wave op• データ種: image2d → image2d
• 呼び出し: import optics; optics.fraunhofer_pattern(aperture, wavelength_um=0.55, distance_mm=100.0, pixel_pitch_um=10.0) (または opsoptics.get("fraunhofer_pattern"))
開口の遠方場(Fraunhofer)回折強度。
> 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。
In the far field the diffracted amplitude is the Fourier transform of the
aperture transmittance, so the intensity is
`|FFT{aperture}|^2` (fftshifted, DC at the centre) normalised to a peak of
exactly 1.0.
Returns a float64 image with the same shape as *aperture*.
The output plane is sampled differently from the input plane — this is
the trap in every FFT diffraction routine. The observation-plane pitch is
`lambda*z/(N_pixels*input_pitch)`; with the defaults
(`0.55 um, 100 mm, 10 um`) and a 64-pixel aperture that is
`0.55*100000/(64*10) = 85.9 um` per pixel. The value is not returned as
an image cannot carry it; compute it from the formula when you need
absolute positions.
A `RuntimeWarning` is emitted when the Fresnel number
`N_F = a^2/(lambda*z) (with a` the aperture's support radius) is not
below 1 — i.e. when you are asking for a far-field pattern at a distance
where the near field still dominates. The result is still returned, because
the Fourier relation is exactly what was asked for; the warning says the
*physics*, not the arithmetic, is out of range.
Ground truth it reproduces (measured): a rectangular slit `w` pixels wide
in an `N`-pixel array puts its diffraction zeros exactly on the DFT bins
`k*N/w`; a 4-pixel-wide slit in a 64-pixel array has exactly 0.0 at
bins +/-16 and +/-32 from DC (the DFT of a boxcar vanishes there to the
last bit, not merely to rounding); the pattern of a centred symmetric
aperture is symmetric to 2.2e-16.
Raises `ValueError`: *aperture* is not 2-D / smaller than 2x2 / over
the size cap / complex / masked / non-finite; a negative transmittance
(that is not an aperture); an opaque aperture (everything zero — an
opaque screen diffracts nothing and the normalisation would be 0/0);
non-positive or non-finite *wavelength_um* / *distance_mm* /
*pixel_pitch_um*.
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
image2d を入力に取れる)psf_to_mtf · illumination_uniformity · render_through_lens · surface_defect · defocus_blur
wave)airy_pattern · angular_spectrum_propagate · 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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