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.

Interconexión monolítica de dispositivos fotovoltaicos basados en a-Si mediante ablación directa con fuentes láser ultravioleta

Resumen En la última década la tecnología láser se ha convertido en una herramienta imprescindible en la fabricación de dispositivos fotovoltaicos, muy especial¬mente en aquellos basados en tecnología de lámina delgada. Independiente¬mente de crisis coyunturales en el sector, la evolución en los próximos años de estas tecnologías seguirá aprovechándose de la flexibilidad y calidad de proceso de la herramienta láser para la consecución de los dos objetivos básicos que harán de la fotovoltaica una opción energética económicamente viable: la reducción de costes de fabricación y el aumento de eficiencia de los dispositivos. Dentro de las tecnologías fotovoltaicas de lámina delgada, la tecnología de dispositivos basados en silicio amorfo ha tenido un gran desarrollo en sistemas estándar en configuración de superestrato, pero su limitada efi¬ciencia hace que su supervivencia futura pase por el desarrollo de formatos en configuración de substrato sobre materiales flexibles de bajo coste. En esta aproximación, las soluciones industriales basadas en láser actualmente disponibles para la interconexión monolítica de dispositivos no son aplica¬bles, y desde hace años se viene investigando en la búsqueda de soluciones apropiadas para el desarrollo de dichos procesos de interconexión de forma que sean transferibles a la industria. En este contexto, esta Tesis propone una aproximación completamente orig¬inal, demostrando la posibilidad de ejecutar una interconexión completa de estos dispositivos irradiando por el lado de la lámina (es decir de forma com¬patible con la opción de configuración de substrato y, valga la redundancia, con el substrato del dispositivo opaco), y con fuentes láser emitiendo en UV. Este resultado, obtenido por primera vez a nivel internacional con este trabajo, aporta un conocimiento revelador del verdadero potencial de estas fuentes en el desarrollo industrial futuro de estas tecnologías. Si bien muy posiblemente la solución industrial final requiera de una solución mixta con el empleo de fuentes en UV y, posiblemente, en otras longitudes de onda, esta Tesis y su planteamiento novedoso aportan un conocimiento de gran valor a la comunidad internacional por la originalidad del planteamiento seguido, los resultados parciales encontrados en su desarrollo (un número importante de los cuales han aparecido en revistas del JCR que recogen en la actualidad un número muy significativo de citas) y porque saca además a la luz, con las consideraciones físicas pertinentes, las limitaciones intrínsecas que el desarrollo de procesos de ablación directa selectiva con láseres UV en parte de los materiales utilizados presenta en el rango temporal de in¬teracción de ns y ps. En este trabajo se han desarrollado y optimizado los tres pasos estándar de interconexión (los habitualmente denominados Pl, P2 y P3 en la industria fotovoltaica) demostrando las ventajas y limitaciones del uso de fuentes en UV tanto con ancho temporal de ns como de ps. En particular destaca, por el éxito en los resultados obtenidos, el estudio de procesos de ablación selectiva de óxidos conductores transparentes (en este trabajo utilizados tanto como contacto frontal así como posterior en los módulos) que ha generado resultados, de excelente acogida científica a nivel internacional, cuya aplicación trasciende el ámbito de las tecnologías de silicio amorfo en lámina delgada. Además en este trabajo de Tesis, en el desarrollo del objetivo citado, se han puesto a punto técnicas de análisis de los procesos láser, basadas en métodos avanzados de caracterización de materiales (como el uso combi¬nado de la espectroscopia dispersiva de rayos X y la microscopía confocal de barrido) que se presentan como auténticos avances en el desarrollo de técnicas específicas de caracterización para el estudio de los procesos con láser de ablación selectiva de materiales en lámina delgada, procesos que no solo tienen impacto en el ámbito de la fotovoltaica, sino también en la microelectrónica, la biotecnología, la microfabricación, etc. Como resultado adicional, parte de los resultados de este trabajo, han sido aplicados exi¬tosamente por el grupo de investigaci´on en la que la autora desarrolla su labor para conseguir desarrollar procesos de enorme inter´es en otras tec-nolog´ıas fotovoltaicas, como las tecnolog´ıas est´andar de silicio amorfo sobre vidrio en configuraci´on de superestrato o el procesado de capas delgadas en tecnolog´ıas convencionales de silicio cristalino. Por u´ltimo decir que este trabajo ha sido posible por una colaboraci´on muy estrecha entre el Centro L´aser de la UPM, en el que la autora de¬sarrolla su labor, y el Grupo de Silicio Depositado del Centro de Inves¬tigaciones Energ´eticas, Medioambientales y Tecnol´ogicas, CIEMAT, que, junto al Grupo de Energ´ıa Fotovoltaica de la Universidad de Barcelona, han preparado la mayor parte de las muestras utilizadas en este estudio. Dichas colaboraciones se han desarrollado en el marco de varios proyectos de investigaci´on aplicada con subvenci´on pu´blica, tales como el proyecto singular estrat´egico PSE-MICROSIL08 (PSE-120000-2006-6), el proyecto INNDISOL (IPT-420000-2010-6), ambos financiados porel Fondo Europeo de Desarrollo Regional FEDER (UE) ”Una manera de hacer Europa y el MICINN, y los proyectos de Plan Nacional AMIC (ENE2010-21384-C04-´ 02) y CLASICO (ENE2007-6772-C04-04), cuya financiaci´on ha permitido en gran parte llevar a t´ermino este trabajo Abstract In the last decade, the laser technology has turned into an indispensable tool in the production of photovoltaic devices, especially of those based on thin film technology. Regardless the current crisis in the sector, the evolution of these technologies in the upcoming years will keep taking advantage of the flexibility and process quality of the laser tool for the accomplishment of the two basic goals that will convert the photovoltaic energy into economically viable: the manufacture cost reduction and the increase in the efficiency of the devices. Amongst the thin film laser technologies, the technology of devices based on amorphous silicon has had a great development in standard systems of superstrate configuration, but its limited efficiency makes its survival de¬pendant on the development of formats in substrate configuration with low cost flexible materials. In this approach, the laser industrial solutions cur¬rently available for the monolithic interconnection are not applicable, and in the last few years the investigations have been focused on the search of appropriate solutions for the development of such interconnection processes in a way that the same are transferable to the industry. In this context, this Thesis proposes a totally original approach, proving the possibility of executing a full interconnection of these devices by means of irradiation from the film side, i.e., compatible with the substrate con¬figuration, and with UV laser sources. This result, obtained for the first time at international level in this work, provides a revealing knowledge of the true potential of these sources in the future industrial development of these technologies. Even though very probably the final industrial solution will require a combination of the use of UV sources along with other wave¬lengths, this Thesis and its novel approach contribute with a high value to the international community because of the originality of the approach, the partial results found throughout its development (out of which, a large number has appeared in JCR journals that currently accumulate a signifi¬cant number of citations) and brings to light, with the pertinent scientific considerations, the intrinsic limitations that the selective direct ablation processes with UV laser present in the temporal range of interaction of ns and ps for part of the materials used in this study. More particularly, the three standard steps of interconnection (usually de¬nominated P1, P2 and P3 in the photovoltaic industry) have been developed and optimized, showing the advantages as well as the limitations of the use of UV sources in both the ns and ps pulse-width ranges. It is highly remark¬able, because of the success in the obtained results, the study of selective ablation processes in transparent conductive oxide (in this work used as a front and back contact), that has generated results, of excellent interna¬tional scientific reception, whose applications go beyond the scope of thin film photovoltaic technologies based on amorphous silicon. Moreover, in this Thesis, with the development of the mentioned goal, differ¬ent techniques of analysis of laser processes have been fine-tuned, basing the same in advanced methods for material characterization (like the combined use of EDX Analysis and Confocal Laser Scanning Microscopy) that can be presented as true breakthroughs in the development of specific techniques for characterization in the study of laser processes of selective ablation of materials in thin film technologies, processes that not only have impact in the photovoltaic field, but also in those of microelectronics, biotechnology, micro-fabrication, etc. As an additional outcome, part of the results of this work has been suc¬cessfully applied, by the investigation group to which the author belongs, to the development of processes of enormous interest within other photo¬voltaic technologies, such as the standard technologies on amorphous silicon over glass in superstrate configuration or the processing of thin layers in conventional technologies using crystalline silicon. Lastly, it is important to mention that this work has been possible thanks to the close cooperation between the Centro L´aser of the UPM, in which the author develops her work, and the Grupo de Silicio Depositado of Centro de Investigaciones Energ´eticas, Medioambientales y Tecnol´ogicas, CIEMAT, which, along with the Grupo de Energ´ıa Fotovoltaica of Univer¬sidad de Barcelona, has prepared the largest part of the samples utilized in this study. Such collaborations have been carried out in the context of several projects of applied investigation with public funding, like Proyecto Singular Estrat´egico PSE-MICROSIL08 (PSE-120000-2006-6), Proyecto IN-NDISOL (IPT-420000-2010-6), both funded by the European Regional De¬velopment Fund (ERDF), ”Una manera de hacer Europa” and MICINN, and the projects of Plan Nacional AMIC (ENE2010-21384-C04-02) and ´ CLASICO (ENE2007-6772-C04-04), whose funds have enabled the devel-opment of large part of this work.

Opto-optical modulation in N-(p-methoxybenzylidene)-p-butylaniline

A method of opto-optical modulation in liquid crystals is reported. An Ar+-laser beam is employed to modulate a second He–Ne laser. The highest frequency achieved was 1.5 × 103 pulses per second with input modulating powers smaller than 10 mW. A homeotropic N-(p-methoxybenzylidene)-p-butylaniline liquid-crystal cell was employed as the nonlinear medium.

Nuevos materiales para nuevas tecnologías electrónicas

La Electrónica y la Química Orgánica, que han sido campos separados durante muchos años, se están acercando rápidamente en la actualidad. De un tiempo a esta parte han surgido bastantes áreas de interés común, en las que ambas ciencias aparecen como complementarias. Este trabajo se concentra en tres de estas áreas: la primera, adhesivos y compuestos afines, es un ejemplo clásico de los materiales que han sido desarrollados por la Química Orgánica para usos electrónicos; la segunda, cristales líquidos, es una reciente contribución a la Electrónica en la cual se sigue investigando intensamente; la tercera, semiconductores orgánicos, predice una relación aún más próxima de estos dos campos a corto y medio plazo.

Reconstrucción de imágenes tomográficas: técnicas en el dominio de la frecuencia

La tomografía transaxial es una técnica radiográfica, que permite obtener imágenes de secciones bidimensionales, pertenecientes a estructuras tridimensionales mediante la exploración apropiada y utilizando algún tipo de radiación. En este trabajo se presentan los principios básicos de esta técnica, así como una visión general de los métodos de reconstrucción basados en el análisis de Fourier y sus respectivas versiones discretas con vista a su tratamiento en ordenadores digitales.

Análisis de la situación en el área de los nuevos materiales

En el presente artículo se realiza un breve estudio de la situación de los nuevos materiales, analizando, primero, qué bloques componen este campo. Se pasa revista a los metales, a las cerámicas, a los plásticos y a los materiales compuestos, concluyendo con un bloque final de materiales electrónicos y ópticos, especialmente con los segundos, dada su relativa novedad. A continuación se exponen algunos puntos sobre la situación mundial, concluyendo con la situación en nuestro país.

Cristales líquidos: bases de su comportamiento I

En este primer artículo, de una serie de tres,se presentan las principales clases de cristales líquidos existentes, así como las configuraciones más usuales de trabajo. Se presentan algunas formas de fabricación de células, y se dan las bases físicas de su comportamiento óptico, eléctrico y magnético. Finalmente se ofrece una panorámica global de sus principales aplicaciones.

Cristales líquidos: Nuevas aplicaciones (y III)

En este último artículo de la serie se presentan algunos desarrollos que ofrecen nuevas posibles aplicaciones de los cristales líquidos. El énfasis se da a moduladores, deflectores, biestables ópticos y moduladores optoópticos.

Estado actual de las comunicaciones ópticas

Dentro de una panorámica no completa, se ofrece una situación actual de algunos de los temas más significativos de las Comunicaciones Ópticas. El análisis se centra, esencialmente, en las fibras mono y multimodo; en las de características especiales de uso en comunicaciones coherentes; en los componentes activos; en las redes locales y en los cables submarinos.

Panorámica global de la computación óptica. Una visión parcial

En el presente artículo se ofrece una visión panorámica de la situación actual de la Computación Óptica, dándose unas breves ideas de algunos de los temas fundamentales que abarca. Se pone especial énfasis en el aspecto de continuidad con tecnologías ya sobradamente conocidas desde hace varias décadas y se intenta pronosticar cuál será su posible futuro en los próximos años.

Sobre determinismo, historia y formación

El presente artículo trata de presentar algunos conceptos y algunas ideas que, a juicio del autor, deberían estar presentes en la formación de los ingenieros. En concreto, se indica la conveniencia de mostrar la influencia que puede tener la Tecnología sobre el desarrollo de la Sociedad, a través de las lecciones que de la enseñanza de la historia de aquella se pueden obtener

Reconstrucción de imágenes tomográficas: técnicas en el dominio real

La tomografía transaxial es una técnica radiográfica, que permite obtener imágenes de secciones bidimensionales, pertenecientes a estructuras tridimensionales mediante la exploración apropiada y utilizando algún tipo de radiación. En este trabajo se presentan algunos de los algoritmos de reconstrucción, que tienen como característica común, el procesamiento de los datos directamente en el dominio real, excluyendo cualquier otro tipo de manipulación. Asimismo, se incluye una breve introducción a los métodos de reconstrucción analógicos.

Chaos synchronization in optically programmable logic cells

A possible approach to the synchronization of chaotic circuits is reported. It is based on an Optically Programmable Logic Cell and the signals are fully digital. A method to study the characteristics of the obtained chaos is reported as well as a new technique to compare the obtained chaos from an emitter and a receiver. This technique allows the synchronization of chaotic signals. The signals received at the receiver, composed by the addition of information and chaotic signals, are compared with the chaos generated there and a pure information signal can be detected. Its application to cryptography in Optical Communications comes directly from these properties. The model here presented is based on a computer simulation.

Image processing based on a model of the mammalian retina

A first study in order to construct a simple model of the mammalian retina is reported. The basic elements for this model are Optical Programmable Logic Cells, OPLCs, previously employed as a functional element for Optical Computing. The same type of circuit simulates the five types of neurons present in the retina. Different responses are obtained by modifying either internal or external connections. Two types of behaviors are reported: symmetrical and non-symmetrical with respect to light position. Some other higher functions, as the possibility to differentiate between symmetric and non-symmetric light images, are performed by another simulation of the first layers of the visual cortex. The possibility to apply these models to image processing is reported.

Sequences of bifurcations and transition to chaos in an optical processing element

Digital chaotic behaviour in an Optical-Processing Element is reported. It is obtained as the result of processing two fixed trains of bits. Period doublings in a Feigenbaum-like scenario have been obtained. A new method to characterize digital chaos is reported