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フーリエ光学教育キット


  • Designed for Education, Demonstration, and Classroom Use
  • Easy-to-Use Kits Include Components Plus Educational Materials
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フーリエ光学キットを用いてフーリエ面内のパターンをフィルタリングすることにより、カメラ上の画像を操作できます。動画ではスリットを回転してクロス格子の画像を操作する方法をご紹介しています。
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フーリエ光学キット

  • 教育、実習、授業用に設計
  • 全てのハードウェアとツールが含まれるフォトニクスキット(PCは付属しません)
  • 組立て方と使用方法に関する詳細なマニュアルが付属

教育キットの詳細

  • 4f光学系を用いてフーリエ光学の原理を理解
  • クロム蒸着ガラス上の14の微細構造パターンの画像を操作
  • 顕微鏡による画像の形成および操作について学習
  • 様々な画像処理手法を実習

顕微鏡のようなイメージングシステムにおける画像形成は、試料による回折光が対物レンズによって集光されて生じる光の干渉と捉えることができます。物体のフーリエ変換はレンズ後方の焦点面(フーリエ面とも呼ばれる)に投影されますが、簡単な幾何光学では表すことができません。物体の像は2番目のレンズで結ばれますが、フーリエ面内のパターンを操作することで、その像に様々な変化を与えることができます。フーリエ光学の学習を通して、フーリエ変換と画像形成についての理解を深めることができます。

このキットでは、14種類の異なるパターンを有する、エッチングされたクロム蒸着ガラスのターゲットを観察用の物体とします。フーリエ面のパターンはビームスプリッタとレンズを用いてスクリーンに投影されるので、直接観察することができます。フーリエ面内のパターンは、クロム蒸着ガラスのマスク、回転スリットまたはアイリスを用いて変化させます。詳細なマニュアルには数学的・理論的な基礎事項や、フーリエ光学によって得られる様々な光学的効果を実習するための多数の演習問題が掲載されています。

Thorlabs教育用製品とキット

教育用製品シリーズでは、最先端の研究のみならず、多くの古典的な実験を網羅することにより、物理学、光学、フォトニクスの発展を促進することを目的としています。いずれのキットにも必要な部品が全て含まれており、詳しいセットアップの手順だけでなく教育内容も盛り込まれたマニュアルが付属します。これらの教育キットの価格は構成部品の合計金額で設定されており、付属の教材は無料でご提供しています。製品購入前あるいは購入後にかかわらず、技術的サポートが必要な場合は当社までご相談ください。

注:マニュアルと教材は英語でご用意しております。電源およびその他の電子機器は、100~230 VACの電圧に対応しています。ご不明な点は、当社までお問い合わせください。当社ウェブサイトに掲載されている製品の表示価格には、消費税が含まれておりません。

Fourier Optics Kit
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図1. フーリエ光学キットで組み立てられた水平顕微鏡

当社の教育用フーリエ光学キットは、教育現場、研究所、その他における教育目的にご利用いただけるよう設計されています。図1のように、このキットは4f光学系による水平顕微鏡のセットアップです。対物レンズの後方に直角方向のアームを配し、物体が形成するフーリエ変換パターンを直接観察できるようになっています。最終的な画像を見るには、セットアップの端にある観察用のCMOSカメラをPCに接続する必要があります。このセットアップでは、フーリエパターンの操作とそれによって変化する画像の観察を同時に行うことができます。

キットに付属するマニュアルには、フーリエ変換、フーリエ光学、および顕微鏡に関する主要な概念を学習するうえで必要とされる基礎的な理論や数学も記載されています。また、詳細なセットアップ方法のほか、フーリエ光学による画像操作について学習するために、様々な難易度の演習問題も掲載されています。

LED照明を使用した4f光学系の構築

キットの最初の演習では、LED照明を使用した4f光学系を構築します(図2参照)。この光学系は無限遠補正の水平顕微鏡としても機能します。このシステムにはケーラー照明が採用されており、均一な照明が得られるとともに強度やスポットサイズを独立に調整できます。このような簡略化された光学系では光学素子が顕微鏡ボディや対物レンズの筐体に隠れてしまうことがないため、顕微鏡および4fシステムのあらゆる動作原理を観察することができます。この準備段階の演習を行うことにより、システムを組み立てる前に各レンズの機能について学ぶことができます。

すべてのシステムが完成したら、様々なパターンがエッチングされた照射ターゲット(図3参照)を試料面に設置し、その画像がチューブレンズにより像面にあるカメラに投影されるようにします。 フーリエ面とチューブレンズの間の平行光の部分(infinity space)に設置されたビームスプリッタにより、フーリエ面のパターンは観察用スクリーンに投影されます。 

Fourier Optics Kit
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図2. 4f光学系の概略図
Fourier Optics Target   AB Overlap TargetFourier House TargetVertical Bars Grating45° Grid50 µm Grid15 µm Grating Babinet Grating6 µm PointsSmiley and BarsStar GratingTriangular Grating25 µm Grid10 µm Grid
図3. フーリエ光学キットに含まれるクロム蒸着ガラスのターゲット。各番号のセクションをクリックするとパターンの詳細図がご覧いただけます。スライド端の白いテキスト文字はガラスにエッチング加工されています。一方、詳細図内に記載されているその他の全ての線や寸法は参考のために示したものであり、実際のスライドには加工されていません。黒色の領域はクロムコーティングされており、白色の領域は透明なガラスです。

画像の操作

マニュアル内の多くの演習では、フーリエ光学を用いてカメラに投影される最終的な画像をどのように操作するかを学びます。様々なマスク、スリット、アイリスなどをビームスプリッタの前にあるフーリエ面に置くと、それによるパターンの変化をスクリーンで観察することができます。同時に、カメラには最終的な画像の変化が表示されます。この演習を通してフーリエ変換パターンのどの部分が画像のどの部分の情報を伝達しているのかを学ぶことができます。

Mask for Fourier Optics Kit
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図4. フーリエ光学キットに含まれるクロム蒸着ガラスのマスク

キットに含まれるカスタム仕様に基づいてエッチングされたクロム蒸着ガラスのターゲットには、フーリエフィルタリングの学習を行うのに便利な14種類の異なるパターンと図が描かれています。ターゲットには、それぞれ異なる格子定数を有する4種類のクロス格子、三角形の格子、星形の格子、異なる角度の直線格子で構成された家の配列、重なった文字、縦格子の背後に置かれたスマイルマークなどが描かれています。図3をクリックすると、ターゲットのすべてのレイアウトと各部分の詳しい寸法がご覧いただけます。 

このキットにはカスタム仕様に基づいてエッチングされたクロム蒸着ガラスのマスクも含まれていますが、これはフーリエ面内のパターンのフィルタリング用に設計されています。マスクには、フーリエパターンのメインの極大部分をマスキングする様々なサイズのドットや、ラインパターンを1つおきにマスキングするように精密に配置されたバー、三角形の格子のフーリエ変換パターン(図7参照)を1つおきにブロックするように設計されたカスタム仕様の星型模様が描かれています。マスクの詳細は図4でご覧いただけます。

光学的な演習の範囲は、簡単なクロス格子のフィルタリングで斜めの線を作る(図5参照)ことから、スマイルマークを縦格子から分離させる(図6参照)まで多岐にわたります。また、相補的構造の回折パターンは0次光を除いて同一であるというバビネの原理のような光学概念についても学ぶことができます。ドットマスクを使用することで、相補的な緑と黒の三角形で構成された格子の回折パターンの0次光をブロックできます(図7参照)。0次光がブロックされると、これらの三角形の差異に関する情報は失われ、緑の三角形だけが現れるようになります。

また、ソフトフォーカス(高次回折光の除去)やエッジ強調(低次回折光のブロック)などの画像処理の効果についても演習を行うことができます。このキットには、像を像面ではなくフーリエ面に投影するカスタム仕様の回折光学素子も含まれます。さらに、顕微鏡のイメージングが回折限界になる理由を理解する演習もございます。

Babinet's Principle Demonstrated with Fourier Optics
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図7. バビネの原理を三角形の格子(a)を用いて実習します。パターン(b)の0次光をドットマスクでブロックする(c)と、全て緑の同じ三角形の配列(d)が得られます。
Fourier Filtering of a Smiley Face
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図6. 縦格子とその背後にあるスマイルマーク(a)によってフーリエパターンのドット (b)が形成されます。スリットを用いて0次光のパターン以外をブロックする(c)と、格子の無いスマイルマーク(d)が得られます。
Fourier Filtering of Lattice
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図5. クロス格子のターゲット(a)によってフーリエ面にパターン(b)が形成されます。斜めのスリットでフーリエパターンをマスキングする(c)と、斜線の画像(d)が得られます。
Rail-Mounted Fourier Optics Kit
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フーリエ光学キットをレール構成にすると、すべての光学素子を1つの光軸に沿って簡単にアライメントすることができます。

フーリエ光学キットのその他のセットアップ

標準的なフーリエ光学キットに代わるセットアップを、特注品として2種類ご用意しています。1つはアライメントや調整が容易な光学レール上に組み立てるセットアップです。もう1つは、光源をLEDからレーザに変更したコンパクトタイプのキットです。

レールを使った構成

このセットアップでは、大部分の光学部品を1つの光軸上に配置することになります。教育担当者によっては、このように光学レールを使用して自由度を制限する方法を選ばれる方もいらっしゃいます。便宜上、当社のレールXT34およびキャリアXT34TR1を使用してレールベースのシステムを構成しました。

このレールシステムではすべての光学素子が1本の水平な線上に固定されるため、横方向の精密な位置決めをする必要がありません。従って、この方法は光学実験の経験がほとんどない学生に適しています。また、実験のセットアップや調整に要する時間を削減することもできます。一方、標準的なキットEDU-FOP2/Mを使用した場合には、実験室でよく使われるブレッドボード上での複雑な光学システムのアライメント方法を学ぶ機会が得られます。

レールを使ったフーリエ光学キットのご購入をお考えの場合は、当社までお問い合わせください。



レーザを使った構成

Fourier Optics Kit with Laser Illumination
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レーザを使ったフーリエ光学キットでは、そのセットアップがよりコンパクトになり、またフーリエ面での光強度も大きくなります。

フーリエ光学キットではLEDの代わりにレーザを使用することができます。この方法にはいくつかの利点と欠点があります。

利点:
レーザで照明すると、フーリエ面での回折パターンの光強度が大きくなります。レーザの強度はLEDに比べて非常に大きいため、フーリエ面の観察がしやすくなります。

また、レーザを使用することでいくつかの部品が不要になります。そのためセットアップがコンパクトになり、調整も容易になります。このことは、光学実験のセットアップを行う時間や経験が十分にない学生にとっては有益です。当社の半導体レーザーモジュールCPS532-C2は、ビーム径が十分に大きいためビームエキスパンダを使わずにターゲットに直接照射することができ、この実験には大変適しています。

欠点:
ケーラー照明用のLEDセットアップをレーザに変更すると、大きな欠点が3点ほど生じます。
1つ目は、標準的な顕微鏡との類似性が少なくなることです。集光および視野レンズのほか、視野および開口アイリスもセットアップから無くなるため、ケーラー照明や開口操作に関連する実験が行えなくなります。

Artifacts in Camera Image Due to Laser
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レーザ光源を使用した画像(a)とLED光源を使用した画像(b)

2つ目の欠点は、レーザの強度プロファイルがカメラに投影されてしまうことです。レーザーモジュールは均一な強度パターンを有していないため、ターゲットの画像にアーティファクトが現れます。例えば、半導体レーザーモジュールCPS532-C2のある1台を用いたときには、全てのパターンの左半分に明るいリング状の構造が現れました。左の写真はレーザ照明とLED照明の比較です。半導体レーザーモジュールは個体によって若干異なるため、レーザを用いた個々のセットアップごとに異なるアーティファクトが現れます。

3つ目の欠点は、コヒーレンスの果たす役割を学ぶための実験(マニュアルのセクション9.1参照)が行えないことです。

LEDの代わりにレーザを使ったフーリエ光学キットのご購入をお考えの場合は、当社までお問い合わせください。

フーリエ光学キットの構成部品

Fourier Optics Kit

当社のフーリエ光学キットはミリ規格とインチ規格の両方をご用意しております。ミリ規格とインチ規格で型番が異なる場合、特記がない限り、ミリ規格の型番ならびに寸法がカッコ内に記されています。

Item #DescriptionQty.
Mechanical Components
MB648 (MB15120/M)Aluminum Breadboard,
6" x 48" (15 cm x 120 cm)
1
RDF1Rubber Damping Feet, Set of Four2
PH2 (PH50/M)Ø1/2" (Ø12.7 mm) Post Holder, 2" (50 mm) Long11
BE1 (BE1/M)Ø1.25" (Ø31.8 mm) Pedestal Base Adapter11
CF125Clamping Fork13
TR2 (TR50/M)Ø1/2" (Ø12.7 mm) Post, 2" (50 mm) Long13
EDU-VS1 (EDU-VS1/M)Viewing Screen1
TR1.5 (TR30/M)Ø1/2" (Ø12.7 mm) Post, 1.5" (30 mm) Long1
BA2 (BA2/M)Mounting Base, 2" x 3" x 3/8" (50 mm x 75 mm x 10 mm)1
PH1.5 (PH30/M)Ø1/2" (Ø12.7 mm) Post Holder, 1.5" (30 mm) Long1
PH2E (PH50E/M)Ø1/2" (Ø12.7 mm) Pedestal Post Holder, 2" (50 mm) Long4
Targets and Masks
XYF1 (XYF1/M)XY Mount for 1" to 3" Rectangular Optics2
-Micro-Structured Target, Chrome on Glass, OD31
VA100 (VA100/M)Adjustable Mechanical Slit1
RSP1D (RSP1D/M)Rotation Mount for Ø1" Optic with Adjustable Zero1
SM1A6Threaded Adapter, Internal SM05 to External SM11
SM05T2Threaded Adapter, External SM05 to External SM05 1
-Micro-Structured Masks, Chrome on Glass, OD61
-Diatoms Slide1
FP01Plate Holder1
-Inverse Fourier Target1
-Set of Labels1
Item #DescriptionQty.
Light Source and Collimation
-Cold White LED, 1300 mA Max1
LEDD1BLED Driver, 1200 mA Max1
KPS101aPower Supply, 15 V, 2.4 A1
SM1RC (SM1RC/M)1.20" (Ø30.5 mm) Slip Ring1
SM1V10SM1 Adjustable Lens Tube, 0.81" Travel Range1
ACL2520U-AØ25 mm Aspheric Condenser Lens, f = 20.1 mm1
SM1RRCExtra-Thick SM1 Retaining Ring1
Optical Components
TRF90 (TRF90/M)90° Flip Mount1
FB550-40Ø1" Bandpass Filter, 550 nm CWL, 40 nm FWHM1
LMR1 (LMR1/M)Ø1" Lens Mount4
ID12 (ID12/M)Iris, 12 mm Max Aperture, on TR3 (TR75/M) Post2
ID25 (ID25/M)Iris, 25 mm Max Aperture, on TR3 (TR75/M) Post1
AC254-150-AØ1" Achromatic Doublet, f = 150 mm2
SM1L05SM1 Lens Tube, 1/2" Long1
AC254-050-AØ1" Achromatic Doublet, f = 50 mm1
SM1ZMSM1 Zoom Housing for Ø1" Optics, 4.1 mm Travel1
AC254-030-AØ1" Achromatic Doublet, f = 30 mm1
KCP05 (KCP05/M)Optic Mount Centering Plate1
BS028Beamsplitter Cube, 90:10 (Reflection:Transmission)1
CCM1-4ER (CCM1-4ER/M)Housing for Beamsplitter Cube1
CS165CU (CS165CU/M)CMOS Color Camera, 1440 x 1080 Pixels1
SM1L30SM1 Lens Tube, 3" Long1
SM1EC2BSnap-On Plastic Dust Caps for SM1 Lens Tubes,
5 Pack
1
LB1901Ø1" N-BK7 Bi-Convex Lens, f = 75.0 mm1
LMR1APAlignment Plate for Ø1" Fixed Lens Mounts1
SMR1 (SMR1/M)Ø1" Lens Mount without Retaining Lip1

インチ規格:付属のネジとレンチ類

Item #DescriptionQty.Item #DescriptionQty.
BD-3/163/16" Balldriver1SH8S025b8-32 Cap Screw, 1/4" Long2
-0.035" Hex Key1SH25S038b1/4"-20 Cap Screw, 3/8" Long16
-5/64" Hex Key1SH25S050b1/4"-20 Cap Screw, 1/2" Long8
-9/64" Hex Key1SS25S050b1/4"-20 Setscrew, 1/2" Long1
SPW606SM1 Spanner
Wrench
1SH25S063b1/4"-20 Cap Screw, 5/8" Long2
-Ruler, 12" (30 cm)1W25S050c 1/4" Washer17

ミリ規格:付属のネジとレンチ類

Item #DescriptionQty.Item #DescriptionQty.
BD-3/163/16" Balldriver1SH8S025b8-32 Cap Screw, 1/4" Long2
-0.035" Hex Key1SH25S038b1/4"-20 Cap Screw, 3/8" Long16
-5/64" Hex Key1SH25S050b1/4"-20 Cap Screw, 1/2" Long8
-9/64" Hex Key1SS25S050b1/4"-20 Setscrew, 1/2" Long1
SPW606SM1 Spanner
Wrench
1SH25S063b1/4"-20 Cap Screw, 5/8" Long2
-Ruler, 12" (30 cm)1W25S050c 1/4" Washer17
  • 日本国内向けの電源とアダプタが付属します。
  • ネジはこちらの製品型番で再注文することができます。表内に記載されている数量はキットに付属するネジの数です。
  • ワッシャはこちらの製品型番で再注文することができます。表内に記載されている数量はキットに付属するワッシャの数です。

ThorCam™ Camera用ソフトウェア

バージョン3.5.1

全てのソフトウェアがここでダウンロードできます。

Software Download

ソフトウェアのダウンロード

フーリエ光学キットはThorCam™ソフトウェアを用いてご使用いただくことをお勧めいたします。ソフトウェアのインストールと設定に関する説明はマニュアルに記載されています。

Gwyddion
このキットでは、一般的な画像操作プログラムのGwyddionも利用できます。ソフトウェアパッケージはこちらからダウンロードいただけます。

We would like to thank Kurt Thorn, formerly a Professor at the University of California, San Francisco, for his collaboration in the development of this kit. The prototype of the setup was published in his blog and used in an instructional video about Abbe differaction.

We cordially thank Anna Burvall from the KTH Royal Institute of Technology, Sweden, for sharing the idea for the Babinet field.

We would also like to thank Prof. Wilfried Sommer, head of the Institute for Subject-Related Methodology, for the Fourier house materials. The Institute for Subject-Related Methodology in Kassel is closely affiliated to Alanus University and has a strong link to the division for teaching materials of the Bildungswerk Beruf und Umwelt: http://www.lehrerseminar-forschung.de/shop/geraete/physik.html?klasse=3

We thank the team of the undergraduate lab of the Freie Universität Berlin for their idea for the quantitative measurements detailed in Chapter 9 of the manual.

Do you have ideas for an experiment that you would like to see implemented in an educational kit? Contact us through Tech Support; we'd love to hear your ideas.


Posted Comments:
jorge.hamann-borrero  (posted 2018-10-29 15:09:43.6)
Hi, at the TU-Dresden we would like to buy this Educational Kit (with the LED) + the CPS11K-EC Ø11 mm Laser Diode Module Mounting Kit. We need a formal quotation for this. Best regards, Jorge Hamann
swick  (posted 2018-11-21 04:09:21.0)
This is a response from Sebastian at Thorlabs. Thank you for the inquiry. I contacted you directly with the quotation.


+1 数量 資料 型番 - インチ規格 定価(税抜) 出荷予定日
EDU-FOP2 Support Documentation
EDU-FOP2Customer Inspired! フーリエ光学教育キット(インチ規格)
¥670,948
3-5 Days
+1 数量 資料 型番 - ミリ規格 定価(税抜) 出荷予定日
EDU-FOP2/M Support Documentation
EDU-FOP2/MCustomer Inspired! フーリエ光学教育キット(ミリ規格)
¥670,948
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