2D/3D lensless imaging : prototype and applications

Imagerie sans lentille 2D/3D : prototype et applications L’imagerie biologique a réalisé des progrès significatifs durant les dernières décennies. Les récentes innovations portent sur la manipulation et la visualisation de cellules uniques avec une résolution spatiale de l’ordre du nanomètre. Une technologie d’imagerie récente, l’imagerie «sans lentille », est particulièrement prometteuse car elle combine une bonne résolution spatiale, un champ de vision étendu, une simplicité d’utilisation, un coût abordable et la possibilité de travailler sur des échantillons exempts de marqueurs spécifiques. En imagerie sans lentille, le système optique classiquement utilisé pour constituer l’image de l’échantillon est remplacé par des algorithmes informatiques qui s’appuient sur les propriétés de cohérence spatiale de la lumière. Dans cette thèse, deux approches différentes de microscopie sans lentille sont considérées : l’holographie numérique en ligne et l’holographie par transformée de Fourier.Deux prototypes d’imagerie, construits selon ces principes, sont présentés. Ils offrent une résolution de l’ordre du micron, ainsi que la possibilité de retrouver les informations relatives à l’amplitude spatiale et à la phase du champ optique. Cela permet la réalisation de reconstructions pseudo-3D d’objets volumétriques à partir d’un unique hologramme. Les deux dispositifs ont d’abord été caractérisés avec des échantillons de référence. Par la suite, des expériences d’applications ont été testées pour estimer la capacité des dispositifs à répondre à des problématiques concrètes dans le domaine de la biologie, grâce à la haute résolution, l’imagerie en temps réel et la reconstruction 3D.L’objectif de cette thèse est également de développer une nouvelle plateforme qui intègre, dans une puce microfluidique, d’une part un système permettant la manipulation de cellules par diélectrophorèse, et d’autre part un masque optique pour la visualisation des cellules par imagerie sans lentille. Le principe de fonctionnement est basé sur le déplacement des cellules en milieu liquide et la séparation des cellules dans le champ de vision du microscope en utilisant un champ électrique induit par des électrodes spécifiques. Le masque optique permet de définir le champ de vision du microscope et de créer les faisceaux de référence nécessaires pour l’imagerie par holographie par transformée de Fourier. Le principal avantage de ce système électro-optique pour l’imagerie cellulaire réside dans sa capacité à fournir une plateforme d’imagerie compacte qui regroupe précision et sensibilité. Les champs d’applications de cette plateforme sont variés. Une application concrète qui découle immédiatement des premières expériences présentées dans ce manuscrit serait l’analyse du comportement des cellules et de leurs modifications morphologiques lors d’un processus électrochimique de diélectrophorèse.L’un des challenges majeurs dans le domaine de la microscopie est de réduire les coûts de fabrication. Les deux types de microscopes sans lentille présentés dans cette thèse visent à introduire dans le monde scientifique des outils d’imagerie permettant d’obtenir une haute résolution à un faible coût et sans marquage. Par ailleurs, la puce microfluidique est une première démonstration de plateforme intégrée pour l’analyse des cellules en temps réel dans un dispositif de type « Lab-on-a-chip ».