Physical Optics

Physical Optics Program

物理光学コース

Computer Generated Hologram and Spatial Light Modulator ~ in holographic femtosecond laser processing ~

Yoshio Hayasaki | Tuesday, Aug. 1, 2017 | 9:00 am – 6:00 pm

  • Lecture in Japanese
  • Notes provided in Japanese

This course covers the principles and usages of holography recording and reconstruction processes. When the recording process is performed in a computer, it is called a computer-generated hologram. When the reconstruction process is performed in a computer, it is called digital holography. Their usefulness have greatly increased with recent advances in optical measurement and processing technology. The first half of the course covers the most important techniques. In the second half, the many practical examples are introduced.

Learning Outcomes:

After taking this course, the students will:

  • Understand the principle of a computer-generated hologram (CGH) and some optimization methods of the CGH
  • Understand the operation principle of a liquid-crystal spatial light modulator (LCSLM) and its usage
  • Understand the usefulness of CGH and LCSLM according to the applications to material laser processing

Intended Audiences: This course is targeted at the undergraduate or bachelor engineer, scientist, or technician with an interest in understanding computer-generated holography and liquid-crystal spatial light modulators.  If you have more interest to femtosecond laser processing, it should be better.

Course Level: Undergraduate

計算機ホログラフィの設計と空間光変調素子の使い方
〜ホログラフィックフェムト秒レーザー加工の事例を通して

早崎 芳夫  | 2017年8月1日 (火曜日)   午前9:00 – 午後6:00

  • 日本語による講義
  • 日本語の講義資料

本コースでは、計算機ホログラムの原理や設計法とその表示デバイスである空間光変調素子の使用法について,レーザー加工応用の観点から解説します.計算機ホログラムにより,レーザービームを空間的・時間的に成形し,レーザー加工の応用における加工時間の短縮,加工品質の向上,光利用効率の向上に寄与することを,実際的な多数の応用例を通して解説します。

学習の成果/学習の目的

本講座では次の成果を目標とします:

  • 計算機ホログラムのいくつかの設計法とそれらの特徴につて理解する。
  • 空間光変調素子の原理と使用法について理解する。
  • レーザー加工の多数の応用例を通して,計算機ホログラムと空間光変調素子の有用性を理解する。

対象とする受講者:このコースは、計算機ホログラムと液晶空間光変調素子に興味をお持ちのエンジニア、研究者、大学院生,専門職の方々を対象とします。 レーザー加工の高速化に興味があれば,より良いだろう.

講義のレベル:大学院修士課程での講義 程度


Fourier Optics and Optical Coherence Tomography

Toyohiko Yatagai | Tuesday, Aug. 1, 2017 | 9:00 am – 6:00 pm

  • Lecture in Japanese
  • Textbook and Notes provided in Japanese

This class starts with diffraction theory of scalar wave and its description of Fourier theory. Linear theory of imaging and its application to optical information processing are introduced. Applications to interferometry, spectroscopy, high-speed optical signal processing and optical coherence tomography will be discussed.

BENEFITS/LEARNING OBJECTIVES

After taking this course, the students will be able to:

  • Describe imaging systems, spatio-temporal phenomena and optical measurement systems in terms of frequency and Fourier transform.
  • Understand and calculate some diffraction phenomena with Fourier transform, convolution and angular spectrum.
  • Use many methods in linear signal processing in optical measurement and imaging.
  • Imagine the similarity between spatial and temporal signals.

Intended Audience: This course is intended for the scientist or engineer who needs to understand Fourier transform, linear theory of imaging, holography, numerical calculation method of diffraction effects, advanced interferometric fringe analysis, spatia-temporal signal processing and optical coherence tomography.

Course Level: Undergraduate

フーリエ光学とオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィ

谷田貝豊彦 | 2017年8月1日 (火曜日)   午前9:00 – 午後6:00

  • 日本語による講義
  • 日本語の講義資料

本コースはスカラー波の回折と、そのフーリエ理論による取り扱いを学習します。さらに、結像における線型理論と、その光学情報処理への応用を学びます。続いて、干渉計測、分光計測、高速光情報処理、および、オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィへの応用を解説します。

学習の成果/学習の目的

本講座では次の成果を目標とします:

  • 結像系、空間時間現象、光学測定システムを周波数領域とフーリエ変換により記述できる。
  • 回折現象をフーリエ変換、コンボリューション、および、アンギュラースペクトラムの概念により理解し、計算ができる。
  • 線型信号処理における様々な手法を光学測定および光学結像に適用できる。
  • 空間周波数領域、および、時間周波数領域の類似性を理解する。

対象とする受講者:フーリエ変換、結像における線型理論、ホログラフィー、回折現象の数値計算、高度な干渉縞解析、空間―時間領域信号処理、および、オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィの知識を必要とされる
エンジニア、研究者の方々を対象とします。

講座のレベル: 大学学部程度


Introduction to Spatio-temporal Fringe Analysis for Optical Sensing and Metrology

Mistuo Takeda | Tuesday, Aug. 1, 2017 | 9:00 am – 6:00 pm

  • Lecture in Japanese
  • Notes provided in Japanese

The basics of interferometry, fringe analysis, and communication theory relevant to optical sensing and metrology are presented in this introductory course.

The emphasis is on the methodological analogies between space and time in optical sensing and metrology. The physical model of interferometric fringe formation and the basic mathematics for fringe analysis are presented. Temporal carrier techniques and spatial carrier technques are introduced, and their relative strength and weakness are discussed with specific examples of the phase shift technique and the Fourier transform method. The phase unwarpping problem is addressed and some of the practical phase unwrapping algorithms are presented. Basics of white-light interferometry and spectral interferometry are presented along with their fringe analysis.

BENEFITS/LEARNING OBJECTIVES

After taking this course, the students will:

  • Understand basics of interferometry and interferometers.
  • Realize how communicatin theory plays an important role in optical metrology and sensing.
  • Understand the principle of temporal carrier techniques and spatial carrier techniques
  • Understand the relative strength and weakness of the phase shift technique and the Fourier transform method.
  • Know what is the phase unwrapping problem and understand some of the practical algorithms for phase unwrapping.
  • Be exposed to the basics of white light interferometry and spectral interferometry.

Intended Audience: This class is intended for engineers, scientists, and managers who need an introduction to interferometry and fringe analysis.

Course Level: Introductory

光計測とセンシングのための時空間干渉縞解析入門

武田光夫 | 2017年8月1日 (火曜日) 午前9:00 – 午後6:00

  • 日本語による講義
  • 日本語の講義資料

本コースでは、ホログラムの記録および再生プロセスの原理、および、その応用について解説します。計算機ホログラム、および、ディジタルホログラフィは、ホログラムの記録、再生がそれぞれ計算機上行われる場合に相当します。これらは、近年、先端的な光学測定、および、加工技術の領域において、ますます重要性が増しています。コース前半では、ホログラフィーにおける種々の重要なテクニックについて解説します。コース後半では、実際的な応用例を多数紹介します。

学習の成果/学習の目的

本講座では次の成果を目標とします:

  •  ホログラフィー、計算機ホログラムとディジタルホログラフィーの概念を習得する。
  • ホログラフィー、計算機ホログラムとディジタルホログラフィーの応用例を理解する。
  • ホログラフィー、計算機ホログラムとディジタルホログラフィーを将来的なプロジェクトに応用できるようになる。

対象とする受講者:このコースは、光を空間的、および、時間的に制御することに興味をお持ちのエンジニア、研究者、専門職の方々を対象とします。

講座のレベル: 大学学部程度


Computational Imaging and Digital Holography

Yoshio Hayasaki | Wednesday, Aug. 2, 2017 | 9:00 am – 6:00 pm

  • Lecture in Japanese
  • Notes provided in Japanese

This course covers the principles and usages of computational imaging that is new framework of imaging system. Recently we can find some new kinds of architectures have been born. I will take up some types such as a single-pixel imaging, Fourier ptychography, and multi-aperture imaging, and discuss them while organizing systematically. This course also covers the digital holography. The usefulness has greatly increased with recent advances in biomedical and industrial metrology. Various types of implementation methods in relation to applications will be discussed.

Benefits/Learning Outcomes:

This course will prepare you to:

  • Understand the fundamental principle of computational imaging
  • Understand the operation principles of the some types in computational imaging
  • Understand the principle of digital holography
  • Understand various types of implementation methods according to applications

Intended Audience: This course is targeted at the master course students or bachelor engineer, scientist, or technician with an interest in understanding industrial and biomedical imaging based on cameras with new architectures.

Course Level: Master course students

計算イメージングとディジタルホログラフィ

早崎 芳夫 | 2017年8月2日 (水曜日) 午前9:00 – 午後6:00

  • 日本語による講義
  • 日本語の講義資料

本コースでは、光学系と計算機の融合による画像取得の新しいフレームワークである計算イメージングについて講義します.進歩著しい研究開発分野であり,次々と新しい方式が出ている,その中でも,単一画素イメージング,フーリエタイコグラフィ,圧縮イメージングなどを取り上げながら,体系的に整理しながら,議論を進めていく.また,セミナーの後半で,歴史の古く,計算イメージングの一種ともいえるディジタルホログラフィについて,その原理と測定対象に応じた多様な実装法について解説する。

学習の成果/学習の目的

本講座では次の成果を目標とします:

  • ホログラフィー、計算機ホログラムとディジタルホログラフィーの概念を習得する。
  • ホログラフィー、計算機ホログラムとディジタルホログラフィーの応用例を理解する。
  • ホログラフィー、計算機ホログラムとディジタルホログラフィーを将来的なプロジェクトに応用できるようになる。

対象とする受講者:このコースは、新しい方式のカメラを用いた工業画像計測や生体画像計測に興味をお持ちの技術者、研究者、学生の方々を対象とします。

講座のレベル: 大学院修士課程学生程度


Introduction to Crystal Opticsy

Kazuo Kuroda | Thursday, Aug. 3, 2017 | 9:00 am – 6:00 pm

  • Lecture in Japanese
  • Notes provided in Japanese

This course provides the principle of the optical wave propagation in anisotropic media. After the quick introduction of the vector and tensor calculus, which is inevitable mathematical tools for crystal optics, the fundamental phenomena, such as, the birefringence and optical activity are discussed. In crystal optics, various kinds of geometrical surfaces (index ellipsoid, index surface, ray surface etc.) are defined. Sometimes they causes unnecessary confusion to the beginners, although they are useful if we understand them properly. The definition and mutual relations of these surfaces are carefully discussed. At the last part of this course, the extended Jones matrix method is introduced, which provides the powerful tool for the analysis of anisotropic stratified media such as the liquid crystal display devices.

Learning Outcomes

This course will prepare you to:

  • Learn to handle the Maxwell equations in anisotropic media.
  • Understand the fundamental phenomena of crystal optics, such as, the birefringence and optical activity.
  • Be able to calculate the refractive index of eigen polarization for given direction of propagation in anisotropic media.
  • Image graphically the propagation of optical waves in crystals using the index ellipsoid, index surface and ray surface.
  • Understand the principles of polarization prisms and filters.
  • Learn to analyze anisotropic stratified media such as the liquid crystal display devices using the extended Jones matrix method.

Intended Audience: This course is intended for the scientists and engineers who deal with crystals, liquid crystals, and any anisotropic media.

Course Level: Undergraduate

結晶光学入門

黒田和男 | 2016年8月1日 (火曜日) 午前9:00 – 午後6:00

  • 日本語による講義
  • 日本語の講義資料

本コースでは、結晶や液晶のような異方性媒質中の光波の伝搬を扱います。この問題の解析には、ベクトルやテンソル(行列)などを避けて通ることはできません。本講座では,このような数学的な道具に慣れることから始め,複屈折や旋光性など結晶光学に固有の現象の解説に進みます。また,結晶光学には屈折率楕円体,屈折率面,光線速度面などの幾何学的な曲面が登場します。これらは本来結晶光学を理解するための道具として導入されたものでありますが,しばしば混乱の元になっています。本講座ではこれらの曲面について相互関係に留意し、できるだけ明快に解説します。最後に応用編として,異方性媒質を含む多層膜の解析法の一つである拡張ジョーンズベクトル法について解説します。これは,液晶表示素子など多層膜構造の偏光特性の解析に有用な方法であります。

学習の成果/学習の目的

本講座では次の成果を目標とします:

  • 異方性媒質に対するマクスウェル方程式の扱いに慣れる。
  • 複屈折や旋光性など結晶光学に固有の現象を理解する。
  • 結晶の異方性と伝搬方向が与えられたとき,固有偏光と屈折率を計算できる。
  • 屈折率楕円体,屈折率面,光線速度面を用いて,結晶中の光波の伝搬を直感的にイメージする。
  • 偏光プリズムや偏光フィルターなどの構造や動作原理を理解する。
  • 異方性媒質を含む多層膜の偏光特性を拡張ジョーンズベクトル法で計算し、結果を理解する。

対象とする受講者:結晶や液晶などの異方性媒質を扱うエンジニア,研究者の方々を対象とします。

講座のレベル: 大学学部程度


Introduction to Polarization and its Application to Polarization Metrology

Yukitoshi Otani | Thursday, Aug. 3, 2017 9:00 am – 6:00 pm

  • Lecture in Japanese
  • Notes provided in Japanese

This course covers the principles of polarized light, polarization elements, and its application to polarization metrology.

The basic polarization technology including polarized light, polarization elements, the Poincare sphere, Jones vectors, Stokes paparemters, and Mueller matrices are presented uing simple methematics. In its application part, Stokes polarimeters for the measurement of light polarization, birefringence mapping by ncluding rotating polarization elements, photoelastic modulators, liquid crystals and optical heterodyne, spectroscopic Mueller matrix polarimeters and ellipsometers are treated in detail.

Benefits/Learning Outcomes:

This course will prepare you to:

  • Understand the function of the basic polarization elements: polarizers, quarter wave and half wave retarders, circular retarders, and depolarizers.
  • Use Jones vectors, Stokes parameters and Mueller matrix in optical instruments
  • Apply birefringence mapping, Stokes polarimeters, Mueller matrix polarimeter and ellipsometer

Intended Audience: This class is intended for engineers and scientists who need an introduction to polarization measurements.

Course Level: Introductory

偏光入門と偏光計測への応用

大谷幸利 | 2017年8月2日 (木曜日) 午前9:00 – 午後6:00

  • 日本語による講義
  • 日本語の講義資料

本コースは、偏光と基礎とその偏光計測への応用について学習します。

前半は、偏光とはからはじめて偏光素子、ポアンカレ球、ジョーンズ行列、ストークス・パラメータ,ミュラー行列について簡単な数学を交えながら説明します。後半は、ストークス偏光計、複屈折計測法,特に、光弾性光変調器、液晶素子、および、光ヘテロダイン法を利用した複屈折マッピング計測装置、分光ミュラー行列偏光計およびエリプソメータについて解説します。

学習の成果/学習の目的
本講座では次の成果を目標とします:

  • 基本的な偏光素子である偏光板、1/4波長・1/2波長位相差板、円位相差板、偏光解消板の機能を理解する。
  • ジョーンズベクトル,ストークス・パラメータおよびミュラー行列を取り扱うことが出来る。
  • 複屈折イメージング、ストークス偏光計、ミューラー行列偏光計、エリプソメータを理解する。

対象とする受講者:このコースは、偏光の入門、偏光計測に興味をお持ちのエンジニア、研究者の方々を対象とします。

講座のレベル:  入門