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Le microscope et le stéréomicroscope : beaux outils du naturaliste

(Suppément au Bio-Nouvelles, volume 44, numéro 2, avril, mai, juin 2016)

1re partie : Le microscope

Introduction

Il y a deux raisons pour écrire cet article. Grâce à l’héritage de mes parents, j’ai acheté un nouveau stéréomicroscope et une caméra à microscope. Cette dernière m’a fait entrer dans le merveilleux monde de la photographie de minuscules sujets. Le microscope et le stéréomicroscope sont des instruments qui méritent d’être connus et utilisés par les naturalistes.

Définition et anatomie d’un microscope.

Un microscope est un instrument scientifique qui sert à observer des choses extrêmement petites qu’un humain ne peut pas voir à l’œil nu.

Regardons les principales composantes d’un microscope classique :

  • L’oculaire est une petite loupe qui est placée sur le tube optique et par laquelle on regarde.
  • Le tube optique est un tube qui possède à ses extrémités l’oculaire et l’objectif.
  • L’objectif est une petite loupe qui est fixée à l’extrémité inférieure du tube optique. En général, il y a trois objectifs de tailles différentes attachés à la tourelle.
  • La tourelle est un disque sur lequel on trouve divers objectifs.
  • La platine est un plateau conçu pour recevoir une lame.
  • Le valet est un crochet et on en trouve toujours deux pour maintenir la lame en place.
  • La vis sert à ajuster la distance entre le sujet et l’objectif pour obtenir une image nette de ce qui est observé au microscope. Il est à noter que, sur un microscope classique, on trouve deux types de vis : macrométrique et micrométrique. Cette dernière n’est pas présente sur les microscopes destinés aux débutants.
  • Le miroir sert à diriger la lumière vers l’orifice de la platine. Le plus souvent, le miroir est remplacé par une source lumineuse.
  • Le diaphragme est une roue avec des trous de dimension différente servant contrôler la quantité de lumière d’éclairage.

Microscope classique
Microscope classique

Il est écrit un nombre suivi d’un « x » sur l’oculaire et les objectifs, qui indique la puissance : 4x sur le plus petit objectif, 10x sur l’objectif intermédiaire et l’oculaire et 40x sur l’objectif le plus long. Pour déterminer le grossissement, il suffit de multiplier la puissance de l’objectif utilisé par celle de l’oculaire. Par exemple, l’objectif placé au-dessus du sujet est de 40x et l’oculaire est de 10x ; il suffit de multiplier les deux, 40x par 10x, ce qui donne 400x. Ainsi le sujet est grossi 400 fois.

Procédure d’utilisation du microscope

  1. Orienter le miroir vers la lumière.
  2. Tourner la vis macrométrique pour faire monter le tube optique.
  3. Mettre délicatement en place la lame en ouvrant les valets. Une fois la lame installée, refermer les valets pour la maintenir en place.
  4. Placer ce qui est à observer sur la lame au centre de la platine, plus précisément au-dessus de la lumière.
  5. Tourner la vis macromètrique afin d’abaisser le tube optique. Il faut faire preuve de vigilance : les objectifs ne doivent pas toucher la platine, car ils pourraient se briser.
  6. Tourner la tourelle afin que l’objectif du plus petit grossissement soit devant l’orifice de la platine. Il faut s’assurer que l’objectif est bien aligné. On le saura quand on aura entendu un clic.
  7. Ouvrir le diaphragme à une ouverture minimale.
  8. Regarder dans l’oculaire et ajuster le diaphragme afin que l’intensité de la lumière soit convenable.
  9. En regardant dans l’oculaire, tourner lentement la vis macrométrique pour faire la mise au point.
  10. Observer l’image.
  11. Affiner la mise au point avec la vis micrométrique.
  12. Monter le tube optique et changer l’objectif pour un autre dont le grossissement sera légèrement supérieur.
  13. Répéter les étapes 8 à 11.

Pour passer à un grossissement inférieur, il suffit de monter le tube optique, tourner la tourelle pour que l’objectif soit vis-à-vis le centre de l’orifice de la platine et répéter les étapes 8 à 11.

2e partie : Le stéréomicroscope (ou loupe binoculaire)

Stéréomicroscope

Définition et anatomie d’un stéréomicroscope.

Il existe un autre type de microscope qui permet de voir en trois dimensions et à faible grossissement des petits objets : le stéréomicroscope.

Il est différent. Il y a deux tubes optiques qui reçoivent les oculaires. Ces derniers peuvent s’écarter ou se rapprocher l’un de l’autre et on y trouve, sur un des oculaires, un ajustement dioptrique. Les objectifs, au nombre de deux, sont dans une tourelle. La vis de mise au point est présente. Tout cela forme la tête optique.

La tête optique est fixée à une colonne et une vis de blocage vertical permet de régler sa hauteur. La colonne est insérée sur un socle. Ce dernier a un orifice conçu pour recevoir une platine blanche et noire et deux valets. Souvent, on y trouve deux lampes d’éclairage : l’une placée sous la tête optique et l’autre dans le socle en-dessous de l’orifice.

Il est important à noter un fait important. Les oculaires de microscope sont plus petits (23 mm de diamètre) que ceux des stéréomicroscope. J’ai remarqué qu’il y a deux types d’oculaires pour stéréomicroscope : 30 et 30,5 mm.

Procédure d’utilisation du stéréomicroscope

  1. Placer la vis de blocage vertical devant vous.
  2. Choisir la couleur de la face de la platine en fonction du sujet à observer.
  3. Déposer le sujet à observer sur la platine.
  4. Éclairer le sujet avec une lampe de bureau ou les lampes intégrées au stéréomicroscope.
  5. Régler l’écartement des oculaires en fonction de vos yeux.
  6. Regarder dans les oculaires.
  7. Tourner la vis de mise au point pour obtenir une image nette.
  8. Desserrer la vis de blocage vertical pour ajuster la hauteur de la tête optique.
  9. Ensuite répéter les étapes 6 et 7
  10. Régler l’ajustement dioptrique pour compenser la différence d’acuité entre vos yeux et pour vous assurer de voir le sujet en relief.

Certains naturalistes placent la colonne avec la vis de blocage vertical à l’opposé.

Stéréomicroscope
Stéréomicroscope

3e partie : Les différentes variantes et autres types de microscopes.

Nous avons vu qu’il y a deux principaux types de microscopes. Il existe des variantes.

Voici les plus utilisés par les chercheurs en sciences naturelles.

Microscope binoculaire

Ce microscope a deux oculaires dans des tubes optiques obliques. Cette variante est la plus utilisée dans les collèges, les universités et les centres de recherches.

Microscope binoculaire
Microscope binoculaire

Microscope et stéréomicroscope trinoculaires

Le troisième tube qui est vertical sert à recevoir une caméra.

Microscope trinoculaire
Microscope trinoculaire
Microscope trinoculaire avec APN
Microscope trinoculaire avec APN

Microscope avec deux tubes optiques différents

Ce rare type de microscope a un tube, oblique, pour l’oculaire et le second, vertical, pour la caméra.

Stéréomicroscope monoculaire

Ce stéréomicroscope n’a qu’un seul tube pour recevoir un oculaire

Microscope inversé

Il sert à observer par le dessous des sujets illuminés du dessus.

Microscope inversé
Microscope inversé

Microscope à balayage

Ce microscope est électronique et envoie un faisceau de particules, des électrons, pour une meilleure image en relief d’un objet. Lorsque ce dernier est soumet à ce faisceau, il émet des particules secondaires qui sont captées par des détecteurs pour les analyser et former l’image.

Stéréomicroscope robotisé

Dans le laboratoire de la Collection d’insectes du Québec, j’ai eu la surprise de découvrir ce genre de stéréomicroscope à la fine pointe de la technologie.

Stéréomicroscope robotisé CIQ
Stéréomicroscope robotisé CIQ

Stéréomicroscope avec des vis macrométiques et micrométrique

Les laboratoires d’entomologie du Centre de foresterie des Laurentides et la Collection d’insectes sont munies de ce type de stéréomicroscope.

Microscope et stéréomicroscope numériques

Ils sont munis d’une caméra dont l’image est envoyée sur un écran d’ordinateur.

Microscope numérique avec écran

Ce genre de microscope numérique possède un écran avec toutes les fonctions pour la photographie. J’en ai donné un au Cercle des Jeunes Naturalistes. Les boutiques de sciences naturelles au Québec en vendent.

Microscope numérique avec écran
Microscope numérique avec écran

4e partie : Accessoires de base du microscope.

Examinons les principaux accessoires utilisés pour la microscopie.

Lame et lamelle

Une lame est une pièce de verre rectangulaire sur laquelle on dépose son sujet. Ce dernier est couvert, avec une colle spéciale, par une lamelle qui est mince et de forme carrée. Parfois la lamelle est ronde. Une lame porte une étiquette d’information sur le sujet à observer.

Colorant

Lorsque le sujet est trop transparent ou peu coloré, on lui injecte une goutte de colorant. Les plus connus sont : le bleu de méthylène, le rouge neutre, le vert d’iode et le vert de méthylène.

Lame
Lame

Système d’éclairage

Cet instrument est très pratique pour un stéréomicroscope qui n’en est pas muni. Il en existe deux types :

  • annulaire : ce système en forme d’anneau s’accroche à la tourelle.
  • boîtier : il peut avoir une ou deux lumière et son avantage est qu’on peut placer la ou les lumières dans des positions et des angles pour obtenir l’éclairage désiré.

On peut ajuster l’intensité de la lumière qui est toujours blanche.

Plat de Petri

C’est une boîte cylindrique transparente peu profonde en verre ou en plastique munie d’un couvercle. Elle convient surtout pour la culture de microorganismes et pour y déposer des petits sujets à observer au microscope et au stéréomicroscope.

Compte-gouttes

Cet accessoire permet de prendre une goutte d’eau contenant des microorganismes et de la déposer sur une lame ou dans un plat de Petri.

Microtome

Il est utilisé pour couper des fines tranches de tissus animal ou végétal qui sont par la suite déposées sur des lames.

Oculaire micrométrique

Ce genre d’oculaire a une lentille sur laquelle une règle de graduation est gravée. Il permet de mesurer et de comparer les dimensions de différents détails observables au microscope.

Lame et cercle de calibration

Ils servent à la calibration en microphotographie (que nous aborderons plus loin). La lame est parfois employée avec l’oculaire micrométrique dans la mesure de la taille de cellules et de microorganismes.

Oculaire micrométrique
Oculaire micrométrique

Pince flexible

Il est fortement conseillé d’en utiliser une pour manipuler et prendre des sujets fragiles comme les insectes et des pétales.

Il y a d’autres accessoires très spéciaux que nous aborderons plus loin.

5e partie : La camera lucida

Pour dessiner ce qui est vu au microscope, les scientifiques ont inventé un instrument dans la première moitié du xixe siècle : la camera lucida (expression latine qui signifie chambre claire). Il est muni d'un prisme placé sur l’oculaire.

En général, la camera lucida se présente sous la forme d’un tube.

J'en ai vu une pour la première fois en 1980; elle avait appartenu au regretté au frère Joseph-Louis Laliberté, dit frère Firmin (celui qui a légué sa collection de 75 000 insectes à l’Insectarium de Montréal). J’en ai remarqué une seconde à la Collection nationale d’insectes, d’arachnides et de nématodes du Canada, à Ottawa, en 1997.

Il y a quelques années, j’ai pu m’en acheter une et voici comment elle est faite.

Camera lucida - principe
Camera lucida - principe

Pour son installation, j’enlève la partie supérieure de la tête optique pour y fixer la camera lucida et, ensuite, je replace la partie supérieure de la tête optique sur le dessus.

Avec cet accessoire, on voit à l’oculaire deux images superposées. Pour mieux expliquer, je prends par exemple ceci : un bourgeon d’hiver et un crayon sur du papier quadrillé. La première photo montre un bourgeon d’hiver avec un crayon sur une feuille quadrillée. La seconde photo présente le même bourgeon encore plus gros à cause d’un changement d’objectif mais le crayon et les carrés de la feuille n’ont pas changé de grandeur. La raison est simple, car c’est seulement le bourgeon qui est sous la tourelle d’objectif. Le crayon et la feuille sont en-dessous du miroir de la camera lucida.

On peut ainsi reproduire la forme de ce qui est vu au microscope et stéréomicroscope avec un crayon et voici quelques dessins réalisés avec ma caméra lucida.

C’est comme du papier calque sur une image à copier !

Camera lucida
Camera lucida

Camera lucida - grossissement 6x
Camera lucida - grossissement 6x
Camera lucida - grossissement 12x
Camera lucida - grossissement 12x
Camera lucida - dessin d'une aile d'abeille
Camera lucida - dessin d'une aile d'abeille

6e partie : Accessoires photographiques

J’ai mentionné précédemment qu’il y a des microscopes avec des caméras intégrées. Or il existe des accessoires pour la photographie au microscope et stéréomicroscope et c’est le sujet de cette partie.

Caméra à microscope

Presque toutes les boutiques de sciences naturelles vendent des caméras destinées spécifiquement aux observations au microscope. Ces caméras sont branchées à l’ordinateur par un fil et fonctionnent grâce à leur propre logiciel de capture d’images. En général, elles remplacent l’oculaire en étant fixé par un adaptateur au tube optique.

Elles sont très différentes de nos appareils photos numériques. Leur résolution va de 0,3 à 14 mégapixels.

J’en ai deux : Celestron Digital Microscope Imager et Moticam 5

La première n’a qu’une résolution de 2 mégapixels. Son adaptateur est en forme de collier avec trois petites vis. Je ne la recommande pas pour la photographie stéréomicroscopique. Elle est idéale pour la vidéo qui est à 30 images par seconde. Elle est compatible avec d’autres logiciels de capture d’images comme VLC Media Player.

La seconde a une résolution de 5 mégapixels. Elle est plus complexe. Il y a trois types d’adaptateur : celui vendu avec ma caméra se place sur l’oculaire ; un second remplace l’oculaire ; le dernier se fixe sur le troisième tube optique. Je n’ai que les deux premiers. La caméra fonctionne seulement avec son propre logiciel. Avec ce dernier, j’ai des lames de calibration qui permettent de placer une barre d’échelle sur une photo et mesurer ce qui est observé. Il convient mieux pour la photographie microscopique et stéréomicroscopique.

Vision microscopique Celestron
Vision microscopique Celestron
Moticam 5 et son adaptateur
Moticam 5 et son adaptateur
Photo réalisée avec Moticam 5
Photo réalisée avec Moticam 5

Adaptateurs pour les appareils photos conventionnels

Il y a des adaptateurs qui permettent de fixer nos appareils photo numériques conventionnels sur les microscope et stéréomicroscopes et ils sont de deux types.

Le premier est spécialement conçu pour les reflex. On fixe à la monture du boîtier une bague conçue pour recevoir l’adaptateur.

Le second convient également aux lunettes d’approche. Il est polyvalent ou universel. Il n’est pas nécessaire de remplacer l’oculaire. On peut y fixer un appareil photo compact, un camescope et même un cellulaire. Il peut arriver que ces adaptateurs ne tiennent pas sur un microscope classique. La solution est simple : il suffit d’installer autour du tube optique un morceau de tissu large. En ce qui concerne les appareils de type bridge (intermédiaire entre l’appareil compact et le reflex), cela ne fonctionne pas bien à cause surtout de l’allongement de l’objectif nécessaire à la mise au point. Mes essais photographiques avec mon Canon Powershot ne sont pas fameux.

Camescope sur adaptateur Celestron
Camescope sur adaptateur Celestron
APN avec adaptateur et bague
APN avec adaptateur et bague

7e partie : Lame de calibration et barre d’échelle

J’ai constaté depuis une dizaine d’années que des photos dans des articles et livres spécialisés pour l’identification entomologique avaient une barre d’échelle. Cette dernière est différente de celle qu’on trouve sur les cartes routières mais elle a la même fonction : mesurer la distance entre deux points.

J’ai déjà placé dans le Bio-Nouvelles des photos montrant une barre d’échelle.

Pour placer une barre d’échelle, il faut un logiciel de capture d’images avec des fonctions de calibration et une lame de calibration.

Voici une photo de quelques lames de calibration. Comme on le remarque, il y a des cercles avec des diamètres spécifiques indiqués sur la plupart des lames. Il y en a une avec deux petites règles disposées en croix employées exclusivement pour la microscopie classique.

Cercle et lames de calibration
Cercle et lames de calibration
Règle sur la lame
Règle sur la lame

Je vous explique la méthode pour mesurer la dimension réelle d’un objet photographié avec une barre d’échelle. Supposons qu’on veut connaître la longueur d’une fourmi avec une barre de 2 mm. Avec une règle, on mesure la fourmi et la barre d’échelle et cela donne, par exemple, respectivement 180 mm et 65 mm. Ensuite, il suffit de multiplier 180 mm par 2 mm (barre d’échelle) et de diviser par 65 mm (= (180 mm x 2 mm) / 65 mm). Le résultat est 5,5 mm qui est la longueur réelle de la fourmi.

8e partie : Le « focollage »

Je vous explique quelques notions de photographie comme introduction à une technique post-photographique en microscopie et stéréomicroscopie : le « focollage ».

Il existe en optique une zone à l’intérieur de laquelle tous les sujets apparaissent nets : c’est la profondeur de champ (ou zone de netteté). Avec un appareil photo conventionnel, on peut contrôler la profondeur de champ : à la hausse (par réduction de l’ouverture du diaphragme) ou à la baisse (par accroissement de l’ouverture du diaphragme).

Cela n’est pas possible avec une caméra à microscope. En plus, la profondeur de champ d’un microscope ou d’un stéréomicroscope est très réduite. Lorsque l’épaisseur d’un objet dépasse la profondeur de champ, il n’apparaît que partiellement au point.

Pour s’assurer de l’entière netteté, il faut procéder à une série de photos de l’objet en variant la distance entre ce dernier et la caméra. Par la suite, les photos sont passées au « focollage ».

Cette technique, appelée focus stacking (=empilement focal) par les anglophones, stacking et zédification par les Français, consiste à prendre les parties les plus nettes et les coller pour constituer une seule et même photo, entièrement au point. Le terme que je vous propose est la combinaison de deux mots : focus ou focal (=mise au point d’un instrument optique) et collage.

Il existe des logiciels qui font ce traitement automatiquement. Les plus connus sont CombineZp, Helicon Focus et Zerene Stacker. Le premier est téléchargeable gratuitement. Les logiciels Photoshop CS4, CS5 et CS6 possèdent des fonctions pour le « focollage ».

Pour réaliser cette image du dessus de la tête d’une mouche, j’ai « focollé » huit photos et voici comment j’ai fait.

Tête de diptère - dos
Tête de diptère - dos

Avec une caméra placée sur un tube de la tête optique de stéréomicroscope, je commence par faire la mise au point sur la partie de la tête la plus haute. Sur cette dernière, les longs poils de la tête sont les seuls éléments nets.

Je descends très légèrement la tête optique et je réalise une seconde photo. Je descends de nouveau sur une même distance que précédemment pour faire une troisième photo.

Je répète cela pour les autres photos.

Tête de diptère - photo 1
Tête de diptère - photo 1

Tête de diptère - photo 4
Tête de diptère - photo 4

Examinons la quatrième photo et la dernière (huitième). Sur la quatrième, on constate qu’une partie des yeux et la base antennaire sont nettes et le reste est flou. Sur la dernière, ce sont seulement les extrémités des antennes qui sont nettes.

Toutes les photos sont placées dans un dossier et finalement, je les soumets à un logiciel de « focollage » automatique.

Tête de diptère - photo 8
Tête de diptère - photo 8

Regardons la photo de la tête vue latéralement. L’espace entre les lignes représente la profondeur du champ de chacune des huit photos.

Tête de diptère - les 8 niveaux
Tête de diptère - les 8 niveaux

La plupart des photos dans l’article sur l’identification des Podisus sont issues de cette technique. Pour voir d’autres photos de ce genre sur internet, tapez « focus stacking » dans votre moteur de recherche.

9e partie : Pour terminer.

Il se peut que je n’aie pas tout dit sur ces deux outils mais je vous propose quelques livres et sites utiles.

Livres

Bender, Lionel. 1992. Au microscope. Dans la maison. Éditions Gamma. 32 p.

Bonamer, Annerose. 2012. Mes premiers projets au microscope. Éditions Chanteclerc. 47 p.

Burgess, Jeremy et al. 1987. Microscopie. Explorer l’invisible. Éditions Larousse. 208 p.

Canault, Nina. 1992. L’infiniment petit. Les frontières de l’Invisible. Éditions Hachette. 48 p.

Collectif. 2009. Zoom sur le micro-monde. Éditions Piccolia. 48 p.

Congé, Hervé et François Michel. 2014. Micromonde. Voyage sous l’œil du microscope. Éditions Belin. 192 p.

Kirkpatrick, Peway et Claude Hammont. 1978. Le Microscope. Éditions Gamma. 46 p.

Kizako, Maxi. 2013. La vie microscopique (en 19 expériences). Éditions Mango Jeunesse. 88 p.

Kristeen, Rogers. 2002. Le Monde du Microscope avec des liens Internet. Éditions Usborne. 96 p.

Nuridsang, Claude. 1978. Voir l’invisible à travers le microscope. Éditions Hachette. 116 p.

Wastiaux, Gérard. 2000. Initiation au microscope. Bases pratiques et utilisation. Éditions

Burillier. 51 p.

Sites

Microscopie amateur
http://dominique.voisin.pagesperso-orange.fr/

Microscopie francophone
http://microscopies.com

Démarrer en microscopie
http://www.microscopies.com/DOSSIERS/Magazine/Articles/JMC-DEBUTER/start.htm

Premier pas en microscopie
http://www.microscopies.com/DOSSIERS/MICROSCOPE/LE%20MICROSCOPE.htm

Forum où il est souvent question de la microscopie et de la stéréomicroscopie
http://www.lenaturaliste.net/forum/index.php

Boutiques vendant des microscopes et stéréomicroscopes.

La Maison de l’Astronomie
8074, rue Saint-Hubert
Montréal Qc H2R 2P3
http://maisonastronomie.ca/
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Lire la Nature
373, rue de Gentilly Ouest
Longueuil Qc J4H 1Z9
www.lirelanature.com
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Le Naturaliste
Place de la Cité
2600, boulevard Laurier, loc.166
Québec (Qc) G1V 4T3
Sans frais: 1-877-653-2444
http://www.lenaturaliste.ca/fr/contact.php
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Remerciements

Je tiens à remercier Denis Bernard (COFEMO, France) pour m’avoir fourni des photos essentielles à cet article.