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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.18.2014.tde-20082014-104158
Documento
Autor
Nome completo
Luís Eduardo Lopes
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2014
Orientador
Banca examinadora
Schiabel, Liliane Ventura (Presidente)
Magalhães, Daniel Varela
Ruggiero, Lígia de Oliveira
Título em português
Desenvolvimento de um protótipo para medição de filtros polarizadores de óculos de sol de acordo com a NBR15111
Palavras-chave em português
NBR15111
Óculos de sol
Polarização
Resumo em português
O uso de filtros polarizadores em óculos de sol está se tornando muito comum em todo o mundo. No Brasil, apesar da norma ABNT NBR15111:2004 ter considerações específicas para seu uso (posição e eficiência), não existe equipamento nacional específico para executar as medidas necessárias para avaliação. Este trabalho descreve o desenvolvimento de um protótipo capaz de executar medidas em óculos de sol para verificar sua adequação à referida norma, que estabelece os seguintes requisitos para os filtros polarizadores: o limite para o desvio entre o eixo de transmissão do filtro polarizador e a vertical é de ±5º e o limite máximo para o desvio mútuo entre os eixos de polarização dos filtros polarizadores das duas lentes é de 6º. Ainda, a eficiência mínima de polarização é de 4:1 para filtros da categoria 1 e de 8:1 para as demais categorias, exceto a categoria 0. O desenvolvimento do protótipo foi dividido em duas etapas: 1. desenvolvimento e avaliação do método de medição, por simulações no software Malab® e testes em bancada; 2. construção do protótipo baseado no projeto, melhorias em bancada e testes preliminares em óculos. O sistema ótico consistiu de: uma fonte de luz (composta por um LED, uma lente biconvexa e um filtro difusor), pelos óculos em teste, pelo filtro analisador (formado por duas metades de filtros polarizadores dispostos com alinhamento perpendicular entre seus eixos de polarização), dois orifícios para passagem de luz designados por pinhole e dois sensores de luz. O sistema eletrônico é composto por seis placas de circuito impresso, a saber: a placa principal onde estão os microcontroladores que executam o software programado; duas placas para controle de motor de passo (filtro analisador e movimento horizontal dos óculos em teste); placa para controle de motor DC (movimento vertical para prender os óculos em teste), placa de alimentação e placa dos sensores. Como resultado, verificou-se a capacidade de posicionamento do filtro analisador com a resolução de 0,08°, a redução do coeficiente de variação de 0,89% para 0,31% pelo uso do filtro difusor, a resolução ótica para medição de um dos óculos de 0,023°, além de um possível problema de alinhamento entre as duas metades que compõe o filtro analisador, o que contribuiu para a desenvolvimento de uma análise mais detalhada das equações de comportamento do protótipo. O protótipo recebeu melhorias nos sistema ótico e eletrônico, além de testes nos óculos de sol disponíveis. No sistema ótico, os sensores foram substituídos por um de maior correlação com a função de sensibilidade para visão diurna V(λ) e que possui resposta logarítmica, em função disso, o LED do conjunto ótico foi substituído por um de maior potência; também, em função da nova configuração mecânica, a lente da fonte de luz foi substituída por uma biconvexa de diferente distância focal. Assim, a iluminação tornou-se mais homogênea e mais intensa. No sistema eletrônico, utilizou-se um microcontrolador com maior capacidade de processamento, maior memória e conexão USB estável. A interface homem-máquina foi feita por uma tela de cristal líquido sensível ao toque. Os testes com o protótipo foram feitos em quatro óculos de sol polarizados, sendo que, como filtro polarizador de referência para calibração foi utilizada uma das lentes destes óculos. Os resultados preliminares indicaram a viabilidade de se finalizar este sistema como protótipo pronto para uso e calibrá-lo para se obter medidas que proporcionem análises das conformidades da norma brasileira. Contudo, por não ter disponível um filtro calibrador com características apropriadas, os resultados obtidos ainda não podem ser conclusivos. O protótipo construído foi capaz de aplicar o método de medição desenvolvido para caracterizar os óculos de sol, de acordo com as recomendações da norma. Sua estrutura mecânica é robusta e flexível, permitindo o estudo e desenvolvimento de outros métodos de medição e a inserção de outras funções. A contribuição científica e acadêmica deste trabalho reside nos projetos óticos e mecânicos, para se atender a necessidade de construção de um sistema que possa num futuro próximo estar analisando óculos de sol, com as características de um equipamento requerido pela norma brasileira e que não existe no mercado nacional.
Título em inglês
Development of a prototype for measurements in sunglasses polarization filters according to NBR15111
Palavras-chave em inglês
NBR15111
Polarization
Sunglasses
Resumo em inglês
The use of polarizing filters in sunglasses is becoming very common worldwide. In Brazil, despite the NBR15111:2004 has specific requirements for its use (position and efficiency), there is no proper national equipment to perform the measurements needed for evaluation. This paper describes the development of a prototype capable to perform measurements on sunglasses in order to verify their suitability for this standard, which establishes the following requirements for polarizing filters: the threshold for the deviation between the transmission axis and the polarizing filter vertical axis is ±5º and the upper limit for the mutual distance between the polarization axis of the two lenses is 6º. The lower efficiency of the polarizing filter is 4:1 for category 1 and 8:1 for all other categories except category 0. The development of the prototype was divided into two stages: 1. Development and evaluation of the measurement method, by software simulations in Malab® and test bench; 2. Prototype construction based on the project, improvements obtained in test bench and preliminary test results with sunglasses. The optical system includes: a light source ( composed by a LED, a biconvex lens and a diffuser filter ), the sunglasses in test, a analyzer filter ( formed by two polarizing filters halves, disposed with their polarization axes perpendicular to each other ), two holes for light transmission (called pinhole) and two light sensors . The electronic system consists of six printed circuit boards , the main board where the microcontroller running software are programmed ; two boards for control of stepper motors (analyzer filter and horizontal movement of the sunglasses in test ); a board to control a DC motor ( vertical motion to hold the sunglasses in test), a power board and a sensor board. As a result of the first step, it was determined the positioning capability of the analyzer filter with a resolution of 0.08°, a reduction of the coefficient of variation from 0.89% to 0.31% by the use of the diffuser, the optical resolution for measuring one of the lenses was 0.023°, also a possible alignment problem between the two analyzer halves, which contributed to the development of a detailed analysis of the behavioral equations of the prototype. The prototype received improvements in optical and electronic systems, and tests with the available sunglasses. In the optical system, the sensors were replaced by a others with higher correlation with the sensitivity function for daytime vision V(λ) and logarithmic response. As a result, the LED of the light source was replaced by a more powerful one, due to the new mechanical configuration, the lens of the light source was replaced by a biconvex with different focal length, which made the light more homogeneous and intense. The electronic system used a new microcontroller with higher processing power and memory, as well as a more stable USB connection. A man-machine interface was made by including a liquid crystal display, seven-inch touchscreen. Tests with the prototype were made in four polarized sunglasses, the calibration was made using one sunglass lens. Preliminary results indicate the feasibility of this system as complete prototype, ready for use, to obtain measures that provide analyzes in accordance with Brazilian standard. However, by not having available a reference filter with suitable characteristics to serve as a calibrator, the results cannot be conclusive yet. The prototype built was able to apply the measurement method developed for characterizing sunglasses, according to the recommendations of the standard. Its mechanical structure is robust and flexible, allowing the study and development of other methods of measurement and inclusion of other functions. The scientific and academic contribution of this work lies in the optical and mechanical design, to meet the need of building a system that can analyze sunglasses in the near future, with the characteristics required by the Brazilian standard and this equipment does not exist in national market.
 
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Luis.pdf (3.18 Mbytes)
Data de Publicação
2014-08-26
 
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