Ce travail de thèse se situe à l’interface de deux domaines : la culture cellulaire en trois dimensions et l’imagerie sans lentille.Fournissant un protocole de culture cellulaire plus réaliste sur le plan physiologique, le passage des cultures monocouches (2D) à des cultures tridimensionnelles (3D) - via l’utilisation de gels extracellulaires dans lesquels les cellules peuvent se développer dans les trois dimensions - permet de faire de grandes avancées dans de nombreux domaines en biologie tels que l’organogénèse, l’oncologie et la médecine régénérative. Ces nouveaux objets à étudier crée un besoin en matière d’imagerie 3D.De son côté, l’imagerie sans lentille 2D fournit un moyen robuste, peu cher, sans marquage et non toxique, d’étudier les cultures cellulaires en deux dimensions sur de grandes échelles et sur de longues périodes. Ce type de microscopie enregistre l’image des interférences produites par l’échantillon biologique traversé par une lumière cohérente. Connaissant la physique de la propagation de la lumière, ces hologrammes sont rétro-propagés numériquement pour reconstruire l’objet recherché. L’algorithme de reconstruction remplace les lentilles absentes dans le rôle de la formation de l’image.Le but de cette thèse est de montrer la possibilité d’adapter cette technologie sans lentille à l’imagerie des cultures cellulaires en 3D. De nouveaux prototypes de microscopes sans lentille sont conçus en parallèle du développement d’algorithmes de reconstructions tomographiques dédiés.Concernant les prototypes, plusieurs solutions sont testées pour converger vers un schéma alliant deux conditions. La première est le choix de la simplicité d’utilisation avec une culture cellulaire en boîte de Petri standard et ne nécessitant aucune préparation spécifique ou aucun changement de contenant. Cette condition entraînant de fortes contraintes géométriques sur l’architecture, la deuxième est de trouver la meilleure couverture angulaire possible des angles d’éclairage. Enfin, une version adaptée aux conditions en incubateur est développée et testée avec succès.Concernant les algorithmes, quatre types de solutions sont proposés, basées sur le théorème de diffraction de Fourier classiquement utilisé en tomographie diffractive optique. Toutes cherchent à corriger deux problèmes inhérents au microscope sans lentille : l’absence de l’information de phase, le capteur n’étant sensible qu’à l’intensité de l’onde reçue, et la couverture angulaire limitée. Le premier algorithme se limite à remplacer la phase inconnue par celle d’une onde incidente plane. Rapide, cette méthode est néanmoins source de nombreux artefacts. La deuxième solution, en approximant l’objet 3D inconnu par un plan moyen, utilise les outils de la microscopie sans lentille 2D pour retrouver cette phase manquante via une approche inverse. La troisième solution consiste à implémenter une approche inverse régularisée sur l’objet 3D à reconstruire. C’est la méthode la plus efficace pour compenser les deux problèmes mentionnés, mais elle est très lente. La quatrième et dernière solution est basée sur un algorithme de type Gerchberg-Saxton modifié avec une étape de régularisation sur l’objet.Toutes ces méthodes sont comparées et testées avec succès sur des simulations numériques et des données expérimentales. Des comparaisons avec des acquisitions au microscope classique montrent la validité des reconstructions en matière de tailles et de formes des objets reconstruits ainsi que la précision de leur positionnement tridimensionnel. Elles permettent de reconstruire des volumes de plusieurs dizaines de millimètres cubes de cultures cellulaires 3D, inaccessibles en microscopie standard.Par ailleurs, les données spatio-temporelles obtenues avec succès en incubateur montrent aussi la pertinence de ce type d’imagerie en mettant en évidence des interactions dynamiques sur de grandes échelles des cellules entres elles ainsi qu’avec leur environnement tridimensionnel. / This PhD work is at the interface of two fields: 3D cell culture and lens-free imaging.Providing a more realistic cell culture protocol on the physiological level, switching from single-layer (2D) cultures to three-dimensional (3D) cultures - via the use of extracellular gel in which cells can grow in three dimensions - is at the origin of several breakthroughs in several fields such as developmental biology, oncology and regenerative medicine. The study of these new 3D structures creates a need in terms of 3D imaging.On another side, 2D lens-free imaging provides a robust, inexpensive, non-labeling and non-toxic tool to study cell cultures in two dimensions over large scales and over long periods of time. This type of microscopy records the interferences produced by a coherent light scattered by the biological sample. Knowing the physics of the light propagation, these holograms are retro-propagated numerically to reconstruct the unknown object. The reconstruction algorithm replaces the absent lenses in the role of image formation.The aim of this PhD is to show the possibility of adapting this lens-free technology for imaging 3D cell culture. New lens-free microscopes are designed and built along with the development of dedicated tomographic reconstruction algorithms.Concerning the prototypes, several solutions are tested to finally converge to a scheme combining two conditions. The first requirement is the choice of simplicity of use with a cell culture in standard Petri dish and requiring no specific preparation or change of container. The second condition is to find the best possible angular coverage of lighting angles in regards of the geometric constraint imposed by the first requirement. Finally, an incubator-proof version is successfully built and tested.Regarding the algorithms, four major types of solutions are implemented, all based on the Fourier diffraction theorem, conventionally used in optical diffractive tomography. All methods aim to correct two inherent problems of a lens-free microscope: the absence of phase information, the sensor being sensitive only to the intensity of the incident wave, and the limited angular coverage. The first algorithm simply replaces the unknown phase with that of an incident plane wave. However, this method is fast but it is the source of many artifacts. The second solution tries to estimate the missing phase by approximating the unknown object by an average plane and uses the tools of the 2D lens-free microscopy to recover the missing phase in an inverse problem approach. The third solution consists in implementing a regularized inverse problem approach on the 3D object to reconstruct. This is the most effective method to deal with the two problems mentioned above but it is very slow. The fourth and last solution is based on a modified Gerchberg-Saxton algorithm with a regularization step on the object.All these methods are compared and tested successfully on numerical simulations and experimental data. Comparisons with conventional microscope acquisitions show the validity of the reconstructions in terms of shape and positioning of the retrieved objects as well as the accuracy of their three-dimensional positioning. Biological samples are reconstructed with volumes of several tens of cubic millimeters, inaccessible in standard microscopy.Moreover, 3D time-lapse data successfully obtained in incubators show the relevance of this type of imaging by highlighting large-scale interactions between cells or between cells and their three-dimensional environment.

L’imagerie sans lentille a élargi le champ d’applications de l’imagerie aux sources cohérentes de courte longueur d’onde dans le domaine XUV, pour lequel les systèmes optiques pour l’imagerie ne sont pas facilement disponibles. En outre, les sources pulsées ultra brèves XUV et X basées sur la génération d’harmoniques laser d’ordre élevé (HHG) et les lasers à électrons libres (FEL) offrent une très bonne résolution temporelle (femto 10-15s - atto 10-18s). Ce sont donc les outils indispensables pour suivre les dynamiques ultrarapides à l’échelle nanométrique. Il est donc nécessaire de disposer de techniques d’imagerie en un tir unique pour profiter pleinement des capacités de ces sources XUV. Les techniques d’imagerie sans lentille sont basées sur la mesure directe du champ électromagnétique diffracté lors de l’interaction de la source avec l’échantillon. La diffraction est liée à la transmittance de l’objet mais aussi à la cohérence spatiale de la source et à son front d’onde. La caractérisation en un tir unique de ces propriétés permet l’amélioration de la résolution de la reconstruction de l’objet.Les résultats de cette thèse sont présentés en deux parties dans ce manuscrit. La première partie est consacrée à la caractérisation des sources XUV et la deuxième au développement de nouvelles techniques d’imagerie multidimensionnelle. Nous présentons différentes applications de la mesure du front d’onde en un tir unique des sources XUV. Les résultats sont le produit de différentes campagnes expérimentales, sur des sources HHG et les FEL LCLS (Stanford) et FERMI (Trieste). Nous présentons également une nouvelle méthode pour la caractérisation en simple tir de la cohérence spatiale qui ne nécessite pas la connaissance de la distribution d’intensité du faisceau incident. De plus, nous présentons une nouvelle technique d’imagerie basée sur l’holographie par transformée de Fourier pour améliorer la résolution dans la reconstruction de l’objet dans le cas de l’utilisation d’une source partialement cohérente.La deuxième partie est consacrée à deux techniques d’imagerie multidimensionnelle développées pendant cette thèse. Une nouvelle technique d’imagerie 3D en simple tir, facile à implémenter et réduisant fortement la dose de rayonnement reçu par l’échantillon, est présentée. Différents schémas expérimentaux pour la génération de deux sources XUV synchronisées pour cette technique d’imagerie stéréographique 3D sont proposés. D’autre part, nous présentons une technique holographique compatible avec une source de large bande spectrale. Deux applications sont envisagées. La première est l’imagerie ultrarapide résolue spectralement, la deuxième est l’imagerie attoseconde. A la fin du manuscrit des conclusions générales du travail accompli pendant la thèse, ainsi que des perspectives sont présentées. / Lensless imaging techniques have broadened imaging applications to coherent sources in the short wavelength XUV domain, where optical systems to create an image are still not readily available. Furthermore, high harmonic generation sources (HHG) and free electron lasers (FEL) have the advantage of providing short temporal resolutions (atto 10-18s - femto 10-15s), opening the way towards ultrafast time resolved nanoscale imaging. Single shot imaging techniques are then highly important to exploit the shortest temporal resolution that can be reached with XUV sources. Lensless imaging is based on the direct measurement of the electric field diffracted by the sample. The diffraction pattern depends on the object transmittance but also on the source spatial coherence and wavefront. Single shot characterization of those properties thus leads to an improvement of the resolution of the object reconstruction.The results presented in this thesis are divided in two parts; the first one is focused on the characterization of the sources and the second on the development of new multidimensional imaging techniques. We will present different applications of single shot wavefront sensing of XUV sources. The results presented are the product of different experimental campaigns performed during this thesis using HH sources and FEL facilities at LCLS (Stanford) and FERMI (Trieste). Furthermore, a new method for single shot characterization of the spatial coherence that does not require the simultaneous measurement of the intensity distribution is presented. Additionally, we present a new holographic technique to improve the resolution of the object reconstruction when a partially coherent source is used.The second part is dedicated to two new multidimensional imaging techniques developed during the thesis. A new tri-dimensional imaging technique that is single shot, easy to implement and that lowers drastically the X-ray dose received by the sample, is presented. Different experimental setups for the generation of two synchronized XUV sources suitable for this ultrafast single shot 3D stereo imaging technique are presented. In addition, we present a holographic technique to extend imaging using a broadband source towards spectrally resolved single shot imaging and attosecond applications. Finally, we present the general conclusions from the work done during the thesis, together with the perspectives drawn from this work.

Biological studies always start from curious observations. This is exemplified by description of cells for the first time by Robert Hooke in 1665, observed using his microscope. Since then the field of microscopy and cell biology grew hand in hand, with one field pushing the growth of the other and vice-versa. From basic description of cells in 1665, with parallel advancements in microscopy, we have travelled a long way to understand sub-cellular processes and molecular mechanisms. With each day, our understanding of cells increases and several questions are being posed and answered. Several high-resolution microscopic techniques are being introduced (PALM, STED, STORM, etc.) that push the resolution limit to few tens of nm, taking us to a new era where ‘seeing is believing'. Having said this, it is to be noted that the world of cells is vast, with information spread from nanometers to millimetres, and also over extended time-period, implying that not just one microscopic technique could acquire all the available information. The knowledge in the field of cell biology comes from a combination of imaging and quantifying techniques that complement one another.Majority of modern-day microscopic techniques focuses on increasing resolution which, is achieved at the expense of cost, compactness, simplicity, and field of view. The substantial decrease in the field of observation limits the visibility to a few single cells at best. Therefore, despite our ability to peer through the cells using increasingly powerful optical instruments, fundamental biology questions remain unanswered at mesoscopic scales. A global view of cell population with significant statistics both in terms of space and time is necessary to understand the dynamics of cell biology, taking in to account the heterogeneity of the population and the cell-cell variability. Mesoscopic information is as important as microscopic information. Although the latter gains access to sub-cellular functions, it is the former that leads to high-throughput, label-free measurements. By focussing on simplicity, cost, feasibility, field of view, and time-lapse in-incubator imaging, we developed ‘Lensfree Video Microscope' based on digital in-line holography that is capable of providing a new perspective to cell culture monitoring by being able to capture the kinetics of thousands of cells simultaneously. In this thesis, we present our lensfree video microscope and its applications in in-vitro cell culture monitoring and quantification.We validated the system by performing more than 20,000 hours of real-time imaging, in diverse conditions (e.g.: 37°C, 4°C, 0% O2, etc.) observing varied cell types and culture conditions (e.g.: primary cells, human stem cells, fibroblasts, endothelial cells, epithelial cells, 2D/3D cell culture, etc.). This permitted us to develop label-free cell based assays to study the major cellular events – cell adhesion and spreading, cell division, cell division orientation, cell migration, cell differentiation, network formation, and cell death. The results that we obtained respect the heterogeneity of the population, cell to cell variability (a raising concern in the biological community) and the massiveness of the population, whilst adhering to the standard cell culture practices - a rare combination that is seldom attained by existing real-time monitoring methods.We believe that our microscope and associated metrics would complement existing techniques by bridging the gap between mesoscopic and microscopic information. / Biological studies always start from curious observations. This is exemplified by description of cells for the first time by Robert Hooke in 1665, observed using his microscope. Since then the field of microscopy and cell biology grew hand in hand, with one field pushing the growth of the other and vice-versa. From basic description of cells in 1665, with parallel advancements in microscopy, we have travelled a long way to understand sub-cellular processes and molecular mechanisms. With each day, our understanding of cells increases and several questions are being posed and answered. Several high-resolution microscopic techniques are being introduced (PALM, STED, STORM, etc.) that push the resolution limit to few tens of nm, taking us to a new era where ‘seeing is believing'. Having said this, it is to be noted that the world of cells is vast, with information spread from nanometers to millimetres, and also over extended time-period, implying that not just one microscopic technique could acquire all the available information. The knowledge in the field of cell biology comes from a combination of imaging and quantifying techniques that complement one another.Majority of modern-day microscopic techniques focuses on increasing resolution which, is achieved at the expense of cost, compactness, simplicity, and field of view. The substantial decrease in the field of observation limits the visibility to a few single cells at best. Therefore, despite our ability to peer through the cells using increasingly powerful optical instruments, fundamental biology questions remain unanswered at mesoscopic scales. A global view of cell population with significant statistics both in terms of space and time is necessary to understand the dynamics of cell biology, taking in to account the heterogeneity of the population and the cell-cell variability. Mesoscopic information is as important as microscopic information. Although the latter gains access to sub-cellular functions, it is the former that leads to high-throughput, label-free measurements. By focussing on simplicity, cost, feasibility, field of view, and time-lapse in-incubator imaging, we developed ‘Lensfree Video Microscope' based on digital in-line holography that is capable of providing a new perspective to cell culture monitoring by being able to capture the kinetics of thousands of cells simultaneously. In this thesis, we present our lensfree video microscope and its applications in in-vitro cell culture monitoring and quantification.We validated the system by performing more than 20,000 hours of real-time imaging, in diverse conditions (e.g.: 37°C, 4°C, 0% O2, etc.) observing varied cell types and culture conditions (e.g.: primary cells, human stem cells, fibroblasts, endothelial cells, epithelial cells, 2D/3D cell culture, etc.). This permitted us to develop label-free cell based assays to study the major cellular events – cell adhesion and spreading, cell division, cell division orientation, cell migration, cell differentiation, network formation, and cell death. The results that we obtained respect the heterogeneity of the population, cell to cell variability (a raising concern in the biological community) and the massiveness of the population, whilst adhering to the standard cell culture practices - a rare combination that is seldom attained by existing real-time monitoring methods.We believe that our microscope and associated metrics would complement existing techniques by bridging the gap between mesoscopic and microscopic information.

L'objectif de ce mémoire est dedévelopper de nouvelles méthodes d'imageriesans lentille en simple tir 2D et 3D avec dessources harmoniques XUV. Un intérêt particulierest porté aux techniques d'imageries permettantl'imagerie des objets biologiques et de phase.Dans un premier temps, on introduit la théorie del'imagerie dans lentille et on détaille lesméthodes utilisées au cours de cette thèse pourreconstruire le champ diffracté par l'objet quel'on souhaite imager. Les techniques d'imageriessont séparées en deux catégories : itératifs etholographiques. On discute des conditionsexpérimentales nécessaires à la reconstruction del'image de l'objet et on compare les avantagesrespectifs des deux types de méthodes. Puis, ondétaille les aspects expérimentaux du faisceauXUV obtenu par HHG et on couvre brièvementla théorie associée à ce processus. La sectionsuivante traite des paramètres et des techniquesde traitement des données influant sur la qualitéde l'image reconstruite en imagerie sans lentille.On montre comment améliorer lesreconstructions HERALDO dans un régime defaible flux de photons. On présente ensuite lesrésultats d'une technique de caractérisationcomplète de la cohérence spatiale d’un faisceauXUV en simple tir. Cette dernière est unparamètre critique de l'imagerie sans lentille. Al'aide d'un tableau non redondant de référencesponctuelles, on mesure la cohérence spatialepour chaque distance entre les références, sansaucune mesure du profil spatial du faisceau. Onmontre que la distribution de la cohérence estgaussienne et que son diamètre dépend desconditions de génération du faisceauharmonique. On étudie aussi quantitativementcomment l'accumulation de plusieurs tirs dediffraction diminue la cohérence apparente dufaisceau. Une expérience d'imagerie d'objets dephase avec une source harmonique pouvant êtreappliquée à des objets biologiques est ensuiteprésentée.A notre connaissance c'est la premièrereconstruction par méthode CDI d'objets dephase avec une source harmonique. La suite dumanuscrit présente les résultats de deuxexpériences visant à réaliser de l'imagerie 3D àl'échelle nanométrique avec une sourceharmonique. Tout d’abord, on présente unetechnique d'imagerie 3D simple tir. C'est lapremière expérience permettant unereconstruction 3D à partir d'une seuleacquisition, avec une résolution spatialenanométrique et une résolution temporellefemtoseconde, sans utiliser de connaissances apriori sur l'objet étudié. Cette technique possèdeun vaste spectre d'application, particulièrementpour l'étude structurelle d'échantillonsbiologiques sensibles aux dégâts d'irradiation.De plus, cette technique peut être facilementapplicable à des FELs et des synchrontrons pourobtenir de meilleures résolutions. La deuxièmeexpérience d'imagerie 3D est une preuve deconcept validant la faisabilité de lacryptomographie avec une source harmonique.Pour reconstruire le volume 3D de l'échantillon,la cryptotomographie utilise des figures dediffraction qui sont acquises pour desorientations de l'échantillon inconnues. Lerégime de faible flux dans lequel on se place nouspermet de simuler les paramètres d'une sourceharmonique fonctionnant dans la fenêtre de l'eau.On conclut que, le niveau du signal de diffractionest suffisant pour pouvoir identifier l'orientationde l'objet à partir des figures de diffractionenregistrées, dans des conditions expérimentalesoptimisées. Ainsi, avec suffisamment de figuresde diffraction enregistrées et assez d'orientationsde l'objet, on peut reconstruire le volume 3D del'objet. Ces résultats impliquent qu'uneexpérience de cryptotomographie d'objetsbiologiques avec une source harmoniquefonctionnant dans la fenêtre de l'eau seraitréalisable. / The aim of this dissertation is todevelop new lensless single shot imagingtechnique in 2D and 3D with XUV harmonicsources which can be applied to study biologicalobjects and phase objects. Firstly, we introducethe theory underlying lensless imagingtechniques and we describe the methods usedduring this thesis to reconstruct the light fielddiffracted by the studied object. The imagingtechniques are split in two categories: iterativeand holographic. The iterative methodsreconstruct the phase of the diffracted wavefront using constraints in the Fourier space andthe reel space. With the holographic techniques,the phase is encoded directly in the interferencefringes between the reference and the objectwithin the diffraction pattern. We discuss theexperimental parameters required to achieve animage reconstruction and we compare therespective advantages of the two types ofmethod. Then, we describe the experimentalparameters of the XUV beam produced by highharmonic generation (HHG) and we brieflyexplain the theory of the HHG. The next sectiondiscusses the parameters the quality of thereconstructed image. We show how to improvethe resolution and the signal to noise ratio usingthe HERALDO technique in the low fluxregime.We then show the result of a new technique forthe single shot characterization of the spatialcoherence of XUV beams. Indeed, the spatialcoherence is a critical parameter for coherentdiffractive imaging techniques. Using a NRA ofreference holes, we measure the spatialcoherence for each distance between each pairof holes, without the knowledge of the intensitydistribution on the sample. We show that thespatial coherence has a gaussian distribution andthat its diameter varies according to thegeneration parameters of the harmonic beam.We also study quantitatively the effect of multishotsaccumulation of the diffraction pattern onthe apparent coherence of the beam. We alsoshow the result of phase object imaging usingcoherent diffractive imaging with a harmonicsource. To our knowledge, this if the first timesuch result has been achieved. The rest of thedissertation present new lensless imaging 3Dtechniques using harmonic sources. The first ofthe last two experiments shown is a lenslesssingle shot stereo 3D technique. It is the first oneallowing a 3D reconstruction from a singleacquisition, with a nanometer spatial resolutionand a femtosecond temporal resolution, withoutusing \textit{a priori} knowledge of the samplestudied. This method has a vast spectrum ofapplication and is particularly interesting for thestructural study of biological sample sensitive toradiation damage and for the study of nonreversibledynamical phenomena in 3D.Furthermore, this can easily be implemented inFELs and synchrotrons to reach even betterspatial resolution. The second 3D experimentshown in this thesis is a proof of concept ofcryptotomography using a high harmonic sourcein a low flux regime. To reconstruct the 3Dvolume of the sample, cryptotomographie usesdiffraction pattern acquired for unknown sampleorientations and therefore non-classified. Thelow flux regime used here simulate the flux of aharmonic source generated in the water window.We conclude from this experiment that, with theproper experimental conditions, the diffractionsignal is sufficient to allow the classification byorientation of the diffraction patterns. Withenough diffraction pattern and angles of thesample recorded, we can achieve a 3Dreconstruction of the sample. This result impliesthat the cryptotomography of biological objectsusing a water window harmonic source ispossible.

Ce manuscrit présente des expériences d'imagerie par diffraction réalisées en utilisant une source de rayonnement cohérent basée sur la génération d'harmoniques d'ordre élevé d'un laser Ti:Sa. Elles démontrent que cette source extrême-UV de laboratoire produit un nombre suffisant de photons par impulsion pour enregistrer une figure de diffraction d'objets tests en " simple tirs ". Le signal ainsi enregistré permet l'obtention d'une image de l'objet avec une résolution d'une centaine de nanomètres. Deux schémas sont utilisés pour reconstruire l'objet : le premier utilise un algorithme itératif de reconstruction de la phase perdue pendant la détection de la figure de diffraction ; le second utilise une configuration holographique par transformée de Fourier. Les travaux réalisés comportent deux parties. La première concerne l'optimisation de la source harmonique et inclut une étude expérimentale d'un dispositif de filtrage spatial du faisceau laser de génération par propagation dans une fibre creuse. La seconde partie présente les expériences d'imagerie par diffraction, et notamment une démonstration du schéma holographique HERALDO qui est une extension de l'holographie par transformée de Fourier à des références en forme de polygones. L'utilisation de ces références " étendues " a pour avantage d'optimiser l'enregistrement holographique tout en conservant une reconstruction directe et sans ambigüité de l'objet. Une analyse signal-sur-bruit ainsi qu'une comparaison des reconstructions d'hologramme pour différentes formes de références sont effectuées.

Le développement de techniques de microscopie quantitatives tridimensionnelles et résolues en temps est fondamental dans de nombreux domaines. Dans ce cadre, l’holographie numérique en ligne recèle un fort potentiel, en raison de sa relative simplicité de mise en œuvre (imagerie sans lentille), de son caractère tridimensionnel et de sa résolution temporelle. Le but de cette thèse est l’amélioration des algorithmes de reconstruction des hologrammes par une approche « problèmes inverses ». Dans le cadre de la reconstruction d’objets paramétriques, des travaux antérieurs ont permis de proposer un algorithme glouton permettant de résoudre le problème inverse de reconstruction (intrinsèquement mal posé) par une maximisation de la vraisemblance entre un modèle de formation d’hologramme et les données. Une première contribution de ce travail de thèse a été de réduire le temps de calcul de cet algorithme en utilisant une approche multi-résolution (algorithme FAST). Dans une deuxième contribution, une approche reconnaissance de forme de type « matching pursuit » est utilisée pour la reconstruction d’objets quelconques en recherchant les éléments d’un dictionnaire les plus proches des figures de diffraction composant l’hologramme. La réduction des dimensions du dictionnaire est proposée en utilisant une décomposition en valeurs singulières tronquée. La troisième contribution de cette thèse a été réalisée en collaboration avec le LMFA. L’algorithme glouton a été utilisé sur un cas réel : la reconstruction et le suivi de gouttelettes d’éther évaporantes en chute libre. Dans tous ces développements une attention particulière a été portée sur la précision des reconstructions, sur la réduction du nombre de paramètres à régler par l’utilisateur (algorithmes peu ou non supervisés). Une boîte à outils Matlab® (en ligne) a été développée dans le cadre de cette thèse / Techniques for fast, 3D, quantitative microscopy are of great interest in many fields. In this context, in-line digital holography has significant potential due to its relatively simple setup (lensless imaging), its three-dimensional character and its temporal resolution. The goal of this thesis is to improve existing hologram reconstruction techniques by employing an “inverse problems” approach. For applications of objects with parametric shapes, a greedy algorithm has been previously proposed which solves the (inherently ill-posed) inversion problem of reconstruction by maximizing the likelihood between a model of holographic patterns and the measured data. The first contribution of this thesis is to reduce the computational costs of this algorithm using a multi-resolution approach (FAST algorithm). For the second contribution, a “matching pursuit” type of pattern recognition approach is proposed for hologram reconstruction of volumes containing parametric objects, or non-parametric objects of a few shape classes. This method finds the closest set of diffraction patterns to the measured data using a diffraction pattern dictionary. The size of the dictionary is reduced by employing a truncated singular value decomposition to obtain a low cost algorithm. The third contribution of this thesis was carried out in collaboration with the laboratory of fluid mechanics and acoustics of Lyon (LMFA). The greedy algorithm is used in a real application: the reconstruction and tracking of free-falling, evaporating, ether droplets. In all the proposed methods, special attention has been paid to improvement of the accuracy of reconstruction as well as to reducing the computational costs and the number of parameters to be tuned by the user (so that the proposed algorithms are used with little or no supervision). A Matlab® toolbox (accessible on-line) has been developed as part of this thesis

Ce manuscrit présente des expériences d’imagerie par diffraction réalisées en utilisant une source de rayonnement cohérent basée sur la génération d’harmoniques d’ordre élevé d’un laser Ti:Sa. Elles démontrent que cette source extrême-UV de laboratoire produit un nombre suffisant de photons par impulsion pour enregistrer une figure de diffraction d’objets tests en « simple tirs ». Le signal ainsi enregistré permet l’obtention d’une image de l’objet avec une résolution d’une centaine de nanomètres. Deux schémas sont utilisés pour reconstruire l’objet : le premier utilise un algorithme itératif de reconstruction de la phase perdue pendant la détection de la figure de diffraction ; le second utilise une configuration holographique par transformée de Fourier. Les travaux réalisés comportent deux parties. La première concerne l’optimisation de la source harmonique et inclut une étude expérimentale d’un dispositif de filtrage spatial du faisceau laser de génération par propagation dans une fibre creuse. La seconde partie présente les expériences d’imagerie par diffraction, et notamment une démonstration du schéma holographique HERALDO qui est une extension de l’holographie par transformée de Fourier à des références en forme de polygones. L’utilisation de ces références « étendues » a pour avantage d’optimiser l’enregistrement holographique tout en conservant une reconstruction directe et sans ambigüité de l’objet. Une analyse signal-sur-bruit ainsi qu’une comparaison des reconstructions d’hologramme pour différentes formes de références sont effectuées. / This manuscript presents diffraction imaging experiments performed using a source of coherent radiation based on high order harmonics generation of a Ti:Sa laser. They demonstrate that this laboratory size XUV source produces a number of photons per pulse sufficient to record the diffraction pattern of test objects in « single shot ». The signal thus recorded allows obtaining an image of the object with a resolution of around 100 nanometers. Two schemes are used to reconstruct the object: the first one uses an iterative algorithm to retrieve the phase lost during the detection of the diffraction pattern; the second uses a configuration of Fourier transform holography. The work presented here is separated in two parts. The first one concerns the optimization of the harmonic source, including an experimental study of a spatial filtering device for laser beams by propagation in a hollow core fiber. The second part deals with the diffraction imaging experiments. In particular, I present a demonstration of the holographic scheme HERALDO, which is an extension of the Fourier transform holography with polygonal references. The use of these « extended » references allows the optimization of the holographic recording while maintaining a direct and non-ambiguous reconstruction of the object. An analysis of signal-to-noise ratio and a comparison of hologram reconstructions for different types of references are performed.

Imager des objets non-périodiques à une échelle nanométrique et à une échelle femto seconde est un vrai challenge à notre époque. Les techniques d'imagerie " sans lentille " sont des moyens puissants pour répondre à ce besoin. En utilisant des sources ultrarapide (~fs) et cohérente (ex. laser à électron libre ou harmoniques d'ordres élevés), ces techniques nous permettent de reconstruire des objets à partir de leur figure de diffraction, remplaçant les optiques conventionnelles du système d'imagerie par un algorithme informatique. Dans ce travail de thèse, je présent des expériences d'imageries en utilisant un rayonnement extrême-UV (15~40 nm) produit par la génération d'harmoniques d'ordre élevé d'un laser infrarouge puissant. Ce manuscrit est constitué d'une introduction, un chapitre de background théorique, trois chapitres de travail de thèse et une conclusion générale avec perspectives. La première partie du travail de thèse porte sur les développements et caractérisations de la ligne de lumière avec l'objectif de générer maximum de photons harmoniques cohérents avec un front d'onde plat. La deuxième partie est consacrée aux expériences et analyses de trois techniques d'imageries " sans lentille " : Imagerie par diffraction cohérente (CDI), Holographie par la transformée de Fourier (FTH) et Holographie avec références étendues (HERALDO). Ces derniers nous permettent de reconstruire des objets avec une résolution spatiale de 78 nm dans le cas de CDI et de 112 nm dans le cas de HERALDO, tous les deux avec une résolution temporaire de 20 fs. La troisième partie est une première application physique de l'imagerie sur la ligne harmonique. Il s'agit des études statiques et dynamiques de nano-domaines magnétique avec une résolution spatiale sub-100 nm à l'échelle femto seconde. Perspective des techniques d'imagerie 3D et développement potentiel de la ligne d'harmoniques sont présentés à la fin.

Imager des objets non-périodiques à une échelle nanométrique et à une échelle femto seconde est un vrai challenge à notre époque. Les techniques d’imagerie « sans lentille » sont des moyens puissants pour répondre à ce besoin. En utilisant des sources ultrarapide (~fs) et cohérente (ex. laser à électron libre ou harmoniques d’ordres élevés), ces techniques nous permettent de reconstruire des objets à partir de leur figure de diffraction, remplaçant les optiques conventionnelles du système d’imagerie par un algorithme informatique. Dans ce travail de thèse, je présent des expériences d’imageries en utilisant un rayonnement extrême-UV (15~40 nm) produit par la génération d’harmoniques d’ordre élevé d’un laser infrarouge puissant. Ce manuscrit est constitué d’une introduction, un chapitre de background théorique, trois chapitres de travail de thèse et une conclusion générale avec perspectives. La première partie du travail de thèse porte sur les développements et caractérisations de la ligne de lumière avec l’objectif de générer maximum de photons harmoniques cohérents avec un front d’onde plat. La deuxième partie est consacrée aux expériences et analyses de trois techniques d’imageries « sans lentille » : Imagerie par diffraction cohérente (CDI), Holographie par la transformée de Fourier (FTH) et Holographie avec références étendues (HERALDO). Ces derniers nous permettent de reconstruire des objets avec une résolution spatiale de 78 nm dans le cas de CDI et de 112 nm dans le cas de HERALDO, tous les deux avec une résolution temporaire de 20 fs. La troisième partie est une première application physique de l’imagerie sur la ligne harmonique. Il s’agit des études statiques et dynamiques de nano-domaines magnétique avec une résolution spatiale sub-100 nm à l’échelle femto seconde. Perspective des techniques d’imagerie 3D et développement potentiel de la ligne d’harmoniques sont présentés à la fin. / Ultrafast imaging of isolated objects with nanometric spatial resolution is a great challenge in our time. The lensless imaging techniques have shown great potential to answer this challenge. In lensless imaging, one can reconstruct sample images from their diffraction patterns with computational algorithms, which replace the conventional lens systems. Using ultrafast and coherent light sources, such as free electron laser and high order harmonics, one can investigate dynamic phenomena at the femtosecond time scale. In this thesis work, I present the lenless imaging experiments using XUV radiation provided by a laser driven high order harmonic beamline. The manuscript is composed of an introduction, a chapter of theoretical background, three chapters of main research work and a general conclusion with perspectives. The first part of this work concerns the development of the harmonic beamline to optimize the illumination condition for lensless imaging. The second part concentrates on the imaging techniques: the Coherent Diffraction Imaging (CDI), the Fourier Transform Holography (FTH) and the Holography using extended references (HERALDO). The reconstructions have achieved 78 nm spatial resolution in case of CDI and 112 nm resolution in case of HERALDO, both in single-shot regime corresponding to a temporal resolution of 20 fs. The third part presents the first physical application on the harmonic beamline using the lensless imaging. Samples with magnetic nano-domains have been studied with sub-100 nm spatial resolution, which paves the way for ultrafast magnetic dynamic studies. At the end, single-shot 3D imaging and further beamline development have been discussed.