Imagerie sans lentille 2D/3D : prototype et applications

2D/3D lensless imaging : prototype and applications

• Auteur / Autrice : Ramona Corman
• Direction : Willem Boutu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 13/03/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interactions, dynamiques et lasers (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Imagine optic
• Jury : Président / Présidente : Thomas Gustavsson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Gustavsson, Mona Mihailescu, Olivier Haeberlé, Mathieu Ducousso, Oana Nedelcu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mona Mihailescu, Olivier Haeberlé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Holographie

Microscopie médicale

Mots clés libres

Imagerie sans lentille

Holographie

Microscopie

Microfluidique

Lab-on-a-Chip

Lensless

Holography

Microscopy

Microfluidics

Lab-on-a-chip

Résumé

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 ».

Biological imaging has made tremendous progresses these last decades. The latest developments concern manipulating and imaging single cells with nanometer spatial resolutions. A recent category of imaging techniques, called lensless microscopy, are very promising because they combine very good spatial resolutions in a large field-of-view, simplicity of use and low cost, while operating on label free samples. In this thesis two different lensless approaches are considered: digital in-line holography (DILH) and Fourier transform holography (FTH). In lensless imaging, the usual optical system used to form the sample’s image are remove and replace by numerical algorithms using the light spatial coherence properties.Two imaging prototypes, built on these principles, are presented. They offer (sub ) micrometer scale resolutions, and offer the possibility to retrieve both spatial amplitude and phase information of the optical field. This allows to achieve pseudo-3D reconstruction of volumetric objects from a single 2D hologram. Both devices were first characterized with reference samples. In a second step, real applications, relevant to selected biological problems, were performed to assess the devices’ performances towards high resolution, real time imaging and 3D.This thesis objective is also to develop a new platform directly integrating in a single chip a microfluidics system for biological cell handling by dielectrophoresis and an optical mask for cell visualization by lensless microscopy. Its working principle is based on cell transport in a liquid media by microfluidics, cell separation in the microscope field of view by the electric field induced by specific electrodes, and simultaneous cell imaging by Fourier Transform Holography. The main advantage of such coupled electro-optical system for cell imaging and analysis are the improved control, the precision and sensitivity regarding cell morphology all together merged in a compact imaging platform. The capability of the platform can be extended to analysis of cells’ behavior and morphologic deviation during the electrochemical processes of DEP.A major challenge in microscopy field is to reduce the production costs. The two types of lensless microscopy presented in this thesis aims to introduce new imaging tools that allows scientists to obtain low-cost high-resolution images in label-free conditions. Additionally, the microfluidics chip is a first demonstration of a new integrated platform for cell live analysis into a single Lab-on-a-chip device.