WO2021064807A1

WO2021064807A1 - 顕微鏡装置、データ生成方法、およびプログラム

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Publication number: WO2021064807A1
Application number: PCT/JP2019/038569
Authority: WO
Inventors: 諭史池田; 福武　直樹
Original assignee: 株式会社ニコン
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2021-04-08
Also published as: US20220244516A1

Abstract

顕微鏡装置（１）は、試料（ＳＡ）を照明する照明光学系（１０）と、試料（ＳＡ）からの光が入射する検出光学系（４０）と、検出光学系（４０）を介して試料（ＳＡ）からの光を検出して光の検出信号を出力する検出器（６０）と、検出器（６０）から出力された検出信号に基づいて試料（ＳＡ）における屈折率のデータを生成するデータ処理部（６６）と、照明光学系（１０）および検出光学系（４０）のうち少なくとも一方における瞳の位置もしくは瞳と共役な位置に設けられ、光の透過率が瞳の面内もしくは瞳と共役な面内で変化する素子（１６，５３）とを備える。

Description

顕微鏡装置、データ生成方法、およびプログラム

　本発明は、顕微鏡装置、データ生成方法、およびプログラムに関する。

　近年、位相物体等の試料における位相分布や屈折率分布を求める方法が考案されている（例えば、非特許文献１を参照）。

Juan　M.　Soto　他，Optical　diffraction　tomography　with　fully　and　partially　coherent　illumination　in　high　numerical　aperture　label-free　microscopy　[Invited]，「Applied　Optics」，２０１８年１月１日，第５７巻，第１号

　第１の態様に係る顕微鏡装置は、試料を照明する照明光学系と、前記試料からの光が入射する検出光学系と、前記検出光学系を介して前記試料からの光を検出して光の検出信号を出力する検出器と、前記検出器から出力された前記検出信号に基づいて前記試料における屈折率のデータを生成するデータ処理部と、前記照明光学系および前記検出光学系のうち少なくとも一方における瞳の位置もしくは前記瞳と共役な位置に設けられ、光の透過率が前記瞳の面内もしくは前記瞳と共役な面内で変化する素子とを備える。

　第２の態様に係るデータ生成方法は、試料を照明する照明光学系と、前記試料からの光が入射する検出光学系と、前記照明光学系および前記検出光学系のうち少なくとも一方における瞳の位置もしくは前記瞳と共役な位置に設けられ、光の透過率が前記瞳の面内もしくは前記瞳と共役な面内で変化する素子とを備える顕微鏡を用いたデータ生成方法であって、前記検出光学系を介して前記試料からの光を検出して光の検出信号を出力し、出力した前記検出信号に基づいて前記試料における屈折率のデータを生成する。

　第３の態様に係るプログラムは、試料を照明する照明光学系と、前記試料からの光が入射する検出光学系と、前記照明光学系および前記検出光学系のうち少なくとも一方における瞳の位置もしくは前記瞳と共役な位置に設けられ、光の透過率が前記瞳の面内もしくは前記瞳と共役な面内で変化する素子とを備える顕微鏡を用いるためのプログラムであって、コンピュータに、検出器に前記検出光学系を介して前記試料からの光を検出させて光の検出信号を出力させる制御処理と、前記検出器から出力された前記検出信号に基づいて前記試料における屈折率のデータを生成するデータ処理とを実行させる。

第１実施形態に係る顕微鏡装置の概略構成図である。ステージの拡大図である。試料の複数の断面の画像データに基づいてデコンボリューションを行う第１の方法を示す模式図である。試料の複数の断面の画像データに基づいてデコンボリューションを行う第２の方法を示す模式図である。変調素子の光の透過率が余弦関数に従って変化する場合を示すグラフである。変調素子の光の透過率がガウス関数に従って変化する場合を示すグラフである。変調素子の光の透過率が正弦関数に従って変化する場合を示すグラフである。（Ａ）は従来の瞳の透過率の分布を示すグラフである。（Ｂ）は（Ａ）の場合におけるＰＯＴＦの分布を示す図である。（Ａ）は照明側変調素子の光の透過率が余弦関数に従って変化する場合を示すグラフである。（Ｂ）は（Ａ）の場合におけるＰＯＴＦの分布を示す図である。（Ａ）は照明側変調素子の光の透過率が正弦関数に従って変化する場合を示すグラフである。（Ｂ）は（Ａ）の場合におけるＰＯＴＦの分布を示す図である。（Ａ）は照明側変調素子の光の透過率がガウス関数に従って変化する場合におけるＰＯＴＦの分布を示す図である。（Ｂ）は照明側変調素子の光の透過率が二次関数に従って変化する場合におけるＰＯＴＦの分布を示す図である。（Ａ）は照明側変調素子および検出側変調素子の光の透過率が正弦関数に従って変化する場合におけるＰＯＴＦの分布を示す図である。（Ｂ）は照明側変調素子の光の透過率が正弦関数に従って変化し、検出側変調素子の光の透過率が余弦関数に従って変化する場合におけるＰＯＴＦの分布を示す図である。（Ｃ）は照明側変調素子の光の透過率が正弦関数に従って変化し、検出側変調素子の光の透過率が余弦関数に従って変化する場合におけるＰＯＴＦの分布を示す図である。（Ａ）は照明側変調素子の光の透過率が余弦関数に従って変化し、検出側変調素子の光の透過率が正弦関数に従って変化する場合におけるＰＯＴＦの分布を示す図である。（Ｂ）は照明側変調素子の光の透過率が余弦関数に従って変化し、検出側変調素子の光の透過率が正弦関数に従って変化する場合におけるＰＯＴＦの分布を示す図である。（Ａ）は照明側変調素子および検出側変調素子の光の透過率が余弦関数に従って変化する場合におけるＰＯＴＦの分布を示す図である。（Ｂ）は照明側変調素子および検出側変調素子の光の透過率が余弦関数に従って変化する場合におけるＰＯＴＦの分布を示す図である。（Ｃ）は照明側変調素子の光の透過率が余弦関数に従って変化する場合におけるＰＯＴＦの分布を示す図である。ミッシングコーンを持つＰＯＴＦの分布および、ミッシングコーンを推定したＰＯＴＦの分布を示す模式図である。画像表示部に表示される画像の模式図である。第１実施形態に係るデータ生成方法を示すフローチャートである。試料のデフォーカス像に基づいてデコンボリューションを行う第１の方法を示す模式図である。試料のデフォーカス像に基づいてデコンボリューションを行う第２の方法を示す模式図である。（Ａ）は従来の瞳の形状の場合におけるＰＯＴＦの利得を示す図である。（Ｂ）は照明側変調素子の光の透過率が余弦関数に従って変化する場合におけるＰＯＴＦの利得を示す図である。第２実施形態に係るデータ生成方法を示すフローチャートである。第３実施形態に係る顕微鏡装置の概略構成図である。第５実施形態に係る顕微鏡装置の概略構成図である。第７実施形態に係る顕微鏡装置の概略構成図である。第９実施形態に係る顕微鏡装置の概略構成図である。第１実施形態の変形例におけるＰＯＴＦの分布を示す図である。第２実施形態の変形例におけるＰＯＴＦの利得を示す図である。

　以下、各実施形態に係る顕微鏡装置について説明する。以下の説明で用いる図は、特徴を分かり易くするために、便宜上、構成部品を拡大して示している場合があり、各構成部品の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。

　＜第１実施形態＞
　まず、図１を用いて、第１実施形態に係る顕微鏡装置１について説明する。第１実施形態に係る顕微鏡装置１は、ステージ２と、透過照明用光源５と、落射照明用光源６と、透過照明光学系１０と、落射照明光学系２０と、検出光学系４０と、検出器６０と、制御部６５と、画像処理部６６と、操作入力部６７と、画像表示部７０とを備える。ここで、透過照明光学系１０の光軸をＡｘ１、検出光学系４０の光軸をＡｘ２と表す。なお、透過照明光学系１０の光軸Ａｘ１と検出光学系４０の光軸Ａｘ２は、基本的に、顕微鏡装置１の光軸と共通の光軸（つまり、同軸）であるが、説明の便宜上、透過照明光学系１０の光軸Ａｘ１と検出光学系４０の光軸Ａｘ２に分けて表す。ステージ２は、透明の平行平板を用いて形成される。ステージ２は、試料ＳＡを支持する。試料ＳＡは、例えば細胞等の位相物体である。ステージ２には、ステージ駆動部３が設けられる。ステージ駆動部３は、ステージ２を透過照明光学系１０の光軸Ａｘ１に沿って移動させる。

　図２に示すように、透過照明光学系１０の光軸方向に延びる座標軸をｚ軸とする。ステージ駆動部３によりステージ２をｚ方向に移動させることで、所定の位置Ｚ_０、位置Ｚ_０から＋Δｚだけ離れた位置Ｚ_０＋Δｚ、位置Ｚ_０から－Δｚだけ離れた位置Ｚ_０－Δｚ、位置Ｚ_０から＋２Δｚだけ離れた位置Ｚ_０＋２Δｚ、位置Ｚ_０から－２Δｚだけ離れた位置Ｚ_０－２Δｚ…における試料ＳＡの断面の画像データを取得することが可能である。

　透過照明用光源５は、所定の波長帯域の照明光を発生させる。透過照明光学系１０は、透過照明用光源５側から順に、コレクタレンズ１２と、視野絞り１４と、リレーレンズ１５と、照明側変調素子１６と、開口絞り１７と、コンデンサレンズ１８とを有する。透過照明用光源５は、例えばハロゲンランプ等を用いて構成される。透過照明用光源５としてハロゲンランプが用いられる場合、照明光の波長帯域を狭くする素子が設けられることが好ましい。照明光の波長帯域を狭くすることで、詳細は後述するＰＯＴＦ等の計算値の精度を高くすることができる。例えば、透過照明光学系１０におけるコレクタレンズ１２とリレーレンズ１５との間の光路に、所定の分光透過率特性を有するバンドパスフィルター１３を挿入することで、照明光の波長帯域を狭くすることが可能である。バンドパスフィルター１３の分光透過率特性は、明視野観察や蛍光観察などの観察の用途に応じた照明光の波長帯域に基づいて設定される。

　なお、透過照明光学系１０における視野絞り１４とリレーレンズ１５との間の光路に、バンドパスフィルター１３を挿入してもよい。上記のようなバンドパスフィルター１３に限らず、詳細は後述する第９実施形態のように、照明光学系の光路に、バンドパスフィルターを備えたフィルターキューブ（図示せず）を挿入してもよい。

　照明側変調素子１６および開口絞り１７は、透過照明光学系１０におけるリレーレンズ１５とコンデンサレンズ１８との間の瞳（以降、照明瞳と称する場合がある）の位置Ｐ０において透過照明光学系１０の光軸Ａｘ１と垂直な面に配置される。照明側変調素子１６は、開口絞り１７に隣接して（一例として、図１のように開口絞り１７の上側に）配置される。照明瞳の位置Ｐ０における透過照明光学系１０の光軸Ａｘ１と垂直な面を、照明瞳の面と称する。照明側変調素子１６は、一例として、光の透過性を有する平板であって、この平板の面内で光の透過率が変化する平板である。この平板は、例えば、ガラス基板等の平行平板に、光の透過率を低減させることが可能な（遮光性のある）膜を蒸着させることにより形成される。一例として、金属膜を蒸着させる。例えば、膜が蒸着される平行平板の部位に応じて膜厚を変化させることにより、平行平板の部位に応じて光の透過率を変化させることができる（膜厚が厚いほど、透過率は低くなる）。この照明側変調素子１６を、照明瞳の面に配置することによって、照明瞳の面内で光の透過率を変化させることができる。したがって、照明側変調素子１６の光の透過率が照明瞳の面内で変化すると言える。照明側変調素子１６の光の透過率は、照明瞳の面内で連続的（もしくは離散的）に変化する。なお、照明側変調素子１６の部位に応じて光の透過率が変化することにより、照明側変調素子１６の光の透過率の分布（言い換えれば、照明瞳の面における光の透過率の分布）が決まる。照明側変調素子１６として、光の透過率の変化、すなわち光の透過率の分布が異なる複数の照明側変調素子１６のうちいずれかを選択して照明瞳の位置Ｐ０に配置することが可能である。照明側変調素子１６の光の透過率の詳細については、後述する。なお、照明側変調素子１６が配置される位置は、照明瞳の位置Ｐ０に限られない。例えば、照明側変調素子１６は、照明瞳と共役な位置において光軸Ａｘ１と垂直な面（言い換えれば、照明瞳と共役な面）に配置されてもよい。

　コンデンサレンズ１８は、ステージ２の上方に対向して配置される。コンデンサレンズ１８として、光学特性が異なる複数のコンデンサレンズ１８のうちいずれかを選択してステージ２の上方に配置することが可能である。

　落射照明用光源６は、所定の波長帯域の励起光を発生させる。落射照明光学系２０は、試料ＳＡ側から順に、対物レンズユニット２１と、フィルターキューブ３１とを有する。対物レンズユニット２１は、複数の対物レンズ２２と、レンズ保持部２５と、ユニット駆動部２６とを有する。対物レンズ２２は、ステージ２の下方に対向して配置される。レンズ保持部２５は、焦点距離が異なる複数の対物レンズ２２を保持する。レンズ保持部２５は、例えば、レボルバやターレット等を用いて構成される。ユニット駆動部２６は、レンズ保持部２５を駆動し、複数の対物レンズ２２のうちいずれかを選択してステージ２の下方に配置することが可能である。なお、ユニット駆動部２６は、レンズ保持部２５をｚ軸に沿って移動させてもよい。この場合、ステージ駆動部３を併用してもよいし、ステージ駆動３を使わなくてもよい。

　フィルターキューブ３１は、透過照明光学系１０を用いて試料ＳＡの明視野観察等を行う場合、図１の実線で示すように落射照明光学系２０を含む検出光学系４０の光路から退避される。フィルターキューブ３１は、落射照明用光源６を用いて試料ＳＡの蛍光観察を行う場合、図１の二点鎖線で示すように落射照明光学系２０を含む検出光学系４０の光路に挿入される。フィルターキューブ３１は、落射照明用光源６から出射した励起光をステージ２に向けて反射させる。フィルターキューブ３１は、ステージ２上の試料ＳＡで発生した蛍光を検出光学系４０の第１結像レンズ４１に向けて透過させる。フィルターキューブ３１は、落射照明用光源６からの励起光を透過させる励起フィルター３２を有する。フィルターキューブ３１は、試料ＳＡやステージ２等で反射した励起光を吸収する吸収フィルター３３を有する。

　検出光学系４０は、対物レンズユニット２１と、フィルターキューブ３１とを含む。検出光学系４０は、落射照明光学系２０側から順に、第１結像レンズ４１と、第１ミラー４３と、レンズ４４と、第２ミラー４５と、コリメータレンズ４６と、ハーフミラー４７とを有する。さらに、検出光学系４０は、第３結像レンズ５０と、検出側変調素子５３とを有する。また、ハーフミラー４７を透過する光の光路上に、第２結像レンズ４８と、第３ミラー４９と、接眼レンズ５５とが配置される。

　ハーフミラー４７の透過率と反射率の比率は、例えば１：１に設定される。ハーフミラー４７に入射した光の一部は、当該ハーフミラー４７で反射して第３結像レンズ５０に入射する。第３結像レンズ５０を透過した光は、所定の第１像面ＩＡで結像する。ここで、所定の第１像面ＩＡの位置は、対物レンズ２２の焦点位置と共役な位置である。検出光学系４０の第１像面ＩＡに、検出器６０が配置される。ハーフミラー４７に入射した光の他の一部は、当該ハーフミラー４７を透過して第２結像レンズ４８に入射する。第２結像レンズ４８を透過した光は、第３ミラー４９で反射して所定の第２像面ＩＢで結像する。ここで、所定の第２像面ＩＢの位置は、対物レンズ２２の焦点位置と共役な位置である。観察者は、接眼レンズ５５を用いて第２像面ＩＢに結像された試料ＳＡの像を観察することが可能である。なお、検出器６０には、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子が用いられる。

　検出側変調素子５３は、検出光学系４０における対物レンズ２２の瞳（以降、検出瞳と称する場合がある）と共役な位置Ｐ２において検出光学系４０の光軸Ａｘ２と垂直な面に配置される。検出瞳と共役な位置Ｐ２における検出光学系４０の光軸Ａｘ２と垂直な面を、検出瞳と共役な面と称する。検出側変調素子５３は、一例として、照明側変調素子１６と同様に、ガラス基板等の平行平板に、光の透過率を低減させることが可能な膜を蒸着させることにより形成される。この検出側変調素子５３を、検出瞳と共役な面に配置することによって、検出瞳と共役な面内で光の透過率を変化させることができる。したがって、検出側変調素子５３の光の透過率が検出瞳と共役な面内で変化すると言える。検出側変調素子５３の光の透過率は、検出瞳と共役な面内で連続的（もしくは離散的）に変化する。検出側変調素子５３として、光の透過率の分布が異なる複数の検出側変調素子５３のうちいずれかを選択して検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置することが可能である。検出側変調素子５３の光の透過率の詳細については、後述する。なお、検出側変調素子５３が配置される位置は、検出瞳と共役な位置Ｐ２に限られない。例えば、検出側変調素子５３は、検出瞳の位置において光軸Ａｘ２と垂直な面（言い換えれば、検出瞳の面）に配置されてもよい。この場合、例えば、検出側変調素子５３は、対物レンズ２２に内蔵されてもよい。

　本実施形態において、透過照明光学系１０を用いて試料ＳＡの明視野観察等を行う場合、図１の実線で示すようにフィルターキューブ３１が検出光学系４０（落射照明光学系２０）の光路から退避される。透過照明用光源５から出射した照明光は、（透過照明用光源５としてハロゲンランプが用いられる場合にはバンドパスフィルター１３を通って）コレクタレンズ１２に入射する。コレクタレンズ１２を透過した照明光は、平行光となって視野絞り１４を通り、リレーレンズ１５に入射する。リレーレンズ１５を透過した照明光は、照明側変調素子１６と開口絞り１７とを通ってコンデンサレンズ１８に入射する。コンデンサレンズ１８を透過した照明光は、平行光となってステージ２上の試料ＳＡに入射する。これにより、透過照明光学系１０は、透過照明用光源５からの照明光によって、ステージ２上の試料ＳＡを照明する。

　試料ＳＡを透過もしくは回折した光（以降、検出光と称する場合がある）は、検出光学系４０としての対物レンズ２２に入射する。対物レンズ２２を透過した検出光は、第１結像レンズ４１に入射する。第１結像レンズ４１を透過した検出光は、第１ミラー４３で反射して所定の中間像面ＩＭで結像し、レンズ４４に入射する。レンズ４４を透過した検出光は、第２ミラー４５で反射してコリメータレンズ４６に入射する。コリメータレンズ４６を透過した検出光は、平行光となって検出側変調素子５３を通り、ハーフミラー４７に入射する。ハーフミラー４７に入射した検出光の一部は、当該ハーフミラー４７で反射して第３結像レンズ５０に入射する。第３結像レンズ５０を透過した検出光は、検出器６０が配置される所定の第１像面ＩＡで結像する。ハーフミラー４７に入射した検出光の他の一部は、当該ハーフミラー４７を透過して第２結像レンズ４８に入射する。第２結像レンズ４８を透過した検出光は、第３ミラー４９で反射して所定の第２像面ＩＢで結像する。

　落射照明用光源６を用いて試料ＳＡの蛍光観察を行う場合、図１の二点鎖線で示すようにフィルターキューブ３１が検出光学系４０（落射照明光学系２０）の光路に挿入される。落射照明用光源６から出射した励起光は、落射照明光学系２０の励起フィルター３２を通ってフィルターキューブ３１に入射する。フィルターキューブ３１に入射した励起光は、当該フィルターキューブ３１で反射して対物レンズ２２に入射する。対物レンズ２２を透過した励起光は、ステージ２上の試料ＳＡに入射する。これにより、落射照明光学系２０は、落射照明用光源６からの励起光によって、ステージ２上の試料ＳＡを照明する。

　励起光の照射によって、試料ＳＡに含まれる蛍光物質が励起されて蛍光が出射する。試料ＳＡからの蛍光は、検出光学系４０としての対物レンズ２２に入射する。対物レンズ２２を透過した蛍光は、フィルターキューブ３１に入射する。フィルターキューブ３１に入射した蛍光は、当該フィルターキューブ３１を透過し、吸収フィルター３３を通って第１結像レンズ４１に入射する。第１結像レンズ４１を透過した蛍光は、第１ミラー４３で反射して所定の中間像面ＩＭで結像し、レンズ４４に入射する。レンズ４４を透過した蛍光は、第２ミラー４５で反射してコリメータレンズ４６に入射する。コリメータレンズ４６を透過した蛍光は、平行光となって検出側変調素子５３を通り、ハーフミラー４７に入射する。

　ハーフミラー４７に入射した蛍光の一部は、当該ハーフミラー４７で反射して第３結像レンズ５０に入射する。第３結像レンズ５０を透過した蛍光は、検出器６０が配置される所定の第１像面ＩＡで結像する。ハーフミラー４７に入射した蛍光の他の一部は、当該ハーフミラー４７を透過して第２結像レンズ４８に入射する。第２結像レンズ４８を透過した検出光は、第３ミラー４９で反射して所定の第２像面ＩＢで結像する。

　検出器６０は、明視野観察の場合、透過照明光学系１０を用いて試料ＳＡを照明し、検出光学系４０を介して試料ＳＡからの光（言い換えると、試料ＳＡを透過もしくは回折した検出光）を検出し、当該光の検出信号を出力する。なお、検出部６０は、検出光学系４０を介して試料ＳＡの像を撮像すると言い換えることができる。ここで、検出信号とは、光（検出光）の強度に応じて検出器６０で検出された信号強度を示す信号である。具体的には、検出器６０がＣＣＤの場合、ＣＣＤの各画素における信号である。なお、検出信号は、試料ＳＡの像の強度に応じて検出器６０で検出された信号強度を示す信号と言い換えることができる。検出器６０から出力された光（検出光）の検出信号は、制御部６５を介して画像処理部６６に送信される。なお、検出器６０は、蛍光観察の場合、検出光学系４０を介して試料ＳＡからの蛍光を検出し、当該蛍光の検出信号を出力する。検出器６０から出力された蛍光の検出信号は、制御部６５を介して画像処理部６６に送信される。制御部６５は、顕微鏡装置１の全体的な制御を行う。制御部６５は、ステージ駆動部３、ユニット駆動部２６、検出器６０、画像処理部６６、操作入力部６７、画像表示部７０等と電気的に接続される。

　画像処理部６６は、透過照明光学系１０を用いて試料ＳＡを照明し、検出光学系４０を介して試料ＳＡからの光を検出すること（言い換えれば、明視野観察）によって検出器６０から出力された光（検出光）の検出信号に基づいて、試料ＳＡに関する屈折率のデータを生成する。ここで、試料ＳＡに関する屈折率のデータとは、試料ＳＡの屈折率を表すデータであり、例えば、試料ＳＡにおける各位置での屈折率のデータ、すなわち試料ＳＡにおける屈折率分布を示すデータである。また、試料ＳＡに関する屈折率のデータは、例えばルックアップテーブルとして記憶部（図示せず）に記憶される。また、画像処理部６６は、試料ＳＡにおける屈折率分布の各位置での屈折率の値に応じて各画素の輝度値を設定した画像データ（以降、試料ＳＡの屈折率分布の画像データと称する場合がある）を生成する。また、画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出光の検出信号に基づいて、試料ＳＡにおける各位置（検出器６０の各画素）での検出信号の信号強度の値に応じて各画素の輝度値を設定した画像データ（以降、明視野観察による試料ＳＡの画像データと称する場合がある）を生成する。なお、画像処理部６６は、検出器６０から出力された蛍光の検出信号に基づいて、試料ＳＡにおける各位置（検出器６０の各画素）での検出信号の信号強度の値に応じて各画素の輝度値を設定した画像データ（以降、蛍光観察による試料ＳＡの画像データと称する場合がある）を生成する。

　画像表示部７０は、画像処理部６６で生成された試料ＳＡの屈折率分布の画像データに基づいて、試料ＳＡにおける屈折率分布の画像を表示する。また、画像表示部７０は、画像処理部６６で生成された明視野観察による試料ＳＡの画像データに基づいて、明視野観察による試料ＳＡの画像を表示する。なお、画像表示部７０は、画像処理部６６で生成された蛍光観察による試料ＳＡの画像データに基づいて、蛍光観察による試料ＳＡの画像を表示する。

　次に、画像処理部６６により、試料ＳＡに関する屈折率のデータとして試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布を求める方法について説明する。試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布を求める代表的な例として、ＰＣ－ＯＤＴ(Partially　Coherent－Optical　Diffraction　Tomography)と称される理論を用いる方法がある。以下、ＰＣ－ＯＤＴの理論について述べる。部分コヒーレント結像の式より、３次元の物体の像の強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）は、下記の式（１）のように表すことができる。

　式（１）において、ｏは物体の複素振幅透過率を表す。ＴＣＣは相互透過係数(Transmission　Cross　Coefficient)を表す。（ξ，η，ζ）は回折光(もしくは直接光)の方向余弦を表す。また、この場合の像とは、照明により試料ＳＡの少なくとも一部を透過した光（検出光）が結像して得られる試料ＳＡの像である。したがって、３次元の物体の像、すなわち３次元の試料ＳＡの像の強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）は、画像処理においては検出器６０から出力される検出信号の信号強度（つまり、検出器６０で試料ＳＡを撮像した際の検出器６０の各画素における信号強度）に置き換えることができる。より具体的には、試料ＳＡの像の強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）として、試料ＳＡのｚ方向の各位置（つまり、光軸方向の各位置）におけるｘｙ断面の像を検出器６０で撮像し、出力される検出信号の信号強度を用いる。図１に示すように、透過照明光学系１０の光軸方向に延びる座標軸をｚ軸とし、ｚ軸と垂直な座標軸をｘ軸およびｙ軸とする。相互透過係数ＴＣＣは、下記の式（２）のように表すことができる。

　なお、検出器６０で試料ＳＡのｚ方向の各位置におけるｘｙ断面の像を撮像しなくてもよく、機械学習を利用して、検出器６０で取得したｚ方向における任意の位置のｘｙ断面の像に応じた検出信号からｚ方向の他の位置のｘｙ断面の像を求めてもよい。この場合、予め、試料のｚ方向の各位置における画像を教師データとして、学習済みモデルを作成しておき、画像処理部６６は、検出部６０で取得した試料ＳＡのｚ方向における任意の位置のｘｙ断面の像に応じた検出信号をその学習済みモデルに入力することで、試料ＳＡのｚ方向の他の位置のｘｙ断面の像に応じた検出信号を求めてもよい。なお、以上のように機械学習を利用して求められた試料ＳＡの像に応じた検出信号も、試料ＳＡからの光を推定した情報であるため、試料ＳＡからの光の検出信号と言い換えることができる。

　式（２）において、Ｓは照明瞳を表す。Ｇは検出瞳を表す。相互透過係数ＴＣＣは、エルミート共役であることから、下記の式（３）に示す性質を持つ。

　細胞のような厚みの薄い試料の場合、散乱の影響は小さいので、第１次Ｂｏｒｎ近似（低コントラスト近似）が成り立つ。このとき、試料を透過した直接光（０次回折光）と、試料で回折した回折光（１次回折光）との干渉のみを考えればよい。そのため、第１次Ｂｏｒｎ近似によって、上記の式（１）～（３）から下記の式（４）が得られる。

　また、物体の複素振幅透過率oは、下記の式（５）のように近似することができる。

　式（５）において、Ｐは散乱ポテンシャルの実部を表す。Φは散乱ポテンシャルの虚部を表す。上記の式（４）は、式（５）を利用して、下記の式（６）のように表される。

　ここで、ＴＣＣをＷＯＴＦ(Weak　Object　Transfer　Function)と改める。ＷＯＴＦは下記の式（７）で定義される。

　上記の式（６）および式（７）より、透過照明方式の顕微鏡で得られる３次元の物体の像の強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）は、下記の式（８）のように表される。

　ここで、試料の振幅変化は、小さくて無視できるものとする。すなわち、Ｐ＝０とする。この場合、上記の式（８）を実空間上で表すと、下記の式（９）が得られる。

　式（９）において、ＥＰＳＦは、有効点像分布（Effective　Point　Spread　Function)を表す。ＥＰＳＦは、ＷＯＴＦを逆フーリエ変換したものに等しい。ＥＰＳＦは、一般的に複素関数である。式（９）の第１項は、背景強度を表す。式（９）の第２項は、試料の持つ散乱ポテンシャルの虚部Φに、ＥＰＳＦの虚部Ｉｍ［ＥＰＳＦ］がかかっていることを表す。この式（９）を利用して、試料の持つ散乱ポテンシャルの虚部Φを求めることができる。

　＜Φ（ｘ，ｙ，ｚ）を求める第１の方法＞
　Φ（ｘ，ｙ，ｚ）を求める第１の方法として、Ｉｍ［ＥＰＳＦ］を用いて直接デコンボリューションを行う方法がある。図３に、ステージ２をｚ方向（つまり、光軸方向）に移動させて、試料ＳＡのｚ方向の位置（つまり、光軸方向の位置）が異なる複数の断面（ｘｙ断面）の像の強度（検出器６０の検出信号の信号強度）を取得し、デコンボリューションを行う過程を模式的に示す。なお、試料ＳＡのｚ方向の位置（つまり、光軸方向の位置）が異なる複数の断面の像を纏めて、試料ＳＡのｚスタック像と称する場合がある。式（９）の第１項は、背景強度を表す定数項である。まず、式（９）の両辺をこの定数項で割って規格化した後、規格化した式（９）の第１項を実空間（もしくは周波数空間）上で除く。そして、Ｉｍ［ＥＰＳＦ］を用いてデコンボリューションを行うことで、下記の式（１０）が得られる。

　式（１０）において、Ｉｍ［ＥＰＳＦ］を３次元フーリエ変換したものをＰＯＴＦ(Phase　Optical　Transfer　Function)とする。なお、Ｉｍ［ＥＰＳＦ］は正の値から負の値までとり得るため、ＰＯＴＦの値も、正の値から負の値までとり得る。ここで、ＰＯＴＦは、明視野観察による試料ＳＡの画像（像）のコントラストや分解能を表す指標となる。具体的には、ＰＯＴＦの絶対値は画像のコントラストを表し、ＰＯＴＦの絶対値が高いほど、明視野観察による試料ＳＡの画像（像）のコントラストは高くなる。また、周波数空間においてＰＯＴＦの値が０ではない領域が広いほど、明視野観察による試料ＳＡの画像（像）の分解能は高くなる。また、試料ＳＡのｚスタック像における試料ＳＡの各断面の像の強度Ｉ（例えば、図３におけるＩ_１～Ｉ_６）を式（９）の定数項で規格化したものをI’とする。γは、任意の小さい値を取るものとする。

　＜Φ（ｘ，ｙ，ｚ）を求める第２の方法＞
　Φ（ｘ，ｙ，ｚ）を求める第２の方法として、試料ＳＡのｚ方向の位置（つまり、光軸方向の位置）が異なる２つの断面の像の強度の差分を求めることで、式（９）の定数項を除いた後、求めた強度の差分のＩｍ［ＥＰＳＦ］を用いてデコンボリューションを行う方法がある。図４に、試料ＳＡのｚ方向の位置（つまり、光軸方向の位置）が異なる２つの断面の像の強度（検出器６０の検出信号の信号強度）を取得して、当該２つの断面の像の強度の差分を求め、デコンボリューションを行う過程を模式的に示す。

　まず、ｚを±Δｚだけずらした場合の結像を考える。そうすると、式（８）から下記の式（１１）が得られる。

　次に、式（１１）について、Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ＋Δｚ）とＩ（ｘ，ｙ，ｚ－Δｚ）との差分を求める。これにより、式（１１）の第１項が打ち消し合って、下記の式（１２）が得られる。

　ここで、ＷＯＴＦ’（ξ，η，ζ）＝ＷＯＴＦ（ξ，η，ζ）２ｉsinｋζΔｚとする。これにより、式（１２）を下記の式（１３）のように表すことができる。

　式（１３）の右辺を実空間上で表せば、下記の式（１４）のようになる。

　そして、両辺を定数項で割った後、ＩｍＥＰＳＦ’を用いてデコンボリューションを行うことで、下記の式（１５）が得られる。

　式（１５）において、ＩｍＥＰＳＦ’を３次元フーリエ変換したものをＰＯＴＦ’とする。試料ＳＡのｚ方向の位置（つまり、光軸方向の位置）が異なる２つの断面の像の強度Ｉ（Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ＋Δｚ）およびＩ（ｘ，ｙ，ｚ－Δｚ））を式（１４）の定数項で規格化したものをI’とする。γは、任意の小さい値を取るものとする。なお、上述した２つの方法は、任意の瞳形状において成り立つ。

　なお、散乱ポテンシャルΦは、Ｐ＝０の場合、下記の式（１６）で定義される。

　式（１６）において、ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）は試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布を表し、ｋ_０は真空中の波数を表し、ｎ_ｍは媒質の屈折率を表す。式（１６）を用いれば、上述した第１の方法または第２の方法によって求めた散乱ポテンシャルΦを、３次元の屈折率分布に換算することができる。画像処理部６６は、上記の式（１０）もしくは式（１５）と、式（１６）とを用いて、検出器６０から出力された検出信号の信号強度、すなわち３次元の試料ＳＡの像の強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）から試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する。一例として画像処理部６６は、算出した試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の各位置（座標）での屈折率の値に応じて各画素の輝度値を設定した画像データ、すなわち試料ＳＡの３次元の屈折率分布の画像データを生成する。なお、３次元の試料ＳＡの像の強度は、試料ＳＡのｚスタック像における試料ＳＡの各断面の像の強度として表すことができる。すなわち、３次元の試料ＳＡの像の強度は、試料ＳＡにおけるｚ方向の位置（つまり、光軸方向の位置）が異なる複数の像の強度とも言える。

　第１実施形態において、瞳の位置での開口形状が従来のように円形である場合、分解能を向上させるために照明σを大きく（照明σを１に近く）した結果、明視野観察による試料ＳＡの画像（像）のコントラストが低くなると、得られる試料ＳＡの各位置における屈折率のダイナミックレンジが狭くなる。つまり、試料ＳＡにおける屈折率分布の画像のコントラストが低くなる。逆に、コントラストを向上させるために照明σを小さくした結果、明視野観察による試料ＳＡの画像（像）の分解能が低くなると、試料ＳＡの各位置における屈折率の細かい変化を求めることができない。つまり、試料ＳＡにおける屈折率分布の画像の解像度（分解能）が低くなる。したがって、屈折率のダイナミックレンジが広く、かつ屈折率の細かい変化を求めることは困難である。つまり、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける屈折率分布の画像を得ることは困難である。なお、照明σは、透過照明光学系１０の開口数と検出光学系４０の開口数との比である。

　本実施形態では、透過照明光学系１０における照明瞳の位置Ｐ０に、光の透過率が照明瞳の面内で変化する照明側変調素子１６が設けられる。また、検出光学系４０における検出瞳と共役な位置Ｐ２に、光の透過率が検出瞳と共役な面内で変化する検出側変調素子５３が設けられる。これにより、本実施形態によれば、照明σが大きく、明視野観察による試料ＳＡの画像（像）の分解能が高い状態であっても、コントラストが高い状態に維持されるため、試料ＳＡにおいて、屈折率のダイナミックレンジが広く、かつ屈折率の細かい変化を表す３次元の屈折率分布を得ることが可能になる。つまり、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける屈折率分布の画像を得ることができる。

　照明側変調素子１６および検出側変調素子５３の、瞳の面内における光の透過率の変化（言い換えると、瞳の面内における光の透過率の分布）の例について述べる。図５～図７は、照明側変調素子１６および検出側変調素子５３の光の透過率の分布の一例を示すグラフである。図５～図７において、Ｘは光軸（透過照明光学系１０の光軸Ａｘ１または検出光学系４０の光軸Ａｘ２）が通る座標位置を原点とするｘ方向の座標であり、Ｙは光軸が通る座標位置を原点とするｙ方向の座標である。図５に示す例では、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、連続関数に従って変化する。具体的には、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、Ｘ，Ｙの原点において最大となり、かつＸ，Ｙの原点を通るいずれの直線上においても、Ｘ，Ｙの原点から余弦関数に従って減少する（光の透過率の等しい部分がＸ，Ｙの原点を中心として同心円状に分布する）。つまり、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、余弦関数に従って変化する。なお、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率は、瞳の面内（照明瞳の面内または検出瞳と共役な面内）で、Ｘ，Ｙの原点から連続関数（例えば、余弦関数）に従って変化するとも言えるし、Ｘ，Ｙの原点から離れるのにつれて減少するとも言える。

　なお、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、Ｘ，Ｙの原点において最小となり、かつＸ，Ｙの原点を通るいずれの直線上においても、Ｘ，Ｙの原点から余弦関数に従って増加してもよい。また、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、Ｘ，Ｙの原点とは異なる点を通るいずれの直線上においても、当該Ｘ，Ｙの原点とは異なる点から余弦関数に従って変化してもよい（光の透過率の等しい部分がＸ，Ｙの原点とは異なる点を中心として同心円状に分布してもよい）。

　図５に示す例において、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、Ｘ，Ｙの原点において最大となり、かつＸ，Ｙの原点を通るいずれの直線上においても、Ｘ，Ｙの原点からガウス関数に従って減少してもよい。また、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、Ｘ，Ｙの原点において最大となり、かつＸ，Ｙの原点を通るいずれの直線上においても、Ｘ，Ｙの原点から二次関数に従って減少してもよい。つまり、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、余弦関数に限られず、ガウス関数に従って変化してもよく、二次関数に従って変化してもよい。

　図６に示す例では、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、連続関数に従って変化する。具体的には、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、Ｘ＝０の座標位置で最大となり、Ｘ方向において当該Ｘ＝０の座標位置からガウス関数に従って減少する（光の透過率の等しい部分がＹ方向へ延びる直線状に分布する）。つまり、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、ガウス関数に従って変化する。なお、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率は、瞳の面内で、Ｘ方向（一方向）において連続関数（例えば、ガウス関数）に従って一旦増加してから減少するとも言える。

　なお、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、Ｙ＝０の座標位置で最大となり、Ｙ方向において当該Ｙ＝０の座標位置からガウス関数に従って減少してもよい（光の透過率の等しい部分がＸ方向へ延びる直線状に分布してもよい）。また、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、Ｘ方向やＹ方向に限らず、ＸＹ座標系における任意の方向においてガウス関数に従って一旦増加してから減少してもよい（光の透過率の等しい部分が上記ＸＹ座標系における任意の方向と垂直な方向へ延びる直線状に分布してもよい）。

　なお、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、Ｘ＝０の座標位置で最小となり、Ｘ方向において当該Ｘ＝０の座標位置からガウス関数に従って増加してもよい（光の透過率の等しい部分がＹ方向へ延びる直線状に分布してもよい）。また、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、Ｙ＝０の座標位置で最小となり、Ｙ方向において当該Ｙ＝０の座標位置からガウス関数に従って増加してもよい（光の透過率の等しい部分がＸ方向へ延びる直線状に分布してもよい）。また、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、Ｘ方向やＹ方向に限らず、ＸＹ座標系における任意の方向においてガウス関数に従って一旦減少してから増加してもよい（光の透過率の等しい部分が上記ＸＹ座標系における任意の方向と垂直な方向へ延びる直線状に分布してもよい）。

　図６に示す例において、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、Ｘ＝０の座標位置で最大となり、Ｘ方向において当該Ｘ＝０の座標位置から余弦関数に従って減少してもよい。また、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、Ｘ＝０の座標位置で最大となり、Ｘ方向において当該Ｘ＝０の座標位置から二次関数に従って減少してもよい。つまり、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、ガウス関数に限られず、余弦関数に従って変化してもよく、二次関数に従って変化してもよい。

　図７に示す例では、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、連続関数に従って変化する。具体的には、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、Ｘ方向（例えば－Ｘ方向）において正弦関数に従って単調に減少する（光の透過率の等しい部分がＹ方向へ延びる直線状に分布する）。つまり、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、正弦関数に従って変化する。なお、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率は、瞳の面内で、Ｘ方向（例えば＋Ｘ方向）において正弦関数に従って単調に増加するとも言えるし、Ｘ方向において単調に減少もしくは増加するとも言える。

　なお、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、Ｙ方向において正弦関数に従って単調に減少もしくは増加してもよい（光の透過率の等しい部分がＸ方向へ延びる直線状に分布してもよい）。また、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、Ｘ方向やＹ方向に限らず、ＸＹ座標系における任意の方向において正弦関数に従って単調に減少もしくは増加してもよい（光の透過率の等しい部分が上記ＸＹ座標系における任意の方向と垂直な方向へ延びる直線状に分布してもよい）。

　図７に示す例において、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、Ｘ方向（例えば－Ｘ方向）において一次関数に従って単調に減少してもよい。つまり、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、正弦関数に限られず、一次関数に従って変化してもよい。

　図５～図７に示す例において、上記の連続関数は、正弦関数、余弦関数、二次関数、一次関数、ガウス関数のうちいずれかであればよい。なお、上記の連続関数は、正弦関数、余弦関数、二次関数、一次関数、ガウス関数に限られず、三次関数など他の関数であってもよい。また、照明側変調素子１６や検出側変調素子５３において光の透過率が変化する範囲は、瞳（照明瞳、検出瞳）の大きさ（直径）に合わせて設定すればよい。例えば、図５～７に示す場合には、光の透過率が０となる領域が瞳（照明瞳、検出瞳）の外周部と合うように照明側変調素子１６や検出側変調素子５３を形成する。

　なお、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、余弦関数や正弦関数に従って変化する場合、瞳（照明瞳、検出瞳）の面内において１周期より小さい範囲での余弦関数や正弦関数に従った変化であることが望ましい。１周期より大きい範囲になると、ＰＯＴＦの値も周期的な振る舞いをするため、デコンボリューションを行う観点から好ましくないからである。この場合、ＰＯＴＦの値が０になる周波数が複数存在することになり、デコンボリューションの過程で生じるノイズが大きくなるため、得られる試料ＳＡの屈折率分布の精度が低下する。また、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３の光の透過率が、余弦関数に従って変化する場合、瞳（照明瞳、検出瞳）の外周部で光の透過率が０になる（余弦関数の値が０になる）ように工夫しているが、これは瞳の外周部における光の透過率の不連続性が、像におけるリンギング等のアーティファクトの原因となっていることを考慮したものである。

　図８（Ａ）に、従来のように、照明瞳の位置Ｐ０および検出瞳と共役な位置Ｐ２での光の透過率が、照明瞳の面内および検出瞳と共役な面内で１００％（一定）である場合を示す。この場合、従来の円形の開口絞りと同様の光の透過率の分布となる。図８（Ｂ）に、図８（Ａ）の場合におけるＰＯＴＦの分布を示す。なお、図８（Ｂ）において、照明σ＝０．９５に設定している。ここで、図８（Ｂ）において、灰色（背景）はＰＯＴＦの値が０であることを示し、白色はＰＯＴＦの値が正の値であることを示し、黒色はＰＯＴＦの値が負の値であることを示す。したがって、図８（Ｂ）において、白色又は黒色が濃いほどＰＯＴＦの絶対値が大きくなる。図８（Ｂ）より、従来のように、瞳の位置での光の透過率が当該瞳の面内で１００％（一定）である場合、照明σ＝０．９５まで大きくなると、周波数空間における全帯域でのＰＯＴＦの絶対値が小さいことが分かる。そのため、明視野観察による試料ＳＡの画像（像）のコントラストが低く、得られる試料ＳＡの各位置における屈折率のダイナミックレンジが狭くなる（屈折率分布の画像のコントラストが低くなる）。つまり、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を生成することが難しい。

　図９（Ａ）に、照明瞳の位置Ｐ０に設けられた照明側変調素子１６の光の透過率が、図５に示すように余弦関数に従って変化し、検出瞳と共役な位置Ｐ２での光の透過率が、従来のように当該検出瞳と共役な面内で１００％（一定）である場合を示す。図９（Ｂ）に、図９（Ａ）の場合におけるＰＯＴＦの分布を示す。なお、図９（Ｂ）において、照明σ＝０．９５に設定している。ここで、図８（Ｂ）と同様、図９（Ｂ）において、灰色（背景）はＰＯＴＦの値が０であることを示し、白色はＰＯＴＦの値が正の値であることを示し、黒色はＰＯＴＦの値が負の値であることを示す。図９（Ｂ）より、照明瞳の位置Ｐ０に設けられた照明側変調素子１６の光の透過率が、図５に示すように余弦関数に従って変化すると、照明σ＝０．９５まで大きくなっても、広範囲の周波数帯域におけるＰＯＴＦの絶対値が高い。また、図９（Ｂ）に示すＰＯＴＦの絶対値は、周波数空間における全帯域において、図８（Ｂ）に示す従来のＰＯＴＦの絶対値より大きいことが分かる。そのため、明視野観察による試料ＳＡの画像（像）のコントラストが高く、得られる試料ＳＡの各位置における屈折率のダイナミックレンジが広くなる（屈折率分布の画像のコントラストが高くなる）。つまり、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を生成することができる。

　図１０（Ａ）に、照明瞳の位置Ｐ０に設けられた照明側変調素子１６の光の透過率が、図７に示すように正弦関数に従って変化し、検出瞳と共役な位置Ｐ２での光の透過率が、従来のように当該検出瞳と共役な面内で１００％（一定）である場合を示す。図１０（Ｂ）に、図１０（Ａ）の場合におけるＰＯＴＦの分布を示す。ここで、図８（Ｂ）、図９（Ｂ）と同様、図１０（Ｂ）において、灰色（背景）はＰＯＴＦの値が０であることを示し、白色はＰＯＴＦの値が正の値であることを示し、黒色はＰＯＴＦの値が負の値であることを示す（以降、同様の図面においての説明は省略する）。なお、図１０（Ｂ）において、照明σ＝１に設定している。図１０（Ｂ）より、照明瞳の位置Ｐ０に設けられた照明側変調素子１６の光の透過率が、図７に示すように正弦関数に従って変化すると、照明σ＝１まで大きくなっても、広範囲の周波数帯域におけるＰＯＴＦの絶対値が高い。また、図１０（Ｂ）に示すＰＯＴＦの絶対値は、周波数空間における全帯域において、図８（Ｂ）に示す従来のＰＯＴＦの絶対値より大きいことが分かる。そのため、明視野観察による試料ＳＡの画像（像）のコントラストが高く、得られる試料ＳＡの各位置における屈折率のダイナミックレンジが広くなる（屈折率分布の画像のコントラストが高くなる）。つまり、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を生成することができる。

　本実施形態では、照明側変調素子１６として、図５～図７に示すように光の透過率の分布が異なる照明側変調素子の全部もしくは一部を採用することが可能である。検出側変調素子５３として、図５～図７に示すように光の透過率の分布が異なる検出側変調素子の全部もしくは一部を採用することが可能である。図１１～図１４に、照明側変調素子１６または検出側変調素子５３を用いて、照明瞳の位置Ｐ０または検出瞳と共役な位置Ｐ２での光の透過率を変化させた例について示す。

　照明瞳の位置Ｐ０に設けられた照明側変調素子１６の光の透過率が、図５に示すような余弦関数の変形例として説明したガウス関数に従って変化し、検出瞳と共役な位置Ｐ２での光の透過率が、従来のように当該検出瞳と共役な面内で１００％（一定）である場合のＰＯＴＦの分布を、図１１（Ａ）に示す。なお、図１１（Ａ）において、照明σ＝０．９５に設定している。図１１（Ａ）においても、広範囲の周波数帯域におけるＰＯＴＦの絶対値は、図８（Ｂ）での従来のＰＯＴＦの絶対値より大きいことが分かる。したがって、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を生成することができる。

　照明瞳の位置Ｐ０に設けられた照明側変調素子１６の光の透過率が、図５に示すような余弦関数の変形例として説明した二次関数に従って変化し、検出瞳と共役な位置Ｐ２での光の透過率が、従来のように当該検出瞳と共役な面内で１００％（一定）である場合のＰＯＴＦの分布を、図１１（Ｂ）に示す。なお、図１１（Ｂ）において、照明σ＝０．９５に設定している。図１１（Ｂ）においても、広範囲の周波数帯域におけるＰＯＴＦの絶対値は、図８（Ｂ）での従来のＰＯＴＦの絶対値より大きいことが分かる。したがって、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を生成することができる。

　照明瞳の位置Ｐ０に設けられた照明側変調素子１６と検出瞳と共役な位置Ｐ２に設けられた検出側変調素子５３の光の透過率が、共に図７に示すように正弦関数に従って変化する場合のＰＯＴＦの分布を、図１２（Ａ）に示す。なお、図１２（Ａ）において、照明σ＝１に設定している。図１２（Ａ）に示す例では、照明側変調素子１６および検出側変調素子５３における光の透過率の分布が同じである。図１２（Ａ）においても、広範囲の周波数帯域におけるＰＯＴＦの絶対値は、図８（Ｂ）での従来のＰＯＴＦの絶対値より大きいことが分かる。したがって、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を生成することができる。なお、照明側変調素子１６および検出側変調素子５３の光の透過率が、正弦関数に限られず、図７に示すような正弦関数の変形例として説明した一次関数やその他の関数に従って変化する場合でも、同様のことが言える。

　照明瞳の位置Ｐ０に設けられた照明側変調素子１６の光の透過率が、図７に示すように正弦関数に従って変化し、検出瞳と共役な位置Ｐ２に設けられた検出側変調素子５３の光の透過率が、図６に示すようなガウス関数の変形例として説明した余弦関数に従って変化する場合のＰＯＴＦの分布を、図１２（Ｂ）に示す。なお、図１２（Ｂ）において、照明σ＝１に設定している。図１２（Ｂ）においても、広範囲の周波数帯域におけるＰＯＴＦの絶対値は、図８（Ｂ）での従来のＰＯＴＦの絶対値より大きいことが分かる。したがって、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を生成することができる。なお、照明側変調素子１６の光の透過率が、正弦関数に限られず、図７に示すような正弦関数の変形例として説明した一次関数やその他の関数に従って変化する場合でも、同様のことが言える。検出側変調素子５３の光の透過率が、余弦関数に限られず、図６に示すようなガウス関数や、図６に示すようなガウス関数の変形例として説明した二次関数、その他の関数に従って変化する場合でも、同様のことが言える。

　照明瞳の位置Ｐ０に設けられた照明側変調素子１６の光の透過率が、図７に示すように正弦関数に従って変化し、検出瞳と共役な位置Ｐ２に設けられた検出側変調素子５３の光の透過率が、図５に示すように余弦関数に従って変化する場合のＰＯＴＦの分布を、図１２（Ｃ）に示す。なお、図１２（Ｃ）において、照明σ＝１に設定している。図１２（Ｃ）においても、広範囲の周波数帯域におけるＰＯＴＦの絶対値は、図８（Ｂ）での従来のＰＯＴＦの絶対値より大きいことが分かる。したがって、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を生成することができる。なお、照明側変調素子１６の光の透過率が、正弦関数に限られず、図７に示すような正弦関数の変形例として説明した一次関数やその他の関数に従って変化する場合でも、同様のことが言える。検出側変調素子５３の光の透過率が、余弦関数に限られず、図５に示すような余弦関数の変形例として説明したガウス関数または二次関数やその他の関数に従って変化する場合でも、同様のことが言える。

　照明瞳の位置Ｐ０に設けられた照明側変調素子１６の光の透過率が、図６に示すようなガウス関数の変形例として説明した余弦関数に従って変化し、検出瞳と共役な位置Ｐ２に設けられた検出側変調素子５３の光の透過率が、図７に示すように正弦関数に従って変化する場合のＰＯＴＦの分布を、図１３（Ａ）に示す。なお、図１３（Ａ）において、照明σ＝１に設定している。図１３（Ａ）においても、広範囲の周波数帯域におけるＰＯＴＦの絶対値は、図８（Ｂ）での従来のＰＯＴＦの絶対値より大きいことが分かる。したがって、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を生成することができる。なお、照明側変調素子１６の光の透過率が、余弦関数に限られず、図６に示すようなガウス関数や、図６に示すようなガウス関数の変形例として説明した二次関数、その他の関数に従って変化する場合でも、同様のことが言える。検出側変調素子５３の光の透過率が、正弦関数に限られず、図７に示すような正弦関数の変形例として説明した一次関数やその他の関数に従って変化する場合でも、同様のことが言える。

　照明瞳の位置Ｐ０に設けられた照明側変調素子１６の光の透過率が、図５に示すように余弦関数に従って変化し、検出瞳と共役な位置Ｐ２に設けられた検出側変調素子５３の光の透過率が、図７に示すように正弦関数に従って変化する場合のＰＯＴＦの分布を、図１３（Ｂ）に示す。なお、図１３（Ｂ）において、照明σ＝１に設定している。図１３（Ｂ）においても、広範囲の周波数帯域におけるＰＯＴＦの絶対値は、図８（Ｂ）での従来のＰＯＴＦの絶対値より大きいことが分かる。したがって、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を生成することができる。なお、照明側変調素子１６の光の透過率が、余弦関数に限られず、図５に示すような余弦関数の変形例として説明したガウス関数または二次関数やその他の関数に従って変化する場合でも、同様のことが言える。検出側変調素子５３の光の透過率が、正弦関数に限られず、図７に示すような正弦関数の変形例として説明した一次関数やその他の関数に従って変化する場合でも、同様のことが言える。

　照明瞳の位置Ｐ０に設けられた照明側変調素子１６と検出瞳と共役な位置Ｐ２に設けられた検出側変調素子５３の光の透過率が、共に図６に示すようなガウス関数の変形例として説明した余弦関数に従って変化する場合のＰＯＴＦの分布を、図１４（Ａ）に示す。なお、図１４（Ａ）において、照明σ＝１に設定している。図１４（Ａ）に示す例では、照明側変調素子１６および検出側変調素子５３における光の透過率の分布が同じである。図１４（Ａ）においても、広範囲の周波数帯域におけるＰＯＴＦの絶対値は、図８（Ｂ）での従来のＰＯＴＦの絶対値より大きいことが分かる。したがって、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を生成することができる。なお、照明側変調素子１６および検出側変調素子５３の光の透過率が、余弦関数に限られず、図６に示すようなガウス関数や、図６に示すようなガウス関数の変形例として説明した二次関数、その他の関数に従って変化する場合でも、同様のことが言える。

　照明瞳の位置Ｐ０に設けられた照明側変調素子１６と検出瞳と共役な位置Ｐ２に設けられた検出側変調素子５３の光の透過率が、共に図５に示すように余弦関数に従って変化する場合のＰＯＴＦの分布を、図１４（Ｂ）に示す。なお、図１４（Ｂ）において、照明σ＝１に設定している。図１４（Ｂ）に示す例では、照明側変調素子１６および検出側変調素子５３における光の透過率の分布が同じである。図１４（Ｂ）においても、広範囲の周波数帯域におけるＰＯＴＦの絶対値は、図８（Ｂ）での従来のＰＯＴＦの絶対値より大きいことが分かる。したがって、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を生成することができる。なお、照明側変調素子１６および検出側変調素子５３の光の透過率が、余弦関数に限られず、図５に示すような余弦関数の変形例として説明したガウス関数または二次関数やその他の関数に従って変化する場合でも、同様のことが言える。

　照明瞳の位置Ｐ０に設けられた照明側変調素子１６の光の透過率が、図６に示すようなガウス関数の変形例として説明した余弦関数に従って変化し、検出瞳と共役な位置Ｐ２での光の透過率が、従来のように当該検出瞳と共役な面内で１００％（一定）である場合のＰＯＴＦの分布を、図１４（Ｃ）に示す。なお、図１４（Ｃ）において、照明σ＝１に設定している。図１４（Ｃ）においても、広範囲の周波数帯域におけるＰＯＴＦの絶対値は、図８（Ｂ）での従来のＰＯＴＦの絶対値より大きいことが分かる。したがって、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を生成することができる。なお、照明側変調素子１６の光の透過率が、余弦関数に限られず、図６に示すようなガウス関数や、図６に示すようなガウス関数の変形例として説明した二次関数、その他の関数に従って変化する場合でも、同様のことが言える。

　なお、上記の式（１０）もしくは式（１５）と、式（１６）とを用いて、３次元の屈折率分布を求める場合、屈折率の補正が必要となる。理由は、図１５に示すように、ＰＯＴＦがｚ方向に対して情報の欠落する領域（以降、missing　cone領域と称する）を持つため、ｚ方向の屈折率の変化にエラーが生じるからである。そこで、Gerchberg-Papoulis法、Edge-Preserving　Regularization法、Total　Variation　Regularization法などのmissing　cone推定手法を用いて、屈折率の補正を行う。具体的には、missing　cone推定アルゴリズムを使用して、最小の屈折率値が所定の屈折率値（例えば、既知である試料ＳＡにおける媒質の屈折率値）となるように拘束条件を設定し、図１５に示すようにmissing　cone領域を推定する。

　画像表示部７０は、画像処理部６６で生成された試料ＳＡの３次元の屈折率分布の画像データに基づいて、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を表示する。画像表示部７０は、画像処理部６６で生成された明視野観察による試料ＳＡの画像データに基づいて、明視野観察による試料ＳＡの画像を表示する。例えば、図１６に示すように、画像表示部７０は、画面の左下に区画された明視野観察画像として、明視野観察による試料ＳＡの画像を表示することが可能である。画像表示部７０は、画面の右下に区画された屈折率分布画像として、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を表示することが可能である。また、画像表示部７０は、画面の上側に区画されたモード選択画像として、上から順に、「コントラスト優先モード」の文字、「解像度優先モード」の文字、および「バランスモード」の文字を表示することが可能である。モード選択画像は、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の特性がそれぞれ異なる複数のモードとして、コントラスト優先モード、解像度優先モード、およびバランスモードのうちいずれかをユーザーに選択させるための画像である。すなわち、モード選択画像は、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像について、それぞれ異なる特性の画像を表示する複数のモード（コントラスト優先モード、解像度優先モード、およびバランスモード）のうちいずれかをユーザーに選択させるための画像である。ここで、画像の特性とは、例えば、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像の解像度およびコントラストである。より具体的な画像の特性として、解像度の高さよりもコントラストの高さを優先した、よりコントラストが高い特性と、コントラストの高さよりも解像度の高さを優先した、より解像度が高い特性と、コントラスト及び解像度の高さが同程度に高い、コントラストと解像度のバランスが取れた特性とがある。

　上述したように、照明側変調素子１６として、光の透過率の変化、すなわち光の透過率の分布が異なる複数の照明側変調素子１６のうちいずれかを選択して照明瞳の位置Ｐ０に配置することが可能である。この場合、複数の照明側変調素子１６を保持したターレット（図示せず）を設け、当該ターレットを回動させることで照明瞳の位置Ｐ０に配置する照明側変調素子１６を選択してもよい。なお、複数の照明側変調素子１６の中から、照明瞳の位置Ｐ０に配置する照明側変調素子１６を選択し変更することが可能な素子変更部として、ターレットに限られず、スライダー等の既存の機構を用いてもよい。これにより、制御部６５が、照明瞳の位置Ｐ０に配置する照明側変調素子１６を変更するように素子変更部を制御することで、照明瞳の面内における光の透過率の分布を変更する。検出側変調素子５３として、光の透過率の分布が異なる複数の検出側変調素子５３のうちいずれかを選択して検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置することが可能である。この場合、複数の検出側変調素子５３を保持したターレット（図示せず）を設け、当該ターレットを回動させることで検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置する検出側変調素子５３を選択してもよい。なお、複数の検出側変調素子５３の中から、検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置する検出側変調素子５３を選択する手段として、照明瞳の位置Ｐ０に配置する照明側変調素子１６を選択する手段と同様の手段（素子変更部）を用いることが可能である。これにより、制御部６５が、検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置する検出側変調素子５３を変更するように素子変更部を制御することで、検出瞳と共役な面内における光の透過率の分布を変更する。

　ここで、瞳の面内もしくは瞳と共役な面内における光の透過率の分布の条件、具体的には、照明瞳の面内における光の透過率の分布と、検出瞳と共役な面内における光の透過率の分布との組み合わせの条件を、検出条件と称する。例えば、前述したように、光の透過率の分布が異なる複数の照明側変調素子１６のうちいずれかを選択して照明瞳の位置Ｐ０に配置することが可能で、光の透過率の分布が異なる複数の検出側変調素子５３のうちいずれかを選択して検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置することが可能である場合、照明側変調素子１６および検出側変調素子５３のうち少なくとも一方を選択することにより、検出条件を設定し変更することが可能である。

　ユーザーは、キーボードや操作ダイヤル等からなる操作入力部６７を操作して、画像表示部７０に表示された、コントラスト優先モード、解像度優先モード、およびバランスモードの中から、ユーザーの希望する、屈折率分布の画像の特性に応じたモードを選択する。そうすると、選択したモードに応じて、予め設定された検出条件に対応する照明側変調素子１６および検出側変調素子５３のうち少なくとも一方が選択される。ユーザーが選択したモードに対応する検出条件で、透過照明光学系１０が試料ＳＡを照明し、検出器６０が検出光学系４０を介して試料ＳＡからの検出光を検出する。画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出光の検出信号に基づいて、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布を算出し、試料ＳＡの３次元の屈折率分布の画像データを生成する。そして、画像表示部７０は、画像処理部６６で生成された試料ＳＡの屈折率分布の画像データに基づいて、試料ＳＡにおける屈折率分布の画像を表示する。これにより、本実施形態によれば、ユーザーが望む試料ＳＡにおける屈折率分布の画像を生成することができる。また、試料ＳＡにおける屈折率分布の画像（および、後述する位相分布の画像）を表示する際の検出条件の設定を容易に行うことができる。

　コントラスト優先モードは、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像のコントラストを優先させたい場合に選択される。コントラスト優先モードにおいては、解像度（分解能）とコントラストのうち、よりコントラストが高い屈折率分布の画像が得られる検出条件（すなわち、照明瞳の面内における光の透過率の分布と、検出瞳と共役な面内における光の透過率の分布との組み合わせの条件）で、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布を求める。そのため、コントラスト優先モードを選択することにより、従来に比べて解像度（分解能）とコントラストが共に高いが、よりコントラストが高い特性を有する、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を得ることができる。

　コントラスト優先モードに対応する検出条件では、従来のように瞳の位置が円形開口（つまり、光の透過率が１００％）である場合と比較して、広範囲の周波数帯域にわたり０にはならないＰＯＴＦの絶対値は得られるが、より高いＰＯＴＦの絶対値が得られる、照明瞳の面内における光の透過率の分布および、検出瞳と共役な面内における光の透過率の分布が選択される。例えば、ＰＯＴＦの分布が図９（Ｂ）に示されるように、光の透過率が図５に示すように余弦関数に従って変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、検出側変調素子５３を配置しない。また例えば、ＰＯＴＦの分布が図１１（Ａ）に示されるように、光の透過率が図５に示すような余弦関数の変形例として説明したガウス関数に従って変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、検出側変調素子５３を配置しなくてもよい。ＰＯＴＦの分布が図１１（Ｂ）に示されるように、光の透過率が図５に示すような余弦関数の変形例として説明した二次関数に従って変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、検出側変調素子５３を配置しなくてもよい。ＰＯＴＦの分布が図１４（Ｃ）に示されるように、光の透過率が図６に示すようなガウス関数の変形例として説明した余弦関数に従って変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、検出側変調素子５３を配置しなくてもよい。余弦関数、ガウス関数、二次関数等の連続関数に従って、光の透過率が照明瞳の面内で光軸（透過照明光学系１０の光軸Ａｘ１）から離れるのにつれて減少する照明側変調素子１６のみを照明瞳の位置Ｐ０に配置することで、従来に比べて解像度（分解能）とコントラストが共に高いが、よりコントラストが高い特性を有する、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を得ることができる。

　上述のコントラスト優先モードにおいて、照明側変調素子１６の光の透過率は、余弦関数、ガウス関数、二次関数以外の連続関数（例えば、正弦関数や一次関数）に従って変化してもよく、不連続関数（例えば、ステップ関数）に従って変化してもよい。また、照明側変調素子１６のみを照明瞳の位置Ｐ０に配置しているが、これに限られるものではない。例えば、照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、検出側変調素子５３を検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置してもよい。照明側変調素子１６を配置せず、検出側変調素子５３のみを検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置してもよい。この場合、検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置する検出側変調素子５３の光の透過率は、いずれの連続関数や不連続関数に従って変化してもよい。

　解像度優先モードは、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像の解像度（分解能）を優先させたい場合に選択される。コントラスト優先モードにおいては、解像度（分解能）とコントラストのうち、より解像度（分解能）が高い屈折率分布の画像が得られる検出条件で、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布を求める。そのため、解像度優先モードを選択することにより、従来に比べて解像度（分解能）とコントラストが共に高いが、より解像度（分解能）が高い特性を有する、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を得ることができる。

　解像度優先モードに対応する検出条件では、従来のように瞳の位置が円形開口（つまり、光の透過率が１００％）である場合と比較して、高いＰＯＴＦの絶対値は得られるが、より広範囲の周波数帯域にわたりＰＯＴＦの絶対値が得られる、照明瞳の面内における光の透過率の分布および、検出瞳と共役な面内における光の透過率の分布が選択される。例えば、ＰＯＴＦの分布が図１０（Ｂ）に示されるように、光の透過率が図７に示すように正弦関数に従って変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、検出側変調素子５３を検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置しない。正弦関数、一次関数等の連続関数に従って、光の透過率が照明瞳の面内で一方向に沿って減少する照明側変調素子１６のみを照明瞳の位置Ｐ０に配置することで、従来に比べて解像度（分解能）とコントラストが共に高いが、より解像度（分解能）が高い特性を有する、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を得ることができる。

　上述の解像度優先モードにおいて、照明側変調素子１６の光の透過率は、正弦関数以外の連続関数（例えば、余弦関数、ガウス関数、二次関数、一次関数）に従って変化してもよく、不連続関数（例えば、ステップ関数）に従って変化してもよい。また、照明側変調素子１６のみを照明瞳の位置Ｐ０に配置しているが、これに限られるものではない。例えば、照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、検出側変調素子５３を検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置してもよい。照明側変調素子１６を配置せず、検出側変調素子５３のみを検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置してもよい。この場合、検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置する検出側変調素子５３の光の透過率は、いずれの連続関数や不連続関数に従って変化してもよい。

　バランスモードは、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像のコントラストと解像度（分解能）のバランスを優先させたい場合に選択される。バランスモードを選択することにより、コントラストと解像度（分解能）のバランスが取れた、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を得ることができる。

　バランスモードに対応する検出条件では、コントラスト優先モードと解像度優先モードとの中間のＰＯＴＦの特性が得られる、照明瞳の面内における光の透過率の分布および、検出瞳と共役な面内における光の透過率の分布が選択される。つまり、広範囲の周波数帯域にわたり、ＰＯＴＦの絶対値が高くなる光の透過率の分布が選択される。例えば、ＰＯＴＦの分布が図１２（Ｂ）に示されるように、光の透過率が図７に示すように正弦関数に従って変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、光の透過率が図６に示すようなガウス関数の変形例として説明した余弦関数に従って変化する検出側変調素子５３を検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置する。また例えば、ＰＯＴＦの分布が図１２（Ｃ）に示されるように、光の透過率が図７に示すように正弦関数に従って変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、光の透過率が図５に示すように余弦関数に従って変化する検出側変調素子５３を検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置してもよい。

　ＰＯＴＦの分布が図１３（Ａ）に示されるように、光の透過率が図６に示すようなガウス関数の変形例として説明した余弦関数に従って変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、光の透過率が図７に示すように正弦関数に従って変化する検出側変調素子５３を検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置してもよい。ＰＯＴＦの分布が図１３（Ｂ）に示されるように、光の透過率が図５に示すように余弦関数に従って変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、光の透過率が図７に示すように正弦関数に従って変化する検出側変調素子５３を検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置してもよい。余弦関数、正弦関数等の連続関数に従って光の透過率が変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、照明側変調素子１６と光の透過率の分布が異なる検出側変調素子５３を検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置することで、コントラストと解像度（分解能）のバランスが取れた特性を有する、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を得ることができる。

　また、ＰＯＴＦの分布が図１２（Ａ）に示されるように、光の透過率が図７に示すように正弦関数に従って変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、光の透過率が図７に示すように正弦関数に従って変化する検出側変調素子５３を検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置してもよい。ＰＯＴＦの分布が図１４（Ａ）に示されるように、光の透過率が図６に示すようなガウス関数の変形例として説明した余弦関数に従って変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、光の透過率が図６に示すようなガウス関数の変形例として説明した余弦関数に従って変化する検出側変調素子５３を検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置してもよい。ＰＯＴＦの分布が図１４（Ｂ）に示されるように、光の透過率が図５に示すように余弦関数に従って変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、光の透過率が図５に示すように余弦関数に従って変化する検出側変調素子５３を検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置してもよい。余弦関数や正弦関数等の連続関数に従って光の透過率が変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、照明側変調素子１６と光の透過率の分布が同じ検出側変調素子５３を検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置しても、コントラストと解像度（分解能）のバランスが取れた特性を有する、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を得ることができる。

　上述のバランスモードにおいて、照明側変調素子１６の光の透過率と、検出側変調素子５３の光の透過率は、余弦関数、正弦関数以外の連続関数（例えば、ガウス関数、二次関数、一次関数）に従って変化してもよく、不連続関数（例えば、ステップ関数）に従って変化してもよい。また、照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、検出側変調素子５３を検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置しているが、これに限られるものではない。例えば、検出側変調素子５３を配置せず、照明側変調素子１６のみを照明瞳の位置Ｐ０に配置してもよい。照明側変調素子１６を配置せず、検出側変調素子５３のみを検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置してもよい。この場合、照明瞳の位置Ｐ０もしくは検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置する変調素子（照明側変調素子１６、検出側変調素子５３）の光の透過率は、いずれの連続関数や不連続関数に従って変化してもよい。

　なお、ユーザーが上述した各モードを選択しない場合、標準設定のモードに対応する検出条件で、透過照明光学系１０が試料ＳＡを照明し、検出器６０が検出光学系４０を介して試料ＳＡからの検出光を検出することも可能である。標準設定のモードに対応する検出条件では、例えば、ＰＯＴＦの分布が図１１（Ｂ）に示されるように、光の透過率が図５に示すような余弦関数の変形例として説明した二次関数に従って変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、検出側変調素子５３を配置しない。

　上述の標準設定のモードにおいて、照明側変調素子１６の光の透過率は、二次関数以外の連続関数（例えば、余弦関数、ガウス関数、正弦関数、一次関数）に従って変化してもよく、不連続関数（例えば、ステップ関数）に従って変化してもよい。また、照明側変調素子１６のみを照明瞳の位置Ｐ０に配置しているが、これに限られるものではない。例えば、照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、検出側変調素子５３を検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置してもよい。照明側変調素子１６を配置せず、検出側変調素子５３のみを検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置してもよい。この場合、検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置する検出側変調素子５３の光の透過率は、いずれの連続関数や不連続関数に従って変化してもよい。なお、ユーザーは、標準設定のモードに対応する検出条件を自由に設定することが可能である。

　次に、第１実施形態に係る顕微鏡装置１における屈折率のデータ生成方法について説明する。図１７は、第１実施形態に係るデータ生成方法を示すフローチャートである。なお、試料ＳＡは、予めステージ２の上に載置されているものとする。制御部６５は、例えばコンピュータシステムを含む。制御部６５は、記憶部に記憶されている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各種の処理を実行する。この制御プログラムは、コンピュータに、試料ＳＡからの光を検出する検出器６０の制御を行う制御処理と、画像処理部６６により試料ＳＡに関する画像データを生成するデータ処理とを実行させる。

　ステップＳＴ１１において、操作入力部６７を介して顕微鏡装置１の設定（以降、単に「設定」と称する場合がある）に関する情報が入力される。設定に関する情報として、例えば、照明光の波長や、試料ＳＡのｚスタック像における試料ＳＡの断面（ｘｙ断面）の数（つまり、取得する試料ＳＡの断面の画像データの枚数）、試料ＳＡの周辺の媒質の屈折率等がある。試料ＳＡの周辺の媒質の屈折率は、例えば、試料ＳＡが水の中にある場合は水の屈折率であり、試料ＳＡが培養液の中にある場合は培養液の屈折率である。ユーザーが操作入力部６７に対して設定に関する情報を入力する操作を行うと、操作入力部６７を介して入力された設定に関する情報が記憶部に記憶される。

　ステップＳＴ１２において、モードの選択を行う操作が行われたか否かを判定する。判定がＹＥＳの場合、ステップＳＴ１３に進む。判定がＮＯの場合、ステップＳＴ１６に進む。

　ステップＳＴ１２での判定がＹＥＳの場合、ステップＳＴ１３において、ユーザーによって複数のモード（例えば、前述したコントラスト優先モード、解像度優先モード、およびバランスモード）の中から選択されたいずれかのモードが入力される。ユーザーが操作入力部６７に対していずれかのモードを選択する操作を行うと、操作入力部６７の操作に応じたモードが記憶部に記憶される。

　ステップＳＴ１４において、制御部６５は、ステップＳＴ１３で入力されたモードに応じて検出条件の設定を行う。これにより、ユーザーが選択したモードに応じて、予め設定された検出条件に対応する照明側変調素子１６および検出側変調素子５３のうち少なくとも一方が選択される。またこのとき、照明σに応じて決まるコンデンサレンズ１８および対物レンズ２２が選択される。なお、照明σは、各モードにおいて予め設定されている。

　ステップＳＴ１５において、ユーザーが選択したモードに対応した検出条件で、透過照明光学系１０が試料ＳＡを照明し、検出光学系４０を介して検出器６０が試料ＳＡからの検出光を検出する。このとき、制御部６５は、コンデンサレンズ１８および対物レンズ２２の組み合わせに応じて、試料ＳＡのｚスタック像における試料ＳＡの各断面の間隔Δｚを算出する。制御部６５は、算出した間隔Δｚで試料ＳＡのｚスタック像における試料ＳＡの各断面の像の強度（検出器６０の検出信号の信号強度）を取得できるように、ステージ駆動部３や検出器６０等の制御を行う。ステップＳＴ１５の処理が終了すると、ステップＳＴ１８に進む。

　ステップＳＴ１２での判定がＮＯの場合、ステップＳＴ１６において、制御部６５は、標準設定のモードに対応した検出条件の設定を行う。これにより、標準設定のモードとして予め設定された検出条件に対応する照明側変調素子１６および検出側変調素子５３のうち少なくとも一方が選択される。またこのとき、照明σに応じて決まるコンデンサレンズ１８および対物レンズ２２が選択される。

　ステップＳＴ１７において、標準設定のモードに対応した検出条件で、透過照明光学系１０が試料ＳＡを照明し、検出光学系４０を介して検出器６０が試料ＳＡからの検出光を検出する。このとき、制御部６５は、標準設定のモードに対応した間隔Δｚで試料ＳＡのｚスタック像における試料ＳＡの各断面の像の強度（検出器６０の検出信号の信号強度）を取得できるように、ステージ駆動部３や検出器６０等の制御を行う。ステップＳＴ１７の処理が終了すると、ステップＳＴ１８に進む。

　ステップＳＴ１８において、画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出信号に基づいて、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布を求め、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像データを生成する。このとき、画像処理部６６は、前述したように、上記の式（１０）もしくは式（１５）と、式（１６）とを用いて、検出器６０から出力された検出信号の信号強度、すなわち３次元の試料ＳＡの像の強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）から、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する。なお、３次元の試料ＳＡの像の強度は、試料ＳＡのｚスタック像における試料ＳＡの各断面の像の強度として表される。また、画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出信号に基づいて、明視野観察による試料ＳＡの画像データを生成する。画像表示部７０は、画像処理部６６で生成された試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像データに基づいて、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を表示する。画像表示部７０は、画像処理部６６で生成された明視野観察による試料ＳＡの画像データに基づいて、明視野観察による試料ＳＡの画像を表示する。

　ステップＳＴ１９において、画像処理部６６は、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像データを補正する。画像処理部６６は、上記の式（１０）もしくは式（１５）等を用いて３次元の屈折率分布を算出する際、missing　cone推定アルゴリズムを使用して、missing　cone領域を推定する。これにより、３次元の屈折率分布の算出精度を高めることができる。画像表示部７０は、画像処理部６６で補正した３次元の屈折率分布の画像データに基づいて、補正後の３次元の屈折率分布の画像を表示する。３次元の屈折率分布の画像データを補正しない場合、ステップＳＴ１９の処理が実行されずに終了する。

　図１７のフローにおいて、ステップＳＴ１２の処理を省いてもよい。例えば、ステップＳＴ１２～ＳＴ１５の処理を省き、ステップＳＴ１１の処理の後、ステップＳＴ１６とステップＳＴ１７の処理に続いて、ステップＳＴ１８の処理が行われるようにしてもよい。また、ステップＳＴ１２とステップＳＴ１６とステップＳＴ１７の処理を省き、ステップＳＴ１１の処理の後、ステップＳＴ１３～ＳＴ１５の処理に続いて、ステップＳＴ１８の処理が行われるようにしてもよい。また、上述のフローにおいて、ステップＳＴ１９の処理を省いてもよい。

　図１７のフローにおいて、ステップＳＴ１５でｚ方向の間隔Δｚを算出しているが、これに限られるものではない。例えば、ステップＳＴ１１で、設定に関する情報として、ｚ方向の間隔Δｚが入力されるようにしてもよい。

　図１７のフローにおいて、ユーザーが選択したモードもしくは標準設定のモードに対応した検出条件で、透過照明光学系１０が試料ＳＡを照明し、検出光学系４０を介して検出器６０が試料ＳＡからの検出光を検出しているが、これに限られるものではない。例えば、ユーザーが操作入力部６７に対して設定操作を行うこと等により、直接的に検出条件の設定（照明側変調素子１６および検出側変調素子５３のうち少なくとも一方を選択する設定）を行い、設定した検出条件で、透過照明光学系１０が試料ＳＡを照明し、検出光学系４０を介して検出器６０が試料ＳＡからの検出光を検出してもよい。

　＜第２実施形態＞
　次に、第２実施形態に係る顕微鏡装置について説明する。第２実施形態に係る顕微鏡装置は、画像処理部６６における処理の他は、第１実施形態に係る顕微鏡装置１と同様の構成である。そのため、第１実施形態と同様の構成については、第１実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。第２実施形態において、画像処理部６６は、透過照明光学系１０を用いて試料ＳＡを照明し、検出光学系４０を介して試料ＳＡからの光を検出すること（言い換えれば、明視野観察）によって検出器６０から出力された光（検出光）の検出信号に基づいて、試料ＳＡに関する位相のデータを生成する。ここで、試料ＳＡに関する位相のデータとは、試料ＳＡの位相を表すデータであり、例えば、試料ＳＡにおける各位置での位相のデータ、すなわち試料ＳＡにおける位相分布を示すデータである。また、試料ＳＡに関する位相のデータは、例えばルックアップテーブルとして記憶部（図示せず）に記憶される。また、画像処理部６６は、試料ＳＡにおける位相分布の各位置での位相の値に応じて各画素の輝度値を設定した画像データ（以降、試料ＳＡの位相分布の画像データと称する場合がある）を生成する。また、画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出光の検出信号に基づいて、明視野観察による試料ＳＡの画像データを生成する。なお、画像処理部６６は、検出器６０から出力された蛍光の検出信号に基づいて、蛍光観察による試料ＳＡの画像データを生成する。

　画像表示部７０は、画像処理部６６で生成された試料ＳＡの位相分布の画像データに基づいて、試料ＳＡにおける位相分布を示す画像を表示する。また、画像表示部７０は、画像処理部６６で生成された明視野観察による試料ＳＡの画像データに基づいて、明視野観察による試料ＳＡの画像を表示する。なお、画像表示部７０は、画像処理部６６で生成された蛍光観察による試料ＳＡの画像データに基づいて、蛍光観察による試料ＳＡの画像を表示する。

　次に、画像処理部６６により、試料ＳＡに関する位相のデータとして試料ＳＡにおける２次元の位相分布を求める方法について述べる。部分コヒーレント結像の式より、２次元の物体の像の強度Ｉ（ｘ，ｙ）は、下記の式（１７）のように表すことができる。

　式（１７）において、ｏは物体の複素振幅透過率を表す。ＴＣＣは相互透過係数(Transmission　Cross　Coefficient)を表す。（ξ，η）は回折光(もしくは直接光)の方向余弦を表す。また、この場合の像とは、照明により試料ＳＡの少なくとも一部を透過した光（検出光）が結像して得られる試料ＳＡの像である。したがって、２次元の物体の像、すなわち２次元の試料ＳＡの像の強度Ｉ（ｘ，ｙ）は、画像処理においては検出器６０から出力される検出信号の信号強度（つまり、検出器６０で試料ＳＡを撮像した際の検出器６０の各画素における信号強度）に置き換えることができる。相互透過係数ＴＣＣは、下記の式（１８）のように表すことができる。

　式（１８）において、Ｓは照明瞳を表す。Ｇは検出瞳を表す。相互透過係数ＴＣＣは、エルミート共役であることから、下記の式（１９）に示す性質を持つ。

　第１実施形態で述べたように、細胞のような厚みの薄い試料の場合、散乱の影響は小さいので、第１次Ｂｏｒｎ近似（低コントラスト近似）が成り立つ。そのため、第１次Ｂｏｒｎ近似によって、上記の式（１７）～（１９）から下記の式（２０）が得られる。

　式（２０）において、相互透過係数ＴＣＣは、下記の式（２１）のように表すことができる。

　ＴＣＣをフーリエ変換したものをＥＰＳＦとする。ＥＰＳＦは、有効点像分布（Effective　Point　Spread　Function)を表す。有効点像分布ＥＰＳＦは、下記の式（２２）のように表すことができる。

　また、物体の複素振幅透過率oは、下記の式（２３）のように近似することができる。

　式（２３）において、φは物体の位相を表す。Ｐは物体の振幅を表す。上記の式（２０）は、式（２２）および式（２３）を利用して、下記の式（２４）のように表される。

　ここで、ＴＣＣをＷＯＴＦ(Weak　Object　Transfer　Function)と改める。ＷＯＴＦは下記の式（２５）で定義される。

　合焦位置から＋Δｚだけデフォーカスした際のＷＯＴＦが、下記の式（２６）のように表されるものとする。

　式（２６）を利用して、２次元の物体の像の強度Ｉ（ｘ，ｙ）の式を下記の式（２７）のように拡張することが可能である。

　この式（２７）を利用して、物体（すなわち試料ＳＡ）における２次元の位相分布φ（ｘ，ｙ）を求める。

　＜φ（ｘ，ｙ）を求める第１の方法＞
　試料ＳＡにおける２次元の位相分布φ（ｘ，ｙ）を求める第１の方法として、試料ＳＡの１つのデフォーカス像または１つのインフォーカス像を用いて試料ＳＡにおける２次元の位相分布φ（ｘ，ｙ）を求める方法がある。図１８に、試料ＳＡの１つのデフォーカス像の強度（検出器６０の検出信号の信号強度）を取得し、デコンボリューションを行う過程を模式的に示す。合焦位置から＋Δｚだけ離れた位置における２次元の物体の像（すなわち試料ＳＡの１つのデフォーカス像）の強度Ｉ（ｘ，ｙ）_＋Δｚは、上記の式（２７）で表される。ここで、試料の振幅変化は、小さくて無視できるものとする。すなわち、Ｐ＝０とする。この場合、上記の式（２７）を実空間上で表すと、下記の式（２８）が得られる。

　式（２８）の第１項は、背景強度を表す定数項である。式（２８）の第２項は、物体（試料）の位相φに、ＥＰＳＦの虚部Ｉｍ［ＥＰＳＦ］がかかっていることを表す。まず、式（２８）の両辺をこの定数項で割って規格化した後、規格化した式（２８）の第１項を実空間（もしくは周波数空間）上で除く。そして、Ｉｍ［ＥＰＳＦ］を用いてデコンボリューションを行うことで、下記の式（２９）が得られる。

　式（２９）において、Ｉｍ［ＥＰＳＦ］を２次元フーリエ変換したものをＰＯＴＦ(Phase　Optical　Transfer　Function)とする。２次元の物体の像の強度を式（２８）の定数項で規格化したものをI’とする。γは、任意の小さい値を取るものとする。画像処理部６６は、式（２９）を用いて、試料ＳＡの１つのデフォーカス像の強度Ｉ（ｘ，ｙ）_＋Δｚから、試料ＳＡにおける２次元の位相分布φ（ｘ，ｙ）を算出する。一例として画像処理部６６は、算出した試料ＳＡにおける２次元の位相分布の各位置での位相の値に応じて各画素の輝度値を設定した画像データ、すなわち試料ＳＡの位相分布の画像データを生成する。

　試料ＳＡにおける２次元の位相分布φ（ｘ，ｙ）を求める第１の方法として、試料ＳＡの１つのデフォーカス像を用いる場合について説明した。試料ＳＡの１つのインフォーカス像を用いる場合、上記の式（２９）においてΔｚ＝０とすればよい。例えば、光の透過率が二次関数に従って変化する照明側変調素子１６（図５を参照）を照明瞳の位置Ｐ０に配置する場合、試料ＳＡの１つのデフォーカス像を用いて試料ＳＡにおける２次元の位相分布φ（ｘ，ｙ）を求める。また例えば、光の透過率が正弦関数に従って変化する照明側変調素子１６（図７を参照）を照明瞳の位置Ｐ０に配置する場合、試料ＳＡの１つのインフォーカス像を用いて試料ＳＡにおける２次元の位相分布φ（ｘ，ｙ）を求める。

　＜φ（ｘ，ｙ）を求める第２の方法＞
　試料ＳＡにおける２次元の位相分布φ（ｘ，ｙ）を求める第２の方法として、試料ＳＡの２つのデフォーカス像を用いて試料ＳＡにおける２次元の位相分布φ（ｘ，ｙ）を求める方法がある。図１９に、試料ＳＡの２つのデフォーカス像の強度（検出器６０の検出信号の信号強度）を取得して当該２つのデフォーカス像の強度の差分を求め、デコンボリューションを行う過程を模式的に示す。まず、ｚを±Δｚだけずらした場合の結像を考える。合焦位置から±Δｚだけ離れた位置における２次元の物体の像（すなわち試料ＳＡの２つのデフォーカス像）の強度Ｉ（ｘ，ｙ）_＋Δｚ，Ｉ（ｘ，ｙ）_－Δｚは、下記の式（２７）および式（３０）で表される。

　ここで、試料の振幅変化は、小さくて無視できるものとする。すなわち、Ｐ＝０とする。式（２７）および式（３０）の第１項は、背景強度を表す定数項である。そこで、式（２７）と式（３０）との差分を求める。これにより、式（２７）および式（３０）の第１項が打ち消し合って、下記の式（３１）が得られる。

　式（３１）において、ＷＯＴＦについての差分をＷＯＴＦ’とする。ＷＯＴＦ’は、下記の式（３２）のように表すことができる。

　上記の式（３１）を実空間上で表すと、下記の式（３３）が得られる。

　そして、式（３３）の両辺を定数項で割った後、ＩｍＥＰＳＦ’を用いてデコンボリューションを行うことで、下記の式（３４）が得られる。

　これが、任意の空間的コヒーレンスにおける２次元の位相分布を求める方法である。画像処理部６６は、式（３４）を用いて、試料ＳＡの２つのデフォーカス像の強度Ｉ（ｘ，ｙ）_＋Δｚ，Ｉ（ｘ，ｙ）_－Δｚから、試料ＳＡにおける２次元の位相分布φ（ｘ，ｙ）を算出する。一例として画像処理部６６は、算出した試料ＳＡにおける２次元の位相分布の各位置での位相の値に応じて各画素の輝度値を設定した画像データ、すなわち試料ＳＡの位相分布の画像データを生成する。

　なお、２つのデフォーカス像に限らず、２つのデフォーカス像および１つのインフォーカス像を用いて、試料ＳＡにおける２次元の位相分布φ（ｘ，ｙ）を求めることができる。この場合、式（３３）において規格化する際に、Δｚ＝０のインフォーカス像の強度を用いる。

　第２実施形態において、瞳の位置での開口形状が従来のように円形である場合、分解能を向上させるために照明σを大きく（照明σを１に近く）した結果、明視野観察による試料ＳＡの画像（像）のコントラストが低くなると、得られる試料ＳＡの各位置における位相のダイナミックレンジが狭くなる。つまり、試料ＳＡにおける位相分布の画像のコントラストが低くなる。逆に、コントラストを向上させるために照明σを小さくした結果、明視野観察による試料ＳＡの画像（像）の分解能が低くなると、試料ＳＡの各位置における位相の細かい変化を求めることができない。つまり、試料ＳＡにおける位相分布の画像の解像度（分解能）が低くなる。したがって、位相のダイナミックレンジが広く、かつ位相の細かい変化を求めることは困難である。つまり、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける位相分布の画像を得ることは困難である。

　本実施形態では、透過照明光学系１０における照明瞳の位置Ｐ０に、光の透過率が照明瞳の面内で変化する照明側変調素子１６が設けられる。また、検出光学系４０における検出瞳と共役な位置Ｐ２に、光の透過率が検出瞳と共役な面内で変化する検出側変調素子５３が設けられる。これにより、本実施形態によれば、照明σが大きく、明視野観察による試料ＳＡの画像（像）の分解能が高い状態であっても、コントラストが高い状態に維持されるため、試料ＳＡにおいて、位相のダイナミックレンジが広く、かつ位相の細かい変化を表す２次元の位相分布を得ることが可能になる。つまり、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける位相分布の画像を得ることができる。

　図８（Ａ）に、従来のように、照明瞳の位置Ｐ０および検出瞳と共役な位置Ｐ２での光の透過率が、照明瞳の面内および検出瞳と共役な面内で１００％（一定）である場合を示した。この場合、従来の円形の開口絞りと同様の光の透過率の分布となる。図２０（Ａ）に、図８（Ａ）の場合におけるＰＯＴＦの利得を示す。なお、図２０（Ａ）において、照明σ＝０．９５に設定している。ＰＯＴＦの利得を示すグラフにおいて、デフォーカス量をΔｚとする。図２０（Ａ）より、従来のように、瞳の位置での光の透過率が当該瞳の面内で１００％（一定）である場合、照明σ＝０．９５まで大きくなると、Δｚ＝０．５［μｍ］、Δｚ＝１．０［μｍ］、Δｚ＝３．０［μｍ］のいずれにおいても、周波数空間における全帯域でのＰＯＴＦの値がほぼ０であることがわかる。そのため、明視野観察による試料ＳＡの画像（像）のコントラストが低く、得られる試料ＳＡの各位置における位相のダイナミックレンジが狭くなる（位相分布の画像のコントラストが低くなる）。つまり、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける２次元の位相分布の画像を生成することが難しい。

　図９（Ａ）に、照明瞳の位置Ｐ０に設けられた照明側変調素子１６の光の透過率が、図５に示すように余弦関数に従って変化し、従来のように検出瞳と共役な位置Ｐ２での光の透過率が、当該検出瞳と共役な面内で１００％（一定）である場合を示した。図２０（Ｂ）に、図９（Ａ）の場合におけるＰＯＴＦの利得を示す。なお、図２０（Ｂ）において、照明σ＝０．９５に設定している。図２０（Ｂ）より、照明瞳の位置Ｐ０に設けられた照明側変調素子１６の光の透過率が、図５に示すように余弦関数に従って変化すると、照明σ＝０．９５まで大きくなっても、広範囲の周波数帯域におけるＰＯＴＦの値が高い。また、図２０（Ｂ）に示すＰＯＴＦの値は、周波数空間における全帯域において、図２０（Ａ）に示す従来のＰＯＴＦの値より大きいことが分かる。そのため、明視野観察による試料ＳＡの画像（像）のコントラストが高く、得られる試料ＳＡの各位置における位相のダイナミックレンジが広くなる（位相分布の画像のコントラストが高くなる）。つまり、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける２次元の位相分布の画像を生成することができる。

　本実施形態において、照明瞳の位置Ｐ０に設けられた照明側変調素子１６の光の透過率が、図５に示すように余弦関数に従って変化し、従来のように検出瞳と共役な位置Ｐ２での光の透過率が、当該検出瞳と共役な面内で１００％（一定）である場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、第１実施形態において図１０～図１４を用いて説明した照明側変調素子１６または検出側変調素子５３を用いて照明瞳の位置Ｐ０または検出瞳と共役な位置Ｐ２での光の透過率を変化させるようにしてもよい。

　次に、第２実施形態に係る顕微鏡装置における位相のデータ生成方法について説明する。図２１は、第２実施形態に係るデータ生成方法を示すフローチャートである。なお、試料ＳＡは、予めステージ２の上に載置されているものとする。制御部６５は、記憶部に記憶されている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各種の処理を実行する。この制御プログラムは、コンピュータに、試料ＳＡからの光を検出する検出器６０の制御を行う制御処理と、画像処理部６６により試料ＳＡに関する画像データを生成するデータ処理とを実行させる。

　ステップＳＴ２１において、第１実施形態と同様に、操作入力部６７を介して顕微鏡装置１の設定に関する情報が入力される。ステップＳＴ２２において、第１実施形態と同様に、モードの選択を行う操作が行われたか否かを判定する。判定がＹＥＳの場合、ステップＳＴ２３に進む。判定がＮＯの場合、ステップＳＴ２６に進む。

　ステップＳＴ２２での判定がＹＥＳの場合、第１実施形態と同様に、ステップＳＴ２３において、ユーザーによって複数のモード（例えば、前述したコントラスト優先モード、解像度優先モード、およびバランスモード）の中から選択されたいずれかのモードが入力される。ステップＳＴ２４において、第１実施形態と同様に、制御部６５は、ステップＳＴ２３で入力されたモードに応じて検出条件の設定を行う。

　ステップＳＴ２５において、ユーザーが選択したモードに対応した検出条件で、透過照明光学系１０が試料ＳＡを照明し、検出光学系４０を介して検出器６０が試料ＳＡからの検出光を検出する。以降のステップでは、上述した第１の方法によりφ（ｘ，ｙ）を求める場合について述べる。制御部６５は、コンデンサレンズ１８および対物レンズ２２の組み合わせに応じて、試料ＳＡの像をデフォーカスさせるデフォーカス量Δｚを算出する。制御部６５は、算出したデフォーカス量Δｚで試料ＳＡの１つのデフォーカス像もしくは１つのインフォーカス像の強度（検出器６０の検出信号の信号強度）を取得できるように、ステージ駆動部３や検出器６０等の制御を行う。ステップＳＴ２５の処理が終了すると、ステップＳＴ２８に進む。

　ステップＳＴ２２での判定がＮＯの場合、第１実施形態と同様に、ステップＳＴ２６において、制御部６５は、標準設定のモードに対応した検出条件の設定を行う。ステップＳＴ２７において、標準設定のモードに対応した検出条件で、透過照明光学系１０が試料ＳＡを照明し、検出光学系４０を介して検出器６０が試料ＳＡからの検出光を検出する。このとき、制御部６５は、標準設定のモードに対応したデフォーカス量Δｚで試料ＳＡの１つのデフォーカス像もしくは１つのインフォーカス像の強度（検出器６０の検出信号の信号強度）を取得できるように、ステージ駆動部３や検出器６０等の制御を行う。ステップＳＴ２７の処理が終了すると、ステップＳＴ２８に進む。

　ステップＳＴ２８において、画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出信号に基づいて、試料ＳＡにおける２次元の位相分布を求め、試料ＳＡにおける２次元の位相分布の画像データを生成する。このとき、画像処理部６６は、前述したように、上記の式（２９）を用いて、試料ＳＡの１つのデフォーカス像もしくは１つのインフォーカス像の強度Ｉ（ｘ，ｙ）_＋Δｚから、試料ＳＡにおける２次元の位相分布φ（ｘ，ｙ）を算出する。また、画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出信号に基づいて、明視野観察による試料ＳＡの画像データを生成する。画像表示部７０は、画像処理部６６で生成された試料ＳＡにおける２次元の位相分布の画像データに基づいて、試料ＳＡにおける２次元の位相分布の画像を表示する。画像表示部７０は、画像処理部６６で生成された明視野観察による試料ＳＡの画像データに基づいて、明視野観察による試料ＳＡの画像を表示する。

　上述のフローにおいて、第１の方法によりφ（ｘ，ｙ）を求める場合について述べたが、第２の方法によりφ（ｘ，ｙ）を求める場合も同様のフローとなる。ここで、第２の方法によりφ（ｘ，ｙ）を求める場合に、第１の方法と異なる点ついて述べる。

　ステップＳＴ２５において、制御部６５は、コンデンサレンズ１８および対物レンズ２２の組み合わせに応じて、試料ＳＡの像をデフォーカスさせるデフォーカス量Δｚを算出する。制御部６５は、算出したデフォーカス量Δｚで試料ＳＡの２つのデフォーカス像の強度（検出器６０の検出信号の信号強度）を取得できるように、ステージ駆動部３や検出器６０等の制御を行う。ステップＳＴ２７において、制御部６５は、標準設定のモードに対応したデフォーカス量Δｚで試料ＳＡの２つのデフォーカス像の強度（検出器６０の検出信号の信号強度）を取得できるように、ステージ駆動部３や検出器６０等の制御を行う。ステップＳＴ２８において、画像処理部６６は、上記の式（３４）を用いて、試料ＳＡの２つのデフォーカス像の強度Ｉ（ｘ，ｙ）_＋Δｚ，Ｉ（ｘ，ｙ）_－Δｚから、試料ＳＡにおける２次元の位相分布φ（ｘ，ｙ）を算出する。

　なお、図２１のフローにおいて、ステップＳＴ２２の処理を省いてもよい。例えば、ステップＳＴ２２～ＳＴ２５の処理を省き、ステップＳＴ２１の処理の後、ステップＳＴ２６とステップＳＴ２７の処理に続いて、ステップＳＴ２８の処理が行われるようにしてもよい。また、ステップＳＴ２２とステップＳＴ２６とステップＳＴ２７の処理を省き、ステップＳＴ２１の処理の後、ステップＳＴ２３～ＳＴ２５の処理に続いて、ステップＳＴ２８の処理が行われるようにしてもよい。

　なお、図２１のフローにおいて、ユーザーが選択したモードもしくは標準設定のモードに対応した検出条件で、透過照明光学系１０が試料ＳＡを照明し、検出光学系４０を介して検出器６０が試料ＳＡからの検出光を検出しているが、これに限られるものではない。例えば、ユーザーが操作入力部６７に対して設定操作を行うこと等により、直接的に検出条件の設定（照明側変調素子１６および検出側変調素子５３のうち少なくとも一方を選択する設定）を行い、設定した検出条件で、透過照明光学系１０が試料ＳＡを照明し、検出光学系４０を介して検出器６０が試料ＳＡからの検出光を検出してもよい。

　＜第３実施形態＞
　次に、図２２を用いて、第３実施形態に係る顕微鏡装置１０１について説明する。第３実施形態に係る顕微鏡装置１０１は、検出光学系の他は、第１実施形態に係る顕微鏡装置１と要部が共通の構成である。そのため、第１実施形態と同様の構成については、第１実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。第３実施形態に係る顕微鏡装置１０１は、ステージ２と、透過照明用光源５と、透過照明光学系１０と、検出光学系１４０と、検出器６０と、制御部６５と、画像処理部６６と、操作入力部６７と、画像表示部７０とを備える。

　検出光学系１４０は、試料ＳＡ側から順に、対物レンズユニット１２１と、第１結像レンズ４１と、ハーフミラー４２とを有する。また、ハーフミラー４２を透過する光の光路上に、第１ミラー４３と、レンズ４４と、第２ミラー４５と、コリメータレンズ４６と、第２結像レンズ４８と、第３ミラー４９と、接眼レンズ５５とが配置される。

　対物レンズユニット１２１は、複数の対物レンズ１２２と、レンズ保持部１２５と、ユニット駆動部１２６とを有する。対物レンズ１２２は、ステージ２の下方に対向して配置される。レンズ保持部１２５は、焦点距離が異なる複数の対物レンズ１２２を保持する。レンズ保持部１２５は、例えば、レボルバやターレット等を用いて構成される。ユニット駆動部１２６は、レンズ保持部１２５を駆動し、複数の対物レンズ１２２のうちいずれかを選択してステージ２の下方に配置することが可能である。

　対物レンズ１２２の瞳の位置（検出瞳の位置）Ｐ１に、検出側変調素子１２３が設けられる。より具体的には、対物レンズ１２２に検出側変調素子１２３が内蔵されている。検出瞳の位置Ｐ１における対物レンズ１２２の光軸Ａｘ３と垂直な面を、検出瞳の面と称する。検出側変調素子１２３は、光の透過率が検出瞳の面内で変化する他は、第１実施形態の照明側変調素子１６および検出側変調素子５３と同様に形成される。なお、対物レンズ１２２に検出側変調素子１２３を内蔵する場合、焦点距離が異なる各対物レンズで検出側変調素子１２３を着脱可能に保持する不図示の機構を設けてもよい。この機構を設けることによって、各対物レンズで、光の透過率の分布が異なる検出側変調素子１２３を変更することができる（つまり、焦点距離を変えることなく、検出瞳の面内における光の透過率の分布を変更することができる）。

　ハーフミラー４２の透過率と反射率の比率は、例えば１：１に設定される。ハーフミラー４２に入射した光の一部は、当該ハーフミラー４２で反射して所定の第１像面ＩＡで結像する。ここで、所定の第１像面ＩＡの位置は、対物レンズ１２２の焦点位置と共役な位置である。検出光学系１４０の第１像面ＩＡに、検出器６０が配置される。ハーフミラー４２に入射した光の他の一部は、当該ハーフミラー４２を透過して第１ミラー４３で反射する。第１ミラー４３で反射した光は、所定の中間像面ＩＭで結像してレンズ４４に入射する。レンズ４４を透過した光は、第２ミラー４５で反射してコリメータレンズ４６に入射する。コリメータレンズ４６を透過した光は、平行光となって第２結像レンズ４８に入射する。第２結像レンズ４８を透過した光は、第３ミラー４９で反射して所定の第２像面ＩＢで結像する。ここで、所定の第２像面ＩＢの位置は、対物レンズ１２２の焦点位置と共役な位置である。観察者は、接眼レンズ５５を用いて第２像面ＩＢに結像された試料ＳＡの像を観察することが可能である。

　本実施形態において明視野観察を行う場合、透過照明光学系１０は、第１実施形態と同様に、透過照明用光源５からの照明光によって、ステージ２上の試料ＳＡを照明する。試料ＳＡを透過もしくは回折した検出光は、検出光学系１４０の対物レンズ１２２に入射する。対物レンズ１２２に入射した検出光は、検出側変調素子１２３を通り第１結像レンズ４１に向けて出射する。対物レンズ１２２から出射した検出光は、第１結像レンズ４１に入射する。第１結像レンズ４１を透過した検出光は、ハーフミラー４２に入射する。ハーフミラー４２に入射した検出光の一部は、当該ハーフミラー４２で反射して、検出器６０が配置される所定の第１像面ＩＡで結像する。ハーフミラー４２に入射した検出光の他の一部は、当該ハーフミラー４２を透過して第１ミラー４３で反射する。第１ミラー４３で反射した検出光は、所定の中間像面ＩＭで結像してレンズ４４に入射する。レンズ４４を透過した検出光は、第２ミラー４５で反射してコリメータレンズ４６に入射する。コリメータレンズ４６を透過した検出光は、平行光となって第２結像レンズ４８に入射する。第２結像レンズ４８を透過した検出光は、第３ミラー４９で反射して所定の第２像面ＩＢで結像する。

　検出器６０は、明視野観察の場合、検出光学系１４０を介して試料ＳＡからの検出光を検出し、当該検出光の検出信号を出力する。画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出光の検出信号に基づいて、試料ＳＡにおける屈折率分布を示すデータ（一例として、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像データ）を生成する。また、画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出光の検出信号に基づいて、明視野観察による試料ＳＡの画像データを生成する。第３実施形態において、画像処理部６６は、第１実施形態と同様に、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布を求め、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像データを生成する。これにより、第３実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

　＜第４実施形態＞
　次に、第４実施形態に係る顕微鏡装置について説明する。第４実施形態に係る顕微鏡装置は、画像処理部６６における処理の他は、第３実施形態に係る顕微鏡装置１０１と同様の構成である。そのため、第１および第３実施形態と同様の構成については、第１および第３実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。第４実施形態において、検出器６０は、明視野観察の場合、第３実施形態と同様に、検出光学系１４０を介して試料ＳＡからの検出光を検出し、当該検出光の検出信号を出力する。

　画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出光の検出信号に基づいて、試料ＳＡにおける位相分布を示すデータ（一例として、試料ＳＡにおける２次元の位相分布の画像データ）を生成する。また、画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出光の検出信号に基づいて、明視野観察による試料ＳＡの画像データを生成する。第４実施形態において、画像処理部６６は、第２実施形態と同様に、試料ＳＡにおける２次元の位相分布を求め、試料ＳＡにおける２次元の位相分布の画像データを生成する。これにより、第４実施形態によれば、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

　＜第５実施形態＞
　次に、図２３を用いて、第５実施形態に係る顕微鏡装置２０１について説明する。第５実施形態に係る顕微鏡装置２０１は、落射照明光学系、検出光学系および検出器の他は、第１実施形態に係る顕微鏡装置１と同様の構成である。そのため、第１実施形態と同様の構成については、第１実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。第５実施形態に係る顕微鏡装置２０１は、ステージ２と、透過照明用光源５と、落射照明用光源６と、透過照明光学系１０と、落射照明光学系２２０と、検出光学系２４０と、検出器６０と、第２の検出器２６１と、制御部６５と、画像処理部６６と、操作入力部６７と、画像表示部７０とを備える。

　落射照明光学系２２０は、試料ＳＡ側から順に、対物レンズユニット２１と、フィルターキューブ２３１とを有する。フィルターキューブ２３１は、落射照明光学系２２０を含む検出光学系２４０の光路に常時挿入される。フィルターキューブ２３１は、落射照明用光源６から出射した励起光をステージ２に向けて反射させる。フィルターキューブ２３１は、落射照明用光源６からの励起光の照射によってステージ２上の試料ＳＡで発生した蛍光を第１結像レンズ４１に向けて透過させる。フィルターキューブ２３１は、透過照明光学系１０からの照明光の照射によって試料ＳＡを透過もしくは回折した光（検出光）を透過させる。フィルターキューブ２３１は、落射照明用光源６からの励起光を透過させる励起フィルター２３２を有する。フィルターキューブ２３１は、試料ＳＡやステージ２等で反射した励起光を吸収する吸収フィルター２３３を有する。吸収フィルター２３３は、試料ＳＡからの蛍光および検出光を透過させる。

　検出光学系２４０は、対物レンズユニット２１と、フィルターキューブ２３１とを含む。検出光学系２４０における対物レンズユニット２１およびフィルターキューブ２３１以外の構成は、第１結像レンズ４１と第１ミラー４３との間にダイクロイックフィルター２４２が配置される他は、第１実施形態の検出光学系４０と同様の構成である。

　ダイクロイックフィルター２４２は、光の波長の違いにより光を分離する。具体的には、ダイクロイックフィルター２４２に入射した光の一部として、（落射照明光学系２０からの励起光の照射によって）試料ＳＡから出射した蛍光は、当該ダイクロイックフィルター２４２で反射して所定の第３像面ＩＣで結像する。ここで、所定の第３像面ＩＣの位置は、対物レンズ２２の焦点位置と共役な位置である。検出光学系２４０の第３像面ＩＣに、第２の検出器２６１が配置される。ダイクロイックフィルター２４２に入射した光の他の一部として、（透過照明光学系１０からの照明光の照射によって）試料ＳＡを透過もしくは回折した光（検出光）は、当該ダイクロイックフィルター２４２を透過して第１ミラー４３で反射する。第１ミラー４３で反射した検出光は、第１実施形態と同様に、検出器６０が配置される所定の第１像面ＩＡで結像する。なお、第２の検出器２６１には、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子が用いられる。

　なお、ダイクロイックフィルター２４２に限らず、ハーフミラーを用いてもよい。この場合、当該ハーフミラーと共にバリアフィルタを用いる。具体的には、当該ハーフミラーを反射した光の一部の光（試料ＳＡからの検出光）を吸収する第１のバリアフィルタを設け、当該ハーフミラーを透過した光の一部の光（試料ＳＡからの蛍光）を吸収する第２のバリアフィルタを設ける。この構成により、当該ハーフミラーを反射した、試料ＳＡからの蛍光による像を第２の検出器２６１で撮像することができ、当該ハーフミラーを透過した、試料ＳＡからの検出光による像を検出器６０で撮像することができる。

　本実施形態において、透過照明光学系１０は、第１実施形態と同様に、透過照明用光源５からの照明光によって、ステージ２上の試料ＳＡを照明する。検出器６０は、検出光学系２４０を介して試料ＳＡからの検出光を検出し、当該検出光の検出信号を出力する。本実施形態の検出光学系２４０において、試料ＳＡからの検出光は、対物レンズ２２に入射する。対物レンズ２２を透過した検出光は、フィルターキューブ２３１に入射する。フィルターキューブ２３１に入射した検出光は、当該フィルターキューブ２３１を透過し、吸収フィルター２３３を通って第１結像レンズ４１に入射する。第１結像レンズ４１を透過した検出光は、ダイクロイックフィルター２４２に入射する。ダイクロイックフィルター２４２に入射した検出光は、当該ダイクロイックフィルター２４２を透過して第１ミラー４３で反射する。第１ミラー４３で反射した検出光は、第１実施形態と同様に、検出器６０が配置される所定の第１像面ＩＡで結像する。

　落射照明光学系２２０は、第１実施形態と同様に、落射照明用光源６からの励起光によって、ステージ２上の試料ＳＡを照明する。第２の検出器２６１は、検出光学系２４０を介して試料ＳＡからの蛍光を検出し、当該蛍光の検出信号を出力する。本実施形態の検出光学系２４０において、試料ＳＡからの蛍光は、対物レンズ２２に入射する。対物レンズ２２を透過した蛍光は、フィルターキューブ２３１に入射する。フィルターキューブ２３１に入射した蛍光は、当該フィルターキューブ２３１を透過し、吸収フィルター２３３を通って第１結像レンズ４１に入射する。第１結像レンズ４１を透過した蛍光は、ダイクロイックフィルター２４２に入射する。ダイクロイックフィルター２４２に入射した蛍光は、当該ダイクロイックフィルター２４２で反射して、第２の検出器２６１が配置される所定の第３像面ＩＣで結像する。

　画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出光の検出信号に基づいて、試料ＳＡにおける屈折率分布を示すデータ（一例として、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像データ）を生成する。また、画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出光の検出信号に基づいて、明視野観察による試料ＳＡの画像データを生成する。画像処理部６６は、第２の検出器２６１から出力された蛍光の検出信号に基づいて、蛍光観察による試料ＳＡの画像データを生成する。第５実施形態において、画像処理部６６は、第１実施形態と同様に、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布を求め、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像データを生成する。これにより、第５実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。第５実施形態では、検出器６０が検出光学系２４０を介して試料ＳＡからの検出光を検出し、第２の検出器２６１が検出光学系２４０を介して試料ＳＡからの蛍光を検出する。そのため、同時刻における、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像と、蛍光観察による試料ＳＡの画像とを生成することができ、ユーザーによる両画像の比較観察が可能となる。

　＜第６実施形態＞
　次に、第６実施形態に係る顕微鏡装置について説明する。第６実施形態に係る顕微鏡装置は、画像処理部６６における処理の他は、第５実施形態に係る顕微鏡装置２０１と同様の構成である。そのため、第１および第５実施形態と同様の構成については、第１および第５実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。第６実施形態において、透過照明光学系１０は、第５実施形態と同様に、透過照明用光源５からの照明光によって、ステージ２上の試料ＳＡを照明する。検出器６０は、第５実施形態と同様に、検出光学系２４０を介して試料ＳＡからの検出光を検出し、当該検出光の検出信号を出力する。落射照明光学系２２０は、第５実施形態と同様に、落射照明用光源６からの励起光によって、ステージ２上の試料ＳＡを照明する。第２の検出器２６１は、第５実施形態と同様に、検出光学系２４０を介して試料ＳＡからの蛍光を検出し、当該蛍光の検出信号を出力する。

　画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出光の検出信号に基づいて、試料ＳＡにおける位相分布を示すデータ（一例として、試料ＳＡにおける２次元の位相分布の画像データ）を生成する。また、画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出光の検出信号に基づいて、明視野観察による試料ＳＡの画像データを生成する。画像処理部６６は、第２の検出器２６１から出力された蛍光の検出信号に基づいて、蛍光観察による試料ＳＡの画像データを生成する。第６実施形態において、画像処理部６６は、第２実施形態と同様に、試料ＳＡにおける２次元の位相分布を求め、試料ＳＡにおける２次元の位相分布の画像データを生成する。これにより、第６実施形態によれば、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第６実施形態では、第５実施形態と同様、同時刻における、試料ＳＡにおける２次元の位相分布の画像と、蛍光観察による試料ＳＡの画像とを生成することができ、ユーザーによる両画像の比較観察が可能となる。

　＜第７実施形態＞
　次に、図２４を用いて、第７実施形態に係る顕微鏡装置３０１について説明する。第３実施形態に係る顕微鏡装置１０１は、検出光学系の他は、第１実施形態に係る顕微鏡装置１と要部が共通の構成である。そのため、第１実施形態と同様の構成については、第１実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。第７実施形態に係る顕微鏡装置３０１は、ステージ２と、透過照明用光源５と、透過照明光学系１０と、検出光学系３４０と、検出器６０と、制御部６５と、画像処理部６６と、操作入力部６７と、画像表示部７０とを備える。

　検出光学系３４０は、試料ＳＡ側から順に、対物レンズユニット２１と、第１結像レンズ４１と、第１ミラー４３と、レンズ４４と、第２ミラー４５と、コリメータレンズ４６と、ハーフミラー４７とを有する。さらに、検出光学系３４０は、第３結像レンズ５０と、光路分割部材３５１と、検出側変調素子５３とを有する。また、ハーフミラー４７を透過する光の光路上に、第２結像レンズ４８と、第３ミラー４９と、接眼レンズ５５とが配置される。

　光路分割部材３５１は、第３結像レンズ５０と所定の第１像面ＩＡとの間に配置される。光路分割部材３５１は、第３結像レンズ５０と検出器６０との間の光路を互いに光路長が異なる３つの光路に分割する。光路分割部材３５１は、例えば３連プリズムを用いて構成され、３つの反射面を有している。光路分割部材３５１に入射した光は、光路分割部材３５１における第１反射面に達する。第１反射面に達した光の一部は、当該第１反射面で反射して第１像面ＩＡの一端側（図２４の左側）で結像する。第１反射面に達した光の他の一部は、当該第１反射面を透過して第２反射面に達する。第２反射面に達した光の一部は、当該第２反射面で反射して第１像面ＩＡの中央で結像する。第２反射面に達した光の他の一部は、当該第２反射面を透過して第３反射面で反射する。第３反射面で反射した光は、第１像面ＩＡの他端側（図２４の右側）で結像する。このようにして、光路分割部材３５１で分割された光は、第１像面ＩＡにおいて平行に並ぶ３つのデフォーカス像を結像する。この３つのデフォーカス像は、光路長の差に応じてデフォーカス量が互いに異なる。光路分割部材３５１における第１反射面の透過率と反射率の比率は、例えば２：１に設定される。光路分割部材３５１における第２反射面の透過率と反射率の比率は、例えば１：１に設定される。光路分割部材３５１における第３反射面の透過率と反射率の比率は、例えば０：１に設定される。これにより、３つのデフォーカス像の明るさを等しくすることができる。

　本実施形態において明視野観察を行う場合、透過照明光学系１０は、第１実施形態と同様に、透過照明用光源５からの照明光によって、ステージ２上の試料ＳＡを照明する。試料ＳＡを透過もしくは回折した検出光は、検出光学系３４０の対物レンズ２２に入射する。対物レンズ２２を透過した検出光は、第１結像レンズ４１に入射する。第１結像レンズ４１を透過した検出光は、第１ミラー４３で反射して所定の中間像面ＩＭで結像し、レンズ４４に入射する。レンズ４４を透過した検出光は、第２ミラー４５で反射してコリメータレンズ４６に入射する。コリメータレンズ４６を透過した検出光は、平行光となって検出側変調素子５３を通り、ハーフミラー４７に入射する。ハーフミラー４７に入射した検出光の一部は、当該ハーフミラー４７で反射して第３結像レンズ５０に入射する。第３結像レンズ５０を透過した検出光は、光路分割部材３５１に入射する。光路分割部材３５１で分割された検出光は、第１像面ＩＡにおいて平行に並ぶ３つのデフォーカス像を結像する。ハーフミラー４７に入射した検出光の他の一部は、当該ハーフミラー４７を透過して第２結像レンズ４８に入射する。第２結像レンズ４８を透過した検出光は、第３ミラー４９で反射して所定の第２像面ＩＢで結像する。

　検出器６０は、明視野観察の場合、検出光学系３４０を介して試料ＳＡからの検出光を検出し、当該検出光の検出信号を出力する。画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出光の検出信号に基づいて、試料ＳＡにおける屈折率分布を示すデータ（一例として、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像データ）を生成する。第７実施形態において、画像処理部６６は、第１実施形態と同様に、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布を求め、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像データを生成する。これにより、第７実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。第７実施形態では、第１像面ＩＡにデフォーカス量の異なる３つのデフォーカス像が結像される。これにより、検出器６０が試料ＳＡからの検出光を１回検出するごとに（つまり、試料ＳＡを１回撮像するごとに）、試料ＳＡのｚスタック像（試料ＳＡのｚ方向の位置（つまり、光軸方向の位置）が異なる複数の断面の像）のうちの３つの断面の像として、３つのデフォーカス像の強度（検出器６０の検出信号の信号強度）を取得することができる。そのため、試料ＳＡのｚスタック像における試料ＳＡの各断面の像の強度を短時間で取得することができ、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布を短時間で求めることが可能になる。

　なお、画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出光の検出信号に基づいて、明視野観察による試料ＳＡの画像データを生成してもよい。上述したように、第１像面ＩＡにデフォーカス量の異なる３つのデフォーカス像が結像される。そのため、画像処理部６６は、３つのデフォーカス像に基づいた、明視野観察による試料ＳＡのデフォーカス画像を生成することが可能であるし、明視野観察による試料ＳＡのインフォーカス画像を生成することも可能である。

　また、試料ＳＡのｚスタック像における試料ＳＡの各断面の像の強度を短時間で取得する方法として、光路分割部材３５１を用いる場合について説明したが、これに限られるものではなく、例えば、ＭＦＧ(Multi　Focus　Grating)を用いて光を分割してもよい。また、光路分割部材３５１は、第３結像レンズ５０と第１像面ＩＡ（検出器６０）との間に配置されているが、これに限られるものではなく、例えば、第３実施形態に係る顕微鏡装置１０１（図２２を参照）におけるハーフミラー４２と第１像面ＩＡ（検出器６０）との間に配置されてもよい。

＜第８実施形態＞
　次に、第８実施形態に係る顕微鏡装置について説明する。第８実施形態に係る顕微鏡装置は、画像処理部６６における処理の他は、第７実施形態に係る顕微鏡装置４０１と同様の構成である。そのため、第１および第７実施形態と同様の構成については、第１および第７実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。第８実施形態において、検出器６０は、明視野観察の場合、第７実施形態と同様に、検出光学系３４０を介して試料ＳＡからの検出光を検出し、当該検出光の検出信号を出力する。

　画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出光の検出信号に基づいて、試料ＳＡにおける位相分布を示すデータ（一例として、試料ＳＡにおける２次元の位相分布の画像データ）を生成する。また、画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出光の検出信号に基づいて、明視野観察による試料ＳＡの画像データを生成する。第８実施形態において、画像処理部６６は、第２実施形態における第２の方法で求めた場合と同様に、試料ＳＡの２つのデフォーカス像の強度から、試料ＳＡにおける２次元の位相分布を求め、試料ＳＡにおける２次元の位相分布の画像データを生成する。これにより、第８実施形態によれば、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。第８実施形態では、第１像面ＩＡにデフォーカス量の異なる３つのデフォーカス像が結像される。そのため、試料ＳＡの２つのデフォーカス像の強度（検出器６０の検出信号の信号強度）を短時間で取得することができ、試料ＳＡにおける２次元の位相分布を短時間で求めることが可能になる。なお、画像処理部６６は、第２実施形態における第２の方法に限らず、第２実施形態における第１の方法で求めた場合と同様に、試料ＳＡの１つのデフォーカス像もしくは１つのインフォーカス像の強度から、試料ＳＡにおける２次元の位相分布を求め、試料ＳＡにおける２次元の位相分布の画像データを生成してもよい。

　＜第９実施形態＞
　次に、図２５を用いて、第９実施形態に係る顕微鏡装置４０１について説明する。第９実施形態に係る顕微鏡装置４０１は、照明光学系および検出光学系の他は、第１実施形態に係る顕微鏡装置１と同様の構成である。そのため、第１実施形態と同様の構成については、第１実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。第９実施形態に係る顕微鏡装置４０１は、ステージ２と、照明用光源４０６と、照明光学系４１０と、検出光学系４４０と、検出器６０と、制御部６５と、画像処理部６６と、操作入力部６７と、画像表示部７０とを備える。

　照明用光源４０６は、所定の波長帯域の照明光を発生させる。照明光学系４１０は、照明用光源４０６側から順に、フィルターキューブ４３１と、対物レンズユニット４２１と、照明用ミラー４１１とを有する。対物レンズユニット４２１は、複数の対物レンズ４２２と、レンズ保持部４２５と、ユニット駆動部４２６とを有する。対物レンズ４２２は、ステージ２の下方に対向して配置される。レンズ保持部４２５は、焦点距離が異なる複数の対物レンズ４２２を保持する。レンズ保持部４２５は、例えば、レボルバやターレット等を用いて構成される。ユニット駆動部４２６は、レンズ保持部４２５を駆動し、複数の対物レンズ４２２のうちいずれかを選択してステージ２の下方に配置することが可能である。

　対物レンズ４２２の瞳（本実施形態において照明瞳と検出瞳は同一位置にあることから、以降、照明・検出瞳や単に瞳と称する）の位置Ｐ１に、照明・検出側変調素子４２３が設けられる。瞳の位置Ｐ１における対物レンズ４２２の光軸Ａｘ３と垂直な面を、照明・検出瞳の面と称する。照明・検出側変調素子４２３は、光の透過率が照明・検出瞳の面内で変化する他は、第１実施形態の照明側変調素子１６および検出側変調素子５３と同様に形成される。なお、照明・検出側変調素子４２３は、対物レンズ４２２に内蔵されていてもよいし、対物レンズ４２２とは別個に配置されていてもよい。

　フィルターキューブ４３１は、照明用光源４０６から出射した照明光の一部をステージ２に向けて反射させる。フィルターキューブ４３１は、ステージ２上の試料ＳＡを透過もしくは回折した検出光の一部を検出光学系４４０の第１結像レンズ４１に向けて透過させる。フィルターキューブ４３１は、照明用光源４０６からの照明光が通る第１フィルター４３２を有する。フィルターキューブ４３１は、試料ＳＡからの検出光が通る第２フィルター４３３を有する。第１フィルター４３２および第２フィルター４３３として、例えば、バンドパスフィルターが用いられる。

　検出光学系４４０は、対物レンズユニット４２１と、フィルターキューブ４３１とを含む。検出光学系４４０は、照明光学系４１０側から順に、第１結像レンズ４１と、ハーフミラー４２とを有する。また、ハーフミラー４２を透過する光の光路上に、第１ミラー４３と、レンズ４４と、第２ミラー４５と、コリメータレンズ４６と、第２結像レンズ４８と、第３ミラー４９と、接眼レンズ５５とが配置される。

　ハーフミラー４２の透過率と反射率の比率は、例えば１：１に設定される。ハーフミラー４２に入射した光の一部は、当該ハーフミラー４２で反射して所定の第１像面ＩＡで結像する。ここで、所定の第１像面ＩＡの位置は、対物レンズ４２２の焦点位置と共役な位置である。検出光学系４４０の第１像面ＩＡに、検出器６０が配置される。ハーフミラー４２に入射した光の他の一部は、当該ハーフミラー４２を透過して第１ミラー４３で反射する。第１ミラー４３で反射した光は、所定の中間像面ＩＭで結像してレンズ４４に入射する。レンズ４４を透過した光は、第２ミラー４５で反射してコリメータレンズ４６に入射する。コリメータレンズ４６を透過した光は、平行光となって第２結像レンズ４８に入射する。第２結像レンズ４８を透過した光は、第３ミラー４９で反射して所定の第２像面ＩＢで結像する。ここで、所定の第２像面ＩＢの位置は、対物レンズ４２２の焦点位置と共役な位置である。観察者は、接眼レンズ５５を用いて第２像面ＩＢに結像された試料ＳＡの像を観察することが可能である。

　本実施形態において、照明用光源４０６から出射した照明光は、照明光学系４１０の第１フィルター４３２を通ってフィルターキューブ４３１に入射する。フィルターキューブ４３１に入射した照明光の一部は、当該フィルターキューブ４３１で反射して対物レンズ４２２に入射する。対物レンズ４２２に入射した照明光は、照明・検出側変調素子４２３を通りステージ２に向けて出射する。対物レンズ４２２から出射した照明光は、ステージ２および試料ＳＡを透過して照明用ミラー４１１で反射する。照明用ミラー４１１で反射した照明光は、ステージ２上の試料ＳＡに入射する。これにより、照明光学系４１０は、照明用光源４０６からの照明光によって、ステージ２上の試料ＳＡを照明する。

　試料ＳＡを透過もしくは回折した検出光は、検出光学系４４０としての対物レンズ４２２に入射する。対物レンズ４２２に入射した検出光は、照明・検出側変調素子４２３を通りフィルターキューブ４３１に向けて出射する。対物レンズ４２２から出射した検出光は、フィルターキューブ４３１に入射する。フィルターキューブ４３１に入射した検出光の一部は、当該フィルターキューブ４３１を透過して第２フィルター４３３を通り、第１結像レンズ４１に入射する。第１結像レンズ４１を透過した検出光は、ハーフミラー４２に入射する。ハーフミラー４２に入射した検出光の一部は、当該ハーフミラー４２で反射して、検出器６０が配置される所定の第１像面ＩＡで結像する。ハーフミラー４２に入射した検出光の他の一部は、当該ハーフミラー４２を透過して第１ミラー４３で反射する。第１ミラー４３で反射した検出光は、所定の中間像面ＩＭで結像してレンズ４４に入射する。レンズ４４を透過した検出光は、第２ミラー４５で反射してコリメータレンズ４６に入射する。コリメータレンズ４６を透過した検出光は、平行光となって第２結像レンズ４８に入射する。第２結像レンズ４８を透過した検出光は、第３ミラー４９で反射して所定の第２像面ＩＢで結像する。

　検出器６０は、検出光学系４４０を介して試料ＳＡからの検出光を検出し、当該検出光の検出信号を出力する。画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出光の検出信号に基づいて、試料ＳＡにおける屈折率分布を示すデータ（一例として、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像データ）を生成する。また、画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出光の検出信号に基づいて、明視野観察による試料ＳＡの画像データを生成する。第９実施形態において、画像処理部６６は、第１実施形態と同様に、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布を求め、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像データを生成する。これにより、第９実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

　＜第１０実施形態＞
　次に、第１０実施形態に係る顕微鏡装置について説明する。第１０実施形態に係る顕微鏡装置は、画像処理部６６における処理の他は、第９実施形態に係る顕微鏡装置４０１と同様の構成である。そのため、第１および第９実施形態と同様の構成については、第１および第９実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。第１０実施形態において、検出器６０は、第９実施形態と同様に、検出光学系４４０を介して試料ＳＡからの検出光を検出し、当該検出光の検出信号を出力する。

　画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出光の検出信号に基づいて、試料ＳＡにおける位相分布を示すデータ（一例として、試料ＳＡにおける２次元の位相分布の画像データ）を生成する。また、画像処理部６６は、検出器６０から出力された検出光の検出信号に基づいて、明視野観察による試料ＳＡの画像データを生成する。第１０実施形態において、画像処理部６６は、第２実施形態と同様に、試料ＳＡにおける２次元の位相分布を求め、試料ＳＡにおける２次元の位相分布の画像データを生成する。これにより、第１０実施形態によれば、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

　＜変形例＞
　上述の各実施形態において、画像処理部６６は、光の透過率に関して１つの検出条件で検出された光の検出信号に基づいて、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布もしくは２次元の位相分布を求めているが、これに限られるものではない。画像処理部６６は、光の透過率に関して複数の検出条件で検出された光の検出信号に基づいて、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布もしくは２次元の位相分布を求めてもよい。例えば、画像処理部６６は、ユーザーの設定等による２つの検出条件で検出された光の検出信号に基づくＰＯＴＦの線形和を求める。これにより、ユーザーの設定等による１つの検出条件で検出された光の検出信号に基づく場合よりも、広範囲の周波数帯域にわたり、高いＰＯＴＦの絶対値を得ることができる。そのため、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像もしくは２次元の位相分布の画像を生成することができる。なお、画像処理部６６は、ＰＯＴＦを含む上記の式（１０）もしくは式（１５）と、式（１６）とを用いて、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）を算出することが可能である。画像処理部６６は、ＰＯＴＦを含む上記の式（２９）もしくは式（３４）を用いて、試料ＳＡにおける２次元の位相分布φ（ｘ，ｙ）を算出することが可能である。

　ここで、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布を求める場合の第１変形例について説明する。第１の検出条件では、光の透過率が図５に示すように余弦関数に従って変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、検出側変調素子５３を配置しない。第２の検出条件では、光の透過率が照明瞳の面内において不連続な輪帯状に分布する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、検出側変調素子５３を配置しない。この第１変形例において、第１の検出条件で検出された光の検出信号に基づくＰＯＴＦと、第２の検出条件で検出された光の検出信号に基づくＰＯＴＦとの線形和を求めると、図２６に示すように、低周波数の帯域と高周波数の帯域でのＰＯＴＦの絶対値が増すことが分かった。そのため、広範囲の周波数帯域の情報を含んだＰＯＴＦを含む上記の式（１０）もしくは式（１５）を用いて、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像を生成することができる。なお、第２の検出条件は、光の透過率が不連続な輪帯状に分布する例に限られるものではない。例えば、第２の検出条件では、光の透過率が不連続関数に従って変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置すればよく、この場合、光の透過率がステップ関数に従って変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置してもよい。

　試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布を求める場合の第２変形例について説明する。第１の検出条件では、光の透過率が図７に示すように正弦関数に従って変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、検出側変調素子５３を配置しない。第２の検出条件では、光の透過率が正弦関数に従って図７に示す場合と逆方向に変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、検出側変調素子５３を配置しない。この第２変形例において、第１の検出条件で検出された光の検出信号に基づくＰＯＴＦと、第２の検出条件で検出された光の検出信号に基づくＰＯＴＦとの線形和を求めると、ＰＯＴＦの絶対値が０にはならない周波数帯域の広さは大きく変化しないものの、ＰＯＴＦの絶対値が倍になることがわかった。

　理由は、第１の検出条件におけるＰＯＴＦの値と、第２の検出条件におけるＰＯＴＦの値とが互いに逆の符号になっているためである。これにより、コントラストに優れた３次元の屈折率分布の画像データを生成することができる。また、上記の式（９）の第１項は、背景強度を表す定数項である。正弦関数に従う光の透過率の分布が反転した２つの検出条件におけるＰＯＴＦの線形和を求めると、式（９）の第１項が打ち消し合うため、式（９）の第１項を除く演算を行う必要がない。従って、式（９）に対するデコンボリューションの精度、すなわち上記の式（１０）を用いたΦ（ｘ，ｙ，ｚ）の算出精度を向上させることが可能である。

　また、画像処理部６６は、光の透過率に限らず、デフォーカス量に関して複数の条件（以降、デフォーカス量の条件をフォーカス条件と称する場合がある）で検出された光の検出信号に基づいて、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布もしくは２次元の位相分布を求めてもよい。例えば、画像処理部６６は、デフォーカス量Δｚが異なる２つのフォーカス条件で検出された光の検出信号に基づくＰＯＴＦの線形和を求め、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布もしくは２次元の位相分布を求めてもよい。これにより、デフォーカス量Δｚを変えるだけで簡便に、広範囲の周波数帯域にわたるＰＯＴＦを得ることができる。そのため、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像もしくは２次元の位相分布の画像を生成することができる。

　ここで、試料ＳＡにおける２次元の位相分布を求める場合の変形例について説明する。第１のフォーカス条件では、デフォーカス量Δｚ＝０．４［μｍ］とする。第２のフォーカス条件では、デフォーカス量Δｚ＝１．０［μｍ］とする。なお、第１および第２のフォーカス条件ではともに、光の透過率が図５に示すように余弦関数に従って変化する照明側変調素子１６を照明瞳の位置Ｐ０に配置し、検出側変調素子５３を配置しない。図２７に、Δｚ＝０．２［μｍ］、Δｚ＝０．４［μｍ］、Δｚ＝１．０［μｍ］の場合におけるＰＯＴＦの値を示す。Δｚ＝０．４［μｍ］の場合のＰＯＴＦのピークが低周波数側の帯域に位置し、Δｚ＝１．０［μｍ］の場合のＰＯＴＦのピークが高周波数側の帯域に位置していることが分かる。この変形例において、第１のフォーカス条件で検出された光の検出信号に基づくＰＯＴＦと、第２のフォーカス条件で検出された光の検出信号に基づくＰＯＴＦとの線形和を求めると、低周波数の帯域から高周波数の帯域までの広範囲の周波数帯域にわたり、ＰＯＴＦの値が増加する。そのため、広範囲の周波数帯域の情報を含んだＰＯＴＦを含む上記の式（２９）もしくは式（３４）を用いて、コントラストと解像度（分解能）が共に高い、２次元の位相分布の画像を生成することができる。

　上述の第１実施形態において、試料ＳＡにおける屈折率分布を示すデータとして、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布を求めているが、これに限られるものではなく、試料ＳＡの２次元の屈折率分布や、試料ＳＡの１次元の屈折率分布を求めることもできる。例えば、ｚを一定の値とすることにより、式（１０）もしくは式（１５）と、式（１６）とを用いて、試料ＳＡにおける２次元の屈折率分布を算出（試料ＳＡにおける２次元の屈折率のデータを生成）することが可能である。また、試料ＳＡにおける３次元の屈折率のデータの一部を抽出し、試料ＳＡにおける２次元の屈折率のデータや１次元の屈折率のデータを生成してもよい。

　上述の第１～第８実施形態において、照明側変調素子１６は、照明瞳の位置Ｐ０に設けられているが、これに限られるものではなく、照明瞳と共役な位置に設けられてもよい。

　上述の第１～第８実施形態において、顕微鏡装置に、照明側変調素子１６および検出側変調素子５３，１２３が設けられているが、これに限られるものではない。例えば、顕微鏡装置に、照明側変調素子１６のみが設けられてもよく、検出側変調素子５３，１２３のみが設けられてもよい。

　上述の各実施形態において、照明側変調素子１６、検出側変調素子５３，１２３、および照明・検出側変調素子４２３は、平板の面内で光の透過率が変化する素子として、ガラス基板等の平行平板に、光の透過率を低減させることが可能な膜を蒸着させることにより形成されている素子を例示しているが、これに限られるものではない。例えば、照明側変調素子、検出側変調素子、および照明・検出側変調素子は、ガラス基板等の平行平板に、光の透過率を低減させることが可能な（遮光性のある）微小なドットパターンを形成したものであってもよい。この場合、既存のリソグラフィープロセス等を用いて、平行平板（ガラス基板）上に、粗密が異なるようにドットパターンを形成することにより、光の透過率を変えることが可能である（ドットパターンが密の領域は、粗の領域に比べて透過率が低くなる）。照明側変調素子、検出側変調素子、および照明・検出側変調素子は、上述したような光学素子に限らず、透過型液晶素子、反射型液晶素子、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）等のＳＬＭ（空間光変調器）を用いて構成されてもよい。ＳＬＭを用いる場合、ＳＬＭを、上述の各実施形態における光学素子と同様に、瞳（照明瞳と検出瞳の少なくとも一方）もしくは瞳と共役な位置に配置する。例えば、ＳＬＭとして透過型液晶素子を用いる場合は、素子の各画素の透過率を制御することで、所望の光の透過率の分布を設定することができる。また、ＳＬＭとしてＤＭＤを用いる場合は、各ミラーの角度を制御することにより、所望の光の透過率の分布を設定することができる。このように、ＳＬＭが瞳の面内もしくは瞳と共役な面内における光の透過率の分布を変えることで、検出条件を変更することが可能である。

　なお、照明側変調素子、検出側変調素子、および照明・検出側変調素子として、上述の各実施形態における光学素子（すなわち、光の透過性を有する平板）を用いる場合、制御部６５は、瞳の位置もしくは瞳と共役な位置に配置する素子を変更するように素子変更部（例えば、ターレット）を制御することで、瞳の面内もしくは瞳と共役な面内における光の透過率の分布を変更する。例えば、第１実施形態で述べたように、制御部６５は、照明瞳の位置Ｐ０に配置する照明側変調素子１６を変更するように素子変更部を制御することで、照明瞳の面内における光の透過率の分布を変更する。制御部６５は、検出瞳と共役な位置Ｐ２に配置する検出側変調素子５３を変更するように素子変更部を制御することで、検出瞳と共役な面内における光の透過率の分布を変更する。照明側変調素子、検出側変調素子、および照明・検出側変調素子としてＳＬＭを用いる場合、制御部６５は、ＳＬＭを制御することで、瞳の面内もしくは瞳と共役な面内における光の透過率の分布を変更する。そのため、制御部６５により光の透過率の分布を変更するために、複数の素子や素子変更部を設ける必要がない。

　また、制御部６５により、瞳の面内もしくは瞳と共役な面内における光の透過率の分布を、所定の第１の分布から第２の分布に変更することが可能であるが、これに限られるものではない。例えば、上述の第１、第２、第５、第６実施形態において、コリメータレンズ４６よりも像面側に、検出側変調素子５３、第３結像レンズ５０、検出器６０に代えて、光路分割素子（図示せず）と、第１の検出側変調素子（図示せず）と、第２の検出側変調素子（図示せず）と、第１の検出側変調素子用結像レンズ（図示せず）と、第２の検出側変調素子用結像レンズ（図示せず）と、第１の検出側変調素子用検出器（図示せず）と、第２の検出側変調素子用検出器（図示せず）とが設けられてもよい。光路分割素子は、コリメータレンズ４６からの光路を、第１の検出側変調素子に向かう光路と第２の検出側変調素子に向かう光路の２つの光路に分割する。第１の検出側変調素子および第２の検出側変調素子は、第１実施形態の検出側変調素子５３と同様の構成である。第１の検出側変調素子の光の透過率の分布は、第１実施形態で説明した透過率の分布のうちいずれかの分布（以降、第１の分布と称する）となる。第２の検出側変調素子の光の透過率の分布は、第１実施形態で説明した透過率の分布のうち上述の第１の分布と異なる第２の分布となる。第１の検出側変調素子用結像レンズおよび第２の検出側変調素子用結像レンズは、第１実施形態の第３結像レンズ５０と同様の構成である。第１の検出側変調素子用検出器は、第１実施形態の検出器６０と同様の構成であり、光路分割素子で分割されて第１の検出側変調素子および第１の検出側変調素子用結像レンズを通った試料ＳＡからの光（検出光）を検出し、当該光の検出信号を出力する。第２の検出側変調素子用検出器は、第１実施形態の検出器６０と同様の構成であり、光路分割素子で分割されて第２の検出側変調素子および第２の検出側変調素子用結像レンズを通った試料ＳＡからの光（検出光）を検出し、当該光の検出信号を出力する。

　そして、画像処理部６６が、第１の検出側変調素子用検出器から出力された光の検出信号と、第２の検出側変調素子用検出器から出力された光の検出信号のうち少なくとも一方に基づいて、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像データもしくは２次元の位相分布の画像データを生成してもよい。これにより、画像処理部６６が、光の透過率に関して複数の検出条件で検出された光の検出信号に基づいて、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布もしくは２次元の位相分布を求める場合、検出条件を変更する（つまり、瞳の面内もしくは瞳と共役な面内における光の透過率の分布を変更する）工程を省くことができるため、試料ＳＡにおける３次元の屈折率分布の画像データもしくは２次元の位相分布の画像データを短時間で生成することが可能になる。なおこの場合、上述の第７、第８実施形態と同様に、光路分割部材３５１が、第１の検出側変調素子用結像レンズと第１の検出側変調素子用検出器との間と、第２の検出側変調素子用結像レンズと第２の検出側変調素子用検出器との間に、それぞれ設けられてもよい。

　上述の各実施形態において、照明側変調素子１６、検出側変調素子５３，１２３、および照明・検出側変調素子４２３の光の透過率が、連続関数に従って連続的に変化しているが、これに限られるものではない。例えば、照明側変調素子１６、検出側変調素子５３，１２３、および照明・検出側変調素子４２３の光の透過率が、ステップ関数等の不連続関数に従って離散的に変化してもよい。照明側変調素子１６、検出側変調素子５３，１２３、および照明・検出側変調素子４２３の光の透過率が、部分的に連続関数に従って連続的に変化し、部分的に不連続関数に従って離散的に変化してもよい。

　上述の各実施形態において、コレクタレンズ１２、リレーレンズ１５、コンデンサレンズ１８、第１結像レンズ４１、レンズ４４、コリメータレンズ４６、第３結像レンズ５０等の「レンズ」は、説明の便宜上、各図において1枚のレンズとして記載されているが、これに限られるものではない。例えば、コレクタレンズ１２等の「レンズ」は、複数枚のレンズから構成されてもよく、レンズとレンズ以外の既存の光学素子とを組み合わせた構成であってもよい。

　上述の各実施形態において、透過照明用光源５もしくは照明用光源４０６は、顕微鏡装置に備えられているが、これに限られるものではなく、顕微鏡装置と別体に設けられてもよい。例えば、透過照明用光源５もしくは照明用光源４０６は、顕微鏡装置に着脱交換可能に取り付けられるようにしてもよい。透過照明用光源５もしくは照明用光源４０６は、顕微鏡装置による観察等を行う際に、顕微鏡装置に外付けされるようにしてもよい。

　上述の各実施形態において、試料ＳＡに対する照明をケーラー照明としているが、これに限られるものではなく、クリティカル照明としてもよい。

　上述の各実施形態において、試料ＳＡ全体からの光を検出可能な顕微鏡装置を用いているが、これに限られるものではない。例えば、試料の一部からの光を検出して試料全体を走査する走査型の顕微鏡装置を用いるようにしてもよい。

　　１　顕微鏡装置
　１０　透過照明光学系　　　　　　　１６　照明側変調素子
　２０　落射照明光学系
　２１　対物レンズユニット　　　　　２２　対物レンズ
　４０　検出光学系　　　　　　　　　５３　検出側変調素子
　６０　検出部
　６５　制御部　　　　　　　　　　　６６　画像処理部（データ処理部）
　７０　画像表示部
１０１　顕微鏡装置（第３実施形態）
１２０　落射照明光学系
１２１　対物レンズユニット　　　　１２２　対物レンズ
１２３　検出側変調素子
１４０　検出光学系
２０１　顕微鏡装置（第５実施形態）
２２０　落射照明光学系
２４０　検出光学系
２６０　第１検出器　　　　　　　　２６１　第２検出器
３０１　顕微鏡装置（第７実施形態）
３４０　検出光学系　　　　　　　　３５１　光路分割部材
４０１　顕微鏡装置（第９実施形態）
４１０　照明光学系
４２１　対物レンズユニット　　　　４２２　対物レンズ
４２３　照明・検出側変調素子
４４０　検出光学系

Claims

　試料を照明する照明光学系と、
　前記試料からの光が入射する検出光学系と、
　前記検出光学系を介して前記試料からの光を検出して光の検出信号を出力する検出器と、
　前記検出器から出力された前記検出信号に基づいて前記試料における屈折率のデータを生成するデータ処理部と、
　前記照明光学系および前記検出光学系のうち少なくとも一方における瞳の位置もしくは前記瞳と共役な位置に設けられ、光の透過率が前記瞳の面内もしくは前記瞳と共役な面内で変化する素子とを備える顕微鏡装置。
　前記素子の光の透過率が、前記瞳の面内もしくは前記瞳と共役な面内で光軸から離れるのにつれて変化する請求項１に記載の顕微鏡装置。
　前記素子の光の透過率が、前記瞳の面内もしくは前記瞳と共役な面内で一方向に沿って変化する請求項１に記載の顕微鏡装置。
　前記素子の光の透過率が、不連続関数もしくは連続関数に従って変化する請求項２または３に記載の顕微鏡装置。
　前記連続関数が、正弦関数、余弦関数、二次関数、一次関数、ガウス関数のうちいずれかである請求項４に記載の顕微鏡装置。
　前記不連続関数がステップ関数である請求項４に記載の顕微鏡装置。
　前記素子が、前記照明光学系および前記検出光学系の両方における瞳の位置もしくは前記瞳と共役な位置に設けられる請求項１～６のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
　前記照明光学系および前記検出光学系の両方に設けられる前記素子の光の透過率の分布が異なる請求項７に記載の顕微鏡装置。
　前記照明光学系および前記検出光学系の両方に設けられる前記素子の光の透過率の分布が同じである請求項７に記載の顕微鏡装置。
　前記素子が、前記照明光学系における瞳の位置もしくは前記瞳と共役な位置に設けられる請求項１～６のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
　前記試料における屈折率のデータを示す画像を表示する表示部を備える請求項１～１０のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
　前記データ処理部は、前記瞳の面内もしくは前記瞳と共役な面内における光の透過率の分布が第１の分布の場合に前記検出器から出力された前記検出信号と、前記瞳の面内もしくは前記瞳と共役な面内における光の透過率の分布が前記第１の分布とは異なる第２の分布の場合に前記検出器から出力された前記検出信号とに基づいて、前記試料における屈折率のデータを生成する請求項１～１１のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
　前記素子は、光の透過性を有する平板であって、前記平板の面内で光の透過率が変化する平板である請求項１～１２のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
　前記素子は、空間光変調器である請求項１～１２のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
　前記瞳の面内もしくは前記瞳と共役な面内における光の透過率の分布を変更する制御部を備える請求項１～１２のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
　前記素子は、光の透過性を有する平板であって、前記平板として前記平板の面内における光の透過率の分布が異なる第１の平板と第２の平板とを含み、
　前記瞳の位置もしくは前記瞳と共役な位置に配置される前記平板を前記第１の平板から前記第２の平板に変更可能な素子変更部を備え、
　前記制御部は、前記瞳の位置もしくは前記瞳と共役な位置に配置される前記平板を変更するように前記素子変更部を制御して、前記光の透過率の分布を変更する請求項１５に記載の顕微鏡装置。
　前記素子は、前記光の透過率の分布を変更可能な空間光変調器であり、
　前記制御部は、前記空間光変調器を制御して、前記光の透過率の分布を変更する請求項１５に記載の顕微鏡装置。
　前記試料における屈折率のデータを示す画像を表示する表示部を備え、
　前記表示部は、前記試料における屈折率のデータを示す画像の特性がそれぞれ異なる複数のモードの中からいずれかのモードを選択させるための画像を表示し、
　前記制御部は、前記複数のモードの中から選択されたモードに応じて、前記光の透過率の分布を変更する請求項１５～１７のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
　前記データ処理部は、前記試料からの光の検出信号として、前記試料における光軸方向の位置が異なる複数の像の強度に応じた検出信号に基づいて、前記試料における屈折率のデータを生成する請求項１～１８のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
　前記試料における屈折率のデータが、前記試料における３次元の屈折率分布を示すデータである請求項１～１９のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
　試料を照明する照明光学系と、前記試料からの光が入射する検出光学系と、前記照明光学系および前記検出光学系のうち少なくとも一方における瞳の位置もしくは前記瞳と共役な位置に設けられ、光の透過率が前記瞳の面内もしくは前記瞳と共役な面内で変化する素子とを備える顕微鏡装置を用いたデータ生成方法であって、
　前記検出光学系を介して前記試料からの光を検出して光の検出信号を出力し、
　出力した前記検出信号に基づいて前記試料における屈折率のデータを生成するデータ生成方法。
　試料を照明する照明光学系と、前記試料からの光が入射する検出光学系と、前記照明光学系および前記検出光学系のうち少なくとも一方における瞳の位置もしくは前記瞳と共役な位置に設けられ、光の透過率が前記瞳の面内もしくは前記瞳と共役な面内で変化する素子とを備える顕微鏡装置を用いるためのプログラムであって、
　コンピュータに、
　検出器に前記検出光学系を介して前記試料からの光を検出させて光の検出信号を出力させる制御処理と、
　前記検出器から出力された前記検出信号に基づいて前記試料における屈折率のデータを生成するデータ処理とを実行させるプログラム。