Cette thèse propose trois contributions principales pour l'imagerie en microscopie à fluorescence. (1) Modélisation du système optique : nous avons étudié les approximations gaussiennes des moindres carrés pour les réponses impulsionnelles optiques (PSFs) limitées par la diffraction du microscope en champ large (WFFM), du microscope confocal (LSCM), et du microscope confocal à disque rotatif (DSCM). Les situations paraxiales/non-paraxiales et 2D/3D sont toutes considérées. Les PSFs sont décrites par les intégrales de diffraction de Debye. Nous avons dérivé les paramètres gaussiens optimaux pour la PSF 2D paraxiale du WFFM, sous les normalisations Linf et L1. Pour les autres PSFs, avec la normalisation Linf, des paramètres quasi-optimaux sont explicitement dérivés par l'appariement des séries de Maclaurin. Ces modèles approximatifs gaussiens peuvent être calculés rapidement, et facilitent considérablement la modélisation des objets biologiques. (2) Débruitage des images de fluorescence : les images issues des LSCM et DSCM ont des statistiques purement poissoniennes ou poissoniennes et gaussiennes mélangées (MPG) selon les différents modes d'acquisition du microscope. Deux approches sont proposées pour restaurer une image poissonienne. La première méthode, basée sur les tests d'hypothèses dans le domaine de Haar biorthogonale, est particulièrement appropriée à estimer rapidement les intensités poissoniennes régulières dans des données de grandes tailles. Notre deuxième méthode, basée sur une transformée stabilisatrice de variance (VST), permet de gaussianiser et stabiliser un processus poissonien filtré. Cette VST peut être combinée avec de nombreuses transformées multi-échelles, ce qui conduit aux VSTs multi-échelles (MS-VSTs). Nous montrons que les MS-VSTs permettent de restaurer efficacement des structures saillantes de diverses formes (isotropes, linéiques et curvilignes) avec un (très) faible flux photonique. La MS-VST est également généralisée pour débruiter les données MPG et pour extraire les taches fluorescentes dans les données MPG. (3) Détection super-résolutive : nous avons revu et étendu les résultats des limites de la résolution pour les sources ponctuelles issus des théories de la détection, de l'estimation, et de l'information. En particulier, nous avons proposé d'appliquer la VST pour étudier les limites de la résolution dans le cas d'observations poissoniennes ou MPG. Les résultats sont asymptotiquement consistants et les expressions sont de formes closes. Nous avons également généralisé une approche de super-résolution qui est basée sur l'ajustement de modèle paramètrique et la sélection de l'ordre de modèle pour localiser un nombre inconnu de spots ou de bâtonnets. Cette méthode permet non seulement de localiser les sources ayant des configurations spatiales complexes, mais aussi d'extraire les objets séparés par des distances inférieures à la résolution optique de Rayleigh (super-résolution).