@unpublished{upm21776,
            year = {2013},
           title = {Optical systems design using the SMS method and optimizations},
          school = {Telecomunicacion},
             doi = {10.20868/UPM.thesis.21776},
            note = {Unpublished},
          author = {Infante Herrero, Jose Manuel},
             url = {https://oa.upm.es/21776/},
        abstract = {Resumen  El dise{\~n}o de sistemas {\'o}pticos, entendido como un arte por algunos, como una ciencia por otros, se ha realizado durante siglos. Desde los egipcios hasta nuestros d{\'i}as los sistemas de formaci{\'o}n de imagen han ido evolucionando as{\'i} como las t{\'e}cnicas de dise{\~n}o asociadas. Sin embargo ha sido en los {\'u}ltimos 50 a{\~n}os cuando las t{\'e}cnicas de dise{\~n}o han experimentado su mayor desarrollo y evoluci{\'o}n, debido, en parte, a la aparici{\'o}n de nuevas t{\'e}cnicas de fabricaci{\'o}n y al desarrollo de ordenadores cada vez m{\'a}s potentes que han permitido el c{\'a}lculo y an{\'a}lisis del trazado de rayos a trav{\'e}s de los sistemas {\'o}pticos de forma r{\'a}pida y eficiente.  Esto ha propiciado que el dise{\~n}o de sistemas {\'o}pticos evolucione desde los dise{\~n}os desarrollados {\'u}nicamente a partir de la {\'o}ptica paraxial hasta lo modernos dise{\~n}os realizados mediante la utilizaci{\'o}n de diferentes t{\'e}cnicas de optimizaci{\'o}n multiparam{\'e}trica.  El principal problema con el que se encuentra el dise{\~n}ador es que las diferentes t{\'e}cnicas de optimizaci{\'o}n necesitan partir de un dise{\~n}o inicial el cual puede fijar las posibles soluciones. Dicho de otra forma, si el punto de inicio est{\'a} lejos del m{\'i}nimo global, o dise{\~n}o {\'o}ptimo para las condiciones establecidas, el dise{\~n}o final puede ser un m{\'i}nimo local cerca del punto de inicio y lejos del m{\'i}nimo global. Este tipo de problem{\'a}tica ha llevado al desarrollo de sistemas globales de optimizaci{\'o}n que cada vez sean menos sensibles al punto de inicio de la optimizaci{\'o}n. Aunque si bien es cierto que es posible obtener buenos dise{\~n}os a partir de este tipo de t{\'e}cnicas, se requiere de muchos intentos hasta llegar a la soluci{\'o}n deseada, habiendo un entorno de incertidumbre durante todo el proceso, puesto que no est{\'a} asegurado el que se llegue a la soluci{\'o}n {\'o}ptima.  El m{\'e}todo de las Superficies M{\'u}ltiples Simultaneas (SMS), que naci{\'o} como una herramienta de c{\'a}lculo de concentradores anid{\'o}licos, se ha demostrado como una herramienta tambi{\'e}n capaz utilizarse para el dise{\~n}o de sistemas {\'o}pticos formadores de imagen, aunque hasta la fecha se ha utilizado para el dise{\~n}o puntual de sistemas de formaci{\'o}n de imagen.  Esta tesis tiene por objeto presentar el SMS como un m{\'e}todo que puede ser utilizado de forma general para el dise{\~n}o de cualquier sistema {\'o}ptico de focal fija o v  afocal con un aumento definido as{\'i} como una herramienta que puede industrializarse para ayudar al dise{\~n}ador a afrontar de forma sencilla el dise{\~n}o de sistemas {\'o}pticos complejos.  Esta tesis est{\'a} estructurada en cinco cap{\'i}tulos:  El cap{\'i}tulo 1, es un cap{\'i}tulo de fundamentos donde se presentan los conceptos fundamentales necesarios para que el lector, aunque no posea una gran base en {\'o}ptica formadora de imagen, pueda entender los planteamientos y resultados que se presentan en el resto de cap{\'i}tulos  El capitulo 2 aborda el problema de la optimizaci{\'o}n de sistemas {\'o}pticos, donde se presenta el m{\'e}todo SMS como una herramienta id{\'o}nea para obtener un punto de partida para el proceso de optimizaci{\'o}n. Mediante un ejemplo aplicado se demuestra la importancia del punto de partida utilizado en la soluci{\'o}n final encontrada. Adem{\'a}s en este cap{\'i}tulo se presentan diferentes t{\'e}cnicas que permiten la interpolaci{\'o}n y optimizaci{\'o}n de las superficies obtenidas a partir de la aplicaci{\'o}n del SMS. Aunque en esta tesis se trabajar{\'a} {\'u}nicamente utilizando el SMS2D, se presenta adem{\'a}s un m{\'e}todo para la interpolaci{\'o}n y optimizaci{\'o}n de las nubes de puntos obtenidas a partir del SMS3D basado en funciones de base radial (RBF).  En el cap{\'i}tulo 3 se presenta el dise{\~n}o, fabricaci{\'o}n y medidas de un objetivo catadi{\'o}ptrico panor{\'a}mico dise{\~n}ado para trabajar en la banda del infrarrojo lejano (8-12 {\ensuremath{\mu}}m) para aplicaciones de vigilancia perimetral. El objetivo presentado se dise{\~n}a utilizando el m{\'e}todo SMS para tres frentes de onda de entrada utilizando cuatro superficies. La potencia del m{\'e}todo de dise{\~n}o utilizado se hace evidente en la sencillez con la que este complejo sistema se dise{\~n}a. Las im{\'a}genes presentadas demuestran c{\'o}mo el prototipo desarrollado cumple a la perfecci{\'o}n su prop{\'o}sito.  El cap{\'i}tulo 4 aborda el problema del dise{\~n}o de sistemas {\'o}pticos ultra compactos, se introduce el concepto de sistemas multicanal, como aquellos sistemas {\'o}pticos compuestos por una serie de canales que trabajan en paralelo. Este tipo de sistemas resultan particularmente id{\'o}neos para {\'e}l dise{\~n}o de sistemas afocales. Se presentan estrategias de dise{\~n}o para sistemas multicanal tanto monocrom{\'a}ticos como policrom{\'a}ticos. Utilizando la novedosa t{\'e}cnica de dise{\~n}o que en este cap{\'i}tulo se presenta el dise{\~n}o de un telescopio de seis aumentos y medio.  En el cap{\'i}tulo 5 se presenta una generalizaci{\'o}n del m{\'e}todo SMS para rayos meridianos. En este cap{\'i}tulo se presenta el algoritmo que debe utilizarse para el dise{\~n}o de cualquier sistema {\'o}ptico de focal fija. La denominada optimizaci{\'o}n fase 1 se vi  introduce en el algoritmo presentado de forma que mediante el cambio de las condiciones in{\'i}ciales del dise{\~n}o SMS que, aunque el dise{\~n}o se realice para rayos meridianos, los rayos skew tengan un comportamiento similar. Para probar la potencia del algoritmo desarrollado se presenta un conjunto de dise{\~n}os con diferente n{\'u}mero de superficies. La estabilidad y potencia del algoritmo se hace evidente al conseguirse por primera vez el dise{\~n}o de un sistema de seis superficies dise{\~n}ado 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.}
}