1- INTRODUÇÃO

A palavra Holografia (do grego “holos”, otodo) foi proposta por Gabor em 194$ paradesignar uma técnica que permite gravar ereconstruir toda a informação presentenuma frente de onda. Nesta técnica sãoutilizados fenómenos de interferência entrefrentes de onda coerentes para converter adistribuição espacial de fase duma frente deonda em variações de amplitude e assimpoder efectuar o seu registo em detectoresquadráticos. Tendo sido desenvolvida paraaumentar a resolução do microscópioelectrónico, à custa da gravação ereconstrução com diferentes radiações, estatécnica não despertou inicialmente grandecuriosidade entre a comunidade científica. Oreduzido comprimento de coerência dasfontes de luz e a baixa resolução dos meiosde registo então utilizados apenas permitiarealizar hologramas em Linha e com baixocontraste de objectos transparentes. Com adescoberta das fontes de emissão estimuladade luz, vulgarmente designada por laser,com comprimentos de coerência que podem

ir desde alguns centímetros até váriascentenas de metros, foi possível retomar ainvestigação nesta técnica tendo Leith eUpatnieks obtido no início da década desessenta o primeiro holograma de umobjecto opaco. O elevado contraste dasimagens obtidas a partir dos hologramasgravados por estes investigadores produziugrande impacto na comunidade cientificaque, apercebendo-se das potencialidades daHolografia, agraciou Gabor com o prémioNobel da física em 1971.

As características de tridimensionalidade dasimagens reconstruidas com os hologramas,paralaxe e profundidade de campo em tudoidênticas às da -cena gravada, permitemobter imagens espectaculares, que muitocontribuiram para o grande interessemanifestado em torno desta técnica.Contudo, são as suas aplicações àMetrologia aquelas que serão abordadas aolongo deste artigo. Embora a utilização dainterferometria óptica em Metrologia sejaanterior à descoberta de Gabor, apossibilidade de com a Holografia

TÉCNICAS DE INTERFEROMETRIA HOLOGRÁFICA DOS PADRÕES DEINTERFERÊNCIA APLICADAS À ANÁLISE EXPERIMENTAL DE TENSÕES

Chousal, J. A.’; Monteiro, J. M.; Santos, F. M.2; Vaz, M. A.3

1 Assistente do DEMEGI - FEUP2 Investigador do Laboratório de Óptica e Mecânica Experimental do INEGI

Professor Auxiliar do DEMEGI - FEUP

RESUMONeste trabalho sâo descritos métodos de análise estrutural baseados em técnicas deinteiferometria hotográfica que utilizam registo electrónico dos inteiferogramas. Aminiaturização dos sistemas obtida pela adopção ie novas montagens ópticas e as vantagensda utilização cie técnicas de processamento de imagem na ai-tólise dos padrões deinteiferência são também descritas com apresentação de alguns resultados experimentais.Por último descreve-se a utilização destas técnicas na análise não destrutiva de materiaiscompósitos para detecção de descolamentos internos provocados por impactos na supeifície.

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reconstruir pelo menos um dos braços dointerferómetro, o que constitui a técnicadesignada por interferometria holográfica,veio alargar a sua a gama de aplicação. Nainterferometria holográfica, alteraçõesverificadas num objecto são medidascomparando-o com ele próprio numasituação diferente sem necessitar desuperficies de referência que, dada aresolução da medida, teriamnecessariamente um rigoroso controlodimensional. Desta forma podem seranalisadas superfícies difusas sem qualquerpreparação prévia. O ruído ópticointroduzido por difracção da luz coerenteem poeiras ou riscos nos componentesópticos, desde que permaneça constante,tem pouca influência no resultado damedição. A elevada resolução das medidas,da ordem do comprimento de onda daradiação laser utilizada, a ausência decontacto com as superfícies a medir e ocaracter global da medida são outrascaracterísticas destas técnicas que serevelam de grande utilidade em Metrologia.

Após as primeiras aplicações das técnicas deinterferometria holográfica na análise devibrações (Powell et ai, 1965) e nadeterminação da deformação de objectos(Haines et ai, 1966) seguiu-se um períodode investigação intensa e fértil de queresultou um grande número de publicaçõesdescrevendo a aplicação destas técnicas aosmais variados tipos de problemas. Contudo,a sua divulgação entre a comunidadecientífica não foi acompanhada pelaconstrução de sistemas compactos de fácilutilização que permitissem a aplicaçãodestas técnicas por operadores menosqualificados fora dos ambienteslaboratoriais. Sendo o registo doshologramas normalmente efectuado ememulsões fotográficas a sua gravaçãoimplicava processos químicos de revelaçãoalgo morosos e pouco ajustados à suaautomatização.

No início da década de setenta Butters eLeendertz apresentaram urna montagemholográfica com registo electrónico dos

padrões de interferência. Ao substituir ummeio de registo de elevada resolução (asemulsões podem registar até 5000linhas/mrn) pelo alvo de uma câmara video(resolução de aproximadamente 50linhas/rnm), técnica que designaram porESPI (Electronic Speckle PatternIntelferornet7y), estes investigadoresaumentaram grandemente as potencialidadesdas técnicas de interferometria holográfica.Evitando o processo de revelação e anecessidade de reposicionamento doshologramas facilitou-se a utilização destastécnicas ao mesmo tempo que se tornoupossível registar 25 hologramas em cadasegundo (frequência de video). Odesenvolvimento subsequente doscomputadores e do hardware dedicado aoprocessamento de imagem veio permitirconstruir sistemas interferométricoscompactos, com possibilidade de controloautomático por computador.

Trabalhos recentes provam também que épossível registar e reconstruir hologramasde fresnel em suporte electrónico (Schnars,1994), (Chousal, 1995) sem recorrer àmontagem proposta por Butters eLeendertz, onde o controlo da abertura dosistema formador de imagem e oalinhamento dos dois feixes permite ajustaro padrão de speckte à resolução do detectorfotossensível. Montagens holográficas emtudo idênticas às propostas por Leith eUpatnieks, em que a emulsão fotográfica ésubstituida pela superfície do detector video,podem ser utilizadas na gravação dehologramas, sendo a sua reconstruçãoefectuada numéricamente por cálculo datransformada de Fourier do padrão deinterferência. A descrição desta técnica nãoserá feita neste artigo já que é apresentadanum outro trabalho publicado também nestejornal.

A construção de sistemas compactosbaseados nas técnicas de interferometriaholográfica tem permitido alargar o domíniode aplicação destas técnicas, como é porexemplo o caso da análise não destrutiva demateriais compósitos. Uma destas técnicas

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consiste na utilização de um interferómetro,baseado na montagem proposta porMichelson, que é vulgarmente designada porShearography. Esta montagem óptica temvindo a ser adoptada para detecção dedescolamentos internos verificados emmateriais compósitos laminados por acçãode impactos na sua superfície.

2 - REGISTO ELECTRÓNICO DOSPADRÕES DE INTERFERÊNCIA

Ao iluminar uma superfície difusa por umaradiação luminosa coerente obtém-se umcampo de luz de aspecto granular eamplitude aleatória normahnente designadopor speckle objectivo. Formando a imagemdeste padrão luminoso através de umsistema óptico obtém-se outro padrão,speckte subjectivo, cujo tamanho médio dosgrãos depende da abertura do sistema ópticoutilizado de acordo com a seguinte relação(Goodman, 1984):

u=l,2214iV lente

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onde ANjente é a abertura numérica da lente e7. representa o comprimento de onda daradiação coerente utilizada.

Se um padrão de speckte proveniente deuma superfície difusa, feixe objecto, forsobreposto numa frente de onda coerente,feixe de referência, verificar-se-ãofenómenos de interferência, franjasprimirias, que, por um processo em tudoidêntico ao verificado na Rolo grafia,permitem registar a sua distribuição espacialde fase. Utilizando um sistema formador deimagem com abertura devidamente ajustadae uma montagem em que o ângulo entreambos os feixes, objecto e de referência,não exceda 1° (I4kberg, 1987) é possívelobter padrões de interferência cujafrequência espacial pode ser completamenteresolvida por detectores ópticos deresolução inferior à das emulsõesfotográficas. Desta forma é possível utilizaro alvo de uma câmara video, cuja resolução

não ultrapassa as 50 Iinhas/mm, pararegistar um holograma, com a vantagemadicional de poder registar um em cada 40ms. Os padrões de interferência, franjassecundárias, resultam da correlação depadrões de speckle provenientes dasuperfície do objecto e obtidos paradiferentes situações de carregamento. Acorrelação por adição, primeira a serutilizada, necessita de tratamentoelectrónico do sinal para remoção dostermos de baixa frequência que nãocontribuem para o padrão de interferência.O sinal é ainda rectificado para que toda amodulação possa ser representada em video.Contudo, o aparecimento das placas deaquisição e processamento efectuandosubtracções de imagem com rectificaçãopermitem efectuar a correlação porsubtracção evitando a filtragem electrónicado sinal video. Os padrões de interferênciaobtidos apresentam franjas que carcterizampontos de igual deslocamento. A resoluçãoda medida é de /2, sendo 2. o comprimentode onda da luz.

Uma outra forma de correlação de grandeutilidade é obtida quando se regista opadrão de speckle de um objecto vibrandosinusoidalmente numa das suas frequênciasnaturais. Designada por correlação em timeaverage, esta técnica permite, se o objectovibrar a uma frequência superior àfrequência video, obter a média temporaldos registos de speckte das várias posiçõesocupadas pelo objecto durante o seumovimento. O padrão de interferênciaobtido descreve a distribuição espacial daamplitude de vibração do objecto moduladapela função de Bessel de ordem O (L4kberg,1987)

Os detectores de imagem video podemainda ser utilizados para registar hologramasde Fresnel (Chousal, 1996). Neste caso asdimensões do objecto e a orientação dosfeixes deverão ser controlados no sentido deobter um padrão de interferência com umafrequência espacial compatível com aresolução do detector. Sendo o hologramaregistado sem recorrer a qualquer lente

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formadora de imagem a sua reconstrução éobtida por cálculo numérico.

3- ESPI

O primeiro sistema holográfico com registoelectrónico dos padrões de interferência foiapresentado por Butters e Leendertz com adesignação de ESPI. Esta técnica é hojeapresentada sob diversas designações taiscomo: Holografia-TV, Holografia electro-

modulação de fase permite calcularnuméricarnente a distribuição espacial defase dos interferograrnas. Com estastécnicas, designadas por quasi-heterodinas,é facilitado o tratamento da informaçãoresultante das medições e aumentada aresolução da medida de aproximadamenteuma ordem de grandeza (Dandliker, et ai1985)).Actualmente, com o aparecimento dosdetectores de CCD de reduzidas dimensões

figura 1 Diagrama esquemático de uma montagem de ESPI convencional.

Figura 2 Diagrama esquernático de um sistema de ESPI realizado com fibras ópticas.

óptica ou ainda DSPI (Digital SpecklePattern Interferornetry). Na figura 1representa-se urna montagem convencionalde ESPI. A inclusão de um modulador defase no feixe de referência, materializadopor um espelho que pode ser deslocadovariando a tensão aplicada a um cristalpiezoeléctrico, permite variar a fase entreambos os feixes independentemente dadeformação do objecto. A utilização detécnicas de processamento de imagem com

e a vulgarização das fibras ópticas compreservação de polarização é possívelminiaturizar as montagens e construirsistemas compactos com controlo porcomputador. Na figura 2 apresenta-seesquernáticamente o protótipo de umsistema de ESPI que tem vindo a serdesenvolvido no Laboratório de Optica eMecânica Experimental (LOME) do INEGI(Monteiro, 1996).

Divisor de feixevariável

PZT

Objecto

CCD

______

Espelho

ztObjectivaMicroscopica

Objectivamicroscópica

Get de adaptaçãode impedância

Objecto

Expaasor -

Acoplador 90/10 do feixe -

].‘....ZOOM

Atenuador deimtensidade

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A utilização de fibras ópticas noencaminhamento dos feixes permite obterum modulador de fase enrolando a fibra emtorno de um cristal piezoeléctrio cilíndrico.O controlo de intensidade do feixe dereferência é obtido através da indução demicrocurvaturas ao longo de um troço dafibra.As figuras 3 e 4 representam padrõesde interferência obtidos com este sistema. Afigura 3 corresponde à deformada de urnaplaca circular encastrada em todo o seuperímetro e submetida a urna cargaconcentrada no seu centro. A figura 4 foiobtida em time average quando a mesmaplaca vibrava harmonicamente com umafrequência de 2 kHz.

Uma característica importante dasmontagens ópticas utilizadas eminterferometria é o seu vector sensibilidadeque normalmente está orientado segundouma direcção que é a bissectriz do ânguloformado entre a direcção de iluminação e adirecção do eixo óptico do sistema. Sendo ofeixe de iluminação proveniente de umponto próximo da lente formadora deimagem obtém-se um sistema cuja máximasensibilidade se situa na direcçãoperpendicular ao plano. Variando ageometria da montagem óptica é possívelvariar a sua direcçãosensibilidade. Contudo,pretendem efectuardeslocamentos no plano é aconselhávelrecorrer a outro tipo de montagens ópticasenvolvendo dupla direcção de iluminação ou

dupla direcção de observação. Estasmontagens foram propostas por (Ennos,196$) e utilizam a interferência entre doispadrões de speckle para registar a fase emvez da interferência com um feixe dereferência especular. Por esta razão algunsautores designam os sistemas de ESPIconvencionais por irnerferómetros dereferência especular enquanto estes últimossão designados por interferómetros comreferência de speckle. Uma das montagensmais utilizadas na medição dedeslocamentos no plano consiste nailuminação da superfície com dois feixesprovenientes do mesmo laser que fazemigual ângulo com a sua normal. Ainterferência entre ambos os padrões despeckle obtidos dispensa a utilização de umfeixe de referência especular. No caso deambos os feixes serem colimados estamontagem é apenas sensível adeslocamentos no plano.

4- SHEAROGRAPHY

A crescente utilização de materiaiscompósitos, principalmente em indústriascomo a aeroespacial e de aeronautica ondesão necessárias elevadas relações resistênciamecânica/peso, aumentou a necessidade dedispôr de técnicas de análise não destrutivaque permitam avaliar integridade dasestruturas construidas nestes materiais. Astécnicas de interferometria holográficaencontram-se bem adaptadas a esta funçãodesde que o defeito, embora sendo interior,

figura 3 Padrão de interferência obtido por ESPIcom correlação por subtracção.

Figura 4 Padrão de interferência obtido por ESPIcom correlação por time average

de máximaquando se

medições de

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se manifeste na deformação da superfície.Tratando-se de técnicas de campo permitemdetectar com facilidade os gradientes dedeslocamento normalmente associados aalterações estruturais devidas à presença dedefeitos. Contudo, a grande resoluçãodestas técnicas implica também uma grandesensibilidade a perturbações exteriores quealterem diferentemente os braços dointerferórnetro.

F1Beam-sphtter CCD

objecto

espelha 2

figura 5 Representação esquemáticainterferómetro usado em Shearography

Um dos interferórnetros que melhor seadapta à análise não destrutiva de materiaiscompósitos é o interferómetro comreferência de speckte proposto porLeendertz (Leendertz et ai, 1973). Baseadona configuração de Michelson, esteinterferórnetro possui algumasparticularidades que o recomendam paraesta aplicação. Utilizando urna montagemsimples em que ambos os feixes percorremaproximadamente o mesmo caminho, esteinterferórnetro é menos sensível aperturbações. Como os braços dointerferómetro são constituídos pelo mesmopadrão de specklc desfazado lateralmente,esta montagem é apenas sensível agradientes de deslocamento na direcçãonormal ao plano. Esta última característicarevela-se de grande utilidade pois urnagrande parte dos defeitos em materiaiscompósitos é revelada pelo aparecimento degradientes localizados na superfície externa.Na figura 5 está representadaesquematicamente a montagem básicautilizada em Shaerography.

Nesta montagem, a rotação de um dosespelhos em torno de dois eixosperpendiculares permite orientar a direcçãodo desfazamento (Shear) e variar o seuvalor. A montagem do outro espelho sobreum cristal piezoeléctrico permite utilizar astécnicas de modulação de fase para ocálculo numérico da distribuição espacial defase do padrão de interferência.Sendo estatécnica vocacionada para a detecção degradientes é fundamental que as placas aensaiar sejam carregadas por forma a obterdeslocamentos localizados nas zonas ondeexistam defeitos estruturais. Doscarregamentos utilizados, variação depressão e variação de temperatura, é osegundo aquele que se revela de mais fácilutilização e conduz a melhores resultados.Um aquecimento superficial induzindo umavariação de temperatura de 1 a 2 grauspermite, dada a diferença deconductibifidade introduzida pelo defeitocriar gradientes de deslocamento

do compatíveis com a resolução do método.Nafigura 6 representa-se um padrão obtidopara um defeito circular com Shear nahorizontal.

Esta técnica tem vindo a ser utilizada noLOME para detecção de defeitos emcomponentes construidos em materiaiscompósitos provenientes da indústriaaeronautica, como se mostra na figura 7(Gomes, 1995). Partes estruturais fabricadas

Figura 6 Padrão de interferência obtido comShearography característico de um defeito circularprovocado por um impacto.

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em vários materiais, possuindo defeitosprovocados por impactos de projécteissobre a sua superfície ou introduzidosartificialmente durante o processo defabrico, foram ensaiadas com sucesso. Osresultados obtidos foram comparados comos resultados de ensaios por ultrassons (CScan) tendo-se verificado que a capacidadede detecção de ambas as técnicas éaproximadamente equivalente quando setrata de componentes do tipo placa oucasca, isto é, de reduzida espessuracomparada com as outras dimensões. Dasvárias placas ensaiadas todos os defeitoscom áreas superiores a 5 cm2 foramefectivamente detectados enquanto dosdefeitos com áreas inferiores só 71 % foramrevelados (Santos, 1996).

5- TÉCNICAS DE PROCESSAMENTODE IMAGEM

A divulgação dos sistemas deprocessamento de imagem montadosdirectamente sobre os balTamentos doscomputadores pessoais permitiu aplicar astécnicas de processamento de imagem àinterferometria holográfica. Desta forma, autilização do processamento de imagem naanálise dos padrões de interferência, veiopermitir tratar de forma expedita a grandequantidade de informação recollida em cadamedição. Recorrendo à utilizaçãosimultânea de sistemas moduladores de fasee do processamento numérico da imagem é

possível obter com estas técnicas mediçõesquantitivas com uma resolução da ordem de2/1OO, em que 2. é o comprimento de ondada radiação laser utilizada. Os resultadosobtidos com estas técnicas apresentam-sesob a forma de ficheiros numéricos quepodem ser processados posteriormente.Estacaracterística é de grande importânciaquando estas técnicas experimentais sãoutilizadas em combinação com métodosnuméricos com transferência de informaçãoentre ambos, técnicas designadas porhíbridas (Vaz, 1995).

Na figura 8 representa-se um mapa de faseobtido com Shearography com modulaçãode fase. O ruído de alta frequência presentena imagem resulta de grãos de speckle ondeé nula a modulação induzida pelo

Figura 8 Mapa de frase obtido por Shearographycom modu1açio de fase.

Figura 7 Dctecçio de três defeitos provocados porimpactos na superfície de um componentepertencente à cauda de um hclicópetro Super Puma.

figura 9 Mapa de fase obtido da figura 8 apósfiltragem passa-baixo.

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carregamento. Na figura 9 representa-se o 6- CONCLUSÕESpadrão da figura anterior após ter siclofiltrado para remoção do ruído. Asdescontínuidades do mapa de fase sãodevidas ao processo de cálculo que envolvea determinação de um arco tangente.Processamento subsequente, designado pordesembrulhar da fase, permite eliminar essasdescontinuidades e obter urna distribuiçãoespacial de fase de variação contínua, cornose encontra representado na figura lO. Apartir deste mapa de fase é possívelconstruir representações tridirnensionais dosdeslocamentos, no caso do ESPI, ou dosgradientes de deslocamento, no caso daShearography, na figura 11 pode observar-se urna destas representações.

As técnicas de interferometria holográficarevelam-se de grande utilidade na análiseestrutural. O carácter global da medida,realizada sem preparação prévia dassuperfícies e sem necessidade de contactocom estas, permite facilmente identificargradientes localizados de deslocamentos aque correspondem tensões mais elevadas.

A substituição das emulsões fotográficaspelos detectores video no registo dospadrões de interferência evita o morosoprocesso de revelação pelo que facilita autilização destas técnicas. O sinal videoobtido neste tipo de registo pode sergravado na memória de um computadorpessoal e processado numéricamenteutilizando sistemas de processamento deimagem. A utilização de sistemas deprocessamento de imagem e técnicas demodulação de fase permite obter, a partir

dos padrões de interferência, mediçõesquantitativas cuja resolução pode ir até 0,01do comprimento de onda da radiação laserutilizada.

As técnicas de interferometria holográficapodem ainda ser utilizadas para construirsistemas compactos, portáteis e controladospor computador que constituem ferramentasúteis para análise estrutural.

Um exemplo da construção de um sistemacompacto que permite utilizar estas técnicasem análise não destrutiva de componentesconstruidos em materiais compósitos é aindaapresentado. A comparação dos resultadosobtidos com este sistema com resultadosprovenientes de medições com ultrassonsprovaram a sua utilidade na análise decomponentes do tipo placa ou casca onde aespessura é muito menor que qualquer dasoutras dimensões. Níveis de detecção de100% foram alcançados na detecção dedefeitos com áreas superiores a 5 cm2.

Figura 10 Mapa de fase após e1iminaçio dasdescontinuidades

Figura 11 Representação tridimensional dadistribuição espacial do gradiente de deslocamentosobtido a apartir da figura 10

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