KOLİMATOR ve OTOKOLİMATOR Rev: A, AMAÇ

Transkript

1 KOLİMATOR ve OTOKOLİMATOR Rev: A, AMAÇ Buradaki bilgiler; gündüz, gece ve termal görüş cihazları, lazer cihazları gibi optik cihazların üretim, ölçüm ve testlerinde, laboratuvarlarda ve üretim hatlarında sıklıkla kullanılan kolimator ve otokolimatorlar hakkında genel bir bilgi vermek amacıyla hazırlanmıştır. Hazırlayan, Zeki TOPÇU 1

2 İÇİNDEKİLER KOLİMATÖRLER...3 KOLİMATÖRLERİN ÇALIŞMA PRENSİBİ...3 HEDEF BÜYÜKLÜKLERİ...6 KOLİMATÖRLERİN YAPISI...6 ÖLÇÜM UZAKLIĞI...8 OTOKOLİMATÖRLER...10 ÇALIŞMA PRENSİBİ

3 KOLİMATÖRLER Kolimatörler çok uzaktaki hedefleri simüle etmek için kullanılan optik cihazlardır. Bir kolimatör e karşısından bakıldığında, çok uzaktaki (teorik olarak sonsuz uzaklıkta) bir hedefe bakılıyormuş gibi olur. Bu doğrudur; gerçekten de gözümüze gelen görüntü sonsuzdan gelen bir görüntüdür. Kolimatör çerçevesinin (çıkış optiğinin) dışına çıkmamak kaydıyla başımızı sağa sola veya aşağı yukarı kaydırdığımızda hedefin başımızla birlikte hareket ettiğini gözlemleriz. Kolimatör ün yapısını incelemeden önce, hiç de karmaşık bir işlevi olmadığını anlatabilmek için, aşağıdaki denemeyi yapabiliriz. Işık geçirmeyen bir levhaya (karton olabilir) 10 cm çapında bir delik açın. Kartonu binanızın uzağı görebilen bir penceresine yapıştırın. Bir metre kadar geri çekilerek kartonda açtığınız delikten uzaktaki bir hedefe (örneğin bir elektirik direğinin tepesine) bakın. Elde edeceğiniz görüntü, bir kolimatörde elde ettiğiniz görüntü ile aynı özelliklerde olacaktır. Başınızı sağa sola, yukarı aşağı hareket ettirdiğinizde tıpkı kolimatör örneğinde olduğu gibi hedef de sizinle birlikte hareket edecektir. Çünkü sizin 10 cm çapındaki bir çerçeve içinde yaptığınız hareketin büyüklüğü, hedef ile aranızdaki mesafenin yanında ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Buna başka bir örnek olarak; bulutsuz bir gecede araba ile yolculuk yaparken Ay ın veya yıldızların sanki bizimle birlikte hareket ediyormuş gibi gözükmelerini verebiliriz. KOLİMATÖRLERİN ÇALIŞMA PRENSİBİ Kolimatörlerin fonksiyonu gibi yapısı da çok basittir. Aşağıda Şekil-1 de görülen basit düzeneği kendinizin de kurması mümkündür. Mercek Cikis Acikligi (Aperture) Isik Kaynagi Igne Deligi (pinhole) Hedef Plakasi Şekil-1 Şekildeki düzeneğe mercek tarafından bakıldığında yıldız gibi çok uzaktan gelen bir nokta ışık görüntüsü oluştuğu ve başımızı yine evelden yaptığımız gibi hareket ettirdiğimiz taktirde görüntünün de başımızla birlikte hareket ettiği gözlenecektir. Kurmuş olduğumuz bu düzenek bir kolimatördür. 3

4 Şimdi bu düzeneği kurduğumuz ortamı karartalım ve şekil-2 de gösterildiği şekilde kolimatör ün önüne beyaz bir plaka (perde) yerleştirelim. Işık kaynağının şiddetini yeterince artıralım. Perde üzerinde, merceği yerleştirmiş olduğumuz aperture çapında bir ışık diski oluşacaktır. Dikkat edilirse disk boyunca ışık dağılımının homojen olduğu görülecektir. Buradan, şekilde görüldüğü gibi nokta ışık kaynağından çıkan ışık çizgilerinin kolimatörün çıkış çapı boyunca eşit yoğunlukta dağıldığı anlaşılmaktadır. Mercek Aperture Işık Kaynağı Hedef Plakası Perde Şekil-2 Bazen yukarıda yapılan işlemler sonucu perdede nokta ışık görüntüsü bekleyenler olmaktadır. Bu yanlış anlamayı gidermek için basit bir deneme daha yapılabilir. Perde ile kolimatör merceği arasına başka bir ince kenarlı mercek koyup, merceğin perdeye olan uzaklığını uygun şekilde ayarladığımızda perdede bu kez, gerçekten de nokta ışığın elde edildiğini görürüz. Bu ikinci mercek ile kolimatör merceğinin yapmış olduğu kolimasyon işleminin tersini yapmış ve kolime olan ışığı ikinci merceğin odaklama düzlemine odaklamış ve böylece perde üzerinde nokta hedef görüntüsünü oluşturmuş oluruz. Kolimatöre karşıdan baktığımızda gözümüz, bu ikinci merceğin yaptığı işlevi yerine getirir; yani göz merceğimiz kolimatörden gelen paralel çizgilerin oluşturduğu ışın demetini gözümüzün retina tabakasına odaklayarak orada hedef görüntüsünün oluşmasını sağlar ve bu görüntü beynimize iletilir. Işık Kaynağı Hedef Plakası Gözümüzde oluşan görüntü 4

5 Şekil-3 Şekil-4 te, kolimatör e bakarken başımızı hareket ettirdiğimizde hedefin başımızla birlikte hareket ediyormuş gibi gözükmesinin nedeni açıkça görülmektedir. Nokta hedeften çıkan çizgiler kolimatör çapı boyunca her yerde vardır ve kolimatörden çıkan her çizgi birbirine paraleldir. Işık Kaynağı Hedef Plakası Başımızı hareket ettirdiğimizde Gözümüzde oluşan görüntü değişmeyecektir. Şekil-4 Diyelim ki kolimatörde 1 nokta yerine, Şekil-5 de gösterildiği şekilde bir adedi optik eksen üzerinde olmak üzere birbirlerine belli uzaklıkta 3 adet nokta hedef kullanılsın. Bu taktirde optik eksende bulunan noktadan çıkan ışık çizgilerinin oluşturduğu ışın demeti kolimatörden optik eksene paralel olarak çıkarken, diğer iki noktadan çıkan ışık demetleri kolimatörden belli bir açı ile çıkarlar. Ancak her farklı noktadan çıkan ışık çizgileri kolimatör çıkışında birbirine paraleldirler. Şekil de bu 3 ayrı nokta hedef 3 ayrı renk ile gösterilmiştir. Yine önceki örneklerde olduğu gibi başımızı hareket ettirdiğimizde üç noktadan oluşan hedef başımız ile birlikte hareket edecektir. Son olarak; bu 3 nokta arasına aynı hizada sonsuz sayıda nokta hedef yerleştirdiğimizi varsayarsak bu noktaların oluşturduğu, bir çizgi hedef elde etmiş oluruz. Gözümüzde Oluşan Görüntü Şekil-5 5

6 KOLİMATÖRLERDE HEDEF BÜYÜKLÜĞÜ Kolimatörler konusunda yukarıdaki saptamaları yaptıktan sonra artık biraz daha ayrıntıya girebiliriz. Başlangıç kısımlarında anlatılanlardan, kolimatör çıkışındaki hedef büyüklüğünün ancak açısal olarak ifade edilebileceği sanıyorum yeterince açıktır (sonsuz uzaklıktaki bir hedefin boyutsal büyüklüğünden bahsetmek pek mümkün değildir). Kolimatörde elde edilen hedef görüntüsünün büyüklüğü; Şekil-6 da görüldüğü üzere kolimatörde kullanılan merceğin Etkili Odak uzunluğu ve kolimatörün odaklama düzlemine yerleştirilen hedefin boyutu ile bağıntılıdır. Şekilden de görüldüğü üzere bu bağıntının α=tan(a/f) olarak ifade edilebileceği açıktır. a f a = tan ---- f KOLİMATÖRLERİN YAPISI Şekil-6 Kolimatörlerin yapısı kullanım amaçlarına göre çok çeşitlilik gösterir. En basit kolimatör yukarıda da açıklandığı gibi bir mercek ve bir hedef plakasından oluşmaktadır. Sık görülen bir uygulama optik görüş cihazlarının ayırma gücünün (resolution) belirlenmesi amacıyla kullanılmalarıdır. Ayırma gücü ölçümü amacıyla kullanılan kolimatörlerde, kullanılan ışığın dalga boyu genellikle yeterince dar olmadığından; kolimatör çıkışında renge bağlı bozulmalar (Chromatic Abberation) olmaması için akromatik mercek kullanılmak zorundadır. Aksi taktirde farklı dalga boylarındaki ışık dalgalarının mercekteki kırınımı farklı olacağından, kolimasyon işlemi sadece bir dalga boyu için geçerli olacak ve diğer dalga boylarındaki ışık dalgaları (odaklama düzlemlerinin farklı olması nedeniyle) tam kolime olmadan çıkacaktır. Bunun sonucunda böyle bir kolimatör kullanıldığında, kenarları ışık tayfı şeklinde net olmayan bir görüntü elde edilecektir. Akromatik mercek kullanılarak, renge bağlı bu bozulmalar en azından kullanılan dalga boyu bandında yeterince azaltılabilmektedir. Renge bağlı bozulmaları çözümlemenin diğer bir yolu, uygulama elveriyorsa monokromatik bir ışık kaynağı kullanmaktır. Çok geniş bir dalgaboyu bandında veya kızıl ötesi bantta çalışmak gerekiyorsa en iyi çözüm (belki de tek çözüm) yansıtmalı (aynalı) bir kolimatör kullanmaktır. Şekil-7 deki örnekte görüldüğü gibi bu tür kolimatörler esas olarak; ön yüzeyden yansıtmalı bir çukur ayna, bir hedef plakası, ön yüzeyden yansıtmalı bir veya daha fazla düz aynadan oluşmaktadır. Yansıtmalı kolimatörlerde kırınım olayı olmadığı için buna bağlı bozulmalar da söz konusu 6

7 olmamaktadır. Bunun sonucunda bu kolimatörler görünür ışık dalga boyundan kızıl ötesi dalga boyuna kadar rahatlıkla kullanılabilmektedirler. Hedef Kaynak Duz Ayna Cukur Ayna Cikis Aparture'i Sekil-7 7

8 ÖLÇÜM UZAKLIĞI Kolimatörde nokta hedef kullanıldığında, kolimatörden çıkan tüm ışınlar birbirine paralel olacağından Şekil 2 de de görüldüğü gibi kolimatör açıklığı (aperture) boyunca ışık dağılımı eşit olacaktır. Belli büyüklüğe sahip bir hedef kullanıldığında ise Şekil 8 de de görüleceği üzere ışık, kolimatör açıklığının sadece belli bir bölgesinde eşit olarak dağılmakta, bu bölgenin dışına çıkıldığında giderek azalmaktadır. Örneğin kolimatörden Ls uzaklığındaki düzlemde ışık yoğunluğu sadece Aö çapındaki bir alanda eşit dağılmakta, Lmax uzaklığından sonraki düzlemlerde ise artık ışığın eşit dağıldığı bir alandan söz edilememektedir. Lmax uzaklığından sonra hedefin sadece bir kısmı görülebilecek, kenerları artık görülemeyecektir. Şekil 8 de anlatım ve hesaplama kolaylığı nedeniyle dairesel bir hedef kullanılmış ve sonuçta Ölçüm Açıklığı (Aö) dairesel olmuştur. Farklı bir hedef kullanıldığında hesaplamaların, hedefin en büyük boyutuna göre (kullanılan kısmının) yapılması gerekir. Bu nedenlerden dolayı kolimatörlerin kullanıldığı düzeneklerde yapılan ölçümlerin doğru olabilmesi için, ölçüm cihazlarının giriş açıklıkları, kolimatörden olan uzaklığa göre değişen Ölçüm Açıklığı ndan küçük olmak zorundadır. Hedef Plakası Kolimatör Merceği Aperture Ölçüm uzaklığındaki ışık dağılımı Lmax uzaklığındaki ışık dağılımı h Ak Aö Işık Kaynağı fk Lö Lmax Şekil-8 Ölçüm Uzaklığı ve Maksimum Ölçüm Uzaklığı aşağıda verilen bağıntılar kullanılarak hesaplanabilir; 8

9 Lö : Ölçüm Uzaklığı Lö = (Ak-Aö)* fk/h Lmax= Ak * fk/h Lmax : Maksimum Ölçüm Uzaklığı Ak : Kolimatör Açıklığı Aö : Ölçüm Açıklığı fk : Kolimatör Odak Uzaklığı h : Hedefin en büyük boutu Ölçüm Uzaklığı ile ilgili şimdiye kadar verilen tüm açıklamalar mercekli tip kolimatörlere göre yapılmıştır. Ancak aynı açıklamalar ve bağıntılar, kollimatör çıkışı olarak odaklama aynası alındığı taktirde yansıtmalı tip kolimatörler için de geçerlidir. 9

10 OTOKOLİMATÖRLER Otokolimatörler saniyeler mertebesinde hassas açısal ölçüm yapabilen optik cihazlardır. Basit olarak, yapısında bir kolimatör ve teleskop sistemini birlikte bulundururlar. Kolimatör kısmı, odaklama düzlemindeki bir şebeke, şebekeyi aydınlatan bir ışık kaynağı ve kolimatör merceğinden oluşur. Teleskop kısmı ise objektif olarak kolimatör merceği, bir göz merceği, kolimatörün odak düzlemine yerleştirilmiş ölçekli bir şebeke ve otokolimatör ün önüne yerleştirilen aynadan yansıyan şebekeyi ölçekli şebeke üzerine düşürmeye yarayan bir ışık bölücüden (beam splitter) oluşur (Şekil-1). Görüldüğü gibi kolimatör merceği; teleskop tarafından giriş optiği (burada objektif) olarak, kolimatör tarafından çıkış optiği (kolimasyon amacıyla) olarak kullanılır. Aslında otokolimatörün ayrılmaz bir parçası da, açısal ölçümü veya hizalaması yapılacak olan düzleme yerleştirilen birinci yüzeyden yansıtmalı aynadır. Şekil-1 OTOKOLIMATOR Göz Merceği Ölçek Lamba Ayna Kolimator Merceği (Objektif) Işık Bölücü Şebeke Filtre/ Işık Yayıcı Işık Toplayıcı Mercek ÇALIŞMA PRENSİBİ Otokolimatörden çıkan ışıklı şebeke harici aynadan geri yansıyarak ışık bölücü tarafından ölçekli şebeke üzerine düşürülür ve göz merceği yardımıyla gözümüze iletilir. Böylece gözümüzde hem ölçekli şebeke hem de aynadan yansıyarak gelen (Şekil-1 de pembe çizgilerle gösterilmiştir) ışıklı şebeke görüntüsü oluşur. Ölçekli şebekenin konumu otokolimatöre göre sabittir. Işıklı şebekenin geliş açısı ise harici aynanın oturduğu düzlemin konumuna göre değişir ve bu açı otokolimatörün odaklama düzleminde belli bir boyutsal büyüklüğe karşılık gelir. Sözkonusu açı, ölçekli şebeke üzerinden okunabileceği gibi, ölçekli şebekeyi iki eksende mekanik olarak kaydıracak şekilde yerleştirilmiş mikrometreler vasıtasıyla da okunabilir. Burada aynaya gelen ve aynadan yansıyan ışın arasındaki açının aynadaki açısal hareketin iki misli olduğunu not düşmekte fayda görüyorum. Otokolimatörün açı okuma mekanizması (ölçekli şebeke veya mikrometre) açının ikiye katlanması göz önüne 10

11 alınacak şekilde oluşturulmuştur, yani otokolimatörde okunan açı doğrudan aynanın açısal hareketine eşittir. Ölçüm yapılırken başlangıç olarak harici ayna otokolimatörün eksenine dik olarak yerleştirilir. Göz merceğinden bakılırken ışıklı şebekenin görüntüsü elde edilinceye kadar, gerek otokolimatör gerekse ayna otokolimatörün eksenine dik iki eksende yavaşça hareket ettirilir. Otokolimatör görüş alanının genellikle çok küçük olması nedeniyle harici aynadan yansıyan ışıklı şebeke görüntüsü genellikle görüş alanı dışına düşer ve bu da ilk görüntüyü elde etmeyi zorlaştırır. Işıklı şebeke görüntüsü elde edildikten sonra yatay dikey ayarlarıyla ışıklı şebeke, ölçekli şebeke ile çakıştırılmak yoluyla hizalama yapılır. Bu durumda artık otokolimatörün optik eksenini harici aynaya tam dik konuma getirmiş oluruz ve bu bizim referans konumumuz olur. Bundan sonra, açısı ölçülmek istenen düzleme yerleştirilmiş olan harici ayna ölçülecek konuma getirilir. Bu konumda otokolimatörden ışıklı şebeke ile ölçekli şebeke arasındaki açı okunur. 11