(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光束を複数の光束に分割する光束分割手段と、
前記光束分割手段を回転制御して前記複数の光束の分割方向を変更する回転手段と、
前記複数の光束による干渉縞を標本に形成する対物レンズと、
前記光源からの光の偏光方向に対して速い軸の方向が相対的に固定された第１の１／４波長板と、
前記複数の光束の分割方向の変更に応じて、前記分割方向と前記速い軸の方向との相対的関係が一定に維持されるように配置される第２の１／４波長板とを有する構造化照明光学系。
【請求項２】
前記第２の１／４波長板は、前記光束分割手段の回転軸と同軸で、かつ同一回転角で回転可能に配置されている請求項１に記載の構造化照明光学系。
【請求項３】
前記光束分割手段は、前記標本の共役位置近傍に配置され、
前記第１の１／４波長板は、前記光源と前記光束分割手段との間に配置され、
前記第２の１／４波長板は、前記第１の１／４波長板と前記光束分割手段との間に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の構造化照明光学系。
【請求項４】
光源からの光束を所定の軸の周りで分割方向が異なる複数群の光束に分割する光束分割手段と、
前記複数群の光束から、任意の１群の光束のみを選択する光束選択素子と、
前記１群の光束に含まれる複数の光束による干渉縞を標本に形成する対物レンズと、
前記光源からの光の偏光方向に対して速い軸の方向が相対的に固定された第１の１／４波長板と、
前記１群の光束の分割方向の変更に応じて、前記分割方向と前記速い軸の方向との相対的関係が一定に維持されるように配置される第２の１／４波長板とを有する構造化照明光学系。
【請求項５】
前記光束選択素子は、回転制御され、
前記第２の１／４波長板は、前記光束分割手段の回転軸と同軸で、かつ同一回転角で回転可能に配置されている請求項４に記載の構造化照明光学系。
【請求項６】
前記光束分割手段は、前記標本の共役位置近傍に配置され、
前記第１の１／４波長板は、前記光源と前記光束分割手段との間に配置され、
前記第２の１／４波長板は、前記光束分割手段と前記光束選択素子との間に配置されることを特徴とする請求項４又は５に記載の構造化照明光学系。
【請求項７】
前記第１の１／４波長板は、入射する前記光束の偏光方向に対して、前記速い軸の方向が＋４５°±５．７°とされている請求項１〜６のいずれか一項に記載の構造化照明光学系。
【請求項８】
前記第２の１／４波長板の前記速い軸の方向は、前記光束分割手段の刻線の方向に対して−４５°±５．７°とされている請求項１〜６のいずれか一項に記載の構造化照明光学系。
【請求項９】
前記第２の１／４波長板の直後に、前記光束分割手段の刻線の向きに平行な透過偏光方向を有する偏光板を有する請求項１〜８のいずれか一項に記載の構造化照明光学系。
【請求項１０】
前記第２の１／４波長板の後であって、前記光束選択素子前又は後に、前記光束選択素子と前記照明光学系の光軸に対する回転角度が相対的に固定された、前記光軸のまわりに回転可能な偏光板を有する請求項４に記載の構造化照明光学系。
【請求項１１】
前記第１の１／４波長板、前記第２の１／４波長板を透過した常光線と異常光線の位相差が、それぞれ９０°±５°以内である請求項１〜１０のいずれか一項に記載の構造化照明光学系。
【請求項１２】
第１の構造化照明方向がθ１であり、前記第１の１／４波長板が発生する位相差の９０°（１／４波長）からの差がφ１であるとき、前記第２の１／４波長板が発生する位相差の９０°（１／４波長）からの差をφ２とすると、
０．２０φ１×ｓｉｎ（６θ１）≦φ２≦０．３０φ１×ｓｉｎ（６θ１）
の関係が成り立つ請求項１〜１１のいずれか一項に記載の構造化照明光学系。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の構造化照明光学系と、
前記標本からの光を撮像装置の撮像面上に結像させる結像光学系と、
前記複数の光束の位相が変調される度に前記撮像装置により撮像された複数の画像を演算処理することにより標本像を生成する画像処理部と
を備えた構造化照明顕微鏡装置。
【請求項１４】
さらに、対物レンズを有し、前記対物レンズの瞳近傍に位相部材が配置された請求項１３に記載の構造化照明顕微鏡装置。
【請求項１５】
前記光束分割手段は所定の方向に並進移動可能に構成されてなる請求項１３に記載の構造化照明顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造化照明光学系および構造化照明顕微鏡装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
試料の微小構造の観察や計測の分野において、より高い空間分解能での観測が求められている。試料の面内分解能を高める方法として、試料を縞状の照明光で変調して撮像し、画像処理によって復調を行う手法が、構造化照明顕微鏡装置として知られており、例えば特開平１１−２４２１８９号公報、ＵＳ  ＲＥ３８３０７公報に開示されている。【０００３】
特開平１１−２４２１８９公報に開示されている第６の実施形態は、蛍光観察装置に適用した例であり、その光学系は、可干渉光源から発した照明光を回折格子等の光束分割手段によって分割後、照明光束を対物レンズの瞳位置に集光させ、対物レンズから角度の異なる平行光束として射出させ、観察物体近傍で重なり合い干渉縞を形成する。【０００４】
縞状に変調された照明光により、本来結像光学系のみでは伝達できなかった観察物体の形状情報の空間周波数成分を含む回折光を結像に関与させることができる。そして分割した照明光束の位相を相対的に変調して、干渉縞を観察物体上で移動させて複数の画像を取得し、画像演算処理による像形成を可能にしている。【０００５】
具体的には、回折格子を光軸と垂直に移動させることによって、あるいは別の例では、照明光の一方の光路に楔形プリズムを挿入し、それを光軸と垂直な方向に移動することによって位相変調を行っている。【０００６】
ＵＳ  ＲＥ３８３０７公報に開示されている方法は、可干渉光源からの照明光を光ファイバを用いて導入後、回折格子等の光束分割手段によって分割し、その後照明光束を対物レンズの瞳位置に集光させ、観察物体近傍で干渉縞を形成する。縞状に変調された照明光により、本来結像光学系のみでは伝達できなかった観察物体の形状情報の高周波成分を結像に関与させることができる。そして同様に複数の画像を取得し、画像演算処理による像形成をおこなっている。【０００７】
この方法では、1枚の画像を形成するために、照明光束に位相変調を与えた複数の画像を取得するだけでなく、照明光の干渉縞の向きも変えて画像取得している。その理由は、高周波成分が結像に関与できるのは、照明光の干渉縞の方向と同じ方向を持った構造のみであるため、2次元に広がる標本の形状を再現するには、干渉縞の方向を変換して複数の画像を取得して合成する必要があるからである。【０００８】
このような構造化照明において、一般に２光束以上を干渉させる場合には干渉面に対して光束がＳ偏光であることが望ましい。その理由は、Ｓ偏光の光束が干渉した場合のコントラストが入射角によらず１であることに対して、Ｐ偏光で入射した場合のコントラストは光束の入射角の差Δθに対してcos(Δθ)に比例して減衰するためである。観察される光は、Ｓ偏光とＰ偏光の和であるので、Ｐ偏光の減衰により、それだけ、観察されるコントラストが小さくなる。なお、Δθ＞９０度においてＰ偏光のコントラストの数値が負になるが、これは干渉縞の明暗が反転することを意味し、Ｓ偏光で形成された干渉縞が打ち消されてしまう結果となり好ましくない。【０００９】
特に、構造化照明顕微鏡は高い解像度を得るために利用される技術であることから、利用される対物レンズのＮＡはできるだけ大きいことが望ましく、構造化照明の縞周期もできるだけ細かいことが望ましい。その結果、構造化照明のための光束は大きな角度での標本への入射となるためＰ偏光成分があると、前述のΔθが大きいため、Ｐ偏光の減衰が大きく、それが構造化照明コントラストを悪化させる原因となる。【００１０】
この問題を解決するために従来は、光源からの光を拡散板や振動させたマルチモード光ファイバに通すなどして無偏光状態としてから、回折格子近傍に設置し、回折格子と同軸に回転する偏光板を使って標本上でＳ偏光入射となるような直線偏光としていた。【００１１】
その結果、良好な構造化照明コントラストは得られたが、偏光板でほぼ1/2の光量を遮断することとなり、光の利用効率が５０％と低い状態であった。
【発明の概要】
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、光源からの光の利用効率の高い構造化照明光学系および構造化照明顕微鏡装置を提供することを目的とする。
【００１３】
本発明の第１の態様に係る構造化照明光学系は、光源からの光束を複数の光束に分割する光束分割手段と、前記光束分割手段を回転制御して前記複数の光束の分割方向を変更する回転手段と、前記複数の光束による干渉縞を標本に形成する対物レンズと、前記光源からの光の偏光方向に対して速い軸の方向が相対的に固定された第１の１／４波長板と、前記複数の光束の分割方向の変更に応じて、前記分割方向と前記速い軸の方向との相対的関係が一定に維持されるように配置される第２の１／４波長板とを有する。
【００１４】
上記構成の構造化照明光学系において、好ましくは、前記第２の１／４波長板は、前記光束分割手段の回転軸と同軸で、かつ同一回転角で回転可能に配置されている。
【００１５】
上記構成の構造化照明光学系において、好ましくは、前記光束分割手段は、前記標本の共役位置近傍に配置され、前記第１の１／４波長板は、前記光源と前記光束分割手段との間に配置され、前記第２の１／４波長板は、前記第１の１／４波長板と前記光束分割手段との間に配置される。
【００１６】
本発明の第２の態様に係る構造化照明光学系は、光源からの光束を所定の軸の周りで分割方向が異なる複数群の光束に分割する光束分割手段と、前記複数群の光束から、任意の１群の光束のみを選択する光束選択素子と、前記１群の光束に含まれる複数の光束による干渉縞を標本に形成する対物レンズと、前記光源からの光の偏光方向に対して速い軸の方向が相対的に固定された第１の１／４波長板と、前記１群の光束の分割方向の変更に応じて、前記分割方向と前記速い軸の方向との相対的関係が一定に維持されるように配置される第２の１／４波長板とを有する。
【００１７】
上記構成の構造化照明光学系において、好ましくは、前記光束選択素子は、回転制御され、前記第２の１／４波長板は、前記光束分割手段の回転軸と同軸で、かつ同一回転角で回転可能に配置されている。
【００１８】
上記構成の構造化照明光学系において、好ましくは、前記光束分割手段は、前記標本の共役位置近傍に配置され、前記第１の１／４波長板は、前記光源と前記光束分割手段との間に配置され、前記第２の１／４波長板は、前記光束分割手段と前記光束選択素子との間に配置される。
【００１９】
上記構成の構造化照明光学系において、好ましくは、前記第１の１／４波長板は、入射する前記光束の偏光方向に対して、前記速い軸の方向が＋４５°±５．７°とされている。
【００２０】
上記構成の構造化照明光学系において、好ましくは、前記第２の１／４波長板の前記速い軸の方向は、前記光束分割手段の刻線の方向に対して−４５°±５．７°とされている。
【００２１】
上記構成の構造化照明光学系において、好ましくは、前記第２の１／４波長板の直後に、前記光束分割手段の刻線の向きに平行な透過偏光方向を有する偏光板を有する。
【００２２】
上記構成の構造化照明光学系において、好ましくは、前記第２の１／４波長板の後であって、前記光束選択素子前又は後に、前記光束選択素子と前記照明光学系の光軸に対する回転角度が相対的に固定された、前記光軸のまわりに回転可能な偏光板を有する。
【００２３】
上記構成の構造化照明光学系において、好ましくは、前記第１の１／４波長板、前記第２の１／４波長板を透過した常光線と異常光線の位相差が、それぞれ９０°±５°以内である。
【００２４】
上記構成の構造化照明光学系において、好ましくは、第１の構造化照明方向がθ１であり、前記第１の１／４波長板が発生する位相差の９０°（１／４波長）からの差がφ１であるとき、前記第２の１／４波長板が発生する位相差の９０°（１／４波長）からの差をφ２とすると、
０．２０φ１×ｓｉｎ（６θ１）≦φ２≦０．３０φ１×ｓｉｎ（６θ１）
の関係が成り立つ。
【００２５】
本発明に係る構造化照明顕微鏡装置は、上記構成の構造化照明光学系と、前記標本からの光を撮像装置の撮像面上に結像させる結像光学系と、前記複数の光束の位相が変調される度に前記撮像装置により撮像された複数の画像を演算処理することにより標本像を生成する画像処理部とを備える。
【００２６】
上記構成の構造化照明顕微鏡装置は、好ましくは、さらに、対物レンズを有し、前記対物レンズの瞳近傍に位相部材が配置される。
【００２７】
上記構成の構造化照明顕微鏡装置は、好ましくは、前記光束分割手段は所定の方向に並進移動可能に構成される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施例である構造化照明顕微鏡装置の光学系の概要を示す図である。
【図２】第１の実施例における各光学素子の軸の方向と、光束の偏光状態を示す図である。
【図３】第１の1/4波長板の位相誤差と、第２の1/4波長板の位相誤差と、直線偏光の照明強度の低下との関係を示す図である。
【図４】最小の直線偏光の照明強度の低下を与える、第１の1/4波長板の位相誤差と、第２の1/4波長板の位相誤差と、第１の構造化照明方向の関係を示す図である。
【図５】広帯域波長板（色消し波長板）の特性の例を示す図である。
【図６】設計波長の異なる２枚の1/4波長板の特性の例を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施例である構造化照明顕微鏡装置の光学系の概要を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施例における回折格子と、回折光の集光位置を示した図である。
【図９】本発明の第２の実施例における光束選択素子の概要を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施例における各光学素子の軸の方向と、光束の偏光状態を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施例の位相変調を行う方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施例について図を用いて説明するが、この説明は発明の範囲を制限するものではない。図１は、本発明の第１の実施例である構造化照明顕微鏡装置の光学系の概要を示す図である。
【００３３】
可干渉な光源ＬＳからの光は光ファイバ１にて導かれ、コレクタレンズ２によって平行光に変換される。光ファイバ１の出射端からの照明光は、その偏光方向に対して速い軸を＋４５度傾けて固定された1/4波長板５１（第１の1/4波長板）を通過する。ここで、1/4波長板の速い軸とは、偏光している光が、1/4波長板を通過した場合に位相遅れが最も小さくなるときの偏光の方向をいう。その結果、照明光はほぼ円偏光となる。なお、速い軸の傾きは正確に＋４５°でなくても±5.7°程度の誤差は許される。
【００３４】
この許容誤差は、強度変化１％に対応する。
【００３５】
この円偏光は、回折格子３に固定され、回折格子３と共に回転することのできる1/4波長板５２（第２の1/4波長板）を通過し、直線偏光となる。この1/4波長板５２の速い軸の方向を、回折格子３の刻線の方向に対して−４５度となるように決めれば、回折格子の回折方向に対してＳ偏光となる直線偏光に変換することができる。なお、速い軸の方向は正確に＋４５°でなくても±5.7°程度の誤差は許される。
【００３６】
このようにしてほぼ完全なＳ偏光が得られるが、残されたＰ偏光をさらに除去したい場合には、回折格子３の刻線の向きに平行な透過偏光方向を持つ偏光板５３を設けるとよい。
【００３７】
光源としては、照明光が可干渉光であることが必要なため、レーザーが利用される。そのため、特にスクランブリングなどを行わない光ファイバ１の出射端での偏光状態はほぼ直線偏光であるが、1/4波長板５１、５２の角度誤差、位相誤差によるわずかに残ったＰ偏光成分を除去するために偏光板５３に通すことが望ましい。本実施例では、光ファイバ１として、偏波面保存のシングルモードファイバを用いている。
【００３８】
回折格子３は光束分割手段としての役割を果たしている。光分割手段としては、光の可干渉性を阻害するものでなければ、プリズム等の他の光学素子も使用できる。なお、本実施例においては、回折格子３を回転させることによって、発生する回折光の長さ方向の向きを変えることができる。レンズ４とレンズ７により、回折格子３の像が標本共役面に形成されるようにし、回折格子３の像が形成される位置に視野絞り８を設ける。又、レンズ４により、対物レンズ１２の瞳共役面を形成して各次数の光を収束させ、その近傍に位相板５及び遮光板６を配置する。回折格子３は図１の紙面の垂直方向に１次元の周期構造を持っている。周期構造は濃度（透過率）で構造をつけても、段差（位相差）で構造を持たせても良いが、位相差で構造を持たせた方が±１次光の回折効率が高いので好ましい。
【００３９】
なお、この実施例においては、照明光として±１次回折光のみを使用しており、０次回折光及び２次以上の回折光は遮光板６によりカットされるようになっている。従って実線で示される０次回折光は、実際には遮光板６より後側では存在しないが、図１においては、光線の進路を分かりやすくするため、光軸のみ便宜上図示している。
【００４０】
対物レンズ１２の瞳共役面近傍に配置された位相板５は、入射する光束（±１次光）の一方あるいは両方に適当な位相の遅れが生じるような透明基板の厚みとなっているか、または膜厚を制御した薄膜を蒸着してある。これにより、＋１次光と−１次光の間に位相差が発生する。
【００４１】
視野絞り８を透過した光は、フィールドレンズ９により、平行光に変換されて、励起フィルタ１０、ダイクロイックミラー１１を経て、対物レンズ１２の瞳面Ｐ上に各回折次数ごとに集光する。各光束が対物レンズ１２から射出する際には、平行光束となって標本１３面を照射する。このとき各光束は可干渉であるため等間隔の干渉縞の構造をもって標本１３面を照射する。この、縞構造を持った照明光を構造化照明光と呼び、こうした照明方法を構造化照明と呼ぶ。
【００４２】
この構造化照明光で標本１３を照明すると、照明光の周期構造と標本１３の周期構造が干渉してモアレ干渉縞を生成するが、そのモアレ干渉縞は標本の高周波の形状情報を含んでいながら、もとの周波数より低周波であるため、対物レンズ１２に入射することができる。
【００４３】
標本１３の表面から発生したこの光（蛍光）は、対物レンズ１２で平行光に変換された後、ダイクロイックミラー１１とバリアフィルタ１４を透過して、第２対物レンズ１５によってＣＣＤカメラなどの撮像手段２１の撮像面１６上に標本像を形成する。この標本像を画像記憶・演算装置２２によって取得する。
【００４４】
取得画像は、先にも述べたように変調された照明光で照明された結果の画像であるから、画像記憶・演算装置２２によって公知の画像演算手段により画像処理され逆の変調をかけて復元することで標本像を得て、画像表示装置２３に標本の超解像画像を表示することができる。
【００４５】
画像処理で元画像を復元する際には、同じ標本に対して、照明の干渉縞の位相を３回以上変調させて撮影するとよい。それは、変調画像には標本の周波数成分が構造化照明によって回折された情報のうち０次成分、＋1次成分、−１次成分の３つの未知のパラメータがあるからで、演算処理で未知数を求めるためには、未知数の数以上の情報が必要になるからである。
【００４６】
このような撮像、演算・復元、可視化技術は従来の構造化照明顕微鏡装置において周知のものであり、本発明と直接の関係がないのでその説明を省略する。
【００４７】
本実施例の場合は、位相板５を回転することにより位相変調を行っているが、回折格子３をその回折の生じる方向に並進駆動して位相変調を行ってもよい。その場合位相板５は不要である。
【００４８】
図２は、この実施例における各光学素子の軸の方向と、光束の偏光状態を示す図である。図２において、○で囲まれたものは光束を示し、その中の矢印は偏光の方向を示す。□で囲まれたものは光学素子を示し、その中の矢印は軸方向を示す。
【００４９】
光ファイバ１射出時の偏光は、第１の1/4波長板５１を通すことによって、前述のように円偏光とされる。1/4波長板５１の速い軸と書かれているものは、前述のように、偏光している光が、1/4波長板を通過した場合に位相遅れが最も小さくなるときの偏光の方向をいう。1/4波長板５２の速い軸と書かれているものも同様である。
【００５０】
光ファイバ１射出時の偏光の方向と第１の1/4波長板５１の速い軸の方向とは、前述のように、光ファイバ１射出時の偏光方向に対して、第１の1/4波長板５１の速い軸が＋４５度傾けられている。
【００５１】
第２の1/4波長板５２に入射した円偏光はＳ偏光である直線偏光に変換される。前述のように、この1/4波長板５２の速い軸の方向は、回折格子３の刻線の方向に対して−４５度となるようにされている。
【００５２】
偏光板５３の軸は、Ｓ偏光を透過させる方向とされている。直線偏光となった光は、偏光板５３により、僅かに残存するＰ偏光を除去されるが、偏光板５３は、必ずしも必要がない。偏光板５３を透過した光は、回折格子３により、回折光に分割される。
【００５３】
ところで、1/4波長板５１、及び1/4波長板５２は、光源の波長が変化すると位相差が本来の1/4波長板からずれた波長特性を持つようになるため、光源の波長に応じたものを利用することが望ましいが、広い波長に対して1/4波長に対する位相変化量が小さな広帯域波長板を利用してもよい。その場合でも、常光線と異常光線の位相差が９０度±５度（1/4波長±1/72波長）以内となるようにすべきである。その理由を図３を用いて説明する。
【００５４】
図３は、横軸（単位は°）に1/4波長板５２によって形成される位相差の９０度(１/4波長)からの差をとり、1/4波長板５１によって形成される位相差の９０度からの差のいくつかに対して、そこから直線偏光を取り出したときの光強度がどのように変化するかをプロットしたものである。図中の線が、1/4波長板５１によって形成される位相差の９０度からの差（単位は°）を示す。
【００５５】
図３を見ると、いずれの1/4波長板においても、９０度(１/4波長)からの差が大きくなるにつれて光強度は小さくなるが、両方の1/4波長板において位相誤差を５°以内とすることで、直線偏光を取り出した際の光強度変化を１％以内とすることができることがわかる。従って、直線偏光を取り出した際の光強度変化を１％以内とするためには、いずれの位相板においても、それらを透過した常光線と異常光線の位相誤差が±５°以内であるようにすればよい。
【００５６】
しかしながら、直線偏光を取り出した際の光強度変化は、小さければ小さいほど好ましい。そこで、シミュレーションにより、直線偏光を取り出した際の光強度変化を最低にする、２つの1/4波長板の位相の関係を求めた。その結果を図４を用いて説明する。図４において、横軸は構造化照明の第１の方向（構造化照明顕微鏡装置においては、一般に多方向からの構造化照明を行うが、その最初の方向）θ１（単位は°）を示し、図中の各線は第１の1/4波長板５１の位相差の９０度からの差（ずれ）φ１（単位は°）に対応している。縦軸は、第２の1/4波長板５３の位相差の９０度からの差（ずれ）φ２（単位は°）を示している。
【００５７】
各線は、それぞれのパラメータを変化させたとき、直線偏光を取り出した際の照明光強度低下を最低にする各パラメータの関係の軌跡を示している。例えば、第１の構造化照明方向θ１が４５°であるとき、φ１＝１０°とすると、φ２＝−2.5°とすれば、直線偏光を取り出した際の光強度変化を最低にできる。同様、第１の構造化照明方向θ１が３５°であるとき、φ１＝６°とすると、φ２＝−0.07°とすれば、直線偏光を取り出した際の光強度変化を最低にできる。
【００５８】
このようなグラフから回帰式によりθ１、φ１、φ２の関係式を作ると、
φ2＝0.25φ1×sin(６θ1)
が得られる。最適値からのずれを多少許すとすると、
0.20φ1×sin(６θ1)≦φ2≦0.30φ1×sin(θ1)    …（１）
が成り立つようにθ１、φ１、φ２の関係を定めればよい。これにより、直線偏光を取り出した際の光強度変化は、0.5％以内に抑えられる。
【００５９】
（１）式のようなφ１とφ２の関係を実現させるためには、広帯域波長板を使用するとよい。図５に広帯域波長板（色消し波長板）の特性の例を示す。横軸は波長（単位はnm）であり、縦軸は位相差を示す。図５を見ると分かるように、色消し波長板は一般に位相差が最大となる波長よりも短波長側で波長に対する位相差の傾きが大きく、長波長側で緩やかとなっている。
【００６０】
よって、図６に示すように、設計波長の異なる２枚の1/4波長板を製造し、（図６における縦軸と横軸の単位は図５と同じである）、波長板１（太線の特性）を波長板５１、波長板２（細線の特性）を波長板５２として使用すれば、波長がほぼ460nm〜560nmの間において、（１）式に近い関係を持たせることが容易である。よって、（１）式に近い関係を満足させるような広帯域波長板を製造して、組み合わせて使用すれば、広い波長帯域において、構造化照明光の明るさの減衰を防止することができる。
【００６１】
図７は、本発明の第２の実施例である構造化照明顕微鏡装置の光学系の概要を示す図である。第２の実施例は、第１の実施例とは、回折格子３、１０３の構造と、1/4波長板５２、１５２の位置、および光束選択素子１０６が用いられていることが異なるのみであるので、第１の実施例を示す図１に示された構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付し、作用が同じ部分についてはその説明を省略することがある。
【００６２】
第２の実施例は、第1の実施例の回折格子３の代わりに、図８（a）に示すような構造を持つ回折格子１０３を使用する。これは互いに６０度ずつ向きを変えた３方向の周期構造を持っていて、三角柱が凹凸に並んだ格好をしている。図の白い三角形を凹部とすれば、黒い三角形は凸部である。この三角形の頂角は正確に６０度でなくてもよいが、概ね６０度である方が好ましい。
【００６３】
そして、この回折格子１０３によって生じた０次光と±１次光とが、図７においてレンズ４を介して瞳共役位置でそれぞれ集光する様子を表したのが図８（ｂ）である。図８（ｂ）の１１０は０次回折光集光部を、１１１ａ〜１１１ｆは±１次光集光部を表している。
【００６４】
第２の実施例では、前述の第1の実施例の遮光板６の代わりに図９に示すような構造を持つ光束選択素子１０６を使用している。光束選択素子１０６はその中心１０６ａを回転中心として回転する機構を有する。領域１０６ｂと１０６ｃは中空あるいは透過率の高いガラス等で素通しになっている。光束選択素子１０６が回転する毎に、図８（b）に示す１１１ａと１１１ｄ、１１１ｂと１１１ｅ、１１１ｃと１１１ｆの対の光束のうち、１対の光束のみが領域１０６ｂと１０６ｃを、それぞれ透過し、これらの対以外の光束は遮光部で遮断される。光束選択素子１０６は、図７に示す回転ステージ１４２によって回転させることにより、回折格子１０３で生じた３組の±１次光のうち１組ずつを選択して透過させ、構造化照明に使用することができる。こうして選択された７光束のレンズ７以降のふるまいは、第1の実施例と全く同じである。なお、０次回折光は光束選択素子１０６で遮蔽され、それ以後には存在しないが、光線の進行を分かりやすくするために図示してあるのは図１と同じである。
【００６５】
そして領域１０６ｂと１０６ｃが光束を選択するタイミングと、撮像手段の画像取り込みタイミングを同期させれば、光束選択素子１０６は一旦停止をせず、一定速度で連続的に回転させることができる。例えば、図９に示すごとく、光束選択素子の外周部の形状を領域１０６ｂ、１０６cと対応させておき、タイミングセンサでエッジ検出をするタイミングを測る方法がある。第１の実施例では、回折格子３を一定角度回転させた後、停止して画像取得を行うため、静定に時間がかかる場合があるが、第２の実施例では連続回転が可能なため、画像取得が高速に行える利点がある。
【００６６】
次に第２の実施例の偏光制御について、図７と図１０を用いて説明する。図１０は、第１の実施例おける図２に対応した図であり、各光学素子の軸の方向と、光束の偏光状態を示す図である。
【００６７】
光ファイバ１の出射端からの照明光はその偏光方向に対して、速い軸を＋４５傾けて固定された1／4波長板１５１を通過するとほぼ円偏光となる。本実施例では、照明光を円偏光のまま回折格子１０３に入射させる。すると照明光はそれぞれ円偏光のまま回折作用を受ける。そして第２の1／4波長板１５２は、その速い軸を、選択する２光束がＳ偏光となる偏光方向に対して−４５傾けた状態で、前述の光束選択素子１０６と一体で回転するよう配置する。そうすることで、常に選択する２光束がＳ偏光となるような直線偏光に変換することができる。
【００６８】
第２の実施例の位相変調は、図７のアクチュエータ１４１で行う。アクチュエータ１４１は図１１(a)に示すように、回折格子１０３を１軸（図ではｘ方向）に並進駆動する。図１１（b）は格子線方向と駆動方向の拡大図である。格子の周期（ピッチ）をpとし、格子線の駆動方向に対する角度をそれぞれθ1、θ2、θ3とすると、駆動方向の換算ピッチp1、p2、p3 はそれぞれ、
p1 =  p／cosθ1
p2 =  p／cosθ2
p3 =  p／cosθ3  
である。したがって、画像処理に必要な位相変調はそれぞれの方向について、換算ピッチの１／3ずつ（またはその整数倍）駆動すればよい。
【００６９】
本実施例では、偏光板を使用していないが、最終的な直線偏光度をより高めるために、第1の実施例と同様に偏光板を追加することもできる。その場合は第２の1／4波長板１５２の後であって、光束選択素子１０６の前又は後に配置して、光束選択素子１０６と一体で回転するようにするか、あるいは光ファイバ１の出射端直後に配置することができる。偏光板の偏光方向は、前者の場合の２光束がＳ偏光となる方向であり、後者の場合は光ファイバ１の偏光方向と平行な方向である。
【００７０】
以上説明したように、ノイズとしてのＰ偏光を除去する目的のためにオプションとして使用する場合は別として、本発明においては、構造化照明光を形成するのに偏光板を使用していないので、光源からの光のほとんどをＳ偏光の構造化照明光として使用することができ、光の使用効率を高くすることができる。
【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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