Diseño de multiples superficies ópticas sin simetría en tres dimensiones

Resumen

Esta Tesis Doctoral se centra en el desarrollo de un nuevo método de diseño óptico y sus aplicaciones dentro del campo de la Óptica Anidólica u Óptica no formadora de imagen. Esta rama de la Óptica nació para solucionar problemas donde la formación 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 capítulo 1 se introducen los conceptos básicos de la Óptica Anidólica. A la introducción le siguen los capítulos que contienen el trabajo original que da motivo a esta tesis. Este contenido se divide en dos partes, una primera de carácter teórico (que comprende los capítulos 2 y 3) y una enfocada a las aplicaciones (capítulos 4 y 5). El capítulo 2 presenta el nuevo método de diseño, bautizado como el método de diseño de "Superficies Múltiples Simultáneas en tres dimensiones" (SMS3D). Es una generalización del método del mismo nombre en dos dimensiones (SMS2D). La extensión del método a tres dimensiones da lugar al diseño de superficies sin simetría (o anamórficas), lo que permite un control muy superior a la luz, y lo hace especialmente interesante en problemas donde las ópticas con simetrías clásicas (revolución y traslación) no proporcionan una solución satisfactoria. El uso de superficies sin simetría en el pasado ha estado muy restringido en la Óptica por la dificultad técnica en su fabricación con la precisión necesaria, restricción que está siendo superior gracias a la rápida evolución de los tornos mecánicos con punta de diamante de tres o más ejes. En el capítulo 3 se expone un nuevo concepto de diseño denominado Compresión de Etendue, que permite romper una limitación que impone en tres dimensiones la presencia de planos de simetría en sistemas ópticos (tanto clásico como anamórficos). Este concepto produce grados de libertad adicionales durante el proceso de diseño óptico, de interés en aplicaciones donde las soluciones simétricas no consiguen cumplir simultáneamente las especificaciones ópticas y las rrestricciones volumétricas. En la segunda parte de esta tesis (capítulos 4 y 5) se presenta el diseño de dispositivos enfocados a aplicaciones específicas y diseñados con el métodos SMS3D, así como resultados de su modelado y fabricación de prototipos con superficies sin simetría. El Capítulo 4 expone dos diseños ópticos novedosos de condensadores para aplicaciones de proyección y displays. Son diseños SMS3D de la familia XX, compuestos por dos espejos sin simetría enfocados a la colección eficiente de luz de lámparas de arco o de filamento sobre un receptor plano. En el primer diseño el receptor es rectangular, y demuestra como el SMS3D puede resolver un problema de diseño de forma mucho más eficiente (hasta un 100% más en el ejemplo considerado) que la solución clásica con simetría de revolución (el condensador elíptico), acercándose al límite teórico que marca la conservación de la etendue. En el segundo diseño se utiliza el SMS3D combinado con la técnica Compresión de Etendue para una receptor circular, con eficiencias superiores en hasta un 40% a las del condensador elíptico. Se presenta además un prototipo demostrador del primer diseño, fabricado por electroformado de Niquel. En el Capítulo 5 se muestra otro dispositivo SMS3D novedoso, el RXI, para la aplicación de iluminación de LEDs en el sector de faros automotrices. No sólo este diseño consigue una mejora significativa de eficiencia respecto a soluciones alternativas, sino que tiene características prácticas (alta compacidad, fabricación en una sola pieza) que lo hacen único. Se han fabricado prototipos por mecanizado directo e inyección de plástico, demostrando eficiencias ópticas medidas de hasta el 81%. Finalmente, en el Capítulo 6 se presentan las conclusiones y líneas futuras de investigación.