JP6690424B2 - Microscope device, observation method, and control program - Google Patents

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Description

本発明は、顕微鏡装置、観察方法、及び制御プログラムに関する。   The present invention relates to a microscope device, an observation method, and a control program.

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)。   As one form of a super-resolution microscope, a structured illumination microscope that generates a super-resolution image of a sample by illuminating a sample with spatially modulated illumination light to obtain a modulated image and demodulating the modulated image ( SIM: Structured Illumination Microscopy) is known (for example, refer to Patent Document 1).

米国再発行特許発明第38307号US Reissued Patent Invention No. 38307

超解像顕微鏡は、画像取得の高速化が期待される。   Super-resolution microscopes are expected to accelerate image acquisition.

本発明は、画像取得を高速化することができる顕微鏡装置、観察方法、及び制御プログラムを提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide a microscope apparatus, an observation method, and a control program that can speed up image acquisition.

本発明の第1の態様に従えば、音波定在波が生成され、入射した光を複数の光束に分岐する光変調器と、複数の光束の少なくとも一部を干渉させて、干渉縞で試料を照明する照明光学系と、干渉縞が照射された試料の像を形成する結像光学系と、結像光学系により形成された試料の像を撮像する撮像部と、複数の光束の少なくとも1つの光束の位相を変化させる位相調整部と、制御部と、を有し、制御部は、光変調器に第1の駆動信号を与えて音波定在波を生成させたとき、位相調整部に位相を第1のパターンで変化させて撮像部に第1の画像を撮像させ、位相調整部に位相を第2のパターンで変化させて撮像部に第2の画像を撮像させ、光変調器に第2の駆動信号を与えて音波定在波を生成させたとき、位相調整部に位相を第3のパターンで変化させて撮像部に第3の画像を撮像させ、位相調整部に位相を第4のパターンで変化させて撮像部に第4の画像を撮像させ、光変調器に第3の駆動信号を与えて音波定在波を生成させたとき、位相調整部に位相を第5のパターンで変化させて撮像部に第5の画像を撮像させ、位相調整部に位相を第6のパターンで変化させて撮像部に第6の画像を撮像させる、顕微鏡装置が提供される。   According to the first aspect of the present invention, an acoustic wave standing wave is generated, and an optical modulator that splits incident light into a plurality of light beams is caused to interfere with at least a part of the plurality of light beams, and the sample is formed with interference fringes. An illumination optical system for illuminating the sample, an imaging optical system for forming an image of the sample irradiated with the interference fringes, an imaging unit for capturing the image of the sample formed by the imaging optical system, and at least one of the plurality of light beams. The control unit includes a phase adjustment unit that changes the phases of the two light beams, and the control unit controls the phase adjustment unit when the first drive signal is applied to the optical modulator to generate the sonic standing wave. The phase is changed according to the first pattern to cause the image capturing unit to capture the first image, the phase adjusting unit is configured to change the phase with the second pattern to cause the image capturing unit to capture the second image, and the optical modulator When a second drive signal is given to generate a sound wave standing wave, the phase adjustment unit sets the phase to the third pattern. The imaging unit captures the third image by changing the phase, the phase adjustment unit changes the phase in the fourth pattern, the imaging unit captures the fourth image, and the optical modulator receives the third drive signal. When the sound wave standing wave is generated by changing the phase in the fifth pattern by the phase adjustment unit, the imaging unit captures the fifth image, and the phase adjustment unit changes the phase by the sixth pattern. There is provided a microscope device that causes an imaging unit to capture a sixth image.

本発明の第2の態様に従えば、音波定在波が生成され、入射した光を光変調器によって複数の光束に分岐することと、複数の光束の少なくとも一部を干渉させて、干渉縞で試料を照明することと、干渉縞が照射された試料の像を形成することと、形成された試料の像を撮像することと、複数の光束の少なくとも1つの光束の位相を変化させることと、光変調器による音波定在波の生成、位相の変化、及び撮像を制御することと、を含み、制御は、光変調器に第1の駆動信号を与えて音波定在波を生成させたとき、位相を第1のパターンで変化させて第1の画像を撮像させ、位相を第2のパターンで変化させて第2の画像を撮像させることと、光変調器に第2の駆動信号を与えて音波定在波を生成させたとき、位相を第3のパターンで変化させて第3の画像を撮像させ、位相を第4のパターンで変化させて第4の画像を撮像させることと、光変調器に第3の駆動信号を与えて音波定在波を生成させたとき、位相を第5のパターンで変化させて第5の画像を撮像させ、位相を第6のパターンで変化させて第6の画像をさせることと、を含む、観察方法が提供される。   According to the second aspect of the present invention, the acoustic wave standing wave is generated, the incident light is branched into a plurality of light fluxes by the optical modulator, and at least a part of the plurality of light fluxes is caused to interfere with each other to form an interference fringe. Illuminating the sample with, forming an image of the sample irradiated with the interference fringes, capturing an image of the formed sample, and changing the phase of at least one of the plurality of light beams. Controlling the generation of the sonic standing wave by the optical modulator, the change of the phase, and the imaging, the control providing the first drive signal to the optical modulator to cause the sonic standing wave to be generated. At this time, the phase is changed in the first pattern to capture the first image, the phase is changed in the second pattern to capture the second image, and the second drive signal is supplied to the optical modulator. When a standing wave is generated by applying it, the phase is changed in the third pattern. When a third image is captured, the phase is changed in a fourth pattern to capture the fourth image, and a third drive signal is given to the optical modulator to generate a sound wave standing wave, Changing the phase in a fifth pattern to capture a fifth image and changing the phase in a sixth pattern to generate a sixth image.

本発明の第3の態様に従えば、音波定在波が生成され、入射した光を複数の光束に分岐する光変調器と、複数の光束の少なくとも一部を干渉させて、干渉縞で試料を照明する照明光学系と、干渉縞が照射された試料の像を形成する結像光学系と、結像光学系により形成された試料の像を撮像する撮像部と、複数の光束の少なくとも1つの光束の位相を変化させる位相調整部と、を有する顕微鏡装置の制御をコンピュータに実行させる制御プログラムであって、制御は、光変調器に第1の駆動信号を与えて音波定在波を生成させたとき、位相調整部に位相を第1のパターンで変化させて撮像部に第1の画像を撮像させ、位相調整部に位相を第2のパターンで変化させて撮像部に第2の画像を撮像させることと、光変調器に第2の駆動信号を与えて音波定在波を生成させたとき、位相調整部に位相を第3のパターンで変化させて撮像部に第3の画像を撮像させた後、位相調整部に位相を第4のパターンで変化させて撮像部に第4の画像を撮像させることと、光変調器に第3の駆動信号を与えて音波定在波を生成させたとき、位相調整部に位相を第5のパターンで変化させて撮像部に第5の画像を撮像させ位相調整部に位相を第6のパターンで変化させて撮像部に第6の画像を撮像させることと、を含む、制御プログラムが提供される。   According to the third aspect of the present invention, an acoustic wave standing wave is generated, and at least a part of the plurality of light fluxes is caused to interfere with the optical modulator that splits the incident light into the plurality of light fluxes, and the sample is formed with interference fringes. An illumination optical system for illuminating the sample, an imaging optical system for forming an image of the sample irradiated with the interference fringes, an imaging unit for capturing the image of the sample formed by the imaging optical system, and at least one of the plurality of light beams. A control program that causes a computer to control a microscope apparatus having a phase adjustment unit that changes the phases of two light fluxes, the control being such that a first drive signal is applied to the optical modulator to generate a sound wave standing wave. When this is done, the phase adjusting unit changes the phase in the first pattern to cause the image capturing unit to capture the first image, and the phase adjusting unit changes the phase in the second pattern to cause the image capturing unit to capture the second image. And give a second drive signal to the optical modulator. When a sound wave standing wave is generated, the phase adjusting unit changes the phase in the third pattern, causes the image capturing unit to capture the third image, and then causes the phase adjusting unit to change the phase in the fourth pattern. When the imaging unit is caused to capture a fourth image and the optical modulator is given a third drive signal to generate a sonic standing wave, the phase adjustment unit is caused to change the phase in the fifth pattern. A control program is provided that includes causing the imaging unit to capture the fifth image and causing the phase adjustment unit to change the phase in the sixth pattern to cause the imaging unit to capture the sixth image.

本発明によれば、画像取得を高速化することができる顕微鏡装置、観察方法、及び制御プログラムを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a microscope apparatus, an observation method, and a control program that can speed up image acquisition.

本実施形態の顕微鏡装置を示す図である。It is a figure which shows the microscope apparatus of this embodiment. 本実施形態に係る分岐部を示す図である。It is a figure which shows the branch part which concerns on this embodiment. 分岐部から視野絞りまでの光路を示す図である。It is a figure which shows the optical path from a branch part to a field stop. 照明光学系の光軸の方向から見たマスクの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the mask seen from the direction of the optical axis of an illumination optical system. 光変調器の音波伝搬路における屈折率の分布の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of distribution of the refractive index in the sound wave propagation path of an optical modulator. 定在波のパターンと、1次回折光の干渉縞との対応を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the correspondence of the pattern of a standing wave and the interference fringe of a 1st-order diffracted light. (A)は音波伝搬路における光の入射領域を示す図、(B)は波本数の変化に伴う干渉縞のずれを示す図である。FIG. 7A is a diagram showing a light incident region in a sound wave propagation path, and FIG. 8B is a diagram showing a shift of interference fringes due to a change in the number of waves. 前半期および後半期のそれぞれの定在波と干渉縞を示す図である。It is a figure which shows each standing wave and interference fringe of the first half and the latter half. 2D−SIMモードにおける動作を示すフローチャートである。It is a flow chart which shows operation in 2D-SIM mode. 3D−SIMモードにおける光源部から試料までの光路を示す図である。It is a figure which shows the optical path from a light source part to a sample in 3D-SIM mode. 分岐部から視野絞りまでの光路、及び駆動信号を示す図である。It is a figure which shows the optical path from a branch part to a field stop, and a drive signal. 定在波、位相調整前後の干渉縞を示す図である。It is a figure which shows a standing wave and the interference fringe before and behind phase adjustment. 複数のフレームにおける駆動信号、定在波、及び干渉縞を示す図である。It is a figure which shows the drive signal in several frames, a standing wave, and an interference fringe. 3D−SIMモードにおける動作を示すフローチャートである。It is a flow chart which shows operation in 3D-SIM mode. 干渉縞の1方向に関する設定条件を示す図である。It is a figure which shows the setting conditions regarding one direction of an interference fringe. 位相変調器の駆動信号の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the drive signal of a phase modulator. 位相変調器による位相調整量の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the amount of phase adjustments by a phase modulator. 定在波の腹の屈折率、0次回折光の位相変調量の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the refractive index of the antinode of a standing wave, and the phase modulation amount of 0th-order diffracted light. 位相変調器の駆動信号の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the drive signal of a phase modulator. 光変調器の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of an optical modulator.

次に、図面を参照しながら実施形態について説明する。図1は、本実施形態の顕微鏡装置1を示す図である。顕微鏡装置1は、構造化照明装置2と、撮像装置3と、制御装置4と、表示装置5とを備える。顕微鏡装置1は、例えば蛍光顕微鏡であり、予め蛍光染色された細胞などを含む試料Xの観察などに利用される。試料Xは、例えば、不図示のステージに保持される。   Next, embodiments will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a microscope apparatus 1 of this embodiment. The microscope device 1 includes a structured lighting device 2, an imaging device 3, a control device 4, and a display device 5. The microscope apparatus 1 is, for example, a fluorescence microscope, and is used for observing a sample X containing cells and the like that have been fluorescently stained in advance. The sample X is held on, for example, a stage (not shown).

顕微鏡装置1は、概略すると以下のように動作する。構造化照明装置2は、干渉縞を生成し、干渉縞で試料Xを照明する。撮像装置3は、干渉縞により変調された試料Xの像(試料像、モアレ像)を撮像する。モアレ像は、試料Xの情報を含んでおり、試料Xよりも空間周波数が低いので撮像装置3の光学系を介して撮像可能である。制御装置4は、顕微鏡装置1の各部を制御する。制御装置4は、構造化照明装置2を制御して、干渉縞の位相および向きを複数の状態に切り替える。制御装置4は、撮像装置3を制御して、干渉縞の複数の状態のそれぞれにおいて試料Xの像を撮像させ、複数の画像を取得する。制御装置4は、複数の画像を用いて復調処理を行うことにより、撮像装置3の光学系の解像限界を超えた超解像画像を生成することができる。   The microscope device 1 operates as follows in brief. The structured illumination device 2 generates interference fringes and illuminates the sample X with the interference fringes. The image pickup device 3 picks up an image (sample image, moire image) of the sample X modulated by the interference fringes. The moire image contains the information of the sample X and has a lower spatial frequency than the sample X, and thus can be imaged through the optical system of the imaging device 3. The control device 4 controls each part of the microscope device 1. The control device 4 controls the structured lighting device 2 to switch the phase and direction of the interference fringes into a plurality of states. The control device 4 controls the imaging device 3 to capture an image of the sample X in each of a plurality of states of interference fringes and acquires a plurality of images. The control device 4 can generate a super-resolution image that exceeds the resolution limit of the optical system of the imaging device 3 by performing demodulation processing using a plurality of images.

顕微鏡装置1は、試料Xのうち観察対象の面(以下、試料面という)の2次元的な超解像画像を生成する2D−SIMモードと、試料面に垂直な方向の情報を含む3次元的な超解像画像を生成する3D−SIMモードとを備える。まず、2D−SIMモードについて説明し、次に3D−SIMモードについて説明する。   The microscope apparatus 1 includes a 2D-SIM mode for generating a two-dimensional super-resolution image of the surface of the sample X to be observed (hereinafter referred to as a sample surface) and a three-dimensional image including information in a direction perpendicular to the sample surface. 3D-SIM mode for generating a typical super-resolution image. First, the 2D-SIM mode will be described, and then the 3D-SIM mode will be described.

構造化照明装置2は、光源部10と、照明光学系11とを備える。光源部10は、例えばレーザー素子などの光源を含み、所定の波長帯の可干渉光を射出する。蛍光顕微鏡の場合、所定の波長帯は、試料Xの励起波長を含む波長帯に設定される。なお、光源部10の少なくとも一部は、構造化照明装置2に含まれていなくてもよい。例えば、光源部10は、構造化照明装置2に交換可能(取り付け可能、取り外し可能)に設けられていてもよい。例えば、光源部10は、顕微鏡装置1による観察時などに、構造化照明装置2に取り付けられてもよい。   The structured lighting device 2 includes a light source unit 10 and an illumination optical system 11. The light source unit 10 includes a light source such as a laser element, and emits coherent light in a predetermined wavelength band. In the case of a fluorescence microscope, the predetermined wavelength band is set to the wavelength band including the excitation wavelength of the sample X. In addition, at least a part of the light source unit 10 may not be included in the structured lighting device 2. For example, the light source unit 10 may be replaceably (attachable or detachable) provided in the structured lighting device 2. For example, the light source unit 10 may be attached to the structured lighting device 2 during observation with the microscope device 1.

照明光学系11は、光源部10の光出射側に、コレクタレンズ12と、分岐部13とを備える。光源部10から射出した光は、コレクタレンズ12によって平行光に変換され、分岐部13へ入射する。分岐部13は、入射した光を複数の光束に分岐する。分岐部13は、光源部10からの光を回折により複数の光束に分岐する。なお、図1には、複数の光束のうち0次回折光(実線で示す)、+1次回折光(破線で示す)、及び−1次回折光(2点鎖線で示す)を代表的に示した。以下の説明において、回折光のうち+1次回折光と−次回折光の一方または双方を指す場合に、単に1次回折光と表記する。 The illumination optical system 11 includes a collector lens 12 and a branching unit 13 on the light emitting side of the light source unit 10 . The light emitted from the light source unit 10 is converted into parallel light by the collector lens 12 and enters the branching unit 13. The branching unit 13 branches the incident light into a plurality of light fluxes. The branching unit 13 branches the light from the light source unit 10 into a plurality of light beams by diffraction. In addition, in FIG. 1, the 0th-order diffracted light (shown by a solid line), the + 1st-order diffracted light (shown by a broken line), and the -1st-order diffracted light (shown by a two-dot chain line) are representatively shown among a plurality of light fluxes. In the following description, when referring to one or both of the + 1st-order diffracted light and the −third-order diffracted light of the diffracted light, the term “first-order diffracted light” is simply used.

図2(A)は、本実施形態に係る分岐部13を示す図、図2(B)は分岐部13の動作を示す図である。分岐部13は、例えば音響光学モジュレータ(以下、AOMと略記する)などを含む光変調器(例、空間光変調器)である。分岐部13は、音響光学媒体22と、トランスデューサ23aと、トランスデューサ23bと、トランスデューサ23cとを備える。     FIG. 2A is a diagram showing the branching unit 13 according to this embodiment, and FIG. 2B is a diagram showing an operation of the branching unit 13. The branching unit 13 is an optical modulator (eg, spatial light modulator) including, for example, an acousto-optic modulator (hereinafter, abbreviated as AOM). The branch unit 13 includes an acousto-optic medium 22, a transducer 23a, a transducer 23b, and a transducer 23c.

音響光学媒体22は、例えば石英ガラス、テルライトガラス、重フリントガラス、フリントガラスなどからなる角柱状の部材である。音響光学媒体22は、照明光学系11の光軸11aの周囲に一対の側面22a、一対の側面22b、及び一対の側面22cを有する。一対の側面22a、一対の側面22b、及び一対の側面22cは、それぞれ、互いに対向しかつ平行な2面を含み、例えば照明光学系11の光軸と平行に配置される。側面22aが側面22bとなす角度は例えば120°であり、側面22aが側面22cとなす角度は例えば120°である。   The acousto-optic medium 22 is a prismatic member made of, for example, quartz glass, tellurite glass, heavy flint glass, flint glass, or the like. The acousto-optic medium 22 has a pair of side surfaces 22a, a pair of side surfaces 22b, and a pair of side surfaces 22c around the optical axis 11a of the illumination optical system 11. The pair of side surfaces 22a, the pair of side surfaces 22b, and the pair of side surfaces 22c each include two surfaces facing each other and parallel to each other, and are arranged, for example, in parallel with the optical axis of the illumination optical system 11. The angle formed by the side surface 22a and the side surface 22b is 120 °, for example, and the angle formed by the side surface 22a and the side surface 22c is 120 °, for example.

音響光学媒体22は、その内部に音波伝搬路Rを有する。音波伝搬路Rは、一対の側面22aの間の音波伝搬路Raと、一対の側面22bの間の音波伝搬路Rbと、一対の側面22cの間の音波伝搬路Rcとを含む。音波伝搬路Ra〜Rcは、照明光学系11の光軸の方向から見た場合に一部が重複している。以下、音波伝搬路Raと音波伝搬路Rbと音波伝搬路Rcとがいずれも重複する部分は、照明光学系11の光軸11aおよびその周囲に配置される。この重複部分の少なくとも一部は、光源部10からの光が入射する入射領域Saになっている。   The acousto-optic medium 22 has a sound wave propagation path R therein. The sound wave propagation path R includes a sound wave propagation path Ra between the pair of side surfaces 22a, a sound wave propagation path Rb between the pair of side surfaces 22b, and a sound wave propagation path Rc between the pair of side surfaces 22c. The sound wave propagation paths Ra to Rc are partially overlapped when viewed from the direction of the optical axis of the illumination optical system 11. Hereinafter, a portion where the sound wave propagation path Ra, the sound wave propagation path Rb, and the sound wave propagation path Rc all overlap is arranged around the optical axis 11a of the illumination optical system 11 and its periphery. At least a part of this overlapping portion is an incident area Sa on which the light from the light source unit 10 is incident.

トランスデューサ23aは、側面22aに設けられている。トランスデューサ23aは、例えば超音波トランスデューサであり、圧電体と、圧電体を挟んで形成された2つの電極とを備える。トランスデューサ23aは、一方の電極を介して音響光学媒体22の側面22aに接合されている。トランスデューサ23aは、2つの電極の間に高周波の正弦波状の交流電圧(駆動信号)が印加されると、圧電体が厚み方向(側面22aの法線方向)に振動(伸縮)する。これにより、音波伝搬路Raを往復する平面超音波が生じ、この平面超音波は、交流電圧の周波数が特定の周波数に設定されている場合に音波定在波(以下、定在波と略記する)となる。この定在波により、音波伝搬路Raに粗密の周期的な分布(例、正弦波状の分布)が生じ、音響光学媒体22のうち音波伝搬路Raの部分は、超音波の伝搬方向と垂直な位相格子を持った位相型回折格子となる。以下、音波伝搬路Raにおける超音波の伝搬方向を第1方向という。   The transducer 23a is provided on the side surface 22a. The transducer 23a is, for example, an ultrasonic transducer, and includes a piezoelectric body and two electrodes that sandwich the piezoelectric body. The transducer 23a is joined to the side surface 22a of the acousto-optic medium 22 via one electrode. When a high-frequency sinusoidal AC voltage (drive signal) is applied between the two electrodes of the transducer 23a, the piezoelectric body vibrates (expands and contracts) in the thickness direction (the normal direction of the side surface 22a). As a result, a plane ultrasonic wave that reciprocates in the sound wave propagation path Ra is generated, and this plane ultrasonic wave is a sound wave standing wave (hereinafter abbreviated as a standing wave) when the frequency of the AC voltage is set to a specific frequency. ). Due to this standing wave, a coarse and dense periodic distribution (for example, a sinusoidal distribution) is generated in the sound wave propagation path Ra, and the part of the acoustic wave propagation path Ra in the acoustooptic medium 22 is perpendicular to the propagation direction of the ultrasonic waves. It becomes a phase type diffraction grating with a phase grating. Hereinafter, the propagation direction of ultrasonic waves in the sound wave propagation path Ra is referred to as a first direction.

トランスデューサ23bは、側面22bに設けられている。トランスデューサ23bは、トランスデューサ23aと同様の構成であり、圧電体と、2つの電極とを備える。トランスデューサ23bは、2つの電極の間に所定の周波数の正弦波状の交流電圧(駆動信号)が印加されることにより、音波伝搬路Rbに定在波を発生させる。これにより、音波伝搬路Rbは、超音波の伝搬方向と垂直な位相格子を持った位相型回折格子となる。以下、音波伝搬路Rbにおける超音波の伝搬方向を第2方向という。第2方向は、第1方向と60°の角度をなす方向である。   The transducer 23b is provided on the side surface 22b. The transducer 23b has the same configuration as the transducer 23a, and includes a piezoelectric body and two electrodes. The transducer 23b generates a standing wave in the sound wave propagation path Rb by applying a sinusoidal AC voltage (drive signal) having a predetermined frequency between the two electrodes. As a result, the sound wave propagation path Rb becomes a phase type diffraction grating having a phase grating perpendicular to the propagation direction of ultrasonic waves. Hereinafter, the propagation direction of ultrasonic waves in the sound wave propagation path Rb is referred to as a second direction. The second direction is a direction that makes an angle of 60 ° with the first direction.

トランスデューサ23cは、側面22cに設けられている。トランスデューサ23cは、トランスデューサ23aと同様の構成であり、圧電体と、2つの電極とを備える。トランスデューサ23cは、2つの電極の間に所定の周波数の正弦波状の交流電圧(駆動信号)が印加されることにより、音波伝搬路Rcに定在波を発生させる。これにより、音波伝搬路Rcは、超音波の伝搬方向と垂直な位相格子を持った位相型回折格子となる。以下、音波伝搬路Rcにおける超音波の伝搬方向を第3方向という。第3方向は、第1方向に対して第2方向と反対周りに60°の角度をなす方向である。   The transducer 23c is provided on the side surface 22c. The transducer 23c has the same configuration as the transducer 23a and includes a piezoelectric body and two electrodes. The transducer 23c generates a standing wave in the sound wave propagation path Rc by applying a sinusoidal AC voltage (drive signal) having a predetermined frequency between the two electrodes. As a result, the sound wave propagation path Rc becomes a phase type diffraction grating having a phase grating perpendicular to the propagation direction of ultrasonic waves. Hereinafter, the propagation direction of ultrasonic waves in the sound wave propagation path Rc is referred to as a third direction. The third direction is a direction that forms an angle of 60 ° with the first direction in the opposite direction to the second direction.

分岐部13は、駆動部21により駆動される。駆動部21は、電源回路25およびスイッチ26を備える。電源回路25は、交流電源27に接続されている。電源回路25は、交流電源27から供給される電力により駆動信号を生成する。電源回路25は、制御装置4によって制御され、制御装置4から指定された周波数の駆動信号を生成する。電源回路25は、生成した駆動信号をスイッチ26に出力する。   The branch unit 13 is driven by the drive unit 21. The drive unit 21 includes a power supply circuit 25 and a switch 26. The power supply circuit 25 is connected to the AC power supply 27. The power supply circuit 25 generates a drive signal by the power supplied from the AC power supply 27. The power supply circuit 25 is controlled by the control device 4 and generates a drive signal having a frequency designated by the control device 4. The power supply circuit 25 outputs the generated drive signal to the switch 26.

スイッチ26は、入力側の端子28、及び出力側の端子29a〜29cを有する。スイッチ26は、制御装置4に制御され、出力側の端子29a〜29cのうち制御装置4から指定された端子と、入力側の端子とを接続する(導通状態にする)。スイッチ26は、例えばトランジスタなどを含み、入力側の端子28と出力側の端子29a〜29cとの導通状態と絶縁状態とを、電気的に切替可能である。端子29aは、トランスデューサ23aの一方の電極に接続されている。端子29bは、トランスデューサ23bの一方の電極に接続されている。端子29cは、トランスデューサ23cの一方の電極に接続されている。なお、トランスデューサ23a〜23cにおいて、他方の電極は、駆動信号の基準電位(グランド)と接続されている。   The switch 26 has an input-side terminal 28 and output-side terminals 29a to 29c. The switch 26 is controlled by the control device 4 and connects (sets into conduction) a terminal designated by the control device 4 among the output side terminals 29a to 29c and the input side terminal. The switch 26 includes, for example, a transistor, and can electrically switch between a conductive state and an insulated state between the input-side terminal 28 and the output-side terminals 29a to 29c. The terminal 29a is connected to one electrode of the transducer 23a. The terminal 29b is connected to one electrode of the transducer 23b. The terminal 29c is connected to one electrode of the transducer 23c. The other electrodes of the transducers 23a to 23c are connected to the reference potential (ground) of the drive signal.

電源回路25から駆動信号がスイッチ26の端子28に供給され、かつ端子28が端子29aと接続されている場合、この駆動信号によってトランスデューサ23aが駆動され、音波伝搬路Raが位相型回折格子になる。この状態において、図2(b)に示すように音波伝搬路Raに入射した光は、回折により第1方向に分岐する。1次以上の回折光(例、±1次回折光)は、0次回折光に対して第1方向に偏向する。以下の説明において、1次以上の回折光が0次回折光に対して偏向する方向を回折方向という。   When the drive signal is supplied from the power supply circuit 25 to the terminal 28 of the switch 26 and the terminal 28 is connected to the terminal 29a, the transducer 23a is driven by this drive signal and the sound wave propagation path Ra becomes a phase type diffraction grating. . In this state, as shown in FIG. 2B, the light incident on the sound wave propagation path Ra is branched in the first direction by diffraction. First-order and higher-order diffracted light (eg, ± first-order diffracted light) is deflected in the first direction with respect to the 0th-order diffracted light. In the following description, the direction in which the 1st or higher order diffracted light is deflected with respect to the 0th order diffracted light is referred to as the diffraction direction.

また、電源回路25から駆動信号がスイッチ26の端子28に供給され、かつ端子28が端子29bと接続されている場合、音波伝搬路Rbが位相型回折格子になり、入射領域Saに入射した光は、回折により第2方向に分岐する。同様に、電源回路25から駆動信号がスイッチ26の端子28に供給され、かつ端子28が端子29cと接続されている場合、音波伝搬路Rcが位相型回折格子になり、入射領域Saに入射した光は、回折により第3方向に分岐する。   Further, when the drive signal is supplied from the power supply circuit 25 to the terminal 28 of the switch 26 and the terminal 28 is connected to the terminal 29b, the sound wave propagation path Rb becomes a phase type diffraction grating, and the light incident on the incident area Sa is incident. Is branched in the second direction by diffraction. Similarly, when the drive signal is supplied from the power supply circuit 25 to the terminal 28 of the switch 26 and the terminal 28 is connected to the terminal 29c, the sound wave propagation path Rc becomes a phase type diffraction grating and is incident on the incident area Sa. The light splits in the third direction due to diffraction.

このような分岐部13は、周期構造(音響光学媒体22の密度の周期)のピッチ(密度の極大位置の間隔)を、定在波の周波数に応じて変化させることができる。また、分岐部13は、音波伝搬路Ra〜Rcのいずれを有効にするか(定在波により周期構造にするか)を、スイッチ26によって電気的に選択(切替)可能である。分岐部13は、0次回折光に対する±1次回折光の偏向方向(回折方向)を電気的に切り替えることができる。   Such a branch 13 can change the pitch of the periodic structure (the period of the density of the acoustooptic medium 22) (the interval between the maximum positions of the density) according to the frequency of the standing wave. Further, the branching unit 13 can electrically select (switch) which of the sound wave propagation paths Ra to Rc is to be made effective (whether to have a periodic structure by standing waves) by the switch 26. The branching unit 13 can electrically switch the deflection direction (diffraction direction) of the ± first-order diffracted light with respect to the 0th-order diffracted light.

なお、分岐部13は、駆動部21の少なくとも一部を含んでもよい。また、分岐部13は、周期構造が固定の回折格子を含んでいてもよい。このような回折格子としては、例えば、石英板に溝を複数本切った石英格子などが挙げられる。このような回折格子により回折方向を変化させるには、例えば、光源部10からの光と交差する面内で回折格子を回転させればよい。また、分岐部13は、空間光変調器として、AOMの代わりに液晶素子などを用いたものでもよい。   The branch unit 13 may include at least a part of the drive unit 21. Further, the branching portion 13 may include a diffraction grating having a fixed periodic structure. Examples of such a diffraction grating include a quartz grating in which a plurality of grooves are cut in a quartz plate. In order to change the diffraction direction with such a diffraction grating, for example, the diffraction grating may be rotated in a plane intersecting with the light from the light source unit 10. Further, the branching section 13 may be a spatial light modulator using a liquid crystal element or the like instead of the AOM.

図1の説明に戻り、照明光学系11は、分岐部13の光出射側に、レンズ30、位相調整部14、レンズ31、視野絞り32、レンズ33、フィルタ34、ダイクロイックミラー35、及び対物レンズ36を備える。   Returning to the description of FIG. 1, the illumination optical system 11 includes a lens 30, a phase adjustment unit 14, a lens 31, a field stop 32, a lens 33, a filter 34, a dichroic mirror 35, and an objective lens on the light exit side of the branch unit 13. 36 is provided.

図3は、分岐部13から視野絞り32までの光路を示す図である。分岐部13で発生した回折光は、レンズ30に入射する。レンズ30は、例えば、その前側焦点位置が分岐部13の位置とほぼ一致するように、配置される。分岐部13で分岐した複数の光束のうち同じ次数の回折光を同じ位置に集光し、いわゆる瞳共役面P1を形成する。例えば、レンズ30は、分岐部13で発生した0次回折光(図3に実線で示す)を、照明光学系11の光軸11a上(前側焦点位置)に集光する。レンズ30は、分岐部13で発生した+1次回折光(図3に破線で示す)を、照明光学系11の光軸11aから離れた位置に集光する。レンズ30は、分岐部13で発生した−1次回折光(図3に2点鎖線で示す)を、照明光学系11の光軸11aに関して+1次回折光と対称的な位置に集光する。   FIG. 3 is a diagram showing an optical path from the branch unit 13 to the field stop 32. The diffracted light generated in the branch portion 13 enters the lens 30. The lens 30 is arranged, for example, such that the front focal position of the lens 30 substantially coincides with the position of the branch portion 13. Diffracted light of the same order among the plurality of light beams branched by the branching unit 13 is condensed at the same position to form a so-called pupil conjugate plane P1. For example, the lens 30 focuses the 0th-order diffracted light (shown by the solid line in FIG. 3) generated at the branching portion 13 on the optical axis 11a of the illumination optical system 11 (front focus position). The lens 30 focuses the + 1st order diffracted light (shown by the broken line in FIG. 3) generated at the branching portion 13 at a position away from the optical axis 11a of the illumination optical system 11. The lens 30 collects the −1st-order diffracted light (shown by a chain double-dashed line in FIG. 3) generated at the branching portion 13 at a position symmetrical with the + 1st-order diffracted light with respect to the optical axis 11 a of the illumination optical system 11.

位相調整部14は、干渉縞の生成に使われる回折光を通し、干渉縞の生成に使われない回折光を遮断する。2D−SIMモードにおいて、照明光学系11は、例えば、+1次回折光と−1次回折光との干渉縞を生成し、0次回折光および2次以上の回折光を干渉縞の生成に用いない。位相調整部14は、2D−SIMモードにおいて、1次回折光を通し、0次回折光および2次以上の回折光を遮断する。3D−SIMモードにおいて、照明光学系11は、例えば、+1次回折光と−1次回折光との干渉縞と、0次回折光と1次回折光との干渉縞との合成縞を生成する。位相調整部14は、3D−SIMモードにおいて、0次回折光および1次回折光を通し、2次以上の回折光を遮断する。   The phase adjuster 14 allows the diffracted light used to generate the interference fringes and blocks the diffracted light not used to generate the interference fringes. In the 2D-SIM mode, for example, the illumination optical system 11 generates interference fringes of the + 1st-order diffracted light and the −1st-order diffracted light, and does not use the 0th-order diffracted light and the diffracted light of the 2nd-order or higher. In the 2D-SIM mode, the phase adjustment unit 14 allows the 1st-order diffracted light to pass and blocks the 0th-order diffracted light and the 2nd-order and higher-order diffracted lights. In the 3D-SIM mode, the illumination optical system 11 generates, for example, a combined fringe of the interference fringes of the + 1st-order diffracted light and the −1st-order diffracted light and the interference fringes of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light. In the 3D-SIM mode, the phase adjustment unit 14 allows the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light to pass through and blocks the 2nd-order and higher-order diffracted lights.

また、位相調整部14は、分岐部13によって分岐された複数の光束の少なくとも1つの光束の位相を変化させる。位相調整部14は、干渉縞の生成に使われる回折光の位相を適宜調整する。例えば、位相調整部14は、3D−SIMモードにおいて、0次回折光と1次回折光との相対的な位相を調整する(変化させる)。なお、位相調整部14は、2D−SIMモードにおいて、+1次回折光と−1次回折光との相対的な位相を調整してもよいし、調整しなくてもよい。   Further, the phase adjusting unit 14 changes the phase of at least one light beam of the plurality of light beams branched by the branching unit 13. The phase adjustment unit 14 appropriately adjusts the phase of the diffracted light used to generate the interference fringes. For example, the phase adjustment unit 14 adjusts (changes) the relative phases of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light in the 3D-SIM mode. The phase adjusting unit 14 may or may not adjust the relative phases of the + 1st order diffracted light and the −1st order diffracted light in the 2D-SIM mode.

位相調整部14は、0次回折光の光路と1次回折光の光路とが分離する位置に配置される。位相調整部14は、例えば、瞳共役面P1に配置される。瞳共役面P1は、瞳面P0(対物レンズ36の後側焦点面)と光学的に共役な面である。位相調整部14は、例えば、レンズ30の後側焦点位置に配置される。本実施形態に係る位相調整部14は、マスク40、位相変調器41、補正ブロック42、及び駆動部43を備える。マスク40および位相変調器41は、干渉縞に使われない光を遮断する。位相変調器41および補正ブロック42は、0次回折光と1次回折光との相対的な位相を変化させることができる。   The phase adjusting unit 14 is arranged at a position where the optical path of the 0th-order diffracted light and the optical path of the 1st-order diffracted light are separated. The phase adjuster 14 is arranged, for example, on the pupil conjugate plane P1. The pupil conjugate plane P1 is a plane optically conjugate with the pupil plane P0 (the rear focal plane of the objective lens 36). The phase adjustment unit 14 is arranged at the back focal position of the lens 30, for example. The phase adjustment unit 14 according to this embodiment includes a mask 40, a phase modulator 41, a correction block 42, and a drive unit 43. The mask 40 and the phase modulator 41 block light not used for interference fringes. The phase modulator 41 and the correction block 42 can change the relative phases of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light.

位相変調器41は、照明光学系11の光軸11a上に配置されている。位相変調器41は、0次回折光が集光する位置に配置されている。位相変調器41は、例えば、入射光(ここでは0次回折光)の位相を時間方向にかけて変調幅πで変調する。位相変調器41は、例えば、カー効果を利用した電気光学モジュレータ(以下、EOMと略記する)、ポッケルス効果を利用したEOモジュレータ、またはAOMを含む。   The phase modulator 41 is arranged on the optical axis 11 a of the illumination optical system 11. The phase modulator 41 is arranged at a position where the 0th-order diffracted light is condensed. The phase modulator 41 modulates the phase of incident light (here, the 0th-order diffracted light) with a modulation width π in the time direction. The phase modulator 41 includes, for example, an electro-optic modulator that uses the Kerr effect (hereinafter abbreviated as EOM), an EO modulator that uses the Pockels effect, or an AOM.

ところで、位相変調器41において0次回折光が通る部分は、例えば雰囲気ガスと異なる屈折率であり、雰囲気ガス中の光路と光学的距離が異なる。そのため、位相変調器41を通った0次回折光は、位相変調器41の代わりに雰囲気ガス中を通る場合に比べて、位相のオフセットが加わる。補正ブロック42は、このオフセットにより生じる0次回折光と1次回折光との位相差の少なくとも一部を相殺する。補正ブロック42は、−1次回折光が集光する位置と+1次回折光が集光する位置のそれぞれに設けられている。補正ブロック42は、1次回折光が透過する材質の部材である。補正ブロック42内の光路の光学的距離は、例えば、位相変調器41による位相変調量が基準値(例、下限値)である状態における、位相変調器41内の光路の光学的距離とほぼ同じに設定される。   By the way, the portion of the phase modulator 41 through which the 0th-order diffracted light passes has, for example, a refractive index different from that of the atmospheric gas, and has a different optical distance from the optical path in the atmospheric gas. Therefore, the 0th-order diffracted light that has passed through the phase modulator 41 has a phase offset as compared with the case where the 0th-order diffracted light passes through the atmosphere gas instead of the phase modulator 41. The correction block 42 cancels at least a part of the phase difference between the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light caused by this offset. The correction block 42 is provided at each of the position where the −1st-order diffracted light is condensed and the position where the + 1st-order diffracted light is condensed. The correction block 42 is a member made of a material that transmits the first-order diffracted light. The optical distance of the optical path in the correction block 42 is substantially the same as the optical distance of the optical path in the phase modulator 41 when the phase modulation amount by the phase modulator 41 is a reference value (eg, lower limit value), for example. Is set to.

位相変調器41は、駆動部43に駆動される。駆動部43は、電源回路25および位相調整回路44を含む。電源回路25は、例えば分岐部13の駆動部21と共用であるが、駆動部21と別に設けられていてもよい。駆動部43は、制御装置4に制御され、位相変調器41を制御する。位相変調器41を用いた位相の調整については、3D−SIMモードの説明とともに後述する。   The phase modulator 41 is driven by the drive unit 43. The drive unit 43 includes a power supply circuit 25 and a phase adjustment circuit 44. The power supply circuit 25 is shared with, for example, the drive unit 21 of the branch unit 13, but may be provided separately from the drive unit 21. The drive unit 43 is controlled by the control device 4 and controls the phase modulator 41. The adjustment of the phase using the phase modulator 41 will be described later together with the description of the 3D-SIM mode.

図4(A)〜図4(C)は、それぞれ、照明光学系11の光軸の方向から見たマスク40の例を示す図である。図4(A)〜図4(C)に示すマスク40は、それぞれ、いわゆる開口絞りである。マスク40は、試料Xに入射する光線の角度を規定する。マスク40は、例えば、瞳共役面P1(開口絞りの位置)に配置される。   4A to 4C are diagrams showing examples of the mask 40 viewed from the direction of the optical axis of the illumination optical system 11. Each of the masks 40 shown in FIGS. 4A to 4C is a so-called aperture stop. The mask 40 defines the angle of the light beam incident on the sample X. The mask 40 is arranged, for example, on the pupil conjugate plane P1 (the position of the aperture stop).

図4(A)のマスク40は、開口部40a〜40cを有する。開口部40aは、0次回折光が入射する位置に配置される。開口部40aには、位相変調器41が設けられている。例えば、位相変調器41は、マスク40を支持基板とし、開口部40aの内側に配置される。位相変調器41は、例えば、0次回折光を通す状態と遮断する状態とを切り替えるシャッタ部を兼ねている。開口部40bは、+1次回折光が入射する位置に配置され、開口部40cは、−1次回折光が入射する位置に配置される。補正ブロック42は、開口部40bに設けられている。例えば、補正ブロック42は、マスク40を支持基板とし、開口部40bの内側と開口部40cの内側のそれぞれに配置される。   The mask 40 in FIG. 4A has openings 40a to 40c. The opening 40a is arranged at a position where the 0th-order diffracted light enters. A phase modulator 41 is provided in the opening 40a. For example, the phase modulator 41 uses the mask 40 as a support substrate and is arranged inside the opening 40a. The phase modulator 41 also serves as, for example, a shutter unit that switches between a state of passing the 0th-order diffracted light and a state of blocking the 0th-order diffracted light. The opening 40b is arranged at a position where the + 1st order diffracted light enters, and the opening 40c is arranged at a position where the −1st order diffracted light enters. The correction block 42 is provided in the opening 40b. For example, the correction block 42 uses the mask 40 as a support substrate and is arranged inside the opening 40b and inside the opening 40c, respectively.

なお、図4(A)においては、分岐部13による回折方向が第1方向に設定されている状態であり、回折方向を切り替えた場合、マスク40において1次回折光が入射する位置は、照明光学系11の光軸11aの周りで回転した位置に切り替わる。回折方向を切り替える場合、マスク40は、照明光学系11の光軸11aの周りで回転可能に設けられ、1次回折光が入射する位置に開口部40bおよび開口部40cが配置されるように駆動される。   Note that, in FIG. 4A, the diffraction direction by the branch portion 13 is set to the first direction, and when the diffraction direction is switched, the position where the first-order diffracted light is incident on the mask 40 is the illumination optical system. The system 11 is switched to a position rotated around the optical axis 11a. When switching the diffraction direction, the mask 40 is rotatably provided around the optical axis 11a of the illumination optical system 11, and is driven so that the opening 40b and the opening 40c are arranged at the position where the first-order diffracted light enters. It

図4(B)のマスク40は、開口部40a〜40gを有する。開口部40dおよび開口部40eは、例えば、回折方向が第2方向に設定されている場合に、1次回折光が入射する位置に配置されている。開口部40dおよび開口部40eは、例えば、開口部40bおよび開口部40cを照明光学系11の光軸11aの周りで60°回転させた位置に配置される。開口部40fおよび開口部40gは、例えば、回折方向が第3方向に設定されている場合に、1次回折光が入射する位置に配置されている。開口部40fおよび開口部40gは、例えば、開口部40bおよび開口部40cを照明光学系11の光軸11aの周りで−60°回転させた位置に配置される。このマスク40を用いる場合、補正ブロック42は、例えば開口部40a〜40gのそれぞれに設けられる。このマスク40は、回折方向が第1方向、第2方向、第3方向のいずれに設定される場合にも1次回折光を通すことができる。そのため、マスク40を回折方向に応じて回転させる機構を省略できる。   The mask 40 in FIG. 4B has openings 40a to 40g. The opening 40d and the opening 40e are arranged at positions where the first-order diffracted light enters, for example, when the diffraction direction is set to the second direction. The opening 40d and the opening 40e are arranged, for example, at positions where the opening 40b and the opening 40c are rotated by 60 ° around the optical axis 11a of the illumination optical system 11. The opening 40f and the opening 40g are arranged at positions where the first-order diffracted light enters, for example, when the diffraction direction is set to the third direction. The opening 40f and the opening 40g are arranged, for example, at positions where the opening 40b and the opening 40c are rotated by −60 ° around the optical axis 11a of the illumination optical system 11. When this mask 40 is used, the correction block 42 is provided in each of the openings 40a to 40g, for example. The mask 40 can pass the first-order diffracted light when the diffraction direction is set to any of the first direction, the second direction, and the third direction. Therefore, the mechanism for rotating the mask 40 according to the diffraction direction can be omitted.

図4(C)のマスク40は、円環枠状であり、開口部40hを有する。開口部40hには、位相変調器41および補正ブロック42が設けられている。例えば、位相変調器41は、光軸を含む領域に設けられ、また、補正ブロック42は、位相変調器41と、開口部40hを規定するエッジ(開口部40hの内側側面)とに接するように設けられる。つまり、補正ブロック42は、マスク40に支持され、位相変調器41は、補正ブロック42に支持されていてもよい。このマスク40は、回折方向が第1方向、第2方向、第3方向のいずれに設定される場合にも1次回折光を通すことができる。そのため、マスク40を回折方向に応じて回転させる機構を省略できる。なお、マスク40は、円環枠状の部分から内側に延びて位相変調器41を支持するステイを含んでいてもよい。このステイは、例えば、回折方向が第1方向、第2方向、第3方向のいずれに設定される場合にも1次回折光が入射しない位置に配置される。   The mask 40 in FIG. 4C has an annular frame shape and has an opening 40h. A phase modulator 41 and a correction block 42 are provided in the opening 40h. For example, the phase modulator 41 is provided in a region including the optical axis, and the correction block 42 is in contact with the phase modulator 41 and the edge defining the opening 40h (the inner side surface of the opening 40h). It is provided. That is, the correction block 42 may be supported by the mask 40, and the phase modulator 41 may be supported by the correction block 42. The mask 40 can pass the first-order diffracted light when the diffraction direction is set to any of the first direction, the second direction, and the third direction. Therefore, the mechanism for rotating the mask 40 according to the diffraction direction can be omitted. The mask 40 may include a stay that extends inward from the annular frame-shaped portion and supports the phase modulator 41. This stay is arranged at a position where the first-order diffracted light does not enter, for example, when the diffraction direction is set to any of the first direction, the second direction, and the third direction.

なお、位相変調器41と補正ブロック42の少なくとも一方は、マスク40と別の部材に支持されていてもよいし、マスク40に支持されていなくてもよい。位相変調器41へ電力と信号を供給する配線、ケーブル等は、マスク40に支持されていてもよいし、マスク40以外の部材に支持されていてもよい。また、位相調整部14は、マスク40を含んでいなくてもよく、例えば、マスク40は照明光学系11に含まれていてもよい。なお、位相変調器41は、0次回折光の通過と遮断とを切り替え可能なシャッタ部を兼ねていなくてもよい。このようなシャッタ部は、位相変調器41と別に設けられていてもよいし、照明光学系11に含まれていてもよい。   At least one of the phase modulator 41 and the correction block 42 may be supported by a member different from the mask 40, or may not be supported by the mask 40. Wirings, cables, and the like that supply electric power and signals to the phase modulator 41 may be supported by the mask 40, or may be supported by a member other than the mask 40. Further, the phase adjusting unit 14 may not include the mask 40. For example, the mask 40 may be included in the illumination optical system 11. The phase modulator 41 does not have to serve as a shutter unit that can switch between passing and blocking the 0th-order diffracted light. Such a shutter unit may be provided separately from the phase modulator 41, or may be included in the illumination optical system 11.

図1の説明に戻り、位相調整部14を通った光は、レンズ31に入射する。レンズ30およびレンズ31は、分岐部13と光学的に共役な面(以下、中間像面31aという)を形成する。視野絞り32は、例えば中間像面31aに配置される。視野絞り32は、照明光学系11の光軸11aに垂直な面内において、照明光学系11から試料Xに光が照射される範囲(照野、照明領域)を規定する。視野絞り32を通った光は、レンズ33に入射する。レンズ33は、分岐部13から射出された+1次回折光を瞳面P0(対物レンズ36の後側焦点面)において、光軸11aから離れた位置に集光する。また、レンズ33は、分岐部13上から射出された−1次回折光を、瞳面P0(対物レンズ36の後側焦点面)において、照明光学系11の光軸に関して+1次回折光と対称的な位置に集光する。   Returning to the description of FIG. 1, the light that has passed through the phase adjustment unit 14 enters the lens 31. The lens 30 and the lens 31 form a surface that is optically conjugate with the branch portion 13 (hereinafter, referred to as an intermediate image surface 31a). The field stop 32 is arranged on the intermediate image plane 31a, for example. The field stop 32 defines a range (illumination field, illumination area) in which light is emitted from the illumination optical system 11 to the sample X in a plane perpendicular to the optical axis 11a of the illumination optical system 11. The light that has passed through the field stop 32 enters the lens 33. The lens 33 condenses the + 1st-order diffracted light emitted from the branching unit 13 at a position away from the optical axis 11a on the pupil plane P0 (the rear focal plane of the objective lens 36). Further, the lens 33 is symmetric to the + 1st-order diffracted light with respect to the optical axis of the illumination optical system 11 on the pupil plane P0 (the rear focal plane of the objective lens 36) for the -1st-order diffracted light emitted from the branching portion 13. Focus on the position.

レンズ33を通った光は、フィルタ34に入射する。フィルタ34は、例えば励起フィルタである。フィルタ34は、試料Xに含まれる蛍光物質の励起波長を含む波長帯の光が選択的に通る特性を有する。フィルタ34は、例えば、光源部10からの光のうち励起波長以外の波長の少なくとも一部、迷光、外光などを遮断する。フィルタ34を通った光は、ダイクロイックミラー35に入射する。ダイクロイックミラー35は、試料Xに含まれる蛍光物質の励起波長を含む波長帯の光が反射し、試料Xからの光のうち所定の波長帯の光(例、蛍光)が通る特性を有する。フィルタ34からの光は、ダイクロイックミラー35で反射し、対物レンズ36に入射する。   The light passing through the lens 33 enters the filter 34. The filter 34 is, for example, an excitation filter. The filter 34 has a characteristic that light in a wavelength band including the excitation wavelength of the fluorescent substance contained in the sample X selectively passes therethrough. The filter 34 blocks, for example, at least a part of wavelengths other than the excitation wavelength in the light from the light source unit 10, stray light, external light, and the like. The light passing through the filter 34 enters the dichroic mirror 35. The dichroic mirror 35 has a characteristic that light in a wavelength band including the excitation wavelength of the fluorescent substance contained in the sample X is reflected and light in a predetermined wavelength band (for example, fluorescence) of the light from the sample X passes through. The light from the filter 34 is reflected by the dichroic mirror 35 and enters the objective lens 36.

対物レンズ36およびレンズ33は、中間像面31aと光学的に共役な面、すなわち分岐部13と光学的に共役な面を形成する。上述したように、+1次回折光は、対物レンズ36の瞳面P0上で光軸11aから離れた位置に集光される。また、−1次回折光は、瞳面P0において、光軸11aに関して+1次回折光と対称的な位置に集光される。   The objective lens 36 and the lens 33 form a surface optically conjugate with the intermediate image surface 31a, that is, a surface optically conjugate with the branching portion 13. As described above, the + 1st-order diffracted light is condensed on the pupil plane P0 of the objective lens 36 at a position away from the optical axis 11a. Further, the −1st order diffracted light is condensed on the pupil plane P0 at a position symmetrical with the + 1st order diffracted light with respect to the optical axis 11a.

試料Xは、観察時に、その観察対象の部分が対物レンズ36の前側焦点面に配置される。試料Xには、+1次回折光と−1次回折光との干渉により干渉縞が形成される。この干渉縞は、例えば、照明光学系11の光軸11aに垂直な方向に光強度の周期的な分布を有する。この干渉縞は、分岐部13による回折方向に応じた方向に周期的に並ぶ明部および暗部を含む。試料Xのうち干渉縞の明部に配置されている部分は、蛍光物質が励起されて、蛍光を発する。この蛍光の像は、照明光学系11が形成する干渉縞と、試料Xにおける蛍光物質の分布のパターン(以下、試料パターンという)とのモアレ像(変調像)である。撮像装置3は、このモアレ像(変調像)の画像を取得する。   At the time of observation, the portion of the sample X to be observed is arranged on the front focal plane of the objective lens 36. Interference fringes are formed on the sample X due to the interference between the + 1st-order diffracted light and the -1st-order diffracted light. This interference fringe has, for example, a periodic distribution of light intensity in a direction perpendicular to the optical axis 11a of the illumination optical system 11. This interference fringe includes a bright portion and a dark portion which are periodically arranged in a direction corresponding to the diffraction direction of the branch portion 13. In the portion of the sample X arranged in the bright part of the interference fringe, the fluorescent substance is excited to emit fluorescence. This fluorescence image is a moire image (modulation image) of the interference fringes formed by the illumination optical system 11 and the pattern of the distribution of the fluorescent substance in the sample X (hereinafter referred to as the sample pattern). The imaging device 3 acquires an image of this moire image (modulation image).

撮像装置3は、撮像光学系50(結像光学系)および撮像素子51を備える。撮像光学系50は、対物レンズ36、ダイクロイックミラー35、フィルタ52、及びレンズ53を備える。撮像光学系50は、対物レンズ36およびダイクロイックミラー35を照明光学系11と共用している。試料Xからの光(観察光)は、対物レンズ36に入射して平行化され、ダイクロイックミラー35を通ってフィルタ52に入射する。   The imaging device 3 includes an imaging optical system 50 (imaging optical system) and an imaging element 51. The imaging optical system 50 includes an objective lens 36, a dichroic mirror 35, a filter 52, and a lens 53. The imaging optical system 50 shares the objective lens 36 and the dichroic mirror 35 with the illumination optical system 11. The light (observation light) from the sample X enters the objective lens 36 to be collimated, and then enters the filter 52 through the dichroic mirror 35.

フィルタ52は、例えば蛍光フィルタである。フィルタ52は、試料Xからの光のうち所定の波長帯の光(例、蛍光)が選択的に通る特性を有する。フィルタ52は、例えば、照明光学系11から試料Xに照射され試料Xで反射した光、外光、迷光などを遮断する。フィルタ52を通った光は、レンズ53に入射する。レンズ53および対物レンズ36は、対物レンズ36の前側焦点面(物体面)と光学的に共役な面(像面)を形成する。試料Xからの蛍光による像(モアレ像)は、この像面に形成される。   The filter 52 is, for example, a fluorescent filter. The filter 52 has a characteristic that light (eg, fluorescence) in a predetermined wavelength band of the light from the sample X selectively passes therethrough. The filter 52 blocks, for example, the light emitted from the illumination optical system 11 to the sample X and reflected by the sample X, external light, stray light, and the like. The light passing through the filter 52 enters the lens 53. The lens 53 and the objective lens 36 form a plane (image plane) optically conjugate with the front focal plane (object plane) of the objective lens 36. An image (moiré image) due to fluorescence from the sample X is formed on this image plane.

撮像素子51(撮像部)は、撮像光学系50により形成された試料Xの像を撮像する。撮像素子51は、例えばCCDイメージセンサやCMOSイメージセンサなどの二次元イメージセンサを含む。撮像素子51は、例えば、二次元的に配列された複数の画素を有し、各画素にフォトダイオードなどの光電変換素子が配置された構造である。撮像素子51は、例えば、試料Xからの光により光電変換素子に蓄積された電荷をデジタルデータに変換し、デジタル形式の画像データを出力する。撮像素子51による1フレーム当たりの電荷蓄積時間は、例えば約1/30秒、約1/60秒などである。   The image pickup element 51 (image pickup unit) picks up an image of the sample X formed by the image pickup optical system 50. The image sensor 51 includes a two-dimensional image sensor such as a CCD image sensor or a CMOS image sensor. The imaging element 51 has, for example, a plurality of pixels arranged two-dimensionally, and a photoelectric conversion element such as a photodiode is arranged in each pixel. The image pickup device 51 converts the charges accumulated in the photoelectric conversion device by light from the sample X into digital data, and outputs digital format image data, for example. The charge accumulation time per frame by the image sensor 51 is, for example, about 1/30 second, about 1/60 second, or the like.

ところで、モアレ像の空間周波数は、試料パターンの空間周波数と、照明光学系11が形成する干渉縞の空間周波数との差に相当し、試料パターンの空間周波数よりも低い。そのため、撮像光学系50の解像限界内で取得したモアレ像を復調すると、撮像光学系50の解像限界を超えた解像度の試料Xの像(超解像画像)が得られる。制御装置4は、例えば、超解像画像を表示装置5に表示させる。   By the way, the spatial frequency of the moire image corresponds to the difference between the spatial frequency of the sample pattern and the spatial frequency of the interference fringes formed by the illumination optical system 11, and is lower than the spatial frequency of the sample pattern. Therefore, when the moire image acquired within the resolution limit of the imaging optical system 50 is demodulated, an image (super-resolution image) of the sample X having a resolution exceeding the resolution limit of the imaging optical system 50 is obtained. The control device 4 displays the super-resolution image on the display device 5, for example.

顕微鏡装置1は、撮像装置3が取得した画像を使って復調処理を行う復調部55を備える。復調部55は、例えば、制御装置4に設けられるが、制御装置4と別に設けられていてもよい。復調部55は、干渉縞の向きおよび方向が互いに異なる状態で撮像された、複数の変調像を用いて、復元画像を生成することができる。復調部55は、例えば、米国特許番号8115806号明細書に開示された方法で復調処理を行ってもよいが、この方法に限られない。 The microscope device 1 includes a demodulation unit 55 that performs a demodulation process using the image acquired by the imaging device 3. The demodulation unit 55 is provided, for example, in the control device 4, but may be provided separately from the control device 4. The demodulation unit 55 can generate a restored image by using a plurality of modulation images captured with the directions and directions of the interference fringes different from each other. The demodulation unit 55 may perform the demodulation process by, for example, the method disclosed in US Pat. No. 8,115,806, but is not limited to this method.

また、制御装置4は、顕微鏡装置1の各部を制御する制御部56を備える。制御部56は、分岐部13による音波定在波の生成、位相調整部14による位相の変化(調整)、及び撮像素子51による撮像を制御する。制御部56は、図2(A)に示した分岐部13のスイッチ26を制御して、回折方向を切り替えることで、干渉縞の周期方向を変更する。また、制御装置4は、電源回路25を制御して、干渉縞の位相を変更する。以下、干渉縞の位相を制御する仕組みについて説明する。   Further, the control device 4 includes a control unit 56 that controls each unit of the microscope device 1. The control unit 56 controls the generation of the sound wave standing wave by the branching unit 13, the change (adjustment) of the phase by the phase adjusting unit 14, and the imaging by the image sensor 51. The control unit 56 changes the period direction of the interference fringes by controlling the switch 26 of the branch unit 13 shown in FIG. 2A to switch the diffraction direction. Further, the control device 4 controls the power supply circuit 25 to change the phase of the interference fringe. The mechanism for controlling the phase of the interference fringes will be described below.

図5は、分岐部13の音波伝搬路Rにおける屈折率の分布の時間変化を示す図である。図5には、音波伝搬路の屈折率が均一になる時刻tをt=0とし、定在波の腹の振動の1周期をTとし、時刻t=0からT/8ごとの各時刻における屈折率の分布を示した。周期Tは、分岐部13に供給される交流電圧の周波数の逆数に相当する。各時刻において、横軸は音波伝搬路の伝搬方向における位置を示し、縦軸は屈折率を示す。音波伝搬路の伝搬方向において、屈折率が時間変化しない節の位置を丸印で示し、2つの節の間の1つの腹の位置を符号aで示し、腹aの隣の腹の位置を符号bで示した。   FIG. 5 is a diagram showing the change over time in the distribution of the refractive index in the sound wave propagation path R of the branch section 13. In FIG. 5, the time t at which the refractive index of the sound wave propagation path is uniform is set to t = 0, and one cycle of the vibration of the antinode of the standing wave is set to T, and at each time from time t = 0 to T / 8. The refractive index distribution is shown. The cycle T corresponds to the reciprocal of the frequency of the AC voltage supplied to the branch unit 13. At each time point, the horizontal axis represents the position in the propagation direction of the sound wave propagation path, and the vertical axis represents the refractive index. In the propagation direction of the sound wave propagation path, the position of the node whose refractive index does not change with time is indicated by a circle, the position of one antinode between the two nodes is indicated by the symbol a, and the position of the antinode adjacent to the antinode a is indicated by the symbol. Indicated by b.

腹aの屈折率は、時刻t=0から増加し、時刻t=2T/8において極大になる。腹aの屈折率は、時刻t=2T/8から減少し、時刻t=4T/8において時刻t=0と同じ値になり、時刻t=6T/8において極小になる。腹aの屈折率は、時刻t=6T/8から増加し、時刻t=8T/8において時刻t=0と同じ値になる。以下の説明において、時刻t=0から時刻t=4T/8の期間を前半期、時刻t=4T/8から時刻t=8T/8の期間を後半期という。腹aの屈折率は、前半期において節の屈折率以上になり、後半期において節の屈折率以下になる。   The refractive index of the antinode a increases from time t = 0 and reaches a maximum at time t = 2T / 8. The refractive index of the abdomen a decreases from the time t = 2T / 8, becomes the same value as the time t = 0 at the time t = 4T / 8, and becomes the minimum at the time t = 6T / 8. The refractive index of the abdomen a increases from time t = 6T / 8, and becomes the same value as time t = 0 at time t = 8T / 8. In the following description, the period from time t = 0 to time t = 4T / 8 is called the first half period, and the period from time t = 4T / 8 to time t = 8T / 8 is called the second half period. The refractive index of the abdomen a is equal to or higher than the refractive index of the node in the first half, and is equal to or lower than the refractive index of the node in the second half.

腹bの屈折率は、腹aの屈折率と反対の挙動を示す。腹bの屈折率は、時刻t=0から減少し、時刻t=2T/8において極小となった後に増加に転じて、時刻t=4T/8において時刻t=0と同じ値になる。また、腹bの屈折率は、時刻t=4T/8から増加し、時刻t=6T/8において極大となった後に減少に転じて、時刻t=8T/8において時刻t=0と同じ値になる。腹bの屈折率は、前半期において節の屈折率以下になり、後半期において節の屈折率以上になる。   The refractive index of the antinode b exhibits the opposite behavior to the refractive index of the antinode a. The refractive index of the abdomen b decreases from the time t = 0, reaches a minimum value at the time t = 2T / 8, then starts to increase, and becomes the same value as the time t = 0 at the time t = 4T / 8. Further, the refractive index of the abdomen b increases from time t = 4T / 8, reaches a maximum at time t = 6T / 8, and then starts to decrease, and has the same value as time t = 0 at time t = 8T / 8. become. The refractive index of the abdomen b is equal to or lower than the refractive index of the node in the first half period, and is equal to or higher than the refractive index of the node in the second half period.

次に、定在波のパターンと干渉縞との関係について説明する。図6は、ある時刻における定在波のパターンと、1次回折光の干渉縞との対応を示す概念図である。図6の上図において、定在波により屈折率が節の屈折率以下になる部分を明部で示し、定在波により屈折率が節の屈折率以上になる部分を暗部で示した。その1つの暗部ピークから明部を経て次の暗部ピークまでを1つの波とし、その数を定在波の波本数という。また、干渉縞において、1つの暗部と1つの明部との組を1本の縞とし、その数を干渉縞の縞本数という。+1次回折光と−1次回折光との干渉縞の場合、干渉縞の縞本数は、定在波の波本数の2倍になる。   Next, the relationship between the standing wave pattern and the interference fringes will be described. FIG. 6 is a conceptual diagram showing the correspondence between the standing wave pattern at a certain time and the interference fringes of the first-order diffracted light. In the upper part of FIG. 6, the portion where the refractive index is less than or equal to the refractive index of the node due to the standing wave is shown by the bright portion, and the portion where the refractive index is greater than or equal to the refractive index of the node due to the standing wave is shown at the dark portion. One wave from the one dark part peak to the next dark part peak is defined as one wave, and the number is called the number of standing waves. In addition, in the interference fringes, a set of one dark portion and one bright portion is defined as one fringe, and the number is called the number of fringes of the interference fringe. In the case of the interference fringes of the + 1st order diffracted light and the −1st order diffracted light, the number of fringes of the interference fringes is twice the number of standing waves.

図6の下図において、f−1、f、f+1、の波はそれぞれ分岐部13を周波数f−1、f、f+1で駆動したときの定在波を示す。また、符号Lは、音波伝搬路Rの長さを示す。定在波の波本数を2、(2+1/2)、3のように1/2ずつ変化させると、干渉縞の縞本数は4、5、6のように1ずつ変化する。ここで、音波伝搬路Rの一端からL/2だけずれた部分(図6に白矢印で示す)に対応する干渉縞の位相は、周波数f−1の場合に周波数fの場合よりも−πずれており、周波数f+1の場合に周波数fの場合よりもπずれている。また、音波伝搬路Rの一端からL/3だけずれた部分(図6に黒矢印で示す)に対応する干渉縞の位相は、周波数f−1の場合に周波数fの場合よりも−2π/3ずれており、周波数f+1の場合に周波数fの場合よりも2π/3ずれている。そのため、図2(A)に示した入射領域Saの位置を音波伝搬路Rの端からL/3だけずれた位置に設定した場合、駆動信号の周波数をf−1、f、f+1とで切り替えることにより、干渉縞の位相を3通りに設定できる。 In the lower part of FIG. 6, f -1, showing a standing wave when driven at f 0, f +1, the frequency f -1 respectively wave branching part 13 of the, f 0, f +1. The symbol L indicates the length of the sound wave propagation path R. When the number of standing waves is changed by 1/2 such as 2, (2 + 1/2) and 3, the number of interference fringes changes by 1, such as 4, 5, and 6. Here, the phase of the interference fringe corresponding to a portion (shown by a white arrow in FIG. 6) displaced from the one end of the sound wave propagation path R by L / 2 is − in the case of the frequency f −1 as compared with the case of the frequency f 0. It is deviated by π, and is deviated by π in the case of the frequency f +1 compared with the case of the frequency f 0 . Further, the phase of the interference fringe corresponding to a portion (shown by a black arrow in FIG. 6) shifted from one end of the sound wave propagation path R by L / 3 is −2π in the case of the frequency f −1 compared with the case of the frequency f 0. It is shifted by / 3, and is shifted by 2π / 3 in the case of the frequency f +1 compared with the case of the frequency f 0 . Therefore, when the position of the incident area Sa shown in FIG. 2A is set at a position displaced from the end of the sound wave propagation path R by L / 3, the frequencies of the drive signals are f −1 , f 0 , and f +1 . By switching with, the phase of the interference fringe can be set in three ways.

例えば、試料X上の縞本数を200にする場合、分岐部13における波本数は100となり、音波伝搬路Rの長さ(L)を30mmとすると、駆動信号の周波数(例、f)は、80MHzになる。このような基準状態に対して、縞本数を1減らす場合、分岐部13における波本数は99.5となり、駆動信号の周波数(例、f−1)は、79.946MHzになる。このような周波数の駆動信号により分岐部13を駆動すると、試料X上の干渉縞の位相が−2π/3だけシフトする。また、基準状態に対して縞本数を1増やす場合、分岐部13における波本数は100.5となり、駆動信号の周波数(例、f+1)は、80.054MHzになる。このような周波数の駆動信号により分岐部13を駆動すると、試料X上の干渉縞の位相が+2π/3だけシフトする。 For example, when the number of stripes on the sample X is 200, the number of waves in the branching portion 13 is 100, and when the length (L) of the sound wave propagation path R is 30 mm, the frequency of the drive signal (eg, f 0 ) is , 80 MHz. When the number of stripes is reduced by 1 with respect to such a reference state, the number of waves in the branching section 13 becomes 99.5, and the frequency (eg, f −1 ) of the drive signal becomes 79.946 MHz. When the branching section 13 is driven by the driving signal having such a frequency, the phase of the interference fringes on the sample X is shifted by -2/3. Further, when the number of stripes is increased by 1 with respect to the reference state, the number of waves in the branching unit 13 becomes 100.5, and the frequency (eg, f +1 ) of the drive signal becomes 80.054 MHz. When the branching section 13 is driven by the drive signal having such a frequency, the phase of the interference fringes on the sample X is shifted by + 2π / 3.

図7(A)は、音波伝搬路Rにおける光の入射領域Saを示す図、図7(B)は、波本数の変化に伴う干渉縞のずれを示す図である。入射領域Saは、光源部10からの光により音波伝搬路Rに形成されるスポットに相当する。入射領域Saの中心は、例えば、音波伝搬路Rの端から距離D(例、D=L/3)だけ離れた位置に設定される。図7(B)に示すように、定在波の波本数が1/2変化すると、試料Xに形成される干渉縞Sbの縞本数が1変化し、明部と暗部の位置がずれる。なお、図7(B)では、波本数の変更前(縞本数のずれが0)の干渉縞Sbのパターンを破線で示し、波本数の変更後の干渉縞Sbのパターンを実線で示し、双方の差を強調して示した。   FIG. 7A is a diagram showing a light incident region Sa on the sound wave propagation path R, and FIG. 7B is a diagram showing a shift of interference fringes due to a change in the number of waves. The incident area Sa corresponds to a spot formed on the sound wave propagation path R by the light from the light source unit 10. The center of the incident area Sa is set at a position separated from the end of the sound wave propagation path R by a distance D (eg, D = L / 3), for example. As shown in FIG. 7B, when the number of standing waves changes by 1/2, the number of interference fringes Sb formed on the sample X changes by 1, and the positions of the bright portion and the dark portion are displaced. In FIG. 7B, the pattern of the interference fringes Sb before the change of the number of waves (the deviation of the number of fringes is 0) is shown by a broken line, and the pattern of the interference fringes Sb after the change of the number of waves is shown by a solid line. The difference is highlighted.

音波伝搬路Rの長さLは、例えば干渉縞Sbの縞本数のずれが許容値以下となるように、入射領域Saの径φに比べて十分に大きく設定される。例えば、音波伝搬路Rの長さLと、入射領域Saの径φとは、干渉縞Sbの縞本数のずれの許容量δに対して、φ/L<δの関係を満たすように設定される。   The length L of the sound wave propagation path R is set to be sufficiently larger than the diameter φ of the incident area Sa so that the deviation of the number of fringes of the interference fringe Sb is equal to or less than the allowable value. For example, the length L of the sound wave propagation path R and the diameter φ of the incident region Sa are set so as to satisfy the relationship of φ / L <δ with respect to the allowable amount δ of the fringe number deviation of the interference fringes Sb. It

画像の復元処理では複数の周波数成分を画像として重ね合わせており、その際の各周波数成分の持つ位相はできるだけ一致している必要がある。その誤差の許容値を、例えば、0.5ラジアンであるとする。これは縞本数に換算すると0.079本となる。視野中央の位置が上述のように音波伝搬路Rの端からの距離D(D=L/3)となるように音波伝搬路Rが設置されている場合には、図7(B)に示す中央部での干渉縞Sbのずれを縞本数に換算した値dp0は無視できると考えてよいが、その場合の視野端におけるずれdp1は両端においてほぼ等しく、それぞれ逆方向となる。各々が上述の0.079本以内となっている必要があることから、視野全体における干渉縞Sbの縞本数のずれの許容値δはその2倍の0.15本となる。ここでは小数第3位を切り捨てた。   In the image restoration processing, a plurality of frequency components are superposed as an image, and the phases of the respective frequency components at that time need to match as much as possible. The allowable value of the error is, for example, 0.5 radian. This is 0.079 when converted to the number of stripes. When the sound wave propagation path R is installed so that the position of the center of the visual field is the distance D (D = L / 3) from the end of the sound wave propagation path R as described above, it is shown in FIG. Although it can be considered that the value dp0 obtained by converting the shift of the interference fringe Sb in the central portion into the number of fringes can be ignored, the shift dp1 at the field edge in that case is substantially equal at both ends, and is in opposite directions. Since it is necessary for each to be within the above-mentioned 0.079 lines, the allowable value δ of the deviation of the number of fringes of the interference fringes Sb in the entire field of view is doubled to 0.15. Rounded down to the second decimal place.

一方、音波伝搬路R全体で音波の波本数が0.5変化するのであるから干渉縞Sbの縞本数変化は音波伝搬路R全体に対応する範囲で1変化することになる。従って、入射領域Saの径φの範囲内では干渉縞Sbの縞本数変化2dp1はφ/Lに等しくなる。従って、φ/L≦0.15を満たす必要がある。例えば、入射領域Saの径φを4mmとし、音波伝搬路Rの長さLを30mmとすると、φ/L=0.133であり、上述の条件を満たすことができる。 On the other hand, since the number of sound waves changes by 0.5 in the entire sound wave propagation path R, the change in the number of stripes of the interference fringe Sb changes by 1 in the range corresponding to the entire sound wave propagation path R. Therefore, within the range of the diameter φ of the incident area Sa, the change 2dp1 in the number of fringes Sb becomes equal to φ / L. Therefore, it is necessary to satisfy φ / L ≦ 0.15. For example, when the diameter φ of the incident area Sa is 4 mm and the length L of the sound wave propagation path R is 30 mm, φ / L = 0.133, and the above condition can be satisfied.

ところで、分岐部13に音響光学モジュールを用いる場合、定在波の各位置における屈折率は、図5に示したように前半期と後半期とで変化する。図8は、前半期および後半期のそれぞれの定在波と干渉縞を示す図である。図8に示すように、定在波の後半期のパターンは、定在波の前半期のパターンと位相がπずれた状態になる(図5参照)。−1次回折光と+1次回折光との干渉縞である場合、定在波の波本数に対して干渉縞の縞本数が2倍になるので、干渉縞の後半期のパターンは、前半期のパターンに対して位相が2πずれた状態になる。そのため、前半期の明部の部分は、後半期には、位相が2πずれた明部になり、前半期の暗部の部分は、後半期には、位相が2πずれた暗部になる。このように、2D−SIMモードでは、干渉縞の位相が前半期と後半期とで実質的に変化しない。   By the way, when the acousto-optic module is used for the branching section 13, the refractive index at each position of the standing wave changes between the first half and the second half as shown in FIG. FIG. 8 is a diagram showing standing waves and interference fringes in the first half and the second half, respectively. As shown in FIG. 8, the pattern of the standing wave in the latter half of the period is in a state in which the phase is shifted by π from the pattern of the standing wave in the first half of the period (see FIG. 5). In the case of interference fringes of the −1st order diffracted light and the + 1st order diffracted light, the number of fringes of the interference fringes is twice the number of standing waves. , The phase is shifted by 2π. Therefore, the light part in the first half becomes a light part having a phase shift of 2π in the second half, and the dark part in the first half becomes a dark part having a phase shift of 2π in the second half. As described above, in the 2D-SIM mode, the phase of the interference fringe does not substantially change between the first half and the second half.

次に、顕微鏡装置1の動作に基づいて、2D−SIMモードにおける観察方法について説明する。図9は、2D−SIMモードにおける顕微鏡装置1の動作を示すフローチャートである(顕微鏡装置1の各部については図1〜図3参照)。ステップS11において、制御装置4の制御部56は、スイッチ26を制御し、スイッチ26の接続先をトランスデューサ23aに設定する。これにより、干渉縞Sbの周期方向は、第1方向に対応する方向に設定される。   Next, an observation method in the 2D-SIM mode will be described based on the operation of the microscope apparatus 1. FIG. 9 is a flowchart showing the operation of the microscope apparatus 1 in the 2D-SIM mode (see FIGS. 1 to 3 for each part of the microscope apparatus 1). In step S11, the control unit 56 of the control device 4 controls the switch 26 and sets the connection destination of the switch 26 to the transducer 23a. As a result, the periodic direction of the interference fringes Sb is set to the direction corresponding to the first direction.

ステップS12において、制御部56は、電源回路25を制御して駆動信号の周波数をf−1に設定する。これにより、干渉縞Sbの位相のシフト量は、−2π/3に設定される。ステップS13において、制御部56は、位相のシフト量が−2π/3に設定された状態で、撮像装置3を制御して試料Xを撮像させ、画像データI−1を取得する。 In step S12, the control unit 56 controls the power supply circuit 25 to set the frequency of the drive signal to f −1 . As a result, the phase shift amount of the interference fringe Sb is set to −2π / 3. In step S13, the control unit 56 controls the imaging device 3 to image the sample X and acquires the image data I −1 in the state where the phase shift amount is set to −2π / 3.

ステップS14において、制御部56は、電源回路25を制御して駆動信号の周波数をfに設定する。これにより、干渉縞Sbの位相のシフト量は、0に設定される。ステップS15において、制御部56は、位相のシフト量が0に設定された状態で、撮像装置3を制御して試料Xを撮像させ、画像データIを取得する。 In step S14, the control unit 56 controls the power supply circuit 25 to set the frequency of the drive signal to f 0 . As a result, the phase shift amount of the interference fringe Sb is set to zero. In step S15, the control unit 56 controls the imaging device 3 to image the sample X and acquires the image data I 0 in the state where the phase shift amount is set to 0 .

ステップS16において、制御部56は、電源回路25を制御して駆動信号の周波数をf+1に設定する。これにより、干渉縞Sbの位相のシフト量は、+2π/3に設定される。ステップS17において、制御部56は、位相のシフト量が+2π/3に設定された状態で、撮像装置3を制御して試料Xを撮像させ、画像データI+1を取得する。以上のようにして、顕微鏡装置1は、干渉縞の周期方向を第1方向に設定しつつ、位相を3通りに切り替えて、3枚の画像を取得する。 In step S16, the control unit 56 controls the power supply circuit 25 to set the frequency of the drive signal to f + 1 . As a result, the phase shift amount of the interference fringe Sb is set to + 2π / 3. In step S17, the control unit 56 controls the imaging device 3 to image the sample X and acquires the image data I +1 in the state where the phase shift amount is set to + 2π / 3. As described above, the microscope apparatus 1 sets the periodic direction of the interference fringes to the first direction, switches the phase to three types, and acquires three images.

ステップS18において、制御部56は、干渉縞Sbの周期方向を3方向の全てに設定済みであるか否かを判定する。制御部56は、干渉縞の3つの周期方向に応じた撮像が完了していないと判定した場合(ステップS18;No)、ステップS19において、スイッチ26の接続先を次のトランスデューサに切り替える。また、ステップ19の処理の終了後に、制御部56は、干渉縞の周期方向を変更した状態(例、第2方向)で、ステップS12からステップS17の処理を繰り返し、この周期方向に応じた画像データを取得する。また、制御部56は、干渉縞の周期方向に応じた撮像が完了したと判定した場合(ステップS18;Yes)、一連の処理を終了する。   In step S18, the control unit 56 determines whether or not the periodic directions of the interference fringes Sb have been set in all three directions. When the control unit 56 determines that the imaging according to the three cycle directions of the interference fringes is not completed (step S18; No), the connection destination of the switch 26 is switched to the next transducer in step S19. Further, after the processing of step 19 is finished, the control unit 56 repeats the processing of steps S12 to S17 in a state where the cycle direction of the interference fringes is changed (eg, the second direction), and an image corresponding to this cycle direction is obtained. Get the data. In addition, when the control unit 56 determines that the imaging according to the cycle direction of the interference fringes is completed (step S18; Yes), the series of processes ends.

このように、顕微鏡装置1は、3方向のそれぞれについて3枚の画像を取得し、合計9枚の画像を取得する。また、制御装置4の復調部55は、取得された画像データを使って復調処理を実行し、超解像画像のデータを生成する。制御装置4は、例えば、超解像画像のデータを図示略の記憶装置に記憶させる。また、制御装置4は、例えば、超解像画像を表示装置5に記憶させる。   In this way, the microscope apparatus 1 acquires three images in each of the three directions, and acquires a total of nine images. In addition, the demodulation unit 55 of the control device 4 executes demodulation processing using the acquired image data to generate super-resolution image data. The control device 4 stores the data of the super-resolution image in a storage device (not shown), for example. Further, the control device 4 stores the super-resolution image in the display device 5, for example.

次に、3D−SIMモードについて説明する。図10は、3D−SIMモードにおける光源部10から試料Xまでの光路を示す図である。図10においては、図を見やすくするために試料Xから撮像素子51までの光路を省略したが、撮像装置3は、図1と同様に試料Xを撮像する。3D−SIMモードにおいて、構造化照明装置2は、+1次回折光と−1回折光との干渉縞、+1次回折光と0次回折光との干渉縞、及び−1次回折光と0次回折光との干渉縞が合成された合成干渉縞を形成する。この合成干渉縞は、照明光学系11の光軸11aに垂直な2方向と、光軸11aに平行な1方向との合計3方向に周期構造を有する。   Next, the 3D-SIM mode will be described. FIG. 10 is a diagram showing an optical path from the light source unit 10 to the sample X in the 3D-SIM mode. In FIG. 10, the optical path from the sample X to the image pickup element 51 is omitted in order to make the diagram easy to see, but the image pickup apparatus 3 picks up the image of the sample X similarly to FIG. 1. In the 3D-SIM mode, the structured illumination device 2 causes the interference fringes of the + 1st-order diffracted light and the -1st diffracted light, the interference fringes of the + 1st-order diffracted light and the 0th-order diffracted light, and the interference between the -1st-order diffracted light and the 0th-order diffracted light. A combined interference fringe is formed by combining the fringes. This synthetic interference fringe has a periodic structure in a total of three directions, two directions perpendicular to the optical axis 11a of the illumination optical system 11 and one direction parallel to the optical axis 11a.

図11は、分岐部13から視野絞り32までの光路、及び駆動信号を示す図である。3D−SIMモードにおいて、制御装置4(制御部56)は、位相調整部14を制御することにより、0次回折光と1次回折光との相対的な位相を調整する。まず、撮像の1フレームの期間(1フレーム内の露光期間)における位相の調整について説明する。   FIG. 11 is a diagram showing an optical path from the branching section 13 to the field stop 32 and a drive signal. In the 3D-SIM mode, the control device 4 (control unit 56) controls the phase adjustment unit 14 to adjust the relative phases of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light. First, the adjustment of the phase during one frame period of image pickup (exposure period within one frame) will be described.

図12は、前半期と後半期のそれぞれにおける、定在波、位相の調整前後の0次回折光と1次回折光との干渉縞を示す図である。上述のように定在波は、前半期と後半期とで位相がπずれた関係になる。0次回折光と1次回折光との干渉縞の場合、次数の差が1であるので、干渉縞の縞本数は、波本数の1倍になる。そのため、図12の調整前干渉縞(前半期、後半期)のように、干渉縞は、前半期と後半期とで位相がπずれる。位相の調整を行わないで前半期と後半期とにわたって試料Xを照明した場合、得られる画像はコントラストが低下する。例えば、撮像の1フレームに含まれる前半期の総露光量と後半期の総露光量が同じである場合、0次回折光と1次回折光との干渉縞による構造化照明に関する限り、得られる画像は均一な照明を標本に照射した際に得られる画像になる。   FIG. 12 is a diagram showing interference fringes of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light before and after the standing wave and the phase adjustment in each of the first half period and the second half period. As described above, the standing wave has a relationship in which the phases are shifted by π between the first half and the second half. In the case of the interference fringes of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light, since the order difference is 1, the number of fringes of the interference fringes is 1 times the wavenumber. Therefore, like the pre-adjustment interference fringes (first half period, second half period) in FIG. 12, the phase of the interference fringes is deviated by π between the first half period and the second half period. When the sample X is illuminated during the first half and the second half without adjusting the phase, the contrast of the obtained image decreases. For example, when the total exposure amount in the first half period and the total exposure amount in the second half period included in one frame of imaging are the same, as long as the structured illumination is based on the interference fringes of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light, the obtained image is The image is obtained when the sample is illuminated with uniform illumination.

そこで、位相調整部14は、0次回折光と1次回折光との相対的な位相(位相差)を、前半期と後半期とで異なる値に調整する。相対的な位相を調整しない場合、前半期における干渉縞の強度分布は下記の式(1)で表され、後半期の干渉縞の強度分布は、下記の式(2)で表される。
Ii(r)=I0+2I+4・√I0・√I・cos(kxX)・cos(kzZ)+2・I・cos(2kxX) ・・・(1)
Ii(r)=I0+2I+4・√I0・√I・cos(kxX+π)・cos(kzZ)+2・I・cos(2kxX+2π)・・・(2)
Therefore, the phase adjustment unit 14 adjusts the relative phase (phase difference) between the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light to different values in the first half period and the second half period. When the relative phase is not adjusted, the intensity distribution of the interference fringes in the first half period is represented by the following formula (1), and the intensity distribution of the interference fringes in the latter half period is represented by the following formula (2).
Ii (r) = I0 + 2I + 4 ・ √I0 ・ √I ・ cos (kxX) ・ cos (kzZ) +2 ・ I ・ cos (2kxX) ・ ・ ・ (1)
Ii (r) = I0 + 2I + 4 ・ √I0 ・ √I ・ cos (kxX + π) ・ cos (kzZ) +2 ・ I ・ cos (2kxX + 2π) ・ ・ ・ (2)

式(1)および式(2)において、Xは、位相型回折格子のピッチ方向(周期方向)に対応した方向の位置を示し、Zは、照明光学系11の光軸11aに平行な方向の位置を示す。I0は、0次回折光の強度を示し、Iは、±1次回折光の強度を示し、kx、kzは、それぞれX方向、Z方向の波数を示す。式(1)、(2)における第1項は、0次回折光の強度であり、第2項は、+1次回折光の強度と−1次回折光の強度との和であり、第3項は、±1次回折光と0次回折光との間の干渉強度分布であり、第4項は、±1次回折光同士の干渉強度分布である。式(1)と式(2)との間では、第3項のみが異なる。   In Expressions (1) and (2), X represents a position in a direction corresponding to the pitch direction (period direction) of the phase type diffraction grating, and Z represents a direction parallel to the optical axis 11a of the illumination optical system 11. Indicates the position. I0 represents the intensity of the 0th-order diffracted light, I represents the intensity of the ± 1st-order diffracted light, and kx and kz represent the wave numbers in the X direction and the Z direction, respectively. The first term in the equations (1) and (2) is the intensity of the 0th-order diffracted light, the second term is the sum of the intensities of the + 1st-order diffracted light and the −1st-order diffracted light, and the 3rd term is It is the interference intensity distribution between the ± 1st order diffracted light and the 0th order diffracted light, and the fourth term is the interference intensity distribution between the ± 1st order diffracted lights. Only the third term is different between Expression (1) and Expression (2).

ここで、説明の便宜上、前半期における0次回折光の位相調整量をπとし、後半期における0次回折光の位相調整量を0とし、+1次回折光および−1次回折光については前半期および後半期の位相調整量を0とする。この場合、前半期の干渉縞の強度分布は、下記の式(3)で表される。この式(3)は、上記の式(2)と等価であり、位相調整後の前半期の干渉縞のパターンは、後半期の干渉縞のパターンと同じになる(図12の調整後干渉縞参照)。なお、実施形態に係る位相調整量は、上記のように0でもよい。
Ii(r)=I0 +2I+4・√I0・√I・cos(kxX+π)・cos(kzZ)+2・I・cos(2kxX)・・・(3)
Here, for convenience of explanation, the phase adjustment amount of the 0th-order diffracted light in the first half period is π, the phase adjustment amount of the 0th-order diffracted light in the latter half period is 0, and the + 1st-order diffracted light and the −1st-order diffracted light are the first-half period and the second-half period. The phase adjustment amount of is set to 0. In this case, the intensity distribution of the interference fringes in the first half period is expressed by the following equation (3). This equation (3) is equivalent to the above equation (2), and the pattern of the interference fringes in the first half period after the phase adjustment becomes the same as the pattern of the interference fringes in the latter half period (the adjusted interference fringes in FIG. 12). reference). The phase adjustment amount according to the embodiment may be 0 as described above.
Ii (r) = I0 + 2I + 4 ・ √I0 ・ √I ・ cos (kxX + π) ・ cos (kzZ) +2 ・ I ・ cos (2kxX) ・ ・ ・ (3)

図11の説明に戻り、制御装置4は、電源回路25を制御して、スイッチ26に対して駆動信号DW1を供給させ、かつ位相調整回路44に対して駆動信号DW2を供給させる。電源回路25は、例えば、駆動信号DW1と駆動信号DW2の周波数を同じにする。駆動信号DW1は、スイッチ26を介して、分岐部13に供給される。駆動信号DW1は、例えば正弦波状の電圧波形である。   Returning to the description of FIG. 11, the control device 4 controls the power supply circuit 25 to supply the switch 26 with the drive signal DW1 and the phase adjustment circuit 44 with the drive signal DW2. The power supply circuit 25 makes the frequencies of the drive signal DW1 and the drive signal DW2 the same, for example. The drive signal DW1 is supplied to the branching unit 13 via the switch 26. The drive signal DW1 has, for example, a sinusoidal voltage waveform.

駆動信号DW2は、位相調整回路44を介して、位相調整部14の位相変調器41に供給される。位相調整回路44は、制御装置4(制御部56)に制御され、駆動信号DW2の位相を調整する。駆動信号DW2は、例えば矩形波状である。駆動信号DW2のローレベル(L)は、グランド電位などの基準電位であり、例えば位相変調器41の電気光学物質に電界を印加しない電位である。ここでは、位相変調器41の電気光学物質に電界が印加されていない状態の位相調整量が0であるものとし、電気光学物質の屈折率による位相調整量(補正ブロック42により相殺されるオフセット)を無視する。駆動信号DW2のハイレベル(H)は、ローレベル時と比較して0次回折光にπの位相を付与するように、電気光学物質に電界を印加するレベルである。駆動信号DW2は、駆動信号DW1のレベルが基準電位(例、グランド電位)に対して正電位に変化する際にHに立ち上がり、駆動信号DW1のレベルが基準電位から負電位に変化する際にLに立ち下がる波形である。駆動信号DW2は、駆動信号DW1のレベルが正電位である期間にHに維持され、駆動信号DW1のレベルが負電位である期間にLに維持される。   The drive signal DW2 is supplied to the phase modulator 41 of the phase adjusting unit 14 via the phase adjusting circuit 44. The phase adjustment circuit 44 is controlled by the control device 4 (control unit 56) and adjusts the phase of the drive signal DW2. The drive signal DW2 has, for example, a rectangular wave shape. The low level (L) of the drive signal DW2 is a reference potential such as a ground potential, for example, a potential that does not apply an electric field to the electro-optical material of the phase modulator 41. Here, it is assumed that the phase adjustment amount when the electric field is not applied to the electro-optical material of the phase modulator 41 is 0, and the phase adjustment amount by the refractive index of the electro-optical material (offset offset by the correction block 42). Ignore. The high level (H) of the drive signal DW2 is a level at which an electric field is applied to the electro-optical material so as to add a phase of π to the 0th-order diffracted light as compared with the low level. The drive signal DW2 rises to H when the level of the drive signal DW1 changes to a positive potential with respect to a reference potential (eg, ground potential), and rises to L when the level of the drive signal DW1 changes from the reference potential to a negative potential. It is a waveform that falls to. The drive signal DW2 is maintained at H while the level of the drive signal DW1 is a positive potential, and is maintained at L while the level of the drive signal DW1 is a negative potential.

駆動信号DW1は、信号レベルがHに立ち上がってから次にHに立ち上がるまでを1周期のパルスとして、例えば撮像の1フレームに複数周期のパルスを含む。駆動信号DW1の周期がTである場合、駆動信号DW2の周期はTであり、前半期にHとなり後半期にLとなる。なお、0次回折光と1次回折光との相対的な位相を、前半期と後半期とでπだけ変化させる場合、駆動信号DW2は、前半期にLとなり後半期にHとなる波形であってもよい。   The drive signal DW1 includes a pulse having a plurality of cycles in one frame of imaging, for example, one pulse having a period from when the signal level rises to H to when the signal level next rises to H. When the cycle of the drive signal DW1 is T, the cycle of the drive signal DW2 is T, which is H in the first half and L in the second half. When the relative phase of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light is changed by π between the first half and the second half, the drive signal DW2 has a waveform that becomes L in the first half and becomes H in the second half. Good.

次に、撮像の複数のフレームにおける位相の調整について説明する。3D−SIMモードにおいて1枚の超解像画像を生成するには、一般的に、干渉縞の向きを3通りに変化させ、干渉縞の各向きに対して干渉縞の位相を5通りに変化させて、15状態の干渉縞のそれぞれを用いた撮像が行われる。位相を5通りに変化させるには、例えば、分岐部13において、入射領域Saを音波伝搬路Rの端からL/5の位置に設定し、波本数を5通りに変化させる手法がある。この手法においては、3D−SIMモード用の光変調器が必要になり、その入射領域Saに対して音波伝搬路Rが大型になる。また、2D−SIMモードと3D−SIMモードとで光変調器を交換する必要が生じる。   Next, the adjustment of the phase in a plurality of frames of imaging will be described. In order to generate one super-resolution image in the 3D-SIM mode, generally, the directions of the interference fringes are changed in three ways, and the phase of the interference fringes is changed in five ways for each direction of the interference fringes. Then, imaging is performed using each of the 15 states of the interference fringes. In order to change the phase in five ways, for example, there is a method of setting the incident area Sa at the position of L / 5 from the end of the sound wave propagation path R in the branching section 13 and changing the wave number in five ways. This method requires an optical modulator for 3D-SIM mode, and the sound wave propagation path R becomes large with respect to the incident area Sa. Further, it becomes necessary to exchange the optical modulator in the 2D-SIM mode and the 3D-SIM mode.

本実施形態に係る構造化照明装置2は、0次回折光と1次回折光の相対的な位相を、撮像の複数のフレームのうち第1フレームと第2フレームとで変化させることにより、干渉縞の位相をシフトさせることができる。これにより、例えば、2D−SIMモードと3D−SIMモードとで分岐部13を共用にすることができる。   The structured illumination device 2 according to the present embodiment changes the relative phase of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light between the first frame and the second frame of the plurality of frames of the image pickup, thereby generating the interference fringes. The phase can be shifted. Thereby, for example, the branching unit 13 can be shared between the 2D-SIM mode and the 3D-SIM mode.

図13は、複数のフレームにおける駆動信号、定在波、及び干渉縞を示す説明図である。制御装置4(制御部56)は、電源回路25を制御し、撮像の第1フレームの期間において、分岐部13に対して駆動信号DW1を供給させる。また、制御部56は、撮像の第2フレームの期間において、周波数および位相が第1フレームと同じ駆動信号(例、駆動信号DW1)を分岐部13に供給させる。すなわち、第1フレームにおける駆動信号は、第1フレームの開始時刻を基準として所定のタイミングで負電位から正電位に変化し、第2フレームにおける駆動信号は、第2フレームの開始時刻を基準として所定のタイミングで負電位から正電位に変化する。なお、図13において、所定のタイミングは、各フレームの開始時刻と同時であるが、各フレームの開始時刻からずれていてもよい。   FIG. 13 is an explanatory diagram showing drive signals, standing waves, and interference fringes in a plurality of frames. The control device 4 (control unit 56) controls the power supply circuit 25 to supply the drive signal DW1 to the branching unit 13 in the period of the first frame of imaging. Further, the control unit 56 causes the branching unit 13 to supply a drive signal (for example, drive signal DW1) having the same frequency and phase as those of the first frame during the period of the second frame of imaging. That is, the drive signal in the first frame changes from the negative potential to the positive potential at a predetermined timing with reference to the start time of the first frame, and the drive signal in the second frame has a predetermined reference with respect to the start time of the second frame. At the timing of, the negative potential changes to the positive potential. Note that in FIG. 13, the predetermined timing is the same as the start time of each frame, but may be deviated from the start time of each frame.

制御部56は、電源回路25および位相調整回路44を制御して、撮像の第1フレームの期間において、位相調整部14の位相変調器41に対して駆動信号DW2を供給させる。また、制御部56は、電源回路25および位相調整回路44を制御して、撮像の第2フレームの期間において、第1フレームと異なる駆動信号DW3を位相変調器41に供給させる。   The control unit 56 controls the power supply circuit 25 and the phase adjustment circuit 44 to supply the drive signal DW2 to the phase modulator 41 of the phase adjustment unit 14 in the period of the first frame of imaging. Further, the control unit 56 controls the power supply circuit 25 and the phase adjustment circuit 44 to supply the drive signal DW3 different from that in the first frame to the phase modulator 41 in the period of the second frame of imaging.

図13において、駆動信号DW3は、駆動信号DW2と位相が同じである。駆動信号DW2は、第1フレームの開始時刻を基準として所定のタイミングで立ち上がり、駆動信号DW3は、第2フレームの開始時刻を基準として所定のタイミングで立ち上がる。また、駆動信号DW1と比較すると、第1フレームにおいて、駆動信号DW1は、第1フレームの開始時刻から所定のタイミングで負電位から正電位に変化し、駆動信号DW2は、第1フレームの開始時刻から所定のタイミングで立ち上がる。第2フレームにおいて、駆動信号DW1は、第2フレームの開始時刻から所定のタイミングで負電位から正電位に変化し、駆動信号DW3は、第2フレームの開始時刻から所定のタイミングで立ち上がる。なお、図13において、所定のタイミングは、各フレームの開始時刻と同時であるが、各フレームの開始時刻からずれていてもよい。   In FIG. 13, the drive signal DW3 has the same phase as the drive signal DW2. The drive signal DW2 rises at a predetermined timing based on the start time of the first frame, and the drive signal DW3 rises at a predetermined timing based on the start time of the second frame. Further, compared with the drive signal DW1, in the first frame, the drive signal DW1 changes from the negative potential to the positive potential at a predetermined timing from the start time of the first frame, and the drive signal DW2 shows the start time of the first frame. It rises from the predetermined timing. In the second frame, the drive signal DW1 changes from a negative potential to a positive potential at a predetermined timing from the start time of the second frame, and the drive signal DW3 rises at a predetermined timing from the start time of the second frame. Note that in FIG. 13, the predetermined timing is the same as the start time of each frame, but may be deviated from the start time of each frame.

図13において、駆動信号DW3は、駆動信号DW2と電圧値が異なる。第1フレームにおける駆動信号DW2は、信号のレベルがローレベル(L)と第1ハイレベル(H1)とで切り替わる波形である。H1は、Lと比較して、位相変調器41による位相の調整量がπ変化するレベルである。第2フレームにおける駆動信号DW3は、レベルがH1と第2ハイレベル(H2)とで切り替わる波形である。H2は、H1と比較して、位相変調器41による位相の調整量がπだけ変化するレベルであり、Lと比較して、位相変調器41による位相の調整量が2πだけ変化するレベルである。すなわち、駆動信号DW2と駆動信号DW3とで、位相変調器41の変調幅の上限値、中心値、下限値が変化する、例えば、電源回路25は、制御装置4に制御され、駆動信号DW2にオフセット(例えば、H1)を付加することで駆動信号DW3を生成する。   In FIG. 13, the drive signal DW3 has a voltage value different from that of the drive signal DW2. The drive signal DW2 in the first frame has a waveform in which the signal level switches between a low level (L) and a first high level (H1). H1 is a level at which the amount of phase adjustment by the phase modulator 41 changes by π compared to L. The drive signal DW3 in the second frame has a waveform whose level switches between H1 and the second high level (H2). H2 is a level at which the phase adjustment amount by the phase modulator 41 changes by π as compared with H1, and is a level at which the phase adjustment amount by the phase modulator 41 changes by 2π as compared with L. . That is, the upper limit value, the center value, and the lower limit value of the modulation width of the phase modulator 41 change depending on the drive signal DW2 and the drive signal DW3. For example, the power supply circuit 25 is controlled by the control device 4 to generate the drive signal DW2. The drive signal DW3 is generated by adding an offset (for example, H1).

駆動信号DW2の信号レベル(電圧値)は、位相調整量と対応関係にある。第1フレームにおいて、駆動信号DW2の電圧値はLとH1とで切り替わっており、ここでは、電圧値がLである場合の位相調整量を第1の位相調整量とし、電圧値がH1である場合の位相調整量を第2の位相調整量とする。第1フレームにおいて、位相調整部14が位相を変化させるパターン(第1のパターン、第3のパターン、第5のパターン)は、電圧値Lに対応する第1の位相調整量と、電圧値H1に対応する位相調整量(第2の位相調整量)とを時間に応じて付与して位相を変化させるパターンである。第1のパターン、第3のパターン、第5のパターンは、周波数が互いに異なる。例えば、第1のパターン、第3のパターン、第5のパターンは、それぞれ、駆動信号DW2の周波数をf−1、f、f+1に設定することで実現される。 The signal level (voltage value) of the drive signal DW2 has a correspondence relationship with the phase adjustment amount. In the first frame, the voltage value of the drive signal DW2 is switched between L and H1, and here, the phase adjustment amount when the voltage value is L is the first phase adjustment amount, and the voltage value is H1. In this case, the phase adjustment amount is the second phase adjustment amount. In the first frame, the patterns (first pattern, third pattern, fifth pattern) in which the phase adjustment unit 14 changes the phase are the first phase adjustment amount corresponding to the voltage value L and the voltage value H1. And a phase adjustment amount corresponding to (2nd phase adjustment amount) is applied according to time to change the phase. The frequencies of the first pattern, the third pattern, and the fifth pattern are different from each other. For example, the first pattern, the third pattern, the fifth pattern, respectively, the frequency of the drive signal DW2 f -1, is realized by setting the f 0, f +1.

また、駆動信号DW3の信号レベル(電圧値)は、位相調整量と対応関係にある。第2フレームにおいて、駆動信号DW3の電圧値はH1とH2とで切り替わっており、ここでは、電圧値がH1である場合の位相調整量は、第1の位相調整量にπを加算した位相調整量である。また、電圧がH2である場合の位相調整量は、第2の位相調整量にπを加算した位相調整量である。第2フレームにおいて、位相調整部14が位相を変化させるパターン(第2のパターン、第4のパターン、第6のパターン)は、第1の位相調整量にπを加算した位相調整量と、第2の位相調整量のπを加算した位相調整量とを時間に応じて付与して位相を変化させるパターンである。第2のパターン、第4のパターン、第6のパターンは、周波数が互いに異なる。例えば、第2のパターン、第4のパターン、第6のパターンは、それぞれ、駆動信号DW3の周波数をf−1、f、f+1に設定することで実現される。 Further, the signal level (voltage value) of the drive signal DW3 has a correspondence relationship with the phase adjustment amount. In the second frame, the voltage value of the drive signal DW3 is switched between H1 and H2. Here, the phase adjustment amount when the voltage value is H1 is the phase adjustment amount obtained by adding π to the first phase adjustment amount. Is the amount. The phase adjustment amount when the voltage is H2 is the phase adjustment amount obtained by adding π to the second phase adjustment amount. In the second frame, the patterns (second pattern, fourth pattern, sixth pattern) in which the phase adjusting unit 14 changes the phase are the phase adjustment amount obtained by adding π to the first phase adjustment amount, This is a pattern for changing the phase by adding the phase adjustment amount obtained by adding π of the phase adjustment amount of 2 according to time. The frequencies of the second pattern, the fourth pattern, and the sixth pattern are different from each other. For example, the second pattern, the fourth pattern, the pattern of the sixth, respectively, the frequency of the drive signal DW3 f -1, is realized by setting the f 0, f +1.

定在波のパターンは、第1フレームと第2フレームとで同じである。また、第2フレームにおける干渉縞は、0次回折光と1次回折光との相対的な位相が第1フレームと変化していることにより、第1フレームの干渉縞と位相がずれる。例えば、第1フレームの明部の中心位置は、ΔBのピッチで周期的に配置される。また、第2フレームの明部の中心位置は、第1フレームの明部の中心位置から約ΔB/2ずれた位置から、ΔBのピッチで周期的に配置される。制御部56は、例えば、第1フレームにおける干渉縞の明部の中心が第2フレームにおける干渉縞の暗部の中心と一致するように、位相調整部14を制御する。   The standing wave pattern is the same in the first frame and the second frame. Further, the interference fringes in the second frame are out of phase with the interference fringes in the first frame because the relative phases of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light are different from those in the 1st frame. For example, the central position of the bright portion of the first frame is periodically arranged with a pitch of ΔB. Further, the center position of the bright portion of the second frame is periodically arranged at a pitch of ΔB from a position shifted by about ΔB / 2 from the center position of the bright portion of the first frame. The control unit 56 controls the phase adjustment unit 14 so that, for example, the center of the bright portion of the interference fringes in the first frame matches the center of the dark portion of the interference fringes in the second frame.

ここでは、位相変調器41は、駆動信号DW2の1周期の前半期において位相をπ付与し、後半期において付与しない。また、位相変調器41は、駆動信号DW3の1周期の前半期において位相を2π付与し、後半期において位相をπ付与する。例えば、第1フレームにおける0次回折光と1次回折光との相対的な位相は、0とπとで切り替えられ、第2フレームにおける0次回折光と1次回折光との相対的な位相は、πと2πとで切り替えられる。なお、位相変調器41は、干渉縞のコントラストに応じて、駆動信号DW2の1周期の前半期において位相を(β+π)付与し、後半期においてβ付与し、駆動信号DW3の1周期の前半期において、(β+2π)付与し、後半期において(β+π)付与してもよい。   Here, the phase modulator 41 gives the phase π in the first half of one cycle of the drive signal DW2 and does not give the phase in the second half. Further, the phase modulator 41 imparts a phase of 2π in the first half of one cycle of the drive signal DW3 and imparts a phase of π in the latter half of the period. For example, the relative phase between the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light in the first frame is switched between 0 and π, and the relative phase between the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light in the second frame is π It can be switched with 2π. The phase modulator 41 gives (β + π) a phase in the first half of one cycle of the drive signal DW2 and β in the second half of the cycle, according to the contrast of the interference fringes, and gives β in the first half of one cycle of the drive signal DW3. (Β + 2π), and (β + π) in the latter half.

このように、0次回折光と1次回折光との相対的な位相が、第1フレームと第2フレームとでずれていると、第1フレームにおける明部の位置に第2フレームにおける暗部が配置される。すなわち、第2フレームの干渉縞は、第1フレームの干渉縞に対して位相がπずれた関係になる。例えば、第1フレームにおける干渉縞の位相のシフト量が−2π/3である場合、第2フレームにおいて干渉縞の位相のシフト量がπ/3となる。第1フレームにおける干渉縞の位相のシフト量が0である場合、第2フレームにおいて干渉縞の位相のシフト量がπとなる。また、第1フレームにおける干渉縞の位相のシフト量が2π/3である場合、第2フレームにおいて干渉縞の位相のシフト量が5π/3となる。つまり、分岐部13の駆動信号の周波数をf−1、f、f+1とで切替るとともに、各周波数に対して位相変調器41により位相を調整すると、位相のシフト量を0、π/3、2π/3、π、4π/3、5π/3の6通りに切り替えることができる。 As described above, when the relative phases of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light are deviated between the first frame and the second frame, the dark portion in the second frame is arranged at the position of the bright portion in the first frame. It That is, the interference fringes of the second frame are in a relationship in which the phase is deviated from the interference fringes of the first frame by π. For example, when the phase shift amount of the interference fringes in the first frame is −2π / 3, the phase shift amount of the interference fringes in the second frame is π / 3. When the phase shift amount of the interference fringes in the first frame is 0, the phase shift amount of the interference fringes in the second frame is π. When the phase shift amount of the interference fringes in the first frame is 2π / 3, the phase shift amount of the interference fringes in the second frame is 5π / 3. That is, when the frequency of the drive signal of the branching unit 13 is switched to f −1 , f 0 , and f +1 and the phase is adjusted by the phase modulator 41 for each frequency, the phase shift amount is 0, π / It is possible to switch in 6 ways of 3, 2π / 3, π, 4π / 3, and 5π / 3.

次に、3D−SIMモードにおける観察方法について説明する。図14は、3D−SIMモードにおける顕微鏡装置1の動作を示すフローチャートである(顕微鏡装置1の各部については図10、図11参照)。ステップS21において、制御装置4の制御部56は、スイッチ26を制御し、スイッチ26の接続先をトランスデューサ23aに設定する。これにより、干渉縞Sbの周期方向は、第1方向に対応する方向に設定される。   Next, an observation method in the 3D-SIM mode will be described. FIG. 14 is a flowchart showing the operation of the microscope apparatus 1 in the 3D-SIM mode (see FIGS. 10 and 11 for each part of the microscope apparatus 1). In step S21, the control unit 56 of the control device 4 controls the switch 26 and sets the connection destination of the switch 26 to the transducer 23a. As a result, the periodic direction of the interference fringes Sb is set to the direction corresponding to the first direction.

ステップS22において、制御部56は、分岐部13に第1の駆動信号を与えて音波定在波を生成させる。第1の駆動信号は、周波数がf−1の駆動信号(図6参照)であり、制御部56は、電源回路25を制御して駆動信号の周波数をf−1に設定する。ステップS23において、制御部56は、例えば、0次回折光の位相を第1のパターンで変化させることにより、0次回折光と1次回折光との相対的な位相を変化させる。ここで、第1のパターンは、2種類の位相調整量を時間に応じて付与して位相を変化させるパターンであり、2種類の位相調整量の差はπである。制御部56は、0次回折光の位相を第1のパターンで変化させるために、電源回路25を制御して位相変調器41の駆動信号を駆動信号DW2(図13参照)に設定する。これにより、干渉縞Sbの位相のシフト量は、−2π/3に設定される。ステップS24において、制御部56は、撮像素子51に試料Xの第1の画像を撮像させ、第1の画像に対応する画像データI−1aを取得する。ステップS25において、制御部56は、分岐部13に第1の駆動信号が与えられる状態で、例えば、0次回折光の位相を第2のパターンで変化させることにより、0次回折光と1次回折光との相対的な位相を変化させる。ここで、第2のパターンは、2種類の位相調整量を時間に応じて付与して位相を変化させるパターンであり、2種類の位相調整量の差はπである。制御部56は、0次回折光の位相を第2のパターンで変化させるために、電源回路25を制御して位相変調器41の駆動信号を駆動信号DW3(図13参照)に設定する。これにより、干渉縞Sbの位相のシフト量は、π/3に設定される。ステップS26において、制御部56は、撮像素子51に試料Xの第2の画像を撮像させ、第2の画像に対応する画像データI−1bを取得する。 In step S22, the control unit 56 gives the branching unit 13 a first drive signal to generate a sound wave standing wave. The first drive signal is a drive signal having a frequency of f −1 (see FIG. 6), and the control unit 56 controls the power supply circuit 25 to set the frequency of the drive signal to f −1 . In step S23, the control unit 56 changes the relative phase of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light, for example, by changing the phase of the 0th-order diffracted light in the first pattern. Here, the first pattern is a pattern that changes the phase by applying two types of phase adjustment amounts according to time, and the difference between the two types of phase adjustment amounts is π. The control unit 56 controls the power supply circuit 25 to set the drive signal of the phase modulator 41 to the drive signal DW2 (see FIG. 13) in order to change the phase of the 0th-order diffracted light in the first pattern. As a result, the phase shift amount of the interference fringe Sb is set to −2π / 3. In step S24, the control unit 56 causes the image sensor 51 to capture the first image of the sample X and acquires the image data I −1 a corresponding to the first image. In step S25, the control unit 56 changes the phase of the 0th-order diffracted light to the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light, for example, by changing the phase of the 0th-order diffracted light in the state where the first drive signal is applied to the branching unit 13. Change the relative phase of. Here, the second pattern is a pattern that changes the phase by applying two types of phase adjustment amounts according to time, and the difference between the two types of phase adjustment amounts is π. The control unit 56 controls the power supply circuit 25 to set the drive signal of the phase modulator 41 to the drive signal DW3 (see FIG. 13) in order to change the phase of the 0th-order diffracted light in the second pattern. As a result, the phase shift amount of the interference fringe Sb is set to π / 3. In step S26, the control unit 56 causes the image sensor 51 to capture the second image of the sample X, and acquires the image data I −1 b corresponding to the second image.

ステップS27において、制御部56は、分岐部13に第2の駆動信号を与えて音波定在波を生成させる。第2の駆動信号は、周波数がfの駆動信号(図6参照)であり、制御部56は、電源回路25を制御して駆動信号の周波数をfに設定する。ステップS28において、制御部56は、例えば、0次回折光の位相を第3のパターンで変化させることにより、0次回折光と1次回折光との相対的な位相を変化させる。ここで、第3のパターンは、2種類の位相調整量を時間に応じて付与して位相を変化させるパターンであり、2種類の位相調整量の差はπである。制御部56は、0次回折光の位相を第3のパターンで変化させるために、電源回路25を制御して位相変調器41の駆動信号を、駆動信号DW2の周波数をfに変換した駆動信号に切り替える。なお、この駆動信号は、0次回折光に対する位相調整量を0とπとで切り替える駆動信号である。これにより、干渉縞Sbの位相のシフト量は、0に設定される。ステップS29において、制御部56は、撮像素子51に試料Xの第3の画像を撮像させ、第3の画像に対応する画像データIaを取得する。ステップS30において、制御部56は、分岐部13に第2の駆動信号が与えられる状態で、例えば、0次回折光の位相を第4のパターンで変化させることにより、0次回折光と1次回折光との相対的な位相を変化させる。ここで、第4のパターンは、2種類の位相調整量を時間に応じて付与して位相を変化させるパターンであり、2種類の位相調整量の差はπである。制御部56は、0次回折光の位相を第4のパターンで変化させるために、電源回路25を制御して駆動信号を、ステップS28における第3のパターンに対応する駆動信号に電圧値のオフセットを加えた駆動信号に切り替える。例えば、制御部56は、電源回路25を制御して位相変調器41の駆動信号を、駆動信号DW3の周波数をfに変換した駆動信号に切り替える。なお、この駆動信号は、0次回折光に対する位相調整量をπと2πとで切り替える駆動信号である。これにより、干渉縞Sbの位相のシフト量は、πに設定される。ステップS31において、制御部56は、撮像装置3を制御して試料Xを撮像させ、画像データIbを取得する。 In step S27, the control unit 56 gives the branching unit 13 a second drive signal to generate a sound wave standing wave. The second drive signal is a drive signal whose frequency is f 0 (see FIG. 6), and the control unit 56 controls the power supply circuit 25 to set the frequency of the drive signal to f 0 . In step S28, the control unit 56 changes the relative phase of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light, for example, by changing the phase of the 0th-order diffracted light in the third pattern. Here, the third pattern is a pattern that changes the phase by applying two types of phase adjustment amounts according to time, and the difference between the two types of phase adjustment amounts is π. The control unit 56 controls the power supply circuit 25 to convert the drive signal of the phase modulator 41 into the drive signal obtained by converting the frequency of the drive signal DW2 into f 0 in order to change the phase of the 0th-order diffracted light in the third pattern. Switch to. The drive signal is a drive signal that switches the phase adjustment amount for 0th-order diffracted light between 0 and π. As a result, the phase shift amount of the interference fringe Sb is set to zero. In step S29, the control unit 56 causes the image sensor 51 to capture the third image of the sample X, and acquires the image data I 0 a corresponding to the third image. In step S30, the control unit 56 changes the phase of the 0th-order diffracted light to the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light by changing the phase of the 0th-order diffracted light in the fourth pattern while the second drive signal is applied to the branching unit 13. Change the relative phase of. Here, the fourth pattern is a pattern that changes the phase by applying two types of phase adjustment amounts according to time, and the difference between the two types of phase adjustment amounts is π. In order to change the phase of the 0th-order diffracted light in the fourth pattern, the control unit 56 controls the power supply circuit 25 to output the drive signal and the drive signal corresponding to the third pattern in step S28 to offset the voltage value. Switch to the added drive signal. For example, the control unit 56 controls the power supply circuit 25 to switch the drive signal of the phase modulator 41 to the drive signal obtained by converting the frequency of the drive signal DW3 into f 0 . It should be noted that this drive signal is a drive signal that switches the phase adjustment amount for the 0th-order diffracted light between π and 2π. As a result, the phase shift amount of the interference fringe Sb is set to π. In step S31, the control unit 56 controls the imaging device 3 to image the sample X and acquires the image data I 0 b.

ステップS32において、制御部56は、分岐部13に第3の駆動信号を与えて音波定在波を生成させる。第3の駆動信号は、周波数がf+1の駆動信号(図6参照)であり、制御部56は、電源回路25を制御して駆動信号の周波数をf+1に設定する。ステップS33において、制御部56は、例えば、0次回折光の位相を第5のパターンで変化させることにより、0次回折光と1次回折光との相対的な位相を変化させる。こで、第5のパターンは、2種類の位相調整量を時間に応じて付与して位相を変化させるパターンであり、2種類の位相調整量の差はπである。制御部56は、0次回折光の位相を第5のパターンで変化させるために、電源回路25を制御して位相変調器41の駆動信号を、駆動信号DW2の周波数をf+1に変換した駆動信号に切り替える。なお、この駆動信号は、0次回折光に対する位相調整量を0とπとで切り替える駆動信号である。これにより、干渉縞Sbの位相のシフト量は、2π/3に設定される。ステップS34において、制御部56は、撮像素子51に試料Xの第5の画像を撮像させ、第5の画像に対応する画像データI+1aを取得する。ステップS35において、分岐部13に第3の駆動信号が与えられる状態で、例えば、0次回折光の位相を第6のパターンで変化させることにより、0次回折光と1次回折光との相対的な位相を変化させる。ここで、第6のパターンは、2種類の位相調整量を時間に応じて付与して位相を変化させるパターンであり、2種類の位相調整量の差はπである。制御部56は、電源回路25を制御して駆動信号を、ステップS33における第5のパターンに対応する駆動信号に電圧値のオフセットを加えた駆動信号に切り替える。例えば、制御部56は、電源回路25を制御して位相変調器41の駆動信号を、駆動信号DW3の周波数をf+1に変換した駆動信号に切り替える。なお、この駆動信号は、0次回折光に対する位相調整量をπと2πとで切り替える駆動信号である。これにより、干渉縞Sbの位相のシフト量は、5π/3に設定される。ステップS36において、制御部56は、撮像素子51に試料Xの第6の画像を撮像させ、第6の画像に対応する画像データI+1bを取得する。以上のようにして、顕微鏡装置1は、干渉縞の周期方向を第1方向に設定しつつ、位相を6通りに切り替えて、6枚の画像を取得する。
In step S32, the control unit 56 gives the branching unit 13 a third drive signal to generate a sound wave standing wave. The third drive signal is a drive signal having a frequency of f +1 (see FIG. 6), and the control unit 56 controls the power supply circuit 25 to set the frequency of the drive signal to f +1 . In step S33, the control unit 56 changes the relative phase of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light, for example, by changing the phase of the 0th-order diffracted light in the fifth pattern. Here, the fifth pattern is a pattern that changes the phase by applying two types of phase adjustment amounts according to time, and the difference between the two types of phase adjustment amounts is π. The control unit 56 controls the power supply circuit 25 to change the drive signal of the phase modulator 41 into the drive signal obtained by converting the frequency of the drive signal DW2 into f +1 in order to change the phase of the 0th-order diffracted light in the fifth pattern. Switch to. The drive signal is a drive signal that switches the phase adjustment amount for 0th-order diffracted light between 0 and π. As a result, the phase shift amount of the interference fringe Sb is set to 2π / 3. In step S34, the control unit 56 causes the image sensor 51 to capture the fifth image of the sample X, and acquires the image data I +1 a corresponding to the fifth image. In step S35, the relative phase between the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light is changed by changing the phase of the 0th-order diffracted light in the sixth pattern while the third drive signal is applied to the branching unit 13, for example. Change. Here, the sixth pattern is a pattern for changing the phase by applying two types of phase adjustment amounts according to time, and the difference between the two types of phase adjustment amounts is π. The control unit 56 controls the power supply circuit 25 to switch the drive signal to the drive signal obtained by adding the voltage value offset to the drive signal corresponding to the fifth pattern in step S33. For example, the control unit 56 controls the power supply circuit 25 to switch the drive signal of the phase modulator 41 to the drive signal obtained by converting the frequency of the drive signal DW3 into f +1 . It should be noted that this drive signal is a drive signal that switches the phase adjustment amount for the 0th-order diffracted light between π and 2π. As a result, the phase shift amount of the interference fringe Sb is set to 5π / 3. In step S36, the control unit 56 causes the imaging element 51 to capture the sixth image of the sample X and acquires the image data I +1 b corresponding to the sixth image. As described above, the microscope apparatus 1 sets the periodic direction of the interference fringes to the first direction, switches the phase to six ways, and acquires six images.

ステップS37において、制御部56は、干渉縞Sbの周期方向を3方向の全てに設定済みであるか否かを判定する。制御部56は、干渉縞の周期方向に応じた撮像が完了していないと判定した場合(ステップS37;No)、ステップS38において、スイッチ26の接続先を次のトランスデューサに切り替える。また、ステップS38の処理の終了後に、制御部56は、干渉縞の周期方向を変更した状態(例、第2方向)で、ステップS22からステップS36の処理を繰り返し、この周期方向に応じた画像データを取得する。また、制御部56は、干渉縞の周期方向に応じた撮像が完了したと判定した場合(ステップS37;Yes)、一連の処理を終了する。   In step S37, the control unit 56 determines whether or not the periodic directions of the interference fringes Sb have been set in all three directions. When the control unit 56 determines that the imaging according to the cycle direction of the interference fringes is not completed (step S37; No), the connection destination of the switch 26 is switched to the next transducer in step S38. After the processing of step S38 is completed, the control unit 56 repeats the processing of steps S22 to S36 in a state in which the cycle direction of the interference fringes is changed (for example, the second direction), and an image corresponding to this cycle direction is obtained. Get the data. In addition, when the control unit 56 determines that the imaging according to the periodic direction of the interference fringes is completed (step S37; Yes), the series of processes is ended.

図15は、干渉縞の1方向に関する設定条件を示す図である。構造化照明装置2は、分岐部13の駆動信号の周波数をf−1、f、f+1の3通りに切り替え、分岐部13の駆動信号の各周波数に対して、位相変調器による位相変調量を0とπとで切り替えることで、干渉縞の位相を0、π/3、2π/3、π、4π/3、5π/3の6通りに切り替えることができる。顕微鏡装置1は、3方向のそれぞれについて位相を6通りに切り替えて、合計18枚の画像を取得する。 FIG. 15 is a diagram showing setting conditions for one direction of interference fringes. The structured lighting device 2 switches the frequency of the drive signal of the branch unit 13 to three of f −1 , f 0 , and f +1 and performs phase modulation by the phase modulator for each frequency of the drive signal of the branch unit 13. By switching the amount between 0 and π, the phases of the interference fringes can be switched between 0, π / 3, 2π / 3, π, 4π / 3, and 5π / 3. The microscope apparatus 1 switches the phase in six ways in each of the three directions and acquires a total of 18 images.

また、制御装置4の復調部55は、取得された画像データを使って復調処理を実行し、超解像画像のデータを生成する。復調部55は、例えば、干渉縞の各方向において位相が異なる6枚の画像のうちの5枚(3方向で15枚)を使って復調処理を行い、各方向における残りの1枚(3方向で3枚)の画像については補間などに用いてもよいし、復調処理に用いなくてもよい。なお、制御部56は、復調処理に用いられない画像については、撮像装置3に撮像させなくてもよく、例えば、干渉縞の位相を0、π/3、2π/3、π、4π/3、5π/3のうち5通りに変化させて5枚の画像を取得してもよい。   In addition, the demodulation unit 55 of the control device 4 executes demodulation processing using the acquired image data to generate super-resolution image data. The demodulation unit 55 performs demodulation processing using, for example, 5 images (15 in 3 directions) out of 6 images having different phases in each direction of interference fringes, and the remaining 1 image in each direction (3 directions). The three images) may be used for interpolation or the like, or may not be used for demodulation processing. Note that the control unit 56 does not have to cause the image pickup device 3 to pick up an image that is not used in the demodulation process. For example, the phases of the interference fringes are 0, π / 3, 2π / 3, π, 4π / 3. It is also possible to acquire 5 images by changing it in 5 ways out of 5π / 3.

図16は、位相変調器41の駆動信号の他の例を示す図である。図16において、第2フレームの駆動信号DW4は、信号のレベルがLとH1とで切り替わる波形である。駆動信号DW4は、位相が第1フレームの駆動信号DW2と異なる。駆動信号DW4は、第2フレームの開始時刻から立ち上がりまでの時間が、駆動信号DW2において第1フレームの開始時刻から立ち上がりまでの時間と異なる。駆動信号DW4は、フレームの開始時刻から立ち上がりまでの時間が駆動信号DW2とT/2(位相でπ)ずれている。例えば、位相調整回路44は、電源回路25から駆動信号DW2を供給され、駆動信号DWの位相をπ調整することにより、駆動信号DW4を生成する。   FIG. 16 is a diagram showing another example of the drive signal of the phase modulator 41. In FIG. 16, the drive signal DW4 of the second frame has a waveform in which the signal level switches between L and H1. The drive signal DW4 is different in phase from the drive signal DW2 of the first frame. The time from the start time of the second frame to the rising edge of the drive signal DW4 is different from the time from the start time of the first frame to the rising edge of the drive signal DW2. The drive signal DW4 is displaced from the drive signal DW2 by T / 2 (π in phase) in time from the start time of the frame to the rising edge. For example, the phase adjustment circuit 44 is supplied with the drive signal DW2 from the power supply circuit 25 and adjusts the phase of the drive signal DW by π to generate the drive signal DW4.

駆動信号DW2の信号レベル(電圧値)は、位相調整量と対応関係にある。第1フレームにおいて、駆動信号DW2の電圧値はLとH1とで切り替わっており、ここでは、電圧値がLである場合の位相調整量を第1の位相調整量とし、電圧がH1である場合の位相調整量を第2の位相調整量とする。第1フレームにおいて、位相調整部14が位相を変化させるパターン(第1のパターン、第3のパターン、第5のパターン)は、電圧値Lに対応する第1の位相調整量と、電圧値H1に対応する第2の位相調整量とを時間に応じて交互に付与して位相を変化させるパターンである。   The signal level (voltage value) of the drive signal DW2 has a correspondence relationship with the phase adjustment amount. In the first frame, the voltage value of the drive signal DW2 is switched between L and H1, and here, the phase adjustment amount when the voltage value is L is the first phase adjustment amount, and the voltage value is H1. The phase adjustment amount of is the second phase adjustment amount. In the first frame, the patterns (first pattern, third pattern, fifth pattern) in which the phase adjustment unit 14 changes the phase are the first phase adjustment amount corresponding to the voltage value L and the voltage value H1. Is a pattern in which the second phase adjustment amount corresponding to is alternately applied according to time to change the phase.

また、駆動信号DW4の信号レベル(電圧値)は、位相調整量と対応関係にある。駆動信号DW4は、駆動信号DW2と比較して信号レベルをLとH1とで反転させた駆動信号である。第2フレームにおいて、位相調整部14が位相を変化させるパターン(第2のパターン、第4のパターン、第6のパターン)は、第1フレームにおいて位相調整部14が位相を変化させるパターン(第1のパターン、第3のパターン、第5のパターン)を反転させたパターンである。   Further, the signal level (voltage value) of the drive signal DW4 has a correspondence relationship with the phase adjustment amount. The drive signal DW4 is a drive signal whose signal level is inverted between L and H1 as compared with the drive signal DW2. The pattern (the second pattern, the fourth pattern, the sixth pattern) in which the phase adjustment unit 14 changes the phase in the second frame is the pattern (the first pattern in which the phase adjustment unit 14 changes the phase in the first frame (first pattern). Pattern, the third pattern, and the fifth pattern).

位相変調器41は、駆動信号DW2により駆動されることで、0次回折光の位相を前半期にπだけ調整し後半期に0だけ調整し、駆動信号DW4により駆動されることで、0次回折光の位相を前半期に0だけ調整し後半期にπだけ調整する。このように、第2フレームにおける位相変調器41の駆動信号は、第1フレームにおける位相変調器の駆動信号と各フレーム内での位相がずれていてもよい。   The phase modulator 41 is driven by the drive signal DW2 to adjust the phase of the 0th-order diffracted light by π in the first half and by 0 in the second half, and is driven by the drive signal DW4 to generate the 0th-order diffracted light. The phase of is adjusted by 0 in the first half and adjusted by π in the second half. In this way, the drive signal of the phase modulator 41 in the second frame may be out of phase with the drive signal of the phase modulator in the first frame within each frame.

上述したような本実施形態に係る構造化照明装置2は、位相調整部14によって0次回折光と1次回折光との相対的な位相を調整するので、干渉縞の位相を変化させることができ、画像取得を高速化することができる。また、例えば、分岐部13が音響光学モジュールを用いた構成である場合、2D−SIMモードと3D−SIMモードとで分岐部13を共用することができる。また、例えば、位相調整部14を用いないで分岐部13により干渉縞の位相を6通りに変化させる構成と比較して、光源からの光の入射領域Saに対して分岐部13が大型化することを回避できる。   In the structured illumination device 2 according to the present embodiment as described above, the phase adjusting unit 14 adjusts the relative phase of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light, and thus the phase of the interference fringes can be changed. Image acquisition can be speeded up. Further, for example, when the branch unit 13 has a configuration using an acousto-optic module, the branch unit 13 can be shared by the 2D-SIM mode and the 3D-SIM mode. Further, for example, as compared with the configuration in which the phase of the interference fringes is changed in six ways by the branching section 13 without using the phase adjusting section 14, the branching section 13 becomes larger with respect to the incident area Sa of the light from the light source. You can avoid that.

なお、分岐部13は、石英基板などに形成された回折格子を用いる構成であってもよいし、液晶素子などの空間光変調素子を用いる構成であってもよい。例えば石英基板などに形成された回折格子により、干渉縞の方向または位相を変化させる場合、回折格子を5位相で移動させるが、位相調整部14を併用すると3位相の移動でよい。その結果、例えば回折格子の移動に伴う振動が収まるまでの待機時間を減らすことができる。また、液晶素子を分岐部13に用いる場合、1ピクセルで5位相分ずらす場合、明部と暗部をあわせて5ピクセル要するが、位相調整部14を併用すると3位相の移動でよいので、1周期分に3ピクセルあればよい。そのため、同じ画素数の液晶素子を用いる場合、形成できるパターンの周期数を増やすことができる。   The branching section 13 may be configured to use a diffraction grating formed on a quartz substrate or the like, or may be configured to use a spatial light modulation element such as a liquid crystal element. For example, when the direction or phase of the interference fringes is changed by a diffraction grating formed on a quartz substrate or the like, the diffraction grating is moved in five phases, but when the phase adjusting unit 14 is used together, movement in three phases is sufficient. As a result, it is possible to reduce the waiting time until the vibration accompanying the movement of the diffraction grating subsides, for example. Further, when the liquid crystal element is used for the branching section 13, when shifting 1 phase by 5 phases, it requires 5 pixels in total for the bright section and the dark section. You only need 3 pixels per minute. Therefore, when liquid crystal elements having the same number of pixels are used, the number of cycles of patterns that can be formed can be increased.

なお、上述した顕微鏡装置1において、制御装置4は、例えば、CPUおよびメモリーを有するコンピュータにより構成される。このコンピュータは、外部または内部の記憶装置から制御プログラムを読み出し、この制御プログラムに従って上述した各処理を実行させる。この制御プログラムは、例えば、音波定在波が生成され、入射した光を複数の光束に分岐する光変調器と、複数の光束の少なくとも一部を干渉させて、干渉縞で試料を照明する照明光学系と、干渉縞が照射された試料の像を形成する結像光学系と、結像光学系により形成された試料の像を撮像する撮像部と、複数の光束の少なくとも1つの光束の位相を変化させる位相調整部と、を有する顕微鏡装置の制御をコンピュータに実行させる制御プログラムであって、制御は、光変調器に第1の駆動信号を与えて音波定在波を生成させたとき、位相調整部に位相を第1のパターンで変化させて撮像部に第1の画像を撮像させ、位相調整部に位相を第2のパターンで変化させて撮像部に第2の画像を撮像させることと、光変調器に第2の駆動信号を与えて音波定在波を生成させたとき、位相調整部に位相を第3のパターンで変化させて撮像部に第3の画像を撮像させた後、位相調整部に位相を第4のパターンで変化させて撮像部に第4の画像を撮像させることと、光変調器に第3の駆動信号を与えて音波定在波を生成させたとき、位相調整部に位相を第5のパターンで変化させて撮像部に第5の画像を撮像させ位相調整部に位相を第6のパターンで変化させて撮像部に第6の画像を撮像させることと、を含む。   In the microscope device 1 described above, the control device 4 is composed of, for example, a computer having a CPU and a memory. The computer reads a control program from an external or internal storage device and causes the above-described processing to be executed according to the control program. This control program is, for example, an illumination that illuminates a sample with an interference fringe by causing at least a part of the plurality of light beams to interfere with an optical modulator that generates an acoustic standing wave and splits incident light into a plurality of light beams. An optical system, an imaging optical system that forms an image of the sample irradiated with the interference fringes, an imaging unit that captures the image of the sample formed by the imaging optical system, and a phase of at least one of the plurality of light beams. Is a control program that causes a computer to execute control of a microscope apparatus having a phase adjustment unit that changes the, and the control is such that when a first driving signal is applied to the optical modulator to generate a sound wave standing wave, Changing the phase in the first pattern by the phase adjustment unit to cause the imaging unit to capture the first image, and causing the phase adjustment unit to change the phase in the second pattern to cause the imaging unit to capture the second image. And a second drive signal to the optical modulator When a sound wave standing wave is generated by changing the phase in the phase adjusting unit according to the third pattern and causing the image capturing unit to capture the third image, the phase adjusting unit changes the phase in the fourth pattern. When the image pickup section is caused to pick up a fourth image and the optical modulator is given a third drive signal to generate a sound wave standing wave, the phase adjustment section changes the phase in the fifth pattern. Causing the imaging unit to capture the fifth image and the phase adjustment unit to change the phase in the sixth pattern to cause the imaging unit to capture the sixth image.

なお、位相変調器41による前半期の位相調整量と後半期の位相調整量は、適宜、変更できる。例えば、上述の実施形態において、位相変調器41は、0次回折光の位相調整量が0、π、2πなどに設定されるが、これ以外の位相調整量に設定されていてもよい。例えば、制御装置4は、例えばキャリブレーション用の試料など予め特性が分かっている試料を用いて、撮像装置3から出力される画像のコントラストを参照しながら位相変調器41の位相調整量を変化させ、そのコントラストが最大となった時点(又は、そのコントラストが閾値以上となった時点)で、その位相調整量を初期値に設定してもよい。   The phase adjustment amount of the first half period and the phase adjustment amount of the second half period by the phase modulator 41 can be changed appropriately. For example, in the above-described embodiment, the phase modulator 41 sets the phase adjustment amount of the 0th-order diffracted light to 0, π, 2π, or the like, but it may be set to a phase adjustment amount other than this. For example, the control device 4 changes the phase adjustment amount of the phase modulator 41 while referring to the contrast of the image output from the imaging device 3, using a sample whose characteristics are known in advance, such as a calibration sample. The phase adjustment amount may be set to an initial value when the contrast becomes maximum (or when the contrast becomes equal to or higher than a threshold).

図17は、位相変調器41による位相調整量の例を示す図である。図17(A)の例は、上述した実施形態と同様に、前半期において、1次回折光に対する位相調整量が0であり、0次回折光に対する位相調整量がπである。前半期において、0次回折光と1次回折光の相対的な位相調整量はπである。また、後半期において、1次回折光に対する位相調整量が0であり、0次回折光に対する位相調整量が0である。後半期において、0次回折光と1次回折光の相対的な位相調整量は0である。このように、0次回折光と1次回折光の相対的な位相調整量が前半期と後半期で異なっている。   FIG. 17 is a diagram showing an example of the amount of phase adjustment by the phase modulator 41. In the example of FIG. 17A, the phase adjustment amount for the first-order diffracted light is 0 and the phase adjustment amount for the 0th-order diffracted light is π in the first half period, as in the above-described embodiment. In the first half, the relative phase adjustment amount of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light is π. In the latter half of the period, the phase adjustment amount for the 1st-order diffracted light is 0, and the phase adjustment amount for the 0th-order diffracted light is 0. In the latter half of the period, the relative phase adjustment amount of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light is zero. As described above, the relative phase adjustment amounts of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light differ between the first half and the second half.

図17(B)の例では、前半期において、1次回折光に対する位相調整量がπであり、0次回折光に対する位相調整量が0である。前半期において、0次回折光と1次回折光の相対的な位相調整量はπである。また、後半期において、1次回折光に対する位相調整量が0であり、0次回折光に対する位相調整量が0である。後半期において、0次回折光と1次回折光の相対的な位相調整量は0である。図13から図16の説明においては、0次回折光を第1から第6のパターンで変化させることにより、0次回折光と1次回折光との相対的な位相を変化させるが、本例のように、0次回折光の代わりに1次回折光の位相調整量を前半期と後半期とで変化させてもよい。例えば、0次回折光を第1乃至第6のパターンで変化させる代わりに、1次回折光を第1乃至第6のパターンで変化させることで、図13から図16で説明したのと同様に0次回折光と1次回折光との相対的な位相を変化させることができる。1次回折光を0次回折光を第1乃至第6のパターンで変化させる手法としては、例えば、図11の補正ブロック42の代わりに位相変調器を設けておき、この位相変調器に駆動信号DW2あるいは駆動信号DW3のような駆動信号を前半期と後半期とで切り替えて供給する手法がある。   In the example of FIG. 17B, the phase adjustment amount for the first-order diffracted light is π and the phase adjustment amount for the 0th-order diffracted light is 0 in the first half period. In the first half, the relative phase adjustment amount of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light is π. In the latter half of the period, the phase adjustment amount for the 1st-order diffracted light is 0, and the phase adjustment amount for the 0th-order diffracted light is 0. In the latter half of the period, the relative phase adjustment amount of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light is zero. In the description of FIGS. 13 to 16, by changing the 0th-order diffracted light in the first to sixth patterns, the relative phase of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light is changed. The phase adjustment amount of the 1st-order diffracted light instead of the 0th-order diffracted light may be changed between the first half and the second half. For example, instead of changing the 0th-order diffracted light in the first to sixth patterns, the 1st-order diffracted light is changed in the first to sixth patterns. The relative phase between the folded light and the first-order diffracted light can be changed. As a method of changing the 1st-order diffracted light into the 0th-order diffracted light in the first to sixth patterns, for example, a phase modulator is provided in place of the correction block 42 of FIG. 11, and the drive signal DW2 or There is a method of supplying a drive signal such as the drive signal DW3 by switching between the first half period and the second half period.

なお、±1次回折光と0次回折光との相対的な位相を調整するには、位相変調の対象を±1次回折光と0次回折光の双方としてもよい。この場合は、±1次回折光が入射する領域と0次回折光が入射する領域のそれぞれに、位相変調器41を配置すればよい。例えば、0次回折光が入射する領域と1次回折光が入射する領域とにわたって同じ位相変調器41が配置されていてもよいし、0次回折光が入射する領域と1次回折光が入射する領域とに、それぞれ位相変調器41が配置されていてもよい。   In addition, in order to adjust the relative phases of the ± 1st order diffracted light and the 0th order diffracted light, the target of phase modulation may be both the ± 1st order diffracted light and the 0th order diffracted light. In this case, the phase modulator 41 may be arranged in each of the region where the ± 1st order diffracted light enters and the region where the 0th order diffracted light enters. For example, the same phase modulator 41 may be arranged over the region where the 0th-order diffracted light is incident and the region where the 1st-order diffracted light is incident, or in the region where the 0th-order diffracted light is incident and the region where the 1st-order diffracted light is incident. Alternatively, the phase modulators 41 may be arranged respectively.

図17(C)の例では、前半期において、+1次回折光に対する位相調整量がα+πであり、−1次回折光に対する位相調整量が−α+πであり、0次回折光に対する位相調整量が0である。後半期において、+1次回折光に対する位相調整量がαであり、−1次回折光に対する位相調整量が−αであり、0次回折光に対する位相調整量が0である。このように、+1次回折光と−1次回折光とで位相調整量が異なっていてもよい。このようなα(オフセット)は、例えば、以下のように設定される。まず、2D−SIMモードにおいて、0次回折光を遮光し、+1次回折光に対して位相オフセットαを付与し、−1次回折光に対して位相オフセット−αを付与する。つまり、0次回折光に対する+1次回折光の位相オフセットと、0次回折光に対する−1次回折光の位相オフセットとを、等量反対符号に設定する。この状態でも、適正な2光束構造化照明を生成できる。そして、干渉縞の位相を切り換える際には、前述した定在波の波長を所定パターンで切り換える代わりに、位相オフセット量αを所定パターンで切り換える。例えば、位相オフセット量αを2π/3のピッチで3通りに切り換えれば、干渉縞の位相を2π/3のピッチで3通りに切り換えることができる。なお、0次回折光の代わりに1次回折光の位相を変化させることで、0次回折光と1次回折光との相対的な位相を調整することについては、図17(B)の説明と同様である。   In the example of FIG. 17C, in the first half, the phase adjustment amount for the + 1st order diffracted light is α + π, the phase adjustment amount for the −1st order diffracted light is −α + π, and the phase adjustment amount for the 0th order diffracted light is 0. . In the latter half of the period, the phase adjustment amount for the + 1st order diffracted light is α, the phase adjustment amount for the −1st order diffracted light is −α, and the phase adjustment amount for the 0th order diffracted light is 0. In this way, the + 1st-order diffracted light and the -1st-order diffracted light may have different phase adjustment amounts. Such α (offset) is set as follows, for example. First, in the 2D-SIM mode, the 0th-order diffracted light is blocked, the + 1st-order diffracted light is given a phase offset α, and the −1st-order diffracted light is given a phase offset −α. That is, the phase offset of the + 1st-order diffracted light with respect to the 0th-order diffracted light and the phase offset of the -1st-order diffracted light with respect to the 0th-order diffracted light are set to equal signs opposite to each other. Even in this state, proper two-beam structured illumination can be generated. Then, when switching the phase of the interference fringe, the phase offset amount α is switched in a predetermined pattern instead of switching the wavelength of the standing wave in the predetermined pattern. For example, if the phase offset amount α is switched in three ways at a pitch of 2π / 3, the phase of the interference fringes can be switched in three ways at a pitch of 2π / 3. Note that adjusting the relative phase of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light by changing the phase of the 1st-order diffracted light instead of the 0th-order diffracted light is the same as the description of FIG. 17B. .

なお、上述した実施形態では、干渉縞(2光束の干渉縞、3光束の干渉縞)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。   In the above-described embodiment, a combination of ± 1st-order diffracted light and 0th-order diffracted light is used as the diffracted light for forming the interference fringe (interference fringe of 2 light fluxes, interference fringe of 3 light fluxes), but other combinations May be used.

なお、撮像の1フレーム内において、位相変調器41に供給される駆動信号DW2は、分岐部13に供給される駆動信号DW1と位相がずれていてもよい。図18は、定在波の腹aの屈折率の時間変化と、0次回折光の位相変調量の時間変化との比較を示す図である。図18では、腹aの屈折率の時間変化を実線で示し、0次回折光の位相変調量の時間変化を破線で示した。   It should be noted that the drive signal DW2 supplied to the phase modulator 41 may be out of phase with the drive signal DW1 supplied to the branching unit 13 within one frame of imaging. FIG. 18 is a diagram showing a comparison between the time change of the refractive index of the antinode a of the standing wave and the time change of the phase modulation amount of the 0th-order diffracted light. In FIG. 18, the time change of the refractive index of the antinode a is shown by a solid line, and the time change of the phase modulation amount of the 0th-order diffracted light is shown by a broken line.

図18(A)において、腹aの屈折率の時間変化を示す波形と0次回折光の位相変調量の時間変化を示す波形との間の位相差ΔΨがπ/2の偶数倍に一致している。この場合、0次回折光の位相の変位する期間が、屈折率変化の前半期または後半期と一致するので、得られる画像のコントラストが最大となる。   In FIG. 18A, the phase difference ΔΨ between the waveform showing the time change of the refractive index of the antinode a and the waveform showing the time change of the phase modulation amount of the 0th-order diffracted light is equal to an even multiple of π / 2. There is. In this case, the period in which the phase of the 0th-order diffracted light is displaced coincides with the first half or the second half of the change in the refractive index, so that the contrast of the obtained image becomes maximum.

図18(B)において、腹aの屈折率の時間変化を示す波形と0次回折光の位相変調量の時間変化を示す波形との間の位相差ΔΨがπ/2の偶数倍に一致していない。この場合、前半期と後半期それぞれで干渉縞Sbの位相が反転するため、互いに打ち消しあって干渉縞のコントラストが低下する。そのため、ΔΨはπ/2の偶数倍に等しいことが望ましいが、復調処理に必要とされる明部と暗部とのコントラストを確保できる範囲内において、ΔΨは、π/2の偶数倍からずれていてもよい。   In FIG. 18B, the phase difference ΔΨ between the waveform showing the time change of the refractive index of the antinode a and the waveform showing the time change of the phase modulation amount of the 0th-order diffracted light coincides with an even multiple of π / 2. Absent. In this case, the phases of the interference fringes Sb are inverted in the first half and the second half, respectively, so that they cancel each other out and the contrast of the interference fringes decreases. Therefore, it is desirable that ΔΨ be equal to an even multiple of π / 2, but ΔΨ is deviated from an even multiple of π / 2 within a range in which the contrast between the bright portion and the dark portion required for demodulation processing can be secured. May be.

図18(C)において、腹aの屈折率の時間変化を示す波形と0次回折光の位相変調量の時間変化を示す波形との間の位相差ΔΨは、π/2の奇数倍に一致している。この場合、撮像の1フレームに含まれる前半期の露光総量と後半期の露光総量が同じであり、得られる画像のコントラストがほぼ0となる。そのため、図18(B)のように、ΔΨがπ/2の偶数倍からずれていたとしても、π/2の奇数倍とはならないように設定される。   In FIG. 18C, the phase difference ΔΨ between the waveform showing the time change of the refractive index of the antinode a and the waveform showing the time change of the phase modulation amount of the 0th-order diffracted light coincides with an odd multiple of π / 2. ing. In this case, the total exposure amount in the first half period and the total exposure amount in the second half period included in one frame of imaging are the same, and the contrast of the obtained image is almost zero. Therefore, as shown in FIG. 18B, even if ΔΨ is deviated from an even multiple of π / 2, it is set so as not to be an odd multiple of π / 2.

なお、3D−SIMモードにおいて、屈折率の時間変化波形と0次回折光の位相変調量の時間変化波形との間の位相差ΔΨの調整は、制御装置4が自動で行ってもよいし、ユーザが手動で行ってもよい。例えば、調整中の画像のコントラストをユーザが確認できるよう、撮像装置3から出力される画像を制御装置4がリアルタイムで表示装置5へ表示してもよい。   In the 3D-SIM mode, the controller 4 may automatically adjust the phase difference ΔΨ between the time-varying waveform of the refractive index and the time-varying waveform of the phase modulation amount of the 0th-order diffracted light. May be done manually. For example, the control device 4 may display the image output from the imaging device 3 on the display device 5 in real time so that the user can check the contrast of the image being adjusted.

なお、3D−SIMモードにおいて、位相変調器41の駆動信号の周波数は、分岐部13の駆動信号の周波数を正弦信号の周波数と一致しなくてもよい。図19は、位相変調器41の駆動信号の他の例を示す図である。例えば、位相変調器41の駆動信号の周波数を、分岐部13の駆動信号の周波数の1/N倍(Nは1以上の整数)に設定し、位相変調器41の駆動信号のデューティー比(信号のレベルがHの期間/駆動信号の周期)を1/(2N)に設定してもよい。図19は、N=3とした場合の例である。   In the 3D-SIM mode, the frequency of the drive signal of the phase modulator 41 may not match the frequency of the drive signal of the branch unit 13 with the frequency of the sine signal. FIG. 19 is a diagram showing another example of the drive signal of the phase modulator 41. For example, the frequency of the drive signal of the phase modulator 41 is set to 1 / N times (N is an integer of 1 or more) the frequency of the drive signal of the branch unit 13, and the duty ratio (signal May be set to 1 / (2N). FIG. 19 is an example when N = 3.

この場合、位相変調器41は、分岐部13による定在波の3周期のうち1周期において前半期と後半期との位相を調整する。このような場合にであっても、位相を調整した1周期において明部と暗部とのコントラストが得られる。また、このような場合に、撮像装置3は、位相変調器41が位相を調整した1周期において電荷蓄積を行い、位相変調器41が位相を調整しない2周期において電荷蓄積を行わなくてもよい。この場合、電荷蓄積期間は、例えば、位相変調周期(N×T)のうち、0次回折光の位相の変位する期間(T/2)と、その前又は後における同等期間(T/2)とを合わせた期間(T)に設定されればよい。なお、デューティー比は、コントラストが確保できる範囲内において、デューティー比は1/(2N)からずれていてもよい。また、位相変調器41の駆動信号は、矩形波状でなくてもよく、例えば正弦波状であってもよいし、他の波形であってもよい。   In this case, the phase modulator 41 adjusts the phases of the first half period and the second half period in one of the three cycles of the standing wave by the branch unit 13. Even in such a case, the contrast between the bright portion and the dark portion can be obtained in one cycle in which the phase is adjusted. Further, in such a case, the imaging device 3 does not have to perform charge accumulation in one cycle in which the phase modulator 41 adjusts the phase, and does not perform charge accumulation in two cycles in which the phase modulator 41 does not adjust the phase. . In this case, the charge accumulation period is, for example, a period (T / 2) in which the phase of the 0th-order diffracted light is displaced and an equivalent period (T / 2) before or after the phase modulation period (N × T). The time period (T) may be set as The duty ratio may deviate from 1 / (2N) within a range where the contrast can be secured. Further, the drive signal of the phase modulator 41 does not have to have a rectangular wave shape, and may have, for example, a sine wave shape or another waveform.

なお、位相調整部14は、回折光の位相を変調する位相変調器41を備えるが、位相変調器41の代わりに又は位相変調器41と併用して、厚さが異なる屈折部材を備えていてもよい。厚さの異なる屈折部材は、例えば、楔形や階段状のガラス部材などであってもよい。例えば、0次回折光の入射する領域に楔形や階段状のガラス部材を配置し、所定の方向にガラス部材を移動させる、或いは、所定の軸を中心としてガラス部材を回転させることで、0次回折光が通過するガラス部材の厚さを周期的に変化させて、ガラス部材を通過する回折光の位相を変調することも可能である。   The phase adjusting unit 14 includes the phase modulator 41 that modulates the phase of the diffracted light. However, instead of the phase modulator 41 or in combination with the phase modulator 41, the phase adjusting unit 14 includes refraction members having different thicknesses. Good. The refraction members having different thicknesses may be, for example, wedge-shaped or step-shaped glass members. For example, by disposing a wedge-shaped or step-shaped glass member in a region where the 0th-order diffracted light enters and moving the glass member in a predetermined direction, or by rotating the glass member about a predetermined axis, the 0th-order diffracted light is generated. It is also possible to periodically change the thickness of the glass member that passes through to modulate the phase of the diffracted light that passes through the glass member.

なお、分岐部13において、音波伝搬路Rを伝播する音波の方向は3方向でなくてもよく、例えば1方向、2方向、又は4方向以上であってもよい。また、トランスデューサに与えられる交流電圧の周波数の変化パターンは、定在波の波本数がM/2本ずつ変化するようなパターンであればよい。この場合、干渉縞の位相のシフト量のピッチを任意の値Δψに設定するためには、音波伝搬路の一端から入射領域Saの中心までの距離Dと、音波伝搬路の全長Lとは、D:L=Δψ/M:2πの関係を満たせばよい。M=1の場合には、定在波の本数が1/2本ずつしか変化しないので、縞本数のずれを抑えることができる。また、分離演算に使用する画像データの数がkである場合は、Δψ=2π/kとすれば、画像データに取得することができる。但し、kは3以上の整数であることが好ましい。   In the branching section 13, the directions of the sound waves propagating through the sound wave propagation path R do not have to be three directions, and may be, for example, one direction, two directions, or four or more directions. Further, the frequency change pattern of the AC voltage applied to the transducer may be a pattern in which the number of standing waves changes by M / 2. In this case, in order to set the pitch of the phase shift amount of the interference fringes to an arbitrary value Δψ, the distance D from one end of the sound wave propagation path to the center of the incident area Sa and the total length L of the sound wave propagation path are It suffices to satisfy the relationship of D: L = Δψ / M: 2π. When M = 1, the number of standing waves changes only by 1/2, so that the deviation of the number of stripes can be suppressed. Further, when the number of image data used for the separation calculation is k, if Δψ = 2π / k, the image data can be acquired. However, k is preferably an integer of 3 or more.

なお、分岐部13の音波伝搬路Rにおける光の通過領域(入射領域Sa)は、音波伝搬路Rの両端から離れた部分領域に制限されていなくてもよい。例えば、音波伝搬路Rを通過した光を視野絞り32により絞る場合、音波伝搬路Rのうち試料Xの照明領域に形成される干渉縞に寄与する光のする領域が、D:L=Δψ/M:2πの関係を満たしていればよい。   The light passage area (incident area Sa) of the branch 13 in the sound wave propagation path R does not have to be limited to a partial area distant from both ends of the sound wave propagation path R. For example, when the light passing through the sound wave propagation path R is narrowed down by the field stop 32, the area of the sound wave propagation path R where the light contributing to the interference fringes formed in the illumination area of the sample X is D: L = Δψ / It is only necessary to satisfy the relationship of M: 2π.

図20は、分岐部13の他の例を示す図である。この分岐部13において、3つの音波伝搬路Ra、Rb、Rcは、入射領域Saの中心に関して回転対称な関係で配置されている。なお、上述の実施形態において、音波伝搬路Ra〜Rcの長さが同じであり、トランスデューサ23a〜23cに与えられる駆動信号が共通であるが、音波伝搬路Ra、Rb、Rcの長さが互いに異なり、トランスデューサ23a〜23cに与えられる駆動信号が互いに異なっていてもよい。   FIG. 20 is a diagram showing another example of the branch unit 13. In this branch portion 13, the three sound wave propagation paths Ra, Rb, and Rc are arranged in a rotationally symmetric relationship with respect to the center of the incident area Sa. In the above-described embodiment, the sound wave propagation paths Ra to Rc have the same length and the drive signals given to the transducers 23a to 23c are common, but the sound wave propagation paths Ra, Rb, and Rc have the same length. Differently, the drive signals given to the transducers 23a-23c may be different from each other.

なお、本発明の技術範囲は、上述の実施形態などで説明した態様に限定されるものではない。上述の実施形態などで説明した要件の1つ以上は、省略されることがある。また、上述の実施形態などで説明した要件は、適宜組み合わせることができる。また、法令で許容される限りにおいて、上述の実施形態などで引用した全ての文献の開示を援用して本文の記載の一部とする。   Note that the technical scope of the present invention is not limited to the modes described in the above embodiments and the like. One or more of the requirements described in the above embodiments and the like may be omitted. Further, the requirements described in the above-described embodiments and the like can be combined as appropriate. In addition, as long as it is permitted by law, the disclosures of all the documents cited in the above-mentioned embodiments are incorporated into the description of the text.

1・・・顕微鏡装置、2・・・構造化照明装置、3・・・撮像装置、4・・・制御装置、11・・・照明光学系、13・・・光変調器、14・・・位相調整部、56・・・制御部、DW1・・・駆動信号、DW2・・・駆動信号、DW3・・・駆動信号、DW4・・・駆動信号、R・・・音波伝搬路、X・・・試料 1 ... Microscope device, 2 ... Structured illumination device, 3 ... Imaging device, 4 ... Control device, 11 ... Illumination optical system, 13 ... Optical modulator, 14 ... Phase adjuster, 56 ... Control unit, DW1 ... Drive signal, DW2 ... Drive signal, DW3 ... Drive signal, DW4 ... Drive signal, R ... Sound wave propagation path, X ... ·sample

Claims (10)

音波定在波が生成され、入射した光を複数の光束に分岐する光変調器と、
前記複数の光束の少なくとも一部を干渉させて、干渉縞で試料を照明する照明光学系と、
前記干渉縞が照射された前記試料の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試料の像を撮像する撮像部と、
前記複数の光束の少なくとも1つの光束の位相を変化させる位相調整部と、
制御部と、
を有し、
前記制御部は、
前記光変調器に第1の駆動信号を与えて前記音波定在波を生成させたとき、
前記位相調整部に前記位相を第1のパターンで変化させて前記撮像部に第1の画像を撮像させ、前記位相調整部に前記位相を第2のパターンで変化させて前記撮像部に第2の画像を撮像させ、
前記光変調器に第2の駆動信号を与えて前記音波定在波を生成させたとき、
前記位相調整部に前記位相を第3のパターンで変化させて前記撮像部に第3の画像を撮像させ、前記位相調整部に前記位相を第4のパターンで変化させて前記撮像部に第4の画像を撮像させ、
前記光変調器に第3の駆動信号を与えて前記音波定在波を生成させたとき、
前記位相調整部に前記位相を第5のパターンで変化させて前記撮像部に第5の画像を撮像させ、前記位相調整部に前記位相を第6のパターンで変化させて前記撮像部に第6の画像を撮像させる
顕微鏡装置。
An optical modulator that generates a sound wave standing wave and splits incident light into a plurality of light fluxes,
An illumination optical system that interferes at least a part of the plurality of light fluxes and illuminates a sample with interference fringes,
An imaging optical system that forms an image of the sample irradiated with the interference fringes,
An image capturing section configured to capture an image of the sample formed by the image forming optical system;
A phase adjustment unit that changes the phase of at least one light beam of the plurality of light beams;
A control unit,
Have
The control unit is
When a first drive signal is applied to the optical modulator to generate the sonic standing wave,
The phase adjusting unit changes the phase in a first pattern to cause the image capturing unit to capture a first image, and the phase adjusting unit changes the phase in a second pattern to cause the image capturing unit to generate a second image. Image of
When a second driving signal is applied to the optical modulator to generate the sonic standing wave,
The phase adjusting unit changes the phase in a third pattern to cause the image capturing unit to capture a third image, and the phase adjusting unit changes the phase in a fourth pattern to cause the image capturing unit to acquire a fourth image. Image of
When a third driving signal is applied to the optical modulator to generate the sonic standing wave,
The phase adjusting unit changes the phase in a fifth pattern to cause the image capturing unit to capture a fifth image, and the phase adjusting unit changes the phase in a sixth pattern to cause the image capturing unit to perform a sixth image. A microscope device that captures images of.
前記制御部は、前記撮像部に撮像させた複数の画像のうち少なくとも5枚の画像を用いて、前記試料の画像を生成する
請求項1に記載の顕微鏡装置。
The microscope apparatus according to claim 1, wherein the control unit generates an image of the sample using at least five images out of a plurality of images captured by the imaging unit.
前記第1のパターン、前記第2のパターン、前記第3のパターン、前記第4のパターン、前記第5のパターンおよび前記第6のパターンは、それぞれ、2種類の位相調整量を時間に応じて付与して前記位相を変化させるパターンであり、前記2種類の位相調整量の差はπである
請求項1又は請求項2に記載の顕微鏡装置。
The first pattern, the second pattern, the third pattern, the fourth pattern, the fifth pattern, and the sixth pattern each have two types of phase adjustment amounts according to time. The microscope apparatus according to claim 1 or 2, wherein the microscope is a pattern that is applied to change the phase, and a difference between the two types of phase adjustment amounts is π.
前記第1のパターン、前記第3のパターンおよび前記第5のパターンは、それぞれ、第1の位相調整量と第2の位相調整量とを時間に応じて付与して前記位相を変化させるパターンであり、
前記第2のパターン、前記第4のパターンおよび前記第6のパターンは、それぞれ、前記第1の位相調整量にπを加算した位相調整量と、前記第2の位相調整量にπを加算した位相調整量とを時間に応じて付与して、前記位相を変化させるパターンである
請求項3に記載の顕微鏡装置。
The first pattern, the third pattern, and the fifth pattern are patterns that change the phase by applying a first phase adjustment amount and a second phase adjustment amount according to time. Yes,
In each of the second pattern, the fourth pattern, and the sixth pattern, a phase adjustment amount obtained by adding π to the first phase adjustment amount and π is added to the second phase adjustment amount. The microscope device according to claim 3, which is a pattern for changing the phase by applying a phase adjustment amount according to time.
前記第1のパターン、前記第3のパターンおよび前記第5のパターンは、それぞれ、第1の位相調整量と第2の位相調整量とを時間に応じて交互に付与して前記位相を変化させるパターンであり、
前記第2のパターン、前記第4のパターンおよび前記第6のパターンは、それぞれ、前記第1のパターン、前記第3のパターンおよび前記第5のパターンを反転させたパターンである
請求項3に記載の顕微鏡装置。
In the first pattern, the third pattern, and the fifth pattern, a first phase adjustment amount and a second phase adjustment amount are alternately applied according to time to change the phase. Pattern,
The said 2nd pattern, the said 4th pattern, and the said 6th pattern are the patterns which reversed the said 1st pattern, the said 3rd pattern, and the said 5th pattern, respectively. Microscope device.
前記複数の光束は、前記光変調器により回折された回折光であり、
前記位相調整部は、前記回折光のうち0次回折光の位相を変化させる
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の顕微鏡装置。
The plurality of light fluxes are diffracted light diffracted by the light modulator,
The microscope apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the phase adjustment unit changes a phase of 0th-order diffracted light in the diffracted light.
前記複数の光束は、前記光変調器により回折された回折光であり、
前記位相調整部は、前記回折光のうち1次回折光の位相を変化させる
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の顕微鏡装置。
The plurality of light fluxes are diffracted light diffracted by the light modulator,
The microscope apparatus according to claim 1, wherein the phase adjustment unit changes a phase of first-order diffracted light of the diffracted light.
前記光変調器は、前記音波定在波を生成する方向を、前記光が入射する方向と交差する面内において、複数の方向で切り替える
請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の顕微鏡装置
The said optical modulator switches the direction which generate | occur | produces the said acoustic wave standing wave in several directions within the surface which intersects with the direction which the said light injects, The any one of Claim 1 to Claim 7 characterized by the above-mentioned. Microscope device .
音波定在波が生成され、入射した光を光変調器によって複数の光束に分岐することと、
前記複数の光束の少なくとも一部を干渉させて、干渉縞で試料を照明することと、
前記干渉縞が照射された前記試料の像を形成することと、
前記形成された前記試料の像を撮像することと、
前記複数の光束の少なくとも1つの光束の位相を変化させることと、
前記光変調器による前記音波定在波の生成、前記位相の変化、及び前記撮像を制御することと、を含み、
前記制御は、
前記光変調器に第1の駆動信号を与えて前記音波定在波を生成させたとき、前記位相を第1のパターンで変化させて第1の画像を撮像させ、前記位相を第2のパターンで変化させて第2の画像を撮像させることと、
前記光変調器に第2の駆動信号を与えて前記音波定在波を生成させたとき、前記位相を第3のパターンで変化させて第3の画像を撮像させ、前記位相を第4のパターンで変化させて第4の画像を撮像させることと、
前記光変調器に第3の駆動信号を与えて前記音波定在波を生成させたとき、前記位相を第5のパターンで変化させて第5の画像を撮像させ、前記位相を第6のパターンで変化させて第6の画像をさせることと、を含む
観察方法。
A sound wave standing wave is generated, and the incident light is split into a plurality of light fluxes by an optical modulator,
Illuminating the sample with interference fringes by interfering at least a portion of the plurality of light fluxes;
Forming an image of the sample illuminated with the interference fringes;
Capturing an image of the formed sample,
Changing the phase of at least one light beam of the plurality of light beams;
Controlling the generation of the sonic standing wave by the light modulator, the change of the phase, and the imaging,
The control is
When a first drive signal is applied to the optical modulator to generate the acoustic wave standing wave, the phase is changed in a first pattern to capture a first image, and the phase is changed to a second pattern. To capture the second image by changing the
When a second drive signal is applied to the optical modulator to generate the sonic standing wave, the phase is changed in a third pattern to capture a third image, and the phase is changed to a fourth pattern. To change the image to capture the fourth image,
When a third driving signal is applied to the optical modulator to generate the sonic standing wave, the phase is changed in a fifth pattern to capture a fifth image, and the phase is changed to a sixth pattern. And making the sixth image by changing the observation method.
音波定在波が生成され、入射した光を複数の光束に分岐する光変調器と、
前記複数の光束の少なくとも一部を干渉させて、干渉縞で試料を照明する照明光学系と、
前記干渉縞が照射された前記試料の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試料の像を撮像する撮像部と、
前記複数の光束の少なくとも1つの光束の位相を変化させる位相調整部と、
を有する顕微鏡装置の制御をコンピュータに実行させる制御プログラムであって、
前記制御は、
前記光変調器に第1の駆動信号を与えて前記音波定在波を生成させたとき、前記位相調整部に前記位相を第1のパターンで変化させて前記撮像部に第1の画像を撮像させ、前記位相調整部に前記位相を第2のパターンで変化させて前記撮像部に第2の画像を撮像させることと、
前記光変調器に第2の駆動信号を与えて前記音波定在波を生成させたとき、前記位相調整部に前記位相を第3のパターンで変化させて前記撮像部に第3の画像を撮像させた後、前記位相調整部に前記位相を第4のパターンで変化させて前記撮像部に第4の画像を撮像させることと、
前記光変調器に第3の駆動信号を与えて前記音波定在波を生成させたとき、前記位相調整部に前記位相を第5のパターンで変化させて前記撮像部に第5の画像を撮像させ前記位相調整部に前記位相を第6のパターンで変化させて前記撮像部に第6の画像を撮像させることと、を含む
制御プログラム。
An optical modulator that generates a sound wave standing wave and splits incident light into a plurality of light fluxes,
An illumination optical system that interferes at least a part of the plurality of light fluxes and illuminates a sample with interference fringes,
An imaging optical system that forms an image of the sample irradiated with the interference fringes,
An image capturing section configured to capture an image of the sample formed by the image forming optical system;
A phase adjustment unit that changes the phase of at least one light beam of the plurality of light beams;
A control program for causing a computer to execute control of a microscope apparatus having:
The control is
When a first drive signal is given to the optical modulator to generate the sonic standing wave, the phase adjusting unit changes the phase in a first pattern and the image capturing unit captures a first image. And causing the phase adjusting unit to change the phase in a second pattern to cause the image capturing unit to capture a second image,
When a second driving signal is applied to the optical modulator to generate the sonic standing wave, the phase adjusting unit changes the phase in a third pattern and the image capturing unit captures a third image. And then causing the phase adjusting unit to change the phase in a fourth pattern to cause the image capturing unit to capture a fourth image,
When a third drive signal is applied to the optical modulator to generate the sonic standing wave, the phase adjusting unit changes the phase in a fifth pattern to capture a fifth image in the image capturing unit. And causing the phase adjusting unit to change the phase in a sixth pattern to cause the image capturing unit to capture a sixth image.
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