Depuis l’Antiquité, l’homme a toujours voulu voir des choses bien plus petites que celles qui pouvaient être perçues à l’œil nu. Bien que la première utilisation d’une lentille soit un peu mystérieuse, on pense aujourd’hui que l’utilisation de lentilles est plus moderne qu’on ne le pensait auparavant. Cependant, on sait depuis plus de 2000 ans que le verre courbe la lumière. Au IIe siècle avant J.-C., Claudius Ptolémée a décrit un bâton qui semblait se plier dans une flaque d’eau, et a enregistré avec précision les angles à un demi-degré près. Il a ensuite calculé très précisément la constante de réfraction de l’eau. Au cours du 1er siècle après J.-C. (année 100), le verre avait été inventé et les Romains regardaient à travers le verre et le testaient. Ils ont expérimenté différentes formes de verre transparent et l’un de leurs échantillons était épais au milieu et mince sur les bords. Ils ont découvert que si l’on tenait une de ces « lentilles » au-dessus d’un objet, celui-ci paraissait plus grand. Ces premières lentilles étaient appelées loupes ou lunettes brûlantes. Le mot « lentille » est en fait dérivé du mot latin lentille, car elles étaient nommées ainsi parce qu’elles ressemblaient à la forme d’un haricot de lentille. À la même époque, Sénèque décrivait le grossissement réel par un globe d’eau. « Les lettres, aussi petites et indistinctes soient-elles, sont vues agrandies et plus clairement à travers un globe de verre rempli d’eau. » Les lentilles n’ont pas été beaucoup utilisées jusqu’à la fin du XIIIe siècle, lorsque les fabricants de lunettes ont commencé à produire des lentilles à porter comme des lunettes. Puis, vers 1600, on a découvert que les instruments d’optique pouvaient être fabriqués en combinant des lentilles.
Les premiers microscopes : Les premiers « microscopes » simples qui n’étaient que des loupes avaient une seule puissance, en général environ 6x – 10x. Une chose très commune et intéressante à observer était les puces et autres insectes minuscules, d’où le nom de « lunettes anti-puces » donné à ces premières loupes. Au cours des années 1590, deux fabricants de lunettes néerlandais, Zaccharias Janssen et son père Hans, ont commencé à expérimenter ces lentilles. Ils ont mis plusieurs lentilles dans un tube et ont fait une découverte très importante. L’objet situé près de l’extrémité du tube semblait beaucoup plus grand, beaucoup plus grand que ce qu’une simple loupe pouvait atteindre à elle seule ! Leurs premiers microscopes étaient plus une nouveauté qu’un outil scientifique puisque le grossissement maximum n’était que de 9 fois environ et que les images étaient quelque peu floues. Bien qu’aucun microscope Jansen n’ait survécu, un instrument fabriqué pour la royauté hollandaise était décrit comme étant composé de « 3 tubes coulissants, mesurant 18 pouces de long lorsqu’ils sont complètement étendus, et deux pouces de diamètre ». Le microscope aurait un grossissement de 3x lorsqu’il est complètement fermé, et de 9x lorsqu’il est complètement étendu. C’est Antony Van Leeuwenhoek (1632-1723), un drapier et scientifique néerlandais, et l’un des pionniers de la microscopie, qui, à la fin du 17e siècle, est devenu le premier homme à fabriquer et à utiliser un vrai microscope. Il a fabriqué ses propres microscopes simples, qui avaient une seule lentille et étaient tenus à la main. Van Leeuwenhoek a connu un plus grand succès que ses contemporains en développant des moyens de fabriquer des lentilles supérieures, en meulant et en polissant une petite boule de verre pour en faire une lentille avec un grossissement de 270x, la plus fine connue à l’époque (d’autres microscopes de l’époque ont eu la chance d’atteindre un grossissement de 50x). Le microscope de Leeuwenhoek utilisait une seule lentille convexe en verre fixée à un support métallique et était mis au point à l’aide de vis. Anthony Leeuwenhoek s’est impliqué davantage dans la science et, grâce à son nouveau microscope amélioré, il a pu voir des choses qu’aucun homme n’avait jamais vues auparavant. Il a vu des bactéries, des levures, des cellules sanguines et de nombreux petits animaux nager dans une goutte d’eau. Les gens ne se rendaient pas compte que le grossissement pouvait révéler des structures qui n’avaient jamais été vues auparavant – l’idée que toute vie puisse être constituée de minuscules composants invisibles à l’œil nu n’était tout simplement pas envisagée.
Microscopes composés : Pour augmenter la puissance d’un microscope à lentille unique, il faut réduire la distance focale. Cependant, une réduction de la distance focale nécessite une réduction du diamètre de la lentille, et après un point, la lentille devient difficile à voir à travers. Pour résoudre ce problème, le système de microscope composé a été inventé au 17e siècle. Ce type de microscope incorpore plus d’une lentille, de sorte que l’image agrandie par une lentille peut être encore agrandie par une autre. Aujourd’hui, le terme « microscope » est généralement utilisé pour désigner ce type de microscope composé. Dans le microscope composé, la lentille la plus proche de l’objet à observer est appelée « objectif », tandis que la lentille la plus proche de l’œil est appelée « oculaire ». La fonction de tout microscope est d’améliorer la résolution. Le microscope est utilisé pour créer une vue agrandie d’un objet de telle sorte que nous puissions observer des détails que l’œil humain ne pourrait pas voir autrement. En raison de l’agrandissement, la résolution est souvent confondue avec le grossissement, qui fait référence à la taille d’une image. En général, plus le grossissement est important, plus la résolution est élevée, mais ce n’est pas toujours vrai. Il existe plusieurs limites pratiques à la conception des lentilles, qui peuvent entraîner un grossissement accru sans augmentation de la résolution. La raison d’une dichotomie entre le grossissement et la résolution est la capacité de l’œil humain à voir deux objets. On attribue à l’Anglais Robert Hooke l’étape microscopique de la découverte de l’unité de base de toute vie, la cellule. Au milieu du XVIIe siècle, Hooke a vu une maille structurelle en étudiant un échantillon de liège qui lui a rappelé les petites salles monastiques appelées cellules (Micrographia). On attribue également à Hooke d’avoir été le premier à utiliser la configuration de base à trois lentilles qui est encore utilisée dans les microscopes aujourd’hui. Développements ultérieurs : Tous les premiers microscopistes ont vu des images assez déformées en raison de la mauvaise qualité du verre et de la forme imparfaite de leurs lentilles. Peu de choses ont été faites pour améliorer le microscope jusqu’au milieu du XIXe siècle, lorsque de grands progrès ont été réalisés et que des instruments de qualité comme le microscope actuel ont vu le jour. Des sociétés allemandes comme Zeiss et une société américaine fondée par Charles Spencer ont commencé à produire des instruments optiques de qualité. On peut également citer Ernst Abbe, qui a réalisé une étude théorique des principes optiques, et Otto Schott, qui a mené des recherches sur le verre optique. Pour que les microscopes optiques atteignent une meilleure résolution, trois problèmes fondamentaux ont dû être résolus : L’aberration chromatique : la courbure inégale des différentes couleurs de lumière qui se produisent dans une lentille. Ce problème a été résolu pour la première fois par Chester Hall dans les années 1730. Il a découvert que s’il utilisait une deuxième lentille de forme et de propriétés de flexion de la lumière différentes, il pouvait réaligner les couleurs sans perdre tout le grossissement de la première lentille. Aberration sphérique : la courbure inégale de la lumière qui frappe les différentes parties d’une lentille. Joseph Jackson Lister a résolu ce problème en 1830. Il a découvert qu’en plaçant les lentilles à des distances précises les unes des autres, l’aberration de toutes les lentilles, sauf la première, pouvait être éliminée. Des lentilles à faible puissance et à faible courbure pouvaient être fabriquées avec une aberration minimale et en utilisant une lentille de ce type pour la première d’une série, le problème pouvait être pratiquement éliminé. Une lentille parfaite (en haut) concentre tous les rayons entrants en un point de l’axe optique. Une lentille réelle à surfaces sphériques (en bas) souffre d’aberration sphérique : elle focalise les rayons plus étroitement s’ils entrent loin de l’axe optique que s’ils entrent plus près de l’axe. Elle ne produit donc pas un point focal parfait. Le troisième problème est que pour qu’un microscope soit aussi bon que physiquement possible, il doit collecter un cône de lumière aussi large que possible. Ernst Abbe a trouvé la solution à ce problème dans les années 1870. Il a déterminé les lois physiques qui régissent la collecte de la lumière par un objectif et a maximisé cette collecte en utilisant des lentilles à immersion dans l’eau et dans l’huile. La résolution maximale qu’Abbe a pu obtenir est environ dix fois supérieure à la résolution que Leeuwenhoek avait obtenue environ 100 ans plus tôt. Cette résolution de 0,2 micron ou 200 nanomètres est une limite physique imposée par la longueur d’onde de la lumière. Microscopes modernes Ces derniers temps, le développement du microscope s’est ralenti, car les principes optiques sont bien compris et, dans une certaine mesure, les limites optiques ont été atteintes. La majorité des microscopes suivent les mêmes principes structurels qui décrivent les microscopes monoculaires, mono-binoculaires et stéréo-binoculaires. Bien que les limites techniques de la conception aient été atteintes, Vision Engineering a adopté l’approche consistant à développer la conception pratique du microscope.
