Lidar İçin Optik Sistem Tasarımı

Abstract

Bu çalışmada, özellikle son yıllarda uzaktan algılamada sıkça kullanılan Lidar’ın optik kısımlarından birisi olan demet genişletme sistemi tasarlanmıştır. Demet kalitelerinin düşük olması sebebi ile diyot lazer Lidar’larda çok sık tercih edilmez. Diyot lazerlerin ıraksama açısı oldukça yüksektir. Demet, diyotun fiziksel özelliklerinden kaynaklı olarak elips şeklinde çıkar. Demetin her iki eksendeki odakları farklıdır. Fakat son yıllarda diyot lazer teknolojisindeki gelişmeler sayesinde diyot lazerler daha kaliteli demet özelliklerine sahip olmaya başlamışlardır. Bu gelişmelerle birlikte diyot lazerler Lidar’larda kullanılmaya başlanmıştır. Yaptığımız çalışmada diyot lazerlerin dezavantajlarından birisi olan yüksek ıraksama açısı sistemin bir parçası gibi kullanılarak demet istenilen boya gelene kadar genişlemesine izin verilmiştir. Böylece optik elemanlarda tasarruf edilmiş ve sistem hafifletilmiş, basitleştiriliştir. Basitleşen sistemin montaj ve imalat kaynaklı hatalarıda azalacaktır. Mevcut ayna hesaplamaları geometrik optik kullanılarak farklı ihmallerle hesaplandığı için hassas hesaplamalar yapılmak istendiğinde hesaplamalara düzeltmeler getirilmesi gerekir. Bu tarz bir yaklaşım yerine her optik sistem için, sisteme özel yöntemler geliştirilebilir. Çalışmamız da bu mantıktan yola çıkılarak şekillenmiştir. Çalışmada hiçbir ihmal ya da kabul kullanılmadan aynaların yüzey fonksiyonları kullanılmış ve karışık hale gelen matemetiğin üstesinden gelebilmek için tasarlanan sisteme özel çözümler üretilmiştir. Tasarımın temelinde eksenden uzak aynalar yatmaktadır. Aynalar eksenden alışılmışın dışında uzaklaştıklarından dolayı küresel ayna kullanmak imkansız hale gelmiş ve bunun için geometrik optiğin temelindeki konik kesit yüzeylere başvurulmuştur. Demetin bozulması bu şekilde engellensede bahsedilen kullanım şekli beraberinde demetin ışık şiddeti profilinde deformasyonlara yol açacağı için aynalar optimize edilirken profil deformasyonu dikkate alınmıştır.

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.