Bachelor's Thesis

Shack-Hartmann wavefront sensor

Final Thesis 25.06 MB Appendix 10.69 kB

Author of thesis: Lukáš Gergel

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Peter Barcík, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Lucie Hudcová, Ph.D.

Abstract:

This bachelor thesis deals with the design, construction, and verification of a Shack-Hartmann wavefront sensor using affordable components. The solution is implemented on the Raspberry Pi platform combined with a Raspberry Pi camera module and a microlens array from the company THORLABS. The theoretical part describes the physical principles of the sensor and the mathematical foundations of both modal and zonal wavefront reconstruction methods. In the practical part, custom software was developed in Python, providing a web interface for camera configuration, system calibration, and sub-pixel focal spot centroid detection. The software solution includes the full implementation of both reconstruction algorithms. Testing confirmed the functionality of the designed model for measuring optical aberrations. The thesis analyzes the impact of mechanical arrangement, dynamic range limits, and optical noise on measurement accuracy, and visually compares the outputs of the modal and zonal approaches using real data.

Keywords:

Shack-Hartmann sensor, wavefront, optical aberrations, Zernike polynomials, Raspberry Pi, image processing, modal reconstruction, zonal reconstruction, microlens

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student prezentuje postupy a závěry své bakalářské práce. Poté jsou přečteny posudky vedoucího a oponenta bakalářské práce, s nimiž student souhlasí bez námitek. Následně probíhá diskuze se členy komise. 1) student nejdříve odpovídá na dvě otázky oponenta -odpovídá dostatečně 2) prof. Prokeš: co je světelný šum a jakým mechanismem ovlivňuje senzor vlnoplochy? -student odpovídá 3) prof. Prokeš: co kdyby paprsek dopadl do vedlejšího políčka matice ohniskových bodů? -student odpovídá 4) Dr. Kaller: jak zpracováváte signál z CMOS kamery? -student vysvětluje

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Department

Department of Radio Electronics

Study programme

Electronics and Communication Technologies (BPC-ECT)

Composition of Committee

prof. Ing. Aleš Prokeš, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Jaroslav Láčík, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Peter Barcík, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Král, Ph.D. (člen)
Ing. Ondřej Kaller, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Peter Barcík, Ph.D.

Bakalárska práca sa zaoberá návrhom Shack- Hartmanovho senzoru vlnoplochy. Prvá časť práce popisuje princíp funkcie senzoru a jeho aplikovateľnosť napr. v systémoch adaptívnej optiky. V druhej časti práce študent popisuje návrh konštrukčnej a softvérovej časti zariadenia a použité metódy rekonštrukcie vlnoplochy. V poslednej časti študent prezentuje výsledky experimentálnych meraní. V práci by som uvítal podrobnejšie overenie správnosti získaných výsledkov z oboch rekonštrukčných metód. Z formálneho hľadiska je práca na dobrej úrovni. Objavujú sa len malé nedostatky ako napr. chýbajúca medzera medzi hodnotou a jednotkou a chýbajúce znamienka za rovnicami v kapitole 4. Prácu hodnotím počtom bodov 82/B. Points proposed by supervisor: 82

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
doc. Ing. Lucie Hudcová, Ph.D.

Student se ve své práci zabývá konstrukčně i algoritmicky náročným tématem realizace Shack-Hartmannova senzoru vlnoplochy s využitím platformy Raspberry Pi.
Práce má spíše stručnější charakter, což je škoda, protože bližší specifikace parametrů měření a podrobnější analýza výstupů by byly přínosné a zvýšily by celkovou kvalitu práce. Zadání bakalářské práce však bylo splněno.

Z formálního hlediska vykazuje práce řadu nedostatků. V seznamu zkratek a symbolů chybí použité symboly a v úvodu student chybně děkuje vedoucímu za vedení „semestrální“ práce namísto práce bakalářské. V rámci struktury textu mohl autor zvolit výstižnější názvy podkapitol 4.5.1 (Modální) a 4.5.2 (Zonální). Práce dále obsahuje několik gramatických chyb a několik typografických nedostatků. Jako celek však text i přes uvedené výtky vnímám jako přínosný. Topics for thesis defence:
  1. V obrázku 5.1 (Sestava měření) máte v měřicím řetězci zařazen také filtr. O jaký filtr se jednalo a mohl tento prvek případně ovlivnit vlnoplochu procházejícího optického záření?
  2. Mohl byste blíže specifikovat a objasnit pojmy „plná světla“ a „polovina světel“, aby bylo měření na základě Vašeho popisu plně reprodukovatelné?
Points proposed by reviewer: 78

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová