Elektro-optik sistemlerin tarihçesi

Işık, insanlık tarihi boyunca ilgi çekici oldu. İnsan gözünün nasıl gördüğü, eski çağ filozofları tarafından üzerinde tartışılan bir konudur. Milattan önce (M.Ö.) 700’lerde kuvars kristalleri gibi bazı cisimlerin ışığı kırdığı bilinse de, ışığın hareketi gizemini uzun süre korudu.

Adı geometri ile özdeşleşmiş olan Öklid, aynı zamanda ışığın hareketine ilişkin ilk prensipleri tanımladı ve böylece geometrik optik çalışmalarını başlattı. Yine de bu dönemde bilim insanlarının ışığın doğasını tanımlamaktan oldukça uzak olduklarının söyleyebiliriz.

Optik ile ilgili pek çok konu, günümüzde bildiğimiz şekliyle 9-13’üncü yüzyıl İslam bilim insanları tarafından açıklandı. El –Kindi (801-973) çığır açıcı ve öncül olmasıyla bu konudaki en önemli isimlerdendir. El-Hayzem, Biruni ve İbn-i Sina da optik alanında eserleriyle bilim tarihinde yerlerini aldı.

Işığın doğası ve davranışına ilişkin prensipler anlaşılmaya devam ederken, görüntünün kaydedilmesi de insanlığın merakını cezbeden bir diğer konu oldu. Kamera Obscura ile başlayan bu serüven, 19’uncu yüzyılda ışık ile etkileşen kimyasallar ile önce filmli kameralar, ardından da ışığın elektron kopartma özelliğinden yararlanarak dijital kameralar ile devam ediyor. Madde ve ışığın doğasının anlaşılması bize gözümüzün göremediğini görme yeteneği kazandırdı.

Gündüz görüş sistemleri

Kamera Obscura (Kamera: kubbeli hazne/oda, Obscura: karanlık - karanlık oda) çevresindekilerin resmini ekrana yansıtan optik bir alettir. Fotoğraf ve kameranın icadına yol açan buluşlardan biridir. İğne deliği (pinhole) kamera veya kamera obscuranın altında yatan prensiplere dair, günümüze kadar ulaşabilmiş ilk ifade, Çinli düşünür Mozi’ye (M.Ö. 470-390) aittir. Cihaz, bir kutu veya oda ve onun bir yüzüne açılmış delikten oluşur.

Dışarıdan gelen ışık delikten geçerek içerisindeki yüzeye düşer ve yansıdığı kaynağın perspektifini ve renklerini koruyarak ters dönmüş görüntüsünü oluşturur. Onun öğrencileri bu fikirle optiğin bazı kuramlarını geliştirdi.

İlk kamera obscuralar gerçek bir oda veya çadır olduğundan, oldukça büyüklerdi. 18’inci yüzyıldan itibaren Robert Boyle ve Robert Hooke tarafından yapılan geliştirmeler neticesinde daha küçük ve taşınabilir boyuttaki kamera obscuralar kullanılmaya başlandı.

Bilinen ve günümüze ulaşmış ilk fotoğraf 1826 yılında Joseph Nicéphore Niépce tarafından çekildi. Niépce, kamera obscura kullanarak oluşturduğu görüntüyü kurşun-kalay alaşımı özel bir plakaya düşürdü. Biraz bulanık olan bu görüntünün oluşması için sekiz saat beklenmesi gerekti.

Video ya da film; art arda çekilmiş fotoğrafların birbiri ardına hızlı gösterilmesiyle, nesnenin hareket ediyormuş gibi algılanmasına dayanır. İlk video kamera ise 1845’te Francis Ronalds tarafından Kew Gözlemevinde bilimsel faaliyetlerde kullanılmak üzere geliştirildi. Günümüzde görüntü sensörleri, akıllı telefonlarda, dijital fotoğraf makinelerinde, kameralar ve görüntü algılama sistemlerinde yaygın olarak kullanılıyor.

Sensörün temel görevi üzerine düşen ışığı elektrik sinyallerine çevirmektir. 1969 yılında Willard Boyle ve George Smith tarafından keşfedilen CCD (charge-coupled device) sensörler, teknolojinin ilerlemesiyle geliştirilerek günümüze kadar geldi. 1970 yılında Bell laboratuvarında, ilk katı hal video kamerası geliştirildi.

İlk ticari CCD cihaz da 1974 yılında Fairchild firması tarafından üretildi. 1963 yılında Frank Wanlass  tarafından keşfedilen CMOS (bütünleyici metal oksit yarı iletken) sensörler, 1990’ların başlarından itibaren CCD’ler gibi görüntüleme amacıyla da kullanılmaya başlandı. Uygun fiyatlarla üretimlerinin mümkün olması, düşük enerjiye ihtiyaç duymaları ve çok yer kaplamamaları gibi etkenler bu sensörlerin tercih edilmelerinde önemli rol oynadı.

Kızılötesi görüntüleme sistemleri

Termal görüntülemenin ilk örneği “termografi” olarak 1800 yılında gök bilimci Sir William Herschel tarafından gerçekleştirildi. Gerçekleştirdiği çalışmalar sırasında Herschel, farklı renkte camların içinden geçen güneş ışığının düştüğü yerde oluşan sıcaklıkların farklı olduğunu görüş ve renkli cam yerine filtreler kullanarak, düşen ısı enerjisinin miktarının değişkenlik gösterdiğini keşfetti.

Kırmızı rengin bittiği yerin ilerisinde hala sıcaklık artışının devam ettiğini fark eden Herschel, burada ışığın görünmeyen bir renginin var olduğunu düşündü ve elektro-manyetik tayfın bu kısmına dair keşfini “kalorifik ışınlar” olarak adlandırdı.

Tarihçe 7 1880 yılına geldiğinde Amerikalı gök bilimci Samuel Pierpont Langley ilk bolometreyi icat ederek termal görüntülemenin kapılarını araladı.

Temelde çok hassas bir termometre olan “bolometre” sayesinde 400 metre ötede olan bir ineğin yarattığı ısı enerjisi ölçülebildi. Termal görüntüleme teknolojisinin askeri olarak ilk kullanımı ise termal kameraların ilk örneği olan evaporograf ile ortaya çıktı. 1929 yılında Hırvat fizikçi Kálmán Tihanyi tarafından tasarlanan evaporograf, Britanya Adasının hava savunmasında kullanıldı ancak varlığı 1956 yılında açıklandı.

1960’larda tek elemanlı elektronik tabanlı detektörlerin ortaya çıkması ve tek elemanın iki eksende tarama yapmasıyla ilk gerçek manada video görüntü elde edildi. Kızılötesi görüntülemenin temelini oluşturan bu dedektörler, 1970’lerde Philips ve Raytheon firmaları tarafından patentli teknolojilere dönüştürüldü.

Kızılötesi görüntülemenin önemini idrak eden ABD, 1980’lerin sonunda Raytheon ve Honeywell firmalarına yoğunluklu dizin dedektör projeleri verdi ve bu sürecin sonunda “vanadyum oksit” (VOx) tabanlı mikrobolometre dedektörler ortaya çıktı.

Honeywell, 1994 yılında mikrobolometre dedektör dizininin patentini alarak soğutmasız detektör teknolojisiyle ikinci atılımı yaptı. Dizin dedektör teknolojisinin yarattığı atılım ile kızılötesi kameraların güç ihtiyaçları ve ağırlıkları azaldı ve aynı zamanda görüntü kalitesi de artmış oldu.

İki binlerden itibaren üretici firmalar arasında kızılötesi sensörlerin piksel sayısı ve piksel büyüklüğü için büyük bir rekabet başladı. Dedektör alanı, piksel büyüklüğü ve piksel sayısına bağlı olduğundan, bu iki değişkene dair teknolojideki her ilerlemenin sistem hacmi ve ağırlığını iyileştirdiği görüldü. Gelinen noktada, kameralar o kadar küçüldü ki aynı silah üzerinde keskin nişancı dürbünü ve termal silah dürbününün birlikte kullanımı mümkün hale geldi.

Gece görüş sistemleri

Gece görmeyi sağlayan teknolojilerden birisi de görüntü yoğunlaştırıcı tüplerdir. Bu sensörler insan gözünün göremediği dalga boylarında ya da gözün algılama eşiğinin altında kalan ışık miktarlarında, ortamda mevcut bulunan ışığı algılayarak ve yoğunlaştırarak görüntü elde etmemizi sağlar. Görüntü yoğunlaştırıcı tüplerin arka planında yatan bilimsel çalışmalar 19’uncu yüzyılda başlamış olsa da, Einstein’ın fotoelektrik etkiyi tanımlaması (1905) bu yolda önemli bir dönüm noktası oldu.

Bilimsel bilginin teknolojiye dönüşümü için ilk çalışmalar Philips firması tarafından yapıldı. 1928’de ilk örnekleri ortaya çıkarılan kızılötesi çeviriciler, 1934’te başarılı ürünlere dönüştü. Bu sensörler insan gözünün göremediği kızılötesi dalga boylarında algıladıkları görüntüyü görünür bantta görüntüye çevirmekle birlikte, henüz görüntü yoğunlaştırma yetenekleri bulunmuyordu.

Görüntü yoğunlaştırma yeteneği olan ilk tüpler 1930’ların ilk yarısında RCA (Radio Corporation of America) tarafından geliştirildi. Bu tüplerin kazançları çok düşük olduğundan, cihazların kullanımında aktif kızılötesi aydınlatma ihtiyacı bulunmaktaydı. Söz konusu tüpler “sıfırıncı nesil” olarak adlandırılıyor. Görüntü yoğunlaştırıcı tüp kullanılan gece görüş cihazları Alman ve Amerikan orduları tarafından İkinci Dünya Savaşında da kullanıldı.

1950’lerde fotokatot malzemesi olarak multi-alkali materyallerin kullanılmaya başlanması tüplerin verimini kayda değer miktarda artırdı. Günümüzdeki performans değerlerinden henüz çok uzak olan bu tüplerin ardışık olarak kullanılması yoluyla görüntünün yoğunlaştırılması sağlandı. Kendi zamanında önemli bir üstünlük sağlayan bu tüpler “birinci nesil” olarak adlandırıldı. 1960’ların sonunda gece görüş teknolojisinde çığır açan mikrokanal- plaka (MKP) geliştirildi.

O güne kadar kullanılan yöntemden farklı olarak, tüp mimarisine eklenen 0,5mm kalınlığında ve yaklaşık 10 μm çapında gözeneklerden oluşan bu yapı, birinci nesilde 100 seviyelerinde olan kazanç değerini 30.000 mertebesine yükseltti. MKP kullanılan, multi-alkali fotokatotlu tüpler “ikinci nesil” olarak adlandırıldı. İkinci nesil tüpler yüksek performanslarının yanı sıra boyut ve ağırlık avantajı da sağladı. Bu noktadan sonra gece görüş uygulamaları çeşitlendi ve yaygınlaştı.

Görüntü yoğunlaştırıcı tüpler alanında bir sonraki büyük adım, 1980’lerin başında atıldı. Multialkali fotokatot yerine sunulan galyum-arsenit (GaAs), özellikle kızılötesi bantta yüksek hassasiyet sundu ve gece görüş performansını kayda değer ölçüde iyileştirdi. Ancak GaAs’in aşırı hassas yapısı, tüplerin neredeyse yüz saat gibi kısa bir sürede kullanılamaz hale gelmesine neden olmuştu. Bu sorunu gidermek üzere GaAs kullanılan tüplere bir iyon bariyeri eklendi. GaAs tabanlı ve iyon bariyerli bu tüpler “üçüncü nesil” olarak adlandırıldı.

GaAs’in sağladığı üstün performansın iyon bariyerinden dolayı önemli ölçüde düşmesi nedeniyle iyon bariyersiz üçüncü nesil tüp üretimine yönelik çalışmalar başladı. Bu çalışmalar neticesinde elde edilen yüksek performanslı tüpler, bir süre dördüncü nesil olarak adlandırılsa da, daha sonra bu tasnif “filmsiz üçüncü nesil” olarak güncellendi. Günümüzde resmi olarak tanınan dördüncü nesil tüp bulunmuyor.

Özel kuvvet operasyonları gibi alanlarda kullanılan ve en üst düzey performansa sahip, ancak ömürleri diğer tüplere nazaran oldukça kısa olan filmsiz üçüncü nesil tüpler sadece ABD tarafından üretiliyor ve ABD dışına ihraç edilmiyor. Üçüncü nesil tüplerin geliştirilmesinden sonra daha öncekiler gibi çığır açıcı teknolojik kırılımlar olmasa da görüntü yoğunlaştırıcılar alanında teknolojik gelişim ve rekabet artarak devam etti.

1990’larda ikinci nesil üreticileri, tüp performansını iyileştirmek için çaba sarf ederek 2+ nesil, SuperGen, Hypergen gibi ticari isimlere sahip, yüksek performanslı ikinci nesil tüpleri piyasaya sürdü. Geliştirilmiş tüpler fotokatot malzemesi (multi-alkali) nedeniyle sınıflandırma olarak ikinci nesil olsa da performans açısından üçüncü nesil tüplerle rekabet edebilecek niteliklere ulaştı. Günümüzde sadece ikinci ve üçüncü nesil tüpler ticari olarak üretiliyor. Nesil sınıflandırması bir zamana kadar tarihsel gelişim ve tüp performansına dair bilgi vermiş olsa, bugünün kullanıcısı için tüplerin üretim yönteminden ziyade performansı öne çıkıyor.

Lazer sistemleri

1800’lerin sonunda Maxwell’in elektromanyetik dalgalar üzerindeki keşifleri, 1900’lerin başında fotonun keşfi ve 1917’de Einstein’ın “stimüle emisyon (uyarılmış yayınım)” teorisini ortaya atması bugünkü lazer teknolojisinin gelişmesini mümkün kılan çalışmalar olarak öne çıkıyor. Stimüle emisyon teorisi ancak kırk yıllık bir çalışmanın sonucu olarak 1960 yılında pratiğe dönüştü ve ilk lazer üretildi.

Laboratuvar ortamında, sentetik yakut (ruby) kristalinden üretilen kırmızı renkteki bu ilk lazerin üzerinden geçen altmış yılda, lazerler çeşitlendi, küçüldü, güçlendi ve ucuzladı. Aynı yönde, fazda ve frekansta, çok sayıda fotonun bir araya gelmesiyle oluşan lazer ışınının, enerjisini kaybetmeden çok uzaklara yönlendirilebilme özelliği sayesinde, lazerler kendisine çok çeşitli kullanım alanı buldu.

Üretilen ilk lazerlerden, tıpta ve endüstride yararlanıldı. 1961’de ilk defa retinal tümör ameliyatı ve 1962’de saat yaylarının kaynağı lazerle yapıldı. Daha sonra, lazer diyotlar keşfedildi ve ilerleyen yıllarda CD/DVD’ler, CD/DVD oynatıcılar ve cep telefonları gibi tüketici elektroniğinde kullanıldı. Günümüzde lazer, hayatımızın her alanında etkilerini gördüğümüz vazgeçilmez bir teknolojidir.

Lazerlerin keşfinden itibaren bu teknolojinin askeri alanda ve silah olarak kullanımı üzerinde yoğun olarak yapılan çalışmalar artarak devam ediyor. 1960’ların sonunda lazer güdümünün keşfi ile bombaların yüzde 5 civarında olan hedefe isabet oranı, yüzde 50’ye ve ilerleyen yıllarda yüzde 90’ın üzerine çıktı.Lazerler askeri alanda mesafe ölçme, lazer radar, mayın  tespiti, nişangâh sistemleri, haberleşme, simülasyon, karşı tedbir sistemleri ve lazer silahları gibi pek çok alanda etkin şekilde kullanılıyor.

Kaynak: ASELSAN Dergisi 107. Sayı / MGEO / Sistem Mühendisliği Direktörlüğü / Müdür Serdal Çalı / Lider Mühendis Alp Lafcı / Kıdemli Uzman Mühendis Sema Özçelik

Yorum yapın