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A CMOS-based Hartmann-Shack Sensor for Real-Time Adaptive Optical Applications

Nirmaier, Thomas

German Title: Hartmann-Shack Sensor auf CMOS-Basis für adaptiv optische Echtzeitanwendungen

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Abstract

Adaptive optical systems have a growing field of applications in opthalmology. In every adaptive system there is the need for a sensor and an actuator. The Hartmann-Shack wavefront sensor uses the displacement of spots in the focal plane of a lenslet array for subsequent calculation of the wavefront. The bandwidth of current sensors is mostly limited by software processing of the focal plane image to some tens of Hz, which makes it unsuitable for real-time adaptive optical systems. To overcome the current bandwidth limitations a fast Hartmann-Shack sensor based on an application specific integrated circuit has been developed and tested, that reaches a bandwidth of up to 6 kHz. The sensor includes photodetectors with 40% quantum efficiency at 680 nm wavelength and an image processing, that is especially suitable to reduce the effects of the common mismatching of process parameters in CMOS-based sensors (Complementary Metal Oxide Semiconductor). A special problem in ophthalmic applications is the low available spot power below 1 nW.Adaptive optical systems have a growing field of applications in opthalmology. In every adaptive system there is the need for a sensor and an actuator. The Hartmann-Shack wavefront sensor uses the displacement of spots in the focal plane of a lenslet array for subsequent calculation of the wavefront. The bandwidth of current sensors is mostly limited by software processing of the focal plane image to some tens of Hz, which makes it unsuitable for real-time adaptive optical systems. To overcome the current bandwidth limitations a fast Hartmann-Shack sensor based on an application specific integrated circuit has been developed and tested, that reaches a bandwidth of up to 6 kHz. The sensor includes photodetectors with 40% quantum efficiency at 680 nm wavelength and an image processing, that is especially suitable to reduce the effects of the common mismatching of process parameters in CMOS-based sensors (Complementary Metal Oxide Semiconductor). A special problem in ophthalmic applications is the low available spot power below 1 nW. The developed Hartmann-Shack sensor allowed wavefront measurements with an accuracy of 0.16 dpt defocus at 160 pW spot power. It has been possible for the first time, to measure wavefront aberrations at the living humane eye with 300 Hz repetition rate and to calculate the power spectral density of these aberrations.

Translation of abstract (German)

Die wachsende Anzahl von Anwendungen für adaptiv optische Systeme in der Ophthalmologie motiviert die Entwicklung von geeigneten Sensoren und Aktuatoren. Als Wellenfrontsensoren werden meist Hartmann-Shack-Sensoren verwendet, die die laterale Verschiebung von Fokalpunkten einer Mikrolinsenmatrix in der Fokalebene zur Berechnung der Wellenfront verwenden. Die Bandbreite heutiger Systeme ist durch die Bildverarbeitung des Spotmusters auf einige Hz begrenzt, was ihren Nutzen für schnelle Echtzeitsysteme stark beeinträchtigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein schneller Wellenfrontsensor auf der Basis eines applikationsspezifischen integrierten Schaltkreises entwickelt und getestet, der Wellenfrontmessungen bis zu 6 kHz Bandbreite erlaubt. Auf diesem Sensorchip wurden Photodetektoren mit 40% Quanteneffizienz bei 680 nm Wellenlänge sowie die Signalverarbeitung zur Bestimmung der Spotpositionen integriert. Diese basiert auf einer neuartigen Schaltkreistopologie zur Reduktion der Effekte von in CMOS-Sensoren (Complementary Metal Oxide Semiconductor) häufig auftretenden Parameterschwankungen. Für ophthalmologische Anwendungen musste insbesondere eine sehr große Sensitivität bei Strahlungsleistungen der Fokalpunkte von weniger als 1 nW erreicht werden. Mit dem gefertigten Sensorsystem konnten Wellenfrontmessungen mit einer Genauigkeit von 0.16 dpt Defokus bei lediglich 160 pW Strahlungsleistung durchgeführt werden. Erstmals war es dadurch möglich, Wellenfrontaberrationen am menschlichen Auge mit 300 Hz Wiederholrate durchzuführen und deren Leistungsspektrum zu bestimmen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bille, Prof. Dr. Josef
Date of thesis defense: 15 July 2003
Date Deposited: 21 Jul 2003 07:38
Date: 2003
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Hartmann-Sensor, Bildsensor, CMOS-Schaltung, Wellenfrontsensor, Adaptive Optik, Echtzeitbildverarbeitung
Uncontrolled Keywords: OpthalmologieHartmann-Shack-Sensor , Wavefront Sensor , CMOS Image Processor
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