Published March 13, 2020 | Version v1
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2D/3D lensless imaging: prototype and applications

Description

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. (author)

Abstract (French)

L'imagerie biologique a realise des progres significatifs durant les dernieres decennies. Les recentes innovations portent sur la manipulation et la visualisation de cellules uniques avec une resolution spatiale de l'ordre du nanometre. Une technologie d'imagerie recente, l'imagerie 'sans lentille', est particulierement prometteuse car elle combine une bonne resolution spatiale, un champ de vision etendu, une simplicite d'utilisation, un cout abordable et la possibilite de travailler sur des echantillons exempts de marqueurs specifiques. En imagerie sans lentille, le systeme optique classiquement utilise pour constituer l'image de l'echantillon est remplace par des algorithmes informatiques qui s'appuient sur les proprietes de coherence spatiale de la lumiere. Dans cette these, deux approches differentes de microscopie sans lentille sont considerees: l'holographie numerique en ligne et l'holographie par transformee de Fourier. Deux prototypes d'imagerie, construits selon ces principes, sont presentes. Ils offrent une resolution de l'ordre du micron, ainsi que la possibilite de retrouver les informations relatives a l'amplitude spatiale et a la phase du champ optique. Cela permet la realisation de reconstructions pseudo-3D d'objets volumetriques a partir d'un unique hologramme. Les deux dispositifs ont d'abord ete caracterises avec des echantillons de reference. Par la suite, des experiences d'applications ont ete testees pour estimer la capacite des dispositifs a repondre a des problematiques concretes dans le domaine de la biologie, grace a la haute resolution, l'imagerie en temps reel et la reconstruction 3D. L'objectif de cette these est egalement de developper une nouvelle plateforme qui integre, dans une puce microfluidique, d'une part un systeme permettant la manipulation de cellules par dielectrophorese, et d'autre part un masque optique pour la visualisation des cellules par imagerie sans lentille. Le principe de fonctionnement est base sur le deplacement des cellules en milieu liquide et la separation des cellules dans le champ de vision du microscope en utilisant un champ electrique induit par des electrodes specifiques. Le masque optique permet de definir le champ de vision du microscope et de creer les faisceaux de reference necessaires pour l'imagerie par holographie par transformee de Fourier. Le principal avantage de ce systeme electro-optique pour l'imagerie cellulaire reside dans sa capacite a fournir une plateforme d'imagerie compacte qui regroupe precision et sensibilite. Les champs d'applications de cette plateforme sont varies. Une application concrete qui decoule immediatement des premieres experiences presentees dans ce manuscrit serait l'analyse du comportement des cellules et de leurs modifications morphologiques lors d'un processus electrochimique de dielectrophorese. L'un des challenges majeurs dans le domaine de la microscopie est de reduire les couts de fabrication. Les deux types de microscopes sans lentille presentes dans cette these visent a introduire dans le monde scientifique des outils d'imagerie permettant d'obtenir une haute resolution a un faible cout et sans marquage. Par ailleurs, la puce microfluidique est une premiere demonstration de plateforme integree pour l'analyse des cellules en temps reel dans un dispositif de type 'Lab-on-a-chip'

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Original title (English)
Imagerie sans lentille 2D/3D: prototype et applications

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Imprint Pagination
171 p.
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FRCEA-TH--13620

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