“Método y dispositivo de caracterización de un campo electromagnético, y método y dispositivo de inspección no destructiva mediante la utilización de un campo

electromagnético”

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se refiere a métodos y dispositivos relacionados con la caracterización de campos electromagnéticos.

ESTADO ANTERIOR DE LA TÉCNICA

Son conocidos métodos y dispositivos para detectar y caracterizar campos electromagnéticos. La caracterización de campos electromagnéticos puede ser útil por ejemplo para conocer el campo electromagnético generado por dispositivos electrónicos.

Por otra parte, son conocidos métodos y dispositivos de inspección no destructiva de materiales mediante campos electromagnéticos. EP2254467A1 describe un método y un dispositivo de inspección no destructiva de una región de interés de un objeto basado en la emisión de un campo electromagnético que atraviesa la región de interés a inspeccionar.

El método comprende una primera etapa en la que se genera un campo electromagnético que incide sobre la región de interés del objeto a inspeccionar, una segunda etapa en la que se detecta la onda mecánica generada en la región de interés en respuesta al campo electromagnético incidente, y una tercera etapa en la que se genera una imagen de la región de interés inspeccionada en base a la onda mecánica detectada.

EXPOSICIÓN DE LA INVENCIÓN

Un primer objeto de la invención es el de proporcionar un método y un dispositivo de caracterización de un campo electromagnético, según se define en las reivindicaciones.

El método de caracterización de la invención comprende una etapa de transformación en la que se hace pasar el campo electromagnético a caracterizar a través de un material de referencia cuyas propiedades ópticas cambian bajo la acción de un campo electromagnético. A su vez, una luz incidente incide sobre el material de referencia dando lugar a una luz resultante. El método de la invención comprende además una etapa de detección en la que se obtiene una imagen representativa del campo electromagnético a caracterizar a partir de la luz resultante.

El dispositivo de caracterización de la invención comprende un material de referencia cuyas propiedades ópticas cambian bajo la acción de un campo electromagnético, y por el que se hace pasar el campo electromagnético a caracterizar. A su vez, una luz incidente incide sobre el material de referencia dando lugar a una luz resultante. El dispositivo de la invención obtiene una imagen representativa del campo electromagnético a caracterizar a partir de la luz resultante.

Con el método y el dispositivo de la invención se consigue transformar el campo electromagnético a caracterizar en una imagen de luz, de modo que dicha imagen de luz represente las características del campo electromagnético a caracterizar. El método y el dispositivo de la invención permiten caracterizar el campo electromagnético de forma rápida y sencilla, pudiéndose obtener una imagen representativa del campo electromagnético a caracterizar con una alta resolución.

Un segundo objeto de la invención es el de proporcionar un método y un dispositivo de inspección no destructiva de una muestra a inspeccionar, mediante la utilización del método y el dispositivo de caracterización de la invención. Mediante el método y el dispositivo de inspección de la invención se obtienen las mismas ventajas que se obtienen con el método y dispositivo de caracterización de la invención.

Estas y otras ventajas y características de la invención se harán evidentes a la vista de las figuras y de la descripción detallada de la invención. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La Figura 1 muestra una representación esquemática de una primera realización del dispositivo de caracterización de un campo electromagnético de la invención.

La Figura 2 muestra una representación esquemática de una primera realización del dispositivo de inspección no destructiva de la invención.

La Figura 3 muestra una representación esquemática de una segunda realización del dispositivo de inspección no destructiva de la invención.

EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La Figura 1 muestra una primera realización del dispositivo de caracterización 1 de la invención que comprende un material de referencia 5 cuyas propiedades ópticas cambian bajo la acción de un campo electromagnético, y por el que se hace pasar el campo electromagnético 7 a caracterizar. A su vez, una luz incidente incide sobre el material de referencia 5 dando lugar a una luz resultante a partir de la cual se obtiene una imagen representativa del campo electromagnético a caracterizar.

En una posible aplicación del dispositivo de caracterización de la invención, el campo electromagnético 7 a caracterizar puede ser el campo electromagnético emitido por un dispositivo electrónico como por ejemplo un teléfono móvil, el emitido por una instalación como podría ser una línea de alta tensión, o el emitido por una antena. La frecuencia de dicho campo electromagnético a caracterizar estaría comprendida en un rango de frecuencias que iría desde unas centenas de KHz hasta varias decenas de THz. El dispositivo de caracterización 1 de la invención permitirá conocer las características del campo electromagnético 7 a caracterizar. Dichas características comprenden entre otras su intensidad, frecuencia y dirección.

El material de referencia 5 es un material cuyas propiedades ópticas cambian por efecto de un campo electromagnético, más concretamente por el campo electromagnético en su conjunto, por el campo eléctrico o por el campo magnético. Cuando en el contexto de la invención se hace referencia a materiales de referencia cuyas propiedades ópticas cambian bajo la acción de un campo electromagnético, se incluyen tanto aquellos materiales cuyas propiedades ópticas cambian por la acción del campo electromagnético en su conjunto, como aquellas cuyas propiedades cambian por el campo eléctrico o el campo magnético. Dichas propiedades ópticas, en una realización preferente podrían ser el índice de refracción, o la opacidad de dicho material de referencia 5.

Son conocidos en el estado de la técnica materiales de referencia 5 cuyas propiedades ópticas cambian por efecto de un campo electromagnético.

Un ejemplo de material de referencia 5 podría ser un material matriz transparente sobre el que se han depositado uno o más elementos activos que modifican las propiedades ópticas del material de referencia 5 bajo la acción de un campo electromagnético. La modificación de las propiedades ópticas del material de referencia 5 puede producirse mediante la transformación del campo electromagnético en deformaciones locales del material de referencia 5, o mediante la modificación de las propiedades ópticas del propio elemento activo.

En una realización alternativa el material de referencia 5 es un material cuyas propiedades ópticas cambian por efecto de un campo magnético.

Un ejemplo de elemento activo del material de referencia 5 comprende un material magnetostrictivo, preferentemente Terfenol-D, y un material piezoeléctrico, preferentemente PZT. Cuando el campo magnético incide sobre el material magnetostrictivo, dicho material convierte el campo magnético en eléctrico. Dicho campo eléctrico excita el material piezoeléctrico, el cual deforma, preferentemente mediante una resonancia electromecánica, el conjunto formado por el material matriz y el elemento activo, cambiando de ese modo las propiedades ópticas del material de referencia 5.

En otra realización alternativa de la invención el material de referencia 5 es un material cuyas propiedades ópticas cambian por efecto de un campo eléctrico.

Otro ejemplo de elemento activo del material de referencia 5 comprende un material ferroeléctrico, preferentemente Titanato de Bario, y un material piezoeléctrico, preferentemente PZT. Cuando el campo eléctrico incide sobre el material ferroeléctrico, éste se polariza. A su vez, dicho campo eléctrico polarizado excita el material piezoeléctrico, el cual deforma, preferentemente mediante una resonancia electromecánica, el conjunto formado por el material matriz y el elemento activo, cambiando de ese modo las propiedades ópticas del material de referencia 5.

Otro ejemplo de elemento activo del material de referencia 5 comprende una o más burbujas de LC o cristal líquido. Ante un campo eléctrico, las partículas de las burbujas de LC quedan alineadas, cambiando de ese modo las propiedades ópticas del material de referencia 5.

En otro ejemplo de elemento activo del material de referencia 5, el campo eléctrico alterno generado debido a la resonancia electromecánica se puede rectificar, mediante por ejemplo un diodo semiconductor integrado en el elemento activo, de tal forma que se obtenga un campo eléctrico continuo, que genere una deformación estática en el material piezoeléctrico en un caso, o que mantenga polarizadas en una dirección las partículas de LC en el otro caso.

En otro ejemplo de elemento activo del material de referencia 5, el elemento activo puede incluir cualquier combinación de las características de los elementos activos descritos anteriormente.

Sin embargo, los ejemplos de material de referencia 5 descritos no pretenden ser una limitación de la presente invención, y en otras realizaciones el material de referencia 5 podría ser de otro tipo.

En la realización del dispositivo de caracterización 1 mostrada en la Figura 1 , el material de referencia 5 es atravesado por una luz incidente. Dado que las propiedades ópticas del material de referencia 5 cambian localmente por efecto del campo electromagnético 7 a caracterizar, la luz incidente se transforma en una luz resultante al atravesar dicho material de referencia 5. En esta realización la luz incidente es una luz homogénea generada por una fuente de luz 4, tal y como se observa en la Figura 1 , que atraviesa el material de referencia 5. En una primera realización del dispositivo de caracterización 1 , la fuente de luz 4 es transparente y permite el paso tanto de luz como de un campo electromagnético. En otra realización del dispositivo de caracterización 1 , el emisor de luz 4 se situaría de forma oblicua respecto al material de referencia 5.

Si el campo electromagnético 7 a caracterizar, al incidir sobre el material de referencia 5 presenta propiedades distintas en unos puntos y en otros de dicho material de referencia 5, las propiedades ópticas de dicho material de referencia 5 se modificarán de distinto modo en dichos unos y otros puntos del material de referencia 5. De ese modo, la luz incidente, al atravesar el material de referencia 5, será modificada de distinto modo en unos puntos que en otros, dando lugar a una luz resultante no homogénea, representativa del campo electromagnético 7 a caracterizar.

El método de caracterización asociado a esta primera realización del dispositivo de caracterización 1 comprende una etapa de transformación en la que se hace pasar el campo electromagnético 7 a caracterizar a través de un material de referencia 5 cuyas propiedades ópticas cambian bajo la acción de un campo electromagnético. A su vez, una luz incidente incide sobre el material de referencia 5 dando lugar a una luz resultante. El método de caracterización de la invención comprende además una etapa de detección en la que se obtiene una imagen representativa del campo electromagnético a caracterizar a partir de la luz resultante.

El material de referencia 5 y la luz incidente del método de caracterización asociado a la primera realización del dispositivo de caracterización 1 tienen las mismas características que el material de referencia 5 y la luz incidente descritos en el dispositivo de caracterización 1 de la invención.

La primera realización del dispositivo de caracterización 1 de la invención comprende además al menos una cámara 9 que capta la luz resultante y envía una señal eléctrica representativa de la luz resultante, tal y como se muestra en la Figura 1. El dispositivo de caracterización 1 de la invención comprende además una unidad de procesamiento 10 que recibe la señal eléctrica enviada por la cámara 9, analiza la señal eléctrica recibida y genera la imagen representativa del campo electromagnético 7 a caracterizar.

Tal y como se ha descrito anteriormente, la imagen representativa del campo electromagnético 7 a caracterizar es una representación gráfica del campo electromagnético 7 en la que mediante la utilización de una pluralidad de colores diferentes se identifican distintas zonas del campo electromagnético 7. Dicha pluralidad de colores se debe a diferencias en la refracción de las diferentes longitudes de onda de la luz incidente, al atravesar el material de referencia 5. La unidad de procesamiento 10 proporciona la información necesaria para identificar las distintas zonas en la imagen representativa y la información necesaria para conocer las características del campo electromagnético 7 en cada una de dichas zonas. Sin embargo, la utilización de colores para representar gráficamente las características del campo electromagnético 7 no pretende ser una limitación de la presente invención, y en otras realizaciones dicha representación gráfica podría realizarse de otra forma, mediante la utilización de distintas escalas de grises, u otras.

En el método de caracterización asociado a la primera realización del dispositivo de caracterización 1 , en la etapa de detección se capta la luz resultante mediante una cámara 9 y se envía una señal eléctrica representativa de la luz resultante a una etapa de conversión en la que se analiza la señal eléctrica recibida y se genera la imagen representativa del campo electromagnético 7 a caracterizar.

La cámara 9 y la imagen representativa del campo electromagnético 7 a caracterizar obtenidas a partir del método de caracterización de la invención tienen las mismas características que las anteriormente descritas en el dispositivo de caracterización 1 de la invención.

En otra realización del dispositivo de caracterización 1 y del método de caracterización de la invención, la luz incidente, en lugar de ser luz visible podría ser luz infrarroja. En dicha realización, la cámara 9 que capta la luz resultante sería también una cámara de infrarrojo.

En una realización del dispositivo de caracterización 1 de la invención y del método de caracterización alternativa a la mostrada en la Figura 1 , la propia luz resultante es la imagen representativa del campo electromagnético 7 a caracterizar. Un observador posicionado frente al material de referencia 5 podría observar en la superficie de dicho material de referencia 5 que no se encuentra frente a la fuente emisora del campo electromagnético 7 a caracterizar, una imagen representativa de las propiedades del campo electromagnético 7 a caracterizar, en base a la luz resultante que se obtiene tras atravesar la luz incidente dicho material de referencia 5.

En una realización preferente, tal como ocurre en la realización de la Figura 1 , el dispositivo de caracterización 1 de la invención comprende un filtro polarizador de entrada 61 a través del cual se hace pasar la luz incidente. En el método de caracterización asociado a dicha otra realización alternativa del dispositivo de caracterización 1 de la invención, se hace pasar la luz incidente a través de un filtro polarizador de entrada 61 en la etapa de transformación. En una realización preferente, tal como ocurre en la realización de la Figura 1 , el dispositivo de caracterización 1 de la invención comprende un filtro polarizador de salida 62 a través del cual se hace pasar la luz resultante. En el método de caracterización asociado a dicha otra realización alternativa del dispositivo de caracterización 1 de la invención, se hace pasar la luz resultante a través de un filtro polarizador de salida 62 en la etapa de transformación.

En una realización preferente del dispositivo de caracterización 1 de la invención y del método de caracterización asociado al mismo, el material de referencia 5 se sitúa en el campo cercano del campo electromagnético 7 a caracterizar.

Generalmente, en tecnologías relacionadas con las telecomunicaciones, con el término campo cercano se hace referencia a la zona cercana a una antena emisora, en la que la distribución angular del campo electromagnético emitido por dicha antena depende de la distancia a la antena.

Para antenas que son físicamente más grandes que media longitud de onda de la frecuencia a la que están radiando, los campos cercano y lejano se definen en base a la distancia de Fraunhofer. Dicha distancia se extiende hasta una longitud 2 ϋ ² /l, siendo l la longitud de onda correspondiente a la frecuencia a la cual está emitiendo la antena, y D la mayor dimensión de dicha antena o de los elementos de dicha antena.

Sin embargo, para antenas de tamaño inferior a media longitud de onda de la radiación que emiten, el campo cercano se definiría como aquella región alrededor de la antena emisora a una distancia inferior a l/2. En una realización preferente del dispositivo de caracterización 1 de la invención y del método de caracterización asociado al mismo, el material de referencia 5 se sitúa a una distancia inferior a l/2 del campo electromagnético incidente.

El trabajar en el campo cercano aporta la ventaja de poder analizar las ondas evanescentes existentes en dicho campo cercano. Las ondas evanescentes decaen exponencialmente en el campo lejano, sin embargo, en el campo cercano permiten realizar una caracterización del campo electromagnético con una elevada resolución espacial, espectral y temporal.

El dispositivo de caracterización 1 de la invención y el método de caracterización asociado al mismo permiten transformar el campo electromagnético 7 a caracterizar y convertirlo en luz, aprovechando la información que el campo cercano proporciona. La luz tiene una longitud de onda inferior a la longitud de onda del campo electromagnético 7 a caracterizar, y por lo tanto una resolución mayor en el campo lejano.

Por todo ello, el dispositivo de caracterización 1 de la invención y el método de caracterización asociado al mismo permiten caracterizar el campo electromagnético 7 a caracterizar con una resolución superior a la proporcionada por los métodos conocidos en el estado de la técnica.

En una segunda realización del dispositivo de caracterización 1 de la invención, así como en una segunda realización del método de caracterización de la invención, el material de referencia 5 refleja la luz incidente dando lugar a una luz resultante.

Un ejemplo de material de referencia 5 podría ser un material matriz especular sobre el que se han depositado uno o más elementos activos que modifican las propiedades ópticas del material de referencia 5 bajo la acción de un campo electromagnético. La modificación de las propiedades ópticas del material de referencia 5 puede producirse mediante la transformación del campo electromagnético en deformaciones locales del material de referencia 5, o mediante la modificación de las propiedades ópticas del propio elemento activo.

Los ejemplos de material de referencia 5 descritos anteriormente en el presente documento para un material matriz transparente no pretenden ser una limitación en la realización del material de referencia 5, y son válidos también cuando el material matriz del material de referencia 5 es especular.

La Figura 2 muestra una primera realización del dispositivo de inspección 1’ no destructiva de la invención. El dispositivo de inspección 1’ no destructiva inspecciona una muestra 2 para la identificación de las propiedades de dicha muestra 2, y comprende para ello un emisor 3 de un campo electromagnético incidente que incide sobre la muestra 2 a inspeccionar dando lugar a un campo electromagnético resultante. En esta realización el campo electromagnético incidente atraviesa la muestra 2, aunque en otra posible realización podría ocurrir que se reflejase en la muestra 2. El dispositivo de inspección 1’ no destructiva de la invención comprende además un dispositivo de caracterización 1 de un campo electromagnético para la caracterización del campo electromagnético resultante. Dicho dispositivo de caracterización 1 es un dispositivo de caracterización de un campo electromagnético como los descritos anteriormente. El dispositivo de caracterización 1 proporciona una imagen representativa del campo electromagnético resultante, siendo dicha imagen representativa la imagen representativa de la muestra 2 a inspeccionar.

La Figura 3 muestra una segunda realización del dispositivo de inspección 1’ no destructiva de una muestra 2 para la identificación de las propiedades de dicha muestra 2, en donde el material de referencia 5 refleja la luz incidente dando lugar a una luz resultante.

La muestra 2 a inspeccionar podrá ser una muestra de un material o una pieza fabricada. Las propiedades de la muestra 2 que se quieren identificar pueden consistir en la existencia de grietas, burbujas, cambios de densidad del material, cambios en la composición del material, etc.

El emisor 3 del campo electromagnético incidente puede ser una o varias antenas, una pluralidad de antenas en fase, o cualquier otro elemento o conjunto de elementos capaces de emitir energía electromagnética. La frecuencia de dicho campo electromagnético incidente estaría comprendida en un rango de frecuencias que iría desde unas centenas de KHz hasta varias decenas de THz. Además, dicho campo electromagnético incidente podría estar polarizado o colimado.

El campo electromagnético incidente, al atravesar la muestra 2 a inspeccionar, queda modificado por efecto de dicha muestra 2, dando lugar a un campo electromagnético resultante. Al atravesar la muestra 2, el campo electromagnético incidente se modifica en intensidad, en polarización, o en ambos.

Cuando las propiedades de la muestra 2 a inspeccionar son las mismas en todos sus puntos, el campo electromagnético incidente es modificado de forma homogénea al atravesar la muestra 2 a inspeccionar de modo que, si se midiera el campo electromagnético resultante en cualquier punto de un plano paralelo cercano al de la muestra 2 a inspeccionar, éste tendría las mismas características en cualquier punto de dicho plano paralelo. Sin embargo, si las propiedades de la muestra 2 no son las mismas en todos sus puntos, el campo electromagnético incidente es modificado de distinta forma al atravesar la muestra 2 a inspeccionar por unos puntos y por otros, dando lugar a un campo electromagnético resultante cuyas características serían distintas en unos puntos que en otros. El dispositivo de inspección 1’ no destructiva de la invención proporciona una imagen representativa de la muestra 2 a inspeccionar a partir del campo electromagnético resultante. Dicha imagen representativa de la muestra 2 a inspeccionar es preferentemente una representación gráfica de la muestra 2 en la que mediante la utilización de una pluralidad de colores diferentes se identifica la localización en la muestra 2 de zonas con distintas propiedades de material, de tal modo que cada zona tendrá un color que identifique las propiedades de dicha zona en la muestra 2.

Sin embargo, la utilización de colores para representar gráficamente una zona de la muestra

2 a inspeccionar no pretende ser una limitación de la presente invención, y en otras realizaciones dicha representación gráfica podría realizarse de otra forma, mediante la utilización de distintas escalas de grises, u otras.

El método de inspección asociado a la primera realización del dispositivo de inspección 1’ es un método de inspección no destructiva de una muestra 2 para la identificación de las propiedades de dicha muestra 2. Dicho método de inspección comprende una etapa de emisión de un campo electromagnético incidente que incide sobre la muestra 2 a inspeccionar dando lugar a un campo electromagnético resultante. En esta realización del método el campo electromagnético incidente atraviesa la muestra 2, aunque en otra posible realización podría ocurrir que se reflejase en la muestra 2. El método de inspección de la invención comprende además una etapa de caracterización del campo electromagnético resultante mediante el método de caracterización descrito previamente en este documento. Dicho método de caracterización proporciona una imagen representativa del campo electromagnético resultante, que es la imagen representativa de la muestra 2 a inspeccionar.

Tal y como se ha descrito en relación con el dispositivo de inspección T, la muestra 2 a inspeccionar es una muestra de un material o una pieza fabricada, y las propiedades de la muestra 2 que se quieren identificar pueden consistir en la existencia de grietas, burbujas, cambios de densidad del material, cambios en la composición del material, etc.

El campo electromagnético incidente es generado en la etapa de emisión mediante un emisor

3 de campo electromagnético, con las mismas características que las descritas para el emisor 3 de campo electromagnético del dispositivo de inspección T de la invención.

En otra realización, el dispositivo de inspección T sería transportable, y para su utilización bastaría con situar el emisor 3 del campo electromagnético a un lado de la muestra 2 a inspeccionar, de modo que el resto de elementos que comprende el dispositivo de inspección 1’ de la invención se situarían al otro lado de la muestra 2 a inspeccionar, habiendo sido fabricados en un único bloque. Dicho bloque, en una realización preferente tendría forma plana, pero en otra realización podría ser flexible, adoptando preferentemente una forma curva que se adaptara a la forma de la muestra 2 a inspeccionar.