Primary optics for efficient high-brightness LED color mixing

In SSL general illumination, there is a clear trend to high flux packages with higher efficiency and higher CRI addressed with the use of multiple color chips and phosphors. However, such light sources require the optics provide color mixing, both in the near-field and far-field. This design problem is specially challenging for collimated luminaries, in which diffusers (which dramatically reduce the brightness) cannot be applied without enlarging the exit aperture too much. In this work we present first injection molded prototypes of a novel primary shell-shaped optics that have microlenses on both sides to provide Köhler integration. This shell is design so when it is placed on top of an inhomogeneous multichip Lambertian LED, creates a highly homogeneous virtual source (i.e, spatially and angularly mixed), also Lambertian, which is located in the same position with only small increment of the size (about 10-20%, so the average brightness is similar to the brightness of the source). This shell-mixer device is very versatile and permits now to use a lens or a reflector secondary optics to collimate the light as desired, without color separation effects. Experimental measurements have shown optical efficiency of the shell of 95%, and highly homogeneous angular intensity distribution of collimated beams, in good agreement with the ray-tracing simulations.

High-brightness all semiconductor laser at 1.57 µm for space-borne lidar measurements of atmospheric carbon dioxide: device design and analysis of requirements

The availability of suitable laser sources is one of the main challenges in future space missions for accurate measurement of atmospheric CO2. The main objective of the European project BRITESPACE is to demonstrate the feasibility of an all-semiconductor laser source to be used as a space-borne laser transmitter in an Integrated Path Differential Absorption (IPDA) lidar system. We present here the proposed transmitter and system architectures, the initial device design and the results of the simulations performed in order to estimate the source requirements in terms of power, beam quality, and spectral properties to achieve the required measurement accuracy. The laser transmitter is based on two InGaAsP/InP monolithic Master Oscillator Power Amplifiers (MOPAs), providing the ON and OFF wavelengths close to the selected absorption line around 1.57 µm. Each MOPA consists of a frequency stabilized Distributed Feedback (DFB) master oscillator, a modulator section, and a tapered semiconductor amplifier optimized to maximize the optical output power. The design of the space-compliant laser module includes the beam forming optics and the thermoelectric coolers.The proposed system replaces the conventional pulsed source with a modulated continuous wave source using the Random Modulation-Continuous Wave (RM-CW) approach, allowing the designed semiconductor MOPA to be applicable in such applications. The system requirements for obtaining a CO2 retrieval accuracy of 1 ppmv and a spatial resolution of less than 10 meters have been defined. Envelope estimated of the returns indicate that the average power needed is of a few watts and that the main noise source is the ambient noise.

High brightness semiconductor lasers as transmitters for space lidar systems

High brightness semiconductor lasers are potential transmitters for future space lidar systems. In the framework of the European Project BRITESPACE, we propose an all-semiconductor laser source for an Integrated Path Differential Absorption lidar system for column-averaged measurements of atmospheric CO2 in future satellite missions. The complete system architecture has to be adapted to the particular emission properties of these devices using a Random Modulated Continuous Wave approach. We present the initial experimental results of the InGaAsP/InP monolithic Master Oscillator Power Amplifiers, providing the ON and OFF wavelengths close to the selected absorption line around 1572 nm.

Characterization of emission regimes in a 1.5 um high brightness MOPA

We present and analyze experimental results on the emission characteristics of a 1.5 ?m distributed feedback tapered master-oscillator power-amplifier in a wide range of steady-state injection conditions, showing different emission regimes under cw operation: stable single frequency emission, multi-frequency Fabry-Perot-like emission, and self-pulsation operation.

Random-modulation cw lidar system for space-borne carbon dioxide remote sensing based on a high-brightness semiconductor laser

In this paper, we report on the progresses of the BRITESPACE Consortium in order to achieve space-borne LIDAR measurements of atmospheric carbon dioxide concentration based on an all semiconductor laser source at 1.57 ?m. The complete design of the proposed RM-CW IPDA LIDAR has been presented and described in detail. Complete descriptions of the laser module and the FSU have been presented. Two bended MOPAs, emitting at the sounding frequency of the on- and off- IPDA channels, have been proposed as the transmitter optical sources with the required high brightness. Experimental results on the bended MOPAs have been presented showing a high spectral purity and promising expectations on the high output power requirements. Finally, the RM-CW approach has been modelled and an estimation of the expected SNR for the entire system is presented. Preliminary results indicate that a CO2 retrieval precision of 1.5 ppm could be achieved with an average output power of 2 W for each channel.

Efficient Model-based 3D Tracking by Using Direct Image Registration

This thesis deals with the problem of efficiently tracking 3D objects in sequences of images. We tackle the efficient 3D tracking problem by using direct image registration. This problem is posed as an iterative optimization procedure that minimizes a brightness error norm. We review the most popular iterative methods for image registration in the literature, turning our attention to those algorithms that use efficient optimization techniques. Two forms of efficient registration algorithms are investigated. The first type comprises the additive registration algorithms: these algorithms incrementally compute the motion parameters by linearly approximating the brightness error function. We centre our attention on Hager and Belhumeur’s factorization-based algorithm for image registration. We propose a fundamental requirement that factorization-based algorithms must satisfy to guarantee good convergence, and introduce a systematic procedure that automatically computes the factorization. Finally, we also bring out two warp functions to register rigid and nonrigid 3D targets that satisfy the requirement. The second type comprises the compositional registration algorithms, where the brightness function error is written by using function composition. We study the current approaches to compositional image alignment, and we emphasize the importance of the Inverse Compositional method, which is known to be the most efficient image registration algorithm. We introduce a new algorithm, the Efficient Forward Compositional image registration: this algorithm avoids the necessity of inverting the warping function, and provides a new interpretation of the working mechanisms of the inverse compositional alignment. By using this information, we propose two fundamental requirements that guarantee the convergence of compositional image registration methods. Finally, we support our claims by using extensive experimental testing with synthetic and real-world data. We propose a distinction between image registration and tracking when using efficient algorithms. We show that, depending whether the fundamental requirements are hold, some efficient algorithms are eligible for image registration but not for tracking.

Tiled Projector Displays Correction for Dark Scenes in Railway Simulators

Tiled projector displays are a common choice for training simulators, where a high resolution output image is required. They are cheap for the resolution that they can reach and can be configured in many different ways. Nevertheless, such kinds of displays require geometric and color correction so that the composite image looks seamless. Display correction is an even bigger challenge when the projected images include dark scenes combined with brighter scenes. This is usually a problem for railway simulators when the train is positioned inside a tunnel and the black offset effect becomes noticeable. In this paper, a method for fast photometric and geometric correction of tiled display systems where dark and bright scenes are combined is presented. The image correction is carried out in two steps. First, geometric alignment and overlapping areas attenuation for brighter scenes is applied. Second, in the event of being inside a tunnel, the brightness of the scene is increased in certain areas using light sources in order to create the impression of darkness but minimizing the effect of the black offset

Inhomogeneous source uniformization using a shell mixer Köhler integrator

High flux and high CRI may be achieved by combining different chips and/or phosphors. This, however, results in inhomogeneous sources that, when combined with collimating optics, typically produce patterns with undesired artifacts. These may be a combination of spatial, angular or color non-uniformities. In order to avoid these effects, there is a need to mix the light source, both spatially and angularly. Diffusers can achieve this effect, but they also increase the etendue (and reduce the brightness) of the resulting source, leading to optical systems of increased size and wider emission angles. The shell mixer is an optic comprised of many lenses on a shell covering the source. These lenses perform Kohler integration to mix the emitted light, both spatially and angularly. Placing it on top of a multi-chip Lambertian light source, the result is a highly homogeneous virtual source (i.e, spatially and angularly mixed), also Lambertian, which is located in the same position with essentially the same size (so the average brightness is not increased). This virtual light source can then be collimated using another optic, resulting in a homogeneous pattern without color separation. Experimental measurements have shown optical efficiency of the shell of 94%, and highly homogeneous angular intensity distribution of collimated beams, in good agreement with the ray-tracing simulations.

Desarrollo de métodos de procesado de imágenes laríngeas en color para la detección del espacio glotal y de las cuerdas vocales

La medicina ha evolucionado de forma que las imágenes digitales tienen un papel de gran relevancia para llevar a cabo el diagnóstico de enfermedades. Son muchos y de diversa naturaleza los problemas que pueden presentar el aparato fonador. Un paso previo para la caracterización de imágenes digitales de la laringe es la segmentación de las cuerdas vocales. Hasta el momento se han desarrollado algoritmos que permiten la segmentación de la glotis. El presente proyecto pretende avanzar un paso más en el estudio, procurando asimismo la segmentación de las cuerdas vocales. Para ello, es necesario aprovechar la información de color que ofrecen las imágenes, pues es lo que va a determinar la diferencia entre una región y otra de la imagen. En este proyecto se ha desarrollado un novedoso método de segmentación de imágenes en color estroboscópicas de la laringe basado en el crecimiento de regiones a partir de píxeles-semilla. Debido a los problemas que presentan las imágenes obtenidas por la técnica de la estroboscopia, para conseguir óptimos resultados de la segmentación es necesario someter a las imágenes a un preprocesado, que consiste en la eliminación de altos brillos y aplicación de un filtro de difusión anisotrópica. Tras el preprocesado, comienza el crecimiento de la región a partir de unas semillas que se obtienen previamente. La condición de inclusión de un píxel en la región se basa en un parámetro de tolerancia que se determina de forma adaptativa. Este parámetro comienza teniendo un valor muy bajo y va aumentando de forma recursiva hasta alcanzar una condición de parada. Esta condición se basa en el análisis de la distribución estadística de los píxeles dentro de la región que va creciendo. La última fase del proyecto consiste en la realización de las pruebas necesarias para verificar el funcionamiento del sistema diseñado, obteniéndose buenos resultados en la segmentación de la glotis y resultados esperanzadores para seguir mejorando el sistema para la segmentación de las cuerdas vocales. ABSTRACT Medicine has evolved so that digital images have a very important role to perform disease diagnosis. There are wide variety of problems that can present the vocal apparatus. A preliminary step for characterization of digital images of the larynx is the segmentation of the vocal folds. To date, some algorithms that allow the segmentation of the glottis have been developed. This project aims to go one step further in the study, also seeking the segmentation of the vocal folds. To do this, we must use the color information offered by images, since this is what will determine the difference between different regions in a picture. In this project a novel method of larynx color images segmentation based on region growing from a pixel seed is developed. Due to the problems of the images obtained by the technique of stroboscopy, to achieve optimal results of the segmentation is necessary a preprocessing of the images, which involves the removal of high brightness and applying an anisotropic diffusion filter. After this preprocessing, the growth of the region from previously obtained seeds starts. The condition for inclusion of a pixel in the region is based on a tolerance parameter, which is adaptively determined. It initially has a low value and this is recursively increased until a stop condition is reached. This condition is based on the analysis of the statistical distribution of the pixels within the grown region. The last phase of the project involves the necessary tests to verify the proper working of the designed system, obtaining very good results in the segmentation of the glottis and encouraging results to keep improving the system for the segmentation of the vocal folds.

Análisis de las diferencias en el crecimiento vegetativo, en los componentes del rendimiento y en la composición de las uvas y vinos del cv. cabernet sauvignon (vitis vinifera L.), producidos por el déficit hídrico durante pre-envero y post-envero

La presente Tesis Doctoral se realizó con el fin de estimar conjuntamente la respuesta agronómica y fisiológica de la vid (Vitis vinifera L.), así como los efectos sobre la evolución de la maduración, composición y la calidad de la uva y del vino, bajo la aplicación de diferentes déficit hídricos en pre-envero y post-envero, dentro de un marco de referencia de cambio climático. La variación climática que prevén los estudios sobre el cambio climático, resulta un factor decisivo en la eficiencia del uso del agua en la vid. En zonas cálidas, las estrategias de cultivo del viñedo frente al cambio climático deben de ir dirigidas a atenuar sus efectos sobre el crecimiento y el desarrollo de la vid, haciéndose imprescindible el estudio pormenorizado del déficit hídrico como factor decisivo en la obtención de las uvas adecuadas, ya que son la clave indispensable para el éxito en la elaboración del vino, y de forma muy especial en los vinos enfocados a un sector de alta calidad. El ensayo se llevó a cabo en un viñedo comercial de Bodegas Licinia, en la Comunidad de Madrid, durante los años 2010 y 2011. La variedad estudiada fue Cabernet sauvignon / 41 B, plantada a un marco de plantación de 3 m x 1 m, con un guiado vertical de la vegetación. El dispositivo experimental fue totalmente al azar, y se establecieron 4 tratamientos experimentales con 4 grados de disponibilidad hídrica, déficit moderado continuo (T0,45-0,6), déficit severo continuo (T0-0,3), déficit severo después de envero (T0,45-0,3) y déficit severo antes de envero (T0-0,6). En cada tratamiento se distribuyeron 3 repeticiones. El año 2010 fue el más lluvioso de los años de ensayo, con 478 mm de precipitaciones anuales, lo que supuso 146 mm más que en el año 2011. Su distribución a lo largo del ciclo fue más homogénea en el año 2010, mientras que en 2011 las precipitaciones contabilizadas en el período de maduración de la uva fueron nulas. La temperatura media subió 0,9ºC en 2011, respecto a 2010 y en cuanto a la integral térmica eficaz, en 2011 se acumularon, desde el 1 de abril hasta el final de ciclo, 217 grados•día más que en 2010. El déficit hídrico en pre-envero, modificó notablemente el crecimiento vegetativo y la producción de cosecha de la parcela de ensayo, no así la fertilidad de las yemas. El tratamiento con mayor disponibilidad hídrica (T0,45-0,6) obtuvo el mayor peso de baya, y los tratamientos con menor déficit hídrico en pre-envero (T0,45-0,6 y T0,45-0,3) registraron los mayores rendimientos de cosecha, mientras que las menores tasas de cuajado correspondieron al tratamiento con un déficit severo continuo (T0-0,3). La parcela de ensayo se caracterizó por un exceso de vigor y un alto crecimiento vegetativo. El pH del mosto se vio afectado por el déficit hídrico, disminuyendo su valor en el tratamiento de déficit hídrico severo antes de envero (T0-0,6). Organolépticamente, no se percibieron diferencias significativas en los vinos elaborados en función del déficit hídrico, y respecto a su composición físico-química, solo existieron diferencias en la concentración de ácido L-Málico, con mayores concentraciones en los tratamientos sin déficit hídrico en pre-envero, T0,45-0,6 y T0,45-0,3. El déficit hídrico modificó notablemente el color del vino, aumentando los valores de las coordenadas CIELAB a* y b*, la luminosidad (L*), croma (C*) y tonalidad (H*), para los tratamientos con un déficit severo en pre-envero (T0-0,3 y T0-0,6) y disminuyendo estas en el tratamiento con mayor disponibilidad hídrica (T0,45-0,6). Del mismo modo, mediante el análisis de color por métodos tradicionales, IPT e IC de los vinos, aumentó en los tratamientos con mayor déficit hídrico en pre-envero (T0-0,3 y T0-0,6), respecto a los tratamientos de mayor disponibilidad (T0,45-0,6 y T0,45-0,3). La concentración de taninos de la baya en vendimia, no se vio afectada por el déficit hídrico, aunque sí estuvo relacionada positivamente con el tamaño de las bayas. Organolépticamente, los hollejos del año 2011 resultaron con menor frescura, acidez, afrutado, sensación herbácea e intensidad tánica, aunque con mayor astringencia respecto a 2010. Las pepitas fueron más astringentes y aromáticas pero menos crujientes, sin llegar a los niveles de madurez del año 2010. El catador relacionó los taninos con la calidad del vino, asociándolos con un mayor cuerpo, acidez, intensidad, equilibrio gustativo, amargor y menor astringencia en la fase gustativa. La concentración de taninos en los vinos se vio favorecida con el déficit hídrico en pre-envero y post-envero. Los tratamientos con mayor déficit hídrico en pre-envero, T0-0,6 y T0-0,3, obtuvieron las menores concentraciones de potasio en mostos y vinos. Las relaciones entre la concentración de potasio, ácido L-Málico y el porcentaje de color rojo puro (dA(%)) resultaron altamente significativas, de modo que las mayores tasas de potasio en el vino se asociaron a los valores más bajos de color rojo y a los mayores de ácido L-Málico. ABSTRACT The present Doctoral Thesis has been done in order to estimate the grapevine (Vitis vinifera L.) agronomic and physiologic performance or response as well as the impact in the grape and wine maturity, composition and quality evolution, with different water deficits. The variation in climate that the global warming studies for seen is a key factor for the grapevine water use efficiency. In warm areas the farming vineyards strategy to face the climatic change, should be focused on diminish the effects on the grapevine growth and development, so that the water deficit detailed analysis becomes decisive to obtain the appropriate grapes, that are the main subject for a successful wine production and especially for top quality wines. The trial was carried out in a commercial vineyard in Chinchón (Madrid), Licinia winery, during the 2010 and 2011 seasons. The grape variety studied was Cabernet Sauvignon grafted onto 41B with a vine spacing 3m x 1m trained as VSP. Experimental design consisted on 4 irrigation treatments with 3 replications totally randomized. Irrigation treatments were: moderate regulated deficit (T0,45-0,6), severe continuous deficit (T0-0,3), severe post-veraison deficit (T0,45-0,3) and severe pre veraison deficit (T0-0,6). The 2010 was rainier year than the 2011; Total annual rain in 2010 was 478 mm, which resulted in 146 mm more than in 2011. The distribution along the vine cycle was more homogeneous in the 2010, whereas precipitations in 2011 along the grape maturity period were nonexistent. The average temperature in 2011 was 0,9ºC higher than that of the 2010 and regarding to the thermal integral, in the 2011 from 1st April to the end of the growing cycle, was 217 degrees•day higher than that in 2010. Water deficit significantly modified the vegetative growth and yield but, it did not modified bud fertility. The treatment with the highest water availability (T0,45-0,6) got the highest berry size, the lowest berry set rates were found in the severe continuous deficit treatment (T0-0,3). The plot studied in this trial was characterized by both excessive vigour and vegetative growth. Water deficit modified the pH must by, reducing it in the severe water deficit during pre-veraison (T0-0,6). There were not differences in wine tasting between the water deficits treatments. Regarding to the physical-chemical composition, it only existed differences in the L-malic acid concentration, resulting higher concentrations in the water deficit pre-veraison treatments: T0,45-0,6 y T0,45-0,3. Water deficit significantly modified wine colour by, increasing the CIELAB coordinates a* and b*, the brightness (L*), croma (C*) and tonality (H*), in the lower water availability pre-veraison treatments (T0-0,3 y T0-0,6), and reducing them in the in the moderate continuous water deficit ones (T0,45-0,6). By means of traditional wine colour parameters analyses, red colour percentage, TPI, they became higher in the lower water availability pre-veraison treatments (T0-0,3 y T0-0,6), than in those with higher availability (T0,45-0,6 y T0,45-0,3). At harvest, berry tannins concentrations was not affected by the water deficit although it did in a positive way, in the berry size. Berry tasting in 2011, resulted in a lower freshness, acidity, fruity, herbaceous flavour and tannic intensity, but with higher astringency respect to the 2010 season. Seeds, in 2011, were more astringent and aromatic as in the 2010, but less crunchy, without getting to the point of maturity. The taster linked the tannins to wine quality, associating them with a higher bodiest wine, acidity, intensity, taste balance, bitterness and with a lower astringency in the tasting stage. Treatments with a higher water deficit up to veraison T0-0,6 y T0-0,3 got less musts and wines potassium concentration. The relation between L-malic acid and the full red color percentage (dA(%)), were highly related, resulting the higher potassium content the lower wine quality.

Metodología del análisis de imágenes digitales para el estudio del contenido de humedad en vertisoles

Desde finales del siglo pasado, el procesamiento y análisis de imágenes digitales, se ha convertido en una poderosa herramienta para la investigación de las propiedades del suelo a múltiples resoluciones, sin embargo todavía no existen los mejores resultados en cuanto a estos trabajos. El principal problema para investigar el drenaje vertical a partir de la distribución de humedad en un perfil de vertisol es la búsqueda de métodos factibles que usen este procedimiento. El objetivo general es implementar una metodología para el procesamiento y análisis de imágenes digitales, que permita caracterizar la distribución del contenido de humedad de un perfil de vertisol. Para el estudio, doce calicatas fueron excavadas en un Mazic Pellic Vertisol, seis de ellas en mayo 13/2011 y el resto en mayo 19/2011 después de moderados eventos de lluvia. Las imágenes RGB de los perfiles fueron tomadas con una cámara Kodak™; con tamaños seleccionados de 1600 x 945 píxeles cada una fue procesada para homogeneizar el brillo y se aplicaron filtros suavizadores de diferentes tamaños de ventana, hasta obtener el óptimo. Cada imagen se dividió en sus matrices componentes, seleccionando los umbrales de cada una para ser aplicado y obtener el patrón digital binario. Este último fue analizado a través de la estimación de dos exponentes fractales: dimensión de conteo de cajas (DBC) y dimensión fractal de interfase húmedo seco (Di). Además, fueron determinados tres coeficientes prefractales a la máxima resolución: número total de cajas interceptados en el plano del patrón (A), la lagunaridad fractal (λ1) y la entropía de Shannon (S1). Para todas las imágenes obtenidas, basado en la entropía, los análisis de clúster y de histogramas, el filtro espacial de 9x9 resultó ser el de tamaño de ventana óptimo. Los umbrales fueron seleccionados a partir del carácter bimodal de los histogramas. Los patrones binarios obtenidos mostraron áreas húmedas (blancas) y secas (negras) que permitieron su análisis. Todos los parámetros obtenidos mostraron diferencias significativas entre ambos conjuntos de patrones espaciales. Mientras los exponentes fractales aportan información sobre las características de llenado del patrón de humedad, los coeficientes prefractales representan propiedades del suelo investigado. La lagunaridad fractal fue el mejor discriminador entre los patrones de humedad aparente del suelo. ABSTRACT From last century, digital image processing and analysis was converted in a powerful tool to investigate soil properties at multiple resolutions, however, the best final procedure in these works not yet exist. The main problem to study vertical drainage from the moisture distribution, on a vertisol profile, is searching for suitable methods using these procedures. Our aim was to design a digital image processing methodology and its analysis to characterize the moisture content distribution of a vertisol profile. In this research, twelve soil pits were excavated on a bare Mazic Pellic Vertisol, six of them in May 13/2011 and the rest in May 19/2011 after a moderate rainfall event. Digital RGB images were taken from each vertisol pit using a Kodak™ camera selecting a size of 1600x945 pixels. Each soil image was processed to homogenized brightness and then a spatial filter with several window sizes was applied to select the optimum one. The RGB image obtained were divided in each matrix color selecting the best thresholds for each one, maximum and minimum, to be applied and get a digital binary pattern. This one was analyzed by estimating two fractal scaling exponents: box counting dimension (DBC

An upper atmospheric probe for auroral effects

An electrically floating bare tether in LEO orbit may serve as upper atmospheric probe. Ambient ions bombard the negatively biased tether and liberate secondary electrons, which accelerate through the same voltage to form a magnetically guided planar e-beam resulting in auroral effects at the E-layer. This beam is free from the S/C charging and plasma interaction problems of standard e-beams. The energy flux is weak but varies accross the large beam cross section, allowing continuous observation from the S/C. A brightness scan of line-integrated emissions, that mix emitting altitudes and tether points originating the electrons, is analysed. The tether is magnetically dragged at nighttime operation, when power supply and plasma contactor at the S/C are off for electrical floating; power and contactor are on at daytime for partial current reversal, resulting in thrust. System requirements for keeping average orbital height are discussed.

Free-form optical systems for nonimaging applications : Sistemas ópticos anamórficos para aplicaciones anidólicas

La óptica anidólica es una rama de la óptica cuyo desarrollo comenzó a mediados de la década de 1960. Este relativamente nuevo campo de la óptica se centra en la transferencia eficiente de la luz, algo necesario en muchas aplicaciones, entre las que destacamos los concentradores solares y los sistemas de iluminación. Las soluciones de la óptica clásica a los problemas de la transferencia de energía de la luz sólo son adecuadas cuando los rayos de luz son paraxiales. La condición paraxial no se cumple en la mayoría de las aplicaciones para concentración e iluminación. Esta tesis contiene varios diseños free-form (aquellos que no presentan ninguna simetría, ni de rotación ni lineal) cuyas aplicaciones van destinadas a estos dos campos. El término nonimaging viene del hecho de que estos sistemas ópticos no necesitan formar una imagen del objeto, aunque no formar la imagen no es una condición necesaria. Otra palabra que se utiliza a veces en lugar de nonimaging es la palabra anidólico, viene del griego "an+eidolon" y tiene el mismo significado. La mayoría de los sistemas ópticos diseñados para aplicaciones anidólicas no presentan ninguna simetría, es decir, son free-form (anamórficos). Los sistemas ópticos free-form están siendo especialmente relevantes durante los últimos años gracias al desarrollo de las herramientas para su fabricación como máquinas de moldeo por inyección y el mecanizado multieje. Sin embargo, solo recientemente se han desarrollado técnicas de diseño anidólicas capaces de cumplir con estos grados de libertad. En aplicaciones de iluminación el método SMS3D permite diseñar dos superficies free-form para controlar las fuentes de luz extensas. En los casos en que se requiere una elevada asimetría de la fuente, el objeto o las restricciones volumétricos, las superficies free-form permiten obtener soluciones de mayor eficiencia, o disponer de menos elementos en comparación con las soluciones de simetría de rotación, dado que las superficies free-form tienen más grados de libertad y pueden realizar múltiples funciones debido a su naturaleza anamórfica. Los concentradores anidólicos son muy adecuados para la captación de energía solar, ya que el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol, sino sencillamente la captura de su energía. En este momento, el campo de la concentración fotovoltaica (CPV) tiende hacia sistemas de alta concentración con el fin de compensar el gasto de las células solares multi-unión (MJ) utilizadas como receptores, reduciendo su área. El interés en el uso de células MJ radica en su alta eficiencia de conversión. Para obtener sistemas competitivos en aplicaciones terrestres se recurre a sistemas fotovoltaicos de alta concentración (HCPV), con factores de concentración geométrica por encima de 500x. Estos sistemas se componen de dos (o más) elementos ópticos (espejos y/o lentes). En los sistemas presentados a lo largo de este trabajo se presentan ejemplos de concentradores HCPV con elementos reflexivos como etapa primaria, así como concentradores con elementos refractivos (lente de Fresnel). Con la necesidad de aumentar la eficiencia de los sistemas HCPV reales y con el fin de proporcionar la división más eficiente del espectro solar, células conteniendo cuatro o más uniones (con un potencial de alcanzar eficiencias de más del 45% a una concentración de cientos de soles) se exploran hoy en día. En esta tesis se presenta una de las posibles arquitecturas de división del espectro (spectrum-splitting en la literatura anglosajona) que utilizan células de concentración comercial. Otro campo de aplicación de la óptica nonimaging es la iluminación, donde es necesario proporcionar un patrón de distribución de la iluminación específico. La iluminación de estado sólido (SSL), basada en la electroluminiscencia de materiales semiconductores, está proporcionando fuentes de luz para aplicaciones de iluminación general. En la última década, los diodos emisores de luz (LED) de alto brillo han comenzado a reemplazar a las fuentes de luz convencionales debido a la superioridad en la calidad de la luz emitida, elevado tiempo de vida, compacidad y ahorro de energía. Los colimadores utilizados con LEDs deben cumplir con requisitos tales como tener una alta eficiencia, un alto control del haz de luz, una mezcla de color espacial y una gran compacidad. Presentamos un colimador de luz free-form con microestructuras capaz de conseguir buena colimación y buena mezcla de colores con una fuente de LED RGGB. Una buena mezcla de luz es importante no sólo para simplificar el diseño óptico de la luminaria sino también para evitar hacer binning de los chips. La mezcla de luz óptica puede reducir los costes al evitar la modulación por ancho de pulso y otras soluciones electrónicas patentadas para regulación y ajuste de color. Esta tesis consta de cuatro capítulos. Los capítulos que contienen la obra original de esta tesis son precedidos por un capítulo introductorio donde se presentan los conceptos y definiciones básicas de la óptica geométrica y en el cual se engloba la óptica nonimaging. Contiene principios de la óptica no formadora de imagen junto con la descripción de sus problemas y métodos de diseño. Asimismo se describe el método de Superficies Múltiples Simultáneas (SMS), que destaca por su versatilidad y capacidad de controlar varios haces de rayos. Adicionalmente también se describe la integración Köhler y sus aplicaciones en el campo de la energía fotovoltaica. La concentración fotovoltaica y la iluminación de estado sólido son introducidas junto con la revisión de su estado actual. El Segundo y Tercer Capítulo contienen diseños ópticos avanzados con aplicación en la concentración solar principalmente, mientras que el Cuarto Capítulo describe el colimador free-form con surcos que presenta buena mezcla de colores para aplicaciones de iluminación. El Segundo Capítulo describe dos concentradores ópticos HCPV diseñados con el método SMS en tres dimensiones (SMS3D) que llevan a cabo integración Köhler en dos direcciones con el fin de proporcionar una distribución de irradiancia uniforme libre de aberraciones cromáticas sobre la célula solar. Uno de los diseños es el concentrador XXR free-form diseñado con el método SMS3D, donde el espejo primario (X) y la lente secundaria (R) se dividen en cuatro sectores simétricos y llevan a cabo la integración Köhler (proporcionando cuatro unidades del array Köhler), mientras que el espejo intermedio (X) presenta simetría rotacional. Otro concentrador HCPV presentado es el Fresnel-RXI (FRXI) con una lente de Fresnel funcionando como elemento primario (POE) y una lente RXI como elemento óptico secundario (SOE), que presenta configuración 4-fold con el fin de realizar la integración Köhler. Las lentes RXI son dispositivos nonimaging conocidos, pero su aplicación como elemento secundario es novedosa. Los concentradores XXR y FRXI Köhler son ejemplos académicos de muy alta concentración (más de 2,000x, mientras que los sistemas convencionales hoy en día no suelen llegar a 1,000x) preparados para las células solares N-unión (con N>3), que probablemente requerirán una mayor concentración y alta uniformidad espectral de irradiancia con el fin de obtener sistemas CPV terrestres eficientes y rentables. Ambos concentradores están diseñados maximizando funciones de mérito como la eficiencia óptica, el producto concentración-aceptancia (CAP) y la uniformidad de irradiancia sobre la célula libre de la aberración cromática (integración Köhler). El Tercer Capítulo presenta una arquitectura para la división del espectro solar basada en un módulo HCPV con alta concentración (500x) y ángulo de aceptancia alto (>1º) que tiene por objeto reducir ambas fuentes de pérdidas de las células triple unión (3J) comerciales: el uso eficiente del espectro solar y la luz reflejada de los contactos metálicos y de la superficie de semiconductor. El módulo para la división del espectro utiliza el espectro solar más eficiente debido a la combinación de una alta eficiencia de una célula de concentración 3J (GaInP/GaInAs/Ge) y una de contacto posterior (BPC) de concentración de silicio (Si), así como la técnica de confinamiento externo para la recuperación de la luz reflejada por la célula 3J con el fin de ser reabsorbida por la célula. En la arquitectura propuesta, la célula 3J opera con su ganancia de corriente optimizada (concentración geométrica de 500x), mientras que la célula de silicio trabaja cerca de su óptimo también (135x). El módulo de spectrum-splitting consta de una lente de Fresnel plana como POE y un concentrador RXI free-form como SOE con un filtro paso-banda integrado en él. Tanto POE como SOE realizan la integración Köhler para producir homogeneización de luz sobre la célula. El filtro paso banda envía los fotones IR en la banda 900-1,150nm a la célula de silicio. Hay varios aspectos prácticos de la arquitectura del módulo presentado que ayudan a reducir la complejidad de los sistemas spectrum-splitting (el filtro y el secundario forman una sola pieza sólida, ambas células son coplanarias simplificándose el cableado y la disipación de calor, etc.). Prototipos prueba-de-concepto han sido ensamblados y probados a fin de demostrar la fabricabilidad del filtro y su rendimiento cuando se combina con la técnica de reciclaje de luz externa. Los resultados obtenidos se ajustan bastante bien a los modelos y a las simulaciones e invitan al desarrollo de una versión más compleja de este prototipo en el futuro. Dos colimadores sólidos con surcos free-form se presentan en el Cuarto Capítulo. Ambos diseños ópticos están diseñados originalmente usando el método SMS3D. La segunda superficie ópticamente activa está diseñada a posteriori como una superficie con surcos. El diseño inicial de dos espejos (XX) está diseñado como prueba de concepto. En segundo lugar, el diseño RXI free-form es comparable con los colimadores RXI existentes. Se trata de un diseño muy compacto y eficiente que proporciona una muy buena mezcla de colores cuando funciona con LEDs RGB fuera del eje óptico como en los RGB LEDs convencionales. Estos dos diseños son dispositivos free-form diseñados con la intención de mejorar las propiedades de mezcla de colores de los dispositivos no aplanáticos RXI con simetría de revolución y la eficiencia de los aplanáticos, logrando una buena colimación y una buena mezcla de colores. La capacidad de mezcla de colores del dispositivo no-aplanático mejora añadiendo características de un aplanático a su homólogo simétrico sin pérdida de eficiencia. En el caso del diseño basado en RXI, su gran ventaja consiste en su menor coste de fabricación ya que el proceso de metalización puede evitarse. Aunque algunos de los componentes presentan formas muy complejas, los costes de fabricación son relativamente insensibles a la complejidad del molde, especialmente en el caso de la producción en masa (tales como inyección de plástico), ya que el coste del molde se reparte entre todas las piezas fabricadas. Por último, las últimas dos secciones son las conclusiones y futuras líneas de investigación. ABSTRACT Nonimaging optics is a branch of optics whose development began in the mid-1960s. This rather new field of optics focuses on the efficient light transfer necessary in many applications, among which we highlight solar concentrators and illumination systems. The classical optics solutions to the problems of light energy transfer are only appropriate when the light rays are paraxial. The paraxial condition is not met in most applications for the concentration and illumination. This thesis explores several free-form designs (with neither rotational nor linear symmetry) whose applications are intended to cover the above mentioned areas and more. The term nonimaging comes from the fact that these optical systems do not need to form an image of the object, although it is not a necessary condition not to form an image. Another word sometimes used instead of nonimaging is anidolic, and it comes from the Greek “an+eidolon” and has the same meaning. Most of the optical systems designed for nonimaging applications are without any symmetry, i.e. free-form. Free-form optical systems become especially relevant lately with the evolution of free-form tooling (injection molding machines, multi-axis machining techniques, etc.). Nevertheless, only recently there are nonimaging design techniques that are able to meet these degrees of freedom. In illumination applications, the SMS3D method allows designing two free-form surfaces to control very well extended sources. In cases when source, target or volumetric constrains have very asymmetric requirements free-form surfaces are offering solutions with higher efficiency or with fewer elements in comparison with rotationally symmetric solutions, as free-forms have more degrees of freedom and they can perform multiple functions due to their free-form nature. Anidolic concentrators are well suited for the collection of solar energy, because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun, but instead the collection of its energy. At this time, Concentration Photovoltaics (CPV) field is turning to high concentration systems in order to compensate the expense of multi-junction (MJ) solar cells used as receivers by reducing its area. Interest in the use of MJ cells lies in their very high conversion efficiency. High Concentration Photovoltaic systems (HCPV) with geometric concentration of more than 500x are required in order to have competitive systems in terrestrial applications. These systems comprise two (or more) optical elements, mirrors and/or lenses. Systems presented in this thesis encompass both main types of HCPV architectures: concentrators with primary reflective element and concentrators with primary refractive element (Fresnel lens). Demand for the efficiency increase of the actual HCPV systems as well as feasible more efficient partitioning of the solar spectrum, leads to exploration of four or more junction solar cells or submodules. They have a potential of reaching over 45% efficiency at concentration of hundreds of suns. One possible architectures of spectrum splitting module using commercial concentration cells is presented in this thesis. Another field of application of nonimaging optics is illumination, where a specific illuminance distribution pattern is required. The Solid State Lighting (SSL) based on semiconductor electroluminescence provides light sources for general illumination applications. In the last decade high-brightness Light Emitting Diodes (LEDs) started replacing conventional light sources due to their superior output light quality, unsurpassed lifetime, compactness and energy savings. Collimators used with LEDs have to meet requirements like high efficiency, high beam control, color and position mixing, as well as a high compactness. We present a free-form collimator with microstructures that performs good collimation and good color mixing with RGGB LED source. Good light mixing is important not only for simplifying luminaire optical design but also for avoiding die binning. Optical light mixing may reduce costs by avoiding pulse-width modulation and other patented electronic solutions for dimming and color tuning. This thesis comprises four chapters. Chapters containing the original work of this thesis are preceded by the introductory chapter that addresses basic concepts and definitions of geometrical optics on which nonimaging is developed. It contains fundamentals of nonimaging optics together with the description of its design problems, principles and methods, and with the Simultaneous Multiple Surface (SMS) method standing out for its versatility and ability to control several bundles of rays. Köhler integration and its applications in the field of photovoltaics are described as well. CPV and SSL fields are introduced together with the review on their background and their current status. Chapter 2 and Chapter 3 contain advanced optical designs with primarily application in solar concentration; meanwhile Chapter 4 portrays the free-form V-groove collimator with good color mixing property for illumination application. Chapter 2 describes two HCPV optical concentrators designed with the SMS method in three dimensions (SMS3D). Both concentrators represent Köhler integrator arrays that provide uniform irradiance distribution free from chromatic aberrations on the solar cell. One of the systems is the XXR free-form concentrator designed with the SMS3D method. The primary mirror (X) of this concentrator and secondary lens (R) are divided in four symmetric sectors (folds) that perform Köhler integration; meanwhile the intermediate mirror (X) is rotationally symmetric. Second HCPV concentrator is the Fresnel-RXI (FRXI) with flat Fresnel lens as the Primary Optical Element (POE) and an RXI lens as the Secondary Optical Element (SOE). This architecture manifests 4-fold configuration for performing Köhler integration (4 array units), as well. The RXI lenses are well-known nonimaging devices, but their application as SOE is novel. Both XXR and FRXI Köhler HCPV concentrators are academic examples of very high concentration (more than 2,000x meanwhile conventional systems nowadays have up to 1,000x) prepared for the near future N-junction (N>3) solar cells. In order to have efficient and cost-effective terrestrial CPV systems, those cells will probably require higher concentrations and high spectral irradiance uniformity. Both concentrators are designed by maximizing merit functions: the optical efficiency, concentration-acceptance angle (CAP) and cell-irradiance uniformity free from chromatic aberrations (Köhler integration). Chapter 3 presents the spectrum splitting architecture based on a HCPV module with high concentration (500x) and high acceptance angle (>1º). This module aims to reduce both sources of losses of the actual commercial triple-junction (3J) solar cells with more efficient use of the solar spectrum and with recovering the light reflected from the 3J cells’ grid lines and semiconductor surface. The solar spectrum is used more efficiently due to the combination of a high efficiency 3J concentration cell (GaInP/GaInAs/Ge) and external Back-Point-Contact (BPC) concentration silicon (Si) cell. By employing external confinement techniques, the 3J cell’s reflections are recovered in order to be re-absorbed by the cell. In the proposed concentrator architecture, the 3J cell operates at its optimized current gain (at geometrical concentration of 500x), while the Si cell works near its optimum, as well (135x). The spectrum splitting module consists of a flat Fresnel lens (as the POE), and a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it (as the SOE), both POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization. The band-pass filter sends the IR photons in the 900-1,150nm band to the Si cell. There are several practical aspects of presented module architecture that help reducing the added complexity of the beam splitting systems: the filter and secondary are forming a single solid piece, both cells are coplanar so the heat management and wiring is simplified, etc. Two proof-of-concept prototypes are assembled and tested in order to prove filter manufacturability and performance, as well as the potential of external light recycling technique. Obtained measurement results agree quite well with models and simulations, and show an opened path to manufacturing of the Fresnel RXI-type secondary concentrator with spectrum splitting strategy. Two free-form solid V-groove collimators are presented in Chapter 4. Both free-form collimators are originally designed with the SMS3D method. The second mirrored optically active surface is converted in a grooved surface a posteriori. Initial two mirror (XX) design is presented as a proof-of-concept. Second, RXI free-form design is comparable with existing RXI collimators as it is a highly compact and a highly efficient design. It performs very good color mixing of the RGGB LED sources placed off-axis like in conventional RGB LEDs. Collimators described here improve color mixing property of the prior art rotationally symmetric no-aplanatic RXI devices, and the efficiency of the aplanatic ones, accomplishing both good collimation and good color mixing. Free-form V-groove collimators enhance the no-aplanatic device's blending capabilities by adding aplanatic features to its symmetric counterpart with no loss in efficiency. Big advantage of the RXI design is its potentially lower manufacturing cost, since the process of metallization may be avoided. Although some components are very complicated for shaping, the manufacturing costs are relatively insensitive to the complexity of the mold especially in the case of mass production (such as plastic injection), as the cost of the mold is spread in many parts. Finally, last two sections are conclusions and future lines of investigation.

Newer optics efficiently mix, dim, and color-tune LED light

Low-cost, plastic-injected optics mix light from different color LED dies without a significant decrease in average brightness, simplifying luminaire design both optically and electronically. In solid-state lighting, high-flux and high-color rendering index (CRI) light engines may be achieved by arraying and mixing the light from different color dies or phosphors, or a combination of the two, in the LED package. However, these nonhomogeneous sources, when combined with luminaire optics, tend to produce patterns with undesirable artifacts such as spatial and angular nonuniformities and color separation.

Floating Bare Tether as Upper Atmosphere Probe

Use of a (bare) conductive tape electrically floating in LEO as an effective e-beam source that produces artificial auroras, and is free of problems that have marred standard beams, is considered. Ambient ions impacting the tape with KeV energies over most of its length liberate secondary electrons, which race down the magnetic field and excite neutrals in the E-layer, resulting in auroral emissions. The tether would operate at night-time with both a power supply and a plasma contactor off; power and contactor would be on at daytime for reboost. The optimal tape thickness yielding a minimum mass for an autonomous system is determined; the alternative use of an electric thruster for day reboost, depending on mission duration, is discussed. Measurements of emission brightness from the spacecraft could allow determination of the (neutral) density vertical profile in the critical E-layer; the flux and energy in the beam, varying along the tether, allow imaging line-of-sight integrated emissions that mix effects with altitude-dependent neutral density and lead to a brightness peak in the beam footprint at the E-layer. Difficulties in tomographic inversion, to determine the density profile, result from beam broadening, due to elastic collisions, which flattens the peak, and to the highly nonlinear functional dependency of line-of-sight brightness. Some dynamical issues are discussed.