Design and development of thin optical components for nonimaging applications = Diseño y desarrollo de componentes ópticos delgados para aplicaciones anidólicas

Abstract

Classical optics has focused grounded in the design of imaging systems in which it has reached a high level of development. However, classical optics solutions to the problems of light energy transfer are only appropriate when the light rays are paraxial. The paraxial condition is not met in most applications for the concentration and illumination. Nonimaging optics eliminates the constraints of image formation and solves problems of efficient light transfer. Moreover, in general, these new optical systems can be made with fewer components and thus with more tolerance to manufacturing errors. This makes nonimaging optics an essential tool in the optic designs for illumination systems, concentrating photovoltaic, among others. Illumination systems are designed to achieve a specific illuminance distribution. An example is backlight system used for the LCD illumination (screens of mobile phones, computer monitors or TV). A backlight behaves as a square light source that emits light uniformly across its exit surface toward the LCD screen. In this thesis, the backlight is designed using the flow line design method. The light coming from LEDs enters the backlight by one of its side being confined within it first, and then extracted toward the LCD by a micro-structured (sawtooth type) surface properly calculated and distributed along the guide. Another field of application of nonimaging optics is in concentrating photovoltaic. Concentration is a technique that seeks to minimize the cost of the photovoltaic systems using high-efficient solar cells. Due to high cost of the cells, these systems are interesting only if the required solar cell area is reduced by using an optical concentrator. Nonimaging concentrators are well suited for the collection of solar energy, because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun, but instead the collection of its energy. Most of the concentrators comprise two optical elements, the primary reflector (X) and the secondary lens (R). The use of reflectors for concentration is highly desirable for several reasons: They result in very compact systems (such as XR concentrators), has no chromatic aberration and use very little material. The main disadvantage of the high-reflective mirrored reflectors is their high cost. In order to reduce the cost of the system, the mirrored reflectors can be replaced by metal-less TIR grooved reflectors. A design procedure for these grooved reflectors is presented in this thesis. Most of the optical systems designed for nonimaging aplications are free-form. These systems are formed by specific surfaces without symmetry. The absence of the restriction of symmetry allows us to design systems with less surfaces and more efficient. Free.form optical systems become especially relevant lately with the development of molding machines, for example 5-axis diamond turning machine. Although some components are very complicated for shaping, the manufacturing costs are relatively insensitive to the complexity of the mold especially in the case of mass production (such as plastic injection), as the cost of the mold is spread in many parts. The volume of the used material for each component is very important for mass manufacturing. This is for two reasons: the price of the material itself and the loss of efficiency that is usually associated with the components that use a lot of material. So, thin optical systems (small volume but large surface area) have big potential to replace the conventional systems. In this thesis, several design methods, such as the Simultaneous Multiple Surface method in two and three dimensions (SMS2D and SMS3D) and the flow line design method, are explained. These methods are based on very efficient control of the light flow, providing excellent results in the nonimaging optic designs. The thesis comprises seven chapters. In the first chapter, an introduction to nonimaging optics with some basic concepts is given. In Chapters 2-7 there are presented few thin nonimaging components made of plastic. Chapter 2 presents the design of geodesic lenses applied to the various illumination systems. These lenses are well known but their application in illumination systems is novel. This chapter describes a general mathematical procedure for the geodesic lens designs. A few applications in illumination systems are presented, as well. Chapter 3 deals with the backlight illumination systems for the LCD. The problem of uniform illumination of the LCD is resolved using a thin dielectric light guide. The control of light along the guide is achieved using a nonimaging design method, the flow-line method. Few designs are presented and compared. All presented designs provide high uniformity of irradiance pattern. Chapter 4 describes the modeling, fabrication and characterization of a backlight design. The experimental results are not as good as the theoretical results due to surface errors and roughness. These surface errors have dropped the backlight efficiency, but the uniformity of the irradiance pattern has not decreased significantly. Chapters 5 and 6 present designs of free-form V-groove reflectors in two and three dimensions. The goal is to develop a procedure for metal-less grooved reflector construction. In Chapter 5, it is explained a general design procedure for V-groove reflectors in two dimensions. The design problem is to achieve perfect coupling of two wavefronts after two reflections at the groove, no matter which side of the groove the rays hit first. The design procedure comprises two steps: a mathematical analysis of the functional differential equations and the SMS design method. All presented 2D V-groove reflectors show very good performances. The V-groove design procedure has been extended into three dimensions in Chapter 6. This chapter explains design of metal-less grooved reflectors. In order to analyze the potential of the TIR reflectors a thin dielectric sheet acting as a parabolic mirror was developed and fabricated. The experimental results of this first prototype show good reflectivity. In Chapter 7 it is presented a metal-less LED RI3R collimator (RI3R means refraction, total internal refraction three times and another refraction). Unlike to the conventional RXI collimators, this collimator does not need any metalization. One of its side is a properly calculated grooved surface that reflects the rays by two TIR reflections, acting as a mirrored surface in the conventional RXI. The main advantage of the presented design is lower manufacturing cost since there is no need for the expensive process of metalization. Also, unlike to the conventional RXI collimators this design performs good colour mixing. The experimental measurements of the first prototype show good optic efficiency. This thesis demonstrates that nonimaging optic designs can achieve highly effective illumination systems, such as presented backlights and RI3R collimator. The absence of mirrored surface in presented devices makes them cheap especially when mass production via injection molding is applied. Resumen La óptica clásica se ha centrado siempre en el diseño de sistemas formadores de imagen, donde se ha logrado un nivel de desarrollo considerable. No obstante, las soluciones ofrecidas por la óptica clásica al problema de transferencia de energía luminosa son solamente apropiadas cuando los rayos de luz son paraxiales. En una gran cantidad de aplicaciones para concentración e iluminación, no se cumple que los rayos sean paraxiales. La óptica anidólica elimina las restricciones impuestas por la formación de imagen y es capaz de resolver los problemas para una transferencia de luz eficiente. Además, en general, estos novedosos sistemas ópticos pueden ser realizados con una menor cantidad de componentes, por lo que su tolerancia a errores de fabricación es mayor. Esto hace de la óptica anidólica una herramienta esencial en el diseño óptico para sistemas de iluminación y concentración fotovoltaica entre otros. Los sistemas de iluminación están diseñados para lograr una distribución de iluminación específica. Un ejemplo de ello son los sistemas backlight usados para la iluminación de sistemas LCD (pantallas para terminales de telefonía móvil, monitores de ordenador o televisión). Un sistema backlight se comporta como una fuente de luz cuadrada que emite luz de forma uniforme a lo largo de su superficie de salida hacia la pantalla LCD. En esta tesis presentaremos un sistema backlight diseñado por el método de las líneas de flujo. La luz proveniente de los LEDs penetra dentro del backlight a través de uno de sus extremos y es confinada en su interior para luego ser expulsada hacia el LCD a través de una superficie basada en una micro-estructura con perfil en forma de diente de sierra, calculada y distribuida a lo largo de la guía. Otro campo de aplicación de la óptica anidólica es la concentración fotovoltaica. La concentración es una técnica por la que se minimiza el coste de los sistemas fotovoltaicos mediante el uso de células solares de alta eficiencia. Debido al alto coste de este tipo de células, estos sistemas son interesantes sólo si se consigue reducir ostensiblemente el área de la célula usando un concentrador óptico. Los concentradores no formadores de imagen (anidólicos) son apropiados para la colección de energía solar porque el objetivo no es una reproducción exacta de la imagen del sol sobre la célula, sino “simplemente” la colección de su energía. Muchos concentradores se componen de dos elementos ópticos, a saber: elemento primario reflectivo (X) y elemento secundario refractivo (R). El uso de elementos reflectivos en concentración ofrece varios puntos positivos: los sistemas resultantes son muy compactos (como los concentradores XR), no presentan aberraciones cromáticas y usan muy poca cantidad de material. La principal desventaja de los espejos de alta reflectividad reside en su elevado coste. Para reducir el coste del sistema, los espejos reflectivos pueden ser sustituidos por reflectores no metálicos con surcos TIR. En esta tesis se presenta un procedimiento para diseñar este tipo de reflectores con surcos. Una gran parte de los sistemas ópticos diseñados para aplicaciones anidólicas carecen de simetría alguna (son free-form). La ausencia de toda restricción de simetría nos permite diseñar sistemas con menos superficies y más eficientes. Los sistemas ópticos free-form son especialmente relevantes desde el desarrollo de máquinas de moldeo, por ejemplo el torno de cinco ejes con punta de diamante. A pesar de que algunos componentes son muy difíciles de moldear, los costes de fabricación son relativamente insensibles a la complejidad del molde, especialmente en el caso de producción de masa (como la inyección de plástico), porque el coste del molde se divide en distintas partes. El volumen del material usado para cada componente es muy importante en la fabricación en masa. Esto se debe a dos razones: el precio del material en sí y las pérdidas de eficiencia, que vienen normalmente asociadas a los componentes que utilizan mucha cantidad de material. Por tanto, los sistemas ópticos delgados (volumen reducido pero elevada superficie) presentan un gran potencial para reemplazar a los sistemas convencionales. En esta tesis varios métodos de diseño, como el de las Múltiples Superficies Simultáneas (Simultaneous Multiple Surface en la literatura anglosajona) en dos y tres dimensiones (SMS2D y SMS3D), y el diseño de líneas de flujo, serán explicados. Estos métodos están basados en un control muy eficiente del flujo de luz, proporcionando excelentes resultados en los diseños de óptica anidólica. La tesis se compone de siete capítulos. En el primero de ellos, se hace una introducción a la óptica anidólica, incluyendo algunos conceptos básicos. En los capítulos 2-7 se presentan algunos componentes anidólicos delgados hechos en plástico. El capítulo 2 presenta el diseño de lentes geodésicas aplicado a varios sistemas de iluminación. Estas lentes son bien conocidas pero su aplicación a sistemas de iluminación es totalmente novedosa. Este capítulo describe un procedimiento matemático general para los diseños de lentes geodésicas. Asimismo se presentarán algunas aplicaciones de sistemas de iluminación. El capítulo 3 trata sobre los sistemas de iluminación backlight para LCD. El problema de la iluminación uniforme de un LCD se resuelve usando una guía de luz dieléctrica delgada. El control de la luz a lo largo de la guía se consigue utilizando un método de diseño anidólico: el método de líneas de flujo. Presentaremos y compararemos algunos diseños. Todos los diseños presentados proporcionan un patrón de irradiancia con una gran uniformidad. El capítulo 4 describe el modelado, fabricación y caracterización de un diseño backlight. Los resultados experimentales no son tan buenos como los teóricos debido a errores en la superficie y rugosidades en la misma. Estos errores en la superficie hacen que la eficiencia del sistema disminuya, pero la uniformidad del patrón de irradiancia que se consigue es casi como la teórica. Los capítulos 5 y 6 presentan diseños de reflectores free-form con surcos en dos y tres dimensiones. El objetivo es desarrollar un procedimiento para la construcción de reflectores con surcos sin metalizar. El capítulo 5 describe un procedimiento general de diseño de un reflector con surcos en dos dimensiones. El problema de diseño consiste en alcanzar un acoplamiento perfecto de dos frentes de onda tras dos reflexiones en el surco, sin importar en qué lado del surco incida la luz primero. El procedimiento de diseño se compone de dos fases: un análisis matemático de las ecuaciones diferenciales funcionales y el método de diseño SMS. Todos los reflectores con surcos 2D presentados ofrecen muy buenos funcionamientos. El procedimiento de diseño ha sido adaptado al caso tridimensional en el capítulo 6. Este sexto capítulo explica el diseño de reflectores con surcos sin metalizar en tres dimensiones. Para analizar el potencial de los reflectores TIR, se desarrolló y fabricó una lámina delgada de dieléctrico que funcionase como espejo parabólico. Los resultados experimentales de este primer prototipo muestran una buena reflectividad. En el capítulo 7 se presenta un colimador LED RI3R sin metalizar (RI3R significa refracción, refracción total interna por tres veces y otra refracción). Al contrario que en los colimadores RXI convencionales, este colimador no precisa de metalización alguna. Una de sus caras es una superficie con surcos calculada para reflejar los rayos mediante dos reflexiones TIR, actuando así como un espejo en el RXI convencional. La principal ventaja del diseño presentado aquí reside en un menor coste de fabricación ya que no hay necesidad de metalización, proceso generalmente caro. Además, contrariamente a lo que ocurre con los colimadores RXI convencionales, este diseño ofrece una buena mezcla cromática. Las medidas experimentales realizadas del primer prototipo muestran una buena eficiencia óptica. Esta tesis demuestra que los sistemas diseñados con la óptica anidólica ofrecen iluminaciones muy efectivas, tal y como se ha señalado en el caso de los backlights y del colimador RI3R. La ausencia de superficies metalizadas en los dispositivos presentados los hace ser baratos, especialmente cuando se aplica a una producción en masa de moldeo por inyección.