Diseño de multiples superficies ópticas sin simetría en tres dimensiones (2008)

Esta Tesis Doctoral se centra en el desarrollo de un nuevo metodo de diseno optico y sus aplicaciones dentro del campo de la Optica Anidolica u Optica no formadora de imagen. Esta rama de la Optica nacio para solucionar problemas donde la formacion de imagen no era un requisito y cuyo objetivo principal era el de conseguir una alta eficiencia en la transferencia de potencia luminosa. En el capitulo 1 se introducen los conceptos basicos de la Optica Anidolica. A la introduccion le siguen los capitulos que contienen el trabajo original que da motivo a esta tesis. Este contenido se divide en dos partes, una primera de caracter teorico (que comprende los capitulos 2 y 3) y una enfocada a las aplicaciones (capitulos 4 y 5). El capitulo 2 presenta el nuevo metodo de diseno, bautizado como el metodo de diseno de Superficies Multiples Simultaneas en tres (SMS3D). Es una generalizacion del metodo del mismo nombre en dos dimensiones (SMS2D). La extension del metodo a tres dimensiones da lugar al diseno de superficies sin simetria (o anamorficas), lo que permite un control muy superior a la luz, y lo hace especialmente interesante en problemas donde las opticas con simetrias clasicas (revolucion y traslacion) no proporcionan una solucion satisfactoria. El uso de superficies sin simetria en el pasado ha estado muy restringido en la Optica por la dificultad tecnica en su fabricacion con la precision necesaria, restriccion que esta siendo superior gracias a la rapida evolucion de los tornos mecanicos con punta de diamante de tres o mas ejes. En el capitulo 3 se expone un nuevo concepto de diseno denominado Compresion de Etendue, que permite romper una limitacion que impone en tres dimensiones la presencia de planos de simetria en sistemas opticos (tanto clasico como anamorficos). Este concepto produce grados de libertad adicionales durante el proceso de diseno optico, de interes en aplicaciones donde las soluciones simetricas no consiguen cumplir simultaneamente las especificaciones opticas y las rrestricciones volumetricas. En la segunda parte de esta tesis (capitulos 4 y 5) se presenta el diseno de dispositivos enfocados a aplicaciones especificas y disenados con el metodos SMS3D, asi como resultados de su modelado y fabricacion de prototipos con superficies sin simetria. El Capitulo 4 expone dos disenos opticos novedosos de condensadores para aplicaciones de proyeccion y displays. Son disenos SMS3D de la familia XX, compuestos por dos espejos sin simetria enfocados a la coleccion eficiente de luz de lamparas de arco o de filamento sobre un receptor plano. En el primer diseno el receptor es rectangular, y demuestra como el SMS3D puede resolver un problema de diseno de forma mucho mas eficiente (hasta un 100% mas en el ejemplo considerado) que la solucion clasica con simetria de revolucion (el condensador eliptico), acercandose al limite teorico que marca la conservacion de la etendue. En el segundo diseno se utiliza el SMS3D combinado con la tecnica Compresion de Etendue para una receptor circular, con eficiencias superiores en hasta un 40% a las del condensador eliptico. Se presenta ademas un prototipo demostrador del primer diseno, fabricado por electroformado de Niquel. En el Capitulo 5 se muestra otro dispositivo SMS3D novedoso, el RXI, para la aplicacion de iluminacion de LEDs en el sector de faros automotrices. No solo este diseno consigue una mejora significativa de eficiencia respecto a soluciones alternativas, sino que tiene caracteristicas practicas (alta compacidad, fabricacion en una sola pieza) que lo hacen unico. Se han fabricado prototipos por mecanizado directo e inyeccion de plastico, demostrando eficiencias opticas medidas de hasta el 81%. Finalmente, en el Capitulo 6 se presentan las conclusiones y lineas futuras de investigacion.