JP2015049467A - Structured illumination device and structured illumination microscope device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To simply and reliably suppress a deviation among wavelengths on an observation object surface.SOLUTION: One example of a structured illumination device according to the present invention comprises: a branch part that branches an emission ray flux from a light source into at least two branch ray fluxes; an optical system that forms an interference fringe due to the branched two branch ray fluxes on a sample; and a phase difference imparting member that imparts a phase difference to at least two kinds of the emission ray fluxes different in a wavelength.

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。   The present invention relates to a structured illumination apparatus and a structured illumination microscope apparatus.

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により標本を照明して変調画像を取得し、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等を参照)。   In the field of specimen observation and measurement, in order to achieve a resolution that exceeds the performance of the objective lens, the sample is illuminated with spatially modulated illumination light to obtain a modulated image, and the modulation component contained in the modulated image is obtained. A structured illumination microscope (SIM) that generates a super-resolution image of a specimen by removing (demodulating) has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特に、特許文献1に記載の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で複数の光束に分岐し、それら光束を対物レンズの瞳面の互いに異なる位置へ集光し、標本の近傍で互いに干渉させ、その干渉縞を構造化照明光としている。   In particular, in the structured illumination microscope described in Patent Document 1, a light beam emitted from a light source is branched into a plurality of light beams by a diffraction grating, and the light beams are condensed at different positions on the pupil plane of the objective lens, and in the vicinity of the specimen. The interference fringes are used as structured illumination light.

米国再発行特許発明第38307号明細書US Reissue Patent No. 38307 Specification

今後、標本の蛍光色素が多様化されると、構造化照明顕微鏡の光源波長も多様化される必要があるが、干渉縞の干渉強度が最大となる位置(観察対象面)の光軸方向の位置は光源波長によってずれる虞がある。本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、観察対象面の波長間のズレを簡単かつ確実に抑えることのできる構造化照明装置及び構造化照明顕微鏡装置を提供することを目的とする。   In the future, when the fluorescent dyes of specimens are diversified, the light source wavelength of the structured illumination microscope will need to be diversified, but the position of the interference fringe where the interference intensity is maximum (observation target surface) in the direction of the optical axis. The position may be shifted depending on the light source wavelength. The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a structured illumination device and a structured illumination microscope device that can easily and reliably suppress a shift between wavelengths of an observation target surface. To do.

本発明の構造化照明装置の一例は、光源からの射出光束を少なくとも2つの分岐光束に分岐する分岐部と、分岐した前記2つの分岐光束による干渉縞を標本に形成する光学系と、波長の異なる少なくとも2種類の前記射出光束に位相差を付与する位相差付与部材と、を備える。   An example of the structured illuminating device of the present invention includes a branching unit that branches an emitted light beam from a light source into at least two branched light beams, an optical system that forms interference fringes by the two branched light beams on a sample, A phase difference imparting member that imparts a phase difference to at least two different types of emitted light beams.

本発明の構造化照明顕微鏡装置の一例は、本発明の構造化照明装置の一例と、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。   An example of the structured illumination microscope apparatus of the present invention includes an example of the structured illumination apparatus of the present invention and an imaging optical system that images an observation light beam from the sample modulated by the interference fringes on a photodetector. Prepare.

本発明によれば、観察対象面の波長間のズレを簡単かつ確実に抑えることのできる構造化照明装置及び構造化照明顕微鏡装置が実現する。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the structured illumination apparatus and structured illumination microscope apparatus which can suppress easily the shift | offset | difference between the wavelengths of an observation object surface are ensured.

構造化照明顕微鏡装置1の構成図である。1 is a configuration diagram of a structured illumination microscope apparatus 1. FIG. 回折格子13を説明する図である。It is a figure explaining the diffraction grating. 1/2波長板17の機能を説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating the function of a half-wave plate 17. 光束選択部材18の機能を説明する図である。It is a figure explaining the function of the light beam selection member. 1/2波長板17及び光束選択部材18の機能を説明する図である。It is a figure explaining the function of the half wave plate 17 and the light beam selection member 18. FIG. 光束選択部材18の形状を説明する図である。It is a figure explaining the shape of the light beam selection member. 並進機構15Aの機能を説明する図である。It is a figure explaining the function of 15 A of translation mechanisms. 回折格子13における回折角度と波長との関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the diffraction angle and the wavelength in the diffraction grating. 第1実施形態の位相板200を説明する図である。It is a figure explaining the phase plate 200 of 1st Embodiment. 波長λ、λに対する対物レンズ6の焦点面のズレを説明する図である。It is a figure explaining the shift | offset | difference of the focal plane of the objective lens 6 with respect to wavelength (lambda) S , (lambda) L. 波長λの焦点面5Aを波長λの焦点面5Aに一致させるために必要な延長量Δdを示す図である。Is a diagram showing an extended amount [Delta] d p required to match the focal plane 5A S wavelength lambda S in the focal plane 5A L of wavelength lambda L. 位相遅延部200Bの作用を説明する図である。It is a figure explaining the effect | action of the phase delay part 200B. (A)は、第1実施形態の位相板200を光軸に沿った方向(標本側)から見た図であり、(B)は、光軸Oを含む平面で位相板200を切断してできる断面図である。(A) is the figure which looked at the phase plate 200 of 1st Embodiment from the direction (sample side) along an optical axis, (B) cut | disconnects the phase plate 200 in the plane containing the optical axis O. FIG. (A)は、第1実施形態における位相板200の変形例(回転型)を光軸Oに沿った方向から見た図であり、(B)は、光軸Oを含む平面で位相板200を切断してできる断面図である。(A) is the figure which looked at the modification (rotation type) of the phase plate 200 in 1st Embodiment from the direction along the optical axis O, (B) is a plane containing the optical axis O in the phase plate 200. FIG. It is sectional drawing which can be cut | disconnected. (A)は、第1実施形態における位相板200の変形例(リング型)を光軸Oに沿った方向から見た図であり、(B)は、光軸Oを含む平面で位相板200を切断してできる断面図である。(A) is the figure which looked at the modification (ring type) of the phase plate 200 in 1st Embodiment from the direction along the optical axis O, (B) is a plane containing the optical axis O in the phase plate 200. FIG. It is sectional drawing which can be cut | disconnected. (A)は、第1実施形態における位相板200の変形例(ダブルリング型)を光軸Oに沿った方向から見た図であり、(B)は、光軸Oを含む平面で位相板200を切断してできる断面図である。(A) is the figure which looked at the modification (double ring type) of the phase plate 200 in 1st Embodiment from the direction along the optical axis O, (B) is a plane containing the optical axis O in a plane It is sectional drawing formed by cut | disconnecting 200. FIG. 3D−SIMに適用される光束選択部材18’の形状を説明する図である。It is a figure explaining the shape of the light beam selection member 18 'applied to 3D-SIM. (A)は、第2実施形態の位相板200を光軸Oに沿った方向(標本側)から見た図であり、(B)は、光軸Oを含む平面で位相板200を切断してできる断面図である。(A) is the figure which looked at the phase plate 200 of 2nd Embodiment from the direction (sample side) along the optical axis O, (B) cut | disconnects the phase plate 200 in the plane containing the optical axis O. FIG. FIG. 高さρが異なると遅延量Δdが異なることを説明する図である。Height [rho S is a view different from the delay amount [Delta] d p will be described different.

[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態として構造化照明顕微鏡装置を説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a structured illumination microscope apparatus will be described as a first embodiment of the present invention.

図1は、構造化照明顕微鏡装置1の構成図である。以下では構造化照明顕微鏡装置1を全反射蛍光顕微鏡(TIRFM:Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy)として使用する場合も併せて説明する。TIRFMは、蛍光性を有した試料(標本)5の表面の極めて薄い層を、観察することができる。   FIG. 1 is a configuration diagram of the structured illumination microscope apparatus 1. Hereinafter, the case where the structured illumination microscope apparatus 1 is used as a total internal reflection fluorescence microscope (TIRFM) will also be described. TIRFM can observe a very thin layer on the surface of a sample (specimen) 5 having fluorescence.

先ず、構造化照明顕微鏡装置1の構成を説明する。   First, the structure of the structured illumination microscope apparatus 1 will be described.

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、第1撮像素子351と、第2撮像素子352と、制御装置39と、画像記憶・演算装置40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6及びダイクロイックミラー7を利用して標本5の照明を行う。   As shown in FIG. 1, the structured illumination microscope apparatus 1 includes a laser unit 100, an optical fiber 11, an illumination optical system 10, an imaging optical system 30, a first image sensor 351, and a second image sensor 352. A control device 39, an image storage / arithmetic device 40, and an image display device 45 are provided. The illumination optical system 10 is an epi-illumination type, and the specimen 5 is illuminated using the objective lens 6 and the dichroic mirror 7 of the imaging optical system 30.

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1031、1032、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の波長をλ、第2レーザ光源102の波長をλとおき、λ>λと仮定する。これらの第1レーザ光源101、第2レーザ光源102、シャッタ1031、1032は、それぞれ制御装置39によって駆動・制御される。 The laser unit 100 includes a first laser light source 101, a second laser light source 102, shutters 1031, 1032, a mirror 105, a dichroic mirror 106, and a lens 107. Each of the first laser light source 101 and the second laser light source 102 is a coherent light source, and the emission wavelengths thereof are different from each other. Here, it is assumed that the wavelength of the first laser light source 101 is λ L , the wavelength of the second laser light source 102 is λ S , and λ L > λ S. The first laser light source 101, the second laser light source 102, and the shutters 1031 and 1032 are driven and controlled by the control device 39, respectively.

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O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39によって駆動・制御される。なお、位置調整機構11Aとしては、例えば、ピエゾ素子等が用いられる。   The optical fiber 11 is configured by, for example, a polarization-preserving single mode fiber in order to guide the laser light emitted from the laser unit 100. The position of the output end of the optical fiber 11 in the direction of the optical axis O can be adjusted by the position adjusting mechanism 11A. The position adjusting mechanism 11A is driven and controlled by the control device 39. For example, a piezo element or the like is used as the position adjustment mechanism 11A.

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23と、光束分岐部15と、集光レンズ16と、位相板200と、光束選択部24と、レンズ25と、視野絞り26と、フィールドレンズ27と、励起フィルタ28と、ダイクロイックミラー7と、対物レンズ6とが配置される。   The illumination optical system 10 includes, in order from the emission end side of the optical fiber 11, a collector lens 12, a polarizing plate 23, a beam splitter 15, a condenser lens 16, a phase plate 200, a beam selector 24, A lens 25, a field stop 26, a field lens 27, an excitation filter 28, a dichroic mirror 7, and an objective lens 6 are disposed.

なお、光ファイバ11として偏波面保存型のシングルモードファイバを使用した場合は、光ファイバ11の前後でレーザ光の偏波面が保存されるので、偏光板23は非必須であるが、レーザ光の偏光の品質を保つためには有効である。一方、光ファイバ11としてマルチモードファイバを使用した場合、偏光板23は必須である。   When a polarization-preserving single mode fiber is used as the optical fiber 11, the polarization plane of the laser light is preserved before and after the optical fiber 11, so that the polarizing plate 23 is not essential, but the laser light This is effective for maintaining the quality of polarized light. On the other hand, when a multimode fiber is used as the optical fiber 11, the polarizing plate 23 is essential.

光束分岐部15には、回折光学素子(回折格子)13と、並進機構15Aとが備えられ、光束選択部24には、1/2波長板17と、光束選択部材18と、回動機構24Aとが備えられる。なお、並進機構15A、回動機構24Aは、制御装置39によって駆動・制御される。   The beam splitter 15 includes a diffractive optical element (diffraction grating) 13 and a translation mechanism 15A, and the beam selector 24 includes a half-wave plate 17, a beam selector 18 and a rotation mechanism 24A. And are provided. The translation mechanism 15A and the rotation mechanism 24A are driven and controlled by the control device 39.

結像光学系30には、標本5の側から順に、対物レンズ6と、ダイクロイックミラー7と、バリアフィルタ31と、第2対物レンズ32と、第2ダイクロイックミラー35と、が配置される。   In the imaging optical system 30, an objective lens 6, a dichroic mirror 7, a barrier filter 31, a second objective lens 32, and a second dichroic mirror 35 are arranged in this order from the sample 5 side.

標本5は、例えば、平行平板状のガラス表面に配置された蛍光性の細胞(蛍光色素で染色された細胞)や、シャーレ内に存在する蛍光性の生体細胞(蛍光色素で染色された動く細胞)などの細胞である。この細胞には、波長λの光によって励起される第1蛍光領域と、波長λ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。なお、第1蛍光領域は、波長λの光に応じて中心波長λ’の第1蛍光を発生させ、第2蛍光領域は、波長λの光に応じて中心波長λ’の第2蛍光を発生させる。 The specimen 5 is, for example, fluorescent cells (cells stained with a fluorescent dye) arranged on a parallel flat glass surface, or fluorescent living cells (moving cells stained with a fluorescent dye) present in a petri dish. ) And so on. In this cell, both the first fluorescent region excited by light of wavelength λ L and the second fluorescent region excited by light of wavelength λ S are expressed. The first fluorescent region, 'to generate a first fluorescence and the second fluorescence region, the central wavelength lambda S in accordance with the light of wavelength lambda S' center wavelength lambda L in accordance with the light of the wavelength lambda L first of 2. Generate fluorescence.

構造化照明顕微鏡装置1がTIRFM(全反射蛍光顕微鏡)として利用される場合、対物レンズ6は、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6と標本5のガラスとの間隙は、浸液(油)で満たされる。   When the structured illumination microscope apparatus 1 is used as a TIRFM (total reflection fluorescence microscope), the objective lens 6 is configured as an immersion type (oil immersion type) objective lens. That is, the gap between the objective lens 6 and the glass of the specimen 5 is filled with the immersion liquid (oil).

第1撮像素子351、第2撮像素子352の各々は、CCDやCMOS等からなる二次元の撮像素子である。第1撮像素子351、第2撮像素子352の各々は、制御装置39によって駆動されると、第1撮像素子351の撮像面361、第2撮像素子352の撮像面362の各々に形成された像を撮像し、画像を生成する。これら第1撮像素子351、第2撮像素子352の各々が生成した画像は、制御装置39を介して画像記憶・演算装置40へと取り込まれる。   Each of the first image sensor 351 and the second image sensor 352 is a two-dimensional image sensor composed of a CCD, a CMOS, or the like. When each of the first imaging element 351 and the second imaging element 352 is driven by the control device 39, an image formed on each of the imaging surface 361 of the first imaging element 351 and the imaging surface 362 of the second imaging element 352. Is captured and an image is generated. Images generated by the first image sensor 351 and the second image sensor 352 are taken into the image storage / arithmetic device 40 via the control device 39.

なお、第1撮像素子351、第2撮像素子352の各々のフレーム周期(撮像の繰り返し周期)は、撮像素子の撮像時間(すなわち電荷蓄積及び電荷読出に要する時間)、干渉縞の方向切り換えに要する時間、その他の所要時間のうち、律速によって定められる。   Note that the frame period (imaging repetition period) of each of the first image sensor 351 and the second image sensor 352 is necessary for imaging time of the image sensor (that is, time required for charge accumulation and charge readout) and for switching the direction of interference fringes. Of time and other required time, it is determined by rate-limiting.

制御装置39は、レーザユニット100、位置調整機構11A、並進機構15A、回動機構24A、第1撮像素子351、第2撮像素子352を駆動・制御する。   The control device 39 drives and controls the laser unit 100, the position adjustment mechanism 11A, the translation mechanism 15A, the rotation mechanism 24A, the first image sensor 351, and the second image sensor 352.

画像記憶・演算装置40は、制御装置39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。   The image storage / arithmetic unit 40 performs a calculation on the image given via the control unit 39, stores the calculated image in an internal memory (not shown), and sends it to the image display unit 45.

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。   Next, the behavior of laser light in the structured illumination microscope apparatus 1 will be described.

第1レーザ光源101から射出した波長λのレーザ光(第1レーザ光)は、シャッタ1031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λのレーザ光(第2レーザ光)は、シャッタ1032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39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(=光源波長)を、長い波長λと短い波長λとの間で切り替えたり、光源波長を長い波長λと短い波長λとの双方に設定したりすることができる。 Laser light having a wavelength lambda L emitted from the first laser light source 101 (first laser beam) is incident to the mirror 105 through the shutter 1031, and reflecting mirrors 105 and enters the dichroic mirror 106. On the other hand, the laser light (second laser light) having the wavelength λ S emitted from the second laser light source 102 enters the beam splitter 106 via the shutter 1032 and is integrated with the first laser light. The first laser beam and the second laser beam emitted from the dichroic mirror 106 enter the incident end of the optical fiber 11 through the lens 107. When the control device 39 controls the laser unit 100, the wavelength of the laser light (= light source wavelength) incident on the incident end of the optical fiber 11 is switched between the long wavelength λ L and the short wavelength λ S , The wavelength can be set to both the long wavelength λ L and the short wavelength λ S.

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23を介して回折格子13へ入射すると、各次数の回折光束に分岐される。これら各次数の回折光束(以下、「回折光束群」と称す)は、集光レンズ16に入射すると、集光レンズ16によって瞳共役面6A’の互いに異なる位置に集光される。   The laser light incident on the incident end of the optical fiber 11 propagates inside the optical fiber 11 and generates a point light source at the output end of the optical fiber 11. The laser light emitted from the point light source is converted into a parallel light beam by the collector lens 12 and is incident on the diffraction grating 13 via the polarizing plate 23, and is branched into diffracted light beams of respective orders. When these incident diffracted light beams (hereinafter referred to as “diffracted light beam groups”) enter the condenser lens 16, they are condensed by the condenser lens 16 at different positions on the pupil conjugate plane 6 </ b> A ′.

ここで、瞳共役面6A’は、フィールドレンズ27及びレンズ25に関して対物レンズ6の瞳6A(±1次回折光が集光する位置)と共役な位置のことである。集光レンズ16は、集光レンズ16の焦点位置(後ろ側焦点位置)が瞳共役面6A’と一致するように配置されている。但し、ここでいう「共役な位置」の概念には、当業者が対物レンズ6、フィールドレンズ27、レンズ25の収差、ビネッティング等の設計上必要な事項を考慮して決定した位置も含まれるものとする。   Here, the pupil conjugate plane 6 </ b> A ′ is a position conjugate with the pupil 6 </ b> A (position where ± 1st-order diffracted light is collected) of the objective lens 6 with respect to the field lens 27 and the lens 25. The condenser lens 16 is arranged so that the focal position (rear focal position) of the condenser lens 16 coincides with the pupil conjugate plane 6A ′. However, the concept of “conjugate position” here includes a position determined by a person skilled in the art in consideration of design necessary matters such as aberration and vignetting of the objective lens 6, the field lens 27, and the lens 25. Shall.

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23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23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。   Since the laser light emitted from the optical fiber 11 is basically linearly polarized, the polarizing plate 23 can be omitted, but it is effective for reliably cutting off the excess polarization component. Further, in order to increase the utilization efficiency of the laser light, it is desirable that the axis of the polarizing plate 23 coincides with the polarization direction of the laser light emitted from the optical fiber 11.

瞳共役面6A’に向かった各次数の回折光束は、瞳共役面6A’の近傍に配置された位相板200を介して、同じく瞳共役面6A’の近傍に配置された光束選択部24へ入射する。   The diffracted light beams of respective orders toward the pupil conjugate plane 6A ′ are passed through the phase plate 200 disposed in the vicinity of the pupil conjugate plane 6A ′ to the light beam selection unit 24 that is also disposed in the vicinity of the pupil conjugate plane 6A ′. Incident.

ここで、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置1がTIRFM(全反射蛍光顕微鏡)として利用される場合、光束選択部24は、入射した各次数の回折光束のうち、1対の回折光束のみ(ここでは±1次回折光束のみ)を選択的に通過させる。   Here, when the structured illumination microscope apparatus 1 of the present embodiment is used as a TIRFM (total reflection fluorescent microscope), the light beam selection unit 24 selects only one pair of diffracted light beams among the incident diffracted light beams of each order ( Here, only ± first-order diffracted light flux) is selectively passed.

光束選択部24を通過した±1次回折光束は、レンズ25によって視野絞り26付近で回折格子13と共役な面を形成する。その後、±1次回折光束の各々は、フィールドレンズ27により収束光に変換され、さらに励起フィルタ28を経てからダイクロイックミラー7で反射し、対物レンズ6の瞳面6A上の互いに異なる位置に集光する。なお、励起フィルタ28には、これまでの光路で発生する自家蛍光などを除去する機能がある。   The ± first-order diffracted light beam that has passed through the light beam selecting unit 24 forms a conjugate plane with the diffraction grating 13 near the field stop 26 by the lens 25. Thereafter, each of the ± first-order diffracted light beams is converted into convergent light by the field lens 27, further reflected by the dichroic mirror 7 after passing through the excitation filter 28, and condensed at different positions on the pupil plane 6 </ b> A of the objective lens 6. To do. The excitation filter 28 has a function of removing autofluorescence generated in the optical path so far.

瞳面6A上に集光した±1次回折光束の各々は、対物レンズ6の先端から射出される際には平行光束となり、標本5の表面で互いに重なり合い、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。   The ± first-order diffracted light beams collected on the pupil plane 6A become parallel light beams when emitted from the tip of the objective lens 6 and overlap each other on the surface of the sample 5 to form interference fringes. This interference fringe is used as structured illumination light.

また、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置1がTIRFM(全反射蛍光顕微鏡)として利用される場合、標本5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(全反射条件)を満たすべきである。以下、全反射条件を「TIRF条件」と称す。   Further, when the structured illumination microscope apparatus 1 of the present embodiment is used as a TIRFM (total reflection fluorescence microscope), the incident angle when entering the surface of the specimen 5 depends on the evanescent field generation condition (total reflection condition). Should be met. Hereinafter, the total reflection condition is referred to as “TIRF condition”.

TIRF条件を満たすためには、瞳面6Aにおける±1次回折光束の集光点は、瞳面6Aの最外周に位置する所定の輪帯状領域に位置していればよい。この場合、標本5の表面近傍には、干渉縞によるエバネッセント場が生起する。   In order to satisfy the TIRF condition, the condensing point of the ± 1st-order diffracted light beam on the pupil plane 6A only needs to be located in a predetermined annular zone located on the outermost periphery of the pupil plane 6A. In this case, an evanescent field due to interference fringes is generated near the surface of the specimen 5.

このような干渉縞により標本5を照明すると、干渉縞の周期構造と標本5上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、蛍光領域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、この構造を示す蛍光は、元の角度よりも小さい角度で対物レンズ6へ向かうことになる。よって、干渉縞により標本5を照明すると、蛍光領域の高周波数の構造情報までもが対物レンズ6によって伝達される。   When the specimen 5 is illuminated with such interference fringes, a moire fringe corresponding to the difference between the periodic structure of the interference fringes and the periodic structure of the fluorescent region on the specimen 5 appears. Since the structure is shifted to a lower frequency side than the original frequency, the fluorescence indicating this structure is directed toward the objective lens 6 at an angle smaller than the original angle. Therefore, when the specimen 5 is illuminated by the interference fringes, even the high-frequency structural information of the fluorescent region is transmitted by the objective lens 6.

標本5で発生した蛍光は、対物レンズ6に入射すると、対物レンズ6で平行光に変換された後、ダイクロイックミラー7とバリアフィルタ31を透過し、第2ダイクロイックミラー35へ入射する。第2ダイクロイックミラー35へ入射した波長λ’の第1蛍光は、第2ダイクロイックミラー35を反射し、第2ダイクロイックミラー35へ入射した波長λ’の第2蛍光は、第2ダイクロイックミラー35を透過する。 When the fluorescence generated in the sample 5 is incident on the objective lens 6, it is converted into parallel light by the objective lens 6, then passes through the dichroic mirror 7 and the barrier filter 31 and enters the second dichroic mirror 35. The first fluorescence having the wavelength λ L ′ incident on the second dichroic mirror 35 reflects the second dichroic mirror 35, and the second fluorescence having the wavelength λ S ′ incident on the second dichroic mirror 35 is reflected by the second dichroic mirror 35. Transparent.

第2ダイクロイックミラー35を反射した第1蛍光は、第1撮像素子351の撮像面361上に第1蛍光領域の変調像を形成し、第2ダイクロイックミラー35を透過した第2蛍光は、第2撮像素子352の撮像面362上に第2蛍光領域の変調像を形成する。   The first fluorescence reflected from the second dichroic mirror 35 forms a modulated image of the first fluorescence region on the imaging surface 361 of the first imaging element 351, and the second fluorescence transmitted through the second dichroic mirror 35 is second A modulated image of the second fluorescent region is formed on the imaging surface 362 of the imaging element 352.

撮像面361に形成された第1蛍光領域の変調像、撮像面362に形成された第2蛍光領域の変調像は、第1撮像素子351、第2撮像素子352によって個別に画像化され、第1蛍光領域の変調画像、第2蛍光領域の変調画像としてそれぞれ出力される。   The modulated image of the first fluorescent region formed on the imaging surface 361 and the modulated image of the second fluorescent region formed on the imaging surface 362 are individually imaged by the first imaging device 351 and the second imaging device 352, and A modulated image of one fluorescent region and a modulated image of the second fluorescent region are output.

第1蛍光領域の変調画像と、第2蛍光領域の変調画像とは、制御装置39を介して画像記憶・演算装置40へと取り込まれる。さらに、取り込まれた第1蛍光領域の変調画像と、第2蛍光領域の変調画像との各々には、画像記憶・演算装置40において公知の復調演算が施され、第1蛍光領域の復調画像(超解像画像)と、第2蛍光領域の復調画像(超解像画像)とが生成される。そして、これらの超解像画像は、画像記憶・演算装置40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。なお、公知の復調演算としては、例えば、米国特許第8115806号明細書に開示された方法が用いられる。   The modulated image of the first fluorescent region and the modulated image of the second fluorescent region are taken into the image storage / arithmetic device 40 via the control device 39. Further, each of the captured modulated image of the first fluorescent region and the modulated image of the second fluorescent region is subjected to a known demodulation operation in the image storage / arithmetic device 40, and the demodulated image of the first fluorescent region ( A super-resolution image) and a demodulated image (super-resolution image) of the second fluorescent region are generated. These super-resolution images are stored in an internal memory (not shown) of the image storage / arithmetic device 40 and are sent to the image display device 45. As a known demodulation operation, for example, a method disclosed in US Pat. No. 8,115,806 is used.

次に、回折格子13を詳しく説明する。   Next, the diffraction grating 13 will be described in detail.

図2(A)は、回折格子13を光軸O方向から見た図であり、図2(B)は、±1次回折光束が瞳共役面に形成する集光点の位置関係を示す図である。なお、図2(A)は模式図であるため、図2(A)に示した回折格子13の構造周期は実際の構造周期と同じとは限らない。   2A is a diagram of the diffraction grating 13 viewed from the direction of the optical axis O, and FIG. 2B is a diagram illustrating the positional relationship between the condensing points formed on the pupil conjugate plane by the ± first-order diffracted light beams. It is. 2A is a schematic diagram, the structure period of the diffraction grating 13 illustrated in FIG. 2A is not necessarily the same as the actual structure period.

図2(A)に示すように、回折格子13は、照明光学系10の光軸Oと垂直な面内において互いに異なる複数方向にかけて周期構造を有した回折格子である。この回折格子13の材質は、例えばガラスである。ここでは、回折格子13は、120°ずつ異なる第1方向V、第2方向V、第3方向Vの各々にかけて周期構造を有した3方向回折格子であって、その周期構造の周期は、それら3つの方向の間で共通と仮定する。 As shown in FIG. 2A, the diffraction grating 13 is a diffraction grating having a periodic structure in a plurality of different directions within a plane perpendicular to the optical axis O of the illumination optical system 10. The material of the diffraction grating 13 is, for example, glass. Here, the diffraction grating 13 is a three-way diffraction grating having a periodic structure in each of the first direction V 1 , the second direction V 2 , and the third direction V 3 that are different by 120 °, and the period of the periodic structure Is assumed to be common between these three directions.

なお、回折格子13の周期構造は、濃度(透過率)を利用して形成された濃度型の周期構造、または段差(位相差)を利用して形成された位相型の周期構造の何れであってもよいが、位相差型の周期構造の方が+1次回折光の回折効率が高いという点で好ましい。   The periodic structure of the diffraction grating 13 is either a concentration-type periodic structure formed using concentration (transmittance) or a phase-type periodic structure formed using steps (phase difference). However, the phase difference type periodic structure is preferable in that the diffraction efficiency of the + 1st order diffracted light is higher.

このような回折格子13に入射した平行光束は、第1方向Vにかけて分岐した第1回折光束群と、第2方向Vにかけて分岐した第2回折光束群と、第3方向Vにかけて分岐した第3回折光束群とに変換される。 Parallel beam incident on such grating 13, a first diffracted light flux group branched toward the first direction V 1, and the second diffracted light flux group branched toward the second direction V 2, branches toward the third direction V 3 Converted into the third diffracted light beam group.

第1回折光束群には、0次回折光束及び±1次回折光束が含まれ、このうち互いの次数が共通である±1次回折光束は、光軸Oに関して対称な方向に進行する。   The first diffracted light beam group includes a 0th-order diffracted light beam and a ± 1st-order diffracted light beam, and of these, the ± 1st-order diffracted light beams having common orders travel in a symmetric direction with respect to the optical axis O.

同様に、第2回折光束群には、0次回折光束及び±1次回折光束が含まれ、このうち互いの次数が共通である±1次回折光束は、光軸Oに関して対称な方向に進行する。   Similarly, the second diffracted light beam group includes a 0th-order diffracted light beam and a ± 1st-order diffracted light beam, and of these, the ± 1st-order diffracted light beams having common orders travel in a symmetric direction with respect to the optical axis O. To do.

同様に、第3回折光束群には、0次回折光束及び±1次回折光束が含まれ、このうち互いの次数が共通である±1次回折光束は、光軸Oに関して対称な方向に進行する。   Similarly, the third diffracted light beam group includes a 0th-order diffracted light beam and a ± 1st-order diffracted light beam, and of these, the ± 1st-order diffracted light beams having common orders travel in a symmetric direction with respect to the optical axis O. To do.

これら第1回折光束群の±1次回折光束、第2回折光束群の±1次回折光束、第3回折光束群の±1次回折光束は、前述した集光レンズ16により、瞳共役面内の互いに異なる位置に集光される。   The ± 1st order diffracted light beam of the first diffracted light beam group, the ± 1st order diffracted light beam of the second diffracted light beam group, and the ± 1st order diffracted light beam of the third diffracted light beam group are brought into the pupil conjugate plane by the condenser lens 16 described above. Are condensed at different positions.

そして、図2(B)に示すように、第1回折光束群の±1次回折光束の集光点14d、14gは、光軸Oに関して対称であり、集光点14d、14gの配列方向は第1方向Vに対応している。 As shown in FIG. 2B, the condensing points 14d and 14g of the ± first-order diffracted light beams of the first diffracted light beam group are symmetric with respect to the optical axis O, and the arrangement direction of the condensing points 14d and 14g is It corresponds to the first direction V 1.

また、第2回折光束群の±1次回折光束の集光点14c、14fは、光軸Oに関して対称であり、集光点14c、14fの配列方向は、第2方向Vに対応している。なお、第2回折光束群の集光点14c、14fから光軸Oまでの距離は、第1回折光束群の集光点14d、14gから光軸Oまでの距離と同じである。 Further, the focal point 14c of ± 1-order diffracted light flux of the second diffracted light beam group, 14f is symmetrical with respect to the optical axis O, the condensing point 14c, the arrangement direction of 14f, corresponding to the second direction V 2 Yes. In addition, the distance from the condensing points 14c and 14f of the second diffracted light beam group to the optical axis O is the same as the distance from the condensing points 14d and 14g of the first diffracted light beam group to the optical axis O.

また、第3回折光束群の±1次回折光束の集光点14b、14eは、光軸Oに関して対称であり、集光点14b、14eの配列方向は、第3方向Vに対応している。なお、第3光束群の集光点14b、14eから光軸Oまでの距離は、第1回折光束群の集光点14d、14gから光軸Oまでの距離と同じである。 Further, the focal point 14b of the ± 1-order diffracted light flux of the third diffracted light flux group, 14e are symmetric with respect to optical axis O, the condensing point 14b, the arrangement direction of the 14e, corresponding to the third direction V 3 Yes. In addition, the distance from the condensing points 14b and 14e of the third light beam group to the optical axis O is the same as the distance from the condensing points 14d and 14g of the first diffracted light beam group to the optical axis O.

ここで、光ファイバ11から射出されるレーザ光の波長をλ、回折格子13の構造周期をP、レンズ16の焦点距離をfcとすると、光軸Oから集光点14b、14c、14d、14e、14f、14gまでの距離Dは下記の式で表される。   Here, assuming that the wavelength of the laser light emitted from the optical fiber 11 is λ, the structural period of the diffraction grating 13 is P, and the focal length of the lens 16 is fc, the condensing points 14b, 14c, 14d, and 14e from the optical axis O. , 14f, and 14g are represented by the following formula.

D∝2fcλ/P
したがって、レーザ光の波長を変更すると、光軸Oから集光点14b、14c、14d、14e、14f、14gまでの距離にズレが生じる。
なお、ここでいう集光点とは、最大強度の8割以上の強度を有する領域の重心位置をいう。そのため、本実施形態の照明光学系10は、完全な集光点が形成されるまで光束を集光する必要はない。
D∝2fcλ / P
Therefore, when the wavelength of the laser beam is changed, a shift occurs in the distance from the optical axis O to the condensing points 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, and 14g.
In addition, a condensing point here means the gravity center position of the area | region which has an intensity | strength 80% or more of maximum intensity | strength. Therefore, the illumination optical system 10 of the present embodiment does not need to collect the light beam until a complete condensing point is formed.

そして、以上の回折格子13は、ピエゾモータ等からなる並進機構15A(図1参照)によって並進移動可能である。並進機構15Aによる回折格子13の並進移動の方向は、照明光学系10の光軸Oと垂直な方向であって、前述した第1方向V、第2方向V、第3方向Vの各々に対して非垂直な方向である。この方向に回折格子13が並進移動すると、干渉縞の位相がシフトする(詳細は後述)。 The diffraction grating 13 described above can be translated by a translation mechanism 15A (see FIG. 1) composed of a piezoelectric motor or the like. The direction of translational movement of the diffraction grating 13 by the translation mechanism 15A is a direction perpendicular to the optical axis O of the illumination optical system 10, and is in the first direction V 1 , the second direction V 2 , and the third direction V 3 described above . The direction is non-perpendicular to each. When the diffraction grating 13 is translated in this direction, the phase of the interference fringe shifts (details will be described later).

次に、1/2波長板17及び光束選択部材18の機能を詳しく説明する。   Next, functions of the half-wave plate 17 and the light beam selection member 18 will be described in detail.

図3は、1/2波長板17の機能を説明する図であり、図4は、光束選択部材18の機能を説明する図である。   FIG. 3 is a diagram for explaining the function of the half-wave plate 17, and FIG. 4 is a diagram for explaining the function of the light beam selection member 18.

図3に示すとおり、1/2波長板17は、入射した各次数の回折光束の偏光方向を設定する波長板であって、図4に示すとおり、光束選択部材18は、第1〜第3回折光束群のうち何れか1群の±1次回折光束のみを選択的に通過させるマスクである。   As shown in FIG. 3, the half-wave plate 17 is a wave plate that sets the polarization direction of the incident diffracted light beam of each order. As shown in FIG. 4, the light beam selection member 18 includes first to third light beams. It is a mask that selectively allows only one group of ± first-order diffracted light beams to pass through.

これらの1/2波長板17及び光束選択部材18は、回動機構24A(図1参照)によって光軸Oの周りに回動可能である。   The half-wave plate 17 and the light beam selection member 18 can be rotated around the optical axis O by a rotation mechanism 24A (see FIG. 1).

回動機構24Aには、例えば、光束選択部材18の周りに形成された第1の歯車と、第1の歯車に噛み合う不図示の第2の歯車と、第2の歯車に連結された不図示のモータ(回転モータ)とが備えられる。このモータが駆動されると第2の歯車が回転し、その回転力が第1の歯車へと伝達され、光束選択部材18が光軸Oの周りに回転する。   The rotation mechanism 24A includes, for example, a first gear formed around the light beam selection member 18, a second gear (not shown) that meshes with the first gear, and a not shown connected to the second gear. Motor (rotary motor). When this motor is driven, the second gear rotates, the rotational force is transmitted to the first gear, and the light beam selection member 18 rotates around the optical axis O.

回動機構24Aは、光束選択部材18を回動させることにより、選択される±1次回折光束を第1〜第3回折光束群の間で切り替えると共に、光束選択部材18に連動して1/2波長板17を回動させることにより、選択された±1次回折光束が標本5に入射するときの偏光方向をS偏光に保つ。つまり、1/2波長板17及び光束選択部材18は、干渉縞の状態を保ちつつ、干渉縞の方向を切り替える。以下、縞の状態を保つための条件を具体的に説明する。   The rotation mechanism 24A rotates the light beam selecting member 18 to switch the selected ± first-order diffracted light beam between the first to third diffracted light beam groups, and in conjunction with the light beam selecting member 18, 1 / By rotating the two-wave plate 17, the polarization direction when the selected ± first-order diffracted light beams enter the sample 5 is maintained as S-polarized light. That is, the half-wave plate 17 and the light beam selection member 18 switch the direction of interference fringes while maintaining the state of interference fringes. Hereinafter, the conditions for maintaining the stripe state will be specifically described.

先ず、1/2波長板17の進相軸(速い軸)の向きは、選択される±1次回折光束の分岐方向(第1方向V〜第3方向Vのいずれか)に対して±1次回折光束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17の進相軸とは、その軸の方向に偏光した光が1/2波長板17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。 First, the direction of the fast axis (fast axis) of the half-wave plate 17 is with respect to the branch direction (any one of the first direction V 1 to the third direction V 3 ) of the selected ± first-order diffracted light beam. It is necessary to set the polarization direction of the ± first-order diffracted light beams to be vertical. Here, the fast axis of the half-wave plate 17 is a direction in which the amount of phase delay when light polarized in the direction of the axis passes through the half-wave plate 17 is minimized. It is.

また、光束選択部材18の開口パターンは、同一の回折光束群に属する±1次回折光束の一方及び他方を個別に通過させる第1の開口部19及び第2の開口部20からなり、これら第1の開口部19と第2の開口部20との各々の光軸O周りの長さは、前述した方向に直線偏光した回折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19及び第2の開口部20の各々の形状は、部分輪帯状(扇状)に近い形状である。   The opening pattern of the light beam selection member 18 includes a first opening portion 19 and a second opening portion 20 that individually allow one and the other of the ± first-order diffracted light beams belonging to the same diffracted light beam group to pass therethrough. The length of each of the first opening 19 and the second opening 20 around the optical axis O is set such that a diffracted light beam linearly polarized in the above-described direction can pass therethrough. Therefore, each shape of the 1st opening part 19 and the 2nd opening part 20 is a shape close | similar to partial ring zone shape (fan shape).

ここで、図3(A)に示すように、1/2波長板17の進相軸の方向が偏光板23の軸の方向と平行になるときの1/2波長板17の回転角を、1/2波長板17の回転角の基準とする(以下、「第1の基準位置」と称する。)。   Here, as shown in FIG. 3A, the rotation angle of the half-wave plate 17 when the direction of the fast axis of the half-wave plate 17 is parallel to the direction of the axis of the polarizing plate 23, The rotation angle of the half-wave plate 17 is used as a reference (hereinafter referred to as “first reference position”).

また、光束選択部材18の光束選択方向(=選択される±1次回折光束の分岐方向)が、偏光板23の軸の方向と垂直になるときの光束選択部材18の回転角を、光束選択部材18の回転角の基準とする(以下、「第2の基準位置」と称する。)。   The rotation angle of the light beam selection member 18 when the light beam selection direction of the light beam selection member 18 (= the branch direction of the selected ± first-order diffracted light beam) is perpendicular to the axis direction of the polarizing plate 23 The rotation angle of the member 18 is used as a reference (hereinafter referred to as “second reference position”).

このとき、図3(B)に示すように、1/2波長板17の第1基準位置からの回転角は、光束選択部材18の第2基準位置からの回転角の2分の1に制御されるべきである。   At this time, as shown in FIG. 3B, the rotation angle of the half-wave plate 17 from the first reference position is controlled to one half of the rotation angle of the light beam selection member 18 from the second reference position. It should be.

すなわち、1/2波長板17の第1基準位置からの回転角がθ/2であるときには、光束選択部材18の第2基準位置からの回転角は、θに設定される。   That is, when the rotation angle of the half-wave plate 17 from the first reference position is θ / 2, the rotation angle of the light beam selection member 18 from the second reference position is set to θ.

したがって、回動機構24A(図1参照)は、第1回折光束群の±1次回折光束(分岐方向は第1方向V)を選択するために、図4(A)に示すように、光束選択部材18の光束選択方向を第2の基準位置から右方に回転角θだけ回転させた場合、1/2波長板17の進相軸の方向を、第1の基準位置から右方に回転角θ/2だけ回転させる。 Therefore, the rotation mechanism 24A (see FIG. 1) selects the ± first-order diffracted light beam (the branch direction is the first direction V 1 ) of the first diffracted light beam group, as shown in FIG. When the light beam selection direction of the light beam selection member 18 is rotated rightward from the second reference position by the rotation angle θ 1 , the fast axis direction of the half-wave plate 17 is changed to the right from the first reference position. Is rotated by a rotation angle θ 1/2 .

このとき、1/2波長板17を通過する前における各次数の回折光束の偏光方向は、図4(A)中に破線両矢印で示すとおり、偏光板23の軸の方向と平行となっているのに対し、1/2波長板17を通過した後における各次数の回折光束の偏光方向は、右方に回転角θだけ回転するので、選択された±1次回折光束の偏光方向は、図4(A)に実線両矢印で示すとおり、それら±1次回折光束の分岐方向(第1方向V)に対して垂直となる。 At this time, the polarization directions of the diffracted light beams of the respective orders before passing through the half-wave plate 17 are parallel to the direction of the axis of the polarizing plate 23 as shown by the broken line double arrow in FIG. On the other hand, the polarization directions of the diffracted light beams of the respective orders after passing through the half-wave plate 17 rotate to the right by the rotation angle θ 1, so the polarization directions of the selected ± 1st order diffracted light beams are 4A, it is perpendicular to the branching direction (first direction V 1 ) of the ± 1st-order diffracted light beams, as indicated by the solid line double arrow in FIG.

また、回動機構24A(図1参照)は、第2回折光束群の±1次回折光束(分岐方向は第2方向V)を選択するために、図4(B)に示すように、光束選択部材18の光束選択方向を第2の基準位置から右方に回転角θだけ回転させた場合、1/2波長板17の進相軸の方向を、第1の基準位置から右方に回転角θ/2だけ回転させる。 Further, as shown in FIG. 4B, the rotation mechanism 24A (see FIG. 1) selects the ± first-order diffracted light beam (the branch direction is the second direction V 2 ) of the second diffracted light beam group, If a light beam selection direction of the light beam selecting member 18 is rotated by the rotation angle theta 2 from the second reference position to the right, the direction of the fast axis of the 1/2-wavelength plate 17, right from the first reference position only the rotation angle theta 2/2 is rotated.

このとき、1/2波長板17を通過する前における各次数の回折光束の偏光方向は、図4(B)中に破線両矢線で示すとおり、偏光板23の軸の方向と平行となっているのに対し、1/2波長板17を通過した後における各次数の回折光束の偏光方向は、右方に回転角θだけ回転するので、選択された±1次回折光束の偏光方向は、図4(B)に実線両矢印で示すとおり、それら±1次回折光束の分岐方向(第2方向V)に対して垂直となる。 At this time, the polarization direction of the diffracted light beam of each order before passing through the half-wave plate 17 is parallel to the direction of the axis of the polarizing plate 23 as shown by the broken line in FIG. 4B. On the other hand, the polarization direction of each order of the diffracted light beam after passing through the half-wave plate 17 is rotated to the right by the rotation angle θ 2, so the polarization direction of the selected ± 1st order diffracted light beam Is perpendicular to the branching direction (second direction V 2 ) of the ± first-order diffracted light beams, as indicated by the solid double arrows in FIG.

また、回動機構24A(図1参照)は、第3回折光束群の±1次回折光束(分岐方向は第3方向V)を選択するために、図4(C)に示すように、光束選択部材18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θだけ回転させた場合、1/2波長板17の進相軸の方向を、第1の基準位置から左方に回転角θ/2だけ回転させる。 Further, as shown in FIG. 4C, the rotation mechanism 24A (see FIG. 1) selects the ± first-order diffracted light beam (the branch direction is the third direction V 3 ) of the third diffracted light beam group, When the light beam selection direction of the light beam selection member 18 is rotated from the second reference position to the left (seen from the sample side; the same applies hereinafter) by the rotation angle θ 3 , the direction of the fast axis of the half-wave plate 17 and it is rotated by the rotation angle theta 3/2 to the left from the first reference position.

このとき、1/2波長板17を通過する前における各次数の回折光束の偏光方向は、図4(C)中に破線両矢線で示すとおり、偏光板23の軸の方向と平行となっているのに対し、1/2波長板17を通過した後における各次数の回折光束の偏光方向は、左方に回転角θだけ回転するので、選択された±1次回折光束の偏光方向は、図4(C)に実両矢印で示すとおり、それら±1次回折光束の分岐方向(第3方向V)に対して垂直となる。 At this time, the polarization directions of the diffracted light beams of the respective orders before passing through the half-wave plate 17 are parallel to the direction of the axis of the polarizing plate 23, as indicated by the broken line in FIG. 4C. On the other hand, the polarization direction of each order diffracted light beam after passing through the half-wave plate 17 rotates to the left by the rotation angle θ 3, so the polarization direction of the selected ± 1st order diffracted light beam Is perpendicular to the branching direction (third direction V 3 ) of the ± first-order diffracted light beams, as indicated by the actual double arrows in FIG.

したがって、回動機構24Aは、1/2波長板17及び光束選択部材18をギア比2:1で連動すればよい。   Therefore, the rotation mechanism 24A only needs to interlock the half-wave plate 17 and the light beam selection member 18 with a gear ratio of 2: 1.

なお、以上の説明では、標本5に入射する±1次回折光束をS偏光に保つために回動可能な1/2波長板17を使用したが、回動可能な1/2波長板17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17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光軸周りに回転させることができる。因みに、標本5に入射する±1次回折光束をS偏光に保つための方法は他にもある。   In the above description, the rotatable half-wave plate 17 is used to keep the ± first-order diffracted light beam incident on the specimen 5 as S-polarized light. Instead, a fixed liquid crystal element may be used, and the liquid crystal element may function as the half-wave plate 17. If the orientation of the liquid crystal element is electrically controlled, the refractive index anisotropy of the liquid crystal element can be controlled, so that the fast axis as a half-wave plate can be rotated around the optical axis. Incidentally, there are other methods for keeping the ± first-order diffracted light beam incident on the specimen 5 to be S-polarized light.

図5は、以上説明した1/2波長板17及び光束選択部材18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。   FIG. 5 is a diagram illustrating the functions of the half-wave plate 17 and the light beam selection member 18 described above. In FIG. 5, a double arrow surrounded by a circular frame indicates the polarization direction of the light beam, and a double arrow surrounded by a square frame indicates the axial direction of the optical element.

また、図6に示すように、光束選択部材18の外周部には、複数の(図6に示す例では6個の)切り欠き21が形成されており、回動機構24Aには、これらの切り欠き21を検出するためのタイミングセンサ22が備えられている。これによって、回動機構24Aは、光束選択部材18の回動角、ひいては1/2波長板17の回動角を検知することができる。   Also, as shown in FIG. 6, a plurality of (six in the example shown in FIG. 6) notches 21 are formed on the outer peripheral portion of the light beam selecting member 18, and the rotation mechanism 24A includes these notches 21. A timing sensor 22 for detecting the notch 21 is provided. Accordingly, the rotation mechanism 24A can detect the rotation angle of the light beam selection member 18, and thus the rotation angle of the half-wave plate 17.

次に、並進機構15A(図1参照)の機能を詳しく説明する。   Next, the function of the translation mechanism 15A (see FIG. 1) will be described in detail.

図7は、並進機構15Aの機能を説明する図である。   FIG. 7 is a diagram illustrating the function of the translation mechanism 15A.

先ず、上述した復調演算を可能とするためには、例えば、同一の標本5に関する変調画像であって、干渉縞の位相の異なる複数枚の変調画像が使用される。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5の蛍光領域の構造のうち、干渉縞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で既知とする必要があるからである。   First, in order to enable the above-described demodulation operation, for example, a plurality of modulated images with different interference fringe phases, which are modulated images related to the same sample 5, are used. This is because the modulated image generated by the structured illumination microscope apparatus 1 includes a 0th-order modulation component, a + 1st-order modulation component, − This is because a primary modulation component is included, and these three unknown parameters need to be made known by demodulation calculation.

そこで、並進機構15Aは、干渉縞の位相をシフトするために、図7(A)に示すように、照明光学系10の光軸Oと垂直な方向であって、前述した第1方向V、第2方向V、第3方向Vの全てに対して非垂直な方向(x方向)にかけて回折格子13をシフトさせる。 Therefore, the translation mechanism 15A shifts the phase of the interference fringes, as shown in FIG. 7A, in the direction perpendicular to the optical axis O of the illumination optical system 10 and the first direction V 1 described above. The diffraction grating 13 is shifted in a direction (x direction) that is non-perpendicular to all of the second direction V 2 and the third direction V 3 .

但し、干渉縞の位相を所望のシフト量φだけシフトさせるのに必要な回折格子13のシフト量Lは、光束選択部24による光束選択方向が第1方向Vであるときと、第2方向Vであるときと、第3方向Vであるときとでは、同じとは限らない。 However, the shift amount L of the diffraction grating 13 needed to the phase of the interference fringe is shifted by a desired shift amount φ is the case the light beam selected direction of the light beam selecting unit 24 is the first direction V 1, the second direction When it is V 2 and when it is the third direction V 3 , it is not necessarily the same.

図7(B)に示すとおり、回折格子13の第1方向V、第2方向V、第3方向Vの各々の構造周期をPとおき、回折格子13のシフト方向(x方向)と第1方向Vとのなす角をθとおき、回折格子13のシフト方向(x方向)と第2方向Vとのなす角をθとおき、回折格子13のシフト方向(x方向)と第3方向Vとのなす角をθとおくと、光束選択方向が第1方向Vであるときに必要な回折格子13のx方向のシフト量Lは、L=φ×P/(a×4π×|cosθ|)で表され、光束選択方向が第2方向Vであるときに必要な回折格子13のx方向のシフト量Lは、L=φ×P/(a×4π×|cosθ|)で表され、光束選択方向が第3方向Vであるときに必要な回折格子13のx方向のシフト量Lは、L=φ×P/(a×4π×|cosθ|)で表される。 As shown in FIG. 7B, the structural period of each of the first direction V 1 , second direction V 2 , and third direction V 3 of the diffraction grating 13 is P, and the shift direction (x direction) of the diffraction grating 13 is set. And the first direction V 1 is θ 1 , the shift direction of the diffraction grating 13 (x direction) and the second direction V 2 is θ 2 , and the shift direction of the diffraction grating 13 (x putting an angle of theta 3 direction) and the third direction V 3, x-direction shift amount L 1 of the diffraction grating 13 requires the light beam selected direction is the first direction V 1 was, L 1 = φ × P / (a × 4π × | cosθ 1 |) is represented by, x-direction shift amount L 2 of the diffraction grating 13 requires the light beam selected direction is the second direction V 2 is, L 2 = phi × P / (a × 4π × | cosθ 2 |) is expressed in, the light beam selected direction is x direction of the diffraction grating 13 requires the third is the direction V 3 Shi DOO amount L 3 is, L 3 = φ × P / represented by (a × 4π × | | cosθ 3).

すなわち、干渉縞の位相シフト量を所望の値φとするために必要な回折格子13のx方向のシフト量Lは、波長選択方向(第1方向V、第2方向V、第3方向Vの何れか)とx方向とのなす角θにより式(1)のとおり表される。 That is, the shift amount L in the x direction of the diffraction grating 13 necessary for setting the phase shift amount of the interference fringes to a desired value φ is the wavelength selection direction (first direction V 1 , second direction V 2 , third direction). Any one of V 3 ) and the angle θ formed by the x direction is expressed as in Expression (1).

L=φ×P/(a×4π×|cosθ|) …(1)
因みに、干渉縞の位相シフト量φを2πとするために必要な回折格子13のx方向のシフト量Lは、P/(a×2×|cosθ|)となる。これは、回折格子13の半周期に相当する量である。つまり、回折格子13を半周期分シフトさせるだけで、干渉縞の位相を1周期分シフトできる(なぜなら、±1次回折光からなる干渉縞の縞周期は、回折格子13の構造周期の2倍に相当する。)。
L = φ × P / (a × 4π × | cos θ |) (1)
Incidentally, the shift amount L in the x direction of the diffraction grating 13 necessary for setting the phase shift amount φ of the interference fringes to 2π is P / (a × 2 × | cos θ |). This is an amount corresponding to a half period of the diffraction grating 13. In other words, the phase of the interference fringes can be shifted by one period simply by shifting the diffraction grating 13 by half a period (because the fringe period of the interference fringes made of ± 1st order diffracted light is twice the structural period of the diffraction grating 13. Equivalent to.).

但し、a=1(M=1、2のとき)、a=2(M=3のとき)である。Mは、回折格子13が有する周期構造の方向数である(本実施形態ではM=3、a=2である。)。   However, a = 1 (when M = 1, 2) and a = 2 (when M = 3). M is the number of directions of the periodic structure of the diffraction grating 13 (in this embodiment, M = 3 and a = 2).

次に、本実施形態のレーザユニット100、対物レンズ6、回折格子13、位相板200を詳しく説明する。   Next, the laser unit 100, the objective lens 6, the diffraction grating 13, and the phase plate 200 of this embodiment will be described in detail.

先ず、レーザユニット100に搭載された第1レーザ光源101の波長λは、可視光域に属する561nmであるのに対して、第2レーザ光源102の波長λは、紫外光域に属する405nmであると仮定する。 First, the wavelength λ L of the first laser light source 101 mounted on the laser unit 100 is 561 nm belonging to the visible light region, whereas the wavelength λ S of the second laser light source 102 is 405 nm belonging to the ultraviolet light region. Assume that

一方、対物レンズ6の軸上色収差の補正波長域は、435nm〜656nmの範囲であって、d線(=588nm)を基準として補正されていると仮定する。   On the other hand, it is assumed that the correction wavelength range of axial chromatic aberration of the objective lens 6 is in the range of 435 nm to 656 nm and is corrected with reference to the d-line (= 588 nm).

つまり、対物レンズ6の軸上色収差の補正波長域は、第1レーザ光源101の波長λ(=561nm)をカバーしているものの、第2レーザ光源102の波長λ(=405nm)をカバーしていないと仮定する。 That is, the correction wavelength range of axial chromatic aberration of the objective lens 6 covers the wavelength λ L (= 561 nm) of the first laser light source 101, but covers the wavelength λ S (= 405 nm) of the second laser light source 102. Assume that you have not.

この場合、波長λ(=405nm)に対する対物レンズ6の軸上色収差量は、標本側で、例えば数μm程度となる。 In this case, the amount of axial chromatic aberration of the objective lens 6 with respect to the wavelength λ S (= 405 nm) is, for example, about several μm on the sample side.

このため、光軸O方向において干渉縞の干渉強度が最大となる位置(観察対象面)は、波長λ(=561nm)と波長λ(=405nm)との間でずれてしまう。 For this reason, the position (observation target surface) where the interference intensity of the interference fringes becomes maximum in the optical axis O direction is shifted between the wavelength λ L (= 561 nm) and the wavelength λ S (= 405 nm).

因みに、このズレを抑えるために、例えば、使用波長を波長λ(=561nm)と波長λ(=405nm)との間で切り替える度に、光ファイバ11の出射端又は回折格子13の光軸O方向の位置調整を行うという方法も考えられる。 In order to suppress this deviation, for example, every time the operating wavelength is switched between the wavelength λ L (= 561 nm) and the wavelength λ S (= 405 nm), the output end of the optical fiber 11 or the optical axis of the diffraction grating 13 is used. A method of adjusting the position in the O direction is also conceivable.

しかし、この方法だと、位置調整の手間が掛かるばかりか、波長λ(=561nm)による観察と、波長λ(=405nm)による観察とを同時に行うことができないという難点がある。 However, this method not only takes time for position adjustment, but also has a drawback that observation using the wavelength λ L (= 561 nm) and observation using the wavelength λ S (= 405 nm) cannot be performed simultaneously.

そこで、本実施形態では、図8(A)、(B)に示すとおり、回折格子13における回折角度が、波長λ(=561nm)の±1次回折光束と、波長λ(=405nm)の±1次回折光束との間で異なるため、波長λ(=561nm)の±1次回折光束の集光点と、波長λ(=405nm)の±1次回折光束の集光点とが、ずれることを利用する。 Therefore, in this embodiment, as shown in FIGS. 8A and 8B, the diffraction angle in the diffraction grating 13 is a ± first-order diffracted light beam having a wavelength λ L (= 561 nm) and a wavelength λ S (= 405 nm). Therefore, the condensing point of the ± 1st order diffracted light beam having the wavelength λ L (= 561 nm) and the condensing point of the ± 1st order diffracted light beam having the wavelength λ S (= 405 nm) are different. But take advantage of slipping.

具体的に、回折格子13の構造周期(ピッチ)をpとおくと、波長λの±1次回折光束の回折角度θ、波長λの±1次回折光束の回折角度θは、以下のとおり表される。 Specifically, by placing the structural period of the diffraction grating 13 (pitch) and p, wavelength lambda L ± 1 diffraction angle theta L-order diffracted light beam, the diffraction angle theta S of ± 1-order diffracted light flux of wavelength lambda S is It is expressed as follows.

sinθ=λ/p、
sinθ=λ/p
そして、レンズ16の焦点距離をf16とおくと、波長λの±1次回折光束が瞳共役面6A’に形成する集光点Pの光軸Oからの高さh、波長λの±1次回折光束が瞳共役面6A’に形成する集光点Pの光軸Oからの高さhは、以下のとおり表される。
sin θ L = λ L / p,
sin θ S = λ S / p
When placing the focal length of the lens 16 and f 16, the wavelength lambda L ± 1 height h L from the optical axis O of the converging point P L to form the diffracted light beam pupil conjugate plane 6A 'of the wavelength lambda the height h S from the optical axis O of the converging point P S of ± 1-order diffracted light beam S is formed on the pupil conjugate plane 6A 'is expressed as follows.

=f16×sinθ
=f16×sinθ
これを利用し、本実施形態では、瞳共役面6A’に位相板200を配置することで、波長λの±1次回折光束の位相と、波長λの±1次回折光束の位相とに、位相差を付与する。つまり、本実施形態では、波長λの集光点Pの近傍における位相板200の位相遅延量を、波長λの集光点Pの近傍における位相板200の位相遅延量よりも大きく設定する。換言すると、本実施形態では、波長λの±1次回折光束の光路長と、波長λの±1次回折光束の光路長とに、光路長差を付与する。
h L = f 16 × sin θ L ,
h S = f 16 × sin θ S
Using this, in the present embodiment, by arranging the phase plate 200 on the pupil conjugate plane 6A ′, the phase of the ± first-order diffracted light beam of wavelength λ S and the phase of the ± first-order diffracted light beam of wavelength λ L Is given a phase difference. That is, in the present embodiment, the phase delay amount of the phase plate 200 in the vicinity of the converging point P S of wavelength lambda S, larger than the phase delay of the phase plate 200 in the vicinity of the converging point P L having a wavelength lambda L Set. In other words, in the present embodiment, the optical path length of ± 1-order diffracted light flux of wavelength lambda S, in the optical path length of ± 1-order diffracted light flux of the wavelength lambda L, for imparting an optical path length difference.

このような機能を持った位相板200としては、例えば図9に示すような構成の位相板200が挙げられる。   As the phase plate 200 having such a function, for example, a phase plate 200 configured as shown in FIG.

この位相板200は、波長λ、λに対して透明な平行平板からなる基板200A上に、波長λ、λに対して透明な位相遅延部200Bを、部分的に形成したものである。基板200Aの材質は、例えばガラスであり、位相遅延部200Bは、例えばSiOなどの薄膜によって構成される。 The phase plate 200, the wavelength lambda L, lambda on a substrate 200A made of a transparent parallel flat plate with respect to S, the wavelength lambda L, a transparent phase delay unit 200B relative lambda S, which was partially formed is there. The material of the substrate 200A is, for example, glass, and the phase delay unit 200B is configured by a thin film such as SiO 2 .

なお、基板200Aに対する位相遅延部200Bの形成には、例えば、エッチングや蒸着などの技術が適用されることが望ましい。エッチングや蒸着などの技術によれば、位相遅延部200Bの形状及び厚さの設定を、十分な精度で行うことができるからである。   Note that, for example, techniques such as etching and vapor deposition are preferably applied to the formation of the phase delay portion 200B on the substrate 200A. This is because, according to techniques such as etching and vapor deposition, the shape and thickness of the phase delay unit 200B can be set with sufficient accuracy.

また、基板200Aにおける位相遅延部200Bの形成先は、波長λの±1次回折光束の集光点Pをカバーし、かつ、波長λの±1次回折光束の集光点Pから外れている。また、基板200Aにおける位相遅延部200Bの形成先は、0次回折光束の集光点P(波長λと波長λとの間で共通)から外れている。 The formation destination of the phase delay unit 200B in the substrate 200A, the wavelength lambda covers converging point P S of ± 1-order diffracted light flux of the S, and the wavelength lambda L ± 1 converging point P L-order diffracted light beam It is off. Further, the formation destination of the phase delay unit 200B in the substrate 200A is deviated from the condensing point P 0 of the 0th-order diffracted light beam (common between the wavelength λ S and the wavelength λ L ).

なお、位相遅延部200Bの形成先を0次回折光束の集光点Pから外した理由は、構造化照明顕微鏡装置1が3D−SIM(後述)として使用される場合を想定したからである。3D−SIMでは、±1次回折光束だけでなく0次回折光束も標本5へ導光する必要がある。 Note that the reason why the formation destination of the phase delay unit 200B is removed from the condensing point P0 of the 0th-order diffracted light beam is because the structured illumination microscope apparatus 1 is assumed to be used as a 3D-SIM (described later). . In 3D-SIM, it is necessary to guide not only the ± 1st-order diffracted light beam but also the 0th-order diffracted light beam to the specimen 5.

また、位相遅延部200Bの光軸O方向の厚さdは、波長λ、λに対する照明光学系10の焦点面のズレ(標本側の焦点面のズレ)を打ち消すような値に予め設定されている。 The thickness d c of the optical axis O direction of the phase delay unit 200B in advance to a value which cancels the wavelength lambda S, lambda deviation of the focal plane of the illumination optical system 10 for L (shift of the focal plane of the sample side) Is set.

ここで、波長λ、λに対する照明光学系10の焦点面のズレとは、照明光学系10に固有の軸上色収差(=Δdがゼロであるときに集光レンズ16から対物レンズ6までの光学系で発生する軸上色収差)に起因したズレのことである。 Here, the wavelength lambda S, lambda and the deviation of the focal plane of the illumination optical system 10 for L, a unique axial chromatic aberration in the illumination optical system 10 (= [Delta] d c objective from the condenser lens 16 when it is zero lens 6 This is a deviation caused by axial chromatic aberration generated in the optical system up to.

但し、照明光学系10に固有の軸上色収差は、対物レンズ6に固有の軸上色収差によってほぼ決まる。   However, the axial chromatic aberration inherent in the illumination optical system 10 is substantially determined by the axial chromatic aberration inherent in the objective lens 6.

よって、以下では簡単のため、対物レンズ6以外の光学系(レンズ16、25、27)に起因する軸上色収差をゼロとみなし、対物レンズ6に固有の軸上色収差のみを検討する。   Therefore, for the sake of simplicity, the axial chromatic aberration caused by the optical system other than the objective lens 6 (lenses 16, 25, 27) is regarded as zero, and only the axial chromatic aberration specific to the objective lens 6 is considered.

さて、対物レンズ6に固有の軸上色収差の補正波長域は、前述したとおり、波長λをカバーしているのに対して、波長λをカバーしておらず、波長λに対する対物レンズ6の軸上色収差は、標本側で数μm程度である。 Now, compensation wavelength range of specific longitudinal chromatic aberration in the objective lens 6, as described above, whereas the covers wavelength lambda L, not covering the wavelength lambda S, an objective lens for the wavelength lambda S The axial chromatic aberration of 6 is about several μm on the specimen side.

よって、本実施形態における位相遅延部200Bの厚さdは、その数μm程度の軸上色収差を補正できるような値に設定されればよい。 Therefore, the thickness d c of the phase delay unit 200B in this embodiment, may be set to a value that can correct the longitudinal chromatic aberration of the order of the number [mu] m.

次に、対物レンズ6の軸上色収差と位相遅延部200Bの厚さdとの関係を詳しく説明する。 Will now be described in detail the relationship between the thickness d c of the axial chromatic aberration and a phase delay portion 200B of the objective lens 6.

図10は、波長λ、λに対する対物レンズ6の焦点面のズレを説明する図である。 FIG. 10 is a diagram for explaining the shift of the focal plane of the objective lens 6 with respect to the wavelengths λ S and λ L.

ここでは簡単のため、瞳共役面6A’から瞳面6Aまでの倍率を1と仮定する。この場合、瞳面6Aのサイズが瞳共役面6A’のサイズと等しくなり、瞳共役面6A’に投影される位相板200の像(不図示)のサイズも位相板200のサイズと等しくなり、瞳面6Aにおける波長λの±1次回折光の集光点Pの高さはhとなり、瞳面6Aにおける波長λSの±1次回折光の集光点PSの高さはhSとなる。 Here, for simplicity, it is assumed that the magnification from the pupil conjugate plane 6A ′ to the pupil plane 6A is 1. In this case, the size of the pupil plane 6A is equal to the size of the pupil conjugate plane 6A ′, the size of the image (not shown) of the phase plate 200 projected onto the pupil conjugate plane 6A ′ is also equal to the size of the phase plate 200, the height of ± 1 converging point P L-order diffracted light with a wavelength lambda L in the pupil plane 6A is h L becomes, ± 1 height of the focal point P S-order diffracted light of wavelength lambda S in the pupil plane. 6A h S It becomes.

なお、前述したように集光点は、完全な集光点である必要はなく、通常所定の大きさ(面積)を有するので、位相遅延部200Bの大きさ(面積)は、所定の大きさを有した集光点をカバーできる程度に確保される必要がある。   As described above, the condensing point does not need to be a complete condensing point, and usually has a predetermined size (area). Therefore, the size (area) of the phase delay unit 200B is a predetermined size. It is necessary to ensure that it can cover the condensing point.

また、図10では、対物レンズ6の標本側の焦点面が波長λ、λの間でずれていることを明確化するために、+1次回折光束の光路(波長λ、λの間で非共通)と共に、標本5に向かう0次回折光束(波長λと波長λとの間で共通)の光路も描いた。 Further, in FIG. 10, in order to clarify that the focal plane on the sample side of the objective lens 6 is shifted between the wavelengths λ L and λ S , the optical path of the + 1st order diffracted light beam (with the wavelengths λ L and λ S ). The optical path of the 0th-order diffracted light beam (common between the wavelength λ S and the wavelength λ L ) toward the sample 5 is also drawn.

先ず、図10に示すとおり、波長λの光による対物レンズ6の焦点面を5Aとおき、波長λの光による対物レンズ6による焦点面を5Aとおく。 First, as shown in FIG. 10, the focal plane of the objective lens 6 by the light of wavelength λ L is set to 5A L , and the focal plane of the objective lens 6 by the light of wavelength λ S is set to 5A S.

また、図10に示すとおり、波長λの焦点面5Aを基準とした、波長λの焦点面5Aのズレを、Δdとおく。 Further, as shown in FIG. 10, relative to the focal plane 5A L of wavelength lambda L, the deviation of the focal plane 5A S wavelength lambda S, is denoted by [Delta] d o.

本実施形態では、このズレΔdをゼロとするために、波長λの±1次回折光束の光路にのみ位相遅延部200Bを配置し、標本側から見た集光点Pの光軸O方向の仮想距離を延長する。 In the present embodiment, in order to make this shift Δd o zero, the phase delay unit 200B is disposed only in the optical path of the ± first-order diffracted light beam of the wavelength λ S and the optical axis of the condensing point P S viewed from the sample side. Extend the virtual distance in the O direction.

図11は、波長λの焦点面5Aを波長λの焦点面5Aに一致させるために必要な延長量Δdを示す図である。この延長量Δdは、「デフォーカス収差の式」よって以下のとおり表される。 Figure 11 is a diagram showing an extended amount [Delta] d p required to match the focal plane 5A S wavelength lambda S in the focal plane 5A L of wavelength lambda L. This extension amount Δd p is expressed as follows by the “defocus aberration equation”.

Figure 2015049467
Figure 2015049467

なお、遅延量Δdの単位は、波長λの位相の単位とした。また、ρは、集光点Pの高さhを開口数の単位で表したものであり、nは、対物レンズ6の標本側の媒質(ここでは浸液)の屈折率である。 The unit of the delay amount Δd p is the unit of the phase of the wavelength λ S. Further, [rho S is a representation of the height h S of the converging point P S in units of numerical aperture, n o is the refractive index of the specimen side of the medium of the objective lens 6 (where immersion liquid) is there.

一方、位相遅延部200Bの厚さをdとおき、位相遅延部200Bの屈折率をnとおくと、位相遅延部200Bが波長λの光に与える位相遅延量Δdは、以下のとおり表わされる。 On the other hand, the thickness of the phase delay unit 200B d c Distant, placing the refractive index of the phase delay unit 200B and n c, the phase delay amount Δd of the phase delay unit 200B is provided to the light of the wavelength lambda S, as follows Represented.

Figure 2015049467
Figure 2015049467

したがって、本実施形態では、ΔdがΔdに一致するように位相遅延部200Bの厚さdを設定すればよい。つまり、位相遅延部200Bの厚さdは、以下の式(3)を満たすように設定されればよい。 Thus, in this embodiment, may be set thickness d c of the phase delay unit 200B as [Delta] d is equal to [Delta] d p. In other words, the thickness d c of the phase delay unit 200B may be set so as to satisfy the following equation (3).

Figure 2015049467
Figure 2015049467

この設定によると、図12に示すとおり、標本側から見た集光点Pの仮想距離が適度に延長され、波長λの焦点面5Aが波長λの焦点面5Aに一致する。なお、図12において符号P’で示すのは、標本側から見た集光点Pの虚像である。 According to this setting, as shown in FIG. 12, the virtual distance of the focal point P S viewed from the specimen side is moderately extended, the focal plane 5A S wavelength lambda S coincides with the focal plane 5A L wavelength lambda L . In FIG. 12, what is indicated by a symbol P s ′ is a virtual image of the condensing point P S as viewed from the sample side.

したがって、例えば、波長λ、λの焦点面5A、5AのズレΔdが0.2mmであり、浸液の屈折率nが1.515であり、位相遅延部200Bの屈折率nが1.5168であり、集光点Pの高さρが1.4であったならば、式(3)より、位相遅延部200Bの厚さdは0.36mmに設定されればよいことがわかる。このような厚さの位相遅延部200Bは、エッチングや蒸着などの従来技術によって十分に製作可能である。 Thus, for example, wavelength lambda S, lambda focal plane 5A S of L, deviation [Delta] d o of 5A L is 0.2 mm, the refractive index n o of the immersion liquid is 1.515, the refractive index of the phase delay unit 200B n c is 1.5168, if the height [rho S of the focal point P S was 1.4, setting equation (3), the thickness d c of the phase delay unit 200B to 0.36mm I understand that it should be done. The thickness of the phase delay unit 200B having such a thickness can be sufficiently manufactured by a conventional technique such as etching or vapor deposition.

なお、式(3)を満たすように位相遅延部200Bの厚さdを設定すれば、理論的には、互いに異なる波長の焦点面を完全に一致させることができるが、複数波長間の焦点面のズレは、光軸方向の分解能の約1/4までなら許容でき、具体的には、標本5において約60nmまでなら許容でき、この程度のズレであれば、焦点面は一致しているとみなせる。 Incidentally, by setting the thickness d c of the phase delay portion 200B so as to satisfy the equation (3), theoretically, it is possible to exactly match the focal plane of the different wavelengths, the focus between multiple wavelengths The deviation of the surface can be allowed up to about 1/4 of the resolution in the optical axis direction. Specifically, it can be accepted up to about 60 nm in the specimen 5, and the focal planes coincide with each other when the deviation is this level. Can be considered.

ところで、本実施形態では、干渉縞の方向を上述した3方向(第1方向V、第2方向V、第3方向V)の間で切り替える。それに対応するため、位相板200には、上述した構成の位相遅延部200Bが、それら3方向の各々について形成されているものとする(図13参照)。 By the way, in this embodiment, the direction of the interference fringes is switched between the above-described three directions (the first direction V 1 , the second direction V 2 , and the third direction V 3 ). In order to cope with this, it is assumed that the phase delay unit 200B having the above-described configuration is formed on each of the three directions on the phase plate 200 (see FIG. 13).

図13(A)は、位相板200を光軸Oに沿った方向(標本側)から見た図であり、図13(B)は、光軸Oを含む平面で位相板200を切断してできる断面図である。   FIG. 13A is a view of the phase plate 200 as viewed from the direction along the optical axis O (sample side), and FIG. 13B shows the phase plate 200 cut along a plane including the optical axis O. FIG.

この例では、位相遅延部200Bが3方向(第1方向V、第2方向V、第3方向V)の各々に亘って形成されており、そのうち或る位相遅延部200Bは、分岐方向が第1方向Vである1対の集光点Pをカバーし、他の位相遅延部200Bは、分岐方向が第2方向Vである1対の集光点Pをカバーし、残りの位相遅延部200Bは、分岐方向が第3方向Vである1対の集光点Pをカバーしている。 In this example, the phase delay unit 200B is formed in each of three directions (first direction V 1 , second direction V 2 , and third direction V 3 ), and one of the phase delay units 200B is branched. direction covers converging point P S pair, which is the first direction V 1, the other phase delay portion 200B covers the converging point P S pair branch direction is the second direction V 2 the remainder of the phase delay unit 200B, the branch direction covers converging point P S pair is a third direction V 3.

[第1実施形態の変形例]
なお、第1実施形態では、位相板200の配置先を、図1に示したとおり瞳共役面6A’の近傍としたが、瞳面6Aの近傍としてもよいことは言うまでもない。少なくとも位相板200の配置先は、波長λの±1次回折光束の光路と、波長λの±1次回折光束の光路とが空間的に分離されている箇所であればよい。
[Modification of First Embodiment]
In the first embodiment, the phase plate 200 is disposed in the vicinity of the pupil conjugate plane 6A ′ as shown in FIG. 1, but needless to say, it may be in the vicinity of the pupil plane 6A. Locations of at least the phase plate 200 may be any place where the optical path of ± 1-order diffracted light flux of wavelength lambda S, and the optical path of ± 1-order diffracted light flux of wavelength lambda L are spatially separated.

また、第1実施形態では、複数の光束間に位相差を付与するために、基板200A上に位相遅延部200Bを形成してなる位相板200を光路へ配置したが、位相遅延部200Bのみからなる位相板(つまり、基板を有しない位相板)を光路へ配置してもよい。   In the first embodiment, the phase plate 200 formed by forming the phase delay unit 200B on the substrate 200A is disposed in the optical path in order to give a phase difference between the plurality of light beams. However, only from the phase delay unit 200B. A phase plate (that is, a phase plate having no substrate) may be arranged in the optical path.

また、第1実施形態では、波長λの±1次回折光束の位相遅延量と波長λの±1次回折光束の位相遅延量とに差異を付けるために、波長λの±1次回折光束の光路と波長λの±1次回折光束の光路との一方にのみ位相遅延部200Bを挿入したが、波長λの±1次回折光束の光路と波長λの±1次回折光束の光路との双方に位相遅延部200
Bを挿入してもよい。
In the first embodiment, in order to give a difference in the phase delay amount of ± 1 ± 1-order diffracted light flux of the phase delay and the wavelength lambda S-order diffracted light flux of the wavelength lambda L, ± 1-order wavelength lambda L While inserting the phase delay portion 200B only one of the optical path of the ± 1-order diffracted light flux of the light path and the wavelength lambda S of diffracted light beams, ± 1-order diffracted light path and the wavelength lambda S of ± 1-order diffracted light flux of wavelength lambda L The phase delay unit 200 is provided in both the optical path of the luminous flux.
B may be inserted.

その場合は、一方に挿入される位相遅延部200Bと他方に挿入される位相遅延部200Bとの間に厚さの差を設ければよい。或いは、厚さの差を設ける代わりに屈折率の差を設けてもよい。或いは、厚さ及び屈折率の組み合わせの差を設けてもよい。   In that case, a thickness difference may be provided between the phase delay unit 200B inserted in one and the phase delay unit 200B inserted in the other. Alternatively, instead of providing a difference in thickness, a difference in refractive index may be provided. Or you may provide the difference of the combination of thickness and refractive index.

また、第1実施形態の位相板200は、干渉縞の方向の切り替えに対処するために、位相遅延部200Bを3組み設けたが(図13を参照。)、位相遅延部200Bを1組みだけ設けると共に、位相板200の全体を光軸Oの周りに回動させる機構を更に備えてもよい(図14を参照。)。その場合、上述した制御装置39は、位相板200の回動角を、光束選択部18の回動角に連動させればよい。   Further, the phase plate 200 of the first embodiment is provided with three sets of the phase delay units 200B in order to cope with the switching of the direction of the interference fringes (see FIG. 13), but only one set of the phase delay units 200B. While providing, you may further provide the mechanism which rotates the whole phase plate 200 around the optical axis O (refer FIG. 14). In that case, the control device 39 described above may link the rotation angle of the phase plate 200 with the rotation angle of the light beam selector 18.

また、第1実施形態の位相板200は、干渉縞の方向の切り替えに対処するために、位相遅延部200Bを3組み設けたが(図13を参照。)、これらの位相遅延部200Bの一部又は全部を共通の部材で構成してもよい。例えば、図15に示すとおり、全ての位相遅延部200Bを共通の部材(例えばリング状部材)で構成してもよい。このような位相遅延部200Bを採用した場合、位相板200の光軸O周りの回転角の調整が容易となる(基本的に回転角調整は不要となる。)。   Further, the phase plate 200 of the first embodiment is provided with three sets of the phase delay units 200B (see FIG. 13) in order to cope with the switching of the direction of the interference fringes, but one of these phase delay units 200B. You may comprise a part or all by a common member. For example, as illustrated in FIG. 15, all the phase delay units 200 </ b> B may be configured with a common member (for example, a ring-shaped member). When such a phase delay unit 200B is employed, adjustment of the rotation angle around the optical axis O of the phase plate 200 becomes easy (basically, adjustment of the rotation angle is not necessary).

また、第1実施形態では、光源波長の数を「2」とし、撮像素子の個数を「2」としたので、2種類の波長λ、λの一方による観察と他方による観察とを同時に行うことができる。しかし、第1実施形態では、撮像素子の個数を1とし、2種類の波長λ、λの一方による観察と他方による観察とを順次に行っても構わない。 In the first embodiment, since the number of light source wavelengths is “2” and the number of image pickup devices is “2”, observation by one of the two wavelengths λ L and λ S and observation by the other are simultaneously performed. It can be carried out. However, in the first embodiment, the number of image sensors may be 1, and observation with one of the two wavelengths λ L and λ S and observation with the other may be performed sequentially.

また、第1実施形態では、光源波長の数を「2」としたが、3以上に拡張してもよいことは言うまでもない。   In the first embodiment, the number of light source wavelengths is “2”, but it goes without saying that the number may be extended to 3 or more.

また、3以上の光源波長のうち、2以上の光源波長が上述した補正波長域(ここでは435nm〜656nm)から外れていた場合には、それら2以上の光源波長の各々に適した位相遅延部200Bを、位相板200に形成すればよい。   Further, when two or more light source wavelengths out of three or more light source wavelengths are out of the above-described correction wavelength region (here, 435 nm to 656 nm), a phase delay unit suitable for each of the two or more light source wavelengths. 200B may be formed on the phase plate 200.

例えば、光源波長として3種類の波長λ、λS1、λS2が使用され、このうち2つの波長λS1、λS2が補正波長域から外れていた場合には、例えば図16に示すとおり、波長λS1に適した位相遅延部200B−1と、波長λS2に適した位相遅延部200B−2との双方が位相板200に形成される。 For example, three types of wavelengths λ L , λ S1 , and λ S2 are used as the light source wavelengths. If two of these wavelengths λ S1 and λ S2 are out of the correction wavelength range, for example, as shown in FIG. Both the phase delay unit 200B-1 suitable for the wavelength λ S1 and the phase delay unit 200B- 2 suitable for the wavelength λ S2 are formed on the phase plate 200.

このうち、位相遅延部200B−1の形成位置の光軸Oからの高さは、波長λS1の集光点の光軸Oからの高さと同じに設定され、位相遅延部200B−2の形成位置の光軸Oからの高さは、波長λS2の集光点の光軸Oからの高さと同じに設定される。 Among these, the height from the optical axis O of the formation position of the phase delay unit 200B-1 is set to be the same as the height from the optical axis O of the condensing point of the wavelength λ S1 , and the phase delay unit 200B-2 is formed. The height of the position from the optical axis O is set to be the same as the height from the optical axis O of the condensing point of wavelength λ S2 .

また、位相遅延部200B−1の光軸O方向の厚さは、波長λS1の焦点面を波長λの焦点面に一致させるための厚さに設定され、位相遅延部200B−2の光軸O方向の厚さは、波長λS2の焦点面を波長λの焦点面に一致させるための厚さに設定される。 Further, the thickness of the phase delay unit 200B-1 in the optical axis O direction is set to a thickness for matching the focal plane of the wavelength λ S1 with the focal plane of the wavelength λ L , and the light of the phase delay unit 200B-2 The thickness in the direction of the axis O is set to a thickness for making the focal plane of the wavelength λ S2 coincide with the focal plane of the wavelength λ L.

なお、図16では、2つの位相遅延部200B−1、200B−2を別部材で構成したが、同一部材で構成してもよいことは言うまでもない。   In FIG. 16, the two phase delay units 200 </ b> B- 1 and 200 </ b> B- 2 are configured as separate members.

また、図16に示した位相板は、図15に示した位相板(リング型)の変形例であるが、図13に示した位相板(6ブロック型)、図14に示した位相板(回転型)を同様に変形してもよいことは言うまでもない。   The phase plate shown in FIG. 16 is a modification of the phase plate (ring type) shown in FIG. 15, but the phase plate shown in FIG. 13 (6-block type) and the phase plate shown in FIG. Needless to say, the rotary type may be similarly modified.

また、第1実施形態では、光路に対して位相板200を挿脱可能とし、光源波長の少なくとも1つが補正波長域(ここでは435nm〜656nm)から外れていたときには位相板200を光路へ挿入し、光源波長の全てが補正波長域(ここでは435nm〜656nm)に収まっていたときには位相板200を光路から離脱させることとしてもよい。しかし、本実施形態の位相板200は、全ての波長の間で焦点面を一致させることができるので、常時挿入されていても問題ない。   In the first embodiment, the phase plate 200 can be inserted into and removed from the optical path. When at least one of the light source wavelengths is out of the correction wavelength range (435 nm to 656 nm in this case), the phase plate 200 is inserted into the optical path. When all of the light source wavelengths are within the correction wavelength range (435 nm to 656 nm in this case), the phase plate 200 may be separated from the optical path. However, since the phase plate 200 of this embodiment can make the focal plane coincide between all wavelengths, there is no problem even if it is always inserted.

また、第1実施形態では、光源からの射出光束を分岐する手段として、分岐方向の異なる複数の回折光束群を同時に生成する回折格子13(図2(A)参照)を使用したが、分岐方向が共通の回折光束群を1群のみ生成する回折格子(1方向回折格子)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、1方向回折格子を光軸Oの周りに回動させる機構が備えられる。   In the first embodiment, the diffraction grating 13 (see FIG. 2A) that simultaneously generates a plurality of diffracted light flux groups having different branching directions is used as means for branching the light flux emitted from the light source. However, a diffraction grating (one-direction diffraction grating) that generates only one group of common diffracted light beams may be used. In this case, however, a mechanism for rotating the one-way diffraction grating around the optical axis O is provided to switch the direction of the interference fringes.

また、その場合は、回動可能な光束選択部18の代わりに、非回動の0次光カットマスクを使用してもよい。0次光カットマスクは、2次以降の高次回折光束の光路となり得る領域にマスク部を配し、かつ、±1次回折光束の光路となり得る領域に開口部を配し、かつ、0次回折光束の光路となる領域にマスク部を配したマスクである。   In that case, a non-rotating 0th-order light cut mask may be used instead of the rotatable light beam selector 18. The 0th-order light cut mask has a mask portion disposed in an area that can be an optical path of a second-order or higher-order diffracted light beam, and an opening is disposed in an area that can be an optical path of a ± 1st-order diffracted light beam. This is a mask in which a mask portion is arranged in a region that becomes an optical path of a folded light beam.

また、第1実施形態では、標本5に入射する±1次回折光束をS偏光に保つために、光軸Oの周りを回動可能な1/2波長板17を使用したが、固定配置した1/4波長板と光軸O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波長板の回転角は、第2の基準位置を基準とした光束選択部材18の回転角と同じに設定される。   Further, in the first embodiment, in order to keep the ± first-order diffracted light beam incident on the specimen 5 to be S-polarized light, the half-wave plate 17 that can be rotated around the optical axis O is used. A quarter wavelength plate and a quarter wavelength plate capable of rotating around the optical axis O may be used. However, in that case, the rotation angle of the quarter-wave plate with respect to the first reference position is set to be the same as the rotation angle of the light beam selection member 18 with reference to the second reference position.

また、第1実施形態では、構造化照明顕微鏡装置1が全反射蛍光顕微鏡(TIRFM)として利用される場合を説明したが、構造化照明顕微鏡装置1を3次元構造化照明顕微鏡装置(3D−SIM:3D-Structured Illumination Microscopy)として利用することもできる。   Moreover, although 1st Embodiment demonstrated the case where the structured illumination microscope apparatus 1 was utilized as a total reflection fluorescence microscope (TIRFM), the structured illumination microscope apparatus 1 is replaced with a three-dimensional structured illumination microscope apparatus (3D-SIM). : 3D-Structured Illumination Microscopy).

但し、構造化照明顕微鏡装置1を3D−SIMとして使用する場合は、回折格子13で発生した0次回折光束を瞳共役面6A’にてカットせずに±1次回折光と共に標本5へ入射させる。そのためには、例えば、図6に示した光束選択部材18の代わりに、図17に示すような光束選択部材18’を使用すればよい。この光束選択部材18’は、図6に示した光束選択部材18において、0次回折光束を通過するための開口部29を設けたものである。なお、この開口部29の形成先は、光軸Oの近傍であって、この開口部29の形状は、例えば円形である。このような光束選択部材18’によると、±1次回折光束だけでなく0次回折光束をも干渉縞に寄与させることができる。   However, when the structured illumination microscope apparatus 1 is used as a 3D-SIM, the 0th-order diffracted light beam generated by the diffraction grating 13 is incident on the sample 5 together with the ± 1st-order diffracted light without being cut at the pupil conjugate plane 6A ′. . For this purpose, for example, a light beam selection member 18 ′ shown in FIG. 17 may be used instead of the light beam selection member 18 shown in FIG. 6. This light beam selection member 18 'is the same as the light beam selection member 18 shown in FIG. 6, but is provided with an opening 29 through which the 0th-order diffracted light beam passes. The opening 29 is formed in the vicinity of the optical axis O, and the shape of the opening 29 is, for example, a circle. According to such a light beam selection member 18 ', not only the ± 1st order diffracted light beam but also the 0th order diffracted light beam can contribute to the interference fringes.

このように、3つの回折光束の干渉(3光束干渉)によって生成される干渉縞は、標本5の表面方向だけでなく、標本5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5の3次元超解像画像を生成することが可能となる。   As described above, the interference fringes generated by the interference of the three diffracted light beams (three-beam interference) are spatially modulated not only in the surface direction of the sample 5 but also in the depth direction of the sample 5. Therefore, according to this interference fringe, a three-dimensional super-resolution image of the sample 5 can be generated.

また、第1実施形態では、構造化照明顕微鏡装置1をTIRF−SIMとして使用する際に、干渉縞に寄与する回折光束として、+1次回折光束と−1次回折光束との組み合わせを使用したが、他の組み合わせを使用してもよいことは言うまでもない。   In the first embodiment, when the structured illumination microscope apparatus 1 is used as a TIRF-SIM, a combination of a + 1st order diffracted light beam and a −1st order diffracted light beam is used as a diffracted light beam that contributes to interference fringes. Of course, other combinations may be used.

また、第1実施形態では、構造化照明顕微鏡装置1を3D−SIMとして使用する際に、干渉縞に寄与する回折光束として、+1次回折光束と−1次回折光束と0次回折光束との組み合わせを使用したが、他の組み合わせを使用してもよいことは言うまでもない。   Moreover, in 1st Embodiment, when using the structured illumination microscope apparatus 1 as 3D-SIM, as a diffracted light beam which contributes to an interference fringe, + 1st order diffracted light beam, −1st order diffracted light beam, and 0th order diffracted light beam Although combinations are used, it goes without saying that other combinations may be used.

[第1実施形態の作用効果]
以上、第1実施形態の構造化照明装置は、光源(レーザユニット100)からの射出光束を少なくとも2つの分岐光束(±1次回折光束)に分岐する分岐部(回折格子13)と、分岐した前記2つの分岐光束による干渉縞を標本(5)に形成する光学系(照明光学系10)と、波長の異なる少なくとも2種類の前記射出光束(λ、λ)に位相差を付与する位相差付与部材(位相板200)とを備える。
[Effects of First Embodiment]
As described above, the structured illuminating device of the first embodiment is branched with the branch portion (diffraction grating 13) that branches the emitted light beam from the light source (laser unit 100) into at least two branched light beams (± first-order diffracted light beams). An optical system (illumination optical system 10) that forms interference fringes due to the two branched light beams on the sample (5), and a phase difference between at least two types of the emitted light beams (λ L , λ S ) having different wavelengths. A phase difference providing member (phase plate 200).

したがって、前記2種類の射出光束(λ、λ)に対する前記光学系(照明光学系10)に固有の軸上色収差が仮にゼロでなかったとしても、前記2種類の射出光束(λ、λ)の一方と他方との間で観察対象面を一致させることが可能である。 Therefore, even if the axial chromatic aberration inherent in the optical system (illumination optical system 10) for the two types of emitted light beams (λ L , λ S ) is not zero, the two types of emitted light beams (λ L , It is possible to match the observation target surface between one and the other of λ S ).

また、前記分岐部(回折格子13)は、前記2種類の射出光束を互いに異なる角度で分岐する回折光学素子であり、前記位相差付与部材(位相板200)は、前記2種類の射出光束の光路が空間的に分離した箇所に配置される。   In addition, the branch portion (diffraction grating 13) is a diffractive optical element that branches the two types of emitted light beams at different angles, and the phase difference providing member (phase plate 200) is configured to emit the two types of emitted light beams. The optical paths are arranged at spatially separated locations.

このような箇所においては、前記2種類の射出光束(λ、λ)の位相関係を調節することが容易である。 In such a place, it is easy to adjust the phase relationship between the two kinds of emitted light beams (λ L , λ S ).

また、前記光学系(照明光学系10)は、対物レンズ(6)を含み、前記位相差付与部材(位相板200)は、前記対物レンズ(6)の瞳面(6A)又は瞳共役面(6A’)の近傍に配置される。   The optical system (illumination optical system 10) includes an objective lens (6), and the phase difference imparting member (phase plate 200) is a pupil plane (6A) or a pupil conjugate plane (of the objective lens (6)). 6A ').

この瞳面(6A)又は瞳共役面(6A’)では、前記2種類の射出光束(λ、λ)の空間的な分離量が最大となるので、前記位相関係の調節が最も容易となる。 In the pupil plane (6A) or the pupil conjugate plane (6A ′), the spatial separation amount of the two kinds of emitted light beams (λ L , λ S ) is maximized, so that the phase relationship can be adjusted most easily. Become.

また、前記位相差付与部材(位相板200)は、前記2種類の射出光束の一方に所定の位相を付与する第1の領域(波長λの通過域)と、前記2種類の射出光束の他方に前記所定の位相とは異なる位相を付与する第2の領域(波長λの通過域)とを有する。 In addition, the phase difference providing member (phase plate 200) includes a first region (passage region of wavelength λ S ) that imparts a predetermined phase to one of the two types of emitted light beams, and the two types of emitted light beams. On the other hand, it has a second region (pass region of wavelength λ L ) that gives a phase different from the predetermined phase.

また、前記位相差付与部材(位相板200)が前記2種類の射出光束に付与する位相差は、前記2種類の射出光束の軸上色収差に相当する値に設定される。   The phase difference imparted to the two types of emitted light beams by the phase difference providing member (phase plate 200) is set to a value corresponding to the axial chromatic aberration of the two types of emitted light beams.

したがって、前記位相差付与部材(位相板200)は、前記軸上色収差に起因した観察対象面のズレを、確実に抑えることができる。   Therefore, the phase difference providing member (phase plate 200) can reliably suppress the deviation of the observation target surface due to the axial chromatic aberration.

或いは、前記位相差付与部材が前記2種類の射出光束に付与する位相差は、前記2種類の射出光束間で前記標本における焦点面を一致させる値に設定されてもよい。   Alternatively, the phase difference imparted to the two types of emitted light beams by the phase difference providing member may be set to a value that matches the focal plane of the sample between the two types of emitted light beams.

また、構造化照明顕微鏡装置(1)が3D−SIMとして使用されるときには、前記光学系(照明光学系10)が形成する前記干渉縞は、前記2つの分岐光束(±1次回折光束)と他の1つの分岐光束(0次回折光束)との3つの分岐光束による3光束干渉縞である。   In addition, when the structured illumination microscope apparatus (1) is used as a 3D-SIM, the interference fringes formed by the optical system (illumination optical system 10) are the two branched light beams (± first-order diffracted light beams). This is a three-beam interference fringe formed by three branched beams with another branched beam (0th-order diffracted beam).

このように構造化照明顕微鏡装置(1)が3D−SIMとして使用される場合は、観察対象面のズレが大きな問題となるので、前記位相差付与部材(位相板200)の配置は、特に有効である。   Thus, when the structured illumination microscope apparatus (1) is used as a 3D-SIM, the displacement of the observation target surface becomes a big problem, and therefore the arrangement of the phase difference providing member (phase plate 200) is particularly effective. It is.

また、前記光源(100)は、前記2種類の射出光束を同時又は順次に出射する。   The light source (100) emits the two types of emitted light beams simultaneously or sequentially.

したがって、第1実施形態の構造化照明装置は、前記2種類の射出光束(λ、λ)による順次照明又は同時照明が可能である。 Therefore, the structured illumination device of the first embodiment can perform sequential illumination or simultaneous illumination with the two types of emitted light beams (λ L , λ S ).

また、第1実施形態の構造化照明装置は、前記標本(5)に形成される前記干渉縞の方向を複数の方向の間で切り替える切替部(光束選択部材18)を更に備え、前記位相差付与部材(位相板200)は、前記複数の方向毎に用意されている。   Further, the structured illumination device of the first embodiment further includes a switching unit (light beam selection member 18) for switching the direction of the interference fringes formed on the specimen (5) between a plurality of directions, and the phase difference The applying member (phase plate 200) is prepared for each of the plurality of directions.

或いは、第1実施形態の構造化照明装置は、前記標本(5)に形成される前記干渉縞の方向を切り替える第1切替部(光束選択部材18)と、前記位相差付与部材の方向を切り替える第2切替部(図14参照)とを更に備える。   Alternatively, the structured illumination device of the first embodiment switches the direction of the phase difference providing member and the first switching unit (light beam selection member 18) that switches the direction of the interference fringes formed on the specimen (5). And a second switching unit (see FIG. 14).

また、第1実施形態の構造化照明装置は、前記干渉縞の位相をシフトさせる位相シフト部(並進機構15A)を更に備える。   Moreover, the structured illumination device of the first embodiment further includes a phase shift unit (translation mechanism 15A) that shifts the phase of the interference fringes.

したがって、第1実施形態の構造化照明装置は、前記干渉縞の方向及び位相を切り替えることが可能である。   Therefore, the structured illumination device of the first embodiment can switch the direction and phase of the interference fringes.

また、第1実施形態の構造化照明顕微鏡装置(1)は、第1実施形態の構造化照明装置と、前記干渉縞で変調された前記標本(5)からの観察光束を光検出器(撮像素子351、352)に結像する結像光学系(30)と、前記光検出器(撮像素子351、352)が生成した画像に基づき前記標本(5)の復調像を演算する演算手段(画像記憶・演算装置40)とを備える。   Further, the structured illumination microscope apparatus (1) of the first embodiment and the structured illumination apparatus of the first embodiment and a light detector (imaging) for an observation light beam from the sample (5) modulated by the interference fringes. An imaging optical system (30) that forms an image on the elements (351, 352), and an arithmetic means (image) that calculates a demodulated image of the sample (5) based on an image generated by the photodetector (imaging elements 351, 352). Storage / arithmetic unit 40).

したがって、第1実施形態の構造化照明顕微鏡装置(1)によれば、標本(5)における同一の観察対象面を2種類の波長(λ、λ)で超解像観察することができる。 Therefore, according to the structured illumination microscope apparatus (1) of the first embodiment, it is possible to perform super-resolution observation of the same observation target surface in the sample (5) with two types of wavelengths (λ L , λ S ). .

しかも、第1実施形態の構造化照明顕微鏡装置(1)は、2種類の波長(λ、λ)の一方による超解像観察と他方による超解像観察との間で、光学素子の位置調整(例えば、光ファイバ11の出射端又は回折格子13の光軸O方向の位置調整)を行う必要がない。 In addition, the structured illumination microscope apparatus (1) of the first embodiment has an optical element between the super-resolution observation by one of two kinds of wavelengths (λ L , λ S ) and the super-resolution observation by the other. It is not necessary to perform position adjustment (for example, position adjustment in the optical axis O direction of the emission end of the optical fiber 11 or the diffraction grating 13).

よって、第1実施形態の構造化照明顕微鏡装置(1)は、2種類の波長(λ、λ)の一方による超解像観察と他方による超解像観察とを同時に行うこと(同時励起・同時露光)も可能である。 Therefore, the structured illumination microscope apparatus (1) of the first embodiment simultaneously performs super-resolution observation using one of two wavelengths (λ L , λ S ) and super-resolution observation using the other (simultaneous excitation). (Simultaneous exposure) is also possible.

[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態として第1実施形態の変形例を説明する。ここでは、第1実施形態との相違点のみ説明する。相違点は、位相板200に形成された位相遅延部200Bの形状にある。
[Second Embodiment]
Hereinafter, modifications of the first embodiment will be described as a second embodiment of the present invention. Here, only differences from the first embodiment will be described. The difference is in the shape of the phase delay unit 200B formed in the phase plate 200.

図18(A)は、本実施形態の位相板200を光軸Oに沿った方向(標本側)から見た図であり、図18(B)は、光軸Oを含む平面で位相板200を切断してできる断面図である。   FIG. 18A is a view of the phase plate 200 of the present embodiment as viewed from the direction along the optical axis O (sample side), and FIG. 18B is a plane including the optical axis O. It is sectional drawing which can be cut | disconnected.

図18(A)、(B)に示すとおり、本実施形態の位相遅延部200Bの光軸O方向の厚さは、光軸Oからの距離に依存しており、具体的には、その厚さは、光軸Oからの距離が大きくなるほど大きく設定されている。   As shown in FIGS. 18A and 18B, the thickness of the phase delay unit 200B of this embodiment in the direction of the optical axis O depends on the distance from the optical axis O, specifically, the thickness. The length is set to increase as the distance from the optical axis O increases.

なぜなら、第1に、位相遅延部200Bがカバーすべき集光点P(波長λの±1次回折光束の集光点)は、或る拡がりを有しており、その拡がり方は、光ファイバ1のファイバ端のサイズに依存する。このため、光軸Oから集光点Pまでの高さρも、若干の拡がりを有する。 Because, firstly, the condensing point P S (the condensing point of the ± 1st-order diffracted light beam with the wavelength λ S ) to be covered by the phase delay unit 200B has a certain spread. It depends on the size of the fiber end of the optical fiber 1. Therefore, the height [rho S from the optical axis O to the focal point P S, having a slight extent.

第2に、高さρが異なると、必要な遅延量Δdが異なるので(図19における湾曲した点線を参照。)、位相遅延部200Bに必要な厚さdも異なる。具体的には、高さρが大きいときほど、必要な厚さdは大きくなる。 Second, if the height [rho S are different, since the delay amount [Delta] d p require different (see curved dotted line in FIG. 19.), Varies the thickness d c required phase delay unit 200B. Specifically, as when the height [rho S is large, the thickness d c required increases.

したがって、例えば、対物レンズ6のNAが1.49であり、照明のσが0.05であり、集光点Pの高さρが1.325〜1.4の範囲であったと仮定すると、高さρが1.4である光線にとって必要な厚さdは0.36mmであり、高さρが1.325である光線にとって必要な厚さdは、0.30mmである(式(3)を参照。)。 Thus, for example, a NA of 1.49 of the objective lens 6, and σ illumination is 0.05, the height [rho S of the focal point P S is in the range of 1.325 to 1.4 assumptions Then, the thickness d c necessary for light is high [rho S 1.4 is 0.36 mm, the thickness d c necessary for height [rho S is 1.325 rays, 0.30 mm (See Equation (3)).

したがって、本実施形態の位相遅延部200Bには、例えば、ρ=1.325〜1.4の範囲にd=0.30mm〜0.36mmの範囲の勾配が付与される。 Therefore, for example, a gradient in the range of d c = 0.30 mm to 0.36 mm is given to the phase delay unit 200B of the present embodiment in the range of ρ S = 1.325 to 1.4.

以上、第2実施形態の構造化照明装置(100、10)は、第1実施形態の構造化照明装置において、前記第1の領域(波長λの通過域)及び前記第2の領域(波長λの通過域)のうち少なくとも一方の位相は、前記光軸Oから離れるに従って変化する。 As described above, the structured illumination device (100, 10) according to the second embodiment is the same as the structured illumination device according to the first embodiment, except that the first region (passage band of wavelength λ S ) and the second region (wavelength). The phase of at least one of the λ L passbands) changes as the distance from the optical axis O increases.

具体的には、前記第1の領域(波長λの通過域)及び前記第2の領域(波長λの通過域)のうち少なくとも一方の位相は、前記光軸Oから離れるほど大きく設定される。 Specifically, at least one of the phases of the (passband wavelength lambda S) a first region and said second region (passband wavelength lambda L) is set larger as the distance from the optical axis O The

したがって、第2実施形態の前記位相差付与部材(位相部材200B)は、波長λの光束及び波長λの光束のうち少なくとも一方の拡がりに対処できる。 Accordingly, the phase difference imparting member in the second embodiment (phase member 200B) can address at least one of the spread of the light flux of the light flux and the wavelength lambda L of wavelength lambda S.

なお、第2実施形態も第1実施形態と同様に変形することが可能である。例えば、第2実施形態における位相板200は、図14(A)に示すような回転型に構成されてもよいし、図15(A)に示すようなリング型に構成されてもよいし、図16(A)に示すようなダブルリング型に構成されてもよい。例えば、基板200A上に位相遅延部200Bを形成してなる位相板200を光路へ配置する代わりに、位相遅延部200Bのみからなる位相板(つまり、基板を有しない位相板)を光路へ配置してもよい。   Note that the second embodiment can be modified in the same manner as the first embodiment. For example, the phase plate 200 in the second embodiment may be configured as a rotary type as shown in FIG. 14A, or may be configured as a ring type as shown in FIG. A double ring type as shown in FIG. For example, instead of arranging the phase plate 200 formed by forming the phase delay unit 200B on the substrate 200A in the optical path, a phase plate consisting only of the phase delay unit 200B (that is, a phase plate having no substrate) is arranged in the optical path. May be.

また、第1実施形態又は第2実施形態の照明光学系10は、対物レンズ6による落射照明光学系で構成されたが、これに限られず、対物レンズ6に代えてコンデンサレンズによる透過・反射照明光学系で構成されてもよい。その場合、集光点が形成されるのは、コンデンサレンズの瞳面である。   In addition, the illumination optical system 10 of the first embodiment or the second embodiment is configured by the epi-illumination optical system using the objective lens 6, but is not limited to this, and transmission / reflection illumination using a condenser lens instead of the objective lens 6. You may comprise with an optical system. In this case, the focal point is formed on the pupil plane of the condenser lens.

また、第1実施形態又は第2実施形態では、干渉縞(2光束干渉縞、3光束干渉縞)を形成するための回折光として、±1次回折光及び0次回折光の組み合わせを用いたが、他の組み合わせを用いてもよい。3光束干渉縞を形成するためには、回折次数の間隔が等間隔な3つの回折光による3光束干渉を生起させればよいので、例えば、0次回折光、1次回折光、2次回折光の組み合わせ、±2次回折光及び0次回折光の組み合わせ、±3次回折光及び0次回折光の組み合わせ、などを用いることが可能である。   In the first embodiment or the second embodiment, a combination of ± first-order diffracted light and zero-order diffracted light is used as diffracted light for forming interference fringes (two-beam interference fringes, three-beam interference fringes). Other combinations may be used. In order to form a three-beam interference fringe, three-beam interference is generated by three diffracted lights having equal intervals of diffraction orders. For example, a combination of zero-order diffracted light, first-order diffracted light, and second-order diffracted light , A combination of ± 2nd order diffracted light and 0th order diffracted light, a combination of ± 3rd order diffracted light and 0th order diffracted light, and the like can be used.

[その他]
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。
[Others]
Note that the requirements of the above-described embodiments can be combined as appropriate. Some components may not be used. In addition, as long as it is permitted by law, the disclosure of all publications and US patents relating to the devices cited in the above embodiments and modifications are incorporated herein by reference.

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、351…第1撮像素子、352…第2撮像素子、39…制御装置、40…画像記憶・演算装置、45…画像表示装置、12…コレクタレンズ、23…偏光板、13…回折格子、16…集光レンズ、200…位相板、18…光束選択部材、25…レンズ、26…視野絞り、27…フィールドレンズ、28…励起フィルタ、7…ダイクロイックミラー、6…対物レンズ、5…標本、6A…瞳面、6A’…瞳共役面   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Structured illumination microscope apparatus, 100 ... Laser unit, 11 ... Optical fiber, 10 ... Illumination optical system, 30 ... Imaging optical system, 351 ... 1st image sensor, 352 ... 2nd image sensor, 39 ... Control apparatus, DESCRIPTION OF SYMBOLS 40 ... Image memory | storage / arithmetic apparatus, 45 ... Image display apparatus, 12 ... Collector lens, 23 ... Polarizing plate, 13 ... Diffraction grating, 16 ... Condensing lens, 200 ... Phase plate, 18 ... Light beam selection member, 25 ... Lens, 26 ... Field stop, 27 ... Field lens, 28 ... Excitation filter, 7 ... Dichroic mirror, 6 ... Objective lens, 5 ... Sample, 6A ... Pupil plane, 6A '... Pupil conjugate plane

Claims (15)

光源からの射出光束を少なくとも2つの分岐光束に分岐する分岐部と、
分岐した前記2つの分岐光束による干渉縞を標本に形成する光学系と、
波長の異なる少なくとも2種類の前記射出光束に位相差を付与する位相差付与部材とを備える
ことを特徴とする構造化照明装置。
A branching portion for branching the emitted light beam from the light source into at least two branched light beams;
An optical system for forming an interference fringe on the sample by the two branched light beams branched;
A structured illumination device comprising: a phase difference imparting member that imparts a phase difference to at least two types of the emitted light beams having different wavelengths.
請求項1に記載の構造化照明装置において、
前記分岐部は、前記2種類の射出光束を互いに異なる角度で分岐する回折光学素子であり、
前記位相差付与部材は、前記2種類の射出光束の光路が空間的に分離した箇所に配置される
ことを特徴とする構造化照明装置。
The structured lighting device according to claim 1,
The branch portion is a diffractive optical element that branches the two kinds of emitted light beams at different angles,
The structured illumination device, wherein the phase difference providing member is disposed at a location where the optical paths of the two kinds of emitted light beams are spatially separated.
請求項2に記載の構造化照明装置において、
前記光学系は、対物レンズを含み、
前記位相差付与部材は、前記対物レンズの瞳面又は瞳共役面の近傍に配置される
ことを特徴とする構造化照明装置。
The structured lighting device according to claim 2,
The optical system includes an objective lens,
The structured illumination device, wherein the phase difference providing member is disposed in the vicinity of a pupil plane or a pupil conjugate plane of the objective lens.
請求項2又は請求項3に記載の構造化照明装置において、
前記位相差付与部材は、前記2種類の射出光束の一方に所定の位相を付与する第1の領域と、前記2種類の射出光束の他方に前記所定の位相とは異なる位相を付与する第2の領域とを有する
ことを特徴とする構造化照明装置。
The structured lighting device according to claim 2 or claim 3,
The phase difference imparting member provides a first region that imparts a predetermined phase to one of the two types of emitted light beams, and a second region that imparts a phase different from the predetermined phase to the other of the two types of emitted light beams. A structured lighting device characterized by comprising:
請求項4に記載の構造化照明装置において、
前記第1の領域及び前記第2の領域のうち少なくとも一方の位相は、前記光軸から離れるに従って変化する
ことを特徴とする構造化照明装置。
The structured lighting device according to claim 4.
The structured illumination device characterized in that the phase of at least one of the first region and the second region changes with distance from the optical axis.
請求項5に記載の構造化照明装置において、
前記第1の領域及び前記第2の領域のうち少なくとも一方の位相は、前記光軸から離れるほど大きく設定される
ことを特徴とする構造化照明装置。
The structured lighting device according to claim 5, wherein
The structured lighting device, wherein the phase of at least one of the first region and the second region is set to increase as the distance from the optical axis increases.
請求項1〜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、
前記位相差付与部材が前記2種類の射出光束に付与する位相差は、前記2種類の射出光束の軸上色収差に相当する値に設定される
ことを特徴とする構造化照明装置。
In the structured lighting device according to any one of claims 1 to 6,
The structured illumination device, wherein the phase difference imparted to the two types of emitted light beams by the phase difference imparting member is set to a value corresponding to axial chromatic aberration of the two types of emitted light beams.
請求項1〜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、
前記位相差付与部材が前記2種類の射出光束に付与する位相差は、前記2種類の射出光束間で前記標本における焦点面を一致させる値に設定される
ことを特徴とする構造化照明装置。
In the structured lighting device according to any one of claims 1 to 6,
The structured illumination device according to claim 1, wherein the phase difference imparted to the two types of emitted light beams by the phase difference providing member is set to a value that matches a focal plane of the sample between the two types of emitted light beams.
請求項1〜請求項8の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
前記光学系が形成する前記干渉縞は、
前記2つの分岐光束と他の1つの分岐光束との3つの分岐光束による3光束干渉縞である
ことを特徴とする構造化照明装置。
In the structured lighting device according to any one of claims 1 to 8,
The interference fringes formed by the optical system are:
A structured illumination device, wherein the structured illumination device is a three-beam interference fringe formed by three branch beams of the two branch beams and the other one.
請求項1〜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、
前記光源は、
前記2種類の射出光束を同時又は順次に出射する
ことを特徴とする構造化照明装置。
In the structured lighting device according to any one of claims 1 to 9,
The light source is
The structured illumination device that emits the two kinds of exiting light beams simultaneously or sequentially.
請求項1〜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、
前記標本に形成される前記干渉縞の方向を複数の方向の間で切り替える切替部を更に備え、
前記位相差付与部材は、前記複数の方向毎に用意されている
ことを特徴とする構造化照明装置。
In the structured lighting device according to any one of claims 1 to 10,
A switching unit that switches the direction of the interference fringes formed on the specimen between a plurality of directions;
The structured illumination device, wherein the phase difference providing member is prepared for each of the plurality of directions.
請求項1〜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、
前記標本に形成される前記干渉縞の方向を切り替える第1切替部と、
前記位相差付与部材の方向を切り替える第2切替部と、
を更に備えたことを特徴とする構造化照明装置。
In the structured lighting device according to any one of claims 1 to 10,
A first switching unit that switches a direction of the interference fringes formed on the specimen;
A second switching unit that switches the direction of the phase difference imparting member;
A structured lighting device further comprising:
請求項1〜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、
前記干渉縞の位相をシフトさせる位相シフト部を更に備えた
ことを特徴とする構造化照明装置。
In the structured lighting device according to any one of claims 1 to 12,
The structured illumination device further comprising a phase shift unit that shifts a phase of the interference fringes.
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。
The structured lighting device according to any one of claims 1 to 13,
An imaging optical system that forms an image on the light beam of the observation light beam from the sample modulated by the interference fringes;
A structured illumination microscope apparatus comprising:
請求項14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部を更に備えた
ことを特徴とする構造化照明顕微鏡装置。
The structured illumination microscope apparatus according to claim 14,
The structured illumination microscope apparatus further comprising a calculation unit that calculates a demodulated image of the sample based on an image generated by the photodetector.
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