A física da óptica: como e por que estudar o comportamento da luz
A simulação óptica no ambiente virtual possibilita testar protótipos virtualmente, diminuir o tempo de desenvolvimento e reduzir custos.
O estudo do comportamento e manuseio da luz foi e é importante em diversas etapas da humanidade, desde o seu simples entendimento para visibilidade nos tempos antigos, até grandes marcos na história, como a invenção da lâmpada incandescente por Thomas Edison, em 1879. A humanidade também aprendeu a controlar a luz, com o uso e estudo de espelhos e lentes para alterar sua trajetória e propriedades, definindo assim o que chamamos de um sistema óptico.
Assim, é certo afirmar que a luz está diretamente relacionada com a inovação e o avanço tecnológico, sendo amplamente utilizada em diferentes indústrias e aplicações no ramo da engenharia. Hoje em dia, a óptica é utilizada em componentes automotivos, como faróis e lanternas, equipamentos para saúde e biomedicina, dispositivos para o setor de defesa e espacial, iluminação geral e bens de consumo. É certo dizer que a luz está em todo lugar e o design do sistema óptico para cada um desses equipamentos e aplicações diferentes exige também um complexo estudo de como a luz vai se comportar de acordo com o projeto do produto.
A simulação óptica: estudando a propagação da luz em um sistema
O ambiente virtual vem sendo uma grande ferramenta para testes e desenvolvimento de produtos, justamente pela possibilidade de testar diversas versões do produto de maneira virtual, evitando assim custos de prototipagem física, reduzindo tempo, mão de obra e acelerando o “time to market”.
Quando falamos de sistemas ópticos, o ambiente virtual acaba sendo fundamental, pois desenvolver um projeto óptico complexo pode exigir análises avançadas de como a luz está se comportando em cada etapa do seu sistema. Essas análises são muitas vezes inviáveis ou muito custosas de serem feitas de maneira física em testes de bancada, que são sim essenciais para validação do produto, mas podem ser evitados nas fases iniciais de concepção e otimização do projeto.
Pode-se olhar para um exemplo de um produto rotineiro do dia a dia, mas que envolve um sistema óptico de alta tecnologia para atender a grande demanda da qualidade de imagem, a câmera do smartphone. O seu sistema óptico não é nada mais que um conjunto de lentes de plástico moldadas e alinhadas em um espaço físico muito pequeno, o que torna seu design mais desafiador ainda na busca pela melhor performance de imagem.
É possível analisar na figura 1 um exemplo do seu projeto óptico:
Figura 1: Sistema óptico da câmera do smartphone.
São diversas variáveis de projeto neste sistema, como material a ser utilizado nas lentes, distância focal e formato das lentes, que vão definir em termos físicos grandezas como aberrações óticas, astigmatismo, curvatura de campo, distorção, aberração cromática, luz parasita, fotometria e a resolução da imagem. Esses parâmetros são importantes de serem analisados e otimizados para uma boa performance óptica do sistema.
Agora outro exemplo, este para o setor de biomedicina: a tomografia de coerência óptica, ou OCT, é um exame de imagem que usa a luz para obter uma imagem transversal da retina, possibilitando a identificação e acompanhamento de doenças oculares. Pode-se notar na Figura 2 a seção transversal da córnea e íris (A) e o tecido da retina (B) de um olho humano saudável.
Figura 2: Imagem OCT.
Abaixo, na Figura 3, é possível agora verificar um sistema óptico representativo para um OCT, onde cada componente óptico tem uma função específica de colimar e direcionar os feixes de luz.
Figura 3: Sistema óptico de OCT.
A luz emitida pela fonte de luz é dividida em dois feixes por prismas, os feixes são então refletidos de volta aos prismas por dois espelhos e depois recombinados e direcionados a um detector, onde é quantificada a interferência do feixe proveniente da amostra em comparação. Esses sinais são posteriormente analisados e processados. Para otimizar um sistema óptico como esse, é necessário fazer a análise sequencial de cada etapa do sistema, desde a especificação da fonte de luz, escolha de materiais, acabamentos superficiais nos espelhos, posicionamento dos prismas e assim por diante.
Outras aplicações comuns são para equipamentos laser muito utilizados na indústria para manufatura, detecção e sensoriamento. Na Figura 4, é possível observar um feixe de laser propagado através de uma lente, onde tem-se que garantir que a uma determinada distância o raio colimado tenha a potência suficiente para um dado objetivo.
Figura 4: Raio laser.
Neste tipo de sistema, a otimização da lente quanto a sua geometria e material é essencial para um bom controle do feixe, alinhado a uma baixa potência da fonte de luz, evitando maiores custos e possíveis problemas de temperatura.
Além disso, na indústria automotiva encontramos diversos dispositivos ópticos para iluminação interior e exterior do veículo, desde displays do painel e botões de sinalização, até faróis e lanternas traseiras. Por trás de todos esses componentes existe um estudo óptico complexo, que não deve apenas atender a normas rígidas de segurança, mas também garantir a boa percepção e assinatura do veículo para o consumidor final. Isso porque aqui não só a validação fotométrica, mas também a aparência do produto, acabam sendo muito importantes para as montadoras. Ao contrário dos exemplos anteriores, onde é feita uma análise do componente isolado, neste caso é necessária uma análise mais completa de diferentes componentes juntos, pois envolvem diversas partes mecânicas com diferentes propriedades ópticas e materiais com diferentes acabamentos superficiais, sendo necessário realizar uma análise optomecânica dos sistemas como um todo. Na animação abaixo, é possível visualizar a aparência final do produto, levando-se em conta a performance óptica de todas as diferentes funções da lanterna traseira, de acordo com especificação de fonte de luz, geometria e material de lentes, superfícies refletoras, guias de luz e componentes mecânicos como bezel e carcaça exterior.
Análise óptica da lanterna traseira.
Neste tipo de análise virtual, é possível visualizar a aparência do produto de acordo com a fisionomia do olho humano, reproduzindo efeitos que apenas o olho humano percebe, de acordo com a luminosidade e adaptação do olho ao ambiente, como o efeito de “glare” ao olhar diretamente para luzes com alta intensidade.
Quando se fala de temas como ADAS (“Advanced driver-assistance systems”) e veículos autônomos, sensores ópticos também são fundamentais para o desenvolvimento de sistemas inteligentes como esse, pois são os sensores como câmeras, lidars e radares que vão captar as informações externas e enviá-las ao sistema inteligente do veículo. Assim, além de desenvolver o sistema óptico da câmera, por exemplo, é possível avaliar a performance do sensor em um dado cenário 3D com propriedades ópticas e iluminação externa ambiente ou artificial definidas. Pode-se ver na Figura 5 a análise de uma câmera frontal do veículo.
Figura 5: Análise de câmera frontal.
Por fim, esses são apenas alguns dos exemplos de aplicação da simulação óptica em diferentes segmentos da Engenharia. Nesses ramos, novas tendências de tecnologias estão sempre surgindo, e com isso é necessário cada vez mais ter ferramentas ágeis para conseguir entregar produtos competitivos para o mercado.
Para saber mais sobre o uso da simulação óptica na Engenharia, veja o nosso post sobre etapas de desenvolvimento em projetos de faróis automotivos.
