JP7557051B2 - スキャンミラーとトランスレーションステージとを使用したフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、スキャンミラーとトランスレーションステージとを使用したフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置に係り、より詳細には、高速で高解像度のスキャニングホログラム顕微鏡を具現することができるフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置に関する。

従来の光スキャニングホログラム顕微鏡は、干渉計を用いてフレネルゾーンプレート（Ｆｒｅｓｎｅｌ ｚｏｎｅ ｐｌａｔｅ）の空間分布を有するビームパターンを形成し、該形成したビームパターンを対物レンズを通じて対物面で高解像度のフレネルゾーンパターン（Ｆｒｅｓｎｅｌ ｚｏｎｅ ｐａｔｔｅｒｎ）で形成して物体に投射し、物体が置かれている対物板を機械的な方法で動く方式で物体をスキャンする。そして、物体から再び反射または蛍光されたビームを集光レンズのフーリエ面で集光する方式で物体のホログラムを獲得する。

しかし、このような従来の方式は、対物板を機械的な方法で動くことによって、ホログラム獲得速度が遅いだけではなく、生体のような流体のホログラムを獲得し難かった。

本発明の背景となる技術は、大韓民国登録特許第１３０４６９５号（２０１３．０９．０６公告）に開示されている。

本発明は、高速で高解像度のスキャニングホログラム顕微鏡を具現することができるスキャンミラーとトランスレーションステージとを使用したフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置を提供するところにその目的がある。

本発明は、光源から分割された第１ビームの位相を変調して第１レンズを通じて第１球面波に変換し、第２ビームを第２レンズを通じて第２球面波に変換した後、前記第１及び第２球面波を干渉させてスキャンビームを形成するスキャンビーム生成部；物体に対する前記スキャンビームのスキャニング位置を水平及び垂直方向に制御するように、入射された前記スキャンビームを水平方向に制御して投射部に伝達するスキャンミラーと、前記投射部の後端から前記物体を垂直方向に移動させるトランスレーションステージと、を含むスキャン部；複数のレンズ系と対物レンズとを含み、前記スキャン部から伝達されたスキャンビームを前記物体が位置した対物面に投射する投射部；及び前記物体から反射または蛍光された後、再び前記対物レンズを通過したビームを検出する集光部；を含み、前記対物面に投射されるスキャンビームは、前記スキャンミラーに結ばれる前記第１及び第２球面波の各焦点位置及び錐角の条件によって異なるパターンを有するフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置を提供する。

また、前記対物面に投射されるスキャンビームは、前記スキャンミラーに結ばれる前記第１及び第２球面波の各焦点位置及び錐角の条件によって、前記対物面で収束する球面波と平面波との干渉構造（第１パターン）、前記対物面で発散する球面波と平面波との干渉構造（第２パターン）、前記対物面で発散する２つの球面波間の干渉構造（第３パターン）、そして、前記対物面で収束する球面波と発散する球面波との干渉構造（第４パターン）のうち何れか１つのパターンで決定される。

また、前記投射部は、前記スキャン部と前記対物面との間に順次配された第１レンズ系、第２レンズ系及び前記対物レンズを含み、前記第１レンズ系の入射瞳は、前記スキャンミラーに位置しうる。

また、前記条件が第１条件であれば、前記第１及び第２球面波は、それぞれ対物面に対して平面波及び収束する球面波になって、前記対物面に投射されたスキャンビームは、前記対物面で収束する球面波と平面波との干渉構造を有し、前記第１条件は、第１球面波の焦点位置は、前記第１レンズ系の入射瞳の位置と同一であり、第２球面波の焦点位置は、前記第１レンズ系の入射瞳の位置と同じか、より前端に位置し、第１及び第２球面波の錐角（θ_１、θ_２）は、θ_２≦θ_１を満足する条件である。

また、前記条件が第２条件であれば、前記第１及び第２球面波は、それぞれ対物面に対して平面波及び発散する球面波になって、前記対物面に投射されたスキャンビームは、前記対物面で発散する球面波と平面波との干渉構造を有し、前記第２条件は、第１球面波の焦点位置は、前記第１レンズ系の入射瞳の位置と同一であり、第２球面波の焦点位置は、前記第１レンズ系の入射瞳の位置と同じか、より後端に位置し、第１及び第２球面波の錐角（θ_１、θ_２）は、θ_２≦θ_１≦２θ_２を満足する条件である。

また、前記条件が第３条件であれば、前記第１及び第２球面波は、それぞれ対物面に対していずれも発散する球面波になって、前記対物面に投射されたスキャンビームは、前記対物面で発散する２つの球面波間の干渉構造を有し、前記第３条件は、第１球面波の焦点位置は、前記第１レンズ系の入射瞳よりも後端に位置し、第２球面波の焦点位置は、第１球面波の焦点位置よりも後端に位置し、第１及び第２球面波の錐角（θ_１、θ_２）は、θ_２≦θ_１を満足する条件である。

また、前記条件が第４条件であれば、前記第１及び第２球面波は、それぞれ対物面に対して収束する球面波及び発散する球面波になって、前記対物面に投射されるスキャンビームは、前記対物面で収束する球面波と発散する球面波との干渉構造を有し、前記第４条件は、第１球面波の焦点位置は、前記第１レンズ系の入射瞳よりも前端に位置し、第２球面波の焦点位置は、前記第１レンズ系の入射瞳よりも後端に位置し、第１及び第２球面波の錐角（θ_１、θ_２）は、θ_２＜θ_１である同時に下記の数式を満足する条件である。

また、前記第１条件に対応して、前記第１レンズ系は、伝達されたスキャンビームを前記第２レンズ系に伝達し、前記第１及び第２レンズ系は、下記の数式の条件を満足するフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置：

また、前記第２条件に対応して、前記第１レンズ系は、伝達されたスキャンビームを前記第２レンズ系に伝達し、前記第１及び第２レンズ系は、下記の数式の条件を満足することができる。

また、前記第３条件に対応して、前記第１レンズ系は、伝達されたスキャンビームを前記第２レンズ系に伝達し、前記第１及び第２レンズ系は、下記の数式の条件を満足することができる。

また、前記第４条件に対応して、前記第１レンズ系は、伝達されたスキャンビームを前記第２レンズ系に伝達し、前記第１及び第２レンズ系は、下記の数式の条件を満足することができる。

また、前記第１条件に対応して、第１球面波と対応した前記対物面での平面波の半径と、前記第２球面波と対応した前記対物面での収束する球面波の半径は、いずれも下記の数式のように、前記対物レンズの視野（ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ）の半径よりも小さいか、同じである。

ここで、θ_１及びθ_２は、第１及び第２球面波の錐角（収束半角）、θ_Ｓは、前記スキャン部のスキャンミラーでのスキャン角、Ｆ_ｏｂｊは、前記対物レンズの前焦点面で視野の半径、ｆ_０は、前記対物レンズの有効焦点距離、ｆ_１及びｆ_２は、第１及び第２レンズ系の有効焦点距離を示す。

また、前記第２条件に対応して、第１球面波と対応した前記対物面での平面波の半径と、前記第２球面波と対応した前記対物面での発散する球面波の半径は、いずれも下記の数式のように、前記対物レンズの視野の半径よりも小さいか、同じである。

ここで、θ_１及びθ_２は、第１及び第２球面波の錐角（収束半角）、θ_Ｓは、前記スキャン部のスキャンミラーでのスキャン角、Ｆ_ｏｂｊは、前記対物レンズの前焦点面で視野の半径、ｆ_０は、前記対物レンズの有効焦点距離、ｆ_１及びｆ_２は、第１及び第２レンズ系の有効焦点距離を示す。

また、前記第３条件に対応して、前記第１球面波に対応した前記対物面での発散する球面波の半径と、前記第２球面波と対応した前記対物面での発散する球面波の半径は、いずれも下記の数式のように、前記対物レンズの視野の半径よりも小さいか、同じである。

ここで、θ_１及びθ_２は、第１及び第２球面波の錐角（収束半角）、θ_Ｓは、前記スキャン部のスキャンミラーでのスキャン角、Ｆ_ｏｂｊは、前記対物レンズの前焦点面で視野の半径、ｆ_０は、前記対物レンズの有効焦点距離、ｆ_１及びｆ_２は、第１及び第２レンズ系の有効焦点距離を示す。

また、前記第４条件に対応して、前記第１球面波に対応した前記対物面での収束する球面波の半径と、前記第２球面波と対応した前記対物面での発散する球面波の半径は、いずれも下記の数式のように、前記対物レンズの視野の半径よりも小さいか、同じ条件を満足することができる。

ここで、θ_１及びθ_２は、第１及び第２球面波の錐角（収束半角）、θ_Ｓは、前記スキャン部のスキャンミラーでのスキャン角、Ｆ_ｏｂｊは、前記対物レンズの前焦点面で視野の半径、ｆ_０は、前記対物レンズの有効焦点距離、ｆ_１及びｆ_２は、第１及び第２レンズ系の有効焦点距離を示す。

また、前記第１及び第２レンズ系の光学的不変性（ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ）は、下記の数式のように、前記対物レンズの光学的不変性よりも大きいか、同じである。

ここで、Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_ｏｂｊは、それぞれ第１レンズ系、第２レンズ系及び対物レンズの光不変性を示す。

また、前記集光部は、前記第２レンズ系と前記対物レンズとの間に配されて、前記第２レンズ系を通過したビームを前記対物レンズに伝達し、前記物体から反射して、再び前記対物レンズを通過したビームを外部に反射させる光分割器と、前記光分割器から反射させたビームを入射される第３レンズ系、及び前記第３レンズ系を通過したビームを検出する光検出器と、を含み、前記光検出器の検出面のサイズは、下記の数式を満足することができる。

ここで、Ｆ_ｐｄは、前記光検出器の検出面のサイズ、θ_Ｓは、前記スキャン部のスキャンミラーでのスキャン角、ｆ_１ないしｆ_３は、第１ないし第３レンズ系の有効焦点距離、ｆ_０は、前記対物レンズの有効焦点距離、Ｆ_ｏは、前記対物レンズの前焦点面で視野の半径を示す。

また、前記集光部は、前記第１レンズ系と前記第２レンズ系との間に配されて、前記第１レンズ系を通過したビームを前記第２レンズ系に伝達し、前記物体から反射して、前記対物レンズを通じて前記第２レンズ系を通過したビームを外部に反射させる光分割器と、前記光分割器から反射させたビームを入射される第３レンズ系、前記第３レンズ系を通過したビームを入射される第４レンズ系、及び前記第４レンズ系を通過したビームを検出する光検出器と、を含み、前記光検出器の検出面のサイズは、下記の数式を満足することができる。

ここで、Ｆ_ｐｄは、前記光検出器の検出面のサイズ、θ_Ｓは、前記スキャン部のスキャンミラーでのスキャン角、ｆ_１ないしｆ_４は、第１ないし第４レンズ系の有効焦点距離、ｆ_０は、前記対物レンズの有効焦点距離、Ｆ_ｏは、前記対物レンズの前焦点面で視野の半径を示す。

また、前記集光部は、前記第２レンズ系と前記対物レンズとの間に配されて、前記第２レンズ系を通過したビームを前記対物レンズに伝達し、前記物体から反射して、再び前記対物レンズを通過したビームを外部に反射させる光分割器と、前記光分割器から反射させたビームを入射される第３レンズ系と、前記第３レンズ系を通過したビームを入射される第４レンズ系、及び前記第４レンズ系を通過したビームを検出する光検出器と、を含み、前記光検出器の検出面には、前記対物レンズの対物面にある像の空間周波数変換された光の分布が生成され、前記光検出器の検出面のサイズは、下記の数式を満足することができる。

また、前記集光部は、前記第１レンズ系と前記第２レンズ系との間に配されて、前記第１レンズ系を通過したビームを前記第２レンズ系に伝達し、前記物体から反射して、前記対物レンズを通じて前記第２レンズ系を通過したビームを外部に反射させる光分割器と、前記光分割器から反射させたビームを入射される第３レンズ系、及び前記第３レンズ系を通過したビームを検出する光検出器と、を含み、前記光検出器の検出面には、前記対物レンズの対物面にある像の空間周波数変換された光の分布が生成され、前記光検出器の検出面のサイズは、下記の数式を満足することができる。

本発明によれば、対物レンズを通じて対物面で高解像度のフレネルゾーンパターンをスキャニングビームパターンで形成し、当該パターンが物体上を飛び回るスキャン（ｆｌｙｉｎｇ－ｏｖｅｒ ｓｃａｎ）を行いながら、物体から反射したビームを対物レンズを通じて光検出器の検出面でイメージングすることにより、高速で高解像度のスキャニングホログラム顕微鏡を具現することができる。

本発明の第１実施形態によるフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置を示す図面である。 図１のＣＡＳＥ １による干渉構造を対物面に形成するためのスキャンビーム生成部の第１及び第２球面波の生成条件を示す図面である。 レンズ系を一般光学系及びアプラナティック光学系にそれぞれモデリングしたものを示す図面である。 レンズ系を一般光学系及びアプラナティック光学系にそれぞれモデリングしたものを示す図面である。 本発明の第２実施形態によるフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置を示す図面である。 図４のＣＡＳＥ ２による干渉構造を対物面に形成するためのスキャンビーム生成部の第１及び第２球面波の生成条件を示す図面である。 本発明の第３実施形態によるフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置を示す図面である。 図６のＣＡＳＥ ３による干渉構造を対物面に形成するためのスキャンビーム生成部の第１及び第２球面波の生成条件を示す図面である。 本発明の第４実施形態によるフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置を示す図面である。 図８のＣＡＳＥ ４による干渉構造を対物面に形成するためのスキャンビーム生成部の第１及び第２球面波の生成条件を示す図面である。 図１に示された集光部の変形例を示す図面である。 図１に示された集光部の変形例を示す図面である。 図１に示された集光部の変形例を示す図面である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について当業者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明は、さまざまな異なる形態として具現され、ここで説明する実施形態に限定されるものではない。そして、図面で本発明を明確に説明するために、説明と関係のない部分は省略し、明細書の全体にわたって類似した部分については、類似した図面符号を付ける。

明細書の全体において、ある部分が、他の部分と「連結」されているとする時、これは、「直接連結」されている場合だけではなく、その中間に他の素子を挟んで「電気的に連結」されている場合も含む。また、ある部分が、ある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対される記載のない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含みうることを意味する。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について当業者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明は、さまざまな異なる形態として具現され、ここで説明する実施形態に限定されるものではない。そして、図面で本発明を明確に説明するために、説明と関係のない部分は省略し、明細書の全体にわたって類似した部分については、類似した図面符号を付ける。

明細書の全体において、ある部分が、他の部分と「連結」されているとする時、これは「直接連結」されている場合だけではなく、その中間に他の素子を挟んで「電気的に連結」されている場合も含む。また、ある部分が、ある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対される記載のない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含みうることを意味する。

本発明は、フライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置に関するものであって、スキャンビーム生成部から生成されたビームをスキャン対象となる物体に投射し、物体から反射または蛍光された光を集光して光検出器に伝達する光学系構造を提案する。

このような本発明は、対物レンズを通じて対物面で高解像度のフレネルゾーンパターンをスキャニングビームパターンで形成して、当該パターンが物体上を飛び回るスキャンを行い、スキャニングビームパターンが照射された物体から再び反射または蛍光されたビームを対物レンズを通じて光検出器の検出面でイメージングすることにより、スキャン対象体である物体の像を形成させ、光検出器の検出面で像の光度を空間的に集積する。

このような本発明は、大きく第１ないし第４実施形態（ＣＡＳＥ １～４）を含むが、それぞれの実施形態は、対物面（物体が位置した面）に入るビームの形態によって区分される。

第１及び第２実施形態（ＣＡＳＥ １、ＣＡＳＥ ２）は、対物面に球面波と平面波とが干渉されて入る形態である。但し、第１実施形態は、収束する球面波と平面波とで形成されたスキャンビームが対物面に印加され、第２実施形態は、発散する球面波と平面波とで形成されたスキャンビームが対物面に印加される。

そして、第３及び第４実施形態（ＣＡＳＥ ３、ＣＡＳＥ ４）は、対物面に球面波と球面波が干渉されて入る形態である。但し、第３実施形態は、発散する２つの球面波によって形成されたスキャンビームが対物面に印加され、第４実施形態は、収束する球面波と発散する球面波とで形成されたスキャンビームが対物面に印加される。このような４種の実施形態は、スキャンビーム生成部での第１及び第２球面波の生成条件によって異なるように決定される。

以下、本発明の実施形態によるフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置を図面を通じてさらに具体的に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態によるフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置を示す図面である。

図１のように、本発明の第１実施形態によるフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置１００は、大きくスキャンビーム生成部１１０、スキャン部１２０、投射部１３０及び集光部１４０を含む。このような基本構造は、残りの第２ないし第４実施形態でも適用される。

まず、スキャンビーム生成部１１０は、光源から分割された第１及び第２ビームのうち、第１ビームを周波数遷移させて第１レンズ１１５を通じて第１球面波に変換し、第２ビームを第２レンズ１１６を通じて第２球面波に変換した後、第１及び第２球面波を干渉させてスキャンビームを形成する。

スキャンビーム生成部１１０は、光源を第１及び第２ビームに分割して第１及び第２球面波を生成後、生成された２つのビームを再び結合するマッハツェンダー干渉計の構造を使用する。

スキャンビーム生成部１１０は、光源、第１ミラー（Ｍ１）、第１光分割器１１１、周波数遷移手段１１２、第２及び第３ミラー（Ｍ２、Ｍ３）、第１及び第２ビーム拡大器１１３、１１４、第１及び第２レンズ１１５、１１６、そして、干渉手段１１７を含む。

光源は、電磁波を発生させる部分である。光源は、電磁波の発生が可能なレーザ発生器、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）、コヒーレンス長（ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｌｅｎｇｔｈ）が短いハロゲン光のように可干渉性（Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ）が低いビームなどの多様な手段を含みうる。以下、光源をレーザ発生器として具現したものを代表例示とする。

光源から出力されたビームは、第１ミラー（Ｍ１）に伝達された後、反射して第１光分割器１１１に入力される。

第１光分割器１１１は、入射されるビームを第１ビームと第２ビームとに分離して、第１ビームを位相変調手段１１２（音響－光変調器）に伝達し、第２ビームを第３ミラー（Ｍ３）に伝達する。すなわち、第１光分割器１１１で第１ビームの経路に沿うビームは、位相変調手段１１２に伝達され、第２ビームの経路に沿うビームは、第３ミラー（Ｍ３）に伝達される。

ここで、第１光分割器１１１は、光ファイバーカプラー（ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｃｏｕｐｌｅｒ）、ビームスプリッタ（ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）、幾何位相レンズ（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｐｈａｓｅ ｌｅｎｓ）などで構成され、自由空間を導波してビームを外部に伝達する方式で具現可能である。ここで、幾何位相レンズなど共軸上（ｉｎ－ｌｉｎｅ）でビームを分割することができる手段を用いる場合、共軸上で第１ビームと第２ビームとに分割することができる。以下、それぞれの光分割器をビームスプリッタとして具現したものを仮定する。

位相変調手段１１２は、第１ビームを周波数遷移させた後、第２ミラー（Ｍ２）に伝達する。位相変調手段１１２は、関数発生器（図示せず）から発生した周波数を用いて、第１ビームの周波数をΩほど遷移させて第２ミラー（Ｍ２）に伝達することができる。ここで、位相変調手段１１２は、音響光変調器（ａｃｏｕｓｔｏ－ｏｐｔｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）、電子光変調器（ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を含んだ電気信号によって光の位相を変調する多種の変調器として具現可能である。

第２ミラー（Ｍ２）から反射した第１ビームは、第１ビーム拡大器１１３によって拡張された後、第１レンズ１１５に伝達される。第３ミラー（Ｍ３）から反射した第２ビームは、第２ビーム拡大器１１４によって拡張された後、第２レンズ１１６に伝達される。ビーム拡大器は、コリメーターとして具現可能である。

第１レンズ１１５は、第１ビーム拡大器１１３と干渉手段１１７との間に位置し、拡張された第１ビームを第１球面波（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｗａｖｅ）に変換して干渉手段１１７に伝達する。すなわち、第１レンズ１１５は、第１ビームの空間分布を変調して第１ビームから第１球面波を生成する。

第２レンズ１１６は、第２ビーム拡大器１１４と干渉手段１１７との間に位置し、拡張された第２ビームを第２球面波に変換して干渉手段１１７に伝達する。すなわち、第２レンズ１１６は、第２ビームの空間分布を変調して第２ビームから第２球面波を生成する。

生成された第１及び第２球面波は、干渉手段１１７を通過しながら互いに干渉されてスキャン部１２０に伝達される。干渉手段１１７は、ビームスプリッタとして具現可能である。

干渉手段１１７は、第１レンズ１１５を通過した第１ビーム（第１球面波）と第２レンズ１１６を通過した第２ビーム（第２球面波）とを互いに重畳し、干渉させてフレネルゾーンパターンの干渉パターンを有するスキャンビームを形成する。

このように、スキャンビーム生成部１１０は、光源から分離された第１ビームと第２ビームとを第１及び第２球面波に変換後、干渉手段１１７を通じて互いに重畳させてスキャンビームを形成し、該形成したスキャンビームをスキャン部１２０に伝達する。

次は、図１に示されたスキャン部の構成をさらに詳しく説明する。

スキャンビーム生成部１１０で生成した第１及び第２球面波の間に発生した干渉パターン（スキャンビーム）は、スキャン部１２０に入射される。スキャン部１２０に入射されたビームは、スキャンミラー１２１（ｘ－スキャンミラー）を経て投射部１３０の第１レンズ系１３１に伝達される。

スキャン部１２０は、物体に対するスキャンビームのスキャニング位置を水平及び垂直方向に制御するように、スキャンビーム生成部１１０の後端に設けられて物体をｘ方向にスキャンするためのスキャンミラー１２１と投射部１３０の後端に設けられて物体をｙ方向にスキャンするためのトランスレーションステージ（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ）１２２とを含む。

スキャンミラー１２１は、スキャンビーム生成部１１０から入射されるスキャンビームを水平方向に制御して投射部１３０に伝達する。トランスレーションステージ１２２は、投射部１３０の後端でスキャンビームを入射される物体を直接垂直方向に移動させて、スキャンビームを通じた物体のｙ方向スキャンも可能にする。

このようなトランスレーションステージ１２２は、物体が置かれる対物板をｙ軸方向に移動可能に具現したものであって、移動する対物板に該当する。このようなトランスレーションステージ１２２は、スキャンミラー１２１と物理的に離れているが、物体に対するビームのスキャニング位置を制御する手段に該当するので、スキャンミラー１２１と共にスキャン部１２０の構成要素として含まれる。

このように、スキャン部１２０は、スキャンミラー１２１とトランスレーションステージ１２２とを用いて物体を基準にスキャンビームを水平方向（ｘ方向）と垂直方向（ｙ方向）とに制御する。

本発明の実施形態において、スキャン部１２０は、ミラースキャナーを使用する。ミラースキャナーは、物体をｙ軸を中心にｘ方向（左右方向）にスキャンするｘ－スキャンミラー１２１を有する。本発明の場合、スキャン部がミラースキャナーに限定されるものではなく、これと類似した手段または公知の他のスキャン手段が使われることもある。

スキャン部１２０は、電子処理部（図示せず）内のスキャン制御部（図示せず）からスキャニング制御信号を受けで動作する。スキャン制御部（図示せず）は、スキャン部１２０のスキャニング位置を制御するためのスキャニング制御信号を発生させる。ここで、スキャニング制御信号は、スキャンミラー１２１及びトランスレーションステージ１２２を水平方向及び垂直方向にそれぞれ制御するための水平スキャン信号及び垂直スキャン信号を含みうる。

この際、水平スキャン信号は、水平方向（ｘ軸方向）に対してスキャン位置を既定の距離単位ずつ順に移動させるための信号であって、任意距離単位のスキャン移動のための周期（Ｔ）を有している。トランスレーションステージ１２２を垂直方向に動く信号である垂直スキャン信号は、任意のｙ位置に対するｘ軸方向の水平スキャン動作が完了すれば、次のｙ位置に対する水平スキャン動作を可能にするトランスレーションステージ制御信号であって、その周期は、水平スキャン信号よりも大きい。

このような制御信号に対応して、スキャンミラー１２１の回転によって第１球面波と第２球面波との光軸が回転し、光軸が回転したスキャンビームパターンは、投射部１３０の第１レンズ系１３１に伝達される。

ここで、回転していない基準光軸と回転した光軸との間の半角をスキャン角（θ_Ｓ）と称する。例えば、スキャンミラー１２１の面が、ｚ軸方向を眺める状態でスキャンミラー１２１が回転した角度を意味する。

スキャン部１２０は、スキャンミラー１２１を用いて第１及び第２球面波間の干渉ビーム（スキャンビーム）を投射部１３０に伝達して第１レンズ系１３１に入力させる。

投射部１３０は、スキャン部１２０と対物面との間に順次配された第１レンズ系１３１、第２レンズ系１３２及び対物レンズ１３３を含み、スキャン部１２０から伝達されたスキャンビームを物体が位置した対物面に投射する。

このような投射部１３０は、対物レンズ１３３を通じて対物面で高解像度のフレネルゾーンパターンをスキャニングビームパターンで形成してパターンが物体上を飛び回るスキャンを行う。

集光部１４０は、スキャンビームが照射された物体から反射または蛍光された後、再び対物レンズ１３３を通過したビームを検出する。この際、集光部１４０は、第３レンズ系１４２及び光検出器１４３（フォトディテクター；ｐｈｏｔｏ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を含む。集光部１４０は、物体から反射したビームを対物レンズ１３３を通じて光検出器１４３の検出面でイメージングして物体の像を形成させ、検出面にイメージングされた像の光度を空間的に集積して集光する。ここで、検出面は、イメージングされた像の焦点面だけではなく、イメージングされた像の脱焦点された面に位置しても良いということはいうまでもない。

集光部１４０は、光検出器１４３の検出面で像の光度を光の総和に比例する電気信号を生成する方式で集光して検出することができる。集光部１４０の構造は、多様な実施形態を有することができるが、図１のように、第２レンズ系１３２と対物レンズ１３３との間に配される第２光分割器１４１、そして、その後端にそれぞれ配される第３レンズ系１４２及び光検出器１４３を含んで構成することができる。

物体から反射または蛍光されたビームは、対物レンズ１３３を通じて第２光分割器１４１に入り、このビームは、第２光分割器１４１を通じて反射して上端の第３レンズ系１４２及び光検出器１４３に伝達される。

集光部１４０のさらに多様な構造については、再び後述する。また、集光部の多様な構造は、第１ないし第４実施形態にいずれも適用可能である。

以下、図１、図４、図６、図８を通じて本発明の第１ないし第４実施形態を詳しく説明する。

本発明の実施形態において、対物面に投射されるスキャンビームのパターンは、スキャンミラー１２１に結ばれる第１及び第２球面波の各焦点位置と錐角の条件とによって互いに変わり、これにより、本発明は、第１ないし第４実施形態に区分される。

このような第１ないし第４実施形態別にスキャンミラー１２１に結ばれる第１及び第２球面波の生成条件が、それぞれ異なり（図２、図５、図７、図９）、これにより、実際の対物面に入るビームの形態も変わる（図１、図４、図６、図８）。

図１の第１実施形態の場合、収束する球面波と平面波とが対物面に入り、図４の第２実施形態は、発散する球面波と平面波とが対物面に入り、図６の第３実施形態は、発散する２つの球面波が対物面に入り、図８の第４実施形態は、収束する球面波と発散する球面波とが対物面に入る。

したがって、本発明の実施形態において、対物面に投射されるスキャンビームは、スキャンミラー１２１に結ばれる第１及び第２球面波の各焦点位置と錐角の条件とによって、４種の干渉構造のうち何れか１つに決定されることが分かる。

具体的に、対物面に投射される最初の干渉構造は、対物面に対して収束する球面波と平面波との干渉構造（第１パターン；図１のＣＡＳＥ １）であり、二番目の干渉構造は、発散する球面波と平面波との干渉構造（第２パターン；図４のＣＡＳＥ ２）である。また、三番目の干渉構造は、発散する２つの球面波間の干渉構造（第３パターン；図６のＣＡＳＥ ３）であり、四番目の干渉構造は、収束する球面波と発散する球面波との干渉構造（第４パターン；図８のＣＡＳＥ ４参照）である。

次は、ＣＡＳＥ １ないしＣＡＳＥ ４をそれぞれ具現するためのスキャンビーム生成部１１０の球面波の生成条件をより具体的に説明する。

［ＣＡＳＥ １］収束する球面波と平面波との干渉パターン

図２は、図１のＣＡＳＥ １による干渉構造を対物面に形成するためのスキャンビーム生成部の第１及び第２球面波の生成条件を示す図面である。

第１実施形態（ＣＡＳＥ １）において、第１及び第２球面波は、それぞれ対物面に対して平面波及び収束する球面波になって、対物面に投射されたスキャンビームは、対物面で収束する球面波と平面波との干渉構造を有する。

このように、ＣＡＳＥ １の場合、対物面に対して収束する球面波と平面波とが干渉されたビームのパターンを物体スキャニングのためのスキャンビームパターンで使用する構造であって、対物レンズの分解能と同じか、低いが、対物面で物体が位置しうる深さ領域が大きくなることを特徴とする。

このために、スキャンビーム生成部１１０は、図２に示された焦点距離及び錐角の条件で第１球面波及び第２球面波を生成する。

図２を参照すれば、ＣＡＳＥ １で第１球面波の焦点位置は、第１レンズ系１３１の入射瞳の位置と同一であり、第２球面波の焦点位置は、第１レンズ系１３１の入射瞳の位置と同じか、より前端に位置する。また、それと同時に第１球面波の錐角（θ_１）は、下記のように第２球面波の錐角（θ_２）よりも大きいか、同じ条件を有する。

ここで、もちろん、第１及び第２球面波のそれぞれの焦点位置及び錐角は、スキャンビーム生成部１１０に含まれた第１及び第２レンズ１１５、１１６の各焦点距離などの仕様によって決定される。

投射部１３０は、スキャン部１２０から伝達された光軸が回転した第１球面波と第２球面波とを対物レンズ１３３に伝達し、対物レンズ１３３は、伝達された第１球面波と第２球面波とを対物レンズ１３３の対物面に伝達する。

この際、第１レンズ系１３１の入射瞳（ｅｎｔｒａｎｃｅ ｐｕｐｉｌ）は、スキャンミラー１２１のスキャン面に位置する。

２つの球面波によるスキャンビームは、スキャンミラー１２１を通じて第１レンズ系１３１に伝達される。第１レンズ系１３１は、伝達されたスキャンビームを第２レンズ系１３２に伝達する。ここで、第２レンズ系１３２の入射瞳は、第１レンズ系１３１の出射瞳（ｅｘｉｔ ｐｕｐｉｌ）と同じ位置になるように位置することが望ましい。第２レンズ系１３２は、スキャンビームを対物レンズ１３３に伝達する。対物レンズ１３３は、伝達されたスキャンビームを対物面に投射する。この際、対物レンズ１３３の入射瞳の位置は、第２レンズ系１３２の出射瞳の位置のような場所に位置させることが望ましい。

物体が位置した対物面には、前述した構造を有する第１及び第２レンズ系１３１、１３２によって平面波に変換された第１ビームと、収束する球面波に変換された第２ビームと、が互いに重畳される。この際、スキャン部１２０のスキャニングによって平面波である第１ビームと球面波である第２ビームとの重畳で形成された干渉パターンであるフレネルゾーンパターンは、物体上を飛び回りながら物体をスキャンする。

また、図２に示した第１及び第２球面波の焦点位置及び錐角の条件（第１条件）に加えて、それに対する従属条件で第１及び第２レンズ系１３１、１３２は、下記の数式２を満足することが望ましい。

ここで、第１レンズ系１３１の入射瞳のサイズと受光角とによって対物面に投射される平面波と球面波とのサイズは制限されるが、これによるホログラムの分解能の低下及び視野低下を防ぐために、スキャン部１２０のスキャンミラー１２１でのスキャン角（θ_Ｓ）、各球面波の収束半角（θ_１、θ_２）、第１レンズ系１３１の入射瞳面での各球面波の半径（ｒ_ｓｐｈ１、ｒ_ｓｐｈ２）は、前記の数式２を満足することが望ましい。

ここで、レンズ系を構成した各パラメータに対する定義は、以下の図３を参照すれば良い。本発明の実施形態に含まれたそれぞれの光学系は、図３Ａまたは図３Ｂの形態でモデリングされる。

図３Ａ及び図３Ｂは、レンズ系を一般光学系及びアプラナティック（ａｐｌａｎａｔｉｃ）光学系にそれぞれモデリングしたものを示す図面である。

まず、図３Ａの場合、レンズ系を一般光学係のカーディナル点（ｃａｒｄｉｎａｌ ｐｏｉｎｔ）とカーディナル面（ｃａｒｄｉｎａｌ ｐｌａｎｅ）とでモデリングしたものであり、図３Ｂは、アプラナティック光学系のカーディナル点とカーディナル面とでモデリングしたものである。

第１レンズ系１３１は、スキャン部１２０から伝達された第１球面波と第２球面波とを第２レンズ系１３２に伝達するが、この際、第１球面波と第２球面波とを位相歪曲なしに伝達するために、第２レンズ系１３２の入射瞳は、第１レンズ系１３１の出射瞳と同じ位置であることが望ましい。

第２レンズ系１３２は、第１レンズ系１３１から伝達された第１球面波と第２球面波とを第２光分割器１４１を通じて対物レンズ１３３に伝達する。この際、第１球面波と第２球面波とを位相歪曲なしに伝達し、第１球面波が対物レンズの対物面に平行光で入射させるために、対物レンズ１３３の入射瞳は、第２レンズ系１３２の出射瞳と同じ位置であることが望ましい。

第１レンズ系１３１、第２レンズ系１３２及び対物レンズ１３３を通過した第１球面波は、対物レンズ１３３の対物面で平面波になるが、この際、スキャンによる分解能の低下を防ぐために、平面波の半径は、対物レンズ１３３の視野の半径と同じか、小さいことが望ましく、これは、下記の数式３のように表現される。

ここで、θ_１は、第１球面波の収束半角、θ_Ｓは、スキャン角、Ｆ_ｏｂｊは、対物レンズ１３３の前焦点面で視野の半径、ｆ_０は、対物レンズ１３３の有効焦点距離、ｆ_１及びｆ_２は、第１及び第２レンズ系の有効焦点距離を示す。

また、第１レンズ系１３１、第２レンズ系１３２及び対物レンズ１３３を通過した第２球面波は、対物レンズ１３３の対物面で収束する球面波になるが、この際、スキャンによる分解能の低下を防ぐために、対物面で収束する球面波の半径は、対物レンズ１３３の視野の半径と同じか、小さいことが望ましく、これは、下記の数式４のように表現される。

ここで、θ_２は、第２球面波の収束半角を示し、残りのパラメータは、前記数式３と同一である。

このように、ＣＡＳＥ １を具現するためには、数式２の条件と共に数式３と数式４との条件を満足しなければならない。

すなわち、第１球面波と対応した対物面での「平面波」の半径と第２球面波と対応した対物面での「収束する球面波」の半径は、いずれも対物レンズ１３３の視野の半径（Ｆ_ｏｂｊ）よりも小さいか、同じでなければならない。

ここで、第１及び第２レンズ系１３１、１３２は、対物レンズ１３３の分解能と視野角とに最大限符合するスキャンビームを伝達できるように、第１及び第２レンズ系１３１、１３２の光学的不変性は、対物レンズ１３３の光学的不変性よりも大きいか、同じである下記の数式５の条件をさらに満足することが望ましい。

ここで、Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_ｏｂｊは、それぞれ第１レンズ系１３１、第２レンズ系１３２及び対物レンズ１３３の光不変性を示す。

［ＣＡＳＥ ２］発散する球面波と平面波との干渉パターン

図４は、本発明の第２実施形態によるフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置を示す図面であり、図５は、図４のＣＡＳＥ ２による干渉構造を対物面に形成するためのスキャンビーム生成部の第１及び第２球面波の生成条件を示す図面である。

図４のように、本発明の第２実施形態によるフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置２００は、大きくスキャンビーム生成部２１０、スキャン部１２０、投射部１３０及び集光部１４０を含む。図１と同じ符号を有する構成要素についての重複説明は、省略する。

前述したように、第２実施形態の場合も、装置の基本構造は、第１実施形態と同一であるが、生成されるスキャンビームパターンは異なる。すなわち、スキャンビーム生成部２１０の第１及び第２レンズ２１５、２１６を通じて導出された第１及び第２球面波の条件が異なり、その原理は、次の通りである。

第２実施形態（ＣＡＳＥ ２）において、第１及び第２球面波は、それぞれ対物面に対して平面波及び発散する球面波になって、対物面に投射されたスキャンビームは、対物面で発散する球面波と平面波との干渉構造を有する。

このように、ＣＡＳＥ ２の場合、対物面に対して発散する球面波と平面波とが干渉されたビームのパターンを物体スキャニングのためのスキャンビームパターンで使用する構造であって、対物レンズの分解能と同じか、高い分解能を有することを特徴とする。

このために、スキャンビーム生成部２１０は、図５のような焦点距離及び錐角の条件で第１球面波及び第２球面波を生成する。

２つの球面波によるスキャンビームは、スキャン部１２０を通じて第１レンズ系１３１に伝達される。第１レンズ系１３１は、伝達されたスキャンビームを第２レンズ系１３２に伝達する。第２レンズ系１３２の入射瞳は、第１レンズ系１３１の出射瞳と同じ位置になるように位置する。第２レンズ系１３２は、スキャンビームを対物レンズ１３３に伝達する。対物レンズ１３３は、伝達されたスキャンビームを対物面に投射する。この際、対物レンズ１３３の入射瞳の位置は、第２レンズ系１３２の出射瞳の位置のような場所に位置させる。

物体が位置した対物面には、前述した構造を有する第１及び第２レンズ系１３１、１３２によって、平面波に変換された第１ビームと、発散する球面波に変換された第２ビームと、を重畳させる。この際、スキャンミラーのスキャニングによって平面波である第１ビームと球面波である第２ビームとの重畳で形成された干渉パターンであるフレネルゾーンパターンは、対象体上を飛び回りながら物体をスキャンする。

ここで、分解能の低下を防ぐために、対物面で第１ビームである平面波のサイズが発散する球面波のサイズよりも大きいことが望ましく、そのためには、前記数式１のように、第１球面波の錐角（θ_１）は、第２球面波の錐角（θ_２）よりも大きいか、同じ条件を満足することが望ましい。

このような第２実施形態（ＣＡＳＥ ２）の残りの条件（数式２ないし数式５）は、前記第１実施形態（ＣＡＳＥ １）と同様に適用される。

但し、このような第２実施形態において、第１レンズ系１３１、第２レンズ系１３２及び対物レンズ１３３を通過した第１球面波は、対物レンズ１３３の対物面で平面波になり、第１レンズ系１３１、第２レンズ系１３２及び対物レンズ１３３を通過した第２球面波は、対物レンズ１３３の対物面で発散する球面波になる。

したがって、このような第２実施形態の場合、数式３、数式４の意味は、第１球面波と対応した対物面での「平面波」の半径と第２球面波と対応した対物面での「発散する球面波」の半径は、いずれも対物レンズ１３３の視野の半径（Ｆ_ｏｂｊ）よりも小さいか、同じでなければならないことを意味する。

［ＣＡＳＥ ３］発散する球面波と発散する球面波との干渉パターン

図６は、本発明の第３実施形態によるフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置を示す図面であり、図７は、図６のＣＡＳＥ ３による干渉構造を対物面に形成するためのスキャンビーム生成部の第１及び第２球面波の生成条件を示す図面である。

図６のように、本発明の第３実施形態によるフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置３００は、大きくスキャンビーム生成部３１０、スキャン部１２０、投射部１３０及び集光部１４０を含む。図１と同じ符号を有する構成要素についての重複説明は、省略する。

前述したように、第３実施形態の場合も、装置の基本構造は、第１実施形態と同一であるが、生成されるスキャンビームパターンは異なる。すなわち、スキャンビーム生成部３１０の第１及び第２レンズ３１５、３１６を通じて導出された第１及び第２球面波の条件が異なり、その原理は、次の通りである。

第３実施形態（ＣＡＳＥ ３）において、第１及び第２球面波は、それぞれ対物面に対していずれも発散する球面波になって、対物面に投射されたスキャンビームは、対物面で発散する２つの球面波間の干渉構造を有する。

このように、ＣＡＳＥ ３の場合、対物面に対して発散する球面波と球面波が干渉されたビームのパターンを物体スキャニングのためのスキャンビームパターンで使用する構造であって、深度領域が増大することが特徴である。

このために、スキャンビーム生成部３１０は、図７に示された焦点距離及び錐角の条件で第１球面波及び第２球面波を生成する。

２つの球面波によるスキャンビームは、スキャン部１２０を通じて第１レンズ系１３１に伝達される。第１レンズ系１３１は、伝達されたスキャンビームを第２レンズ系１３２に伝達する。第２レンズ系１３２の入射瞳は、第１レンズ系１３１の出射瞳と同じ位置になるように位置する。第２レンズ系１３２は、スキャンビームを対物レンズ１３３に伝達する。対物レンズ１３３は、伝達されたスキャンビームを対物面に投射する。この際、対物レンズ１３３の入射瞳の位置は、第２レンズ系１３２の出射瞳の位置のような場所に位置させる。

物体が位置した対物面には、前述した構造を有する第１及び第２レンズ系１３１、１３２によって発散する球面波に変換された第１ビームと、発散する球面波に変換された第２ビームと、を重畳させる。この際、スキャンミラーのスキャニングによって球面波である第１ビームと球面波である第２ビームとの重畳で形成された干渉パターンであるフレネルゾーンパターンは、対象体上を飛び回りながら物体をスキャンする。

ここで、分解能の低下を防ぐために、対物面で第１ビームである球面波のサイズが第２ビームである球面波のサイズよりも大きいことが望ましく、そのためには、前記数式１のように、第１球面波の錐角（θ_１）は、第２球面波の錐角（θ_２）よりも大きいか、同じ条件を満足することが望ましい。

このような第３実施形態（ＣＡＳＥ ３）の残りの条件（数式２ないし数式５）は、前記第１実施形態（ＣＡＳＥ １）と同一である。また、ここで、第１球面波と第２球面波とを位相歪曲なしに伝達し、第１球面波を対物レンズの対物面に球面波に入射させるために、対物レンズ１３３の入射瞳は、第２レンズ系１３２の出射瞳と同じ位置であることが望ましい。

但し、このような第３実施形態の場合、第１レンズ系１３１、第２レンズ系１３２及び対物レンズ１３３を通過した第１球面波は、対物レンズ１３３の対物面で「発散する球面波」になる。また、第１レンズ系１３１、第２レンズ系１３２及び対物レンズ１３３を通過した第２球面波も、対物レンズ１３３の対物面で「発散する球面波」になる。

したがって、第３実施形態の場合、数式３、数式４の意味は、第１球面波と対応した対物面での「発散する球面波」の半径と第２球面波と対応した対物面での「発散する球面波」の半径は、いずれも対物レンズ１３３の視野の半径（Ｆ_ｏｂｊ）よりも小さいか、同じでなければならないことを意味する。

［ＣＡＳＥ ４］収束する球面波と発散する球面波との干渉パターン

図８は、本発明の第４実施形態によるフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置を示す図面であり、図９は、図８のＣＡＳＥ ４による干渉構造を対物面に形成するためのスキャンビーム生成部の第１及び第２球面波の生成条件を示す図面である。

図８のように、本発明の第４実施形態によるフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置３００は、大きくスキャンビーム生成部４１０、スキャン部１２０、投射部１３０及び集光部１４０を含む。図１と同じ符号を有する構成要素についての重複説明は、省略する。

前述したように、第４実施形態の場合も、装置の基本構造は、第１実施形態と同一であるが、生成されるスキャンビームパターンは異なる。すなわち、スキャンビーム生成部４１０の第１及び第２レンズ４１５、４１６を通じて導出された第１及び第２球面波の条件が異なり、その原理は、次の通りである。

第４実施形態（ＣＡＳＥ ４）において、第１及び第２球面波は、それぞれ対物面に対して収束する球面波と発散する球面波とになって、対物面に投射されたスキャンビームは、対物面で収束する球面波と発散する球面波との干渉構造を有する。

このように、ＣＡＳＥ ４の場合、対物面で収束する球面波と発散する球面波とが干渉されたビームのパターンを物体スキャニングのためのスキャンビームパターンで使用する構造であって、分解能を対物レンズの分解能よりも増大させることが特徴である。

このために、スキャンビーム生成部４１０は、図９に示された焦点距離及び錐角の条件で第１球面波及び第２球面波を生成する。

図９の場合、第１球面波の焦点位置は、第１レンズ系１３１の入射瞳よりも前端に位置させ、第２球面波の焦点位置は、第１レンズ系１３１の入射瞳よりも後端に位置させる。また、それと同時に第１及び第２球面波の錐角（θ_１、θ_２）は、θ_２＜θ_１を満足させる。

２つの球面波によるスキャンビームは、スキャン部１２０を通じて第１レンズ系１３１に伝達される。第１レンズ系１３１は、伝達されたスキャンビームを第２レンズ系１３２に伝達する。第２レンズ系１３２の入射瞳は、第１レンズ系１３１の出射瞳と同じ位置になるように位置する。第２レンズ系１３２は、スキャンビームを対物レンズ１３３に伝達する。対物レンズ１３３は、伝達されたスキャンビームを対物面に投射する。この際、対物レンズ１３３の入射瞳の位置は、第２レンズ系１３２の出射瞳の位置のような場所に位置させる。

物体が位置した対物面には、前記構造の第１及び第２レンズ系１３１、１３２によって「収束する球面波」に変換された第１ビームと、「発散する球面波」に変換された第２ビームと、を重畳させる。この際、スキャンミラーのスキャニングによって球面波である第１ビームと球面波である第２ビームとの重畳で形成された干渉パターンであるフレネルゾーンパターンは、対象体上を飛び回りながら物体をスキャンする。

この際、分解能の低下を防ぐために、対物面で第１ビームである球面波のサイズが第２ビームである球面波のサイズよりも大きいことが望ましい。そのためには、下記の数式６のように、第１球面波の錐角（θ_１）と第２球面波の錐角（θ_２）との差の絶対値が、第１球面波の錐角（θ_１）と第２球面波の錐角（θ_２）との和の絶対値の１／２よりも小さいことが望ましい。

また、図８に示した２つの球面波の焦点位置及び錐角の条件（第４条件）に加えて、それに対する従属条件で、第１及び第２レンズ系１３１、１３２は、下記の数式７を満足しなければならない。

第１レンズ系１３１の入射瞳のサイズと受光角による対物面に投射される２つの球面波のサイズ制限による分解能の低下及び視野低下を防ぐために、第１レンズ系１３１の入射瞳面での第１及び第２球面波の半径（ｒ_ｓｐｈ１、ｒ_ｓｐｈ２）は、数式７を満足することが望ましい。

第１レンズ系１３１は、スキャン部１２０から伝達された第１球面波と第２球面波とを第２レンズ系１３２に伝達するが、この際、第１球面波と第２球面波とを位相歪曲なしに伝達するために、第２レンズ系１３２の入射瞳は、第１レンズ系１３１の出射瞳と同じ位置であることが望ましい。

第２レンズ系１３２は、第１レンズ系１３１から伝達された第１球面波と第２球面波とを第２光分割器１４１を通じて対物レンズ１３３に伝達する。この際、第１球面波と第２球面波とを位相歪曲なしに伝達し、第１球面波を対物レンズの対物面に球面波に入射させるために、対物レンズ１３３の入射瞳は、第２レンズ系１３２の出射瞳と同じ位置であることが望ましい。

また、このような第４実施形態において、第１レンズ系１３１、第２レンズ系１３２及び対物レンズ１３３を通過した第１球面波は、対物レンズ１３３の対物面で収束する球面波になる。この際、スキャンによる分解能の低下を防ぐために、球面波の半径は、対物レンズ１３３の視野の半径と同じか、小さいことが望ましく、これは、下記の数式８のように表現される。

ここで、θ_１は、第１球面波の収束半角、θ_Ｓは、スキャン角、Ｆ_ｏｂｊは、対物レンズ１３３の前焦点面で視野の半径、ｆ_０は、対物レンズ１３３の有効焦点距離、ｆ_１及びｆ_２は、第１及び第２レンズ系の有効焦点距離を示す。

また、第１レンズ系１３１、第２レンズ系１３２及び対物レンズ１３３を通過した第２球面波は、対物レンズ１３３の対物面で「発散する球面波」になるが、この際、スキャンによる分解能の低下を防ぐために、対物面で発散する球面波の半径は、対物レンズ１３３の視野の半径よりも小さいか、同じであることが望ましく、これは、下記の数式９のように表現される。

ここで、θ_２は、第２球面波の収束半角を示し、残りの要素は、前記数式３と同一である。

したがって、第４実施形態の場合、第１球面波と対応した対物面での「収束する球面波」の半径と第２球面波と対応した対物面での「発散する球面波」の半径は、いずれも対物レンズ１３３の視野の半径（Ｆ_ｏｂｊ）よりも小さいか、同じでなければならない。

第４実施形態の場合も、数式５のように、第１及び第２レンズ系１３１、１３２の光学的不変性は、対物レンズ１３３の光学的不変性よりも大きいか、同じ条件を有する。

一方、図１、図４、図６、図８のあらゆる実施形態において、第１レンズ系と第２レンズ系は、一般的なレンズ、平凸（Ｐｌａｎｏ－ｃｏｎｖｅｘ）レンズ、ダブレット（ｄｏｕｂｌｅｔ）、複合アクロマティックダブレット（ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｄｏｕｂｌｅｔ）として具現可能であるだけではなく、スキャンによる光軸歪曲を最小化するために、テレセントリックレンズ系であることが望ましい。

これにより、第１レンズ系と第２レンズ系は、米国登録特許第４，４８２，２１７号のＰｌｏｓｓｌ型対眼レンズで構成され、テレセントリックレンズで構成することができる。それだけではなく、第１レンズ系は、複合スキャンレンズ（ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｃａｎ ｌｅｎｓ）、第２レンズ系は、複合チューブレンズ（ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｔｕｂｅ ｌｅｎｓ）で構成することができる。

次は、第１ないし第４実施形態に共通して適用可能な集光部の構造を図１を参照してより詳しく説明する。図１の第１実施形態の発明に示された集光部の構成は、第２ないし第４実施形態も、共通適用可能なので、以下、図１を代表例示として説明する。

［集光部］空間面集光法

図１を参照すれば、スキャンビーム生成部１２０から生成されたスキャンビームパターンは、対物レンズ１３３を通じて高解像度のフレネルゾーンパターンに変更されて、スキャンミラーの回転によって指定されるスキャン位置で物体を照射する。照射されたビームパターンは、物体から反射して対物レンズ１３３に伝達される。対物レンズ１３３は、反射したビームを第２光分割器１４１を通じて第３レンズ系１４２に伝達する。

このように、図１の集光部１４０は、第２光分割器１４１、第３レンズ系１４２、光検出器１４３を含み、空間面集光を行う。

第２光分割器１４１は、第２レンズ系１３２と対物レンズ１３３との間に配されて、第２レンズ系１３２を通過したビームは、対物レンズ１３３に伝達し、物体から反射して再び対物レンズ１３３を通過したビームは、第３レンズ系１４２に反射させる。光検出器１４３は、第３レンズ系１４２を通過したビームを検出し、フォトディテクターとして具現可能である。

対物レンズ１３３と第３レンズ系１４２は、スキャンミラーの回転によって指定されるスキャン位置でフレネルゾーンプレートが照射された対象体の像を光検出器１４３の検出面方向に生成させる。この際、対物レンズ１３３が無限補正された（ｉｎｆｉｎｉｔｅ ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ）対物レンズである場合、第３レンズ系１４２の入射瞳の位置は、対物レンズ１３３の入射瞳の位置と同じであることが望ましい。第３レンズ系１４２の出射瞳の位置には、スキャンビームパターンによって照射された物体の像が形成される。

ここで、像が形成される位置に光検出器１４３の検出面が位置することが望ましく、光検出器１４３の検出面のサイズは、スキャニングによって、スキャンビームが照射する全領域から反射したビームの検出面での像のサイズと同じか、大きいことが望ましく、照射領域は、対物レンズ１３３の視野を越えることができない。

したがって、図１に示された集光部１４０の構造で、光検出器１４３の検出面のサイズ（Ｆ_ｐｄ）は、下記の数式１０を満足することが望ましい。

ここで、θ_Ｓは、スキャン部１２０のスキャンミラー１２１でのスキャン角、ｆ_１ないしｆ_３は、第１ないし第３レンズ系１３１、１３２、１４２の各有効焦点距離、ｆ_０は、対物レンズ１３３の有効焦点距離、Ｆ_ｏは、対物レンズ１３３の前焦点面で視野の半径を示す。

光検出器１４３は、検出面で像の光度の総和に比例する電気信号を生成して電子処理部（図示せず）に伝達する。電子処理部（図示せず）は、光検出器１４３から検出された電気信号を処理して物体のホログラムを生成する。

各構造による電子処理部（図示せず）は、異なることができ、これは、本出願人による既出願特許である出願番号第１０－２０１２－０００２１２１号を参照することができる。

例えば、電子処理部（図示せず）は、ヘテロダイン検出器、ＡＤコンバータ、信号処理部、保存部、そして、スキャン制御部を含みうる。ヘテロダイン検出器は、光検出器から伝達された電気信号と関数発生器から生成された周波数Ωを有するヘテロダイン変調信号とを用いて同位相出力信号及び四分位相出力信号を生成することができる。

ＡＤコンバータは、同位相信号と四分位相信号とを各チャネルを通じて入力されてデジタル信号に変換する。変換されたデジタル電流信号は、スキャン手段のスキャニング位置と共に信号処理部に提供される。信号処理部は、変換されたデジタル信号から対象物（物体）の複素数ホログラムを生成し、保存部は、生成された複素数ホログラムを保存する。そして、スキャン制御部は、対象物の任意位置に対するホログラム処理が完了する度にスキャン手段のスキャン位置を変更させる制御信号を生成してスキャン部１２０に伝達する。

図１において、検出面の位置は、第３レンズ系１４２の出射瞳の位置であって、物体の上面であることが望ましいが、検出面の位置は、必ずしもこれに限定されるものではなく、上面前後に位置しうることはいうまでもない。この場合にも、検出面のサイズは、数式１０を満足することが望ましい。

一方、本発明の実施形態は、図１のように、ベストモード（Ｂｅｓｔ ｍｏｄｅ）で第１レンズ系１３１と第２レンズ系１３２とを用いてスキャンビームを伝達すると説明したが、図１において、第１レンズ系１３１と第２レンズ系１３２なしにスキャン部１２０、第２光分割器１４１、対物レンズ１３３、第３レンズ系１４２で構成できるということはいうまでもない。このような構造の場合、検出面のサイズは、数式１１を満足することが望ましい。

本発明の実施形態は、図１のように、ベストモードで対物レンズ１３３と第３レンズ系１４２とを用いて物体の像を検出面に生成するものとしたが、第３レンズ系１４２なしに対物レンズ１３３のみで検出面に物体の像を形成できるということはいうまでもない。

また、本発明の実施形態は、ベストモードで第２光分割器１４１を第２レンズ系１３２と対物レンズ１３３との間に位置させた。しかし、本発明が、必ずしもこれに限定されるものではなく、以下の図１０ないし図１２のような変形された構造（総３種）を追加的に提案することができる。

図１０ないし図１２は、図１に示された集光部の第１ないし第３変形例をそれぞれ示す図面である。もちろん、このような図１０ないし図１２に示された集光部の変形構造も、本発明の第１ないし第４実施形態にいずれも適用可能な構造に該当する。

まず、図１０の第１変形例の場合、集光部１５０は、第２光分割器１５１、第３レンズ系１５２、第４レンズ系１５３、光検出器１５４を含む。この際、図１とは異なって、第２光分割器１５１を第１レンズ系１３１と第２レンズ系１３２との間に位置させ、第３レンズ系１５２と第４レンズ系１５３とを用いて光検出器１５４の検出面に像を形成する。

すなわち、第２光分割器１５１は、第１レンズ系１３１と第２レンズ系１３２との間に配されて、第１レンズ系１３１を通過したビームを第２レンズ系１３２に伝達し、物体から反射して対物レンズ１３３を通じて第２レンズ系１３２を通過して受信されたビームを第３レンズ系１５２に再び反射させる。

第３レンズ系１５２は、光分割器から反射させたビームを入射されて第４レンズ系１５３に伝達する。第４レンズ系１５３は、第３レンズ系１５２を通過したビームを入射されて光検出器１５４に伝達する。そうすると、光検出器１５４は、第４レンズ系１５３を通過したビームを検出する。

このような図１０のような集光部１５０の構造で、光検出器１５４の検出面のサイズ（Ｆ_ｐｄ）は、下記の数式１２を満足することが望ましい。

ここで、Ｆ_ｐｄは、光検出器１５４の検出面のサイズ、θ_Ｓは、スキャン部１２０のスキャンミラー１２１でのスキャン角、ｆ_１ないしｆ_４は、第１ないし第４レンズ系１３２、１３２、１５２、１５３の有効焦点距離、ｆ_０は、対物レンズ１３３の有効焦点距離、Ｆ^ｏは、対物レンズ１３３の前焦点面で視野の半径を示す。

前述した図１及び図１０に開示された集光部１４０、１５０の場合、空間面集光技法を利用した方式を示す。これとは異なって、以下の図１１及び図１２に開示された集光部１６０、１７０は、空間周波数面集光法を用いる方式に該当する。

［集光部］空間周波数面集光法

まず、図１１の第２変形例の場合、集光部１６０は、第２光分割器１６１、第３レンズ系１６２、第４レンズ系１６３、光検出器１６４を含み、図１とは異なって、第３レンズ系と光検出器との間に第４レンズ系が追加されたことが分かる。

スキャンビーム生成部１２０から生成されたスキャンビームパターンは、対物レンズ１３３を通じて高解像度のフレネルゾーンパターンに変更されて、スキャンミラーの回転によって指定されるスキャン位置で物体を照射する。照射されたビームパターンは、物体から反射して対物レンズ１３３に伝達される。

すなわち、第２光分割器１６１は、第２レンズ系１３１を通過したビームを対物レンズ１３３に伝達し、物体から反射して再び対物レンズ１３３を通過したビームを反射させて第３レンズ系１６２に伝達する。第３レンズ系１６２は、それを伝達されて第４レンズ系１６３に伝達し、第４レンズ系１６３は、伝達されたビームを光検出器１６４の検出面に伝達する。

この際、対物レンズ１３３の出射瞳と第３レンズ系１６２の入射瞳とを同じ面に位置させ、第３レンズ系１６２の出射瞳を第４レンズ系１６３の入射瞳と同じ位置に位置させ、光検出器１６４の検出面を第４レンズ系１６３の出射瞳に位置させることが望ましい。すなわち、対物レンズ１３３、第３レンズ系１６２、第４レンズ系１６３を共焦点システム（ａｆｏｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）に位置することが望ましい。

このような光検出構造を有する光検出器１６４の光検出面には、対物レンズ１３３の対物面にある像の空間周波数変換された光の分布が生成される。

この際、光検出器の検出面のサイズ（Ｆ_ｐｄ）は、下記の数式１３のように、対物面に伝達されたスキャンビームの有効開口数と第４レンズ系１６３の焦点距離との積の０．１倍よりも大きいか、同じであることが望ましい。

次に、図１２の第４変形例の場合、集光部１７０は、第２光分割器１７１、第３レンズ系１７２、光検出器１７３を含む。この際、図１とは異なって、第２光分割器１７１が、第１レンズ系１３１と第２レンズ系１３２との間に位置する。

スキャンビーム生成部１２０から生成されたスキャンビームパターンは、対物レンズ１３３を通じて高解像度のフレネルゾーンパターンに変更されて、スキャンミラーの回転によって指定されるスキャン位置で物体を照射する。照射されたビームパターンは、物体から反射して対物レンズ１３３に伝達される。

対物レンズ１３３は、反射したビームを第２レンズ系１３２を通じて第２光分割器１７１に伝達する。第２光分割器１７１は、伝達されたビームを再び反射させて第３レンズ系１７２に伝達し、第３レンズ系１７２は、それを伝達されて光検出器１７３の検出面に伝達する。

この際、対物レンズ１３３の出射瞳と第２レンズ系１３２の入射瞳とを同じ面に位置させ、第２レンズ系１３２の出射瞳を第３レンズ系１７２の入射瞳と同じ位置に位置させ、光検出器１６４の検出面を第３レンズ系１７２の出射瞳に位置させることが望ましい。すなわち、対物レンズ１３３、第２レンズ系１３２、第３レンズ系１７２を共焦点システムに位置することが望ましい。

このような光検出構造を有する光検出器１７３の光検出面には、対物レンズ１３３の対物面にある像の空間周波数変換された光の分布が生成される。

この際、光検出器の検出面のサイズ（Ｆ_ｐｄ）は、下記の数式１４のように、対物面に伝達されたスキャンビームの有効開口数（ＮＡ_ｅｆｆ）と第３レンズ系１７２の焦点距離（ｆ_３）との積の０．１倍よりも大きいか、同じであることが望ましい。

一方、図１の構造を例とすれば、物体が蛍光体である場合、二色性ミラー（ｄｉｃｈｒｏｎｉｃ ｍｉｒｒｏｒ）を第２光分割器１４１の代わりに使用することができる。二色性ミラーは、スキャン部１２０と蛍光体との間に配されて、スキャン部１２０によって入射された干渉ビームを透過させて蛍光体に伝達し、蛍光体から入射された蛍光されたビームを反射させて光検出器１６４に伝達することができる。二色性ミラーは、光伝達手段であって、蛍光体をスキャニングする過程で蛍光体から発散された蛍光されたビームを光検出器に伝達する。二色性ミラーは、スキャン部と蛍光体との間に設定角度に斜めに配される。二色性ミラーは、波長によって選別的に光を反射するように設計されるミラーであって、本実施形態の場合、干渉ビームは透過させ、蛍光ビームは反射させるように設計される。すなわち、二色性ミラーは、スキャン部によって入射された干渉ビームを透過させて蛍光体に伝達し、蛍光体から入射された蛍光されたビームを反射させて光検出器に伝達する。このように、二色性ミラーは、干渉ビームの波長は透過させ、蛍光体によって蛍光されたビームの波長は反射させるように具現される。ここで、もちろん、干渉ビームと蛍光ビームのそれぞれの波長範囲は、あらかじめ知っている値に該当する。

これによれば、蛍光体をスキャニングするための干渉ビーム（干渉パターン）は、二色性ミラーを透過して蛍光体に伝達される。また、スキャニング中に蛍光体から発散される蛍光ビームは、二色性ミラーに到達する直ちに反射して第３レンズ系を通じて光検出器に伝達される。

以上のような本発明によれば、対物レンズを通じて対物面で高解像度のフレネルゾーンパターンをスキャニングビームパターンで形成し、当該パターンが物体上を飛び回るスキャンを行いながら、物体から反射したビームを対物レンズを通じて光検出器の検出面でイメージングすることにより、高速で高解像度のスキャニングホログラム顕微鏡を具現することができる。

本発明は、図面に示された実施形態を参考にして説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これにより多様な変形及び均等な他実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されねばならない。

Claims (19)

1. 光源から分割された第１ビーム及び第２ビームのうち、前記第１ビームの位相を変調して第１レンズを通じて第１球面波に変換し、前記第２ビームを第２レンズを通じて第２球面波に変換した後、前記第１及び第２球面波を干渉させてスキャンビームを形成するスキャンビーム生成部と、
   物体に対する前記スキャンビームのスキャニング位置を水平及び垂直方向に制御するように、入射された前記スキャンビームを水平方向に制御して投射部に伝達するスキャンミラーと、前記投射部の後端から前記物体を垂直方向に移動させるトランスレーションステージと、を含むスキャン部と、
   複数のレンズ系と対物レンズとを含み、前記スキャン部から伝達されたスキャンビームを前記物体が位置した対物面に投射する投射部と、
   前記物体から反射または蛍光された後、再び前記対物レンズを通過したビームを検出する集光部と、を含み、
   前記対物面に投射されるスキャンビームは、
   前記スキャンミラーに結ばれる前記第１及び第２球面波の各焦点位置及び錐角の条件によって、前記対物面で収束する球面波と平面波との干渉構造（第１パターン）、前記対物面で発散する球面波と平面波との干渉構造（第２パターン）、前記対物面で発散する２つの球面波間の干渉構造（第３パターン）、そして、前記対物面で収束する球面波と発散する球面波との干渉構造（第４パターン）のうち何れか１つのパターンで決定される、フライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置。
2. 前記投射部は、
   前記スキャン部と前記対物面との間に順次配された第１レンズ系、第２レンズ系及び前記対物レンズを含み、
   前記第１レンズ系の入射瞳は、前記スキャンミラーに位置する、請求項１に記載のフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置。
3. 前記条件が第１条件である場合、前記第１及び第２球面波は、それぞれ対物面に対して平面波及び収束する球面波になって、前記対物面に投射されたスキャンビームは、前記対物面で収束する球面波と平面波との干渉構造を有し、
   前記第１条件は、
   第１球面波の焦点位置は、前記第１レンズ系の入射瞳の位置と同一であり、第２球面波の焦点位置は、前記第１レンズ系の入射瞳の位置と同じか、より前端に位置し、第１及び第２球面波の錐角（θ_１、θ_２）は、θ_２≦θ_１を満足する条件である、請求項２に記載のフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置。
4. 前記条件が第２条件である場合、前記第１及び第２球面波は、それぞれ対物面に対して平面波及び発散する球面波になって、前記対物面に投射されたスキャンビームは、前記対物面で発散する球面波と平面波との干渉構造を有し、
   前記第２条件は、
   第１球面波の焦点位置は、前記第１レンズ系の入射瞳の位置と同一であり、第２球面波の焦点位置は、前記第１レンズ系の入射瞳の位置と同じか、より後端に位置し、第１及び第２球面波の錐角（θ_１、θ_２）は、θ_２≦θ_１≦２θ_２を満足する条件である、請求項２に記載のフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置。
5. 前記条件が第３条件である場合、前記第１及び第２球面波は、それぞれ対物面に対していずれも発散する球面波になって、前記対物面に投射されたスキャンビームは、前記対物面で発散する２つの球面波間の干渉構造を有し、
   前記第３条件は、
   第１球面波の焦点位置は、前記第１レンズ系の入射瞳よりも後端に位置し、第２球面波の焦点位置は、第１球面波の焦点位置よりも後端に位置し、第１及び第２球面波の錐角（θ_１、θ_２）は、θ_２≦θ_１を満足する条件である、請求項２に記載のフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置。
6. 前記条件が第４条件である場合、前記第１及び第２球面波は、それぞれ対物面に対して収束する球面波及び発散する球面波になって、前記対物面に投射されるスキャンビームは、前記対物面で収束する球面波と発散する球面波との干渉構造を有し、
   前記第４条件は、
   第１球面波の焦点位置は、前記第１レンズ系の入射瞳よりも前端に位置し、第２球面波の焦点位置は、前記第１レンズ系の入射瞳よりも後端に位置し、第１及び第２球面波の錐角（θ_１、θ_２）は、θ_２＜θ_１である同時に下記の数式を満足する条件である、請求項２に記載のフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置。
   
7. 前記第１レンズ系は、伝達されたスキャンビームを前記第２レンズ系に伝達し、前記第１及び第２レンズ系は、下記の数式の条件を満足する、請求項３に記載のフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置：
   
8. 前記第１レンズ系は、伝達されたスキャンビームを前記第２レンズ系に伝達し、前記第１及び第２レンズ系は、下記の数式の条件を満足する、請求項４に記載のフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置：
   
9. 前記第１レンズ系は、伝達されたスキャンビームを前記第２レンズ系に伝達し、前記第１及び第２レンズ系は、下記の数式の条件を満足する、請求項５に記載のフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置：
   
10. 前記第１レンズ系は、伝達されたスキャンビームを前記第２レンズ系に伝達し、前記第１及び第２レンズ系は、下記の数式の条件を満足する、請求項６に記載のフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置：
    
11. 第１球面波と対応した前記対物面での平面波の半径と、前記第２球面波と対応した前記対物面での収束する球面波の半径は、いずれも下記の数式のように、前記対物レンズの視野の半径よりも小さいか、同じである、請求項７に記載のフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置：
    ここで、θ_１及びθ_２は、第１及び第２球面波の錐角（収束半角）、θ_Ｓは、前記スキャン部のスキャンミラーでのスキャン角、Ｆ_ｏｂｊは、前記対物レンズの前焦点面で視野の半径、ｆ_０は、前記対物レンズの有効焦点距離、ｆ_１及びｆ_２は、第１及び第２レンズ系の有効焦点距離を示す。
12. 第１球面波と対応した前記対物面での平面波の半径と、前記第２球面波と対応した前記対物面での発散する球面波の半径は、いずれも下記の数式のように、前記対物レンズの視野の半径よりも小さいか、同じである、請求項８に記載のフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置：
    ここで、θ_１及びθ_２は、第１及び第２球面波の錐角（収束半角）、θ_Ｓは、前記スキャン部のスキャンミラーでのスキャン角、Ｆ_ｏｂｊは、前記対物レンズの前焦点面で視野の半径、ｆ_０は、前記対物レンズの有効焦点距離、ｆ_１及びｆ_２は、第１及び第２レンズ系の有効焦点距離を示す。
13. 前記第１球面波に対応した前記対物面での発散する球面波の半径と、前記第２球面波と対応した前記対物面での発散する球面波の半径は、いずれも下記の数式のように、前記対物レンズの視野の半径よりも小さいか、同じである、請求項９に記載のフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置：
    ここで、θ_１及びθ_２は、第１及び第２球面波の錐角（収束半角）、θ_Ｓは、前記スキャン部のスキャンミラーでのスキャン角、Ｆ_ｏｂｊは、前記対物レンズの前焦点面で視野の半径、ｆ_０は、前記対物レンズの有効焦点距離、ｆ_１及びｆ_２は、第１及び第２レンズ系の有効焦点距離を示す。
14. 前記第１球面波に対応した前記対物面での収束する球面波の半径と、前記第２球面波と対応した前記対物面での発散する球面波の半径は、いずれも下記の数式のように、前記対物レンズの視野の半径よりも小さいか、同じ条件を満足する、請求項１０に記載のフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置：
    ここで、θ_１及びθ_２は、第１及び第２球面波の錐角（収束半角）、θ_Ｓは、前記スキャン部のスキャンミラーでのスキャン角、Ｆ_ｏｂｊは、前記対物レンズの前焦点面で視野の半径、ｆ_０は、前記対物レンズの有効焦点距離、ｆ_１及びｆ_２は、第１及び第２レンズ系の有効焦点距離を示す。
15. 前記第１及び第２レンズ系の光学的不変性は、下記の数式のように、前記対物レンズの光学的不変性よりも大きいか、同じである、請求項１１から請求項１４のうち何れか一項に記載のフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置：
    ここで、Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_ｏｂｊは、それぞれ第１レンズ系、第２レンズ系及び対物レンズの光不変性を示す。
16. 前記集光部は、
    前記第２レンズ系と前記対物レンズとの間に配されて、前記第２レンズ系を通過したビームを前記対物レンズに伝達し、前記物体から反射して、再び前記対物レンズを通過したビームを外部に反射させる光分割器と、
    前記光分割器から反射させたビームを入射される第３レンズ系と、
    前記第３レンズ系を通過したビームを検出する光検出器と、を含み、
    前記光検出器の検出面のサイズは、下記の数式を満足する、請求項２に記載のフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置：
    ここで、Ｆ_ｐｄは、前記光検出器の検出面のサイズ、θ_Ｓは、前記スキャン部のスキャンミラーでのスキャン角、ｆ_１ないしｆ_３は、第１ないし第３レンズ系の有効焦点距離、ｆ_０は、前記対物レンズの有効焦点距離、Ｆ_ｏは、前記対物レンズの前焦点面で視野の半径を示す。
17. 前記集光部は、
    前記第１レンズ系と前記第２レンズ系との間に配されて、前記第１レンズ系を通過したビームを前記第２レンズ系に伝達し、前記物体から反射して、前記対物レンズを通じて前記第２レンズ系を通過したビームを外部に反射させる光分割器と、
    前記光分割器から反射させたビームを入射される第３レンズ系と、
    前記第３レンズ系を通過したビームを入射される第４レンズ系と、
    前記第４レンズ系を通過したビームを検出する光検出器と、を含み、
    前記光検出器の検出面のサイズは、下記の数式を満足する、請求項２に記載のフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置：
    ここで、Ｆ_ｐｄは、前記光検出器の検出面のサイズ、θ_Ｓは、前記スキャン部のスキャンミラーでのスキャン角、ｆ_１ないしｆ_４は、第１ないし第４レンズ系の有効焦点距離、ｆ_０は、前記対物レンズの有効焦点距離、Ｆ_ｏは、前記対物レンズの前焦点面で視野の半径を示す。
18. 前記集光部は、
    前記第２レンズ系と前記対物レンズとの間に配されて、前記第２レンズ系を通過したビームを前記対物レンズに伝達し、前記物体から反射して、再び前記対物レンズを通過したビームを外部に反射させる光分割器と、
    前記光分割器から反射させたビームを入射される第３レンズ系と、
    前記第３レンズ系を通過したビームを入射される第４レンズ系と、
    前記第４レンズ系を通過したビームを検出する光検出器と、を含み、
    前記光検出器の検出面には、前記対物レンズの対物面にある像の空間周波数変換された光の分布が生成され、前記光検出器の検出面のサイズは、下記の数式を満足する、請求項２に記載のフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置：
    
19. 前記集光部は、
    前記第１レンズ系と前記第２レンズ系との間に配されて、前記第１レンズ系を通過したビームを前記第２レンズ系に伝達し、前記物体から反射して、前記対物レンズを通じて前記第２レンズ系を通過したビームを外部に反射させる光分割器と、
    前記光分割器から反射させたビームを入射される第３レンズ系と、
    前記第３レンズ系を通過したビームを検出する光検出器と、を含み、
    前記光検出器の検出面には、前記対物レンズの対物面にある像の空間周波数変換された光の分布が生成され、前記光検出器の検出面のサイズは、下記の数式を満足する、請求項２に記載のフライングオーバービームパターンスキャニングホログラム顕微鏡装置：