WO2024062564A1 - 変換方法、光学装置、及び光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】実用性を向上させる。 【解決手段】変換方法は、光源から出射されたパルス光の繰り返し周波数を変換部で変換することと、前記変換部で変換される前記繰り返し周波数が可変であることと、を含む。

Description

変換方法、光学装置、及び光学顕微鏡

　本発明は、変換方法、光学装置、及び光学顕微鏡に関する。

　光学顕微鏡からサンプルに照射するレーザ光には、パルス光が用いられる場合がある（特許文献１参照）。特許文献１には、高い繰り返し周波数のパルス光をサンプルに照射し、且つ、そのパルス光のピーク強度を下げることで、光褪色を抑制しつつ、低い繰り返し周波数のパルス光をサンプルに照射した場合に取得される信号強度を維持することが開示されている。ところで、実用性の観点から、パルス光の繰り返し周波数が高ければ良いとは必ずしもいえない場合がある。

米国特許第７９６１７６４号明細書

　本発明の第１の態様に従えば、光源から出射されたパルス光の繰り返し周波数を変換部で変換することと、前記変換部で変換される前記繰り返し周波数が可変であることと、を含む変換方法が提供される。

　本発明の第２の態様に従えば、パルス光の繰り返し周波数を変換する変換部と、前記変換部で変換される前記繰り返し周波数を変更可能な切替部と、を備える光学装置が提供される。

　本発明の第３の態様に従えば、観察対象物に前記パルス光を照射する顕微鏡であって、　前記パルス光の前記繰り返し周波数を変換し、前記変換部で変換される前記繰り返し周波数を変更可能な光学装置と、前記光学装置から出力された前記パルス光を観察対象物に照射する照射部と、を備える顕微鏡が提供される。

第１実施形態に係る顕微鏡の構成例を示す図である。 第１実施形態に係る光学装置の構成例を示す図である。 第１実施形態に係る繰り返し周波数を１倍に変更する場合を説明する図である。 第１実施形態に係る繰り返し周波数を２倍に変更する場合を説明する図である 第１実施形態に係る繰り返し周波数を４倍に変更する場合を説明する図である。 図５に示すパルス光の偏光と１／２波長板の光軸との角度との関係図である。 図５に示すパルス変換ユニットにおける入射光・射出光の時間間隔と偏光の模式図である。 第１実施形態に係る繰り返し周波数を８倍に変更する場合を説明する図である。 第１実施形態に係るパルス光の偏光と１／２波長板の光軸との角度との関係図である。 第１実施形態に係るパルス変換ユニットにおける入射光・射出光の時間間隔と偏光の模式図である。 第１実施形態に係る変換方法の流れを説明する図である。 第１実施形態に係る光学装置の変形例を示す図である。 図１２に示す変形例の光学装置における入射光・射出光の時間間隔と偏光の模式図である。 第２実施形態に係る光学装置の構成例を示す図である。 第３実施形態に係る光学装置の構成例を示す図である。 第４実施形態に係る光学装置の構成例を示す図である。 第４実施形態に係る光学装置の構成例を示す図である。 第５実施形態に係る光学装置の構成例を示す図である。 第５実施形態に係るパルス変換ユニットの光路を説明する図である。 第５実施形態に係るパルス変換ユニットの光路を説明する図である 第５実施形態に係るパルス変換ユニットの光路を説明する図である 第５実施形態に係るパルス変換ユニットにおける光路の様子を示す図である。 第５実施形態に係る光学装置における光学ユニットの変形例を示す図である。

　以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。なお、図面において、同一又は類似の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省く場合がある。また、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。

[第１実施形態]
　図１は、第１実施形態に係る顕微鏡１の構成例を示す図である。図１では、顕微鏡１が多光子蛍光顕微鏡である場合を例として示す。ただし、顕微鏡１は、多光子蛍光顕微鏡に限定されず、多光子蛍光顕微鏡以外の顕微鏡であってもよい。以下においては、実施形態の一例として、顕微鏡１が非線形現象として２光子蛍光を例として説明するが、線形・非線形を問わず、光源としてパルス光を用いた他の顕微観察手法への適用も可能である。例えば、顕微鏡１は、３光子吸収によって生じる蛍光を利用した３光子蛍光顕微鏡であってもよい。また、顕微鏡１は、非線形ラマン散乱を用いたＣＡＲＳ(Coherent anti-Stokes Raman Scattering)顕微鏡又はＳＲＳ(Stimulated Raman Scattering)顕微鏡であってもよい。顕微鏡１は、誘導放出又は過度吸収を利用したポンププローブ顕微鏡であってもよい。顕微鏡１は、光音響効果を利用した光音響顕微鏡であってもよい。

　第１実施形態に係る顕微鏡１は、例えば、光源２と、照射部３と、光学装置４と、制御部１１と、設定装置１２とを備える。ただし、制御部１１及び設定装置１２は、顕微鏡１にとって必須な構成ではない。すなわち、顕微鏡１は、制御部１１及び設定装置１２を備えなくてもよい。

　光源２は、繰り返し周波数がｆｒ、繰り返し周期がＴｒであって、７００ｎｍ～１３００ｎｍの波長帯域（近赤外）の直線偏光のパルス光（パルスレーザ光ともいう）Ｌ１を出力する。例えば、光源２は、フェムト秒パルスレーザ（パルス幅：５０～１００ｆｓ）又はピコ秒パルスレーザである。パルス光Ｌ１は、繰り返し周波数ｆｒが８０ＭＨｚ程度である。なお、光源２は、ＬＤ（レーザダイオード）などの固体光源（光ファイバーを構成に含む場合もある）を含む。

　光源２に分散補償機能が搭載されている場合には、光源２の分散補償機能を用いて光学系の分散補償を実施してもよい。光源２に分散補償機能が未搭載の場合には、別途分散補償光学系が光源２と光学装置４との間に設けられていることが好ましい。分散補償光学系は、例えば、プリズムペア又は回折格子ペアである。なお、分散補償光学系以外の光学素子等が配置されていてもよい。

　光源２から出力されたパルス光Ｌ１は、光学装置４によって繰り返し周波数が変更される。光学装置４によって繰り返し周波数が変更されたパルス光Ｌ１を、パルス光Ｌ２と称する。パルス光Ｌ２の偏光は、直線偏光である。パルス光Ｌ２は、照射部３に入射する。なお、パルス光Ｌ１とパルス光Ｌ２の繰り返し周波数が等しい場合においても、繰り返し周波数を１倍に変換し、パルス光Ｌ２として光学装置４から出射すると記載するとともに、繰り返し周波数を変換するという概念に含める。

　照射部３は、光学装置４から出力されたパルス光Ｌ２を観察対象物Ｏに照射する。照射部３は、例えば、スキャナ５と、スキャンレンズ６ａ、チューブレンズ６ｂ、対物レンズ７と、ダイクロイックミラー８と、フィルタ９と、光検出器１０とを備える。

　スキャナ５は、パルス光Ｌ２を照射部３の光軸に直交する面内、すなわち図中のＸＹ方向に振る機構である。スキャナ５は、一例として、Ｘ軸方向用とＹ軸方向用の一対のミラー（ガルバノミラー）を有する。パルス光Ｌ２は、一対のガルバノミラーにより反射されることで照射部３の光軸に対してＸ軸及びＹ軸方向のそれぞれに振られ、観察対象物ＯがＸＹ方向に走査される。この一対のミラーは、対物レンズ７の瞳に対する共役位置近傍に設置されている。なお、スキャナ５は、ガルバノミラーとレゾナントミラーの組合せとしても良い。

　スキャナ５の後段には、スキャンレンズ６ａ及びチューブレンズ６ｂが設けられている。スキャンレンズ６ａは、スキャナ５から射出されたパルス光Ｌ２を、一次像面上に合焦させる。チューブレンズ６ｂは、スキャンレンズ６ａから対物レンズ７までの間に配置されている。チューブレンズ６ｂは、パルス光Ｌ２を平行光束とする。チューブレンズ６ｂからのパルス光Ｌ２は、ダイクロイックミラー８に入射する。

　ダイクロイックミラー８は、パルス光Ｌ２を透過させる。ダイクロイックミラー８を透過したパルス光Ｌ２は、対物レンズ７に入射する。また、ダイクロイックミラー８は、パルス光Ｌ２以外の波長の光を反射させる。

　対物レンズ７は、励起光であるパルス光Ｌ２を集光して、観察対象物Ｏを照明する。すなわち、励起光であるパルス光Ｌ２は、対物レンズ７を通じて観察対象物Ｏに集光され、２光子励起を引き起こす。観察対象物Ｏから生じた蛍光は、対物レンズ７を通じて、ダイクロイックミラー８にて反射し、パルス光Ｌ２と光路分離される。

　フィルタ９は、ダイクロイックミラー８と光検出器１０との間の光路に設けられる。フィルタ９は、ダイクロイックミラー８で反射された光のうち、蛍光の波長成分のみを透過させる。

　光検出器１０は、フィルタ９を透過した光を検出する。すなわち、光検出器１０は、ダイクロイックミラー８により反射し、フィルタ９を透過した蛍光を検出する。例えば、光検出器１０は、光電子増倍管である。光検出器１０で検出された蛍光の光量に応じて検出信号は、例えば、コンピュータなどの情報処理装置（図示せず）に出力される。当該情報処理装置は、検出信号に基づいて、観察対象物Ｏの２次元画像又は３次元画像を生成する。

　なお、照射部３は、蛍光を共焦点検出する構成を有してもよい。この場合には、ダイクロイックミラー８は、対物レンズ７の近傍ではなく、スキャナ５の前段に配置される。ダイクロイックミラー８で反射した光は、フィルタ９を透過し、新たに設けられたレンズ（図示せず）でピンホールに集光される。ピンホールを透過した蛍光は、後段に設置された光検出器１０で検出される。

　光学装置４は、光源２から出射されたパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒを、繰り返し周波数ｆｒとは異なる繰り返し周波数に変換可能である。例えば、光学装置４は、繰り返し周波数ｆｒを、最大２^ｎ（ｎは１以上の整数）倍に変換する。例えば、光学装置４は、パルス光を、第１偏光と、第１偏光と直交する第２偏光とに分割し、第１偏光と第２偏光との間に所定の光路長差を付与し、その光路長差を付与した後に第１偏光と第２偏光とを合波する一連の処理をｎ（ｎは１からｎのいずれかの整数）回実行することにより、繰り返し周波数を２^ｎ倍に変換する。第１偏光は、例えばＰ偏光である。第２偏光は、例えばＳ偏光である。なお、光学装置４は、顕微鏡１に対して挿脱可能に構成されてもよい。

　図２は、第１実施形態に係る光学装置４の構成例を示す図である。光学装置４は、例えば、ｎ個のパルス変換ユニット１５を備える。図２に例示する光学装置４は、３個のパルス変換ユニット１５－１～１５－３を備える。なお、ハイフン以下の符号は、複数の同じ種類の構成要素を互いに区別するものである。複数の同じ種類の構成を互いに区別しない場合には、ハイフン以下の符号を省略する場合がある。

　パルス変換ユニット１５は、光学ユニット２０と、１／２波長板３０とを備える。光学ユニット２０は、変換部の一例である。１／２波長板３０は、切替部の一例である。光学ユニット２０は、第１偏光ビームスプリッタ２１と、光路長差付与部２２と、第２偏光ビームスプリッタ２３とを備える。

　第１偏光ビームスプリッタ２１は、第１方向に偏光したパルス光を、第１偏光（Ｐ偏光）と第２偏光（Ｓ偏光）とに分割する。すなわち、第１偏光ビームスプリッタ２１は、入射してきたパルス光が第１方向に偏光している場合には、当該パルス光の第１偏光の成分を透過させ、当該パルス光の第２偏光の成分を所定の方向に反射させる。以下に、第１偏光がＰ偏光であり、第２偏光がＳ偏光である場合を例として説明する。

　第１方向は、例えば４５°である。この４５°とは、パルス光が進む方向に対して直交する方向（例えば水平方向）から反時計周りに４５°回転した方向である。一方、第１方向は、Ｐ偏光とＳ偏光との成分が１：１で含まれる、－４５°でもよい。つまり、それぞれの回転対称性から、１３５°（－２２５°）、２２５°（－１３５°）、３１５°（－４５°）としても良い。すなわち、一例として、第１偏光ビームスプリッタ２１に４５°の直線偏光が入射した場合には、Ｐ偏光成分は透過し、Ｓ偏光成分は反射する。なお、４５°の直線偏光におけるＰ偏光成分の大きさとＳ偏光成分の大きさは等しいため、第１偏光ビームスプリッタ２１での分岐比は１：１となる。

　光路長差付与部２２は、第１偏光ビームスプリッタ２１によって分割されたＰ偏光とＳ偏光との間に光路長差を付与する。例えば、光路長差付与部２２は、第１光路２４と、第２光路２５とを含む。

　第１光路２４は、第１偏光ビームスプリッタ２１を透過したＰ偏光が第２偏光ビームスプリッタ２３に到達するまでに伝搬する経路である。例えば、第１方向に偏光しているパルス光のうち、第１偏光ビームスプリッタ２１によって分割されたＰ偏光は、第１光路２４を伝搬して第２偏光ビームスプリッタ２３に入射する。また、第２方向に偏光しているパルス光がＰ偏光の場合は、第１光路２４を伝搬して第２偏光ビームスプリッタ２３に入射する。なお、第２方向に偏光しているパルス光が、Ｓ偏光の場合は、第２光路２５を伝搬して第２偏光ビームスプリッタ２３に入射する。

　第２光路２５は、第１偏光ビームスプリッタ２１によって反射されたＳ偏光が第２偏光ビームスプリッタ２３に到達するまでに伝搬する経路である。例えば、第２光路２５には、ミラーＭ１及びミラーＭ２が設けられている。第１偏光ビームスプリッタ２１によって分割されたＳ偏光は、ミラーＭ１及びミラーＭ２で反射して第２偏光ビームスプリッタ２３に入射する。ここで、第２光路２５の光路長は、第１光路２４の光路長よりも長い。そのため、光路長差付与部２２は、Ｐ偏光とＳ偏光との間に光路長差を付与することができる。

　第２偏光ビームスプリッタ２３は、光路長差付与部２２によって光路長差が付与された後のＰ偏光とＳ偏光とを合波することで繰り返し周波数が変更されたパルス光を形成する。Ｐ偏光とＳ偏光との間に光路長差が付与されているため、第１偏光の一例であるＰ偏光と、第２偏光の一例であるＳ偏光とが第２偏光ビームスプリッタ２３に伝搬するまでの間において、Ｐ偏光とＳ偏光との間に所定の時間差が付与される。従って、第２偏光ビームスプリッタ２３によってＰ偏光とＳ偏光とが同軸に合波された場合、その合波されたパルス光の繰り返し周波数は、第１偏光ビームスプリッタ２１に入射したパルス光の繰り返し周波数よりも高い。

　光路長差付与部２２－１は、第１偏光ビームスプリッタ２１－１によって分割されたＰ偏光とＳ偏光との間に第１光路長差を付与する。この第１光路長差によって、Ｐ偏光とＳ偏光との間には、（Ｔｒ／８）の時間差が付与される。

　光路長差付与部２２－２は、第１偏光ビームスプリッタ２１－２によって分割されたＰ偏光とＳ偏光との間に第２光路長差を付与する。第２光路長差は、第１光路長差よりも大きい。この第２光路長差によって、Ｐ偏光とＳ偏光との間には、（Ｔｒ／４）の時間差が付与される。

　光路長差付与部２２－３は、第１偏光ビームスプリッタ２１－３によって分割されたＰ偏光とＳ偏光との間に第３光路長差を付与する。第３光路長差は、第２光路長差よりも大きい。この第３光路長差によって、Ｐ偏光とＳ偏光との間には、（Ｔｒ／２）の時間差が付与される。

　１／２波長板３０の角度設定により、光学ユニット２０にパルス光Ｌ１の繰り返し周波数を変更させるか否か切り換え可能である。例えば、パルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒは、繰り返し周波数ｆｒに対して２の累乗を乗算した値に変更可能である。換言すれば、１／２波長板３０の角度設定により、繰り返し周波数ｆｒを、繰り返し周波数ｆｒの１倍から２^ｎ倍の範囲で変更可能である。図２に例示する構成ではｎ＝３であるため、１／２波長板３０－１～３０－３は、光源２から出射されたパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒを、ｆｒ×１倍，ｆｒ×２倍，ｆｒ×４倍，ｆｒ×８倍の４つの繰り返し周波数のいずれかに可変できる。

　１／２波長板３０は、光学ユニット２０のそれぞれにおいて、第１偏光ビームスプリッタ２１に入射するパルス光の偏光方向を、第１方向と、第１方向とは異なる第２方向とのいずれかに変更する。１／２波長板３０は、パルス光が第１偏光ビームスプリッタ２１に入射する光路上に設けられている。

　より具体的には、１／２波長板３０は、回転可能である。１／２波長板３０が回転することによって、１／２波長板３０に入射するパルス光の偏光方向と、１／２波長板３０の光軸（遅軸又は速軸）とのなす角（以下、単に「角度」という。）θが変更される。なお、説明の便宜上、以下の説明においては、１／２波長板３０の遅軸を１／２波長板３０の光軸と称し、また、入射パルス光の偏光方向は、パルス光が進む方向に対して直交する横方向（水平方向であり、Ｐ偏光に相当）とする。する。例えば、１／２波長板３０の回転によって、１／２波長板３０の角度θが第１角度範囲内である第１状態と、１／２波長板３０の角度θが第２角度範囲内である第２状態とを切り替えられる。角度θが第１角度範囲である場合に、１／２波長板３０から第１方向に偏光したパルス光が出射される。

　角度θが第１角度範囲とは異なる第２角度範囲である場合に、第１方向とは異なる第２方向のパルス光が１／２波長板３０から出射される。第１角度範囲は、２２．５°±１°の範囲である。これにより、１／２波長板３０を透過したパルス光の偏光は４５°となる。なお、偏光方向の回転対称性から、第１角度範囲は、６７．５°±１°としても良い。この場合、１／２波長板３０を透過したパルス光の偏光は１３５°となる。この場合の偏光方向は、－４５°と等価である。また、パルス光の偏光方向が縦方向（垂直方向であり、Ｓ偏光に相当）の場合、第１角度範囲２２．５°±１°を、１／２波長板３０の遅軸とそのパルス光の偏光方向とのなす角度で換言すると、１１２．５°±１°又は－６７．５°±１°となる。つまり、第１角度範囲は、（２２．５°±Ｋ×４５°）±１°であるといえる。Ｋは、整数である。１／２波長板３０の遅軸を速軸に置き換えたときも同様である。第２角度範囲は、０°±１°である。また、パルス光の偏光方向の回転対称性から、±１８０°±１°と換言できる。また、パルス光の偏光方向が縦方向（垂直方向であり、Ｓ偏光に相当）の場合、第２角度範囲０±１°を、１／２波長板３０の遅軸とそのパルス光の偏光方向とのなす角度で換言すると、９０°±１°又は－２７０°±１°となる。つまり、第２角度範囲は、（０°±Ｋ×９０°）±１°であるといえる。Ｋは、整数である。１／２波長板３０の遅軸を速軸に置き換えたときも同様である。第１角度範、の許容範囲が±１°であるのは、繰り返し周波数を変換した後のパルス光Ｌ２のパルス間の強度のバラツキを、パルス光Ｌ２の平均強度に対して±１５％程度の範囲内に納めるためである。また、第２角度範囲の許容範囲が±１°であるのは、複数の偏光ビームスプリッタそれそれそれの出力が、入力時より５％以上減らないようにするためである。

　１／２波長板３０－１は、第１偏光ビームスプリッタ２１－１の前段に設けられている。１／２波長板３０－１は、第１偏光ビームスプリッタ２１－１に入射されるパルス光の偏光方向を、第１方向と、第１方向とは異なる第２方向とのいずれかに変更する。１／２波長板３０－２は、第２偏光ビームスプリッタ２３－１の後段かつ第１偏光ビームスプリッタ２１－２の前段に設けられている。１／２波長板３０－２は、第２偏光ビームスプリッタ２３－１からに射出されて第１偏光ビームスプリッタ２１－２に入射するパルス光の偏光方向を、第１方向と、第１方向とは異なる第２方向とのいずれかに変更する。１／２波長板３０－３は、第２偏光ビームスプリッタ２３－２の後段かつ第１偏光ビームスプリッタ２１－３の前段に設けられている。１／２波長板３０－３は、第２偏光ビームスプリッタ２３－２からに射出されて第１偏光ビームスプリッタ２１－３に入射するパルス光の偏光方向を、第１方向と、第１方向とは異なる第２方向とのいずれかに変更する。

　第１実施形態に係る繰り返し周波数の可変方法について説明する。図３は、繰り返し周波数をｆｒ×１に変更する場合を説明する図である。図４は、繰り返し周波数をｆｒ×２に変更する場合を説明する図である。図５は、繰り返し周波数をｆｒ×４に変更する場合を説明する図である。図８は、繰り返し周波数をｆｒ×８に変更する場合を説明する図である。

　図３に示すように、光学装置４に入射したパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒをｆｒ×１に変更する場合には、１／２波長板３０－１、１／２波長板３０－２、及び１／２波長板３０－３の各角度θが第２角度範囲に設定される。従って、図３（ａ）に示すように、光源２から出射されたパルス光Ｌ１（Ｐ偏光）は、第１偏光ビームスプリッタ２１－１～２１－３のいずれにも分割されずに透過する。すなわち、パルス光Ｌ１は、光学ユニット２０－１～２０－３による光分岐と時間遅延付与とが生じず、パルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒが保持される。この場合には、図３（ｂ）に示すように、パルス間隔がＴｒであるパルス光Ｌ１がパルス光Ｌ２として光学装置４から出力される。

　次に、繰り返し周波数を２倍に変換する方法について説明する。図４に示すように、光学装置４に入射したパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒをｆｒ×２、すなわち２^１倍（ｎ＝１）に変更する場合には、１／２波長板３０－１及び１／２波長板３０－２の各角度θは、第２角度範囲に設定されている。一方、１／２波長板３０－３の角度θは、例えば２２．５°に設定される。この場合には、光源２から照射されたパルス光Ｌ１（Ｐ偏光）は、第１偏光ビームスプリッタ２１－１及び第１偏光ビームスプリッタ２１－２のいずれにも分割されずに透過する。すなわち、光学ユニット２０－１及び光学ユニット２０－２による光分岐と時間遅延付与が生じず、光学ユニット２０－１及び光学ユニット２０－２から射出するパルス光の繰り返し周波数は、光源２から照射されたパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒを保持している。また、光学ユニット２０－１及び光学ユニット２０－２から射出するパルス光の偏光状態も、パルス光Ｌ１と同様にＰ偏光のままである。

　図４に示す１／２波長板３０－３から出力されるパルス光Ｌ１の偏光は４５°の直線偏光となる。そのため、図４（ａ）に示すように、１／２波長板３０－３から出力されるパルス光（４５°の直線偏光）のうち、Ｐ偏光Ｐ１が第１偏光ビームスプリッタ２１－３を透過し、Ｓ偏光Ｓ１が第１偏光ビームスプリッタ２１－３で反射する。第１偏光ビームスプリッタ２１－３を透過したＰ偏光Ｐ１は、第１光路２４－３を伝搬して第２偏光ビームスプリッタ２３－３に入射する。

　一方、第１偏光ビームスプリッタ２１－３で反射したＳ偏光Ｓ１が第２光路２５－３を伝搬して第２偏光ビームスプリッタ２３－３に入射する。従って、Ｐ偏光Ｐ１とＳ偏光Ｓ１との間には、第３光路差に応じた時間差、すなわちＴｒ／２の時間差が付与される。第２偏光ビームスプリッタ２３－３は、入射したＰ偏光Ｐ１とＳ偏光Ｓ２とを合波することで、繰り返し周波数が（ｆｒ×２）であるパルス光を生成する。この繰り返し周波数が（ｆｒ×２）であるパルス光は、パルス光Ｌ２として光学装置４から出力される。すなわち、図４（ｂ）に示すように、光学装置４から、パルス間隔が（Ｔｒ／２）であるパルス光がパルス光Ｌ２として射出される。

　次に、繰り返し周波数を４倍に変換する方法について、図５～図７を用いて説明する。
　図６は、パルス光の偏光と、１／２波長板の光軸との角度との関係図である。図６は、１／２波長板３０－１の角度θが第２角度範囲（例えば、０°）に設定され、１／２波長板３０－２及び１／２波長板３０－３の角度θが第１角度範囲（例えば、２２．５°）に設定された場合を例示している。図６（ａ）は、光学ユニット２０－１に入射するパルス光と光学ユニット２０－１から射出されるパルス光の各偏光と、１／２波長板３０－１の角度θの関係を示す。図６（ｂ）は、光学ユニット２０－２に入射するパルス光と光学ユニット２０－２から射出されるパルス光の各偏光と、１／２波長板３０－２の角度θとの関係を示す。図６（ｃ）は、光学ユニット２０－３に入射するパルス光と光学ユニット２０－３から射出されるパルス光の各偏光と、１／２波長板３０－３の角度θとの関係を示す。図７は、各パルス変換ユニットにおける入射光・射出光の時間間隔と偏光の模式図である。

　光学装置４に入射したパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒ×４、すなわち２^２倍（ｎ＝２）に変更する場合には、１／２波長板３０－１の角度θは、第２角度範囲に設定されている。一方、１／２波長板３０－２及び１／２波長板３０－３の各角度θは、第１角度範囲、例えば２２．５°に設定される。この場合には、図６（ａ）に示すように、光源２から照射されたパルス光Ｌ１（Ｐ偏光）は、第１偏光ビームスプリッタ２１－１では分割されずに透過する。すなわち、光学ユニット２０－１による光分岐と時間遅延付与が生じず、光学ユニット２０－１から射出するパルス光の繰り返し周波数は、光源２から照射されたパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒを保持している。また、光学ユニット２０－１から射出するパルス光の偏光状態も、パルス光Ｌ１と同様にＰ偏光のままである。

　図６（ｂ）に示すように、１／２波長板３０－２を通過した直後のパルス光の偏光は４５°の直線偏光となる。そのため、図５（ａ）に示す１／２波長板３０－２から出力されるパルス光、すなわち４５°の直線偏光のうち、Ｐ偏光Ｐ１１が第１偏光ビームスプリッタ２１－２を透過し、Ｓ偏光Ｓ１１が第１偏光ビームスプリッタ２１－２で反射する。第１偏光ビームスプリッタ２１－２を透過したＰ偏光Ｐ１１は、第１光路２４－２を伝搬して第２偏光ビームスプリッタ２３－２に入射する。一方、第１偏光ビームスプリッタ２１－２で反射したＳ偏光Ｓ１１が第２光路２５－２を伝搬して第２偏光ビームスプリッタ２３－２に入射する。従って、Ｐ偏光Ｐ１１とＳ偏光Ｓ１１との間には、第２光路差に応じた時間差、すなわち（Ｔｒ／４）の時間差が付与される（図７参照）。第２偏光ビームスプリッタ２３－２は、入射したＰ偏光Ｐ１１とＳ偏光Ｓ１１とを合波することでパルス光１００を生成する。第２偏光ビームスプリッタ２３－２によって生成されたパルス光１００は、光学ユニット２０－３に入射する。

　１／２波長板３０－３の角度θは、第１角度範囲、例えばＰ偏光に対して２２．５°に設定されている。そのため、図６（ｃ）に示すように、１／２波長板３０－３を通過した後のパルス光１００の偏光は、それぞれ＋４５°の直線偏光と－４５°の直線偏光となる。

　時間的に先行する＋４５°の直線偏光のうち、Ｐ偏光Ｐ１２は、第１偏光ビームスプリッタ２１－３を透過して第１光路２４－３を伝搬する。＋４５°の直線偏光のうち、Ｓ偏光Ｓ１２は、第１偏光ビームスプリッタ２１－３で反射し、第２光路２５－３を伝搬する。また、－４５°の直線偏光のうち、Ｐ偏光Ｐ１２が第１偏光ビームスプリッタ２１－３を透過して第１光路２４－３を伝搬し、Ｓ偏光Ｓ１２が第１偏光ビームスプリッタ２１－３で反射して第２光路２５－３を伝搬する。従って、Ｐ偏光Ｐ１２とＳ偏光Ｓ１２との間には、（Ｔｒ／２）の時間差が付与される（図７参照）。第２偏光ビームスプリッタ２３－３は、入射した２つのＰ偏光Ｐ１２と、２つのＳ偏光Ｓ１２とを合波することで、繰り返し周波数が（ｆｒ×４）であるパルス光１１０を生成する。すなわち、図５（ｂ）に示すように、光学装置４から、パルス間隔が（Ｔｒ／４）であるパルス光１１０がパルス光Ｌ２として射出される。

　次に、繰り返し周波数を８倍に変換する方法について、図８～図１０を用いて説明する。

　図９は、パルス光の偏光と、１／２波長板の光軸との角度との関係図である。図９は、全ての１／２波長板３０－1～３０－３において、角度θが第１角度範囲（例えば、２２．５°）に設定された場合を例示している。図９（ａ）は、光学ユニット２０－１に入射するパルス光と光学ユニット２０－１から射出されるパルス光の各偏光と、１／２波長板３０－１の角度θの関係を示す。図９（ｂ）は、光学ユニット２０－２に入射するパルス光と光学ユニット２０－２から射出されるパルス光の各偏光と、１／２波長板３０－２の角度θとの関係を示す。図９（ｃ）は、光学ユニット２０－３に入射するパルス光と光学ユニット２０－２から射出されるパルス光の各偏光と、１／２波長板３０－３の角度θとの関係を示す。図１０は、各パルス変換ユニットにおける入射光・射出光の時間間隔と偏光の模式図である。

　光学装置４に入射したパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒをｆｒ×８、すなわち２^３倍（ｎ＝３）に変更する場合には、１／２波長板３０－１、１／２波長板３０－２、及び１／２波長板３０－３のすべての角度θは、図７に示すように、第１角度範囲に設定されている。

　図９（ａ）に示すように、１／２波長板３０－１を通過した直後のパルス光の偏光は４５°の直線偏光となる。そのため、図８（ａ）に示す１／２波長板３０－１から出力されるパルス光、すなわち４５°の直線偏光のうち、Ｐ偏光Ｐ２１が第１偏光ビームスプリッタ２１－１を透過し、Ｓ偏光Ｓ２１が第１偏光ビームスプリッタ２１－１で反射する。第１偏光ビームスプリッタ２１－１を透過したＰ偏光Ｐ２１は、第１光路２４－１を伝搬して第２偏光ビームスプリッタ２３－１に入射する。

　一方、第１偏光ビームスプリッタ２１－１で反射したＳ偏光Ｓ２１が第２光路２５－１を伝搬して第２偏光ビームスプリッタ２３－１に入射する。従って、Ｐ偏光Ｐ２１とＳ偏光Ｓ２１との間には、第１光路差に応じた時間差、すなわちＴｒ／８の時間差が付与される（図１０参照）。第２偏光ビームスプリッタ２３－１は、入射したＰ偏光Ｐ２１とＳ偏光Ｓ２１とを合波することでパルス光２００を生成する。パルス光２００は、光学ユニット２０－２に入射する。なお、パルス光２００の偏光は、図９（ａ）に示すように、互いに直交するＰ偏光Ｐ２１とＳ偏光Ｓ２１との直線偏光である。

　図９（ｂ）に示すように、１／２波長板３０－２の角度θが第１角度範囲であるため、図８(ａ)に示す１／２波長板３０－２を通過した後のパルス光２００の偏光は、それぞれ＋４５°の直線偏光と－４５°の直線偏光となる。時間的に先行する＋４５°偏光のうち、Ｐ偏光Ｐ２２が第１偏光ビームスプリッタ２１－２を透過して第１光路２４－２を伝搬し、Ｓ偏光Ｓ２２が第１偏光ビームスプリッタ２１－２で反射して第２光路２５－２を伝搬する。

　また、－４５°の直線偏光のうち、Ｐ偏光Ｐ２２は、第１偏光ビームスプリッタ２１－２を透過して第１光路２４－２を伝搬する。－４５°の直線偏光のうち、Ｓ偏光Ｓ２２は、第１偏光ビームスプリッタ２１－２で反射し、第２光路２５－２を伝搬する。従って、分割されたＰ偏光Ｐ２２とＳ偏光Ｓ２２との間には、ぞれぞれ（Ｔｒ／４）の時間差が付与される（図１０参照）。第２偏光ビームスプリッタ２３－２は、入射した２つのＰ偏光Ｐ２２と２つのＳ偏光Ｓ２２とを合波することで、パルス光２１０を生成する。第２偏光ビームスプリッタ２３－２によって生成されたパルス光２１０は、光学ユニット２０－３に入射する。

　光学ユニット２０－２から射出されたパルス光２１０、すなわち４つのパルスは、光学ユニット２０－３の１／２波長板３０－３に入射する。ここで、１／２波長板３０－３の角度θが第１角度範囲であるため、図９（ｃ）に示すように、１／２波長板３０－３を通過した後のパルス光２１０の偏光は、Ｐ偏光とＳ偏光とが互いに直交する４５°偏光となる。１／２波長板３０－３を通過した後のパルス光２１０において、時間的に先行する２つのパルスが＋４５°の直線偏光であり、時間的に遅れている２つのパルスが－４５°の直線偏光である。

　時間的に先行する＋４５°偏光の２つのパルスのそれぞれにおいて、Ｐ偏光Ｐ２３が、図８（ａ）に示す第１偏光ビームスプリッタ２１－３を透過して第１光路２４－３を伝搬し、Ｓ偏光Ｓ２３が第１偏光ビームスプリッタ２１－３で反射して第２光路２５－３を伝搬する。また、時間的に遅れている－４５°偏光の２つのパルスのそれぞれにおいて、Ｐ偏光Ｐ２３が第１偏光ビームスプリッタ２１－３を透過して第１光路２４－３を伝搬し、Ｓ偏光Ｓ２３が第１偏光ビームスプリッタ２１－３で反射して第２光路２５－３を伝搬する。従って、分割したＰ偏光Ｐ２３とＳ偏光Ｓ２３との間には、それぞれ（Ｔｒ／２）の時間差が付与される（図１０参照）。

　第２偏光ビームスプリッタ２３－３は、入射した４つのＰ偏光Ｐ２３と４つのＳ偏光Ｓ２３とを合波することで、繰り返し周波数が（ｆｒ×８）であるパルス光２２０を生成する。すなわち、光学装置４から、パルス間隔が（Ｔｒ／８）であるパルス光２２０がパルス光Ｌ２として射出される。

　制御部１１は、切替部の一例である１／２波長板３０－１、１／２波長板３０－２、及び１／２波長板３０－３を制御してもよい。１／２波長板３０－１、１／２波長板３０－２、及び１／２波長板３０－３のそれぞれは、入射するパルス光の偏光方向を第１方向と第２方向とのいずれかに切り替える切替処理を実行可能である。制御部１１は、この切替処理を制御してもよい。

　具体例としては、制御部１１は、１／２波長板３０－1～３０－３のそれぞれの回転を独立して制御する。例えば、制御部１１は、１／２波長板３０－１、１／２波長板３０－２、及び１／２波長板３０－３のそれぞれを独立して回転させるための電動モータを複数有してもよい。制御部１１は、１／２波長板３０－１の回転を制御して１／２波長板３０－１の角度θ１を第１角度範囲内に制御したり、第２角度範囲内に制御したりすることで、１／２波長板３０－１によるパルス光の偏光方向の切り替えを制御する。制御部１１は、１／２波長板３０－２の回転を制御して１／２波長板３０－２の角度θ２を第１角度範囲内に制御したり、第２角度範囲内に制御したりすることで、１／２波長板３０－２によるパルス光の偏光方向の切り替えを制御する。制御部１１は、１／２波長板３０－３の回転を制御して１／２波長板３０－３の角度θ３を第１角度範囲内に制御したり、第２角度範囲内に制御したりすることで、１／２波長板３０－３によるパルス光の偏光方向の切り替えを制御する。

　制御部１１は、設定装置１２からの指令信号に基づいて、１／２波長板３０－1～３０－３のそれぞれの回転を制御する。ただし、これに限定されず、制御部１１は、設定装置１２以外の外部装置からの指令信号に基づいて、１／２波長板３０－1～３０－３のそれぞれの回転を制御してもよい。

　設定装置１２は、ユーザの操作により繰り返し周波数の倍率に対応する情報ｍ（０からｎの整数）の値を設定する。例えば、設定装置１２は、ユーザの操作を受け付ける操作部１２１を備える。操作部１２１は、タッチパネル、タッチパッド、マウス等のポインティングデバイス、ボタン、スイッチ、モーションセンシティブコントローラ、キーボード、マウス、ジェスチャー入力デバイス、又は音声入力デバイス（例えば、マイクロフォン）である。設定装置１２は、操作部１２１によってｍの値が設定された場合には、その設定されたｍの値の情報（指令信号）を制御部１１に送信する。これにより、制御部１１は、設定装置１２から送信されたｍの値の情報を含む指令信号に基づいて１／２波長板３０の回転を制御してパルス光の繰り返し周波数ｆｒを１倍又は２^ｎに変更させる。

　以下に、第１実施形態に係る繰り返し周波数１倍又は２^ｎの設定方法の一例について説明する。まず、ユーザは、操作部１２１を操作してパルス光Ｌ２の繰り返し周波数を設定する。例えば、ユーザは、操作部１２１を操作してｍの値を設定する。設定装置１２は、ｍの値が設定されるとｍの値の情報を含む指令信号を制御部１１に送信する。制御部１１は、指令信号に含まれるｍの値の情報に基づいて、１／２波長板３０に対して繰り返し周波数ｆｒを変更させる。

　例えば、制御部１１は、指令信号に含まれるｍの値が「０」である場合には、角度θ１～θ３がすべて第２角度範囲になるように１／２波長板３０－１、１／２波長板３０－２、及び１／２波長板３０－３の回転を制御する。例えば、制御部１１は、指令信号に含まれるｍの値が「１」である場合には、角度θ１及びθ２が第２角度範囲になり、且つ、角度θ３が第１角度範囲になるように１／２波長板３０－１、１／２波長板３０－２、及び１／２波長板３０－３の回転を制御する。

　例えば、制御部１１は、指令信号に含まれるｍの値が「２」である場合には、角度θ１が第２角度範囲になり、且つ、角度θ２と角度θ３が第１角度範囲になるように１／２波長板３０－１、１／２波長板３０－２、及び１／２波長板３０－３の回転を制御する。例えば、制御部１１は、指令信号に含まれるｍの値が「３」である場合には、角度θ１～θ３がすべて第１角度範囲になるように１／２波長板３０－１、１／２波長板３０－２、及び１／２波長板３０－３の回転を制御する。

　ただし、繰り返し周波数１倍又は２^ｎの設定方法は、上述の方法に限定されず、例えば、ユーザが手動によって設定してもよい。例えば、ユーザは、１／２波長板３０－１、１／２波長板３０－２、及び１／２波長板３０－３の回転を手動で調整してもよい。

　以下に、第１実施形態に係る繰り返し周波数（１倍又はｆｒ×２^ｎ）の変換方法の流れについて、図１１を用いて説明する。図１１は、第１実施形態に係る変換方法の流れを説明する図である。

　ｍの値が設定装置１２によって設定される（ステップＳ１０１）。ｍの値が設定されると、そのｍの値に応じて、ユーザ又は制御部１１によって１／２波長板３０の角度θが設定される（ステップＳ１０２）。ｍの値が「０」以外である場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、ステップＳ１０２の後において、光源２から繰り返し周波数ｆｒ、繰り返し周期Ｔｒの直線偏光のパルス光Ｌ１が光学装置４に入力すると、光学装置４は、そのパルス光Ｌ１の偏光方向を、１／２波長板３０を介して、第１方向に変更する第１段階を実行する（ステップＳ１０４）。次に、光学装置４は、第１方向に偏光したパルス光を、第１偏光ビームスプリッタ２１を用いてＰ偏光とＳ偏光とに分割する第２段階を実行し（ステップＳ１０５）、分割したＰ偏光とＳ偏光との間に光路長差を付与する第３段階を実行する（ステップＳ１０６）。

　光学装置４は、第３段階によって光路長差が付与された後のＰ偏光とＳ偏光とを第２偏光ビームスプリッタ２３を用いて合波することで繰り返し周波数が変更されたパルス光を生成する第４段階を実行する（ステップＳ１０７）。光学装置４は、第１段階、第２段階、第３段階、及び第４段階を含む一連の処理をｎ回繰り返すことで、繰り返し周波数ｆｒのパルス光Ｌ１を繰り返し周波数（ｆｒ×２^ｎ）のパルス光Ｌ２に変換する。なお、第１段階において、２回目以降の第１段階の処理では、光学装置４は、パルス光Ｌ１の偏光方向ではなく、第４段階で生成されたパルス光の偏光方向を、１／２波長板３０を介して、第１方向に変更する。また、ｍの値が「０」である場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、ステップＳ１０２の後において、光源２から繰り返し周波数ｆｒ、繰り返し周期Ｔｒの直線偏光のパルス光Ｌ１が光学装置４に入力すると、光学装置４は、そのパルス光Ｌ１の偏光方向を、１／２波長板３０を介して、第１方向に変更する第１段階を実行されない。そのため、第１段階、第２段階、第３段階、第４段階を含む一連の処理が行われることなく、繰り返し周波数ｆｒのパルス光Ｌ１を繰り返し周波数（１倍）のパルス光Ｌ２に変換する。

　第１実施形態に係る光学装置４は、光源２から出射されたパルス光Ｌの繰り返し周波数ｆｒを変換する光学ユニット２０と、光学ユニット２０で変換される繰り返し周波数（１倍又はｆｒ×２^ｎ）を変更可能な１／２波長板３０とを備える。このような構成により、状況に応じてパルス光の繰り返し周波数を適宜変更することが可能となり、実用性の向上に寄与する。

　例えば、励起光として超短光のパルス光を用いた非線形光学顕微鏡はバイオイメージングにおいて必須のツールとなっている。とりわけ、２光子励起を利用した２光子蛍光顕微鏡は、優れた深部観察性能を有する手法として広く利用されている。しかしながら、レーザ光の照射によって生じる光褪色が実用上の課題となっている。この光褪色の要因の1つとして、ピーク強度が非常に高いパルス光を照射することが挙げられる。

　超短光のパルス光の繰り返し周波数を高く設定し、その代わりに励起パルスのピーク強度を低減することで光褪色を低減させる方法がある。しかしながら、２光子蛍光顕微鏡において、例えば、励起パルスをｎ倍の高繰り返し周波数に設定した際、パルス光Ｌ１と同等の蛍光量を得るために必要な励起光強度（励起光の平均強度（Ｗ））は√ｎ倍となる。パルス光Ｌ２のピーク強度（Ｗ）は、1/√ｎ倍となる。すなわち、繰り返し周波数を高く設定するほど、必要な光源出力も多くなる。生体試料の深部の観察時には、散乱によって対物レンズの焦点面での励起光強度が低下するため、界面観察時に比べて対物レンズに入射する励起光強度を増大させる必要がある。そのため、深部から十分な量の蛍光の信号を得るために光源の出力を最大限利用しなければならない場合が起こり得るが、繰り返し周波数が高く設定されている場合には、励起光強度が不足する場合がある。

　第１実施形態では、光学装置４で変換するパルス光Ｌ１の繰り返し周波数が可変であるため、例えば、深部観察を行うにあたって励起光強度が不足する場合には、深部から有意な信号が得られるように、繰り返し周波数を下げることができる。これにより、光学装置４は、観察に対する光褪色の優位性を担保しつつ、深部観察も可能となる。

　また、第１実施形態では、光学素子（第１偏光ビームスプリッタ２１及び第２偏光ビームスプリッタ２３）を通る光路長はどのパルスにとっても等しくなる。従って、その光学素子の厚みで規定される群遅延分散（Ｇｒｏｕｐ Ｄｅｌａｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ：ＧＤＤ）はパルスに依らず等しい。光源２に付随している、又は不図示の分散補償光学系によって、全てのパルスの幅の最適化を行うことができる。

　また、第１実施形態では、光学装置４から射出されるパルス光Ｌ２のパルス間隔は、均一である。また、光学装置４では、Ｐ偏光とＳ偏光との間の光路長差をＴｒ／２,Ｔｒ／４,Ｔｒ／８,…,Ｔｒ／２ｎとすることで、パルス間隔が均一になるような系を設計することが容易である。

　各パルス変換ユニットにおける光路長が長い方の光路において、ビームアライメントのための調整機構を備えてもよい。調整機構として、長い方の光路に設置された２つのミラー（Ｍ１、Ｍ２）の角度が挙げられる。ミラーの角度を変えることで、ビームの対物レンズ集光位置を、短い方の光路を通るビームの集光位置と重ね合わせる。以下に、調整機構におけるビームアライメントの具体例について説明する。

　観察対象物として回折限界以下のサイズ(例えば、１００ｎｍ以下)の蛍光ビーズを用いる。例として、図８に示す繰り返し周波数がｆｒ×８の場合について述べる。便宜上、パルス変換ユニット１５での透過を「０」、反射を「１」と表記する。各パルス変換ユニット１５におけるパルス変換ユニット１５での透過・反射のパルスを[ｐ３,ｐ２,ｐ１]と表現する。ｐｉは、ｉ番目のパルス変換ユニット１５における値であり、０か１の値を持つ。以下のＳＴＥＰで８パルスの集光位置調整を実施する。

（ＳＴＥＰ１）
　パルス変換ユニット１５－１、パルス変換ユニット１５－２、パルス変換ユニット１５－３でパルス光を高繰り返し化する構成とする。このために、１／２波長板３０－１、１／２波長板３０－２、１／２波長板３０－３の角度を２２．５°とする。パルス変換ユニット１５－１、パルス変換ユニット１５－２、パルス変換ユニット１５－３において、第１偏光ビームスプリッタ２１を透過する第１光路２４と反射する第２光路２５それぞれにおいて、それぞれ不図示のシャッターが設置されている。パルス変換ユニット１５－２の第２光路２５－２、パルス変換ユニット１５－３の第２光路２５－３に配置されたシャッターをそれぞれ閉じる。この設定により、光学装置４から時間差がＴｒ／８の２つのパルス光Ｌ２が射出される。以下、パルス変換ユニット１５－１において第１偏光ビームスプリッタ２１－１を透過するパルスは［０,０,０］、第１偏光ビームスプリッタ２１－１を反射するパルスは［０,０,１］と表現する。この２つのパルスは、パルス変換ユニット１５－２において第１偏光ビームスプリッタ２１－２を透過し、パルス変換ユニット１５－３において第１偏光ビームスプリッタ２１－３を透過する。

　パルス[０,０,０]に対して、顕微鏡光学系が調整されているとする。すなわち、パルス［０,０,０］は、対物レンズの理想的な集光位置に集光する。パルス変換ユニット１５－１の第２光路２５－１に配置されたシャッターを閉じて、パルス［０,０,０］のみを用いて蛍光ビーズ画像を取得し、パルス変換ユニット１５－１の第１光路２４－１に配置されたシャッターを閉じて、パルス［０,０,１］のみを用いて蛍光ビーズ画像を取得する。蛍光ビーズ画像にずれがある場合、パルス変換ユニット１５－１に設置された２枚のミラー（Ｍ１－１、Ｍ２－１）を用いて、パルス［０,０,１］の集光位置をパルス［０,０,０］に重ね合わせる。

（ＳＴＥＰ２）
　パルス変換ユニット１５－２の第１偏光ビームスプリッタ２１－２を透過するパルスと反射するパルスのビーム集光位置の調整を実施する。パルス変換ユニット１５－１とパルス変換ユニット１５－２で生じる４パルスのうち、パルス変換ユニット１５－２で異なる光路を通る２パルスを用いる。ここでは、例としてパルス［０,１,０］とパルス［０,０,０］を用いる。所定シャッターを閉じて、パルス［０,１,０］とパルス［０,０,０］の２つのパルスを抽出し、それぞれ独立に蛍光ビーズ画像を取得する。蛍光ビーズ画像にずれがある場合、パルス変換ユニット１５－２に設置された２枚のミラー（Ｍ１－２、Ｍ２－２）を用いて、パルス［０,１,０］の集光位置をパルス［０,０,０］に重ね合わせる。

（ＳＴＥＰ３）
　パルス変換ユニット１５－３の第１偏光ビームスプリッタを透過するパルスと反射するパルスのビーム集光位置の調整を実施する。パルス変換ユニット１５－１とパルス変換ユニット１５－２とパルス変換ユニット１５－３とで生じる８パルスのうち、パルス変換ユニット１５－３で異なる光路を通る２パルスを用いる。ここでは、例としてパルス［１,０,０］とパルス［０,０,０］を用いる。所定シャッターを閉じて、パルス［１,０,０］とパルス［０,０,０］の２つのパルスを抽出し、それぞれ独立に蛍光ビーズ画像を取得する。蛍光ビーズ画像にずれがある場合、パルス変換ユニット１５－３に設置された２枚のミラー（Ｍ１－３、Ｍ２－３）を用いて、パルス［１,０,０］の集光位置をパルス［０,０,０］に重ね合わせる。

　上記３つのＳＴＥＰ１～ＳＴＥＰ３により、８パルスの集光位置を対物レンズ焦点面において重ね合わせる。重ね合わせ精度は、対物レンズ焦点面においてパルス［０,０,０］によって生成されるスポット径(点像強度分布関数)の半値全幅以下とすることが望ましい。より好ましくは、半値半幅以下とすることが望ましい。

　経時変化などにより、対物レンズ焦点面における集光位置がずれた場合、取得画像は集光位置が異なるビームによって励起された蛍光の重ね合わせとなるため、空間分解能が悪化する。このような場合には、上述したようにビームのアライメントを実施する。

　上記経時変化の対策として、ビームスポットのずれの有無を確認する機構を備えてもよい。具体的には、異なる光路を通ったパルス(異なる時間遅延を有するパルス)で回折限界以下の蛍光ビーズ画像を取得し、それらを比較して、スポットずれの有無を検知してもよい。検知には画像相関や重心位置解析等を用いてもよい。

　図１２は、第１実施形態に係る光学装置４の変形例を示す図である。図１２に示す変形例の光学装置４Ａは、図２に示す光学装置４と比較して、パルス変換ユニット１５－１～１５－３の配置順が異なり、その他の構成は同一である。図１３は、光学装置４Ａにおける各パルス変換ユニットにおける入射光・射出光の時間間隔と偏光の模式図を示す。

　励起パルスの直線偏光の方向が時間的に連続するパルス毎に直交している場合、観察対象物において誘起される分極の方向がパルス毎に異なるため、光褪色の抑制に有用である。また、観察対象物Ｏの偏光依存性を平均化でき、観察対象物Ｏの配向に依らない信号検出が期待される。図１２に示す光学装置４Ａは、高繰り返し時において、励起パルスの直線偏光の方向を時間的に連続するパルス毎に直交させる。

　光学装置４Ａは、パルス光Ｌ１が入射する方向から、パルス変換ユニット１５－２，パルス変換ユニット１５－３，パルス変換ユニット１５－１の順に配置されている。これにより、図１３に示すように、光学装置４Ａは、繰り返し周波数をｆｒ×８に変換した場合（ｎ＝３）のパルスの偏光をパルス毎に直交させることが可能である。

　図１２に示す光学装置４Ａの構成において、ｎ＝１とする場合には、１／２波長板３０－１の角度θ１のみを第１角度範囲に設定し、１／２波長板３０－２及び１／２波長板３０－３の角度θ２，θ３を第２角度範囲に設定する。ｎ＝２とする場合には、１／２波長板３０－１の角度θ１と１／２波長板３０－３の角度θ３を第１角度範囲に設定し、１／２波長板３０－２の角度θ２を第２角度範囲に設定する。これらの場合、パルスの間隔は等間隔ではなくなる。ｎを更に大きくしたい場合には、図１２に示すパルス変換ユニット１５－１の後段に更にパルス変換ユニットを追加してもよい。ｎ＝４とする場合には、パルス変換ユニット１５－１の後段にＴｒ／２^４の時間差を持つパルス変換ユニットを追加してもよい。このように、Ｐ偏光とＳ偏光との間に付与する時間差が最も短いパルス変換ユニットが、直列に配置されているパルス変換ユニットの最後に配置されてもよい。
　なお、パルス光L１の繰り返し周波数ｆｒを変更する機能を備えず、特定の周波数に固定した光学装置４にしてもよい。その場合、例えば、ｆｒ×２倍専用で使用する場合、光学装置４は、光学ユニット２０－３と、１／２波長板３０－３とを有するパルス変換ユニット１５－３のみを含み、１／２波長板３０－３の角度θは、第１角度範囲（例えば２２．５°）に固定設定する。
　また、ｆｒ×４倍専用で使用する場合、光学装置４は、光学ユニット２０－２と、１／２波長板３０－２とを有するパルス変換ユニット１５－２と、光学ユニット２０－３と、１／２波長板３０－３とを有するパルス変換ユニット１５－３のみを含み、１／２波長板３０－２及び１／２波長板３０－３の角度θは、それぞれ第１角度範囲（例えば２２．５°）に固定設定する。
　さらに、ｆｒ×８倍専用で使用する場合、光学装置４は、光学ユニット２０－１と、１／２波長板３０－１とを有するパルス変換ユニット１５－１と、光学ユニット２０－２と、１／２波長板３０－２とを有するパルス変換ユニット１５－２と、光学ユニット２０－３と、１／２波長板３０－３とを有するパルス変換ユニット１５－３とを含み、１／２波長板３０－１、１／２波長板３０－２及び１／２波長板３０－３の角度θは、それぞれ第１角度範囲（例えば２２．５°）に固定設定する。

［第２実施形態］
　第２実施形態に係る顕微鏡は、図１に示す第１実施形態に係る顕微鏡１の光学装置４を図１４に示す光学装置４Ｂに置き換えたものである。

　光学装置４Ｂは、光源２から出射されたパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒを、繰り返し周波数ｆｒとは異なる繰り返し周波数に変換可能である。例えば、光学装置４Ｂは、繰り返し周波数ｆｒを、最大２^ｎ（ｎは１以上の整数）倍に変換する。例えば、光学装置４Ｂは、パルス光を、Ｐ偏光と、Ｐ偏光と直交するＳ偏光とに分割し、Ｐ偏光とＳ偏光との間に所定の光路長差を付与し、その光路長差を付与した後にＰ偏光とＳ偏光とを合波する一連の処理をｎ（ｎは１からｎのいずれかの整数）回実行することにより、繰り返し周波数を２^ｎ倍に変換する。なお、光学装置４Ｂは、顕微鏡１に対して挿脱可能に構成されてもよい。

　図１４は、第２実施形態に係る光学装置４Ｂの構成例を示す図である。光学装置４Ｂは、例えば、ｎ個のパルス変換ユニット１５Ｂと、複数のミラーＭＢとを備える。図１４に例示する光学装置４Ｂは、３個のパルス変換ユニット１５Ｂ－１～１５Ｂ－３と、２つのミラーＭＢ１，ＭＢ２とを備える。

　パルス変換ユニット１５Ｂは、光学ユニット２０Ｂと、１／２波長板３０Ｂとを備える。光学ユニット２０Ｂは、変換部の一例である。１／２波長板３０Ｂは、切替部の一例である。光学ユニット２０Ｂは、偏光ビームスプリッタ２１Ｂと、光路長差付与部２２Ｂとを備える。

　偏光ビームスプリッタ２１Ｂは、第１方向に偏光したパルス光を、Ｐ偏光とＳ偏光とに分割する。すなわち、偏光ビームスプリッタ２１Ｂは、入射してきたパルス光が第１方向に偏光している場合には、当該パルス光のＰ偏光の成分を透過させ、当該パルス光のＳ偏光の成分を所定の方向に反射させる。偏光ビームスプリッタ２１Ｂは、入射してきたパルス光が第１方向以外の第２方向に偏光している場合には、そのパルス光を分割しない。したがって、第２方向に偏光（例えばＰ偏光）しているパルス光は、偏光ビームスプリッタ２１Ｂをそのまま透過する。また、偏光ビームスプリッタ２１Ｂは、光路長差付与部２２Ｂによって光路長差が付与された後のＰ偏光とＳ偏光とを合波することで繰り返し周波数が変更されたパルス光を形成する。換言すれば、偏光ビームスプリッタ２１Ｂは、第１実施形態で説明した第１偏光ビームスプリッタ２１の機能と第２偏光ビームスプリッタ２３の機能とを有する。

　光路長差付与部２２Ｂは、偏光ビームスプリッタ２１Ｂによって分割されたＰ偏光とＳ偏光との間に光路長差を付与する。例えば、光路長差付与部２２Ｂは、第１光路２４Ｂと、第２光路２５Ｂとを含む。

　第１光路２４Ｂには、１／４波長板４０Ｂと、ミラーＭＢ１１と、ミラーＭＢ１２とが設けられている。１／４波長板４０Ｂは、偏光ビームスプリッタ２１Ｂによって分割されたＰ偏光を円偏光に変換する。当該円偏光は、ミラーＭＢ１１とミラーＭＢ１２とによって反射して再び１／４波長板４０Ｂに入射する。１／４波長板４０Ｂに入射した円偏光は、１／４波長板４０ＢによってＳ偏光に変換される。１／４波長板４０Ｂによって変換されたＳ偏光は、偏光ビームスプリッタ２１Ｂを反射して光学ユニット２０Ｂから射出される。

　第２光路２５Ｂには、１／４波長板４１Ｂと、ミラーＭＢ１３と、ミラーＭＢ１４とが設けられている。１／４波長板４１Ｂは、偏光ビームスプリッタ２１Ｂによって分割されたＳ偏光を円偏光に変換する。当該円偏光は、ミラーＭＢ１３とミラーＭＢ１４とによって反射して再び１／４波長板４１Ｂに入射する。１／４波長板４１Ｂに入射した円偏光は、１／４波長板４１ＢによってＰ偏光に変換される。１／４波長板４１Ｂによって変換されたＰ偏光は、偏光ビームスプリッタ２１Ｂで透過して光学ユニット２０Ｂから射出される。ここで、第２光路２５Ｂの光路長は、第１光路２４Ｂの光路長よりも短い。そのため、光路長差付与部２２は、Ｐ偏光とＳ偏光との間に光路長差を付与することができる。

　光路長差付与部２２Ｂ－１は、偏光ビームスプリッタ２１Ｂ－１によって分割されたＰ偏光とＳ偏光との間に第１光路長差を付与する。この第１光路長差によって、Ｐ偏光とＳ偏光との間には、（Ｔｒ／８）の時間差が付与される。

　光路長差付与部２２Ｂ－２は、偏光ビームスプリッタ２１Ｂ－２によって分割されたＰ偏光とＳ偏光との間に第２光路長差を付与する。第２光路長差は、第１光路長差よりも大きい。この第２光路長差によって、Ｐ偏光とＳ偏光との間には、（Ｔｒ／４）の時間差が付与される。

　光路長差付与部２２Ｂ－３は、偏光ビームスプリッタ２１Ｂによって分割されたＰ偏光とＳ偏光との間に第３光路長差を付与する。第３光路長差は、第２光路長差よりも大きい。この第３光路長差によって、Ｐ偏光とＳ偏光との間には、（Ｔｒ／２）の時間差が付与される。

　１／２波長板３０Ｂは、光学ユニット２０Ｂのそれぞれにおいて、偏光ビームスプリッタ２１Ｂに入射するパルス光の偏光方向を、第１方向と、第１方向とは異なる第２方向とのいずれかに変更する。１／２波長板３０Ｂは、回転可能である。１／２波長板３０Ｂが回転することによって、１／２波長板３０Ｂに入射するパルス光の偏光方向と、１／２波長板３０Ｂの光軸（遅軸又は速軸）との角度θ_Ｂが変更される。例えば、１／２波長板３０Ｂの回転によって、角度θ_Ｂが第１角度範囲内である第１状態と、角度θ_Ｂが第２角度範囲内である第２状態とを切り替えられる。角度θ_Ｂが第１角度範囲である場合に、１／２波長板３０Ｂから第１方向のパルス光が出射される。角度θ_Ｂが第１角度範囲とは異なる第２角度範囲である場合に、第１方向とは異なる第２方向のパルス光が１／２波長板３０Ｂから出射される。

　１／２波長板３０Ｂ－１は、偏光ビームスプリッタ２１Ｂ－１の前段に設けられている。１／２波長板３０Ｂ－１は、偏光ビームスプリッタ２１Ｂ－１に入射されるパルス光を、第１方向と、第１方向とは異なる第２方向とのいずれかに変更する。１／２波長板３０Ｂ－２は、偏光ビームスプリッタ２１Ｂ－２の前段に設けられている。１／２波長板３０Ｂ－２は、偏光ビームスプリッタ２１Ｂ－１から射出されて偏光ビームスプリッタ２１Ｂ－２に入射するパルス光を、第１方向と、第１方向とは異なる第２方向とのいずれかに変更する。１／２波長板３０Ｂ－３は、偏光ビームスプリッタ２１Ｂ－３の前段に設けられている。１／２波長板３０Ｂ－３は、偏光ビームスプリッタ２１Ｂ－２からに射出されて偏光ビームスプリッタ２１Ｂ－３に入射するパルス光を、第１方向と、第１方向とは異なる第２方向とのいずれかに変更する。

　１／２波長板３０Ｂの角度設定により、光学ユニット２０Ｂにパルス光Ｌ１の繰り返し周波数を変更させるか否か切り換え可能である。例えば、パルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒは、繰り返し周波数ｆｒに対して２の累乗を乗算した値に変更可能である。換言すれば、１／２波長板３０Ｂの角度設定によりは、繰り返し周波数ｆｒを、繰り返し周波数ｆｒの１倍から２^ｎ倍の範囲で変更させるか否か切り換え可能である。図１４に例示する構成ではｎ＝３であるため、１／２波長板３０Ｂの設定角度によって、光源２から出射されたパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒを、ｆｒ×１倍，ｆｒ×２倍，ｆｒ×４倍，ｆｒ×８倍の４つの繰り返し周波数のいずれかに可変できる。

　ミラーＭＢ１は、パルス変換ユニット１５Ｂ－１から射出されたパルス光をパルス変換ユニット１５Ｂ－２に反射させる。ミラーＭＢ２は、パルス変換ユニット１５Ｂ－２から射出されたパルス光をパルス変換ユニット１５Ｂ－３に反射させる。

　制御部１１は、１／２波長板３０Ｂ－１～３０Ｂ－３の回転を制御する。また、制御部１１は、１／４波長板４０Ｂ－１～１／４波長板４０Ｂ－２の各回転と、１／４波長板４１Ｂ－１～１／４波長板４１Ｂ－３の各回転を制御してもよい。

　第２実施形態に係る光学装置４Ｂは、第１実施形態と同様に、１／２波長板３０Ｂ－１～３０Ｂ－３の回転を制御することで、光源２から出射されたパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒを、ｆｒ×１倍，ｆｒ×２倍，ｆｒ×４倍，ｆｒ×８倍の４つの繰り返し周波数のいずれかに可変できる。換言すれば、光学装置４Ｂでは、第１実施形態と同様に、１／２波長板３０Ｂ－１～１／２波長板３０Ｂ－３のそれぞれのなす角度θ_Ｂが第１角度範囲と第２角度範囲のいずれかに切り替えられることで、光源２から出射されたパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒを、ｆｒ×１倍，ｆｒ×２倍，ｆｒ×４倍，ｆｒ×８倍の４つの繰り返し周波数のいずれかに可変できる。なお、１／２波長板３０Ｂによる繰り返し周波数の可変方法は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

　以下に、第２実施形態に係る繰り返し周波数（１倍又はｆｒ×２^ｎ）の変換方法の流れは、前述した図１１に示す第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。

　第２実施形態に係る光学装置４Ｂは、光源２から出射されたパルス光Ｌの繰り返し周波数ｆｒを変換する光学ユニット２０Ｂと、光学ユニット２０Ｂで変換される繰り返し周波数（１倍又はｆｒ×２^ｎ）を変更可能な１／２波長板３０Ｂとを備える。このような構成により、第１実施形態と同様の効果を奏する他、第１実施形態と比較して、１つの光学ユニットあたりの偏光ビームスプリッタの数が１つ削減できるため、ロバスト性の向上に寄与する。

［第３実施形態］
　第３実施形態に係る顕微鏡は、図１に示す第１実施形態に係る顕微鏡１の光学装置４を、図１５に示す光学装置４Ｃに置き換えたものである。

　光学装置４Ｃは、光源２から出射されたパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒを、繰り返し周波数ｆｒとは異なる繰り返し周波数に変換可能である。例えば、光学装置４Ｃは、繰り返し周波数ｆｒを、最大２^ｎ（ｎは１以上の整数）倍に変換する。例えば、光学装置４Ｃは、パルス光を、Ｐ偏光と、Ｐ偏光と直交するＳ偏光とに分割し、Ｐ偏光とＳ偏光との間に所定の光路長差を付与し、その光路長差を付与した後にＰ偏光とＳ偏光とを合波する一連の処理をｎ（ｎは１からｎのいずれかの整数）回実行することにより、繰り返し周波数を２^ｎ倍に変換する。なお、光学装置４Ｃは、顕微鏡１に対して挿脱可能に構成されてもよい。

　図１５は、第１実施形態に係る光学装置４Ｃの構成例を示す図である。光学装置４Ｃは、例えば、ｎ個のパルス変換ユニット１５Ｃと、複数のミラーＭＣとを備える。図１５に例示する光学装置４Ｃは、３個のパルス変換ユニット１５Ｃ－１～１５Ｃ－３と、２つのミラーＭＣ１，ＭＣ２とを備える。

　パルス変換ユニット１５Ｃは、光学ユニット２０Ｃと、１／２波長板３０Ｃとを備える。光学ユニット２０Ｃは、変換部の一例である。１／２波長板３０Ｃは、切替部の一例である。光学ユニット２０Ｃは、偏光ビームスプリッタ２１Ｃと、光路長差付与部２２Ｃとを備える。

　偏光ビームスプリッタ２１Ｃは、第１方向に偏光したパルス光を、Ｐ偏光とＳ偏光とに分割する。すなわち、偏光ビームスプリッタ２１Ｃは、入射したパルス光が第１方向に偏光している場合には、当該パルス光のＰ偏光成分を透過させ、当該パルス光のＳ偏光成分を所定の方向に反射させる。偏光ビームスプリッタ２１Ｃは、入射したパルス光が第１方向以外の第２方向に偏光している場合には、そのパルス光を分割しない。従って、第２方向に偏光しているパルス光は、偏光ビームスプリッタ２１Ｃをそのまま透過する。また、偏光ビームスプリッタ２１Ｃは、光路長差付与部２２Ｃによって光路長差が付与された後のＰ偏光とＳ偏光とを合波することで繰り返し周波数が変更されたパルス光を形成する。偏光ビームスプリッタ２１Ｃは、第１実施形態の第１偏光ビームスプリッタ２１の機能と第２偏光ビームスプリッタ２３の機能とを有する。

　光路長差付与部２２Ｃは、偏光ビームスプリッタ２１Ｃによって分割されたＰ偏光とＳ偏光との間に光路長差を付与する。例えば、光路長差付与部２２Ｃは、光路２４Ｃを含む。

　光路２４Ｃには、ミラーＭＣ１１と、ミラーＭＣ１２とが設けられている。偏光ビームスプリッタ２１Ｃを透過したＰ偏光は、光路２４Ｃを伝搬し、ミラーＭＣ１１とミラーＭＣ１２とによって反射して再び偏光ビームスプリッタ２１Ｃに入射し、透過する。この伝搬によって、光路２４ＣによってＳ偏光とＰ偏光との間に光路差が付与され、この光路差によってＳ偏光とＰ偏光との間に所定の時間差が付与される。

　光路長差付与部２２Ｃ－１は、偏光ビームスプリッタ２１Ｃ－１によって分割されたＰ偏光とＳ偏光との間に第１光路長差を付与する。第１光路長差によって、Ｐ偏光とＳ偏光との間には、（Ｔｒ／８）の時間差が付与される。

　光路長差付与部２２Ｃ－２は、偏光ビームスプリッタ２１Ｃ－２によって分割されたＰ偏光とＳ偏光との間に第２光路長差を付与する。第２光路長差は、第１光路長差よりも大きい。この第２光路長差によって、Ｐ偏光とＳ偏光との間には、（Ｔｒ／４）の時間差が付与される。

　光路長差付与部２２Ｃ－３は、偏光ビームスプリッタ２１Ｃ－３によって分割されたＰ偏光とＳ偏光との間に第３光路長差を付与する。第３光路長差は、第２光路長差よりも大きい。この第３光路長差によって、Ｐ偏光とＳ偏光との間には、（Ｔｒ／２）の時間差が付与される。

　１／２波長板３０Ｃは、光学ユニット２０Ｃのそれぞれにおいて、偏光ビームスプリッタ２１Ｃに入射するパルス光の偏光方向を、第１方向と、第１方向とは異なる第２方向とのいずれかに変更する。１／２波長板３０Ｃは、回転可能である。１／２波長板３０Ｃが回転することによって、１／２波長板３０Ｃの角度θ_Ｃが変更される。

　例えば、１／２波長板３０Ｃの回転によって、角度θ_Ｃが第１角度範囲内である第１状態と、角度θ_Ｃが前記第２角度範囲内である第２状態とを切り替えられる。角度θ_Ｃが第１角度範囲である場合に、１／２波長板３０Ｃから第１方向のパルス光が出射される。角度θ_Ｃが第１角度範囲とは異なる第２角度範囲である場合に、第１方向とは異なる第２方向のパルス光が１／２波長板３０から出射される。

　１／２波長板３０Ｃ－１は、偏光ビームスプリッタ２１Ｃ－１の前段に設けられている。１／２波長板３０Ｃ－１は、偏光ビームスプリッタ２１Ｃ－１に入射されるパルス光の偏光方向を、第１方向と、第１方向とは異なる第２方向とのいずれかに変更する。

　１／２波長板３０Ｃ－２は、偏光ビームスプリッタ２１Ｃ－２の前段に設けられている。１／２波長板３０Ｃ－２は、偏光ビームスプリッタ２１Ｃ－１から射出されて偏光ビームスプリッタ２１Ｃ－２に入射するパルス光の偏光方向を、第１方向と、第１方向とは異なる第２方向とのいずれかに変更する。

　１／２波長板３０Ｃ－３は、偏光ビームスプリッタ２１Ｃ－３の前段に設けられている。１／２波長板３０Ｃ－３は、偏光ビームスプリッタ２１Ｃ－２からに射出されて偏光ビームスプリッタ２１Ｃ－３に入射するパルス光の偏光方向を、第１方向と、第１方向とは異なる第２方向とのいずれかに変更する。

　１／２波長板３０Ｃの角度設定により、光学ユニット２０Ｃにパルス光Ｌ１の繰り返し周波数を変更させるか否か切り換え可能である。例えば、パルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒは、繰り返し周波数ｆｒに対して２の累乗を乗算した値に変更可能である。換言すれば、１／２波長板３０Ｃの角度設定により、繰り返し周波数ｆｒは、繰り返し周波数ｆｒの１倍から２^ｎ倍の範囲で変更可能である。図１５に例示する構成ではｎ＝３であるため、１／２波長板３０Ｃの設定角度によって、光源２から出射されたパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒを、ｆｒ×１倍，ｆｒ×２倍，ｆｒ×４倍，ｆｒ×８倍の４つの繰り返し周波数のいずれかに可変できる。

　ミラーＭＣ１は、パルス変換ユニット１５Ｃ－１から射出されたパルス光をパルス変換ユニット１５Ｃ－２に反射させる。ミラーＭＣ２は、パルス変換ユニット１５Ｃ－２から射出されたパルス光をパルス変換ユニット１５Ｃ－３に反射させる。

　第３実施形態に係る光学装置４Ｃは、第１実施形態と同様に、１／２波長板３０Ｃ－１～１／２波長板３０Ｃ－３の回転を制御することで、光源２から出射されたパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒを、ｆｒ×１倍，ｆｒ×２倍，ｆｒ×４倍，ｆｒ×８倍の４つの繰り返し周波数の中で可変できる。換言すれば、光学装置４Ｃでは、第１実施形態と同様に、１／２波長板３０Ｃ－１～３０Ｃ－３のそれぞれの角度θ_Ｃが第１角度範囲と第２角度範囲のいずれかに切り替えられることで、光源２から出射されたパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒを、ｆｒ×１倍，ｆｒ×２倍，ｆｒ×４倍，ｆｒ×８倍の４つの繰り返し周波数のいずれかに可変できる。

　なお、１／２波長板３０Ｃによる繰り返し周波数の可変方法は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。また、第３実施形態に係る繰り返し周波数（１倍又はｆｒ×２^ｎ）の変換方法の流れは、図１１に示す第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

　第３実施形態に係る光学装置４Ｃは、光源２から出射されたパルス光Ｌの繰り返し周波数ｆｒを変換する光学ユニット２０Ｃと、光学ユニット２０Ｃで変換される繰り返し周波数（１倍又はｆｒ×２^ｎ）を変更可能な１／２波長板３０Ｃとを備える。このような構成により、第１実施形態と同様の効果を奏する他、第１実施形態と比較して１つの光学ユニットあたりの偏光ビームスプリッタの数が１つ削減し、第２実施形態と比較して１／４波長板４０Ｂを削減できるため、ロバスト性の向上に寄与する。

［第４実施形態］
　第４実施形態に係る顕微鏡では、図１に示す第１実施形態に係る顕微鏡１の光学装置４を、図１６に示す光学装置４Ｄに置き換えたものである。

　光学装置４Ｄは、光源２から出射されたパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒを、繰り返し周波数ｆｒとは異なる繰り返し周波数に変換可能である。例えば、光学装置４Ｄは、繰り返し周波数ｆｒを、最大２^ｎ（ｎは１以上の整数）倍に変換する。例えば、光学装置４Ｄは、パルス光を、Ｐ偏光と、Ｐ偏光と直交するＳ偏光とに分割し、Ｐ偏光とＳ偏光との間に所定の光路長差を付与し、その光路長差を付与した後にＰ偏光とＳ偏光とを合波する一連の処理をｎ（ｎは１からｎのいずれかの整数）回実行することにより、繰り返し周波数を２^ｎ倍に変換する。なお、光学装置４Ｄは、顕微鏡１に対して挿脱可能に構成されてもよい。

　光学装置４Ｄにおけるパルス高繰り返しの原理は、第１実施形態と同様である。ただし、第４実施形態に係る光学装置４Ｄでは、第１実施形態のｎ個の第１偏光ビームスプリッタ２１－１～２１－ｎを１つの第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄで共通化し、第１実施形態のｎ個の第２偏光ビームスプリッタ２３－１～２３－ｎを１つの第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄで共通化している点で異なる。

　図１６及び図１７は、第４実施形態に係る光学装置４Ｄの構成例を示す図である。図１６は、光学装置４Ｄを上方（Ｙ方向）から見た模式図である。図１７は、光学装置４Ｄを正面（Ｚ方向）から見た模式図である。図１６及び図１７に例示する光学装置４Ｄは、３個のパルス変換ユニット１５Ｄ－１～１５Ｄ－３と、２つのルーフミラーＲＭ１，ＲＭ２とを備える。

　各パルス変換ユニット１５Ｄ－１～１５Ｄ－３の光路は、互いに高さが異なっている。パルス変換ユニット１５Ｄ－１は最も低い光路に位置している。パルス変換ユニット１５Ｄ－１から射出したパルス光は、ルーフミラーＲＭ１にて反射し、光路が高くなる。その後、そのパルス光は、パルス変換ユニット１５Ｄ－２に入射する。パルス変換ユニット１５Ｄ－２を射出したパルス光はルーフミラーＲＭ２にて反射し、光路が高くなる。その後、そのパルス光は、パルス変換ユニット１５Ｄ－３に入射する。

　パルス変換ユニット１５Ｄ－１は、光学ユニット２０Ｄ－１と、１／２波長板３０Ｄ－１とを備える。光学ユニット２０Ｄ－１は、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄと、光路長差付与部２２Ｄ－１と、第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄとを備える。光学ユニット２０Ｄ－１は、変換部の一例である。１／２波長板３０Ｄ－１は、切替部の一例である。

　第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄは、第１方向に偏光したパルス光Ｌ１を、Ｐ偏光とＳ偏光とに分割する。第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄは、入射したパルス光Ｌ１が第１方向に偏光している場合には、当該パルス光Ｌ１のＰ偏光成分を透過させ、パルス光Ｌ１のＳ偏光成分を所定の方向に反射させる。第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄは、入射したパルス光Ｌ１が第１方向以外の第２方向に偏光している場合には、そのパルス光Ｌ１を分割しない。したがって、第２方向に偏光（Ｐ偏光）しているパルス光Ｌ１は、分割されずに偏光ビームスプリッタ２１Ｄ－１をそのまま透過する。

　光路長差付与部２２Ｄ－１は、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄによって分割されたＰ偏光とＳ偏光との間に第１光路長差を付与する。例えば、光路長差付与部２２Ｄ－１は、第１光路２４Ｄ－１と、第２光路２５Ｄ－１とを含む。

　第１光路２４Ｄ－１は、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄを透過したＰ偏光が第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄに到達するまでに伝搬する経路である。換言すれば、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄを透過したＰ偏光は、第１光路２４Ｄ－１を伝搬して第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄに入射する。

　第２光路２５Ｄ－１は、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄによって反射されたＳ偏光が第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄに到達するまでに伝搬する経路である。第２光路２５Ｄには、２つのミラーＤＭ１が設けられている。ミラーＤＭ１は、例えば、半円状の形状である。第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄによって分割されたＳ偏光は、２つのミラーＤＭ１で反射されて第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄに入射する。ここで、第２光路２５Ｄ－１の光路長は、第１光路２４Ｄ－１の光路長よりも長い。そのため、光路長差付与部２２Ｄ－１は、Ｐ偏光とＳ偏光との間に第１光路長差を付与することができる。

　第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄは、光路長差付与部２２－１によって第１光路長差が付与された後のＰ偏光とＳ偏光とを合波することで繰り返し周波数が変更されたパルス光を形成する。Ｐ偏光とＳ偏光との間に第１光路長差を付与されている場合には、Ｐ偏光とＳ偏光との間とが第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄに伝搬するまでの間において、Ｐ偏光とＳ偏光との間に（Ｔｒ／８）の時間差が付与される。従って、第２偏光ビームスプリッタ２３ＤによってＰ偏光とＳ偏光とが同軸に合波された場合に、その合波されたパルス光の繰り返し周波数は、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄに入射したパルス光Ｌ１の繰り返し周波数よりも高い。

　ルーフミラーＲＭ１は、例えば二つの反射面を有しており、第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄから射出されたパルス光を２回反射させることで１８０°折り曲げる。ルーフミラーＲＭ１によって折り曲げられたパルス光は、パルス変換ユニット１５Ｄ－２に入射する。このように、ルーフミラーＲＭ１に入射したパルス光は、２回反射を経てルーフミラーＲＭ１からパルス変換ユニット１５Ｄ－２に入射する。

　パルス変換ユニット１５Ｄ－２は、光学ユニット２０Ｄ－２と、１／２波長板３０Ｄ－２とを備える。光学ユニット２０Ｄ－２は、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄと、光路長差付与部２２Ｄ－２と、第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄとを備える。光学ユニット２０Ｄ－２は、変換部の一例である。１／２波長板３０Ｄ－２は、切替部の一例である。

　第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄには、ルーフミラーＲＭ１からのパルス光が１／２波長板３０Ｄ－２を介して入射する。第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄは、１／２波長板３０Ｄ－２から入射したパルス光が第１方向に偏光している場合には、Ｐ偏光とＳ偏光とに分割する。すなわち、第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄは、１／２波長板３０Ｄ－２から入射したパルス光が第１方向に偏光している場合には、当該パルス光のＰ偏光を透過させ、Ｓ偏光成分を所定の方向に反射させる。第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄは、１／２波長板３０Ｄ－２から入射したパルス光が第１方向以外の第２方向に偏光している場合には、そのパルス光を分割しない。したがって、第２方向に偏光（Ｐ偏光）しているパルス光は、分割されずに第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄをそのまま透過する。

　光路長差付与部２２Ｄ－２は、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄによって分割されたＰ偏光とＳ偏光との間に第２光路長差を付与する。例えば、光路長差付与部２２Ｄ－２は、第１光路２４Ｄ－２と、第２光路２５Ｄ－２とを含む。

　第１光路２４Ｄ－２は、第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄを透過したＰ偏光が第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄに到達するまでに伝搬する経路である。換言すれば、第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄを透過したＰ偏光は、第１光路２４Ｄ－２を伝搬して第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄに入射する。

　第２光路２５Ｄ－２は、第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄによって反射されたＳ偏光が第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄに到達するまでに伝搬する経路である。第２光路２５Ｄ－２には、２つのミラーＤＭ２と、１つのミラーＭＤ１とが設けられている。ミラーＤＭ２は、例えば、半円状の形状である。第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄによって分割されたＳ偏光は、２つのミラーＤＭ２と１つのミラーＭＤ１とで反射されて第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄに入射する。ここで、第２光路２５Ｄ－２の光路長は、第１光路２４Ｄ－２の光路長よりも長い。そのため、光路長差付与部２２Ｄ－２は、Ｐ偏光とＳ偏光との間に第２光路長差を付与することができる。

　第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄは、光路長差付与部２２Ｄ－２によって第２光路長差が付与された後のＰ偏光とＳ偏光とを合波することで繰り返し周波数が変更されたパルス光を形成する。このＰ偏光とＳ偏光との間には、第２光路長差を付与されているため、Ｐ偏光とＳ偏光との間とが第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄに伝搬するまでの間において、Ｐ偏光とＳ偏光との間に（Ｔｒ／４）の時間差が付与される。

　ルーフミラーＲＭ２は、例えば二つの反射面を有しており、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄから射出されたパルス光を２回反射させることで１８０°折り曲げる。ルーフミラーＲＭ２によって折り曲げられたパルス光は、パルス変換ユニット１５Ｄ－３に入射する。このように、ルーフミラーＲＭ２に入射したパルス光は、２回反射を経てルーフミラーＲＭ２からパルス変換ユニット１５Ｄ－３に入射する。

　パルス変換ユニット１５Ｄ－３は、光学ユニット２０Ｄ－３と、１／２波長板３０Ｄ－３とを備える。光学ユニット２０Ｄ－３は、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄと、光路長差付与部２２Ｄ－３と、第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄとを備える。光学ユニット２０Ｄ－２は、変換部の一例である。１／２波長板３０Ｄ－２は、切替部の一例である。

　第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄには、ルーフミラーＲＭ２からのパルス光が１／２波長板３０Ｄ－３を介して入射する。第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄは、１／２波長板３０Ｄ－３から入射したパルス光が第１方向に偏光している場合には、Ｐ偏光とＳ偏光とに分割する。すなわち、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄは、１／２波長板３０Ｄ－３から入射したパルス光が第１方向に偏光している場合には、当該パルス光のＰ偏光を透過させ、Ｓ偏光を所定の方向に反射させる。第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄは、１／２波長板３０Ｄ－３から入射したパルス光が第１方向以外の第２方向に偏光している場合には、そのパルス光を分割しない。したがって、第２方向に偏光（Ｐ偏光）しているパルス光は、分割されずに第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄをそのまま透過する。

　光路長差付与部２２Ｄ－３は、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄ－３によって分割されたＰ偏光とＳ偏光との間に第３光路長差を付与する。例えば、光路長差付与部２２Ｄ－３は、第１光路２４Ｄ－３と、第２光路２５Ｄ－３とを含む。

　第１光路２４Ｄ－３は、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄを透過したＰ偏光が第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄに到達するまでに伝搬する経路である。換言すれば、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄを透過したＰ偏光は、第１光路２４Ｄ－３を伝搬して第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄに入射する。

　第２光路２５Ｄ－３は、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄ－３によって反射されたＳ偏光が第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄに到達するまでに伝搬する経路である。第２光路２５Ｄには３つのミラーＭＤ２が設けられている。第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄによって分割されたＳ偏光は、３つのミラーＭＤ２で反射されて第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄに入射する。ここで、第２光路２５Ｄ－３の光路長は、第１光路２４Ｄ－３の光路長よりも長い。そのため、光路長差付与部２２Ｄ－３は、Ｐ偏光とＳ偏光との間に第３光路長差を付与することができる。

　第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄは、光路長差付与部２２－３によって第３光路長差が付与された後のＰ偏光とＳ偏光とを合波することで繰り返し周波数が変更されたパルス光を形成する。Ｐ偏光とＳ偏光との間に第３光路長差を付与されている場合には、Ｐ偏光とＳ偏光との間に（Ｔｒ／２）の時間差が付与される。

　第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄは、直方体の形状を有する。第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄの長手方向（Ｙ方向）にパルス変換ユニット１５Ｄが積み重なっている。第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄにおけるパルス光の伝搬によって生じるＧＤＤを最小化するために、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄにおける、パルス光の入射方向と、入射したパルス光が反射する反射方向のサイズは、ビーム径に合わせてなるべく小さく設定することが望ましい。

　第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄは、直方体の形状を有する。第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄの長手方向（Ｙ方向）にパルス変換ユニット１５Ｄが積み重なっている。第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄにおけるパルス光の伝搬によって生じるＧＤＤを最小化するために、第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄにおける、パルス光の入射方向と、入射したパルス光が反射する反射方向のサイズは、ビーム径に合わせてなるべく小さく設定することが望ましい。

　以下に、第４実施形態に係る繰り返し周波数の変換方法について説明する。光学装置４Ｄに入射したパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒをｆｒ×１に変更する場合には、１／２波長板３０Ｄ－１、１／２波長板３０Ｄ－２、及び１／２波長板３０Ｄ－３のすべての角度θ_Ｄは、第２角度範囲に設定される。従って、光源２から出射されたパルス光Ｌ１は、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄにおいて分割されない。すなわち、パルス光Ｌ１は、光学ユニット２０Ｄ－１～２０Ｄ－３による光分岐と時間遅延付与とが生じず、パルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒが保持される。従って、パルス光Ｌ１がパルス光Ｌ２として光学装置４Ｄから出力される。

　次に、繰り返し周波数を２倍に変換する方法について説明する。光学装置４Ｄに入射したパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒをｆｒ×２、すなわち２^１倍（ｎ＝１）に変更する場合には、１／２波長板３０Ｄ－１及び１／２波長板３０Ｄ－２の角度θ_Ｄは、第２角度範囲に設定されている。一方、１／２波長板３０Ｄ－３の角度θ_Ｄは、第１角度範囲に設定される。この場合には、光源２から照射されたパルス光Ｌ１は、パルス変換ユニット１５Ｄ－１及びパルス変換ユニット１５Ｄ－２のいずれにも分割されずに透過する。すなわち、光学ユニット２０Ｄ－１及び光学ユニット２０Ｄ－２による光分岐と時間遅延付与が生じず、光学ユニット２０Ｄ－１及び光学ユニット２０Ｄ－２から射出するパルス光の繰り返し周波数は、光源２から照射されたパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒが保持されている。また、光学ユニット２０Ｄ－１及び光学ユニット２０Ｄ－２から射出するパルス光の偏光状態も、パルス光Ｌ１と同様にＰ偏光のままである。

　ただし、１／２波長板３０Ｄ－３から出力されるパルス光Ｌ１の偏光は４５°の直線偏光となる。そのため、１／２波長板３０Ｄ－３から出力されるパルス光、すなわち４５°の直線偏光のうち、Ｐ偏光が第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄを透過し、Ｓ偏光が第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄで反射する。第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄを透過したＰ偏光は、第１光路２４Ｄ－３を伝搬して第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄに入射する。一方、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄで反射したＳ偏光が第２光路２５Ｄ－３を伝搬して第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄに入射する。ここで、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄ及び第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄは、長手方向（Ｙ方向）がパルス変換ユニット１５Ｄの位置に対応しているので、第２光路２５Ｄ－３を通るＳ偏光は、ミラーＤＭ１及びミラーＤＭ２を避けることができる。

　第１光路２４Ｄ－３を伝搬したＰ偏光と、第２光路２５Ｄ－３を伝搬したＳ偏光との間には、第３光路差に応じた時間差、すなわちＴｒ／２の時間差が付与される。第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄは、入射したＰ偏光とＳ偏光とを合波することで、繰り返し周波数が（ｆｒ×２）であるパルス光を生成する。この繰り返し周波数が（ｆｒ×２）であるパルス光は、パルス光Ｌ２として光学装置４Ｄから出力される。すなわち、光学装置４Ｄから、パルス間隔が（Ｔｒ／２）であるパルス光がパルス光Ｌ２として射出される。

　次に、繰り返し周波数を４倍に変換する方法について説明する。光学装置４Ｄに入射したパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒをｆｒ×４、すなわち２^２倍（ｎ＝２）に変更する場合には、１／２波長板３０Ｄ－１の角度θ_Ｄは、第２角度範囲に設定されている。一方、１／２波長板３０Ｄ－２及び１／２波長板３０Ｄ－３の角度θ_Ｄは、第１角度範囲に設定される。この場合には、光源２から照射されたパルス光Ｌ１は、パルス変換ユニット１５Ｄ－１では分割されずに透過する。すなわち、光学ユニット２０Ｄ－１による光分岐と時間遅延付与が生じず、光学ユニット２０Ｄ－１から射出するパルス光の繰り返し周波数は、光源２から照射されたパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒが保持される。また、光学ユニット２０Ｄ－１から射出するパルス光の偏光状態も、パルス光Ｌ１と同様にＰ偏光のままである。

　ただし、１／２波長板３０Ｄ－２を通過した直後のパルス光の偏光は４５°の直線偏光となる。そのため、１／２波長板３０Ｄ－２から出力されるパルス光、すなわち４５°の直線偏光のうち、Ｐ偏光が第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄを透過し、Ｓ偏光が第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄで反射する。第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄを透過したＰ偏光は、第１光路２４Ｄ－２を伝搬して第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄに入射する。一方、第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄで反射したＳ偏光が第２光路２５Ｄ－２を伝搬して第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄに入射する。ここで、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄ及び第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄは、長手方向（Ｙ方向）がパルス変換ユニット１５Ｄの位置に対応しているので、第２光路２５Ｄ－２を通るＳ偏光は、ミラーＤＭ１を避けることができる。

　第１光路２４Ｄ－２を伝搬したＰ偏光と、第２光路２５Ｄ－２を伝搬したＳ偏光との間には、第２光路差に応じた時間差、すなわちＴｒ／４の時間差が付与される。第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄは、入射したＰ偏光とＳ偏光とを合波することでパルス光を生成する。第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄによって生成されたパルス光は、１／２波長板３０Ｄ－３に入射する。当該パルス光が１／２波長板３０Ｄ－３を通過すると、その通過した後のパルス光の偏光は、それぞれ＋４５°の直線偏光と－４５°の直線偏光となる。

　時間的に先行する＋４５°の直線偏光のうち、Ｐ偏光の成分は、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄを透過して第１光路２４Ｄ－３を伝搬する。＋４５°の直線偏光のうち、Ｓ偏光の成分は、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄで反射し、第２光路２５Ｄ－３を伝搬する。また、－４５°の直線偏光のうち、Ｐ偏光の成分は、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄを透過して第１光路２４Ｄ－３を伝搬する。－４５°の直線偏光のうち、Ｓ偏光の成分は、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄで反射し、第２光路２５Ｄ－３を伝搬する。従って、従って、第１光路２４Ｄ－３を伝搬したＰ偏光と、第２光路２５Ｄ－３を伝搬したＳ偏光との間には、（Ｔｒ／２）の時間差が付与される。第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄは、入射した２つのＰ偏光と、２つのＳ偏光とを合波することで、繰り返し周波数が（ｆｒ×４）であるパルス光を生成する。すなわち、光学装置４Ｄから、パルス間隔が（Ｔｒ／４）であるパルス光がパルス光Ｌ２として射出される。

　光学装置４Ｄに入射したパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒをｆｒ×８、すなわち２^３倍（ｎ＝３）に変更する場合には、１／２波長板３０Ｄ－１、１／２波長板３０Ｄ－２、及び１／２波長板３０Ｄ－３のすべての角度θ_Ｄは、第１角度範囲に設定されている。

　１／２波長板３０Ｄ－１を通過した直後のパルス光Ｌの偏光は４５°の直線偏光となる。そのため、１／２波長板３０Ｄ－１から出力されるパルス光、すなわち４５°の直線偏光のうち、Ｐ偏光の成分が第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄを透過し、Ｓ偏光の成分が第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄで反射する。第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄを透過したＰ偏光は、第１光路２４Ｄ－１を伝搬して第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄに入射する。一方、第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄで反射したＳ偏光が第２光路２５Ｄ－１を伝搬して第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄに入射する。従って、第１光路２４Ｄ－１を伝搬したＰ偏光と第２光路２５Ｄ－１を伝搬したＳ偏光との間には、第１光路差に応じた時間差、すなわちＴｒ／８の時間差が付与される。

　第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄは、第１光路差が付与されたＰ偏光とＳ偏光とを合波することでパルス光を生成する。このパルス光は、ルーフミラーＲＭ１を介して１／２波長板３０Ｄ－２に入射する。１／２波長板３０Ｄ－２の角度θ_Ｄが第１角度範囲であるため、１／２波長板３０Ｄ－２を通過した後のパルス光の偏光は、それぞれ＋４５°の直線偏光と－４５°の直線偏光となる。

　時間的に先行する＋４５°の直線偏光のうち、Ｐ偏光の成分は、第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄを透過して第１光路２４Ｄ－２を伝搬する。＋４５°の直線偏光のうち、Ｓ偏光の成分は、第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄで反射し、第２光路２５Ｄ－２を伝搬する。また、－４５°の直線偏光のうち、Ｐ偏光の成分は、第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄを透過して第１光路２４Ｄ－２を伝搬する。－４５°の直線偏光のうち、Ｓ偏光の成分は、第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄで反射し、第２光路２５Ｄ－２を伝搬する。従って、第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄによって分割されたＰ偏光とＳ偏光との間には、（Ｔｒ／４）の時間差が付与される。第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄは、入射した２つのＰ偏光と２つのＳ偏光とを合波することでパルス光を生成する。第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄによって生成されたパルス光は、ルーフミラーＲＭ２を介して１／２波長板３０Ｄ－３に入射する。

　第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄによって生成されたパルス光が１／２波長板３０Ｄ－３を通過すると、その通過したパルス光の偏光は、Ｐ偏光とＳ偏光とが互いに直交する４５°偏光となる。すなわち、１／２波長板３０Ｄ－３を通過した後のパルス光において、時間的に先行する２つのパルスが、＋４５°の直線偏光であり、時間的に遅れている２つのパルスが－４５°の直線偏光である。

　時間的に先行する＋４５°の２つの直線偏光のそれぞれにおいて、Ｐ偏光の成分が第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄを透過して第１光路２４Ｄ－３を伝搬し、Ｓ偏光の成分が第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄで反射して第２光路２５Ｄ－３を伝搬する。また、時間的に遅れている－４５°の直線偏光のそれぞれにおいて、Ｐ偏光の成分が第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄを透過して第１光路２４Ｄ－３を伝搬し、Ｓ偏光の成分が第１偏光ビームスプリッタ２１Ｄで反射して第２光路２５Ｄ－３を伝搬する。従って、第１光路２４Ｄ－３を伝搬したＰ偏光と第２光路２５Ｄ－３を伝搬したＳ偏光との間には、（Ｔｒ／２）の時間差が付与される。

　第２偏光ビームスプリッタ２３Ｄは、入射した４つのＰ偏光と４つのＳ偏光とを合波することで、繰り返し周波数が（ｆｒ×８）であるパルス光を生成する。すなわち、光学装置４Ｄから、パルス間隔が（Ｔｒ／８）であるパルス光がパルス光Ｌ２として射出される。

　以下に、第４実施形態に係る繰り返し周波数（１倍又はｆｒ×２^ｎ）の変換方法の流れは、前述した図１１に示す第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。

　第４実施形態に係る光学装置４Ｄは、光源２から出射されたパルス光Ｌの繰り返し周波数ｆｒを変換する光学ユニット２０Ｄと、光学ユニット２０Ｄで変換される繰り返し周波数（１倍又はｆｒ×２^ｎ）を変更可能な１／２波長板３０Ｄとを備える。このような構成により、第１実施形態と同様の効果を奏する他、第１実施形態と比較して１つの光学ユニットあたりの偏光ビームスプリッタの数が１つ削減し、第２実施形態と比較して、パルス変換ユニット１５Ｄに用いられる光学素子数を低減することができ、ロバスト性の向上及びコストダウンに寄与する。

［第５実施形態］
　第５実施形態に係る顕微鏡では、図１に示す第１実施形態に係る顕微鏡１の光学装置４を、図１８に示す光学装置４Ｅに置き換えたものである。なお、第５実施形態に係る光学装置４Ｅの繰り返し周波数の変換方法の原理は、第２実施形態に係る繰り返し周波数の変換方法と同じである。光学装置４Ｅは、第２実施形態の光学装置４Ａの構成と等価であるが、複数のパルス変換ユニットに含まれる偏光ビームスプリッタ及び１／４波長板を共通化している点で第２実施形態と異なる。

　光学装置４Ｅは、光源２から出射されたパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒを、繰り返し周波数ｆｒとは異なる繰り返し周波数に変換可能である。例えば、光学装置４Ｅは、繰り返し周波数ｆｒを、最大２^ｎ（ｎは１以上の整数）倍に変換する。例えば、光学装置４Ｅは、パルス光を、Ｐ偏光と、Ｐ偏光と直交するＳ偏光とに分割し、Ｐ偏光とＳ偏光との間に所定の光路長差を付与し、その光路長差を付与した後にＰ偏光とＳ偏光とを合波する一連の処理をｎ（ｎは１からｎのいずれかの整数）回実行することにより、繰り返し周波数を２^ｎ倍に変換する。なお、光学装置４Ｅは、顕微鏡１に対して挿脱可能に構成されてもよい。

　図１８は、第５実施形態に係る光学装置４Ｅの構成例を示す図である。図１８に例示する光学装置４Ｅは、３個のパルス変換ユニット１５Ｅ－１～１５Ｅ－３を備える。

　パルス変換ユニット１５Ｅ－１は、光学ユニット２０Ｅ－１と、１／２波長板３０Ｅ－１とを備える。光学ユニット２０Ｅ－１は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅと、光路長差付与部２２Ｅ－１とを備える。光学ユニット２０Ｅ－１は、変換部の一例である。１／２波長板３０Ｅ－１は、切替部の一例である。

　パルス変換ユニット１５Ｅ－２は、光学ユニット２０Ｅ－２と、１／２波長板３０Ｅ－２とを備える。光学ユニット２０Ｅ－２は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅと、ミラーＭｂ１,Ｍｂ１と、光路長差付与部２２Ｅ－２とを備える。光学ユニット２０Ｅ－２は、変換部の一例である。１／２波長板３０Ｅ－２は、切替部の一例である。

　パルス変換ユニット１５Ｅ－３は、光学ユニット２０Ｅ－３と、１／２波長板３０Ｅ－２とを備える。光学ユニット２０Ｅ－３は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅと、ミラーＭｇ１,Ｍｇ２と、光路長差付与部２２Ｅ－３とを備える。光学ユニット２０Ｅ－３は、変換部の一例である。

　偏光ビームスプリッタ２１Ｅは、第１方向に偏光したパルス光を、Ｐ偏光とＳ偏光とに分割する。偏光ビームスプリッタ２１Ｅは、入射したパルス光が第１方向に偏光している場合には、そのパルス光のＰ偏光を透過させ、Ｓ偏光を所定の方向に反射させる。偏光ビームスプリッタ２１Ｅは、入射したパルス光が第１方向以外の第２方向に偏光している場合には、そのパルス光を分割しない。したがって、第２方向に偏光しているパルス光（Ｐ偏光）は、分割されずに偏光ビームスプリッタ２１Ｅをそのまま透過する。

　また、偏光ビームスプリッタ２１Ｅは、光路長差が付与された後のＰ偏光とＳ偏光とを合波することで繰り返し周波数が変更されたパルス光を形成する。なお、パルス変換ユニット１５Ｅ－１～１５Ｅ－３において、パルス光をＰ偏光とＳ偏光とに分割し、且つ、光路差が付与されたＰ偏光とＳ偏光とを合波する偏光ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタ２１Ｅとして共通化されている。例えば、偏光ビームスプリッタ２１Ｅは、直方体の形状を有する。偏光ビームスプリッタ２１Ｅの長手方向にパルス変換ユニット１５Ｅが積み重なっている。

　光路長差付与部２２Ｅ－１は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅによって分割されたＰ偏光とＳ偏光との間に第１光路長差を付与する。この第１光路長差によって、Ｐ偏光とＳ偏光との間には、（Ｔｒ／８）の時間差が付与される。例えば、光路長差付与部２２Ｅ－１は、第１光路２４Ｅと、第２光路２５Ｅ－１とを含む。

　第１光路２４Ｅは、偏光ビームスプリッタ２１Ｅを透過したＰ偏光のパルス光が伝搬する経路である。第１光路２４Ｅ－１には、１／４波長板４０Ｅ－１と、ミラーＭＥ１とが設けられている。偏光ビームスプリッタ２１Ｅを透過したＰ偏光のパルス光は、１／４波長板４０Ｅ－１によって円偏光に変換される。１／４波長板４０Ｅ－１によって変換された円偏光は、ミラーＭＥ１で反射して再度、１／４波長板４０－１に入射する。ミラーＭＥ１で反射して１／４波長板４０－１に入射した円偏光は、Ｓ偏光のパルス光に変換されて偏光ビームスプリッタ２１Ｅに入射する。

　第２光路２５Ｅ－１は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅによって反射されたＳ偏光が偏光ビームスプリッタ２１Ｅに到達するまでに伝搬する経路である。第２光路２５Ｅ－１には、１／４波長板４０Ｅ－２と、ミラーＤＭ１とが設けられている。偏光ビームスプリッタ２１Ｅによって分割されたＳ偏光は、１／４波長板４０Ｅ－２によって円偏光に変換される。１／４波長板４０Ｅ－２によって変換された円偏光は、ミラーＤＭ１で反射して再度、１／４波長板４０Ｅ－２に入射する。ミラーＤＭ１で反射して１／４波長板４０－２に入射した円偏光は、Ｐ偏光のパルス光に変換されて偏光ビームスプリッタ２１Ｅに入射する。ここで、第２光路２５Ｅ－１の光路長は、第１光路２４Ｅ－１の光路長よりも長い。そのため、光路長差付与部２２Ｅ－１は、Ｐ偏光とＳ偏光との間に第１光路長差を付与することができる。

　ミラーＭｂ１は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅから射出されたパルス光をミラーＭｂ２に向けて反射させる。ミラーＭｂ２は、ミラーＭｂ１よりも高い位置に配置されている。従って、ミラーＭｂ１は、入射したパルス光を、例えば、斜め上方に配置されているミラーＭｂ２に向けて反射させる。ミラーＭｂ２は、１／２波長板３０Ｅ－２を通過した、ミラーＭｂ１からのパルス光を偏光ビームスプリッタ２１Ｅに向けて反射させる。

　光路長差付与部２２Ｅ－２は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅによって分割されたパルス光のＰ偏光とＳ偏光との間に第２光路長差を付与する。この第２光路長差によって、Ｐ偏光とＳ偏光との間には、（Ｔｒ／４）の時間差が付与される。例えば、光路長差付与部２２Ｅ－１は、第１光路２４Ｅと、第２光路２５Ｅ－２とを含む。

　第２光路２５Ｅ－２は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅによって反射されたパルス光のＳ偏光が再度偏光ビームスプリッタ２１Ｅに到達するまでに伝搬する経路である。第２光路２５Ｅ－２には、１／４波長板４０Ｅ－２と、ミラーＤＭ２と、ミラーＭＥ２とが設けられている。第２光路２５Ｅ－２を伝搬するＳ偏光は、１／４波長板４０Ｅ－２によって円偏光に変換される。当該円偏光は、ミラーＤＭ２で反射してミラーＭＥ２に向かう。ミラーＭＥ２に向かった円偏光は、ミラーＭＥ２で反射されてミラーＤＭ２に戻り、ミラーＤＭ２で反射されて１／４波長板４０Ｅ－２に入射する。ミラーＤＭ２で反射して１／４波長板４０Ｅ－２に入射した円偏光は、Ｐ偏光のパルス光に変換されて偏光ビームスプリッタ２１Ｅに入射する。ここで、第２光路２５Ｅ－２の光路長は、第２光路２５Ｅ－１の光路長よりも長い。そのため、光路長差付与部２２Ｅ－２は、Ｐ偏光とＳ偏光との間に、第１光路差よりも第２光路長差を付与することができる。

　ミラーＭｇ１は、ミラーＭｂ１よりも高い位置に配置されている。ミラーＭｇ１は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅから射出されたパルス光をミラーＭｇ２に向けて反射させる。ミラーＭ２ｇは、ミラーＭｂ２よりも高い位置に配置されている。ミラーＭｇ２は、ミラーＭ１ｇよりも高い位置に配置されている。ミラーＭｇ１は、入射したパルス光を、例えば、斜め上方に配置されているミラーＭ２ｇに向けて反射させる。ミラーＭｇ２は、１／２波長板３０Ｅ－２を通過した、ミラーＭｇ１からのパルス光を偏光ビームスプリッタ２１Ｅに向けて反射させる。

　光路長差付与部２２Ｅ－３は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅによって分割された、ミラーＭｇ２からのパルス光のＰ偏光とＳ偏光との間に第３光路長差を付与する。この第３光路長差によって、Ｐ偏光とＳ偏光との間には、（Ｔｒ／２）の時間差が付与される。例えば、光路長差付与部２２Ｅ－１は、第１光路２４Ｅと、第２光路２５Ｅ－３とを含む。

　第２光路２５Ｅ－３は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅによって反射されたパルス光のＳ偏光が再度偏光ビームスプリッタ２１Ｅに到達するまでに伝搬する経路である。第２光路２５Ｅ－３には、１／４波長板４０Ｅ－２と、ミラーＭＥ３、ミラーＭＥ４とが設けられている。第２光路２５Ｅ－３を伝搬するＳ偏光は、１／４波長板４０Ｅ－２によって円偏光に変換される。当該円偏光は、ミラーＭＥ３で反射してミラーＭＥ４に向かう。ミラーＭＥ４に向かった円偏光は、ミラーＭＥ４で反射されてミラーＭＥ３に戻り、ミラーＭＥ３で反射されて１／４波長板４０Ｅ－２に入射する。ミラーＭＥ３で反射して１／４波長板４０Ｅ－２に入射した円偏光は、Ｐ偏光のパルス光に変換されて偏光ビームスプリッタ２１Ｅに入射する。ここで、第２光路２５Ｅ－３の光路長は、第２光路２５Ｅ－２の光路長よりも長い。そのため、光路長差付与部２２Ｅ－２は、Ｐ偏光とＳ偏光との間に、第２光路差よりも長い第３光路長差を付与することができる。

　１／２波長板３０Ｅ－２は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅに入射するパルス光の偏光方向を、第１方向と、第１方向とは異なる第２方向とのいずれかに変更する。１／２波長板３０Ｅ－１は、回転可能である。１／２波長板３０Ｅ－１が回転することによって、１／２波長板３０Ｅ－１の角度θ_Ｅが変更される。例えば、１／２波長板３０Ｅ－１の回転によって、１／２波長板３０Ｅ－１の角度θ_Ｅが第１角度範囲内である第１状態と、その角度θ_Ｅが第２角度範囲内である第２状態とを切り替えられる。１／２波長板３０Ｅ－１の角度θ_Ｅが第１角度範囲である場合に、１／２波長板３０Ｅ－１から第１方向のパルス光が出射される。１／２波長板３０Ｅ－１の角度θ_Ｅが第１角度範囲とは異なる第２角度範囲である場合に、第１方向とは異なる第２方向のパルス光が１／２波長板３０Ｅ－１から出射される。

　１／２波長板３０Ｅ－２は、ミラーＭｂ１で反射したパルス光を、第１方向と、第１方向とは異なる第２方向とのいずれかに変更する。１／２波長板３０Ｅ－２は、ミラーＭｇ１で反射したパルス光を、第１方向と、第１方向とは異なる第２方向とのいずれかに変更する。１／２波長板３０Ｅ－２は、回転可能である。１／２波長板３０Ｅ－２が回転することによって、１／２波長板３０Ｅ－２の角度θ_Ｅが変更される。例えば、１／２波長板３０Ｅ－２の回転によって、１／２波長板３０Ｅ－２の角度θ_Ｅが第１角度範囲内である第１状態と、その角度θ_Ｅが第２角度範囲内である第２状態とを切り替えられる。１／２波長板３０Ｅ－２の角度θ_Ｅが第１角度範囲である場合に、１／２波長板３０Ｅ－２から第１方向のパルス光が出射される。１／２波長板３０Ｅ－２の角度θ_Ｅが第１角度範囲とは異なる第２角度範囲である場合に、第１方向とは異なる第２方向のパルス光が１／２波長板３０Ｅ－２から出射される。

　以下に、第５実施形態に係る繰り返し周波数の変換方法について説明する。光学装置４Ｅに入射したパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒをｆｒ×１に変更する場合には、１／２波長板３０Ｅ－１、及び１／２波長板３０Ｅ－２のすべての角度θ_Ｅは、第２角度範囲に設定される。従って、光源２から出射されたパルス光Ｌ１は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅを分割されずに透過する。すなわち、パルス光Ｌ１は、光学ユニット２０Ｅ－１～２０Ｅ－３による光分岐と時間遅延付与とが生じず、パルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒが保持される。換言すれば、パルス光Ｌ１がパルス光Ｌ２として光学装置４Ｅから出力される。

　第５実施形態に係る光学装置４Ｅは、１／２波長板３０Ｅ－１，３０Ｅ－２の回転を制御することで、光源２から出射されたパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒを、ｆｒ×１倍，ｆｒ×４倍，ｆｒ×８倍の３つの繰り返し周波数のいずれかに可変できる。１／２波長板３０Ｅ－２が共通なので、ｆｒ×２倍の繰り返し周波数の変更はできない。例えば、１／２波長板３０Ｅ－１の角度θ_Ｅを第２角度範囲に設定し、１／２波長板３０Ｅ－２の角度θ_Ｅを第２角度範囲（例えば、Ｓ偏光に対して０°）に設定することで、繰り返し周波数が（ｆｒ×１）のパルス光を光学装置４Ｅから出力することが可能である。

　例えば、１／２波長板３０Ｅ－１の角度θ_Ｅを第２角度範囲に設定し、１／２波長板３０Ｅ－２の角度θ_Ｅを第１角度範囲に設定することで、繰り返し周波数が（ｆｒ×４）のパルス光を光学装置４Ｅから出力することが可能である。以下に、図１９～図２２を用いて繰り返し周波数を８倍に変換する方法について説明する。

　図１９～図２２は、繰り返し周波数を８倍に変換する方法について説明する図である。　図１９は、パルス変換ユニット１５Ｅ－１の光路を説明する図である。図２０は、パルス変換ユニット１５Ｅ－２の光路を説明する図である。図２１は、パルス変換ユニット１５Ｅ－３の光路を説明する図である。図２２は、第５実施形態に係る各パルス変換ユニットにおける光路の様子を示す図である。図２２の（a）,（d）,（g）は、図１８において矢印で示したＶ１の方位を視点とする図である。図２２の（b）,（e）,（h）は、図２２において矢印で示したＶ２の方位を視点とする図である。図２２の（c）,（f）は、図１８において矢印で示したＶ３の方位を視点とする図である。

　光学装置４Ｅに入射したパルス光Ｌ１の繰り返し周波数ｆｒをｆｒ×８、すなわち２^３倍（ｎ＝３）に変更する場合には、１／２波長板３０Ｅ－１、１／２波長板３０Ｅ－２の各角度θ_Ｅは、第１角度範囲に設定されている。

　１／２波長板３０Ｅ－１を通過した直後のパルス光の偏光は４５°の直線偏光となる。そのため、１／２波長板３０Ｅ－１から出力されるパルス光、すなわち４５°の直線偏光のうち、Ｐ偏光の成分が偏光ビームスプリッタ２１Ｅを透過し、Ｓ偏光の成分が偏光ビームスプリッタ２１Ｅで反射する。偏光ビームスプリッタ２１Ｅを透過したＰ偏光は、第１光路２４Ｅを伝搬する。具体的には、Ｐ偏光は、１／４波長板４０Ｅ－１によって円偏光に変換される(図２２（a）)。そして、１／４波長板４０Ｅ－１によって変換された円偏光は、ミラーＭＥ１で正反射されて１／４波長板４０Ｅ－１に再度入射してＳ偏光に変換される。

　偏光ビームスプリッタ２１Ｅで反射したＳ偏光は、第２光路２５－１を伝搬する。具体的には、Ｓ偏光は、１／４波長板４０Ｅ－２によって円偏光に変換される。そして、円偏光は、ミラーＤＭ１で正反射されて１／４波長板４０－２に再度入射してＰ偏光に変換される。これにより、図１９に示すように、偏光ビームスプリッタ２１Ｅは、１／４波長板４０Ｅ－１からのＳ偏光と、１／４波長板４０Ｅ－２からのＰ偏光とを合波することでパルス光２００Ｅを生成する。すなわち、双方の光路のパルスを偏光ビームスプリッタ２１Ｅで同軸に合波することで、図１０に例示するパルス変換ユニット１５－１の射出光のようにＴｒ／８の時間差が付与された２パルス（パルス光）が得られる。このパルス光は、ミラーＭｂ１に向う（図２２（ｂ））。すなわち、１／４波長板４０Ｅ－１からのＳ偏光は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅを反射してミラーＭｂ１に向かう。１／４波長板４０Ｅ－２からのＰ偏光は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅを透過してミラーＭｂ１に向かう。

　パルス光２００Ｅは、ミラーＭｂ１で反射されて１／２波長板３０Ｅ－２に入射する（図２２（ｃ））。ここで、ミラーＭｂ１での反射により、パルス光２００Ｅが通る光路の高さは高くなる。パルス光２００Ｅが１／２波長板３０Ｅ－２に入射すると、Ｓ偏光とＰ偏光の偏光方向がそれぞれ４５°回転する。１／２波長板３０Ｅ－２を通過したパルス光２００Ｅは、ミラーＭｂ２を反射して偏光ビームスプリッタ２１Ｅに入射する。

　パルス光２００Ｅの２パルスは、それぞれＰ偏光の成分とＳ偏光の成分とを有する。図２０に示すように、偏光ビームスプリッタ２１Ｅに入射した２パルスのそれぞれにおいて、Ｓ偏光の成分は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅで反射し、１／４波長板４０Ｅ－２によって偏光状態が円偏光になる。この円偏光は、ミラーＤＭ２で反射し、ミラーＭＥ２へ向かう。ミラーＭＥ２で正反射した光は、再びミラーＤＭ２で反射し、再び１／４波長板４０Ｅ－２を通過することでＰ偏光に変換される。このＰ偏光は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅに入射する。

　偏光ビームスプリッタ２１Ｅに入射した２パルスのそれぞれにおいて、Ｐ偏光の成分は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅを透過して、１／４波長板４０Ｅ－１により偏光状態が円偏光となる（図２２（ｄ））。この円偏光は、ミラーＭＥ１で反射し、再び１／４波長板４０Ｅ－１に入射することで、偏光状態がＳ偏光となる。このＳ偏光は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅに入射する。

　偏光ビームスプリッタ２１Ｅは、１／４波長板４０Ｅ－１からのＳ偏光と、１／４波長板４０Ｅ－２からのＰ偏光とを合波することでパルス光２１０Ｅを生成する。すなわち、１パルスからＴｒ/４の時間差が付いた２パルスが生成される。従って、双方の光路のパルスを偏光ビームスプリッタ２１Ｅで同軸に合波することで、図１０に例示するパルス変換ユニット１５－２射出光に示す４パルスが得られる。このパルス光２１０Ｅは、ミラーＭｇ１に向う（図２２（ｅ））。すなわち、１／４波長板４０Ｅ－１からのＳ偏光は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅを反射してミラーＭｇ１に向う。１／４波長板４０Ｅ－２からのＰ偏光は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅを透過してミラーＭｇ１に向う。

　パルス光２１０Ｅは、ミラーＭｇ１で反射されて１／２波長板３０Ｅ－２に入射する。ここで、ミラーＭｇ１での反射により、パルス光２１０Ｅが通る光路の高さが高くなる（図２２（ｆ））。パルス光２１０Ｅが１／２波長板３０Ｅ－２に入射すると、Ｓ偏光とＰ偏光の偏光方向がそれぞれ４５°回転する。１／２波長板３０Ｅ－２を通過したパルス光２１０Ｅは、ミラーＭｇ２を反射して偏光ビームスプリッタ２１Ｅに入射する。

　パルス光２１０Ｅの４パルスは、それぞれＰ偏光成分とＳ偏光成分とを有する。図２１に示すように、偏光ビームスプリッタ２１Ｅに入射した４パルスのそれぞれにおいて、Ｓ偏光の成分は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅで反射し、１／４波長板４０Ｅ－２によって偏光状態が円偏光になる（図２２（ｇ））。この円偏光は、ミラーＭＥ３で反射し、ミラーＭＥ４へ向かう。ミラーＭＥ４で正反射した光は、再びミラーＭＥ３で反射し、１／４波長板４０Ｅ－２を透過することでＰ偏光となる。このＰ偏光は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅに入射する。

　偏光ビームスプリッタ２１Ｅに入射した４パルスのそれぞれにおいて、Ｐ偏光の成分は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅを透過して、１／４波長板４０Ｅ－１により偏光状態が円偏光となる。この円偏光は、ミラーＭＥ１で反射し、再び１／４波長板４０Ｅ－１に入射することで、偏光状態がＳ偏光となる。このＳ偏光は、偏光ビームスプリッタ２１Ｅに入射する。

　偏光ビームスプリッタ２１Ｅは、１／４波長板４０Ｅ－１からのＳ偏光と、１／４波長板４０Ｅ－２からのＰ偏光とを合波することでパルス光２２０Ｅを生成する。すなわち、１パルスからＴｒ/２の時間差が付いた２パルスが生成される。従って、双方の光路のパルスを偏光ビームスプリッタ２１Ｅで同軸に合波することで、図１０のパルス変換ユニット１５－３の射出光に示す８パルスが得られる。パルス光２２０Ｅは、パルス光Ｌ２として光学装置４Ｅから射出される（図２２（ｈ））。第５実施形態では、１／４波長板４０Ｅ－２を通過するパルス光の位置をミラーＭｂ１，Ｍｂ２，Ｍｇ１，Ｍｇ２を用いて制御する。これにより、繰り返す周波数を変換するために用いる１／４波長板の数を削減することができる。

　制御部１１は、１／２波長板３０Ｅ－１と１／２波長板３０Ｅ－２の回転を制御する。また、制御部１１は、１／４波長板４０Ｅ－１と１／４波長板４０Ｅ－２の各回転を制御してもよい。

　以下に、第５実施形態に係る繰り返し周波数（１倍又はｆｒ×２^ｎ）の変換方法の流れは、前述した図１１に示す第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。

　図２３は、光学装置４Ｅにおける光学ユニット２０Ｅ－３の変形例を示す図である。図２３に示す変形例の光学ユニット２０Ｆ－３の光路長差付与部２２Ｆ－３は、第１光路２４Ｆと、第２光路２５Ｆ－３とを有する。第１光路２４Ｆは、第１光路２４Ｅと同様である。第２光路２５Ｆ－３には、複数のミラーＭＦ４が設けられている。第２光路２５Ｆ－３には、複数のミラーＭＦ４を用いてパルス光を多重反射させる。この構成により、光学装置４Ｆは、第３光路長差を付与するために必要なサイズを低減することができる。なお、できるだけ反射率の高いミラーＭＦを使用することが望ましい。これにより、ミラーの反射率の影響による光強度の低減を抑制することができる。

　第５実施形態に係る光学装置４Ｅは、光源２から出射されたパルス光Ｌの繰り返し周波数ｆｒを変換する光学ユニット２０Ｅと、光学ユニット２０Ｅで変換される繰り返し周波数（１倍又はｆｒ×２^ｎ）を変更可能な１／２波長板３０Ｅとを備える。このような構成により、第１実施形態と同様の効果を奏する他、複数の１／２波長板、複数の偏光ビームスプリッタ及び複数の１／４波長板を共通化することでロバスト性の向上及びコストダウンに寄与する。

　第１実施形態から第５実施形態のいずれかの光学装置は、照射部に出力するパルス光Ｌ２を円偏光としてもよい。この場合には、多段接続された複数のパルス変換ユニットのうち、最後段のパルス変換ユニットから出力されるパルス光Ｌ２を円偏光に偏光するための１／４波長板を有してもよい。すなわち、最後段のパルス変換ユニットの後段に、１／４波長板が接続されてもよい。パルス光Ｌ２が円偏光とすることで、高ＮＡの対物レンズにおいて等方的なＰＳＦを得ることが可能である。

　また、第１実施形態から第５実施形態のいずれかの光学装置において、パルス光Ｌ２の偏光を同一方向の直線偏光としてもよい。この場合には、最後段のパルス変換ユニットの後段に偏光子を設置してもよい。例えば、偏光子の透過方位を直交する２つの直線偏光に対して４５°に設定することで、偏光子を透過した光の偏光方向を同一方位の直線偏光とすることができる。ただし、偏光子によって光の平均出力は１／２になる。直線偏光の方位を変更する場合は、偏光子の後段に半波長板を設置してもよい。偏光子の透過方位を、２つの直交する直線偏光のいずれかに平行とした場合は、Ｓ偏光又はＰ偏光のパルス光のみを抽出することができる。

　ここで、超短パルスのパルス幅は、光学素子の分散によって広がってしまう場合がある。これにより、パルス光のピーク強度が低下し、非線形効果によって生じる信号の発生効率が低下してしまう場合がある。効率的に非線形信号を発生させるために、分散補償を実施するのが一般的である。分散補償方式としては、回折格子ペア又はプリズムペアなどが用いられる。このような素子を含んだ分散補償光学系を、光源２と第１実施形態から第５実施形態のいずれかの光学装置との間に設置することが望ましい。ただし、これに限定されず、上記分散補償光学系は、第１実施形態から第５実施形態のいずれかの光学装置と、照射部３との間に設けられてもよい。分散補償光学を含んだ光源２を用いる場合には、追加の分散補償光学系は不要となる。

　第１実施形態から第５実施形態のいずれかの光学装置が搭載される顕微鏡のスキャナは、２枚のガルバノミラーを一対にしたものでも、ガルバノミラーとレゾナントミラーとを一対にしたものでも、どちらでも良い。前者をガルバノスキャン、後者をレゾナントスキャンと称する。レーザ光の強度が同一の条件において、レゾナントスキャンの方が、走査速度が速いので、レーザ光の照射時間が短いため、ガルバノスキャンよりも光褪色しにくくなる。ガルバノスキャンで1枚の画像取得に要する時間において、レゾナントスキャンではその数十倍の画像を取得できる。例えば、３０枚の撮像が可能になる。この３０枚の画像を積算することで、ガルバノスキャンと同等の画質（信号対雑音比）の画像が得られる。このような同程度の画質を得る条件においても、レゾナントスキャンを利用した方が、1枚の撮像における単位領域あたりのレーザ光の照射時間が短く、レーザ光の照射が断続的になるため、ガルバノスキャンに比べて光褪色にしにくくなる。本発明をレゾナントスキャン方式に適用した方がガルバノスキャン方式に適用した場合と比較して光褪色を低減できる。

　第１実施形態から第５実施形態のいずれかの光学装置が搭載される顕微鏡において、繰り返し周波数をｎ倍向上する場合、パルス光Ｌ１（Ｌ２）の平均強度を√ｎ（Ｗ）することが望ましい。その場合、パルス光Ｌ２のピーク強度（Ｗ）は、1/√ｎ倍となる。これにより、繰り返し周波数に依存せずに、同等の画質の２光子蛍光画像が得られる。繰り返し周波数の変更に伴って、光強度を自動的に制御・設定する機構を備えてもよい。

　以上、実施形態について説明したが、本開示の技術範囲は、上述の実施形態などで説明した態様に限定されない。上述の実施形態などで説明した要件の１つ以上は、省略されることがある。また、上述の実施形態などで説明した要件は、適宜組み合わせることができる。また、法令で許容される限りにおいて、本明細書で引用した全ての文献の開示を援用して本文の記載の一部とする。

１，１Ａ～１Ｅ・・・顕微鏡、２・・・光源、４，４Ａ～４Ｅ・・・光学装置、１１・・・制御部、１２・・・設定装置、１５，１５Ａ～１５Ｆ・・・パルス変換ユニット、２０，２０Ａ～２０Ｆ・・・光学ユニット、３０，３０Ａ～３０Ｅ・・・１／２波長板、４０Ｂ，４１Ｂ，４０Ｅ・・・１／４波長板

Claims (37)

1. 　光源から出射されたパルス光の繰り返し周波数を変換部で変換することと、
   　前記変換部で変換される前記繰り返し周波数が可変であることと、
   　を含む変換方法。
2. 　前記変換部は、前記繰り返し周波数を２^ｎ（ｎは１以上の整数）倍に変換する、
   　請求項１に記載の変換方法。
3. 　前記変換部による前記繰り返し周波数の変換は、
   　前記パルス光を、第１偏光と、前記第１偏光と直交する第２偏光とに分割し、前記第１偏光と前記第２偏光との間に所定の光路長差を付与し、前記光路長差を付与した後に前記第１偏光と前記第２偏光とを合波する一連の処理を前記ｎ回実行することにより、前記繰り返し周波数を前記２^ｎ倍に変換することを含む、
   　請求項２に記載の変換方法。
4. 　前記変換部による前記繰り返し周波数の変換は、
   　前記パルス光の偏光方向を、１／２波長板を介して、第１方向に変更する第１段階と、
   　前記第１方向に偏光した前記パルス光を、前記第１偏光と前記第２偏光とに分割する第２段階と、
   　前記第１偏光と前記第２偏光との間に前記光路長差を付与する第３段階と、
   　前記光路長差が付与された後の前記第１偏光と前記第２偏光とを合波することで前記繰り返し周波数が変更された前記パルス光を生成する第４段階と、
   　を含み、
   　前記一連の処理は、前記第１段階、前記第２段階、前記第３段階、及び前記第４段階を含む、
   　請求項３に記載の変換方法。
5. 　前記１／２波長板に入射する前記パルス光の偏光方向と、当該１／２波長板の遅軸又は速軸とのなす角が第１角度範囲である場合に、前記１／２波長板から前記第１方向のパルス光が出射されて前記第１段階が実行され、前記なす角が前記第１角度範囲とは異なる第２角度範囲である場合に、前記１／２波長板から前記第１方向とは異なる第２方向のパルス光が出射されて前記第１段階が実行されず、
   　１倍及び前記ｎの値のいずれかへの変更は、前記なす角が前記第１角度範囲内である第１状態と、前記なす角が前記第２角度範囲内である第２状態との切り替えによって行われる、
   　請求項４に記載の変換方法。
6. 　前記第１角度範囲は、（２２．５°±Ｋ×４５°）±１°（Ｋは整数）の範囲である、
   　請求項５に記載の変換方法。
7. 　前記第２角度範囲は、（０°±Ｋ×９０°）±１°（Ｋは整数）の範囲であり、
   　請求項５又は請求項６に記載の変換方法。
8. 　前記１／２波長板は、回転可能であり、
   　前記１／２波長板の回転によって前記なす角が変更される、
   　請求項４から請求項７のいずれか一項に記載の変換方法。
9. 　前記ｎ回のうち、奇数回目の前記第２段階及び偶数回目の前記第４段階は、第１偏光ビームスプリッタで行い、前記奇数回目の前記第４段階及び前記偶数回目の前記第２段階は、前記第１偏光ビームスプリッタとは異なる第２偏光ビームスプリッタで行う、
   　請求項４から請求項８のいずれか一項に記載の変換方法。
10. 　前記第２段階は、第１偏光ビームスプリッタによって行い、
    　前記第４段階は、前記第１偏光ビームスプリッタとは異なる第２偏光ビームスプリッタによって行う、
    　請求項４から請求項９のいずれか一項に記載の変換方法。
11. 　前記第２段階及び前記第４段階は、１つの偏光ビームスプリッタで行う、
    　請求項４から請求項９のいずれか一項に記載の変換方法。
12. 　前記第１偏光がＰ偏光、前記第２偏光がＳ偏光であり、
    　前記Ｐ偏光の光路に第１の１／４波長板が設置され、前記Ｓ偏光の光路に第２の１／４波長板が設置され、
    　前記第３段階は、前記Ｐ偏光が前記第１の１／４波長板を２回通過し、前記Ｓ偏光が前記第２の１／４波長板を２回通過する、
    　請求項４から請求項１１のいずれか一項に記載の変換方法。
13. 　前記光源から出力された前記パルス光の繰り返し周期をＴｒとするとき、前記光路長差が付与された場合には、前記第１偏光と前記第２偏光との間にＴｒ/２^ｎの時間差が付与される、
    　請求項３から請求項１２のいずれか一項に記載の変換方法。
14. 　パルス光の繰り返し周波数を変換する変換部と、
    　前記変換部で変換される前記繰り返し周波数を変更可能な切替部と、
    　を備える光学装置。
15. 　前記変換部は、前記繰り返し周波数を２^ｎ（ｎは１以上の整数）倍に変換する、
    　請求項１４に記載の光学装置。
16. 　前記変換部は、前記パルス光を、第１偏光と、前記第１偏光と直交する第２偏光とに分割し、前記第１偏光と前記第２偏光との間に所定の光路長差を付与し、前記光路長差を付与した後に前記第１偏光と前記第２偏光とを合波する一連の処理を前記ｎ回実行することにより、前記繰り返し周波数を前記２^ｎ倍に変換する、
    　請求項１５に記載の光学装置。
17. 　前記変換部は、１つ以上の光学ユニットを備え、
    　前記光学ユニットは、
    　第１方向に偏光した前記パルス光を、前記第１偏光と前記第２偏光とに分割する第１偏光ビームスプリッタと、
    　前記第１偏光と前記第２偏光との間に前記光路長差を付与する光路長差付与部と、
    　前記光路長差が付与された後の前記第１偏光と前記第２偏光とを合波することで前記繰り返し周波数が変更された前記パルス光を形成する第２偏光ビームスプリッタと、
    　を備え、
    　前記切替部は、前記第１偏光ビームスプリッタに入射する前記パルス光の偏光方向を、前記第１方向と、前記第１方向とは異なる第２方向とのいずれかに変更する
    　請求項１６に記載の光学装置。
18. 　前記第１偏光ビームスプリッタと前記第２偏光ビームスプリッタは、１つの偏光ビームスプリッタで併用されている、
    　請求項１７に記載の光学装置。
19. 　前記切替部は、前記パルス光が前記第１偏光ビームスプリッタに入射する光路上に設けられた１／２波長板を有する、
    　請求項１７又は請求項１８に記載の光学装置。
20. 　前記１／２波長板は、回転可能であり、
    　前記１／２波長板の回転によって前記なす角が変更される、
    　請求項１９に記載の光学装置。
21. 　前記１／２波長板に入射する前記パルス光の偏光方向と、当該１／２波長板の遅軸又は速軸とのなす角が第１角度範囲である場合に、前記１／２波長板から前記第１方向のパルス光が出射され、前記なす角が前記第１角度範囲とは異なる第２角度範囲である場合に、前記１／２波長板から前記第１方向とは異なる第２方向のパルス光が出射され、
    　前記なす角が前記第１角度範囲内である第１状態と、前記なす角が前記第２角度範囲内である第２状態とで切り替えられることで、１倍及び前記ｎの値のいずれかに変更される、
    　請求項１９又は請求項２０に記載の光学装置。
22. 　前記第１角度範囲は、（２２．５°±Ｋ×４５°）±１°（Ｋは整数）の範囲である、
    　請求項２１に記載の光学装置。
23. 　前記第２角度範囲は、（０°±Ｋ×９０°）±１°（Ｋは整数）の範囲である、
    　請求項２１又は請求項２２に記載の光学装置。
24. 　前記光源から出力された前記パルス光の繰り返し周期をＴｒとするとき、前記光路長差付与部によって前記光路長差が付与された場合には、前記第１偏光と前記第２偏光との間にＴｒ/２^ｎの時間差が付与される、
    　請求項１７から請求項２３のいずれか一項に記載の光学装置。
25. 　前記ｎ個の前記光学ユニットが配置され、
    　前記ｎ個の前記光学ユニットのうち、奇数個目の前記第１偏光ビームスプリッタ及び偶数個目の前記第２偏光ビームスプリッタは、１つの偏光ビームスプリッタで併用されており、
    　前記奇数個目の前記第１偏光ビームスプリッタ及び前記偶数個目の前記第２偏光ビームスプリッタは、１つの偏光ビームスプリッタで併用されている、
    　請求項１７から請求項２４のいずれか一項に記載の光学装置。
26. 　前記第１偏光がＰ偏光、前記第２偏光がＳ偏光であり、
    　前記Ｐ偏光の光路に第１の１／４波長板が設置され、前記Ｓ偏光の光路に第２の１／４波長板が設置され、
    　前記光路長差が付与される過程において、前記Ｐ偏光が前記第１の１／４波長板を２回通過し、前記Ｓ偏光が前記第２の１／４波長板を２回通過する、
    　請求項１７から請求項２４のいずれか一項に記載の光学装置。
27. 　観察対象物に前記パルス光を照射する顕微鏡であって、
    　前記パルス光の前記繰り返し周波数を変換する、請求項１４から請求項２６のいずれか一項に記載の光学装置と、
    　前記光学装置から出力された前記パルス光を観察対象物に照射する照射部と、
    　を備える顕微鏡。
28. 　前記切替部を制御する制御部を備える、
    　請求項２７に記載の顕微鏡。
29. 　前記制御部は、前記１／２波長板の回転を制御する、
    　請求項２８に記載の顕微鏡。
30. 　観察対象物に前記パルス光を照射する顕微鏡であって、
    　前記パルス光の前記繰り返し周波数を変換する、請求項２６に記載の光学装置と、
    　前記光学装置から出力された前記パルス光を観察対象物に照射する照射部と、
    　前記１／２波長板、前記第１の１／４波長板及び前記第２の１／４波長板の少なくとも１つの回転を制御する制御部と、
    　を備える顕微鏡。
31. 　ユーザの操作により前記繰り返し周波数の倍率に対応する情報を設定する設定装置を更に備え、
    　前記設定装置は、前記倍率に対応する情報が設定された場合には、設定された前記倍率に対応する情報を前記制御部に送信し、
    　前記制御部は、前記設定装置から送信された前記倍率に対応する情報に基づいて前記切替部に対して前記繰り返し周波数を変更させる、
    　請求項３０に記載の顕微鏡。
32. 　前記光学装置は、前記顕微鏡に対して挿脱可能に構成されている、
    　請求項２７から請求項３１のいずれか一項に記載の顕微鏡。
33. 　パルス光の偏光方向を回転可能に構成された光学素子と、
    　前記光学素子を経た前記パルス光を、第１偏光と第２偏光とに分割する第１偏光ビームスプリッタと、
    　前記第１偏光と前記第２偏光との間に前記光路長差を付与する光路長差付与部と、
    　前記光路長差が付与された後の前記第１偏光と前記第２偏光とを合波する第２偏光ビームスプリッタと、
    　を備えた光学装置。
34. 　パルス光の偏光方向を回転可能に構成された光学素子と、
    　前記光学素子を経た前記パルス光を、第１偏光と第２偏光とに分割する偏光ビームスプリッタと、
    　前記第１偏光と前記第２偏光との間に前記光路長差を付与する光路長差付与部と、
    　を備え、
    　前記偏光ビームスプリッタは、前記光路長差が付与された後の前記第１偏光と前記第２偏光とを合波する光学装置。
35. 　前記光学素子、第１偏光ビームスプリッタ、前記光路長差付与部及び第２偏光ビームスプリッタを含む光学ユニットをｎ（ｎは１以上の整数）個、備えた請求項３３に記載の光学装置。
36. 　前記光学素子、前記偏光ビームスプリッタ及び前記光路長差付与部を含む光学ユニットをｎ（ｎは１以上の整数）個、備えた請求項３４に記載の光学装置。
37. 　前記パルス光の繰り返し周期をＴｒとするとき、前記光路長差の付与により、Ｔｒ/２^ｎの時間差が付与される請求項３５又は請求項３６のいずれか一項に記載の光学装置。
    
     

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