Condenseur (optique)

Un condenseur (à droite) et son diaphragme respectif (à gauche)

Un condenseur est une lentille optique qui transforme un faisceau lumineux divergent provenant d'une source ponctuelle en un faisceau parallèle ou convergent afin d'éclairer un objet à imager.

Les condenseurs sont des éléments essentiels de tout appareil d'imagerie, comme les microscopes , les agrandisseurs , les projecteurs de diapositives et les télescopes. Ce principe s'applique à tous les types de rayonnements subissant une transformation optique, tels que les électrons en microscopie électronique , le rayonnement neutronique et l'optique du rayonnement synchrotron .

condenseur de microscope

Un condenseur entre la platine et le miroir d'un microscope ancien

Dans un microscope droit, le condenseur est placé au-dessus de la source lumineuse et sous l'échantillon ; dans un microscope inversé, il est placé au-dessus de la platine et sous la source lumineuse . Son rôle est de collecter la lumière émise par la source du microscope et de la concentrer en un cône lumineux qui éclaire l'échantillon. L'ouverture et l'angle de ce cône doivent être ajustés (par le diamètre du diaphragme) pour chaque objectif, en fonction de son ouverture numérique.

Un condenseur se compose généralement d'un diaphragme à ouverture variable et d'une ou plusieurs lentilles. La lumière provenant de la source d'éclairage du microscope traverse le diaphragme et est focalisée par la ou les lentilles sur l'échantillon. Après avoir traversé l'échantillon, la lumière se divise en un cône inversé pour remplir la lentille frontale de l'objectif.

Microscopie optique avec et sans condenseur. À faible grossissement, l'utilisation d'un condenseur peut limiter le champ de vision ; dans ce cas, il est préférable de ne pas l'utiliser. À fort grossissement, un condenseur adoucit les contours et est généralement préférable.

Un exemple de situation où la microscopie sans condenseur est préférable à fort grossissement est l'évaluation des cristaux ( maladie de dépôt de cristaux de pyrophosphate de calcium dihydraté illustrée).

Types

Il existe trois principaux types de condenseurs de microscope :

Le condenseur chromatique, tel que le condenseur d'Abbe, ne corrige pas l' aberration sphérique ni chromatique . Il contient deux lentilles qui produisent une image de la source lumineuse entourée d'un halo bleu et rouge sur ses bords.
Le condenseur aplanétique est corrigé de l'aberration sphérique.
Le condenseur achromatique composé est corrigé des aberrations sphériques et chromatiques.

Condenseur d'Abbe

Le condenseur d'Abbe doit son nom à son inventeur, Ernst Abbe , qui l'a mis au point en 1870. Conçu initialement pour Zeiss, il est monté sous la platine du microscope. Ce condenseur concentre et contrôle la lumière qui traverse l'échantillon avant d'atteindre l'objectif. Il possède deux commandes : l'une permet de rapprocher ou d'éloigner le condenseur de la platine, et l'autre, le diaphragme à iris , contrôle le diamètre du faisceau lumineux. Ces commandes permettent d'optimiser la luminosité, l'homogénéité de l'éclairage et le contraste. Les condenseurs d'Abbe sont difficiles à utiliser pour des grossissements supérieurs à 400x, car le cône aplanétique ne correspond qu'à une ouverture numérique (ON) de 0,6.

Ce condenseur est composé de deux lentilles : une lentille plan-convexe légèrement plus grande qu’un hémisphère et une grande lentille biconvexe servant de lentille collectrice. Le foyer de la première lentille se situe traditionnellement à environ 2 mm de la face plane coïncidant avec le plan de l’échantillon. Un cache-objectif permet d’aligner l’axe optique du condenseur avec celui du microscope. Le condenseur d’Abbe reste la base de la plupart des conceptions modernes de condenseurs pour microscopes optiques, malgré ses performances optiques médiocres.

condenseurs aplanétiques et achromatiques

Un condenseur aplanétique corrige l'aberration sphérique dans le trajet de la lumière concentrée, tandis qu'un condenseur composé achromatique corrige à la fois l'aberration sphérique et l'aberration chromatique .

Condenseurs spécialisés

Les systèmes d'observation en fond noir et en contraste de phase reposent sur un condenseur d'Abbe, aplanétique ou achromatique, auquel on ajoute un diaphragme de fond noir ou des anneaux de phase de différentes tailles. Ces éléments additionnels sont intégrés de diverses manières. Dans la plupart des microscopes modernes (à partir des années 1990 environ), ces éléments sont logés dans des glissières qui s'insèrent dans une fente entre l'illuminateur et la lentille du condenseur. De nombreux microscopes plus anciens intègrent ces éléments dans un condenseur à tourelle : ces éléments sont alors placés dans une tourelle sous la lentille du condenseur et mis en place par rotation.

Des condenseurs spécialisés sont également utilisés dans le cadre des systèmes de contraste interférentiel différentiel et de contraste par modulation de Hoffman , qui visent à améliorer le contraste et la visibilité des échantillons transparents.

En microscopie à épifluorescence , la lentille d'objectif agit non seulement comme une loupe pour la lumière émise par l' objet fluorescent , mais aussi comme un condenseur pour la lumière incidente .

Le condenseur Arlow-Abbe est une version modifiée du condenseur Abbe, dont le diaphragme à iris, le porte-filtre, la lampe et son système optique sont remplacés par un petit écran numérique OLED ou LCD. Cet écran permet la synthèse numérique de filtres pour l'éclairage en fond noir, Rheinberg, oblique et dynamique (à variation continue), le tout piloté par ordinateur. Ce dispositif a été décrit pour la première fois par le Dr Jim Arlow dans le numéro 48 de la revue Microbe Hunter.

Condenseurs et ouverture numérique

À l'instar des objectifs, les condenseurs présentent une ouverture numérique (ON) variable. C'est l'ON, combinée à celle de l'objectif, qui détermine la résolution optique . Les ouvertures numériques maximales et minimales des condenseurs diffèrent, et l'ouverture numérique d'un même condenseur dépend du diamètre de son diaphragme . Pour obtenir l'ouverture numérique maximale (et donc la résolution) d'un objectif, l'ouverture numérique du condenseur doit correspondre à celle de l'objectif utilisé. La technique la plus couramment employée en microscopie pour optimiser le trajet optique entre le condenseur (et les autres composants d'éclairage du microscope) et l'objectif est l'éclairage de Köhler .

L'ouverture numérique maximale (ON) est limitée par l' indice de réfraction du milieu situé entre la lentille et l'échantillon. Comme pour les objectifs, une lentille de condenseur dont l'ouverture numérique maximale est supérieure à 0,95 est conçue pour être utilisée en immersion à l'huile (ou, plus rarement, à Histoire

Les premiers condenseurs simples furent introduits sur les microscopes pré- achromatiques au XVIIe siècle. Robert Hooke utilisa un globe rempli d'eau salée associé à une lentille plan-convexe et, dans son ouvrage « Micrographia », il démontra qu'il comprenait les raisons de son efficacité. Au XVIIIe siècle, des fabricants tels que Benjamin Martin, Adams et Jones comprirent l'avantage de condenser la surface de la source lumineuse à celle de l'objet sur la platine. Il s'agissait alors d'une simple lentille plan-convexe ou biconvexe, ou parfois d'une combinaison de plusieurs lentilles. Avec la mise au point de l'objectif achromatique moderne en 1829 par Joseph Jackson Lister , le besoin de condenseurs plus performants devint de plus en plus évident. Dès 1837, l'utilisation du condenseur achromatique fut introduite en France par Félix Dujardin et Chevalier. Les fabricants anglais adoptèrent rapidement cette amélioration, animés par la volonté d'obtenir une résolution optimale pour des objets tests tels que les diatomées et les réseaux de Normant . À la fin des années 1840, des fabricants anglais tels que Ross, Powell et Smith proposaient tous des condenseurs à correction sphérique de haute précision sur leurs meilleurs supports, avec un centrage et une mise au point irréprochables. On affirme à tort que ces progrès étaient purement empiriques : nul ne peut concevoir un bon condenseur achromatique à correction sphérique en se basant uniquement sur des données empiriques. Sur le continent, en Allemagne, le condenseur à correction sphérique n'était considéré ni utile ni indispensable, principalement en raison d'une mauvaise compréhension des principes optiques fondamentaux. Ainsi, la principale entreprise allemande, Carl Zeiss à Iéna, ne proposait jusqu'à la fin des années 1870 qu'un condenseur chromatique de qualité médiocre. Les fabricants français, tels que Nachet, fournissaient quant à eux d'excellents condenseurs achromatiques sur leurs supports. Lorsque le grand bactériologiste allemand, Robert Koch , se plaignit à Ernst Abbe d'être obligé d'acheter un condenseur achromatique Seibert pour son microscope Zeiss afin de réaliser des photographies satisfaisantes de bactéries, Abbe produisit un très bon modèle achromatique en 1878.