Accurate 3D shape and displacement measurement using a scanning electron microscope

摘要

With the current development of nano-technology, there exists an increasing demand for three-dimensional shape and deformation measurements at this reduced-length scale in the field of materials research. Images acquired by udScanning Electron Microscope (SEM) systems coupled with analysis by Digital Image Correlation (DIC) is an interesting combination for development of a high magnification measurement system. However, a SEM is designed for visualization, not for metrological studies, and the application of DIC to the micro- or nano-scale with such a system faces the challenges of calibrating the imaging system and correcting the spatially-varying and udtime-varying distortions in order to obtain accurate measurements. Moreover, the SEM provides only a single sensor and recovering 3D information is not possible with the classical stereo-vision approach. But the specimen being mounted on the mobile SEM stage, images can be acquired from multiple viewpoints and 3D reconstruction is possible using the principle of videogrammetry for recovering the unknown rigid-body motions undergone by udthe specimen.udThe dissertation emphasizes the new calibration methodology that has been developed because it is a major contribution for the accuracy of 3D shape and deformation measurements at reduced-length scale. It proves that, unlike previous works, image drift and distortion must be taken into account if accurate measurements are to be made with such a system. Necessary background and required theoretical knowledge for the 3D shape measurement using videogrammetry and for in-plane and out-of-plane deformation measurement are presented in details as well. In order to validate our work and demonstrate in particular the obtained measurement accuracy, experimental results resulting from different applications are presented throughout the different chapters. At last, a software gathering different computer vision applications has been developed.udAvec le développement actuel des nano-technologies, la demande en matière d'étude du comportement des matériaux à des échelles micro ou nanoscopique ne cesse d'augmenter. Pour la mesure de forme ou de déformations tridimensionnelles à ces échelles de grandeur,l'acquisition d'images à partir d'un Microscope électronique à Balayage (MEB) couplée à l'analyse par corrélation d'images numériques s'est avérée une technique intéressante. udCependant, un MEB est un outil conçu essentiellement pour de la visualisation et son utilisation pour des mesures tridimensionnelles précises pose un certain nombre de difficultés comme par exemple le calibrage du système et la udcorrection des fortes distorsions (spatiales et temporelles) présentes dans les images. De plus, le MEB ne possède qu'un seul capteur et les informations tridimensionnelles souhaitées ne peuvent pas être obtenues par une approche classique de type stéréovision. Cependant, l'échantillon à analyser étant monté sur un support orientable, des images peuvent être acquises sous différents points de vue, ce qui permet une reconstruction tridimensionnelle en utilisant le principe de vidéogrammétrie pour retrouver à partir des seules images les mouvements inconnus du porte-échantillon.udLa thèse met l'accent sur la nouvelle technique de calibrage et de correction des distorsions développée car c'est une contribution majeure pour la précision de la mesure de forme et de déformations 3D aux échelles de udgrandeur étudiées. Elle prouve que, contrairement aux travaux précédents, la prise en compte de la dérive temporelle et des distorsions spatiales d'images udest indispensable pour obtenir une précision de mesure suffisante. Les principes permettant la mesure de forme par vidéogrammétrie et le calcul de déformations 2D et 3D sont aussi présentés en détails. Enfin, et dans le but de valider nos travaux et démontrer en particulier la précision de mesure obtenue, des résultats expérimentaux issus de différentes applications sont présentés.ududud