For measuring the diameter and velocity of gas bubbles, several non-intrusive planar optical measurement techniques have been further developed including backlighting, Interferometric Particle Imaging (also called ILIDS), Glare Point Velocimetry and Sizing, Glare Circles and Laser Marked Shadowgraphy. / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans le but de personnaliser les interactions avec les humains, les robots doivent être capables de reconnaître les personnes avec lesquelles ils interagissent. Que ce soit pour communiquer des informations à une personne spécifique ou seulement pour différencier un homme d’une femme, la reconnaissance de personnes est fondamentale à l’établissement d'une interaction naturelle avec une personne connue ou inconnue. Les différents traits de reconnaissance biométrique, c'est-à-dire l'identification ou l'authentification d'une personne par ses caractéristiques physiques (morphologiques), ont déjà fait leurs preuves dans un environnement contrôlé, comme par exemple par la reconnaissance de visages et de la voix. Avec les avancées technologiques et la venue de caméras RGB-D (e.g., la caméra Microsoft Kinect), il est maintenant possible de détecter la présence de personne à proximité ainsi que les coordonnées des joints de son 'squelette'. Toutes ces capacités ont des limitations qui leur sont propres, et leur complémentarité permet de compenser certaines de ces limitations. Par exemple, la portée limitée de détection pour la reconnaissance de visages et de la voix pourrait par exemple être compensée s'il était possible d'arriver à identifier la présence d'une silhouette humaine. À cette fin, le projet proposé vise à développer un système de reconnaissance biométrique pour un robot mobile afin d'identifier la présence une personne, peu importe son orientation, à partir des mesures métrologiques (e.g., forme corporelle et des mesures anthropomorphiques) du corps. Il serait effectivement possible, à partir de mesures comme la longueur des bras et de la tête, la largeur des épaules et de la tête, etc., de reconnaître un individu. Toutefois, une capacité qui reste à être validée sur un robot mobile est la détection en ligne de silhouettes de personnes à partir d'images 2D. Une des difficultés à résoudre est d'y arriver en un temps de traitement suffisamment court afin de pouvoir dériver cette information lors d'interaction humain-robot. L'approche conçue dans ce mémoire, nommé RHIS pour Real-time Human Identification System, améliore une approche pré-existante qui permet l'extraction de 38 composantes frontales et 22 composantes de côté en 30 sec à partir d'images 2D à une distance de 3 m. Contrairement à cette approche, RHIS permet l'extraction de 45 composantes frontales et 24 composantes de côté en 0.1 sec à des distances variant de 1 m à 6 m. La validation de l'approche se fait en utilisant des fonds de scène uniformes (noir) et réels, à des distances allant de 1 à 6 m. Le système est développé dans l’environnement ROS (Robot Operating System) avec l’utilisation d'une Kinect et d'une caméra haute définition comme source vidéo. Afin de démontrer l'usage de RHIS avec d'autres modalités de reconnaissance biométrique, son intégration avec des modalités de reconnaissance de visages et de la voix est aussi présentée.

L'imagerie préclinique regroupe les méthodes d'imagerie permettant de faire une étude des processus biologiques in vivo et de manière non-invasive sur animaux de laboratoire. La tomographie d'émission par positrons (TEP) est une de ces méthodes. Elle utilise des molécules marquées par des émetteurs de positrons afin de pouvoir mesurer la biodistribution in vivo de ces molécules. Cependant, l'imagerie TEP est limitée à la détection de molécules marquées dans un organisme et n'offre pas toujours de référentiel suffisamment précis pour indiquer leur position exacte relativement aux organes et aux tissus internes. Le but du scanneur de profilométrie tridimensionnel (SPT) est donc de fournir un modèle 3D du contour de l'organisme qui sera superposé aux images TEP. Ce mémoire porte sur le développement de l'appareil et son installation sur le LabPET, un appareil d'imagerie TEP pour souris et rats de laboratoire développé au le Centre d'imagerie moléculaire de Sherbrooke. Ce mémoire détaille la méthodologie, le développement du matériel de mesure et les algorithmes utilisés pour la conception et la réalisation du SPT ainsi que les résultats obtenus. Une emphase est placée sur l'utilisation d'une bipyramide à base triangulaire afin d'obtenir une méthode de calibrage flexible permettant de calibrer simultanément les multiples systèmes d'acquisition du SPT et leur fournir un même référentiel unique.

La métrologie 3D permet la vérification de spécifications géométriques et dimensionnelles sur des pièces mécaniques. Ce contrôle est classiquement réalisé à partir de mesures avec des capteurs à contact montés sur des machines à mesurer tridimensionnelles. Ce type de mesures offre une très grande qualité de données acquises mais requiert un temps d'exécution relativement long. Les présents travaux s'attachent donc à développer les mesures optiques dans le cadre de la métrologie 3D qui, avec une qualité diminuée, permettent une exécution beaucoup plus rapide. L'absence de norme concernant ces systèmes de mesure a pour conséquence leur utilisation rare dans le cadre de la métrologie. En effet, le choix d'un système est généralement réalisé à partir de spécifications sur sa qualité. Nous proposons donc une méthode de qualification des systèmes de mesure optiques permettant de quantifier la qualité des données qu'ils fournissent. Les données ainsi qualifiées sont stockées dans une base de données. Un processus global d'inspection 3D multi-systèmes est mis en place, permettant le choix du système de numérisation le mieux adapté (à contact ou sans contact) en termes de qualité et de coût de numérisation, à partir des données qualifiées de la base de données. Lors de l'utilisation de systèmes de mesure optiques, la baisse de qualité est essentiellement due au bruit de numérisation inhérent à ce type de systèmes. Un filtre permettant d'éliminer ce bruit, tout en gardant le défaut de forme de la surface, est mis en place dans le processus afin de rendre possible la vérification de spécifications avec des intervalles de tolérance faibles à l'aide de systèmes de mesure optiques. / 3D metrology allows GD\&{}T verification on mechanical parts. This verification is usually calculated using data obtained with a touch probe mounted on a coordinate measuring machine. Such a measurement offers a high data quality but requires an expensive processing time. The proposed research aims at expanding optical measurements in 3D metrology, reducing execution time but with a lower data quality. The lack of standard in this field makes the use of optical sensors uncommon in 3D metrology. Indeed, the system selection is mostly carried out from its quality specifications. Therefore we propose a protocol to assess the quality of optical measuring systems that allows in particular quantification of acquired data quality. The results of measuring system qualification are stored in a database. Taking advantages of this database, a global multi-system 3D inspection process is set up allowing the selection of the best digitizing system (contact or contactless) in terms of quality and digitizing cost. When using optical sensors, the poor quality is mostly due to digitizing noise inherent to this kind of systems. A filter that removes noise, keeping the form deviation of the surface, is proposed in the process to make possible the specification verification for applications with small tolerance intervals using optical systems.

L’effet Hall quantique (EHQ), observé par exemple dans des gaz bidimensionnels d’électrons (2DEGS) à basse température et sous fort champ magnétique, a révolutionné la métrologie des résistances car il permet d’obtenir un étalon quantique de résistance qui ne dépend que de e et h (respectivement la charge de l’électron et la constante de Planck). Une des missions des métrologues est de développer les étalons en améliorant leurs performances ou en les rendant plus facile à mettre en oeuvre (travaillant à plus haute température ou plus faible champ magnétique). Dans ce contexte, la physique du graphène suscite l’intérêt pour une application en métrologie. Une monocouche de graphène est une feuille d’un seul atome d’épaisseur constituée d’atomes de carbone disposés en nid d’abeille. Une bicouche de graphène est formée par empilement de deux monocouches. Les écarts en énergie entre les premiers niveaux de Landau dans la monocouche et dans la bicouche sont supérieurs par rapport à ceux dans GaAs ce qui rend l’EHQ dans le graphène plus robuste et laisse envisager le développement d’un étalon plus pratique. Durant ma thèse, nous avons mis en place un protocole de fabrication de barres de Hall en graphène exfolié comprenant un repérage optique, des lithographies électroniques, la métallisation, la gravure plasma… L’utilisation de substrat de silicium oxydé en surface rend possible l’utilisation d’une grille en face arrière. En outre la géométrie des échantillons répond au mieux aux critères métrologiques (canal central large, prises de tension bien définies, …). A basse température, le dopage résiduel obtenu après le recuit in situ est de l’ordre de 3-4x1011 cm-2. Les mobilités sont proches de 3000 cm2/(V.s) et 4000 cm2/(V.s) respectivement pour les échantillons monocouche et bicouche à la fois pour les électrons et les trous. Le transport mésoscopique a été caractérisé à basse température par des mesures de localisation faible et de fluctuations universelles de conductance. La longueur de cohérence que nous avons extraite est de l’ordre de 0.5 µm à 1.5 K. La résistance des contacts mesurée en régime d’EHQ est plutôt faible (typiquement quelques ohms). L’EHQ a été étudié en détail à basse température (300 mK < T <1.5 K) et sous fort champ magnétique (jusqu’à 18.5T) à la fois dans la monocouche et la bicouche en mesurant de manière précise la résistance de Hall (RH) et la résistance longitudinale (Rxx). Les mesures fines de RH sont réalisées à l’aide d’un pont de comparaison basé sur un Comparateur Cryogénique de Courant ; elles consistent à comparer indirectement l’EHQ dans l’échantillon de graphène à l’EHQ obtenu dans une barre de Hall en GaAs/AlGaAs qui est supposée fournir la valeur exacte RH/2. Nos mesures révèlent un accord entre la résistance de Hall dans le graphène et la valeur attendue avec une incertitude de quelques 10-7. Au plus faible courant et dans l’état de dissipation minimale (Rxx→0), nous avons obtenu un accord avec une incertitude relative de 3.10-7. Ce niveau de précision est principalement limité par la petite taille de nos échantillons et par les inhomogénéités de la densité qui y sont présents, ces deux caractéristiques amenant de faibles courants de rupture de l’EHQ (1-2 µA). Toutefois, nos résultats sont à ce jour les tests les plus précis concernant l’EHQ dans du graphène exfolié et les premiers tests sur une bicouche. Ils confirment le potentiel de l’EHQ dans le graphène pour une application en métrologie. / The quantum Hall effect (QHE) observed in two dimensional electron gases (2DEGs) at low temperature and under high magnetic induction, has revolutionized the resistance metrology because it leads to a universal and very reproducible quantum resistance standard only dependent on e and h (respectively the electron charge and Planck's constant). One of the metrologists' missions is to develop standards with improved performances and to notably make them more practical, working for example at higher temperature or lower magnetic induction. In this context, graphene physics could be very interesting for metrological applications. Monolayer graphene is a one atom thick layer of carbon atoms condensed in a honeycomb lattice. A bilayer graphene consists in two stacked monolayers. Larger energy spacings between the first Landau Levels in monolayer and in bilayer than in GaAs make the QHE in graphene more robust and give hope that more practical standards could be developed. During the PhD, we have set a protocol up in order to fabricate exfoliated graphene based Hall bars, including location with an optical microscope, e-beam lithography, metallization, plasma etching… Backgated using oxidized silicon wafers the devices were designed to fulfill at best the metrological requirements (large conduction channel, well defined voltage probes…). At low temperature, the typical charge carrier residual doping obtained after the annealing process was 3-4x1011 cm-2. Mobilities were close to 3000 cm2/(V.s) and 4000 cm2/(V.s) respectively for the monolayer and the bilayer based device both for holes and electrons. Mesoscopic transport was characterized at low temperature by weak localization and universal conductance fluctuations (UCF) measurements. The phase coherence length deduced was about 0.5 µm below 1.5 K. The resistance of the contacts, measured in the QHE regime, appeared to be rather low (typically few ohms). The QHE was investigated in details at low temperature (300 mK < T <1.5 K) and high magnetic field (up to 18.5 T) in both monolayer and bilayer graphene by refined measurements of the Hall resistance (RH) and also of the longitudinal resistance (Rxx). The accurate measurements of RH were performed using a Cryogenic Current Comparator based resistance bridge. They consist in an indirect comparison between the QHE in graphene and the QHE obtained in a GaAs based Hall bar, supposed to deliver the expected value RH/2. Our measurements showed an agreement of the Hall resistance in graphene with the expected value within some parts in 107. At the lowest biasing current and in the lowest dissipation state (where Rxx→0) it is possible to demonstrate an agreement within an uncertainty of 3 parts in 107. That accuracy is essentially limited by the small size, and the poor homogeneity of the carrier density of the graphene electronic systems, both acting for a very reduced breakdown current of the QHE (1-2 µA). Nevertheless these results are the most accurate tests of the QHE performed in exfoliated graphene and the first universality test of the QHE with bilayer graphene. They confirm the potential of the QHE in graphene for the metrological application.

Avec la diminution constante de la taille des transistors dans la microélectronique, les outils de caractérisation doivent être de plus en plus précis et doivent fournir un débit de plus en plus élevé. La fabrication de semi-conducteurs étant un processus couche par couche, le positionnement précis de la pile est crucial. Le mauvais alignement de la pile est appelé overlay, et nous proposons ici un nouvel instrument et une nouvelle méthode pour caractériser avec précision l'overlay en mesurant une cible unique construite dans les lignes de découpe. La méthode utilise les propriétés fondamentales de symétrie de la matrice de Mueller mesurée dans le plan focal arrière d'un objectif de microscope à grande ouverture numérique et permet une caractérisation de l'overlay avec une incertitude de mesure totale de 2nm. Après une brève introduction à la polarisation et la matrice de Mueller, nous décrivons la nouvelle conception de l'instrument et son étalonnage complet. Le corps principal de ce manuscrit est dédié à la caractérisation de l'overlay, mais les applications de cet instrument sont très diverses aussi détaillerons nous comment notre instrument peut apporter des pistes pour la caractérisation et la compréhension de l'auto-organisation de l'exosquelette des scarabées. Ces coléoptères présentent un très fort dichroïsme circulaire et de nombreux groupes de recherche dans le monde entier essaient d'imiter leur exosquelette. Nous concluons ce manuscrit par un bref aperçu des principales perspectives pour notre instrument.

Le transfert des fréquences ultra-stables entre laboratoires distants est requis par de nombreuses applications concernant la métrologie temps/fréquence, la physique fondamentale, les accélérateurs de particules et l'astrophysique. Cette thèse décrit le développement de liaisons optiques ultra-stables sur des distances de 86 à 300 km. L'objectif à long terme est de développer des liens optiques de 1000 km environ afin de relier les principaux instituts nationaux de métrologie en Europe. Le lien optique est basé sur le transfert de la phase optique d'un laser ultra-stable de longueur d'onde 1542 nm par une fibre optique du réseau de télécommunications. Pour cela ont été développés des lasers stabilisés sur cavité Fabry-Perot et sur fibre optique. L'instabilité relative des lasers stabilisés sur cavité est de l'ordre de 10-15 pour un temps d'intégration de 1 s. Les lasers stabilisés sur fibre sont robustes, compacts, simples, accordables et leur bruit de fréquence est comparable à celui des lasers stabilisés sur cavité pour des fréquences supérieures à quelques dizaines de Hertz. Les liens optiques ont d'abord été démontrés sur 86 km et 172 km en utilisant des fibres dédiées reliant les laboratoires LNE-SYRTE et LPL. L'instabilité relative de fréquence obtenue était de l'ordre de 10-19 pour des temps d'intégration de 104 s. Pour des distances plus grandes, le signal ultra-stable est transféré directement sur le réseau Internet en utilisant un canal de fréquence dédiée, par la technique de multiplexage en longueur d'ondes. Un lien multiplexé a ainsi été démontré sur une distance de 300 km, avec une instabilité relative de fréquence au même niveau qu'avec des fibres dédiées

Dimensional metrology is of prime importance in the industrial and scientific domains, particularly in the field of quality control of manufactured products. In robotics too: without dimensional sensors, robots would be nothing else more than automatons, going through the same repetitive tasks again and again in a carefully controlled environment. This thesis deals with a noncontact measurement technique involving active vision, called triangulation under laser plane lighting. This optomechatronic method consists in projecting a laser sheet on an object or a surface under test, and analyzing the intersecting curve on an image taken by a camera. It allows making a wide variety of dimensional, noncontact and nondestructive, measurements (length, area, volume, diameter, curvature, reverse engineering,...). The original approach of the work is that the focus is brought on the determination of specific, restricted dimensional information on objects of diverse, but a priori known, shapes with the objective of achieving metrological performances in agreement with the industrial requirements. Furthermore, ambulatory instruments­i.e. devices that are at least portable, or even handheld­are exclusively aimed, using low-cost components. Another objective is to obtain systems for which an industrial transposition to innovative instrumental products is feasible. The text is divided in two distinct parts, both strongly correlated. The first one deals with all the theoretical aspects of the method: camera model, passage from 2-D image to 3-D scene, image processing, calibration, accuracy analysis... The performances of the developed models are also studied, in terms of robustness and repeatability. The second part describes four innovative applications of our own: the diameter measurement of cylindrical and of spherical objects, dimensional measurements in the building sector and the determination of the road surface microtexture. The achieved accuracies are globally of about 1%.

Dimensional metrology is of prime importance in the industrial and scientific domains, particularly in the field of quality control of manufactured products. In robotics too: without dimensional sensors, robots would be nothing else more than automatons, going through the same repetitive tasks again and again in a carefully controlled environment. This thesis deals with a noncontact measurement technique involving active vision, called triangulation under laser plane lighting. This optomechatronic method consists in projecting a laser sheet on an object or a surface under test, and analyzing the intersecting curve on an image taken by a camera. It allows making a wide variety of dimensional, noncontact and nondestructive, measurements (length, area, volume, diameter, curvature, reverse engineering,...). The original approach of the work is that the focus is brought on the determination of specific, restricted dimensional information on objects of diverse, but a priori known, shapes with the objective of achieving metrological performances in agreement with the industrial requirements. Furthermore, ambulatory instruments­i.e. devices that are at least portable, or even handheld­are exclusively aimed, using low-cost components. Another objective is to obtain systems for which an industrial transposition to innovative instrumental products is feasible. The text is divided in two distinct parts, both strongly correlated. The first one deals with all the theoretical aspects of the method: camera model, passage from 2-D image to 3-D scene, image processing, calibration, accuracy analysis... The performances of the developed models are also studied, in terms of robustness and repeatability. The second part describes four innovative applications of our own: the diameter measurement of cylindrical and of spherical objects, dimensional measurements in the building sector and the determination of the road surface microtexture. The achieved accuracies are globally of about 1%.

La première partie de ce manuscrit (chapitres 1 à 3) regroupe l'ensemble de mes travaux relatifs à la métrologie dimensionnelle à l'échelle du nanomètre. Après avoir donné une vue générale de l'instrumentation interférométrique utilisée dans ce domaine et montré leurs limites, je présente la réalisation d'un interféromètre elllipsométrique et d'un lambdamètre optique. Les résultats expérimentaux ont montré la possibilité d'atteindre une résolution de 10 pm sur une étendue de mesures macroscopique pour l'interféromètre et une exactitude de 10⁻⁶ en valeur relative sur la longueur d'onde avec notre lambdamètre pour un déplacement du miroir mobile de seulement 4 μm au lieu de 150 mm pour le schéma conventionnel. La seconde partie du manuscrit (chapitres 4 à 6) regroupe l'ensemble de mes travaux relatifs à la métrologie des masses. Après une description du projet national de la Balance du Watt dont l'objectif vise une redéfinition du Kilogramme, je reporte les travaux portant sur la réalisation d'un capteur polarimétrique sensible à la direction radiale du champ magnétique de l'aimant permanent composant la balance du watt du LNME et d'un inclinomètre interférométrique pour la matérialisation de l'axe gravitationnel terrestre.