Projector Model for Efficient List-Mode Reconstruction in PET Scanners with Parallel Planar Detectors

We have developed a new projector model specifically tailored for fast list-mode tomographic reconstructions in Positron emission tomography (PET) scanners with parallel planar detectors. The model provides an accurate estimation of the probability distribution of coincidence events defined by pairs of scintillating crystals. This distribution is parameterized with 2D elliptical Gaussian functions defined in planes perpendicular to the main axis of the tube of response (TOR). The parameters of these Gaussian functions have been obtained by fitting Monte Carlo simulations that include positron range, acolinearity of gamma rays, as well as detector attenuation and scatter effects. The proposed model has been applied efficiently to list-mode reconstruction algorithms. Evaluation with Monte Carlo simulations over a rotating high resolution PET scanner indicates that this model allows to obtain better recovery to noise ratio in OSEM (ordered-subsets, expectation-maximization) reconstruction, if compared to list-mode reconstruction with symmetric circular Gaussian TOR model, and histogram-based OSEM with precalculated system matrix using Monte Carlo simulated models and symmetries.

Tiled Projector Displays Correction for Dark Scenes in Railway Simulators

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

Fast Correction of Tiled Display Systems on Planar Surfaces

A method for fast colour and geometric correction of a tiled display system is presented in this paper. Such kind of displays are a common choice for virtual reality applications and simulators, where a high resolution image is required. They are the cheapest and more flexible alternative for large image generation but they require a precise geometric and colour correction. The purpose of the proposed method is to correct the projection system as fast as possible so in case the system needs to be recalibrated it doesn’t interfere with the normal operation of the simulator or virtual reality application. This technique makes use of a single conventional webcam for both geometric and photometric correction. Some previous assumptions are made, like planar projection surface and negligibleintra-projector colour variation and black-offset levels. If these assumptions hold true, geometric and photometric seamlessness can be achievedfor this kind of display systems. The method described in this paper is scalable for an undefined number of projectors and completely automatic.

Diseño y acondicionamiento acústico y electroacústico de una sala de proyecciones en 3D

Este proyecto está orientado al diseño y el acondicionamiento de una sala de cine siguiendo las normas establecidas por el SMPTE. El primer paso a realizar será el diseño de la sala en el cual habrá que tener en cuenta la distribución de los asientos dentro de la misma, el dimensionado de la pantalla que servirá para establecer la forma y dimensiones del recinto, así como la correcta ubicación del proyector. Posteriormente se realizará el acondicionamiento acústico del cine, con la elección de los diferentes materiales que permitan la obtención de un tiempo de reverberación óptimo. A continuación se procederá a la selección de los equipos electroacústicos más adecuados y a su colocación a lo largo de la sala para posteriormente realizar un estudio de todos los parámetros de esta para garantizar la perfecta escucha dentro de la misma. Se elegirán, al igual que se ha hecho con los elementos electroacústicos, los equipos de video específicos, teniendo en cuenta el sistema de proyección 3D utilizado y se procederá a su instalación dentro de la sala. Se indicará de forma independiente cual será el esquema de conexionado correspondiente a cada una de las partes, tanto de audio como de video. Todos los equipos y parámetros ajustables de la sala, tanto de audio como de video, se realizaran siguiendo las recomendaciones establecidas por el SMPTE para una correcta visión y escucha, así como también el diseño de la sala. Para llevar a cabo todo lo anteriormente descrito se utilizara el programa de simulación EASE 4.3 con él que se ajustaran los parámetros más significativos para verificar que la sala cumple con las condiciones de escucha que determina la norma. Todo esto irá acompañado de un presupuesto detallado de cada uno de los equipos y materiales utilizados, así como de los costes derivados de la mano de obra. Se adjuntarán también los planos de la sala donde se indicarán todas las medidas establecidas a lo largo del proyecto. Para la realización de estos se utilizara el programa de diseño Google SkechUp. Por último se facilitarán las hojas de características de cada uno de los equipos instalados en la sala para conocer sus especificaciones y modo de funcionamiento. Abstract This project is orientated at designing and conditioning a cinema according to standards set by the SMPTE. First of all, the cinema hall needs to be designed, taking into consideration seat distribution and screen dimension, in order to establish the shape and dimensions of the room and the correct location for the projector. Later the acoustic conditioning of the cinema is covered, with the choice of appropriate materials in order to permit an optimum reverberation time. The next step is the selection of the most appropriate electro-acoustic equipment and its positioning throughout the room. A study is then carried out of all the parameters to ensure perfect hearing in the cinema. Then the specific video equipment is chosen, bearing in mind the 3D projection system used and is installed in the theatre. A wiring diagram is indicated for each element used, for both audio and video. All equipment and adjustable parameters of the room, both audio and video, are made according to the recommendations established by the SMPTE for correct viewing and listening, as is the design of the cinema. To carry out the steps described above the EASE 4.3 simulation program is used. This program adjusts all significant parameters to verify that the room complies with the listening conditions determined by the standard. A detailed budget is included for all equipment and materials used, as well as the labour costs. Plans of the room, showing all measurements taken during the project are indicated. This is done using the Google SkechUp program. Finally data sheets are provided for each piece of equipment installed in the room detailing specifications and operating mode.

Evaluación del comportamiento mecánico, estructural y frente a la corrosión, de una nueva armadura de acero inoxidable dúplex bajo en níquel

La durabilidad de las estructuras de hormigón armado no es ilimitada, en especial en determinados ambientes. El ingreso de agentes agresivos en el hormigón, fundamentalmente dióxido de carbono e iones cloruros, rebasando el espesor del recubrimiento y alcanzando las armaduras, reducen el alto pH del hormigón hasta alcanzar un umbral crítico, por debajo del cual, el acero queda despasivado. Posteriormente, si existe el suficiente aporte de humedad y oxígeno, el acero se corroe, lo que supone drásticas reducciones de la vida de servicio de estas estructuras y su inevitable reparación. La utilización de armaduras de acero inoxidable es una alternativa que está recibiendo cada vez más consideración. Su resistencia a la corrosión en los ambientes más agresivos, incluso con ataque de cloruros, lo convierte en el material idóneo para prolongar de forma muy considerable la vida útil de la estructura. En este trabajo se ha evaluado el comportamiento mecánico y estructural, y de resistencia a la corrosión, de un nuevo acero inoxidable dúplex de bajo contenido en níquel, el EN 1.4482 (AISI 2001), y se ha comparado con el inoxidable austenítico más utilizado, el EN 1.4301 (AISI 304), con el dúplex EN 1.4362 (AISI 2304) y con el tradicional acero al carbono B-500-SD. El estudio mecánico y estructural se ha realizado en tres niveles diferentes: a nivel de barra, estudiando las propiedades mecánicas y de ductilidad de los cuatro aceros citados; a nivel de sección, estudiando su comportamiento a flexión con diferentes cuantías de armado por medio de los diagramas momento-curvatura; y a nivel de pieza, ensayando una serie de vigas armadas con diferentes aceros y cuantías, y comprobando su comportamiento a desplazamiento y resistencia por medio de los diagramas carga-desplazamiento. El estudio de resistencia a la corrosión se ha realizado embebiendo barras corrugadas, de los tres aceros inoxidables mencionados, en probetas de mortero contaminadas con diferentes cantidades de cloruros, y realizando mediciones electroquímicas durante un periodo de al menos un año. Se han preparado probetas de mortero para dos comparativas diferentes. La primera, manteniendo las probetas en un desecador con el 95 % de humedad relativa durante todo el periodo de mediciones. La segunda, sumergiendo parcialmente las probetas en una solución tampón para carbonatar el mortero. Los resultados de los ensayos mecánicos han demostrado dos aspectos diferentes. Uno, que las armaduras de acero inoxidable tienen un comportamiento muy similar a las de acero al carbono en lo referente a las resistencias alcanzadas, en el límite elástico y en rotura, pero distinto en cuanto al módulo de deformación longitudinal, cuyo valor es claramente inferior al del acero al carbono, por lo que su utilización en las estructuras de hormigón necesita tener en cuenta ese dato en los análisis lineales de cálculo. El segundo aspecto es que las armaduras de acero inoxidable laminadas en caliente presentan una ductilidad muy superior a las de acero al carbono, por lo que ofrecen una mayor seguridad frente a su rotura o al colapso de la estructura, lo que se debe tener en cuenta en el análisis de cálculo plástico. En cambio, las armaduras de acero inoxidable laminadas en frío sólo cumplen con los límites mínimos de ductilidad establecidos en la instrucción EHE-08 para los aceros soldables, y no para los aceros con características especiales de ductilidad. El estudio a nivel de sección refleja la paradoja de obtener secciones menos dúctiles con las armaduras de acero inoxidable laminadas en caliente que con las armaduras de acero al carbono. Para subsanarlo, se definen los conceptos de curvatura última de rotura y ductilidad de la sección en rotura, que tienen en cuenta las altas deformaciones alcanzadas por las armaduras de acero inoxidable. Los resultados a nivel de pieza permiten identificar el comportamiento estructural del hormigón armado con barras corrugadas de acero inoxidable y compararlo con el de las estructuras de hormigón armado convencionales, verificando los resultados experimentales con los teóricos obtenidos con la formulación recogida en la instrucción EHE- 08. Los ensayos de resistencia a la corrosión por cloruros demuestran, durante el primer año y medio de vida de las probetas, un comportamiento muy similar entre el nuevo acero inoxidable dúplex bajo en níquel y el austenítico y el dúplex utilizados para la comparación, incluso para las probetas carbonatadas. Por último, se añade una comparativa económica, realizada sobre dos edificaciones tipo, para cuantificar el sobrecoste que supone la utilización de armaduras de acero inoxidable respecto a las de acero al carbono. El alto coste inicial de las armaduras de acero inoxidable se ve compensado en el coste final de la estructura de muy diferentes formas, principalmente dependiendo del grado de acero elegido y de si se emplean en el total de la estructura o solamente en los elementos más expuestos. The durability of the concrete structures is limited, especially in certain environments. The attack of aggressive agents in the concrete, mainly carbon dioxide and chloride ions, penetrating the thickness of concrete cover and reaching the reinforcements, reduce the high pH of concrete to the point of reaching a critical threshold, under which, the steel despasivates. Therefore, if there is enough humidity and oxygen, the steel corroes, causing drastic reductions in the service life of these structures and its inevitable repair. Despite the high initial cost compared to carbon steel, the usage of stainless steel reinforcements is an alternative with a major consideration nowadays. Its resistance to corrosion in the most aggressive atmospheres, including chlorides attack, makes the stainless steel a suitable material to extend considerably its lifetime. In this study, it’s been evaluated the mechanical and structural behaviour, and the corrosion resistance, of a new low-nickel duplex stainless steel EN 1.4482 (AISI 2001), and it has been compared with the most widely used austenitic type EN 1.4301 (AISI 304), with duplex steel EN 1.4362 (AISI 2304) and with the traditional carbon steel B-500-SD. The mechanical and structural study has been carried out in three different levels: bar level, studying mechanical properties and ductility of the four steels; section level, studying its behaviour when blending with different amounts of reinforcement through the moment-curvature diagrams; and structural element level, testing a series of reinforced beams with different steels and amounts, and checking its sag and resistance through the load-deflection diagrams. The corrosion resistance study was performed by embedding ribbed bars, using the three stainless steel listed, on mortar specimens contaminated with different amounts of chlorides, and taking electrochemical measurements over a period of at least one year. Mortar specimens have been prepared for two different comparisons. The first, keeping the specimens at 95% of relative humidity during the measurement period. The second, immersing the specimens partially in a carbonate buffer solution. The results of those tests have proved two different aspects. Firstly, that stainless steel reinforcements show a very similar behaviour to carbon steel, according to the reached levels of mechanical resistance, yield stress and steel strength, but a different behaviour in Young’s modulus, which value is clearly lower than the carbon steel. Therefore, when using in concrete structures it is need to consider on that point the existing calculus of linear analysis. The second aspect is that stainless steel reinforcement manufactured by hot-rolling process show a very higher ductility than carbon steel, offering a better security on cracks or structure collapse, which it has to be taken into account on plastic calculus analysis. However, the stainless steel reinfor9 cement cold-rolled bars only meet the minimum thresholds of ductility established by EHE-08 for welded steel, and not for steels with special ductility. The results at the section level reflect the paradox of getting less ductile sections with hot rolled stainless steel reinforcement than with carbon steel reinforcements. To overcome that, the concepts of last break curvature and break ductility section have been defined, which take into account the high deformation value achieved by stainless steel reinforcements. The results at the structural element level allow to identify the structural behaviour of reinforced concrete with stainless steel reinforcements and compared with that of conventional steel reinforcement, contrasting the experimental with the theoretical results obtained from the formulation contained in the instruction EHE-08. Tests on resistance of chloride corrosion show during the first year and a half of specimens life, a similar behaviour between the new low nickel duplex stainless steel and austenitic and duplex used for comparison, even for carbonated specimens. Finally, it has been included an economic comparison on two differents building types, to quantify the additional cost involved on the use of stainless steel reinforcement compared to that of carbon steel. The high initial cost of stainless steel reinforcements is offset in the final cost of the structure in many different ways, mainly depending on the chosen steel grade and whether the reinforcement is used in the total structure or only in risky structural elements.

Therapeutic metaphors in engineering: how to cure a building structure

Cognitive linguistics have conscientiously pointed out the pervasiveness of conceptual mappings, particularly as conceptual blending and integration, that underlie language and that are unconsciously used in everyday speech (Fauconnier 1997, Fauconnier & Turner 2002; Rohrer 2007; Grady, Oakley & Coulson 1999). Moreover, as a further development of this work, there is a growing interest in research devoted to the conceptual mappings that make up specialized technical disciplines. Lakoff & Núñez 2000, for example, have produced a major breakthrough on the understanding of concepts in mathematics, through conceptual metaphor and as a result not of purely abstract concepts but rather of embodiment. On the engineering and architecture front, analyses on the use of metaphor, blending and categorization in English and Spanish have likewise appeared in recent times (Úbeda 2001, Roldán 1999, Caballero 2003a, 2003b, Roldán & Ubeda 2006, Roldán & Protasenia 2007). The present paper seeks to show a number of significant conceptual mappings underlying the language of architecture and civil engineering that seem to shape the way engineers and architects communicate. In order to work with a significant segment of linguistic expressions in this field, a corpus taken from a widely used technical Spanish engineering journal article was collected and analysed. The examination of the data obtained indicates that many tokens make a direct reference to therapeutic conceptual mappings, highlighting medical domains such as diagnosing,treating and curing. Hence, the paper illustrates how this notion is instantiated by the corresponding bodily conceptual integration. In addition, we wish to underline the function of visual metaphors in the world of modern architecture by evoking parts of human or animal anatomy, and how this is visibly noticeable in contemporary buildings and public works structures.

Tuning the properties of carbon fiber-reinforced poly (phenylene sulphide) laminates via incorporation of inorganic fullerene-like WS2 nanoparticles

Novel carbon fiber (CF)-reinforced poly(phenylene sulphide) (PPS) laminates incorporating inorganic fullerene-like tungsten disulfide (IF-WS2) nanoparticles were prepared via melt-blending and hot-press processing. The influence of the IF-WS2 on the morphology, thermal, mechanical and tribological properties of PPS/CF composites was investigated. Efficient nanoparticle dispersion within the matrix was attained without using surfactants. A progressive rise in thermal stability was found with increasing IF-WS2 loading, as revealed by thermogravimetric analysis. The addition of low nanoparticle contents retarded the crystallization of the matrix, whereas concentrations equal or higher than 1.0 wt% increased both the crystallization temperature and degree of crystallinity compared to those of PPS/CF. Mechanical tests indicated that with only 1.0 wt% IF-WS2 the flexural modulus and strength of PPS/CF improved by 17 and 14%, respectively, without loss in toughness, ascribed to a synergistic effect between the two fillers. A significant enhancement in the storage modulus and glass transition temperature was also observed. Moreover, the wear rate and coefficient of friction strongly decreased, attributed to the lubricant role of the IF-WS2 combined with their reinforcing effect. These inorganic nanoparticles show great potential to improve the mechanical and tribological properties of conventional thermoplastic/CF composites for structural applications.

Towards the development of poly (phenylene sulphide) based nanocomposites with enhanced mechanical, electrical and tribological properties

Novel poly(phenylene sulphide) (PPS) nanocomposites reinforced with an aminated derivative (PPS-NH2) covalently attached to acid-treated single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) were prepared via simple melt-blending technique. Their morphology, viscoelastic behaviour, electrical conductivity, mechanical and tribological properties were investigated. Scanning electron microscopy revealed that the grafting process was effective in uniformly dispersing the SWCNTs within the matrix. The storage and loss moduli as a function of frequency increased with the SWCNT content, tending to a plateau in the low-frequency regime. The electrical conductivity of the nanocomposites was considerably enhanced in the range 0.1?0.5 wt% SWCNTs; electrical and rheological percolation thresholds occurred at similar nanotube concentrations. Mechanical tests demonstrated that with only 1.0 wt% SWCNTs the Young's modulus and tensile strength of the matrix improved by 51 and 37%, respectively, without decrement in toughness, ascribed to a very efficient load transfer. A moderate decrease in the friction coefficient and a 75% reduction in wear rate were found for the abovementioned nanotube loading, indicating that PPS-NH2-g-SWCNTs are good tribological additives for thermoplastic polymers. Based on the promising results obtained in this work, it is expected that these nanofillers will be used to develop high-performance thermoplastic/CNT nanocomposites for structural applications.

Metodología para el desarrollo de un sistema de visualización multi-proyector con características cromáticas uniformes

Los sistemas de proyección multi-proyector han adquirido gran popularidad en los últimos años para su uso en un amplio rango de aplicaciones como sistemas de realidad virtual, simuladores y visualización de datos. Esto es debido a que normalmente estas aplicaciones necesitan representar sus datos a muy alta resolución y a lo largo de una gran superficie. Este tipo de sistemas de proyección son baratos en comparación con las resoluciones que pueden conseguir, se pueden configurar para proyectar sobre prácticamente cualquier tipo de superficie, sea cual sea su forma, y son fácilmente escalables. Sin embargo, para hacer que este tipo de sistemas generen una imagen sin discontinuidades geométricas o colorimétricas requieren de un ajuste preciso. En la presente tesis se analizan en detalle todos los problemas a los que hay que enfrentarse a la hora de diseñar y calibrar un sistema de proyección de este tipo y se propone una metodología con una serie de optimizaciones para hacer el ajuste de estos sistemas más sencillo y rápido. Los resultados de esta metodología se muestran aplicados a la salida gráfica de un simulador de entrenamiento. Multi-projector display systems have gained high popularity over the past years for its use in a wide range of applications such as virtual reality systems, simulators or data visualization where a high resolution image over a large projection surface is required. Such systems are cheap for the resolutions they can provide, can be configured to project images on almost any kind of screen shapes and are easily scalable, but in order to provide a seamless image with no photometric discontinuities they require a precise geometric and colour correction. In this thesis, we analyze all the problems that have to be faced in order to design and calibrate a multi-projector display. We propose a calibration methodology with some optimizations that make the adjustment of this kind of displays easier and faster. The results of the implementation of this methodology on a training simulator are presented and discussed

Transductor óptico-sonoro basado en procesado de imagen

En este proyecto se aborda la transducción óptico-sonora utilizando métodos de tratamiento digital de imagen. Para llevar a cabo el proyecto se consideran únicamente métodos de bajo presupuesto, por lo que para realizar todo el proceso de conversión óptico-sonora se utilizan un ordenador y un escáner doméstico. Como el principal objetivo del proyecto es comprobar si es viable utilizar el tratamiento digital de imagen como conversor no se ha contemplado la utilización de equipamiento profesional. La utilidad de este proyecto está en la restauración del sonido de material fílmico con importantes degradaciones, tales que no sea posible su reproducción en un proyector. Con el prototipo que se propone, realizado con el software de programación Matlab, se consigue digitalizar el audio analógico de las películas en malas condiciones ya que la captura de audio se efectúa de manera óptica sobre las bandas sonoras. Lo conseguido en este proyecto cobra especial importancia si se tiene en cuenta la cantidad de material cinematográfico que hay en películas de celulosa. La conservación de dicho material requiere unas condiciones de almacenamiento muy específicas para que el soporte no se vea afectado, pero con el paso del tiempo es habitual que las bobinas de película presenten deformaciones o incluso ruptura. Aplicando métodos de tratamiento digital de imagen es posible restaurar el audio de fragmentos de película que no puedan ser expuestos a la tensión producida por los rodillos de los proyectores, incluso es posible recuperar el audio de fotogramas concretos ya que la digitalización del audio se realiza capturando la imagen de la forma de onda. Por ello, el procedimiento seguido para digitalizar la película debe ser poco intrusivo para garantizar la conservación del soporte fílmico. Cabe destacar que en este proyecto se ha realizado la conversión óptico-sonora sobre las bandas de sonido analógicas de área variable presentes en la película, pero el procedimiento es aplicable también a las bandas de área variable realizando modificaciones en el prototipo. Esto último queda fuera del objetivo de este proyecto, pero puede ser un trabajo futuro. ABSTRACT This project addresses optical to sound conversion using digital image processing methods. To carry out the project are considered only low-budget methods , so for all optical to sound conversion process using a computer and a home scanner . As the main application of this project is to test the feasibility of using the digital image processing as a converter does not contemplate the use of professional equipment. The main objective of this project is the restoration of sound film material with significant impairments , such is not possible playback on a projector. With the proposed prototype , made with Matlab programming software , you get digitize analog audio bad movies because the audio capture is performed optically on the soundtracks. The achievements in this project is especially important if you consider the amount of film material is in cellulose films . The preservation of such material requires a very specific storage conditions to which the support is not affected , but over time it is common for film reels presenting deformations or even rupture. Applying methods of digital image processing is possible to restore the audio from movie clips that can not be exposed to the tension produced by the rollers of the projectors , it is even possible to retrieve specific frames audio and audio that digitization is done by capturing the image of the waveform. Therefore, the procedure used to digitize the film should be bit intrusive to ensure the conservation of the film medium. Note that in this project was carried out optical to sound conversion on analog variable area soundtracks present in the film, but the procedure is applicable to variable-area bands making changes to the prototype. The latter is beyond the scope of this project, but can be a future work.

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.

Polypropylene/glass fiber hierarchical composites incorporating inorganic fullerene-like nanoparticles for advanced technological applications

Novel isotactic polypropylene (iPP)/glass fiber (GF) laminates reinforced with inorganic fullerene-like tungsten disulfide (IF-WS2) nanoparticles as environmentally friendly fillers have been successfully fabricated by simple melt-blending and fiber impregnation in a hot-press without the addition of any compatibilizer. The influence of IF-WS2 concentration on the morphology, viscosity. and thermal and mechanical behavior of the hierarchical composites has been investigated. Results revealed an unprecedented 62 °C increase in the degradation temperature of iPP/GF upon addition of only 4.0 wt % IF-WS2. The coexistence of both micro- and nanoscale fillers resulted in synergistic effects on enhancing the stiffness, strength, crystallinity, thermal stability, glass transition (Tg) and heat distortion temperature (HDT) of the matrix. The approach used in this work is an efficient, versatile, scalable and economic strategy to improve the mechanical and thermal behavior of GF-reinforced thermoplastics with a view to extend their use in advanced technological applications. This new type of composite materials shows great potential to improve the efficiency and sustainability of many forms of transport.

Inorganic Nanoparticle-Modified Poly(Phenylene Sulphide)/ Carbon Fiber Laminates: Thermomechanical Behaviour

Carbon fiber (CF)-reinforced high-temperature thermoplastics such as poly(phenylene sulphide) (PPS) are widely used in structural composites for aerospace and automotive applications. The porosity of CF-reinforced polymers is a very important topic for practical applications since there is a direct correlation between void content and mechanical properties. In this study, inorganic fullerene-like tungsten disulphide (IF-WS2) lubricant nanoparticles were used to manufacture PPS/IF-WS2/CF laminates via melt-blending and hot-press processing, and the effect of IF-WS2 loading on the quality, thermal and mechanical behaviour of the hybrid composites was investigated. The addition of IF-WS2 improved fiber impregnation, resulting in lower degree of porosity and increased delamination resistance, compression and flexural properties; their reinforcement effect was greater at temperatures above the glass transition (Tg). IF-WS2 contents higher than 0.5 wt % increased Tg and the heat deflection temperature while reduced the coefficient of thermal expansion. The multiscale laminates exhibited higher ignition point and notably reduced peak heat release rate compared to PPS/CF. The coexistence of micro- and nano-scale fillers resulted in synergistic effects that enhanced the stiffness, strength, thermal conductivity and flame retardancy of the matrix. The results presented herein demonstrate that the IF-WS2 are very promising nanofillers to improve the thermomechanical properties of conventional thermoplastic/CF composites.

3D facial merging for virtual human reconstruction

There is an increasing need of easy and affordable technologies to automatically generate virtual 3D models from their real counterparts. In particular, 3D human reconstruction has driven the creation of many clever techniques, most of them based on the visual hull (VH) concept. Such techniques do not require expensive hardware; however, they tend to yield 3D humanoids with realistic bodies but mediocre faces, since VH cannot handle concavities. On the other hand, structured light projectors allow to capture very accurate depth data, and thus to reconstruct realistic faces, but they are too expensive to use several of them. We have developed a technique to merge a VH-based 3D mesh of a reconstructed humanoid and the depth data of its face, captured by a single structured light projector. By combining the advantages of both systems in a simple setting, we are able to reconstruct realistic 3D human models with believable faces.

Development of novel melt-processable biopolymer nanocomposites based on poly(L-lactic acid) and WS2 inorganic nanotubes.

The use of tungsten disulphide inorganic nanotubes (INT-WS2) offers the opportunity to produce novel and advanced biopolymer-based nanocomposite materials with excellent nanoparticle dispersion without the need for modifiers or surfactants via conventional melt blending. The study of the non-isothermal melt-crystallization kinetics provides a clear picture of the transformation of poly(L-lactic acid) (PLLA) molecules from the non-ordered to the ordered state. The overall crystallization rate, final crystallinity and subsequent melting behaviour of PLLA were controlled by both the incorporation of INT-WS2 and the variation of the cooling rate. In particular, it was shown that INT-WS2 exhibits much more prominent nucleation activity on the crystallization of PLLA than other specific nucleating agents or nano-sized fillers. These features may be advantageous for the enhancement of mechanical properties and process-ability of PLLA-based materials. PLLA/INT-WS2 nanocomposites can be employed as low cost biodegradable materials for many eco-friendly and medical applications, and the exceptional crystallization behaviour observed opens new perspectives for scale-up and broader applications.