fpm op• 数据种类:image2d × image2d → table
• 调用: import fullseye as fs; fs.ledger.fp_capture(amplitude, phase=None, pixel_um=0.325, wavelength_um=0.532, na_obj=0.1, downsample=4, led_pitch_mm=4.0, led_distance_mm=70.0, n_side=13, pupil_aberration=None, photons=4000.0, read_noise_e=2.0, darkfield_gain=8.0, cos_exponent=1.0, seed=0, led_offset_mm=(0.0, 0.0), led_rotation_deg=0.0, led_height_error_mm=0.0, height_um=None, pad_px=None)(要直接调用实现,import fourierptycho; fourierptycho.fp_capture(amplitude, phase=None, pixel_um=0.325, wavelength_um=0.532, na_obj=0.1, downsample=4, led_pitch_mm=4.0, led_distance_mm=70.0, n_side=13, pupil_aberration=None, photons=4000.0, read_noise_e=2.0, darkfield_gain=8.0, cos_exponent=1.0, seed=0, led_offset_mm=(0.0, 0.0), led_rotation_deg=0.0, led_height_error_mm=0.0, height_um=None, pad_px=None);从台账取用则 opsoptics.get("fp_capture"))
• GPU:有(许可列表中的机械式 GPU 路径,CuPy)。device="auto" 在实测尺寸(4,194,304 像素)及以上选择 GPU
合成由 LED 阵列斜向照明拍摄的一组低分辨率图像(table,kind="fp_stack")。
物体 o = amplitude · e^{i phase}(pixel_um 的细网格,正方形且边长能被 downsample 整除)。对每个 LED,将 o 乘以倾斜平面波 e^{i2π(kx x + ky y)}(非整数像素的 k 也原样保留),FFT → 以低分辨率尺寸裁出中心 → 光瞳(圆 NA_obj/λ × 像差)→ 逆 FFT → |·|²。为使视场外的光也能进入,物体以边缘值向外扩展 pad_px (默认 = 边长的 1/4)后绘制,只裁出相机的视场(真实样品并非周期性的)。
• 传入 height_um 则为反射型:表面高度 h → 往返相位 4πh/λ(垂直入射近似)加到 phase 上。
• LED 亮度:方向的 Lambert 阶数 m(cos_exponent)与距离平方衰减 → cos^(m+3)θ(中心为 1)。
• 曝光:明场(NA_ill < NA_obj)为 1,暗场为 darkfield_gain 倍(暗场拍得更久的实现惯例)。
• 噪声:每单位背景 photons 电子 × 曝光 × 亮度的 Poisson + 读出 read_noise_e 的高斯。随机数来自以 seed 初始化的 np.random.default_rng。
• LED 阵列的偏差(led_offset_mm / led_rotation_deg / led_height_error_mm)只施加于成像, 不施加于表中的标称 kx / ky(真值为 kx_true / ky_true)。
• 照明 k 的约定:kx = x/(rλ)、ky = y/(rλ)(LED 位置 (x, y, z) 以试样为原点,r = |(x, y, z)|)—— 取 LED 的 x/r 为 +k。在 LED 位于试样下方、光从 LED 射向试样的实际装置中,物理上的横向波数可能是 −x/(rλ)。
• 低分辨率像素 = pixel_um · downsample 超过 λ/(2 NA_obj) 时拒绝(FP 的采样条件)。
返回值:dict(kind="fp_stack", images (K, n, n) 电子数、按照明 NA 从小到大排列, exposure, led_brightness, photons, read_noise_e, kx, ky, kx_true, ky_true, na_illumination, led_index, led_xyz_mm(标称), pixel_um(低分辨率), wavelength_um, na_obj, pupil_true, na_synthetic_design, …)。
optics 的每个算子都先校验输入再计算(不让任何东西无声通过):
• 单位写进参数名 —— _mm / _um / _deg / _mrad。把 mm 和 µm 弄混不会崩溃,而是给出「看着合理却是错的答案」,所以用命名来防。这里绝不从数值大小去猜单位。
• 字符串一律 ValueError —— float('50') 会成功,于是未解析的配置值会被当成长度混进来(实测:thin_lens('50', '200') 曾返回看着合理的 66.667 mm)。bool 也按 True == 1 的隐式提升拒绝。
• complex / masked array 一律 ValueError(仅接受实数槽位;拒绝无声丢弃虚部或剥掉掩码)。所有输入中的 NaN/Inf 一律 ValueError。但已声明的缺测除外:bottle_fit_from_pattern 的 u_map 以 NaN 接收未能测得的像素(∞ 仍被拒绝)。
• 逐项点名拒绝除零及其近亲:焦距 0、曲率半径 0、折射率 <= 0、全不透明光阑(全为 0,归一化变成 0/0)、总和 <= 0 的 PSF、S0 = 0 的 Stokes 矢量、物体位于前焦点(像在无穷远)。
• 只有两个算子会返回非有限值,而且都写进了契约:depth_of_field 在超焦距以外返回 far_mm = inf(这正是超焦距的定义),gaussian_beam 在束腰处返回 wavefront_radius_mm = inf(平面波前的曲率半径)。两者都同时返回一个有限的搭档(far_is_infinite / curvature_per_mm)。除此之外的无声 NaN/Inf 都在内部检出并 ValueError ——「float64 溢出了」和「答案是无穷大」是两种不同的主张,不能拿后者的脸去交付前者。但已声明的缺测除外:bottle_background_map 对光线不可用的像素(全反射等)在 u_mm 中返回 NaN,并同时返回 valid 掩码和数量。
• 尺寸上限:生成网格受 optics.MAX_GRID(4096)限制,传入的场/PSF/光阑受 optics.MAX_FIELD_ELEMENTS(2^24),ABCD 元件序列受 optics.MAX_SYSTEM_ELEMENTS(1024),Zernike 受 MAX_ZERNIKE_TERMS(512)/ MAX_ZERNIKE_ORDER(40)/ MAX_ZERNIKE_BASIS(2^25)。以 fail-closed 堵住「小参数引发巨大内部分配」的路径(实测:n_max=40 × 4096² 需要 108 GB)。
• 物理上不可能的状态同样拒绝:偏振度 > 1 的 Stokes 矢量、负透过率、负强度、n-|m| 为奇数等非法 Zernike 指标。
• 示例数据目录(下载 URL / 许可证) —— 2-D 用 skimage.data(BSD/公有领域)加合成图,3-D 给出真实数据源(Stanford/PDS 等)的下载 URL。
• 算子来历与参考文献 —— 该算子族所依据的研究/方法出处。
• 算法的正典(作者、年份)与用途见上面的族使用指南。
• poc_fourier_ptychography — py -3.11 examples/poc_fourier_ptychography.py
table 作为输入)abcd_matrix · wavefront_stats · sfr_from_edge · paraxial_trace · seidel_coefficients · spot_stats · tolerance_analysis · wavefront_from_opd
fpm)fp_design · fp_usaf_target · fp_stack_from_images · fp_reconstruct · fp_element_contrast
*Provenance: fourierptycho.py — OPTICS 算子登记表。本条目由 tools/opdocs.py md 自动生成(请勿手工编辑)。*
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