Dispositif optique pour l'examen d'objets suivant la méthode dite à contraste de phase. La présente invention concerne un dispo sitif optique pour l'examen, selon la méthode dite à contraste de phase, des objets présern- tant (le petites irrégularités de leurs pro priétés optiques donnant lieu à de légères dif férences de phase entre les rayons lumineux qui les traversent ou qu'ils réfléchissent.
Cette méthode, due au physicien F. Zernike, est surtout employée en microscopie pour l'examen des tissus vivants à l'état frais, sans coloration préalable. Les éléments d'une telle préparation ne se distinguent que par de faibles différences d'épaisseur ou d'indice de réfraction; ils ne présentent. que des varia tions de transparence insignifiantes, perçues par l'aeil d'une manière très imparfaite. L'oeil, ainsi que la. plaque photographique, n'est, en effet, sensible qu'à. l'amplitude - et surtout aux différences d'amplitude des ondes lumineuses et non à leurs différences de phase.
La méthode de contraste de phase de Zernike consiste à transformer ces légères différences de phase, invisibles, en diffé rences d'amplitude, perceptibles à l'oeil, cri introduisant une différence de phase déter minée. par exemple de
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entre les rayons géométriques et les rayons diffractés issus de l'objet.
Elle est basée sur le fait, déjà signalé par Abbe, que dans un système optique tel que le microscope les rayons géométriques, issus de la source et traversant l'objet en observa tion, forment un faisceau très étroit; les rayons diffractés par les éléments de l'objet forment au contraire un faisceau beaucoup plus ouvert.
Il est donc possible de créer une diffé rence de marche déterminée entre les rayons jéométi-iques et. les rayons diffractés, en pla çant dans le plan d'une des images réelles de la source dans le système optique une lame de changement de phase dont la J)artie active recouvre sensiblement la surface de ladite image réelle.
La fig. 1 du dessin représente schéma tiquement l'essentiel du montage optique connu de Zernike.
Les fig. 2 et 3 représentent, respective ment en coupe et en plan, suie plaque de phase utilisée dans ce montage.
La source lumineuse est. constituée (fig.1) par l'ouverture 1 d'un diaphragme 2, placé dans le plan focal objet d'un condenseur 3. La préparation 4 est placée entre le conden- seur 3 et l'objectif 5, le faisceau lumineux qui la traverse est diffracté par la structure fine de l'objet 4 en un maximum central qui est sur l'axe et correspond au faisceau géo métrique et en des spectres latéraux d'ordre I, II. Seuls les rayons du faisceau géomé trique (en traits pleins) et les rayons dif fractés proprement dits (en traits mixtes), appartenant aux deux spectres du premier ordre, peuvent pénétrer dans l'objectif.
Dans le plan 6 de l'image réelle (le la source 1. est placée une lame de phase représentée cri fig.2. Cette lame est constituée par une lame de verre 7 présentant en sa. partie dite aire conjuguée une partie active constituée par une surépaisseur formée par une substance transparente 8, telle que la cryolithe, la silice ou le fluoi-tire de magnésium, dont la surface recouvre l'image réelle de la source et à la quelle est superposée une couche semi-trans- parente 9,
par exemple d'aluminium. La partie active de la lame de phase suivant son épaisseur, retarde ou accélère les rayons géo métriques, par exemple de Â/4, par rapport aux rayons diffractés dont la quasi-totalité passe sur le pourtour de cette tache centrale. La couche semi-transparente d'aluminium ab sorbe en partie les rayons géométriques et favorise le contraste, puisque la lumière dif fractée est naturellement phis faible que la lumière directe.
L'image de l'objet se forme dans le plan 10 de la fig. 1, où elle est ob servée, grâce à un oculaire, ou photogra phiée: elle résulte de la superposition d'une image directe et d'une image diffractée. Lorsque la plaque de phase retarde le fais ceau direct d'un quart de période, le con traste est dit négatif: un élément fin plus réfringent ou phis épais de l'objet paraît plus clair que son entourage. Lorsque la plaque de phase avance le faisceau direct d'un quart de période, le contraste est dit positif: im élément fin plus réfringent ou plus épais apparaît plus sombre que son entourage.
La méthode de Zernike ne se limite pas aux observations microscopiques. Elle est également employée pour l'examen du poli d'une surface, par exemple d'une lentille, par transparence, ou d'un miroir de télescope par réflexion.
Il est généralement reconnu qu'il est hautement désirable de pouvoir faire varier l'aspect de l'image observée, en réglant l'in tensité respective de l'image directe et de l'image diffractée, en passant à volonté du contraste positif au contraste négatif ou inversement, et même en modifiant 1e dépha sage des deux ondes correspondantes. Le dis positif de Zernike ci-dessus décrit rie le per met pas.
De nombreux moyens ont. été in v err tés dans ce but, notamment par l'auteur de la présente invention, 1I. -Marcel Locquin. ainsi que par Kastler et 1Iontarnal, Dideïin, Osterberg et ses collaborateurs, Taylor, Francon, Nornarski. -Mais tous ces dispositifs font appel à la lumière polarisée,
ce qui en restreint l'emploi aux seuls objets non biré fringents. D'autre part, les appareils du genre de ceux de Kastler et 1lontarnal, per mettant simultanément le réglage de l'ampli tude et du déphasage, ainsi que le passage du contraste positif au contraste négatif, comportent de grandes complications cons- ti@ictiv es, notamment. pour --'obtention du dé phasage variable.
Le dispositif qui fait. l'objet de la pré sente invention remédie aux inconvénients signalés, et il est caractérisé par le fait que la partie active de la lame de phase est agen cée de façon à constituer un filtre sélectif invariable, tandis qu'un filtre sélectif va riable est associé à la source lumineuse, de manière que la longueur d'onde de la lu mière éclairant les objets soit réglable au gré de l'opérateur.
Les rayons directs sont ainsi soumis à l'action du filtre sélectif invariable, tandis que les rayons diffractés n'y sont pas sou mis. Si donc, le filtre sélectif variable associé à la source lumineuse transmet. une bande de radiation dont la longueur d'onde moyenne est identique à celle de la bande transmise par le filtre de la plaque de phase, l'absorp tion des rayons directs est minimum.
Si, au contraire, la. longueur d'onde moyenne de la lumière transmise par le filtre variable associé à la source est légèrement différente de celle de la lumière transmise par la plaque de phase, l'absorption est plus :forte et d'autant plus grande que l'on s'éloigne davantage de la longueur d'onde moyenne de la bande transmise par la plaque de phase. Lorsqu'on s'éloigne peu de cette longueur d'onde, le déphasage ne varie pas sensible ment, tandis que l'intensité de l'image di recte varie rapidement et avec une grande souplesse, par rapport à l'intensité de l'image diffractée.
Lorsque, au contraire, on s'éloigne davantage de la longueur d'onde moyenne de la bande transmise par la plaque de phase, l'intensité relative des deux images reste sen siblement constante, mais le déphasage des deux ondes correspondantes varie notable ment.
D'autre part, l'inventeur a découvert que dans le cas particulier où le filtre invariable de la partie active de la lame de phase est constitué par un filtre interférentiel, il est avantageux que le filtre sélectif variable associé à. la source soit agencé de façon à pouvoir être réglé de telle sorte que la Lon- gueur d'onde moyenne de la lumière éclai rant l'objet. soit supérieure à. celle de la bande transmise par ledit. filtre interférentiel, lorsque l'on désire un contraste négatif, et inférieure à celle-ci lorsque l'on désire un contraste positif.
Dans une première variante du dispositif suivant la présente invention, variante basée sur cette dernière propriété, la partie active de la lame de phase est agencée de façon à constituer un filtre interférentiel, tandis que la source lumineuse est pourvue de deux filtres sélectifs associés de manière à laisser passer deux bandes étroites de radiations lu mineuses, la longueur d'onde de l'une des deux bandes étant plus grande et celle de l'autre plus petite que la longueur d'onde moyenne de la bande transmise par le filtre interférentiel de la lame de phase. On ob tient ainsi un contraste coloré.
Dans une seconde variante, un filtre sé lectif est associé à la surface de la lame de phase non recouverte par l'image réelle de la source, la longueur d'onde moyenne de la, bande transmise par ce filtre étant diffé rente de celle de la bande transmise par la partie active de la lame de phase.
L'éclairage de l'objet étant sensiblement monochromatique et à longueur d'onde moyenne v niable, l'absorption peut. ainsi porter à volonté sur le faisceau géométrique ou sur le faisceau des rayons diffractés, et non plus seulement sur le faisceau géomé trique.
A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et représenté schématiquement aux fig. 4 à 1.4 du dessin annexé une forme d'exécution de l'objet de l'invention, ainsi que quelques dé tails de variantes.
La fig. 4 est un schéma d'ensemble de cette forme d'exécution.
Les fig. 5 et 6 représentent une première forme de la plaque de phase, respectivement en coupe et en plan.
Les fig. 7 et 8 représentent une seconde forme de la plaque de phase, respectivement en coupe et en plan.
Les fig. 9 et 10 représentent en coupe deux exemples de filtre interférentiel associé à la source lumineuse.
La fig. 11 représente un dispositif per mettant le mélange de deux lumières mono chromatiques.
La. fig. 12 est un schéma. d'ensemble d'une variante du dispositif optique con forme à l'invention.
Les fig. 13, 14 et 15 représentent en coupe, respectivement, trois formes possibles de la lame de phase utilisée clans cette va riante.
La source lumineuse est constituée (fig. 4) par l'ouverture 11, en forme d'anneau circu laire, d'un diaphragme 12 placé dans le plan focal objet d'un condensateur 13. Une lampe 14 éclaire le diaphragme 12 grâce à un collimateur 15. L'objet 16 est placé entre le condensateur 13 et la lentille frontale de l'ob jectif 17. Dans le plan 18 conjugué du plan de l'anneau 11 du diaphragme 12 dans le système optique formé par le condensateur 13 et l'objectif 17, est placée une lame de phase dont la partie active, en forme d'an neau, recouvre l'image réelle de l'anneau 1.1 dans le .plan 18.
Elle est constituée de préfé rence (fig. 5 et 6) par un mince anneau 7.9 d'une substance transparente, telle que la gé latine ou la cellulose régénérée transparente, colorée de manière à servir de filtre sélectif. Cet. anneau 19 est. environné par une substance transparente incolore, par exemple par une ré sine telle que le baume de Canada 20 et com prise entre deux lames de verre 21 et<B>9-2.</B> Ces deux lames de verre 21 et 22 peuvent être reiü- placées avantageusement par les deux faces collées d'un doublet du système optique.
L'épaisseur et l'indice de l'anneau coloré 19 sont. choisis par- rapport à l'indice de la. ré sine, de telle sorte que la. lame de phase ainsi constituée introduise le déphasage désiré entre le faisceau géométrique et le faisceau de rayons diffractés, par exemple un retard de
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La lame de phase peut être agencée de façon à constituer également (fig. 7 et 8) un filtre interférentiel: par exemple, en la for mant d'un anneau de cryolithe 23 compris entre deux couches semi-transparentes d'alu- minium 24 et 25 et reposant sur une plaque de verre ou la face d'une lentille 26. L'épais seur de l'anneau de cryolithe 23 est déter minée par la longueur d'onde moyenne de la bande que l'on désire transmettre à travers ce filtre interférentiel.
Cette condition étant remplie, il se trouve que lorsqu'une telle lame est montée dans l'air, elle donne automatiquement un retard voisin de
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ait faisceau géométrique par rapport au faisceau des rayons diffractés.
Devant le diaphragme 12 (fig. 4) et le condensateur 13 est placé un filtre sélectif variable 27. Il peut être constitué soit par un jeu de filtres colorés, soit par un mono- chromateur à prisme ou à réseau, soit par un ou plusieurs filtres de Christiansen on Lyot.
Plus simplement et phis commodément, il peut être constitué par un filtre interféren tiel (fig. 9) dont la couche médiane transpa rente 28 comprise entre les deux couches semi-transparentes 29 est en forme de prisme de très petit angle.
II suffit de monter un tel filtre de façon à pouvoir le déplacer transversalement aux rayons issus de la, source 11, pour obtenir suie bande lumineuse à longueur d'onde moyemie variable d'une façon continue, l'épaisseur moy eiuie de la lame transparente variant (l'une manière con tinue durant le déplaceniexn du filtre.
Le filtre sélectif variable 27 peut être constitué égale ment. par un filtre interférentiel (6g.10) dont la couche médiane transparente 30, comprise entre les deux couches seini-transparentes 31, est d'épaisseur -uniforme et qui est. monté de manière à. pouvoir s'incliner sur la direction des rayons lumineuy: il suffit de le disposer dans une monture pivotée autour d'un axe perpendiculaire à cette direction.
Aux fortes incidences, il peut être avantageux de lui associer un filtre polarisant rotatif pour con server le monochromatisme de la lumière transmise.
Le dispositif décrit. fonctionne selon les principes énoncés plus haut. Pour travailler en déphasage fixe et en contraste cl'intensit variable, on choisit une plaque de phase dont la bande transmise se place vers le mi lieu du spectre, vers le vert jaune par exem ple, et on éclaire l'objet par une lumière de longueur d'onde moyenne variable et voisine de celle de la bande transmise par la plaque de phase: dans l'image réelle observée par l'oculaire 32 (fi-. 4), l'intensité de l'image directe varie par rapport. à celle de l'image diffractée.
Pour travailler en déphasage variable, on choisit une plaque de phase dont la bande transmise a une longueur d'onde moyenne située à l'une des extrémités du spectre vi sible et on éclaire l'objet par une lumière de longueur d'onde moyenne variant dans toute l'étendue du reste du spectre: le déphasage varie sans que le rapport des intensités lu mineuses varie sensiblement.
Si la plaque de phase est. constituée par un filtre interférentiel, il est possible de passer du contraste positif au contraste né gatif ou inversement. Polir travailler en con traste positif, on choisit, par exemple, une plaque de phase jaune et on éclaire l'objet par -une lumière jaune verte.
Pour travailler en contraste négatif, on choisit une plaque de phase verte et on éclaire également l'objet. par une lumière jaune verte.
Il est. possible de travailler en contraste variable et de faire ressortir les très petits détails de l'image par une sorte de phéno mène de papillotement..
L'emploi d'une plaque de phase cons tituée par un filtre interférentiel permet. aussi de réaliser un contraste coloré. On choisit par exemple une plaque de phase verte donnant un contraste négatif lorsque l'éclairage varie du rouge au vert et un contraste positif quand il varie du vert au bleu. On munit la source de deux filtre associés ou d'un filtre complexe laissant pas ser un mélange de jaune et de bleu par. exemple. L'image résultante est la superpo sition d'un contraste négatif en jaune et d'un contraste positif en bleu. ' Les fines structures apparaissent donc diversement, colorées, du jaune au vert, selon l'intensité du contraste, sur un fond unifor mément vert. Des détails plus grossiers intro duisant des différences de marche plus im portantes, peuvent apparaître en bleu.
Il est à noter que ce contraste coloré est obtenu sans aucune complication de la. plaque de phase.
La fig. 11 représente un mode de réali sation préféré des deux filtres associés lais sant passer un mélange de deux lumières sensiblement monochromatiques. Le faisceau lumineux issu de l'ampoule 33 et passant clans le collimateur 34 est décomposé en deux faisceaux perpendiculaires par la surface hypothénuse semi-réfléchissante 30 (l'un cube d'Abbe 36. Un prisme à réflexion totale 37 rend parallèles les deux faisceaux. Sur le trajet de l'un est placé un filtre coloré sé- lect-if 38, par exemple bleu, sur le trajet de l'autre, un filtre coloré sélectif différent 39, par exemple jaune.
Un filtre complémentaire 40, gris neutre, judicieusement. choisi et placé sur le trajet de l'un des deux fais ceaux, permet de régler ].'intensité de l'un des faisceaux colorés par rapport à, l'autre. Un système optique symétrique, composé d'un prisme à réflexion totale 41 et d'un cube d Abbe 42 à surface hypothénuse semi- réfléchissante 43, recompose un faisceau unique, composé de deux radiations sensible- ment monochromatiques.
Ce faisceau com posé éclaire l'ouverture 11 du diaphragme 12 (fig. 4).
Enfin, quelle que soit. la. nature de la plaque de phase et du filtre associé à celle- ci, on peut munir la plaque de phase d'un second filtre, associé à la surface non recou verte par l'image réelle de la source huni- neuse. On choisit, par exemple, un filtre jaune pour la. partie active de la lame de phase, un filtre bleu pour le reste de la lame de phase et on éclaire l'objet par une lumière sensiblement monochromatique de longueur d'onde moyenne variable. La simple variation de cette longueur d'onde permet de faire porter l'absorption relative de la lame de phase sur les rayons directs ou sur les rayons diffractés.
Les fig. 12 à 15 sont relatives à une va riante, dans laquelle le filtre sélectif fixe associé à la partie active de la lame de phase est constitué par un filtre interférentiel fonctionnant par réflexion.
Selon la fig. 12, la source lumineuse est constituée par l'ouverture 51, en forme de fente rectiligne (perpendiculaire au plan de la figure), d'un diaphragme 52 placé dans le plan focal objet d'un condenseur 53. L'ob jet 54 est placé entre le condenseur 53 et la lentille frontale de l'objectif 55. Une lame de phase 56 fonctionnant par réflexion est placée de manière que la partie active 57 de cette lame de phase coupe le plan d'une des images réelles de la fente 51 à travers le système optique constitué par le condenseur <B>53,</B> l'objectif 55 et, éventuellement, les sys tèmes optiques auxiliaires interposés entre l'objectif 55 et la. plaque de phase 56.
L'ocu laire 58 est placé latéralement. En fig. 13, la lame de phase 56 est constituée par une plaque de verre 59 présentant une face plane 60 à. laquelle est accolé un filtre interféren tiel fonctionnant par réflexion et comportant aine couche de cryolithe 61 comprise entre deux couches métalliques semi-réfléchis- santes 62 et 63, par exemple en aluminium. La ligne en traits mixtes représente la trace d'un plan conjugué de celui du diaphragme dans le système optique.
L'épaisseur de la couche de cryolithe 61 est déterminée par la longueur d'onde moyenne de la bande lumi- rieuse qui doit être réfléchie par le filtre. Ce filtre présente la forme d'une bande recti ligne (perpendiculaire au plan de la figure) ; autour de lui, la face 60 est recouverte d'une couche métallique réfléchissante opa que 64. Une telle lame de phase fonctionne exactement comme la lame de phase à filtre interférentiel fonctionnant par transmission décrite ci-dessus et donne au faisceau géo métrique 1-me différence de marche voisine de
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par rapport au faisceau des rayons dif fractés.
En fig. 14, le système optique comporte un prisme 65 servant à incliner le faisceau lumineux; c'est le cas des microscopes bino culaires. Les rayons lumineux se réfléchissent sur les faces 66 et 67. Sur la face 67 la réflexion peut être une réflexion totale; la face 66, au contraire, reçoit les rayons sous un angle inférieur à l'angle de réflexion to tale, elle est recouverte d'une couche métal lique réfléchissante opaque 68.
Un filtre inter férentiel fonctionnant par réflexion, composé par exemple d'une couche de cryolithe 69, comprise entre deux couches métalliques semi-transparentes 70 et 71, remplace sur la face 66 une partie de la couche métallique opaque 68, de manière à recouvrir sensible ment, l'image réelle de la fente 51 dans le système optique.
En fig. 15, le prisme utilisé pour incli ner le faisceau se compose de deux parties accolées 72 et 73 dont la face commune 74 forme une surface semi-réfléchissante. La partie supérieure 75 possède une face hori zontale 75 munie d'une couche métallique réfléchissante opaque 76. Le filtre interfé rentiel est accolé à cette face 75. Les rayons lrunineux traversent la face commune 74, se réfléchissent. sur la face 7:5, puis sur la face commune 74, et sortent obliquement. vers l'oculaire 58.
Cette disposition entraîne une perte d'énergie lumineuse sur la face commune 74, mais en raison de l'horizontalité (le la face 75, elle permet d'utilisation commode d'une ou verture en forme d'anneau circulaire comme source lumineuse. Le filtre interférentiel est alors constitué par un anneau de cryolithe Ti compris entre deux couches métalliques semi- transparentes 78 et 711.
Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à l'observation en lumière visible; elle est également applicable à. l'observation en ultraviolet ou eu in frarouue, à condition de choisir des matériaux transparents pour les radiations utilisées.
En outre, il faut remarquer que les dis positifs décrits permettent le réglage clé l'in tensité du faisceau géométrique par rapport à celle des pinceaux diffractés, quelle que soit la différence de marche introduite par la lame de phase. A la. limite, cette différence peut être nulle. Le dispositif optique conforme à l'invention s'applique alors à l'observation sans contraste de phase; il permet une varia tion de l'aspect. de l'image observée par le réglage de l'intensité relative du fond de l'image, depuis le fond clair jusqu'au fond noir.