Centrum Digitální Optiky Meo S-H: software pro kompletní diagnostiku intenzity a vlnoplochy Výzkumná zpráva projektu Identifikační čí slo výstupu: TE01020229DV003 Pracovní balíček: Zpracování dat S-H senzoru v metrologii a zobrazování Projekt TE01020229 je řešen s finanční podporou TAČR Autor: Bohumil Stoklasa 13. prosinec 2013
Abstrakt Dokument popisuje základní vlastnosti a funkční možnosti softwaru MEO S-H který vznikl v rámci řešení balíčku č.5 Centra digitální optiky. Software slouží pro zpracování dat S-H senzoru a umožňuje kominikaci se senzory postavenými na CCD kamerách Basler a Pulnix. Vznikl ve skupině vývoje měřících metod společnosti Meopta-Optika, s.r.o. s využitím objektového programování, což umožňuje software dotvořit po grafické stránce podle koncové aplikace senzoru. V první části dokumentu jsou diskutovány jednotlivé vlastnosti software, druhá část je tvořena obrazovou dokumentací.
1 Popis softwaru Software slouží pro sběr dat S-H senzoru a jejich zpracování. Jedná se o aplikaci pro prostředí Windows umožňující komunikaci s S-H senzory využívající kamery Pulnix či Basler a GigaEthernet rozhraní. Je přitom možné pracovat se senzory různých parametrů (velikost CCD prvku, parametry mikročoček). Aplikace má intuitivní uživatelské rozhraní umožňující výběr použitých výpočetních postupů i vyhodnocovaných parametrů signálu. Jejím základem je hlavní okno aplikace které obsahuje několik dalších oken pro snadnější práci s nastavováním měření a zpracováním výsledků. 1.1 Hlavní funkce Každý software pro S-H senzor musí obsahovat funkce pro sběr dat z CCD kamery senzoru, matematické zpracování měření a grafickou i jinou prezentaci výsledků. Základní funkčními možnostmi MEO S-H software tedy jsou: Nastavení parametrů aktuálního S-H senzoru Ovládání parametrů CCD kamery Možnost kalibrace načtením kalibračních dat nebo kalibrace aktuálním signálem Maskování signálu a výběr aktivní měřící oblasti Rekonstrukce vlnoplochy pomocí zonální i modální metody Rekonstrukce intenzitního profilu Výpočet parametrů vlnoplochy Možnost odečtu jednotlivých aberací z vlnoplochy Ukládání naměřených dat ve formě bitmap a datových souborů Při programování softwaru byl kladen velký důraz na metodiku maskování která umožňuje přesné měření aberací. Uživatel může zadávat velikost svazku který je měřen, aktivní oblast na které se bude provádět rekonstrukce a velikost masky která definuje oblast pro vyčíslování aberací. Při praktických zkouškách se ukázala možnost tohoto systému 1
Kapitola 1. Popis softwaru maskování jako nezbytná. Unikátní systém je naprogramován pro polohování masky vůči ose měřeného svazku. Tento systém umožňuje polohovat masku se sub-mikročočkovou přesností, což výrazným způsobem zpřesňuje vyčíslování aberací a u některých signálů je to jediná možnost dosažené korektních výsledků. Uživatelsky je tento systém řešen vizuálně sjednocováním záměrnách křížů v měřícím okně. 1.2 Zpracování signálu z CCD kamery senzoru Základní funkcí softwaru musí být komunikace s CCD kamerou senzoru, nastavování jejích parametrů a zobrazování naměřeného obrazu v aplikaci. Pro zpracování signálu CCD kamery a nastavování jejích parametrů slouží v softwaru panel s video signálem nabízející následující možnosti: Automatická korekce expozičního času Falešné barvy Ukládání snímku do souboru BMP Zvětšování / zmenšování on-line obrazu Úprava velikosti obrazu podle aktuálního rozlišení obrazovky Graylevel (ukazatel vybuzení CCD čipu) Polohování měřící masky myší a úprava její velikosti Možnost manuální úpravy expozičního času a zisku Zobrazování jednotlivých buněk Možnost načtení obrazu z externího souboru (single frame režim) 1.3 Vyhodnocení dat Zpracování dat naměřených S-H senzorem zahrnuje rekonstrukční algoritmy vlnoplochy, vyhodnocení intenzitního průběhu signálu a vyčíslení parametrů vlnoplochy. Software nabízí jak zonální tak modální rekonstrukční algoritmy a veškeré možnosti výpočtu aberací vlnoplochy dle odpovídajících norem. Při výběru vyhodnocovaných parametrů a jejich grafického znázornění řešitelský tým vycházel z bohatých zkušeností při využití S-H detektoru pro justážní účely. Zvláště důležitá je možnost odečtu jednotlivých aberací z naměřené vlnoplochy. Vyhodnocované parametry vlnoplochy jsou: PV, RMS, Strehl Seidelovy aberace Zernikeův rozvoj vlnoplochy Strehl koeficienty pro jednotlivé aberace 2
Kapitola 1. Popis softwaru Software je důležitým výsledkem pro rešení mnoha cílů projektu Centra digitální optiky. Jeho hlavní předností je přímý přístup k datům na všech úrovních zpracování, což bude využito pro studium nových možností zpracování signálu S-H detektoru a detekce nových netradičních parametrů. Výstupy programu jsou tedy ve formě grafické i datové a zahrnují: 3D zobrazení vlnoplochy i intenzity 3D grafy lze barevně zobrazit pomocí stupňů šedi nebo pomocí falešných barev (stejně, jako u video signálu), dále je možné měnit škálu osy Z Grafické znázornění Seidelových aberací i Zernikeových koeficientů Tabulkový výstup pro Seidelovy aberace a Zernikeovy koeficienty Naměřená data lze kopírovat do schránky Windows a dále s nimi pracovat např. v MS Excelu Data z CCD kamery lze uložit jako BMP Hodnoty aberací a Zernikeových koeficientů se ukládají do datových souborů Naměřenou vlnoplochu lze exportovat do programů ZEMAX, METROPRO 3
2 Grafický popis V této části je software prezentován na příkladu reálných oken aplikace. Jedná se o aplikaci pro prostředí windows s jedním hlavním oknem a několika podokny pro ovládání či zobrazení jednotlivých parametrů a výsledků. Uživatel může okna vyvolávat z hlavního menu aplikace. 2.1 Hlavní okno aplikace Obrázek 2.1: Hlavní okno aplikace. Toto okno obsahuje hlavní menu, které obsahuje funkce pro ukládání výsledků a kalibraci senzoru, a dále pak podokna pro zobrazení video výstupu společně s ovládáním parametrů kamery, 3D graf naměřené vlnoplochy, nastavování parametrů senzoru a vyčíslení aberací naměřené vlnoplochy. 4
Kapitola 2. Grafický popis 2.2 Video výstup a ovládání senzoru Obrázek 2.2: Okno výstupu CCD kamery s příslušným menu. Toto okno je určeno pro zobrazení výstupu CCD kamery, ovládání jejích parametrů a práci s maskami. Pomocí funkcí menu okna lze vyvolat dialog pro ovládání parametrů CCD kamery, nastavit režim zobrazení signálu ve falešných barvách a dále pak zoom funkce pro detailní zobrazení signálu. Pod menu je umístěn indikátor maximální intenzity. V samotném okně jsou zobrazeny kalibrační a naměřené souřadnice jednotlivých subapertur a dále pak masky odpovídající měřené oblasti, rekonstrukční oblasti a oblasti pro výpočet aberací. Vše lze intuitivně ovládat myší. Obrázek 2.3: Panel pro ovládání parametrů senzoru. Jelikož software je určen pro práci s různými typy S-H senzorů, lze tímto oknem nastavit parametry konkrétního senzoru. Dále lze nastavit parametry kalibrace a parametry důležité pro vyčíslování aberací vlnoplochy. 5
Kapitola 2. Grafický popis 2.3 Výsledky měření Obrázek 2.4: Okno s 3D zobrazením vlnoplochy a intenzity. Oba naměřené profily se zobrazují ve formě 3D grafu. Prostorové natočení 3D grafu lze ovládat myší a lze nastavovat měřítko zobrazení. Jako další možnost lze zobrazit průběh intenzity na výseku CCD. Obrázek 2.5: Panel pro zobrazení vyčíslených aberací. Tento panel zobrazuje vyčíslené hodnoty Seidelových aberací a koeficientů Zernikeova rozvoje detekované vlnoplochy. Jednotlivé aberace lze z vlnoplohy odečítat a příslušná změna se promítne i do grafického okna s 3D průběhem vlnoplochy. Tato vlastnost je velmi užitečná pro využítí softwaru v procesu justáže optických soustav. 6
Kapitola 2. Grafický popis Obrázek 2.6: Panel pro grafické vyjádření Seidelových aberací. Grafické znázornění aberací pomocí sloupcového grafu je vhodné pro justážní účely. 7