Hommage au réflecteur de lampe de poche*

 


Le réflecteur argenté d’une lampe de poche ou d’une torche à piles est d’un grand intérêt pour les microscopistes amateurs. Dominique Voisin nous a expliqué ICI comment utiliser directement un tel réflecteur pour faire des observations en épiscopie. Au delà de cette astucieuse application de l’objet tel quel, je me propose de vous montrer d’autres utilisations plus élaborées en tant que collecteur et concentrateur de lumière, que ce soit en épiscopie ou en diascopie.

Un minimum de théorie…

La puissance lumineuse d’une ampoule à incandescence alimentée par piles est assez faible, et le faisceau puissant qui sort d’une torche de qualité doit tout au réflecteur entourant l’ampoule. Toute l’énergie qu’elle émet de façon omnidirectionnelle est guidée par réflexion dans une direction unique, celle du faisceau. La performance du réflecteur est due à sa forme soit paraboloïde, soit ellipsoïde, et surtout à sa très grande ouverture au sens optique du terme.

Les figures ci-dessous expliquent sans discours toute la théorie dont nous avons besoin pour nos applications. (Je m’autoriserai dans la suite l’abus de langage très courant qui appelle « parabole » un paraboloïde de révolution).

 
 
 
 

Nous observons qu’un ellipsoïde de révolution intérieurement réfléchissant est un système optique apochromatique et d’ouverture « infinie ».

Toute l’énergie lumineuse émise depuis un des foyers se retrouve intégralement transférée par réflexion sur l’autre foyer.

 
 
 
 


Si l’un des foyers est repoussé à l’infini, un arc d’ellipse près d’un foyer ne se distingue plus d’une parabole. Les rayons venant du foyer à l’infini sont alors parallèles, et après réflexion convergent au même point, le foyer de la parabole. L’ouverture d’un tel système optique serait infinie si le réflecteur était infiniment grand. Ce n’est évidemment pas le cas de celui d’une lampe de poche, mais l’ouverture relative est néanmoins très grande, avec des rapports f/D couramment inférieurs à 1, ce qu’un système à lentilles ne saurait atteindre.

 
 

 

La quête d’une grande ouverture est une constante en microscopie, car la théorie montre que la résolution d’un système optique peut être d’autant meilleure que son ouverture est grande. Nous allons voir qu’un condenseur à réflecteur peut faire aussi bien et même mieux, en épiscopie et en diascopie, qu’un condenseur à lentilles classique, pour certaines applications.

Si nous voulons mettre le foyer d’un paraboloïde de révolution en coïncidence avec un objet microscopique situé sur la platine d’un microscope classique, pour l'éclairer, nous aurons une situation semblable aux dessins ci-dessous :

 
 

La parabole se situe au dessus et au dessous de la platine.

 
 
Nous pouvons utiliser la partie supérieure située au dessus, c’est la situation décrite par Dominique Voisin dans son article, et la partie de parabole utilisée est un réflecteur de Lieberkühn, du nom du microscopiste qui a inventé ce système au 18 ème siècle comme perfectionnement du microscope simple.
 
 
Mais nous pouvons aussi utiliser un anneau parabolique situé sous la platine pour former un condenseur annulaire, particulièrement adapté pour le fond noir ou l’éclairage de Rheinberg.
 
 

 

Et maintenant la pratique…

Voici quelques types de réflecteurs avant leur détournement à des fins microscopistes.

 
 
 
 

 

Certains proviennent de torches de grand diamètre ou de lampes avec ampoule à incandescence plus ou moins dépolie. Ils sont alors souvent plutôt plats, ce qui en termes d’optique signifie une ouverture relativement faible, et un faisceau assez large.

Dans des torches miniatures plus performantes, on trouve souvent un réflecteur beaucoup plus creux autour d’une ampoule halogène type « grain de riz ». Ces systèmes sont plus efficaces pour former des faisceaux étroits et intenses, même si le réflecteur est plus petit, car la source lumineuse est très compacte, et se confond plus exactement avec le foyer de la parabole pour être proche des conditions théoriques idéales. Les réflecteurs sont aussi plus profonds, ce qui signifie qu’ils ont une plus grande ouverture relative.

On trouve quelquefois des réflecteurs qui font l’approximation de la forme parabolique par facettes. J’ai constaté qu’ils restent utilisables pour nos applications, mais avec les objectifs faibles.

Comment couper le réflecteur :

Dans tous les cas, nous devons d’abord repérer le plus exactement possible la position de la source lumineuse par rapport au réflecteur, qui nous donne à peu près la position du foyer de la parabole correspondante. Il faut ensuite dessiner sur la paroi extérieure le cercle correspondant au plan dans lequel est supposé être le foyer. On peut ainsi apprécier si l’ouverture de la parabole la rend apte à être utilisée au dessus de la platine en tant que réflecteur de Lieberkühn, ou au dessous en tant que condenseur à fond noir.

Dans un cas comme dans l’autre, il faut tout d’abord couper le réflecteur dans le plan focal, et c’est plus simple à dire qu’à faire. Avec un tour, bien sûr, ça va tout seul, encore que certains réflecteurs sont faits dans un plastique très souple et sont difficiles à saisir dans les mors du mandrin. Autrement, la meilleure méthode est de fixer une lame de scie à métaux parallèlement à un plan de travail, à la distance de coupe requise. Il est alors facile de scier le réflecteur dans le bon plan en le faisant glisser sur le plan de travail contre la scie. Attaquer progressivement toute la périphérie pour garder une précision suffisante.

On complète ensuite le travail en ponçant la coupe, du coté utile, sur une feuille de papier abrasif à l’eau, bien imbibée pour coller par capillarité à un support plan et lisse. En ponçant en trajectoires circulaires sous eau et en tournant régulièrement l’objet, on arrive rapidement à aplanir la zone de coupe proprement et exactement, sans abîmer la couche réfléchissante.

 
 

 

Utilisation en épiscopie

Si le réflecteur doit devenir un Lieberkühn fixé autour d’un objectif, il est théoriquement possible d’avoir le foyer juste dans le plan de coupe. La parabole repose alors sur la lame porte-objet en position d’observation. Il est bon cependant d’avoir un peu de marge pour pouvoir observer dans des objets creux sans que le miroir de Lieberkühn ne gène en butée contre l’objet. Le foyer sera donc 2 mm environ sous le plan de coupe pour un objectif faible, et moins pour un objectif plus fort. Pensez aussi que de toutes façons, il ne sert à rien d’avoir un réflecteur d’un diamètre supérieur à celui du trou de la platine, par où arrive la lumière. Vous pouvez être conduit pour cette raison à éloigner encore le foyer du plan de coupe.

Pour que l’objectif puisse pénétrer au centre du réflecteur, le trou doit être suffisant. Si le passage de l’ampoule ne convient pas, il faudra couper aussi vers le haut, avec la même méthode.

Voici quelques exemples de montage sur les objectifs de mon microscope LOMO.

 
 
Les Lieberkühn peuvent rester à demeure sur les objectifs auxquels ils sont adaptés, à condition de pouvoir coulisser vers le haut pour dégager le jeu nécessaire à la rotation du revolver porte-objectifs. Le réglage en position d’observation est assez évident : il suffit de faire coulisser vers le bas le réflecteur jusqu’à ce que l’objet soit bien illuminé dans le plan de netteté…
 
 


La constitution de l’anneau de coulissement dépend de beaucoup de facteurs : diamètre et forme de l’objectif, forme du réflecteur, etc… Voici quelques idées à choisir selon votre outillage, votre impatience ou votre méticulosité :

  • La gomme adhésive « Patafix », solution immédiate et indéfiniment réglable, parfaitement fonctionnelle mais très moche…
  • Une bande de papier serrée autour de l’objectif, sur laquelle on fait un raccord de mastic à polymériser pour fixer le réflecteur, en observant pendant la polymérisation pour veiller à la co-axialité et à la perpendicularité. Quand le mastic est polymérisé, il n’y a plus qu’à démonter, poncer et peindre.
  • Un petit tube de PVC collé sur la périphérie du réflecteur, avec trois ou six trous taraudés à 120 ° pour fixer et centrer par vis sur l’objectif.
  • Avec un tour, évidemment, l’alésage direct du réflecteur au bon diamètre. C’est ce que montre la photo pour les objectifs x10 et x20.

Si ce que vous observez en épiscopie est plus petit que le champ fourni par le microscope, vous souhaiterez masquer la lumière directe. Il est possible de mettre simplement une petite pastille opaque sur une lame porte-objet, mais on obtient un bien meilleur fond noir en installant un petit tube à la place du condenseur sous la platine. Il sera d’un diamètre à peine supérieur à celui du plus grand champ accessible au microscope, et arasé juste sous la lame porte-objet. Le fond du tube sera fermé et l’intérieur peint en noir.

 
 
Outre qu’un tube est mécaniquement bien adapté à la fixation axiale à la place du condenseur, il donne un bien meilleur contraste, car l’objet rendu lumineux par le miroir de Lieberkühn, même violemment, ne peut plus éclairer indirectement le fond opaque. Le centre d’un tube profond et noir reste bien noir quel que soit l’éclairage. Voici ce que j’ai bricolé il y a bien longtemps pour mon LOMO, avec une bague de douille d’abat-jour et trois vis.
 
 

 

Ce bricolage de miroirs de Lieberkühn n’est pas très difficile, et les possibilités ouvertes sont immenses, car l’observation en épiscopie est bien plus immédiate et facile qu’en diascopie. Il n’y a pas de préparation à faire, tout ce qui passe dans le champ de votre curiosité est bon à observer tel quel. Les grossissements jusqu’à 200x sont accessibles, selon la forme de l’extrémité de l’objectif : ceux qui sont pointus et étroits sont mieux adaptés, car ils laissent passer des rayons plus inclinés sur l’objet même si la lentille frontale est très proche.

Si vous constituez l’écran tubulaire central comme je l’ai indiqué, l’épiscopie avec miroir de Lieberkühn vous donnera le plus fort contraste sur fond noir qui soit possible en microscopie. Une anecdote l’illustre : Quand j’étais enfant, on m’a offert un microscope jouet comme à beaucoup d’entre vous, et j’ai pensé naïvement que puisque l’air était plein de poussières et de microbes, j’allais pouvoir les débusquer en braquant mon instrument sur… l’air ! Eh bien, avec le système que je viens de vous décrire, on peut voir les poussières de l’air ! Quand tout est bien réglé, le champ est absolument noir en l’absence d’objet. Mais si une poussière vient à passer dans le plan de netteté, on la voit fugitivement, brillamment éclairée. Une belle expérience !

Attention, cette efficacité lumineuse présente un inconvénient : les réflecteurs focalisent aussi les infra-rouges, et si l’on ne prend pas de précaution on a vite fait de griller (à vue d’œil !) ce qu’on observe. C’est rarement souhaitable…

 

 
 

Utilisation en diascopie à fond noir ou fond coloré de Rheinberg

Les réflecteurs adaptés pour faire un condenseur sont ceux des petites torches à ampoule halogène. En effet, les réflecteurs plus larges donnent, quand ils sont coupés au foyer, un anneau généralement trop grand pour trouver place dans un porte-condenseur et être convenablement illuminés.

On peut cependant les utiliser sur une loupe binoculaire comme le montrent les photos ci-dessous. Le réflecteur est simplement posé sur une lame, un capuchon de boite de pellicule photo est utilisé comme masque noir central. Comme la lampe n'illumine pas tout le réflecteur, on obtient une tache lumineuse en forme de coma, dissymétrique, mais largement suffisante en pratique. Cette formule toute simple donne à mon avis les meilleures conditions d’observation en milieu liquide dans une boîte de Pétri. Il ne reste plus qu’à la coupler avec le dispositif de réfrigération pour observations longues décrit par J.M. Cavanihac ici

 
 
 
 

 

Pour le microscope, voici un exemple d'adaptation d'un petit réflecteur pour faire un condenseur à fond noir. C’est encore plus simple que pour les miroirs de Lieberkühn. Il suffit de poser le réflecteur sur un anneau du diamètre de votre porte-condenseur et d’installer en dessous un écran central opaque noir (ou translucide coloré pour l’éclairage de Rheinberg), d’un diamètre légèrement supérieur à celui du trou du réflecteur. L'exemple montré utilise un réflecteur à facettes, ce qui ne l'empèche pas d'éclairer généreusement le champ des objectifs d'ouverture numérique inférieure à 0,5 .

 
 
 
 

 

Si le foyer de la parabole est positionné juste sur l’objet observé, seul le centre du champ sera illuminé, surtout avec les objectifs faibles. Il faut régler le foyer un petit peu au dessus de la préparation, et tenir compte de l’épaisseur de la lame porte objet. Le réflecteur sera donc poncé à environ 2-3 mm en dessous du plan du foyer de la parabole. En augmentant cette valeur, on réduit l’ouverture numérique du cône d’illumination extérieur. Procédez donc progressivement, en vérifiant de temps en temps par l’observation, et arrêtez-vous de poncer dès que les résultats sont satisfaisants. Un bon moyen d'apprécier la position optimale est de poser une lame porte d'objet sur le réflecteur, un morceau de papier blanc sur la lame, et d'orienter l'assemblage vers une source lumineuse distante, le soleil par exemple. La parabole doit former l'image de la source sur le papier.

Si vous avez la chance d’avoir un diaphragme solidaire du porte-condenseur et donc toujours disponible, vous pourrez régler l’ouverture du cône intérieur simplement en diaphragmant. Reportez-vous aux dessins du début pour comprendre pourquoi. Le C.O.L. devient alors facile avec les objectifs d'ouverture supérieure ou égale à celle du condenseur.

 

Evaluation des performances

J’ai été étonné de la comparaison de mon condenseur parabolique à deux sous avec un excellent condenseur pour fond noir à sec ZEISS.

 

 
 

A ma gauche, Goliath Zeiss, n=0,8/0,95, tenant du titre; à ma droite...

 

 
 
A l’observation, je ne vois quasiment pas de différence. Peut-être le Zeiss produit-il un tout petit peu moins de halo avec l’objectif x40, et encore. En revanche, le réflecteur parabolique est plus lumineux, comme en témoigne le posemètre de mon APN. L’anneau d’entrée de lumière du Zeiss présente en effet une surface plus faible.
 
       
  Les photos ci-dessous illustrent l’ouverture du faisceau, révélée par une demi balle de ping-pong posée sur la platine. On voit que le bout de plastique argenté fait un peu moins bien que la précieuse pièce d’optique de précision pour ce qui est de l’ouverture, qui doit être de n=0,70/0,85 environ. Elle aurait été supérieure si le plan de coupe avait été plus près du foyer de la parabole. Elle est de toutes façons supérieure à celle de tous mes objectifs à sec, et permet donc le fond noir pour tous.
 
     
 


 
 

Zeiss

Réflecteur

 
 

 

Je dois dire que j’ai centré parfaitement le réflecteur sur sa monture avec un tour, et que mon porte-condenseur permet lui-même le réglage du centrage. J’ai constaté en effet que les défauts de centrage et d’alignement de l’axe dégradent très vite le résultat. Compte tenu de la grande ouverture de la parabole, la coma devient sévère pour tout désalignement.

Si vous ne disposez pas d’un tour, il vous faudra donc trouver le moyen de régler l’alignement en cours d’observation pendant le collage sur la monture. En fait, c’est cette méthode qui donne sans doute la meilleure précision.

Je pense qu’il doit être possible de réaliser un condenseur pour fond noir à immersion sur le même principe, mais je ne l’ai pas essayé. Il faudrait araser le réflecteur à 1,2 mm du foyer (juste un peu plus que l’épaisseur de la lame porte-objet), fermer le fond de la parabole avec une lamelle ronde du bon diamètre, et remplir le tout avec de l’huile ou de la glycérine. Les rayons marginaux pourront alors pénétrer dans le verre et atteindre la préparation sans subir de réflexion totale quand leur ouverture numérique dépasse 1.

A l’opposé de cette sophistication, un condenseur parabolique à fond noir réalisé en une heure avec un réflecteur de lampe de poche est sûrement le meilleur moyen de métamorphoser un microscope de débutant ou un jouet qui ne disposerait pas de condenseur.

J’espère que je vous aurai donné l’envie d’essayer !

 

 


* Le titre de l’article se veut lui-même un hommage au merveilleux « Hommage à une pelure d’oignon » de Walter Dioni sur ce site.