CN103189778B - 结构化照明装置、结构化照明显微镜装置以及面形状测定装置 - Google Patents

结构化照明装置、结构化照明显微镜装置以及面形状测定装置 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于使图像取得高速化，因此本发明的结构化照明装置具备：光调制器(3)，其配置在从光源出射的出射光束中，在横截该出射光束的方向上配有声波传播路；驱动机构(19)，其通过将用于使所述声波传播路的介质振动的驱动信号提供给所述光调制器，在所述声波传播路内生成声波驻波；和照明光学系统(4-9)，其使穿过了所述声波传播路的所述出射光束的互不相同的衍射成分进行干涉，将其干涉条纹形成于被观察物。

Description

结构化照明装置、结构化照明显微镜装置以及面形状测定装置
技术领域
本发明涉及能够实现面内方向的超分辨率的结构化照明装置、结构化照明显微镜装置、图案投影型的面形状测定装置。
背景技术
超分辨率显微镜是如下显微镜：为了使从试样出射的衍射光中超过分辨率极限的高空间频率的信息(大角度的衍射光)有助于成像，对照明试样面的照明光束实施调制，对入射到与成像光学系统的试样面大致共轭的位置的成像光束实施解调(参考非专利文献1、专利文献1、专利文献2、专利文献3等。)。
在非专利文献1的方法中，在试样面的附近配置衍射光栅(调制用衍射光栅)，并且在与成像光学系统的试样面大致共轭的位置配置具有与调制用衍射光栅共轭的光栅常数的衍射光栅(解调用衍射光栅)。如果使这2个衍射光栅共轭地移动，则能够将试样的结构与衍射光栅的图案分离来观察。
另一方面，在专利文献1中，公开了将结构化照明显微镜适用于荧光观察的例子。在专利文献1的方法中，将从可干涉光源出射的光束通过衍射光栅分成2个光束，使这2个光束分别聚光到物镜的光瞳上的互不相同的位置。此时2个光束作为角度不同的平行光束而从物镜出射，在试样面上形成重叠的条状的干涉条纹。由此试样面被结构化照明。并且，在专利文献1的方法中，一边使结构化照明的相位步进地变化一边反复取得试样像的图像，对所取得的多个图像实施与所述的分离相当的运算(分离运算)和与所述的解调相当的运算(解调运算)。
顺带，作为使结构化照明的相位步进地变化的方法，有如下方法等：将楔型棱镜插入所述的2个光束的一方并使其向垂直于光轴的方向步进移动的方法；使衍射光栅向垂直于光栅线的方向步进移动的方法；和使试样向结构化照明的俯仰方向步进移动的方法。
进而，在专利文献2的方法中，通过一边使结构化照明的方向步进地变化一边反复取得试样像的图像，在各个方向上获得了超分辨率效果。顺带，作为使结构化照明的方向步进地变化的方法，有通过旋转马达等使衍射光栅或试样绕光轴步进地旋转的方法。
特别是，在非专利文献2的方法中，使用4个音响光学元件使结构化照明的方向或相位变化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11-242189号公报
专利文献2：美国再发行专利发明第38307号说明书
专利文献3：美国专利申请公开第2009/0219607号公报
非专利文献
专利文献1：W.Lukosz，″Opticalsystemswithresolvingpowersexceedingtheclassicallimit.II″JournaloftheOpticalSocietyofAmerica，VoL.57，PP.932，1967
非专利文献2：OlgaGliko，″Developmentoffasttwo-dimensionalstandingwavemicroscopyusingacousto-opticdeflectors″proc.OfSPIEVoL.686168610B-8
发明内容
发明要解决的问题
然而，在使光学元件步进移动的情况下，因为使移动了的光学元件静止在适当的位置需要花费一定的时间，所以在专利文献2的方法中难以将直到取得全部必要图像为止的所需时间缩短。特别是，在作为观察对象的试样是生物体样本的情况下，由于试样的结构可能时时刻刻地发生变化，因此图像取得应该尽可能快速地进行。
另外，在如非专利文献2所示使用4个音响光学元件的方法中，因为超分辨率显微镜的光学系复杂，所以相应地在光学系的调整和成本方面不利。
于是，本发明的目的在于，提供一种适于使图像取得高速化的结构的结构化照明装置、有效的结构化照明显微镜装置以及有效的面形状测定装置。
用于解决问题的技术方案
本发明的结构化照明装置具备：光调制器，其配置在从光源出射的出射光束中，在横截该出射光束的方向上配有声波传播路；驱动机构，其通过将用于使所述声波传播路的介质振动的驱动信号提供给所述光调制器，在所述声波传播路内生成声波驻波；和照明光学系统，其使穿过了所述声波传播路的所述出射光束的互不相同的衍射成分进行干涉，将其干涉条纹形成于被观察物。
另外，所述驱动机构可以通过将向所述光调制器提供的所述驱动信号的频率设定成规定的频率来生成所述声波驻波。
另外，本发明的结构化照明装置可以具备调节机构，该调节机构根据所述声波传播路的介质的温度来调节所述驱动信号的频率和振幅中的至少一方。
另外，本发明的结构化照明装置具备检测所述声波传播路的介质的温度的温度传感器，所述调整机构可以根据所述温度传感器检测的所述温度来调节所述驱动信号的频率。
另外，本发明的结构化照明装置具备检测所述声波传播路的介质的温度的温度传感器，所述调整机构可以根据所述温度传感器检测的所述温度来调节所述驱动信号的振幅。
另外，本发明的结构化照明装置可以具备对在所述声波传播路的介质产生的热进行散热的散热机构。
另外，本发明的结构化照明装置可以具备使所述干涉条纹的相位变化的相位变化机构。
另外，所述相位变化机构可以是使所述光调制器在规定的方向上移动的驱动装置。
另外，所述驱动装置可以根据所述声波驻波的方向来改变移动量。
另外，有助于所述干涉条纹的有效的所述出射光束，是穿过了从所述声波传播路的两端离开的规定的部分区域的出射光束，所述相位变化机构可以是通过使所述声波驻波的波长按规定的图案变化来使所述干涉条纹的相位变化的所述驱动机构。
另外，所述驱动机构可以通过使向所述光调制器提供的所述驱动信号的频率按规定的图案变化来使所述声波驻波的波长变化。
另外，所述驱动机构是按所述声波驻波的总的波条数每次变化M/2条的图案使所述频率变化的机构，其中，|M|为1以上的整数，在将所述干涉条纹的相位偏移量设定成Δφ的情况下，从所述声波传播路的任意一方的端部到所述部分区域的距离D、和所述声波传播路的总长L可以被设定成满足D∶L＝Δφ/M∶2π的关系。
另外，可以为M＝1。另外，可以为Δφ＝2π/k，其中，|k|为2以上的整数。
另外，所述光调制器可以具有在所述部分区域交叉的多个所述声波传播路。
另外，所述光调制器可以具备：具有多个彼此相对的平行的侧面对的柱状的声光介质；和向形成在这些多个侧面对的各侧面对之间的声波传播路生成声波驻波的多个超声波变频器。
另外，多个所述声波传播路的配置关系可以被设定成能够在与所述照明光学系统的光轴垂直的面内互不相同的多个方向之间切换所述干涉条纹的方向。
另外，本发明的结构化照明装置可以具备：信号生成机构，其生成向所述多个超声波变频器的任一个提供的所述驱动信号；和切换机构，其将所述信号生成机构生成的所述驱动信号的输入目的地在所述多个超声波变频器之间进行切换。
另外，本发明的结构化照明显微镜装置具备：本发明的任一结构化照明装置；和成像光学系统，其将来自被所述结构化照明装置照明的所述被观察物的观察光束成像于检测器。
另外，本发明的结构化照明显微镜装置可以具备根据所述声波传播路的介质的温度来调节所述检测器的曝光量的调节机构。
另外，所述观察光束可以是荧光光束。
另外，本发明的结构化照明显微镜装置可以具有运算机构，该运算机构基于在所述波长的切换中所述检测器依次取得的多个图像算出所述被观察物的超分辨率图像。
另外，本发明的面形状测定装置具备：本发明的任一结构化照明装置；图像检测器，其对被所述结构化照明装置照明的所述被观察物的图像进行检测；和运算机构，其基于在所述波长的切换中所述图像检测器依次取得的多个图像算出所述被观察物的面形状。
附图说明
图1是第1实施方式的结构化照明显微镜系统的结构图。
图2是超声波光调制器3的结构图。
图3是说明超声波光调制器3的驱动电路19A的图。
图4是从光轴方向观察超声波光调制器3的周边得到的图。
图5是说明在结构化照明的方向为第2方向Db时的压电致动器22的一步的行程的图。
图6是说明在结构化照明的方向为第3方向Dc时的压电致动器22的一步的行程的图。
图7是表示超声波光调制器3的温度与适当频率的关系的曲线图。
图8是第1实施方式中的CPU的工作流程图。
图9是从光轴方向观察第2实施方式的超声波光调制器3的周边得到的图。
图10是以图9的X-X′面(与光轴平行且横截变频器18b、18c的平面)切断超声波光调制器3得到的剖面图。
图11是第3实施方式的结构化照明显微镜系统的结构图。
图12中的图12(A)是表示在超声波光调制器3的超声波传播路R内生成的超声波驻波的图案的示意图，图12(B)是表示与其对应的结构化照明的图案(明部以及暗部的配置)的示意图。图12(C)～(E)是说明波条数发生了变化时的条纹条数的变化的图。
图13中的图13(A)是说明长度L与距离D的关系的图，图13(B)是与光斑S对应的结构化照明S′的概念图，图13(C)是说明结构化照明S′的条纹条数的偏移的图。
图14是超声波光调制器3的结构图。
图15是说明超声波光调制器3的驱动电路19A的图。
图16是第3实施方式中的CPU的工作流程图。
图17是超声波光调制器3的变形例。
图18是第4实施方式的面形状测定装置的结构图。
图19是超声波光调制器3′的结构图。
具体实施方式
[第1实施方式]
以下，使用附图对本发明的第1实施方式进行说明。本实施方式是适用于荧光观察的结构化照明显微镜系统的实施方式。
图1是本实施方式的结构化照明显微镜系统的结构图。如图1所示，在结构化照明显微镜系统中配置有：光纤1、聚光透镜2、超声波光调制器3、透镜4、0次光遮掩膜5A、透镜6、视场光阑5B、透镜7、分色镜8、第二物镜11、摄像装置(CCD照相机等)12、控制装置19、图像存储运算装置(计算机等)13、图像显示装置14、物镜9等。图1中以附图标记10所示的是在未图示的工作台上载置的样本的观察对象面(样本面)，该样本是被荧光染色的生物体样本。
在图1中，光纤1对来自未图示的可干涉光源的光进行导光，在其出射端形成二次点光源(可干涉的二次点光源)。此外，未图示的可干涉光源的波长被设定成与样本的激发波长相同的波长。从该二次点光源出射的光被聚光透镜2转换成平行光，向超声波光调制器3入射。
超声波光调制器3具有在垂直于光轴的方向上传播超声波的超声波传播路R，通过在该超声波传播路R上生成超声波的平面驻波(以下，称为“超声波驻波”)，对超声波传播路R赋予正弦波状的折射率分布。这样的超声波光调制器3，针对入射光起到相位型衍射光栅的作用，将该光分支成各次的衍射光。图1中，以实线所示的是0次衍射光，以虚线所示的是±1次衍射光。
此外，超声波光调制器3被支承框21从其周边所支承，在支承框21设置有使支承框21以及超声波光调制器3向与超声波的波面垂直的方向变位的压电致动器22。顺带，压电致动器22的一步的行程，被设定成使后述的结构化照明的相位变化2π/3的值。
从超声波光调制器3出射的各次的衍射光，在穿过了透镜4之后形成光瞳共轭面。在该光瞳共轭面的附近配置有0次光遮掩膜5A，该0次光遮掩膜5A具有将0次衍射光以及2次以上的高次衍射光遮掉而仅使±1次衍射光穿过的功能。
穿过了0次光遮掩膜5A的±1次衍射光，在穿过透镜6之后形成样本共轭面。在该样本共轭面的附近配置有视场光阑5B，该视场光阑5B具有对样本面10上的照明区域(观察区域)的尺寸进行控制的功能。
穿过了视场光阑5B的±1次衍射光，在穿过透镜7之后向分色镜8入射，被该分色镜8反射。被分色镜8反射的±1次衍射光，在物镜9的光瞳P上的互不相同的位置上分别形成光斑。此外，光瞳P上的2个点的形成位置，是光瞳P的大概最外周部，是相对于物镜9的光轴相互对称的位置。
因此，从物镜9的前端出射的±1次衍射光，以与物镜9的NA相当的角度从彼此相反的方向照射样本面10。如上所述，因为这些±1次衍射光彼此是可干涉的光，因此在样本面10上投影了条纹间距一样的条状的干涉条纹。由此，样本面10的照明图案成为具有条纹介结构的照明图案。如此，通过具有条纹结构的照明图案进行的照明是结构化照明。在被结构化照明的样本面10的荧光区域，荧光物质被激发而发出荧光。
此外，为了在样本面10上以高对比度形成具有条纹结构的照明图案，需要使入射到样本面10的全部±1次衍射光相对于垂直于入射面的电场振动方向即样本面10具有S偏光。因此，优选预先准备下面的2种光学系(第1光学系、第2光学系)的任一方。
作为第1光学系，在图1的聚光透镜2与超声波光调制器3之间，设置未图示的起偏振镜以及第1个1/4波长板，进而在0次光遮掩膜5A附近设置未图示的第2个1/4波长板。在第1光学系的情况下，由配置在超声波光调制器3附近的第1个1/4波长板将透过超声波光调制器3的光设为圆偏光，透过0次光遮掩膜5A后的光成为直线偏光。进而，通过使配置在光遮掩膜5A附近的第2个1/4波长板旋转，能够获得具有所希望的方向的偏光。
作为第2光学系，在图1的聚光透镜2与超声波光调制器3之间，设置未图示的起偏振镜，在0次光遮掩膜5A附近设置未图示的1/2波长板。在第2光学系的情况下，由配置在超声波光调制器3附近的起偏振镜将透过超声波光调制器3的光设为具有特定方向的直线偏光，透过0次光遮掩膜5A后的光成为方向与该直线偏光不同的直线偏光。进而，通过使配置在光遮掩膜5A附近的1/2波长板旋转，能够获得具有所希望的方向的偏光。
在此，根据结构化照明，与结构化照明的结构周期和荧光区域的结构周期之差相当的莫尔条纹出现在样本面10上。在该莫尔条纹上，荧光区域的结构的空间频率被调制，向比实际低的空间频率偏移。因此，根据结构化照明，荧光区域的结构中表示空间频率高的成分的荧光、即甚至是以超过物镜9的分辨率极限的大角度出射的荧光也能够入射到物镜9。
从样本面10出射并入射到物镜9的荧光，在通过物镜9转换成
平行光之后向分色镜8入射。该荧光，通过在透过了分色镜8之后穿过第二物镜11而在摄像装置12的摄像面上形成样本面10的荧光像。但是，在该荧光像上，不仅包含样本面10的荧光区域的结构信息还包含结构化照明的结构信息，在该荧光像上，样本面10的荧光区域的结构的空间频率仍维持被调制(即仍维持向比实际低的空间频率偏移)。
控制装置19，通过使所述的压电致动器22变位，使超声波光调制器3的位置向基准位置以及其两侧的2个位置这3个位置步进移动。由此，结构化照明的相位变化1个周期。并且，控制装置19，在超声波光调制器3位于各步位置时驱动摄像装置12取得3种图像数据I1、I2、I3，将这些图像数据I1、I2、I3依次向图像存储运算装置13发送。此外，在此，虽然取得了结构化照明的相位不同的3种图像数据，但也可以取得结构化照明的相位不同的4种以上的图像数据。但是，为了能够通过图像存储运算装置13进行分离运算(后述)，最低需要3种。
图像存储运算装置13，通过对所取来的图像数据I1、I2、I3实施分离运算，取得除去了结构化照明的结构信息的图像数据I。然后，图像存储运算装置13，通过对该图像数据I实施解调运算，取得荧光区域的结构信息的空间频率返回到实际的空间频率的图像数据I′，将该图像数据I′向图像显示装置14发送。因此，在图像显示装置14上显示超过了物镜9的分辨率极限的分辨率图像(超分辨率图像)。
图2是超声波光调制器3的结构图。图2(A)是从正面(光轴方向)观察超声波光调制器3得到的图，图2(B)是从侧面(垂直于光轴的方向)观察超声波光调制器3得到的图。
如图2所示，超声波光调制器3具有：将中心轴线配置在光轴上的正六边柱状的声光介质15；和在声光介质15的6个侧面中彼此不相对的3个侧面上分别设置的3个变频器(transducer)18a、18b、18c。此外，声光介质15的材料，例如是石英玻璃、碲酸盐玻璃、重燧石玻璃、燧石玻璃等，该6个侧面以及2个底面分别被以足够的精度研磨。
变频器18a是具有压电体16a和在压电体16a的上下面分别形成的2个电极17a的超声波变频器，并经由其中一个电极17a与声光介质15的1个侧面接合。
因此，当在变频器18a的2个电极17a之间施加高频交流电压时，压电体16a在厚度方向上振动，从变频器18a的形成面向与其相对的侧面15a传播平面超声波，该超声波在侧面15a折返光路。由此，在施加于2个电极17a之间的交流电压的频率被设定成特定的频率的情况下，该超声波成为驻波。
此时在声光介质15内部的折射率上，向超声波的前进方向赋予正弦波状的分布。因此，该状态下的超声波光调制器，成为具有与侧面15a平行的相位光栅的相位型衍射光栅。以下，将该状态下的超声波光调制器3的调制方向(图2的箭头方向)称为“第1方向”。
此外，在形成在声光介质15内部的超声波从完整的驻波偏离的情况下，由于所述的±1次衍射光的衍射效率下降，因此结构化照明的对比度下降。这是因为：当超声波光调制器3处于驱动状态时，由于压电体16a的焦耳热、接合部的声波反射、声光介质15内的声波衰减等原因使声光介质15发热并膨胀，因此其特性随时间发生变化。因此，在某频率超声波光调制器3开始被驱动，即使在初始状态下驻波确立，但随着时间经过驻波的确立条件有可能不再确立。即，驻波的确立频率(适当频率)，依赖于超声波光调制器3的温度。
但是，如果对比度的下降量被控制在容许范围内(即所述运算的运算误差被控制在容许范围内)，则即使形成在声光介质15内部的超声波从完整的驻波些许偏离也是可以的。由此，在此将“适当频率”解释成“在驻波的确立频率的附近使运算误差被控制在容许范围内的频率范围”，当然也是可以的。
另外，变频器18b也是与变频器18a相同的结构，具有压电体16b和分别形成在压电体16b的上下面的2个电极17b，经由其中一个电极17b与声光介质15的1个侧面接合。
因此，当在变频器18b的2个电极17b之间施加适当频率的交流电压时，声光介质15成为具有与变频器18b的形成面以及与其相对的侧面15b平行的相位光栅的相位型衍射光栅。以下，将该状态下的超声波光调制器3的调制方向(光栅周期方向)称为“第2方向”。该第2方向相对于第1方向呈60°的角度。
另外，变频器18c也是与变频器18a相同的结构，具有压电体16c和在压电体16c的上下面分别形成的2个电极17c，经由其中个电极17c与声光介质15的1个侧面接合。
因此，当在变频器18c的2个电极17c之间施加适当频率的交流电压时，声光介质15成为具有与变频器18c的形成面以及与其相对的侧面15c平行的相位光栅的相位型衍射光栅。以下，将该状态下的超声波光调制器3的调制方向(光栅周期方向)称为“第3方向”。该第3方向相对于第1方向呈-60°的角度。
图3是说明超声波光调制器3的驱动电路19A的图。以下，将该驱动电路19A作为图1所示的控制装置19的一部分来说明。
如图3所示，驱动电路19A具备高频交流电源19A-1和切换开关19A-2。
高频交流电源19A-1生成应向超声波光调制器3供给的交流电压。该交流电压的频率是数十MHz～100MHz左右，被控制装置19内的CPU控制成适当的值。
切换开关19A-2配置在高频交流电源19A-1与超声波光调制器3之间，能够将超声波光调制器3一侧的连接目的地在超声波光调制器3的3个变频器18a、18b、18c之间进行切换。开关19A-2的连接目的地，通过控制装置19内的CPU13进行适当切换。
在切换开关19A-2的连接目的地为变频器18a一侧时，因为交流电压被施加在变频器18a的2个电极之间，所以超声波光调制器3的调制方向成为第1方向Da。
另外，在切换开关19A-2的连接目的地为变频器18b一侧时，因为交流电压被施加在变频器18b的2个电极之间，所以超声波光调制器3的调制方向成为第2方向Db。
另外，在切换开关19A-2的连接目的地为变频器18c一侧时，因为交流电压被施加在变频器18c的2个电极之间，所以超声波光调制器3的调制方向成为第3方向Dc。
因此，控制装置19内的CPU仅通过切换切换开关19A-2的连接目的地，就能够将超声波光调制器3的调制方向在第1方向Da、第2方向Db、第3方向Dc之间进行切换。
此外，超声波光调制器3的调制方向为第1方向Da时的结构化照明的方向、超声波光调制器3的调制方向为第2方向Db时的结构化照明的方向、与超声波光调制器3的调制方向为第3方向Dc时的结构化照明的方向之间的关系，和第1方向Da、第2方向Db与第3方向Dc之间的关系相同。
由此，以下将超声波光调制器3的调制方向为第1方向Da时的结构化照明的方向称为“第1方向Da”，将超声波光调制器3的调制方向为第2方向Db时的结构化照明的方向称为“第2方向Db”，将超声波光调制器3的调制方向为第3方向Dc时的结构化照明的方向称为“第3方向Dc”。
图4是从光轴方向观察超声波光调制器3的周边得到的图。
如图4所示，压电致动器22变位的方向D与第1方向Da一致。由此，理所当然，如果在结构化照明的方向为Da时压电致动器22向该方向D变位，则结构化照明的相位发生变化。
但是，因为该方向D与第2方向Db以及第3方向Dc分别所呈的角度并不是90°，所以即使将结构化照明的方向设为第2方向Db或第3方向Dc，如果压电致动器22向该方向D变位，则结构化照明的相位也发生变化。
但是，若使压电致动器22的一步的行程不变，则在结构化照明的方向为第1方向Da时与不为第1方向Da时之间结构化照明的一步的相位偏移量会不同。
因此，控制装置19内的CPU，在将结构化照明的方向在第1方向Da、第2方向Db、第3方向Dc之间进行切换时，就是对压电致动器22的一步的行程(即向压电致动器22施加的电压值)进行切换。
具体而言，CPU首先将结构化照明的方向为第1方向Da时的压电致动器22的一步的行程Δ设定成使该结构化照明的相位变化2π/3的值。
并且，CPU将结构化照明的方向为第2方向Db时的压电致动器22的一步的行程设定成2Δ，将结构化照明的方向为第3方向Dc时的压电致动器22的一步的行程设定成-2Δ。
如图5所示，因为方向D与第2方向Db呈60°的角度，所以当将向方向D的行程2Δ投影到第2方向Db时，成为2Δ×cos60°-Δ。由此，在将向方向D的行程设定成2Δ的情况下，向第2方向Db的行程成为Δ。
因此，根据该设定，结构化照明的方向为第2方向Db时的一步的相位偏移量，与结构化照明的方向为第1方向Da时的一步的相位偏移量一致。
另外，如图6所示，因为方向D与第3方向Dc呈-60°的角度，所以当将向方向D的行程-2Δ投影到第3方向Dc时，成为-2Δ×cos(-60°)＝Δ。由此，在将方向D的行程设定成-2Δ的情况下，向第3方向Dc的行程成为Δ。
因此，根据该设定，结构化照明的方向为第3方向Dc时的一步的相位偏移量，与结构化照明的方向为第1方向Da时的一步的相位偏移量一致。
以上的结果是，结构化照明的一步的相位偏移量，不管结构化照明的方向如何都保持一定(在此为2π/3)。
另外，如图4所示，在超声波光调制器3与支承框21之间介有树脂制的衬垫(pad)20，在该衬垫20与支承框21之间，设置有例如由铂电阻体等构成的温度传感器201。该温度传感器201的检测对象是超声波光调制器3的温度(声光介质15的温度)。以将所述的交流电压保持适当频率(驻波的确立频率)的目的，通过控制装置19内的CPU在适当的定时参考由温度传感器201检测到的温度。
图7是表示超声波光调制器3的温度与适当频率的关系(适当频率信息)的曲线图。如图7所示，当超声波光调制器3的温度在从约25℃到约45℃之间变化时，适当频率在从约80.2MHz到约79.9MHz之间变化。
于是，控制装置19内的CPU将该适当频率信息以查找表的形式预先存储。在该查找表中，将声光介质15的各温度与各温度下的适当频率以相互对应的状态来保存。
图8是第1实施方式的CPU的工作流程图。以下，依次说明各步骤。
步骤S11：CPU参考由温度传感器201检测的温度T。
步骤S12：CPU根据温度T来参考查找表，将与该温度T对应的适当频率f作为当前时刻的适当频率来读出。然后，CPU将高频交流电源19A-1生成的交流电压的频率设定成该适当频率f。
步骤S13：CPU通过将切换开关19A-2的连接目的地设定在变频器18a一侧，将结构化照明的方向设定成第1方向Da。
步骤S14：CPU将压电致动器22的一步的行程设定成Δ。接着，CPU在压电致动器22的变位为零的状态下驱动摄像装置12来取得图像数据Ia1。接着，CPU在使压电致动器22的变位向正侧仅变化1步后驱动摄像装置12来取得图像数据Ia2。接着，CPU在使压电致动器22向负侧仅变位2步后驱动摄像装置12来取得图像数据Ia3。然后，CPU将压电致动器22的变位返回到零。
此外，本步骤中的CPU通过经由未图示的同步控制电路控制压电致动器22的驱动定时和摄像装置12的驱动定时，连续地取得所需的图像数据Ia1、Ia2、Ia3。由此，一连串的3个图像数据Ia1、Ia2、Ia3的取得速度被保持得较高。
步骤S15：CPU参考温度传感器201检测的温度T，判断该温度T是否与上次值不同。在不同的情况下移至步骤S16，在相同的情况下移至步骤S17。
步骤S16：CPU根据温度T来参考查找表，将与该温度T对应的适当频率f作为当前时刻的适当频率来读出。然后，CPU将高频交流电源19A-1生成的交流电压的频率设定成该适当频率f。
步骤S17：CPU通过将切换开关19A-2的连接目的地切换成变频器18b一侧，将结构化照明的方向切换成第2方向Db。
步骤S18：CPU将压电致动器22的一步的行程切换成2Δ。接着，CPU在将压电致动器22的变位配置成零后驱动摄像装置12来取得图像数据Ib1。接着，CPU从将压电致动器22的变位向正侧仅变位1步后驱动摄像装置12来取得图像数据Ib2。接着，CPU在将压电致动器22向负侧仅变位2步后驱动摄像装置12来取得图像数据Ib3。然后，CPU将压电致动器22的变位返回到零。
此外，本步骤中的CPU，通过经由未图示的同步控制电路来控制压电致动器22的驱动定时和摄像装置12的驱动定时，连续地取得所需的图像数据Ib1、Ib2，Ib3。由此，一连串的3个图像数据Ib1、Ib2、Ib3的取得速度被保持得较高。
步骤S19：CPU参考温度传感器201检测的温度T，判断该温度T是否与上次值不同。在不同的情况下移至步骤S20，在相同的情况下移至步骤S21。
步骤S20：CPU根据温度T来参考查找表，将与该温度T对应的适当频率f作为当前时刻的适当频率来读出。然后，CPU将高频交流电源19A-1生成的交流电压的频率设定成该适当频率f。
步骤S21：CPU通过将切换开关19A-2的连接目的地切换成变频器18c一侧，将结构化照明的方向切换成第3方向Dc。
步骤S22：CPU将压电致动器22的一步的行程切换成-2Δ。接着，CPU在将压电致动器22的变位设定成零后驱动摄像装置12来取得图像数据Ic1。接着，CPU在将压电致动器22向正侧仅移动1步后驱动摄像装置12来取得图像数据Ic2。接着，CPU在将压电致动器22向负侧仅移动2步后驱动摄像装置12来取得图像数据Ic3。然后，CPU将压电致动器22的变位返回到零，结束流程。
此外，本步骤中的CPU，通过未图示的同步控制电路来控制压电致动器22的驱动定时和摄像装置12的驱动定时，连续地取得所需的图像数据Ic1、Ic2、Ic3。由此，一连串的3个图像数据Ic1、Ic2、Ic3的取得速度被保持地较高。
然后，通过以上的流程取得的一连串的9个图像数据Ia1、Ia2、Ia3、Ib1、Ib2、Ib3、Ic1、Ic2、Ic3被取入图像存储运算装置13。
图像存储运算装置13通过对一连串的3个图像数据Ia1、Ia2、Ia3实施由线性运算构成的分离运算，取得不包含结构化照明的结构信息的图像数据Ia，通过对该图像数据Ia实施包括解调系数的乘法运算的解调运算，取得在第1方向Da范围上的超分辨率图像的解调图像数据Ia′。
另外，图像存储运算装置13通过对一连串的3个图像数据Ib1、Ib2、Ib3实施由线性运算构成的分离运算，取得不包含结构化照明的结构信息的图像数据Ib，通过对该图像数据Ib实施包括解调系数的乘法运算的解调运算，取得在第2方向Db范围上的超分辨率图像的解调图像数据Ib′。
另外，图像存储运算装置13，通过对一连串的3个图像数据Ic1、Ic2、Ic3实施由线性运算构成的分离运算，取得不包含结构化照明的结构信息的图像数据Ic，通过对该图像数据Ic实施包括解调系数的乘法运算的解调运算，取得在第3方向Dc范围上的超分辨率图像的解调图像数据Ic′。
然后，图像存储运算装置13，通过将3个解调图像数据Ia′、Ib′、Ic′在波数空间上进行合成然后在此返回到实际空间，取得在第1方向Da、第2方向Db、第3方向Dc范围上的超分辨率图像的图像数据I，将该图像数据I向图像显示装置14发送。因此，在图像显示装置14显示详细地示出样本面10的荧光区域的结构的超分辨率图像。
在此，虽然在上述的步骤S13、S17、S21中结构化照明的方向被切换，但在该切换中，因为仅以电方式改变切换开关19A-2的连接状态，所以该切换所需的时间短，即使连带包含电源的电路系统的时间常数，也被抑制在10ms以下。
另外，在上述的步骤S11、S12、S15、S16、S19、S20中，虽然根据超声波光调制器3的温度调节交流电压的频率，但该调节所需的时间极短。
因此，一连串的9个图像数据Ia1、Ia2、Ia3、Ib1、Ib2、Ib3、Ic1、Ic2、Ic3的取得所需的时间，与为了切换结构化照明的方向而反复进行衍射光栅或样本的旋转以及静止的情况相比，被抑制得格外短。
顺带，在通过旋转马达使衍射光栅或样本旋转的方法中，直到使其停止的时间、和/或停止后直到振动被控制的待机时间长，难以使一连串的9个图像数据Ia1、Ia2、Ia3、Ib1、Ib2、Ib3、Ic1、Ic2、Ic3的取得速度提高。
另外，在上述的步骤S11、S12、S15、S16、S19、S20中，因为根据超声波光调制器3的温度调节交流电压的频率，所以能够使该频率始终保持适当频率，使结构化照明的对比度始终保持得较高。
因此，在一连串的9个图像数据Ia1、Ia2、Ia3、Ib1、Ib2、Ib3、Ic1、Ic2、Ic3中，正确地反映了样本面10的荧光区域的结构的信息。由此，所述的超分辨率图像的取得精度被保持得较高。
另外，在本实施方式中，如图4所示，尽管结构化照明的方向有3个方向，但压电致动器22只有1个。由此，超声波光调制器3周边的结构简单。
进而在本实施方式中，因为在光轴上的同一位置能够切换地形成方向不同的多个衍射光栅，所以即使切换结构化照明的方向也不需要焦点位置的再调整等，能够同时实现高对比度和图像取得时间的缩短。
而且，根据上述的步骤S14、S18、S22，与超声波光调制器3的调制方向相应地切换压电致动器22的一步的行程，因此结构化照明的方向为第1方向Da时的相位偏移量、结构化照明的方向为第2方向Db时的相位偏移量、和结构化照明的方向为第3方向Dc时的相位偏移量相等。
因此，图像存储运算装置13能够使应该对一连串的3个图像数据Ia1、Ia2、Ia3实施的运算、应该对一连串的3个图像数据Ib1、Ib2、Ib3实施的运算、和应该对一连串的3个图像数据Ic1、Ic2、Ic3实施的运算共同化。
其结果，根据本实施方式，能够一边将超声波光调制器3周边的结构抑制得简单，一边防止图像存储运算装置13的电路规模的增大。
[第1的实施方式的补充]
此外，本实施方式的CPU每次取得一连串的3个图像数据(图像数据Ia1、Ia2、Ia3或图像数据Ib1、Ib2、Ib3或图像数据Ic1、Ic2、Ic3)都进行了频率调节，但也可以每隔规定期间进行频率调节。或者，也可以测定对超声波光调制器3连续通电的期间，每当连续通电的期间达到规定期间时进行频率调节。但是，无论是哪种情况，都希望在一连串的3个图像数据(图像数据Ia1、Ia2、Ia3或图像数据Ib1、Ib2、Ib3或图像数据Ic1、Ic2、Ic3)的取得过程中不改变频率。
另外，本实施方式的CPU根据超声波光调制器3的温度对交流电压的频率进行了调节，但也可以取代频率而调节交流电压的振幅，或除了频率以外还调节交流电压的振幅。在固定了交流电压的频率的情况或交流电压的频率调节不足的情况下，存在超声波从驻波偏离、结构化照明的对比度下降的可能性。但是，如果在该情况下将交流电压的振幅设定得高，则结构化照明的强度高，因此能够某种程度地抑制所述的运算误差的增大。
另外，本实施方式的CPU根据超声波光调制器3的温度对交流电压的频率进行了调节，但也可以取代频率而调节摄像装置12的电荷蓄积时间，或者除了频率以外还调节摄像装置12的电荷蓄积时间。这是因为：在固定了交流电压的频率的情况或交流电压的频率调节不足的情况下，存在超声波从驻波偏离、结构化照明的对比度下降的可能性。但是，如果在该情况下将摄像装置12的电荷蓄积时间设定得长，则能够以高曝光检测荧光像，因此能够某种程度地抑制所述的运算误差的增大。
另外，本实施方式的超声波光调制器3的声光介质15的形状是正六边柱状，但也可以是存在多个彼此相对的侧面对的其他形状，例如是正四边柱状、正八边柱状等。
顺带，在声光介质15的形状为正四边柱状的情况下，变频器的个数为2个，超声波光调制器3的调制方向为相互离90°的不同的2个方向。另外，在声光介质15的形状为正八边柱状的情况下，变频器的个数为4个，超声波光调制器3的调制方向为相互离45°的不同的4个方向。
但是，声光介质15的形状为正六边柱状，在图像取得效率这一点上是优选的。这是因为：如果将超声波光调制器3的调制方向设为相互离60°的不同的3个方向，则应取得的图像数据的数量少，比较而言能够取得的信息量多(多个解调图像数据的波数空间上的分布域广)。
[第2实施方式]
以下，使用附图对本发明的第2实施方式进行说明。本实施方式是第1实施方式的变形例。在此仅说明与第1的实施方式的不同之处。
不同之处是对超声波光调制器3添加散热功能这一点。取而代之，在本实施方式中频率调节(或振幅调节或电荷蓄积时间调节)的频度比第1实施方式中的频度低。或者，省略频率调节(或振幅调节或电荷蓄积时间调节)。
图9是从光轴方向观察第2实施方式的超声波光调制器3的周边得到的图，图10是由图9的X-X′面(与光轴平行且横截变频器18b、18c的平面)切断超声波光调制器3得到的剖面图。
图9、图10所示的支承框21′由铝等导热率高的材料构成，介于支承框21′与超声波光调制器3之间的衬垫20′，是将超声波光调制器3的热向支承框21′传导的带型散热件。衬垫20′的导热率例如为1.7W/mK，衬垫20′的厚度例如为0.5mm(作为这种规格的衬垫，有3M产的5503S。)。
另外，如图10所示，在支承框21′的表面，在不妨碍超声波光调制器3的光路的范围内粘贴有珀耳元件300。该珀耳元件300具有将支承框21′的热向空气侧散热的作用。
因此，由珀耳元件300、支承框21′和衬垫20′构成的机构，具有将超声波光调制器3产生的热向离开超声波光调制器3的空间散热的作用。
具体而言，通电100秒时的超声波光调制器3的温度上升量，在没有该散热功能的情况下为5.5℃，与此相对，在有散热功能的情况下能够期待被控制在0.6℃左右。因此，在本实施方式中，所述的交流电压的适当频率可视为几乎不怎么变化(参照图7)。
其结果，在本实施方式中，即使降低频率调节(或振幅调节或电解蓄积时间调节)的频度、或省略频率调节(或振幅调节或电荷蓄积时间调节)，也能够将超分辨率图像的取得精度保持为与第1实施方式同等程度。
[例示本发明的结构化显微镜装置等的补充]
此外，在例示本发明的结构化照明显微镜装置中，所述超声波光调制器可以具备：柱状的声光介质，其具有多个彼此相对的平行的侧面对、且将中心轴配置在光轴上；和多个超声波变频器，其在所述声光介质的多个侧面对的各侧面对之间生成超声波。
另外，在例示本发明的结构化照明显微镜装置中，投影到被观察物上的干涉条纹，可以使用由衍射光栅生成的多个光束中的3个以上的光束来形成。
另外，例示本发明的结构化照明显微镜装置还可以具备：信号生成机构，作为应向所述多个超声波变频器的任一个提供的驱动信号，生成呈正弦波状随时间变化的驱动信号；和切换机构，将所述信号生成机构生成的驱动信号的输入目的地在所述多个超声波变频器之间进行切换。
另外，在例示本发明的结构化照明显微镜装置中，所述信号生成机构生成的驱动信号的频率，可以设定成用于使在所述声光介质中生成的超声波成为驻波的频率。
另外，例示本发明的结构化照明显微镜装置还可以具备：检测所述声光介质的温度的温度传感器；和根据所述温度传感器检测的温度来调节所述图像检测器的曝光量的调节机构。
另外，例示本发明的结构化照明显微镜装置还可以具备使所述声光介质产生的热散热的散热机构。
另外，在例示本发明的结构化照明显微镜装置中，所述相位变化机构可以使所述超声波光调制器向相对于所述多个方向的全部方向都不垂直的方向步进移动。
另外，在例示本发明的结构化照明显微镜装置中，所述相位变化机构可以根据所述超声波光调制器的调制方向来改变一步的行程。
[第3实施方式]
以下，使用附图对本发明的第3实施方式进行说明。本实施方式是第1实施方式的变形例。在此仅说明与第1实施方式的不同之处。
图11是本实施方式的结构化照明显微镜系统的结构图。如图11所示，在本实施方式中，省略了压电致动器22，控制装置19承担使结构化照明的相位偏移的功能。
控制装置19通过控制在超声波光调制器3的超声波传播路R生成的超声波驻波，使结构化照明的相位偏移量步进地每次变化2π/3(详细内容稍后叙述。)。并且，控制装置19在结构化照明的相位处于各状态时驱动摄像装置12来取得3种图像数据I-1、I0、I+1，将这些图像数据I-1、I0、I+1依次向图像存储运算装置13发送。
图像存储运算装置13通过对所取来的图像数据I-1、I0、I+1实施分离运算，取得除去了结构化照明的结构信息的图像数据I。进而，图像存储运算装置13通过对该图像数据I实施解调运算，取得荧光区域的结构信息的空间频率返回到实际的空间频率的图像数据I′，将该图像数据I′向图像显示装置14发送。因此，在图像显示装置14显示超过了物镜9的分辨率极限的分辨率图像(超分辨率图像)。
图12(A)是表示在超声波传播路R内生成的超声波驻波的图案的示意图，图12(B)是表示与其对应的结构化照明的图案(明部以及暗部的配置)的示意图(但是，超声波传播路R的图案中，实际的结构化照明所反映的仅是有效光束穿过的部分的图案。)。另外，在图12(A)中，为了易于理解说明，将在超声波传播路R生成的超声波驻波的波条数设为比实际少的“2”。
如图12(A)所示，超声波驻波的波条数(以相位变化2π而计数为波条数1条)为“2”时，如图12(B)所示，由于±1次光的干涉产生的结构化照明的条纹条数(明部或暗部的条数)为“4”。即，结构化照明的条纹条数成为与其对应的超声波驻波的波条数的2倍。
因此，如图12(C)、(D)、(E)所示，如果使超声波驻波的波条数以2、(2+1/2)、3这样每次1/2而变3次(即，如果使超声波驻波的波长变化)，则与其对应的结构化照明的条纹条数以4、5、6这样每次1而变3次。
在此，如图12中白色箭头所示，当从超声波传播路R的一端仅着眼于偏离了1/2的部分时，与该着眼部分对应的结构化照明的相位，每次“π”而变3次。
另外，如图12中黑色箭头所示，当从超声波传播路R的一端仅着眼于偏离了1/3的部分时，与该着眼部分对应的结构化照明的相位，每次“2π/3”而变3次。
由此，假设将光对超声波传播路R的入射区域仅限制在由白色箭头示出的位置，则通过使超声波驻波的波条数每次变化1/2，能够使结构化照明的相位每次变化“π”。
另外，假设将光对超声波传播路R的入射区域仅限制在由黑色箭头示出的位置，则通过使超声波驻波的波条数每次变化1/2，则能够使结构化照明的相位每次变化“2π/3”。
因此，在本实施方式中，为了将与1步相当的相位偏移量设为2π/3，如图13(A)所示，将从向超声波传播路R入射的光的光斑(有效直径)S的中心到超声波传播路R的一端的距离D设定成超声波传播路R的传播方向的长度的1/3倍(D＝L/3)。
但是，当在超声波传播路R生成的超声波驻波的波条数变化1/2时，在光斑S的内部生成的超声波驻波的波条数也稍稍偏离，因此如图13(B)所示，与光斑S对应的结构化照明S′的条纹条数也会稍稍偏离(但是，图13所示的波图案以及条纹图案为示意图，波条数以及条纹条数并不限于与实际的条数一致。)。
因此，在本实施方式中，超声波传播路R的长度L被设定得与光斑S的直径φ相比足够大，以使结构化照明S′的条纹条数的偏移大致视为零。
具体而言，超声波传播路R的长度L和光斑S的直径φ，被设定成相对于结构化照明S′的条纹条数的偏离容许量δ满足φ/L＜δ的关系。例如，如果需要将结构化照明S′的条纹条数的偏离抑制在0.15条以下，则该关系式为φ/L≤0.15。
另外，在超声波光调制器3的超声波传播路R上光斑S的直径φ可以不必满足φ/L＜δ的关系，例如，在由视场光阑5B限制了从超声波光调制器3出射的±1次衍射光的情况下，超声波传播路R的长度L、样本面10上的照明区域(观察区域、视场区域)的直径φ′、从样本面10向超声波光调制器3的光学倍率m，只要被设定成相对于结构化照明S′的条纹条数的偏离容许量δ满足φ′×m/L＜δ的关系即可。
在本实施方式中，将光斑S的直径φ假定为4mm。在该情况下，若将超声波传播路R的长度L设为30mm，则如图13(C)所示，结构化照明S′的两端的条纹的偏离被抑制在0.068条左右，结构化照明S′的全部区域内的条纹条数的偏离被抑制在0.68+0.68＝0.13条左右。此外，在图13(C)中，由虚线所示的是结构化照明S′的理想图案(条纹条数的偏离为零时的图案)，由实线所示的是结构化照明S′的实际的图案，但为了易于理解而强调描画了两者的偏离。
图14是超声波光调制器3的结构图。图14(A)是从正面(光轴方向)观察超声波光调制器3得到的图，图14(B)是从侧面(垂直于光轴的方向)观察超声波光调制器3得到的图。
如图14所示，超声波光调制器3具备声光介质15，该声光介质15被调整成具有3对彼此相对的平行的侧面对的边柱状。在这3对侧面对的各侧面对的一方分别设置有3个变频器18a、18b、18c，由此在1个声光介质15内形成3条超声波传播路。以下，将在变频器18a的形成面和与其相对的侧面15a之间形成的超声波传播路记为“超声波传播路Ra”，将在变频器18b的形成面和与其相对的侧面15b之间形成的超声波传播路记为“超声波传播路Rb”，将在变频器18c的形成面和与其相对的侧面15c之间形成的超声波传播路记为“超声波传播路Rc”。
此外，声光介质15的材料例如为石英玻璃、碲酸盐玻璃、重燧石玻璃、燧石玻璃等，3对侧面对以及2个底面分别被以足够的精度研磨。
在此，3个超声波传播路Ra、Rb、Rc各自的长度”共同(L＝30mm)，该长度L相对于所述的光斑S的直径φ满足所述的条件。另外，3条超声波传播路Ra、Rb、Rc，在从各自的一端偏离L/3的位置处以相距60°的不同的角度交叉。所述的光斑S的中心位于该交叉位置。
变频器18a是具有压电体16a和在压电体16a的上下面分别形成的2个电极17a的超声波变频器，经由其中一个电极17a与声光介质15的1个侧面接合。当在该变频器18a的2个电极17a之间施加高频的交流电压时，压电体16a在厚度方向上振动，平面超声波在超声波传播路Ra内往返。在将施加在2个电极17a之间的交流电压的频率设定为特定的频率(适当频率)的情况下，因为该超声波成为驻波，所以在超声波传播路的折射率上，向超声波的传播方向赋予正弦波状的分布。由此，超声波传播路Ra成为具有与超声波的传播方向垂直的相位光栅的相位型衍射光栅。以下，将该超声波传播路Ra的传播方向称为“第1方向”。
另外，变频器18b也是与变频器18a相同的结构，具有压电体16b和在压电体16b的上下面分别形成的2个电极17b，经由其中一个电极17b与声光介质15的1个侧面接合。
因此，当在变频器18b的2个电极17b之间施加适当频率的交流电压时，因为平面超声波在超声波传播路Rb内传播，所以超声波传播路Rb成为具有与超声波的传播方向垂直的相位光栅的相位型衍射光栅。以下，将该超声波传播路Rb的传播方向称为“第2方向”。该第2方向相对于第1方向呈60°的角度。
另外，变频器18c也是与变频器18a相同的结构，具有压电体16c和在压电体16C的上下面分别形成的2个电极17c，经由其中一个电极17c与声光介质15的1个侧面接合。
因此，当在变频器18c的2个电极17c之间施加适当频率的交流电压时，因为平面超声波在超声波传播路Rc内传播，所以超声波传播路Rc成为具有与超声波的传播方向垂直的相位光栅的相位型衍射光栅。以下，将该超声波传播路Rc的传播方向称为“第3方向”。该第3方向相对于第1方向呈-60°的角度。
图15是说明超声波光调制器3的驱动电路19A的图。该驱动电路19A是图11所示的控制装置19的一部分。
如图15所示，驱动电路19A具备高频交流电源19A-1和切换开关19A-2。
高频交流电源19A-1生成应向超声波光调制器3供给的交流电压。该交流电压的频率通过控制装置19内的CPU控制为适当频率(例如，数十MHz～100MHz内的任意的值)。
在本实施方式中，为了使所述的结构化照明S′的相位偏移量步进地变化为-2π/3、0、+2π/3这3种，CPU将该交流电压的频率设为能够在频率不同的3个适当频率f-1、f0、f+1之间进行切换。
例如，适当频率f0是用于在长度L为30mm的超声波传播路Ra、Rb、Rc上生成100条超声波驻波(与其对应的结构化照明的条纹条数为200)的适当频率(80MHz)。根据该适当频率f0，结构化照明S′的相位偏移量成为零。
在该情况下，适当频率f-1成为用于在长度L为30mm的超声波传播路Ra、Rb、Rc上生成(100-1/2)条超声波驻波(与其对应的结构化照明的条纹条数为199)的适当频率(79.946MHz)。根据该适当频率f-1结构化照明S′的相位偏移量成为-2π/3。
另外，适当频率f+1成为用于在长度L为30mm的超声波传播路Ra、Rb、Rc上生成(100+1/2)条超声波驻波(与其对应的结构化照明的条纹条数为201)的适当频率(80.054MHz)。根据该适当频率f+1，结构化照明S′的相位偏移量成为+2π/3。
切换开关19A-2配置在高频交流电源19A-1与超声波光调制器3之间，能够将超声波光调制器3一侧的连接目的地在超声波光调制器3的3个变频器18a、18b、18c之间进行切换。开关19A-2的连接目的地通过控制装置19内的CPU进行适当切换。
在切换开关19A-2的连接目的地为变频器18a一侧时，因为交流电压被施加在变频器18a的2个电极之间，所以3个超声波传播路Ra、Rb、Rc中仅超声波传播路Ra有效。
另外，在切换开关19A-2的连接目的地为变频器18b一侧时，因为交流电压被施加在变频器18b的2个电极之间，所以3个超声波传播路Ra、Rb、Rc中仅超声波传播路Rb有效。
另外，在切换开关19A-2的连接目的地为变频器18c一侧时，因为交流电压被施加在变频器18c的2个电极之间，所以3个超声波传播路Ra、Rb、Rc中仅超声波传播路Rc有效。
如此，如果将有效的超声波传播路在3个超声波传播路Ra、Rb、Rc之间进行切换，则能够将结构化照明S′的方向在与第1方向对应的方向、与第2方向对应的方向和与第3方向对应的方向之间进行切换。
图16是第3实施方式中的CPU的工作流程图。以下，依次说明各步骤。
步骤S11：CPU通过将切换开关19A-2的连接目的地设定到第1个变频器(变频器18a)一侧，将结构化照明S′的方向设定成与第1方向对应的方向。
步骤S12：CPU通过将高频交流电源19A-1生成的交流电压的频率设定成适当频率f-1，将结构化照明S′的相位偏移量设定成-2π/3。
步骤S13：CPU在该状态下驱动摄像装置12来取得图像数据I-1。
步骤S14：CPU通过将高频数交流电源19A-1生成的交流电压的频率设定成适当频率f0，将结构化照明S′的相位偏移量设定成零。
步骤S15：CPU在该状态下取得摄像装置12来取得图像数据I0。
步骤S16：CPU通过将高频数交流电源19A-1生成的交流电压的频率设定成适当频率f+1，将结构化照明S′的相位偏移量设定成+2π/3。
步骤S17：CPU在该状态下驱动摄像装置12来取得图像数据I+1。
步骤S18：CPU判断结构化照明S′的方向是否已经全部设定完所述的3个方向，在没有设定完的情况下移至步骤S19，在设定完的情况下结束流程。
步骤S19：CPU通过切换切换开关19A-2的连接目的地来切换结构化照明S′的方向，然后移至步骤S12。
根据以上的流程，取得关于第1方向的图像数据Ia-1、Ia0、Ia+1、关于第2方向的图像数据Ib-1、Ib0、Ib+1、关于第3方向的图像数据Ic-1、Ic0、Ic+1。这些图像数据被取入图像存储运算装置13。
图像存储运算装置13通过对一连串的3个图像数据Ia-1、Ia0、Ia+1实施由线性运算构成的分离运算，取得不包含结构化照明S′的结构信息的图像数据Ia，通过对该图像数据Ia实施包括解调系数的乘法运算的解调运算，取得在第1方向范围上的超分辨率图像的解调图像数据Ia′。
另外，图像存储运算装置13通过对一连串的3个图像数据Ib-1、Ib0、Ib+1实施由线性运算构成的解调运算，取得不包含结构化照明S′的结构信息的图像数据Ib，通过对该图像数据Ib实施包括解调系数的乘法运算的解调运算，取得在第2方向范围上的超分辨率图像的解调图像数据Ib′。
另外，图像存储运算装置13通过对一连串的3个图像数据Ic-1、Ic0、Ic+1实施由线性运算构成的分离运算，取得不包含结构化照明S′的结构信息的图像数据Ic，通过对该图像数据Ic实施包括解调系数的乘法运算的解调运算，取得在第3方向范围上的超分辨率图像的解调图像数据Ic′。
然后，图像存储运算装置13通过将3个解调图像数据Ia′、Ib′、Ic′在波数空间上合成然后再返回到实际空间，取得在第1方向、第2方向、第3方向范围上的超分辨率图像的图像数据I，将该图像数据I向图像显示装置14发送。因此，在图像显示装置14上显示详细地示出样本面10的荧光区域的结构的超分辨率图像。
以上，在本实施方式中，因为超声波传播路R的长度L、光斑S的直径φ、从超声波传播路R的一端到光斑S的中心的距离D被设定成所述的最佳的关系，所以仅通过以电气方式切换提供给超声波光调制器3的交流电压的频率，就能够切换结构化照明S′的相位。该切换所需的时间短，即使连带包含电源的电路系统的时间常数，也被抑制在10ms以下。
因此，一连串的图像数据的取得所需的时间，与为了切换结构化照明S′的相位而使光学元件或样本机械地移动的情况相比，被抑制地格外短。
另外，在本实施方式中，为了切换结构化照明S′的相位，因为不需要使光学元件或样本机械地移动，所以能够将光学系周边的结构抑制得简单。
另外，在本实施方式中，因为在1个声光介质15内形成了角度不同的3条超声波传播路Ra、Rb、Rc，所以仅通过以电气方式改变切换开关19A-2的连接状态，就能够切换结构化照明S′的方向。该切换所需的时间短，即使连带包含电源的电路系统的时间常数，也被抑制在10ms以下。
因此，一连串的图像数据的取得所需的时间，与为了切换结构化照明S′的方向而使光学元件或样本机械地旋转的情况相比，被抑制得格外短。
此外，本实施方式的声光介质15，将3条超声波传播路Ra、Rb、Rc以相对于光斑S的中心非对称的关系进行了配置(参照图14)，但也可以以例如图17所示那样对称的关系来配置。顺带，图14所示的例子的优点在于，声光介质15的外形的凹凸少，图17所示的例子的优点在于，3条超声波传播路Ra、Rb、Rc的环境完全一致。
另外，在上述说明中，将超声波传播路Ra、Rb、Rc的长度设为共同，将提供给变频器18a、18b、18c的交流电压的频率的变化图案设为共同，但并不限于此。
另外，在上述说明中，将分别提供给变频器18a、18b、18c的交流电压的频率的变化图案设为使超声波驻波的波条数每次变化1/2条这样的图案，但并不限于此。
另外，在上述说明中，为了将第1方向、第2方向以及第3方向各自的结构化照明S′的相位偏移量设为2π/3，将从光斑(有效直径)S的中心到超声波传播路Ra、Rb、Rc各自的端部的距离D设定为超声波传播路R的传播方向的长度L的1/3倍(D＝L/3)，但并不限于此。
具体而言，超声波传播路Ra、Rb、Rc只要分别满足以下的条件即可。
首先，提供给变频器的交流电压的频率的变化图案，只要使超声波驻波的波条数每次变化M/2条这样的图案即可(但是，|M|是1以上的整数)。
另外，为了将结构化照明S′的相位偏移量设定成任意的值Δφ，从超声波传播路的任意一个端部到部分区域(例如光斑S)的中心的距离D和超声波传播路的总长L，只要满足D∶L＝Δφ/M∶2π的关系即可。
此外，为了在样本面10形成干涉条纹，在超声波光调制器3的超声波传播路R上出射光束的穿过区域(光斑)可以不必限制在从超声波传播路R的两端离开的部分区域，例如，在由视场光阑5B限制了穿过超声波传播路R的光束的情况下，有助于在样本面10上的照明区域(观察区域、视场区域)形成的干涉条纹(结构化照明S′)的出射光束要通过的超声波传播路R的部分区域，只要满足D∶L＝Δφ/M∶2π的关系即可。
也就是说，若M＝1，则因为超声波驻波的条数每次只变化1/2条，所以能够将因该变化在结构化照明S′的条纹条数上产生的偏离抑制得极小。
另外，若Δφ＝2π/k(但是，|k|为2以上的整数)，则能够切实地取得上述的分离运算所需要的图像数据(多片的图像数据)(此外，在上述的说明中，因为将相位偏移量Δφ设为了2π/3，所以图像数据的所需枚数为3，但在相位偏移量Δφ为其他值的情况下，有时图像数据的所需枚数为3以外的数。)。
此外，在本实施方式中，说明了第1实施方式的变形例，但当然也可以对第2实施方式进行同样变形。
[第4实施方式]
以下，使用附图对本发明的第4实施方式进行说明。本实施方式是面形状测定装置的实施方式。
图18是本实施方式的面形状测定装置(图案投影型的面形状测定装置)的结构图。如图18所示，在面形状测定装置中，配置有可干涉光源(激光源)111、控制装置19′、透镜113、针孔部件114、超声波光调制器3′、准直透镜L、和摄像部120。图18中附图标记10′所示的是在未图示的工作台上配置的测定物的表面(测定对象面)10′。其中，可干涉光源111、透镜113、针孔部件114、超声波光调制器3′、准直透镜”和控制装置19′是向测定对象面10′投影条纹图案的投影部，配置成光轴相对于未图示的工作台的基准面倾斜。
超声波光调制器3′适用与第3实施方式中说明的超声波光调制器同样的超声波光调制器。所述的L、φ、D、M、Δφ、k等各参数被设定成与第3实施方式同样的最佳关系。但是，因为本实施方式的超声波光调制器3′无需切换光的分支方向，所以例如图19所示，即使将超声波光调制器3′的声光介质15′设为四边柱状并将在其内部形成的超声波传播路R的数量设为1也没有关系。
超声波光调制器3′，与第3实施方式同样，通过在超声波传播路R生成超声波驻波来起到相位型衍射光栅的作用。由超声波光调制器3′分支的衍射光，在测定对象面10′上形成干涉条纹。
控制装置19′，能够将提供给超声波光调制器3′的交流电压的频率按与第3实施方式中说明的图案同样的图案进行切换。由此，投影到测定对象面10′的条纹的相位，同样地被切换成第3实施方式中的结构化照明S′的相位。
摄像部120配置成光轴相对于未图示的工作台的基准面垂直，对投影了条纹的测定对象面10′的像进行摄像。该摄像部120具有使从测定对象面10′反射的反射光成像的成像光学系统和对测定对象面10′的图像进行摄像的摄像元件。
摄像部120，在条纹的相位处于各状态时对测定对象面10′进行摄像，将由此取得的多个图像数据(在相位偏移量为2π/3的情况下3个图像数据)向未图示的运算装置发送。该运算装置，通过将这多个图像数据代入规定的运算式(在相位偏移量为2π/3的情况下3桶算法的公式)，算出测定对象面10′的各位置的高度。
以上，在本实施方式的面形状测定装置中，对投影到测定对象面10′上的条纹的相位进行了切换，但在该切换中仅通过以电气方式切换交流电压的频率。
因此，一连串的图像数据(在相位偏移量为2π/3的情况下为3个图像数据)的取得所需的时间，与为了切换条纹的相位而使光学元件或测定对象物机械地移动的情况相比，被抑制得格外短。此外，在本实施方式的说明中，使用将由±1次衍射光产生的干涉条纹(2光束结构化照明)形成在样本面10(若将光轴设为Z方向则为X-Y面内)上的例子进行了说明，但本发明在将由0次衍射光以及±1次衍射光产生的干涉条纹(在光轴方向也形成干涉条纹的3光束结构化照明)形成在样本上的情况下当然也能够适用。
另外，在本实施方式的说明中，为了使由±1次衍射光产生的干涉条纹的相位变化，作为使在超声波传播路Ra、Rb、Rc生成的超声波驻波的波条数、即超声波驻波的波长按规定的图案变化的一种方法，说明了使提供给超声波光调制器3的变频器18a、18b、18c的交流电压的频率按规定的图案变化，但当然并限于该方法。
也就是说，在本实施方式中，虽然说明了第3实施方式的超声波光调制器的应用例(面形状测定装置)，但当然也可以同样地应用第1实施方式或第2实施方式的超声波光调制器。
附图标记的说明
1：光纤，2：聚光透镜，3，3′：超声波光调制器，4：透镜，5A：0次光遮掩膜，5B：视场光阑，9：物镜，10：样本面，10′：测定对象面，12：摄像装置，13：图像存储运算装置，19：控制装置，14：图像显示装置，15、15′：声光介质，16：压电体，18：变频器，19A：驱动电路，19A-1：高频交流电源，19A-2：切换开关，20、20′：衬垫，21、21′：支承框，22：压电致动器，201：温度传感器，300：珀耳元件。

Claims (23)

1.一种结构化照明装置，其特征在于，具备：
光调制器，其配置在从光源出射的出射光束中，在横截该出射光束的方向上配有声波传播路；
驱动机构，其通过将用于使所述声波传播路的介质振动的驱动信号提供给所述光调制器，在所述声波传播路内生成声波驻波；和
照明光学系统，其使穿过了所述声波传播路的所述出射光束的互不相同的衍射成分进行干涉，将其干涉条纹形成于被观察物。
2.根据权利要求1所述的结构化照明装置，其特征在于，
所述驱动机构通过将向所述光调制器提供的所述驱动信号的频率设定成规定的频率来生成所述声波驻波。
3.根据权利要求2所述的结构化照明装置，其特征在于，
具备调节机构，该调节机构根据所述声波传播路的介质的温度来调节所述驱动信号的频率和振幅中的至少一方。
4.根据权利要求3所述的结构化照明装置，其特征在于，
具备检测所述声波传播路的介质的温度的温度传感器，
所述调节机构根据所述温度传感器检测的所述温度来调节所述驱动信号的频率。
5.根据权利要求3所述的结构化照明装置，其特征在于，
具备检测所述声波传播路的介质的温度的温度传感器，
所述调节机构根据所述温度传感器检测的所述温度来调节所述驱动信号的振幅。
6.根据权利要求1所述的结构化照明装置，其特征在于，
具备对在所述声波传播路的介质产生的热进行散热的散热机构。
7.根据权利要求1所述的结构化照明装置，其特征在于，
具备使所述干涉条纹的相位变化的相位变化机构。
8.根据权利要求7所述的结构化照明装置，其特征在于，
所述相位变化机构是使所述光调制器在规定的方向上移动的驱动装置。
9.根据权利要求8所述的结构化照明装置，其特征在于，
所述驱动装置根据所述声波驻波的方向来改变移动量。
10.根据权利要求7所述的结构化照明装置，其特征在于，
有助于所述干涉条纹的有效的所述出射光束，是穿过了从所述声波传播路的两端离开的规定的部分区域的出射光束，
所述相位变化机构是通过使所述声波驻波的波长按规定的图案变化来使所述干涉条纹的相位变化的所述驱动机构。
11.根据权利要求10所述的结构化照明装置，其特征在于，
所述驱动机构通过使向所述光调制器提供的所述驱动信号的频率按规定的图案变化来使所述声波驻波的波长变化。
12.根据权利要求11所述的结构化照明装置，其特征在于，
所述驱动机构是按所述声波驻波的总的波条数每次变化M/2条的图案使所述频率变化的机构，其中，|M|为1以上的整数，
在将所述干涉条纹的相位偏移量设定成△φ的情况下，从所述声波传播路的任意一方的端部到所述部分区域的距离D、和所述声波传播路的总长L被设定成满足D：L＝△φ/M：2π的关系。
13.根据权利要求12所述的结构化照明装置，其特征在于，
M＝1。
14.根据权利要求12所述的结构化照明装置，其特征在于，
△φ＝2π/k，其中，|k|为2以上的整数。
15.根据权利要求10所述的结构化照明装置，其特征在于，
所述光调制器具有在所述部分区域交叉的多个所述声波传播路。
16.根据权利要求15所述的结构化照明装置，其特征在于，
所述光调制器具备：具有多个彼此相对的平行的侧面对的柱状的声光介质；和向形成在这些多个侧面对的各侧面对之间的声波传播路生成声波驻波的多个超声波变频器。
17.根据权利要求15所述的结构化照明装置，其特征在于，
多个所述声波传播路的配置关系被设定成能够在与所述照明光学系统的光轴垂直的面内互不相同的多个方向之间切换所述干涉条纹的方向。
18.根据权利要求16所述的结构化照明装置，其特征在于，具备：
信号生成机构，其生成向所述多个超声波变频器的任一个提供的所述驱动信号；和
切换机构，其将所述信号生成机构生成的所述驱动信号的输入目的地在所述多个超声波变频器之间进行切换。
19.一种结构化照明显微镜装置，其特征在于，具备：
权利要求1～18中任一项所述的结构化照明装置；和
成像光学系统，其将来自被所述结构化照明装置照明的所述被观察物的观察光束成像于检测器。
20.根据权利要求19所述的结构化照明显微镜装置，其特征在于，
具备根据所述声波传播路的介质的温度来调节所述检测器的曝光量的调节机构。
21.根据权利要求19所述的结构化照明显微镜装置，其特征在于，
所述观察光束是荧光光束。
22.根据权利要求19所述的结构化照明显微镜装置，其特征在于，
具有运算机构，该运算机构基于在波长的切换中所述检测器依次取得的多个图像算出所述被观察物的超分辨率图像。
23.一种面形状测定装置，其特征在于，具备：
权利要求1～18中任一项所述的结构化照明装置；
图像检测器，其对被所述结构化照明装置照明的所述被观察物的图像进行检测；和
运算机构，其基于在波长的切换中所述图像检测器依次取得的多个图像算出所述被观察物的面形状。
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