Transkript

1 ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ TERMAL VE GECE GÖRÜŞ DÜRBÜNLERİNİN OPTİKSEL BİLEŞENLERİ İÇİN TASARIM GELİŞTİRME Ozan ÖZYURT ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ANKARA 2010 Her Hakkı Saklıdır

2 ÖZET Yüksek Lisans Tezi TERMAL VE GECE GÖRÜŞ DÜRBÜNLERİNİN OPTİKSEL BİLEŞENLERİ İÇİN TASARIM GELİŞTİRME Ozan ÖZYURT Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Faruk ÖZEK Tez çalışmasında, termal ve gece görüş dürbünlerinin yapıları ve çalışma prensipleri ile oküler mercek sistemleri incelenmiştir. Optik tasarım programı Zemax ile oküler mercek sistemlerinin performans analizi yapılmış ve tasarımdaki sınırlayıcı parametreler belirlenmiştir. Üç farklı oküler mercek sistemi için tasarım gerçekleştirilmiştir. Her bir sistem için büyütme oranları hesaplanmıştır. Modülasyon transfer fonksiyonları, MTF, nokta gösterimi, ızgara bozunumu ve ışın yelpazesi gibi performans parametreleri karşılaştırılmıştır. Ayrıca, imal edilebilirlik, ağırlık ve maliyet gibi üretimle ilgili önemli faktörler de değerlendirilmiştir. Son olarak, geleceğe yönelik öneriler sunulmuştur. Ekim 2010, 82 sayfa Anahtar Kelimeler: termal ve gece görüş dürbünü, optik tasarım parametreleri, modülasyon transfer fonksiyonu, oküler mercek i

3 ABSTRACT Master Thesis DESIGN DEVELOPMENT FOR OPTICAL COMPONENTS OF THERMAL AND NIGHT VISION BINOCULARS Ozan ÖZYURT Ankara University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Electronics Engineering Supervisor: Prof. Dr. Faruk ÖZEK In this thesis, the structure plus the working principles and the ocular lens systems of the thermal and night vision binoculars were examined. Using the optical design program Zemax, the performance analyses of the ocular systems were carried out and the limiting parameters in the design were determined. Three different types of the ocular lens systems were designed. The magnification values for each system were calculated. The modulation transfer functions, MTF, spot diagrams, grid distortion and ray fan plots were compared. In addition, the other factors which are important for the production aspect, such as the manufacturability, weight and cost were also considered. Finally, the ideas for future work were presented. October 2010, 82 pages Key Words: thermal and night vision binoculars, optical design parameters, modulation transfer function, ocular lens ii

4 TEŞEKKÜR Çalışmalarımı yönlendiren, araştırmalarımın her aşamasında bilgi, öneri ve yardımlarını esirgemeyen danışman hocam sayın Prof. Dr. Faruk ÖZEK e (Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi), çalışmalarım sırasında beni maddi açıdan destekleyen TÜBİTAK Bilim Adamı Yetiştirme Grubu na, çalışmalarıma destek veren sayın Devrim ANIL a, bu çalışmayı yapmam için imkan sağlayan kurum amirlerime ve birçok konuda fedakarlık göstererek beni destekleyen anne-babama, kardeşime en derin duygularla teşekkür ederim. Ozan ÖZYURT Ankara, Ekim 2010 iii

5 İÇİNDEKİLER ÖZET... i ABSTRACT... ii TEŞEKKÜR... iii KISALTMALAR DİZİNİ... vi ŞEKİLLER DİZİNİ... viii ÇİZELGELER DİZİNİ... x 1. GİRİŞ Elektromanyetik Spektrum Termal Dürbün Gece Görüş Dürbünü Optiksel Tasarım Geliştirme Dürbünlerde ve Oküler Mercek Sistemlerinde Büyütme MATERYAL VE YÖNTEM Optik Tasarım Programları ve ZEMAX Oküler Mercek Sistemi Tasarımının Sınırlayıcı Parametreleri Oküler Mercek Sistemi Tasarımının Performans Parametreleri Optimizasyon ve Zemax ta Kullanılan Optimizasyon Araçları Oküler Mercek Sistemi Tasarımının Geliştirilmesi Oküler mercek sistemi tasarımının sınırlayıcı parametrelerinin tanımlanması Oküler mercek sisteminin optimize edilmesi BULGULAR Kellner Tipi Oküler Mercek Sisteminin Bulguları Bertele Tipi Oküler Mercek Sisteminin Bulguları Erfle Tipi Oküler Mercek Sisteminin Bulguları SONUÇ VE TARTIŞMA KAYNAKLAR EKLER EK 1 Görüntü Yoğunlaştırıcı Tüplerin Tarihsel Gelişimi ve Görüntü Yoğunlaştırıcı Tüp Yapısı iv

6 EK 2 Mercek Yüzey Yapıları ve Mercek Kusurları (Aberrations) EK 3 OLED Ekranın Veri Sayfası EK 4 Türkçe terimlerin İngilizce karşılıkları ÖZGEÇMİŞ v

7 KISALTMALAR DİZİNİ DIMX DIST EFL EFFL ETGT FLIR FOV IR MAPTM MNCA MNCG MNEA MNEG MXCA MXCG distortion maximum maksimum bozunum distortion bozunum effective focal length etkili odak uzaklığı effective focal length etkili odak uzaklığı edge thickness greater than minimum kenar kalınlığı işlemcisi forward looking infrared termal görüntüleme field of view görüş açısı infrared infrared multi-anode photomultiplier multi-anot fotoçoğaltıcı minimum center thickness air havadaki minimum merkez kalınlığı minimum center thickness glass mercekteki minimum merkez kalınlığı minimum edge thickness air havadaki minimum kenar kalınlığı minimum edge thickness glass mercekteki minimum kenar kalınlığı maximum center thickness air havadaki maksimum merkez kalınlığı maximum center thickness glass mercekteki maksimum merkez kalınlığı vi

8 MTF OPD PDM modulation transfer function modülasyon transfer fonksiyonu optical path difference optik yol farkı photodetector module fotodedektör modülü vii

9 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 1.1 Elektromanyetik spektrum... 1 Şekil 1.2 Termal görüntü örneği... 2 Şekil 1.3 Atmosferdeki bağıl transmisyonun dalga boyu ile değişimi... 3 Şekil 1.4 Termal dürbünün genel blok şeması... 3 Şekil 1.5 Gece görüş dürbünü örnekleri... 5 Şekil 1.6 Gece görüş dürbününde görüntü oluşumu... 5 Şekil 1.7 Oküler mercek çeşitlerine örnekler... 6 Şekil 1.8 Renksel sapma... 7 Şekil 1.9 Küresel sapma... 8 Şekil 1.10 Renksel sapma... 8 Şekil 1.11 Koma... 9 Şekil 1.12 Petzval eğriliği... 9 Şekil 1.13 Astigmatlık Şekil 1.14 Bozunum türleri Şekil 1.15 Oküler mercek sisteminde görüntü oluşumu örneği Şekil 1.16 Objektif ve oküler mercek sisteminin odak noktasının aynı yerde olması durumunda dürbündeki büyütme Şekil 1.17 Dürbünde görüntünün sonsuzda oluşma durumu Şekil 1.18 Objektifin ve oküler mercek sisteminin gerçek konumlandırılmasında görüntü oluşumu Şekil 2.1 Çubuk desenleri ve MTF grafiği Şekil 2.2 Nokta gösterimi Şekil 2.3 Işın yelpazesi grafiği Şekil 2.4 Izgara bozunum grafiği Şekil 2.5 Geometrik görüntü analizi Şekil 2.6 Tez çalışmasında kullanılan oküler mercek sistemlerinin sembolik gösterimleri Şekil 2.7 Genel sistem bilgisi iletişim kutusu Şekil 2.8 Alan bilgisi iletişim kutusu Şekil 2.9 Dalgaboyu bilgisi iletişim kutusu viii

10 Şekil 2.10 Değer fonksiyonu editörü Şekil 2.11 Oküler mercek sisteminin 2 boyutlu görüntüsü (üstte) ve mercek bilgi editörü (altta) Şekil 2.12 Optimizasyon öncesinde MTF grafiği Şekil 2.13 Optimizasyon öncesinde nokta gösterimi Şekil 2.14 Optimizasyon öncesinde ışın yelpazesi grafiği Şekil 3.1 Kellner tipi oküler mercek sisteminin 2 boyutlu görüntüsü (üstte) ve mercek bilgi editörü (altta) Şekil 3.2 Kellner tipi oküler mercek sistemine ait MTF grafiği Şekil 3.3 Kellner tipi oküler mercek sisteminin nokta gösterimi Şekil 3.4 Kellner tipi oküler mercek sisteminin ızgara bozunumu grafiği Şekil 3.5 Bertele tipi oküler mercek sisteminin 2 boyutlu görüntüsü (üstte) ve mercek bilgi editörü (altta) Şekil 3.6 Bertele tipi oküler mercek sisteminin MTF grafiği Şekil 3.7 Bertele tipi oküler mercek sisteminin nokta gösterimi Şekil 3.8 Bertele tipi oküler mercek sisteminin ızgara bozunumu grafiği Şekil 3.9 Erfle tipi oküler mercek sisteminin 2 boyutlu görüntüsü (üstte) ve mercek bilgi editörü (altta) Şekil 3.10 Erfle tipi oküler mercek sisteminin MTF grafiği Şekil 3.11 Erfle tipi oküler mercek sisteminin nokta gösterimi Şekil 3.12 Erfle tipi oküler merceğin ızgara bozunumu grafiği ix

11 ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 2.1 Erfle tipi oküler mercek için değer fonksiyonu işlemcilerinin değerleri Çizelge 2.2 Bertele tipi oküler mercek için değer fonksiyonu işlemcilerinin değerleri Çizelge 2.3 Kellner tipi oküler mercek için değer fonksiyonu işlemcilerinin değerleri Çizelge 3.1 Merceklere ait bilgiler Çizelge 3.2 Mercek yüzeylerinin eğrilik yarıçapları ve açıklık değerleri Çizelge 3.3 Oküler mercek sistemindeki birimlerin birbirleri ile olan mesafeleri Çizelge 3.4 Kellner tipi oküler mercek sisteminin bazı uzaysal frekanslardaki MTF değerleri Çizelge 3.5 Merceklere ait bilgiler Çizelge 3.6 Mercek yüzeylerinin eğrilik yarıçapları ve açıklık değerleri Çizelge 3.7 Oküler mercek sistemindeki birimlerin birbirleri ile olan mesafeleri Çizelge 3.8 Bertele tipi oküler mercek sisteminin bazı uzaysal frekanslardaki MTF değerleri Çizelge 3.9 Merceklere ait bilgiler Çizelge 3.10 Mercek yüzeylerinin eğrilik yarıçapları ve açıklık değerleri Çizelge 3.11 Oküler mercek sistemindeki birimlerin birbirleri ile olan mesafeleri Çizelge 3.12 Erfle tipi oküler mercek sisteminde tanımlanan alan noktalarının 13.8 çizgi çifti/mm deki MTF değerleri Çizelge 3.13 Tasarlanan oküler mercek sistemlerine ait etkili odak uzaklığı, büyütme oranı, görüş açısı, MTF ve benek genişliği değerleri x

12 1. GİRİŞ 1.1 Elektromanyetik Spektrum Mutlak sıfır (0ºK veya -273 C) üzerinde sıcaklığa sahip tüm maddeler infrared (IR) enerji yayarlar. Yayılan bu enerji, elektromanyetik spektrumdaki mikrodalga, görünür ışık ve X-ışını enerjileri gibi madde içerisindeki molekül etkileşimleri sonucu ortaya çıkan enerjiler ile aynı niteliktedir. Işımanın miktarı, sıcaklık arttıkça artmaktadır. Şekil 1.1 de elektromanyetik spektrumdaki ışımaların dalgaboyu ve frekans ile olan ilişkisi verilmiştir. İnfrared ışımanın maksimum değerine karşılık gelen dalgaboyu Eşitlik 1.1 de verilen Wien Bağıntısı ile tanımlanır (Hudson 1969). λ max = 2898 / T (1.1) burada λ max : Maksimum ışımadaki IR dalgaboyu, µm T : Cismin sıcaklığı, ºK Çıplak gözle görülemeyen sıcaklığa bağlı bu ışımanın uzak IR bölgedeki dalgaboyu 10µm civarındadır. Doğadaki tüm cisimler aynı sıcaklıkta olmadıklarından yaydıkları enerjinin dalgaboyları ve miktarları da farklıdır. Şekil 1.1 Elektromanyetik spektrum 1

13 Termal Görüntüleme: Doğadaki cisimlerin yaydığı IR enerji, Termal Görüntüleme Sistemleri kullanılarak görünür hale getirilir ve ekran üzerinden kullanıcıya gösterilir. Termal Görüntüleme Sistemleri ne FLIR (Forward Looking Infrared) Sistemler denilmektedir. Termal Görüntüleme Sistemleri yalnızca görüntülediği cismin sıcaklığını algılayarak çalıştığından, görüntülenmesi için cismin IR ile aydınlatılmış olması gerekmemektedir. Bu nedenle gündüz ve gece, cisimlerin termal görüntüsü aynı şekilde elde edilir. Şekil 1.2 de Termal Görüntüleme Sistemleri nde elde edilen örnek bir termal görüntü sunulmuştur. Şekil 1.2 Termal görüntü örneği Işımanın Zayıflaması: Tüm elektromanyetik ışımalar atmosferden geçerken onunla etkileşim halindedir. Bu etkileşim sonucunda enerjinin bir kısmı atmosfer tarafından soğurulur ve saçılır. Dolayısı ile elektromanyetik enerjinin zayıflamasına neden olur. Atmosferdeki zayıflama ışımanın dalgaboyuna bağlıdır. Elektromanyetik spektrumda yüksek geçirgenlik (transmission) bölgeleri bulunmaktadır. Yüksek geçirgenlik bölgelerinde atmosferik soğurma ve saçılma çok az olmakta ve bu bölgeler pencere (window) olarak tanımlanmaktadır. Şekil 1.3 incelendiğinde, spektrumun 7-14µm arasında kalan bölgesinde atmosferdeki geçirgenliğin diğer bölgelere göre yüksek olduğu görülmektedir. Bu nedenle termal görüntüleme sistemleri 7-14µm arasında çalışacak şekilde tasarlanırlar. Bu bölgede 2

14 çalışan sistemler, zayıflamanın az olması nedeni ile daha iyi görüntü elde ederler (Hudson 1969). Şekil 1.3 Atmosferdeki bağıl geçirgenliğin dalgaboyu ile değişimi 1.2 Termal Dürbün Termal dürbünün genel blok şeması Şekil 1.4 te gösterilmiştir. Şekil 1.4 Termal dürbünün genel blok şeması Termal dürbünün çalışma prensibinin temeli aşağıda özetlenmiştir: 3

15 IR Modül: Bir hedeften gelen termal enerji Termal Dürbün ün ön kısmındaki Objektif Takımı yardımıyla algılanarak, içerisinde dedektör takımı da bulunan IR Modül e gönderilir. IR modül gelen termal enerjiyi sayısallaştırarak (video sinyali) Seri Arayüz Kontrol Kartı na iletir. Seri Arayüz Kartı: Seri Arayüz Kontrol Kartı, IR Modül den gelen video sinyaline batarya durumu, polarite bilgisi gibi kullanıcı için gerekli olan bilgi kayıtlarını ekler. Bilgi kayıtlarının da eklendiği video sinyali iki hata ayrılarak, görüntülenmek üzere OLED Kontrol Kartına ve harici video çıkışına gönderilir. OLED Kontrol Kartı, Termal Dürbün üzerindeki Oküler Mercek Sistemi ne monte edilmiş ve üzerinde OLED Ekran bulunan karttır. Oküler Mercek Sistemi: Oküler Mercek Sistemi, Oküler Takımı nda bulunan ve OLED Kontrol Kartı nın OLED Ekranda oluşturduğu görüntüyü kullanıcının daha kolay algılayabilmesini sağlayan mercek grubudur. Oküler Mercek Sistemleri ile ilgili detaylı bilgi ilerleyen bölümlerde sunulmuştur. Güç Kartı ve Tuş Takımı: Termal Dürbün ün menü fonksiyonları, üzerindeki Tuş Takımı yardımıyla yerine getirilir. Tuş takımı Seri Arayüz Kontrol Kartı na bağlıdır. Termal Dürbün batarya dan aldığı 9V ya da harici konnektör üzerinden aldığı 5-15VDC gerilimle çalışır. Bu gerilimler Güç Kartı aracılığıyla 7-9VDC ye çevrilerek Seri Arayüz Kontrol Kartı na gönderilir. Seri Arayüz Kartı kendi ihtiyaç duyduğu gerilimin dışında OLED Kontrol Kartı ve IR Modül için gerekli gerilimleri de oluşturur. 1.3 Gece Görüş Dürbünü Gece Görüş Dürbünü, yapısındaki görüntü yoğunlaştırıcı tüp sayesinde gece görme olanağı sağlayan, elde kullanılan bir görüntüleme sistemidir. Gece Görüş Dürbünleri görüntüleme, izleme ve yangın kontrol gibi bir dizi uygulamada uzun mesafeli görüş alanı ve kontrol olanağı sağlamaktadır. Şekil 1.5 te Gece Görüş Dürbünü örnekleri sunulmuştur. 4

16 Şekil 1.5 Gece Görüş Dürbünü örnekleri İç yapı: Günümüzde çok yoğun bir şekilde kullanılan gözlük ya da dürbünler genel olarak ay ya da yıldız ışığına ihtiyaç duyarlar. Ay ya da yıldızdan gelen ışık (foton) etrafımızdaki tüm cisimlerin üzerinden yansıyarak etrafa yayılır Yansıyan ışığın şiddeti gözle görülebilecek yoğunlukta olmadığı için bu ışığı gözümüzün görebileceği bir seviyeye çıkartan Gece Görüş Gözlüğü ya da Dürbününe ihtiyaç duyulmaktadır. Bu gözlük ya da dürbünler içlerinde bulundurdukları görüntü yoğunlaştırıcı tüpler (image intensifier tubes) sayesinde görüntü yoğunlaştırma işlemini gerçekleştirmektedir. Gece Görüş Dürbünleri ndeki görüntü oluşumu aşamaları Şekil 1.6 da gösterilmiştir. Şekil 1.6 Gece görüş dürbününde görüntü oluşumu Günümüzde kullanılan görüntü yoğunlaştırıcı tüpler pasif olarak çalışmakta ve etrafa hiçbir şey yaymamaktadır. Fakat görüntü yoğunlaştırıcılarının tarihi incelenecek olursa 5

17 ilk yapılan tüpler aktif iken ilerleyen zaman içerisinde ihtiyaçların değişmesi sonucu pasif hale getirilmiştir. Görüntü yoğunlaştırıcı tüplerin tarihçesine kısaca bakılacak olursa ilk olarak sıfırıncı nesil tüpler daha sonra da sırasıyla 1inci, 2inci, 2+, 3üncü nesil görüntü yoğunlaştırıcılar üretilerek kullanıma alınmıştır. Görüntü yoğunlaştırıcı tüplerin tarihsel gelişimi ve görüntü yoğunlaştırıcı tüplerin yapısı hakkında ayrıntılı bilgi Ek 1 de sunulmuştur. 1.4 Optiksel Tasarım Geliştirme Oküler Mercek (Eyepiece - Ocular Lens): Termal Görüş Sistemleri, Gece Görüş Sistemleri ve Gündüz Görüş Sistemleri vb. sistemlerde kullanılan, gözün hemen önündeki akromat mercek grubudur. Şekil 1.7 de oküler mercek sistemlerinden bazılarına örnekler verilmiştir. Şekil 1.7 Oküler mercek sistemlerine örnekler Oküler mercek sistemleri adını kullanıldığı sistemin göze en yakın mercek grubu olmasından dolayı alır (Latince oculus: göz). Oküler mercek sistemleri, önündeki mercek sisteminin renk, şekil vb. kusurlarını minimize ederek kullanıcıya net bir görüntü sağlar. 6

18 Oküler mercek sistemi tasarımında tek mercek kullanıldığı zaman renk saçılmaları görülür. Çünkü beyaz ışık farklı dalgaboylarındaki (renklerdeki) ışınların bir bileşimidir. Her bir renkteki ışın için merceğin odak noktası farklıdır. Kromatik sapma (chromatic aberration) denen bu renk hatasını en aza indirmek için farklı özellikte birden fazla mercek bir araya getirilir ve farklı dalgaboylarındaki ışınların odak noktası birbirine yaklaştırılmaya çalışılır (Şekil 1.8). Böyle optik sistemlere akromat (achromat) adı verilir (Smith 2000). Şekil 1.8 Renksel sapma 1.5 Mercek Yüzey Kusurları Küresel sapma: Çapa bağlı olarak objektiften gelen ışınların optik ekseni farklı noktada kesmesidir. Küresel sapma Şekil 1.9 da gösterilmiştir ve Eşitlik 1.2 ile hesaplanılır (Smith 1992, Smith 2000, Malacara 2004). 7

19 Şekil 1.9 Küresel sapma TA R = - LA R tan U R (1.2) TA R = - (L l ) tan U R burada TA R : küresel sapma L : OB mesafesi l : OA mesafesi U R : R ışınının optik eksen ile yaptığı açı Renksel sapma: Farklı dalga boylarının farklı odaklanmasıdır (Şekil 1.10) (Smith 1992, Welford 1991, Malacara 2004). Şekil 1.10 Renksel sapma 8

20 Koma: Açısal olarak gelen kenarsal ışınların odakta ana ışınını (chief ray) kesmemesidir. Çapa bağlı olarak farklı büyütmeden kaynaklanmaktadır. Şekil 1.11 da komanın gösterimi sunulmuştur ve koma Eşitlik 1.3 ile hesaplanılır (Smith 1992, Smith 2000, Malacara 2004). Şekil 1.11 Koma Koma T = H AB H P (1.3) burada H AB : A ve B ışınlarının kesiştiği nokta ile optik eksen arasındaki yükseklik H P : P ışınının A ve B ışınının kesiştiği noktadaki optik eksen ile arasındaki yükseklik Petzval eğriliği (Petzval curvature): Işınlar düzlemsel odak ekseni yerine eğrisel bir odak ekseni oluşturacak şekilde odaklanırlar (Şekil 1.12) (Smith 1992, Malacara 2004). Şekil 1.12 Petzval eğriliği 9

21 Astigmatlık: Teğetsel ve ortasal ışınlar farklı petzval eğrileri oluşturmasından kaynaklanır. Şekil 1.13 de astigmatlığın gösterimi sunulmuştur ve astigmatlık Eşitlik 1.4 ile hesaplanılır (Smith 1992, Smith 2000, Malacara 2004). Şekil 1.13 Astigmatlık Astigmatlık = - h 2 / f (1.4) burada h : görüntünün yüksekliği f : etkili odak uzaklığı Bozunum: Görüntünün kenarlarında merkezden farklı büyütme olmasıdır (Şekil 1.14) (Smith 1992, Geary 2002, Malacara 2004). Şekil 1.14 Bozunum türleri Mercek yüzey yapıları hakkında ayrıntılı bilgi Ek 2 de sunulmuştur. 10

22 1.6 Dürbünlerde ve Oküler Mercek Sistemlerinde Büyütme Dürbünlerin optik sistemi, objektif ve oküler mercek sistemi olmak üzere iki bileşenden oluşmaktadır. Objektif ışığı toplayarak, görüntü oluşumu için odaklar. Odaklanan bu görüntü gerçek ve ters bir görüntüdür. Oküler mercek sistemleri ise objektifin odakladığı görüntünün büyütülmesini ve kullanıcının görebileceği bir hale getirilmesini sağlar. Normal bir insan gözünün net bir şekilde algılama yapabileceği en kısa mesafe 250mm dir. Oküler mercek sistemlerinde göz oküler mercek sisteminin odak mesafesine konumlandırılır. Oküler mercek sistemlerinin odak mesafesi ise gözün algılayabileceği 250mm den daha küçüktür. Oküler mercek sistemi, göze 250mm mesafede zahiri bir görüntü oluşturarak, gözün 250mm den daha kısa mesafelerde odaklanabilmesini sağlar. Oküler mercekte görüntü oluşumu Şekil 1.15 de gösterilmiştir. Şekil 1.15 Oküler mercek sisteminde görüntü oluşumu örneği Dürbünlerde büyütme ise, dürbünün okülerinden bakıldığında retina üzerinde oluşan görüntü büyüklüğünün, aynı görüntüye çıplak gözle bakıldığındaki görüntü büyüklüğüne oranı olarak tanımlanmaktadır. Şekil 1.16 da bakıldığında retinadaki görüntü büyüklüğünün ε ve α görüş açılarına bağlı olduğu görülmektedir. Burada ε oküler mercek sisteminden bakıldığında görüntünün taranabildiği açı değeri ve α çıplak 11

23 göz ile bakıldığında nesnenin taranabildiği açı değeridir. Dolayısıyla dürbünün büyütmesi M D = ε / α olarak hesaplanabilir. Açı değerlerinin çok küçük olması nedeniyle, açılar tanjant değerlerine yaklaşırlar. Bu durumda dürbünün büyütmesi Eşitlik 1.5 de verilen ifade ile hesaplanabilir. M D = tan ε / tan α (1.5) M D = (h /f e ) / (h /f o ) M D = f o / f e burada M D : dürbünün büyütmesi tan ε : oküler mercek sisteminden bakıldığında görüntünün taranabildiği açı değeri tan α : çıplak göz ile bakıldığında nesnenin taranabildiği açı değeri h : objektifin oluşturduğu görüntünün yüksekliği f o f e : objektifin odak mesafesi : oküler mercek sisteminin odak mesafesi Şekil 1.16 Objektif ve oküler mercek sisteminin odak noktasının aynı yerde olması durumunda dürbündeki büyütme Şekil 1.16 da gösterilen durum objektifin odak noktası ile oküler mercek sisteminin odak noktasının aynı yere konumlandırılması durumudur. Bu şekildeki konumlandırmaya normal konumlandırma denilir. Objektif sonrasında oluşan görüntü oküler mercek sisteminin odak noktasında oluştuğu için bu durumda son görüntü sonsuzda oluşmaktadır. 12

24 Şekil 1.17 de görüntünün sonsuzda oluştuğu durum gösterilmiştir. Şekil 1.17 Dürbünde görüntünün sonsuzda oluşma durumu Objektifin ve oküler mercek sisteminin gerçek konumlandırılmasında, objektifin oluşturduğu görüntünün, oküler mercek sistemi ile oküler mercek sisteminin odak mesafesi arasında olması sağlanır. Objektifin ve oküler mercek sisteminin gerçek konumlandırılmasının bir örneği Şekil 1.18 de gösterilmiştir. Bu durumda dürbünün büyütmesi Eşitlik 1.6 ile hesaplanabilir. M D = tan β / tan α M D = ( A B / u e ) / (A B /f o ) (1.6) M D = f o / u e burada M D : dürbünün büyütmesi tan β : oküler mercek sisteminden bakıldığında görüntünün taranabildiği açı değeri tan α : çıplak göz ile bakıldığında nesnenin taranabildiği açı değeri A B : objektifin oluşturduğu görüntünün yüksekliği f o : objektifin odak mesafesi 13

25 u e _ : objektifin oluşturduğu görüntü ile oküler mercek sisteminin merkezi arasındaki mesafe Şekil 1.18 Objektifin ve oküler mercek sisteminin gerçek konumlandırılmasında görüntü oluşumu Eşitlik 1.6 incelendiğinde tan β nın maksimum olması durumunda dürbünde büyütmenin maksimum olacağı görülmektedir. Şekil 1.18 e bakıldığında tan β değerinin oluşan son görüntünün oküler mercek sistemine yaklaşması ile büyüdüğü görülmektedir. Oluşan son görüntünün gözün algılayabileceği en kısa mesafe olan 250mm den daha yakına gelememektedir. Bu nedenle dürbünlerde objektif ve oküler mercek sistemi son görüntü 250mm de oluşacak şekilde konumlandırılırlar. Oküler mercek sisteminin büyütmesi, oküler mercek sisteminin ve çıplak gözün görüş açılarının oranıdır. Bu açılar β ve α olarak Şekil 1.15 de görülmektedir. β çıplak göz ile bakıldığında nesnenin taranabildiği açı değeri ve α oküler mercek sisteminden bakıldığında görüntünün taranabildiği açı değeridir. Dolayısıyla oküler mercek sisteminin büyütmesi M O = α/β olarak hesaplanabilir. Görüş açılarının çok küçük olması nedeni ile tanjantlarının kullanılması durumunda, oküler mercek sisteminin büyütmesi Eşitlik 1.7 ile hesaplanabilir. 14

26 M O = tan α / tan β = (OP / a) / ( IP / d) (1.7) OP = IP => M O = d / a burada M O : oküler mercek sisteminin büyütmesi tan α : oküler mercek sisteminden bakıldığında görüntünün taranabildiği açı değeri tan β : çıplak göz ile bakıldığında nesnenin taranabildiği açı değeri OP : görüntülenecek nesnenin yüksekliği IP : görüntülenecek nesnenin d uzaklığında olması durumundaki yüksekliği d : görüntü ile oküler mercek sistemi arasındaki mesafe a : nesne ile oküler mercek sistemi arasındaki mesafe Eşitlik 1.7 ile elde edilen büyütme değeri oküler mercek sisteminin odak mesafesi (f oküler ) ve görüntü ile oküler mercek sistemi arasındaki mesafe ( d ) cinsinden bir ifadeye dönüştürmek istenilirse, Eşitlik 1.8 teki temel mercek formülü kullanılarak: (1 / a) (1 / d) = 1 / f oküler (1.8) Eşitliğin her iki tarafının da d ile çarpılması durumunda; d / a = (d / f oküler ) + 1 Eşitlik 1.7 teki d / a ifadesinin yerine yukarıdaki ifade yazıldığında; M O = (d / f oküler ) + 1 burada M O : oküler mercek sisteminin büyütmesi f oküler : oküler mercek sisteminin odak mesafesi d : görüntü ile oküler mercek sistemi arasındaki mesafe olarak hesaplanılır. 15

27 d değerinin 250mm alınması durumunda ise oküler mercek sisteminin büyütmesi M O = ( 250mm / f oküler ) + 1 olarak hesaplanılır (Smith 2000, Anonymous 2005). Eşitlik 1.8 incelendiğinde oküler mercek sisteminin büyütmesinin doğrudan etkili odak mesafesi ile bağlantılı olduğu görülmektedir. Tez çalışmasında, Termal Dürbünlerde ve Gece Görüş Dürbünlerinde kullanılabilecek, 3, 4 ve 5 mercekten oluşan 3 farklı oküler mercek sistemi için bilgisayar ortamında optiksel tasarım geliştirme çalışması yapılmıştır. Optiksel tasarım geliştirme aşamasında oküler mercek sistemleri için elde edilmek istenilen büyütme oranları, etkili odak mesafesi değerlerinin değiştirilmesi ile elde edilmiştir. 16

28 2. MATERYAL VE YÖNTEM 2.1 Optik Tasarım Programları ve ZEMAX ZEMAX Zemax Development Corp CODE V ORA OSLO Lambda research programları yaygın olarak kullanılan optik tasarım programlarındandır. Tez çalışmasında, ZEMAX optik tasarım programı kullanılarak oküler mercek sistemi tasarımı geliştirilmiştir. ZEMAX; Işın yollarını, Kırılma ve yansımayı, Optik yol farkını, Bozunumları ve görüntü biçimini, Polarizasyonu, Kaplamanın geçirgenlik ve emilimini, Saçılmayı, Kalın mercekleri, Mercek yüzeyindeki küresel sapmaları, Farklı dalgaboylarının farklı odaklanmasını dikkate alarak; Işının pozisyonu ve açısını, Küresel sapmaları, Komayı, Renksel sapmaları, Çeşitli sapmaların çözünürlük üzerindeki yarattığı etkiyi, Optimizasyon ve performans parametrelerini hesaplar (Geary 2002). 17

29 2.2 Oküler Mercek Sistemi Tasarımının Sınırlayıcı Parametreleri (Constraints & Limitations) Oküler mercek sistemi tasarımında, sistemin tasarımı sınırladığı parametrelerin çok iyi bir şekilde belirlenmesi gerekmektedir. Oküler mercek sistemi tasarımındaki sınırlayıcı parametreler; sistemin kullanılacağı ortamın özelliklerinden, merceklerin sahip olması gereken fiziksel özelliklere; sistemin sahip olması gereken fiziksel özelliklerden, sistemin sahip olması gereken performans değerlerine kadar birçok nedenden kaynaklanmaktadır. Oküler mercek sisteminin tasarımında göz önüne alınması gereken genel sınırlamalar: Oküler mercek sisteminin etkili odak uzaklığı (EFL) (effective focal length), Oküler mercek sisteminin kullanılacağı dalgaboyu aralığı, Oküler mercek sisteminin kullanılacağı ortamdaki göz bebeğinin çapı, Oküler mercek sistemi ile görüntülenmesi istenen nesnenin büyüklüğü, Merceklerin eğrilik yarıçapları, büyüklükleri, merkez ve kenar kalınlıkları gibi fiziksel değerlerinin üretilebilir sınırlar içerisinde olması gerekliliği, Merceklerin üretim aşamasında mümkün olduğunca kolay üretilebilir olması gerekliliği, Az sayıda mercek kullanarak yüksek performans elde edilmesinin istenmesi, Mercek sayısı ve mercek sayısına bağlı olarak oküler mercek sisteminin maliyet, büyüklük ve ağırlığında olacak değişiklikler arasında optimum bir oranın yakalanması gerekliliği, Mercek malzemelerinin maliyelerinin mümkün olduğunca düşük olması gerekliliği olarak tanımlanabilir. 18

30 2.3 Oküler Mercek Sistemi Tasarımının Performans Parametreleri Modülasyon transfer fonksiyonu (MTF): MTF, Modulation Transfer Function ın kısaltmasıdır ve mercekler başta olmak üzere optik sistemlerin çözünürlük ve keskinlik testlerinde kullanılmaktadır. MTF, bir nesnenin karşıtlığının (kontrast) ne kadarının mercekten geçtikten sonra üretilen görüntüde mevcut olduğunun ölçülmesi ile hesaplanır. Başka bir değişle MTF, merceklerin veya optik sistemin keskinliğinin belirlenmesi işlemi veya artan frekans ile azalan modülasyon derinliğidir. Şekil 2.1 Çubuk desenleri ve MTF grafiği Şekil 2.1 de, üstte görüntünün sinüs dalgaları haline dönüştürülmüş hali, ortada üretilmesi daha kolay olduğu için testlerde kullanılan sinüs dalgalarının basit hale indirgenmiş hali olan çubuk deseni ve altta MTF grafiği gösterilmektedir. Grafikte MTF eğrisi mavi ile gösterilmiştir. Dikey eksen MTF yüzdesini, yatay eksen ise uzaysal frekansı (spatial frequency) göstermektedir ve bu iki değer de logaritmik olarak artmaktadır. 19

31 Uzaysal frekans artıkça (grafikte sağa doğru gidildikçe), milimetredeki çizgi çifti yani birim alandaki detay artmaktadır. Bu durum merceğin veya optik sistemin detayı çözmekte zorlanmasına neden olmakta ve keskinliğin daha düşük algılanmasına yol açmaktadır (Boreman 1998, Fischer 2000). İnsan Gözünün Optik Duyarlılığı: İnsan gözünün detayları ayırt edebilme yetenği görüş keskinliği (visual acuity) olarak tanımlanmaktadır. Normal bir insanın gözü 1 ark dakika (arcminute) genişliğindeki siyah beyaz çizgi çiftlerini ayırt edebilecek yetenektedir (Anonymous 1984). İnsan gözünün 1 ark dakika genişliğinde ve herhangi bir uzaklıkta ( l ) algılayabileceği çizgi çiftlerinin genişliği Eşitlik 2.1 ile hesaplanılır. d = θ * l burada d : insan gözünün l uzaklığında algılayabileceği çizgi çifti genişliği θ : 1 ark dakikalık açı (1 ark dakika = mrad = * 10-3 rad) l : insan gözü ile algılayacağı nesne arasındaki mesafe (2.1) Oküler mercek sisteminin oluşturacağı görüntünün gözün 250mm uzağında olması gerekliliği önceki bölümlerde anlatılmıştı. Bu bilginin yardımı ile Eşitlik 2.1 de l yerine 250mm konulması durumunda, insan gözünün 250mm uzaklıkta net olarak algılama yapabileceği en küçük çizgi çifti genişliği Eşitlik 2.2 ile hesaplanılır. d = 0,29089 * 10-3 * 250 (mm) (2.2) = 72,723 µm = 72,723 * 10-3 mm burada d : insan gözünün 250mm uzaklığında algılayabileceği en küçük çizgi çifti genişliği 250mm de insan gözünün algılayabileceği en küçük çizgi çifti genişliği uzaysal frekans değerine Eşitlik 2.3 ile çevrilebilir. 20

32 f x = 1 / d (2.3) = 1 / (72,723 * 10 *3 ) (mm) = 13,751 çizgi çifti sayısı / mm burada fx : uzaysal frekans değeri d : insan gözünün 250mm uzaklığında algılayabileceği en küçük çizgi çifti genişliği Eşitlik 2.3 te elde edilen uzaysal frekans değeri insan gözünün 250mm uzaklıkta algılayabileceği maksimum uzaysal frekans değeridir (Anonymous 1984, Gross vd. 2008). Nokta (benek-spot) gösterimi: Nokta gösteriminde nesne düzleminden gönderilen ışınların, ışın takibi yöntemi kullanılarak görüntü düzleminde nereye karşılık geldiği gösterilmektedir. Gösterimde her ışının görüntü düzleminde karşılık geldiği yere nokta veya çarpı konulmaktadır (Nicholson 2004, User s Guide 2006). Nokta gösterimi, oküler mercek sisteminin görüntüsünün nasıl olacağına dair yorum yapılmasında kullanılan en önemli performans gösterimlerden biridir. Şekil 2.2 de sağ üst bölümde, gösterimin hangi dalgaboyları için yapıldığı ve her bir dalgaboyunun hangi renk ile gösterildiği bilgisi bulunmaktadır. Sol alt bölümünde kullanıcının görüntü düzleminde tanımladığı her nokta için (alan noktası), ışın takibi sonrasında idealde o noktaya denk gelmesi gereken ışınların tasarımın sonucunda (gerçekte) o noktanın ne kadar uzağına denk geldiği bilgisi yer almaktadır. Bu bilgi alan noktasına en uzak olan ışının ne kadar uzaklıkta olduğu (GEO RADIUS) ve ışın takibi için kullanılan bütün ışınların denk geldiği noktalar ile alan noktası arasındaki uzaklıkların rms değeri (RMS RADIUS) olarak gösterilmektedir. Grafiğin orta bölümünde ise alan noktalarında ışınların denk geldiği noktalar görsel olarak gösterilmektedir. 21

33 - Şekil 2.2 Nokta gösterimi Şekil 2.2 de 0.522, ve 0.550µm dalgaboyu için görüntünün 0, 2.97, 4.87 ve 7.13mm sinde tanımlanmış 4 tane alan noktasına ait nokta gösterimi sunulmuştur. Işın yelpazesi grafiği (ray fan graphs): Işın yelpazesi grafiği, görüntü düzlemi üzerinde tanımlanmış alan noktalarının x ve y eksenlerindeki enine bozunumlarının (transverse aberrations) gösterimidir. Şekil 2.3 te 3 farklı dalgaboyu için 4 tane alan noktasındaki enine bozunumlar gösterilmektedir. Alan noktalarının x ve y eksenlerindeki enine bozunumlar iki ayrı grafikle gösterilmiştir. 22

34 Şekil 2.3 Işın yelpazesi grafiği Işın yelpazesi grafiği görüntü düzleminin sadece x ve y eksenindeki enine bozunumu gösterdiği için oküler mercek sisteminin görüntüsünün nasıl olacağına dair yorum yapılamaz. Ancak ışın yelpazesi grafiğinin incelenmesi oküler mercek sistemindeki bozunumun ne olduğu hakkında yorum yapılmasını sağlamaktadır. Bu nedenle önemli bir performans göstergesidir (Nicholson 2004, User s Guide 2006). Izgara bozunum grafiği (grid distortion): Izgara bozunum grafiği, ideal görüntü ile oküler mercek sistemi tasarımı sonucunda oluşan görüntü arasındaki bozunumun miktarını gösteren grafiktir. Şekil 2.4 te örnek bir ızgara bozunumu grafiği verilmiştir. Grafik oluşturulurken idealde olması gereken görüntü kullanıcının belirlediği bir örnekleme oranında matris yapısı şeklinde örneklenmektedir. Daha sonra örneklenen ideal görüntüdeki noktalara karşılık gelen oküler mercek sistemi tasarımı sonucunda elde edilen noktalar ise grafik üzerinde çarpı işareti ile gösterilmektedir. Grafiğin sol alt bölümde ise sistemdeki toplam bozunumun değeri belirtilmektedir. 23

35 Izgara bozunum grafiği, görüntünün kenarlarında merkezden farklı büyütülmesinden kaynaklanan iğne yastığı (pincushion) bozunumu ve fıçı (barrel) bozunumunun görsel olarak görülebilmesini sağlaması nedeniyle önemli bir performans göstergesidir (Nicholson 2004, User s Guide 2006). Şekil 2.4 Izgara bozunum grafiği Geometrik görüntü analizi (geometric image analysis): Geometrik görüntü analizi, bir nesnenin oküler mercek sistemi ile görüntülendiğinde nasıl görüneceğini belirlemeyi amaçlamaktadır. Geometrik görüntü analizinde, çok sayıda rasgele ışın takip edilir. Bu ışınlar nesne üzerindeki rasgele noktalardan gelmekte ve görüntü üzerinde rasgele noktalara ulaşmaktadır. Görüntü analizleri; MTF değerinin görselleştirilmesi, bir metnin okunabilirliğinin anlaşılması, görüntünün polarite ve yöneliminin kontrol edilmesi gibi amaçlarla kullanılmaktadırlar. Özellikle çok teknik olmayan bilgi elde edilmesi ve görsel olarak yorum yapılabilmesine imkan sağlaması nedeniyle önem taşımaktadır. Örnek bir geometrik görüntü analizi gösterimi Şekil 2.5 te sunulmuştur (Nicholson 2004, User s Guide 2006). 24

36 Şekil 2.5 Geometrik görüntü analizi 2.4 Optimizasyon ve Zemax ta Kullanılan Optimizasyon Araçları Optik bir sistem için optimizasyon; optik tasarım programında (Zemax) tanımlanan matematiksel sınırlamaları göz önüne alarak, tasarımın hedeflerine ulaşılabilen, kabul edilebilir, en iyi koşulların elde edilmesi işlemidir. Oküler mercek sistemi tasarımı için kullanılan Zemax programı optimizasyon esnasında, değer fonksiyonunda (merit function) belirtilen sınırlamaları göz önüne alır ve aşağıdaki adımları döngüsel olarak tekrarlar: Değer fonksiyonunda tanımlanan m tane sınırlamayı (hedefi) ve değiştirilmesine izin verilen n tane değişkeni kullanarak değer fonksiyonunu hesaplar. Jacobiyi (jacobian) hesaplar (n tane değer fonksiyonu hesaplanması). Yeni çözümü dener. Sistemi ölçeklendirerek, yeni çözümü kabul eder veya reddeder. Sönümleme ve türev artırımlarını ayarlayarak, optimizasyonu sonlandırma koşullarını test eder (Nicholson 2004). Tez çalışmasında, Zemax programındaki normal optimizasyon, hammer optimizasyonu ve bütünsel arama (global search) yöntemleri kullanılmıştır. 25

37 Normal optimizasyon: Değer fonksiyonunda tanımlanan işlemcilerin kullanılarak, optik sistemin performansının geliştirildiği optimizasyondur. Optimizasyon yöntemi olarak sönümlenen en küçük kareler tekniği (damped least squares tecnique) kullanılmaktadır. Hammer optimizasyonu: Hammer optimizasyonu, var olan tasarımdan türetilebilir alternatif tasarımların olup olmadığını araştıran özel bir algoritmadır. Bu optimizasyon yöntemi elde edilen çözüm kümesinden daha iyi bir çözümün olmadığının doğrulanması amacıyla kullanılır. Bütünsel arama: Bütünsel arama tasarımın değer fonksiyonunda tanımlanmış işlemcilerin olası en düşük değerlerinde olup olmadığının araştırılması amacıyla kullanılır. 2.5 Oküler Mercek Sistemi Tasarımının Geliştirilmesi Tez çalışmasının ilk aşamasında, tasarlanacak olan oküler mercek sistemlerinin tipleri belirlenmiştir. Tasarlanacak oküler mercek sistemlerinin tipleri; 3 mercek kullanılacak oküler mercek sistemi için Kellner, 4 mercek kullanılacak oküler mercek sistemi için Bertele ve 5 mercek kullanılacak oküler mercek sistemi için Erfle olarak belirlenmiştir. Bahsedilen oküler mercek sistemlerinin üzerinde daha çok çalışma yapılmış olması ve günümüzde de bir çok uygulamada kullanılması nedeniyle diğer oküler mercek sistemi tipleri yerine Kellner, Bertele ve Erfle tipi oküler mercek sistemleri tasarlanmıştır (MIL- HDBK , Smith 2000, Geary 2002, Nicholson 2004). Şekil 2.6 da çeşitli oküler mercek sistemlerinin sembolik gösterimleri sunulmuş ve tez çalışmasında tasarlanan oküler mercek sistemlerinin sembolik gösterimleri kırmızı dikdörtgenler ile işaretlenmiştir. 26

38 Şekil 2.6 Tez çalışmasında kullanılan oküler mercek sistemlerinin sembolik gösterimleri Tasarlanacak oküler mercek sistemlerinin tiplerinin belirlenmesi sonrasında; Zebase veri tabanından, her bir oküler mercek sisteminin tipine ait geliştirilmemiş (ham) Zemax dosyaları alınarak tasarıma başlanmıştır. Zebase, 600 den fazla optik tasarımın geliştirilmemiş Zemax dosyalarını barındıran bir veri tabanıdır. Zebase veri tabanında, oküler mercek sistemlerine ait Zemax dosyalarının haricinde; ışın genişleticiler, afokal sistemler, mikroskop objektifleri, periskoplar gibi birçok optik sisteme ait geliştirilmemiş Zemax dosyaları da bulunmaktadır Oküler mercek sistemi tasarımının sınırlayıcı parametrelerinin tanımlanması Zemax programında oküler mercek sistemi tasarımının sınırlayıcı parametreleri tanımlanırken, Genel Sistem Bilgisi (General System Data), Alan Bilgisi (Field Data) ve Dalgaboyu Bilgisi (Wavelength Data) iletişim kutuları ile Değer Fonksiyonu Editörü (Merit Function Editor) ve Mercek Bilgi Editörü (Lens Data Editor) kullanılmıştır. Genel Sistem Bilgisi: Genel sistem bilgisi, oküler mercek sistemine ait açıklık tipi (aperture type), açıklık değeri (aperture value), sisteme ilişkin notlar, sistemde kullanılan birimler gibi sistem hakkındaki genel bilgilerin belirlenebildiği bir iletişim kutusudur (User s Guide 2006). 27

39 Tez çalışmasında, genel sistem bilgisinin Açıklık bölümünde, açıklık tipi (aperture type) entrance pupil diameter seçilerek, açıklık değeri (aperture value) 6mm olarak girilmiştir (Şekil 2.7). Açıklık değerinin 6mm olarak belirlenmesinde; oküler mercek sisteminin görüntüleyeceği OLED ekranın aydınlanma değerinde göz bebeği çapının en fazla 6mm olacağı bilgisinden yararlanılmıştır (Alpern 1961, Charman 1977, ). Şekil 2.7 Genel sistem bilgisi iletişim kutusu Alan Bilgisi: Işın takibi için görüntü düzleminde kullanılacak alan noktalarının sayısının, tipinin ve ağırlığının belirtilebileceği iletişim kutusudur (User s Guide 2006). Tez çalışmasında, 0mm, 3mm, 5mm, 7.5mm olmak üzere 4 adet eşit ağırlığa sahip alan noktası tanımlanmıştır. Kullanılacak alan noktası tipi ise Paraxial Image Height olarak seçilmiştir. Oküler mercek sistemi ile görüntülenecek OLED ekranın köşegen uzunluğu mm dir. Oküler mercek sistemi tasarımı görüntülenecek nesnenin yarıçap 28

40 uzunluğu göz önüne alarak yapılmaktadır. Bu nedenle görüntülenecek OLED ekranın yarıçapı 7.5mm olarak kabul edilmiştir. Bu nedenle görüntü düzleminde kullanılacak en büyük alan noktası OLED ekranın tamamını kapsaması amacıyla 7.5mm olarak seçilmiştir. OLED ekrana ait veri sayfası Ek 3 te sunulmuştur. Alan noktalarının tanımlanması sonrasındaki Alan Bilgisi iletişim kutusu Şekil 2.8 de verilmiştir. Şekil 2.8 Alan bilgisi iletişim kutusu Dalgaboyu Bilgisi: Optik sistemde kullanılacak dalgaboyu sayısı, dalgaboylarının değerleri ve ağırlıklarının belirlenebileceği iletişim kutusudur. Belirlenen dalgaboyunun birimi mikrondur. Oküler mercek sisteminin görüntüleyeceği OLED ekranın yeşil renkli olması nedeniyle, dalgaboyu bilgisi iletişim kutusunda yeşil ışığın elektromanyetik spektrumdaki en küçük (0.522 µm), en büyük ( µm) ve ortadaki (0.550 µm) 3 tane dalgaboyu ağırlıkları eşit olacak şekilde tanımlanmıştır. Dalgaboyu bilgisi iletişim kutusunun dalgaboyu tanımlamaları sonrasındaki görünümü Şekil 2.9 da sunulmuştur. 29

41 Şekil 2.9 Dalgaboyu bilgisi iletişim kutusu Değer Fonksiyonu Editörü: Değer fonksiyonu editörü, sistemin optimizasyonu sırasında kullanılacak değer fonksiyonlarını tanımlamak, değiştirmek ve gözden geçirmek için kullanılan editördür. Değer fonksiyon editöründe, sistemin değer fonksiyonu tanımlanırken işlemciler (operands) kullanılmaktadır. Sistemin optimizasyonu esnasında değer fonksiyonunda tanımlanmış işlemciler göz önüne alınarak optimizasyon yapılmaktadır. Tez çalışmasında kullanılan işlemciler, işlemcilerin görevleri ve işlemcilere atanan değerler ile ilgili bilgiler ilerleyen sayfalarda anlatılmıştır. Şekil 2.10 da değer fonksiyonu editörünün görünümü ve oküler mercek sistemi tasarımında kullanılan işlemciler sunulmuştur. Şekil 2.10 Değer fonksiyonu editörü 30

42 EFFL İşlemcisi (Etkili Odak Uzaklığı İşlemcisi) (Effective Focal Length Operand): Optik sistemin odak uzaklığı, sistemin ışığı ne kadar güçlü olarak yakınsadığının veya ıraksadığının ölçümüdür. Kısa odak uzaklığı olan bir sistem gelen ışınlarını daha yakın bir mesafeye odaklar ve uzun odak uzaklığına sahip bir sisteme oranla daha güçlü bir optik güce sahiptir. Odak uzaklığının çok küçük olması mercek sistemindeki mercek çaplarının büyük olmasına, çok büyük olması ise mercek çaplarının küçük olmasına neden olmaktadır. Etkili odak uzaklığı ise oküler mercek sisteminin düzgün görüntü elde edebildiği odak uzaklığıdır. EFFL işlemcisi, istenilen EFL değerinin tanımlandığı işlemcidir. Tez çalışmasında, oküler mercek sistemlerinin hepsi için değer fonksiyonlarındaki EFFL işlemcilerinin değerleri 23mm ve ağırlıkları 1 olarak tanımlanmıştır. DIST İşlemcisi (Bozunum İşlemcisi) (Distortion Operand): Sistemdeki fıçı veya iğne yastığı bozunumunu miktarının tanımlandığı işlemcidir. Bozunum miktarı Eşitlik 2.4 de verilen yöntemle hesaplanır (Jenkins vd. 1976). D = ((h h) / h )* 100 (2.4) burada h : referans ışın yüksekliği h : gerçek ana ışın yüksekliği Eşitlik 2.2 ile hesaplanan bozunumun negatif olması fıçı bozunumunu, pozitif olması ise iğne yastığı bozunumunu ifade etmektedir. Tez çalışmasında, DIST işlemcisinin değeri -5 olarak girilmiştir. Yani sistemin optimizasyonu sonrasında oluşacak bozunumun -5% lik fıçı bozunumu olması amaçlanmıştır. 31

43 DIMX İşlemcisi (Maksimum Bozunum İşlemcisi) (Distortion Maximum Operand): Sistemdeki bozunumun üst limitinin tanımlandığı işlemcidir. Tez çalışmasında, DIMX işlemcisinin değeri 5 olarak girilmiştir. Yani sistemin optimizasyonu sonrasında oluşacak bozunumun maksimum 5% olması amaçlanmıştır. MNCA İşlemcisi (Havadaki Minimum Merkez Kalınlığı İşlemcisi) (Minimum Center Thickness Air Operand): Sistemdeki merceklerin merkezleri arasında olması gereken minimum mesafeyi (kalınlığını) tanımlayan işlemcidir. MNCG İşlemcisi (Mercekteki Minimum Merkez Kalınlığı İşlemcisi) (Minimum Center Thickness Glass Operand): Sistemdeki merceklerin merkez kalınlıklarının alabileceği minimum değeri tanımlayan işlemcidir. MXCA İşlemcisi (Havadaki Maksimum Merkez Kalınlığı İşlemcisi) (Maximum Center Thickness Air Operand): Sistemdeki merceklerin merkezleri arasında olabilecek maksimum mesafeyi tanımlayan işlemcidir. MXCG İşlemcisi (Mercekteki Maksimum Merkez Kalınlığı İşlemcisi) (Maximum Center Thickness Glass Operand): Sistemdeki merceklerin merkez kalınlıklarının alabileceği maksimum değeri tanımlayan işlemcidir. MNEA İşlemcisi (Havadaki Minimum Kenar Kalınlığı İşlemcisi) (Minimum Edge Thickness Air Operand): Sistemdeki merceklerin kenarları arasında olması gereken minimum mesafeyi tanımlayan işlemcidir. MNEG İşlemcisi (Mercekteki Minimum Kenar Kalınlığı İşlemcisi) (Minimum Edge Thickness Glass Operand): Sistemdeki merceklerin kenar kalınlıklarının minimum değerini tanımlayan işlemcidir. 32

44 ETGT İşlemcisi (Minimum Kenar Kalınlığı İşlemcisi) (Edge Thickness Greater Than Operand): Sistemdeki herhangi bir merceğin minimum kenar kalınlığını tanımlayan işlemcidir. Tez çalışmasında, oküler merceklerin değer fonksiyonu editöründe tanımlanan MNCA, MXCA, MNEA, MNCG, MXCG, MNEG ve ETGT işlemcilerine atanan değerler ve bu işlemcilere atanan değerlerin oküler mercek sisteminde yer alan mercek yüzeylerinden hangilerine uygulandığı Çizelge te belirtilmiştir. İşlemci değerleri aşağıdaki maddeler göz önüne alınarak belirlenmiştir. Merceklerin merkezleri arasındaki minimum mesafe 0mm olarak tanımlanmıştır. Bu tanımlama ile merceklerin merkezlerinin birbiri ile temas etmesine izin verilmiştir. Merceklerin merkezleri arasındaki mesafe maksimum 15mm olacak şekilde tanımlanmıştır. Böylelikle merceklerin birbirlerinden 15mm den daha uzak olmaması hedeflenmiş, tasarım sonucunda elde edilecek sistemin boyunun kabul edilebilir uzunlukta olması sağlanmıştır. Merceklerin kenarları arasındaki minimum mesafe 0mm olarak tanımlanmıştır. Bu tanımlama ile mercek kenarlarının birbiri ile temas etmesine izin verilmiştir. Merceklerin minimum merkez kalınlığı 3mm olarak tanımlanmıştır. Merceğin merkez kalınlığının 3mm nin altında olması durumunda merceğin üretimi mümkün olmamaktadır. Merceklerin merkez kalınlıklarının minimum 3mm tanımlanması ile merceklerin üretilebilir incelikte olması sağlamıştır. Merceklerin maksimum merkez kalınlığı 10mm olarak tanımlanmıştır. Böylelikle dizaynın fazla ağır olmaması sağlanmıştır. Oküler mercek sisteminde; her bir merceğin montajı için minimum 1.5mm lik bir kenar kalınlığına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu nedenle, mercek kenar kalınlıkları minimum 1.5mm olacak şekilde tanımlanmıştır. 33

45 Çizelge 2.1 Erfle tipi oküler mercek için değer fonksiyonu işlemcilerinin değerleri Erfle Tipi Oküler Mercek İçin Değer Fonksiyonu İşlemcilerinin Değerleri İşlemci Tipi İşlemciye Atanan Değer (mm) Oküler Mercek Sisteminde Uygulanacağı Yüzey Numarası MNCA MXCA MNEA MNCG MXCG MNEG ETGT 1,5 7 Çizelge 2.2 Bertele tipi oküler mercek için değer fonksiyonu işlemcilerinin değerleri Bertele Tipi Oküler Mercek İçin Değer Fonksiyonu İşlemcilerinin Değerleri İşlemci Tipi İşlemciye Atanan Değer (mm) Oküler Mercek Sisteminde Uygulanacağı Yüzey Numarası MNCA MXCA MNEA MNCG MXCG MNEG 1,

46 Çizelge 2.3 Kellner tipi oküler mercek için değer fonksiyonu işlemcilerinin değerleri Kellner Tipi Oküler Mercek İçin Değer Fonksiyonu İşlemcilerinin Değerleri İşlemci Tipi İşlemciye Atanan Değer (mm) Oküler Mercek Sisteminde Uygulanacağı Yüzey Numarası MNCA 0,1 1-6 MXCA MNEA MNCG MXCG MNEG 1,5 1-6 ETGT 3 6 Mercek Bilgi Editörü: Mercek bilgi editörü oküler mercek sistemindeki, Mercek yüzeylerinin eğrilik yarıçapının (radius of curvature), Merceklerin merkez kalınlıklarının, Merceklerin birbirleri, OLED ekran ve göz bebeği ile olan mesafesinin, Mercek malzemelerinin, Mercek yüzeylerinin açıklık değerinin, Göz bebeğinin yarıçapının, OLED ekranın yarıçapının tanımlanabileceği bir editördür. Mercek bilgi editöründeki değerler sistemin optimizasyonu esnasında değiştirilmekte ve anlık olarak güncellenmektedir. Eğer oküler mercek sisteminde mercek bilgi editöründe tanımlanmış değerlerden optimizasyon esnasında değiştirilmesi istenmeyenler var ise bu değerler sistem optimizasyonunda değiştirilemeyecek şekilde tanımlanabilmektedir. Mercek bilgi editöründe, her mercek için ön ve arka yüzeyi temsil eden 2 tane satır, nesne, stop ve görüntü için bir tane satır bulunmaktadır. Merceklerin ön yüzeyini temsil eden satırlarda; merceğin malzemesi, merceğin merkez kalınlığı, merceğin ön yüzeyine ait eğrilik yarıçapı ve açıklık değeri bulunmaktadır. 35

47 Merceklerin arka yüzeyini temsil eden satırlarda ise arka yüzeyin eğrilik yarıçapı ve açıklık bilgisi, merceğin bir sonraki mercekle olan mesafesi bulunmaktadır. Mercek malzemesi ile ilgili bir bilgi ön yüzeyi temsil eden satırda bulunması nedeniyle arka yüzeyi temsil eden satırlarda bulunmamaktadır. İki tane merceğin bitişik olması durumunda ilk merceğin arka yüzeyi ile ikinci merceğin ön yüzeyi aynı özelliklere sahip olduğundan tek satırda gösterilmektedir. Bu durumda ilgili satırda belirtilen değerler ikinci mercek ile ilgili malzeme bilgisi ve merkez kalınlığı bilgilerini de içermektedir. Mercek bilgi editöründe; Surf:Type kolonu yüzey numaralarının ve yüzey ile ilgili kullanıcı tarafından yazılabilecek yorumların bulunduğu kolondur. 3 tane özel yüzey olan nesne, stop ve görüntü yüzeyleri için yüzey numarası yerine sırası ile OBJ, STO ve IMA tanımlamaları yapılmıştır. Radius kolonu yüzeylere ait eğrilik yarıçaplarının ve eğrilik yarıçapı değerlerinin optimizasyon sırasında değiştirilebilir olup olmadığı bilgisinin bulunduğu kolondur. Thickness kolonu yüzeylerin bir sonraki yüzeyle olan mesafesinin ve bu mesafelerin optimizasyon sırasında değiştirilebilir olup olmadığı bilgisinin bulunduğu kolondur. Glass kolonu mercek malzemelerinin ve mercek malzemelerinin optimizasyon sırasında değiştirilebilir olup olmadığı bilgisinin bulunduğu kolondur. Semi-Diameter kolonu ise yüzeylerin açıklık değerlerinin ve bu değerlerin optimizasyon sırasında değiştirilebilir olup olmadığı bilgisinin yer aldığı kolondur. 36

48 Şekil 2.11 Oküler mercek sisteminin 2 boyutlu görüntüsü (üstte) ve mercek bilgi editörü (altta) Şekil 2.11 de oküler mercek sisteminin 2 boyutlu görüntüsü ve mercek bilgi editörünü sunulmuştur. Mercek bilgi editöründe koyu ile gösterilen satırlar, merceklerin ön yüzeylerinin eğrilik yarıçapı ve açıklık değeri ile merceklerin malzeme ve merkez kalınlığı bilgisinin yer aldığı satırlardır. Mercek bilgi editöründe açık ile gösterilen satırlardan OBJ, STO ve IMA satırları nesne, stop ve görüntü ile ilgili eğrilik yarıçapları, açıklıkları ve kendisinden bir sonra gelen yüzeye olan mesafelerin bulunduğu satırlardır. Diğer satırlar ise merceklerin arka yüzeylerinin eğrilik yarıçapları, açıklık değerleri ile kendisinden bir sonra gelen yüzey ile olan mesafesinin bulunduğu satırlardır. 37

49 Şekil 2.11 de oküler mercek sisteminin 2 boyutlu görüntüsü incelendiğinde Mercek 1 ile Mercek 2 nin bitişik olduğu görülmektedir. Bu nedenle mercek bilgi editöründe Mercek 1 in arka yüzeyi ve Mercek 2 nin ön yüzeyi iki ayrı satırda gösterilmek yerine Yüzey 3 olarak tek bir satırda gösterilmiştir. Yüzey 3 te gösterilen malzeme ve merkez kalınlığı bilgileri Mercek 2 ye ait bilgilerdir. Tez çalışmasında mercek bilgi editöründe aşağıdaki tanımlamalar yapılmıştır: Oküler mercek sistemi tasarımında yüzeyler belirlenirken; nesnenin sonsuzda olması durumunda yapılacak tasarımın, görüntünün sonsuzda olması durumunda yapılacak tasarıma göre daha kolay olması nedeni ile nesne yüzeyi ( OBJ ) sonsuzda tanımlanmıştır (MIL-HDBK ). Nesne yüzeyinin eğrilik yarıçapı ve açıklık bilgilerinin yer aldığı hücreler de sonsuz olarak tanımlanmıştır. Göz bebeğini temsil eden STO yüzeyinde; açıklık değerinin belirtileceği Semi- Diameter hücresi, oküler mercek sisteminin kullanılacağı ortamda göz bebeğinin çapı en fazla 6mm olacağı için, 3mm olarak tanımlanmıştır. Göz bebeğinin bir sonraki yüzey olan Mercek 1 in ön yüzeyi ile arasındaki mesafesini tanımlayan Thickness hücresi 30mm olarak tanımlanmıştır. Göz bebeği yüzeyinin eğrilik yarıçapı ise sonsuz olarak tanımlanmıştır. OLED ekranı temsil eden IMA yüzeyinde; OLED ekranın yarıçapı 7.5mm olarak tanımlanmıştır. OLED ekranın yarıçapının 7.5mm olduğu bilgisine, Ek 3 te sunulan OLED ekrana ait veri sayfasından ulaşılmıştır. OLED ekranın düz olması nedeniyle eğrilik yarıçapı sonsuz olarak tanımlanmıştır. OLED ekrandan sonra başka bir yüzey olmaması nedeni ile Thickness hücresi boş bırakılmıştır. OBJ, STO ve IMA yüzeyleri ile ilgili tanımlamalar yapıldıktan sonra tanımlanan değerlerin optimizasyon esnasında değiştirilmemesi için bu değerler Fixed (değiştirilemez) olarak seçilmiştir. 38

50 Mercek bilgi editöründeki mercek yüzeylerine ait diğer hücreler ise, sistemin optimizasyonu esnasında değiştirilebilmesi amacıyla Variable (değiştirilebilir) veya Automatic olarak tanımlanmıştır Oküler mercek sisteminin optimize edilmesi Oküler mercek sisteminin optimizasyonuna başlanılmadan önce, sistemin performans parametrelerinin takip edilebileceği MTF, nokta gösterimi, ızgara bozunumu, ışın yelpaze ve geometrik görüntü analizi grafikleri açılmıştır. Oküler mercek sisteminin optimizasyonuna başlanılmadan önceki performans göstergelerinden MTF, nokta gösterimi, ışın yelpazesi grafikleri sırası ile Şekil te sunulmuştur. Şekil 2.12 Optimizasyon öncesinde MTF grafiği 39

51 Şekil 2.12 te µm dalgaboyunda; 0mm, 3mm, 5mm ve 7mm de tanımlanmış 4 tane alan noktasının teğetsel ve ortasal MTF grafikleri gösterilmektedir. Grafiğin yatay ekseni uzaysal frekansı (15 çizgi çifti/mm ye kadar), düşey eksen ise kontrastı göstermektedir. Şekil 2.12 incelendiğinde, kontrast değerinin yaklaşık 4 çizgi çifti/mm de %50 nin altına düştüğü görülmektedir. Şekil 2.13 Optimizasyon öncesinde nokta gösterimi Şekil 2.13 incelendiğinde 0mm de tanımlanmış olan alan noktasına gelen ışınların µm rms lik bir alana dağıldıkları görülmektedir. 3mm, 5mm ve 7.5mm de tanımlanan diğer alan noktalarında ise ışınların sırası ile µm rms, µm rms ve µm rms lik bir alana dağıldıkları görülmektedir. 40

52 Şekil 2.14 Optimizasyon öncesinde ışın yelpazesi grafiği Şekil 2.14 te 0mm, 3mm, 5mm ve 7.5mm de tanımlanmış alan noktalarının, 3 farklı dalgaboyu içim 200µm lik bir ölçeklendirmeyle çizilmiş ışın yelpazesi grafiği sunulmuştur. Grafik incelendiğinde bütün alan noktaları için x ve y eksenlerindeki enine bozunum değerlerinin 160 µm düzeyine kadar ulaştığı görülmektedir. Sistemin optimizasyonu: Oküler mercek sisteminin optimizasyonuna ilk olarak normal optimizasyon ile başlanmıştır. Normal optimizasyon, sistemin performansının değer fonksiyonundaki tanımlamalar doğrultusunda iyileştirilmesi amacıyla yapılmıştır. Normal optimizasyon ile oküler mercek sistemindeki merceklerin malzemelerine yönelik herhangi bir iyileştirme yapılamaması nedeniyle, normal optimizasyon sonrasında hammer optimizasyonuna ihtiyaç duyulmuştur. Hammer optimizasyonu, sistemdeki merceklerin malzemelerini Zemax programının veri tabanında bulunan mercek malzemeleri ile karşılaştırarak, sistem için en yüksek performansı sağlayan mercek grubunun bulunması amacı ile yapılmıştır. 41

53 Hammer optimizasyonu sonrasında, mercek malzemeleri değişen yeni bir mercek grubu elde edilmiştir. Elde edilen yeni mercek grubuna sahip oküler mercek sisteminin performansını değer fonksiyonundaki tanımlamalar doğrultusunda daha iyi bir hale getirilmesi için normal optimizasyon tekrarlanmıştır. Normal optimizasyon ve hammer optimizasyonu işleminin tamamlanması sonrasında; değer fonksiyonunda tanımlanmış işlemci değerlerinin olası en düşük değerlerinde olup olmadığının kontrolü amacıyla bütünsel arama yöntemi kullanılmıştır. Bütünsel arama yöntemi ile en düşük değerlerinde olmayan işlemciler, ayarlanabilecekleri en düşük değerlere ayarlanmışlardır. Oküler mercek sisteminin optimizasyonu sırasında; değer fonksiyonu editörü, mercek bilgi editörü, sistemin performans parametrelerine ilişkin grafikler ve sistemin 2 boyutlu gösterimi anlık olarak güncellenmektedir. Optimizasyon işlemlerinin herhangi bir aşamasında: Mercek bilgi editöründe gösterilen mercek yüzeylerinin eğrilik yarıçaplarının mutlak değerinin herhangi birisinin 10mm nin altına düşmesi, Mercek bilgi editöründe gösterilen merceklerin merkez kalınlığı değerlerinden herhangi birisinin 3 ile 10mm aralığının dışına çıkması, Değer fonksiyonu editöründe gösterilen merceklerin kenar kalınlığı değerlerinden herhangi birisinin 1.5mm nin altına düşmesi, Sistemin 2 boyutlu görüntüsünde merceklerin iç içe geçmesi veya OLED ekran ile OLED ekrana en yakın merceğin iç içe geçmesi, durumunda optimizasyon işlemi durdurularak sisteme müdahale edilmiştir. Bu müdahale genellikle optimizasyonun durdurulmasına neden olan değişkenin değer fonksiyonu editöründeki işlemcisinin ağırlık değerinin arttırılması şeklinde olmuştur. Değer fonksiyonu editöründe yapılan değişikliğin yeterli olmadığında ise; optimizasyonun durdurulmasına neden olan değişkenin mercek bilgi editöründeki ilgili hücresinin değeri değiştirilmiş veya ilgili hücre fixed olarak ayarlanmıştır. 42

54 3. BULGULAR 3.1 Kellner Tipi Oküler Mercek Sisteminin Bulguları Kellner tipi oküler mercek sistemi tasarımında 3 tane mercek kullanılmıştır. Oküler mercek sisteminin 2 boyutlu görüntüsü ve mercek bilgi editörü Şekil 3.1 de sunulmuştur. Şekil 3.1 Kellner tipi oküler mercek sisteminin 2 boyutlu görüntüsü (üstte) ve mercek bilgi editörü (altta) Şekil 3.1 incelendiğinde, oküler mercek sistemindeki mercekler, merceklerin yüzey yapıları ve sistemindeki birimlerin birbirleri ile olan mesafeleri hakkında Çizelge te belirtilen çıkarımlar yapılmıştır. 43

55 Çizelge 3.1 Merceklere ait bilgiler Mercek Merkez Kalınlığı Numarası (mm) Mercek Malzemesi 1 9, N-LASF31A 2 9, N-SF66 3 9, N-LASF31A Çizelge 3.1 de üç merceğin de merkez kalınlığı değerlerinin 3-10mm arasında olduğu görülmektedir. Çizelge 3.2 Mercek yüzeylerinin eğrilik yarıçapları ve açıklık değerleri Mercek - Mercek Yüzeyi Eğrilik Yarıçapı (mm) Açıklık Değeri (mm) Mercek 1 - Ön yüzeyi Mercek 1 - Arka yüzeyi Mercek 2 - Ön yüzeyi Mercek 2 - Arka yüzeyi Mercek 3 - Ön yüzeyi Mercek 3 - Arka yüzeyi Çizelge 3.2 de mercek yüzeyi eğrilik yarıçaplarının mutlak değerinin tamamının 10mm nin üzerinde olduğu görülmektedir. Çizelge 3.3 Oküler mercek sistemindeki birimlerin birbirleri ile olan mesafeleri Oküler mercek sistemindeki birimlerin birbirleri ile olan mesafeleri (mm) Mercek 1 - Mercek 2 - Mercek 2 - Mercek Mercek 3 - OLED ekran Çizelge 3.3 te birimlerin birbirleri ile olan mesafelerinin tamamının 15mm den daha küçük olduğu görülmektedir. 44

56 Oküler mercek sisteminin büyütmesi ve görüş açısı (field of view FOV): Oküler mercek sisteminin etkili odak uzaklığı ( 23.3)mm dir. Sistemin EFL değeri önceki bölümlerde anlatılan ve Eşitlik 1.5 teki oküler mercek sisteminin büyütmesi formülünde yerine konulduğunda Eşitlik 3.1 ile: M O = ( 250mm / f oküler ) + 1 (3.1) M O = ( 250 mm / 23.3mm) + 1 M O = burada M O : oküler mercek sisteminin büyütmesi f oküler : oküler mercek sisteminin odak mesafesi olarak hesaplanılır. Sistemin büyütme oranı kullanılarak, oküler mercek sistemine 250mm mesafede oluşacak görüntünün yarı yüksekliği Eşitlik 3.2 ile hesaplanılır. (h img / 2) = M O * (h nesne / 2) (3.2) (h img / 2) = * 7.5 (h img / 2) = 87.98mm burada h img : oluşan görüntünün yüksekliği h nesne : görüntülenecek nesnenin yüksekliği Eşitlik 3.2 de hesaplanılan görüntünün yarı yüksekliği kullanılarak, sistemin görüş açısı Eşitlik 3.3 ile hesaplanılır. FOV = 2 * tan -1 (h img / 2d) (3.3) FOV = 2 * tan -1 (87.98 / 250) FOV = burada FOV : oküler mercek sisteminin görüş açısı d : oluşan görüntünün oküler mercek sistemine olan mesafesi 45

57 Oküler mercek sisteminin performans parametreleri: Kellner tipi oküler mercek sisteminin, ile 0.550µm dalgaboyu arasındaki MTF grafiği Şekil 3.2 de verilmiştir. Şekil 3.2 de kırınım sınırı (diffraction limit) siyah, 0mm deki alan noktası mavi, 3mm deki alan noktası yeşil, 5mm deki alan noktası kırmızı ve 7.5mm deki alan noktası sarı renkli MTF eğrisi ile gösterilmiştir. Şekil 3.2 de gözün algılama sınırının altında kalan bölge kırmız kesik çizgi ile ayrılmıştır. Bu sınırın altına düşen MTF eğrilerinin, sınırın altına düştüğü en küçük uzaysal frekans değeri kırmızı kesikli çizginin üzerinde kırmızı noktalar ile belirtilmiştir. Şekil 3.2 Kellner tipi oküler mercek sistemine ait MTF grafiği Çizelge 3.4 te Kellner tipi oküler mercek sistemi için tanımlanmış olan 4 alan noktasının, 13.8 çizgi çifti/mm uzaysal frekanstaki MTF değerleri ile insan gözünün algılama sınırının altına düşen eğrilerin sınırın altına düştükleri noktadaki MTF değerleri verilmiştir. 46

58 Çizelge 3.4 Kellner tipi oküler mercek sisteminin bazı uzaysal frekanslardaki MTF değerleri MTF Eğrisi Uzaysal Frekans Değeri (çizgi çifti / mm) MTF Değeri (Teğetsel) MTF Değeri (Ortasal) Kırınım sınırı mm'deki alan noktası mm'deki alan noktası mm'deki alan noktası mm'deki alan noktası mm'deki alan noktası mm'deki alan noktası Şekil 3.3 Kellner tipi oküler mercek sisteminin nokta gösterimi 47

59 Şekil 3.3 de sistemde kullanılan 3 farklı dalgaboyuna ait, 0.522µm (mavi renkli), µm (yeşil renkli) ve 0.550µm (kırmızı renkli), nokta gösterimi grafiği 200µm lik ölçeklendirme ile gösterilmiştir. Grafiğin sol üst bölümünde, 0mm de tanımlanmış alan noktası (OLED ekranın ortası) gösterilmekte ve bu noktadaki ışın dağılımının 7.26µm rms lik bir alanda olduğu görülmektedir. Grafiğin sağ üst bölümünde 3mm de tanımlanmış olan alan noktası (OLED ekranın merkezinin 3mm yukarısını), grafiğin sol alt bölümünde 5mm de tanımlanmış olan alan noktası (OLED ekranın merkezinin 5mm yukarısını) ve grafiğin sağ alt bölümde ise 7.5mm de tanımlanmış olan alan noktası gösterilmektedir. 3mm, 5mm ve 7.5mm de tanımlanmış olan alan noktalarındaki ışın dağılımının ise sırasıyla 11.03, ve 39.97µm rms lik bir alanda olduğu görülmektedir. Şekil 3.4 Kellner tipi oküler mercek sisteminin ızgara bozunumu grafiği Şekil 3.4 te grafiğin sol alt bölümündeki sistemdeki maksimum bozunum değerine bakıldığında, bozunumun % lik fıçı bozunumu olduğu görülmektedir. 48

60 3.2 Bertele Tipi Oküler Mercek Sistemi Bulguları Bertele tipi oküler mercek sistemi tasarımında 4 tane mercek kullanılmıştır. Oküler mercek sisteminin 2 boyutlu görüntüsü ve mercek bilgi editörü Şekil 3.5 te sunulmuştur. Şekil 3.5 Bertele tipi oküler mercek sisteminin 2 boyutlu görüntüsü (üstte) ve mercek bilgi editörü (altta) Şekil 3.5 incelendiğinde, oküler mercek sistemindeki mercekler, merceklerin yüzey yapıları ve sistemindeki birimlerin birbirleri ile olan mesafeleri hakkında Çizelge de belirtilen çıkarımlar yapılmıştır. 49

61 Çizelge 3.5 Merceklere ait bilgiler Mercek Numarası Merkez Kalınlığı (mm) Mercek Malzemesi 1 2, N-SF66 2 8, N-LASF31A 3 7, N-LASF31A N-LASF31A Çizelge 3.5 de dört merceğin de merkez kalınlığı değerlerinin 3-10mm arasında olduğu görülmektedir. Çizelge 3.6 Mercek yüzeylerinin eğrilik yarıçapları ve açıklık değerleri Mercek - Mercek Yüzeyi Eğrilik Yarıçapı (mm) Açıklık Değeri (mm) Mercek 1 - Ön yüzeyi Mercek 1 - Arka yüzeyi Mercek 2 - Ön yüzeyi Mercek 2 - Arka yüzeyi Mercek 3 - Ön yüzeyi Mercek 3 - Arka yüzeyi Mercek 4- Ön yüzeyi Mercek 4 Arka yüzeyi Çizelge 3.6 da mercek yüzeyi eğrilik yarıçaplarının mutlak değerinin tamamının 10mm nin üzerinde olduğu görülmektedir. Çizelge 3.7 Oküler mercek sistemindeki birimlerin birbirleri ile olan mesafeleri Oküler mercek sistemindeki birimlerin birbirleri ile olan mesafeleri (mm) Mercek 1 - Mercek 2 - Mercek 2 - Mercek 3 0 Mercek 3 - Mercek Mercek 4 OLED ekran

62 Çizelge 3.7 de birimlerin birbirleri ile olan mesafelerinin tamamının 15mm den daha küçük olduğu görülmektedir. Oküler mercek sisteminin büyütmesi ve görüş açısı: Oküler mercek sisteminin etkili odak uzaklığı ( 23.3)mm dir. Sistemin EFL değeri önceki bölümlerde anlatılan ve Eşitlik 1.5 teki oküler mercek sisteminin büyütmesi formülünde yerine konulduğunda Eşitlik 3.4 ile: M O = ( 250mm / f oküler ) + 1 (3.4) M O = ( 250 mm / 23.3 mm) + 1 M O = burada M O : oküler mercek sisteminin büyütmesi f oküler : oküler mercek sisteminin odak mesafesi olarak hesaplanılır. Sistemin büyütme oranı kullanılarak, oküler mercek sistemine 250mm mesafede oluşacak görüntünün yarı yüksekliği Eşitlik 3.5 ile hesaplanılır. (h img / 2) = M O * (h nesne / 2) (3.5) (h img / 2) = * 7.5 (h img / 2) = 87.98mm burada h img : oluşan görüntünün yüksekliği h nesne : görüntülenecek nesnenin yüksekliği Eşitlik 3.2 de hesaplanılan görüntünün yarı yüksekliği kullanılarak, sistemin görüş açısı Eşitlik 3.6 ile hesaplanılır. FOV = 2 * tan -1 ( h img / 2d) (3.6) FOV = 2 * tan -1 (87.98 / 250) FOV =

63 burada FOV : oküler mercek sisteminin görüş açısı d : oluşan görüntünün oküler mercek sistemine olan mesafesi Oküler mercek sisteminin performans parametreleri: Bertele tipi oküler mercek sisteminin, ile 0.550µm dalgaboyu arasındaki MTF grafiği Şekil 3.6 da verilmiştir. Şekil 3.6 da kırınım sınırı (diffraction limit) siyah, 0mm deki alan noktası mavi, 3mm deki alan noktası yeşil, 5mm deki alan noktası kırmızı ve 7.5mm deki alan noktası sarı renkli MTF eğrisi ile gösterilmiştir. Şekil 3.6 da gözün algılama sınırının altında kalan bölge kırmız kesik çizgi ile ayrılmıştır. Bu sınırın altına düşen MTF eğrisinin, sınırın altına düştüğü en küçük uzaysal frekans değeri kırmızı kesikli çizginin üzerinde kırmızı nokta ile belirtilmiştir. Şekil 3.6 Bertele tipi oküler mercek sisteminin MTF grafiği 52

64 Çizelge 3.8 de Bertele tipi oküler mercek sistemi için tanımlanmış olan 4 alan noktasının, 13.8 çizgi çifti/mm uzaysal frekanstaki MTF değerleri ile insan gözünün algılama sınırının altına düşen eğrinin sınırın altına düştüğü noktadaki MTF değeri verilmiştir. Çizelge 3.8 Bertele tipi oküler mercek sisteminin bazı uzaysal frekanslardaki MTF değerleri Uzaysal Frekans Değeri (çizgi çifti / mm) Kontrast Değeri (Teğetsel) Kontrast Değeri (Ortasal) Diffraction Limit mm'deki alan noktası mm'deki alan noktası mm'deki alan noktası mm'deki alan noktası mm'deki alan noktası Şekil 3.7 Bertele tipi oküler mercek sisteminin nokta gösterimi 53

65 Şekil 3.7 incelendiğinde 0mm, 3mm, 5mm ve 7.5mm de tanımlanmış olan alan noktalarındaki ışın dağılımının, 200µm lik ölçeklendirmede sırasıyla 5.81, 12.79, ve µm rms lik bir alanda olduğu görülmektedir. Şekil 3.8 Bertele tipi oküler mercek sisteminin ızgara bozunumu grafiği Şekil 3.8 te grafiğin sol alt bölümündeki sistemdeki maksimum bozunum değerine bakıldığında, bozunumun % lik fıçı bozunumu olduğu görülmektedir. 3.3 Erfle Tipi Oküler Mercek Bulguları Erfle tipi oküler mercek sistemi tasarımında 5 tane mercek kullanılmıştır. Oküler mercek sisteminin 2 boyutlu görüntüsü ve mercek bilgi editörü Şekil 3.9 da sunulmuştur. 54

66 Şekil 3.9 Erfle tipi oküler mercek sisteminin 2 boyutlu görüntüsü (üstte) ve mercek bilgi editörü (altta) Şekil 3.9 incelendiğinde, oküler mercek sistemindeki mercekler, merceklerin yüzey yapıları ve sistemindeki birimlerin birbirleri ile olan mesafeleri hakkında Çizelge de belirtilen çıkarımlar yapılmıştır. Çizelge 3.9 Merceklere ait bilgiler Mercek Merkez Kalınlığı Mercek Malzemesi Numarası (mm) N-SF N-LASF N-LASF N-KZFS SF66 55

67 Çizelge 3.9 da beş merceğin de merkez kalınlığı değerlerinin 3-10mm arasında olduğu görülmektedir. Çizelge 3.10 Mercek yüzeylerinin eğrilik yarıçapları ve açıklık değerleri Mercek - Mercek Yüzeyi Eğrilik Yarıçapı (mm) Açıklık Değeri (mm) Mercek 1 - Ön yüzeyi Mercek 1 - Arka yüzeyi Mercek 2 - Ön yüzeyi Mercek 2 - Arka yüzeyi Mercek 3 - Ön yüzeyi Mercek 3 - Arka yüzeyi E Mercek 4- Ön yüzeyi Mercek 4 Arka yüzeyi Mercek 5 Ön yüzeyi Mercek 5 Arka yüzeyi Çizelge 3.10 da mercek yüzeyi eğrilik yarıçaplarının mutlak değerinin tamamının 10mm nin üzerinde olduğu görülmektedir. Çizelge 3.11 Oküler mercek sistemindeki birimlerin birbirleri ile olan mesafeleri Oküler mercek sistemindeki birimlerin birbirleri ile olan mesafeleri (mm) Mercek 1 - Mercek 2 - Mercek 2 - Mercek 3 0 Mercek 3 - Mercek 4 0 Mercek 4 Mercek 5 - Mercek 5 - OLED ekran Çizelge 3.11 de birimlerin birbirleri ile olan mesafelerinin tamamının 15mm den daha küçük olduğu görülmektedir. 56

68 Oküler mercek sisteminin büyütmesi ve görüş açısı: Oküler mercek sisteminin etkili odak uzaklığı ( 23.0)mm dir. Sistemin EFL değeri önceki bölümlerde anlatılan ve Eşitlik 1.5 teki oküler mercek sisteminin büyütmesi formülünde yerine konulduğunda Eşitlik 3.7 ile: M O = ( 250mm / f oküler ) + 1 (3.7) M O = ( 250 mm / 23.0 mm) + 1 M O = burada M O : oküler mercek sisteminin büyütmesi f oküler : oküler mercek sisteminin odak mesafesi olarak hesaplanılır. Sistemin büyütme oranı kullanılarak, oküler mercek sistemine 250mm mesafede oluşacak görüntünün yarı yüksekliği Eşitlik 3.8 ile hesaplanılır. (h img / 2) = M O * (h nesne / 2) (3.8) (h img / 2) = * 7.5 (h img / 2) = 89.02mm burada h img : oluşan görüntünün yüksekliği h nesne : görüntülenecek nesnenin yüksekliği Eşitlik 3.2 de hesaplanılan görüntünün yarı yüksekliği kullanılarak, sistemin görüş açısı Eşitlik 3.9 ile hesaplanılır. FOV = 2 * tan -1 ( h img / 2d) (3.9) FOV = 2 * tan -1 (89.02 / 250) FOV = burada FOV : oküler mercek sisteminin görüş açısı d : oluşan görüntünün oküler mercek sistemine olan mesafesi 57

69 Oküler mercek sisteminin performans parametreleri: Bertele tipi oküler mercek sisteminin, ile 0.550µm dalgaboyu arasındaki MTF grafiği Şekil 3.10 da verilmiştir. Şekil 3.10 da kırınım sınırı (diffraction limit) siyah, 0mm deki alan noktası mavi, 3mm deki alan noktası yeşil, 5mm deki alan noktası kırmızı ve 7.5mm deki alan noktası sarı renkli MTF eğrisi ile gösterilmiştir. Şekil 3.10 Erfle tipi oküler mercek sisteminin MTF grafiği Çizelge 3.12 de Erfle tipi oküler mercek sistemi için tanımlanmış olan 4 alan noktasının, 13.8 çizgi çifti/mm uzaysal frekanstaki MTF değerleri verilmiştir. 58

70 Çizelge 3.12 Erfle tipi oküler mercek sisteminde tanımlanan alan noktalarının 13.8 çizgi çifti/mm deki MTF değerleri Uzaysal Frekans Değeri (çizgi çifti / mm) Kontrast Değeri (Teğetsel) Kontrast Değeri (Ortasal) Diffraction Limit mm'deki alan noktası mm'deki alan noktası mm'deki alan noktası mm'deki alan noktası Şekil 3.11 Erfle tipi oküler mercek sisteminin nokta gösterimi Şekil 3.11 incelendiğinde 0mm, 3mm, 5mm ve 7.5mm de tanımlanmış olan alan noktalarındaki ışın dağılımının, 40µm lik ölçeklendirmede sırasıyla 4.93, 5.53, 5.93 ve 6.18µm rms lik bir alanda olduğu görülmektedir. 59

71 Şekil 3.12 Erfle tipi oküler merceğin ızgara bozunumu grafiği Şekil 3.12 de grafiğin sol alt bölümündeki sistemdeki maksimum bozunum değerine bakıldığında, bozunumun % lik fıçı bozunumu olduğu görülmektedir. 60

72 4. SONUÇ VE TARTIŞMA Son dönemlerdeki Savunma ve Güvenlik alanındaki uygulamaların artışı, bu uygulamaların temel gereksinimlerinden olan Termal ve Gece Görüş Dürbünleri üzerinde yapılacak teknolojik iyileştirmeleri de önemli bir konuma getirmiştir. Tez çalışmasında, Termal ve Gece Görüş Dürbünleri nde kullanılan oküler merceklerin iyileştirilmesine yönelik optik tasarım geliştirilmesine çalışılmıştır. Tasarlanan oküler mercek sistemlerinde kullanılan merceklerin merkez ve kenar kalınlığı ile mercek yüzeylerinin eğrilik yarıçapları ve açıklık değerleri incelendiğinde, bütün değerlerin tasarım öncesinde hedeflenen sınırlamaların içerisinde olduğu görülmüştür. Merceklerin malzemeleri incelendiğinde ise, mercek malzemelerinin tamamının üretim aşamasında temin edilebilir olduğu görülmüştür. Dolayısıyla bütün oküler mercek sistemlerinin üretilebilir olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Sistemlerin tasarımı yapılırken, Ek 2 de verilen mercek yüzey yapıları ve mercek kusurlarından bozunum türü ve miktarı göz önüne alınmıştır. Ek 2 de sunulan diğer sapmalar, sistemlerin üretimi aşamasında sistemlerin performansını etkileyebilecek olası etkenlerdir. Sistemlerin ağırlık ve maliyet değerlendirilmesinde ise sistem ağırlığının ve maliyetinin en yüksek olduğu sistemin Erfle tipi oküler mercek sisteminin olduğu görülmektedir. Erfle tipi oküler mercek sisteminde diğer sistemlerden daha fazla mercek kullanılması sistemin ağırlığını arttırmıştır. Tasarlanan oküler mercek sistemlerinin büyütme oranları 11.73x, 11.73x ve 11.87x olarak elde edilmiştir. Oküler mercek sistemlerinin büyütme oranlarının neredeyse aynı olmasının nedeninin, bütün sistemlerin etkili odak uzaklıklarının birbirleri ile aynı olacak şekilde tasarlanmasından kaynaklandığı değerlendirilmiştir. Oküler mercek sistemlerinin büyütme oranının doğrudan etkili odak uzaklığına bağlı olması nedeni ile, Zemax programında büyütme oranı tanımlaması yerine etkili odak uzaklığı tanımlaması yapılarak tasarım geliştirilmiştir. 61

73 Tasarım sonucunda elde edilen büyütme oranlarına bakıldığında günümüzdeki mevcut oküler mercek sistemlerinin de aynı büyütme oranlarına sahip olduğu görülmüştür. Ayrıca Antares, Baader, Celestron, Coronado, Orion, Pentax, Takahashi gibi üreticilerinin oküler mercek sistemleri incelendiğinde 2mm den 40mm ve üzeri etkili odak uzaklığına aralığında dolayısıyla çok farklı büyütme oranlarına sahip oküler mercekler sistemlerinin de bulunduğu görülmektedir ( 2010). Etkili odak uzaklığının daha küçük bir değere ayarlanarak yapılacak bir tasarım ile oküler mercek sisteminin büyütme oranının arttırabileceği değerlendirilmiştir. Tasarlanan oküler mercek sistemlerinin performanslarını ve pratikte kullanılabilir olup olmadığını değerlendirebilmek için Zemax programının MTF grafikleri incelenmiştir. Oküler mercek sistemlerinin MTF performansları incelendiğinde aşağıdaki sonuçlara varılmıştır: Kellner tipi oküler mercek sisteminde OLED ekranın üst bölümüne denk gelen 7.5mm deki teğetsel MTF değeri 12.4çizgi çifti/mm ve ortasal MTF değeri 8.5çizgi çifti/mm uzaysal frekansından sonra gözün algılama sınırının dışına çıkmıştır. Bu durum sistemin kullanımı esnasında OLED ekranın üst bölümüne denk gelecek 8.5 çizgi çifti/mm ortasal ve 12.4 çizgi çifti/mm teğetsel karşıtlıkların üzerindeki durumlarda, sistemin istenilen keskinlik ve çözünürlüğü yakalayamayacağı anlamına gelmektedir. Bertele tipi oküler mercek sisteminde OLED ekranın üst bölümüne denk gelen 7.5mm deki ortasal MTF değeri, 10.7çizgi çifti/mm uzaysal frekansından sonra gözün algılama sınırının dışına çıkmıştır. Bu durum sistemin kullanımında OLED ekranın üst bölümüne denk gelecek 10.7 çizgi çifti/mm nin üzerindeki ortasal karşıtlıklarda, sistemin istenilen keskinlik ve çözünürlüğü yakalayamayacağı anlamına gelmektedir. Erfle tipi oküler mercek sisteminin MTF değerleri incelendiğinde ise, sistemin MTF değerinin 74çizgi çifti/mm uzaysal frekansına kadar MTF değerinin 0.5 in altına düşmediği görülmüştür. Dolayısıyla sistemin OLED ekranın her noktasında istenilen çözünürlüğü ve keskinliği sağlayabileceği görülmüştür. 62

74 Termal ve Gece Görüş Dürbünleri nde görüntünün en kritik bölgesi, kullanıcının aktif olarak kullandığı OLED ekranın merkezidir. Tasarlanan üç oküler mercek sistemi de görüntü merkezinde istenilen MTF değerlerini yakalamıştır. Bu durum göz önüne alındığında, üç sistemin de pratikte kullanılabilir olduğu değerlendirilmiştir. Ayrıca Zemax programının nokta gösterimi grafikleri incelendiğinde, üç sistem içerisinde en iyi performansın Erfle tipi oküler mercek sistemi ile elde edildiği görülmektedir. Erfle tipi oküler mercek sisteminde ışınlar bütün alan noktalarında 10µm rms ten küçük bir alana dağıldığı görülmüştür. Tez çalışmasında tasarlanan oküler mercek sistemlerine ait etkili odak uzaklığı, büyütme oranı, görüş açısı, MTF ve benek genişliği değerleri Çizelge 3.13 te özetlenmiştir. Çizelge 3.13 Tasarlanan oküler mercek sistemlerine ait etkili odak uzaklığı, büyütme oranı, görüş açısı, MTF ve benek genişliği değerleri Oküler Mercek Sisteminin Tipi Etkili Odak Uzaklığı (mm) Büyütme Oranı Görüş Açısı (derece) Teğetsel MTF Değeri Ortasal Benek Genişliği (µm) Kellner (3 mercekli) x Bertele (4 mercekli) x Erfle (5 mercekli) x Tez çalışmasının sonucunda; oküler mercek sistemlerinin büyütme oranları ve görüş açılarına bakıldığında önemli derecede farklılık görülmemiştir. Ancak oküler mercek sistemlerinde mercek sayısının artışının sistemin performansı arttırdığı, sistemin maliyetinin, ağırlığının ve karmaşıklığının da performans artışıyla arttığı görülmüştür. Geliştirilebilirlik Tez çalışmasında; Zemax optik tasarım programının yardımıyla, tasarlanan oküler mercek sistemlerinin üretilebilir olduğu ve sistemlerin optik performanslarının Termal ve Gece Görüş Dürbünleri nde kullanımı için yeterli olduğu teorik olarak gösterilmiştir. Çalışma tasarlanan oküler mercek sistemlerinin üretilmesi ve sistemlerin 63

75 performanslarının teorikte elde edilen bilgiler ile uyumluluğunun incelenmesi yönünde sürdürülebilir. Bir sonraki aşamada çalışmaya, üretilen oküler merceklerin Termal veya Gece Görüş Dürbünü üzerine monte edilmesi ve montaj sonrası dürbünlerin performanslarının incelenmesi yönünde devam edilebilir. İkinci bir geliştirme çalışması olarak; tez çalışmasında tasarlanan oküler mercek sistemlerinde kullanılan merceklerin tamamı küresel merceklerdir. Küresel olmayan mercek kullanılması durumunda daha az mercek kullanılarak performansı yüksek sistemlerin tasarlanabildiği bilinmektedir. Çalışma, küresel olmayan mercek kullanılarak 3 mercekli bir oküler mercek sistemi tasarımı yapılarak sürdürebilir. Sonrasında yapılan yeni tasarım, tez çalışması sırasında tasarlanmış olan Kellner ve Erfle tipi oküler mercekler ile karşılaştırılarak devam ettirilebilir. 64

76 KAYNAKLAR Alpern, M., Mason, G.L. and Jardınıco R.E Vergence and accommodation. V. Pupil size changes associated with changes in accommodative vergence. Am J Ophthalmol, 52; Anonymous Visual Acuity Measurement Standard. Consılıum Ophthalmologıcum Unıversale, International Council of Ophthalmology, Vısual Functıons Commıttee, 18p, Italy. Anonymous Viewfinder Optics for Microdisplays. Optical Product Development Inc., 12p, Lexington, Massachusetts, USA. Boreman, G.D Basic Electro-Optics for Electrical Engineers. SPIE Optical Engineering Pres, 97p, Washington, USA. Boreman, G.D Basic Optics for Engineers. SPIE s 12th Annual International Symposium on Aerosense/Defence Sensing, Simulation & Controls, 412p, Orlando, Florida, USA. Charman, W.N. and Whitefoot H Pupil diameter and the depth-of-field of the human eye as measured by laser speckle. Optica Acta, 24 (12); Fischer, R.E. and Tadic-Galeb, B Optical System Design. McGraw Hill, 559p, USA. Geary, J.M Introduction to Lens Design with Practical ZEMAX Examples. Willlmann-Bell,Inc., 642p, Richmond, Virginia, USA. Gross, H., Blechinger, F. and Achtner, B Handbook of Optical Systems, Survey of Optical Instruments. WILEY-VCH, 1092p, Germany Hudson, R.D IR System Engineering. John Wiley and Sons, 642p, New York, USA. Jenkins, F.A. and White, H.E Fundamentals of Optics, 4th ed. McGraw-Hill, 746p, USA. Malacara, D. and Malacara, Z Handbook of Optical Design. Markel Dekker, Inc., 535p, New York, USA. MIL-HDBK Military Standartization Handbook, Optical Design. Defence Supply Agency, USA. Nicholson M Advanced Optical Design Using ZEMAX. ZEMAX Development Corporation, 853p, USA. 65

77 Oceanside Photo and Telescope Eyepieces & Barlows. Web sitesi. Erişim Tarihi: Smith, W.J Modern Lens Design: A Resource Manual. Genesee Optics Software, 471p, Rochester, New York. Smith, W.J Modern Optical Engineering. The McGraw-Hill Companies, Inc., 617p, United States of America. User s Guide ZEMAX Optical Design Program. ZEMAX Development Corporation, 698p, USA. Welford, W.T Aberration of Optical Systems. Adam Hilger, 284p, New York, USA. 66

78 EKLER EK 1 Görüntü Yoğunlaştırıcı Tüplerin Tarihsel Gelişimi ve Görüntü Yoğunlaştırıcı Tüp Yapısı EK 2 Mercek Yüzey Yapıları ve Mercek Kusurları (Aberrations) EK 3 OLED Ekranın Veri Sayfası EK 4 Türkçe terimlerin İngilizce karşılıkları 67

79 EK 1 Görüntü Yoğunlaştırıcı Tüplerin Tarihsel Gelişimi ve Görüntü Yoğunlaştırıcı Tüp Yapısı Görüntü Yoğunlaştırıcı Tüplerin Tarihsel Gelişimi Nesil-1 Tüpler: Pasif gece görüş tekniği, yani görünür ışık dalga bandında var olan düşük şiddetteki ışığın kuvvetlendirilerek görülebilir bir seviyeye ulaştırılması tekniği, ilk defa 1960 lı yıllarda kullanılmıştır. Yaklaşık 16cm boyunda ve 6cm çapında olan ve Nesil-1 olarak adlandırılan bu tüplerde kazanç arasında olup, Nesil-3 tüplerden bile daha iyiydi (Şekil 1). Şekil 1 Nesil-1 tüpün iç yapısı Nesil-1 tüplerin genel özellikleri aşağıda özetlenmiştir: Gelişimi 1960 lı yıllarda başladı Aktif IR ışık kaynağına ihtiyacı yoktur Işığa karşı duyarlı yapı Kazanç elektronların hızlandırılması ile elde edilirdi ve kazanç 1000 di. S-20 multialkali fotokatod teknolojisi kullanılırdı Işığa duyarlılığı µa/lm Nesil-2 Tüpler: Nesil-1 tüplerde otamatik kazanç kontrolü ve parlak nokta korumasının olmaması, parlak bir görüntünün ekrandan kaybolma (streaking effect) süresinin 68

80 dakikalar mertebesinde olması, gürültünün çok yüksek düzeyde olması, boyutlarının büyüklüğü ve ağırlığı nedeniyle Nesil-2 ve Nesil-3 tüpler ortaya çıkmıştır. Nesil-2 tüplerin üretimine 1970 li yıllarda başlanmıştır. Nesil-2 ve Nesil-3 tüplerdeki gelişmeyi sağlayan en önemli ortak faktör çokkanallı plakanın kullanımıdır (Şekil 2). Bu sayede tüp yaklaşık 3cm uzunluğunda, 4cm çapında ve Nesil-1 tüplere oranla çok daha küçük boyutlarda yapılabilmiştir. Nesil-1 tüplerde bulunmayan otomatik kazanç kontrolü ve parlak nokta koruması Nesil-2 ve Nesil-3 tüplerde mevcuttur. Nesil-2 tüplerde söz konusu tüm avantajlara karşın kazanç düşüklüğü (<10.000) kullanıcı ihtiyacını karşılamamıştır. Şekil 2 Nesil-2 tüpün iç yapısı Nesil-2 tüplerde kazancı artırıcı önlemler (fosfor ekran geriliminin arttırılması ve daha kaliteli tüp optiği parçalarının kullanılması) alınarak 2+ diye adlandırılan tüp geliştirilmiştir. Böylece kazanç dolaylarına çıkarılmıştır. Nesil-2 tüplerin genel özellikleri aşağıda özetlenmiştir: Gelişimi 1970 li yıllarda başladı Kazancın arttırılması için çokkanallı plaka eklendi (yüksek kazanç:x 20,000 ve küçük yapı) Gece koşullarında dağılma olmadan kaliteli görüntü S-25 multialkali fotokatod Işığa duyarlılığı µa/lm 69

81 Nesil-3 Tüpler: Nesil-3 tüplerde fotokatod malzemesinin Gallium Arsenid olarak seçilmesiyle özellikle çok düşük ışık seviyelerinde yüksek kazanç elde edilmiştir. 2+ nesillerde çok düşük ışık seviyesinde (2x10-6 fc) kazanç iken Nesil-3 tüplerde bu kazanç dir. Ayrıca Nesil-3 tüplerde fotokatod ve çokkanallı plaka arasına konan iyon tutucu film sayesinde çokkanallı plakadan geri dönen pozitif yüklü iyonların fotokatoda dönüşü engellenerek tüp ömrü 3 kat arttırılmıştır (Şekil 3). Şekil 3 Nesil-3 tüpün iç yapısı Ayrıca son nesil tüplerde fotokatodun hassasiyeti yaklaşık 1100nm dalga boyuna çıkarılarak, 1060nm dalga bandında çalışan lazer ışınlarının da görülmesi sağlanmıştır (Şekil 4). Şekil 4 Nesil-3 tüp ile elde edilen görüntü örneği 70

82 Nesil-3 tüplerin genel özellikleri aşağıda özetlenmiştir: Gelişimi yılları arası Tüpün ömrü ve performansı arttırıldı GaAs MCP kullanılarak kazanç: 30,000-50,000 Işığa duyarlılığı µa/lm Görüntü Yoğunlaştırıcı Tüp Yapısı Genel olarak görüntü yoğunlaştırıcı tüpleri tanımlamak gerekirse; Düşük şiddetteki optik görüntüyü algılayıp daha şiddetli görünür görüntüye çeviren elektronik aletlerdir. Görüntü yoğunlaştırıcı tüpler, nesnelerden yansıyan ışığı (foton ya da düşük şiddetli optik görüntü ya da low intensity optical image), elektronlara çevirerek nesneleri görünür (yüksek şiddetli gözle görülür görüntü ya da high intensity visible image) hale getirirler. Düşük şiddetli ışığın içeriğinde, görünür ışık, yakın mor ötesi (<400nm) ve yakın kızıl ötesi (>780nm) dalga boyları da vardır. Görüntü yoğunlaştırıcı tüpler, bakılan yerden yansıyan ışığın şiddetini artırırken bu ışığı çeşitli aşamalardan geçirmektedir. Bu aşamaların en yoğun olduğu kısım çıplak tüp olarak adlandırılan bölümdür. İç Yapı: Görüntü yoğunlaştırıcı tüp genel olarak, Fotokatod, Çokkanallı Plaka ve Fosfor ekrandan oluşur. Nesil-3 tüplerde ise bunlara ilaveten iyon tutucu film bulunmaktadır. Fotokatod: Optik görüntüye ait düşük şiddetteki (seviyedeki) fotonlar, objektif merceği ve tüp takımı giriş optiği üzerinden fotokatoda ulaşır. Fotokatod, bu fotonları elektronlara dönüştürür. Nesil-2 ve Nesil-3 tüplerdeki farklılık fotokatod malzemesi olarak kullanılan malzemeden kaynaklanmaktadır. Nesil-2 tüplerde fotokatod malzemesi multialkali (potasyum, sodyum, sezyum ve antimon) dir. Nesil-3 tüplerde ise Galyum Arsenid türü malzemedir. 71

83 Fotokatod hassasiyeti istenen sınırlar altında olan tüpler, yeteri kadar elektron üretemediği için tüpten beklenen oranda ışık kazancı sağlanamayacaktır. Çokkanallı Plaka: Fotokatoddan sonra gelen kısım Çokkanallı plakadır. Çok ince cam bir plaka görünümünde olup, yaklaşık 1000 adet multiden oluşur. Her multi altıgen bir yapıya sahiptir. Multiler arası fiber optik kanaldan oluşur ve multilerin genişliği takriben 0.6mm dir. Bu multiler pres yöntemiyle bir arada sıkıştırılarak silindirik bir cam boruya dönüştürülür. Çokkanallı plakada, multilerin hepsi 18mm çapındaki dairesel bir kesite sığdırılmıştır (Şekil 6). Şekil 5 Çokkanallı plaka Çokkanalın her iki yüzeyi de metal kaplama yapılarak elektriksel iletkenlik sağlanır. Bu uçlar parlatılmış ve elektronik kontaklarla kaplanmıştır. Fotokatoddan gelen elektronlar çokkanallı plakanın kanallarında gerilim altında çarptırılarak çoğaltılırlar. Fosfor Ekran: Çokkanallı plakayı, kazancı arttırılmış olarak geçen elektronlar en son olarak fosfor ekrana gelirler. Fosfor ekran, yüzeyine çarpan elektronları görünür görüntüye dönüştüren bir yapıya sahiptir. Bu ekran çok küçük fosfor taneciklerinden oluşmuştur ve 1 ile 15µ arasındaki yüksek enerjili elektron bombardımanında ışımaya başlar. En içteki tabaka ince alüminyum film (0.1µ) ile kaplanmıştır. Bunun sebebi, yüzeyin eşit gerilimde tutulmasını sağlayabilmektir. Bu ekrana düşen elektronlar sayesinde elde edilen ışık yeşil renktedir. 72

84 Yüksek Voltaj Güç Kartı: Fotokatod, çokkanallı plaka ve fosfor ekranın çalışması için gerekli olan gerilimler güç kaynağı kartı aracılığıyla sağlanır. Bu kartta ihtiyaç duyduğu gerilimleri bir ya da iki adet kalem pilden alır. Bu kart yardımıyla, Fotokatod ile Çokkanallı Plaka arasına 800V (3. nesil tüplerde), Çokkanallı Plakaya 1200V ve son olarak da Fosfor Ekrana 5600V ile 7000V arasında değişen bir gerilim uygulanır. Yüksek Voltaj Güç Kartının Yapısı Şekil 7 de Yüksek Voltaj Güç Kartı nın genel olarak nerede kullanıldığını gösterilmektedir. PDM: Modülü Fotodedektör MAPTM: Fotoçoğaltıcı Multi-anot Şekil 6 Yüksek voltaj güç kartının kullanımı Yüksek Voltaj Güç Kartının Ayrıntılı Yapısı Bu yüksek voltaj modülünün nasıl çalıştığı incelecek olursa; TCU birimi DAC birimine 12 bit çözünürlükte seri TTL sinyali (V set ) ve zamanlayıcı (clock) sinyalini gönderir. DAC birimi gönderilen sinyali 0 ile 5 V arasında analog sinyal haline getirir. DAC biriminin ürettiği çıkış sinyali, 0V ile 1000V arasında voltaj üretecek yüksek voltaj modülüne gönderir. 73

85 Şekil 7 Yüksek voltaj güç kartının ayrıntılı yapısı 74

86 EK 2 Mercek Yüzey Yapıları ve Mercek Kusurları (Aberrations) Mercek Yüzey Çeşitleri Mercek yüzeyleri farklı optik amaçlar için farklı yüzey biçimlerinde işlenirler (Boreman 1998). Küresel yüzeyler: Kesik bir küre yüzeyinden oluşur, teorik olarak bir odak noktası vardır (Şekil 1). Şekil 1 Küresel yüzey örneği Küresel olmayan yüzeyler: Küresel yüzeyler ışığı bir odak noktasında toplayamazlar. Merceğin bir yüzeyi aküresel (küresel olmayan yüzey) yapılarak ışık tek noktada toplanabilir (Şekil 2). Gerekli mercek sayısını azaltarak boyut, maliyet ve ağırlık problemlerini giderir. Tasarımı kolaylaştırır. Şekil 2 Küresel yüzey (solda) ve küresel olmayan yüzey örneği (sağda) 75

87 Holografik yüzeyler: Çok küçük boyutlarda (mikron) derinlik ve genişliğe sahip halkalardan oluşur (Şekil 3). Saçılmayı (dispersion) önler. Işığı bir noktada odaklar. Gerekli mercek sayısını azaltarak boyut, maliyet, ve ağırlık problemlerini giderir. Tasarımı kolaylaştırır. Şekil 3 Holografik yüzey örneği (solda), holografik yüzey üzerinden alınan ölçümün grafiği (sağda) 76

88 EK 3 OLED Ekranın Veri Sayfası Aşağıda sunulan OLED ekranın veri sayfasının ikinci sayfasında belirtilen Viewing Area bölümündeki ekranın kullanılabilir alanının ebatları, tasarım geliştirme aşamasında OLED ekranın köşegen uzunluğunun hesaplanması esnasında kullanılmıştır. 77

89 78