JP2015055706A - 構造化照明装置及び構造化照明顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高性能な構造化照明装置を提供する。
【解決手段】光源からの光束を複数の光束に分岐する分岐部と、前記複数の光束による干渉縞を標本に形成する光学系と、前記分岐部を制御する制御部とを備え、前記分岐部は、第１及び第２配列方向に配列された単位素子群からなる部材を含む空間光変調器を有し、前記制御部は、前記射出光束に対して第１と第２の位相遅延量を付与する領域との繰り返しからなる周期領域を前記空間光変調器内に設定する駆動信号を、前記単位素子群のうちの所定の単位素子へ出力し、前記周期領域の繰り返し方向が前記第１及び第２配列方向の双方から外れるように前記駆動信号を前記所定の単位素子へ出力すると共に、前記周期領域の繰り返し方向が前記第２配列方向より前記第１配列方向に近い方向と、前記第１配列方向より前記第２配列方向に近い方向との間で切り換わるように、前記駆動信号を切り換える。
【選択図】図１

Description

本発明は、構造化照明装置及び構造化照明顕微鏡装置に関する。

生体標本などの被観察物を超解像観察するための手法に、被観察物の構造の空間周波数を照明光で変調する手法がある（特許文献１を参照）。

この手法では、縞状の照明パターンで被観察物を照明し、被観察物の構造のうち解像限界を超える高空間周波数の情報を顕微鏡光学系の結像に寄与させる。また、この手法では、照明パターンの方向や位相を切り換えて被観察物の変調像の画像（以下、「変調画像」と称す。）を複数枚取得し、それら複数枚の変調画像へ演算を施すことにより、被観察物の復調像の画像（以下、「復調画像」又は「超解像画像」と称す。）を取得する。

特に、非特許文献１では、縞状の照明パターンを生起させるための回折格子として、二次元の空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）を用いている。このＳＬＭは液晶素子（液晶画素）を水平方向及び垂直方向（Ｘ方向及びＹ方向）へ密に配列した２次元液晶部材を含み、個々の液晶素子に与える電圧を制御することで個々の液晶素子における光の位相遅延量を制御することができる。よって、ＸＹ方向に配列された液晶素子群における位相遅延量の分布パターンを、一方向に亘って周期的な分布パターンに設定すれば、位相型の回折格子と同様な機能をＳＬＭで実現できる。

以下、このように一方向に亘って周期的な分布パターンを「格子パターン」と称す。ＳＬＭの２次元液晶部材における位相遅延量の分布パターン（格子パターン）の格子線方位及び位相を切り換えるには、ＳＬＭに与える電圧分布を切り換えればよい。よって、ＳＬＭは、機械的な駆動を伴わずに照明パターンの方位及び位相を切り換えることができる。

因みに、非特許文献１には、ＳＬＭにおける位相遅延量の分布パターンを、Ｙ軸に対して格子線が＋６０°だけ傾斜した格子パターン（６０°の格子パターン）と、−６０°だけ傾斜した格子パターン（−６０°の格子パターン）と、傾斜していない格子パターン（０°の格子パターン）との間で切り換えることが模式的に開示されており、また、それら格子パターンの各々の位相をシフトさせることが開示されている。

但し、±６０°の格子パターンについては、その格子線と垂直な方向に向けて正確に変位させることが難しいので、非特許文献１では、それらの格子パターンの位相を３通りにシフトさせるために、格子パターンのＸ方向における格子周期Ｈを予め１２画素に設定しておき、その格子パターンの表示先をＸ方向へ向けて４画素ずつ変位させている（非特許文献１の図２ｃを参照。）。

米国再発行特許発明第３８３０７号明細書

Peter Kner, Bryant B Chhun, Eric R Griffis, Lukman Winoto & Mats G L Gustafsson, "Super-resolution video microscopy of live cells by structured illumination", Nature Methods: doi:10.1038/nmeth.1324

しかしながら、ＳＬＭの各画素のサイズを無限に小さくすることはできないため、例えば、照明パターンの縞周期を所望の周期にするために、ＳＬＭの位相遅延量の分布パターンを、所定の格子周期を有した格子パターンに設定したとしても、その格子パターンの格子線方向を複数の方向の間で切り換えた場合には、方向によって照明パターンの位相を所望のシフト量でシフトできない虞がある。

そこで本発明は、高性能な構造化照明装置及び高性能な構造化照明顕微鏡装置を提供することを目的とする。

本発明の構造化照明装置の一例は、光源からの射出光束を複数の光束に分岐する分岐部と、前記複数の光束による干渉縞を標本に形成する光学系と、前記分岐部を制御する制御部とを備え、前記分岐部は、第１配列方向及び第２配列方向に配列された単位素子群からなる部材を含む空間光変調器を有し、前記制御部は、第１の位相遅延量を前記射出光束に対して付与する領域と第２の位相遅延量を前記射出光束に対して付与する領域との繰り返しからなる周期領域を前記空間光変調器内に設定する駆動信号、或いは、前記射出光束を第１の強度の光に変換する領域と前記射出光束を第２の強度の光に変換する領域との繰り返しからなる周期領域を前記空間光変調器内に設定する駆動信号を、前記単位素子群のうちの所定の単位素子へ出力し、前記周期領域の繰り返し方向が前記第１配列方向及び前記第２配列方向の双方から外れるように前記駆動信号を前記所定の単位素子へ出力すると共に、前記周期領域の繰り返し方向が前記第２配列方向より前記第１配列方向に近い方向と、前記第１配列方向より前記第２配列方向に近い方向との間で切り換わるように、前記駆動信号を切り換える。

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、照明された前記標本の像である変調像を撮像する撮像素子とを備える。

本発明によれば、高性能な構造化照明装置及び高性能な構造化照明顕微鏡装置が実現する。

構造化照明顕微鏡装置１の構成図である。 ＳＬＭ１３を説明する図である。 ０次光シャッタ２００及び高次光カットマスク１８を説明する図である。 １／２波長板１７の機能を説明する図である。 横長のユニットセル１３ａを説明する図である。 横長のユニットセル１３ａの表示方法を説明する図である。 位相シフトの方法を説明する図である。 縦長のユニットセル１３ｂを説明する図である。 格子周期誤差を格子線方位ごとに示した図である。 ２Ｄ−ＳＩＭモードで伝達可能な空間周波数範囲（解像範囲）を示す図である（方向数が３の場合）。 方位数を５とした場合における格子線方位θの例である。 方向数が５、５方位間の角度周期Θが３６°である場合の解像範囲を示す図である。 反射型ＳＬＭ１３の配置姿勢の例である。

［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（ＳＩＭ：Structured Illumination Microscopy）を説明する。

先ず、構造化照明顕微鏡装置の構成を説明する。

図１は、構造化照明顕微鏡装置１の構成図である。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、つまり構造化照明顕微鏡装置１をＴＩＲＦ−ＳＩＭモードで使用する場合も適宜併せて説明する。ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードは、蛍光性を有した試料（標本）５の表面の極めて薄い層を超解像観察するモードである。

図１に示すとおり構造化照明顕微鏡装置１には、レーザユニット１００と、光ファイバ１１と、照明光学系１０と、結像光学系３０と、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。このうち、照明光学系１０と結像光学系３０とは、対物レンズ６及びダイクロイックミラー７を共用している。

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λ１は、第２レーザ光源１０２の波長λ２よりも長いと仮定する（λ１＞λ２）。これらの第１レーザ光源１０１、第２レーザ光源１０２、シャッタ１０３１、１０３２は、それぞれ制御装置３９によって駆動・制御される。

光ファイバ１１は、レーザユニット１００から射出したレーザ光を導光するために、例えば、偏波面保存型のシングルモードファイバによって構成される。光軸ＡＺの方向におけるファイバ１１の出射端の位置は、位置調整機構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。

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、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。

光束分岐部１５には、回折格子として機能する空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）１３と、駆動回路１５Ａとが備えられ、光束選択部２４には、０次光シャッタ２００と、１／２波長板１７と、高次光カットマスク１８と、回動機構２００Ａと、駆動回路１７Ａとが備えられる。ここで、空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）とは、入射光束に対して空間的に（その光束の空間内で）所定の分布を付与する機能を有した部材のことをいう。このうち駆動回路１５Ａ、回動機構２００Ａ、駆動回路１７Ａは、それぞれ制御装置３９によって駆動・制御される。

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。

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λ１の光によって励起される第１蛍光領域と、波長λ２の光によって励起される第２蛍光領域との双方が発現している。第１蛍光領域は、波長λ１の光に応じて中心波長λ１’の第１蛍光を発生させ、第２蛍光領域は、波長λ２の光に応じて中心波長λ２’の第２蛍光を発生させる。

構造化照明顕微鏡装置１がＴＩＲＦＭ（全反射蛍光顕微鏡）として使用される場合、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、不図示の浸液（油）で満たされる。

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へ取り込まれる。なお、第１撮像素子３５１、第２撮像素子３５２の各々は、所定のフレーム周期で画像生成（撮像）を繰り返すことが可能である。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、例えば、３０ｍｓｅｃ、６０ｍｓｅｃなどに設定される。

制御装置３９は、第１レーザ光源１０１、第２レーザ光源１０２、シャッタ１０３１、１０３２、位置調整機構１１Ａ、駆動回路１５Ａ、回動機構２００Ａ、駆動回路１７Ａ、第１撮像素子３５１、第２撮像素子３５２を駆動・制御する。

画像記憶・演算装置４０は、第１撮像素子３５１が生成した画像、第２撮像素子３５２が生成した画像に対してそれぞれ復調演算を施し、波長毎の超解像画像を生成すると、それらの超解像画像を不図示の内部メモリに格納すると共に、画像表示装置４５へ送出する。

次に、構造化照明顕微鏡装置１におけるレーザ光の振る舞いを説明する。

第１レーザ光源１０１から射出した波長λ１のレーザ光（第１レーザ光）は、シャッタ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λ２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は、第１レーザ光源１０１、第２レーザ光源１０２、シャッタ１０３１、１０３２を制御することにより、レーザユニット１００の出射波長、すなわち構造化照明顕微鏡装置１の光源波長を、長い波長λ１と短い波長λ２との間で切り替えたり、長い波長λ１と短い波長λ２との双方からなる混合光に設定したりすることができる。

光ファイバ１１の入射端に入射したレーザ光は、光ファイバ１１の内部を伝搬して光ファイバ１１の出射端に点光源を生成する。その点光源から射出したレーザ光は、コレクタレンズ１２によって平行光束に変換され、偏光板２３を介してＳＬＭ１３へ入射すると、各次数の回折光束に分岐される。この各次数の回折光束（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の集光作用を受けて瞳共役面６Ａ’の各位置に集光する。

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。

また、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、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。因みに、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。また、ＳＬＭ１３を回折格子として利用する場合は、ＳＬＭ１３に入射する光束の偏光方向を、適切な方向に設定しておく必要がある。

さて、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光束選択部２４へ入射する。

ここで、構造化照明顕微鏡装置１がＴＩＲＦＭとして使用される場合、光束選択部２４は、入射した回折光束群のうち１対の回折光束のみ（±１次回折光束のみ）を選択的に通過させる。なお、光束選択部２４の０次光シャッタ２００には、０次回折光束を必要に応じてオン／オフする機能があり、光束選択部２４の高次光カットマスク１８には、２次以上の高次回折光束を常時遮光する機能がある（詳細は後述）。

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ＳＬＭ１３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。

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の表面で互いに干渉し、干渉縞を形成する。この干渉縞が、構造化照明光として使用される。

ここで、構造化照明顕微鏡装置１がＴＩＲＦＭとして使用される場合、標本５の表面に入射する±１次回折光束の入射角度は、エバネッセント場の生成条件である全反射条件（ＴＩＲＦ条件）を満たす。

この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の最外周における所定の輪帯状領域（ＴＩＲＦ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。

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における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、蛍光領域における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。

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及びバリアフィルタ３１を透過し、第２対物レンズ３２を介して第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λ１’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λ２’の第２蛍光は、第２ダイクロイックミラー３５を透過する。

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。

第１蛍光領域の変調像、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によってそれぞれ画像化され、第１蛍光領域の変調画像と、第２蛍光領域の変調画像とが生成される。

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において復調演算が施され、第１蛍光領域の超解像画像と、第２蛍光領域の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、復調演算としては、例えば、米国特許８１１５８０６号明細書に開示された方法が用いられる。

次に、ＳＬＭ１３を詳しく説明する。

ＳＬＭ１３は、透過型の空間光変調器であって、照明光学系１０の光軸ＡＺと垂直な平面内（ＸＹ平面内）において互いに直交するＸ方向及びＹ方向の各々に亘って液晶素子からなる画素を密に配列した２次元液晶部材を含んでいる。

ここでは、ＳＬＭ１３の２次元液晶部材のＸ方向における画素サイズとＹ方向における画素サイズとは共通であり、Ｘ方向における画素配列周期とＹ方向における画素配列周期とは共通であり、Ｘ方向における画素数とＹ方向における画素数とは共通であると仮定する。この場合、ＳＬＭ１３の２次元液晶部材の表示形状は、図２（Ａ１）に示すとおり正方形となる。

駆動回路１５Ａ（図１参照）は、ＳＬＭ１３の２次元液晶部材の個々の画素に与える電圧を制御することで、個々の画素に含まれる液晶分子の配向を制御し、個々の画素における光の振幅を維持したまま、個々の画素における光の屈折率（つまり光の位相遅延量）を制御する。この駆動回路１５Ａ（図１参照）は、ＳＬＭ１３の２次元液晶部材における位相遅延量の分布パターンを、一方向に亘って周期的な分布パターン（すなわち、格子パターン）に設定することで、位相型回折格子と同様な機能をＳＬＭ１３の２次元液晶部材で実現する。

なお、ＳＬＭ１３の２次元液晶部材における位相遅延量の分布パターンを格子パターンに設定しても、その格子パターンを目視することはできない。但し、以下では説明の都合上、図２（Ａ１）に示すように相対的に位相遅延量の小さい領域を白画素で表し、相対的に位相遅延量の大きい領域を黒画素で表すことにより、格子パターンを可視化する。また、以下ではＳＬＭ１３の２次元液晶部材における位相遅延量の分布パターンの切り換わり方を理解しやすくするために、２次元液晶部材における位相遅延量の分布パターンを格子パターンに設定することを、単に「ＳＬＭ１３に格子パターンを形成する」、「ＳＬＭ１３に格子パターンを表示する」などと表現する。

また、ここでは、ＳＬＭ１３を透過型で構成したが、反射型で構成することも可能であることは言うまでもない。

その場合、ＳＬＭ１３の姿勢は、入射面の法線が入射光束の主光線に対して例えば４５°の角度を成すように設定されてもよいし、図１３において符号Ａで示すように、法線と主光線とが０°の角度を成すように設定されてもよい。その場合、例えば、図１３に示すとおりレンズ１６とＳＬＭ１３との間にビームスプリッタ１０１を４５°の角度で配置するとよい。このビームスプリッタ１０１は、レーザユニット１００側からの光束を反射してＳＬＭ１３へ正面から入射させると共に、ＳＬＭ１３で反射した光束（回折光束）を透過してレンズ１６へ正面から入射させる。

また、ここではＳＬＭ１３を位相型回折格子として機能させたが、振幅型回折格子として機能させてもよい。その場合、入射光束を第１の強度の光（相対的に強度が大きい）に変換する画素と、入射光束を第２の強度の光（相対的に強度が小さく、強度０も含む）に変換する画素との繰り返しからなる格子パターンをＳＬＭ１３に設定する。

その場合、ＳＬＭ１３を２次元液晶部材と偏光素子との組み合わせで構成すればよい。入射光束の偏光状態に応じて２次元液晶部材の各画素の偏光状態を制御し、偏光素子を透過する偏光成分を制限すれば、ＳＬＭ１３から射出する光束に対して所望の強度分布を付与することができる。

例えば、入射光束の偏光方向と、液晶分子の長軸方向とのなす角がθであって、入射光束の偏光方向と偏光素子の透過軸とのなす角が２θとなるように設定することにより、入射光束の偏光方向は、液晶分子に入射することによって２θ回転するので、入射光束は、偏光素子を通過することができる。

一方、入射光束の偏光方向と、液晶分子の長軸方向とのなす角が−θであって、入射光束の偏光方向と偏光素子の透過軸とのなす角が２θとなるように設定することにより、入射光束の偏光方向は、液晶分子に入射することによって−２θ回転するので、入射光束は、偏光素子を通過することができない。

また、ＳＬＭ１３を構成する素子としては、例えばネマティック液晶素子、強誘電性液晶素子、磁気光学型の素子、スピン注入式の素子、マイクロミラー（ＭＥＭＳ，ＤＭＤ）等の各種の素子を使用することができる。

因みに、ＳＬＭ１３を液晶素子で構成した場合、液晶素子の透明導電層の間に液晶分子が配向される。個々の液晶分子は１本の長軸を持ち、液晶分子の形状は、長軸に対して任意の横断面で円対照な楕円体である。液晶分子の短軸方向の屈折率と長軸方向の屈折率とは異なるため、液晶分子の配向によって入射光の位相が変化し、入射光の偏光状態も変化する。また、液晶分子の配向を変化させるためには、透明導電層に電圧を加えて液晶分子にトルクを与えればよい。ＳＬＭ１３の各画素には複数の液晶分子が分布しており、電圧は画素ごとに制御可能であるため、入射光の位相変調量もＳＬＭ１３の画素ごとに設定することができる。

液晶素子として例えばネマティック液晶素子を使用した場合、電圧の調整により位相変調量を小刻みに変化させることができる。一方、液晶素子として例えば強誘電液晶を使用した場合、液晶の状態は２状態の何れか一方のみをとるので、液晶の状態を電圧で切り替えることにより、液晶の位相変調量を２つの値の一方と他方との間で切り替えることができる。

また、ＳＬＭ１３を位相型回折格子と振幅型回折格子との何れとして機能させるかは、ＳＬＭ１３に入射する光の偏光状態と偏光子の有無とによって決めればよい。例えば、ネマティック液晶を使用したＳＬＭ１３を位相型回折格子として機能させるためには、ＳＬＭ１３に入射する光の偏光方向を、液晶分子の長軸に一致させておけばよい。一方、ネマティック液晶を使用したＳＬＭ１３を振幅型回折格子として機能させるためには、ＳＬＭ１３に入射する光の偏光方向を、液晶分子の短軸及び長軸の双方から外しておけばよい。

また、マイクロミラーを使用したＳＬＭ１３では、与えられた電圧に応じてミラーの傾き又は距離が変化するため、入射光の振幅又は位相を電圧で変調することができる。

また、カンチレバービーム式ＳＬＭ１３では、与えられた電圧に応じてカンチレバーが下向きに回転してミラーの傾きが変化する。また、膜式ＳＬＭでは、金属コートされた高分子膜が電圧印加により下方向にたわむため、膜の距離が変化する。

このように、ＳＬＭ１３の各画素に印加する電圧を制御することで、入射光束の位相分布又は振幅分布を制御し、ＳＬＭ１３を回折格子（位相型回折格子又は振幅型回折格子）として機能させることができる。

ここで、ＳＬＭ１３を位相型回折格子として機能させる場合の補足を行う。

位相型回折格子の位相差Φは、位相遅延量の相対的に小さな画素領域の屈折率と位相遅延量の相対的に大きな画素領域の屈折率との差（位相型回折格子の屈折率差Δｎ）だけでなく、入射光束の波長λにも依存する。これを式で表すと、以下の式（１）のとおりである。

Φ＝２π・Δｎ・ｄ／λ …（１）
なお、式（１）におけるｄは、位相型回折格子の液晶層の光軸ＡＺ方向の厚さ（定数）である。

したがって、位相型回折格子の屈折率差Δｎの適正値Δｎ_０は、光源波長λが長い波長λ_１であるときと短い波長λ_２であるときとで若干異なる。

このため、ＳＬＭ１３を位相型回折格子として機能させる場合、液晶駆動回路１５Ａ（図１参照）は、制御装置３９（図１参照）の制御下で、ＳＬＭ１３において位相遅延量の相対的に小さな画素領域に与える電圧値と、位相遅延量の相対的に大きな画素領域に与える電圧値との組み合わせを制御することにより、位相型回折格子の屈折率差Δｎを適宜に調整することが望ましい。

具体的に、液晶駆動回路１５Ａは、光源波長λが長い波長λ_１であるときには位相回折型格子の屈折率差ΔｎをΔｎ_０１に設定し、光源波長λが短い波長λ_２であるときには位相型回折格子の屈折率差ΔｎをΔｎ_０２に設定することが望ましい。

但し、Δｎ_０１は、光源波長λがλ_１であるときに０次回折光束の強度と＋１次回折光束の強度と−１次回折光束の強度との比が例えば０．７：１：１となるような適正値である。この適正値Δｎ_０１によると、波長λ_１の復調画像（超解像画像）のコントラストが最高となる。

一方、Δｎ_０２は、光源波長λがλ_２であるときに０次回折光束の強度と＋１次回折光束の強度と−１次回折光束の強度との比が例えば０．７：１：１となるような適正値である。この適正値Δｎ_０２によると、波長λ_２の復調画像（超解像画像）のコントラストが最高となる。

因みに、Δｎ_０１、Δｎ_０２の関係は、以下の式（２）で表される。

Δｎ_０１／λ_１＝Δｎ_０２／λ_２ …（２）
上述したとおりλ_１＞λ_２であるので、Δｎ_０１＞Δｎ_０２である。

さて、駆動回路１５Ａ（図１参照）は、制御装置３９（図１参照）の制御下で、前述のようにＳＬＭ１３に与える電圧分布を切り換えることにより、ＳＬＭ１３に表示される格子パターンの格子線方位θを切り換えることができる。以下、格子パターンの格子線がＹ軸と成す角度を「格子線方位θ」と称し、設定可能なθの範囲を｜θ｜＜９０°と仮定する（ＳＬＭの対称性により、ＳＬＭ１３を光軸ＡＺの周りに９０°回転させることは、ＳＬＭのＸ方向（第１配列方向）とＹ方向（第２配列方向）とを入れ替えることに等しいため、設定可能なθの範囲は｜θ｜＜９０°で十分である。）。

但し、本実施形態の駆動回路１５Ａは、格子パターンの格子線をＸ軸及びＹ軸の何れに対しても非平行にする。つまり、｜θ｜≠０°、｜θ｜≠９０°とする。

なぜなら、仮に、格子パターンの格子線がＸ軸又はＹ軸に対して平行であると、格子パターンの格子周期（位相遅延量の小さい領域と位相遅延量の大きい領域とを併せた幅）を、画素配列周期の整数倍にする必要があり、しかも、１格子周期内の画素数を、必要な位相数の整数倍にする必要があるので、設定可能な格子周期が著しく制限されてしまうからである。

以下、格子線方位θは、図２（Ａ１）、図２（Ｂ１）、図２（Ｃ１）に示すとおり、θ＝−４５°、θ＝７５°、θ＝１５°の間で切り換わると仮定する。

θ＝−４５°（図２（Ａ１））であるとき、格子線方向がＹ方向とＸ方向との中間となり、θ＝７５°（図２（Ｂ１））であるとき、格子線方向がＹ方向よりもＸ方向に近くなり、θ＝１５°（図（Ｃ１））であるとき、格子線方向がＸ方向よりもＹ方向に近くなる。

先ず、θ＝−４５°であるとき（図２（Ａ１））、ＳＬＭ１３に入射した平行光束は、格子線と垂直な方向Ｖ_１にかけて分岐した回折光束群に変換される。この回折光束群には、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ＡＺに関して対称な方向に進行し、０次回折光束は、光軸ＡＺに沿って進行する。これらの±１次回折光束及び０次回折光束は、瞳共役面６Ａ’の互いに異なる位置に集光する。図２（Ａ２）に符号１４ａで示すのが０次回折光束の集光点である。この集光点１４ａは、光軸ＡＺ上に位置する。図２（Ａ２）に符号１４ｂ、１４ｃで示すのが±１次回折光束の集光点である。集光点１４ｂ、１４ｃは、光軸ＡＺに関して対称である。これら集光点１４ｄ、１４ｃの配列方向はＶ_１である。

因みに、光ファイバ１１から射出されるレーザ光の波長をλ、ＳＬＭ１３の格子周期をＰ、レンズ１６の焦点距離をｆｃとすると、光軸ＡＺから集光点１４ｂ、１４ｃまでの距離Ｄは下記の式で表される。

Ｄ∝ｆｃλ／Ｐ
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のことである。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。

次に、θ＝７５°であるとき（図２（Ｂ１））、ＳＬＭ１３に入射した平行光束は、格子線と垂直な方向Ｖ_２にかけて分岐した回折光束群に変換される。この回折光束群にも、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ＡＺに関して対称な方向に進行し、０次回折光束は、光軸ＡＺに沿って進行する。これらの±１次回折光束及び０次回折光束は、瞳共役面６Ａ’の互いに異なる位置に集光する。図２（Ｂ２）に符号１４ｃ、１４ｂに示すのが±１次回折光束の集光点である。集光点１４ｃ、１４ｂは、光軸に関して対称である。これら集光点１４ｃ、１４ｂの配列方向はＶ_２であり、集光点１４ｃ、１４ｂから光軸までの距離は、θ＝−４５°であるときの距離（図２（Ａ２）参照）と同じである。

次に、θ＝１５°であるとき（図２（Ｃ１））、ＳＬＭ１３に入射した平行光束は、格子線と垂直な方向Ｖ_３にかけて分岐した回折光束群に変換される。この回折光束群にも、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ＡＺに関して対称な方向に進行し、０次回折光束は、光軸ＡＺに沿って進行する。これらの±１次回折光束及び０次回折光束は、瞳共役面６Ａ’の互いに異なる位置に集光する。図２（Ｃ２）に符号１４ｃ、１４ｂに示すのが±１次回折光束の集光点である。集光点１４ｃ、１４ｂは、光軸に関して対称である。これら集光点１４ｃ、１４ｂの配列方向はＶ_３であり、集光点１４ｃ、１４ｂから光軸までの距離は、θ＝−４５°であるときの距離（図２（Ａ２）参照）と同じである。

したがって、本実施形態では、標本５に形成される干渉縞の方位が図２（Ａ３）、図２（Ｂ３）、図２（Ｃ３）に示すとおり６０°の角度周期で切り換わる。

ここで、駆動回路１５Ａ（図１参照）は、格子線方位θがθ＝−４５°、θ＝７５°、θ＝１５°の各々にあるとき、ＳＬＭ１３における格子パターンの表示先を適切な方向へシフトさせることにより、その格子パターンの位相をシフトさせる。格子パターンの位相がシフトすると、干渉縞の位相もシフトする（詳細は後述する。）。

次に、０次光シャッタ２００を詳しく説明する。

図３（Ａ）は、０次光シャッタ２００を説明する図である。図３（Ａ）に示すとおり０次光シャッタ２００は、円形の透明基板の一部に円形の遮光部２００Ｃを形成してなる空間フィルタである。

０次光シャッタ２００の遮光部２００Ｃは、０次回折光束の光路（集光点１４ａ）をカバーし、０次光シャッッタ２００の非遮光部（透過部２００Ｂ）は、±１次回折光束の光路となりうる領域（すなわち集光点１４ｂ、１４ｃの形成されうる領域）の全体をカバーする。

この０次光シャッタ２００は、回動機構２００Ａ（図１参照）により、照明光学系１０の光軸ＡＺと平行、かつその光軸ＡＺから離れた直線（軸ＡＲ）の周りに回動可能である。

なお、回動機構２００Ａには、例えば、０次光シャッタ２００を保持し、かつ軸ＡＲの周りに回転可能な不図示の回動軸と、その回動軸へ回転力を与える不図示のモータ（回転モータ）とが備えられる。このモータが駆動されると、回転軸が回転し、０次光シャッタ２００が軸ＡＲの周りに回転する。

０次光シャッタ２００の回動角が図３に示した基準角度（０°）に設定されると、遮光部２００Ｃが０次回折光束の光路に挿入され、０次光シャッタ２００の回動角が基準角度から外れた所定角度（例えば３０°）に設定されると、遮光部２００Ｃが０次回折光束の光路から外れる。

したがって、０次光シャッタ２００の回動角を０°と３０°との間で切り換えれば、±１次回折光束をオンしたまま０次回折光束をオン／オフすることができる。

但し、０次光シャッタ２００の回動角が基準角度（０°）、所定角度（３０°）の何れである場合にも、０次光シャッタ２００の遮光部２００Ｃは、±１次回折光束の光路を遮ることは無いものとする。

なお、ここでは０次光シャッタ２００を回動可能な空間フィルタとしたが、スライド可能な空間フィルタや、固定配置された液晶素子などで０次光シャッタ２００を構成してもよい。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、液晶素子を０次光シャッタ２００として機能させることができる。

次に、高次光カットマスク１８を詳しく説明する。

図３（Ｂ）は、高次光カットマスク１８を説明する図である。図３（Ｂ）に示すとおり高次光カットマスク１８は、円形の不透明基板（マスク用基板）に、円形の開口部１８ａと輪帯状の開口部１８ｂとを形成してなる空間フィルタである。

このうち円形の開口部１８ａは、０次回折光束の光路（集光点１４ａ）をカバーし、 輪帯状の開口部１８ｂの形成先は、±１次回折光束の光路となりうる領域（すなわち集光点１４ｂ、１４ｃの形成されうる領域）の全体をカバーしている。

次に、１／２波長板１７（図１参照）の機能を詳しく説明する。

１／２波長板１７（図１参照）は、標本５へ入射する回折光束の偏光状態をＳ偏光に制御するために使用される。標本５へ入射する回折光束をＳ偏光に制御すれば、干渉縞のコントラストを高く維持できるからである。

先ず、図４（Ａ）に示すとおり、回折光束の分岐方向がＶ_１であるときには、回折光束群の偏光方向は、図４（Ａ）に点線矢印で示した方向Ｖ_１’とされるべきである。この方向Ｖ_１’は、方向Ｖ_１を光軸ＡＺの周りに９０°だけ回転させた方向である。

次に、図４（Ｂ）に示すとり、回折光束の分岐方向がＶ_２であるときには、回折光束群の偏光方向は、図４（Ｂ）に点線矢印で示した方向Ｖ_２’とされるべきである。この方向Ｖ_２’は、方向Ｖ_２を光軸ＡＺの周りに９０°だけ回転させた方向である。

次に、図４（Ｃ）に示すとおり、回折光束の分岐方向がＶ_３であるときには、回折光束群の偏光方向は、図４（Ｃ）に点線矢印で示した方向Ｖ_３’とされるべきである。この方向Ｖ_３’は、方向Ｖ_３を光軸ＡＺの周りに９０°だけ回転させた方向である。

そこで、本実施形態では、図４に白抜き両矢印で示すとおり偏光板２３の軸方向をＶ_２’に固定し、図４に実線の両矢印で示すとおり１／２波長板１７の進相軸の方向を駆動回路１７Ａ（図１参照）によって切り換える。なお、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。また、本実施形態の１／２波長板１７は液晶素子で構成され、この液晶素子の配向を駆動回路１７Ａ（図１参照）が電気的に制御すると、１／２波長板１７の進相軸の方向が高速に切り換わるものとする。

図４（Ａ）に示すとおり、回折光束の分岐方向がＶ_１であるときには、１／２波長板１７の進相軸の方向は、図４（Ａ）に実線の両矢印で示す方向に設定される。この方向は、１／２波長板１７へ入射する回折光束が有している偏光方向Ｖ_２’と、１／２波長板１７から射出する回折光束が有しているべき偏光方向Ｖ_１’とを二等分する方向である。

また、図４（Ｂ）に示すとおり、回折光束の分岐方向がＶ_２であるときには、１／２波長板１７の進相軸の方向は、図４（Ｂ）に実線の両矢印で示す方向に設定される。この方向は、１／２波長板１７へ入射する回折光束が有している偏光方向Ｖ_２’と、１／２波長板１７から射出する回折光束が有しているべき偏光方向Ｖ_２’とを二等分する方向（＝Ｖ_２’）である。

また、図４（Ｃ）に示すとおり、回折光束の分岐方向がＶ_３であるときには、１／２波長板１７の進相軸の方向は、図４（Ｃ）に実線の両矢印で示す方向に設定される。この方向は、１／２波長板１７へ入射する回折光束が有している偏光方向Ｖ_２’と、１／２波長板１７から射出する回折光束が有しているべき偏光方向Ｖ_３’とを二等分する方向である。

なお、本実施形態では、１／２波長板１７として液晶素子を使用したが、光軸の周りに回動可能な１／２波長板を使用してもよい。因みに、標本５に入射する回折光束群をＳ偏光に保つための方法は他にもある（後述）。

次に、格子パターンの位相シフトに関する駆動回路１５Ａ（図１参照）の動作を詳しく説明する。

なお、本実施形態では、構造化照明顕微鏡装置１を２Ｄ−ＳＩＭモードの一種であるＴＩＲＦ−ＳＩＭモードで使用することを想定したので、この位相シフトにおいて必要な位相数Ｎは、例えば「３」である。２Ｄ−ＳＩＭモードは、０次光回折光束をオフすることで標本５へ投影される干渉縞を２光束干渉縞とするモードである。因みに、構造化照明顕微鏡装置１を３Ｄ−ＳＩＭモードで使用する場合（０次光回折光束をオンして標本５へ投影する干渉縞を３光束干渉縞とする場合）は、位相シフトにおいて必要な位相数Ｎは「３」よりも大きい数、例えば「５」となる。

さて、本実施形態の駆動回路１５Ａは、格子線方位がＸ方向に近いとき（４５°＜｜θ｜のとき）には、格子パターンをＸ方向へシフトさせる「横シフト方式」で位相シフトを行い、格子線方位がＹ方向に近いとき（｜θ｜＜４５°のとき）には、格子パターンをＹ方向へシフトさせる「縦シフト方式」で位相シフトを行い、格子線方位がＸ方向とＹ方向との中間であるとき（｜θ｜＝４５°のとき）には、横シフト方式又は縦シフト方式で位相シフトを行う。以下、横シフト方式の位相シフト、縦シフト方式の位相シフトを順に詳しく説明する。

（横シフト方式）
先ず、横シフト方式では、ＳＬＭ１３へ表示すべき格子パターンの最小単位である単位格子パターン（以下、「ユニットセル」と称す。）として、図５に示すような横長のユニットセル１３ａを生成する。なお、図５における個々の正方形枠は横長のユニットセル１３ａを構成する個々の画素である。

このユニットセル１３ａにおける左下端の画素Ａと、このユニットセル１３ａの右下端から右方へ突出した画素Ｂと、このユニットセル１３ａの上端の一部から上方へ突出した画素Ｃとは、格子パターンの格子周期及び格子線方位を規定するメイン画素である。

以下、各距離の単位として画素数［ｐｉｘｅｌ］を使用し、これらのメイン画素Ａ、Ｂ、Ｃを詳しく説明する。

先ず、メイン画素Ａからメイン画素Ｂまでの距離は、Ｘ方向における実際の格子周期Ｈを規定している。このＸ方向の格子周期Ｈは、Ｘ方向における理想的な格子周期Ｈ_{ｉｄｅａｌ}に近い値であって、しかも、以下のとおり必要な位相数Ｎ_ｘの整数倍と同じ値に設定されるべきである。

また、メイン画素Ａとメイン画素Ｃとを通る直線がＹ軸となす角度θは、実際の格子線方位θを規定している。この方位θは、理想的な格子線方位θ_{ｉｄｅａｌ}に近い値に設定されるべきである。

また、メイン画素Ｂからメイン画素Ｃまでの距離は、実際の格子周期ｐを規定している。この格子周期ｐは、理想的な格子周期ｐ_{ｉｄｅａｌ}に近い値に設定されるべきである。

因みに、理想的な格子周期ｐ_{ｉｄｅａｌ}とは、±１次回折光束の集光点を瞳面６Ａの所定領域に収めるための格子周期のことである。ＴＩＲＦ照明を行う場合、この所定領域は、いわゆるＴＩＲＦ領域である。格子周期をｐとおき光源波長をλとおくと、光軸ＡＺから集光点までの高さＤはｓｉｎ（λ／ｐ）に比例するので、この高さＤが適正範囲に収まるように理想的な格子周期ｐ_{ｉｄｅａｌ}が決定される。

ここで、Ｘ方向の理想的な格子周期Ｈ_{ｉｄｅａｌ}と、理想的な格子線方位θ_{ｉｄｅａｌ}と、理想的な格子周期ｐ_{ｉｄｅａｌ}との関係は、以下の式で表される。

また、メイン画素Ａからメイン画素Ｃまでの理想的な距離ｄ_{ｉｄｅａｌ}は、Ｈ_{ｉｄｅａｌ}、ｐ_{ｉｄｅａｌ}、θ_{ｉｄｅａｌ}により以下の式で表される。

また、メイン画素Ａを基準としたメイン画素Ｃの理想的な座標（Ｘ_{ｉｄｅａｌ}、Ｙ_{ｉｄｅａｌ}）は、ｄ_{ｉｄｅａｌ}、θ_{ｉｄｅａｌ}により以下の式で表される。

そこで、横シフト方式では、駆動回路１５Ａが以下の手順（ａ）〜（ｅ）を実行する。

（ａ）理想的な格子周期ｐ_{ｉｄｅａｌ}の値と、理想的な格子線方位θ_{ｉｄｅａｌ}の値とを式（１−２）へ代入することにより、Ｘ方向における理想的な格子周期Ｈ_{ｉｄｅａｌ}を求める。そして、Ｘ方向における理想的な格子周期Ｈ_{ｉｄｅａｌ}に近く、かつ、式（１−１）を満たすような、Ｘ方向における実際の格子周期Ｈを求める。ここでは、必要な位相数Ｎ_ｘが「３」であるので、Ｘ方向における実際の格子周期Ｈの値は、３の整数倍に設定される。そして、メイン画素ＡからＸ方向にＨだけシフトした位置の画素を、メイン画素Ｂに選定する。

（ｂ）理想的な格子周期ｐ_{ｉｄｅａｌ}の値と、理想的な格子線方位θ_{ｉｄｅａｌ}の値と、Ｘ方向における実際の格子周期Ｈの値とを式（１−３）へ代入することにより、理想的な距離ｄ_{ｉｄｅａｌ}の値を求める。そして、理想的な距離ｄ_{ｉｄｅａｌ}の値を式（１−４）、（１−５）へ代入することにより、メイン画素Ａを基準としたメイン画素Ｃの理想的な座標（Ｘ_{ｉｄｅａｌ}，Ｙ_{ｉｄｅａｌ}）を求める。そして、その理想的な座標（Ｘ_{ｉｄｅａｌ}，Ｙ_{ｉｄｅａｌ}）に最も近い整数座標（Ｘ，Ｙ）に位置する画素を、メイン画素Ｃに選定する。

（ｃ）手順（ａ）、（ｂ）により決定されたメイン画素Ａ、Ｂ、Ｃの位置関係に応じて黒画素及び白画素を配列することにより、部分格子パターンからなるユニットセル１３ａを生成する。

なお、ユニットセル１３ａにおける黒画素及び白画素の配置パターンは、図５に示すパターンに限定されることはない。例えば、白画素領域と黒画素領域との境界線がＸ方向、Ｙ方向、あるいはその双方向にシフトしていてもよく、より極端な状態として、白画素領域と黒画素領域とが反転していてもよい。また、図５では、１格子周期内における白画素数と黒画素数との比が１：１となっているが、１：１から外れていても構わない。この比を変えることで、０次回折光束と±１次回折光束との強度比を制御することができる。

なお、生成されたユニットセル１３ａの実際の格子線方位θ、実際の格子周期ｐは、メイン画素Ｃの実際の座標（Ｘ，Ｙ）と、メイン画素Ａ、Ｂで規定される、Ｘ方向の実際の格子周期Ｈとによって、以下の式で表される。

（ｄ）生成した横長のユニットセル１３ａを、ＳＬＭ１３の各画素領域へ並行に表示することで、ＳＬＭ１３の全域へ格子パターンを表示する。但し、図６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、…に示すとおり、或るユニットセル１３ａのメイン画素Ｃは、隣接するユニットセルのメイン画素Ａと重畳し、或るユニットセル１３ａのメイン画素Ｂは、別のユニットセルのメイン画素Ａと重畳する。つまり、個々のユニットセル１３ａの表示先の位置関係は、個々のユニットセル１３ａのメイン画素Ａ、Ｂ、Ｃを基準として適切に決定される。なお、図６では、ユニットセル同士の繋目を解りやすくするためにメイン画素Ａ、Ｂ、Ｃの濃度を他の画素の濃度よりも高く表した。

（ｅ）ＳＬＭ１３における個々のユニットセル１３ａの表示先を、図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すとおりＸ方向にかけてｍ_ｘ［ｐｉｘｅｌ］の変位周期でＮ_ｘ通りに変位させる。これによって、位相数Ｎ_ｘの位相シフトが実現する。図７の例では、位相シフトの位相数Ｎ_ｘを３、Ｘ方向の格子周期Ｈを１２［ｐｉｘｅｌ］、ユニットセル１３ａの表示先の変位周期ｍ_ｘを−４［ｐｉｘｅｌ］とした。この場合、ＳＬＭ１３に表示された格子パターンの位相は、２π／３［ｒａｄ］の周期で３通りに切り換わる。なお、図７に示した格子線方位θは一例であって、実際の格子線方位と同じとは限らない。

このように、位相シフト方向における格子周期を、必要な位相数の整数倍に設定しておけば、正確な位相シフトが可能となる。

（縦シフト方式）
次に、縦シフト方式では、ＳＬＭ１３へ表示すべき格子パターンの最小単位である単位格子パターン（以下、「ユニットセル」と称す。）として、図８に示すような縦長のユニットセル１３ｂを生成する。なお、図８における個々の正方形枠は縦長のユニットセル１３ｂを構成する個々の画素である。

このユニットセル１３ｂにおける右上端の画素Ｂと、このユニットセル１３ｂの右下端から下方へ突出した画素Ａと、このユニットセル１３ｂにおける左端の一部から左方へ突出した画素Ｃとは、格子パターンの格子周期及び格子線方位を規定するメイン画素である。

以下、各距離の単位として画素数［ｐｉｘｅｌ］を使用し、これらのメイン画素A、Ｂ、Ｃを詳しく説明する。

先ず、メイン画素Ｂから基準画素Ａまでの距離は、Ｙ方向における実際の格子周期Ｖを規定している。このＹ方向の格子周期Ｖは、Ｙ方向における理想的な格子周期Ｖ_{ｉｄｅａｌ}に近い値であって、しかも、以下のとおり必要な位相数Ｎ_ｙの整数倍と同じ値に設定されるべきである。

また、メイン画素Ｂと基準画素Ｃとを通る直線がＹ軸となす角度θは、実際の格子線方位θを規定している。この方位θは、理想的な格子線方位θ_{ｉｄｅａｌ}に近い値に設定されるべきである。

また、メイン画素Ａから基準画素Ｃまでの距離は、実際の格子周期ｐを規定している。この格子周期ｐは、理想的な格子周期ｐ_{ｉｄｅａｌ}に近い値に設定されるべきである。

因みに、理想的な格子周期ｐ_{ｉｄｅａｌ}とは、±１次回折光束の集光点を瞳面６Ａの所定領域に収めるための格子周期のことである。ＴＲＩＦ照明を行う場合、この所定領域は、いわゆるＴＩＲＦ領域である。格子周期をｐとおき光源波長をλとおくと、光軸ＡＺから集光点までの高さＤはｓｉｎ（λ／ｐ）に比例するので、この高さＤが適正範囲に収まるように理想的な格子周期ｐ_{ｉｄｅａｌ}が決定される。

ここで、Ｙ方向の理想的な格子周期Ｖ_{ｉｄｅａｌ}と、理想的な格子線方位θ_{ｉｄｅａｌ}と、理想的な格子周期ｐ_{ｉｄｅａｌ}との関係は、以下の式で表される。

また、メイン画素Ｂからメイン画素Ｃまでの理想的な距離ｄ_{ｉｄｅａｌ}は、Ｖ_{ｉｄｅａｌ}、ｐ_{ｉｄｅａｌ}、θ_{ｉｄｅａｌ}により以下の式で表される。

また、メイン画素Ｃを基準としたメイン画素Ｂの理想的な座標（Ｘ_{ｉｄｅａｌ}、Ｙ_{ｉｄｅａｌ}）は、ｄ_{ｉｄｅａｌ}、θ_{ｉｄｅａｌ}により以下の式で表される。

そこで、縦シフト方式では、駆動回路１５Ａが以下の手順（ａ）〜（ｅ）を実行する。

（ａ）理想的な格子周期ｐ_{ｉｄｅａｌ}の値と、理想的な格子線方位θ_{ｉｄｅａｌ}の値とを式（２−２）へ代入することにより、Ｙ方向における理想的な格子周期Ｖ_{ｉｄｅａｌ}を求める。そして、Ｙ方向における理想的な格子周期Ｖ_{ｉｄｅａｌ}に近く、かつ、式（２−１）を満たすような、Ｙ方向における実際の格子周期Ｖを求める。ここでは、必要な位相数Ｎ_ｙが「３」であるので、Ｙ方向における実際の格子周期Ｖの値は、３の整数倍に設定される。そして、メイン画素Ｂから−Ｙ方向にＶだけシフトした位置の画素を、メイン画素Ａに選定する。

（ｂ）理想的な格子周期ｐ_{ｉｄｅａｌ}の値と、理想的な格子線方位θ_{ｉｄｅａｌ}の値と、Ｙ方向における実際の格子周期Ｖの値とを式（２−３）へ代入することにより、理想的な距離ｄ_{ｉｄｅａｌ}の値を求める。そして、理想的な距離ｄ_{ｉｄｅａｌ}の値を式（２−４）、（２−５）へ代入することにより、メイン画素Ｂを基準としたメイン画素Ｃの理想的な座標（−Ｘ_{ｉｄｅａｌ}，−Ｙ_{ｉｄｅａｌ}）を求める。そして、その理想的な座標（−Ｘ_{ｉｄｅａｌ}，−Ｙ_{ｉｄｅａｌ}）に最も近い整数座標（−Ｘ，−Ｙ）に位置する画素を、メイン画素Ｃに選定する。

（ｃ）手順（ａ）、（ｂ）により決定されたメイン画素Ａ、Ｂ、Ｃの位置関係に応じて黒画素及び白画素を配列することにより、部分格子パターンからなるユニットセル１３ｂを生成する。

なお、ユニットセル１３ｂにおける黒画素及び白画素の配置パターンは、図８に示すパターンに限定されることはない。例えば、白画素領域と黒画素領域との境界線がＸ方向、Ｙ方向、あるいはその双方向にシフトしていてもよく、より極端な状態として、白画素領域と黒画素領域とが反転していてもよい。また、図８では、１格子周期内における白画素数と黒画素数との比が１：１となっているが、１：１から外れていても構わない。この比を変えることで，０次回折光束と±１次回折光束との強度比を制御することができる。

なお、生成されたユニットセル１３ｂの実際の格子線方位θ、実際の格子周期ｐは、メイン画素Ｃの実際の座標（−Ｘ，−Ｙ）と、メイン画素Ａ、Ｂで規定される、Ｙ方向の実際の格子周期Ｖとによって、以下の式で表される。

（ｄ）生成した縦長のユニットセル１３ｂを、ＳＬＭ１３の各画素領域へ並行に表示することで、ＳＬＭ１３の全域へ格子パターンを表示する。但し、或るユニットセル１３ｂのメイン画素Ｃは、隣接するユニットセルのメイン画素Ｂと重畳し、或るユニットセル１３ａのメイン画素Ａは、別のユニットセルのメイン画素Ｂと重畳する。つまり、個々のユニットセル１３ｂの表示先の位置関係は、個々のユニットセル１３ａのメイン画素Ａ、Ｂ、Ｃを基準として適切に決定される。

（ｅ）ＳＬＭ１３における個々のユニットセル１３ａの表示先を、Ｙ方向にかけてｍ_ｙ［ｐｉｘｅｌ］の変位周期でＮ_ｙ通りに変位させる。これによって、位相数Ｎ_ｙの位相シフトが実現する。例えば、位相シフトの位相数Ｎ_ｙを３、Ｙ方向の格子周期Ｖを１２［ｐｉｘｅｌ］、ユニットセル１３ａの表示先の変位周期ｍ_ｙを４［ｐｉｘｅｌ］とする。この場合、ＳＬＭ１３に表示された格子パターンの位相は、２π／３［ｒａｄ］の周期で３通りに切り換わる。

このように，位相シフト方向における格子周期を、必要な位相数の整数倍に設定しておけば、正確な位相シフトが可能となる。

以下、格子周期誤差及び格子線方位誤差の抑制方法を説明する。

上述した横シフト方式又は縦シフト方式では、メイン画素Ｃの実際の座標（Ｘ，Ｙ）（又は座標（−Ｘ，−Ｙ））が一意に決まるとは限らないので、格子周期ｐと格子線方位θとの組み合わせも一意に決まるとは限らない。

仮に、格子周期ｐと格子線方位θとの組み合わせの解（ｐ，θ）がｊ通り存在した場合、それらｊ通りの解の中から最適な解を１つ選択するためには、ユニットセルの設計誤差の指標であるＲＭＳが最小となるようにメイン画素Ｃの座標（Ｘ，Ｙ）を選定する必要がある。ここで、ＲＭＳは、例えば以下のとおり定義される。

なお、ＲＭＳｐは、格子周期のＲＭＳであって、理想的な格子周期ｐ_{ｉｄｅａｌ}と実際の周期ｐとの差を理想的な格子周期ｐ_{ｉｄｅａｌ}で除した値の絶対値である。また、ＲＭＳθは、格子線方位のＲＭＳであって、理想的な格子線方位θ_{ｉｄｅａｌ}と実際の格子線方位θとの差の絶対値である。また、Δθは格子線方位誤差の許容量であり、Δｐは格子周期誤差の許容量である。

したがって、上述した横シフト方式及び縦シフト方式の各々では、式（３）で定義されるＲＭＳが最小となるように、格子周期ｐと格子線方位θとの組み合わせが選定されるものとする。

以下、格子周期誤差を横シフト方式と縦シフト方式との間で比較する。

図９は、格子周期誤差を格子線方位ごとに示した図である。図９の横軸が格子線方位、縦軸が格子周期を示している。図９において菱形マークでプロットしたのが理想的な格子周期ｐ_{ｉｄｅａｌ}であり、三角形マークでプロットしたのが横シフト方式で設定される実際の格子周期ｐであり、正方形マークでプロットしたのが縦シフト方式で設定される実際の格子周期ｐである。なお、ここでは理想的な格子周期ｐ_{ｉｄｅａｌ}を１０［ｐｉｘｅｌ］と仮定し、許容量Δｐを０．０２と仮定し、許容量Δθを３［°］と仮定した。

図９によると、格子線方位θの大きさ｜θ｜が４５°より小さいときには、横シフト方式よりも縦シフト方式の方が格子周期誤差（＝理想的な格子周期と実際の格子周期との差）及び格子線方位誤差を抑え易いことが解る。

また、図９によると、格子線方位θの大きさ｜θ｜が４５°より大きいときには、縦シフト方式よりも横シフト方式の方が格子周期誤差（＝理想的な格子周期と実際の格子周期との差）及び格子線方位誤差を抑え易いことが解る。

すなわち、格子線方向がＸ軸方向に近いとき（４５°＜｜θ｜のとき）に横シフト方式を採用し、格子線方向がＹ軸方向に近いとき（｜θ｜＜４５°）に縦シフト方式を採用すれば、格子周期誤差を抑え易くなるので、前述したＲＭＳ（式（３））を抑えること（格子周期誤差及び格子線方位誤差の全体を抑えること）も容易となる。

以下、許容量Δｐの大きさを検討する。

ＳＩＭにおいて、ＳＬＭ１３に表示される格子パターンの格子周期誤差は、解像力に影響する。なぜなら、格子周期誤差が発生すると、±１次回折光束の回折角度が変化するので、集光点の光軸からの高さＤが変化し、超解像効果が変化するからである。因みに、（超解像効果）＝（構造化照明光による解像力）／（一様照明光による解像力）＝（瞳径＋集光点間の距離）／（瞳径）が成り立つ。

特に、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードでは、上述したとおり瞳面６ＡのＴＩＲＦ領域に集光点を収める必要があるので、格子周期誤差に対する許容量は小さくなる。

例えば、対物レンズ６の開口数ＮＡが１．４９であり、標本５の屈折率ｎ_Ｓが１．３３であった場合、ＴＩＲＦ領域は対物レンズのＮＡのわずか１０％程度となる。

また、照明光学系１０はケーラー照明であり、瞳面６Ａには光ファイバ１１の出射端の像が投影倍率の分だけ拡大されて投影されるため、瞳面６Ａにおける集光点の位置ズレ許容量は、よりシビアになる。

このため、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードでは、ＲＭＳｐは０．０２未満に抑えられることが望ましく、非ＴＩＲＦの２Ｄ−ＳＩＭモード又は３Ｄ−ＳＩＭモードモードでは、ＲＭＳｐは０．０５未満に抑えられることが望ましい。

よって、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードでは、許容量Δｐは０．０２に設定され、非ＴＩＲＦの２Ｄ−ＳＩＭモード又は３Ｄ−ＳＩＭモードモードでは、許容量Δｐは０．０５に設定されることが望ましい。

以下、許容量Δθの大きさを検討する。

ＳＩＭにおいて、ＳＬＭ１３に表示される格子パターンの格子線方位誤差は、ＳＩＭの解像範囲（実質的なＯＴＦ）に影響する。

図１０は、２Ｄ−ＳＩＭモードにおける構造化照明顕微鏡装置１が伝達可能な空間周波数範囲（解像範囲）を示す図である。図１０において実線で囲った範囲は一様照明光による解像範囲（通常解像範囲）であり、点線で囲った範囲が２Ｄ−ＳＩＭモードの解像範囲（超解像範囲）である。

上述したとおり本実施形態では、格子パターンの格子線方位θを６０°の角度周期で３通りに切り換えるので、干渉縞の方向も６０°の角度周期で３通りに切り換わる。よって、解像範囲も６０°ずつ異なる３つの方向Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３の各々に亘って拡大されている。因みに、拡大方向Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３の各々における解像範囲の拡大量は、干渉縞の空間周波数ｋに応じた値となる。

ところで、この解像範囲は、干渉縞の方位誤差、つまり、格子パターンの格子線方位誤差によって狭まる虞がある。なぜなら、格子線方位誤差が発生すると、解像範囲の拡大方向Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３の角度周期が６０°から外れ、超解像範囲の外縁の窪みＤｉｐが大きくなり、超解像範囲の最小半径（＝窪みＤｉｐにおける半径）が縮小するからである。

ここで、解像範囲の拡大方向Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３の実際の角度周期をΘとおくと、この縮小の程度はｃｏｓΘに比例する。よって、通常解像範囲の半径をｋｒとおき、干渉縞の空間周波数をｋ（ｋｒ≧ｋ )とおくと、超解像範囲の実際の最小半径ｋ_Ｄｉｐは、以下の式で表される。

簡単のため、ｋ＝ｋｒとすると、式（４）は、以下の通り書き換えられる。

ここで、本実施形態における解像範囲の拡大方向Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３の理想的な角度周期Θ_{ｉｄｅａｌ}は６０°であるので、式（５）によると、超解像範囲の理想的な最小半径ｋ_Ｄｉｐ（Θ_{ｉｄｅａｌ}）は、１．７３２×ｋｒとなる。

したがって、本実施形態では、仮に、格子線方位誤差のＲＭＳθを４［°］未満に抑えたならば、超解像範囲の理想的な最小半径ｋ_Ｄｉｐ（Θ_{ｉｄｅａｌ}）と超解像範囲の実際の最小半径ｋ_Ｄｉｐ（Θ）＝ｋ_Ｄｉｐ（Θ_{ｉｄｅａｌ}±ＲＭＳθ）との比、すなわちｋ_Ｄｉｐ（Θ_{ｉｄｅａｌ}±ＲＭＳθ）／ｋ_Ｄｉｐ（Θ_{ｉｄｅａｌ}）を、９７．９％以上にすることができる。

したがって、２Ｄ−ＳＩＭモードでは、この比を９７．９％以上にするために、許容量Δθを４［°］未満、例えば３［°］に設定することが望ましい。

なお、３Ｄ−ＳＩＭモードにおいても同様のことが当てはまるので、この比を９７．９％以上にするためには、許容量Δθを４［°］未満、例えば３［°］に設定することが望ましい。

以下、本実施形態における制御装置３９の動作手順を説明する。

本実施形態の制御装置３９は、以下の手順（１）〜（４）を実行することにより、超解像画像の生成に必要なデータ（複数枚の変調画像）を取得する。

（１）制御装置３９は、光源波長を２種類の波長λ１、λ２の双方に設定すると共に、０次回折光束をオフする。

（２）制御装置３９は、１／２波長板１７の進相軸の方向を図４（Ａ）の方向に設定する。そして、制御装置３９は、理想的な格子線方位θ_{ｉｄｅａｌ}が−４５°である格子パターンをＳＬＭ１３へ表示すると共に、その格子パターンの位相をシフトさせ、各位相の下で、第１蛍光領域の変調画像及び第２蛍光領域の変調画像を並列に（同時に）に取得する。但し、｜θ｜＝４５°であるこの位相シフトでは、横シフト方式又は縦シフト方式が採用される。また、この位相シフトでは、理想的な格子周期ｐ_{ｉｄｅａｌ}は例えば１０［ｐｉｘｅｌ］に設定され、必要な位相数Ｎ_ｘ又はＮ_ｙは、例えば３に設定され、許容量Δｐは例えば０．０２に設定され、許容量Δθは例えば３［°］に設定される。

（３）制御装置３９は、１／２波長板１７の進相軸の方向を図４（Ｂ）の方向に設定する。そして、制御装置３９は、理想的な格子線方位θ_{ｉｄｅａｌ}が７５°である格子パターンをＳＬＭ１３へ表示すると共に、その格子パターンの位相をシフトさせ、各位相の下で、第１蛍光領域の変調画像及び第２蛍光領域の変調画像を並行に取得する。但し、４５°＜｜θ｜であるこの位相シフトでは、縦シフト方式ではなく横シフト方式が採用される。一方、この位相シフトでは、ｐ_{ｉｄｅａｌ}、Ｎ_ｘ、Δｐ、Δθの値は手順（２）におけるそれと同じに設定される。

（４）制御装置３９は、１／２波長板１７の進相軸の方向を図４（Ｃ）の方向に設定する。そして、制御装置３９は、理想的な格子線方位θ_{ｉｄｅａｌ}が１５°である格子パターンをＳＬＭ１３へ表示すると共に、その格子パターンの位相をシフトさせ、各位相の下で、第１蛍光領域の変調画像及び第２蛍光領域の変調画像を並行に取得する。但し、｜θ｜＜４５°であるこの位相シフトでは、横シフト方式ではなく縦シフト方式が採用される。一方、この位相シフトでは、ｐ_{ｉｄｅａｌ}、Ｎ_ｙ、Δｐ、Δθの値は手順（２）、（３）におけるそれと同じに設定される（以上、手順（４））。

以上説明したとおり手順（２）、（３）、（４）では、格子パターンの格子線をＸ方向及びＹ方向の何れに対しても非平行に設定するので、格子周期を画素周期の整数倍にするという制約が無くなり、正確な位相シフトを実現しつつ、格子パターンの作成自由度を向上することができる。

しかも、手順（２）、（３）、（４）によると、格子線の方向がＸ方向に近いとき（４５°＜｜θ｜のとき）には横シフト方式が適用され、格子線の方向がＹ方向に近いとき（｜θ｜＜４５°のとき）には縦シフト方式が適用されるので、格子周期誤差及び格子線方位誤差の双方を確実に抑制しつつ、位相シフトの正確性を維持することができる。

したがって、本実施形態の制御装置３９は、復調演算に必要な複数枚の変調画像を、高精度に取得することができる。

したがって、本実施形態の画像記憶・演算装置３９は、それら複数枚の変調画像に基づく超解像画像の生成を、高精度に行うことができる。

なお、本実施形態の制御装置３９は、手順（１）〜（４）からなる一連の処理を繰り返し、本実施形態の画像記憶・演算装置４０は、その一連の処理が完了する度に超解像画像の生成（更新）を行ってもよい。

但し、一連の処理を繰り返す場合、２回目以降の処理では、制御装置３９は上述した手順（１）を省略することができる。

［各実施形態の補足］
なお、上述した実施形態では、横シフト方式と縦シフト方式との何れを採用するかを駆動回路１５Ａが判断したが、この判断の機能は制御装置３９の側に搭載されてもよい。また、駆動回路１５Ａの他の機能の一部又は全部は制御装置３９の側に搭載されてよい。

また、上述した実施形態では、格子線方位θを−４５°、７５°、１５°の間で切り換えたが、他の３方位の間で切り換えてもよい。また、上述した実施形態では、格子線方位θの数（方位数）を「３」としたが、「２」又は「４以上」としてもよいことは言うまでもない。

但し、何れの場合も、格子線方位θは｜θ｜≠０°、｜θ｜≠９０°とされる。なぜなら、｜θ｜が０°又は９０°である場合（つまり格子線がＸ軸又はＹ軸と平行である場合）は、格子周期ｐを画素周期の整数倍にせざるを得ないので、格子周期ｐの設計自由度が著しく低下するからである。

なお、方位数を３とした場合は、３方位の間の角度周期Θを６０°に設定することが望ましく、方位数を２とした場合は、２方位の間の角度周期Θを９０°に設定することが望ましく、方位数を４とした場合は、４方位の間の角度周期Θを４５°に設定することが望ましい。方位数を５とした場合は、５方位の間の角度周期Θを３６°に設定することが望ましい。つまり、方位間の角度周期Θは、超解像範囲（図１０参照）がなるべく大きくなるように設定されることが望ましい。

因みに、図１１、図１２に示すのは、方位数を５とし、５方位の間の角度周期Θを３６°に設定した場合の例である。格子線方位θは、例えば、図１１に示すとおりθ＝２°、θ＝３８°、θ＝７４°、θ＝−７０°、θ＝−３４°の間で切り換わり、超解像範囲は、図１２に示すとおり３６°ずつ異なる５つの方向Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、Ｄ_４、Ｄ_５の各々に亘って拡大される。

また、上述した実施形態では、構造化照明顕微鏡装置１を２Ｄ−ＳＩＭモードとして使用するために、０次光回折光束をオフして標本５へ投影する干渉縞を２光束干渉縞としたが、０次光回折光束をオンすれば、標本５へ投影する干渉縞を３光束干渉縞とすること（すなわち、構造化照明顕微鏡装置１を３Ｄ−ＳＩＭモードで使用すること）も可能である。

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２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の深さ方向にも超解像効果を得ることができる。

但し、構造化照明顕微鏡装置１を３Ｄ−ＳＩＭモードで使用する場合には、０次回折光束と±１次回折光束との間の強度バランスを調整する必要が生じる。なぜなら、ＯＴＦを最適化するための強度バランスは、２Ｄ−ＳＩＭモードと３Ｄ−ＳＩＭモードとの間で異なるからである。そこで、構造化照明顕微鏡装置１を３Ｄ−ＳＩＭモードで使用する場合には、１格子周期内における白画素数と黒画素数との比を、１：１から変化させることが望ましい。あるいは、一部の回折光束の光路へ、適切な透過率の減光フィルタ（ＮＤフィルタ）を配置することが望ましい。

また、２Ｄ−ＳＩＭモードと３Ｄ−ＳＩＭモードとの間では、画像記憶・演算装置４０が実行すべき復調演算の内容が異なる。なぜなら、２Ｄ−ＳＩＭモードで生成される変調画像には、互いに分離すべき３つの成分が重畳されているのに対して、３Ｄ−ＳＩＭモードで生成される変調画像には、互いに分離すべき５つの成分が重畳されているからである。

また、２Ｄ−ＳＩＭモードと３Ｄ−ＳＩＭモードとの間では、変調画像に重畳する変調成分の数が異なるので、制御装置４３が取得すべき変調画像のフレーム数（＝必要な位相数Ｎ）なども異なる。

因みに、２Ｄ−ＳＩＭモードでは、必要な位相数Ｎを「３」に設定したが、３Ｄ−ＳＩＭモードでは、必要な位相数Ｎをそれよりも大きな数、例えば「５」などに設定することが望ましい。

また、上述した実施形態では、光源波長の数を２としたが、１としてもよく、また、２以上に拡張してもよい。

また、上述した実施形態では、互いに波長の異なる複数枚の変調画像を並列に（同時に）取得したが、直列に（時系列順に）取得してもよい。その場合、光源波長λの切り換えに応じて理想的な格子周期ｐ_{ｉｄｅａｌ}を調整すれば、光軸ＡＺから集光点までの高さを光源波長λに依らず一定に保ち、前述した超解像効果を光源波長λに依らず一定に保つことができる。

また、波長の異なる複数枚の変調画像を順次に取得する場合は、第１撮像素子３５１及び第２撮像素子３５２の何れか一方と第２ダイクロイックミラー３５とを省略してもよい。

また、上述した実施形態では、標本５に入射する±１次回折光束をＳ偏光に保つために、進相軸の方向を切り換え可能な１／２波長板１７を使用したが、１／２波長板の代わりに、２枚の１／４波長板を使用すると共に、一方の１／４波長板の進相軸の方向を切り換え可能としてもよい。

また、上述した実施形態では、干渉縞（２Ｄ−ＳＩＭモードの２光束干渉縞又は３Ｄ−ＳＩＭモードの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。

また、上述した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。

［実施形態の作用効果］
以上、本実施形態の構造化照明装置（照明光学系１０）は、光源（レーザユニット１００）からの射出光束を複数の光束に分岐する分岐部（光束分岐部１５）と、前記複数の光束による干渉縞を標本に形成する光学系と、前記分岐部を制御する制御部（駆動回路１５Ａ）とを備え、前記分岐部（光束分岐部１５）は、第１配列方向（Ｘ方向）及び第２配列方向（Ｙ方向）に配列された単位素子群（画素群）からなる部材を含む空間光変調器（ＳＬＭ１３）を有し、前記制御部（駆動回路１５Ａ）は、第１の位相遅延量を前記射出光束に対して付与する領域と第２の位相遅延量を前記射出光束に対して付与する領域との繰り返しからなる周期領域（格子パターン）を前記空間光変調器（ＳＬＭ１３）内に設定する駆動信号、或いは、前記射出光束を第１の強度の光に変換する領域と前記射出光束を第２の強度の光に変換する領域との繰り返しからなる周期領域（格子パターン）を前記空間光変調器（ＳＬＭ１３）内に設定する駆動信号を、前記単位素子群（画素群）のうちの所定の各単位素子（各画素）へ出力し、前記周期領域（格子パターン）の繰り返し方向（格子線と垂直な方向）が前記第１配列方向（Ｘ方向）及び前記第２配列方向（Ｙ方向）の双方から外れるように前記駆動信号を前記単位素子群（画素群）のうちの前記所定の各単位素子（各画素）へ出力すると共に、前記周期領域（格子パターン）の繰り返し方向（格子線と垂直な方向）が前記第２配列方向（Ｙ方向）より前記第１配列方向（Ｘ方向）に近い方向と、前記第１配列方向（Ｘ方向）より前記第２配列方向（Ｙ方向）に近い方向との間で切り換わるように、前記駆動信号を切り換える。

このようにすれば、前記周期領域（格子パターン）の繰り返し方向（格子線と垂直な方向）が前記第１配列方向（Ｘ方向）及び前記第２配列方向（Ｙ方向）から意図的に外され、前記周期領域（格子パターン）の周期を画素配列周期の整数倍にするという制約が無くなるので、正確な位相シフトを実現しつつ、前記周期領域（格子パターン）の作成自由度を向上することが可能となる。

また、前記制御部（駆動回路１５Ａ）は、前記周期領域（格子パターン）の繰り返し方向（格子線と垂直な方向）が前記第１配列方向（Ｘ方向）より前記２配列方向（Ｙ方向）に近いとき、すなわち、格子パターンの格子線方向が前記第２配列方向（Ｙ方向）より前記第１配列方向（Ｘ方向）に近いときには、前記周期領域が前記第１配列方向（Ｘ方向）に沿って所定量シフトするような前記駆動信号を前記所定の単位素子へ出力し、前記周期領域（格子パターン）の繰り返し方向（格子線と垂直な方向）が前記第２配列方向（Ｙ方向）より前記第１配列方向（Ｘ方向）に近いとき、すなわち、格子パターンの格子線方向が前記第１配列方向（Ｘ方向）より前記第２配列方向（Ｙ方向）に近いときには、前記周期領域が前記第２配列方向（Ｙ方向）に沿って所定量シフトするような前記駆動信号を前記所定の単位素子へ出力する。

このように、前記繰り返し方向（格子線と垂直な方向）が前記第２配列方向（Ｙ方向）に近いとき（４５°＜｜θ｜のとき）と、前記第１配列方向（Ｘ方向）に近いとき（｜θ｜＜４５°のとき）とで、前記駆動信号を適切に切り換えれば、前記周期領域（格子パターン）の周期誤差及び方位誤差の双方を抑制しつつ、位相シフトの正確性を維持することができる。

また、前記制御部（駆動回路１５Ａ）は、前記周期領域の繰り返し方向（格子線と垂直な方向）が前記第１配列方向（Ｘ方向）より前記第２配列方向（Ｙ方向）に近いときには、必要な位相数Ｎ_ｘと、前記第１配列方向（Ｘ方向）における前記周期領域（格子パターン）の周期Ｈとの関係を、Ｈ［ｐｉｘｅｌ］＝Ｎ_ｘ×ｍ_ｘ［ｐｉｘｅｌ］に設定し（但し、ｍ_ｘ：整数）、前記周期領域の繰り返し方向（格子線と垂直な方向）が前記第２配列方向（Ｙ方向）より前記第１配列方向（Ｘ方向）に近いときには、必要な位相数Ｎ_ｙと、前記第２配列方向（Ｙ方向）における前記周期領域（格子パターン）の周期Ｖとの関係を、Ｖ［ｐｉｘｅｌ］＝Ｎ_ｙ×ｍ_ｙ［ｐｉｘｅｌ］に設定する（但し、ｍ_ｙ：整数）。

また、前記制御部（駆動回路１５Ａ）は、前記周期領域の繰り返し方向（格子線と垂直な方向）が前記第１配列方向（Ｘ方向）より前記第２配列方向（Ｙ方向）に近いときには、前記周期領域がｍ_ｘ［ｐｉｘｅｌ］の周期で前記第１配列方向にシフトするような前記駆動信号を出力し、前記周期領域の繰り返し方向（格子線と垂直な方向）が前記第２配列方向（Ｙ方向）より前記第１配列方向（Ｘ方向）に近いときには、前記周期領域がｍ_ｙ［ｐｉｘｅｌ］の周期で前記第２配列方向にシフトするような前記駆動信号を出力する。

ここで、非特許文献１では、前記周期方向（格子線と垂直な方向）を切り換える場合、前記周期領域（格子パターン）の周期誤差が抑えられないという問題が発生し得るが、前記制御部（駆動回路１５Ａ）のように、前記駆動信号を前記周期方向（格子線と垂直な方向）に応じて適切に切り換えれば、この問題を確実に回避できる。

また、前記制御部（駆動回路１５Ａ）は、前記周期領域の繰り返し方向（格子線と垂直な方向）が前記第１配列方向（Ｘ方向）より前記第２配列方向（Ｙ方向）に近いときには、前記第１配列方向（Ｘ方向）に長い部分周期領域（単位格子パターン１３ａ）を形成するための前記駆動信号を、前記空間光変調器（ＳＬＭ１３）の前記所定の単位素子へ同時に出力することにより、前記周期領域（格子パターン）の全体を形成し、前記周期領域の繰り返し方向（格子線と垂直な方向）が前記第２配列方向（Ｙ方向）より前記第１配列方向（Ｘ方向）に近いときには、前記第２配列方向（Ｙ方向）に長い部分周期領域（単位格子パターン１３ｂ）を形成するための前記駆動信号を、前記空間光変調器（ＳＬＭ１３）の前記所定の単位素子へ同時に出力することにより、前記周期領域（格子パターン）の全体を形成する。

したがって、前記制御部（駆動回路１５Ａ）は、前記周期領域の繰り返し方向（格子線と垂直な方向）に依らず簡単に前記周期領域（格子パターン）を前記空間光変調器（ＳＬＭ１３）へ形成することができる。

また、前記制御部（駆動回路１５Ａ）は、前記周期領域の繰り返し方向（格子線と垂直な方向）を、前記第１配列方向（Ｘ方向）及び前記第２配列方向（Ｙ方向）の双方から外れ、かつ約６０°ずつずれた３つの方向の間で切り換える（図２参照）。

また、前記制御部（駆動回路１５Ａ）は、前記周期領域の繰り返し方向（格子線と垂直な方向）を、前記第１配列方向（Ｘ方向）及び前記第２配列方向（Ｙ方向）の双方から外れ、かつ約３６°ずつずれた５つの方向の間で切り換える（図１１参照）。

また、前記空間光変調器（ＳＬＭ１３）は、液晶素子を備え、前記空間光変調器（ＳＬＭ１３）の前記周期領域（格子パターン）は、前記第１の位相遅延量を前記射出光束に対して付与する領域と前記第２の位相遅延量を前記射出光束に対して付与する領域との繰り返しからなる。

この場合、前記空間光変調器（ＳＬＭ１３）は位相型回折格子として機能する。

或いは、前記空間光変調器（ＳＬＭ１３）は、液晶素子と偏光子とを備え、前記空間光変調器（ＳＬＭ１３）の前記周期領域（格子パターン）は、前記射出光束を前記第１の強度の光に変換する領域と前記射出光束を前記第２の強度の光に変換する領域との繰り返しからなる。

この場合、前記空間光変調器（ＳＬＭ１３）は振幅型回折格子として機能する。

また、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）は、本実施形態の構造化照明装置（照明光学系１０）と、照明された前記標本の像である変調像を撮像する撮像素子（３５１、３５２）とを備える。

したがって、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）は、前記標本（５）の超解像に必要な複数枚の変調画像を高精度に取得することができる。

また、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）は、前記撮像素子（３５１、３５２）が生成する画像に基づき前記標本の復調像を生成する演算手段（画像記憶・演算装置４０）を更に備える。

したがって、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）は、超解像画像を高精度に取得することができる。

［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。

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、１５…光束分岐部、１６…集光レンズ、２４…光束選択部、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、１７…１／２波長板、１８…高次光カットマスク、１７Ａ…駆動回路、２００…０次光シャッタ、２００Ａ…回動機構、１５Ａ…駆動回路

Claims (11)

1. 光源からの射出光束を複数の光束に分岐する分岐部と、
   前記複数の光束による干渉縞を標本に形成する光学系と、
   前記分岐部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記分岐部は、第１配列方向及び第２配列方向に配列された単位素子群からなる部材を含む空間光変調器を有し、
   前記制御部は、
   第１の位相遅延量を前記射出光束に対して付与する領域と第２の位相遅延量を前記射出光束に対して付与する領域との繰り返しからなる周期領域を前記空間光変調器内に設定する駆動信号、或いは、前記射出光束を第１の強度の光に変換する領域と前記射出光束を第２の強度の光に変換する領域との繰り返しからなる周期領域を前記空間光変調器内に設定する駆動信号を、前記単位素子群のうちの所定の単位素子へ出力し、
   前記周期領域の繰り返し方向が前記第１配列方向及び前記第２配列方向の双方から外れるように前記駆動信号を前記所定の単位素子へ出力すると共に、前記周期領域の繰り返し方向が前記第２配列方向より前記第１配列方向に近い方向と、前記第１配列方向より前記第２配列方向に近い方向との間で切り換わるように、前記駆動信号を切り換える
   ことを特徴とする構造化照明装置。
2. 請求項１に記載の構造化照明装置において、
   前記制御部は、
   前記周期領域の繰り返し方向が前記第１配列方向より前記２配列方向に近いときには、前記周期領域が前記第１配列方向に沿って所定量シフトするような前記駆動信号を前記所定の単位素子へ出力し、
   前記周期領域の繰り返し方向が前記第２配列方向より前記第１配列方向に近いときには、前記周期領域が前記第２配列方向に沿って所定量シフトするような前記駆動信号を前記所定の単位素子へ出力する
   ことを特徴とする構造化照明装置。
3. 請求項２に記載の構造化照明装置において、
   前記制御部は、
   前記周期領域の繰り返し方向が前記第１配列方向より前記第２配列方向に近いときには、必要な位相数Ｎ_ｘと、前記第１配列方向における前記周期領域の周期Ｈとの関係を、Ｈ［ｐｉｘｅｌ］＝Ｎ_ｘ×ｍ_ｘ［ｐｉｘｅｌ］に設定し（但し、ｍ_ｘ：整数）、
   前記周期領域の繰り返し方向が前記第２配列方向より前記第１配列方向に近いときには、必要な位相数Ｎ_ｙと、前記第２配列方向における前記周期領域の周期Ｖとの関係を、Ｖ［ｐｉｘｅｌ］＝Ｎ_ｙ×ｍ_ｙ［ｐｉｘｅｌ］に設定する（但し、ｍ_ｙ：整数）
   ことを特徴とする構造化照明装置。
4. 請求項３に記載の構造化照明装置において、
   前記制御部は、
   前記周期領域の繰り返し方向が前記第１配列方向より前記第２配列方向に近いときには、前記周期領域がｍ_ｘ［ｐｉｘｅｌ］の周期で前記第１配列方向にシフトするような前記駆動信号を出力し、
   前記周期領域の繰り返し方向が前記第２配列方向より前記第１配列方向に近いときには、前記周期領域がｍ_ｙ［ｐｉｘｅｌ］の周期で前記第２配列方向にシフトするような前記駆動信号を出力する
   ことを特徴とする構造化照明装置。
5. 請求項４に記載の構造化照明装置において、
   前記制御部は、
   前記周期領域の繰り返し方向が前記第１配列方向より前記第２配列方向に近いときには、前記第１配列方向に長い部分周期領域を形成するための前記駆動信号を、前記空間光変調器の前記所定の単位素子へ同時に出力することにより、前記周期領域の全体を形成し、
   前記周期領域の繰り返し方向が前記第２配列方向より前記第１配列方向に近いときには、前記第２配列方向に長い部分周期領域を形成するための前記駆動信号を、前記空間光変調器の前記所定の単位素子へ同時に出力することにより、前記周期領域の全体を形成する
   ことを特徴とする構造化照明装置。
6. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
   前記制御部は、
   前記周期領域の繰り返し方向を、前記第１配列方向及び前記第２配列方向の双方から外れ、かつ約６０°ずつずれた３つの方向の間で切り換える
   ことを特徴とする構造化照明装置。
7. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
   前記制御部は、
   前記周期領域の繰り返し方向を、前記第１配列方向及び前記第２配列方向の双方から外れ、かつ約３６°ずつずれた５つの方向の間で切り換える
   ことを特徴とする構造化照明装置。
8. 請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
   前記空間光変調器は、液晶素子を備え、
   前記空間光変調器の前記周期領域は、前記第１の位相遅延量を前記射出光束に対して付与する領域と前記第２の位相遅延量を前記射出光束に対して付与する領域との繰り返しからなる
   ことを特徴とする構造化照明装置。
9. 請求項８に記載の構造化照明装置において、
   前記空間光変調器は、液晶素子と偏光子とを備え、
   前記空間光変調器の前記周期領域は、前記射出光束を前記第１の強度の光に変換する領域と前記射出光束を前記第２の強度の光に変換する領域との繰り返しからなる
   ことを特徴とする構造化照明装置。
10. 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と、
    照明された前記標本の像である変調像を撮像する撮像素子と、
    を備えることを特徴とする構造化照明顕微鏡装置。
11. 請求項１０に記載の構造化照明顕微鏡装置において、
    前記撮像素子が生成する画像に基づき前記標本の復調像を生成する演算手段を更に備える
    ことを特徴とする構造化照明顕微鏡装置。