fullseye

fp_capture — OPTICS `fpm` op

データ種: image2d × image2d → table
呼び出し: 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) (実装を直接呼ぶなら 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)、台帳から引くなら opsoptics.get("fp_capture"))

使い方

LED アレイで斜めに照らした低解像の像の組を合成する(table、kind=”fp_stack”)。

物体 o = amplitude · e^{i phase}(pixel_um の細かい格子、正方で一辺が downsample で割り切れる)。 LED ごとに o に傾いた平面波 e^{i2π(kx x + ky y)} を掛け(画素の半端な k もそのまま)、FFT → 中心を低解像の大きさで切り出す → 瞳(円 NA_obj/λ × 収差)→ 逆 FFT → |·|²。視野の外の光が入るよう、物体を pad_px (既定 = 一辺の 1/4)だけ端の値で広げて描き、カメラの視野だけを切り出す(実際の試料は周期的でない)。

height_um を渡すと反射型: 面の高さ h → 往復の位相 4πh/λ(垂直入射の近似)を phase に足す。
LED の明るさ: 方位の Lambert 次数 m(cos_exponent)と距離の 2 乗の落ち → cos^(m+3)θ(中心で 1)。
露光: 明視野(NA_ill < NA_obj)は 1、暗視野は darkfield_gain 倍(暗視野を長く撮る実装の慣習)。
雑音: 背景 1 あたり photons 電子 × 露光 × 明るさの Poisson + 読み出し read_noise_e のガウス。乱数は seed の np.random.default_rng。
LED アレイのずれ(led_offset_mm / led_rotation_deg / led_height_error_mm)は撮像にだけ入れ、表の名目の kx / ky には入れない(真の値は kx_true / ky_true)。
照明の k の規約: kx = x/(rλ)、ky = y/(rλ)(LED の位置 (x, y, z) は試料が原点、r = |(x, y, z)|)—— LED の x/r を +k とする。LED が試料の下にあり光が LED から試料へ進む実機では、物理の横の波数は −x/(rλ) になりうる。
低解像の画素 = pixel_um · downsample が λ/(2 NA_obj) を超えると拒否(FP の標本化条件)。

返り値: dict(kind=”fp_stack”, images (K, n, n) 電子数、照明の NA の小さい順, exposure, led_brightness, photons, read_noise_e, kx, ky, kx_true, ky_true, na_illumination, led_index, led_xyz_mm(名目), pixel_um(低解像), wavelength_um, na_obj, pupil_true, na_synthetic_design, …)。

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-

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_fourier_ptychography — py -3.11 examples/poc_fourier_ptychography.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(`fpm`)

fp_design · fp_usaf_target · fp_stack_from_images · fp_reconstruct · fp_element_contrast

Provenance: fourierptycho.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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