wave op• Datenarten: keine → measurement (ein Operator, der allein durch seine Argumente bestimmt ist — er nimmt kein Bild und keine Daten entgegen)
• Aufruf: import fullseye as fs; fs.ledger.defocus_from_shift(shift_um=10.0, wavelength_um=0.55, f_number=5.6) (die Implementierung direkt: import optics; optics.defocus_from_shift(shift_um=10.0, wavelength_um=0.55, f_number=5.6); aus dem Register: opsoptics.get("defocus_from_shift"))
Defokus-Wellenfrontfehler (in Wellen am Pupillenrand) einer axialen Fokusverschiebung.
> Die ausführliche Beschreibung unten ist der Originaltext — Zusammenfassung und Überschriften sind übersetzt.
Moving the detector (or, equivalently, the focus) by `shift_um` along the
axis of an `f/N` beam adds the quadratic wavefront error
`W(rho) = W20 * rho^2` with
`W20 = shift / (8 * lambda * N^2)` [waves]
— the paraxial Seidel defocus term, `rho` the normalised pupil radius
(1 at the edge). This is the number :func:pupil_psf takes as
`defocus_waves`, so the two compose: a longitudinal chromatic aberration
(focal shift versus wavelength, e.g. from `raytrace.chromatic_shift` or a
published `df/f(lambda)) becomes a per-band defocus_waves` here and a
per-band PSF there.
Returns a float (a `measurement`). The sign is the sign of *shift_um*:
positive = the detector sits beyond the focus (the beam has converged
and is diverging again). For a symmetric pupil the PSF does not depend on
the sign; for an asymmetric one (a slit, a W, an off-axis hole) the sign
flips the PSF through the centre — that is exactly the handle a
one-photoreceptor eye can read the direction of defocus from.
Ground truth (closed form, `tests/test_optics.py): shift = 8 lambda N^2`
is exactly one wave; the function is linear in *shift_um* and inverse in
*wavelength_um* and in `N^2 (checked at two of each). At N = 1.5`,
`lambda = 0.55 um (a cephalopod-scale f/1.5` eye) a 250 um focus shift
is 25.3 waves.
Raises `ValueError`: non-finite *shift_um*; non-positive or non-finite
*wavelength_um* / *f_number*.
Paraxial: `W20 = shift/(8 N^2)` is the small-angle expansion of the exact
`shift * (1 - cos theta) sag; at f/1.5 (sin theta = 1/3`) the exact
edge value is 5.7 % below the paraxial one — the number is a *defocus
convention*, not a high-NA wavefront.
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
measurement als Eingabe)—
wave)airy_pattern · angular_spectrum_propagate · fraunhofer_pattern · gaussian_beam · pupil_psf · pupil_blur
*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.