FPGA based wavefront sensor

Abstract

Verzerrungen in der Wellenfront einer Lichtwelle werden durch Laufzeitunterschiede im optischen Pfad hervorgerufen und verschlechtern die Qualität von abbildenden Systemen. Durch den Einsatz von Wellenfrontsensoren können relative Wellenfrontverzerrungen gemessen und beispielsweise in adaptiven optischen Regelkreisen kompensiert werden.<br />Preisgünstige, kommerziell verfügbare Wellenfrontsensoren erreichen nicht die notwendige Geschwindigkeit, die für hochdynamische Messungen oder in schnellen adaptiv optischen Systemen benötigt wird. In dieser Arbeit wird ein Hochgeschwindigkeits-Wellenfrontsensor nach dem Shack-Hartmann-Prinzip in einer mit einem Mikrolinsenarray ausgestatteten intelligenten Industriekamera präsentiert. Dafür wird ein in der Kamera befindlicher FPGA Chip für die Bestimmung des Wellenfrontgradienten in Echtzeit eingesetzt. Die Wellenfront wird letztlich in einem externen PC rekonstruiert. Für eine schnelle Anpassung an wechselnde Umgebungsbedingungen kann das FPGA Programm zur Laufzeit hinsichtlich der Auswahl von Bildbereichen, setzen von Schwellwerten und einlesen von Referenzwellenfronten parametriert werden, wodurch die Einsatzmöglichkeit des vorgestellten Hochgeschwindigkeits-Sensors deutlich erhöht wird.<br />

Wavefront distortions, also called wavefront aberrations, are caused when light passes through inhomogeneous medium leading to decreasing image quality. Wavefront sensors measure wavefront aberrations, typically used in closed loop adaptive optics systems in order to compensate such aberrations. Commercially available low cost wavefront sensors do not reach the processing speed needed for fast measurements in dynamically environments or adaptive optics systems. In this thesis, an industrial smart camera in combination with a microlens array is used to implement a fast Shack-Hartmann wavefront sensor. The wavefront slope calculation is performed by a Field Programmable Gate Array (FPGA) for high speed data processing. The smart camera measures spot displacements and sends the data to a host PC for wavefront reconstruction and visualization. The FPGA design is reconfigurable during runtime by using a C/C++ interface in terms of a variable region of interest, threshold values and reference values in order to enhance the application domains of the wavefront sensor.