CC BY
20
УДК 535.421
ПОРТАТИВНАЯ ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ ПЛАТФОРМА ДАТЧИКА ФОРМЫ ВОЛНОВОГО ФРОНТА
Владимир Николаевич Хомутов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, младший научный сотрудник, тел. (383)333-79-31, e-mail: khomutovvn@iae.sbras.ru
Рассмотрена возможность создания портативных датчиков волнового фронта основанных на схеме Шека-Гартмана. Предложен вариант портативной платформы для разработки датчиков волнового фронта различного назначения.
Ключевые слова: контроль волнового фронта, датчик Шека-Гартмана, портативные устройства.
PORTABLE SYSTEM FOR WAVEFRONT CONTROL
Vladimir N. Khomutov
Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Akademik Koptyug Prospect, junior research fellow, tel. (383)333-30-91, e-mail: khomutovvn@iae.sbras.ru
The possibility of creating a portable wavefront sensors based on Shak-Hartmann scheme. A portable version of the platform for the development of wavefront sensors for various purposes.
Key words: test of wavefront, Shak-Hartmann sensors, portable devices.
В различных отраслях оптической промышленности всё чаще встаёт проблема контроля и измерения формы оптической поверхности. Известные и хорошо изученные методы лазерной интерферометрии хорошо себя зарекомендовали для проведения прецизионных измерений формы оптической поверхности. Интерферометры обеспечивают точность измерения вплоть до А/1000 [1] и позволяют контролировать поверхности произвольной формы (плоские, сферические, асферические). Мировая оптическая индустрия задала настолько высокую планку точности изготовления оптических деталей, что сегодня сложно представить крупное оптическое предприятие или лабораторию без современного лазерного интерферометра. Однако применение интерферометров не всегда оправдано или может быть возможно. Это особенно касается тех случаев, когда речь идёт о контроле оптики установленной на стенд или контроле непосредственно в процессе обработки, без снятия со станка. В таких случаях целесообразно использовать датчики волнового фронта, основанные на схеме Шека-Гартмана. Оптическая схема датчиков Шека-Гартмана значительно проще чем схема любого современного интерферометра, а, следовательно, и цена на такие приборы существенно ниже. Самые простые модели таких датчиков обеспечивают точность А/10 - А/20, но в отличие от интерферометров они компактны и могут быть установлены практически в любое труднодоступное место. Кроме
того, датчикам Шека-Гартмана не требуется много времени для измерения, и они менее чувствительны к вибрациям, чем интерферометры.
Схема Шека-Гартмана
Датчики на основе схемы Шека-Гартмана - стандартный инструмент адаптивной оптики. Классическая схема датчика Шека-Гартмана достаточно проста. Датчик состоит из двух основных компонентов - микролинзового растра и экрана наблюдения. Световой пучок отражаясь от исследуемой оптической поверхности, а затем разбивается на световые пучки с помощью микролинзового растра. Положение пучков на экране наблюдения соответствует наклону волнового фронта в некоторой малой области наблюдения. Их координаты могут быть рассчитаны по формуле [2]:
где I j - интенсивность в ячейке (пикселе) фото матрицы (х{, у ^) к-ой локальной апертуры
Локальный наклон волнового фронта соответствует У^(х,у) в точках (хк,ук) соответствует уравнениям:
где / - фокальное расстояние линзового растра, Ах, Ау - локальное смещение центров фокальных пятен вдоль осей х, у.
Вычислив смещения на каждом участке можно непосредственно найти коэффициенты разложения для W(x,y) методом наименьших квадратов. Точность метода напрямую зависит от разрешения микроклинового растра [3].
В современных датчиках волнового фронта, построенных по схеме Шека-Гартмана в качестве экрана наблюдения как, правило используются светочувствительные ПЗС или КМОП сенсоры. Это позволяет производить измерение и расчёт с помощью компьютера, что упрощает процесс измерения и повышает точность работы датчика. Схема и принцип работы современных датчиков Ше-ка-Гартмана показы на рис. 1.
дЖк _ Ахк дЖк _ Аук
(3)
дх / ' дУ /
Объект
Микролинзовый растр
Светочувствительная матрица
Рис. 1. Схема датчика Шека-Гартмана
Основном преимуществом датчиков, построенных по схеме Шека-Гартмана является возможность работы без использования референсной поверхности. Для работы достаточно едино разовой калибровки, после чего существует возможность осуществлять калибровку датчика по сохранённым значениям.
Портативная платформа
Все известные датчики волнового построенные на основе схемы Шека-Гартмана предназначены для стационарного использования, их применение вне лабораторных стен невозможно, в том числе по причине необходимости использования мощных вычислительных машин для обработки получаемых данных.
В данной работе предложен портативный вариант датчика волнового фронта построенного по схеме Шека-Гартмана, его структурная схема приведена на рис. 2. Полупроводниковый лазерный модуль (А=635 нм) с расходящимся пучком освещает измеряемую поверхность. Интенсивность лазерного модуля задаётся с помощью PWM сигнала. Лазерное излечение отражается от исследуемой поверхности и разбиваясь на пучки микролинзовым растром попадает КМОП сенсор OV7670 с разрешением 640x480. Управление сенсором осуществляется по протоколу I2C передача изображений от сенсора к микрокомпьютеру осуществляется по параллельному протоколу с использованием GPIO портов. Обработка изображений осуществляется микрокомпьютером. Результаты измерения выводятся на ЖК дисплей с диагональю 4 дюйма. Также возможна реализация передачи результатов измерения на внешние устройства по Wi-Fi или сохранение результатов на SD-карту. Управление прибором осуществляется трёхкнопочной клавиатурой подключений к портам GPIO микрокомпьютера.
Рис. 2. Схема портативного датчика волнового фронта
Программное обеспечение датчика было разработано для микрокомпьютеров, работающих под операционной системой Linux. Вычислительный модуль датчика разработан на основе программного обеспечения Jacopo Antonello mshwfs. Интерфейс управления датчиком разработан с применением технологии QT.
Описанный датчик волнового фронта способен работать с растрами с разрешением не более 32x32 микролинзы, что соответствует точности измерения Ш0. Это ограничений вызвано низким разрешением камеры. При использовании матриц с более высоким разрешением, можно так же использовать микролинзовые растры более высокого разрешения и соответственно повысить точность измерения.
Было проведено тестирование работы программного модуля датчика с помощью демонстрационных гартмоногорамм предоставленных mshwfs. Демонстрационная гартмонограмма mshwfs и фазовая карта, рассчитанная микрокомпьютером датчика волнового фронта представлены на рис. 3. Полученная фазовая карта полностью соответствует фазовой карте полученной с помощью программного обеспечения mshwfs в математическом пакете MATLAB.
а) б)
Рис. 3. Результат тестирования датчика волнового фронта: а) гартмонограмма; б) фазовая карта
В результате данной работы показана возможность создания портативных датчиков волнового фронта. Данный подход может быть применён к датчикам любого класса и назначения, в том числе для промышленных и офтальмологических решений. При использовании гартмонограмм высокого разрешения (1GGx1GG) датчик показал низкую скорость работы при обработке изображений микрокомпьютером. В дальнейшем планируется переход к использованию светочувствительных сенсоров высокого разрешения, оптимизация вычислительного ядра датчика для работы с растрами с разрешением до 128x128 микролинз, доработка и отладка программного обеспечения и пользовательского интерфейса.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Полещук А.Г., Насыров Р.К., Маточкин А.Е., Черкашин В.В., Хомутов В.Н. Лазерный интерферометр ФТИ-^G // Интерэкспо Гео-Сибирь - 2G13. №3. Т.5. - С. 25-31.
2. Jiang W., Xian H., Shen F. Detecting error of Shack-Hartmann wavefront sensor // Chin. J. Quantum Electron -1998. 15, (2) - P. 218-227.
3. Daniel R. Neal, James Copland, David Neal Shack-Hartmann wavefront sensor precision and accuracy // Proc. of SPIE - 2GG2. Vol. 4779. - P. 148-16G.
© В. H. Хомутов, 2Q16
