Mon travail s'inscrit dans le cadre du partenariat stratégique Télécom SudParis (TSP) et TRIBVN/T-life, dédié au développement de nouvelles approches en microscopie optique, couplées à l'intelligence artificielle, en vue d'identifier, de prédire et de monitorer les pathologies hématologiques et parasitologiques. C'est dans cette perspective que nous avons développé, dans le laboratoire, un prototype de microscope reposant sur un principe d'imagerie non conventionnelle à synthèse d'ouverture, basée sur l'approche FPM (Fourier Ptychographic Microscopy). Cette approche permet de dépasser les limites en résolution de l'optique conventionnelle ou, de façon équivalente, accéder à des champs de vue très larges (de 4 à 25 fois plus importants) à résolution fixée. Elle permet, en sus, de diversifier la nature des données acquises (avec l'enregistrement de la phase en complément des données d'intensité).Toutefois, en raison de certaines contraintes, notamment le temps d'acquisition et de reconstruction des images pour obtenir une qualité optimale, cette technologie rencontre encore des difficultés pour trouver ses applications et être commercialisée par les différents acteurs du domaine de la microscopie. Le travail réalisé dans cette thèse a permis des avancées significatives sur certains des aspects limitants de cette technologie grâce à la mise en œuvre de modèles à base de réseaux de neurones. Nous avons proposé une relocalisation automatique des images bimodales efficace sur de grands champs de vue, grâce à un post-traitement basé sur un U-Net. Nous avons aussi proposé une approche originale, alliant apprentissage statistique et optimisation guidée par la physique pour réduire les temps d'acquisition des images et les temps de reconstruction. Ces modèles ont démontré leur efficacité, par des diagnostics plus précis et discriminants, dans des applications de parasitologie et d'hématologie. Les contributions apportées ont un potentiel d'application qui dépasse le domaine de la FPM, ouvrant des perspectives dans divers autres champs de l'imagerie calculatoire.