Lidar için optik sistem tasarımı
Optical system design for a lidar
Yazar: HAKAN ÇETİNKAYA
Danışman: PROF.DR. CANKUT ÖRMECİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2006
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry
Dizin: Optik tasarım = Optical design

Özet:
Bu çalısmada, özellikle son yıllarda uzaktan algılamada sıkça kullanılan Lidar'ın optikkısımlarından birisi olan demet genisletme sistemi tasarlanmıstır. Demet kalitelerinindüsük olması sebebi ile diyot lazer Lidar'larda çok sık tercih edilmez. Diyot lazerlerinıraksama açısı oldukça yüksektir. Demet, diyotun fiziksel özelliklerinden kaynaklıolarak elips seklinde çıkar. Demetin her iki eksendeki odakları farklıdır. Fakat sonyıllarda diyot lazer teknolojisindeki gelismeler sayesinde diyot lazerler daha kalitelidemet özelliklerine sahip olmaya baslamıslardır. Bu gelismelerle birlikte diyot lazerlerLidar'larda kullanılmaya baslanmıstır. Yaptıgımız çalısmada diyot lazerlerindezavantajlarından birisi olan yüksek ıraksama açısı sistemin bir parçası gibikullanılarak demet istenilen boya gelene kadar genislemesine izin verilmistir. Böyleceoptik elemanlarda tasarruf edilmis ve sistem hafifletilmis, basitlestirilistir. Basitlesensistemin montaj ve imalat kaynaklı hatalarıda azalacaktır. Mevcut ayna hesaplamalarıgeometrik optik kullanılarak farklı ihmallerle hesaplandıgı için hassas hesaplamalaryapılmak istendiginde hesaplamalara düzeltmeler getirilmesi gerekir. Bu tarz biryaklasım yerine her optik sistem için, sisteme özel yöntemler gelistirilebilir. Çalısmamızda bu mantıktan yola çıkılarak sekillenmistir. Çalısmada hiçbir ihmal ya da kabulkullanılmadan aynaların yüzey fonksiyonları kullanılmıs ve karısık hale gelenmatemetigin üstesinden gelebilmek için tasarlanan sisteme özel çözümler üretilmistir.Tasarımın temelinde eksenden uzak aynalar yatmaktadır. Aynalar eksenden alısılmısındısında uzaklastıklarından dolayı küresel ayna kullanmak imkansız hale gelmis vebunun için geometrik optigin temelindeki konik kesit yüzeylere basvurulmustur.Demetin bozulması bu sekilde engellensede bahsedilen kullanım sekli beraberindedemetin ısık siddeti profilinde deformasyonlara yol açacagı için aynalar optimizeedilirken profil deformasyonu dikkate alınmıstır.Anahtar Kelimeler: Lidar, Optik Tasarım, Demet Sekillendirme

Abstract:
In this study, we tried to design a beam expander, an important optical part of a Lidarsystem. In recent years Lidar systems have been very popular among remote sensingmeasurements. Their disadvantages are size and weight. Instead of using massconsuming other types of lasers we can use diode lasers to eliminate the weight andvolume problems. However because of poor beam quality, it is not easy using diodelasers. Disadvantages can be listed as high divergence angle, astigmatism and ellipticity.The high divergence angle, the most important disadvantage of a diode laser, can beused as if it is an optical component of the beam shaping system. Normally to simplifythe calculations geometrical optics uses some approximations. Instead of limitingourselves we preferred to make the calculations by directly using the surface equationsof conic sections. Our design is mainly based on off-axis mirrors. Using such kind ofgeometry does not let surface approximations since surface of a conic section divergesfrom a circle. Moreover using directly the surface functions of the mirrors we eliminateextra corrections. Although it has its own advantages it does not give the designer anabsolute freedom. Especially beams have problems if you use off-axis systems. Main oneis deformation due to the geometry of conic sections. Problem gets worse when the beamgets away from the axis. This property is used in our design to optimize the solution.Keywords: Lidar, Optical Design, Beam Shaping