wave op• データ種: なし → image2d(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.airy_pattern(size=64, wavelength_um=0.55, f_number=5.6, pixel_pitch_um=0.5) (または opsoptics.get("airy_pattern"))
円形瞳の回折限界 PSF(エアリーパターン)。
> 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。
`I(r) = [2*J1(v)/v]^2 with v = pi*r/(lambda*N), r` the radial
distance in the image plane, `N` the working f-number. Sampled on a
`size x size` grid centred between pixels for even *size* and on a pixel
for odd *size*. The normalisation is analytic (`I(0) = 1` by the
`v -> 0` limit), not a division by the sampled maximum: for odd *size*
the centre pixel is therefore exactly 1.0, and for even *size* the true
peak falls between pixels so the largest *sample* is below it (0.9679 at
`size = 8` with the defaults, measured). Rescaling to the sampled maximum
instead would quietly change the physics with the parity of the grid.
Returns a `(size, size)` float64 intensity image.
Ground truth it reproduces (measured, `tests/test_optics.py`): the first
dark ring sits at the first zero of `J1, r = 1.2197*lambda*N` — at
`lambda = 0.55 um, N = 5.6 that is 3.7567 um`, and the sampled
radial minimum lands at `3.760 um` on a 0.01 um grid (0.3 of a sample
away, which is the sampling, not an error); the peak is exactly 1.0 at the
centre and the pattern is symmetric to 1e-16.
The encircled energy inside that ring is the textbook 83.8% of the *whole
infinite* pattern — which a finite grid cannot measure: the Airy tails fall
off only as `1/r^3`, so a 25.6 um half-width grid reports 0.857 and a
51.2 um one 0.847 (both measured). The number is quoted here as physics,
not as something this op returns.
The `v -> 0` limit is evaluated explicitly as 1.0 rather than left to
`0/0`: that division is the classic silent-NaN in every hand-rolled Airy
routine, and the centre pixel is exactly where it bites.
Raises `ValueError: *size* outside [2, MAX_GRID]`; non-positive or
non-finite *wavelength_um*, *f_number*, *pixel_pitch_um*.
Scalar, aberration-free, unobstructed circular pupil, low NA. A central
obscuration (a mirror telescope) changes the ring structure; high NA needs a
vector treatment. For the *measured* PSF of a real system use
:func:psf_to_mtf on an image of a point source instead.
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_imaging — py -3.11 examples/optics_imaging.py
• poc_veiling_glare — py -3.11 examples/poc_veiling_glare.py
image2d を入力に取れる)fraunhofer_pattern · psf_to_mtf · illumination_uniformity · render_through_lens · surface_defect · defocus_blur
wave)angular_spectrum_propagate · fraunhofer_pattern · gaussian_beam
*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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