2N子单元双层透镜阵列光学成像模拟系统

资 源 简 介

本程序旨在深入模拟2N个子单元构成的双层透镜阵列在复杂光学环境下的成像特性与光场演化规律。程序基于波动光学理论，利用傅里叶光学分析方法构建透镜阵列的复振幅透射率函数，能够精确模拟光束通过透镜阵列后的相位延迟与振幅调制。通过应用菲涅尔衍射积分算法，程序计算光场在第一层阵列与第二层阵列之间的自由空间传播过程，并分析双层透镜结构对波面畸变的补偿效果或特殊成像增益。该仿真软件支持考虑透镜单元的加工误差、对准偏差以及光轴偏移对整体成像质量的影响，可广泛应用于仿生复眼成像研究、微透镜阵列波前传感、光场相机性能预测以及

详 情 说 明

2N子单元双层透镜阵列光学成像数值模拟系统

项目介绍

本系统是一个基于MATLAB开发的物理光学仿真平台，专门用于研究和评价双层微透镜阵列的光学成像性能。系统采用波动光学理论，模拟单色相干光（如激光）通过具有特定几何尺寸和物理参数的双层透镜结构后的演化过程。通过定量计算层间对准误差、制造相位噪声以及自由空间衍射对光场的影响，该系统能够为仿生复眼设计、光场相机研发及近眼显示系统的波前分析提供高精度的数值参考。

功能特性

• 双层阵列建模：支持自定义子单元数量（如4x3阵列）和排布周期，能够构建结构完全一致或存在差异的双层透镜布局。
• 物理环境仿真：内置波动光学算法，充分考虑波长、焦距、孔径半径及层间距等关键物理参数。
• 制造与对准误差分析：程序集成了X/Y方向的层间对准偏差模拟，并引入了基于高斯随机分布的相位加工误差模型。
• 光场动态演化：通过菲涅尔衍射积分计算光束在两层透镜之间以及从第二层透镜到探测器平面的自由空间传播。
• 全方位性能评价：自动提取并计算系统点扩散函数（PSF）及调制传递函数（MTF），从空域和频域多维度评估成像质量。
• 多维度结果可视化：系统输出包括三维相位分布图、像面光强分布图、PSF截面曲线以及MTF频率特征图，实现仿真过程的直观呈现。

使用方法

1. 环境准备：确保计算机已安装MATLAB R2016b或更高版本，无需额外工具箱。
2. 参数配置：在主程序脚本的系统参数设置区域，根据实际实验需求修改波长（lambda）、透镜焦距（f1/f2）、阵列周期（pitch）以及误差参数（align_error）。
3. 运行仿真：执行主程序，系统将依次完成网格初始化、透镜复振幅透射率构建、光场传播计算及性能指标提取。
4. 结果分析：观察自动弹出的可视化窗口，分析不同误差条件对中心子单元成像质量的影响，查看MTF曲线以评估系统的分辨率极限。

系统要求

• 软件：MATLAB 2016b 或更新版本。
• 硬件：建议内存8GB以上，以支持1024x1024或更高分辨率的复数矩阵运算。
• 显示：支持高分辨率图形输出。

实现逻辑说明

系统的核心实现逻辑遵循傅里叶光学分析框架，具体步骤如下：

1. 网格与坐标构建：系统首先在仿真区域建立高密度的二维采样网格，计算每个空间点的物理坐标，为后续的矩阵化计算奠定基础。
2. 各单元相位叠加：通过嵌套循环遍历Nx与Ny个子单元，根据透镜的二次相位因子公式（基于近轴近似），为每个单元分配对应的相位延迟，并利用掩模函数（mask）限定有效通光孔径。
3. 误差注入模型：在第二层透镜构建过程中，人为在坐标偏移量中加入对准误差变量。同时，利用随机函数生成服从标准正态分布的噪声矩阵，叠加到第一层透镜的相位分布上。
4. 相干光场乘法：入射平面波与其复振幅透射率函数相乘，实现透镜对光波前的相位调制。
5. 级联衍射计算：调用衍射传输算法，依次模拟光场在“透镜1-透镜2”空间以及“透镜2-探测器”空间的传播。
6. 评价指标提取：通过对探测器接收到的强度分布进行中心采样获得PSF，并对强度矩阵进行二维傅里叶变换和归一化处理，导出反映系统对比度还原能力的MTF曲线。

关键算法与实现细节分析

• 菲涅尔衍射计算：本程序采用了基于角谱理论的频域传输函数法。通过将空域光场进行傅里叶变换至频域，乘以菲涅尔近似下的自由空间传输函数，最后进行逆傅里叶变换。该方法利用FFT算法极大提高了计算效率，并能准确处理近场与中场的衍射现象。
• 复振幅透射率构建：透镜被抽象为复振幅调制器件。其数学模型结合了振幅掩模（决定孔径几何形状）与相位因子（决定汇聚能力），通过逻辑判定（r <= R）实现圆形孔径精确截断。
• MTF频域分析：MTF的计算并非基于解析解，而是基于模拟生成的实际像面强度分布。通过对光强分布进行双重傅里叶变换并取模，准确捕获了由于边缘衍射、相位噪声和对准偏差导致的对比度衰减特性。
• 空间频率转换：系统严格执行了从采样点到空间物理频率（lp/mm）的映射转换，确保MTF曲线的横坐标具备具体的工程参考意义。