JP6409260B2 - 構造化照明装置及び構造化照明顕微鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、構造化照明装置及び構造化照明顕微鏡装置に関する。

生体標本などの被観察物を超解像観察するための手法に、被観察物の構造の空間周波数を照明光で変調する手法がある（特許文献１を参照）。

この手法では、縞状の照明光で被観察物を照明し、被観察物の構造のうち解像限界を超える高空間周波数の情報を顕微鏡光学系の結像に寄与させる。また、この手法では、照明パターンを切り換えて被観察物の変調像の画像（以下、「変調画像」と称す。）を複数枚取得し、演算を施すことにより、被観察物の復調像の画像（以下、「復調画像」又は「超解像画像」と称す。）を取得する。

米国再発行特許発明第３８３０７号明細書

本発明は、超解像画像の生成に必要な変調画像の取得効率を向上させることを目的とする。

本発明の構造化照明装置の一例は、光源からの射出光束を複数の分岐光束に分岐する分岐部と、前記複数の分岐光束のうち、所定数の分岐光束のみを選択する所定数の選択部からなる組を複数有した光束選択部材と、選択された前記所定数の分岐光束による干渉縞を標本に形成する光学系と、前記複数の分岐光束及び前記光束選択部材の少なくとも一方を前記光学系の光軸周りに回動させ、選択される前記所定数の分岐光束の組み合わせを切り換えることにより、前記干渉縞の方向を切り換える回動機構とを備え、前記複数の分岐光束のうち、前記干渉縞の方向切り換えに寄与する一連の分岐光束は、前記光軸周りに第１角度で形成され、前記複数の前記組を構成する選択部のうち、前記一連の分岐光束の選択に寄与する一連の選択部は、前記光軸周りに前記第１角度とは異なる第２角度で配置され、前記第１角度及び前記第２角度は、９０°以下であり、かつ、それらの最小公倍数は１８０°である。

本発明の構造化照明顕微鏡装置の一例は、本発明の構造化照明装置の一例と、前記干渉縞で空間変調された前記標本の画像である変調画像を撮像する撮像素子とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、超解像画像の生成に必要な変調画像の取得効率が向上する。

構造化照明顕微鏡装置１の構成図である。 回折格子１３を説明する図である。 ０次光シャッタ２００及び光束選択部材１８を説明する図である。 回折格子１３の回動角と光束選択方向との関係を説明する図である。 １／２波長板１７の機能を説明する図である。 並進機構１５Ａの機能を説明する図である。 第２実施形態における回折格子１３及び光束選択部材１８を説明する図である。 第２実施形態における回折格子１３の回動位置と光束選択方向との関係を説明する図である。 第３実施形態における回折格子１３及び光束選択部材１８を説明する図である。 第３実施形態における回折格子１３の回動角と光束選択方向との関係を説明する図である。 第４実施形態における構造化照明顕微鏡装置１の構成図である。 第４実施形態における回折格子１３及び光束選択部材１８を説明する図である。 第４実施形態における光束選択部材１８の回動角と光束選択方向との関係を説明する図である。 従来例のタイミングチャートである。 所要時間ｔ１、ｔ２の関係を説明する図である。 集光点の配列パターンと開口部の配列パターンとの組み合わせの他の例を示す図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態として構造化照明顕微鏡装置を説明する。

先ず、構造化照明顕微鏡装置の構成を説明する。

図１は、構造化照明顕微鏡装置１の構成図である。以下では構造化照明顕微鏡装置１を全反射蛍光顕微鏡（ＴＩＲＦＭ：Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy）として使用する場合も適宜併せて説明する。ＴＩＲＦＭは、蛍光性を有した試料（標本）５の表面の極めて薄い層を観察する顕微鏡である。

図１に示すとおり構造化照明顕微鏡装置１には、レーザユニット１００と、光ファイバ１１と、照明光学系１０と、結像光学系３０と、第１撮像素子３５１と、第２撮像素子３５２と、制御装置３９と、画像記憶・演算装置４０と、画像表示装置４５とが備えられる。このうち、照明光学系１０と結像光学系３０とは、対物レンズ６及びダイクロイックミラー７を共用している。

レーザユニット１００には、第１レーザ光源１０１、第２レーザ光源１０２、シャッタ１０３１、１０３２、ミラー１０５、ダイクロイックミラー１０６、レンズ１０７が備えられる。第１レーザ光源１０１及び第２レーザ光源１０２の各々は可干渉光源であって、互いの出射波長は異なる。ここでは、第１レーザ光源１０１の波長λ１は、第２レーザ光源１０２の波長λ２よりも長いと仮定する（λ１＞λ２）。これらの第１レーザ光源１０１、第２レーザ光源１０２、シャッタ１０３１、１０３２は、それぞれ制御装置３９によって駆動される。

光ファイバ１１は、レーザユニット１００から射出したレーザ光を導光するために、例えば、偏波面保存型のシングルモードファイバによって構成される。光軸Ｏの方向における光ファイバ１１の出射端の位置は、位置調整機構１１Ａによって調節可能である。この位置調整機構１１Ａは、制御装置３９によって駆動・制御される。なお、位置調整機構１１Ａとしては、例えば、ピエゾ素子等が用いられる。

照明光学系１０には、光ファイバ１１の出射端側から順に、コレクタレンズ１２と、偏光板２３と、光束分岐部１５と、集光レンズ１６と、光束選択部２４と、レンズ２５と、視野絞り２６と、フィールドレンズ２７と、励起フィルタ２８と、ダイクロイックミラー７と、対物レンズ６とが配置される。

なお、光ファイバ１１として偏波面保存型のシングルモードファイバを使用した場合は、光ファイバ１１の前後でレーザ光の偏波面が保存されるので、偏光板２３は非必須であるが、レーザ光の偏光の品質を保つためには有効である。一方、光ファイバ１１としてマルチモードファイバを使用した場合、偏光板２３は必須である。

光束分岐部１５には、回折光学素子（回折格子）１３と、並進機構１５Ａと、回動機構１５Ｂとが備えられ、光束選択部２４には、０次光シャッタ２００と、１／２波長板１７と、光束選択部材１８と、回動機構２００Ａと、回動機構１７Ａとが備えられる。このうち並進機構１５Ａ、回動機構１５Ｂ、回動機構２００Ａ、回動機構１７Ａは、それぞれ制御装置３９によって駆動・制御される。

結像光学系３０には、標本５の側から順に、対物レンズ６と、ダイクロイックミラー７と、バリアフィルタ３１と、第２対物レンズ３２と、第２ダイクロイックミラー３５と、が配置される。

標本５は、例えば、平行平板状のガラス表面に配置された蛍光性の細胞（蛍光色素で染色された細胞）や、シャーレ内に存在する蛍光性の生体細胞（蛍光色素で染色された動く細胞）などの細胞である。この細胞には、波長λ１の光によって励起される第１蛍光領域と、波長λ２の光によって励起される第２蛍光領域との双方が発現している。第１蛍光領域は、波長λ１の光に応じて中心波長λ１’の第１蛍光を発生させ、第２蛍光領域は、波長λ２の光に応じて中心波長λ２’の第２蛍光を発生させる。

構造化照明顕微鏡装置１がＴＩＲＦＭ（全反射蛍光顕微鏡）として使用される場合、対物レンズ６は、液浸型（油浸型）の対物レンズとして構成される。つまり、対物レンズ６と標本５のガラスとの間隙は、不図示の浸液（油）で満たされる。

第１撮像素子３５１、第２撮像素子３５２の各々は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる二次元撮像素子である。第１撮像素子３５１、第２撮像素子３５２の各々は、制御装置３９によって駆動されると、第１撮像素子３５１の撮像面３６１、第２撮像素子３５２の撮像面３６２の各々に形成された像を撮像し、画像を生成する。これら第１撮像素子３５１、第２撮像素子３５２の各々が生成した画像は、制御装置３９を介して画像記憶・演算装置４０へ取り込まれる。なお、第１撮像素子３５１、第２撮像素子３５２の各々は、所定のフレーム周期で画像生成（撮像）を繰り返すことが可能である。第１撮像素子３５１、第２撮像素子３５２の各々のフレーム周期（撮像の繰り返し周期）は、撮像素子の撮像時間（すなわち電荷蓄積及び電荷読出に要する時間）、干渉縞の方向切り換えに要する時間、その他の所要時間のうち、律速によって定められる（詳細は後述）。

制御装置３９は、第１レーザ光源１０１、第２レーザ光源１０２、シャッタ１０３１、１０３２、位置調整機構１１Ａ、並進機構１５Ａ、回動機構１５Ｂ、回動機構２００Ａ、回動機構１７Ａ、第１撮像素子３５１、第２撮像素子３５２を駆動制御する。

画像記憶・演算装置４０は、第１撮像素子３５１が生成した画像、第２撮像素子３５２が生成した画像に対してそれぞれ復調演算を施し、波長毎の超解像画像を生成すると、それらの超解像画像を不図示の内部メモリに格納すると共に、画像表示装置４５へ送出する。

次に、構造化照明顕微鏡装置１におけるレーザ光の振る舞いを説明する。

第１レーザ光源１０１から射出した波長λ１のレーザ光（第１レーザ光）は、シャッタ１０３１を介してミラー１０５へ入射すると、ミラー１０５を反射し、ダイクロイックミラー１０６へ入射する。一方、第２レーザ光源１０２から射出した波長λ２のレーザ光（第２レーザ光）は、シャッタ１０３２を介してビームスプリッタ１０６へ入射し、第１レーザ光と統合される。ダイクロイックミラー１０６から射出した第１レーザ光及び第２レーザ光は、レンズ１０７を介して光ファイバ１１の入射端に入射する。

なお、制御装置３９は、第１レーザ光源１０１、第２レーザ光源１０２、シャッタ１０３１、１０３２を制御することにより、レーザユニット１００の出射波長、すなわち構造化照明顕微鏡装置１の光源波長を、長い波長λ１と短い波長λ２との間で切り替えたり、長い波長λ１と短い波長λ２との双方からなる混合光に設定したりすることができる。

光ファイバ１１の入射端に入射したレーザ光は、光ファイバ１１の内部を伝搬して光ファイバ１１の出射端に点光源を生成する。その点光源から射出したレーザ光は、コレクタレンズ１２によって平行光束に変換され、偏光板２３を介して回折格子１３へ入射すると、各次数の回折光束に分岐される。この各次数の回折光束（以下、「回折光束群」と称す。）は、集光レンズ１６に入射すると、集光レンズ１６の集光作用を受けて瞳共役面６Ａ’の各位置に集光する。

ここで、瞳共役面６Ａ’は、フィールドレンズ２７及びレンズ２５に関して対物レンズ６の瞳６Ａ（±１次回折光が集光する位置）と共役な位置である。集光レンズ１６は、集光レンズ１６の焦点位置（後ろ側焦点位置）が瞳共役面６Ａ’と一致するように配置されている。但し、ここでいう「共役な位置」の概念には、当業者が対物レンズ６、フィールドレンズ２７、レンズ２５の収差、ビネッティング等の設計上必要な事項を考慮して決定した位置も含まれるものとする。

また、光ファイバ１１から射出したレーザ光は基本的に直線偏光しているので、偏光板２３は省略することも可能であるが、余分な偏光成分を確実にカットするために有効である。また、レーザ光の利用効率を高めるため、偏光板２３の軸は、光ファイバ１１から射出したレーザ光の偏光方向に一致していることが望ましい。

さて、瞳共役面６Ａ’に向かった各次数の回折光束は、瞳共役面６Ａ’の近傍に配置された光束選択部２４へ入射する。

ここで、構造化照明顕微鏡装置１がＴＩＲＦＭとして利用される場合、光束選択部２４は、入射した回折光束群のうち１対の回折光束のみ（±１次回折光束のみ）を選択的に通過させる。

光束選択部２４を通過した±１次回折光束は、レンズ２５によって視野絞り２６付近で回折格子１３と共役な面を形成する。その後、±１次回折光束の各々は、フィールドレンズ２７により収束光に変換され、さらに励起フィルタ２８を経てからダイクロイックミラー７で反射し、対物レンズ６の瞳面６Ａ上の互いに異なる位置に集光する。

瞳面６Ａ上に集光した±１次回折光束の各々は、対物レンズ６の先端から射出される際には平行光束となり、標本５の表面で互いに干渉し、干渉縞を形成する。この干渉縞が、構造化照明光として使用される。

ここで、構造化照明顕微鏡装置１がＴＩＲＦＭとして利用される場合、標本５の表面に入射する際の入射角度は、エバネッセント場の生成条件である全反射条件（ＴＩＲＦ条件）を満たす。

ＴＩＲＦ条件を満たすためには、瞳面６Ａにおける±１次回折光束の集光点は、瞳面６Ａの最外周における所定の輪帯状領域に位置していればよい。この場合、標本５の表面近傍には、干渉縞によるエバネッセント場が生起する。

このような干渉縞により標本５を照明すると、干渉縞の周期構造と標本５における蛍光領域の周期構造との差に相当するモアレ縞が現れるが、このモアレ縞においては、蛍光領域における高周波数の構造が元の周波数より低周波数側にシフトしているため、この構造を示す蛍光は、元の角度よりも小さい角度で対物レンズ６へ向かうことになる。よって、干渉縞により標本５を照明すると、蛍光領域の高周波数の構造情報までもが対物レンズ６によって伝達される。

標本５で発生した蛍光は、対物レンズ６に入射すると、対物レンズ６で平行光に変換された後、ダイクロイックミラー７及びバリアフィルタ３１を透過し、第２対物レンズ３２を介して第２ダイクロイックミラー３５へ入射する。第２ダイクロイックミラー３５へ入射した波長λ１’の第１蛍光は、第２ダイクロイックミラー３５を反射し、第２ダイクロイックミラー３５へ入射した波長λ２’の第２蛍光は、第２ダイクロイックミラー３５を透過する。

第２ダイクロイックミラー３５を反射した第１蛍光は、第１撮像素子３５１の撮像面３６１上に第１蛍光領域の変調像を形成し、第２ダイクロイックミラー３５を透過した第２蛍光は、第２撮像素子３５２の撮像面３６２上に第２蛍光領域の変調像を形成する。

第１蛍光領域の変調像、第２蛍光領域の変調像は、第１撮像素子３５１、第２撮像素子３５２によってそれぞれ画像化され、第１蛍光領域の変調画像と、第２蛍光領域の変調画像とが生成される。

第１蛍光領域の変調画像と、第２蛍光領域の変調画像とは、制御装置３９を介して画像記憶・演算装置４０へと取り込まれる。さらに、取り込まれた第１蛍光領域の変調画像と、第２蛍光領域の変調画像との各々には、画像記憶・演算装置４０において復調演算が施され、第１蛍光領域の超解像画像と、第２蛍光領域の超解像画像とが生成される。そして、これらの超解像画像は、画像記憶・演算装置４０の内部メモリ（図示せず）に記憶されるとともに、画像表示装置４５へと送出される。なお、復調演算としては、例えば、米国特許８１１５８０６号明細書に開示された方法が用いられる。

次に、回折格子１３を詳しく説明する。

図２（Ａ）は、回折格子１３を光軸Ｏの方向から見た図であり、図２（Ｂ）は、回折光束群が瞳共役面６Ａ’に形成する集光点の位置関係を示す図である。なお、図２（Ａ）は模式図であるため、図２（Ａ）に示した回折格子１３の構造周期は実際の構造周期と同じとは限らない。

図２（Ａ）に示すとおり、本実施形態の回折格子１３は、照明光学系１０の光軸Ｏと垂直な面内において、９０°異なる２つの方向Ｄ_１、Ｄ_２の各々にかけて周期構造を有した２方向回折格子である。ここでは、一方の方向Ｄ_１における周期構造の周期と、他方の方向Ｄ_２における周期構造の周期とが共通と仮定する。

なお、回折格子１３の材質は、例えばガラスである。また、回折格子１３の周期構造は、例えば、濃度（透過率）を利用して形成された濃度型の周期構造、或いは、段差（位相差）を利用して形成された位相型の周期構造である。但し、位相差型の周期構造の方が＋１次回折光の回折効率が高いという点で好ましい。

このような回折格子１３に入射した平行光束は、方向Ｄ_１にかけて分岐した第１回折光束群と、方向Ｄ_２にかけて分岐した第２回折光束群とに変換される。

第１回折光束群には、０次回折光束及び±１次回折光束が含まれ、このうち互いの次数が共通である±１次回折光束は、光軸Ｏに関して対称な方向に進行し、０次回折光束は、光軸Ｏに沿って進行する。

同様に、第２回折光束群には、０次回折光束及び±１次回折光束が含まれ、このうち互いの次数が共通である±１次回折光束は、光軸Ｏに関して対称な方向に進行し、０次回折光束は、光軸Ｏに沿って進行する。

第１回折光束群の±１次回折光束と、第２回折光束群の±１次回折光束と、第１及び第２回折光束群の０次回折光束とは、瞳共役面６Ａ’の互いに異なる位置に集光する。

図２（Ｂ）に符号１４ａで示すのが第１及び第２回折光束群に共通する０次回折光束の集光点である。この集光点１４ａは、光軸Ｏ上に位置する。

図２（Ｂ）に符号１４ｂ、１４ｄで示すのが第１回折光束群に属する±１次回折光束の集光点である。集光点１４ｂ、１４ｄは、光軸Ｏに関して対称である。これら集光点１４ｄ、１４ｂの配列方向はＤ_１である。

図２（Ｂ）に符号１４ｃ，１４ｅに示すのが第２回折光束群に属する±１次回折光束の集光点である。集光点１４ｃ、１４ｅは、光軸Ｏに関して対称である。これら集光点１４ｃ、１４ｅの配列方向はＤ_２であり、集光点１４ｃ、１４ｅから光軸Ｏまでの距離は、第１回折光束群の集光点１４ｂ、１４ｄから光軸Ｏまでの距離と同じである。

なお、ここでいう集光点とは、最大強度の８割以上の強度を有する領域の重心位置のことである。そのため、本実施形態の照明光学系１０は、完全な集光点が形成されるまで光束を集光する必要はない。

つまり、本実施形態では、光軸Ｏ周りにおける４つの集光点１４ｂ〜１４ｅの形成角度周期は、９０°の等角度周期に設定される。

ここで、回折格子１３は、ピエゾモータ等からなる並進機構１５Ａ（図１参照）によって並進移動が可能である。並進機構１５Ａによる回折格子１３の並進移動の方向は、照明光学系１０の光軸Ｏと垂直な面内において、方向Ｄ_１、Ｄ_２の各々に対して非垂直な方向である。この方向に回折格子１３が並進移動すると、干渉縞の位相がシフトする（詳細は後述。）。

さらに、回折格子１３及び並進機構１５Ａ（図１参照）の全体は、回動機構１５Ｂ（図１参照）によって、照明光学系１０の光軸Ｏの周りに回動可能である。回折格子１３が回動すると、第１及び第２回折光束群の全体（集光点１４ａ〜１４ｅの全体）が光軸Ｏの周りに回動する。

なお、回動機構１５Ｂには、例えば、回折格子１３及び並進機構１５Ａを保持し、かつ光軸Ｏの周りに回転可能な不図示の保持部材と、その保持部材の周りに形成された不図示の第１の歯車と、第１の歯車に噛み合う不図示の第２の歯車と、第２の歯車に連結された不図示のモータ（回転モータ）とが備えられる。このモータが駆動されると第２の歯車が回転し、その回転力が第１の歯車へと伝達され、回折格子１３及び並進機構１５Ａが光軸Ｏの周りに回転する。

次に、０次光シャッタ２００を詳しく説明する。

図３（Ａ）は、０次光シャッタ２００を説明する図である。図３（Ａ）に示すとおり０次光シャッタ２００は、円形の透明基板の一部に円形の遮光部２００Ｃを形成してなる空間フィルタである。

０次光シャッタ２００の遮光部２００Ｃは、０次回折光束の光路（集光点１４ａ）をカバーし、０次光シャッッタ２００の非遮光部（透過部２００Ｂ）は、第１及び第２回折光束群に属する全ての±１次回折光束の光路（集光点１４ｂ〜１４ｅ）をカバーする。

この０次光シャッタ２００は、回動機構２００Ａ（図１参照）により、照明光学系１０の光軸Ｏと平行、かつその光軸Ｏから離れた直線（軸ＡＲ）の周りに回動可能である。

なお、回動機構２００Ａには、例えば、０次光シャッタ２００を保持し、かつ軸ＡＲの周りに回転可能な不図示の回動軸と、その回動軸へ回転力を与える不図示のモータ（回転モータ）とが備えられる。このモータが駆動されると、回転軸が回転し、０次光シャッタ２００が軸ＡＲの周りに回転する。

０次光シャッタ２００の回動角が図３（Ａ）に示した基準角度（０°）に設定されると、遮光部２００Ｃが０次回折光束の光路に挿入され、０次光シャッタ２００の回動角が基準角度から外れた所定角度（例えば３０°）に設定されると、遮光部２００Ｃが０次回折光束の光路から外れる。

したがって、０次光シャッタ２００の回動角を０°と３０°との間で切り換えれば、第１及び第２回折光束群に属する全ての±１次回折光束をオンしたまま０次回折光束をオン／オフすることができる。

但し、０次光シャッタ２００の回動角が基準角度（０°）、所定角度（３０°）の何れである場合にも、０次光シャッタ２００の遮光部２００Ｃは、第１及び第２回折光束群に属する全ての±１次回折光束の光路を遮ることは無いものとする。

なお、ここでは０次光シャッタ２００を回動可能な空間フィルタとしたが、スライド可能な空間フィルタや、固定配置された液晶素子などで０次光シャッタ２００を構成してもよい。液晶素子の配向を電気的に制御すれば、液晶素子の屈折率異方性を制御することができるので、液晶素子を０次光シャッタ２００として機能させることができる。

次に、光束選択部材１８を詳しく説明する。

図３（Ｂ）は、光束選択部材１８を説明する図である。図３（Ｂ）に示すとおり光束選択部材１８は、円形の不透明基板（マスク用基板）に、スリット状の６つの開口部１８ｂ〜１８ｇと、円形の開口部１８ａとを形成してなる空間フィルタである。

このうち６つの開口部１８ｂ〜１８ｇの形成先は、±１次回折光束の集光点１４ｂ〜１４ｅが光束選択部材１８上に描く掃引軌道上、すなわち、照明光学系１０の光軸Ｏを中心とした円曲線上である。

一方、円形の開口部１８ａの形成先は、０次回折光束の集光点１４ａの形成位置、すなわち照明光学系１０の光軸Ｏ上である。

また、１対の開口部１８ｂ、１８ｅは光軸Ｏに関して対称であり、１対の開口部１８ｃ、１８ｆは光軸Ｏに関して対称であり、１対の開口部１８ｄ、１８ｇは光軸Ｏに関して対称である。

また、開口部１８ｅ、１８ｂの配列方向Ｖ_１から開口部１８ｄ、１８ｇの配列方向Ｖ_２までの角度周期は６０°であり、開口部１８ｄ、１８ｇの配列方向Ｖ_２から開口部１８ｃ、１８ｆの配列方向Ｖ_３までの角度周期は６０°であり、開口部１８ｃ、１８ｆの配列方向Ｖ_３から開口部１８ｅ、１８ｂの配列方向Ｖ_１までの角度周期は６０°である。

つまり、本実施形態では、光軸Ｏ周りにおける６つの開口部１８ｂ〜１８ｇの形成角度周期は６０°の等角度周期に設定される。

また、開口部１８ｂ〜１８ｇの各々の径方向の長さ（スリットの長手方向の長さ）は、光源波長の切り換え、又は、光源の多波長化に対処できるよう、十分な大きさを有している。なぜなら、回折格子１３における回折角度は光源波長に依存するので、照明光学系１０の光軸Ｏから集光点１４ｂ〜１４ｅまでの高さも光源波長に依存する。

因みに、光源波長をλとおき、回折格子１３の構造周期をＰとおき、レンズ１６の焦点距離をｆｃとおくと、光軸Ｏから集光点１４ｂ〜１４ｅまでの高さＤは、Ｄ∝２ｆｃλ／Ｐで表される。

また、開口部１８ｂ〜１８ｇの各々の周方向の長さ（スリットの短手方向の長さ）は、２以上の集光点を同時に開放しないよう十分に小さく抑えられている。

ここで、本実施形態では、回折格子１３が回動するので、集光点の配列方向Ｄ_１、Ｄ_２は図４（Ａ１）〜図４（Ｃ１）に示すとおり回動する。

一方、本実施形態では、光束選択部材１８が固定されるので、開口部の配列方向Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３は図４（Ａ２）〜図４（Ｃ２）に示すとおり固定される。

次に、回折格子１３の回動角と光束選択方向との関係を説明する。

ここでは、回折格子１３の回動角をθ’とおき、図４（Ａ１）に示すような回動角θ’を基準角度（θ’＝０°）と定める。

先ず、図４（Ａ１）に示すとおり回折格子１３の回動角θ’が０°であるとき、方向Ｄ_１が方向Ｖ_１に一致するので、図４（Ａ２）に示すとおり方向Ｄ_１に並ぶ集光点１４ｂ、１４ａ、１４ｄは方向Ｖ_１に並ぶ開口部１８ｂ、１８ａ、１８ｅによって開放され、他の集光点１４ｃ、１４ｅは光束選択部材の非開口部によって遮光される。よって、このときの光束選択方向はＶ_１となり、干渉縞の方向は光束選択方向Ｖ_１に対応した方向（図４（Ａ３））となる。

次に、図４（Ｂ１）に示すとおり回折格子１３の回動角θ’が３０°であるとき、方向Ｄ_２が方向Ｖ_３に一致するので、図４（Ｂ２）に示すとおり方向Ｄ_２に並ぶ集光点１４ｃ、１４ａ、１４ｅは方向Ｖ_３に並ぶ開口部１８ｃ、１８ａ、１８ｆによって開放され、他の集光点１４ｂ、１４ｄは光束選択部材の非開口部によって遮光される。よって、このときの光束選択方向は、当初の光束選択方向Ｖ_１に対して−６０°だけ回転した方向Ｖ_３となり、干渉縞の方向は光束選択方向Ｖ_３に対応した方向（図４（Ｂ３））となる。

次に、図４（Ｃ１）に示すとおり回折格子１３の回動角θ’が６０°であるとき、方向Ｄ_１が方向Ｖ_２に一致するので、図４（Ｃ２）に示すとおり方向Ｄ_１に並ぶ集光点１４ｂ、１４ａ、１４ｄは方向Ｖ_２に並ぶ開口部１８ｇ、１８ａ、１８ｄによって開放され、他の集光点１４ｃ、１４ｅは光束選択部材の非開口部によって遮光される。よって、このときの光束選択方向は、当初の光束選択方向Ｖ_１に対して−１２０°だけ回転した方向Ｖ_２となり、干渉縞の方向は光束選択方向Ｖ_２に対応した方向（図４（Ｃ３））となる。

したがって、本実施形態では、回折格子１３の回動角θ’を３０°の角度周期で３ステップに亘り切り換えるだけで、光束選択方向を６０°の角度周期で３ステップに亘り切り換えること、つまり干渉縞の方向を６０°の角度周期で３ステップに亘り切り換えることができる。

ここで、比較のために従来例を説明する。従来例では、回折格子として、単一方向にかけて周期構造を有する１方向回折格子を用い、干渉縞の方向を６０°の角度周期で切り換えるために、その回折格子を６０°の角度周期で回動させていた。図１４に示すとおり、干渉縞の方向を６０°だけ回動させるための所要時間ｔ１は約８０ｍｓと長いのに対して、撮像素子の電荷蓄積時間は例えば約５ｍｓ、撮像素子の電荷読出時間は例えば約１０〜３５ｍｓと短い。このため従来例では、撮像素子のフレーム周期を定める際に、干渉縞の方向を６０°だけ回動させるための所要時間ｔ１が律速となり、フレーム周期を短くすることが難しかった。

しかしながら、本実施形態では、回折格子１３の回動角度周期が３０°に抑えられるので、干渉縞の方向を６０°だけ回動させるための所要時間ｔ２は、従来例の所要時間ｔ１よりも大幅に短くなる。図１５に示した三角形ＯＡｔ１の面積は、従来例における回折格子の回動量（６０°）に相当し、三角形ＯＡ’ｔ２の面積は、本実施形態における回折格子の回動量（３０°）に相当する。本実施形態の所要時間ｔ２は、三角形ＯＡ’ｔ２の面積が三角形ＯＡｔ１の面積の半分になるような時間である。よって、本実施形態の所要時間ｔ２は、従来例の所要時間ｔ１の半分よりは長いものの、従来例の所要時間ｔ１より格段に短い。したがって、本実施形態では、その所要時間が短くなった分だけ撮像素子のフレーム周期を短くすることもできる。

次に、偏光板２３及び１／２波長板１７の機能を詳しく説明する。

図５は、偏光板２３及び１／２波長板１７の機能を説明する図である。

偏光板２３及び１／２波長板１７は、標本５へ入射する回折光束の偏光状態をＳ偏光に制御するために使用される。標本５へ入射する回折光束をＳ偏光に制御すれば、干渉縞のコントラストを高く維持できるからである。

先ず、図５（Ａ）に示すとおり、光束選択方向がＶ_１であるときには、回折光束群の偏光方向は、図５（Ａ）に点線矢印で示した方向Ｖ_１’とされるべきである。この方向Ｖ_１’は、方向Ｖ_１を光軸Ｏ周りに９０°だけ回転させた方向である。

次に、図５（Ｂ）に示すとり、光束選択方向がＶ_３であるときには、回折光束群の偏光方向は、図５（Ｂ）に点線矢印で示した方向Ｖ_３’とされるべきである。この方向Ｖ_３’は、方向Ｖ_３を光軸Ｏ周りに９０°だけ回転させた方向である。

次に、図５（Ｃ）に示すとおり、光束選択方向がＶ_２であるときには、回折光束群の偏光方向は、図５（Ｃ）に点線矢印で示した方向Ｖ_２’とされるべきである。この方向Ｖ_２’は、方向Ｖ_２を光軸Ｏ周りに９０°だけ回転させた方向である。

そこで、本実施形態では、偏光板２３の軸方向を予め決められた方向に固定し、１／２波長板１７を回動機構１７Ａ（図１参照）によって光軸Ｏの周りに回動させる。

なお、回動機構１７Ａには、例えば、１／２波長板１７を保持し、かつ光軸Ｏの周りに回転可能な不図示の保持部材と、その保持部材の周りに形成された不図示の第１の歯車と、第１の歯車に噛み合う不図示の第２の歯車と、第２の歯車に連結された不図示のモータ（回転モータ）とが備えられる。このモータが駆動されると第２の歯車が回転し、その回転力が第１の歯車へと伝達され、１／２波長板１７が光軸Ｏの周りに回転する。

ここでは、白抜き矢印で示すとおり偏光板２３の軸方向をＶ_３’に固定し、進相軸の方向をＶ_３’に一致させるための１／２波長板１７の回動角θ”を基準角度（θ”＝０°）に定める。なお、1／２波長板１７の進相軸とは、その軸の方向に偏光した光が１／２波長板１７を通過するときの位相遅延量が最小となるような方向のことである。

図５（Ａ）に示すとおり、光束選択方向がＶ_１であるときには、１／２波長板１７の進相軸の方向は、図５（Ａ）に実線矢印で示す方向に設定されればよい。この方向は、１／２波長板１７へ入射する回折光束が有している偏光方向Ｖ_３’と、１／２波長板１７から射出する回折光束が有しているべき偏光方向Ｖ_１’とを二等分する方向である。

また、図５（Ｂ）に示すとおり、光束選択方向がＶ_３であるときには、１／２波長板１７の進相軸の方向は、図５（Ｂ）に実線矢印で示す方向に設定されればよい。この方向は、１／２波長板１７へ入射する回折光束が有している偏光方向Ｖ_３’と、１／２波長板１７から射出する回折光束が有しているべき偏光方向Ｖ_３’とを二等分する方向（＝Ｖ_３’）である。

また、図５（Ｃ）に示すとおり、光束選択方向がＶ_２であるときには、１／２波長板１７の進相軸の方向は、図５（Ｃ）に実線矢印で示す方向に設定されればよい。この方向は、１／２波長板１７へ入射する回折光束が有している偏光方向Ｖ_３’と、１／２波長板１７から射出する回折光束が有しているべき偏光方向Ｖ_２’とを二等分する方向である。

すなわち、本実施形態では、光束選択方向がＶ_１あるとき（図５（Ａ））には回動角θ”を＋３０°に設定し、光束選択方向がＶ_３であるとき（図５（Ｂ））には回動角θ”を０°に設定し、光束選択方向が方向Ｖ_２であるとき（図５（Ｃ））には回動角θ”を−３０°に設定すればよい。

したがって、本実施形態では、回動機構１５Ｂが回折格子１３の回動角θ’を３０°の角度周期で「０°」→「３０°」→「６０°」と切り換える際に、回動機構１７Ａは１／２波長板１７の回動角θ”を−３０°の角度周期で「＋３０°」→「０°」→「−３０°」と切り換えればよい。

なお、本実施形態では、１／２波長板１７の回動角θ”を１角度周期（ここでは３０°）だけ切り換えるために必要な時間は、回折格子１３の回動角θ’を１角度周期（ここでは３０°）だけ切り換えるために必要な時間（図１５の符号ｔ２を参照）と同等であると仮定する。

また、本実施形態では、標本５へ入射する回折光束をＳ偏光とするために、回動可能な１／２波長板１７を使用したが、固定配置された液晶素子を使用し、その液晶素子を１／２波長板１７として機能させてもよい。液晶素子の配向を電気的に制御すれば、液晶素子の屈折率異方性を高速に制御することができるので、１／２波長板としての進相軸を高速に回転させることができる。因みに、標本５に入射する回折光束群をＳ偏光に保つための方法は他にもある（後述）。

次に、並進機構１５Ａ（図１参照）の機能を詳しく説明する。

図６は、並進機構１５Ａの機能を説明する図である。

上述した復調演算には、例えば、同一の標本５かつ同一方向の干渉縞に関する変調画像であって、干渉縞の位相の異なる２枚以上の変調画像が使用される。なぜなら、構造化照明顕微鏡装置１が生成する変調画像には、標本５の蛍光領域の構造のうち、干渉縞により空間周波数の変調された構造情報である０次変調成分、＋１次変調成分、−１次変調成分が含まれており、それら３つの未知パラメータを復調演算で既知とする必要があるからである。

そこで、並進機構１５Ａは、干渉縞の位相をシフトするために、図６（Ａ）に示すように、照明光学系１０の光軸Ｏと垂直な方向であって、方向Ｄ_１、Ｄ_２の全てに対して非垂直な方向（ｘ方向）にかけて回折格子１３をシフトさせる。

但し、干渉縞の位相を所望のシフト量φだけシフトさせるのに必要な回折格子１３のシフト量Ｌは、光束選択方向がＤ_１に一致しているとき（図４（Ａ）、（Ｃ））と、光束選択方向が方向Ｄ_２に一致しているとき（図４（Ｂ））とでは、同じとは限らない。

図６（Ｂ）に示すとおり、回折格子１３の方向Ｄ_１、Ｄ_２の各々の構造周期をＰとおき、回折格子１３のシフト方向（ｘ方向）と方向Ｄ_１とのなす角をθ_１とおき、回折格子１３のシフト方向（ｘ方向）と方向Ｄ_２とのなす角をθ_２とおき、干渉縞の位相シフト量をφとおくと、光束選択方向がＤ_１であるときに必要な回折格子１３のｘ方向のシフト量Ｌ_１は、Ｌ_１＝φ×Ｐ／（ａ×４π×｜ｃｏｓθ_１｜）で表され、光束選択方向がＤ_２であるときに必要な回折格子１３のｘ方向のシフト量Ｌ_２は、Ｌ_２＝φ×Ｐ／（ａ×４π×｜ｃｏｓθ_２｜）で表される。

すなわち、干渉縞の位相シフト量を所望の値φとするために必要な回折格子１３のｘ方向のシフト量Ｌは、光束選択方向（方向Ｄ_１、Ｄ_２の何れか）とｘ方向とのなす角θにより式（１）のとおり表される。

Ｌ＝φ×Ｐ／（ａ×４π×｜ｃｏｓθ｜） …（１）
因みに、干渉縞の位相シフト量φを２πとするために必要な回折格子１３のｘ方向のシフト量Ｌは、Ｐ／（ａ×２×｜ｃｏｓθ｜）となる。これは、回折格子１３の半周期に相当する量である。つまり、回折格子１３を半周期分シフトさせるだけで、構造化照明光の位相を１周期分シフトできる（なぜなら、±１次回折光からなる干渉縞の縞周期は、回折格子１３の構造周期の２倍に相当する。）。

但し、ａ＝１（Ｍ＝１、２のとき）、ａ＝２（Ｍ＝３のとき）である。Ｍは、回折格子１３が有する周期構造の方向数である。

なお、Ｍ＝４以上の場合は、式（１）によって表現することができず、複雑な動きになる。そのため、特許５２０６６８１号（ＵＳ７８４８０１７）に記載された方法により干渉縞の位相を変化させることが好ましい。つまり、瞳共役面６Ａ’の近傍に、複数の領域を有する位相板であって、各領域を通過する±１次回折光束及び０次回折光束をそれぞれ位相変調する（位相差を付与する）位相板を配置することが好ましい。

次に、制御装置３９の動作手順を説明する。

制御装置３９は、以下の手順（１）〜（５）を実行することにより、超解像画像の生成に必要なデータを取得する。

（１）制御装置３９は、光源波長を２種類の波長λ１、λ２の双方に設定すると共に、０次回折光束をオフする。

（２）制御装置３９は、回折格子１３の回動角θ’を０°に設定すると共に、１／２波長板１７の回動角θ”を＋３０°に設定する。

（３）制御装置３９は、干渉縞の位相を複数段階にシフトさせると共に、それら位相の各々の下で、第１蛍光領域の変調画像及び第２蛍光領域の変調画像を取得する。

（４）制御装置３９は、回折格子１３の回動角θ’を＋３０°だけ変化させると共に、１／２波長板１７の回動角θ”を−３０°だけ変化させ、手順（３）を実行する。

（５）制御装置３９は、回折格子１３の回動角θ’を＋３０°だけ変化させると共に、１／２波長板１７の回動角θ”を−３０°だけ変化させ、手順（３）を実行する（以上、手順（５））。

上述したとおり本実施形態では、干渉縞の方向切り換えに拘わる手順（４）、（５）を高速化することができる。したがって、本実施形態では、超解像に必要なデータの取得速度を高めることができる。

なお、本実施形態の制御装置３９は、手順（１）〜（５）からなる一連の処理を繰り返し、本実施形態の画像記憶・演算装置４０は、その一連の処理が完了する度に超解像画像の生成（更新）を行ってもよい。上述したとおり本実施形態では一連の処理が高速化されるので、超解像画像の更新頻度も高まる。

但し、一連の処理を繰り返す場合、２回目以降の処理では、制御装置３９は上述した手順（１）を省略することができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態として第１実施形態の変形例を説明する。ここでは、第１実施形態との相違点のみを説明する。相違点は、回折格子１３の構成と、制御装置３９の動作とにある。

図７（Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態における回折格子１３を説明する図である。なお、図７（Ｃ）に示すのは、本実施形態における光束選択部材１８の構成であって、第１実施形態におけるそれと同じである。

図７（Ａ）に示すとおり、本実施形態の回折格子１３は、照明光学系１０の光軸Ｏと垂直な面内において、４５°ずつ異なる４つの方向Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、Ｄ_４の各々にかけて周期構造を有した４方向回折格子である。ここでは、方向Ｄ_１における周期構造の周期と、方向Ｄ_２における周期構造の周期と、方向Ｄ_３における周期構造の周期と、Ｄ_４における周期構造の周期とが共通と仮定する。

このような回折格子１３に入射した平行光束は、方向Ｄ_１にかけて分岐した第１回折光束群と、方向Ｄ_２にかけて分岐した第２回折光束群と、方向Ｄ_３にかけて分岐した第３回折光束群と、方向Ｄ_４にかけて分岐した第４回折光束群とに変換される。

図７（Ｂ）に示すとおり、第１〜第４回折光束群に共通する０次回折光束の集光点１４ａは、光軸Ｏ上に位置する。

一方、第１回折光束群に属する±１次回折光束の集光点１４ｂ、１４ｆは、光軸Ｏに関して対称であり、それら集光点１４ｂ、１４ｆの配列方向は方向Ｄ_１である。

また、第２回折光束群に属する±１次回折光束の集光点１４ｅ、１４ｉは、光軸Ｏに関して対称であり、それら集光点１４ｅ、１４ｉの配列方向は、方向Ｄ_２であり、集光点１４ｅ、１４ｉから光軸Ｏまでの距離は、第１回折光束群の集光点１４ｂ、１４ｆから光軸Ｏまでの距離と同じである。

また、第３回折光束群に属する±１次回折光束の集光点１４ｄ、１４ｈは、光軸Ｏに関して対称であり、それら集光点１４ｄ、１４ｈの配列方向は、方向Ｄ_３であり、集光点１４ｄ、１４ｈから光軸Ｏまでの距離は、第１回折光束群の集光点１４ｂ、１４ｆから光軸Ｏまでの距離と同じである。

また、第４回折光束群に属する±１次回折光束の集光点１４ｃ、１４ｇは、光軸Ｏに関して対称であり、それら集光点１４ｃ、１４ｇの配列方向は、方向Ｄ_４であり、集光点１４ｃ、１４ｇから光軸Ｏまでの距離は、第１回折光束群の集光点１４ｂ、１４ｆから光軸Ｏまでの距離と同じである。

つまり、本実施形態では、光軸Ｏ周りにおける８個の集光点１４ｂ〜１４ｉの形成角度周期は、４５°の等角度周期に設定される。

ここで、本実施形態でも、回折格子１３が回動するので、集光点の配列方向Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、Ｄ_４は、図８（Ａ１）〜図８（Ｃ１）に示すとおり回動する。

また、本実施形態でも、光束選択部材１８は固定されるので、開口部の配列方向Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３は、図８（Ａ２）〜図８（Ｃ２）に示すとおり固定される。

次に、回折格子１３の回動角と光束選択方向との関係を説明する。

ここでは、回折格子１３の回動角をθ’とおき、図８（Ａ１）に示すような回動角θ’を基準位置（θ’＝０°）と定める。

先ず、図８（Ａ１）に示すとおり回折格子１３の回動角θ’が０°であるとき、方向Ｄ_１が方向Ｖ_１に一致するので、図８（Ａ２）に示すとおり方向Ｄ_１に並ぶ集光点１４ｂ、１４ａ、１４ｆは方向Ｖ_１に並ぶ開口部１８ｂ、１８ａ、１８ｅによって開放され、他の集光点１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｇ、１４ｈ、１４ｉは光束選択部材の非開口部によって遮光される。よって、このときの光束選択方向はＶ_１となり、干渉縞の方向は光束選択方向Ｖ_１に対応した方向（図８（Ａ３））となる。

次に、図８（Ｂ１）に示すとおり回折格子１３の回動角θ’が１５°であるとき、方向Ｄ_２が方向Ｖ_２に一致するので、図８（Ｂ２）に示すとおり方向Ｄ_２に並ぶ集光点１４ｉ、１４ａ、１４ｅは方向Ｖ_２に並ぶ開口部１８ｇ、１８ａ、１８ｄによって開放され、他の集光点１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈは光束選択部材の非開口部によって遮光される。よって、このときの光束選択方向は、当初の光束選択方向Ｖ_１に対して６０°だけ回転した方向Ｖ_２となり、干渉縞の方向は光束選択方向Ｖ_２に対応した方向（図８（Ｂ３））となる。

次に、図８（Ｃ１）に示すとおり回折格子１３の回動角θ’が３０°であるとき、方向Ｄ_３が方向Ｖ_３に一致するので、図８（Ｃ２）に示すとおり方向Ｄ_３に並ぶ集光点１４ｄ、１４ａ、１４ｈは方向Ｖ_３に並ぶ開口部１８ｃ、１８ａ、１８ｆによって開放され、他の集光点１４ｂ、１４ｃ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｉは光束選択部材の非開口部によって遮光される。よって、このときの光束選択方向は、当初の光束選択方向Ｖ_１に対して１２０°だけ回転した方向Ｖ_３となり、干渉縞の方向は光束選択方向Ｖ_３に対応した方向（図８（Ｃ３））となる。

したがって、本実施形態の制御装置３９は、回折格子１３を１５°の角度周期で３ステップに亘り切り換えるだけで、光束選択方向を６０°の角度周期で３ステップに亘り切り換えること、つまり干渉縞の方向を６０°の角度周期で３ステップに亘り切り換えることができる。

［第２実施形態の補足］
なお、本実施形態では、干渉縞の方向を１角度周期だけ切り換えるのに必要な時間が第１実施形態より短いので、偏光方向の切り換えに要する時間を更に短縮する必要がある。このため、本実施形態では回動可能な１／２波長板１７の代わりに固定配置された液晶素子を使用し、その液晶素子を１／２波長板として動作させることが望ましい。

何れにせよ、１／２波長板の進相軸の方向は、「１／２波長板に入射する回折光束が有している偏光方向と、１／２波長板から射出する回折光束が有しているべき偏光方向とを二等分する方向」に設定されればよい。

なお、本実施形態の回折格子１３は、入射した平行光束を４つの方向Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、Ｄ_４の各々に亘って分岐したが、方向Ｄ_４に亘る分岐を省略しても（方向Ｄ_４に亘る周期構造を省略しても）よい。この場合、方向Ｄ_４に並ぶ２つの集光点１４ｃ、１４ｇが省略されるので、光軸Ｏ周りにおける集光点の形成角度周期は、等角度周期ではなく不等角度周期となる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態として第１実施形態の変形例を説明する。ここでは、第１実施形態との相違点のみを説明する。相違点は、光束選択部材１８の構成と、制御装置３９の動作とにある。

図９（Ｃ）は、本実施形態における光束選択部材１８を説明する図である。なお、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すのは、本実施形態における回折格子１３の構成、本実施形態における集光点の配列であって、第１実施形態におけるそれらと同じである。

図９（Ｃ）に示すとおり、本実施形態の光束選択部材１８は、円形の不透明基板（マスク用基板）に、スリット状の１０個の開口部１８ｂ〜１８ｋと、円形の開口部１４ａとを形成してなる空間フィルタである。

このうち１０個の開口部１８ｂ〜１８ｋの形成先は、±１次回折光束の集光点１４ｂ〜１４ｅが光束選択部材１８上に描く掃引軌道上、すなわち照明光学系１０の光軸Ｏを中心とした円曲線上である。

一方、円形の開口部１８ａの形成先は、０次回折光束の集光点１４ａの形成位置、すなわち照明光学系１０の光軸Ｏ上である。

また、１対の開口部１８ｂ、１８ｇは光軸Ｏに関して対称であり、１対の開口部１８ｃ、１８ｈは光軸Ｏに関して対称であり、１対の開口部１８ｄ、１８ｉは光軸Ｏに関して対称であり、１対の開口部１８ｅ、１８ｊは光軸Ｏに関して対称であり、１対の開口部１８ｆ、１８ｋは光軸Ｏに関して対称である。

また、開口部１８ｂ、１８ｇの配列方向Ｖ_１から開口部１８ｋ、１８ｆの配列方向Ｖ_２までの角度周期は３６°であり、開口部１８ｋ、１８ｆの配列方向Ｖ_２から開口部１８ｊ、１８ｅの配列方向Ｖ_３までの角度周期は３６°であり、開口部１８ｊ、１８ｅの配列方向Ｖ_３から開口部１８ｉ、１８ｄの配列方向Ｖ_４までの角度周期は３６°であり、開口部１８ｉ、１８ｄの配列方向Ｖ_４から開口部１８ｈ、１８ｃの配列方向Ｖ_５までの角度周期は３６°であり、開口部１８ｈ、１８ｃの配列方向Ｖ_５から開口部１８ｂ、１８ｇの配列方向Ｖ_１までの角度周期は３６°である。

つまり、本実施形態では、光軸Ｏ周りにおける１０個の開口部１８ｂ〜１８ｋの形成角度周期は、３６°の等角度周期に設定される。

また、開口部１８ｂ〜１８ｋの各々の径方向の長さ（スリットの長手方向の長さ）は、光源波長の切り換え、又は、光源の多波長化に対処できるよう、十分な大きさを有している。なぜなら、回折格子１３における回折角度は光源波長に依存するので、照明光学系１０の光軸Ｏから集光点１４ｂ〜１４ｅまでの高さも光源波長に依存する。

また、開口部１８ｂ〜１８ｋの各々の周方向の長さ（スリットの短手方向の長さ）は、２以上の集光点を同時に開放しないよう十分に小さく抑えられている。

ここで、本実施形態でも、回折格子１３が回動するので、集光点の配列方向Ｄ_１、Ｄ_２は図１０（Ａ１）〜図１０（Ｅ１）に示すとおり回動する。

また、本実施形態でも、光束選択部材１８が固定されるので、開口部の配列方向Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、Ｖ_４、Ｖ_５は図１０（Ａ２）〜図１０（Ｅ２）に示すとおり固定される。

次に、回折格子１３の回動角と光束選択方向との関係を説明する。

ここでは、回折格子１３の回動角をθ’とおき、図１０（Ａ１）に示すような回動角θ’を基準角度（θ’＝０°）と定める。

先ず、図１０（Ａ１）に示すとおり回折格子１３の回動角θ’が０°であるとき、方向Ｄ_１が方向Ｖ_１に一致するので、図１０（Ａ２）に示すとおり方向Ｄ_１に並ぶ集光点１４ｂ、１４ａ、１４ｄは方向Ｖ_１に並ぶ開口部１８ｂ、１８ａ、１８ｇによって開放され、他の集光点１４ｃ、１４ｅは光束選択部材の非開口部によって遮光される。よって、このときの光束選択方向はＶ_１となり、干渉縞の方向は光束選択方向Ｖ_１に対応した方向（図１０（Ａ３））となる。

次に、図１０（Ｂ１）に示すとおり回折格子１３の回動角θ’が１８°であるとき、方向Ｄ_２が方向Ｖ_４に一致するので、図１０（Ｂ２）に示すとおり方向Ｄ_２に並ぶ集光点１４ｅ、１４ａ、１４ｃは方向Ｖ_４に並ぶ開口部１８ｉ、１８ａ、１８ｄによって開放され、他の集光点１４ｂ、１４ｄは光束選択部材の非開口部によって遮光される。よって、このときの光束選択方向は、当初の光束選択方向Ｖ_１に対して−７２°だけ回転した方向Ｖ_４となり、干渉縞の方向は光束選択方向Ｖ_４に対応した方向（図１０（Ｂ３））となる。

次に、図１０（Ｃ１）に示すとおり回折格子１３の回動角θ’が３６°であるとき、方向Ｄ_１が方向Ｖ_２に一致するので、図１０（Ｃ２）に示すとおり方向Ｄ_１に並ぶ集光点１４ｂ、１４ａ、１４ｄは方向Ｖ_２に並ぶ開口部１８ｋ、１８ａ、１８ｆによって開放され、他の集光点１４ｃ、１４ｅは光束選択部材の非開口部によって遮光される。よって、このときの光束選択方向は、当初の光束選択方向Ｖ_１に対して−１４４°だけ回転した方向Ｖ_２となり、干渉縞の方向は光束選択方向Ｖ_２に対応した方向（図１０（Ｃ３））となる。

次に、図１０（Ｄ１）に示すとおり回折格子１３の回動角θ’が５４°であるとき、方向Ｄ_２が方向Ｖ_５に一致するので、図１０（Ｄ２）に示すとおり方向Ｄ_２に並ぶ集光点１４ｅ、１４ａ、１４ｃは方向Ｖ_５に並ぶ開口部１８ｈ、１８ａ、１８ｃによって開放され、他の集光点１４ｂ、１４ｄは光束選択部材の非開口部によって遮光される。よって、このときの光束選択方向は、当初の光束選択方向Ｖ_１に対して−１９６°だけ回転した方向Ｖ_５となり、干渉縞の方向は光束選択方向Ｖ_５に対応した方向（図１０（Ｄ３））となる。

次に、図１０（Ｅ１）に示すとおり回折格子１３の回動角θ’が７２°であるとき、方向Ｄ_１が方向Ｖ_３に一致するので、図１０（Ｅ２）に示すとおり方向Ｄ_１に並ぶ集光点１４ｂ、１４ａ、１４ｄは方向Ｖ_３に並ぶ開口部１８ｊ、１８ａ、１８ｅによって開放され、他の集光点１４ｃ、１４ｅは光束選択部材の非開口部によって遮光される。よって、このときの光束選択方向は、当初の光束選択方向Ｖ_１に対して−２８８°だけ回転した方向Ｖ_３となり、干渉縞の方向は光束選択方向Ｖ_３に対応した方向（図１０（Ｅ３））となる。

したがって、本実施形態の制御装置３９は、回折格子１３を１８°の角度周期で５ステップに亘り切り換えるだけで、光束選択方向を７２°の角度周期で５ステップに亘り切り換えること、つまり干渉縞の方向を７２°の角度周期で５ステップに亘り切り換えることができる。

［第３実施形態の補足］
なお、本実施形態では、干渉縞の方向を１角度周期だけ切り換えるのに必要な時間が第１実施形態より短いので、偏光方向の切り換えに要する時間を更に短縮する必要がある。このため、本実施形態では回動可能な１／２波長板１７の代わりに固定配置された液晶素子を使用し、その液晶素子を１／２波長板として動作させることが望ましい。

何れにせよ、１／２波長板の進相軸の方向は、「１／２波長板に入射する回折光束が有している偏光方向と、１／２波長板から射出する回折光束が有しているべき偏光方向とを二等分する方向」に設定されればよい。

［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態として第１実施形態の変形例を説明する。ここでは、第１実施形態との相違点のみを説明する。相違点は、回折格子１３及び光束選択部材１８の構成と、干渉縞の方向を切り換えるための回動対象と、制御装置３９の動作とにある。

図１１は、本実施形態における構造化照明顕微鏡装置１の構成図である。図１１に示すとおり本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１においては、回折格子１３を回動させる回動機構１５Ｂの代わりに、光束選択部材１８を回動させる回動機構１８Ａが備えられる。

図１２は、本実施形態における回折格子１３及び光束選択部材１８を説明する図である。

先ず、図１２（Ａ）に示すとおり、本実施形態の回折格子１３は、照明光学系１０の光軸Ｏと垂直な面内において、６０°ずつ異なる３つの方向Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３の各々にかけて周期構造を有した３方向回折格子である。ここでは、方向Ｄ_１における周期構造の周期と、方向Ｄ_２における周期構造の周期と、方向Ｄ_３における周期構造の周期とが共通と仮定する。

このような回折格子１３に入射した平行光束は、方向Ｄ_１にかけて分岐した第１回折光束群と、方向Ｄ_２にかけて分岐した第２回折光束群と、方向Ｄ_３にかけて分岐した第３回折光束群とに変換される。

図１２（Ｂ）に示すとおり、第１〜第３回折光束群に共通する０次回折光束の集光点１４ａは、光軸Ｏ上に位置する。

一方、第１回折光束群に属する±１次回折光束の集光点１４ｂ、１４ｅは、光軸Ｏに関して対称であり、集光点１４ｂ、１４ｅの配列方向は方向Ｄ_１である。

第２回折光束群に属する±１次回折光束の集光点１４ｄ、１４ｇは、光軸Ｏに関して対称であり、集光点１４ｄ、１４ｇの配列方向は、方向Ｄ_２であり、集光点１４ｄ、１４ｇから光軸Ｏまでの距離は、第１回折光束群の集光点１４ｂ、１４ｅから光軸Ｏまでの距離と同じである。

第３回折光束群に属する±１次回折光束の集光点１４ｃ、１４ｆは、光軸Ｏに関して対称であり、集光点１４ｃ、１４ｆの配列方向は、方向Ｄ_３であり、集光点１４ｃ、１４ｆから光軸Ｏまでの距離は、第１回折光束群の集光点１４ｅ、１４ｂから光軸Ｏまでの距離と同じである。

つまり、本実施形態では、光軸Ｏ周りにおける６個の集光点１４ｂ〜１４ｇの形成角度周期は、６０°の等角度周期に設定される。

次に、図１２（Ｃ）に示すとおり、本実施形態の光束選択部材１８は、円形の不透明基板（マスク用基板）に、スリット状の８個の開口部１８ｂ〜１８ｉと、円形の開口部１４ａとを形成してなる空間フィルタである。

このうち８個の開口部１８ｂ〜１８ｉの形成先は、±１次回折光束の集光点１４ｂ〜１４ｅが光束選択部材１８上に描く掃引軌道上、すなわち照明光学系１０の光軸Ｏを中心とした円曲線上である。

一方、円形の開口部１８ａの形成先は、０次回折光束の集光点１４ａの形成位置、すなわち照明光学系１０の光軸Ｏ上である。

また、１対の開口部１８ｂ、１８ｆの形成先は光軸Ｏに関して対称であり、１対の開口部１８ｉ、１８ｅの形成先は光軸Ｏに関して対称であり、１対の開口部１８ｈ、１８ｄの形成先は光軸Ｏに関して対称であり、１対の開口部１８ｇ、１８ｃの形成先は光軸Ｏに関して対称である。

また、開口部１８ｂ、１８ｆの配列方向Ｖ_１から開口部１８ｉ、１８ｅの配列方向Ｖ_２までの角度周期は４５°であり、開口部１８ｉ、１８ｅの配列方向Ｖ_２から開口部１８ｇ、１８ｃの配列方向Ｖ_４までの角度周期は４５°である。

よって、本実施形態では、光軸Ｏ周りにおける開口部１８ｂ、１８ｉ、１８ｇの形成角度周期は４５°に設定され、光軸Ｏ周りにおける開口部１８ｆ、１８ｅ、１８ｃの形成角度周期は４５°に設定される。

但し、開口部１８ｈ、１８ｄの配列方向Ｖ_３は、方向Ｖ_１と方向Ｖ_４との中間ではなく、方向Ｖ_２と方向Ｖ_４との間に設定されている。因みに、方向Ｖ_２から方向Ｖ_３までの角度周期は３０°、方向Ｖ_３から方向Ｖ_４までの角度周期は１５°である。

したがって、本実施形態では、光軸Ｏ周りにおける開口部１８ｂ〜１８ｉの形成角度周期は、等角度周期ではなく不等角度周期となる。

また、開口部１８ｂ〜１８ｉの各々の径方向の長さ（スリットの長手方向の長さ）は、光源波長の切り換え、又は、光源の多波長化に対処できるよう、十分な大きさを有している。なぜなら、回折格子１３における回折角度は光源波長に依存するので、照明光学系１０の光軸Ｏから集光点１４ｂ〜１４ｇまでの高さも光源波長に依存する。

また、開口部１８ｂ〜１８ｉの各々の周方向の長さ（スリットの短手方向の長さ）は、２以上の集光点を同時に開放しないよう十分に小さく抑えられている。

ここで、本実施形態では、第１実施形態とは異なり、回折格子１３が固定されるので、集光点の配列方向Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３は図１３（Ａ１）〜図１３（Ｃ１）に示すとおり固定される。

一方、本実施形態では、第１実施形態とは異なり、回動機構１８Ａによって光束選択部材１８が回動するので、開口部の配列方向Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、Ｖ_４は図１３（Ａ２）〜図１３（Ｃ２）に示すとおり回動する。

なお、回動機構１８Ａには、例えば、光束選択部材１８を保持し、かつ光軸Ｏの周りに回転可能な不図示の保持部材と、その保持部材の周りに形成された不図示の第１の歯車と、第１の歯車に噛み合う不図示の第２の歯車と、第２の歯車に連結された不図示のモータ（回転モータ）とが備えられる。このモータが駆動されると第２の歯車が回転し、その回転力が第１の歯車へと伝達され、光束選択部材１８が光軸Ｏの周りに回転する。

次に、光束選択部材１８の回動角と光束選択方向との関係を説明する。

ここでは、光束選択部材１８の回動角をθ’とおき、図１３（Ａ２）に示すような回動角θ’を基準角度（θ’＝０°）と定める。

先ず、図１３（Ａ２）に示すとおり光束選択部材１８の回動角θ’が０°であるとき、方向Ｄ_１に方向Ｖ_１が一致するので、方向Ｄ_１に並ぶ集光点１４ｂ、１４ａ、１４ｅは方向Ｖ_１に並ぶ開口部１８ｂ、１８ａ、１８ｆによって開放され、他の集光点１４ｃ、１４ｄ、１４ｆ、１４ｇは光束選択部材の非開口部によって遮光される。よって、このときの光束選択方向はＤ_１となり、干渉縞の方向は光束選択方向Ｄ_１に対応した方向（図１３（Ａ３））となる。

次に、図１３（Ｂ２）に示すとおり光束選択部材１８の回動角θ’が１５°であるとき、方向Ｄ_２に方向Ｖ_２が一致するので、方向Ｄ_２に並ぶ集光点１４ｇ、１４ａ、１４ｄは方向Ｖ_２に並ぶ開口部１８ｉ、１８ａ、１８ｅによって開放され、他の集光点１４ｂ、１４ｃ、１４ｅ、１４ｆは光束選択部材の非開口部によって遮光される。よって、このときの光束選択方向は、当初の光束選択方向Ｄ_１に対して６０°だけ回転した方向Ｄ_２となり、干渉縞の方向は光束選択方向Ｄ_２に対応した方向（図１３（Ｂ３））となる。

次に、図１３（Ｂ３）に示すとおり光束選択部材１８の回動角θ’が３０°であるとき、方向Ｄ_３に方向Ｖ_４が一致するので、方向Ｄ_３に並ぶ集光点１４ｆ、１４ａ、１４ｃは方向Ｖ_４に並ぶ開口部１８ｇ、１８ａ、１８ｃによって開放され、他の集光点１４ｂ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｇは光束選択部材の非開口部によって遮光される。よって、このときの光束選択方向は、当初の光束選択方向Ｄ_１に対して１２０°だけ回転した方向Ｄ_３となり、干渉縞の方向は光束選択方向Ｄ_３に対応した方向（図１３（Ｃ３））となる。

したがって、本実施形態の制御装置３９は、光束選択部材１８を１５°の角度周期で３ステップに亘り切り換えるだけで、光束選択方向を６０°の角度周期で３ステップに亘り切り換えること、つまり干渉縞の方向を６０°の角度周期で３ステップに亘り切り換えることができる。

例えば、光束選択部材１８の回動角θ’を１５°だけ切り換えるために必要３ｍｓｅｃ未満であるならば、干渉縞の方向を６０°だけ切り換えるために必要な時間も３ｍｓｅｃ未満に抑えられる。

［第４実施形態の補足］
なお、本実施形態では、干渉縞の方向を１角度周期だけ切り換えるのに必要な時間が第１実施形態より短いので、偏光方向の切り換えに要する時間を更に短縮する必要がある。このため、本実施形態では回動可能な１／２波長板１７の代わりに固定配置された液晶素子を使用し、その液晶素子を１／２波長板として動作させることが望ましい。

何れにせよ、１／２波長板の進相軸の方向は、「１／２波長板に入射する回折光束が有している偏光方向と、１／２波長板から射出する回折光束が有しているべき偏光方向とを二等分する方向」に設定されればよい。

なお、本実施形態の光束選択部材１８には、開口部が４つの方向Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、Ｖ_４の各々に亘って形成されているが、方向Ｖ_３に亘る形成は省略されてもよい。すなわち、８個の開口部１８ｂ〜１８ｉのうち、方向Ｖ_３に並ぶ２つの開口部１８ｄ、１８ｈは省略されてもよい。

［各実施形態の補足］
なお、上述した第２実施形態（図８）の回折格子１３は、干渉縞の方向切り換えに寄与しない非必須の集光点１４ｃ、１４ｇを形成しており、上述した第４実施形態（図１３）の光束選択部材１８には、必須の集光点（干渉縞の方向切り換えに寄与する集光点）の選択に寄与しない非必須の開口部１８ｄ、１８ｈが形成されていた。

このように、上述した何れかの例では、回折格子１３が非必須の集光点（非必須の回折光束）を生成しても構わないし、光束選択部材１８に非必須の開口部が形成されていても構わない。

一方、上述した何れかの例において、干渉縞の方向数が少なくても構わない場合には、回折格子１３が光軸Ｏ周りに形成する集光点の数（光束分岐方向の数）、又は、光束選択部材１８上で光軸Ｏ周りに形成される開口部の数（光束選択方向の数）を削減しても構わない。その削減の結果、光軸Ｏ周りに形成される複数の集光点の角度周期が不等角度周期になったり、光軸Ｏ周りに形成される複数の開口部の角度周期が不等角度周期になったりすることも勿論ある。

以下、干渉縞の方向切り換えに寄与する必須の集光点を単に「集光点」と称し、必須の集光点の選択に寄与する必須の開口部を単に「開口部」と称し、非必須の集光点及び非必須の開口部は論じないこととする。

さて、上述した何れかの例において、回折格子１３が光軸Ｏ周りに形成する複数の集光点の角度周期と、光束選択部材１８上の光軸Ｏ周りに形成される複数の開口部の角度周期との組み合わせは、上述した組み合わせに限定されることはない。その組み合わせは、回動機構による回折格子１３又は光束選択部材１８の回動角度周期よりも、干渉縞方向の切り換え角度周期の方が大きくなるように設定されればよい。

具体的には、回折格子１３が光軸Ｏ周りに形成する複数の集光点と、光束選択部材１８上で光軸Ｏ周りに形成される複数の開口部との組み合わせは、以下の条件を満たしていればよい。

条件：「光軸Ｏ周りにおける複数の集光点の形成角度周期は、第１角度周期であり、光軸Ｏ周りにおける複数の開口部の形成角度周期は、第１角度周期とは異なる第２角度周期であり、第１角度周期の最小値と第２角度周期の最小値とは、９０°以下の互いに異なる値であり、かつ、それら最小値の最小公倍数は１８０°である。」
図１６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の各々は、この条件を満たす別の例である。

図１６（Ａ）の例では、回折格子１３が光軸Ｏ周りに２２．５°の角度周期で１６個の集光点を形成し、光束選択部材１８上には光軸Ｏ周りに６０°の角度周期で６個の開口部が形成されている。この例によると、回折格子１３を７．５°の角度周期で３通りに回動させるだけで、干渉縞の方向を６０°の角度周期で３通りに切り換えることができる（光束分岐方向の数ｍ＝８、光束選択方向の数ｎ＝３、回動角度周期Δ＝７．５°）。

図１６（Ｂ）の例では、回折格子１３が光軸Ｏ周りに４５°の角度周期で８個の集光点を形成し、光束選択部材１８上には光軸Ｏ周りに３６°の角度周期で１０個の開口部が形成されている。この例によると、回折格子１３を９°の角度周期で５通りに回動させるだけで、干渉縞の方向を３６°の角度周期で５通りに切り換えることができる（光束分岐方向の数ｍ＝４、光束選択方向の数ｎ＝５、回動角度周期Δ＝９°）。

図１６（Ｃ）の例では、回折格子１３が光軸Ｏ周りに６０°の角度周期で６個の集光点を形成し、光束選択部材１８上には光軸Ｏ周りに３６°の角度周期で１０個の開口部が形成されている。この例によると、回折格子１３を２４°の角度周期で５通りに回動させるだけで、干渉縞の方向を３６°の角度周期で５通りに切り換えることができる（光束分岐方向の数ｍ＝３、光束選択方向の数ｎ＝５、回動角度周期Δ＝２４°）。

なお、上述した何れかの例では、回折格子１３が光軸Ｏ周りに形成する複数の集光点の配列パターンと、光束選択部材１８上で光軸Ｏ周りに形成される複数の開口部の配列パターンとを反転させ、かつ、干渉縞の方向切り換えのための回動対象を、回折格子１３と光束選択部材１８との間で反転させてもよい。この場合も、上述した何れかの例と同様の効果を得ることができる。

また、上述した何れかの例において、光軸Ｏ周りに２ｍ個の集光点を形成する場合（つまり光束分岐方向の数をｍとする場合）は、ｍ方向の各々に周期構造を有したｍ方向回折格子を回折格子１３として使用すればよい。

また、上述した何れかの例において、干渉縞の方向切り換えのための回動対象を回折格子１３とする場合は、回動機構として回動機構１５Ｂ（図１参照）を使用すればよく、その回動対象を光束選択部材１８とする場合は、回動機構として回動機構１８Ａ（図１１参照）を使用すればよい。

また、上述した何れかの例では、干渉縞の方向を切り換えるための回動対象を、回折格子１３及び光束選択部材１８の何れか一方としたが、回折格子１３及び光束選択部材１８の双方とすることで同様の効果を得てもよいことはいうまでもない。

また、上述した何れかの例では、複数の光束から一部の光束を選択する部材（光束選択部材）として、透過型のマスク部材（つまり、透過部からなる開口部と遮光部からなる非開口部とを有したマスク部材）を使用したが、反射型のマスク部材（つまり、反射部からなる開口部と遮光部からなる非開口部とを有したマスク部材）を使用してもよい。

また、透過型のマスク部材において、開口部の透過率、非開口部の透過率は、それぞれ１００％、０％であることが望ましいが、開口部の透過率の方が非開口部の透過率よりも高ければ、それぞれ１００％、０％から外れていてもよい。

また、反射型のマスク部材において、開口部の反射率、非開口部の反射率は、それぞれ１００％、０％であることが望ましいが、開口部の反射率の方が非開口部の反射率よりも高ければ、それぞれ１００％、０％から外れていてもよい。

また、上述した何れかの例では、回折光束群の全体を回動させるために回折格子を回動させたが、回折格子と対物レンズとの間にイメージローテータ（像回転プリズムなど）を挿入し、そのイメージローテータを駆動することで回折光束群の回動を行ってもよい。

また、上述した何れかの例では、光軸Ｏから集光点までの高さを、ＴＩＲＦＭに適した高さと、ＳＩＭに適した高さとの間で切り替えるために、光路に挿入される回折格子１３を、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモード用の回折格子と、ＳＩＭモード用の回折格子との間で切り替えてもよい。ＴＩＲＦ−ＳＩＭモード用の回折格子と、ＳＩＭモード用の回折格子との間では、互いの構造周期が異なる。

また、上述した説明では、構造化照明顕微鏡装置１をＴＩＲＦＭとして使用するために、０次光回折光束をオフして標本５へ投影する干渉縞を２光束干渉縞とした（すなわち、構造化照明顕微鏡装置１を２Ｄ−ＳＩＭモードで使用する例を説明した）が、０次光回折光束をオンすれば、標本５へ投影する干渉縞を３光束干渉縞とすること（すなわち、構造化照明顕微鏡装置１を３Ｄ−ＳＩＭモードで使用すること）も可能である。

このように、３つの回折光束の干渉（３光束干渉）によって生成される干渉縞は、標本２の表面方向だけでなく、標本５の深さ方向にも空間変調されている。よって、この干渉縞によると、標本５の深さ方向にも超解像効果を得ることができる。

但し、構造化照明顕微鏡装置１を３Ｄ−ＳＩＭモードで使用する場合には、０次回折光束と±１次回折光束との間の強度バランスを調整するために、例えば０次回折光束の単独光路へ減光フィルタ（ＮＤフィルタ）を配置することが望ましい。

また、２Ｄ−ＳＩＭモードと３Ｄ−ＳＩＭモードとの間では、画像記憶・演算装置４０が実行すべき復調演算の内容が異なる。なぜなら、２Ｄ−ＳＩＭモードで生成される変調画像には、蛍光の０次変調成分、蛍光の＋１次変調成分、蛍光の−１次変調成分の３成分が重畳されているのに対して、３Ｄ−ＳＩＭモードで生成される変調画像には、蛍光の０次変調成分、蛍光の＋１次変調成分、蛍光の−１次変調成分、蛍光の＋２次変調成分、蛍光の−２次変調成分の５成分が重畳されているからである。

また、２Ｄ−ＳＩＭモードと３Ｄ−ＳＩＭモードとの間では、変調画像に重畳する変調成分の数が異なるので、制御装置４３が取得すべき変調画像のフレーム数なども異なる。

また、上述した何れかの例では、干渉縞の位相をシフトさせるために回折格子１３をシフトさせたが、回折格子１３をシフトさせる代わりに、±１次回折光束の光路長差を変化させてもよい。その場合は、例えば、＋１次回折光束の光路と−１次回折光束の光路との少なくとも一方に対して位相板を挿脱させてもよい。

但し、位相板の厚さと位相シフト量との関係は、使用波長によって異なるので、厚さの異なる複数の位相板をターレットに装着し、それらの位相板を光源波長に応じて選択的に光路へ挿入してもよい。

また、上述した何れかの例では、光源波長の数を２としたが、１としてもよく、また、２以上に拡張してもよい。

また、上述した何れかの例では、波長の異なる複数枚の変調画像を並列に取得したが、順次に取得してもよい。なお、その場合は、第１撮像素子３５１及び第２撮像素子３５２の何れか一方と第２ダイクロイックミラー３５とを省略してもよい。

また、上述した何れかの例では、標本５に入射する±１次回折光束をＳ偏光に保つために、光軸Ｏの周りを回動可能な１／２波長板１７を使用したが、固定配置された１／４波長板と光軸Ｏの周りを回動可能な１／４波長板との組み合わせを使用してもよい。

その場合、固定配置された１／４波長板の進相軸の方向は、その１／４波長板に入射する回折光束の偏光方向に対して４５°の角度を成すように設定され、回動可能な１／４波長板の進相軸の方向は、その１／４波長板を射出する回折光束が有するべき偏光方向に対して４５°の角度を成すように設定される。

但し、干渉縞の方向切り換え速度を高く維持するために必要であれば、回動可能な波長板の代わりに固定配置された液晶素子を使用し、その液晶素子を１／４波長板として機能させてもよい。液晶素子の配向を電気的に制御すれば、液晶素子の屈折率異方性を高速に制御することができるので、１／４波長板としての進相軸を高速に回転させることができる。

また、上述した何れかの例では、干渉縞（２Ｄ−ＳＩＭモードの２光束干渉縞又は３Ｄ−ＳＩＭモードの３光束干渉縞）を形成するための回折光として、±１次回折光及び０次回折光の組み合わせを用いたが、他の組み合わせを用いてもよい。３光束干渉縞を形成するためには、回折次数の間隔が等間隔な３つの回折光による３光束干渉を生起させればよいので、例えば、０次回折光、１次回折光、２次回折光の組み合わせ、±２次回折光及び０次回折光の組み合わせ、±３次回折光及び０次回折光の組み合わせ、などを用いることが可能である。

なお、上述した何れかの例の照明光学系１０は、対物レンズ６よる落射照明光学系で構成されたが、これに限られず、対物レンズ６に代えてコンデサレンズによる透過・反射照明光学系で構成されてもよい。その場合、集光点が形成されるのは、コンデサレンズの瞳面である。

［実施形態の作用効果］
以上、本実施形態の構造化照明装置（照明光学系１０）は、光源（レーザユニット１００）からの射出光束を複数の分岐光束（集光点１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、…）に分岐する分岐部（回折格子１３）と、前記複数の分岐光束（集光点１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、…）のうち、所定数の分岐光束（±１次回折光束の集光点及び０次回折光の集光点）のみを選択する所定数の選択部（開口部）からなる組を複数有した光束選択部材（１８）と、選択された前記所定数の分岐光束（±１次回折光束の集光点及び０次回折光の集光点）による干渉縞を標本に形成する光学系（レンズ１２、１６、２５、２７）と、前記複数の分岐光束及び前記光束選択部材の少なくとも一方を前記光学系（レンズ１２、１６、２５、２７）の光軸周りに回動させ、選択される前記所定数の分岐光束（±１次回折光束の集光点及び０次回折光の集光点）の組み合わせを切り換えることにより、前記干渉縞の方向を切り換える回動機構（１５Ｂ、１８Ａ）とを備え、前記複数の分岐光束のうち、前記干渉縞の方向切り換えに寄与する一連の分岐光束は、前記光軸（Ｏ）周りに第１角度周期で形成され、前記複数の前記組を構成する選択部（開口部）のうち、前記一連の分岐光束の選択に寄与する一連の選択部（開口部）は、前記光軸（Ｏ）周りに前記第１角度周期とは異なる第２角度周期で配置され、前記第１角度周期の最小値と前記第２角度周期の最小値とは、９０°以下の互いに異なる値であり、かつ、それら最小値の最小公倍数は１８０°である。

したがって、本実施形態の構造化照明装置（照明光学系１０）は、前記回動の角度周期よりも大きな角度周期で前記干渉縞の方向を切り換えることが可能である。よって、前記干渉縞の方向切り換えは、従来例よりも高速化することが可能である。

なお、前記第１角度周期及び前記第２角度周期のそれぞれは等角度周期であってもよいし、前記第１角度周期及び前記第２角度周期の少なくとも一方は不等角度周期であってもよい。

また、前記第１角度周期の最小値及び前記第２角度周期の最小値の一方は９０°、他方は６０°であり、前記回動機構（１５Ｂ、１８Ａ）は、前記分岐光束群又は前記光束選択部材を３０°の角度周期で回動させることにより前記干渉縞の方向を６０°の角度周期で切り換える（図４を参照。）。

或いは、前記第１角度周期の最小値及び前記第２角度周期の最小値の一方は４５°、他方は６０°であり、前記回動機構（１５Ｂ、１８Ａ）は、前記分岐光束群又は前記光束選択部材を１５°の角度周期で回動させることにより前記干渉縞の方向を６０°の角度周期で切り換える（図８を参照。但し、図８の符号１４ｃ、１４ｇは非必須の光路（集光点）である。）。

或いは、前記第１角度周期の最小値及び前記第２角度周期の最小値の一方は９０°、他方は３６°であり、前記回動機構（１５Ｂ、１８Ａ）は、前記分岐光束群又は前記光束選択部材を１８°の角度周期で回動させることにより前記干渉縞の方向を７２°の角度周期で切り換える（図１０を参照。）。

或いは、前記第１角度周期の最小値及び前記第２角度周期の最小値の一方は６０°、他方は４５°であり、前記回動機構（１５Ｂ、１８Ａ）は、前記分岐光束群又は前記光束選択部材を１５°の角度周期で回動させることにより前記干渉縞の方向を６０°の角度周期で切り換える（図１３を参照。但し、図１３の符号１８ｈ、１８ｄは、非必須の開口部である。）。

或いは、前記第１角度周期の最小値及び前記第２角度周期の最小値の一方は２２．５°、他方は６０°であり、前記回動機構（１５Ｂ、１８Ａ）は、前記分岐光束群又は前記光束選択部材を７．５°の角度周期で回動させることにより前記干渉縞の方向を６０°の角度周期で切り換える（図１６（Ａ）を参照。）。

或いは、前記第１角度周期の最小値及び前記第２角度周期の最小値の一方は４５°、他方は３６°であり、前記回動機構（１５Ｂ、１８Ａ）は、前記分岐光束群又は前記光束選択部材を９°の角度周期で回動させることにより前記干渉縞の方向を３６°の角度周期で切り換える（図１６（Ｂ）を参照。）。

或いは、前記第１角度周期の最小値及び前記第２角度周期の最小値の一方は６０°、他方は３６°であり、前記回動機構（１５Ｂ、１８Ａ）は、前記分岐光束群又は前記光束選択部材を２４°の角度周期で回動させることにより前記干渉縞の方向を３６°の角度周期で切り換える（図１６（Ｃ）を参照。）。

また、前記回動機構（１５Ｂ）は、前記分岐光束群（集光点１４ａ、１４ｂ、…）を回動させるために前記分岐部（回折格子１３）を回動させる。したがって、前記分岐光束群（集光点１４ａ、１４ｂ、…）の関係は前記回動に拘わらず維持される。

また、本実施形態の構造化照明装置（照明光学系１０）は、前記干渉縞の位相をシフトさせる位相シフト手段（１５Ａ）を更に備える。

また、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）は、本実施形態の構造化照明装置（照明光学系１０）と、前記干渉縞で空間変調された前記標本（５）の画像である変調画像を撮像する撮像素子（３５１、３５２）とを備える。

したがって、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）は、前記標本（５）の超解像に必要な複数枚の変調画像を高速に取得することができる。

また、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）は、前記変調画像に基づき前記標本（５）の復調画像を生成する演算手段（４０）を更に備える。

したがって、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）は、前記標本（５）の超解像画像を高速に生成することができる。

［その他］
なお、上述の各実施形態の要件は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。また、法令で許容される限りにおいて、上述の各実施形態及び変形例で引用した装置などに関する全ての公開公報及び米国特許の開示を援用して本文の記載の一部とする。

１…構造化照明顕微鏡装置、１００…レーザユニット、１１…光ファイバ、１０…照明光学系、３０…結像光学系、３５１…第１撮像素子、３５２…第２撮像素子、３９…制御装置、４０…画像記憶・演算装置、４５…画像表示装置、１２…コレクタレンズ、２３…偏光板、１５…光束分岐部、１６…集光レンズ、２４…光束選択部、２５…レンズ、２６…視野絞り、２７…フィールドレンズ、２８…励起フィルタ、７…ダイクロイックミラー、６…対物レンズ、５…標本、１７…１／２波長板、１８…光束選択部材、１７Ａ…回動機構、２００…０次光シャッタ、２００Ａ…回動機構、１５Ａ…並進機構、１５Ｂ…回動機構、１８Ａ…回動機構

Claims (13)

1. 光源からの射出光束を複数の分岐光束に分岐する分岐部と、
   前記複数の分岐光束のうち、所定数の分岐光束のみを選択する所定数の選択部からなる組を複数有した光束選択部材と、
   選択された前記所定数の分岐光束による干渉縞を標本に形成する光学系と、
   前記複数の分岐光束及び前記光束選択部材の少なくとも一方を前記光学系の光軸周りに回動させ、選択される前記所定数の分岐光束の組み合わせを切り換えることにより、前記干渉縞の方向を切り換える回動機構とを備え、
   前記複数の分岐光束のうち、前記干渉縞の方向切り換えに寄与する一連の分岐光束は、前記光軸周りに第１角度で形成され、
   前記複数の前記組を構成する選択部のうち、前記一連の分岐光束の選択に寄与する一連の選択部は、前記光軸周りに前記第１角度とは異なる第２角度で配置され、
   前記第１角度及び前記第２角度は、９０°以下であり、かつ、それらの最小公倍数は１８０°である
   構造化照明装置。
2. 請求項１に記載の構造化照明装置において、
   前記第１角度及び前記第２角度の一方は９０°、他方は６０°であり、
   前記回動機構は、
   前記複数の分岐光束又は前記光束選択部材を３０°の角度周期で回動させることにより前記干渉縞の方向を６０°の角度周期で切り換える
   構造化照明装置。
3. 請求項１に記載の構造化照明装置において、
   前記第１角度及び前記第２角度の一方は４５°、他方は６０°であり、
   前記回動機構は、
   前記複数の分岐光束又は前記光束選択部材を１５°の角度周期で回動させることにより前記干渉縞の方向を６０°の角度周期で切り換える
   構造化照明装置。
4. 請求項１に記載の構造化照明装置において、
   前記第１角度及び前記第２角度の一方は９０°、他方は３６°であり、
   前記回動機構は、
   前記複数の分岐光束又は前記光束選択部材を１８°の角度周期で回動させることにより前記干渉縞の方向を７２°の角度周期で切り換える
   構造化照明装置。
5. 請求項１に記載の構造化照明装置において、
   前記第１角度及び前記第２角度の一方は２２．５°、他方は６０°であり、
   前記回動機構は、
   前記複数の分岐光束又は前記光束選択部材を７．５°の角度周期で回動させることにより前記干渉縞の方向を６０°の角度周期で切り換える
   構造化照明装置。
6. 請求項１に記載の構造化照明装置において、
   前記第１角度及び前記第２角度の一方は４５°、他方は３６°であり、
   前記回動機構は、
   前記複数の分岐光束又は前記光束選択部材を９°の角度周期で回動させることにより前記干渉縞の方向を３６°の角度周期で切り換える
   構造化照明装置。
7. 請求項１に記載の構造化照明装置において、
   前記第１角度及び前記第２角度の一方は６０°、他方は３６°であり、
   前記回動機構は、
   前記複数の分岐光束又は前記光束選択部材を２４°の角度周期で回動させることにより前記干渉縞の方向を３６°の角度周期で切り換える
   構造化照明装置。
8. 光源からの射出光束を複数の分岐光束に分岐する分岐部と、
   前記複数の分岐光束のうち、所定数の分岐光束のみを選択する所定数の選択部からなる組を複数有した光束選択部材と、
   選択された前記所定数の分岐光束による干渉縞を標本に形成する光学系と、
   前記光束選択部材を前記光学系の光軸周りに回動させ、選択される前記所定数の分岐光束の組み合わせを切り換えることにより、前記干渉縞の方向を切り換える回動機構とを備え、
   前記複数の分岐光束のうち、前記干渉縞の方向切り換えに寄与する一連の分岐光束は、前記光軸周りに６０°で形成され、
   前記複数の前記組を構成する選択部のうち、前記一連の分岐光束の選択に寄与する一連の選択部は、前記光軸周りに９０°、４５°、３０°および１５°で配置される
   構造化照明装置。
9. 請求項１〜請求項８の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
   前記回動機構は、
   前記複数の分岐光束を回動させるために前記分岐部を回動させる
   構造化照明装置。
10. 請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
    前記分岐部は、
    回折光学素子である
    構造化照明装置。
11. 請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
    前記干渉縞の位相をシフトさせる位相シフト手段を更に備える
    構造化照明装置。
12. 請求項１〜請求項１１の何れか一項に記載の構造化照明装置と、
    前記干渉縞で空間変調された前記標本の画像である変調画像を撮像する撮像素子と、
    を備えた構造化照明顕微鏡装置。
13. 請求項１２に記載の構造化照明顕微鏡装置において、
    前記変調画像に基づき前記標本の復調画像を生成する演算手段を更に備える
    構造化照明顕微鏡装置。

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