The Shark-Hartmann wavefront sensor is the most popular devices used to measure deformed wavefront. Its accuracy, which largely determines its performance, depends on having a good and robust centroiding algorithm. Despite a large number of studies, the general recipe for selecting the best centroiding algorithm and best Centroiding algorithm parameters in a Shack-Hartmann wavefront sensor is still lacking.
In the lab set-up a Shark-Hartmann wavefront sensor is used to measure the shape of the wavefront. The sensor consists of an array of small lenses where each lens images a small portion of the wavefront onto a spot on a CMOS sensor. When the wavefront is deformed the spots on the CMOS sensor will move away from their corresponding lens-centers. A development program then calculates the wavefront aberrations from the movement of the spots. The measurement set-up was calibrated using spherical wavefront with a maximum error of few mm.
In this research by utilizing Shack-Hartmann wavefront simulation technology, the centroiding algorithms have been compared in detail. The factors such as the CMOS pixel size, threshold and template size, which affect the detected accuracy of the wavefront sensor, have been studied and the optimal parameters for each case have been found. The numerical results will be helpful for further improving the measurement accuracy of the wavefront sensor.
샥-하트만 파면센서(Shack-Hartmann wavefront sensor)는 지상으로부터 찍은 위성의 이미지를 개선하기 위하여 처음으로 개발되었고, 그 후 천체 망원경에서 렌즈계의 정렬 및 평가에 이용되어왔으며, 현재는 적응광학과 같은 파면 보정을 필요로 하는 시스템에서 파면측정을 위하여 가장 널리 이용되고 있다. 그 응용분야는 천체망원경을 포함하여 안광학, 광학부품의 평가, 장거리 레이저 통신 등으로 다양한 분야에서 사용되고 있다.
샥-하트만 센서는 입사 파면의 국부적인 기울기를 계산해 전체 입사파면을 복원하는 방식으로 비교적 간단한 구조와 원리를 갖는다. 기울기를 구하기 위한 점영상(spot image)의 중심점 측정 시의 오차가 샥-하트만 센서의 파면 측정의 정확도에 가장 큰 영향을 미친다. 점영상의 중심점 측정의 정확도를 높이기 위한 연구가 그 동안 활발히 진행되어왔으나 아직 적절한 해결책이 제시되지 못하고 있다.
본 연구에서는 샥-하트만 파면 측정 센서시스템을 구성하고 파면 측정 정확도를 향상시키기 위해 오차의 요인을 분석하였으며 이의 영향을 최소화 하기 위한 방안을 연구 하였다. 파면 측정에 영향을 미치는 오자 요인으로 바탕 광강도, 판독 노이즈, 이산화 오차, 사이드로브 효과 등을 고려하였으며 중심점 측정 알고리즘으로는 무게 중심법과 상관관계법을 이용하였다. 위의 오차 요인 분석을 통해서 적절한 문턱치를 제시하였으며 디포커스 측정 실험을 통해 파면 측정센서의 정확도 및 제안한 문턱치 값의 적절성을 검증 하였다. 또한 파면 복원 알고리즘을 선정하기 위해서 Southwell과 Fried방법의 파면 복원 오차를 비교 분석 하였다.
