JP5549740B2 - 構造化照明装置、構造化照明顕微鏡装置、及び面形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、面内方向の超解像を実現できる構造化照明装置、構造化照明顕微鏡装置、パターン投影型の面形状測定装置に関する。

超解像顕微鏡は、試料から射出する回折光のうち解像限界を超える高い空間周波数の情報（大角度の回折光）を結像に寄与させるために、試料面を照明する照明光束に対して変調を施し、結像光学系の試料面と略共役な位置に入射する結像光束に対して復調を施すものである（非特許文献１、特許文献１、特許文献２などを参照。）。

非特許文献１の方法では、試料面の近傍に回折格子（変調用回折格子）を配置すると共に、結像光学系の試料面と略共役な位置に、変調用回折格子と共役な格子定数を持つ回折格子（復調用回折格子）を配置している。それら２つの回折格子を共役的に移動させれば、試料の構造を回折格子のパターンと分離して観察することが可能となる。

一方、特許文献１には、構造化照明顕微鏡を蛍光観察へ適用した例が開示されている。特許文献１の方法では、可干渉光源から射出した光束を回折格子によって２つの光束に分割し、それら２つの光束を対物レンズの瞳上の互いに異なる位置へ個別に集光させる。このとき２つの光束は対物レンズから角度の異なる平行光束として射出し、試料面上で重なり合いストライプ状の干渉縞を形成する。これによって試料面が構造化照明される。そして特許文献１の方法では、構造化照明の位相をステップ状に変化させながら試料像の画像を繰り返し取得し、取得した複数の画像に対して、前述した分離に相当する演算（分離演算）と、前述した復調に相当する演算（復調演算）とを施している。

因みに、構造化照明の位相をステップ状に変化させる方法としては、楔型プリズムを前述した２つの光束の一方に挿入して光軸と垂直な方向へステップ移動させる方法や、格子線と垂直な方向へ回折格子をステップ移動させる方法や、構造化照明のピッチ方向へ試料をステップ移動させる方法などがある。

さらに、特許文献２の方法では、構造化照明の方向をステップ状に変化させながら試料像の画像を繰り返し取得することにより、様々な方向に亘って超解像効果を得ている。因みに、構造化照明の方向をステップ状に変化させる方法としては、回折格子又は試料を回転モータなどで光軸の周りにステップ回転させる方法がある。

特に、非特許文献２の方法では、音響光学素子を４個使用して構造化照明の方向又は位相を変化させている。

特開平１１−２４２１８９号公報 米国再発行特許発明第３８３０７号明細書 米国特許出願公開第２００９／０２１９６０７号公報

W. Lukosz, "Optical systems with resolving powers exceeding the classical limit. II" Journal of the Optical Society of America, Vol. 37, PP.932, 1967 Olga Gliko," Development of fast two-dimensional standing wave microscopy using acousto-optic deflectors" Proc. of SPIE Vol. 6861 68610B-8

しかしながら、光学素子をステップ移動させる場合、移動していた光学素子を適当な位置で静止させるのに一定の時間を要するので、特許文献２の方法において必要な画像を全て取得するまでの所要時間を短縮することは難しい。特に、観察対象である試料が生体標本である場合は、試料の構造が時々刻々と変化する可能性があるため、画像取得はできるだけ高速に行われるべきである。

また、非特許文献２のように音響光学素子を４個使う方法では、超解像顕微鏡の光学系が複雑になるので、その分だけ光学系の調整やコストの面で不利となる。

そこで、本発明は、画像取得を高速化するのに好適な構成の構造化照明装置、効率的な構造化照明顕微鏡装置、及び効率的な面形状測定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は、光源からの射出光束中に配置され、その射出光束を横切る方向に音波伝搬路を配した光変調器と、前記音波伝搬路の媒体を振動させるための駆動信号を前記光変調器へ与えることにより、前記音波伝搬路内に音波定在波を生起させる駆動手段と、前記音波伝搬路を通過した前記射出光束の互いに異なる回折成分を干渉させ、その干渉縞を被観察物に形成する照明光学系とを備える。

なお、前記駆動手段は、前記光変調器へ与える前記駆動信号の周波数を所定の周波数に設定することにより前記音波定在波を生起させてもよい。

また、本発明の構造化照明装置は、前記駆動信号の周波数、振幅の少なくとも１つを前記音波伝搬路の媒体の温度に応じて調節する調節手段を備えてもよい。

また、本発明の構造化照明装置は、前記音波伝搬路の媒体の温度を検出する温度センサを備え、前記調整手段は、前記温度センサが検出する前記温度に応じて前記駆動信号の周波数を調節してもよい。

また、本発明の構造化照明装置は、前記音波伝搬路の媒体の温度を検出する温度センサを備え、前記調整手段は、前記温度センサが検出する前記温度に応じて前記駆動信号の振幅を調節してもよい。

また、本発明の構造化照明装置は、前記音波伝搬路の媒体で発生した熱を放熱する放熱手段を備えてもよい。

また、本発明の構造化照明装置は、前記干渉縞の位相を変化させる位相変化手段を備えてもよい。

また、前記位相変化手段は、前記光変調器を所定の方向に移動させる駆動装置であってもよい。

また、前記駆動装置は、前記音波定在波の方向に応じて移動量を変更してもよい。

また、前記干渉縞に寄与する前記射出光束は、前記音波伝搬路の両端から離れた所定の部分領域を通過したものであり、前記位相変化手段は、前記音波定在波の波長を所定のパターンで変化させることにより前記干渉縞の位相を変化させる前記駆動手段であってもよい。

また、前記駆動手段は、前記光変調器へ与える前記駆動信号の周波数を所定のパターンで変化させることにより前記音波定在波の波長を変化させてもよい。

また、前記駆動手段は、前記音波定在波の全体の波本数がＭ／２本ずつ変化するようなパターンで前記周波数を変化させるものであり（但し、｜Ｍ｜は１以上の整数）、前記干渉縞の位相シフトピッチをΔψに設定する場合は、前記音波伝搬路の何れか一方の端部から前記部分領域までの距離Ｄと、前記音波伝搬路の全長Ｌとは、Ｄ：Ｌ＝Δψ／Ｍ：２πの関係を満たすように設定されてもよい。

また、Ｍ＝１であってもよい。また、Δψ＝２π／ｋ（但し、｜ｋ｜は２以上の整数）であってもよい。

また、前記光変調器は、前記部分領域で交差した複数の前記音波伝搬路を有してもよい。

また、前記光変調器は、互い対向する平行な側面対を複数有した柱状の音響光学媒体と、それら複数の側面対の各々の間に形成される音波伝搬路へ音波定在波を生起させる複数の超音波トランスデューサとを備えてもよい。

また、複数の前記音波伝搬路の配置関係は、前記照明光学系の光軸と直交する面内において互いに異なる複数の方向の間で前記干渉縞の方向が切り替え可能となるように設定されていてもよい。

また、本発明の構造化照明装置は、前記複数の超音波トランスデューサのいずれか１つへ与える前記駆動信号を生成する信号生成手段と、前記信号生成手段が生成した前記駆動信号の入力先を前記複数の超音波トランスデューサの間で切り換える切換手段とを備えてもよい。

また、本発明の構造化照明顕微鏡装置は、本発明の何れかの構造化照明装置と、前記構造化照明装置により照明された前記被観察物からの観察光束を検出器に結像する結像光学系とを備える。

また、本発明の構造化照明顕微鏡装置は、前記音波伝搬路の媒体の温度に応じて前記検出器の露出量を調節する調節手段を備えてもよい。

また、前記観察光束は、蛍光光束であってもよい。

また、本発明の構造化照明顕微鏡装置は、前記波長の切り換え中に前記検出器が順次に取得した複数の画像に基づき前記被観察物の超解像画像を算出する演算手段を備えてもよい。

また、本発明の面形状測定装置は、本発明の何れかの構造化照明装置と、前記構造化照明装置により照明された前記被観察物の画像を検出する画像検出器と、前記波長の切り換え中に前記画像検出器が順次に取得した複数の画像に基づき前記被観察物の面形状を算出する演算手段とを備える。

第１の実施形態の構造化照明顕微鏡システムの構成図である。 超音波光変調器３の構成図である。 超音波光変調器３の駆動回路１９Ａを説明する図である。 超音波光変調器３の周辺を光軸方向から見た図である。 構造化照明の方向が第２方向Ｄｂであるときにおける圧電アクチュエータ２２の１ステップ分のストロークを説明する図である。 構造化照明の方向が第３方向Ｄｃであるときにおける圧電アクチュエータ２２の１ステップ分のストロークを説明する図である。 超音波光変調器３の温度と適正周波数との関係を示すグラフである。 第１の実施形態におけるＣＰＵの動作フローチャートである。 第２の実施形態における超音波光変調器３の周辺を光軸方向から見た図である。 図９のＸ−Ｘ’面（光軸と平行でありトランスデューサ１８ｂ、１８ｃを横切る平面）で超音波光変調器３を切断してできる断面図である。 第３の実施形態の構造化照明顕微鏡システムの構成図である。 図１２（Ａ）は、超音波光変調器３の超音波伝搬路Ｒ内に生起する超音波定在波のパターンを示す模式図であり、図１２（Ｂ）は、それに対応する構造化照明のパターン（明部及び暗部の配置）を示す模式図である。図１２（Ｃ）〜（Ｅ）は、波本数が変化したときの縞本数の変化を説明する図である。 図１３（Ａ）は、長さＬと距離Ｄとの関係を説明する図であり、図１３（Ｂ）は、スポットＳに対応する構造化照明Ｓ’の概念図であり、図１３（Ｃ）は、構造化照明Ｓ’の縞本数のずれを説明する図である。 超音波光変調器３の構成図である。 超音波光変調器３の駆動回路１９Ａを説明する図である。 第３の実施形態におけるＣＰＵの動作フローチャートである。 超音波光変調器３の変形例である。 第４の実施形態の面形状測定装置の構成図である。 超音波光変調器３’の構成図である。

［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態について図を用いて説明する。本実施形態は、蛍光観察に適用される構造化照明顕微鏡システムの実施形態である。

図１は、本実施形態の構造化照明顕微鏡システムの構成図である。図１に示すとおり構造化照明顕微鏡システムには、光ファイバー１、コレクタレンズ２、超音波光変調器３、レンズ４、０次光カットマスク５Ａ、レンズ６、視野絞り５Ｂ、レンズ７、ダイクロイックミラー８、第二対物レンズ１１、撮像装置（ＣＣＤカメラなど）１２、制御装置１９、画像記憶・演算装置（コンピュータなど）１３、画像表示装置１４、対物レンズ９などが配置される。図１中に符号１０で示すのは、不図示のステージ上に載置された標本の観察対象面（標本面）であり、その標本は、蛍光染色された生体標本である。

図１において光ファイバー１は、不図示の可干渉光源からの光を導光し、その出射端に二次点光源（可干渉な二次点光源）を形成する。なお、不図示の可干渉光源の波長は、標本の励起波長と同じ波長に設定されている。その二次点光源から射出した光は、コレクタレンズ２によって平行光に変換され、超音波光変調器３へ入射する。

超音波光変調器３は、光軸と垂直な方向に超音波を伝搬する超音波伝搬路Ｒを有しており、その超音波伝搬路Ｒに超音波の平面定在波（以下、「超音波定在波」という。）を生起させることにより、超音波伝搬路Ｒに正弦波状の屈折率分布を付与している。このような超音波光変調器３は、入射光に対して位相型回折格子の働きをし、その光を各次数の回折光に分岐する。図１において実線で示したのは０次回折光であり、点線で示したのは±１次回折光である。

なお、超音波光変調器３は、支持枠２１によってその周縁から支持されており、支持枠２１には、超音波の波面と垂直な方向へ支持枠２１及び超音波光変調器３を変位させる圧電アクチュエータ２２が設けられている。因みに、圧電アクチュエータ２２の１ステップ分のストロークは、後述する構造化照明の位相を２π／３だけ変化させるような値に設定される。

超音波光変調器３から射出した各次数の回折光は、レンズ４を通過した後に瞳共役面を形成する。この瞳共役面の近傍には０次光カットマスク５Ａが配置されており、これは０次回折光及び２次以上の高次回折光をカットし±１次回折光のみを通過させる機能を有している。

０次光カットマスク５Ａを通過した±１次回折光は、レンズ６を通過した後に標本共役面を形成する。この標本共役面の近傍には視野絞り５Ｂが配置されており、これは標本面１０上の照明領域（観察領域）のサイズを制御する機能を有している。

視野絞り５Ｂを通過した±１次回折光は、レンズ７を通過した後にダイクロイックミラー８へ入射し、そのダイクロイックミラー８を反射する。ダイクロイックミラー８を反射した±１次回折光は、対物レンズ９の瞳Ｐ上の互いに異なる位置にそれぞれスポットを形成する。なお、瞳Ｐにおける２つのスポットの形成位置は、瞳Ｐの概ね最外周部であって、対物レンズ９の光軸に関して互いに対称な位置である。

したがって、対物レンズ９の先端から射出する±１次回折光は、対物レンズ９のＮＡに相当する角度で互いに反対の方向から標本面１０を照射する。前述したとおりこれらの±１次回折光は互いに可干渉な光であるので、標本面１０には縞ピッチが一様なストライプ状の干渉縞が投影される。よって、標本面１０の照明パターンは、縞構造を持った照明パターンとなる。このように、縞構造を持った照明パターンによる照明が、構造化照明である。構造化照明された標本面１０の蛍光領域では蛍光物質が励起され、蛍光を発する。
なお、標本面１０上に高いコントラストで縞構造を持った照明パターンを形成するためには、標本面１０に入射するすべての±１次回折光が入射面に垂直な電場振動方向、すなわち標本面１０に対してＳ偏光を持つことが必要である。そのために、次の2通りの光学系（第１の光学系、第２の光学系）のいずれかを用意しておくことが望ましい。
第１の光学系としては、図１におけるコレクタレンズ２、および、超音波光変調器３との間に、不図示の偏光子、及び第１の１／４波長板を設け、さらに０次光カットマスク５Ａ近傍に不図示の第２の１／４波長板を設ける。第１の光学系の場合、超音波光変調器３近傍に配置した第１の１／４波長板により超音波光変調器３を透過する光は円偏光とされ、０次光カットマスク５Ａ透過後の光は直線偏光となる。さらに、光カットマスク５A近傍に配置した第２の１／４波長板を回転させることで所望の方向を持った偏光を得ることができる。
第２の光学系としては、図１におけるコレクタレンズ２、および、超音波光変調器３との間に、不図示の偏光子を設け、０次光カットマスク５Ａ近傍に不図示の１／２波長板を設ける。第２の光学系の場合、超音波光変調器３近傍に配置した偏光子により超音波光変調器３を透過する光は特定の方向を持った直線偏光とされ、０次光カットマスク５Ａ透過後の光は、それとは方向の異なる直線偏光となる。さらに、光カットマスク５Ａ近傍に配置した１／２波長板を回転させることで所望の方向を持った偏光を得ることができる。

ここで、構造化照明によると、構造化照明の構造周期と蛍光領域の構造周期との差に相当するモアレ縞が標本面１０に現れる。このモアレ縞上では、蛍光領域の構造の空間周波数が変調されており、実際よりも低い空間周波数にシフトしている。したがって構造化照明によると、蛍光領域の構造のうち空間周波数の高い成分を示す蛍光、すなわち対物レンズ９の解像限界を超える大角度で射出した蛍光までもが対物レンズ９へ入射できる。

標本面１０から射出し対物レンズ９へ入射した蛍光は、対物レンズ９により平行光に変換された後にダイクロイックミラー８へ入射する。その蛍光は、ダイクロイックミラー８を透過した後、第二対物レンズ１１を通過することにより撮像装置１２の撮像面上に標本面１０の蛍光像を形成する。但し、この蛍光像には、標本面１０の蛍光領域の構造情報だけでなく構造化照明の構造情報も含まれており、この蛍光像では、標本面１０の蛍光領域の構造の空間周波数は変調されたままである（つまり実際よりも低い空間周波数にシフトしたままである）。

制御装置１９は、前述した圧電アクチュエータ２２を変位させることにより、超音波光変調器３の位置を基準位置及びその両側の２つの位置の３通りにステップ移動させる。これによって、構造化照明の位相が１周期分変化する。そして、制御装置１９は、超音波光変調器３が各ステップ位置にあるときに撮像装置１２を駆動して３種類の画像データＩ₁、Ｉ₂、Ｉ₃を取得し、それらの画像データＩ₁、Ｉ₂、Ｉ₃を順次に画像記憶・演算装置１３へ送出する。なお、ここでは構造化照明の位相の異なる３種類の画像データを取得したが、構造化照明の位相の異なる４種類以上の画像データを取得してもよい。しかし、画像記憶・演算装置１３による分離演算（後述）を可能とするために、最低でも３種類は必要である。

画像記憶・演算装置１３は、取り込まれた画像データＩ₁、Ｉ₂、Ｉ₃に対して分離演算を施すことにより、構造化照明の構造情報の除去された画像データＩを取得する。さらに画像記憶・演算装置１３は、その画像データＩに対して復調演算を施すことにより、蛍光領域の構造情報の空間周波数が実際の空間周波数に戻された画像データＩ’を取得し、その画像データＩ’を画像表示装置１４へ送出する。したがって、画像表示装置１４には、対物レンズ９の解像限界を超えた解像画像（超解像画像）が表示される。

図２は、超音波光変調器３の構成図である。図２（Ａ）は、超音波光変調器３を正面（光軸方向）から見た図であり、図２（Ｂ）は、超音波光変調器３を側面（光軸に垂直な方向）から見た図である。

図２に示すように超音波光変調器３は、光軸上に中心軸を配した正六角柱状の音響光学媒体１５と、音響光学媒体１５の６側面のうち互いに相対しない３側面に個別に設けられた３つのトランスデューサ１８ａ、１８ｂ、１８ｃとを有する。なお、音響光学媒体１５の材質は、例えば石英ガラス、テルライトガラス、重フリントガラス、フリントガラスなどであり、その６つの側面及び２つの底面は、それぞれ十分な精度で研磨されている。

トランスデューサ１８ａは、圧電体１６ａと、圧電体１６ａの上下面に個別に形成された２つの電極１７ａとを有した超音波トランスデューサであり、そのうち一方の電極１７ａを介して音響光学媒体１５の１つの側面に接合されている。

したがって、トランスデューサ１８ａの２つの電極１７ａの間に高周波の交流電圧が印加されると、圧電体１６ａが厚み方向に振動し、トランスデューサ１８ａの形成面からそれに相対する側面１５ａに向かって平面超音波が伝搬し、その超音波は側面１５ａで光路を折り返す。よって、２つの電極１７ａの間に印加される交流電圧の周波数が特定の周波数に設定された場合、その超音波は定在波となる。

このとき音響光学媒体１５の内部の屈折率には、超音波の進行方向にかけて正弦波状の分布が付与される。したがってこの状態の超音波光変調器３は、側面１５ａと平行な位相格子を持った位相型回折格子となる。以下、この状態における超音波光変調器３の変調方向（図２の矢印方向）を、「第１方向」と称す。

なお、音響光学媒体１５の内部に形成される超音波が完全な定在波から外れていた場合は、前述した±１次回折光の回折効率が低下するため、構造化照明のコントラストが低下する。なぜなら、超音波光変調器３が駆動状態にあると、圧電体１６ａのジュール熱、接合部の音波反射、音響光学媒体１５内の音波減衰などが原因で音響光学媒体１５が発熱し、膨張するので、その特性が時間変化する。このため或る周波数で超音波光変調器３が駆動され始め、初期状態では定在波が立っていたとしても、時間が経つにつれて定在波の立つ条件が成り立たなくなる可能性がある。つまり、定在波の立つ周波数（適正周波数）は、超音波光変調器３の温度に依存する。

但し、コントラストの低下量が許容範囲内に収まる（つまり前述した演算の演算誤差が許容範囲内に収まる）ならば、音響光学媒体１５の内部に形成される超音波は完全な定在波から多少ずれていてもよい。よって、ここでは「適正周波数」を、「定在波の立つ周波数の近傍において、演算誤差を許容範囲内に収められるような周波数範囲」と解釈しても構わない。

また、トランスデューサ１８ｂも、トランスデューサ１８ａと同じ構成をしており、圧電体１６ｂと、圧電体１６ｂの上下面に個別に形成された２つの電極１７ｂとを有し、そのうち一方の電極１７ｂを介して音響光学媒体１５の１つの側面に接合されている。

したがって、トランスデューサ１８ｂの２つの電極１７ｂの間に適正周波数の交流電圧が印加されると、音響光学媒体１５は、トランスデューサ１８ｂの形成面及びそれに相対する側面１５ｂと平行な位相格子を持った位相型回折格子となる。以下、この状態における超音波光変調器３の変調方向（格子ピッチ方向）を、「第２方向」と称す。この第２方向は、第１方向に対して６０°の角度を成す。

また、トランスデューサ１８ｃも、トランスデューサ１８ａと同じ構成をしており、圧電体１６ｃと、圧電体１６ｃの上下面に個別に形成された２つの電極１７ｃとを有し、そのうち一方の電極１７ｃを介して音響光学媒体１５の１つの側面に接合されている。

したがって、トランスデューサ１８ｃの２つの電極１７ｃの間に適正周波数の交流電圧が印加されると、音響光学媒体１５は、トランスデューサ１８ｃの形成面及びそれに相対する側面１５ｃと平行な位相格子を持った位相型回折格子となる。以下、この状態における超音波光変調器３の変調方向（格子ピッチ方向）を、「第３方向」と称す。この第３方向は、第１方向に対して−６０°の角度を成す。

図３は、超音波光変調器３の駆動回路１９Ａを説明する図である。以下、この駆動回路１９Ａは、図１に示した制御装置１９の一部であるとして説明する。

図３に示すとおり駆動回路１９Ａは、高周波交流電源１９Ａ−１と切り換えスイッチ１９Ａ−２とを備える。

高周波交流電源１９Ａ−１は、超音波光変調器３へ供給されるべき交流電圧を生成する。その交流電圧の周波数は、数十ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ程度であって、制御装置１９内のＣＰＵによって適当な値に制御される。

切り換えスイッチ１９Ａ−２は、高周波交流電源１９Ａ−１と超音波光変調器３との間に配置され、超音波光変調器３の側の接続先を、超音波光変調器３の３つのトランスデューサ１８ａ、１８ｂ、１８ｃの間で切り換えることが可能である。スイッチ１９Ａ−２の接続先は、制御装置１９内のＣＰＵによって適宜に切り換えられる。

切り換えスイッチ１９Ａ−２の接続先がトランスデューサ１８ａの側であるとき、交流電圧はトランスデューサ１８ａの２つの電極の間に印加されるので、超音波光変調器３の変調方向は第１方向Ｄａとなる。

また、切り換えスイッチ１９Ａ−２の接続先がトランスデューサ１８ｂの側であるとき、交流電圧はトランスデューサ１８ｂの２つの電極の間に印加されるので、超音波光変調器３の変調方向は第２方向Ｄｂとなる。

また、切り換えスイッチ１９Ａ−２の接続先がトランスデューサ１８ｃの側であるとき、交流電圧はトランスデューサ１８ｃの２つの電極の間に印加されるので、超音波光変調器３の変調方向は第３方向Ｄｃとなる。

したがって、制御装置１９内のＣＰＵは、切り換えスイッチ１９Ａ−２の接続先を切り換えるだけで、超音波光変調器３の変調方向を第１方向Ｄａ、第２方向Ｄｂ、第３方向Ｄｃの間で切り換えることができる。

なお、超音波光変調器３の変調方向が第１方向Ｄａであるときにおける構造化照明の方向と、超音波光変調器３の変調方向が第２方向Ｄｂであるときにおける構造化照明の方向と、超音波光変調器３の変調方向が第３方向Ｄｃであるときにおける構造化照明の方向との関係は、第１方向Ｄａと第２方向Ｄｂと第３方向Ｄｃとの関係と同じである。

よって、以下では、超音波光変調器３の変調方向が第１方向Ｄａであるときにおける構造化照明の方向を「第１方向Ｄａ」と称し、超音波光変調器３の変調方向が第２方向Ｄｂであるときにおける構造化照明の方向を「第２方向Ｄｂ」と称し、超音波光変調器３の変調方向が第３方向Ｄｃであるときにおける構造化照明の方向を「第３方向Ｄｃ」と称す。

図４は、超音波光変調器３の周辺を光軸方向から見た図である。

図４に示すとおり圧電アクチュエータ２２が変位する方向Ｄは、第１方向Ｄａに一致している。よって、当然ながら、構造化照明の方向がＤａであったときにこの方向Ｄへ圧電アクチュエータ２２が変位すれば、構造化照明の位相が変化する。

しかし、この方向Ｄが第２方向Ｄｂ及び第３方向Ｄｃの各々と成す角度は９０°ではないので、たとえ構造化照明の方向が第２方向Ｄｂ又は第３方向Ｄｃであったとしても、この方向Ｄへ圧電アクチュエータ２２が変位すれば、構造化照明の位相は変化する。

但し、圧電アクチュエータ２２の１ステップ分のストロークを不変にすると、構造化照明の方向が第１方向Ｄａであるときとそうでないときとの間で構造化照明の１ステップ分の位相シフト量が異なってしまう。

そこで、制御装置１９内のＣＰＵは、構造化照明の方向が第１方向Ｄａ、第２方向Ｄｂ、第３方向Ｄｃの間で切り替わると、圧電アクチュエータ２２の１ステップ分のストローク（すなわち圧電アクチュエータ２２へ印加する電圧値）を切り換える。

具体的に、ＣＰＵは、先ず、構造化照明の方向が第１方向Ｄａであるときにおける圧電アクチュエータ２２の１ステップ分のストロークΔを、その構造化照明の位相が２π／３だけ変化するような値に設定する。

そして、ＣＰＵは、構造化照明の方向が第２方向Ｄｂであるときにおける圧電アクチュエータ２２の１ステップ分のストロークを２Δに設定し、構造化照明の方向が第３方向Ｄｃであるときにおける圧電アクチュエータ２２の１ステップ分のストロークを−２Δに設定する。

図５に示すとおり、方向Ｄと第２方向Ｄｂとは６０°の角度を成すので、方向Ｄへのストローク２Δを第２方向Ｄｂへ射影すると、２Δ×ｃｏｓ６０°＝Δとなる。よって、方向Ｄへのストロークを２Δに設定した場合、第２方向ＤｂへのストロークはΔとなる。

したがって、この設定によれば、構造化照明の方向が第２方向Ｄｂであるときの１ステップ分の位相シフト量は、構造化照明の方向が第１方向Ｄａであるときの１ステップ分の位相シフト量に一致する。

また、図６に示すとおり、方向Ｄと第３方向Ｄｃとは−６０°の角度を成すので、方向Ｄへのストローク−２Δを第３方向Ｄｃへ射影すると、−２Δ×ｃｏｓ（−６０°）＝Δとなる。よって、方向Ｄのストロークを−２Δに設定した場合、第３方向ＤｃへのストロークはΔとなる。

したがって、この設定によれば、構造化照明の方向が第３方向Ｄｃであるときの１ステップ分の位相シフト量は、構造化照明の方向が第１方向Ｄａであるときの１ステップ分の位相シフト量に一致する。

以上の結果、構造化照明の１ステップ分の位相シフト量は、構造化照明の方向に拘わらず一定（ここでは２π／３）に保たれる。

また、図４に示すとおり、超音波光変調器３と支持枠２１との間には樹脂製のパッド２０が介在しており、そのパッド２０と支持枠２１との間には、例えば白金抵抗体などで構成された温度センサ２０１が設けられている。この温度センサ２０１の検出対象は、超音波光変調器３の温度（≒音響光学媒体１５の温度）である。温度センサ２０１が検出する温度は、前述した交流電圧を適正周波数（定在波の立つ周波数）に保つ目的で、制御装置１９内のＣＰＵにより適当なタイミングで参照される。

図７は、超音波光変調器３の温度と適正周波数との関係（適正周波数情報）を示すグラフである。図７に示すとおり、超音波光変調器３の温度が約２５℃から約４５℃の間で変化すると、適正周波数は約８０．２ＭＨｚから約７９．９ＭＨｚの間で変化する。

そこで制御装置１９内のＣＰＵは、この適正周波数情報をルックアップテーブルの形式で予め記憶する。このルックアップテーブルには、音響光学媒体１５の各温度と、各温度における適正周波数とが互いに対応付けられた状態で格納されている。

図８は、第１の実施形態におけるＣＰＵの動作フローチャートである。以下、各ステップを順に説明する。

ステップＳ１１：ＣＰＵは、温度センサ２０１が検出する温度Ｔを参照する。

ステップＳ１２：ＣＰＵは、温度Ｔに応じてルックアップテーブルを参照し、その温度Ｔに対応付けられた適正周波数ｆを、現時点における適正周波数として読み出す。そして、ＣＰＵは、高周波交流電源１９Ａ−１が生成する交流電圧の周波数を、その適正周波数ｆに設定する。

ステップＳ１３：ＣＰＵは、切り換えスイッチ１９Ａ−２の接続先をトランスデューサ１８ａの側に設定することにより、構造化照明の方向を第１方向Ｄａに設定する。

ステップＳ１４：ＣＰＵは、圧電アクチュエータ２２の１ステップ分のストロークをΔに設定する。続いてＣＰＵは、圧電アクチュエータ２２の変位がゼロである状態で撮像装置１２を駆動して画像データＩａ₁を取得する。続いてＣＰＵは、圧電アクチュエータ２２の変位をプラス側へ１ステップだけ変化させてから撮像装置１２を駆動して画像データＩａ₂を取得する。続いてＣＰＵは、圧電アクチュエータ２２をマイナス側へ２ステップだけ変位させてから撮像装置１２を駆動して画像データＩａ₃を取得する。その後、ＣＰＵは、圧電アクチュエータ２２の変位をゼロに戻す。

なお、本ステップにおけるＣＰＵは、圧電アクチュエータ２２の駆動タイミングと、撮像装置１２の駆動タイミングとを不図示の同期制御回路を介して制御することにより、必要な画像データＩａ₁、Ｉａ₂、Ｉａ₃を連続して取得する。これによって、一連の３つの画像データＩａ₁、Ｉａ₂、Ｉａ₃の取得速度は高く保たれる。

ステップＳ１５：ＣＰＵは、温度センサ２０１が検出する温度Ｔを参照し、その温度Ｔが前回値と異なるか否かを判別する。異なる場合はステップＳ１６へ移行し、同じであった場合はステップＳ１７へ移行する。

ステップＳ１６：ＣＰＵは、温度Ｔに応じてルックアップテーブルを参照し、その温度Ｔに対応付けられた適正周波数ｆを、現時点における適正周波数として読み出す。そして、ＣＰＵは、高周波交流電源１９Ａ−１が生成する交流電圧の周波数を、その適正周波数ｆに設定する。

ステップＳ１７：ＣＰＵは、切り換えスイッチ１９Ａ−２の接続先をトランスデューサ１８ｂの側に切り換えることにより、構造化照明の方向を第２方向Ｄｂに切り換える。

ステップＳ１８：ＣＰＵは、圧電アクチュエータ２２の１ステップ分のストロークを２Δに切り換える。続いてＣＰＵは、圧電アクチュエータ２２の変位をゼロに配置してから撮像装置１２を駆動して画像データＩｂ₁を取得する。続いてＣＰＵは、圧電アクチュエータ２２の変位をプラス側へ１ステップだけ変化させてから撮像装置１２を駆動して画像データＩｂ₂を取得する。続いてＣＰＵは、圧電アクチュエータ２２をマイナス側へ２ステップだけ変位させてから撮像装置１２を駆動して画像データＩｂ₃を取得する。その後、ＣＰＵは、圧電アクチュエータ２２の変位をゼロに戻す。

なお、本ステップにおけるＣＰＵは、圧電アクチュエータ２２の駆動タイミングと、撮像装置１２の駆動タイミングとを不図示の同期制御回路を介して制御することにより、必要な画像データＩｂ₁、Ｉｂ₂、Ｉｂ₃を連続して取得する。これによって、一連の３つの画像データＩｂ₁、Ｉｂ₂、Ｉｂ₃の取得速度は高く保たれる。

ステップＳ１９：ＣＰＵは、温度センサ２０１が検出する温度Ｔを参照し、その温度Ｔが前回値と異なるか否かを判別する。異なる場合はステップＳ２０へ移行し、同じであった場合はステップＳ２１へ移行する。

ステップＳ２０：ＣＰＵは、温度Ｔに応じてルックアップテーブルを参照し、その温度Ｔに対応付けられた適正周波数ｆを、現時点における適正周波数として読み出す。そして、ＣＰＵは、高周波交流電源１９Ａ−１が生成する交流電圧の周波数を、その適正周波数ｆに設定する。

ステップＳ２１：ＣＰＵは、切り換えスイッチ１９Ａ−２の接続先をトランスデューサ１８ｃの側に切り換えることにより、構造化照明の方向を第３方向Ｄｃに切り換える。

ステップＳ２２：ＣＰＵは、圧電アクチュエータ２２の１ステップ分のストロークを−２Δに切り換える。続いてＣＰＵは、圧電アクチュエータ２２の変位をゼロに設定してから撮像装置１２を駆動して画像データＩｃ₁を取得する。続いてＣＰＵは、圧電アクチュエータ２２をプラス側へ１ステップだけ移動させてから撮像装置１２を駆動して画像データＩｃ₂を取得する。続いてＣＰＵは、圧電アクチュエータ２２をマイナス側へ２ステップだけ移動させてから撮像装置１２を駆動して画像データＩｃ₃を取得する。その後、ＣＰＵは、圧電アクチュエータ２２の変位をゼロに戻し、フローを終了する。

なお、本ステップにおけるＣＰＵは、圧電アクチュエータ２２の駆動タイミングと、撮像装置１２の駆動タイミングとを不図示の同期制御回路を介して制御することにより、必要な画像データＩｃ₁、Ｉｃ₂、Ｉｃ₃を連続して取得する。これによって、一連の３つの画像データＩｃ₁、Ｉｃ₂、Ｉｃ₃の取得速度は高く保たれる。

そして、以上のフローにより取得された一連の９つの画像データＩａ₁、Ｉａ₂、Ｉａ₃、Ｉｂ₁、Ｉｂ₂、Ｉｂ₃、Ｉｃ₁、Ｉｃ₂、Ｉｃ₃は、画像記憶・演算装置１３へ取り込まれる。

画像記憶・演算装置１３は、一連の３つの画像データＩａ₁、Ｉａ₂、Ｉａ₃に対して線形演算からなる分離演算を施すことにより、構造化照明の構造情報を含まない画像データＩａを取得し、その画像データＩａに対して復調係数の乗算からなる復調演算を施すことにより、第１方向Ｄａに亘る超解像画像の復調画像データＩａ’を取得する。

また、画像記憶・演算装置１３は、一連の３つの画像データＩｂ₁、Ｉｂ₂、Ｉｂ₃に対して線形演算からなる分離演算を施すことにより、構造化照明の構造情報を含まない画像データＩｂを取得し、その画像データＩｂに対して復調係数の乗算からなる復調演算を施すことにより、第２方向Ｄｂに亘る超解像画像の復調画像データＩｂ’を取得する。

また、画像記憶・演算装置１３は、一連の３つの画像データＩｃ₁、Ｉｃ₂、Ｉｃ₃に対して線形演算からなる分離演算を施すことにより、構造化照明の構造情報を含まない画像データＩｃを取得し、その画像データＩｃに対して復調係数の乗算からなる復調演算を施すことにより、第３方向Ｄｃに亘る超解像画像の復調画像データＩｃ’を取得する。

そして画像記憶・演算装置１３は、３つの復調画像データＩａ’、Ｉｂ’、Ｉｃ’を波数空間上で合成してから再び実空間に戻すことにより、第１方向Ｄａ、第２方向Ｄｂ、第３方向Ｄｃに亘る超解像画像の画像データＩを取得し、その画像データＩを画像表示装置１４へ送出する。したがって、画像表示装置１４には、標本面１０の蛍光領域の構造を詳細に示す超解像画像が表示される。

ここで、上述したステップＳ１３、Ｓ１７、Ｓ２１では構造化照明の方向が切り換えられるが、その切り換えでは、切り換えスイッチ１９Ａ−２の接続状態を電気的に変更するだけなので、その切り換えに要する時間は短く、電源を含む回路系の時定数込みでも１０ｍｓ以下に抑えられる。

また、上述したステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１５、Ｓ１６、Ｓ１９、Ｓ２０では、超音波光変調器３の温度に応じて交流電圧の周波数が調節されるが、この調節に要する時間も極めて短い。

したがって、一連の９つの画像データＩａ₁、Ｉａ₂、Ｉａ₃、Ｉｂ₁、Ｉｂ₂、Ｉｂ₃、Ｉｃ₁、Ｉｃ₂、Ｉｃ₃の取得に要する時間は、構造化照明の方向を切り換えるために回折格子又は標本の回転及び静止を繰り返す場合と比較して、格段に短く抑えられる。

因みに回折格子又は標本を回転モータによって回転させる方法では、それを停止させるまでの時間や、停止後に振動が収まるまでの待機時間が長く、一連の９つの画像データＩａ₁、Ｉａ₂、Ｉａ₃、Ｉｂ₁、Ｉｂ₂、Ｉｂ₃、Ｉｃ₁、Ｉｃ₂、Ｉｃ₃の取得速度を向上させるのは困難であった。

また、上述したステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１５、Ｓ１６、Ｓ１９、Ｓ２０では、超音波光変調器３の温度に応じて交流電圧の周波数が調節されるので、その周波数を常に適正周波数に保ち、構造化照明のコントラストを常に高く保つことができる。

したがって、一連の９つの画像データＩａ₁、Ｉａ₂、Ｉａ₃、Ｉｂ₁、Ｉｂ₂、Ｉｂ₃、Ｉｃ₁、Ｉｃ₂、Ｉｃ₃には、標本面１０の蛍光領域の構造の情報が正確に反映される。よって、前述した超解像画像の取得精度は高く保たれる。

また、本実施形態では、図４に示したとおり構造化照明の方向は３通りであるにも拘わらず圧電アクチュエータ２２は１つしか備えられない。よって、超音波光変調器３の周辺の構成はシンプルである。

さらに本実施形態では、光軸上の同一位置において、方向の異なる複数の回折格子を切り換え可能に形成することができるので、構造化照明の方向を切り換えても焦点位置の再調整等が不要であり、高いコントラストと画像取得時間の短縮を同時に実現することができる。

しかも、上述したステップＳ１４、Ｓ１８、Ｓ２２によると、超音波光変調器３の変調方向に応じて圧電アクチュエータ２２の１ステップ分のストロークが切り換えられるので、構造化照明の方向が第１方向Ｄａであるときにおける位相シフト量と、構造化照明の方向が第２方向Ｄｂであるときにおける位相シフト量と、構造化照明の方向が第３方向Ｄｃであるときにおける位相シフト量とは、等しくなる。

したがって、画像記憶・演算装置１３は、一連の３つの画像データＩａ₁、Ｉａ₂、Ｉａ₃に対して施すべき演算と、一連の３つの画像データＩｂ₁、Ｉｂ₂、Ｉｂ₃に対して施すべき演算と、一連の３つの画像データＩｃ₁、Ｉｃ₂、Ｉｃ₃に対して施すべき演算とを共通化することができる。

その結果、本実施形態によれば、超音波光変調器３の周辺の構成をシンプルに抑えながら、画像記憶・演算装置１３の回路規模の拡大を防ぐことができる。

［第１の実施形態の補足］
なお、本実施形態のＣＰＵは、一連の３つの画像データ（画像データＩａ₁、Ｉａ₂、Ｉａ₃、又は画像データＩｂ₁、Ｉｂ₂、Ｉｂ₃、又は画像データＩｃ₁、Ｉｃ₂、Ｉｃ₃）を取得する毎に周波数調節を行ったが、所定期間毎に周波数調節を行ってもよい。或いは、超音波光変調器３に対する連続通電期間を測定し、連続通電期間が所定期間に達する毎に周波数調節を行ってもよい。但し、何れの場合であっても、一連の３つの画像データ（画像データＩａ₁、Ｉａ₂、Ｉａ₃、又は画像データＩｂ₁、Ｉｂ₂、Ｉｂ₃、又は画像データＩｃ₁、Ｉｃ₂、Ｉｃ₃）の取得途中で周波数が変更されないことが望ましい。

また、本実施形態のＣＰＵは、超音波光変調器３の温度に応じて交流電圧の周波数を調節したが、周波数の代わりに、或いは周波数に加えて、交流電圧の振幅を調節してもよい。交流電圧の周波数を固定した場合や、交流電圧の周波数調節が不足した場合には、超音波が定在波から外れ、構造化照明のコントラストが低下する可能性がある。しかし、その場合に交流電圧の振幅を高めに設定すれば、構造化照明の強度が高まるので、前述した演算誤差の増大を、或る程度抑えることができる。

また、本実施形態のＣＰＵは、超音波光変調器３の温度に応じて交流電圧の周波数を調節したが、周波数の代わりに、或いは周波数に加えて、撮像装置１２の電荷蓄積時間を調節してもよい。なぜなら、交流電圧の周波数を固定した場合や、交流電圧の周波数調節が不足した場合には、超音波が定在波から外れ、構造化照明のコントラストが低下する可能性がある。しかし、その場合に撮像装置１２の電荷蓄積時間を長めに設定すれば、蛍光像を高い露出で検出することができるので、前述した演算誤差の増大を、或る程度抑えることができる。

また、本実施形態の超音波光変調器３の音響光学媒体１５の形状は、正六角柱状であったが、互いに相対する側面対が複数存在する他の形状、例えば、正四角柱状、正八角柱状などであってもよい。

因みに、音響光学媒体１５の形状が正四角柱状である場合、トランスデューサの個数は２となり、超音波光変調器３の変調方向は、互いに９０°ずつ異なる２方向となる。また、音響光学媒体１５の形状が正八角柱状である場合、トランスデューサの個数は４となり、超音波光変調器３の変調方向は、互いに４５°ずつ異なる４方向となる。

但し、音響光学媒体１５の形状は正六角柱状であることが、画像取得効率の点で望ましい。なぜなら、超音波光変調器３の変調方向を互いに６０°ずつ異なる３方向とすれば、取得すべき画像データの数が少ない割に取得できる情報量が多い（複数の復調画像データの波数空間における分布域が広い）からである。

［第２の実施形態］
以下、本発明の第２の実施形態について図を用いて説明する。本実施形態は、第１の実施形態の変形例である。ここでは、第１の実施形態との相違点のみ説明する。

相違点は、超音波光変調器３に放熱機能が付加された点にある。その代わりに、本実施形態において周波数調節（又は振幅調節又は電荷蓄積時間調節）の頻度は、第１の実施形態におけるそれよりも低減される。或いは、周波数調節（又は振幅調節又は電荷蓄積時間調節）は省略される。

図９は、第２の実施形態における超音波光変調器３の周辺を光軸方向から見た図であり、図１０は、図９のＸ−Ｘ’面（光軸と平行でありトランスデューサ１８ｂ、１８ｃを横切る平面）で超音波光変調器３を切断してできる断面図である。

図９、図１０に示す支持枠２１’は、アルミニウムなどの熱伝導率の高い材質で構成されており、支持枠２１’と超音波光変調器３との間に介在するパッド２０’は、超音波光変調器３の熱を支持枠２１’に向けて伝導するパッド型放熱材である。パッド２０’の熱伝導率は、例えば１．７Ｗ／ｍＫであり、パッド２０’の厚さは、例えば０．５ｍｍである（このような仕様のパッドとして、３Ｍ製の５５０３Ｓがある。）。

また、図１０に示すとおり、支持枠２１’の表面には、超音波光変調器３の光路を妨げない範囲でペルチェ素子３００が貼付されている。このペルチェ素子３００は、支持枠２１’の熱を空気側へと放熱する働きがある。

したがって、ペルチェ素子３００と、支持枠２１’と、パッド２０’とからなる機構には、超音波光変調器３で発生した熱を超音波光変調器３から離れた空間へと放熱する働きがある。

具体的に、１００秒間通電したときの超音波光変調器３の温度上昇量は、この放熱機能を有しなかった場合は５．５℃であるのに対し、放熱機能を有した場合は０．６℃程度に収まることが期待できる。したがって、本実施形態では、前述した交流電圧の適正周波数は殆ど変化しないとみなせる（図７参照）。

その結果、本実施形態では、周波数調節（又は振幅調節又は電解蓄積時間調節）の頻度を低減、或いは周波数調節（又は振幅調節又は電荷蓄積時間調節）を省略したとしても、超解像画像の取得精度を第１の実施形態と同程度に保つことができる。

［本発明を例示する構造化顕微鏡装置等の補足］
なお、本発明を例示する構造化照明顕微鏡装置において、前記超音波光変調器は、互いに対向する平行な側面対を複数有し、かつ光軸上に中心軸を配した柱状の音響光学媒体と、前記音響光学媒体の複数の側面対の各々の間に超音波を生起させる複数の超音波トランスデューサとを備えてもよい。

また、本発明を例示する構造化照明顕微鏡装置において、被観察物上に投影される干渉縞は、回折格子により生成される複数の光束のうち３つ以上の光束を用いて形成されるものであっても良い。

また、本発明を例示する構造化照明顕微鏡装置は、前記複数の超音波トランスデューサの何れか１つへ与えるべき駆動信号として正弦波状に時間変化する駆動信号を生成する信号生成手段と、前記信号生成手段が生成した駆動信号の入力先を前記複数の超音波トランスデューサの間で切り換える切換手段とを更に備えてもよい。

また、本発明を例示する構造化照明顕微鏡装置において、前記信号生成手段が生成する駆動信号の周波数は、前記音響光学媒体中に生起する超音波を定在波にするための周波数に設定されてもよい。

また、本発明を例示する構造化照明顕微鏡装置は、前記音響光学媒体の温度を検出する温度センサと、前記画像検出器の露出量を、前記温度センサが検出する温度に応じて調節する調節手段とを更に備えてもよい。

また、本発明を例示する構造化照明顕微鏡装置は、前記音響光学媒体で発生した熱を放熱する放熱手段を更に備えてもよい。

また、本発明を例示する構造化照明顕微鏡装置において、前記位相変化手段は、前記複数の方向の全てに対して非垂直な方向へ前記超音波光変調器をステップ移動させてもよい。

また、本発明を例示する構造化照明顕微鏡装置において、前記位相変化手段は、前記超音波光変調器の変調方向に応じて１ステップ分のストロークを変更してもよい。

［第３の実施形態］
以下、本発明の第３の実施形態について図を用いて説明する。本実施形態は、第１の実施形態の変形例である。ここでは、第１の実施形態との相違点のみを説明する。

図１１は、本実施形態の構造化照明顕微鏡システムの構成図である。図１１に示すとおり、本実施形態では、圧電アクチュエータ２２が省略されており、構造化照明の位相をシフトさせる機能を、制御装置１９が担っている。

制御装置１９は、超音波光変調器３の超音波伝搬路Ｒに生起する超音波定在波を制御することにより、構造化照明の位相シフト量を２π／３ずつステップ状に変化させる（詳細は後述。）。そして、制御装置１９は、構造化照明の位相が各状態にあるときに撮像装置１２を駆動して３種類の画像データＩ_−１、Ｉ_０、Ｉ_＋１を取得し、それらの画像データＩ_−１、Ｉ_０、Ｉ_＋１を順次に画像記憶・演算装置１３へ送出する。

画像記憶・演算装置１３は、取り込まれた画像データＩ_−１、Ｉ_０、Ｉ_＋１に対して分離演算を施すことにより、構造化照明の構造情報の除去された画像データＩを取得する。さらに画像記憶・演算装置１３は、その画像データＩに対して復調演算を施すことにより、蛍光領域の構造情報の空間周波数が実際の空間周波数に戻された画像データＩ’を取得し、その画像データＩ’を画像表示装置１４へ送出する。したがって、画像表示装置１４には、対物レンズ９の解像限界を超えた解像画像（超解像画像）が表示される。

図１２（Ａ）は、超音波伝搬路Ｒ内に生起する超音波定在波のパターンを示す模式図であり、図１２（Ｂ）は、それに対応する構造化照明のパターン（明部及び暗部の配置）を示す模式図である（但し、超音波伝搬路Ｒのパターンのうち、実際の構造化照明に反映されるのは、有効な光束が通過する部分のパターンのみである。）。また、図１２（Ａ）では、説明をわかりやすくするため、超音波伝搬路Ｒに生起する超音波定在波の波本数を実際よりも少ない「２」とした。

図１２（Ａ）に示すとおり、超音波定在波の波本数（位相変化２πで波本数１本とカウントする）が「２」であるときには、図１２（Ｂ）に示すとおり、±１次光の干渉による構造化照明の縞本数（明部又は暗部の本数）は「４」となる。つまり、構造化照明の縞本数は、それに対応する超音波定在波の波本数の２倍となる。

したがって、図１２（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）に示すとおり超音波定在波の波本数を２、（２＋１／２）、３のように１／２ずつ３通りに変化させたならば（即ち、超音波定在波の波長を変化させたならば）、それに対応する構造化照明の縞本数は４、５、６のように１ずつ３通りに変化する。

ここで、図１２中に白矢印で示すとおり超音波伝搬路Ｒの一端から１／２だけずれた部分のみに着目すると、その着目部分に対応する構造化照明の位相は、「π」ずつ３通りに変化している。

また、図１２中に黒矢印で示すとおり超音波伝搬路Ｒの一端から１／３だけずれた部分のみに着目すると、その着目部分に対応する構造化照明の位相は、「２π／３」ずつ３通りに変化している。

よって、仮に、超音波伝搬路Ｒに対する光の入射領域を白矢印で示した位置のみに制限したならば、超音波定在波の波本数を１／２ずつ変化させるだけで、構造化照明の位相を「π」ずつ変化させることができる。

また、仮に、超音波伝搬路Ｒに対する光の入射領域を黒矢印で示した位置のみに制限したならば、超音波定在波の波本数を１／２ずつ変化させるだけで、構造化照明の位相を「２π／３」ずつ変化させることができる。

そこで本実施形態では、１ステップ当たりの位相シフト量を２π／３とするべく、図１３（Ａ）に示すとおり、超音波伝搬路Ｒへ入射する光のスポット（有効径）Ｓの中心から超音波伝搬路Ｒの一端までの距離Ｄは、超音波伝搬路Ｒの伝搬方向の長さＬの１／３倍に設定される（Ｄ＝Ｌ／３）。

但し、超音波伝搬路Ｒに生起する超音波定在波の波本数が１／２だけ変化すると、スポットＳの内部に生起する超音波定在波の波本数も少しずれるので、図１３（Ｂ）に示すとおりスポットＳに対応する構造化照明Ｓ’の縞本数も少しずれてしまう（但し、図１３に示した波パターン及び縞パターンは模式図であって、波本数及び縞本数は実際の本数に一致しているとは限らない。）。

そこで本実施形態では、超音波伝搬路Ｒの長さＬは、構造化照明Ｓ’の縞本数のズレがほぼゼロとみなせるよう、スポットＳの径φに比べて十分に大きく設定される。

具体的には、超音波伝搬路Ｒの長さＬと、スポットＳの径φとは、構造化照明Ｓ’の縞本数のズレの許容量δとに対して、φ／Ｌ＜δの関係を満たすように設定される。例えば、構造化照明Ｓ’の縞本数のズレを０．１５本以下に抑える必要があったならば、その関係式は、φ／Ｌ≦０．１５となる。

また、超音波光変調器３の超音波伝搬路Ｒ上でスポットＳの径φがφ／Ｌ＜δの関係を必ずしも満たしてなくてもよく、例えば、超音波光変調器３から射出した±１次回折光を視野絞り５Ｂで絞った場合は、超音波伝搬路Ｒの長さＬ、標本面１０における照明領域（観察領域、視野領域）の直径φ’、標本面１０から超音波光変調器３への光学倍率ｍが、構造化照明Ｓ’の縞本数のズレの許容量δに対して、φ’×ｍ／L＜δの関係を満たすように設定されればよい。

本実施形態では、スポットＳの径φを４ｍｍと仮定する。この場合、超音波伝搬路Ｒの長さＬを３０ｍｍに設定すれば、図１３（Ｃ）に示すとおり、構造化照明Ｓ’の両端における縞のズレは、０．０６８本分程度に抑えられ、構造化照明Ｓ’の全域における縞本数のズレは０．６８＋０．６８＝０．１３本程度に抑えられる。なお、図１３（Ｃ）において点線で示したのは構造化照明Ｓ’の理想パターン（縞本数のズレがゼロである場合のパターン）であり、実線で示したのは構造化照明Ｓ’の実際のパターンであるが、わかりやすくするために両者のずれを強調して描いた。

図１４は、超音波光変調器３の構成図である。図１４（Ａ）は、超音波光変調器３を正面（光軸方向）から見た図であり、図１４（Ｂ）は、超音波光変調器３を側面（光軸に垂直な方向）から見た図である。

図１４に示すように、超音波光変調器３は、音響光学媒体１５を備え、その音響光学媒体１５は、互いに対向する平行な側面対を３対有した角柱状に整えられている。これら３対の側面対の各々の一方に３つのトランスデューサ１８ａ、１８ｂ、１８ｃが個別に設けられており、これによって１つの音響光学媒体１５内に３つの超音波伝搬路が形成される。以下、トランスデューサ１８ａの形成面とそれに相対する側面１５ａとの間に形成される超音波伝搬路を「超音波伝搬路Ｒａ」とおき、トランスデューサ１８ｂの形成面とそれに相対する側面１５ｂとの間に形成される超音波伝搬路を「超音波伝搬路Ｒｂ」とおき、トランスデューサ１８ｃの形成面とそれに対応する側面１５ｃとの間に形成される超音波伝搬路を「超音波伝搬路Ｒｃ」とおく。

なお、音響光学媒体１５の材質は、例えば石英ガラス、テルライトガラス、重フリントガラス、フリントガラスなどであり、３対の側面対及び２つの底面は、それぞれ十分な精度で研磨されている。

ここで、３つの超音波伝搬路Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃの各々の長さＬは共通であり（Ｌ＝３０ｍｍ）、その長さＬは前述したスポットＳの径φに対して前述した条件を満たしている。また、３つの超音波伝搬路Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃは、各々の一端からＬ／３だけ離れた位置において６０°ずつ異なる角度で交差している。その交差位置に前述したスポットＳの中心が位置する。

トランスデューサ１８ａは、圧電体１６ａと、圧電体１６ａの上下面に個別に形成された２つの電極１７ａとを有した超音波トランスデューサであり、そのうち一方の電極１７ａを介して音響光学媒体１５の１つの側面に接合されている。このトランスデューサ１８ａの２つの電極１７ａの間に高周波の交流電圧が印加されると、圧電体１６ａが厚み方向に振動し、超音波伝搬路Ｒａ内を平面超音波が往復する。２つの電極１７ａの間に印加される交流電圧の周波数が特定の周波数（適正周波数）に設定された場合、その超音波は定在波となるので、超音波伝搬路の屈折率には、超音波の伝搬方向にかけて正弦波状の分布が付与される。これによって、超音波伝搬路Ｒａは、超音波の伝搬方向と垂直な位相格子を持った位相型回折格子となる。以下、この超音波伝搬路Ｒａの伝搬方向を、「第１方向」と称す。

また、トランスデューサ１８ｂも、トランスデューサ１８ａと同じ構成をしており、圧電体１６ｂと、圧電体１６ｂの上下面に個別に形成された２つの電極１７ｂとを有し、そのうち一方の電極１７ｂを介して音響光学媒体１５の１つの側面に接合されている。

したがって、トランスデューサ１８ｂの２つの電極１７ｂの間に適正周波数の交流電圧が印加されると、超音波伝搬路Ｒｂ内を平面超音波が伝搬するので、超音波伝搬路Ｒｂは、超音波の伝搬方向と垂直な位相格子を持った位相型回折格子となる。以下、この超音波伝搬路Ｒｂの伝搬方向を、「第２方向」と称す。この第２方向は、第１方向に対して６０°の角度を成す。

また、トランスデューサ１８ｃも、トランスデューサ１８ａと同じ構成をしており、圧電体１６ｃと、圧電体１６ｃの上下面に個別に形成された２つの電極１７ｃとを有し、そのうち一方の電極１７ｃを介して音響光学媒体１５の１つの側面に接合されている。

したがって、トランスデューサ１８ｃの２つの電極１７ｃの間に適正周波数の交流電圧が印加されると、超音波伝搬路Ｒｃ内を平面超音波が伝搬するので、超音波伝搬路Ｒｃは、超音波の伝搬方向と垂直な位相格子を持った位相型回折格子となる。以下、この超音波伝搬路Ｒｃの伝搬方向を、「第３方向」と称す。この第３方向は、第１方向に対して−６０°の角度を成す。

図１５は、超音波光変調器３の駆動回路１９Ａを説明する図である。この駆動回路１９Ａは、図１１に示した制御装置１９の一部である。

図１５に示すとおり駆動回路１９Ａは、高周波交流電源１９Ａ−１と切り換えスイッチ１９Ａ−２とを備える。

高周波交流電源１９Ａ−１は、超音波光変調器３へ供給されるべき交流電圧を生成する。その交流電圧の周波数は、制御回路１９内のＣＰＵによって適正周波数（例えば、数十ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ内の何れかの値）に制御される。

本実施形態では、前述した構造化照明Ｓ’の位相シフト量を−２π／３、０、＋２π／３の３通りにステップ状に変化させるために、ＣＰＵは、その交流電圧の周波数を、周波数の異なる３通りの適正周波数ｆ_−１、ｆ_０、ｆ_＋１の間で切り換えることができるものとする。

例えば、適正周波数ｆ_０は、長さＬが３０ｍｍである超音波伝搬路Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃに１００本の超音波定在波（それに対応する構造化照明の縞本数は２００）を生起させるための適正周波数（８０ＭＨｚ）である。この適正周波数ｆ_０によると、構造化照明Ｓ’の位相シフト量はゼロとなる。

この場合、適正周波数ｆ_−１は、長さＬが３０ｍｍである超音波伝搬路Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃに（１００−１／２）本の超音波定在波（それに対応する構造化照明の縞本数は１９９）を生起させるための適正周波数（７９．９４６ＭＨｚ）となる。この適正周波数ｆ_−１によると、構造化照明Ｓ’の位相シフト量は−２π／３となる。

また、適正周波数ｆ_＋１は、長さＬが３０ｍｍである超音波伝搬路Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃに（１００＋１／２）本の超音波定在波（それに対応する構造化照明の縞本数は２０１）を生起させるための適正周波数（８０．０５４ＭＨｚ）となる。この適正周波数ｆ_＋１によると、構造化照明Ｓ’の位相シフト量は＋２π／３となる。

切り換えスイッチ１９Ａ−２は、高周波交流電源１９Ａ−１と超音波光変調器３との間に配置され、超音波光変調器３の側の接続先を、超音波光変調器３の３つのトランスデューサ１８ａ、１８ｂ、１８ｃの間で切り換えることが可能である。スイッチ１９Ａ−２の接続先は、制御装置１９内のＣＰＵによって適宜に切り換えられる。

切り換えスイッチ１９Ａ−２の接続先がトランスデューサ１８ａの側であるとき、交流電圧はトランスデューサ１８ａの２つの電極の間に印加されるので、３つの超音波伝搬路Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃのうち超音波伝搬路Ｒａのみが有効となる。

また、切り換えスイッチ１９Ａ−２の接続先がトランスデューサ１８ｂの側であるとき、交流電圧はトランスデューサ１８ｂの２つの電極の間に印加されるので、３つの超音波伝搬路Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃのうち超音波伝搬路Ｒｂのみが有効となる。

また、切り換えスイッチ１９Ａ−２の接続先がトランスデューサ１８ｃの側であるとき、交流電圧はトランスデューサ１８ｃの２つの電極の間に印加されるので、３つの超音波伝搬路Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃのうち超音波伝搬路Ｒｃのみが有効となる。

このように、有効な超音波伝搬路を３つの超音波伝搬路Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃの間で切り換えれば、構造化照明Ｓ’の方向を第１方向に対応する方向と、第２方向に対応する方向と、第３方向に対応する方向との間で切り換えることができる。

図１６は、第３の実施形態におけるＣＰＵの動作フローチャートである。以下、各ステップを順に説明する。

ステップＳ１１：ＣＰＵは、切り換えスイッチ１９Ａ−２の接続先を１番目のトランスデューサ（トランスデューサ１８ａ）の側に設定することにより、構造化照明Ｓ’の方向を第１方向に対応する方向に設定する。

ステップＳ１２：ＣＰＵは、高周波交流電源１９Ａ−１が生成する交流電圧の周波数を、適正周波数ｆ_−１に設定することにより、構造化照明Ｓ’の位相シフト量を−２π／３に設定する。

ステップＳ１３：ＣＰＵは、この状態で撮像装置１２を駆動して画像データＩ_−１を取得する。

ステップＳ１４：ＣＰＵは、高周波数交流電源１９Ａ−１が生成する交流電圧の周波数を、適正周波数ｆ_０に設定することにより、構造化照明Ｓ’の位相シフト量をゼロに設定する。

ステップＳ１５：ＣＰＵは、この状態で撮像装置１２を駆動して画像データＩ_０を取得する。

ステップＳ１６：ＣＰＵは、高周波数交流電源１９Ａ−１が生成する交流電圧の周波数を、適正周波数ｆ_＋１に設定することにより、構造化照明Ｓ’の位相シフト量を＋２π／３に設定する。

ステップＳ１７：ＣＰＵは、この状態で撮像装置１２を駆動して画像データＩ_＋１を取得する。

ステップＳ１８：ＣＰＵは、構造化照明Ｓ’の方向が前述した３方向の全てに設定済みであるか否かを判別し、設定済みで無い場合はステップＳ１９へ移行し、設定済みであった場合はフローを終了する。

ステップＳ１９：ＣＰＵは、切り換えスイッチ１９Ａ−２の接続先を切り換えることにより構造化照明Ｓ’の方向を切り換えてから、ステップＳ１２へ移行する。

以上のフローによると、第１方向に関する画像データＩａ_−１、Ｉａ_０、Ｉａ_＋１と、第２方向に関する画像データＩｂ_−１、Ｉｂ_０、Ｉｂ_＋１と、第３方向に関する画像データＩｃ_−１、Ｉｃ_０、Ｉｃ_＋１とが取得される。これらの画像データは、画像記憶・演算装置１３へ取り込まれる。

画像記憶・演算装置１３は、一連の３つの画像データＩａ_−１、Ｉａ_０、Ｉａ_＋１に対して線形演算からなる分離演算を施すことにより、構造化照明Ｓ’の構造情報を含まない画像データＩａを取得し、その画像データＩａに対して復調係数の乗算からなる復調演算を施すことにより、第１方向に亘る超解像画像の復調画像データＩａ’を取得する。

また、画像記憶・演算装置１３は、一連の３つの画像データＩｂ_−１、Ｉｂ_０、Ｉｂ_＋１に対して線形演算からなる分離演算を施すことにより、構造化照明Ｓ’の構造情報を含まない画像データＩｂを取得し、その画像データＩｂに対して復調係数の乗算からなる復調演算を施すことにより、第２方向に亘る超解像画像の復調画像データＩｂ’を取得する。

また、画像記憶・演算装置１３は、一連の３つの画像データＩｃ_−１、Ｉｃ_０、Ｉｃ_＋１に対して線形演算からなる分離演算を施すことにより、構造化照明Ｓ’の構造情報を含まない画像データＩｃを取得し、その画像データＩｃに対して復調係数の乗算からなる復調演算を施すことにより、第３方向に亘る超解像画像の復調画像データＩｃ’を取得する。

そして画像記憶・演算装置１３は、３つの復調画像データＩａ’、Ｉｂ’、Ｉｃ’を波数空間上で合成してから再び実空間に戻すことにより、第１方向、第２方向、第３方向に亘る超解像画像の画像データＩを取得し、その画像データＩを画像表示装置１４へ送出する。したがって、画像表示装置１４には、標本面１０の蛍光領域の構造を詳細に示す超解像画像が表示される。

以上、本実施形態では、超音波伝搬路Ｒの長さＬと、スポットＳの径φと、超音波伝搬路Ｒの一端からスポットＳの中心までの距離Ｄとが、前述した最適な関係に設定されているので、超音波光変調器３に与える交流電圧の周波数を電気的に切り換えるだけで、構造化照明Ｓ’の位相を切り換えることできる。その切り換えに要する時間は短く、電源を含む回路系の時定数込みでも１０ｍｓ以下に抑えられる。

したがって、一連の画像データの取得に要する時間は、構造化照明Ｓ’の位相を切り換えるために光学素子又は標本を機械的に移動させる場合と比較して、格段に短く抑えられる。

また、本実施形態では、構造化照明Ｓ’の位相を切り換えるために、光学素子又は標本を機械的に移動させる必要が無いので、光学系周辺の構成をシンプルに抑えることができる。

また、本実施形態では、１つの音響光学媒体１５内に角度の異なる３つの超音波伝搬路Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃを形成したので、切り換えスイッチ１９Ａ−２の接続状態を電気的に変更するだけで、構造化照明Ｓ’の方向を切り換えることができる。その切り換えに要する時間は短く、電源を含む回路系の時定数込みでも１０ｍｓ以下に抑えられる。

したがって、一連の画像データの取得に要する時間は、構造化照明Ｓ’の方向を切り換えるために光学素子又は標本を機械的に回動させる場合と比較して、格段に短く抑えられる。

なお、本実施形態の音響光学媒体１５は、３つの超音波伝搬路Ｒａ、Ｒｂ、ＲｃをスポットＳの中心に関して非対称な関係で配置していたが（図１４参照）、例えば図１７に示すとおり対称な関係で配置してもよい。因みに、図１４に示す例の利点は、音響光学媒体１５の外形の凹凸が少ないところにあり、図１７に示す例の利点は、３つの超音波伝搬路Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃの環境が完全に一致するところにある。

また、上記説明では、超音波伝播路Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃの長さを共通とし、トランスデューサ１８ａ、１８ｂ、１８ｃに与えられる交流電圧の周波数の変化パターンを共通としたが、これに限定されることは無い。

また、上記説明では、トランスデューサ１８ａ、１８ｂ、１８ｃの各々に与えられる交流電圧の周波数の変化パターンを、超音波定在波の波本数が１／２本ずつ変化するようなパターンとしたが、これに限定されることは無い。

また、上記説明では、第１方向及び第２方向及び第３方向の各々の構造化照明Ｓ’の位相シフトピッチを２π／３とするために、スポット（有効径）Ｓの中心から超音波伝搬路Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃの各々の端部までの距離Ｄは、超音波伝搬路Ｒの伝搬方向の長さＬの１／３倍に設定した（Ｄ＝Ｌ／３）が、これに限定されることはない。

具体的には、超音波伝播路Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃの各々は以下の条件を個別に満たしていればよい。

先ず、トランスデューサに与えられる交流電圧の周波数の変化パターンは、超音波定在波の波本数がＭ／２本ずつ変化するようなパターンであればよい（但し、｜Ｍ｜は１以上の整数）。

また、構造化照明Ｓ’の位相シフトピッチを任意の値Δψに設定するために、超音波伝搬路の何れか一方の端部から部分領域（例えばスポットＳ）の中心までの距離Ｄと、超音波伝搬路の全長Ｌとは、Ｄ：Ｌ＝Δψ／Ｍ：２πの関係を満たせばよい。

なお、標本面１０に干渉縞を形成するために、超音波光変調器３の超音波伝搬路Ｒ上で射出光束の通過領域（スポット）が、必ずしも超音波伝搬路Ｒの両端から離れた部分領域に制限されていなくともよく、例えば、超音波伝搬路Ｒを通過した光束を視野絞り５Ｂで絞った場合は、標本面１０における照明領域（観察領域、視野領域）に形成される干渉縞（構造化照明Ｓ’）に寄与する射出光束が通過したであろう超音波伝搬路Ｒの部分領域が、Ｄ：Ｌ＝Δψ／Ｍ：２πの関係を満たしていればよい。

因みに、Ｍ＝１とすれば、超音波定在波の本数が１／２本ずつしか変化しないので、その変化に起因して構造化照明Ｓ’の縞本数に生じるズレを極めて小さく抑えることができる。

また、Δψ＝２π／ｋ（但し、｜ｋ｜は２以上の整数）とすれば、上述した分離演算に必要な画像データ（複数枚の画像データ）を確実に取得することができる（なお、上記の説明では、位相シフトピッチΔψを２π／３としたので、画像データの必要枚数は３であったが、位相シフトピッチΔψが他の値であった場合には、画像データの必要枚数が３以外になることもある。）。

なお、本実施形態では、第１の実施形態の変形例を説明したが、第２の実施形態を同様に変形してもよいことは言うまでもない。

［第４の実施形態］
以下、本発明の第４の実施形態について図を用いて説明する。本実施形態は、面形状測定装置の実施形態である。

図１８は、本実施形態の面形状測定装置（パターン投影型の面形状測定装置）の構成図である。図１８に示すとおり面形状測定装置には、可干渉光源（レーザ光源）１１１と、制御装置１９’と、レンズ１１３と、ピンホール部材１１４と、超音波光変調器３’と、コリメータレンズＬと、撮像部１２０とが配置される。図１８中に符号１０’で示すのは、不図示のステージに配置された測定物の表面（測定対象面）１０’である。このうち、可干渉光源１１１と、レンズ１１３と、ピンホール部材１１４と、超音波光変調器３’と、コリメータレンズＬと、制御装置１９’とが、測定対象面１０’へ縞パターンを投影する投影部であり、不図示のステージの基準面に対して光軸が斜めになるように配置されている。

超音波光変調器３’には、第３実施形態で説明した超音波光変調器と同様の超音波光変調器が適用される。前述したＬ、φ、Ｄ、Ｍ、Δψ、ｋなどの各パラメータは、第３実施形態と同様の最適な関係に設定されている。但し、本実施形態の超音波光変調器３’は光の分岐方向を切り換える必要が無いので、例えば図１９に示すとおり超音波光変調器３’の音響光学媒体１５’を四角柱状にし、その内部に形成される超音波伝搬路Ｒの数を１としても構わない。

超音波光変調器３’は、第３実施形態と同様、超音波伝搬路Ｒに超音波定在波を生起させることによって位相型回折格子の働きをする。超音波光変調器３’で分岐した回折光は、測定対象面１０’上に干渉縞を形成する。

制御装置１９’は、超音波光変調器３’に与える交流電圧の周波数を第３実施形態で説明したのと同様のパターンで切り換えることが可能である。これによって、測定対象面１０’に投影される縞の位相は、第３実施形態における構造化照明Ｓ’の位相と同様に切り換わる。

撮像部１２０は、不図示のステージの基準面に対して光軸が垂直となるように配置されており、縞の投影された測定対象面１０’の像を撮像する。この撮像部１２０は、測定対象面１０’からの反射光を結像する結像光学系と、測定対象面１０’の画像を撮像する撮像素子とを有している。

撮像部１２０は、縞の位相が各状態にあるときに測定対象面１０’を撮像し、それによって取得した複数の画像データ（位相シフトピッチが２π／３であった場合は３つの画像データ）を不図示の演算装置へ送出する。その演算装置は、それら複数の画像データを所定の演算式（位相シフトピッチが２π／３であった場合は３バケット法の式）に当てはめることにより、測定対象面１０’の各位置の高さを算出する。

以上、本実施形態の面形状測定装置においては、測定対象面１０’上へ投影された縞の位相が切り換えられるが、その切り換えでは交流電圧の周波数を電気的に切り換えるだけである。

したがって、一連の画像データ（位相シフトピッチが２π／３であった場合は３つの画像データ）の取得に要する時間は、縞の位相を切り換えるために光学素子又は測定対象物を機械的に移動させる場合と比較して、格段に短く抑えられる。
なお、本実施形態の説明では、±１次回折光による干渉縞（２光束構造化照明）を標本面１０（光軸をZ方向とするとＸ-Ｙ面内）に形成する例を用いて説明しているが、本発明は、０次回折光及び±１次回折光による干渉縞（光軸方向にも干渉縞が形成される３光束構造化照明）を標本に形成する場合にも当然適用することができる。

また、本実施形態の説明では、±１次回折光による干渉縞の位相を変化させるために、超音波伝播路Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃで生起される超音波定在波の波本数、即ち、超音波定在波の波長を、所定のパターンで変化させる一つの方法として、超音波光変調器３のトランスデューサ１８ａ、１８ｂ、１８ｃに与えられる交流電圧の周波数を所定のパターンで変化させることを説明したが、この方法限られないことは言うまでもない。

すなわち、本実施形態では、第３の実施形態の超音波光変調器の応用例（面形状測定装置）を説明したが、第１の実施形態又は第２の実施形態の超音波光変調器を同様に応用してもよいことは言うまでもない。

１：光ファイバー、２：コレクタレンズ、３、３’：超音波光変調器、４：レンズ、５Ａ：０次光カットマスク、５Ｂ：視野絞り、９：対物レンズ、１０：標本面、１０’：測定対象面、１２：撮像装置、１３：画像記憶・演算装置、１９：制御装置、１４：画像表示装置、１５、１５’：音響光学媒体、１６：圧電体、１８：トランスデューサ、１９Ａ：駆動回路、１９Ａ−１：高周波交流電源、１９Ａ−２：切り換えスイッチ、２０，２０’：パッド、２１，２１’：支持枠、２２：圧電アクチュエータ、２０１：温度センサ、３００：ペルチェ素子

Claims (23)

1. 光源からの射出光束中に配置され、その射出光束を横切る方向に音波伝搬路を配した光変調器と、
   前記音波伝搬路の媒体を振動させるための駆動信号を前記光変調器へ与えることにより、前記音波伝搬路内に音波定在波を生起させる駆動手段と、
   前記音波伝搬路を通過した前記射出光束の互いに異なる回折成分を干渉させ、その干渉縞を被観察物に形成する照明光学系と
   を備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、
   前記駆動手段は、
   前記光変調器へ与える前記駆動信号の周波数を所定の周波数に設定することにより前記音波定在波を生起させる
   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、
   前記駆動信号の周波数、振幅の少なくとも１つを前記音波伝搬路の媒体の温度に応じて調節する調節手段を備える
   ことを特徴とする構造化照明装置。
4. 請求項３に記載の構造化照明装置において、
   前記音波伝搬路の媒体の温度を検出する温度センサを備え、
   前記調整手段は、
   前記温度センサが検出する前記温度に応じて前記駆動信号の周波数を調節する
   ことを特徴とする構造化照明装置。
5. 請求項３に記載の構造化照明装置において、
   前記音波伝搬路の媒体の温度を検出する温度センサを備え、
   前記調整手段は、
   前記温度センサが検出する前記温度に応じて前記駆動信号の振幅を調節する
   ことを特徴とする構造化照明装置。
6. 請求項1又は請求項２に記載の構造化照明装置において、
   前記音波伝搬路の媒体で発生した熱を放熱する放熱手段を備える
   ことを特徴とする構造化照明装置。
7. 請求項１〜請求項６のいず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変化させる位相変化手段を備える
   ことを特徴とする構造化照明装置。
8. 請求項７に記載の構造化照明装置において、
   前記位相変化手段は、
   前記光変調器を所定の方向に移動させる駆動装置である
   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、
   前記駆動装置は、
   前記音波定在波の方向に応じて移動量を変更する
   ことを特徴とする構造化照明装置。
10. 請求項7に記載の構造化照明装置において、
    前記干渉縞に寄与する前記射出光束は、
    前記音波伝搬路の両端から離れた所定の部分領域を通過したものであり、
    前記位相変化手段は、
    前記音波定在波の波長を所定のパターンで変化させることにより前記干渉縞の位相を変化させる前記駆動手段である
    ことを特徴とする構造化照明装置。
11. 請求項１０に記載の構造化照明装置において、
    前記駆動手段は、
    前記光変調器へ与える前記駆動信号の周波数を所定のパターンで変化させることにより前記音波定在波の波長を変化させる
    ことを特徴とする構造化照明装置。
12. 請求項１１に記載の構造化照明装置において、
    前記駆動手段は、
    前記音波定在波の全体の波本数がＭ／２本ずつ変化するようなパターンで前記周波数を変化させるものであり（但し、｜Ｍ｜は１以上の整数）、
    前記干渉縞の位相シフトピッチをΔψに設定する場合は、前記音波伝搬路の何れか一方の端部から前記部分領域までの距離Ｄと、前記音波伝搬路の全長Ｌとは、Ｄ：Ｌ＝Δψ／Ｍ：２πの関係を満たすように設定される
    ことを特徴とする構造化照明装置。
13. 請求項１２に記載の構造化照明装置において、
    Ｍ＝１である
    ことを特徴とする構造化照明装置。
14. 請求項１２又は請求項１３に記載の構造化照明装置において、
    Δψ＝２π／ｋ、
    但し、｜ｋ｜は２以上の整数である
    ことを特徴とする構造化照明装置。
15. 請求項１〜請求項１４の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
    前記光変調器は、
    前記部分領域で交差した複数の前記音波伝搬路を有する
    ことを特徴とする構造化照明装置。
16. 請求項１５に記載の構造化照明装置において、
    前記光変調器は、
    互い対向する平行な側面対を複数有した柱状の音響光学媒体と、それら複数の側面対の各々の間に形成される音波伝搬路へ音波定在波を生起させる複数の超音波トランスデューサとを備えた
    ことを特徴とする構造化照明装置。
17. 請求項１５に記載の構造化照明装置において、
    複数の前記音波伝搬路の配置関係は、
    前記照明光学系の光軸と直交する面内において互いに異なる複数の方向の間で前記干渉縞の方向が切り替え可能となるように設定されている
    ことを特徴とする構造化照明装置。
18. 請求項１６に記載の構造化照明装置において、
    前記複数の超音波トランスデューサのいずれか１つへ与える前記駆動信号を生成する信号生成手段と、
    前記信号生成手段が生成した前記駆動信号の入力先を前記複数の超音波トランスデューサの間で切り換える切換手段と
    を備えたことを特徴とする構造化照明装置。
19. 請求項１〜請求項１８の何れか一項に記載の構造化照明装置と、
    前記構造化照明装置により照明された前記被観察物からの観察光束を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。
20. 請求項１９に記載の構造化照明顕微鏡装置において、
    前記音波伝搬路の媒体の温度に応じて前記検出器の露出量を調節する調節手段を備えた
    ことを特徴とする構造化顕微鏡照明装置。
21. 請求項１９又は請求項２０に記載の構造化照明顕微鏡装置において、
    前記観察光束は、蛍光光束である
    ことを特徴とする構造化照明顕微鏡装置。
22. 請求項１９〜請求項２１の何れか一項に記載の構造化照明顕微鏡装置において、
    前記波長の切り換え中に前記検出器が順次に取得した複数の画像に基づき前記被観察物の超解像画像を算出する演算手段を備えた
    ことを特徴とする構造化照明顕微鏡装置。
23. 請求項１〜請求項１８の何れか一項に記載の構造化照明装置と、
    前記構造化照明装置により照明された前記被観察物の画像を検出する画像検出器と、
    前記波長の切り換え中に前記画像検出器が順次に取得した複数の画像に基づき前記被観察物の面形状を算出する演算手段と
    を備えたことを特徴とする面形状測定装置。

Images