Numerical stability and efficiency in Zernike fitting for non-standard circular apertures

泽尼克多项式 理论(学习稳定性) 光学 数学 物理 数值稳定性 数学分析 几何学 数值分析 计算机模拟
作者
Churui Li,Gongjian Guo,Xiang Hao
出处
期刊:Journal of the Optical Society of America [Optica Publishing Group]
卷期号:43 (7): 1053-1053
标识
DOI:10.1364/josaa.601210
摘要

Retrieving standard circular Zernike coefficients from wavefronts measured over non-standard circular apertures is crucial for modern optical engineering. While direct least-squares fitting and the orthogonal transformation method are commonly used, a systematic comparison of their numerical stability, computational costs, and noise robustness remains lacking. In this paper, we present a comparative study of five established algorithms [least-squares, Gram–Schmidt, Cholesky factorization, QR factorization, and singular value decomposition (SVD)], introduce two short-recurrence variants to investigate the computational speed limits of recursive orthogonalization, and rigorously prove their mathematical equivalence under exact arithmetic and characterize how floating-point errors cause this equivalence to break down differently across methods. However, simulations on annular and eccentric apertures reveal that although all methods are reliable under well-conditioned masks, least-squares and Cholesky suffer precision loss and numerical collapse under ill-conditioned apertures. Furthermore, non-regularized methods suffer from noise amplification, making truncated SVD the most reliable method among those evaluated for retrieving physically meaningful coefficients. Based on these findings, we provide a practical guide for algorithm selection in optical engineering, helping researchers choose appropriate methods based on their specific measurement conditions.
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