Le microscope à contraste de phase (F. Zernike 1935)

Soit un objet transparent (bactérie). Lorsque la lumière traverse l'objet il y a un effet de variation de phase . Cet effet n'est pas visible à la sortie d'un microscope classique.

Supposons une pupille d'entrée du système imageur infinie. Soit une onde incidente, plane et monochromatique Ui=1, alors l'onde transmise s'écrit dont l'intensité est . L'intensité transmise est donc monotone et toujours constante. Il n'y a pas de variations spatiales de l'intensité à la sortie donc l'objet est invisible.

Le contraste de phase repose sur le filtrage spatial.

C'est une technique qui a l'avantage de relier linéairement la variation de phase introduite par l'objet à l'intensité observée. L'hypothèse nécessaire à cette linéarité est : .

La transmittance de l'objet s'écrit :

L'onde après la traversée de l'objet possède un fond continu (le 1) qui sera focalisé au centre dans le plan focal de l'objectif. C'est le terme en rouge foncée représentant sur la figure II-4. Les composants spectrales de dont le spectre , sont beaucoup moins intenses (en rouge clair sur la figure). est diffracté loin du centre à cause des hautes fréquences spatiales contenues dans l'objet (la bactérie possédant un indice différent du milieu dans lequel elle baigne, elle est aussi relativement de plus petite dimension que le champ éclairé).

Le filtrage spatial consiste à faire déphaser le fond continu (le dans le spectre) de ou par rapport à l'onde diffractée. Pour cela on dépose au centre d'une lame mince un diélectrique transparent (figure II-5).

Son épaisseur et son indice sont calculés pour produire un retard de phase de . Le spectre après la traversée de ce dispositif devient :

qui revient à multiplier le par .

L'intensité transmise (en négligeant ) devient alors (voir figure II-6) :

Si le retard de phase est de (on multiplie par ) :

Ici on parle de contraste de phase négatif alors que pour le cas précédent le contraste de phase est positif.