WO2020179036A1

WO2020179036A1 - 顕微鏡

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Publication number: WO2020179036A1
Application number: PCT/JP2019/008966
Authority: WO
Inventors: 陽輔藤掛; 中山　繁
Original assignee: 株式会社ニコン
Priority date: 2019-03-06
Filing date: 2019-03-06
Publication date: 2020-09-10
Also published as: US20210389577A1

Abstract

顕微鏡は、試料面上の試料に光を照射して縞状の照明である縞照明を形成する照明光学系と、縞照明と試料とを、試料面の面内方向に相対走査させる走査部と、縞照明を複数の位相状態に設定する位相変調素子と、縞照明により照明された試料からの光が入射する検出光学系と、検出光学系に対して試料面と共役な位置に複数配置され、試料面上の試料からの光を検出する検出部と、縞照明が複数の位相状態の各状態にあるときに試料面の面内方向の複数の相対位置において複数の検出部が検出した検出結果を用いて出力画像を生成する画像処理部と、を備える。

Description

顕微鏡

　本発明は、顕微鏡に関する。

　試料からの蛍光を検出する走査型顕微鏡が提案されている（例えば、下記の非特許文献１参照）。

Confocal laser scanning microscopy with spatiotemporal structured illumination, Peng Gao, G. Ulrich Nienhaus, Optics Letters, Vol.41, No.6, 1193-1196, 2016.3.15

　本発明の第１の態様の顕微鏡は、試料面上の試料に光を照射して縞状の照明である縞照明を形成する照明光学系と、前記縞照明と前記試料とを、前記試料面の面内方向に相対走査させる走査部と、前記縞照明を複数の位相状態に設定する位相変調素子と、前記縞照明により照明された試料からの光が入射する検出光学系と、前記検出光学系に対して前記試料面と共役な位置に複数配置され、前記試料面上の試料からの光を検出する検出部と、前記縞照明が前記複数の位相状態の各状態にあるときに前記試料面の面内方向の複数の相対位置において複数の前記検出部が検出した検出結果を用いて出力画像を生成する画像処理部と、を備える。

第１実施形態の顕微鏡および励起光の光路を示す図である。第１実施形態におけるマスクおよび偏光子を示す図である。第１実施形態におけるマスク、偏光子、干渉縞、及び励起光の偏光状態を示す図である。第１実施形態における位相変調素子を示す図である。干渉縞の複数の位相状態を示す図である。第１実施形態の顕微鏡および蛍光の光路を示す図である。第１実施形態における画像取得フローの一例を示すフローチャートである。第１実施形態における画像処理の一例を示すフローチャートである。第１実施形態の検出装置の各位置における実効ＰＳＦを示す図である。第２実施形態の顕微鏡の一部を表す図。第２実施形態における画像取得フローの一例を示すフローチャートである。第２実施形態における画像処理の一例を示すフローチャートである。第３実施形態の顕微鏡を示す図である。第４実施形態の顕微鏡を示す図である。第５実施形態の顕微鏡を示す図である。第６実施形態の顕微鏡を示す図である。第７実施形態の顕微鏡を示す図である。第７実施形態のマスクおよび励起光の偏光状態を示す図である。第７実施形態における瞳共役面Ｐ１における励起光Ｌ１の分布を示す図である。第８実施形態の顕微鏡を示す図である。第８実施形態の励起光の偏光状態を示す図である。第９実施形態の顕微鏡を示す図である。第９実施形態のマスクを示す図である。第１０実施形態の顕微鏡を示す図である。変形例における照明瞳を示す図である。変形例における照明瞳を示す図である。第１１実施形態の顕微鏡を示す図である。偏光調整部の第１の変形例を示す図である。偏光調整部の第２の変形例を示す図である。

（顕微鏡の第１実施形態）
　顕微鏡の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態の顕微鏡および励起光の光路を示す図である。以下の実施形態において、顕微鏡１は走査型の蛍光顕微鏡であるものとして説明するが、第１実施形態の顕微鏡は、走査型の顕微鏡あるいは蛍光顕微鏡に限定されない。顕微鏡１は、ステージ２と、光源３と、照明光学系４と、検出光学系５と、検出装置６とを備えている。顕微鏡１は、さらに制御部ＣＢと画像処理部７とを有する制御装置ＣＵを備えている。顕微鏡１は、概略すると以下のように動作する。

　ステージ２は、観察対象の試料Ｓを保持する。試料Ｓは、予め蛍光染色された細胞などである。試料Ｓは、蛍光色素などの蛍光物質を含む。光源３は、試料Ｓに含まれる蛍光物質を励起する励起光Ｌ１を発する。照明光学系４は、干渉縞Ｌ２を形成し、試料Ｓに対して、干渉縞Ｌ２を複数の方向（例、Ｘ方向、Ｙ方向）に、干渉縞Ｌ２の明暗の位相の複数の位相状態において走査する。ステージ２は、照明光学系４による干渉縞Ｌ２の走査範囲よりも広範な範囲で、試料Ｓと照明光学系４との図１のＸ方向およびＹ方向の相対位置を移動させることができる。

　検出光学系５は、試料Ｓからの蛍光Ｌ３（後に図６に示す）が入射する位置に配置される。検出装置６は、検出光学系５を介して試料Ｓからの蛍光Ｌ３を検出する複数の検出部６ａ（後に図６に示す）を含む。画像処理部７は、検出装置６の２以上の検出部６ａの検出結果を用いて、出力画像（例、超解像画像）を生成する。以下、顕微鏡１の各部について説明する。

　光源３は、例えばレーザー素子などの光源を含む。光源３は、所定の波長帯の可干渉光を発生する。所定の波長帯は、試料Ｓの励起波長を含む波長帯に設定される。光源３から出射する励起光Ｌ１は、例えば直線偏光光である。光源３の出射口には、光ファイバー１１などの導光部材が接続されている。なお、顕微鏡１は、光源３を備えなくてもよく、光源３は、顕微鏡１と別に提供されてもよい。例えば、光源３は、顕微鏡１に交換可能（取り付け可能、取り外し可能）に設けられてもよい。光源３は、顕微鏡１による観察時などに、顕微鏡１に外付けされてもよい。

　照明光学系４は、光源３からの励起光Ｌ１が入射する位置に配置されている。照明光学系４には、光源３から光ファイバー１１を介して励起光Ｌ１が入射する。光ファイバー１１は、照明光学系４の一部でもよいし、光源３を含む光源装置の一部でもよい。照明光学系４は、光源３側から試料Ｓ側へ向かう順に、コリメーターレンズ１２、λ／４波長板１３、偏光子１４、マスク１５（開口部材）、位相変調素子２５、ダイクロイックミラー１６、リレー光学系１７、光路変更部１８、レンズ１９、レンズ２０、及び対物レンズ２１を備えている。

　以下の説明において、適宜、図１などに示すＸＹＺ直交座標系を参照する。このＸＹＺ直交座標系において、Ｘ方向およびＹ方向は、それぞれ、対物レンズ２１の光軸２１ａに垂直な方向である。また、Ｚ方向は、対物レンズ２１の光軸２１ａに平行な方向である。なお、対物レンズ２１の光軸２１ａは、照明光学系４の光軸４ａと一致している。また、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向のそれぞれについて、適宜、矢印と同じ側を＋側（例、＋Ｘ側）と称し、矢印と反対側を－側（例、－Ｘ側）と称する。また、反射によって光路が折れ曲がる場合、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向のそれぞれに対応する方向を、添え字を付けて表す。例えば、図１のＸａ方向、Ｙａ方向、Ｚａ方向は、それぞれ、コリメーターレンズ１２からダイクロイックミラー１６までの光路において、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に対応する方向である。

　コリメーターレンズ１２は、光ファイバー１１から出射する励起光Ｌ１を平行光に変換する。コリメーターレンズ１２は、例えば、その光源３と同じ側の焦点が光ファイバー１１の光出射口と一致するように配置されている。以下の説明において、照明光学系４に含まれるレンズについて、適宜、光源３と同じ側の焦点を後側焦点と称し、試料Ｓと同じ側の焦点を前側焦点と称する。

　λ／４波長板１３は、励起光Ｌ１の偏光状態を円偏光にする。偏光子１４は、例えば偏光板であり、所定の偏光方向の直線偏光光が透過する特性を有する。偏光子１４は、試料Ｓに入射する光がＳ偏光（Ｙ方向の直線偏光）となるように、配置されている。偏光子１４は、コリメーターレンズ１２の光軸１２ａの周りで回転可能である。コリメーターレンズ１２の光軸１２ａは、照明光学系４の光軸４ａと一致している。

　マスク１５は、蛍光物質を励起する励起光を複数の光束に分割する光束分割部である。照明光学系４は、マスク１５が分割した複数の光束のうち２以上の光束の干渉によって生成される干渉縞Ｌ２によって、試料Ｓを走査する。マスク１５は、対物レンズ２１の瞳面Ｐ０と光学的に共役な瞳共役面Ｐ１の位置またはその近傍に配置されている。対物レンズ２１の瞳面Ｐ０と光学的に共役な瞳共役面の近傍とは、瞳共役面を含む領域のうち励起光Ｌ１が平行光線と見なせる範囲である。例えば、励起光Ｌ１がガウスビームの場合は、ビームウェストの位置からレイリー長の１／１０以内の範囲であれば十分に平行光線と見なすことが出来る。レイリー長は励起光Ｌ１の波長をλ、ビームウェスト半径をｗ_０としたとき、πｗ_０ ^２／λで与えられる。例えば、励起光Ｌ１の波長が１ｕｍ、ビームウェスト半径が１ｍｍの時、レイリー長はおよそ３ｍとなり、マスク１５は対物レンズ２１の瞳面Ｐ０と光学的に共役な瞳共役面Ｐ１の近傍３００ｍｍ以内に配置されてもよい。マスク１５は、瞳面Ｐ０またはその近傍に配置されていてもよい。

　マスク１５は、励起光Ｌ１が通る開口１５ａおよび開口１５ｂを有する。開口１５ａを通った励起光Ｌ１ａと開口１５ｂを通った励起光Ｌ１ｂとの干渉によって、干渉縞Ｌ２が形成される。マスク１５は、コリメーターレンズ１２の光軸１２ａの周りで回転可能である。マスク１５は、例えば偏光子１４と相対的に固定され、偏光子１４と一体的に回転する。マスク１５および偏光子１４は、マスク駆動部２２から供給されるトルクによって回転する。

　図２（Ａ）は、第１実施形態におけるマスクを示す図である。マスク１５の開口１５ａ、開口１５ｂは、コリメーターレンズ１２（図１参照）の光軸１２ａに関して、対称的に配置されている。図２（Ａ）の状態において、開口１５ａ、開口１５ｂは、Ｘａ方向に並んでいる。図２（Ｂ）は、第１実施形態における偏光子を示す図である。偏光子１４の透過軸１４ａは、マスク１５において開口１５ａ、開口１５ｂが並ぶ方向（図２（Ａ）ではＸａ方向）に対して、垂直な方向（図２（Ｂ）ではＹａ方向）と平行に設定されている。図２（Ｃ）は、対物レンズ２１の瞳面Ｐ０を示す図である。符号Ｐ０ａ、Ｐ０ｂは、それぞれ、励起光Ｌ１が入射する領域である。図２（Ｃ）に示すパラメーターについては、後に画像処理部７の説明において参照する。

　位相変調素子２５は、一例として、略円板形状のガラス板であり、位相変調素子駆動部２６から供給されるトルクによって光軸４ａの周りで回転可能である。
　図４は、位相変調素子２５の一例を示す図である。図４（Ａ）は位相変調素子２５を図１のＺａ方向に垂直な方向（例えばＸａ方向）から見た図である。図４（Ｂ）～図４（Ｄ）は位相変調素子２５を図１のＺａ方向から見た図であり、１つの位相変調素子２５が中心Ｃｎを中心として相互に異なる角度だけ回転した状態を表している。位相変調素子２５は、中心Ｃｎが図１の照明光学系４の光軸４ａに略一致するように配置されている。

　略円板形状の位相変調素子２５の厚さは領域２５ｃ、領域２５ｄ、領域２５ｅとで異なっており、各領域を透過する光束の間に位相差を与える。
　図４（Ｂ）に示す回転角度の位相変調素子２５の場合、開口１５ａを通った励起光Ｌ１ａと開口１５ｂを通った励起光Ｌ１ｂは、共に領域２５ｃを透過するため、励起光Ｌ１ａと励起光Ｌ１ｂの間には位相差は付加されない。
　しかし、図４（Ｃ）に示す回転角度の位相変調素子２５の場合、励起光Ｌ１ａは領域２５ｃを透過し、励起光Ｌ１ｂは領域２５ｄを透過するため、励起光Ｌ１ａと励起光Ｌ１ｂの間には所定の第１の位相差（例えば２π／３[rad]）が付加される。
　また、図４（Ｄ）に示す回転角度の位相変調素子２５の場合、励起光Ｌ１ａは領域２５ｃを透過し、励起光Ｌ１ｂは領域２５ｅを透過するため、励起光Ｌ１ａと励起光Ｌ１ｂの間には所定の第２の位相差（例えば４π／３[rad]）が付加される。

　従って、位相変調素子２５の回転角度を、図４（Ｂ）の状態から図４（Ｃ）および図４（Ｄ）の状態に順次変更することによって、励起光Ｌ１ａと励起光Ｌ１ｂの間の位相差を順次変更することができ、干渉縞Ｌ２の明暗の位相を変更することができる。
　なお、上述の例では、図４（Ｂ）に示した位相変調素子２５の回転角度においては、励起光Ｌ１ａと励起光Ｌ１ｂの間に位相差が付加されないものとした。しかし、これに限らず、３つの回転角度のいずれにおいても、励起光Ｌ１ａと励起光Ｌ１ｂの間に、それぞれ値の異なる位相差が付加される構成としてもよい。この場合にも、励起光Ｌ１ａと励起光Ｌ１ｂとの間に付加される位相差が、上記の３つの回転角度において一例として相互に２π／３[rad]ずつ異なるようにすることもできる。

　なお、励起光Ｌ１ａと励起光Ｌ１ｂとの間に付加される位相差は、上述の３つの回転角度において必ずしも２π／３[rad]ずつ異ならなくてもよい。
　また、位相変調素子２５の各領域２５ｃ～２５ｅは、上述のように位相変調素子２５自体の厚さを領域毎に異ならせたものに限られるわけではなく、均一な厚さのガラス円板の少なくとも２カ所の領域に所定の厚さの薄膜を形成したものであっても良い。

　図１の説明に戻り、ダイクロイックミラー１６は、励起光Ｌ１が反射し、かつ試料Ｓからの蛍光Ｌ３（後に図６に示す）が透過する特性を有する。マスク１５の開口１５ａ、開口１５ｂおよび位相変調素子２５を通った励起光Ｌ１は、ダイクロイックミラー１６で反射して光路が折れ曲がり、リレー光学系１７に入射する。リレー光学系１７は、ダイクロイックミラー１６からの励起光Ｌ１を光路変更部１８へ導く。リレー光学系１７は、図中１枚のレンズで表されているが、リレー光学系１７に含まれるレンズの数は１枚とは限らない。また、リレー光学系１７は、光学系の距離等によっては不要な場合もある。なお、各図において、リレー光学系１７以外の部分についても２枚以上のレンズを１枚のレンズで表す場合がある。

　光路変更部１８は、励起光Ｌ１の干渉縞Ｌ２を、試料Ｓ上でＸ方向とＹ方向との２方向に走査させる。すなわち、光路変更部１８は、励起光Ｌ１によって干渉縞Ｌ２が形成される位置を、対物レンズ２１の光軸２１ａに交差する２方向（試料面Ｓａの面内方向）において、試料面Ｓａに対して相対的に変更する走査部を構成する。光路変更部１８は、偏向ミラー１８ａおよび偏向ミラー１８ｂを含む。偏向ミラー１８ａおよび偏向ミラー１８ｂは、励起光Ｌ１の光路に対する傾きが可変である。偏向ミラー１８ａおよび偏向ミラー１８ｂは、それぞれ、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー、レゾナントミラー（共振型ミラー）等である。偏向ミラー１８ａおよび偏向ミラー１８ｂは、スキャナであってもよい。

　偏向ミラー１８ａは、試料Ｓにおいて励起光Ｌ１が入射する位置をＸ方向に変化させる。偏向ミラー１８ｂは、試料Ｓにおいて励起光Ｌ１が入射する位置をＹ方向に変化させる。光路変更部１８は、例えば、対物レンズ２１の瞳面Ｐ０と共役な位置が、偏向ミラー１８ａの位置、偏向ミラー１８ｂの位置、または偏向ミラー１８ａと偏向ミラー１８ｂとの間の位置になるように配置される。なお、光路変更部１８は、試料Ｓにおいて励起光Ｌ１が入射する位置を、偏向ミラー１８ａがＹ方向に変化させ、偏向ミラー１８ｂがＸ方向に変化させる構成でもよい。

　光路変更部１８からの励起光Ｌ１は、レンズ１９に入射する。レンズ１９は、対物レンズ２１およびレンズ２０に対して試料面Ｓａと光学的に共役な試料共役面Ｓｂに、励起光Ｌ１を集光する。試料面Ｓａは、対物レンズ２１の前側焦点または前側焦点近傍の位置に配置され、対物レンズ２１の光軸２１ａに垂直な面である。試料共役面Ｓｂには、マスク１５の開口１５ａを通った励起光Ｌ１ａと開口１５ｂを通った励起光Ｌ１ｂとの干渉によって、干渉縞Ｌ２が形成される。

　試料共役面Ｓｂを通った励起光Ｌ１は、レンズ２０に入射する。レンズ２０は、励起光Ｌ１を平行光に変換する。レンズ２０を通った励起光Ｌ１は、対物レンズ２１の瞳面Ｐ０を通る。対物レンズ２１は、励起光Ｌ１を試料面Ｓａ上に集光する。レンズ２０および対物レンズ２１は、試料共役面Ｓｂに形成される干渉縞を試料面Ｓａに投影する。試料面Ｓａには、局所的な干渉縞Ｌ２が形成される。

　干渉縞Ｌ２は、光強度が相対的に高い明部と、光強度が相対的に低い暗部とを含む。明部と暗部とが並ぶ方向（図１ではＸ方向）を、適宜、干渉縞Ｌ２の周期方向Ｄ１と称す。干渉縞Ｌ２の周期方向Ｄ１は、マスク１５の開口１５ａと開口１５ｂとが並ぶ方向（図１ではＸａ方向）に対応する。マスク駆動部２２がマスク１５をＺａ方向の周りで回転させると、開口１５ａと開口１５ｂとが並ぶ方向が回転し、干渉縞Ｌ２の周期方向Ｄ１がＺ方向の周りで回転する。すなわち、マスク駆動部２２は、干渉縞Ｌ２の方向を変更する縞方向変更部に含まれる。マスク駆動部２２（縞方向変更部）は、照明光学系４の光軸４ａに垂直な面（例、マスク１５の光出射側の面）において２以上の光束が並ぶ方向（以下、光束分割方向という）を変更する。上記の光束分割方向は、例えば、開口１５ａと開口１５ｂとが並ぶ方向であり、マスク駆動部２２は、マスク１５を回転させることによって、光束分割方向を変更する。

　また、マスク１５がＺａ方向の周りで回転すると、試料Ｓに対して励起光Ｌ１が入射する方向が変化する。マスク駆動部２２は、偏光子１４をマスク１５と連動して回転させることによって、偏光子１４の透過軸の向きを変化させ、励起光Ｌ１が、Ｓ偏光で試料Ｓに入射するように調整する。すなわち、偏光子１４およびマスク駆動部２２は、干渉縞Ｌ２の方向に基づいて、励起光Ｌ１の偏光状態を調整する偏光調整部に含まれる。

　図３は、第１実施形態におけるマスク、偏光子、干渉縞、及び励起光の偏光状態を示す図である。図３（Ａ）において、マスク１５の開口１５ａおよび開口１５ｂが並ぶ方向は、Ｘａ方向である。偏光子１４の透過軸１４ａは、Ｘａ方向に垂直なＹａ方向である。この場合、励起光Ｌ１（図１参照）は、開口１５ａを通った光束と、開口１５ｂを通った光束が試料Ｓに入射して、周期方向Ｄ１の干渉縞Ｌ２が生成される。励起光Ｌ１入射面は、ＸＺ平面に平行である。試料Ｓに入射する際の励起光Ｌ１は、その偏光方向Ｄ２が入射面に垂直なＹ方向であり、つまり、励起光Ｌ１は、Ｓ偏光で試料Ｓに入射する。

　図３（Ｂ）において、マスク１５の開口１５ａおよび開口１５ｂが並ぶ方向は、Ｘａ方向を反時計回りに１２０°回転させた方向である。偏光子１４の透過軸１４ａは、Ｙａ方向を反時計回りに１２０°回転させた方向である。干渉縞Ｌ２の周期方向は、Ｘ方向に対して反時計回りに１２０°回転した方向である。励起光Ｌ１の入射面は、ＸＺ平面をＺ方向の周りで１２０°回転させた面である。試料Ｓに入射する際の励起光Ｌ１は、その偏光方向Ｄ２が入射面に垂直な方向であり、つまり、励起光Ｌ１は、Ｓ偏光で試料Ｓに入射する。

　図３（Ｃ）において、マスク１５の開口１５ａおよび開口１５ｂが並ぶ方向Ｘａ方向を反時計回りに２４０°回転させた方向である。偏光子１４の透過軸１４ａは、Ｙａ方向を反時計回りに２４０°回転させた方向である。干渉縞Ｌ２の周期方向Ｄ１は、Ｘ方向に対して反時計回りに２４０°回転した方向である。励起光Ｌ１の入射面は、ＸＺ平面をＺ方向の周りで２４０°回転させた面である。試料Ｓに入射する際の励起光Ｌ１は、その偏光方向Ｄ２が入射面に垂直な方向であり、つまり、励起光Ｌ１は、Ｓ偏光で試料Ｓに入射する。

　上述のように励起光Ｌ１が試料面ＳａにＳ偏光で入射する場合、Ｐ偏光で入射する場合に比べて、干渉縞Ｌ２のコントラストが高くなる。なお、図３では、干渉縞Ｌ２の周期方向を１２０°の角度刻みで３通りに変化させているが、干渉縞Ｌ２の周期方向は、この例に限定されない。干渉縞Ｌ２の周期方向は、後述する画像処理部７が生成する出力画像において、分解能を向上させることが可能な方向（超解像効果が得られる方向）に相当する。干渉縞Ｌ２の周期方向は、所望の超解像効果が得られるように、適宜設定される。例えば、干渉縞Ｌ２の周期方向は、互いに９０°の角度をなす２通りでもよいし、１通りでもよい。また、マスク１５は、対物レンズ２１の倍率およびＮＡ（開口数）、照明瞳形状に合わせて交換可能でもよい。

　なお、図４（Ａ）から図４（Ｃ）に示した位相変調素子２５に対する励起光Ｌ１ａおよび励起光Ｌ１ｂの位置は、マスク１５の回転により光軸１２ａ（位相変調素子２５の中心Ｃｎ）を中心として回転する。従って、マスク１５を回転させた場合には、位相変調素子駆動部２６により位相変調素子２５の回転角度の上述の３通りの状態も、中心Ｃｎを中心としてマスク１５と同じ角度だけ回転させる。

　位相変調素子２５の回転角度を設定し、励起光Ｌ１ａと励起光Ｌ１ｂとの間に所定の位相差を設定すると、試料面Ｓａ上に形成される干渉縞Ｌ２の明暗の位相は、励起光Ｌ１ａと励起光Ｌ１ｂとの間の位相差に応じて変化する。
　図５は、干渉縞Ｌ２の複数の位相状態を示す図である。図５（Ａ）は、励起光Ｌ１ａと励起光Ｌ１ｂとの間の位相差が０の場合の干渉縞Ｌ２ａの位相状態を示す図である。図５（Ｂ）は、励起光Ｌ１ａと励起光Ｌ１ｂとの間の位相差が２π／３[radの場合の干渉縞Ｌ２ｂの位相状態を示す図である。図５（Ｃ）は、励起光Ｌ１ａと励起光Ｌ１ｂとの間の位相差が４π／３[rad]の場合の干渉縞Ｌ２ｃの位相状態を示す図である。

　図５（Ａ）～図５（Ｃ）の各図において、破線で示した分布は、干渉縞Ｌ２の外形を表すエンベロープ（包絡線）Ｇａであり、その形状は一例としてガウス分布であり、その幅は図２等に示した励起光Ｌ１ａおよび励起光Ｌ１ｂの径により定まる。一方、点線で示した分布ＣＳａ、ＣＳｂ、ＣＳｃは、横軸の位置に対するＣＯＳ関数の二乗（以下、ＣＯＳ二乗分布と呼ぶ）を示し、その位相（図中の左右方向の位置）は、励起光Ｌ１ａと励起光Ｌ１ｂとの間に形成された位相差により決まる。そして、図５（Ａ）～図５（Ｃ）の各図での干渉縞Ｌ２の光強度の分布（Ｌ２ａ、Ｌ２ｂ、Ｌ２ｃ）は、エンベロープＧａとＣＯＳ二乗分布ＣＳａ、ＣＳｂ、ＣＳｃとの積で表される。

　励起光Ｌ１ａと励起光Ｌ１ｂとの間に形成された位相差を変化させても、エンベロープＧａは変化しないが、ＣＯＳ二乗分布ＣＳａ、ＣＳｂ、ＣＳｃの位相が変化する。この結果、それらの積である干渉縞Ｌ２（Ｌ２ａ、Ｌ２ｂ、Ｌ２ｃ）の明暗変化の位相も変化する。　なお、位相変調素子２５により、励起光Ｌ１ａと励起光Ｌ１ｂとの間の位相差を変化させても、干渉縞Ｌ２のエンベロープ（包絡線）Ｇａは変化（移動）しない。
　一方、偏向ミラー１８ａおよび偏向ミラー１８ｂにより、干渉縞Ｌ２の位置を変更した場合には、エンベロープＧａとＣＯＳ二乗分布ＣＳａ、ＣＳｂ、ＣＳｃとは、一体的に等しい移動量だけ移動するため、干渉縞Ｌ２のエンベロープ（包絡線）も変化（移動）する。

　図６は、第１実施形態における顕微鏡および蛍光の光路を示す図である。検出光学系５は、試料Ｓで発生した蛍光Ｌ３の像を形成する。検出光学系５は、試料Ｓから検出装置６に向かう順に、対物レンズ２１、レンズ２０、レンズ１９、光路変更部１８、リレー光学系１７、ダイクロイックミラー１６、及びレンズ２３を含む。試料Ｓで発生した蛍光Ｌ３は、対物レンズ２１、レンズ２０、及びレンズ１９をこの順に通って、光路変更部１８に入射する。蛍光Ｌ３は、光路変更部１８によってデスキャンされ、リレー光学系１７を通ってダイクロイックミラー１６に入射する。ダイクロイックミラー１６は、蛍光Ｌ３が透過する特性を有する。ダイクロイックミラー１６を透過した蛍光Ｌ３は、レンズ２３に入射する。レンズ２３は、蛍光Ｌ３を検出装置６に集光する。

　検出装置６は、イメージセンサであり、二次元的に配列された複数の検出部６ａを含む。複数の検出部６ａは、Ｘｂ方向とＹｂ方向との２方向に配列されている。複数の検出部６ａは、それぞれ、フォトダイオードなどの光電変換素子を含むセンサセル、ピクセル、あるいは光検出器等である。複数の検出部６ａは、それぞれ、蛍光Ｌ３を検出可能である。検出部６ａは例えば１画素に相当するが、複数の画素を含む検出領域（受光領域）を１つの検出部６ａとして用いてもよい。

（画像取得フロー）
　以下、図７を参照して、第１実施形態の顕微鏡１における画像取得フローの一例について説明する。
　ステップＳ１０１において、顕微鏡１の制御部ＣＢは、マスク駆動部２２を駆動して偏光子１４およびマスク１５を所定の回転角度に設定し、干渉縞Ｌ２を所定の方向に設定する。続くステップＳ１０２において制御部ＣＢは、位相変調素子駆動部２６を駆動して位相変調素子２５を所定の回転角度に設定して、干渉縞Ｌ２の位相を所定の値に設定する。

　ステップＳ１０３で、制御部ＣＢは、光路変更部１８（走査ミラー１８Ｘ，１８Ｙ）を所定の設定（角度）に設定し、ステップＳ１０４で干渉縞Ｌ２を、光路変更部１８試料面Ｓａの所定の位置に照射し、試料Ｓの蛍光物質を干渉縞Ｌ２で励起する。そしてステップＳ１０５において、検出装置６の複数の検出部６ａは、それぞれ試料Ｓからの蛍光Ｌ３を検出する。２次元イメージセンサである検出装置６の複数の検出部６ａで検出された蛍光Ｌ３の強度情報は、画像処理部７に伝送される。画像処理部７には、蛍光Ｌ３の強度情報を取得した際の、試料面Ｓａ上の干渉縞Ｌ２の位置に対応する光路変更部１８の設定条件、および干渉縞Ｌ２の位相、干渉縞Ｌ２の方向に関する情報も、併せて伝送される。

　ステップＳ１０６において、制御部ＣＢは光路変更部１８の設定（走査ミラー１８Ｘ，１８Ｙの角度）の変更の要否を判断し、試料面Ｓａ上の所望の領域の走査が未了であれば、ステップＳ１０３に戻り光路変更部１８の設定を変更して上記照明領域を変更する。顕微鏡１は、蛍光を検出する処理と、照明領域を変更する処理とを繰り返すことで、所望の領域を走査し、所望の領域における蛍光強度分布（検出装置６の測定値）を取得する。

　ステップＳ１０６において、試料面Ｓａ上の所望の領域の走査が完了しており光路変更部１８の設定の変更は不要と判断されると、ステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７では、干渉縞Ｌ２の位相の変更が必要か否かを判断し、変更が必要であればステップＳ１０２に戻って、干渉縞Ｌ２の位相、すなわち位相変調素子２５の回転角度を変更して、再度ステップＳ１０３以降を実行する。
　一方、既に所定数の位相条件の干渉縞Ｌ２で上述の蛍光強度分布を取得済の場合には、干渉縞Ｌ２の位相の変更が不要と判断され、ステップＳ１０７からステップＳ１０８に進む。

　ステップＳ１０８の画像処理（画像処理１）の工程は、主に画像処理部７によって処理される。ステップＳ１０８の画像処理（画像処理１）の工程については、後で詳述する。
　ステップＳ１０８の画像処理が終了すると、ステップＳ１０９に進む。ステップＳ１０９では、干渉縞Ｌ２の方向の変更が必要か否かを判断し、変更が必要であればステップＳ１０１に戻って、干渉縞Ｌ２の方向、すなわち偏光子１４およびマスク１５の回転方向を変更して、再度ステップＳ１０２以降を実行する。

　一方、既に所定数の方向の干渉縞Ｌ２で上述の蛍光強度分布を取得済の場合には、画像取得フローは終了する。
　なお、１通りの干渉縞Ｌ２の方向についてのみ画像（蛍光強度分布を）を取得すれば良い場合には、ステップＳ１０９の干渉縞Ｌ２の方向の変更が必要か否かの判断は不要である。

（画像処理１）
　ステップＳ１０８の画像処理１において、画像処理部７は、上述のようにして得られた検出装置６の各検出部６ａでの検出結果に基づいて、出力画像を生成する。以下、画像処理部７が実行する処理について説明する。以下の説明に用いる数式において、適宜、座標系を位置ベクトルで記述する。試料面Ｓａにおける座標および検出装置６における座標（以下、ディテクター座標という）を位置ベクトルｒ＝（ｘ，ｙ）で表し、対応する波数座標（ｒでのフーリエ変換後の座標）を位置ベクトルｋ＝（ｋｘ，ｋｙ）で表す。また、光路変更部１８による走査先の座標（以下、スキャン座標という）を位置ベクトルｒｓ＝（ｘｓ，ｙｓ）で表し、その対応する波数座標（ｒｓでのフーリエ変換後の座標）を位置ベクトルｋｓ＝（ｋｘｓ，ｋｙｓ）で表す。以下の説明において、波数を空間周波数もしくは周波数と称す場合がある。検出光学系５の倍率は、説明の便宜上１倍であるとするが、任意の倍率で構わない。

　対物レンズ２１を含む検出光学系５の試料面Ｓａ側の開口数をＮＡ、照明光波長をλｅｘ、蛍光Ｌ３の波長をλｅｍとすると、励起光が入射する場合の対物レンズ２１の瞳半径ｋＮＡｅｘおよび蛍光が入射する場合の対物レンズ２１の瞳半径ｋＮＡｅｍは、下記の式（１）および式（２）で表される。よく知られているように瞳面と像面の各々の電場振幅はフーリエ変換の関係で結ばれているため、瞳位置の座標を波数座標で表現することがある。ｋＮＡｅｘおよびｋＮＡｅｍは各々、瞳を波数座標で表現した場合の瞳半径の値を示している。

　　　　　　・・・式（１）

　　　　　　・・・式（２）

　ここで、図２（Ｃ）を参照しつつ、各種パラメーターについて説明する。図２（Ｃ）では、瞳面Ｐ０を波数座標空間（周波数空間）で表している。図２（Ｃ）に示す点線で書かれた円の内部の領域は、対物レンズ２１の瞳であり、ｋＮＡｅｘは、対物レンズ２１の瞳半径である。励起光Ｌ１が入射する領域Ｐ０ａ、領域Ｐ０ｂは、ここではそれぞれ円形であるとするが、円形に限られない。領域Ｐ０ａ、領域Ｐ０ｂのそれぞれの半径は、σｋＮＡｅｘである。σは対物レンズ２１の瞳半径に対する領域Ｐ０ａ，もしくは領域Ｐ０ｂの半径の比である。対物レンズ２１の光軸２１ａから領域Ｐ０ａの中心までの距離は、（１－σ）ｋＮＡｅｘである。また、対物レンズ２１の光軸２１ａから領域Ｐ０ｂの中心までの距離は、（１－σ）ｋＮＡｅｘである。領域Ｐ０ａの中心と領域Ｐ０ｂの中心との距離は、例えば２（１－σ）ｋＮＡｅｘであるが、この値に限らない。試料面Ｓａでの励起光の強度（電場の二乗）ｉｌｌ（ｒ）は、下記の式（３）で表される。

　　　　　　・・・式（３）

　ここで、ベクトルｋ０＝（ｋ０，０）は干渉縞Ｌ２の波数ベクトルを示し、ｋ０＝２（１－σ）ｋＮＡｅｘである。ＰＳＦｉｌｌ（ｒ）は光学系の開口数がσＮＡである場合の点像強度分布関数（Point Spread Function）である。ｉｌｌ（ｒ）の干渉縞の間隔（明部から次の明部までの距離）は、１／ｋ０＝1／（２（１－σ）ｋＮＡｅｘ）である。以下の説明において、干渉縞Ｌ２の間隔を、適宜、縞間隔または干渉縞Ｌ２の周期と称する。φは干渉縞Ｌ２の明暗変化の位相であり、以下、単に干渉縞Ｌ２の位相と呼ぶ。位相変調素子２５によって位相φは変更可能である。
　なお、図２（Ｃ）に示したような、照明光学系の瞳面における照明光の分布を、照明瞳と呼ぶ。図２（Ｃ）に示した照明瞳は、照明光が２つの領域に集中して分布していることから、２極と呼ぶ。

　実施形態において、試料Ｓに含まれる蛍光物質は、励起光Ｌ１によって励起され、励起された蛍光物質から蛍光Ｌ３が放射される。上述のように、検出装置６の各検出部６ａは、蛍光Ｌ３を受光し、検出光学系５により形成された蛍光物質の像を撮像して画像データを取得する。以下の説明では、検出装置６の検出部６ａのサイズ（検出部サイズ）は、検出装置６における干渉縞Ｌ２の周期に相当する寸法（１周期に相当する検出装置６上の長さ）に比べて十分に小さいとする。例えば、検出部６ａのサイズは、λｅｍ／４ＮＡ程度に設定される。

　ここで、試料Ｓにおける蛍光物質の分布をＯｂｊ（ｒ）で表し、検出装置６の各検出部６ａで得られる画像データをＩ（ｒ，ｒｓ）で表す。ここでｒは、上述の通り、各検出部６ａのディテクター座標である。Ｉ（ｒ，ｒｓ）は、下記の式（４）で表される。

　

　　　　　　　　　・・・式（４）

　式（４）における＊ｒｓは、ｒｓについてのコンボリューションである。ここで、ＰＳＦｄｅｔ（ｒ）は、対物レンズ２１を含む検出光学系５および蛍光波長λｅｍによって定まる検出ＰＳＦである。画像データＩ（ｒ，ｒｓ）は、ディテクター座標ｒ＝（ｘ，ｙ）及びスキャン座標ｒｓ＝（ｘｓ，ｙｓ）を独立変数に持つ４次元のデータである。また、ＰＳＦｅｆｆ（ｒ，ｒｓ）は、下記の式（５）で定義される実効ＰＳＦである。

　　　　　
　　　　　　　　　・・・式（５）

　上記の式（４）より、検出装置６の検出部６ａごとに、相互に異なるＯｂｊ（ｒｓ）の画像データが得られることが分かる。また、上記の式（５）より、検出装置６の検出部６ａの位置（ｒ）ごとに、実効ＰＳＦの形状が異なることが分かる。

　図９は、第１実施形態における検出装置の各検出部における実効ＰＳＦを示す図である。図９の各グラフにおいて、横軸は検出装置６のＸｂ方向である。試料面Ｓａは検出装置６と光学的に共役であり、試料面Ｓａの座標Ｘと検出装置の座標Ｘｂは適当な座標変換によって対応づけられる。例えば、光学系の倍率が１である場合、Ｘ＝Ｘｂとなる）。なお、図９は上述の照明光の位相φが０である場合を表している。

　図９（Ａ）の３つのグラフのそれぞれは、Ｘｂ方向の座標が互いに異なる３つの検出部６ａについての実効ＰＳＦ（実線）を表している。例えば、図９（Ａ）の中央のグラフは、位置Ｘ１ａに配置される検出部６ａの実効ＰＳＦに対応する分布Ｑ１ａ（実線）を表す。また、図９（Ａ）の左側のグラフは、位置Ｘ１ｂに配置される検出部６ａの実効ＰＳＦに対応する分布Ｑ１ｂ（実線）を表す。また、図９（Ａ）の右側のグラフは、位置Ｘ１ｃに配置される検出部６ａの実効ＰＳＦに対応する分布Ｑ１ｃ（実線）を表す。

　また、図９の破線に対応する符号Ｑ２は、図２等に示した干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布である。また、図９の点線に対応する符号Ｇａは、図５に示したものと同じく、干渉縞Ｌ２の強度分布の外形を表すエンベロープ（包絡線）を表す。図９（Ａ）に示したとおり、干渉縞Ｌ２の強度分布Ｑ２の周期と、３つの検出部６ａの配列の周期は、一般的には一致するものではない。分布Ｑ２は、試料面Ｓａでの励起光の強度（電場の二乗）ｉｌｌ（ｒ）（上記の式（３）参照）でφ＝０の場合に対応する。干渉縞Ｌ２の強度が極大となる位置、すなわち分布Ｑ２のピーク位置Ｘ２ａ、Ｘ２ｂ、及びＸ２ｃは、数値シミュレーション等によって予め求めることができる。

　分布Ｑ２は、部分的な分布であるＱ２ａ、Ｑ２ｂ、及びＱ２ｃを含む。分布Ｑ２ａは、ピーク位置Ｘ２ａの前の極小位置から次の極小位置までの範囲における分布である。分布Ｑ２ｂは、ピーク位置Ｘ２ｂの前の極小位置から次の極小位置までの範囲における分布である。分布Ｑ２ｃは、ピーク位置Ｘ２ｃの前の極小位置から次の極小位置までの範囲における分布である。

　また、図９の二点鎖線に対応する符号Ｑ３ａ、符号Ｑ３ｂ、及びＱ３ｃは、対物レンズ２１を含む検出光学系５および蛍光波長λｅｍによって定まる検出ＰＳＦに対応する分布である。検出ＰＳＦは、式（４）などのＰＳＦｄｅｔ（ｒ）に対応する。

　図９（Ａ）の中央のグラフに示す分布Ｑ３ａは、複数の検出部６ａのうち位置Ｘ１ａに配置される検出部６ａの検出ＰＳＦに対応する分布である。分布Ｑ３ａは、検出部６ａが配置される位置Ｘ１ａ（例、検出部６ａの受光領域の中心位置）において極大（ピーク）になる。位置Ｘ１ａは、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２ａのピーク位置Ｘ２ａとほぼ同じである。実効ＰＳＦに対応する分布Ｑ１ａは、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２と、位置Ｘ１ａに配置される検出部６ａの検出ＰＳＦに対応する分布Ｑ３ａとを掛け合わせた分布である。

　図９（Ａ）の中央のグラフにおいて、検出部６ａの位置Ｘ１ａすなわち検出ＰＳＦのピーク位置（分布Ｑ３ａのピーク位置）は、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２ａのピーク位置Ｘ２ａとのずれ量が所定値よりも小さい（例えば、ずれ量はほぼ０）。このような場合、実効ＰＳＦの分布Ｑ１ａは、単一の極大（ピーク）をとる。この場合、分布Ｑ１ａのピーク位置は、検出部６ａの位置Ｘ１ａあるいは干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２ａのピーク位置Ｘ２ａとほぼ同じになる。

　図９（Ａ）の左側のグラフに示す分布Ｑ３ｂは、複数の検出部６ａのうち位置Ｘ１ｂに配置される検出部６ａの検出ＰＳＦに対応する分布である。分布Ｑ３ｂは、検出部６ａが配置される位置Ｘ１ｂ（例えば、検出部６ａの受光領域の中心位置）において極大（ピーク）になる。位置Ｘ１ｂは、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２のうちで位置Ｘ１ｂを含む部分的な分布Ｑ２ｂのピーク位置Ｘ２ｂからずれている。実効ＰＳＦに対応する分布Ｑ１ｂは、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２と、位置Ｘ１ｂに配置される検出部６ａの検出ＰＳＦに対応する分布Ｑ３ｂとを掛け合わせた分布である。

　図９（Ａ）の左側のグラフにおいて、検出部６ａの位置Ｘ１ｂすなわち検出ＰＳＦのピーク位置（分布Ｑ３ｂのピーク位置）は、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２ｂのピーク位置Ｘ２ｂとのずれ量が所定値よりも大きい。この場合、実効ＰＳＦの分布Ｑ１ｂが２つの極大（ピーク）をとる。このように、検出部６ａの位置によって実効ＰＳＦのピークが２つに分かれる事があり、このような実効ＰＳＦの形状変化を実効ＰＳＦの形状の崩れと呼ぶ。実効ＰＳＦの最も強いビークをメインローブ、それ以外のピークをサイドローブと呼ぶ。

　実効ＰＳＦの分布Ｑ１ｂのメインローブのピーク位置は、検出装置６ａの中心位置（Ｘ２ａ）からずれている。このように、検出装置６の検出部６ａの位置（ｒ）と干渉縞Ｌ２の強度分布の位置との関係によって、実効ＰＳＦのメインローブの位置もずれることが分かる。以下の説明において、適宜、実効ＰＳＦのメインローブの位置のずれを実効ＰＳＦの位置ずれと呼ぶ。

　図９（Ａ）の右側のグラフに示す分布Ｑ３ｃは、複数の検出部６ａのうち位置Ｘ１ｃに配置される検出部６ａの検出ＰＳＦに対応する分布である。分布Ｑ３ｃは、検出部６ａが配置される位置Ｘ１ｃ（例、検出部６ａの受光領域の中心位置）において極大（ピーク）になる。位置Ｘ１ｃは、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２のうちで位置Ｘ１ｃを含む部分的な分布Ｑ２ｃのピーク位置Ｘ２ｃとずれている。実効ＰＳＦに対応する分布Ｑ１ｃは、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２と、位置Ｘ１ｃに配置される検出部６ａの検出ＰＳＦに対応する分布Ｑ３ｃとを掛け合わせた分布である。

　図９（Ａ）の右側のグラフにおいて、検出部６ａの位置Ｘ１ｃすなわち検出ＰＳＦのピーク位置（分布Ｑ３ｃのピーク位置）は、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２ｃのピーク位置Ｘ２ｃとのずれ量が所定値よりも大きい。この場合、実効ＰＳＦの分布Ｑ１ｂが２つの極大（ピーク）をとり、実効ＰＳＦの形状の崩れ、実効ＰＳＦの位置ずれが発生している。

　画像処理部７は、干渉縞Ｌ２の強度分布の部分的な分布（例、図９（Ａ）左側のグラフに示すＱ２ｂ）のピーク位置が、検出部６ａの位置と整合するように、干渉縞Ｌ２の強度分布の位相を後述する画像処理によって実効的にシフトさせる。

　図９（Ｂ）は、画像処理によって実効的に位相をシフトさせた後の検出部６ａごとの実効ＰＳＦである。図９（Ｂ）の左側のグラフにおいて、分布Ｑ２ｆは、図９（Ａ）の分布Ｑ２ｂのピーク位置Ｘ２ｂが検出部６ａの位置Ｘ１ｂと一致するように、分布Ｑ２の位相をシフトさせた分布である。なお、分布Ｑ２の位相分布はシフトさせても、分布Ｑ２のエンベロープＧａはＸｂ方向に移動させない。すなわち、本画像処理においては、分布Ｑ２のエンベロープＧａのＸｂ方向の位置を保ったまま、エンベロープＧａの内部に含まれる分布Ｑ２の位相を変化させる。分布Ｑ２ｆのピーク位置Ｘ２ｆは、検出部６ａの位置Ｘ１ｂとほぼ一致する。符号Ｑ１ｆは、位相をシフトさせた分布Ｑ２ｆと、位置Ｘ１ｂに配置された検出部６ａの検出ＰＳＦ（分布Ｑ３ｂ）とから得られる実効ＰＳＦに対応する分布である。分布Ｑ１ｆは、実効ＰＳＦの形状の崩れが低減されている。

　また、図９（Ｂ）の右側のグラフにおいて、分布Ｑ２ｇは、図９（Ａ）の分布Ｑ２ｃのピーク位置Ｘ２ｃが検出部６ａの位置Ｘ１ｃと一致するように、分布Ｑ２の位相をシフトさせた分布である。分布Ｑ２ｇのピーク位置Ｘ２ｇは、検出部６ａの位置Ｘ１ｃとほぼ一致する。符号Ｑ１ｇは、位相をシフトさせた分布Ｑ２ｇと、位置Ｘ１ｃに配置された検出部６ａの検出ＰＳＦ（分布Ｑ３ｃ）とから得られる実効ＰＳＦに対応する分布である。分布Ｑ１ｇは、実効ＰＳＦの形状の崩れが低減されている。

　上述のような画像処理により、検出部６ａごとの実効ＰＳＦ（実線）の形状がほぼ同一となるように補正される。画像処理部７は、ほぼ同一の形状に補正された実効ＰＳＦを持つ検出部６ａごとの中間画像を用いて、出力画像を生成する。

　画像処理部７は、上述のように各検出部６ａごとの実効ＰＳＦの崩れを補正した結果について、さらに各検出部６ａごとの中間画像の位置ずれ（実効ＰＳＦｅｆｆのピーク位置、もしくはメインローブの位置ずれ）を補正する。各検出部６ａごとの中間画像の位置ずれは、各種設計値を用いた理論計算、あるいは蛍光ビーズなどの小物体を検出装置６によって撮影した撮像画像から取得可能である。

　このような位置ずれの補正を行うと、選択された検出部６ａのそれぞれで得られる中間画像の実効ＰＳＦを形状および位置ともに、ほぼ同一にすることができる。このようにして得られた中間画像のＰＳＦｅｆｆは、近似的に検出装置６の中心位置の検出部（光軸上に位置する検出部）のＰＳＦｅｆｆと同等と見なせる。
　上述の実効ＰＳＦの崩れを補正する画像処理、および各検出部６ａごとの中間画像の位置ずれを補正する画像処理の詳細については、後述する。

　画像処理部７は、各検出部６ａにより取得され、上記の画像処理によりＰＳＦｅｆｆがほぼ同一の形状に修正された中間画像を足し合わせることで、出力画像を生成する。画像処理部７は、足し合わされる画像のＰＳＦｅｆｆがほぼ同一になっていることで、分解能およびＳ／Ｎ比が良好な出力画像（超解像画像）ＩＳＲ（ｒｓ）を生成可能である。なお、出力画像（超解像画像）ＩＳＲ（ｒｓ）の生成に用いる検出部６ａの範囲を広くすると、信号量を増加することができる。また、出力画像（超解像画像）ＩＳＲ（ｒｓ）の生成に用いる検出部６ａの範囲を狭くすると、セクショニング能力を高くすることができる。

　以下、画像処理の詳細について説明する。
　理解を容易にするために、以下においては、干渉縞Ｌ２の周期方向はＸ方向とする。また、干渉縞Ｌ２の位相はφ＝φ１, φ２, φ３の３通りの値をとる（３位相シフト）ものとする。φ１, φ２, φ３は、例えば、それぞれ０，２π／３，４π／３[rad]である。

　図８は、画像処理の一例である画像処理１の処理フローを表すフローチャートである。
　画像処理１の中のステップＳ１２１において、画像処理部７は、複数の検出部６ａの中から１つの検出部６ａを選択して、その検出部６ａが取得した画像の画像処理を開始する。

（実効ＰＳＦの崩れを補正する画像処理）
　始めに、実効ＰＳＦの崩れを補正する画像処理について説明する。
　上述の式（４）と式（５）より、以下の式（６）が得られる。

　　　　　　　・・・式（６）
　式（６）では、位相φの依存性を明確にするために引数にφを明示してＩ（ｒ，ｒｓ；φ）と書いている。
　画像処理部７は、ステップＳ１２２において、式（６）の左辺に相当する、選択された検出部６ａにおいて所定の位相での干渉縞Ｌ２の走査により得られた画像データＩ（ｒ，ｒｓ；φ）を、スキャン座標ｒｓ（２次元）について２次元フーリエ変換（２Ｄ－ＦＦＴ）する。このフーリエ変換により得られるデータは、式（６）をスキャン座標ｒｓについてフーリエ変換することで得られる下記の式（７）と等価である。

　　　　　　　・・・式（７）
　式（７）において、ＯＴＦ’det（ｒ，ｋ_ｓ）＝ｅ^{i２πｋsｒ}ＯＴＦdet（ｋ_ｓ）である。また、ＯＴＦdetはＰＳＦdetのフーリエ変換であり検出光学系のＯＴＦを表し、ＯＴＦillはＰＳＦillのフーリエ変換であり、Ｏｂｊ^～はＯｂｊのフーリエ変換である。
　式（７）は３つの項の和になっており、以下の式（８）で示すように、それぞれの項を、０次成分Ｉ^～ _０（ｒ，ｋｓ）、＋１次成分Ｉ^～ _＋１（ｒ，ｋｓ）、－１次成分Ｉ^～ _－１（ｒ，ｋｓ）と呼ぶ。

　　　　　　　・・・式（８）

　原理的には、式（８）の中の±１次成分（Ｉ^～ _＋１（ｒ，ｋｓ）、Ｉ^～ _－１（ｒ，ｋｓ））に対して、所定の位相シフト量ψを掛け合わせることで、検出部６ａの座標に合わせて干渉縞Ｌ２の位相を画像処理的にシフトする補正処理を行うことができる。なお、この位相シフト量は、画像処理において加えられる仮想的な位相シフト量であるため、以降「画像処理位相シフト量」と呼ぶ。
　ただし、実際には、干渉縞Ｌ２の走査により得られた画像データＩ（ｒ，ｒｓ；φ）の２次元フーリエ変換の結果得られる０次成分Ｉ^～ _０（ｒ，ｋｓ）、＋１次成分Ｉ^～ _＋１（ｒ，ｋｓ）、および－１次成分Ｉ^～ _－１（ｒ，ｋｓ）は、周波数空間上においてそれぞれ広がり、相互にオーバーラップしているため、データ上で明確に分離することは困難である。

（成分分離）
　本実施形態では、干渉縞Ｌ２の位相を変更しつつ、干渉縞Ｌ２の異なる複数の位相において走査を行い画像を取得している。そこで、これらの複数の画像をそれぞれフーリエ変換したデータに基づいて、０次成分Ｉ^～ _０（ｒ，ｋｓ）、＋１次成分Ｉ^～ _＋１（ｒ，ｋｓ）、－１次成分Ｉ^～ _－１（ｒ，ｋｓ）を相互に分離することができる。
　ここで、干渉縞Ｌ２の位相φについて、φ１, φ２, φ３の３位相分の画像を取得したとする。すると、各々の位相に対して得られる画像Ｉ（ｒ，ｒｓ；φ１～φ３）のスキャン座標ｒｓに対するフーリエ変換は、以下の式（９）のように示される。

　　　　　　　・・・式（９）
　式（９）を行列形式で書くと、式（１０）となる。

　　　　　　　・・・式（１０）

　したがって、式（１０）から、Ｉ^～ _０（ｒ，ｋｓ）、Ｉ^～ _＋１（ｒ，ｋｓ）、Ｉ^～ _－１（ｒ，ｋｓ）を、以下の式（１１）を用いて求めることが出来る。

　　　　　　　・・・式（１１）
　上記から、Ｉ^～ _０（ｒ，ｋｓ）、Ｉ^～ _＋１（ｒ，ｋｓ）、Ｉ^～ _－１（ｒ，ｋｓ）を求める（分離する）ためには、φ１, φ２, φ３を、式（１１）中の逆行列が存在するように設定すればよいことが分かる。その一例としては、例えば上述の通り、φ１, φ２, φ３を、それぞれ、０，２π／３，４π／３[rad]であり、すなわち相互に２π／３[rad]の位相差を有するように設定すればよい。
　なお、φ１, φ２, φ３の値は上述の値に限らず、画像の想定されるＳ／Ｎに応じて、φ１, φ２, φ３の相互の位相差がπ／１８から１７π／１８程度の間に設定されるのが良い。

　ステップ１２３においては、このような原理に基づいて、０次成分Ｉ^～ _０（ｒ，ｋｓ）、＋１次成分Ｉ^～ _＋１（ｒ，ｋｓ）、および－１次成分Ｉ^～ _－１（ｒ，ｋｓ）を分離して抽出する。
　すなわち、複数通り（例として３とおり）の干渉縞Ｌ２の位相φの下で、光路変更部１８により試料面Ｓａ上で干渉縞Ｌ２を走査させて取得した複数通りの画像に対して、それぞれの画像をスキャン座標ｒｓでフーリエ変換する。そして、そのフーリエ変換の結果から、式（１１）に基づいて、０次成分Ｉ^～ _０（ｒ，ｋｓ）、＋１次成分Ｉ^～ _＋１（ｒ，ｋｓ）、および－１次成分Ｉ^～ _－１（ｒ，ｋｓ）を求める（抽出する）ことができる。

　ステップＳ１２４において、０次成分Ｉ^～ _０（ｒ，ｋｓ）、＋１次成分Ｉ^～ _＋１（ｒ，ｋｓ）、および－１次成分Ｉ^～ _－１（ｒ，ｋｓ）のそれぞれを、波数座標ｋs（スキャン座標ｒｓでのフーリエ変換後の波数座標）について逆フーリエ変換（２Ｄ－逆ＦＦＴ）する。それぞれを逆フーリエ変換した、Ｉ_０（ｒ，ｒｓ）、Ｉ_＋１（ｒ，ｒｓ）、Ｉ_－１（ｒ，ｒｓ）は、以下の式（１２）と等価である。

　　　　　　　・・・式（１２）

（画像処理による位相シフト）
　続いて、ステップＳ１２５において、検出部６ａの座標に合わせて干渉縞Ｌ２の位相を画像処理的にシフトする補正処理を行う。この補正処理は、式（１３）に示す通り、上述の±１次成分にそれぞれ、検出部６ａのディテクター座標ｒに応じた画像処理位相シフト量±ψ（ｒ）を掛けることにより行う。一方、０次成分には位相シフト量の掛け合わせは不要である。

　　　　　　　・・・式（１３）

　そして、式（１３）の０次成分Ｉ’_０（ｒ，ｒｓ）、＋１次成分Ｉ’_＋１（ｒ，ｒｓ）、－１次成分Ｉ’_－１（ｒ，ｒｓ）をすべて足し合わせることで、式（１４）により表される画像（中間画像）が得られる。

　　　　　　　・・・式（１４）
　これにより、ディテクター座標ｒに応じて干渉縞Ｌ２の位相が実効的にシフトされる。
　ここで、上記補正のための干渉縞Ｌ２の画像処理位相シフト量ψ（ｒ）は、ＰＳＦdet（ｒ＋ｒｓ）とＰＳＦill（ｒｓ）の積によって得られる関数のピーク位置に干渉縞Ｌ２のピークが来るように決めればよい。以下に、干渉縞Ｌ２のこの画像処理位相シフト量の決定方法について説明する。

　上記の補正のための干渉縞Ｌ２の位相のシフト量は、例えば、下記のように決定される。画像処理部７は、ディテクター座標ｒで検出した信号の位置ずれ量を算出する。画像処理部７は、例えば、予めシミュレーションにより、ＰＳＦｄｅｔ（ｒ＋ｒｓ）とＰＳＦｉｌｌ（ｒｓ）の積によって得られる関数のピーク位置を求めることで、上記の位置ずれ量を算出する。ここで実効ＰＳＦの位置ずれはディテクター座標ｒに比例すると考えてよく、位置ずれの度合いを表すパラメーターをβとし、位置ずれ量をｒ／βで表す。

　βの値は、ＰＳＦｄｅｔ（ｒ＋ｒｓ）とＰＳＦｉｌｌ（ｒｓ）との積によって得られる関数のピーク位置から算出されてもよいし、他の数値シミュレーションによって算出されてもよい。βが決まると、ディテクター座標に応じた位相シフト量が決まる。干渉縞Ｌ２の画像処理位相シフト量ψ（ｒ）はＰＳＦｄｅｔ（ｒ＋ｒｓ）とＰＳＦｉｌｌ（ｒｓ）との積によって得られる関数のピーク位置と、干渉縞Ｌ２のピーク位置とが一致するように決定される。このような処理によって、画像処理位相シフト量は、例えば、ψ（ｒ）＝２πｋ０・ｒ／βとなる。前述のとおり、ｋ０は干渉縞Ｌ２の波数ベクトルである。

　画像処理部７は、試料Ｓにおける励起光の光強度分布に基づいて、位相を変換する量（画像処理位相シフト量）を決定する。画像処理部７は、試料Ｓにおける励起光の光強度分布として試料面Ｓａでの励起光の強度（電場の二乗）ｉｌｌ（ｒ）に基づいて、画像処理位相シフト量を決定する。このように設定した画像処理位相シフト量ψ（ｒ）を用いることで、式（１３）に示した処理において、検出部６ａの位置（ディテクター座標）ｒごとの実効ＰＳＦの形状の崩れが補正される。

（各検出部ごとの画像の位置ずれを補正する画像処理）
　画像処理部７は、上述のように位相シフト処理を行った後、ステップＳ１２６において、検出部６ａごとの実効ＰＳＦの位置ずれを補正する処理を行う。位置ずれの補正処理を行うと、検出装置６の検出部６ａごとの中間画像の実効ＰＳＦがほぼ同一となる。画像処理部７は、ステップＳ１２７において、検出装置６の検出部６ａごとの中間画像を足し合わせることで、出力画像（超解像画像）IＳＲ（ｒｓ）を生成する。この一連の処理は、下記の式（１５）で表される。

　　　　　　　・・・式（１５）

　式（１５）において、ＰＨ（ｒ）は、下記の式（１６）で定義されるピンホール関数である。

　　　　　　　・・・式（１６）

　ピンホールの半径に相当するｒＰＨの値を調整することで、信号量およびセクショニング効果を調整することができる。ｒＰＨを大きくすると、信号量が増加する。また、ｒＰＨを小さくするとセクショニング能力が向上する。式（１５）の演算によって得られる出力画像（超解像画像）ＩＳＲ（ｒｓ）の実効ＰＳＦであるＰＳＦＳＲ（ｒｓ）は下記の式（１７）で表される。

　　　　　　　・・・式（１７）

　ステップＳ１２８において、画像処理部７は、選択した検出部６ａの変更の要否を判断する。すなわち、これまでの処理において、画像処理すべき検出部６ａが取得した画像データのうち未処理の画像データが残っている場合には、ステップＳ１２１に戻り、所定の検出部６ａを選択して、ステップＳ１２２以降の処理を継続する。一方、画像処理すべき検出部６ａが取得した画像データのすべてを処理済であれば、画像処理部７は、画像処理１の処理を終了して、図７のステップＳ１０９に戻る。

（第１実施形態の顕微鏡の分解能）
　干渉縞Ｌ２の周期方向、つまりｋ０方向に着目すると、式（１７）より干渉縞Ｌ２の周期が小さいほどＰＳＦＳＲ（ｒｓ）の半値全幅は狭く、分解能が良くなることが分かる。つまり実施形態における干渉縞Ｌ２の周期方向に含まれる縞の数（明部）が多いほどＰＳＦＳＲの半値全幅は狭くなり、分解能が良い。通常の蛍光顕微鏡の半値全幅は０．５１λｅｍ／ＮＡで与えられる。実施形態におけるＰＳＦＳＲの半値全幅は、例えばσ＝０．３の場合に０．３λｅｘ／ＮＡとなり、通常の蛍光顕微鏡よりもＰＳＦの半値全幅が１．７倍ほど狭く分解能が良い。

　実施形態における干渉縞Ｌ２の周期方向に含まれる明部の数は、例えばσ＝０．３の場合に５である。実施形態におけるＰＳＦＳＲの半値全幅は、例えばσ＝０．４の場合は０．３４λｅｘ／ＮＡとなり、通常の蛍光顕微鏡よりもＰＳＦの半値全幅が１．５倍ほど狭く分解能が良い。実施形態における干渉縞Ｌ２の周期方向に含まれる明部の数は、例えばσ＝０．４の場合に３である。同様に、σ＝０．３５の場合には、明部の数は４である。また、通常の共焦点顕微鏡のピンホールを十分に小さく絞った場合、通常の蛍光顕微鏡よりもＰＳＦの半値全幅が１．４倍ほど狭く分解能が良いことが知られている。

　共焦点顕微鏡に対して、分解能向上効果の優位性を持つためには、通常の蛍光顕微鏡よりもＰＳＦの半値全幅が１．５倍以上狭いことが望ましい。すなわち、実施形態において干渉縞Ｌ２の周期方向に含まれる明部は３以上であることが望ましい。これを別の観点から見ると、対物レンズ２１の瞳半径に対する領域Ｐ０ａおよび領域Ｐ０ｂの半径の比であるσが０．４以下であり、かつ、領域Ｐ０ａおよび領域Ｐ０ｂは、可能な限り対物レンズ２１の瞳半径の外縁に位置することが望ましい。このとき、領域Ｐ０ａおよび領域Ｐ０ｂの外周は、対物レンズ２１の瞳の外周に接している、あるいは少なくとも部分的には、対物レンズ２１の瞳の外周よりも外側にあることが好ましい。これらは、以降で説明する他の実施形態においても同様である。

　本実施形態において、スキャン間隔、検出装置６の検出部６ａの間隔は、遮断周波数およびナイキストの定理に基づいて設定されてもよい。スキャン間隔は、干渉縞Ｌ２の周期方向においてλｅｘ／８ＮＡ以下に設定されてもよい。また、スキャン間隔は、干渉縞Ｌ２の周期方向と垂直な方向においてλｅｘ／４ＮＡ以下に設定されてもよい。また、検出装置６の検出部６ａの間隔は、λｅｍ／４ＮＡ以下に設定されてもよい。

　上記の式（１７）をフーリエ変換することで、実効ＯＴＦを求めることができる。通常の蛍光顕微鏡での遮断周波数であるｋ_cut ^convは、ｋ_cut ^conv＝２ＮＡ／λで与えられる。実施形態の顕微鏡は、干渉縞Ｌ２の方向にＯＴＦが拡大し、２ｋ_cut ^convまでの遮断周波数を持つ。ここでは簡単のため、励起波長と蛍光波長は等しくλであるとした。実施形態におけるＯＴＦは、通常の蛍光顕微鏡のＯＴＦと、通常の蛍光顕微鏡のＯＴＦが干渉縞Ｌ２の周期方向にシフトした成分とが合わさったものになる。

　上記の式（１７）で説明したように、実施形態の顕微鏡１は、干渉縞Ｌ２の周期方向（図１ではＸ方向）の分解能が向上する。顕微鏡１は、干渉縞Ｌ２の周期方向を変更して試料Ｓからの蛍光を検出することで、２次元的に分解能を向上させることも可能である。そこで、ステップＳ１０９の画像処理の終了後に、上述のとおりステップＳ１０９において、干渉縞Ｌ２の方向の変更が必要か否かを判断し、変更が必要であればステップＳ１０１に戻って、干渉縞Ｌ２の方向、すなわち偏光子１４およびマスク１５の回転方向を変更して、再度ステップＳ１０２以降を実行する。

　干渉縞Ｌ２の周期方向を９０°変更して再度ステップＳ１０２以降を実行して画像を取得する例について説明する。
　始めに干渉縞Ｌ２の周期方向がＸ方向である場合の超解像画像（出力画像）（ステップＳ１０８の画像処理１により得られた画像）をＩ_SＲｘ（ｒ_ｓ）とし、干渉縞Ｌ２の周期方向を９０°変更した後の周期方向がＹ方向である場合の超解像画像（出力画像）をＩ_SＲｙ（ｒ_ｓ）とする。画像処理部７は、ステップＳ１２７においてＩ_SＲｘ（ｒ_ｓ）とＩ_SＲｙ（ｒ_ｓ）とを順次足し合わせることで、２次元的に分解能が向上した超解像画像である最終出力画像を生成する。

　あるいは、画像処理部７は、以下の処理によって超解像画像である最終出力画像を生成してもよい。
　画像処理部７は、超解像画像Ｉ_SＲｘ（ｒ_ｓ）および超解像画像Ｉ_SＲｙ（ｒ_ｓ）をそれぞれスキャン座標ｒｓでフーリエ変換する。ここで、超解像画像Ｉ_SＲｘ（ｒ_ｓ）をフーリエ変換したものをＩ^～ _SＲx（ｋ_ｓ）で表わす。また、超解像画像Ｉ_SＲｙ（ｒ_ｓ）をフーリエ変換したものをＩ^～ _SＲｙ（ｋ_ｓ）で表す。Ｉ^～ _{SＲ_x}（ｋ_ｓ）は、通常の蛍光顕微鏡に比べて、干渉縞の周期方向（Ｘ方向）に関して遮断周波数が増大している。また、Ｉ^～ _SＲｙ（ｋ_ｓ）は、通常の蛍光顕微鏡に比べて、干渉縞の周期方向（Ｙ方向）に関して遮断周波数が増大している。画像処理部７は、Ｉ~_SＲｘ（ｋ_ｓ）とＩ~_SＲｙ（ｋ_ｓ）とを足し合わせる。これにより、２方向（Ｘ方向およびＹ方向）において、遮断周波数が増大する。

　なお、足し合わされた実効ＯＴＦの形状は、干渉縞Ｌ２の周期方向を変更する方向の組み合わせによって、いびつである場合がある。この場合、画像処理部７は、実効ＯＴＦの形状を補正する周波数フィルターをかけてもよい。
　画像処理部７は、上記の足し合わされた、または足し合わされ、かつフィルター処理された周波数空間上のデータを、逆フーリエ変換して、最終出力画像を生成する。これにより、Ｉ_SＲｘ（ｒ_ｓ）とＩ_SＲｙ（ｒ_ｓ）とを足し合わせる場合よりも効果的に最終出力画像の分解能を向上させることができる。

　干渉縞Ｌ２の周期方向の変更は、上述の０°および９０°の２通りに限られるわけでなく、図３で説明したように、周期方向を０°、１２０°、２4０°の３通りに変更し、検出装置６は、そのそれぞれについて蛍光Ｌ３を検出してもよい。画像処理部７は、３通りの周期方向について検出装置６が検出した３つの検出結果（例、３枚の画像）を用いて、最終出力画像を生成してもよい。この場合にも、上記と同様に、画像処理部７は、３通りの出力画像ＩＳＲをそのまま加算して最終的な超解像画像ＩＳＲを得ることができる。あるいは、３通りの出力画像ＩＳＲをスキャン座標ｒｓでフーリエ変換し、周波数空間上で加算および周波数フィルターにより処理を行った後に、フーリエ逆変換して最終出力画像ＩＳＲを得ることもできる。

　なお、本実施形態において、顕微鏡１は、試料面Ｓａと平行な２方向に干渉縞Ｌ２を走査することで、干渉縞Ｌ２を二次元的に走査する。実施形態の顕微鏡１は、試料面Ｓａと平行な２方向、及び試料面Ｓａに垂直な１方向に干渉縞Ｌ２を走査することで、干渉縞Ｌ２を三次元的に走査してもよい。干渉縞Ｌ２を三次元的に走査する場合、試料面Ｓａと平行な２方向に干渉縞Ｌ２を走査する処理（以下、二次元処理という）については、上述の実施形態で説明した処理と同様である。顕微鏡１は、二次元処理をＺ方向の位置を変更して繰り返すことにより、例えば、三次元的な超解像画像を生成可能である。後述の実施形態についても同様に、顕微鏡１は、干渉縞Ｌ２を三次元的に走査してもよい。

　なお、上述の画像取得のフローにおいては、始めに干渉縞Ｌ２の方向を設定し、次に干渉縞Ｌ２の位相を設定し、最後に干渉縞Ｌ２の走査位置（光路変更部１８の設定）を変更する構成としているが、これらの設定の順序はこれに限られるものではない。例えば、始めに干渉縞Ｌ２の位相を設定し、次に干渉縞Ｌ２の方向を設定しても良く、他の順で設定を行ってもよい。なお、上述の通り、ステップＳ１０８の画像処理１においては干渉縞Ｌ２の複数の位相条件で所望の領域を走査した画像を必要とする。従って、テップＳ１０８の画像処理１は、試料面Ｓａ上の所望の領域の画像を複数の位相条件で取得した後に行う。

（画像処理の変形例）
　上述の画像処理の例においては、干渉縞Ｌ２の位相が異なる３つの位相状態（３位相シフト）で取得した３つの画像を用いて、０次成分および±１次成分の成分分離を行う方法について説明した。しかし、成分分離は、３位相シフトに限らず、２位相シフトにおいても行うことができる。本変形例では、２位相シフトで成分分離を行う方法について説明する。なお、本変形例においては、顕微鏡１の構成は上述の第１実施形態と同じであり、ステップＳ１０８の画像処理（画像処理１）についても、図７のステップＳ１２３の成分分離の部分以外は第１実施形態と同じである。

　干渉縞Ｌ２の位相について、相互にπの位相差を有するφ＝０、π[rad]の２位相分の画像を取得した場合、各々の位相に対して得られる画像のスキャン座標ｒｓによるフーリエ変換は、上述の式（８）に対応して、以下の式（１８）のように示される。

　　　　　　　・・・・式（１８）
　ここで、画像を取得した干渉縞Ｌ２の２つの位相の位相差はπであり逆位相であるので、２つの画像のフーリエ変換の各々の和をとると、±１次成分は相殺され、０次成分が得られる（抽出される）。

　　　　　　　・・・・式（１９）

　一方、２つの画像のフーリエ変換の各々の差をとると、＋１次成分と－１次成分の和が得られる。

　　　　　　　・・・・式（２０）
　ここで、±１次成分は、ｋｓ座標空間上での中心位置（空間周波数）が相互に離れているため、相互に重なる領域は非常に小さい。したがって、ｋｓ座標空間において、ｋｓ＞０の領域のデータを抽出することで実質的にＩ^～ _＋１（ｒ，ｋｓ）を得ることができ、ｋｓ＜０の領域のデータを抽出することで実質的にＩ^～ _－１（ｒ，ｋｓ）を得ることができる。このように抽出した場合、±１次成分の各々には他方の成分が僅かながら含まれることになるが、実際の顕微観察ではこのような僅かな成分はノイズに埋もれてしまうため、事実上問題が生じない。このようにして、２位相シフトにおいても成分分離を行うことができる。

（４以上の位相シフトの場合）
上述の画像処理の例において、位相シフトを２回（２位相シフト）、もしくは３回（３位相シフト）の場合に、０次成分および±１次成分の成分分離を行う方法について説明した。位相シフトの回数は４回以上でもよい。位相シフトをＮ回行う場合（Ｎ＞３）、位相シフト量は例えば、それぞれ、０、２π／Ｎ、４π／Ｎ、…、２π（Ｎ－１）／Ｎ　[ｒａｄ]とする。
　各々の位相で撮影した画像について、式（９）と同様の連立方程式を立てることができる。ただし、連立方程式の数はＮ個である。Ｎ個の連立方程式に対して、未知数はＩ^～ _０（ｒ，ｋｓ）、Ｉ^～ _＋１（ｒ，ｋｓ）、Ｉ^～ _－１（ｒ，ｋｓ）の３つである。このような場合、最小二乗法を用いることで、上記Ｎ個の連立方程式からＩ^～ _０（ｒ，ｋｓ）、Ｉ^～ _＋１（ｒ，ｋｓ）、Ｉ^～ _－１（ｒ，ｋｓ）を求めることが可能である。このようにして、位相シフトＮ回の場合にも、成分分離が可能である。成分分離を行った後の画像処理については、上述の３位相シフトの場合と同様である。

（第２実施形態の顕微鏡）
　第２実施形態の顕微鏡について、図１０、図１１、および図１２を参照して説明する。図１０は、第２実施形態の顕微鏡のダイクロイックミラー１６の近傍の構成を表す図である。第２実施形態の顕微鏡は、図１０に示されている部分以外は、図１に示した上述の第１実施形態の顕微鏡と同じである。第２実施形態の顕微鏡は、位相変調素子として、図１に示したガラス板からなる位相変調素子２５の代わりに、図１０に示した部分反射鏡２５ｆ、２５ｇを備えている。
　部分反射鏡２５ｆ、２５ｇのうちの少なくとも一方は、ピエゾ素子２６ｆ、２６ｇにより保持され、各反射鏡の鏡面に垂直な方向に移動可能となっている。ピエゾ素子２６ｆ、２６ｇの少なくとも一方を駆動することにより、部分反射鏡２５ｆ、２５ｇが相対的に変位することで、励起光Ｌ１ａと励起光Ｌ１ｂの間に光路差（位相差）が形成される。これにより、試料面Ｓａ上に形成される干渉縞Ｌ２の位相を変化させることができる。

（画像取得フロー）
　以下、図１１を参照して、第２実施形態の顕微鏡１における画像取得フローの一例について説明する。なお、以下の各ステップにおける処理について、上述の第１実施形態と共通する部分については、適宜説明を省略する。
　ステップＳ２０１において、顕微鏡１の制御部ＣＢは、干渉縞Ｌ２を所定の方向に設定する。制御部ＣＢは、ステップＳ２０２で、光路変更部１８（走査ミラー１８Ｘ，１８Ｙ）を所定の設定（角度）に設定し、ステップＳ２０３で干渉縞Ｌ２を、試料面Ｓａの所定の位置に照射し、試料Ｓの蛍光物質を干渉縞Ｌ２で励起する。

　ステップＳ２０４において、制御部ＣＢは、ピエゾ素子２６ｆ、２６ｇを駆動して部分反射鏡２５ｆ、２５ｇを経過時間ｔとともに変位させ、干渉縞Ｌ２の位相φを、φ（ｔ）＝２πｆ０ｔ[rad]で、経過時間ｔとともに変化させる。なお、位相φ（ｔ）の値には、±２ｍπ[rad]（ｍは整数）の差があってもよい。そしてステップＳ２０５において、検出装置６の複数の検出部６ａは、所定の時間間隔でそれぞれ試料Ｓからの蛍光Ｌ３を検出する。
　ステップＳ２０６において、制御部ＣＢは経過時間ｔが所定の時間Ｔ未満であるか否かを判断する。そして、経過時間ｔが所定の時間Ｔ未満であれば、ステップＳ２０４に戻り、干渉縞Ｌ２の位相を再設定してステップＳ２０５の蛍光Ｌ３の検出を繰り返す。
　一方、経過時間ｔが所定の時間Ｔ以上であれば、ステップＳ２０７に進む。

　ステップＳ２０７では、光路変更部１８の設定（走査ミラー１８Ｘ，１８Ｙの角度）の変更の要否を判断し、試料面Ｓａ上の所望の領域の走査が未了であれば、ステップＳ２０２に戻り光路変更部１８の設定を変更して上記照明領域を変更する。一方、試料面Ｓａ上の所望の領域の走査が終了していれば、ステップＳ２０８の画像処理（画像処理２）に進む。
　ステップＳ２０８の画像処理（画像処理２）の処理の詳細は、後述する。
　次のステップＳ２０９では、干渉縞Ｌ２の方向の変更が必要か否かを判断し、変更が必要であればステップＳ２０１に戻って、干渉縞Ｌ２の方向を変更して、再度ステップＳ２０２以降を実行する。
　一方、既に所定数の方向の干渉縞Ｌ２で上述の蛍光強度分布を取得済の場合には、干渉縞Ｌ２の方向の変更が不要と判断され、画像取得フローを終了する。

（画像処理２）
　ステップＳ２０２からステップＳ２０７により検出部６ａが取得する画像データは、上述の式（６）より以下の式（２１）が示す画像と等価になる。

　　　　　　　　　・・・・式（２１）
式（２１）を経過時間ｔについてフーリエ変換すると、式（２２）が得られる

　　　　　　　　　・・・・式（２２）

　ここで、Ｉ^～（ｒ，ｒｓ；ｆ）は、Ｉ（ｒ，ｒｓ；ｔ）を経過時間ｔでフーリエ変換した結果、ｆはフーリエ変換後の周波数空間の座標、δはディラックのデルタ関数を表す。式（２２）より、Ｉ^～（ｒ，ｒｓ；ｆ）は、ｆ＝０、±ｆ０の近傍にのみ値を持つことが分かる。ｆ＝０近傍のデータを抽出してＩ_０（ｒ，ｒｓ）とし、ｆ＝＋ｆ０近傍のデータを抽出してＩ_＋１（ｒ，ｒｓ）とし、ｆ＝－ｆ０近傍のデータを抽出してＩ_－１（ｒ，ｒｓ）とする。これらは上述の第１実施形態において式（１２）で示したＩ_０（ｒ，ｒｓ）、Ｉ_＋１（ｒ，ｒｓ）、Ｉ_－１（ｒ，ｒｓ）と等価である。従って、各検出部６ａが取得した画像を経過時間ｔに関してフーリエ変換することで、０次成分および±１次成分を成分分離することができる。

　すなわち、第２実施形態においては、ステップＳ２０２からステップＳ２０７により検出部６ａが取得した画像を、経過時間ｔについてフーリエ変換することで、０次成分および±１次成分を成分分離する。
　図１２は、第２実施形態におけるステップＳ２０８の画像処理２の処理フローの一例を表すフローチャートである。
　画像処理２の中のステップＳ２２１において、画像処理部７は、複数の検出部６ａの中から１つの検出部６ａを選択して、その検出部６ａが取得した画像の画像処理を開始する。なお、ディテクター座標ｘ, ｙにある１つ検出部６ａが検出した画像は、スキャン座標ｘｓ, ｙｓ、および経過時間ｔの、合わせて３次元からなるデータである。

　画像処理部７は、ステップＳ２２２において、上述の通り、１つ検出部６ａが検出した画像（検出結果）Ｉ（ｒ，ｒｓ；ｔ）を経過時間ｔでフーリエ変換する。そして、ステップＳ２２３において、フーリエ変換されたＩ^～（ｒ，ｒｓ；ｆ）のうち、ｆ＝０近傍のデータを抽出してＩ_０（ｒ，ｒｓ）とし、ｆ＝＋ｆ０近傍のデータを抽出してＩ_＋１（ｒ，ｒｓ）とし、ｆ＝－ｆ０近傍のデータを抽出してＩ_－１（ｒ，ｒｓ）とする。上述の通り、これにより、０次成分と±１次成分の成分分離がなされる。

　その後、ステップＳ２２４にて画像処理による位相シフト処理を行い、ステップＳ２２５にて各検出部６ａの位置ずれを補正する処理を行い、ステップＳ２２６において、各検出部６ａの画像を加算する処理を行う。なお、ステップＳ２２４からステップＳ２２６までの処理は、上述の第１実施形態の画像処理１におけるステップＳ１２５からステップＳ１２７の各処理と同じであるので、説明を省略する。

　なお、ステップＳ２０４において、各検出部６ａは、干渉縞Ｌ２の走査位置ごとに経過時間ｔが０～Ｔの間、時間間隔Δｔで蛍光強度を取得する。このとき、時間間隔Δｔは、Δｔ＜１／（２ｆ０）を満たし、かつ、上述の所定の時間Ｔは、Ｔ＞２／ｆ０を満たすように設定することが望ましい。
　すなわち、所定の時間Ｔは、干渉縞Ｌ２の位相変化の周期の２倍より長い時間に設定し、時間間隔Δｔは、干渉縞Ｌ２の位相変化の周期の半分よりも短い時間に設定することが望ましい。所定の時間Ｔが上記より短い、あるいは、時間間隔Δｔが上記より長いと、０次成分および±１次成分の成分分離の精度が低下する。

（第３実施形態の顕微鏡）
　第３実施形態の顕微鏡について説明する。第３実施形態の顕微鏡において、上述の各実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図１３は、第３実施形態の顕微鏡１ｂを示す図である。本実施形態において、検出装置６は、複数の検出部６ａが１次元的に配列されたラインセンサ（ラインディテクター）を含んでいる。複数の検出部６ａは、検出装置６において１方向に配列されている。検出装置６は、試料面Ｓａと光学的に共役な位置に配置されている。複数の検出部６ａが並ぶ方向（以下、配列方向という）は、干渉縞Ｌ２の周期方向と対応する方向に設定されている。例えば、図１３において、干渉縞の周期方向はＸ方向であり、複数の検出部６ａの配列方向は、Ｘ方向に対応するＸｂ方向に設定されている。

　本実施形態の顕微鏡１ｂは、λ/２波長板３０と、光軸の周りで光路を回転させる光路回転部３１とを備えている。λ/２波長板３０は、光路回転部３１による光路の回転角に基づいて、光路回転部３１を通る偏光を回転させる。光路回転部３１は、照明光学系４においてマスク１５から試料Ｓまでの間の光路に配置されている。光路回転部３１は、例えば、照明光学系４の光路において励起光Ｌ１がほぼ平行光になる位置に配置されている。光路回転部３１は、例えば、照明光学系４において励起光Ｌ１が通り且つ検出光学系５において蛍光Ｌ３が通る位置に配置されている。光路回転部３１は、例えば、ダイクロイックミラー１６と試料Ｓとの間の光路に配置されている。λ/２波長板３０は、光路回転部３１に対して試料Ｓと同じ側に配置されていてもよいし、光路回転部３１に対して試料Ｓと反対側（例、励起光の光源と同じ側）に配置されていてもよい。

　光路回転部３１は、例えば、ダブプリズムなどのイメージローテーターである。光路回転部３１は、照明光学系４の光軸の周りで回転可能に設けられている。光路回転部３１は、光路回転駆動部３２によって駆動されて回転する。光路回転部３１としてダブプリズムを用いる場合、ダブプリズムを照明光学系４の光軸の周りでθ°回転させると、ダブプリズムからの光出射側（試料Ｓ側）における光路は、ダブプリズムへの光入射側（光源３側）における光路に対して、照明光学系４の光軸の周りで２×θ°回転する。これにより、試料Ｓに対する励起光Ｌ１の入射面は、Ｚ方向の周りで２×θ°回転し、干渉縞Ｌ２の周期方向は、Ｚ方向の周りで２×θ°回転する。例えば、干渉縞Ｌ２の周期方向を９０°変更する場合、光路回転駆動部３２は、光路回転部３１を照明光学系４の光軸の周りで４５°回転させる。このように、光路回転部３１は、試料に対する干渉縞の方向を変更する縞方向変更部に含まれる。

　λ/２波長板３０は、照明光学系４の光軸の周りで回転可能に設けられる。λ/２波長板３０は、光路回転部３１と連動して回転する。λ/２波長板３０は、光路回転部３１の回転角に基づいて定められる角度だけ回転する。例えば、λ/２波長板３０は、光路回転部３１と固定（例、一体化）され、光路回転部３１とともに回転する。この場合、λ/２波長板３０は、光路回転部３１の回転角と同じ角度だけ回転する。

　λ/２波長板３０を照明光学系４の光軸の周りでθ°回転させると、励起光Ｌ１の偏光方向は、光入射側（光源３側）における偏光方向に対して、照明光学系４の光軸の周りで２×θ°回転する。これにより、試料Ｓに入射する際の励起光Ｌ１の偏光状態は、Ｓ偏光になる。

　また、図１３の光路回転部３１は、像回転部にも含まれる。像回転部は、試料Ｓの像（例、試料Ｓからの蛍光の像）を複数の検出部６ａに対して、検出光学系５の光軸の周りで回転させる。すなわち、縞方向変更部と像回転部とは、同一の部材（光学部材）として光路回転部３１を含む。光路回転部３１は、照明光学系４の光路のうち蛍光が入射する位置に配置される。像回転部は、光路回転部３１によって蛍光の像を回転させる。光路回転部３１は、検出装置６における複数の検出部６ａの配列方向に対する干渉縞Ｌ２の周期方向を調整する。光路回転部３１としてダブプリズムを用いる場合、ダブプリズムを照明光学系４の光軸の周りでθ°回転させると、干渉縞Ｌ２の周期方向がＺ方向の周りで２×θ°回転する。そして、試料Ｓからの蛍光Ｌ３の光路は、ダブプリズムへの光入射側（試料Ｓ側）に対して、光出射側（検出装置６側）において－２×θ°回転する。

　ダブプリズムを回転させると、ダブプリズムを介して試料Ｓへ向かう光の光路が回転し、試料Ｓに対する干渉縞Ｌ２の周期方向が変化する。また、試料Ｓからダブプリズムを介して検出装置６へ向かう光の光路は、試料Ｓへ向かう光の光路と反対向きに同じ角度だけ回転する。したがって、検出装置６における複数の検出部６ａ（例、ラインディテクター）の像を、検出光学系５を介して試料面Ｓａに投影した場合、複数の検出部６ａが並ぶ方向と干渉縞の周期方向とは、ダブプリズムによって干渉縞の周期方向を変更した場合でも常に一致する。よって、検出装置６は、干渉縞Ｌ２の周期方向の変更前と変更後とで同じように、蛍光Ｌ３を検出可能である。画像処理部７は、検出装置６の検出結果に基づいて、第１実施形態から第２実施形態で説明した処理によって画像を生成する。

　なお、上述の第１実施形態の顕微鏡１は、マスク駆動部２２がマスク１５を回転させることで干渉縞Ｌ２の周期方向を変更するが、上述の第１実施形態においても上記の光路回転部３１（例、ダブプリズム）によって干渉縞Ｌ２の周期方向を変更してもよい。また、第１実施形態および第３実施形態のいずれにおいても、干渉縞Ｌ２の周期方向を変更する縞方向変更部は、マスク駆動部２２および光路回転部３１のいずれとも異なる形態でもよい。例えば、ステージ２は、Ｚ方向の周りで回転可能に設けられ、その回転によって試料Ｓに対する干渉縞Ｌ２の方向を変更してもよい。この場合、ステージ２は、試料Ｓに対する干渉縞Ｌ２の方向を変更する縞方向変更部に含まれる。

（第４実施形態の顕微鏡）
　図１４は、第４実施形態の顕微鏡の顕微鏡１ｃを示す。図１４の顕微鏡１ｃは、光路回転部３１が設けられる位置が図１３の第３実施形態の顕微鏡１ｂとは異なる。図１４において、縞方向変更部は、上述の第１実施形態の顕微鏡１と同様であり、マスク１５およびマスク駆動部２２を含んでいる。光路回転部３１は、図１３の第３実施形態の顕微鏡１ｂにおいては、縞方向変更部と像回転部とを兼ねているが、図１４の第４実施形態の顕微鏡１ｃにおいては、縞方向変更部（マスク１５およびマスク駆動部２２）とは別に設けられている。図１４において、光路回転部３１は、検出光学系５の光路のうち照明光学系４の光路と重複しない位置に配置されている。光路回転部３１は、励起光Ｌ１が入射せず、蛍光Ｌ３が入射する位置に配置されている。光路回転部３１は、ダイクロイックミラー１６と検出装置６との間の光路に配置されている。

　顕微鏡１ｃは、マスク駆動部２２がマスク１５および偏光子１４を回転させることで、干渉縞Ｌ２の周期方向を変更する。光路回転駆動部３２は、マスク１５および偏光子１４の少なくとも一方の回転角に基づいて定まる角度だけ、光路回転部３１を回転させる。顕微鏡１ｃは、駆動部３２が光路回転部３１を回転させることで、検出装置６に投影される像の方向を複数の検出部６ａが並ぶ方向に対して整合させる。

　上述の第３実施形態の顕微鏡１ｂまたは第４実施形態の顕微鏡１ｂにおいても、画像処理部７は、検出装置６の各検出部６ａの検出結果に基づいて、画像を生成する。画像処理部７が行う画像処理は、上述の第１実施形態または第２実施形態で説明した画像処理のいずれであってもよい。

（第５実施形態の顕微鏡）
　第５実施形態の顕微鏡について説明する。第５実施形態において、上述の各実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図１５は、第５実施形態の顕微鏡１ｄを示す図である。第５実施形態において、顕微鏡１ｄは、遮光部材３３を備えている。遮光部材３３は、試料面Ｓａと光学的に共役な位置またはその近傍に配置されている。図１５において、検出装置６は、試料面Ｓａと光学的に共役な位置に配置され、遮光部材３３は、検出装置６の近傍に配置されている。遮光部材３３は、試料面Ｓａと共役な位置またはその近傍に配置されていてもよい。

　遮光部材３３は、蛍光Ｌ３が通る開口３３ａを有し、開口３３ａの周囲において蛍光Ｌ３を遮光する。開口３３ａは、検出装置６における複数の検出部６ａの配列方向（Ｘｂ方向）に延びている。開口３３ａは、例えば矩形状のスリットである。遮光部材３３は、開口３３ａの長辺が複数の検出部６ａの配列方向とほぼ平行になるように、配置されている。遮光部材３３は、開口３３ａの寸法と形状の一方または双方が可変でもよい、例えば、遮光部材３３は、光を遮る領域を可変な機械式の絞り、あるいは空間光変調器（ＳＬＭ）などでもよい。なお、開口３３ａの寸法と形状の一方または双方が固定でもよい。

　検出装置６は、遮光部材３３の開口３３ａを通った蛍光Ｌ３を検出する。画像処理部７は、検出装置６の各検出部６ａの検出結果に基づいて、画像を生成する。画像処理部７が行う処理は、上述の第１実施形態または第２実施形態で説明した処理のいずれであってもよい。

（第６実施形態の顕微鏡）
　第６実施形態の顕微鏡について説明する。第６実施形態において、上述の各実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図１６は、第６実施形態の顕微鏡１ｅを示す図である。本実施形態において、顕微鏡１ｅは、上述の第１実施形態の顕微鏡１と同様にマスク駆動部２２を備えている。そして、検出装置６を回転させる検出装置駆動部３４を備えている。マスク駆動部２２は、マスク１５を回転させ、干渉縞Ｌ２の周期方向を変更する。マスク駆動部２２は、試料Ｓに対する干渉縞Ｌ２の方向を変更する縞方向変更部に含まれる。

　本実施形態において、検出装置６は、検出光学系５の光軸を中心としてＺｂ方向の周りで回転可能である。検出装置駆動部３４は、Ｚｂ方向の周りで検出装置６を回転させる。検出装置駆動部３４は、検出装置６における検出部６ａの配列方向が干渉縞Ｌ２の周期方向と対応するように、検出装置６を回転させる。例えば、マスク駆動部２２がマスク１５を９０°回転させる場合、干渉縞Ｌ２の周期方向が９０°変化するので、検出装置駆動部３４は、検出装置６を９０°回転させる。

　また、検出装置駆動部３４は、検出装置６と遮光部材３３との相対位置が維持されるように、遮光部材３３を回転させる。例えば、遮光部材３３と検出装置６とは一体化されており、検出装置駆動部３４は、遮光部材３３と検出装置６とを一体的に回転させる。

　なお、顕微鏡１は、検出装置６を回転させる代わりに、図１４に示した光路回転部３１を備えていてもよい。また、顕微鏡１ｅは、図１４に示したように遮光部材３３を備えなくてもよい。

（第７実施形態の顕微鏡）
　第７実施形態の顕微鏡について説明する。第７実施形態において、上述の各実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図１７、第７実施形態の顕微鏡１ｆを示す図である。上述の第１実施形態において、瞳面Ｐ０（図２（Ｃ）参照）上で照明瞳が２極（２つの領域）に分かれる例を説明したが、照明瞳はその他の形態でもよい。ここでは、照明瞳が瞳面上で４極（４つの領域）に分かれる形態について説明する。

　本実施形態における照明光学系４は、光ファイバー１１の光出射側に、コリメーターレンズ１２、λ／２波長板３５、偏光分離素子３６、位相変調素子２５ａ、ミラー３７、マスク３８（開口部材）、位相変調素子２５ｂ、ミラー３９、マスク４０（開口部材）、及び偏光分離素子４１を備えている。照明光学系４は、ダイクロイックミラー１６から対物レンズ２１までの構成については、上述の第１実施形態と同様である。

　光ファイバー１１から出射した励起光Ｌ１は、コリメーターレンズ１２によってほぼ平行光に変換され、λ／２波長板３５に入射する。λ／２波長板３５を通った励起光Ｌ１は、第１方向の直線偏光である励起光Ｌ１ｃ、および第２方向の直線偏光である励起光Ｌ１ｄを含む。λ／２波長板３５は、励起光Ｌ１ｃの光量と励起光Ｌ１ｄの光量とが所定の比率になるように、その光学軸（進相軸、遅相軸）の方向が設定される。

　λ／２波長板３５を通った励起光Ｌ１（励起光Ｌ１ｃおよび励起光Ｌ１ｄ）は、偏光分離素子３６に入射する。偏光分離素子３６は、コリメーターレンズ１２の光軸１２ａに対して傾いた偏光分離膜３６ａを有している。偏光分離膜３６ａは、第１方向の直線偏光が反射し、第２方向の直線偏光が透過する特性を有する。偏光分離素子３６は、例えば、偏光ビームスプリッタプリズム（ＰＢＳプリズム）である。上記の第１方向の直線偏光は、偏光分離膜３６ａに対するＳ偏光である。上記の第２方向の直線偏光は、偏光分離膜３６ａに対するＰ偏光である。

　偏光分離膜３６ａに対するＳ偏光である励起光Ｌ１ｃは、偏光分離膜３６ａで反射し、位相変調素子２５ａ、およびミラー３７を介してマスク３８に入射する。偏光分離膜３６ａに対するＰ偏光である励起光Ｌ１ｄは、偏光分離膜３６ａを透過し、位相変調素子２５ｂ、およびミラー３９を介してマスク４０に入射する。マスク３８およびマスク４０は、蛍光物質を励起する励起光を複数の光束に分割する光束分割部である。マスク３８およびマスク４０については、後に図１８を参照して説明する。

　マスク３８を通った励起光Ｌ１ｃおよびマスク４０を通った励起光Ｌ１ｄは、それぞれ、偏光分離素子４１に入射する。偏光分離素子４１は、励起光Ｌ１ｃの光路および励起光Ｌ１ｄの光路に対して傾いた偏光分離膜４１ａを有している。偏光分離膜４１ａは、第１方向の直線偏光が反射し、第２方向の直線偏光が透過する特性を有する。偏光分離素子４１は、例えば、偏光ビームスプリッタプリズム（ＰＢＳプリズム）である。上記の第１方向の直線偏光は、偏光分離膜４１ａに対するＳ偏光である。上記の第２方向の直線偏光は、偏光分離膜４１ａに対するＰ偏光である。

　励起光Ｌ１ｃは、偏光分離膜４１ａに対してＳ偏光になっており、偏光分離膜４１ａで反射してダイクロイックミラー１６に入射する。励起光Ｌ１ｄは、偏光分離膜４１ａに対するＰ偏光になっており、偏光分離膜４１ａを透過してダイクロイックミラー１６に入射する。なお、偏光分離素子３６および偏光分離素子４１の一方または双方は、ＰＢＳプリズムでなくてもよい。偏光分離素子３６および偏光分離素子４１の一方または双方は、ＴＥ偏光とＴＭ偏光とで反射、透過が異なるフォトニック結晶などでもよい。

　図１８は、第７実施形態におけるマスクおよび励起光の偏光状態を示す図である。図１８（Ａ）において、Ｘｃ方向、Ｙｃ方向、Ｚｃ方向は、それぞれ、試料面Ｓａ（図１７参照）におけるＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に対応する方向である。マスク３８は、開口３８ａおよび開口３８ｂを有している。マスク３８は、瞳面共役面またはその近傍に配置される。開口３８ａおよび開口３８ｂは、Ｘｃ方向に並んでいる。開口３８ａおよび開口３８ｂは、例えば円形であるが、円形以外の形状でもよい。

　図１８（Ｂ）において、Ｘｄ方向、Ｙｄ方向、Ｚｄ方向は、それぞれ、試料面Ｓａ（図１７参照）におけるＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に対応する方向である。マスク４０は、瞳面共役面またはその近傍に配置されている。マスク３８またはマスク４０は、瞳面またはその近傍に配置されていてもよい。マスク４０は、開口４０ａおよび開口４０ｂを有する。開口４０ａおよび開口４０ｂは、Ｙｄ方向に並んでいる。開口４０ａおよび開口４０ｂは、例えば円形であるが、円形以外の形状でもよい。

　図１８（Ｃ）において、符号ＡＲ２ａは、対物レンズ２１の瞳面Ｐ０において、マスク３８の開口３８ａを通った励起光Ｌ１ｃが入射する領域である。符号ＡＲ２ｂは、瞳面Ｐ０において、マスク３８の開口３８ｂを通った励起光Ｌ１ｃが入射する領域である。領域ＡＲ２ａ、領域ＡＲ２ｂにおける矢印は、入射する励起光Ｌ１ｃの偏光方向を示す。領域ＡＲ２ａと領域ＡＲ２ｂとは、Ｘ方向に並んでいる。

　領域ＡＲ２ａに入射する励起光Ｌ１ｃおよび領域ＡＲ２ｂに入射する励起光Ｌ１ｃは、それぞれ、Ｙ方向の直線偏光である。領域ＡＲ２ａに入射する励起光Ｌ１ｃと領域ＡＲ２ｂに入射する励起光Ｌ１ｃとは、偏光方向が同じであり、試料面Ｓａ（図１７参照）において互いに干渉する。この干渉によって、試料面Ｓａには、周期方向がＸ方向の干渉縞が形成される。試料面Ｓａに対する励起光Ｌ１ｃの入射面は、ＸＺ面であり、励起光Ｌ１ｃは、試料面ＳａにＳ偏光で入射する。

　また、図１８（Ｃ）において、符号ＡＲ２ｃは、瞳面Ｐ０において、マスク４０の開口４０ａを通った励起光Ｌ１ｄが入射する領域である。符号ＡＲ２ｄは、瞳面Ｐ０において、マスク４０の開口４０ｂを通った励起光Ｌ１ｄが入射する領域である。領域ＡＲ２ｃ、領域ＡＲ２ｄにおける矢印は、入射する励起光Ｌ１ｄの偏光方向を示す。領域ＡＲ２ｃと領域ＡＲ２ｄとは、Ｙ方向に並んでいる。

　領域ＡＲ２ｃに入射する励起光Ｌ１ｄおよび領域ＡＲ２ｄに入射する励起光Ｌ１ｄは、それぞれ、Ｘ方向の直線偏光である。領域ＡＲ２ｃに入射する励起光Ｌ１ｄと領域ＡＲ２ｄに入射する励起光Ｌ１ｄとは、偏光方向が同じであり、試料面Ｓａ（図１７参照）において互いに干渉する。この干渉によって、試料面Ｓａには、周期方向がＹ方向の干渉縞が形成される。試料面Ｓａに対する励起光Ｌ１ｄの入射面は、ＹＺ面であり、励起光Ｌ１ｃは、試料面ＳａにＳ偏光で入射する。

　図１７の説明に戻り、試料面Ｓａには、励起光Ｌ１ｃの干渉による干渉縞と、励起光Ｌ１ｄの干渉による干渉縞とを合成した干渉縞Ｌ２が形成される。なお、励起光Ｌ１ｃと励起光Ｌ１ｄとで偏光方向が互いにほぼ直交するので、励起光Ｌ１ｃと励起光Ｌ１ｄとの干渉が抑制される。

　検出装置６は、試料Ｓからの蛍光Ｌ３を、検出光学系５を介して検出する。検出装置６は、第１実施形態で説明したように、Ｘｂ方向とＹｂ方向との２方向に複数の検出部６ａが配列されたイメージセンサである。第７実施形態においても、検出装置６は、複数の位相の干渉縞Ｌ２により励起された試料Ｓからの蛍光をそれぞれ取得する。そのために、照明光学系４に配置された位相変調素子２５ａおよび位相変調素子２５６の角度位置を、それぞれ位相変調素子駆動部２６ａ，２６により順次回転移動して、干渉縞Ｌ２の位相を変更する。位相変調素子２５ａおよび位相変調素子２５ｂの構成は、上述の第１実施形態における位相変調素子２５と同様である。画像処理部７は、検出装置６の検出結果に基づいて、画像を生成する。

　図１９は、第７実施形態における瞳共役面Ｐ１における励起光Ｌ１の分布を示す図である。図１９では、瞳共役面Ｐ１を波数座標空間で表している。図１９に示すｋＮＡｅｘ（点線で書かれた円）は、対物レンズ２１の瞳半径である。励起光Ｌ１ｃが入射する領域ＡＲ２ａおよび領域ＡＲ２ｂと、励起光Ｌ１ｄが入射する領域ＡＲ２ｃおよび領域ＡＲ２ｄとは、ここではそれぞれ円形であるとするが、円形に限られない。領域ＡＲａから領域ＡＲｄの各領域の半径は、σｋＮＡｅｘである。領域ＡＲａから領域ＡＲｄの各領域の中心と、対物レンズ２１の光軸２１ａとの距離は、（１－σ）ｋＮＡｅｘである。領域ＡＲ２ａの中心と領域ＡＲ２ｂの中心との距離は、例えば２（１－σ）ｋＮＡｅｘであるが、この値に限らない。また、領域ＡＲ２ｃの中心と領域ＡＲ２ｄの中心との距離は、例えば２（１－σ）ｋＮＡｅｘであるが、この値に限らない。

　試料面Ｓａでの強度（電場の二乗）ｉｌｌ（ｒ）は、下記の式（２３）で表される。式（２３）において、ｋ０x、ｋ０yは、それぞれ干渉縞Ｌ２の波数ベクトルである。ｋ０xは、ｋ０x＝（ｋ０，０）で表される。ｋ０yは、ｋ０y＝（０，ｋ０）で表される。ｋ０x、ｋ０yの成分であるｋ０は、ｋ０＝２（１－σ）ｋＮＡｅｘで表される。

　　　　　　　　　・・・・式（２３）

　第７実施形態においては、上述の各実施形態とは照明瞳の形状が異なるが、上述の第１実施形態および第２実施形態で説明した画像取得フローおよび画像処理は、第７実施形態にも適用できる。従って、画像取得フローおよび画像処理の説明は省略する。

（第８実施形態の顕微鏡）
　第８実施形態の顕微鏡について説明する。第８実施形態の構成の大部分は、図１７に示した第７実施形態の構成と共通するので、同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図２０は、第８実施形態の顕微鏡１ｇを示す図である。本実施形態において、顕微鏡１ｇは、照明光学系４内に、図１３で説明したλ/２波長板３０および光路回転部３１を備えている。光路回転部３１は、光路回転駆動部３２によって駆動され、照明光学系４の光軸の周りで回転する。光路回転部３１が回転すると、励起光Ｌ１ｃの光路および励起光Ｌ１ｄの光路は、それぞれ、照明光学系４の光軸の周りで回転する。その結果、試料面Ｓａに形成される干渉縞Ｌ２の周期方向は、Ｚ方向の周りで回転する。

　図２１は、第８実施形態における励起光の偏光状態を示す図である。図２１（Ａ）において、瞳面Ｐ０上で励起光Ｌ１ｃが入射する領域ＡＲ４ａは、Ｘ方向に並んでいる。また、瞳面Ｐ０上で励起光Ｌ１ｄが入射する領域ＡＲ４ｂおよび領域ＡＲ４ｂは、Ｙ方向に並んでいる。

　図２１（Ｂ）は、図２１（Ａ）の状態から、ダブプリズム（図２０の光路回転部３１）およびλ／２波長板３０が２２．５°回転した状態に相当する。図２１（Ｂ）において、瞳面Ｐ０上で励起光Ｌ１ｃが入射する領域ＡＲ４ａは、Ｘ方向から４５°回転した方向に並んでいる。この状態において、試料面Ｓａにおける励起光Ｌ１ｃの干渉縞の周期方向は、Ｘ方向から４５°回転した方向になる。また、瞳面Ｐ０上で励起光Ｌ１ｄが入射する領域ＡＲ４ｂは、Ｙ方向から４５°回転した方向に並んでいる。この状態において、試料面Ｓａにおける励起光Ｌ１ｄの干渉縞の周期方向は、Ｙ方向から４５°回転した方向になる。

　図２０の説明に戻り、第８実施形態において、検出装置６は、干渉縞Ｌ２の周期方向が変更される前後のそれぞれにおいて、位相変調素子２５ａ，２５ｂを所定の回転角度に設定して干渉縞Ｌ２の位相を複数の所定の値に設定しつつ、試料Ｓからの蛍光Ｌ３を検出する。画像処理部７は、干渉縞Ｌ２の周期方向の変更前における検出装置６の検出結果と、干渉縞Ｌ２の周期方向の変更後における検出装置６の検出結果とに基づいて、画像を生成する。なお、光路回転部３１は、ダイクロイックミラー１６と検出装置６との間の光路に配置されてもよい。
　また、第８実施形態において、顕微鏡１は、光路回転部３１によって干渉縞Ｌ２の周期方向を変更するが、干渉縞Ｌ２の周期方向を変更する縞方向変更部は、光路回転部３１と別の態様でもよい。

（第９実施形態の顕微鏡）
　第９実施形態の顕微鏡について説明する。第９実施形態の構成の大部分は、図１７に示した第７実施形態および図２０に示した第８実施形態の構成と共通するので、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。

　図２２は、第９実施形態の顕微鏡１ｈを示す図である。図２３は、第９実施形態におけるマスクを示す図である。第９実施形態において、顕微鏡１ｈは、駆動部４５および駆動部４６を備えている。マスク３８は、照明光学系４の光軸の周りで回転可能である。マスク３８は、マスク駆動部４５に駆動されて、回転する（図２３（Ａ）参照）。図２３（Ａ）において、マスク３８は、反時計周りに４５°回転している。

　また、マスク４０は、照明光学系４の光軸の周りで回転可能である。マスク４０は、マスク駆動部４６に駆動されて、回転する（図２３（Ｂ）参照）。駆動部４６は、駆動部４５がマスク３８を回転させる角度と同じ角度だけ、マスク４０を回転させる。図２３（Ｂ）において、マスク４０は、反時計周りに４５°回転している。これにより、試料面Ｓａにおける干渉縞Ｌ２の周期方向は、Ｚ方向の周りで４５°回転する。

　偏光分離素子４１とダイクロイックミラー１６との間の光路には、λ/２波長板４８が設けられる。λ/２波長板４８は、波長板駆動部４９によって駆動され、照明光学系４の光軸の周りで回転する。λ/２波長板４８および波長板駆動部４９は、励起光Ｌ１ｃおよび励起光Ｌ１ｄのそれぞれについて、Ｓ偏光で試料Ｓに入射するように調整する。

（第１０実施形態の顕微鏡）
　第１０実施形態の顕微鏡について説明する。本実施形態において、上述の各実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図２４は、第１０実施形態の顕微鏡１ｉを示す図である。本実施形態において、顕微鏡１ｉは、リレー光学系４７を備えている。リレー光学系４７は、照明光学系４の一部であり、かつ検出光学系５の一部である。リレー光学系４７は、光路変更部１８において、偏向ミラー１８ａと偏向ミラー１８ｂとの間の光路に配置されている。偏向ミラー１８ｂは、対物レンズ２１の瞳面Ｐ０と光学的に共役な第１瞳共役面とほぼ同じ位置に配置されている。リレー光学系４７は、リレー光学系４７とリレー光学系１７との間に上記の第１瞳共役面と光学的に共役な第２瞳共役面が形成されるように設けられている。偏向ミラー１８ａは、上記の第２瞳共役面とほぼ同じ位置に配置されている。

　なお、光路変更部１８は、上述の形態に限定されない。例えば、ステージ２は、対物レンズ２１に対してＹ方向に移動するＹステージを含み、光路変更部１８は、偏向ミラー１８ｂの代わりにＹステージを含んでいてもよい。この場合、光路変更部１８は、偏向ミラー１８ａによって試料Ｓを励起光Ｌ１でＸ方向に走査し、Ｙステージの移動によって試料Ｓを励起光Ｌ１でＹ方向に走査してもよい。この場合、偏向ミラー１８ａは、対物レンズ２１の瞳面Ｐ０と光学的に共役な瞳共役面とほぼ同じ位置に配置されていてもよい。

　また、ステージ２は、対物レンズ２１に対してＸ方向に移動するＸステージを含んでいてもよい。この場合、上記のＸステージの移動によって試料Ｓと励起光Ｌ１とをＸ方向に相対走査し、偏向ミラー１８ｂによって試料Ｓと励起光Ｌ１とをＹ方向に走査してもよい。この場合、偏向ミラー１８ｂは、対物レンズ２１の瞳面Ｐ０と光学的に共役な瞳共役面とほぼ同じ位置に配置されていてもよい。この場合には、Ｘステージと偏向ミラー１８ｂが、干渉縞Ｌ２と試料Ｓとを相対走査する走査部を構成する。

　また、ステージ２は、対物レンズ２１に対してＸ方向に移動するＸステージと、対物レンズ２１に対してＹ方向に移動するＹステージとを含んでいてもよい。この場合、上記のＸステージの移動によって試料Ｓをと励起光Ｌ１とをＸ方向に相対走査し、上記のＹステージの移動によって試料Ｓと励起光Ｌ１とをＹ方向に相対走査してもよい。この場合には、ＸステージとＹステージとが、干渉縞Ｌ２と試料Ｓとを相対走査する走査部を構成する。
　すなわち、走査部は、上述の第１実施形態から第９実施形態において説明した、光路変更部に限らず、上述のＸステージおよびＹステージ等の、試料Ｓを保持する試料台と照明光学系４および検出光学系５との相対位置を変化させる移動機構を含むものでよい。

　上述の各実施形態においては、試料Ｓを干渉縞で走査する走査方向がＸ方向およびＹ方向の２方向であり、照明光学系４は、試料Ｓを干渉縞で二次元的に走査する。なお、試料Ｓを干渉縞で走査する走査方向は、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向の３方向でもよい。例えば、顕微鏡１は、試料Ｓを干渉縞でＸ方向およびＹ方向に走査して２Ｄ画像を取得する２Ｄ処理を実行し、例えば、対物レンズ２１およびステージ２の少なくとも一方を移動させて、干渉縞が生成されるＺ方向の位置を変更して２Ｄ処理を繰り返すことで、試料Ｓを干渉縞で三次元的に走査してもよい。顕微鏡１は、試料Ｓを干渉縞で三次元的に走査することで、Ｚ方向の位置が異なる複数の２Ｄ画像を取得し、３Ｄ画像（例、Z-stack）を生成してもよい。試料Ｓを干渉縞で三次元的に走査する場合、照明光学系４がＸ方向およびＹ方向に走査し、対物レンズ２１およびステージ２の少なくとも一方の移動によってＺ方向に走査してもよい。また、照明光学系４が試料Ｓを干渉縞で三次元的に走査してもよい。

（変形例１の顕微鏡）
　以下、変形例１の顕微鏡について説明する。変形例１の顕微鏡の構成は、以下で述べる照明瞳の形状および照明光の偏光状態を除いては、上述の各実施形態の顕微鏡と同様であるため、構成の説明は省略する。図２５及び図２６は、変形例１の顕微鏡における照明瞳を示す図である。

　照明瞳は、図２においては２極であり、図１８においては４極であるが、図２５（Ａ）においては３極である。符号ＡＲ５ａから符号ＡＲ５ｃは、それぞれ、瞳面Ｐ０において励起光が入射する領域である。この場合、試料面Ｓａには、領域ＡＲ５ａに入射した励起光と領域ＡＲ５ｂに入射した励起光とによる第１干渉縞と、領域ＡＲ５ｂに入射した励起光と領域ＡＲ５ｃに入射した励起光とによる第２干渉縞と、領域ＡＲ５ｃに入射した励起光と領域ＡＲ５ａに入射した励起光とによる第３干渉縞とが形成される。試料面Ｓａには、上記の第１干渉縞と第２干渉縞と第３干渉縞とを合成した干渉縞が形成される。この干渉縞は、第１干渉縞の周期方向と、第２干渉縞の周期方向と、第３干渉縞の周期方向とがそれぞれ周期方向であり、周期方向が３方向であるので、３方向において超解像効果を得ることができる。なお、照明瞳は、５以上の極を有してもよい。

　また、照明瞳は、図２などにおいて円形であるが、その他の形状でもよい。図２５（Ｂ）および図２５（Ｃ）において、符号ＡＲ６は、励起光が入射する領域である。図２５（Ｂ）の領域ＡＲ６は、対物レンズ２１の光軸２１ａを中心とする円の一部である円ＡＲ６ａと、円弧ＡＲ６ａの両端を結ぶ直線ＡＲ６ｂとに囲まれる領域である。また、図２５（Ｃ）の領域ＡＲ６は、対物レンズ２１の光軸２１ａを中心とする円の一部である円弧と、円弧ＡＲ６ａと対称な曲線ＡＲ６ｃとに囲まれる領域である。

　図２５（Ｂ）あるいは図２５（Ｃ）の形状の照明瞳である場合、円形の照明瞳である場合と比較して、干渉縞が形成されない方向の分解能が良くなり、セクショニングも良くなる。また、図２５（Ｂ）の形状の照明瞳である場合、図２５（Ｃ）の形状の照明瞳である場合と比較して、干渉縞が形成されない方向の分解能が良くなり、セクショニングも良くなる。また、図２５（Ｃ）の形状の照明瞳である場合、図２５（Ｂ）の形状の照明瞳である場合と比較して、干渉縞が形成される方向の分解能がよい。

　図２６（Ａ）において、照明瞳は、図２５（Ｂ）に示した２極形状の照明瞳を４極にした形態である。図２６（Ｂ）において、照明瞳は、図２５（Ｃ）に示した２極形状の照明瞳を４極にした形態である。なお、円形以外の形状の照明瞳である場合についても、励起光が入射する複数の領域の数（極の数）は、２以上の任意の数に設定される。また、瞳面Ｐ０において励起光が入射する複数の領域のうち、１つの領域の形状が他の領域の形状と異なってもよい。また、瞳面Ｐ０において励起光が入射する複数の領域のうち、１つの領域の寸法が他の領域の寸法と異なってもよい。また、瞳面Ｐ０において励起光が入射する複数の領域は、対物レンズ２１の光軸２１ａに関して非対称に配置されてもよい。

　照明瞳の各極の形状、寸法、及び配置は、例えば、図２に示したマスク１５の開口の形状、寸法、及び配置を決定することで実現できる。また、マスク１５は、光を遮る領域が可変な機械式の絞り、あるいは空間光変調器（ＳＬＭ）などでもよい。

（第１１実施形態の顕微鏡）
　図２７は、第１１実施形態の顕微鏡１ｊを示す図である。図２７において、照明光学系４は、光ファイバー１１からダイクロイックミラー１６へ向かう順に、コリメーターレンズ５０、λ／２波長板５１、レンズ５２、回折格子５３、レンズ５４、及びマスク１５を備える。コリメーターレンズ５０は、光ファイバー１１からの励起光Ｌ１をほぼ平行光に変換する。λ／２波長板５１は、試料Ｓに入射する際の励起光Ｌ１の偏光状態を調整する。レンズ５２は、励起光Ｌ１を回折格子５３に集光する。

　回折格子５３は、励起光Ｌ１を回折によって複数の光束に分岐させる。回折格子５３は、蛍光物質を励起する励起光を複数の光束に分割する光束分割部である。回折格子５３はレンズ５２の焦点もしくは焦点近傍に配置される。つまり、回折格子５３は試料面Ｓａと共役な面もしくはその近傍に配置される。焦点近傍とは、レンズ５２で集光される光の焦点深度程度の範囲内のことである。例えば、レンズ５２によって集光される光の波長が１ｕｍ、ＮＡが０．０３の場合、焦点深度は１ｍｍ程度となるため、回折格子５３はレンズ５２の焦点近傍１ｍｍ以内に配置されればよい。上記の複数の光束は、０次回折光、＋１次回折光、及び－１次回折光を含む。レンズ５４は、０次回折光、＋１次回折光、及び－１次回折光をそれぞれほぼ平行光に変換する。マスク１５は、０次回折光を遮光し、かつ、＋１次回折光の少なくとも一部と－１次回折光の少なくとも一部とが通るように設けられる。回折格子５３を備えるこの第１１実施形態の顕微鏡１ｊにおいては、上述の各実施形態に比べて、マスク１５を透過する励起光Ｌ１の光量を増やすことができる。なお、回折格子５３は、０次回折光が発生しないように設計されてもよい。また、マスク１５を設けないような構成をとってもよい。

　回折格子５３により分割された±１次回折光は、照明光学系４により試料面Ｓａ上に集光され、ここに干渉縞Ｌ２を形成する。回折格子５３は、回折格子駆動部５５により、回折格子５３の周期方向に移動可能に保持されている。回折格子駆動部５５が回折格子５３を、回折格子５３の格子方向に微小移動させると、回折格子５３から生じる±１次光の位相が変化する。第１１実施形態の顕微鏡１ｊにおいては、回折格子駆動部５５により回折格子５３の位置を変化させることにより、試料面Ｓａ上に生じる干渉縞Ｌ２の明暗の位相を変化させる。

　なお、上述の各実施形態の顕微鏡においても、第１１実施形態の顕微鏡１ｊと同様に回折格子５３から生じる±１次光により、試料面Ｓａ上に干渉縞Ｌ２を形成する構成とすることができる。この場合、第１１実施形態の顕微鏡１ｊと同様に回折格子５３は回折格子駆動部５５により保持され、回折格子駆動部５５は回折格子５３の格子方向に微小移動させる構成とする。

（偏光調整部の変形例）
　図２８および図２９は、それぞれ、偏光調整部の変形例１および変形例２を示す図である。これらの変形例は、上述の各実施形態および変形例の顕微鏡の照明光学系４内に配置することができる。なお、上述の各実施形態および変形例の顕微鏡の照明光学系４は、図１に示したダイクロイックミラー１６などの反射部材によって光路が折れ曲がっているが、図２８、図２９においては、照明光学系４を、光軸４ａが直線になるように展開して示している。図２８、および図２９に示した偏光調整部の変形例１および変形例２の、上述の各実施形態および変形例の顕微鏡の照明光学系４への適用は、当業者には容易に理解されるものである。図２８、図２９において、Ｚ方向は光軸４ａと平行な方向であり、Ｘ方向およびＹ方向は、それぞれ、光軸４ａと垂直な方向である。

　図２８に示した偏光調整部の変形例１において、照明光学系４は、λ／４波長板６１、マスク１５、及びλ／４波長板６２を含む。光ファイバー１１から出射した励起光Ｌ１は、偏光方向がほぼＸ方向の直線偏光光であり、λ／４波長板６１に入射する。なお、光ファイバー１１とλ／４波長板６１との間の光路に、透過軸がＸ方向の偏光子（例、偏光板）が設けられてもよい。

　λ／４波長板６１の進相軸は、＋Ｚ側から見た場合にＸ方向を反時計回りに４５°回転させた方向に設定される。λ／４波長板６１を通った励起光Ｌ１は、円偏光となりマスク１５に入射する。マスク１５の開口１５ａ、開口１５ｂを通った励起光Ｌ１は、円偏光であり、λ／４波長板６２に入射する。λ／４波長板６２の進相軸は、＋Ｚ側から見た場合にＸ方向を時計回りに４５°回転させた方向に設定される。λ／４波長板６２を通った励起光Ｌ１は、偏光方向がＸ方向の直線偏光光となり、試料に照射される。

　マスク１５は、第１実施形態で説明したように、光軸４ａの周りで回転可能に設けられる。マスク１５が回転すると、干渉縞の周期方向が変化する。例えば、図２８の状態において、マスク１５の開口１５ａと開口１５ｂとはＹ方向に並んでおり、干渉縞の周期方向はＹ方向になる。図２８の状態からマスク１５が９０°回転すると、干渉縞の周期方向は９０°回転して、Ｘ方向になる。

　λ／４波長板６２は、光軸４ａの周りで回転可能である。λ／４波長板６２は、マスク１５と同じ角度だけ回転するように、設けられる。例えば、λ／４波長板６２は、マスク１５と一体化され、マスク１５と一体的に回転する。例えばマスク１５が９０°回転すると、λ／４波長板６２は、９０°回転して、その進相軸がλ／４波長板６１の進相軸と平行になる。この場合、λ／４波長板６２を通った励起光Ｌ１は、偏光方向がＹ方向の直線偏光光になる。試料面Ｓａに対する励起光Ｌ１の入射面は、干渉縞の周期方向と平行であり、試料面Ｓａに入射する際の励起光Ｌ１は偏光方向が干渉縞の周期方向と垂直な直線偏光光であるので、励起光Ｌ１は、Ｓ偏光の状態で試料面Ｓａに照射される。

　このように、λ／４波長板６２は、試料に入射する際の励起光の偏光状態を調整する偏光調整部に含まれる。このような偏光調整部は、図１で説明した態様に比べて、励起光Ｌ１の光量のロスを低減することができる。

　図２９に示した偏光調整部の変形例２において、照明光学系４は、偏光子６５、マスク１５、及びλ／２波長板６６を含む。光ファイバー１１か出射した励起光Ｌ１は、偏光方向がほぼＸ方向の直線偏光光であり、偏光子６５に入射する。偏光子６５は、透過軸がＸ方向に設定される。偏光子６５通った励起光Ｌ１は、偏光方向がＸ方向の直線偏光光であり、マスク１５に入射する。マスク１５の開口１５ａ、開口１５ｂを通った励起光Ｌ１は、偏光方向がＸ方向の直線偏光光であり、λ／２波長板６６に入射する。λ／２波長板６６の進相軸は、＋Ｚ側から見た場合にＸ方向を時計回りに４５°回転させた方向に設定される。λ／２波長板６６を通った励起光Ｌ１は、偏光方向がＹ方向の直線偏光光となり、試料に照射される。

　マスク１５は、第１実施形態で説明したように、光軸４ａの周りで回転可能に設けられる。マスク１５が回転すると、干渉縞の周期方向が変化する。例えば、図２９の状態において、マスク１５の開口１５ａと開口１５ｂとはＸ方向に並んでおり、干渉縞の周期方向はＸ方向になる。図２９の状態からマスク１５が９０°回転すると、干渉縞の周期方向は９０°回転して、Ｙ方向になる。

　λ／２波長板６６は、光軸４ａの周りで回転可能である。λ／２波長板６６は、マスク１５の回転角の半分の角度だけ回転するように、設けられる。例えばマスク１５が９０°回転すると、λ／２波長板６６は、４５°回転する。この場合、λ／２波長板６６を通った励起光Ｌ１は、偏光方向がＸ方向の直線偏光光になる。試料面Ｓａに対する励起光Ｌ１の入射面は、干渉縞の周期方向と平行であり、試料面Ｓａに入射する際の励起光Ｌ１は偏光方向が干渉縞の周期方向と垂直な直線偏光光であるので、励起光Ｌ１は、Ｓ偏光の状態で試料面Ｓａに照射される。このように、λ／２波長板６６は、試料に入射する際の励起光の偏光状態を調整する偏光調整部に含まれる。このような偏光調整部は、図１で説明した態様に比べて、励起光Ｌ１の光量のロスを低減することができる。

　上述の各実施形態および各変形例において、画像処理部７は、例えばコンピュータシステムを含む。制御部ＣＢおよび画像処理部７は、記憶部に記憶されている画像処理プログラム等のプログラムを読み出し、この画像処理プログラムに従って各種の処理を実行する。このプログラムは、コンピュータに、検出装置６の検出結果に基づいて画像を生成することを実行させる。また、画像処理プログラムはＣＤ－ＲＯＭ等の記憶メディアに記憶され、画像処理部７は記憶メディアから上記の記憶部に画像処理プログラムをロードすることもできる。あるいは、画像処理プログラムは、インターネット回線等のネットワーク回線を経由して、画像処理部７にロードされることもできる。

（各実施形態および各変形例の効果）
（１）各実施形態および各変形例の顕微鏡は、試料面Ｓａ上の試料Ｓに光を照射して縞状の照明である縞照明（干渉縞）Ｌ２を形成する照明光学系４と、縞照明Ｌ２と試料Ｓとを、試料面Ｓａの面内方向に相対走査させる光路変更部１８と、縞照明Ｌ２を複数の位相状態に設定する位相変調素子２５と、縞照明Ｌ２により照明された試料Ｓからの光が入射する検出光学系５と、検出光学系５に対して試料面Ｓａと共役な位置に複数配置され、試料面Ｓａ上の試料Ｓからの光を検出する検出部６ａとを備えている。そしてさらに、縞照明Ｌ２が複数の位相状態の各状態にあるときに試料面Ｓａの面内方向の複数の相対位置において複数の検出部６ａが検出した検出結果を用いて出力画像を生成する画像処理部７と、を備えている。
　この構成により、各実施形態および各変形例の顕微鏡は、分解能、かつＳ／Ｎ比の良好な出力画像を取得することができる。

（２）画像処理部７は、検出結果のうち、複数の検出部６ａのそれぞれにより、少なくとも縞照明（干渉縞）Ｌ２が第１位相状態であるときに検出された第１画像と、縞照明Ｌ２が第２位相状態であるときに検出された第２画像とから、それぞれ縞照明Ｌ２の明暗周期の０次の空間周波数に対応する０次成分と、縞照明Ｌ２の明暗周期の＋１次の空間周波数に対応する＋１次成分と、縞照明Ｌ２の明暗周期の－１次の空間周波数に対応する－１次成分とを分離して抽出する構成とすることができる。そして、０次成分、＋１次成分、および－１次成分に基づいて複数の検出部６ａのそれぞれに対応する複数の中間画像を形成するとともに、複数の中間画像に基づいて出力画像を生成する構成とすることもできる。
　この構成により、分解能およびＳ／Ｎ比が一層向上した出力画像を生成することができる。

（３）（２）において、第１位相状態と第２位相状態とは、縞照明の位相がπ［ｒａｄ］異なる状態とすることができ、これにより、２つの位相状態の縞照明Ｌ２の照射により得られた検出結果を用いて、分解能およびＳ／Ｎ比の高い出力画像を生成することができる。
（４）（２）において、画像処理部７は、さらに、検出結果のうち、複数の検出部６ａのそれぞれにより、縞照明が第３位相状態であるときに検出された第３画像も用いて、０次成分、＋１次成分、および－１次成分を分離して抽出するとともに、第１位相状態と第２位相状態と第３位相状態とは縞照明Ｌ２の位相が相互に異なる構成とすることで、さらに高分解能および高Ｓ／Ｎ比の出力画像を生成することができる。

（５）さらに、画像処理部７は、複数の中間画像を、複数の中間画像のそれぞれと対応する複数の検出部６ａのそれぞれの位置に応じて補正し、加算して、出力画像を生成する構成とすることで、さらに高分解能および高Ｓ／Ｎ比の出力画像を得ることができる。
（６）さらに、縞照明Ｌ２の周期方向を設定する縞方向設定部（マスク１５）を備え、画像処理部７は、複数の周期方向の縞照明Ｌ２のそれぞれの照射により得られる複数の検出結果のそれぞれを用いて出力画像を複数生成するとともに、複数の出力画像に基づいて最終出力画像を生成する構成とすることで、より一層の高分解能および高Ｓ／Ｎ比の最終出力画像を生成することができる。

　上記では、種々の実施形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、各実施形態は、それぞれ単独で適用しても良いし、組み合わせて用いても良い。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
　また、上記種々の実施形態および変形例において、干渉により形成される干渉縞を縞状の照明（縞照明）の一例として説明したが、干渉により形成される縞状の照明（縞照明）であってもよいし、干渉以外の手法により形成される縞状の照明（縞照明）であってもよい。なお、「縞」、「縞状」とは、明部と暗部を有し、明部から明部または暗部から暗部が所定の間隔（所定の周期）を有するものであり、「縞」、「縞状の照明（縞照明）」、「干渉縞」は、試料面で形成される。

１，１ａ～１ｈ…顕微鏡、３…光源、４…照明光学系、５…検出光学系、６…検出装置、６ａ…検出部、７…画像処理部、Ｌ２…干渉縞、２５…位相変調素子

Claims

　試料面上の試料に光を照射して縞状の照明である縞照明を形成する照明光学系と、
　前記縞照明と前記試料とを、前記試料面の面内方向に相対走査させる走査部と、
　前記縞照明を複数の位相状態に設定する位相変調素子と、
　前記縞照明により照明された試料からの光が入射する検出光学系と、
　前記検出光学系に対して前記試料面と共役な位置に複数配置され、前記試料面上の試料からの光を検出する検出部と、
　前記縞照明が前記複数の位相状態の各状態にあるときに前記試料面の面内方向の複数の相対位置において複数の前記検出部が検出した検出結果を用いて出力画像を生成する画像処理部と、
を備える顕微鏡。
　請求項１に記載の顕微鏡において、
　前記画像処理部は、前記検出結果のうち、前記複数の検出部のそれぞれにより、少なくとも
　　前記縞照明が第１位相状態であるときに検出された第１画像と、
　　前記縞照明が第２位相状態であるときに検出された第２画像と
から、
　前記縞照明の明暗周期の０次の空間周波数に対応する０次成分と、
　前記縞照明の明暗周期の＋１次の空間周波数に対応する＋１次成分と、
　前記縞照明の明暗周期の－１次の空間周波数に対応する－１次成分と、
を分離して抽出し、
　前記０次成分、前記＋１次成分、および前記－１次成分に基づいて前記複数の検出部のそれぞれに対応する複数の中間画像を形成するとともに、
　前記複数の中間画像に基づいて前記出力画像を生成する、顕微鏡。
　請求項２に記載の顕微鏡において、
　前記第１位相状態と前記第２位相状態とは、前記縞照明の位相がπ［ｒａｄ］異なる、
顕微鏡。
　請求項２に記載の顕微鏡において、
　前記画像処理部は、さらに、前記検出結果のうち、前記複数の検出部のそれぞれにより、前記縞照明が第３位相状態であるときに検出された第３画像も用いて、前記０次成分、前記＋１次成分、および前記－１次成分を分離して抽出するとともに、
　前記第１位相状態と前記第２位相状態と前記第３位相状態とは、前記縞照明の位相が相互に異なる、顕微鏡。
　請求項４に記載の顕微鏡において、
　前記第１位相状態と前記第２位相状態と前記第３位相状態とは、前記縞照明の位相が相互に２π／３［ｒａｄ］異なる、顕微鏡。
　請求項２から請求項５までのいずれか一項に記載の顕微鏡において、
　前記画像処理部は、前記複数の中間画像を、前記複数の中間画像のそれぞれと対応する前記複数の検出部のそれぞれの位置に応じて補正し、加算して、前記出力画像を生成する、顕微鏡。
　請求項６に記載の顕微鏡において、
　前記画像処理部による前記補正は、前記複数の検出部のそれぞれの位置に応じて、前記縞照明の位相を画像処理的にシフトする補正処理を含む、顕微鏡。
　請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の顕微鏡において、
　前記縞照明の周期方向を設定する縞方向設定部を備え、
　前記画像処理部は、複数の周期方向の前記縞照明のそれぞれの照射により得られる複数の前記検出結果のそれぞれを用いて前記出力画像を複数生成するとともに、
　前記複数の前記出力画像に基づいて最終出力画像を生成する、顕微鏡。
　請求項８に記載の顕微鏡において、
　前記最終出力画像の生成は、前記複数の前記出力画像の加算により行う、顕微鏡。
　請求項８に記載の顕微鏡において、
　前記最終出力画像の生成は、
　前記複数の前記出力画像のそれぞれの空間周波数座標への変換と、
　前記空間周波数座標における前記出力画像の加算と、
　前記加算の結果に対するフィルタリング処理と、
　前記フィルタリング処理の結果の実座標空間への変換と、
を含む、顕微鏡。
　請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の顕微鏡において、
　前記検出部が検出する前記光は前記試料からの蛍光であり、
　前記検出光学系は、前記照明光学系が前記試料面上に照射する光と同じ波長の光を遮断し、前記試料からの蛍光の波長を通過させる波長分離素子を備える、顕微鏡。
　請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載の顕微鏡において、
　前記試料に照射する光の偏光状態を調整する偏光調整部を備える、顕微鏡。
　請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載の顕微鏡において、
　前記走査部は、前記照明光学系および前記検出光学系に設けられた光路変更部を含む、顕微鏡。
　請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載の顕微鏡において、
　前記走査部は、前記試料を載置する試料台と、前記照明光学系および前記検出光学系との相対位置を変化させる移動機構を含む、顕微鏡。
　請求項１から請求項１４までのいずれか一項に記載の顕微鏡において、
　前記位相変調素子は、前記縞照明のエンベロープを移動することなく、前記縞照明の位相を変更する、顕微鏡。
　請求項１から請求項１５までのいずれか一項に記載の顕微鏡において、
　前記縞照明の明暗周期の周期方向に含まれる明部の数は３以上である、顕微鏡。
　請求項１から請求項１６までのいずれか一項に記載の顕微鏡において、
　前記縞照明は、干渉縞である、顕微鏡。