depth_of_field — OPTICS `geometric` op

• データ種: なし → table(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 optics; optics.depth_of_field(focal_mm=50.0, f_number=8.0, subject_mm=2000.0, coc_mm=0.03) (または opsoptics.get("depth_of_field"))

使い方

写真的な被写界深度: 前側限界・後側限界・過焦点距離。

> 以下の詳細説明は原文のままです —— 要約と見出しは訳出済み。

The classical circle-of-confusion model. With `H = f^2/(N*c) + f` the

hyperfocal distance and `s` the focused subject distance:

`near = s*(H - f) / (H + s - 2f) and far = s*(H - f) / (H - s)`.

Returns a dict: `near_mm · far_mm · depth_mm (far - near`) ·

`hyperfocal_mm · far_is_infinite` (a bool, so a caller never has to

test for `inf` by accident).

**`far_mm is inf` at or beyond the hyperfocal distance, by contract,

not by accident** — focus at `H and everything from H/2` to infinity

is acceptably sharp, which is the whole point of the hyperfocal distance.

`depth_mm is then inf too. far_is_infinite` says so explicitly,

and the identity `near(H) == H/2` is exact (verified in the tests).

*coc_mm* is the acceptable circle of confusion in the image plane: the

35 mm convention is 0.03 mm, a machine-vision rule of thumb is 1-2 pixel

pitches. It is a *choice*, not a property of the lens — halve it and the

depth of field halves with it, which is why two depth-of-field calculators

disagree.

Ground truth: `f = 50, N = 8, c = 0.03 gives H = 10466.67 mm`; at

`s = H the near limit is exactly H/2 = 5233.33 mm` and the far limit

is `inf; the near/far limits bracket the subject for every s < H`.

Raises `ValueError`: non-positive or non-finite *focal_mm*,

*f_number*, *subject_mm*, *coc_mm*; `subject_mm <= focal_mm` (an object

inside the front focal length cannot be imaged by this lens — see

:func:thin_lens); a hyperfocal distance that is not greater than the

focal length (a degenerate combination of `N and c`).

Paraxial, thin, and blur-circle based: it ignores diffraction, which for

small apertures becomes the real resolution limit — compare with

:func:mtf_diffraction before trusting an `N = 22` calculation.

ファミリ共通の入力契約(fail-closed)

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。

詳しい使い方ガイド

• optics_imaging ファミリガイド

参考(サンプルデータ・文献)

• 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。

実行できる例(この op を実際に呼ぶ検証済みサンプル)

• lightfield_depth — py -3.11 examples/lightfield_depth.py

• optics_imaging — py -3.11 examples/optics_imaging.py

型が繋がる次の op(`table` を入力に取れる)

abcd_matrix · wavefront_stats · paraxial_trace · seidel_coefficients · spot_stats · tolerance_analysis · wavefront_from_opd · spot_diagram

同カテゴリ(`geometric`)

thin_lens · abcd_matrix · abcd_trace · relative_illumination

*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)。*

depth_of_field — OPTICS geometric op

使い方