Design and development of compact optical systems = Diseño y desarrollo de sistemas ópticos compactos

Esta tesis considera dos tipos de aplicaciones del diseño óptico: óptica formadora de imagen por un lado, y óptica anidólica (nonimaging) o no formadora de imagen, por otro. Las ópticas formadoras de imagen tienen como objetivo la obtención de imágenes de puntos del objeto en el plano de la imagen. Por su parte, la óptica anidólica, surgida del desarrollo de aplicaciones de concentración e iluminación, se centra en la transferencia de energía en forma de luz de forma eficiente. En general, son preferibles los diseños ópticos que den como resultado sistemas compactos, para ambos tipos de ópticas (formadora de imagen y anidólica). En el caso de los sistemas anidólicos, una óptica compacta permite tener costes de producción reducidos. Hay dos razones: (1) una óptica compacta presenta volúmenes reducidos, lo que significa que se necesita menos material para la producción en masa; (2) una óptica compacta es pequeña y ligera, lo que ahorra costes en el transporte. Para los sistemas ópticos de formación de imagen, además de las ventajas anteriores, una óptica compacta aumenta la portabilidad de los dispositivos, que es una gran ventaja en tecnologías de visualización portátiles, tales como cascos de realidad virtual (HMD del inglés Head Mounted Display). Esta tesis se centra por tanto en nuevos enfoques de diseño de sistemas ópticos compactos para aplicaciones tanto de formación de imagen, como anidólicas. Los colimadores son uno de los diseños clásicos dentro la óptica anidólica, y se pueden utilizar en aplicaciones fotovoltaicas y de iluminación. Hay varios enfoques a la hora de diseñar estos colimadores. Los diseños convencionales tienen una relación de aspecto mayor que 0.5. Con el fin de reducir la altura del colimador manteniendo el área de iluminación, esta tesis presenta un diseño de un colimador multicanal. En óptica formadora de imagen, las superficies asféricas y las superficies sin simetría de revolución (o freeform) son de gran utilidad de cara al control de las aberraciones de la imagen y para reducir el número y tamaño de los elementos ópticos. Debido al rápido desarrollo de sistemas de computación digital, los trazados de rayos se pueden realizar de forma rápida y sencilla para evaluar el rendimiento del sistema óptico analizado. Esto ha llevado a los diseños ópticos modernos a ser generados mediante el uso de diferentes técnicas de optimización multi-paramétricas. Estas técnicas requieren un buen diseño inicial como punto de partida para el diseño final, que será obtenido tras un proceso de optimización. Este proceso precisa un método de diseño directo para superficies asféricas y freeform que den como resultado un diseño cercano al óptimo. Un método de diseño basado en ecuaciones diferenciales se presenta en esta tesis para obtener un diseño óptico formado por una superficie freeform y dos superficies asféricas. Esta tesis consta de cinco capítulos. En Capítulo 1, se presentan los conceptos básicos de la óptica formadora de imagen y de la óptica anidólica, y se introducen las técnicas clásicas del diseño de las mismas. El Capítulo 2 describe el diseño de un colimador ultra-compacto. La relación de aspecto ultra-baja de este colimador se logra mediante el uso de una estructura multicanal. Se presentará su procedimiento de diseño, así como un prototipo fabricado y la caracterización del mismo. El Capítulo 3 describe los conceptos principales de la optimización de los sistemas ópticos: función de mérito y método de mínimos cuadrados amortiguados. La importancia de un buen punto de partida se demuestra mediante la presentación de un mismo ejemplo visto a través de diferentes enfoques de diseño. El método de las ecuaciones diferenciales se presenta como una herramienta ideal para obtener un buen punto de partida para la solución final. Además, diferentes técnicas de interpolación y representación de superficies asféricas y freeform se presentan para el procedimiento de optimización. El Capítulo 4 describe la aplicación del método de las ecuaciones diferenciales para un diseño de un sistema óptico de una sola superficie freeform. Algunos conceptos básicos de geometría diferencial son presentados para una mejor comprensión de la derivación de las ecuaciones diferenciales parciales. También se presenta un procedimiento de solución numérica. La condición inicial está elegida como un grado de libertad adicional para controlar la superficie donde se forma la imagen. Basado en este enfoque, un diseño anastigmático se puede obtener fácilmente y se utiliza como punto de partida para un ejemplo de diseño de un HMD con una única superficie reflectante. Después de la optimización, dicho diseño muestra mejor rendimiento. El Capítulo 5 describe el método de las ecuaciones diferenciales ampliado para diseños de dos superficies asféricas. Para diseños ópticos de una superficie, ni la superficie de imagen ni la correspondencia entre puntos del objeto y la imagen pueden ser prescritas. Con esta superficie adicional, la superficie de la imagen se puede prescribir. Esto conduce a un conjunto de tres ecuaciones diferenciales ordinarias implícitas. La solución numérica se puede obtener a través de cualquier software de cálculo numérico. Dicho procedimiento también se explica en este capítulo. Este método de diseño da como resultado una lente anastigmática, que se comparará con una lente aplanática. El diseño anastigmático converge mucho más rápido en la optimización y la solución final muestra un mejor rendimiento. ABSTRACT We will consider optical design from two points of view: imaging optics and nonimaging optics. Imaging optics focuses on the imaging of the points of the object. Nonimaging optics arose from the development of concentrators and illuminators, focuses on the transfer of light energy, and has wide applications in illumination and concentration photovoltaics. In general, compact optical systems are necessary for both imaging and nonimaging designs. For nonimaging optical systems, compact optics use to be important for reducing cost. The reasons are twofold: (1) compact optics is small in volume, which means less material is needed for mass-production; (2) compact optics is small in size and light in weight, which saves cost in transportation. For imaging optical systems, in addition to the above advantages, compact optics increases portability of devices as well, which contributes a lot to wearable display technologies such as Head Mounted Displays (HMD). This thesis presents novel design approaches of compact optical systems for both imaging and nonimaging applications. Collimator is a typical application of nonimaging optics in illumination, and can be used in concentration photovoltaics as well due to the reciprocity of light. There are several approaches for collimator designs. In general, all of these approaches have an aperture diameter to collimator height not greater than 2. In order to reduce the height of the collimator while maintaining the illumination area, a multichannel design is presented in this thesis. In imaging optics, aspheric and freeform surfaces are useful in controlling image aberrations and reducing the number and size of optical elements. Due to the rapid development of digital computing systems, ray tracing can be easily performed to evaluate the performance of optical system. This has led to the modern optical designs created by using different multi-parametric optimization techniques. These techniques require a good initial design to be a starting point so that the final design after optimization procedure can reach the optimum solution. This requires a direct design method for aspheric and freeform surface close to the optimum. A differential equation based design method is presented in this thesis to obtain single freeform and double aspheric surfaces. The thesis comprises of five chapters. In Chapter 1, basic concepts of imaging and nonimaging optics are presented and typical design techniques are introduced. Readers can obtain an understanding for the following chapters. Chapter 2 describes the design of ultra-compact collimator. The ultra-low aspect ratio of this collimator is achieved by using a multichannel structure. Its design procedure is presented together with a prototype and its evaluation. The ultra-compactness of the device has been approved. Chapter 3 describes the main concepts of optimizing optical systems: merit function and Damped Least-Squares method. The importance of a good starting point is demonstrated by presenting an example through different design approaches. The differential equation method is introduced as an ideal tool to obtain a good starting point for the final solution. Additionally, different interpolation and representation techniques for aspheric and freeform surface are presented for optimization procedure. Chapter 4 describes the application of differential equation method in the design of single freeform surface optical system. Basic concepts of differential geometry are presented for understanding the derivation of partial differential equations. A numerical solution procedure is also presented. The initial condition is chosen as an additional freedom to control the image surface. Based on this approach, anastigmatic designs can be readily obtained and is used as starting point for a single reflective surface HMD design example. After optimization, the evaluation shows better MTF. Chapter 5 describes the differential equation method extended to double aspheric surface designs. For single optical surface designs, neither image surface nor the mapping from object to image can be prescribed. With one more surface added, the image surface can be prescribed. This leads to a set of three implicit ordinary differential equations. Numerical solution can be obtained by MATLAB and its procedure is also explained. An anastigmatic lens is derived from this design method and compared with an aplanatic lens. The anastigmatic design converges much faster in optimization and the final solution shows better performance.

Paisaje de energías: conocimiento estético en el enfoque ambiental del proyecto

Desde hace ya varias décadas la praxis de la ecología ha venido reconociendo la necesidad de estudiar los múltiples sistemas de interacción del ser humano, como especie viva, y su entorno. Entidades espaciales como el paisaje geográfico son empleadas para delimitar sistemas territoriales operados por la sociedad, precisando campos concretos de su acción física, biológica y cultural. La ecología aborda así el conocimiento científico del territorio como asentamiento humano, rastrea sus patrones espaciales y analiza su compleja estructura funcional. En ese contexto, la transferencia de herramientas e instrumentos desde la ecología al ámbito proyectivo posee ya un bagaje de más de cinco décadas. Cada vez con más frecuencia el proyecto emplea parámetros, inventarios, fórmulas, indicadores y tecnologías que tratan de dar una respuesta ambientalmente adecuada a los condicionantes de contorno, por ejemplo aprovechando las condiciones climáticas en la optimización energética o proponiendo programas de usos del suelo que eviten perturbaciones en ecosistemas de interés. Con todo, en el momento presente surgen voces que, ante el dominio indiscutible de los enfoques netamente deterministas, tratan de recordar que los principios del pensamiento ecológico van más allá del mero control cuantitativo de los procesos biofísicos. Recuerdan que la etología demostró a principios del XX que el ser humano, como ser consciente, inviste una relación de intimidad con su entorno que supera tales perspectivas: a través de la correspondencia entre percepción y significación, entre lo físico y lo psíquico, entre interioridad y exterioridad, las personas abrazan la plenitud de aquello que les rodea en un acto de profunda conciliación afectiva. De tal ligadura de intimidad depende, sí o sí, y en toda su profundidad, la aceptación humana del entorno construido. A través de la noción de ambiente [Umwelt] se demuestra que la relación del hombre con su entorno es inseparable, bidireccional y coordinada y, por lo tanto, desde una posición coherente, la experiencia del espacio puede ser examinada a partir de la reciprocidad que constituyen, en continuidad, la persona y el lugar. De esta forma, la tesis dirige su objetivo principal a explorar y considerar, desde el proyecto, el significado y la influencia de la experiencia ambiental del espacio construido en la vida humana. Es más que probable que buena parte de los problemas de desafección del hombre con los paisajes transformados de su contemporaneidad tenga que ver con que tanto las intensidades de la experiencia y percepción humana, como la potestad interpretativa de sus productos culturales, incluyendo la arquitectura, han sido fuertemente reducidas. Ante este problema, la investigación toma como hipótesis la oportunidad que ofrece el pensamiento ecológico de reformular la experiencia estética como un acto de conocimiento, como un evento donde se da el encuentro físico y se construyen significados, donde se sancionan valores sociales y se mira hacia el futuro. Se ha de señalar que la presente tesis doctoral arranca en el Laboratorio de Paisaje del Grupo de Investigación Paisaje Cultural de la Universidad Politécnica de Madrid dirigido por Concha Lapayese y Darío Gazapo, y por tanto hace suyos para el estado del arte los principales conceptos e ideas bajo los que el trabajo teórico y práctico del grupo se viene orientando desde hace años: la consideración del paisaje como acontecimiento; la oscilación de la interpretación entre un paisaje específico y un paisaje genérico en un mundo globalizado; el reconocimiento de la experiencia estética del paisaje como una toma de conciencia social; y en definitiva, la reivindicación de la interioridad en el proyecto contemporáneo. La investigación profundiza en una línea de oportunidad que se abre al promover lo que se ha llamado un conocimiento por lo sentido como estrategia ambiental que permite contrarrestar mitos profundamente arraigados en las estructuras sociales. El primer paso en ese recorrido sería explorar ecológicamente el aporte de la experiencia estética; esto es, su consideración como forma de conocimiento específico. Resultaría pertinente impulsar la idea de la inmersión en el paisaje como fenómeno experiencial, sensual y corporal, y enfrentar, desde ahí, el problema de la aceptación social de lo nuevo y lo trasformado de acuerdo con el momento actual. La exploración sobre la afectividad en el ambiente no es, en cualquier caso, un asunto nuevo. Sin pretensiones de historiografía, dos momentos del siglo XX concentran el interés de la investigación. La primera se corresponde fundamentalmente con la segunda década del siglo, en relación a una serie de influencias que desde los avances científicos determinaron singulares aventuras del arte más experimental. La segunda se posiciona en el entorno de 1970, época en la que es conocido el interés que despertaron las cuestiones ambientales. En ambos casos se han estudiado aportaciones que desvelan conceptos determinantes en la definición de la experiencia estética como un evento de adquisición de conocimiento por lo sentido. Es conveniente adelantar el rol de centralidad que para la investigación tiene el concepto de energía, tal como el propio título subraya. La energía como realidad material y sensible es el sustrato que permite navegar por el principio de unidad epistemológica que subyace al pensamiento ecológico. Sus continuas referencias simbólicas, físicas y metafóricas entre los artistas estudiados no son un mero recurso iconográfico: mantienen inherente el principio de continuidad ambiental en el cual el ser humano y la inmensidad del cosmos navegan indisociables. Un discurso unificado y consistente sobre los aportes de la experiencia estética enfocada como forma de conocimiento por lo sentido hila la lectura histórica, conceptual y práctica de toda la investigación. Con ello se alcanza a hilvanar un diagrama conceptual, modelo de análisis proyectivo, que recoge ideas científicas, filosóficas y proyectivas. De alguna manera, el diagrama trata de dibujar, desde los principios del pensamiento ecológico, la correlación de continuidad que, vacilante, tensa, sutil y frágil se desplaza incesante e irresuelta entre interioridad y exterioridad. ABSTRACT Over the last few decades ecological practice has come to acknowledge a need for studying the multiple systems of interaction between the human being - inasmuch as it is a living species - and its environment. Spatial entities such as the geographic notion of landscape have been used to delimitate the territorial systems operated by society and to describe in detail specific fields of its physical, biological and cultural action. Ecology has thus managed to address the scientific knowledge of the territory as a human settlement, tracking its spatial patterns and analysing its complex functional structure. In this context, the transfer of tools and instruments from the field of ecology to that of design has a tradition already going back more than fifty years. Increasingly more often, design makes use of parameters, inventories, formulas, indicators and technologies to give an environmentally sound response to contour conditions: for instance, taking advantage of the local climate for the optimisation of energy consumption or proposing land uses that avoid disturbing valuable ecosystems. Yet in the present day some voices have arisen that, against the uncontested domination of purely positivistic approaches, are trying to draw attention to the fact that the principles of ecological thought go beyond mere quantitative control of biophysical processes. They point out that, in the early 20th century, ethology proved that the human being, as a conscious entity, invests itself into a relationship of intimacy with its environment that surpasses such perspectives: through the correspondences between perception and signification, between physical and psychological or between inside and outside, people embrace the entirety of their surroundings in an action of deep affective conciliation. It is on this link of intimacy that - fully and unquestionably - human acceptance of the built environment depends. Through the notion of environment [Umwelt] it can be proven that the relationship between the human being and its environment is inseparable, bidirectional and coordinated; and that, therefore, from a coherent position the experience of space can be examined through the reciprocity constituted continuously by person and place. Thus, the main goal in this thesis is to explore and acknowledge, from the standpoint of design, the meaning and influence of the environmental experience in human life. It is extremely likely that many of the issues with mankind’s alienation from the transformed landscapes of the present day arise from the fact that both the intensity of human perception and experience and the interpretive capacity of its cultural products –including architecture - have been greatly reduced. Facing this issue, research has taken as hypothesis the opportunity offered by ecological thought of reformulating aesthetic experience as an act of knowledge – as an event where physical encounter takes place and meanings are constructed; where social values are sanctioned and the path towards the future is drawn. This notwithstanding, the present thesis began in the Landscape Laboratory of the Technical University of Madrid Cultural Landscape Research Group (GIPC-UPM), led by Concha Lapayese and Darío Gazapo; and has therefore appropriated for its state of the art the main concepts and ideas that have been orienting the practical and theoretical work of the latter: the understanding of landscape as an event, the oscillation of interpretation between a specific and a generic landscape within a globalised world; the acknowledgement of the aesthetic experience of landscape as a way of acquiring social awareness; and, all in all, a vindication of interiority in contemporary design. An exploration has been made of the line of opportunity that is opened when promoting what has been termed knowledge through the senses as an environmental strategy allowing to counter myths deeply rooted in social structures. The first step in this path would be an ecological exploration of the contribution of the aesthetic experience; that is, its consideration as a type of specific knowledge. It would be pertinent to further the idea of immersion into the landscape as an experiential, sensual and corporeal phenomenon and, from that point, to face the issue of social acceptance of what is new and transformed according to the values of the present day. The exploration of affectivity in the environment is not, at any rate, a new topic. Without aspiring to make a history of it, we can mark two points in the 20th century that have concentrated the interest of this research. The first coincides with the second decade of the century and relates to a number of influences that, arising from scientific progress, determined the singular adventures of the more experimental tendencies in art. The second is centred around 1970: a period in which the interest drawn by environmental matters is well known. In both cases, contributions have been studied that reveal crucial concepts in defining the aesthetic experience as an event for the acquisition of knowledge through the senses. It is necessary to highlight the role of centrality that the concept of energy has throughout this research, as is evident even in its title. Energy as a material, sensitive reality is the substrate making it possible to navigate through the principle of epistemological unity underlying ecological thought. The continuous symbolic, physical and metaphorical references to it among the artists studied here are not a mere iconographic source: they remind of the inherency of the principle of environmental continuity within which the human being and the immensity of cosmos travel indissociably. A unified, consistent discourse on the contributions of the aesthetic experience addressed as knowledge through the senses weaves together the historic, conceptual and practical reading of the whole research. With it, a conceptual diagram is constructed – a model of design analysis – gathering together scientific, philosophical and design ideas. Somehow, the diagram tries to draw from the principles of ecological thought the correlation of continuity that, vacillating, tense, subtle and fragile, shifts incessantly and unresolved between interiority and exteriority.

Despliegue del sistema de garantía interna de calidad en la Universidad Politécnica de Madrid

La Universidad Politécnica de Madrid (UPM) apuesta firmemente por la implantación de un Sistema de Garantía Interna de Calidad (SGIC) en todos sus títulos y estructuras. Para ello, ha diseñado un modelo general, que ha sido adaptado a las realidades específicas de sus centros, encontrándose éstos en diferentes grados de implantación del proceso. Con este SGIC, la UPM se asegura el cumplimiento de los requisitos establecidos en los distintos programas de calidad: seguimiento externo, renovación de la acreditación, acreditaciones internacionales, etc. El eje fundamental de estos SGIC son los títulos oficiales, para los que es indispensable realizar un seguimiento de la implantación y desarrollo de los mismos. Para garantizar esto último, la UPM ha desarrollado una herramienta informática (GAUSS) que facilita a los implicados en el seguimiento interno de los títulos la elaboración de las Guías de Aprendizaje y todos los informes de seguimiento (informe de asignatura, de semestre y de titulación). El resto de procedimientos del SGIC dan soporte y ayudan a plantear la estrategia que asegure el mejor desarrollo de nuestra oferta académica y de nuestros servicios con la consecuente satisfacción de los agentes implicados. La implantación de SGIC ha supuesto un cambio en los métodos docentes aplicados por el profesorado, y de evaluación de las competencias y conocimientos de nuestros estudiantes.