Design and development of multichannel optical systems for imaging and non imaging applications

Resumen

Desde el comienzo de la historia de la ciencia y la tecnología, la humanidad ha buscado inspiración en las maravillas creadas por la Naturaleza y la evolución natural. A lo largo del último siglo, varias invenciones importantes fueron inspiradas por mecanismos biológicos encontrados en diversos organismos naturales: desde la invención del Velcro – inspirado por la forma en que las rebabas de la planta bardana se agarran al pelo – hasta el desarrollo de nuevas tecnologías energéticas. Las aletas de la ballena jorobada han servido de inspiración a la creación de turbinas de viento de potencia superior, y los vórtices producidos por cardúmenes de peces inspiraron una nueva optimización en la disposición espacial de parques eólicos. La óptica no es una excepción. Uno de los retos más importantes del diseño óptico es lograr sistemas ópticos de dimensiones cada vez más reducidas, y campos de visión y aceptancia más amplios. La evolución natural descubrió la solución en sistemas de visión de algunos invertebrados, como por ejemplo las moscas – el ojo compuesto. El ojo compuesto consiste en un número amplio de sistemas de visión de dimensiones reducidas dispuestos en una macro superficie curva, capaces de capturar un campo de visión amplio manteniendo pequeñas dimensiones. El concepto de ojo compuesto ha sido adaptado al campo del diseño óptico, y en el último cuarto de siglo diferentes tipos de sistemas ópticos multicanal han sido desarrollados a partir de él. De forma similar al funcionamiento del ojo compuesto, en los sistemas multicanal la luz es divida y transmitida a través de diferentes canales y luego recombinada, de forma óptica o electrónica. Los sistemas multicanal tienen aplicación en óptica de formación de imagen y anidólica (nonimaging). En aplicaciones de formación de imagen, las ópticas con aperturas múltiples han sido investigadas para lograr la miniaturización, y para conseguir alta resolución en sectores específicos del campo de visión. La segmentación del campo de visión soluciona el compromiso entre una distancia focal corta y un amplio campo de visión, logrando unareducción de la longitud total del sistema óptico. El concepto de multicanal fue aplicado a tecnologías tales como sensores de visión, Head Mounted Displays y cámaras entre otros. La óptica anidólica (nonimaging) es una rama de la óptica que se centra en la transferencia eficiente de luz entre una fuente y un receptor. Se trata de la mejor herramienta para el diseño de concentradores solares y sistemas de iluminación, así como otras aplicaciones. El término nonimaging proviene del hecho que no existe la necesidad de formar un imagen de la fuente, y su único objetivo es la transferencia eficiente de la luz, lo que crea una mayor libertad para el diseño de sistemas. En el ámbito de la óptica anidólica, los sistemas multicanal han sido usados en iluminación y en concentración fotovoltaica (CPV), a través de su combinación con métodos avanzados tales como él método de diseño de Superficies Múltiples Simultáneas (SMS) y la integración Köhler para el diseño de superficies freeform. La concentración fotovoltaica (CPV) es una tecnología que consiste en un sistema óptico de concentración que enfoca la luz solar en una célula fotovoltaica. El principal objetivo de esta tecnología es disminuir el coste energético. La estrategia para lograr este objetivo se basa en dos factores: (i) a través de la concentración de la luz solar, se puede reducir sustancialmente el área de la célula fotovoltaica, ya que la óptica de concentración se usa para concentrar la luz en una célula solar mucho más pequeña (los materiales ópticos son mucho más económicos que las células solares); (ii) la reducción del área de la célula fotovoltaica por un factor de concentración permite el uso de células de alto rendimiento, que típicamente son demasiado costosas para la utilización sin concentración en aplicaciones terrestres. Los sistemas CPV tienen, típicamente, un elemento óptico primario (POE) y un elemento óptico secundario (SOE). En sistemas multicanal, el POE divide el haz incidente de rayos de luz en múltiples haces, y cada sector del SOE debe enfrentarse con un campo de visión proporcionalmente más pequeño, y proporcionar una magnificación menor. De esta forma, se consigue una aceptancia más amplia. Las lentes difractivas son otro tipo de óptica multicanal, para las que el control y la generación de frentes de onda se consigue a través de la segmentación y redirección posterior de los frentes de onda iniciales, usando interferencia y control de fase. Los elementos ópticos difractivos (DOE) han tenido aplicaciones en diferentes tipos de sistemas ópticos: inicialmente, en espectroscopía, y posteriormente, en aplicaciones tales como divisores de haz, formadores de haz láser, interconectores ópticos, etc. El uso en sistemas de formación de imagen es más reciente. En estas configuraciones, los DOEs permiten mejorar el rendimiento (a través del control de la aberración cromática de la curvatura del campo, de la reducción del tamaño y peso, logrando resolución atómica (<1nm), etc). El objetivo de esta tesis es explorar sistemas multicanal en aplicaciones formadoras de imagen y aplicaciones anidólicas, utilizando óptica geométrica y difractiva. Los sistemas multicanal se combinan con superficies freeform para obtener el máximo rendimiento. Esta tesis está dividida en cuatro capítulos: En el Capítulo 1 se presentan los conceptos fundamentales necesarios para la comprensión de los capítulos siguientes. En este capítulo, se explican algunas de las definiciones básicas de óptica geométrica, formadora de imagen y anidólica, y se introducen los sistemas multicanal y superficies freeform. Adicionalmente, los métodos de diseño óptico SMS e integración Köhler también son explicados. Los capítulos están redactados de forma independiente, por lo que las definiciones específicas y relevantes de cada capítulo sólo se presentan en el mismo capítulo, una vez que los conceptos generales quedan definidos en el Capítulo 1. En el Capítulo 2, se describe el desarrollo de un sistema CPV de alta concentración para células de múltiples uniones. Un sistema Fresnel-Köhler de nueve canales (FK9) ha sido desarrollado, utilizando una configuración multicanal y la integración Köhler. El FK9 se diseñó con vistas a superar las limitaciones actuales de los sistemas CPV y a potenciar nuevas líneas para el desarrollo de sistemas con células solares de cuatro, cinco y seis uniones. Cada canal del FK9 usa la integración Köhler, consiguiendo una irradiancia con distribución uniforme, tanto espectral como espacial, y un amplio ángulo de aceptancia. En este capítulo se definen los conceptos fundamentales de la tecnología CPV, se introduce el procedimiento de diseño del FK9, y se demuestra, a través de simulaciones de trazado de rayos, el buen comportamiento del FK9 en sus principales indicadores de rendimiento: elevado factor de concentración, alta tolerancia de fabricación, alta eficiencia óptica e irradiancia uniforme sobre la superficie de la célula. Se ha realizado un estudio comparativo entre diferentes concentradores, en el cual se demuestra que el FK9 mantiene un alto rendimiento incluso bajo niveles muy altos de concentración (2000x) y de temperatura ambiente (45ºC). En este capítulo también se introduce la Lente de Fresnel con punto focal variable (FL-VFP) como un nuevo diseño que viene a evitar la diafonía de la luz entre diferentes canales, es decir, que la luz de un canal acabe siendo transmitida por otro, que es unos de los principales problemas de los sistemas multicanal. La F-VFP impide que la luz incidente en puntos extremos de la lente incida en los demás canales del sistema, mejorando el rendimiento y el ángulo de aceptancia del FK9. El Capítulo 3 se centra en la extensión de método SMS, un método de diseño basado en óptica geométrica, para el diseño de superficies ópticas difractivas. Este método consiste en el cálculo directo y simultáneo (sin procesos de optimización) de superficies difractivas y refractivas/reflectivas. Utilizando las propiedades de cambio de fase de elementos difractivos como un grado extra de libertad, se controlan dos rayos por cada punto de cada superficie difractiva. Se introduce el concepto de Óvalo Difractivo Generalizado (en geometría 3D) y se presenta el método SMS difractivo (en 2D) como una aplicación secuencial del procedimiento de diseño del Óvalo Difractivo Generalizado. El método permite reducir el número de elementos en un sistema, luego permite disminuir el tamaño y el peso. Se han implementado con éxito algunos ejemplos de una superficie freeform difractiva acoplando dos frentes de onda y un lente 2D híbrida controlando tres frentes de onda con diferentes longitudes de onda. En el Capítulo 4 se explora la caracterización experimental de una lente freeform de doble canal, para un Head Mounted Display. Actualmente, los métodos de diseño óptico y la tecnología de fabricación de óptica freeform ya permiten la fabricación de superficies con alta precisión. Sin embargo, la medición precisa de las superficies fabricadas sigue siendo un reto difícil, y sobre todo en los sistemas multicanal, por las discontinuidades entre canales. En el análisis se han usado dos tecnologías de punta de metrología de superficies freeform. La caracterización experimental ha consistido en medidas de topografía de las superficies y de rugosidad. Asimismo, se ha comparado el rendimiento de las lentes reales con la lente de diseño, a través del uso de interpolación polinomial y de simulaciones.