fullseye

fp_design — OPTICS fpm 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.fp_design(na_obj=0.1, wavelength_um=0.532, led_pitch_mm=4.0, led_distance_mm=70.0, n_side=13, magnification=4.0, camera_pixel_um=5.2, target_na=None, field_of_view_um=None, boundary_tolerance_na=0.005) (実装を直接呼ぶなら import fourierptycho; fourierptycho.fp_design(na_obj=0.1, wavelength_um=0.532, led_pitch_mm=4.0, led_distance_mm=70.0, n_side=13, magnification=4.0, camera_pixel_um=5.2, target_na=None, field_of_view_um=None, boundary_tolerance_na=0.005)、台帳から引くなら opsoptics.get("fp_design"))

使い方

FP の性能を撮る前に閉形式で(table): 合成 NA・遮断周期・重なり率・LED の数・画素の標本化。

正方格子(n_side × n_side、ピッチ led_pitch_mm)の LED を試料から led_distance_mm 下に置き、 中心の LED を光軸に合わせた構成。

• 照明の NA: 軸上の端の LED で NA_ill = e/√(e² + h²)(e = (n_side − 1)/2 · ピッチ)、対角の角でも返す。
• 合成 NA = NA_obj + NA_ill(軸)。棒が軸に沿った USAF チャートの分解能を決めるのは軸の値(対角の LED は x だけの周波数を瞳に入れない)。コヒーレントの遮断周期 λ/NA_syn(対物だけなら λ/NA_obj)、半周期 λ/(2 NA_syn)。
• 重なり率: 中心の LED とその隣の瞳の円(半径 NA_obj/λ、中心間隔 = sinθ の差/λ)の交わりの面積 / 円の面積 = (2/π)[acos a − a√(1 − a²)]、a = d/(2r)。中心が最も小さく(sinθ の刻みは外ほど狭い)、端の値も返す。 overlap_ok = 中心の値 ≥ 0.35(Sun ら 2016 の下限)。
• 標本化: 物体側の画素 Δx = camera_pixel_um / magnification が λ/(2 NA_obj) 以下(R_cam = λ·M/(2 NA_obj Δx_cam) ≥ 1)。強度の帯域で見たナイキスト λ/(4 NA_obj) も返す(FP は場を戻すので λ/(2 NA_obj) で足りる)。
• 上げ倍率: 高解像の画素が λ/(2 NA_syn) 以下になる最小の整数。
• 境の LED: 照明の NA が NA_obj と boundary_tolerance_na 以内の LED の数(boundary_leds)。その像は 明視野と暗視野の境で、瞳の縁が照明の 0 次を切るかどうかが k の丸め 1 画素で入れ替わる —— 実測では重なり 39 % の 構成がこれ 1 つで収束しなくなった(256 画素の視野で。LED の距離を 70 → 76 mm にずらすと収束。384 画素の視野では 境のままでも収束した —— 起きうるが必ずではない)。boundary_ok = 0 枚。
• target_na: その合成 NA に要る格子の一辺・LED の総数・照明の NA が足りる LED の数。
• field_of_view_um: 空間帯域幅積(視野 / 半周期)²。

返り値: dict(kind=”fp_design”, na_synthetic, na_illumination_max_axis, coherent_cutoff_period_um, overlap_ratio_centre, overlap_ratio_edge, overlap_ok, n_leds, n_brightfield, boundary_leds, boundary_ok, object_pixel_um, r_cam, pixel_sampling_ok, upsample_needed, …)。

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_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_usaf_target · fp_capture · fp_stack_from_images · fp_reconstruct · fp_element_contrast

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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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