ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ ÇOKLU GÖRÜŞ ALANINA SAHİP KIZILALTI GÖRÜNTÜLEYİCİ OPTİK TASARIMI.

Transkript

1 ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ ÇOKLU GÖRÜŞ ALANINA SAHİP KIZILALTI GÖRÜNTÜLEYİCİ OPTİK TASARIMI Doruk KÜÇÜKÇELEBİ FİZİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ANKARA 2015 Her hakkı saklıdır

2 ETİK Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü tez yazım kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez içindeki bütün bilgilerin doğru ve tam olduğunu, bilgilerin üretilmesi aşamasında bilimsel etiğe uygun davrandığımı, yararlandığım bütün kaynakları atıf yaparak belirttiğimi beyan ederim Doruk KÜÇÜKÇELEBİ i

3 ÖZET Yüksek Lisans Tezi ÇOKLU GÖRÜŞ ALANINA SAHİP KIZILALTI GÖRÜNTÜLEYİCİ OPTİK TASARIMI Doruk KÜÇÜKÇELEBİ Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Tülay SERİN Bu tez çalışmasının amacı elektromanyetik spektrumun uzun kızılötesi bölgesinde (8µm-12µm) çalışabilen ve iki görüş açısına sahip olan bir görüntüleme sisteminin optik tasarımın oluşturulmasıdır. Tasarım, değişken hava ve mevsim koşullarında yüksek performansta çalışabilmesi için, belirli mertebelerdeki sıcaklık değişimlerinden etkilenmeyecek şekilde yapılmıştır. Öncelikle kızılötesi bölgede görüntüleme gerçekleştirmenin ve çift görüş açılı sistemlerin önemi vurgulanıp ardından uzun kızılötesi bölge hakkında temel bilgiler verilmiştir. İleri kısımlarda iki görüş açısına sahip optik tasarım ayrıntıları anlatılıp tasarım için gerekli olan gereksinim parametreleri belirlenmiştir. Tasarımın yapılması sırasında baz alınacak çevre koşulları birçok ülkede zorlu hava koşullarını temsil etmekte olup -40 ºC ile +60 ºC arasında olacak şekilde belirlenmiştir. Haziran 2015, 85 sayfa Anahtar Kelimeler: Optik tasarım, çift görüş açısı, atermal, kızılötesi, görütüleme ii

4 ABSTRACT Master Thesis OPTICAL DESIGN OF A MULTI FIELD OF VIEW INFRARED IMAGER Doruk KÜÇÜKÇELEBİ Ankara University Graduate School of Natural and Applied Science Departmant of Engineering Physics Superviser: Prof. Dr. Tülay SERİN The aim of this study is to create optical design of an imaging system that works in longwave infrared region of electro-magnetic spectrum, which have two field of view. The relevant design issue is to design an athermal optic so that it is not affected by the change of temperature in terms of various season and atmospheric conditions in operation. In this study, the first step is to describe the importance of imaging in infrared region and dual field of view and to highlight that term. Then, basic information is presented related with longwavelength infrared region. After describing the details of dual field of view optical design, the decisions on necessary optical design parameters are made. In this scope, environmental conditions regarded during the design process are chosen as challenging weather conditions in many countiries within the range from -40 ºC to +60 ºC. June 2015, 85 pages Key Words : Optical design, dual field of view, athermal, infrared, imaging iii

5 TEŞEKKÜR Tez çalışmam süresince çalışmalarıma yakın ilgi gösteren, bilgi ve birikimini esirgemeyen danışmanım Sayın Prof. Dr. Tülay SERİN e (Ankara Üniversitesi Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı), çalışmalarım sırasında çok önemli katılarda bulunan, yönlendiren ve her aşamada hem bir hoca, hem de bir arkadaş olarak destek olan Sayın Dr. Atilla DİKİCİ ye, çalışmalarım süresince bana destek veren ve birçok fedakarlıkta bulunan eşime ve beni bugünlere getirmek için her türlü fedakarlığı yapan aileme teşekkürlerimi sunarım. Doruk KÜÇÜKÇELEBİ Ankara, Haziran 2015 iv

6 İÇİNDEKİLER ETİK... i ÖZET... ii ABSTRACT... iii TEŞEKKÜR... iv ŞEKİLLER DİZİNİ... viii ÇİZELGELER DİZİNİ... xi 1. GİRİŞ KURAMSAL TEMELLER Temel Kavramlar Optik Kavramlar Mercek Küresel mercek Küresel olmayan mercek Kırınım Kırılma indisi Odak noktası (Focal point) Etkin odak uzunluğu (Effective focal length) Arka odak uzunluğu (Back focal length) Optik açıklık (Clear aperture) F numarası (F number) Görüş alanı (Field of view) Airy disk Değer fonksiyonu Optik Kusurlar Koma Küresel sapınç (Spherical aberration) Alan eğriliği (Field curvature) Renk kusuru (Chromatic aberration) Şekil bozulması (Distortion) Astigmatizm Çoklu Görüş Alanına Sahip Optik Sistemler Optik olarak kompanse edilmiş sistemler Mekanik olarak kompanse edilmiş sistemler v

7 2.5 Optik Analiz Parametreleri MTF (Modülasyon transfer fonksiyonu) Nokta diyagramı (Spot diagram) Optik kusur diagramı (Siedel diagram) Kapalı enerji (Encircled/Ensquared energy) Kızılötesi Dedektörler Foton dedektörleri Termal dedektörler Kızılötesi Optik Malzemeler Çinko sülfür (Zinc sulfide - ZnS_B) Çinko selenit (Zinc selenide - ZnSe) Germanyum (Ge) AMTIR 1 AMTIR IG IG MATERYAL VE YÖNTEM Gereksinimlerin Belirlenmesi Sistem Parametrelerinin Hesaplanması Dedektör seçimi Odak uzunluğu hesabı Optik malzeme seçimi Sistem parametreleri özeti Sistem Parametrelerinin Tasarım Programında Tanımlanması Dalgaboyu aralığı tanımı Dedektör boyut tanımı F-numarası tanımı Odak uzunluğu tanımı Toplam uzunluk tanımı Optik Tasarımın Oluşturulması Çift görüş açısına sahip optik sistem ARAŞTIRMA BULGULARI Optik Başarım ve Analizler Nokta diyagramı analizi Kapalı enerji (Encircled/Ensquared energy) analizi Optik MTF analizi Optik kusur analizi vi

8 5. TARTIŞMA VE SONUÇ KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ vii

9 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 2.1 Farklı sıcaklıklardaki siyah cisim ışıması... 3 Şekil 2.2 Elektromanyetik spektrum... 4 Şekil 2.3 Dalgaboyuna bağlı atmosferik geçirgenlik... 5 Şekil 2.4 Optik tasarımlarda kullanılan mercek türleri... 6 Şekil 2.5 Optik tasarımlarda kullanılan küresel mercek türleri... 7 Şekil 2.6 Küresel ve küresel olmayan mercek türleri... 7 Şekil 2.7 Küresel (solda) ve küresel olmayan (sağda) mercekler... 8 Şekil 2.8 Küresel (solda) ve küresel olmayan (sağda) mercek görüntüleri... 9 Şekil 2.9 Mercek parametreleri görseli Şekil 2.10 Mercek parametre gösterimi Şekil 2.11 Airy Disk Şekil 2.12 Koma Şekil 2.13 Koma optik hatasının görüntü üzerindeki etkisi Şekil 2.14 Küresel kusur Şekil 2.15 Küresel kusurlu görüntü (solda) ve düzeltilmiş görüntü (sağda) Şekil 2.16 Alan eğriliği Şekil 2.17 Alan eğriliği ile kusurlu görüntü (solda) ve düzeltilmiş görüntü (sağda) Şekil 2.18 Renk kusuru Şekil 2.19 Renk kusurlu görüntü (üstte) ve düzeltilmiş görüntü (altta) Şekil 2.20 Şekil bozulması Şekil 2.21 Farklı oranlardaki şekil bozulması Şekil 2.22 Şekil bozulmasına maruz kalmış görüntü (solda) ve düzeltilmiş görüntü (sağda) Şekil 2.23 Astigmatizm Şekil 2.24 Astigmatizm hatalı görüntü (solda) ve düzeltilmiş görüntü (sağda) Şekil 2.25 Optik olarak kompanse edilmiş sistemler Şekil 2.26 Mekanik olarak kompanse edilmiş sistemler Şekil 2.27 Tipik MTF diagramı Şekil 2.28 Tipik nokta diagramı Şekil 2.29 Tipik siedel diagramı Şekil 2.30 Tipik kapalı enerji grafiği Şekil 2.31 Termal dedektör yapısı Şekil 2.32 Optik malzemelerin geçirgenlik değerleri Şekil 2.33 Zinc selenide mercek örnekleri Şekil 2.34 Germanyum mercek örnekleri Şekil 2.35 IG4 mercek örnekleri Şekil 2.36 IG5 mercek örnekleri Şekil 3.1 Tez çalışması kapsamında kullanılan dedektör Şekil 3.2 Optik sistem geometrisi Şekil 3.3 Optik sistem ve görüş alanı geometrisi Şekil 3.4 Optik tasarım için dalgaboyu aralıklarının programa girilmesi Şekil 3.5 Dedektör boyutları Şekil 3.6 Optik tasarım için dedektör boyutlarının aralıklarının programa girilmesi Şekil 3.7 Optik tasarım için f-numarasının programa girilmesi Şekil 3.8 Optik tasarım için odak uzunluklarının programa girilmesi viii

10 Şekil 3.9 Optik tasarım için toplam boy parametresinin programa girilmesi Şekil 3.10 En düşük değer fonksiyonuna sahip optik sistem mercek malzemeleri Şekil 3.11 Konfigürasyon 1 (Geniş Görüş Açısı) Şekil 3.12 Konfigürasyon 2 (Dar Görüş Açısı) Şekil 3.13 Nihai çift görüş açılı optik system Şekil 3.14 Nihai çift görüş açılı optik sistem mekanik tasarımı Şekil 4.1 Geniş görüş açısına ait -40 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.2 Geniş görüş açısına ait -15 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.3 Geniş görüş açısına ait +10 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.4 Geniş görüş açısına ait +20 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.5 Geniş görüş açısına ait +35 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.6 Geniş görüş açısına ait +60 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.7 Dar görüş açısına ait -40 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.8 Dar görüş açısına ait -15 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.9 Dar görüş açısına ait +10 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.10 Dar görüş açısına ait +20 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.11 Dar görüş açısına ait +35 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.12 Dar görüş açısına ait +60 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.13 Geniş görüş açısına ait -40 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.14 Geniş görüş açısına ait -15 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.15 Geniş görüş açısına ait +10 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.16 Geniş görüş açısına ait +20 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.17 Geniş görüş açısına ait +35 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.18 Geniş görüş açısına ait +60 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.19 Dar görüş açısına ait -40 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.20 Dar görüş açısına ait -15 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.21 Dar görüş açısına ait +10 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.22 Dar görüş açısına ait +20 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.23 Dar görüş açısına ait +35 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.24 Dar görüş açısına ait +60 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.25 Farklı MTF değerlerine karşılık gelen kontrast farkları Şekil 4.26 Farklı MTF değerleri sonucunda oluşan görüntüler Şekil 4.27 Sistem MTF değerine gelen katkılar Şekil 4.28 Bir elektro-optik sisteme ait tipik optik MTF grafiği Şekil 4.29 Geniş görüş açısına ait -40 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.30 Geniş görüş açısına ait -15 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.31 Geniş görüş açısına ait +10 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.32 Geniş görüş açısına ait +20 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.33 Geniş görüş açısına ait +35 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.34 Geniş görüş açısına ait +60 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.35 Dar görüş açısına ait -40 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.36 Dar görüş açısına ait -15 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.37 Dar görüş açısına ait +10 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.38 Dar görüş açısına ait +20 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.39 Dar görüş açısına ait +35 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.40 Dar görüş açısına ait +60 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.41 Geniş görüş açısına ait Siedel diyagramı Şekil 4.42 Geniş görüş açısına ait şekil bozulması (distortion) grafiği ix

11 Şekil 4.43 Geniş görüş açısı için görüntü simülasyonu (işlenmemiş ham görüntü: solda, işlenmiş görüntü: sağda) Şekil 4.44 Dar görüş açısına ait Siedel diyagramı Şekil 4.45 Dar görüş açısı için görüntü simülasyonu (işlenmemiş ham görüntü: solda, işlenmiş görüntü: sağda) Şekil 4.46 Geniş ve dar görüş açılarına ait temsili görüntüler x

12 ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 2.1 Kızılötesi alt bölgeler... 5 Çizelge 2.2 AMTIR 1 ve AMTIR 3 optik malzemesi özellikleri ve farkları Çizelge 2.3 IG4 optik malzemesi dalgaboyuna bağlı geçirgenlik ve kırılma indisi Çizelge 2.4 IG4 optik malzemesi dalgaboyuna bağlı geçirgenlik ve kırılma indisi Çizelge 3.1 Soğutmasız uzun kızılötesi dedektör çeşitleri Çizelge 3.2 Dalgaboyuna ve sıcaklığa bağlı kırılma indisi kırılma indisi değişimi Çizelge 3.3 Optik sistem parametreleri özeti Çizelge 3.4 Alan değerleri Çizelge 3.5 Mercek bilgileri Çizelge 4.1 Nokta diyagramları özet tablosu Çizelge 4.2 Kapalı enerji değerleri özet tablosu Çizelge 4.3 Optik MTF değerleri özet tablosu xi

13 1. GİRİŞ Günümüzde elektromanyetik tayfın kızılötesi bölgesinde görüntüleme yapan birçok sistem mevcut olup bu sistemler askeri ve sivil kullanım alanlarında farklı amaçlara hizmet etmektedir. Satıh hedeflerinde düşman, tehdit algılama ve hedef tespiti için farklı platformlar üzerinde dahili ve harici olarak kullanılan kızılötesi görüntüleyici özelliğe sahip gözetleme sistemleri de bu askeri ürünlerin arasında önemli bir yer teşkil etmektedir. Kızılötesi bölgede görüntüleme yapan sistemler de kendi içinde farklı özelliklere sahiptir. Bu farklılık görüntüleyici sistem yapısında kullanılan dedektörün (algılayıcı) hassas olduğu veya algılama yapabildiği kızılötesi alt bölgenin farklı karakteristikleri olmasından ileri gelmektedir. Yakın, kısa, orta ve uzun kızılötesi dalgaboyu aralığı olarak adlandırılan bu alt bölgelerin her biri diğerine göre avantaj ve dezavantajlara sahiptir. Yakın ve kısa kızılötesi alt bölgeler ilgili dalgaboyunda ortamda bulunan ışınımın cisim tarafından yansıtılan kısmını algılama prensibi ile çalışmakta olup, orta ve uzun kızılötesi alt bölgelerde ise cismin sahip olduğu sıcaklık nedeniyle ortaya çıkan ilgili dalgaboyundaki ışınım algılanmaktadır. Algılama yapılacak cismin sıcaklığına göre kıyaslandığında, orta kızılötesi alt bölge merkez dalgaboyunun (4 µm) maksimum olduğu sıcaklık değeri yaklaşık olarak 450 ºC olup uzun kızılötesi alt bölge merkez dalgaboyunun (10 µm) maksimum olduğu sıcaklık değeri ise yaklaşık olarak 17 ºC ye karşılık gelmektedir. Bu kapsamda yüksek sıcaklığa sahip cisimler için orta kızılötesi alt bölge, düşük sıcaklığa sahip cisimler için ise uzun kızılötesi alt bölgenin kullanılması uygun olacaktır. Bu tez çalışması kapsamında teşhis için göz önünde bulundurulacak cisim, (bundan sonraki kısımlarda hedef olarak tanımlanacaktır) bulunduğu ortama göre düşük sıcaklığa sahip askeri yer hedefi (tank, zırhlı personel taşıyıcı ve benzeri) olarak seçilmesinden dolayı algılama için uzun kızılötesi alt bölge seçilmiştir. 1

14 Bu tip hedeflerin kızılötesi görüntüleyici özelliğe sahip gözetleme sistemleri tarafından uzak mesafelerden algılanması için dar görüş açısına sahip optik sistemler kullanılmaktadır. Ancak hedefin daha yakın olması durumunda dar görüş açısından çıkma, kullanıcının hedefi kaybetme ve gözetleme sırasında sadece uzak menzilleri arama kabiliyeti sunmasından dolayı dezavantajları mevcuttur. Bu dezavantajları ortadan kaldırmak amacıyla çift görüş açılı sistemler tasarlanmış olup, geniş görüş açısında kullanıcı hedefi arama işlemini ve dar görüş açısında ise hedefi tanıma işlemini gerçekleştirebilecek kabiliyete sahip olmaktadır. Bu kapsamda gelecek bölümlerde detayları verilen gereksinimlere yönelik olarak kızılötesi görüntüleyici özelliğe sahip gözetleme sistemlerinde kullanılan, optik olarak yakınlaştırma (zoom) yapısına sahip, iki görüş açılı bir optik sistem tasarlanacaktır. Tasarım aynı zamanda farklı çevrekoşulu şartlarında yaşanabilen zorlu hava koşullarını temsil eden -40 ºC ile +60 ºC sıcaklıkları arasında odaklı kalarak (atermal) başarımını kaybetmeyecek şekilde yapılacaktır. Özellikle çift görüş açılı kızılötesi görüntüleyici sistemlerde her iki görüş açısı için yukarıda belirtilen sıcaklık aralığında odaklı kalma gereksinimi, sıcaklık sensörleri ile çalıştırılan motorlar kullanılarak odaklama sağlanmaktadır. Ancak sıcaklığa bağlı odak kaymasını önlemek için kullanılan bu motorlar ve mekanizma sistemin karmaşıklığını ve ağırlığını arttırmaktadır. Bu yöntem literatürde aktif atermalizasyon olarak geçmekte olup bu tasarımda herhangi bir hareketli mekanizma kullanmadan yapılan pasif atermalizasyon yönetimi kullanılacaktır. Hareketli mekanizma sadece görüş açısı değiştirmek için kullanılacaktır. Buradaki zorluk sistemin birden fazla görüş açısı başka bir değiş ile birden çok konfigürasyonu olmasıdır. Tasarım her iki konfigürasyonda hedeften yayılan ısısal ışınımı dedektörün tek bir pikseline odaklayacak, -40 ºC ile +60 ºC sıcaklıkları arasında odaklı kalmasını sağlayacak, optik kusurları azaltacak ve gelecek bölümlerde detayları verilen gereksinimleri sağlayacak özellikte olacaktır. 2

15 Spektral Işıma Yoğunluğu (W/cm 2.µm) 2. KURAMSAL TEMELLER 2.1 Temel Kavramlar Doğada bulunan sıcaklığı 0 K nin üzerinde olan tüm cisimler sahip oldukları sıcaklığa bağlı olarak değişen yoğunlukta ısısal ışıma (Thermal Radiation) olarak da bilinen elektromanyetik enerji yayar. Bu elektromanyetik enerji, elektromanyetik spektrumun kızılötesi bölgesinide içeren geniş bir bölgede gerçekleşir. Bu ısısal ışımanın şiddeti, dalgaboyuna bağlı olarak denklem (2.1) de verilen Planck ın siyah cisim ışıması kanunu ile hesaplanmaktadır. M e,λ = 2πhc2 λ 5 1 e (hc/λkt) 1 (2.1) M e,λ ; T sıcaklığındaki siyah cismin birim yüzeyinden, birim zamanda ve birim frekans başına saldığı enerji miktarı olup, h Planck sabitini, c ışık hızını, k Boltzman sabitini, λ elektromanyetik dalganın dalgaboyunu ve T Kelvin cinsinden sıcaklığı ifade etmektedir. Farklı sıcaklıklardaki siyah cisimler için dalgaboyuna bağlı ışıma eğrisi Şekil 2.1 de verilmiştir. Dalgaboyu (µm) Şekil 2.1 Farklı sıcaklıklardaki siyah cisim ışıması ( 3

16 Şekil 2.1 de görüldüğü gibi oda sıcaklığında (20 ºC) bulunan bir cismin spektral ışıma yoğunluğunun maksimum olduğu tepe dalgaboyu yaklaşık olarak 10µm ye karşılık gelmektedir. Cismin sıcaklığı arttıkça yoğunluğun maksimum olduğu tepe dalgaboyu görünür bölgeye doğru kaymaktadır. Buna örnek olarak sıcaklığı 0 ºC olan ve sürekli ısıtılan bir metal çubuk verilebilir. Bu metal çubuğun sıcaklığı 0 ºC (273 K) iken gözle görünür herhangi bir ışıma yoktur ancak kızılötesi bölgede belirli miktarda bir ışıma söz konusudur. Sıcaklığı arttıkça yoğunluğun maksimum olduğu tepe dalgaboyu görünür bölgeye doğru kayar ve belirli bir sıcaklıktan sonra cismin yaptığı ışıma gözle görünür. Uygun optik malzemeler ve dedektör kullanılarak sıcaklığı 0 K den yüksek cisimlerin yaymış oldukları ısıl ışımanın algılanması ve gözle görünür görüntüye çevrilmesine kızılötesi algılama ve görüntüleme olarak adlandırılmaktadır. Bu işlemi yapan sistemlere ise kızılötesi görüntüleyici veya kızılötesi görüntüleme sistemleri adı verilir. Şekil 2.2 Elektromanyetik spektrum Kızılötesi bölge, elektromanyetik spektrum içerisinde 0.78 µm ve 1000 µm dalgaboyu aralığında olup, atmosferik etkiler, dalgaboyu özellikleri, dedektör hassasiyetleri ve benzeri sebeplerden dolayı Çizelge 2.1 de görüldüğü gibi alt bölgelere ayrılmıştır. Kızılötesi bölgenin elektromanyetik spektrum içerisindeki yeri ve alt bölgeleri Şekil 2.2 de verilmiştir. 4

17 Çizelge 2.1 Kızılötesi alt bölgeler (Rogalski ve Chrzanowski 2002) Kızılötesi Alt Bölge Yakın Kızılötesi Bölge (Near Infrared) Kısa Kızılötesi Bölge (Short Wavelength Infrared) Orta Kızılötesi Bölge (Medium Wavelength Infrared) Uzun Kızılötesi Bölge (Long Wavelength Infrared) Çok Uzun Kızılötesi Bölge (Very Long Wavelength Infrared) Dalgaboyu Aralığı 0.78 µm 1.0 µm 1.0 µm 3.0 µm 3.0 µm 6.0 µm 6.0 µm 15.0 µm 15.0 µm µm Sıcaklığı 0 K den daha yüksek olan cisimlerden yayılan ısıl ışıma, atmosferin içerdiği su buharı, toz ve diğer gaz moleküllerinden dalgaboyuna bağlı olarak farklı oranlarda yansıma veya soğrulmaya maruz kalmaktadır. Şekil 2.3 de görüldüğü gibi dalgaboyuna bağlı olarak değişen orandaki ısıl ışıma ise atmosferde yol almaya devam eder. Bu doğal etkiler sonucunda sadece belirli dalgaboyu aralıklarında enerjinin uzak mesafelere iletimi mümkün olmaktadır. Bu aralıklara atmosfer penceresi adı verilmektedir. Şekil 2.3 Dalgaboyuna bağlı atmosferik geçirgenlik (Rogalski ve Chrzanowski 2002) 5

18 Şekil 2.3 de görüldüğü gibi kızılötesi bölgenin bir bölümünde hemen hemen yüksek oranda soğurma varken diğer kısımlarda ise soğurma oranı düşüktür. Örnek olarak 5.5 µm 7.5 µm dalgaboyu aralığında atmosferdeki su molekülleri %100 mertebesinde soğrulmaya neden olmakta ve kaynağın bu dalgaboyu aralığında yaydığı ısıl ışıma dedektöre ulaşamadan soğrulmaktadır. 2.2 Optik Kavramlar Bu bölümde kızılötesi görüntüleyici sistemlerde kullanılan optik elemanlar, terimler ve parametrelerin tanımları verilmektedir Mercek Herhangi bir görüntüleyici sistem tasarlanırken amaca yönelik olarak farklı türde mercekler kullanılır. Gerek optik kusurların azaltılması, gerek odaklamanın daha küçük bir alana yapılması amacıyla farklı türde ve farklı sayılarda mercekler optik tasarımlarda kullanılmaktadır. Şekil 2.4 de görüldüğü gibi optik tasarımlarda kullanılan mercekler yüzey şekillerine göre adlandırılmaktadır. Şekil 2.4 Optik tasarımlarda kullanılan mercek türleri ( 6

19 2.2.2 Küresel mercek Küresel yüzeye sahip mercekler standart mercekler olup, Şekil 2.5 de görüldüğü gibi eğrilik yarıçapı bir kürenin yarıçapı ile belirlenen merceklerdir. Bu tip mercekler başlık 2.3 de anlatılacak olan optik hataları oluşmaktadır. Şekil 2.5 Optik tasarımlarda kullanılan küresel mercek türleri ( Küresel olmayan mercek Optik kusurların önlenmesi ve sistemde daha az sayıda mercek kullanılması amacıyla küresel olmayan mercekler kullanılmaktadır (Şekil 2.6). Küresel olmayan mercekler, küresel merceklerin aksine standart dışı mercekler olup, genellikle özel olarak üretilmektedir. Şekil 2.6 Küresel ve küresel olmayan mercek türleri 7

20 Küresel olmayan mercekler sayesinde optik sistemde daha az sayıda mercek kullanılarak ağırlık, boyut, optik kusur ve performans gibi parametrelerde iyileşme sağlanmaktadır. Küresel mercekler bir optik sistemde küresel kusuru oluşturmaktadır. Bunun nedeni ise tek bir merceğin ışığı dar bir alana/bölgeye odaklayamamasıdır. Dar bir bölgeye odaklanamayan ışınımın sonucunda ise küresel hata/kusur oluşmaktadır. Bu hatanın giderilmesi amacıyla optik sisteme daha fazla mercek eklenir veya mercek sayısının çok olmaması isteniyorsa küresel olmayan mercekler kullanılır. Küresel olmayan mercek üzerinde farklı bölgelerdeki farklı kalınlıklar sayesinde ilgili ışınımın çok dar bir bölgeye odaklanması sağlanmaktadır. Bu sayede küresel merceklerden kaynaklanan küresel kusur düzeltilmiş olur (Şekil 2.7). Şekil 2.7 Küresel (solda) ve küresel olmayan (sağda) mercekler ( Şekil 2.7 de (solda) görüldüğü gibi tek bir küresel mercek ile ışınım büyük bir alana odaklanırken, (sağda) küresel olmayan bir mercek ile ışınım çok dar bir bölgeye odaklanabilmektedir. Şekil 2.7 de sunulan mercekler ile elde edilecek görüntülerin simüle edilmiş hali Şekil 2.8 de sunulmaktadır. 8

21 Şekil 2.8 Küresel (solda) ve küresel olmayan (sağda) mercek görüntüleri ( Şekil 2.8 de görüldüğü gibi küresel mercek kullanılarak elde edilen görüntü sonucunda oluşan optik kusurlar küresel olmayan bir mercek kullanılarak düzeltilmiştir. Bu tez kapsamında optik kusurların düzeltilmesi amacıyla küresel olmayan mercekler optik tasarımda kullanılacaktır Kırınım Işık dalgalarının dar bir aralıktan geçerken bu aralığın nokta ışık kaynağı gibi davranması kırınım olarak tanımlanmaktadır Kırılma indisi Kırılma indisi, bir cisim içerisinde ilerleyen ışığın, boşlukta ilerleyen ışığa göre ne kadar yavaş ilerlediğini gösteren bir katsayı olup n sembolü ile gösterilmektedir. Bu katsayı optik tasarımdaki malzeme seçimi ve sıcaklığa bağlı değişiminin göz önünde bulundurulması gereken önemli bir parametredir. 9

22 2.2.6 Odak noktası (Focal point) Bir optik sistemde görüntülenecek cismin kendisinden yayılan veya çevresinden yansıyan ışınımın ıraksadığı veya yakınsadığı nokta odak noktası olarak tanımlanmaktadır (Şekil 2.9). Şekil 2.9 Mercek parametreleri görseli ( Etkin odak uzunluğu (Effective focal length) Optik eksen üzerindeki ana nokta ile odak noktası arasındaki uzunluk etkin odak uzunluğu olarak tanımlanmaktadır Arka odak uzunluğu (Back focal length) Merceğin arka yüzeyi ile odak noktası arasındaki uzunluk arka odak uzunluğu olarak tanımlanmaktadır (Şekil 2.10). 10

23 Şekil 2.10 Mercek parametre gösterimi ( Optik açıklık (Clear aperture) Optik sistemde ışımayı karşılayan ilk yüzeyin çapı olarak tanımlanmaktadır F numarası (F number) Optik sistemdeki odak uzaklığının mercek açıklığına oranı olarak tanımlanmaktadır. f numarası (f/#) bir sistemin ne kadar ışık toplayabileceğinin bir ölçüsüdür Görüş alanı (Field of view) Optik sistemin yatay ve dikey eksenlerde ışınım toplayabildiği alanın açı cinsinden ölçüsüdür. 11

24 Airy disk Noktasal bir ışık kaynağının görüntüsü, airy disk olarak adlandırılan merkezi bir nokta ve çevresinde parlaklığı giderek azalan halkalardan oluşur (Şekil 2.11). Enerjinin yaklaşık olarak %84 ü merkezde (airy disk içerisinde), %91 i merkez ve birinci halkada dağılır (Smith 2000). Şekil 2.11 Airy Disk (Fischer vd 2008) Değer fonksiyonu Bir optik tasarım oluşturulurken tasarım programını kısıtlayan ve yönlendiren optik sistemin dalgaboyu, toplam uzunluğu, mercekler arası mesafe gibi birçok parametre tanımlanmaktadır. Tanımlanan bu parametrelerin eklenmesi, bir optik tasarımın oluşturulması sırasında optik tasarımdan beklenen veya istenen noktaya ne kadar yakın olduğunu gösteren bir değer olan değer fonksiyonunu arttırmaktadır. Program ile optimizasyon gerçekleştirildikçe bu değer fonksiyonu azalmaya ve optik sistem şekillenmeye başlar. Bu tez çalışması kapsamında oluşturulacak farklı versiyonlar değer fonksiyonu kullanılarak karşılaştırılacak olup, isterlere en yakın sonuç veren versyion anlatılacaktır. 12

25 2.3 Optik Kusurlar Koma Optik eksene paralel gelmeyen ışınımların oluşturduğu kusur olarak tanımlanmaktadır (Şekil 2.12). Optik sistemde kullanılan merceğin arkasına bir ışın durdurucu (stop), diyafram eklenmesi veya optik sisteme mercek eklenmesi ile bu hata azaltılmaktadır. Şekil 2.12 Koma (Fischer vd 2008) ( Koma optik kusurunun görüntü üzerindeki etkisi Şekil 2.13 de sunulmaktadır. Şekil 2.13 Koma optik hatasının görüntü üzerindeki etkisi 13

26 2.3.2 Küresel sapınç (Spherical aberration) Optik sistemde kullanılan küresel merceğe optik eksen dışında farklı kısımlardan giren optik eksene paralel ışınımlar küresel mercek yüzeyi ile yaptıkları açıların farklı olmasından dolayı optik eksen üzerinde farklı mesafelerde odaklanırlar. Bunun sonucunda ışınımlar tek bir x noktasında değil, Şekil 2.14 de görüldüğü gibi x aralığında odaklanırlar. x Şekil 2.14 Küresel kusur (Fischer vd 2008) Bu hata küresel sapınç veya küresel kusur olarak tanımlanmaktadır. Küresel olmayan (aspherical) yüzeye sahip özel mercekler yardımı ile veya optik sistemde kullanılan merceklerin herbirinin oluşturduğu küresel kusurun birbirini kompanse edecek şekilde seçilmesi durumunda bu hata düzeltilmektedir. Küresel optik kusurun görüntü üzerindeki etkisi Şekil 2.15 de (solda) sunulmaktadır. 14

27 Şekil 2.15 Küresel kusurlu görüntü (solda) ve düzeltilmiş görüntü (sağda) ( Alan eğriliği (Field curvature) Herhangi bir objenin her bir noktasının optik sisteme farklı uzaklıklarda olması nedeniyle farklı kırılmaları söz konusudur. Buna bağlı olarak objenin optik sisteme yakın olan kısımları farklı, uzak olan kısımları ise farklı kırınıma uğrar ve objenin şeklinde bir deformasyon oluşur (Şekil 2.16). Alan eğriliği özellikle geniş hacimli cisimlerde daha belirgin olarak görülür. Bu kusur optik sistemlerde konveks ve konkav lenslerin bir araya getirilmesi ile en aza indirilir. Şekil 2.16 Alan eğriliği (Fischer vd 2008) 15

28 Alan eğriliğinin görüntü üzerindeki etkisi Şekil 2.17 de (solda) sunulmaktadır. Şekil 2.17 Alan eğriliği ile kusurlu görüntü (solda) ve düzeltilmiş görüntü (sağda) ( Renk kusuru (Chromatic aberration) Merceklerde farklı dalga boyundaki ışınımların farklı oranda kırılması ile ortaya çıkan kusurdur (Şekil 2.18). Bir mercekte kırılan beyaz ışığın kendisini oluşturan dalga boylarına ayrılması bu kusurun bir sonucudur. Küresel merceklerde kısa dalga boyuna sahip ışınım daha fazla kırılırken, uzun dalga boylu ışınım daha az kırınıma uğrar. Şekil 2.18 Renk kusuru (Özer 2007) Alan eğriliğinin görüntü üzerindeki etkisi Şekil 2.19 da (üstte) sunulmaktadır. 16

29 Şekil 2.19 Renk kusurlu görüntü (üstte) ve düzeltilmiş görüntü (altta) ( Şekil bozulması (Distortion) Optik sistemdeki merceğin farklı bölgelerinin farklı odak uzaklıkları ve farklı büyütmelere sahip olmasından kaynaklanan kusur olarak tanımlanmaktadır (Şekil 2.20). Şekil 2.20 Şekil bozulması (Fischer vd 2008) Bu kusur sonucunda kare şeklindeki bir cismin görüntüsü konkav merceklerde fıçı şeklinde, konveks merceklerde ise iğne yastığı şekilde görülmektedir (Şekil 2.21). 17

30 Şekil 2.21 Farklı oranlardaki şekil bozulması (Fischer vd 2008) Şekil bozulmasının görüntü üzerindeki etkisi Şekil 2.22 de (solda) sunulmaktadır. Şekil 2.22 Şekil bozulmasına maruz kalmış görüntü (solda) ve düzeltilmiş görüntü (sağda) ( Astigmatizm Optik sistemlerde birbirine dik iki eksende farklı kırılmanın söz konusu olması ile ortaya çıkan kusurdur. Işınım eksenlerden birisinde daha az kırılırken, diğerinde daha fazla kırılır bunun sonucunda noktasal bir ışık kaynağı dik açılı iki çizgi ile bunların ortasındaki bir düzlemde bulunan bir görüntü şeklinde kırılır (Şekil 2.23). 18

31 Şekil 2.23 Astigmatizm (Fischer vd 2008) Astigmatizm kusurunun görüntü üzerindeki etkisi Şekil 2.24 de (solda) sunulmaktadır. Şekil 2.24 Astigmatizm hatalı görüntü (solda) ve düzeltilmiş görüntü (sağda) ( 2.4 Çoklu Görüş Alanına Sahip Optik Sistemler Çoklu görüş alanına sahip optik sistemler tasarımda kullanılan hareketli optik elemanların sayısına ve hareket tipine göre optik olarak kompanse edilmiş veya mekanik olarak kompanse edilmiş sistemler olarak iki grupta toplanmaktadır (Mann 2009). 19

32 2.4.1 Optik olarak kompanse edilmiş sistemler Optik olarak kompanse edilmiş sistemler iki veya daha fazla merceğin birlikte hareket ettiği sistemlerdir (Şekil 2.25). Bu düzen mekanik tasarımı kolaylaştırmakla birlikte optik hizayı ve nişangahı korumaktadır (Mann 2009). Şekil 2.25 Optik olarak kompanse edilmiş sistemler (Mann 2009) Mekanik olarak kompanse edilmiş sistemler Mekanik olarak kompanse edilmiş sistemler genel olarak tek bir merceğin hareketi ile yakınlaştırma sağlayan sistemler olup, sistemde sıcaklık değişmesi ve hareketli mercekten kaynaklanan odak bozulumu sistemdeki başka bir merceğin hareketi ile kompanse edilmektedir (Şekil 2.26). Çoklu görüş alanına sahip birçok kızılötesi optik sistem mekanik olarak kompanse edilmiş sistemlerdir (Mann 2009). 20

33 Şekil 2.26 Mekanik olarak kompanse edilmiş sistemler (Mann 2009) 2.5 Optik Analiz Parametreleri Tasarlanan herhangi bir optik sistemden beklenen performans gereksinimlerinin başarımlarını test etmek amacıyla bazı optik analiz parametreleri kullanılmaktadır. Bu parametrelerin bir kısmı direk olarak optik kusurları göstermekte olup bir kısmı ise bu optik kusurların neden olduğu etkileri göstermektedir MTF (Modülasyon transfer fonksiyonu) Optik sistemin bir siyah ve bir beyaz çizgi çiftini ayırt edilebilme gücü olarak tanımlanmaktadır. MTF (Modülasyon Transfer Fonksiyonu) kontrastın bir dolaylı olarak bir ölçüsü olması nedeniyle tasarlanan optik sistemin oluşturduğu görüntü kalitesi ile yakından ilgilidir. MTF genel olarak milimetre başına çizgi çifti (cycle/mm) veya miliradyan başına çizgi çifti (cycle/mrad) olarak tanımlanmaktadır. 21

34 Şekil 2.27 Tipik MTF diagramı (Riedl 2009) Nokta diyagramı (Spot diagram) Optik sistem tarafından görüntülenen bölgeden merceklere ulaşan ışınımlar mercekler tarafından dedektör üzerindeki her bir piksel üzerine odaklanmaktadır. Odaklanan herbir ışınım Şekil 2.28 de görülen nokta şeklini oluşturmaktadır. Farklı açılarda giren herbir ışın demeti için farklı nokta diyagramı oluşmaktadır. 22

35 Şekil 2.28 Tipik nokta diagramı (Riedl 2009) Optik kusur diagramı (Siedel diagram) Optik kusur diyagramı (Siedel diagram) bütün optik kusurların bir arada olduğu bir diyagram olup, herbir merceğin iki yüzeyi için bütün optik kusurlar bu diyagramda görülmektedir (Şekil 2.29). Diyagramın son kısmında ise optik sistemde kullanılan tüm merceklerin oluşturduğu optik kusur toplamı verilmektedir. Şekil 2.29 Tipik siedel diagramı (Riedl 2009) 23

36 2.5.4 Kapalı enerji (Encircled/Ensquared energy) Optik sistemin belirli bir alana toplayabildiği enerji oranını gösteren bir grafiktir (Şekil 2.30). Dedektör üzerindeki her bir piksel üzerine odaklanan ışımanın oranını ifade etmekte olup bu oran 100 ile çarpılması sonucunda toplanan enerjinin yüzdesi bulunmaktadır. Şekil 2.30 Tipik kapalı enerji grafiği (Riedl 2009) 2.6 Kızılötesi Dedektörler Kızılötesi dedektörler foton ve termal dedektörler olmak üzere iki grup altında toplanmaktadır Foton dedektörleri Foton dedektörleri üzerine doğrudan düşen fotonların dar iletim band aralığına sahip yarı iletken malzeme üzerinde oluşturduğu uyarılma sayesinde ortamda oluşan elektrik yükü taşıyıcıları ile algılama gerçekleştiren dedektörleridir. Bu taşıyıcıların oluşturduğu 24

37 elektriksel akım elektronik kartlar ile işlenerek görüntü oluşturulmaktadır. Foton dedektörleri fotoiletken (photoconductive) veya fotovoltaik (photovoltaic) dedektörler olarak adlandırılmaktadır. Bu tip dedektörler termal dedektörlere göre daha hızlıdır. Fakat bu dedektörlerde monte edildikleri gövdenin termal enerjisiyle birlikte kendisinden kaynaklanan termal enerjinin de algılanmasından dolayı ortamda arka plan gürültüsü oluşmaktadır. Bu gürültüyü azaltmak ve dedektörün termal enerjiye en iyi tepkiyi verebilmesini sağlamak amacı ile sistemde soğutucular kullanılmaktadır. Bu soğutucular sistemi sürekli olarak olması gereken soğuklukta tutmakta olup, bu amaçla sisteme dewar olarak adlandırılan sıcaklığı sabit tutmaya yarayan sistem eklenmektedir. Bu sayede soğutma sisteminin etkisi daha uzun sürmekte olup, sürekli ve düzenli olarak çalışan sistemler haline gelmektedir Termal dedektörler Termal dedektörler sıcaklık değişikliklerine tepki veren dedektörler olup, bu tip dedektörlerde optik sistem tarafından dedektör üzerinde odaklanan ışınım soğrulmakta, ısı çok kısa sürede algılanmakta ve dedektör malzemesinde sıcaklığın artmasına sebep olmaktadır. Sıcaklıkla değişen bazı fiziksel özellikler sayesinde algılama gerçekleştirilmektedir. Eğer etki dirençte bir değişimse (sıcaklıkla direnç değişimi), dedektörler bolometrik, değişim farklı potansiyellerin kontağı şeklinde ise bu tür dedektörler ise termalçift (thermocouple) olarak adlandırılır. Bu değişim iç elektrik alanda gerçekleşiyorsa pyroelektrik dedektörler olarak adlandırılır. 25

38 Şekil 2.31 Termal dedektör yapısı (Rogalski ve Chrzanowski 2002) Bu tez çalışması kapsamında amorf silikon (amorphous silicon) dedektör malzemesi ile oluşturulmuş olan ve 8 µm 14 µm band aralığında algılama yapan soğutmasız mikrobolometre dedektör tipi kullanılacaktır. 2.7 Kızılötesi Optik Malzemeler Kızılötesi bandın farklı bölgelerinde farklı geçirgenlik yüzdelerine sahip olan birçok optik malzeme çeşidi mevcuttur (Şekil 2.32). Ancak optik tasarımda kullanılacak mercekler seçilirken bu malzemelerin birçok özelliği göz önünde bulundurulmaktadır. Bu nedenle optik tasarımda kullanılacak aday malzemelerin özelliklerinin incelenmesi gerekmektedir. 26

39 Şekil 2.32 Optik malzemelerin geçirgenlik değerleri (Rogalski ve Chrzanowski 2002) Çinko sülfür (Zinc sulfide - ZnS_B) Çinko Sülfür, kızılötesi spektrumun orta ve uzun bandlarında yaygın olarak kullanılan bir malzemedir. Çinko Sülfür üretimi için bilinen en yaygın yöntem kimyasal buharlaştırma yöntemidir (chemical vapor deposition). Ticari olarak en yaygın saf Çinko Sülfür Cleartran malzemesidir. Genel olarak bu optik malzemenin özellikleri aşağıdaki gibi sıralanabilir; Toz, yağmur, nem gibi çevresel koşullarda optik performansı azaltmayacak sertliktedir, Düşük ısıl ışıma katsayısı sebebiyle de ısınma ile genleşme etkisini düşük seviyede tutan malzemelerden biridir, Kızılötesi bölgede soğurma ve yansıtma katsayılarının düşük olması nedeniyle bu bölgede geçirgenliği yüksektir, Düşük kırıcılık indisine sahiptir, Isıl iletkenliği yüksek olması nedeniyle ısıl şoklara dayanıklıdır. 27

40 Yukarıda sıralanan bu özelliklerinden dolayı görünür bölgeden uzun kızılötesi banda kadar mercek malzemesi olarak kullanıma uygundur Çinko selenit (Zinc selenide - ZnSe) Çinko Selenit birçok yönüyle Çinko Sülfür e benzemekte olup, görünür ve kızılötesi bölgede kullanılmaktadır (Şekil 2.33). Kırınım indisi Çinko Sülfür ün kırınım indisinden biraz daha büyüktür ve yapısal olarak Çinko Sülfür e göre daha zayıftır. Çinko Selenit in Çinko Sülfür e göre en önemli avantajı Çinko Sülfür den daha düşük soğurma katsayısına sahip olmasıdır. Bu nedenle Çinko Selenit yaygın olarak yüksek enerjili karbondioksit (CO2) LASER sistemlerinde kullanılmaktadır. Şekil 2.33 Zinc selenide mercek örnekleri ( Germanyum (Ge) Germanyum, yaygın olarak kullanılan kızılötesi optik malzemelerden biri olup, kızılötesi spektrumun 3 µm 5 µm ve 8 µm 14 µm bandlarında kullanılmaktadır. Germanyum malzemesi iki önemli optik özelliğe sahiptir. Birincisi, yüksek kırılma indisine sahip olup, bu sayede optik sistemde oluşacak kusurların azaltılmasını kolaylaştırır. İkinci özellik ise bir dezavantajdır. Germanyum için kırılma indisinin 28

41 sıcaklığa bağlı değişimi dn/dt = K -1 olup, bu değer BK7 camının kırılma indisinin sıcaklığa bağlı değişim değeri olan K -1 ile karşılaştırıldığında oldukça yüksektir. Bu durum, sıcaklığa bağlı olarak odak noktasının önemli derecede yer değiştirmesine neden olur. Germanyum malzemesinin düşük mekanik dayanımı ve düşük optik geçirgenliğinden dolayı, hem dayanımı arttırmak hem de optik geçirgenliği arttırmak amacıyla yüzeyine kaplama yapılmaktadır. Şekil 2.34 Germanyum mercek örnekleri ( AMTIR 1 AMTIR 3 AMTIR-1 ve AMTIR-3 farklı oranlardaki Germanyum (Ge), Arsenik (As), Antimon (Sb) ve Selenit (Se) malzemelerinden üretilen camsı amorf (Amorphous Material Transmitting Infrared Radiation) malzemelerdir. AMTIR ailesi malzemeleri kızılötesi spektrumun yakın bölgesinden uzak bölgesine kadar iletim sağlamakta olup, kırılma indisinin sıcaklığa bağlı olarak değişim değeri Germanyum malzemesine göre düşüktür. 29

42 Çizelge 2.2 AMTIR 1 ve AMTIR 3 optik malzemesi özellikleri ve farkları ( AMTIR-1 (Ge-As-Se) AMTIR-3 (Ge-Sb-Se) Dalgaboyu (µm) Kırılma İndisi (10µm için) n/ t (10-6 K -1 ) λ=10µm IG4 IG4 malzemesi Germanyum (Ge), Arsenik (As) ve Selenit (Se) malzemeleri ile oluşturulan bir optik malzeme olup, sırasıyla karışım oranları ile oluşturulmaktadır. 3 µm 5 µm ve 8 µm 14 µm bandlarında yüksek optik geçirgenliğe sahip olması ve kırılma indisinin sıcaklığa bağlı değişiminin düşük olması özelliklerinden dolayı bu malzemenin atermal sistemlerin tasarım seçiminde tercih edilmektedir (Çizelge 2.3 ve Şekil 2.35). Çizelge 2.3 IG4 optik malzemesi dalgaboyuna bağlı geçirgenlik ve kırılma indisi ( Dalgaboyu (µm) Geçirgenlik (%) Kırılma İndisi

43 Şekil 2.35 IG4 mercek örnekleri ( IG5 IG5 malzemesi Germanyum (Ge), Antimon (Sb) ve Selenit (Se) malzemeleri ile oluşturulan bir optik malzeme olup, sırasıyla karışım oranları ile oluşturulmaktadır. 3 µm 5 µm ve 8 µm 14 µm bandlarında yüksek optik geçirgenliğe sahip olması ve kırılma indisinin sıcaklığa bağlı değişiminin düşük olması özelliklerinden dolayı bu malzemenin atermal sistemlerin tasarım seçiminde tercih edilmektedir (Çizelge 2.4 ve Şekil 2.36). Bu optik malzeme AMTIR-1 malzemesine yakın özellik göstermesi nedeniyle literatürde AMTIR-1 olarak da kullanılmaktadır. Çizelge 2.4 IG4 optik malzemesi dalgaboyuna bağlı geçirgenlik ve kırılma indisi ( Dalgaboyu (µm) Geçirgenlik (%) Kırılma İndisi

44 Şekil 2.36 IG5 mercek örnekleri ( 32

45 3. MATERYAL VE YÖNTEM Giriş kısmında da belirtildiği üzere bu tez kapsamında, kızılötesi görüntüleyici özelliğe sahip gözetleme sistemlerinde kullanılan, optik olarak yakınlaştırma (zoom) yapısına sahip, iki görüş açılı bir optik sistem tasarlanacaktır. Bu tasarıma başlanmadan öncelikle optik alt sistem ve kızılötesi dedektörden oluşan sistemden beklenen ve sağlaması gereken performans parametrelerinin açıklığa kavuşturulması gerekmektedir. 3.1 Gereksinimlerin Belirlenmesi Bir optik sistem tasarlanırken göz önünde bulundurulması gereken birçok parametre vardır. Bu parametrelerin birbirlerine bağlı olmasından dolayı bazılarının tanımlanması ve bu tanımlanan parametreler üzerinden diğerlerinin türetilmesi mümkündür. Bu çalışma kapsamında aşağıdaki gereksinimler göz önünde bulundurulacaktır; Gereksinim 1: Optik sistem dar görüş konumunda 6 dereceden küçük, geniş görüş konumunda ise 13 dereceden büyük yatay görüş açısına sahip olacaktır. Gereksinim 2: Optik sistem kara hedeflerine yönelik olarak kullanıcıya dar görüş açısında 1.5 km, geniş görüş açısında ise 0.6 km menzilden teşhis kabiliyeti sunacaktır. Gereksinim 3: Tasarlanacak optik sistemin -40 ºC ve +60 ºC sıcaklık aralığında odaklı kalacaktır. Gereksinim 4: Tasarlanacak optik sistemin toplam boyu 140mm den küçük olacaktır. 3.2 Sistem Parametrelerinin Hesaplanması Yukarıda sıralanan gereksinimler tasarımı yapılacak olan optik sistem için girdi oluşturan parametrelerdir. Bu kısımda yukarıda sıralanan parametrelerden yola çıkılarak tasarımı etkileyen parametreler türetilecektir. 33

46 3.2.1 Dedektör seçimi Günümüz teknolojisi sayesinde farklı kızılötesi alt bölgelerde çalışan, farklı boyutlara ve farklı piksel büyüklüklerine sahip çeşitli kızılötesi dedektörler geliştirilmiştir. Ancak bu çeşitlilik içerisinden oluşturulacak optik sistemin amacına yönelik olarak en uygun olanı seçilmelidir. Bu tez kapsamında oluşturulacak olan kızılötesi görüntüleme sisteminin hedefinde bulunduğu ortama göre düşük sıcaklığa sahip askeri yer hedefleri (tank, zırhlı personel taşıyıcı ve benzeri) olmasından dolayı, kuramsal temeller kısmında da açıklandığı gibi, düşük sıcaklığa sahip hedefler uzun kızılötesi bölgede yayınım yapmasından ötürü dedektör olarak soğutmasız uzun kızılötesi bölgede çalışan bir dedektör seçilmiştir. Alt bölgenin seçilmesi ile tüm sistemin uzun kızılötesi dalgaboyunda çalışacak şekilde düşünülmesi ve optik malzemelerin bu dalgaboyuna göre seçilmesi gerekmektedir. Günümüzde üretimi gerçekleştirilen bazı soğutmasız uzun kızılötesi dedektör çeşitleri Çizelge 3.1 de sunulmaktadır. Çizelge 3.1 Soğutmasız uzun kızılötesi dedektör çeşitleri ( Çözünürlük Piksel Büyüklüğü 384 piksel x 288 piksel 25 µm 384 piksel x 288 piksel 17 µm 640 piksel x 480 piksel 25 µm 640 piksel x 480 piksel 17 µm 1024 piksel x 768 piksel 17 µm Herhangi bir dedektör gereksinimi olmaması nedeniyle Çizelge 3.1 de sunulan dedektör çeşitlerinden 384 piksel x 288 piksel çözünürlüğe ve 25 µm piksel boyutuna sahip olan 34

47 Şekil 3.1 de sunulan dedektör, optik sistemin tasarımında göz önünde bulundurulacaktır. Şekil 3.1 Tez çalışması kapsamında kullanılan dedektör ( Odak uzunluğu hesabı Optik tasarım için önemli parametrelerden birisi de optik sistemin odak uzunluğudur. Bu tez kapsamında tasarımı yapılacak optik sistemin iki görüş açısına sahip olması nedeniyle tasarım iki farklı odak uzunluğuna sahip olacaktır. Herbir görüş açısı için karşılık gelen odak uzunluğu değerleri ayrı ayrı hesaplanması gerekmektedir Dar görüş alanı için odak uzunluğu hesabı Kısım I: Başlık 3.1 altında belirtilen 1 numaralı gereksinim maddesinde belirtildiği üzere tasarlanacak optik sistemin yatay görüş açısı 6 dereceden küçük olması gerekmektedir. Bu kapsamda optik sistemin yatayda görüş açısını etkileyen parametrelerin göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Bir optik sistemin görüş açısını etkileyen üç temel parametre; optik sistem odak uzunluğu, dedektör çözünürlüğü ve dedektör piksel boyutudur. Bu parametreler Şekil 3.2 de görüldüğü gibi birbirlerine geometrik olarak bağlıdırlar. 35

48 Şekil 3.2 Optik sistem geometrisi Şekil 3.2 de sunulan geometriden yola çıkılarak denlem (3.1) de sunulan geometrik ilişki kurulmaktadır. odak uzunluğu = (yatay dedektör çözünürlüğü/2) piksel boyutu tan(yatay görüş açısı/2) (3.1) Denklem (3.2) de görüldüğü gibi yatay görüş açısının 6 derece, yatay dedektör çözünürlüğünün 384 piksel ve piksel boyutunun 25 µm olduğu durum için karşılık gelen odak uzunluğu yaklaşık olarak 92 mm olarak bulunmaktadır. Gereksinimin sağlanması için dar görüş alanı için odak uzunluğunun 92 mm den daha büyük olması gerekmektedir. odak uzunluğu = ( mm 2 ) 25 µm ( 1000 µm ) 92 mm tan(6 derece /2) (3.2) 36

49 Kısım II: Denklem (3.2) de elde edilen odak uzunluğu değeri, başlık 3.1 altında belirtilen 1 numaralı gereksinim maddesini sağlayacak eşik değerdir. Tasarlanacak optik sistem başlık 3.1 altında belirtilen 2 numaralı gereksinim maddesini sağlayacak şekilde tekrardan hesaplanmalıdır. Gereksinim maddesinde belirtilen hedef teşhis kabiliyeti literatürde Johnson yöntemi (Johnson Methodology) olarak geçen ve NATO STANAG 4347 de tanımlanmaktadır. Bu bağlamda bir hedef tespiti için ilgili hedefin yatayda 2 piksel (1 cycle), teşhisi için yatayda 6 piksel (3 cycle) ve tanıma için ise 12 piksel (6 cycle) ile tanımlanması ve dolayısı ile bu gereksinim maddesinin sağlanması için yatay hedef boyutunun 6 piksel ile tanımlanması gerekmektedir. Gereksinim maddeleri içerisinde hedef boyutu tanımlanmamıştır. Bu nedenle NATO STANAG 4347 de tanımlanan 2.3 m x 2.3 m boyutlarındaki standart NATO hedefi bu tez kapsamında göz önünde bulundurulacaktır. Bu kapsamda optik sistemin yatayda görüş açısını etkileyen ve görüş alanı içerisindeki hedef parametrelerin göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Bir optik sistemin görüş açısını etkileyen temel parametreler yukarıda bahsedildiği gibi; optik sistem odak uzunluğu, dedektör çözünürlüğü ve dedektör piksel boyutu olmak üzere üç temel parametre ile hesaplanmakta olup, görüş alanı içerisindeki hedefe temel parametreler ise hedef boyut bilgisi ve menzildir. Bu parametreler Şekil 3.3 de görüldüğü gibi birbirlerine geometrik olarak bağlıdırlar. 37

50 Şekil 3.3 Optik sistem ve görüş alanı geometrisi Şekil 3.3 de sunulan geometriden yola çıkılarak denklem (3.3) de sunulan geometrik ilişki kurulmaktadır. teşhis piksel sayısı x piksel boyutu odak uzunluğu = hedef boyutu menzil (3.3) Başlık 3.1 altında belirtilen 1 numaralı gereksinim maddesinde dar görüş açısında hedefin 1.5 km menzilden teşhisi istenmektedir. Hedef boyutunun 2.3 m x 2.3 m, dedektör yatay çözünürlüğünün 384 piksel ve dedektör piksel boyutunun 25 µm olduğu göz önünde bulundurulursa denklem (3.4) de sunulan durum elde edilir. 6 x 25 µm odak uzunluğu = 2.3 m 1.5 km (3.4) Bu durumda ilgili odak uzunluğu denklem (3.5) de hesaplandığı üzere yaklaşık olarak 98mm olarak bulunmaktadır. 38

51 odak uzunluğu = 6 x 25 µm x 1.5 km 2.3 m = mm 98 mm (3.5) Denklem (3.5) de belirtilen odak uzunluğu değeri ilgili hedefin 1.5 km den 6 piksel ile tanımlanmasını dolayısı ile hedef teşhisini sağlayacak olan değerdir. 2 numaralı gereksinim maddesinin sağlanması için optik sistemin odak uzunluğu 98 mm den daha büyük bir değer olması gerekmektedir. Dolayısı ile dar görüş açısı için ilgili odak uzunluğu değeri tasarım süresince 98 mm den büyük olacak şekilde seçilmelidir. Bu kapsamda optik tasarım sürecinde dar görüş alanı için gerekli olan odak uzunluğu 100 mm olarak ele alınacaktır Geniş görüş alanı için odak uzunluğu hesabı Kısım I: Başlık 3.1 altında belirtilen 1 numaralı gereksinim maddesinde belirtildiği üzere tasarlanacak optik sistemin yatay görüş açısı 13 dereceden büyük olması gerekmektedir. Benzer şekilde denklem (3.1) de sunulan bağıntı kullanılırsa yatay görüş açısının 13 derece, yatay dedektör çözünürlüğünün 384 piksel ve piksel boyutunun 25 µm olduğu durum için gerekli olan odak uzunluğu yaklaşık olarak 42 mm olarak bulunmaktadır (Denklem (3.6)). Gereksinimin sağlanması için geniş görüş açısı için odak uzunluğunun 42 mm den daha küçük olması gerekmektedir. ( mm 2 ) 25 µm ( 1000 µm ) odak uzunluğu = 42 mm tan(13 derece /2) (3.6) 39

52 Kısım II: Denklem (3.6) da elde edilen odak uzunluğu değeri, başlık 3.1 altında belirtilen 1 numaralı gereksinim maddesini sağlayacak eşik değerdir. Tasarlanacak optik sistem başlık 3.1 altında belirtilen 2 numaralı gereksinim maddesini sağlayacak şekilde tekrardan hesaplanmalıdır. Gereksinim maddesinde belirtilen hedef teşhis kabiliyeti literatürde Johnson yöntemi (Johnson Methodology) olarak geçen ve NATO STANAG 4347 de tanımlanmaktadır. Bu bağlamda bir hedef tespiti için ilgili hedefin yatayda 2 piksel (1 cycle), teşhisi için yatayda 6 piksel (3 cycle) ve tanıma için ise 12 piksel (6 cycle) ile tanımlanması ve dolayısı ile bu gereksinim maddesinin sağlanması için yatay hedef boyutunun 6 piksel ile tanımlanması gerekmektedir. Gereksinim maddeleri içerisinde hedef boyutu tanımlanmamıştır. Bu nedenle NATO STANAG 4347 de tanımlanan 2.3 m x 2.3 m boyutlarındaki standart NATO hedefi bu tez kapsamında göz önünde bulundurulacaktır. Bu kapsamda optik sistemin yatayda görüş açısını etkileyen ve görüş alanı içerisindeki hedef parametrelerin göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Bir optik sistemin görüş açısını etkileyen temel parametreler yukarıda bahsedildiği gibi; optik sistem odak uzunluğu, dedektör çözünürlüğü ve dedektör piksel boyutu olmak üzere üç temel parametre ile hesaplanmakta olup, görüş alanı içerisindeki hedefe temel parametreler ise hedef boyut bilgisi ve menzildir. Bu parametreler Şekil 3.3 de görüldüğü gibi birbirlerine geometrik olarak bağlıdırlar. Başlık 3.1 altında belirtilen 1 numaralı gereksinim maddesinde geniş görüş açısında hedefin 0.6 km menzilden teşhisi istenmektedir. Hedef boyutunun 2.3 m x 2.3 m, dedektör yatay çözünürlüğünün 384 piksel ve dedektör piksel boyutunun 25 µm olduğu göz önünde bulundurulursa denklem (3.7) de sunulan durum elde edilir. 40

53 6 x 25 µm odak uzunluğu = 2.3 m 0.6 km (3.7) Bu durumda ilgili odak uzunluğu denklem (3.8) de hesaplandığı üzere yaklaşık olarak 39 mm olarak bulunmaktadır. odak uzunluğu = 6 x 25 µm x 0.6 km 2.3 m = mm 39 mm (3.8) Denklem (3.8) de belirtilen odak uzunluğu değeri ilgili hedefin 0.6 km den 6 piksel ile tanımlanmasını dolayısı ile hedef teşhisini sağlayacak olan değerdir. 2 numaralı gereksinim maddesinin sağlanması için optik sistemin odak uzunluğu 39 mm den daha büyük bir değer olması gerekmektedir. Kısım I de belirtildiği üzere geniş görüş açısında optik sistemin sahip olması gereken odak uzunluğu 42 mm den küçük ve kısım II de hesaplandığı üzere 39 mm den de büyük olmak durumundadır. Dolayısı ile geniş görüş açısı için ilgili odak uzunluğu değeri tasarım süresince 40 mm olacak şekilde seçilecektir Optik malzeme seçimi Optik sistem tasarımında kullanılacak birçok kızılötesi optik malzeme çeşidi mevcuttur. ancak bu malzemeler optik sistemin kullanım koşulları, mekanik tasarımında kullanılacak malzeme, optik sistemin çalışacağı dalgaboyu aralığı gibi birçok parametreye bağlı olarak tasarımcının seçim yapması gerekmektedir. Bu tez kapsamında oluşturulacak tasarım için temel parametreler ilgili dalgaboyu aralığındaki ışımanın büyük bir yüzdeye sahip kısmının dedektörün tek bir pikseline odaklanması için yüksek kırılma indisine sahip optik malzeme seçilmesi ve farklı sıcaklıklarda oluşacak odak bozulmasının önlenmesi için sıcaklık değişimine bağlı olarak kırılma indisi değişkenliği ( n/ T) düşük malzemeler seçilmelidir. 41

54 Bu kapsamda tercih yapılmasını kolaylaştırmak açısından genel olarak kullanılan optik mazlemelerin özellikleri Çizelge 3.2 deki gibi özetlenmiştir. Çizelge 3.2 Dalgaboyuna ve sıcaklığa bağlı kırılma indisi kırılma indisi değişimi ( Malzeme Kırılma İndisi n/ T (10-6 K -1 ) λ=8 µm λ=10 µm λ=12 µm λ=10 µm Optik Geçirgenlik Aralığı AMTIR µm 12 µm ZnS_Broad µm 21 µm ZnSe µm 13 µm Ge µm 23 µm IG µm 14 µm IG µm 14 µm Çizelge 3.2 de görüldüğü gibi kırılma indisi büyük olan Germanyum malzemesinin sıcaklığa bağlı olarak kırılma indisi değişimi de yüksektir. Bunun anlamı Germanyum malzemesinin oda sıcaklığında Çizelge 3.2 de görülen değerleri alırken -40 ºC ve +60 ºC derece gibi sıcaklıklarda aynı olmayacaktır. Bu değişim optik sistemdeki birçok performans parametresine etki etmektedir. Bu tip malzemeler optik sistem içerisinde kullanıldığında sistemde kullanılan diğer malzemeler de ve gövde malzemesi de buna göre seçilir bu sayede optik sistem termal olarak kompanse edilmiş olur. Bu tez kapsamında birçok farklı optik sistem oluşturulmuş ve bir çeşit eleme gerçekleştirilmiştir. Bu elemelerin sonunda ortaya çıkan optik sistemde kullanılan malzemeler IG4, IG5 ve ZnS_Broad malzemeleri olmuştur. Özellikle sıcaklığa bağlı kırılma indisi değişimi düşük olan malzemeler seçilmiştir. Çizelge 3.2 de diğer malzemeler ile kıyaslandığında sıcaklığa bağlı kırılma indisi değişimi düşük olan bu malzemeler ile -40 ºC ve +60 ºC sıcaklık aralığında başlık 3.1 altında belirtilen 3 numaralı gereksinim maddesi sağlanacaktır. 42

55 3.2.4 Sistem parametreleri özeti Optik sistemin tasarımı için gerekli olan bir başka parametre ise optik sistemin f numarasıdır. Başlık altında belirtildiği üzere f numarası bir optik sistemin ne kadar ışık toplayabileceğinin bir ölçüsüdür. Bu tez çalışması kapsamında tasarlanacak optik sistemin f numarası giriş açıklığının makul değerlerde (çok büyük olmaması) olması amacıyla 2.0 olarak ele alınacaktır. Şekil 3.3 de sunulan geometri yardımı ile hesaplanan dar ve geniş görüş açılarını da içeren optik sistem parametrelerinin özeti Çizelge 3.3 de sunulmaktadır. Çizelge 3.3 Optik sistem parametreleri özeti Sistem Parametresi Değeri Dedektör Çözünürlüğü 384 piksel x 288 piksel Dedektör Piksel Boyutu 25 µm Dedektör Çalışma Bandı 8 µm 12 µm Dar Görüş Açısı Odak Uzunluğu 100 mm Geniş Görüş Açısı Odak Uzunluğu 40 mm Dar Görüş Açısı 3.74º x 2.80º Geniş Görüş Açısı 9.33º x 7.00º Çalışma Sıcaklık Aralığı -40 ºC / +60 ºC f-numarası 2.0 Teşhis Mesafesi 1500 m (dar FOV) 600 m (geniş FOV) 3.3 Sistem Parametrelerinin Tasarım Programında Tanımlanması 3.1 numaralı başlık altında anlatılan parametrelere ve gereksinimlere bağlı olarak farklı versiyonlar belirlenerek çeşitli tasarımlar ZEMAX-EETM paket programı kullanılarak oluşturulmuştur. Bu tasarımlar arasından gereksinimlere en yakın olan seçilmiş olup, aşağıdaki başlıklar altında tasarım sürecindeki işlemler özetlenmiştir. 43

56 3.3.1 Dalgaboyu aralığı tanımı Oluşturulacak optik sistem 8 µm 12 µm uzun kızılötesi dalgaboyu aralığında görev yapacak şekilde daha önceden belirlendiği için ZEMAX paket programında oluşturulacak sistem için bant sınırları ve merkez dalgaboyları Şekil 3.4 görüldüğü gibi tasarım parametreleri arasına girilmiştir. Optik sistemde kullanılcak olan kızılötesi dedektör alt sisteminin dalgaboyuna bağlı olarak değişen hassasiyeti 10µm dalgaboyunda maksimum yapmasından dolayı bu dalgaboyunun ağırlık (etki) değeri 2 olarak ele alınmıştır. Şekil 3.4 Optik tasarım için dalgaboyu aralıklarının programa girilmesi Dedektör boyut tanımı Optik sistem tarafından toplanan kızılötesi ışımanın dedektörün tüm yüzeyini kapsayacak şekilde belirli bölgeye odaklanması amacıyla dedektörün boyutlarının tanımlanması gerekmektedir. Genel olarak dedektörün diagonal uzunluğu baz alınarak uç veya maksimum noktadan sıfır noktasına doğru belirli noktlar tanımlanmaktadır. 44

57 Şekil 3.5 Dedektör boyutları Şekil 3.5 de görüldüğü gibi dedektör diagonal uzunluğu 12 mm olarak hesaplanmıştır. Bu durumda dedektörün uç noktaları için merkezden dış kısıma doğru alanı +6 mm ve - 6 mm olarak göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Dairesel görüş açısını eşit açı parçalarına bölmek amacıyla, merkezden veya uç noktalardan herhangi birinden başlayarak %70 oranında azaltma veya arttırım ile ara noktalar belirlenir. Bu tasarım için hesaplanan noktalar Çizelge 3.4 de sunulmaktadır. Köşegenin orta noktasındaki simetriden dolayı, bu değerlerin tek bir yönde tanımlanması yeterlidir. Çizelge 3.4 Alan değerleri Alan Numarası Alan Değeri mm mm mm mm mm

58 Çizelge 3.4 de belirtilen değerler Şekil 3.6 da görüldüğü gibi tasarım parametreleri arasına girilmiştir. Şekil 3.6 Optik tasarım için dedektör boyutlarının aralıklarının programa girilmesi F-numarası tanımı Optik sistemin tasarımı için gerekli olan bir başka parametre ise optik sistemin f numarasıdır. Başlık altında belirtildiği üzere bu tez çalışması kapsamında tasarlanacak optik sistemin f-numarası 2.0 olarak ele alınmıştır. Şekil 3.7 de görüldüğü gibi tasarım parametreleri arasına girilir. Şekil 3.7 Optik tasarım için f-numarasının programa girilmesi 46

59 3.3.4 Odak uzunluğu tanımı Tasarlanacak optik sistemin iki farklı odak uzunluğu olması nedeniyle öncelikle iki farklı konfigürasyon oluşturulması gerekmektedir. Bu iki konfigürasyonun oluşturulmasının ardından başlık altında belirtildiği gibi dar görüş alanı için 100 mm ve geniş görüş alanı için 40 mm lik odak uzunlukları Şekil 3.8 de görüldüğü gibi tasarım parametreleri arasına girilir. Şekil 3.8 Optik tasarım için odak uzunluklarının programa girilmesi Toplam uzunluk tanımı Başlık 3.1 altında belirtilen 4 numaralı gereksinim maddesinde belirtildiği üzere tasarlanacak optik sistemin toplam boyu 140 mm olması gerekmektedir. Optik tasarım için bir girdi olan bu parametre Şekil 3.9 da görüldüğü gibi tasarım parametreleri arasına girilmiştir. Şekil 3.9 Optik tasarım için toplam boy parametresinin programa girilmesi 47

60 3.4 Optik Tasarımın Oluşturulması Optik tasarımın oluşturulması aşamasında başlık 3.3 altında belirtilen değerlerin sisteme girilmesinin ardından Çizelge 3.2 de belirtilen farklı mercek malzemeleri kullanılarak birçok farklı versiyon oluşturulmuştur. Farklı mercek malzemeleri, farklı sıralamalar, farklı kalınlıklar ve benzeri değişimler bu versiyonları oluşturmuştur. Ancak oluşturulan herbir versiyon aynı başarıyı göstermemektir. Bu kapsamda isterlere ve gereksinimlere en yakın versiyon seçilmiştir Çift görüş açısına sahip optik sistem Oluşturulan versiyonlar arasından en düşük değer fonksiyonuna sahip versiyon için seçilen mercek malzemeleri ve dizilimleri Şekil 3.10 da görülmektedir. Şekil 3.10 En düşük değer fonksiyonuna sahip optik sistem mercek malzemeleri Optik sistemde 3 tanesi sabit ve 1 tanesi hareketli olmak üzere toplam 4 mercek kullanılmıştır. Tasarımda kullanılacak olan dedektörün içerdiği filtre ve koruyucu cam bilgileri ve malzemeleri de göz önünde bulundurulmuştur. Şekil 3.10 da görüldüğü üzere tasarımda 3 farklı merceğin birer yüzeyleri küresel olmayan yüzey (aspherical surface) olarak kullanılmıştır. 48

61 Konfigürasyon 1 (Geniş Görüş Açısı) Odak uzunluğu 40 mm olarak seçilen geniş görüş açısı optik tasarımda konfigürasyon 1 olarak adlandırılmaktadır. Konfigürasyon 1 e ait iki boyutlu ve üç boyutlu modeller Şekil 3.11 de sunulmuştur. Şekil 3.11 de görüldüğü gibi 2 numaralı mercek hareketli olup, 1 numaralı konumda optik sisteme 40 mm lik odak uzunluğunu sağlamaktadır. Şekil 3.11 Konfigürasyon 1 (Geniş Görüş Açısı) Şekil 3.11 de görülen merceklere ait malzeme, yüzey ve odak uzunluğu bilgileri Çizelge 3.5 de verilmiştir. Çizelge 3.5 Mercek bilgileri Mercek Odak Malzeme R1 Yüzey Tipi R2 Yüzey Tipi Numarası Uzunluğu 1 IG4 Küresel Küresel Olmayan 151 mm 2 IG5 Küresel Olmayan Küresel -43 mm 3 IG4 Küresel Olmayan Küresel 31 mm 4 ZnS_Broad Küresel Küresel -185 mm 49

62 Konfigürasyon 2 (Dar Görüş Açısı) Odak uzunluğu 100 mm olarak seçilen dar görüş açısı optik tasarımda konfigürasyon 2 olarak adlandırılmaktadır. Konfigürasyon 2 ye ait iki boyutlu ve üç boyutlu modeller Şekil 3.12 de sunulmuştur. Şekil 3.12 de görüldüğü gibi 2 numaralı mercek hareketli olup, 2 numaralı konumda optik sisteme 100 mm lik odak uzunluğunu sağlamaktadır. Şekil 3.12 Konfigürasyon 2 (Dar Görüş Açısı) Konfigürasyon 1 ve Konfigürasyon 2 Optik sistem içerisindeki 2 numaralı merceğin konum değiştirmesi ile oluşan konfigürasyon 1 ve konfigürasyon 2 nin tek bir ekran görüntüsü altında birleştirilmesi ile oluşan görünüm Şekil 3.13 de görülmektedir. 50

63 Şekil 3.13 Nihai çift görüş açılı optik system Şekil 3.13 de görüldüğü gibi, hareketli mercek 1 numaralı konumda bulunduğu durumda optik sistem odak uzunluğu 40 mm olmakta ve kullanıcıya yatayda 13.7 derecelik görüş açısı sunmakta olup, hareketli mercek 2 numaralı konumda bulunduğu durumda ise optik sistem odak uzunluğu 100 mm olmakta ve kullanıcıya yatayda 5.5 derecelik görüş açısı sunmaktadır Mekanik tasarım Şekil 3.13 de görülen nihai optik tasarım için oluşturulan mekanik paket Şekil 3.14 de sunulmaktadır. Mekanik malzeme olarak sıcaklığa bağlı genleşmesi diğer malzemelere göre düşük olan Alüminyum malzemesi kullanılmıştır. Görüş açısı değişimi sağlayan 2 numaralı mercek için manuel (kol ile) hareket mekanizması tasarlanmıştır. Şekil 3.13 de 51

64 görüldüğü gibi bu mekanizma el hareketi ile 2 numaralı lensin bağlı olduğu parçanın konumunun değişmesini bunun sonucu olarak da görüş açısının değişmesini sağlamaktadır. Şekil 3.14 Nihai çift görüş açılı optik sistem mekanik tasarımı 52

65 4. ARAŞTIRMA BULGULARI 4.1 Optik Başarım ve Analizler Bu bölümde yukarıda anlatılan optik tasarımın bazı başarım kriterleri ile analiz edilmesi ve bu analiz sonuçlarının değerlendirmesi gerçekleştirilecektir Nokta diyagramı analizi Nokta diyagramı analizi ile optik tasarımın spektral çalışma aralığı olan 8 µm 12 µm (LWIR) band aralığındaki kızılötesi ışımanın dedektör yüzeyi üzerinde ne kadar çaptaki bir alana odaklandığı anlaşılmaktadır Konfigürasyon 1 (Geniş Görüş Açısı) Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki geniş görüş açısına ait -40 ºC lik sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.1 de sunulmaktadır. Şekil 4.1 Geniş görüş açısına ait -40 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı 53

66 Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki geniş görüş açısına ait -15 ºC lik sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.2 de sunulmaktadır. Şekil 4.2 Geniş görüş açısına ait -15 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki geniş görüş açısına ait +10 ºC lik sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.3 de sunulmaktadır. Şekil 4.3 Geniş görüş açısına ait +10 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı 54

67 Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki geniş görüş açısına ait +20 ºC lik sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.4 de sunulmaktadır. Şekil 4.4 Geniş görüş açısına ait +20 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki geniş görüş açısına ait +35 ºC lik sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.5 de sunulmaktadır. Şekil 4.5 Geniş görüş açısına ait +35 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı 55

68 Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki geniş görüş açısına ait +60 ºC lik sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.6 da sunulmaktadır. Şekil 4.6 Geniş görüş açısına ait +60 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı Konfigürasyon 2 (Dar Görüş Açısı) Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki dar görüş açısına ait -40 ºC lik sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.7 de sunulmaktadır. Şekil 4.7 Dar görüş açısına ait -40 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı 56

69 Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki dar görüş açısına ait -15 ºC lik sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.8 de sunulmaktadır. Şekil 4.8 Dar görüş açısına ait -15 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki dar görüş açısına ait +10 ºC lik sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.9 da sunulmaktadır. Şekil 4.9 Dar görüş açısına ait +10 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı 57

70 Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki dar görüş açısına ait +20 ºC lik sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.10 da sunulmaktadır. Şekil 4.10 Dar görüş açısına ait +20 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki dar görüş açısına ait +35 ºC lik sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.11 de sunulmaktadır. Şekil 4.11 Dar görüş açısına ait +35 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı 58

71 Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki dar görüş açısına ait +60 ºC lik sıcaklıkdaki nokta diyagramı Şekil 4.12 de sunulmaktadır. Şekil 4.12 Dar görüş açısına ait +60 ºC sıcaklıkdaki nokta diyagramı Nokta diyagram değer özetleri Başlık ve sunulan nokta diyagramlarına ait özet bilgiler Çizelge 4.1 de verilmiştir. Görüldüğü gibi istenilen dalgaboyu aralığındaki bazı değerler dedektör piksel boyutu olan 25 µm den büyüktür. Bu değerlerin optik sistem için yeterli olup olmadığının anlaşılması adına 1 piksel boyutunu temsil eden 25 µm luk kare alana düşen enerji yüzdesine bakılarak yorum yapılması gerekmektedir. Bu amaçla başlık altında verilen kapalı enerji değerlerinin incelenerek yorumlanması gerekmektedir. 59

72 Çizelge 4.1 Nokta diyagramları özet tablosu Kapalı enerji (Encircled/Ensquared energy) analizi Bu kısımda optik tasarımın spektral çalışma aralığı olan 8 µm 12 µm (LWIR) band aralığındaki kızılötesi ışımanın dedektör yüzeyi üzerinde 25 µm luk (1 piksel) kare alana düşen enerji yüzdesi analiz edilecektir. 60

73 Konfigürasyon 1 (Geniş Görüş Açısı) Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki geniş görüş açısına ait -40 ºC lik sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.13 de sunulmaktadır. Şekil 4.13 Geniş görüş açısına ait -40 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki geniş görüş açısına ait -15 ºC lik sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.14 de sunulmaktadır. Şekil 4.14 Geniş görüş açısına ait -15 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği 61

74 Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki geniş görüş açısına ait +10 ºC lik sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.15 de sunulmaktadır. Şekil 4.15 Geniş görüş açısına ait +10 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki geniş görüş açısına ait +20 ºC lik sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.16 da sunulmaktadır. Şekil 4.16 Geniş görüş açısına ait +20 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği 62

75 Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki geniş görüş açısına ait +35 ºC lik sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.17 de sunulmaktadır. Şekil 4.17 Geniş görüş açısına ait +35 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki geniş görüş açısına ait +60 ºC lik sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.18 de sunulmaktadır. Şekil 4.18 Geniş görüş açısına ait +60 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği 63

76 Konfigürasyon 2 (Dar Görüş Açısı) Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki dar görüş açısına ait -40 ºC lik sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.19 da sunulmaktadır. Şekil 4.19 Dar görüş açısına ait -40 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki dar görüş açısına ait -15 ºC lik sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.20 de sunulmaktadır. Şekil 4.20 Dar görüş açısına ait -15 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği 64

77 Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki dar görüş açısına ait +10 ºC lik sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.21 de sunulmaktadır. Şekil 4.21 Dar görüş açısına ait +10 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki dar görüş açısına ait +20 ºC lik sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.22 de sunulmaktadır. Şekil 4.22 Dar görüş açısına ait +20 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği 65

78 Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki dar görüş açısına ait +35 ºC lik sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.23 de sunulmaktadır. Şekil 4.23 Dar görüş açısına ait +35 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki dar görüş açısına ait +60 ºC lik sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği Şekil 4.24 de sunulmaktadır. Şekil 4.24 Dar görüş açısına ait +60 ºC sıcaklıkdaki kapalı enerji grafiği 66

79 Kapalı enerji değer özetleri Başlık ve sunulan kapalı enerji değerlerine ait özet bilgiler Çizelge 4.2 de verilmiştir. Kapalı enerji grafiklerinde görüldüğü üzere maksimum ve minimum sıcaklık değerlerinde optik sistemde kullanılan kızılötesi dedektörün merkezinden kenarlarına doğru kırınım limitinden (diffraction limit) uzaklaşma eğilimi göstermektedir. Kırınım limiti eğrisi teorik olarak istenilen parametreler ile ulaşılabilecek en yüksek kapalı enerji değerini temsil etmektedir. Bu durum tasarımdaki optik kusurlardan kaynaklanmaktadır. Ancak optik sistemin çalışması için herhangi bir problem teşkil etmemektedir. Çizelge 4.2 de görüldüğü üzere her bir sıcaklık değerinin ortalaması ile kırınım limiti kıyaslandığında optik sistemde dedektör merkezinden uç noktalara gidildikçe, konfigürasyon 1 için %5 ile % 11 arasında, konfgürasyon 2 için ise %17 ile %21 mertebesinde daha az kızılötesi enerji alacaktır. Başlık de analiz edildiği üzere bu durumda dahi net simülasyon görüntüleri elde edilmektedir. Çizelge 4.2 Kapalı enerji değerleri özet tablosu 67

80 4.1.3 Optik MTF analizi Optik sistemin bir siyah ve bir beyaz çizgi çiftini ayırt edilebilme gücü olarak tanımlanmaktadır. MTF kontrastın bir dolaylı olarak bir ölçüsü olması nedeniyle tasarlanan optik sistemin oluşturduğu görüntü kalitesi ile yakından ilgilidir. MTF genel olarak milimetre başına çizgi çifti (cycle/mm) veya miliradyan başına çizgi çifti (cycle/mrad) olarak tanımlanmaktadır. MTF tüm optik sistem hakkında performans bilgisi vermesinden dolayı, bir optik sistemin performans ölçümü için kullanılan önemli bir parametredir. MTF parametresinin görüntü üzerindeki etkisi Şekil 4.25 yardımı ile görsel olarak anlaşılmaktadır. Şekil 4.25 Farklı MTF değerlerine karşılık gelen kontrast farkları (Fiete 2010) Şekil 4.25 de girdi olarak belirli bir kontrast farkına karşılık olarak farklı MTF değerleri ile oluşan çıktı kontrastları verilmiştir. Görüldüğü gibi giriş kontrast frekansına karşılık gelen MTF değerine göre çıktı kontrastında önemli ölçüde değişiklik olmaktadır. Sonuç 68

81 olarak kontrast veya MTF değişiminin görüntü üzerindeki etkisi Şekil 4.26 da görülmektedir. Şekil 4.26 Farklı MTF değerleri sonucunda oluşan görüntüler (Fiete 2010) Bir elektro-optik sistemdeki toplam MTF sistem altındaki her bir altsistemin MTF lerinin toplamına eşit olup, bu altsistemlere ait MTF katkıları Şekil 4.27 de görüldüğü gibi mercekler (optik kısım), dedektör, sinyal okuma/işleme elektronikleri ve varsa görüntünün kullanıcıya sunulduğu ekrandan gelmektedir. Optik kısımdan gelen MTF değeri ise optik ile ilgili olan optik kusurlar, toleranslar, sıcaklığa bağlı değişimler ve benzeri her bir değişkenin katkıları ile oluşmaktadır. 69

82 Şekil 4.27 Sistem MTF değerine gelen katkılar (Fiete 2010) Bir elektro-optik sisteme ait tipik optik MTF grafiği Şekil 4.28 de görülmektedir. Bu grafikte farklı açılara bağlı olarak yatay ve dikey MTF değerleri görülmektedir. Şekil 4.28 Bir elektro-optik sisteme ait tipik optik MTF grafiği MTF grafiği değerlendirilirken dikkat edilmesi gereken nokta hangi uzaysal frekans değerine göre değerlendirme gerçekleştirileceğidir. Bir elektro-optik sistem için ilgili 70

83 uzaysal frekans değeri nyquist frequency olarak tanımlanan limit frekans değerdir. Bu değer denklem (4.1) ile hesaplanmaktadır. Limit frekans değeri (cycle/mm) = x piksel boyutu (µm) (4.1) Başlık altında da belirtildiği üzere optik tasarımda kullanılmak üzere 25 µm boyutunda piksel büyüklüğüne sahip dedektör seçilmiştir. Bu durumda ilgili limit frekans değeri denklem (4.2) de görüldüğü üzere 20 cycle/mm olarak bulunmaktadır. Limit frekans değeri = 1000 = 20 cycle/mm (4.2) 2 x 25 µm Denklem (4.2) de hesaplandığı üzere optik tasarım MTF sonuçlarında bakılması gereken ilgili frekans değeri 20 cycle/mm dir. 71

84 Konfigürasyon 1 (Geniş Görüş Açısı) Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki geniş görüş açısına ait -40 ºC lik sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.29 da sunulmaktadır. Şekil 4.29 Geniş görüş açısına ait -40 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki geniş görüş açısına ait -15 ºC lik sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.30 da sunulmaktadır. Şekil 4.30 Geniş görüş açısına ait -15 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği 72

85 Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki geniş görüş açısına ait +10 ºC lik sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.31 de sunulmaktadır. Şekil 4.31 Geniş görüş açısına ait +10 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki geniş görüş açısına ait +20 ºC lik sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.32 de sunulmaktadır. Şekil 4.32 Geniş görüş açısına ait +20 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği 73

86 Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki geniş görüş açısına ait +35 ºC lik sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.33 de sunulmaktadır. Şekil 4.33 Geniş görüş açısına ait +35 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki geniş görüş açısına ait +60 ºC lik sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.34 de sunulmaktadır. Şekil 4.34 Geniş görüş açısına ait +60 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği 74

87 Konfigürasyon 2 (Dar Görüş Açısı) Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki dar görüş açısına ait -40 ºC lik sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.35 de sunulmaktadır. Şekil 4.35 Dar görüş açısına ait -40 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki dar görüş açısına ait -15 ºC lik sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.36 da sunulmaktadır. Şekil 4.36 Dar görüş açısına ait -15 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği 75

88 Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki dar görüş açısına ait +10 ºC lik sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.37 de sunulmaktadır. Şekil 4.37 Dar görüş açısına ait +10 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki dar görüş açısına ait +20 ºC lik sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.38 de sunulmaktadır. Şekil 4.38 Dar görüş açısına ait +20 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği 76

89 Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki dar görüş açısına ait +35 ºC lik sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.39 da sunulmaktadır. Şekil 4.39 Dar görüş açısına ait +35 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Tasarımı gerçekleştirilen optik sistemdeki dar görüş açısına ait +60 ºC lik sıcaklıkdaki optik MTF grafiği Şekil 4.40 da sunulmaktadır. Şekil 4.40 Dar görüş açısına ait +60 ºC sıcaklıkdaki optik MTF grafiği 77

90 Optik MTF değer özetleri Başlık ve sunulan optik MTF değerlerine ait özet bilgiler Çizelge 4.3 de verilmiştir. Nokta diyagramı ve kapalı enerji analizlerinde değerlendirildiği üzere analiz edilen parametre değeri maksimum ve minimum sıcaklık değerlerinde optik sistemde kullanılan kızılötesi dedektörün merkezinden kenarlarına doğru kırınım limitinden (diffraction limit) uzaklaşma eğilimi göstermektedir. Çizelge 4.3 de kırmızı renk ile belirtilen değerler incelenirse benzer durumun optik MTF için de geçerli olduğu görülmektedir. Ancak maksimum ve minimum sıcaklık değerlerinde optik MTF deki bu değişimin normal olduğu değerlendirilmektedir. Başlık de analiz edildiği üzere maksimum ve minimum sıcaklık değerlerinde dahi net simülasyon görüntüleri elde edilmektedir. Çizelge 4.3 Optik MTF değerleri özet tablosu 78

91 4.1.4 Optik kusur analizi Bu kısımda optik tasarımda kullanılan her bir merceğin ve tüm optik tasarımın optik kusurlarını gösteren Siedel diyagramı incelenecektir Konfigürasyon 1 (Geniş Görüş Açısı) Optik tasarımda kullanılan her bir merceğin geniş görüş açısı için oluşturduğu optik hatalar Şekil 4.41 de sunulmaktadır. Şekil 4.41 Geniş görüş açısına ait Siedel diyagramı Şekil 4.41 de görüldüğü gibi optik tasarımda kullanılan her bir mercek farklı seviyelerde farklı optik kusurlara sahiptir. 6, 7 ve 8 numaralı yüzeylerde görüldüğü gibi farklı mercek yüzeylerinden kaynaklanan benzer hatalar toplamda (sum) birbirlerini yoketmektedir. Dolayısı ile toplamda ilgili optik kusur minumum seviyeye inmektedir. Ancak geniş görüş açısında özellikle 3 numaralı yüzeyden kaynaklanan şekil bozulması (distortion) optik kusuru minimum seviyeye inmemiş olup eksi yönde (içeri doğru) %4.25 lik bir şekil bozulmasına neden olmaktadır (Şekil 4.42). 79

92 Şekil 4.42 Geniş görüş açısına ait şekil bozulması (distortion) grafiği Başlık altında Şekil 2.21 de sunulduğu gibi normal görüntünün içeri doğru basıklığı söz konusu olacaktır. Görüntü simülasyonu gerçekleştirmek amacıyla ZEMAX-EE TM paket programı kullanılmış olup, programa girdi olarak verilen ham görüntü ile programın optik başarımlar doğrultusunda oluşturduğu işlenmiş görüntü simülasyonu sunulmaktadır (Şekil 4.43). Şekil 4.43 Geniş görüş açısı için görüntü simülasyonu (işlenmemiş ham görüntü: solda, işlenmiş görüntü: sağda) ( 80

93 Şekil 4.43 de sağdaki işlenmiş simülasyon çıktısında görüldüğü gibi görüntünün köşe kısımları içe bükülme eğilimi göstermektedir. Ancak yukarıda bahsedildiği gibi şekil bozulması düşük seviye olmasından dolayı görüntü üzerindeki etkisi de oldukça azdır Konfigürasyon 2 (Dar Görüş Açısı) Optik tasarımda kullanılan her bir merceğin dar görüş açısı için oluşturduğu optik hatalar Şekil 4.44 de sunulmaktadır. Şekil 4.44 Dar görüş açısına ait Siedel diyagramı Şekil 4.44 de görüldüğü gibi optik tasarımda kullanılan her bir mercek farklı seviyelerde farklı optik kusurlara sahiptir. 6, 7 ve 8 numaralı yüzeylerde görüldüğü gibi farklı mercek yüzeylerinden kaynaklanan benzer hatalar toplamda (sum) birbirlerini yoketmektedir. Görüntü simülasyonu gerçekleştirmek amacıyla ZEMAX-EE TM paket programı kullanılmış olup, programa girdi olarak verilen ham görüntü ile programın optik başarımlar doğrultusunda oluşturduğu işlenmiş görüntü simülasyonu sunulmaktadır (Şekil 4.45). 81

94 Şekil 4.45 Dar görüş açısı için görüntü simülasyonu (işlenmemiş ham görüntü: solda, işlenmiş görüntü: sağda) ( Optik kusur analizi özeti Başlık ve altındaki analizlerde belirtildiği üzere tasarımı gerçekleştirilen optik sistemde bulunan hatalar görüntüleme işlemi üzerinde minimum etkiye sahiptir. Optik sistemin içerdiği geniş ve dar görüş açılarının daha net anlaşılması amacıyla 40mm ve 100mm odak uzunluğuna yakın değerlere sahip objektiflerden alınmış temsili görüntüler Şekil 4.46 da sunulmaktadır. Şekil 4.46 Geniş ve dar görüş açılarına ait temsili görüntüler 82