'objet pour repérer la position des atomes dans les trois dimensions.

Dans le microscope électronique à balayage en transmission, une sonde est focalisée sur l'objet. Sous l'impact des électrons incidents sont émis des électrons secondaires, des électrons rétrodiffusés de forte énergie et des photons de diverses longueurs d'onde. À partir de ces signaux, l'objet ou sa surface peuvent être ainsi explorés par petites aires élémentaires.

2. Le microscope électronique à émission. Une version utilise un objectif dit « à immersion » (lentille électrostatique). L'objet situé dans un champ électrostatique reçoit un faisceau d'électrons, d'ions ou de photons et émet des électrons secondaires, qui sont accélérés. La lentille à immersion donne de la surface de l'objet une image agrandie.

Dans l'autre version (microscope à balayage classique), un fin pinceau d'électrons est focalisé sur un échantillon. Le courant d'électrons secondaires créés est collecté par un ensemble scintillateur photomultiplicateur ou une diode. L'image, formée point par point sur écran de télévision, permet l'observation de surfaces ou de défauts superficiels des matériaux massifs (biologie, métallurgie).

3. On utilise aussi des microscopes électroniques à réflexion (pour l'étude des surfaces par utilisation en incidence rasante des électrons rapides réfléchis par l'objet), à miroir, ioniques à champ, à rayons X par projection (pour obtenir des images à haute résolution, en fait des ombres, d'objets assez massifs, avec les rayons X, pour lesquels on ne sait pas construire de lentilles).

Microscope acoustique

Avec des générateurs d'ultrasons de très hautes fréquences (≈ 1 GHz), on peut réaliser des dispositifs d'imagerie acoustique à très haute résolution qui visualisent les variations des propriétés mécaniques de l'objet étudié. La technologie la plus fructueuse utilise des lentilles acoustiques constituées par une interface saphir-liquide (eau, parfois argon ou hélium).

Microscope à effet tunnel

Reposant sur l'effet tunnel, ces microscopes mis au point en 1982, permettent de réaliser une cartographie très précise de la surface de l'échantillon et la visualiser avec une excellente résolution. Le microscope à effet tunnel permet d'observer individuellement les atomes d'une surface examinée.

Pour en savoir plus, voir l'article effet tunnel.