oct_design — OPTICS `oct` 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 fullseye as fs; fs.ledger.oct_design(center_nm=840.0, bandwidth_nm=50.0, n_pixels=2048, wl_min_nm=None, wl_max_nm=None, mode='sd', spectrometer_fwhm_px=1.0, linewidth_nm=None, n_group=1.0, beam_waist_um=None, focal_mm=None, beam_diameter_mm=None, photons_mirror_per_pixel=None, photons_ref_per_pixel=None, eta=0.8, sigma_d=10.0, window='hann', reflectivity=None, grid='lambda') (実装を直接呼ぶなら import octscan; octscan.oct_design(center_nm=840.0, bandwidth_nm=50.0, n_pixels=2048, wl_min_nm=None, wl_max_nm=None, mode='sd', spectrometer_fwhm_px=1.0, linewidth_nm=None, n_group=1.0, beam_waist_um=None, focal_mm=None, beam_diameter_mm=None, photons_mirror_per_pixel=None, photons_ref_per_pixel=None, eta=0.8, sigma_d=10.0, window='hann', reflectivity=None, grid='lambda')、台帳から引くなら opsoptics.get("oct_design"))

使い方

OCT の性能を撮る前に閉形式で(table): 軸分解能・深さ範囲・感度の roll-off・SNR・横分解能と焦点深度。

• 軸分解能(FWHM、ガウス光源、窓なし)δz = (2 ln 2/π) λ0²/Δλ ≈ 0.44 λ0²/Δλ(空気中)、媒質中は ÷ n_g。window を掛けると広がる(倍率 window_broadening は光源 × 窓の |FT| の FWHM から数値で求める。ガウス光源が範囲の中に収まっていれば hann で約 1.2 倍)。

• 深さ範囲(片道の光路、ナイキスト)z_max = π/(2 δk) = λ0²/(4 δλ)(δλ = 1 画素の波長幅)、媒質中は ÷ n_g。grid="lambda"(既定)は λ 等間隔の分光器(δk は中心の値)、"k" は k 等間隔の分光器(Hu & Rollins 2007)。

• roll-off(振幅): SD は画素の箱 |sin(z δk)/(z δk)| と分光器の分解能のガウス exp(−2σ²z²)(σ = 分解能の FWHM/2.355、k で)。SS は瞬時線幅 linewidth_nm のガウスだけ(mode="ss")。−6 dB の深さを数値で解く。

• SNR(ショット雑音 + 読み出し雑音、窓つき): 画素 i の参照光の電子 N_r,i と、反射率 1 の鏡の電子 N_s,i で SNR = (Σ w_i √(N_r,i N_s,i))² / Σ w_i² (N_r,i + σ_d²)(参照光が強ければ η × 試料の光子の総数 × 窓の係数)。sensitivity_db = 10 log10(SNR)(弱い反射体の SNR を反射率 1 へ外挿した値 = 検出の下限 1/R_min)。reflectivity R を渡すと、その反射体自身のショット雑音(N_s,i R)も分母に入れた SNR を snr_db に返す(強い反射体では参照光が支配的という前提が崩れ、外挿より小さくなる)。光子が渡されないときは None。

• 横分解能: ビームのくびれ半径 w0(1/e²)から、慣用の Δx = 2 w0 = (4λ/π)(f/d) と、A スキャンの振幅で見た点像の FWHM √(2 ln 2) w0(往復で exp(−2x²/w²))。焦点深度 b = 2 z_R = 2π w0² n/λ(慣用 = π Δx²/(2λ))。

返り値: dict(kind="oct_design", axial_resolution_air_um, axial_resolution_um, depth_range_air_um, depth_range_um, pixel_nm, dk_pixel, rolloff_6db_air_um, rolloff_6db_um, rolloff(pairs: 光路 µm, 振幅), snr_db / sensitivity_db, lateral_resolution_um, lateral_fwhm_um, depth_of_focus_um, …)。

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)

• poc_industrial_oct — py -3.11 examples/poc_industrial_oct.py

型が繋がる次の op(`table` を入力に取れる)

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

同カテゴリ(`oct`)

oct_dispersion_broadening · oct_interferogram · oct_bscan_simulate · oct_from_spectra · oct_k_linearize · oct_dispersion_estimate · oct_dispersion_compensate · oct_ascan

*Provenance: octscan.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)。*

oct_design — OPTICS oct op

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