(57)【要約】定在波用平面波照明部４０，５０によって、光源部３０からの光を用いて二光波の平面波４１，５１を生成し、生成した二光波の平面波４１，５１を試料面２３上で干渉させて生成される定在波による照明を試料面２３に対して行なう。さらに、バイアス平面波照明部６０によって、定在波の電場変位が試料面２３上の各位置で値０になる基準時期を境にして電場変位が試料面２３上で位置に拘わらず等しい変位をもって正側と負側とに交互に振れるよう定在波に同期し、且つ、試料面２３上での定在波の電場変位を丁度正側のみまたは負側のみとなるまで嵩上げする振幅として予め定められたバイアス用振幅（定常波と等しい値２Ａの振幅）で振動するバイアス平面波６１を、光源部３０からの光を用いて生成し、生成したバイアス平面波６１による照明を試料面２３に対して行なう。
2013125723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の顕微観察される試料面からの光の強度分布に基づいて該試料面を解像する顕微観察装置に用いられる照明方法であって、
光源部からの光から生成される二光波の平面波を斜方方向から対向するよう照射することにより得られる二光束定在波を前記試料面に照射する一方で前記光源部からの光から生成される一光波の平面波の振幅と位相を調整して得られるバイアス平面波を前記試料面に対して法線方向から照射することによって三光束定在波を前記試料面への照射する、
ことを特徴とする照明方法。
【請求項２】
請求項１記載の照明方法であって、
前記バイアス平面波は、位相が前記二光束定在波の電場変位が前記試料面上の各位置で値０になる程度の時期として予め定められた基準時期を境にして電場変位が前記試料面上で位置に拘わらず等しい変位をもって正側と負側とに交互に振れるように調整されており、振幅が前記試料面上に存在する他の光波群からなる電場変位を正側のみまたは負側のみとなる程度まで嵩上げするよう調整されている平面波である、
ことを特徴とする照明方法。
【請求項３】
請求項１記載の照明方法であって、
前記バイアス平面波は、振幅については前記二光束定在波の振幅と同一になるように調整されていると共に位相については前記二光束定在波に同期するように調整されている、
ことを特徴とする照明方法。
【請求項４】
請求項１記載の照明方法であって、
前記二光束定在波による前記試料面への照明を伴って前記バイアス平面波の位相を２πに至るまで所定量ずつシフトさせて前記試料面を照明することにより前記試料面から反射または散乱する光の強度分布であるシフト毎の光分布を取得する処理と、前記シフト毎の光分布に対してフーリエ変換して得られるフーリエ変換画像から前記二光束定在波に基づくモアレ縞に由来するピークの周期の２倍の周期となる前記三光束定在波に基づくモアレ縞に由来するピークだけが観察される判定用画像を検索する処理と、前記判定用画像が存在しないときには前記バイアス平面波の振幅を大きくする一方で前記判定用画像の数が閾値以上のときには前記バイアス平面波の振幅を小さくする処理と、からなる一連の処理を、前記判定用画像の数が前記閾値未満になるまで繰り返し実行し、前記判定用画像の数が前記閾値未満のときの振幅を前記バイアス平面波の初期振幅とすると共に前記判定用画像の数が前記閾値未満のときの該判定用画像に対応する位相を前記バイアス平面波の初期位相として調整された三光束定在波を照明する、
ことを特徴とする照明方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のうちのいずれか一つの請求項に記載の照明方法であって、
前記二光束定在波の位相と前記バイアス平面波の位相とを同期して順次シフトすることにより前記三光束定在波の位相を順次シフトする、
ことを特徴とする照明方法。
【請求項６】
請求項５記載の照明方法であって、
前記二光束定在波の一方の平面波の位相を所定位相ずつ順次シフトすると共に前記バイアス平面波の位相を前記所定位相の半分ずつ順次シフトすることにより前記三光束定在波の位相を順次シフトする、
ことを特徴とする照明方法。
【請求項７】
請求項６記載の照明方法であって、
前記二光束定在波の一方の平面波の光路長を所定距離ずつ順次変更すると共に前記バイアス平面波の光路長を前記所定距離の半分ずつ順次変更することにより前記三光束定在波の位相を順次シフトする、
ことを特徴とする照明方法。
【請求項８】
試料の顕微観察される試料面からの光の強度分布に基づいて該試料面を解像する顕微観察装置であって、
光源部と、
前記光源部からの光から生成される二光波の平面波を斜方方向から対向するよう照射することにより得られる二光束定在波を前記試料面に照射する二光束定在波照射手段と、前記光源部からの光から生成される一光波の平面波の振幅と位相を調整して得られるバイアス平面波を前記試料面に対して法線方向から照射するバイアス平面波照射部と、を有し、前記二光束定在波と前記バイアス平面波とによる三光束定在波を前記試料面に照射する照明装置と、
前記三光束定在波の照射によって反射および／または散乱する前記試料面からの光の強度分布を光分布として取得する光分布取得部と、
前記三光束定在波の位相を順次シフトするように前記照明装置を制御すると共に前記三光束定在波の位相がシフトする毎に前記光分布を取得するように前記光分布取得部を制御するシフト制御部と、
前記三光束定在波の位相がシフトする毎に取得したシフト毎の光分布に対して超解像処理を施して前記試料面を解像する解像部と、
を備える顕微観察装置。
【請求項９】
請求項８記載の顕微観察装置であって、
前記バイアス平面波照射部は、前記バイアス平面波の位相を、前記二光束定在波の電場変位が前記試料面上の各位置で値０になる程度の時期として予め定められた基準時期を境にして電場変位が前記試料面上で位置に拘わらず等しい変位をもって正側と負側とに交互に振れるように調整すると共に、前記バイアス平面波の振幅を、前記試料面上に存在する他の光波群からなる電場変位を正側のみまたは負側のみとなる程度まで嵩上げするよう調整する照射部である、
顕微観察装置。
【請求項１０】
請求項９記載の顕微観察装置であって、
前記二光波の平面波の各電場をＥ１，Ｅ２，前記バイアス平面波の電場をＥ３，前記二光波の平面波の各振幅をＡ，前記バイアス平面波の振幅を前記二光束定在波と等しい振幅，前記二光波の平面波および前記バイアス平面波の各波数をｋ，前記二光波の平面波の前記試料面に対する入射角をθ，前記二光波の平面波の入射面と前記試料面との交線方向の位置をｘ，前記試料面に対する法線方向の位置をｙ，角周波数をω，時間をｔとしたときに、
前記二光束定在波照明部は、次式（１）および式（２）の関係を有する前記二光波の平面波を用いて照明を行なう照明部であり、
前記バイアス平面波照明部は、次式（３）の関係を有する前記バイアス平面波を用いて照明を行なう照明部である、
顕微観察装置。
【数１】
2013125723.tif 000013
【請求項１１】
請求項１０記載の顕微観察装置であって、
前記二光波の平面波の前記試料面での反射による各反射光波の電場をＥ１ｒ，Ｅ２ｒ，前記試料面における前記二光波の平面波の各反射率をｒ１，ｒ２，前記二光波の平面波の前記試料面での反射による各反射光波の前記二光波の平面波に対する位相差をδ１，δ２とすると共に、前記バイアス平面波の前記試料面での反射による反射光波の電場をＥ３ｒ，前記試料面における前記バイアス平面波の反射率をｒ３，前記バイアス平面波の前記試料面での反射による反射光波の前記バイアス平面波に対する位相差をδ３，前記定在波と等しい振幅として前記バイアス平面波の振幅を補正したときの補正後振幅をＰ，前記バイアス平面波の位相を補正したときの位相補正分をΔＤとしたときに、
前記バイアス平面波照明部は、次式（４）ないし（６）の関係に基づく前記補正後振幅Ｐと前記位相補正分ΔＤとを用いて前記電場Ｅ３を補正した補正後電場Ｅ３ａの式（７）の関係を有する前記バイアス平面波を用いて照明を行なう照明部である、
顕微観察装置。
【数２】
2013125723.tif 000014
【請求項１２】
請求項９記載の顕微観察装置であって、
前記バイアス平面波照明部は、前記二光波の平面波と前記バイアス平面波との前記試料面での各反射光波の電場変位に基づく前記基準時期および振幅を用いて照明を行なう、
顕微観察装置。
【請求項１３】
請求項８記載の顕微観察装置であって、
前記バイアス平面波照明部は、振幅については前記二光束定在波の振幅と同一になるように調整すると共に位相については前記二光束定在波に同期するように調整して前記バイアス平面波を照射する照射部である、
ことを特徴とする顕微観察装置。
【請求項１４】
請求項８記載の顕微観察装置であって、
前記二光束定在波照明部による前記二光束定在波による照明を伴って前記バイアス平面波の位相を２πに至るまで所定量ずつシフトさせて前記バイアス平面波による照明を行なうよう前記照明装置を制御するバイアス平面波位相シフト制御と、前記バイアス平面波の位相を前記所定量ずつシフトさせる毎にシフト毎の光分布を取得するよう前記光分布取得部を制御するシフト毎光分布取得制御と、前記シフト毎の光分布に対してフーリエ変換して得られるフーリエ変換画像から前記二光束定在波に基づくモアレ縞に由来するピークの周期の２倍の周期となる前記三光束定在波に基づくモアレ縞に由来するピークだけが観察される判定用画像を検索すると共に前記判定用画像が存在しないときには前記バイアス平面波の振幅を大きくする一方で前記判定用画像の数が閾値以上のときには前記バイアス平面波の振幅を小さくするよう前記照明装置を制御する振幅調整制御と、からなる３つの制御を前記判定用画像の数が前記閾値未満になるまで繰り返し実行し、前記判定用画像の数が前記閾値未満のときの振幅を前記バイアス平面波の初期振幅として設定すると共に前記判定用画像の数が前記閾値未満のときの該判定用画像に対応する位相を前記バイアス平面波の初期位相として設定する初期値設定部、
を備える顕微観察装置。
【請求項１５】
請求項１３または１４記載の顕微観察装置であって、
前記シフト制御部は、前記二光束定在波の位相と前記バイアス平面波の位相とを同期して順次シフトするよう前記照明装置を制御することにより前記三光束定在波の位相を順次シフトする制御部である、
顕微観察装置。
【請求項１６】
請求項１５記載の顕微観察装置であって、
前記シフト制御部は、前記二光束定在波の一方の平面波の位相を所定位相ずつ順次シフトすると共に前記バイアス平面波の位相を前記所定位相の半分ずつ順次シフトするよう前記照明装置を制御することにより前記三光束定在波の位相を順次シフトする制御部である、
顕微観察装置。
【請求項１７】
請求項１６記載の顕微観察装置であって、
前記シフト制御部は、前記二光束定在波の一方の平面波の光路長を所定距離ずつ順次変更すると共に前記バイアス平面波の光路長を前記所定距離の半分ずつ順次変更するよう前記照明装置を制御することにより前記三光束定在波の位相を順次シフトする制御部である、
顕微観察装置。
【請求項１８】
請求項１５ないし１７のいずれか１つの請求項に記載の顕微観察装置であって、
前記試料を載置すると共に前記試料面の法線方向を回転軸として前記試料を回転させる回転ステージを備え、
前記シフト制御部は、前記試料面が９０度回転するよう前記回転ステージを制御すると共に、前記試料面の９０度の回転の前後で前記三光束定在波の位相を順次シフトするように前記照明装置を制御すると共に前記三光束定在波の位相がシフトする毎に前記光分布を取得するように前記光分布取得部を制御する制御部である、
顕微観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明方法および顕微観察装置に関し、詳しくは、試料の顕微観察される試料面からの光の強度分布に基づいて該試料面を解像する顕微観察装置に用いられる照明方法およびこうした照明方法を用いた顕微観察装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の照明方法を用いる顕微観察装置（光学顕微鏡など）とコンピュータとにより構成された高解像検出装置として、レーザ光を放射する光源と、光源からの光束を分割して反射した２光束を試料面上で干渉させて定在波照明を行なうレンズやビームスプリッタ，複数の反射鏡，圧電素子，プリズム等からなる投光光学系と、試料面からの光束を対物レンズ等のレンズを透過させてＣＣＤ等の受光部により受光する観察光学系と、圧電素子による１つの反射鏡の駆動により定在波照明をナノオーダで複数回シフトさせると共に受光部により測定された受光量を入力して解析することによって超解像を行なうコンピュータと、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
この高解像検出装置では、コンピュータによる超解像処理として、ｎ個のＣＣＤ等の受光量に関して定在波照明をｍ回シフトさせて得られるｎ×ｍ通りの連立方程式を超解像のための基本方程式として作成し、この方程式に対して試料面上の位置Ａｊ（ｊ＝１〜ｎ）における照明光の強度（照明光量）Ｉｊと回折寄与率Ｄ（｜ｉ−ｊ｜））とを与えることにより方程式を解いて散乱効率αｊを求めるといったアルゴリズムを採用している。この装置では、こうしてコンピュータによりナノオーダの光散乱変化を後処理することによってレイリー限界を超えた解像を行なうものとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２２５５６３号公報
【発明の概要】
【０００５】
一般に、光学顕微鏡などの顕微観察装置は、物理的な回折限界に支配されるため、光の半波長程度以下の構造の観察が困難である。一方で、光学顕微鏡などの顕微観察装置は、真空環境が不要で低侵襲性や高速性等を有するなど、電子顕微鏡や原子力間顕微鏡などの他の顕微観察装置にはない優れた特性を有するため、回折限界を超越できるようにすることが強く要請されている。こうした要請に対し、上述した高解像検出装置のように定在波による構造照明を利用して超解像を行なう装置では、比較的簡易な構成で回折限界を超越することができる点で有用であった。
【０００６】
しかしながら、上述した高解像検出装置のように定在波による構造照明を利用して超解像を行なう装置では、超解像処理の対象が、コヒーレント光源を用いてもインコヒーレント結像が可能な蛍光サンプルといった特殊な試料のみに限定され、超解像処理を広く一般的な試料に適用することができないという課題があった。即ち、上述したような超解像の手法は、できるだけ高い分解能を得るためには明るくより鋭敏な構造照明を形成する必要があることから、レーザ光などのコヒーレント光源を用いることが望ましいのに対し、像形成のためには一般にコンピュータによる再構成演算が必要であることから、像形成が破壊的干渉ではなく強度和でなされるインコヒーレント結像に対してのみ有効適用が可能な手法であった。
【０００７】
本発明の照明方法および顕微観察装置は、試料面からの光波情報を用いた超解像処理の適用範囲の拡大を図ることを主目的とする。
【０００８】
本発明の照明方法および顕微観察装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００９】
本発明の照明方法は、
試料の顕微観察される試料面からの光の強度分布に基づいて該試料面を解像する顕微観察装置に用いられる照明方法であって、
光源部からの光から生成される二光波の平面波を斜方方向から対向するよう照射することにより得られる二光束定在波を前記試料面に照射する一方で前記光源部からの光から生成される一光波の平面波の振幅と位相を調整して得られるバイアス平面波を前記試料面に対して法線方向から照射することによって三光束定在波を前記試料面への照射する、
ことを特徴とする。
【００１０】
本発明の照明方法では、光源部からの光から生成される二光波の平面波を斜方方向から対向するよう照射することにより得られる二光束定在波を試料面に照射する一方で光源部からの光から生成される一光波の平面波の振幅と位相を調整して得られるバイアス平面波を試料面に対して法線方向から照射することによって三光束定在波を試料面に照射する。バイアス平面波は、その振幅により試料面上に存在する他の光波群からなる電場変位を正側や負側に嵩上げするから、二光束定在波とバイアス平面波とからなる三光束定在波を試料面に照射することにより、この照射により試料面からの反射光や散乱光の電場変位を正側や負側に嵩上げする。これにより、試料面からの光波情報が打ち消し合うのを抑制し、蛍光試料に限定されずに一般的な試料に超解像処理を適用するなど、試料面からの光波情報を用いた超解像処理の適用範囲の拡大を図ることができる。ここで、「超解像」とは、光学系を通して対象物の細部まで明瞭な像を取得することを意味するものとし、高解像と言い換えることもできるし、より具体的には、観察光学系の回折限界を超える解像などということもできる。
【００１１】
こうした本発明の照明方法において、前記バイアス平面波は、位相が前記二光束定在波の電場変位が前記試料面上の各位置で値０になる程度の時期として予め定められた基準時期を境にして電場変位が前記試料面上で位置に拘わらず等しい変位をもって正側と負側とに交互に振れるように調整されており、振幅が前記試料面上に存在する他の光波群からなる電場変位を正側のみまたは負側のみとなる程度まで嵩上げするよう調整されている平面波である、ことを特徴とするものとすることもできる。こうすれば、二光束定在波による照明のみの場合には試料面上で正負に亘る電場分布が定在波状に周期的に現れるのに対し、バイアス平面波による照明を加えることによって試料面上での正負に亘る電場分布を正側のみまたは負側のみとなる程度まで嵩上げした（即ち、正負に亘らない程度まで嵩上げした）電場分布が周期的に現れるようにすることができる。ここで、「基準時期」は、定在波の電場変位が試料面上の各位置で値０若しくは略値０になる時期として予め定められたものや、定在波の電場と試料面での反射光波（全ての反射光波）の電場との和の電場変位が試料面上の各位置で値０若しくは略値０になる時期として予め定められたものなどとすることができる。
【００１２】
また、本発明の照明方法において、前記バイアス平面波は、振幅については前記二光束定在波の振幅と同一になるように調整されていると共に位相については前記二光束定在波に同期するように調整されている、ことを特徴とするものとすることもできる。こうすれば、三光束定在波が照射された試料面上での電場分布を丁度正側のみまたは負側のみとなる程度まで嵩上げすることができる。
【００１３】
さらに、本発明の照明方法において、前記二光束定在波による前記試料面への照明を伴って前記バイアス平面波の位相を２πに至るまで所定量ずつシフトさせて前記試料面を照明することにより前記試料面から反射または散乱する光の強度分布であるシフト毎の光分布を取得する処理と、前記シフト毎の光分布に対してフーリエ変換して得られるフーリエ変換画像から前記二光束定在波に基づくモアレ縞に由来するピークの周期の２倍の周期となる前記三光束定在波に基づくモアレ縞に由来するピークだけが観察される判定用画像を検索する処理と、前記判定用画像が存在しないときには前記バイアス平面波の振幅を大きくする一方で前記判定用画像の数が閾値以上のときには前記バイアス平面波の振幅を小さくする処理と、からなる一連の処理を、前記判定用画像の数が前記閾値未満になるまで繰り返し実行し、前記判定用画像の数が前記閾値未満のときの振幅を前記バイアス平面波の初期振幅とすると共に前記判定用画像の数が前記閾値未満のときの該判定用画像に対応する位相を前記バイアス平面波の初期位相として調整された三光束定在波を照明する、ことを特徴とするものとすることもできる。こうすれば、容易に、自動的に、三光束定在波が照射された試料面上での電場分布を丁度正側のみまたは負側のみとなる程度まで嵩上げすることができる。なお、三光束定在波の調整のために基準試料を用いる。基準試料は、定在波との間にモアレ縞を生成する周期構造とし、ラインピッチが既知であるようなラインアンドスペースパターンが望ましい。そして、基準試料に対し三光束定在波を入射し、生成するモアレ縞のパターンを利用することで調整を行なうのである。
【００１４】
あるいは、本発明の照明方法において、前記二光束定在波の位相と前記バイアス平面波の位相とを同期して順次シフトすることにより前記三光束定在波の位相を順次シフトする、ことを特徴とするものとすることもできる。この場合、前記二光束定在波の一方の平面波の位相を所定位相ずつ順次シフトすると共に前記バイアス平面波の位相を前記所定位相の半分ずつ順次シフトすることにより前記三光束定在波の位相を順次シフトする、ものとすることもできる。さらにこの場合、前記二光束定在波の一方の平面波の光路長を所定距離ずつ順次変更すると共に前記バイアス平面波の光路長を前記所定距離の半分ずつ順次変更することにより前記三光束定在波の位相を順次シフトする、ものとすることもできる。こうすれば、二光束定在波とバイアス平面波とからなる三光束定在波の位相の同期を保持したまま三光束定在波の位相を順次シフトさせることができる。この結果、三光束定在波の位相をシフトさせながら試料面からの反射光や散乱光などの光情報を得ることができる。ここで、「位相をシフトさせる」とは、二光束定在波や三光束定在波の節の位置を移動させることを意味する。
【００１５】
本発明の顕微観察装置は、
試料の顕微観察される試料面からの光の強度分布に基づいて該試料面を解像する顕微観察装置であって、
光源部と、
前記光源部からの光から生成される二光波の平面波を斜方方向から対向するよう照射することにより得られる二光束定在波を前記試料面に照射する二光束定在波照射手段と、前記光源部からの光から生成される一光波の平面波の振幅と位相を調整して得られるバイアス平面波を前記試料面に対して法線方向から照射するバイアス平面波照射部と、を有し、前記二光束定在波と前記バイアス平面波とによる三光束定在波を前記試料面に照射する照明装置と、
前記三光束定在波の照射によって反射および／または散乱する前記試料面からの光の強度分布を光分布として取得する光分布取得部と、
前記三光束定在波の位相を順次シフトするように前記照明装置を制御すると共に前記三光束定在波の位相がシフトする毎に前記光分布を取得するように前記光分布取得部を制御するシフト制御部と、
前記三光束定在波の位相がシフトする毎に取得したシフト毎の光分布に対して超解像処理を施して前記試料面を解像する解像部と、
を備えることを要旨とする。
【００１６】
この本発明の顕微観察装置では、照明装置は、光源部からの光から生成される二光波の平面波を斜方方向から対向するよう照射することにより得られる二光束定在波を試料面に照射する一方で光源部からの光から生成される一光波の平面波の振幅と位相を調整して得られるバイアス平面波を試料面に対して法線方向から照射することによって二光束定在波とバイアス平面波とによる三光束定在波を試料面に照射する。そして、三光束定在波の位相を順次シフトさせてシフト毎に試料面から反射や散乱する光の強度分布である光分布を取得し、取得したシフト毎の光分布に対して超解像処理を施して試料面を解像する。バイアス平面波は、その振幅により試料面上に存在する他の光波群からなる電場変位を正側や負側に嵩上げするから、二光束定在波とバイアス平面波とからなる三光束定在波を試料面に照射することにより、この照射により試料面からの反射光や散乱光の電場変位を正側や負側に嵩上げする。これにより、試料面からの光波情報が打ち消し合うのを抑制し、蛍光試料に限定されずに一般的な試料でも有効なシフト毎の光分布を取得して超解像処理を適用することができる。ここで、「位相がシフトする」とは、三光束定在波の節の位置が移動することを意味する。また、「超解像」とは、光学系を通して対象物の細部まで明瞭な像を取得することを意味するものとし、高解像と言い換えることもできるし、より具体的には、観察光学系の回折限界を超える解像などということもできる。
【００１７】
こうした本発明の顕微観察装置において、前記バイアス平面波照射部は、前記バイアス平面波の位相を、前記二光束定在波の電場変位が前記試料面上の各位置で値０になる程度の時期として予め定められた基準時期を境にして電場変位が前記試料面上で位置に拘わらず等しい変位をもって正側と負側とに交互に振れるように調整すると共に、前記バイアス平面波の振幅を、前記試料面上に存在する他の光波群からなる電場変位を正側のみまたは負側のみとなる程度まで嵩上げするよう調整する照射部である、ものとすることもできる。こうすれば、二光束定在波による照明のみの場合には試料面上で正負に亘る電場分布が定在波状に周期的に現れるのに対し、バイアス平面波による照明を加えることによって試料面上での正負に亘る電場分布を正側のみまたは負側のみとなる程度まで嵩上げした（即ち、正負に亘らない程度まで嵩上げした）電場分布が周期的に現れるようにすることができる。ここで、「基準時期」は、定在波の電場変位が試料面上の各位置で値０若しくは略値０になる時期として予め定められたものや、定在波の電場と試料面での反射光波（全ての反射光波）の電場との和の電場変位が試料面上の各位置で値０若しくは略値０になる時期として予め定められたものなどとすることができる。
【００１８】
この基準時期を用いて調整する態様の本発明の顕微観察装置において、前記二光波の平面波の各電場をＥ１，Ｅ２，前記バイアス平面波の電場をＥ３，前記二光波の平面波の各振幅をＡ，前記バイアス平面波の振幅を前記二光束定在波と等しい振幅，前記二光波の平面波および前記バイアス平面波の各波数をｋ，前記二光波の平面波の前記試料面に対する入射角をθ，前記二光波の平面波の入射面と前記試料面との交線方向の位置をｘ，前記試料面に対する法線方向の位置をｙ，角周波数をω，時間をｔとしたときに、前記二光束定在波照明部は、次式（１）および式（２）の関係を有する前記二光波の平面波を用いて照明を行なう照明部であり、前記バイアス平面波照明部は、次式（３）の関係を有する前記バイアス平面波を用いて照明を行なう照明部である、ものとすることもできる。こうすれば、バイアス平面波による照明によって、二光束定在波による照明に基づく試料面上での正負に亘る電場分布を丁度正負に亘らないように嵩上げした電場をより確実に生成することができる。
【００１９】
【数１】
2013125723.tif 000003
【００２０】
この式（１）および式（２）の関係を有する二光波の平面波を用いて照明を行なうと共に式（３）の関係を有するバイアス平面波を用いて照明を行なう態様の本発明の照明装置において、前記二光波の平面波の前記試料面での反射による各反射光波の電場をＥ１ｒ，Ｅ２ｒ，前記試料面における前記二光波の平面波の各反射率をｒ１，ｒ２，前記二光波の平面波の前記試料面での反射による各反射光波の前記二光波の平面波に対する位相差をδ１，δ２とすると共に、前記バイアス平面波の前記試料面での反射による反射光波の電場をＥ３ｒ，前記試料面における前記バイアス平面波の反射率をｒ３，前記バイアス平面波の前記試料面での反射による反射光波の前記バイアス平面波に対する位相差をδ３，前記定在波と等しい振幅として前記バイアス平面波の振幅を補正したときの補正後振幅をＰ，前記バイアス平面波の位相を補正したときの位相補正分をΔＤとしたときに、前記バイアス平面波照明部は、次式（４）ないし（６）の関係に基づく前記補正後振幅Ｐと前記位相補正分ΔＤとを用いて前記電場Ｅ３を補正した補正後電場Ｅ３ａの式（７）の関係を有する前記バイアス平面波を用いて照明を行なう照明部である、ものとすることもできる。こうすれば、振幅と位相とを補正したバイアス平面波による照明によって、定在波による照明と、この定在波を生成するための二光波の平面波の各反射光波と、バイアス平面波の反射光波とに基づく試料面上での正負に亘る電場分布を丁度正負に亘らないように嵩上げした電場をより確実に生成することができる。
【００２１】
【数２】
2013125723.tif 000004
【００２２】
また、基準時期を用いて調整する態様の本発明の顕微観察装置において、前記バイアス平面波照明部は、前記二光波の平面波と前記バイアス平面波との前記試料面での各反射光波の電場変位に基づく前記基準時期および振幅を用いて照明を行なう、ものとすることもできる。こうすれば、位相と振幅とを補正したバイアス平面波による照明によって、定在波による照明と、この定在波を生成するための二光波の平面波の各反射光波と、バイアス平面波の反射光波とに基づく試料面上での正負に亘る電場分布を正負に亘らない程度に嵩上げした電場を生成することができる。
【００２３】
本発明の顕微観察装置において、前記バイアス平面波照明部は、振幅については前記二光束定在波の振幅と同一になるように調整すると共に位相については前記二光束定在波に同期するように調整して前記バイアス平面波を照射する照射部である、ものとすることもできる。こうすれば、三光束定在波が照射された試料面上での電場分布を丁度正側のみまたは負側のみとなる程度まで嵩上げすることができる。
【００２４】
本発明の顕微観察装置において、前記二光束定在波照明部による前記二光束定在波による照明を伴って前記バイアス平面波の位相を２πに至るまで所定量ずつシフトさせて前記バイアス平面波による照明を行なうよう前記照明装置を制御するバイアス平面波位相シフト制御と、前記バイアス平面波の位相を前記所定量ずつシフトさせる毎にシフト毎の光分布を取得するよう前記光分布取得部を制御するシフト毎光分布取得制御と、前記シフト毎の光分布に対してフーリエ変換して得られるフーリエ変換画像から前記二光束定在波に基づくモアレ縞に由来するピークの周期の２倍の周期となる前記三光束定在波に基づくモアレ縞に由来するピークだけが観察される判定用画像を検索すると共に前記判定用画像が存在しないときには前記バイアス平面波の振幅を大きくする一方で前記判定用画像の数が閾値以上のときには前記バイアス平面波の振幅を小さくするよう前記照明装置を制御する振幅調整制御と、からなる３つの制御を前記判定用画像の数が前記閾値未満になるまで繰り返し実行し、前記判定用画像の数が前記閾値未満のときの振幅を前記バイアス平面波の初期振幅として設定すると共に前記判定用画像の数が前記閾値未満のときの該判定用画像に対応する位相を前記バイアス平面波の初期位相として設定する初期値設定部、を備えるものとすることもできる。こうすれば、容易に、自動的に、三光束定在波が照射された試料面上での電場分布を丁度正側のみまたは負側のみとなる程度まで嵩上げすることができる。
【００２５】
本発明の顕微観察装置において、前記シフト制御部は、前記二光束定在波の位相と前記バイアス平面波の位相とを同期して順次シフトするよう前記照明装置を制御することにより前記三光束定在波の位相を順次シフトする制御部であるものとすることもできる。この場合、前記シフト制御部は、前記二光束定在波の一方の平面波の位相を所定位相ずつ順次シフトすると共に前記バイアス平面波の位相を前記所定位相の半分ずつ順次シフトするよう前記照明装置を制御することにより前記三光束定在波の位相を順次シフトする制御部であるものとすることもできる。更にこの場合、前記シフト制御部は、前記二光束定在波の一方の平面波の光路長を所定距離ずつ順次変更すると共に前記バイアス平面波の光路長を前記所定距離の半分ずつ順次変更するよう前記照明装置を制御することにより前記三光束定在波の位相を順次シフトする制御部であるものとすることもできる。こうすれば、二光束定在波とバイアス平面波とからなる三光束定在波の位相の同期を保持したまま三光束定在波の位相を順次シフトさせることができる。この結果、三光束定在波の位相をシフトさせながら試料面からの反射光や散乱光などの光情報を得ることができる。
【００２６】
本発明の顕微観察装置において、前記試料を載置すると共に前記試料面の法線方向を回転軸として前記試料を回転させる回転ステージを備え、前記シフト制御部は、前記試料面が９０度回転するよう前記回転ステージを制御すると共に、前記試料面の９０度の回転の前後で前記三光束定在波の位相を順次シフトするように前記照明装置を制御すると共に前記三光束定在波の位相がシフトする毎に前記光分布を取得するように前記光分布取得部を制御する制御部である、ものとすることもできる。こうすれば、三光束定在波を調整することなく、容易に試料面に直交する２方向に三光束定在波を照射し、位相を順次シフトさせて光分布を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施例としての照明装置２０を含む顕微観察システム１０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】照明装置２０により試料面２３に照射される定在波生成用の平面波４１，５１による照明とバイアス平面波６１による照明との様子を模式的に示す説明図である。
【図３】試料面２３とｘ軸，ｙ軸，ｚ軸方向との関係の一例を示す説明図である。
【図４】定在波生成用の平面波４１，５１のみによる照明を試料面２３に対して行なう従来例の様子を模式的に示す説明図である。
【図５】定在波生成用の平面波４１，５１による照明とバイアス平面波６１による照明とを試料面２３に対して行なう実施例の様子を模式的に示す説明図である。
【図６】平面波４１，５１による定在波照明とバイアス平面波６１による照明とを干渉させたときの試料面２３上の電場の時間変化の様子の一例を示す説明図である。
【図７】図４の従来例の試料面２３上の２点の解像対象の解像を行なう様子の一例を説明するための説明図である。
【図８】図５の実施例の試料面２３上の２点の解像対象の解像を行なう様子の一例を説明するための説明図である。
【図９】平面波４１，５１による定在波照明とバイアス平面波６１による照明とを干渉させたときの試料面２３上の照明強度の時間変化の様子の一例を示す説明図である。
【図１０】超解像処理を適用する際の計算機シミュレーション条件を示す説明図である。
【図１１】一般的な光学顕微鏡により得られる照明強度分布の一例を示す説明図である。
【図１２】一般的な試料に対して定在波照明のみを照射して超解像処理を行なった場合の計算機シミュレーション結果としての照明強度分布の一例を示す説明図である。
【図１３】蛍光サンプルに対して定在波照明のみを照射して超解像処理を行なった場合の計算機シミュレーション結果としての照明強度分布の一例を示す説明図である。
【図１４】一般的な試料に対して照明装置２０を用いて超解像処理を行なった場合の計算機シミュレーション結果としての照明強度分布の一例を示す説明図である。
【図１５】変形例における式（４）ないし（７）に用いられる各データの例を示す説明図である。
【図１６】第２実施例の顕微観察システム１１０の構成の概略を示す構成図である。
【図１７】位相差δ１と光路長ｌとの関係を説明する説明図である。
【図１８】コンピュータ１７０により実行される光分布データ取得制御プログラムの一例を示すフローチャートである。
【図１９】コンピュータ１７０により実行される超解像処理プログラムの一例を示すフローチャートである。
【図２０】図１９における超解像処理プログラムによる処理を模式的に示す説明図である。
【図２１】初期調整プログラムの一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
【００２９】
図１は、本発明の一実施例としての照明装置２０を含む顕微観察システム１０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、照明装置２０により試料２２の一表面（以下、試料面という）２３に照射される定在波生成用の２つの平面波４１，５１による照明とバイアス平面波６１による照明との様子を模式的に示す説明図である。試料２２としては、例えば、半導体ウェハやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems），Ｍｉｃｒｏ−ＴＡＳ（Micro Total Analysis Systems）等の微細工業製品、非染色観察対象としての生体細胞などがある。
【００３０】
実施例の顕微観察システム１０は、図１に示すように、試料面２３に３つの光（３光波，３光束）を照射する照明装置２０と、例えば対物レンズを含む複数のレンズにより構成され試料面２３からの光を透過する観察光学系としてのレンズ機構１４と、例えばＣＣＤ（電荷結合半導体素子）又はＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体素子）などの複数の受光素子を用いて試料面２３からの光を測定光としてレンズ機構１４を介して受光する受光部１６と、照明装置２０の各種調整機構を駆動する汎用のコンピュータ７０（以下、調整用ＰＣという）と、受光部１６による受光量を信号として入力すると共に入力した受光量を解析して超解像を行なう汎用のコンピュータ８０（以下、解析用ＰＣという）と、を備える。実施例では、照明装置２０とレンズ機構１４と受光部１６とによって顕微観察装置１２（例えば、光学顕微鏡など）が構成され、この顕微観察装置１２と調整用ＰＣ７０と解析用ＰＣ８０とによって顕微観察システム１０が構成されている。
【００３１】
実施例の照明装置２０は、レーザ光などのコヒーレント光を３つに分割して放射する光源部３０と、試料面２３を中央にして対向する位置に配置され試料面２３上で互いに干渉させたときに定在波を生成する２つ（２光波，２光束）の平面波４１，５１（図２参照）による照明を試料面２３に対して行なう２つの定在波用平面波照明部４０，５０と、試料面２３の鉛直上方に配置され試料面２３上で定在波と干渉したときに定在波の電場変位を嵩上げ（バイアス加算）する平面波（以下、バイアス平面波という）６１（図２参照）による照明を試料面２３に対して行なうバイアス平面波照明部６０と、備える。バイアス平面波６１による照明は、試料面２３の鉛直上方から試料面２３に対して行なわれることから、落射照明として機能する。
【００３２】
光源部３０は、コヒーレント光源としての光源装置３２と、光源装置３２からの光を２つに分割してその一方をバイアス平面波照明部６０に入射させるビームスプリッタ３４と、ビームスプリッタ３４により分割された他方の光を入射し２つに分割してその一方を定在波用平面波照明部４０に入射させると共にその他方を定在波用平面波照明部５０に入射させるビームスプリッタ３６と、を有する。
【００３３】
定在波用平面波照明部４０，５０は、それぞれ、偏光子や波長板等により構成されビームスプリッタ３６からの入射光を偏光面（電場の向き）が試料面２３に平行となるＳ偏光とするよう調整する偏光調整機構４２，５２と、偏光子や波長板等により構成され平面波４１，５１の各振幅を調整する振幅調整機構４４，５４と、波長板や位相変調素子，ピエゾアクチュエータ等により構成され平面波４１，５１の干渉により試料面２３上で生成される定在波をナノオーダでシフトさせる際に平面波４１，５１の各位相を調整する相対的位相差調整機構４６，５６と、ミラーやピエゾアクチュエータ等により構成され平面波４１，５１の試料面２３に対する各入射角を微調整する入射角度微調整機構４８，５８と、を有する。平面波４１，５１の試料面２３に対する入射角は、実施例では、試料２２と定在波用平面波照明部４０，５０との相対的な位置関係によって、平面波４１，５１の干渉により試料面２３上に所望の定在波が生成されるように予め調整されているものとしたが、入射角度微調整機構４８，５８により微調整が可能となっている。
【００３４】
バイアス平面波照明部６０は、偏光子や波長板等により構成されビームスプリッタ３４からの入射光を偏光面（電場の向き）が定在波生成用の平面波４１，５１の偏光面に合うように調整する偏光調整機構６２と、偏光子や波長板等により構成されバイアス平面波６１の振幅を調整する振幅調整機構６４と、波長板や位相変調素子，ピエゾアクチュエータ等により構成されバイアス平面波６１の位相を調整する位相差調整機構６６と、ミラーやピエゾアクチュエータ等により構成されバイアス平面波６１が試料面２３に対して垂直に入射するように微調整する入射角度微調整機構６８と、を有する。バイアス平面波６１の試料面２３に対する入射角は、実施例では、試料２２とバイアス平面波照明部６０との相対的な位置関係によって、バイアス平面波６１による照明が試料面２３に対してできるだけ理想的な落射照明となるように予め調整されているものとしたが、入射角度微調整機構６８により微調整が可能となっている。
【００３５】
調整用ＰＣ７０は、図示しないＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭ，ＨＤＤ，入出力ポート等を有すると共にキーボードやマウス等の入力装置が接続され且つディスプレイ等の出力装置が接続されており、照明装置２０における偏光調整機構４２，５２，６２と、振幅調整機構４４，５４，６４と、相対的位相差調整機構４６，５６，位相差調整機構６６と、入射角度微調整機構４８，５８，６８と、による各調整が行なわれるよう駆動信号を出力ポートを介して出力することによって、照明装置２０の各種調整機構を駆動する。
【００３６】
解析用ＰＣ８０は、図示しないＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭ，ＨＤＤ，入出力ポート等を有すると共にキーボードやマウス等の入力装置が接続され且つディスプレイ等の出力装置が接続されており、受光部１６による測定光の受光量を信号として入力ポートを介して入力すると共に、予めＲＯＭに記憶されたプログラムが採用する所定のアルゴリズムに入力した受光量を適用し解析して超解像を行なう。所定のアルゴリズムは、平面波４１，５１の干渉により試料面２３上で生成される定在波による照明（以下、定在波照明ともいう）を複数回シフトさせて超解像を行なう超解像処理（超解像手法）を実現するためのものであり、実施例では、以下のアルゴリズムを用いるものとした。
【００３７】
実施例のアルゴリズムでは、まず、試料面２３からの散乱光を含む測定光の受光量を受光部１６上の位置ｉ（ｉ＝１〜ｎ）における受光量Ｘｉとして予め定めておき、試料面２３上の位置ｊにおける照明光の強度を示す照明光量Ｉｊ、及び、試料面２３上の位置ｊと受光部１６上の位置ｉとの関係に応じた回折の程度を示す回折寄与率Ｄ（｜ｉ−ｊ｜）を予め取得しておく。そして、定在波生成用の平面波４１，５１のうち少なくとも一方の位相を調整することにより試料面２３上の定在波照明の位置をｍ通りシフトさせた際のシフト毎（定在波照明の位置毎）に、受光部１６によるｎ個の受光量Ｘｉを入力する。さらに、受光量Ｘｉと照明光量Ｉｊと回折寄与率Ｄ（｜ｉ−ｊ｜）とを用いた、試料面２３上の位置ｊにおける散乱効率αｊを未知数とする次式（８）に示すｎ個の方程式に基づいて、ｍ通りの定在波照明により得られたｎ×ｍ個の連立方程式を解くことによって（即ち、受光量Ｘｉをこの連立方程式を用いて解析することによって）、散乱効率αｊを求める。これにより、試料面２３からの光波情報に基づく画像を取得する（即ち、結像を行なう）。実施例のアルゴリズムでは、こうした結像を、定在波生成用の平面波４１，５１の入射面と試料面２３との交線方向（以下、ｘ軸方向とする）の定在波照明のシフトと、試料面２３上でｘ軸方向に垂直な方向（以下、ｚ軸方向とする）の定在波照明のシフトとによって行なうものとした。これにより、より明瞭な画像を取得することができる。このアルゴリズムについては、本発明の中核をなさないため、これ以上詳細な説明は省略する。図３に、試料面２３とｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の各方向との関係の一例を示す。図中、ｙ軸方向は、試料面２３に対する法線方向となっている。図３には、ｘ軸を定める入射面についても参考のために示した。実施例では、以下、必要に応じてこのｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の各方向を用いて試料面２３上の電場の様子等の説明を行なう。
【００３８】
【数３】
2013125723.tif 000005
【００３９】
ここで、「超解像」は、実施例では、例えばレンズなどの光学系を通して対象物の細部まで明瞭な像を取得することを意味するものとし、高解像と言い換えることもできるし、より具体的には、観察光学系の回折限界を超える解像などということもできる。また、「定在波による照明（定在波照明）をシフトする」とは、実施例では、定在波による照明（定在波照明）を形成する定在波の節の位置を所定方向に移動することを意味するものとする。
【００４０】
次にこうして構成された実施例の顕微観察システム１０が含む照明装置２０の動作について説明する。図４は、定在波生成用の平面波４１，５１のみによる照明を試料面２３に対して行なう従来例の様子を模式的に示す説明図であり、図５は、定在波生成用の平面波４１，５１による照明とバイアス平面波６１による照明とを試料面２３に対して行なう実施例の様子を模式的に示す説明図であり、図６は、平面波４１，５１による定在波照明とバイアス平面波６１による照明とを試料面２３上で干渉させたときの試料面２３上の電場の時間変化の様子の一例を示す説明図である。図４および図５中、「θ」は、平面波４１，５１の試料面２３に対する入射角（実施例ではスカラー量）を示し、試料面２３上の波形は、各照明の試料面２３上での電場の和の波形の一状態を示す。なお、この電場の波形は、本来、試料面２３上でｚ軸方向に電場変位が時間変化する波形であるが、説明図の都合上、ｙ軸方向である紙面上下方向に振動する波形として示している。図６中、一点鎖線は平面波４１，５１の干渉による定在波のみの電場分布（電場変位の分布）を示し、破線はバイアス平面波６１のみの電場分布を示し、実線は平面波４１，５１とバイアス平面波６１との干渉による各照明の試料面２３上での和の電場分布を示す。図６では、電場分布は、時間的に（ａ）〜（ｈ）の状態を順に繰り返す。これらの状態のうち、図６（ａ），（ｅ）の状態は、定在波の電場変位が試料面２３上の各位置（ｘｚ平面上の各位置）で値０になる時期として予め実験や解析により定められた「基準時期」における電場分布の状態を示す。
【００４１】
まず、照明装置２０の定在波用平面波照明部４０，５０の動作について説明する。実施例では、定在波生成用の二光波の平面波４１，５１の各電場をＥ１，Ｅ２，平面波４１，５１の各振幅をＡ，平面波４１，５１の各波数をｋ，平面波４１，５１の試料面２３に対する入射角をθ（前述），平面波４１，５１の入射面と試料面２３との交線方向の位置をｘ（前述），試料面２３に対する法線方向の位置をｙ（前述），角周波数をω，時間をｔとする。これらのうち、振幅Ａと入射角θとが調整対象としての目標値であり、電場Ｅ１，Ｅ２が最終的に得るべき目標値（平面波４１，５１の波形）である。波数ｋと角周波数ωとは光源部３０の特性に基づいて予め定められた値である。そして、定在波用平面波照明部４０，５０は、次式（１）および式（２）の関係を有する二光波の平面波４１，５１による照明を試料面２３に対して行なう。具体的には、調整用ＰＣ７０によって、ビームスプリッタ３６からの入射光を偏光面が試料面２３に平行となるＳ偏光とする調整が行なわれるよう偏光調整機構４２，５２を駆動し、平面波４１，５１の各振幅を目標値としての振幅Ａとする調整が行なわれるよう振幅調整機構４４，５４を駆動し、平面波４１，５１の干渉により試料面２３上で生成される定在波を前述した所定のアルゴリズムに従ってナノオーダでシフトさせる際に平面波４１，５１の各位相の調整が行なわれるよう相対的位相差調整機構４２，５２を駆動し、平面波４１，５１の試料面２３に対する各入射角を目標値としての入射角θとする微調整が行なわれるよう入射角度微調整機構４８，５８を駆動する。
【００４２】
【数４】
2013125723.tif 000006
【００４３】
こうして定在波用平面波照明部４０，５０が駆動され式（１）および式（２）の関係を有する定在波照明が行なわれると（この定在波照明のみが行なわれたとすると）、図４の波形や図６の一点鎖線の波形に示すように、試料面２３上で正負に亘る電場分布が定在波状に周期的に現れる。即ち、試料面２３上の電場分布において隣接するピークが正負に亘る（跨る）分布が形成される。
【００４４】
続いて、照明装置２０のバイアス平面波照明部６０の動作について説明する。実施例では、バイアス平面波６１の電場をＥ３，バイアス平面波６１の振幅（以下、バイアス用振幅という）を平面波４１，５１の干渉により生成される定在波と等しい振幅（即ち、振幅Ａの２倍），バイアス平面波６１の各波数をｋ，試料面２３に対する法線方向の位置をｙ（前述），角周波数をω，時間をｔとする。これらのうち、バイアス用振幅が調整対象としての目標値であり、電場Ｅ３が最終的に得るべき目標値（バイアス平面波６１の波形）である。前述したように波数ｋと角周波数ωとは光源部３０の特性に基づいて予め定められた値である。そして、バイアス平面波照明部６０は、次式（３）の関係を有するバイアス平面波６１による照明を試料面２３に対して行なう。具体的には、調整用ＰＣ７０によって、ビームスプリッタ３４からの入射光について偏光面を定在波生成用の平面波４１，５１の偏光面に合わせる調整が行なわれるよう偏光調整機構６２を駆動し、バイアス平面波６１のバイアス用振幅を目標値（振幅Ａの２倍）とする調整が行なわれるよう振幅調整機構６４を駆動し、式（３）の電場Ｅ３の位相（ｘ軸方向の位置に関係なくｙ軸方向の位置に応じた初期位相）が得られるよう位相差調整機構６２を駆動し、バイアス平面波６１が試料面２３に対して垂直に入射する微調整が行なわれるよう入射角度微調整機構６８を駆動する。
【００４５】
【数５】
2013125723.tif 000007
【００４６】
こうしてバイアス平面波照明部６０が駆動され式（３）の関係を有するバイアス平面波６１による照明が行なわれると（このバイアス平面波６１による照明のみが行なわれたとすると）、バイアス平面波６１は、図６の破線の波形に示すように、定在波の電場変位が試料面２３上の各位置（ｘｚ平面上の各位置）で値０になる時期として予め定められた「基準時期」を境にして、試料面２３上で位置（ｘｚ平面上の各位置）に拘わらず等しい変位をもって正側と負側とに交互に振れるよう定在波（図６中、一点鎖線参照）に同期し、且つ、定在波の振幅と等しいバイアス用振幅（値２Ａ）で振動するものとなる。ここで、バイアス用振幅は、定在波の振幅と等しい振幅、即ち、定在波生成用の平面波４１，５１の振幅Ａの２倍の値（値２Ａ）としたから、図６からも分かるように、試料面２３上での定在波の電場変位（試料面２３上に存在する他の光波群（平面波４１，５１）からなる電場変位）を丁度正側のみまたは負側のみとなるまで嵩上げする振幅となっている。
【００４７】
このように、定在波照明に加えて、定在波に同期し且つ定在波と等しい振幅で振動するバイアス平面波６１による照明を試料面２３に対して行なうから、図６に試料面２３上に現れる電場Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３の和の電場として実線で示すように、定在波照明による試料面２３上での正負に亘る電場分布を丁度正側のみまたは負側のみとなるように嵩上げした（即ち、丁度正負に亘らないように嵩上げした）電場分布が周期的に現れるようにすることができる。即ち、試料面２３上の電場分布の波形において隣接するピークが正負に亘らない分布を形成することができる。
【００４８】
図７は、図４の従来例の試料面２３上の２点の解像対象の解像を行なう様子の一例を説明するための説明図であり、図８は、図５の実施例の試料面２３上の２点の解像対象の解像を行なう様子の一例を説明するための説明図であり、図９は、平面波４１，５１による定在波照明とバイアス平面波６１による照明とを試料面２３上で干渉させたときの試料面２３上の照明強度（電場の二乗値）の時間変化の様子の一例を示す説明図である。図９中、細い実線は平面波４１，５１とバイアス平面波６１との干渉による各照明の試料面２３上での和の電場分布を示し、太い実線は平面波４１，５１とバイアス平面波６１との干渉後の試料面２３上の照明強度を示す。図９では、図６（ｂ），（ｃ），（ｆ），（ｇ）の状態に対応する４状態を示している。
【００４９】
実施例の照明装置２０のような構造照明を利用する超解像処理（超解像手法）は、微細な周期状の照明強度分布を有する照明に対する試料応答を活用する。図７に示すように、従来例の定在波照明のみの場合は、試料面２３上の電場分布（電場変位の分布）において隣接するピークが正負に亘るため、試料面２３からの隣接するピーク間の光波情報は互いに打ち消し合う。この場合、超解像処理の適用対象は、コヒーレント光源を用いてもインコヒーレント結像が可能な蛍光サンプルといった特殊な試料のみに限定され、超解像処理を広く一般的な試料に適用することができなかった。一方、図８に実施例の様子として示すように、定在波照明に加えてバイアス平面波６１による照明を行なう場合は、試料面２３上の電場分布を隣接するピークが正負に亘らないように生成して、微細な周期状の照明強度分布を生成することができるため（図９参照）、試料面２３からの隣接するピーク間の光波情報の打ち消し合いがなくなり、光波情報の足し合わせにより像形成を行なうことができる。したがって、コヒーレント光源からの光を試料に照射してその試料からの測定光を受光して結像し超解像を行なう際に、蛍光サンプルのように干渉性がない測定光を発する特殊な試料に限定されることなく、試料が発する散乱光を含む測定光の干渉性の有無に関係なく一般的な試料に対して超解像処理を適用することができる。
【００５０】
また、実施例の照明装置２０では、バイアス平面波６１を、定在波に同期し且つ定在波と等しい振幅で振動するものとすることにより、定在波照明による試料面２３上での正負に亘る電場分布を丁度正側のみまたは負側のみとなるように嵩上げする（即ち、丁度正負に亘らないように嵩上げする）から、定在波照明により試料面２３上での正負に亘る電場分布を丁度正側のみまたは負側のみとする嵩上げ量より小さい嵩上げ量とするものに比して、試料面２３からの隣接するピーク間の光波情報の打ち消し合いをより確実に抑制することができる。また、定在波照明により試料面２３上での正負に亘る電場分布を丁度正側のみまたは負側のみとする嵩上げ量より大きい嵩上げ量とするものに比して、より陰影が明瞭な像形成を行なうことができる。
【００５１】
図１０に、超解像処理を適用する際の計算機シミュレーション条件を示し、図１１に一般的な光学顕微鏡により得られる照明強度分布の一例を示し、図１２に、一般的な試料に対して定在波照明のみを照射して図１０に示す条件下で超解像処理を行なった場合の計算機シミュレーション結果としての照明強度分布の一例を示し、図１３に、蛍光サンプルに対して定在波照明のみを照射して図１０に示す条件下で超解像処理を行なった場合の計算機シミュレーション結果としての照明強度分布の一例を示し、図１４に、一般的な試料に対して定在波照明とバイアス平面波による照明とを照射して図１０に示す条件下で超解像処理を行なった場合（実施例の照明装置２０を用いて超解像処理を行なった場合）の計算機シミュレーション結果としての照明強度分布の一例を示す。図１０に示すシミュレーション条件は、光源からの光の波長が４８８ｎｍ，定在波のピッチ（節と節との間の長さ）が２７０ｎｍ，超解像処理における所定方向への定在波照明のシフト回数が１０回，その１回のシフトステップサイズ（シフト量）が２５ｎｍ，光学系ＮＡ（実施例のレンズ機構１４のレンズ開口数）が０．９５，レイリー限界が３１３ｎｍ，２点の解像対象の試料が互いに５０ｎｍ離れた位置（試料面２３上の位置）にある条件となっている。図１１に示すように、一般的な光学顕微鏡の場合には、解像対象の試料の像はぼやけて全く見ることができない。図１２に示すように、蛍光でない一般的な試料に定在波照明のみを照射する従来例の場合には、発散のために超解像を行なうことができない。一方、図１３に示すように、蛍光サンプルに定在波照明のみを照射する従来例の場合には、従来より超解像が可能であった。そして、図１４に示すように、定在波照明とバイアス平面波による照明とを行なう本発明の照明装置２０によれば、蛍光サンプルでない一般的な試料であっても５０ｎｍ相当の微細構造を明瞭に分離して像形成が行なわれ超解像が可能となっている。
【００５２】
以上説明した実施例の顕微観察システム１０が含む照明装置２０によれば、定在波用平面波照明部４０，５０によって、光源部３０からの光を用いて二光波の平面波４１，５１を生成すると共に、生成した二光波の平面波４１，５１を試料面２３上で干渉させて生成される定在波による照明を試料面２３に対して行なう。さらに、バイアス平面波照明部６０によって、定在波の電場変位が試料面２３上の各位置で値０になる時期として予め定められた基準時期を境にして電場変位が試料面２３上で位置に拘わらず等しい変位をもって正側と負側とに交互に振れるよう定在波に同期し、且つ、試料面２３上での定在波の電場変位を丁度正側のみまたは負側のみとなるまで嵩上げする振幅として予め定められたバイアス用振幅（定常波と等しい値２Ａの振幅）で振動する平面波であるバイアス平面波６１を、光源部３０からの光を用いて生成すると共に、生成したバイアス平面波６１による照明を試料面２３に対して行なう。したがって、定在波による照明のみの場合には試料面上で正負に亘る電場分布が定在波状に周期的に現れるのに対し、バイアス平面波６１による照明を加えることによって試料面２３上での正負に亘る電場分布を丁度正側のみまたは負側のみとなるまで嵩上げした（即ち、丁度正負に亘らなくなるまで嵩上げした）電場分布が周期的に現れるようにすることができる。これにより、試料面２３からの光波情報が打ち消し合うのが抑制され、蛍光試料に限定されずに一般的な試料に超解像処理を適用するなど、試料面２３からの光波情報を用いた超解像処理の適用範囲の拡大を図ることができる。
【００５３】
実施例の顕微観察システム１０が含む照明装置２０では、バイアス平面波６１を、定在波に同期し且つ定在波と等しい振幅で振動するものとすることにより、定在波照明による試料面２３上での正負に亘る電場分布を丁度正側のみまたは負側のみとなるように嵩上げする（即ち、丁度正負に亘らないように嵩上げする）ものとしたが、バイアス平面波６１を、定在波照明により試料面２３上での正負に亘る電場分布を丁度正側のみまたは負側のみとする嵩上げ量より若干小さい嵩上げ量とするものとしたり、定在波照明により試料面２３上での正負に亘る電場分布を丁度正側のみまたは負側のみとする嵩上げ量（値Ａの２倍）より若干大きい嵩上げ量としたりしてもよい。若干小さい嵩上げ量とすることは、バイアス平面波６１のバイアス用振幅を、例えば値Ａの１．９倍とするなどにより行なうことができる。また、若干大きい嵩上げ量とすることは、バイアス平面波６１のバイアス用振幅を、例えば値Ａの２．１倍とするなどにより行なうことができる。
【００５４】
実施例の顕微観察システム１０が含む照明装置２０では、バイアス平面波６１は、平面波４１，５１の干渉により生成される定在波の電場変位が試料面２３上の各位置で値０になる時期として予め定められた「基準時期」を境にして、試料面２３上で位置に拘わらず等しい変位をもって正側と負側とに交互に振れるよう定在波に同期するものとしたが、この「基準時期」としては、例えば、定在波の電場変位が試料面２３上の各位置で値０になる直前の時期や直後の時期などを用いるものとしてもよい。
【００５５】
実施例の顕微観察システム１０が含む照明装置２０では、バイアス平面波６１による照明を落射照明として行なう、即ち落射型を用いるものとしたが、透過型を用いるものとしてもよい。また、定在波照明についてはエバネッセント型の照明を用いるものとしてもよいし、照明装置２０を含む顕微観察装置１２としては、偏光子を使用して暗視野型の装置としてもよいし、明視野型の装置としても構わない。
【００５６】
実施例の顕微観察システム１０が含む照明装置２０では、上述した所定のアルゴリズムを用いて超解像処理を行なうものとしたが、これとは異なる超解像処理を行なうものとしてもよい。例えば、周波数空間領域において、複数の取得像を合成し、帯域を拡張後に逆フーリエ変換し、実空間領域内での超解像観察像を得る処理（手法）を行なうものとしてもよいし、複数の取得像から逐次的に反復演算し、超解像観察像を得る処理（手法）を行なうなどとしてもよい。
【００５７】
実施例の顕微観察システム１０が含む照明装置２０では、試料面２３上での各光波の反射による反射光波については特に考慮していないが、反射光波の影響が比較的大きい場合などにはこれを考慮するものとしてもよい。この変形例の場合、照明装置２０のバイアス平面波照明部６０の動作を以下のように行なう。なお、照明装置２０の定在波用平面波照明部４０，５０の動作は実施例と同様である。
【００５８】
この変形例では、定在波生成用の平面波４１，５１の試料面２３での反射による各反射光波の電場をＥ１ｒ，Ｅ２ｒ，試料面２３における平面波４１，５１の各反射率をｒ１，ｒ２，平面波４１，５１の試料面２３での反射による各反射光波の平面波４１，５１に対する位相差をδ１，δ２とする。なお、振幅Ａ，波数ｋ，入射角θ，位置ｘ，位置ｙ，角周波数ω，時間ｔについては、実施例と同様である。そうすると、平面波４１，５１の各反射光波について、次式（４）および式（５）の関係が成立する。さらに、バイアス平面波６１の試料面２３での反射による反射光波の電場をＥ３ｒ，試料面２３におけるバイアス平面波６１の反射率をｒ３，バイアス平面波６１の試料面２３での反射による反射光波のバイアス平面波６１に対する位相差をδ３，定在波と等しい振幅としてのバイアス用振幅（値２Ａ）を補正したときの補正後振幅をＰ，バイアス平面波６１の位相を補正したときの位相補正分をΔＤ，補正後振幅Ｐと位相補正分ΔＤとを用いて電場Ｅ３を補正した補正後電場をＥ３ａとする。そうすると、バイアス平面波６１の反射光波について、式（６）の関係が成立する。また、バイアス平面波６１は、式（７）の関係を有することになる。ここで、補正後振幅Ｐと位相補正分ΔＤとが調整対象としての目標値であり、補正後電場Ｅ３ａが最終的に得るべき目標値（バイアス平面波６１の波形）である。前述したように波数ｋと角周波数ωとは光源部３０の特性に基づいて予め定められた値である。なお、試料面２３上には、電場Ｅ１，Ｅ１ｒ，Ｅ２，Ｅ２ｒ，Ｅ３ａ，Ｅ３ｒの和の電場が現れる。
【００５９】
【数６】
2013125723.tif 000008
【００６０】
ここで、この変形例では、補正後振幅Ｐは、試料面２３上での定在波および全ての反射光波（即ち、平面波４１，５１の反射光波とバイアス平面波６１自身の反射光波）の和の電場変位（即ち、電場Ｅ１，Ｅ１ｒ，Ｅ２，Ｅ２ｒ，Ｅ３ｒの和の電場変位）を丁度正側のみまたは負側のみとなるまで（即ち、丁度正負に亘らなくなるまで）嵩上げする振幅として予め実験や解析により定められたものを用いるものとした。また、位相補正分ΔＤは、定在波の電場と試料面２３での全ての反射光波の電場との和の電場変位（即ち、電場Ｅ１，Ｅ１ｒ，Ｅ２，Ｅ２ｒ，Ｅ３ｒの和の電場変位）が試料面２３上の各位置で値０若しくは略値０になる時期として予め定められた「基準時期」のタイミングで、バイアス平面波６１のみによる電場変位（即ち、電場Ｅ３ａの電場変位）が試料面２３上で位置に拘わらず値０となるように予め実験や解析により定められたものを用いるものとした。したがって、補正後振幅Ｐによる振幅の補正は、全ての反射光波の試料面２３上での電場変位に基づくバイアス用振幅の補正ということができ、位相補正分ΔＤによる位相の補正は、全ての反射光波の試料面２３上での電場変位に基づく「基準時期」の補正ということができる。
【００６１】
そして、この変形例では、バイアス平面波照明部６０は、式（７）の関係を有するバイアス平面波６１による照明を試料面２３に対して行なう。具体的には、調整用ＰＣ７０によって、ビームスプリッタ３４からの入射光について偏光面を定在波生成用の平面波４１，５１の偏光面に合わせる調整が行なわれるよう偏光調整機構６２を駆動し、バイアス平面波６１の振幅を補正後振幅Ｐとする調整が行なわれるよう振幅調整機構６４を駆動し、位相補正分ΔＤを含む式（７）の電場Ｅ３ａの位相（ｘ軸方向の位置に関係なくｙ軸方向の位置に応じた初期位相）が得られるよう位相差調整機構６２を駆動し、バイアス平面波６１が試料面２３に対して垂直に入射する微調整が行なわれるよう入射角度微調整機構６８を駆動する。即ち、バイアス平面波照明部６０は、式（４）ないし（６）の関係に基づいて（各反射光波を考慮して）、試料面２３上での定在波および全ての反射光波の和の電場変位（即ち、試料面２３上に存在する他の光波群からなる電場変位）を丁度正負に亘らなくなるまで嵩上げする補正後振幅Ｐと、上述の「基準時期」のタイミングでバイアス平面波６１のみによる電場変位を試料面２３上で位置に拘わらず値０とす位相補正分ΔＤとを予め定めておき、こうして定めた補正後振幅Ｐと位相補正分ΔＤとを用いて電場Ｅ３を補正した補正後電場Ｅ３ａの式（７）の関係を有するバイアス平面波６１による照明を行なうのである。
【００６２】
この変形例によっても、実施例と同様に、バイアス平面波６１による照明を加えることによって試料面２３上での正負に亘る電場分布を丁度正側のみまたは負側のみとなるまで嵩上げした（即ち、丁度正負に亘らなくなるまで嵩上げした）電場分布が周期的に現れるようにすることができる。これにより、試料面２３からの光波情報が打ち消し合うのが抑制され、蛍光試料に限定されずに一般的な試料に超解像処理を適用するなど、試料面２３からの光波情報を用いた超解像処理の適用範囲の拡大を図ることができる。
【００６３】
この変形例に用いられる各データの例としては、図１５に例１として示すように、振幅Ａを値１．０，反射率ｒ１，ｒ２を値０．４，反射率ｒ３を値０．２，位相差δ１，δ２，δ３を値３．１４とした場合には、補正後振幅Ｐを値１．５，位相補正分ΔＤを値０とすればよいことが解析によって分かっている。また、図１５に例２として示すように、振幅Ａを値１．０，反射率ｒ１，ｒ２を値０．７５，反射率ｒ３を値０．５５，位相差δ１，δ２，δ３を値３．１４とした場合には、補正後振幅Ｐを値１．１，位相補正分ΔＤを値０とすればよいことが解析によって分かっている。さらに、図１５に例３として示すように、振幅Ａを値１．０，反射率ｒ１，ｒ２を値０．３，反射率ｒ３を値０．２，位相差δ１，δ２を値１．５７，位相差δ３を値３．１４とした場合には、補正後振幅Ｐを値２．６，位相補正分ΔＤを値０．２８とすればよいことが解析によって分かっている。
【００６４】
次に、上述した実施例で原理を説明した二光波の平面波とバイアス平面波とを用いて具体的な機器を組み込んで構成した第２実施例の顕微観察システム１１０について説明する。図１６は、第２実施例の顕微観察システム１１０の構成の概略を示す構成図である。第２実施例の顕微観察装置１１０は、図示するように、試料１２２を載置する回転ステージとしてのサンプルステージ１２１と、レーザ光源１３２と、レーザ光源１３２からの直線偏光の偏光方向を任意に変更可能な波長板１３４と、波長板１３４により偏光方向が定められた光を図１６の紙面に平行な偏光（以下、「平面内偏光」という。）の透過成分と図１６の紙面に垂直な偏光（以下、「垂直偏光」という。）の反射成分とに分割する偏光ビームスプリッタ１３６と、偏光ビームスプリッタ１３６により反射された垂直偏光成分の方向を変更するミラー１４０と、ミラー１４０からの垂直偏光成分を二光束に分割するビームスプリッタ１４２と、ビームスプリッタ１４２からの垂直偏光成分の一方を試料１２２の試料面１２３に照射するミラー１４８と、ビームスプリッタ１４２からの垂直偏光成分の他方の方向を変更するミラー１４４ａと光路長の変更により位相を変更するためにミラー１４４ａを駆動するピエゾアクチュエータ１４４ｂとからなる駆動ミラー１４４と、駆動ミラー１４４からの垂直偏光成分を試料１２２の試料面１２３に照射するミラー１４６と、偏光ビームスプリッタ１３６からの平面内偏光成分の光量調節（強度調節、振幅調節）を行なう波長板１５０および偏光板１５２と、光量調節がされた平面内偏光成分の方向を変更するミラー１５４ａと光路長の変更により位相を変更するためにミラー１５４ａを駆動するピエゾアクチュエータ１５４ｂとからなる駆動ミラー１５４と、駆動ミラー１５４からの平面内偏光成分のビーム径を拡大するビームエキスパンダ１５６と、ビーム径が拡大された平面内偏光成分が最終的に平行光となるようにするためのレンズ１５８と、平面内偏光の透過成分と垂直偏光の反射成分とに分割する偏光ビームスプリッタ１６０と、偏光ビームスプリッタ１６２からの平面内偏光成分を垂直偏光成分に偏光する波長板１６２と、波長板１６２からの垂直偏光成分を試料面１２３に照射する対物レンズ１６４と、試料面１２３で反射して偏光ビームスプリッタ１６０で反射された平面内偏光成分の散乱光を結像する結像レンズ１６６と、結像レンズ１６６により結像された光の光量の分布（光分布データ）を検出する冷却ＣＣＤ（charge-coupled device）カメラ１６８と、サンプルステージ１２１や波長板１３４，１５０，偏光板１５２，駆動ミラー１４５，１５５，冷却ＣＣＤカメラ１６８などを駆動制御すると共に冷却ＣＣＤカメラ１６８により検出された光分布データを入力して超解像処理を行なうコンピュータ１７０と、を備える。
【００６５】
第２実施例の顕微観察システム１１０では、システムを構成する具体的な各機器等については以下のものを用いた。
（１）レーザ光源１３２：Coherent Inc.製のCWブルーレーザ（出力パワー：150mW、波長：488nm、偏光：リニア垂直（＞１００：１）、ビーム径：0.70±0.05mm）
（２）波長板１３４，１５０，１６２：ソーラボ製のMounted Zero Order 1/2 Waveplate（型番：WPH10M-488、材質：Crystal Quarts、直径：24.0mm）
（３）偏光ビームスプリッタ１３６：ソーラボ製のPolarizing Beamsplitter Cubes（型番：PBS101、材質：SF2、Tp:Ts：1000:1、サイズ：10mm×10mm×10mm）
（４）偏光ビームスプリッタ１６０：ソーラボ製のPolarizing Beamsplitter Cubes（型番：PBS251、材質：SF2、Tp:Ts：1000:1、サイズ：25.4mm×25.4mm×25.4mm）
（５）ミラー１４０，１４４ａ，１５４ａ：シグマ光機製の４５°入射用誘多膜平面ミラー（型番：TFM-25C05-500、材質：BK7、入射角：45度±3度、直径：25mm）
（６）ミラー１４６，１４８：シグマ光機製のアルミ平面ミラー（型番：TFM-25C05-20、材質：BK7、直径：25mm）
（７）ビームスプリッタ１４２：シグマ光機製の無偏光キューブハーフミラー（型番：NPCH-10-4880、材質：BK7、サイズ：10mm×10mm×10mm、R:T：1:1）
（８）ビームエキスパンダ１５６：シグマ光機製のレーザビームエキスパンダー（型番：BE-21-V、アフォーカル倍率：×21.0、入射有効径：1.7mm）
（９）対物レンズ１６４：Edmund Optics製の対物レンズ（型番：BD Plan Apo SL 20×，BD Plan Apo SL 50×，BD Plan Apo SL 100×、NA：0.28，0.42，0.55、焦点距離：10mm，4mm，2mm、作動距離：30.5mm，20.0mm，13.0mm）
（１０）ピエゾアクチュエータ１４４ｂ，１５４ｂ：Physik Instrumente製のPZT（型番：P-753.11C、閉ループ制御時の駆動距離：10μm、位置決め分解能：Closed loop:0.1nm）およびPhysik Instrumente製のPZTコントローラ（型番：E-710.4CL、サンプリングレート（サーボ）：200μs/5kHz、サンプリングレート（センサ）：50μs/20kHz、DAC分解能：20bit）
（１１）冷却ＣＣＤカメラ１６８：BTTRAN製の冷却ＣＣＤカメラ（型番：BS-40、ピクセルサイズ：8.3μm×8.3μm、ピクセル数：772×580、ダイナミックレンジ：16bit、最小撮像時間：0.001s、インターフェース：USB）
（１２）サンプルステージ１２１：シグマ光機製の回転ステージ（型番：KSP-606M、テーブル面直径：60mm、表示分解能：1度）
【００６６】
第２実施例の顕微観察システム１１０では、レーザ光源１３２からのレーザ光（直線偏光）は、波長板１３４により偏光方向を決定され、偏光ビームスプリッタ１３６により平面内偏光成分と垂直偏光成分とに分割される。垂直偏光成分は、ミラー１４０によりビームスプリッタ１４２に入射されて分割され、一方の光はミラー１４８によって入射角が調整されて対物レンズ１６４の外側（図中右側）から試料１２２の試料面１２３に照射され、他方の光は駆動ミラー１４４とミラー１４６とによりミラー１４８からの一方の光に対して反対方向（図中左側）から同じ入射角に調整されて対物レンズ１６４の外側から試料１２２の試料面１２３に照射される。ミラー１４６からの光とミラー１４８からの光の二光束は、同一の垂直偏光で同一の入射角で反対方向から試料面１２３に照射されるから、二光束干渉定在波として試料面１２３に照射されることになる。この二光束干渉定在波は、駆動ミラー１４４により他方の光の光路長を変更することにより位相を調節することができる。
【００６７】
一方、偏光ビームスプリッタ１３６を透過した平面内偏光成分は、波長板１５０と偏光板１５２によりその光量（強度、振幅）が調節され、駆動ミラー１５５により反射されてビームエキスパンダ１５６に入射される。ビームエキスパンダ１５６でビーム径が約２０倍に拡大された平面内偏光成分は、レンズ１５８により最終的に平行光として試料面１２３に照射されるよう調節されて偏光ビームスプリッタ１６０に入射されるが、平面内偏光成分であるため、全ての光が反射されることなく偏光ビームスプリッタ１６０を透過する。偏光ビームスプリッタ１６０を透過した平面内偏光成分は、波長板１６２により垂直偏光成分に偏光され、対物レンズ１６４を通って平行光となって試料面１２３に照射される。こうした落射照明は、上述したように、ミラー１４６，１４８からの二光束干渉定在波は垂直偏光成分と同様の垂直偏光成分であるから、二光束干渉定在波と高い干渉性を有するもの、即ち三光束干渉定在波となり、第１実施例の顕微観察システム１０で説明した定在波生成用の平面波４１，５１による照明とバイアス平面波６１による照明とによる三光波の照明と同様の照明となる。
【００６８】
三光束干渉定在波の照射による試料面１２３からの反射光や散乱光は、そのうち二光束干渉定在波に由来するものは斜方照明であることから、対物レンズ１６４によって取得されないが、落射照明に由来するものは、対物レンズ１６４を通過し、波長板１６２により平面内偏光成分に変更される。このため、偏光ビームスプリッタ１６０によって反射され、結像レンズ１６６に入射され、冷却ＣＣＤカメラ１６８内のＣＣＤ上で結像される。
【００６９】
第２実施例の顕微観察システム１１０では、駆動ミラー１４４により光路長を変更することにより二光束干渉定在波をナノメートルスケールでシフトすると共に、二光束干渉定在波のシフトによって生じる位相変化に対して駆動ミラー１５４により落射照明の位相を同期させることにより、三光束干渉定在波の位相をナノメートルスケールでシフトすることができる。したがって、三光束干渉定在波の位相をナノメートルスケールのシフト量で１波長分（２π）に至るまで順次シフトさせてシフト毎に冷却ＣＣＤカメラ１６８で光分布データを取得すれば、試料面１２３の観測範囲全体で三光束干渉定在波の位相をシフト量ずつシフトさせた光分布データを得ることができる。一方、サンプルステージ１２１により試料１２２を回転させることができるから、サンプルステージ１２１の回転中心に試料１２２を載置し、三光束干渉定在波の位相をナノメートルスケールのシフト量で１波長分に至るまで順次シフトさせてシフト毎に冷却ＣＣＤカメラ１６８で光分布データを検出し、その後、試料１２２を９０度回転し、再び三光束干渉定在波の位相をナノメートルスケールのシフト量で１波長分に至るまで順次シフトさせてシフト毎に冷却ＣＣＤカメラ１６８で光分布データを検出するものとすれば、得られる光分布データは、三光束干渉定在波を試料面１２３に直交する方向に照射し、三光束干渉定在波の位相を順次シフトさせるものとなる。
【００７０】
図１７は、位相差ζ１と光路長ｌとの関係を説明する説明図である。駆動ミラー１４４のミラー１４４ａが移動距離ｄ１だけ移動すると、ミラー１４４ａへの入射角をθ１とすれば、光路差ｌ１は次式（９）によって表わされる。このときの位相差ζ１は、波長をλとすれば式（１０）により表わされ、移動距離ｄ１は式（１１）により表わされる。駆動ミラー１４４を駆動して二光束干渉定在波の他方の光の位相をζ１だけシフトすると、二光束定在波の位相はζ１／２だけシフトするから、バイアス平面波の位相をζ１／２だけシフトすれば三光束干渉定在波の位相をζ１／２だけシフトすることができる。駆動ミラー１５４のミラー１５４ａの移動距離をｄ２、バイアス平面波の位相差をζ２、ミラー１５４ａへの入射角をθ２として、ｄ１，ζ１，θ１を置き換えれば式（９）〜式（１１）はバイアス平面波にも成立する。ここで、ζ１＝２ζ２であるから、双方の式（１０）から式（１２）となり、これを整理して移動距離ｄ２について解くと式（１３）となる。ミラー１４４ａ，１５４ａの入射角θ１，θ２が共に４５度で波長λが４８８ｎｍのときを考えれば、移動距離ｄ１≒１７２．５・ζ１／π［ｎｍ］，ｄ２＝ｄ１／２となる。そして、位相差ζ１＝２π／ｎとすれば、移動距離ｄ１＝３４５／ｎ［ｎｍ］となり、ｎ＝６０の位相差ζ１＝π／３０（６度）のときで移動距離ｄ１＝５．７５ｎｍ，ｄ２＝２．８７５ｎｍとなる。第２実施例で用いたピエゾアクチュエータ１４４ｂ，１５４ｂは位置決め分解能が０．１ｎｍであるから、位相差ζ１＝π／３０（６度）を十分な精度で変更することができる。
【００７１】
【数７】
2013125723.tif 000009
【００７２】
次に、第２実施例の顕微観察システム１１０で試料面１２３を顕微観察する様子について説明する。第２実施例の顕微観察システム１１０では、まず、試料面１２３に位相を順次シフトさせた三光束干渉定在波を照射してシフト毎の光分布データを取得する光分布データ取得制御を実行し、次に、得られたシフト毎の光分布データを逆問題解析により解析する超解像処理を実行する。図１８はコンピュータ１７０により実行される光分布データ取得制御プログラムの一例を示すフローチャートであり、図１９はコンピュータ１７０により実行される超解像処理プログラムの一例を示すフローチャートであり、図２０は図１９における超解像処理プログラムによる処理を模式的に示す説明図である。以下に、光分布データ取得制御を説明し、その後に、超解像処理を説明する。
【００７３】
光分布データ取得制御プログラムを起動すると、まず、試料１２２の試料面１２３の観察範囲の中心がサンプルステージ１２１の回転中心となるよう初期位置をセットし（ステップＳ１００）、三光束干渉定在波の初期値を調整する（ステップＳ１１０）。三光束干渉定在波の初期値の調整は、落射照明の強度（振幅）と位相を調整することにより行なうことができる。こうした初期調整は、具体的には、基準試料を用いて、二光束干渉定在波を照射した状態で図２１に例示する初期調整プログラムを実行することにより行なわれる。基準試料としては、定在波との間にモアレ縞を生成する周期構造とし、ラインピッチが既知であるようなラインアンドスペースパターンが望ましい。
【００７４】
初期調整プログラムが実行されると、まず、駆動ミラー１５４を駆動して落射照明の位相を位相変更量Δζ２だけ変更し（ステップＳ３００）、冷却ＣＣＤカメラ１６８により光強度像を取得すると共に（ステップＳ３１０）、取得した光強度像をフーリエ変換してフーリエ変換画像を取得し（ステップＳ３２０）、合計位相変更量ΣΔζ２を２πと比較し（ステップＳ３３０）、合計位相変更量ΣΔζ２が２πに至るまでステップＳ３００〜Ｓ３３０の処理を繰り返す。ここで、落射照明の位相を位相変更量Δζ２だけ変更する処理は、位相変更量Δζ２として例えば６度（π／３０）を用いれば、このときの駆動ミラー１５４の移動距離ｄ２は入射角θ２が４５度のときには５．７５ｎｍとなるから、駆動ミラー１５４のピアゾアクチュエータ１５４ｂを駆動してミラー１５４ａを５．７５ｎｍだけ移動させるものとなる。したがって、ステップＳ３００〜Ｓ３３０を繰り返す処理は、落射照明の位相を位相変更量Δζ２ずつ変更した際の位相毎の光強度像のフーリエ変換画像を取得する処理となる。このフーリエ変換画像では、基準試料と用いると、一定の周期の二光束干渉定在波に基づくモアレ縞に由来するピークやその２倍の周期の三光束干渉定在波に基づくモアレ縞に由来するピークを観察することができる。合計位相変更量ΣΔζ２が２πに至ると、取得したフーリエ変換画像のうち三光束干渉定在波に基づくモアレ縞に由来するピークのみが観察される画像を判定用画像として検索し（ステップＳ３４０）、判定用画像が存在するか否かを判定し（ステップＳ３５０）、判定用画像が存在しないときには、取得した全てのフーリエ変換画像を破棄し（ステップＳ３７０）、波長板１５０と偏光板１５２を予め定めた分だけ駆動して落射照明の強度（振幅）を予め定めた所定量だけ大きくして（ステップＳ３８０）、ステップＳ３００に戻る。ここで、所定量としては、二光束干渉定在波の振幅の１／１０や１／２０或いは１／３０などを用いることができる。一方、ステップＳ３５０で判定用画像が存在すると判定されたときには、検出された判定用画像数が閾値未満であるか否かを判定し（ステップＳ３８０）、検出された判定用画像数が閾値以上であるときには、取得した全てのフーリエ変換画像を破棄し（ステップＳ３９０）、波長板１５０と偏光板１５２を予め定めた分だけ駆動して落射照明の強度（振幅）を予め定めた所定量だけ小さくして（ステップＳ４００）、ステップＳ３００に戻る。ここで閾値としては、例えば値２や値３などを用いることができる。このようにして判定用画像が存在し、その画像数が閾値未満となったときには、そのときの振幅を初期振幅として設定すると共に判定用画像を取得したときの位相を初期位相として設定し（ステップＳ４１０）、落射照明が初期位相となるように駆動ミラー１５４を駆動して（ステップＳ４２０）、初期調整プログラムを終了する。なお、振幅は既に初期振幅になっているため、特に調整する必要はない。このように調整することにより、許容範囲内で、落射照明の振幅を二光束干渉定在波の振幅の２倍に調整することができると共に落射照明の位相を二光束干渉定在波の位相に同期させることができる。即ち、顕微観察の許容範囲内で有効な三光束干渉定在波���得ることができる。
【００７５】
光分布データ取得制御プログラムの説明に戻る。三光束干渉定在波の初期値を調整すると、冷却ＣＣＤカメラ１６８に結像される散乱光の強度（光量）分布（光分布データ）を入力し（ステップＳ１２０）、三光束干渉定在波の位相をシフト量ζだけシフトさせ（ステップＳ１３０）、合計シフト量Σζが２πに至っているか否かを判定し（ステップＳ１４０）、合計シフト量ζが２πに至るまでステップＳ１２０〜Ｓ１４０の処理を繰り返す。ここで、シフト量ζは、例えば、２π／ｎで表わしたときにｎが１０や２０或いは３０などを用いることができる。三光束干渉定在波の位相をシフト量ζだけシフトする処理は、具体的には、駆動ミラー１４４のミラー１４４ａを移動距離ｄ１＝１７２．５・ζ／π［ｎｍ］だけ移動させると共に駆動ミラー１５４のミラー１５４ａを移動距離ｄ２＝ｄ１／２［ｎｍ］だけ移動させる処理となる。これは、同期している三光束干渉定在波を形成する二光束干渉定在波（斜方照明）の二光束の一方の位相をシフト量ζだけシフトすると二光束干渉定在波は位相がζ／２だけシフトするから、この位相がシフトした二光束干渉定在波に三光束目のバイアス平面波（落射照明）を同期させるには位相をζ／２だけシフトすればよいことに基づく。これらのことを以下に更に説明する。
【００７６】
いま、二光束のｚ軸方向の電場成分Ｅ１，Ｅ２をそれぞれ次式（１４），（１５）とすると、電場成分Ｅ１＋Ｅ２は式（１６）として示される定在波となる。一方、バイアス平面波の電場成分Ｅ３は式（１７）で示されるから、簡単のため位相ζ１、ζ２を無視すると、電場成分Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅ３は式（１８）となる。ここで、二光束の定在波とバイアス平面波とが理想的に同期する条件は、２ａ＝ｂ、且つ、ζ３＝０，πとなる。２ａ＝ｂは、二光束干渉定在波の振幅とバイアス平面波の振幅とが同じであることを意味すると共に、二光束干渉定在波を形成する二光波の平面波の振幅の２倍とバイアス平面波の振幅とが同じであることを意味している。理想的に同期した三光束定在波は、式（１９）となる。
【００７７】
【数８】
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【００７８】
位相ζ１，ζ２を考慮して電場成分Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅ３を表わすと式（２０）となる。２ａ＝ｂであり、且つ、位相ζ１，ζ２，ζ３が同期しているとして全て値０とし、定在波をシフトさせるために位相ζ１をζ１＋Δζ１，位相ζ３をζ３＋Δζ１／２として変形すると、式（２１）を得る。式（２１）では、ｘ軸項，時間項が分離しているから、位相をシフトしても定在波を維持しているのが解る。即ち、斜方照明における位相シフトの半分の位相シフトを落射照明に与えることにより三光束干渉定在波の位相をシフトすることができる。
【００７９】
【数９】
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【００８０】
入射光波の干渉だけでなく反射光波の干渉を考えると、以下のようになる。三光束のｚ軸方向の電場成分Ｅ１，Ｅ，Ｅ３の反射光波をＥｒ１，Ｅｒ２，Ｅｒ２、反射率をｒ１，ｒ２，ｒ３とすると、反射光波Ｅｒ１，Ｅｒ２，Ｅｒ３は、次式（２２），（２３），（２４）により示される。この三光波を加えても落射照明の強度と位相を補正することにより三光束干渉定在波を生成することができ、斜方照明の一光束の位相をシフトし、その半分の位相シフトを落射照明に与えることにより、三光束干渉定在波のシフトが可能となる。斜方照明は同じ角度で入射するから、ｒ１＝ｒ２、ζ４＝ζ１＋ζ７、ζ５＝ζ２＋ζ７となり、ｙ＝０とすると、二光束干渉定在波は式（２５）となり、落射照明は式（２６）となる。式（２５）と式（２６）から式（２７）となるように落射照明の振幅（強度）と位相を調整すれば、式（２８）の三光束干渉定在波の式となる。ここで、二光束干渉定在波の式（２５）のＢは、斜方照明の一方の平面波の位相をζだけシフトするとζ／２だけずれる。一方、落射照明の位相をζ／２だけシフトすると、式（２６）のＤはζ／２だけずれるから、式（２７）の等号を保持したまま定在波のシフトが実現する。したがって、入射光波の干渉だけでなく反射光波の干渉を考慮しても、同期している三光束干渉定在波の斜方照明（二光束干渉定在波）の一方の平面波の位相をシフト量ζだけシフトさせると共に落射照明（バイアス平面波）の位相をシフト量ζ／２だけ同期してシフトさせることにより、同期を保持したまま三光束干渉定在波の位相をシフトすることができるのが解る。
【００８１】
【数１０】
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【００８２】
再び、光分布データ取得制御プログラムの説明に戻る。合計シフト量Σζが２πに至るまでステップＳ１２０〜Ｓ１４０の処理を繰り返すと、回転済フラグＦを調べる（ステップＳ１５０）。回転済フラグＦは、初期値として値０がセットされており、ステップＳ１２０〜Ｓ１４０の処理を繰り返してサンプルステージ１２１を９０度回転させたときに後述するステップＳ１８０で値１がセットされるフラグである。回転済フラグＦが値０のときは、ステップＳ１１０で調整した初期値を用いて三光束干渉定在波を初期値に調整し（ステップＳ１６０）、サンプルステージ１２１を９０度回転させて（ステップＳ１７０）、回転済フラグＦに値１をセットし（ステップＳ１８０）、ステップＳ１２０に戻る。サンプルステージ１２１を９０度回転させてステップＳ１２０に戻るのは、試料面１２３に照射される三光束干渉定在波を相対的に９０度回転させて再び位相をシフト量ζだけシフトする処理を行なうためである。これにより、三光束干渉定在波を試料面１２３に直交する２方向に照射し、三光束干渉定在波の位相を順次シフトさせて光分布を取得することができる。
【００８３】
サンプルステージ１２１を９０度回転させた後に三光束干渉定在波の位相をシフト量ζずつシフトして光分布データを取得して合計シフト量Σζが２πに至ると、ステップＳ１５０で否定的判定がなされ、本ルーチンを終了する。
【００８４】
次に、超解像処理について説明する。図１９の超解像処理プログラムが起動されると、まず、既知の構造の推定試料のシフト毎の光分布データを計算する処理が行なわれる（ステップＳ２００）。推定試料としては、既知であれば如何なるものを用いてもよく、例えば試料面１２３の設計値どおりの理想的な構造を用いるものとしたり、試料面１２３の構造が全く分からない場合には一様なもの（即ち、真っ平らなもの）を用いるものとしたりすることができる。推定試料のシフト毎の光分布データは、光分布データ取得制御プログラムで用いたシフト量ζを用いて計算される。続いて、試料面１２３のシフト毎の光分布データと推定試料のシフト毎の光分布データとの誤差を求め（ステップＳ２１０）、この誤差を打ち消す方向に推定試料に修正を加えて近似試料を作成し（ステップＳ２２０）、誤差が収束したか否かを判定する（ステップＳ２３０）。ここで、推定試料に修正を加える際の修正量は予め定められた微小量としたり、誤差の大きさにゲインを乗じて得られる値としたりすることができる。また、誤差が収束したか否かの判定としては、誤差が収束したと判断することができる程度の値として予め定めた閾値と誤差とを比較し、誤差が閾値以下に至ったときに収束したと判断する手法を用いたり、ステップＳ２００〜Ｓ２３０の処理を予め定めておいた所定回数（例えば、１００回や１０００回或いは１００００回など）繰り返したときに収束したと判断する手法を用いたりすることができる。誤差が収束していないと判定されたときには、近似試料を推定試料に置き換えて（ステップＳ２４０）、置き換えた推定試料のシフト毎の光分布データを計算するステップＳ２００の処理に戻る。こうしたステップＳ２００〜Ｓ２３０の処理を繰り返すことにより、近似試料は試料面１２３に近似していく。ステップＳ２３０で収束したと判定されると、そのときに得られた近似試料を解（即ち、試料面１２３の解像）として出力して（ステップＳ２５０）、本プログラムを終了する。
【００８５】
以上説明した第２実施例の顕微観察システム１１０によれば、第１実施例の顕微観察システム１０の照明装置２０による効果と同様の効果、即ち、落射照明を加えることによって試料面１２３上での正負に亘る電場分布を丁度正側のみまたは負側のみとなるまで嵩上げした（即ち、丁度正負に亘らなくなるまで嵩上げした）電場分布が周期的に現れるようにすることができる。
【００８６】
また、第２実施例の顕微観察システム１１０によれば、駆動ミラー１４４により二光束干渉定在波を生成する他方の光の光路長を移動距離ｄ１に対応する分だけ変更することにより二光束干渉定在波の位相をシフトすると共に二光束干渉定在波の位相シフトに同期して駆動ミラー１５４により落射照明の光路長を移動距離ｄ２＝ｄ１／２に対応する分だけ変更することにより落射照明の位相を二光束干渉定在波の位相変化に同期させることにより、試料面１２３に照射する三光束干渉定在波の位相をシフト量ζずつシフトさせて光分布データを検出することができる。しかも、こうした光分布データの検出に加えて、サンプルステージ１２１を駆動して試料１２２を９０度回転させ、更に試料面１２３に照射する三光束干渉定在波の位相をシフト量ζずつシフトさせて光分布データを検出することにより、容易に、三光束干渉定在波を試料面１２３に直交する方向に照射し、三光束干渉定在波の位相を順次シフトさせて光分布を取得することができる。
【００８７】
第２実施例の顕微観察システム１１０によれば、落射照明の位相が２πに至るまで位相変更量Δζ２だけ変更して冷却ＣＣＤカメラ１６８により光強度像を取得し、取得した光強度像をフーリエ変換して得られるフーリエ変換画像から三光束干渉定在波に基づくモアレ縞に由来するピークのみが観察される画像を判定用画像として検索し、判定用画像が存在しないときには波長板１５０と偏光板１５２を駆動して落射照明の強度（振幅）を所定量だけ大きくし、判定用画像数が閾値以上であるときには波長板１５０と偏光板１５２を駆動して落射照明の強度（振幅）を所定量だけ小さくする処理を判定用画像数が閾値未満に至るまで繰り返し、判定用画像数が閾値未満に至ったときの振幅を落射照明の初期振幅とし、判定用画像が閾値未満に至ったときの判定用画像に対応する位相を落射照明の初期位相とすることにより、落射照明の振幅を二光束干渉定在波の振幅の２倍に調整することができると共に落射照明の位相を二光束干渉定在波の位相に同期させることができる。即ち、顕微観察の許容範囲内で有効な三光束干渉定在波を得ることができる。
【００８８】
第２実施例の顕微観察システム１１０では、レーザ光源１３２としてCoherent Inc.製のCWブルーレーザ、波長板１３４，１５０，１６２としてソーラボ製のMounted Zero Order 1/2 Waveplate、偏光ビームスプリッタ１３６としてソーラボ製のPolarizing Beamsplitter Cubes、偏光ビームスプリッタ１６０としてソーラボ製のPolarizing Beamsplitter Cubes、ミラー１４０，１４４ａ，１５４ａとしてシグマ光機製の４５°入射用誘多膜平面ミラー、ミラー１４６，１４８としてシグマ光機製のアルミ平面ミラー、ビームスプリッタ１４２としてシグマ光機製の無偏光キューブハーフミラー、ビームエキスパンダ１５６としてシグマ光機製のレーザビームエキスパンダー、対物レンズ１６４としてEdmund Optics製の対物レンズ、ピエゾアクチュエータ１４４ｂ，１５４ｂとしてPhysik Instrumente製のPZTおよびPhysik Instrumente製のPZTコントローラ、冷却ＣＣＤカメラ１６８としてBTTRAN製の冷却ＣＣＤカメラ、サンプルステージ１２１としてシグマ光機製の回転ステージ、を用いるものとしたが、これらの機器等に限定されるものではなく、これらと同等の性能、あるいは、これら以上の性能を有するものであれば、如何なる機器等を用いるものとしてもよい。
【００８９】
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、照明装置や顕微観察装置の製造産業などに利用可能である。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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