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基礎から学ぶ光学設計
カリキュラム
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基礎から学ぶ光学設計

カリキュラム 1.光の基礎
第1章 光学の基礎(I)
光と電磁波
波長と周波数の関係
光と電波の周波数・波長
光通信の波長帯
光線と光束
光の直進性
ピンホールカメラ
光の伝搬と波面
平面波
球面波
第2章 光学の基礎(II)
反射の法則
屈折の法則(スネルの法則)
全反射
光ファイバの構造と光伝搬
第3章  幾何光学の基礎(I)
フェルマの原理
光路長
凸レンズの作用
凸レンズによる結像
実像と虚像
第4章 幾何光学の基礎(II)
凸レンズと凹レンズの違い
眼の光学系
透過率と反射率
(垂直入射の場合)
反射防止膜
第5章 マイクロレンズ
ボールレンズ
モールドレンズ
分布屈折率レンズ
フレネルレンズ
回折レンズ
Fナンバと開口数
第6章 波動光学の基礎(I)
折率と波長分散
波長多重とスキュー
アッベ数と分散式
偏光
光アイソレータの原理
第7章 波動光学の基礎(II)
フレネル係数
ブリュースタ角
透過率と反射率(斜め入射の場合)
干渉
回折
ブラッグ回折
ファイバグレーティング
第8章 光波伝搬の基礎
近軸光線の伝搬
光線行列
ガウシアンビームの伝搬
導波モード
モード歪み
発振モード

2.幾何光学
第1章 はじめに(I)
波数ベクトル
座標系の定義
フェルマの原理
反射の法則
屈折の法則
第2章 はじめに(II)
結像の概念
共役な関係
近軸光線
ガウス光学
回転対称光学系(共軸系)
第3章 幾何光学の基礎(I)
主要点(焦点・主点・節点)
絞りと瞳
Fナンバと口径比
開口数
Fナンバと開口数の関係
第4章 幾何光学の基礎(II)
結像の分類
像倍率(横倍率・角倍率・縦倍率)
物側と像側の焦点距離の関係
ラクランジュの不変量
主点を原点とする結像式
第5章 ガウス光学
球面の方程式
球面レンズによる結像
単一屈折球面による屈折
二つの結像の合成
第6章 レンズによる結像(I)
単レンズ
薄レンズ
レンズのベンディング
単レンズの分類
第7章 レンズによる結像(II)
レンズの厚さと焦点距離の関係
レンズの組合せ
焦点深度
第8章 光学系の基礎
望遠鏡系とテレセントリック系
望遠鏡の光学系
顕微鏡の光学系
カメラの光学系
プロジェクタの光学系

3.収差論
第1章 波長分散と色収差(I)
屈折率と波長分散
平均分散とアッベ数
光学材料のアッベ数
分散曲線と分散式
群速度と群屈折率
第2章 波長分散と色収差(II)
色収差
縦の色収差と横の色収差
色消しレンズ
アポクロマートレンズ
第3章 収差の表現方法
色収差と単色収差
マクスウェルの理想光学系
波面収差と光線収差
波面収差と光線収差の関係
波面収差の表現方法
第4章 ザイデルの収差(I)
ザイデルの5収差
縦方向焦点位置誤差
横方向焦点位置誤差
球面収差
第5章  ザイデルの収差(II)
メリジオナル面とサジタル面
非点収差
像面湾曲
歪曲
コマ収差
第6章  収差論
アッベの正弦条件
ハーシェルの条件
ペツバールの条件
正像条件

4.波動光学
第1章 はじめに
光波の複素数表示
光波の強度
第2章 波長分散
屈折率と波長分散
平均分散とアッベ数
材料分散と構造分散
群速度と群遅延
第3章 干渉
光波の干渉
平面波と平面波の干渉
平面波と球面波の干渉
球面波と球面波の干渉
ヤングの干渉縞
反射防止膜
ホログラフィの記録原理
ホログラフィの再生原理
第4章 干渉計
干渉計と波面計測
マイケルソン干渉計
マッハツェンダ干渉計
シアリング干渉計
第5章 回折
回折積分
フレネル回折
フラウンホーファ回折
第6章 フラウンホーファ回折
フーリエ変換レンズ
ピンホールの回折
平面波の回折
矩形開口の回折
円形開口の回折
レーレの分解能
正弦波振幅格子の回折
2値振幅格子の回折
第7章 超解像技術
アポタイぜーション
超解像フィルタ
遮光帯を用いる方法
位相シフトマスク
ハーフトーン位相シフトマスク
第8章 偏光(I)
直線偏光と円偏光
偏光の種類
ジョーンズベクトル
ストークスパラメータ
第9章 偏光(II)
偏光子
位相板
フレネル係数
ブリュースタ角
透過率と反射率

5.フーリエ光学
第1章 解像限界、レンズによる結像
フラウンホーファ回折
短形開口のフラウンホーファ回折
円形開口のフラウンホーファ回折
レーレの分解能
レーレの条件
レンズの位相伝達関数
レンズを透過する光波の振幅
観測面における光波の振幅
第2章 レンズのフーリエ変換作用
空間フィルタリング
コンボリューション
相関
標本化定理
第3章 光学伝達関数(I)
瞳関数
点像関数
マレシャルの条件
伝達関数とインパルス応答
第4章 光学伝達関数(II)
光学伝達関数
コヒーレント結像
インコヒーレント結像
アッベの結像理論
第5章 変調伝達関数
正弦波格子の位相伝達関数
変調伝達関数の評価基準
スポットダイヤグラム
光学伝達関数の計算方法

6.レーザ光学
第1章 波動方程式
マクスウェルの方程式
静電磁場の波動方程式
平面波の伝搬
屈折率と光速度
第2章 ガウシアンビーム
ヘルツホルム方程式
ガウシアンビームの伝搬
強度分布
不均一な媒質中のビーム伝搬
第3章 光線行列
近軸光線の伝搬
主な光学要素の光線行列
光線方程式
レンズ媒質中の光線の伝搬
ガウシアンビームの半径
レンズによるガウシアンビームの伝搬
ビーム品質
第4章 コヒーレンス
時間情報と空間情報
時間的コヒーレンス
空間的コヒーレンス
干渉縞のコントラスト
コヒーレンス長(可干渉距離)
第5章 導波モード
スラブ型光導波路
偏波モード
単一モード
モードの歪み

7.屈折光学系の設計
第1章 ガウス光学
近軸光線
ガウス光学
球面の方程式
単一屈折球面による屈折
薄レンズによる屈折
第2章 光線行列
近軸光線の伝搬
光線行列
薄レンズの屈折過程
一様媒質の移行過程
薄レンズによる光線の伝搬
屈折平面
単一屈折球面
厚いレンズによる屈折
球面鏡による反射
分布屈折率型レンズ
第3章 厳密な光線追跡
移行過程
近軸光線追跡との関係
メリジオナル面とサジタル面
メリジオナル光線の追跡
第4章 収差の計算
波面収差と光線収差
波面収差
波面収差の表現方法
波面収差と光線収差の関係
ザイデルの5収差(3次収差)
非球面レンズの設計
スポットタイヤグラム
波動工学的な光学系の評価

8.回折光学系の設計
第1章  計算機ホログラム
ホログラフィの記録原理
ホログラフィの再生原理
正弦波振幅格子の回折
2値振幅格子の回折
ローマン型ホログラム
第2章 回折光学素子
干渉縞型ホログラム
直接位相計算法
設計手法
回折計算法
高屈折率法
第3章 色収差
分散とアッベ数
光学材料のアッベ数
分散特性
分散の大きさと符号
屈折系の色収差
縦の色収差と横の色収差
ハイブリッド色消しレンズ
屈折系アポクロマートレンズ
ハイブリッドアポクロマートレンズ
第4章 高効率化
バイナリオプティックス
バイナリオプティックスの製造方法
フレネルレンズ
第5章 応 用
多焦点レンズ
多点結像レンズ
平板光学系
発受光一体型素子
ブラッグ回折
ファイバーグレーティング

9.光線追跡の実際
第1章 プログラミング技術(I)-1
VBAの起動
セルの指定
第2章 プログラミング技術(I)-2
Dimステートメント
For...Next ステートメント
第3章 プログラミング技術(II)
If...Then...Else ステートメント
配 列
第4章 近軸光線追跡プログラム
積和演算プログラム
第5章 光線追跡プログラム
薄肉単レンズの光線追跡
厚肉単レンズの光線追跡
ガウシアンビームの光線追跡
厳密な光線追跡
第6章 回折光学素子の設計
干渉縞型ホログラム
直接位相計算法
第7章 レンズ設計の手順
スポットダイヤグラム
レンズ設計の流れ
必要なパラメータ
光線追跡の手順

10.マイクロオプティックスと実装
第1章 光変調デバイス
半導体レーザの発光原理
エッジエミッタ
発振モード
VCSEL(面発光レーザ)
外部変調器
第2章 マイクロレンズ(I)
ボールレンズ
モールドレンズ
分布屈折率(GRIN)レンズ
フレネルレンズ
回折レンズ
ハイブリッドレンズ
第3章 マイクロレンズ(II)
ガウシアンビームの伝搬
Fナンバと開口数
透過率と反射率(垂直入射の場合)
反射防止膜
第4章 光ファイバ
構造
導波モード
特性
伝送損失
第5章 その他の光デバイス
光アンプ
フォトダイオード
光アイソレータ
第6章 波長多重技術
波長多重光通信
光アド・ドロップ回路
ブラッグ回折
ファイバグレーティング
アレイ光導波路(AWG)
第7章  実装技術
プレーナ光波回路(PLC)
接続損失
パッシブアライメント
アクティブブアライメント
結像光学系
第8章 実際の光学系
走査光学系
光ディスク
ステッパ
光マイクロマシニング



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