wave op• データ種: なし → cimage(引数だけで決まる op —— 画像やデータの入力を取らない)
• 呼び出し: import fullseye as fs; fs.ledger.fourier_plane_filter(size=64, kind='derivative_x', order=1, charge=1, radius_frac=0.25, pixel_pitch_um=1.0) (実装を直接呼ぶなら import optics; optics.fourier_plane_filter(size=64, kind='derivative_x', order=1, charge=1, radius_frac=0.25, pixel_pitch_um=1.0)、台帳から引くなら opsoptics.get("fourier_plane_filter"))
4f 系のフーリエ面に置く複素透過関数 `H(fx, fy)`。
返るのは `numpy.fft.fftfreq` の並び(fftshift しない)の complex128
`(size, size) で、:func:four_f_filter` にそのまま渡せる。空間周波数の
単位は cycles/um(`fftfreq(size, d=pixel_pitch_um)`)。
*kind*:
`identity`
`H = 1`。4f 系は結像するだけ —— 出力は入力の 180 度回転になる。
`block`
`H = 0`。出力は厳密にゼロ(フーリエ面を塞いだ状態)。
`derivative_x / derivative_y`
`H = (i*2*pi*f)**order`。出力は *order* 階の空間微分。**レンズが
微分を計算する**のがこの 1 行で、光コンピューティングの核である。
`laplacian`
`H = -(2*pi)**2 * (fx**2 + fy**2)`。等方な 2 階微分。
`lowpass / highpass`
`|f| <= radius_frac * f_nyquist` の円形開口(と、その補集合)。
`f_nyquist = 1/(2*pixel_pitch_um)`。空間フィルタリングの教科書例。
`hilbert_x`
`H = -i*sign(fx)(fx = 0` と、偶数長のナイキストのビンは 0)。
片側位相で縁が立つ —— シュリーレン法の数値版。★ナイキストを 0 に
するのは、`fftfreq が偶数長で -1/2 だけを返し対になる +1/2`
が無いためで、残すと実数偶関数の出力が奇対称を厳密に満たさない
(実測 1.6e-09 → 0 にして 2.3e-16)。離散ヒルベルト変換の標準的な扱い。
`vortex`
`H = exp(i*charge*phi)` の渦位相板。*charge* は位相の巻き数で、
フーリエ面の閉路を 1 周すると位相が厳密に `2*pi*charge` 進む
—— 整数の不変量なので門にできる。★DC 項は 0 にする(`phi` が
原点で定義されないため)。結果として平均が落ちるので、この板は
等方な縁強調(半径方向ヒルベルト変換)として働く。
真値(この op が再現するもの):
• `identity は four_f_filter` を通すと入力の 180 度回転に一致 —— 実測で
最大絶対差 3.4e-16(64x64 のガウシアン、`pixel_pitch_um=1`)。**ビット一致
ではない**: FFT の往復が 1e-16 の屑を乗せる。ゼロ距離伝搬のように
短絡すれば厳密にできるが、それは `identity` だけの特別扱いになる。
• `derivative_x order=1 をガウシアン exp(-x**2/w**2)` に当てると
`-2x/w**2 * exp(-x**2/w**2)` に一致(帯域制限の範囲で)。
• `vortex の巻き数は閉路上の位相差の和を 2*pi` で割って厳密に *charge*。
• `lowpass + highpass = identity`(同じ *radius_frac* で厳密に 1)。
Raises `ValueError`: *kind* が上の一覧に無い / *size* が 2 未満または
:data:MAX_GRID 超 / *order* が 0..8 の外 / *charge* が -32..32 の外 /
*radius_frac* が 0 以下または 1 超 / *pixel_pitch_um* が非正・非有限。
optics の全 op は入力を検証してから計算する(黙って通さない):
• 単位は引数名に埋め込む — _mm / _um / _deg / _mrad。mm と µm の取り違えは crash ではなく「もっともらしく間違った答え」なので、名前で防ぐ。大きさから単位を推測する処理は一切しない。
• **文字列は ValueError** — float('50') は成功してしまうため、未パースの設定値が長さとして通り抜ける(実測: thin_lens('50', '200') がもっともらしい 66.667 mm を返していた)。bool も True == 1 の暗黙昇格として拒否。
• **complex / masked array は ValueError(実数枠のみ。虚部の無言切り捨て・マスク剥がしを拒否)。NaN/Inf は全入力で ValueError**。
• 0 除算とその親戚を名指しで拒否: 焦点距離 0・曲率半径 0・屈折率 <= 0・不透明な開口(全 0 なので正規化が 0/0)・総和 <= 0 の PSF・S0 = 0 の Stokes ベクトル・物体が前側焦点にある(像が無限遠)。
• 非有限を返すのは 2 op だけ、しかも契約として明記: depth_of_field の過焦点距離以遠の far_mm = inf(それが過焦点距離の定義)と gaussian_beam のウエストでの wavefront_radius_mm = inf(平面波面の曲率半径)。どちらも有限の相棒(far_is_infinite / curvature_per_mm)を併せて返す。**それ以外の無言 NaN/Inf は内部で検出して ValueError** —「float64 が溢れた」と「答えが無限大」は別の主張なので、後者の顔で前者を返さない。
• サイズ上限: 生成格子は optics.MAX_GRID(4096)、供給された場/PSF/開口は optics.MAX_FIELD_ELEMENTS(2^24)、ABCD 素子列は optics.MAX_SYSTEM_ELEMENTS(1024)、Zernike は MAX_ZERNIKE_TERMS(512)/ MAX_ZERNIKE_ORDER(40)/ MAX_ZERNIKE_BASIS(2^25)。小さな引数から巨大な内部確保が起きる経路(実測: n_max=40 × 4096² で 108 GB)を fail-closed で塞ぐ。
• 物理的に不可能な状態も拒否: 偏光度 > 1 の Stokes ベクトル、負の透過率、負の強度、n-|m| が奇数などの不正な Zernike 添字。
• サンプルデータ カタログ(DL URL / ライセンス) — 2-D は skimage.data(BSD/public)+ 合成、3-D は実データ源(Stanford/PDS 等)の DL URL。
• 演算子の来歴・参考文献 — この op 族の元になった研究/手法の出典。
• アルゴリズムの正典(著者・年)と用途は上記ファミリ使い方ガイドに記載。
• optics_four_f_processor — py -3.11 examples/optics_four_f_processor.py
cimage を入力に取れる)angular_spectrum_propagate · four_f_filter · jones_apply
wave)airy_pattern · angular_spectrum_propagate · fraunhofer_pattern · four_f_filter · gaussian_beam · defocus_from_shift · pupil_psf · pupil_blur
*Provenance: optics.py — OPTICS operator registry. この per-op ノートは tools/opdocs.py md が自動生成(手編集しない)。*
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