Approche matricielle de la microscopie optique en régime de diffusion multiple

Matrix approach for optical microscopy in the multiple scattering regime

• Auteur / Autrice : Jad Aoun
• Direction : Mathias Fink, Alexandre Aubry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/07/2025
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin-Ondes et images (Paris ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Bossy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Aubry, Anne Sentenac, Caroline Kulcsár, Marc Guillon, Hilton Barbosa de Aguiar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Sentenac, Caroline Kulcsár

Mots clés

Mots clés libres

Microscopie en réflexion

Imagerie biologique

Anisoplanétisme

Diffusion multiple

Distorsions du front d’onde

Optique adaptative

Reflection microscopy

Iple scattering

Anisoplanetism

Biological imaging

Wavefront distorsion

Adaptive optics

Résumé

Le travail est porté sur une approche matricielle de de la microscopie quirepose expérimentalement sur la mesure de la matrice de réflexion dumilieu inspecté et qui consiste ensuite à lui appliquer un ensembled'opérations en post-traitement afin de compenser les phénomènesd'aberrations et d'imager le milieu en profondeur . Pour étudiercette approche et comprendre ses limites, a été développé un outilde simulation numérique permettant de simuler la propagation de lalumière dans les tissus biologiques. Ont ainsi pu être identifiésdifférents phénomènes en régime de diffusion multiple(rétrodiffusion cohérente, anisoplanétisme) qui faisaient échouerl'imagerie matricielle dans ce régime. Pour s'affranchir de cesproblèmes, nous avons développé une approche multi-conjuguée permettantde maîtriser les chemins de diffusion multiple vers l'avant et ainsirepousser la profondeur de pénétration des techniques de microscopieoptique sans marquage. En outre, cette approche ouvre une nouvellevoie vers une imagerie plus quantitative puisqu'elle permet decartographier l'indice de réfraction du milieu en réflexion .

This work focuses on a matrix-based approach to microscopy, which relies experimentally on measuring the reflection matrix of the inspected medium. Post-processing operations are then applied to this matrix in order to compensate for aberrations and to image the medium in depth. To study this approach and understand its limitations, a numerical simulation tool was developed to simulate light propagation in biological tissues. This allowed us to identify various phenomena occurring in the multiple scattering regime (such as coherent backscattering and anisoplanatism) that hinder matrix-based imaging in such conditions. To overcome these issues, we developed a multi-conjugate approach that enables control over multiple forward scattering paths, thereby extending the penetration depth of label-free optical microscopy techniques. Moreover, this approach paves the way for more quantitative imaging, as it allows mapping of the medium's refractive index in reflection.