TP Microscopie

Esure d
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UNIVERSITE DE KARA – Faculté des Sciences et Techniques
B.P.: 404 Kara – Togo
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FACULTE DES SCIENCES
ET TECHNIQUES
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DEPARTEMENT DE PHYSIQUE
TP II -1 : Microscopie et instruments
d’optique
I. Objectifs
Les objectifs de cette manipulation sont de décrire les propriétés fondamentales des instruments
d’optique, la manière de les utiliser et de définir les principales caractéristiques définissant leurs
qualités.
II. Généralités sur les instruments d’optiques
On distingue deux grandes familles d’instruments d’optique qui diffèrent par leur principe de
fonctionnement, à savoir les instruments dits oculaires et les instruments dits objectifs (ou de
projection).
• Les instruments oculaires donnent d’un objet réel une image virtuelle observée par l’œil.
On peut les utiliser pour la vision des objets proches ou éloignés. Parmi ces instruments,
on distingue la loupe, le microscope, la lunette astronomique et le télescope. Un objet
proche est vu par l’œil sous le plus grand diamètre apparent quand il est placé au
punctum proximum, ce qui nécessite pour l’œil une accommodation maximum. Pour
supprimer cette accommodation on remplace la vision directe de l’objet par celle de
l’image obtenue par un système optique. Cette image sera virtuelle pour réduire
l’encombrement du système, loin de l’œil et si possible situé au punctum remotum (à
l’infini pour un œil normal au repos).
• Les instruments objectifs ou de projection donnent d’un objet une image réelle que l’on
peut recueillir sur un écran ou un film photographique. Parmi ces instruments on peut
citer l’appareil photographique et le projecteur de diapositive.
Soit un instrument optique idéal c’est-à-dire corrigé des possibles aberrations chromatiques et
géométriques, les caractéristiques principales qui permettent de qualifier cet instrument sont :
- Le grandissement, la puissance optique et le grossissement qui permettent de comparer
les dimensions linéaires et angulaires de l’objet et de son image
- Le champ qui peut être linéaire ou angulaire, qui définit une zone de l’espace objet
conduisant à des images de qualité suffisante
- La clarté qui permet de comparer les grandeurs photométriques caractérisant l’objet et
son image dans l’instrument
- Le pouvoir séparateur qui définit la perception des petits détails.

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III. Principe de fonctionnement de quelques instruments d’optique
A. La loupe
La loupe est un instrument oculaire qui permet de donner d’un objet proche une image virtuelle
agrandie. Elle est en générale constituée d’une lentille convergente mince ou épaisse de faible
distance focale. L’objet est placé entre la loupe et son foyer objet. Si l’œil est normal, il faudra
placer l’objet dans le plan focal objet pour que l’image se forme à l’infini et que l’œil puisse
l’observer sans accommoder. Le grossissement d’une loupe est le rapport entre l’angle  sous
lequel on voit l’image de l’objet à travers la loupe et l’angle sous lequel on voit l’objet à l’œil
nu (à distance minimum de vision distincte qui est le Punctum Proximum) :   . Si d
pp
est la distance minimum de vision distincte et la distance focale image de la loupe alors le
grossissement vaut    . De manière standard, le grossissement commercial qui est noté
sur les loupes est calculé pour une valeur de    avec un œil placé au point focal
image de la loupe.
Figure II-1a : Marche des rayons lumineux à travers une loupe
Pour faire la mise au point à l’aide de la loupe, il suffira que l’image  se forme entre le
punctum remotum (PR) et le minimum de vision distincte (PP):  se forme au PR,
implique donc que l’objet  est placé sur le point focal F si on suppose que le PR est à
l’infini, et dans le cas  est au PP de l’œil cela implique une distance minimale 
où l’objet peut être placé. Ces deux positions possibles de la position de l’objet 
déterminent ce qu’on appelle la latitude de mise au point (figure II-1b).
On montre que dans le cas où le PR est à l’infinie, la latitude de mise au point vaut 

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!!
. On évitera cependant de se placer à ce minimum de vision distincte car c’est là que l’œil
fait le plus gros effort d’accommodation et se fatigue le plus.
Figure II-1b : La latitude de mise au point
B. Le microscope
Un microscope permet d’observer les plus petits objets sous un angle plus grand qu’à l’œil nu.
Il se compose de deux systèmes de lentilles : l’objectif et l’oculaire. L’objectif donne une image
agrandie de l’objet, et l’oculaire permet d’observer l’image donnée par l’objectif.
L’objectif est un système convergent, de faible distance focale  . L’objet AB est placé un peu
au-delà du foyer objet de F
1
et l’objectif en donne une image réelle A
1
B
1
avec un grandissement
" . Il est caractérisé par une ouverture numérique ON et une longueur de tube D. L’image A
1
B
1
à travers l’objectif devient l’objet pour l’oculaire qui en fait une image définitive A’B’ de
grandissement " . Le grandissement des oculaires est calculé pour une distance minimale de
vision distincte égale à 25cm, et permet dans l’idéal à l’œil d’observer l’image sans avoir à
accommoder, ou avec le minium d’accommodation.
IV. Manipulation
A. Expérience 1 : imagerie avec une loupe
• Préparation théorique :

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Soit une lentille convergente de focale image  placé dans l’air.
Q1 – En utilisant la relation de conjugaison, donnez la formule qui permet de trouver la position
de l’image #$
% en fonction de la position de l’objet #$   %.
Q2 – On fixe   &, tracez la courbe $  #$% et analysez cette courbe en fonction du
signe de $.
Q3 – On sait que pour une lentille mince placée dans l’air, le grandissement transversal peut
encore s’écrire 
'
()
()
*(
*(
. Tracez la courbe de 
'
 #$%. Dans quel intervalle doit-on
placer l’objet pour que l’image soit plus grande et non-inversée ?
Si cette lentille est utilisée comme loupe, le paramètre qui permet de caractériser cette dernière
est le grossissement qui est égal au rapport entre le diamètre apparent d’observation de l’image
et diamètre apparent d’observation de l’objet. Notons  la distance minimale de vision
distincte. On supposera que l’œil est placé au point  de la loupe (figure II-2).
Figure II-2 : Positionnements de l’œil et de l’objet pour trouver 
+
Q4 – Donnez l’expression de la distance  , pour laquelle l’image  se forme au PP de
l’œil.
Q5 – Représentez sur deux différentes figures la marche des rayons lumineux pour les deux cas
extrêmes qui définissent la latitude de mise au point. Appelons  ,- les deux positions
extrêmes de l’objet. Démontrez que l’on a 
!!
. .
Q6 –On supposera que les rayons sont paraxiaux, c’est-à-dire qu’on est dans les conditions de
Gauss d’angles faibles ; soit on peut écrire -./#%0  et -./#%0 . En suivant le schéma de
la Figure II-1a (pour calculer le grossissement commercial, on place l’objet tel que 
et l’œil est placé au point F’), démontrez que le grossissement commercial  de la loupe vaut
11
.
• Expérimentation et manipulation

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Matériel :
- Banc d’alignement optique : pied réglable + tige réglable + règle graduée
- Un objet (à définir) …
- Une monture vide avec ouverture circulaire
- Une lentille sur support, f=+100mm
- Un porte objet
E1 – Mesure du punctum proximum :
- Placez dans un premier temps la monture vide à une extrémité du banc optique.
- Ensuite placez l’objet sur la première fente du porte objet, puis placez l’ensemble sur
le banc optique.
- Positionnez votre œil dans le trou du porte diaphragme afin de pouvoir regarder l’objet
à travers.
- Déplacez le porte objet le long du banc optique, en gardant fixe la position du porte
diaphragme (et donc votre œil), et trouvez la distance minimale œil – objet pour laquelle
votre œil voit nettement l’objet. Cette distance est votre punctum proximum ( %.
Mesurez cette distance et notez la pour la suite du TP. (On rappelle que l’ajout de
l’erreur de mesure est obligatoire)
E2 – Mesure de la latitude de mise au point :
- Gardez la monture vide fixe, dans sa position à une des extrémités du banc optique
- Déplacez l’objet vers l’autre extrémité.
- Placez la lentille f’=+100mm devant la monture vide, puis déplacez la lentille de
manière à ce que la monture vide se retrouve au point F’ de la lentille. Déplacez l’objet,
en regardant son image à travers la lentille (l’œil toujours placé au niveau du
diaphragme) jusqu’à ce que vous voyez une image nette. Ensuite, rapprochez lentement
l’objet vers la lentille et trouvez la distance minimale 
+
pour laquelle l’image reste
nette. (Cette position de l’objet représente le point A
2
sur la figure II-1b)
- Déplacez ensuite l’objet et trouvez le point A
1
qui correspond à la position de l’objet
pour laquelle l’image se forme au punctum remotum. Mesurez la distance  . Est-elle
égale à la focale de la lentille ? que peut-on dire alors sur la position de votre PR ?
- Calculez la latitude de mise au point  . Est-elle égale à la valeur théorique ?
concluez !
- Calculez l’erreur entre la mesure expérimentale et le calcul théorique de la latitude de
mise au point.
- En utilisant la formule théorique du calcul de la latitude de mise au point, calculez
l’erreur sur la valeur de la focale f’.
- Calculez le grossissement commercial de cette lentille (loupe) (ainsi que l’erreur).