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High-resolution tomographic diffractive microscopy : sample scanning optimization and 3-D quantitative polarimetric imaging
Taddese, Asemare Mengistie (1993-....)
Résumé
Les techniques d'imagerie sans marquage sont de plus en plus demandées. La microscopie tomographique diffractive (MTD) est une technique utilisant l’holographie et un modèle d'inversion numérique des données pour quantifier la distribution 3D de l'indice de réfraction (IR) de l’échantillon observé.
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En raison de l'acquisition séquentielle des données en MTD, acquérir peu d’hologrammes permet une imagerie plus rapide, mais avec une qualité dégradée. Une optimisation du schéma d’illumination de l'échantillon a donc été effectuée pour obtenir des images de haute qualité avec un nombre limité d'hologrammes. Plusieurs types de schémas de balayage sont étudiés, par simulation en considérant les configurations en transmission, réflexion et 4Pi, et par validation expérimentale en utilisant un MTD en transmission. Le schéma de balayage optimisé remplit mieux l'espace de Fourier, donnant une meilleure estimation de l'IR. La MTD basée sur la théorie scalaire de la diffraction permet une acquisition de données et une reconstruction d'image simplifiées. Elle fournit des cartes d'IR 3D à haute résolution pour des spécimens standard, mais échoue à quantifier les échantillons biréfringents. Dans la deuxième partie de ce travail, un système simplifié de MTD sensible à la polarisation (MTD-SP) est construit. L'algorithme d'inversion est validé par des simulations utilisant la méthode de propagation de faisceau. Des expériences sont menées en utilisant le schéma de balayage optimisé et une variété d'échantillons biréfringents. Enfin, l'utilisation d’un capteur de polarisation permet d'imiter un microscope à contraste d'interférence différentiel, ce qui a aussi été démontré expérimentalement..Label-free imaging techniques are highly demanded for several applications in biology. Tomographic Diffractive Microscopy (TDM) is one of the well-established label-free Quantitative Phase Imaging technique. By using holographic system and numerical inversion models, TDM quantifies a weakly scattering sample’s 3-D refractive index (RI) distribution. Due to TDM’s sequential data acquisition, acquiring fewer holograms leads to faster imaging, but with a degraded image quality due to unrecorded object frequency components. Inspired by such problems, optimization of the angular sample scanning scheme is performed to obtain high quality images with limited number of holograms. Several classes of sample scanning schemes are studied. Image simulation considering transmission, reflection and 4Pi TDM configurations, as well as experimental validation using a transmission TDM reveals that the optimized scheme indeed better fills Fourier space, leading to better RI estimation. Moreover, TDM relying-on scalar-wave scattering theory leads to simplified data acquisitions and image reconstructions. It provides 3-D high-resolution RI maps of standard samples, however fails to quantify birefringent ones. In the second part of this work, a simplified polarization sensitive TDM (PS-TDM) system is built. The inversion algorithm is validated by image simulations using beam propagation method. Experiments are conducted using the optimized sample scanning scheme and variety of birefringent samples. Finally, use of a polarization analyzer sensor for PS-TDM allows mimicking a differential interference contrast microscopy, which is demonstrated experimentally using a non-birefringent sample.