JP6137324B2 - 照明装置及び構造化照明顕微鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、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、空間変調された照明光で被観察物を照明し、被観察物の構造に含まれる解像限界を超える高い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、空間照明のパターンを切り替え、互いに異なる照明パターンの下で得られた複数の変調像のデータ（以下、「変調画像」と称す。）へ演算を施すことにより、復調像のデータ（以下、「復調画像」又は「超解像画像」と称す。）を取得する。

米国再発行特許発明第３８３０７号明細書

本発明は、超解像画像（復調画像）の生成に必要な複数の変調画像の取得効率を向上させることを目的とする。

本発明の照明装置の一例は、光源からの光を複数の方向それぞれにおいて複数の光束に分岐する分岐部と、前記複数の光束から所定の方向の複数の光束を選択する光束選択部材とを有し、選択された前記複数の光束により生成される干渉縞で物体を照明する照明光学系と、前記光束選択部材を回動させる回動機構とを有する照明装置であって、前記光束選択部材の回動軸は、前記照明光学系の光軸から外れた位置に設けられ、前記回動軸を中心とする２以上の円の各周上には、光束を選択する選択部が所定の間隔で複数設けられ、前記分岐部により前記光が分岐される方向の角度周期は、第１の角度周期であり、少なくとも１つの前記円の周上に設けられた前記選択部の角度周期は、第２の角度周期であり、前記第２の角度周期は、前記第１の角度周期よりも小さい。
本発明の照明装置の他の例は、光源からの光を複数の方向それぞれにおいて複数の光束に分岐する分岐部と、前記複数の光束から所定の方向の複数の光束を選択する光束選択部材とを有し、選択された前記複数の光束により生成される干渉縞で物体を照明する照明光学系と、前記光束選択部材を回動させる回動機構とを有する照明装置であって、前記光束選択部材の回動軸は、前記照明光学系の光軸から外れた位置に設けられ、前記回動軸を中心とする２以上の円の各周上には、光束を選択する選択部が所定の間隔で複数設けられ、前記分岐部により前記光が分岐される方向の角度周期は、第１の角度周期であり、前記光束選択部材が回動する角度周期は、第２の角度周期であり、前記第２の角度周期は、前記第１の角度周期よりも小さい。

本発明の構造化照明装置の一例は、本発明の照明装置の一例または他の例と、前記干渉縞で空間変調された前記物体の変調像を形成する結像光学系と、前記結像光学系により形成された前記変調像を撮像して変調画像を生成する撮像素子とを備える。

構造化照明顕微鏡装置１の構成図である。 回折格子１３を説明する図である。 ０次光シャッタ２００、光束選択部材１８を説明する図である。 θ’＝０°における光束選択部材１８を説明する図である。 θ’＝２０°における光束選択部材１８を説明する図である。 θ’＝４０°における光束選択部材１８を説明する図である。 θ’＝６０°における光束選択部材１８を説明する図である。 θ’＝８０°における光束選択部材１８を説明する図である。 θ’＝１００°における光束選択部材１８を説明する図である。 偏光板２３及び１／２波長板１７の機能を説明する図である。 並進機構１５Ａの機能を説明する図である。 従来例のタイミングチャートである。 所要時間ｔ１、ｔ２の関係を説明する図である。

［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も適宜併せて説明する。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顕微鏡である。

先ず、構造化照明顕微鏡装置１の構成を説明する。

図１に示すとおり構造化照明顕微鏡装置１には、レーザユニット１００と、光ファイバ１１と、照明光学系１０と、結像光学系３０と、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。

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Ｏの方向における光ファイバ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。

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。

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。

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、０次光シャッタ２００と、１／２波長板１７と、光束選択部材１８と、回動機構２００Ａと、回動機構１７Ａと、回動機構１８Ａとが備えられる。なお、並進機構１５Ａ、回動機構２００Ａ、回動機構１７Ａ、回動機構１８Ａは、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。

なお、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、全液浸型（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。

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。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などである（詳細は後述）。

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２００Ａ、回動機構１７Ａ、回動機構１８Ａ、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、制御装置３９を介して与えられた画像に対して波長毎に復調演算を施し、演算後の画像（波長毎の超解像画像）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、レーザユニット１００のシャッタ１０３１、１０３２を制御することにより、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λ１と短い波長λ２との間で切り替えたり、光源波長を長い波長λ１と短い波長λ２との双方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を介して回折格子１３へ入射すると、各次数の回折光束（以下、「回折光束群」と称す。）に分岐される。この回折光束群は、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、集光レンズ１６の焦点位置（後ろ側焦点位置）であって、フィールドレンズ２７及びレンズ２５に関して後述する対物レンズ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。この瞳共役面６Ａ’にレンズ１６の焦点位置（後ろ側焦点位置）が一致するように、レンズ１６は配置されている。なお、「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。

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（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。

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。

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。

また、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である全反射条件（ＴＩＲＦ条件）を満たす。

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。

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。

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。

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、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、回折格子１３を詳しく説明する。

図２（Ａ）は、回折格子１３を光軸Ｏの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。また、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。

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。ここでは、回折格子１３は、６０°ずつ異なる第１方向Ｖ_１、第２方向Ｖ_２、第３方向Ｖ_３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、それら周期構造の周期は共通であると仮定する。

なお、回折格子１３の材質は、例えばガラスである。また、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。

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_１にかけて分岐した第１回折光束群と、第２方向Ｖ_２にかけて分岐した第２回折光束群と、第３方向Ｖ_３にかけて分岐した第３回折光束群とに変換される。

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し、０次回折光束は、光軸Ｏに沿って進行する。

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し、０次回折光束は、光軸Ｏに沿って進行する。

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し、０次回折光束は、光軸Ｏに沿って進行する。

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６Ａ’の互いに異なる位置に集光される。

そして、図２（Ｂ）に示すように、第１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_１に対応している。

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_２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。

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_３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。

また、図２（Ｂ）に示すように、第１〜第３回折光束群の各群の０次回折光束の集光点１４ａは、光軸Ｏ上に位置する。

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）によって並進移動が可能である。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_１、第２方向Ｖ_２、第３方向Ｖ_３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。）。

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、第１〜第３回折光束群に共通する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、第１〜第３回折光束群の各群の±１次回折光束の光路（集光点１４ｂ〜１４ｇ）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Ｏと平行、かつその光軸Ｏ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（Ａ）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、第１〜第３回折光束群の各群の±１次回折光束をオンしたまま０次回折光束のみをオン／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、第１〜第３回折光束群の各群の±１次回折光束の光路を遮ることは無いものとする。

また、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。なお、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、光束選択部材１８を詳しく説明する。

図３（Ｂ）は、光束選択部材１８を説明する図である。図３（Ｂ）に示すとおり光束選択部材１８は、円形の不透明基板（マスク用基板）に、複数の円形開口部１８ａ、複数の円形開口部１８ｂ、複数の円形開口部１８ｃ、複数の円形開口部１８ｄ、複数の円形開口部１８ｅ、複数の円形開口部１８ｆ、複数の円形開口部１８ｇを形成してなる空間フィルタである。

この光束選択部材１８は、回動機構１８Ａ（図１参照）によって回動可能であり、光束選択部材１８の回動軸は、照明光学系１０の光軸Ｏと平行であって、その光軸Ｏから外れている。因みに、光束選択部材１８の回動軸は、０次光シャッタ２００の軸ＡＲと一致している必要はないが、ここでは簡単のため軸ＡＲと一致していると仮定する。

なお、回動機構１８Ａには、例えば、光束選択部材１８を保持し、かつ軸ＡＲの周りに回転可能な回動軸と、その回動軸へ回動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、光束選択部材１８が軸ＡＲの周りに回転する。

また、このように光束選択部材１８の軸ＡＲを照明光学系１０の光軸Ｏから外しておけば、第１方向Ｖ_１に分岐した±１次回折光束（集光点１４ｄ、１４ｇ）から軸ＡＲまでの距離と、第２方向Ｖ_２に分岐した±１次回折光束（集光点１４ｃ、１４ｆ）から軸ＡＲまでの距離と、第３方向Ｖ_３に分岐した±１次回折光束（集光点１４ｂ、１４ｅ）から軸ＡＲまでの距離とを、互いにずらすことができる。

このようにすれば、第１方向Ｖ_１に分岐した±１次回折光束（集光点１４ｄ、１４ｇ）が光束選択部材１８に描く掃引軌道と、第２方向Ｖ_２に分岐した±１次回折光束（集光点１４ｃ、１４ｆ）が光束選択部材１８に描く掃引軌道と、第３方向Ｖ_３に分岐した±１次回折光束（集光点１４ｂ、１４ｅ）が光束選択部材１８に描く掃引軌道とを、互いに分離することができる。

ここでは、軸ＡＲまでの距離が全ての回折光束（全ての集光点１４ａ〜１４ｄ）の間でずれていると仮定する。この場合、全ての回折光束（全ての集光点１４ａ〜１４ｄ）の間で軌道が分離される。

図３（Ｂ）に示した軌道Ｏａは集光点１４ａの軌道であり、軌道Ｏｂは集光点１４ｂの軌道であり、軌道Ｏｃは集光点１４ｃの軌道であり、軌道Ｏｄは集光点１４ｄの軌道であり、軌道Ｏｅは集光点１４ｅの軌道であり、軌道Ｏｆは集光点１４ｆの軌道であり、軌道Ｏｇは集光点１４ｇの軌道である。

光束選択部材１８の軌道Ｏａ上には、１８個の開口部１８ａが２０°の角度周期で等間隔に配置されている。これら１８個の開口部１８ａは、光束選択部材１８が２０°回動する度に集光点１４ａを開放する。なお、この集光点１４ａは、光束選択部材１８の回動角に拘らず、前述した０次光シャッタ２００によって適宜に遮光することが可能であるが、図３（Ｂ）では０次光シャッタ２００によって遮光されていない状態を想定した。

光束選択部材１８の軌道Ｏｂ上には、６個の開口部１８ｂが６０°の角度周期で等間隔に配置されている。これら６個の開口部１８ｂは、光束選択部材１８が６０°回動する度に集光点１４ｂを開放する。

光束選択部材１８の軌道Ｏｃ上には、６個の開口部１８ｃが６０°の角度周期で等間隔に配置されている。これら６個の開口部１８ｃは、光束選択部材１８が６０°回動する度に集光点１４ｃを開放する。

光束選択部材１８の軌道Ｏｄ上には、６個の開口部１８ｄが６０°の角度周期で等間隔に配置されている。これら６個の開口部１８ｄは、光束選択部材１８が６０°回動する度に集光点１４ｄを開放する。

光束選択部材１８の軌道Ｏｅ上には、６個の開口部１８ｅが６０°の角度周期で等間隔に配置されている。これら６個の開口部１８ｅは、光束選択部材１８が６０°回動する度に集光点１４ｅを開放する。

光束選択部材１８の軌道Ｏｆ上には、６個の開口部１８ｆが６０°の角度周期で等間隔に配置されている。これら６個の開口部１８ｆは、光束選択部材１８が６０°回動する度に集光点１４ｆを開放する。

光束選択部材１８の軌道Ｏｇ上には、６個の開口部１８ｇが６０°の角度周期で等間隔に配置されている。これら６個の開口部１８ｇは、光束選択部材１８が６０°回動する度に集光点１４ｇを開放する。

また、個々の開口部１８ａ〜１８ｇのサイズは、個々の集光点（図３の符号１４ａ〜１４ｇ）のスポット相当のサイズに設定される。

但し、少なくとも±１次回折光束に関係する開口部（開口部１８ｂ〜１８ｇ）の各々のサイズは、光源波長の切り換え又は光源の多波長化に対処できるよう十分な大きさを有しているものとする。なぜなら、回折格子１３における±１次回折光束の回折角度は光源波長に依存するので、照明光学系１０の光軸Ｏから集光点１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇまでの高さは光源波長に依存する。因みに、光源波長をλとおき、回折格子１３の構造周期をＰとおき、レンズ１６の焦点距離をｆｃとおくと、照明光学系１０の光軸Ｏから集光点１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇまでの高さＤは、Ｄ∝２ｆｃλ／Ｐで表される。

また、軸ＡＲの周りにおける１８個の開口部１８ａの全体の形成位置と、軸ＡＲの周りにおける６個の開口部１８ｂの全体の形成位置と、軸ＡＲの周りにおける６個の開口部１８ｃの全体の形成位置と、回転軸ＡＲの周りにおける６個の開口部１８ｄの全体の形成位置と、軸ＡＲの周りにおける６個の開口部１８ｅの全体の形成位置と、軸ＡＲの周りにおける６個の開口部１８ｆの全体の形成位置と、軸ＡＲの周りにおける６個の開口部１８ｇの全体の形成位置との関係は、光束選択部材１８によって同時に開放される集光点が、第１方向Ｖ_１、第２方向Ｖ_２、第３方向Ｖ_３の何れか１方向に配列された集光点のみに制限されるように設定されている。図３（Ｂ）に示したのは、第１方向Ｖ_１に配列した集光点１４ｄ、１４ａ、１４ｇのみが開放された様子である。

以下、軸ＡＲの周りにおける光束選択部材１８の回動角をθ’とおき、図４に示すような回動角θ’をθ’＝０°とおく。また、光束選択部材１８によって開放される集光点の配列方向を光軸Ｏ周りの角度で表し、それを「光束選択角度θ」と称すると共に、図４に示すような光束選択角度θをθ＝０°とおく。

先ず、図４に示すとおり、光束選択部材１８の回動角θ’が０°であるとき、光束選択角度θは０°となる（集光点の配列方向は第１方向Ｖ_１）。

次に、図５に示すとおり、光束選択部材１８の回動角θ’が２０°であるとき、光束選択角度θは６０°となる（集光点の配列方向は第２方向Ｖ_２）。

次に、図６に示すとおり、光束選択部材１８の回動角θ’が４０°であるとき、光束選択角度θは１２０°となる（集光点の配列方向は第３方向Ｖ_３）。

次に、図７に示すとおり、光束選択部材１８の回動角θ’が６０°であるとき、光束選択角度θは１８０°となる（集光点の配列方向は第１方向Ｖ_１）。

次に、図８に示すとおり、光束選択部材１８の回動角θ’が８０°であるとき、光束選択角度θは２４０°となる（集光点の配列方向は第２方向Ｖ_２）。

次に、図９に示すとおり、光束選択部材１８の回動角θ’が１００°であるとき、光束選択角度θは３００°となる（集光点の配列方向は第３方向Ｖ_３）。

したがって、本実施形態では、光束選択部材１８を軸ＡＲの周りに２０°の角度周期で回動させるだけで、選択される回折光束の分岐方向を６０°の角度周期で回動させること（つまり干渉縞の方向を６０°の角度周期で回動させること）ができる。

ここで、比較のために従来例を説明する。従来例では、回折格子として、単一方向にかけて周期構造を有する１方向回折格子を用い、干渉縞の方向を６０°の角度周期で切り換えるために、その回折格子を６０°の角度周期で回動させていた。図１２に示すとおり、干渉縞の方向を６０°だけ回動させるための所要時間ｔ１は約８０ｍｓと長いのに対して、撮像素子の電荷蓄積時間は例えば約５ｍｓ、撮像素子の電荷読出時間は例えば約１０〜３５ｍｓと短い。このため従来例では、撮像素子のフレーム周期を定める際に、干渉縞の方向を６０°だけ回動させるための所要時間ｔ１が律速となり、フレーム周期を短くすることが難しかった。

しかしながら、本実施形態では、干渉縞の方向を切り換えるための部材（ここでは光束選択部材１８１）の回動角度周期が２０°に抑えられるので、干渉縞の方向を６０°だけ回動させるための所要時間ｔ２は、従来例の所要時間ｔ１よりも大幅に短くなる。図１３に示した三角形ＯＡｔ１の面積は、従来例における回折格子の回動量（６０°）に相当し、三角形ＯＡ’ｔ２の面積は、本実施形態における光束選択部材１８の回動量（２０°）に相当する。本実施形態の所要時間ｔ２は、三角形ＯＡ’ｔ２の面積が三角形ＯＡｔ１の面積の１／３になるような時間である（但し、従来例の回折格子の光軸周りの慣性モーメントと本実施形態の光束選択部材１８の軸ＡＲの周りの慣性モーメントとは等しいと仮定した。）。よって、本実施形態の所要時間ｔ２は、従来例の所要時間ｔ１の１／３よりは長いものの、従来例の所要時間ｔ１より格段に短い（例えば、ｔ２＝５ｍｓｅｃである。）。したがって、本実施形態では、その所要時間が短くなった分だけ撮像素子のフレーム周期を短くすることもできる。

次に、偏光板２３及び１／２波長板１７の機能を詳しく説明する。

図１０は、偏光板２３及び１／２波長板１７の機能を説明する図である。

偏光板２３及び１／２波長板１７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することができるからである。

先ず、図１０（Ａ）に示すとおり、光束選択部材１８で選択される回折光束群の分岐方向が第１方向Ｖ_１であるときには、その回折光束群の偏光方向は、図１０（Ａ）に点線矢印で示した方向Ｖ_１’とされるべきである。方向Ｖ_１’は、方向Ｖ_１を光軸Ｏ周りに９０°だけ回転させた方向である。

次に、図１０（Ｂ）に示すとおり、光束選択部材１８で選択される回折光束群の分岐方向が第２方向Ｖ_２であるときには、その回折光束群の偏光方向は、図１０（Ｂ）に点線矢印で示した方向Ｖ_２’とされるべきである。方向Ｖ_２’は、方向Ｖ_２を光軸Ｏ周りに９０°だけ回転させた方向である。

次に、図１０（Ｃ）に示すとおり、光束選択部材１８で選択される回折光束群の分岐方向が第３方向Ｖ_３であるときには、その回折光束群の偏光方向は、図１０（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Ｏ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、偏光板２３の軸方向を、予め決められた方向に固定し、１／２波長板１７を回動機構１７Ａ（図１参照）によって光軸Ｏの周りに回動させる。

なお、回動機構１７Ａには、例えば、１／２波長板１７を保持し、かつ光軸Ｏの周りに回転可能な不図示の保持部材と、その保持部材の周りに形成された不図示の第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、１／２波長板１７が光軸Ｏの周りに回転する。

ここでは、偏光板２３の軸方向を、白抜き矢印で示すとおり方向Ｖ_２’と同じに固定する。この場合、１／２波長板１７へ入射する時点における回折光束群の偏光方向は、方向Ｖ_２’と同じになる。

よって、図１０（Ａ）に示すとおり、選択される回折光束群の分岐方向が第１方向Ｖ_１であるときには、１／２波長板１７の進相軸の方向は、図１０（Ａ）に実線矢印で示すとおり、方向Ｖ_２’と方向Ｖ_１’とを二等分する方向に設定されればよい。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、図１０（Ｂ）に示すとおり、選択される回折光束群の分岐方向が第２方向Ｖ_２であるときには、１／２波長板１７の進相軸の方向は、図１０（Ｂ）に実線矢印で示すとおり、方向Ｖ_２’と同じに設定されればよい。

また、図１０（Ｃ）に示すとおり、選択される回折光束群の分岐方向が第３方向Ｖ_３であるときには、１／２波長板１７の進相軸の方向は、図１０（Ｃ）に実線矢印で示すとおり、方向Ｖ_１’と方向Ｖ_３’とを二等分する方向に設定されればよい。

したがって、光軸Ｏ周りにおける１／２波長板１７の回動角をθ”とおき、分岐方向が第１方向Ｖ_１であるときにおける回動角θ”をθ”＝−３０°とおくと、分岐方向が第２方向第１方向Ｖ_２であるとき（図１０（Ｂ））には回動角θ”を０°に設定し、分岐方向が第３方向Ｖ_３であるとき（図１０（Ｃ））には回動角θ”を＋３０°に設定すればよい。

すなわち、本実施形態では、回動機構１８Ａが光束選択部材１８の回動角θ’を２０°の角度周期で「０°」→「２０°」→「４０°」と切り換える際に、回動機構１７Ａは１／２波長板１７の回動角θ”を３０°の角度周期で「−３０°」→「０°」→「＋３０°」と切り換えればよい。

なお、本実施形態では、１／２波長板１７の回動角θ”を１角度周期（ここでは３０°）だけ切り換えるために必要な時間は５ｍｓｅｃ未満と仮定する。この時間は、光束選択部材１８を１角度周期（ここでは２０°）だけ切り換えるために必要な時間とほぼ同等である。

上述したとおり本実施形態では、干渉縞の方向を切り換えるために必要な時間（ここでは光束選択部材１８を１角度周期だけ切り換えるために必要な時間）を抑えたので、１／２波長板の進相軸の回動角を１角度周期だけ切り換えるために必要な時間も、それと同等以下に抑えられることが望ましい。

そのために例えば、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高速に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高速に回転させることができる。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、並進機構１５Ａ（図１参照）の機能を詳しく説明する。

図１１は、並進機構１５Ａの機能を説明する図である。

先ず、上述した復調演算には、例えば、同一の標本５かつ同一方向の干渉縞に関する変調画像であって、干渉縞の位相の異なる２枚以上の変調画像が使用される可能性がある。なぜなら、構造化照明顕微鏡装置１が生成する変調画像には、標本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。

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１１（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_１、第２方向Ｖ_２、第３方向Ｖ_３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。

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（＝選択される回折光束群の分岐方向）が第１方向Ｖ_１であるときと、第２方向Ｖ_２であるときと、第３方向Ｖ_３であるときとでは、同じとは限らない。

図１１（Ｂ）に示すとおり、回折格子１３の第１方向Ｖ_１、第２方向Ｖ_２、第３方向Ｖ_３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_１とのなす角をθ_１とおき、回折格子１３のシフト方向（ｘ方向）と第２方向Ｖ_２とのなす角をθ_２とおき、回折格子１３のシフト方向（ｘ方向）と第３方向Ｖ_３とのなす角をθ_３とおくと、光束選択方向が第１方向Ｖ_１であるときに必要な回折格子１３のｘ方向のシフト量Ｌ_１は、Ｌ_１＝φ×Ｐ／（ａ×４π×｜ｃｏｓθ_１｜）で表され、光束選択方向が第２方向Ｖ_２であるときに必要な回折格子１３のｘ方向のシフト量Ｌ_２は、Ｌ_２＝φ×Ｐ／（ａ×４π×｜ｃｏｓθ_２｜）で表され、光束選択方向が第３方向Ｖ_３であるときに必要な回折格子１３のｘ方向のシフト量Ｌ_３は、Ｌ_３＝φ×Ｐ／（ａ×４π×｜ｃｏｓθ_３｜）で表される。

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、光束選択方向（第１方向Ｖ_１、第２方向Ｖ_２、第３方向Ｖ_３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。

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、構造化照明光の位相を１周期分シフトできる（なぜなら、±１次回折光からなる構造化照明光の縞周期は、回折格子１３の構造周期の２倍に相当する。）。

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。

次に、制御装置３９の動作手順を説明する。

制御装置３９は、以下の手順（１）〜（５）を実行することにより、超解像画像を生成するのに必要なデータを取得する。

（１）制御装置３９は、レーザユニット１００の出射波長（光源波長）を、２種類の波長λ１、λ２の双方に設定する。また、回動機構２００Ａを駆動することにより、０次回折光束をオフする。

（２）制御装置３９は、回動機構１８Ａ、１７Ａを駆動することにより、光束選択部材１８の回動角θ’を０°に設定すると共に、１／２波長板１７の回動角θ”を−３０°に設定する。

（３）制御装置３９は、並進機構１５Ａを駆動することにより、干渉縞の位相を複数段階にシフトさせると共に、それら位相の各々の下で、レーザユニット１００、第１撮像素子３５１、第２撮像素子３５２を駆動することにより、複数枚の画像を波長毎に取得する。

（４）制御装置３９は、回動機構１８Ａ、１７Ａを駆動することにより、光束選択部材１８の回動角θ’を＋２０°だけ変化させると共に、１／２波長板１７の回動角θ”を＋３０°だけ変化させる。そして制御装置３９は、その設定下で手順（３）を実行する。

（５）回動機構１８Ａ、１７Ａを駆動することにより、光束選択部材１８の回動角θ’を＋２０°だけ変化させると共に、１／２波長板１７の回動角θ”を＋３０°だけ変化させる。そして制御装置３９は、その設定下で手順（３）を実行する（以上、手順（５））。

上述したとおり本実施形態では、干渉縞の方向切り換えを高速化できるので、手順（４）、（５）を高速化することができる。したがって、本実施形態では、超解像に必要なデータの取得速度を高めることができる。

なお、本実施形態の制御装置３９は、手順（１）〜（５）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。上述したとおり本実施形態では一連の処理が高速化されるので、超解像画像の更新頻度も高まる。

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）、（２）の代わりに以下の手順（１’）を実行すればよい。

（１’）制御装置３９は、回動機構１８Ａ、１７Ａを駆動することにより、光束選択部材１８の回動角θ’を＋２０°だけ変化させると共に、１／２波長板１７の回動角θ”を−３０°に設定する。

［第１実施形態の補足］
なお、上述した実施形態では、光軸Ｏ周りに６０°の角度周期で複数の分岐光路（複数の集光点）が形成されるように回折光束の分岐パターン（回折格子の構造）を設定し、光束選択部材１８を２０°の角度周期で回動させることにより標本５へ入射する回折光束の分岐方向を切り換えた。

しかし、光軸Ｏ周りにおける分岐光路の形成角度周期（集光点の形成角度周期）と、回動軸周りにおける光束選択部材１８の回動角度周期との組み合わせは、前者の角度周期よりも後者の回動角度周期の方が小さいのであれば、他の組み合わせに設定されてもよい。例えば、光軸Ｏ周りにおける分岐光路の形成角度周期を６０°、光束選択部材１８の回動角度周期を３０°としてもよく、光軸Ｏ周りにおける分岐光路の形成角度周期を９０°、光束選択部材１８の回動角度周期を４５°としてもよい。

また、上述した実施形態では、複数の光束から一部の光束を選択する部材（光束選択部材）として、透過型のマスク部材（つまり、透過部からなる開口部と遮光部からなる非開口部とを有したマスク部材）を使用したが、反射型のマスク部材（つまり、反射部からなる開口部と遮光部からなる非開口部とを有したマスク部材）を使用してもよい。

また、透過型のマスク部材において、開口部の透過率、非開口部の透過率は、それぞれ１００％、０％であることが望ましいが、開口部の透過率の方が非開口部の透過率よりも高ければ、それぞれ１００％、０％から外れていてもよい。

また、反射型のマスク部材において、開口部の反射率、非開口部の反射率は、それぞれ１００％、０％であることが望ましいが、開口部の反射率の方が非開口部の反射率よりも高ければ、それぞれ１００％、０％から外れていてもよい。

また、上述した実施形態では、光軸Ｏから集光点までの高さを、ＴＩＲＦＭに適した高さと、ＳＩＭに適した高さとの間で切り替えるために、光路に挿入される回折格子１３を、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモード用の回折格子と、ＳＩＭモード用の回折格子との間で切り替えてもよい。ＴＩＲＦ−ＳＩＭモード用の回折格子と、ＳＩＭモード用の回折格子との間では、互いの構造周期が異なる。

また、上述した実施形態では、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（すなわち、構造化照明顕微鏡装置１を２Ｄ−ＳＩＭモードで使用する例を説明した）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ために、例えば０次回折光束の単独光路へ減光フィルタ（ＮＤフィルタ）を配置することが望ましい。これを実現するためには、例えば、光束選択部材１８における１８個の開口部１８ａの各々に減光膜を設けてもよい。

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、蛍光の０次変調成分、蛍光の＋１次変調成分、蛍光の−１次変調成分の３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、蛍光の０次変調成分、蛍光の＋１次変調成分、蛍光の−１次変調成分、蛍光の＋２次変調成分、蛍光の−２次変調成分の５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なども異なる。

また、上述した実施形態では、干渉縞の位相をシフトさせるために回折格子１３をシフトさせたが、回折格子１３をシフトさせる代わりに、±１次回折光束の光路長差を変化させてもよい。その場合は、例えば、＋１次回折光束の光路と−１次回折光束の光路との少なくとも一方に対して位相板を挿脱させてもよい。

但し、位相板の厚さと位相シフト量との関係は、使用波長によって異なるので、厚さの異なる複数の位相板をターレットに装着し、それらの位相板を光源波長に応じて選択的に光路へ挿入してもよい。

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、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、固定配置された１／４波長板と光軸Ｏの周りを回動可能な１／４波長板との組み合わせを使用してもよい。

その場合、固定配置された１／４波長板の進相軸の方向は、その１／４波長板に入射する回折光束の偏光方向に対して４５°の角度を成すように設定され、回動可能な１／４波長板の進相軸の方向は、その１／４波長板を射出する回折光束が有するべき偏光方向に対して４５°の角度を成すように設定される。

但し、回動可能な１／４波長板を使用する場合、その１／４波長板を６０°の角度周期で回動させる必要があるので、干渉縞の方向切り換え速度をより高めるためには、回動可能な１／４波長板よりも回動可能な１／２波長板（回動角度周期は３０°）を使用するか、或いは、波長板の代わりに固定配置された液晶素子（進相軸の方向は電気制御）を使用することが望ましい。

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。

なお、上述した何れかの例の照明光学系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。

［実施形態のまとめ］
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）からの射出光束を所定の軸（光軸Ｏ）の周りで分岐方向が異なる複数の分岐光束（集光点１４ａ〜１４ｇなど）に分岐する分岐部（回折格子１３）と、複数の分岐光束のうち、所定の分岐方向の所定数の分岐光束（集光点１４ｄ、１４ｇなど）のみを選択する所定数の選択部（開口部）からなる組を少なくとも１組有した光束選択部材（１８）と、選択された所定数の分岐光束による干渉縞を標本（５）に形成する光学系（集光レンズ２５、フィールドレンズ２７、対物レンズ６）と、光学系の光軸から外れた軸（ＡＲ）の周りに光束選択部材（１８）を回動させ、選択される所定数の分岐光束の組み合わせを切り換えることにより、干渉縞の方向を切り換える回動機構（１８Ａ）とを備え、光束選択部材（１８）の回動に伴って光束選択部材（１８）上を移動する分岐光束であって、干渉縞の形成に寄与する分岐光束（集光点１４ａ〜１４ｇなど）の各軌跡（掃引軌道Ｏａ〜Ｏｇなど）上には、１以上の選択部（開口部）が形成されている。

したがって、本実施形態の構造化照明装置（照明光学系１０）は、干渉縞の方向切り換えに必要な光束選択部材（１８）の回動角度周期を、小さく抑えることが可能である。

また、本実施形態の構造化照明装置（照明光学系１０）では、光束選択部材（１８）の回動に伴って光束選択部材（１８）上を移動する分岐光束であって、干渉縞の形成に寄与する分岐光束の各軌跡（掃引軌道Ｏａ〜Ｏｇなど）上には、２以上の選択部（開口部）が形成されている。

したがって、本実施形態の構造化照明装置（照明光学系１０）は、干渉縞の方向切り換えに必要な光束選択部材（１８）の回動角度周期を、更に小さく抑えることが可能である。

また、本実施形態の構造化照明装置（照明光学系１０）では、切り換え前に選択される所定数の分岐光束のうち少なくとも２つ（±１次回折光束）と、切り換え後に選択される所定数の分岐光束のうち少なくとも２つ（±１次回折光束）との間では、軌跡が互いに分離されている。

また、本実施形態の構造化照明装置（照明光学系１０）では、複数の分岐光束（集光点１４ｂ〜１４ｇ）の間で軌跡が互いに分離されるように設定されている。

したがって、光束選択部材（１８）に形成すべき選択部（開口部）の配置自由度が高められ、光束選択部材（１８）の回動角度周期を小さく抑えることが容易になる。

また、本実施形態の構造化照明装置（照明光学系１０）では、複数の分岐光束（集光点１４ａ〜１４ｇ）には、光軸（Ｏ）周りに第１角度周期で分岐した複数の分岐光束（集光点１４ｂ〜１４ｇ）が含まれ、回動の角度周期は、第１角度周期よりも小さい第２角度周期である。

したがって、光束選択部材（１８）の回動角度周期は、複数の分岐光束（集光点１４ｂ〜１４ｇ）の分岐角度周期より小さい。

例えば、本実施形態の構造化照明装置（照明光学系１０）において、第１の角度周期が６０°であり、第２の角度周期が２０°であるならば、光束選択部材（１８）の回動角度周期は、複数の分岐光束（集光点１４ｂ〜１４ｇ）の分岐角度周期の１／３となる。

また、本実施形態の構造化照明装置（照明光学系１０）は、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。

また、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）は、本実施形態の照明装置（照明光学系１０）と、干渉縞で空間変調された標本の画像である変調画像を撮像する撮像素子（３５１、３５２）とを備える。

また、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）は、変調画像に基づき標本の復調画像を生成する演算手部（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、復調画像の生成を効率的に行うことができる。

［第２のまとめ］
以下、別の視点で本実施形態を説明する。

本実施形態の照明装置（照明光学系１０）は、光源（レーザユニット１００）からの光を複数の光束（集光点１４ａ〜１４ｇなど）に分岐する分岐部（回折格子１３など）と、複数の光束から一部の光束（集光点１４ｄ、１４ｇなど）を選択する光束選択部材（１８）と、選択された一部の光束で物体（標本５）を照明する光学系（集光レンズ２５、フィールドレンズ２７、対物レンズ６など）と、光束選択部材を回動させることにより照明を切り換える回動機構（１８Ａ）とを有し、光束選択部材の回動軸（軸ＡＲ）は、複数の光束の分岐中心（光軸Ｏ）から外れた位置に設けられ、回動軸を中心とする２以上の円（掃引軌道Ｏｂ、Ｏｃなど）の各周上には、光束を選択する選択部（開口部）が所定の間隔で複数設けられる。

また、本実施形態の照明装置（照明光学系１０）では、２以上の円（掃引軌道Ｏｂ、Ｏｃなど）の各周上には、光束を選択する選択部（開口部）と光束を選択しない非選択部（遮光部）とが交互に設けられている。

また、本実施形態の照明装置（照明光学系１０）では、複数の光束（集光点１４ａ〜１４ｇ）それぞれに対応して円（掃引軌道Ｏａ〜Ｏｇ）が設けられている。

また、複数の光束には、互いに異なる方向（方向Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３など）に分岐した複数の光束群が含まれ、複数の光束群のうち一部の光束として選択されるのは１方向の光束群のみであり、物体は、１方向の光束群による干渉縞で照明される。

また、複数の光束群の少なくとも２方向（方向Ｖ_１，Ｖ_２など）それぞれに対応して円（掃引軌道）が設けられている。

また、複数の光束群の各方向（方向Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３）それぞれに対応して円（掃引軌道）が設けられている。

また、光学系の光軸を中心とした複数の光束群の方向角度周期は、第１の角度周期であり、回動軸を中心とした複数の選択部の形成角度周期は、第１の角度周期よりも小さい第２の角度周期である。

また、第１の角度周期は６０°であり、第２の角度周期は２０°である
また、分岐部は、回折光学素子である。

また、本実施形態の照明装置（照明光学系１０）は、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。

また、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）は、本実施形態の照明装置（照明光学系１０）と、干渉縞で空間変調された物体の変調像を形成する結像光学系（３０）と、結像光学系により形成された変調像を撮像して変調画像を生成する撮像素子（撮像素子３５１など）とを備える。

また、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）は、撮像素子により生成された変調画像に基づき物体の復調画像を生成する演算部（画像記憶・演算装置４０）を更に備える。

［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…光束選択部材、１７Ａ…回動機構、１８Ａ…回動機構、２００…０次光シャッタ、２００Ａ…回動機構、１５Ａ…並進機構

Claims (11)

1. 光源からの光を複数の方向それぞれにおいて複数の光束に分岐する分岐部と、前記複数の光束から所定の方向の複数の光束を選択する光束選択部材とを有し、選択された前記複数の光束により生成される干渉縞で物体を照明する照明光学系と、
   前記光束選択部材を回動させる回動機構とを有する照明装置であって、
   前記光束選択部材の回動軸は、前記照明光学系の光軸から外れた位置に設けられ、
   前記回動軸を中心とする２以上の円の各周上には、光束を選択する選択部が所定の間隔で複数設けられ、
   前記分岐部により前記光が分岐される方向の角度周期は、第１の角度周期であり、
   少なくとも１つの前記円の周上に設けられた前記選択部の角度周期は、第２の角度周期であり、
   前記第２の角度周期は、前記第１の角度周期よりも小さい
   照明装置。
2. 光源からの光を複数の方向それぞれにおいて複数の光束に分岐する分岐部と、前記複数の光束から所定の方向の複数の光束を選択する光束選択部材とを有し、選択された前記複数の光束により生成される干渉縞で物体を照明する照明光学系と、
   前記光束選択部材を回動させる回動機構とを有する照明装置であって、
   前記光束選択部材の回動軸は、前記照明光学系の光軸から外れた位置に設けられ、
   前記回動軸を中心とする２以上の円の各周上には、光束を選択する選択部が所定の間隔で複数設けられ、
   前記分岐部により前記光が分岐される方向の角度周期は、第１の角度周期であり、
   前記光束選択部材が回動する角度周期は、第２の角度周期であり、
   前記第２の角度周期は、前記第１の角度周期よりも小さい
   照明装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の照明装置において、
   前記複数の光束それぞれに対応して前記円が設けられている
   照明装置。
4. 請求項３に記載の照明装置において、
   前記２以上の円の各周上には、光束を選択する選択部と光束を選択しない非選択部とが交互に設けられている
   照明装置。
5. 請求項１または請求項２に記載の照明装置において、
   前記複数の方向のうち少なくとも２方向それぞれに対応して前記円が設けられている
   照明装置。
6. 請求項１または請求項２に記載の照明装置において、
   前記複数の方向の各方向それぞれに対応して前記円が設けられている
   照明装置。
7. 請求項１または請求項２に記載の照明装置において、
   前記第１の角度周期は６０°であり、
   前記第２の角度周期は２０°である
   照明装置。
8. 請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の照明装置において、
   前記分岐部は、
   回折光学素子である
   照明装置。
9. 請求項１〜請求項８の何れか一項に記載の照明装置において、
   前記干渉縞の位相をシフトさせる位相シフト部を更に備える
   照明装置。
10. 請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の照明装置と、
    前記干渉縞で空間変調された前記物体の変調像を形成する結像光学系と、
    前記結像光学系により形成された前記変調像を撮像して変調画像を生成する撮像素子と、
    を備えた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、
    前記撮像素子により生成された前記変調画像に基づき前記物体の復調画像を生成する演算部を更に備える
    構造化照明顕微鏡装置。
    

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