Reconstruction de surface 3D complète avec le microscope électronique à balayage pour des applications métrologiques et pédagogiques

Full 3D surface reconstruction with the scanning electron microscope for metrological and educational applications

• Auteur / Autrice : Mayra Yucely Beb Caal
• Direction : Sounkalo Dembélé, Nadine Piat, Sébastien Thibaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 18/04/2024
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Jury : Président / Présidente : Karine Masenelli-Varlot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rainer Tutsch
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Haeberlé, Sinan D. Haliyo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recalage 2D/3D

Mots clés libres

Reconstruction 3D

Microscope électronique à balayage

Auto-Étalonnage

Métrologie dimensionnelle

Commande de microrobot

Matériel pédagogigue

3D recontruction

Scanning electron microscope

Auto-Calibration

Dimensional metrology

Micro-Robot Control

Educational materials

Résumé

Cette thèse traite de la reconstruction 3D de surfaces avec le microscope électronique à balayage (MEB), un outil d’observation répandu en ingénierie, biologie et géologie, mais qui ne fournit initialement que des images en 2D. Elle propose une méthode de reconstruction 3D en deux phases pour les échantillons microscopiques. Dans la première phase, des reconstructions partielles de haute qualité sont générées à partir d’environ une centaine d’images obtenues sur une rotation à 360°.L’approche de reconstruction géométrique avec auto- étalonnage précis (Pollen 3D) est adoptée. Dans la seconde phase, les reconstructions partielles sont recalées par l’algorithme ICP, puis assemblées en un nuage de points 3D, converti en maillage pour l’impression 3D. Les conditions de manipulation des échantillons dans la chambre à vide sont définies, les lois de centrage et d’autofocus sont développées pour des images de haute qualité, et des méthodes de filtrage et de nettoyage des images et des nuages de points sont établies. Ces développement sont été validés sur des microscopes Zeiss et Thermo Fisher avec différents échantillons, tels que des grains de pollen, des outils de tournage, une foraminifère et une dent de requin. Elles peuvent être utilisée sen pédagogie, préservation et métrologie.

This thesis addresses the challenge of 3D surface reconstruction using scanning electron microscopy. Scanning electron microscopes find extensive applications in various fields, including engineering, biology, and geology. However, they inherently provide only 2D images. This thesis proposes a method for comprehensive 3D reconstruction, divided into two phases, of the surface of individual microscopic specimens observed through this microscope. In the initial phase, high-quality partial reconstructions are generated from approximately one hundred images obtained by rotating the specimen 360°. The geometric reconstruction approach with precise autocalibration, previously developed in the laboratory (Pollen 3D), is employed.In the subsequent phase, the partial reconstructions are aligned using the ICP algorithm and then integrated to construct a 3D point cloud, which is further converted into a mesh suitable for printing. Along side the 3D reconstruction process, protocols for sample handling within the vacuum chamber are defined, laws controlling centering and autofocus are developed for capturing input images, and methods for filtering 2D images and cleaning point clouds are devised. The developed methodologies were validated using Zeiss and Thermofisher microscopes across various specimens,including pollen grains, turning tools, a foraminifer, and a shark tooth. These reconstructions hold potential utility in educational contexts, preservation efforts for delicate samples, and metrological applications.