Microscopie diffractive tomographique haute résolution : Numérisation d'échantillons optimisation et imagerie polarimétrique quantitative 3-D

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.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. 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

Microscopie diffractive tomographique haute résolution : Numérisation d'échantillons optimisation et imagerie polarimétrique quantitative 3-D

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. 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

Jones tomographic diffractive microscopy with a polarized array sensor

International audienceTomographic diffractive microscopy (TDM) based on scalar light-field approximation is widely implemented. Samples exhibiting anisotropic structures, however, necessitate accounting for the vectorial nature of light, leading to 3-D quantitative polarimetric imaging. In this work, we have developed a high-numerical aperture (at both illumination and detection) Jones TDM system, with detection multiplexing via a polarized array sensor (PAS), for imaging optically birefringent samples at high resolution. The method is first studied through image simulations. To validate our setup, an experiment using a sample containing both birefringent and non-birefringent objects is performed. Araneus diadematus spider silk fiber and Pinna nobilis oyster shell crystals are finally studied, allowing us to assess both birefringence and fast-axis orientation maps

3D differential interference contrast microscopy using polarisation‐sensitive tomographic diffraction microscopy

International audienc

Unsupervised regularized inverse method for 3D reconstruction in tomographic diffractive microscopy

Regularized inverse approaches are now widely used for the three dimensional reconstructions in Tomographic Diffractive Microscopy. This family of methods consists in the minimization, under some constraints, of a cost function often composed with a data fidelity term and one or several regularization terms. On one hand, the data fidelity term is based on the likelihood of the data. On the other hand, the regularization terms are based on physical a priori (morphology, values,…). It is important to keep a good trade off between data fidelity and regularization. The contribution of these last ones is weighted through hyperparameters which require a precise tuning. The minimization of the Generalized Stein’s Unbiased Risk Estimator (GSURE) is efficient to select a set of optimal hyperparameters however it requires an accurate approximation of the data formation. In this work, we compare the efficiency of an unsupervised regularized approach using GSURE depending of the data model approximation. We compare the optimal reconstructions obtained using the first Born approximation on one side and the Beam Propagation Method on the other side. We chose the regularization of the Total Variation, which favor piece-wise constant structures. For the reconstruction, we used the Primal-Dual Condat-Vũ algorithm with backtracking. We apply both reconstruction methods on experimental data. Our results show that our unsupervised regularized method manages in both cases to find an optimal reconstruction

Reconstruction d’image régularisée non supervisée en microscopie tomographique diffractive

Ce travail présente une approche inverse régularisée non supervisée pour la reconstruction de la carte 3D d’indice de réfraction d’un échantillon en microscopie tomographique diffractive (MTD), récemment publiée dans le Journal of the Optical Society of America A (JOSAA) [1]. La technique MTD permet l’imagerie d’échantillons transparents en 3D sans requérir de marquage. La MTD apporte une information morphologique complémentaire aux phénomènes métaboliques observés via les techniques de nanoscopie fluorescente (STED, PALM/STORM). Bien que moins résolue et moins spécifique que ces dernières, la MTD permet tout de même d’imager un champ de vue plus étendu à haute résolution (2 fois la limite de diffraction). Notre méthode de reconstruction se base sur la minimisation de l’estimateur généralisé non biaisé du risque de Stein – GSURE pour Generalized Stein’s Unbiased Risk Estimator – afin d’estimer automatiquement des valeurs optimales des hyperparamètres de régularisation (parcimonie, préservation de bords, Variation Totale). Nous avons évalué cette méthode sur des reconstructions 3D à partir de données simulées et expérimentales, en utilisant différents modèles de formation d’image (approximation de Rytov à l’ordre 1, modèle de propagation de proche en proche – Beam Propagation Method), et en les comparant avec des méthodes de reconstruction usuelles (inversion de Rytov, algorithme de Gerchberg-Papoulis). Nos résultats montrent qu’un réglage approprié du poids des régularisations dans la résolution du problème de reconstruction permet d’exploiter au mieux l’information disponible dans les données, ce qui peut s’avérer particulièrement critique si cette dernière est limitée (nombre d’angles de vues, couverture angulaire limitée). Disposer d’une méthode de réglage non supervisée de ces hyperparamètres constitue alors un avantage certain, et dans ce contexte nous montrons que le critère GSURE est un bon candidat

Multimodal image reconstruction from tomographic diffraction microscopy data

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