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%.

Les microscopes en champ proche sont très largement utilisés pour caractériser des propriétés physiques à l'échelle du nanomètre. Afin d'assurer la cohérence des mesures et l'exactitude des résultats mesurés, ces microscopes ont besoin d'être étalonnés périodiquement. Ce raccordement à la définition de l'unité de longueur est assuré par le biais d'étalons de transfert dont les caractéristiques dimensionnelles peuvent être mesurées à l'aide d'un microscope à force atomique métrologique. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont pour but de développer en France le premier microscope à force atomique métrologique (mAFM) capable d'étalonner ces échantillons de référence. Il s'agit d'un AFM dont les courses disponibles sont de 60 μm dans le plan horizontal et 15 μm suivant l'axe vertical. Les mesures de la position relative de la pointe AFM par rapport à l'échantillon sont réalisées à l'aide d'interféromètres différentiels dont la longueur d'onde est étalonnée afin d'assurer un raccordement direct à la définition du mètre étalon. Les incertitudes de mesure de la position de la pointe par rapport à l'échantillon sont de l'ordre du nanomètre. Quatre axes de développement concourent à cet objectif : (i) la minimisation des erreurs d'Abbe, (ii) l'optimisation de la chaîne métrologique, (iii) la réduction des effets thermiques sur le processus de

Ces travaux portent sur le domaine de la nanométrologie dimensionnelle, plus particulièrement dédiée aux positionnements et aux déplacements de platines mécaniques sur des courses millimétriques. On y trouvera des détails concernant les méthodes originales développées au laboratoire, associant mécanique de précision, capteurs optiques et électronique haute fréquence qui ont permis d'obtenir de nombreux résultats expérimentaux dans ce domaine. L'accent est mis sur deux champs d'action plus particulièrement. Le premier concerne le déplacement d'une platine porte-échantillon pour des applications en association avec la microscopie en champ proche et la lithographie où il est nécessaire d'effectuer des déplacements millimétriques dans un plan avec des répétabilités de l'ordre du nanomètre. Le second concerne la balance du watt du Laboratoire National d'Essai où il est nécessaire de déplacer une masse le long d'un axe à une vitesse uniforme de 2 mm.s-1 avec une exactitude de 10-9 en valeur relative.

Le Laboratoire Commun de Métrologie LNE-CNAM (LCM) souhaite affiner sa maîtrise des références de pression afin de réaliser des appareillages de tout premier rang au niveau international. L'incertitude relative visée sur les références de pression est de l'ordre de 10-6. Cet objectif se traduit par une problématique de métrologie dimensionnelle où une mesure de la forme des pistons/cylindres utilisés dans les balances manométriques doit être menée. La mesure de cylindricité est également impliquée dans un très grand nombre d'applications industrielles comme la qualification d'étalons de référence destinés à la qualification d'appareillages de mesure. Notre travail de recherche, réalisé dans le cadre d'une convention CIFRE avec la SAS GEOMNIA, concerne la réalisation d'un instrument de référence de très haute précision permettant la mesure de forme de cylindres creux ou pleins. Nous proposons un saut technologique pour satisfaire un niveau d'incertitude sur la mesure de l'écart de cylindricité de l'ordre de 10 nanomètres dans un volume de mesure cylindrique de Ø350 mm et de hauteur 150 mm. La mesure de forme est habituellement pratiquée en déplaçant un capteur par rapport à la surface à mesurer par un guidage de haute précision. Il n'est cependant pas possible de réaliser un guidage entre deux solides d'un niveau de précision permettant de garantir les incertitudes souhaitées, même en utilisant les techniques de correction d'erreurs dont la précision est limitée par le défaut de répétabilité des guidages. Pour satisfaire à ce niveau d'incertitude, nous proposons une démarche basée sur le concept de structure métrologique dissociée. La mesure d'une pièce consiste alors à comparer sa forme à celle d'une pièce cylindrique de référence. Cette dernière doit seulement présenter une stabilité de forme parfaite. La cartographie d'écart de forme de la référence cylindrique doit cependant être identifiée au même niveau d'incertitude visé.Le travail de recherche développé propose une analyse détaillée des machines actuelles et de leurs limitations. Suite à cette analyse, une architecture de machine a été proposée pour lever ces limitations. Cette architecture tient compte des écarts " secondaires " liés à la position des capteurs et des effets de second ordre, pour satisfaire le niveau de précision visé. Une procédure complète d'étalonnage de la machine a été élaborée en s'inspirant des méthodes de séparation d'erreurs. Cette procédure originale permet de séparer les défauts de forme du cylindre de référence de ceux d'une pièce de qualification cylindrique mesurée simultanément. La méthode employée ne présente pas de limitations en termes d'exactitude. Cette procédure a été expérimentalement validée. Une analyse des effets liés à la mesure de surfaces cylindriques par des capteurs capacitifs a été menée. Ces essais ont conduit au développement de stratégies d'étalonnage de ces capteurs in situ utilisant des interféromètres à laser intégrés dans la machine. La traçabilité métrologique des résultats des mesures est ainsi garantie. Deux bancs de tests ont été développés pour caractériser les diverses influences et valider les procédures d'étalonnage des capteurs. La conception détaillée de l'instrument est issue de la synthèse des réflexions menées sur l'architecture, sur l'étalonnage et sur la maîtrise de la mesure de déplacements par capteurs capacitifs. Ce travail a abouti à la réalisation de ce nouvel instrument de référence ; sa conception, son montage et son réglage sont présentés.

Les formes asphériques et les surfaces complexes sont une classe très avancée d'éléments optiques. Leur application a considérablement augmenté au cours des dernières années dans les systèmes d'imagerie, l'astronomie, la lithographie, etc. La métrologie de ces pièces est très difficile, en raison de la grande gamme dynamique d'information acquise et la traçabilité à l'unité SI mètre. Elle devrait faire usage de la norme infinie; (Méthode de zone minimum ou la méthode Min-Max) pour calculer l'enveloppe entourant les points dans le jeu de données en réduisant au minimum la différence entre l'écart maximum et l'écart minimal entre la surface et l'ensemble de données. Cette méthode a une grande complexité en fonction du nombre de points, enplus, les algorithmes impliqués sont non-déterministes. Bien que cette méthode fonctionne pour des géométries simples (lignes, plans, cercles, cylindres, cônes et sphères), elle est encore un défi majeur lorsqu' utilisée pour des géométries complexes (asphérique et surfaces complexes). Par conséquent, l'objectif de la thèse est le développement des algorithmes d'ajustement Min-Max pour les deux surfaces asphériques et complexes, afin de fournir des algorithmes de référence robustes pour la grande communauté impliquée dans ce domaine. Les algorithmes de référence à développer devraient être évalués et validés sur plusieurs données de référence (Softgauges) qui seront générées par la suite. / Aspheres and freeform surfaces are a very challenging class of optical elements. Their application has grown considerably in the last few years in imaging systems, astronomy, lithography, etc. The metrology for aspheres is very challenging, because of the high dynamic range of the acquired information and the traceability to the SI unit meter. Metrology should make use of the infinite norm; (Minimum Zone Method or Min-Max method) to calculate the envelope enclosing the points in the dataset by minimizing the difference between the maximum deviation and the minimum deviation between the surface and the dataset. This method grows in complexity as the number of points in the dataset increases, and the involved algorithms are non-deterministic. Despite the fact that this method works for simple geometries (lines, planes, circles, cylinders, cones and spheres) it is still a major challenge when used on complex geometries (asphere and freeform surfaces). Therefore, the main objective is to address this key challenge about the development of Min-Max fitting algorithms for both aspherical and freeform surfaces as well as least squares fitting algorithms, in order to provide robust reference algorithms for the large community involved in this domain. The reference algorithms to be developed should be evaluated and validated on several reference data (softgauges) that will be generated using reference data generators.

Malgré la présence d'appareils très performants tels que les microscopes électroniques et en champ proche, les capacités à mesurer des dimensions nanométriques avec des incertitudes de quelques nanomètres constitue un véritable verrou technologique pour la fabrication en grand volume de composants de taille millimétrique mais aux caractéristiques nanométriques. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont pour but de contrôler avec des performances nanométriques, sur une plage de quelques millimètres, le positionnement d'un porte-échantillon, essentiellement dédié à la microscopie. Le système comprend des platines de déplacement mécanique, une mesure par interférométrie, une électronique haute-fréquence et des lois de commandes pour l'asservissement. Le système de déplacement est constitué de deux étages ; le premier est une platine de translation qui permet de faire des " longues distances ", et le second est un actionneur piézoélectrique qui permet de corriger les défauts du premier. Le système ainsi réalisé permet des déplacements dans les deux directions du plan X-Y avec des résolutions et des répétabilités de l'ordre du nanomètre. Ce dispositif a été intégré à un microscope à force atomique et à un microscope optique en champ proche dans le but de réaliser des images de tailles millimétriques et en même temps hautement résolues. Des images de topographie et des images optiques en champ proche de tailles supérieures à 1 mm de long viennent démontrer les performances du système.

Le Laboratoire Commun de Métrologie LNE-CNAM (LCM) souhaite affiner sa maîtrise des références de pression afin de réaliser des appareillages de tout premier rang au niveau international. L'incertitude relative visée sur les références de pression est de l'ordre de 10-6. Cet objectif se traduit par une problématique de métrologie dimensionnelle où une mesure de la forme des pistons/cylindres utilisés dans les balances manométriques doit être menée. La mesure de cylindricité est également impliquée dans un très grand nombre d'applications industrielles comme la qualification d'étalons de référence destinés à la qualification d'appareillages de mesure. Notre travail de recherche, réalisé dans le cadre d'une convention CIFRE avec la SAS GEOMNIA, concerne la réalisation d'un instrument de référence de très haute précision permettant la mesure de forme de cylindres creux ou pleins. Nous proposons un saut technologique pour satisfaire un niveau d'incertitude sur la mesure de l'écart de cylindricité de l'ordre de 10 nanomètres dans un volume de mesure cylindrique de Ø350 mm et de hauteur 150 mm. La mesure de forme est habituellement pratiquée en déplaçant un capteur par rapport à la surface à mesurer par un guidage de haute précision. Il n'est cependant pas possible de réaliser un guidage entre deux solides d'un niveau de précision permettant de garantir les incertitudes souhaitées, même en utilisant les techniques de correction d'erreurs dont la précision est limitée par le défaut de répétabilité des guidages. Pour satisfaire à ce niveau d'incertitude, nous proposons une démarche basée sur le concept de structure métrologique dissociée. La mesure d'une pièce consiste alors à comparer sa forme à celle d'une pièce cylindrique de référence. Cette dernière doit seulement présenter une stabilité de forme parfaite. La cartographie d'écart de forme de la référence cylindrique doit cependant être identifiée au même niveau d'incertitude visé.Le travail de recherche développé propose une analyse détaillée des machines actuelles et de leurs limitations. Suite à cette analyse, une architecture de machine a été proposée pour lever ces limitations. Cette architecture tient compte des écarts « secondaires » liés à la position des capteurs et des effets de second ordre, pour satisfaire le niveau de précision visé. Une procédure complète d'étalonnage de la machine a été élaborée en s'inspirant des méthodes de séparation d'erreurs. Cette procédure originale permet de séparer les défauts de forme du cylindre de référence de ceux d'une pièce de qualification cylindrique mesurée simultanément. La méthode employée ne présente pas de limitations en termes d'exactitude. Cette procédure a été expérimentalement validée. Une analyse des effets liés à la mesure de surfaces cylindriques par des capteurs capacitifs a été menée. Ces essais ont conduit au développement de stratégies d'étalonnage de ces capteurs in situ utilisant des interféromètres à laser intégrés dans la machine. La traçabilité métrologique des résultats des mesures est ainsi garantie. Deux bancs de tests ont été développés pour caractériser les diverses influences et valider les procédures d'étalonnage des capteurs. La conception détaillée de l'instrument est issue de la synthèse des réflexions menées sur l'architecture, sur l'étalonnage et sur la maîtrise de la mesure de déplacements par capteurs capacitifs. Ce travail a abouti à la réalisation de ce nouvel instrument de référence ; sa conception, son montage et son réglage sont présentés. / The “Laboratoire Commun de Métrologie LNE-CNAM (LCM)” seeks to improve the measurement of primary pressure standards done using pressure balances, to an order of 10-6 relative uncertainty. Therefore, it is appropriate to back-up these pressure balances with a measurement of the topology of the piston-cylinder devices used on these balances. Cylindricity measurement is also found in many industrial applications such as the measurement of standards used for the calibration of measuring machines. This research project, conducted in collaboration with SAS GEOMNIA under a CIFRE agreement, has a main objet to develop a new ultra-high precision machine for cylinders form measurement. We pushes with this project the leading edge of the cylinders form measurement area; we propose indeed a technological leap which leads to reduce the uncertainty associated to cylindricity errors up to 10 nm in a cylindrical working volume of 350 mm diameter rand 150 mm height. Form measurement is usually done using a measurement probe moved about the surface to be measured with high precision guiding systems. Nonetheless, these guiding systems are not precise enough to offer the low uncertainty required even when error correction techniques are used. This is because the precision of the guides is limited by their low repeatability. To meet this uncertainty level, we propose an approach based on the “dissociated metrological structure” concept. The measurement consists of comparing the artifact's form with the form of a cylindrical reference which should have perfect form stability. However, the mapping form deviation of this cylindrical reference needs to be identified at the same level of uncertainty referred.The present work exposes a detailed analysis of the existing measuring machines and their limitations. Consequently, an optimized machine architecture is proposed in order to overcome the present limitations. The proposed machine architecture takes into account the "secondary" error terms relative to the probes positions and second order effects in order to satisfy the level of accuracy sought. A complete calibration procedure of the machine has been elaborated based on the error separation methods; it allows the separation of the form errors of each of the reference cylinder and a qualification cylindrical part simultaneously measured. This procedure does not present any accuracy limitations and has been experimentally verified. An analysis of the effects related to the measurement of cylindrical artifacts using capacitive sensors has also been investigated. These experiments have led to the development of in-situ calibration strategies using laser interferometers integrated in the machine. Thus, the metrological traceability of the measurements is guaranteed. Two test benches have been developed to characterize the error sources that influence the measurement and to validate the calibration procedures of the probes used. The detailed design of the instrument synthesizes all the conceptual thoughts about the architecture, the calibration and the displacement measurement of the capacitive probes. This work has resulted in the development of this new reference instrument; its design, installation and adjustment are detailed.