Cette thèse traite de la conception d'un imageur monovoie passif capable de produire une carte de profondeur de la scène observée. Cet imageur est conçu en optimisant conjointement les paramètres de l'optique et des traitements, méthode désignée par le terme de co-conception ou de conception conjointe. La capacité 3D de cet imageur repose sur le concept de depth from defocus (DFD) qui consiste à estimer la profondeur à l'aide d'une estimation locale du flou de défocalisation. Ces travaux portent en premier lieu sur le développement d'un algorithme d'estimation locale de profondeur non supervisé et applicable à une famille étendue d'imageurs passifs monovoies. Puis deux concepts d'optique favorisant l'estimation de profondeur sont étudiés, du point de vue théorique et expérimental: l'utilisation d'une pupille codée ou d'une optique avec une aberration chromatique longitudinale non corrigée. La réalisation d'un imageur chromatique à capacité 3D est innovante et permet d'illustrer les avantages de cette solution en termes de précision et de région de l'espace où l'estimation de profondeur est possible. Un modèle de performance est ensuite proposé pour prédire la précision des imageurs utilisant la DFD en fonction des paramètres de l'optique, du capteur et des traitements. Ce modèle est utilisé pour la conception du premier imageur chromatique à capacité 3D co-conçu dont la réalisation a permis d'illustrer l'intérêt de la co-conception.

Pour les technologies avancées, la lithographie optique par immersion utilisant des sources 193nm atteint ses limites en termes de résolutions. Les nouvelles techniques de lithographie telles que l’Extrême UV ou l’écriture à faisceaux multiples n’étant pas encore au point d’un point de vue industriel, un ensemble de techniques d’améliorations de la résolution (RET) en évolution constante permet de continuer à travailler avec les équipements à immersion. C’est dans ce contexte que s’inscrit cette thèse en se focalisant sur un des éléments principaux : le réticule. La première partie regroupe l’état de l’art de la photolithographie optique et des techniques d’amélioration de la résolution, ainsi qu’un ensemble de notions utile à la compréhension des parties B et C. La partie B concerne la réduction des effets de focalisation, plus connu sous l’appellation anglaise ‘’Best focus shift mitigation’’, observés sur des niveaux denses de type ‘’Metal’’ pour les technologies avancées. Cette partie permet de comprendre l’influence des organes physiques sur le trajet optique et propose comme solution au Best focus Shift un changement de réticule, validé d’abord via simulation puis par voie expérimentale sur plaquette. La partie C de ce manuscrit présente la prise en compte des effets inhérents à la fabrication des réticules dans l’étape de correction des effets de proximité optique, de la description des effets impliqués à la calibration et l’utilisation d’un modèle dédié. / For advanced technologies nodes, immersion optical lithography using 193nm sources reaches its limits in terms of resolutions. Since new lithography techniques such as Extreme UV or multi-beam writing are not yet ready from an industrial point of view, a continuous evolving set of tools known as Resolution Enhancement Technics (RET) allows to continue working with immersion equipment, pushing the resolution limits as much as possible. With the increasing design complexity, this task is more and more challenging. Within this frame this dissertation is addressed to improve the lithographic process variability by focusing on one of the main elements: the reticles.The first part brings together the state of the art of optical photolithography and resolution improvement techniques, as well as a set of concepts useful for parts B and C understanding. Part B deals with the reduction of focusing effects, better known as "Best focus shift mitigation", observed on dense levels such as "Metal" for advanced technologies. This part helps to understand the influence of the physical organs on the optical path and proposes as a solution to the Best focus Shift a reticle change, firstly validated via simulation and then experimentally at wafer level. Part C presents how the inherent effects of reticle fabrication can be taken into account in the Optical Proximity effects Corrections steps, from the description of the effects involved to the calibration and the use of a dedicated mask model

Avec le développement des nanotechnologies, il est devenu possible et souhaitable de créer et d'assembler des nano-objets. Afin d'obtenir des processus automatisés robustes et fiables, la manipulation à l'échelle nanométrique est devenue, au cours des dernières années, une tâche primordiale. La vision est un moyen indispensable pour observer le monde à l'échelle micrométrique et nanométrique. Le contrôle basé sur la vision est une solution efficace pour les problèmes de contrôle de la robotique. Dans cette thèse, nous abordons la problématique du micro- et nano-positionnement par asservissement visuel via l'utilisation d'un microscope électronique à balayage (MEB). Dans un premier temps, la formation d'image MEB et les modèles géométriques de la vision appliqués aux MEB sont étudiés afin de présenter, par la suite, une méthode d'étalonnage de MEB par l'optimisation non-linéaire considérant les modèles de projection perspective et parallèle. Dans cette étude, il est constaté qu'il est difficile d'observer l'information de profondeur à partir de la variation de la position de pixel de l'échantillon dans l'image MEB à un grossissement élevé. Afin de résoudre le problème de la non-observabilité du mouvement dans l'axe de la profondeur du MEB, les informations de défocalisation d'image sont considérées comme caractéristiques visuelles pour commander le mouvement sur cet axe. Une méthode d'asservissement visuelle hybride est alors proposée pour effectuer le micro-positionnement en 6 degrés de liberté en utilisant les informations de défocalisation d'image et de photométrique d'image. Cette méthode est ensuite validée via l'utilisation d'un robot parallèle dans un MEB. Finalement, un système de contrôle en boucle fermée pour l'autofocus du MEB est introduit et validé par des expériences. Une méthode de suivi visuel et d'estimation de pose 3D, par la mise en correspondance avec un modèle de texture, est proposée afin de réaliser le guidage visuel dans un MEB. Cette méthode est robuste au flou d'image à cause de la défocalisation provoquée par le mouvement sur l'axe de la profondeur car le niveau de défocalisation est modélisée dans ce cadre de suivi visuel. / With the development of nanotechnology, it became possible to design and assemble nano-objects. For robust and reliable automation processes, handling and manipulation tasks at the nanoscale is increasingly required over the last decade. Vision is one of the most indispensable ways to observe the world in micrioscale and nanoscale. Vision-based control is an efficient solution for control problems in robotics. In this thesis, we address the issue of micro- and nano-positioning by visual servoing in a Scanning Electron Microscope (SEM). As the fundamental knowledge, the SEM image formation and SEM vision geometry models are studied at first. A nonlinear optimization process for SEM calibration has been presented considering both perspective and parallel projection model. In this study, it is found that it is difficult to observe the depth information from the variation of the pixel position of the sample in SEM image at high magnification. In order to solve the problem that the motion along the depth direction is not observable in a SEM, the image defocus information is considered as a visual feature to control the motion along the depth direction. A hybrid visual servoing scheme has been proposed for 6-DoF micro-positioning task using both image defocus information and image photometric information. It has been validated using a parallel robot in a SEM. Based on the similar idea, a closed-loop control scheme for SEM autofocusing task has been introduced and validated by experiments. In order to achieve the visual guidance in a SEM, a template-based visual tracking and 3D pose estimation framework has been proposed. This method is robust to the defocus blur caused by the motion along the depth direction since the defocus level is modeled in the visual tracking framework.