Ce travail de thèse présente la mise au point d'une méthodologie de mesure de champs de déformations planes à l'échelle micrométrique. La mesure cinématique est faite par une méthode de grille qui analyse les déformations d'un réseau périodique attaché à la surface à étudier. Les grilles ont été réalisées par photolithographie interférentielle directe. Pour l'observation et la numérisation des réseaux, le choix s'est porté sur la microscopie interférométrique en lumière blanche qui donne accès à la topographie 3D de la surface d'intérêt. Une étude de bruit à permis d'optimiser la réalisation des réseaux pour l'application mécanique auxquels ils étaient destinés. Par ailleurs, l'application de déplacements de corps rigide a permis de mettre en évidence un problème de corrélation spatiale de ce bruit qui ne pouvait être ignoré. Ainsi, et en apportant un soin particulier sur la réalisation expérimentale des essais mécaniques, la résolution en déformation obtenue est de l'ordre de 1 à 2×10−3 pour une résolution spatiale d'environ 20 μm. Une première application concernant l'étude des déformations élasto-plastiques d'un acier ferritique a permis de valider la présente méthode, de l'étendre à l'étude de régions d'intérêt de plus grandes tailles et d'en souligner les points forts mais aussi les limites.

Ce travail de thèse présente la mise au point d'une méthodologie de mesure de champs de déformations planes à l'échelle micrométrique. La mesure cinématique est faite par une méthode de grille qui analyse les déformations d'un réseau périodique attaché à la surface à étudier. Les grilles ont été réalisées par photolithographie interférentielle directe. Pour l'observation et la numérisation des réseaux, le choix s'est porté sur la microscopie interférométrique en lumière blanche qui donne accès à la topographie 3D de la surface d'intérêt. Une étude de bruit à permis d'optimiser la réalisation des réseaux pour l'application mécanique auxquels ils étaient destinés. Par ailleurs, l'application de déplacements de corps rigide a permis de mettre en évidence un problème de corrélation spatiale de ce bruit qui ne pouvait être ignoré. Ainsi, et en apportant un soin particulier sur la réalisation expérimentale des essais mécaniques, la résolution en déformation obtenue est de l'ordre de 1 à 2×10-3 pour une résolution spatiale d'environ 20 µm. Une première application concernant l'étude des déformations élasto-plastiques d'un acier ferritique a permis de valider la présente méthode, de l'étendre à l'étude de régions d'intérêt de plus grandes tailles et d'en souligner les points forts mais aussi les limites.

La microscopie par cohérence optique (OCM) est une technique d'imagerie tomographique basée sur l'interférométrie en lumière blanche permettant d'imager les milieux biologiques à l'échelle microscopique. L'OCM est une méthode particulièrement adaptée à l'imagerie dermatologique, en particulier pour le diagnostic du cancer de la peau, car elle permet d'obtenir des images similaires aux images histologiques sans nécessiter d'effectuer de biopsie.Ces travaux de thèse portent sur le développement de la microscopie par cohérence optique pour l'imagerie de la peau, dans le but de fournir au dermatologue un outil d'imagerie compact, adapté à l'imagerie dermatologique in vivo, et permettant d'obtenir des images à la fois structurelles et fonctionnelles.Un dispositif de microscopie par cohérence optique plein champ (FF-OCM) compact, à éclairage par LED blanche, a tout d'abord été développé, permettant d'obtenir des images tomographiques à très haute résolution (0.7 μm × 1.8 μm) jusqu’à ∼200 μm de profondeur dans la peau. En utilisant une LED de haute puissance, des images de peau in vivo ont pu être obtenues.A partir de ce dispositif de FF-OCM, des méthodes d'imagerie fonctionnelle permettant de cartographier les écoulements sanguins (angiographie) ont été mises en oeuvre. Quatre méthodes, basées sur une analyse du signal interférométrique (temporelle ou fréquentielle), d'images de phase ou d'images d'amplitude ont permis d'imager de l'intralipide s'écoulant dans un modèle de capillaire sanguin.L'imagerie fonctionnelle polarimétrique a aussi été explorée en FF-OCM. Une optimisation du contraste des images polarimétriques a été obtenue en modifiant les composants polarisants d'un montage conventionnel de FF-OCM polarimétrique en fonction de l'échantillon imagé. Cette méthode a été testée sur un échantillon polarisant simple.Finalement, une nouvelle méthode d'OCM, la microscopie par cohérence optique confocale à éclairage « ligne » (LC-OCM) a été étudiée, dans le but de développer un système permettant d'imager la peau in vivo, avec une plus grande profondeur de pénétration dans les tissus que la FF-OCM. Ce système, combinant un filtrage interférométrique et un filtrage confocal, a permis d'obtenir des images de peau in vivo en coupe verticale et en coupe en face, avec une résolution spatiale similaire à celle de la FF-OCM, mais à une profondeur supérieure atteignant 300 μm. / Optical coherence microscopy (OCM) is a technique for tomographic imaging based on white light interferometry, making it possible to image biological media with micrometer-scale spatial resolution. OCM is particularly well-suited to dermatological imaging, especially skin cancer diagnosis, since it provides images that are similar to histological images without the need for biopsy.This PhD thesis focuses on the development of OCM for skin imaging, with the aim of providing a compact, in vivo imaging tool for the dermatologist, capable of acquiring structural and functional images of the skin.A compact, full-field OCM (FF-OCM) system illuminated by a white LED was first developed, making it possible to obtain tomographic images at an ultra-high resolution (0.7 μm × 1.8 μm), up to ∼200 μm in depth within the skin. Using a high power LED, in vivo skin images could be obtained.Using this FF-OCM setup, functional imaging methods for blood flow mapping (angiography) were implemented. Four methods, based on temporal or frequency analysis of the interferometric signal, phase images or amplitude images, have been shown to be able to image intralipid flow within a model blood capillary.Functional polarimetric imaging has also been explored in FF-OCM. Contrast optimization in polarimetric images has been obtained by modifying the polarizing components of the conventional polarization sensitive FF-OCM setup depending on the sample to be imaged. This method has been tested on a simple polarizing sample.Finally, a new OCM method, line-field confocal OCM (LC-OCM), has been studied. The goal here was to develop a system capable of imaging the skin in vivo, with a tissue penetration depth greater than what is possible for FF-OCM. This system, which combines interferometric filtering and confocal filtering, makes it possible to obtain in vivo skin images in vertical and en face slices, with a spatial resolution similar to that of FF-OCM, but with a greater penetration depth of 300 μm.

La microscopie interférométrique est une méthode de mesure qui repose sur l’acquisition et le traitement du signal issu de l’interaction de deux ondes, dites ondes « objet » et de « référence ». Ces ondes proviennent des réflexions de la lumière sur un miroir de référence et sur l’échantillon étudié. Bien qu’étant généralement utilisées pour les analyses topographiques ou tomographiques d’un échantillon, les données interférométriques peuvent être exploitées pour réaliser des caractérisations spectrales locales résolues dans les trois directions de l’espace. Dans ce projet, nous avons étudié les performances de cette technique ainsi que ses limitations lorsque l’échantillon se complexifie (dégradation du signal d’interférences). L’analyse a été appliquée à des matériaux réfléchissants pour des mesures en surface puis à des couches transparentes et diffusantes pour aller sonder le milieu en profondeur et extraire la réponse spectrale individuelle de structures localisées dans ce milieu. / White light interference microscopy is a measurement method based on the acquisition and processing of the signal coming from the interaction between two wave fronts, known as the “object” and “reference” wave-fronts. These waves come from the reflection of the light on a reference mirror and the sample studied. Usually used for topographic or tomographic analysis of a sample, the interferometric data can be exploited for spectroscopic purposes. The resulting spectral characterizations are spatially resolved in the three directions of space. In this project, we have studied the performance of this technique, as well as the associated limitations when the sample becomes more complex (degradation of the interferometric signal). The analysis has been first applied to reflective materials for surface measurements and subsequently to transparent and scattering layers for probing within the depth of the medium and then extracting the individual spectral response of the buried structures.

Ce manuscrit de thèse présente l’étude des techniques de super-résolution latérale en nanoscopie optique, qui est une des nouvelles techniques d'imagerie haute résolution, aujourd'hui largement utilisée en biophysique et en imagerie médicale, pour imager et caractériser des nanostructures, tout en conservant les avantages de l'imagerie optique en champ lointain comme un vaste champ, la visualisation et l’analyse en temps réel…Un des défis futurs de la microscopie 3D super-résolue est d’éviter l’utilisation des marqueurs fluorescents. La microscopie interférométrique fait partie des techniques d’imagerie 3D sans marquage permettant la détection de nanostructures. Pour améliorer le pouvoir de détection de ce système optique, un premier protocole de traitement d’images a été développé et implémenté, permettant ainsi de révéler des structures initialement non mesurables. Puis, pour améliorer la résolution latérale du système, une nouvelle technique combinant l’interférométrie et le principe du nano-jet photonique a été développée permettant l’observation d’objets de taille inférieure à la limite de diffraction de l’instrument optique. / This manuscript presents the study of the lateral super-resolution techniques in optical nanoscopy, which is a new high-resolution imaging method now widely used in biophysics and medical imaging, to observe and measure nanostructures, with the advantages of far field optical imaging, such as a large field of view, visualization and analysis in real time…One of the future challenges of 3D super resolution microscopy is to avoid the use of fluorescent markers. Interferometric microscopy is a 3D label-free imaging technique enabling the detection of nanostructures. To improve the detection capability of this optical system, a first version of a protocol composed of image processing methods was developed and implemented, revealing structures initially unmeasurable. Then, to improve the lateral resolution of the system, a new technique combining interferometry and the principle of the photonic nano-jet has been developed, thus allowing the observation of objects of a size smaller than the diffraction limit of the optical instrument.