(57)【要約】      （修正有）【課題】コヒーレント結像によって高解像ながら高い信頼性で対象像を取得することができる顕微鏡及び顕微法を提供する。【解決手段】顕微鏡１００は、コヒーレント光源１０と、コヒーレント光源１０から構造照明用の光Ｌ２１，Ｌ２２を分岐して略対称的な一対の斜め方向から試料面８８ａの試料位置に照射する構造照明部２０と、試料面８８ａの試料位置から射出された散乱光ＬＯ１の分布を対物レンズ４５を介して検出する光検出部６０と、コヒーレント光源１０から参照用の光Ｌ３を分岐して光検出部６０の検出面ＤＳに照射することによって一様な電場シフトを与える参照光照射部３０と、コヒーレント光源１０から通常照明用の光Ｌ４を分岐して対物レンズ４５越しに試料面８８ａの試料位置に照射する基本光照射部４０と、を備える。【選択図】図１
2020067538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源から構造照明用の光を分岐して略対称的な一対の斜め方向から試料位置に照射する構造照明部と、
前記試料位置から射出された散乱光の分布を対物レンズを介して検出する光検出部と、
前記コヒーレント光源から参照用の光を分岐して前記光検出部の検出面に照射することによって一様な電場シフトを与える参照光照射部と、
を備える顕微鏡。
【請求項２】
前記参照光照射部は、前記構造照明部によって照明された前記試料位置から射出され前記光検出部の前記検出面に形成された散乱パターンに位相の異なる参照用の光を干渉させる、請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項３】
前記参照光照射部は、前記光検出部の前記検出面上の前記散乱パターンに重ねて初期位相状態の平面波と、前記初期位相状態とは異なる位相状態の平面波とを順次照射する、請求項２に記載の顕微鏡。
【請求項４】
前記一様な電場シフトに対応して前記光検出部によって検出される光強度の増減から結像電場分布を正負の符号を含めて見積もる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の顕微鏡。
【請求項５】
前記構造照明部は、前記試料位置に形成される光の空間的な照明パターンとしての前記構造照明をシフトさせる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の顕微鏡。
【請求項６】
前記構造照明部は、前記一対の斜め方向から照射する光の位相を相対的にシフトさせる、請求項５に記載の顕微鏡。
【請求項７】
前記構造照明部は、前記試料位置に一対の平面波を照射することによって構造照明を形成する、請求項６に記載の顕微鏡。
【請求項８】
前記一対の斜め方向から照射する光は、強度が等しい、請求項５〜７のいずれか一項に記載の顕微鏡。
【請求項９】
前記コヒーレント光源から通常照明用の光を分岐して前記対物レンズ越しに前記試料位置に照射する基本光照射部をさらに備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の顕微鏡。
【請求項１０】
前記基本光照射部は、前記構造照明部による構造照明がない状態で前記試料位置に平面波を照射する、請求項９に記載の顕微鏡。
【請求項１１】
前記構造照明部及び前記参照光照射部を動作させて前記光検出部によって検出した結像電場分布と、前記基本光照射部を動作させて前記光検出部によって検出した結像電場分布とに基いて、前記構造照明の空間周波数に対応させて空間周波数帯域を拡張した画像を再構成する演算処理部をさらに備える、請求項９及び１０のいずれか一項に記載の顕微鏡。
【請求項１２】
コヒーレント光源からの光を分岐して略対称的な一対の斜め方向から試料位置に照射する構造照明部と、前記試料位置から射出された散乱光の分布を対物レンズを介して検出する光検出部と、前記コヒーレント光源から参照用の光を分岐して前記光検出部の検出面に照射する参照光照射部と、を備える顕微鏡を用いた顕微法であって、
前記試料位置において一対の構造照明を照射して散乱光を取り出すとともに、前記光検出部の検出面で前記参照用の光を干渉させることによって一様な電場シフトを与え、結像電場分布に相当する信号を取得する工程と、
前記一対の構造照明下で得た結像電場分布に相当する信号のフーリエ変換から拡張空間周波数情報を抽出し、逆フーリエ変換することによって、試料像を再構成する、顕微法。
【請求項１３】
前記顕微鏡は、前記コヒーレント光源から通常照明用の光を分岐して前記対物レンズ越しに前記試料位置に照射する基本光照射部をさらに備え、
前記拡張空間周波数情報と、通常照明下で検出した信号のフーリエ変換から得た基本空間周波数情報とを合成し、逆フーリエ変換することによって、試料像を再構成する、請求項１２に記載の顕微法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造照明型の顕微鏡及び顕微法に関し、特にコヒーレント結像によって対象像を取得する顕微鏡及び顕微法に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造照明顕微法（Structured Illumination Microscopy, SIM）は、回折限界を超える光学的超解像顕微法の一つである。これまで光学的超解像法は、主にインコヒーレント結像系で蛍光観察を行うバイオ分野で開発が進められてきた。一方で、光学的計測にはコヒーレント結像系を前提とする用途が存在し、半導体デバイスの欠陥検査はその一例である。
【０００３】
しかしながら、一般的な２光波干渉による定在波を構造照明に用いるとコヒーレント系に特有の干渉が起き、結像が照明の強度分布に線形でなくなるため、強度分布取得では不十分で、電場分布を取得する必要性が生じてくる。一般に撮像素子では、電場分布を直接取得できずその時間平均（強度分布）しか取得できない。この問題を解決するため、３光波の干渉による定在波を構造照明として使うことで、結像を照明の強度分布に線形にするという手法が提案されている（特許文献１参照）。ただし、この手法では、バイアス用振幅で振動するバイアス平面波を精密に形成する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開２０１３−１２５７２３号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、コヒーレント結像によって高解像ながら高い信頼性で対象像を取得することができる顕微鏡及び顕微法を提供することを目的とする。
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る顕微鏡は、コヒーレント光源と、コヒーレント光源から構造照明用の光を分岐して略対称的な一対の斜め方向から試料位置に照射する構造照明部と、試料位置から射出された散乱光の分布を対物レンズを介して検出する光検出部と、コヒーレント光源から参照用の光を分岐して光検出部の検出面に照射することによって一様な電場シフトを与える参照光照射部とを備える。
【０００７】
上記顕微鏡では、参照光照射部がコヒーレント光源から参照用の光を分岐して光検出部の検出面に照射することによって一様な電場シフトを与えるので、構造照明下での結像電場分布に対応する空間周波数情報延いては光学応答分布の信号を取得することができ、コヒーレント光を用いるコヒーレント結像系であっても、高解像ながら高い信頼性で対象像を取得することができる。
【０００８】
本発明の具体的な側面によれば、上記顕微鏡において、参照光照射部は、構造照明部によって照明された試料位置から射出され光検出部の検出面に形成された散乱パターンに位相の異なる参照用の光を干渉させる。この場合、結像電場分布に対して直接的に一様な電場シフトを与えることができる。
【０００９】
本発明の別の側面によれば、参照光照射部は、光検出部の検出面上の散乱パターンに重ねて初期位相状態の平面波と、初期位相状態とは異なる位相状態の平面波とを順次照射する。
【００１０】
本発明のさらに別の側面によれば、一様な電場シフトに対応して光検出部によって検出される光強度の増減から結像電場分布を正負の符号を含めて見積もる。この場合、結像電場分布に相当する信号を符号を含めて取得することができ、結像電場分布の信号に対してフーリエ変換を行うことができる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面によれば、構造照明部は、試料位置に形成される光の空間的な照明パターンとしての構造照明をシフトさせる。この場合、一対の構造照明を試料位置に形成することができ、構造照明により周波数シフトした試料信号成分を算術的に分離でき、超解像情報を抽出することができる。
【００１２】
本発明のさらに別の側面によれば、構造照明部は、一対の斜め方向から照射する光の位相を相対的にシフトさせる。この場合、構造照明の位相をシフトさせた一対の結像電場分布に相当する信号を取得することができる。
【００１３】
本発明のさらに別の側面によれば、構造照明部は、試料位置に一対の平面波を照射することによって構造照明を形成する。
【００１４】
本発明のさらに別の側面によれば、一対の斜め方向から照射する光は、強度が等しい。
【００１５】
本発明のさらに別の側面によれば、コヒーレント光源から通常照明用の光を分岐して対物レンズ越しに試料位置に照射する基本光照射部をさらに備える。この場合、一様照明に対応する低周波数成分に対応する光学応答分布を含めた対象像の再生が可能になる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面によれば、基本光照射部は、構造照明部による構造照明がない状態で試料位置に平面波を照射する。この場合、一様強度分布の照明による光学応答分布を得ることができる。
【００１７】
本発明のさらに別の側面によれば、構造照明部及び参照光照射部を動作させて光検出部によって検出した結像電場分布と、基本光照射部を動作させて光検出部によって検出した結像電場分布とに基いて、構造照明の空間周波数に対応させて空間周波数帯域を拡張した画像を再構成する演算処理部をさらに備える。この場合、構造照明を利用した高解像成分を含む対象画像を得ることができる。
【００１８】
上記目的を達成するため、本発明に係る顕微法は、コヒーレント光源からの光を分岐して略対称的な一対の斜め方向から試料位置に照射する構造照明部と、試料位置から射出された散乱光の分布を対物レンズを介して検出する光検出部と、コヒーレント光源から参照用の光を分岐して光検出部の検出面に照射する参照光照射部と、を備える顕微鏡を用いた顕微法であって、試料位置において一対の構造照明を照射して散乱光を取り出すとともに、光検出部の検出面で参照用の光を干渉させることによって一様な電場シフトを与え、結像電場分布に相当する信号を取得する工程と、一対の構造照明下で得た結像電場分布に相当する信号のフーリエ変換から拡張空間周波数情報を抽出し逆フーリエ変換することによって、試料像を再構成する。
【００１９】
上記顕微法では、試料位置において一対の構造照明を照射して散乱光を取り出すとともに光検出部の検出面で参照用の光を干渉させることによって一様な電場シフトを与えるので、構造照明下で結像電場分布に対応する空間周波数情報延いては光学応答分布の信号を取得することができ、コヒーレント光を用いるコヒーレント結像系であっても、高解像ながら高い信頼性で対象像を取得することができる。
【００２０】
本発明の具体的な側面によれば、上記顕微法において、顕微鏡がコヒーレント光源から通常照明用の光を分岐して対物レンズ越しに試料位置に照射する基本光照射部をさらに備え、拡張空間周波数情報と、通常照明下で検出した信号のフーリエ変換から得た基本空間周波数情報とを合成し、逆フーリエ変換することによって、試料像を再構成する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態の観察装置について基本構造を説明するブロック図である。
【図２】ステージの試料面の状態に関する概念的な平面図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、結像電場分布の正負を含めた算出方法の具体例を説明するチャートである。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は、結像電場分布の正負を含めた算出方法の具体例を説明するチャートである。
【図５】図１等に示す顕微鏡の動作例の概要について説明する。
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は、元のサンプルパターンと、比較例の通常照明による解像と、実施形態の顕微鏡で達成される超解像とを説明する図である。
【図７】（Ａ）は、図６に示すサンプルパターンに対して構造照明や一様強度照明を行った場合の結像電場分布を説明するグラフであり、（Ｂ）は、再現されたサンプルの空間周波数成分を説明するグラフである。
【図８】（Ａ）〜（Ｈ）は、第１の照明条件でサンプルの２点間隔を変化させつつ顕微鏡の分解能を計算した結果を示す。
【図９】（Ａ）〜（Ｈ）は、第２の照明条件でサンプルの２点間隔を変化させつつ顕微鏡の分解能を計算した結果を示す。
【図１０】（Ａ）及び（Ｂ）は、第２の照明条件でサンプルの２点間隔を変化させつつ顕微鏡の分解能を計算した結果を示す。
【図１１】（Ａ）〜（Ｇ）は、第３の照明条件でサンプルの２点間隔を変化させつつ顕微鏡の分解能を計算した結果を示す。
【図１２】（Ａ）〜（Ｇ）は、第４の照明条件でサンプルの２点間隔を変化させつつ顕微鏡の分解能を計算した結果を示す。
【図１３】（Ａ）〜（Ｆ）は、第５の照明条件でサンプルの２点間隔を変化させつつ顕微鏡の分解能を計算した結果を示す。
【図１４】（Ａ）〜（Ｃ）は、元のサンプルパターンと、比較例の通常照明による解像と、実施形態の顕微鏡で達成される超解像とを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図１等を参照して、本発明に係る一実施形態の顕微鏡について説明する。本顕微鏡１００は、構造照明顕微鏡であり、コヒーレント光源１０と、構造照明部２０と、参照光照射部３０と、基本光照射部４０と、対物系５０と、光検出部６０と、制御部９０とを備える。図示の顕微鏡１００において、水平平面に対応するｘｙ面は、ステージ８８の試料面８８ａに平行になっている。
【００２３】
コヒーレント光源１０は、半導体レーザその他のレーザ装置を備え、コヒーレント光としてのレーザ光Ｌ１を射出する。コヒーレント光源１０は、詳細な構造の説明を省略するが、例えばコリメータ等の光学要素を付随させたものとすることができる。
【００２４】
構造照明部２０は、ビームスプリッタ２１と、可動ミラー２２と、第１斜照明ミラー２４と、第２斜照明ミラー２５と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）８２と、第１シャッター２８とを備え、コヒーレント光源１０から構造照明用の光Ｌ２を分岐することによって得た構造照明光Ｌ２１，Ｌ２２を、対称的な一対の斜め方向から試料位置であるステージ８８の試料面８８ａ上に照射する。ビームスプリッタ２１は、偏光ビームスプリッタ８２からの光Ｌ２を１：１の比で分岐する。可動ミラー２２は、平面ミラーであり、ビームスプリッタ２１からの光Ｌ２２を反射して第２斜照明ミラー２５に入射させる。第１斜照明ミラー２４は、ステージ８８の試料面８８ａ又は試料面８８ａ上の被検面ＯＳつまりサンプルに対して傾斜角又は入射角θで斜め右上方向から光Ｌ２１を入射させることで被検面ＯＳ等を照明する。第２斜照明ミラー２５は、平面ミラーであり、試料面８８ａ又は被検面（サンプル）ＯＳに対して傾斜角又は入射角θで斜め左上方向から光Ｌ２２を入射させることで被検面ＯＳ等を照明する。斜入射光である光Ｌ２１，Ｌ２２によって定在波である構造照明が形成される。構造照明を形成するための斜入射光である光Ｌ２１，Ｌ２２は、紙面に垂直なｙ方向に偏光した光であり、電場がｙ方向に平行に設定されている。可動ミラー２２には、ピエゾ素子等からなるミラー駆動部２３が付随しており、可動ミラー２２を例えばｘ方向に微小移動させることで光Ｌ２２に対して位相シフトを与えることができる。
【００２５】
偏光ビームスプリッタ８２は、λ／２波長板８１と協働して紙面に垂直でｙ方向に偏光した光Ｌ２を反射してビームスプリッタ２１に導くとともに、紙面に平行なｚ方向に偏光した光Ｌ１２を透過させてビームスプリッタ８３に導く。ここで、λ／２波長板８１の回転角の調整により、構造照明部２０に入射させる構造照明用の光Ｌ２の相対的な強度を調整することができる。
【００２６】
参照光照射部３０は、可動ミラー３１と、ビームエキスパンダ３３と、レンズ３４と、ミラー３５と、ビームスプリッタ８３と、第２シャッター３８とを備え、コヒーレント光源１０から参照用の光Ｌ３を分岐して光検出部６０の検出面ＤＳに照射することによって検出面ＤＳ上の結像電場分布に対して一様な電場のシフトつまり光電界のシフトを与える。可動ミラー３１は、平面ミラーであり、ビームスプリッタ８３からの光Ｌ３を反射し、ビームエキスパンダ３３及びレンズ３４を介してミラー３５に入射させる。ここで、ビームエキスパンダ３３は、参照用の光Ｌ３のビーム径を拡大する。レンズ３４は、対物系５０に設けたレンズ５３と協働して、参照用の光Ｌ３をコリメートして光検出部６０の検出面ＤＳ上に平面波として垂直入射させる。可動ミラー３１には、ピエゾ素子等からなるミラー駆動部３２が付随しており、可動ミラー３１を例えばｘ方向に微小移動させることで光Ｌ３に対して位相シフトを与えることができる。
【００２７】
ビームスプリッタ８３は、紙面に平行でｚ方向に偏光した光Ｌ１２を部分的に透過させ、参照用の光Ｌ３としてλ／２波長板８４及び偏光板８５に入射させるとともに、同様の偏光である光Ｌ４を基本光照射部４０に導く。ここで、λ／２波長板８１の回転角の調整により、可動ミラー３１に入射させる参照用の光Ｌ３の相対的な強度を調整することができる。
【００２８】
基本光照射部４０は、ビームエキスパンダ４１と、λ／２波長板４２と、レンズ４３と、ビームスプリッタ５１と、対物レンズ４５と、第３シャッター４８とを備える落射照明系であり、コヒーレント光源１０から通常照明用の光Ｌ４を分岐して対物レンズ４５越しに試料位置であるステージ８８の試料面８８ａ又は被検面ＯＳに照射する。ビームエキスパンダ４１は、通常照明用の光Ｌ４のビーム径を拡大する。λ／２波長板４２は、その回転角の調整により、対物レンズ４５に入射させる通常照明用の光Ｌ４の偏光方向を適宜設定することができる。レンズ４３は、通常照明用の光Ｌ４を一旦集光する。ビームスプリッタ５１は、レンズ４３を経た通常照明用の光Ｌ４を透過させることによって対物レンズ４５に入射させる。対物レンズ４５から射出されステージ８８の試料面８８ａに入射する光Ｌ４は、コリメートされ、試料面８８ａ上に平面波として垂直入射する。つまり、通常照明用の光Ｌ４は落射照明として用いられる。
【００２９】
対物系５０は、対物レンズ４５と、ビームスプリッタ５１と、偏光板５２と、レンズ５３とを備え、ステージ８８の試料面８８ａ又は被検面ＯＳに形成された像を光検出部６０の検出面ＤＳ上に投影する。具体的には、構造照明部２０による構造照明の照明パターンによって照明された試料面８８ａ上の被検面（サンプル）ＯＳによる散乱光ＬＯ１の散乱パターンが、対物系５０を介して検出面ＤＳに投影される。この散乱光ＬＯ１に対して参照光照射部３０によって参照用の光Ｌ３を照射することで、被検面（サンプル）ＯＳによる散乱光ＬＯ１の散乱パターンと、参照用の一様な平面波である光Ｌ３とを検出面ＤＳ上で干渉させ、検出面ＤＳ上の散乱光ＬＯ１の散乱パターンに対して一様な電場シフトを与えることができる。また、基本光照射部４０による一様照明によって照明された試料面８８ａ上の被検面（サンプル）ＯＳによる非構造照明型の散乱光ＬＯ２の散乱パターンが、対物系５０を介して検出面ＤＳに投影される。
【００３０】
光検出部６０は、ＣＣＤセンサ、ＣＯＭＳセンサ等の２次元光センサ６１で構成され、駆動回路６３を付随させたものとなっている。
【００３１】
ステージ８８は、駆動部８９上に支持されており、ｘｙ面に沿って２次元的に移動可能であり、ｚ方向に移動して対物レンズ４５に対する位置合わせが可能になっている。
【００３２】
図２は、ステージ８８の試料面８８ａの概念的な平面図であり、試料面８８ａの観察領域ＡＲには、構造照明用の光Ｌ２１，Ｌ２２によってｙ方向に延びｘ方向に等間隔で周期的に配列されたストライプ状の強弱パターン又は波形である照明パターン（構造照明）ＩＰが形成されている。
【００３３】
図１に戻って、制御部９０は、コヒーレント光源１０、構造照明部２０、参照光照射部３０、基本光照射部４０、及び光検出部６０の動作を統括的に制御している。制御部９０は、コンピューターであり、演算処理部９１を有している。演算処理部９１は、光検出部（撮像部）６０によって得た画像に対して各種のデジタル信号処理を行うことができ、特に得られた信号に対して必要な判定処理、フーリエ変換、逆フーリエ変換等を含む各種演算処理を行うことができ、超解像画像の再構築を行う。具体的には、制御部９０は、第１〜第３シャッター２８，３８，４８を適宜開閉動作させることにより照明状態を切り換えることができる。構造照明部２０によって構造照明を行う場合、第１シャッター２８を開状態にし、かつ、第２シャッター３８及び第３シャッター４８を閉状態にする。構造照明によって得た強度分布から符号を含めた結像電場分布を得る際には、第１シャッター２８及び第２シャッター３８を開状態にし、かつ、第３シャッター４８を閉状態にする。また、基本光照射部４０によって一様照明を行う場合、第３シャッター４８を開状態にし、第１シャッター２８及び第２シャッター３８を閉状態にする。構造照明部２０によって構造照明を行う場合、制御部９０は、照明パターンＩＰに位相シフトを与える目的で、構造照明部２０の可動ミラー２２をシフトさせて構造照明用の光Ｌ２１に位相シフトを与える。さらに、構造照明部２０によって構造照明を行う場合、制御部９０は、光検出部６０の検出面ＤＳ上に形成される構造照明下の結像電場分布について正負の符号を含めて見積もる目的で、参照光照射部３０の可動ミラー３１をシフトさせて参照用の光Ｌ３に位相シフトを与える。演算処理部９１は、構造照明部２０及び参照光照射部３０を動作させて光検出部６０によって検出した一対の結像電場分布に対してフーリエ変換を行って、空間周波数領域において一様強度照明型の光学系の空間周波数帯域の外側に離間した一対の電場変換関数を算出する。さらに、演算処理部９１は、基本光照射部４０を動作させて光検出部６０によって検出した結像電場分布に対してフーリエ変換を行って従来的光学系の空間周波数帯域で電場変換関数を算出する。演算処理部９１は、構造照明由来の電場変換関数と一様強度照明による電場変換関数とを繋ぎ合わせた広帯域のフーリエ変換信号を合成し、合成された広帯域のフーリエ変換信号に対して逆フーリエ変換を行って空間周波数帯域を拡張した画像を再構成する。
【００３４】
ここで、顕微鏡１００による超解像の原理について説明する。実施形態の顕微鏡１００のようなコヒーレント結像系では、結像過程で光波の電場レベルの干渉が起こるため、取得される結像強度分布から電場分布を推定することが必要である。インコヒーレント結像系におけるＳＩＭでは、試料の光学応答が構造照明の光強度（電場の時間平均）に対して線形であると仮定するため、試料分布は（非負である）照明強度に対する係数として表現される。しかしコヒーレント結像系では、試料の発する光波の可干渉性のため、試料分布は（負値を取り得る）照明電場に対する係数として記述する必要がある。試料分布（散乱効率分布、すなわち照明電場に対する光学応答係数）をＳ（ｘ）、コヒーレント光源による２光束干渉定在波照明の電場分布をＩ（ｘ）、光学系の点像分布関数をＨ（ｘ）とすると、試料からの散乱光が結像面に形成する電場分布Ｄ（ｘ）は次式で表される。
2020067538.tif 000003
ここでＩ０，ｐ，ｘ，φ０は、それぞれ電場の振幅、構造照明の空間周波数、位置、及び初期位相を表し、｛Ｉ（ｘ）・Ｓ（ｘ）｝とＨ（ｘ）との間の演算記号は畳み込み積分を表す。定在波の電場分布の正確な記述は時間項を含むが、定在波の隣り合うピークに属する領域の電場の位相が各時刻でπだけ異なることを表すために、ここでは時間項を省略し定在波を静的に表現する。式（１）の両辺をフーリエ変換（ＦＸはＸのフーリエ変換を表す）して次式を得る。
2020067538.tif 000004
ここで、構造照明の位相をφ１だけシフトさせた画像を取得し式（２）を連立することで、２つの未知数ＦＳ（ｋ＋ｐ）及びＦＳ（ｋ−ｐ）について解くことができる。拡張空間周波数情報としてのＦＳ（ｋ＋ｐ）及びＦＳ（ｋ−ｐ）と、一様強度分布照明による結像電場分布（結像強度分布の平方根）に基づいて得られる基本空間周波数情報としてのＦＳ（ｋ）とを周波数空間内で結合することにより、周波数ｐだけ帯域が拡大された超解像画像を得ることができる。
【００３５】
以上では、説明を簡単にするため、１次元的な試料パターン、つまり１次元的な光学応答パターンを有するサンプルを前提として説明を行ったが、２次元的な光学応答パターンを有するサンプルについても同様の処理が可能である。ただしこの場合、ｘ方向及びｙ方向に関して結像電場分布のフーリエ変換を行って、ｘ方向に拡張した一対の空間周波数情報を得る。さらに、ｘ方向に拡張した一対の空間周波数情報と、一様強度分布照明による結像電場分布から得た空間周波数情報とを結合することにより、少なくともｘ方向に関して周波数ｐだけ帯域が拡大された２次元的な超解像画像を得ることができる。以上のような２次元のフーリエ変換処理については、公知の手法（例えば、Lal, Amit, Chunyan Shan, and Peng Xi. "Structured illumination microscopy image reconstruction algorithm." IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 22.4 (2016): 50-63.）を用いることができる。
【００３６】
コヒーレント結像系において試料の光学応答係数等を扱う場合、上記のように試料面８８ａ上の試料からの散乱光を、正負の値を取り得る電場分布として取り扱う必要がある。一般にＣＣＤセンサ等の撮像素子による計測では、結像面である検出面ＤＳで高速で変動する電場の時間平均（電場の自乗）が得られるが、電場そのものを得ることはできない。そこで、定在波による散乱光が２通りの位相しか取り得ないという性質に着目して検出面ＤＳにおける電場分布を推定する。試料による散乱光の位相は照明の位相に依存するため、散乱光の干渉現象に着目すると、検出面ＤＳにおける散乱光の位相は、定在波のそれに対応して０（正）またはπ（負）のいずれかの値をとるとみなすことができる。そこで、散乱光と同じ波長を持つ平面波（図１に光Ｌ３として示す参照光）を検出面ＤＳに垂直に入射させ散乱光と干渉させることで、検出面ＤＳにおける結像電場分布を推定することができる。散乱光の位相は２通りしかないため、上記参照光の位相を１回シフトさせ結像強度分布の増減をみることで結像面である検出面ＤＳ内の任意の位置の電場が推定可能になる。
【００３７】
図３（Ａ）は、構造照明されている試料面８８ａ上のサンプルからの散乱光によって光検出部６０の検出面ＤＳ上に形成される光強度分布を説明するチャートであり、図３（Ｂ）は、構造照明されている試料面８８ａ上のサンプルからの散乱光によって光検出部６０の検出面ＤＳ上に形成される散乱パターンに対して参照光を干渉させて形成される光強度分布を説明するチャートである。図３（Ａ）及び３（Ｂ）において、横軸は位置を示し、縦軸は光強度を示す。図３（Ｃ）は、構造照明されている試料面８８ａ上のサンプルからの散乱光によって光検出部６０の検出面ＤＳ上に形成される散乱パターンのみの結像電場分布であって、正負の符号を含むものを示している。図３（Ｃ）において、横軸は図３（Ａ）及び３（Ｂ）と同様となっている。以上の具体例において、コヒーレント光源１０から射出させるレーザ光Ｌ１の波長λを４８８ｎｍとし、対物レンズ４５のＮＡを０．４とし、構造照明の入射角度θを４５度としている。試料面８８ａ上のサンプルパターンは、ストライプパターンであって、間隔を１００ｎｍ間隔から９００ｎｍ間隔まで５０ｎｍ単位で増加させたものとなっている（後述する図６（Ａ）参照）。
【００３８】
図３（Ｃ）に示すような結像電場分布（曲線ｃ１）について２次元光センサ６１によって計測を行った場合、検出される信号は、図３（Ａ）で示すように負の成分を反転させて自乗をとった光強度分布（曲線ｃ２）となる。このような光強度分布（曲線ｃ２）からは、図３（Ｃ）に示すような結像電場分布（曲線ｃ１）の絶対値は得られても、曲線ｃ１の符号を判断することができない。そこで、構造照明されている試料面８８ａ上のサンプルからの散乱光によって光検出部６０の検出面ＤＳ上に形成される散乱パターンのみの結像電場分布（曲線ｃ１）に対して所定の一様な電場成分を与える参照光を付加又は干渉させた状態と、元の結像電場分布（曲線ｃ１）に対して位相の異なる一様な電場分布を与える参照光を付加又は干渉させた状態とを比較する。図３（Ｂ）において、実線で示す曲線ｃ２１は、図３（Ｃ）に示す曲線ｃ１に対して一様な電場成分を与える参照光、具体的には初期位相状態（便宜上位相ゼロとも呼ぶ）の平面波を干渉させた結像電場分布であり、破線で示す曲線ｃ２２は、図３（Ｃ）に示す曲線ｃ１に対して曲線ｃ２１における参照光とは位相の異なる一様な電場成分を与える参照光、つまり初期位相状態とは異なる位相状態の平面波であって、具体的には元に対して位相π／２だけずらした平面波を干渉させた結像電場分布である。図からも明らかなように、位相０の場合の曲線ｃ２１に対して、位相π／２の場合の曲線ｃ２２を比較すると、ピークが高くなる箇所とピークが低くなる箇所が現れており、各ピークについて自乗前の元のピークの正負を判定し仕分けることができる。
【００３９】
図４（Ａ）〜４（Ｃ）は、試料面８８ａ上の構造照明の位置を位相シフトによって変更した場合を説明するものであり、図３（Ａ）〜３（Ｃ）にそれぞれ対応する。図４（Ｂ）において、実線で示す曲線ｃ２１は、図４（Ｃ）に示す曲線ｃ１に対して所定の一様な電場成分を与える参照光、具体的には初期位相状態（つまり位相ゼロ）の平面波を干渉させた結像電場分布であり、破線で示す曲線ｃ２２は、図４（Ｃ）に示す曲線ｃ１に対して曲線ｃ２１における参照光とは位相の異なる一様な電場成分を与える参照光、つまり初期位相状態とは異なる位相状態の平面波であって、具体的には元に対して位相π／２だけずらした平面波を干渉させた結像電場分布である。図からも明らかなように、位相ゼロの場合の曲線ｃ２１に対して、位相π／２の場合の曲線ｃ２２を比較すると、ピークが高くなる箇所とピークが低くなる箇所が現れており、各ピークについて自乗前の元のピークの正負を判定し仕分けることができる。
【００４０】
以上から明らかなように、検出面ＤＳ上の散乱パターン（曲線ｃ１）に重ねて一対の位相が異なる参照用の平面波を照射して曲線ｃ２１，ｃ２２が得られたとして、それらの各部の光強度の増減から、参照光のない状態で構造照明されている試料面８８ａ上のサンプルからの散乱光によって光検出部６０の検出面ＤＳ上に形成される散乱パターンのみの結像電場分布（散乱パターン）の正負の符号を判定することができ、検出面ＤＳで検出された強度パターンの平方根の分布に対して上記手法で判定した正負の符号を付すことで、実際の結像電場分布（曲線ｃ１に相当するもの）を正負の符号を含めて見積もることができる。
【００４１】
以上の手法は、結像電場分布（曲線ｃ１）に加算する正の電場成分が結像電場分布（曲線ｃ１）のピークに対して低い場合のみならず、結像電場分布（曲線ｃ１）に加算する正の電場成分が結像電場分布（曲線ｃ１）のピークよりも大きい場合であっても成立し、結像電場分布（曲線ｃ１）を正負の符号を含めて見積もることができる。
【００４２】
図５を参照して、図１等に示す顕微鏡１００の動作例の概要について説明する。まず、ステージ８８の試料面８８ａ上に試料を配置する（ステップＳ１１）。その後、演算処理部８０は、第１シャッター２８を開状態にし、第２シャッター３８及び第３シャッター４８を閉状態として、構造照明部２０によって第１の構造照明を行うとともに散乱パターンを計測する（ステップＳ１２）。これにより、参照光を含まない散乱光ＬＯ１を検出面ＤＳに入射させることになり、構造照明の影響を受けた試料について検出面ＤＳ上で結像パターンの強度分布を得ることができる。次に、第２シャッター３８の状態のみを変更して開状態にして、構造照明部２０及び参照光照射部３０によって結像電場分布の符号チェックのための第１計測を行う（ステップＳ１３）。この際、参照光照射部３０によって照明された被検面（サンプル）ＯＳによる散乱光ＬＯ１の散乱パターンと、参照用の一様な平面波である光Ｌ３とを検出面ＤＳ上で干渉させて干渉パターンの強度分布を得るが、光Ｌ３の位相を初期位相状態として元の散乱光ＬＯ１と同様のピークパターンを有する信号波形を得る。次に、参照光照射部３０の可動ミラー３１を動作させて参照用の一様な平面波である光Ｌ３に対して予め設定した任意の位相シフトΔを与えることで、散乱光ＬＯ１と位相が変化した光Ｌ３とを干渉させてピーク値に変化を与えた干渉パターンの強度分布を得る第２計測を行う（ステップＳ１４）。以上の第１計測及び第２計測によって結像電場分布の符号の正負を判定するための情報を得ることができ、ステップＳ１２で得た結像パターンの強度分布から正負の符号を含めた結像電場分布を算定することができる。次に、演算処理部８０は、第２シャッター３８の状態のみを変更して閉状態にするとともに、構造照明部２０の可動ミラー２２を動作させて構造照明用の光Ｌ２１に位相シフトを与えるとともに散乱パターンを計測する（ステップＳ１５）。位相シフト量は、例えばπ／２とするがこれに限るものではない。これにより、参照光を含まない散乱光ＬＯ１を検出面ＤＳに入射させることになり、位相シフト後の第２の構造照明の影響を受けた試料について検出面ＤＳ上で結像パターンの強度分布を得ることができる。つまり、一対の構造照明のうちの一方である第１の構造照明から一対の構造照明のうちの他方である第２の構造照明に切り換えることによって、試料面８８ａに形成される光の空間的な照明パターンをシフトさせる。次に、第２シャッター３８の状態のみを変更して開状態にして、及び参照光照射部３０によって結像電場分布の符号チェックのための第３計測を行う（ステップＳ１６）。この際、参照光照射部３０によって照明された被検面（サンプル）ＯＳによる散乱光ＬＯ１の散乱パターンと、参照用の一様な平面波である光Ｌ３とを検出面ＤＳ上で干渉させて干渉パターンの強度分布を得るが、光Ｌ３の位相を初期位相状態として元の散乱光ＬＯ１と同様のピークパターンを有する信号波形を得る。次に、参照光照射部３０の可動ミラー３１を動作させて参照用の一様な平面波である光Ｌ３に対して任意の位相シフトΔを与えることで、散乱光ＬＯ１と位相が変化した光Ｌ３とを干渉させてピーク値に変化を与えた干渉パターンの強度分布を得る第４計測を行う（ステップＳ１７）。以上の第３計測及び第４計測によって結像電場分布の符号の正負を判定するための情報を得ることができ、ステップＳ１５で得た結像パターンの強度分布から正負の符号を含めた結像電場分布を算定することができる。なお、後述するフーリエ変換に先立ってステップＳ１４で得られる第１の構造照明による結像電場分布の符号の与え方（又は符号の定義）と、ステップＳ１７で得られる第２の構造照明による結像電場分布の符号の与え方（又は符号の定義）とを簡易に一致させる手法として、ステップＳ１６の動作開始前に例えば可動ミラー３１の位置を元に戻してステップＳ１６の第３計測での参照光の位相状態をテップＳ１３の第１計測での参照光の位相状態と略一致させる。さらに、ステップＳ１７の第４計測での位相シフトΔをステップＳ１４の第２計測での位相シフトΔと略一致させる。その後、演算処理部８０は、第３シャッター４８を開状態にし、第１シャッター２８及び第２シャッター３８を閉状態として、基本光照射部４０によって一様強度照明を行う（ステップＳ１８）。この際、基本光照射部４０によって照明された被検面（サンプル）ＯＳによる非構造照明型の散乱光ＬＯ２の散乱パターンを検出面ＤＳ上に形成して結像パターンの強度分布を得る。散乱光ＬＯ２の強度分布は、結像電場分布に換算される。一様強度照明について結像電場分布を得る際には、例えば結像電場分布が正又は負に一様として処理できる。さらに、一様強度照明の結像電場分布については、例えば後述するフーリエ変換後において空間周波数の信号成分が重複する境界領域での波形の整合性又は連続性を判定して、ステップＳ１４，S１７で得た構造照明下での結像電場分布に対して正負の符号の整合性を確保することができる。なお、一様強度照明について結像電場分布を得る際にも、構造照明と同様に参照光を利用して正負の符号を判定することができ、符号を含む結像電場分布を算出することができる。演算処理部９１は、ステップＳ１４で取得した結像電場分布と、ステップＳ１７で取得した結像電場分布とに対してフーリエ変換を行うとともに、ステップＳ１８で取得した結像電場分布に対してフーリエ変換を行う（ステップＳ１９）。ステップＳ１４で取得した結像電場分布に対してフーリエ変換を行った電場変換関数ＦＤ１（ｋ）と、ステップＳ１７で取得した結像電場分布に対してフーリエ変換を行った電場変換関数ＦＤ２（ｋ）とから、試料面８８ａ上に試料の光学応答分布のフーリエ変換ＦＳ（ｋ＋ｐ），ＦＳ（ｋ−ｐ）を得ることができ、ステップＳ１８で取得した結像電場分布に対してフーリエ変換等を行って直接的に電場変換関数ＦＳ（ｋ）が得られる。次に、演算処理部９１は、ステップＳ１９で得た関数ＦＳ（ｋ＋ｐ），ＦＳ（ｋ−ｐ），ＦＳ（ｋ）を空間周波数内で結合し、構造照明由来の結像電場分布と一様強度照明による結像電場分布とを繋ぎ合わせた広帯域のフーリエ変換信号を取得する（ステップＳ２０）。具体的には、例えば空間周波数の境界領域で平均化や切り捨て処理を行う。最後に、演算処理部９１は、合成された広帯域のフーリエ変換信号に対して逆フーリエ変換を行って絶対値をとり空間周波数帯域を拡張した高解���の画像を再構成する（ステップＳ２１）。
【００４３】
以上で説明した実施形態の顕微鏡１００では、参照光照射部３０がコヒーレント光源１０から参照用の光Ｌ３を分岐して光検出部６０の検出面ＤＳに照射することによって一様な電場シフトを与えるので、構造照明下での結像電場分布に対応する空間周波数情報延いては光学応答分布の信号を取得することができ、コヒーレント光を用いるコヒーレント結像系であっても、高解像ながら高い信頼性で対象像を取得することができる。
【００４４】
以下、図６（Ａ）〜６（Ｃ）、並びに、図７（Ａ）及び７（Ｂ）を参照して、具体的な演算処理について説明する。
【００４５】
図６（Ａ）は、元のサンプルパターンの具体例を示す図である。図６（Ｂ）は、顕微鏡１００において構造照明を用いない場合に達成される解像の結果を説明する図であり、図６（Ｃ）は、実施形態の顕微鏡１００において構造照明を用いて達成される超解像の結果を説明する図である。横軸は位置を示し、縦軸は散乱効率を示す。縦軸は試料の存在を示す指標として散乱のしやすさの度合いとしての散乱効率を表すが、一様強度照明下の観察像の曲線については、これに代えて像強度分布をプロットしている。元のサンプルパターン（図６（Ｂ）及び６（Ｃ）では破線）は、１００ｎｍ間隔から９００ｎｍ間隔まで５０ｎｍ単位で間隔を増加させたものとなっている。
【００４６】
図７（Ａ）は、図６（Ａ）に示すサンプルパターンに対して構造照明や一様強度照明を行った場合の結像電場分布を説明するグラフである。横軸は位置を示し、縦軸は電場の値を示す。このシミュレーションにおいて、コヒーレント光源１０から射出させるレーザ光Ｌ１の波長λを４８８ｎｍとし、入射角度θを４５度とし、対物レンズ４５のＮＡを０．４としている。実線及び破線は、位相を変えた第１及び第２構造照明下で取得した画像に対応するものであり、点線又は薄い線は、一様強度照明で取得した画像に対応するものである。図７（Ｂ）は、再現されたサンプルの空間周波数成分を説明するグラフである。中央にピークを有する実線が一様強度照明によって得た空間周波数成分であり、左右にピークを有する破線が構造照明を利用して得た空間周波数成分であり、点線で表されたサンプルが本来持っている周波数成分が概ね復元されていることがわかる。
【００４７】
顕微鏡によって取得可能な最大空間周波数は、一般的な一様強度照明では、波長をλとして、ＮＡ／λとなる。一方、実施形態の顕微鏡１００で達成される最小空間周波数は、ＮＡ／λ＋ｓｉｎθ／λとなる。波長λを４８８ｎｍとし、入射角度θを４５度とした場合、一般的な一様強度照明では、解像可能な間隔が１２２０ｎｍとなり、実施形態の顕微鏡１００では、解像可能な間隔が４４０ｎｍとなることを意味する。一般的な一様強度照明によって再構成された画像（図６（Ｂ）の実線参照）と、実施形態の構造照明を用いて結像電場分布から再構成された画像（図６（Ｃ）の実線参照）とを比較すると、実施形態の構造照明によってサンプル間隔４５０ｎｍあたりまで解像が可能であることが分かる。一方、一般的な一様強度照明では、９００ｎｍの間隔でさえ解像が容易でないことが分かる。
【００４８】
以下、近接する２点からなるサンプルの観察に関する解像（２点解像）について説明する。
【００４９】
図８（Ａ）〜８（Ｈ）は、コヒーレント光源１０から射出させるレーザ光Ｌ１の波長λを４８８ｎｍとし、入射角度θを４５度とし、対物レンズ４５のＮＡを０．４とした場合の解像結果を示している。各グラフにおいて、横軸は位置を示し、縦軸は散乱効率を示す。ここで、一様強度照明下の観察像の曲線については、これに代えて像強度分布をプロットしている。各グラフにおいて、縦に延びる破線は、サンプルの２点ピークを示し、実線は、実施形態の構造照明を利用した解像を示し、点線又は薄い線は、一般的な一様強度照明を利用した解像を示す。以上の点は、以下の解像例でも同様であり、以下では重複説明を省略する。
【００５０】
図８（Ａ）は、サンプルの２点間隔が３００ｎｍの場合を示し、図８（Ｂ）は、サンプルの２点間隔が３２０ｎｍの場合を示し、図８（Ｃ）は、サンプルの２点間隔が３５０ｎｍの場合を示し、図８（Ｄ）は、サンプルの２点間隔が４００ｎｍの場合を示し、図８（Ｅ）は、サンプルの２点間隔が４５０ｎｍの場合を示し、図８（Ｆ）は、サンプルの２点間隔が５００ｎｍの場合を示し、図８（Ｇ）は、サンプルの２点間隔が８００ｎｍの場合を示し、図８（Ｈ）は、サンプルの２点間隔が９００ｎｍの場合を示す。解像の定義によるが、実施形態の構造照明では、図８（Ｃ）に示す３５０ｎｍ間隔の２点についての再構成で十分な解像が達成されているが、比較例の一様強度照明では、図８（Ｈ）に示す９００ｎｍ間隔の２点についてさえ十分な分離ができていないことが分かる。なお、既述のように、一様強度照明では、理論的に解像可能な間隔が１２２０ｎｍとなり、実施形態の顕微鏡１００では、理論的に解像可能な間隔が４４０ｎｍとなるので、上記図示の解像結果は理論的分解能と整合している。
【００５１】
図９（Ａ）〜９（Ｈ）及び図１０（Ａ）及び１０（Ｂ）は、コヒーレント光源１０から射出させるレーザ光Ｌ１の波長λを４８８ｎｍとし、入射角度θを６０度とし、対物レンズ４５のＮＡを０．５とした場合の解像結果を示している。図９（Ａ）は、サンプルの２点間隔が２００ｎｍの場合を示し、図９（Ｂ）は、サンプルの２点間隔が２５０ｎｍの場合を示し、図９（Ｃ）は、サンプルの２点間隔が３００ｎｍの場合を示し、図９（Ｄ）は、サンプルの２点間隔が３２０ｎｍの場合を示し、図９（Ｅ）は、サンプルの２点間隔が３５０ｎｍの場合を示し、図９（Ｆ）は、サンプルの２点間隔が４００ｎｍの場合を示し、図９（Ｇ）は、サンプルの２点間隔が５００ｎｍの場合を示し、図９（Ｈ）は、サンプルの２点間隔が６００ｎｍの場合を示す。また、図１０（Ａ）は、サンプルの２点間隔が７００ｎｍの場合を示し、図９（Ｂ）は、サンプルの２点間隔が８００ｎｍの場合を示す。各グラフにおいて、破線は、サンプルの２点ピークを示し、実線は、実施形態の構造照明を利用した解像を示し、点線又は薄い線は、一般的な一様強度照明を利用した解像を示す。実施形態の構造照明では、図９（Ｃ）に示す３００ｎｍ間隔の２点についての再構成で十分な解像が達成されているが、比較例の一様強度照明では、図１０（Ａ）に示す７００ｎｍ間隔の２点についてさえ十分な分離ができていないことが分かる。なお、上記波長λ、入射角度θ、ＮＡを前提とした場合、一様強度照明では、理論的に解像可能な間隔が９７６ｎｍとなり、実施形態の顕微鏡１００では、理論的に解像可能な間隔が３５７ｎｍとなるので、上記図示の解像結果は理論的分解能と整合している。
【００５２】
図１１（Ａ）〜１１（Ｇ）は、コヒーレント光源１０から射出させるレーザ光Ｌ１の波長λを４８８ｎｍとし、入射角度θを８０度とし、対物レンズ４５のＮＡを０．６とした場合の解像結果を示している。図１１（Ａ）は、サンプルの２点間隔が２００ｎｍの場合を示し、図１１（Ｂ）は、サンプルの２点間隔が２５０ｎｍの場合を示し、図１１（Ｃ）は、サンプルの２点間隔が３００ｎｍの場合を示し、図１１（Ｄ）は、サンプルの２点間隔が４００ｎｍの場合を示し、図１１（Ｅ）は、サンプルの２点間隔が５００ｎｍの場合を示し、図１１（Ｆ）は、サンプルの２点間隔が６００ｎｍの場合を示し、図１１（Ｇ）は、サンプルの２点間隔が７００ｎｍの場合を示す。各グラフにおいて、破線は、サンプルの２点ピークを示し、実線は、実施形態の構造照明を利用した解像を示し、点線又は薄い線は、一般的な一様強度照明を利用した解像を示す。実施形態の構造照明では、図１１（Ｂ）に示す２５０ｎｍ間隔の２点についての再構成で十分な解像が達成されているが、比較例の一様強度照明では、図１１（Ｆ）に示す６００ｎｍ間隔の２点についてさえ十分な分離ができていないことが分かる。なお、上記波長λ、入射角度θ、ＮＡを前提とした場合、一様強度照明では、理論的に解像可能な間隔が８１３ｎｍとなり、実施形態の顕微鏡１００では、理論的に解像可能な間隔が３０７ｎｍとなるので、上記図示の解像結果は理論的分解能と整合している。
【００５３】
図１２（Ａ）〜１２（Ｇ）は、コヒーレント光源１０から射出させるレーザ光Ｌ１の波長λを４８８ｎｍとし、入射角度θを８０度とし、対物レンズ４５のＮＡを０．７とした場合の解像結果を示している。図１２（Ａ）は、サンプルの２点間隔が２００ｎｍの場合を示し、図１２（Ｂ）は、サンプルの２点間隔が２５０ｎｍの場合を示し、図１２（Ｃ）は、サンプルの２点間隔が３００ｎｍの場合を示し、図１２（Ｄ）は、サンプルの２点間隔が４００ｎｍの場合を示し、図１２（Ｅ）は、サンプルの２点間隔が５００ｎｍの場合を示し、図１２（Ｆ）は、サンプルの２点間隔が５５０ｎｍの場合を示し、図１２（Ｇ）は、サンプルの２点間隔が６００ｎｍの場合を示す。各グラフにおいて、破線は、サンプルの２点ピークを示し、実線は、実施形態の構造照明を利用した解像を示し、点線又は薄い線は、一般的な一様強度照明を利用した解像を示す。実施形態の構造照明では、図１２（Ｂ）に示す２５０ｎｍ間隔の２点についての再構成で十分な解像が達成されているが、比較例の一様強度照明では、図１２（Ｆ）に示す５５０ｎｍ間隔の２点についてさえ十分な分離ができていないことが分かる。なお、上記波長λ、入射角度θ、ＮＡを前提とした場合、一様強度照明では、理論的に解像可能な間隔が６９７ｎｍとなり、実施形態の顕微鏡１００では、理論的に解像可能な間隔が２８９ｎｍとなるので、上記図示の解像結果は理論的分解能と整合している。
【００５４】
図１３（Ａ）〜１３（Ｆ）は、コヒーレント光源１０から射出させるレーザ光Ｌ１の波長λを４８８ｎｍとし、入射角度θを８０度とし、対物レンズ４５のＮＡを０．９５とした場合の解像結果を示している。図１３（Ａ）は、サンプルの２点間隔が１５０ｎｍの場合を示し、図１３（Ｂ）は、サンプルの２点間隔が１８０ｎｍの場合を示し、図１３（Ｃ）は、サンプルの２点間隔が２００ｎｍの場合を示し、図１３（Ｄ）は、サンプルの２点間隔が３００ｎｍの場合を示し、図１３（Ｅ）は、サンプルの２点間隔が３５０ｎｍの場合を示し、図１３（Ｆ）は、サンプルの２点間隔が４００ｎｍの場合を示す。各グラフにおいて、破線は、サンプルの２点ピークを示し、実線は、実施形態の構造照明を利用した解像を示し、点線又は薄い線は、一般的な一様強度照明を利用した解像を示す。実施形態の構造照明では、図１３（Ｃ）に示す２００ｎｍ間隔の２点についての再構成で十分な解像が達成されているが、比較例の一様強度照明では、図１３（Ｅ）に示す３５０ｎｍ間隔の２点についてさえ分離があまり明確でないことが分かる。なお、上記波長λ、入射角度θ、ＮＡを前提とした場合、一様強度照明では、理論的に解像可能な間隔が４２６ｎｍとなり、実施形態の顕微鏡１００では、理論的に解像可能な間隔が２０９ｎｍとなるので、上記図示の解像結果は理論的分解能と整合している。
【００５５】
図１４（Ａ）〜１４（Ｃ）は、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）に対応する２次元のシミュレーション結果を説明する図である。図１４（Ａ）は、図６（Ａ）に対応し元のサンプルパターンの具体例を示す図であり、元のサンプルパターンは、ｘ方向の間隔を徐々に増加させたストライプパターンである。図１４（Ｂ）は、顕微鏡１００において構造照明を用いない場合に達成される２次元解像の結果を説明する図であり、図１４（Ｃ）は、実施形態の顕微鏡１００において構造照明を用いて達成される２次元解像の結果を説明する図である。このシミュレーションにおいて、コヒーレント光源１０から射出させるレーザ光Ｌ１の波長λを４８８ｎｍとし、入射角度θを４５度とし、対物レンズ４５のＮＡを０．４としている。図１４（Ｃ）から明らかなように、実施形態の構造照明によってサンプル間隔４５０ｎｍあたりまで解像が可能であることが分かる。この結果は、実施形態の顕微鏡１００によって理論的に解像可能な間隔が４４０ｎｍであることと整合している。
【００５６】
以上では、実施形態の顕微鏡等について説明したが、本発明に係る顕微鏡等は上記のものには限られない。例えば、照明パターン（構造照明）ＩＰの周期方向は、ｘ方向に限らず任意の方向とでき、周期方向を任意の複数方向に設定した構造照明を行うこともでき、今回の手法を適用することで任意の方向（単一方向に限らない）の解像力を向上させることができる。具体的には例えば、ｘ方向だけでなくｙ方向に関しても実施形態のような構造照明を行って、各方向の構造照明について結像電場分布のフーリエ変換から各方向に関して一対の空間周波数情報を得る。さらに、ｘ方向及びｙ方向ごとに得た一対の空間周波数情報と、一様強度分布照明による結像電場分布から得た空間周波数情報とを結合することにより、ｘ方向及びｙ方向に関して解像度を向上させた超解像画像を得ることができる。
【００５７】
以上の説明では、単一タイプの構造照明下で得た結像電場分布から算出した超解像の空間周波数の信号成分を、一様強度照明下で得た結像電場分布に対応する通常解像の空間周波数の信号成分に対して部分的に重複させることで局所的な途切れがない空間周波数情報又は空間周波数分布を得ているが、複数タイプの構造照明下で得た結像電場分布を組み合わせることもできる。つまり、空間周波数が大小異なる構造照明下で得た結像電場分布から算出した２段階の超解像の空間周波数の信号成分を繋ぎ合わせるとともに、一様強度照明下で得た結像電場分布に対応する通常解像の空間周波数の信号成分をさらに繋ぎ合わせることで、広範囲に亘って途切れがない空間周波数情報を得ることができる。
【００５８】
以上で説明した実施形態では、顕微鏡１００に基本光照射部４０を組み込んでいたが、基本光照射部４０は、必須のものではなく省略することができる。
【００５９】
構造照明用の光Ｌ２１，Ｌ２２は、対物レンズ４５を挟んで互いに反対側から入射させるもの、或いは対物レンズ４５の光軸を挟んで互いに反対側から入射させるものであれば正確に対称に配置されたものでなくても足る。つまり、構造照明用の光Ｌ２１，Ｌ２２の入射角θは等しくなくてもよいが、光Ｌ２１，Ｌ２２の強度は解像の信頼性を高める観点から等しいことが望ましい。
【００６０】
また、構造照明については、斜入射させる光Ｌ２１，Ｌ２２の相対的位相をシフトさせるだけでなく、試料面８８ａとなるべきステージ８８自体を強弱パターンが繰り返されるｘ方向にシフトさせることによっても達成可能である。
【００６１】
以上の説明では、参照用の光Ｌ３による電場シフトに対応して光検出部６０によって検出される光強度の増減から結像電場分布を正負の符号を含めて見積もっているが（図３（Ａ）〜３（Ｃ）参照）、電場シフトに対応して光検出部６０によって検出される光強度の増減量の程度から結像電場分布を正負の符号を含めて見積もることもできる。
【符号の説明】
【００６２】
ＤＳ…検出面、  ＩＰ…照明パターン、  Ｌ１…レーザ光、  Ｌ２，Ｌ２１，Ｌ２２…照明用の光、  Ｌ３…参照用の光、  Ｌ４…通常照明用の光、  ＬＯ１,ＬＯ２…散乱光、  ＯＳ…被検面、  １０…コヒーレント光源、  ２０…構造照明部、  ２１…ビームスプリッタ、  ２２…可動ミラー、  ２４，２５…斜照明ミラー、  ２８，３８，４８…シャッター、  ３０…参照光照射部、  ３１…可動ミラー、  ３３…ビームエキスパンダ、  ３４…レンズ、  ４０…基本光照射部、  ４１…ビームエキスパンダ、  ４２…波長板、  ４３…レンズ、  ４５…対物レンズ、  ５０…対物系、  ５１…ビームスプリッタ、  ５２…偏光板、  ５３…レンズ、  ６０…光検出部、  ６１…２次元光センサ、  ８０…演算処理部、  ８１…波長板、  ８２…偏光ビームスプリッタ、  ８３…ビームスプリッタ、  ８４…波長板、  ８５…偏光板、  ８８…ステージ、  ８８ａ…試料面、  ９０…制御部、  ９１…演算処理部、  １００…顕微鏡
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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