Microscope

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Contexte

Un microscope est un instrument utilisé pour produire des images agrandies de petits objets. Le type de microscope le plus courant est un microscope optique, qui utilise des lentilles pour former des images à partir de la lumière visible. Les microscopes électroniques forment des images à partir de faisceaux d'électrons. Les microscopes acoustiques forment des images à partir d'ondes sonores à haute fréquence. Les microscopes à effet tunnel forment des images à partir de la capacité des électrons à « passer en tunnel » à travers la surface des solides à des distances extrêmement petites.

Un microscope optique à une seule lentille est appelé microscope simple. Les microscopes simples comprennent les loupes et les loupes de bijoutier. Un microscope optique à deux lentilles est appelé microscope composé. Les éléments de base d'un microscope composé sont l'objectif, qui maintient la lentille près de l'échantillon, et l'oculaire, qui maintient la lentille près de l'observateur. Un microscope composé moderne comprend également une source de lumière (soit un miroir pour capter la lumière externe, soit une ampoule pour fournir de la lumière interne), un mécanisme de mise au point et une platine (une surface sur laquelle l'objet examiné peut être maintenu en place) . Les microscopes composés peuvent également inclure une caméra intégrée pour la microphotographie.

Les peuples anciens ont noté que les objets vus à travers l'eau semblaient plus gros. Le philosophe romain du premier siècle Sénèque a enregistré le fait que les lettres vues à travers un globe de verre rempli d'eau étaient agrandies. Les premiers microscopes simples consistaient en une goutte d'eau capturée dans un petit trou dans un morceau de bois ou de métal. A la Renaissance, de petites lentilles de verre remplacent l'eau. À la fin du XVIIe siècle, le scientifique néerlandais Antonie van Leeuwenhoek a construit des microscopes simples exceptionnels utilisant de très petites lentilles de haute qualité montées entre de fines plaques de laiton. En raison de l'excellence de ses microscopes et du fait qu'il fut le premier à faire des observations d'organismes microscopiques, Leeuwenhoek est souvent considéré à tort comme l'inventeur du microscope.

Le microscope composé a fait sa première apparition entre les années 1590 et 1608. Le mérite de cette invention est souvent attribué à Hans Janssen, son fils Zacharias Janssen ou Hans Lippershey, qui étaient tous des fabricants de lunettes néerlandais. Les premiers microscopes composés se composaient de paires de lentilles maintenues dans un petit tube métallique et ressemblaient beaucoup aux kaléidoscopes modernes. En raison du problème de l'aberration chromatique (la tendance d'une lentille à focaliser chaque couleur de lumière à un point légèrement différent, conduisant à une image floue), ces microscopes étaient inférieurs aux microscopes simples bien faits de l'époque.

Les premières traces écrites d'observations microscopiques ont été faites par le scientifique italien Francesco Stelluti en 1625, lorsqu'il a publié des dessins d'une abeille vue au microscope. Les premiers dessins de bactéries ont été réalisés par Leeuwenhoek en 1683. Au cours des XVIIe et XVIIIe siècles, de nombreuses améliorations mécaniques ont été apportées aux microscopes en Italie, notamment des dispositifs de mise au point et des dispositifs de maintien des spécimens en place. En Angleterre, en 1733, l'opticien amateur Chester Moor Hall a découvert que la combinaison de deux lentilles de forme appropriée constituées de deux types de verre différents minimisait l'aberration chromatique. En 1774, Benjamin Martin utilise cette technique au microscope. De nombreux progrès ont été réalisés dans la construction de microscopes au XIXe et XXe siècles. Les microscopes électroniques ont été développés dans les années 1930, les microscopes acoustiques dans les années 1970 et les microscopes à effet tunnel dans les années 1980.

Matières premières

Un microscope optique se compose d'un système optique (l'oculaire, l'objectif et les lentilles à l'intérieur) et de composants matériels qui maintiennent le système optique en place et lui permettent d'être ajusté et focalisé. Un microscope bon marché peut avoir un miroir comme source de lumière, mais la plupart des microscopes professionnels ont une ampoule intégrée.

Les lentilles sont faites de verre optique, un type de verre spécial qui est beaucoup plus pur et plus uniforme que le verre ordinaire. La matière première la plus importante du verre optique est le dioxyde de silicium, qui doit être pur à plus de 99,9 %. Les propriétés optiques exactes du verre sont déterminées par ses autres ingrédients. Ceux-ci peuvent inclure l'oxyde de bore, l'oxyde de sodium, l'oxyde de potassium, l'oxyde de baryum, l'oxyde de zinc et l'oxyde de plomb. Les lentilles sont recouvertes d'un revêtement antireflet, généralement en fluorure de magnésium.

L'oculaire, l'objectif et la plupart des composants matériels sont en acier ou en alliages d'acier et de zinc. Le microscope d'un enfant peut avoir une coque externe en plastique, mais la plupart des microscopes ont une coque en acier.

S'il y a un miroir inclus, il est généralement fait d'un verre solide tel que le Pyrex (un nom commercial pour un verre fabriqué à partir de dioxyde de silicium, de dioxyde de bore et d'oxyde d'aluminium). Le miroir a un revêtement réfléchissant en aluminium et un revêtement protecteur en dioxyde de silicium.

Si une ampoule est incluse, elle est en verre et contient un filament de tungstène et des fils de nickel et de fer dans un mélange d'argon et d'azote gazeux. La base de l'ampoule est en aluminium.

Si un appareil photo est inclus, il contient des lentilles en verre optique. Le corps de l'appareil photo est en acier ou en d'autres métaux ou en plastique.

Le processus de fabrication

Réalisation des composants matériels

• 1 Les composants de quincaillerie en métal sont fabriqués à partir d'acier ou d'alliages d'acier et de zinc à l'aide d'équipements de travail des métaux de précision tels que des tours et des perceuses à colonne.
• 2 Si la coque externe d'un microscope bon marché est en plastique, il s'agit généralement d'un plastique léger et rigide tel que le plastique acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS). Les composants en plastique ABS sont fabriqués par moulage par injection. Dans ce processus, le plastique est fondu et forcé sous pression dans un moule ayant la forme du produit final. Le plastique est ensuite autorisé à refroidir pour devenir un solide. Le moule est ouvert et le produit est retiré.

Fabrication de verre optique

• 3 Les matières premières appropriées pour le type de verre optique souhaité sont mélangées dans les proportions appropriées, avec les déchets de verre du même type. Ces déchets de verre, connus sous le nom de calcin, agissent comme un fondant. Un fondant est une substance qui fait réagir les matières premières à une température plus basse qu'elles ne le feraient sans lui.
• 4 Le mélange est chauffé dans un four à verre jusqu'à ce qu'il soit fondu en un liquide. La température varie avec le type de verre fabriqué, mais est typiquement d'environ 2550 °F (1400 °C).
• 5 La température est augmentée à environ 2800°F (1550°C) pour forcer les bulles d'air à remonter à la surface. Il est ensuite lentement refroidi et agité constamment jusqu'à ce qu'il atteigne une température d'environ 1800°F (1000°C). Le verre est maintenant un liquide extrêmement épais, qui est versé dans des moules en forme de lentilles à fabriquer.
• 6 Lorsque le verre a refroidi à environ 600°F (300°C), il est réchauffé à environ 1000°F (500°C). Ce processus, connu sous le nom de recuit, supprime les contraintes internes qui se forment pendant la période de refroidissement initial et qui fragilisent le verre. Le verre est ensuite laissé refroidir lentement à température ambiante. Les morceaux de verre sont retirés des moules. Ils sont maintenant connus sous le nom de blancs.

Fabrication des lentilles

• 7 L'ébauche est maintenant placée dans un étau et maintenue sous un couteau cylindrique à rotation rapide avec une lame diamantée. Cette fraise, connue sous le nom de générateur de courbe, coupe la surface de l'ébauche jusqu'à ce qu'une approximation proche de la courbe souhaitée soit obtenue. La lentille coupée est inspectée et recoupée si nécessaire. La difficulté de ce processus varie considérablement selon le type de verre à couper et la courbure exacte requise. Plusieurs boutures peuvent être nécessaires et le temps nécessaire peut aller de quelques minutes à plus d'une demi-heure.
• 8 Plusieurs ébauches découpées sont placées sur la surface d'un bloc incurvé de telle manière que leurs surfaces incurvées s'alignent comme si elles faisaient toutes partie d'une surface sphérique. Cela permet à de nombreuses lentilles d'être rectifiées en même temps. Une surface de meulage en fonte connue sous le nom d'outil est placée sur le dessus des lentilles. Le bloc de lentilles tourne tandis que l'outil se déplace au hasard dessus. Un flux constant de liquide se déplace entre l'outil et les lentilles. Ce liquide, connu sous le nom de suspension, contient de l'eau, un abrasif (généralement du carbure de silicium) pour effectuer le broyage, un liquide de refroidissement pour éviter la surchauffe et un tensioactif pour empêcher l'abrasif de se déposer hors de la suspension. Les lentilles sont inspectées après meulage et rectifiées si nécessaire. Le processus de broyage peut prendre une à huit heures.
• 9 Les lentilles sont déplacées vers une machine à polir. Ceci est similaire à la rectifieuse, mais l'outil est fait de brai (une résine épaisse et molle dérivée du goudron). Un outil de poix est fabriqué en plaçant du ruban adhésif autour d'un plat incurvé, en versant de la poix chaude et liquide et en la laissant refroidir pour devenir un solide. Un outil de pitch peut être utilisé environ 50 fois avant de devoir être remodelé. Il fonctionne de la même manière qu'un outil de meulage, mais au lieu d'un abrasif, la suspension contient une substance de polissage (généralement du dioxyde de cérium). Les lentilles sont inspectées après polissage et la procédure est répétée si nécessaire. Le polissage peut prendre d'une demi-heure à cinq heures. Les lentilles sont nettoyées et prêtes à être revêtues.
• 10 Les lentilles sont enduites de fluorure de magnésium. Ils sont ensuite inspectés à nouveau, étiquetés avec une date de fabrication et un numéro de série, et stockés jusqu'à ce qu'ils soient nécessaires.

Faire le miroir

• 11 Si un miroir est inclus, il est fabriqué d'une manière similaire à celle d'une lentille. Contrairement à un objectif, il est coupé, meulé et poli pour être plat plutôt que courbé. Un revêtement réfléchissant est ensuite appliqué. L'aluminium est chauffé sous vide pour produire une vapeur. Une charge électrostatique négative est appliquée à la surface du miroir afin d'attirer les ions aluminium chargés positivement. Cela permet d'appliquer une fine couche de métal uniforme. Une couche protectrice de dioxyde de silicium est ensuite appliquée. Comme une lentille, le miroir est inspecté, étiqueté et stocké.

Assemblage du microscope

• 12 Tout l'assemblage final du microscope est fait à la main. Les travailleurs portent des gants, des masques et des blouses afin que la saleté n'endommage pas les lentilles ou les mécanismes internes du microscope. Premièrement les Les lentilles sont placées dans les tubes en acier, qui constituent les corps de l'oculaire et de l'objectif. Ces tubes sont fabriqués dans des tailles standard, ce qui leur permet d'être assemblés dans un microscope de taille standard.
• 13 Le mécanisme de mise au point de la plupart des microscopes est un système à pignon et crémaillère. Il s'agit d'une pièce plate en métal avec des dents sur un côté (la crémaillère) et d'une roue en métal avec des dents (le pignon), qui contrôle le mouvement de la crémaillère. La crémaillère et le pignon dirigent l'objectif de sorte que son mouvement vers ou depuis l'objet observé puisse être contrôlé. Dans de nombreux microscopes, la crémaillère et le pignon sont fixés à la platine (la plaque métallique plate sur laquelle repose l'objet observé) et l'objectif reste fixe. Une fois le système à crémaillère et pignon installé, les boutons qui le contrôlent sont fixés.
• 14 La coque externe du microscope est assemblée autour du mécanisme de mise au point interne. L'oculaire (ou deux oculaires, pour un microscope binoculaire) et l'objectif (ou un disque rotatif contenant plusieurs objectifs différents) sont vissés en place. Les oculaires et objectifs sont fabriqués dans des tailles standard qui permettent d'utiliser de nombreux oculaires et objectifs différents dans n'importe quel microscope standard.
• 15 Si le microscope contient un miroir, celui-ci est fixé au corps du microscope sous l'ouverture de la platine. S'il contient une ampoule à la place, celle-ci peut être fixée au même endroit (pour faire briller la lumière à travers l'objet observé) ou elle peut être placée sur le côté de la scène (pour faire briller la lumière au-dessus de l'objet). Certains microscopes professionnels contiennent les deux types d'ampoules pour permettre les deux types d'observation. Si le microscope contient une caméra, elle est fixée au sommet du corps.
• 16 Le microscope est testé. S'il fonctionne correctement, l'oculaire et l'objectif sont généralement dévissés avant l'emballage. Les pièces du microscope sont emballées solidement dans des compartiments hermétiques doublés de tissu ou de mousse. Ces compartiments font souvent partie d'une boîte en bois ou en acier. Le microscope est ensuite placé dans un contenant en carton solide et expédié aux consommateurs.

Contrôle qualité

La partie la plus critique du contrôle qualité d'un microscope est la précision des lentilles. Lors de la coupe et du polissage, la taille de la lentille est mesurée avec un pied à coulisse. Ce dispositif maintient la lentille entre deux mâchoires. L'un reste immobile tandis que l'autre est doucement mis en place jusqu'à ce qu'il touche la lentille. Les dimensions de la lentille sont lues sur une échelle qui se déplace avec la mâchoire mobile.

La courbure de la lentille est mesurée avec un sphéromètre. Cet appareil ressemble à une montre de poche avec trois petites broches dépassant de la base. Les deux broches extérieures restent en place, tandis que la broche intérieure peut entrer ou sortir. Le mouvement de cette broche est relié à une échelle sur la face du sphéromètre. L'échelle révèle le degré de courbure de la lentille. Une lentille typique ne devrait pas varier de plus d'environ un millième de pouce (25 micromètres).

Pendant le polissage, ces tests ne sont pas assez précis pour garantir que la lentille focalisera correctement la lumière. Des tests optiques doivent être utilisés. Un test typique, connu sous le nom de test d'autocollimation, consiste à faire briller une source lumineuse ponctuelle à travers une lentille dans une pièce sombre. Un réseau de diffraction (une surface contenant des milliers de rainures parallèles microscopiques par pouce) est placé à l'endroit où la lentille doit focaliser la lumière. Le réseau provoque la formation d'un motif de lignes claires et sombres autour du véritable point focal. Elle est comparée au foyer théorique et la lentille est repolie si nécessaire.

Les pièces mécaniques du microscope sont également testées pour s'assurer qu'elles fonctionnent correctement. L'oculaire et l'objectif doivent se visser fermement à leur place et doivent être parfaitement centrés pour former une image nette. Le mécanisme de mise au point à crémaillère est testé pour s'assurer qu'il se déplace en douceur et que la distance entre l'objectif et la platine est contrôlée avec précision. Les disques rotatifs contenant plusieurs objectifs sont testés pour s'assurer qu'ils tournent en douceur et que chaque objectif reste fermement en place pendant l'utilisation.

Le futur

Les observateurs amateurs pourront bientôt acheter des microscopes avec de petites caméras vidéo intégrées, qui permettent d'enregistrer les mouvements d'organismes microscopiques. Des ordinateurs peuvent être intégrés aux mécanismes de contrôle interne du microscope pour fournir une mise au point automatique.