PT2602583E - Sistema interferométrico de baixa coerência para shearografia com escalonamento de fase combinada com perfilometria 3d - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

SISTEMA INTERFEROMÉTRICO DE BAIXA COERÊNCIA PARA SHEAROGRAFIA COM ESCALONAMENTO DE FASE COMBINADA COM

PERFILOMETRIA 3D

Campo da invenção A presente invenção refere-se a um método para medir a forma tridimensional (ou forma 3D) de um objeto por meio de uma projeção de franjas interferométricas ou método moiré e detetar defeitos estruturais dentro do objeto por meio de shearografia, em particular, shearografia com escalonamento de fase. A invenção também se refere a um aparelho para realizar o método.

Antecedentes da invenção e técnica anterior Métodos de projeção de franjas (ou métodos moiré)

Nos últimos anos foi desenvolvido um número de métodos de medição ótica sem contacto e aplicado em muitos domínios industriais e de investigação. Alguns dispositivos tiram por exemplo vantagem da técnica de divisão de estados de polarização para produzir e deslocar múltiplos padrões de interferência de Young sinusoidais que são projetados numa superfície rastreada.

Aplicam-se normalmente para extrair a série de dados de superfícies, em escala de nanómetros a quilómetros. As técnicas das franjas projetadas estão entre as abordagens mais utilizadas para medir forma, perfil de superfície e deslocamento de objetos de tamanho usual. Permitem aquisições consistentes, precisas e rápidas de todo o campo. Além disso, beneficiam de procedimentos bem estabelecidos desenvolvidos para sistemas interferométricos como algoritmos de deslocamento de fase e de desembrulhar da fase.

De uma maneira típica, um ou múltiplos padrões de luz estruturada são projetados na superfície a ser analisada.

Geralmente, caracterizam-se por uma variação periódica da intensidade de um tal modo que uma fase específica pode estar associada a cada ponto iluminado do objeto. Gravando a cena com uma câmara CCD ou CMOS, é possível comparar a distribuição de fase dos pontos de processamento de imagens com a fase de crescimento linear de uma grelha não distorcida graças a uma primeira etapa de calibração. Esta diferença de fase contém informação necessária para uma computação das variações da altura de superfície com base em fórmulas de triangulação.

As características favoráveis para um bom padrão de projeção são uma função de irradiação sinusoidal perfeita, um contrate muito elevado, irradiação com elevada intensidade e uma grande profundidade de campo. 0 problema de contraste é especialmente crítico quando a luz ambiente não pode ser desligada, por exemplo, em condições in situ exteriores.

Em sistemas de projeção de franjas interferométricas, o padrão de interferência de Young é um sinusoide teoricamente perfeito que pode ter um contraste muito elevado. Aliás, as franjas interferométricas são não localizadas, o que significa que a função de irradiação e contraste permanecem inalterados seja qual for a distância de projeção para que não haja problema de profundidade de campo. Torna-se uma base ideal para um dispositivo técnico baseado em moiré. A utilização de luz laser monocromática é também uma abordagem benéfica para filtrar sinal relevante da luz ambiente.

Contudo, escalonamento ou deslocamento dinâmico de padrão de projeção interferométrica frequentemente requer sistemas eletromecânicos ou optoelectrónicos precisos e complexos cuja repetibilidade e robustez não estão asseguradas. As vibrações interiores são também uma causa possível de problema que compromete a estabilidade das franjas. Simplicidade, robustez, insensibilidade a vibrações e baixo custo estão entre as qualidades principais da configuração requerida.

Uma visão global da técnica em métodos de projeção de luz estruturada adequados para medir a forma 3D de objetos (ou perfilometria laser 3D) é descrita no documento WO 2005/049840.

Shearografia

Por outro lado, a presente invenção também se refere ao campo da interferometria de cisalhamento de speckle ou shearografia, e é um técnica válida no campo de ensaios não destrutivos. Uma visão global de métodos de shearografia com escalonamento de fase é apresentada no documento US 6,717,681 BI.

Um visualizador shearográfico produz a formação de uma imagem feita de duas imagens lateralmente deslocadas do mesmo objeto. A shearografia é um procedimento interferómetrico de speckle ótico de campo completo que é capaz de medir pequenas deformações de uma superfície causadas por estímulos como vácuo ou pressão, micro-ondas, vibração térmica, excitação ultrassónica, etc.

Numa configuração básica de um sistema de shearografia eletrónico, espalha-se luz laser coerente para iluminar uniformemente uma parte da superfície de objeto, reflete da superfície, passa através de um dispositivo de cisalhamento ótico e entra numa câmara CCD. Depois deforma-se a superfície por um dos mecanismos acima mencionados, como aquecimento por exemplo. A superfície expande-se ligeiramente consequentemente e o efeito da deformação da superfície pode ser visto sob a forma de uma imagem num monitor de vídeo ou armazenado na memória do computador. Esta deformação de um objeto de um estado para outro está num intervalo micrométrico. A deformação da superfície pode resultar de um defeito sob a superfície.

Pesquisa que combina tanto a shearografia como a projeção de franjas interferométricas

Shang et ai (Beam-splitting cube for fringe-projection, holographic, and shearographic interferometry,

Applied Optics, Vol. 40, N° 31 (2001), pp. 5615-5623) propõem um cubo de divisão de feixe para projeção de franjas e interferometria shearográfica. Esta configuração proposta é muito simples e necessita de um posicionamento muito bom do elemento ótico e dá apenas resultados qualitativos.

Desenvolveu-se uma família de novos métodos de medição ótica sem contato com base em técnica de divisão de estados de polarização e projeção de luz monocromática como um modo de ultrapassar a iluminação ambiente para medição in situ (Moreau et al, Interferometric fringes projection systemfor 3D profilometry and relief investigation, Proc. SPIE vol. 5857, pp. 62-69, 2005; WO 2005/049840) . Neste projetor de franja dinâmica de caminho comum, o elemento chave é um prisma de separação de estados de polarização revestido na sua hipotenusa com uma grelha de Bragg. Esta configuração provou ser eficiente e adequada para muitas aplicações tão diferentes quanto levantamento arqueológico e inspeção laboratorial. Apesar destes bons resultados, esta instalação não corresponde a necessidades industriais como robustez e rapidez.

Para eliminar estes inconvenientes, construiu-se um novo interferómetro em linha que se baseia ainda na separação de estados de polarização. Um elemento birrefringente, chamado placa de Savart, permite construir um interferómetro mais flexível e robusto [Michel et al, Nondestructive testing by digital shearography using a Savart plate, Photonics North, SPIE, 2009, Québec; Blain et al, Utilisation d'une lame de Savart pour un système de projection de franges interférométriques pour la mesure de forme 3D, CMOI 16-20 nov. 2009, Reims, França; Renotte et al, Optical metrology devices based on an interferometer", 3D Stereo Media dez. 2009, Liège; Blain et al, Using a Placa de Savartin optical metrology », Optical Engineering + Applications, SPIE, 1-5 agosto 2010, San Diego, California (Proceedings)]. A placa de Savart foi selecionada como um novo dispositivo de cisalhamento porque permite a conservação das vantagens acima mencionadas, isto é, a configuração de caminho em linha e praticamente comum, e a filosofia do interferómetro, isto é, cisalhamento do feixe de objeto separando dois estados de polarização lineares ortogonais. A placa de Savart foi escolhida entre vários elementos birrefringentes utilizáveis porque ambos os feixes cisalhados se propagam paralelamente ao eixo ótico do dispositivo. A direção de cisalhamento será modificada rodando a placa de Savart à volta do eixo ótico do interferómetro, e isso sem afetar a quantidade de cisalhamento, isto é, a sensibilidade do interferómetro. A substituição do prisma revestido acima mencionado por uma placa de Savart permite também melhorar os desempenhos do interferómetro, porque: o grau de polarização na transmissão de elementos birrefringentes é superior ao grau de polarização do prisma revestido; - o intervalo espectral no caso da placa de Savart é mais amplo (350-2500 nm) em relação ao intervalo espetral de prisma revestido (por exemplo, 532 nm) ; - a eficiência angular da placa de Savart é superior à eficiência angular do prisma (melhor cisalhamento na extremidade do campo de visão graças a um processo numérico); - a diferença do caminho ótico entre os feixes cisalhados pela placa de Savart é igual a zero para uma incidência (quase) normal. Então pode utilizar-se um laser com comprimento coerente mais curto ou possivelmente um bom díodo utilizando uma placa de Savart como dispositivo de cisalhamento (fonte de luz espacialmente coerente).

Uma placa de Savart é feita de dois cristais birrefringentes uniaxiais, idênticos (quartzo, calcite ou qualquer cristal birrefringente) cortados a 45° em relação ao plano normal e estão unidos de um tal modo que os seus eixos são perpendiculares. Nesta configuração, o raio ordinário do primeiro cristal torna-se o raio extraordinário do segundo, e inversamente. Por birrefringência, o feixe de objeto incidente é cisalhado ao longo de uma direção transversal com uma quantidade de cisalhamento proporcional à espessura dos cristais (M. Born & E. Wolf, Principles of Optics, 6a ed. 1980, Pergamon Press, pp. 700-701).

Na indústria do aço há interesse em desenvolver uma tecnologia de controlo integrada de ensaio não destrutivo (NDT) que permitiria detetar defeitos em profundidade, por exemplo, em rolos com revestimento de poliuretano utilizados em linhas de pintura continua e também mais geralmente para rolos não revestidos. Os métodos de técnica anterior para detetar defeitos em profundidade são insatisfatórios: - no caso de rolos revestidos, a utilização de uma camada de poliuretano transparente para controlo visual nem sempre é desejada pelo cliente; o tempo de controlo dos ultrassons é demorado e inaceitável para a indústria (30-40 minutos por rolo); - o som emitido por um rolo após um estimulo exterior é empírico e não é fiável.

Objetivos da invenção A presente invenção visa eliminar os inconvenientes da técnica anterior.

Particularmente, a invenção visa fornecer um instrumento integrado, portátil, simples, rápido e robusto para realizar tanto projeção de franjas interferométricas como shearografia.

Ainda particularmente, a invenção visa fornecer um tal instrumento integrado cuja passagem de um modo de medição para outro não é crítica oticamente e mecanicamente.

Mais particularmente, a invenção visa permitir operação de controlo rápida (idealmente em cerca de ou mesmo menos do que 5-10 minutos), controlo externalizado (por exemplo, no caso de linhas de pintura na indústria de aço, controlos feitos pelos subempreiteiros para a retificação ou revestimento de rolo) com uma solução portátil que permite fazer controlos em várias linhas de produção e com uma robustez adequada para ambiente industrial.

Sumário da invenção

Um primeiro objeto da presente invenção refere-se a um instrumento industrial portátil para realizar, de uma forma integrada e bidirecional, uma projeção de franjas interferométricas e shearografia, num objeto a ser testado, que compreende: - um interferómetro bidirecional que inclui meios para gerar um feixe de luz circularmente polarizada bidirecional; - um dispositivo de projeção de luz coerente ou quase coerente; um dispositivo de gravação ou de processamento de imagens; uma primeira localização onde o dito interferómetro bidirecional está localizado para estar funcionalmente associado ao dispositivo de projeção de luz coerente ou quase coerente e uma segunda localização onde o dito interferómetro está localizado para estar funcionalmente associado ao dispositivo de gravação ou de processamento de imagens; - um dispositivo computacional, incluindo um monitor de análise e vídeo; -um dispositivo de excitação dedicado às medições shearográficas ou de projeção de franjas; de modo que, quando o interferómetro bidirecional está associado ao dispositivo de projeção coerente ou quase coerente na primeira localização, o instrumento é capaz de medir a forma 3D do objeto por projeção de franjas interferométricas, também conhecido como método moiré, e, quando o interferómetro bidirecional está associado ao dispositivo de gravação ou de processamento de imagens na segunda localização, o instrumento é capaz de realizar medições shearográficas no objeto, a direção do feixe de luz transversal no interferómetro que é invertida ao passar de uma configuração de medição para outra, a direção de deslocamento da luz coerente ou quase coerente que é invertida entre os dois modos de operação, o dito instrumento é caracterizado pelo facto de: - o interferómetro bidirecional ser reversível e simétrico à volta de uma placa de Savart, que é central e - um dispositivo de "translação" para deslocar precisamente o dito interferómetro bidirecional da dita primeira localização para a dita segunda localização e vice-versa, compreendendo um carril que é curvo numa das suas extremidades, tendo uma forma de "J", de tal modo que o deslocamento de precisão do interferómetro corresponde a uma combinação de uma estrita translação geométrica com uma rotação de um ângulo que não excede 45°.

De acordo com as formas de realização preferidas, o instrumento da invenção compreende uma ou uma combinação adequada das seguintes características: - o interferómetro bidirecional compreende sucessivamente os seguintes componentes: um primeiro polarizador linear ou Pi, um primeiro retardador de fase variável de cristais líquidos calibrado ou LCVR1, uma placa de Savart, um segundo retardador de fase variável de cristais líquidos calibrado ou LCVR2, e um segundo polarizador linear ou P2; - o Pi e LCVR1, a placa de Savart, LCVR2 e P2, respetivamente, estão unidos e podem ser rodados em bloco à volta do eixo ótico, sendo ambos os blocos independentes; no modo de shearografia, o interferómetro que está associado ao dispositivo de gravação ou de processamento de imagens na dita segunda localização, sucessivamente, Pi assegura a polarização linear de um feixe de luz incidente coerente ou quase coerente refletido pelo objeto, LCVR1 está configurado como uma placa retardadora λ/4, introduzida diante da placa de Savart e rodada com os seus eixos rápido e lento configurados a 45° em relação à direção de polarização definida por Pl, de modo a tornar assim o feixe de luz incidente circularmente polarizado, a placa de Savart refrata o feixe de luz incidente circularmente polarizada em feixes paralelos ordinários e extraordinários, LCVR2 tem os seus eixos rápido e lento configurados de modo que a direção de polarização dos feixes extraordinários e ordinários refratados pela placa de Savart é paralela aos eixos rápido e lento de LCVR2, e introduz um deslocamento de fase conhecido entre os dois feixes, P2 está orientado a 45° da polarização dos feixes emergentes e permite interferência entre os dois feixes; - no modo de projeção de franjas, o interferómetro que está associado ao dispositivo de projeção de luz coerente ou quase coerente na dita primeira localização, a ordem dos componentes do interferómetro que é invertida em relação ao modo shearográfico, considerando a direção do feixe de luz transversal, sucessivamente, P2 assegura a polarização linear do feixe de luz incidente coerente que vem do dispositivo de projeção de luz coerente ou quase coerente, o LCVR2 está configurado como uma placa retardadora λ/4, introduzida diante da placa de Savart e rodada com os seus eixos rápido e lento a 45° em relação à direção de polarização definida por P2, de modo a tornar assim o feixe de luz incidente circularmente polarizado, a placa de Savart refrata o feixe de luz incidente circularmente polarizada em feixes paralelos ordinários e extraordinários, LCVR1 tem os seus eixos rápido e lento configurados de modo que a direção de polarização dos feixes extraordinários e ordinários refratados pela placa de Savart é paralela aos eixos rápido e lento de LCVR1, e introduz um deslocamento de fase conhecido entre os dois feixes, Pl está orientado a 45° da polarização dos feixes emergentes e permite interferência entre os dois feixes; o dispositivo de projeção de luz coerente ou quase coerente compreende pelo menos uma fonte de luz laser pouco coerente, um expansor de feixe, um sistema de lentes de projeção de feixe e um recetáculo para receber o interferómetro bidirecional, localizado entre o expansor de feixe e o sistema de lentes de projeção, quando o instrumento é utilizado no modo de projeção de franjas; - o dispositivo de processamento de imagens compreende um sistema de duas lentes LI, L2, uma câmara de vídeo digital e um recetáculo para o interferómetro bidirecional, localizado entre LI e L2, quando o instrumento é utilizado no modo de shearografia, sendo LI ajustável ou transladável; - o instrumento industrial portátil compreende um invólucro que inclui uma caixa que tem uma janela transparente para permitir iluminação e formação de uma imagem do objeto de teste, respetivamente.

Outro objeto da invenção refere-se a um método para medir a forma tridimensional (3D) de um objeto em teste por projeção de franjas interferométricas e para detetar defeitos sob a superfície do dito objeto por shearografia com escalonamento de fase, utilizando o instrumento industrial portátil, integrado e bidirecional como descrito acima, compreendendo, no modo de projeção de franjas, as etapas sucessivas de: fornecer um feixe de luz incidente no interferómetro bidirecional alojado no dispositivo de projeção de luz coerente ou quase coerente, de modo a projetar um padrão de franjas de interferência na saída do dispositivo de projeção de luz coerente no objeto em teste; - refletir o dito padrão de franjas de interferência numa superfície do objeto; - gravar e/ou visualizar uma imagem da dita superfície que inclui o dito padrão de franjas; - computar uma forma 3D da dita superfície; e, no modo de shearografia, as etapas sucessivas de: - fornecer um feixe de luz incidente no objeto; - refletir o dito feixe de luz incidente na dita superfície de objeto; fornecer um feixe de luz refletido no interferómetro bidirecional alojado no dispositivo de gravação ou de processamento de imagens, de modo a criar um padrão de interferência de feixes cisalhados; - gravar uma imagem do dito padrão de interferência de feixes cisalhados quando o objeto está no estado não deformado; - repetir a última etapa quando o objeto está no estado deformado utilizando o mecanismo de excitação; analisar ambos os padrões de interferência de feixes cisalhados e identificar defeitos sob a superfície.

Preferencialmente, em ambas as etapas de gravar uma imagem do dito padrão de interferência de feixes cisalhados no modo de shearografia, utiliza-se um algoritmo de quatro etapas ou menos que captura e armazena imagens do objeto de teste, quando o objeto está nos estados deformado e não deformado, respetivamente.

Preferencialmente, na etapa de analisar ambos os padrões de interferência de feixes cisalhados, realizam-se as seguintes etapas: - comparar as imagens armazenadas; - aplicar um algoritmo de suavização; - visualizar um padrão resultante num monitor de vídeo.

Ainda preferencialmente, os defeitos sob a superfície detetados estão localizados no intervalo 0-25 mm.

Breve descrição dos desenhos A FIG.1A representa esquematicamente o interferómetro utilizado na presente invenção. A FIG.1B é uma representação simplificada dos eixos e das direções de polarização dentro do interferómetro. A FIG.2A representa esquematicamente todo o sistema da invenção com o interferómetro em descanso. A FIG.2B representa uma forma de realização realística para o carril de translação em forma de "J". A FIG.3 representa esquematicamente todo o sistema da invenção com o interferómetro na configuração de "perfilómetro 3D". A FIG.4 representa esquematicamente todo o sistema da invenção com o interferómetro na configuração de "shearografia". A FIG.5 mostra resultados para rolos revestidos com poliuretano utilizados em linhas de pintura na indústria do aço, obtidos por shearografia (deteção de um defeito sob a superfície de rolo). A FIG.6 mostra resultados para rolos revestidos com poliuretano utilizados em linhas de pintura na indústria do aço, obtidos por perfilometria 3D (medição de forma de um rolo). A FIG.7 mostra um exemplo de visualização dos resultados num monitor de vídeo no modo de projeção de franjas. A FIG.8 mostra a mudança na distância interfranjas na projeção de franjas quando se roda a placa de Savart (por exemplo Ai para 9=0°, A2>Ai para 9=45°) .

Legenda LS: sistema de iluminação; PS:sistema de projeção; EX:expansão de feixe; CH:módulo de aquecimento; IN: interferómetro em linha; TRANS: sistema de translação; CA: módulo de processamento de imagens. Rot.1 e Rot.2 são dispositivos para rodar os respetivos conjuntos P1+LCVR1 e LCVR2+placa de Savart+P2, à volta dos seus eixos. Rot. 3 corresponde ao motor que permite a translação de interferómetro ao longo do carril.

Descrição pormenorizada da invenção e formas de realização preferidas O aparelho da presente invenção compreende um interferómetro, que funciona como um dispositivo metrológico com diferentes finalidades.

Por um lado, este interferómetro pode ser configurado diante de uma camara CCD para constituir um sistema de medição ótica que é um interferómetro de shearografia. Este permite medir micro deslocações entre dois estados do objeto estudado sob iluminação coerente ou quase coerente.

Por outro lado, ao produzir e deslocar múltiplos padrões de interferência sinusoidais com este interferómetro, e utilizar uma câmara CCD, é possível construir um perfilómetro de luz estruturada 3D. Nesta configuração o mesmo interferómetro que o de cima é utilizado desta vez juntamente com o sistema de iluminação laser para projetar franjas. Este método, conhecido como método moiré, geralmente compreende projetar um padrão de luz periódico que pode ser o resultado da interferência de dois feixes coerentes, formando um padrão de linhas deformadas no dito objeto, e sintetizar a forma 3D do objeto do dito padrão de linhas deformadas e de um padrão de linhas de referência. 0 sistema da presente invenção inclui os seguintes subsistemas (ver FIG.2A). - um interferómetro 1, - um dispositivo de projeção de luz de luz coerente ou pouco coerente 2 , - um dispositivo de translação 3, - um dispositivo de gravação ou de processamento de imagens 4, - um mecanismo de excitação 5 para medições shearográficas ou possivelmente para medições por projeção de franjas (ver abaixo), - um subsistema computacional 6, - uma fonte de alimentação 7 e - um invólucro (não mostrado). Há um duplo interesse na utilização de luz coerente ou quase coerente no âmbito da presente invenção. Primeiro permite produzir um padrão de franja sinusoidal por um método interferométrico (isto é, livre de harmónicos). Em segundo lugar, fornece franjas com um contraste máximo em relação à luz ambiente graças a uma leitura por um filtro interdiferencial associado à câmara que tem uma banda passante adaptada ao comprimento de onda da fonte de geração de franjas (ex. À=532nm de NdYAG dobrado em frequência) . A utilização deste filtro (AÀ:alguns nm) também permite de alguma forma evitar a interferência de imagem através de reflexões e/ou efeitos especulares indesejados. A utilização do filtro interferencial associado à câmara também intervém na shearografia e permite uma leitura fácil das franjas, mesmo numa iluminação ambiente significativa. 0 interferómetro nas duas configurações 0 principio do interferómetro é representado em pormenor na FIG. 1. 0 interferómetro compreende sucessivamente um primeiro polarizador linear 11 (ou Pl), um primeiro retardador de fase variável de cristais líquidos 12 (ou LCVR1), uma placa de Savart 13, um segundo retardador de fase variável de cristais líquidos 14 (ou LCVR2) e um segundo polarizador linear 15 (ou P2). Como já mencionado, é uma característica essencial da invenção utilizar o bloco de interferómetro 1, alternativamente no modo de "perfilómetro 3D" (ver FIG.3) e no modo de "shearografia" (ver a FIG.4). Um retardador de fase variável de cristais líquidos (ou deslocador de fase) LCVR é normalmente utilizado como um elemento transmissor com um retardamento de fase ótica eletricamente sintonizável. Note-se pelo menos que os termos modo e configuração serão utilizados indistintamente abaixo para designar ambos os tipos de medições. Assim, consideram-se as duas possibilidades.

No modo de shearografia (FIG.4), o primeiro polarizador linear 11 (Pl) assegura a polarização linear do feixe de laser e então permite uma análise fiável da propagação de estado de polarização através do interferómetro. Para haver irradiação de feixe independente da orientação de placa de Savart, o primeiro retardador de fase variável de cristais líquidos 12 (LCVR1) está configurado como uma placa retardadora λ/4 , introduzida diante da placa de Savart 13 e rodada de um tal modo que os seus eixos rápido e lento estão a 45° em relação à direção de polarização definida por Pl. Nesta configuração, o feixe é circularmente polarizado antes de atravessar a placa de Savart 13 (ver a FIG.1B). 0 estado circularmente polarizado do feixe de luz que entra na placa de Savart permite a travessia bidirecional através do interferómetro (placa de Savart e LCVR associado como placas retardadoras). 0 segundo retardador de fase variável de cristais líquidos 14 (LCVR2) permite realizar deslocamento de fase temporal. Os eixos rápido e lento deste modulador estão configurados paralelamente à direção de polarização linear dos respetivos feixes refratados. 0 LCVR2 preserva os estados de polarização linear dos feixes refratados pela placa de Savart 13 e introduz um deslocamento de fase conhecido entre os dois feixes. 0 segundo polarizador linear 15 (P2) permite assim a interferência entre ambos os feixes refratados. P2 está orientado a 45° da polarização dos dois feixes emergentes de modo que a mesma quantidade de luz é selecionada pelo polarizador. A placa de Savart 13, LCVR2 14 e P2 15 estão unidos e podem ser rodados em bloco à volta do eixo óticos. Assim a direção de cisalhamento pode ser escolhida bem como a orientação das franjas criadas, o que é interessante para uma shearografia quantitativa e também define a sensibilidade do interferómetro.

No modo de "projecção de franjas", o bloco de interferómetro 1 é simplesmente invertido em relação à propagação de luz. 0 segundo polarizador linear 15 (ou P2) assegura a polarização linear do feixe laser e então permite uma análise fiável da propagação de estado de polarização através do interferómetro. Para haver uma irradiação de feixe independente da orientação de placa de Savart 13, 0 segundo retardador de fase variável de cristais líquidos 14 (ou LCVR2) está configurado como uma placa retardadora λ/4, introduzida diante da placa de

Savart 13 e rodada de um tal modo que os seus eixos rápido e lento estão a 45° em relação à direção de polarização definida por P2. Nesta configuração, o feixe é circularmente polarizado antes de atravessar a placa de Savart 13. 0 primeiro retardador de fase variável de cristais líquidos 12 (ou LCVR1) permite realizar deslocamento de fase temporal. Os eixos rápido e lento deste modulador estão configurados paralelamente à direção de polarização linear dos respetivos feixes refratados. 0 LCVR1 12 preserva os estados de polarização linear dos feixes refratados pela placa de Savart 13 e introduz um deslocamento de fase conhecido entre os dois feixes. 0 polarizador linear 11 (Pl) permite assim a interferência entre ambos os feixes refratados. Este polarizador está orientado a 45° da polarização dos dois feixes emergentes, de modo que a mesma quantidade de luz é selecionada pelo polarizador. Como a placa de Savart 13, LCVR2 e P2 estão unidos (ver acima) e podem ser rodados em bloco à volta do eixo ótico, a direção de cisalhamento pode ser escolhida bem como a orientação das franjas. A distância interfranjas pode ser controlada rodando a placa de Savart (ver a FIG.8). O dispositivo de translação 3 0 dispositivo de "translação" 3 assegura o deslocamento preciso do interferómetro 1 entre o dispositivo de projeção 2 e o dispositivo de processamento de imagens 4. É de salientar que o movimento real do interferómetro é ligeiramente mais complicado do que uma translação "linear" para fins de alinhamento: o dispositivo compreende um carril que é curvo numa das suas extremidades, tendo alguma forma de "J" (ver FIG.2B). Contudo, por motivos de simplicidade, o dispositivo 3 será representado nas figuras como um carril reto. Assim, deve entender-se por "translação" uma combinação de uma translação geométrica estrita com uma rotação de um ângulo que não excede 45°. Quando o interferómetro 1 está dentro do dispositivo de projeção 2 permite trabalhar no "modo de projeção de franjas" (FIG.3); quando está no dispositivo de processamento de imagens ou de gravação 4, permite trabalhar no "modo de shearografia" (FIG.4). 0 dispositivo de projeção 2 compreende uma fonte de luz laser 21 (quer um laser quer um díodo laser) , um expansor de feixe 22, um recetáculo 24 para receber o interferómetro 1 quando é utilizado no modo de projeção de franjas e um sistema de lentes de projeção de feixe 23. 0 dispositivo de processamento de imagens 4 compreende um sistema de duas lentes 41, 42 (LI, L2), uma câmara de vídeo digital 43 e um recetáculo 44 para receber o interferómetro 1 quando é utilizado no modo de shearografia. LI pode ser ajustado, numericamente e automaticamente, ou transladado para aumentar a qualidade de imagem (ou foco). 0 mecanismo de excitação 5 é utilizado na configuração de shearografia para estimular o objeto em estudo e detetar defeitos dentro deste objeto. Contudo é de salientar que o método de projeção de franjas também permite medir a deformação entre dois estados. 0 mecanismo de excitação 5 (por exemplo, estimulação térmica) poderia assim ser utilizado pelo método de projeção de franjas nalgumas aplicações (por exemplo, deteção de defeito em rolos). 0 invólucro (não mostrado) inclui pelo menos uma caixa com uma janela transparente para permitir iluminação laser e formação de uma processamento de imagens do objeto de teste. 0 subsistema computacional 6 inclui um computador programado que está ligado, através de conversores analógico-digital (ADC) e digital-analógico (DAC) adequados, aos componentes descritos aqui acima. Numa forma de realização preferida da presente invenção, o computador executa um algoritmo de quatro etapas que captura e armazena imagens do objeto de teste em quatro valores da fase (por exemplo, alterando o passo das franjas), quando o objeto está nos estados deformado e não deformado, respetivamente. A comparação das imagens armazenadas, juntamente com a aplicação de um algoritmo de suavização, produz um padrão que pode ser visto num monitor de vídeo (ver FIG.7).

Vantajosamente, no caso de contorno 3D por projeção de franjas/método moiré, a textura dos objetos visualizados pode ser adicionada às imagens por motivos de realismo.

De acordo com a invenção, utiliza-se o mesmo interferómetro físico "reversível" 1 no modo de projeção de franjas e no modo de shearografia, respetivamente. Para passar de uma configuração para a outra, o interferómetro 1 tem precisamente que ser deslocado, graças ao dispositivo de translação 3, do recetáculo 24 (no dispositivo de projeção 2) para recetáculo 44 (no dispositivo de gravação ou de processamento de imagens 4) e vice-versa. A diferença entre os dois modos de operação reside no facto de a direção do caminho de luz no interferómetro ser inversa. É uma característica importante da invenção fornecer um instrumento bidirecional que é reversível e simétrico (à volta da placa de Savart, que é central) porque alguns deslocamentos do interferómetro para passar de uma configuração de medição para outra pode ser prejudicial às configurações mecânicas e óticas do instrumento, em particular, a centragem dos eixos óticos. A este respeito a configuração simétrica do interferómetro permite evitar qualquer rotação a 180° prejudicial deste, pois é necessária uma simples "translação" para mudar o modo de medição.

Resultados A técnica de medição e deteção da presente invenção foi aplicada ao controlo de qualidade de um revestimento de poliuretano de rolos utilizados em linhas de pintura na indústria do aço. Uma primeira finalidade é detetar defeitos próximos da superfície localizados a uma profundidade de 4-5 mm. Estes defeitos têm a forma de inclusões ou bolhas. Outra finalidade é rastrear a forma de superfície de rolos revestidos com uma dada precisão.

Este controlo de qualidade pode ser vantajosamente realizado no fabricante de aço mas também nos subempreiteiros tais como os que fazem revestimento de rolo ou retificação/usinagem de rolo.

As FIG.5 e FIG.6 mostram os seguintes resultados utilizando o aparelho da presente invenção:

Modo de Shearografia (FIG.5) (a) vista de um rolo que apresenta um defeito escondido sob a superfície de rolo (área emoldurada); o dispositivo de excitação térmica é visível no lado esquerdo; (b) imagem duplicada da zona de defeito que resulta do mecanismo de cisalhamento; (c) imagem 3D final do defeito escondido obtido por shearografia.

Perfilómetro 3D (FIG. 6) (a) quatro imagens sucessivas de uma extremidade de rolo iluminada com um padrão de franjas sinusoidais sucessivamente deslocadas por um quarto de período espacial A (da esquerda para a direita); (b) imagem 3D da extremidade de rolo, reconstruída após tratamento.

DOCUMENTOS REFERIDOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de documentos referidos pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, o IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos de patente referidos na descrição • WO 2005049840 A [0009] [0014] • US 6717681 Bi [0010]

Literatura não relacionada com patentes referida na descrição • SHANG et ai. Beam-splitting cube for fringe-projection, holographic, and shearographic interferometry. Applied Optics, 2001, vol. 40 (31), 5615-5623 [0013] • MOREAU et al. Interferometric fringes projection system for 3D profilometry and relief investigation. Proc. SPIE, 2005, vol. 5857, 62-69 [0014] • MICHEL et al. Nondestructive testing by digital shearography using a Savart plate. Photonics North, SPIE, 2009 [0015] • BLAIN et al. Utilisation d'une lame de Savart pour un système de projection de franges inter-férométriques pour la mesure de forme 3D. CMOI, 16 November 2009 [0015] • RENOTTE et al. Optical metrology devices based on an interferometer. 3D Stereo Media, December 2009 [0015] • BLAIN et al. Using a Savart plate in optical metrology. Optical Engineering + Applications, SPIE, 01 August 2010 [0015] • M. BORN; E. WOLF. Principles of Optics. Pergamon Press, 1980, 700-701 [0018]

Lisboa, 26 de Maio de 2015

Claims (12)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Um instrumento industrial portátil para realizar, de um modo integrado e bidirecional, projeção de franjas interferométricas e shearografia, num objeto a ser testado, que compreende: - um interferómetro bidirecional (1) que inclui meios para gerar um feixe de luz circularmente polarizada bidirecional; - um dispositivo de projeção de luz coerente ou quase coerente (2) ; - um dispositivo de gravação ou de processamento de imagens (4); uma primeira localização (24) onde o dito interferómetro bidirecional (1) está localizado para estar funcionalmente associado ao dispositivo de projeção de luz coerente ou quase coerente (2) e uma segunda localização (44) onde o dito interferómetro (1) está localizado para estar funcionalmente associado ao dispositivo de gravação ou de processamento de imagens (4); um dispositivo computacional (6), incluindo um monitor de análise e vídeo; - um dispositivo de excitação (5) dedicado às medições shearográficas ou de projeção de franjas; de modo que, quando o interferómetro bidirecional (1) está associado ao dispositivo de projeção coerente ou quase coerente (2) na primeira localização (24), o instrumento é capaz de medir a forma 3D do objeto por projeção de franjas interferométricas, também conhecido como método moiré, e, quando o interferómetro bidirecional (1) está associado ao dispositivo de gravação ou de processamento de imagens (4) na segunda localização (44), o instrumento é capaz de realizar medições shearográficas no objeto, a direção do feixe de luz transversal no interferómetro (1) que é invertida ao passar de uma configuração de medição para outra, a direção de deslocamento da luz coerente ou quase coerente que é invertida entre os dois modos de operação, o dito instrumento que é caracterizado pelo facto de: - o interferómetro bidirecional (1) ser reversível e simétrico à volta de uma placa de Savart, que é central e - um dispositivo de "translação" (3) para deslocar precisamente o dito interferómetro bidirecional (1) da dita primeira localização (24) para a dita segunda localização (44) e vice-versa, compreendendo um carril que é curvo numa da suas extremidades, tendo uma forma de "J", de tal modo que o deslocamento de precisão do interferómetro corresponde a uma combinação de uma estrita translação geométrica com uma rotação de um ângulo que não excede 45°.
2. 2. 0 instrumento industrial portátil da Reivindicação 1, em que o interferómetro bidirecional (1) compreende sucessivamente os seguintes componentes: um primeiro polarizador linear PI (11), um primeiro retardador de fase variável de cristais líquidos calibrado LCVR1 (12), uma placa de Savart (13), um segundo retardador de fase variável de cristais líquidos calibrado LCVR2 (14), e um segundo polarizador linear P2 (15) .
3. 3. 0 instrumento industrial portátil da reivindicação 2, em que PI (11) e LCVR1 (12), a placa de Savart (13), LCVR2 (14) e P2 (15), respetivamente, estão unidos e podem ser rodados bloco à volta do eixo ótico, sendo ambos os blocos independentes.
4. 4. 0 instrumento industrial portátil da Reivindicação 2, em que, no modo de shearografia, o interferómetro (1) que está associado ao dispositivo de gravação ou de processamento de imagens (4) na dita segunda localização (44), sucessivamente, PI (11) assegura a polarização linear de um feixe de luz incidente coerente ou quase coerente refletido pelo objeto, LCVR1 (12) está configurado como uma placa retardadora λ/4, introduzida diante da placa de Savart (13) e rodada com os seus eixos rápido e lento configurados a 45° em relação à direção de polarização definida por Pl, de modo a tornar assim o feixe de luz incidente circularmente polarizado, a placa de Savart (13 )refrata o feixe de luz incidente circularmente polarizada em feixes paralelos ordinários e extraordinários, LCVR2 (14) tem os seus eixos rápido e lento configurados de modo que a direção de polarização dos feixes extraordinários e ordinários refratados pela placa de Savart é paralela aos eixos rápido e lento do LCVR2, e introduz uma deslocamento de fase conhecido entre os dois feixes, P2 (15) está orientado a 45° da polarização dos feixes emergentes e permite interferência entre os dois feixes.
5. 5. 0 instrumento industrial portátil da Reivindicação 2, em que, no modo de projeção de franjas, o interf erómetro (1) que está associado a um dispositivo de projeção de luz coerente ou quase coerente (2) na dita primeira localização (24), a ordem dos componentes do interferómetro (1) que é invertida em relação ao modo shearográfico, considerando a direção do feixe de luz transversal, sucessivamente, P2 (15) assegura a polarização linear do feixe de luz incidente coerente que vem do dispositivo de projeção de luz coerente ou quase coerente (2) , o LCVR2 (14) está configurado como uma placa retardadora λ/4, introduzida diante da placa de Savart (13) e rodada com os seus eixos rápido e lento a 45° em relação à direção de polarização definida por P2, de modo a tornar assim o feixe de luz incidente circularmente polarizado, a placa de Savart (13) retrata o feixe de luz incidente circularmente polarizada em feixes paralelos ordinários e extraordinários, LCVR1(12) tem os seus eixos rápido e lento configurados de modo que a direção de polarização dos feixes extraordinários e ordinários refratados pela placa de Savart é paralela aos eixos rápido e lento do LCVR1, e introduz um deslocamento de fase conhecido entre os dois feixes, PI (11) está orientado a 45° da polarização dos feixes emergentes e permite interferência entre os dois feixes.
6. 6. 0 instrumento industrial portátil da Reivindicação 1, em que o dispositivo de projeção de luz coerente ou quase coerente (2) compreende pelo menos uma fonte de luz laser pouco coerente (21), um expansor de feixe (22), um sistema de lentes de projeção de feixe (23) e um recetáculo (24) para receber o interferómetro bidirecional (1), localizado entre o expansor de feixe (22) e o sistema de lentes de projeção (23), quando o instrumento é utilizado no modo de projeção de franjas.
7. 7. 0 instrumento industrial portátil da Reivindicação 1, em que o dispositivo de processamento de imagens (4) compreende um sistema de duas lentes LI, L2 (41, 41), uma câmara de video digital (43) e um recetáculo (44) para o interferómetro bidirecional (1), localizado entre LI (41) e L2 (42), quando o instrumento é utilizado no modo de shearografia, sendo LI ajustável ou transladável.
8. 8. 0 instrumento industrial portátil da Reivindicação 1, em que compreende um invólucro que inclui uma caixa que tem uma janela transparente para permitir iluminação e formação de uma imagem do objeto de teste, respetivamente.
9. 9. Um método para medir a forma tridimensional (3D) de um objeto em teste por projeção de franjas interferométricas e para detetar defeitos sob a superfície do dito objeto por shearografia com escalonamento de fase, utilizando o instrumento industrial portátil, integrado e bidirecional de acordo com qualquer das Reivindicações anteriores, compreendendo, no modo de projeção de franjas, as etapas sucessivas de: - fornecer um feixe de luz incidente no interferómetro bidirecional (1) alojado no dispositivo de projeção de luz coerente ou quase coerente (2), de modo a - projetar um padrão de franjas de interferência na saída do dispositivo de projeção de luz coerente (2) no objeto em teste; - refletir o dito padrão de franjas de interferência numa superfície do objeto; - gravar e/ou visualizar uma imagem da dita superfície que inclui o dito padrão de franjas; - computar uma forma 3D da dita superfície; e, no modo de shearografia, as etapas sucessivas de: - fornecer um feixe de luz incidente no objeto; refletir o dito feixe de luz incidente na dita superfície de objeto; - fornecer o feixe de luz refletido no interferómetro bidrecional (1) alojado no dispositivo de gravação ou de processamento de imagens (4), de modo a criar um padrão de interferência de feixes cisalhados; - gravar uma imagem do dito padrão de referência dos feixes cisalhados, quando o objeto está no estado não deformado; repetir a última etapa quando o objeto está no estado deformado utilizando o mecanismo de excitação; - analisar ambos os padrões de interferência de feixes cisalhados e identificar defeitos sob a superfície.
10. 10. O método da Reivindicação 9, em que, em ambas as etapas de gravar uma imagem do dito padrão de interferência de feixes cisalhados no modo de shearografia, utiliza-se um algoritmo de quatro etapas ou menos que captura e armazena imagens do objeto de teste, quando o objeto está nos estados deformado e não deformado, respetivamente.
11. 11. 0 método da Reivindicação 10, em que na etapa de analisar ambos os padrões de interferência de feixes cisalhados realizam-se as seguintes etapas: - comparar as imagens armazenadas; - aplicar um algoritmo de suavização; - visualizar um padrão resultante num monitor de vídeo
12. 12. O método da reivindicação 9, em que os defeitos sob a superfície detetados estão localizados no intervalo 0-25 mm. Lisboa, 26 de Maio de 2015