Condenseurs de sous-étage

Le condenseur de sous-étage rassemble la lumière de la source lumineuse du microscope et la concentre en un cône de lumière qui éclaire l’échantillon avec une intensité uniforme sur l’ensemble du champ d’observation. Il est essentiel que le cône de lumière du condenseur soit correctement réglé pour optimiser l’intensité et l’angle de la lumière entrant dans la lentille frontale de l’objectif. Chaque fois qu’un objectif est changé, un ajustement correspondant doit être effectué sur le condenseur de sous-étage pour fournir le cône de lumière approprié pour l’ouverture numérique du nouvel objectif.

Un condenseur d’Abbe simple à deux lentilles est illustré à la figure 1. Dans cette figure, la lumière provenant de la source d’éclairage du microscope traverse le diaphragme d’ouverture du condenseur, situé à la base du condenseur, et est concentrée par des éléments de lentilles internes, qui projettent ensuite la lumière à travers l’échantillon en faisceaux parallèles à partir de chaque azimut. La taille et l’ouverture numérique du cône de lumière sont déterminées par le réglage du diaphragme d’ouverture. Après avoir traversé l’échantillon (sur la lame du microscope), la lumière diverge en un cône inversé avec l’angle approprié pour remplir la lentille frontale de l’objectif.

Le réglage de l’ouverture et la mise au point appropriée du condenseur sont d’une importance critique pour réaliser le plein potentiel de l’objectif. Plus précisément, l’utilisation appropriée du diaphragme à ouverture réglable (incorporé dans le condenseur ou juste en dessous) est la plus importante pour obtenir un éclairage, un contraste et une profondeur de champ corrects. L’ouverture et la fermeture de ce diaphragme contrôlent l’angle des rayons lumineux (et donc l’ouverture) qui traversent le condenseur, le spécimen et l’objectif. Les visiteurs sont invités à explorer comment la modification de l’ouverture du condenseur affecte le cône d’illumination dans notre tutoriel Java interactif qui explore l’ouverture numérique du condenseur. La hauteur du condenseur est contrôlée par un système d’engrenage à crémaillère qui permet de régler la mise au point du condenseur afin d’éclairer correctement le spécimen. Le positionnement correct du condenseur par rapport au cône d’illumination et au foyer est essentiel pour la microscopie quantitative et la photomicrographie optimale.

Il faut veiller à garantir que l’ouverture du condenseur est ouverte à la bonne position par rapport à l’ouverture numérique de l’objectif. Lorsque le diaphragme d’ouverture du condenseur est ouvert trop largement, la lumière parasite générée par la réfraction des rayons lumineux obliques provenant du spécimen peut provoquer un éblouissement et diminuer le contraste global. D’autre part, lorsque l’ouverture est trop petite, le cône d’illumination est insuffisant pour fournir une résolution adéquate et l’image est déformée en raison de la réfraction et de la diffraction du spécimen. Les visiteurs peuvent explorer ces phénomènes avec notre tutoriel Java interactif sur l’ouverture du condenseur qui démontre l’effet de la position de l’ouverture du condenseur sur l’illumination du spécimen.

Les condenseurs sont divisés en classifications de but (par exemple : fond clair, fond noir, contraste de phase, etc.), et aussi selon leur degré de correction optique. Il existe quatre types principaux de condenseurs en ce qui concerne la correction des aberrations optiques, comme indiqué dans le tableau 1.

Le condenseur le plus simple et le moins corrigé (également le moins cher) est le condenseur d’Abbe qui peut avoir une ouverture numérique allant jusqu’à 1.4 dans les modèles haut de gamme dotés de trois éléments de lentille internes ou plus. Bien que le condenseur d’Abbe soit capable de laisser passer la lumière vive, il n’est pas corrigé pour les aberrations optiques chromatiques ou sphériques. Un condenseur d’Abbe typique est illustré à la figure 2. Dans sa forme la plus simple, le condenseur d’Abbe possède deux éléments de lentilles optiques qui produisent une image du diaphragme de champ éclairé qui n’est pas nette et qui est entourée de couleur bleue et rouge sur les bords.

En raison de l’absence de correction optique, le condenseur d’Abbe convient principalement à l’observation de routine avec des objectifs d’ouverture numérique et de grossissement modestes. Les principaux avantages du condenseur d’Abbe sont le large cône d’illumination que le condenseur est capable de produire ainsi que sa capacité à travailler avec des objectifs à longue distance de travail. La plupart des microscopes sont fournis par le fabricant avec un condenseur d’Abbe par défaut et ces condenseurs sont de véritables bourreaux de travail pour une utilisation de routine en laboratoire.

Le niveau suivant de correction du condenseur est divisé entre les condenseurs aplanatiques et achromatiques qui sont corrigés exclusivement pour les aberrations optiques sphériques (aplanatiques) ou chromatiques (achromatiques). Des exemples typiques de ces condenseurs sont illustrés aux figures 3 (achromatique) et 4 (aplanétique). Les condenseurs achromatiques contiennent généralement trois ou quatre éléments de lentille et sont corrigés dans deux longueurs d’onde (rouge et bleu) pour l’aberration chromatique.

Le condenseur achromatique illustré à la figure 3 contient quatre éléments de lentille et a une ouverture numérique de 0,95, la plus élevée pouvant être atteinte sans nécessiter d’huile d’immersion. Ce condenseur est utile pour les analyses de routine et les analyses critiques en laboratoire avec des objectifs « secs », ainsi que pour la photomicrographie en noir et blanc ou en couleur.

Un facteur critique dans le choix des condenseurs de substage est la performance de l’ouverture numérique qui sera nécessaire pour fournir un cône d’illumination adéquat pour les objectifs. L’ouverture numérique du condenseur doit être égale ou légèrement inférieure à celle de l’ouverture numérique de l’objectif le plus élevé. Par conséquent, si l’objectif à plus fort grossissement est un objectif à immersion dans l’huile avec une ouverture numérique de 1,40, le condenseur de sous-stage doit également avoir une ouverture numérique équivalente pour maintenir la plus haute résolution du système. Dans ce cas, il faut appliquer de l’huile d’immersion entre la lentille supérieure du condenseur et la face inférieure de la lame de microscope pour obtenir l’ouverture numérique (1,40) et la résolution voulues. Le fait de ne pas utiliser d’huile limitera l’ouverture numérique la plus élevée du système à 1,0, la plus élevée pouvant être obtenue avec l’air comme milieu d’imagerie.

Les condenseurs aplanatiques sont bien corrigés pour l’aberration sphérique (longueurs d’onde vertes) mais pas pour l’aberration chromatique. Un condenseur aplanatique typique avec une ouverture numérique de 1,40 est illustré à la figure 4. Ce condenseur comporte cinq éléments de lentille et est capable de focaliser la lumière dans un seul plan. Les condenseurs aplanatiques sont capables de produire d’excellentes photomicrographies en noir et blanc lorsqu’ils sont utilisés avec une lumière verte générée soit par une source laser, soit par l’utilisation d’un filtre interférentiel avec un éclairage au tungstène-halogène.

Le plus haut niveau de correction des aberrations optiques est incorporé dans le condenseur aplanatique-achromatique. Ce condenseur est bien corrigé pour les aberrations chromatiques et sphériques et est le condenseur de choix pour une utilisation en photomicrographie couleur critique en lumière blanche. La figure 5 illustre un condenseur aplanétique-achromatique typique (ouverture numérique = 1,35). Ce condenseur comporte huit éléments de lentilles internes cimentés en deux doublets et quatre lentilles simples.

Les gravures que l’on retrouve sur le boîtier du condenseur comprennent son type (achromatique, aplanatique, etc.), l’ouverture numérique et une échelle graduée qui indique le réglage approximatif (taille) du diaphragme d’ouverture. Comme nous l’avons mentionné plus haut, les condensateurs dont l’ouverture numérique est supérieure à 0,95 fonctionnent mieux lorsqu’une goutte d’huile est appliquée sur leur lentille supérieure en contact avec la surface inférieure de la lame porte-objet. Cela permet de s’assurer que les rayons lumineux obliques émanant du condenseur ne sont pas réfléchis par le dessous de la lame, mais sont dirigés vers le spécimen. En pratique, cela peut devenir fastidieux et n’est pas couramment effectué en microscopie de routine, mais c’est essentiel lorsque l’on travaille à des résolutions élevées et pour une photomicrographie précise à l’aide d’objectifs à haute puissance (et ouverture numérique).

Une autre considération importante est l’épaisseur de la lame de microscope, qui est aussi cruciale pour le condenseur que l’épaisseur de la lamelle couvre-objet l’est pour l’objectif. La plupart des producteurs commerciaux proposent des lames dont l’épaisseur varie entre 0,95 et 1,20 mm, les plus courantes étant très proches de 1,0 mm. Une lame de microscope de 1,20 mm d’épaisseur est trop épaisse pour être utilisée avec la plupart des condenseurs à ouverture numérique élevée qui ont tendance à avoir une distance de travail très courte. Si cela n’a pas une grande importance pour l’observation de routine des spécimens, les résultats peuvent être dévastateurs en photomicrographie de précision. Nous recommandons de choisir des lames de microscope d’une épaisseur de 1,0 ± 0,05 mm et de les nettoyer soigneusement avant de les utiliser.

Lorsque l’objectif est changé, par exemple d’un 10X à un 20X, le diaphragme d’ouverture du condenseur doit également être ajusté pour fournir un nouveau cône de lumière qui correspond à l’ouverture numérique du nouvel objectif. Pour ce faire, il faut tourner la molette des condenseurs illustrés dans les figures 2 à 6. Une petite flèche jaune ou une marque d’indexation située sur cette molette indique la taille relative de l’ouverture par rapport à la gradation linéaire sur le boîtier du condenseur. De nombreux fabricants synchronisent cette gradation pour qu’elle corresponde à l’ouverture numérique approximative du condenseur. Par exemple, si le microscopiste a sélectionné un objectif 10X d’ouverture numérique 0,25, alors la flèche sera placée à côté de la valeur 0,18-0,20 (environ 80 % de l’ouverture numérique de l’objectif) sur la gradation inscrite sur le boîtier du condenseur.

Souvent, il n’est pas pratique d’utiliser un seul condenseur avec toute une gamme d’objectifs (2X à 100X) en raison de la large gamme de cônes de lumière qui doivent être produits pour correspondre aux ouvertures numériques des objectifs. Avec les objectifs de faible puissance (2X à 5X), le cône d’éclairage aura un diamètre compris entre 6 et 10 mm, tandis que les objectifs de forte puissance (60X à 100X) nécessitent un cône de lumière hautement focalisé d’environ 0,2 à 0,4 mm de diamètre seulement. Avec une distance focale fixe, il est difficile d’obtenir cette large gamme de cônes d’illumination avec un seul condenseur.

En pratique, ce problème peut être résolu de plusieurs façons. Pour les objectifs de faible puissance (inférieurs à 10x), il peut être nécessaire de dévisser la lentille supérieure du condenseur afin de remplir le champ d’observation de lumière. Certains condenseurs sont fabriqués avec une lentille supérieure rabattable pour accomplir cette tâche plus facilement, comme illustré à la figure 6. De nombreux fabricants produisent maintenant un condenseur qui se retourne complètement lorsqu’il est utilisé avec des objectifs de faible puissance. D’autres sociétés peuvent incorporer des lentilles de correction auxiliaires dans le trajet de la lumière pour assurer un éclairage correct avec des objectifs de moins de 10x. Lorsque le condenseur est utilisé sans sa lentille supérieure, le diaphragme d’ouverture est ouvert en grand et le diaphragme de champ, maintenant visible à l’arrière de l’objectif, sert comme s’il s’agissait du diaphragme d’ouverture. Les condensateurs Flip-top sont fabriqués dans une variété de configurations avec des ouvertures numériques allant de 0,65 à 1,35. Les condensateurs qui ont une ouverture numérique de 0,95 ou moins sont destinés à être utilisés avec des objectifs « secs ». Cependant, les condensateurs à bascule qui ont une ouverture numérique supérieure à 0,95 sont destinés à être utilisés avec des objectifs à immersion d’huile et ils doivent avoir une goutte d’huile placée entre le fond de la lame de microscope et la lentille supérieure du condensateur lors de l’examen d’échantillons critiques.

En plus des condensateurs à fond clair communs discutés ci-dessus, il existe une grande variété de modèles spécialisés adaptés à de nombreuses applications différentes. Le tableau 2 énumère un certain nombre de configurations différentes de condenseurs et les applications prévues.

D’après les données du tableau 2, il est évident que les condensateurs de substage sont très interchangeables entre différentes applications. Par exemple, le condenseur universel DIC achromat/aplanat est utile pour le fond clair, le fond noir et le contraste de phase, en plus de l’application DIC primaire. D’autres condenseurs présentent une interchangeabilité similaire. Nous traiterons des divers aspects des techniques individuelles qui nécessitent des condenseurs modifiés dans notre section sur les techniques de microscopie spécialisées. N’hésitez pas à visiter cette partie intéressante de notre site Web pour obtenir des informations plus spécifiques sur les condensateurs de substage.