thumb|Un microscope optique de base. Le microscope optique ou microscope photonique est un instrument d'optique muni d'un objectif et d'un oculaire qui permet de grossir l'image d'un objet de petites dimensions (ce qui caractérise sa puissance optique) et de séparer les détails de cette image (son pouvoir de résolution) afin qu'il soit observable par l'œil humain. Il est utilisé en biologie, pour observer les cellules, les tissus, en pétrographie pour reconnaître les roches, en métallurgie et en métallographie pour examiner la structure d'un métal ou d'un alliage.
Le microscope stéréoscopique est un type particulier de microscope optique qui n'exige pas d'échantillons plats de faible épaisseur, ou réfléchissants, et permet d'observer des pièces naturelles sans préparation en grossissant l'image d'un facteur moins élevé, mais en gardant une vision stéréoscopique propice à l'examen macroscopique révélateur de grains, de criques, de fissures. Les microscopes optiques à grossissement plus important exigent quant à eux un échantillon plat de faible épaisseur. La stéréoscopie ne peut alors plus être conservée.
Actuellement, les microscopes optiques les plus puissants possèdent un grossissement de ×2500.
Du fait des limites du spectre de la lumière visible, les microscopes optiques, sous réserve de grossissement suffisant, permettent d'observer des cellules (mais pas toutes les unités et sous-unités cellulaires), des champignons, des protozoaires, des bactéries mais ne permettent pas d'observer de virus.
Histoire
Il est difficile de dire qui a inventé le microscope composé. On dit souvent que l'opticien hollandais Hans Janssen et son fils Zacharias Janssen fabriquèrent le premier microscope en 1595, mais ceci provient d'une déclaration de Zacharias Janssen lui-même au milieu du . Zacharias Janssen est né vers 1570.
Un autre favori au titre d'inventeur du microscope est Galilée. Il a développé un occhiolino, un microscope composé d'une lentille convexe et d'une autre concave en 1609. Athanasius Kircher décrit son microscope en 1646Athanasius Kircher, "Ars magna Lucis et Umbrae",1646. qu'il utilise pour l'observation du sang.
Un dessin par Francesco Stelluti de trois abeilles figure sur le sceau du pape Urbain VIII (1623-1644) et passe pour la première image de microscopie publiéeStephen Jay Gould, The Lying stones of Marrakech, (les pierres truquées de Marrakech en français), 2000.. Christian Huygens, un autre Hollandais, a développé à la fin du un oculaire simple à deux lentilles corrigé des aberrations chromatiques, ce qui fut un grand pas en avant dans le développement du microscope. L'oculaire de Huygens est toujours fabriqué aujourd'hui, mais souffre d'un champ assez réduit et d'autres problèmes mineurs. On attribue en général à Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723) le fait d'avoir attiré l'attention des biologistes sur les utilisations du microscope, même si des loupes ordinaires étaient déjà fabriquées et utilisées au . Les microscopes artisanaux de Van Leeuwenhoek étaient des instruments simples et de taille réduite comprenant une lentille unique mais forte. En comparaison, les systèmes à plusieurs lentilles restaient difficiles à mettre au point et il fallut pas moins de 150 ans de développement des optiques avant que le microscope composé puisse livrer une qualité d'image équivalente à celle des microscopes simples de Van Leeuwenhoek. Néanmoins, et malgré de nombreuses revendications, on ne peut pas considérer Antoni Van Leeuwenhoek comme l'inventeur du microscope composé. Robert Hooke est aussi l'un des premiers à en concevoir.
Première approche
Principe du microscope optique de base
thumb|Principe d'un microscope.|120px vignette|Animation du fonctionnement d'un microscope.
Le microscope optique est un système optique à lentilles dont le but est d'obtenir une image agrandie de l'objet observé.
L'objet à observer est placé devant le premier groupe optique appelé « objectif ». Si l'objet est au-delà de la distance focale, cela forme une image réelle renversée de taille différente ; l'image est plus grande que l'objet si celui-ci est situé à une distance inférieure au double de la distance focale de l'objectif.
Le deuxième groupe optique du côté de l'observateur est l'oculaire : il est positionné de sorte que l'image soit dans son plan focal. Ainsi, l'œil observe une image « à l'infini » (pour un observateur standard), donc en relâchant les muscles chargés de l'accommodation, offrant un meilleur confort visuel.
thumb|center|upright=1.5|Principe d'un microscope simplifié.
Il s'agit d'un système centré dioptrique, composé en partie de doublets pour en corriger certaines des aberrations optiques.
A contrario d'autres systèmes optiques qui sont définis par leur grossissement optique (télescope) ou leur grandissement (appareil photographique), le terme approprié, pour le microscope, est sa puissance, rapport de l'angle, sous lequel est vu l'objet à travers l'instrument, à la longueur de cet objet.
La technique d'illumination la plus utilisée en microscopie à champ large classique est l'illumination de Köhler, qui garantit une qualité d'image optimale.
Constitution du microscope thumb|upright=1.5|Schéma d'un microscope optique.
De bas en haut : miroir : sert à réfléchir la lumière ambiante pour éclairer l'échantillon par en dessous, dans le cas d'un échantillon transparent (par exemple une lame mince en biologie ou en géologie, ou un liquide) ; source de lumière artificielle de meilleure température de couleur et de stabilité et par l'usage d'un condenseur qui permet à cette lumière de remplir d'une façon homogène et régulière le champ observé, et surtout de ne pas faire voir, par son réglage adéquat, les détails mécaniques de la source de lumière (spires du filament de l'ampoule). La source d'éclairage peut être plus élaborée et comporter un boîtier indépendant, éventuellement en lumière polarisée ou ultraviolet, pour faire ressortir certaines propriétés chimiques de la matière, ou éclairer l'échantillon par-dessus (notamment en métallurgie) ; diaphragme : ouverture de diamètre variable permettant de restreindre la quantité de lumière qui éclaire l'échantillon. Comme pour un appareil photo, le diaphragme permet principalement de faire varier la profondeur de champ (ouvert à fond pour des coupes histologiques et plus fermé pour des recherches d'œufs de parasites digestifs) ; platine porte-échantillon : où l'on pose l'échantillon ; les « valets » servent à tenir l'échantillon lorsque celui-ci est mince (par exemple une lame). La platine peut être mobile (gauche-droite et avant-arrière), ce qui permet de balayer l'échantillon et de sélectionner la partie observée ; objectifs : lentille ou ensemble de lentilles réalisant le grossissement. Il y a en général plusieurs objectifs, correspondant à plusieurs grossissements, montés sur un barillet. Certains objectifs sont dits à immersion car leur puissance ne peut être atteinte qu'en éliminant la lame d'air entre l'échantillon couvert par la lamelle et la frontale de l'objectif. On utilise pour cela de l'huile de cèdre ou des huiles de synthèse dont l'indice de réfraction est proche de celui du verre ; mise au point rapide et micrométrique ; pour que l'image soit nette, il faut que l'objet soit dans le plan focal de l'objectif ; ces molettes font monter et descendre l'ensemble objectif-oculaire avec un système de crémaillère, afin d'amener le plan focal sur la zone de l'échantillon à observer ; oculaire : lentille ou ensemble de lentilles formant l'image d'une manière reposante pour l'œil ; les rayons arrivent parallèles, comme s'ils venaient de très loin, ce qui permet un relâchement des muscles contrôlant le cristallin ; deux oculaires placés sur une tête dite binoculaire rend plus confortable l'observation (même si elle n'apporte pas de vision stéréoscopique).
L'oculaire peut être remplacé par un appareil photographique, ou — dans le cas de la vidéomicroscopie — par une caméra vidéo ou une caméra CCD pour faire une acquisition numérique. Ceci permet de faire l'observation sur un moniteur vidéo (écran de type télévision) et de faciliter l'utilisation et le traitement des images (impression, traitement informatique, télémédecine, etc.).
Limites du microscope optique
La résolution d'un microscope désigne sa capacité à séparer des détails très voisins. Indépendamment du capteur utilisé et des aberrations ou imperfections des lentilles, la résolution du microscope optique est fondamentalement limitée par la diffraction de la lumière. En effet, du fait de la diffraction, l'image d'un point n'est pas un point, mais une tache (la tache d'Airy ou plus généralement la fonction d'étalement du point - PSF). Ainsi, deux points distincts mais voisins auront pour images deux taches dont le recouvrement peut empêcher de distinguer les deux points images : les détails ne sont alors plus résolus.
Selon la théorie d'Abbe, la limite de résolution (transverse) d'un microscope, c'est-à-dire la plus petite distance en dessous de laquelle deux points voisins ne seront plus distingués, peut être exprimée simplement à l'aide de la longueur d'onde d'illumination , de l'indice de réfraction en sortie d'objectif, et du demi angle du cône de lumière maximum accessible .
où NA désigne le produit ou ouverture numérique de l'objectif. On peut donc augmenter la résolution de deux manières : en augmentant l'indice de réfraction. Ceci peut être réalisé en utilisant un objectif à immersion : on immerge la frontale de l'objectif dans un liquide dont l'indice de réfraction est proche du maximum de 1,5 - celui du verre ; en diminuant la longueur d'onde. Toutefois, si on reste dans la lumière visible, il n'est pas possible de descendre en dessous de .
La limite de résolution d'un microscope photonique classique est d'environ . Le microscope électronique en transmission atteindra, lui, une limite 100 fois plus petite. Amélioration de la résolution en microscopie optique De nombreuses techniques de microscopie photonique permettent d'augmenter la résolution. Lorsqu'elles dépassent la limite d'Abbe, elles sont dites « super résolution » ou nanoscopies. Citons entre autres : les techniques d'illumination structurée linéaires (par exemple, le microscope SIM) et les techniques tomographiques qui cherchent à récupérer les hautes fréquences spatiales coupées dans un microscope classique. Ces techniques permettent d'augmenter la résolution, sans toutefois dépasser la limite d'Abbe. les techniques utilisant les ondes évanescentes (SNOM) ; les techniques utilisant une mise en forme de la réponse impulsionnelle optique (PSF) : microscopie confocale, la microscopie STED (super-résolue) ; les techniques utilisant la localisation successive de molécules individuellement photoactivées, la « microscopie de localisation par photoactivation » (PALM, Betzig et al., 2006) et la microscopie « par reconstruction stochastique optique » (STORM, Rust et al., 2006). Ces deux microscopies sont identiques dans le principe, mais n'utilisent pas le même type de fluorophore.
Utilisations et perfectionnement Microscope stéréoscopique
Le microscope stéréoscopique, ou stéréomicroscope, est un type particulier de microscope optique destiné en priorité à l'observation à faible grossissement avec un éclairage par-dessus et non en travers. Utilisé avec les deux yeux il permet surtout de conserver une perception stéréoscopique, en relief, de petits sujets. Il est aussi appelé loupe binoculaire.
Microscopie en réflexion