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.

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.

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

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

Caracterización de colectores para sistemas de concentración fotovoltaica

Este proyecto, titulado “Caracterización de colectores para concentración fotovoltaica”, consiste en una aplicación en Labview para obtener las características de los elementos ópticos utilizados en sistemas de concentración fotovoltaica , atendiendo a la distribución espacial del foco de luz concentrado que generan. Un sistema de concentración fotovoltaica utiliza un sistema óptico para transmitir la radiación luminosa a la célula solar aumentando la densidad de potencia luminosa. Estos sistemas ópticos están formados por espejos o lentes para recoger la radiación incidente en ellos y concentrar el haz de luz en una superficie mucho menor. De esta manera se puede reducir el área de material semiconductor necesario, lo que conlleva una importante reducción del coste del sistema. Se pueden distinguir diferentes sistemas de concentración dependiendo de la óptica que emplee, la estructura del receptor o el rango de concentración. Sin embargo, ya que el objetivo es analizar la distribución espacial, diferenciaremos dos tipos de concentradores dependiendo de la geometría que presenta el foco de luz. El concentrador lineal o cilíndrico que enfoca sobre una línea, y el concentrador de foco puntual o circular que enfoca la luz sobre un punto. Debido a esta diferencia el análisis en ambos casos se realizará de forma distinta. El análisis se realiza procesando una imagen del foco tomada en el lugar del receptor, este método se llama LS-CCD (Difusión de luz y captura con CCD). Puede utilizarse en varios montajes dependiendo si se capta la imagen por reflexión o por transmisión en el receptor. En algunos montajes no es posible captar la imagen perpendicular al receptor por lo que la aplicación realizará un ajuste de perspectiva para obtener el foco con su forma original. La imagen del foco ofrece información detallada acerca de la uniformidad del foco mediante el mapa de superficie, que es una representación en 3D de la imagen pero que resulta poco manejable. Una representación más sencilla y útil es la que ofrecen los llamados “perfiles de intensidad”. El perfil de intensidad o distribución de la irradiancia que representa la distribución de la luz para cada distancia al centro, y el perfil acumulado o irradiancia acumulada que representa la luz contenida en relación también al centro. Las representaciones de estos perfiles en el caso de un concentrador lineal y otro circular son distintas debido a su diferente geometría. Mientras que para un foco lineal se expresa el perfil en función de la semi-anchura del receptor, para uno circular se expresa en función del radio. En cualquiera de los casos ofrecen información sobre la uniformidad y el tamaño del foco de luz necesarios para diseñar el receptor. El objetivo de este proyecto es la creación de una aplicación software que realice el procesado y análisis de las imágenes obtenidas del foco de luz de los sistemas ópticos a caracterizar. La aplicación tiene una interfaz sencilla e intuitiva para que pueda ser empleada por cualquier usuario. Los recursos necesarios para realizar el proyecto son: un PC con sistema operativo Windows, el software Labview 8.6 Professional Edition y los módulos NI Vision Development Module (para trabajar con imágenes) y NI Report Generation Toolkit (para realizar reportes y guardar datos de la aplicación). ABSTRACT This project, called “Characterization of collectors for concentration photovoltaic systems”, consists in a Labview application to obtain the characteristics of the optical elements used in photovoltaic concentrator, taking into account the spatial distribution of concentrated light source generated. A concentrator photovoltaic system uses an optical system to transmit light radiation to the solar cell by increasing the light power density. This optical system are formed by mirrors or lenses to collect the radiation incident on them and focus the beam of light in a much smaller surface area. In this way you can reduce the area of semiconductor material needed, which implies a significant reduction in system cost. There are different concentration systems depending on the optics used, receptor structure or concentration range. However, as the aim is to analyze the spatial distribution, distinguish between two types of concentrators depending on the geometry that has the light focus. The linear or cylindrical concentrator that focused on a line, and the circular concentrator that focused light onto a point. Because this difference in both cases the analysis will be carried out differently. The analysis is performed by processing a focus image taken at the receiver site, this method is called “LS-CCD” (Light Scattering and CCD recording). Can be used in several mountings depending on whether the image is captured by reflection or transmission on the receiver. In some mountings it is not possible to capture the image perpendicular to the receivers so that the application makes an adjustment of perspective to get the focus to its original shape. The focus image provides detail information about the uniformity of focus through the surface map, which is a 3D image representation but it is unwieldy. A simple and useful representation is provided by so called “intensity profiles”. The intensity profile or irradiance distribution which represents the distribution of light to each distance to the center. The accumulated profile or accumulated irradiance that represents the cumulative light contained in relation also to the center. The representation of these profiles in the case of a linear and a circular concentrator are different due to their distinct geometry. While for a line focus profile is expressed in terms of semi-width of the receiver, for a circular concentrator is expressed in terms of radius. In either case provides information about the uniformity and size of focus needed to design the receiver. The objective of this project is the creation of a software application to perform processing and analysis of images obtained from light source of optical systems to characterize.The application has a simple and a intuitive interface so it can be used for any users. The resources required for the project are: a PC with Windows operating system, LabVIEW 8.6 Professional Edition and the modules NI Vision Development Module (for working with images) and NI Report Generation Toolkit (for reports and store application data .)

1000x shadow-free mirror-based Köhler concentrator

A new design for a photovoltaic concentrator, the most recent advance based on the Kohler concept, is presented. The system is mirror-based, and with geometry that guaranties a maximum sunlight collection area (without shadows, like those caused by secondary stages or receivers and heat-sinks in other mirror-based systems). Designed for a concentration of 1000x, this off axis system combines both good acceptance angle and good irradiance uniformity on the solar cell. The advanced performance features (concentration-acceptance products ?CAP- about 0.73 and affordable peak and average irradiances) are achieved through the combination of four reflective folds combined with four refractive surfaces, all of them free-form, performing Köhler integration 2 . In Köhler devices, the irradiance uniformity is not achieved through additional optical stages (TIR prisms), thus no complex/expensive elements to manufacture are required. The rim angle and geometry are such that the secondary stage and receivers are hidden below the primary mirrors, so maximum collection is assured. The entire system was designed to allow loose assembly/alignment tolerances (through high acceptance angle) and to be manufactured using already well-developed methods for mass production, with high potential for low cost. The optical surfaces for Köhler integration, although with a quite different optical behavior, have approximately the same dimensions and can be manufactured with the same techniques as the more traditional secondary optical elements used for concentration (typically plastic injection molding or glass molding).

Free-form optics for Fresnel-lens-based photovoltaic concentrators

The Concentrated Photovoltaics (CPV) promise relies upon the use of high-efficiency triple-junction solar cells (with proven efficiencies of over 44%) and upon high-performance optics that allow for high concentration concurrent with relaxed manufacturing tolerances (all key elements for low-cost mass production). Additionally, uniform illumination is highly desirable for efficiency and reliability reasons. All of these features have to be achieved with inexpensive optics containing only a few (in general no more than 2) optical elements. In this paper we show that the degrees of freedom using free-forms allow the introduction of multiple functionalities required for CPV with just 2 optical elements, one of which is a Fresnel lens.

Advanced Fresnel Köhler concentrators for photovoltaic applications

La concentración fotovoltaica (CPV) es una de las formas más prometedoras de reducir el coste de la energía proveniente del sol. Esto es posible gracias a células solares de alta eficiencia y a una significativa reducción del tamaño de la misma, que está fabricada con costosos materiales semiconductores. Ambos aspectos están íntimamente ligados ya que las altas eficiencias solamente son posibles con materiales y tecnologías de célula caros, lo que forzosamente conlleva una reducción del tamaño de la célula si se quiere lograr un sistema rentable. La reducción en el tamaño de las células requiere que la luz proveniente del sol ha de ser redirigida (es decir, concentrada) hacia la posición de la célula. Esto se logra colocando un concentrador óptico encima de la célula. Estos concentradores para CPV están formados por diferentes elementos ópticos fabricados en materiales baratos, con el fin de reducir los costes de producción. El marco óptimo para el diseño de concentradores es la óptica anidólica u óptica nonimaging. La óptica nonimaging fue desarrollada por primera vez en la década de los años sesenta y ha ido evolucionando significativamente desde entonces. El objetivo de los diseños nonimaging es la transferencia eficiente de energía entre la fuente y el receptor (sol y célula respectivamente, en el caso de la CPV), sin tener en cuenta la formación de imagen. Los sistemas nonimaging suelen ser simples, están compuestos de un menor número de superficies que los sistemas formadores de imagen y son más tolerantes a errores de fabricación. Esto hace de los sistemas nonimaging una herramienta fundamental, no sólo en el diseño de concentradores fotovoltaicos, sino también en el diseño de otras aplicaciones como iluminación, proyección y comunicaciones inalámbricas ópticas. Los concentradores ópticos nonimaging son adecuados para aplicaciones CPV porque el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol (como sería el caso de las ópticas formadoras de imagen), sino simplemente la colección de su energía sobre la célula solar. Los concentradores para CPV pueden presentar muy diferentes arquitecturas y elementos ópticos, dando lugar a una gran variedad de posibles diseños. El primer elemento óptico que es atravesado por la luz del sol se llama Elemento Óptico Primario (POE en su nomenclatura anglosajona) y es el elemento más determinante a la hora de definir la forma y las propiedades del concentrador. El POE puede ser refractivo (lente) o reflexivo (espejo). Esta tesis se centra en los sistemas CPV que presentan lentes de Fresnel como POE, que son lentes refractivas delgadas y de bajo coste de producción que son capaces de concentrar la luz solar. El capítulo 1 expone una breve introducción a la óptica geométrica y no formadora de imagen (nonimaging), explicando sus fundamentos y conceptos básicos. Tras ello, la integración Köhler es presentada en detalle, explicando sus principios, válidos tanto para aplicaciones CPV como para iluminación. Una introducción a los conceptos fundamentales de CPV también ha sido incluida en este capítulo, donde se analizan las propiedades de las células solares multiunión y de los concentradores ópticos empleados en los sistemas CPV. El capítulo se cierra con una descripción de las tecnologías existentes empleadas para la fabricación de elementos ópticos que componen los concentradores. El capítulo 2 se centra principalmente en el diseño y desarrollo de los tres concentradores ópticos avanzados Fresnel Köhler que se presentan en esta tesis: Fresnel-Köhler (FK), Fresnel-Köhler curvo (DFK) y Fresnel-Köhler con cavidad (CFK). Todos ellos llevan a cabo integración Köhler y presentan una lente de Fresnel como su elemento óptico primario. Cada uno de estos concentradores CPV presenta sus propias propiedades y su propio procedimiento de diseño. Además, presentan todas las características que todo concentrador ha de tener: elevado factor de concentración, alta tolerancia de fabricación, alta eficiencia óptica, irradiancia uniforme sobre la superficie de la célula y bajo coste de producción. Los concentradores FK y DFK presentan una configuración de cuatro sectores para lograr la integración Köhler. Esto quiere decir que POE y SOE se dividen en cuatro sectores simétricos cada uno, y cada sector del POE trabaja conjuntamente con su correspondiente sector de SOE. La principal diferencia entre los dos concentradores es que el POE del FK es una lente de Fresnel plana, mientras que una lente curva de Fresnel es empleada como POE del DFK. El concentrador CFK incluye una cavidad de confinamiento externo integrada, que es un elemento óptico capaz de recuperar los rayos reflejados por la superficie de la célula con el fin de ser reabsorbidos por la misma. Por tanto, se aumenta la absorción de la luz, lo que implica un aumento en la eficiencia del módulo. Además, este capítulo también explica un método de diseño alternativo para los elementos faceteados, especialmente adecuado para las lentes curvas como el POE del DFK. El capítulo 3 se centra en la caracterización y medidas experimentales de los concentradores ópticos presentados en el capítulo 2, y describe sus procedimientos. Estos procedimientos son en general aplicables a cualquier concentrador basado en una lente de Fresnel, e incluyen tres tipos principales de medidas experimentales: eficiencia eléctrica, ángulo de aceptancia y uniformidad de la irradiancia en el plano de la célula. Los resultados que se muestran a lo largo de este capítulo validarán a través de medidas a sol real las características avanzadas que presentan los concentradores Köhler, y que se demuestran en el capítulo 2 mediante simulaciones de rayos. Cada concentrador (FK, DFK y CFK) está diseñado y optimizado teniendo en cuenta condiciones de operación realistas. Su rendimiento se modela de forma exhaustiva mediante el trazado de rayos en combinación con modelos distribuidos para la célula. La tolerancia es un asunto crítico de cara al proceso de fabricación, y ha de ser máxima para obtener sistemas de producción en masa rentables. Concentradores con tolerancias limitadas generan bajadas significativas de eficiencia a nivel de array, causadas por el desajuste de corrientes entre los diferentes módulos (principalmente debido a errores de alineación en la fabricación). En este sentido, la sección 3.5 presenta dos métodos matemáticos que estiman estas pérdidas por desajuste a nivel de array mediante un análisis de sus curvas I-V, y por tanto siendo innecesarias las medidas a nivel de mono-módulo. El capítulo 3 también describe la caracterización indoor de los elementos ópticos que componen los concentradores, es decir, de las lentes de Fresnel que actúan como POE y de los secundarios free-form. El objetivo de esta caracterización es el de evaluar los adecuados perfiles de las superficies y las transmisiones ópticas de los diferentes elementos analizados, y así hacer que el rendimiento del módulo sea el esperado. Esta tesis la cierra el capítulo 4, en el que la integración Köhler se presenta como una buena alternativa para obtener distribuciones uniformes en aplicaciones de iluminación de estado sólido (iluminación con LED), siendo particularmente eficaz cuando se requiere adicionalmente una buena mezcla de colores. En este capítulo esto se muestra a través del ejemplo particular de un concentrador DFK, el cual se ha utilizado para aplicaciones CPV en los capítulos anteriores. Otra alternativa para lograr mezclas cromáticas apropiadas está basada en un método ya conocido (deflexiones anómalas), y también se ha utilizado aquí para diseñar una lente TIR aplanética delgada. Esta lente cumple la conservación de étendue, asegurando así que no hay bloqueo ni dilución de luz simultáneamente. Ambos enfoques presentan claras ventajas sobre las técnicas clásicas empleadas en iluminación para obtener distribuciones de iluminación uniforme: difusores y mezcla caleidoscópica mediante guías de luz. ABSTRACT Concentrating Photovoltaics (CPV) is one of the most promising ways of reducing the cost of energy collected from the sun. This is possible thanks to both, very high-efficiency solar cells and a large decrease in the size of cells, which are made of costly semiconductor materials. Both issues are closely linked since high efficiency values are only possible with expensive cell materials and technologies, implying a compulsory area reduction if cost-effectiveness is desired. The reduction in the cell size requires that light coming from the sun must be redirected (i.e. concentrated) towards the cell position. This is achieved by placing an optical concentrator system on top of the cell. These CPV concentrators consist of different optical elements manufactured on cheap materials in order to maintain low production costs. The optimal framework for the design of concentrators is nonimaging optics. Nonimaging optics was first developed in the 60s decade and has been largely developed ever since. The aim of nonimaging devices is the efficient transfer of light power between the source and the receiver (sun and cell respectively in the case of CPV), disregarding image formation. Nonimaging systems are usually simple, comprised of fewer surfaces than imaging systems and are more tolerant to manufacturing errors. This renders nonimaging optics a fundamental tool, not only in the design of photovoltaic concentrators, but also in the design of other applications as illumination, projection and wireless optical communications. Nonimaging optical concentrators are well suited for CPV applications because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun (as imaging optics would provide), but simply the collection of its energy on the solar cell. Concentrators for CPV may present very different architectures and optical elements, resulting in a vast variety of possible designs. The first optical element that sunlight goes through is called the Primary Optical Element (POE) and is the most determinant element in order to define the shape and properties of the whole concentrator. The POE can be either refractive (lens) or reflective (mirror). This thesis focuses on CPV systems based on Fresnel lenses as POE, which are thin and inexpensive refractive lenses able to concentrate sunlight. Chapter 1 exposes a short introduction to geometrical and nonimaging optics, explaining their fundamentals and basic concepts. Then, the Köhler integration is presented in detail, explaining its principles, valid for both applications: CPV and illumination. An introduction to CPV fundamental concepts is also included in this chapter, analyzing the properties of multijunction solar cells and optical concentrators employed in CPV systems. The chapter is closed with a description of the existing technologies employed for the manufacture of optical elements composing the concentrator. Chapter 2 is mainly devoted to the design and development of the three advanced Fresnel Köhler optical concentrators presented in this thesis work: Fresnel-Köhler (FK), Dome-shaped Fresnel-Köhler (DFK) and Cavity Fresnel-Köhler (CFK). They all perform Köhler integration and comprise a Fresnel lens as their Primary Optical Element. Each one of these CPV concentrators presents its own characteristics, properties and its own design procedure. Their performances include all the key issues in a concentrator: high concentration factor, large tolerances, high optical efficiency, uniform irradiance on the cell surface and low production cost. The FK and DFK concentrators present a 4-fold configuration in order to perform the Köhler integration. This means that POE and SOE are divided into four symmetric sectors each one, working each POE sector with its corresponding SOE sector by pairs. The main difference between both concentrators is that the POE of the FK is a flat Fresnel lens, while a dome-shaped (curved) Fresnel lens performs as the DFK’s POE. The CFK concentrator includes an integrated external confinement cavity, which is an optical element able to recover rays reflected by the cell surface in order to be re-absorbed by the cell. It increases the light absorption, entailing an increase in the efficiency of the module. Additionally, an alternative design method for faceted elements will also be explained, especially suitable for dome-shaped lenses as the POE of the DFK. Chapter 3 focuses on the characterization and experimental measurements of the optical concentrators presented in Chapter 2, describing their procedures. These procedures are in general applicable to any Fresnel-based concentrator as well and include three main types of experimental measurements: electrical efficiency, acceptance angle and irradiance uniformity at the solar cell plane. The results shown along this chapter will validate through outdoor measurements under real sun operation the advanced characteristics presented by the Köhler concentrators, which are demonstrated in Chapter 2 through raytrace simulation: high optical efficiency, large acceptance angle, insensitivity to manufacturing tolerances and very good irradiance uniformity on the cell surface. Each concentrator (FK, DFK and CFK) is designed and optimized looking at realistic performance characteristics. Their performances are modeled exhaustively using ray tracing combined with cell modeling, taking into account the major relevant factors. The tolerance is a critical issue when coming to the manufacturing process in order to obtain cost-effective mass-production systems. Concentrators with tight tolerances result in significant efficiency drops at array level caused by current mismatch among different modules (mainly due to manufacturing alignment errors). In this sense, Section 3.5 presents two mathematical methods that estimate these mismatch losses for a given array just by analyzing its full-array I-V curve, hence being unnecessary any single mono-module measurement. Chapter 3 also describes the indoor characterization of the optical elements composing the concentrators, i.e. the Fresnel lenses acting as POEs and the free-form SOEs. The aim of this characterization is to assess the proper surface profiles and optical transmissions of the different elements analyzed, so they will allow for the expected module performance. This thesis is closed by Chapter 4, in which Köhler integration is presented as a good approach to obtain uniform distributions in Solid State Lighting applications (i.e. illumination with LEDs), being particularly effective when dealing with color mixing requirements. This chapter shows it through the particular example of a DFK concentrator, which has been used for CPV applications in the previous chapters. An alternative known method for color mixing purposes (anomalous deflections) has also been used to design a thin aplanatic TIR lens. This lens fulfills conservation of étendue, thus ensuring no light blocking and no light dilution at the same time. Both approaches present clear advantages over the classical techniques employed in lighting to obtain uniform illumination distributions: diffusers and kaleidoscopic lightpipe mixing.

New concepts and techniques for the development of high-efficiency concentrating photovoltaic modules

El interés por los sistemas fotovoltaicos de concentración (CPV) ha resurgido en los últimos años amparado por el desarrollo de células multiunión de muy alta eficiencia basadas en semiconductores de los grupos III-V. Estas células han permitido obtener módulos de concentración con eficiencias que prácticamente duplican las del panel plano y que llegan al 35% en los módulos récord. Esta tesis está dedicada al diseño y la implementación experimental de nuevos conceptos que permitan obtener módulos CPV que no sólo alcancen una eficiencia alta en condiciones estándar sino que, además, sean lo suficientemente tolerantes a errores de montaje, seguimiento, temperatura y variaciones espectrales para que la energía que producen a lo largo del año sea máxima. Una de las primeras cuestiones que se abordan es el diseño de elementos ópticos secundarios para sistemas cuyo primario es una lente de Fresnel y que permiten, para una concentración fija, aumentar el ángulo de aceptancia y la tolerancia del sistema. Varios secundarios reflexivos y refractivos han sido diseñados y analizados mediante trazado de rayos. En particular, utilizando óptica anidólica y basándose en el diseño de una sola etapa conocido como ‘concentrador dieléctrico que funciona por reflexión total interna‘, se ha diseñado, fabricado y caracterizado un secundario con salida cuadrada que, usado junto con una lente de Fresnel, permite alcanzar simultáneamente una elevada eficiencia, concentración y aceptancia. Además, se ha propuesto y prototipado un método alternativo de fabricación para otro de los secundarios, denominado domo, consistente en el sobremoldeo de silicona sobre células solares. Una de las características que impregna todo el trabajo realizado en esta tesis es la aproximación holística en el diseño de módulos CPV, es decir, se ha prestado especial atención al diseño conjunto de la célula y la óptica para garantizar que el sistema total alcance la mayor eficiencia posible. En este sentido muchos sistemas ópticos desarrollados en esta tesis han sido diseñados, caracterizados y optimizados teniendo en cuenta que el ajuste de corriente entre las distintas subcélulas que comprenden la célula multiunión bajo el concentrador sea muy próximo a uno. La capa antirreflectante sobre la célula funciona, en cierto modo, como interfaz entre la óptica y la célula, por lo que se ha diseñado un método de optimización de capas antirreflectantes que considera no sólo el amplio rango de longitudes de onda para el que las células multiunión son sensibles sino también la distribución angular de intensidad sobre la célula creada por la óptica de concentración. Además, la cuestión de la falta de uniformidad también se ha abordado mediante la comparación de las distribuciones espectrales y espaciales de irradiancia que crean diferentes ópticas (simuladas mediante trazado de rayos y fotografiadas) y las pérdidas de eficiencia que experimentan las células iluminadas por dichas ópticas de concentración medidas experimentalmente. El efecto de la temperatura en la óptica de concentración también ha sido objeto de estudio de esta tesis. En particular, mediante simulaciones de elementos finitos se han dado los primeros pasos para el análisis de las deformaciones que sufren los dientes de las lentes de Fresnel híbridas (vidrio-silicona), así como el cambio de índice de refracción con la temperatura y la influencia de ambos efectos sobre el funcionamiento de los sistemas. Se ha implementado un modelo que tiene por objeto considerar las variaciones ambientales, principalmente temperatura y contenido espectral de la radiación directa, así como las sensibilidades térmica y espectral de los sistemas CPV, con el fin de maximizar la energía producida por un módulo de concentración a lo largo de un año en un emplazamiento determinado. Los capítulos 5 y 6 de este libro están dedicados al diseño, fabricación y caracterización de un nuevo concepto de módulo fotovoltaico denominado FluidReflex y basado en una única etapa reflexiva con dieléctrico fluido. En este nuevo concepto la presencia del fluido aporta algunas ventajas significativas como son: un aumento del producto concentración por aceptancia (CAP, en sus siglas en inglés) alcanzable al rodear la célula con un medio cuyo índice de refracción es mayor que uno, una mejora de la eficiencia óptica al disminuir las pérdidas por reflexión de Fresnel en varias interfaces, una mejora de la disipación térmica ya que el calor que se concentra junto a la célula se trasmite por convección natural y conducción en el fluido y un aislamiento eléctrico mejorado. Mediante la construcción y medida de varios prototipos de unidad elemental se ha demostrado que no existe ninguna razón fundamental que impida la implementación práctica del concepto teórico alcanzando una elevada eficiencia. Se ha realizado un análisis de fluidos candidatos probando la existencia de al menos dos de ellos que cumplen todos los requisitos (en particular el de estabilidad bajo condiciones de luz concentrada) para formar parte del sistema de concentración FluidReflex. Por ´ultimo, se han diseñado, fabricado y caracterizado varios prototipos preindustriales de módulos FluidReflex para lo cual ha sido necesario optimizar el proceso de fabricación de la óptica multicavidad a fin de mantener el buen comportamiento óptico obtenido en la fabricación de la unidad elemental. Los distintos prototipos han sido medidos, tanto en el laboratorio como bajo el sol real, analizando el ajuste de corriente de la célula iluminada por el concentrador FluidReflex bajo diferentes distribuciones espectrales de la radiación incidente así como el excelente comportamiento térmico del módulo. ABSTRACT A renewed interest in concentrating photovoltaic (CPV) systems has emerged in recent years encouraged by the development of high-efficiency multijunction solar cells based in IIIV semiconductors that have led to CPV module efficiencies which practically double that of flat panel PV and which reach 35% for record modules. This thesis is devoted to the design and experimental implementation of new concepts for obtaining CPV modules that not only achieve high efficiency under standard conditions but also have such a wide tolerance to assembly errors, tracking, temperature and spectral variations, that the energy generated by them throughout the year is maximized. One of the first addressed issues is the design of secondary optical elements whose primary optics is a Fresnel lens and which, for a fixed concentration, allow an increased acceptance angle and tolerance of the system. Several reflective and refractive secondaries have been designed and analyzed using ray tracing. In particular, using nonimaging optics and based on the single-stage design known as ‘dielectric totally internally reflecting concentrator’, a secondary with square output has been designed, fabricated and characterized. Used together with a Fresnel lens, the secondary can simultaneously achieve high efficiency, concentration and acceptance. Furthermore, an alternative method has been proposed and prototyped for the fabrication of the secondary named dome. The optics is manufactured by direct overmolding of silicone over the solar cells. One characteristic that permeates all the work done in this thesis is the holistic approach in the design of CPV modules, meaning that special attention has been paid to the joint design of the solar cell and the optics to ensure that the total system achieves the highest attainable efficiency. In this regard, many optical systems developed in the thesis have been designed, characterized and optimized considering that the current matching among the subcells within the multijunction solar cell beneath the optics must be close to one. Antireflective coating over the cell acts, somehow, as an interface between the optics and the cell. Consequently, a method has been designed to optimize antireflective coatings that takes into account not only the broad wavelength range that multijunction solar cells are sensitive to but also the angular intensity distribution created by the concentrating optics. In addition, the issue of non-uniformity has also been addressed by comparing the spectral and spatial distributions of irradiance created by different optics (simulated by ray tracing and photographed) and the efficiency losses experienced by cells illuminated by those concentrating optics experimentally determined. The effect of temperature on the concentrating optics has also been studied in this thesis. In particular, finite element simulations have been use to analyze the deformations experienced by the facets of hybrid (silicon-glass) Fresnel lenses, the change of refractive index with temperature and the influence of both effects on the system performance. A model has been implemented which take into consideration atmospheric variations, mainly temperature and spectral content of the direct normal irradiance, as well as thermal and spectral sensitivities of systems, with the aim of maximizing the energy harvested by a CPV module throughout the year in a particular location. Chapters 5 and 6 of this book are devoted to the design, fabrication, and characterization of a new concentrator concept named FluidReflex and based on a single-stage reflective optics with fluid dielectric. In this new concept, the presence of the fluid provides some significant advantages such as: an increased concentration acceptance angle product (CAP) achievable by surrounding the cell with a medium whose refractive index is greater than one, an improvement of the optical efficiency by reducing losses due to Fresnel reflection at several interfaces, an improvement in heat dissipation as the heat concentrated near the cell is transmitted by natural convection and conduction in the fluid, and an improved electrical insulation. By fabricating and characterizing several elementary-unit prototypes it was shown that there is no fundamental reason that prevents the practical implementation of this theoretical concept reaching high efficiency. Several fluid candidates were investigated proving the existence of at least to fluids that meet all the requirements (including the stability under concentrated light) to become part of the FluidReflex concentrator. Finally, several pre-industrial FluidReflex module prototypes have been designed and fabricated. An optimization process for the manufacturing of the multicavity optics was necessary to attain such an optics quality as the one achieved by the single unit. The module prototypes have been measured, both indoors and outdoors, analyzing the current matching of the solar cells beneath the concentrator for different spectral distribution of the incident irradiance. Additionally, the module showed an excellent thermal performance.

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.

Optical bistable devices as sensing elements

The nonlinear optical properties of many materials and devices have been the main object of research as potential candidates for sensing in different places. Just one of these properties has been, in most of the cases, the basis for the sensing operation. As a consequence, just one parameter can be detected. In this paper, although just one property will be employed too, we will show the possibility to sense different parameters with just one type of sensor. The way adopted in this work is the use of the optical bistability obtained from different photonic structures. Because this optical bistability has a strong dependence on many different parameters the possibility to sense different inputs appears. In our case, we will report the use of some non-linear optical devices, mainly Semiconductor Optical Amplifiers, as sensing elements. Because their outputs depend on many parameters, as the incident light wavelength, polarization, intensity and direction, applied voltage and feedback characteristics, they can be employed to detect, at the same time, different type of signals. This is because the way these different signals affect to the sensor response is very different too and appears under a different set of characteristics.

Vertical-cavity semiconductor optical amplifiers (VCSOAs) as optical sensing elements

Semiconductor Optical Amplifiers (SOAs) have mainly found application in optical telecommunication networks for optical signal regeneration, wavelength switching or wavelength conversion. The objective of this paper is to report the use of semiconductor optical amplifiers for optical sensing taking into account their optical bistable properties. As it was previously reported, some semiconductor optical amplifiers, including Fabry-Perot and Distributed-Feedback Semiconductor Optical Amplifiers (FPSOAs and DFBSOAs), may exhibit optical bistability. The characteristics of the attained optical bistability in this kind of devices are strongly dependent on different parameters including wavelength, temperature or applied bias current and small variations lead to a change on their bistable properties. As in previous analyses for Fabry-Perot and DFB SOAs, the variations of these parameters and their possible application for optical sensing are reported in this paper for the case of the Vertical-Cavity Semiconductor Optical Amplifier (VCSOA). When using a VCSOA, the input power needed for the appearance of optical bistability is one order of magnitude lower than that needed in edge-emitting devices. This feature, added to the low manufacturing costs of VCSOAs and the ease to integrate them in 2-D arrays, makes the VCSOA a very promising device for its potential use in optical sensing applications.

Quinine doped hybrid sol-gel coatings for wave guiding and optical applications

Pure and quinine doped silica coatings have been prepared over sodalime glasses. The coatings were consolidated at low temperature (range 60-180 A degrees C) preserving optical activity of quinine molecule. We designed a device to test the guiding properties of the coatings. We confirmed with this device that light injected in pure silica coatings is guided over distances of meters while quinine presence induces isotropic photoluminescence. With the combined use of both type of coatings, it is possible to design light guiding devices and illuminate regions in glass elements without electronic circuits.

Crack mechanical failure in lithium niobate crystal under ion irradiation; novel simulation by extended finite elements

Swift heavy ion irradiation (ions with mass heavier than 15 and energy exceeding MeV/amu) transfer their energy mainly to the electronic system with small momentum transfer per collision. Therefore, they produce linear regions (columnar nano-tracks) around the straight ion trajectory, with marked modifications with respect to the virgin material, e.g., phase transition, amorphization, compaction, changes in physical or chemical properties. In the case of crystalline materials the most distinctive feature of swift heavy ion irradiation is the production of amorphous tracks embedded in the crystal. Lithium niobate is a relevant optical material that presents birefringence due to its anysotropic trigonal structure. The amorphous phase is certainly isotropic. In addition, its refractive index exhibits high contrast with those of the crystalline phase. This allows one to fabricate waveguides by swift ion irradiation with important technological relevance. From the mechanical point of view, the inclusion of an amorphous nano-track (with a density 15% lower than that of the crystal) leads to the generation of important stress/strain fields around the track. Eventually these fields are the origin of crack formation with fatal consequences for the integrity of the samples and the viability of the method for nano-track formation. For certain crystal cuts (X and Y), these fields are clearly anisotropic due to the crystal anisotropy. We have used finite element methods to calculate the stress/strain fields that appear around the ion-generated amorphous nano-tracks for a variety of ion energies and doses. A very remarkable feature for X cut-samples is that the maximum shear stress appears on preferential planes that form +/-45º with respect to the crystallographic planes. This leads to the generation of oriented surface cracks when the dose increases. The growth of the cracks along the anisotropic crystal has been studied by means of novel extended finite element methods, which include cracks as discontinuities. In this way we can study how the length and depth of a crack evolves as function of the ion dose. In this work we will show how the simulations compare with experiments and their application in materials modification by ion irradiation.

Instabilities In hybrid optical bistable devices with nonlinear feedback

As we have shown,several output conditions can be obtained from a hybrid optical bistable device when twisted nematic liquid crystal cells are employed as nonlinear elements.

Coder/decoder with an optical programmable logic cell

A major research area is the representation of knowledge for a given application in a compact manner such that desired information relating to this knowledge is easily recoverable. A complicated procedure may be required to recover the information from the stored representation and convert it back to usable form. Coder/decoder are the devices dedicated to that task. In this paper the capabilities that an Optical Programmable Logic Cell offers as a basic building block for coding and decoding are analyzed. We have previously published an Optically Programmable Logic Cells (OPLC), for applications as a chaotic generator or as basic element for optical computing. In optical computing previous studies these cells have been analyzed as full-adder units, being this element a basic component for the arithmetic logic structure in computing. Another application of this unit is reported in this paper. Coder and decoder are basic elements in computers, for example, in connections between processors and memory addressing. Moreover, another main application is the generation of signals for machine controlling from a certain instruction. In this paper we describe the way to obtain a coder/decoder with the OPLC and which type of applications may be the best suitable for this type of cell.