Introduction générale vii
1 Imager, résoudre et agrandir : le microscope 1
1.1 Une vision unifiée des systèmes d’imagerie optique . . .. . . . . . . . 1
1.1.1 Introduction : du microscope au lecteur DVD . . . . .. . . . 1
1.1.2 Microscopie plein champ et à balayage . . . . . . . .. . . . . 3
1.1.3 Réciprocité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 4
1.2 Le microscope à balayage . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 5
1.2.1 Formation de l’image . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 5
1.2.2 La résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 7
1.2.3 Le grandissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 10
1.3 Les nouvelles microscopies optiques . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 10
1.3.1 Amélioration du contraste . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 11
1.3.2 Amélioration de la résolution . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 14
1.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 16
2 Optique adaptative 19
2.1 Formation d’images . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 19
2.1.1 L’optique géométrique . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 19
2.1.2 La diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 22
2.2 Aberrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 23
2.2.1 Aberrations optiques . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 23
2.2.2 Milieux non homogènes aberrants . . . . . . . . . . .. . . . . 26
2.2.3 Qualité des images . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 27
2.3 Optique adaptative . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 27
2.3.1 Correction de surface d’onde . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 29
2.3.2 Mesure de surface d’onde . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 31
2.3.3 Etoile guide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 33
2.4 Optique adaptative en astronomie . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 34
2.5 Optique adaptative pour les applications biomédicales .. . . . . . . . 38
2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 41
3 Imager en milieux diffusants 45
3.1 Milieux diffusants . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 45
3.1.1 Lumière balistique, diffusion simple et multiple . . .. . . . . . 45
3.1.2 Ordre de grandeur en biologie . . . . . . . . . . . .. . . . . . 46
iv Imager l’invisible avec la lumière
3.1.3 Imagerie balistique . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 47
3.2 Imager avec la lumière diffuse . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 49
3.2.1 Le speckle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 50
3.2.2 Le contrôle de front d’onde . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 51
3.2.3 La conjugaison de phase . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 52
3.2.4 Optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 53
3.2.5 Matrice de transmission . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 55
3.2.6 Imager grâce au contrôle de front d’onde . . . . . . .. . . . . 57
4 Holographie 63
4.1 Introduction à l’holographie . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 64
4.1.1 Tridimensionnalité ou stéréoscopie ? . . . . . . . . .. . . . . . 64
4.1.2 Enregistrer ou restituer ? . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 66
4.1.3 Phase des ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 67
4.1.4 Notion de cohérence . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 69
4.2 Principe de l’holographie . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 70
4.2.1 L’holographie : enregistrement . . . . . . . . . . . .. . . . . . 70
4.2.2 Restitution analogique de l’hologramme . . . . . . . .. . . . . 72
4.3 Holographie numérique . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 74
4.3.1 Configuration expérimentales . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 74
4.3.2 Reconstruction numérique . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 74
4.4 Applications en microscopie . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 77
4.4.1 Refocalisation numérique et suivi d’objets. . . . . .. . . . . . 77
4.4.2 Imagerie holographique doppler . . . . . . . . . . . .. . . . . 78
4.4.3 Imagerie de phase quantitative . . . . . . . . . . . .. . . . . . 80
4.5 La projection holographique en microscopie et enbiologie . . . . . . . 87
4.5.1 Hologrammes de synthèse . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 87
4.5.2 Projection dynamique de motifs optiques . . . . . . .. . . . . 87
4.5.3 Applications optogénétiques . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 88
4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 96
5 Microscopie de Fluorescence 99
5.1 Fluorescence et marqueurs fluorescents pour la biologie. . . . . . . . . 100
5.1.1 Qu’est-ce que la fluorescence ? . . . . . . . . . . .. . . . . . . 100
5.1.2 Les protéines fluorescentes et leurs applications enbiologie . . 101
5.2 Microscopie plein champ conventionnelle . . . . . . . .. . . . . . . . . 104
5.2.1 Architecture et grandissement du microscope pleinchamp . . 105
5.2.2 Définition de la PSF et résolution latérale . . . . .. . . . . . . 106
5.2.3 Forme de la PSF dans les 3 dimensions spatiales . . .. . . . . 107
5.2.4 Formation des images . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 108
5.2.5 Le problème du fond . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 111
5.2.6 Une application de la microscopie plein champ en
neurosciences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 112
5.2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 114
5.3 Microscopies à balayage laser . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 114
5.3.1 Microscopie confocale . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 114
5.3.2 Microscopie à deux photons . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 119
Table des matières v
5.4 Techniques de microscopie rapides à sectionnementoptique . . . . . . 123
5.4.1 Microscopie confocale à disque rotatif . . . . . . . .. . . . . . 125
5.4.2 Microscopie à feuille de lumière . . . . . . . . . . .. . . . . . 125
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 129
Conclusion 133
Remerciements 135
Les auteurs 137
Sponsors 139
