Optical systems design using the SMS method and optimizations

Resumen El diseño de sistemas ópticos, entendido como un arte por algunos, como una ciencia por otros, se ha realizado durante siglos. Desde los egipcios hasta nuestros días los sistemas de formación de imagen han ido evolucionando así como las técnicas de diseño asociadas. Sin embargo ha sido en los últimos 50 años cuando las técnicas de diseño han experimentado su mayor desarrollo y evolución, debido, en parte, a la aparición de nuevas técnicas de fabricación y al desarrollo de ordenadores cada vez más potentes que han permitido el cálculo y análisis del trazado de rayos a través de los sistemas ópticos de forma rápida y eficiente. Esto ha propiciado que el diseño de sistemas ópticos evolucione desde los diseños desarrollados únicamente a partir de la óptica paraxial hasta lo modernos diseños realizados mediante la utilización de diferentes técnicas de optimización multiparamétrica. El principal problema con el que se encuentra el diseñador es que las diferentes técnicas de optimización necesitan partir de un diseño inicial el cual puede fijar las posibles soluciones. Dicho de otra forma, si el punto de inicio está lejos del mínimo global, o diseño óptimo para las condiciones establecidas, el diseño final puede ser un mínimo local cerca del punto de inicio y lejos del mínimo global. Este tipo de problemática ha llevado al desarrollo de sistemas globales de optimización que cada vez sean menos sensibles al punto de inicio de la optimización. Aunque si bien es cierto que es posible obtener buenos diseños a partir de este tipo de técnicas, se requiere de muchos intentos hasta llegar a la solución deseada, habiendo un entorno de incertidumbre durante todo el proceso, puesto que no está asegurado el que se llegue a la solución óptima. El método de las Superficies Múltiples Simultaneas (SMS), que nació como una herramienta de cálculo de concentradores anidólicos, se ha demostrado como una herramienta también capaz utilizarse para el diseño de sistemas ópticos formadores de imagen, aunque hasta la fecha se ha utilizado para el diseño puntual de sistemas de formación de imagen. Esta tesis tiene por objeto presentar el SMS como un método que puede ser utilizado de forma general para el diseño de cualquier sistema óptico de focal fija o v afocal con un aumento definido así como una herramienta que puede industrializarse para ayudar al diseñador a afrontar de forma sencilla el diseño de sistemas ópticos complejos. Esta tesis está estructurada en cinco capítulos: El capítulo 1, es un capítulo de fundamentos donde se presentan los conceptos fundamentales necesarios para que el lector, aunque no posea una gran base en óptica formadora de imagen, pueda entender los planteamientos y resultados que se presentan en el resto de capítulos El capitulo 2 aborda el problema de la optimización de sistemas ópticos, donde se presenta el método SMS como una herramienta idónea para obtener un punto de partida para el proceso de optimización. Mediante un ejemplo aplicado se demuestra la importancia del punto de partida utilizado en la solución final encontrada. Además en este capítulo se presentan diferentes técnicas que permiten la interpolación y optimización de las superficies obtenidas a partir de la aplicación del SMS. Aunque en esta tesis se trabajará únicamente utilizando el SMS2D, se presenta además un método para la interpolación y optimización de las nubes de puntos obtenidas a partir del SMS3D basado en funciones de base radial (RBF). En el capítulo 3 se presenta el diseño, fabricación y medidas de un objetivo catadióptrico panorámico diseñado para trabajar en la banda del infrarrojo lejano (8-12 μm) para aplicaciones de vigilancia perimetral. El objetivo presentado se diseña utilizando el método SMS para tres frentes de onda de entrada utilizando cuatro superficies. La potencia del método de diseño utilizado se hace evidente en la sencillez con la que este complejo sistema se diseña. Las imágenes presentadas demuestran cómo el prototipo desarrollado cumple a la perfección su propósito. El capítulo 4 aborda el problema del diseño de sistemas ópticos ultra compactos, se introduce el concepto de sistemas multicanal, como aquellos sistemas ópticos compuestos por una serie de canales que trabajan en paralelo. Este tipo de sistemas resultan particularmente idóneos para él diseño de sistemas afocales. Se presentan estrategias de diseño para sistemas multicanal tanto monocromáticos como policromáticos. Utilizando la novedosa técnica de diseño que en este capítulo se presenta el diseño de un telescopio de seis aumentos y medio. En el capítulo 5 se presenta una generalización del método SMS para rayos meridianos. En este capítulo se presenta el algoritmo que debe utilizarse para el diseño de cualquier sistema óptico de focal fija. La denominada optimización fase 1 se vi introduce en el algoritmo presentado de forma que mediante el cambio de las condiciones iníciales del diseño SMS que, aunque el diseño se realice para rayos meridianos, los rayos skew tengan un comportamiento similar. Para probar la potencia del algoritmo desarrollado se presenta un conjunto de diseños con diferente número de superficies. La estabilidad y potencia del algoritmo se hace evidente al conseguirse por primera vez el diseño de un sistema de seis superficies diseñado por SMS. vii Abstract The design of optical systems, considered an art by some and a science by others, has been developed for centuries. Imaging optical systems have been evolving since Ancient Egyptian times, as have design techniques. Nevertheless, the most important developments in design techniques have taken place over the past 50 years, in part due to the advances in manufacturing techniques and the development of increasingly powerful computers, which have enabled the fast and efficient calculation and analysis of ray tracing through optical systems. This has led to the design of optical systems evolving from designs developed solely from paraxial optics to modern designs created by using different multiparametric optimization techniques. The main problem the designer faces is that the different optimization techniques require an initial design which can set possible solutions as a starting point. In other words, if the starting point is far from the global minimum or optimal design for the set conditions, the final design may be a local minimum close to the starting point and far from the global minimum. This type of problem has led to the development of global optimization systems which are increasingly less sensitive to the starting point of the optimization process. Even though it is possible to obtain good designs from these types of techniques, many attempts are necessary to reach the desired solution. This is because of the uncertain environment due to the fact that there is no guarantee that the optimal solution will be obtained. The Simultaneous Multiple Surfaces (SMS) method, designed as a tool to calculate anidolic concentrators, has also proved useful for the design of image-forming optical systems, although until now it has occasionally been used for the design of imaging systems. This thesis aims to present the SMS method as a technique that can be used in general for the design of any optical system, whether with a fixed focal or an afocal with a defined magnification, and also as a tool that can be commercialized to help designers in the design of complex optical systems. The thesis is divided into five chapters. Chapter 1 establishes the basics by presenting the fundamental concepts which the reader needs to acquire, even if he/she doesn‟t have extensive knowledge in the field viii of image-forming optics, in order to understand the steps taken and the results obtained in the following chapters. Chapter 2 addresses the problem of optimizing optical systems. Here the SMS method is presented as an ideal tool to obtain a starting point for the optimization process. The importance of the starting point for the final solution is demonstrated through an example. Additionally, this chapter introduces various techniques for the interpolation and optimization of the surfaces obtained through the application of the SMS method. Even though in this thesis only the SMS2D method is used, we present a method for the interpolation and optimization of clouds of points obtained though the SMS3D method, based on radial basis functions (RBF). Chapter 3 presents the design, manufacturing and measurement processes of a catadioptric panoramic lens designed to work in the Long Wavelength Infrared (LWIR) (8-12 microns) for perimeter surveillance applications. The lens presented is designed by using the SMS method for three input wavefronts using four surfaces. The powerfulness of the design method used is revealed through the ease with which this complex system is designed. The images presented show how the prototype perfectly fulfills its purpose. Chapter 4 addresses the problem of designing ultra-compact optical systems. The concept of multi-channel systems, such as optical systems composed of a series of channels that work in parallel, is introduced. Such systems are especially suitable for the design of afocal systems. We present design strategies for multichannel systems, both monochromatic and polychromatic. A telescope designed with a magnification of six-and-a-half through the innovative technique exposed in this chapter is presented. Chapter 5 presents a generalization of the SMS method for meridian rays. The algorithm to be used for the design of any fixed focal optics is revealed. The optimization known as phase 1 optimization is inserted into the algorithm so that, by changing the initial conditions of the SMS design, the skew rays have a similar behavior, despite the design being carried out for meridian rays. To test the power of the developed algorithm, a set of designs with a different number of surfaces is presented. The stability and strength of the algorithm become apparent when the first design of a system with six surfaces if obtained through the SMS method.

Evaluation of angle-dependent absorption: Computer simulation and listening test for an objective and subjective evaluation

The aim of this thesis is the subjective and objective evaluation of angledependent absorption coefficients. As the assumption of a constant absorption coefficient over the angle of incidence is not always held, a new model acknowledging an angle-dependent reflection must be considered, to get a more accurate prediction in the sound field. The study provides information about the behavior of different materials in several rooms, depending on the reflection modeling of incident sound waves. An objective evaluation was run for an implementation of angle-dependent reflection factors in the image source and ray tracing simulation models. Results obtained were analysed after comparison to diffuse-field averaged data. However, changes in acoustic characteristics of a room do not always mean a variation in the listener’s perception. Thus, additional subjective evaluation allowed a comparison between the different results obtained with the computer simulation and the response from the individuals who participated in the listening test. The listening test was designed following a three-alternative forced-choice (3AFC) paradigm. In each interaction asked to the subjects a sequence of either three pink noise bursts or three natural signals was alternated. These results were supposed to show the influence and perception of the two different ways to implement surface reflection –either with diffuse or angle-dependent absorption properties. Results show slightly audible effects when material properties were exaggerated. El objetivo de este trabajo es la evaluación objetiva y subjetiva del coeficiente de absorción en función del ángulo de incidencia de la onda de sonido. La suposición de un coeficiente de absorción constante con respecto al ángulo de incidencia no siempre se sostiene. Por ello, un nuevo modelo considerando la reflexión dependiente del ángulo se debe tener en cuenta para obtener predicciones más certeras en el campo del sonido. El estudio proporciona información sobre el comportamiento de diferentes materiales en distintos recintos, dependientes del modelo de reflexión de las ondas de sonido incidentes. Debido a las dificultades a la hora de realizar las medidas y, por lo tanto, a la falta de datos, los coeficientes de absorción dependientes del ángulo a menudo no se tienen en cuenta a la hora de realizar las simulaciones. Hoy en día, aún no hay una tendencia de aplicar el coeficiente de absorción dependiente del ángulo para mejorar los modelos de reflexión. Por otra parte, para una medición satisfactoria de la absorción dependiente del ángulo, sólo hay unos pocos métodos. Las técnicas de medición actuales llevan mucho tiempo y hay algunos materiales, condiciones y ángulos que no pueden ser reproducidos y, por lo tanto, no es posible su medición. Sin embargo, en el presente estudio, los ángulos de incidencia de las ondas de sonido son conocidos y almacenados en una de base de datos para cada uno de los materiales, de modo que los coeficientes de absorción para el ángulo dado pueden ser devueltos siempre que sean requeridos por el usuario. Para realizar el estudio se llevó a cabo una evaluación objetiva, por medio de la implementación del factor de reflexión dependiente del ángulo en los modelos de fuentes imagen y trazado de rayos. Los resultados fueron analizados después de ser comparados con el promedio de los datos obtenidos en medidas en el campo difuso. La simulación se hizo una vez se configuraron un número de materiales creados por el autor, a partir de los datos existentes en la literatura y los catálogos de fabricantes. Los modelos de Komatsu y Mechel sirvieron como referencia para los materiales porosos, configurando la resistividad al aire o el grosor, y para los paneles perforados, introduciendo el radio de los orificios y la distancia entre centros, respectivamente. Estos materiales se situaban en la pared opuesta a la que se consideraba que debía alojar a la fuente sonora. El resto de superficies se modelaban con el mismo material, variando su coeficiente de absorción y/o de dispersión. Al mismo tiempo, una serie de recintos fueron modelados para poder reproducir distintos escenarios de los que obtener los resultados. Sin embargo, los cambios en las características acústicas de un recinto no significan variaciones en la percepción por parte del oyente. Por ello, una evaluación subjetiva adicional permitió una comparación entre los diferentes resultados obtenidos mediante la simulación informática y la respuesta de los individuos que participaron en la prueba de escucha. Ésta fue diseñada bajo las pautas del modelo de test three-alternative forced-choice (3AFC), con treinta y dos preguntas diferentes. En cada iteración los sujetos fueron preguntados por una secuencia alterna entre tres señales, siendo dos de ellas iguales. Éstas podían ser tanto ráfagas de ruido rosa como señales naturales, en este test se utilizó un fragmento de una obra clásica interpretada por un piano. Antes de contestar al cuestionario, los bloques de preguntas eran ordenados al azar. Para cada ensayo, la mezcla era diferente, así los sujetos no repetían la misma prueba, evitando un sesgo por efectos de aprendizaje. Los bloques se barajaban recordando siempre el orden inicial, para después almacenar los resultados reordenados. La prueba de escucha fue realizada por veintitrés personas, toda ellas con conocimientos dentro del campo de la acústica. Antes de llevar a cabo la prueba de escucha en un entorno adecuado, una hoja con las instrucciones fue facilitada a cada persona. Los resultados muestran la influencia y percepción de las dos maneras distintas de implementar las reflexiones de una superficie –ya sea con respecto a la propiedad de difusión o de absorción dependiente del ángulo de los materiales. Los resultados objetivos, después de ejecutar las simulaciones, muestran los datos medios obtenidos para comprender el comportamiento de distintos materiales de acuerdo con el modelo de reflexión utilizado en el caso de estudio. En las tablas proporcionadas en la memoria se muestran los valores del tiempo de reverberación, la claridad y el tiempo de caída temprana. Los datos de las características del recinto obtenidos en este análisis tienen una fuerte dependencia respecto al coeficiente de absorción de los diferentes materiales que recubren las superficies del cuarto. En los resultados subjetivos, la media de percepción, a la hora de distinguir las distintas señales, por parte de los sujetos, se situó significativamente por debajo del umbral marcado por el punto de inflexión de la función psicométrica. Sin embargo, es posible concluir que la mayoría de los individuos tienden a ser capaces de detectar alguna diferencia entre los estímulos presentados en el 3AFC test. En conclusión, la hipótesis de que los valores del coeficiente de absorción dependiente del ángulo difieren es contrastada. Pero la respuesta subjetiva de los individuos muestra que únicamente hay ligeras variaciones en la percepción si el coeficiente varía en intervalos pequeños entre los valores manejados en la simulación. Además, si los parámetros de los materiales acústicos no son exagerados, los sujetos no perciben ninguna variación. Los primeros resultados obtenidos, proporcionando información respecto a la dependencia del ángulo, llevan a una nueva consideración en el campo de la acústica, y en la realización de nuevos proyectos en el futuro. Para futuras líneas de investigación, las simulaciones se deberían realizar con distintos tipos de recintos, buscando escenarios con geometrías irregulares. También, la implementación de distintos materiales para obtener resultados más certeros. Otra de las fases de los futuros proyectos puede realizarse teniendo en cuenta el coeficiente de dispersión dependiente del ángulo de incidencia de la onda de sonido. En la parte de la evaluación subjetiva, realizar una serie de pruebas de escucha con distintos individuos, incluyendo personas sin una formación relacionada con la ingeniería acústica.

Broadband access in complex environments: LTE on railway

This paper assesses the main challenges associated with the propagation and channel modeling of broadband radio systems in a complex environment of high speed and metropolitan railways. These challenges comprise practical simulation, modeling interferences, radio planning, test trials and performance evaluation in different railway scenarios using Long Term Evolution (LTE) as test case. This approach requires several steps; the first is the use of a radio propagation simulator based on ray-tracing techniques to accurately predict propagation. Besides the radio propagation simulator, a complete test bed has been constructed to assess LTE performance, channel propagation conditions and interference with other systems in real-world environments by means of standard-compliant LTE transmissions. Such measurement results allowed us to evaluate the propagation and performance of broadband signals and to test the suitability of LTE radio technology for complex railway scenarios.

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

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

Mejora y optimización de un código de simulación hidrodinámico con transporte de radiación para el estudio de sistemas en condiciones de alta densidad de energía

Se presentan las mejoras introducidas en un código de transporte de radiación acoplada a la hidrodinámica llamado ARWEN para el estudio de sistemas en el rango de física de alta densidad de energía (High Energy Density Physics). Los desarrollos introducidos se basan en las siguientes áreas: ít>,~ Ecuaciones de estado: se desarrolla una nueva metodología mediante la cual es posible ajustar los resultados de un modelo simple de ecuaciones de estado como QEOS a datos experimentales y resultados de AIMD. Esta metodología tiene carácter general para poder ser aplicada en gran cantidad de materuales de interés y amplia la flexibilidad de ajuste de los métodos de los que ha partido como base este trabajo. En segundo lugar, se ha desarrollado una librería para la gestión de tablas de datos de ecuaciones de estado que también incluye la gestión de tablas con datos de opacidades y de ionización. Esta nueva librería extiende las capacidades de la anterior al tener llamadas más específicas que aceleran los cálculos, y posibilidad de uso de varias tablas a la vez. Solver de difusión: se ha desarrollado un nuevo paquete para resolver la ecuación de difusión que se aplicará a la conducción de calor dentro del plasma. El método anterior no podía ser ejecutado en paralelo y producía resultados dependientes de la resolución de la malla, mientras que este método es paralelizable y además obtiene una solución con mejor convergencia, lo que supone una solución que no depende del refinamiento del mallado. Revisión del paquete de radiación: en primer lugar se ha realizado una revisión de la implementación del modelo de radiación descubriendo varios errores que han sido depurados. También se ha incluido la nueva librería de gestión de tablas de opacidades que permiten la obtención de las propiedades ópticas del plasma en multigrupos de energía. Por otra parte se ha extendido el cálculo de los coeficientes de transporte al esquema multimaterial que ha introducido David Portillo García en el paquete hidrodinámico del código de simulación. Por último se ha revisado el esquema de resolución del transporte y se ha modificado para hacerlo paralelizable. • Se ha implementado un paquete de trazado de rayos para deposición láser que extiende la utilidad del anterior al ser en 3D y poder utilizar entonces diferentes configuraciones. • Una vez realizadas todas estas tareas se ha aplicado el código ARWEN al estudio de la astrofísica de laboratorio simulando los experimentos llevados a cabo en la instalación PALS por Chantal Stehlé acerca de ondas de choque radiativas. Se han comparado los resultados experimentales frente a las predicciones del código ARWEN obteniéndose una gran concordancia en la velocidad de la onda de choque generada y en las dimensiones del precursor. El código de simulación sobre el que se ha trabajado, junto con los desarrollos aportados por otros investigadores durante la realización de esta tesis, ha permitido participar en colaboraciones con laboratorios de Francia o Japón y se han producido resultados científicos publicados basados en el trabajo descrito en esta tesis. ABSTRACT Improvements in radiation hydrodynamic code ARWEN for the study of systems in the range of physics high energy density (High Energy Density Physics) are presented. The developments introduced are based on the following áreas: • Equations of state: a new methodology was developed to adjust the results of a simple Equation of State model like QEOS to experimental data and results of AIMD. This methodology can be applied to a large amount of materials and it increases the flexibility and range of the previous methods used as basis for this work. Also a new computer library has been developed to manage data tables of thermodynamic properties as well as includes the management of opacity and ionization data tables. This new library extends the capabilities of the previous one with more specific routines, and the possibility of using múltiple tables for several materials. • Diffusion solver: a new package has been developed to solve the diffusion equation applied to the heat conduction of the plasma. The previous method is not parallelizable and it produced mesh dependent results, while this new package can be executed in parallel and achieves a more converged solution that does not depend on the refinement of the mesh. • Radiation package: the check of the radiation model rose several bugs in the implementation that had been removed. The new computer library for EOS managing includes capabilities to store opacity tables for multigroups of energy. Moreover the transport coefficients calculations have been extended for the new multimaterial hydrodynamic package developed by David Portillo García. Also the solving methodology for the transport equation has been modified to make the code run in parallel. • A new ray tracing package has been introduced to extend the previous one to 3D. Once all these tasks has been implemented, the ARWEN code has been applied to study laboratory astrophysics systems. Simulations have been done in order to reproduce the results of the experiments carried out in PALS facility by Chantal Stehlé in radiative shock production. Experimental results are in cióse agreement to the ARWEN estimations of the speed of the shock wave and the length of the precursor. The simulation code used in this thesis, including the work done in ARWEN by other colleagues at the time of this research, allowed the collaboration with other research institution in France and Japan and some of the results presented in this thesis have been published in scientific journals.

Análisis de las causas de dispersión en los resultados de las medidas del coeficiente de absorción acústica en cámara reverberante

El objetivo del presente Trabajo Fin de Máster es llevar a cabo un estudio de las causas de la precisión de los resultados de las medidas del coeficiente de absorción acústica en cámara reverberante, siguiendo el procedimiento descrito en la norma UNE-EN ISO 354 “Medición de la absorción acústica en una cámara reverberante”. En primer lugar, se han estudiado los fundamentos teóricos relacionados con el método de ensayo. A continuación, se ha detallado dicho método y se ha aplicado a un caso práctico con la instrumentación disponible en el laboratorio de Acústica de la Escuela. Puesto que el resultado de un ensayo únicamente se halla completo cuando está acompañado de una declaración acerca de la incertidumbre de dicho resultado, en el presente trabajo se ha aplicado a este método de ensayo, tanto el enfoque clásico de la GUM, como el método de Monte Carlo, para evaluar la incertidumbre y comparar los resultados obtenidos mediante las dos metodologías. Para estudiar la influencia que produce en el campo sonoro de una cámara reverberante la introducción de un material absorbente en su interior, se realizó un estudio mediante trazado de rayos de la cámara reverberante del CEIS. ABSTRACT The objective of this Master's Thesis is to study the causes of accuracy of the measurements results of sound absorption coefficient in a reverberation room, according to the procedure of standard UNE-EN ISO 354 "Measurement of sound absorption in a reverberation room ". Firstly, theoretical basis related to the test method have been studied. Then, this method has been defined and applied to a particular case with the instrumentation available in the Acoustics laboratory of the College. The test result must be accompanied by a statement of the uncertainty of the result. For this reason, Monte Carlo method and GUM uncertainty framework have been applied in this project for estimating uncertainty and comparing the results obtained by these two methodologies. In addition, a study was made in the reverberation room of CEIS, by ray tracing, to study the influence on the sound field produced by the introduction of an absorbent material inside of the room.

Diseño acústico y electroacústico de Waipahu Transit Center en Honolulú, Hawái

El objetivo de este Proyecto Fin de Grado es el diseño de megafonía y PAGA (Public Address /General Alarm) de la estación de tren Waipahu Transit Center en la ciudad de Honolulú, Hawái. Esta estación forma parte de una nueva línea de tren que está en proceso de construcción actualmente llamada Honolulu Rail Transit. Inicialmente la línea de tren constará de 21 estaciones, en las que prácticamente todas están diseñadas como pasos elevados usando como referencia las autopistas que cruzan la isla. Se tiene prevista su fecha de finalización en el año 2019, aunque las primeras estaciones se inaugurarán en 2017. Se trata en primer lugar un estudio acústico del recinto a sonorizar, eligiendo los equipos necesarios: conmutadores, altavoces, amplificadores, procesador, equipo de control y micrófonos. Este primer estudio sirve para obtener una aproximación de equipos necesarios, así como la posible situación de estos dentro de la estación. Tras esto, se procede a la simulación de la estación mediante el programa de simulación acústica y electroacústica EASE 4.4. Para ello, se diseña la estación en un modelo 3D, en el que cada superficie se asocia a su material correspondiente. Para facilitar el diseño y el cómputo de las simulaciones se divide la estación en 3 partes por separado. Cada una corresponde a un nivel de la estación: Ground level, el nivel inferior que contiene la entrada; Concourse Level, pasillo que comunica los dos andenes; y Platform Level, en el que realizarán las paradas los trenes. Una vez realizado el diseño se procede al posicionamiento de altavoces en los diferentes niveles de la estación. Debido al clima existente en la isla, el cual ronda los 20°C a lo largo de todo el año, no es necesaria la instalación de sistemas de aire acondicionado o calefacción, por lo que la estación no está totalmente cerrada. Esto supone un problema al realizar las simulaciones en EASE, ya que al tratarse de un recinto abierto se deberán hallar parámetros como el tiempo de reverberación o el volumen equivalente por otros medios. Para ello, se utilizará el método Ray Tracing, mediante el cual se halla el tiempo de reverberación por la respuesta al impulso de la sala; y a continuación se calcula un volumen equivalente del recinto mediante la fórmula de Eyring. Con estos datos, se puede proceder a calcular los parámetros necesarios: nivel de presión sonora directo, nivel de presión sonora total y STI (Speech Transmission Index). Para obtener este último será necesario ecualizar antes en cada uno de los niveles de la estación. Una vez hechas las simulaciones, se comprueba que el nivel de presión sonora y los valores de inteligibilidad son acordes con los requisitos dados por el cliente. Tras esto, se procede a realizar los bucles de altavoces y el cálculo de amplificadores necesarios. Se estudia la situación de los micrófonos, que servirán para poder variar la potencia emitida por los altavoces dependiendo del nivel de ruido en la estación. Una vez obtenidos todos los equipos necesarios en la estación, se hace el conexionado entre éstos, tanto de una forma simplificada en la que se pueden ver los bucles de altavoces en cada nivel de la estación, como de una forma más detallada en la que se muestran las conexiones entre cada equipo del rack. Finalmente, se realiza el etiquetado de los equipos y un presupuesto estimado con los costes del diseño del sistema PAGA. ABSTRACT. The aim of this Final Degree Project is the design of the PAGA (Public Address / General Alarm) system in the train station Waipahu Transit Center in the city of Honolulu, Hawaii. This station is part of a new rail line that is currently under construction, called Honolulu Rail Transit. Initially, the rail line will have 21 stations, in which almost all are designed elevated using the highways that cross the island as reference. At first, it is treated an acoustic study in the areas to cover, choosing the equipment needed: switches, loudspeakers, amplifiers, DPS, control station and microphones. This first study helps to obtain an approximation of the equipments needed, as well as their placement inside the station. Thereafter, it is proceeded to do the simulation of the station through the acoustics and electroacoustics simulation software EASE 4.4. In order to do that, it is made the 3D design of the station, in which each surface is associated with its material. In order to ease the design and calculation of the simulations, the station has been divided in 3 zones. Each one corresponds with one level of the station: Ground Level, the lower level that has the entrance; Concourse Level, a corridor that links the two platforms; and Platform Level, where the trains will stop. Once the design is made, it is proceeded to place the speakers in the different levels of the station. Due to the weather in the island, which is about 20°C throughout the year, it is not necessary the installation of air conditioning or heating systems, so the station is not totally closed. This cause a problem when making the simulations in EASE, as the project is open, and it will be necessary to calculate parameters like the reverberation time or the equivalent volume by other methods. In order to do that, it will be used the Ray Tracing method, by which the reverberation time is calculated by the impulse response; and then it is calculated the equivalent volume of the area with the Eyring equation. With this information, it can be proceeded to calculate the parameters needed: direct sound pressure level, total sound pressure level and STI (Speech Transmission Index). In order to obtain the STI, it will be needed to equalize before in each of the station’s levels. Once the simulations are done, it is checked that the sound pressure level and the intelligibility values agree with the requirements given by the client. After that, it is proceeded to perform the speaker’s loops and the calculation of the amplifiers needed. It is studied the placement of the microphones, which will help to vary the power emitted by the speakers depending on the background noise level in the station. Once obtained all the necessary equipment in the station, it is done the connection diagram, both a simplified diagram in which there can be seen the speaker’s loops in each level of the station, or a more detailed diagram in which it is shown the wiring between each equipment of the rack. At last, it is done the labeling of the equipments and an estimated budget with the expenses for the PAGA design.

Analytic optical design of linear Fresnel collectors with variable widths and shifts of mirrors

Linear Fresnel collectors still present a large margin to improve efficiency. Solar fields of this kind installed until current time, both prototypes and commercial plants, are designed with widths and shifts of mirrors that are constant across the solar field. However, the physical processes that limit the width of the mirrors depend on their relative locations to the receiver; the same applies to shading and blocking effects, that oblige to have a minimum shift between mirrors. In this work such phenomena are studied analytically in order to obtain a coherent design, able to improve the efficiency with no increase in cost. A ray tracing simulation along one year has been carried out for a given design, obtaining a moderate increase in radiation collecting efficiency in comparison to conventional designs. Moreover, this analytic theory can guide future designs aiming at fully optimizing linear Fresnel collectors' performance.

Acústica de las iglesias jesuíticas como parte del patrimonio integral en Córdoba y San Ignacio Miní

En esta investigación se aborda el tema del comportamiento acústico de las Iglesias Jesuíticas de la ciudad de Córdoba (Argentina) y San Ignacio Mini ubicada en la localidad de San Ignacio, provincia de Misiones (Argentina), construidas hace dos siglos atrás y declaradas Patrimonio de la Humanidad, con el objetivo de evaluar los parámetros que determinan la comprensión de la palabra y la aptitud de cada una de las iglesias para el canto y la música religiosa. En una primera etapa la investigación se orientó a profundizar en las características constructivas interiores de cada templo y a proponer una metodología de análisis para comparar los resultados de las mediciones objetivas, realizadas mediante la implementación de mediciones in situ, con los resultados de las apreciaciones subjetivas resultantes de la elaboración de encuestas, a los fines de caracterizar acústicamente cada espacio sonoro. Se seleccionaron, para la caracterización objetiva de cada templo, aquellos parámetros que permiten sintetizar las propiedades acústicas relacionadas con la música y la palabra, y aquellos que posibilitan medir la proporción efectiva de las primeras reflexiones, consideradas como índices subjetivos de la capacidad de distinción del sonido por parte del oyente. Se comparan los valores alcanzados con las preferencias subjetivas obtenidas en las encuestas de opinión. Se relevaron tiempos de reverberación altos en todas iglesias, fuera de los considerados óptimos para cada recinto. Se analizaron los índices de calidad y se comprobó cómo influyen los diferentes materiales en el comportamiento acústico de cada recinto. Para la evaluación subjetiva se implementó una encuesta ya validada en la que se privilegió la fácil asociación entre parámetros acústicos y psicoacústicos, esto posibilitó encontrar aquellos parámetros objetivos, simulados con público, que estuviesen fuertemente relacionados con el juicio subjetivo, así como aquellos con menor correlación. La búsqueda y relevamiento de material grafico, fotográfico y otros documentos históricos posibilitó la reconstrucción de cada iglesia para su modelización y la evaluación del comportamiento de todos los templos con la presencia de feligreses, no habiéndose podido realizar mediciones bajo esta condición. El interés por obtener datos acústicos más precisos de la Iglesia San Ignacio Mini, que actualmente se encuentra en ruinas, llevó a utilizar herramientas más poderosas de cálculo como el método de las fuentes de imagen “Ray Tracing Impact” por medio del cual se logró la auralización. Para ello se trabajó con un archivo de audio que representó la voz masculina de un sacerdote en el idioma jesuítico-guaraní, recuperando así el patrimonio cultural intangible. ABSTRACT This research addresses the acoustic behavior of the Jesuit Churches in Cordoba City (Argentina) and San Ignacio Mini (located in the town of San Ignacio, Misiones, Argentina), built two centuries ago and declared World Heritage Sites, with the objective to evaluate the parameters that determine the speech comprehension and the ability of each of the churches for singing of religious music. The first step of the work was aimed to further investigate the internal structural characteristics of each temple and to propose an analysis methodology to compare the objective results of in situ measurements with the subjective results of surveys, in order to characterize acoustically each sound-space. For the subjective characterization of each temple, those parameters that allow synthesizing the acoustic properties related to music & speech and measuring the subjective indices for the recognition of sounds, were selected. Also, the values were compared with the ones obtained from the surveys. High reverberation times were found in all churches, which is not considered optimal for the enclosed areas of the temples. The quality indices were analyzed and it was found how the different materials influence in the acoustic behavior of each enclosure. For subjective evaluation, a survey was implemented (that was previously validated) where the association between acoustic and psychoacoustic parameters was privileged; this allowed to find those objective parameters who were strongly related to the subjective ones, as well as those with lower correlation. Photographic and graphic material and other historical documents allowed the reconstruction of each church for its modeling, and also the evaluation of the performance of all the temples in the presence of their congregation. The interest in obtaining more accurate acoustic data of the San Ignacio Mini Church, which is now in ruins, led to the use of most powerful methods, as for example the image-sources "Ray Tracing Impact" method. For this, an audio archive was used, representing a male voice of a priest in the Jesuit-Guaraní language; recovering in this way intangible cultural heritage.

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

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

Computational adaptive optics for live three-dimensional biological imaging

Light microscopy of thick biological samples, such as tissues, is often limited by aberrations caused by refractive index variations within the sample itself. This problem is particularly severe for live imaging, a field of great current excitement due to the development of inherently fluorescent proteins. We describe a method of removing such aberrations computationally by mapping the refractive index of the sample using differential interference contrast microscopy, modeling the aberrations by ray tracing through this index map, and using space-variant deconvolution to remove aberrations. This approach will open possibilities to study weakly labeled molecules in difficult-to-image live specimens.

Innovative education networking aimed at multimedia tools for geometrical optics learning

We present a purposeful initiative to open new grounds for teaching Geometrical Optics. It is based on the creation of an innovative education networking involving academic staff from three Spanish universities linked together around Optics. Nowadays, students demand online resources such as innovative multimedia tools for complementing the understanding of their studies. Geometrical Optics relies on basics of light phenomena like reflection and refraction and the use of simple optical elements such as mirrors, prisms, lenses, and fibers. The mathematical treatment is simple and the equations are not too complicated. But from our long time experience in teaching to undergraduate students, we realize that important concepts are missed by these students because they do not work ray tracing as they should do. Moreover, Geometrical Optics laboratory is crucial by providing many short Optics experiments and thus stimulating students interest in the study of such a topic. Multimedia applications help teachers to cover those student demands. In that sense, our educational networking shares and develops online materials based on 1) video-tutorials of laboratory experiences and of ray tracing exercises, 2) different online platforms for student self-examinations and 3) computer assisted geometrical optics exercises. That will result in interesting educational synergies and promote student autonomy for learning Optics.

Vergence analysis reveals the influence of axial distances on accommodation with age and axial ametropia

Despite numerous investigations, the aetiology and mechanism of accommodation and presbyopia remains equivocal. Using Gaussian first-order ray tracing calculations, we examine the contribution that ocular axial distances make to the accommodation response. Further, the influence of age and ametropia are also considered. The data show that all changes in axial distances during accommodation reduce the accommodation response, with the reduction in anterior chamber depth contributing most to this overall attenuation. Although the total power loss due to the changes in axial distances remained constant with increasing age, hyperopes exhibited less accommodation than myopes. The study, therefore, enhances our understanding of biometric accommodative changes and demonstrates the utility of vergence analysis in the assessment of accommodation.

Solar thermal collectors for use in hybrid solar-biomass power plants in India

This thesis examined solar thermal collectors for use in alternative hybrid solar-biomass power plant applications in Gujarat, India. Following a preliminary review, the cost-effective selection and design of the solar thermal field were identified as critical factors underlying the success of hybrid plants. Consequently, the existing solar thermal technologies were reviewed and ranked for use in India by means of a multi-criteria decision-making method, the Analytical Hierarchy Process (AHP). Informed by the outcome of the AHP, the thesis went on to pursue the Linear Fresnel Reflector (LFR), the design of which was optimised with the help of ray-tracing. To further enhance collector performance, LFR concepts incorporating novel mirror spacing and drive mechanisms were evaluated. Subsequently, a new variant, termed the Elevation Linear Fresnel Reflector (ELFR) was designed, constructed and tested at Aston University, UK, therefore allowing theoretical models for the performance of a solar thermal field to be verified. Based on the resulting characteristics of the LFR, and data gathered for the other hybrid system components, models of hybrid LFR- and ELFR-biomass power plants were developed and analysed in TRNSYS®. The techno-economic and environmental consequences of varying the size of the solar field in relation to the total plant capacity were modelled for a series of case studies to evaluate different applications: tri-generation (electricity, ice and heat), electricity-only generation, and process heat. The case studies also encompassed varying site locations, capacities, operational conditions and financial situations. In the case of a hybrid tri-generation plant in Gujarat, it was recommended to use an LFR solar thermal field of 14,000 m2 aperture with a 3 tonne biomass boiler, generating 815 MWh per annum of electricity for nearby villages and 12,450 tonnes of ice per annum for local fisheries and food industries. However, at the expense of a 0.3 ¢/kWh increase in levelised energy costs, the ELFR increased saving of biomass (100 t/a) and land (9 ha/a). For solar thermal applications in areas with high land cost, the ELFR reduced levelised energy costs. It was determined that off-grid hybrid plants for tri-generation were the most feasible application in India. Whereas biomass-only plants were found to be more economically viable, it was concluded that hybrid systems will soon become cost competitive and can considerably improve current energy security and biomass supply chain issues in India.

Technological enhancements to optometric clinical tests

A sizeable amount of the testing in eye care, requires either the identification of targets such as letters to assess functional vision, or the subjective evaluation of imagery by an examiner. Computers can render a variety of different targets on their monitors and can be used to store and analyse ophthalmic images. However, existing computing hardware tends to be large, screen resolutions are often too low, and objective assessments of ophthalmic images unreliable. Recent advances in mobile computing hardware and computer-vision systems can be used to enhance clinical testing in optometry. High resolution touch screens embedded in mobile devices, can render targets at a wide variety of distances and can be used to record and respond to patient responses, automating testing methods. This has opened up new opportunities in computerised near vision testing. Equally, new image processing techniques can be used to increase the validity and reliability of objective computer vision systems. Three novel apps for assessing reading speed, contrast sensitivity and amplitude of accommodation were created by the author to demonstrate the potential of mobile computing to enhance clinical measurement. The reading speed app could present sentences effectively, control illumination and automate the testing procedure for reading speed assessment. Meanwhile the contrast sensitivity app made use of a bit stealing technique and swept frequency target, to rapidly assess a patient’s full contrast sensitivity function at both near and far distances. Finally, customised electronic hardware was created and interfaced to an app on a smartphone device to allow free space amplitude of accommodation measurement. A new geometrical model of the tear film and a ray tracing simulation of a Placido disc topographer were produced to provide insights on the effect of tear film breakdown on ophthalmic images. Furthermore, a new computer vision system, that used a novel eye-lash segmentation technique, was created to demonstrate the potential of computer vision systems for the clinical assessment of tear stability. Studies undertaken by the author to assess the validity and repeatability of the novel apps, found that their repeatability was comparable to, or better, than existing clinical methods for reading speed and contrast sensitivity assessment. Furthermore, the apps offered reduced examination times in comparison to their paper based equivalents. The reading speed and amplitude of accommodation apps correlated highly with existing methods of assessment supporting their validity. Their still remains questions over the validity of using a swept frequency sine-wave target to assess patient’s contrast sensitivity functions as no clinical test provides the range of spatial frequencies and contrasts, nor equivalent assessment at distance and near. A validation study of the new computer vision system found that the authors tear metric correlated better with existing subjective measures of tear film stability than those of a competing computer-vision system. However, repeatability was poor in comparison to the subjective measures due to eye lash interference. The new mobile apps, computer vision system, and studies outlined in this thesis provide further insight into the potential of applying mobile and image processing technology to enhance clinical testing by eye care professionals.