Multi-spectral optical system design and analysis for defense and surveillance applications

Abstract

Bu tez, görünür (VIS), kısa dalga kızılötesi (SWIR) ve orta dalga kızılötesi (MWIR) bantlarını ortak bir giriş açıklığı üzerinden birleştiren Cassegrain yapısına sahip çok bantlı bir görüntüleme sisteminin optik tasarımını, performans değerlendirmesini ve analizini sunmaktadır. Çalışmanın amacı, havacılık ve savunma uygulamalarına yönelik gimbal platformları için optimize edilmiş, kompakt, hafif ve yüksek performanslı bir optik sistem geliştirmektir. Önerilen mimari, çok bantlı elektro-optik sistemlerde karşılaşılan çözünürlük, termal dayanıklılık, optik hizalama ve üretilebilirlik gibi kritik zorluklara çözüm sunmayı hedeflemektedir. Optik modelleme ve optimizasyon çalışmaları Zemax OpticStudio yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Odak uzaklığı, giriş açıklığı çapı ve optik malzeme seçimi gibi temel sistem parametreleri, tüm spektral bantlarda görüntü kalitesi gereksinimlerini karşılayacak şekilde titizlikle optimize edilmiştir. Modülasyon Transfer Fonksiyonu (MTF), Nokta Diyagramı (Spot Diagram) analizi ve Airy disk değerlendirmesi gibi performans metrikleri, sistemin uzamsal çözünürlüğünü ve aberasyon kontrolünü değerlendirmek amacıyla kullanılmıştır. VIS ve SWIR kanalları, geç ayrıştırmalı ortak bir kırıcı optik yol üzerinden çalışacak şekilde tasarlanmışken, MWIR kanalı ise 3–5 µm spektral aralığına özel olarak optimize edilmiş bağımsız bir optik yapı ile çalışmaktadır. Ayrıca, çevresel dayanıklılığı sağlamak amacıyla sistemin termal tolerans analizleri de gerçekleştirilmiştir. Ortaya çıkan sistem; yüksek optik kalite, azaltılmış boyut ve ağırlık ile yeni nesil çok bantlı gimbal sistemlerine entegrasyon için uygunluk sergilemektedir. Bu çalışma, hava platformlarında keşif, gözetleme ve istihbarat (ISR), sınır güvenliği ve endüstriyel denetim uygulamaları için kompakt ve yüksek çözünürlüklü çok bantlı görüntüleme çözümlerinin geliştirilmesine katkı sağlamaktadır.This thesis presents the optical design, performance evaluation and analysis of a Cassegrain structured multi-spectral imaging system combining visible (VIS), shortwave infrared (SWIR) and mid-wave infrared (MWIR) channels through a common entrance aperture. The aim is to develop a compact, lightweight and high-performance optical system optimized for gimbal platforms in aerospace and defense applications. The proposed architecture addresses critical challenges such as resolution, thermal robustness, optical alignment and manufacturability in multi-spectral electro-optic systems. Optical modeling and optimization were performed using Zemax OpticStudio. Key system parameters such as focal length, entrance pupil diameter and optical material selection were carefully refined to meet image quality requirements across all spectral bands. Performance metrics such as Modulation Transfer Function (MTF), Spot Diagram analysis and Airy disk evaluation were used to evaluate the spatial resolution and aberration control of the system. The VIS and SWIR channels are designed to share a common diffraction path with late-stage spectral separation, while the MWIR channel operates with an independent optical configuration optimized for the 3–5?m range. Thermal tolerance studies have also been conducted for environmental robustness. The resulting system demonstrates high optical quality, reduced size and weight, and suitability for integration into next-generation multispectral gimbal systems. This work contributes to the advancement of compact, high-resolution multispectral imaging solutions for airborne ISR (Intelligence, Surveillance and Reconnaissance), border security, and industrial inspection applications.