MICROSCOPIE

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La révolution qui consiste, à la fin du xvie siècle, à regarder « à la loupe » non plus directement un objet, mais son image agrandie est à l'origine de la microscopie. L'étymologie (du grec mikros, petit, et skopein, examiner) renvoie à l'examen d'objets ou de détails d'objets à peine perceptibles ou invisibles à l'œil nu. La microscopie s'est ensuite progressivement imposée comme une technique d'observation indispensable pour accéder aux propriétés de la matière, inanimée ou vivante.

En introduisant de nouveaux modes d'observation et grâce à une perception de plus en plus fine, jusqu'à l'échelle atomique, la microscopie a ainsi bouleversé notre culture scientifique. Dans le seul domaine de la biologie, les illustrations sont nombreuses : c'est un microscope que Pasteur utilise pour découvrir les micro-organismes de la fermentation et en suivre l'évolution. L'importance de la microscopie optique dans les sciences de la vie à la fin du xixe siècle s'est encore confirmée au cours du xxe siècle grâce à de nouveaux microscopes. Toujours dans ce domaine, c'est la microscopie électronique qui a permis de progresser rapidement dans l'étude des ultrastructures.

Résolution

Dessin : Résolution

Résolution des différents instruments de microscopie. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Le mode de production des images, leurs supports physiques, la nature et le traitement de l'information qu'elles contiennent ont conditionné l'évolution de la microscopie. L'image d'un objet résulte de la saisie d'informations caractéristiques de l'objet (forme, contour, couleur, etc.). Ces informations sont véhiculées par un rayonnement qui interagit avec l'objet. La production d'images par les microscopes traditionnels suppose donc :

– une source de rayonnement et un dispositif d'éclairage de l'objet ;

– une optique de transmission assurant la fonction d'agrandissement,

– un détecteur traduisant l'image sur un support (œil, plaque photographique, écran d'ordinateur pour des images numérisées) ;

L'image obtenue est généralement soumise à l'analyse et à l'interprétation du cerveau.

Par sa nature, le rayonnement détermine l'interaction avec l'objet. On distingue en particulier les objets d'amplitude et les objets de phase selon la caractéristique de l'interaction rayonnement-matière mise en jeu. L'interprétation de l'image fait donc appel à une connaissance précise des interactions rayonnement-matière.

Par sa longueur d'onde, le rayonnement détermine la limite théorique des détails perceptibles sur l'image. Cette limite est imposée par les phénomènes de diffraction (critère de Rayleigh). En outre, la résolution dépend aussi, de façon cruciale, de la construction de l'ensemble qui véhicule l'information depuis l'objet jusqu'au support d'image.

La classification des microscopes traditionnels repose sur la nature du rayonnement. On distingue la microscopie optique (ou photonique), qui utilise les radiations électromagnétiques du spectre visible ou encore les radiations infrarouges ou ultraviolettes proches du visible et même des rayons X, de la microscopie électronique, qui, elle, utilise les propriétés ondulatoires de faisceaux d'électrons accélérés (cf. ondes - Physique), auxquels peut être associée une courte longueur d'onde ; elle atteint ainsi des résolutions bien meilleures que la microscopie optique.

Dans ces microscopies traditionnelles, les distances séparant la source de rayonnement de l'objet et du détecteur sont grandes par rapport à la longueur d'onde du rayonnement ; on est en régime de propagation ou de champ lointain.

Beaucoup plus récente, la microscopie de champ proche s'est rapidement développée à partir des succès du microscope par effet tunnel dans les années 1980. Ici, l'information est saisie à la source même de sa production. La distance objet-détecteur (souvent quelques distances atomiques ou quelques nanomètres) est faible par rapport à la longueur d'onde du rayonnement, ou par rapport à la portée de l'interaction entre détecteur et objet. La propagation n'intervient donc pas, ce qui élimine les problèmes d'optique de transmission et les limitations de performance qu'ils entraînent. L'image possède donc une résolution exceptionnelle fixée par la taille utile du détecteur.

Enfin, il paraît indispensable de souligner l'importance des échanges continuels entre théorie et expérience afin de comprendre l'évolution historique des techniques de microscopie.

La caractérisation par microscopie est particulièrement adaptée aux sciences expérimentales telles que la physique, la chimie, la pétrologie et la biologie. La démarche du biologiste vise à identifier les relations entre structures et fonctions au sein des organismes vivants. Aux différentes échelles de résolution, la connaissance de la structure est une clé de compréhension des mécanismes qui concourent à une fonction. L'approche méthodologique du biologiste privilégie donc l'étude des composants élémentaires des organismes vivants et celle de leurs interactions. Le physicien cherche, lui, à établir des relations entre la structure et les propriétés physico-chimiques des matériaux. Les images de microscopie entrent ainsi pour beaucoup dans les représentations d'un monde invisible à nos yeux et dans notre compréhension des processus à l'échelle microscopique. Ces approches scientifiques sont de nos jours facilitées par les procédés d'analyse d'images et de reconnaissance de formes. Technique instrumentale au départ, la microscopie se développe sous des formes nouvelles en s'appuyant sur les avancées de la technologie et de la science. En jetant les bases de l'optique électronique, les physiciens ont en effet entièrement conçu le microscope électronique par analogie avec le microscope photonique classique. Les modes d'observation couramment pratiqués en microscopie optique dans le but d'améliorer la détection des détails (fond clair et fond noir) et les modes de correction des aberrations de l'optique (sphéricité, stigmatisme, chromatisme) ont directement inspiré la microscopie électronique. L'excellente résolution du microscope électronique a permis à son tour d'affiner notre connaissance de la matière à l'échelle atomique et d'accéder à des analyses quantitatives d'une extrême précision (micro-analyse). Par la suite, la facilité de construction de sources d'électrons peu étendues et brillantes, ainsi que le balayage de faisceaux d'électrons très focalisés ont permis la naissance de la microscopie électronique à balayage. Cette notion de balayage avec acquisition successive des points de l'image est maintenant transposée à la microscopie photonique, dite microscopie confocale à balayage laser. Cette innovation récente résulte de l'association de techniques de pointe en optique, en micromécanique et en micro-informatique. La microscopie confocale permet d'effectuer des prises de vue tridimensionnelles d'objets épais.

Enfin, à l'échelle atomique, la microscopie ionique de champ, qui a permis de « voir » les atomes pour la première fois, est un [...]

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Microscope visuel

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Microscope universel Axioplan

Microscope universel Axioplan
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Éclairages en fond clair et en fond noir

Éclairages en fond clair et en fond noir
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Écrit par :

  • : directeur de recherche au C.N.R.S., responsable du groupe microscopie électronique, analytique et quantitative du laboratoire de physique des solides, Orsay
  • : directeur de recherche deuxième classe au C.N.R.S., responsable de l'équipe transport membranaire et fonctions lymphocytaires
  • : directeur de recherche au C.N.R.S., responsable du laboratoire de microscopie cellulaire et moléculaire de l'Institut Gustave-Roussy, Villejuif
  • : directeur honoraire de l'Institut d'optique théorique et appliquée de Paris, professeur honoraire au Conservatoire national des arts et métiers
  • : directeur de recherche au C.N.R.S., Institut d'optique d'Orsay, professeur à l'Institut d'optique, responsable du laboratoire de microscopie, université de Paris-XI, Orsay.
  • : professeur à la faculté des sciences de Luminy, université d'Aix-Marseille, directeur du laboratoire de physique des états condensés
  • : maître de recherche au C.N.R.S.

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Voir aussi

Pour citer l’article

Christian COLLIEX, Jean DAVOUST, Étienne DELAIN, Pierre FLEURY, Georges NOMARSKI, Frank SALVAN, Jean-Paul THIÉRY, « MICROSCOPIE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 25 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/microscopie/