GENİŞ BOYUTLU DEDEKTÖRLERE UYGUN, KADEMELİ BÜYÜTMEYE SAHİP KISA KIZILÖTESİ DALGABOYLU OBJE, Thesis of Detector Systems

Download GENİŞ BOYUTLU DEDEKTÖRLERE UYGUN, KADEMELİ BÜYÜTMEYE SAHİP KISA KIZILÖTESİ DALGABOYLU OBJE and more Thesis Detector Systems in PDF only on Docsity!

4

GENİŞ BOYUTLU DEDEKTÖRLERE UYGUN, KADEMELİ BÜYÜTMEYE

SAHİP KISA KIZILÖTESİ DALGABOYLU OBJEKTİF TASARIMI VE

GELİŞTİRİLMESİ

Barış TANYELİ

YÜKSEK LİSANS TEZİ

FİZİK ANA BİLİM DALI

GAZİ ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

ŞUBAT 2022

iv GENİŞ BOYUTLU DEDEKTÖRLERE UYGUN, KADEMELİ BÜYÜTMEYE SAHİP KISA KIZILÖTESİ DALGABOYLU OBJEKTİF TASARIMI VE GELİŞTİRİLMESİ (Yüksek Lisans Tezi)

Barış TANYELİ

GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Şubat 2022

ÖZET

Kısa Kızılötesi Dalga Boyu (SWIR) aralığındaki görüntüleme sistemleri insan gözünün algılayamadığı renk bantlarında önemli bilgiler sağlayan ve son yıllarda sensör teknolojilerinde sağlanan ilerleme neticesinde oldukça yaygınlaşmakta olan sistemlerdir. SWIR görüntüleme sistemleri günümüzde askeri istihbarat, endüstriyel uygulamalar ve sağlık alanında birçok uygulamada yer edinmeye başlamıştır. Bu çalışmada, uzak mesafe gözetleme ve keşif amaçlı kullanılmak üzere sis-pus altında yüksek performans gösterebilecek ve geniş boyutlu dedektörler için uygun 3x büyütmeli objektif optik tasarımı ve analizi gerçekleştirilmiştir. Odak uzaklığı 30 mm ile 90 mm aralığında ayarlanırken, sistemin F-sayısı 2.0 değerinde sabit kalmaktadır. Bu sayede zoom yapılırken, dedektörün pozlama süresinin değiştirilmesi gerekmemektedir. Tasarım çalışmamızda, mekanik telafili büyütme yöntemi kullanılmıştır. Büyütme ve telafi grubunun yanında iletim grubu kullanılarak odak bozulmaları önlenmektedir. Bu yöntem, sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan odak bozulmalarını da en aza indirmektedir. Tasarım optimizasyon ve analiz çalışmaları ZEMAX yazılımı ile yapılmıştır. Az elemanlı ve küresel olmayan mercekler kullanılarak görüntü netlik performansı başarılı bir tasarım ortaya çıkmıştır.

Bilim Kodu : 20217 Anahtar Kelimeler : Optik Tasarım, Kısa Kızılötesi Dalga boyu Görüntüleme, Büyütmeli Mercek Objektif, ZEMAX, Sabit F-sayısı, Küresel Olmayan Mercekler, Mekanik Telafili Sistem Sayfa Adedi : 53 Danışman : Prof. Dr. Semran SAĞLAM İkinci Danışman : Dr. Öğr. Üyesi Özgür SELİMOĞLU

v DESIGN AND DEVELOPMENT OF DISCRETE ZOOM SWIR LENS SYSTEM FOR LARGE DETECTOR FORMATS (M. Sc. Thesis)

Barış TANYELİ

GAZİ UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES February 2022

ABSTRACT

Imaging systems in the Short Wave Infrared (SWIR) provide important information that are not perceived by the human eye. These systems have become very common in recent years as a result of the progress made in sensor technologies and the need also has been increased for the lens groups specifically designed for SWIR band. In this study, optical design and analysis of 3x zoom SWIR lens has been accomplished to be used with sensors up to 12 mm diagonal for long distance observation applications. The F-number value, which directly affects the amount of light collected by the lens system, has been kept as low as possible. Targeting low F-number is important as it makes SWIR lenses more effective for night time or foggy weather conditions where the illumination is limited. The focal length is adjustable between 30mm and 90mm, while the F-number of the system remains constant at 2.0. As a result of constant F-number through zoom levels, the exposure time of the detector does not need to be changed while zooming. Defocusing is prevented by design by using a second moving group (focus group) next to the magnification group and also focal distortion caused by temperature changes is minimized. The design optimization and analysis studies were done by using ZEMAX software. A design with good image performance has appeared by using aspherical lenses with few elements.

Science Code : 20217 Key Words : Optical Design, Short Wave Infrared, SWIR Imaging, Zoom Lens, ZEMAX, Fixed F-number, Aspherical Lenses, Mechanical Compensation Page Number : 53 Supervisor : Prof. Semran SAĞLAM Co Supervisor : Dr. Özgür SELİMOĞLU

vii İÇİNDEKİLER Sayfa

ÖZET ............................................................................................................................. iv

ABSTRACT................................................................................................................... v

TEŞEKKÜR ................................................................................................................... vi

ÇİZELGELERİN LİSTESİ............................................................................................ x

ŞEKİLLERİN LİSTESİ ................................................................................................. xi

SİMGELER VE KISALTMALAR................................................................................ xiii

1. GİRİŞ....................................................................................................... 1

2. TEMEL KAVRAMLAR ......................................................................... 3

2.1. Elektromanyetik Tayf......................................................................................... 3 2.2. Atmosferik Geçirgenlik ...................................................................................... 4 2.3. SWIR Görüntüleme ............................................................................................ 5 2.3.1. Avantaj ..................................................................................................... 6 2.3.2. Kullanım alanları..................................................................................... 7

3. OPTİK TEMELLER ............................................................................... 9

3.1. Geometrik Optik................................................................................................. 9 3.1.1. Toplam iç yansıma .................................................................................. 10 3.1.2. Yansıtıcılık ............................................................................................... 11 3.2. İnce ve Kalın Mercekler ..................................................................................... 11 3.2.1. Odak uzunluğu ........................................................................................ 12 3.2.2. İdeal ince mercek ile görüntü oluşumu .................................................. 13 3.3. Optik Açıklık ve F Sayısı ................................................................................... 14 3.3.1. Ana ve sınır ışınları ................................................................................. 15

viii

x ÇİZELGELERİN LİSTESİ

Çizelge Sayfa

Çizelge 4 .1. Mercek Gruplarının Odak Uzunluğu ........................................................ 36

Çizelge 4 .2. Odak Uzunluklarına göre Mercekler Arası Mesafeler............................... 36

Çizelge 4 .3. Optik Sistem Özellikleri ............................................................................ 37

xi

ŞEKİLLERİN LİSTESİ

xiii SİMGELER VE KISALTMALAR

Bu çalışmada kullanılmış simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur.

Simgeler Açıklamalar

f/# f sayısı 𝝆𝝆 Fresnel Yansıtıcılık Katsayısı 𝝁𝝁𝝁𝝁 Mikrometre

F, 𝑭𝑭′^ veya f Odak Uzunluğu

M veya m Büyütme Oranı

𝚽𝚽 Optik Güç

n Kırılma İndisi R Yüzey Eğriliği C Yüzey Eğriliğinin Tersi 𝜽𝜽 Derece Cinsinden Açı Gösterimi

xiv

Kısaltmalar Açıklamalar

BFL Arka odak uzaklığı (Back focal length) EFL Etkin odak uzaklığı (Effective focal length) EP Giriş Açıklığı (Enterance pupil) FFL Ön odak uzaklığı (Front focal length) FFOV Tam Görüş alanı (Full field of view) FOV Görüş alanı (Field of wiev) FPA Odak Düzlemi (Focal plane array) HFOV Yarım görüş alanı (Half field of view) MTF Modülasyon transfer fonksiyonu LWIR Uzun dalga kızılötesi (Longwave infrared) MWIR Orta dalga kızılötesi (Midwave infrared) NA Sayısal Açıklık (Numerical aperture) PSF Nokta Yayma İşlevi (Point spread function) SWIR Kısa dalga kızılötesi (Shortwave infrared) VIS Görünür Bölge (Visible) XP Çıkış Açıklığı (Exit pupil)

2

koşullarda görüntüleme zorluğu yaratır. Kullanıcının ister gündüz ister gece olsun, herhangi bir atmosferik koşul altında ve tamamen tespit edilmeden mümkün olan maksimum mesafeden, ilgilenilen bir hedefi tespit etmesine, tanımlamasına ve izlemesine izin verecek sağlam bir sistem uygundur [ 1 ].

SWIR teknolojisi, odak düzlemi dizilerinin (İng. Focal Plane Array, FPA) ve çözünürlüğün artması ve fiyatlarının azalmasıyla beraber kullanıcılar için giderek daha da çekici hale gelmeye başladı. Fakat gelişen SWIR dedektörlerine, mercek grubu eşlik edemedi. Gerek rekabetçi ortam koşulları gerek hızlı gelişim sürecinden dolayı SWIR kameralarda, kaplama yapılmış standart görünür mercek grupları kullanıldı. Bununla birlikte sistemlerin görüntüleme kalitesinde belirleyici faktör FPA’den ziyade mercekler olmaya başladı. Görünür bölgeden mevcut mercek tasarımlarının SWIR’a yönelik kaplama yapılarak uyarlanması sonucunda oluşturulan ürünlerin toplam optik iletimi iyileşmiş olsa da görüntü kalitesinde azalmalara sebep olmaktadır. Ayrıca optik performans kriterleri olan vinyet oluşturma, alan eğriliği ve bozunum gibi olumsuz kusurlar oluşturdu.

Bu çalışmada, gözetleme ve keşif amaçlı kullanılmak üzere, gece gökyüzü parlaklığı (veya gece parlaması) adı verilen atmosferik bir fenomenden yararlanarak gece görüş uygulamalarında ve sis-pus altında yüksek performans gösterebilecek, geniş boyutlu dedektörler için uygun büyütmeli objektif mercek tasarımı ve analizi yapılması hedeflenmiştir.

3

2. TEMEL KAVRAMLAR

Genel bir optik sistemin ana bileşenleri, enerji yayan aydınlatma kaynakları, bu enerjiyi yansıtan nesneler veya hedefler, enerjinin optiğe giderken yayıldığı araya giren bir ortam veya atmosfer, bu enerjiyi toplamak için kullanılan mercek veya toplayıcı açıklığı, kaynağın bir görüntüsünü toplayan detektörlerdir.

2.1. Elektromanyetik Tayf

Elektromanyetik tayf, hemen hemen bütün ışık aralığını barındıran bir ölçektir. Radyo dalgaları ile gama ışınları arasında yer alan tüm elektromanyetik dalgalar, elektromanyetik tayfa göre sınıflandırılmaktadır.

Elektromanyetik dalgalar x-eksenli elektrik ve y-eksenli manyetik alan olarak iki bileşenlidir. Elektromanyetik dalgalar z ekseni boyunca ışık hızında boşlukta yayılmaktadır. Elektromanyetik dalgaların frekansları veya dalga boyları aralığına elektromanyetik spektrum veya elektromanyetik tayf adı verilmektedir. Literatürde kabul edilen elektromanyetik tayf bantları sırası ile radyo dalgaları, mikrodalgalar, kızılötesi (İng, Infrared, IR), ışık (görünür ışık), ultraviyole (UV), röntgen, gama ışınları (γ)’dır [ 2 ].

Şekil 2. 1. Elektromanyetik Tayf

5

Güneşten gelen ışık, atmosferik elektromanyetik opaklık vasıtasıyla atmosfere emilir. Dünya atmosferine emilen elektromanyetik dalgalar, görünür ışıklar, radyo dalgaları ve bazı kızılötesi dalgalar olarak bilinmektedir. Gama ışınları ve morötesi dalgalar gibi diğer tüm elektromanyetik dalgalar atmosfer tarafından tamamen emilememektedir. Atmosferdeki gazlar sadece yüksek şeffaflık bölgesine ait dalga boylarını emmektedir [4].

Şekil 2. 2. Atmosferik Geçirgenlik

2.3. SWIR Görüntüleme

SWIR görüntüleme, indiyum, galyum, arsenit bazlı (InGaAs) sensörlerin geliştirilmesi ve elektromanyetik spektrumda 0,9 ila 1,7 mikrometre aralığında kısa dalga boylu kızılötesi (SWIR) bölgenin algılanmasını sağlamaktadır. SWIR ışığı, görünür ve termal bantlar arasındaki spektral boşluğu birleştirir [ 4 ].

Görünür bölgede görüntüleme yaparken neredeyse aynı renk olan nesneler, SWIR sistem kullanılarak kolayca ayırt edilebilir ve böylece nesneler kolayca tanınabilir. Bu, görünür bölgeye kıyasla SWIR görüntülemenin bir avantajıdır. SWIR doğal yayıcılarından bazıları,

6

ortamdaki yıldız ışığı ve arka plan parlaklığıdır, bu nedenle SWIR, dış mekan görüntüleme için mükemmel bir uygulamadır.

Kötü hava koşullarında görünür bölge sistemle görüntüleme yapmak sınırlıdır. Termal bölge görüntüleme yapmak için de sıcaklık farkına ihtiyaç vardır. SWIR kameraları, termal ile karşılaştırıldığında sıcaklığa bağlı kalmadan avantaj sağlamaktadır. Pus, sis, duman ve toz gibi olumsuz hava koşullarında görünür bölge sistemlere göre de üstün görüntüleme sağlamaktadır.

Şekil 2. 3. Sisli ortamda SWIR (solda) ile Görünür Optik Görüntüsü (sağda) Kıyası

2.3.1. Avantaj

Görünür ve Yakın Kısa Kızılötesi Dalga boyu (İng. Near Infrared, NIR) bandına kıyasla SWIR radyasyonunun daha az Rayleigh saçılımına maruz kalması, zorlu atmosferik koşullar altında bile daha yüksek kontrastlı görüntüler elde etmesini sağlamaktadır. Bundan dolayı uzun menzilli keşiflerde sisli veya dumanlı koşullardan geçebilir ve bu sayede nesnenin ayırt edilebilirliğini sağlamaktadır [5].

SWIR dalga boyları atmosferik sıcaklık değişikliklerinden etkilenmez. Bu yüzden SWIR kameralar, gelişmiş görüş için, kötü hava koşulları vb. sorunları için düşük görünürlükte termal kameralara tamamlayıcı olarak kullanılmaktadır [5].