wave op• Datenarten: cimage → cimage
• Aufruf: import optics; optics.angular_spectrum_propagate(field, wavelength_um=0.55, distance_um=100.0, pixel_pitch_um=1.0) (oder opsoptics.get("angular_spectrum_propagate"))
Exakte skalare Freiraumausbreitung eines komplexen Feldes (Winkelspektrum).
> Die ausführliche Beschreibung unten ist der Originaltext — Zusammenfassung und Überschriften sind übersetzt.
`U(z) = IFFT{ FFT{U(0)} * exp(i*2*pi*z*sqrt(1/lambda^2 - fx^2 - fy^2)) }`
in the `exp(-i*omega*t)` convention, so a positive *distance_um*
propagates forward. Components beyond the propagating cone
(`fx^2 + fy^2 > 1/lambda^2`) are attenuated by
`exp(-2*pi*|z|*sqrt(fx^2 + fy^2 - 1/lambda^2))`, which is the physical
evanescent decay — not zeroed, so `distance_um = 0` is an *exact*
identity and the transfer function is continuous through it.
Unlike Fresnel propagation this makes no paraxial approximation: it is the
exact solution of the Helmholtz equation for a band-limited field, valid
from a fraction of a wavelength outward.
Returns a complex128 array with the same shape as *field*.
Ground truth it reproduces (measured): `distance_um = 0` returns the field
bit-identically (it short-circuits the transform pair); propagating `+z`
then `-z` returns the original to a relative L2 error of 4.3e-16 to
5.3e-16 for a band-limited field (measured on three: 64x64 random at
+/-50 um, a 64x64 Gaussian at +/-250 um, a 128x128 random at +/-500 um);
total power is conserved to between 0 and 3.5e-16 relative on the same
three. A field *with*
evanescent content does not round-trip — those components are gone by
construction, in both directions, because that is what physically happens.
*field* is a field in the space domain, not a spectrum: do not hand it
the fftshifted output of :func:complexops.cx_fft. Real input is promoted
to complex, which loses nothing.
Aliasing: the discrete transfer function is periodic, so a field that
diffracts past the array edge wraps around. The practical guard is the
usual one — pad the field so the propagated support stays inside, and keep
`pixel_pitch_um below lambda/(2*NA)`. No warning can detect this
reliably from the array alone, so none is invented.
Raises `ValueError`: *field* is not 2-D, smaller than 2x2, larger than
:data:MAX_FIELD_ELEMENTS, masked, or non-finite; non-positive or
non-finite *wavelength_um* / *pixel_pitch_um*; non-finite *distance_um*.
Jeder optics-Operator prüft seine Eingabe vor der Berechnung (nichts rutscht stillschweigend durch):
• Einheiten stecken im Argumentnamen — _mm / _um / _deg / _mrad. Eine Verwechslung von mm und µm stürzt nicht ab, sondern liefert eine plausibel aussehende falsche Antwort; der Name verhindert das. Aus der Größenordnung wird nie auf die Einheit geschlossen.
• **Strings lösen ValueError aus** — float('50') gelingt, sodass ein ungeparster Konfigurationswert als Länge durchrutschen würde (gemessen: thin_lens('50', '200') lieferte plausible 66,667 mm). bool wird als implizite Hochstufung True == 1 ebenfalls abgelehnt.
• **complex / Masked Arrays lösen ValueError aus (nur reelle Slots; das stille Verwerfen des Imaginärteils bzw. Abstreifen der Maske wird abgelehnt). NaN/Inf löst bei jeder Eingabe ValueError aus.**
• Division durch null und Verwandtes wird namentlich abgelehnt: Brennweite 0, Krümmungsradius 0, Brechzahl <= 0, undurchlässige Blende (alles 0, die Normierung wird 0/0), PSF mit Summe <= 0, Stokes-Vektor mit S0 = 0 und ein Objekt im vorderen Brennpunkt (Bild im Unendlichen).
• Nur zwei Operatoren liefern einen nicht-endlichen Wert, und beide halten das vertraglich fest: depth_of_field liefert jenseits der hyperfokalen Distanz far_mm = inf (genau das bedeutet die hyperfokale Distanz), und gaussian_beam liefert an der Taille wavefront_radius_mm = inf (der Krümmungsradius einer ebenen Wellenfront). Beide liefern zusätzlich einen endlichen Partner (far_is_infinite / curvature_per_mm). **Jedes andere stille NaN/Inf wird intern erkannt und löst ValueError aus** — "float64 ist übergelaufen" und "die Antwort ist unendlich" sind verschiedene Aussagen; die erste wird nie im Gewand der zweiten geliefert.
• Größenobergrenzen: erzeugte Gitter durch optics.MAX_GRID (4096), übergebene Felder/PSFs/Blenden durch optics.MAX_FIELD_ELEMENTS (2^24), ABCD-Elementketten durch optics.MAX_SYSTEM_ELEMENTS (1024), Zernike durch MAX_ZERNIKE_TERMS (512) / MAX_ZERNIKE_ORDER (40) / MAX_ZERNIKE_BASIS (2^25). Damit werden Pfade fail-closed geschlossen, in denen ein kleines Argument eine riesige interne Allokation auslöst (gemessen: n_max=40 × 4096² braucht 108 GB).
• Physikalisch unmögliche Zustände werden ebenfalls abgelehnt: Stokes-Vektor mit Polarisationsgrad > 1, negative Transmission, negative Intensität und ungültige Zernike-Indizes wie ungerades n-|m|.
• Leitfaden zur Familie optics_imaging
• Katalog der Beispieldaten (Download-URLs / Lizenzen) — 2-D nutzt skimage.data (BSD/Public Domain) plus synthetische Bilder, 3-D nennt Download-URLs echter Datenquellen (Stanford, PDS, …).
• Herkunft und Literatur der Operatoren — die Quellen der Forschung/Verfahren, auf denen diese Operatorfamilie beruht.
• Der kanonische Algorithmus (Autor, Jahr) und seine Anwendungen stehen im Familienleitfaden oben.
• optics_imaging — py -3.11 examples/optics_imaging.py
cimage als Eingabe)wave)airy_pattern · fraunhofer_pattern · gaussian_beam
*Provenance: optics.py — OPTICS Operator-Registry. Diese Notiz wird von tools/opdocs.py md erzeugt (nicht von Hand bearbeiten).*
© 2026 Kazufumi Furuse — Fullseye operator documentation. Licensed under Apache-2.0.