Chapitre 2 : le
microscope
microscope classique et
microscope confocal (métropole 09/06 ) corrigé
Depuis
une vingtaine d'années la microscopie confocale a connu un développement
considérable.Ces microscopes équipent maintenant un grand nombre de
laboratoires de biologie. Par rapport à la microscopie optique classique, la
microscopie confocale permet de réaliser l'image d'un plan à l'intérieur d'un
échantillon transparent ( par exemple dans le cas d'une cellule biologique).À
partir d'une série d'images des différents plans de l'échantillon on peut
reconstruire, en utilisant l'outil informatique, l'image tridimensionnelle de
l'objet étudié.La première partie de cet exercice concerne l'étude d'un
microscope optique classique. La seconde partie illustre le principe de
fonctionnement d'un microscope confocal. Dans tout l'exercice, les figures ne
sont pas réalisées à l'échelle. Les
deux parties de cet exercice sont indépendantes.
1. Étude d'un microscope optique
classique
L'objet éclairé AB (par exemple
une cellule musculaire) est positionné sur la platine porte-échantillon,
solidaire du bâti du microscope (figure
1 EN ANNEXE À
RENDRE AGRAFÉE À LA COPIE). L'objectif
est modélisé par une lentille mince convergente (L1) de centre
optique O1 et de distance focale f '1 = 4,5 mm.
L'oculaire est modélisé par une lentille mince convergente (L2) de
centre optique O2 et de distance focale f '2 supérieure à
f '1. La distance D = entre le foyer image de l'objectif et le foyer objet de
l'oculaire, appelée intervalle optique, est imposée par le constructeur et est
égale à 180 mm.
1.1. Position
de l'image intermédiaire A1B1
1.1.1
Construire
sur la figure 1 EN ANNEXE À RENDRE AGRAFÉE À LA COPIE
l'image intermédiaire A1B1 de l'objet AB.
1.1.2
Rappeler
la formule de conjugaison des lentilles minces (relation de Descartes) qui
permettrait de calculer la position de l'image A1B1.
1.2. Observation
de l'objet à travers le microscope
1.2.1.
Quelle
est le rôle joué par l'image intermédiaire A1B1 pour
l'oculaire (L2) ?
1.2.2.
Le biologiste désire observer la cellule sans
fatigue, c'est à dire sans accommoder. Dans ce cas l'image définitive A'B'
donnée par le microscope doit se situer à l'infini.
Où doit se former l'image intermédiaire A1B1
pour répondre à cette condition ?
1.2.3. Sur la figure 1 EN ANNEXE À
RENDRE AGRAFÉE À LA COPIE, placer dans ce cas les foyers de la lentille
(L2).
1.2.4. Calculer la position de A par
rapport à O1 pour que cette condition soit réalisée
1.3. Calcul du grandissement
1.3.1.
Rappeler
la formule définissant le grandissement pour la lentille mince (L1)
dans le cas étudié.
1.3.2.
En
s'aidant de la figure 1, montrer
que le grandissement g1 de l'objectif peut s'écrire .
1.3.3.
Calculer
la valeur algébrique du grandissement g1 . Que peut-on dire de l'inscription
" ´ 40" inscrite sur la monture de l'objectif ?
2. Étude du microscope confocal
De
nos jours on préfère souvent l'acquisition d'images numériques à la
visualisation directe de l'image. Pour cela on peut utiliser un capteur d'image
appelé "capteur CCD".
Le microscope classique
est alors modifié de la façon suivante : on supprime l'oculaire (L2)
et on positionne le capteur CCD dans le plan de l'image intermédiaire donnée
par l'objectif (L1), en le centrant sur l'axe optique. Par extension
ce système imageur continuera à être appelé microscope.Pour réaliser un
"microscope confocal", on introduit également un diaphragme de petite
taille (par exemple 50 µm), lui aussi centré sur l'axe optique, dans le plan du
capteur : de cette façon l'ensemble (capteur CCD + diaphragme) permet de
réaliser un détecteur quasi ponctuel.
2.1. Sur la figure 2 EN ANNEXE À RENDRE AGRAFÉE À LA COPIE, on a construit le faisceau
lumineux issu du point objet A limité par les bords de la lentille.
2.1.1
On
s'intéresse d'abord au point B de la cellule biologique n'appartenant pas à
l'axe optique. Sur la figure 2 EN ANNEXE À RENDRE AGRAFÉE À LA COPIE,
construire l'image B1 du point B ainsi que le faisceau lumineux issu
de B passant par les bords de la lentille. Hachurer ce faisceau.
2.1.2
On
s'intéresse ensuite au point D de la cellule biologique. Sur la figure 3 EN ANNEXE À RENDRE AGRAFÉE À LA COPIE, construire l'image D1
du point D et le faisceau lumineux issu du point D limité par les bords de la
lentille. Hachurer ce faisceau.
2.1.3
En
utilisant les figures 2 et 3
complétées précédemment DE L'ANNEXE À
RENDRE AGRAFÉE À LA COPIE, montrer que la plus grande partie de la
lumière détectée par le capteur est émise par le point A et non par les point B
et D.
2.2. Le système
(capteur CCD + diaphragme) étant fixe et centré sur l'axe optique, il est
nécessaire de déplacer l'objet pour former successivement toutes les images des
points situés entre A et B. Pour cela on utilise une platine porte-échantillon
motorisée. Cette platine permet un déplacement dans les trois directions x'x,
y'y et z'z (voir figure ci-dessous). On construit alors point par point l'image
d'un plan de l'échantillon. Pour cette raison, on appelle cette technique
"microscopie à balayage". Par opposition à la microscopie classique,
elle nécessite donc un temps d'acquisition correspondant au déplacement point
par point de l'échantillon.
Selon quel axe et dans quel sens faut-il
déplacer l'échantillon et où faut-il placer l'objet AB de façon à pouvoir
détecter l'image du point B ? Positionner alors l'objet AB sur la figure 4 EN ANNEXE
À RENDRE AGRAFÉE À LA COPIE; tracer le faisceau issu de B et limité par les bords
de la lentille.
2.3. En utilisant le même système d'axes, indiquer comment
il faut déplacer l'échantillon pour acquérir l'image du point D de la cellule
biologique ?
La microscopie confocale permet
ainsi d'acquérir une série d'images des plans en profondeur dans un échantillon
transparent et par suite, d'obtenir, grâce à un traitement informatique, des
informations sur la structure spatiale de l'échantillon.
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