JP6540760B2 - 構造化照明顕微鏡、構造化照明方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、構造化照明顕微鏡、構造化照明方法、及びプログラムに関する。
本願は、２０１３年１２月１２日に出願された日本国特許出願２０１３−２５７５１２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

顕微鏡装置において、光学系の分解能を越えた観察を可能とする超解像顕微鏡がある。
この超解像顕微鏡の一形態として、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、その変調画像を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）が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この手法においては、光源から射出された光束を回折格子等により複数の光束に分岐し、それらの光束を標本の近傍で互いに干渉させることで形成された干渉縞で標本を照明することにより、標本の変調画像を取得している。

米国再発行特許発明第３８３０７号

上述した構造化照明顕微鏡において、強誘電性液晶を用いた空間光変調器を、光束を複数の光束に分岐するための回折格子等として使用することが知られている。空間光変調器を構成する液晶素子に駆動電圧を印加することにより、この液晶素子を通過する照明光の位相を変調させることができる。
一方、強誘電性液晶を用いた液晶表示装置では、液晶素子に同符号の駆動電圧が印加され続けると、液晶素子に電圧を掛けても他の安定状態に変移しない焼き付きと呼ばれる現象が生じることがある。このため、強誘電性液晶を用いた液晶表示装置では、駆動電圧の逆電圧を液晶素子に印加することにより、焼き付きを抑制する手法が提案されている。
しかしながら、上述した構造化照明顕微鏡において、強誘電性液晶を用いた空間光変調器を使用する場合、液晶素子に駆動電圧の逆電圧を印加している時間は、構造化照明顕微鏡にとって不要な時間であるため、逆電圧を印加しない場合に比べて撮像時間が長くなるという問題があった。つまり、上記のような構造化照明顕微鏡において、強誘電性液晶を用いた空間光変調器を使用する場合に、液晶素子の焼き付きを効率よく抑制するという課題があった。

本発明の態様は、空間光変調器として用いた液晶素子の焼き付きを効率よく抑制することができる構造化照明顕微鏡、構造化照明方法、及びプログラムを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る構造化照明顕微鏡は、空間光変調器と、前記空間光変調器からの光を互いに干渉させることにより生成された干渉縞によって標本を照明する干渉光学系と、所定の電圧値分布を有する電圧パターンを、前記空間光変調器に印加する制御部と、前記干渉縞が照射された前記標本の像を形成する結像光学系と、前記結像光学系が形成した前記像を撮像して画像を生成する撮像素子と、前記画像を複数用いて、復調画像を生成する復調部とを備える構造化照明顕微鏡であって、前記制御部は、第１の期間において、複数の前記復調画像を生成するための画像生成用電圧パターンを印加し、前記第１の期間と異なる第２の期間において、前記複数の画像生成用電圧パターンに基づいて生成される焼き付きを防止するための焼き付き防止電圧パターンとを印加し、前記焼き付き防止電圧パターンが印加される回数は、前記画像生成用電圧パターンが印加される回数よりも少ない。

本発明の一態様に係る構造化照明方法は、（ａ）空間光変調器からの光を互いに干渉させることにより生成された干渉縞によって標本を照明することと、（ｂ）所定の電圧値分布を有する電圧パターンを、前記空間光変調器に印加することと、（ｃ）前記干渉縞が照射された前記標本の像を形成することと、（ｄ）前記（ｃ）で形成した前記像を撮像して画像を生成することと、（ｅ）前記画像を複数用いて、復調画像を生成することとを有する構造化照明方法であって、前記（ｂ）では、第１の期間において、複数の前記復調画像を生成するための画像生成用電圧パターンを印加し、前記第１の期間と異なる第２の期間において、前記複数の画像生成用電圧パターンに基づいて生成される焼き付きを防止するための焼き付き防止電圧パターンとを印加し、前記焼き付き防止電圧パターンが印加される回数は、前記画像生成用電圧パターンが印加される回数よりも少ない。

本発明の一態様に係るプログラムは、コンピュータに、（ａ）空間光変調器からの光を互いに干渉させることにより生成された干渉縞によって標本を照明することと、（ｂ）所定の電圧値分布を有する電圧パターンを、前記空間光変調器に印加することと、（ｃ）前記干渉縞が照射された前記標本の像を形成することと、（ｄ）前記（ｃ）で形成した前記像を撮像して画像を生成することと、（ｅ）前記画像を複数用いて、復調画像を生成することとを実行させるためのプログラムであって、前記（ｂ）では、第１の期間において、複数の前記復調画像を生成するための画像生成用電圧パターンを印加し、前記第１の期間と異なる第２の期間において、前記複数の画像生成用電圧パターンに基づいて生成される焼き付きを防止するための焼き付き防止電圧パターンとを印加し、前記焼き付き防止電圧パターンが印加される回数は、前記画像生成用電圧パターンが印加される回数よりも少ない。

本発明の態様によれば、空間光変調器として用いた液晶素子の焼き付きを効率よく抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係る観察装置を示す概要図である。 本実施形態の光変調部の構成の一例を示す模式図である。 本実施形態の光変調部の構成の一例を示す模式図である。 本実施形態の光変調部が変化させる光の位相の一例を示す模式図である。 本実施形態の光変調部が変化させる光の位相の一例を示す模式図である。 本実施形態の光変調部が変化させる光の位相の一例を示す模式図である。 本実施形態の駆動制御部が印加する電圧パターンの一例を示す模式図である。 本実施形態の駆動制御部が光変調部に印加する電圧パターンの順序の一例を示す模式図である。 電圧パターンの印加順序の比較例を示す模式図である。 本実施形態の駆動制御部が光変調部に印加する電圧パターンの順序の変形例を示す模式図である。 本実施形態の駆動制御部が印加する電圧パターンの第１の変形例を示す模式図である。 本実施形態の駆動制御部が印加する電圧パターンの第２の変形例を示す模式図である。 本実施形態の駆動制御部が印加する電圧パターンの第３の変形例を示す模式図である。 本実施形態の駆動制御部が印加する電圧パターンの第４の変形例を示す模式図である。 本実施形態の駆動制御部が印加する電圧パターンの第５の変形例を示す模式図である。 本実施形態の駆動制御部が印加する電圧パターンの印加順序の変形例を示す模式図である。 本実施形態の撮像部が撮像した干渉縞の一例を示す模式図である。 本実施形態の撮像部が撮像した干渉縞の一例を示す模式図である。

以下、本発明の説明に先立ち、２次元構造化照明顕微鏡装置（２Ｄ−ＳＩＭ：2D-Structured Illumination Microscopy）と、３次元構造化照明顕微鏡装置（３Ｄ−ＳＩＭ：３Ｄ-Structured Illumination Microscopy）とについて説明する。
一般的に、蛍光顕微鏡では、蛍光物質を含む標本の蛍光分布が観察されるが、２Ｄ−ＳＩＭでは、２光束干渉による干渉縞（構造化照明）を用いて標本を照明することにより、標本の蛍光分布と構造化照明の分布によるモアレが形成される。そして、このモアレ像（変調像）を取得し、復調することにより、標本面と水平な方向（光軸と垂直な方向）の標本の構造に対して、解像度の高い標本画像を得ることができる。
一方、３Ｄ−ＳＩＭでは、３光束干渉による干渉縞（構造化照明）を用いて標本を照明することにより、光軸方向にも干渉縞を形成することができるため、光軸方向の標本の構造に対してもモアレを発生させることができる。これにより、光軸方向の標本の構造に対しても解像度の高い標本画像を得ることができる。
以下の実施形態の説明では、３Ｄ−ＳＩＭを例に挙げて説明するが、２Ｄ−ＳＩＭに対しても適用可能である。

［第１の実施形態]
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る観察装置１（構造化照明顕微鏡）を示す概要図である。本実施形態の観察装置１とは、例えば、生体の細胞などの標本ＳＰを観察する顕微鏡装置である。

観察装置１は、照明装置１０、及び撮像部２１０を備える。照明装置１０は、標本ＳＰを干渉縞で照明する。撮像部２１０は、後述する干渉光学系２００によって結像された干渉縞で変調された標本ＳＰの蛍光像を撮像し、撮像した画像に基づいて、標本ＳＰの像を生成する。

照明装置１０は、所定の照明領域ＬＡ上に干渉縞を形成する。標本ＳＰは、照明領域ＬＡ上またはその近傍に配置される。すなわち、照明装置１０は、標本ＳＰを照明するとともに、標本ＳＰ上に干渉縞を形成する。

本実施形態に係る照明装置１０は、光源装置１００、光変調部１２０、駆動制御部１６０、及び干渉光学系２００を備える。
光源装置１００は、光源１０１を含み、レーザ光を光変調部１２０に対して射出するように構成されている。光変調部１２０は、入射した光を複数の次数に回折する。
干渉光学系２００は、光変調部１２０で回折された複数の回折光（分岐光）を干渉させて干渉縞を生成する。また、干渉光学系２００は、干渉縞で変調された標本ＳＰの蛍光像を撮像部２１０の撮像面において結像させる。駆動制御部１６０は、光変調部１２０を駆動して、干渉縞の位相、方向、ピッチを制御する。すなわち、駆動制御部１６０は、光変調部１２０に駆動電圧を印加する制御装置（制御部）の一例である。駆動制御部１６０は、例えば、電源装置、コンピュータ等から構成されている。

本実施形態に係る光源装置１００は、光源１０１、導光部材１０２、及びコリメータ１０４を含む。光源１０１は、例えばレーザーダイオードなどの発光素子（一次光源）を含み、レーザ光を導光部材１０２に導入する。導光部材１０２は、例えば光ファイバーを含み、入射された光源１０１からの光をコリメータ１０４へ導く。なお、導光部材１０２から光が射出される射出端面は、二次光源となっている。コリメータ１０４は、光源から導光部材１０２を介して入射する光を平行光とする。

本実施形態に係る干渉光学系２００は、複数のレンズ部材を含む。具体的には、干渉光学系２００は、偏光ビームスプリッター２０１と、レンズ群２０２と、マスク２０３と、ダイクロイックミラー２０４と、１／２波長板２０５と、フィルタ２０６と、フィルタ２０７とを備える。

偏光ビームスプリッター２０１は、コリメータ１０４と、光変調部１２０と、レンズ２０２−１との間の光路に配置される。偏光ビームスプリッター２０１は、Ｘ方向に偏光した光を透過させ、Ｙ方向に偏光した光を反射する。偏光ビームスプリッター２０１はコリメータ１０４から射出された光を光変調部１２０に導くとともに、光変調部１２０が反射した光の一部をレンズ２０２−１に導く。ここで、コリメータ１０４から射出された光は、Ｘ方向の直線偏光にできる。これにより偏光ビームスプリッター２０１による光量の損失を小さくすることができる。偏光ビームスプリッター２０１の作用については後述する。
マスク２０３は、レンズ２０２−１と、レンズ２０２−２との間の光路に配置され、偏光ビームスプリッター２０１から射出された光のうち、少なくとも一部を通過させる。このマスク２０３は、板状であり、光軸ＡＸ１に対してほぼ垂直に設置される。
１／２波長板２０５は、レンズ２０２−１と、レンズ２０２−２との間の光路に配置され、偏光ビームスプリッター２０１から射出された光の偏光状態を構造化照明の方向ごとに変化させる。具体的には、１／２波長板２０５は、偏光ビームスプリッター２０１から射出された光の偏光状態を，照明領域ＬＡにおける光の入射面に対してＳ偏光に変換する。なお、１／２波長板２０５は偏光ビームスプリッター２０１と対物レンズ２０２−４の間であれば、どこに設置してもよい。

レンズ群２０２には、レンズ２０２−１〜５が含まれる。レンズ２０２−１〜２０２−５の少なくとも１つは、所定の対称軸の周りで回転対称な形状のレンズ部材を含む。このうち、対物レンズ２０２−４は、いわゆる対物レンズである。このようなレンズ部材としては、例えば、球面レンズ、あるいは非球面レンズが挙げられる。本実施形態において、レンズ２０２−１〜２０２−３が有する回転対称な形状のレンズ部材の対称軸を、適宜、干渉光学系２００の光軸ＡＸ１という。レンズ２０２−１は、光学面ＯＳ１を形成する。光学面ＯＳ１は、対物レンズ２０２−４の後側焦点面（瞳面）の共役面であり、いわゆる瞳共役面である。

ダイクロイックミラー２０４は、光波長に応じて反射・透過特性が異なる反射透過部材である。ダイクロイックミラー２０４は、レンズ２０２−３、対物レンズ２０２−４、及びレンズ２０２−５の間の光路に配置されており、レンズ２０２−３から入射する光の少なくとも一部を対物レンズ２０２−４の方向へ反射し、対物レンズ２０２−４から入射する光のうち、少なくとも一部をレンズ２０２−５の方向に透過する特性を有する。
フィルタ２０６は、レンズ２０２−３と、ダイクロイックミラー２０４との間の光路に配置されており、励起光のみを透過させる。
フィルタ２０７は、ダイクロイックミラー２０４と、レンズ２０２−５との間の光路に配置されており、励起光を透過させずに蛍光のみを透過させる。

レンズ２０２−２は、レンズ２０２−１とともに、光変調部１２０と光学的に共役な光学面ＯＳ２を形成する。光学面ＯＳ２には、光源装置１００からの光により照らされている光変調部１２０の中間像が形成される。レンズ２０２−３及び対物レンズ２０２−４は、光学面ＯＳ２と光学的に共役な光学面ＯＳ３を形成する。光学面ＯＳ２が光変調部１２０と光学的に共役であるので、光学面ＯＳ３は、光変調部１２０と光学的に共役である。照明装置１０の照明領域ＬＡは、光学面ＯＳ３上、または標本ＳＰ上に形成される干渉縞の合焦精度が許容範囲に収まるように光学面ＯＳ３の近傍に設定される。

レンズ２０２−５は、照明領域ＬＡと光学的に共役な光学面ＯＳ４を形成する。光学面ＯＳ４は、照明領域ＬＡを物体面としたときの像面に相当する。光学面ＯＳ４には、照明されている標本ＳＰの像が形成される。本実施形態において、対物レンズ２０２−４、レンズ２０２−５それぞれは、所定の対称軸の周りで回転対称な形状のレンズ部材を含み、この対称軸を干渉光学系２００の光軸ＡＸ２という。また、光軸ＡＸ２は、干渉光学系２００のうちレンズ２０２−１〜２０２−３までの部分の光軸ＡＸ１に対して実質的に垂直に設定される。ダイクロイックミラー２０４において標本ＳＰからの光が入射する面は、干渉光学系２００の光軸ＡＸ１と干渉光学系２００の光軸ＡＸ２のそれぞれに対し、例えば約４５°の角度をなして、傾いている。照明されている標本ＳＰからの光は、対物レンズ２０２−４、ダイクロイックミラー２０４、及びレンズ２０２−５を介して、光学面ＯＳ４に入射する。

本実施形態に係る撮像部２１０は、撮像素子２１１、及び撮像制御部２１２を含む。撮像素子２１１は、ＣＣＤセンサー、ＣＭＯＳセンサーなどのイメージセンサーを含む。撮像素子２１１は、複数のフォトダイオードが配列された受光面と、複数のフォトダイオードから信号を読み出す読出回路とを含む。撮像素子２１１の受光面は、標本ＳＰが配置される照明領域ＬＡと光学的に共役な光学面ＯＳ４に配置される。撮像素子２１１の受光面は、干渉光学系２００の光軸ＡＸ２の方向において、焦点深度の範囲内で光学面ＯＳ４からずれていてもよい。撮像制御部２１２は、撮像素子２１１の読出回路を制御し、撮像タイミングなどを制御するとともに、読出回路からの信号に基づいて、標本ＳＰの画像を生成するための演算を行う。

次に、図２Ａ、２Ｂを参照して、光変調部１２０について、より詳しく説明する。
図２Ａは、本実施形態の光変調部１２０の構成の一例を示す模式図である。この光変調部１２０は、強誘電性液晶(Ferroelectric Liquid Crystal, FLC)を用いた空間光変調器(Spatial Light Modulator, SLM)を備えている。強誘電性液晶は、液晶分子が自発分極を持ち、層構造を有する。光変調部１２０は、この強誘電性液晶を用いた空間光変調器を回折格子として用いることにより、構造化照明の切り替えの高速化を実現している。すなわち、光変調部１２０は、光源からの光を複数の分岐光に分岐する分岐部材の一例である。光変調部１２０は、図２Ａに示すように、強誘電性液晶を用いた液晶パネルとしての、ＸＹ平面に格子状に配置された複数の画素Ｐｘを備えている。光変調部１２０は、画素Ｐｘに印加される電圧によって、入射する光の位相を変化させることにより、光学面ＯＳ３に生じる干渉縞の方位、位相およびピッチを変化させることができる。
光変調部１２０は、図２Ｂに示すように、第１電極基板１２１（第１基板）と、第２電極基板１２４（第２基板）とがＺ軸方向に積層された構造である。第１電極基板１２１は、例えばガラス基板から構成されており、その表面に、例えばシリコンによって形成される画素電極１２２を有する。第１電極基板１２１上には、例えば図示しないＴＦＴ等の回路を有していてもよい。第２電極基板１２４は、例えばガラス基板から構成されており、その表面に、透明電極１２３を有する。光変調部１２０は、透明電極１２３の電位を基準電位とした場合に、第１電極基板１２１の画素電極１２２にプラス電位の電圧（例えば、電圧Ｖ１）、または、マイナス電位の電圧（例えば、電圧−（マイナス）Ｖ１）を印加する。
以下、各画素電極１２２にプラス電位の電圧（例えば、電圧Ｖ１）が印加される場合を説明のための便宜上「白状態」と記述し、マイナス電位の電圧（例えば、電圧−（マイナス）Ｖ１）が印加される場合を説明のための便宜上「黒状態」と記述する。後述するように、光変調部１２０は、各画素電極１２２にプラス電位の電圧が印加されるか、マイナス電位の電圧が印加されるかにより、画素毎に反射光の位相を変化させることができる。

光変調部１２０の構成について、さらに詳細に説明する。光変調部１２０が備える空間光変調器は、強誘電性液晶の分子がＸＹ平面内に平行に分布しており、印加される電圧に応じて、その分子の配向状態が２つの状態に変化する。この２つの状態は、上述した「白状態」および「黒状態」の状態に対応する。強誘電性液晶の分子は、長軸と短軸とを有する。この強誘電性液晶の分子の屈折率は、長軸方向と短軸方向で異なるため、直線偏光した光が長軸方向に入射した場合と、短軸方向に入射した場合とにおいて、異なる位相差を光に付与することができる。すなわち、この光変調部１２０を構成する空間光変調器は、印加される電圧によって光学軸方向を２状態で切り替えることができる波長板として機能する。また、この空間光変調器は、強誘電性液晶を用いているため、例えば、ネマティック液晶などを用いた場合に比べて、電圧の変化に対する屈折率の変化の速度を向上させることができる。例えば、この空間光変調器は、マイクロ秒単位で光学軸方向を２状態に切り替えることができる。

この空間光変調器が付与する位相差Δφは、光波長をλ、分子の長軸と短軸の屈折率差をΔｎ、素子の厚みをｄとすると、次の式（１）によって表される。

ここで、反射型空間光変調器の場合は、ｄを２ｄで置き換える。位相差Δφ＝πとなるように設定することにより、この空間光変調器は、光にとってλ／２板として機能する。
このような性質を利用することにより、強誘電性液晶を用い空間光変調器を、振幅型、あるいは位相型回折格子として利用することができる。この光変調部１２０が、入射する光の位相を変化させる具体例について、図３Ａ〜３Ｃを参照して説明する。

図３Ａ〜３Ｃは、本実施形態の光変調部１２０が変化させる光の位相の一例を示す模式図である。図３Ａに示すように、光源１０１から発せられ、導光部材１０２、及びコリメータ１０４を介して偏光ビームスプリッター２０１を透過する光Ｌ１は、光変調部１２０に入射する。光変調部１２０は、入射する光Ｌ１に対し白状態または黒状態によって位相を変調し、光Ｌ２を反射する。偏光ビームスプリッター２０１は、入射する光Ｌ２のうち特定の偏光状態の光のみを、光Ｌ３として反射する。反射された光Ｌ３は、レンズ２０２−１、マスク２０３を介して対物レンズ２０２−４に導かれる。

ここで、光変調部１２０による光の変調について詳細に説明する。図３Ｂは、光変調部１２０における画素Ｐｘの概念図である。図３Ｂにおいて、直線は液晶分子の長軸方向を表している。この液晶分子は、上述したように、白状態と黒状態では異なる配向状態を示す。液晶分子の２方向の角度の差をθ１とし、θ１の２等分線にあたる方位を偏光軸ＡＸｐと定義する。以下、図３Ｃ（Ｃ−１）に示すように、光変調部１２０に入射する光Ｌ１の偏光状態が偏光軸ＡＸｐに平行である場合、すなわち、光Ｌ１の偏光方向と偏光軸ＡＸｐとのなす角（角度θ０）が０（ゼロ）［°］である場合について説明する。
また、位相差Δφ＝πであるとする。このとき光変調部１２０は、白状態の場合、偏光軸ＡＸｐに対して入射する光の偏光方向を角度θ１だけ反時計方向に回転させる。また、光変調部１２０は、黒状態の場合、偏光軸ＡＸｐに対して入射する光の偏光方向を時計方向に角度θ１だけ回転させる（図３Ｃ（Ｃ−２）を参照。）。つまり、光変調部１２０により、白状態の光Ｌ２と、黒状態の光Ｌ２との偏光方向の角度差は角度２θ１となる。ここで、偏光をベクトル分解してＸ偏光成分とＹ偏光成分を考える。Ｙ偏光成分では、白状態と黒状態のピクセル（画素）で位相差がπ［ｒａｄ］となっている。つまりＹ偏光成分にとって、光変調部１２０は、位相差π［ｒａｄ］の回折格子としてみなせる。したがって、光変調部１２０により、±１次回折光、加えて高次回折光が生じる。一方、Ｘ偏光成分では、白状態と黒状態のピクセル（画素）で位相差はゼロである。この場合、光変調部１２０による回折光としては０次回折光のみが生じる。偏光ビームスプリッター２０１は、入射する光Ｌ２のうち，Ｙ偏光成分のみを反射し，レンズ２０２−１に導く。したがって、白状態の光Ｌ２については角度θ１の光のＹ成分に相当する角度θ２の光が選択され、黒状態の光Ｌ２については角度−θ１の光のＹ成分に相当する角度‐θ２の光が選択される（図３Ｃ（Ｃ−３）を参照。）。このため、光Ｌ３の偏光状態は白状態と黒状態で位相差がπ［ｒａｄ］となる。その結果、光変調部１２０から生じた回折光のうち、偏光方向が等しく位相差がπ［ｒａｄ］だけ異なる光のみを抽出することができる。回折光の偏光が全て揃っているため、偏光制御が容易となる。具体的には、干渉縞のコントラストを高くするために、構造化照明の偏光方向を照明領域ＬＡにおける光の入射面に対してＳ偏光とすることができるが、このような偏光制御も容易となる。

［構造化照明光の生成］
上述したように、光変調部１２０は、入射する光Ｌ１を変調し、位相型回折格子として機能させることができる。光変調部１２０により、出射される回折光を干渉させることによって構造化照明を生成することができる。光変調部１２０は、＋（プラス）１次回折光、０次回折光、及び−（マイナス）１次回折光を含む、回折光を発生させる。以下の説明において、干渉光学系２００の光軸ＡＸ１対する各回折光の方向を、適宜、回折方向という。

図１の説明に戻り、光変調部１２０で回折した０次回折光は、レンズ２０２−１により、レンズ２０２−１への入射角により定まる光学面ＯＳ１上の点Ａ０に集光される。光変調部１２０で回折した＋１次回折光は、レンズ２０２−１により、レンズ２０２−１への入射角により定まる光学面ＯＳ１上の点Ａ１に集光される。光変調部１２０で回折した−１次回折光は、レンズ２０２−１により、レンズ２０２−１への入射角により定まる光学面ＯＳ１上の点Ａ２に集光される。マスク２０３は各回折光の集光位置近傍に設置され、０次回折光、＋１次回折光および−１次回折光を通過させ、余計な回折光を遮断するように構成されている。

これら０次回折光、及び±１次回折光の各回折光は、マスク２０３を通過して、レンズ２０２−２に入射する。この各回折光は、レンズ２０２−２、２０２−３により、対物レンズ２０２−４の後側焦点面（瞳面）上のそれぞれの位置に集光される。対物レンズ２０２−４の後側焦点面（瞳面）上のそれぞれの位置から射出したそれぞれの光は、角度の異なる平行光束となり、対物レンズ２０２−４から標本ＳＰに向かって射出される。対物レンズ２０２−４から射出され、平行光束となった各回折光は、照明領域ＬＡに配置された標本ＳＰ上で干渉する。

このようにして、各回折光が標本ＳＰ上で干渉し、標本ＳＰ上に干渉縞が形成される。
各回折光が干渉した干渉縞の位相は、照明領域ＬＡにおける各回折光の位相差に応じた位相になる。換言すると、各回折光の位相差を制御することにより、照明領域ＬＡにおける干渉縞の位相を制御できる。

［干渉縞に基づく画像復調］
撮像部２１０（復調部）は、この干渉縞で変調された標本像（変調像、モアレ像）を撮像し、撮像したモアレ像を復調することにより、高い解像度の画像を得る。以下、撮像部２１０がモアレ像を復調する方法について説明する。復調方法は、例えば、米国特許番号８１１５８０６に記載の方法が使用できるが、この方法に限られない。以下、復調方法の一例を説明する。まず、簡単のため、２Ｄ−ＳＩＭの復調方法を例に挙げて説明する。

点像強度分布Ｐｒ（ｘ）を持つ光学系において、蛍光密度分布Ｏｒ（ｘ）を有する標本に対し、単一の空間周波数成分Ｋを持つ正弦波状の照明を与えた場合に取得される標本の像は、

と表すことができる。ここで、φは構造化照明の位相である。
ここで、ｌ＝−１，０，１であり、ｍｌは照明光の変調振幅である。ｌ＝０の成分は、構造化照明によって変調を受けない０次成分であり、ｌ＝−１，１の成分はそれぞれ、変調を受けた±１次成分（モアレ）である。この式（２）において、記号＊は畳み込み積分を表す。以下、実空間における量には添え字ｒを、波数空間における量には添え字ｋをつけて表す。この式（２）をフーリエ変換し、波数空間で表記すると、

式（３）において、Ｐｒ（ｘ）のフーリエ変換Ｐｋ（ｋ）は光学系の伝達関数 （ＯＴＦ； Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を表す。

式（３）におけるｌ＝−１，１に対応するＯｋ（ｋ−Ｋ），Ｏｋ（ｋ＋Ｋ）は、標本の持つ空間周波数成分を、構造化照明の空間周波数成分Ｋだけずらすことを意味している。すなわち、これはｋという空間周波数成分までしか取得することのできない光学系であっても、標本が持つそれより高い空間周波数成分を取得できることを表している。このために、干渉縞の周期はこの光学系で結像できる範囲でできるだけ短くできる。

ここで、干渉縞の縞パターンをずらしながら撮像を行うと、同一の空間周波数成分、変調振幅を持ち、位相φのみ異なる画像がＮ枚得られる。このときのｊ番目の画像信号強度Ｉｋｊ（ｋ）は、ｊ番目の画像の構造化照明位相をφｊと表すと、

である。すなわち、式（４）によりＮ個の方程式が得られる。ここで、これらの方程式においてＯｋ（ｋ＋ｌＫ），（ｌ＝−１，０，１）が未知数であるため、Ｎ≧３であれば、これらの方程式を解くことができる。

ここで、強度分布を持たない照明を与えた場合の光学系が持つＰｋ（ｋ）が検出可能な範囲は、光波長λ、対物レンズのＮＡに対して、ｋ＝−２ＮＡ／λ〜２ＮＡ／λであるから、上記で得られたＯｋ（ｋ＋ｌＫ）はｌ＝−１，０，１に対して、ｋ＝−２ＮＡ／λ−Ｋ〜２ＮＡ／λ−Ｋ、ｋ＝２ＮＡ／λ〜２ＮＡ／λ、ｋ＝−２ＮＡ／λ＋Ｋ〜２ＮＡ／λ＋Ｋの情報を含む。したがって、Ｏｋ（ｋ＋ｌＫ）全体としてはｋ＝−２ＮＡ／λ−Ｋ〜２ＮＡ／λ＋Ｋまでの情報を含むので、これをＯｋ（ｋ）と定義しなおして逆フーリエ変換を行い実空間の情報（標本Ｏｒ（ｘ）の画像）に戻すことにより、高い解像度を持った顕微鏡画像を得ることができる。すなわち、撮像部２１０は、上述した演算によって画像復調を行うことにより、超解像効果を得ることができる。

この結果得られた像は、空間変調がなされた１次元方向のみに高い解像度を持つ。さらに、空間変調を施す方向を少なくとも２方向に変化させ、それぞれの方向について１次元と同様の処理を施すことにより、撮像部２１０は、２次元方向においておよそ等方的に高い解像度を持った顕微鏡画像を得ることができる。

なお、空間変調画像に対して最小自乗法による連立方程式を構成しておき、これを解くことによっても、撮像部２１０は、高い解像度を持った顕微鏡画像を得ることができる。

上記説明したように、２Ｄ−ＳＩＭでは、１次元方向において、干渉縞の位相を変化させて少なくとも３枚の画像を取得することにより、１次元方向において、高い解像度を持った標本画像を取得することができる。
以上、２Ｄ−ＳＩＭにおける復調方法を説明したが、３Ｄ−ＳＩＭでは、３光束干渉による干渉縞を用いるため、取得画像に混在する成分は、変調を受けていない０次成分、標本面内の１次元方向における超解像成分となる±２次成分、光軸方向の超解像成分となる±１次成分の５成分となる。したがって、３Ｄ−ＳＩＭでは、未知数が５つとなるので、少なくとも５枚の画像を取得することにより、上述した２Ｄ−ＳＩＭと同様に、画像を復元することができる。３Ｄ−ＳＩＭでは面内方向に加えて、光軸方向においても超解像観察を実現できる。

［干渉縞の例］
次に、図４を参照して、駆動制御部１６０が制御する回折光の干渉により形成される干渉縞の一例について説明する。上述したように、＋（プラス）１次回折光、０次回折光、及び−（マイナス）１次回折光を光学面ＯＳ３において干渉させた場合、この干渉縞のパターン（以下、縞パターン）を５パターンにすることにより、光学面ＯＳ３の面内方向および光軸ＡＸ２方向に超解像効果を得ることができ、すなわち、３Ｄ−ＳＩＭとなる。５パターンそれぞれは、互いに方向とピッチが同じであり、かつ、位相が異なる縞パターンである。なお、超解像効果を得るためには、Ｎパターンの回折光の干渉により形成される干渉縞のうち、隣あう縞パターンの位相差は、２π／Ｎ［ｒａｄ］にできる。例えば、上述したように縞パターンが５パターンある場合には、隣あう縞パターンの位相差は、２π／５［ｒａｄ］にできる。ただし、２Ｄ−ＳＩＭに限っては、π／３［ｒａｄ］でもよい。ここで、隣合う縞パターンとは、互いの位相差が最も小さくなるものが隣同士になるように、縞パターンを並べたときに、隣合う縞パターンを意味する。なお、位相の周期性を考慮して、位相差は、ｍを整数として、２π（ｍ＋１／Ｎ）［ｒａｄ］であってもよいが、これらの位相差は全て２π［ｒａｄ］以下に換算することができるため、ここでは位相差を２π［ｒａｄ］以下として説明する。
また、上記では、縞パターンという用語を用いて説明したが、縞パターンの位相とは、干渉縞の位相を意味し、縞パターンの方向とは干渉縞の方向を意味し、縞パターンのピッチとは干渉縞のピッチを意味する。以下の記載でも同様である。

図４は、本実施形態の駆動制御部１６０が印加する電圧パターンの一例を示す模式図である。駆動制御部１６０は、光変調部１２０の各画素Ｐｘに印加する電圧パターンを制御することにより、回折光の縞パターンを光学面ＯＳ３に生じさせる。具体的には、駆動制御部１６０は、図４に示す電圧パターンＡ_１〜Ａ_５（画像生成用電圧パターン）を光変調部１２０に印加することにより、これらの電圧パターンに応じた縞パターンを生じさせる。図４において、白色として示される部分（白部分）は、上述した白状態を意味し、プラス電位の電圧（例えば、電圧Ｖ１）が印加される場合である。一方、図４において、黒色として示される部分（黒部分）は、上述した黒状態を意味し、マイナス電位の電圧（例えば、電圧−（マイナス）Ｖ１）が印加される場合である。なお、白部分にマイナス電位の電圧が印加され、黒部分にプラス電位の電圧が印加されてもよい。この一例における電圧パターンは、いずれも縞ピッチ５．３［ｐｉｘｅｌ］であり、縞方位２［°］である縞パターンを生じさせるための電圧パターンである。なお、角度のとり方として、時計の０時方向を角度０［°］、時計回りに角度が増加すると定義する。ただし、角度０［°］とする位置は、適宜変更可能である。この場合、縞方位もそれに応じて適宜変更される。また、ここでは白部分と黒部分の電圧パターン比は１：１に設定してある。これ以外の電圧パターンの場合のシーケンスについては後述する。
これら電圧パターンＡ_１〜Ａ_５は、隣あう電圧パターンそれぞれによって形成される干渉縞の位相差は、２π／Ｎ［ｒａｄ］となるように構成されている。例えば、電圧パターンＡ_１および電圧パターンＡ_２は、それぞれによって形成される干渉縞の位相差が２π／５［ｒａｄ］ように構成されている。また、電圧パターンＡ_２と電圧パターンＡ_３とは、それぞれによって形成される干渉縞の位相差が２π／５［ｒａｄ］となるように構成されている。
駆動制御部１６０は、これらの電圧パターンＡ_１〜Ａ_５を順次生じさせることにより、光学面ＯＳ３の面内方向および光軸ＡＸ２方向に超解像効果を得ることを可能にする。

ここで、光変調部１２０の第１電極基板１２１と第２電極基板１２４との間の電位差の時間総和がゼロでない場合には、第１電極基板１２１と第２電極基板１２４との間の電圧に直流成分が存在する。この電圧の直流成分に偏りが生じる場合には、強誘電性液晶の内部イオンが一方向に引き付けられることにより、液晶素子に電圧を掛けても他の安定状態に変移しない焼き付きと呼ばれる現象が生じることがある。第１電極基板１２１と第２電極基板１２４との間に焼き付きが生じるか否か、または焼き付きが生じる場合の程度は、電極基板間に印加された電圧の直流成分により決まる。したがって、その電極基板間に印加された電圧の直流成分を相殺するように逆電圧を印加することにより、焼き付きを抑止することができる。具体的には、上述した縞パターンを生じさせる場合に、構造化照明としての光を照射する照射期間と、構造化照明としての光を照射しない非照射期間とを設ける。非照射期間において，光は例えば図示しないシャッターにより遮光される．駆動制御部１６０は、この非照射期間において、照射期間とは逆の電圧を光変調部１２０に印加することにより、焼き付きを抑止することができる。すなわち、駆動制御部１６０は、構造化照明としての光を照射するための複数の電圧パターンから算出した反転パターンを光変調部１２０に印加することにより、焼き付きを抑止することができる。

具体的には、駆動制御部１６０は、図４に示す反転パターンＡ_ｉｎｖ（焼き付き防止電圧パターン）を光変調部１２０に印加する。ここで、反転パターンＡ_ｉｎｖとは、積算電圧パターンＡ_ｓｕｍの電位を反転させた電圧パターンである。この積算電圧パターンＡ_ｓｕｍとは、電圧パターンＡ_１〜Ａ_５の白部分を＋１、黒部分を−１とした場合に、電圧パターンＡ_１〜Ａ_５の各ピクセルの電圧値をピクセルごとに積算した電圧パターンである。すなわち、駆動制御部１６０は、電圧パターンＡ_１〜Ａ_５を積算した電圧パターンを逆電圧にした反転パターンＡ_ｉｎｖを光変調部１２０に印加する。これにより、駆動制御部１６０は、光変調部１２０に印加される電圧の時間総和がゼロになるようにして、直流成分を相殺する。このため、駆動制御部１６０は、光変調部１２０の焼き付きを抑止することができる。このとき、駆動制御部１６０は、例えば、図５に示す順序によって電圧パターンを印加する。

図５は、本実施形態の駆動制御部１６０が光変調部１２０に印加する電圧パターンの順序の一例を示す模式図である。図５に示すように、駆動制御部１６０は、時刻ｔの経過とともに電圧パターンＡ_１〜Ａ_５と、反転パターンＡ_ｉｎｖとを順次印加する。ここで、電圧パターンＡ_１〜Ａ_５を１周期の電圧パターンとする。言い換えると、１周期の電圧パターンとは、方向およびピッチが同じである複数の縞パターンであり、上述した２Ｄ−ＳＩＭでは３枚であり、３Ｄ−ＳＩＭでは、５枚である。駆動制御部１６０は、時刻ｔ１〜ｔ２において、電圧パターンＡ_１を印加する。また、駆動制御部１６０は、時刻ｔ２〜ｔ３において、電圧パターンＡ_２を印加する。これと同様にして、駆動制御部１６０は、時刻ｔ３〜ｔ６において、電圧パターンＡ_３〜Ａ_５を順次印加する。また、駆動制御部１６０は、時刻ｔ６〜ｔ７を非照射期間にして、この非照射期間に反転パターンＡ_ｉｎｖを印加する。この図５に示すように電圧パターンＡ_１〜Ａ_５と、反転パターンＡ_ｉｎｖとを順次印加することにより、駆動制御部１６０は、光変調部１２０の焼き付きを抑止することができる。

ここで、図６を参照して従来の手法による電圧パターンの印加順序と、本実施形態の駆動制御部１６０による電圧パターンの印加順序とを、比較して説明する。
図６は、電圧パターンの印加順序の比較例を示す模式図である。本実施形態とは異なる印加順序を図６（Ａ）に示す。図６（Ａ）に示す印加順序によれば、電圧パターンＡ_１に対する反転パターンＡ_１’を、電圧パターンＡ_１の後、すなわち次の電圧パターンＡ_２を印加する前に印加する。すなわち図６（Ａ）に示す印加順序によると、ある電圧パターンと、この電圧パターンに対する反転パターンとを交互に印加する。ここで、１つの電圧パターンを印加する時間をＴとすると、電圧パターンと、反転パターンとを交互に印加する場合に、１周期の電圧パターンを印加するために要する時間は、時刻ｔ０Ａから時刻ｔ１０Ａまでの時間であり、すなわち１０Ｔである。一方、本実施形態の駆動制御部１６０による電圧パターンの印加順序を図６（Ｂ）に示す。駆動制御部１６０による電圧パターンの印加順序によれば、電圧パターンＡ_１〜Ａ_５の積算値に対する反転パターンＡ’を、電圧パターンＡ_１〜Ａ_５の印加後に印加する。ここで、図６（Ｂ）における反転パターンＡ’とは、上述した反転パターンＡ_ｉｎｖである。すなわち、駆動制御部１６０による電圧パターンの印加順序によれば、電圧パターンＡ_１〜Ａ_５の印加後に反転パターンＡ’を１回だけ印加する。ここで、電圧パターンの印加後に、反転パターンを１回だけ印加する場合、１周期の電圧パターンを印加するために要する時間は、時刻ｔ０Ｂから時刻ｔ６Ｂまでであり、すなわち６Ｔである。したがって、駆動制御部１６０による電圧パターンの印加順序によれば、１周期の電圧パターンを印加するために要する時間を、図６（Ａ）に示す印加順序に比べて短縮することができる。この具体例の場合においては、駆動制御部１６０による電圧パターンの印加順序によれば、１周期の電圧パターンを印加するために要する時間を約４０［％］短縮することができる。これにより、照明装置１０は、観察装置１が観察に要する時間を短縮することができる。このように、本実施形態の駆動制御部１６０によれば、空間光変調器として用いた液晶素子の焼き付きを効率よく抑制することができる。また、例えば、本発明の実施形態に係る超解像顕微鏡を使用して生きた細胞を観察する場合、従来よりも高速なダイナミクスを観察することができる。したがって、本発明の実施形態に係る超解像顕微鏡は、例えば、生きた細胞を観察するのに適している。

［変形例１］
なお、ここまで駆動制御部１６０が、電圧パターンＡ_１〜Ａ_５の積算値に対する反転パターンを、電圧パターンＡ_１〜Ａ_５の印加後に１回だけ印加する例について説明したが、これに限られない。駆動制御部１６０は、例えば、図７に示す順序によって電圧パターンと反転パターンとを印加してもよい。
図７は、本実施形態の駆動制御部１６０が光変調部１２０に印加する電圧パターンの順序の変形例を示す模式図である。この変形例において、駆動制御部１６０は、反転パターンＡ_{ｉｎｖ−１}（焼き付き防止電圧パターン）と、反転パターンＡ_{ｉｎｖ−２}（焼き付き防止電圧パターン）とを、電圧パターンＡ_１〜Ａ_５を印加する間に、印加する。具体的には、駆動制御部１６０は、電圧パターンＡ_１〜Ａ_３を印加した後、電圧パターンＡ_４を印加する前に反転パターンＡ_{ｉｎｖ−１}を印加する。また、駆動制御部１６０は、電圧パターンＡ_４〜Ａ_５を印加した後、電圧パターンＡ_１を印加する前に反転パターンＡ_{ｉｎｖ−２}を印加する。ここで、反転パターンＡ_{ｉｎｖ−１}および反転パターンＡ_{ｉｎｖ−２}とは、図５で示したＡ_ｉｎｖの電圧値を等分することにより生成された反転パターンである。したがって、これら複数の反転パターン（ここでは、反転パターンＡ_{ｉｎｖ−１}および反転パターンＡ_{ｉｎｖ−２}）は、積算することにより、上述した反転パターンＡ_ｉｎｖと同一の電位を有する。例えば、反転パターンＡ_{ｉｎｖ−１}および反転パターンＡ_{ｉｎｖ−２}は、それぞれ上述した反転パターンＡ_ｉｎｖの半分の電圧による反転パターンである。この変形例において、駆動制御部１６０は、電圧パターンＡ_１〜Ａ_５の印加周期において複数回に分けて反転パターンを印加する。このように複数の反転パターンを複数回に分けて印加した場合であっても、電圧パターンの印加周期（例えば、１周期）あたりに印加される反転パターンの電圧の積算値は、上述した反転パターンＡ_ｉｎｖと同一の電圧になる。これにより、このように複数の反転パターンを複数回に分けて印加した場合であっても、電圧パターンＡ_１〜Ａ_５による直流成分を反転パターンによって相殺することができる。したがって、このように複数の反転パターンを複数回に分けて印加した場合であっても、１周期の電圧パターンを印加するために要する時間を、上述した図６（Ａ）に示す印加順序に比べて短縮することができる。これにより、照明装置１０は、観察装置１が観察に要する時間を短縮することができる。このように、本実施形態の駆動制御部１６０によれば、空間光変調器として用いた液晶素子の焼き付きを効率よく抑制することができる。

［変形例２］
また、ここまで縞パターンの方向が１方向である場合、すなわち縞ピッチ５．３［ｐｉｘｅｌ］、縞方位２［°］の縞パターンの場合について説明したがこれに限られない。ここで、観察装置１は、複数の方向に回転させた複数の縞方位の縞パターンによって観察することにより、光学面ＯＳ３の面内で等方的な分解能を得ることができる。例えば、観察装置１は、３つの縞方位の縞パターンによって観察することにより、光学面ＯＳ３の面内で等方的な分解能を得ることができる。図８および図９を参照して、駆動制御部１６０が印加する電圧パターンの変形例について説明する。

図８は、本実施形態の駆動制御部１６０が印加する電圧パターンの第１の変形例を示す模式図である。駆動制御部１６０は、図８に示す電圧パターンＢ_１〜Ｂ_５（画像生成用電圧パターン）を光変調部１２０に印加することにより、これらの電圧パターンに応じた縞パターンを生じさせる。この変形例における電圧パターンは、縞ピッチ５．３［ｐｉｘｅｌ］であり、縞方位−５８［°］である縞パターンを生じさせるための電圧パターンである。ここで、駆動制御部１６０は、図８に示す反転パターンＢ_ｉｎｖ（焼き付き防止電圧パターン）を光変調部１２０に印加する。ここで、反転パターンＢ_ｉｎｖとは、積算電圧パターンＢ_ｓｕｍの電位を反転させた電圧パターンである。
積算電圧パターンＢ_ｓｕｍとは、白部分を＋１、黒部分を−１とした場合に、電圧パターンＢ_１〜Ｂ_５の各ピクセルの電圧値をピクセルごとに積算した電圧パターンである。
すなわち、駆動制御部１６０は、電圧パターンＢ_１〜Ｂ_５を積算した電圧パターンを逆電圧にした反転パターンを光変調部１２０に印加する。これにより、駆動制御部１６０は、光変調部１２０に印加される電圧の時間総和がゼロになるようにして、直流成分を相殺する。

図９は、本実施形態の駆動制御部１６０が印加する電圧パターンの第２の変形例を示す模式図である。駆動制御部１６０は、図９に示す電圧パターンＣ_１〜Ｃ_５（画像生成用電圧パターン）を光変調部１２０に印加することにより、これらの電圧パターンに応じた縞パターンを生じさせる。この変形例における電圧パターンは、縞ピッチ５．３［ｐｉｘｅｌ］であり、縞方位６２［°］である縞パターンを生じさせるための電圧パターンである。ここで、駆動制御部１６０は、図９に示す反転パターンＣ_ｉｎｖ（焼き付き防止電圧パターン）を光変調部１２０に印加する。ここで、反転パターンＣ_ｉｎｖとは、積算電圧パターンＣ_ｓｕｍの電位を反転させた電圧パターンである。
積算電圧パターンＣ_ｓｕｍとは、白部分を＋１、黒部分を−１とした場合に、電圧パターンＣ_１〜Ｃ_５の各ピクセルの電圧値をピクセルごとに積算した電圧パターンである。
すなわち、駆動制御部１６０は、電圧パターンＣ_１〜Ｃ_５を積算した電圧パターンを逆電圧にした反転パターンを光変調部１２０に印加する。これにより、駆動制御部１６０は、光変調部１２０に印加される電圧の時間総和がゼロになるようにして、直流成分を相殺する。

この変形例の場合、駆動制御部１６０は、図６（Ｂ）に示したように電圧パターンと反転パターンとを繰り返し印加する。具体的には、駆動制御部１６０は、電圧パターンＡ_１〜Ａ_５を印加した後に、反転パターンＡ’を印加する。また、駆動制御部１６０は、電圧パターンＢ_１〜Ｂ_５を印加した後に、反転パターンＢ’を印加する。ここで、図６（Ｂ）における反転パターンＢ’とは、上述した反転パターンＢ_ｉｎｖである。また、駆動制御部１６０は、電圧パターンＣ_１〜Ｃ_５を印加した後に、反転パターンＣ’を印加する。ここで、図６（Ｂ）における反転パターンＣ’とは、上述した反転パターンＣ_ｉｎｖである。このような印加順序によっても、１周期の電圧パターンを印加するために要する時間を、上述した図６（Ａ）に示す印加順序に比べて短縮することができる。これにより、照明装置１０は、観察装置１が観察に要する時間を短縮することができる。このように、本実施形態の駆動制御部１６０によれば、空間光変調器として用いた液晶素子の焼き付きを効率よく抑制することができる。
したがって、３つの縞方位の縞パターンによって観察することにより、光学面ＯＳ３の面内で等方的な分解能を得ることができる、３Ｄ−ＳＩＭの場合においても、本発明は有用である。

なお、Ａ_１〜Ａ_５、Ｂ_１〜Ｂ_５、Ｃ_１〜Ｃ_５を表示後に、Ａ’、Ｂ’、Ｃ’を表示してもよい。また、図４、８、９において白黒の割合が等しいパターンについて説明してきたが、本手法はこれに限らない。以下、白に対する黒の比を規格化したものをＤｕｔｙ比と定義する。白黒の割合が等しい場合はＤｕｔｙ比＝０．５となる。図１０〜図１２にＤｕｔｙ比が０．７のパターンを示す。Ｄｕｔｙ比を０．５から変化させることで０次回折光をより効率よく発生させることができる。

図１０は、本実施形態の駆動制御部が印加する電圧パターンの第３の変形例を示す模式図である。図１０においては、方位とピッチは図４と等しく、Ｄｕｔｙのみが異なる。位相の異なる５つのパターンＤ_１〜Ｄ_５（画像生成用電圧パターン）を示す。各パターンの黒を−１、白を＋１として総和を取ると、最小値は−３、最大値は−１から構成される２値電圧パターン（パターンＤ_ｓｕｍ）が得られる。パターンＤ_ｓｕｍは１つのパターンＤ_ｓｕｍ１と２つのパターンＤ_ｓｕｍ２の和で構成される。より具体的には、図１０に示すように、パターンＤ_ｓｕｍ１は、−１と１とから構成される２値電圧パターンであり、パターンＤ_ｓｕｍ２は、−１のみから構成される１値電圧パターンである。したがって、これらの反転パターンをパターンＤ_ｉｎｖ１（焼き付き防止電圧パターン）とパターンＤ_ｉｎｖ２（焼き付き防止電圧パターン）と定義し、それら３枚のパターンをパターンＤ_１〜Ｄ_５の各パターンと同じ時間だけ表示する。ここで、パターンＤ_ｓｕｍとは、第２の電圧パターンの一例である。パターンＤ_ｓｕｍは、第１の電圧値と、第２の電圧値とを有する、１つの２値電圧パターン（この一例においては、パターンＤ_ｓｕｍ１）と、第１の電圧値および第２の電圧値の少なくとも一方のみを有する１値電圧パターン（この一例においては、パターンＤ_ｓｕｍ２）を複数有する。

図１１は、本実施形態の駆動制御部が印加する電圧パターンの第４の変形例を示す模式図である。図１１においては、方位とピッチは図８と等しく、Ｄｕｔｙのみが異なる。図１１においてパターンＥ_１〜Ｅ_５（画像生成用電圧パターン）とは、位相の異なる５つのパターンである。各パターンの黒を−１、白を＋１として総和を取ると、最小値は−３、最大値は−１から構成される２値電圧パターン（パターンＥ_ｓｕｍ）が得られる。パターンＥ_ｓｕｍは１つのパターンＥ_ｓｕｍ１と２つのパターンＥ_ｓｕｍ２の和で構成される。より具体的には、図１１に示すように、パターンＥ_ｓｕｍ１は、−１と１とから構成される２値電圧パターンであり、パターンＥ_ｓｕｍ２は、−１のみから構成される１値電圧パターンである。したがって、これらの反転パターンＥ_ｉｎｖ（焼き付き防止電圧パターン）はパターンＥ_ｉｎｖ１とパターンＥ_ｉｎｖ２により構成される。

図１２は、本実施形態の駆動制御部が印加する電圧パターンの第５の変形例を示す模式図である。図１２においては、方位とピッチは図９と等しく、Ｄｕｔｙのみが異なる。図１２においてパターンＦ_１〜Ｆ_５（画像生成用電圧パターン）とは、位相の異なる５つのパターンである。各パターンの黒を−１、白を＋１として総和を取ると、最小値は−３、最大値は−１から構成される２値電圧パターン（パターンＦ_ｓｕｍ）が得られる。パターンＦ_ｓｕｍは１つのパターンＦ_ｓｕｍ１と２つのパターンＦ_ｓｕｍ２の和で構成される。より具体的には、図１２に示すように、パターンＦ_ｓｕｍ１は、−１と１とから構成される２値電圧パターンであり、パターンＦ_ｓｕｍ２は、−１のみから構成される１値電圧パターンである。したがって、これらの反転パターンＦ_ｉｎｖ（焼き付き防止電圧パターン）はパターンＦ_ｉｎｖ１とパターンＦ_ｉｎｖ２により構成される。

ここで、反転パターンが何枚のパターンで表現されるかは、総和をとった時の、最大値あるいは最小値の値によって決まる。最大値と最小値の絶対値がともに１であれば、反転パターンは１枚でよい。これは図４、図８、図９の各図に示す場合に相当する。最大値あるいは最小値の絶対値が１を超える場合、反転パターンは３枚必要となる。これは、図１０〜図１２の各図に示す場合に相当する。図１３に図１０〜図１２の各図に示すパターンにより３Ｄ−ＳＩＭを実施する時の画像表示シーケンスを示す。

図１３は、本実施形態の駆動制御部が印加する電圧パターンの印加順序の変形例を示す模式図である。図１３（Ａ）は１枚ごとに反転パターンを表示させた場合、図１３（Ｂ）は本手法を用いた場合である。本手法を用いることで、表示パターン数を４／５に低減することができ、これにより１．２５倍の高速化が実現できる。

次に、図１４Ａ、１４Ｂを参照して、照明装置１０が生成した干渉縞の方向とピッチ、すなわち波数ベクトルの計測方法について説明する。
図１４Ａ、１４Ｂは、本実施形態の撮像部２１０が撮像した干渉縞の一例を示す模式図である。上述したように、撮像部２１０は、光学面ＯＳ３に生じる干渉縞の画像を撮像し、撮像した画像を復調することによって、高解像度の画像を得る。このとき、例えば撮像制御部２１２は、撮像した光学面ＯＳ３に生じる干渉縞の画像に基づいて、光学面ＯＳ３に生じている干渉縞の方向とピッチ、すなわち波数ベクトルを計測することができる。例えば、図１４Ｂ（Ｂ−１）〜（Ｂ−３）に示すように、干渉縞の方向が３方向に変化する場合においても、撮像制御部２１２は、波数ベクトルを計測することができる。
例えば、図１４Ａにおいて、矢印ａは干渉縞の方向を示し、矢印ｂは干渉縞の波数ベクトルの方向を示し、矢印ｃは、干渉縞のピッチを示す。

また、次に示すようにしても、照明装置１０が生成した干渉縞の方向とピッチ、すなわち波数ベクトルは、計測され得る。観察装置１は、光学面ＯＳ３の位置に、標本ＳＰの代わりに鏡ＭＬの反射面を配置することができる。撮像部２１０は、鏡ＭＬによって反射された干渉縞の画像を撮像する。このとき、ダイクロイックミラー２０４はハーフミラー（不図示）に置き換えることができる。このとき、例えば撮像制御部２１２は、撮像した光学面ＯＳ３に生じる干渉縞の画像に基づいて、光学面ＯＳ３に生じている干渉縞の方向とピッチ、すなわち波数ベクトルを計測することができる。

なお、電圧パターンＡ_１〜Ａ_５を印加した際に生じる干渉縞の方向（縞方位）は、２［°］であると説明したが、所望の値に対する方位のずれ（偏差）は、５［°］以内にできる。また、このずれ（偏差）は、2［°］以内であることが好ましく、1［°］以内であることがさらに好ましい。また、このずれ（偏差）は、電圧パターンＢ_１〜Ｂ_５を印加した際に生じる干渉縞の方向、および電圧パターンＣ_１〜Ｃ_５を印加した際に生じる干渉縞の方向においても、電圧パターンＡ_１〜Ａ_５を印加した際に生じる干渉縞の方向と同様である。

なお、上述において、駆動制御部１６０は、光変調部１２０に印加する駆動電圧を、光変調部１２０が備えるすべての画素Ｐｘに印加するとして説明したが、これに限られない。駆動制御部１６０は、光変調部１２０が備えるすべての画素Ｐｘのうち、例えば、構造化照明に有効な画素（有効画素）にのみ、駆動電圧を印加してもよい。

なお、上述において、駆動制御部１６０が光変調部１２０に印加する電圧が、電圧Ｖ１と、電圧−（マイナス）Ｖ１との２値の電圧である例について説明したが、これに限られない。駆動制御部１６０は、上述した２値以外の値の電圧を光変調部１２０に印加する構成であってもよい。また、駆動制御部１６０は、上述した２値の電圧を積算した電圧に基づく２値の電圧による反転パターンにより直流成分を相殺するとして説明したが、これに限られない。駆動制御部１６０は、電圧パターンの積算値を相殺する反転パターンを印加すればよい。例えば、駆動制御部１６０は、電圧パターンの積算値が、上述した２値以外の値の電圧になる場合には、この２値以外の値の電圧の逆電圧による反転パターンによって積算値を相殺してもよい。また、駆動制御部１６０は、反転パターンの印加時間を変化させることによって、電圧パターンの積算値を相殺する構成であってもよい。例えば、電圧パターンの積算値が、反転パターンの電圧値の２倍の電圧である場合には、駆動制御部１６０は、反転パターンを印加する時間を２倍にすることにより、電圧パターンの積算値を相殺する。また、駆動制御部１６０は、電圧パターンの１周期ごとに反転パターンを印加するとして説明したが、これに限られない。駆動制御部１６０は、電圧パターンの複数の周期ごとに、複数の周期における積算値の反転パターンを印加してもよい。

以上、本発明の実施形態を、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。上述した各実施形態に記載の構成を組み合わせてもよい。

なお、図１などにおいてマスク２０３は、レンズ２０２−１とレンズ２０２−２との間の光路に配置されているが、偏光ビームスプリッター２０１と照明領域ＬＡとの間において、光変調部１２０によって回折された複数の光線束の光路が互いに重複しない、いずれの位置に配置されていてもよい。例えば、マスク２０３は、光学面ＯＳ１と光学的に共役な面の位置またはその近傍に配置されていてもよい。

なお、光源装置１００の構成については、適宜変更可能である。上述の実施形態において、光源装置１００は、照明装置１０の一部であるが、光源装置１００の少なくとも一部が照明装置１０の外部の装置であってもよい。

なお、図１などには各レンズが１つの部材で描かれているが、各レンズが有するレンズ部材の数は、１つでもよいし２つ以上でもよい。干渉光学系２００は、回転対称な形状のレンズ部材の一部をカットしたカットレンズを含んでいてもよいし、回転非対称な自由曲面レンズを含んでいてもよい。

なお、図１などにおいて光変調部１２０が反射型である場合について説明したが、光変調部１２０が透過型であってもよい。

なお、上述した各実施形態の観察装置１が備える各制御部（駆動制御部１６０、撮像制御部２１２）が備える各部は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、メモリおよびマイクロプロセッサにより実現させるものであってもよい。

なお、観察装置１が備える各制御部は、メモリおよびＣＰＵ（中央演算装置）により構成され、表示装置が備える各部の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。

また、観察装置１が備える各制御部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、制御部が備える各部による処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。

また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。

一実施形態では、構造化照明装置は、複数の画素電極が設けられた第１基板と、前記第１基板に対向する第２基板と、前記第１基板と前記第２基板とにより挟持された強誘電性液晶とを含み、光源からの光を複数の分岐光に分岐する分岐部材と；前記複数の分岐光を互いに干渉させることにより生成された干渉縞によって標本を照明する干渉光学系と；前記画素電極毎に印加される駆動電圧値の分布を電圧パターンとし、前記電圧パターンが示す駆動電圧値の駆動電圧を、前記複数の画素電極を介して前記強誘電性液晶に印加する制御部と；を備え、前記電圧パターンには、前記分布が互いに異なる複数の第１電圧パターンと、前記複数の前記第１電圧パターンの積算値に基づく少なくとも１つの第２電圧パターンとが含まれ、前記制御部は、前記複数の第１の電圧パターンおよび第２の電圧パターンそれぞれが示す駆動電圧値の駆動電圧を順次印加する。
上記実施形態では、前記第１の電圧パターンは、プラスの電位を有する第１の電圧値と、前記第１の電圧値と絶対値が同じであってマイナスの電位を有する第２の電圧値とを有する２値電圧パターンにできる。
上記実施形態では、前記第２の電圧パターンは、前記第１の電圧値と、前記第２の電圧値とを有する、１つの２値電圧パターンにできる。
上記実施形態では、前記第２の電圧パターンは、前記第１の電圧値と、前記第２の電圧値とを有する、１つの２値電圧パターンと、前記第１の電圧値および前記第２の電圧値の少なくとも一方のみを有する１値電圧パターンを複数有することができる。
上記実施形態では、前記第２電圧パターンは、前記複数の前記第１電圧パターンが示す前記駆動電圧値の積算値の逆電圧に基づいて生成されることができる。
上記実施形態では、前記干渉光学系により生成される干渉縞のパターンは、前記電圧パターンの前記分布に対応して決定され、前記複数の前記第１電圧パターンは、Ｎ個の前記第１電圧パターンから構成される電圧パターン組を有し、前記電圧パターン組において、前記Ｎ個の前記第１電圧パターンそれぞれは、前記干渉縞のパターンの方向が互いに一致するように生成されることができる。
上記実施形態では、前記Ｎ個の前記第１電圧パターンは、隣合う前記干渉縞のパターンの位相差が、２π／Ｎになるように、それぞれ生成されることができる。
上記実施形態では、前記複数の前記第１電圧パターンは、前記電圧パターン組を複数有し、前記複数の電圧パターン組は、前記干渉縞の方向が互いに異なるように生成されることができる。
上記実施形態では、前記第２電圧パターンは、前記Ｎ個の前記第１電圧パターンが示す前記駆動電圧値の積算値の逆電圧に基づいて、少なくとも１つ生成されており、前記制御部は、前記Ｎ個の前記第１電圧パターンがそれぞれ示す前記駆動電圧と、前記生成された前記第２電圧パターンが示す前記駆動電圧とを、順次印加することができる。
上記実施形態では、前記第２電圧パターンは、すべての前記電圧パターン組に含まれるそれぞれの前記第１電圧パターンが示す前記駆動電圧値の積算値の逆電圧に基づいて生成されており、前記制御部は、前記電圧パターン組に含まれる複数の前記第１電圧パターンが示す前記駆動電圧値の駆動電圧を前記電圧パターン組ごとに順次印加し、前記第２電圧パターンが示す前記駆動電圧を印加することができる。

別の実施形態では、構造化照明顕微鏡装置は、上記実施形態のいずれか一つに記載の構造化照明装置と、前記干渉縞によって照明された前記標本からの観察光を結像することにより形成された前記標本の変調像を撮像して、前記標本の変調画像を取得する撮像装置と、前記変調画像を復調する演算装置と、を備える。

１…観察装置、１０…照明装置、１００…光源装置、１２０…光変調部、２００…干渉光学系、１６０…駆動制御部、２１０…撮像部。

Claims (11)

1. 空間光変調器と、
   前記空間光変調器からの光を互いに干渉させることにより生成された干渉縞によって標本を照明する干渉光学系と、
   所定の電圧値分布を有する電圧パターンを、前記空間光変調器に印加する制御部と、
   前記干渉縞が照射された前記標本の像を形成する結像光学系と、
   前記結像光学系が形成した前記像を撮像して画像を生成する撮像素子と、
   前記画像を複数用いて、復調画像を生成する復調部と
   を備える構造化照明顕微鏡であって、
   前記制御部は、
   第１の期間において、複数の前記復調画像を生成するための画像生成用電圧パターンを印加し、
   前記第１の期間と異なる第２の期間において、前記複数の画像生成用電圧パターンに基づいて生成される焼き付きを防止するための焼き付き防止電圧パターンとを印加し、
   前記焼き付き防止電圧パターンが印加される回数は、前記画像生成用電圧パターンが印加される回数よりも少ない
   構造化照明顕微鏡。
2. 前記焼き付き防止電圧パターンは、前記復調画像を生成するために用いられない
   請求項１に記載の構造化照明顕微鏡。
3. 前記制御部は、
   予め決められた順序で前記画像生成用電圧パターンを印加して、前記干渉縞の位相および方向を変化させ、
   前記干渉縞の方向が変化する前後で、前記焼き付き防止電圧パターンを印加する
   請求項１又は２に記載の構造化照明顕微鏡。
4. 前記制御部は、前記干渉縞の方向を少なくとも２回変化させた後、前記焼き付き防止電圧パターンを印加する
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の構造化照明顕微鏡。
5. 前記焼き付き防止電圧パターンは、
   複数の前記画像生成用電圧パターンを積算した積算電圧パターンの逆電圧に基づいて算出される
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の構造化照明顕微鏡。
6. 前記空間光変調器は、
   複数の画素電極が設けられた第１基板と、前記第１基板に対向する第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に配置された液晶とを含み、
   前記制御部は、
   前記電圧パターンを、前記画素電極を介して、前記空間光変調器に印加する
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の構造化照明顕微鏡。
7. 前記液晶は、強誘電性液晶である
   請求項６に記載の構造化照明顕微鏡。
8. 前記画像生成用電圧パターンは、
   プラスの電位を有する第１の電圧値と、前記第１の電圧値と絶対値が同じであってマイナスの電位を有する第２の電圧値とから構成される
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の構造化照明顕微鏡。
9. 前記制御部は、
   複数の前記画像生成用電圧パターンを印加後に、前記焼き付き防止電圧パターンを１回印加する
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の構造化照明顕微鏡。
10. （ａ）空間光変調器からの光を互いに干渉させることにより生成された干渉縞によって標本を照明することと、
    （ｂ）所定の電圧値分布を有する電圧パターンを、前記空間光変調器に印加することと、
    （ｃ）前記干渉縞が照射された前記標本の像を形成することと、
    （ｄ）前記（ｃ）で形成した前記像を撮像して画像を生成することと、
    （ｅ）前記画像を複数用いて、復調画像を生成することと
    を有する構造化照明方法であって、
    前記（ｂ）では、第１の期間において、複数の前記復調画像を生成するための画像生成用電圧パターンを印加し、
    前記第１の期間と異なる第２の期間において、前記複数の画像生成用電圧パターンに基づいて生成される焼き付きを防止するための焼き付き防止電圧パターンとを印加し、
    前記焼き付き防止電圧パターンが印加される回数は、前記画像生成用電圧パターンが印加される回数よりも少ない
    構造化照明方法。
11. コンピュータに、
    （ａ）空間光変調器からの光を互いに干渉させることにより生成された干渉縞によって標本を照明することと、
    （ｂ）所定の電圧値分布を有する電圧パターンを、前記空間光変調器に印加することと、
    （ｃ）前記干渉縞が照射された前記標本の像を形成することと、
    （ｄ）前記（ｃ）で形成した前記像を撮像して画像を生成することと、
    （ｅ）前記画像を複数用いて、復調画像を生成することと
    を実行させるためのプログラムであって、
    前記（ｂ）では、第１の期間において、複数の前記復調画像を生成するための画像生成用電圧パターンを印加し、
    前記第１の期間と異なる第２の期間において、前記複数の画像生成用電圧パターンに基づいて生成される焼き付きを防止するための焼き付き防止電圧パターンとを印加し、
    前記焼き付き防止電圧パターンが印加される回数は、前記画像生成用電圧パターンが印加される回数よりも少ない
    プログラム。

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