Une grande majorité des systèmes d’imagerie est aujourd’hui constituée à la fois d’un système optique performant et de traitements numériques des images acquises. Concevoir conjointement l’optique avec le traitement est appelé « co-conception. » Bien qu’une telle démarche soit difficile à mettre en œuvre, il existe plusieurs problématiques dans lesquelles son efficacité a été démontrée. L’une d’entre elles, étudiée dans ce manuscrit, est l’extension de la profondeur de champ en utilisant des masques de phase binaires annulaires. On distingue ici deux types d’applications. Pour la première, le produit final est une image restaurée par un algorithme de déconvolution. Nous montrons que les masques optimaux optimisés avec un critère basé sur le filtre de Wiener ou avec un critère basé sur une méthode de déconvolution non linéaire sont pratiquement identiques. La seconde application est la microscopie par localisation de molécule unique (SMLM), où l'image acquise sert à estimer une autre information : la position ou la présence d'un marqueur fluorescent individuel. Nous proposons un critère d’optimisation des masques non plus basé sur la qualité d’une image restaurée mais sur la précision avec laquelle un marqueur peut être localisé. Avec cette méthodologie (basée sur la borne de Cramér-Rao), nous avons la capacité d’optimiser des masques d’extension de profondeur de champ dans des conditions réalistes, en tenant compte des paramètres clefs d’une expérience de SMLM, et de prédire les performances de localisation qu’ils peuvent atteindre. Nous proposons aussi un traitement approprié des images acquises afin de localiser les marqueurs fluorescents avec la précision sous-pixellique prévue par nos modèles.