La microscopie optique est une technique essentielle pour de nombreuses disciplines des sciences expérimentales qui nécessitent des résolutions sans cesse plus petites. Dans ce travail de thèse sont présentés plusieurs travaux pour l'amélioration de la résolution en microscopie de fluorescence et en microscopie tomographique par diffraction (MTD), une récente technique de microscopie de phase. Dans un premier temps, il est montré que déposer l'échantillon sur un miroir permet d'augmenter la résolution axiale en MTD et en microscopie confocale de fluorescence. En microscopie confocale, il faut pour cela mettre en forme le faisceau incident grâce à un modulateur spatial de lumière. En MTD, il suffit d'adapter le programme de reconstruction. La deuxième partie présente des algorithmes pour reconstruire des images haute résolution à partir de mesures en éclairement structuré avec de champs d'illumination inconnus, à la fois en microscopie de fluorescence (algorithme blind-SIM) et en MTD. En microscopie de fluorescence, ces algorithmes permettent de simplifier drastiquement les montages expérimentaux produisant l'éclairement structuré et en MTD, d'obtenir des images d'échantillons à fort indice.

La microscopie optique est une technique essentielle pour de nombreuses disciplines des sciences expérimentales qui nécessitent des résolutions sans cesse plus petites. Dans ce travail de thèse sont présentés plusieurs travaux pour l'amélioration de la résolution en microscopie de fluorescence et en microscopie tomographique par diffraction (MTD), une récente technique de microscopie de phase. Dans un premier temps, il est montré que déposer l'échantillon sur un miroir permet d'augmenter la résolution axiale en MTD et en microscopie confocale de fluorescence. En microscopie confocale, il faut pour cela mettre en forme le faisceau incident grâce à un modulateur spatial de lumière. En MTD, il suffit d'adapter le programme de reconstruction. La deuxième partie présente des algorithmes pour reconstruire des images haute résolution à partir de mesures en éclairement structuré avec de champs d'illumination inconnus, à la fois en microscopie de fluorescence (algorithme blind-SIM) et en MTD. En microscopie de fluorescence, ces algorithmes permettent de simplifier drastiquement les montages expérimentaux produisant l'éclairement structuré et en MTD, d'obtenir des images d'échantillons à fort indice. / Various fields of experimental science are constantly requiring smaller resolution for optical microscopy. In this thesis are presented several works for improving resolution in fluorescence microscopy and in Tomographic Diffraction Microscopy (TDM), an emerging phase microscopy technique. In the first part it is shown that one can improve the axial resolution in depositing the sample on a mirror. In confocal fluorescence microscopy, this is done by shaping the illumination beam with a Spatial Light Modulator. In TDM this is done by adapting the reconstruction method. Then algorithms are proposed for reconstructing high-resolution images from structured illumination measurements with unknown illumination fields, both in fluorescence imaging (blind-SIM algorithm) and in TDM. This allows a dramatical simplification of the experimental set-ups in fluorescence structured illumination and the image reconstruction of high optical index samples in TDM.

Cette thèse vise à améliorer la résolution en trois dimensions grâce à une technique récente d’imagerie : la microscopie tomographique diffractive (MTD). Son principe est d’éclairer l’objet successivement sous différents angles en lumière cohérente, de détecter le champ diffracté en phase et en amplitude, et de reconstruire la carte 3D de permittivité de l’objet par un algorithme d’inversion. La MTD s’est avérée capable de combiner plusieurs modalités utiles pour la microscopie sans marquage, telles que plein champ, champ sombre, à contraste de phase, confocale, ou encore la microscopie à synthèse d’ouverture 2D ou 3D. Toutes sont basées sur des approximations scalaires et linéaires, ce qui restreint leur domaine d’application pour restituer l’objet de manière quantitative. A l’aide d’une inversion numérique rigoureuse prenant en compte la polarisation du champ et le phénomène de diffusion multiple, nous sommes parvenus à reconstruire la carte 3D de permittivité d’objets avec une résolution de λ/4. Une amélioration supplémentaire la portant à λ/10 a été rendue possible par l’insertion d’information a priori sur l’objet dans l’algorithme d’inversion. Enfin, la résolution axiale est moins bonne du fait de l’asymétrie des schémas d’illumination et de détection dans les microscopes. Pour s’affranchir de cette limitation, une configuration de tomographie assistée par miroir a été implémentée et a mis en évidence un pouvoir de séparation axial meilleur que λ/2. Au final, la MTD s’est illustrée comme un outil de caractérisation puissant pour reconstruire en 3D les objets ainsi que leurs indices optiques, à des résolutions bien supérieures à celles des microscopes conventionnels. / This PhD thesis is devoted to the three-dimensional isotropic resolution improvement using optical tomographic diffraction microscopy (TDM), an emerging optical microscope technique. The principle is to illuminate the sample successively with various angles of coherent light, collect the complex (amplitude and phase) diffracted field and reconstruct the sample 3D permittivity map through an inversion algorithm. A single TDM measurement was shown to combine several popular microscopy techniques such as bright-field microscope, dark-field microscope, phase-contrast microscope, confocal microscope, 2D and 3D synthetic aperture microscopes. All rely on scalar and linear approximations that assume a linear link between the object and the field diffracted by it, which limit their applicability to retrieve the object quantitatively. Thanks to a rigorous numerical inversion of the TDM diffracted field data which takes into account the polarization of the field and the multiple scattering process, we were able to reconstruct the 3D permittivity map of the object with a λ/4 transverse resolution. A further improvement to λ/10 transverse resolution was achieved by providing a priori information about the sample to the non-linear inversion algorithm. Lastly, the poor axial resolution in microscopes is due to the fundamental asymmetry of illumination and detection. To overcome this, a mirror-assisted tomography configuration was implemented, and has demonstrated a sub-λ/2 axial resolution capability. As a result, TDM can be seen as a powerful tool to reconstruct objects in three-dimensions with their optical material properties at resolution far superior to conventional microscopes.