JP2014092643A - 構造化照明装置及び構造化照明顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数波長の各々で所望の超解像効果を得ること。
【解決手段】本発明の構造化照明装置（１０）の一態様は、複数波長の光を同時又は順次に射出する光源（１００、１１）からの射出光束を分割するとともに集光する少なくとも１対のレンズを含むレンズアレイ（１４）と、前記１対のレンズで分割された１対の光束を、瞳面の互いに異なる位置で受けることにより、それら１対の光束を物体側で干渉させ、その物体側に配置された標本（２）に干渉縞を形成する対物レンズ（３１）とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、構造化照明装置及び構造化照明顕微鏡装置に関する。

試料（標本）の観察や計測の分野では、対物レンズの性能を超えた解像度を達成するために、空間変調された照明光（構造化照明光）により標本を照明して画像（変調画像）を取得し、その変調画像に含まれる変調成分を除去（復調）することにより、標本の超解像画像（復調画像）を生成する構造化照明顕微鏡（ＳＩＭ：Structured Illumination Microscopy）が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特に、下記特許文献１に開示された構造化照明顕微鏡では、光源から射出した光束を回折格子により複数の光束に分岐し、それらの光束を標本の近傍で干渉させて干渉縞を形成し、これを構造化照明光としている。

米国発行特許発明第６２３９９０９号明細書

ところで、構造化照明顕微鏡においては、他の顕微鏡と同様、励起波長の異なる複数の色素で染色された標本を観察するために、光源の波長を切り替えたいという要求がある。

しかし、構造化照明顕微鏡において光源波長を切り替えると、回折格子における回折角度が変化するため、対物レンズの瞳半径に対する照明光のスポット高さが変化し、所望の超解像効果が得られないという課題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、複数波長の各々で所望の超解像効果を得ることの可能な構造化照明装置、構造化照明顕微鏡装置を提供することを目的とする。

本発明の構造化照明装置の一態様は、複数波長の光を同時又は順次に射出する光源からの射出光束を分割するとともに集光する１対のレンズを含むレンズアレイと、前記１対のレンズで分割された１対の光束を、瞳面の互いに異なる位置で受けることにより、それら１対の光束を物体側で干渉させ、その物体側に配置された標本に干渉縞を形成する対物レンズとを備える。

本発明の構造化照明顕微鏡装置の一態様は、本発明の構造化照明装置の一態様と、前記干渉縞で変調された前記標本からの観察光束を光検出器に結像する結像光学系とを備える。

本発明によれば、複数波長の各々で所望の超解像効果を得ることの可能な構造化照明装置、構造化照明顕微鏡装置が実現する。

第１実施形態の構造化照明顕微鏡装置１の構成図である。 集光レンズアレイ１４を説明する図である。 １／２波長板１９の機能を説明する図である。 光束選択部材２０の機能を説明する図である。 １／２波長板１９及び光束選択部材２０の機能を説明する図である。 光束選択部材２０に設けられる回動機構１８Ａを説明する図である。 位相板１６を説明する図である。 位相板１６の回動パターンの例である。 集光レンズアレイ１４の可動部を示す図である。 集光レンズアレイ１４に設けられた間隔調整機構１４Ａを示す図である。 集光レンズの光路図である。 集光レンズのレンズデータ（１）である。 集光レンズのレンズデータ（２）である。 集光レンズの軸上色収差を示す図である。 集光レンズアレイ１４’を説明する図である。 集光レンズアレイ１４’に設けられる間隔調整機構を示す図である。 集光レンズアレイ１４”を説明する図である。 光束選択部材２０’を説明する図である。 位相数Ｎ_ｍａｘ＝３、方向数Ｍ_ｍａｘ＝３である場合の復調演算を説明する図である。

［実施形態］
以下、本発明の実施形態として構造化照明顕微鏡装置を説明する。

図１は、構造化照明顕微鏡装置１の構成図である。ここでは、構造化照明顕微鏡装置１を、蛍光性を有した試料（標本）２の表面の極めて薄い層を観察する全反射蛍光顕微鏡（ＴＩＲＦＭ：Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy）として使用する場合、すなわち、構造化照明顕微鏡装置１を「ＴＩＲＦ−ＳＩＭモード」で使用する場合を説明する。

先ず、構造化照明顕微鏡装置１の構成を説明する。

図１に示すとおり構造化照明顕微鏡装置１には、レーザユニット１００と、光ファイバ１１と、照明光学系１０と、結像光学系３０と、撮像素子４２と、制御装置４３と、画像記憶・演算装置４４と、画像表示装置４５とが備えられる。なお、照明光学系１０は落射型であり、結像光学系３０の対物レンズ３１及びダイクロイックミラー３３を利用して標本２の照明を行う。

レーザユニット１００には、第１レーザ光源１０１、第２レーザ光源１０２、シャッタ１０３、１０４、ミラー１０５、ダイクロイックミラー１０６、レンズ１０７が備えられる。第１レーザ光源１０１及び第２レーザ光源１０２の各々は可干渉光源であって、互いの出射波長は異なる。ここでは、第１レーザ光源１０１の波長λ１は、第２レーザ光源１０２の波長λ２よりも長いと仮定する（λ１＞λ２）。これらの第１レーザ光源１０１、第２レーザ光源１０２、シャッタ１０３、１０４は、それぞれ制御装置４３によって駆動される。

光ファイバ１１は、レーザユニット１００から射出したレーザ光を導光するために、例えば、偏波面保存型のシングルモードファイバによって構成される。この光ファイバ１１の出射端の光軸方向の位置は、位置調節機構１１Ａによって調節可能である。この位置調整機構１１Ａは、制御装置４３によって駆動される。

照明光学系１０には、光ファイバ１１の出射端側から順に、コレクタレンズ１２と、偏光板１３と、集光レンズアレイ１４と、位相板１６と、１／２波長板１９と、光束選択部材２０と、レンズ２１と、視野絞り２２と、フィールドレンズ２３と、励起フィルタ２４と、ダイクロイックミラー３３と、対物レンズ３１とが配置される。

集光レンズアレイ１４には間隔調整機構１４Ａが設けられ、位相板１６には回動機構１６Ａが設けられ、光束選択部材２０及び１／２波長板１９には回動機構１８Ａが設けられる。これらの間隔調整機構１４Ａ、回動機構１６Ａ、回動機構１８Ａの各々は、制御装置４３によって駆動される。

結像光学系３０には、標本２の側から順に、対物レンズ３１と、ダイクロイックミラー３３と、吸収フィルタ３４と、第２対物レンズ３５とが配置される。

対物レンズ３１は、交換機構３１Ａによって倍率の異なる別の対物レンズ３１’へと交換可能である。この交換機構３１Ａは、制御装置４３によって駆動される。

標本２は、例えば、平行平板状のガラス表面に滴下された培養液であって、その培養液におけるガラス界面の近傍には、蛍光性を有した細胞が存在している。この細胞には、波長λ１の光によって励起される第１蛍光領域と、波長λ２の光によって励起される第２蛍光領域との双方が発現している。

対物レンズ３１は、全反射蛍光観察を可能とするために、液浸型（油浸型）の対物レンズとして構成される。つまり、対物レンズ３１と標本２のガラスとの間隙は、浸液（油）で満たされている。

撮像素子４２は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる二次元の撮像素子である。撮像素子４２は、制御装置４３によって駆動されると、その撮像面４１に形成された像を撮像し、画像を生成する。この画像は、制御装置４３を介して画像記憶・演算装置４４へと取り込まれる。

制御装置４３は、レーザユニット１００、位置調整機構１１Ａ、間隔調整機構１４Ａ、回動機構１６Ａ、回動機構１８Ａ、交換機構３１Ａ、撮像素子４２を駆動制御する。

画像記憶・演算装置４４は、制御装置４３を介して与えられた画像に対して演算を施し、演算後の画像を不図示の内部メモリに格納すると共に、画像表示装置４５へ送出する。

次に、構造化照明顕微鏡装置１におけるレーザ光の振る舞いを説明する。

第１レーザ光源１０１から射出した波長λ１のレーザ光（第１レーザ光）は、シャッタ１０３を介してミラー１０５へ入射すると、ミラー１０５を反射し、ダイクロイックミラー１０６へ入射する。一方、第２レーザ光源１０２から射出した波長λ２のレーザ光（第２レーザ光）は、シャッタ１０４を介してビームスプリッタ１０６へ入射し、第１レーザ光と統合される。ダイクロイックミラー１０６から射出した第１レーザ光及び第２レーザ光は、レンズ１０７を介して光ファイバ１１の入射端に入射する。なお、制御装置４３がレーザユニット１００を制御すると、光ファイバ１１の入射端に入射するレーザ光の波長（＝使用波長λ）は、長い波長λ１と短い波長λ２との間で切り替わる。

光ファイバ１１の入射端に入射したレーザ光は、光ファイバ１１の内部を伝搬して光ファイバ１１の出射端に点光源を生成する。その点光源から射出したレーザ光は、コレクタレンズ１２によって平行光束に変換され、偏光板１３を介して集光レンズアレイ１４へ入射すると、集光レンズアレイ１４が有する複数対の集光レンズにより、複数対の光束に分割される。これら複数対の光束は、それら集光レンズによって瞳共役面２５の互いに異なる位置に集光される。

ここで、瞳共役面２５は、集光レンズアレイ１４の個々の集光レンズの焦点位置（後ろ側焦点位置）であって、対物レンズ３１の瞳面３２に対してレンズ２３、レンズ２１を介して共役な位置のことである（なお、「共役な位置」の概念には、集光レンズアレイ１４、レンズ２１、２３の収差、ビネッティング等、設計上必要な事項を考慮して決定した位置も含まれる。）。

なお、光ファイバ１１から射出したレーザ光は基本的に直線偏光しているので、偏光板１３は、省略することも可能であるが、余分な偏光成分を確実にカットするために有効である。また、レーザ光の利用効率を高めるため、偏光板１３の軸は、光ファイバ１１から射出したレーザ光の偏光方向に一致していることが望ましい。

瞳共役面２５に向かった複数対の光束は、瞳共役面２５の近傍に配置された、位相板１６、１／２波長板１９、光束選択部材２０へ順に入射する。

ここで、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１は、全反射蛍光顕微鏡として利用されるので、光束選択部材２０は、入射した複数対の光束のうち、１対の光束のみを選択的に通過させる。

光束選択部材２０を通過した１対の光束の各々は、レンズ２１によって平行光束となり、視野絞り２２を通過し、フィールドレンズ２３によって集光光束となり、さらに励起フィルタ２４を経てからダイクロイックミラー３３で反射し、対物レンズ３１の瞳面３２上の互いに異なる位置に集光される。

瞳面３２上に集光した１対の光束の各々は、対物レンズ３１の先端から射出される際には平行光束となり、標本２の表面で互いに干渉し、干渉縞を形成する。この干渉縞が、構造化照明光として使用される。

また、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１は、全反射蛍光顕微鏡として利用されるので、標本２の表面に入射する際の入射角度は、エバネッセント場の生成条件を満たしている。この条件は、全反射条件（ＴＩＲＦ条件）などと呼ばれる。このＴＩＲＦ条件を満たすためには、瞳面３２における１対の光束の集光点を、瞳面３２の最外周に位置する所定の輪帯状領域（ＴＩＲＦ領域）に収めればよい（詳細は後述）。この結果、標本２の表面近傍には、構造化照明光によるエバネッセント場が生起する。

このような構造化照明光により標本２を照明すると、構造化照明光の周期構造と標本２の（蛍光領域の）周期構造との差に相当するモアレ縞が現れるが、このモアレ縞においては、標本２の高周波数の構造が元の周波数より低周波数側にシフトしているため、この構造を示す光（蛍光）は、元の角度よりも小さい角度で対物レンズ３１へ向かうことになる。よって、構造化照明光により標本２を照明すると、標本２の（蛍光領域の）高周波数の構造情報までもが対物レンズ３１によって伝達される。

標本２の表面近傍（エバネッセント場）で発生した蛍光は、対物レンズ３１に入射すると、対物レンズ３１で平行光に変換された後、ダイクロイックミラー３３とバリアフィルタ３４を透過し、第２対物レンズ３５を介して撮像素子４２の撮像面４１上に標本２の変調像を形成する。

この変調像は、撮像素子４２により画像化され、制御装置４３を介して画像記憶・演算装置４４へと取り込まれる。さらに、取り込まれた変調像（変調画像）には、画像記憶・演算装置４４において公知の復調演算（詳細は後述）が施され、復調画像（超解像画像）が生成される。そして、この超解像画像は、画像記憶・演算装置４４の内部メモリ（図示せず）に記憶されるとともに、画像表示装置４５へと送出される。

次に、集光レンズアレイ１４を詳しく説明する。

図２は、集光レンズアレイ１４を説明する図である。図２（Ａ）は、集光レンズアレイ１４を光軸方向から見た図であり、図２（Ｂ）は、集光レンズアレイ１４で分割された３対の光束が瞳共役面に形成する３対の集光点の位置関係を示す図である。

図２（Ａ）に示すように、集光レンズアレイ１４は、光軸と垂直な第１方向Ｖ１、第２方向Ｖ２、第３方向Ｖ３の各々にかけて１対ずつ集光レンズを配列したマルチ集光レンズである。第１方向Ｖ１と、第２方向Ｖ３と、第３方向Ｖ３とは、１２０°ずつずれた３つの方向である。

図２では、第１方向Ｖ１に配列された１対の集光レンズに符号１４−１、１４−１’を付し、第２方向Ｖ２に配列された１対の集光レンズに符号１４−２、１４−２’を付し、第３方向Ｖ３に配列された１対の集光レンズに符号１４−３、１４−３’を付した。

第１方向Ｖ１に関する構成（１対の集光レンズ１４−１、１４−１’）と、第２方向Ｖ２に関する構成（１対の集光レンズ１４−２、１４−２’）と、第３方向Ｖ３に関する構成（１対の集光レンズ１４−３、１４−３’）とは、互いに等しい。ここでは、代表して第１方向Ｖ１に関する構成（１対の集光レンズ１４−１、１４−１’）のみを説明する。

１対の集光レンズ１４−１、１４−１’の位置関係は、照明光学系１０の光軸に関して対称な位置関係に設定される。このうち、一方の集光レンズ１４−１のレンズ特性（レンズの構成、焦点距離など）と、他方の集光レンズ１４−１’のレンズ特性（レンズの構成、焦点距離など）とは、互いに等しい。

以上の集光レンズアレイ１４に入射した平行光束は、第１方向Ｖ１にかけて分割された第１光束対と、第２方向Ｖ２にかけて分割された第２光束対と、第３方向Ｖ３にかけて分割された第３光束対とに変換される。

これら第１光束対、第２光束対、第３光束対は、集光レンズ１４−１、１４−１’、１４−２、１４−２’、１４−３、１４−３’の各々の集光作用により、瞳共役面内の互いに異なる位置に集光される。

そして、図２（Ｂ）に示すように、第１光束対の集光点２５ｄ、２５ｇは、照明光学系１０の光軸に関して対称であり、集光点２５ｄ、２５ｇの配列方向は第１方向Ｖ１に対応している。

また、第２光束対の集光点２５ｃ、２５ｆは、照明光学系１０の光軸に関して対称であり、集光点２５ｃ、２５ｆの配列方向は、第２方向Ｖ２に対応している。なお、第２光束対の集光点２５ｃ、２５ｆから照明光学系１０の光軸までの距離は、第１光束対の集光点２５ｄ、２５ｇから照明光学系１０の光軸までの距離と同じである。

また、第３光束対の集光点２５ｂ、２５ｅは、光軸に関して対称であり、集光点２５ｂ、２５ｅの配列方向は、第３方向Ｖ３に対応している。なお、第３光束対の集光点２５ｂ、２５ｅから照明光学系１０の光軸までの距離は、第１光束対の集光点２５ｄ、２５ｇから照明光学系１０の光軸までの距離と同じである。

このように、本実施形態では、１対の光束を生成する手段として回折格子ではなく集光レンズアレイ１４を使用する。屈折を利用したレンズは、回折を利用した回折格子と異なり、光の進行方向の波長依存性が基本的に小さい。よって、本実施形態では、瞳共役面に形成される各集光点の位置関係を、使用波長λの切り替えに依らず維持することができる。

次に、１／２波長板１９及び光束選択部材２０を詳しく説明する。

図３は１／２波長板１９を説明する図であり、図４は、光束選択部材２０を説明する図である。図３に示すとおり、１／２波長板１９は、入射した第１光束対、第２光束対、第３光束対の偏光方向を設定し、図４に示すとおり、光束選択部材２０は、第１光束対、第２光束対、第３光束対のうち何れか１対のみを選択的に通過させるマスクである。

１／２波長板１９及び光束選択部材２０は、回動機構１８Ａによって照明光学系１０の光軸の周りに回動可能である。光束選択部材２０を照明光学系１０の光軸の周りに回動させると、選択される光束対を第１光束対、第２光束対、第３光束対の間で切り替えることができ、光束選択部材２０に連動して１／２波長板１９を照明光学系１０の光軸の周りに回動させると、選択された光束対が標本２に入射するときの偏光方向をＳ偏光に保つことができる。つまり、１／２波長板１９及び光束選択部材２０は、干渉縞の状態を保ちつつ、干渉縞の方向を切り替えることができる。以下、縞の状態を保つための条件を具体的に説明する。

先ず、１／２波長板１９の進相軸の向きは、選択される光束対の分割方向（第１方向Ｖ１〜第３方向Ｖ３のいずれか）に対して、光束対の偏光方向が垂直となるように設定される必要がある。なお、ここでいう1／２波長板１９の進相軸とは、その軸の方向に偏光した光が１／２波長板１９を通過するときの位相遅延量が最小となるような方向のことである。

また、光束選択部材２０の開口パターンは、互いに対を成す光束の一方及び他方を個別に通過させる第１の開口部２０Ａ及び第２の開口部２０Ｂからなり、照明光学系１０の光軸周りにおける第１の開口部２０Ａの長さ及び第２の開口部２０Bの長さは、前述した方向に直線偏光した光束が通過できるような長さに設定されている。よって、第１の開口部２０Ａ及び第２の開口部２０Ｂの各々の形状は、部分輪帯状に近い形状である。

ここで、図３（Ａ）に示すように、１／２波長板１９の進相軸の方向が偏光板１３の軸の方向と平行になるときの１／２波長板１９の回転位置を、１／２波長板１９の回転位置の基準とする（以下、「第１の基準位置」と称する。）。

また、光束選択部材２０の光束選択方向（＝選択される光束対の分割方向）が、偏光板１３の軸の方向と垂直になるときの光束選択部材２０の回転位置を、光束選択部材２０の回転位置の基準とする（以下、「第２の基準位置」と称する。）。

このとき、図３（Ｂ）に示すように、１／２波長板１９の第１基準位置からの回転量は、光束選択部材２０の第２基準位置からの回転量の２分の１に制御されるべきである。

すなわち、１／２波長板１９の第１基準位置からの回転量がθ／２であるときには、光束選択部材２０の第２基準位置からの回転量は、θに設定される。

したがって、第１光束対（分割方向は第１方向Ｖ１）を選択するために、図４（Ａ）に示すように、光束選択部材２０の光束選択方向を第２の基準位置から右方に回転角θ１だけ回転させた場合、１／２波長板１９の進相軸の方向を、第１の基準位置から右方に回転角θ１／２だけ回転させる。

このとき、１／２波長板１９を通過する前における第１光束対の偏光方向は、図４（Ａ）中に破線両矢印で示すとおり、偏光板１３の軸の方向と平行となっているのに対し、１／２波長板１９を通過した後における第１光束対の偏光方向は、右方に回転角θ１だけ回転するので、選択された第１光束対の偏光方向は、図４（Ａ）に実線両矢印で示すとおり、それら第１光束対の分割方向（第１方向Ｖ１）に対して垂直となる。

換言すると、１／２波長板１９の進相軸の方向は、光束選択部材２０により選択される第１光束対の分割方向（＝第１方向Ｖ１）に応じた方向であって、１／２波長板１９へ入射する第１光束対が有していた偏光方向（偏光板１３の軸方向）と、１／２波長板１９から射出する第１光束対が有するべき偏光方向（第１方向Ｖ１に垂直）とが成す角度の２等分線方向に、設定される。

また、第２光束対（分割方向は第２方向Ｖ２）を選択するために、図４（Ｂ）に示すように、光束選択部材２０の光束選択方向を第２の基準位置から右方に回転角θ２だけ回転させた場合、１／２波長板１９の進相軸の方向を、第１の基準位置から右方に回転角θ２／２だけ回転させる。

このとき、１／２波長板１９を通過する前における第２光束対の偏光方向は、図４（Ｂ）中に破線両矢線で示すとおり、偏光板１３の軸の方向と平行となっているのに対し、１／２波長板１９を通過した後における第２光束対の偏光方向は、右方に回転角θ２だけ回転するので、選択された第２光束対の偏光方向は、図４（Ｂ）に実線両矢印で示すとおり、それら第２光束対の分割方向（第２方向Ｖ２）に対して垂直となる。

換言すると、１／２波長板１９の進相軸の方向は、光束選択部材２０により選択される第２光束対の分割方向（＝第２方向Ｖ２）に応じた方向であって、１／２波長板１９へ入射する第２光束対が有していた偏光方向（偏光板１３の軸方向）と、１／２波長板１９から射出する第２光束対が有するべき偏光方向（第２方向Ｖ２に垂直）とが成す角度の２等分線方向に、設定される。

また、第３光束対（分割方向は第３方向Ｖ３）を選択するために、図４（Ｃ）に示すように、光束選択部材２０の光束選択方向を第２の基準位置から左方（標本側から見て。以下同じ）に回転角θ３だけ回転させた場合、１／２波長板１９の進相軸の方向を、第１の基準位置から左方に回転角θ３／２だけ回転させる。

このとき、１／２波長板１９を通過する前における第３光束対の偏光方向は、図４（Ｃ）中に破線両矢線で示すとおり、偏光板１３の軸の方向と平行となっているのに対し、１／２波長板１９を通過した後における第３光束対の偏光方向は、左方に回転角θ３だけ回転するので、選択された光束対の偏光方向は、図４（Ｃ）に実両矢印で示すとおり、それら第３光束対の分割方向（第３方向Ｖ３）に対して垂直となる。

換言すると、１／２波長板１９の進相軸の方向は、光束選択部材２０により選択される第３光束対の分割方向（＝第３方向Ｖ３）に応じた方向であって、１／２波長板１９へ入射する第３光束対が有していた偏光方向（偏光板１３の軸方向）と、１／２波長板１９から射出する第３光束対が有するべき偏光方向（第３方向Ｖ３に垂直）とが成す角度の２等分線方向に、設定される。

したがって、１／２波長板１９及び光束選択部材２０に設けられた回動機構１８Ａは、１／２波長板１９及び光束選択部材２０をギア比２：１で連動することにより、干渉縞の状態を維持したまま、干渉縞の方向を切り替える。

図５は、以上説明した１／２波長板１９及び光束選択部材２０の機能を説明する図である。なお、図５において円形枠で囲まれた両矢線は、光束の偏光方向を示し、四角枠で囲まれた両矢線は、光学素子の軸方向を示している。

なお、以上の説明では、標本２に入射する光束対をＳ偏光に保つために回動可能な１／２波長板１９を使用したが、回動可能な１／２波長板１９の代わりに固定配置された液晶素子を使用し、その液晶素子を１／２波長板１９として機能させてもよい。液晶素子の配向を電気的に制御すれば、液晶素子の屈折率異方性を制御することができるので、１／２波長板としての進相軸を照明光学系１０の光軸周りに回転させることができる。因みに、標本２に入射する光束対をＳ偏光に保つための方法は他にもある。

また、図６に示すように、光束選択部材２０の外周部には、複数の（図６に示す例では６個の）切り欠き２０Ｃが形成されており、回動機構１８Ａには、これらの切り欠き２０Ｃを検出するためのタイミングセンサ２０Ｄが備えられている。これによって、回動機構１８Ａは、光束選択部材２０の回動位置、ひいては１／２波長板１９の回動位置を検知することができる。

次に、位相板１６を詳しく説明する。

図７は、位相板１６を説明する図である。

先ず、上述した復調演算を可能とするためには、同一の標本２に関する変調画像であって、干渉縞の方向が共通で位相の異なる３枚以上の変調画像が必要である。なぜなら、構造化照明顕微鏡装置１が生成する変調画像には、標本２の構造のうち、構造化照明光により空間周波数の変調された構造情報である０次変調成分、＋１次変調成分、−１次変調成分が含まれており、それら３つの未知パラメータを復調演算（詳細は後述）で既知とするためには、それら未知パラメータの個数以上の枚数の変調画像が必要だからである。

そこで、本実施形態の位相板１６としては、例えば、米国発行特許発明第７８４８０１７明細書に開示された位相板が使用される。ここでは、位相板１６の一例を説明する。

位相板１６は、図７に示すように、位相遅延量の異なる２つの扇状領域を照明光学系１０の光軸（ｚ軸）の周りに設けており、一方の扇状領域１６ａの位相遅延量を０とおくと、他方の扇状領域１６ｂの位相遅延量は、２π／３に設定されている。また、一方の扇状領域１６ａの中心角度は１２０°、他方の扇状領域１６ｂの中心角度は２４０°に設定されている。

なお、扇状領域１６ａの位相遅延量と、扇状領域１６ｂの位相遅延量との間に差異を設けるには、例えば、扇状領域１６ａ、１６ｂのうち、一方にのみ所定厚さのＳｉＯ_２膜を蒸着すればよい。或いは、扇状領域１６ａ、１６ｂに対して厚さの異なるＳｉＯ_２膜を蒸着すればよい。

また、位相板１６は、照明光学系１０の光軸の周りに回動可能である。その回動位置を適切に設定すれば、光束選択部材２０により選択される１対の光束の間に適切な位相差Δφを与えることができる。また、位相板１６の回動位置を適切なパターンで切り替えれば、１対の光束の位相差Δφを、適切なパターンで切り替えることができる。

図８は、位相差Δφをシフトピッチ「２π／３」で３通りに切り替えるために必要な、位相板１６の回動パターンを示す図である。図８の上段は、選択される１対の光束の分割方向が第１方向Ｖ１である場合の回動パターンであり、図８の中段は、選択される１対の光束の分割方向が第２方向Ｖ２である場合の回動パターンであり、図８の下段は、選択される１対の光束の分割方向が第３方向Ｖ３である場合の回動パターンである。

したがって、位相板１６に設けられる回動機構１６Ａは、位相板１６の回動位置を１２０°ずつ切り替えることにより、選択される１対の光束の間の位相差Δφを、２π／３ずつシフトすることができる。これに伴い、干渉縞の位相もシフトする。

次に、全反射条件（ＴＩＲＦ条件）を満たすための構成を詳しく説明する。

本実施形態では、ＴＩＲＦ条件を満たすために、集光レンズアレイ１４の個々の集光レンズの光軸から照明光学系１０の光軸（＝集光レンズアレイ１４の光軸）までの距離ｄは、以下の条件式（１）を満たしている。

（ｎｗ・ｆｏ）／β ≦ ｄ ≦ （ＮＡ・ｆｏ ）／β…（１）
但し、ｎｗは標本２の屈折率、ｆｏは対物レンズ３１の焦点距離、βは集光レンズの集光位置から瞳面３２までの倍率、ＮＡは対物レンズ３１の開口数である。因みに、本実施形態では細胞を標本２としたので、ｎｗは水の屈折率にほぼ等しい。

以下、条件式（１）の意義を説明する。

先ず、1対の光束が瞳面３２上に形成する集光点から照明光学系１０の光軸までの高さＹは、以下のとおり表される。

Ｙ＝ｄ×β …（２）
また、対物レンズ３１の瞳半径ｒは、下記の式で表される。

ｒ＝ｆｏ×ＮＡ …（３）
よって、下式（４）が満たされれば、１対の光束の集光点がＴＩＲＦ領域に収まる。

ｎｗ×ｆｏ≦Ｙ≦ｒ …（４）
この式（４）に式（２）、（３）を代入し、ｄについて解くと、条件式（１）が得られる。よって、条件式（１）がＴＩＲＦ条件を満たすための式であることは、明白である。

次に、集光レンズアレイ１４の間隔調整について詳しく説明する。

図９は、集光レンズアレイ１４の可動部を示す図であり、図１０は、集光レンズアレイ１４に設けられた間隔調整機構１４Ａを示す図である。

先ず、上述したとおり本実施形態では、対物レンズ３１が倍率の異なる別の対物レンズ３１’へと交換されることを想定している。対物レンズ３１が倍率の異なる別の対物レンズ３１’へと交換された場合、瞳半径ｒ（式（３））が変化する可能性が高い（殆どの場合、瞳半径ｒが変化する。）。よって、仮に、集光レンズアレイ１４の個々の集光レンズの光軸から照明光学系１０の光軸までの距離ｄが固定されていると、対物レンズの交換によりＴＩＲＦ条件（式（１））が崩れてしまう虞がある。

そこで、本実施形態の集光レンズアレイ１４では、図９に点線で示すとおり、集光レンズ１４−１、１４−１’、１４−２、１４−２’、１４−３、１４−３’の各々の光軸から照明光学系１０の光軸までの距離ｄが可変となっている。

そのために、集光レンズアレイ１４に設けられた間隔調整機構１４Ａには、図１０（Ａ）に示すとおり、カム部材１４Ｅと、ガイド部材１４Ｄと、弾性部材１４Ｆとが備えられる。カム部材１４Ｅは、照明光学系１０の光軸の周りを回動可能であり、その回動により、集光レンズ１４−１、１４−１’、１４−２、１４−２’、１４−３、１４−３’の各々の光軸から照明光学系１０の光軸までの距離ｄを同時に変化させる。また、ガイド部材１４Ｄは、集光レンズ１４−１、１４−１’の移動方向を第１方向Ｖ１に制限し、集光レンズ１４−２、１４−２’の移動方向を第２方向Ｖ２に制限し、集光レンズ１４−３、１４−３’の移動方向を第３方向Ｖ３に制限する。また、弾性部材１４Ｆは、集光レンズ１４−１、１４−１’、１４−２、１４−２’、１４−３、１４−３’の各々をカム部材１４Ｅのカム面に押し当てる。

したがって、間隔調整機構１４Ａは、集光レンズ１４−１、１４−１’、１４−２、１４−２’ 、１４−３、１４−３’の各々の光軸から照明光学系１０の光軸までの距離ｄを同時に変化させる際に、照明光学系１０の光軸に関する集光レンズ１４−１、１４−１’の対称性と、照明光学系１０の光軸に関する集光レンズ１４−２、１４−２’の対称性と、照明光学系１０の光軸に関する集光レンズ１４−３、１４−３’の対称性を維持することができる。

なお、図１０（Ａ）は、距離ｄが比較的狭く設定されたときの様子を示しており、図１０（Ｂ）は、距離ｄが比較的広く設定されたときの様子を示している。図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）とを比較すると、カム部材１４Ｅの回動角度に応じて距離ｄが変化することがわかる。

そして、本実施形態の制御装置４３（図１参照）は、この間隔調整機構１４Ａを交換機構３１Ａ（図１参照）に連動させ、対物レンズの交換に依らず式（１）が満たされるように距離ｄを制御する。これによって、対物レンズの交換に依らずＴＩＲＦ条件を維持することができる。

但し、対物レンズの交換によって瞳面３２が光軸方向に変位する場合、制御装置４３は、位置調節機構１１Ａを交換機構３１Ａに連動させ、対物レンズの交換に依らず集光点の光軸方向の位置が瞳面３２と同じになるようにフォーカス調整を行うことが望ましい。

因みに、フォーカス調整は、光ファイバ１１の出射端の光軸方向の位置を位置調節機構１１Ａによって調節する他、集光レンズアレイ１４、レンズ２１、レンズ２３の少なくとも１つの光軸方向の位置を調整することによって行うことができる。

なお、本実施形態において、距離ｄの調整範囲を広くしたい場合は、集光点の位置が光束選択部材２０の開口部から外れることを防ぐため、開口部の位置（光軸と垂直な方向の位置）の異なる複数の光束選択部材を用意し、それら複数の光束選択部材を切り替え使用すればよい。

また、本実施形態では、距離ｄを可変としたので、エバネッセント場の染み出し量を任意に微調整することも可能である。例えば、本実施形態の制御装置４３は、ユーザからの指示に応じて式（１）を満たす範囲内で距離ｄを微調整することにより、ＴＩＲＦ条件を維持しつつエバネッセント場の染み出し量を微調整することができる。

次に、集光レンズアレイ１４の個々の集光レンズの設計例を説明する。

ここでは、レンズ２１の焦点距離を１６０ｍｍ、レンズ２３の焦点距離を１６０ｍｍ、倍率βを１、使用波長λの波長範囲を４００ｎｍ〜７００ｎｍと仮定する。また、撮像素子４２のサイズ等から、瞳面３２に入射する光束対のＮＡには、ＮＡ＝０．１１が要求されると仮定する。

この仮定によると、前述した干渉縞のパターンを直線状とし、前述した復調演算の精度を維持するためには、使用波長λの切り替えによる集光点の光軸方向のズレ量は、瞳面３２上で０．１ｍｍ以内に抑える必要がある。この場合、使用波長λの波長範囲（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）における集光レンズの軸上色収差を、０．１ｍｍ以下に抑える必要がある。そのためには、集光レンズの構成を、色消し機能のある張り合わせレンズ（接合レンズ）とすることが望ましい。具体的には、集光レンズの構成を、凸レンズと凹レンズとの組み合わせとすることが望ましい。

図１１は、集光レンズの光路図であり、図１２、図１３は、集光レンズのレンズデータである。但し、図１３における「ｎｄ」は、ｄ線に対する屈折率であり、「νｄ」はアッベ数である。また、表中における各数値の単位は「ｍｍ」である。

以上のレンズデータによると、図１４に示すとおり約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長範囲内における集光レンズの軸上色収差は、−０．０２３５１ｍｍ〜０．０７３２９ｍｍの範囲内に抑えられる。

したがって、本実施形態の集光レンズに以上のレンズデータを採用すれば、使用波長λの切り替え時におけるフォーカス調整を省略することが可能となる。

［変形例］
なお、本実施形態では、レーザユニット１００が出射可能なレーザ光の波長数を２としたが、３以上としてもよい。波長数に拘わらず、上述したレンズデータを採用する場合は、レーザユニット１００が出射する波長を、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長範囲内の何れかの波長に設定することが望ましい。

また、本実施形態では、全反射蛍光観察（ＴＩＲＦ）を行うために、集光点がＴＩＲＦ領域に収まるように距離ｄの値を制御したが、ＴＩＲＦの必要が無い場合（すなわち、構造化照明顕微鏡装置１をＴＩＲＦ−ＳＩＭモードではなくＳＩＭモードで使用する場合）は、集光点がＴＩＲＦ領域に収まっていなくても構わない。因みに、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１をＳＩＭモードで使用したならば、使用波長λの切り替え時に集光点の位置を不変とすることができるので、超解像効果を波長間で共通にすることができる。

なお、ここでいう超解像効果とは、標本の非変調時における構造化照明顕微鏡装置の解像度Ｒと、標本の変調時における構造化照明顕微鏡装置の解像度（Ｒ＋Ｋ）との比（Ｒ＋Ｋ）／Ｒのことである。

また、本実施形態では、波長の異なる複数の光を標本へ順次に照射する（複数種類の蛍光領域を順次に励起する）ことを想定したが、波長の異なる複数の光を標本へ同時に照射しても（複数種類の蛍光領域を同時に励起しても）よい。この場合は、波長の異なる複数の蛍光を分離して検出する機能を構造化照明顕微鏡装置１へ搭載することが望ましい。

また、本実施形態では、標本２に入射する１対の光束をＳ偏光に保つために、照明光学系１０の光軸の周りを回動可能な１／２波長板１９を使用したが、固定配置された１／４波長板と照明光学系１０の光軸の周りを回動可能な１／４波長板とを使用してもよい。但し、その場合は、第１の基準位置を基準とした１／４波長板の回転位置は、第２の基準位置を基準とした光束選択部材２０の回転位置と同じに設定される。

また、本実施形態では、対物レンズの交換に依らずＴＩＲＦ条件を維持するために、集光レンズアレイ１４の集光レンズの光軸から照明光学系１０の光軸までの距離ｄを可変としたが、距離ｄを可変とする代わりに、距離ｄの異なる複数の集光レンズアレイを用意し、これら複数の集光レンズアレイを切り替え使用してもよい。

また、本実施形態では、光源からの射出光束を分割する手段として、集光レンズ対の配列される方向数が２以上である集光レンズアレイ１４、すなわち、分割方向の異なる複数の光束対を同時に生成する集光レンズアレイ１４（図２（Ａ）参照）を使用したが、図１５に示すように、集光レンズ対の配列される方向数が１のみである集光レンズアレイ１４’、すなわち、所定方向に分割された１対の光束のみを生成する集光レンズアレイ１４’を使用してもよい。

但し、その場合は、干渉縞の方向を切り替えるために、集光レンズアレイ１４’を照明光学系１０の光軸の周りに回動可能とすればよい。集光レンズアレイ１４’を１２０°ずつ３ステップ回動させれば、集光レンズアレイ１４を使用した場合と同様の変調画像を取得することができる。また、集光レンズアレイ１４’を使用した場合は、同時に１対の光束しか生成されないので、光束選択部材２０は不要である。なお、集光レンズ１４’を使用した場合の間隔調整機構は、例えば、図１６に示すような構成となる。

また、本実施形態では、標本２へ投影する干渉縞を２光束干渉縞とした（つまり２Ｄ−ＳＩＭモードとした）が、標本２へ投影する干渉縞を３光束干渉縞としたＳＩＭモード（つまり３Ｄ−ＳＩＭモード）を構造化照明顕微鏡装置１へ搭載してもよい。

３Ｄ−ＳＩＭモードでは、図２に示した集光レンズアレイ１４の代わりに、図１７に示すような集光レンズアレイ１４”を使用すればよい。この集光レンズアレイ１４”は、図２に示した集光レンズアレイ１４において、集光レンズ１４−０を１つ追加したものである。この集光レンズ１４−０の配置先は、照明光学系１０の光軸の近傍であって、集光レンズ１４−０の光軸は、照明光学系１０の光軸（＝集光レンズアレイ１４の光軸）に一致している。また、集光レンズ１４−０のレンズ特性（レンズの構成、焦点距離など）は、他の集光レンズ１４−１、１４−１’、１４−２、１４−２’、１４−３、１４−３’の各々のレンズ特性（レンズの構成、焦点距離など）と同じである。このような集光レンズアレイ１４”によると、前述した１対の光束による１対の集光点と、集光レンズ１４−０を通過した光束（以下、「中央光束」と称す。）による１つの集光点との３つの集光点が、瞳共役面２５上に形成される。

また、３Ｄ−ＳＩＭモードでは、図６に示した光束選択部材２０の代わりに、図１８に示すような光束選択部材２０’を使用すればよい。この光束選択部材２０’は、図６に示した光束選択部材２０において、上述した中央光束を通過させるための開口部２０Ｅを更に設けたものである。この開口部２０Ｅの形成先は、照明光学系１０の光軸の近傍であって、この開口部２０Ｅの形状は、例えば円形である。このような光束選択部材２０’によると、瞳共役面２５上に形成された３つの集光点の各々からの光束を、干渉縞に寄与させることができる。

このように、３つの光束の干渉（３光束干渉）によって生成される干渉縞は、標本２の表面方向だけでなく、標本２の深さ方向にも空間変調されている。よって、この干渉縞によると、標本２の深さ方向にも超解像効果を得ることが可能となる。

また、３Ｄ−ＳＩＭモードでは、上述した復調演算に必要な変調画像の位相数が４以上となるので、位相板１６も変形する必要がある。位相数を４以上にするための位相板の例は、米国発行特許発明第７８４８０１７号明細書に開示されている。

また、本実施形態では、集光レンズアレイと対物レンズとの間にリレー系（レンズ２１、２３）を挿入したが、このリレー系は省略することも可能である。

また、本実施形態では、光を分割するために集光レンズアレイ（集光レンズアレイ１４、１４’、１４”）の個々の集光レンズとして、凸レンズと凹レンズの接合レンズを例示して説明したが、複数のレンズ群で構成してもよく、複数のレンズ群で構成しても集光レンズ（レンズ）の概念、集光レンズアレイ（１対にレンズを含むレンズアレイ）の概念に含まれる。

［実施形態の効果］
以上、本実施形態の照明光学系（１０）は、複数波長の光を同時又は順次に射出する光源（１００、１１）からの射出光束を分割するとともに集光する少なくとも１対のレンズを含むレンズアレイ（１４）と、１対のレンズで分割された１対の光束を、瞳面（３２）の互いに異なる位置で受けることにより、それら１対の光束を物体側で干渉させ、その物体側に配置された標本（２）に干渉縞を形成する対物レンズ（３１）とを備える。

このように、１対の光束を生成するために、回折格子の代わりにレンズアレイを使用すれば、複数波長の間で進行方向が変化するという問題は発生しない。よって、レンズアレイを使用したならば、瞳面（３２）における１対の光束の入射位置を、複数波長の間で一致にさせることができる。

したがって、本実施形態の照明光学系１０によれば、複数波長の各々で所望の超解像効果を得ることが可能である。

また、本実施形態の照明光学系（１０）では、１対のレンズの位置関係は対物レンズ（３１）の光軸に関して対称な位置関係に設定される。

したがって、本実施形態の照明光学系（１０）によれば、標本（２）に形成される干渉縞のパターンやコントラストを良好にすることができる。

また、本実施形態の照明光学系（１０）では、１対のレンズの各々の光軸から対物レンズ（３１）の光軸までの距離は、１対の光束が標本（２）の表面近傍にエバネッセント場を生成できるように調整されている。具体的には、距離ｄは条件式（１）を満たす。

したがって、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）は、標本（２）の表面の極めて薄い層を複数波長の各々で観察することができる。

また、本実施形態の照明光学系（１０）では、対物レンズ（３１）は、瞳径の異なる別の対物レンズ（３１’）へと交換可能であり、レンズアレイ（１４）は、１対のレンズの各々の光軸から対物レンズ（３１）の光軸までの距離ｄが可変である。

或いは、本実施形態の照明光学系（１０）では、対物レンズ（３１）は、瞳径の異なる別の対物レンズ（３１’）へと交換可能であり、レンズアレイ（１４）は、距離ｄの異なる別のレンズアレイへと交換可能である。

したがって、本実施形態の照明光学系（１０）は、対物レンズの交換による瞳径の変化にも対処することが可能である。

また、本実施形態の照明光学系（１０）では、レンズアレイ（１４）は複数の前記１対のレンズを有し、複数の１対のレンズで分割された複数対の光束のうち１対の光束のみを選択する光束選択手段（２０）を更に備える。

或いは、本実施形態の照明光学系（１０）では、レンズアレイ（１４）は、対物レンズ（３１）の光軸の周りに回動可能である。

したがって、本実施形態の照明光学系（１０）は、干渉縞の方向を切り替えることが可能である。よって、超解像効果を標本面内の複数方向に亘って得ることが可能となる。

また、本実施形態の照明光学系（１０）では、１対のレンズの一方及び他方の焦点距離は、互いに等しい。

したがって、本実施形態の照明光学系（１０）では、１対の光束の光軸方向の集光位置を、共通にすることができる。よって、干渉縞のパターンやコントラストを良好にすることができる。

また、本実施形態の照明光学系（１０）では、１対のレンズの一方及び他方は、接合レンズであり、１対のレンズの軸上色収差は、１対のレンズの集光位置が複数波長の間で略一致するように補正されている。

したがって、本実施形態の照明光学系（１０）によると、１対の光束の光軸方向の集光位置を、複数波長の間で共通にすることができる。よって、使用波長の切り替え時におけるフォーカス調整の手間を省くことができる。

また、本実施形態の照明光学系（１０）では、レンズアレイ（１４）は、１対のレンズの他に、対物レンズ（３１）の光軸上に配置されたレンズを更に有する。

したがって、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）は、２Ｄ−ＳＩＭモードだけでなく３Ｄ−ＳＩＭモードでも動作することができる。

また、本実施形態の照明光学系（１０）は、１対の光束の光軸方向の集光位置を調整するための位置調整手段（１１Ａ）を更に備える。例えば、本実施形態の照明光学系（１０）のレンズアレイ（１４）は、光軸方向の位置が可変である。

したがって、本実施形態の照明光学系（１０）は、対物レンズの交換などによる瞳位置の変位にも対処することができる。

また、本実施形態の照明光学系（１０）は、干渉縞の位相をシフトさせるための位相シフト手段（１８Ｂ）を更に備える。

したがって、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１は、復調演算に必要な一連の変調画像を確実に取得することができる。

また、本実施形態の照明光学系（１０）では、複数波長は、約４００ｎｍから約７００ｎｍの波長範囲内に収められる。

この範囲内の波長であれば、１対の光束の集光点が複数波長の間で略一致するようにレンズアレイ（１４）を設計することが可能である。

［復調演算の説明］
以下、復調演算の例を説明する。

ここでは、２Ｄ−ＳＩＭモードを想定し、先ずは、干渉縞の方向数Ｍ_ｍａｘを１、位相数Ｎ_ｍａｘを３と仮定する。

標本上の変調方向の座標をｘとおき、結像光学系の点像強度分布をＰ_ｒ（ｘ）とおき、標本の蛍光領域の構造をＯ_ｒ（ｘ）とおき、干渉縞の空間周波数（変調周波数）をＫとおき、干渉縞の位相（変調位相）をφとおき、干渉縞の振幅（変調振幅）をｍ_ｌとおくと（但し、ｌは変調次数−１，０，１である。）、干渉縞のパターン（変調波形）はｍ_ｌｅｘｐ（ｉｌＫｘ＋φ）で表されるので、標本の変調画像Ｉ_ｒ（ｘ）は、以下の式で表される。

但し、式中の記号「＊」は、畳み込み積分を表す。以下、実空間における量と波数空間における量とを区別するために、実空間における量には添え字「ｒ」を付与し、波数空間における量には添え字「ｋ」を付与する。

よって、変調画像Ｉ_ｒ（ｘ）をフーリエ変換したもの（＝Ｉ_ｋ（ｋ））は、以下の式のとおり表される。

なお、結像光学系の点像強度分布Ｐ_ｒ（ｘ）をフーリエ変換したもの（＝Ｐ_ｋ（ｋ））は、結像光学系の伝達関数（ＯＴＦ：Optical Transfer Function）に相当する。

ここで、式におけるＯ_ｋ（ｋ＋ｌＫ）（ｌ＝−１、０、１）は、変調画像Ｉ_ｋ（ｋ）に重畳された各次数の変調成分である。１次変調成分Ｏ_ｋ（ｋ＋Ｋ）、−１次変調成分（ｋ−Ｋ）においては、標本１５の実際の空間周波数成分がＫだけ（低周波数側へ）シフトしている。このシフトの量が大きいほど、超解像効果は大きくなる。このため、干渉縞の空間周波数は、結像光学系が結像できる範囲内でなるべく高い値に設定されることが望ましい。

さて、一連の変調画像、すなわち（Ｎ_ｍａｘ×Ｍ_ｍａｘ）フレームの変調画像のうち、干渉縞の位相が互いに異なる３フレームの変調画像の間では、φのみが異なり、ｍ_ｌ及びＫは共通である。よって、それら３フレームのうち第ｊフレームの変調画像に反映されている干渉縞の位相をφ_jとおくと、第ｊフレームの変調画像Ｉ_ｋｊ（ｋ）は、以下の式で表される。

よって、復調演算では、３フレームの変調画像を上式へ当てはめると共に、それによって得られる３つの方程式を連立させて解くことで、各次数の変調成分Ｏ_ｋ（ｋ＋ｌＫ）（ｌ＝−１，０，１）の各々を既知とする（互いに分離する）。因みに、この式におけるＰ_ｋ（ｋ）は、結像光学系に固有なので、予め測定しておくことが可能である。

なお、各次数の変調成分Ｏ_ｋ（ｋ＋ｌＫ）（ｌ＝−１，０，１）を互いに分離する際には、 Ｏ_ｋ（ｋ＋ｌＫ）Ｐ_ｋ（ｋ）（ｌ＝−１，０，１）の各々を既知としてから、それらをＰ_ｋ（ｋ）の値で除算してもよいが、単なる除算を行う代わりに、ウィナーフィルタなどノイズの影響を受けにくい公知の手法を利用してもよい。

そして、復調演算では、±１次変調成分Ｏ_ｋ（ｋ＋Ｋ）、Ｏ_ｋ（ｋ−Ｋ）を、変調周波数Ｋの分だけｘ方向にかけてシフト（再配置）してから、各次数の変調成分Ｏ_ｋ（ｋ＋ｌＫ）（ｌ＝−１，０，１）を波数空間上で重み付け合成することで、周波数範囲の広い復調画像Ｏ_ｋ（ｘ）を生成する。

この復調画像Ｏ_ｋ（ｘ）を逆フーリエ変換したものが、標本１５の超解像画像Ｏ_ｒ（ｘ）である。この超解像画像Ｏ_ｒ（ｘ）は、干渉縞の変調方向（ｘ方向）にかけて高い超解度を有している。

次に、干渉縞の方向数Ｍ_ｍａｘを３、各方向の位相数Ｎ_ｍａｘを３と仮定した場合を説明する。

図１９は、位相数Ｎ_ｍａｘ＝３、方向数Ｍ_ｍａｘ＝３である場合の復調演算を説明する図である。図１９において符号Ｉ_ｒ（１，１）、Ｉ_ｒ（２，１）、…、Ｉ_ｒ（３，３）で示すのは、干渉縞の位相及び方向の組み合わせが互いに異なる変調画像であって、変調画像Ｉ_ｒ（Ｎ、Ｍ）の「Ｎ」は、その変調画像に寄与した干渉縞の位相番号であり、変調画像Ｉ_ｒ（Ｎ、Ｍ）の「Ｍ」は、その変調画像に寄与した干渉縞の方向番号である。

図１９に示すとおり、位相数Ｎ_ｍａｘ＝３、方向数Ｍ_ｍａｘ＝３である場合の復調演算では、３×３＝９フレームの変調画像を個別にフーリエ変換し（図１９（ａ））、干渉縞の方向が共通である変調画像同士で変調成分の分離を行い（図１９（ｂ））、それによって得られた合計９つの変調成分の各々を再配置してから（図１９（ｃ））、同一の波数空間上で重み付け合成し（図１９（ｄ））、３方向にかけて周波数範囲の広がった復調画像Ｏ_ｋを生成する。この復調画像Ｏ_ｋを逆フーリエ変換したものが、標本１５の超解像画像Ｏ_ｒである。この超解像画像Ｏ_ｒは、３方向の各々にかけて高い解像度を有している。

図１９に明らかなとおり、Ｎ_ｍａｘ＝３、Ｍ_ｍａｘ＝３の場合、Ｎ_ｍａｘ×Ｎ_ｍａｘ＝９フレームの変調画像から１フレームの超解像画像Ｏ_ｒが生成される。

なお、ここでは、位相数Ｎ_ｍａｘを３と仮定したので、変調成分の分離を、連立方程式を解くことによって行ったが、位相数Ｎ_ｍａｘが３より大きい場合は、国際公開第２００６／１０９４４８号パンフレットに開示された方法で行ってもよい。

また、ここでは、２Ｄ−ＳＩＭモードについて説明したが、３Ｄ−ＳＩＭモードにおいては、変調画像に重畳される変調成分が、−２次変調成分、−１次変調成分、０次変調成分、＋１次変調成分、＋２次変調成分の５種類になるので（すなわち、ｌ＝−２、−１、０、＋１、＋２となるので）、これらの変調成分を互いに分離すればよい。よって、３Ｄ−ＳＩＭモードでは、例えば、位相数Ｎ_ｍａｘを５以上として、一連の変調画像のフレーム数を増やせばよい。

また、ここでは、復調演算における再配置（図１９（ｃ））及び合成（図１９（ｄ））の処理を順次に行ったが、一括の演算式で行うことも可能である。その演算式としては、以下の非特許文献１のOnline Methodsにおける数式（１）などが適用可能である。

非特許文献１："Super-Resolution Video Microscopy of Live Cells by Structured Illumination", Peter Kner, Bryant B. Chhun, Eric R. Griffis, Lukman Winoto, and Mats G. L. Gustafsson, NATURE METHODS Vol.6 NO.5, pp.339-342, (2009)
なお、上述の各実施形態の要件は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。また、法令で許容される限りにおいて、上述の各実施形態及び変形例で引用した装置などに関する全ての公開公報及び米国特許の開示を援用して本文の記載の一部とする。

１…構造化照明顕微鏡装置、１００…レーザユニット、１１…光ファイバ、１０…照明光学系、３０…結像光学系、４２…撮像素子、４３…制御装置、４４…画像記憶・演算装置、４５…画像表示装置、１２…コレクタレンズ、１３…偏光板、１４…集光レンズアレイ、１６…位相板、１９…１／２波長板、２０…光束選択部材、２１…レンズ、２２…視野絞り、２３…フィールドレンズ、２４…励起フィルタ、３３…ダイクロイックミラー、３１…対物レンズ、３４…吸収フィルタ、３５…第２対物レンズ、２…標本

Claims (19)

1. 複数波長の光を同時又は順次に射出する光源からの射出光束を分割するとともに集光する少なくとも１対のレンズを含むレンズアレイと、
   前記１対のレンズで分割された１対の光束を、瞳面の互いに異なる位置で受けることにより、それら１対の光束を物体側で干渉させ、その物体側に配置された標本に干渉縞を形成する対物レンズと、
   を備えたことを特徴とする構造化照明装置。
2. 請求項１に記載の構造化照明装置において、
   前記１対のレンズの各々は、前記対物レンズの光軸に関して対称な位置関係で配置される
   ことを特徴とする構造化照明装置。
3. 請求項２に記載の構造化照明装置において、
   前記１対のレンズの各々の光軸から前記対物レンズの光軸までの距離は、
   前記１対の光束が前記標本の表面近傍にエバネッセント場を生成できるように調整されている
   ことを特徴とする構造化照明装置。
4. 請求項３に記載の構造化照明装置において、
   前記１対のレンズの各々の光軸から前記対物レンズの光軸までの距離ｄは、以下の条件式を満たす
   （ｎｗ・ｆｏ）／β ≦ ｄ ≦ （ＮＡ・ｆｏ ）／β
   ことを特徴とする構造化照明装置。
   但し、ｎｗは前記標本の屈折率、ｆｏは前記対物レンズの焦点距離、βは前記１対のレンズの各々の集光位置から前記瞳面までの倍率、ＮＡは前記対物レンズの開口数である。
5. 請求項２〜請求項４の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
   前記対物レンズは、瞳径の異なる別の対物レンズへと交換可能であり、
   前記レンズアレイは、前記１対のレンズの各々の光軸から前記対物レンズの光軸までの距離ｄが可変である
   ことを特徴とする構造化照明装置。
6. 請求項２〜請求項４の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
   前記対物レンズは、瞳径の異なる別の対物レンズへと交換可能であり、
   前記レンズアレイは、距離ｄの異なる別のレンズアレイへと交換可能である
   ことを特徴とする構造化照明装置。
   但し、レンズアレイの距離ｄは、前記レンズアレイに含まれる１対のレンズの各々の光軸から前記対物レンズの光軸までの距離である。
7. 請求項２〜請求項６の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
   前記レンズアレイは、複数の前記１対のレンズを有する
   ことを特徴とする構造化照明装置。
8. 請求項７に記載の構造化照明装置において、
   複数の前記１対のレンズで分割された複数対の光束のうち１対の光束のみを選択する光選択手段を更に備えた
   ことを特徴とする構造化照明装置。
9. 請求項２〜請求項６の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
   前記レンズアレイは、前記対物レンズの光軸の周りに回動可能である
   ことを特徴とする構造化照明装置。
10. 請求項２〜請求項９の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
    前記１対のレンズの一方及び他方の焦点距離は、互いに等しい
    ことを特徴とする構造化照明装置。
11. 請求項２〜請求項１０の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
    前記１対のレンズの一方及び他方は、接合レンズである
    ことを特徴とする構造化照明装置。
12. 請求項１１に記載の構造化照明装置において、
    前記１対のレンズの軸上色収差は、前記１対のレンズの集光位置が前記複数波長の間で略一致するように補正されている
    ことを特徴とする構造化照明装置。
13. 請求項２〜請求項１２の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
    前記レンズアレイは、前記１対のレンズの他に、光軸上に配置されたレンズを更に有する
    ことを特徴とする構造化照明装置。
14. 請求項１〜請求項１３の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
    前記対物レンズの光軸方向における前記１対の光束の集光位置を調整するための位置調整手段を更に備える
    ことを特徴とする構造化照明装置。
15. 請求項１４に記載の構造化照明装置において、
    前記対物レンズの光軸方向における前記レンズアレイの位置は、可変である
    ことを特徴とする構造化照明装置。
16. 請求項１〜請求項１５の何れか一項に記載の照明装置において、
    前記干渉縞の位相をシフトさせるための位相シフト手段を更に備える
    ことを特徴とする構造化照明装置。
17. 請求項１〜請求項１６の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
    前記複数波長は、４００ｎｍから７００ｎｍの波長範囲内に収められる
    ことを特徴とする構造化照明装置。
18. 請求項１〜請求項１７の何れか一項に記載の構造化照明装置と、
    前記干渉縞で変調された前記標本からの観察光束を光検出器に結像する結像光学系と、
    を備えたことを特徴とする構造化照明顕微鏡装置。
19. 請求項１８に記載の構造化照明顕微鏡装置において、
    前記光検出器が生成した画像に基づき前記標本の復調像を演算する演算手段を更に備えた
    ことを特徴とする構造化照明顕微鏡装置。

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