zernike多项式的matlab代码
Zernike多项式是一种用于描述波前畸变的数学方法。它是由荷兰数学家Frits Zernike提出的,在光学、天文学、医学等领域得到了广泛的应用。本文介绍了Zernike多项式的定义、产生方法和在Matlab中的应用及实现方法。
1. Zernike多项式的定义
Zernike多项式是一组正交函数,用于描述在圆形孔径上的波前畸变。它们的表达式可以通过正弦余弦级数展开得到。第n阶的Zernike多项式可以表示为:
Z(n,m)(r,θ) = R(n,m)(r) × exp(i mθ)
其中,r表示从中心点到圆形孔径上某一点的距离,θ表示从x轴正半轴逆时针旋转的角度,R(n,m)(r)是伴随勒让德多项式,它定义为:
R(n,m)(r) = Σ(k=0)floor((n-m)/2) ((-1)^k (n-k)!)/(k! ((n-m-2k)!!)) × r^(n-2k)
这里,(n-m-2k)!!表示双阶乘,即(n-m-2k)×(n-m-2k-2)×(n-m-2k-4)×……×(m+n+2k)。
diff函数 对于n必须是偶数,m是[-n,n]之间的整数,且偶数阶m取偶数,奇数阶m取奇数。其中,m=0表示球面波,n=0表示常数项,n=2表示像散。
在Matlab中,可以使用zernike函数来生成Zernike多项式。该函数的调用格式为:
zernike(n,m,rho,theta)
其中,n和m是整数,rho和theta是二维矩阵,表示等间距采样的圆形孔径上的极坐标系坐标。例如,使用meshgrid函数可以生成rho和theta的取值范围:
[x,y] = meshgrid(linspace(-1,1,100));
[theta,rho] = cart2pol(x,y);
rho(rho>1) = NaN;
这里,使用linspace函数生成[-1,1]上等分100个点的行向量,再使用meshgrid函数将其扩展为二维矩阵。
Zernike多项式可以用于描述光学元件的波前畸变,例如折叠望远镜的离轴折射、大气瑞利散射等。在显示技术中,Zernike多项式可以用于描述显示器的像素形状和排布方式,进而对显示图像进行校正。
其中,Z表示第n阶、m次的Zernike多项式的取值,dZr表示Zernike多项式在rho方向上的一阶导数,dZt表示在theta方向上的一阶导数。这里,使用diff函数和gradient函数可以计算dZr和dZt:
dZr = gradient(Z)./gradient(rho);
dZt = diff(Z)./diff(theta);
最后,利用surf函数和colormap函数可以将Zernike多项式的取值可视化:
surf(x,y,Znm,'EdgeColor','none','FaceColor','interp','FaceLighting','phong')
colormap(jet)
light('Style','local')
这里,surf函数可视化Zernike多项式的取值,设置其边缘颜为none,面的颜为interp,光照为phong。而colormap函数则设置颜映射为jet。light函数则添加局部光源,进一步增强可视化效果。
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