Análisis de la composición cromática en el tejido residencial de la ciudad de Madrid

En el planteamiento de la tesis se desarrolla una metodología para la construcción de la paleta cromática representativa de un espacio urbano. El objetivo principal es hallar una paleta representativa con la finalidad de determinar diferencias cromáticas entre ámbitos urbanos de época y composición urbana distinta. En el estado del arte se describe en primer lugar la teoría del color resaltando los factores que influyen en el proceso cromático perceptivo; en segundo lugar se hace un estudio clasificatorio de diferentes sistemas cromáticos y la teoría de la verbalidad del color y por último se hace un análisis del espacio público puntualizando en la relación entre la morfología y el factor cromático. Para la construcción de las paletas cromáticas se lleva a cabo un procesamiento informático de fotografías digitales con una aplicación que ha sido creada específicamente para la extracción y conversión de valores cromáticos y un proceso de filtrado con cálculo estadístico para la elección de las muestras. En el análisis también se establece una relación entre los factores urbanos y la resultante cromática, como instrumento para determinar las correspondencias de ciertas características urbanas con el comportamiento cromático. La resultante cromática de cada espacio se establece mediante el sistema cromático HSL y su composición es valorada y comparada entre los diferentes puntos de análisis establecidos y las diferentes orientaciones. Finalmente, en base a las paletas cromáticas se plantea una comparativa entre espacios urbanos de la ciudad de Madrid con la finalidad de establecer diferencias cromáticas entre planteamientos urbanos de distinta índole morfológica y constructiva. ABSTRACT In the approach of the thesis is developed a methodology for the construction of a representative palette of urban space. The main objective is to find a representative palette in order to determine color differences between urban areas of different age and urban composition. In the prior art is described first color theory highlighting the factors that influencing the perceptual color process; in second it is a qualifying study of various color systems and the theory of color verbality and finally is an analysis of public space pointing in the relationship between morphology and the color factor. For the construction of the color palette is carried out computer processing of digital photos in an application that has been created specifically for the extraction and conversion of color values and a filtering process with statistical calculation for the election of the samples. In analyzing a relationship between urban factors and the resulting color as an instrument is also set to determine the correlation of certain urban characteristics with the color behavior. The resulting color of each space is set by the HSL color system and its composition is evaluated and compared between the different established points of analysis and different orientations. Finally, based on the color palettes, arises a comparison between urban spaces in the city of Madrid with the aim of establishing color differences between urban approaches of different morphological and constructive nature.

Influencia de los Productos Hidrofugantes en las Propiedades Superficiales de las Cerámicas Porosas Utilizadas en Cerramientos Exteriores Cara Vista

En esta Tesis se cuantifica la influencia de los productos hidrofugantes en la superficie de la cerámica, en base a la variación cromática que producen. Se definen parámetros metodológicos previos para la medición de la variación cromática: obtención de imágenes digitales en formato JPG, utilización del espacio de color RGB y medición del color a través de los histogramas de imagen. Se realiza una clasificación de la cerámica porosa utilizada en cerramientos cara vista, en base a su fabricación (manual, prensada, extrusionada y klinker) y de los productos hidrofugantes, en base a su composición química (siliconatos, silanos, siloxanos oligoméricos y poliméricos, resina fluorada y silanos/siloxanos). Los materiales utilizados (cerámica y e hidrofugantes) junto con los parámetros metodológicos conforman un plan de ensayos experimental en el que se realizan: Ensayos previos: se caracteriza la cerámica obteniendo su coeficiente de absorción y su porosidad abierta (normas UNE 67.027-84 y UNE-EN 772-4:1999). Se realiza el ensayo de succión (basado en la norma UNE-EN 772-11:2001/A1:2006) en el que se obtienen los parámetros de tasa de absorción y nivel de agua superficial que garantizan que la cerámica está correctamente hidrofugada. Todos los parámetros obtenidos se relacionarán con la variación de color de la cerámica al aplicarle los productos hidrofugantes, para analizar su grado de influencia. Ensayo colorimétrico: se propone una metodología nueva de ensayo basada en la medición digital del color de superficies de materiales inorgánicos porosos y sus posibles cambios cromáticos, mediante los histogramas de imagen. Se usa el espacio de color RGB en el que cada color aparece descompuesto en función de sus tres componentes espectrales primarias de rojo, verde y azul. Se compara la variación cromática que producen los hidrofugantes en las probetas comparándose con la probeta sin tratar. Previamente al ensayo colorimétrico se determinan y ajustan los parámetros del ensayo: número óptimo de fotografías necesarias para que los datos sean fiables, se comprueba si la cámara digital para la obtención de imágenes es fiable, se calibra dicha cámara fotográfica para ver cuál es la desviación respecto a los colores de referencia y se obtiene la variación de valores RGB que percibe el ojo humano. Se obtiene un modelo matemático que permite predecir el color final de la cerámica tratada en función del color inicial de la cerámica sin hidrofugar. Esta Tesis establece una tabla de predicción y posible reproducción del color, además de una recomendación de los productos a utilizar en la cerámica según su color. Se realiza un estudio de microscopia electrónica de barrido para comprobar la alteración producida por los productos hidrofugantes en la superficie de la cerámica y observar la su influencia, además de analizar la penetrabilidad de cada producto.

La influencia de los productos hidrofugantes en las modificaciones cromáticas del ladrillo cerámico

Se analiza la variación cromática, color y luminosidad, que sufre el soporte cerámico protegido por la incorporación de un tratamiento con productos hidrofugantes. Se propone una metodología nueva, basada en el modelo RGB donde se obtienen valores cuantificables de cada muestra cerámica mediante medición digital del color (histogramas de imagen), tomándose como base el mismo tipo de cerámica sin hidrofugar. La variación cromática está determinada por el tipo de hidrofugante y por el material de base, obteniéndose los siguientes resultados: • Todos los hidrofugantes estudiados producen variación en la tonalidad y luminosidad de la pieza. • El ladrillo rojo inglés (R) es el que presenta menor variación de luminosidad y tonalidad al ser tratado con hidrofugantes. • El hidrofugante de componente siliconatos es el que menor variación cromática produce en dos de los tres ladrillos estudiados, tostado (T) y rojo inglés (R)

Advances in the modeling, characterization and reliability of concentrator multijunction solar cells

Los sistemas de concentración fotovoltaica (CPV) parecen ser una de las vías más prometedoras para generar electricidad a gran escala a precios competitivos. La investigación actual se centra en aumentar la eficiencia y la concentración de los sistemas para abaratar costes. Al mismo tiempo se investiga sobre la fiabilidad de los diferentes componentes que integran un sistema de concentración, ya que para que los sistemas de concentración sean competitivos es necesario que tengan una fiabilidad al menos similar a los sistemas basados en células de silicio. En la presente tesis doctoral se ha llevado a cabo el estudio de aspectos avanzados de células solares multi-unión diseñadas para trabajar a concentraciones ultra-altas. Para ello, se ha desarrollado un modelo circuital tridimensional distribuido con el que simular el comportamiento de las células solares triple-unión bajo distintas condiciones de funcionamiento, así mismo se ha realizado una caracterización avanzada de este tipo de células para comprender mejor su modo de operación y así poder contribuir a mejorar su eficiencia. Finalmente, se han llevado a cabo ensayos de vida acelerados en células multiunión comerciales para conocer la fiabilidad de este tipo de células solares. Para la simulación de células solares triple-unión se ha desarrollado en la presente tesis doctoral un modelo circuital tridimensinal distribuido el cuál integra una descripción completa de la unión túnel. De este modo, con el modelo desarrollado, hemos podido simular perfiles de luz sobre la célula solar que hacen que la densidad de corriente fotogenerada sea mayor a la densidad de corriente pico de la unión túnel. El modelo desarrollado también contempla la distribución lateral de corriente en las capas semiconductoras que componen y rodean la unión túnel. Por tanto, se ha podido simular y analizar el efecto que tiene sobre el funcionamiento de la célula solar que los concentradores ópticos produzcan perfiles de luz desuniformes, tanto en nivel de irradiancia como en el contenido espectral de la luz (aberración cromática). Con el objetivo de determinar cuáles son los mecanismos de recombinación que están limitando el funcionamiento de cada subcélula que integra una triple-unión, y así intentar reducirlos, se ha llevado a cabo la caracterización eléctrica de células solares monouni ón idénticas a las subcelulas de una triple-unión. También se ha determinado la curva corriente-tensión en oscuridad de las subcélulas de GaInP y GaAs de una célula dobleunión mediante la utilización de un teorema de reciprocidad electro-óptico. Finalmente, se ha analizado el impacto de los diferentes mecanismos de recombinación en el funcionamiento de la célula solar triple-unión en concentración. Por último, para determinar la fiabilidad de este tipo de células, se ha llevado a cabo un ensayo de vida acelerada en temperatura en células solares triple-unión comerciales. En la presente tesis doctoral se describe el diseño del ensayo, el progreso del mismo y los datos obtenidos tras el análisis de los resultados preliminares. Abstract Concentrator photovoltaic systems (CPV) seem to be one of the most promising ways to generate electricity at competitive prices. Nowadays, the research is focused on increasing the efficiency and the concentration of the systems in order to reduce costs. At the same time, another important area of research is the study of the reliability of the different components which make up a CPV system. In fact, in order for a CPV to be cost-effective, it should have a warranty at least similar to that of the systems based on Si solar cells. In the present thesis, we will study in depth the behavior of multijunction solar cells under ultra-high concentration. With this purpose in mind, a three-dimensional circuital distributed model which is able to simulate the behavior of triple-junction solar cells under different working conditions has been developed. Also, an advanced characterization of these solar cells has been carried out in order to better understand their behavior and thus contribute to improving efficiency. Finally, accelerated life tests have been carried out on commercial lattice-matched triple-junction solar cells in order to determine their reliability. In order to simulate triple-junction solar cells, a 3D circuital distributed model which integrates a full description of the tunnel junction has been developed. We have analyzed the behavior of the multijunction solar cell under light profiles which cause the current density photo-generated in the solar cell to be higher than the tunnel junction’s peak current density. The advanced model developed also takes into account the lateral current spreading through the semiconductor layers which constitute and surround the tunnel junction. Therefore, the effects of non-uniform light profiles, in both irradiance and the spectral content produced by the concentrators on the solar cell, have been simulated and analyzed. In order to determine which recombination mechanisms are limiting the behavior of each subcell in a triple-junction stack, and to try to reduce them when possible, an electrical characterization of single-junction solar cells that resemble the subcells in a triplejunction stack has been carried out. Also, the dark I-V curves of the GaInP and GaAs subcells in a dual-junction solar cell have been determined by using an electro-optical reciprocity theorem. Finally, the impact of the different recombination mechanisms on the behavior of the triple-junction solar cell under concentration has been analyzed. In order to determine the reliability of these solar cells, a temperature accelerated life test has been carried out on commercial triple-junction solar cells. In the present thesis, the design and the evolution of the test, as well as the data obtained from the analysis of the preliminary results, are presented.

Optimización de los procesos de medida e interpretación de la tomografía geoeléctrica en la prospección superficial

Debido al carácter innovador de los objetivos científico-tecnológicos planteados al inicio de la presente Tesis doctoral, además de la primera recopilación bibliográfica, a lo largo del desarrollo de la misma se ha realizado una actualización bibliográfica continua centrada en los desarrollos relativos a la instrumentación, las aplicaciones y los procesos de interpretación de las técnicas de tomografía eléctrica. Durante el desarrollo del presente trabajo, se han realizado una serie de campañas diferenciadas, tanto por los ambientes geológicos y las condiciones antrópicas en los que se han efectuado los perfiles geoeléctricos, como por la profundidad y los objetivos de la prospección. En esas campañas se han obtenido, mediante el programa Res2DInv, las secciones tomográficas con la configuración de variables por defecto y se ha realizado una interpretación estructural de las mismas. Como parte central del desarrollo de esta investigación se han efectuado varios procesos de optimización: Comparación y optimización de los dispositivos empleados para la medición de perfiles de resistividad de cara a la obtención de secciones tomográficas que presenten la mayor resolución en distintos ambientes geológicos. Selección de los rangos de representación (lineales y logarítmicos) y de la gradación cromática que, pudiendo adoptarse de forma generalizada, permita la mejor interpretación gráfica para usuarios no avanzados. Diseño de criterios para la selección del factor de amortiguamiento, como parámetro crítico en los procesos de inversión tomográfica de perfiles geoeléctricos de superficie, de forma que los modelos resultantes alcancen la mejor relación entre fiabilidad y error respecto a los valores medidos. Paralelamente a los procesos anteriores se ha definido un índice de calidad de la inversión, que es directamente normalizado y que permite evaluar el grado en el que pueden considerarse fiables tanto los valores de resistividad obtenidos como su distribución espacial. El índice desarrollado (IRI) está basado en la influencia que tiene la resistividad inicial del modelo de inversión en los valores de cada una de las celdas de la malla de inversión. Tras un exhaustivo análisis estadístico se ha verificado que, a diferencia de otros índices utilizados hasta la fecha, dicho índice no está afectado ni por la profundidad de investigación y la resolución de los dispositivos, ni por la distribución de resistividades que presente el subsuelo. ABSTRACT Due to the innovative character of the scientific and technological objectives proposed at the beginning of this thesis, in addition to preparatory bibliographic reference, a constant bibliographic update on developments related to instrumentation, applications and interpretation processes for electric tomography has been performed all through the development of the work. Several measuring campaigns were performed during the development of the thesis. These campaigns, in which the geoelectric profiles were measured, varied in several aspects, both in the geological and anthropic conditions, and also in the depth and objectives of the prospection. Tomographic sections were obtained and interpretated by making use of the Res2DInv software configured with the default variables. As part of the core development in this research, several optimization processes have been done: Comparison and optimization of the devices used in the measurement of resistivity profiles. This optimization allows increasing the resolution of tomographic sections in different geological conditions. Selection of the best visual representation for the tomographic sections. This involves the selection of the range of values and type of scale (linear vs. logarithmic) as well as the chromatic graduation. This selection allows improving the interpretation of tomographic sections for the non-expert eye. Devising of criteria for the selection of the damping factor, as the critical parameter in processes of tomographic inversion of superficial geoelectrical profiles. The use of these criteria allows selecting the best factors to obtain the best ratio between reliability and error (in relation to the mean values) for the resulting model. In addition to the aforementioned processes, and as part of the work within this thesis, it has been defined a normalized quality index for inversion. This index allows evaluating the degree of reliability of the obtained resistivity values and spatial distribution. The developed index, termed IRI in the thesis, is based on the influence shown by the initial resistivity of the inversion model on the values of each of the cells of the inversion mesh. After an exhaustive statistical analysis it was verified that the IRI index is neither affected by the investigation depth, nor the resolution of the devices, nor the resistivity’s distribution of the sub soil. This independency is a unique characteristic of the IRI index, not present in other indexes developed and used till date.

Influencias de los barnices incoloros en las propiedades superficiales de las maderas de construcción

En esta Tesis se cuantifica la variación cromática que producen los barnices en el color de los diferentes tipos de maderas de construcción, obteniendo un modelo matemático de predicción de color de la madera. Se analizan las prestaciones de dieciséis barnices, supuestamente incoloros, aplicados sobre veinte tipos de maderas, angiospermas y gimnospermas, de distintas densidades y latitudes. Ambos materiales son de uso frecuente en el ámbito de la construcción y de fácil localización en las tiendas y almacenes de ambos sectores. Se utilizan técnicas de descomposición cromática, mediante el empleo de microscopio óptico de reflexión, para poder obtener un abanico gráfico de histogramas con valores numéricos de luminosidad y composición cromática, y de esta forma comprobar que los supuestos barnices que se venden como incoloros, no son totalmente incoloros sino que muestran tendencias a virar hacia alguno de los colores básicos. En el proceso experimental de la Tesis, se aplican 16 barnices sobre 20 tipos de maderas, obteniéndose los histogramas de las campañas de fotografías realizadas con cinco años de diferencia, obteniéndose no solo la variación de color que producen los barnices sobre el original de la madera, sino además la influencia de un envejecimiento a los cinco años. La Tesis relaciona el tipo de barniz idóneo para cada tipo de madera, de modo que produzca la menor variación cromática. La Tesis además obtiene un modelo matemático que permite predecir el color final de la madera tratada en función del color inicial de la madera sin barnizar. Se propone en esta Tesis una recomendación de los productos a utilizar en cada uno de los tipos de madera en base a su color inicial. This Thesis quantifies the chromatic variation caused by varnishes in the colour of different types of timbers, obtaining a mathematical model for predicting the timber’s colour. The performance of sixteen varnishes, supposedly colourless, is analysed, applied on twenty types of timber, angiosperms and gymnosperms, of different densities and latitudes. Both materials are of frequent use in the construction field and easily located in the stores and warehouses of both sectors. Chromatic decomposition techniques are used, through the utilization of a reflection optical microscope, in order to obtain a graphic range of histograms with numerical values of luminosity and chromatic composition, and this way confirm that the alleged varnishes sold as colourless are not completely colourless but are prone to shift towards one of the basic colours. During the Thesis’ experimental procedure 16 varnishes are applied on 20 types of timber, obtaining the colour histograms of the photography campaigns carried out with a five years difference, resulting in not only the colour variation caused by the varnishes on the original timber, but also the influence of its ageing five years later. The Thesis links the right type of varnish for each kind of timber, so that as little chromatic variation as possible occurs. The Thesis obtains as well a mathematical model, which makes it possible to predict the final colour of the treated timber depending on the original colour of the timber with no varnish. This Thesis proposes a recommendation of the products to use on each type of timber on the basis of its original colour.

Modelo metodológico y cartográfico sobre vulnerabilidad urbana en un ámbito histórico-artístico : el caso de Nuevo Baztán.

El propósito del presente Proyecto de Fin de Carrera consiste en la elaboración de un modelo metodológico y cartográfico sobre vulnerabilidad urbana aplicado al caso del entorno histórico-artístico del municipio madrileño de Nuevo Baztán, pero extensible y aplicable a cualquier otro municipio de características similares en cuanto a extensión e historia se refiere. El trabajo consta de dos partes bien diferenciadas: una primera topográfica, mientras que la segunda se centra en el propósito capital de este proyecto, esto es, el estudio de vulnerabilidad urbana. En efecto, la primera fase de este trabajo se centra en la realización de un levantamiento topográfico, cuyo grado de detalle a la hora de dar coordenadas a puntos tendrá como finalidad la obtención de un plano a escala 1/500. Dicho levantamiento se lleva a cabo por medio de una doble poligonal encuadrada, sirviendo como canevás para a continuación efectuar, a partir de ella, una radiación a partir de las mismas, donde se obtienen las coordenadas de la nube de puntos que integrarán este primer objetivo de carácter topográfico, pero sobre todo cartográfico. Obtenida esa base cartográfica a partir de su procesamiento y edición en AutoCAD, se procede a implementar la segunda y principal fase de este Proyecto, el estudio de vulnerabilidad urbana. Este estudio se focaliza en dos aspectos fundamentales: la conservación y grado de deterioro de los materiales que integran el elemento a estudiar, y el grado de adecuación o impacto en el paisaje urbano que tiene dicho elemento digno de estudio. A su vez, los elementos que se proceden a estudiar se clasifican en tres categorías: edificaciones, mobiliario urbano y pavimentación. Con arreglo a esto, se preestablecen las escalas de valoración, y justamente a continuación se implementa el proceso de evaluación en todo el entorno histórico-artístico del municipio. La culminación de este trabajo tiene como objetivo reflejar esa evaluación de vulnerabilidad en la cartografía preexistente. Para ello, se diseñan dos escalas de color, una cromática y otra de intensidad (niveles de gris), reflejando la conservación y la adecuación respectivamente. La combinación de ambas dará como resultado final un plano donde se reflejarán todos los aspectos de la evaluación de forma temática, con diferentes tonalidades e intensidades de colores, dando una idea de la vulnerabilidad urbana, como concepto general, en la totalidad del entorno histórico-artístico de Nuevo Baztán. Como trabajo añadido, se procede a elaborar también una cartografía donde quedan reflejadas las mejores visuales a los elementos arquitectónicos de mayor interés, en el contexto de un itinerario turístico considerado como el más idóneo.

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.

Comunicaciones Ópticas de Banda Ancha con Fase Modulada: "Estudio de la Degradación de la Señal Óptica"

En el presente proyecto final de carrera se lleva a cabo un estudio de los sistemas de comunicaciones ópticas de 100 Gb/s. En la primera parte del proyecto se repasan las principales técnicas de modulación y de recepción de la portadora óptica, se presentan los diferentes formatos avanzados de modulación digital empleados para transmisiones de banda ancha y se discute por qué las modulaciones QPSK y DQPSK ofrecen mejores prestaciones que el resto a 100 Gb/s. La segunda parte compone el grueso del proyecto. Se centra en el estudio y la optimización de los sistemas ópticos de 100 Gb/s que hacen uso de los formatos de fase en cuadratura anteriores. De dicho análisis se pretende conocer cómo se degradan este tipo de señales a medida que se propagan por la fibra a estas velocidades. Intentaremos descubrir además cómo controlar ciertos parámetros de diseño como el ciclo de trabajo de la portadora óptica, el mapa de dispersión del enlace, la potencia inyectada a la fibra, la longitud de los vanos de amplificación …, para conseguir reducir la penalización sufrida por las limitaciones anteriores. La detección óptica coherente, la multiplexación en polarización, fibras de gran área efectiva y elevado coeficiente de dispersión cromática, unidas al uso de los formatos de fase en cuadratura, componen la mejor solución tecnológica para conseguir hacer realidad las transmisiones ópticas a 100 Gb/s de larga y ultra-larga distancia. Con el objetivo de completar el estudio teórico anterior, se diseñará una red óptica de banda ancha sobre la que se aplicarán las técnicas de diseño desarrolladas a lo largo del proyecto.

Comunicaciones Ópticas de Banda Ancha con Fase Modulada: "Estudio de la Degradación de la Señal Óptica"

En el presente proyecto final de carrera se lleva a cabo un estudio de los sistemas de comunicaciones ópticas de 100 Gb/s. En la primera parte del proyecto se repasan las principales técnicas de modulación y de recepción de la portadora óptica, se presentan los diferentes formatos avanzados de modulación digital empleados para transmisiones de banda ancha y se discute por qué las modulaciones QPSK y DQPSK ofrecen mejores prestaciones que el resto a 100 Gb/s. La segunda parte compone el grueso del proyecto. Se centra en el estudio y la optimización de los sistemas ópticos de 100 Gb/s que hacen uso de los formatos de fase en cuadratura anteriores. De dicho análisis se pretende conocer cómo se degradan este tipo de señales a medida que se propagan por la fibra a estas velocidades. Intentaremos descubrir además cómo controlar ciertos parámetros de diseño como el ciclo de trabajo de la portadora óptica, el mapa de dispersión del enlace, la potencia inyectada a la fibra, la longitud de los vanos de amplificación …, para conseguir reducir la penalización sufrida por las limitaciones anteriores. La detección óptica coherente, la multiplexación en polarización, fibras de gran área efectiva y elevado coeficiente de dispersión cromática, unidas al uso de los formatos de fase en cuadratura, componen la mejor solución tecnológica para conseguir hacer realidad las transmisiones ópticas a 100 Gb/s de larga y ultra-larga distancia. Con el objetivo de completar el estudio teórico anterior, se diseñará una red óptica de banda ancha sobre la que se aplicarán las técnicas de diseño desarrolladas a lo largo del proyecto.

Particularidades geológicas del yacimiento aurífero la holguinera, parte noroccidental de la región de Holguín, Cuba.

El yacimiento Holguinera forma parte del campo metalogénico de Aguas Claras, ubicado aproximadamente a 10,5 kilómetros al norte de la ciudad de Holguín, principal núcleo poblacional de la provincia a la que da nombre. Las coordenadas del punto medio del yacimiento son 20º56’18,81’’N y 76º16’59,18’’O; mientras la cota es de 151 metros. Desde el punto de vista geográfico-administrativo, se encuentra al suroeste de la localidad Aguas Claras y colinda al oeste con el caserío de Guajabales. Este yacimiento se ubica en el extremo oriental del conocido yacimiento Reina Victoria, con el cual se conecta mediante pequeñas manifestaciones e indicios auríferos entre los que se mencionan Santiago, Casualidad, Milagro, Relámpago y Nené El yacimiento La Holguinera es uno de los más antiguos de los que se conocen en esta región. Según los informes que aún se conservan en la Oficina Nacional de Recursos Minerales de Cuba. El yacimiento La Holguinera se integra regionalmente en la mega formación conocida como Zona Estructuro-Facial Auras y representa en sí misma una alternancia de formaciones litológicas plegadas y deformadas que proceden del Complejo Ofiolítico y del Arco Volcánico Cretácico. La cobertera que yace sobre ellas consiste en materiales volcánicos y volcano-sedimentarios, que son los productos de la erosión y sedimentación de las principales unidades litológicas. La aflorabilidad del yacimiento La Holguinera y sus flancos es buena, pero se debe más bien a la actividad minera tradicional, gracias a la cual ha quedado al descubierto en superficie gran parte de las menas oxidadas. En la actualidad se observa una gran profusión de trincheras, cortas, sondeos, pozos mineros, desagües, portalones y cortes, que son los testigos de la frenética actividad minera de esos años. Los estudios mineragráficos y petrográficos de las texturas volcánicas relícticas sugieren que la mineralización aurífera del yacimiento La Holguinera se encuentra encajada en una roca de composición andesítica de textura fina microporfirítica, y de forma secundaria en la roca encajante del tipo harzburguita, alterada a listvenitas. Los mismos fluidos que alteraron a los cuerpos intrusivos difundieron hacia el encajante ultramáfico, originando una variedad litológica secundaria conocida como listvenita, compuesta por productos de alteración metasomática del tipo talco-carbonato-cuarzo-sulfuro, con mineralización aurífera acompañante (listvenitas). Las menas de este yacimiento son sulfurosas, sulfuro-polimetálicas, pirítica, cromítica y sulfurosas de hierro.

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.

Design and optimization of optical, fiber based PSK demodulators for high-bit-rate optical networks

El objetivo principal de esta tesis ha sido el diseño y la optimización de receptores implementados con fibra óptica, para ser usados en redes ópticas de alta velocidad que empleen formatos de modulación de fase. En los últimos años, los formatos de modulación de fase (Phase Shift keying, PSK) han captado gran atención debido a la mejora de sus prestaciones respecto a los formatos de modulación convencionales. Principalmente, presentan una mejora de la eficiencia espectral y una mayor tolerancia a la degradación de la señal causada por la dispersión cromática, la dispersión por modo de polarización y los efectos no-lineales en la fibra óptica. En este trabajo, se analizan en detalle los formatos PSK, incluyendo sus variantes de modulación de fase diferencial (Differential Phase Shift Keying, DPSK), en cuadratura (Differential Quadrature Phase Shift Keying, DQPSK) y multiplexación en polarización (Polarization Multiplexing Differential Quadrature Phase Shift Keying, PM-DQPSK), con la finalidad de diseñar y optimizar los receptores que permita su demodulación. Para ello, se han analizado y desarrollado nuevas estructuras que ofrecen una mejora en las prestaciones del receptor y una reducción de coste comparadas con las actualmente disponibles. Para la demodulación de señales DPSK, en esta tesis, se proponen dos nuevos receptores basados en un interferómetro en línea Mach-Zehnder (MZI) implementado con tecnología todo-fibra. El principio de funcionamiento de los MZI todo-fibra propuestos se asienta en la interferencia modal que se produce en una fibra multimodo (MMF) cuando se situada entre dos monomodo (SMF). Este tipo de configuración (monomodo-multimodo-monomodo, SMS) presenta un buen ratio de extinción interferente si la potencia acoplada en la fibra multimodo se reparte, principal y equitativamente, entre dos modos dominantes. Con este objetivo, se han estudiado y demostrado tanto teórica como experimentalmente dos nuevas estructuras SMS que mejoran el ratio de extinción. Una de las propuestas se basa en emplear una fibra multimodo de índice gradual cuyo perfil del índice de refracción presenta un hundimiento en su zona central. La otra consiste en una estructura SMS con las fibras desalineadas y donde la fibra multimodo es una fibra de índice gradual convencional. Para las dos estructuras, mediante el análisis teórico desarrollado, se ha demostrado que el 80 – 90% de la potencia de entrada se acopla a los dos modos dominantes de la fibra multimodo y se consigue una diferencia inferior al 10% entre ellos. También se ha demostrado experimentalmente que se puede obtener un ratio de extinción de al menos 12 dB. Con el objeto de demostrar la capacidad de estas estructuras para ser empleadas como demoduladores de señales DPSK, se han realizado numerosas simulaciones de un sistema de transmisión óptico completo y se ha analizado la calidad del receptor bajo diferentes perspectivas, tales como la sensibilidad, la tolerancia a un filtrado óptico severo o la tolerancia a las dispersiones cromática y por modo de polarización. En todos los casos se ha concluido que los receptores propuestos presentan rendimientos comparables a los obtenidos con receptores convencionales. En esta tesis, también se presenta un diseño alternativo para la implementación de un receptor DQPSK, basado en el uso de una fibra mantenedora de la polarización (PMF). A través del análisi teórico y del desarrollo de simulaciones numéricas, se ha demostrado que el receptor DQPSK propuesto presenta prestaciones similares a los convencionales. Para complementar el trabajo realizado sobre el receptor DQPSK basado en PMF, se ha extendido el estudio de su principio de demodulación con el objeto de demodular señales PM-DQPSK, obteniendo como resultado la propuesta de una nueva estructura de demodulación. El receptor PM-DQPSK propuesto se basa en la estructura conjunta de una única línea de retardo junto con un rotador de polarización. Se ha analizado la calidad de los receptores DQPSK y PM-DQPSK bajo diferentes perspectivas, tales como la sensibilidad, la tolerancia a un filtrado óptico severo, la tolerancia a las dispersiones cromática y por modo de polarización o su comportamiento bajo condiciones no-ideales. En comparación con los receptores convencionales, nuestra propuesta exhibe prestaciones similares y además permite un diseño más simple que redunda en un coste potencialmente menor. En las redes de comunicaciones ópticas actuales se utiliza la tecnología de multimplexación en longitud de onda (WDM) que obliga al uso de filtros ópticos con bandas de paso lo más estrechas posibles y a emplear una serie de dispositivos que incorporan filtros en su arquitectura, tales como los multiplexores, demultiplexores, ROADMs, conmutadores y OXCs. Todos estos dispositivos conectados entre sí son equivalentes a una cadena de filtros cuyo ancho de banda se va haciendo cada vez más estrecho, llegando a distorsionar la forma de onda de las señales. Por esto, además de analizar el impacto del filtrado óptico en las señales de 40 Gbps DQPSK y 100 Gbps PM-DQPSK, este trabajo de tesis se completa estudiando qué tipo de filtro óptico minimiza las degradaciones causadas en la señal y analizando el número máximo de filtros concatenados que permiten mantener la calidad requerida al sistema. Se han estudiado y simulado cuatro tipos de filtros ópticos;Butterworth, Bessel, FBG y F-P. ABSTRACT The objective of this thesis is the design and optimization of optical fiber-based phase shift keying (PSK) demodulators for high-bit-rate optical networks. PSK modulation formats have attracted significant attention in recent years, because of the better performance with respect to conventional modulation formats. Principally, PSK signals can improve spectrum efficiency and tolerate more signal degradation caused by chromatic dispersion, polarization mode dispersion and nonlinearities in the fiber. In this work, many PSK formats were analyzed in detail, including the variants of differential phase modulation (Differential Phase Shift Keying, DPSK), in quadrature (Differential Quadrature Phase Shift Keying, DQPSK) and polarization multiplexing (Polarization Multiplexing Differential Quadrature Phase Shift Keying, PM-DQPSK), in order to design and optimize receivers enabling demodulations. Therefore, novel structures, which offer good receiver performances and a reduction in cost compared to the current structures, have been analyzed and developed. Two novel receivers based on an all-fiber in-line Mach-Zehnder interferometer (MZI) were proposed for DPSK signal demodulation in this thesis. The operating principle of the all-fiber MZI is based on the modal interference that occurs in a multimode fiber (MMF) when it is located between two single-mode fibers (SMFs). This type of configuration (Single-mode-multimode-single-mode, SMS) can provide a good extinction ratio if the incoming power from the SMF could be coupled equally into two dominant modes excited in the MMF. In order to improve the interference extinction ratio, two novel SMS structures have been studied and demonstrated, theoretically and experimentally. One of the two proposed MZIs is based on a graded-index multimode fiber (MMF) with a central dip in the index profile, located between two single-mode fibers (SMFs). The other one is based on a conventional graded-index MMF mismatch spliced between two SMFs. Theoretical analysis has shown that, in these two schemes, 80 – 90% of the incoming power can be coupled into the two dominant modes exited in the MMF, and the power difference between them is only ~10%. Experimental results show that interference extinction ratio of 12 dB could be obtained. In order to demonstrate the capacity of these two structures for use as DPSK signal demodulators, numerical simulations in a completed optical transmission system have been carried out, and the receiver quality has been analyzed under different perspectives, such as sensitivity, tolerance to severe optical filtering or tolerance to chromatic and polarization mode dispersion. In all cases, from the simulation results we can conclude that the two proposed receivers can provide performances comparable to conventional ones. In this thesis, an alternative design for the implementation of a DQPSK receiver, which is based on a polarization maintaining fiber (PMF), was also presented. To complement the work made for the PMF-based DQPSK receiver, the study of the demodulation principle has been extended to demodulate PM-DQPSK signals, resulting in the proposal of a novel demodulation structure. The proposed PM-DQPSK receiver is based on only one delay line and a polarization rotator. The quality of the proposed DQPSK and PM-DQPSK receivers under different perspectives, such as sensitivity, tolerance to severe optical filtering, tolerance to chromatic dispersion and polarization mode dispersion, or behavior under non-ideal conditions. Compared with the conventional receivers, our proposals exhibit similar performances but allow a simpler design which can potentially reduce the cost. The wavelength division multiplexing (WDM) technology used in current optical communications networks requires the use of optical filters with a passband as narrow as possible, and the use of a series of devices that incorporate filters in their architecture, such as multiplexers, demultiplexers, switches, reconfigurable add-drop multiplexers (ROADMs) and optical cross-connects (OXCs). All these devices connected together are equivalent to a chain of filters whose bandwidth becomes increasingly narrow, resulting in distortion to the waveform of the signals. Therefore, in addition to analyzing the impact of optical filtering on signal of 40 Gbps DQPSK and 100 Gbps PM-DQPSK, we study which kind of optical filter minimizes the signal degradation and analyze the maximum number of concatenated filters for maintaining the required quality of the system. Four types of optical filters, including Butterworth, Bessel, FBG and FP, have studied and simulated.

Funcionalización de superficies metálicas mediante procesos láser

El presente trabajo tiene dos objetivos diferenciados. El primero de ellos tiene un punto de vista más ingenieril que es el de obtener una gama cromática extensa y parametrizar los colores para su reproducción en aplicaciones industriales. El segundo, desarrollar y proponer un modelo numérico óptico de interferencia en láminas delgadas que describa y relacione el espesor de la capa de óxido obtenida por marcado láser con el color obtenido en la superficie procesada. Para desarrollar ambos estudios ha sido necesaria una extensa búsqueda bibliográfica para comprender el proceso de formación de la capa de óxido y los compuestos que se generaban en la misma. Como objetivo para la gama cromática se buscaba obtener un total de doce colores. No se han obtenido dos de los colores primarios considerados pero sí una extensa gama de colores intermedios, muy superior en número objetivo, que evidencian el potencial que tiene el procesado láser para la obtención de colores en la superficie de acero inoxidable. Para conseguir obtener la gama cromática ha sido necesaria la realización de ensayos para parametrizar el haz láser. Se ha estudiado la estabilidad de la potencia media de pulso, se ha calculado indirectamente la cintura del haz y se ha medido el tamaño del spot láser a distintas cotas respecto del plano focal. El modelo óptico de interferencia en capa delgada ha sido comparado con un ensayo en el que se midieron las reflectancias en muestras de acero procesadas con láser. Este ensayo ha permitido dilucidar que la composición de la capa de óxido introducida en el modelo que más se aproxima a los resultados, entre las tres composiciones consideradas, se compone de un 50% de cromita y 50% de magnetita, considerando una relación lineal y directamente proporcional entre la proporción de los mismos y sus propiedades ópticas. A nivel cualitativo, se pueden relacionar los colores encontrados en los aceros con el modelo óptico en función de las reflectancias predominantes para cada espesor de capa de óxido de forma que exista una relación directa entre tamaño de la capa de óxido y densidad de energía depositada en la muestra. Aunque ajustar y validar un modelo óptico está fuera del alcance del proyecto, el resultado anterior permite justificar y afirmar que el fenómeno de interferencia óptica está presente entre los fenómenos que generan el color en la superficie del acero tras procesado láser. También se comprueba en el trabajo, a través de un ensayo que mide la rugosidad superficial de las muestras obtenidas, que la rugosidad es un parámetro que afecta en gran medida al resultado que se obtiene tras el procesado láser. El presente trabajo tiene un gran interés industrial. El marcado láser presenta una gran versatilidad por las distintas aplicaciones en las que puede emplearse. Es muy utilizado para crear métodos de identificación por su flexibilidad y rapidez y su carácter indeleble, económico y prácticamente ausente de mantenimiento. La alta inversión inicial es rentable para grandes niveles de producción por su velocidad de producción, repetitividad y facilidad de automatización. Puede ejercer una influencia importante en el control del stocks y en el seguimiento del ciclo de vida del producto. La amplia gama cromática obtenida en este trabajo amplía las posibilidades de este proceso en la práctica industrial y, por tanto, su valor como proceso.

Evaluación del impacto del programa Monumenta en los centros históricos del sur de Brasil : los casos de Pelotas, Porto Alegre (Rio Grande do Sul) y São Francisco do Sul (Santa Catarina)

Esta Tesis tiene como objetivo demostrar que los programas de preservación del patrimonio, durante su fase de implementación, deben someterse a un análisis multidisciplinar que haga un balance de su ejecución. Dicho análisis permitirá identificar resultados significativos, capaces de fundamentar la rectificación de las bases conceptuales de la política pública en cuestión. Este reajuste podrá darse, por lo tanto, durante su vigencia y, de forma más relevante, posteriormente, sus motivos y resultados permitirán elaborar nuevas estrategias que serán aplicadas en futuros programas de intervención. Por otro lado se indagó, además, si las ciudades participantes en un programa nacional de preservación del patrimonio, regidas por normas y metas comunes, podrían alcanzar resultados diferentes. Para atender a estos objetivos, la investigación se encuentra enfocada a la realidad brasileña, siendo seleccionado como objeto de estudio el Programa Monumenta. Este Programa formó parte de la política pública cultural del Ministerio de Cultura con una importante implicación del Banco Interamericano de Desarrollo. Implementado a partir de 1999, procuró promover un proceso de recuperación urbana sostenible y de preservación del patrimonio de 26 Sitios Históricos Urbanos o Conjuntos de Monumentos Urbanos protegidos por el Instituto del Patrimonio Histórico y Artístico Nacional (Iphan). El Programa contó con el apoyo de la Unesco y del Iphan, así como con la participación de las Administraciones Municipales y/o Estatales, sectores privados y la sociedad civil. Las hipótesis planteadas en esta Tesis Doctoral fueron: (a) el análisis de los resultados en la fase de implementación de un programa de preservación del patrimonio es imprescindible, porque permite extraer conclusiones preliminares y orientar sus reformas; (b) los objetivos a corto plazo establecidos por el Programa Monumenta fueron alcanzados de modo diferenciado en las distintas ciudades beneficiadas; (c) a pesar de las diferencias, el Programa Monumenta presentó resultados preliminares positivos y significativos en la preservación del patrimonio histórico urbano brasileño. Los procedimientos metodológicos se centraron en un análisis cuantitativo, cualitativo y comparativo de los resultados alcanzados por tres ciudades beneficiadas por el Programa Monumenta, seleccionadas según su tamaño poblacional: Pelotas, Porto Alegre (Estado de Rio Grande do Sul) y São Francisco do Sul (Estado de Santa Catarina). Estos procedimientos fueron aplicados en los siguientes indicadores: utilización de los equipamientos culturales, características de la población y de los domicilios, variación de las actividades económicas, financiación destinada al sector privado para la recuperación de inmuebles y el fomento de la seguridad urbana. La Tesis ha englobado discusiones y conceptos abordados en las disciplinas de la Sociología Urbana, Geografía Urbana, Historia, Economía y Estadística de modo que se atribuye al objeto de investigación una visión interdisciplinar que ayudará a la comprensión de la teoría y la práctica preservacionistas. El análisis de la varianza, la regresión lineal y el análisis factorial fueron las herramientas estadísticas aplicadas sobre los datos con el objetivo de constatar la significación de los resultados y la relación de correspondencia entre algunas variables. Esta Tesis contribuye a la elaboración de una metodología analítica que puede ser aplicada en el cálculo de la superficie ocupada por las actividades económicas, con base en el método estadístico del Diagrama de Caja y Bigotes, de John Wilder Tukey. Las conclusiones corroboran las hipótesis planteadas y pretenden contribuir al diseño de las nuevas políticas públicas de preservación de sitios históricos de carácter urbano, enfatizando, con ello, la necesidad de evaluaciones más profundas de los resultados durante su fase de implementación. ---------------------------------------------------------------------------------- RESUMO--------------------------------------------------------------------------- A presente Tese apresenta como objetivo principal demonstrar que os programas de preservação do patrimônio histórico, durante a sua fase de implementação, necessitam de uma análise multidisciplinar sobre a sua execução. Essa análise permite identificar resultados significativos, capazes de fundamentar a retificação das bases conceituais da política pública em questão. A correção poderá, portanto, ser realizada tanto durante a sua vigência como posteriormente, ao permitir a elaboração de novas estratégias a serem aplicadas nos futuros programas de intervenção. Por outro lado, indagou-se se cidades participantes de um mesmo programa nacional de preservação do patrimônio histórico, regidas por normas e metas comuns, poderiam alcançar resultados não similares. Para atender tais objetivos, a investigação enfoca a realidade brasileira, tendo sido selecionado o Programa Monumenta como objeto de estudo. Esse Programa fez parte de uma política pública cultural do Ministério da Cultura, que atuou em parceria com o Banco Interamericano de Desenvolvimento. Implantado em nível nacional, a partir de 1999, visava promover um processo de recuperação urbana sustentável, bem como a preservação do patrimônio de 26 Sítios Urbanos Históricos ou Conjuntos de Monumentos Urbanos, protegidos pelo Instituto do Patrimônio Histórico e Artístico Nacional (Iphan). O Programa contou com o apoio da Unesco e do Iphan, além da participação das Administrações Municipais e/ou Estaduais, setores privados e sociedade civil. As hipóteses estabelecidas nesta Tese Doutoral foram: (a) a análise dos resultados na fase de implementação de um programa de preservação do patrimônio é imprescindível, pois permite extrair conclusões preliminares e orientar as suas reformulações; (b) os objetivos em curto prazo, estabelecidos pelo Programa Monumenta, foram alcançados de modo diferente pelas cidades beneficiadas; (c) apesar das diferenças, o Programa Monumenta apresentou resultados preliminares positivos e significativos sobre a preservação do patrimônio histórico urbano brasileiro. Os procedimentos metodológicos se centraram em análises quantitativa, qualitativa e comparativa dos resultados alcançados em três cidades beneficiadas pelo Programa Monumenta, selecionadas de acordo com o tamanho populacional: Pelotas, Porto Alegre (Estado do Rio Grande do Sul) e São Francisco do Sul (Estado de Santa Catarina). Esses procedimentos foram aplicados nos seguintes indicadores: utilização dos equipamentos culturais, características da população e dos domicílios, atividades econômicas, financiamento destinado ao setor privado para a recuperação dos imóveis e, ainda, o fomento da segurança urbana. A Tese inclui discussões e conceitos abordados nas disciplinas de Sociologia Urbana, Geografia Urbana, História, Economia e Estatística, de modo a atribuir ao objeto de investigação uma visão interdisciplinar e uma compreensão entre a teoria e a prática preservacionista. A análise de variância, regressão linear e análise fatorial foram as técnicas estatísticas aplicadas sobre os dados, com o objetivo de constatar a significação dos resultados e a relação de correspondência entre algumas variáveis. Esta Tese contribui com a elaboração de uma metodologia aplicada no cálculo da superfície ocupada pelas atividades econômicas, utilizando como método estatístico o Diagrama de Caixa e Bigodes, de John Wilder Tukey. As conclusões corroboram com as hipóteses estabelecidas e pretendem contribuir para o desenho de novas políticas públicas de preservação de sítios históricos de caráter urbano, enfatizando a necessidade de avaliações mais profundas dos resultados durante a sua fase de implementação. ---------------------------------------------------------------------------------- ABSTRACT ---------------------------------------------------------------------------------- The main goal of this PhD. Thesis is to demonstrate that a multidisciplinary analysis is needed during the implementation phase of preservation of heritage programmes. Such analysis allows the identification of significant results, which in turn can serve as the foundation for the conceptual bases of the public policy at hand. Thus, any corrections can be made both during the programme and afterward, by introducing new strategies to be applied in future intervention programmes. On the other hand, this project also asks whether cities participating in the same national preservation of heritage programme with common rules and goals can achieve distinct results. In order to meet these objectives, the project chose Brazil as its focus and Monumenta Programme for its object of study. This Programme is part of the Ministry of Culture’s public cultural policy, and was developed with cooperation by the Inter-American Development Bank. Implemented at the national level in 1999, the Programme aimed at promoting a process of sustainable urban renewal and the preservation of 26 urban historic sites or urban monumental ensembles, protected by the National Historic and Artistic Heritage Institute (IPHAN). UNESCO and IPHAN supported the Programme, and participants included municipal and state offices, private businesses, and local residents. The hypotheses established in this Doctoral Thesis were: (a) the analysis of the results in the implementation phase of a cultural public policy is imperative, because it enables preliminary conclusions to be drawn and orientate reforms; (b) the short-term objectives set out in the Monumenta Programme were achieved differently in the benefitted cities; (c) despite the differences, the Monumenta Programme displayed significant positive preliminary results in the conservation of the urban historic heritage in Brazil. Methodology procedures centered around quantitative, qualitative, and comparative analyses of the results achieved in three benefiting cities, selected according to population size: Pelotas, Porto Alegre (Rio Grande do Sul State) and São Francisco do Sul (Santa Catarina State). These procedures were applied to the following indicators: the use of the cultural facilities, characteristics of the population and the residential housing, variation of the economic activities, financing destined for the recovery of real estate, and promoting urban safety. The Thesis includes discussions and concepts addressed in urban sociology, urban geography, history, economics, and statistics, in order to examine the object of study with an interdisciplinary eye and an understanding between preservation theory and practice. Variance analysis, linear regression, and factorial analysis were the statistical techniques applied to the data, with the goal of defining the significance of the results and the correspondence ratio between some of the variables. This Thesis attempted to elaborate an applied methodology for calculating the space occupied by economic activities, using John Wilder Tukey's statistical method of Box-and-Whisker Plot. The conclusions corroborated the hypotheses established and are meant to contribute to the design of new public policies of historical site preservation in urban settings, emphasizing the need for deeper evaluations of the results during the implementation phase.