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Sensor-realistic simulation of images in diffraction-limited imaging systems

Mahsa Mohammadikaji, Stephan Bergmann, Jan Burke, Jürgen Beyerer, and Carsten Dachsbacher

TM - Technisches Messen Volume 85, Issue s1

Abstract

Optical imaging is the building block of different measurement systems, whose imaging quality is influenced by many factors including the choice of imaging parameters, optics, and the imaging sensor. Realistic simulations can therefore be very beneficial for automatic optimization of such degrees of freedom. In this paper, we present a physically-based model for the image formation consisting of three parts: geometrical light transport simulation using available computer graphics methods, introducing lens imaging effects using Fourier optics, and integration of the EMVA 1288 sensor data. The proposed model has been utilized for simulating the images with speckle interference patterns caused by emitting a laser line on a metal surface. The agreement of the simulations with real images demonstrates that the model can produce accurate approximations to the real images, especially for diffraction-limited systems. We also discuss the simulation process for both coherent and incoherent imaging cases to simulate imaging systems having one or both types of illuminations.

Zusammenfassung

Die optische Abbildung ist der Baustein verschiedener Messsysteme, deren Abbildungsqualität unter anderem durch die Wahl der Abbildungsparameter, der Optik und des Bildsensors beeinflusst wird. Realistische Bildsimulationen können daher für die automatische Optimierung solcher Freiheitsgrade sehr vorteilhaft sein. In diesem Beitrag stellen wir ein physikalisch basiertes Modell für die Bilderzeugung vor, welches aus drei Teilen besteht: Geometrische Lichttransportsimulation mit verfügbaren Computergrafikverfahren, Einführung von Linsenabbildungseffekten mit Fourier-Optik und Integration der EMVA 1288 Sensorspezifikationen. Das vorgeschlagene Modell wurde für die Simulation der Bilder mit Speckle-Interferenz-Muster verwendet und verifiziert, indem eine gemessene Metalloberfläche von einer Laserlinie beleuchtet wird. Die Übereinstimmung der Simulationen mit realen Bildern zeigt, dass das Modell insbesondere bei beugungsbegrenzten Systemen genaue Annäherungen an die realen Bilder erzeugen kann. Zudem wird in diesem Paper der Simulationsprozess für kohärente und inkohärente Abbildungsfälle beschrieben, um Abbildungssysteme mit einer oder beiden Arten von Beleuchtungen simulieren zu können.

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