Kızılötesi dedektör tasarımı için doğadan esinlenmiş göz yapılarının dalga analizi
The wave analysis of nature-inspired eye structures for infrared detectors
Yazar: TAKİYETTİN OYTUN KILINÇ
Danışman: PROF. DR. HAMZA KURT
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Askeri malzemeler = Military materials ; Biyo-optik özellikler = Bio-optical characteristics ; Elektromanyetik dalgalar = Electromagnetic waves ; Elektrooptik aletler = Electo-optic devices ; Fiziksel optik = Physical measurements ; Manyetik alan dalgaları = Magnetic field waves ; Opak duvar malzemeleri = Opaque wall materials ; Optik dedektör = Optical dedector ; Optik yansıma = Optical reflection ; Ray-optik tekniği = Ray-optic technique

Özet:
Biyomimetik bilimi ile doğanın işleyişindeki sistem, hayatımızı kolaylaştıracak teknolojiler için ipucu sunabiliyor. Doğadaki materyaller ihtiyaç duyulan sağlamlık, hafiflik, esneklik gibi özelliklere sahiptir. Doğal görme yapıları özellikle küçük omurgasız hayvanlar, örneğin sinekler veya arılar için bileşik gözler, beyinlerini görüntü işleme ile aşırı yüklemeden kendi çevreleri hakkında yeterince görsel bilgi elde etmek için mükemmel Şekilde uyarlanmış uzman görme tasarımına sahiptirler, aynı zamanda  küçük hacimli optik birimlerden oluşmasına rağmen daha geniş açılı elektromanyetik dalgaları algılamasından, yansıtmaları daha düşük ve yüksek absorbsiyonlu olmasından ve çözünürlüğe paralel maliyete sahip olmasından dolayı büyük avantajlar sunarlar.
İnsan gözü ve doğadaki göz yapıların ışık ile etkileşimi daha çok ray analizi ile yapılmaktadır. Işığın dalga özelliğinin dikkate alınmadığı bu tür analizlerde enerjinin odaklanması, yansıma ve soğurulmadan kaynaklanan kayıpların dikkate alınmaması gibi özellikler incelenememektedir.Zaman Düzleminde Sonlu Farklar (Finite-Difference Time-Domain (FDTD)) yöntemi, elektromanyetik problemlerin çözümünde kullanılan, popüler ve Maxwell denklemlerinin diferansiyel formunu ayrıklaştırmaya yarayan sade ve yaygın bir 
sayısal yöntemdir. Yapılan kaynak taramalarında, bileşik görme yapılarında bu yöntem kullanılarak dalga analizi simulasyonları konusunu işleyen bir bilgiyle karşılaşılmamıştır.Geleceğin elektronik ve fotonik bağlılığı, elektriğin, optik sinyallere verimli bir şekilde geçişini sağlamalıdır. Grafen malzemesi, bu iş için en uygun elektronik ve fotonik özellikleri ve önemli geniş çalışma bant genişliği ile bağlı sistemler için uygun bir malzemelerden biridir.Kızılötesi dedektörler cisimlerden yayılan kızılötesi radyasyonu algılayan sensörlerdir. Kızılötesi görüntüleme yada algılama yapabilmek için atmosferin geçirgen olduğu bir dalga boyu aralığında soğurma yapmak önemlidir ve bu sensörler veya algılayıcılar uzun zamandır savunma sanayii sistemlerinde; hedef tespiti, gözetleme, atış kontrolü ve füze arayıcı başlığı gibi uygulamalarda kullanılmaktadır. Kızılötesi dedektör özgün tasarımların gerçekleştirilmesi öngörülen bu tez kapsamında, doğadaki problem çözme yetenekleri taklit edilerek, zaman düzleminde sonlu farklar metodu ile iki ve üç boyutlu yapılarda elektromanyetik dalga yayılımının simülasyonu yapılacak ve bileşik göz yapısının, orta kızılötesi ve uzak kızılötesi bölgede, dalga yayılım analizleriyle optik özelliklere etkisi araştırılmıştır.

Abstract:
The dynamics of nature and the science of biomimicry can give humans insight for technologies to ease everyday life. The materials in nature have the desired properties such as durability, flexibility and lightness. Natural sight structures of small invertebrates, i.e. compound eyes of bees or flies, are perfectly designed to have enough visual information about their surroundings without overloading the brain with unnecessary image processing. Although these compound eyes are composed of small optical units, they can detect wide-angled electromagnetic waves, their reflection rate is lower and absorption rate is higher at the photoreceptor site. Mimicking such a natural imaging system in real word application will not be straightforward. Besides, high-resolution cases increase the overall cost of the detectors.
The interaction between the human eye or other eye structures in nature and light is generally determined by the ray analysis. Light's wave property is not taken into consideration in these kinds of analysis, and because of this, some properties such as the amount of energy at the focal point or at the photoreceptors, the losses caused by
reflection at the interfaces, cross-talks between each ommatidium and absorption cannot be examined. 
Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method is a popular computational method and preferred in electromagnetic problem solving. It is also a simple and widely used method for discretization of the differential form of Maxwell's equations. In this study, we incorporate FDTD method for the wave analysis of compound eye in order to see the feasibility of designing novel infrared detectors.
Electronic and photonic integration for future applications requires that the electricity be efficiently converted into an optical signal. Grafen material is one of the most suitable electronic and photonic properties for this work and suitable materials for connected systems with considerable wide working bandwidth.
Infrared detectors perceives the infrared radiation from objects and these detectors have been used in defense industry for a long time in applications like target acquisition, surveillance, fire control, and missile seeker. This thesis aims to design unique infrared detectors based on bio-inspired optics. By mimicking the problem solving talents available in nature and with the FDTD  method, the simulation of electromagnetic wave propagation in two and three dimensional structures will be performed. Moreover, the effect of compound eye structure on optic properties in mid-infrared region and far infrared region will be examined by wave propagation analysis.