CN116507956A - 利用扫描镜和转移工作台的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置 - Google Patents

利用扫描镜和转移工作台的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置 Download PDF

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CN116507956A CN202180073272.2A CN202180073272A CN116507956A CN 116507956 A CN116507956 A CN 116507956A CN 202180073272 A CN202180073272 A CN 202180073272A CN 116507956 A CN116507956 A CN 116507956A
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Abstract

本发明涉及使用扫描镜和转移工作台的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置。本发明提供了一种飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，包括：扫描光束生成单元，调制从光源分离的第一光束的相位，以通过第一透镜将第一光束转换为第一球面波，通过第二透镜将第二光束转换为第二球面波，然后使得第一球面波与第二球面波干涉，从而形成扫描光束；扫描单元，包括扫描镜和转移工作台，扫描镜用于在水平方向上控制扫描光束以将其传输至投射单元，转移工作台用于在投射单元的后端处在垂直方向上移动物体；投射单元，包括多个透镜系统和物镜，并且将从扫描单元传输的扫描光束投射在物体平面上；及光收集单元，用于检测在发荧光或从物体反射之后再次穿过物镜的光束，其中，根据形成在扫描镜上的第一球面波和第二球面波各者的圆锥角条件和焦点位置，投射在物体平面上的所述扫描光束具有不同的图案。

Description

利用扫描镜和转移工作台的飞越光束图案扫描全息图显微镜 装置
技术领域
本发明涉及使用扫描镜和转移工作台的飞越光束(flying-over beam)图案扫描全息图显微镜装置，并且更具体地，涉及能够高速实现高分辨率扫描全息显微镜的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置。
背景技术
常规的光学扫描全息显微镜通过使用干涉仪形成具有菲涅耳(Fresnel)波带板的空间分布的光束图案、通过物镜在物体平面上将形成的光束图案形成为高分辨率菲涅耳带图案、将光束图案投射在物体上并且通过机械方法移动在其上放置物体的物体板来扫描物体。通过将从物体发出荧光或反射的光束聚集在聚光透镜的傅里叶(Fourier)平面上来获得物体的全息图。
然而，在这种常规方法中，由于物体板被机械地移动，全息图获取速度慢，并且难以获取诸如活体等流体的全息图。
在韩国专利注册号1304695(2013年9月6日注册)中公开了作为本发明背景的技术。
发明内容
[技术问题]
本发明旨在提供一种使用扫描镜和转移工作台的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其能够高速实现高分辨率扫描全息显微镜。
[技术方案]
本发明提供了一种飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其包括：扫描光束生成单元，所述扫描光束生成单元调制从光源分离的第一光束的相位，以通过第一透镜将所述第一光束转换为第一球面波，通过第二透镜将第二光束转换为第二球面波，然后使得所述第一球面波和所述第二球面波相互干涉以形成扫描光束；扫描单元，所述扫描单元包括扫描镜和转移工作台，所述扫描镜用于在水平方向上控制入射的扫描光束以传输至投射单元，从而在水平和垂直方向上控制扫描光束对物体的扫描位置，所述转移工作台用于在所述投射单元的后端处在垂直方向上移动所述物体；投射单元，所述投射单元包括多个透镜系统和物镜，并且将从所述扫描单元传输的所述扫描光束投射在放置所述物体的物体平面上；以及光收集单元，所述光收集单元检测在发荧光或从物体反射之后再次穿过所述物镜的光束，其中，根据形成在所述扫描镜上的所述第一球面波和所述第二球面波各者的焦点位置和圆锥角条件，投射在所述物体平面上的所述扫描光束具有不同的图案。
此外，根据形成在所述扫描镜上的所述第一球面波和所述第二球面波各者的焦点位置和圆锥角条件，投射在所述物体平面上的所述扫描光束可以被确定为以下干涉结构中的一种：所述物体平面上的会聚的球面波与平面波之间的干涉结构(第一图案)、所述物体平面上的发散的球面波与平面波之间的干涉结构(第二图案)、所述物体平面上的两个发散的球面波之间的干涉结构(第三图案)以及所述物体平面上的会聚的球面波与发散的球面波之间的干涉结构(第四图案)。
此外，所述投射单元可以包括第一透镜系统、第二透镜系统和所述物镜，第一透镜系统、第二透镜系统和物镜依次设置在所述扫描单元与所述物体平面之间，并且所述第一透镜系统的入瞳可以位于所述扫描镜中。
此外，当所述条件是第一条件时，所述第一球面波和所述第二球面波相对于所述物体平面可以分别变成平面波和会聚的球面波，使得投射在所述物体平面上的所述扫描光束在所述物体平面上具有在所述会聚的球面波与所述平面波之间的干涉结构，并且所述第一条件可以是这样的条件：所述第一球面波的焦点位置与所述第一透镜系统的所述入瞳的位置相同、所述第二球面波的焦点位置与所述第一透镜系统的所述入瞳的位置相同或在所述第一透镜系统的所述入瞳的前面，并且所述第一球面波的圆锥角和所述第二球面波的圆锥角(θ1，θ2)满足θ2≤θ1的条件。
此外，当所述条件是第二条件时，所述第一球面波和第二球面波相对于所述物体平面可以分别变成平面波和发散的球面波，使得投射在所述物体平面上的所述扫描光束在所述物体平面上具有在所述发散的球面波与所述平面波之间的干涉结构，并且所述第二条件可以是这样的条件：所述第一球面波的焦点位置与所述第一透镜系统的所述入瞳的位置相同、所述第二球面波的焦点位置与所述第一透镜系统的所述入瞳位置相同或在所述第一透镜系统的所述入瞳的后面，并且所述第一球面波的圆锥角和所述第二球面波的圆锥角(θ1，θ2)满足θ2≤θ1≤2θ2的条件。
此外，当所述条件是第三条件时，所述第一球面波和所述第二球面波相对于所述物平面可以都变成发散的球面波，使得投射在所述物体平面上的所述扫描光束在所述物体平面上具有在所述两个发散的球面波之间的干涉结构，并且所述第三个条件可以是这样的条件：所述第一球面波的焦点位置在所述第一透镜系统的所述入瞳的后面，所述第二球面波的焦点位置在所述第一球面波的所述焦点位置的后面，并且所述第一球面波的圆锥角和第二球面波的圆锥角(θ1，θ2)满足θ2≤θ1的条件。
此外，当所述条件是第四条件时，所述第一球面波和所述第二球面波相对于所述物体平面可以分别变成会聚的球面波和发散的球面波，使得投射在所述物体平面上的扫描光束在所述物体表面上具有在所述会聚的球面波与所述发散的球面波之间的干涉结构，并且所述第四条件可以是这样的条件：所述第一球面波的焦点位置在所述第一透镜系统的所述入瞳的前面，所述第二球面波的焦点位置在所述第一透镜系统的所述入瞳的后面，并且所述第一球面波的圆锥角和第二球面波的圆锥角(θ1，θ2)满足θ2<θ1，并且满足以下公式：
此外，响应于所述第一条件，所述第一透镜系统可以将所接收到的扫描光束传输至所述第二透镜系统，并且所述第一透镜系统和第二透镜系统可以满足以下公式的条件。
其中，θ1和θ2表示所述第一球面波和所述第二球面波的圆锥角(会聚半角)，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，表示所述第一透镜系统的接收角，f1表示所述第一透镜系统的有效焦距，/>表示所述第一透镜系统的前焦平面的会聚角，并且rsph1和rsph2表示所述第一透镜系统的入瞳平面上的所述第一球面波的半径和所述第二球面波的半径。
此外，响应于所述第二条件，所述第一透镜系统可以将所接收到的扫描光束传输至所述第二透镜系统，并且所述第一透镜系统和第二透镜系统可以满足以下公式的条件：
其中，θ1和θ2表示所述第一球面波和所述第二球面波的圆锥角(会聚半角)，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，表示所述第一透镜系统的接收角，f1表示所述第一透镜系统的有效焦距，/>表示所述第一透镜系统的前焦平面的会聚角，并且rsph1和rsph2表示所述第一透镜系统的入瞳平面上的所述第一球面波的半径和所述第二球面波的半径。
此外，响应于所述第三条件，所述第一透镜系统可以将所接收到的扫描光束传输至所述第二透镜系统，并且所述第一透镜系统和第二透镜系统可以满足以下公式的条件：
其中，θ1和θ2表示所述第一球面波和第二球面波的圆锥角(会聚半角)，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，表示所述第一透镜系统的接收角，f1表示所述第一透镜系统的有效焦距，/>表示所述第一透镜系统的前焦平面的会聚角，并且rsph1和rsph2表示所述第一透镜系统的入瞳平面上的所述第一球面波的半径和第二球面波的半径。
此外，响应于所述第四条件，所述第一透镜系统可以将所接收到的扫描光束传输至所述第二透镜系统，并且所述第一透镜系统和所述第二透镜系统可以满足以下公式的条件：
其中，θ1和θ2表示所述第一球面波和所述第二球面波的圆锥角(会聚半角)，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，表示所述第一透镜系统的接收角，f1表示所述第一透镜系统的有效焦距，/>表示所述第一透镜系统的前焦平面的会聚角，并且rsph1和rsph2表示所述第一透镜系统的入瞳平面上的所述第一球面波的半径和所述第二球面波的半径。
此外，响应于所述第一条件，所述物体平面上与所述第一球面波相对应的所述平面波的半径和所述物体平面上与所述第二球面波相对应的所述会聚的球面波的半径可以都小于或等于所述物镜的视场半径，如下面的公式所示：
其中，θ1和θ2表示所述第一球面波和所述第二球面波的圆锥角(会聚半角)，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，Fobj表示所述物镜的前焦平面的视场半径，f0表示所述物镜的有效焦距，并且f1和f2表示所述第一透镜系统和所述第二透镜系统的有效焦距。
此外，响应于所述第二条件，所述物体平面上与所述第一球面波相对应的所述平面波的半径和所述物体平面上与所述第二球面波相对应的所述发散的球面波的半径可以都小于或等于所述物镜的视场半径，如下面的公式所示：
其中，θ1和θ2表示所述第一球面波和所述第二球面波的圆锥角(会聚半角)，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，Fobj表示所述物镜的前焦平面的视场半径，f0表示所述物镜的有效焦距，并且f1和f2表示所述第一透镜系统和所述第二透镜系统的有效焦距。
此外，响应于所述第三条件，所述物体平面上与所述第一球面波相对应的所述发散的球面波的半径和所述物体平面上与所述第二球面波相对应的所述发散的球面波的半径可以都小于或等于所述物镜的视场半径，如下式所示：
其中，θ1和θ2表示所述第一球面波和所述第二球面波的圆锥角(会聚半角)，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，Fobj表示所述物镜的前焦平面的视场半径，f0表示所述物镜的有效焦距，并且f1和f2表示所述第一透镜系统和所述第二透镜系统的有效焦距。
此外，响应于所述第四条件，所述物体平面上与所述第一球面波相对应的会聚的球面波的半径和所述物体平面上与所述第二球面波相对应的所述发散的球面波的半径可以都小于或等于所述物镜的视场半径，如以下公式所示：
其中，θ1和θ2表示所述第一球面波和所述第二球面波的圆锥角(会聚半角)，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，Fobj表示所述物镜的前焦平面的视场半径，f0表示所述物镜的有效焦距，并且f1和f2表示所述第一透镜系统和所述第二透镜系统的有效焦距。
此外，所述第一透镜系统和所述第二透镜系统的光学不变性可以大于或等于所述物镜的光学不变性，如以下公式所示：
I1≥Iobj，I2≥Iobj，
其中，I1、I2和Iobj分别表示所述第一透镜系统、所述第二透镜系统和所述物镜的光学不变性。
此外，所述光收集单元可以包括：分光器，其设置在所述第二透镜系统与所述物镜之间，并且将穿过所述第二透镜系统的光束传输至所述物镜，并且将从所述物体反射并穿过所述物镜的光束反射至外部；第三透镜系统，其接收由所述分光器反射的光束；以及光电检测器，其检测穿过所述第三透镜系统的光束，其中，所述光电检测器的检测平面的尺寸满足下式：
或者/>
其中，Fpd表示所述检测平面的尺寸，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，f1至f3表示所述第一透镜系统至所述第三透镜系统的有效焦距，f0表示所述物镜的有效焦距，并且F0表示所述物镜的前焦平面的视场半径。
此外，所述光收集单元可以包括：分光器，其设置在所述第一透镜系统与所述第二透镜系统之间，并将穿过所述第一透镜系统的光束传输至所述第二透镜系统，并且将从所述物体反射并通过所述物镜穿过所述第二透镜系统的光束反射至外部；第三透镜系统，其接收由所述分光器反射的光束；第四透镜系统，其接收穿过所述第三透镜系统的光束；以及光电检测器，其检测穿过所述第四透镜系统的光束，其中，所述光电检测器的检测平面的尺寸满足下式：
或者/>
其中，Fpd表示所述检测平面的尺寸，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，f1至f4表示所述第一透镜系统至所述第四透镜系统的有效焦距，f0表示所述物镜的有效焦距，并且F0表示所述物镜的前焦平面的视场半径。
此外，所述光收集单元可以包括：分光器，其设置在所述第二透镜系统与所述物镜之间，并且将穿过所述第二透镜系统的光束传输至所述物镜，并且将从所述物体反射并穿过所述物镜的光束反射至外部；第三透镜系统，其接收由所述分光器反射的光束；第四透镜系统，其接收穿过所述第三透镜系统的光束；以及光电检测器，其检测穿过所述第四透镜系统的光束，其中，在所述光电检测器的所述检测平面上生成所述物镜的所述物体平面上的图像的空间频率转换光分布，并且所述光电检测器的所述检测平面的尺寸满足以下公式：
|0.1f4NAeff|≤|Fpd|，
其中，Fpd表示所述光电检测器的所述检测平面的尺寸，f4表示所述第四透镜系统的有效焦距，并且NAeff表示传输至所述物体平面的光束的有效数值孔径，并且被定义为所述第一球面波的数值孔径(NA1)与所述第二球面波的数值孔径(NA2)之间的差(NAeff＝|NA1-NA2|)，所述第一球面波和所述第二球面波被传输至所述物体平面。
此外，所述光收集单元可以包括：分光器，其设置在所述第一透镜系统与所述第二透镜系统之间，并且将穿过所述第一透镜系统的光束传输至所述第二透镜系统，并且将从所述物体反射并通过所述物镜穿过所述第二透镜系统的光束反射至外部；第三透镜系统，其接收由所述分光器反射的光束；以及光电检测器，其检测穿过所述第三透镜系统的光束，其中，在所述光电检测器的检测平面上生成所述物镜的所述物体平面上的图像的空间频率转换光分布，并且所述光电检测器的所述检测平面的尺寸满足以下公式：
|0.1f3NAeff|≤|Fpd|，
其中，Fpd表示所述光电检测器的所述检测平面的尺寸，f3表示所述第三透镜系统的有效焦距，并且NAeff表示传输至所述物体平面的光束的有效数值孔径，并且被定义为所述第一球面波的数值孔径(NA1)与所述第二球面波的数值孔径(NA2)之间的差(NAeff＝|NA1-NA2|)，所述第一球面波和所述第二球面波被传输至所述物体平面。
[有益效果]
根据本发明，通过物镜在物镜表面上形成高分辨率菲涅耳带图案作为扫描光束图案，并且在执行图案飞越物体的飞越扫描的同时，从物体反射的光束通过物镜成像到光电检测器的检测平面，从而高速实现高分辨率扫描式全息图显微镜。
附图说明
图1是示出了根据本发明第一实施方案的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置的图。
图2是示出了根据图1的CASE1的用于在物体平面上形成干涉结构的扫描光束生成单元的第一球面波和第二球面波生成条件的图。
图3A和图3B是分别示出了将透镜系统建模为通用光学系统和消球差光学系统的图。
图4是示出了根据本发明第二实施方案的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置的图。
图5是示出了根据图4的CASE2的用于在物体平面上形成干涉结构的扫描光束生成单元的第一球面波和第二球面波生成条件的图。
图6是示出了根据本发明第三实施方案的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置的图。
图7是示出了根据图6的CASE3的用于在物体平面上形成干涉结构的扫描光束生成单元的第一球面波和第二球面波生成条件的图。
图8是示出了根据本发明第四实施方案的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置的图。
图9是示出了根据图8的CASE4的用于在物体平面上形成干涉结构的扫描光束生成单元的第一球面波和第二球面波生成条件的图。
图10至图12是示出了图1所示的光收集单元的变形例的图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细说明本发明的实施方案，以便本发明所属领域的普通技术人员可以容易地实施本发明。然而，本发明可以以各种不同的形式实现，并且不限于本文所述的实施方案。为了清楚地说明本发明，附图中省略了与说明无关的部分，并且在整个说明书中为相似的部分分配了相似的附图标记。
将理解的是，当称一部分“连接至”另一部分时，它可以“直接连接至”另一部分或者“电连接至”另一部分，中间部分介入在其间。将理解的是，本文使用的术语“包含”、“包括”或“具有”指定了所述元素的存在，但不排除一个或多个其他元素的存在或增加。
下文中，将参照附图详细说明本发明的实施方案，以便本发明所属领域的普通技术人员可以容易地实施本发明。然而，本发明可以以各种不同的形式实现，并且不限于本文所述的实施方案。为了清楚地说明本发明，附图中省略了与说明无关的部分，并且在整个说明书中为相似的部分分配了相似的附图标记。
将理解的是，当称一部分“连接至”另一部分时，它可以“直接连接至”另一部分或者“电连接至”另一部分，中间部分介入在其间。将理解的是，本文使用的术语“包含”、“包括”或“具有”指定了所述元素的存在，但不排除一个或多个其他元素的存在或增加。
本发明涉及一种飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，并且提出了一种光学系统结构，该光学系统结构将由扫描光束生成单元产生的光束投射在待扫描的物体上，收集从物体反射或发荧光的光，并且将收集到的光传输至光电检测器。
根据本发明，通过物镜在物体平面上形成高分辨率菲涅耳带图案作为扫描光束图案，图案执行飞越扫描，其中，图案飞越物体，从被照射扫描光束图案的物体再次反射或发出荧光的光束通过物镜成像至光电检测器的检测平面，从而形成待扫描物体的图像，并且光电检测器的检测平面上的图像的光强度在空间上会聚。
本发明主要包括第一实施方案CASE 1至第四实施方案CASE 4，并且根据进入物体平面(其上放置物体的平面)的光束的形状对各个实施方案进行分类。
在第一实施方案CASE 1和第二实施方案CASE 2中，球面波和平面波彼此干涉并且进入物体平面。然而，在第一实施方案中，将由会聚的球面波和平面波形成的扫描光束施加至物体平面，并且在第二实施方案中，将由发散的球面波与平面波形成的扫描光束施加至物体平面。
在第三实施方案CASE 3和第四实施方案CASE 4中，球面波和球面波彼此干涉并且进入物体平面。然而，在第三实施方案中，将由两个发散的球面波形成的扫描光束施加至物体平面，并且在第四实施方案中，将由会聚的球面波和发散的平面波形成的扫描光束施加至物体平面。可以根据扫描光束生成单元中第一球面波和第二球面波生成条件来不同地确定这四个实施方案。
下文中，将参照附图更详细地说明根据本发明实施方案的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置。
图1是示出了根据本发明第一实施方案的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置的图。
如图1所示，根据本发明第一实施方案的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置100主要包括扫描光束生成单元110、扫描单元120、投射单元130和光收集单元140。该基本结构也适用于第二至第四实施方案。
首先，扫描光束生成单元110对由光源分成的第一光束和第二光束中的第一光束进行频移，以通过第一透镜115将第一光束转换为第一球面波，并且通过第二透镜116将第二光束转换为第二球面波，并且干涉第一球面波和第二球面波以形成扫描光束。
扫描光束生成单元110使用马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪结构，该结构通过将光源分成第一光束和第二光束来生成第一球面波和第二球面波，然后再次组合生成的两个光束。
扫描光束生成单元110包括光源、第一反射镜M1、第一分光器111、频移单元112、第二反射镜M2和第三反射镜M3、第一光束扩展器113和第二光束扩展器114、第一透镜115和第二透镜116以及干涉装置117。
光源是产生电磁波的部分。光源可以包括各种装置，例如，能够产生电磁波的激光发生器、发光二极管(LED)和用于产生诸如具有短相干长度的卤素光等低相干光束的装置。下文中，将实施为激光发生器的光源作为代表性示例。
从光源输出的光束被传输至第一反射镜M1，被反射，然后被输入至第一分光器111。
第一分光器111将入射光束分成第一光束和第二光束，将第一光束传输至相位调制装置112(声光调制器)，并且将第二光束传输至第三反射镜M3。即，在第一分光器111中沿第一光束路径的光束被传输至相位调制装置112，并且沿第二光束路径的光束被传输至第三反射镜M3。
这里，第一分光器111可以包括光纤耦合器、分束器、几何相位透镜等，并且可以通过引导自由空间将光束传输至外部的方式来实现。这里，在使用诸如几何相位透镜等能够同轴(in-line)分割光束的装置的情况下，光束可以被同轴分成第一光束和第二光束。下文中，假定各分光器实现为分束器。
相位调制器112对第一光束进行频移，并且将频移后的第一光束传输至第二反射镜M2。相位调制单元112可以通过使用由函数发生器(未图示)生成的频率将第一光束的频率偏移Ω，并且将频移后的第一光束传输至第二反射镜M2。这里，可以将相位调制装置112实现为根据电信号调制光相位的各种类型的调制器，包括声光调制器和电光调制器。
从第二反射镜M2反射的第一光束被第一光束扩展器113扩展，然后被传输至第一透镜115。从第三反射镜M3反射的第二光束被第二光束扩展器114扩展，然后被传输至第二透镜116。可以将光束扩展器实现为准直器。
第一透镜115位于第一光束扩展器113与干涉装置117之间，将扩展的第一光束转换成第一球面波，并且将第一球面波传输至干涉装置117。即，第一透镜115调制第一光束的空间分布以从第一光束产生第一球面波。
第二透镜116位于第二光束扩展器114与干涉装置117之间，将扩展的第二光束转换成第二球面波，并且将第二球面波传输至干涉装置117。即，第二透镜116调制第二光束的空间分布以从第二光束产生第二球面波。
生成的第一球面波和第二球面波在穿过干涉装置117时彼此干涉，并且被传输至扫描单元120。可以将干涉装置117实现为分束器。
干涉装置117使穿过第一透镜115的第一光束(第一球面波)和穿过第二透镜116的第二光束(第二球面波)重叠并使它们干涉，并且形成具有菲涅耳带图案的扫描光束作为干涉图案。
如上所述，扫描光束生成单元110将从光源分成的第一光束和第二光束转换为第一球面波和第二球面波，通过干涉装置117将第一球面波和第二球面波叠加以形成扫描光束，并且将形成的扫描光束传输至扫描单元120。
接下来，将更详细地说明图1所示的扫描单元的构成。
由扫描光束生成单元110生成的第一球面波与第二球面波之间生成的干涉图案(扫描光束)入射在扫描单元120上。入射在扫描单元120上的光束经由扫描镜121(x-扫描镜)被传输至投射单元130的第一透镜系统131。
扫描单元120包括扫描镜121和转移工作台122，扫描镜121安装在扫描光束生成单元111的后端处以在x方向上扫描物体，转移工作台122安装在投射单元130的后端处以在y方向上扫描物体，从而在水平方向和垂直方向上控制扫描光束相对于物体的扫描位置。
扫描镜121在水平方向上控制从扫描光束生成单元110入射的扫描光束，并且将扫描光束传输至投射单元130。转移工作台122还通过在垂直方向上直接移动接收从投射单元130的后端入射的扫描光束的物体，使得能够通过扫描光束对物体进行y方向扫描。
转移工作台122实现为使得放置物体的物体板在y轴方向上是可移动的，并且对应于可移动的物体板。转移工作台122与扫描镜121物理分离，但对应于用于控制光束相对于物体的扫描位置的装置。因此，转移工作台122与扫描镜121一起被包括作为扫描单元120的部件。
如上所述，扫描单元120通过使用扫描镜121和转移工作台122，基于物体在水平方向(x方向)和垂直方向(y方向)上控制扫描光束。
在本发明的实施方案中，扫描单元120使用反射镜扫描器。反射镜镜扫描器具有围绕y轴在x方向(左右方向)上扫描物体的x扫描镜121。在本发明的情况下，扫描单元140不限于反射镜扫描器，并且可以使用类似装置或其他已知的扫描装置。
扫描单元120通过从电子处理单元(未图示)内的扫描控制单元(未图示)接收扫描控制信号来操作。扫描控制单元(未图示)生成用于控制扫描单元120的扫描位置的扫描控制信号。这里，扫描控制信号可以包括用于分别在水平方向和垂直方向上控制扫描镜121和转移工作台122的水平扫描信号和垂直扫描信号。
此时，水平扫描信号是用于在水平方向(x轴方向)上以预设距离单位依次移动扫描位置的信号，并且具有用于以任意距离单位进行扫描移动的周期T。作为用于在垂直方向上移动转移工作台122的信号的垂直扫描信号是当完成对于任意y位置的x轴方向上的水平扫描操作时能够用于下一个y位置的水平扫描操作的转移工作台控制信号，并且具有比水平扫描信号大的周期。
响应于控制信号，第一球面波和第二球面波的光轴根据扫描镜121的旋转而旋转，并且具有旋转光轴的扫描光束图案被传输至投射单元130的第一透镜系统131。
这里，将非旋转基准光轴与旋转光轴之间的半角称为扫描角(θS)。例如，它可以指在扫描镜121的表面朝向z轴方向的状态下扫描镜121旋转的角度。
扫描单元120通过使用扫描镜121将第一球面波与第二球面波之间的干涉光束(扫描光束)传输至投射单元130，并且将干涉光束输入至第一透镜系统131。
投射单元130包括第一透镜系统132、第二透镜系统132和物镜133，它们依次设置在扫描单元120与物体平面之间，并且投射单元将从扫描单元120接收到的扫描光束投射在物体所处的物体平面上。
投射单元130通过物镜133在物体平面上形成高分辨率菲涅耳带图案作为扫描光束图案，并且执行图案飞越物体的飞越扫描。
光收集单元140检测在用扫描光束照射的物体发出荧光或被反射之后再次穿过物镜133的光束。此时，光收集单元140包括第三透镜系统142和光电检测器143。光收集单元140通过将从物体反射的光束通过物镜133成像在光电检测器143的检测平面上来形成物体的图像，并且在空间上整合和收集在检测平面上成像的图像的光强度。这里，当然，检测平面不仅可以位于成像图像的焦平面上，而且可以位于成像图像的散焦平面上。
光收集单元140可以通过生成与光总量成比例的电信号来收集和检测光检测器143的检测平面上的光强度。光收集单元140的结构可以具有各种实施方案。如图1所示，光收集单元140可以通过包括设置在第二透镜系统132与物镜133之间的第二分光器141以及第三透镜系统142和设置在第三透镜系统142后面的光电检测器143来构成。
从物体发出荧光或反射的光束通过物镜133进入第二分光器141，并且该光束通过第二分光器141反射，并且被传输至位于上端处的第三透镜系统142和光电检测器143。
下面将再次说明光收集单元140的更多不同结构。此外，光收集单元的各种结构可以应用于全部第一实施方案至第四实施方案。
下文中，将参照图1、图4、图6和图8详细描述本发明的第一实施方案至第四实施方案。
在本发明的实施方案中，投射在物体平面上的扫描光束的图案根据形成在扫描镜121上的第一球面波和第二球面波的焦点位置和圆锥角条件而变化。因此，将本发明分类为第一实施方案至第四实施方案。
对于第一实施方案至第四实施方案(图2、图5、图7和图9)，在扫描镜121上形成的第一球面波和第二球面波的产生条件不同。因此，实际进入物体平面的光束的形状也产生变化(图1、图4、图6和图8)。
在图1的第一实施方案的情况下，会聚的球面波和平面波进入物体平面。在图4的第二实施方案中，发散的球面波和平面波进入物体平面。在图6的第三实施方案中，两个发散的球面波进入物体平面。在图8的第四实施方案中，会聚的球面波和发散的球面波进入物体平面。
因此，在本发明的实施方案中，可以看出的是，根据在扫描镜121上形成的第一球面波和第二球面波的焦点位置和圆锥角条件，将投射在物体平面上的扫描光束确定为四个干涉结构中的一者。
具体地，投射在物体平面上的第一干涉结构是相对于物体平面在会聚的球面波与平面波之间的干涉结构(第一图案；图1的CASE 1)，并且第二干涉结构是在发散的球面波与平板波之间的干涉结构(第二图案；图4的CASE 2)。此外，第三干涉结构是在两个发散的球面波之间的干涉结构(第三图案；图6的CASE 3)，并且第四干涉结构是在会聚的球面波与发散的球面波之间的干涉结构(第四图案；参照图8的CASE 4)。
接下来，将详细说明用于实现CASE 1至CASE 4的扫描光束生成单元110的球面波生成条件。
[CASE 1]在会聚的球面波与平面波之间的干涉图案
图2是示出了根据图1的CASE 1的用于在物体平面上形成干涉结构的扫描光束生成单元的第一球面波和第二球面波生成条件的图。
在第一实施方案(CASE 1)中，第一球面波和第二球面波相对于物体平面分别成为平面波和会聚的球面波，并且投射在物体平面上的扫描光束在物体平面上具有在会聚的球面波与平面波之间的干涉结构。
如上所述，在CASE 1的情况下，相对于物体平面的会聚的球面波和平面波的干涉光束图案用作物体扫描的扫描光束图案的结构具有等于或低于物镜的分辨率的分辨率，但增加了物体可以位于物体平面上的深度区域。
为此，扫描光束生成单元110在图2所示的焦距和圆锥角条件下生成第一球面波和第二球面波。
参照图2，在CASE 1中，第一球面波的焦点位置与第一透镜系统131的入瞳的位置相同，并且第二球面波的焦点位置与第一透镜系统131的入瞳的位置相同或位于第一透镜系统131的前端处。此外，同时，CASE 1具有如下所示的第一球面波的圆锥角θ1等于或大于第二球面波的圆锥角θ2的条件。
[公式1]
θ1≥θ2
这里，当然，第一球面波和第二球面波各者的焦点位置和圆锥角可以根据诸如包括在扫描光束生成单元110中的第一透镜115和第二透镜116的焦距等规格来确定。
投射单元130将从扫描单元120接收到的光轴旋转的第一球面波和第二球面波传输至物镜133，并且物镜133将接收到的第一球面波和第二球面波传输至物镜133的物镜平面。
此时，第一透镜系统131的入瞳位于扫描镜121的扫描平面上。
由两个球面波形成的扫描光束通过扫描镜121被传输至第一透镜系统131。第一透镜系统131将接收到的扫描光束传输至第二透镜系统132。这里，第二透镜系统132的入瞳优选地位于与第一透镜系统131的出瞳相同的位置处。第二透镜系统132将扫描光束传输至物镜133。物镜133将接收到的扫描光束投射在物体平面上。此时，物镜133的入瞳的位置优选地位于与第二透镜系统132的出瞳相同的位置处。
在放置物体的物体平面上由具有上述结构的第一透镜系统131和第二透镜系统132转换成平面波的第一光束与转换成会聚的球面波的第二光束重叠。此时，根据扫描单元120的扫描，作为通过使为平面波的第一光束和为球面波的第二光束重叠而形成的干涉图案的菲涅耳带板图案在飞越物体时扫描物体。
这里，平面波在物体平面上的范围优选地大于会聚的球面波的范围，以防止分辨率的恶化。为此，第一球面波在第一透镜系统131的入瞳中的圆锥角θ1大于或等于第二球面波的圆锥角θ2(θ1≥θ2)。
除了图2所示的第一球面波和第二球面波的焦点位置和圆锥角条件(第一条件)之外，优选的是，第一透镜系统131和第二透镜系统132满足以下公式2作为其从属条件。
[公式2]
这里，θ1和θ2表示第一球面波和第二球面波的圆锥角(会聚半角)，θS表示在扫描单元120的扫描镜121处的扫描角，表示第一透镜系统的接收角，f1表示第一透镜系统131的有效焦距，/>表示第一透镜系统131的前焦平面的会聚角，并且rsph1和rsph2表示第一透镜系统131的入瞳平面上的第一球面波和第二球面波的半径。
这里，可以根据第一透镜系统131的入瞳的大小及其接收角来限制投射在物体平面上的平面波和球面波的范围。为了防止由于限制导致的全息图的分辨率的下降和视场的劣化，扫描单元120的扫瞄镜121的扫描角θS、各个球面波的会聚半角θ1和θ2以及第一透镜系统131的入瞳平面上的各个球面波的半径rsph1和rsph2优选地满足上面的公式2。
这里，构成透镜系统的参数的定义可以参照下面的图3。本发明的实施方案中包括的各光学系统可以以图3A或图3B的形式建模。
图3A和图3B是分别示出了将透镜系统建模为通用光学系统和消球差光学系统的图。
首先，在图3A的情况下，用通用光学系统的基本点和基本平面对透镜系统进行建模，并且图3B用消球差光学系统的基本点和基本平面进行建模。
当用图3A或图3B的基本点和基本平面对第一透镜系统131和第二透镜系统132建模时，将第一透镜系统131的入瞳的半径定义为r1，有效焦距定义为f1，接收角定义为第一透镜系统131的前焦平面的视场半径定义为F1并且会聚角定义为α′1。
类似地，将第二透镜系统132的入瞳的半径定义为r2，有效焦距定义为f2，接收角定义为第二透镜系统132的前焦平面的视场半径定义为F2，并且会聚角定义为/>
第一透镜系统131将从扫描单元120接收的第一球面波和第二球面波传输至第二透镜系统132。此时，为了在没有相位失真的情况下传输第一球面波和第二球面波，第二透镜系统132的入瞳优选地在与第一透镜系统131的出瞳相同的位置处。
第二透镜系统132通过第二分光器141将从第一透镜系统131接收到的第一球面波和第二球面波传输至物镜133。此时，为了在没有相位失真的情况下传输第一球面波和第二球面波，并且使第一球面波作为平行光入射在物镜的物体平面上，物镜133的入瞳优选地在与第二透镜系统132的出瞳相同的位置处。
这里，物镜133的入瞳的半径可以定义为r0，有效焦距可以定义为f0，接收角可以定义为物镜133的前焦平面的视场半径定义成F0，并且会聚角可以定义为/>
穿过第一透镜系统131、第二透镜系统132和物镜133的第一球面波在物镜133的物体平面上变成平面波。此时，为了防止由于扫描导致的分辨率的下降，平面波的半径优选地等于或小于物镜133的视场半径，并且这可以表示为下面的公式3。
[公式3]
这里，θ1表示第一球面波的会聚半角，θS表示扫描角，Fobj表示物镜133的前焦平面的视场半径，f0表示物镜133的有效焦距，并且f1和f2表示第一透镜系统和第二透镜系统的有效焦距。
此外，穿过第一透镜系统131、第二透镜系统132和物镜133的第二球面波在物镜133的物体平面上变成会聚的球面波。此时，为了防止由于扫描导致的分辨率的下降，物体平面上的会聚的球面波的半径优选地等于或小于物镜133的视场半径，并且这可以表示为下面的公式4。
[公式4]
这里，θ2表示第二球面波的会聚半角，并且其余参数与上述公式3中的相同。
如上所述，为了实现CASE 1，公式3和公式4的条件必须与公式2的条件一起满足。
即，与第一球面波相对应的物体平面上的‘平面波’的半径和与第二球面波相对应的物体平面上的‘会聚的球面波’的半径都必须小于或等于物镜133的视场半径Fobj。
这里，优选地，第一透镜系统131和第二透镜系统132还满足以下公式5的条件，即第一透镜系统131和第二镜头系统132的光学不变性大于或等于物镜133的光学不变性，以便传输最大匹配物镜133的分辨率和视角的扫描光束。
[公式5]
I1≥Iobj，I2≥Iobj
这里，I1、I2和Iobj分别表示第一透镜系统131、第二透镜系统132和物镜133的光学不变性。
此时，当透镜131、透镜132和透镜133各自是根据第一主近似的透镜模型时，Iobj＝r0 tanθ0＝F0 tanα0，在近轴近似模型的情况下，/>Iobj＝r0θ0＝F0α0，并且在消球差透镜系统的情况下，Iobj＝r0 sinθ0＝F0 sinα0。这里，假定透镜系统存在于自由空间中，但是当透镜系统存在于具有折射率为n的介质中时，光学不变形为n倍。
[CASE 2]在发散的球面波与平面波之间的干涉图案
图4是示出了根据本发明的第二实施方案的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置的图，并且图5是示出了根据图4的CASE 2的用于在物体平面上形成干涉结构的扫描光束生成单元的第一球面波和第二球面波生成条件的图。
如图4所示，根据本发明第二实施方案的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置200主要包括扫描光束生成单元210、扫描单元120、投射单元130和光收集单元140。将省略由与图1相同的附图标记表示的组件的冗余说明。
如上所述，在第二实施方案的情况下，装置的基本结构与第一实施方案的相同，但生成的扫描光束图案与第一实施方案的不同。即，通过扫描光束生成单元210的第一透镜215和第二透镜216获得的第一球面波和第二球面波的条件不同，并且原理如下。
在第二实施方案(CASE 2)中，第一球面波和第二球面波相对于物体平面分别变成平面波和发散的球面波，并且投射在物体平面上的扫描光束在物体平面上具有在发散的球面波与平面波之间的干涉结构。
如上所述，在CASE 2的情况下，将相对于物体平面的发散的球面波和平面波的干涉光束的图案用作物体扫描的扫描光束图案的结构的分辨率等于或高于物镜的。
为此，扫描光束生成单元210在如图5所示的焦距和圆锥角条件下生成第一球面波和第二球面波。
在图5的情况下，第一球面波的焦点位置与第一透镜系统131的入瞳的位置相同，并且第二球面波的焦点位置比第一球面波的焦点位置长，以便位于与第一透镜系统131的入瞳相同的位置处或者位于第一透镜系统131的入瞳的后面。同时，第一球面波和第二球面波的圆锥角θ1和θ2满足θ1≥θ2。
通过扫描单元120将由两个球面波形成的扫描光束传输至第一透镜系统131。第一透镜系统131将接收到的扫描光束传输至第二透镜系统132。第二透镜系统132的入瞳位于与第一透镜系统131的出瞳相同的位置处。第二透镜系统132将扫描光束传输至物镜133。物镜133将接收到的扫描光束投射在物体平面上。此时，物镜133的入瞳的位置位于与第二透镜系统132的出瞳相同的位置处。
在放置物体的物体平面上通过具有上述结构的第一透镜系统131和第二透镜系统132转换成平面波的第一光束与转换成发散的球面波的第二光束重叠。此时，根据扫描镜的扫描，通过重叠作为平面波的第一光束和作为球面波的第二光束而形成干涉图案的菲涅耳带板图案在飞越物体的同时扫描物体。
这里，为了防止分辨率下降，在物体平面上作为第一光束的平面波的范围优选地大于发散的球面波的范围。为此，如在上述公式1中，优选地满足第一球面波的圆锥角θ1等于或大于第二球面波的圆锥角θ2的条件。
以与第一实施方案(CASE 1)相同的方式应用第二实施方案(CASE 2)的其余条件(公式2至公式5)。
然而，在第二实施方案中，穿过第一透镜系统131、第二透镜系统132和物镜133的第一球面波在物镜133的物体平面上变成平面波，并且穿过第一透镜系统131、第二透镜系统132和物镜133的第二球面波在物镜133的物体平面上变成发散的球面波。
因此，在第二实施方案的情况下，公式3和公式4意味着，与第一球面波相对应的物体平面上的‘平面波’的半径和与第二球面波相对应的物体平面上的‘发散的球面波’的半径都必须小于或等于物镜133的视场半径Fobj。
[CASE 3]在发散的球面波与发散的球面波之间的干涉图案
图6是示出了根据本发明第三实施方案的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置的图，并且图7是示出了根据图6的CASE 3的用于在物体平面上形成干涉结构的扫描光束生成单元的第一球面波和第二球面波生成条件的图。
如图6所示，根据本发明第三实施方案的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置300主要包括扫描光束生成单元310、扫描单元120、投射单元130和光收集单元140。将省略由与图1相同的附图标记表示的组件的冗余说明。
如上所述，在第三实施方案的情况下，装置的基本结构与第一实施方案的相同，但是生成的扫描光束图案与第一实施方案的不同。即，通过扫描光束生成单元310的第一透镜315和第二透镜316获得的第一球面波和第二球面波的条件不同，并且原理如下。
在第三实施方案(CASE 3)中，第一球面波和第二球面波都相对于物平面变成发散的球面波，并且投射在物体平面上的扫描光束在物体平面上具有在两个发散的球面波之间的干涉结构。
如上所述，在CASE 3的情况下，将相对于物体平面的发散的球面波的干涉光束的图案用作物体扫描的扫描光束图案的结构的特征在于，增加了景深。
为此，扫描光束生成单元310在图7所示的焦距和圆锥角条件下生成第一球面波和第二球面波。
在图7的情况下，第一球面波的焦点位置位于第一透镜系统131的入瞳的后面，并且第二球面波的焦点位置比第一球面波的焦点位置长，并且位于第一球面波的焦点位置的更后面。同时，第一球面波的圆锥角θ1和第二球面波的圆锥角θ2具有满足θ1≥θ2的条件。
通过扫描单元120将由两个球面波形成的扫描光束传输至第一透镜系统131。第一透镜系统131将接收到的扫描光束传输至第二透镜系统132。第二透镜系统132的入瞳位于与第一透镜系统131的出瞳相同的位置处。第二透镜系统132将扫描光束传输至物镜133。物镜133将接收到的扫描光束投射在物体平面上。此时，物镜133的入瞳的位置位于与第二透镜系统132的出瞳位置相同的位置处。
在放置物体的物体平面上通过具有上述结构的第一透镜系统131和第二透镜系统132转换成发散的球面波的第一光束与转换成发散的球面波的第二光束重叠。此时，根据扫描镜的扫描，通过重叠作为球面波的第一光束和作为球面波的第二光束而形成干涉图案的菲涅耳带板图案在飞越物体的同时扫描物体。
这里，为了防止分辨率下降，在物体平面上作为第一光束的球面波的范围优选地大于作为第二光束的球面波的范围。为此，如在上述公式1中，优选地满足第一球面波的圆锥角θ1等于或大于第二球面波的圆锥角θ2的条件。
第三实施方案(CASE 3)的其余条件(公式2至公式5)与第一实施方案(CASE 1)的相同。此时，为了在没有相位失真的情况下传输第一球面波和第二球面波，并且使第一球面波作为球面波入射在物镜的物平面上，物镜133的入瞳优选地位于与第二透镜系统132的出瞳相同的位置处。
然而，在第三实施方案的情况下，穿过第一透镜系统131、第二透镜系统132和物镜133的第一球面波在物镜133的物体平面上变成‘发散的球面波’。此外，穿过第一透镜系统131、第二透镜系统132和物镜133的第二球面波在物镜133的物体平面上也变成‘发散的球面波’。
因此在第三实施方案的情况下，公式3和公式4意味着，与第一球面波相对应的物体平面上的‘发散的球面波’的半径和与第二球面波相对应的物体平面上的‘发散的球面波’的半径都必须小于或等于物镜133的视场半径Fobj。
[CASE 4]在会聚的球面波与发散的球面波之间的干涉图案
图8是示出了根据本发明第四实施方案的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置的图，图9是示出了根据图8的CASE 4的用于在物体平面上形成干涉结构的扫描光束生成单元的第一球面波和第二球面波生成条件的图。
如图8所示，根据本发明第四实施方案的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置400主要包括扫描光束生成单元410、扫描单元120、投射单元130和光收集单元140。将省略由与图1的附图标记相同的附图标记表示的组件的冗余说明。
如上所述，在第四实施方案的情况下，装置的基本结构与第一实施方案的相同，但是生成的扫描光束图案与第一实施方式的不同。即，通过扫描光束生成单元410的第一透镜415和第二透镜416获得的第一球面波和第二球面波的条件不同，并且原理如下。
在第四实施方案(CASE 4)中，第一球面波和第二球面波相对于物体平面分别变成会聚的球面波和发散的球面波，并且投射在物体平面上的扫描光束在物体平面上具有在会聚的球面波与发散的球面波之间的干涉结构。
如上所述，在CASE 4的情况下，将物体平面上的会聚的球面波和发散的球面波的干涉光束的图案用作物体扫描的扫描光束图案的结构的特征在于，分辨率比物镜的分辨率增加了更多。
为此，扫描光束生成单元410在图9所示的焦距和圆锥角条件下生成第一球面波和第二球面波。
参照图9，第一球面波的焦点位置位于第一透镜系统131的入瞳的前面，并且第二球面波的焦点位置位于第一镜头系统131的入瞳的更后面。此外，同时，第一球面波的圆锥角θ1和第二球面波的圆锥角θ2满足θ2<θ1。
通过扫描单元120将由两个球面波形成的扫描光束传输至第一透镜系统131。第一透镜系统131将接收到的扫描光束传输至第二透镜系统132。第二透镜系统132的入瞳位于与第一透镜系统131的出瞳相同的位置处。第二透镜系统132将扫描光束传输至物镜133。物镜133将接收到的扫描光束投射在物体平面上。此时，物镜133的入瞳的位置位于与第二透镜系统132的出瞳位置相同的位置处。
在放置物体的物体平面上通过具有上述结构的第一透镜系统131和第二透镜系统132转换成会聚的球面波的第一光束与转换成发散的球面波的第二光束重叠。此时，根据扫描镜的扫描，通过重叠作为球面波的第一光束和作为球面波的第二光束而形成干涉图案的菲涅耳带板图案在飞越物体的同时扫描物体。
此时，在物体平面上作为第一光束的球面波的范围优选地大于作为第二光束的球面波的范围，以防止分辨率下降。为此，如下面公式6所示，第一球面波的圆锥角θ1与第二球面波的圆锥角θ2之间的差的绝对值优选地小于第一球面波圆锥角θ1与第二球面波圆锥角θ2之和的绝对值的1/2。
[公式6]
除了图8所示的两个球面波的焦点位置和圆锥角条件(第四条件)之外，第一透镜系统131和第二透镜系统132需要满足下面公式7作为其从属条件。
[公式7]
这里，θ1和θ2表示所述第一球面波和第二球面波的圆锥角(会聚半角)，θS表示在扫描镜121处的扫描角，表示第一透镜系统131的接收角，f1表示第一透镜系统131的有效焦距，/>表示第一透镜系统131的前焦平面的会聚角，并且rsph1和rsph2表示所述第一球面波和第二球面波在第一透镜系统131的入瞳平面上的半径。
为了防止由于根据第一透镜系统131的入瞳的尺寸和接收角对投射在物体平面上的两个球面波的内容的限制导致的分辨率的下降和视场的恶化，第一透镜系统131的入瞳平面上的第一球面波和第二球面波的半径rsph1和rsph2优选地满足公式7。
第一透镜系统131将从扫描单元120接收到的第一球面波和第二球面波传输至第二透镜系统132。此时，为了在没有相位失真的情况下传输第一球面波和第二球面波，第二透镜系统132的入瞳优选地在与第一透镜系统131的出瞳相同的位置处。
第二透镜系统132通过第二分光器141将从第一透镜系统131接收到的第一球面波和第二球面波传输至物镜133。此时，为了在没有相位失真的情况下传输第一球面波和第二球面波，并且使第一球面波作为球面波入射在物镜的物体平面上，物镜133的入瞳优选地在与第二透镜系统132的出瞳相同的位置处。
此外，在第四实施方案中，穿过第一透镜系统131、第二透镜系统132和物镜133的第一球面波在物镜133的物体平面上变成会聚的球面波。此时，为了防止由于扫描导致的分辨率下降，球面波的半径优选地等于或小于物镜133的视场半径，并且这可以表示为下面的公式8。
[公式8]
这里，θ1表示第一球面波的会聚半角，θS表示扫描角，Fobj表示物镜133前焦平面的视场半径，f0表示物镜133的有效焦距，并且f1和f2表示第一透镜系统和第二透镜系统的有效焦距。
此外，穿过第一透镜系统131、第二透镜系统132和物镜133的第二球面波在物镜133的物体平面上变成‘发散的球面波’。此时，为了防止由于扫描导致的分辨率下降，物体平面上的发散的球面波的半径优选地等于或小于物镜133的视场半径，并且这可以表示为下面的公式9。
[公式9]
这里，θ2表示第二个球面波的会聚半角，并且其余参数与上述公式3中的相同。
因此，在第四实施方案的情况下，对应于第一球面波的物体平面上的‘会聚的球面波’的半径和对应于第二球面波的物体平面上的‘发散的球面波’的半径都必须小于或等于物镜133的视场半径Fobj。
如公式5所示，第四实施方案还具有第一透镜系统131和第二透镜系统132的光学不变性等于或大于物镜133的光学不变性的条件。
另一方面，在图1、图4、图6和图8的所有实施方案中，第一透镜系统和第二透镜系统可以实现为普通透镜、平凸透镜、双合透镜和复合消色差双合透镜，并且优选地为远心透镜系统，以便最小化由于扫描引起的光轴失真。
因此，第一透镜系统和第二透镜系统可以包括美国专利第4482217号的Plossl型眼透镜，并且可以包括远心透镜。此外，第一透镜系统可以包括复合扫描透镜，并且第二透镜系统可以包括复合镜筒透镜。
接下来，将参照图1更详细地说明通常适用于第一实施方案至第四实施方案的光收集单元的结构。由于图1的第一实施方案的发明所示的光收集单元的构成通常适用于第二实施方案至第四实施方案，因此以下将说明图1作为代表性示例。
[光收集单元]空间平面光收集方法
参照图1，由扫描光束生成单元110生成的扫描光束图案通过物镜133变成高分辨率菲涅耳带图案，并且根据扫描镜的旋转在指定的扫描位置处照射物体。照射的光束图案被物体反射并被传输至物镜133。物镜133通过第二分光器141将反射的光束传输至第三透镜系统142。
如上所述，图1的光收集单元140包括第二分光器141、第三透镜系统142和光电检测器143，并且执行空间光收集。
第二分光器141设置在第二透镜系统132与物镜133之间，将穿过第二透镜系统132的光束传输至物镜133，并且将从物体反射并且穿过物镜133的光束反射至第三透镜系统142。光电检测器143检测穿过第三透镜系统142的光束，并且可以实现为光电检测器。
第三透镜系统142接收由分光器141反射的光束，并且将光束传输至光电检测器143。这里，第三透镜系统142的入瞳的半径可以定义为r3，有效焦距可以定义为f3，接收角可以定义为第三透镜系统142的前焦平面的视场半径可以定义为F3，并且会聚角可以定义为/>
物镜133和第三透镜系统142根据扫描镜的旋转，在指定的扫描位置处，在光电检测器143的检测平面的方向上生成用菲涅耳带板照射的物体的图像。在这种情况下，当物镜133是无限远校正(infinite corrected)物镜时，第三透镜系统142的入瞳的位置优选地与物镜133的入瞳的位置相同。由扫描光束图案照射的物体的图像形成在第三透镜系统142的出瞳的位置处。
这里，光电检测器143的检测平面优选地位于形成图像的位置处，光电检测器143的检测平面的尺寸优选地等于或大于根据扫描在被扫描光束照射的整个区域中反射光束的检测平面上的图像的尺寸，并且照射区域不超过物镜133的视场。
因此，在图1所示的光收集单元140的结构中，光电检测器143的检测平面的尺寸Fpd优选地满足下面的公式10。
[公式10]
或者/>
这里，θS表示在扫描单元120的扫描镜121处的扫描角，f1至f3表示第一至第三透镜系统131、132和142的有效焦距，f0表示物镜133的有效焦距并且Fo表示物镜133地前焦平面的视场半径。
光电检测器143产生与检测平面上的光强度之和成比例的电信号，并且将电信号传输至电子处理单元(未图示)。电子处理单元(未图示)处理由光电检测器143检测的电信号以生成物体的全息图。
根据各结构的电子处理单元(未图示)可以不同，并且这可以参考本申请人先前提交的申请号为第10-2012-0002121号的韩国专利申请。
例如，电子处理单元(未图示)可以包括外差检测器、AD转换器、信号处理单元、存储单元和扫描控制单元。外差检测器可以通过使用从光电检测器接收的电信号和由函数发生器生成的具有频率Ω的外差调制信号来生成同相输出信号和正交相位输出信号。
AD转换器通过各信道接收同相信号和正交相位信号，并且将同相信号和正交相位信号转换为数字信号。转换后的数字电流信号与扫描单元的扫描位置一起提供给信号处理单元。信号处理单元根据转换后的数字信号生成物体的复全息图，并且存储单元存储生成的复全息图。每当在物体的特定位置上完成全息图处理时，扫描控制单元产生用于改变扫描装置的扫描位置的控制信号，并且将控制信号传输至扫描单元120。
在图1中，检测平面的位置是第三透镜系统142的出瞳的位置，并且优选地是物体的像平面。然而，检测平面的位置不必限于此，并且可以位于像平面的前侧和后侧。即使在这种情况下，检测平面的尺寸优选地满足公式10。
另一方面，如图1所示，作为最佳模式，已经说明了作为通过使用第一透镜系统131和第二透镜系统131传输扫描光束的本发明的实施方案。然而，在图1中，在不包括第一透镜系统131和第二透镜系统132的情况下，本发明可以包括扫描单元120、第二分光器141、物镜133和第三透镜系统142。在这种结构中，检测平面的尺寸优选地满足公式11。
[公式11]
或/>
在本发明的实施方案中，如图1所示，在最佳模式下，通过使用物镜133和第三透镜系统142在检测平面上生成物体图像。然而，当然，可以通过不使用第三透镜系统142而仅使用物镜133在检测平面上形成物体图像。
此外，在本发明的实施方案中，第二分光器141以最佳模式位于第二透镜系统132与物镜133之间。然而，本发明不必限于此，并且可以另外提出如以下图10至图12所示的变形结构(总共三个结构)。
图10至图12示出了图1所示的光收集单元的第一至第三变形例。当然，图10至图12所示的光收集单元的变形结构也对应于适用于本发明的所有第一实施方案至第四实施方案的结构。
首先，在图10的第一变形例的情况下，光收集单元150包括第二分光器151、第三透镜系统152、第四透镜系统153和光电检测器154。此时，与图1不同，第二分光器151位于第一透镜系统131与第二透镜系统132之间，并且通过使用第三透镜系统152和第四透镜系统153在光电检测器154的检测平面上形成图像。
即，第二分光器151设置在第一透镜系统131与第二透镜系统132之间，将穿过第一透镜系统131的光束传输至第二透镜系统132，并且通过物镜133将从物体反射并穿过第二透镜系统132的光束反射回第三透镜系统152。
第三透镜系统152接收由分光器反射的光束，并且将接收到的光束传输至第四透镜系统153。第四透镜系统153接收穿过第三透镜系统152的光束，并且将接收到的光束传输至光电检测器154。然后，光电检测器154检测穿过第四透镜系统153的光束。
当然，第三透镜系统152和第四透镜系统153的入瞳的半径可以定义为r3和r4，有效焦距可以定义为f3和f4，接收角可以定义为各前焦平面的视场半径可以定义为F3和F4，并且会聚角可以定义为/>
在如图10所示的光收集单元150的结构中，光电检测器154的检测平面的尺寸Fpd优选地满足以下公式12。
[公式12]
或者/>
这里，Fpd表示光电检测器154的检测平面的尺寸，θS表示扫描单元120的扫描镜121处的扫描角，f1至f4表示第一至第四透镜系统132、132、152和153的有效焦距，f0表示物镜133的有效焦距，并且Fo表示物镜133的前焦平面的视场半径。
在上面参照图1和图10所述的光收集单元140和150的情况下，示出了使用空间平面光收集技术的方法。与此不同，下面图11和图12所示的光收集单元160和170对应于使用空间频率平面光收集方法的方式。
[光收集单元]空间频率平面光收集方法
首先，在图11的第二变形例的情况下，光收集单元160包括第二分光器161、第三透镜系统162、第四透镜系统163和光电检测器164。与图1不同，可以看出的是，在第三透镜系统与光电检测器之间增加了第四透镜系统。
由扫描光束生成单元120生成的扫描光束图案通过物镜133变成高分辨率菲涅耳带图案，并且根据扫描镜的旋转在指定的扫描位置处照射物体。照射的光束图案被物体反射并且被传输至物镜133。
即，第二分光器161将穿过第二透镜系统131的光束传输至物镜133，并且将从物体反射并穿过物镜133的光束反射至第三透镜系统162。第三透镜系统162接收反射的光束并且将接收到的光束传输至第四透镜系统163，并且第四透镜体系163将接收到的束传输至光电检测器164的检测平面。
此时，优选地，物镜133的出瞳和第三透镜系统162的入瞳位于同一平面上，第三透镜系统162的出瞳位于与第四透镜系统163的入瞳相同的位置处，并且光电检测器164的检测平面位于第四透镜系统163的出瞳处。即，优选地，将物镜133、第三透镜系统162和第四透镜系统163定位为无焦系统。
在具有光电检测结构的光电检测器164的光电检测平面上生成物镜133的物体平面上的图像的空间频率转换光分布。
此时，如下面的公式13所示，光电检测器的检测平面的尺寸Fpd优选地大于或等于传输至物体平面的扫描光束的有效数值孔径与第四透镜系统163的焦距的乘积的0.1倍。
[公式13]
|0.1f4NAeff|≤|Fpd|
这里，将f4定义为第四透镜系统163的有效焦距，并且NAeff是传输至物体平面的光束的有效数值孔径，并且被定义为传输至物体平面的第一球面波的数值孔径NA1与第二球面波的数字孔径NA2之间的差NAeff＝|NA1-NA2|。
此时，NA1＝sin(Ω1)并且NA2＝sin(Ω2)。Ω1和Ω2是从物体平面观察时光束的发散角。在具有正发散的发散球面波的情况下，Ω1和Ω2为正发散角。在具有负发散的会聚的球面波的情况下，Ω1和Ω2是负发散角。在平面波的情况下，Ω1和Ω2为0。
在图1的第一实施方案(CASE 1)的情况下，由于第一球面波在物体平面上是平面波，因此NA1＝0，并且由于第二球面波在物体平面上是会聚的球面波，因此
在图4的第二实施方案(CASE 2)中，由于第一球面波在物体平面上是平面波，因此NA1＝0，并且由于第二球面波在物体平面上是发散的球面波，因此
在图6的第三实施方案(CASE 3)中，由于第一球面波在物体平面上是发散的球面波，因此并且由于第二球面波在物体平面上是发散的球面波，因此
在图8的第四实施方案(CASE 4)中，由于第一球面波在物体平面上是会聚的球面波，因此并且由于第二球面波在物体平面上是发散的球面波，因此/>
接下来，在图12的第四变形例的情况下，光收集单元170包括第二分光器171、第三透镜系统172和光电检测器173。此时，与图1不同，第二分光器171位于第一透镜系统131与第二透镜系统132之间。
由扫描光束生成单元120生成的扫描光束图案通过物镜133变成高分辨率菲涅耳带图案，并且根据扫描镜的旋转在指定的扫描位置处照射物体。照射的光束图案被物体反射并且被传输至物镜133。
物镜133通过第二透镜系统132将反射光束传输至第二分光器171。第二分光器171将接收到的光束反射回第三透镜系统172，并且第三透镜系统172接收光束并且将接收到光束传输至光电检测器173的检测平面。
此时，优选地物镜133的出瞳和第二透镜系统132的入瞳位于同一平面上，第二透镜系统132的出瞳位于与第三透镜系统172的入瞳相同的位置处，并且光电检测器164的检测平面位于第三透镜系统172的出瞳处。即，优选地，将物镜133、第二透镜系统132和第三透镜系统172定位为无焦系统。
在具有光电检测结构的光电检测器173的光电检测平面上生成物镜133的物体平面上的图像的空间频率转换光分布。
此时，如下面的公式14所示，光电检测器的检测平面的尺寸Fpd优选地大于或等于传输至物体平面的扫描光束的有效数值NAeff与第三透镜系统172的焦距f3的乘积的0.1倍。
[公式14]
|0.1f3NAeff|≤|Fpd|
在这种结构中，在图1的第一实施方案(CASE 1)的情况下，由于第一球面波在物体平面上是平面波，因此NA1＝0，并且由于第二球面波在物体平面上是会聚的球面波，因此
在图4的第二实施方案(CASE 2)中，由于第一球面波在物体平面上是平面波，因此NA1＝0，并且由于第二球面波在物体平面上是发散的球面波，因此
在图6的第三实施方案(CASE 3)中，由于第一球面波在物体平面上是发散的球面波，因此并且由于第二球面波在物体平面上是发散的球面波，因此
在图8的第四实施方案(CASE 4)中，由于第一球面波在物体平面上是会聚的球面波，因此并且由于第二球面波在物体平面上是发散的球面波，因此/>
另一方面，以图1的结构为例，当物体是荧光体时，可以使用分色镜代替第二分光器141。分色镜可以设置在扫描单元120与荧光体之间，并且可以传输由扫描单元120入射的干涉光束，将干涉光束传输至荧光体，反射从荧光体入射的荧光光束，并且将荧光光束传输至光电检测器164。分色镜是光传输单元，并且在扫描荧光体的过程中将从荧光体发射的荧光光束传输至光电检测器。分色镜在扫描单元与荧光体之间以设定角度倾斜。分色镜是设计成根据波长选择性地反射光的镜子。在本实施方案中，分色镜可以设计为传递干涉光束并且反射荧光光束。即，分色镜透射由扫描单元入射的干涉光束并且将干涉光束传输至荧光体，并且分色镜反射从荧光体入射的荧光光束并且将荧光光束传输至光电检测器。如上所述，分色镜设计为透射干涉光束的波长并且反射从荧光体发射的荧光光束的波长。这里，当然，干涉光束和荧光光束中各者的波长范围对应于预先已知的值。
据此，用于扫描荧光体的干涉光束(干涉图案)透射通过分色镜并且传输至荧光体。此外，在扫描期间从荧光体发射的荧光光束在到达分色镜后立即被反射，并且通过第三透镜系统传输至光电检测器。
根据如上所述的本发明，通过物镜在物体平面上形成高分辨率菲涅耳带图案作为扫描光束图案，并且在执行飞越扫描的同时，通过物镜将从物体反射的光束成像在光电检测器的检测平面上，从而高速实现了高分辨率扫描全息显微镜。
已经参照附图所示的实施方案说明了本发明，但是这只是示例。本领域普通技术人员将理解的是，可以对其进行各种变形和等效。因此，本发明的真正技术保护范围应当由所附权利要求的技术精神限定。

Claims (20)

1.一种飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，包括：
扫描光束生成单元，所述扫描光束生成单元调制从光源分离的第一光束的相位，以通过第一透镜将所述第一光束转换为第一球面波，通过第二透镜将第二光束转换为第二球面波，然后使得所述第一球面波和所述第二球面波相互干涉以形成扫描光束；
扫描单元，所述扫描单元包括扫描镜和转移工作台，所述扫描镜用于在水平方向上控制入射的扫描光束以传输至投射单元，从而在水平和垂直方向上控制扫描光束对物体的扫描位置，所述转移工作台用于在所述投射单元的后端处在垂直方向上移动所述物体；
所述投射单元，所述投射单元包括多个透镜系统和物镜，并且将从所述扫描单元传输的所述扫描光束投射在放置所述物体的物体平面上；以及
光收集单元，其检测在发荧光或从物体反射之后再次穿过所述物镜的光束，
其中，根据形成在所述扫描镜上的所述第一球面波和所述第二球面波各者的焦点位置和圆锥角条件，投射在所述物体平面上的所述扫描光束具有不同的图案。
2.根据权利要求1所述的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其中，根据形成在所述扫描镜上的所述第一球面波和所述第二球面波各者的焦点位置和圆锥角条件，投射在所述物体平面上的所述扫描光束被确定为以下干涉结构中的一种：所述物体平面上的会聚的球面波与平面波之间的干涉结构(第一图案)、所述物体平面上的发散的球面波与平面波之间的干涉结构(第二图案)、所述物体平面上的两个发散的球面波之间的干涉结构(第三图案)以及所述物体平面上的会聚的球面波与发散的球面波之间的干涉结构(第四图案)。
3.根据权利要求1所述的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其中，所述投射单元包括第一透镜系统、第二透镜系统和所述物镜，所述第一透镜系统、所述第二透镜系统和所述物镜依次设置在所述扫描单元与所述物体平面之间，并且所述第一透镜系统的入瞳位于所述扫描镜中。
4.根据权利要求3所述的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其中，当所述条件是第一条件时，所述第一球面波和所述第二球面波相对于所述物体平面分别变成平面波和会聚的球面波，使得投射在所述物体平面上的所述扫描光束在所述物体平面上具有在所述会聚的球面波与所述平面波之间的干涉结构，并且
所述第一条件是这样的条件：所述第一球面波的焦点位置与所述第一透镜系统的所述入瞳的位置相同、所述第二球面波的焦点位置与所述第一透镜系统的所述入瞳的位置相同或在所述第一透镜系统的所述入瞳的前面，并且所述第一球面波的圆锥角和所述第二球面波的圆锥角(θ1，θ2)满足θ2≤θ1的条件。
5.根据权利要求3所述的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其中，当所述条件是第二条件时，所述第一球面波和所述第二球面波相对于所述物体平面分别变成平面波和发散的球面波，使得投射在所述物体平面上的所述扫描光束在所述物体平面上具有在所述发散的球面波与所述平面波之间的干涉结构，并且
所述第二条件是这样的条件：所述第一球面波的焦点位置与所述第一透镜系统的所述入瞳的位置相同、所述第二球面波的焦点位置与所述第一透镜系统的所述入瞳位置相同或在所述第一透镜系统的所述入瞳的后面，并且所述第一球面波的圆锥角和所述第二球面波的圆锥角(θ1，θ2)满足θ2≤θ1≤2θ2的条件。
6.根据权利要求3所述的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其中，当所述条件是第三条件时，所述第一球面波和所述第二球面波相对于所述物体平面都变成发散的球面波，使得投射在所述物体平面上的所述扫描光束在所述物体平面上具有所述两个发散的球面波之间的干涉结构，并且
所述第三个条件是这样的条件：所述第一球面波的焦点位置在所述第一透镜系统的所述入瞳的后面，所述第二球面波的焦点位置在所述第一球面波的所述焦点位置的后面，并且所述第一球面波的圆锥角和所述第二球面波的圆锥角(θ1，θ2)满足θ2≤θ1。
7.根据权利要求3所述的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其中，当所述条件是第四条件时，所述第一球面波和所述第二球面波相对于所述物体平面分别变成会聚的球面波和发散的球面波，使得投射在所述物体平面上的所述扫描光束在所述物体平面上具有在所述会聚的球面波与所述发散的球面波之间的干涉结构，并且
所述第四条件是这样的条件：所述第一球面波的焦点位置在所述第一透镜系统的所述入瞳的前面，所述第二球面波的焦点位置在所述第一透镜系统的所述入瞳的后面，并且所述第一球面波的圆锥角和所述第二球面波的圆锥角(θ1，θ2)满足θ2<θ1，并且满足以下公式：
8.根据权利要求4所述的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其中，所述第一透镜系统将所接收到的扫描光束传输至所述第二透镜系统，并且所述第一透镜系统和所述第二透镜系统满足以下公式的条件：
其中，θ1和θ2表示所述第一球面波和所述第二球面波的所述圆锥角(会聚半角)，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，表示所述第一透镜系统的接收角，f1表示所述第一透镜系统的有效焦距，/>表示所述第一透镜系统的前焦平面的会聚角，并且rsph1和rsph2表示在所述第一透镜系统的入瞳平面上的所述第一球面波的半径和所述第二球面波的半径。
9.根据权利要求5所述的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其中，所述第一透镜系统将所接收到的扫描光束传输至所述第二透镜系统，并且所述第一透镜系统和所述第二透镜系统满足以下公式的条件：
其中，θ1和θ2表示所述第一球面波和所述第二球面波的所述圆锥角(会聚半角)，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，表示所述第一透镜系统的接收角，f1表示所述第一透镜系统的有效焦距，/>表示所述第一透镜系统的前焦平面的会聚角，并且rsph1和rsph2表示在所述第一透镜系统的入瞳平面上的所述第一球面波和所述第二球面波的半径。
10.根据权利要求6所述的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其中，所述第一透镜系统将所接收到的扫描光束传输至所述第二透镜系统，并且所述第一透镜系统和所述第二透镜系统满足以下公式的条件：
其中，θ1和θ2表示所述第一球面波和所述第二球面波的所述圆锥角(会聚半角)，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，表示所述第一透镜系统的接收角，f1表示所述第一透镜系统的有效焦距，/>表示所述第一透镜系统的前焦平面的会聚角，并且rsph1和rsph2表示在所述第一透镜系统的入瞳平面上的所述第一球面波和所述第二球面波的半径。
11.根据权利要求7所述的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其中，所述第一透镜系统将所接收到的扫描光束传输至所述第二透镜系统，并且所述第一透镜系统和所述第二透镜系统满足以下公式的条件：
其中，θ1和θ2表示所述第一球面波和所述第二球面波的所述圆锥角(会聚半角)，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，表示所述第一透镜系统的接收角，f1表示所述第一透镜系统的有效焦距，/>表示所述第一透镜系统的前焦平面的会聚角，并且rsph1和rsph2表示在所述第一透镜系统的入瞳平面上的所述第一球面波和所述第二球面波的半径。
12.根据权利要求8所述的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其中，所述物体平面上与所述第一球面波相对应的所述平面波的半径和所述物体平面上与所述第二球面波相对应的所述会聚的球面波的半径都小于或等于所述物镜的视场半径，如下式所示：
其中，θ1和θ2表示所述第一球面波和所述第二球面波的所述圆锥角(会聚半角)，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，Fobj表示所述物镜的前焦平面的视场半径，f0表示所述物镜的有效焦距，并且f1和f2表示所述第一透镜系统和所述第二透镜系统的有效焦距。
13.根据权利要求9所述的飞越光束图案扫描式全息图显微镜装置，其中，所述物体平面上与所述第一球面波相对应的所述平面波的半径和所述物体平面上与所述第二球面波相对应的所述发散的球面波的半径都小于或等于所述物镜的视场半径，如下式所示：
其中，θ1和θ2表示所述第一球面波和所述第二球面波的所述圆锥角(会聚半角)，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，Fobj表示所述物镜的前焦平面的视场半径，f0表示所述物镜的有效焦距，并且f1和f2表示所述第一透镜系统和所述第二透镜系统的有效焦距。
14.根据权利要求10所述的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其中，所述物体平面上与所述第一球面波相对应的所述发散的球面波的半径和所述物体平面上与所述第二球面波相对应的所述发散的球面波的半径都小于或等于所述物镜的视场半径，如下式所示：
其中，θ1和θ2表示所述第一球面波和所述第二球面波的所述圆锥角(会聚半角)，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，Fobj表示所述物镜的前焦平面的视场半径，f0表示所述物镜的有效焦距，并且f1和f2表示所述第一透镜系统和所述第二透镜系统的有效焦距。
15.根据权利要求11所述的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其中，所述物体平面上对应于所述第一球面波的所述会聚的球面波的半径和所述物体平面上对应于所述第二球面波的所述发散的球面波的半径都小于或等于所述物镜的视场半径，如以下公式所示：
其中，θ1和θ2表示所述第一球面波和所述第二球面波的所述圆锥角(会聚半角)，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，Fobj表示所述物镜的前焦平面的视场半径，f0表示所述物镜的有效焦距，并且f1和f2表示所述第一透镜系统和所述第二透镜系统的有效焦距。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其中，所述第一透镜系统和所述第二透镜系统的光学不变性大于或等于所述物镜的光学不变性，如以下公式所示：
I1≥Iobj，I2≥Iobj,
其中，I1、I2和Iobj分别表示所述第一透镜系统、所述第二透镜系统和所述物镜的光学不变性。
17.根据权利要求3所述的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其中，所述光收集单元包括：
分光器，其设置在所述第二透镜系统与所述物镜之间，并且将穿过所述第二透镜系统的光束传输至所述物镜，并且将从所述物体反射并穿过所述物镜的光束反射至外部；
第三透镜系统，其接收由所述分光器反射的光束；以及
光电检测器，其检测穿过所述第三透镜系统的光束，
其中，所述光电检测器的检测平面的尺寸满足下式：
或者/>
其中，Fpd表示所述检测平面的尺寸，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，f1至f3表示所述第一透镜系统至所述第三透镜系统的有效焦距，f0表示所述物镜的有效焦距，并且F0表示所述物镜的前焦平面的视场半径。
18.根据权利要求3所述的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其中，所述光收集单元包括：
分光器，其设置在所述第一透镜系统与所述第二透镜系统之间，并且将穿过所述第一透镜系统的光束传输至所述第二透镜系统，并且将从所述物体反射并通过所述物镜穿过所述第二透镜系统的光束反射至外部；
第三透镜系统，其接收由所述分光器反射的光束；
第四透镜系统，其接收穿过所述第三透镜系统的光束；以及
光电检测器，其检测穿过所述第四透镜系统的光束，
其中，所述光电检测器的检测平面的尺寸满足下式：
或者/>
其中，Fpd表示所述检测平面的尺寸，θS表示在所述扫描单元的所述扫描镜处的扫描角，f1至f4表示所述第一透镜系统至所述第四透镜系统的有效焦距，f0表示所述物镜的有效焦距，并且F0表示所述物镜的前焦平面的视场半径。
19.根据权利要求3所述的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其中，所述光收集单元包括：
分光器，其设置在所述第二透镜系统与所述物镜之间，并且将穿过所述第二透镜系统的光束传输至所述物镜，并且将从所述物体反射并穿过所述物镜的光束反射至外部；
第三透镜系统，其接收由所述分光器反射的光束；
第四透镜系统，其接收穿过所述第三透镜系统的光束；以及
光电检测器，其检测穿过所述第四透镜系统的光束，
其中，在所述光电检测器的检测平面上生成所述物镜的所述物体平面上的图像的空间频率转换光分布，并且所述光电检测器的所述检测平面的尺寸满足以下公式：
|0.1f4NAeff|≤|Fpd|,
其中，Fpd表示所述光电检测器的所述检测平面的尺寸，f4表示所述第四透镜系统的有效焦距，并且NAeff表示传输至所述物体平面的光束的有效数值孔径，并且被定义为所述第一球面波的数值孔径(NA1)与所述第二球面波的数值孔径(NA2)之间的差(NAeff＝|NA1-NA2|)，所述第一球面波和所述第二球面波被传输至所述物体平面。
20.根据权利要求3所述的飞越光束图案扫描全息图显微镜装置，其中，所述光收集单元包括：
分光器，其设置在所述第一透镜系统与所述第二透镜系统之间，并且将穿过所述第一透镜系统的光束传输至所述第二透镜系统，并且将从所述物体反射并通过所述物镜穿过所述第二透镜系统的光束反射至外部；
第三透镜系统，其接收由所述分光器反射的光束；以及
光电检测器，其检测穿过所述第三透镜系统的光束，
其中，在所述光电检测器的检测平面上生成所述物镜的所述物体平面上的图像的空间频率转换光分布，并且所述光电检测器的所述检测平面的尺寸满足以下公式：
|0.1f3NAeff|≤|Fpd|，
其中，Fpd表示所述光电检测器的所述检测平面的尺寸，f3表示所述第三透镜系统的有效焦距，并且NAeff表示传输至所述物体平面的光束的有效数值孔径，并且被定义为所述第一球面波的数值孔径(NA1)与所述第二球面波的数值孔径(NA2)之间的差(NAeff＝|NA1-NA2|)，所述第一球面波和所述第二球面波被传输至所述物体平面。
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