Seri üretim termal görüntüleme sistemlerinde kalibrasyon–tabanlı düzensizlik giderme metotlarının elektro–optik performansa etkisi
Effects of calibration–based non–uniformity correction methods on electro–optical performance of serial production thermal imaging systems
Yazar: AHMET YASİN ÖNVER
Danışman: DOÇ. DR. İBRAHİM TUNA ÖZDÜR
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Planck'in siyah cisim ışıması kanununa göre, mutlak sıcaklığı 0 Kelvin üzerinde olan tüm cisimler elektromanyetik ışıma yapmaktadır. Termal görüntüleme sistemleri, cisimlerin sıcaklıklarından dolayı kızılötesi dalga boyunda yaptıkları ışımaların anlamlandırılabildiği ve günümüzde askeri, medikal, sivil vb. birçok alanlarda çeşitli uygulamalarda yaygın olarak kullanılan sistemlerdir. Kızılötesi odak düzlem dizileri, çok sayıda kızılötesi dedektörün iki boyutlu bir dizgi halinde oluşturduğu ve termal görüntüleme sistemlerinde sahneden gelen kızılötesi ışımanın kuyudolum seviyesi adı verilen dijital sinyallere dönüştürüldüğü görüntüleme sensörüdür. Kızılötesi odak düzlem dizilerinden elde edilen ham kuyudolum seviyeleri üzerinde; kızılötesi dedektörlerin tam anlamıyla özdeş olmaması, optik birimlerdeki kusurlar, ışımanın odak düzleminde homojen dağılmayışı ve çevresel koşulların etkisi gibi nedenlerden kaynaklı bir takım istenmeyen etkiler bulunmaktadır. Bu etkilerden bir veya birkaçı bir araya gelerek dedektörlerin tepkiselliklerinin kızılötesi ışıma karşısında değişkenlik göstermesine yol açmakta ve kızılötesi odak düzlem dizisinden elde edilen ham kuyudolum seviyelerinde düzensizlik etkisi oluşturmaktadır. İdeal şartlarda kızılötesi odak düzlem dizisi tekdüze bir ışıma kaynağı karşısında
vi
konumlandırıldığında yine tekdüze kuyudolum seviyeleri elde edilmesi beklenirken, elde edilen ham kuyudolum seviyeleri düzensizlik etkisinden dolayı direkt olarak kullanıma uygun değildir. Termal görüntüleme sistemlerinin fonksiyonlarını düzgün bir şekilde yerine getirebilmesi için kızılötesi dedektörlerin tepkisellikleri, dinamik aralık üzerinde belirli noktalarda düzensizlik giderme metotları ile tekdüze tepkiselliğe kalibre edilebilmektedir. Düzensizlik giderme sonrası termal görüntüleme sisteminin tekdüze ışıma kaynağı karşısındaki elektro–optik performansı, kuyudolum seviyelerinin tekdüzelikten ne derece değişkenlik gösterdiğinin ölçütü olan kalıntı düzensizlik ile ifade edilmektedir. Termal görüntüleme sistemleri geliştirilirken uygulanacak olan düzensizlik giderme yöntemi, sınırlı sayıda prototipin tekdüze ışıma sağlayan siyah cisim ışıyıcı karşısındaki tepkisellik karakteristiği göz önünde bulundurularak belirlenir. Ne var ki, seri üretim aşamasında üretilen prototip sayısı arttıkça prototiplerin siyah cisim ışıyıcı karşısındaki tepkisellik ve hassasiyetleri birbirlerinden farklılık göstermeye başlamaktadır. Oluşan bu farklılık, tek bir sebepten kaynaklanmayıp birden çok etkinin bir araya gelmesiyle oluşabilmekle birlikte; optik, elektro–optik ve elektronik birimlerin üretim toleransları ve daha birçok etkiden dolayı gerçek anlamda özdeş olmamaları bu farklılığa sebep olabilecek sebeplerinden sadece bir tanesidir. Seri üretim prototipleri arasında oluşan bu tepkisellik ve hassasiyet farklılıkları, düzensizlik gidermenin uygulanma yöntemine bağlı olarak prototiplerin dinamik aralıkta farklı noktalarda kalibre edilmesine ve kızılötesi ışıma karşısında aynı karakterde olmamasına yol açabilmektedir. Bu tezde, 2018 yılından bu yana seri üretimi devam eden bir termal görüntüleme sisteminin, 123 adet seri üretim prototipinden elde edilen ham kuyudolum seviyelerinin dinamik aralık boyunca ne derece değişkenlik gösterdiği incelenecek ve bu ham kuyudolum seviyeleri kullanılarak farklı düzensizlik giderme metotlarının farklı uygulama yöntemleri elektro–optik performanslarına göre kıyaslanacaktır. Elde edilen sonuçlar göz önünde bulundurularak seri üretim prototiplerinde tepkisellik ve hassasiyet değişkenliğine rağmen dinamik aralıkta aynı noktalarda düzensizlik giderme uygulayarak prototiplerin elektro–optik karakteristiğinin aynı olmasını sağlayacak ve üretilebilirliği arttıracak otomatik bir karakterizasyon ve kalibrasyon düzeneği sunulacaktır.
Anahtar Kelimeler: Termal görüntüleme sistemleri, Kızılötesi odak düzlem dizileri, Düzensizlik giderme, Seri üretim.

Abstract:
According to Planck's law of black body radiation, all objects with absolute temperature above 0 Kelvin emit electromagnetic radiation. Radiations emitted from objects in infrared wavelength can be interpreted by thermal imaging systems. Thus, thermal imaging systems are widely used in various applications across many fields such as military, medical, civilian, etc. Infrared focal plane arrays are the imaging sensors in thermal imaging systems that consists of a large number of infrared detectors arranged in a two–dimensional array and they convert the infrared radiation coming from scene into digital signals also known as wellfill levels. Due to several factors —including bot not limited to infrared detectors not being identical, defects in the coatings and alignment of optical units, the inhomogeneous distribution of incoming radiation onto the focal plane, environmental conditions— there exist some unwanted effects on the raw well–fill levels obtained by infrared focal plane arrays. When one or several of these effects are combined, they lead to a variance in the detectors' responsivity against infrared radiation, causing a non–uniformity effect on the raw well–fill levels obtained by the infrared focal plane array. Ideally, when an infrared focal plane array is positioned against a uniform radiation source, uniform
viii
well–fill levels would be expected across the detector array. However, the raw well–fill levels are not directly usable due to the non–uniformity effect. The responsivities of infrared detectors can be calibrated to uniform responsivities at specific points across the dynamic range using non–uniformity correction methods, in order for thermal imaging systems to function properly. The electro–optical performance of a thermal imaging system, with non–uniformity correction applied, can be indicated by residual non–uniformity. This measures the variance of well–fill levels from a uniform response when exposed to a uniform radiation source. The way of applying a non–uniformity correction method in thermal imaging systems is determined during the development phase, by taking into account the responsivity characteristics of a limited number of prototypes against a black body radiator that provides uniform radiation. Nevertheless, as the number of prototypes increases during the serial production phase, the responsivity and sensitivity of the prototypes against the black body radiator start to vary from one another. This variation may be caused by not just a single isolated source, but by multiple combined effects. These include, but are not limited to, the fact that subsystems such as optical, electro–optical, and electronic units are not exactly identical, due to manufacturing tolerances among many other reasons. The variance in responsivity and sensitivity among serial production prototypes may lead to them being calibrated at different points across the dynamic range and exhibiting different characteristics against infrared radiation, depending on the application procedure of non–uniformity correction methods. In this thesis, the raw well–fill data taken from 123 prototypes of a thermal imaging system that is in serial production since 2018 will be examined in terms of how they differs from one another across dynamic range and by using these well–fill data, different applications of different non–uniformity methods will be compared in terms of electro–optical performances. As a result, an automatic characterization and calibration setup that increases manufacturability will be presented which will apply non–uniformity correction on same points across dynamic range to thermal imaging system prototypes despite the responsivity and the sensitivity variances.
Keywords: Thermal imaging systems, Infrared focal plane arrays, Non–uniformity correction, Serial production.