観察装置
【課題】１画素当りの読出し速度が低速である光検出器を用いる場合であっても移動している対象物の蛍光像を、移動に伴うぶれ（motion blur）なく、結果、空間解像度を損なうことなく得ることができる観察装置を提供することを目的とする。
【解決手段】観察装置１は、光源部１０、第１変調器２０、第２変調器３０、レンズ４０、ビームスプリッタ４１、光検出器４６および演算部５０を備える。レンズ４０は、移動している対象物２で生じた蛍光を入力して対象物２のフーリエ変換像を形成する。光検出器４６は、レンズ４０を経て受光面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータのｖ方向についての総和を表すデータを、ｕ方向の各位置について各時刻に出力する。演算部５０は、光検出器４６の出力に基づいて対象物２の像を得る。
【解決手段】観察装置１は、光源部１０、第１変調器２０、第２変調器３０、レンズ４０、ビームスプリッタ４１、光検出器４６および演算部５０を備える。レンズ４０は、移動している対象物２で生じた蛍光を入力して対象物２のフーリエ変換像を形成する。光検出器４６は、レンズ４０を経て受光面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータのｖ方向についての総和を表すデータを、ｕ方向の各位置について各時刻に出力する。演算部５０は、光検出器４６の出力に基づいて対象物２の像を得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の蛍光像を観察する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
細胞やガラス体等の無色透明な対象物（位相物体）は、その対象物に光が照射されたときに生じる透過光の強度分布（振幅像）に基づいて観察することが困難であるから、内因性または外因性の蛍光物質を励起光で照明し、対象物で生じた蛍光像を観察する。内因性の蛍光物質からの蛍光としては、たとえば自家蛍光が挙げられる。外因性の蛍光物質からの蛍光としては、たとえば対象物に標識した蛍光物質からの蛍光が挙げられる。このような対象物の蛍光像を観察する装置として蛍光顕微鏡が知られている。しかし、蛍光顕微鏡を用いて移動する対象物の蛍光像を得る場合、その撮影速度および画質が制約されるという問題がある。
【０００３】
移動する対象物の蛍光像を観察する技術として、特許文献１や非特許文献１に記載されたＴｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ（ＴＤＩ）方式を用いたものが知られている。このＴＤＩ方式に拠る観察装置では、対象物の像が、ＴＤＩ方式を内蔵したカメラ（以後ＴＤＩカメラという）の受光面に結像され、その像の移動と、ＴＤＩカメラ内での電荷の移動（電荷の移動方向は、像の移動方向に一致）を完全に同期させることで、移動する対象物でもブレの無い多重露光画像を得ることができる。そのため、蛍光像の様な低照度の像であって、かつ高速に移動する対象物の像を鮮明に撮影することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００４−５０６９１９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】H.-S. Yong, et al, "TDI charge coupled devices: Design andapplications,” IBM J. Res. Develop., Vol.36, No.1, 83-106, (1992).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１や非特許文献１に記載されたＴＤＩ方式を用いた観察装置では、対象物の像の移動に同期して電荷を移動させる必要がある。同期が不完全であると、ぼけた画像が得られることになり、その結果、空間解像度を損ねるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、空間解像度を損なうことなく、移動に伴うぶれ（motion blur）を解消した蛍光像を得ることができる観察装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の観察装置は、(1) 移動している対象物が有する蛍光物質を励起させ、該対象物から蛍光を生じさせる光を該対象物へ照射する光源部と、(2) 前記光源部による光照射により前記対象物から生じた蛍光のうち所定平面に到達した光において対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる所定平面上の方向を第１方向とし、この第１方向に直交する所定平面上の方向を第２方向としたときに、所定平面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの第２方向についての総和を表すデータを第１方向の各位置について各時刻に出力する検出部と、(3)所定平面上の第１方向の位置および時刻を変数とするデータについての時刻変数に関するフーリエ変換と、このフーリエ変換後のデータについての２次元フーリエ変換とを行って、この２次元フーリエ変換により得られたデータを対象物の像として得る演算部と、を備えることを特徴とする。ここで第１方向は、対象物の移動方向に垂直な方向であり、第２方向は対象物の移動方向に平行な方向である。
【０００９】
本発明の観察装置では、移動している蛍光物質を有する対象物は、光源部により励起光が照射されて、蛍光を発生させる。その蛍光の散乱光は、散乱方向に応じた量のドップラーシフトを受ける。その蛍光の散乱光は、検出部により受光される。所定平面に到達した光において対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる所定平面上の方向を第１方向とし、この第１方向に直交する所定平面上の方向を第２方向とする。光学系を経て所定平面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの第２方向についての総和を表すデータが、第１方向の各位置について各時刻に検出部から出力される。演算部では、所定平面上の第１方向の位置および時刻を変数とするデータについての時刻変数に関するフーリエ変換と、このフーリエ変換後のデータについての２次元フーリエ変換とが行われて、この２次元フーリエ変換により得られたデータが対象物の像として得られる。
【００１０】
検出部は、(a) 光源部から出力された光により対象物から生じた蛍光を入力して、その入力した蛍光を対象物の後段にて２分割して第１の光および第２の光とし、第２の光を変調器で変調した後に、所定平面上で第１の光と当該変調後の第２の光とをヘテロダイン干渉させる光学系と、(b)所定平面に受光面を有し該受光面において第１方向に画素構造を有する光検出器と、を含む。
【００１１】
演算部は、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、２次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部と、を備え、第２フーリエ変換部は、周波数に関する１次元フーリエ変換を行う第３フーリエ変換部と、第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う第４フーリエ変換部と、を備えるものであってもよい。
【００１２】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズの第１方向における後焦点面であって、レンズの第２方向における後焦点面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置されるものであってもよい。
【００１３】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置されるものであってもよい。
【００１４】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、第２方向において対象物の像が形成される結像面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置されるものであってもよい。
【００１５】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置されるものであってもよい。
【００１６】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第４フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置され、レンズは、第１方向に関する１次元フーリエ変換を行うものであってもよい。
【００１７】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物の像が形成される結像面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第４フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置され、レンズは、第１方向に関する１次元フーリエ変換を行うものであってもよい。
【００１８】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第４フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置され、レンズは、第１方向に関する１次元フーリエ変換を行うものであってもよい。
【００１９】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物のフレネル回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置されるものであってもよい。
【００２０】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物のフレネル回折像が形成される面であって、第２方向において対象物の像が形成される結像面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置されるものであってもよい。
【００２１】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物のフレネル回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置されるものであってもよい。
【００２２】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物のフレネル回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第４フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置されるものであってもよい。
【００２３】
本発明の観察装置は、移動している対象物が有する蛍光物質を励起させ、該対象物から蛍光を生じさせる光を該対象物へ照射する光源部と、光源部による光照射により対象物から生じた蛍光のうち所定平面に到達した光において対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる所定平面上の方向であって、対象物の移動方向に垂直な方向を第１方向とし、この第１方向に直交する所定平面上の方向であって、対象物の移動方向に平行な方向を第２方向としたときに、所定平面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの、第２方向についての総和を表すデータを、第１方向の各位置について各時刻に出力する検出部と、所定平面上の第１方向の位置および時刻を変数とするデータについて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換、周波数に関する１次元フーリエ変換、および第１方向に関する１次元フーリエ変換を行って、これらの１次元フーリエ変換により得られたデータを対象物の像として得る演算部と、を備え、検出部が、光源部から出力された光により対象物から生じた蛍光を入力して、その入力した蛍光を対象物の後段にて２分割して第１の光および第２の光とし、第２の光を変調器で変調した後に、所定平面上で第１の光と当該変調後の第２の光とをヘテロダイン干渉させる光学系と、所定平面に受光面を有し該受光面において第１方向に画素構造を有する光検出器と、を含む。
【００２４】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物の像が形成される結像面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部の順に配置され、レンズは、第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う作用を含むものであってもよい。
【００２５】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部の順に配置され、レンズは、第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う作用を含むものであってもよい。
【００２６】
光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部の順に配置され、レンズは、第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う作用を含むものであってもよい。
【００２７】
本発明の観察装置では、演算部は、時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータに含まれる初期位相を補正する初期位相補正部を更に備えるものであってもよい。
【００２８】
本発明の観察装置では、検出部は、複数存在し、演算部は、複数の検出部からの出力の総和を求める出力総和器を更に備えるものであってもよい。
【００２９】
本発明の観察装置は、第２方向に関するフーリエ変換またはフレネル変換を行う第２方向変換部を更に備えるものであってもよい。
【００３０】
本発明の観察装置では、演算部が、フーリエ変換により得られたデータのうち、第１変調周波数と第２変調周波数との差周波数を中心としてナイキスト周波数を前後に含む領域のデータについて２次元フーリエ変換を行うこととしてもよい。
【００３１】
本発明の観察装置では、演算部が、時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、第１変調周波数と第２変調周波数との差周波数を中心としてナイキスト周波数を前後に含む領域のデータについて、周波数に関する１次元フーリエ変換、および第１方向に関する１次元フーリエ変換を行うこととしてもよい。
【００３２】
本発明の観察装置では、変調器は、一つの変調器として構成され、演算部が、時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、一つの変調器における変調周波数または該変調周波数の倍波を中心としてナイキスト周波数を前後に含む領域のデータについて、２次元フーリエ変換を行うこととしてもよい。
【００３３】
本発明の観察装置では、変調器は、一つの変調器として構成され、演算部が、時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、一つの変調器における変調周波数または該変調周波数の倍波を中心としてナイキスト周波数を前後に含む領域のデータについて、周波数に関する１次元フーリエ変換、および第１方向に関する１次元フーリエ変換を行うこととしてもよい。
【００３４】
本発明の観察装置は、対象物の移動速度を検出する速度検出部を更に備えてもよい。この場合、演算部は、速度検出部により検出された対象物の速度に基づいて、時間方向の１次元フーリエ変換または２次元フーリエ変換の際に対象物の速度変化に関する補正を行うことができる。
【００３５】
本発明の観察装置は、対象物への光の照射が、透過照明の光学配置であってもよいし、反射照明の光学配置であってもよいし、限外照明の光学配置であってもよい。本発明の観察装置は、光源部が、単一縦モードの光を生成する光源であってもよいし、広帯域の光を生成する光源であってもよく、後者の場合にはモードロックレーザーであってもよい。
【００３６】
本発明の観察装置では、検出器は、受光面の前面に配置され、光源部からの光を遮断し、対象物から生じた蛍光を透過するフィルタを更に備えてもよい。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、空間解像度を損なうことなく、移動に伴うぶれ（motion blur）を解消した蛍光像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本実施形態の観察装置による対象物の蛍光像の取得の原理を説明する図である。
【図２】対象物で生じる蛍光の散乱光の散乱方向を説明する図である。
【図３】対象物で生じる蛍光の散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。
【図４】対象物で生じる蛍光の散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を更に説明する図である。
【図５】対象物が移動する場合に対象物で生じる蛍光の散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。
【図６】対象物が移動する場合に対象物で生じる蛍光の散乱光がレンズの後焦点面に到達するまでの光路長の変化を説明する図である。
【図７】対象物で生じる蛍光の散乱光の散乱方向単位ベクトルと移動する対象物の速度ベクトルの成す角度を説明する図である。
【図８】本実施形態の観察装置１の構成を示す図である。
【図９】本実施形態の観察装置１の詳細な構成を示す図である。
【図１０】本実施形態の観察装置１における対象物２，レンズ４０および光検出器４６の間の配置の関係を説明する図である。
【図１１】本実施形態の観察装置１に含まれるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図１２】本実施形態の観察装置１において第１配置例を採用した場合にｕｖ平面上で観測される信号を模式的に示す図である。
【図１３】本実施形態の観察装置１において第１配置例を採用した場合であって変調器２０，３０による周波数シフトがない場合（Ω＝０）にｕｖ平面上で観測される信号を模式的に示す図である。
【図１４】本実施形態の観察装置１において第１配置例を採用した場合に、各ｕｎについてｖ方向に平行な直線上の信号ｈ１〜ｈＮの総和を表す信号ｓ１(ｕｎ,ｔ)を得る操作を模式的に示す図である。
【図１５】第１配置例における光検出部４６および演算部５０の構成を示すブロック図である。
【図１６】本実施形態の観察装置１において第２配置例を採用した場合にｕ'ｖ'平面上で観測される信号を模式的に示す図である。
【図１７】第２配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図１８】第２配置例におけるレンズ４０、光検出部４６および演算部５０の構成を示すブロック図である。
【図１９】第３配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図２０】第３配置例における光検出部４６および演算部５０の構成を示すブロック図である。
【図２１】第４配置例の演算部５０による演算の模式図である。
【図２２】第４配置例における光検出部４６および演算部５０の構成を示すブロック図である。
【図２３】第５配置例の演算部５０による演算の模式図である。
【図２４】第５配置例における光検出部４６および演算部５０の構成を示すブロック図である。
【図２５】第６配置例の演算部５０による演算の模式図である。
【図２６】第６配置例における光検出部４６および演算部５０の構成を示すブロック図である。
【図２７】第７配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図２８】第８配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図２９】第９配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図３０】第１０配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図３１】第１１配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図３２】第１２配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図３３】第１３配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図３４】第１４配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図３５】第１５配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図３６】第１〜第１５配置例における演算器構成の概略を示すブロック図である。
【図３７】第１６配置例における演算器構成の概略を示すブロック図である。
【図３８】第１６配置例における演算器構成の概略の変形例を示すブロック図である。
【図３９】第１６配置例における演算器構成の概略の変形例を示すブロック図である。
【図４０】第１６配置例における演算器構成の概略の変形例を示すブロック図である。
【図４１】第１６配置例における演算器構成の概略の変形例を示すブロック図である。
【図４２】第１６配置例における時間波形ｓ（ｍ）（ｕ，ｔ）を示すグラフである。
【図４３】第１６配置例における時間波形Ｓ（ｍ）（ｕ，ω）を示すグラフである。
【図４４】第１８配置例における演算器構成の概略の変形例を示すブロック図である。
【図４５】第１７〜１９配置例の変形例の構成を示すブロック図である。
【図４６】第１７〜１９配置例の変形例の構成を示すブロック図である。
【図４７】第２０配置例におけるレンズ構成を示す図である。
【図４８】第２１配置例における観察装置１の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００４０】
本実施形態の観察装置は、移動している対象物に光が照射された際に生じるドップラーシフト効果を利用し、特に、対象物で生じた蛍光の散乱方向とドップラーシフト量との間に一定の関係が存在することを利用して、対象物の蛍光像を取得するものである。初めに、図１〜図７を用いて、本実施形態の観察装置による対象物の蛍光像の取得について原理的な事項について説明する。
【００４１】
図１は、本実施形態の観察装置による対象物の蛍光像の取得の原理を説明する図である。この図には、ξη座標系，ｘｙ座標系およびｕｖ座標系が示されている。ξ軸，η軸，ｘ軸，ｙ軸，ｕ軸およびｖ軸は、何れもレンズ４０の光軸に垂直である。ξ軸，ｘ軸およびｕ軸は、互いに平行である。η軸，ｙ軸およびｖ軸は、互いに平行である。観察対象である対象物２はξη平面上に存在する。レンズ４０はｘｙ平面上に存在する。また、レンズ４０の後焦点面はｕｖ平面と一致する。ξη平面とｘｙ平面との間の距離はｄである。ｘｙ平面とｕｖ平面との間の距離はレンズ４０の焦点距離ｆと一致する。
【００４２】
対象物２は蛍光物質を有しており、ξη平面上で−η方向に移動しているものとする。ξη平面に垂直なζ方向に進む光Ｌ０が対象物２に照射されるとする。ここで、光Ｌ０は、対象物２が有する蛍光物質を励起する励起光である。この光Ｌ０は例えば平面波である。対象物２に光Ｌ０が照射されることにより対象物２が有する蛍光物質が励起され、対象物から蛍光を生じさせる。この蛍光は様々な方向に進む散乱光となる。この蛍光の散乱光Ｌ１〜Ｌ３は、対象物２の移動によりドップラーシフトを受ける。対象物２の移動方向と同じ方向に散乱方向ベクトル成分を有する蛍光の散乱光Ｌ１は、光周波数が高くなる。対象物２の移動方向に散乱方向ベクトル成分を有しない散乱光Ｌ２は、光周波数が変化しない。対象物２の移動方向と逆の方向に散乱方向ベクトル成分を有する蛍光の散乱光Ｌ３は、光周波数が低くなる。これらの散乱光Ｌ１〜Ｌ３は、レンズ４０を経てｕｖ平面に到達する。
【００４３】
図２は、対象物で生じる蛍光の散乱光（以下、単に散乱光ともいう。）の散乱方向を説明する図である。対象物２で生じる散乱光の散乱方向を表現するには、仰角θおよび方位角φの２つの変数で記述する必要がある。対象物２内に仮想的に配置した点光源をξηζ座標系の原点とする。そして、その原点に位置する点光源からの散乱光の方向ベクトルとζ軸とがなす角度を仰角θとする。また、その散乱方向ベクトルのξη平面への投影ベクトルとξ軸とがなす角度を方位角φとする。
【００４４】
図３は、対象物で生じる蛍光の散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。光Ｌ０が対象物２に照射されることにより生じる蛍光の散乱光は、対象物２内に仮想的に配置した点光源から発した光として扱うことができる。同図では、対象物２内に５個の仮想的な点光源が配置されている。これらの点光源は、レンズ４０の前焦点面上だけでなく、レンズ４０の前焦点面の前後にも存在する場合がある。
【００４５】
これらの点光源から発した光のうち同じ仰角θおよび方位角φを有する散乱光Ｌ１〜Ｌ３は、レンズ４０の後焦点面上の一点Ｐａに到達する。また、他の同じ仰角θおよび方位角φを有する散乱光Ｌ４〜Ｌ６は、レンズ４０の後焦点面上の他の一点Ｐｂに到達する。なお、光線Ｌ２，Ｌ５は、レンズ４０の前焦点位置の点光源から発した光であるので、レンズ４０以降ではレンズ４０の光軸に平行に進む。光Ｌ０のうち対象物２により散乱されなかった光は、レンズ４０の光軸に平行に進んでレンズ４０に入射されるので、レンズ４０の後焦点位置Ｐｏに集光される。
【００４６】
対象物２がξη平面上で−η方向に移動している場合、ドップラーシフト効果により、点Ｐａで観測される光周波数は元の光周波数ｆｂより小さく、点Ｐｂで観測される光周波数は元の光周波数ｆｂより大きい。散乱角（仰角θ，方位角φ）がレンズ後焦点面上に展開されることから、レンズ後焦点面での像は角度スペクトルと呼ばれることがある。大きな仰角θを有する光線は、レンズ後焦点面上において中心点Ｐｏから遠い位置に集光される。まとめると、異なる仮想点光源であっても同じ散乱角を有する散乱光はレンズ後焦点面上で一点に集光される。
【００４７】
図４は、対象物で生じる蛍光の散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を更に説明する図である。ここでは、対象物２中のレンズ前焦点面上に存在する異なる仮想点光源から、異なる散乱角で散乱光Ｌ１〜Ｌ３が発するものとする。レンズ４０の前焦点位置の仮想点光源から発した散乱光Ｌ４は、レンズ４０以降ではレンズ４０の光軸に平行に進み、レンズ４０の後焦点面上の点Ｐｓを通過する。レンズ４０の前焦点面上の或る仮想点光源から発した散乱光Ｌ１は、レンズ４０の前焦点位置の仮想点光源から発した散乱光Ｌ４と散乱角が同じであるとすると、レンズ４０の後焦点面上の点Ｐｓを通過する。レンズ４０の前焦点位置の仮想点光源から発した散乱光Ｌ２は、Ｌ４とは散乱角が異なるため、レンズ４０以降ではレンズ４０の光軸に平行に進むが、点Ｐｓを通過しない。レンズ４０の前焦点面上の他の或る仮想点光源から発した散乱光Ｌ３は、レンズ４０の中心を通過するものとすると、レンズ４０の入射の前後で進行方向が変わらない。結局、光線Ｌ１〜Ｌ３は、レンズ後焦点面より更に後方の点Ｐｒに集光される。異なる散乱角を有する散乱光はレンズ後焦点面では１点で交わらない。
【００４８】
図５は、対象物が移動する場合に対象物で生じる蛍光の散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。ここでは、各位置に移動した対象物２ａ〜２ｅが示されている。また、対象物２ａ〜２ｅ中に仮想点光源が存在するものとする。対象物２ａ中の仮想点光源はレンズ前焦点位置に存在する。対象物２ｂ，２ｃ中の仮想点光源は、対象物２ａ中の仮想点光源の位置に対して上下に存在する。対象物２ｄ，２ｅ中の仮想点光源は、対象物２ａ中の仮想点光源の位置に対して前後に存在する。空間的に一様な光Ｌ０が対象物２ａ〜２ｅに照射されるので、対象物２ａ〜２ｅ中の各点光源で発する散乱光の角度スペクトルの強度分布は一定である。すなわち、対象物２が移動したとしても、レンズ後焦点面における角度スペクトルの強度分布は一定である。
【００４９】
対象物２が移動することによって光の位相が変化する。例えば、レンズ前焦点面上の対象物２ｂ，２ｃ中の各点光源で発した光Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃがレンズ後焦点面上の位置Ｐａに到達するまでの光路長差は以下のようになる。対象物２ｂ中の点光源で発した光Ｌ１ｂがレンズ４０の入射面に達するまでの光路長と、対象物２ｃ中の点光源で発した光Ｌ１ｃがレンズ４０の入射面に達するまでの光路長とは、互いに等しい。しかし、レンズ４０の肉厚差により、レンズ４０の入射面から点Ｐａに到達するまでの光Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃそれぞれの光路長は異なるものとなる。対象物２が等速移動することにより、この光路長差は時間的に直線的に変化する。
【００５０】
図６は、対象物が移動する場合に対象物で生じる蛍光の散乱光がレンズの後焦点面に到達するまでの光路長の変化を説明する図である。ただし、ここでは、レンズ４０を用いることなく無限遠方にて散乱光を観察する場合を想定する。対象物２がレンズ前焦点面上において対象物２ｂ位置から対象物２ｃ位置へ移動する場合、点Ｐａで散乱光を観測する場合と無限遠方にて散乱光を観測する場合とは互いに等しい。
【００５１】
対象物２がξη平面上で−η方向に移動しているとき、対象物２から発せられる散乱光が無限遠方のｕｖ平面上の点Ｐｐに達するまでの光路長の単位時間当たりの変化量ΔＬは、下記（１）式で表される。ここで、ｅｐｒは散乱方向単位ベクトルであり、ｖｐは対象物２の速度ベクトルである。この単位時間当たりの光路長変化量ΔＬを用いると、位相差すなわち光周波数の変化量ｆｄは下記（２）式で表される。λは光の波長である。ｕｖ平面上の位置Ｐｐで散乱光を観測する場合、対象物２が移動することにより、位置Ｐｐに到達する散乱光の光路長が変化して光周波数が変化する。これがドップラーシフトの原因である。
【００５２】
【数１】
【００５３】
【数２】
【００５４】
ドップラーシフトは、フーリエ変換の性質の一つである時間軸移動によっても説明することができる。対象物２の複素振幅をｇ(ｘ)で表し、対象物２のフーリエ変換をＧ(ｋ)で表す。対象物２が位置ｘ０から位置(ｘ０＋ｘ)へ移動したとき、移動後の対象物２のフーリエ変換Ｇ'(ｋ)は下記（３）式で表される。この（３）式の右辺の指数関数内の項は位相を表している。対象物２が移動することにより、この位相が波数ベクトルｋに比例して回転することから、周波数シフトが生じる。指数関数内の位相をφとすると、周波数シフトｆｄは下記（４）式で表される。ｅｐｒは波数ベクトルｋの単位ベクトルである。ｖｐは位置ｘの時間微分すなわち対象物２の速度を表す。この（４）式は、前述した単位時間当たりの光路長変化から説明される周波数シフト式（２）と合致する。
【００５５】
【数３】
【００５６】
【数４】
【００５７】
図７は、対象物で生じる蛍光の散乱光の散乱方向単位ベクトルと対象物２の速度ベクトルの成す角度を説明する図である。散乱方向単位ベクトルｅｐｒをηζ平面へ投影したベクトルとζ軸とがなす角度をθ'と表す。このとき、散乱方向単位ベクトルｅｐｒと対象物２の速度ベクトルｖｐとがなす角度はθ'＋π／２となる。このことから、（２）式または（４）式の右辺の散乱ベクトルと速度ベクトルとの内積は下記（５）式で表される。Ｖは対象物２の移動の速さである。レンズ４０の開口数ＮＡはsinθ'で定義されるので、ボケのない画像を得るためのナイキスト周波数ｆｎｙｑは下記（６）式で表される。
【００５８】
【数５】
【００５９】
【数６】
【００６０】
次に、具体的な数値を当てはめて、ドップラーシフトによる光周波数の変化量ｆｄを見積もる。現在市販されているフローサイトメーターにより対象物２が流れるものとして、対象物２の移動速度が１ｍ／秒であるとする。対象物２に照射される光Ｌ０は、波長４８８ｎｍのアルゴンレーザ光であるとする。光Ｌ０の励起光によって波長５２０ｎｍの蛍光が励起されるとする。レンズ４０は、ＮＡが０.４５であり、倍率が２０倍相当であるとする。このようなレンズ４０を使用する場合、速度ベクトルｖｐに対する散乱角θ'の正弦の最大値は０.４５をとる。したがって、最大ドップラーシフト周波数は、（５）式から８６０ｋＨｚと見積もられる。また、速度１００μｍ／秒の場合であれば、最大８６Ｈｚのドップラーシフト周波数が観測される。
【００６１】
散乱角θ'を有する散乱光は、焦点距離ｆのレンズ４０により、ｕｖ平面上の下記（７）式で表される位置に到達する。したがって、（５）式，（７）式を用い、角度θ'が小さい場合に成り立つtanθ'≒sinθ' の近似の式を用いると、ドップラーシフト周波数ｆｄは、下記（８）式のようにｖ座標値の関数として表現され得る。なお、近似を用いない場合には、下記（９）式で表される。
【００６２】
【数７】
【００６３】
【数８】
【００６４】
【数９】
【００６５】
本実施形態の観察装置１は、以上に説明した原理に基づいて、対象物２の蛍光像を取得するものである。対象物２は、観察対象であり、ＦＩＴＣ（fluorescein isothiocyanate）等の蛍光物質を含んでいる。この蛍光物質は波長４８８ｎｍの光で励起され、波長５２０ｎｍの蛍光を発するものである。図８は、本実施形態の観察装置１の構成を示す図である。本実施形態の観察装置１は、光源部１０、照明用レンズ１１、ビームスプリッタ１２、第１変調器２０、第１シグナルジェネレータ２１、第１増幅器２２、第２変調器３０、第２シグナルジェネレータ３１、第２増幅器３２、レンズ４０、ビームスプリッタ４１、ミラー４２、ミラー４３、レンズ４４、フィルタ４５、光検出器４６および演算部５０を備える。レンズ４０は、レンズ４０１およびレンズ４０２から構成される。図９は以上の観察装置１の構成をより詳細に示す図である。
【００６６】
光源部１０は、例えばアルゴンレーザ光源であり、対象物２が有する蛍光物質を励起する励起光を出力する励起光光源である。光源部１０は、対象物２に波長４８８ｎｍの励起光を照射し、対象物２の蛍光物質を励起して、波長５２０ｎｍの蛍光（光周波数ｆｂ）を生じさせる。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０１およびレンズ４０２の間に配置される。ビームスプリッタ１２は、光源部１０から出力された光により対象物から生じた蛍光を入力し、その入力した蛍光を対象物２の後段にて２分割して第１の光および第２の光とし、そのうちの第１の光をレンズ４０２を介してビームスプリッタ４１へ出力し、第２の光を第１変調器２０へ出力する。第１変調器２０および第２変調器３０それぞれは、例えば音響光学素子である。第１変調器２０は、第１シグナルジェネレータ２１から出力されて第１増幅器２２により増幅された第１変調信号を与えられて、光源部１０から出力された光を回折させ、その回折光を第２変調器３０へ出力する。第２変調器３０は、第２シグナルジェネレータ３１から出力されて第２増幅器３２により増幅された第２変調信号を与えられて、第１変調器２０から出力された光を回折させ、その回折光をミラー４２へ出力する。
【００６７】
第１変調器２０に与えられる第１変調信号および第２変調器３０に与えられる第２変調信号の強度それぞれは例えば２９ｄＢｍである。第１変調信号の周波数（第１変調周波数）と第２変調信号の周波数（第２変調周波数）とは僅かに異なる。例えば、第１変調周波数は４０ＭＨｚであり、第２変調周波数は４０.００００１０ＭＨｚであり、両者の周波数差は１０Ｈｚである。第１変調信号および第２変調信号それぞれは正弦波である。なお、第１シグナルジェネレータ２１と第２シグナルジェネレータ３１との間で同期を得るために、第１シグナルジェネレータ２１と第２シグナルジェネレータ３１との間は配線で接続されている。第１変調器２０と第２変調器３０が音響光学素子の場合、第１変調器によるｍ次回折光を、第２変調器３０へ入力し、第２変調器３０からｎ次回折光をミラー４２へ出力する。ｍ、ｎは整数であり、一般的にはｍ＝＋１、ｎ＝−１またはｍ＝−１、ｎ＝＋１の値をとる。この両者の場合、第１変調周波数４０ＭＨｚと第２変調周波数４０．００００１０ＭＨｚの差周波数の周波数Ω＝１０Ｈｚだけ周波数遷移した光が、第２変調器３０から出力されることになる。
【００６８】
第１変調器２０と第２変調器３０を合わせて参照光変調器と呼べば、結局、参照光変調器は、光の周波数を周波数Ωだけ周波数遷移する役割を有するものであればよく、参照光変調器を構成する変調器は１つでもよいし、複数個でもよい。また参照光変調器に入力した光周波数ｆｂは、参照光変調器の作用により、その出力光は、周波数がΩだけ遷移したｆｂ＋Ωの光が出射される。
【００６９】
レンズ４０は、レンズ１１からの光照射により対象物２で生じた蛍光の散乱光を入力して対象物２のフーリエ変換像を形成する。図１１はレンズ４０の構成を示している。レンズ４０は、図１１に示すようにレンズ４０１およびレンズ４０２から構成され、レンズ４０１とレンズ４０２の間にビームスプリッタ１２が配置される。なお図１１における点線は結像の様子を表す。
【００７０】
図１１に示すように、レンズ４０１の後焦点面では、物体のフランフォーファー回折像を得る。レンズ４０１の後焦点面におけるフランフォーファー回折像の中心にはドップラー効果を受けなかった光またはドップラー効果が小さかった光が現れる。このフランフォーファー回折像における像の中心に集まる光は０次光と呼ばれる。０次光および０次光とみなせる蛍光は、対象物２で生じた蛍光のうち、ドップラー効果を受けなかった光またはドップラー効果が小さかった光である。本明細書では、これらの光を略０次光と称する。略０次光とは、散乱方向の単位ベクトルｅｐｒと対象物２の速度ベクトルｖｐが略直交するとき、上記（２）式に示されるドップラーシフト周波数ｆｄがほぼ０となる散乱方向単位ベクトルｅｐｒを持つ蛍光のことである。
【００７１】
すなわち、対象物２で生じた蛍光のうち略０次光のドップラーシフト周波数ｆｄは略０である。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０１の後焦点面に配置されており、対象物２で生じた蛍光から略０次光を抜き出す。ビームスプリッタ１２は，レンズ４０１から出力された光を２分し，その一方を第１の光としてレンズ４０２へ出力する。他方、ビームスプリッタ１２は、図９に示すように、反射した略０次光を第２の光として、レンズ６０、レンズ６１，ピンホール６２，およびミラー６３を介して第１変調器２０に導く。
【００７２】
レンズ６０の前焦点面は、レンズ４０１の後焦点面（ｕ−ｖ面）に一致する。レンズ６０は，ビームスプリッタ１２から出力された略０次光を平行光として出力する。レンズ６０より出力される平行光は、レンズ６１によりビーム径が拡大縮小される。レンズ６１は、レンズ５０１およびレンズ５０２の２枚のレンズからなる、いわゆる４ｆ光学系を示す。４ｆ光学系とはレンズ５０１の後焦点面とレンズ５０２の前焦点面が一致し、レンズ５０１の前焦点面の像がレンズ５０２の後焦点面に結像する光学系である。
【００７３】
また、レンズ５０１の後焦点面には、ピンホール６２が配置されている。ピンホール６２は、その大きさを変更することにより、前記ビームスプリッタ１２が抜き出す略０次光における０次光成分の純度を調整することができる。ピンホール径が小さい場合には０次光成分の純度が高まり、ピンホール径が大きい場合には０次光成分の純度は低下する．第２の光は、レンズ６１とピンホール６２によりビーム径と、０次光成分の純度が調整された後、ミラー６３を介して第１変調器に入力される。
【００７４】
レンズ１１は、光源部１０から出力された光を平行光とし、この平行光を対象物２へ照射する。レンズ４４は、第２変調器３０から出力されてミラー４２，４３により順次に反射された光を平行光として、これをビームスプリッタ４１へ出力する。レンズ４４は、レンズ５０３，レンズ５０４から構成されており、それらは４ｆ光学系の構成を取る。レンズ４４により所望のビーム径に調整されたあと、ビームスプリッタ４１に入力される。
【００７５】
ビームスプリッタ４１は、レンズ４０およびレンズ４４それぞれから到達した光を光検出器４６の受光面へ入射させて、両光を受光面上でヘテロダイン干渉させる。つまり、光源部１０から出力された励起光により対象物２から生じた蛍光をビームスプリッタ１２が入力して、その入力した光をビームスプリッタ１２が２分割して第１の光および第２の光とし、当該第２の光が変調器２０、３０で変調された後に、ビームスプリッタ４１が所定平面上で第１の光と当該変調後の第２の光とをヘテロダイン干渉させる。
【００７６】
光検出器４６の受光面の前にはフィルタ４５が設けられている。フィルタ４５は、光源部１０から出力される光を遮断し、対象物２において生じる蛍光を透過する光学フィルタである。具体的には、フィルタ４５は、波長４４８ｎｍ付近の光を遮断し、波長５２０ｎｍ付近の光を透過する。フィルタ４５により、光検出器４６の受光面には対象物２から生じた蛍光のみが入射する。第２変調器３０から出力されて光検出器４６の受光面に入射される光の周波数は、ｆｂ＋Ωとなる。観察装置１の場合，周波数Ωは、第１変調周波数と第２変調周波数との差周波数である。
【００７７】
対象物２はξη平面上で−η方向に移動しているものとすると、レンズ４０を経て光検出器４６の受光面に到達した光において対象物２の移動に因るドップラーシフト周波数が一定となる第１方向は、ξ軸に平行なｕ方向である。すなわち、第１方向は、対象物２の移動方向に垂直な方向である。この第１方向に直交する受光面上の第２方向は、η軸に平行なｖ方向である。すなわち、第２方向は、対象物２の移動方向に平行な方向である。光検出器４６は、レンズ４０を経て受光面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの第２方向（ｖ方向）についての総和を表すデータを、第１方向（ｕ方向）の各位置について各時刻に出力することができる。
【００７８】
光検出器４６は、第１方向（ｕ方向）に画素構造を有するのが好適であり、また、各画素の光感応領域の形状が第２方向（ｖ方向）に長尺であるのが好適である。光検出器４６の受光面は、レンズ４０の第１方向における後焦点面であって、レンズ４０の第２方向における後焦点面に一致していてもよいし（後述する第１配置例）、レンズ４０により第１方向において対象物２の像が形成される像面（結像面）であって、第２方向において対象物２の像が形成される像面に一致していてもよいし（第２，５配置例）、また、第１方向および第２方向ともにレンズ４０の前段または後段の光軸に垂直な任意の面（フレネル回折面）に一致していてもよい（第３，６配置例）。
【００７９】
さらに、光検出器４６の受光面は、レンズ４０により第１方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置されてもよいし（第７配置例）、また、レンズ４０により第１方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、第２方向において対象物の像が形成される結像面に配置されてもよいし（第８配置例）、また、レンズ４０により第１方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置されてもよい（第９配置例）。
【００８０】
さらに、光検出器４６の受光面は、レンズ４０により第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置されてもよいし（第１０配置例）、また、レンズ４０により第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物の像が形成される結像面に配置されてもよいし（第１１配置例）、また、レンズ４０により第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置されてもよい（第１２配置例）。
【００８１】
加えて、光検出器４６の受光面は、レンズ４０により第１方向において対象物のフレネル回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置されてもよいし（第１３配置例）、また、レンズ４０により第１方向において対象物のフレネル回折像が形成される面であって、第２方向において対象物の像が形成される結像面に配置されてもよいし（第１４配置例）、また、レンズ４０により第１方向において対象物のフレネル回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置されてもよい（第１５配置例）。
【００８２】
演算部５０は、光検出器４６から出力された受光面上の第１方向（ｕ方向）の位置および時刻を変数とするデータについて所定の演算を行って対象物２の像を得る。この演算を行うために、演算部５０は、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部５１と、２次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部５２とを備える。また、第２フーリエ変換部５２は、周波数に関する１次元フーリエ変換を行う第３フーリエ変換部５３と、第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う第４フーリエ変換部５４とを備える。詳細な演算内容については後述する。
【００８３】
図１０は、本実施形態の観察装置１における対象物２，レンズ４０および光検出器４６の間の配置の関係を説明する図である。同図（ａ）はη方向に見た図であり、同図（ｂ）はξ方向に見た図である。同図では、レンズ４０の前焦点位置に原点を有するξη座標系、レンズ４０の中心に原点を有するｘｙ座標系、レンズ４０の後焦点位置に原点を有するｕｖ座標系、レンズ４０による結像面中心位置に原点を有するｕ'ｖ'座標系、および、レンズ４０の光軸上の任意位置に原点を有するｕ"ｖ"座標系、が示されている。第１配置例では光検出器４６の受光面はｕｖ平面に一致し、第２配置例では光検出器４６の受光面はｕ'ｖ'平面に一致し、また、第３配置例では光検出器４６の受光面はｕ"ｖ"平面に一致する。
【００８４】
同図（ｂ）に示されるように、対象物２中の仮想点光源ｇ１〜ｇ３で同じ角度で発生した光線Ｌ４〜Ｌ６は、レンズ後焦点面であるｕｖ平面上の一点ａで交わり、やがて発散していき、レンズ結像面であるｕ'ｖ'平面上の点ｈ，ｇ，ｆに到達する。これらの光線Ｌ４〜Ｌ６は、同じ散乱角θ'を有することから、同じ量のドップラーシフトを受ける。
【００８５】
第１配置例および第２配置例それぞれの場合に光検出器４６により受光される信号の相違について説明すると以下のとおりである。第１配置例では、周波数シフトがｖ方向に規則正しく観測され、ｖ方向の位置と周波数シフト量との間には１対１の対応関係が存在する。これに対して、第２配置例では、周波数シフトがｖ'方向に規則正しく配置されず、ｖ'方向の位置と周波数シフト量との間には１対１の対応関係が存在しない。
【００８６】
ここで、第２配置例においてｖ'方向に不規則に配置された周波数シフト量を順序正しくする（すなわち、第１配置例で光検出器４６の受光面で観測されるような順序にする）には，ｕ'ｖ'平面上の点ｆ，ｇ，ｈで観測される波形を合波（和算）した後にフーリエ変換を施せばよく、このようにすることにより、その周波数軸が線形となり、かつその振幅および位相が得られる。
【００８７】
このことは、光検出器４６の受光面においても規則正しく周波数シフトがｖ方向に並んでいる第１配置例において図１４中のグラフに示されるようにｖ方向に波形ｈ１，ｈ２，ｈ３を和算した後にフーリエ変換により各周波数における振幅および位相が得られることと同じである。別の説明をすれば、対象物２によりドップラーシフトを受けた散乱光をカバーするだけの大きさの受光面を光検出器４６が有していれば、どの位置に配置された光検出器４６により受光しようとも得られる信号は変わらず、かつ、周波数にエンコードされているので、第１配置例の光検出器４６の受光面で得られる分布を回復することが可能である。
【００８８】
一方、同図（ａ）に示されるように、ｕ方向に関してはドップラーシフトを受けないことから、ｕ方向に信号を積分しても、演算等により分布を回復することはできない。以上のことから、光検出器４６は、ｕ方向には画素構造を有する必要があるが、ｖ方向には画素構造を有する必要がない。
【００８９】
以下では、本実施形態の観察装置１において第１〜第１５配置例それぞれを採用した場合の演算部５０の演算内容について説明する。
【００９０】
（第１配置例）
第１配置例では、光検出器４６の受光面はレンズ４０の第１方向における後焦点面であってレンズ４０の第２方向における後焦点面（ｕｖ平面）に配置される。このとき、ξη平面上の対象物２の複素振幅像ｇ(ξ,η)に対し、レンズ４０によるフーリエ変換作用によりｕｖ平面上に得られる対象物２の像は下記（１０）式で表される。（１０）式は、対象物２のフーリエ変換像Ｇ（ｕ，ｖ）の項を含み、ｄ＝ｆの条件ときに完全にＧ（ｕ，ｖ）と一致する。
【００９１】
【数１０】
【００９２】
図８および図９に示される本実施形態の観察装置１の構成において、対象物２でドップラーシフトを受けてレンズ４０を経た散乱光（光周波数ｆｂ−ｆｄ）と、第１変調器２０および第２変調器３０により光周波数ｆｂからΩだけ周波数遷移した参照光（光周波数ｆｂ＋Ω）とが、ビームスプリッタ４１を経て、レンズ４０の後焦点面であるｕｖ平面（光検出器４６の受光面）に到達する。そのｕｖ平面上において両光がヘテロダイン干渉することにより、ｕｖ平面上の各位置において、散乱光および参照光それぞれの光周波数の差周波数（Ω＋ｆｄ）を有するビート信号が観測される。ドップラーシフトによる散乱光の光周波数変化量ｆｄは、上記（８）式のようにｖ座標値の関数として表現され得る。なお、観察装置１における各光学部品は、散乱光と参照光との干渉性を高めるために、散乱光の光路と参照光の光路とが等しくなるように配置されている。
【００９３】
図１２は、本実施形態の観察装置１において第１配置例を採用した場合にｕｖ平面上で観測される信号を模式的に示す図である。この図には、ｕｖ平面上で各ｕｎ（ｎ＝１〜Ｎ）についてｖ方向に平行な直線上の位置ｖ１，ｖ２，ｖ３それぞれにおける信号の時間波形が模式的に示されている。対象物２がξη平面上で−η方向に移動しているので、ｕｖ平面上においてｖ座標値ｖ１が正である位置（ｕｎ,ｖ１）ではΩより低い周波数（Ω−|ｆｄ|）の信号ｈ１が得られる。ｕｖ平面上においてｖ座標値ｖ２が０である位置（ｕｎ,ｖ２）では周波数Ωの信号ｈ２が得られる。また、ｕｖ平面上においてｖ座標値ｖ３が負である位置（ｕｎ,ｖ３）ではΩより高い周波数（Ω＋|ｆｄ|）の信号ｈ３が得られる。
【００９４】
参考として示す図１３は、本実施形態の観察装置１において第１配置例を採用した場合であって変調器２０，３０による周波数シフトがない場合（Ω＝０）にｕｖ平面上で観測される信号を模式的に示す図である。この場合には、ｕｖ平面上においてｖ座標値ｖ３が０である位置（ｕｎ,ｖ３）ではＤＣ信号ｈ３が得られる。ｕｖ平面上においてｖ座標値の絶対値が同じで符号が異なる２つの位置（ｕｎ,ｖ１），（ｕｎ,ｖ５）では、周波数|ｆｄ|が同じであるが位相がπだけ相違する信号ｈ１，ｈ５が得られる。同様に、ｕｖ平面上においてｖ座標値の絶対値が同じで符号が異なる２つの位置（ｕｎ,ｖ２），（ｕｎ,ｖ４）では、周波数|ｆｄ|が同じであるが位相がπだけ相違する信号ｈ２，ｈ４が得られる。
【００９５】
本実施形態の観察装置１において第１配置例を採用した場合、レンズ後焦点面であるｕｖ平面上の位置（ｕｎ,ｖ）で観測される信号ｈｎは、周波数Ω＋ｆｄ＝Ω−(Ｖ／λｆ)ｖを有する。すなわち、位置（ｕｎ,ｖ）で観測される信号ｈｎはｖ座標値によって異なる周波数を有する。ｖ座標値と周波数とは１対１に対応している。したがって、任意のｕｎについて、ｖ方向に平行な直線上の信号ｈ１〜ｈＮの総和を表す信号ｓ１(ｕｎ,ｔ)が得られれば、この信号ｓ１(ｕｎ,ｔ)を周波数解析することにより、各位置（ｕｎ,ｖ）における信号（振幅，位相）を特定することができる。
【００９６】
図１４は、本実施形態の観察装置１において第１配置例を採用した場合に、各ｕｎについてｖ方向に平行な直線上の信号ｈ１〜ｈＮの総和を表す信号ｓ１(ｕｎ,ｔ)を得る操作を模式的に示す図である。この図において、記号Σは、信号ｈ１〜ｈＮの総和を求める演算を示す。任意のｕ座標値についてｖ方向に平行な直線上の信号ｈ(ｖ)の総和を表す信号ｓ１(ｕ,ｔ)は下記（１１）式で表される。ここで、Ｇ(ｕ,ｖ)はｕｖ平面上に得られる対象物２のフーリエ変換像（複素振幅）である。記号∠は複素振幅の位相を表す。φ０は、散乱光、参照光の光学的条件に起因する初期位相を表す。Ａ０は散乱光および参照光の強度ムラを表す。ｔは時刻変数である。なお、直流成分の項は省略した。
【００９７】
【数１１】
【００９８】
前述したように、光検出器４６として、ｕ方向に画素ｅ１〜ｅｎが配列された画素構造を有し、各ｕｎに対応する画素ｅｎの光感応領域の形状がｖ方向に長尺であるものが好適に用いられる。このような光検出器４６の画素ｅｎから出力される信号は、上記（１１）式で表される信号ｓ１(ｕｎ,ｔ)に相当する。
【００９９】
上記（１１）式を複素表示すると下記（１２）式で表される。ωｄは、ドップラーシフト周波数ｆｄを角周波数表記したものであり、ωｄ＝２πｆｄである。ｖ＝ａωｄであり、ａ＝λｆ／（２πＶ） である。（１２）式では、Ａ０，φ０を省略した。以後の数式ではＡ０，φ０を省略する。
【０１００】
【数１２】
【０１０１】
この（１２）式の右辺において、積分記号の前の指数関数exp(ｉΩｔ)は、積分記号以降の関数が周波数Ωで変調されることを意味する。具体的には周波数領域において周波数Ωだけ周波数遷移が生じることを意味する。また、（１２）式の積分記号は、変数ｖまたはωｄに関する複素振幅Ｇ(ｕ,ｖ)の逆フーリエ変換を示している。
【０１０２】
時刻変数ｔに関する信号ｓ１(ｕ,ｔ)の１次元フーリエ変換は下記（１３）式で表される。この（１３）式の最右辺は、対象物２の複素振幅像ｇ(ξ,η)に対する２次元フーリエ変換像Ｇ(ｕ,ｖ)において周波数Δｖ＝ａΩだけ周波数シフトした信号を表している。
【０１０３】
【数１３】
【０１０４】
次に、信号ｓ１(ｕ,ｔ)のデータを時刻変数ｔに関して１次元フーリエ変換（上記（１３）式）して得られたデータから周波数Ω＝１０Ｈｚを中心とする一定範囲を切り出す。このとき切り出す一定範囲は、周波数Ωを中心として、上記（６）式で示されるナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域である。この切り出し作業により、（１４）式に示されるＧ（ｕ，ｖ）が得られる。
【０１０５】
【数１４】
【０１０６】
続いて、下記（１５）式に示すように、複素振幅像Ｇ(ｕ,ｖ)を２次元フーリエ変換して対象物２の複素振幅像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１０７】
【数１５】
【０１０８】
本実施形態の観察装置１の構成において、光検出器４６の受光面はレンズ４０の第１方向における後焦点面であってレンズ４０の第２方向における後焦点面（ｕｖ平面）に配置される。第１配置例では、演算部５０は以上のような演算処理を行って対象物２の像を得る。すなわち、演算部５０は、ｕｖ平面上の位置ｕおよび時刻ｔを変数とする信号ｓ１(ｕ,ｔ)のデータを取得し、この信号ｓ１(ｕ,ｔ)のデータについて時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換を行い（上記（１３）式）、この１次元フーリエ変換で得られたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出し（上記（１４）式）、この切り出したデータについて２次元フーリエ変換を行って（上記（１５）式）、対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１０９】
図１５は、以上のような演算処理を行う第１配置例における光検出部４６および演算部５０の構成を示す図である。演算部５０は、第１フーリエ変換部５１と、第２フーリエ変換部５２と、特定領域切出部５５と、を備える。第２フーリエ変換部５２は、第３フーリエ変換部５３と、第４フーリエ変換部５４とを含む。第１フーリエ変換部５１は、ｕｖ平面上の位置ｕおよび時刻ｔを変数とする信号ｓ１(ｕ,ｔ)のデータについて時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換（上記（１３）式）を行う。特定領域切出部５５は、この１次元フーリエ変換で得られたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出す（上記（１４）式）。第３フーリエ変換部５３は、この切り出したデータについて時間周波数ωｄに関する１次元フーリエ変換（上記（１５）式の時間周波数ωｄに関するフーリエ変換）を行う。第４フーリエ変換部５４は、変数ｕに関するフーリエ変換（上記（１５）式の変数ｕに関するフーリエ変換）を行う。フーリエ変換部に着目すると、第１配置例では、演算部５０が第１フーリエ変換部５１、第３フーリエ変換部５３、第４フーリエ変換部５４の順に配置される。なお、第４フーリエ変換部５４の位置はこれに限られることなく、例えば第１フーリエ変換部５１と第３フーリエ変換部５３との間に配置されてもよく、または第１フーリエ変換部５１の前に配置されてもよい。このような演算部５０を用いて信号ｓ１(ｕ,ｔ)に対して演算を行うことにより対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１１０】
なお、第１配置例では、光検出器４６の受光面は、レンズ４０の後焦点面と同等の面に配置されればよいので、対象物２から十分遠方であってフラウンフォーファー回折と見做し得る領域内の平面に配置されてもよい。
【０１１１】
ここで、信号ｓ１(ｕ,ｔ)のデータを得るには、光検出器４６は、２次元の画素構造を有するものでなくてもよく、１次元の画素構造を有するものであればよい。したがって、本実施形態の観察装置１は、１次元の画素構造を有して１画素当りの読出し速度が低速である光検出器４６を用いる場合であっても移動している対象物２の蛍光像を高感度に得ることができる。また、空間解像度を損なうことなく、移動に伴うぶれ（motion blur）を解消した蛍光像を得ることができる。
【０１１２】
また、光検出器４６として、検出光の変調周波数を素子内で直接算出可能なチップ内演算機能カメラ（例えば、ビジョンチップやプロファイルセンサー）を利用することも可能である。このとき、変調周波数に対応した画像が直接得られるため、図１に示した画像を実時間表示することも可能となる。さらに、上記のチップ内演算機能カメラを用いれば、速度の再構成画像を検出器から直接出力することも可能である。
【０１１３】
（第２配置例）
次に、第２配置例について説明する。第２配置例では、図１７に示すように、光検出器４６の受光面はレンズ４０により第１方向において対象物２の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物２の像が形成される結像面（ｕ'ｖ'平面）に配置される。図１０に示されるように、レンズ４０による結像面（ｕ'ｖ'平面）上の点ｈに到達する光線Ｌ１〜Ｌ４は、対象物２内の共通の仮想点光源ｇ１から発したものである。これら光線Ｌ１〜Ｌ４は、仮想点光源ｇ１から発する際の散乱角θ'が互いに異なるので、ドップラーシフト周波数ｆｄも互いに異なる。
【０１１４】
図１６は、本実施形態の観察装置１において第２配置例を採用した場合にｕ'ｖ'平面上で観測される信号を模式的に示す図である。第２配置例では、ｕ'ｖ'平面上の各点に種々の周波数を有する散乱光が入射する。したがって、同図左に示されるように、ｕ'ｖ'平面上の各点において散乱光と参照光とがヘテロダイン干渉して得られるビート信号ｈ(ｕ',ｖ')は、種々の周波数成分を含むものとなる。ｕ'ｖ'平面上の位置（ｕｎ',ｖ１'）で観測される信号をｈ１０と表し、位置（ｕｎ',ｖ２'）で観測される信号をｈ１１と表し、位置（ｕｎ',ｖ３'）で観測される信号をｈ１２と表す。また、任意のｕｎ'についてｖ'方向に平行な直線上の信号ｈ１０〜ｈ１２の総和を表す信号をｓ２(ｕｎ',ｔ)と表す（同図中央）。
【０１１５】
時刻変数ｔに関して信号ｓ２(ｕｎ',ｔ)を１次元フーリエ変換すると、同図右に示されるように、第１配置例の場合のレンズ後焦点面（ｕｖ平面）でｖ方向に沿った周波数分布と同様のものが得られる。すなわち、ｕ'ｖ'平面上における不規則な周波数分布（同図左）が、時刻変数ｔに関する信号ｓ２(ｕｎ',ｔ)の１次元フーリエ変換により、規則的な周波数分布（同図右）に変換される。第２配置例では、光検出器４６の受光面がレンズ４０による結像面（ｕ'ｖ'平面）に配置されるので、信号ｓ２(ｕｎ',ｔ)を変数ｕ'に関してもフーリエ変換することで、ｕｖ平面と同じ分布を得ることができる。ｕ'方向に関して詳しく説明すれば、図１７のレンズ４０４による光学的なフーリエ変換と、演算部５０による逆フーリエ変換により、結果、ｕ'方向にはフーリエ変換が行われていない事であり、結果、第１配置例のｕ方向に関する分布を得る。
【０１１６】
すなわち、下記（１６）式により、対象物２の複素振幅像ｇ(ξ,η)に対する２次元フーリエ変換像Ｇ(ｕ,Δｖ＋ｖ)を得ることができる。このフーリエ変換像Ｇ(ｕ,Δｖ＋ｖ)は第１配置例の場合と同様のものであるから、以降は第１配置例の場合と同様の演算処理をすることにより対象物２の複素振幅像ｇ(ξ,η)を得ることができる。
【０１１７】
【数１６】
【０１１８】
本実施形態の観察装置１の構成において、光検出器４６の受光面がレンズ４０により第１方向において対象物２の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物２の像が形成される結像面（ｕ'ｖ'平面）に配置される第２配置例では、演算部５０は以上のような演算処理を行って対象物２の像を得る。すなわち、演算部５０は、ｕ'ｖ'平面上の位置ｕ'および時刻ｔを変数とする信号ｓ２(ｕ',ｔ)のデータを取得し、この信号ｓ２(ｕ',ｔ)のデータについて変数ｕ'および時刻変数ｔに関するフーリエ変換を行い（上記（１６）式）、このフーリエ変換で得られたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出し（上記（１４）式）、この切り出したデータについて２次元フーリエ変換を行って（上記（１５）式）、対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１１９】
図１８は、以上のような演算処理を行う第２配置例におけるレンズ４０、光検出部４６および演算部５０の構成を示す図である。演算部５０は、第１フーリエ変換部５１と、第２フーリエ変換部５２と、第４フーリエ変換部５４と、特定領域切出部５５と、を備える。第２フーリエ変換部５２は、第３フーリエ変換部５３と、第４フーリエ変換部５４とを含む。第１フーリエ変換部５１は、レンズ４０により光学的にフーリエ変換されたｕ'ｖ'平面上の位置ｕ'および時刻ｔを変数とする信号ｓ２(ｕ',ｔ)のデータについて時刻変数ｔに関するフーリエ変換（上記（１６）式の時刻変数ｔに関するフーリエ変換）を行う。第１フーリエ変換部５１の後段に配置される第４フーリエ変換部５４は、このフーリエ変換で得られたデータについて変数ｕ'に関するフーリエ変換（上記（１６）式の変数ｕ'に関するフーリエ変換）を行う。特定領域切出部５５は、このフーリエ変換で得られたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出す（上記（１４）式）。第３フーリエ変換部５３は、この切り出したデータについて時間周波数ωｄに関する１次元フーリエ変換（上記（１５）式の時間周波数ωｄに関するフーリエ変換）を行う。第３フーリエ変換部５３の後段に配置される第４フーリエ変換部５４は、変数ｕに関するフーリエ変換（上記（１５）式の変数ｕに関するフーリエ変換）を行う。フーリエ変換部に着目すると、第２配置例では、演算部５０が第１フーリエ変換部５１、第４フーリエ変換部５４、第３フーリエ変換部５３、第４フーリエ変換部５４の順に配置される。なお、第１フーリエ変換部５１の後段に配置される第４フーリエ変換部５４の位置はこれに限られることなく、例えば第３フーリエ変換部５３と第３フーリエ変換部５３の後段に配置される第４フーリエ変換部５４との間に配置されてもよく、または第１フーリエ変換部５１の前に配置されてもよい。また、第３フーリエ変換部５３の後段に配置される第４フーリエ変換部５４の位置はこれに限られることなく、例えば第１フーリエ変換部５１の後段に配置される第４フーリエ変換部５４と第３フーリエ変換部５３との間に配置されてもよく、または第１フーリエ変換部５１の前に配置されてもよい。このような演算部５０を用いて信号ｓ２(ｕ',ｔ)に対して演算を行うことにより対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１２０】
（第３配置例）
次に、第３配置例について説明する。第３配置例では、図１９に示すレンズ構成が用いられる。図１９に示すように、第３配置例では、レンズ４０５の後焦点面に略０次光を２分するようにビームスプリッタ１２が配置される。ビームスプリッタ１２において反射される光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。また、第３配置例では、光検出器４６の受光面は、第１方向および第２方向ともにレンズ４０の前段または後段の光軸に垂直な任意の面であるｕ"ｖ"平面に配置される。このｕ"ｖ"面はフレネル回折面として扱われる。対象物２の複素振幅像ｇ(ξ,η)のフレネル回折像ｇ"(ｕ",ｖ")は下記（１７）式で表される。この（１７）式中のｈは下記（１８）式で表される。Ｈはｈのフーリエ変換である。Ｇは対象物２の複素振幅像ｇ(ξ,η)のフーリエ変換である。ＦＴ−１は２次元逆フーリエ変換の演算を表す記号である。なお、式中の変数ｚは、ξη面とｕ"ｖ"面の間隔（距離）である。ｋは波数であり、λは波長である。
【０１２１】
【数１７】
【０１２２】
【数１８】
【０１２３】
この（１７）式は、ｕｖ平面におけるＧ(ｕ,ｖ)にＨ(ｕ,ｖ)を乗算したものの逆フーリエ変換像ｇ"(ｕ",ｖ")がｕ"ｖ"平面上に現れることを意味している。換言すれば、この（１７）式は、ｕ"ｖ"平面上に現れる像ｇ"(ｕ",ｖ")をフーリエ変換すると、ＧにＨを乗算したものが得られることを意味している。
【０１２４】
したがって、ｕ"ｖ"平面上の任意のｕｎ"についてｖ"方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ３(ｕ",ｔ)と表すと、下記（１９）式に表されるように、この信号ｓ３(ｕ",ｔ)のデータを変数ｕ"および時刻変数ｔに関してフーリエ変換することにより、ｕｖ平面におけるＧ(ｕ,ｖ)にＨ(ｕ)を乗算したものが得られる。
【０１２５】
ここで、Ｈ（ｕ）とは、（１８）式の２次元フーリエ変換で得られる関数Ｈのうち、ｖ方向に一様である関数を表している。ｕ"方向に関して詳しく説明すれば，演算部５０による変数ｕ"に関するフーリエ変換は、図１におけるレンズ４０を配置する光学的なフーリエ変換と同じ作用であり、（１０）式においてｄ≠ｆで示される分布を得る。一方，ｖ"方向に関しては、前述の理由により第１配置例のｖと同じ分布を得る。
【０１２６】
【数１９】
【０１２７】
上記（１９）式からｕｖ平面におけるＧ(ｕ,ｖ)を求めるには、下記（２０）式のとおりＨ(ｕ)で除算すればよい。以降は第１配置例の場合と同様の演算処理をすることにより対象物２の複素振幅像ｇ(ξ,η)を得ることができる。
【０１２８】
【数２０】
【０１２９】
本実施形態の観察装置１の構成において、光検出器４６の受光面がレンズ４０の前段または後段の光軸に垂直な任意のｕ"ｖ"平面に配置される第３配置例では、演算部５０は以上のような演算処理を行って対象物２の像を得る。すなわち、演算部５０は、ｕ"ｖ"平面上の位置ｕ"および時刻ｔを変数とする信号ｓ３(ｕ",ｔ)のデータを取得し、この信号ｓ３(ｕ",ｔ)のデータについて変数ｕ"および時刻変数ｔに関するフーリエ変換を行い（上記（１９）式）、このフーリエ変換で得られたデータをＨで除算してｕｖ平面におけるＧを求め（上記（２０）式）、これにより得られたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出し（上記（１４）式）、この切り出したデータについて２次元フーリエ変換を行って（上記（１５）式）、対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。なお、フォーカスの合った複素振幅像ｇ(ξ,η)を得るには、参照光，散乱光の光学的条件による初期位相を適宜補正する必要がある。
【０１３０】
図２０は、以上のような演算処理を行う第３配置例における光検出部４６および演算部５０の構成を示す図である。演算部５０は、第１フーリエ変換部５１と、第２フーリエ変換部５２と、第４フーリエ変換部５４と、特定領域切出部５５と、２次位相除算部５７と、を備える。第２フーリエ変換部５２は、第３フーリエ変換部５３と、第４フーリエ変換部５４とを含む。第１フーリエ変換部５１は、ｕ"ｖ"平面上の位置ｕ"および時刻ｔを変数とする信号ｓ３(ｕ",ｔ)のデータについて時刻変数ｔに関するフーリエ変換（上記（１９）式の時刻変数ｔに関するフーリエ変換）を行う。第１フーリエ変換部５１の後段に配置される第４フーリエ変換部５４は、このフーリエ変換で得られたデータについて変数ｕ"に関するフーリエ変換（上記（１９）式の変数ｕ"に関するフーリエ変換）を行う。２次位相除算部５７は、第４フーリエ変換部５４で得られたデータをＨで除算してｕｖ平面におけるＧを求める（上記（２０）式）。特定領域切出部５５は、これにより得られたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出す（上記（１４）式）。第３フーリエ変換部５３は、この切り出したデータについて時間周波数ωｄに関する１次元フーリエ変換（上記（１５）式の時間周波数ωｄに関するフーリエ変換）を行う。第３フーリエ変換部５３の後段に配置される第４フーリエ変換部５４は、変数ｕに関するフーリエ変換（上記（１５）式の変数ｕに関するフーリエ変換）を行う。フーリエ変換部に着目すると、第３配置例では、演算部５０が第１フーリエ変換部５１、第４フーリエ変換部５４、第３フーリエ変換部５３、第４フーリエ変換部５４の順に配置される。なお、第１フーリエ変換部５１の後段に配置される第４フーリエ変換部５４の位置はこれに限られることなく、例えば第３フーリエ変換部５３と第３フーリエ変換部５３の後段に配置される第４フーリエ変換部５４との間に配置されてもよく、または第１フーリエ変換部５１の前に配置されてもよい。また、第３フーリエ変換部５３の後段に配置される第４フーリエ変換部５４の位置はこれに限られることなく、例えば第１フーリエ変換部５１の後段に配置される第４フーリエ変換部５４と第３フーリエ変換部５３との間に配置されてもよく、または第１フーリエ変換部５１の前に配置されてもよい。このような演算部５０を用いて信号ｓ３(ｕ",ｔ)に対して演算を行うことにより対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１３１】
なお、第３配置例の特殊な場合が第１配置例または第２配置例に相当する。すなわち、第２配置例は、第３配置例の（１７）式においてＨ(ｕ,ｖ)＝１ とした場合に相当する。また、第１配置例は、第３配置例においてフーリエ面（フランフォファー回折）をｕ"ｖ"平面とした場合に相当する。後者について以下に説明する。
【０１３２】
（１７）式に（１８）式を代入して展開すると下記（２１）式が得られる。この（２１）式においてｚを無限大とすると、右辺の積分内の指数関数の値が１に近似され、（２１）式は下記（２２）式に近似される。この（２２）式は、（１０）式と等価である。したがって第３配置例の特別な場合、すなわち式（１０）においてｄ＝ｆの場合が、第１配置例である。
【０１３３】
【数２１】
【０１３４】
【数２２】
【０１３５】
（第４配置例）
以上説明した第１配置例、第２配置例および第３配置例では、蛍光の散乱光、参照光の光学的条件に起因する初期位相φ０について省略して演算内容を説明した。第１配置例と同様に、光検出器４６の受光面がレンズ４０の第１方向における後焦点面であって、レンズ４０の第２方向における後焦点面に一致するように配置された観察装置１において、演算部５０が時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータに含まれる初期位相φ０を補正する構成を第４配置例として以下に詳細に説明する。なお、第４配置例におけるレンズ４０は、図１１に示した第１配置例におけるレンズ４０と同様のレンズ構成を備える。
【０１３６】
図２１は、本実施形態の観察装置１において第４配置例を採用した場合に、各ｕｎについてｖ方向に平行な直線上の信号ｈ１〜ｈＮの総和を表す信号ｓ４(ｕｎ,ｔ)を得る操作を模式的に示す図である。この図２１において、記号Σは、信号ｈ１〜ｈＮの総和を求める演算を示す。任意のｕ座標値についてｖ方向に平行な直線上の信号ｈ(ｖ)の総和を表す信号ｓ４(ｕ,ｔ)は（１１）式で表される。
【０１３７】
第１配置例では、初期位相φ０を省略して（１３）式を導出したが、初期位相φ０を加味すると、ｕｖ平面上の位置ｕおよび時刻変数ｔに関する信号ｓ４（ｕ，ｔ）の１次元フーリエ変換は下記（２３）式で表されるｓ１（ｕ，ｔ）と同様の演算により算出される。
【０１３８】
【数２３】
【０１３９】
この（２３）式の左辺をＳ４（ｕ，Δｖ＋ｖ）と表すと、（２３）式の両辺に初期位相φ０を含む項exp(−ｉφ０)を乗ずることで（２３）式の右辺は比例定数ａと関数Ｇのみになり、（１３）式の右辺となる。すなわち、初期位相φ０の補正とは、信号Ｓ４（ｕ，Δｖ＋ｖ）に対してexp(−ｉφ０)を乗ずることと等しい。
【０１４０】
このように、信号Ｓ４（ｕ，Δｖ＋ｖ）に対してexp(−ｉφ０)を乗ずることで対象物２からの蛍光の複素振幅像ｇ(ξ,η)に対する２次元フーリエ変換像Ｇ(ｕ,Δｖ＋ｖ)を得ることができる。このフーリエ変換像Ｇ(ｕ,Δｖ＋ｖ)は第１配置例の場合と同様のものであるから、以降は第１配置例の場合と同様の演算処理をすることにより対象物２の複素振幅像ｇ(ξ,η)を得ることができる。
【０１４１】
本実施形態の観察装置１の構成において、光検出器４６の受光面がレンズ４０の後焦点面（ｕｖ平面）に配置される第４配置例では、演算部５０は以上のような演算処理を行って対象物２の像を得る。すなわち、演算部５０は、ｕｖ平面上の位置ｕおよび時刻ｔを変数とする信号ｓ４(ｕ,ｔ)のデータを取得し、この信号この信号ｓ４(ｕ,ｔ)のデータについて時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換を行い（上記（２３）式）、この１次元フーリエ変換で得られたデータを初期位相φ０で補正し、この補正して得られたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出し（上記（１４）式）、この切り出したデータについて２次元フーリエ変換を行って（上記（１５）式）、対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１４２】
図２２は、以上のような演算処理を行う第４配置例における演算部５０の構成を示す図である。すなわち、演算部５０は、ｕｖ平面上の位置ｕおよび時刻ｔを変数とする信号ｓ４(ｕ,ｔ)のデータについて時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換（上記（２３）式）を行う第１フーリエ変換部５１と、この１次元フーリエ変換で得られたデータを初期位相φ０で補正する初期位相補正器５６と、この補正されたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出す（上記（１４）式）特定領域切出部５５と、この切り出したデータについて時間周波数ωｄに関する１次元フーリエ変換（上記（１５）式の時間周波数ωｄに関するフーリエ変換）を行う第３フーリエ変換部５３と、変数ｕに関するフーリエ変換（上記（１５）式の変数ｕに関するフーリエ変換）を行う第４フーリエ変換部５４とを備える。フーリエ変換部に着目すると、第４配置例では、演算部５０が第１フーリエ変換部５１、第３フーリエ変換部５３、第４フーリエ変換部５４の順に配置される。なお、第４フーリエ変換部５４の位置はこれに限られることなく、例えば第１フーリエ変換部５１と第３フーリエ変換部５３との間に配置されてもよく、または第１フーリエ変換部５１の前に配置されてもよい。このような演算部５０を用いて信号ｓ１(ｕ,ｔ)に対して演算を行うことにより対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１４３】
第４配置例に示すように、参照光、散乱光の光学的条件による初期位相φ０を補正することにより初期位相φ０に起因する複素振幅像ｇ(ξ,η)のボケを防止することができ、フォーカスの合った複素振幅像ｇ(ξ,η)を得ることができる。光検出器４６の受光面がレンズ４０の後焦点面に一致するように配置された配置例を例に挙げて初期位相φ０の補正処理を説明したが、他の配置例においても同様の演算により初期位相φ０の補正を行うことができる。なお、以下に示す配置例では、すべて初期位相φ０の補正を行う例を示すが、初期位相φ０の補正処理は必ずしも必要とされるものではない。
【０１４４】
（第５配置例）
上記で説明した第２配置例では、演算部５０が第１フーリエ変換部５１、第４フーリエ変換部５４、第３フーリエ変換部５３、第４フーリエ変換部５４の順に配置される。第２配置例と同様に、光検出器４６の受光面はレンズ４０により第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物の像が形成される結像面（ｕ'ｖ'平面）に配置された観察装置１において、演算部５０を簡略化した構成を第５配置例として第２配置例と比較しながら以下に説明する。なお、第５配置例におけるレンズ４０は、図１７に示す第２配置例におけるレンズ４０と同様のレンズ構成を備える。
【０１４５】
図１７のｕ−ｖ面はレンズ４０３の後焦点面を示している。第２配置例においてはｕ−ｖ面に前焦点面を持つレンズ４０４の後焦点面に光検出器４６の受光面が配置されている。図１７において、Ｘは第１方向でありｕ'と一致する方向である。Ｙは第２方向でありｖ'と一致する方向である。Ｚは第１方向および第２方向に直交する方向である。レンズ４０３およびレンズ４０４は球面レンズであり、Ｘ−Ｙ方向で同じ作用を示す。Ｘ方向とＹ方向は直交していることから、Ｘ方向のフーリエ変換およびＹ方向のフーリエ変換は、互いに影響を与えるものでなく、独立して考えても数学上支障がない。
【０１４６】
図１７において、第２配置例におけるレンズ４０４の作用は、ｕ−ｖ面に現れる像を光学的に変数ｕに関する１次元フーリエ変換を行うとともに、変数ｖに関する１次元フーリエ変換を行う事に相当する。また、第２配置例における演算部５０では、（１６）式により信号ｓ２（ｕ'，ｔ）について第１の２次元フーリエ変換を行うことでＧ（ｕ，Ω＋ωｄ）を得る。この第１の２次元フーリエ変換は、時刻変数ｔに関して１次元フーリエ変換を行うとともに、変数ｕ'に関して１次元フーリエ変換した事に相当する。
【０１４７】
また、第２配置例における演算部５０では、Ｇ（ｕ，Ω＋ωｄ）についてΩを中心周波数としてナイキスト周波数ｆｎｙｑをその前後に含む周波数領域を切り出した分布Ｇ（ｕ，ωｄ）に対して第２の２次元逆フーリエ変換を行いｇ（ｕ'，ｔ）を得る。この第２の２次元フーリエ変換は、時間周波数ωｄに関して１次元フーリエ変換を行うとともに、変数ｕに関して１次元フーリエ変換した事に相当する。すなわち、第２配置例における演算部５０は、第１の２次元フーリエ変換における変数ｕ'に関する１次元フーリエ変換と、第２の２次元フーリエ変換における変数ｕに関する１次元フーリエ変換とを行った結果、ｕ'方向にはフーリエ変換を行っていないことになる。したがって、第２配置例では、光検出部４６の出力を入力する演算部５０にｕ方向またはｕ'方向（第１方向）のフーリエ変換の冗長性が存在するともいえる。
【０１４８】
第２配置例を簡略化してフーリエ変換の回数を減らした第５配置例の演算部５０による演算の模式図を図２３に示す。観察装置１において光検出器４６の受光面はレンズ４０４により第１方向において対象物２の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物２の像が形成される結像面（ｕ'ｖ'平面）に配置される第５配置例では、演算部５０は以下のような演算処理を行って対象物２の像を得る。すなわち、レンズ４０を構成するレンズ４０４は、光学的に第１方向のフーリエ変換を行う。演算部５０は、ｕｖ平面上の位置ｕおよび時刻ｔを変数とする信号ｓ５（ｕ'，ｔ）のデータを取得し、この信号ｓ５（ｕ'，ｔ）のデータについて時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換を行う（上記（２３）式）。この１次元フーリエ変換で得られたデータを初期位相φ０で補正し、この補正して得られたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出す（上記（１４）式）。この切り出したデータについて時間周波数ωｄに関して１次元フーリエ変換を行って（上記（１５）式の時間周波数ωｄに関するフーリエ変換）、対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１４９】
図２４は、以上のような演算処理を行う第５配置例における演算部５０の構成を示す図である。すなわち、演算部５０は、レンズ４０と、第１フーリエ変換部５１と、第３フーリエ変換部５３と、初期位相補正器５６、特定領域切出部５５と、を備える。レンズ４０４は、レンズ４０３の後焦点面にできた対象物２のフランフォーファー回折像を、光学的にフーリエ変換を行う。第１フーリエ変換部５１は、このフーリエ変換で得られたデータＳ５（ｕ'，ω）について時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換（上記（１６）式の時刻変数ｔに関するフーリエ変換）を行う。初期位相補正器５６は、この１次元フーリエ変換で得られたデータを初期位相φ０で補正する。特定領域切出部５５は、この補正されたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出す（上記（１４）式）。第３フーリエ変換部５３は、この切り出したデータについて時間周波数ωｄに関する１次元フーリエ変換（上記（１５）式の時間周波数ωに関するフーリエ変換）を行う。フーリエ変換部に着目すると、第５配置例では、演算部５０がレンズ４０４、第１フーリエ変換部５１、第３フーリエ変換部５３の順に配置される。このような演算部５０を用いて信号ｓ５(ｕ',ｔ)に対して演算を行うことにより対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。前記レンズ４０３の後焦点面には、フランフォーファー回折像が現れる。さらにレンズ４０４にて、フーリエ変換を行い、光検出器４６の受光面には像が形成される。すなわちレンズ４０４は、第１方向と第２方向にフーリエ変換を光学的に行うことから、第１方向のフーリエ変換の作用が含まれる。第１配置例の演算部と比較をすれば、第５配置例は、第１配置例の演算部における第４フーリエ変換部５４を、前記レンズ４０４にて光学的に行ったことに相当する。
【０１５０】
（第６配置例）
第３配置例と同様に、光検出器４６の受光面はレンズ４０の第１方向および第２方向ともにレンズ４０の前段または後段の光軸に垂直な任意の面であるｕ"ｖ"平面（対象物のフレネル回折像が形成される面）に配置される観察装置１において、第３配置例の演算部５０の演算器の配置順序を変更した構成を第６配置例として以下に説明する。なお、第６配置例におけるレンズ４０は、図１９に示す第３配置例におけるレンズ４０と同様のレンズ構成を備える。
【０１５１】
第３配置例における演算部５０は、光検出器４６が出力する信号ｓ３（ｕ"，ｔ）について第１の２次元フーリエ変換を行い（１９）式のようにＧ（ｕ，Ω＋ωｄ）Ｈ（ｕ）を得る。この第１の２次元フーリエ変換は、時刻変数ｔに関して１次元フーリエ変換を行うとともに、変数ｕ"に関して１次元フーリエ変換した事に相当する。第３配置例における演算部５０は、得られたＧ（ｕ，Ω＋ωｄ）Ｈ（ｕ）についてΩを中心周波数としてナイキスト周波数ｆｎｙｑをその前後に含む周波数領域を切り出した分布Ｇ（ｕ，ωｄ）Ｈ（ｕ）に対して、２次位相Ｈ（ｕ）で除した後、第２の２次元逆フーリエ変換を行いｇ（ξ，η）を得る。この第２の２次元フーリエ変換の作用は，時間周波数ωｄに関して１次元フーリエ変換を行うとともに、変数ｕに関して１次元フーリエ変換した事に相当する。
【０１５２】
上記演算のうち、第１方向（ｕ"方向およびｕ方向）の演算に着目すれば、変数ｕ"に関する１次元フーリエ変換と、２次位相Ｈ（ｕ）で除す除算演算（２次位相除算部５７）と、変数ｕに関する１次元フーリエ変換の順番で構成されている。以後、これら第１方向に関して演算を行う演算をまとめて２次位相補正器６０と称する。
【０１５３】
なお、第３配置例における演算部５０は、第２配置例における演算部５０に２次位相除算部５７を加えた構成と等価である。また、第３配置例における演算部５０は、第５配置例における演算部５０に、２次位相補正器６０を加えた構成と等価である。
【０１５４】
第６実施例では、第３実施例と同様に、レンズ４０として図１９に示されるような対物レンズ４０５およびレンズ４０６を含む構成のものが用いられ、光検出部４６は、第１方向および第２方向の前段または後段の光軸に垂直な任意の面に配置される。
【０１５５】
第６配置例の演算部５０による演算の模式図を図２５に示す。第６配置例では、第３配置例と同様のレンズ４０を備え、第５配置例における演算部５０の後段に２次位相補正器６０が配置される。すなわち、第６配置例では、演算部５０は以下のような演算処理を行って対象物２の像を得る。すなわち、演算部５０は、ｕ"ｖ"平面上の位置ｕ"および時刻ｔを変数とする信号ｓ６(ｕ",ｔ)のデータを取得し、この信号ｓ６(ｕ",ｔ)のデータについて時刻変数ｔに関するフーリエ変換を行い（上記（１９）式の時間定数ｔに関するフーリエ変換）、この１次元フーリエ変換で得られたデータを初期位相φ０で補正し、この補正して得られたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出し（上記（１４）式）、この切り出したデータについて時間周波数ωｄに関して１次元フーリエ変換（上記（１５）式の時間周波数ωに関するフーリエ変換）を行い、このフーリエ変換で得られたデータについて変数ｕ"に関して１次元フーリエ変換（上記（１９）式の定数ｕ"に関するフーリエ変換）を行い、Ｈで除算してｕｖ平面におけるＧを求め（上記（２０）式）、これにより得られたデータについて変数ｕに関して１次元フーリエ変換（上記（１５）式の変数ｕに関するフーリエ変換）を行うことにより対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１５６】
以上のように、第６配置例では、第３配置例の２回の２次元フーリエ変換について第１方向とそれ以外の方向の１次元フーリエ変換に分解し、それらの１次元フーリエ変換を再配置したものであり、数学的な演算方法は第３配置例と同じである。なお、２次位相補正器６０は、第３配置例のレンズ４０を構成するレンズ４０６の第１方向の作用と合わせて、第２配置例におけるレンズ４０４の第１方向の作用を示す。したがって第６配置例においてレンズ４０６と２次位相補正器６０をはずし、光検出器４６の受光面をｕ−ｖ面に配置した構成は第１配置例となる。
【０１５７】
図２６は、以上のような演算処理を行う第６配置例における演算部５０の構成を示す図である。演算部５０は、第１フーリエ変換部５１と、第２フーリエ変換部５２と、特定領域切出部５５、初期位相補正器５６、２次位相除算部５７、と、を備える。第２フーリエ変換部５２は、第３フーリエ変換部５３と、２つの第４フーリエ変換部５４とを含む。第１フーリエ変換部５１は、ｕ"ｖ"平面上の時刻ｔを変数とする信号ｓ６(ｕ",ｔ)のデータについて時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換（上記（１９）式の時刻変数ｔに関するフーリエ変換）を行う。初期位相補正器５６は、この１次元フーリエ変換で得られたデータを初期位相φ０で補正する。特定領域切出部５５は、この補正されたデータのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出す（上記（１４）式）。第３フーリエ変換部５３は、この切り出したデータについて時間周波数ωｄに関する１次元フーリエ変換（上記（１５）式の時間周波数ωに関するフーリエ変換）を行う。第３フーリエ変換部５３の後段に配置される第４フーリエ変換部５４は、変数ｕ"に関する１次元フーリエ変換（上記（１９）式の変数ｕ"に関するフーリエ変換）を行う。２次位相除算部５７は、このフーリエ変換されたデータを２次位相Ｈ（ｕ）で除す（上記（２０）式）。２次位相除算部５７の後段に配置される第４フーリエ変換部５４は、変数ｕに関する１次元フーリエ変換（上記（１５）式の変数ｕに関するフーリエ変換）を行う。フーリエ変換部に着目すると、第６配置例では、演算部５０が第１フーリエ変換部５１、第３フーリエ変換部５３、第４フーリエ変換部５４、第４フーリエ変換部５４の順に配置される。なお、第３フーリエ変換部５３の後段に配置される第４フーリエ変換部５４の位置はこれに限られることなく、例えば第１フーリエ変換部５１と第３フーリエ変換部５３との間に配置されてもよく、または第１フーリエ変換部５１の前に配置されてもよい。また、第４フーリエ変換部５４の後段に配置される第４フーリエ変換部５４の位置はこれに限られることなく、例えば第１フーリエ変換部５１と第３フーリエ変換部５３との間に配置されてもよく、または第１フーリエ変換部５１の前に配置されてもよい。演算部５０は、このような演算器を用いて信号ｓ６(ｕ",ｔ)に対して演算を行うことにより対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１５８】
本実施形態の観察装置１において対象物２と光検出器４６との間に設けられたレンズ４０は、以上までの説明においては、散乱光に対しｘ方向およびｙ方向について同じ作用をするものであった。しかし、対象物２と光検出器４６との間の光学系は、扁平倍率を有するリレー光学系にてフーリエ面を拡大縮小してもよい。
【０１５９】
（第７配置例）
次に、第７配置例について説明する。第７配置例はレンズ４０の構成が第１配置例と異なり、それ以外の点は第１配置例と同じである。第７配置例では、光検出部４６の受光面は、レンズ４０によりｘ方向（第１方向）において対象物２のフランフォーファー回折像が形成される面であって、ｙ方向（第２方向）において対象物２のフランフォーファー回折像が形成される面に配置される。第７配置例のレンズ４０は、対象物２と光検出部４６との間に配置される。
【０１６０】
図２７に第７配置例におけるレンズ４０の詳細を示す。第７配置例では、レンズ４０３およびレンズ４０４で構成される第２配置例におけるレンズ４０に、レンズＬＳ２を付加した３枚のレンズによりレンズ４０が構成される。レンズ４０を構成する３枚のレンズは球面レンズである。レンズによる結像作用において，これらの球面レンズによりｘ方向およびｙ方向に同じ作用を示す。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０を構成するレンズ４０３の後焦点面に、略０次光を２分するように配置される。ビームスプリッタ１２にて反射する光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。
【０１６１】
第２配置例のレンズ４０は、面ＩＰに物体像を結像する。ｘ方向、ｙ方向ともに、レンズ４０３および４０４により、一旦対象物２の像が面ＩＰに結像される。レンズＬＳ２の前焦点面は面ＩＰと一致する。また、レンズＬＳ２の後焦点面は光検出器４６の受光面と一致する。このように、レンズｘ方向、ｙ方向ともに，対象物２のフランフォーファー回折像が光検出器４６の受光面に形成される。
【０１６２】
次に、このようなレンズ４０により光検出器４６で得られた信号の処理方法について説明する。光検出器４６の受光面における座標系を第１配置例と同じくｕ−ｖ平面とする。第１配置例では、ｕおよびｖ方向においてフランフォーファー回折像がｕｖ平面に表れた。第７配置例では、ｕおよびｖ方向にはフランフォーファー回折像が現れる。すなわち第７配置例は，レンズ４０の構成が第１配置例と異なる。
【０１６３】
ｖ方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ７（ｕ，ｔ）とする。光検出部４６が出力するｓ７（ｕ，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成は、第１配置例で得られたｓ１（ｕ，ｔ）に基づいて対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る演算処理およびこの処理を行う演算器構成と同じである。そのため、光検出部４６が出力するｓ７（ｕ，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成の説明は省略する。
【０１６４】
（第８配置例）
次に、第８配置例について説明する。第８配置例はレンズ４０の構成が第１配置例と異なり、それ以外の点は第１配置例と同じである。第８配置例では、光検出部４６の受光面は、レンズ４０によりｘ方向（第１方向）において対象物２のフランフォーファー回折像が形成される面であって、ｙ方向（第２方向）において対象物２の像が形成される結像面に配置される。第８配置例のレンズ４０は、対象物２と光検出部４６との間に配置される。
【０１６５】
図２８に第８配置例におけるレンズ４０の詳細を示す。第８配置例では、レンズ４０３およびレンズ４０４で構成される第２配置例におけるレンズ４０に、レンズＬＳ１，ＬＳ２，およびＬＳ３を付加した５枚のレンズでレンズ４０が構成される。レンズ４０を構成する５枚のレンズのうち，４０３および４０４は，球面レンズであり、ＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３はシリンドリカルレンズである。レンズによる結像作用において、これらのシリンドリカルレンズによりｘ方向ｙ方向に異なる作用を示す。なお、レンズＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３の焦点距離をそれぞれｆＬＳ１，ｆＬＳ２，ｆＬＳ３とする。また、これらの焦点距離は、ｆＬＳ１＝ｆＬＳ３，ｆＬＳ２＝２ｆＬＳ１＝２ｆＬＳ３の関係を有するものとする。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０を構成するレンズ４０３の後焦点面に、略０次光を２分するように配置される。ビームスプリッタ１２にて反射する光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。
【０１６６】
すなわち、レンズＬＳ１およびレンズＬＳ３は、ｘ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがって、ｘ方向においては、図２８上段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ２のみが配置された構成と等価である。一方、レンズＬＳ２は，ｙ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｙ方向においては、図２８下段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ１およびＬＳ３のみが配置された構成と等価である。
【０１６７】
ｘ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦、対象物２の像が面ＩＰに結像される。次にレンズＬＳ２の第７配置例と同じ作用により、受光面にその像のフランフォーファー回折像が形成される。一方、ｙ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦、対象物２の像が面ＩＰに結像される。レンズＬＳ１およびＬＳ３は、いわゆる４ｆ光学系を構成している。４ｆ光学系とは、ＬＳ１の後焦点面とＬＳ３の前焦点面が一致し、ＬＳ１の前焦点面の像がＬＳ３の後焦点面に結像する光学系である。このように、第８配置例のレンズ４０によりｘ方向には対象物２のフランフォーファー回折像が、ｙ方向においては対象物２の像が光検出器４６の受光面に形成される。
【０１６８】
次に、このようなレンズ４０により光検出器４６で得られた信号の処理方法について説明する。光検出器４６の受光面における座標系を第一配置例と同じくｕｖ平面とする。第１配置例では、ｕおよびｖ方向においてフランフォーファー回折像がｕｖ平面に現れる。第８配置例では、ｕ方向にはフランフォーファー回折像が現れ、ｖ方向には物体の像が現れる。ｖ方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ８（ｕ，ｔ）とする。光検出部４６が出力するｓ８（ｕ，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成は、第１配置例で得られたｓ１（ｕ，ｔ）に基づいて対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る演算処理およびこの処理を行う演算器構成と同じである。そのため、光検出部４６が出力するｓ８（ｕ，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成の説明は省略する。
【０１６９】
（第９配置例）
次に、第９配置例について説明する。第９配置例はレンズ４０の構成が第１配置例と異なり、それ以外の点は第１配置例と同じである。第９配置例では、光検出部４６の受光面は、レンズ４０によりｘ方向（第１方向）において対象物２のフランフォーファー回折像が形成される面であって、ｙ方向（第２方向）において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置される。第９配置例のレンズ４０は、対象物２と光検出部４６との間に配置される。
【０１７０】
図２９に第９配置例におけるレンズ４０の詳細を示す。第９配置例では，レンズ４０３およびレンズ４０４で構成される第２配置例におけるレンズ４０に、レンズＬＳ１，ＬＳ２，およびＬＳ３を付加した５枚のレンズでレンズ４０が構成される。レンズ４０を構成する５枚のレンズのうち、４０３および４０４は球面レンズであり、ＬＳ１，ＬＳ２，およびＬＳ３はシリンドリカルレンズである。レンズによる結像作用において、これらのシリンドリカルレンズによりｘ方向ｙ方向に異なる作用を示す。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０を構成するレンズ４０３の後焦点面に、略０次光を２分するように配置される。ビームスプリッタ１２にて反射する光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。
【０１７１】
すなわち、レンズＬＳ１およびレンズＬＳ３は、ｘ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｘ方向においては、図２９上段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ２のみが配置された構成と等価である。一方、ｙ方向においてレンズＬＳ２は、曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｙ方向においては、図２９下段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ１およびＬＳ３のみが配置された構成と等価である。
【０１７２】
ｘ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦対象物２の像が面ＩＰに結像される。次にレンズＬＳ２の第７配置例と同じ作用により、光検出部４６の受光面に、その像のフランフォーファー回折像が形成される。一方、ｙ方向にはレンズ４０３，４０４により、一旦、対象物２の像が面ＩＰに結像される。レンズＬＳ１およびＬＳ３は、いわゆる４ｆ光学系の構成をとらない。すなわち、図２９下段に示すように、ＬＳ３の前焦点面がＬＳ１の後焦点面と一致しない。したがって、光検出部４６の受光面では対象物２の像やフーリエ像は形成されない。このように，レンズ４０により，ｘ方向には対象物２のフランフォーファー回折像が、ｙ方向においては対象物２のフレネル回折像が光検出器４６の受光面に形成される。
【０１７３】
次に、このようなレンズ４０により光検出器４６で得られた信号の処理方法について説明する。光検出器４６の受光面における座標系を第一配置例と同じくｕ−ｖ平面とする。第１配置例では、ｕおよびｖ方向においてフランフォーファー回折像がｕ−ｖ面に表れる。第９配置例では、ｕ方向にはフランフォーファー回折像が現れ、ｖ方向には物体のフレネル回折像が現れる。ｖ方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ９（ｕ，ｔ）とする。光検出部４６が出力するｓ９（ｕ，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成は、第１配置例で得られたｓ１（ｕ，ｔ）に基づいて対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る演算処理およびこの処理を行う演算器構成と同じである。そのため、光検出部４６が出力するｓ９（ｕ，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成の説明は省略する。
【０１７４】
（第１０配置例）
次に、第１０配置例について説明する。第１０配置例はレンズ４０の構成が第２または第５配置例と異なり、それ以外の点は第２または第５配置例と同じである。第１０配置例では、光検出部４６の受光面は、レンズ４０によりｘ方向（第１方向）において対象物２の像が形成される結像面であって、ｙ方向（第２方向）において、対象物２のフランフォーファー回折像が形成される面に配置される。第１０配置例のレンズ４０は、対象物２と光検出部４６との間に配置される。
【０１７５】
図３０に第１０配置例におけるレンズ４０の詳細を示す。第１０配置例では、レンズ４０３およびレンズ４０４で構成される第２配置例におけるレンズ４０に、レンズＬＳ１，ＬＳ２，およびＬＳ３を付加した５枚のレンズで，レンズ４０が構成される。レンズ４０を構成する５枚のレンズのうち４０３および４０４は球面レンズであり、ＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３はシリンドリカルレンズである。レンズによる結像作用において、これらのシリンドリカルレンズによりｘ方向ｙ方向に異なる作用を示す。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０を構成するレンズ４０３の後焦点面に、略０次光を２分するように配置される。ビームスプリッタ１２にて反射する光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。
【０１７６】
すなわちレンズＬＳ２は、ｘ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｘ方向においては、図３０上段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ１およびＬＳ３のみが配置された構成と等価である。一方、レンズＬＳ１およびレンズＬＳ３は、ｙ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがって、ｙ方向においては、図３０下段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ２のみが配置された構成と等価である。
【０１７７】
ｘ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦、対象物２の像が面ＩＰに結像される。レンズＬＳ１およびＬＳ３は、いわゆる４ｆ光学系を構成している。４ｆ光学系とは、ＬＳ１の後焦点面とＬＳ３の前焦点面が一致し、ＬＳ１の前焦点面の像がＬＳ３の後焦点面に結像する光学系である。一方、ｙ方向にはレンズ４０３，４０４により、一旦、対象物２の像が面ＩＰに結像される。次にレンズＬＳ２の第７配置例と同じ作用により光検出部４６の受光面にその像のフラウンフォーファー回折像が形成される。このように、レンズ４０によりｘ方向には対象物２の像が、ｙ方向においては対象物２のフランフォーファー回折像が光検出器４６の受光面に形成される。
【０１７８】
次に、このようなレンズ４０により光検出器４６で得られた信号の処理方法について説明する。光検出器４６の受光面における座標系を第２配置例と同じくｕ'ｖ'平面とする。第２または第５配置例では，ｕ'およびｖ'方向において，対象物２の像がｕ'ｖ'平面に表れる。第１０配置例では、ｕ'方向には対象物２の像が現れ，ｖ'方向には物体のフラウンフォーファー回折像が現れる。ｖ'方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ１０（ｕ'，ｔ）とする。光検出部４６が出力するｓ１０（ｕ'，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成は、第２，５配置例で得られたｓ２（ｕ'，ｔ），ｓ５（ｕ'，ｔ）に基づいて対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る演算処理およびこの処理を行う演算器構成と同じである。すなわち、第２配置例と同じ構成を採用する場合には、光源部１０、レンズ４０、光検出部４６、第１フーリエ変換部５１、第４フーリエ変換部５４、第３フーリエ変換部５３、第４フーリエ変換部５４の順に配置される。また、第５配置例と同じ構成を採用する場合には、光源部１０、レンズ４０、光検出部４６、第１フーリエ変換部５１、第３フーリエ変換部５３の順に配置される。そのため、光検出部４６が出力するｓ１０（ｕ'，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成の説明は省略する。
【０１７９】
（第１１配置例）
次に、第１１配置例について説明する。第１１配置例はレンズ４０の構成が第２または第５配置例と異なり、それ以外の点は第２または第５配置例と同じである。第１１配置例では、光検出部４６の受光面は、レンズ４０によりｘ方向（第１方向）において対象物２の像が形成される結像面であって、ｙ方向（第２方向）において対象物２の像が形成される結像面に配置される。第１２配置例のレンズ４０は、対象物２と光検出部４６との間に配置される。
【０１８０】
図３１に第１１配置例におけるレンズ４０の詳細を示す。第１１配置例では，レンズ４０３およびレンズ４０４で構成される第２配置例で使用したレンズ４０にレンズＬＳ１，およびＬＳ３を付加した４枚のレンズでレンズ４０が構成される。レンズ４０を構成する４枚のレンズは球面レンズである。レンズによる結像作用において、これらの球面レンズによりｘ方向、ｙ方向ともに同じ作用を示す。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０を構成するレンズ４０３の後焦点面に、略０次光を２分するように配置される。ビームスプリッタ１２にて反射する光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。
【０１８１】
したがって、ｘ方向、ｙ方向ともに、レンズ４０３，４０４により、一旦、対象物２の像が面ＩＰに結像される。レンズＬＳ１およびＬＳ３は、いわゆる４ｆ光学系を構成している。４ｆ光学系とは、ＬＳ１の後焦点面とＬＳ３の前焦点面が一致し、ＬＳ１の前焦点面の像がＬＳ３の後焦点面に結像する光学系である。
このようにレンズ４０により、ｘ方向には対象物２の像が、ｙ方向においても対象物２の像が光検出器４６の受光面に形成される。
【０１８２】
次に、このようなレンズ４０により光検出器４６で得られた信号の処理方法について説明する。光検出器４６の受光面における座標系を第２配置例と同じくｕ'−ｖ'平面とする。第２または第５配置例では、ｕ'およびｖ'方向において対象物２の像がｕ'ｖ'平面に表れる。第１１配置例においても同様に、ｕ'およびｖ'方向において対象物２の像がｕ'ｖ'平面に表れる。すなわち第１０配置例は、レンズ４０の構成が第２配置例と異なる。ｖ'方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ１１（ｕ'，ｔ）とする。光検出部４６が出力するｓ１１（ｕ，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成は、第２，５配置例で得られたｓ２（ｕ'，ｔ），ｓ５（ｕ'，ｔ）に基づいて対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る演算処理およびこの処理を行う演算器構成と同じである。すなわち、第２配置例と同じ構成を採用する場合には、光源部１０、レンズ４０、光検出部４６、第１フーリエ変換部５１、第４フーリエ変換部５４、第３フーリエ変換部５３、第４フーリエ変換部５４の順に配置される。また、第５配置例と同じ構成を採用する場合には、光源部１０、レンズ４０、光検出部４６、第１フーリエ変換部５１、第３フーリエ変換部５３の順に配置される。そのため、光検出部４６が出力するｓ１１（ｕ'，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成の説明は省略する。
【０１８３】
（第１２配置例）
次に、第１２配置例について説明する。第１２配置例はレンズ４０の構成が第２または第５配置例と異なり、それ以外の点は第２または第５配置例と同じである。第１２配置例では、光検出部４６の受光面は、レンズ４０によりｘ方向（第１方向）において、対象物２の像が形成される結像面であって、ｙ方向（第２方向）において対象物２のフレネル回折像が形成される面に配置される。第１２配置例のレンズ４０は、対象物２と光検出部４６との間に配置される。
【０１８４】
図３２に第１２配置例におけるレンズ４０の詳細を示す。第１２配置例では、レンズ４０３およびレンズ４０４で構成される第２配置例で使用したレンズ４０にレンズＬＳ１，ＬＳ２，およびＬＳ３を付加した５枚のレンズでレンズ４０が構成される。レンズ４０を構成する５枚のレンズのうち４０３および４０４は球面レンズであり、ＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３はシリンドリカルレンズである。レンズによる結像作用において、これらのシリンドリカルレンズによりｘ方向ｙ方向に異なる作用を示す。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０を構成するレンズ４０３の後焦点面に、略０次光を２分するように配置される。ビームスプリッタ１２にて反射する光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。
【０１８５】
すなわちレンズＬＳ２は，ｘ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｘ方向においては、図３２上段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ１，ＬＳ３のみが配置された構成と等価である。一方、レンズＬＳ１およびレンズＬＳ３は、ｙ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｙ方向においては、図３２下段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ２のみが配置された構成と等価である。
【０１８６】
ｘ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦対象物２の像が面ＩＰに結像される。レンズＬＳ１およびＬＳ３は、いわゆる４ｆ光学系を構成している。４ｆ光学系とは、ＬＳ１の後焦点面とＬＳ３の前焦点面が一致し、ＬＳ１の前焦点面の像がＬＳ３の後焦点面に結像する光学系である。一方，ｙ方向には，レンズ４０３，４０４により、一旦、対象物２の像が面ＩＰに結像される。次にレンズＬＳ２の前焦点面は、対象物２の像の面ＩＰとは異なり、さらにＬＳ２の後焦点面は、光検出器４６の受光面とは異なる。したがって受光面には，その像のフレネル回折像が形成される。このように、配置例１２のレンズ４０によりｘ方向には対象物２の像が、ｙ方向においては対象物２のフレネル回折像が光検出器４６の受光面に形成される。
【０１８７】
次に、このようなレンズ４０により光検出器４６で得られた信号の処理方法について説明する。光検出器４６の受光面における座標系を第２または第５配置例と同じくｕ'ｖ'平面とする。第２または第５配置例では、ｕ'およびｖ'方向において対象物２の像がｕ'ｖ'平面に表れる。第１２配置例では、ｕ'方向には対象物２の像が現れ、ｖ'方向には物体のフレネル回折像が現れる。ｖ'方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ１２（ｕ'，ｔ）とする。光検出部４６が出力するｓ１２（ｕ'，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成は、第２，５配置例で得られたｓ２（ｕ'，ｔ），ｓ５（ｕ'，ｔ）に基づいて対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る演算処理およびこの処理を行う演算器構成と同じである。すなわち、第２配置例と同じ構成を採用する場合には、光源部１０、レンズ４０、光検出部４６、第１フーリエ変換部５１、第４フーリエ変換部５４、第３フーリエ変換部５３、第４フーリエ変換部５４の順に配置される。また、第５配置例と同じ構成を採用する場合には、光源部１０、レンズ４０、光検出部４６、第１フーリエ変換部５１、第３フーリエ変換部５３の順に配置される。そのため、光検出部４６が出力するｓ１２（ｕ'，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成の説明は省略する。
【０１８８】
（第１３配置例）
次に、第１３配置例について説明する。第１３配置例はレンズ４０の構成が第３または第６配置例と異なり、それ以外の点は第３または第６配置例と同じである。第１３配置例では、光検出部４６の受光面は、レンズ４０によりｘ方向（第１方向）において、対象物２のフレネル回折像が形成される面であって、ｙ方向（第２方向）において対象物２のフランフォーファー回折像が形成される面に配置される。第１３配置例のレンズ４０は、対象物２と光検出部４６との間に配置される。
【０１８９】
図３３に第１３配置例におけるレンズ４０の詳細を示す。第１３配置例では、レンズ４０３およびレンズ４０４で構成される第２配置例で使用したレンズ４０にレンズＬＳ１，ＬＳ２，およびＬＳ３を付加した５枚のレンズでレンズ４０が構成される。レンズ４０を構成する５枚のレンズのうち４０３および４０４は球面レンズであり、ＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３はシリンドリカルレンズである。レンズによる結像作用において、これらのシリンドリカルレンズによりｘ方向ｙ方向で異なる作用を示す。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０を構成するレンズ４０３の後焦点面に、略０次光を２分するように配置される。ビームスプリッタ１２にて反射する光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。
【０１９０】
すなわちレンズＬＳ２は，ｘ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｘ方向においては、図３３上段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ１，ＬＳ３のみが配置された構成と等価である。一方、レンズＬＳ１およびレンズＬＳ３は、ｙ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｙ方向においては、図３３下段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ２のみが配置された構成と等価である。
【０１９１】
ｘ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦対象物２の像が面ＩＰに結像される。レンズＬＳ１およびＬＳ３は、いわゆる４ｆ光学系の構成を取らない。すなわち図３３上段が示すように、ＬＳ３の前焦点面がＬＳ１の後焦点面と一致しない。したがって受光面では対象物２の像やフランフォーファー回折像は形成されない。一方、ｙ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦、対象物２の像が面ＩＰに結像される。次にレンズＬＳ２の第７配置例と同じ作用により受光面にその像のフランフォーファー回折像が形成される。このように、レンズ４０によりｘ方向には対象物２のフレネル回折像が、ｙ方向においては対象物２のフランフォーファー回折像が光検出器４６の受光面に形成される。
【０１９２】
次に、このようなレンズ４０により光検出器４６で得られた信号の処理方法について説明する。光検出器４６の受光面における座標系を第３または第６配置例と同じくｕ"ｖ"平面とする。第３または第６配置例では、ｕ"およびｖ"方向においてフレネル回折像がｕ"ｖ"平面に表れる。第１３配置例では、ｕ"方向にはフレネル回折像が現れ、ｖ方向には物体のフラウンフォーファー回折像が現れる。ｖ"方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ１３（ｕ"，ｔ）とする。光検出部４６が出力するｓ１３（ｕ"，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成は、第３，第６配置例で得られたｓ３（ｕ"，ｔ），ｓ６（ｕ"，ｔ）に基づいて対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る演算処理およびこの処理を行う演算器構成と同じである。そのため、光検出部４６が出力するｓ１３（ｕ"，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成の説明は省略する。
【０１９３】
（第１４配置例）
次に、第１４配置例について説明する。第１４配置例はレンズ４０の構成が第３または第６配置例と異なり、それ以外の点は第３または第６配置例と同じである。第１４配置例では、光検出部４６の受光面は、レンズ４０によりｘ方向（第１方向）において、対象物２のフレネル回折像が形成される面であって、ｙ方向（第２方向）において対象物２の像が形成される結像面に配置される。第１４配置例のレンズ４０は、対象物２と光検出部４６との間に配置される。
【０１９４】
図３４に第１４配置例におけるレンズ４０の詳細を示す。第１４配置例では、レンズ４０３およびレンズ４０４で構成される第２配置例で使用したレンズ４０にレンズＬＳ１，ＬＳ２，およびＬＳ３を付加した５枚のレンズでレンズ４０が構成される。レンズ４０を構成する５枚のレンズのうち４０３および４０４は球面レンズであり、ＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３はシリンドリカルレンズである。レンズによる結像作用において，これらのシリンドリカルレンズによりｘ方向、ｙ方向で異なる作用を示す。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０を構成するレンズ４０３の後焦点面に、略０次光を２分するように配置される。ビームスプリッタ１２にて反射する光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。
【０１９５】
すなわち、レンズＬＳ１およびレンズＬＳ３は，ｘ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｘ方向においては、図３４上段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ２のみが配置された構成と等価である。一方、レンズＬＳ２は、ｙ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｙ方向においては、図３４下段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ１，ＬＳ３のみが配置された構成と等価である。
【０１９６】
ｘ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦対象物２の像が面ＩＰに結像される。次にレンズＬＳ２の前焦点面は、対象物２の像の面ＩＰとは異なり、さらにＬＳ２の後焦点面は、光検出器４６の受光面とは異なる。したがって受光面には、面ＩＰに結像された像のフレネル回折像が形成される。一方、ｙ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦対象物２の像が面ＩＰに結像される。レンズＬＳ１およびＬＳ３は、いわゆる４ｆ光学系を構成している。４ｆ光学系とは、ＬＳ１の後焦点面とＬＳ３の前焦点面が一致し、ＬＳ１の前焦点面の像がＬＳ３の後焦点面に結像する光学系である。このようにレンズ４０により、ｘ方向には対象物２のフレネル回折像が、ｙ方向においては対象物２の像が光検出器４６の受光面に形成される。
【０１９７】
次に、このようなレンズ４０により光検出器４６で得られた信号の処理方法について説明する。光検出器４６の受光面における座標系を第３または第６配置例と同じくｕ"ｖ"平面とする。第３または第６配置例では，ｕ"およびｖ"方向において，フレネル回折像がｕ"ｖ"平面に表れる。第１４配置例では、ｕ"方向にはフレネル回折像が現れ、ｖ方向には対象物２の像が現れる。ｖ"方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ１４（ｕ"，ｔ）とする。光検出部４６が出力するｓ１４（ｕ"，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成は、第３，６配置例で得られたｓ３（ｕ"，ｔ），ｓ６（ｕ"，ｔ）に基づいて対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る演算処理およびこの処理を行う演算器構成と同じである。そのため、光検出部４６が出力するｓ１４（ｕ"，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成の説明は省略する。
【０１９８】
（第１５配置例）
次に、第１５配置例について説明する。第１５配置例はレンズ４０の構成が第３または第６配置例と異なり、それ以外の点は第３または第６配置例と同じである。第１５配置例では、光検出部４６の受光面は、レンズ４０によりｘ方向（第１方向）において対象物２のフレネル回折像が形成される面であって、ｙ方向（第２方向）において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置される。第１５配置例のレンズ４０は、対象物２と光検出部４６との間に配置される。
【０１９９】
図３５に第１５配置例におけるレンズ４０の詳細を示す。第１５配置例では、レンズ４０３およびレンズ４０４で構成される第２配置例で使用したレンズ４０にレンズＬＳ１，ＬＳ２，およびＬＳ３を付加した５枚のレンズでレンズ４０が構成される。レンズ４０を構成する５枚のレンズのうち４０３および４０４は球面レンズであり、ＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３はシリンドリカルレンズである。レンズによる結像作用において、これらのシリンドリカルレンズによりｘ方向ｙ方向に異なる作用を示す。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０を構成するレンズ４０３の後焦点面に、略０次光を２分するように配置される。ビームスプリッタ１２にて反射する光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。
【０２００】
すなわち，レンズＬＳ１およびレンズＬＳ３は，ｘ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｘ方向においては、図３５上段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ２のみが配置された構成と等価である。一方、レンズＬＳ２は、ｙ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｙ方向においては、図３５下段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ１，ＬＳ３のみが配置された構成と等価である。
【０２０１】
ｘ方向には、レンズ４０３，４０４により，一旦対象物２の像が面ＩＰに結像される。次にレンズＬＳ２の前焦点面は、対象物２の像の面ＩＰとは異なり、さらにＬＳ２の後焦点面は、光検出器４６の受光面とは異なる。したがって受光面には、面ＩＰに結像された像のフレネル回折像が形成される。一方、ｙ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦対象物２の像が面ＩＰに結像される。レンズＬＳ１およびＬＳ３は、いわゆる４ｆ光学系の構成を取らない。すなわち図３５下段に示すように、ＬＳ３の前焦点面がＬＳ１の後焦点面と一致しない。したがって受光面では対象物２の像やフランフォーファー回折像は形成されない。したがって、レンズ４０によりｘ方向には対象物２のフレネル回折像が、ｙ方向においても対象物２のフレネル回折像が光検出器４６の受光面に形成された。
【０２０２】
次に、このようなレンズ４０により光検出器４６で得られた信号の処理方法について説明する。光検出器４６の受光面における座標系を第３または第６配置例と同じくｕ"ｖ"平面とする。第３または第６配置例では，ｕ"およびｖ"方向において，フレネル回折像がｕ"ｖ"平面に現れる。第１５配置例でも、ｕ"方向およびｖ"方向にフレネル回折像が現れる。すなわち第１５配置例は、レンズ４０の構成が第３または第６配置例と異なる。ｖ"方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ１５（ｕ"，ｔ）とする。光検出部４６が出力するｓ１５（ｕ"，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成は、第３，６配置例で得られたｓ３（ｕ"，ｔ），ｓ６（ｕ"，ｔ）に基づいて対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る演算処理およびこの処理を行う演算器構成と同じである。そのため、光検出部４６が出力するｓ１５（ｕ"，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成の説明は省略する。
【０２０３】
上記で説明した第１配置例〜第１５配置例の演算部５０は、図３６に示すように、時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換を行う演算器である第１フーリエ変換部５１、周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを含む領域のデータを切り出す演算器である特定領域切出部５５、時間周波数に関する１次元フーリエを行う演算器である第３フーリエ変換部５３、および第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う演算器である第４フーリエ変換部５４から構成される。以降、本明細書では、上記４種類の演算器を総称して基本演算器ともいう。
【０２０４】
第１配置例〜第１５配置例では、図３６の紙面に垂直方向（Ｘ方向）に、光検出部４６および演算部５０が並列して配置される。図３６では、並列して配置される光検出部４６および演算部５０のうち、位置ｕｎにおける光検出部４６および演算部５０を例示した図である。以下に示す、図３７〜図４１，図４４，図４５，図４６においても、紙面に垂直方向（Ｘ方向）に光検出部４６および演算部５０が並列して配置されており、並列して配置される光検出部４６および演算部５０のうちの一つである、位置ｕｎにおける光検出部４６および演算部５０を例示した図である。なお、配置例に応じて位置ｕｎを、ｕ'ｎ，ｕ"ｎと変えて記載する。
【０２０５】
（第１６配置例）
次に第１６配置例について説明する。第１６配置例は、複数の光検出部４６および複数の光検出器４６からの出力の総和を求める各出力総和器（出力総和器）５８を備える点で第１〜１５配置例と異なる。これに伴い、第１６配置例では、基本演算器の配置が第１〜１５配置例と異なる。
【０２０６】
第１６配置例では，１つの光源部１０と、１つのレンズ４０と，Ｍ個（Ｍ＞１）の検出部（複数の検出器）と、複数個の基本演算器および各出力総和器５８を含む演算部５０とから構成される。
【０２０７】
第１６配置例では，Ｍ個の光検出部４６は第２方向に並んで構成される。第２方向に並んだｍ番目の光検出部４６ｍは、第２方向についての総和を表すデータを第１方向の各位置について各時刻に出力する。
【０２０８】
第１６配置例における演算部５０は、第２方向にＭ個並んだ検出部の出力を入力し、１からＭまでの総和を出力する演算器である各出力総和器５８を備える。また、各出力総和器５８は、第２方向にＭ個並んだ光検出部４６の出力を入力するＭ個の基本演算器の出力を入力し、１からＭまでの総和を出力してもよい。
【０２０９】
図３７に示すように、各出力総和器５８が第１フーリエ変換部５１より前段にある場合、各出力総和器５８は、Ｍ個の検出部が出力するＭ個の信号を入力する。また各出力総和器５８は、Ｍ個の信号に対して時刻毎に１からＭまでの総和を得て、時刻毎に結果を出力する。
【０２１０】
図３８および図３９に示すように、各出力総和器５８が第１フーリエ変換部５１と第３フーリエ変換部５３の間にある場合、各出力総和器５８は、第１フーリエ変換部５１によりフーリエ変換されたＭ個の信号を入力する。図３８に示すように、各出力総和器５８が第１フーリエ変換部５１の直後に配置される場合には、各出力総和器５８は、第１フーリエ変換部５１が出力するＭ個の信号を入力する。また、図３９に示すように各出力総和器５８が特定領域切出部５５の直後に配置される場合には、各出力総和器５８は、特定領域切出部５５が出力するＭ個の信号を入力する。各出力総和器５８は、Ｍ個の信号に対して時間周波数毎に１からＭまでの総和を得て、時間周波数毎に結果を出力する。
【０２１１】
図４０および図４１に示すように、各出力総和器５８が、第３フーリエ変換部５３より後段にある場合、各出力総和器５８は、第３フーリエ変換部５３または第４フーリエ変換部５４が出力するＭ個の信号を入力する。各出力総和器５８は、Ｍ個の信号に対して時刻毎に１からＭまでの総和を得て、時刻毎に結果を出力する。
【０２１２】
次に、各出力総和器５８の出力について説明する。各出力総和器５８が第１フーリエ変換部５１と第３フーリエ変換部５３の間にある場合、各出力総和器５８は、（２４）式より時間周波数ω（＝Ω＋ωｄ）毎に１からＭまでの総和を得る。ここでＳ（ｍ）（ｕ，ω）は、第１フーリエ変換部５１の第２方向にｍ番目に配置された検出部の出力データｓ（ｍ）（ｕ，ｔ）を入力し、時刻変数ｔに関してフーリエ変換する第１フーリエ変換部５１の出力信号を表す。フーリエ変換の線形性により（２４）式中辺のフーリエ演算子ＦＴｔは総和演算子Σと交換可能であり、その結果（２４）式最右辺を得る。
【０２１３】
【数２４】
【０２１４】
最右辺の時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換演算子ＦＴｔが作用する項は，Ｍ個の検出部が出力する波形ｓ（ｍ）（ｕ，ｔ）の１〜Ｍまでの総和ｓ（ｕ，ｔ）を表している。すなわち、演算部に設けた各出力総和器５８は、第１〜１５配置例における検出部が出力する信号を入力する第１フーリエ変換部５１の出力を出力する。したがって、第１６配置例は第２方向の総和を表すデータを各時刻に出力する検出部の一部を、演算部に含む構成であるともいえる。
【０２１５】
一方、各出力総和器５８が第３フーリエ変換部５３より後段にある場合、各出力総和器５８は、（２５）式により時刻毎に１からＭまでの総和を得る。ここでｓ'（ｍ）（ｕ，ｔ）は，第３フーリエ変換部５３ｍの出力データを表す。第３フーリエ変換部５３ｍの入力には，第２方向に並べられたｍ番目の検出部の出力が、第１フーリエ変換部５１ｍ，特定領域切出部５５ｍを介して第３フーリエ変換部５３ｍへと接続されている。またｓ'（ｍ）（ｕ，ｔ）の時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換は，Ｓ'（ｍ）（ｕ，ωｄ）となる。（２５）式の右辺の１次元フーリエ変換演算子ＦＴωが作用する項は，特定領域切出部５５の出力データである。したがって特定領域切出部５５の入力は，（２６）式左辺に示される周波数Ωだけ周波数シフトした信号Ｓ（ｍ）（ｕ，Ω＋ωｄ）である。さらに（２６）式の最右辺は，Ｍ個の検出部が出力する波形ｓ（ｍ）（ｕ，ｔ）の１〜Ｍまでの時刻毎の総和を表している。
【０２１６】
【数２５】
【０２１７】
【数２６】
【０２１８】
すなわち、演算部に設けた各出力総和器５８の出力は、第１〜１５配置例における検出部が出力する信号と一致することから、第１６配置例は、第２方向の総和を表すデータを各時刻に出力する検出部の一部を、演算部に含む構成であるといえる。
【０２１９】
第１６配置例の場合の実施例について以下に説明する。第１６配置例においては図１１に示す第１配置例と同様のレンズ４０を用いた。すなわち、光検出器４６の受光面が、レンズ４０の第１方向における後焦点面であって、レンズ４０の第２方向における後焦点面に配置された。光検出器４６は、２次元画素を有し、１画素サイズ８．３ｘ８．３μｍの画素を６４０ｘ４８０の画素数をデジタルＣＣＤカメラを用いた。また、そのフレームレートｆＣＣＤは３０Ｈｚとした。ｖ方向画素番号をｍ，ｕ方向画素番号をｎとする。ｖ方向と平行な方向に移動物体が移動するように光検出器４６を配置した。光検出器４６の全画素６４０ｘ４８０画素のうち３１２ｘ３１２画素の領域のみを実験に用いた。したがって、Ｍ＝Ｎ＝３１２である。Ｍ，Ｎは，縦横の画素数を表し、その小文字ｍ，ｎで画素番号を表す。
【０２２０】
すなわち、第１６配置例における光検出器４６は、Ｎ個の受光セルｄｎ（ｍ）を第１方向に並べた１次元ラインセンサーが第２方向にＭ個並んだ光検出器である。各受光セルｄｎ（ｍ）から出力される時間波形ｓ（ｍ）（ｕ，ｔ）に対して時刻変数ｔに関してフーリエ変換した後、得られる波形をＳ（ｍ）（ｕ，ω）とした。図４２に時間波形ｓ（ｍ）（ｕ，ｔ）を，図４３にＳ（ｍ）（ｕ，ω）を示した。
【０２２１】
（第１７配置例）
第１７配置例は、第１６配置例と同様に、複数の光検出部４６および各出力総和器５８を含む構成である。すなわち，第１７配置例では、第１６配置例と同様に、１つの光源部１０と、１つのレンズ４０と、Ｍ個（Ｍ＞１）の光検出部４６と、演算部５０とから構成される。演算部５０は、複数個の基本演算器および光検出部４６からの出力の総和を求める各出力総和器５８を含む。すなわち、第１７配置例では、複数の検出器を備え、また演算部５０は、複数の検出器からの出力の総和を求める出力総和器５８を更に備える。
【０２２２】
レンズ４０および演算部５０を演算部とみなせば、第１７配置例では、レンズ４０が演算部５０に組み入れられている。第１７配置例では、第１配置例にて使用したレンズ４０に検出部をＭ（Ｍ＞１）個配置し、さらに、第２方向に関するフーリエ変換またはフレネル変換を行う演算器（以降、第２方向変換器５９（第２方向変換部）という）を付加した構成である。
【０２２３】
第２方向変換器５９は、図４４，図４５，図４６で例示するように、光検出部４６からの出力を入力する演算部５０内の各出力総和器５８の前段に配置される。第２方向変換器５９は、その演算位置によらず、位置ｎ（ｕｎ，ｕ'ｎ，ｕ"ｎ）における出力をＭ個入力し、その演算結果を出力する。
【０２２４】
第２方向変換器５９がフーリエ変換器である場合、光検出器４６の受光面において第１方向にフラウンフォーファー回折像を、第２方向には物体像を受光する第８配置例と等価である。すなわち第１配置例で使用したレンズ４０と第２方向変換器５９とにより第８配置例のレンズ４０が構成される。
【０２２５】
第２方向変換器５９がフレネル変換器である場合、光検出器４６の受光面において第１方向にフラウンフォーファー回折像を、第２方向にはフレネル回折像を受光する第９配置例と等価である。すなわち第１配置例で使用したレンズ４０と第２方向変換器５９とにより第９配置例のレンズ４０が構成される。
【０２２６】
（第１８配置例）
第１８配置例は、第１６配置例と同様に、複数の光検出部４６および各出力総和器５８を含む構成である。すなわち第１８配置例では、第１６配置例と同様に、第１６配置例では，１つの光源部１０と、１つのレンズ４０と，Ｍ個（Ｍ＞１）の検出部と、複数個の基本演算器および各出力総和器５８を含む演算部５０から構成される。すなわち、第１８配置例では、複数の検出器を備え、また演算部５０は、複数の検出器からの出力の総和を求める出力総和器５８を更に備える。
【０２２７】
レンズ４０および演算部５０を演算部とみなせば、第１８配置例では、レンズ４０が演算部５０に組み入れられている。第１８配置例では、第２配置例にて使用したレンズ４０に検出部をＭ（Ｍ＞１）個配置し、さらに、第２方向に関する（すなわちｍに関して）フーリエ変換またはフレネル変換を行う第２方向変換器５９を付加した構成である。
【０２２８】
第２方向変換器５９は、図４４，図４５，図４６で例示すように、検出部からの出力を入力する演算部内の各出力総和器５８の前段に配置される。第２方向変換器５９は、その演算位置によらず、位置ｎ（ｕｎ，ｕ'ｎ，ｕ"ｎ）における出力をＭ個入力し、その演算結果を出力する。
【０２２９】
第２方向変換器５９がフーリエ変換器である場合、光検出器４６の受光面において第１方向に物体像を、第２方向にはフランフォーファー回折像を受光する第１０配置例と等価である。すなわち、第２配置例で使用したレンズ４０と第２方向変換器５９とにより第１０配置例のレンズ４０が構成される。
【０２３０】
第２方向変換器５９がフレネル変換器である場合、光検出器４６の受光面において第１方向に物体像を、第２方向にはフレネル回折像を受光する第１２配置例と等価である。すなわち第２配置例で使用したレンズ４０と第２方向変換器５９とにより第１２配置例のレンズ４０が構成される。
【０２３１】
第２方向変換器５９がフーリエ変換器である場合において、第１８配置例における演算処理について説明する。第２方向変換器５９が出力する波形Ｒｅ[ＦＴｍ[ｓ（ｍ）（ｕ'，ｔ）]]は、各出力総和器５８に送られ、ｍに関して総和を取り、ｓ（ｕ'，ｔ）を得る。ＦＴｍは、変数ｍに関する１次元フーリエ変換を表す。Ｒｅは、複素数の実部を取る演算子である。すなわち、第２配置例で使用したレンズ４０と第２方向変換器５９とにより第１０配置例のレンズ４０が構成されていることから、各出力総和器５８が出力するデータは、第１０配置例の検出部が出力する信号と同じである。さらに第１０配置例の検出部が出力する信号は第２配置例の演算方法と同じであることを第１０配置例を説明したので、第１８配置例の演算は、第２配置例の演算方法により対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る。
【０２３２】
（第１９配置例）
第１９配置例は，第１６配置例と同様に、複数の光検出部４６および各出力総和器５８を含む構成である。すなわち、第１９配置例は、第１６配置例と同様に、１つの光源部１０と、１つのレンズ４０と，Ｍ個（Ｍ＞１）の検出部と、複数個の基本演算器および各出力総和器５８を含む演算部５０から構成される。すなわち、第１９配置例では、複数の検出器を備え、また演算部５０は、複数の検出器からの出力の総和を求める出力総和器５８を更に備える。
【０２３３】
レンズ４０および演算部５０を演算部とみなせば，第１９配置例では、レンズ４０が演算部５０に組み入れられている。第１９配置例は、第３配置例にて使用したレンズ４０に検出部をＭ（Ｍ＞１）個配置し、さらに、第２方向に（すなわちｍに関して）フーリエ変換またはフレネル変換を行う第２方向変換器５９を付加した構成である。
【０２３４】
第２方向変換器５９の演算位置は，図４４，図４５，図４６で例示すように、検出部からの出力を入力する演算部内の各出力総和器５８の前段に配置する。第２方向変換器５９は，その演算位置によらず，位置ｎ（ｕｎ，ｕ'ｎ，ｕ"ｎ）における出力をＭ個入力し，その演算結果を出力する。
【０２３５】
第２方向変換器５９がフーリエ変換器である場合、光検出器４６の受光面において第１方向にフレネル回折像を、第２方向にはフレネル回折像を受光する第１５配置例と等価である。すなわち、第３配置例で使用したレンズ４０と第２方向変換器５９とにより第１５配置例のレンズ４０が構成される。
【０２３６】
第２方向変換器５９がフレネル変換器である場合、光検出器４６の受光面において第１方向にフレネル回折像を、第２方向にはフレネル回折像を受光する第１５配置例と等価である。すなわち、第３配置例で使用したレンズ４０と第２方向変換器５９とにより第１５配置例のレンズ４０が構成される。
【０２３７】
次に第２方向変換器５９の光検出部４６からの出力を入力する演算部５０における演算位置について説明する。第２方向変換器５９がレンズ４０に含まれる場合は、そのレンズ４０の位置である。第２方向変換器５９がレンズ４０に含まれない場合には、第２方向変換器５９は、光検出部４６からの出力を入力する演算部５０内の各出力総和器５８より前段に配置される。
【０２３８】
第２方向変換器５９が検出部と第１フーリエ変換部５１の間にある場合、第２方向変換器５９の入力は、時刻毎にＭ個の検出部からの出力を入力し、時刻毎にその演算結果を出力する。
【０２３９】
第２方向変換器５９が第１フーリエ変換部５１と第３フーリエ変換部５３の間にある場合、第２方向変換器５９の入力は、時間周波数毎にＭ個の検出部からの出力を入力し、時間周波数毎にその演算結果を出力する。
【０２４０】
第２方向変換器５９が第３フーリエ変換部５３より後段にある場合、第２方向変換器５９の入力は、時刻毎にＭ個の検出部からの出力を入力し、時刻毎にその演算結果を出力する。
【０２４１】
（第２０配置例）
次に、第２０配置例について説明する。第１〜１９配置例では、物体光（物体からの蛍光の散乱光）のうち０次光と高次光（非ドップラーシフト光とドップラーシフト光）に分離する方法は文献１（Gabriel Popescu, “Fourier phase microscopy for investigation ofbiological structures and dynamics,” Optics letters, 29, 2503, (2004).）に記載の方法を用いた。すなわち、レンズ４０は、対象物２と光検出器４６の受光面の間に配置される。また、レンズ４０は、一時的にフランフォーファー回折像を対象物２と光検出器４６の受光面の間に形成する。フランフォーファー回折像の中心近傍に集まる略０次光を参照光とした。
【０２４２】
第２０配置例では、略０次光を抜き出す方法として文献２（Gabriel Popescu, “Diffraction phase microscopy for quantifying cellstructure and dynamics,” Optics letters, 31, 775, (2006).）に記載の回折格子を用いる。図４７にその具体的な光学系を示す。
【０２４３】
図４７に示すように、レンズ４０は、対象物２と光検出器４６の受光面の間に配置される。レンズ４０は、一時的に物体像に続いてフランフォーファー回折像を対象物２と光検出器４６の受光面の間に形成する。第２０配置例のレンズ４０は、第２配置例のレンズ４０と、レンズ４０できた物体像をリレーするレンズ４０７、４０８により構成される。レンズ４０７，レンズ４０８は４ｆ光学系を構成する。第２０配置例におけるレンズ４０は、４枚の球面レンズで構成されている。
【０２４４】
上記のようにレンズ４０を構成することにより、レンズ４０４とレンズ４０７の間に対象物２の物体像が形成され、レンズ４０７とレンズ４０８の間に対象物２のフランフォーファー回折像が形成される。なお、物体像ができる面を物体像面といい、フランフォーファー回折像ができる面をフランフォーファー回折像面という。
【０２４５】
物体像面に回折格子を配置し、フランフォーファー回折像面にビームスプリッタ１２を配置する。回折格子は、フランフォーファー回折像面にて複数のフランフォーファー回折像を形成する。そのうち、０次と＋１次の回折像を、それぞれ０次回折像、１次回折像と呼ぶことにする。回折格子における凹凸の方向はＸ方向と一致する。このため、回折格子によって０次回折像および１次回折像は、Ｙ方向と垂直な直線状に配置される。
【０２４６】
ピンホール６３は、回折格子によって作成された０次回折像の略０次光と１次回折像を含むように形成された２つの穴である。０次回折像のうち、略０次光を含むように開けられた穴（ピンホール６３Ａ）を通過した光は第２の光となり、ビームスプリッタ１２，レンズ６０を介して第１変調に入力される。１次回折像を含むように開けられた穴（ピンホール６３Ｂ）を通過した光は第１の光となり、レンズ４０８に入力される．すなわち、回折格子およびピンホール６３Ａ，およびピンホール６３Ｂにより第１の光と第２の光に分波するため、これらの光学素子により第１〜１９配置例におけるビームスプリッタ１２と同様の役割を果たす。
【０２４７】
第２０配置例のビームスプリッタ１２は、光を反射させ、透過しないミラーでもよい。ビームスプリッタ１２は、ピンホール６３のうち略０次光を含むように開けられた穴（ピンホール６３Ａ）を通過した光をレンズ６０へと出力する。レンズ６０の前焦点面はピンホール６３と同じ面にあり、レンズ６０の前焦点はピンホール６３Ａの中心と一致する。以上のように構成することで、第２０配置例においても第１〜１９配置例と同じく略０次光を参照光として、抜き出すことができる。
【０２４８】
（第２１配置例）
上記第１〜第２０配置例において、観察装置１は、Ωだけ周波数が異なる変調周波数が与えられる第１変調器および第２変調器を備え、この周波数Ωを中心にナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域を切り出している。本配置例は、図４８に示すように、第１変調器および第２変調器に代えて、単一の周波数変調器７０（一つの変調器）を用いる点で、上記第１〜第２０配置例と異なる。たとえば、周波数変調器７０は、音響光学効果を用いた変調器である。
【０２４９】
第１シグナルジェネレータ２１から出力されて第１増幅器２２により増幅された周波数Ωが周波数変調器７０に与えられた場合、ビームスプリッタ１２に反射されて周波数変調器７０に入力された光周波数ωの光は、周波数変調を受けて、光周波数ω＋ｎΩ（ｎ：整数）の光として周波数変調器７０の出力端から出力される。このため、光検出器４６では、ヘテロダイン干渉により、散乱光および参照光それぞれの光周波数の差周波数を有するビート信号が観測される。ここで、周波数変調器７０へ印加する周波数Ωは、対象物２の移動による蛍光の最大ドップラーシフト周波数ωｄｍａｘが、Ω＞ωｄｍａｘの条件を満たすように決定される。
【０２５０】
なお、最大ドップラーシフト周波数ωｄｍａｘは、ナイキスト角周波数ωｎｙｑと同じ値を示す。ここで、ナイキスト角周波数ωｎｙｑは、上記（６）式に示されるナイキスト周波数ｆｎｙｑを角周波数表記したものであり、ωｎｙｑ＝２π・ｆｎｙｑである。
【０２５１】
本配置例において、演算部５０は、周波数変調器７０へ印加する周波数Ωを中心にナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域を切り出す。また、上述のように周波数変調器７０から出力される光には、ω＋ｎΩの周波数をもつ光が存在するため、適宜、それらを参照光として選択すれば、光検出器４６で得られる干渉信号としては、ｎΩを含む信号が観測される。このため、周波数変調器７０へ印加する周波数Ωの２次波（２Ω）、３次波（３Ω）等の倍波であるｎΩ（ｎ：０以外の整数）を中心に、ナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域を切り出してもよい。
【０２５２】
以上で述べた一つの変調器からなる構成は、上記第１〜第２０配置例に適用することができる。すなわち、第１〜第２０配置例において備える第１変調器および第２変調器に代えて、上記周波数変調器７０を備えることで、第１〜第２０配置例で示した出力と同じ出力を得ることができる。この場合、演算器５０は、周波数変調器７０へ印加する周波数Ωまたはその倍波であるｎΩを中心にナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域を切り出す点以外は、第１〜第２０配置例で示したものと同じ演算処理および演算器構成となる。すなわち、演算部５０が、時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、一つの変調器における変調周波数Ωまたはその倍波であるｎΩを中心としてナイキスト周波数を前後に含む領域のデータについて、フーリエ変換を行って複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る。
【０２５３】
本配置例では、第１変調器および第２変調器に代えて、単一の周波数変調器７０を用いている。そのため、使用する変調器の数を減らすことができ、観察装置１の小型化を図ることができる。また、観察装置１の製造コストを低減することができる。
【０２５４】
本実施形態の観察装置１では、対象物２の速度が変化するとドップラー信号に周波数変調が生じて、最終的に得られる対象物２の像が流れ方向に伸縮する。このような伸縮を補正するために、本実施形態の観察装置１は、対象物２の移動速度を検出する速度検出部を更に備えるのが好適である。そして、演算部５０は、速度検出部により検出された対象物２の速度に基づいて、時間方向の１次元フーリエ変換または２次元フーリエ変換の際に対象物２の速度変化に関する補正を行うのが好適である。または、速度検出部より検出された対象物２の速度に基づいて、光検出器４６の撮影タイミングを図ってもよい。
【０２５５】
この速度検出部は、任意のものが用いられ得るが、移動速度とドップラーシフト量との間の関係を利用して、レンズ４０の後焦点面の散乱光到達位置における信号の周波数を検出することでも対象物２の移動速度を求めることができる。この場合、速度検出部は、ビームスプリッタ４１から光検出器４６へ向う光の一部が分岐されたものをフーリエ面上で検出してもよいし、或いは、光検出器４６の受光面の一部に独立に設けられた画素を含むものであってもよい。その画素の大きさは、対象物２の移動速度Ｖとドップラー周波数ｆｄとの関係から導かれる移動速度の分解能を有する面積を持つことが好ましい。
【０２５６】
本実施形態の観察装置１において、第１配置例では、対象物２からの蛍光のうち、光軸方向に発せられる蛍光（略０次光）は、レンズ４０により１点に集光される。この略０次光が光検出器４６の受光面に到達すると、光検出器４６により得られる信号の質が劣化する。そこで、このような略０次光が光検出器４６の受光面にすべてが到達しないように略０次光を減衰させるための減光フィルタ４７が設けられるのが好ましい。或いは、略０次光の発生が少ないようなビーム断面を有する光Ｌ０を対象物２に照射するのが好ましい。そして、減光フィルタ４７の透過率を加味させ、強度ムラを補正することが好ましい。
【０２５７】
以上の説明では、ξη平面上で対象物２が一方向に移動する場合について説明した。本発明は、ξη平面に垂直なζ方向（レンズ４０の光軸の方向）に対象物２が往復移動する場合にも適用可能である。この場合、レンズ後焦点面において径方向にドップラーシフトが生じるので、周方向に画素構造を有し各画素が放射状に延在する光検出器が用いられる。
【０２５８】
以上の説明では、光源の対象物の蛍光像を透過照明で取得する実施例を主に示したが、反射（落射）照明、または限外照明で取得してもよいことは、明らかである。光源として、単一縦モードの光の利用が好適であるが、これに限定されない。例えば、広帯域の光を用いることで、蛍光強度を高めることが可能となる。その他、広帯域の光として、波長成分間の位相関係が一定であるものを用いるのが好適である。このような光源として、例えばモードロックレーザーを用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【０２５９】
近年注目を集めている血中癌細胞（Circulating Tumor Cell、 CTC）は、正常血液有核細胞（白血球のこと）中およそ１０００万分の１の頻度で含まれることから、検出能を高めるためには検査の迅速化が求められる。本発明は、このような分野に利用可能である。本発明は、スループットが高いフローサイトメトリーにも応用可能である。本発明は、光検出器４６として１次元のものを用いて、移動している対象物２を観察することができるので、フレームレートの向上が可能であり、細胞等の対象物２を高速に流すことでできるので検査効率の向上が可能である。また、スライドガラスに貼り付けら得た細胞標本，組織標本に対しても非染色にてコントラスト良く撮影可能になる。また、金属顕微鏡のような反射光による複素振幅像も得ることができる。
【符号の説明】
【０２６０】
１…観察装置、２…対象物、１０…光源部、１１…照明用レンズ、１２…ビームスプリッタ、２０…第１変調器、２１…第１シグナルジェネレータ、２２…第１増幅器、３０…第２変調器、３１…第２シグナルジェネレータ、３２…第２増幅器、４０…レンズ、４１…ビームスプリッタ、４２，４３…ミラー、４４…レンズ、４５…フィルタ、４６…光検出器、４７…減光フィルタ、５０…演算部、５１…第１フーリエ変換部、５２…第２フーリエ変換部、５３…第３フーリエ変換部、５４…第４フーリエ変換部、５５…特定領域切出部、５６…初期位相補正器、５７…２次位相除算部、５８…各出力総和器、５９…第２方向変換器、６０…２次位相補正器、７０…周波数変調器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の蛍光像を観察する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
細胞やガラス体等の無色透明な対象物（位相物体）は、その対象物に光が照射されたときに生じる透過光の強度分布（振幅像）に基づいて観察することが困難であるから、内因性または外因性の蛍光物質を励起光で照明し、対象物で生じた蛍光像を観察する。内因性の蛍光物質からの蛍光としては、たとえば自家蛍光が挙げられる。外因性の蛍光物質からの蛍光としては、たとえば対象物に標識した蛍光物質からの蛍光が挙げられる。このような対象物の蛍光像を観察する装置として蛍光顕微鏡が知られている。しかし、蛍光顕微鏡を用いて移動する対象物の蛍光像を得る場合、その撮影速度および画質が制約されるという問題がある。
【０００３】
移動する対象物の蛍光像を観察する技術として、特許文献１や非特許文献１に記載されたＴｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ（ＴＤＩ）方式を用いたものが知られている。このＴＤＩ方式に拠る観察装置では、対象物の像が、ＴＤＩ方式を内蔵したカメラ（以後ＴＤＩカメラという）の受光面に結像され、その像の移動と、ＴＤＩカメラ内での電荷の移動（電荷の移動方向は、像の移動方向に一致）を完全に同期させることで、移動する対象物でもブレの無い多重露光画像を得ることができる。そのため、蛍光像の様な低照度の像であって、かつ高速に移動する対象物の像を鮮明に撮影することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００４−５０６９１９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】H.-S. Yong, et al, "TDI charge coupled devices: Design andapplications,” IBM J. Res. Develop., Vol.36, No.1, 83-106, (1992).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１や非特許文献１に記載されたＴＤＩ方式を用いた観察装置では、対象物の像の移動に同期して電荷を移動させる必要がある。同期が不完全であると、ぼけた画像が得られることになり、その結果、空間解像度を損ねるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、空間解像度を損なうことなく、移動に伴うぶれ（motion blur）を解消した蛍光像を得ることができる観察装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の観察装置は、(1) 移動している対象物が有する蛍光物質を励起させ、該対象物から蛍光を生じさせる光を該対象物へ照射する光源部と、(2) 前記光源部による光照射により前記対象物から生じた蛍光のうち所定平面に到達した光において対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる所定平面上の方向を第１方向とし、この第１方向に直交する所定平面上の方向を第２方向としたときに、所定平面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの第２方向についての総和を表すデータを第１方向の各位置について各時刻に出力する検出部と、(3)所定平面上の第１方向の位置および時刻を変数とするデータについての時刻変数に関するフーリエ変換と、このフーリエ変換後のデータについての２次元フーリエ変換とを行って、この２次元フーリエ変換により得られたデータを対象物の像として得る演算部と、を備えることを特徴とする。ここで第１方向は、対象物の移動方向に垂直な方向であり、第２方向は対象物の移動方向に平行な方向である。
【０００９】
本発明の観察装置では、移動している蛍光物質を有する対象物は、光源部により励起光が照射されて、蛍光を発生させる。その蛍光の散乱光は、散乱方向に応じた量のドップラーシフトを受ける。その蛍光の散乱光は、検出部により受光される。所定平面に到達した光において対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる所定平面上の方向を第１方向とし、この第１方向に直交する所定平面上の方向を第２方向とする。光学系を経て所定平面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの第２方向についての総和を表すデータが、第１方向の各位置について各時刻に検出部から出力される。演算部では、所定平面上の第１方向の位置および時刻を変数とするデータについての時刻変数に関するフーリエ変換と、このフーリエ変換後のデータについての２次元フーリエ変換とが行われて、この２次元フーリエ変換により得られたデータが対象物の像として得られる。
【００１０】
検出部は、(a) 光源部から出力された光により対象物から生じた蛍光を入力して、その入力した蛍光を対象物の後段にて２分割して第１の光および第２の光とし、第２の光を変調器で変調した後に、所定平面上で第１の光と当該変調後の第２の光とをヘテロダイン干渉させる光学系と、(b)所定平面に受光面を有し該受光面において第１方向に画素構造を有する光検出器と、を含む。
【００１１】
演算部は、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、２次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部と、を備え、第２フーリエ変換部は、周波数に関する１次元フーリエ変換を行う第３フーリエ変換部と、第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う第４フーリエ変換部と、を備えるものであってもよい。
【００１２】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズの第１方向における後焦点面であって、レンズの第２方向における後焦点面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置されるものであってもよい。
【００１３】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置されるものであってもよい。
【００１４】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、第２方向において対象物の像が形成される結像面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置されるものであってもよい。
【００１５】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置されるものであってもよい。
【００１６】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第４フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置され、レンズは、第１方向に関する１次元フーリエ変換を行うものであってもよい。
【００１７】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物の像が形成される結像面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第４フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置され、レンズは、第１方向に関する１次元フーリエ変換を行うものであってもよい。
【００１８】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第４フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置され、レンズは、第１方向に関する１次元フーリエ変換を行うものであってもよい。
【００１９】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物のフレネル回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置されるものであってもよい。
【００２０】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物のフレネル回折像が形成される面であって、第２方向において対象物の像が形成される結像面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置されるものであってもよい。
【００２１】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物のフレネル回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置されるものであってもよい。
【００２２】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物のフレネル回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第４フーリエ変換部、第３フーリエ変換部、第４フーリエ変換部の順に配置されるものであってもよい。
【００２３】
本発明の観察装置は、移動している対象物が有する蛍光物質を励起させ、該対象物から蛍光を生じさせる光を該対象物へ照射する光源部と、光源部による光照射により対象物から生じた蛍光のうち所定平面に到達した光において対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる所定平面上の方向であって、対象物の移動方向に垂直な方向を第１方向とし、この第１方向に直交する所定平面上の方向であって、対象物の移動方向に平行な方向を第２方向としたときに、所定平面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの、第２方向についての総和を表すデータを、第１方向の各位置について各時刻に出力する検出部と、所定平面上の第１方向の位置および時刻を変数とするデータについて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換、周波数に関する１次元フーリエ変換、および第１方向に関する１次元フーリエ変換を行って、これらの１次元フーリエ変換により得られたデータを対象物の像として得る演算部と、を備え、検出部が、光源部から出力された光により対象物から生じた蛍光を入力して、その入力した蛍光を対象物の後段にて２分割して第１の光および第２の光とし、第２の光を変調器で変調した後に、所定平面上で第１の光と当該変調後の第２の光とをヘテロダイン干渉させる光学系と、所定平面に受光面を有し該受光面において第１方向に画素構造を有する光検出器と、を含む。
【００２４】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物の像が形成される結像面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部の順に配置され、レンズは、第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う作用を含むものであってもよい。
【００２５】
本発明の観察装置では、光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部の順に配置され、レンズは、第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う作用を含むものであってもよい。
【００２６】
光源部と検出部の間に配置されるレンズを更に備え、検出部の受光面は、レンズにより第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、光源部、レンズ、検出部、第１フーリエ変換部、第３フーリエ変換部の順に配置され、レンズは、第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う作用を含むものであってもよい。
【００２７】
本発明の観察装置では、演算部は、時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータに含まれる初期位相を補正する初期位相補正部を更に備えるものであってもよい。
【００２８】
本発明の観察装置では、検出部は、複数存在し、演算部は、複数の検出部からの出力の総和を求める出力総和器を更に備えるものであってもよい。
【００２９】
本発明の観察装置は、第２方向に関するフーリエ変換またはフレネル変換を行う第２方向変換部を更に備えるものであってもよい。
【００３０】
本発明の観察装置では、演算部が、フーリエ変換により得られたデータのうち、第１変調周波数と第２変調周波数との差周波数を中心としてナイキスト周波数を前後に含む領域のデータについて２次元フーリエ変換を行うこととしてもよい。
【００３１】
本発明の観察装置では、演算部が、時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、第１変調周波数と第２変調周波数との差周波数を中心としてナイキスト周波数を前後に含む領域のデータについて、周波数に関する１次元フーリエ変換、および第１方向に関する１次元フーリエ変換を行うこととしてもよい。
【００３２】
本発明の観察装置では、変調器は、一つの変調器として構成され、演算部が、時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、一つの変調器における変調周波数または該変調周波数の倍波を中心としてナイキスト周波数を前後に含む領域のデータについて、２次元フーリエ変換を行うこととしてもよい。
【００３３】
本発明の観察装置では、変調器は、一つの変調器として構成され、演算部が、時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、一つの変調器における変調周波数または該変調周波数の倍波を中心としてナイキスト周波数を前後に含む領域のデータについて、周波数に関する１次元フーリエ変換、および第１方向に関する１次元フーリエ変換を行うこととしてもよい。
【００３４】
本発明の観察装置は、対象物の移動速度を検出する速度検出部を更に備えてもよい。この場合、演算部は、速度検出部により検出された対象物の速度に基づいて、時間方向の１次元フーリエ変換または２次元フーリエ変換の際に対象物の速度変化に関する補正を行うことができる。
【００３５】
本発明の観察装置は、対象物への光の照射が、透過照明の光学配置であってもよいし、反射照明の光学配置であってもよいし、限外照明の光学配置であってもよい。本発明の観察装置は、光源部が、単一縦モードの光を生成する光源であってもよいし、広帯域の光を生成する光源であってもよく、後者の場合にはモードロックレーザーであってもよい。
【００３６】
本発明の観察装置では、検出器は、受光面の前面に配置され、光源部からの光を遮断し、対象物から生じた蛍光を透過するフィルタを更に備えてもよい。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、空間解像度を損なうことなく、移動に伴うぶれ（motion blur）を解消した蛍光像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本実施形態の観察装置による対象物の蛍光像の取得の原理を説明する図である。
【図２】対象物で生じる蛍光の散乱光の散乱方向を説明する図である。
【図３】対象物で生じる蛍光の散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。
【図４】対象物で生じる蛍光の散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を更に説明する図である。
【図５】対象物が移動する場合に対象物で生じる蛍光の散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。
【図６】対象物が移動する場合に対象物で生じる蛍光の散乱光がレンズの後焦点面に到達するまでの光路長の変化を説明する図である。
【図７】対象物で生じる蛍光の散乱光の散乱方向単位ベクトルと移動する対象物の速度ベクトルの成す角度を説明する図である。
【図８】本実施形態の観察装置１の構成を示す図である。
【図９】本実施形態の観察装置１の詳細な構成を示す図である。
【図１０】本実施形態の観察装置１における対象物２，レンズ４０および光検出器４６の間の配置の関係を説明する図である。
【図１１】本実施形態の観察装置１に含まれるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図１２】本実施形態の観察装置１において第１配置例を採用した場合にｕｖ平面上で観測される信号を模式的に示す図である。
【図１３】本実施形態の観察装置１において第１配置例を採用した場合であって変調器２０，３０による周波数シフトがない場合（Ω＝０）にｕｖ平面上で観測される信号を模式的に示す図である。
【図１４】本実施形態の観察装置１において第１配置例を採用した場合に、各ｕｎについてｖ方向に平行な直線上の信号ｈ１〜ｈＮの総和を表す信号ｓ１(ｕｎ,ｔ)を得る操作を模式的に示す図である。
【図１５】第１配置例における光検出部４６および演算部５０の構成を示すブロック図である。
【図１６】本実施形態の観察装置１において第２配置例を採用した場合にｕ'ｖ'平面上で観測される信号を模式的に示す図である。
【図１７】第２配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図１８】第２配置例におけるレンズ４０、光検出部４６および演算部５０の構成を示すブロック図である。
【図１９】第３配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図２０】第３配置例における光検出部４６および演算部５０の構成を示すブロック図である。
【図２１】第４配置例の演算部５０による演算の模式図である。
【図２２】第４配置例における光検出部４６および演算部５０の構成を示すブロック図である。
【図２３】第５配置例の演算部５０による演算の模式図である。
【図２４】第５配置例における光検出部４６および演算部５０の構成を示すブロック図である。
【図２５】第６配置例の演算部５０による演算の模式図である。
【図２６】第６配置例における光検出部４６および演算部５０の構成を示すブロック図である。
【図２７】第７配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図２８】第８配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図２９】第９配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図３０】第１０配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図３１】第１１配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図３２】第１２配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図３３】第１３配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図３４】第１４配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図３５】第１５配置例におけるレンズ４０の構成例を示す図である。
【図３６】第１〜第１５配置例における演算器構成の概略を示すブロック図である。
【図３７】第１６配置例における演算器構成の概略を示すブロック図である。
【図３８】第１６配置例における演算器構成の概略の変形例を示すブロック図である。
【図３９】第１６配置例における演算器構成の概略の変形例を示すブロック図である。
【図４０】第１６配置例における演算器構成の概略の変形例を示すブロック図である。
【図４１】第１６配置例における演算器構成の概略の変形例を示すブロック図である。
【図４２】第１６配置例における時間波形ｓ（ｍ）（ｕ，ｔ）を示すグラフである。
【図４３】第１６配置例における時間波形Ｓ（ｍ）（ｕ，ω）を示すグラフである。
【図４４】第１８配置例における演算器構成の概略の変形例を示すブロック図である。
【図４５】第１７〜１９配置例の変形例の構成を示すブロック図である。
【図４６】第１７〜１９配置例の変形例の構成を示すブロック図である。
【図４７】第２０配置例におけるレンズ構成を示す図である。
【図４８】第２１配置例における観察装置１の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００４０】
本実施形態の観察装置は、移動している対象物に光が照射された際に生じるドップラーシフト効果を利用し、特に、対象物で生じた蛍光の散乱方向とドップラーシフト量との間に一定の関係が存在することを利用して、対象物の蛍光像を取得するものである。初めに、図１〜図７を用いて、本実施形態の観察装置による対象物の蛍光像の取得について原理的な事項について説明する。
【００４１】
図１は、本実施形態の観察装置による対象物の蛍光像の取得の原理を説明する図である。この図には、ξη座標系，ｘｙ座標系およびｕｖ座標系が示されている。ξ軸，η軸，ｘ軸，ｙ軸，ｕ軸およびｖ軸は、何れもレンズ４０の光軸に垂直である。ξ軸，ｘ軸およびｕ軸は、互いに平行である。η軸，ｙ軸およびｖ軸は、互いに平行である。観察対象である対象物２はξη平面上に存在する。レンズ４０はｘｙ平面上に存在する。また、レンズ４０の後焦点面はｕｖ平面と一致する。ξη平面とｘｙ平面との間の距離はｄである。ｘｙ平面とｕｖ平面との間の距離はレンズ４０の焦点距離ｆと一致する。
【００４２】
対象物２は蛍光物質を有しており、ξη平面上で−η方向に移動しているものとする。ξη平面に垂直なζ方向に進む光Ｌ０が対象物２に照射されるとする。ここで、光Ｌ０は、対象物２が有する蛍光物質を励起する励起光である。この光Ｌ０は例えば平面波である。対象物２に光Ｌ０が照射されることにより対象物２が有する蛍光物質が励起され、対象物から蛍光を生じさせる。この蛍光は様々な方向に進む散乱光となる。この蛍光の散乱光Ｌ１〜Ｌ３は、対象物２の移動によりドップラーシフトを受ける。対象物２の移動方向と同じ方向に散乱方向ベクトル成分を有する蛍光の散乱光Ｌ１は、光周波数が高くなる。対象物２の移動方向に散乱方向ベクトル成分を有しない散乱光Ｌ２は、光周波数が変化しない。対象物２の移動方向と逆の方向に散乱方向ベクトル成分を有する蛍光の散乱光Ｌ３は、光周波数が低くなる。これらの散乱光Ｌ１〜Ｌ３は、レンズ４０を経てｕｖ平面に到達する。
【００４３】
図２は、対象物で生じる蛍光の散乱光（以下、単に散乱光ともいう。）の散乱方向を説明する図である。対象物２で生じる散乱光の散乱方向を表現するには、仰角θおよび方位角φの２つの変数で記述する必要がある。対象物２内に仮想的に配置した点光源をξηζ座標系の原点とする。そして、その原点に位置する点光源からの散乱光の方向ベクトルとζ軸とがなす角度を仰角θとする。また、その散乱方向ベクトルのξη平面への投影ベクトルとξ軸とがなす角度を方位角φとする。
【００４４】
図３は、対象物で生じる蛍光の散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。光Ｌ０が対象物２に照射されることにより生じる蛍光の散乱光は、対象物２内に仮想的に配置した点光源から発した光として扱うことができる。同図では、対象物２内に５個の仮想的な点光源が配置されている。これらの点光源は、レンズ４０の前焦点面上だけでなく、レンズ４０の前焦点面の前後にも存在する場合がある。
【００４５】
これらの点光源から発した光のうち同じ仰角θおよび方位角φを有する散乱光Ｌ１〜Ｌ３は、レンズ４０の後焦点面上の一点Ｐａに到達する。また、他の同じ仰角θおよび方位角φを有する散乱光Ｌ４〜Ｌ６は、レンズ４０の後焦点面上の他の一点Ｐｂに到達する。なお、光線Ｌ２，Ｌ５は、レンズ４０の前焦点位置の点光源から発した光であるので、レンズ４０以降ではレンズ４０の光軸に平行に進む。光Ｌ０のうち対象物２により散乱されなかった光は、レンズ４０の光軸に平行に進んでレンズ４０に入射されるので、レンズ４０の後焦点位置Ｐｏに集光される。
【００４６】
対象物２がξη平面上で−η方向に移動している場合、ドップラーシフト効果により、点Ｐａで観測される光周波数は元の光周波数ｆｂより小さく、点Ｐｂで観測される光周波数は元の光周波数ｆｂより大きい。散乱角（仰角θ，方位角φ）がレンズ後焦点面上に展開されることから、レンズ後焦点面での像は角度スペクトルと呼ばれることがある。大きな仰角θを有する光線は、レンズ後焦点面上において中心点Ｐｏから遠い位置に集光される。まとめると、異なる仮想点光源であっても同じ散乱角を有する散乱光はレンズ後焦点面上で一点に集光される。
【００４７】
図４は、対象物で生じる蛍光の散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を更に説明する図である。ここでは、対象物２中のレンズ前焦点面上に存在する異なる仮想点光源から、異なる散乱角で散乱光Ｌ１〜Ｌ３が発するものとする。レンズ４０の前焦点位置の仮想点光源から発した散乱光Ｌ４は、レンズ４０以降ではレンズ４０の光軸に平行に進み、レンズ４０の後焦点面上の点Ｐｓを通過する。レンズ４０の前焦点面上の或る仮想点光源から発した散乱光Ｌ１は、レンズ４０の前焦点位置の仮想点光源から発した散乱光Ｌ４と散乱角が同じであるとすると、レンズ４０の後焦点面上の点Ｐｓを通過する。レンズ４０の前焦点位置の仮想点光源から発した散乱光Ｌ２は、Ｌ４とは散乱角が異なるため、レンズ４０以降ではレンズ４０の光軸に平行に進むが、点Ｐｓを通過しない。レンズ４０の前焦点面上の他の或る仮想点光源から発した散乱光Ｌ３は、レンズ４０の中心を通過するものとすると、レンズ４０の入射の前後で進行方向が変わらない。結局、光線Ｌ１〜Ｌ３は、レンズ後焦点面より更に後方の点Ｐｒに集光される。異なる散乱角を有する散乱光はレンズ後焦点面では１点で交わらない。
【００４８】
図５は、対象物が移動する場合に対象物で生じる蛍光の散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。ここでは、各位置に移動した対象物２ａ〜２ｅが示されている。また、対象物２ａ〜２ｅ中に仮想点光源が存在するものとする。対象物２ａ中の仮想点光源はレンズ前焦点位置に存在する。対象物２ｂ，２ｃ中の仮想点光源は、対象物２ａ中の仮想点光源の位置に対して上下に存在する。対象物２ｄ，２ｅ中の仮想点光源は、対象物２ａ中の仮想点光源の位置に対して前後に存在する。空間的に一様な光Ｌ０が対象物２ａ〜２ｅに照射されるので、対象物２ａ〜２ｅ中の各点光源で発する散乱光の角度スペクトルの強度分布は一定である。すなわち、対象物２が移動したとしても、レンズ後焦点面における角度スペクトルの強度分布は一定である。
【００４９】
対象物２が移動することによって光の位相が変化する。例えば、レンズ前焦点面上の対象物２ｂ，２ｃ中の各点光源で発した光Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃがレンズ後焦点面上の位置Ｐａに到達するまでの光路長差は以下のようになる。対象物２ｂ中の点光源で発した光Ｌ１ｂがレンズ４０の入射面に達するまでの光路長と、対象物２ｃ中の点光源で発した光Ｌ１ｃがレンズ４０の入射面に達するまでの光路長とは、互いに等しい。しかし、レンズ４０の肉厚差により、レンズ４０の入射面から点Ｐａに到達するまでの光Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃそれぞれの光路長は異なるものとなる。対象物２が等速移動することにより、この光路長差は時間的に直線的に変化する。
【００５０】
図６は、対象物が移動する場合に対象物で生じる蛍光の散乱光がレンズの後焦点面に到達するまでの光路長の変化を説明する図である。ただし、ここでは、レンズ４０を用いることなく無限遠方にて散乱光を観察する場合を想定する。対象物２がレンズ前焦点面上において対象物２ｂ位置から対象物２ｃ位置へ移動する場合、点Ｐａで散乱光を観測する場合と無限遠方にて散乱光を観測する場合とは互いに等しい。
【００５１】
対象物２がξη平面上で−η方向に移動しているとき、対象物２から発せられる散乱光が無限遠方のｕｖ平面上の点Ｐｐに達するまでの光路長の単位時間当たりの変化量ΔＬは、下記（１）式で表される。ここで、ｅｐｒは散乱方向単位ベクトルであり、ｖｐは対象物２の速度ベクトルである。この単位時間当たりの光路長変化量ΔＬを用いると、位相差すなわち光周波数の変化量ｆｄは下記（２）式で表される。λは光の波長である。ｕｖ平面上の位置Ｐｐで散乱光を観測する場合、対象物２が移動することにより、位置Ｐｐに到達する散乱光の光路長が変化して光周波数が変化する。これがドップラーシフトの原因である。
【００５２】
【数１】
【００５３】
【数２】
【００５４】
ドップラーシフトは、フーリエ変換の性質の一つである時間軸移動によっても説明することができる。対象物２の複素振幅をｇ(ｘ)で表し、対象物２のフーリエ変換をＧ(ｋ)で表す。対象物２が位置ｘ０から位置(ｘ０＋ｘ)へ移動したとき、移動後の対象物２のフーリエ変換Ｇ'(ｋ)は下記（３）式で表される。この（３）式の右辺の指数関数内の項は位相を表している。対象物２が移動することにより、この位相が波数ベクトルｋに比例して回転することから、周波数シフトが生じる。指数関数内の位相をφとすると、周波数シフトｆｄは下記（４）式で表される。ｅｐｒは波数ベクトルｋの単位ベクトルである。ｖｐは位置ｘの時間微分すなわち対象物２の速度を表す。この（４）式は、前述した単位時間当たりの光路長変化から説明される周波数シフト式（２）と合致する。
【００５５】
【数３】
【００５６】
【数４】
【００５７】
図７は、対象物で生じる蛍光の散乱光の散乱方向単位ベクトルと対象物２の速度ベクトルの成す角度を説明する図である。散乱方向単位ベクトルｅｐｒをηζ平面へ投影したベクトルとζ軸とがなす角度をθ'と表す。このとき、散乱方向単位ベクトルｅｐｒと対象物２の速度ベクトルｖｐとがなす角度はθ'＋π／２となる。このことから、（２）式または（４）式の右辺の散乱ベクトルと速度ベクトルとの内積は下記（５）式で表される。Ｖは対象物２の移動の速さである。レンズ４０の開口数ＮＡはsinθ'で定義されるので、ボケのない画像を得るためのナイキスト周波数ｆｎｙｑは下記（６）式で表される。
【００５８】
【数５】
【００５９】
【数６】
【００６０】
次に、具体的な数値を当てはめて、ドップラーシフトによる光周波数の変化量ｆｄを見積もる。現在市販されているフローサイトメーターにより対象物２が流れるものとして、対象物２の移動速度が１ｍ／秒であるとする。対象物２に照射される光Ｌ０は、波長４８８ｎｍのアルゴンレーザ光であるとする。光Ｌ０の励起光によって波長５２０ｎｍの蛍光が励起されるとする。レンズ４０は、ＮＡが０.４５であり、倍率が２０倍相当であるとする。このようなレンズ４０を使用する場合、速度ベクトルｖｐに対する散乱角θ'の正弦の最大値は０.４５をとる。したがって、最大ドップラーシフト周波数は、（５）式から８６０ｋＨｚと見積もられる。また、速度１００μｍ／秒の場合であれば、最大８６Ｈｚのドップラーシフト周波数が観測される。
【００６１】
散乱角θ'を有する散乱光は、焦点距離ｆのレンズ４０により、ｕｖ平面上の下記（７）式で表される位置に到達する。したがって、（５）式，（７）式を用い、角度θ'が小さい場合に成り立つtanθ'≒sinθ' の近似の式を用いると、ドップラーシフト周波数ｆｄは、下記（８）式のようにｖ座標値の関数として表現され得る。なお、近似を用いない場合には、下記（９）式で表される。
【００６２】
【数７】
【００６３】
【数８】
【００６４】
【数９】
【００６５】
本実施形態の観察装置１は、以上に説明した原理に基づいて、対象物２の蛍光像を取得するものである。対象物２は、観察対象であり、ＦＩＴＣ（fluorescein isothiocyanate）等の蛍光物質を含んでいる。この蛍光物質は波長４８８ｎｍの光で励起され、波長５２０ｎｍの蛍光を発するものである。図８は、本実施形態の観察装置１の構成を示す図である。本実施形態の観察装置１は、光源部１０、照明用レンズ１１、ビームスプリッタ１２、第１変調器２０、第１シグナルジェネレータ２１、第１増幅器２２、第２変調器３０、第２シグナルジェネレータ３１、第２増幅器３２、レンズ４０、ビームスプリッタ４１、ミラー４２、ミラー４３、レンズ４４、フィルタ４５、光検出器４６および演算部５０を備える。レンズ４０は、レンズ４０１およびレンズ４０２から構成される。図９は以上の観察装置１の構成をより詳細に示す図である。
【００６６】
光源部１０は、例えばアルゴンレーザ光源であり、対象物２が有する蛍光物質を励起する励起光を出力する励起光光源である。光源部１０は、対象物２に波長４８８ｎｍの励起光を照射し、対象物２の蛍光物質を励起して、波長５２０ｎｍの蛍光（光周波数ｆｂ）を生じさせる。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０１およびレンズ４０２の間に配置される。ビームスプリッタ１２は、光源部１０から出力された光により対象物から生じた蛍光を入力し、その入力した蛍光を対象物２の後段にて２分割して第１の光および第２の光とし、そのうちの第１の光をレンズ４０２を介してビームスプリッタ４１へ出力し、第２の光を第１変調器２０へ出力する。第１変調器２０および第２変調器３０それぞれは、例えば音響光学素子である。第１変調器２０は、第１シグナルジェネレータ２１から出力されて第１増幅器２２により増幅された第１変調信号を与えられて、光源部１０から出力された光を回折させ、その回折光を第２変調器３０へ出力する。第２変調器３０は、第２シグナルジェネレータ３１から出力されて第２増幅器３２により増幅された第２変調信号を与えられて、第１変調器２０から出力された光を回折させ、その回折光をミラー４２へ出力する。
【００６７】
第１変調器２０に与えられる第１変調信号および第２変調器３０に与えられる第２変調信号の強度それぞれは例えば２９ｄＢｍである。第１変調信号の周波数（第１変調周波数）と第２変調信号の周波数（第２変調周波数）とは僅かに異なる。例えば、第１変調周波数は４０ＭＨｚであり、第２変調周波数は４０.００００１０ＭＨｚであり、両者の周波数差は１０Ｈｚである。第１変調信号および第２変調信号それぞれは正弦波である。なお、第１シグナルジェネレータ２１と第２シグナルジェネレータ３１との間で同期を得るために、第１シグナルジェネレータ２１と第２シグナルジェネレータ３１との間は配線で接続されている。第１変調器２０と第２変調器３０が音響光学素子の場合、第１変調器によるｍ次回折光を、第２変調器３０へ入力し、第２変調器３０からｎ次回折光をミラー４２へ出力する。ｍ、ｎは整数であり、一般的にはｍ＝＋１、ｎ＝−１またはｍ＝−１、ｎ＝＋１の値をとる。この両者の場合、第１変調周波数４０ＭＨｚと第２変調周波数４０．００００１０ＭＨｚの差周波数の周波数Ω＝１０Ｈｚだけ周波数遷移した光が、第２変調器３０から出力されることになる。
【００６８】
第１変調器２０と第２変調器３０を合わせて参照光変調器と呼べば、結局、参照光変調器は、光の周波数を周波数Ωだけ周波数遷移する役割を有するものであればよく、参照光変調器を構成する変調器は１つでもよいし、複数個でもよい。また参照光変調器に入力した光周波数ｆｂは、参照光変調器の作用により、その出力光は、周波数がΩだけ遷移したｆｂ＋Ωの光が出射される。
【００６９】
レンズ４０は、レンズ１１からの光照射により対象物２で生じた蛍光の散乱光を入力して対象物２のフーリエ変換像を形成する。図１１はレンズ４０の構成を示している。レンズ４０は、図１１に示すようにレンズ４０１およびレンズ４０２から構成され、レンズ４０１とレンズ４０２の間にビームスプリッタ１２が配置される。なお図１１における点線は結像の様子を表す。
【００７０】
図１１に示すように、レンズ４０１の後焦点面では、物体のフランフォーファー回折像を得る。レンズ４０１の後焦点面におけるフランフォーファー回折像の中心にはドップラー効果を受けなかった光またはドップラー効果が小さかった光が現れる。このフランフォーファー回折像における像の中心に集まる光は０次光と呼ばれる。０次光および０次光とみなせる蛍光は、対象物２で生じた蛍光のうち、ドップラー効果を受けなかった光またはドップラー効果が小さかった光である。本明細書では、これらの光を略０次光と称する。略０次光とは、散乱方向の単位ベクトルｅｐｒと対象物２の速度ベクトルｖｐが略直交するとき、上記（２）式に示されるドップラーシフト周波数ｆｄがほぼ０となる散乱方向単位ベクトルｅｐｒを持つ蛍光のことである。
【００７１】
すなわち、対象物２で生じた蛍光のうち略０次光のドップラーシフト周波数ｆｄは略０である。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０１の後焦点面に配置されており、対象物２で生じた蛍光から略０次光を抜き出す。ビームスプリッタ１２は，レンズ４０１から出力された光を２分し，その一方を第１の光としてレンズ４０２へ出力する。他方、ビームスプリッタ１２は、図９に示すように、反射した略０次光を第２の光として、レンズ６０、レンズ６１，ピンホール６２，およびミラー６３を介して第１変調器２０に導く。
【００７２】
レンズ６０の前焦点面は、レンズ４０１の後焦点面（ｕ−ｖ面）に一致する。レンズ６０は，ビームスプリッタ１２から出力された略０次光を平行光として出力する。レンズ６０より出力される平行光は、レンズ６１によりビーム径が拡大縮小される。レンズ６１は、レンズ５０１およびレンズ５０２の２枚のレンズからなる、いわゆる４ｆ光学系を示す。４ｆ光学系とはレンズ５０１の後焦点面とレンズ５０２の前焦点面が一致し、レンズ５０１の前焦点面の像がレンズ５０２の後焦点面に結像する光学系である。
【００７３】
また、レンズ５０１の後焦点面には、ピンホール６２が配置されている。ピンホール６２は、その大きさを変更することにより、前記ビームスプリッタ１２が抜き出す略０次光における０次光成分の純度を調整することができる。ピンホール径が小さい場合には０次光成分の純度が高まり、ピンホール径が大きい場合には０次光成分の純度は低下する．第２の光は、レンズ６１とピンホール６２によりビーム径と、０次光成分の純度が調整された後、ミラー６３を介して第１変調器に入力される。
【００７４】
レンズ１１は、光源部１０から出力された光を平行光とし、この平行光を対象物２へ照射する。レンズ４４は、第２変調器３０から出力されてミラー４２，４３により順次に反射された光を平行光として、これをビームスプリッタ４１へ出力する。レンズ４４は、レンズ５０３，レンズ５０４から構成されており、それらは４ｆ光学系の構成を取る。レンズ４４により所望のビーム径に調整されたあと、ビームスプリッタ４１に入力される。
【００７５】
ビームスプリッタ４１は、レンズ４０およびレンズ４４それぞれから到達した光を光検出器４６の受光面へ入射させて、両光を受光面上でヘテロダイン干渉させる。つまり、光源部１０から出力された励起光により対象物２から生じた蛍光をビームスプリッタ１２が入力して、その入力した光をビームスプリッタ１２が２分割して第１の光および第２の光とし、当該第２の光が変調器２０、３０で変調された後に、ビームスプリッタ４１が所定平面上で第１の光と当該変調後の第２の光とをヘテロダイン干渉させる。
【００７６】
光検出器４６の受光面の前にはフィルタ４５が設けられている。フィルタ４５は、光源部１０から出力される光を遮断し、対象物２において生じる蛍光を透過する光学フィルタである。具体的には、フィルタ４５は、波長４４８ｎｍ付近の光を遮断し、波長５２０ｎｍ付近の光を透過する。フィルタ４５により、光検出器４６の受光面には対象物２から生じた蛍光のみが入射する。第２変調器３０から出力されて光検出器４６の受光面に入射される光の周波数は、ｆｂ＋Ωとなる。観察装置１の場合，周波数Ωは、第１変調周波数と第２変調周波数との差周波数である。
【００７７】
対象物２はξη平面上で−η方向に移動しているものとすると、レンズ４０を経て光検出器４６の受光面に到達した光において対象物２の移動に因るドップラーシフト周波数が一定となる第１方向は、ξ軸に平行なｕ方向である。すなわち、第１方向は、対象物２の移動方向に垂直な方向である。この第１方向に直交する受光面上の第２方向は、η軸に平行なｖ方向である。すなわち、第２方向は、対象物２の移動方向に平行な方向である。光検出器４６は、レンズ４０を経て受光面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの第２方向（ｖ方向）についての総和を表すデータを、第１方向（ｕ方向）の各位置について各時刻に出力することができる。
【００７８】
光検出器４６は、第１方向（ｕ方向）に画素構造を有するのが好適であり、また、各画素の光感応領域の形状が第２方向（ｖ方向）に長尺であるのが好適である。光検出器４６の受光面は、レンズ４０の第１方向における後焦点面であって、レンズ４０の第２方向における後焦点面に一致していてもよいし（後述する第１配置例）、レンズ４０により第１方向において対象物２の像が形成される像面（結像面）であって、第２方向において対象物２の像が形成される像面に一致していてもよいし（第２，５配置例）、また、第１方向および第２方向ともにレンズ４０の前段または後段の光軸に垂直な任意の面（フレネル回折面）に一致していてもよい（第３，６配置例）。
【００７９】
さらに、光検出器４６の受光面は、レンズ４０により第１方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置されてもよいし（第７配置例）、また、レンズ４０により第１方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、第２方向において対象物の像が形成される結像面に配置されてもよいし（第８配置例）、また、レンズ４０により第１方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置されてもよい（第９配置例）。
【００８０】
さらに、光検出器４６の受光面は、レンズ４０により第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置されてもよいし（第１０配置例）、また、レンズ４０により第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物の像が形成される結像面に配置されてもよいし（第１１配置例）、また、レンズ４０により第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置されてもよい（第１２配置例）。
【００８１】
加えて、光検出器４６の受光面は、レンズ４０により第１方向において対象物のフレネル回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置されてもよいし（第１３配置例）、また、レンズ４０により第１方向において対象物のフレネル回折像が形成される面であって、第２方向において対象物の像が形成される結像面に配置されてもよいし（第１４配置例）、また、レンズ４０により第１方向において対象物のフレネル回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置されてもよい（第１５配置例）。
【００８２】
演算部５０は、光検出器４６から出力された受光面上の第１方向（ｕ方向）の位置および時刻を変数とするデータについて所定の演算を行って対象物２の像を得る。この演算を行うために、演算部５０は、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部５１と、２次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部５２とを備える。また、第２フーリエ変換部５２は、周波数に関する１次元フーリエ変換を行う第３フーリエ変換部５３と、第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う第４フーリエ変換部５４とを備える。詳細な演算内容については後述する。
【００８３】
図１０は、本実施形態の観察装置１における対象物２，レンズ４０および光検出器４６の間の配置の関係を説明する図である。同図（ａ）はη方向に見た図であり、同図（ｂ）はξ方向に見た図である。同図では、レンズ４０の前焦点位置に原点を有するξη座標系、レンズ４０の中心に原点を有するｘｙ座標系、レンズ４０の後焦点位置に原点を有するｕｖ座標系、レンズ４０による結像面中心位置に原点を有するｕ'ｖ'座標系、および、レンズ４０の光軸上の任意位置に原点を有するｕ"ｖ"座標系、が示されている。第１配置例では光検出器４６の受光面はｕｖ平面に一致し、第２配置例では光検出器４６の受光面はｕ'ｖ'平面に一致し、また、第３配置例では光検出器４６の受光面はｕ"ｖ"平面に一致する。
【００８４】
同図（ｂ）に示されるように、対象物２中の仮想点光源ｇ１〜ｇ３で同じ角度で発生した光線Ｌ４〜Ｌ６は、レンズ後焦点面であるｕｖ平面上の一点ａで交わり、やがて発散していき、レンズ結像面であるｕ'ｖ'平面上の点ｈ，ｇ，ｆに到達する。これらの光線Ｌ４〜Ｌ６は、同じ散乱角θ'を有することから、同じ量のドップラーシフトを受ける。
【００８５】
第１配置例および第２配置例それぞれの場合に光検出器４６により受光される信号の相違について説明すると以下のとおりである。第１配置例では、周波数シフトがｖ方向に規則正しく観測され、ｖ方向の位置と周波数シフト量との間には１対１の対応関係が存在する。これに対して、第２配置例では、周波数シフトがｖ'方向に規則正しく配置されず、ｖ'方向の位置と周波数シフト量との間には１対１の対応関係が存在しない。
【００８６】
ここで、第２配置例においてｖ'方向に不規則に配置された周波数シフト量を順序正しくする（すなわち、第１配置例で光検出器４６の受光面で観測されるような順序にする）には，ｕ'ｖ'平面上の点ｆ，ｇ，ｈで観測される波形を合波（和算）した後にフーリエ変換を施せばよく、このようにすることにより、その周波数軸が線形となり、かつその振幅および位相が得られる。
【００８７】
このことは、光検出器４６の受光面においても規則正しく周波数シフトがｖ方向に並んでいる第１配置例において図１４中のグラフに示されるようにｖ方向に波形ｈ１，ｈ２，ｈ３を和算した後にフーリエ変換により各周波数における振幅および位相が得られることと同じである。別の説明をすれば、対象物２によりドップラーシフトを受けた散乱光をカバーするだけの大きさの受光面を光検出器４６が有していれば、どの位置に配置された光検出器４６により受光しようとも得られる信号は変わらず、かつ、周波数にエンコードされているので、第１配置例の光検出器４６の受光面で得られる分布を回復することが可能である。
【００８８】
一方、同図（ａ）に示されるように、ｕ方向に関してはドップラーシフトを受けないことから、ｕ方向に信号を積分しても、演算等により分布を回復することはできない。以上のことから、光検出器４６は、ｕ方向には画素構造を有する必要があるが、ｖ方向には画素構造を有する必要がない。
【００８９】
以下では、本実施形態の観察装置１において第１〜第１５配置例それぞれを採用した場合の演算部５０の演算内容について説明する。
【００９０】
（第１配置例）
第１配置例では、光検出器４６の受光面はレンズ４０の第１方向における後焦点面であってレンズ４０の第２方向における後焦点面（ｕｖ平面）に配置される。このとき、ξη平面上の対象物２の複素振幅像ｇ(ξ,η)に対し、レンズ４０によるフーリエ変換作用によりｕｖ平面上に得られる対象物２の像は下記（１０）式で表される。（１０）式は、対象物２のフーリエ変換像Ｇ（ｕ，ｖ）の項を含み、ｄ＝ｆの条件ときに完全にＧ（ｕ，ｖ）と一致する。
【００９１】
【数１０】
【００９２】
図８および図９に示される本実施形態の観察装置１の構成において、対象物２でドップラーシフトを受けてレンズ４０を経た散乱光（光周波数ｆｂ−ｆｄ）と、第１変調器２０および第２変調器３０により光周波数ｆｂからΩだけ周波数遷移した参照光（光周波数ｆｂ＋Ω）とが、ビームスプリッタ４１を経て、レンズ４０の後焦点面であるｕｖ平面（光検出器４６の受光面）に到達する。そのｕｖ平面上において両光がヘテロダイン干渉することにより、ｕｖ平面上の各位置において、散乱光および参照光それぞれの光周波数の差周波数（Ω＋ｆｄ）を有するビート信号が観測される。ドップラーシフトによる散乱光の光周波数変化量ｆｄは、上記（８）式のようにｖ座標値の関数として表現され得る。なお、観察装置１における各光学部品は、散乱光と参照光との干渉性を高めるために、散乱光の光路と参照光の光路とが等しくなるように配置されている。
【００９３】
図１２は、本実施形態の観察装置１において第１配置例を採用した場合にｕｖ平面上で観測される信号を模式的に示す図である。この図には、ｕｖ平面上で各ｕｎ（ｎ＝１〜Ｎ）についてｖ方向に平行な直線上の位置ｖ１，ｖ２，ｖ３それぞれにおける信号の時間波形が模式的に示されている。対象物２がξη平面上で−η方向に移動しているので、ｕｖ平面上においてｖ座標値ｖ１が正である位置（ｕｎ,ｖ１）ではΩより低い周波数（Ω−|ｆｄ|）の信号ｈ１が得られる。ｕｖ平面上においてｖ座標値ｖ２が０である位置（ｕｎ,ｖ２）では周波数Ωの信号ｈ２が得られる。また、ｕｖ平面上においてｖ座標値ｖ３が負である位置（ｕｎ,ｖ３）ではΩより高い周波数（Ω＋|ｆｄ|）の信号ｈ３が得られる。
【００９４】
参考として示す図１３は、本実施形態の観察装置１において第１配置例を採用した場合であって変調器２０，３０による周波数シフトがない場合（Ω＝０）にｕｖ平面上で観測される信号を模式的に示す図である。この場合には、ｕｖ平面上においてｖ座標値ｖ３が０である位置（ｕｎ,ｖ３）ではＤＣ信号ｈ３が得られる。ｕｖ平面上においてｖ座標値の絶対値が同じで符号が異なる２つの位置（ｕｎ,ｖ１），（ｕｎ,ｖ５）では、周波数|ｆｄ|が同じであるが位相がπだけ相違する信号ｈ１，ｈ５が得られる。同様に、ｕｖ平面上においてｖ座標値の絶対値が同じで符号が異なる２つの位置（ｕｎ,ｖ２），（ｕｎ,ｖ４）では、周波数|ｆｄ|が同じであるが位相がπだけ相違する信号ｈ２，ｈ４が得られる。
【００９５】
本実施形態の観察装置１において第１配置例を採用した場合、レンズ後焦点面であるｕｖ平面上の位置（ｕｎ,ｖ）で観測される信号ｈｎは、周波数Ω＋ｆｄ＝Ω−(Ｖ／λｆ)ｖを有する。すなわち、位置（ｕｎ,ｖ）で観測される信号ｈｎはｖ座標値によって異なる周波数を有する。ｖ座標値と周波数とは１対１に対応している。したがって、任意のｕｎについて、ｖ方向に平行な直線上の信号ｈ１〜ｈＮの総和を表す信号ｓ１(ｕｎ,ｔ)が得られれば、この信号ｓ１(ｕｎ,ｔ)を周波数解析することにより、各位置（ｕｎ,ｖ）における信号（振幅，位相）を特定することができる。
【００９６】
図１４は、本実施形態の観察装置１において第１配置例を採用した場合に、各ｕｎについてｖ方向に平行な直線上の信号ｈ１〜ｈＮの総和を表す信号ｓ１(ｕｎ,ｔ)を得る操作を模式的に示す図である。この図において、記号Σは、信号ｈ１〜ｈＮの総和を求める演算を示す。任意のｕ座標値についてｖ方向に平行な直線上の信号ｈ(ｖ)の総和を表す信号ｓ１(ｕ,ｔ)は下記（１１）式で表される。ここで、Ｇ(ｕ,ｖ)はｕｖ平面上に得られる対象物２のフーリエ変換像（複素振幅）である。記号∠は複素振幅の位相を表す。φ０は、散乱光、参照光の光学的条件に起因する初期位相を表す。Ａ０は散乱光および参照光の強度ムラを表す。ｔは時刻変数である。なお、直流成分の項は省略した。
【００９７】
【数１１】
【００９８】
前述したように、光検出器４６として、ｕ方向に画素ｅ１〜ｅｎが配列された画素構造を有し、各ｕｎに対応する画素ｅｎの光感応領域の形状がｖ方向に長尺であるものが好適に用いられる。このような光検出器４６の画素ｅｎから出力される信号は、上記（１１）式で表される信号ｓ１(ｕｎ,ｔ)に相当する。
【００９９】
上記（１１）式を複素表示すると下記（１２）式で表される。ωｄは、ドップラーシフト周波数ｆｄを角周波数表記したものであり、ωｄ＝２πｆｄである。ｖ＝ａωｄであり、ａ＝λｆ／（２πＶ） である。（１２）式では、Ａ０，φ０を省略した。以後の数式ではＡ０，φ０を省略する。
【０１００】
【数１２】
【０１０１】
この（１２）式の右辺において、積分記号の前の指数関数exp(ｉΩｔ)は、積分記号以降の関数が周波数Ωで変調されることを意味する。具体的には周波数領域において周波数Ωだけ周波数遷移が生じることを意味する。また、（１２）式の積分記号は、変数ｖまたはωｄに関する複素振幅Ｇ(ｕ,ｖ)の逆フーリエ変換を示している。
【０１０２】
時刻変数ｔに関する信号ｓ１(ｕ,ｔ)の１次元フーリエ変換は下記（１３）式で表される。この（１３）式の最右辺は、対象物２の複素振幅像ｇ(ξ,η)に対する２次元フーリエ変換像Ｇ(ｕ,ｖ)において周波数Δｖ＝ａΩだけ周波数シフトした信号を表している。
【０１０３】
【数１３】
【０１０４】
次に、信号ｓ１(ｕ,ｔ)のデータを時刻変数ｔに関して１次元フーリエ変換（上記（１３）式）して得られたデータから周波数Ω＝１０Ｈｚを中心とする一定範囲を切り出す。このとき切り出す一定範囲は、周波数Ωを中心として、上記（６）式で示されるナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域である。この切り出し作業により、（１４）式に示されるＧ（ｕ，ｖ）が得られる。
【０１０５】
【数１４】
【０１０６】
続いて、下記（１５）式に示すように、複素振幅像Ｇ(ｕ,ｖ)を２次元フーリエ変換して対象物２の複素振幅像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１０７】
【数１５】
【０１０８】
本実施形態の観察装置１の構成において、光検出器４６の受光面はレンズ４０の第１方向における後焦点面であってレンズ４０の第２方向における後焦点面（ｕｖ平面）に配置される。第１配置例では、演算部５０は以上のような演算処理を行って対象物２の像を得る。すなわち、演算部５０は、ｕｖ平面上の位置ｕおよび時刻ｔを変数とする信号ｓ１(ｕ,ｔ)のデータを取得し、この信号ｓ１(ｕ,ｔ)のデータについて時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換を行い（上記（１３）式）、この１次元フーリエ変換で得られたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出し（上記（１４）式）、この切り出したデータについて２次元フーリエ変換を行って（上記（１５）式）、対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１０９】
図１５は、以上のような演算処理を行う第１配置例における光検出部４６および演算部５０の構成を示す図である。演算部５０は、第１フーリエ変換部５１と、第２フーリエ変換部５２と、特定領域切出部５５と、を備える。第２フーリエ変換部５２は、第３フーリエ変換部５３と、第４フーリエ変換部５４とを含む。第１フーリエ変換部５１は、ｕｖ平面上の位置ｕおよび時刻ｔを変数とする信号ｓ１(ｕ,ｔ)のデータについて時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換（上記（１３）式）を行う。特定領域切出部５５は、この１次元フーリエ変換で得られたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出す（上記（１４）式）。第３フーリエ変換部５３は、この切り出したデータについて時間周波数ωｄに関する１次元フーリエ変換（上記（１５）式の時間周波数ωｄに関するフーリエ変換）を行う。第４フーリエ変換部５４は、変数ｕに関するフーリエ変換（上記（１５）式の変数ｕに関するフーリエ変換）を行う。フーリエ変換部に着目すると、第１配置例では、演算部５０が第１フーリエ変換部５１、第３フーリエ変換部５３、第４フーリエ変換部５４の順に配置される。なお、第４フーリエ変換部５４の位置はこれに限られることなく、例えば第１フーリエ変換部５１と第３フーリエ変換部５３との間に配置されてもよく、または第１フーリエ変換部５１の前に配置されてもよい。このような演算部５０を用いて信号ｓ１(ｕ,ｔ)に対して演算を行うことにより対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１１０】
なお、第１配置例では、光検出器４６の受光面は、レンズ４０の後焦点面と同等の面に配置されればよいので、対象物２から十分遠方であってフラウンフォーファー回折と見做し得る領域内の平面に配置されてもよい。
【０１１１】
ここで、信号ｓ１(ｕ,ｔ)のデータを得るには、光検出器４６は、２次元の画素構造を有するものでなくてもよく、１次元の画素構造を有するものであればよい。したがって、本実施形態の観察装置１は、１次元の画素構造を有して１画素当りの読出し速度が低速である光検出器４６を用いる場合であっても移動している対象物２の蛍光像を高感度に得ることができる。また、空間解像度を損なうことなく、移動に伴うぶれ（motion blur）を解消した蛍光像を得ることができる。
【０１１２】
また、光検出器４６として、検出光の変調周波数を素子内で直接算出可能なチップ内演算機能カメラ（例えば、ビジョンチップやプロファイルセンサー）を利用することも可能である。このとき、変調周波数に対応した画像が直接得られるため、図１に示した画像を実時間表示することも可能となる。さらに、上記のチップ内演算機能カメラを用いれば、速度の再構成画像を検出器から直接出力することも可能である。
【０１１３】
（第２配置例）
次に、第２配置例について説明する。第２配置例では、図１７に示すように、光検出器４６の受光面はレンズ４０により第１方向において対象物２の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物２の像が形成される結像面（ｕ'ｖ'平面）に配置される。図１０に示されるように、レンズ４０による結像面（ｕ'ｖ'平面）上の点ｈに到達する光線Ｌ１〜Ｌ４は、対象物２内の共通の仮想点光源ｇ１から発したものである。これら光線Ｌ１〜Ｌ４は、仮想点光源ｇ１から発する際の散乱角θ'が互いに異なるので、ドップラーシフト周波数ｆｄも互いに異なる。
【０１１４】
図１６は、本実施形態の観察装置１において第２配置例を採用した場合にｕ'ｖ'平面上で観測される信号を模式的に示す図である。第２配置例では、ｕ'ｖ'平面上の各点に種々の周波数を有する散乱光が入射する。したがって、同図左に示されるように、ｕ'ｖ'平面上の各点において散乱光と参照光とがヘテロダイン干渉して得られるビート信号ｈ(ｕ',ｖ')は、種々の周波数成分を含むものとなる。ｕ'ｖ'平面上の位置（ｕｎ',ｖ１'）で観測される信号をｈ１０と表し、位置（ｕｎ',ｖ２'）で観測される信号をｈ１１と表し、位置（ｕｎ',ｖ３'）で観測される信号をｈ１２と表す。また、任意のｕｎ'についてｖ'方向に平行な直線上の信号ｈ１０〜ｈ１２の総和を表す信号をｓ２(ｕｎ',ｔ)と表す（同図中央）。
【０１１５】
時刻変数ｔに関して信号ｓ２(ｕｎ',ｔ)を１次元フーリエ変換すると、同図右に示されるように、第１配置例の場合のレンズ後焦点面（ｕｖ平面）でｖ方向に沿った周波数分布と同様のものが得られる。すなわち、ｕ'ｖ'平面上における不規則な周波数分布（同図左）が、時刻変数ｔに関する信号ｓ２(ｕｎ',ｔ)の１次元フーリエ変換により、規則的な周波数分布（同図右）に変換される。第２配置例では、光検出器４６の受光面がレンズ４０による結像面（ｕ'ｖ'平面）に配置されるので、信号ｓ２(ｕｎ',ｔ)を変数ｕ'に関してもフーリエ変換することで、ｕｖ平面と同じ分布を得ることができる。ｕ'方向に関して詳しく説明すれば、図１７のレンズ４０４による光学的なフーリエ変換と、演算部５０による逆フーリエ変換により、結果、ｕ'方向にはフーリエ変換が行われていない事であり、結果、第１配置例のｕ方向に関する分布を得る。
【０１１６】
すなわち、下記（１６）式により、対象物２の複素振幅像ｇ(ξ,η)に対する２次元フーリエ変換像Ｇ(ｕ,Δｖ＋ｖ)を得ることができる。このフーリエ変換像Ｇ(ｕ,Δｖ＋ｖ)は第１配置例の場合と同様のものであるから、以降は第１配置例の場合と同様の演算処理をすることにより対象物２の複素振幅像ｇ(ξ,η)を得ることができる。
【０１１７】
【数１６】
【０１１８】
本実施形態の観察装置１の構成において、光検出器４６の受光面がレンズ４０により第１方向において対象物２の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物２の像が形成される結像面（ｕ'ｖ'平面）に配置される第２配置例では、演算部５０は以上のような演算処理を行って対象物２の像を得る。すなわち、演算部５０は、ｕ'ｖ'平面上の位置ｕ'および時刻ｔを変数とする信号ｓ２(ｕ',ｔ)のデータを取得し、この信号ｓ２(ｕ',ｔ)のデータについて変数ｕ'および時刻変数ｔに関するフーリエ変換を行い（上記（１６）式）、このフーリエ変換で得られたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出し（上記（１４）式）、この切り出したデータについて２次元フーリエ変換を行って（上記（１５）式）、対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１１９】
図１８は、以上のような演算処理を行う第２配置例におけるレンズ４０、光検出部４６および演算部５０の構成を示す図である。演算部５０は、第１フーリエ変換部５１と、第２フーリエ変換部５２と、第４フーリエ変換部５４と、特定領域切出部５５と、を備える。第２フーリエ変換部５２は、第３フーリエ変換部５３と、第４フーリエ変換部５４とを含む。第１フーリエ変換部５１は、レンズ４０により光学的にフーリエ変換されたｕ'ｖ'平面上の位置ｕ'および時刻ｔを変数とする信号ｓ２(ｕ',ｔ)のデータについて時刻変数ｔに関するフーリエ変換（上記（１６）式の時刻変数ｔに関するフーリエ変換）を行う。第１フーリエ変換部５１の後段に配置される第４フーリエ変換部５４は、このフーリエ変換で得られたデータについて変数ｕ'に関するフーリエ変換（上記（１６）式の変数ｕ'に関するフーリエ変換）を行う。特定領域切出部５５は、このフーリエ変換で得られたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出す（上記（１４）式）。第３フーリエ変換部５３は、この切り出したデータについて時間周波数ωｄに関する１次元フーリエ変換（上記（１５）式の時間周波数ωｄに関するフーリエ変換）を行う。第３フーリエ変換部５３の後段に配置される第４フーリエ変換部５４は、変数ｕに関するフーリエ変換（上記（１５）式の変数ｕに関するフーリエ変換）を行う。フーリエ変換部に着目すると、第２配置例では、演算部５０が第１フーリエ変換部５１、第４フーリエ変換部５４、第３フーリエ変換部５３、第４フーリエ変換部５４の順に配置される。なお、第１フーリエ変換部５１の後段に配置される第４フーリエ変換部５４の位置はこれに限られることなく、例えば第３フーリエ変換部５３と第３フーリエ変換部５３の後段に配置される第４フーリエ変換部５４との間に配置されてもよく、または第１フーリエ変換部５１の前に配置されてもよい。また、第３フーリエ変換部５３の後段に配置される第４フーリエ変換部５４の位置はこれに限られることなく、例えば第１フーリエ変換部５１の後段に配置される第４フーリエ変換部５４と第３フーリエ変換部５３との間に配置されてもよく、または第１フーリエ変換部５１の前に配置されてもよい。このような演算部５０を用いて信号ｓ２(ｕ',ｔ)に対して演算を行うことにより対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１２０】
（第３配置例）
次に、第３配置例について説明する。第３配置例では、図１９に示すレンズ構成が用いられる。図１９に示すように、第３配置例では、レンズ４０５の後焦点面に略０次光を２分するようにビームスプリッタ１２が配置される。ビームスプリッタ１２において反射される光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。また、第３配置例では、光検出器４６の受光面は、第１方向および第２方向ともにレンズ４０の前段または後段の光軸に垂直な任意の面であるｕ"ｖ"平面に配置される。このｕ"ｖ"面はフレネル回折面として扱われる。対象物２の複素振幅像ｇ(ξ,η)のフレネル回折像ｇ"(ｕ",ｖ")は下記（１７）式で表される。この（１７）式中のｈは下記（１８）式で表される。Ｈはｈのフーリエ変換である。Ｇは対象物２の複素振幅像ｇ(ξ,η)のフーリエ変換である。ＦＴ−１は２次元逆フーリエ変換の演算を表す記号である。なお、式中の変数ｚは、ξη面とｕ"ｖ"面の間隔（距離）である。ｋは波数であり、λは波長である。
【０１２１】
【数１７】
【０１２２】
【数１８】
【０１２３】
この（１７）式は、ｕｖ平面におけるＧ(ｕ,ｖ)にＨ(ｕ,ｖ)を乗算したものの逆フーリエ変換像ｇ"(ｕ",ｖ")がｕ"ｖ"平面上に現れることを意味している。換言すれば、この（１７）式は、ｕ"ｖ"平面上に現れる像ｇ"(ｕ",ｖ")をフーリエ変換すると、ＧにＨを乗算したものが得られることを意味している。
【０１２４】
したがって、ｕ"ｖ"平面上の任意のｕｎ"についてｖ"方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ３(ｕ",ｔ)と表すと、下記（１９）式に表されるように、この信号ｓ３(ｕ",ｔ)のデータを変数ｕ"および時刻変数ｔに関してフーリエ変換することにより、ｕｖ平面におけるＧ(ｕ,ｖ)にＨ(ｕ)を乗算したものが得られる。
【０１２５】
ここで、Ｈ（ｕ）とは、（１８）式の２次元フーリエ変換で得られる関数Ｈのうち、ｖ方向に一様である関数を表している。ｕ"方向に関して詳しく説明すれば，演算部５０による変数ｕ"に関するフーリエ変換は、図１におけるレンズ４０を配置する光学的なフーリエ変換と同じ作用であり、（１０）式においてｄ≠ｆで示される分布を得る。一方，ｖ"方向に関しては、前述の理由により第１配置例のｖと同じ分布を得る。
【０１２６】
【数１９】
【０１２７】
上記（１９）式からｕｖ平面におけるＧ(ｕ,ｖ)を求めるには、下記（２０）式のとおりＨ(ｕ)で除算すればよい。以降は第１配置例の場合と同様の演算処理をすることにより対象物２の複素振幅像ｇ(ξ,η)を得ることができる。
【０１２８】
【数２０】
【０１２９】
本実施形態の観察装置１の構成において、光検出器４６の受光面がレンズ４０の前段または後段の光軸に垂直な任意のｕ"ｖ"平面に配置される第３配置例では、演算部５０は以上のような演算処理を行って対象物２の像を得る。すなわち、演算部５０は、ｕ"ｖ"平面上の位置ｕ"および時刻ｔを変数とする信号ｓ３(ｕ",ｔ)のデータを取得し、この信号ｓ３(ｕ",ｔ)のデータについて変数ｕ"および時刻変数ｔに関するフーリエ変換を行い（上記（１９）式）、このフーリエ変換で得られたデータをＨで除算してｕｖ平面におけるＧを求め（上記（２０）式）、これにより得られたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出し（上記（１４）式）、この切り出したデータについて２次元フーリエ変換を行って（上記（１５）式）、対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。なお、フォーカスの合った複素振幅像ｇ(ξ,η)を得るには、参照光，散乱光の光学的条件による初期位相を適宜補正する必要がある。
【０１３０】
図２０は、以上のような演算処理を行う第３配置例における光検出部４６および演算部５０の構成を示す図である。演算部５０は、第１フーリエ変換部５１と、第２フーリエ変換部５２と、第４フーリエ変換部５４と、特定領域切出部５５と、２次位相除算部５７と、を備える。第２フーリエ変換部５２は、第３フーリエ変換部５３と、第４フーリエ変換部５４とを含む。第１フーリエ変換部５１は、ｕ"ｖ"平面上の位置ｕ"および時刻ｔを変数とする信号ｓ３(ｕ",ｔ)のデータについて時刻変数ｔに関するフーリエ変換（上記（１９）式の時刻変数ｔに関するフーリエ変換）を行う。第１フーリエ変換部５１の後段に配置される第４フーリエ変換部５４は、このフーリエ変換で得られたデータについて変数ｕ"に関するフーリエ変換（上記（１９）式の変数ｕ"に関するフーリエ変換）を行う。２次位相除算部５７は、第４フーリエ変換部５４で得られたデータをＨで除算してｕｖ平面におけるＧを求める（上記（２０）式）。特定領域切出部５５は、これにより得られたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出す（上記（１４）式）。第３フーリエ変換部５３は、この切り出したデータについて時間周波数ωｄに関する１次元フーリエ変換（上記（１５）式の時間周波数ωｄに関するフーリエ変換）を行う。第３フーリエ変換部５３の後段に配置される第４フーリエ変換部５４は、変数ｕに関するフーリエ変換（上記（１５）式の変数ｕに関するフーリエ変換）を行う。フーリエ変換部に着目すると、第３配置例では、演算部５０が第１フーリエ変換部５１、第４フーリエ変換部５４、第３フーリエ変換部５３、第４フーリエ変換部５４の順に配置される。なお、第１フーリエ変換部５１の後段に配置される第４フーリエ変換部５４の位置はこれに限られることなく、例えば第３フーリエ変換部５３と第３フーリエ変換部５３の後段に配置される第４フーリエ変換部５４との間に配置されてもよく、または第１フーリエ変換部５１の前に配置されてもよい。また、第３フーリエ変換部５３の後段に配置される第４フーリエ変換部５４の位置はこれに限られることなく、例えば第１フーリエ変換部５１の後段に配置される第４フーリエ変換部５４と第３フーリエ変換部５３との間に配置されてもよく、または第１フーリエ変換部５１の前に配置されてもよい。このような演算部５０を用いて信号ｓ３(ｕ",ｔ)に対して演算を行うことにより対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１３１】
なお、第３配置例の特殊な場合が第１配置例または第２配置例に相当する。すなわち、第２配置例は、第３配置例の（１７）式においてＨ(ｕ,ｖ)＝１ とした場合に相当する。また、第１配置例は、第３配置例においてフーリエ面（フランフォファー回折）をｕ"ｖ"平面とした場合に相当する。後者について以下に説明する。
【０１３２】
（１７）式に（１８）式を代入して展開すると下記（２１）式が得られる。この（２１）式においてｚを無限大とすると、右辺の積分内の指数関数の値が１に近似され、（２１）式は下記（２２）式に近似される。この（２２）式は、（１０）式と等価である。したがって第３配置例の特別な場合、すなわち式（１０）においてｄ＝ｆの場合が、第１配置例である。
【０１３３】
【数２１】
【０１３４】
【数２２】
【０１３５】
（第４配置例）
以上説明した第１配置例、第２配置例および第３配置例では、蛍光の散乱光、参照光の光学的条件に起因する初期位相φ０について省略して演算内容を説明した。第１配置例と同様に、光検出器４６の受光面がレンズ４０の第１方向における後焦点面であって、レンズ４０の第２方向における後焦点面に一致するように配置された観察装置１において、演算部５０が時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータに含まれる初期位相φ０を補正する構成を第４配置例として以下に詳細に説明する。なお、第４配置例におけるレンズ４０は、図１１に示した第１配置例におけるレンズ４０と同様のレンズ構成を備える。
【０１３６】
図２１は、本実施形態の観察装置１において第４配置例を採用した場合に、各ｕｎについてｖ方向に平行な直線上の信号ｈ１〜ｈＮの総和を表す信号ｓ４(ｕｎ,ｔ)を得る操作を模式的に示す図である。この図２１において、記号Σは、信号ｈ１〜ｈＮの総和を求める演算を示す。任意のｕ座標値についてｖ方向に平行な直線上の信号ｈ(ｖ)の総和を表す信号ｓ４(ｕ,ｔ)は（１１）式で表される。
【０１３７】
第１配置例では、初期位相φ０を省略して（１３）式を導出したが、初期位相φ０を加味すると、ｕｖ平面上の位置ｕおよび時刻変数ｔに関する信号ｓ４（ｕ，ｔ）の１次元フーリエ変換は下記（２３）式で表されるｓ１（ｕ，ｔ）と同様の演算により算出される。
【０１３８】
【数２３】
【０１３９】
この（２３）式の左辺をＳ４（ｕ，Δｖ＋ｖ）と表すと、（２３）式の両辺に初期位相φ０を含む項exp(−ｉφ０)を乗ずることで（２３）式の右辺は比例定数ａと関数Ｇのみになり、（１３）式の右辺となる。すなわち、初期位相φ０の補正とは、信号Ｓ４（ｕ，Δｖ＋ｖ）に対してexp(−ｉφ０)を乗ずることと等しい。
【０１４０】
このように、信号Ｓ４（ｕ，Δｖ＋ｖ）に対してexp(−ｉφ０)を乗ずることで対象物２からの蛍光の複素振幅像ｇ(ξ,η)に対する２次元フーリエ変換像Ｇ(ｕ,Δｖ＋ｖ)を得ることができる。このフーリエ変換像Ｇ(ｕ,Δｖ＋ｖ)は第１配置例の場合と同様のものであるから、以降は第１配置例の場合と同様の演算処理をすることにより対象物２の複素振幅像ｇ(ξ,η)を得ることができる。
【０１４１】
本実施形態の観察装置１の構成において、光検出器４６の受光面がレンズ４０の後焦点面（ｕｖ平面）に配置される第４配置例では、演算部５０は以上のような演算処理を行って対象物２の像を得る。すなわち、演算部５０は、ｕｖ平面上の位置ｕおよび時刻ｔを変数とする信号ｓ４(ｕ,ｔ)のデータを取得し、この信号この信号ｓ４(ｕ,ｔ)のデータについて時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換を行い（上記（２３）式）、この１次元フーリエ変換で得られたデータを初期位相φ０で補正し、この補正して得られたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出し（上記（１４）式）、この切り出したデータについて２次元フーリエ変換を行って（上記（１５）式）、対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１４２】
図２２は、以上のような演算処理を行う第４配置例における演算部５０の構成を示す図である。すなわち、演算部５０は、ｕｖ平面上の位置ｕおよび時刻ｔを変数とする信号ｓ４(ｕ,ｔ)のデータについて時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換（上記（２３）式）を行う第１フーリエ変換部５１と、この１次元フーリエ変換で得られたデータを初期位相φ０で補正する初期位相補正器５６と、この補正されたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出す（上記（１４）式）特定領域切出部５５と、この切り出したデータについて時間周波数ωｄに関する１次元フーリエ変換（上記（１５）式の時間周波数ωｄに関するフーリエ変換）を行う第３フーリエ変換部５３と、変数ｕに関するフーリエ変換（上記（１５）式の変数ｕに関するフーリエ変換）を行う第４フーリエ変換部５４とを備える。フーリエ変換部に着目すると、第４配置例では、演算部５０が第１フーリエ変換部５１、第３フーリエ変換部５３、第４フーリエ変換部５４の順に配置される。なお、第４フーリエ変換部５４の位置はこれに限られることなく、例えば第１フーリエ変換部５１と第３フーリエ変換部５３との間に配置されてもよく、または第１フーリエ変換部５１の前に配置されてもよい。このような演算部５０を用いて信号ｓ１(ｕ,ｔ)に対して演算を行うことにより対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１４３】
第４配置例に示すように、参照光、散乱光の光学的条件による初期位相φ０を補正することにより初期位相φ０に起因する複素振幅像ｇ(ξ,η)のボケを防止することができ、フォーカスの合った複素振幅像ｇ(ξ,η)を得ることができる。光検出器４６の受光面がレンズ４０の後焦点面に一致するように配置された配置例を例に挙げて初期位相φ０の補正処理を説明したが、他の配置例においても同様の演算により初期位相φ０の補正を行うことができる。なお、以下に示す配置例では、すべて初期位相φ０の補正を行う例を示すが、初期位相φ０の補正処理は必ずしも必要とされるものではない。
【０１４４】
（第５配置例）
上記で説明した第２配置例では、演算部５０が第１フーリエ変換部５１、第４フーリエ変換部５４、第３フーリエ変換部５３、第４フーリエ変換部５４の順に配置される。第２配置例と同様に、光検出器４６の受光面はレンズ４０により第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物の像が形成される結像面（ｕ'ｖ'平面）に配置された観察装置１において、演算部５０を簡略化した構成を第５配置例として第２配置例と比較しながら以下に説明する。なお、第５配置例におけるレンズ４０は、図１７に示す第２配置例におけるレンズ４０と同様のレンズ構成を備える。
【０１４５】
図１７のｕ−ｖ面はレンズ４０３の後焦点面を示している。第２配置例においてはｕ−ｖ面に前焦点面を持つレンズ４０４の後焦点面に光検出器４６の受光面が配置されている。図１７において、Ｘは第１方向でありｕ'と一致する方向である。Ｙは第２方向でありｖ'と一致する方向である。Ｚは第１方向および第２方向に直交する方向である。レンズ４０３およびレンズ４０４は球面レンズであり、Ｘ−Ｙ方向で同じ作用を示す。Ｘ方向とＹ方向は直交していることから、Ｘ方向のフーリエ変換およびＹ方向のフーリエ変換は、互いに影響を与えるものでなく、独立して考えても数学上支障がない。
【０１４６】
図１７において、第２配置例におけるレンズ４０４の作用は、ｕ−ｖ面に現れる像を光学的に変数ｕに関する１次元フーリエ変換を行うとともに、変数ｖに関する１次元フーリエ変換を行う事に相当する。また、第２配置例における演算部５０では、（１６）式により信号ｓ２（ｕ'，ｔ）について第１の２次元フーリエ変換を行うことでＧ（ｕ，Ω＋ωｄ）を得る。この第１の２次元フーリエ変換は、時刻変数ｔに関して１次元フーリエ変換を行うとともに、変数ｕ'に関して１次元フーリエ変換した事に相当する。
【０１４７】
また、第２配置例における演算部５０では、Ｇ（ｕ，Ω＋ωｄ）についてΩを中心周波数としてナイキスト周波数ｆｎｙｑをその前後に含む周波数領域を切り出した分布Ｇ（ｕ，ωｄ）に対して第２の２次元逆フーリエ変換を行いｇ（ｕ'，ｔ）を得る。この第２の２次元フーリエ変換は、時間周波数ωｄに関して１次元フーリエ変換を行うとともに、変数ｕに関して１次元フーリエ変換した事に相当する。すなわち、第２配置例における演算部５０は、第１の２次元フーリエ変換における変数ｕ'に関する１次元フーリエ変換と、第２の２次元フーリエ変換における変数ｕに関する１次元フーリエ変換とを行った結果、ｕ'方向にはフーリエ変換を行っていないことになる。したがって、第２配置例では、光検出部４６の出力を入力する演算部５０にｕ方向またはｕ'方向（第１方向）のフーリエ変換の冗長性が存在するともいえる。
【０１４８】
第２配置例を簡略化してフーリエ変換の回数を減らした第５配置例の演算部５０による演算の模式図を図２３に示す。観察装置１において光検出器４６の受光面はレンズ４０４により第１方向において対象物２の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物２の像が形成される結像面（ｕ'ｖ'平面）に配置される第５配置例では、演算部５０は以下のような演算処理を行って対象物２の像を得る。すなわち、レンズ４０を構成するレンズ４０４は、光学的に第１方向のフーリエ変換を行う。演算部５０は、ｕｖ平面上の位置ｕおよび時刻ｔを変数とする信号ｓ５（ｕ'，ｔ）のデータを取得し、この信号ｓ５（ｕ'，ｔ）のデータについて時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換を行う（上記（２３）式）。この１次元フーリエ変換で得られたデータを初期位相φ０で補正し、この補正して得られたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出す（上記（１４）式）。この切り出したデータについて時間周波数ωｄに関して１次元フーリエ変換を行って（上記（１５）式の時間周波数ωｄに関するフーリエ変換）、対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１４９】
図２４は、以上のような演算処理を行う第５配置例における演算部５０の構成を示す図である。すなわち、演算部５０は、レンズ４０と、第１フーリエ変換部５１と、第３フーリエ変換部５３と、初期位相補正器５６、特定領域切出部５５と、を備える。レンズ４０４は、レンズ４０３の後焦点面にできた対象物２のフランフォーファー回折像を、光学的にフーリエ変換を行う。第１フーリエ変換部５１は、このフーリエ変換で得られたデータＳ５（ｕ'，ω）について時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換（上記（１６）式の時刻変数ｔに関するフーリエ変換）を行う。初期位相補正器５６は、この１次元フーリエ変換で得られたデータを初期位相φ０で補正する。特定領域切出部５５は、この補正されたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出す（上記（１４）式）。第３フーリエ変換部５３は、この切り出したデータについて時間周波数ωｄに関する１次元フーリエ変換（上記（１５）式の時間周波数ωに関するフーリエ変換）を行う。フーリエ変換部に着目すると、第５配置例では、演算部５０がレンズ４０４、第１フーリエ変換部５１、第３フーリエ変換部５３の順に配置される。このような演算部５０を用いて信号ｓ５(ｕ',ｔ)に対して演算を行うことにより対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。前記レンズ４０３の後焦点面には、フランフォーファー回折像が現れる。さらにレンズ４０４にて、フーリエ変換を行い、光検出器４６の受光面には像が形成される。すなわちレンズ４０４は、第１方向と第２方向にフーリエ変換を光学的に行うことから、第１方向のフーリエ変換の作用が含まれる。第１配置例の演算部と比較をすれば、第５配置例は、第１配置例の演算部における第４フーリエ変換部５４を、前記レンズ４０４にて光学的に行ったことに相当する。
【０１５０】
（第６配置例）
第３配置例と同様に、光検出器４６の受光面はレンズ４０の第１方向および第２方向ともにレンズ４０の前段または後段の光軸に垂直な任意の面であるｕ"ｖ"平面（対象物のフレネル回折像が形成される面）に配置される観察装置１において、第３配置例の演算部５０の演算器の配置順序を変更した構成を第６配置例として以下に説明する。なお、第６配置例におけるレンズ４０は、図１９に示す第３配置例におけるレンズ４０と同様のレンズ構成を備える。
【０１５１】
第３配置例における演算部５０は、光検出器４６が出力する信号ｓ３（ｕ"，ｔ）について第１の２次元フーリエ変換を行い（１９）式のようにＧ（ｕ，Ω＋ωｄ）Ｈ（ｕ）を得る。この第１の２次元フーリエ変換は、時刻変数ｔに関して１次元フーリエ変換を行うとともに、変数ｕ"に関して１次元フーリエ変換した事に相当する。第３配置例における演算部５０は、得られたＧ（ｕ，Ω＋ωｄ）Ｈ（ｕ）についてΩを中心周波数としてナイキスト周波数ｆｎｙｑをその前後に含む周波数領域を切り出した分布Ｇ（ｕ，ωｄ）Ｈ（ｕ）に対して、２次位相Ｈ（ｕ）で除した後、第２の２次元逆フーリエ変換を行いｇ（ξ，η）を得る。この第２の２次元フーリエ変換の作用は，時間周波数ωｄに関して１次元フーリエ変換を行うとともに、変数ｕに関して１次元フーリエ変換した事に相当する。
【０１５２】
上記演算のうち、第１方向（ｕ"方向およびｕ方向）の演算に着目すれば、変数ｕ"に関する１次元フーリエ変換と、２次位相Ｈ（ｕ）で除す除算演算（２次位相除算部５７）と、変数ｕに関する１次元フーリエ変換の順番で構成されている。以後、これら第１方向に関して演算を行う演算をまとめて２次位相補正器６０と称する。
【０１５３】
なお、第３配置例における演算部５０は、第２配置例における演算部５０に２次位相除算部５７を加えた構成と等価である。また、第３配置例における演算部５０は、第５配置例における演算部５０に、２次位相補正器６０を加えた構成と等価である。
【０１５４】
第６実施例では、第３実施例と同様に、レンズ４０として図１９に示されるような対物レンズ４０５およびレンズ４０６を含む構成のものが用いられ、光検出部４６は、第１方向および第２方向の前段または後段の光軸に垂直な任意の面に配置される。
【０１５５】
第６配置例の演算部５０による演算の模式図を図２５に示す。第６配置例では、第３配置例と同様のレンズ４０を備え、第５配置例における演算部５０の後段に２次位相補正器６０が配置される。すなわち、第６配置例では、演算部５０は以下のような演算処理を行って対象物２の像を得る。すなわち、演算部５０は、ｕ"ｖ"平面上の位置ｕ"および時刻ｔを変数とする信号ｓ６(ｕ",ｔ)のデータを取得し、この信号ｓ６(ｕ",ｔ)のデータについて時刻変数ｔに関するフーリエ変換を行い（上記（１９）式の時間定数ｔに関するフーリエ変換）、この１次元フーリエ変換で得られたデータを初期位相φ０で補正し、この補正して得られたデータＧのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出し（上記（１４）式）、この切り出したデータについて時間周波数ωｄに関して１次元フーリエ変換（上記（１５）式の時間周波数ωに関するフーリエ変換）を行い、このフーリエ変換で得られたデータについて変数ｕ"に関して１次元フーリエ変換（上記（１９）式の定数ｕ"に関するフーリエ変換）を行い、Ｈで除算してｕｖ平面におけるＧを求め（上記（２０）式）、これにより得られたデータについて変数ｕに関して１次元フーリエ変換（上記（１５）式の変数ｕに関するフーリエ変換）を行うことにより対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１５６】
以上のように、第６配置例では、第３配置例の２回の２次元フーリエ変換について第１方向とそれ以外の方向の１次元フーリエ変換に分解し、それらの１次元フーリエ変換を再配置したものであり、数学的な演算方法は第３配置例と同じである。なお、２次位相補正器６０は、第３配置例のレンズ４０を構成するレンズ４０６の第１方向の作用と合わせて、第２配置例におけるレンズ４０４の第１方向の作用を示す。したがって第６配置例においてレンズ４０６と２次位相補正器６０をはずし、光検出器４６の受光面をｕ−ｖ面に配置した構成は第１配置例となる。
【０１５７】
図２６は、以上のような演算処理を行う第６配置例における演算部５０の構成を示す図である。演算部５０は、第１フーリエ変換部５１と、第２フーリエ変換部５２と、特定領域切出部５５、初期位相補正器５６、２次位相除算部５７、と、を備える。第２フーリエ変換部５２は、第３フーリエ変換部５３と、２つの第４フーリエ変換部５４とを含む。第１フーリエ変換部５１は、ｕ"ｖ"平面上の時刻ｔを変数とする信号ｓ６(ｕ",ｔ)のデータについて時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換（上記（１９）式の時刻変数ｔに関するフーリエ変換）を行う。初期位相補正器５６は、この１次元フーリエ変換で得られたデータを初期位相φ０で補正する。特定領域切出部５５は、この補正されたデータのうち周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域のデータを切り出す（上記（１４）式）。第３フーリエ変換部５３は、この切り出したデータについて時間周波数ωｄに関する１次元フーリエ変換（上記（１５）式の時間周波数ωに関するフーリエ変換）を行う。第３フーリエ変換部５３の後段に配置される第４フーリエ変換部５４は、変数ｕ"に関する１次元フーリエ変換（上記（１９）式の変数ｕ"に関するフーリエ変換）を行う。２次位相除算部５７は、このフーリエ変換されたデータを２次位相Ｈ（ｕ）で除す（上記（２０）式）。２次位相除算部５７の後段に配置される第４フーリエ変換部５４は、変数ｕに関する１次元フーリエ変換（上記（１５）式の変数ｕに関するフーリエ変換）を行う。フーリエ変換部に着目すると、第６配置例では、演算部５０が第１フーリエ変換部５１、第３フーリエ変換部５３、第４フーリエ変換部５４、第４フーリエ変換部５４の順に配置される。なお、第３フーリエ変換部５３の後段に配置される第４フーリエ変換部５４の位置はこれに限られることなく、例えば第１フーリエ変換部５１と第３フーリエ変換部５３との間に配置されてもよく、または第１フーリエ変換部５１の前に配置されてもよい。また、第４フーリエ変換部５４の後段に配置される第４フーリエ変換部５４の位置はこれに限られることなく、例えば第１フーリエ変換部５１と第３フーリエ変換部５３との間に配置されてもよく、または第１フーリエ変換部５１の前に配置されてもよい。演算部５０は、このような演算器を用いて信号ｓ６(ｕ",ｔ)に対して演算を行うことにより対象物２の像ｇ(ξ,η)を得る。
【０１５８】
本実施形態の観察装置１において対象物２と光検出器４６との間に設けられたレンズ４０は、以上までの説明においては、散乱光に対しｘ方向およびｙ方向について同じ作用をするものであった。しかし、対象物２と光検出器４６との間の光学系は、扁平倍率を有するリレー光学系にてフーリエ面を拡大縮小してもよい。
【０１５９】
（第７配置例）
次に、第７配置例について説明する。第７配置例はレンズ４０の構成が第１配置例と異なり、それ以外の点は第１配置例と同じである。第７配置例では、光検出部４６の受光面は、レンズ４０によりｘ方向（第１方向）において対象物２のフランフォーファー回折像が形成される面であって、ｙ方向（第２方向）において対象物２のフランフォーファー回折像が形成される面に配置される。第７配置例のレンズ４０は、対象物２と光検出部４６との間に配置される。
【０１６０】
図２７に第７配置例におけるレンズ４０の詳細を示す。第７配置例では、レンズ４０３およびレンズ４０４で構成される第２配置例におけるレンズ４０に、レンズＬＳ２を付加した３枚のレンズによりレンズ４０が構成される。レンズ４０を構成する３枚のレンズは球面レンズである。レンズによる結像作用において，これらの球面レンズによりｘ方向およびｙ方向に同じ作用を示す。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０を構成するレンズ４０３の後焦点面に、略０次光を２分するように配置される。ビームスプリッタ１２にて反射する光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。
【０１６１】
第２配置例のレンズ４０は、面ＩＰに物体像を結像する。ｘ方向、ｙ方向ともに、レンズ４０３および４０４により、一旦対象物２の像が面ＩＰに結像される。レンズＬＳ２の前焦点面は面ＩＰと一致する。また、レンズＬＳ２の後焦点面は光検出器４６の受光面と一致する。このように、レンズｘ方向、ｙ方向ともに，対象物２のフランフォーファー回折像が光検出器４６の受光面に形成される。
【０１６２】
次に、このようなレンズ４０により光検出器４６で得られた信号の処理方法について説明する。光検出器４６の受光面における座標系を第１配置例と同じくｕ−ｖ平面とする。第１配置例では、ｕおよびｖ方向においてフランフォーファー回折像がｕｖ平面に表れた。第７配置例では、ｕおよびｖ方向にはフランフォーファー回折像が現れる。すなわち第７配置例は，レンズ４０の構成が第１配置例と異なる。
【０１６３】
ｖ方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ７（ｕ，ｔ）とする。光検出部４６が出力するｓ７（ｕ，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成は、第１配置例で得られたｓ１（ｕ，ｔ）に基づいて対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る演算処理およびこの処理を行う演算器構成と同じである。そのため、光検出部４６が出力するｓ７（ｕ，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成の説明は省略する。
【０１６４】
（第８配置例）
次に、第８配置例について説明する。第８配置例はレンズ４０の構成が第１配置例と異なり、それ以外の点は第１配置例と同じである。第８配置例では、光検出部４６の受光面は、レンズ４０によりｘ方向（第１方向）において対象物２のフランフォーファー回折像が形成される面であって、ｙ方向（第２方向）において対象物２の像が形成される結像面に配置される。第８配置例のレンズ４０は、対象物２と光検出部４６との間に配置される。
【０１６５】
図２８に第８配置例におけるレンズ４０の詳細を示す。第８配置例では、レンズ４０３およびレンズ４０４で構成される第２配置例におけるレンズ４０に、レンズＬＳ１，ＬＳ２，およびＬＳ３を付加した５枚のレンズでレンズ４０が構成される。レンズ４０を構成する５枚のレンズのうち，４０３および４０４は，球面レンズであり、ＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３はシリンドリカルレンズである。レンズによる結像作用において、これらのシリンドリカルレンズによりｘ方向ｙ方向に異なる作用を示す。なお、レンズＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３の焦点距離をそれぞれｆＬＳ１，ｆＬＳ２，ｆＬＳ３とする。また、これらの焦点距離は、ｆＬＳ１＝ｆＬＳ３，ｆＬＳ２＝２ｆＬＳ１＝２ｆＬＳ３の関係を有するものとする。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０を構成するレンズ４０３の後焦点面に、略０次光を２分するように配置される。ビームスプリッタ１２にて反射する光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。
【０１６６】
すなわち、レンズＬＳ１およびレンズＬＳ３は、ｘ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがって、ｘ方向においては、図２８上段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ２のみが配置された構成と等価である。一方、レンズＬＳ２は，ｙ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｙ方向においては、図２８下段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ１およびＬＳ３のみが配置された構成と等価である。
【０１６７】
ｘ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦、対象物２の像が面ＩＰに結像される。次にレンズＬＳ２の第７配置例と同じ作用により、受光面にその像のフランフォーファー回折像が形成される。一方、ｙ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦、対象物２の像が面ＩＰに結像される。レンズＬＳ１およびＬＳ３は、いわゆる４ｆ光学系を構成している。４ｆ光学系とは、ＬＳ１の後焦点面とＬＳ３の前焦点面が一致し、ＬＳ１の前焦点面の像がＬＳ３の後焦点面に結像する光学系である。このように、第８配置例のレンズ４０によりｘ方向には対象物２のフランフォーファー回折像が、ｙ方向においては対象物２の像が光検出器４６の受光面に形成される。
【０１６８】
次に、このようなレンズ４０により光検出器４６で得られた信号の処理方法について説明する。光検出器４６の受光面における座標系を第一配置例と同じくｕｖ平面とする。第１配置例では、ｕおよびｖ方向においてフランフォーファー回折像がｕｖ平面に現れる。第８配置例では、ｕ方向にはフランフォーファー回折像が現れ、ｖ方向には物体の像が現れる。ｖ方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ８（ｕ，ｔ）とする。光検出部４６が出力するｓ８（ｕ，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成は、第１配置例で得られたｓ１（ｕ，ｔ）に基づいて対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る演算処理およびこの処理を行う演算器構成と同じである。そのため、光検出部４６が出力するｓ８（ｕ，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成の説明は省略する。
【０１６９】
（第９配置例）
次に、第９配置例について説明する。第９配置例はレンズ４０の構成が第１配置例と異なり、それ以外の点は第１配置例と同じである。第９配置例では、光検出部４６の受光面は、レンズ４０によりｘ方向（第１方向）において対象物２のフランフォーファー回折像が形成される面であって、ｙ方向（第２方向）において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置される。第９配置例のレンズ４０は、対象物２と光検出部４６との間に配置される。
【０１７０】
図２９に第９配置例におけるレンズ４０の詳細を示す。第９配置例では，レンズ４０３およびレンズ４０４で構成される第２配置例におけるレンズ４０に、レンズＬＳ１，ＬＳ２，およびＬＳ３を付加した５枚のレンズでレンズ４０が構成される。レンズ４０を構成する５枚のレンズのうち、４０３および４０４は球面レンズであり、ＬＳ１，ＬＳ２，およびＬＳ３はシリンドリカルレンズである。レンズによる結像作用において、これらのシリンドリカルレンズによりｘ方向ｙ方向に異なる作用を示す。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０を構成するレンズ４０３の後焦点面に、略０次光を２分するように配置される。ビームスプリッタ１２にて反射する光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。
【０１７１】
すなわち、レンズＬＳ１およびレンズＬＳ３は、ｘ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｘ方向においては、図２９上段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ２のみが配置された構成と等価である。一方、ｙ方向においてレンズＬＳ２は、曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｙ方向においては、図２９下段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ１およびＬＳ３のみが配置された構成と等価である。
【０１７２】
ｘ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦対象物２の像が面ＩＰに結像される。次にレンズＬＳ２の第７配置例と同じ作用により、光検出部４６の受光面に、その像のフランフォーファー回折像が形成される。一方、ｙ方向にはレンズ４０３，４０４により、一旦、対象物２の像が面ＩＰに結像される。レンズＬＳ１およびＬＳ３は、いわゆる４ｆ光学系の構成をとらない。すなわち、図２９下段に示すように、ＬＳ３の前焦点面がＬＳ１の後焦点面と一致しない。したがって、光検出部４６の受光面では対象物２の像やフーリエ像は形成されない。このように，レンズ４０により，ｘ方向には対象物２のフランフォーファー回折像が、ｙ方向においては対象物２のフレネル回折像が光検出器４６の受光面に形成される。
【０１７３】
次に、このようなレンズ４０により光検出器４６で得られた信号の処理方法について説明する。光検出器４６の受光面における座標系を第一配置例と同じくｕ−ｖ平面とする。第１配置例では、ｕおよびｖ方向においてフランフォーファー回折像がｕ−ｖ面に表れる。第９配置例では、ｕ方向にはフランフォーファー回折像が現れ、ｖ方向には物体のフレネル回折像が現れる。ｖ方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ９（ｕ，ｔ）とする。光検出部４６が出力するｓ９（ｕ，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成は、第１配置例で得られたｓ１（ｕ，ｔ）に基づいて対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る演算処理およびこの処理を行う演算器構成と同じである。そのため、光検出部４６が出力するｓ９（ｕ，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成の説明は省略する。
【０１７４】
（第１０配置例）
次に、第１０配置例について説明する。第１０配置例はレンズ４０の構成が第２または第５配置例と異なり、それ以外の点は第２または第５配置例と同じである。第１０配置例では、光検出部４６の受光面は、レンズ４０によりｘ方向（第１方向）において対象物２の像が形成される結像面であって、ｙ方向（第２方向）において、対象物２のフランフォーファー回折像が形成される面に配置される。第１０配置例のレンズ４０は、対象物２と光検出部４６との間に配置される。
【０１７５】
図３０に第１０配置例におけるレンズ４０の詳細を示す。第１０配置例では、レンズ４０３およびレンズ４０４で構成される第２配置例におけるレンズ４０に、レンズＬＳ１，ＬＳ２，およびＬＳ３を付加した５枚のレンズで，レンズ４０が構成される。レンズ４０を構成する５枚のレンズのうち４０３および４０４は球面レンズであり、ＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３はシリンドリカルレンズである。レンズによる結像作用において、これらのシリンドリカルレンズによりｘ方向ｙ方向に異なる作用を示す。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０を構成するレンズ４０３の後焦点面に、略０次光を２分するように配置される。ビームスプリッタ１２にて反射する光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。
【０１７６】
すなわちレンズＬＳ２は、ｘ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｘ方向においては、図３０上段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ１およびＬＳ３のみが配置された構成と等価である。一方、レンズＬＳ１およびレンズＬＳ３は、ｙ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがって、ｙ方向においては、図３０下段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ２のみが配置された構成と等価である。
【０１７７】
ｘ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦、対象物２の像が面ＩＰに結像される。レンズＬＳ１およびＬＳ３は、いわゆる４ｆ光学系を構成している。４ｆ光学系とは、ＬＳ１の後焦点面とＬＳ３の前焦点面が一致し、ＬＳ１の前焦点面の像がＬＳ３の後焦点面に結像する光学系である。一方、ｙ方向にはレンズ４０３，４０４により、一旦、対象物２の像が面ＩＰに結像される。次にレンズＬＳ２の第７配置例と同じ作用により光検出部４６の受光面にその像のフラウンフォーファー回折像が形成される。このように、レンズ４０によりｘ方向には対象物２の像が、ｙ方向においては対象物２のフランフォーファー回折像が光検出器４６の受光面に形成される。
【０１７８】
次に、このようなレンズ４０により光検出器４６で得られた信号の処理方法について説明する。光検出器４６の受光面における座標系を第２配置例と同じくｕ'ｖ'平面とする。第２または第５配置例では，ｕ'およびｖ'方向において，対象物２の像がｕ'ｖ'平面に表れる。第１０配置例では、ｕ'方向には対象物２の像が現れ，ｖ'方向には物体のフラウンフォーファー回折像が現れる。ｖ'方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ１０（ｕ'，ｔ）とする。光検出部４６が出力するｓ１０（ｕ'，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成は、第２，５配置例で得られたｓ２（ｕ'，ｔ），ｓ５（ｕ'，ｔ）に基づいて対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る演算処理およびこの処理を行う演算器構成と同じである。すなわち、第２配置例と同じ構成を採用する場合には、光源部１０、レンズ４０、光検出部４６、第１フーリエ変換部５１、第４フーリエ変換部５４、第３フーリエ変換部５３、第４フーリエ変換部５４の順に配置される。また、第５配置例と同じ構成を採用する場合には、光源部１０、レンズ４０、光検出部４６、第１フーリエ変換部５１、第３フーリエ変換部５３の順に配置される。そのため、光検出部４６が出力するｓ１０（ｕ'，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成の説明は省略する。
【０１７９】
（第１１配置例）
次に、第１１配置例について説明する。第１１配置例はレンズ４０の構成が第２または第５配置例と異なり、それ以外の点は第２または第５配置例と同じである。第１１配置例では、光検出部４６の受光面は、レンズ４０によりｘ方向（第１方向）において対象物２の像が形成される結像面であって、ｙ方向（第２方向）において対象物２の像が形成される結像面に配置される。第１２配置例のレンズ４０は、対象物２と光検出部４６との間に配置される。
【０１８０】
図３１に第１１配置例におけるレンズ４０の詳細を示す。第１１配置例では，レンズ４０３およびレンズ４０４で構成される第２配置例で使用したレンズ４０にレンズＬＳ１，およびＬＳ３を付加した４枚のレンズでレンズ４０が構成される。レンズ４０を構成する４枚のレンズは球面レンズである。レンズによる結像作用において、これらの球面レンズによりｘ方向、ｙ方向ともに同じ作用を示す。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０を構成するレンズ４０３の後焦点面に、略０次光を２分するように配置される。ビームスプリッタ１２にて反射する光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。
【０１８１】
したがって、ｘ方向、ｙ方向ともに、レンズ４０３，４０４により、一旦、対象物２の像が面ＩＰに結像される。レンズＬＳ１およびＬＳ３は、いわゆる４ｆ光学系を構成している。４ｆ光学系とは、ＬＳ１の後焦点面とＬＳ３の前焦点面が一致し、ＬＳ１の前焦点面の像がＬＳ３の後焦点面に結像する光学系である。
このようにレンズ４０により、ｘ方向には対象物２の像が、ｙ方向においても対象物２の像が光検出器４６の受光面に形成される。
【０１８２】
次に、このようなレンズ４０により光検出器４６で得られた信号の処理方法について説明する。光検出器４６の受光面における座標系を第２配置例と同じくｕ'−ｖ'平面とする。第２または第５配置例では、ｕ'およびｖ'方向において対象物２の像がｕ'ｖ'平面に表れる。第１１配置例においても同様に、ｕ'およびｖ'方向において対象物２の像がｕ'ｖ'平面に表れる。すなわち第１０配置例は、レンズ４０の構成が第２配置例と異なる。ｖ'方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ１１（ｕ'，ｔ）とする。光検出部４６が出力するｓ１１（ｕ，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成は、第２，５配置例で得られたｓ２（ｕ'，ｔ），ｓ５（ｕ'，ｔ）に基づいて対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る演算処理およびこの処理を行う演算器構成と同じである。すなわち、第２配置例と同じ構成を採用する場合には、光源部１０、レンズ４０、光検出部４６、第１フーリエ変換部５１、第４フーリエ変換部５４、第３フーリエ変換部５３、第４フーリエ変換部５４の順に配置される。また、第５配置例と同じ構成を採用する場合には、光源部１０、レンズ４０、光検出部４６、第１フーリエ変換部５１、第３フーリエ変換部５３の順に配置される。そのため、光検出部４６が出力するｓ１１（ｕ'，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成の説明は省略する。
【０１８３】
（第１２配置例）
次に、第１２配置例について説明する。第１２配置例はレンズ４０の構成が第２または第５配置例と異なり、それ以外の点は第２または第５配置例と同じである。第１２配置例では、光検出部４６の受光面は、レンズ４０によりｘ方向（第１方向）において、対象物２の像が形成される結像面であって、ｙ方向（第２方向）において対象物２のフレネル回折像が形成される面に配置される。第１２配置例のレンズ４０は、対象物２と光検出部４６との間に配置される。
【０１８４】
図３２に第１２配置例におけるレンズ４０の詳細を示す。第１２配置例では、レンズ４０３およびレンズ４０４で構成される第２配置例で使用したレンズ４０にレンズＬＳ１，ＬＳ２，およびＬＳ３を付加した５枚のレンズでレンズ４０が構成される。レンズ４０を構成する５枚のレンズのうち４０３および４０４は球面レンズであり、ＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３はシリンドリカルレンズである。レンズによる結像作用において、これらのシリンドリカルレンズによりｘ方向ｙ方向に異なる作用を示す。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０を構成するレンズ４０３の後焦点面に、略０次光を２分するように配置される。ビームスプリッタ１２にて反射する光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。
【０１８５】
すなわちレンズＬＳ２は，ｘ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｘ方向においては、図３２上段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ１，ＬＳ３のみが配置された構成と等価である。一方、レンズＬＳ１およびレンズＬＳ３は、ｙ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｙ方向においては、図３２下段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ２のみが配置された構成と等価である。
【０１８６】
ｘ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦対象物２の像が面ＩＰに結像される。レンズＬＳ１およびＬＳ３は、いわゆる４ｆ光学系を構成している。４ｆ光学系とは、ＬＳ１の後焦点面とＬＳ３の前焦点面が一致し、ＬＳ１の前焦点面の像がＬＳ３の後焦点面に結像する光学系である。一方，ｙ方向には，レンズ４０３，４０４により、一旦、対象物２の像が面ＩＰに結像される。次にレンズＬＳ２の前焦点面は、対象物２の像の面ＩＰとは異なり、さらにＬＳ２の後焦点面は、光検出器４６の受光面とは異なる。したがって受光面には，その像のフレネル回折像が形成される。このように、配置例１２のレンズ４０によりｘ方向には対象物２の像が、ｙ方向においては対象物２のフレネル回折像が光検出器４６の受光面に形成される。
【０１８７】
次に、このようなレンズ４０により光検出器４６で得られた信号の処理方法について説明する。光検出器４６の受光面における座標系を第２または第５配置例と同じくｕ'ｖ'平面とする。第２または第５配置例では、ｕ'およびｖ'方向において対象物２の像がｕ'ｖ'平面に表れる。第１２配置例では、ｕ'方向には対象物２の像が現れ、ｖ'方向には物体のフレネル回折像が現れる。ｖ'方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ１２（ｕ'，ｔ）とする。光検出部４６が出力するｓ１２（ｕ'，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成は、第２，５配置例で得られたｓ２（ｕ'，ｔ），ｓ５（ｕ'，ｔ）に基づいて対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る演算処理およびこの処理を行う演算器構成と同じである。すなわち、第２配置例と同じ構成を採用する場合には、光源部１０、レンズ４０、光検出部４６、第１フーリエ変換部５１、第４フーリエ変換部５４、第３フーリエ変換部５３、第４フーリエ変換部５４の順に配置される。また、第５配置例と同じ構成を採用する場合には、光源部１０、レンズ４０、光検出部４６、第１フーリエ変換部５１、第３フーリエ変換部５３の順に配置される。そのため、光検出部４６が出力するｓ１２（ｕ'，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成の説明は省略する。
【０１８８】
（第１３配置例）
次に、第１３配置例について説明する。第１３配置例はレンズ４０の構成が第３または第６配置例と異なり、それ以外の点は第３または第６配置例と同じである。第１３配置例では、光検出部４６の受光面は、レンズ４０によりｘ方向（第１方向）において、対象物２のフレネル回折像が形成される面であって、ｙ方向（第２方向）において対象物２のフランフォーファー回折像が形成される面に配置される。第１３配置例のレンズ４０は、対象物２と光検出部４６との間に配置される。
【０１８９】
図３３に第１３配置例におけるレンズ４０の詳細を示す。第１３配置例では、レンズ４０３およびレンズ４０４で構成される第２配置例で使用したレンズ４０にレンズＬＳ１，ＬＳ２，およびＬＳ３を付加した５枚のレンズでレンズ４０が構成される。レンズ４０を構成する５枚のレンズのうち４０３および４０４は球面レンズであり、ＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３はシリンドリカルレンズである。レンズによる結像作用において、これらのシリンドリカルレンズによりｘ方向ｙ方向で異なる作用を示す。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０を構成するレンズ４０３の後焦点面に、略０次光を２分するように配置される。ビームスプリッタ１２にて反射する光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。
【０１９０】
すなわちレンズＬＳ２は，ｘ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｘ方向においては、図３３上段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ１，ＬＳ３のみが配置された構成と等価である。一方、レンズＬＳ１およびレンズＬＳ３は、ｙ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｙ方向においては、図３３下段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ２のみが配置された構成と等価である。
【０１９１】
ｘ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦対象物２の像が面ＩＰに結像される。レンズＬＳ１およびＬＳ３は、いわゆる４ｆ光学系の構成を取らない。すなわち図３３上段が示すように、ＬＳ３の前焦点面がＬＳ１の後焦点面と一致しない。したがって受光面では対象物２の像やフランフォーファー回折像は形成されない。一方、ｙ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦、対象物２の像が面ＩＰに結像される。次にレンズＬＳ２の第７配置例と同じ作用により受光面にその像のフランフォーファー回折像が形成される。このように、レンズ４０によりｘ方向には対象物２のフレネル回折像が、ｙ方向においては対象物２のフランフォーファー回折像が光検出器４６の受光面に形成される。
【０１９２】
次に、このようなレンズ４０により光検出器４６で得られた信号の処理方法について説明する。光検出器４６の受光面における座標系を第３または第６配置例と同じくｕ"ｖ"平面とする。第３または第６配置例では、ｕ"およびｖ"方向においてフレネル回折像がｕ"ｖ"平面に表れる。第１３配置例では、ｕ"方向にはフレネル回折像が現れ、ｖ方向には物体のフラウンフォーファー回折像が現れる。ｖ"方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ１３（ｕ"，ｔ）とする。光検出部４６が出力するｓ１３（ｕ"，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成は、第３，第６配置例で得られたｓ３（ｕ"，ｔ），ｓ６（ｕ"，ｔ）に基づいて対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る演算処理およびこの処理を行う演算器構成と同じである。そのため、光検出部４６が出力するｓ１３（ｕ"，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成の説明は省略する。
【０１９３】
（第１４配置例）
次に、第１４配置例について説明する。第１４配置例はレンズ４０の構成が第３または第６配置例と異なり、それ以外の点は第３または第６配置例と同じである。第１４配置例では、光検出部４６の受光面は、レンズ４０によりｘ方向（第１方向）において、対象物２のフレネル回折像が形成される面であって、ｙ方向（第２方向）において対象物２の像が形成される結像面に配置される。第１４配置例のレンズ４０は、対象物２と光検出部４６との間に配置される。
【０１９４】
図３４に第１４配置例におけるレンズ４０の詳細を示す。第１４配置例では、レンズ４０３およびレンズ４０４で構成される第２配置例で使用したレンズ４０にレンズＬＳ１，ＬＳ２，およびＬＳ３を付加した５枚のレンズでレンズ４０が構成される。レンズ４０を構成する５枚のレンズのうち４０３および４０４は球面レンズであり、ＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３はシリンドリカルレンズである。レンズによる結像作用において，これらのシリンドリカルレンズによりｘ方向、ｙ方向で異なる作用を示す。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０を構成するレンズ４０３の後焦点面に、略０次光を２分するように配置される。ビームスプリッタ１２にて反射する光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。
【０１９５】
すなわち、レンズＬＳ１およびレンズＬＳ３は，ｘ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｘ方向においては、図３４上段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ２のみが配置された構成と等価である。一方、レンズＬＳ２は、ｙ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｙ方向においては、図３４下段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ１，ＬＳ３のみが配置された構成と等価である。
【０１９６】
ｘ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦対象物２の像が面ＩＰに結像される。次にレンズＬＳ２の前焦点面は、対象物２の像の面ＩＰとは異なり、さらにＬＳ２の後焦点面は、光検出器４６の受光面とは異なる。したがって受光面には、面ＩＰに結像された像のフレネル回折像が形成される。一方、ｙ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦対象物２の像が面ＩＰに結像される。レンズＬＳ１およびＬＳ３は、いわゆる４ｆ光学系を構成している。４ｆ光学系とは、ＬＳ１の後焦点面とＬＳ３の前焦点面が一致し、ＬＳ１の前焦点面の像がＬＳ３の後焦点面に結像する光学系である。このようにレンズ４０により、ｘ方向には対象物２のフレネル回折像が、ｙ方向においては対象物２の像が光検出器４６の受光面に形成される。
【０１９７】
次に、このようなレンズ４０により光検出器４６で得られた信号の処理方法について説明する。光検出器４６の受光面における座標系を第３または第６配置例と同じくｕ"ｖ"平面とする。第３または第６配置例では，ｕ"およびｖ"方向において，フレネル回折像がｕ"ｖ"平面に表れる。第１４配置例では、ｕ"方向にはフレネル回折像が現れ、ｖ方向には対象物２の像が現れる。ｖ"方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ１４（ｕ"，ｔ）とする。光検出部４６が出力するｓ１４（ｕ"，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成は、第３，６配置例で得られたｓ３（ｕ"，ｔ），ｓ６（ｕ"，ｔ）に基づいて対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る演算処理およびこの処理を行う演算器構成と同じである。そのため、光検出部４６が出力するｓ１４（ｕ"，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成の説明は省略する。
【０１９８】
（第１５配置例）
次に、第１５配置例について説明する。第１５配置例はレンズ４０の構成が第３または第６配置例と異なり、それ以外の点は第３または第６配置例と同じである。第１５配置例では、光検出部４６の受光面は、レンズ４０によりｘ方向（第１方向）において対象物２のフレネル回折像が形成される面であって、ｙ方向（第２方向）において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置される。第１５配置例のレンズ４０は、対象物２と光検出部４６との間に配置される。
【０１９９】
図３５に第１５配置例におけるレンズ４０の詳細を示す。第１５配置例では、レンズ４０３およびレンズ４０４で構成される第２配置例で使用したレンズ４０にレンズＬＳ１，ＬＳ２，およびＬＳ３を付加した５枚のレンズでレンズ４０が構成される。レンズ４０を構成する５枚のレンズのうち４０３および４０４は球面レンズであり、ＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３はシリンドリカルレンズである。レンズによる結像作用において、これらのシリンドリカルレンズによりｘ方向ｙ方向に異なる作用を示す。ビームスプリッタ１２は、レンズ４０を構成するレンズ４０３の後焦点面に、略０次光を２分するように配置される。ビームスプリッタ１２にて反射する光は第２の光としてレンズ６０へ入力される。
【０２００】
すなわち，レンズＬＳ１およびレンズＬＳ３は，ｘ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｘ方向においては、図３５上段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ２のみが配置された構成と等価である。一方、レンズＬＳ２は、ｙ方向において曲率形状を持たないことから結像に寄与しない。したがってｙ方向においては、図３５下段に示すようにレンズ４０３，４０４，ＬＳ１，ＬＳ３のみが配置された構成と等価である。
【０２０１】
ｘ方向には、レンズ４０３，４０４により，一旦対象物２の像が面ＩＰに結像される。次にレンズＬＳ２の前焦点面は、対象物２の像の面ＩＰとは異なり、さらにＬＳ２の後焦点面は、光検出器４６の受光面とは異なる。したがって受光面には、面ＩＰに結像された像のフレネル回折像が形成される。一方、ｙ方向には、レンズ４０３，４０４により、一旦対象物２の像が面ＩＰに結像される。レンズＬＳ１およびＬＳ３は、いわゆる４ｆ光学系の構成を取らない。すなわち図３５下段に示すように、ＬＳ３の前焦点面がＬＳ１の後焦点面と一致しない。したがって受光面では対象物２の像やフランフォーファー回折像は形成されない。したがって、レンズ４０によりｘ方向には対象物２のフレネル回折像が、ｙ方向においても対象物２のフレネル回折像が光検出器４６の受光面に形成された。
【０２０２】
次に、このようなレンズ４０により光検出器４６で得られた信号の処理方法について説明する。光検出器４６の受光面における座標系を第３または第６配置例と同じくｕ"ｖ"平面とする。第３または第６配置例では，ｕ"およびｖ"方向において，フレネル回折像がｕ"ｖ"平面に現れる。第１５配置例でも、ｕ"方向およびｖ"方向にフレネル回折像が現れる。すなわち第１５配置例は、レンズ４０の構成が第３または第６配置例と異なる。ｖ"方向に平行な直線上の信号の総和を表す信号をｓ１５（ｕ"，ｔ）とする。光検出部４６が出力するｓ１５（ｕ"，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成は、第３，６配置例で得られたｓ３（ｕ"，ｔ），ｓ６（ｕ"，ｔ）に基づいて対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る演算処理およびこの処理を行う演算器構成と同じである。そのため、光検出部４６が出力するｓ１５（ｕ"，ｔ）に基づいて複素振幅像ｇ（ξ，η）を得るための演算処理およびこの処理を行う演算器構成の説明は省略する。
【０２０３】
上記で説明した第１配置例〜第１５配置例の演算部５０は、図３６に示すように、時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換を行う演算器である第１フーリエ変換部５１、周波数Ωを中心としてナイキスト周波数ｆｎｙｑを含む領域のデータを切り出す演算器である特定領域切出部５５、時間周波数に関する１次元フーリエを行う演算器である第３フーリエ変換部５３、および第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う演算器である第４フーリエ変換部５４から構成される。以降、本明細書では、上記４種類の演算器を総称して基本演算器ともいう。
【０２０４】
第１配置例〜第１５配置例では、図３６の紙面に垂直方向（Ｘ方向）に、光検出部４６および演算部５０が並列して配置される。図３６では、並列して配置される光検出部４６および演算部５０のうち、位置ｕｎにおける光検出部４６および演算部５０を例示した図である。以下に示す、図３７〜図４１，図４４，図４５，図４６においても、紙面に垂直方向（Ｘ方向）に光検出部４６および演算部５０が並列して配置されており、並列して配置される光検出部４６および演算部５０のうちの一つである、位置ｕｎにおける光検出部４６および演算部５０を例示した図である。なお、配置例に応じて位置ｕｎを、ｕ'ｎ，ｕ"ｎと変えて記載する。
【０２０５】
（第１６配置例）
次に第１６配置例について説明する。第１６配置例は、複数の光検出部４６および複数の光検出器４６からの出力の総和を求める各出力総和器（出力総和器）５８を備える点で第１〜１５配置例と異なる。これに伴い、第１６配置例では、基本演算器の配置が第１〜１５配置例と異なる。
【０２０６】
第１６配置例では，１つの光源部１０と、１つのレンズ４０と，Ｍ個（Ｍ＞１）の検出部（複数の検出器）と、複数個の基本演算器および各出力総和器５８を含む演算部５０とから構成される。
【０２０７】
第１６配置例では，Ｍ個の光検出部４６は第２方向に並んで構成される。第２方向に並んだｍ番目の光検出部４６ｍは、第２方向についての総和を表すデータを第１方向の各位置について各時刻に出力する。
【０２０８】
第１６配置例における演算部５０は、第２方向にＭ個並んだ検出部の出力を入力し、１からＭまでの総和を出力する演算器である各出力総和器５８を備える。また、各出力総和器５８は、第２方向にＭ個並んだ光検出部４６の出力を入力するＭ個の基本演算器の出力を入力し、１からＭまでの総和を出力してもよい。
【０２０９】
図３７に示すように、各出力総和器５８が第１フーリエ変換部５１より前段にある場合、各出力総和器５８は、Ｍ個の検出部が出力するＭ個の信号を入力する。また各出力総和器５８は、Ｍ個の信号に対して時刻毎に１からＭまでの総和を得て、時刻毎に結果を出力する。
【０２１０】
図３８および図３９に示すように、各出力総和器５８が第１フーリエ変換部５１と第３フーリエ変換部５３の間にある場合、各出力総和器５８は、第１フーリエ変換部５１によりフーリエ変換されたＭ個の信号を入力する。図３８に示すように、各出力総和器５８が第１フーリエ変換部５１の直後に配置される場合には、各出力総和器５８は、第１フーリエ変換部５１が出力するＭ個の信号を入力する。また、図３９に示すように各出力総和器５８が特定領域切出部５５の直後に配置される場合には、各出力総和器５８は、特定領域切出部５５が出力するＭ個の信号を入力する。各出力総和器５８は、Ｍ個の信号に対して時間周波数毎に１からＭまでの総和を得て、時間周波数毎に結果を出力する。
【０２１１】
図４０および図４１に示すように、各出力総和器５８が、第３フーリエ変換部５３より後段にある場合、各出力総和器５８は、第３フーリエ変換部５３または第４フーリエ変換部５４が出力するＭ個の信号を入力する。各出力総和器５８は、Ｍ個の信号に対して時刻毎に１からＭまでの総和を得て、時刻毎に結果を出力する。
【０２１２】
次に、各出力総和器５８の出力について説明する。各出力総和器５８が第１フーリエ変換部５１と第３フーリエ変換部５３の間にある場合、各出力総和器５８は、（２４）式より時間周波数ω（＝Ω＋ωｄ）毎に１からＭまでの総和を得る。ここでＳ（ｍ）（ｕ，ω）は、第１フーリエ変換部５１の第２方向にｍ番目に配置された検出部の出力データｓ（ｍ）（ｕ，ｔ）を入力し、時刻変数ｔに関してフーリエ変換する第１フーリエ変換部５１の出力信号を表す。フーリエ変換の線形性により（２４）式中辺のフーリエ演算子ＦＴｔは総和演算子Σと交換可能であり、その結果（２４）式最右辺を得る。
【０２１３】
【数２４】
【０２１４】
最右辺の時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換演算子ＦＴｔが作用する項は，Ｍ個の検出部が出力する波形ｓ（ｍ）（ｕ，ｔ）の１〜Ｍまでの総和ｓ（ｕ，ｔ）を表している。すなわち、演算部に設けた各出力総和器５８は、第１〜１５配置例における検出部が出力する信号を入力する第１フーリエ変換部５１の出力を出力する。したがって、第１６配置例は第２方向の総和を表すデータを各時刻に出力する検出部の一部を、演算部に含む構成であるともいえる。
【０２１５】
一方、各出力総和器５８が第３フーリエ変換部５３より後段にある場合、各出力総和器５８は、（２５）式により時刻毎に１からＭまでの総和を得る。ここでｓ'（ｍ）（ｕ，ｔ）は，第３フーリエ変換部５３ｍの出力データを表す。第３フーリエ変換部５３ｍの入力には，第２方向に並べられたｍ番目の検出部の出力が、第１フーリエ変換部５１ｍ，特定領域切出部５５ｍを介して第３フーリエ変換部５３ｍへと接続されている。またｓ'（ｍ）（ｕ，ｔ）の時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換は，Ｓ'（ｍ）（ｕ，ωｄ）となる。（２５）式の右辺の１次元フーリエ変換演算子ＦＴωが作用する項は，特定領域切出部５５の出力データである。したがって特定領域切出部５５の入力は，（２６）式左辺に示される周波数Ωだけ周波数シフトした信号Ｓ（ｍ）（ｕ，Ω＋ωｄ）である。さらに（２６）式の最右辺は，Ｍ個の検出部が出力する波形ｓ（ｍ）（ｕ，ｔ）の１〜Ｍまでの時刻毎の総和を表している。
【０２１６】
【数２５】
【０２１７】
【数２６】
【０２１８】
すなわち、演算部に設けた各出力総和器５８の出力は、第１〜１５配置例における検出部が出力する信号と一致することから、第１６配置例は、第２方向の総和を表すデータを各時刻に出力する検出部の一部を、演算部に含む構成であるといえる。
【０２１９】
第１６配置例の場合の実施例について以下に説明する。第１６配置例においては図１１に示す第１配置例と同様のレンズ４０を用いた。すなわち、光検出器４６の受光面が、レンズ４０の第１方向における後焦点面であって、レンズ４０の第２方向における後焦点面に配置された。光検出器４６は、２次元画素を有し、１画素サイズ８．３ｘ８．３μｍの画素を６４０ｘ４８０の画素数をデジタルＣＣＤカメラを用いた。また、そのフレームレートｆＣＣＤは３０Ｈｚとした。ｖ方向画素番号をｍ，ｕ方向画素番号をｎとする。ｖ方向と平行な方向に移動物体が移動するように光検出器４６を配置した。光検出器４６の全画素６４０ｘ４８０画素のうち３１２ｘ３１２画素の領域のみを実験に用いた。したがって、Ｍ＝Ｎ＝３１２である。Ｍ，Ｎは，縦横の画素数を表し、その小文字ｍ，ｎで画素番号を表す。
【０２２０】
すなわち、第１６配置例における光検出器４６は、Ｎ個の受光セルｄｎ（ｍ）を第１方向に並べた１次元ラインセンサーが第２方向にＭ個並んだ光検出器である。各受光セルｄｎ（ｍ）から出力される時間波形ｓ（ｍ）（ｕ，ｔ）に対して時刻変数ｔに関してフーリエ変換した後、得られる波形をＳ（ｍ）（ｕ，ω）とした。図４２に時間波形ｓ（ｍ）（ｕ，ｔ）を，図４３にＳ（ｍ）（ｕ，ω）を示した。
【０２２１】
（第１７配置例）
第１７配置例は、第１６配置例と同様に、複数の光検出部４６および各出力総和器５８を含む構成である。すなわち，第１７配置例では、第１６配置例と同様に、１つの光源部１０と、１つのレンズ４０と、Ｍ個（Ｍ＞１）の光検出部４６と、演算部５０とから構成される。演算部５０は、複数個の基本演算器および光検出部４６からの出力の総和を求める各出力総和器５８を含む。すなわち、第１７配置例では、複数の検出器を備え、また演算部５０は、複数の検出器からの出力の総和を求める出力総和器５８を更に備える。
【０２２２】
レンズ４０および演算部５０を演算部とみなせば、第１７配置例では、レンズ４０が演算部５０に組み入れられている。第１７配置例では、第１配置例にて使用したレンズ４０に検出部をＭ（Ｍ＞１）個配置し、さらに、第２方向に関するフーリエ変換またはフレネル変換を行う演算器（以降、第２方向変換器５９（第２方向変換部）という）を付加した構成である。
【０２２３】
第２方向変換器５９は、図４４，図４５，図４６で例示するように、光検出部４６からの出力を入力する演算部５０内の各出力総和器５８の前段に配置される。第２方向変換器５９は、その演算位置によらず、位置ｎ（ｕｎ，ｕ'ｎ，ｕ"ｎ）における出力をＭ個入力し、その演算結果を出力する。
【０２２４】
第２方向変換器５９がフーリエ変換器である場合、光検出器４６の受光面において第１方向にフラウンフォーファー回折像を、第２方向には物体像を受光する第８配置例と等価である。すなわち第１配置例で使用したレンズ４０と第２方向変換器５９とにより第８配置例のレンズ４０が構成される。
【０２２５】
第２方向変換器５９がフレネル変換器である場合、光検出器４６の受光面において第１方向にフラウンフォーファー回折像を、第２方向にはフレネル回折像を受光する第９配置例と等価である。すなわち第１配置例で使用したレンズ４０と第２方向変換器５９とにより第９配置例のレンズ４０が構成される。
【０２２６】
（第１８配置例）
第１８配置例は、第１６配置例と同様に、複数の光検出部４６および各出力総和器５８を含む構成である。すなわち第１８配置例では、第１６配置例と同様に、第１６配置例では，１つの光源部１０と、１つのレンズ４０と，Ｍ個（Ｍ＞１）の検出部と、複数個の基本演算器および各出力総和器５８を含む演算部５０から構成される。すなわち、第１８配置例では、複数の検出器を備え、また演算部５０は、複数の検出器からの出力の総和を求める出力総和器５８を更に備える。
【０２２７】
レンズ４０および演算部５０を演算部とみなせば、第１８配置例では、レンズ４０が演算部５０に組み入れられている。第１８配置例では、第２配置例にて使用したレンズ４０に検出部をＭ（Ｍ＞１）個配置し、さらに、第２方向に関する（すなわちｍに関して）フーリエ変換またはフレネル変換を行う第２方向変換器５９を付加した構成である。
【０２２８】
第２方向変換器５９は、図４４，図４５，図４６で例示すように、検出部からの出力を入力する演算部内の各出力総和器５８の前段に配置される。第２方向変換器５９は、その演算位置によらず、位置ｎ（ｕｎ，ｕ'ｎ，ｕ"ｎ）における出力をＭ個入力し、その演算結果を出力する。
【０２２９】
第２方向変換器５９がフーリエ変換器である場合、光検出器４６の受光面において第１方向に物体像を、第２方向にはフランフォーファー回折像を受光する第１０配置例と等価である。すなわち、第２配置例で使用したレンズ４０と第２方向変換器５９とにより第１０配置例のレンズ４０が構成される。
【０２３０】
第２方向変換器５９がフレネル変換器である場合、光検出器４６の受光面において第１方向に物体像を、第２方向にはフレネル回折像を受光する第１２配置例と等価である。すなわち第２配置例で使用したレンズ４０と第２方向変換器５９とにより第１２配置例のレンズ４０が構成される。
【０２３１】
第２方向変換器５９がフーリエ変換器である場合において、第１８配置例における演算処理について説明する。第２方向変換器５９が出力する波形Ｒｅ[ＦＴｍ[ｓ（ｍ）（ｕ'，ｔ）]]は、各出力総和器５８に送られ、ｍに関して総和を取り、ｓ（ｕ'，ｔ）を得る。ＦＴｍは、変数ｍに関する１次元フーリエ変換を表す。Ｒｅは、複素数の実部を取る演算子である。すなわち、第２配置例で使用したレンズ４０と第２方向変換器５９とにより第１０配置例のレンズ４０が構成されていることから、各出力総和器５８が出力するデータは、第１０配置例の検出部が出力する信号と同じである。さらに第１０配置例の検出部が出力する信号は第２配置例の演算方法と同じであることを第１０配置例を説明したので、第１８配置例の演算は、第２配置例の演算方法により対象物２の複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る。
【０２３２】
（第１９配置例）
第１９配置例は，第１６配置例と同様に、複数の光検出部４６および各出力総和器５８を含む構成である。すなわち、第１９配置例は、第１６配置例と同様に、１つの光源部１０と、１つのレンズ４０と，Ｍ個（Ｍ＞１）の検出部と、複数個の基本演算器および各出力総和器５８を含む演算部５０から構成される。すなわち、第１９配置例では、複数の検出器を備え、また演算部５０は、複数の検出器からの出力の総和を求める出力総和器５８を更に備える。
【０２３３】
レンズ４０および演算部５０を演算部とみなせば，第１９配置例では、レンズ４０が演算部５０に組み入れられている。第１９配置例は、第３配置例にて使用したレンズ４０に検出部をＭ（Ｍ＞１）個配置し、さらに、第２方向に（すなわちｍに関して）フーリエ変換またはフレネル変換を行う第２方向変換器５９を付加した構成である。
【０２３４】
第２方向変換器５９の演算位置は，図４４，図４５，図４６で例示すように、検出部からの出力を入力する演算部内の各出力総和器５８の前段に配置する。第２方向変換器５９は，その演算位置によらず，位置ｎ（ｕｎ，ｕ'ｎ，ｕ"ｎ）における出力をＭ個入力し，その演算結果を出力する。
【０２３５】
第２方向変換器５９がフーリエ変換器である場合、光検出器４６の受光面において第１方向にフレネル回折像を、第２方向にはフレネル回折像を受光する第１５配置例と等価である。すなわち、第３配置例で使用したレンズ４０と第２方向変換器５９とにより第１５配置例のレンズ４０が構成される。
【０２３６】
第２方向変換器５９がフレネル変換器である場合、光検出器４６の受光面において第１方向にフレネル回折像を、第２方向にはフレネル回折像を受光する第１５配置例と等価である。すなわち、第３配置例で使用したレンズ４０と第２方向変換器５９とにより第１５配置例のレンズ４０が構成される。
【０２３７】
次に第２方向変換器５９の光検出部４６からの出力を入力する演算部５０における演算位置について説明する。第２方向変換器５９がレンズ４０に含まれる場合は、そのレンズ４０の位置である。第２方向変換器５９がレンズ４０に含まれない場合には、第２方向変換器５９は、光検出部４６からの出力を入力する演算部５０内の各出力総和器５８より前段に配置される。
【０２３８】
第２方向変換器５９が検出部と第１フーリエ変換部５１の間にある場合、第２方向変換器５９の入力は、時刻毎にＭ個の検出部からの出力を入力し、時刻毎にその演算結果を出力する。
【０２３９】
第２方向変換器５９が第１フーリエ変換部５１と第３フーリエ変換部５３の間にある場合、第２方向変換器５９の入力は、時間周波数毎にＭ個の検出部からの出力を入力し、時間周波数毎にその演算結果を出力する。
【０２４０】
第２方向変換器５９が第３フーリエ変換部５３より後段にある場合、第２方向変換器５９の入力は、時刻毎にＭ個の検出部からの出力を入力し、時刻毎にその演算結果を出力する。
【０２４１】
（第２０配置例）
次に、第２０配置例について説明する。第１〜１９配置例では、物体光（物体からの蛍光の散乱光）のうち０次光と高次光（非ドップラーシフト光とドップラーシフト光）に分離する方法は文献１（Gabriel Popescu, “Fourier phase microscopy for investigation ofbiological structures and dynamics,” Optics letters, 29, 2503, (2004).）に記載の方法を用いた。すなわち、レンズ４０は、対象物２と光検出器４６の受光面の間に配置される。また、レンズ４０は、一時的にフランフォーファー回折像を対象物２と光検出器４６の受光面の間に形成する。フランフォーファー回折像の中心近傍に集まる略０次光を参照光とした。
【０２４２】
第２０配置例では、略０次光を抜き出す方法として文献２（Gabriel Popescu, “Diffraction phase microscopy for quantifying cellstructure and dynamics,” Optics letters, 31, 775, (2006).）に記載の回折格子を用いる。図４７にその具体的な光学系を示す。
【０２４３】
図４７に示すように、レンズ４０は、対象物２と光検出器４６の受光面の間に配置される。レンズ４０は、一時的に物体像に続いてフランフォーファー回折像を対象物２と光検出器４６の受光面の間に形成する。第２０配置例のレンズ４０は、第２配置例のレンズ４０と、レンズ４０できた物体像をリレーするレンズ４０７、４０８により構成される。レンズ４０７，レンズ４０８は４ｆ光学系を構成する。第２０配置例におけるレンズ４０は、４枚の球面レンズで構成されている。
【０２４４】
上記のようにレンズ４０を構成することにより、レンズ４０４とレンズ４０７の間に対象物２の物体像が形成され、レンズ４０７とレンズ４０８の間に対象物２のフランフォーファー回折像が形成される。なお、物体像ができる面を物体像面といい、フランフォーファー回折像ができる面をフランフォーファー回折像面という。
【０２４５】
物体像面に回折格子を配置し、フランフォーファー回折像面にビームスプリッタ１２を配置する。回折格子は、フランフォーファー回折像面にて複数のフランフォーファー回折像を形成する。そのうち、０次と＋１次の回折像を、それぞれ０次回折像、１次回折像と呼ぶことにする。回折格子における凹凸の方向はＸ方向と一致する。このため、回折格子によって０次回折像および１次回折像は、Ｙ方向と垂直な直線状に配置される。
【０２４６】
ピンホール６３は、回折格子によって作成された０次回折像の略０次光と１次回折像を含むように形成された２つの穴である。０次回折像のうち、略０次光を含むように開けられた穴（ピンホール６３Ａ）を通過した光は第２の光となり、ビームスプリッタ１２，レンズ６０を介して第１変調に入力される。１次回折像を含むように開けられた穴（ピンホール６３Ｂ）を通過した光は第１の光となり、レンズ４０８に入力される．すなわち、回折格子およびピンホール６３Ａ，およびピンホール６３Ｂにより第１の光と第２の光に分波するため、これらの光学素子により第１〜１９配置例におけるビームスプリッタ１２と同様の役割を果たす。
【０２４７】
第２０配置例のビームスプリッタ１２は、光を反射させ、透過しないミラーでもよい。ビームスプリッタ１２は、ピンホール６３のうち略０次光を含むように開けられた穴（ピンホール６３Ａ）を通過した光をレンズ６０へと出力する。レンズ６０の前焦点面はピンホール６３と同じ面にあり、レンズ６０の前焦点はピンホール６３Ａの中心と一致する。以上のように構成することで、第２０配置例においても第１〜１９配置例と同じく略０次光を参照光として、抜き出すことができる。
【０２４８】
（第２１配置例）
上記第１〜第２０配置例において、観察装置１は、Ωだけ周波数が異なる変調周波数が与えられる第１変調器および第２変調器を備え、この周波数Ωを中心にナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域を切り出している。本配置例は、図４８に示すように、第１変調器および第２変調器に代えて、単一の周波数変調器７０（一つの変調器）を用いる点で、上記第１〜第２０配置例と異なる。たとえば、周波数変調器７０は、音響光学効果を用いた変調器である。
【０２４９】
第１シグナルジェネレータ２１から出力されて第１増幅器２２により増幅された周波数Ωが周波数変調器７０に与えられた場合、ビームスプリッタ１２に反射されて周波数変調器７０に入力された光周波数ωの光は、周波数変調を受けて、光周波数ω＋ｎΩ（ｎ：整数）の光として周波数変調器７０の出力端から出力される。このため、光検出器４６では、ヘテロダイン干渉により、散乱光および参照光それぞれの光周波数の差周波数を有するビート信号が観測される。ここで、周波数変調器７０へ印加する周波数Ωは、対象物２の移動による蛍光の最大ドップラーシフト周波数ωｄｍａｘが、Ω＞ωｄｍａｘの条件を満たすように決定される。
【０２５０】
なお、最大ドップラーシフト周波数ωｄｍａｘは、ナイキスト角周波数ωｎｙｑと同じ値を示す。ここで、ナイキスト角周波数ωｎｙｑは、上記（６）式に示されるナイキスト周波数ｆｎｙｑを角周波数表記したものであり、ωｎｙｑ＝２π・ｆｎｙｑである。
【０２５１】
本配置例において、演算部５０は、周波数変調器７０へ印加する周波数Ωを中心にナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域を切り出す。また、上述のように周波数変調器７０から出力される光には、ω＋ｎΩの周波数をもつ光が存在するため、適宜、それらを参照光として選択すれば、光検出器４６で得られる干渉信号としては、ｎΩを含む信号が観測される。このため、周波数変調器７０へ印加する周波数Ωの２次波（２Ω）、３次波（３Ω）等の倍波であるｎΩ（ｎ：０以外の整数）を中心に、ナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域を切り出してもよい。
【０２５２】
以上で述べた一つの変調器からなる構成は、上記第１〜第２０配置例に適用することができる。すなわち、第１〜第２０配置例において備える第１変調器および第２変調器に代えて、上記周波数変調器７０を備えることで、第１〜第２０配置例で示した出力と同じ出力を得ることができる。この場合、演算器５０は、周波数変調器７０へ印加する周波数Ωまたはその倍波であるｎΩを中心にナイキスト周波数ｆｎｙｑを前後に含む領域を切り出す点以外は、第１〜第２０配置例で示したものと同じ演算処理および演算器構成となる。すなわち、演算部５０が、時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、一つの変調器における変調周波数Ωまたはその倍波であるｎΩを中心としてナイキスト周波数を前後に含む領域のデータについて、フーリエ変換を行って複素振幅像ｇ（ξ，η）を得る。
【０２５３】
本配置例では、第１変調器および第２変調器に代えて、単一の周波数変調器７０を用いている。そのため、使用する変調器の数を減らすことができ、観察装置１の小型化を図ることができる。また、観察装置１の製造コストを低減することができる。
【０２５４】
本実施形態の観察装置１では、対象物２の速度が変化するとドップラー信号に周波数変調が生じて、最終的に得られる対象物２の像が流れ方向に伸縮する。このような伸縮を補正するために、本実施形態の観察装置１は、対象物２の移動速度を検出する速度検出部を更に備えるのが好適である。そして、演算部５０は、速度検出部により検出された対象物２の速度に基づいて、時間方向の１次元フーリエ変換または２次元フーリエ変換の際に対象物２の速度変化に関する補正を行うのが好適である。または、速度検出部より検出された対象物２の速度に基づいて、光検出器４６の撮影タイミングを図ってもよい。
【０２５５】
この速度検出部は、任意のものが用いられ得るが、移動速度とドップラーシフト量との間の関係を利用して、レンズ４０の後焦点面の散乱光到達位置における信号の周波数を検出することでも対象物２の移動速度を求めることができる。この場合、速度検出部は、ビームスプリッタ４１から光検出器４６へ向う光の一部が分岐されたものをフーリエ面上で検出してもよいし、或いは、光検出器４６の受光面の一部に独立に設けられた画素を含むものであってもよい。その画素の大きさは、対象物２の移動速度Ｖとドップラー周波数ｆｄとの関係から導かれる移動速度の分解能を有する面積を持つことが好ましい。
【０２５６】
本実施形態の観察装置１において、第１配置例では、対象物２からの蛍光のうち、光軸方向に発せられる蛍光（略０次光）は、レンズ４０により１点に集光される。この略０次光が光検出器４６の受光面に到達すると、光検出器４６により得られる信号の質が劣化する。そこで、このような略０次光が光検出器４６の受光面にすべてが到達しないように略０次光を減衰させるための減光フィルタ４７が設けられるのが好ましい。或いは、略０次光の発生が少ないようなビーム断面を有する光Ｌ０を対象物２に照射するのが好ましい。そして、減光フィルタ４７の透過率を加味させ、強度ムラを補正することが好ましい。
【０２５７】
以上の説明では、ξη平面上で対象物２が一方向に移動する場合について説明した。本発明は、ξη平面に垂直なζ方向（レンズ４０の光軸の方向）に対象物２が往復移動する場合にも適用可能である。この場合、レンズ後焦点面において径方向にドップラーシフトが生じるので、周方向に画素構造を有し各画素が放射状に延在する光検出器が用いられる。
【０２５８】
以上の説明では、光源の対象物の蛍光像を透過照明で取得する実施例を主に示したが、反射（落射）照明、または限外照明で取得してもよいことは、明らかである。光源として、単一縦モードの光の利用が好適であるが、これに限定されない。例えば、広帯域の光を用いることで、蛍光強度を高めることが可能となる。その他、広帯域の光として、波長成分間の位相関係が一定であるものを用いるのが好適である。このような光源として、例えばモードロックレーザーを用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【０２５９】
近年注目を集めている血中癌細胞（Circulating Tumor Cell、 CTC）は、正常血液有核細胞（白血球のこと）中およそ１０００万分の１の頻度で含まれることから、検出能を高めるためには検査の迅速化が求められる。本発明は、このような分野に利用可能である。本発明は、スループットが高いフローサイトメトリーにも応用可能である。本発明は、光検出器４６として１次元のものを用いて、移動している対象物２を観察することができるので、フレームレートの向上が可能であり、細胞等の対象物２を高速に流すことでできるので検査効率の向上が可能である。また、スライドガラスに貼り付けら得た細胞標本，組織標本に対しても非染色にてコントラスト良く撮影可能になる。また、金属顕微鏡のような反射光による複素振幅像も得ることができる。
【符号の説明】
【０２６０】
１…観察装置、２…対象物、１０…光源部、１１…照明用レンズ、１２…ビームスプリッタ、２０…第１変調器、２１…第１シグナルジェネレータ、２２…第１増幅器、３０…第２変調器、３１…第２シグナルジェネレータ、３２…第２増幅器、４０…レンズ、４１…ビームスプリッタ、４２，４３…ミラー、４４…レンズ、４５…フィルタ、４６…光検出器、４７…減光フィルタ、５０…演算部、５１…第１フーリエ変換部、５２…第２フーリエ変換部、５３…第３フーリエ変換部、５４…第４フーリエ変換部、５５…特定領域切出部、５６…初期位相補正器、５７…２次位相除算部、５８…各出力総和器、５９…第２方向変換器、６０…２次位相補正器、７０…周波数変調器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動している対象物が有する蛍光物質を励起させ、該対象物から蛍光を生じさせる光を該対象物へ照射する光源部と、
前記光源部による光照射により前記対象物から生じた蛍光のうち所定平面に到達した光において前記対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる前記所定平面上の方向であって、前記対象物の移動方向に垂直な方向を第１方向とし、この第１方向に直交する前記所定平面上の方向であって、前記対象物の移動方向に平行な方向を第２方向としたときに、前記所定平面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの、前記第２方向についての総和を表すデータを、前記第１方向の各位置について各時刻に出力する検出部と、
前記所定平面上の前記第１方向の位置および時刻を変数とするデータについての時刻変数に関する１次元フーリエ変換と、このフーリエ変換後のデータについての２次元フーリエ変換とを行って、この２次元フーリエ変換により得られたデータを前記対象物の像として得る演算部と、
を備え、
前記検出部が、
前記光源部から出力された光により前記対象物から生じた蛍光を入力して、その入力した蛍光を前記対象物の後段にて２分割して第１の光および第２の光とし、前記第２の光を変調器で変調した後に、前記所定平面上で前記第１の光と当該変調後の第２の光とをヘテロダイン干渉させる光学系と、
前記所定平面に受光面を有し、該受光面において前記第１方向に画素構造を有する光検出器と、
を含む、観察装置。
【請求項２】
演算部は、
前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、
前記２次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部と、
を備え、
前記第２フーリエ変換部は、周波数に関する１次元フーリエ変換を行う第３フーリエ変換部と、前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う第４フーリエ変換部と、を備える、
請求項１に記載の観察装置。
【請求項３】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズの前記第１方向における後焦点面であって、前記レンズの前記第２方向における後焦点面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置される、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項４】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、前記第２方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置される、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項５】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、前記第２方向において前記対象物の像が形成される結像面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置される、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項６】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、前記第２方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置される、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項７】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物の像が形成される結像面であって、前記第２方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置され、
前記レンズは、前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項８】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物の像が形成される結像面であって、前記第２方向において前記対象物の像が形成される結像面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置され、
前記レンズは、前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項９】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物の像が形成される結像面であって、前記第２方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置され、
前記レンズは、前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項１０】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面であって、前記第２方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置される、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項１１】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面であって、前記第２方向において前記対象物の像が形成される結像面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置される、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項１２】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面であって、前記第２方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置される、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項１３】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面であって、前記第２方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置される、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項１４】
移動している対象物が有する蛍光物質を励起させ、該対象物から蛍光を生じさせる光を該対象物へ照射する光源部と、
前記光源部による光照射により前記対象物から生じた蛍光のうち所定平面に到達した光において前記対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる前記所定平面上の方向であって、前記対象物の移動方向に垂直な方向を第１方向とし、この第１方向に直交する前記所定平面上の方向であって、前記対象物の移動方向に平行な方向を第２方向としたときに、前記所定平面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの、前記第２方向についての総和を表すデータを、前記第１方向の各位置について各時刻に出力する検出部と、
前記所定平面上の前記第１方向の位置および時刻を変数とするデータについて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換、周波数に関する１次元フーリエ変換、および前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行って、これらの１次元フーリエ変換により得られたデータを前記対象物の像として得る演算部と、
を備え、
前記検出部が、
前記光源部から出力された光により前記対象物から生じた蛍光を入力して、その入力した蛍光を前記対象物の後段にて２分割して第１の光および第２の光とし、第２の光を変調器で変調した後に、前記所定平面上で前記第１の光と当該変調後の第２の光とをヘテロダイン干渉させる光学系と、
前記所定平面に受光面を有し該受光面において前記第１方向に画素構造を有する光検出器と、
を含む、観察装置。
【請求項１５】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物の像が形成される結像面であって、前記第２方向において前記対象物の像が形成される結像面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部の順に配置され、
前記レンズは、前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う、
請求項１４に記載の観察装置。
【請求項１６】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物の像が形成される結像面であって、前記第２方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部の順に配置され、
前記レンズは、前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う、
請求項１４に記載の観察装置。
【請求項１７】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物の像が形成される結像面であって、前記第２方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部の順に配置され、
前記レンズは、前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う、
請求項１４に記載の観察装置。
【請求項１８】
前記演算部は、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータに含まれる初期位相を補正する初期位相補正部を更に備える、
請求項１〜１７の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項１９】
前記検出部は、複数存在し、
前記演算部は、前記複数の検出部からの出力の総和を求める出力総和器を更に備える、
請求項１〜１８の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２０】
前記演算部は、前記第２方向に関するフーリエ変換またはフレネル変換を行う第２方向変換部を更に備える、
請求項１〜１９の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２１】
前記演算部が、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、第１変調周波数と第２変調周波数との差周波数を中心としてナイキスト周波数を前後に含む領域のデータについて、前記２次元フーリエ変換を行う、
請求項１〜１３、および１８〜２０の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２２】
前記演算部が、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、第１変調周波数と第２変調周波数との差周波数を中心としてナイキスト周波数を前後に含む領域のデータについて、前記周波数に関する１次元フーリエ変換、および前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う、
請求項１４〜２０の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２３】
前記変調器は、一つの変調器として構成され、
前記演算部が、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、前記一つの変調器における変調周波数または該変調周波数の倍波を中心としてナイキスト周波数を前後に含む領域のデータについて、前記２次元フーリエ変換を行う、
請求項１〜１３、および１８〜２０の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２４】
前記変調器は、一つの変調器として構成され、
前記演算部が、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、前記一つの変調器における変調周波数または該変調周波数の倍波を中心としてナイキスト周波数を前後に含む領域のデータについて、前記周波数に関する１次元フーリエ変換、および前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う、
請求項１４〜２０の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２５】
前記対象物の移動速度を検出する速度検出部を更に備え、
前記演算部が、前記速度検出部により検出された前記対象物の速度に基づいて、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換または前記２次元フーリエ変換の際に前記対象物の速度変化に関する補正を行う、
請求項１〜２４の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２６】
前記対象物への光の照射が、透過照明の光学配置である請求項１〜２５の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２７】
前記対象物への光の照射が、反射照明の光学配置である請求項１〜２５の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２８】
前記光源部が、単一縦モードの光を生成する光源である請求項１〜２７の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２９】
前記光源部が、広帯域の光を生成する光源である請求項１〜２７の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項３０】
前記光源部が、モードロックレーザーである請求項２９に記載の観察装置。
【請求項３１】
前記検出器は、前記受光面の前面に配置され、前記光源部からの光を遮断し、前記対象物から生じた蛍光を透過するフィルタを更に備える請求項１〜３０の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項１】
移動している対象物が有する蛍光物質を励起させ、該対象物から蛍光を生じさせる光を該対象物へ照射する光源部と、
前記光源部による光照射により前記対象物から生じた蛍光のうち所定平面に到達した光において前記対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる前記所定平面上の方向であって、前記対象物の移動方向に垂直な方向を第１方向とし、この第１方向に直交する前記所定平面上の方向であって、前記対象物の移動方向に平行な方向を第２方向としたときに、前記所定平面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの、前記第２方向についての総和を表すデータを、前記第１方向の各位置について各時刻に出力する検出部と、
前記所定平面上の前記第１方向の位置および時刻を変数とするデータについての時刻変数に関する１次元フーリエ変換と、このフーリエ変換後のデータについての２次元フーリエ変換とを行って、この２次元フーリエ変換により得られたデータを前記対象物の像として得る演算部と、
を備え、
前記検出部が、
前記光源部から出力された光により前記対象物から生じた蛍光を入力して、その入力した蛍光を前記対象物の後段にて２分割して第１の光および第２の光とし、前記第２の光を変調器で変調した後に、前記所定平面上で前記第１の光と当該変調後の第２の光とをヘテロダイン干渉させる光学系と、
前記所定平面に受光面を有し、該受光面において前記第１方向に画素構造を有する光検出器と、
を含む、観察装置。
【請求項２】
演算部は、
前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、
前記２次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部と、
を備え、
前記第２フーリエ変換部は、周波数に関する１次元フーリエ変換を行う第３フーリエ変換部と、前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う第４フーリエ変換部と、を備える、
請求項１に記載の観察装置。
【請求項３】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズの前記第１方向における後焦点面であって、前記レンズの前記第２方向における後焦点面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置される、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項４】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、前記第２方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置される、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項５】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、前記第２方向において前記対象物の像が形成される結像面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置される、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項６】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、前記第２方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置される、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項７】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物の像が形成される結像面であって、前記第２方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置され、
前記レンズは、前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項８】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物の像が形成される結像面であって、前記第２方向において前記対象物の像が形成される結像面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置され、
前記レンズは、前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項９】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物の像が形成される結像面であって、前記第２方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置され、
前記レンズは、前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項１０】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面であって、前記第２方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置される、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項１１】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面であって、前記第２方向において前記対象物の像が形成される結像面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置される、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項１２】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面であって、前記第２方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置される、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項１３】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面であって、前記第２方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部、前記第４フーリエ変換部の順に配置される、
請求項２に記載の観察装置。
【請求項１４】
移動している対象物が有する蛍光物質を励起させ、該対象物から蛍光を生じさせる光を該対象物へ照射する光源部と、
前記光源部による光照射により前記対象物から生じた蛍光のうち所定平面に到達した光において前記対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる前記所定平面上の方向であって、前記対象物の移動方向に垂直な方向を第１方向とし、この第１方向に直交する前記所定平面上の方向であって、前記対象物の移動方向に平行な方向を第２方向としたときに、前記所定平面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの、前記第２方向についての総和を表すデータを、前記第１方向の各位置について各時刻に出力する検出部と、
前記所定平面上の前記第１方向の位置および時刻を変数とするデータについて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換、周波数に関する１次元フーリエ変換、および前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行って、これらの１次元フーリエ変換により得られたデータを前記対象物の像として得る演算部と、
を備え、
前記検出部が、
前記光源部から出力された光により前記対象物から生じた蛍光を入力して、その入力した蛍光を前記対象物の後段にて２分割して第１の光および第２の光とし、第２の光を変調器で変調した後に、前記所定平面上で前記第１の光と当該変調後の第２の光とをヘテロダイン干渉させる光学系と、
前記所定平面に受光面を有し該受光面において前記第１方向に画素構造を有する光検出器と、
を含む、観察装置。
【請求項１５】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物の像が形成される結像面であって、前記第２方向において前記対象物の像が形成される結像面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部の順に配置され、
前記レンズは、前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う、
請求項１４に記載の観察装置。
【請求項１６】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物の像が形成される結像面であって、前記第２方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部の順に配置され、
前記レンズは、前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う、
請求項１４に記載の観察装置。
【請求項１７】
前記光源部と前記検出部の間に配置されるレンズを更に備え、
前記検出部の受光面は、前記レンズにより前記第１方向において前記対象物の像が形成される結像面であって、前記第２方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面に配置され、
前記光源部、前記レンズ、前記検出部、前記第１フーリエ変換部、前記第３フーリエ変換部の順に配置され、
前記レンズは、前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う、
請求項１４に記載の観察装置。
【請求項１８】
前記演算部は、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータに含まれる初期位相を補正する初期位相補正部を更に備える、
請求項１〜１７の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項１９】
前記検出部は、複数存在し、
前記演算部は、前記複数の検出部からの出力の総和を求める出力総和器を更に備える、
請求項１〜１８の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２０】
前記演算部は、前記第２方向に関するフーリエ変換またはフレネル変換を行う第２方向変換部を更に備える、
請求項１〜１９の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２１】
前記演算部が、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、第１変調周波数と第２変調周波数との差周波数を中心としてナイキスト周波数を前後に含む領域のデータについて、前記２次元フーリエ変換を行う、
請求項１〜１３、および１８〜２０の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２２】
前記演算部が、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、第１変調周波数と第２変調周波数との差周波数を中心としてナイキスト周波数を前後に含む領域のデータについて、前記周波数に関する１次元フーリエ変換、および前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う、
請求項１４〜２０の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２３】
前記変調器は、一つの変調器として構成され、
前記演算部が、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、前記一つの変調器における変調周波数または該変調周波数の倍波を中心としてナイキスト周波数を前後に含む領域のデータについて、前記２次元フーリエ変換を行う、
請求項１〜１３、および１８〜２０の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２４】
前記変調器は、一つの変調器として構成され、
前記演算部が、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換により得られたデータのうち、前記一つの変調器における変調周波数または該変調周波数の倍波を中心としてナイキスト周波数を前後に含む領域のデータについて、前記周波数に関する１次元フーリエ変換、および前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う、
請求項１４〜２０の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２５】
前記対象物の移動速度を検出する速度検出部を更に備え、
前記演算部が、前記速度検出部により検出された前記対象物の速度に基づいて、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換または前記２次元フーリエ変換の際に前記対象物の速度変化に関する補正を行う、
請求項１〜２４の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２６】
前記対象物への光の照射が、透過照明の光学配置である請求項１〜２５の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２７】
前記対象物への光の照射が、反射照明の光学配置である請求項１〜２５の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２８】
前記光源部が、単一縦モードの光を生成する光源である請求項１〜２７の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項２９】
前記光源部が、広帯域の光を生成する光源である請求項１〜２７の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項３０】
前記光源部が、モードロックレーザーである請求項２９に記載の観察装置。
【請求項３１】
前記検出器は、前記受光面の前面に配置され、前記光源部からの光を遮断し、前記対象物から生じた蛍光を透過するフィルタを更に備える請求項１〜３０の何れか１項に記載の観察装置。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２２】
【図２４】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図１】
【図１２】
【図２１】
【図２３】
【図２５】
【図４２】
【図４３】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２２】
【図２４】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図１】
【図１２】
【図２１】
【図２３】
【図２５】
【図４２】
【図４３】
【公開番号】特開２０１３−８８５２０（Ｐ２０１３−８８５２０Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２７１１９（Ｐ２０１１−２２７１１９）
【出願日】平成２３年１０月１４日（２０１１．１０．１４）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１４日（２０１１．１０．１４）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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