TS Spécialité Physique Microscopes classique et confocal Exercice

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TS
Physique
Spécialité
Microscopes classique et confocal
Exercice
résolu
Enoncé
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 alors reconstruire, en utilisant
l'outil informatique, l'image tridimensionnelle de l'objet étudié.
Remarques :
- dans tout l’exercice, les figures ne sont pas réalisées à l’échelle,
- les deux parties sont indépendantes.
A. Première partie : étude d’un microscope classique
L'objectif est modélisé par une lentille mince convergente (L 1) de centre optique O1 et de distance
focale image f'1 = 4,5 mm. L'oculaire est modélisé par une lentille mince convergente (L 2) de centre
optique O2 et de distance focale f'2, supérieure à f '1. La distance  = F’1F2, appelée intervalle
optique, est imposée par le constructeur et est égale à 180 mm. L'objet éclairé AB (par exemple une
cellule musculaire) est positionné sur la platine porte-échantillon, solidaire du bâti du microscope.
1. Construire, sur le schéma de l’annexe n°1, l’image A1B1 donnée par la lentille (L1) de l’objet AB.
2. Le biologiste désire observer la cellule sans fatigue, c'est à dire sans accommoder.
a) Dans ce cas, où l'image définitive A'B' donnée par le microscope doit-elle se situer ?
b) Où doit se former l'image intermédiaire A1B1 pour répondre à cette condition ?
c) Sur le schéma en annexe n°1, placer les foyers principaux de la lentille (L2).
3. a) En s’aidant du schéma de l’annexe n°1, montrer que le grandissement 1 de l’objectif peut

s’écrire : 1 =  ' . Calculer sa valeur.
f1
b) Que peut-on dire de l'inscription «  40 » inscrite sur la monture de l'objectif ?
B. Deuxième partie : 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 (L 2) et on positionne le capteur CCD
dans le plan de l'image intermédiaire donnée par l'objectif (L 1), 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 m), lui aussi
centré sur l'axe optique et dans le plan du capteur. De cette façon, l'ensemble {capteur CCD +
diaphragme} permet de réaliser un détecteur quasi ponctuel.
Dans la suite, on s’intéressera à 3 points A, B et D d’une cellule biologique transparente placée sur la
platine porte-échantillon. Ces trois points sont dans un même plan (celui du schéma) :
- A est situé sur l’axe optique de l’objectif,
- B est situé dans le plan perpendiculaire en A à l’axe optique,
- D est situé dans le même plan horizontal que B, en profondeur dans la cellule.
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1. Sur les schémas des annexes n°2 et n°3, on a construit le faisceau lumineux issu du point A et
s’appuyant sur les bords de cet objectif.
a) Sur le schéma de l’annexe n°2, construire l'image B1 du point B ainsi que le faisceau lumineux issu
de B et s’appuyant sur les bords de l’objectif.
b) Sur le schéma de l’annexe n°3, construire l’image D1 du point D ainsi que le faisceau lumineux issu
de D et s’appuyant sur les bords de l’objectif.
c) En comparant les résultats obtenus, montrer que la plus grande partie de la lumière détectée par
le capteur est émise par le point A et non par les points B et D.
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 et
en profondeur dans la cellule. 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 la cellule et les images de plans en profondeur
dans la cellule. Cette technique, dite « microscopie à balayage » (par opposition à la microscopie
classique), nécessite un temps d'acquisition correspondant au déplacement point par point dans la
cellule. Un traitement informatique permettra ensuite d’obtenir des informations sur la structure
spatiale de cette même cellule.
a) Selon quel axe et dans quel sens faut-il déplacer l'échantillon de façon à pouvoir détecter l'image
du point B ?
b) Positionner alors l'objet AB sur le schéma de l’annexe n°4, et tracer le faisceau issu de B et
s’appuyant sur les bords de l’objectif.
c) 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 ?
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Annexes
Annexe n°1
Annexe n°2
Annexe n°3
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Annexe n°4
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Corrigé
A. Première partie : étude d’un microscope classique
1. Construire, sur le schéma de l’annexe n°3, l’image A1B1 donnée par la lentille (L1) de l’objet AB.
Voir schéma en fin de corrigé.
2. Le biologiste désire observer la cellule sans fatigue, c'est à dire sans accommoder.
a) Dans ce cas, où l'image définitive A'B' donnée par le microscope doit-elle se situer ?
L’image A’B’ doit se situer à l’infini.
b) Où doit se former l'image intermédiaire A1B1 pour répondre à cette condition ?
A1B1 doit se former dans le plan focal objet de la lentille (L 2).
c) Sur le schéma en annexe n°3, placer les foyers principaux de la lentille (L2).
Voir schéma en fin de corrigé.
3. a) En s’aidant du schéma de l’annexe n°3, montrer que le grandissement 1 de l’objectif peut s’écrire :
1 = 

'
f1
. Calculer sa valeur.
Les triangles O1KF’1 et A1B1F’1 sont semblables :
Or : O1K  AB
=>  1 
A1 B1
AB
=-
;
'
O1F1  f1
'

f1
'
;
soit : 1 = -
A1 B1
O1K
A1 F1
'

O1 F1
'
AF
 
1 1
'
180
4, 5
= - 40
b) Que peut-on dire de l'inscription «  40 » inscrite sur la monture de l'objectif ?
L’inscription sur la monture de l’objectif indique la valeur absolue du grandissement de celui-ci.
B. Deuxième partie : étude du microscope confocal
1. a) Sur le schéma de l’annexe n°4, construire l'image B1 du point B ainsi que le faisceau lumineux issu de B et
s’appuyant sur les bords de l’objectif.
Voir schéma en fin de corrigé.
b) Sur le schéma de l’annexe n°5, construire l’image D1 du point D ainsi que le faisceau lumineux issu de D et
s’appuyant sur les bords de l’objectif.
Voir schéma en fin de corrigé.
c) En comparant les résultats obtenus, montrer que la plus grande partie de la lumière détectée par le capteur
est émise par le point A et non par les points B et D.
Toute la lumière issue de A pénètre à l'intérieur du diaphragme et est détectée par le capteur
CCD. Le faisceau issu de B converge bien dans le plan du capteur mais en dehors de l'ouverture
diaphragmée : le capteur ne reçoit aucune lumière issue de B. Quant au point D, son image ne se
forme pas dans le plan du capteur, et le faisceau lumineux ne passe pas par le diaphragme.
2. a) Selon quel axe et dans quel sens faut-il déplacer l'échantillon de façon à pouvoir détecter l'image du
point B ?
L'image B1 de B se trouve en dessous de l'ouverture (voir schéma en annexe n°4). Il faut donc la
remonter et, pour cela, l'objet AB doit rester dans le plan initial mais doit descendre selon yy'
pour que B soit sur l'axe optique.
b) Positionner alors l'objet AB sur le schéma de l’annexe n°6, et tracer le faisceau issu de B et s’appuyant sur les
bords de l’objectif.
Voir schéma en fin de corrigé.
c) 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 ?
Pour acquérir l'image du point D de la cellule biologique, il faut que le point D occupe la position
du point A. Il faut donc opérer un déplacement selon yy' vers le bas et un déplacement selon zz'
vers la droite.
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Annexe n°1
K
F2
A1
F’2
B1
Annexe n°2
B1
Annexe n°3
D1
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Annexe n°4
B
A
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