Micro-scanning mirrors and lenses for improving image resolution
Görüntü çözünürlüğünün arttırılması amacıyla mikro tarama ayna ve lens geliştirilmesi
- Tez No: 736231
- Danışmanlar: DOÇ. DR. KIVANÇ AZGIN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 183
Özet
Görüntü çözünürlüğünün geliştirilmesi, uzun yıllardır optik araştırmaların ana ilgi alanlarından biri olmuştur. Bu kapsamda birçok farklı yöntem araştırılmıştır. Bu yöntemlerin bazıları sahada kullanım alanı bulurken, bazıları da laboratuvar gösterimi düzeyinde kalmıştır. 1980'den bu yana odak düzlemi dizi dedektörlerinin piksel boyutunu azaltmak için çok sayıda yaklaşım olmuştur ve o zamandan beri birim alandaki piksel sayısı ve çözünürlük artırılmıştır. Bununla birlikte, odak düzlemi dizisinin piksel yapısının küçük piksel aralığının üretilmesindeki zorluk ve sınırlı doldurma faktörü, özellikle kızılötesi dalga boylarında bu yöntemin kritik sınırlamalarıdır. Çözünürlük artırma elde etmenin diğer yöntemi olan mikro tarama, sahada uygulanabilirliğini kanıtlamıştır. Çözünürlüğü artırmak için lenslerin, aynaların, prizmaların ve kodlanmış maskelerin taranması gibi bu tekniğin birçok uygulama çeşidi vardır. Makro ve mikro eyleyiciler, farklı optik mimarilerde optik bileşenin taranması için kullanılır. Kızılötesi görüntüleme için geleneksel mikro tarama sistemleri, 50 mm'den 200 mm'ye kadar boyutlara sahiptir, optik sistemde geniş alana ihtiyaç duyar ve hacimli optik bileşenler ve eyleyiciler nedeniyle 45V aralığından 150V'a kadar yüksek güç ve uyarma voltajı tüketir. Ayrıca, kızılötesi görüntüleme için geleneksel mikro tarama sistemleri yüksek parça adetine sahiptir ve yer değiştirme amplifikasyonu için ayrı mekanizma parçalarının kullanılması gerekir. Bu çalışmanın amacı, gerçek bir makro ölçekli kızılötesi optik sistemin stabilizasyonu ve çözünürlüğünün arttırılması için küçük boyutlu, büyük yer değiştirmeli ve düşük güç tüketimine sahip yeni bir Mikro-Opto-Elektro-Mekanik Sistem (MOEMS) geliştirmektir. Bu bağlamda, bu çalışma boyunca hem PTC CREO hem de ANSYS ile CAD modelleme ve parametrik çoklu fizik sonlu elemanlar analizi kullanılarak bir piezo elektrik, bir termal ve bir elektro-manyetik mikro tarama sistemi tasarlanmış ve optimize edilmiştir. Optik mimari, ışın izleme ve lens tasarımları Zemax ile yapılmıştır. Metalenslerin tasarımı için Lumerical yazılım aracı kullanılmıştır. Silicon on Insulator (SOI), yapının alt taşı olarak seçilmiştir. Entegre MOEMS eyleyicinin imal etmek için Derin Reaktif İyon ve Islak Dağlama yöntemleri uygulandı. Tarama için kullanılan optik mimarinin ve bileşenlerin belirlenmesi çalışmanın önemli noktalarıdır. Eyleyicinin optik faydalı yükü, her ikisi de mikro fabrikasyon yöntemleriyle üretilebilen bir metalens ve bir kodlu maskedir. Bu amaçla ilk alternatif olarak nano-deliklerden oluşan bir metalens tasarlanmıştır. İkinci olarak, uzamsal ışık modülasyonunu elde etmek için MOEMS yapısının merkezine özel bir kodlanmış maske tasarlanmış ve uygulanmıştır. Alt piksel taraması için istenen yer değiştirmeyi elde etmek için, termal chevron eyleyicinin uyarma voltajı 12V'dir ve bu, literatürdeki piezoseramik eyleyicilerin %8 ila %27'sidir. Eni iyi performans olan 10.2V uyarım gerilimi, manyetik alanın neden olduğu ek Lorentz kuvveti sayesinde termal ve elektromanyetik hibrit mikro opto-elektromekanik sistem (MOEMS) tabanlı tarama eyleyici ile elde edilmiştir. Geliştirilen MOEMS eyleyicinin çekirdek boyutu 19mm olup ,makro eyleyici muadillerinin %10-%38'i kadardır.
Özet (Çeviri)
Enhancement of image resolution has been one of the main interests in optical research for many years. In this context, many different methods have been developed. While some of these methods found use in the field, some remained at the level of laboratory demonstration. There have been numerous approaches to reduce the pixel size of staring focal plane array detectors since 1980, and the number of pixel on unit area and resolution are increased since then. However, the difficulty at the fabrication of small pixel pitch and limited fill-factor of the pixel structure of focal plane array are critical limitations of this method especially at the infrared wavelengths. Micro scanning the other method in order to obtain resolution enhancement has proven its applicability in the field. There are many variants of the application of this technique such as the scanning of lenses, mirrors, prisms and coded mask for resolution enhancement. The macro and micro actuators are utilized for scanning of optical components in different optical architectures. Conventional micro scanning systems for the infrared imaging have a size from 50mm range up to 200 mm, need a large space in optical system and consume high power and excitation voltage from 45V range up to 150 V due to bulky optical components and actuators. Also, the conventional micro scanning systems for infrared imaging have high part quantity and need to use separate compliance mechanism parts for the displacement amplification. The aim of this study is to develop a novel Micro-Opto-Electro-Mechanical System (MOEMS) with small size, large displacement and low power consumption for the stabilization and enhancement of the resolution of a real macro scale infrared imaging system. In this context, throughout this study a piezo electrical, a thermal and an electro-magnetic micro scanning system were designed and optimized by using CAD modeling and parametrical multi-physics finite element analysis with both PTC CREO and ANSYS. Optical architecture, ray tracing and lens designs were done by Zemax. Lumerical software tool were used for designing of the metalens. Silicon on Insulator (SOI) is chosen as the substrate of structure. Deep Reactive Ion and Wet Etching methods were applied to fabricate the integrated MOEMS actuator. Determining the optical architecture and components used for scanning are significant points of the study. A metalens and a coded mask, both of which can be produced by micro fabrication methods, were the optical payload of the actuator. For this purpose, a metalens consisting of nano-holes was designed as the first alternative. Secondly, a specific coded mask was designed and applied to the center of MOEMS structure for obtaining the spatial light modulation. To obtain the desired displacement for subpixel scanning, the excitation voltage of the thermal chevron actuator is 12V, which is %8- %27 of the bulk piezo ceramic actuator counter parts in literature. The best performance of the excitation voltage 10.2V was achieved with a thermal and electro-magnetic hybrid micro opto-electro mechanical system (MOEMS) based scanning actuator by means of additional Lorentz force caused by magnetic field. Core size of MOEMS actuator is 19mm, which is %10-%38 of macro actuator equivalents.
Benzer Tezler
- Spark plazma sinterleme yöntemi ile ışık geçirgenliğine sahip magnezyum alüminat spinel seramiklerinin üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of magnesium aluminate spinel ceramics with ligth transmission by spark plasma sintering
SEYRAN SARIDAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Seramik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ ŞAHİN
- Uydu verileri ile İstanbul Boğazı ve Haliç'de su kirliliğinin makro düzeyde belirlenmesi
Intrepretation at macro level as pollution of water resources of remotely sensed data of Bosphorus and golden horn estuary by an unsupervised and supervised classification method
H.GONCA COŞKUN
- Electrostatic and piezoelectric MEMS scanner development for laser displays
Lazer ekranlar için elektrostatik ve piezoelektrik MEMS tarayıcı geliştirme
UTKU BARAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ÜREY
- Opto-mechanical design and development of an optodigital confocal microscope
Optodijital konfokal mikroskopun opto-mekanik tasarım ve geliştirmesi
VAHİD POURREZA GHOUSHCHI
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Fizik ve Fizik MühendisliğiKoç ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER KİRAZ
- Electrostatic MEMS actuators for endoscopic imaging and high resolution displays
Endoskopik görüntüleme ve yüksek çözünürlüklü görüntü sistemleri için elektrostatik MEMS tahrikleyiciler
SERTAN KUTAL GÖKÇE
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAKAN ÜREY