Optics detailed analysis of an improved collimation system for LED light sources

Optics detailed analysis of an improved collimation system for LED light sources

Fluoro-sensing applied to detection and identification of hydrocarbons in inland waters. Study of the impact of different UV light sources

This paper presents the detection and identification of hydrocarbons through flu oro-sensing by developing a simple and inexpensive detector for inland water, in contrast to current systems, designed to be used for marine waters at large distances and being extremely costly. To validate the proposed system, three test-benches have been mounted, with various UV-Iight sources. Main application of this system would be detect hydrocarbons pollution in rivers, lakes or dams, which in fact, is of growing interest by administrations.

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

Optical detection of mealiness in apples using laser TDRS

Mealiness is a textural attribute related to an internal fruit disorder that involves quality loss. It is characterised by the combination of abnormal softness of the fruit and absence of free juiciness in the mouth when eaten by the consumer. Recent research concluded with the development of precise instrumental procedure to measure a scale of mealiness based on the combination of several rheological properties and empirical magnitudes. In this line, time-domain laser reflectance spectroscopy (TDRS) is a medical technology, new in agrofood research, which is capable of obtaining physical and chemical information independently and simultaneously, and this can be of interest to characterise mealiness. Using VIS & NIR lasers as light sources, TDRS was applied in this work to Golden Delicious and Cox apples (n=90), conforming several batches of untreated samples and storage-treated (20°C & 95%RH) to promote the development of mealiness. The collected database was clustered into different groups according to their instrumental test values (Barreiro et al, 1998). The optical coefficients were used as explanatory variables when building discriminant analysis functions for mealiness, achieving a classification score above 80% of correctly identified mealy versus fresh apples.

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.

Caracterización de LEDs mediante el uso y programación de espectrómetro

En la búsqueda de dispositivos cada vez más eficientes, de larga duración y bajo coste de mantenimiento en el mundo de la iluminación, aparecen los LEDs. Estos pequeños dispositivos van poco a poco sustituyendo a las bombillas tradicionales de incandescencia, tomando un papel cada vez más importante entre las fuentes de iluminación. Las primeras funciones prácticas que tuvieron estos LEDs fueron como indicadores, y sus primeros usos fueron en pantallas de calculadoras, electrodomésticos, etcétera, y más adelante, con el desarrollo de nuevos materiales, se empezaron a utilizar como dispositivos de iluminación. Ha sido en estos últimos años cuando se ha producido un salto cuantitativo gracias a la aparición de los POWER LED (LEDs de potencia) o de alto brillo, que son los que han permitido ampliar el uso de estos dispositivos como fuentes de iluminación en, por ejemplo, hogares, alumbrado público, e incluso llegando a sustituir los faros halógenos de vehículos por iluminación LED en algunos modelos. Es por ello que mientras su potencia lumínica va aumentado, su rango de utilización también lo hace. Para caracterizar estas fuentes lumínicas y otras a las que se les pueden dar diferentes usos, se desarrolla este proyecto mediante el análisis de su espectro. Para ello, además, se hará un análisis del resto de instrumentación necesaria que forma parte del proyecto. Este análisis abarca el estudio del propio espectrómetro tanto a nivel de hardware como de software, que modificaremos según los intereses del proyecto. También se estudiará la fibra óptica y el driver para controlar los dispositivos LEDs de potencia, así como los propios LEDs. Para ello se medirán las características de estos LEDs y se compararán con las facilitadas por el fabricante. ABSTRACT. Searching for more efficient, long lasting an low-maintenance devices in lighting world, LEDs appear. These small devices are gradually replacing traditional incandescent bulbs. LEDs are taking an increasingly important role between the light sources. At the begining they were only used as indicators and their first use were in screens calculators, appliances, etc., and later, with the development of new materials, were progressively used as lighting devices. Nowadays a great development has happened in LED lighting with the apparition of the POWER LED or high bright. Power LEDs are allowed to extend the use of these devices as lighting sources for example for homes, street lighting, and even coming to replace halogen headlights LED lighting in vehicles of some models. That's the reason the more their lighting power increases the more their use increases too. The aim of this project is to characterize these light sources and others that can be given different uses by analyzing its spectrum. Moreover, necessary instruments will also be analysed. This study involves both hardware and software spectrometer analysis itself by modifying its software according to the interests of the project. Furthermore, optical fiber and the driver to control LED power devices will be studied by measuring LEDs characteristics and comparing with those provided by the manufacturer.

Optical detection of mealiness in apples using laser TDRS.

Mealiness is a textural attribute related to an internal fruit disorder that involves quality loss. It is characterised by the combination of abnormal softness of the fruit and absence of free juiciness in the mouth when eaten by the consumer. Recent research concluded with the development of precise instrumental procedure to measure a scale of mealiness based on the combination of several rheological properties and empirical magnitudes. In this line, time-domain laser reflectance spectroscopy (TDRS) is a new medical technology, used to characterise the optical properties of tissues, and to locate affected areas like tumours. Among its advantages compared to more traditional spectroscopic techniques, there is the feasibility to asses simultaneously and independently two optical parameters: the absorption of the light inside the irradiated body, and the scattering of the photons across the tissues, at each wavelength, generating two coefficients (µa, absorption coeff.; and µ's, transport scattering coeff.). If it is assumed that they are related respectively to chemical components and to physical properties of the sample, TDRS can be applied to the quantification of chemicals and the measurement of the rheological properties (i.e. mealiness estimation) at the same time. Using VIS & NIR lasers as light sources, TDRS was applied in this work to Golden Delicious and Cox apples (n=90), conforming several batches of untreated samples and storage-treated (20°C & 95%RH) to promote the development of mealiness. The collected database was clustered into different groups according to their instrumental test values (Barreiro et al, 1998). The optical coefficients were used as explanatory variables when building discriminant analysis functions for mealiness, achieving a classification score above 80% of correctly identified mealy versus fresh apples.

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.

Detección óptica de harinosidad en manzana mediante una nueva técnica láser.

Mealiness, a textural disorder that produces quality loss, combines softness and absence of juiciness. The only one (destructive) test to measure it, combines information from a mechanical test on fruit probes to classify the samples according to instrumental mealiness. Time-domain laser reflectance spectroscopy (TDRS) is able to assess simultaneously and independently the absorption of the light inside the irradiated body (µa coefficient) and the scattering of the photons across the tissues (µS, transport scattering coeff.) measured at each wavelength. Using VIS&NIR lasers as light sources, TDRS was applied to Golden Delicious and Cox apples (n=90), conforming batches of untreated samples and storage-treated (20°C&95%RH) to induce mealiness development. The collected database was clustered into different groups according to their instrumental mealiness. Optical variables were used to build discriminant functions, achieving classification scores 75-89% of correctly identified mealy apples.

Laser diode bistability as sensor of optical signals pameters

Laser Diodes have been employed many times as light sources on different kinds of optical sensors. Their main function in these applications was the emission of an optical radiation impinging onto a certain object and, according to the characteristics of the reflected light, some information about this object was obtained. Laser diodes were acting, in a certain way, just as passive devices where their only function was to provide the adequate radiation to be later measured and analyzed. The objective of this paper is to report a new concept on the use of laser diodes taking into account their optical bistable properties. As it has been shown in several places, different laser diodes as, for example, DFB lasers and FP lasers, offer bistable characteristics being these characteristics a function of different parameters as wavelength, light polarization or temperature. Laser Bistability is strongly dependent on them and any small variation of above parameters gives rise to a strong change in the characteristics of its non-linear properties. These variations are analyzed and their application in sensing reported. The dependence on wavelength, spectral width, input power and phase variations, mainly for a Fabry-Perot Laser structure as basic configuration, is shown in this paper.

Correction of the Colour Variations under Uncontrolled Lighting Conditions

Esta tesis trata sobre métodos de corrección que compensan la variación de las condiciones de iluminación en aplicaciones de imagen y video a color. Estas variaciones hacen que a menudo fallen aquellos algoritmos de visión artificial que utilizan características de color para describir los objetos. Se formulan tres preguntas de investigación que definen el marco de trabajo de esta tesis. La primera cuestión aborda las similitudes que se dan entre las imágenes de superficies adyacentes en relación a su comportamiento fotométrico. En base al análisis del modelo de formación de imágenes en situaciones dinámicas, esta tesis propone un modelo capaz de predecir las variaciones de color de la región de una determinada imagen a partir de las variaciones de las regiones colindantes. Dicho modelo se denomina Quotient Relational Model of Regions. Este modelo es válido cuando: las fuentes de luz iluminan todas las superficies incluídas en él; estas superficies están próximas entre sí y tienen orientaciones similares; y cuando son en su mayoría lambertianas. Bajo ciertas circunstancias, la respuesta fotométrica de una región se puede relacionar con el resto mediante una combinación lineal. No se ha podido encontrar en la literatura científica ningún trabajo previo que proponga este tipo de modelo relacional. La segunda cuestión va un paso más allá y se pregunta si estas similitudes se pueden utilizar para corregir variaciones fotométricas desconocidas en una región también desconocida, a partir de regiones conocidas adyacentes. Para ello, se propone un método llamado Linear Correction Mapping capaz de dar una respuesta afirmativa a esta cuestión bajo las circunstancias caracterizadas previamente. Para calcular los parámetros del modelo se requiere una etapa de entrenamiento previo. El método, que inicialmente funciona para una sola cámara, se amplía para funcionar en arquitecturas con varias cámaras sin solape entre sus campos visuales. Para ello, tan solo se necesitan varias muestras de imágenes del mismo objeto capturadas por todas las cámaras. Además, este método tiene en cuenta tanto las variaciones de iluminación, como los cambios en los parámetros de exposición de las cámaras. Todos los métodos de corrección de imagen fallan cuando la imagen del objeto que tiene que ser corregido está sobreexpuesta o cuando su relación señal a ruido es muy baja. Así, la tercera cuestión se refiere a si se puede establecer un proceso de control de la adquisición que permita obtener una exposición óptima cuando las condiciones de iluminación no están controladas. De este modo, se propone un método denominado Camera Exposure Control capaz de mantener una exposición adecuada siempre y cuando las variaciones de iluminación puedan recogerse dentro del margen dinámico de la cámara. Los métodos propuestos se evaluaron individualmente. La metodología llevada a cabo en los experimentos consistió en, primero, seleccionar algunos escenarios que cubrieran situaciones representativas donde los métodos fueran válidos teóricamente. El Linear Correction Mapping fue validado en tres aplicaciones de re-identificación de objetos (vehículos, caras y personas) que utilizaban como caracterísiticas la distribución de color de éstos. Por otra parte, el Camera Exposure Control se probó en un parking al aire libre. Además de esto, se definieron varios indicadores que permitieron comparar objetivamente los resultados de los métodos propuestos con otros métodos relevantes de corrección y auto exposición referidos en el estado del arte. Los resultados de la evaluación demostraron que los métodos propuestos mejoran los métodos comparados en la mayoría de las situaciones. Basándose en los resultados obtenidos, se puede decir que las respuestas a las preguntas de investigación planteadas son afirmativas, aunque en circunstancias limitadas. Esto quiere decir que, las hipótesis planteadas respecto a la predicción, la corrección basada en ésta y la auto exposición, son factibles en aquellas situaciones identificadas a lo largo de la tesis pero que, sin embargo, no se puede garantizar que se cumplan de manera general. Por otra parte, se señalan como trabajo de investigación futuro algunas cuestiones nuevas y retos científicos que aparecen a partir del trabajo presentado en esta tesis. ABSTRACT This thesis discusses the correction methods used to compensate the variation of lighting conditions in colour image and video applications. These variations are such that Computer Vision algorithms that use colour features to describe objects mostly fail. Three research questions are formulated that define the framework of the thesis. The first question addresses the similarities of the photometric behaviour between images of dissimilar adjacent surfaces. Based on the analysis of the image formation model in dynamic situations, this thesis proposes a model that predicts the colour variations of the region of an image from the variations of the surrounded regions. This proposed model is called the Quotient Relational Model of Regions. This model is valid when the light sources illuminate all of the surfaces included in the model; these surfaces are placed close each other, have similar orientations, and are primarily Lambertian. Under certain circumstances, a linear combination is established between the photometric responses of the regions. Previous work that proposed such a relational model was not found in the scientific literature. The second question examines whether those similarities could be used to correct the unknown photometric variations in an unknown region from the known adjacent regions. A method is proposed, called Linear Correction Mapping, which is capable of providing an affirmative answer under the circumstances previously characterised. A training stage is required to determine the parameters of the model. The method for single camera scenarios is extended to cover non-overlapping multi-camera architectures. To this extent, only several image samples of the same object acquired by all of the cameras are required. Furthermore, both the light variations and the changes in the camera exposure settings are covered by correction mapping. Every image correction method is unsuccessful when the image of the object to be corrected is overexposed or the signal-to-noise ratio is very low. Thus, the third question refers to the control of the acquisition process to obtain an optimal exposure in uncontrolled light conditions. A Camera Exposure Control method is proposed that is capable of holding a suitable exposure provided that the light variations can be collected within the dynamic range of the camera. Each one of the proposed methods was evaluated individually. The methodology of the experiments consisted of first selecting some scenarios that cover the representative situations for which the methods are theoretically valid. Linear Correction Mapping was validated using three object re-identification applications (vehicles, faces and persons) based on the object colour distributions. Camera Exposure Control was proved in an outdoor parking scenario. In addition, several performance indicators were defined to objectively compare the results with other relevant state of the art correction and auto-exposure methods. The results of the evaluation demonstrated that the proposed methods outperform the compared ones in the most situations. Based on the obtained results, the answers to the above-described research questions are affirmative in limited circumstances, that is, the hypothesis of the forecasting, the correction based on it, and the auto exposure are feasible in the situations identified in the thesis, although they cannot be guaranteed in general. Furthermore, the presented work raises new questions and scientific challenges, which are highlighted as future research work.

Linear color correction for multiple illumination changes and non-overlapping cameras

Many image processing methods, such as techniques for people re-identification, assume photometric constancy between different images. This study addresses the correction of photometric variations based upon changes in background areas to correct foreground areas. The authors assume a multiple light source model where all light sources can have different colours and will change over time. In training mode, the authors learn per-location relations between foreground and background colour intensities. In correction mode, the authors apply a double linear correction model based on learned relations. This double linear correction includes a dynamic local illumination correction mapping as well as an inter-camera mapping. The authors evaluate their illumination correction by computing the similarity between two images based on the earth mover's distance. The authors compare the results to a representative auto-exposure algorithm found in the recent literature plus a colour correction one based on the inverse-intensity chromaticity. Especially in complex scenarios the authors’ method outperforms these state-of-the-art algorithms.

Optimization of optical systems for LED spot lights concerning the color uniformity

Spotlighting is one illumination field where the application of light emitting diodes (LED) creates many advantages. Commonly, the system for spot lights consists of a LED light engine and collimating secondary optics. Through angular or spatial separated emitted light from the source and imaging optical elements, a non uniform far field appears with colored rings, dots or patterns. Many feasible combinations result in very different spatial color distributions. Several combinations of three multi-chip light sources and secondary optical elements like reflectors and TIR lenses with additional facets or scattering elements were analyzed mainly regarding the color uniformity. They are assessed by the merit function Usl which was derived from human factor experiments and describes the color uniformity based on the visual perception of humans. Furthermore, the optical systems are compared concerning efficiency, peak candela and aspect ratio. Both types of optics differ in the relation between the color uniformity level and other properties. A plain reflector with a slightly color mixing light source performs adequate. The results for the TIR lenses indicate that they need additional elements for good color mixing or blended light source. The most convenient system depends on the requirements of the application.

Color uniformity in spotligths - visual perception and system design

La iluminación con diodos emisores de luz (LED) está reemplazando cada vez en mayor medida a las fuentes de luz tradicionales. La iluminación LED ofrece ventajas en eficiencia, consumo de energía, diseño, tamaño y calidad de la luz. Durante más de 50 años, los investigadores han estado trabajando en mejoras LED. Su principal relevancia para la iluminación está aumentando rápidamente. Esta tesis se centra en un campo de aplicación importante, como son los focos. Se utilizan para enfocar la luz en áreas definidas, en objetos sobresalientes en condiciones profesionales. Esta iluminación de alto rendimiento requiere una calidad de luz definida, que incluya temperaturas ajustables de color correlacionadas (CCT), de alto índice de reproducción cromática (CRI), altas eficiencias, y colores vivos y brillantes. En el paquete LED varios chips de diferentes colores (rojo, azul, fósforo convertido) se combinan para cumplir con la distribución de energía espectral con alto CRI. Para colimar la luz en los puntos concretos deseados con un ángulo de emisión determinado, se utilizan blancos sintonizables y diversos colores de luz y ópticas secundarias. La combinación de una fuente LED de varios colores con elementos ópticos puede causar falta de homogeneidad cromática en la distribución espacial y angular de la luz, que debe resolverse en el diseño óptico. Sin embargo, no hay necesidad de uniformidad perfecta en el punto de luz debido al umbral en la percepción visual del ojo humano. Por lo tanto, se requiere una descripción matemática del nivel de uniformidad del color con respecto a la percepción visual. Esta tesis está organizada en siete capítulos. Después de un capítulo inicial que presenta la motivación que ha guiado la investigación de esta tesis, en el capítulo 2 se presentan los fundamentos científicos de la uniformidad del color en luces concentradas, como son: el espacio de color aplicado CIELAB, la percepción visual del color, los fundamentos de diseño de focos respecto a los motores de luz y ópticas no formadoras de imágenes, y los últimos avances en la evaluación de la uniformidad del color en el campo de los focos. El capítulo 3 desarrolla diferentes métodos para la descripción matemática de la distribución espacial del color en un área definida, como son la diferencia de color máxima, la desviación media del color, el gradiente de la distribución espacial de color, así como la suavidad radial y axial. Cada función se refiere a los diferentes factores que influyen en la visión, los cuales necesitan un tratamiento distinto que el de los datos que se tendrán en cuenta, además de funciones de ponderación que pre- y post-procesan los datos simulados o medidos para la reducción del ruido, la luminancia de corte, la aplicación de la ponderación de luminancia, la función de sensibilidad de contraste, y la función de distribución acumulativa. En el capítulo 4, se obtiene la función de mérito Usl para la estimación de la uniformidad del color percibida en focos. Se basó en los resultados de dos conjuntos de experimentos con factor humano realizados para evaluar la percepción visual de los sujetos de los patrones de focos típicos. El primer experimento con factor humano dio lugar al orden de importancia percibida de los focos. El orden de rango percibido se utilizó para correlacionar las descripciones matemáticas de las funciones básicas y la función ponderada sobre la distribución espacial del color, que condujo a la función Usl. El segundo experimento con factor humano probó la percepción de los focos bajo condiciones ambientales diversas, con el objetivo de proporcionar una escala absoluta para Usl, para poder así sustituir la opinión subjetiva personal de los individuos por una función de mérito estandarizada. La validación de la función Usl se presenta en relación con el alcance de la aplicación y condiciones, así como las limitaciones y restricciones que se realizan en el capítulo 5. Se compararon los datos medidos y simulados de varios sistemas ópticos. Se discuten los campos de aplicación , así como validaciones y restricciones de la función. El capítulo 6 presenta el diseño del sistema de focos y su optimización. Una evaluación muestra el análisis de sistemas basados en el reflector y la lente TIR. Los sistemas ópticos simulados se comparan en la uniformidad del color Usl, sensibilidad a las sombras coloreadas, eficiencia e intensidad luminosa máxima. Se ha comprobado que no hay un sistema único que obtenga los mejores resultados en todas las categorías, y que una excelente uniformidad de color se pudo alcanzar por la conjunción de dos sistemas diferentes. Finalmente, el capítulo 7 presenta el resumen de esta tesis y la perspectiva para investigar otros aspectos. ABSTRACT Illumination with light-emitting diodes (LED) is more and more replacing traditional light sources. They provide advantages in efficiency, energy consumption, design, size and light quality. For more than 50 years, researchers have been working on LED improvements. Their main relevance for illumination is rapidly increasing. This thesis is focused on one important field of application which are spotlights. They are used to focus light on defined areas, outstanding objects in professional conditions. This high performance illumination required a defined light quality including tunable correlated color temperatures (CCT), high color rendering index (CRI), high efficiencies and bright, vivid colors. Several differently colored chips (red, blue, phosphor converted) in the LED package are combined to meet spectral power distribution with high CRI, tunable white and several light colors and secondary optics are used to collimate the light into the desired narrow spots with defined angle of emission. The combination of multi-color LED source and optical elements may cause chromatic inhomogeneities in spatial and angular light distribution which needs to solved at the optical design. However, there is no need for perfect uniformity in the spot light due to threshold in visual perception of human eye. Therefore, a mathematical description of color uniformity level with regard to visual perception is required. This thesis is organized seven seven chapters. After an initial one presenting the motivation that has guided the research of this thesis, Chapter 2 introduces the scientific basics of color uniformity in spot lights including: the applied color space CIELAB, the visual color perception, the spotlight design fundamentals with regards to light engines and nonimaging optics, and the state of the art for the evaluation of color uniformity in the far field of spotlights. Chapter 3 develops different methods for mathematical description of spatial color distribution in a defined area, which are the maximum color difference, the average color deviation, the gradient of spatial color distribution as well as the radial and axial smoothness. Each function refers to different visual influencing factors, and they need different handling of data be taken into account, along with weighting functions which pre- and post-process the simulated or measured data for noise reduction, luminance cutoff, the implementation of luminance weighting, contrast sensitivity function, and cumulative distribution function. In chapter 4, the merit function Usl for the estimation of the perceived color uniformity in spotlights is derived. It was based on the results of two sets of human factor experiments performed to evaluate the visual perception of typical spotlight patterns by subjects. The first human factor experiment resulted in the perceived rank order of the spotlights. The perceived rank order was used to correlate the mathematical descriptions of basic functions and weighted function concerning the spatial color distribution, which lead to the Usl function. The second human factor experiment tested the perception of spotlights under varied environmental conditions, with to objective to provide an absolute scale for Usl, so the subjective personal opinion of individuals could be replaced by a standardized merit function. The validation of the Usl function is presented concerning the application range and conditions as well as limitations and restrictions in carried out in chapter 5. Measured and simulated data of various optical several systems were compared. Fields of applications are discussed as well as validations and restrictions of the function. Chapter 6 presents spotlight system design and their optimization. An evaluation shows the analysis of reflector-based and TIR lens systems. The simulated optical systems are compared in color uniformity Usl , sensitivity to colored shadows, efficiency, and peak luminous intensity. It has been found that no single system which performed best in all categories, and that excellent color uniformity could be reached by two different system assemblies. Finally, chapter 7 summarizes the conclusions of the present thesis and an outlook for further investigation topics.

Exploración y evaluación de mecanismos para la captura de la posición y postura de personas en entornos reales

El presente trabajo consiste en el estudio de la viabilidad en el uso de tres posibles opciones orientadas a la captura de la posición y la postura de personas en entornos reales, así como el diseño e implementación de un prototipo de captura en cada uno de ellos. También se incluye una comparativa con el fin de destacar los pros y los contras de cada solución. Una de las alternativas para llevarlo a cabo consiste en un sistema de tracking óptico por infrarrojos de alta calidad y precisión, como es Optitrack; la segunda se basa en una solución de bajo coste como es el periférico Kinect de Microsoft y la tercera consiste en la combinación de ambos dispositivos para encontrar un equilibrio entre precisión y economía, tomando los puntos fuertes de cada uno para contrarrestar sus debilidades. Uno de los puntos importantes del trabajo es que el uso de los prototipos de captura está orientado a entornos de trabajo reales (en concreto en la captura de los movimientos del personal que trabaja en un quirófano), así que han sido necesarias pruebas para minimizar el efecto de las fuentes de luz en los sistemas de infrarrojos, el estudio de los dispositivos para determinar el número de personas que son capaces de capturar a la vez sin que esto afecte a su rendimiento y el nivel de invasión de los dispositivos en los trabajadores (marcadores para el tracking), además de los mecanismos apropiados para minimizar el impacto de las oclusiones utilizando métodos de interpolación y ayudándose del conocimiento del contexto, las restricciones de movimiento del cuerpo humano y la evolución en el tiempo. Se han desarrollado conocimientos en el funcionamiento y configuración dispositivos como el sistema de captura Optitrack de Natural Point y el sistema de detección de movimiento Kinect desarrollado por Microsoft. También se ha aprendido el funcionamiento del entorno de desarrollo y motor de videojuegos multiplataforma homónimos Unity y del lenguaje de programación C# que utiliza dicho entorno para sus scripts de control, así como los protocolos de comunicación entre los distintos sistemas que componen los prototipos como son VRPN y NatNet.---ABSTRACT---This project is about a viability study in the use of three possible options, oriented towards the capture of the position and view of people in a real environment, as well as the design and implementation of a capturing prototype in each of them. A comparative study is also included, in order to emphasise the pros and cons of each solution. One of the alternatives consists of an optical tracking system via high quality and precision infrareds, like Optitrack; the second is based on a low cost solution, such as Microsoft’s Kinect peripheral, and the third consists on a combination of both devices to find a balance between precision and price, taking the strong points of each of the mechanisms to make up for the weaknesses. One of the important parts of this project is that the use of the capturing prototypes is directed towards real life work situations (specifically towards the capturing of the movements of surgery personnel), so various tests have been necessary in order to minimize the effect of light sources in infrared systems, the study of the devices to determine the number of people that they are capable of capturing simultaneously without affecting their performance and the invasion level of the devices towards the workers (tracking markers), as well as the mechanisms adopted to minimize the impact of the occlusions using interpolation methods and with help of the knowledge of the surroundings, the human movement restrictions and the passing of time. Knowledge has been developed on the functioning and configuration of the devices such as Natural Point’s Optitrak capturing system, and the Kinect movement detection system developed by Microsoft. We have also learned about the operating of the development and incentive environment of multiplatform videogames of namesake Unity and of C# programming language, which uses said environment for its control scripts, as well as communication protocols between the different systems that make up prototypes like VRPN and NatNet.