JP6191140B2 - 構造化照明装置及び構造化照明顕微鏡装置 - Google Patents

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。

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

特許文献１に記載の構造化照明顕微鏡では、光源から射出した光束を回折格子で複数の光束に分岐し、それら光束を対物レンズの瞳面の互いに異なる位置へ集光することで、標本の近傍で互いに干渉させ、その干渉縞を構造化照明光としている。

一方、特許文献２に記載の構造化照明顕微鏡では、対物レンズの瞳面に向けて光束を集光させる代わりに、光ファイバの出射端を対物レンズの瞳面へ配置している。

米国特許第６２３９９０９号明細書 特表２０１０−５４０９９９号公報

しかしながら、従来の構造化照明顕微鏡では、超解像効果を自由に調節することはできなかった。超解像効果とは、非変調時の解像力を基準とした変調時の解像力の割合のことである。

本発明は、超解像効果を調節することが可能な構造化照明装置及び構造化照明顕微鏡装置を提供することを目的とする。

本発明の構造化照明装置の一例は、光源から射出された光束を少なくとも２つの光束に分岐する分岐手段と、前記２つの光束それぞれを導光する少なくとも２つの光ファイバと、前記２つの光ファイバの各出射端を、対物レンズの瞳面又は瞳共役面の互いに異なる位置へ配置し、前記各出射端から射出した光束により形成される干渉縞で標本を照明する照明光学系と、前記各出射端と前記照明光学系の光軸との距離を変化させて調整する調整手段とを備える。

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、前記干渉縞で変調された前記標本からの観察光束を光検出器に結像する結像光学系とを備える。

本発明によれば、超解像効果を調節することが可能な構造化照明装置及び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。 （Ａ）は、光ファイバ１１−１の出射端１１Ａ−１、光ファイバ１１−１’の出射端１１Ａ−１’、光ファイバ１１−２の出射端１１Ａ−２、光ファイバ１１−２’の出射端１１Ａ−２’、光ファイバ１１−２’の出射端１１Ａ−２’、光ファイバ１１−３の出射端１１Ａ−３、光ファイバ１１−３’の出射端１１Ａ−３’の位置関係を示す斜視図であり、（Ｂ）は、出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’、１１Ａ−２、１１Ａ−２’、１１Ａ−３、１１Ａ−３’を標本側から見た図である。 １／２波長板１７の動作を説明する図である。 照明光学系１０の各光学素子を通過する際におけるレーザ光の偏光方向の変移の様子を示す図である。 並進機構２０２−１の動作を説明する図である。 出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’１１Ａ−２、１１Ａ−２’、１１Ａ−３、１１Ａ−３’の移動方向及び移動範囲を説明する図である。 （Ａ）は隙間の発生していない超解像範囲を示す図であり、（Ｂ）は、隙間の発生した超解像範囲を示す図である。 間隔調整機構１２Ａの構成例を示す図である。 干渉縞の方向切り換えにガルバノスキャナ３００を利用した例を説明する図である。 干渉縞の方向を切り換える別の方法を説明する図である。 ３Ｄ−ＳＩＭに必要な光ファイバの出射端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。

図１は、構造化照明顕微鏡装置１の構成図である。ここでは、構造化照明顕微鏡装置１をＴＩＲＦＭかつＳＩＭとして使用する場合（ＴＩＲＦ−ＳＩＭとして使用する場合）を説明する。

なお、ＳＩＭは、構造化照明により標本５を高解像度観察する顕微鏡であり、ＴＩＲＦＭ（ＴＩＲＦＭ：Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy）は、蛍光性を有した標本５の表面の極めて薄い層をエバネッセント光で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、レーザ分割部２００と、３対の光ファイバ１１−１、１１−１’、１１−２、１１−２’、１１−３、１１−３’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、入力器４６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_Ｌ、第２レーザ光源１０１_Ｓ、シャッタ１０３_Ｌ、１０３_Ｓ、全反射ミラー１０５、ダイクロイックミラー１０６が備えられる。第１レーザ光源１０１_Ｌ及び第２レーザ光源１０１_Ｓ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_Ｌの波長をλ_Ｌ、第２レーザ光源１０１_Ｓの波長をλ_Ｓとおき、λ_Ｌ＞λ_Ｓと仮定する。

なお、シャッタ１０３_Ｌ、１０３_Ｓの各々は、ＡＯＭや液晶スイッチなどからなり、レーザ光の光路を開閉したり、レーザ光のパワーを調節したりすることが可能である。これらのシャッタ１０３_Ｌ、１０３_Ｓは、それぞれ制御装置３９によって駆動される。

レーザ分割部２００には、ビームスプリッタ２０１−１、２０１−１’、２０１−２、２０１−２’、２０１−３、全反射ミラー２０１−３’、シャッタ２０３−１、２０３−１’、２０３−２、２０３−２’、２０３−３、２０３−３’、レンズ２０５−１、２０５−１’、２０５−２、２０５−２’、２０５−３、２０５−３’が備えられる。

なお、シャッタ２０３−１、２０３−１’、２０３−２、２０３−２’、２０３−３、２０３−３’の各々は、ＡＯＭや液晶スイッチなどからなり、レーザ光の光路を開閉したり、レーザ光のパワーを調節したりすることが可能である。これらのシャッタ２０３−１、２０３−１’、２０３−２、２０３−２’、２０３−３、２０３−３’は、それぞれ制御装置３９によって駆動される。

また、ビームスプリッタ２０１−１’、２０１−２’、全反射ミラー２０１−３’は、並進機構２０２−１、２０２−２、２０２−３によって個別に保持されており、並進機構２０２−１、２０２−２、２０２−３は、ビームスプリッタ２０１−１’、２０１−２’、全反射ミラー２０１−３’の姿勢を保ったまま、ビームスプリッタ２０１−１’、２０１−２’、全反射ミラー２０１−３’を所定方向（後述）へシフトさせる。これらの並進機構２０２−１、２０２−２、２０２−３は、制御装置３９によって駆動される。

３対の光ファイバ１１−１、１１−１’、１１−２、１１−２’、１１−３、１１−３’の各々は、シングルモードファイバ、或いは、マルチモードファイバによって構成される。これら３対の光ファイバ１１−１、１１−１’、１１−２、１１−２’、１１−３、１１−３’の各々の出射端は、間隔調整機構１２Ａによって保持されており、間隔調整機構１２Ａは、それら出射端の光軸からの距離を調整する。この調整機構１２Ａは、制御装置３９によって駆動される。

照明光学系１０には、光ファイバ１１−１、１１−１’、１１−２、１１−２’、１１−３、１１−３’の出射端側から順に、偏光板２３と、１／２波長板１７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。このうち、１／２波長板１７は、回動機構１７Ａによって光軸の周りに回動する。この回動機構１７Ａは、制御装置３９によって駆動される。

なお、光ファイバ１１−１、１１−１’、１１−２、１１−２’、１１−３、１１−３’の各々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１１−１、１１−１’、１１−２、１１−２’、１１−３、１１−３’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１１−１、１１−１’、１１−２、１１−２’、１１−３、１１−３’の各々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。

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。

なお、対物レンズ６は、他の対物レンズ６’と共にレボルバ６０によって保持されており、レボルバ６０は、光路にセットされる対物レンズを、対物レンズ６、６’の間で切り換えることができる。このレボルバ６０は、制御装置３９によって駆動される。

標本５は、例えば、平行平板状のガラス表面に滴下された培養液であって、その培養液におけるガラス界面の近傍には、蛍光性を有した細胞（蛍光色素で染色された細胞）が存在している。この細胞には、波長λ_Ｌの光によって励起される第１蛍光領域と、波長λ_Ｓの光によって励起される第２蛍光領域との双方が発現している。なお、第１蛍光領域は、波長λ_Ｌの光に応じて中心波長λ_Ｌ’の第１蛍光を発生させ、第２蛍光領域は、波長λ_Ｓの光に応じて中心波長λ_Ｓ’の第２蛍光を発生させる（λ_Ｌ’ ＞λ_Ｓ’）。

対物レンズ６は、全反射蛍光観察を可能とするために、液浸型（油浸型）の対物レンズとして構成される。つまり、対物レンズ６と標本５のガラスとの間隙は、浸液（油）で満たされている。

また、対物レンズ６’は、対物レンズ６と同様、液浸型（油浸型）の対物レンズであるが、対物レンズ６とは開口数及び焦点距離の少なくとも一方が異なる。但し、ここでは、光路にセットされる対物レンズが対物レンズ６、６’の間で切り換わっても、セットされた対物レンズの瞳面６Ａの光軸方向の位置は不変であると仮定する。

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。

制御装置３９は、ユーザからの指示に従い、第１レーザ光源１０１_Ｌ、第２レーザ光源１０１_Ｓ、シャッタ１０３_Ｌ、１０３_Ｓ、２０３−１、２０３−１’、２０３−２、２０３−２’、２０３−３、２０３−３’、間隔調整機構１２Ａ、回動機構１７Ａ、第１撮像素子３５１、第２撮像素子３５２、レボルバ６０を駆動制御する。なお、ユーザからの指示は、マウス、キーボード、タッチパネルなどの入力器４６を介して制御装置３９へ入力される。

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演算を施し、演算後の画像を不図示の内部メモリに格納すると共に、画像表示装置４５へ送出する。

次に、構造化照明顕微鏡装置１におけるレーザ光の振る舞いを説明する。

第１レーザ光源１０１_Ｌから射出した波長λ_Ｌのレーザ光（第１レーザ光）は、シャッタ１０３_Ｌを介して全反射ミラー１０５へ入射すると、全反射ミラー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１０１_Ｓから射出した波長λ_Ｓのレーザ光（第２レーザ光）は、シャッタ１０３_Ｓを介してビームスプリッタ１０６へ入射し、第１レーザ光と同軸に統合される。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、レーザ分割部２００へ入射する。

なお、レーザユニット１００のシャッタのうちシャッタ１０３_Ｓのみが開放されれば、レーザユニット１００からレーザ分割部２００へ向かうレーザ光の波長（＝光源波長）は短い波長λ_Ｓに設定され、シャッタ１０３_Ｌのみが開放されれば、光源波長は長い波長λ_Ｌに設定され、シャッタ１０３_Ｓ、１０３_Ｌの双方が開放されれば、光源波長は長い波長λ_Ｌと短い波長λ_Ｓとの双方に設定される。

レーザ分割部２００へ入射したレーザ光は、ビームスプリッタ２０１−１を透過するレーザ光と、ビームスプリッタ２０１−１を反射するレーザ光とに分岐される。ビームスプリッタ２０１−１を透過したレーザ光は、シャッタ２０３−１、レンズ２０５−１を順に介して光ファイバ１１−１の入射端へ集光する。

ビームスプリッタ２０１−１を反射したレーザ光は、ビームスプリッタ２０１−１’へ入射すると、ビームスプリッタ２０１−１’を反射するレーザ光と、ビームスプリッタ２０１−１’を透過するレーザ光とに分岐される。ビームスプリッタ２０１−１’を反射したレーザ光は、シャッタ２０３−１’、レンズ２０５−１’を順に介して光ファイバ１１−１’の入射端へ集光する。

ビームスプリッタ２０１−１’を透過したレーザ光は、ビームスプリッタ２０１−２へ入射すると、ビームスプリッタ２０１−２を反射するレーザ光と、ビームスプリッタ２０１−２を透過するレーザ光とに分岐される。ビームスプリッタ２０１−２を反射したレーザ光は、シャッタ２０３−２、レンズ２０５−２を順に介して光ファイバ１１−２の入射端へ集光する。

ビームスプリッタ２０１−２を透過したレーザ光は、ビームスプリッタ２０１−２’へ入射すると、ビームスプリッタ２０１−２’を反射するレーザ光と、ビームスプリッタ２０１−２’を透過するレーザ光とに分岐される。ビームスプリッタ２０１−２’を反射したレーザ光は、シャッタ２０３−２’、レンズ２０５−２’を順に介して光ファイバ１１−２’の入射端へ集光する。

ビームスプリッタ２０１−２’を透過したレーザ光は、ビームスプリッタ２０１−３へ入射すると、ビームスプリッタ２０１−３を反射するレーザ光と、ビームスプリッタ２０１−３を透過するレーザ光とに分岐される。ビームスプリッタ２０１−３を反射したレーザ光は、シャッタ２０３−３、レンズ２０５−３を順に介して光ファイバ１１−３の入射端へ集光する。

ビームスプリッタ２０１−３を透過したレーザ光は、全反射ミラー２０１−３’へ入射すると、全反射ミラー２０１−３’を反射し、シャッタ２０３−３’、レンズ２０５−３’を順に介して光ファイバ１１−３’の入射端へ集光する。

なお、ビームスプリッタ２０１−１の透過／反射比と、ビームスプリッタ２０１−１’ の透過／反射比と、ビームスプリッタ２０１−２の透過／反射比と、ビームスプリッタ２０１−２’の透過／反射比と、ビームスプリッタ２０１−３ の透過／反射比との関係は、光ファイバ１１−１へ入射するレーザ光の強度と、光ファイバ１１−１’ へ入射するレーザ光の強度と、光ファイバ１１−２へ入射するレーザ光の強度と、光ファイバ１１−２’ へ入射するレーザ光の強度と、光ファイバ１１−３へ入射するレーザ光の強度と、光ファイバ１１−３’へ向かうレーザ光の強度とが、共通になるように設定される。

光ファイバ１１−１の入射端に入射したレーザ光は、光ファイバ１１−１の内部を伝搬して光ファイバ１１−１の出射端１１Ａ−１に２次光源を形成し、光ファイバ１１−１’の入射端に入射したレーザ光は、光ファイバ１１−１’の内部を伝搬して光ファイバ１１−１’の出射端１１Ａ−１’に２次光源を形成する。同様に、光ファイバ１１−２の入射端に入射したレーザ光は、光ファイバ１１−２の内部を伝搬して光ファイバ１１−２の出射端に２次光源を形成し、光ファイバ１１−２’の入射端に入射したレーザ光は、光ファイバ１１−２’の内部を伝搬して光ファイバ１１−２’の出射端に２次光源を形成し、光ファイバ１１−３の入射端に入射したレーザ光は、光ファイバ１１−３の内部を伝搬して光ファイバ１１−３の出射端に２次光源を形成し、光ファイバ１１−３’の入射端に入射したレーザ光は、光ファイバ１１−３’の内部を伝搬して光ファイバ１１−３’の出射端に２次光源を形成する。

これら光ファイバ１１−１、１１−１’、１１−２、１１−２’、１１−３、１１−３’の各々の出射端は、瞳共役面６Ａ’の互いに異なる位置に配置される。

ここで、瞳共役面６Ａ’は、対物レンズ６の瞳６Ａ（レーザ光が集光する位置）に対してフィールドレンズ２７、レンズ２５を介して共役な位置のことである。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。

なお、これら光ファイバ１１−１、１１−１’、１１−２、１１−２’、１１−３、１１−３’の各々の出射端の、瞳共役面６Ａ’に対する光軸方向のズレは、対物レンズの焦点距離の約１％の値に、フィールドレンズ２７、レンズ２５による瞳投影倍率の２乗を掛けた値である。このズレを、対物レンズの瞳面に対する集光点の光軸方向のズレに換算すると、対物レンズの焦点距離の約１％程度である。そのため、光ファイバ１１−１、１１−１’、１１−２、１１−２’、１１−３、１１−３’の各々の出射端の光軸方向の位置を調整する機構を設けることが好ましい。

瞳共役面６Ａ’において、互いに対を成す光ファイバ１１−１、１１−１’の出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’の位置関係は、互いに対を成す光ファイバ１１−２、１１−２’の出射端（不図示）の位置関係と同じであり、互いに対を成す光ファイバ１１−３、１１−３’の出射端（不図示）の位置関係とも同じである。

但し、光ファイバ１１−１、１１−１’の出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’の配列方向（第１方向Ｖ_１）と、光ファイバ１１−２、１１−２’の出射端（不図示）の配列方向（第２方向Ｖ_２）と、光ファイバ１１−３、１１−３’の出射端（不図示）の配列方向（第３方向Ｖ_３）とは、互いに異なる（詳細は後述）。

よって、レーザ分割部２００のシャッタ２０３−１、２０３−１’、２０３−２、２０３−２’、２０３−３、２０３−３’のうち、シャッタ２０３−１、２０３−１’のみを制御装置３９が開放すれば、有効な出射端対の配列方向を第１方向Ｖ_１とすることができ、シャッタ２０３−２、２０３−２’のみを制御装置３９が開放すれば、有効な出射端対の配列方向を第２方向Ｖ_２とすることができ、シャッタ２０３−３、２０３−３’のみを制御装置３９が開放すれば、有効な出射端対の配列方向を第３方向Ｖ_３とすることができる。

以下、有効な出射端対の配列方向が第１方向Ｖ_１である場合（＝１対の出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’のみが有効である場合）を代表して説明する。この説明は、有効な出射端対の配列方向が第２方向Ｖ_２である場合や、有効な出射端対の配列方向が第３方向Ｖ_３である場合にも、同様に当てはまる。

図１において、有効な出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’から射出した１対のレーザ光は、瞳共役面６Ａ’の近傍に配置された偏光板２３及び１／２波長板１７を順に通過して、レンズ２５へ入射する。

レンズ２５へ入射した１対のレーザ光は、レンズ２５によって視野絞り２６付近にストライプ状の強度分布を形成した後に、フィールドレンズ２７によって収束光に変換され、さらに励起フィルタ２８を経てからダイクロイックミラー７で反射し、対物レンズ６の瞳面６Ａ上の互いに異なる位置に集光する。なお、励起フィルタ２８には、これまでの光路で発生する自家蛍光などを除去する機能がある。

瞳面６Ａ上に集光した１対のレーザ光の各々は、対物レンズ６の先端から射出する際には平行光束となり、標本５の表面で互いに干渉し、ストライプ状の干渉縞を形成する。この干渉縞が、構造化照明光として使用される。

また、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１は、ＴＩＲＦＭとして利用されるので、標本５の表面に入射するレーザ光の入射角度は、エバネッセント場の生成条件（全反射条件）を満たしている。以下、全反射条件を「ＴＩＲＦ条件」と称す。

ＴＩＲＦ条件を満たすために、瞳面６Ａに形成される１対の集光点は、瞳面６Ａにおける所定の輪帯状領域（後述する図６を参照。）に位置しているものとする。これによって、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の表面近傍（エバネッセント場）で発生した蛍光は、対物レンズ６に入射すると、対物レンズ６で平行光に変換された後、ダイクロイックミラー７とバリアフィルタ３１を透過し、第２ダイクロイックミラー３５へ入射する。第２ダイクロイックミラー３５へ入射した波長λ_Ｌ’の第１蛍光は、第２ダイクロイックミラー３５を反射し、第２ダイクロイックミラー３５へ入射した波長λ_Ｓ’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、第２蛍光領域の変調画像としてそれぞれ出力される。

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において公知の復調演算が施され、第１蛍光領域の復調画像（超解像画像）と、第２蛍光領域の復調画像（超解像画像）とが生成される。そして、これらの超解像画像は、画像記憶・演算装置４０の内部メモリ（図示せず）に記憶されるとともに、画像表示装置４５へと送出される。なお、公知の復調演算としては、例えば、米国特許第８１１５８０６号明細書に開示された方法が用いられる。

以下、光ファイバ１１−１、１１−１’１１−２、１１−２’、１１−３、１１−３’の出射端の位置関係を説明する。

図２（Ａ）は、光ファイバ１１−１の出射端１１Ａ−１、光ファイバ１１−１’の出射端１１Ａ−１’、光ファイバ１１−２の出射端１１Ａ−２、光ファイバ１１−２’の出射端１１Ａ−２’、光ファイバ１１−２’の出射端１１Ａ−２’、光ファイバ１１−３の出射端１１Ａ−３、光ファイバ１１−３’の出射端１１Ａ−３’の位置関係を示す斜視図であり、図２（Ｂ）は、出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’、１１Ａ−２、１１Ａ−２’、１１Ａ−３、１１Ａ−３’を標本側から見た図である。

図２（Ａ）に示すとおり、瞳共役面６Ａ’において、互いに対を成す出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’の位置関係は、光軸（Ｚ軸）に関して対称であり、互いに対を成す出射端１１Ａ−２、１１Ａ−２’の位置関係は、光軸に関して対称であり、互いに対を成す出射端１１Ａ−３、１１Ａ−３’の位置関係は、光軸に関して対称である。

また、出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’から照明光学系１０の光軸までの距離と、出射端１１Ａ−２、１１Ａ−２’から照明光学系１０の光軸までの距離と、出射端１１Ａ−３、１１Ａ−３’から照明光学系１０の光軸までの距離とは、共通である。

また、１対の出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’の配列方向（第１方向Ｖ_１）と、１対の出射端１１Ａ−２、１１Ａ−２’の配列方向（第２方向Ｖ_２）と、１対の出射端１１Ａ−３、１１Ａ−３’の配列方向（第３方向Ｖ_３）との関係は、光軸の周りに１２０°ずつ回転した関係である。

これらの出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’、１１Ａ−２、１１Ａ−２’、１１Ａ−３、１１Ａ−３’によると、第１方向Ｖ_１にかけて配列された１対の集光点と、第２方向Ｖ_２にかけて配列された１対の集光点と、第３方向Ｖ_３にかけて配列された１対の集光点とが瞳共役面６Ａ’に形成される。

そして、レーザ分割部２００のシャッタ制御により、有効な出射端の組み合わせを、出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’の組み合わせと、出射端１１Ａ−２、１１Ａ−２’の組み合わせと、出射端１１Ａ−３、１１Ａ−３’の組み合わせとの間で切り換えれば、標本５に対する干渉縞の方向（縞ピッチ方向）は、第１方向Ｖ_１に対応する方向と、第２方向Ｖ_２に対応する方向と、第３方向Ｖ_３に対応する方向との間で切り換わる。

以下、第１方向Ｖ_１に対応する方向の干渉縞を、「第１方向Ｖ_１の干渉縞」と称し、第２方向Ｖ_２に対応する方向の干渉縞を、「第２方向Ｖ_２の干渉縞」と称し、第３方向Ｖ_３に対応する方向の干渉縞を、「第３方向Ｖ_３の干渉縞」と称す。

以下、１／２波長板１７の動作を詳しく説明する。

図３は、１／２波長板１７の動作を説明する図である。

１／２波長板１７は、回動機構１７Ａ（図１参照）によって光軸の周りに回動可能であって、その回動により、標本５に入射するレーザ光をＳ偏光に維持する。

ここでは、１／２波長板１７の進相軸を、「１／２波長板１７による位相遅延量が最小となるような光が１／２波長板１７の入射前に有していた偏光方向」と定義する。また、１／２波長板１７の前段に配置された偏光板２３の軸は、図３（Ａ）に示すように第１方向Ｖ_１に対して９０°だけ回転していると仮定する。また、ここでは、各方向を、偏光板２３の軸方向を基準とした回転角度（鋭角）で表す。この場合、第１方向Ｖ_１は、＋９０°となり、第２方向Ｖ_２は、＋３０°となり、第３方向Ｖ_３は、−３０°となる。

先ず、図３（Ａ）に示すとおり、干渉縞の方向（有効な出射端対の配列方向）が第１方向Ｖ_１（＝＋９０°）であるときには、１／２波長板１７の進相軸の方向は０°に設定される。この場合、１／２波長板１７を射出するレーザ光の偏光方向は０°のままである。よって、有効な出射端対の配列方向（＝＋９０°）と、１／２波長板１７を射出するレーザ光の偏光方向（＝０°）との差は、９０°となり、標本５に入射するレーザ光はＳ偏光となる。

次に、図３（Ｂ）に示すとおり、干渉縞の方向（有効な出射端対の配列方向）が第２方向Ｖ_２（＝＋３０°）であるときには、１／２波長板１７の進相軸の方向は−３０°に設定される。この場合、１／２波長板１７を射出するレーザ光の偏光方向は、２×（−３０°）＝−６０°となる。よって、有効な出射端対の配列方向（＝＋３０°）と、１／２波長板１７を射出するレーザ光の偏光方向（＝−６０°）との差は、９０°となり、標本５に入射するレーザ光はＳ偏光となる。

次に、図３（Ｃ）に示すとおり、干渉縞の方向（有効な出射端対の配列方向）が第３方向Ｖ_３（＝−３０°）であるときには、１／２波長板１７の進相軸の方向は＋３０°に設定される。この場合、１／２波長板１７を射出するレーザ光の偏光方向は、２×（＋３０°）＝＋６０°となる。よって、有効な出射端対の配列方向（＝−３０°）と、１／２波長板１７を射出するレーザ光の偏光方向（＋６０°）との差は、９０°となり、標本５に入射するレーザ光はＳ偏光となる。

したがって、本実施形態の制御装置３９は、干渉縞の方向切り換えに回動機構１７Ａを連動さることにより、１／２波長板１７の進相軸の方向を、図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すとおり適切にセットすればよい。

図４は、照明光学系１０の各光学素子を通過する際におけるレーザ光の偏光方向の変移の様子を示す図である。図４において円形枠で囲まれた両矢線は、光束の偏光方向を示し、四角枠で囲まれた両矢線は、光学素子の軸方向を示している。

なお、以上の説明では、標本５に入射するレーザ光をＳ偏光に保つために回動可能な１／２波長板１７を使用したが、回動可能な１／２波長板１７の代わりに固定配置された液晶素子を使用し、その液晶素子を１／２波長板１７として機能させてもよい。液晶素子の配向を電気的に制御すれば、液晶素子の屈折率異方性を制御することができるので、１／２波長板としての進相軸を回転させることができる。因みに、標本５に入射するレーザ光をＳ偏光に保つための方法は他にもある（後述）。

以下、レーザ分割部２００の並進機構２０２−１の動作を詳しく説明する。

図５は、レーザ分割部２００の並進機構２０２−１の動作を説明する図である。この並進機構２０２−１は、第１方向Ｖ_１の干渉縞の位相をシフトさせるための機構である。

ここで、干渉縞の位相をシフトさせる理由は次のとおりである。すなわち、上述した復調演算では、同一の標本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複数枚（例えば、３枚、８枚、９枚など）の変調画像が必要である。なぜなら、或る方向の干渉縞の下で取得された１枚の変調画像には、標本５の蛍光領域の構造のうち、その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次変調成分が互いに重畳されており、それら３つの未知パラメータを復調演算で互いに分離する必要がある。

並進機構２０２−１の移動対象は、第１方向Ｖ_１の干渉縞に寄与する１対のレーザ光のうち、一方のレーザ光の単独光路に配置された光学素子である。ここでは、図５に示すとおり、光ファイバ１１−１’に向かうレーザ光の光路に配置されたビームスプリッタ２０１−１’とする。

並進機構２０２−１によるビームスプリッタ２０１−１’の移動方向は、光ファイバ１１−１’に入射するレーザ光の光路長が変化するような方向である。ここでは、図５の方向ａとする。この方向ａは、ビームスプリッタ２０１−１’からシャッタ２０３−１’までの間隔を拡縮する方向である。

この方向ａにかけてビームスプリッタ２０１−１’が移動すれば、第１方向Ｖ_１の干渉縞に寄与する１対のレーザ光の光路長差が変化するので、その干渉縞の位相がシフトする。

次に、レーザ分割部２００の並進機構２０２−２（図１）の動作を説明する。

並進機構２０２−２は、第２方向Ｖ_２の干渉縞の位相をシフトさせるための機構である。並進機構２０２−２の移動対象は、第２方向Ｖ_２の干渉縞に寄与する１対のレーザ光のうち、一方のレーザ光の単独光路に配置された光学素子である。ここでは、図１に示すとおり、光ファイバ１１−２’に向かうレーザ光の光路に配置されたビームスプリッタ２０１−２’とする。

並進機構２０２−２によるビームスプリッタ２０１−２’の移動方向は、光ファイバ１１−２’に入射するレーザ光の光路長が変化するような方向である。ここでは、前述した並進機構２０２−１による移動方向と同様、方向ａ（図５参照）とする。この方向ａは、ビームスプリッタ２０１−２’からシャッタ２０３−２’までの間隔を拡縮する方向である。

次に、レーザ分割部２００の並進機構２０２−３（図１）の動作を説明する。

並進機構２０２−３は、第３方向Ｖ_３の干渉縞の位相をシフトさせるための機構である。並進機構２０２−３の移動対象は、第３方向Ｖ_３の干渉縞に寄与する１対のレーザ光のうち、一方のレーザ光の単独光路に配置された光学素子である。ここでは、図１に示すとおり、光ファイバ１１−３’に向かうレーザ光の光路に配置された全反射ミラー２０１−３’とする。

並進機構２０２−３による全反射ミラー２０１−３’の移動方向は、光ファイバ１１−３’に入射するレーザ光の光路長が変化するような方向である。ここでは、前述した並進機構２０２−１による移動方向と同様、方向ａ（図５参照）とする。この方向ａは、全反射ミラー２０１−３’からシャッタ２０３−３’までの間隔を拡縮する方向である。

ところで、上述したとおり本実施形態では、出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’の位置関係と、出射端１１Ａ−２、１１Ａ−２’の位置関係と、出射端１１Ａ−３、１１Ａ−３’の位置関係とは共通なので、第１方向Ｖ_１の干渉縞の縞ピッチと、第２方向Ｖ_２の干渉縞の縞ピッチと、第３方向Ｖ_３の干渉縞の縞ピッチとは共通である。

このため、第１方向Ｖ_１の干渉縞の位相を１ピッチΔφだけシフトさせるために必要なビームスプリッタ２０１−１’の移動量と、第２方向Ｖ_２の干渉縞の位相を１ピッチΔφだけシフトさせるために必要なビームスプリッタ２０１−２’の移動量と、第３方向Ｖ_３の干渉縞の位相を１ピッチΔφだけシフトさせるために必要な全反射ミラー２０１−３’の移動量とは、共通である。

このため、本実施形態では、３つの並進機構２０２−１、２０２−２、２０１−３を１つの並進機構で構成し、ビームスプリッタ２０１−１’、２０１−２’、全反射ミラー２０１−３’の全体を一緒に移動させることができる。

なお、以上の説明では、干渉縞の位相をシフトさせるためのビームスプリッタ２０１−１’、２０１−２’、全反射ミラー２０１−３’の移動方向を、図５における方向ａとしたが、図５における方向ｂとしてもよい。この方向ｂは、ビームスプリッタ２０１−１からビームスプリッタ２０１−１’までの間隔を拡縮するような方向（＝ビームスプリッタ２０１−２からビームスプリッタ２０１−２’までの間隔を拡縮するような方向であって、ビームスプリッタ２０１−３から全反射ミラー２０１−３’までの間隔を拡縮するような方向）である。

また、以上の説明では、干渉縞の位相をシフトさせるためのビームスプリッタ２０１−１’、２０１−２’、全反射ミラー２０１−３’の全部の移動方向を共通としたが、一部の移動方向を非共通としてもよいことは言うまでもない。因みに、干渉縞の位相をシフトさせるための方法は他にもある（後述）。

次に、本実施形態の間隔調整機構１２Ａの動作を詳しく説明する。

図６は、間隔調整機構１２Ａによる出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’１１Ａ−２、１１Ａ−２’、１１Ａ−３、１１Ａ−３’の移動方向及び移動範囲を説明する図である。

間隔調整機構１２Ａは、６つの出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’１１Ａ−２、１１Ａ−２’、１１Ａ−３、１１Ａ−３’の各々を標本側に向けた姿勢で、６つの出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’１１Ａ−２、１１Ａ−２’、１１Ａ−３、１１Ａ−３’の各々を瞳共役面６Ａ’にて保持し、図６中の実線矢印で示すとおり、６つの出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’、１１Ａ−２、１１Ａ−２’、１１Ａ−３、１１Ａ−３’の各々から照明光学系１０の光軸までの距離を、変化させる。

瞳共役面６Ａ’における６つの出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’１１Ａ−２、１１Ａ−２’、１１Ａ−３、１１Ａ−３’から照明光学系１０の光軸までの距離が変化すると、瞳面６Ａに形成される６つの集光点から照明光学系１０の光軸までの距離も変化するので、標本５に対するレーザ光の入射角度が変化し、干渉縞の縞ピッチが変化する。

そして、干渉縞の縞ピッチが変化すると、干渉縞による標本５の変調周波数が変化し、上述した１次変調成分及び−１次変調成分の周波数シフト量も変化するので、ＳＩＭとしての超解像効果が変化する。

また、標本５に対するレーザ光の入射角度が変化すると、ＴＩＲＦＭとしてのエバネッセント場の深さ（浸み出し量）も変化する。

したがって、間隔調整機構１２Ａは、ＳＩＭとしての超解像効果と、ＴＩＲＦＭとしてのエバネッセント場の深さ（浸み出し量）とを、並行して調整することができる。

但し、間隔調整機構１２Ａは、その調整の際に、出射端１１Ａ−１から照明光学系１０の光軸までの距離と、出射端１１Ａ−１’から照明光学系１０の光軸までの距離と、出射端１１Ａ−２から照明光学系１０の光軸までの距離と、出射端１１Ａ−２’から照明光学系１０の光軸までの距離と、出射端１１Ａ−３から照明光学系１０の光軸までの距離と、出射端１１Ａ−３’から照明光学系１０の光軸までの距離とを共通に保つ。これによって、光軸に関する出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’の対称性、光軸に関する出射端１１Ａ−２、１１Ａ−２’の対称性、光軸に関する出射端１１Ａ−３、１１Ａ−３’の対称性は維持されるので、第１方向Ｖ_１の干渉縞、第２方向Ｖ_２の干渉縞、第３方向Ｖ_３の干渉縞の各々の品質は、維持される。

また、間隔調整機構１２Ａは、６つの出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’、１１Ａ−２、１１Ａ−２’、１１Ａ−３、１１Ａ−３’から照明光学系１０の光軸までの距離ｒ’の調整範囲を、図６に示すとおり所定範囲（ｒ_１’，ｒ_２’）に制限する。

これによって、間隔調整機構１２Ａは、瞳面６Ａにおける６つの集光点から照明光学系１０の光軸までの距離ｒの調整範囲を、所定範囲（ｒ_１，ｒ_２）に制限することができる。

なお、調整範囲（ｒ_１’，ｒ_２’）と調整範囲（ｒ_１，ｒ_２）との関係は、瞳共役面６Ａ’から瞳面６Ａまでに配置された光学系の倍率ｆ_０によって決まり、（ｒ_１，ｒ_２）＝（ｆ_０ｒ_１’，ｆ_０ｒ_２’）である。

以下、間隔調整機構１２Ａによる距離ｒの調整範囲（ｒ_１，ｒ_２）を詳しく説明する。

先ず、ＴＩＲＦＭでは、瞳面６Ａに形成される６つの集光点から照明光学系１０の光軸までの距離ｒと、対物レンズ６の焦点距離ｆとが少なくとも以下の式（１）を満たしている必要がある。

ｎ_２＜ｒ／ｆ …（１）
但し、ｎ_２は、標本５の屈折率であり、水の屈折率（≒１．３３）とほぼ等しい。この式（１）によると、ＴＩＲＦ条件が満たされる。

なぜなら、通常、ＴＩＲＦ条件は、以下の式（２）で表される。

ｓｉｎθ_１＞ｎ_２／ｎ_１ …（２）
但し、θ_１は、対物レンズ６の媒質（ここでは浸液）から標本５へ入射するレーザ光の入射角度であり、ｎ_１は、その媒質の屈折率である。また、以下の式（３）が成り立つ。

ｎ_１ｓｉｎθ_１＝ｒ／ｆ …（３）
この式（３）を（２）へ代入すると、式（１）が得られる。

次に、ＳＩＭでは、瞳面６Ａに形成される６つの集光点から照明光学系１０の光軸までの距離ｒと、対物レンズ６の焦点距離ｆとが少なくとも以下の式（４）を満たしている必要がある。

ｒ／ｆ＜ｎ_２×√３ …（４）
なぜなら、ｒ／ｆがｎ_２×√３を超えると、干渉縞の縞ピッチが細かくなりすぎて、ＳＩＭの超解像範囲に隙間が発生してしまうからである。

ここで、超解像範囲とは、標本５の蛍光領域の構造に含まれる空間周波数成分のうち、構造化照明顕微鏡装置１が解像可能な空間周波数成分の範囲のことである。この超解像範囲は、非変調時に対物レンズ６が伝達できる空間周波数範囲（＝０次変調成分が有していた空間周波数範囲）と、変調時の周波数シフトによって対物レンズ６が伝達できた空間周波数範囲（＝±１次変調成分が有していた空間周波数範囲）とを、合成したものである。このため、干渉縞の縞ピッチが細かすぎると、±１次変調成分の周波数シフト量が大きくなりすぎるので超解像範囲に隙間が生じる。

具体的に、本実施形態では、第１方向Ｖ_１の干渉縞、第２方向Ｖ_２の干渉縞、第３方向Ｖ_３の干渉縞の各々で変調画像を取得するので、それら３つの変調画像により達成される超解像範囲は、周波数空間上で、図７（Ａ）に示すとおり第１方向Ｖ_１の干渉縞による超解像範囲（０次変調成分Ａ_０、＋１次変調成分Ａ_１＋１、−１次変調成分Ａ_１−１）と、第２方向Ｖ_２の干渉縞による超解像範囲（０次変調成分Ａ_０、＋１次変調成分Ａ_２＋１、−１次変調成分Ａ_２−１）と、第３方向Ｖ_３の干渉縞による超解像範囲（０次変調成分Ａ_０、＋１次変調成分Ａ_３＋１、−１次変調成分Ａ_３−１）とを合成したものとなる。

しかしながら、±１次変調成分の周波数シフト量が大きすぎる、つまり、０次変調成分と±１次変調成分との間の周波数差が大き過ぎると、例えば図７（Ｂ）に示すとおり、超解像範囲に隙間が発生してしまう。この隙間を無くすために必要な条件が、式（４）である。

以上の結果、ＴＩＲＦとしての機能と、ＳＩＭとしての機能とのそれぞれを維持するために、距離ｒの調整範囲（ｒ_１，ｒ_２）は式（１）、（４）の双方を満たすように、つまり以下の式（５）を満たすように、設定される必要がある。

ｎ_２＜ｒ／ｆ＜ｎ_２×√３ …（５）
但し、対物レンズ６の開口数ＮＡは有限である。このＮＡが仮に（ｎ_２×√３）より小さかった場合、ｒ／ｆの上限値は、対物レンズ６の開口数ＮＡによって制限される。

よって、対物レンズ６の開口数ＮＡが（ｎ_２×√３）より小さかった場合、距離ｒの調整範囲（ｒ_１，ｒ_２）は、式（５）の代わりに式（５’）を満たすように設定されれば十分である。

ｎ_２＜ｒ／ｆ＜ＮＡ …（５’）
以下、間隔調整機構１２Ａの構成の一例を説明する。

図８は、間隔調整機構１２Ａの構成例を示す図である。図８には、間隔調整機構１２Ａのうち、第１方向Ｖ_１の干渉縞に関する部分のみを図示してある。

図８に示すとおり、第１方向Ｖ_１の干渉縞に関する間隔調整機構１２Ａは、光軸の周りに回転可能なピニオンギア２１と、ピニオンギア２１を介して互いに連結され、かつ光軸に関して対称に変位可能な１対のラックギア１２Ａ−１、１２Ａ−１’とを備える。また、１対のラックギア１２Ａ−１、１２Ａ−１’の一方は、第１方向Ｖ_１の干渉縞に寄与する１対の出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’の一方を保持し、１対のラックギア１２Ａ−１、１２Ａ−１’の他方は、１対の出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’の他方を保持している。

したがって、ピニオンギア２１を光軸の周りに回転させると、光軸に関する出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’の対称性を保ちつつ、出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’から照明光学系１０の光軸までの距離ｒ’を変化させることができる。

同様に、第２方向Ｖ_２の干渉縞に関する間隔調整機構１２Ａは、ピニオンギア２１を介して互いに連結され、かつ、かつ光軸に関して対称に変位可能な１対のラックギア（不図示）を備える。また、１対のラックギアの一方は、第２方向Ｖ_２の干渉縞に寄与する１対の出射端１１Ａ−２、１１Ａ−２’の一方を保持し、１対のラックギアの他方は、１対の出射端１１Ａ−２、１１Ａ−２’の他方を保持している。

同様に、第３方向Ｖ_３の干渉縞に関する間隔調整機構１２Ａは、ピニオンギア２１を介して互いに連結され、かつ、かつ光軸に関して対称に変位可能な１対のラックギア（不図示）を備える。また、１対のラックギアの一方は、第３方向Ｖ_３の干渉縞に寄与する１対の出射端１１Ａ−３、１１Ａ−３’の一方を保持し、１対のラックギアの他方は、１対の出射端１１Ａ−３、１１Ａ−３’の他方を保持している。

したがって、間隔調整機構１２Ａは、ピニオンギア２１を光軸の周りに回転させることで、光軸に関する出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’の対称性、出射端１１Ａ−２、１１Ａ−２’の対称性、出射端１１Ａ−３、１１Ａ−３’の対称性を保ちつつ、６つの出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’ 、１１Ａ−２、１１Ａ−２’、１１Ａ−３、１１Ａ−３’から照明光学系１０の光軸までの距離ｒ’を変化させることができる。

ところで、前述したとおり本実施形態では、式（５）又は式（５’）が満たされるように距離ｒ’の調整範囲が制限される必要がある。

そこで、本実施形態の制御装置３９は、式（５）又は式（５’）を満たすようなピニオンギア２１の回転範囲（θ_１，θ_２）を予め記憶し、ピニオンギア２１をその範囲内でのみ回転させる。そして、制御装置３９は、その範囲内におけるピニオンギア２１の回転位置θを、ユーザからの調整指示に応じて設定する。

したがって、本実施形態のユーザは、ＳＩＭとしての機能及びＴＩＲＦＭとしての機能を何ら損なうことなく、ＳＩＭの超解像効果及びＴＩＲＦの浸み出し量を自由に調節することができる。

また、本実施形態のユーザは、調整指示を制御装置３９へ入力する際に、希望する浸み出し量（照明深さＺｄ）を制御装置３９へ指定することもできる。但し、制御装置３９は、ユーザが指定可能な照明深さＺｄの範囲を、式（５）又は式（５’）を満たす範囲内に制限する。

そして、照明深さＺｄが指定されると、制御装置３９は、その照明深さＺｄを回転位置θに換算し、その回転位置θにピニオンギア２１の回転位置をセットする。

なお、照明深さＺｄから回転位置θへの換算式は、照明深さＺｄから距離ｒへの換算式と、距離ｒから距離ｒ’への換算式と、距離ｒ’から回転位置θへの換算式とによって表される。このうち、照明深さＺｄから距離ｒへの換算式は、以下の式（６）で表される。

Ｚｄ＝n_１λ／｛２π［（ｒ／ｆ）^２ｎ_２ ^２］^１／２｝ …（６）
但し、λは、使用波長である。

また、距離ｒから距離ｒ’への換算式は、瞳共役面６Ａ’から瞳面６Ａまでの倍率ｆ_０によって与えられる。また、距離ｒ’から回転位置θへの換算式は、間隔調整機構１２Ａの設計データによって与えられる。

したがって、照明深さＺｄから回転位置θへの換算は、使用波長λ、標本５の屈折率n_２、対物レンズ６の媒質の屈折率n_１、対物レンズ６の焦点距離ｆ、瞳共役面６Ａ’から瞳面６Ａまでの倍率ｆ_０、間隔調整機構１２Ａの設計データなどの各種パラメータに基づき行われればよい。

また、本実施形態の制御装置３９は、ユーザからの切り換え指示に応じてレボルバ６０を駆動し、光路に配置される対物レンズを対物レンズ６から他の対物レンズ６’へと切り換える。

但し、光路に配置される対物レンズが切り換わると、ＮＡ、ｆの少なとも一方の値が変化するので、距離ｒの調整範囲、距離ｒ’の調整範囲、ひいてはピニオンギア２１の回転範囲が変化する可能性がある。

そこで、本実施形態の制御装置３９は、ピニオンギア２１の適切な回転範囲（θ_１，θ_２）を対物レンズの種類毎に予め記憶し、対物レンズを切り換えたときには、ピニオンギア２１の回転範囲も、適切なものへと切り換える（当然ながら、前述した換算式におけるｆの値も適切なものへと切り換えられる。）。

なお、ここでは間隔調整機構１２Ａとしてラック＆ピニオン機構を利用する例を挙げたが、他の機構（カム機構等）を利用してもよいことは言うまでもない。

また、ここでは６つの出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’ 、１１Ａ−２、１１Ａ−２’、１１Ａ−３、１１Ａ−３’を連動させたが、６つの出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’ 、１１Ａ−２、１１Ａ−２’、１１Ａ−３、１１Ａ−３’の位置を個別に調整する微調整機構を更に加えてもよい。この微調整機構は、装置のセットアップ時などに使用される。

［第１実施形態の変形例］
なお、第１実施形態では、レーザユニット１００から供給されるレーザ光を１対のレーザ光に分岐・導光する手段として、１つのビームスプリッタと１対の光ファイバとの組み合わせを使用したが、１つの２分岐光ファイバを使用してもよい。

また、第１実施形態では、干渉縞の方向を切り換えるためのシャッタを、光ファイバの前段に配置したが（図１における符号２０３−１、２０３−１’、２０３−２、２０３−２’、２０３−３、２０３−３’を参照）、光ファイバの後段（例えば、瞳共役面６Ａ’又は瞳面６Ａの近傍など）へ配置してもよい。また、互いに対を成すレーザ光同士は、オン／オフのタイミングが同じであって構わないので、互いに対を成すレーザ光のオン／オフには、１つのシャッタを共用してもよい。

また、第１実施形態では、干渉縞の方向を切り換えるためのシャッタとして、電気シャッタ（ＡＯＭや液晶スイッチなど）を使用したが、メカシャッタ（回転シャッタなど）を使用してもよい。例えば、瞳共役面６Ａの近傍に回転シャッタを挿入してもよい。この回転シャッタは、前述した６つの出射端のうち、特定方向に配列された１対の出射端を開放し、他の方向に配列された２対の出射端を遮光するシャッタであって、このシャッタが光軸の周りに回転すると、有効な出射端の配列方向が切り換わる。

また、第１実施形態では、レーザユニット１００から供給されるレーザ光を、３対の光ファイバへ同時に導光したが、レーザユニット１００から供給されるレーザ光を、３対の光ファイバの各対へ順次に導光してもよい。

例えば、図９に示すように、レーザ分割部２００の最上流側（レーザユニット１００の側）にガルバノスキャナ３００を配置し、レーザユニット１００から供給されるレーザ光の進行方向を、ガルバノスキャナ３００で第１方向、第２方向、第３方向の間で切り換えてもよい。

このうち第１方向は、１対の光ファイバ１１−１、１１−１’へ向かう方向であり、第２方向は、１対の光ファイバ１１−２、１１−２’へ向かう方向であり、第３方向は、１対の光ファイバ１１−３、１１−３’へ向かう方向である。

図９において、ガルバノスキャナ３００から第１方向へ向けて射出したレーザ光は、ビームスプリッタ２０１−１を透過するレーザ光と、ビームスプリッタ２０１−１を反射するレーザ光とに分岐される。ビームスプリッタ２０１−１を透過したレーザ光は、レンズ２０５−１を介して光ファイバ１１−１の入射端に集光する。ビームスプリッタ２０１−１を反射したレーザ光は、全反射ミラー２０１−１”を反射した後に、レンズ２０５−１’を介して光ファイバ１１−１’の入射端に集光する。

また、ガルバノスキャナ３００から第２方向へ向けて射出したレーザ光は、ビームスプリッタ２０１−２を透過するレーザ光と、ビームスプリッタ２０１−２を反射するレーザ光とに分岐される。ビームスプリッタ２０１−２を透過したレーザ光は、レンズ２０５−２を介して光ファイバ１１−２の入射端に集光する。ビームスプリッタ２０１−２を反射したレーザ光は、全反射ミラー２０１−２”を反射した後に、レンズ２０５−２’を介して光ファイバ１１−２’の入射端に集光する。

また、ガルバノスキャナ３００から第３方向へ向けて射出したレーザ光は、ビームスプリッタ２０１−３を透過するレーザ光と、ビームスプリッタ２０１−３を反射するレーザ光とに分岐される。ビームスプリッタ２０１−３を透過したレーザ光は、レンズ２０５−３を介して光ファイバ１１−３の入射端へ集光する。ビームスプリッタ２０１−３を反射したレーザ光は、全反射ミラー２０１−３’を反射した後に、レンズ２０５−３’を介して光ファイバ１１−３’の入射端に集光する。

したがって、図９の例を採用した場合、制御装置３９は、ガルバノスキャナ３００を駆動してレーザの進行方向を第１方向、第２方向、第３方向の間で切り換えるだけで、干渉縞の方向を第１方向Ｖ_１、第２方向Ｖ_２、第３方向Ｖ_３の間で切り換えることができる。また、シャッタを開閉する代わりに、レーザ光をこのようにスイッチングすれば、レーザ光の利用効率が高まるという利点もある。

なお、図９の例では、ビームスプリッタ２０１−１の透過／反射比、ビームスプリッタ２０１−２の透過／反射比、ビームスプリッタ２０１−３の透過／反射比の各々は、「１」に設定される。これによって、光ファイバ１１−１へ入射するレーザ光の強度と、光ファイバ１１−１’ へ入射するレーザ光の強度とが共通となり、光ファイバ１１−２へ入射するレーザ光の強度と、光ファイバ１１−２’ へ入射するレーザ光の強度とが共通となり、光ファイバ１１−３へ入射するレーザ光の強度と、光ファイバ１１−３’へ入射するレーザ光の強度とが、共通になる。

因みに、図９に示すレーザ分割部２００では、シャッタが非必須である。また、図９に示すレーザ分割部２００では、並進機構２０２−１、２０２−２、２０２−３の移動対象は、全反射ミラー２０１−１”、２０１−２”、２０１−３’となる。

また、第１実施形態では、６つの光ファイバ１１−１、１１−１’、１１−２、１１−２’、１１−３、１１−３’の出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’、 １１Ａ−２、１１Ａ−２’、１１Ａ−３、１１Ａ−３’の配置先を、瞳共役面６Ａ’の近傍としたが、出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’、 １１Ａ−２、１１Ａ−２’、１１Ａ−３、１１Ａ−３’のうち少なくとも１つの配置先を、瞳面６Ａの近傍としてもよいことは言うまでもない。

また、第１実施形態では、干渉縞の方向を切り換えるために、３対の光ファイバを使用したが、１対の光ファイバを使用し、その出射端（１対の出射端）を光軸周りに回動させる機構を更に備えてもよい。図１０に示すのは、１対の出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’が光軸の周りに回動するイメージである。

また、第１実施形態では、光源波長の数を「２」とし、撮像素子の個数を「２」としたので、２種類の波長λ_Ｌ、λ_Ｓの一方による観察と他方による観察とを同時に行うことができる。しかし、第１実施形態では、撮像素子の個数を１とし、２種類の波長λ_Ｌ、λ_Ｓの一方による観察と他方による観察とを順次に行っても構わない。

また、第１実施形態では、光源波長の数を「２」としたが、３以上に拡張してもよいことは言うまでもない。

また、第１実施形態では、標本５に入射するレーザ光をＳ偏光に保つために、特性が一様であって回動可能な１／２波長板１７を使用したが、特性が非一様であって固定配置された１／２波長板を使用してもよい。この１／２波長板は、例えば、出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’に正対する領域の進相軸方向と、出射端１１Ａ−２、１１Ａ−２’に正対する領域の進相軸方向と、出射端１１Ａ−３、１１Ａ−３’に正対する領域の進相軸方向とが異なる１／２波長板である。出射端１１Ａ−１、１１Ａ−１’に正対する領域の進相軸方向は、図３（Ａ）の方向に設定され、出射端１１Ａ−２、１１Ａ−２’に正対する領域の進相軸方向は、図３（Ｂ）の方向に設定され、出射端１１Ａ−３、１１Ａ−３’に正対する領域の進相軸方向は、図（Ｃ）の方向に設定される。

また、第１実施形態では、標本５に入射するレーザ光をＳ偏光に保つために、特性が一様であって回動可能な１／２波長板１７を使用したが、固定配置した１／４波長板と回動可能な１／４波長板との組み合わせを使用してもよい。

また、第１実施形態では、干渉縞の位相をシフトさせるために、干渉縞に寄与する１対のレーザ光の一方の単独光路に配置された光学素子を並進移動させたが、干渉縞に寄与する１対のレーザ光の位相差をシフトさせることができるのであれば、他の方法を採用してもよい。

例えば、干渉縞に寄与する１対のレーザ光の一方の単独光路に対して位相板を挿脱させてもよい。例えば、国際公開第２００９／０３１４１８号パンフレットに記載された位相シフト方法を適用してもよい。また、位相板の代わりに液晶素子を使用し、その液晶素子の配向を電気的に制御することで、位相シフト量を制御してもよい。

また、第１実施形態では、構造化照明顕微鏡装置１がＴＩＲＦ−ＳＩＭとして利用される場合を説明したが、構造化照明顕微鏡装置１を３Ｄ−ＳＩＭ（3D-Structured Illumination Microscopy）として利用することもできる。

但し、構造化照明顕微鏡装置１を３Ｄ−ＳＩＭとして使用する場合は、干渉縞を生成するために、１対のレーザ光に加えて、第３のレーザ光が必要となる。第３のレーザ光は、入射角度ゼロで標本５へ入射するレーザ光である。よって、その場合は、光ファイバを１つ増設すると共に、図１１に示すとおり、増設した光ファイバ１１−０の出射端１１Ａ−０を光軸上に配置し、光軸からの距離がゼロである集光点を瞳面６Ａ上に形成すればよい。

このような集光点から射出したレーザ光（第３のレーザ光）は、標本５に対して入射角度ゼロで入射し、標本５へ所定角度で入射する１対のレーザ光と共に、３光束干渉縞を形成する。この３光束干渉縞は、標本５の表面方向だけでなく、標本５の深さ方向にも空間変調されているので、この干渉縞によると、標本５の面方向だけでなく深さ方向にも超解像効果を得ることができる。

なお、増設した光ファイバ１１−０の出射端１１Ａ−０の位置は、他の光ファイバの出射端のように調節する必要は無い。

［第１実施形態の作用効果］
以上、第１実施形態の構造化照明装置（１００、２００、１０）は、光源（１００）からの射出光束を少なくとも１対の分岐光束に分岐する分岐手段（２０１−１）と、前記１対の分岐光束を個別に導光する１対の光ファイバ（１１−１、１１−１’）と、前記１対の光ファイバ（１１−１、１１−１’）の１対の出射端（１１Ａ−１、１１Ａ−１’）を、対物レンズ（６）の瞳面（６Ａ）又は瞳共役面（６Ａ’）の互いに異なる位置へ配置することで、前記１対の分岐光束を前記対物レンズ（６）の物体側で互いに干渉させ、その干渉縞で標本（５）を照明する照明光学系（１０）とを備える。

このように、瞳面（６Ａ）又は瞳共役面（６Ａ’）における１対の分岐光束の入射位置を、１対の光ファイバ（１１−１、１１−１’）で設定すれば、それらの入射位置から照明光学系１０の光軸までの距離を、光源（１００）の波長に依らず不変にすることができる。

したがって、第１実施形態の構造化照明装置（１００、２００、１０）によれば、光源（１００）の波長に依らず、構造化照明顕微鏡装置（１）の超解像効果を維持することができる。また、構造化照明顕微鏡装置（１）をＴＩＲＦとして使用した場合は、光源（１００）の波長に依らず、ＴＩＲＦＭの浸み出し量を維持することもできる。

しかも、第１実施形態の構造化照明装置（１００、２００、１０）は、前記１対の出射端（１１Ａ−１、１１Ａ−１’）の各々から照明光学系１０の光軸までの距離（ｒ’）を調整する調整手段（１２Ａ）を更に備える。

したがって、第１実施形態の構造化照明装置（１００、２００、１０）によれば、構造化照明顕微鏡装置（１）の超解像効果を調整することができる。また、第１実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）をＴＩＲＦＭとして使用した場合は、ＴＩＲＦＭの浸み出し量を調整することもできる。

また、前記調整手段（１２Ａ）は、前記１対の出射端（１１Ａ−１、１１Ａ−１’）の位置関係を前記光軸に関して対称な関係に保つ。

したがって、第１実施形態の構造化照明装置（１００、２００、１０）によれば、前記調整の前後で干渉縞の品質、ひいては超解像画像の品質が低下する虞は無い。

また、前記調整手段（１２Ａ）は、前記距離（ｒ’）の調整範囲を予め決められた範囲（ｒ_１’，ｒ_２’）に制限する。

例えば、前記調整範囲は、ｎ_２＜ｒ／f＜ＮＡの式を満たす範囲であり、ｒは、前記１対の分岐光束が前記瞳面（６Ａ）に形成する１対の集光点から前記光軸までの距離であり、ｎ_２は、前記標本（５）の屈折率であり、ｆは、前記対物レンズ（６）の焦点距離であり、ＮＡは、前記対物レンズ（６）の開口数である。

したがって、第１実施形態の構造化照明装置（１００、２００、１０）によれば、構造化照明顕微鏡装置（１）をＴＩＲＦＭとして使用し、しかもＴＩＲＦとしての性能を維持することができる。

或いは、前記調整範囲は、ｎ_２＜ｒ／ｆ＜ｎ_２×√３の式を満たす範囲であり、ｒは、前記１対の分岐光束が前記瞳面（６Ａ）に形成する１対の集光点から前記光軸までの距離であり、ｎ_２は、前記標本（５）の屈折率であり、ｆは、前記対物レンズ（６）の焦点距離であり、ＮＡは、前記対物レンズ（６）の開口数である。

したがって、第１実施形態の構造化照明装置（１００、２００、１０）によれば、構造化照明顕微鏡装置（１）をＴＩＲＦ−ＳＩＭとして使用し、しかも、ＴＩＲＦＭとしての性能と、ＳＩＭとしての性能とを、それぞれ維持することができる。

また、前記対物レンズ（６）は、開口数又は焦点距離の異なる他の対物レンズ（６’）へと交換が可能であり、前記調整手段（１２Ａ）は、前記対物レンズ（６）が交換されると前記調整範囲を変更する。

したがって、第１実施形態の構造化照明装置（１００、２００、１０）は、開口数又は焦点距離の異なる複数種類の対物レンズ（６、６’）の各々に対応できる。

また、前記調整手段（１２Ａ）は、ユーザからの指示に応じて前記調整を行う。

したがって、ユーザは、構造化照明顕微鏡装置（１）の超解像効果を自由に調節することができる。また、構造化照明顕微鏡装置（１）をＴＩＲＦとして使用した場合、ユーザは、ＴＩＲＦＭの浸み出し量を自由に調節することができる。

また、第１実施形態の構造化照明装置（１００、２００、１０）は、前記標本（５）に対する前記干渉縞の形成方向を切り換える切換手段（２０３−１、２０３−１’、２０３−２、２０３−２’、２０３−３、２０３−３’、３００）を更に備える。

したがって、第１実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）は、超解像効果を複数方向に亘って得ることができる。

また、前記分岐手段（２０１−１、２０１−１’、２０１−２、２０１−２’、２０１−３、２０１−３’）は、前記光源（１００）からの射出光束を複数対の分岐光束に分岐し、前記光ファイバは、前記複数対の分岐光束を個別に導光する複数対（１１−１、１１−１’、１１−２、１１−２’、１１−３、１１−３’）からなり、前記切換手段（２０３−１、２０３−１’、２０３−２、２０３−２’、２０３−３、２０３−３’）は、前記標本に向かう１対の分岐光束を、前記複数対の分岐光束の間で切り換える。

したがって、第１実施形態の構造化照明装置（１００、２００、１０）によれば、干渉縞の方向の切り換えを、光のオン／オフにより行うことができる。

或いは、前記切換手段（３００）は、前記光源（１００）からの射出光路を複数の射出光路の間でスイッチングし、前記分岐手段（２０１−１、２０１−２、２０１−３）は、前記複数の射出光路の各々を分岐して複数対の分岐光路を形成し、前記光ファイバは、前記複数対の分岐光路を経由する複数対の分岐光束を個別に導光する複数対（１１−１、１１−１’、１１−２、１１−２’、１１−３、１１−３’）からなる。

したがって、第１実施形態の構造化照明装置（１００、２００、１０）によれば、干渉縞の方向の切り換えを、光路のスイッチングにより行うことができる。

また、前記光源（１００）は、波長の異なる２種類の射出光束（λ_Ｌ、λ_Ｓ）を同時又は順次に出射する。

したがって、第１実施形態の構造化照明装置（１００、２００、１０）は、２種類の射出光束（λ_Ｌ、λ_Ｓ）による順次照明又は同時照明が可能である。

また、第１実施形態の構造化照明装置（１００、２００、１０）は、前記干渉縞の位相をシフトさせる位相シフト手段（２０２−１、２０２−２、２０２−３）を備え、第１実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）は、前記構造化照明装置（１００、２００、１０）と、前記干渉縞で変調された前記標本（５）からの観察光束を光検出器（３５１、３５２）に結像する結像光学系（３００）と、前記光検出器（３５１、３５２）が生成した画像に基づき前記標本（５）の復調像を演算する演算手段（４０）とを備える。

したがって、第１実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）によれば、標本（５）の超解像画像を取得することができる。

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、２００…レーザ分割部、１１−１〜１１−３’…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、６０…レボルバ、３９…制御装置、４０…画像記憶・演算装置、４５…画像表示装置、２３…偏光板、１７…１／２波長板、２５…レンズ、２６…視野絞り、２７…フィールドレンズ、２８…励起フィルタ、７…ダイクロイックミラー、６…対物レンズ、５…標本、６Ａ…瞳面、６Ａ’…瞳共役面

Claims (14)

1. 光源から射出された光束を少なくとも２つの光束に分岐する分岐手段と、
   前記２つの光束それぞれを導光する少なくとも２つの光ファイバと、
   前記２つの光ファイバの各出射端を、対物レンズの瞳面又は瞳共役面の互いに異なる位置へ配置し、前記各出射端から射出した光束により形成される干渉縞で標本を照明する照明光学系と、
   前記各出射端と前記照明光学系の光軸との距離を変化させて調整する調整手段と、
   を備える構造化照明装置。
2. 請求項１に記載の構造化照明装置において、
   前記調整手段は、
   前記２つの光ファイバの出射端の位置関係を前記光軸に関して対称な関係に保つ
   構造化照明装置。
3. 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、
   前記調整手段は、
   予め決められた調整範囲で前記距離を変化させる
   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、
   前記調整範囲は、
   ｎ_２＜ｒ／f＜ＮＡの式を満たす範囲であり、
   ｒは、前記２つの光束が前記瞳面に形成する集光点それぞれから前記光軸までの距離、ｎ_２は、前記標本の屈折率、ｆは、前記対物レンズの焦点距離、ＮＡは、前記対物レンズの開口数である
   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、
   前記調整範囲は、
   ｎ_２＜ｒ／ｆ＜ｎ_２×√３の式を満たす範囲である
   ｒは、前記２つの光束が前記瞳面に形成する集光点それぞれから前記光軸までの距離、ｎ_２は、前記標本の屈折率、ｆは、前記対物レンズの焦点距離である
   構造化照明装置。
6. 請求項３から請求項５の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
   前記対物レンズは、開口数又は焦点距離の異なる他の対物レンズへと交換が可能であり、
   前記調整手段は、
   前記対物レンズが交換される場合に前記調整範囲を変更する
   構造化照明装置。
7. 請求項１から請求項６の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
   前記調整手段は、
   ユーザからの指示に応じて前記調整を行う
   構造化照明装置。
8. 請求項１から請求項７の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
   前記標本に対する前記干渉縞の形成方向を切り換える切換手段を更に備えた
   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、
   前記分岐手段は、前記光源からの射出光束を複数の光束に分岐し、
   前記切換手段は、前記標本に向かう少なくとも２つの光束を前記複数の光束の間で切り替える
   構造化照明装置。
10. 請求項８に記載の構造化照明装置において、
    前記切換手段は、前記光源からの光の進行方向を切り替える
    構造化照明装置。
11. 請求項１から請求項１０の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
    前記光源は、
    波長の異なる２種類の光束を同時又は順次に出射する
    構造化照明装置。
12. 請求項１から請求項１１の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
    前記干渉縞の位相をシフトさせる位相シフト手段を更に備えた
    構造化照明装置。
13. 請求項１から請求項１２の何れか一項に記載の構造化照明装置と、
    前記干渉縞で変調された前記標本からの観察光束を光検出器に結像する結像光学系と、
    を備えた構造化照明顕微鏡装置。
14. 請求項１３に記載の構造化照明顕微鏡装置において、
    前記光検出器が生成した画像に基づき前記標本の復調像を演算する演算手段を更に備えた
    構造化照明顕微鏡装置。
    

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