JP6269239B2 - 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。

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。

本発明の構造化照明装置の一例は、光源からの射出光束を複数の分岐光束に分岐する分岐部と、前記複数の分岐光束による干渉縞を標本面に形成する光学系と、前記標本面に形成される前記干渉縞の方向を切り換える切換部とを備えた構造化照明装置であって、前記切換部は、前記複数の分岐光束を所定の軸から逸れた方向へ偏向する第１偏向部と、前記第１偏向部から射出した前記複数の分岐光束を反射する反射部と、前記反射部から射出した前記複数の分岐光束を前記軸に沿った方向へ偏向する第２偏向部とを備え、前記第１偏向部及び前記第２偏向部は、前記軸周りに回動可能に構成され、前記反射部は、前記軸周りの複数位置の各々に配置された固定型反射面で構成される。

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、前記干渉縞で空間変調された前記標本の画像である変調画像を撮像する撮像素子とを備える。

本発明によれば、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ができる。

第１実施形態の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。 第１実施形態のイメージローテータ５０の動作を説明する図である。 集光点の配列方向と干渉縞の方向との関係を示す図である。 ０次光シャッタ２００、高次光カット部材１８を説明する図である。 １／４波長板３１、３１’の機能を詳しく説明する図である。 並進機構１５Ａの機能を説明する図である。 第２実施形態のイメージローテータ６０を示す図である。 回動機構６０Ａを示す図である。 第３実施形態のイメージローテータ７０を説明する図である。 補助偏向ミラー８０−１’、８０−３’を示す図である。 イメージローテータ８０を示す図である。 イメージローテータ８０の角度関係を説明する図である。

［第１実施形態］
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ものである。

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。以下、照明光学系１０の光軸Ｏの方向にＺ軸を配し、光軸Ｏに直交する紙面内の方向にＹ軸を配し、光軸Ｏに直交する紙面の奥行方向にＸ軸を配したＸＹＺ直交座標系を想定する（図１の右下を参照。）。

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、回折光学素子（回折格子）１３と、１／４波長板３１と、イメージローテータ５０と、１／４波長板３１’と、集光レンズ１６と、０次光シャッタ２００と、高次光カット部材１８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、照明光学系１０には、並進機構１５Ａ、回動機構５０Ａ、３１Ａ、２００Ａなども備えられ、これらの並進機構１５Ａ、回動機構５０Ａ、３１Ａ、２００Ａは、それぞれ制御装置３９によって駆動される。

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３１０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、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は、例えば、３０ｍｓｅｃ、６０ｍｓｅｃなどに設定される。個々の撮像素子のフレーム周期（撮像の繰り返し周期）は、通常、撮像素子の電荷蓄積時間、電荷転送時間などによって定められる。

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、並進機構１５Ａ、回動機構５０Ａ、３１Ａ、２００Ａ、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、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（＝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、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。この回折光束群の各回折光束は、１／４波長板３１、イメージローテータ５０、１／４波長板３１’を順に介して集光レンズ１６に入射すると、集光レンズ１６によって瞳共役面６Ａ’の互いに異なる位置に集光される。

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、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）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。

瞳共役面６Ａ’に向かった回折光束群は、瞳共役面６Ａ’の近傍に配置された０次光シャッタ２００へ入射する。この０次光シャッタ２００を通過した回折光束群は、高次光カット部材１８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、０次光シャッタ２００は、入射した回折光束群のうち０次回折光束を遮光し、高次光カット部材１８は、２次以降の高次回折光束を遮光する。よって、高次光カット部材１８を通過できるのは、±１次回折光束のみとなる。

高次光カット部材１８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される。

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（全反射条件）を満たす。以下、全反射条件を「ＴＩＲＦ条件」と称す。

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３１０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を光源側から見た図であり、図２（Ｂ）は、瞳共役面６Ａ’を光源側から見た図である。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。

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（ＸＹ平面内）において所定方向Ｄ_１かけて周期構造を有した１方向回折格子である。以下、周期構造の形成方向Ｄ_１はＹ軸方向であると仮定する。

この回折格子１３の材質は、例えばガラスである。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、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、周期構造の方向Ｄ_１（＝Ｙ軸方向）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。

これらの±１次回折光束及び０次回折光束は、前述したイメージローテータ５０及び集光レンズ１６を通過した後、瞳共役面６Ａ’の互いに異なる位置に集光する。

図２（Ｂ）に示すように、０次回折光束の集光点１４ａは光軸Ｏ上に位置し、±１次回折光束の集光点１４ｂ、１４ｃは、光軸Ｏに関して対称である。因みに、イメージローテータ５０の後述する回動角θ’がゼロであるときには、集光点１４ｃ、１４ａ、１４ｂの配列方向は、図２（Ｂ）に示すとおり周期構造の方向Ｄ_１（＝Ｙ軸方向）と同じになる。

なお、ここでいう集光点とは、最大強度の８割以上の強度を有する領域の重心位置のことである。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。
また、以上の回折格子１３は、ピエゾモータなどからなる前述した並進機構１５Ａ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、周期構造の方向Ｄ_１（＝Ｙ軸方向）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、イメージローテータ５０を詳しく説明する。

図１に示したとおり、イメージローテータ５０には、光源側から順に、偏向プリズム５０−１と、反射プリズム５０−２と、偏向プリズム５０−３とが配置される。

偏向プリズム５０−１、反射プリズム５０−２、偏向プリズム５０−３の全体は、入射光軸と射出光軸とを照明光学系１０の光軸Ｏ上に配したダブプリズム（平行系用のダブプリズム）と同じ機能を有している。但し、偏向プリズム５０−１、５０−３は、回動機構５０Ａによって光軸Ｏの周りに回動可能であるのに対して、反射プリズム５０−２は、予め固定されている。

先ず、偏向プリズム５０−１は、非平行な入射面及び射出面を有した楔プリズムである。照明光学系１０の光軸Ｏに沿った方向から偏向プリズム５０−１へ入射した回折光束群は、偏向プリズム５０−１を通過することで光路を偏向させ、光軸Ｏから逸れた方向へと進行する。

次に、反射プリズム５０−２は、正六角形状の底面を有した六角柱プリズムであって、その中心線（底面の中心を通る母線方向の直線）を、照明光学系１０の光軸Ｏ上に配置している。また、反射プリズム５０−２の各側面には、金属などからなる反射膜が蒸着されている。よって、偏向プリズム５０−１から射出した回折光束群は、反射プリズ５０−２の一方の底面から反射プリズム５０−２の内部へ入射すると、反射プリズム５０−２の側面である反射面で内面反射（全反射）する。なお、その反射面に対する回折光束群の入射角度が十分に大きい場合は、反射膜の形成を省略することも可能である。そして、その反射面で反射した回折光束群は、反射プリズム５０−２の他方の底面から反射プリズム５０−２の外部へ射出する。

次に、偏向プリズム５０−３は、非平行な入射面及び射出面を有した楔プリズムである。反射プリズム５０−２から射出した回折光束群は、偏向プリズム５０−３を通過することで光路を偏向させ、照明光学系１０の光軸Ｏに沿った方向へ進行する。

ここで、イメージローテータ５０の入射側に配置された偏向プリズム５０−１と、イメージローテータ５０の射出側に配置された偏向プリズム５０−３とは、同型同大、同質であって、偏向プリズム５０−１の姿勢及び配置先と、偏向プリズム５０−３の姿勢及び配置先とは、反射プリズム５０−２の長手方向（照明光学系１０の光軸Ｏ方向）における中心点を通り光軸Ｏと垂直な平面ＰＡに関して対称である。また、偏向プリズム５０−１と偏向プリズム５０−３との配置間隔（光軸Ｏの方向における間隔）は、偏向プリズム５０−１の入射光軸と偏向プリズム５０−３の射出光軸とが一致するような最適値に設定されている。

そして、偏向プリズム５０−１、５０−３は、回動機構５０Ａによって光軸Ｏの周りに回動可能である。但し、その回転の際、１対の偏向プリズム５０−１、５０−３の姿勢及び配置先の対称性は、維持される。

なお、回動機構５０Ａには、例えば、偏向プリズム５０−１、５０−３の各々を保持し、かつ光軸Ｏの周りに回転可能な不図示の保持部材（鏡筒など）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、偏向プリズム５０−１、５０−３が光軸Ｏの周りに回転する。

図３は、イメージローテータ５０の動作を説明する図である。図３（Ａ）〜（Ｃ）は、イメージローテータ５０を構成する各光学要素の姿勢変化を示す斜視図であり、図３（Ａ’）は、図３（Ａ）の状態における各光学要素を光源側から見た様子であり、図３（Ｂ’）は、図３（Ｂ）の状態における各光学要素を光源側から見た様子であり、図３（Ｃ’）は、図３（Ｃ）の状態における各光学要素を光源側から見た様子である。

なお、図３（Ａ）〜（Ｃ）では、偏向プリズム５０−１から反射プリズム５０−２からまでの間隔と、反射プリズム５０−２から偏向プリズム５０−３までの間隔とを、図１におけるそれよりも強調して描いた。また、図３中に示したＸＹＺ座標軸は、図１に示したＸＹＺ座標軸に対応しており、図３中に示した白抜き矢印は、回折光束群の分岐方向（例えば−１次回折光束を基準とした＋１次回折光束の分岐方向）を示している。また、図３において１対の偏向プリズム５０−１、５０−３の各々から突出した短くて太い矢印は、１対の偏向プリズム５０−１、５０−３の各々の頂部の向き、すなわち１対の偏向プリズム５０−１、５０−３の各々が厚さ分布を有している方向（楔方向）を、ＸＹ平面上のベクトルで表したものである。

以下、１対の偏向プリズム５０−１、５０−３の楔方向がＹ軸に対して成す角度を、１対の偏向プリズム５０−１、５０−３の回動角θ’とし、光源側から見た左周りの角度を「正」にとる（その他の角度も同様。）。

さて、本実施形態において、１対の偏向プリズム５０−１、５０−３の回動角θ’は、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すとおり６０°の角度周期で３通り（０°、６０°、１２０°）に切り換わる。

先ず、図３（Ａ’）に示すとおりθ’＝０°のとき、Ｙ軸方向に分岐した回折光束群は、イメージローテータ５０へ入射すると、偏向プリズム５０−１によって偏向された後に反射プリズム５０−２へ入射し、反射プリズム５０−２の反射面５０−２ａで反射され、反射プリズム５０−２から射出すると、偏向プリズム５０−３によって偏向された後にイメージローテータ５０から射出する。このときにイメージローテータ５０から射出する回折光束群の分岐方向は、イメージローテータ５０へ入射した回折光束群の分岐方向（＝Ｙ軸方向）に対して１８０°だけ回転している。よって、θ’＝０°のとき、イメージローテータ５０から射出する回折光束群の分岐方向は、イメージローテータ５０へ入射した回折光束群の分岐方向（＝Ｙ軸方向）と実質的に同じになる。

次に、図３（Ｂ’）に示すとおり、θ’＝＋６０°のとき、Ｙ軸方向に分岐した回折光束群は、イメージローテータ５０へ入射すると、偏向プリズム５０−１によって偏向された後に反射プリズム５０−２へ入射し、反射プリズム５０−２の反射面５０−２ｂで反射され、反射プリズム５０−２から射出すると、偏向プリズム５０−３によって偏向された後にイメージローテータ５０から射出する。このときにイメージローテータ５０から射出する回折光束群の分岐方向は、θ’＝０°のとき（図３（Ａ’）参照）にイメージローテータ５０から射出する回折光束群の分岐方向に対して、１２０°だけ回転している。

次に、図３（Ｃ’）に示すとおり、θ’＝＋１２０°のとき、Ｙ軸方向に分岐した回折光束群は、イメージローテータ５０へ入射すると、偏向プリズム５０−１によって偏向された後に反射プリズム５０−２へ入射し、反射プリズム５０−２の反射面５０−２ｃで反射され、反射プリズム５０−２から射出すると、偏向プリズム５０−３によって偏向された後にイメージローテータ５０から射出する。このときにイメージローテータ５０から射出する回折光束群の分岐方向は、θ’＝０°のとき（図３（Ａ’）参照）にイメージローテータ５０から射出する回折光束群の分岐方向に対して、２４０°だけ回転している。

したがって、本実施形態では、１対の偏向プリズム５０−１、５０−３の回動角θ’が６０°の角度周期で３通り（０°、６０°、１２０°）に切り換わると、イメージローテータ５０から射出する回折光束群の分岐方向が、光軸Ｏの周りに１２０°の角度周期で３通りに切り換わる。

つまり、イメージローテータ５０から射出する回折光束群の分岐方向の回動角θと、１対の偏向プリズム５０−１、５０−３の回動角θ’との関係は、ダブプリズムを使用した従来のイメージローテータと同様、θ＝２θ’である（但し、ここではθ’＝０°におけるθの値をゼロとした。）。

また、本実施形態のイメージローテータ５０では、１対の偏向プリズム５０−１、５０−３が回動するのに対して、反射プリズム５０−２は固定されたままである。

しかし、本実施形態のイメージローテータ５０における反射プリズム５０−２は、光軸Ｏの周りの６０°ずつ異なる各位置に反射面（固定された反射面５０−２ａ、５０−２ｂ、５０−２ｃ）を有しているので、偏向プリズム５０−１、５０−３の回動角θ’が０°、６０°、１２０°の何れであったとしても、偏向プリズム５０−１と偏向プリズム５０−３との間で回折光束群を中継することができる。

なお、反射プリズム５０−２の側面（固定された反射面５０−２ａ、５０−２ｂ、５０−２ｃ）のサイズは、回折光束群の全体（少なくとも±１次回折光束及び０次回折光束の全体）を反射できるような大きさに設定されている。

次に、１対の偏向プリズム５０−１、５０−３の回動角θ’と、瞳共役面６Ａ’に形成される集光点の配列方向と、標本５に形成される干渉縞の方向との関係を説明する。

図４は、集光点の配列方向と干渉縞の方向との関係を示す図である。

先ず、偏向プリズム５０−１、５０−３の回動角θ’が０°であるとき（図３（Ａ）参照）における集光点１４ｂ、１４ａ、１４ｃの配列方向を、第１方向Ｖ_１とおく（図４（Ａ１）参照）。このとき、標本５に形成される干渉縞の方向は、第１方向Ｖ_１に対応した方向となる（図４（Ａ２）参照）。

次に、１対の偏向プリズム５０−１、５０−３の回動角θ’が＋６０°だけ変化すると（図３（Ｂ））、集光点１４ｂ、１４ａ、１４ｃの配列方向は、第１方向Ｖ_１から＋１２０°だけ回転した第２方向Ｖ_２となる（図４（Ｂ１）参照）。このとき、標本５に形成される干渉縞の方向は、第２方向Ｖ_２に対応した方向となる（図４（Ｂ２）参照）。

次に、１対の偏向プリズム５０−１、５０−３の回動角θ’が更に＋６０°だけ変化すると（図３（Ｃ）参照）、集光点１４ｂ、１４ａ、１４ｃの配列方向は、第２方向Ｖ_２から＋１２０°だけ回転した第３方向Ｖ_３となる（図４（Ｃ１）参照）。このとき、標本５に形成される干渉縞の方向は、第３方向Ｖ_３に対応した方向となる（図４（Ｃ２）参照）。

つまり、本実施形態のイメージローテータ５０は、反射プリズム５０−２を固定したまま１対の偏向プリズム５０−１、５０−３を＋６０°の角度周期で回動させるだけで、干渉縞の方向を＋１２０°の角度周期で切り換えることができる。

したがって、本実施形態のイメージローテータ５０は、ダブプリズムを使用した従来のイメージローテータと同様に干渉縞の方向を切り換えることができると共に、その切り換えに必要な可動部分の重量を、従来のイメージローテータよりも低く抑えることができる。

このため、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１は、干渉縞の方向切り換えを高速化することができる。

次に、０次光シャッタ２００を詳しく説明する。

図５（Ａ）は、０次光シャッタ２００を説明する図である。図５（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（集光点１４ｂ、１４ｃの掃引軌道）をカバーする。

この０次光シャッタ２００は、前述した回動機構２００Ａ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５（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（集光点１４ａ）に挿入され、０次光シャッタ２００の回動位置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、±１次回折光束の光路となりうる領域（集光点１４ｂ、１４ｃの掃引軌道）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、高次光カット部材１８を詳しく説明する。

図５（Ｂ）は、高次光カット部材１８を説明する図である。図５（Ｂ）に示すとおり高次光カット部材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。

高次光カット部材１８において円形の開口部１８ａは、０次回折光束の集光点１４ａをカバーしており、輪帯状の開口部１８ｂは、±１次回折光束の光路となりうる領域（集光点１４ｂ、１４ｃの掃引軌道）をカバーしている。また、高次光カット部材１８において２次以降の高次回折光束の光路となりうる領域は、遮光部（非開口部）となっている。

なお、輪帯状の開口部１８ｂの径方向の長さは、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。なぜなら、回折格子１３における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までの高さも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、光軸Ｏから集光点１４ｂ、１４ｃまでの高さＤは、Ｄ＝ｆｃ×λ／Ｐで表される。

次に、１／４波長板３１、３１’の機能を詳しく説明する。

前述した１／４波長板３１、３１’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６（Ａ）に示すとおり集光点の配列方向が第１方向Ｖ_１であるときには、回折光束群の偏光方向は、図６（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Ｏの周りに９０°だけ回転させた方向である。

次に、図６（Ｂ）に示すとおり集光点の配列方向が第２方向Ｖ_２であるときには、回折光束群の偏光方向は、図６（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Ｏの周りに９０°だけ回転させた方向である。

次に、図６（Ｃ）に示すとおり集光点の配列方向が第３方向Ｖ_３であるときには、回折光束群の偏光方向は、図６（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、イメージローテータ５０の上流側に配置された１／４波長板３１の進相軸を予め決められた方向に固定し、イメージローテータ５０の下流側に配置された１／４波長板３１’を回動機構３１Ａ（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３１Ａには、例えば、１／４波長板３１’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（金物）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、１／４波長板３１’が光軸Ｏの周りに回転する。

また、１／４波長板３１の進相軸の方向は、入射した回折光束群の偏光方向に対して４５°の角度を成すように設定される。この場合、１／４波長板３１から射出する回折光束群の偏光状態は、円偏光となる。

一方、１／４波長板３１’の進相軸の方向は、１対の偏向プリズム５０−１、５０−３の回動角θ’に応じた方向に設定される。

具体的に、回動角θ’が０°であるとき、１／４波長板３１’の進相軸の方向は、図６（Ａ）に示した方向Ｖ_１’に対して４５°の角度を成すように設定される。以下、この状態における１／４波長板３１’の回動角θ”を、θ”＝０°とおく。この場合、１／４波長板３１’から射出する回折光束群の偏光状態は、方向Ｖ_１’にかけて偏光した直線偏光となる。

次に、回動角θ’が６０°であるとき、１／４波長板３１’の進相軸の方向は、図６（Ｂ）に示した方向Ｖ_２’に対して４５°の角度を成すように設定される。この状態における１／４波長板３１’の回動角θ”は、θ”＝−６０°である。この場合、１／４波長板３１’から射出する回折光束群の偏光状態は、方向Ｖ_２’にかけて偏光した直線偏光となる。

次に、回動角θ’が１２０°であるとき、１／４波長板３１’の進相軸の方向は、図６（Ｃ）に示した方向Ｖ_３’に対して４５°の角度を成す方向に設定される。この状態における１／４波長板３１’の回動角θ”は、θ”＝−１２０°である。この場合、１／４波長板３１’から射出する回折光束群の偏光状態は、方向Ｖ_３’にかけて偏光した直線偏光となる。

したがって、本実施形態では、回動機構５０Ａが偏向プリズム５０−１、５０−３の回動角θ’を６０°の角度周期で切り換える際に、回動機構３１Ａは、１／４波長板３１’の回動角θ”を−６０°の角度周期で切り換えればよい。

なお、本実施形態では、標本５へ入射する回折光束をＳ偏光とするために、固定配置された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たが、固定配置された直線偏光板と回動可能な１／２波長板との組み合わせを使用してもよい。

また、その場合、回動可能な１／２波長板の代わりに、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。

次に、並進機構１５Ａ（図１参照）の機能を詳しく説明する。

図７は、並進機構１５Ａの機能を説明する図である。

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。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７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、周期構造の形成方向Ｄ_１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。

回折格子１３の構造周期をＰとおき、回折格子１３のシフト方向（ｘ方向）と方向Ｄ_１とのなす角をθ_１とおき、干渉縞の位相シフト量をφとおくと、回折格子１３のｘ方向のシフト量Ｌは、Ｌ＝φ×Ｐ／（４π×｜ｃｏｓθ_１｜）で表される。

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／（２×｜ｃｏｓθ_１｜）となる。これは、回折格子１３の半周期に相当する量である。つまり、回折格子１３を半周期分シフトさせるだけで、干渉縞の位相を１周期分シフトできる（なぜなら、±１次回折光からなる干渉縞の縞周期は、回折格子１３の構造周期の２倍に相当する。）。

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、超解像画像の生成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５０Ａ、３１Ａを駆動することにより、１対の偏向プリズム５０−１、５０−２の回動角θ’を０°に設定すると共に、１／４波長板３１’の回動角θ”を０°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５０Ａ、３１Ａを駆動することにより、偏向プリズム５０−１、５０−２の回動角θ’を＋６０°だけ変化させると共に、１／４波長板３１’の回動角θ”を−６０°だけ変化させ、手順（３）を実行する。

（５）制御装置３９は、回動機構５０Ａ、３１Ａを駆動することにより、偏向プリズム５０−１、５０−２の回動角θ’を＋６０°だけ変化させると共に、１／４波長板３１’の回動角θ”を−６０°だけ変化させ、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に関する手順（４）、（５）を高速化できる。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。

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５０Ａ、３１Ａを駆動することにより、１対の偏向プリズム５０−１、５０−２の回動角θ’を＋６０°だけ変化させると共に、１／４波長板３１’の回動角θ”を−６０°だけ変化させる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態として第１実施形態の変形例を説明する。ここでは、第１実施形態との相違点のみを説明する。相違点は、屈折型のイメージローテータ５０の代わりに反射型のイメージローテータ６０が使用された点にある。

図８は、本実施形態のイメージローテータ６０及びその周辺を示す図である。なお、図８では、イメージローテータ６０の光学要素以外の部分の図示を省略し、０次回折光束以外の回折光束の図示を省略した。

図８に示すとおり本実施形態のイメージローテータ６０は、第１実施形態のイメージローテータ５０において、１対の偏向プリズムの代わりに１対の偏向ミラー６０−１、６０−３を配置し、反射プリズムの代わりに中空反射ミラー６０−２を配置したものである。

偏向ミラー６０−１は、照明光学系１０の光軸Ｏに対して傾斜配置された平面反射ミラーである。照明光学系１０の光軸Ｏに沿った方向から偏向ミラー６０−１へ入射した回折光束群は、偏向ミラー６０−１を反射することで光路を偏向させ、光軸Ｏから逸れた方向へと進行する。

中空反射ミラー６０−２は、中空の角柱状ミラー、具体的には、中空の六角柱ミラーであって、その中心線（底面の中心を通る母線方向の直線）を、照明光学系１０の光軸上に配置している。よって、偏向ミラー６０−１から射出した回折光束群は、中空反射ミラー６０−２の何れか１つの内側面で反射すると、反射ミラー６０−２の他方の開口に向かって進行する。

偏向ミラー６０−３は、照明光学系１０の光軸に対して傾斜配置された平面反射ミラーである。中空反射ミラー６０−２から射出した回折光束群は、偏向ミラー６０−３にて反射することで光路を偏向させ、照明光学系１０の光軸Ｏに沿った方向へと進行する。

ここで、イメージローテータ６０の入射側に配置された偏向ミラー６０−１と、イメージローテータ６０の射出側に配置された偏向ミラー６０−３とは、同型同大であって、偏向ミラー６０−１の姿勢及び配置先と、偏向ミラー６０−３の姿勢及び配置先とは、中空反射ミラー６０−２の長手方向（照明光学系１０の光軸Ｏ方向）における中心点を通り光軸Ｏと垂直な平面に関して対称である。また、偏向ミラー６０−１と偏向ミラー６０−３との配置間隔（光軸Ｏ方向の間隔）は、偏向ミラー６０−１の入射光軸と偏向ミラー６０−３の射出光軸とが一致するような最適値に設定されている。

そして、偏向ミラー６０−１、６０−３は、回動機構６０Ａ（図９参照）によって光軸Ｏの周りに回動可能である。但し、その回転の際、１対の偏向ミラー６０−１、６０−３の姿勢及び配置先の対称性は、維持される。

ここで、１対の偏向ミラー６０−１、６０−３の回動角θ’は、６０°の角度周期で３通り（０°、６０°、１２０°）に切り換わる。

１対の偏向ミラー６０−１、６０−３の回動角θ’が０°であるときには、中空反射ミラー６０−２の或る反射面（「第１内側面」と称す。）が反射に使用され、１対の偏向ミラー６０−１、６０−３の回動角θ’が６０°であるときには、中空反射ミラー６０−２の第１内側面に隣接する第２内側面が反射に使用され、１対の偏向ミラー６０−１、６０−３の回動角θ’が１２０°であるときには、中空反射ミラー６０−２の第２内側面に隣接する第３内側面が反射に使用される。

このように、本実施形態のイメージローテータ６０では、１対の偏向ミラー６０−１、６０−３が回動するのに対して、中空反射ミラー６０−２は固定されたままである。

しかし、本実施形態のイメージローテータ６０における反射ミラー６０−２は、光軸Ｏの周りの６０°ずつ異なる各角度位置に反射面（固定された反射面）を有しているので、偏向ミラー６０−１、６０−３の回動角θ’が０°、６０°、１２０°の何れであったとしても、偏向ミラー６０−１と偏向ミラー６０−３との間で回折光束群を中継することができる。

なお、中空反射ミラー６０−２の内側面（固定された反射面）のサイズは、回折光束群の全体（少なくとも±１回折光束及び０次回折光束の全体）を反射できるような大きさに設定されている。

したがって、本実施形態では、１対の偏向ミラー６０−１、６０−３の回動角θ’が６０°の角度周期で３通りに切り換わると、イメージローテータ５０から射出する回折光束群の分岐方向が光軸Ｏの周りに１２０°の角度周期で３通りに切り換わる。

なお、イメージローテータ５０から射出する回折光束群の分岐方向の回動角θと、１対の偏向ミラー６０−１、６０−３の回動角度θ’との関係は、ダブプリズムを使用した従来のイメージローテータと同様、θ＝２θ’である（但し、ここではθ’＝０°におけるθの値をゼロとした。）。

次に、本実施形態の回動機構６０Ａの一例を説明する。

図９（Ａ）は、光軸Ｏを含む或る切断面でイメージローテータ６０及び回動機構６０Ａを切断してできる断面図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）における切断面Ｂ−Ｂ’でイメージローテータ６０及び回動機構６０Ａを切断してできる断面図である。なお、図９において符号Ａの付与された各要素が回動機構６０Ａの構成要素であり、符号６０Ｂの付与された部分は構造化照明顕微鏡装置１のベースである。

図９（Ａ）、（Ｂ）に示すとおり１対の偏向ミラー６０−１、６０−３は、照明光学系１０の光軸Ｏ上に配設された回動軸６０Ａ−２を介して、中空反射ミラー６０−２の中空部に配設された回転モータ６０Ａ−１に連結されている。その回転モータ６０Ａ−１が駆動されると、１対の偏向ミラー６０−１、６０−３が回動軸６０Ａ−２の周りに等角度で回動する。

また、図９（Ｂ）に示すとおりモータ６０Ａ−１は、アーム６０Ａ−３を介してベース６０Ｂに固定されている。中空反射ミラー６０−２において互いに隣接する２つの反射面の間には間隙が設けられており、その間隙をアーム６０Ａ−３が貫くことにより、中空反射ミラー６０−２の中空部に位置するモータ６０Ａ−１と、中空反射ミラー６０−２の外部に位置するベース６０Ｂとが互いに固定されている。

［第２実施形態の補足］
なお、第１実施形態のイメージローテータ５０は完全屈折型で構成されたのに対して、第２実施形態のイメージローテータ６０は完全反射型で構成されたが、第１実施形態のイメージローテータ５０の一部（屈折部材）と第２実施形態のイメージローテータ６０の他の一部（反射部材）とを組み合わせてなる反射屈折型のイメージローテータを構造化照明顕微鏡装置１に使用してもよいことは言うまでもない。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態として第１実施形態の変形例を説明する。ここでは、第１実施形態との相違点のみを説明する。相違点は、イメージローテータ５０の代わりにイメージローテータ７０が使用された点にある。

図１０（Ａ）は、本実施形態のイメージローテータ７０及びその周辺を示す図である。なお、図１０（Ａ）では、イメージローテータ７０の光学要素以外の部分の図示を省略し、０次回折光束以外の回折光束の図示を省略した。

図１０（Ａ）に示すとおり本実施形態のイメージローテータ７０は、第１実施形態のイメージローテータ５０において、１対の偏向プリズムの各々と反射プリズムとの間に、それら１対の偏向プリズムの偏向機能を補助する補助偏向プリズムを追加したものである。つまり、本実施形態のイメージローテータ７０には、光源側から順に、偏向プリズム５０−１と、補助偏向プリズム７０−１’と、反射プリズム５０−２と、補助偏向プリズム７０−３’と、偏向プリズム５０−３とが配置される。

補助偏向プリズム７０−１’補助偏向プリズム７０−３’とは同型同大、同質であって、補助偏向プリズム７０−１’の姿勢及び配置先と、補助偏向プリズム７０−３’の姿勢及び配置先とは、反射プリズム５０−２の長手方向（照明光学系１０の光軸Ｏ方向）における中心点を通り光軸Ｏと垂直な平面に関して対称である。

また、１対の偏向プリズム５０−１、５０−３は、不図示の回動機構によって照明光学系１０の光軸Ｏの周りに回動可能であるのに対して、補助偏向プリズム７０−１’、反射プリズム５０−２、補助偏向プリズム７０−３’は、予め固定されている。

本実施形態の偏向プリズム５０−１の機能は、第１実施形態の偏向プリズム５０−１の機能と基本的に同じであるが、本実施形態の偏向プリズム５０−１の光偏向量は、第１実施形態の偏向プリズム５０−１の光偏向量よりも小さく抑えられている。

よって、本実施形態の偏向プリズム５０−１の頂角（楔角度）は、第１実施形態の偏向プリズム５０−１の頂角よりも小さく抑えられ、本実施形態の偏向プリズム５０−１の重量は、第１実施形態の偏向プリズム５０−１の重量よりも低く抑えられる。

また、これによって不足した偏向量は、補助偏向プリズム７０−１’によって補償される。

また、本実施形態の反射プリズム５０−２の機能は、第１実施形態の反射プリズム５０−２の機能と同じである。

また、本実施形態の偏向プリズム５０−３の機能は、第１実施形態の偏向プリズム５０−３の機能と基本的に同じであるが、本実施形態の偏向プリズム５０−３の光偏向量は、第１実施形態の偏向プリズム５０−３の光偏向量よりも小さく抑えられている。

よって、本実施形態の偏向プリズム５０−３の頂角（楔角度）は、第１実施形態の偏向プリズム５０−３の頂角よりも小さく抑えられ、本実施形態の偏向プリズム５０−３の重量は、第１実施形態の偏向プリズム５０−３の重量よりも低く抑えられる。

また、これによって不足した偏向量は、補助偏向プリズム７０−３’によって補償される。

したがって、本実施形態のイメージローテータ７０は、第１実施形態のイメージローテータ５０よりも、可動部分の重量を更に抑えることができる。

ここで、本実施形態において追加された補助偏向プリズム７０−１’は、照明光学系１０の光軸Ｏ周りの６０°ずつ異なる各位置に楔プリズム要素（固定された屈折要素）を配置してなるので、偏向プリズム５０−１の回動角θ’が０°、６０°、１２０°の何れであったとしても、偏向プリズム５０−１と反射プリズム５０−２との間で回折光束群を中継することができる。

また、本実施形態において追加された補助偏向プリズム７０−３’は、照明光学系１０の光軸周りの６０°ずつ異なる各位置に楔プリズム要素（固定された屈折要素）を配置してなるので、偏向プリズム５０−３の回動角θ’が０°、６０°、１２０°の何れであったとしても、反射プリズム５０−２と偏向プリズム５０−３との間で回折光束群を中継することができる。

さて、以上のイメージローテータ７０において、偏向プリズム５０−１、５０−３及び反射プリズム５０−２における回折光束群の屈折角度は、基本的に光源波長に依存し、その屈折角度は、光源波長が長いときほど小さくなる。このため、１対の偏向プリズム５０−１、５０−３の最適な配置間隔、つまりイメージローテータ７０の入射光軸と射出光軸とを一致させるために必要な配置間隔は、光源波長が長いときほど広くなる。

因みに、イメージローテータ７０の入射光軸と射出光軸とのズレが大きくなると、干渉縞の位相が設計値どおりにならない、±１次回折光束の一方が標本５に到達できなくなる、といった不具合が生じ、干渉縞パターンが不適切になる。

そこで、本実施形態のイメージローテータ７０には、１対の偏向プリズム５０−１、５０−３の配置間隔（光軸Ｏの方向の間隔）を調整する調節機構（不図示）が備えられる。

この調節機構は、具体的に、光源波長が短い波長λ２であるとき（つまり屈折角度が大きいとき）には、１対の偏向プリズム５０−１、５０−３の配置間隔を図１０（Ａ）に示すとおり狭く設定し、光源波長が長い波長λ１であるとき（つまり屈折角度が小さいとき）には、１対の偏向プリズム５０−１、５０−３の配置間隔を図１０（Ｂ）に示すとおり広く設定することで、イメージローテータ７０の入射光軸と射出光軸とのズレ量を、波長に依らずゼロに抑える。

したがって、本実施形態のイメージローテータ７０によれば、第１実施形態と同様の効果に加えて、光源波長に依らず干渉縞パターンを適正に保つことができるという付加的な効果も得られる。

［第３実施形態の補足］
なお、第３実施形態で説明した調整機構は、第１実施形態又は第２実施形態のイメージローテータにも同様に搭載することが可能である。

また、第３実施形態では、イメージローテータ７０に１対の偏向プリズム５０−１、５０−３を使用したが、１対の偏向プリズム５０−１、５０−３の代わりに、第２実施形態で説明した１対の偏向ミラー６０−１、６０−３を使用してもよい。

なお、第３実施形態では、イメージローテータ７０に反射プリズム５０−２を使用したが、反射プリズム５０−２の代わりに、第２実施形態で説明した中空反射ミラー６０−２を使用してもよい。

また、第３実施形態では、イメージローテータ７０に１対の補助偏向プリズム７０−１’、７０−３’を使用したが、１対の補助偏向プリズム７０−１’、７０−３’の代わりに、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すような１対の補助偏向ミラー８０−１’、８０−３’を使用してもよい。補助偏向ミラー８０−１’は、補助偏向プリズム７０−１’を反射型で構成したものであって、補助偏向ミラー８０−３’は、補助偏向プリズム７０−３’を反射型で構成したもの（固定された反射要素で構成したもの）である。

なお、イメージローテータ７０の一部の屈折部材を反射部材に置換すれば、波長による光路のズレ量（色収差の発生量）が小さく抑えられるので、可動部分（１対の偏向プリズム５０−１、５０−３）の間隔調整量（ストローク）も小さく抑えることができる。

因みに、図１２に示すイメージローテータ８０は、第３実施形態のイメージローテータ７０において、可動部分（１対の偏向プリズム５０−１、５０−３）以外の全ての光学要素を反射型で構成したものである。

［イメージローテータの角度関係］
次に、イメージローテータを構成する各要素の角度関係を説明する。

ここでは、一例として、図１２に示したイメージローテータ８０を想定する。

図１３は、イメージローテータ８０の一部の概念図である。

図１３に示すとおり偏向プリズム５０−１の頂角（楔角度）をαとおき、偏向プリズム５０−１の屈折率をｎとおき、補助偏向ミラー８０−１’の配置角度をβとおく。

この場合、偏向プリズム５０−１の入射面に対する平行光束の入射角度は、αとなる。

また、その面に対する平行光束の入射角度αと、その面から射出する平行光束の射出角度θ_１との関係は、ｓｉｎα＝ｎｓｉｎθ_１である。よって、角度θ_１は以下の式で表される。

また、偏向プリズム５０−１の射出面に対する平行光束の入射角度θ_２は、以下の式で表される。

また、偏向プリズム５０−１の射出面に対する平行光束の入射角度θ_２と、その面から射出する平行光束の射出角度θ_３との関係は、ｎｓｉｎθ_２＝ｓｉｎθ_３である。よって、角度θ_３は以下の式で表される。

したがって、中空反射ミラー６０−２の反射面に対する平行光束の入射角度θ_４は、以下の式で表される。

なお、ここでは、イメージローテータ８０の上流側の角度関係しか説明しなかったが、下流側の角度関係も、上述したものと同様である。

［各実施形態の補足］
なお、上述した実施形態のイメージローテータは、可動部分（偏向プリズム又は偏向ミラー）の回動角度θ’を「６０°」の角度周期で切り換えたので、固定部分（反射プリズム又は中空反射ミラー）の側面数を「６枚」に設定したが、回動角度θ’の切り換えの角度周期と固定部分の側面数との組み合わせは、他の組み合わせに設定されてもよい。

例えば、回動角度θ’の切り換えの角度周期を「３６°」に設定し、固定部分の側面数を「１０枚」に設定してもよい。この場合、六角柱状の反射プリズムの代わりに１０角柱状の反射プリズムを使用し、六角柱状の中空ミラーの代わりに１０角柱状の中空ミラーを使用し、補助偏向プリズムの要素数を１０とし、補助偏向ミラーの要素数を１０とすればよい。

或いは、回動角度θ’の切り換えの角度周期を「４５°」に設定し、固定部分の側面数を「８枚」に設定してもよい。この場合、六角柱状の反射プリズムの代わりに８角柱状の反射プリズムを使用し、六角柱状の中空ミラーの代わりに８角柱状の中空ミラーを使用し、補助偏向プリズムの要素数を８とし、補助偏向ミラーの要素数を８とすればよい。

つまり、回動角度θ’の切り換えの角度周期Δθ（ｒａｄ）と、固定部分の側面数Ｎとの関係は、Ｎ＝（２π／Δθ）に設定されればよい。

因みに、回動角度θ’の切り換えの角度周期Δθを小さくして固定部分の側面数Ｎを増やせば、超解像可能な方位の数を増やすことができる。

また、上述した実施形態のイメージローテータでは、１対の光学要素（１対の偏向プリズム又は２対の偏向ミラー）の双方を共通の回動機構で駆動してもよいが、１対の光学要素を１対の回動機構で個別に駆動してもよいことは言うまでもない。但し、その場合は、１対の回動機構は同期制御されることが望ましい。

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。

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、３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、固定された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たが、回動可能な１／２波長板を使用してもよい。

また、上述した実施形態では、光ファイバ１１の出射端と波長板との間に直線偏光板を挿入し、余分な偏光成分をカットしてもよい。但し、レーザ光の利用効率を高めるため、その偏光板の軸は、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。

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。

［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、３１…１／４波長板、１６…集光レンズ、２００…０次光シャッタ、１８…高次光カット部材、２５…レンズ、２６…視野絞り、２７…フィールドレンズ、２８…励起フィルタ、７…ダイクロイックミラー、６…対物レンズ、５…標本、３１’…１／４波長板、１５Ａ…並進機構、５０Ａ…回動機構、３１Ａ…回動機構、２００Ａ…回動機構

Claims (14)

1. 光源からの射出光束を複数の分岐光束に分岐する分岐部と、
   前記複数の分岐光束による干渉縞を標本面に形成する光学系と、
   前記標本面に形成される前記干渉縞の方向を切り換える切換部と、
   を備えた構造化照明装置であって、
   前記切換部は、
   前記複数の分岐光束を所定の軸から逸れた方向へ偏向する第１偏向部と、
   前記第１偏向部から射出した前記複数の分岐光束を反射する反射部と、
   前記反射部から射出した前記複数の分岐光束を前記軸に沿った方向へ偏向する第２偏向部とを備え、
   前記第１偏向部及び前記第２偏向部は、前記軸周りに回動可能に構成され、
   前記反射部は、前記軸周りの複数位置の各々に配置された固定型反射面で構成される
   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、
   前記第１偏向部と前記反射部との間には、前記第１偏向部の偏向機能を補助する固定型第１補助偏向部が配置され、
   前記反射部と前記第２偏向部との間には、前記第２偏向部の偏向機能を補助する固定型第２補助偏向部が配置される
   ことを特徴とする構造化照明装置。
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、
   前記第１偏向部と前記第２偏向部との間隔は、調整可能である
   ことを特徴とする構造化照明装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載の構造化照明装置において、
   前記第１補助偏向部は、前記軸周りの複数位置の各々に配置された固定型屈折要素で構成され、
   前記第２補助偏向部は、前記軸周りの複数位置の各々に配置された固定型屈折要素で構成される
   ことを特徴とする構造化照明装置。
5. 請求項２又は請求項３に記載の構造化照明装置において、
   前記第１補助偏向部は、前記軸周りの複数位置の各々に配置された固定型反射要素で構成され、
   前記第２補助偏向部は、前記軸周りの複数位置の各々に配置された固定型反射要素で構成される
   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、
   前記反射部は、
   前記軸上に中心線を配した角柱状のプリズムである
   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、
   前記反射部は、
   前記軸上に中心線を配した角柱状の中空ミラーである
   ことを特徴とする構造化照明装置。
8. 請求項６に記載の構造化照明装置において、
   前記プリズムは、
   六角柱状のプリズムである
   ことを特徴とする構造化照明装置。
9. 請求項７に記載の構造化照明装置において、
   前記中空ミラーは、
   六角柱状の中空ミラーである
   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において、
    前記第１偏向部及び前記第２偏向部の各々は、屈折部材である
    ことを特徴とする構造化照明装置。
11. 請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
    前記第１偏向部及び前記第２偏向部の各々は、反射部材である
    ことを特徴とする構造化照明装置。
12. 請求項１〜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る
    ことを特徴とする構造化照明装置。
13. 請求項１〜請求項１２の何れか一項に記載の構造化照明装置と、
    前記干渉縞で空間変調された前記標本の画像である変調画像を撮像する撮像素子と、
    を備えたことを特徴とする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、
    前記変調画像に基づき前記標本の復調画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。
    

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