Structure du microscope

Un système optique d'observation visuelle de petits objets proches doit donc réaliser, d'un objet réel à distance finie, une image virtuelle, si possible à l'infini pour un observateur emmétrope, de taille angulaire supérieure à celle sous laquelle l'objet est vu à l'œil nu au ponctum proximum. Le système le plus simple vérifiant ce cahier des charges est donné figure 1. Il est constitué d'une unique lentille mince dont le plan focal objet coïncide avec l'objet à observer. Le grossissement est supérieur à 1 et d'autant plus grand que la focale de la lentille est plus courte que la distance objet-œil au ponctum proximum. C'est le principe de fonctionnement de la loupe.

Ce système, même amélioré en remplaçant la lentille simple par un singlet ou un doublet à surfaces asphériques, possède de très importantes limitations de champ, dues aux aberrations de champ qui ne peuvent être corrigées, et au vignettage introduit par la pupille de l'œil qui est lucarne de champ. Les grossissements et ouvertures numériques pouvant être utilisés en pratique sont peu élevés.

Une solution aux problèmes précédemment évoqués est donnée par le schéma de la figure 2. Ce système composite, constitué d'un objectif et d'un oculaire, permet de résoudre le problème des conjugaisons pupillaires (suppression du vignettage par la pupille de l'œil qui peut ici être placée sur la pupille de sortie du microscope) et celui de la correction des aberrations de champ (système global “épais” constitué de plusieurs lentilles ou multiplets). Cette structure est universellement utilisée en microscopie depuis plus d'un siècle maintenant.

Son fonctionnement est le suivant: l'objectif 'Ob' donne de l'objet une image réelle agrandie. Cette image intermédiaire est reprise par l'oculaire 'Oc' qui en donne une image virtuelle à l'infini finalement observée par l'œil. Le grossissement global du microscope est le produit du grossissement de l'oculaire par le grandissement de l'objectif. La pupille de l'œil doit être impérativement placée sur la pupille de sortie de l'instrument, appelée “cercle oculaire”, pour éviter toute limitation par l'iris de l'œil du champ perçu. De ce fait, la distance séparant le cercle oculaire du dioptre de l'oculaire le plus proche, appelée “tirage du cercle oculaire” (en anglais, “eye relief”) doit avoir une valeur minimale pour permettre une observation confortable (15 à 20 mm pour un œil nu, 20 à 25 mm pour une observation avec lunettes de correction de la vue). Le cercle oculaire est l'image par l'oculaire de la pupille de sortie de l'objectif. La pupille de sortie de l'objectif est, quant à elle, définie par le diaphragme 'Pu' et est toujours située dans le plan focal image de l'objectif 'Ob'. Ce diaphragme, pupille de l'objectif et également pupille globale du microscope, contrôle par définition le flux de lumière entrant et donc l'ouverture numérique objet du système. De ce fait, on l'appelle parfois 'diaphragme d'ouverture'. Il est à noter que la pupille d'entrée de l'objectif est rejetée à l'infini (système dit “télécentrique objet”) ; c'est une propriété très importante des objectifs de microscope qui a pour conséquence de rendre tous les points du champ objet équivalents du point de vue du cône de rayons servant à former l'image. Ce point est également important lorsque l'on analyse le microscope associé à son éclairage (voir la partie « Éclairage »). Enfin, le diaphragme 'Dc' (diaphragme dit 'de champ'), dans le plan image intermédiaire, confondu avec le plan focal objet de l'oculaire (pour un observateur emmétrope), limite de manière nette le champ observable.