(57)【要約】  複数波長の各々で所望の超解像効果を得るために、本発明を例示する構造化照明装置は、複数波長の光を同時又は順次に射出する光源からの射出光束を複数の回折光束に回折する回折部と、前記回折部で回折された前記複数の回折光束による干渉縞を標本面に形成する光学系とを備え、前記光学系は、第１の光学系と、前記複数の回折光束を前記第１の光学系の瞳面又は瞳近傍面の各位置へ集光させる第２の光学系とを含み、前記複数波長に対する前記第２の光学系の倍率特性ｄＹ（λ）は、以下の条件を満たす。  （ｆｏ・ｎｗ−ａｆλ／Ｐ） ≦ ｄＹ（λ） ≦ （ｆｏ・ＮＡ −ａｆλ／Ｐ）、ａ＝１（Ｍ＝１、２の場合）、ａ＝２（Ｍ＝３の場合）  但し、Ｍは前記回折部が有する周期構造の方向数であり、λは前記複数波長の各々であり、ｄＹ（λ）は、前記複数波長の基準波長をλ０としたとき、基準波長λ０の像高２ｆ・λ０／Ｐと、前記複数波長の各々の波長λの像高２ｆ・λ／Ｐとの差であり、ｆｏは前記第１の光学系の基準波長λ０の焦点距離、ｆは前記第２の光学系の基準波長λ０の焦点距離、Ｐは前記回折部の構造周期、ＮＡは前記第１の光学系の開口数であり、ｎｗは標本の屈折率である。
2015008415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数波長の光を同時又は順次に射出する光源からの射出光束を複数の回折光束に回折する回折部と、
前記回折部で回折された前記複数の回折光束による干渉縞を標本面に形成する光学系とを備え、
前記光学系は、第１の光学系と、前記複数の回折光束を前記第１の光学系の瞳面又は瞳近傍面の各位置へ集光させる第２の光学系とを含み、
前記複数波長に対する前記第２の光学系の倍率特性ｄＹ（λ）は、以下の条件を満たす
（ｆｏ・ｎｗ-ａｆλ／Ｐ） ≦ ｄＹ（λ） ≦ （ｆｏ・ＮＡ -ａｆλ／Ｐ）、
ａ＝１（Ｍ＝１、２の場合）、
ａ＝２（Ｍ＝３の場合）
ことを特徴とする構造化照明装置。
但し、Ｍは前記回折部が有する周期構造の方向数であり、λは前記複数波長の各々であり、ｄＹ（λ）は、前記複数波長の基準波長をλ０としたとき、基準波長λ０の像高２ｆ・λ０／Ｐと、前記複数波長の各々の波長λの像高２ｆ・λ／Ｐとの差であり、ｆｏは前記第１の光学系の基準波長λ０の焦点距離、ｆは前記第２の光学系の基準波長λ０の焦点距離、Ｐは前記回折部の構造周期、ＮＡは前記第１の光学系の開口数であり、ｎｗは標本の屈折率である。
【請求項２】
請求項１に記載の構造化照明装置において、
前記回折部は、前記射出光束の光路に対して挿脱可能であり、
前記第２の光学系は、前記倍率特性の異なる別の第２の光学系へと交換可能である
ことを特徴とする構造化照明装置。
【請求項３】
請求項２に記載の構造化照明装置において、
前記第２の光学系の交換対象は、前記第２の光学系の一部の要素である
ことを特徴とする構造化照明装置。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の構造化照明装置において、
前記第２の光学系のうち少なくとも交換対象となる要素は、接合レンズによって構成される
ことを特徴とする構造化照明装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
前記回折部の前記構造周期を切り替える制御部を更に備える
ことを特徴とする構造化照明装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
前記第１の光学系の光軸方向における前記集光位置を調整するための位置調整部を更に備える
ことを特徴とする構造化照明装置。
【請求項７】
請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の照明装置において、
前記干渉縞の位相をシフトさせるための位相シフト部を更に備える
ことを特徴とする構造化照明装置。
【請求項８】
請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
前記回折部は、前記光学系の光軸に垂直な面内の互いに異なる複数方向に亘って周期構造を有し、
前記回折部で回折された前記複数の回折光束のうち１対の回折光束のみを選択する光選択部を更に備える
ことを特徴とする構造化照明装置。
【請求項９】
請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の構造化照明装置において、
前記回折部は、前記光学系の光軸に垂直な面内の単一方向に亘って周期構造を有し、
前記標本面に対する前記複数の回折光束の入射方向を前記光軸の周りに回転させる回転部を更に備える
ことを特徴とする構造化照明装置。
【請求項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、
前記複数波長は、４００ｎｍから７００ｎｍの波長範囲内に収められる
ことを特徴とする構造化照明装置。
【請求項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、
前記回折部と前記瞳面との間の光路に対して光学部材を挿脱することにより、前記標本面を照明する光を、前記干渉縞による構造化照明光と、前記光源とは異なる第２光源を利用した別の照明光との間で切り換える切換部を更に備える
ことを特徴とする構造化照明装置。
【請求項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、
前記干渉縞で変調された前記標本からの観察光束を光検出器に結像する結像光学系と、
を備えたことを特徴とする構造化照明顕微鏡装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の構造化照明顕微鏡装置において、
前記光検出器が生成した画像に基づき前記標本の復調像を演算する演算部を更に備えた
ことを特徴とする構造化照明顕微鏡装置。
【請求項１４】
複数波長の光を同時又は順次に射出する光源からの射出光束を複数の回折光束に回折する回折部と、
前記回折部で回折された前記複数の回折光束による干渉縞を標本面に形成する光学系と、
を備えた構造化照明装置であって、
前記光学系は、第１の光学系と、前記複数の回折光束を前記第１の光学系の瞳面又は瞳近傍面の各位置へ集光させる第２の光学系とを含み、
前記複数波長に対する前記第２の光学系の倍率特性ｄＹ（λ）は、以下の条件を満たす
（０．７５−ａｆλ／Ｐ） ≦ ｄＹ（λ） ≦ （ｆｏ・ＮＡ−ａｆλ／Ｐ）、
ａ＝１（Ｍ＝１、２の場合）、
ａ＝２（Ｍ＝３の場合）
ことを特徴とする構造化照明装置。
但し、Ｍは前記回折部が有する周期構造の方向数であり、λは前記複数波長の各々であり、ｄＹ（λ）は、前記複数波長の基準波長をλ０としたとき、基準波長λ０の像高２ｆ・λ０／Ｐと、前記複数波長の各々の波長λの像高２ｆ・λ／Ｐとの差であり、ｆｏは前記第１の光学系の基準波長λ０の焦点距離、ｆは前記第２の光学系の基準波長λ０の焦点距離、Ｐは前記回折部の構造周期、ＮＡは前記第１の光学系の開口数である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
試料（標本）の観察や計測の分野では、対物レンズの性能を超えた解像度を達成するために、空間変調された照明光（構造化照明光）により標本を照明して画像（変調画像）を取得し、その変調画像に含まれる変調成分を除去（復調）することにより、標本の超解像画像（復調画像）を生成する構造化照明顕微鏡（ＳＩＭ：Structured Illumination Microscopy）が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。【０００３】
特に、下記特許文献１に開示された構造化照明顕微鏡では、光源から射出した光束を回折格子等により複数の光束に分岐し、それらの光束を標本の近傍で干渉させることで干渉縞を形成し、これを構造化照明光としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国再発行特許発明第３８３０７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、構造化照明顕微鏡においては、他の顕微鏡と同様、励起波長の異なる複数の色素で染色された標本を観察するために、光源の波長を切り替えたいという要求がある。【０００６】
しかし、構造化照明顕微鏡において光源波長を切り替えると、回折格子における回折角度が変化するため、対物レンズの瞳半径に対する照明光のスポット高さが変化し、所望の超解像効果が得られないという課題がある。【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、複数波長の各々で所望の超解像効果を得ることの可能な構造化照明装置、構造化照明顕微鏡装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明を例示する構造化照明装置の一態様は、複数波長の光を同時又は順次に射出する光源からの射出光束を複数の回折光束に回折する回折部と、前記回折部で回折された前記複数の回折光束による干渉縞を標本面に形成する光学系とを備え、前記光学系は、第１の光学系と、前記複数の回折光束を前記第１の光学系の瞳面又は瞳近傍面の各位置へ集光させる第２の光学系とを含み、前記複数波長に対する前記第２の光学系の倍率特性ｄＹ（λ）は、以下の条件を満たす。【０００９】
（ｆｏ・ｎｗ−ａｆλ／Ｐ） ≦ ｄＹ（λ） ≦ （ｆｏ・ＮＡ−ａｆλ／Ｐ）、ａ＝１（Ｍ＝１、２の場合）、ａ＝２（Ｍ＝３の場合）
但し、Ｍは前記回折部が有する周期構造の方向数であり、λは前記複数波長の各々であり、ｄＹ（λ）は、前記複数波長の基準波長をλ０としたとき、基準波長λ０の像高２ｆ・λ０／Ｐと、前記複数波長の各々の波長λの像高２ｆ・λ／Ｐとの差であり、ｆｏは前記第１の光学系の基準波長λ０の焦点距離、ｆは前記第２の光学系の基準波長λ０の焦点距離、Ｐは前記回折部の構造周期、ＮＡは前記第１の光学系の開口数であり、ｎｗは標本の屈折率である。【００１０】
なお、ここでいう「倍率特性」とは、第２の光学系を通過した光線の高さ（光軸からの高さ）の波長間のずれのことであって、収差補正した後の第２の光学系に残存した倍率色収差と、第２の光学系に意図的に発生させた倍率色収差との双方を含む。【００１１】
また、本発明を例示する構造化照明顕微鏡装置の一態様は、本発明を例示する構造化照明の一態様と、前記干渉縞で変調された前記標本からの観察光束を光検出器に結像する結像光学系とを備える。【００１２】
また、本発明を例示する構造化照明装置の一態様は、複数波長の光を同時又は順次に射出する光源からの射出光束を複数の回折光束に回折する回折部と、前記回折部で回折された前記複数の回折光束による干渉縞を標本面に形成する光学系とを備え、前記光学系は、第１の光学系と、前記複数の回折光束を前記第１の光学系の瞳面又は瞳近傍面の各位置へ集光させる第２の光学系とを含み、前記複数波長に対する前記第２の光学系の倍率特性ｄＹ（λ）は、以下の条件を満たす。【００１３】
（０．７５−ａｆλ／Ｐ） ≦ ｄＹ（λ） ≦ （ｆｏ・ＮＡ−ａｆλ／Ｐ）、ａ＝１（Ｍ＝１、２の場合）、ａ＝２（Ｍ＝３の場合）。【００１４】
但し、Ｍは前記回折部が有する周期構造の方向数であり、λは前記複数波長の各々であり、ｄＹ（λ）は、前記複数波長の基準波長をλ０としたとき、基準波長λ０の像高２ｆ・λ０／Ｐと、前記複数波長の各々の波長λの像高２ｆ・λ／Ｐとの差であり、ｆｏは前記第１の光学系の基準波長λ０の焦点距離、ｆは前記第２の光学系の基準波長λ０の焦点距離、Ｐは前記回折部の構造周期、ＮＡは前記第１の光学系の開口数である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態の構造化照明顕微鏡装置１の構成図である。
【図２】光束分岐部１４を説明する図である。
【図３】光束選択部１８の１／２波長板１９の機能を説明する図である。
【図４】光束選択部１８の光束選択部材２０の機能を説明する図である。
【図５】光束選択部１８の機能を説明する図である。
【図６】光束選択部１８の回動機構１８Ａを説明する図である。
【図７】光束分岐部１４の並進機構１５の動作を説明する図である。
【図８】使用波長λの切り替えによる回折角度の変動、及び光軸Ｏから集光点までの高さの変動を説明する図である。
【図９】集光光学系（レンズ１７、２１、２３）の構成図である。
【図１０】回折格子１６が有する周期構造の方向数Ｍと、ｍ次回折光の回折角度θとの関係を説明する図である。
【図１１】第１実施形態の集光光学系（レンズ１７、２１、２３）のレンズデータである。
【図１２】第１実施形態の集光光学系（レンズ１７、２１、２３）の条件対応表である。
【図１３】第１実施形態の集光光学系（レンズ１７、２１、２３）の軸上色収差である。
【図１４】第２実施形態の構造化照明顕微鏡装置１の構成図（ＴＩＲＦ−ＳＩＭモード）である。
【図１５】第２実施形態の構造化照明顕微鏡装置１の構成図（ＴＩＲＦモード）である。
【図１６】図１６（Ａ）は、第２実施形態のＴＩＲＦ−ＳＩＭモードにおける集光光学系（レンズ１７Ａ、２１Ａ、２３）の構成図であり、図１６（Ｂ）は、第２実施形態のＴＩＲＦモードにおける集光光学系（レンズ１７Ｂ、２１Ｂ、２３）の構成図である。
【図１７】第２実施形態のＴＩＲＦ−ＳＩＭモードにおける集光光学系（レンズ１７Ａ、２１Ａ、２３）のレンズデータである。
【図１８】第２実施形態のＴＩＲＦ−ＳＩＭモードにおける集光光学系（レンズ１７Ａ、２１Ａ、２３）の条件対応表である。
【図１９】第２実施形態のＴＩＲＦ−ＳＩＭモードにおける集光光学系（レンズ１７Ａ、２１Ａ、２３）の軸上色収差である。
【図２０】第２実施形態のＴＩＲＦモードにおける集光光学系（レンズ１７Ｂ、２１Ｂ、２３）のレンズデータである。
【図２１】第２実施形態のＴＩＲＦモードにおける集光光学系（レンズ１７Ｂ、２１Ｂ、２３）の倍率色収差である。
【図２２】第２実施形態のＴＩＲＦモードにおける集光光学系（レンズ１７Ｂ、２１Ｂ、２３）の軸上色収差である。
【図２３】３Ｄ−ＳＩＭモード用の光束選択部材２０’を説明する図である。
【図２４】第３実施形態の構造化照明顕微鏡装置の構成図である。
【図２５】第３実施形態のレンズ３１７の構成図である。
【図２６】レンズ３１７のレンズデータである。
【図２７】、光束選択部材２０の配置面（瞳共役面）における各波長の光線高さ、レンズ３２１及びフィールドレンズ３２３の各焦点距離、光束選択部材２０の配置面から瞳面３２への投影倍率、対物レンズ３１の瞳面３２における集光点の光軸Ｏからの高さを示す図である。
【図２８】第３実施形態の集光光学系（レンズ３１７、３２１、３２３）の条件対応表である。
【図２９】光束選択部材２０の配置面（瞳共役面）の近傍におけるレンズ３１７の軸上色収差と、光束分岐部１４の配置面の近傍におけるレンズ３１７の軸上色収差（光線追跡の方向は逆向き）とを示す図である。
【図３０】位相数Ｎｍａｘ＝３、方向数Ｍｍａｘ＝３である場合の復調演算を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［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。
【００１７】
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、すなわち、構造化照明顕微鏡装置１を「ＴＩＲＦ−ＳＩＭモード」で使用する場合も適宜併せて説明する。ＴＩＲＦＭ−ＳＩＭモードは、蛍光性を有した試料（標本）２の表面の極めて薄い層を観察するモードである。
【００１８】
先ず、構造化照明顕微鏡装置１の構成を説明する。
【００１９】
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、撮像素子４２と、制御装置４３と、画像記憶・演算装置４４と、画像表示装置４５とが備えられる。なお、照明光学系１０は落射型であり、結像光学系３０の対物レンズ３１及びダイクロイックミラー３３を利用して標本２の照明を行う。
【００２０】
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１０３、１０４、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１０３、１０４は、それぞれ制御装置４３によって駆動される。
【００２１】
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。この光ファイバ１１の出射端の光軸Ｏ方向の位置は、位置調節機構１１Ａによって調節可能である。この位置調節機構１１Ａは、制御装置４３によって駆動・制御される。なお、位置調節機構１１Ａとしては、例えば、ピエゾ素子等が用いられる。
【００２２】
また、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１３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１３は必須である。
【００２３】
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１３と、光束分岐部１４と、集光レンズ１７と、光束選択部１８と、レンズ２１と、視野絞り２２と、フィールドレンズ２３と、励起フィルタ２４と、ダイクロイックミラー３３と、対物レンズ３１とが配置される。
【００２４】
光束分岐部１４には、並進機構１５と、回折光学素子（回折格子）１６とが備えられ、光束選択部１８には、１／２波長板１９と、光束選択部材２０と、回動機構１８Ａとが備えられる。これらの光束分岐部１４、光束選択部１８の各々は、制御装置４３によって駆動される。
【００２５】
結像光学系３０には、標本２の側から順に、対物レンズ３１と、ダイクロイックミラー３３と、吸収フィルタ３４と、第２対物レンズ３５とが配置される。
【００２６】
標本２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。
【００２７】
構造化照明顕微鏡装置１がＴＩＲＦＭ−ＳＩＭモードで使用される場合、対物レンズ３１は、全反射蛍光観察を可能とするために、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３１と標本２のガラスとの間隙は、浸液（油）で満たされる。
【００２８】
撮像素子４２は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる二次元の撮像素子である。撮像素子４２は、制御装置４３によって駆動されると、その撮像面４１に形成された像を撮像し、画像を生成する。この画像は、制御装置４３を介して画像記憶・演算装置４４へと取り込まれる。撮像素子４２のフレーム周期（撮像の繰り返し周期）は、撮像素子４２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。
【００２９】
制御装置４３は、レーザユニット１００、位置調節機構１１Ａ、光束分岐部１４、光束選択部１８、撮像素子４２を駆動制御する。
【００３０】
画像記憶・演算装置４４は、制御装置４３を介して与えられた画像に対して演算を施し、演算後の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。
【００３１】
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。
【００３２】
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１０３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１０４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４３がレーザユニット１００を制御すると、光ファイバ１１の入射端に入射するレーザ光の波長（＝使用波長λ）は、長い波長λ１と短い波長λ２との間で切り替わる。
【００３３】
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１３を介して光束分岐部１４の回折格子１６へ入射すると、各次数の回折光束に分岐される。これら各次数の回折光束（以下、「回折光束群」と称す。）は、集光レンズ１７によって瞳共役面２５の互いに異なる位置に集光される。
【００３４】
ここで、瞳共役面２５は、レンズ１７の焦点位置（後ろ側焦点位置）であって、対物レンズ３１の瞳３２（±１次回折光が集光する位置）に対してレンズ２３、レンズ２１を介して共役な位置のことである。この瞳共役面２５にレンズ１７の焦点位置（後ろ側焦点位置）が一致するように、レンズ１７は配置されている。なお、「共役な位置」の概念には、当業者がレンズ１７、レンズ２１、２３の収差、ビネッティング等、設計上必要な事項を考慮して決定した位置も含まれる。
【００３５】
なお、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１３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１３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。
【００３６】
瞳共役面２５に向かった各次数の回折光束は、瞳共役面２５の近傍に配置された光束選択部１８へ入射する。
【００３７】
ここで、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１がＴＩＲＦＭ−ＳＩＭモードで使用される場合、光束選択部１８は、入射した各次数の回折光束のうち、１対の回折光束のみ（ここでは±１次回折光束のみ）を選択的に通過させる。
【００３８】
光束選択部１８を通過した±１次回折光束は、レンズ２１によって視野絞り２２付近で回折格子１６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２３により収束光に変換され、さらに励起フィルタ２４を経てからダイクロイックミラー３３で反射し、対物レンズ３１の瞳面３２上の互いに異なる位置に集光する。
【００３９】
瞳面３２上に集光した±１次回折光束の各々は、対物レンズ３１の先端から射出される際には平行光束となり、標本２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。
【００４０】
また、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１がＴＩＲＦＭ−ＳＩＭモードで使用される場合、標本２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を満たす。この条件は、全反射条件（ＴＩＲＦ条件）などと呼ばれる。このＴＩＲＦ条件を満たすためには、瞳面３２における±１次回折光束の集光点を、瞳面３２の最外周に位置する所定の輪帯状領域（ＴＩＲＦ領域）に収めればよい（詳細は後述）。この結果、標本２の表面近傍には、構造化照明光によるエバネッセント場が生起する。
【００４１】
このような構造化照明光により標本２を照明すると、構造化照明光の周期構造と標本２の（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、標本２の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、この構造を示す光（蛍光）は、元の角度よりも小さい角度で対物レンズ３１へ向かうことになる。よって、構造化照明光により標本２を照明すると、標本２の（蛍光領域の）高周波数の構造情報までもが対物レンズ３１によって伝達される。
【００４２】
標本２で発生した蛍光は、対物レンズ３１に入射すると、対物レンズ３１で平行光に変換された後、ダイクロイックミラー３３とバリアフィルタ３４を透過し、第２対物レンズ３５を介して撮像素子４２の撮像面４１上に標本２の変調像を形成する。
【００４３】
この変調像は、撮像素子４２により画像化され、制御装置４３を介して画像記憶・演算装置４４へと取り込まれる。さらに、取り込まれた変調画像には、画像記憶・演算装置４４において公知の復調演算（詳細は後述）が施され、復調画像（超解像画像）が生成される。そして、この超解像画像は、画像記憶・演算装置４４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。公知の復調演算としては、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、具体的には、後述する。
【００４４】
次に、光束分岐部１４を詳しく説明する。
【００４５】
図２は、光束分岐部１４を説明する図であり、図２（Ａ）は、光束分岐部１４の回折格子１６を光軸Ｏ方向から見た図であり、図２（Ｂ）は、±１次回折光束が瞳共役面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１６の構造周期は実際の構造周期と同じとは限らない。
【００４６】
図２（Ａ）に示すように、回折格子１６は、照明光学系１０の光軸Ｏと直交する面内の互いに異なる複数方向に周期構造を有した回折格子である。回折格子１６の材質は、例えば石英ガラスである。ここでは、回折格子１６は、１２０°ずつ異なる第１方向Ｖ１、第２方向Ｖ２、第３方向Ｖ３の各々にかけて周期構造を有しており、それら３方向の構造周期は共通であると仮定する。
【００４７】
なお、回折格子１６の周期構造は、濃度（透過率）を利用して形成された濃度型の周期構造、または段差（位相差）を利用して形成された位相型の周期構造の何れであってもよいが、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。
【００４８】
このような回折格子１６に入射した平行光束は、第１方向Ｖ１にかけて分岐した第１回折光束群と、第２方向Ｖ２にかけて分岐した第２回折光束群と、第３方向Ｖ３にかけて分岐した第３回折光束群とに変換される。
【００４９】
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する。
【００５０】
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する。
【００５１】
同様に、第３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する。
【００５２】
これら第１回折光束群の±１次回折光束、第２回折光束群の±１次回折光束、第３回折光束群の±１次回折光束は、前述した集光レンズ１７により、瞳共役面内の互いに異なる位置に集光される。
【００５３】
そして、図２（Ｂ）に示すように、第１回折光束群の±１次回折光束の集光点２５ｄ、２５ｇは、光軸Ｏに関して対称であり、集光点２５ｄ、２５ｇの配列方向は第１方向Ｖ１に対応している。
【００５４】
ここで、光ファイバ１１から射出されるレーザ光の波長をλ、回折格子１６の構造周期をＰ、レンズ１７の焦点距離をｆｃとすると、光軸Ｏから集光点２５ｄ、２５ｇまでの高さＤは下記の式で表される。
【００５５】
Ｄ∝ｆｃλ／Ｐ
したがって、レーザ光の波長λを変更すると、集光点２５ｄ、２５ｇの位置にズレが生じる。
【００５６】
また、第２回折光束群の±１次回折光束の集光点２５ｃ、２５ｆは、光軸Ｏに関して対称であり、集光点２５ｃ、２５ｆの配列方向は、第２方向Ｖ２に対応している。なお、波長λが同じであるならば、光軸Ｏから第２回折光束群の集光点２５ｃ、２５ｆまでの高さは、光軸Ｏから第１回折光束群の集光点２５ｄ、２５ｇまでの高さと同じである。
【００５７】
また、第３回折光束群の±１次回折光束の集光点２５ｂ、２５ｅは、光軸Ｏに関して対称であり、集光点２５ｂ、２５ｅの配列方向は、第３方向Ｖ３に対応している。なお、波長λが同じであるならば、光軸Ｏから第３回折光束群の集光点２５ｂ、２５ｅまでの高さは、光軸Ｏから第１回折光束群の集光点２５ｄ、２５ｇまでの高さと同じである。
【００５８】
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。
【００５９】
以上の光束分岐部１４において、並進機構１５は、ピエゾモータ等からなる。並進機構１５は、照明光学系１０の光軸Ｏと垂直な方向であって、前述した第１方向Ｖ１、第２方向Ｖ２、第３方向Ｖ３の各々に対して非垂直な方向にかけて、回折格子１６を並進移動させる。この方向に回折格子１６を並進移動させると、構造化照明光の縞の位相がシフトする（詳細は後述。）。
【００６０】
次に、光束選択部１８を詳しく説明する。
【００６１】
図３、図４は、光束選択部１８を説明する図である。図３に示すとおり、光束選択部１８の１／２波長板１９は、入射した各次数の回折光束の偏光方向を設定し、図４に示すとおり、光束選択部１８の光束選択部材２０は、第１〜第３回折光束群のうち何れか１群の±１次回折光束のみを選択的に通過させるマスクである。
【００６２】
そして、光束選択部１８の回動機構１８Ａは、光束選択部材２０を光軸Ｏの周りに回動させることにより、選択される±１次回折光束を第１〜第３回折光束群の間で切り替えると共に、光束選択部材２０に連動して１／２波長板１９を光軸Ｏの周りに回動させることにより、選択された±１次回折光束が標本２に入射するときの偏光方向をＳ偏光に保つ。
【００６３】
つまり、光束選択部１８は、構造化照明光の縞の状態を保ちつつ、構造化照明光の縞方向を切り替える。
【００６４】
なお、回動機構１８Ａには、例えば、光束選択部材２０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２０が光軸Ｏの周りに回転する。
【００６５】
以下、縞の状態を保つための条件を具体的に説明する。
【００６６】
先ず、１／２波長板１９の進相軸の向きは、選択される±１次回折光束の分岐方向（第１方向Ｖ１〜第３方向Ｖ３のいずれか）に対して、±１次回折光束の偏光方向が垂直となるように設定される必要がある。なお、ここでいう1／２波長板１９の進相軸とは、その軸の方向に偏光した光が１／２波長板１９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。
【００６７】
また、光束選択部材２０の開口パターンは、同一の回折光束群に属する±１次回折光束の一方及び他方を個別に通過させる第１の開口部２０A及び第２の開口部２０Bからなり、これら第１の開口部２０Aと第２の開口部２０Bとの各々の光軸Ｏ周りの長さは、前述した方向に直線偏光した回折光束が通過できるような長さに設定されている。よって、第１の開口部２０A及び第２の開口部２０Bの各々の形状は、部分輪帯状に近い形状である。
【００６８】
ここで、図３（Ａ）に示すように、１／２波長板１９の進相軸の方向が偏光板１３の軸の方向と平行になるときの１／２波長板１９の回転位置を、１／２波長板１９の回転位置の基準とする（以下、「第１の基準位置」と称する。）。
【００６９】
また、光束選択部材２０の光束選択方向（＝選択される±１次回折光束の分岐方向）が、偏光板１３の軸の方向と垂直になるときの光束選択部材２０の回転位置を、光束選択部材２０の回転位置の基準とする（以下、「第２の基準位置」と称する。）。
【００７０】
このとき、図３（Ｂ）に示すように、１／２波長板１９の第１基準位置からの回転量は、光束選択部材２０の第２基準位置からの回転量の２分の１に制御されるべきである。
【００７１】
すなわち、１／２波長板１９の第１基準位置からの回転量がθ／２であるときには、光束選択部材２０の第２基準位置からの回転量は、θに設定される。
【００７２】
したがって、光束選択部１８の回動機構１８Ａは、第１回折光束群の±１次回折光束（分岐方向は第１方向Ｖ１）を選択するために、図４（Ａ）に示すように、光束選択部材２０の光束選択方向を第２の基準位置から右方に回転角θ１だけ回転させた場合、１／２波長板１９の進相軸の方向を、第１の基準位置から右方に回転角θ１／２だけ回転させる。
【００７３】
このとき、１／２波長板１９を通過する前における各次数の回折光束の偏光方向は、図４（Ａ）中に破線両矢印で示すとおり、偏光板１３の軸の方向と平行となっているのに対し、１／２波長板１９を通過した後における各次数の回折光束の偏光方向は、右方に回転角θ１だけ回転するので、選択された±１次回折光束の偏光方向は、図４（Ａ）に実線両矢印で示すとおり、それら±１次回折光束の分岐方向（第１方向Ｖ１）に対して垂直となる。
【００７４】
換言すると、１／２波長板１９の進相軸の方向は、光束選択部材２０により選択される±１次回折光束の分岐方向（第１方向Ｖ１）に応じた方向であって、１／２波長板１９へ入射する±１次回折光束が有していた偏光方向（偏光板１３の軸方向）と、１／２波長板１９から射出する±１次回折光束が有するべき偏光方向（第１方向Ｖ１に垂直）とが成す角度の２等分線方向に、設定される。
【００７５】
また、光束選択部１８の回動機構１８Ａは、第２回折光束群の±１次回折光束（分岐方向は第２方向Ｖ２）を選択するために、図４（Ｂ）に示すように、光束選択部材２０の光束選択方向を第２の基準位置から右方に回転角θ２だけ回転させた場合、１／２波長板１９の進相軸の方向を、第１の基準位置から右方に回転角θ２／２だけ回転させる。
このとき、１／２波長板１９を通過する前における各次数の回折光束の偏光方向は、図４（Ｂ）中に破線両矢線で示すとおり、偏光板１３の軸の方向と平行となっているのに対し、１／２波長板１９を通過した後における各次数の回折光束の偏光方向は、右方に回転角θ２だけ回転するので、選択された±１次回折光束の偏光方向は、図４（Ｂ）に実線両矢印で示すとおり、それら±１次回折光束の分岐方向（第２方向Ｖ２）に対して垂直となる。
【００７６】
換言すると、１／２波長板１９の進相軸の方向は、光束選択部材２０により選択される±１次回折光束の分岐方向（第２方向Ｖ２）に応じた方向であって、１／２波長板１９へ入射する±１次回折光束が有していた偏光方向（偏光板１３の軸方向）と、１／２波長板１９から射出する±１次回折光束が有するべき偏光方向（第２方向Ｖ２に垂直）とが成す角度の２等分線方向に、設定される。
【００７７】
また、光束選択部１８の回動機構１８Ａは、第３回折光束群の±１次回折光束（分岐方向は第３方向Ｖ３）を選択するために、図４（Ｃ）に示すように、光束選択部材２０の光束選択方向を第２の基準位置から左方（標本側から見て。以下同じ）に回転角θ３だけ回転させた場合、１／２波長板１９の進相軸の方向を、第１の基準位置から左方に回転角θ３／２だけ回転させる。
【００７８】
このとき、１／２波長板１９を通過する前における各次数の回折光束の偏光方向は、図４（Ｃ）中に破線両矢線で示すとおり、偏光板１３の軸の方向と平行となっているのに対し、１／２波長板１９を通過した後における各次数の回折光束の偏光方向は、左方に回転角θ３だけ回転するので、選択された±１次回折光束の偏光方向は、図４（Ｃ）に実両矢印で示すとおり、それら±１次回折光束の分岐方向（第３方向Ｖ３）に対して垂直となる。
【００７９】
換言すると、１／２波長板１９の進相軸の方向は、光束選択部材２０により選択される±１次回折光束の分岐方向（第３方向Ｖ３）に応じた方向であって、１／２波長板１９へ入射する±１次回折光束が有していた偏光方向（偏光板１３の軸方向）と、１／２波長板１９から射出する±１次回折光束が有するべき偏光方向（第３方向Ｖ３に垂直）とが成す角度の２等分線方向に、設定される。
【００８０】
したがって、光束選択部１８の回動機構１８Ａは、１／２波長板１９及び光束選択部材２０をギア比２：１で連動すればよい。
【００８１】
なお、以上の説明では、標本２に入射する±１次回折光束をＳ偏光に保つために回動可能な１／２波長板１９を使用したが、回動可能な１／２波長板１９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１９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光軸Ｏ周りに回転させることができる。因みに、標本２に入射する±１次回折光束をＳ偏光に保つための方法は他にもある（後述）。
【００８２】
図５は、以上説明した光束選択部１８の機能を説明する図である。なお、図５において円形枠で囲まれた両矢線は、光束の偏光方向を示し、四角枠で囲まれた両矢線は、光学素子の軸方向を示している。
【００８３】
また、図６に示すように、光束選択部材２０の外周部には、複数の（図６に示す例では６個の）切り欠き２０Ｃが形成されており、回動機構１８Ａには、これらの切り欠き２０Ｃを検出するためのタイミングセンサ２０Ｄが備えられている。これによって、回動機構１８Ａは、光束選択部１８の回動位置、ひいては１／２波長板１９の回動位置を検知することができる。
【００８４】
次に、光束分岐部１４の並進機構１５を詳しく説明する。
【００８５】
図７は、光束分岐部１４の並進機構１５の動作を説明する図である。
【００８６】
先ず、上述した復調演算を可能とするためには、同一の標本２に関する変調画像であって、干渉縞の方向が共通で位相の異なる３枚以上の変調画像が必要である。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２の構造のうち、構造化照明光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（詳細は後述）で既知とするためには、それら未知パラメータの個数以上の枚数の変調画像が必要だからである。
【００８７】
そこで、光束分岐部１４の並進機構１５は、干渉縞の位相をシフトするために、図７（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、前述した第１方向Ｖ１、第２方向Ｖ２、第３方向Ｖ３の全てに対して非垂直な方向（ｘ方向）にかけて回折格子１６をシフトさせる。
【００８８】
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１６のシフト量Ｌは、光束選択部１８による光束選択方向が第１方向Ｖ１であるときと、第２方向Ｖ２であるときと、第３方向Ｖ３であるときとでは、同じとは限らない。
【００８９】
図７（Ｂ）に示すとおり、回折格子１６の第１方向Ｖ１、第２方向Ｖ２、第３方向Ｖ３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）と第１方向Ｖ１とのなす角をθ１とおき、回折格子１６のシフト方向（ｘ方向）と第２方向Ｖ２とのなす角をθ２とおき、回折格子１６のシフト方向（ｘ方向）と第３方向Ｖ３とのなす角をθ３とおくと、光束選択方向が第１方向Ｖ１であるときに必要な回折格子１６のｘ方向のシフト量Ｌ１は、Ｌ１＝φ×Ｐ／（ａ×４π×｜ｃｏｓθ１｜）で表され、光束選択方向が第２方向Ｖ２であるときに必要な回折格子１６のｘ方向のシフト量Ｌ２は、Ｌ２＝φ×Ｐ／（ａ×４π×｜ｃｏｓθ２｜）で表され、光束選択方向が第３方向Ｖ３であるときに必要な回折格子１６のｘ方向のシフト量Ｌ３は、Ｌ３＝φ×Ｐ／（ａ×４π×｜ｃｏｓθ３｜）で表される。
【００９０】
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１６のｘ方向のシフト量Ｌは、波長選択方向（第１方向Ｖ１、第２方向Ｖ２、第３方向Ｖ３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。
【００９１】
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１６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１６の半周期に相当する量である。つまり、回折格子１６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１６の構造周期の２倍に相当する。）。
【００９２】
次に、全反射条件（ＴＩＲＦ条件）を満たすための本実施形態の構成を詳しく説明する。
【００９３】
本実施形態では、前述したとおり使用波長λがλ１とλ２との間で切り替え可能である。このように使用波長λが切り替わると、回折格子１６で発生する±１次回折光の回折角度も、例えば図８（Ａ）に点線及び実線で示したとおりに変動する。この場合、照明光学系１０が仮に無収差であったならば、瞳面３２における光軸Ｏから±１次回折光の集光点までの高さは、例えば図８（Ｂ）に白点及び黒点で示したごとく変動する。これでは、使用波長λの切り替えによって±１次回折光の集光点がＴＩＲＦ領域から外れる虞がある。
【００９４】
そこで、本実施形態では、照明光学系１０のうち回折格子１６と対物レンズ３１との間に位置するレンズ１７、２１、２３（以下、「集光光学系」と称す。）に対して、所定の倍率色収差を付与する。この倍率色収差は、使用波長λの切り替えに依らず±１次回折光の集光点がＴＩＲＦ領域に収まり続けるように設定される。以下、詳しく説明する。
【００９５】
図９は、集光光学系（レンズ１７、２１、２３）の構成図である。
【００９６】
図９に示すとおりレンズ１７、２１、２３の各々は、凸レンズと凹レンズとを接合してなる単一の接合レンズであって、集光光学系（レンズ１７、２１、２３）の全体は、使用波長λの切り替えに依らず下記の条件式を満たす。
【００９７】
（ｆｏ・ｎｗ−ａｆλ／Ｐ） ≦ ｄＹ（λ） ≦ （ｆｏ・ＮＡ−ａｆλ／Ｐ）、
ａ＝１（Ｍ＝１、２の場合）、
ａ＝２（Ｍ＝３の場合）  …（２）
但し、ｄＹ（λ）は、使用波長λの基準波長をλ０としたときに、像高２ｆ・λ０／Ｐにおける集光光学系の波長λでの倍率色収差である。また、ｆｏは対物レンズ３１の焦点距離、ｆは集光光学系（レンズ１７、２１、２３）の全系の焦点距離、Ｐは回折格子１６の構造周期、ＮＡは対物レンズ３１の開口数、Ｍは回折格子１６が有する周期構造の方向数、ｎｗは標本２の屈折率である。
【００９８】
因みに、本実施形態では細胞を標本２としたので、ｎｗは水の屈折率にほぼ等しい。また、本実施形態では回折格子１６の周期構造の方向数を３としたので、Ｍ＝３である。
【００９９】
以下、条件式（２）の意義を説明する。
【０１００】
先ず、回折格子１６の構造周期がＰ、周期構造の方向数がＭである場合、使用波長λのレーザ光に応じて回折格子１６で発生する１次回折光の回折角度θは、図１０に示すとおり表される。すなわち、１次回折光の回折角度θは、下記の式で表される。
【０１０１】
ここで、θは極めて小さいので、ｓｉｎθ＝θで近似する。
【０１０２】
θ＝ａλ／Ｐ、
ａ＝１（Ｍ＝１、２の場合）、
ａ＝２（Ｍ＝３の場合）  …（３）
また、集光光学系（レンズ１７、２１、２３）が仮に無収差であって、集光光学系（レンズ１７、２１、２３）の焦点距離がｆであった場合、回折格子１６から回折角度θで射出した１次回折光は、瞳面３２上で光軸Ｏからの高さがＹである位置に集光する。この高さＹは、下記の式で表される。
【０１０３】
ここで、θは極めて小さいので、ｔａｎθ＝θで近似する。
【０１０４】
Ｙ＝ｆθ  …（４）
また、対物レンズ３１の焦点距離がｆｏ、対物レンズ３１の開口数がＮＡである場合、対物レンズ３１の瞳半径ｒは下記の式で表される。
【０１０５】
ｒ＝ｆｏＮＡ  …（５）
よって、使用波長λの切り替えに依らず（Ｙ＋ｄＹ（λ））が下記の条件式を満たしていれば、使用波長λの切り替えに依らず１次回折光の集光点がＴＩＲＦ領域に収まり続ける。つまり、ＴＩＲＦ条件が維持される。
【０１０６】
ｎｗｆｏ≦Ｙ＋ｄＹ（λ）≦ｒ  …（６）
この式（６）に式（３）（４）（５）を代入し、ｄＹについて解くと、条件式（２）が得られる。
【０１０７】
以上の結果、条件式（２）は、使用波長λの切り替えに依らず±１次回折光の集光点をＴＩＲＦ領域に収め続けるため（ＴＩＲＦ条件を維持するため）の条件式であることがわかる。
【０１０８】
図１１は、本実施形態の集光光学系（レンズ１７、２１、２３）のレンズデータであり、図１２は、本実施形態の集光光学系（レンズ１７、２１、２３）の条件対応表である。
【０１０９】
なお、ここでは基準波長λ０を５８８ｎｍとした。図１２の下から３段目は、４０５ｎｍに関する倍率色収差ｄＹ（４０５）、４３６ｎｍに関する倍率色収差ｄＹ（４３６）、４８６ｎｍに関する倍率色収差ｄＹ（４８６）、５８８ｎｍに関する倍率色収差ｄＹ（５８８）、６５６ｎｍに関する倍率色収差ｄＹ（６５６）を示している。
【０１１０】
図１２の下から１段目、２段目に示すとおり、これらの倍率色収差ｄＹ（４０５）、ｄＹ（４３６）、ｄＹ（４８６）、ｄＹ（５８８）、ｄＹ（６５６）の各々は、条件式（２）を満たしている。
【０１１１】
したがって、本実施形態の集光光学系（レンズ１７、２１、２３）は、使用波長λが４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、４８６ｎｍ、５８８ｎｍ、６５６ｎｍの間で切り替わったとしても、±１次回折光の集光点をＴＩＲＦ領域に収め続けること（ＴＩＲＦ条件を維持すること）が可能である。
【０１１２】
ここで、瞳面３２における光軸Ｏから集光点までの高さを波長毎に示すと、以下のとおりである。
【０１１３】
波長４０５ｎｍでは高さは２．９５ｍｍ、波長４３６ｎｍでは高さは２．７９ｍｍ、波長４８６ｎｍでは高さは２．７０ｍｍ、波長５８８ｎｍでは高さは２．８２ｍｍ、波長６５６ｎｍでは高さは２．９８ｍｍである。
【０１１４】
よって、使用波長λが４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、４８６ｎｍ、５８８ｎｍ、６５６ｎｍの間（約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長範囲）で切り替わったとしても、光軸Ｏから集光点までの高さは、所定値以上（２．７０ｍｍ以上）に維持され、その高さは所定範囲内（２．７０ｍｍ〜２．９８ｍｍの範囲内）に収まる。
【０１１５】
つまり、本実施形態では、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長範囲において、光軸Ｏから集光点までの高さが所定値以上（２．７０ｍｍ以上）に維持され、その高さの波長間のズレが所定値以下（約０．５ｍｍ以下）に収まるように、集光光学系の倍率色収差が調整されている。
【０１１６】
よって、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１では、レーザユニット１００が出射する２つの波長λ１、λ２を、４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、４８６ｎｍ、５８８ｎｍ、６５６ｎｍの中の何れか２つに選定すればよい。
【０１１７】
また、上述したとおり本実施形態の集光光学系（レンズ１７、２１、２３）は、使用波長λの切り替えに依らずＴＩＲＦ条件を維持するために所定の倍率色収差（図１２の下から３段目）を有しているが、その一方で、本実施形態の集光光学系（レンズ１７、２１、２３）の軸上色収差は、図１３に示すとおり−０．１１９ｍｍから＋０．５８６ｍｍの範囲（約０．８ｍｍ）に収まっている。
【０１１８】
したがって、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１は、使用波長λの切り替え時における集光光学系（レンズ１７、２１、２３）のフォーカス調整を省略することも可能である。
【０１１９】
但し、集光光学系（レンズ１７、２１、２３）の軸上色収差が無視できない場合は、使用波長λの切り替え時にフォーカス調整を行えばよい。
【０１２０】
このフォーカス調整は、光ファイバ１１の出射端の光軸Ｏ方向の位置を位置調節機構１１Ａによって調節するか、レンズ１７、２１、２３の少なくとも１つの光軸Ｏ方向の位置を調整することによって行うことができる。
【０１２１】
なお、フォーカス調整をレンズの光軸Ｏ方向の位置調整によって行う場合は、回折格子１６の光軸Ｏ方向の位置調整も必要に応じて行うとよい。
【０１２２】
なお、本実施形態では、レーザユニット１００が出射可能なレーザ光の波長数を２としたが、３以上としてもよい。その場合、レーザユニット１００が出射する３つの波長を、４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、４８６ｎｍ、５８８ｎｍ、６５６ｎｍの中の何れか３つに選定すればよい。
【０１２３】
また、本実施形態では、レーザユニット１００が出射可能なレーザ光の波長を、４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、４８６ｎｍ、５８８ｎｍ、６５６ｎｍの中から選定したが、４０５ｎｍ〜６５６ｎｍの範囲内の任意の波長に選定してもよい。なぜなら、本実施形態の集光光学系（レンズ１７、２１、２３）は、４０５ｎｍ〜６５６ｎｍの範囲内の任意の使用波長について条件式（２）を満たす。
【０１２４】
また、本実施形態では、全反射蛍光観察（ＴＩＲＦ）を行うために、使用波長λの切り替えに依らず集光点がＴＩＲＦ領域に収まり続けるような倍率色収差を集光光学系（レンズ１７、２１、２３）へ付与したが、ＴＩＲＦの必要が無い場合（すなわち、構造化照明顕微鏡装置１をＴＩＲＦ−ＳＩＭモードではなくＳＩＭモードで使用する場合）は、集光点がＴＩＲＦ領域に収まっていなくても構わない。
【０１２５】
但し、使用波長λの切り替えに依って光軸Ｏから集光点までの高さが変動すると、使用波長λの切り替えによって超解像効果が変動するという問題が発生するため、ＴＩＲＦの必要が無かったとしても、使用波長λの切り替えに依らず光軸Ｏから集光点までの高さが維持されるような倍率色収差を集光光学系（レンズ１７、２１、２３）へ付与しておくことが望ましい。
【０１２６】
また、光軸Ｏから集光点までの高さを、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードに適した高さと、ＳＩＭモードに適した高さとの間で切り替えるためには、光路に挿入される回折格子１６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ればよい。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。
【０１２７】
なお、ここでいう超解像効果ＳＲとは、標本の非変調時における構造化照明顕微鏡装置の解像度Ｒと、標本５の変調時における構造化照明顕微鏡装置の解像度（Ｒ＋Ｋ）との比ＳＲ=（Ｒ＋Ｋ）／Ｒである。
【０１２８】
このうち、非変調時の解像度Ｒは、対物レンズの開口数ＮＡ、使用波長λに対して、Ｒ＝２ＮＡ／λで表される。
【０１２９】
一方、変調による解像度の増加分Ｋは、標本の変調周波数（＝干渉縞の空間周波数）に一致する。
【０１３０】
具体的には、対物レンズの焦点距離ｆｏに対して、Ｋは、Ｋ＝２ｄ/ （ｆｏ×λ）で表される。
【０１３１】
したがって、ＳＲ＝（Ｒ＋Ｋ）／Ｒ＝｛（２×ＮＡ／λ）＋（２×ｄ）／（ｆｏ×λ）｝／（２×ＮＡ／λ）となり、
ＳＲ＝（ｆｏ×ＮＡ＋ｄ）／（ｆｏ×ＮＡ）…（１０）である。
【０１３２】
ここで、θ＝(ａ×λ)／Ｐ、ｄ＝ｆ×θより、ｄ＝（ａ×ｆ×λ）／Ｐであるから、式（１０）は、
ＳＲ＝｛ｆｏ×ＮＡ＋（ａ×ｆ／Ｐ）×λ｝／（ｆｏ×ＮＡ）
と書き換えられ、超解像効果ＳＲにλ依存性が残ることがわかる。このため、従来の構造化照明顕微鏡装置では、使用波長λが切り替わると、超解像効果ＳＲ=（Ｒ＋Ｋ）／Ｒが変化していた。
【０１３３】
しかし、本実施形態のように使用波長λの切り替えに依らず光軸Ｏから集光点までの高さを維持、すなわち式（１０）におけるｄをλに依存しない固定値としたならば、超解像効果（Ｒ＋Ｋ）／Ｒは、維持される。
【０１３４】
また、本実施形態では、波長の異なる複数の光を標本へ順次に照射する（複数種類の蛍光領域を順次に励起する）ことを想定したが、波長の異なる複数の光を標本へ同時に照射しても（複数種類の蛍光領域を同時に励起しても）よい。この場合は、波長の異なる複数の蛍光を分離して検出する機能を構造化照明顕微鏡装置１へ搭載することが望ましい。
【０１３５】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態として構造化照明顕微鏡装置を説明する。
【０１３６】
本実施形態の構造化照明顕微鏡装置は、第１実施形態の構造化照明顕微鏡装置の変形例であるので、ここでは第１実施形態との相違点を説明する。
【０１３７】
第１実施形態では、構造化照明顕微鏡装置１を構造化照明による全反射照明蛍光観察モード（ＴＩＲＦ−ＳＩＭモード）で使用したが、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１は、構造化照明による全反射照明蛍光観察モード（ＴＩＲＦ−ＳＩＭモード）と、非構造化照明による全反射照明蛍光観察モード（ＴＩＲＦモード）との間で切り替えが可能である。
【０１３８】
因みに、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードでは、標本２を高い解像度で観察できるものの、１フレームの超解像画像を得るために複数フレーム分の撮像を行う必要があるので、時間が掛かるというデメリットがある。また、回折格子１６の周期構造の方向数Ｍを２以上とすれば（同時に複数対の回折光を生成すれば）、一連の変調画像を取得する際のフレームレートを高くすることができるものの、個々の変調画像に寄与するのは１対の回折光のみなので、レーザ光の利用効率が悪い。
【０１３９】
一方、ＴＩＲＦモードでは、標本２を高い解像度で観察することはできないものの、１フレームの観察画像を得るために複数フレーム分の撮像を行う必要が無いので、時間が掛からないというメリットがある。また、回折格子１６を介さずにレーザ光を標本２へ導光するので、レーザ光の利用効率が高い。
【０１４０】
このため、構造化照明顕微鏡装置１のモードとしてＴＩＲＦ−ＳＩＭモードとＴＩＲＦモードとの双方を搭載することの意義は大きい。
【０１４１】
図１４、図１５は、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１の構成図である。図１４は、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードを示しており、図１５は、ＴＩＲＦモードを示している。
【０１４２】
図１４、図１５に示すとおり、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１では、光束分岐部１４（回折格子１６）が照明光学系１０の光路に対して挿脱可能である。
【０１４３】
また、本実施形態の照明光学系１０では、集光レンズ１７として、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモード用の集光レンズ１７Ａと、ＴＩＲＦモード用の集光レンズ１７Ｂとが交換可能に配置されている。
【０１４４】
また、本実施形態の照明光学系１０では、レンズ２１として、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモード用のレンズ２１Ａと、ＴＩＲＦモード用のレンズ２１Ｂとが交換可能に配置されている。
【０１４５】
つまり、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモード（図１４）における集光光学系は、集光レンズ１７Ａ、レンズ２１Ａ、フィールドレンズ２３によって構成され、ＴＩＲＦモード（図１５）における集光光学系は、集光レンズ１７Ｂ、レンズ２１Ｂ、フィールドレンズ２３によって構成される（フィールドレンズ２３は両モードの集光光学系に共用される。）。
【０１４６】
先ず、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードでは、図１４に示すとおり、回折格子１６で生成された±１次回折光は、第１実施形態におけるそれと同様に振る舞うので、瞳面３２上に±１次回折光が形成する集光点は、ＴＩＲＦ領域（図８（Ｂ））内に収まる。
【０１４７】
一方、ＴＩＲＦモードでは、図１５に示すとおり、光ファイバ１１の出射端（レーザ光の二次光源）が光軸Ｏから外され、光軸Ｏから二次光源までの高さは、二次光源から射出したレーザ光がＴＩＲＦ領域（図８（Ｂ））に集光点を形成するように調節される。但し、ＴＩＲＦモードにおける光束選択部材２０の回動位置は、ＴＩＲＦ領域（図８（Ｂ））に向かうレーザ光の光路を妨げないような位置に設定されるものとする。
【０１４８】
図１６（Ａ）は、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードにおける集光光学系（レンズ１７Ａ、２１Ａ、２３）の構成図であり、図１６（Ｂ）は、ＴＩＲＦモードにおける集光光学系（レンズ１７Ｂ、２１Ｂ、２３）の構成図である。
【０１４９】
図１６（Ａ）に示すとおり、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードにおけるレンズ１７Ａ、２１Ａの各々は、３つの接合レンズから構成され、図１６（Ｂ）に示すとおり、ＴＩＲＦモードにおけるレンズ１７Ｂ、２１Ｂの各々は、単一の接合レンズから構成される。
【０１５０】
ここで、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードでは、回折格子１６が使用されるので、集光光学系が仮に無収差であるならば、図８に示した現象（波長切り替えによる回折角度の変動）が発生する。このため、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードにおける集光光学系（レンズ１７Ａ、２１Ａ、２３）の全体には、使用波長λの切り替えに依らず条件式（２）を満たすような倍率色収差が付与される。
【０１５１】
一方、ＴＩＲＦモードでは、回折格子１６が使用されないので、集光光学系が仮に無収差であるならば、図８に示した現象（波長切り替えによる回折角度の変動）は発生しない。このため、ＴＩＲＦモードにおける集光光学系（レンズ１７Ｂ、２１Ｂ、２３）の全体の倍率色収差は、なるべく小さく抑えられる。
【０１５２】
その結果、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１は、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードとＴＩＲＦモードとの間の切り替え、各モードにおける使用波長λの切り替えに依らず、ＴＩＲＦ条件を維持することができる。
【０１５３】
図１７は、本実施形態のＴＩＲＦ−ＳＩＭモードにおける集光光学系（レンズ１７Ａ、２１Ａ、２３）のレンズデータであり、図１８は、本実施形態のＴＩＲＦ−ＳＩＭモードにおける集光光学系（レンズ１７Ａ、２１Ａ、２３）の条件対応表である。
【０１５４】
図１８の下から１段目、２段目、３段目に示すとおり、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードにおける倍率色収差ｄＹ（４０５）、ｄＹ（４３６）、ｄＹ（４８６）、ｄＹ（５８８）、ｄＹ（６５６）の各々は、条件式（２）を満たしている。
【０１５５】
したがって、本実施形態のＴＩＲＦ−ＳＩＭモードにおける集光光学系（レンズ１７Ａ、２１Ａ、２３）は、使用波長λが４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、４８６ｎｍ、５８８ｎｍ、６５６ｎｍの間で切り替わったとしても、ＴＩＲＦ条件を維持することが可能である。
【０１５６】
ここで、瞳面３２における光軸Ｏから集光点までの高さを波長毎に示すと、以下のとおりである。
【０１５７】
波長４０５ｎｍでは高さは２．９７ｍｍ、波長４３６ｎｍでは高さは２．８０ｍｍ、波長４８６ｎｍでは高さは２．７１ｍｍ、波長５８８ｎｍでは高さは２．８２ｍｍ、波長６５６ｎｍでは高さは２．９８ｍｍである。
【０１５８】
よって、使用波長λが４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、４８６ｎｍ、５８８ｎｍ、６５６ｎｍの間（約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長範囲）で切り替わったとしても、光軸Ｏから集光点までの高さは、所定値以上（２．７１ｍｍ以上）に維持され、その高さは所定範囲内（２．７１ｍｍ〜２．９８ｍｍの範囲内）に収まる。
【０１５９】
つまり、本実施形態では、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長範囲において、光軸Ｏから集光点までの高さが所定値以上（２．７１ｍｍ以上）に維持され、その高さの波長間のズレが所定値以下（約０．５ｍｍ以下）に収まるように、集光光学系の倍率色収差が調整されている。
【０１６０】
よって、本実施形態のＴＩＲＦ−ＳＩＭモードでは、レーザユニット１００が出射する２つの波長λ１、λ２を、４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、４８６ｎｍ、５８８ｎｍ、６５６ｎｍの中の何れか２つに選定すればよい。
【０１６１】
また、本実施形態のＴＩＲＦ−ＳＩＭモードにおける集光光学系（レンズ１７Ａ、２１Ａ、２３）は、使用波長λの切り替えに依らずＴＩＲＦ条件を維持するために所定の倍率色収差（図１８の下から３段目）を有しているが、その一方で、この集光光学系（レンズ１７Ａ、２１Ａ、２３）の軸上色収差は、図１９に示すとおり−０．１０５ｍｍから＋０．０１９ｍｍの範囲（約０．１５ｍｍ）に収まっている。
【０１６２】
したがって、本実施形態のＴＩＲＦ−ＳＩＭモードにおける構造化照明顕微鏡装置１は、使用波長λの切り替え時における集光光学系（レンズ１７Ａ、２１Ａ、２３）のフォーカス調整を省略することが可能である。
【０１６３】
但し、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードにおける集光光学系（レンズ１７Ａ、２１Ａ、２３）の軸上色収差が無視できない場合は、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードにおける使用波長λの切り替え時にフォーカス調整を行えばよい。
【０１６４】
このフォーカス調整は、光ファイバ１１の出射端の光軸Ｏ方向の位置を位置調節機構１１Ａによって調節するか、レンズ１７Ａ、２１Ａ、２３の少なくとも１つの光軸Ｏ方向の位置を調整することによって行うことができる。
【０１６５】
なお、フォーカス調整をレンズの光軸Ｏ方向の位置調整によって行う場合は、回折格子１６の光軸Ｏ方向の位置調整も必要に応じて行うとよい。
【０１６６】
図２０は、本実施形態のＴＩＲＦモードにおける集光光学系（レンズ１７Ｂ、２１Ｂ、２３）のレンズデータであり、図２１は、本実施形態のＴＩＲＦモードにおける集光光学系（レンズ１７Ｂ、２１Ｂ、２３）の倍率色収差である。
【０１６７】
図２１に示すとおり、ＴＩＲＦモードにおける倍率色収差ｄＹ（４０５）、ｄＹ（４３６）、ｄＹ（４８６）、ｄＹ（５８８）、ｄＹ（６５６）の各々は、−０．００１２ｍｍから＋０．００３１ｍｍの極めて狭い範囲に収まっている。つまり、ＴＩＲＦモードにおける倍率色収差は、ゼロ近傍に抑えられている。
【０１６８】
したがって、本実施形態のＴＩＲＦモードにおける集光光学系（レンズ１７Ｂ、２１Ｂ、２３）は、使用波長λが４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、４８６ｎｍ、５８８ｎｍ、６５６ｎｍの間で切り替わったとしても、ＴＩＲＦ条件を維持することが可能である。
【０１６９】
ここで、使用波長λが５６１ｎｍであるときに瞳面３２における光軸Ｏから集光点までの高さが２．７ｍｍとなるように光ファイバの位置を調整したと仮定する。このとき、光軸Ｏから集光点までの高さを波長毎に示すと、以下のとおりである。
【０１７０】
波長４０５ｎｍでは高さは２．７０３１ｍｍ、波長４３６ｎｍでは高さは２．７００２ｍｍ、波長４８６ｎｍでは高さは２．６９８８ｍｍ、波長５８８ｎｍでは高さは２．７ｍｍ、波長６５６ｎｍでは高さは２．７０１４ｍｍである。
【０１７１】
よって、使用波長λが４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、４８６ｎｍ、５８８ｎｍ、６５６ｎｍの間（約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長範囲）で切り替わったとしても、光軸Ｏから集光点までの高さは、所定値以上（２．６９８８ｍｍ以上）に維持され、その高さは所定範囲内（２．６９８８〜２．７０３１ｍｍの範囲内、すなわち、２．７＋０．００３１ｍｍ〜２．７−０．００１２ｍｍの範囲内）に収まる。
【０１７２】
つまり、本実施形態では、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長範囲において、光軸Ｏから集光点までの高さが所定以上（２．６９８８ｍｍ以上）に維持され、その高さの波長間のズレが所定値以下（約０．０１ｍｍ以内）に収まるように、集光光学系の倍率色収差が調整されている。
【０１７３】
よって、本実施形態のＴＩＲＦモードでは、レーザユニット１００が出射する２つの波長λ１、λ２を、４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、４８６ｎｍ、５８８ｎｍ、６５６ｎｍの中の何れか２つに選定すればよい。
【０１７４】
また、本実施形態のＴＩＲＦモードにおける集光光学系（レンズ１７Ｂ、２１Ｂ、２３）の軸上色収差は、図２２に示すとおり−０．１９２ｍｍから＋０．１８４ｍｍの範囲（約０．４ｍｍ）に収まっている。
【０１７５】
したがって、本実施形態のＴＩＲＦモードにおける構造化照明顕微鏡装置１は、使用波長λの切り替え時における集光光学系（レンズ１７Ｂ、２１Ｂ、２３）のフォーカス調整を省略することが可能である。
【０１７６】
但し、ＴＩＲＦモードにおける集光光学系（レンズ１７Ｂ、２１Ｂ、２３）の軸上色収差が無視できない場合は、ＴＩＲＦモードにおける使用波長λの切り替え時にフォーカス調整を行えばよい。
【０１７７】
このフォーカス調整は、光ファイバ１１の出射端の光軸Ｏ方向の位置を位置調節機構１１Ａによって調節するか、レンズ１７Ｂ、２１Ｂ、２３の少なくとも１つの光軸Ｏ方向の位置を調整することによって行うことができる。
【０１７８】
なお、フォーカス調整をレンズの光軸Ｏ方向の位置調整によって行う場合は、回折格子１６の光軸方向の位置調整も必要に応じて行うとよい。
【０１７９】
なお、本実施形態では、レーザユニット１００が出射可能なレーザ光の波長数を２としたが、３以上としてもよい。その場合、レーザユニット１００が出射する３つの波長を、４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、４８６ｎｍ、５８８ｎｍ、６５６ｎｍの中の何れか３つに選定すればよい。
【０１８０】
また、本実施形態では、レーザユニット１００が出射可能なレーザ光の波長を、４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、４８６ｎｍ、５８８ｎｍ、６５６ｎｍの中から選定したが、４０５ｎｍ〜６５６ｎｍの範囲内の任意の波長に選定してもよい。なぜなら、本実施形態のＴＩＲＦ−ＳＩＭモードにおける集光光学系（レンズ１７Ａ、２１Ａ、２３）は、４０５ｎｍ〜６５６ｎｍの範囲内の任意の使用波長について条件式（２）を満たし、本実施形態のＴＩＲＦモードにおける集光光学系（レンズ１７Ｂ、２１Ｂ、２３）は、４０５ｎｍ〜６５６ｎｍの波長範囲に対して倍率色収差が抑えられている。
【０１８１】
また、本実施形態のＴＩＲＦ−ＳＩＭモードでは、全反射蛍光観察（ＴＩＲＦ）を行うために、使用波長λの切り替えに依らず集光点がＴＩＲＦ領域に収まり続けるような倍率色収差を集光光学系（レンズ１７Ａ、２１Ａ、２３）へ付与したが、ＴＩＲＦの必要が無い場合（すなわち、構造化照明顕微鏡装置１をＴＩＲＦ−ＳＩＭモードではなくＳＩＭモードで使用する場合）は、集光点がＴＩＲＦ領域に収まっていなくても構わない。
【０１８２】
但し、ＳＩＭモードでは、使用波長λの切り替えに依って光軸Ｏから集光点までの高さが変動すると、使用波長λの切り替えによって超解像効果が変動するという問題が発生するため、ＴＩＲＦの必要が無かったとしても、使用波長λの切り替えに依らず光軸Ｏから集光点までの高さが維持されるような倍率色収差を集光光学系（レンズ１７Ａ、２１Ａ、２３）へ付与しておくことが望ましい。
【０１８３】
この場合の条件式は、下記のようになる。
（０．７５ -ａｆλ／Ｐ） ≦ ｄＹ（λ） ≦ （ｆo ・ＮＡ  - ａｆλ／Ｐ）、
ａ＝１（Ｍ＝１、２の場合）、
ａ＝２（Ｍ＝３の場合）
但し、Ｍは回折格子１６が有する周期構造の方向数であり、λは使用波長であり、ｄＹ（λ）は、使用波長λの基準波長をλ０としたときに、像高２ｆ・λ０／Ｐにおける集光光学系の波長λでの倍率色収差である。また、ｆｏは対物レンズ３１の焦点距離、ｆは集光光学系の全系の焦点距離、Ｐは回折格子１６の構造周期、ＮＡは対物レンズ３１の開口数である。
【０１８４】
この条件式を満たすことにより、超解像効果を１．７５以上とすることができる。但し、この条件式によると、各波長の超解像効果は１．７５〜２の間でばらつくので、このばらつきを抑えるには、条件式の下限を（０．８ −ａｆλ／Ｐ）とすることが更に好ましい。
【０１８５】
また、光軸Ｏから集光点までの高さを、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードに適した高さと、ＳＩＭモードに適した高さとの間で切り替えるためには、光路に挿入される回折格子１６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。
【０１８６】
また、本実施形態では、波長の異なる複数の光を標本へ順次に照射する（複数種類の蛍光領域を順次に励起する）ことを想定したが、波長の異なる複数の光を標本へ同時に照射しても（複数種類の蛍光領域を同時に励起しても）よい。この場合は、波長の異なる複数の蛍光を分離して検出する機能を構造化照明顕微鏡装置１へ搭載することが望ましい。
【０１８７】
［第3実施形態］
以下、本発明の第３実施形態として構造化照明顕微鏡装置を説明する。
【０１８８】
本実施形態の構造化照明顕微鏡装置は、第１実施形態の構造化照明顕微鏡装置の変形例であるので、ここでは第１実施形態との相違点を主に説明する。
【０１８９】
第１実施形態では、集光光学系に倍率色収差を発生させることにより、対物レンズの瞳面における光軸Ｏから集光点までの高さの波長間のズレ（回折角度差に起因したズレ）を抑制したが、本実施形態では、対物レンズの瞳共役面における光軸Ｏから集光点までの高さの波長間のズレ（回折角度差に起因したズレ）、すなわち、光路選択部材の配置面における光軸Ｏから集光点までの高さの波長間のズレ（回折角度差に起因じたズレ）を抑制する。
【０１９０】
そうすると、光路選択部材以降のレンズ群を、通常通り収差補正された一般的なレンズで構成することができるため、構造化照明顕微鏡の照明装置を、構造化照明装置と、他の照明装置（例えば通常の落射照明装置）との間で切り換えることが可能であり、しかも他の照明装置（例えば通常の落射照明装置）が構造化照明装置の一部を共用できる、というシステム構成上の利点も生まれる。
【０１９１】
図２４は、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１の構成図である。図２４において、図１に示した要素と同じ機能の要素には同じ番号を付してある。
【０１９２】
図２４に示すとおり本実施形態では、光束分岐部１４の回折格子１６及び並進機構１５は、光軸Ｏ方向に位置調整可能な一軸ステージ５１上に配置されている。この一軸ステージ５１による回折格子１６及び並進機構１５の光軸Ｏ上の移動量は、制御装置４３によって制御される。
【０１９３】
また、本実施形態では、光路選択部１８とレンズ３２１との間の光路中にミラー５２が挿入され、このミラー５２は光路に対して挿脱可能に構成されている。このミラー５２が光路に挿入されたとき、構造化照明顕微鏡１の照明装置は、構造化照明装置ではなく通常の落射蛍光照明装置として機能する。
【０１９４】
また、図２４に示したレンズ３１７、レンズ３２１、フィールドレンズ３２３の働きは、それぞれ、第１実施形態におけるレンズ１７、レンズ２１、フィールドレンズ２３の働きに相当するが、本実施形態における倍率色収差の補正状態は、第１実施形態における倍率色収差の補正状態とは異なるため、異なる番号を付した。
【０１９５】
図２４に示す落射蛍光照明装置６０には、水銀ランプを光源としたファイバ光源装置６１と、第２の光ファイバ６２と、コレクタレンズ６３と、リレーレンズ６４と、ＮＤフィルタ６５と、開口絞り６６とが配置される。
【０１９６】
ファイバ光源装置６１からの光は、第２の光ファイバ６２を介して落射蛍光照明装置６０の光軸Ｏ’上に照明光として導入される。その照明光は、コレクタレンズ６３で平行光に変換され、リレーレンズ６４の作用を受けて開口絞り６６の位置に光源像を形成する。なお、落射蛍光照明装置６０のＮＤフィルタ６５は、落射蛍光照明装置６０の明るさ調整のために用いられる。
【０１９７】
落射蛍光照明装置６０からの照明光は、ミラー５２で反射したあと、レンズ３２１と視野絞り２２と、フィールドレンズ３２３とを経由し、さらに励起フィルタ２４を経てからダイクロイックミラー３３で反射し、対物レンズ３１の瞳面３２上に、光源像（第２の光ファイバ６２の出射端の像）を形成し、対物レンズ３１を介して標本２を一様に照明する。つまり、落射蛍光照明装置６０は、構造化照明装置（照明光学系１０）のレンズ３２１、フィールドレンズ３２３を利用して標本２を一様照明する。
【０１９８】
標本２が一様照明されると、標本２の蛍光領域から蛍光が発生する。その蛍光領域で発生した蛍光は、第１実施形態と同様に対物レンズ３１で平行光に変換された後、ダイクロイックミラー３３及びバリアフィルタ３４を透過し、第２対物レンズ３５を介して撮像素子４２の撮像面４１に標本２の蛍光像を形成する。
【０１９９】
ここで、照明光学系１０で用いられる第１レーザ光源１０１、第２レーザ光源１０２の波長と、落射蛍光照明装置６０で用いられるファイバ光源装置６１の波長とが異なる場合は、次のようにすればよい。
【０２００】
励起フィルタ２４とダイクロイックミラー３３とバリアフィルタ３４とを一体化してなる蛍光キューブ７２を用意すると共に、その蛍光キューブ７２とは分離波長の異なる蛍光キューブ７３を用意し、それらの蛍光キューブ７２、７３を蛍光キューブターレット７０へ装着する。蛍光キューブターレット７０は、所定の軸７１の周りに回転可能であり、キューブターレット７０が軸７１の周りに所定角度だけ回転すると、対物レンズ３１の光軸Ｏ上に配置される蛍光キューブが蛍光キューブ７２、７３の間で切り換わる。
【０２０１】
また、落射蛍光照明装置６０のコレクタレンズ６３及びリレーレンズ６４のレンズ部材としては、倒立顕微鏡の落射蛍光照明装置において一般に用いられるレンズと同様、収差補正されたものが使用される。これに伴い、落射蛍光照明装置６０の落射照明に利用されるレンズ３２１及びフィールドレンズ３２３のレンズ部材としても、倒立顕微鏡の落射蛍光照明装置において一般に用いられるレンズと同様、収差補正されたもの（倍率色収差は略０に補正されている）が使用される。
【０２０２】
したがって、第１実施形態では「複数波長間の回折角度差に起因する瞳面上の集光位置ズレを倍率色収差によって補正する機能」を集光光学系（レンズ１７、２１、２３）の全体に付与したのに対して、本実施形態では集光光学系（レンズ３１７、３２１、３２３）の全体ではなくレンズ３１７のみに付与する必要がある。以下、詳しく説明する。
【０２０３】
本実施形態においても、ＴＩＲＦ条件を維持するための式は、第１の実施形態と同様、下記の式（２）となる。
【０２０４】
（ｆｏ・ｎｗ−ａｆλ／Ｐ） ≦ ｄＹ（λ） ≦ （ｆｏ・ＮＡ−ａｆλ／Ｐ）、
ａ＝１（Ｍ＝１、２の場合）、
ａ＝２（Ｍ＝３の場合）  …（２）
但し、ｄＹ（λ）は、使用波長λの基準波長をλ０としたときに、像高２ｆ・λ０／Ｐにおける集光光学系の波長λでの倍率色収差である。また、ｆｏは対物レンズ３１の焦点距離、ｆは集光光学系（レンズ３１７、３２１、３２３）の全系の焦点距離、Ｐは回折格子１６の構造周期、ＮＡは対物レンズ３１の開口数、Ｍは回折格子１６が有する周期構造の方向数、ｎｗは標本２の屈折率である。
【０２０５】
図２５は、本実施形態のレンズ３１７の構成図である。図２５に示すとおり本実施形態のレンズ３１７の構成は、３群６枚構成である。光学面ｒ１、ｒ２は、回折格子１６の光学面を示しており、平行平板のｒ１面に回折格子となる段差が刻印されていると仮定する。前述した第１実施形態又は第２実施形態とは異なり本実施形態においてレンズ３１７の構成を３群構成としたのは、集光光学系にとって必要な倍率色収差をレンズ３１７の単体に付与するためである。
【０２０６】
図２６は、レンズ３１７のレンズデータであり、図２７には、光束選択部材２０の配置面（瞳共役面）における各波長の光線高さ（この高さはレンズ３１７のパワーによって決まる）、レンズ３２１及びフィールドレンズ３２３の各焦点距離、光束選択部材２０の配置面から瞳面３２への投影倍率、対物レンズ３１の瞳面３２における集光点の光軸Ｏからの高さを示した。
【０２０７】
なお、光束選択部１８は対物レンズ３１の瞳面３２と共役であり、光束選択部材２０の配置面から瞳面３２への投影倍率は、レンズ３２１とフィールドレンズ３２３とのパワーの比である。
【０２０８】
図２８は、本実施形態の集光光学系（レンズ３１７、３２１、３２３）の条件対応表である。
【０２０９】
本実施形態では、第１レーザ光源１０１の波長を４８６ｎｍとし、第２レーザ光源１０２として波長４０５ｎｍのレーザ光源及び波長４３６ｎｍのレーザ光源を搭載可能とする。
【０２１０】
よって、ここでは基準波長λ０を４８６ｎｍとし、使用波長λとして４０５ｎｍ及び４３６ｎｍを想定した。図２８の下から３段目は、４０５ｎｍ、４３６ｎｍに関する倍率色収差ｄＹ（４０５）、ｄＹ（４３６）を示している。
【０２１１】
図２８の下から１段目、２段目に示すとおり、これらの倍率色収差ｄＹ（４０５）、ｄＹ（４３６）は、条件式（２）を満たしている。
【０２１２】
したがって、本実施形態の集光光学系（レンズ３１７、３２１、３２３）は、使用波長λが４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、４８６ｎｍの間で切り替わったとしても、回折格子１６で発生した±１次回折光が対物レンズ３１の瞳面３２に形成する集光点をＴＩＲＦ領域に収め続けること（ＴＩＲＦ条件を維持すること）が可能である。
【０２１３】
図２７に示すとおり、瞳面３２における集光点の光軸からの高さは、波長間で略一致している（高さは２．８５ｍｍ〜２．８８ｍｍである。）。つまり、集光点の高さの波長間のズレは、約０．５ｍｍ以内の範囲に充分収まっており、そのズレが略ゼロとなるように倍率色収差が調整されているといえる。
【０２１４】
よって、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１では、レーザユニット１００が出射する２つの波長λ１、λ２を、４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、４８６ｎｍの中の何れか２つに選定すればよい。
【０２１５】
なお、本実施形態の集光光学系（レンズ３１７、３２１、３２３）は、所定の倍率色収差（図２８の下から３段目）を有しているがゆえに、図２９に示すとおり軸上色収差も有している。図２９には、光束選択部材２０の配置面（瞳共役面）の近傍におけるレンズ３１７の軸上色収差と、光束分岐部１４の配置面の近傍におけるレンズ３１７の軸上色収差（光線追跡の方向は逆向き）とを示した。
【０２１６】
したがって、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１は、使用波長λの切り替え時に、２つのフォーカス調整を行う必要がある。
【０２１７】
第１のフォーカス調整は、瞳面３２上の集光位置（光軸方向の位置）を調整するためのフォーカス調整であり、光ファイバ１１の出射端の光軸方向の位置を位置調節機構１１Ａによって調節することによって行うことができる。光ファイバ１１の出射端の実際の移動量は、図２９に記載された移動量に、光ファイバ１１の出射端から光束選択部１８までの光学系の縦倍率の逆数を乗算した値となる。
【０２１８】
第２のフォーカス調整は、標本２上に形成される干渉縞（構造化照明）のフォーカス調整であり、光束分岐部１４が搭載されている一軸ステージ５１を駆動して回折格子１６の光軸方向の位置を調節することによって行うことができる。一軸ステージ５１の実際の駆動量は、図２９に記載された移動量と同じ値となる。
【０２１９】
なお、波長毎のフォーカス調整量は、セットアップ時のキャリブレーションで予め測定し、制御装置４３に記憶させておくことが望ましい。このようにすれば、波長の切り替え時におけるフォーカス調整を高速化することができる。
【０２２０】
また、本実施形態では全反射蛍光観察（ＴＩＲＦ）を行うために、使用波長λの切り替えに依らず集光点がＴＩＲＦ領域に収まり続けるような倍率色収差を集光光学系のレンズ３１７に付与したが、ＴＩＲＦの必要がない場合（すなわち、構造化照明顕微鏡装置１をＴＩＲＦ−ＳＩＭモードではなくＳＩＭモードで使用する場合）は、集光点がＴＩＲＦ領域に収まっていなくても構わないことは、第1実施形態と同様である。
【０２２１】
なお、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１も、第１実施形態又は第２実施形態の構造化照明顕微鏡装置１と同様、適宜に変形することが可能である。
【０２２２】
［各実施形態の変形例］
なお、上述した実施形態では、標本２に入射する±１次回折光束をＳ偏光に保つために、光軸の周りを回動可能な１／２波長板１９を使用したが、固定配置された１／４波長板と光軸の周りを回動可能な１／４波長板とを使用してもよい。但し、その場合は、第１の基準位置を基準とした１／４波長板の回転位置は、第２の基準位置を基準とした光束選択部材２０の回転位置と同じに設定される。
【０２２３】
また、上述した実施形態では、光源からの射出光束を分岐する手段として、周期構造の方向数Ｍが２以上である回折格子１６、すなわち、分岐方向の異なる複数の回折光束群を同時に生成する回折格子１６（図２（Ａ）参照）を使用したが、周期構造の方向数Ｍが１である回折格子、すなわち、分岐方向が共通の回折光束群を１群のみ生成する回折格子を使用してもよい。
【０２２４】
但し、その場合は、干渉縞の方向を切り替えるために、回折格子を光軸の周りに回動可能とすればよい。また、その場合は、回動可能な光束選択部材２０の代わりに、非可動の０次光カットマスクを使用すればよい。０次光カットマスクは、±１次回折光を透過し、かつ０次回折光及び２次以降の高次回折光をカットするマスクである。
【０２２５】
言い換えると、上述した照明光学系１０において、回折手段（１６）は、光軸に垂直な単一方向に亘って周期構造を有した回折格子であってもよく、その場合は、標本（２）に対する１対の光束の入射方向を光軸周りに回転させる回転部（不図示）を更に備えてもよい。
【０２２６】
また、上述した実施形態では、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードにおいて標本２へ形成する干渉縞を２光束干渉縞とした（つまり２Ｄ−ＳＩＭモードとした）が、標本２へ形成する干渉縞を３光束干渉縞としたＳＩＭモード（つまり３Ｄ−ＳＩＭモード）を構造化照明顕微鏡装置１へ搭載してもよい。
【０２２７】
３Ｄ−ＳＩＭモードでは、図６に示した光束選択部材２０の代わりに、図２３に示すような光束選択部材２０’を使用すればよい。この光束選択部材２０’は、図６に示した光束選択部材２０において、０次回折光束を通過するための開口部２０Ｅを設けたものである。なお、この開口部２０Ｅの形成先は、光軸の近傍であって、この開口部２０Ｅの形状は、例えば円形である。このような光束選択部材２０’によると、±１次回折光束だけでなく０次回折光束をも干渉縞に寄与させることができる。
【０２２８】
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２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２の深さ方向にも超解像効果を得ることが可能となる。
【０２２９】
また、上述した実施形態では、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードで標本２へ形成する干渉縞を２光束干渉縞とするために、構造化照明光に寄与する回折光束として、＋１次回折光束と−１次回折光束との組み合わせを使用したが、他の組み合わせを使用してもよいことは言うまでもない。
【０２３０】
また、上述した実施形態では、３Ｄ−ＳＩＭモードで標本２へ形成する干渉縞を３光束干渉縞とするために、構造化照明光に寄与する回折光束として、＋１次回折光束と−１次回折光束と０次回折光束との組み合わせを使用したが、他の組み合わせを使用してもよいことは言うまでもない。
【０２３１】
因みに、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。
【０２３２】
なお、第１実施形態〜第３実施形態の照明光学系１０は、対物レンズ３１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３１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。
【０２３３】
また、第１実施形態〜第３実施形態の光束分岐部は、光束を分岐する手段として回折格子を用いたが、例えば、位相型回折格子として機能する空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial light modulator）と、空間光変調器に対して駆動信号を与える制御部との組み合わせを用いてもよい。制御部は、空間光変調器に与える駆動信号を切り換えることにより、空間光変調器の構造周期（回折格子としての構造周期）を高速に切り換えることができる。
【０２３４】
［実施形態の作用効果］
上述した実施形態の構造化照明装置（レーザユニット１００、光ファイバ１１、照明光学系１０）は、複数波長の光を同時又は順次に射出する光源（レーザユニット１００）からの射出光束を複数の回折光束に回折する回折部（回折格子１６）と、前記回折部（回折格子１６）で回折された前記複数の回折光束による干渉縞を標本面に形成する光学系（照明光学系１０）とを備え、前記光学系（照明光学系１０）は、第１の光学系（対物レンズ３１）と、前記複数の回折光束を前記第１の光学系（対物レンズ３１）の瞳面（３２）又は瞳近傍面の各位置へ集光させる第２の光学系（集光光学系１７、２１、２３、３１７、３２１、３２３）とを含み、前記複数波長に対する前記第２の光学系の倍率特性ｄＹ（λ）は、以下の条件を満たす。
【０２３５】
（ｆｏ・ｎｗ−ａｆλ／Ｐ） ≦ ｄＹ（λ） ≦ （ｆｏ・ＮＡ−ａｆλ／Ｐ）、ａ＝１（Ｍ＝１、２の場合）、ａ＝２（Ｍ＝３の場合）
但し、Ｍは前記回折部が有する周期構造の方向数であり、λは前記複数波長の各々であり、ｄＹ（λ）は、前記複数波長の基準波長をλ０としたとき、基準波長λ０の像高２ｆ・λ０／Ｐと、前記複数波長の各々の波長λの像高２ｆ・λ／Ｐとの差であり、ｆｏは前記第１の光学系の基準波長λ０の焦点距離、ｆは前記第２の光学系の基準波長λ０の焦点距離、Ｐは前記回折部の構造周期、ＮＡは前記第１の光学系の開口数であり、ｎｗは標本の屈折率である。
【０２３６】
すなわち、前記複数波長に対する前記第２の光学系（集光光学系１７、２１、２３、３１７、３２１、３２３）の倍率特性（倍率色収差）は、前記複数波長の各々の前記集光位置が前記瞳面の所定領域に収まるように調整されており、前記所定領域は、前記標本面近傍に前記干渉縞によるエバネッセント場を生成するためのＴＩＲＦ領域である。
【０２３７】
したがって、上述した実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）は、標本（２）の表面の極めて薄い層を複数波長の各々で観察することが可能である。
【０２３８】
また、前記回折部（回折格子１６）は、射出光路の光路に対して挿脱可能であり、第２の光学系（１７Ａ、２１Ａ、２３）は、前記倍率特性の異なる別の第２の光学系（集光光学系１７Ｂ、２１Ｂ、２３）へと交換可能である。
【０２３９】
したがって、上述した実施形態の構造化照明顕微鏡装置１のモードは、ＴＩＲＦ−ＳＩＭモードとＴＩＲＦモードとの間で切り替え可能である。
【０２４０】
また、上述した実施形態の照明光学系１０において、第２の光学系（集光光学系１７Ａ、２１Ａ、２３）の交換対象は、第２の光学系の一部の要素（１７Ａ、２１Ａ）である。
【０２４１】
このように、交換対象となる要素の数を抑えれば、交換に要される機構が大掛かりになることを避けることができる。
【０２４２】
また、上述した実施形態の照明光学系１０において、第２の光学系（集光光学系１７Ａ、２１Ａ、２３）のうち少なくとも交換対象となる要素（１７Ａ、２１Ａ）は、接合レンズによって構成される。
【０２４３】
このように、倍率特性の制御に有効な接合レンズを交換対象としたならば、第２の光学系の倍率特性の切り替えを確実に行うことができる。
【０２４４】
また、上述した実施形態の構造化照明装置（レーザユニット１００、光ファイバ１１、照明光学系１０）は、前記回折部（空間光変調器）の前記構造周期を切り替える制御部を更に備えてもよい。
【０２４５】
また、上述した実施形態の構造化照明装置（レーザユニット１００、光ファイバ１１、照明光学系１０）は、前記第１の光学系（対物レンズ３１）の光軸方向における前記集光位置を調整するための位置調整部（位置調節機構１１Ａ）を更に備える。
【０２４６】
したがって、上述した実施形態の構造化照明装置（レーザユニット１００、光ファイバ１１、照明光学系１０）は、複数波長間のフォーカスズレ（第２の光学系の軸上色収差に起因して発生するズレや対物レンズが持つ瞳の色収差によるズレ）にも対処することができる。
【０２４７】
また、上述した実施形態の照明光学系１０は、干渉縞の位相をシフトさせるための位相シフト部（並進機構１５）を更に備える。
【０２４８】
したがって、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置１は、復調演算に必要な一連の変調画像を確実に取得することができる。
【０２４９】
また、前記回折部（回折格子１６又は空間光変調器）は、前記光学系の光軸に垂直な面内の互いに異なる複数方向に亘って周期構造を有し、前記回折部（回折格子１６又は空間光変調器）で回折された前記複数の回折光束のうち１対の回折光束のみを選択する光選択部（光束選択部材２０）を更に備える。
【０２５０】
したがって、上述した実施形態の構造化照明顕微鏡装置１は、複数方向に亘って超解像効果を得ることができる。
【０２５１】
また、前記複数波長は、約４００ｎｍから約７００ｎｍの波長範囲内に収められる。
【０２５２】
この範囲内の波長であれば、光軸（Ｏ）から集光点までの高さが複数波長の間で略一致するように第２の光学系（集光光学系１７、２１、２３）の倍率特性を調整することが可能である（図１１、図１２、図２６〜図２９などの具体例を参照）。
【０２５３】
また、上述した実施形態の構造化照明装置（レーザユニット１００、光ファイバ１１、照明光学系１０）は、前記回折部（回折格子１６）と前記瞳面との間の光路に対して光学部材（ミラー５２）を挿脱することにより、前記標本面を照明する光を、前記干渉縞による構造化照明光と、前記光源（レーザユニット１００）とは異なる第２光源（ファイバ光源装置６１）を利用した別の照明光との間で切り換える切換部を更に備える。
【０２５４】
したがって、上述した実施形態の構造化照明装置（レーザユニット１００、光ファイバ１１、照明光学系１０）は、照明光の状態の切換を効率的に行うことができる。
【０２５５】
また、上述した実施形態の構造化照明顕微鏡装置１は、前記干渉縞で変調された前記標本（２）からの観察光束を光検出器（撮像素子４２）に結像する結像光学系（第２対物レンズ３５）とを備える。
【０２５６】
また、上述した実施形態の構造化照明顕微鏡装置１は、前記光検出器（撮像素子４２）が生成した画像に基づき前記標本（２）の復調像を演算する演算部（画像記憶・演算装置４４）を更に備える。
【０２５７】
また、上述した実施形態の構造化照明装置（レーザユニット１００、光ファイバ１１、照明光学系１０）は、複数波長の光を同時又は順次に射出する光源（レーザユニット１００）からの射出光束を複数の回折光束に回折する回折部（回折格子１６）と、前記回折部（回折格子１６）で回折された前記複数の回折光束による干渉縞を標本面に形成する光学系（照明光学系１０）とを備え、前記光学系（照明光学系１０）は、第１の光学系（対物レンズ３１）と、前記複数の回折光束を前記第１の光学系（対物レンズ３１）の瞳面（３２）又は瞳近傍面の各位置へ集光させる第２の光学系（集光光学系１７、２１、２３、３１７、３２１、３２３）とを含み、前記複数波長に対する前記第２の光学系の倍率特性ｄＹ（λ）は、以下の条件を満たす。
【０２５８】
（０．７５−ａｆλ／Ｐ） ≦ ｄＹ（λ） ≦ （ｆｏ・ＮＡ−ａｆλ／Ｐ）、ａ＝１（Ｍ＝１、２の場合）、ａ＝２（Ｍ＝３の場合）。
【０２５９】
但し、Ｍは前記回折部が有する周期構造の方向数であり、λは前記複数波長の各々であり、ｄＹ（λ）は、前記複数波長の基準波長をλ０としたとき、基準波長λ０の像高２ｆ・λ０／Ｐと、前記複数波長の各々の波長λの像高２ｆ・λ／Ｐとの差であり、ｆｏは前記第１の光学系（対物レンズ３１）の基準波長λ０の焦点距離、ｆは前記第２の光学系（集光光学系１７、２１、２３、３１７、３２１、３２３）の基準波長λ０の焦点距離、Ｐは前記回折部の構造周期、ＮＡは前記第１の光学系（対物レンズ３１）の開口数である。
【０２６０】
したがって、上述した実施形態の構造化照明顕微鏡装置（１）は、前記複数波長の各々で所望の超解像効果を得ることが可能である。
【０２６１】
［復調演算の説明］
以下、復調演算の例を説明する。
【０２６２】
ここでは、２Ｄ−ＳＩＭモードを想定し、先ずは、干渉縞の方向数Ｍｍａｘを１、位相数Ｎｍａｘを３と仮定する。
【０２６３】
標本上の変調方向の座標をｘとおき、結像光学系の点像強度分布をＰｒ（ｘ）とおき、標本の蛍光領域の構造をＯｒ（ｘ）とおき、干渉縞の空間周波数（変調周波数）をＫとおき、干渉縞の位相（変調位相）をφとおき、干渉縞の振幅（変調振幅）をｍｌとおくと（但し、ｌは変調次数−１，０，１である。）、干渉縞のパターン（変調波形）はｍｌｅｘｐ（ｉｌＫｘ＋φ）で表されるので、標本の変調画像Ｉｒ（ｘ）は、以下の式で表される。
【０２６４】
【数１】
2015008415.tif 000003
【０２６５】
但し、式中の記号「＊」は、畳み込み積分を表す。以下、実空間における量と波数空間における量とを区別するために、実空間における量には添え字「ｒ」を付与し、波数空間における量には添え字「ｋ」を付与する。
【０２６６】
よって、変調画像Ｉｒ（ｘ）をフーリエ変換したもの（＝Ｉｋ（ｋ））は、以下の式のとおり表される。
【０２６７】
【数２】
2015008415.tif 000004
【０２６８】
なお、結像光学系の点像強度分布Ｐｒ（ｘ）をフーリエ変換したもの（＝Ｐｋ（ｋ））は、結像光学系の伝達関数（ＯＴＦ：Optical Transfer Function）に相当する。
【０２６９】
ここで、式におけるＯｋ（ｋ＋ｌＫ）（ｌ＝−１、０、１）は、変調画像Ｉｋ（ｋ）に重畳された各次数の変調成分である。１次変調成分Ｏｋ（ｋ＋Ｋ）、−１次変調成分（ｋ−Ｋ）においては、標本１５の実際の空間周波数成分がＫだけ（低周波数側へ）シフトしている。このシフトの量が大きいほど、超解像効果は大きくなる。このため、干渉縞の空間周波数は、結像光学系が結像できる範囲内でなるべく高い値に設定されることが望ましい。
【０２７０】
さて、一連の変調画像、すなわち（Ｎｍａｘ×Ｍｍａｘ）フレームの変調画像のうち、干渉縞の位相が互いに異なる３フレームの変調画像の間では、φのみが異なり、ｍｌ及びＫは共通である。よって、それら３フレームのうち第ｊフレームの変調画像に反映されている干渉縞の位相をφjとおくと、第ｊフレームの変調画像Ｉｋｊ（ｋ）は、以下の式で表される。
【０２７１】
【数３】
2015008415.tif 000005
【０２７２】
よって、復調演算では、３フレームの変調画像を上式へ当てはめると共に、それによって得られる３つの方程式を連立させて解くことで、各次数の変調成分Ｏｋ（ｋ＋ｌＫ）（ｌ＝−１，０，１）の各々を既知とする（互いに分離する）。因みに、この式におけるＰｋ（ｋ）は、結像光学系に固有なので、予め測定しておくことが可能である。
【０２７３】
なお、各次数の変調成分Ｏｋ（ｋ＋ｌＫ）（ｌ＝−１，０，１）を互いに分離する際には、 Ｏｋ（ｋ＋ｌＫ）Ｐｋ（ｋ）（ｌ＝−１，０，１）の各々を既知としてから、それらをＰｋ（ｋ）の値で除算してもよいが、単なる除算を行う代わりに、ウィナーフィルタなどノイズの影響を受けにくい公知の手法を利用してもよい。
【０２７４】
そして、復調演算では、±１次変調成分Ｏｋ（ｋ＋Ｋ）、Ｏｋ（ｋ−Ｋ）を、変調周波数Ｋの分だけｘ方向にかけてシフト（再配置）してから、各次数の変調成分Ｏｋ（ｋ＋ｌＫ）（ｌ＝−１，０，１）を波数空間上で重み付け合成することで、周波数範囲の広い復調画像Ｏｋ（ｘ）を生成する。
【０２７５】
この復調画像Ｏｋ（ｘ）を逆フーリエ変換したものが、標本１５の超解像画像Ｏｒ（ｘ）である。この超解像画像Ｏｒ（ｘ）は、干渉縞の変調方向（ｘ方向）にかけて高い超解度を有している。
【０２７６】
次に、干渉縞の方向数Ｍｍａｘを３、各方向の位相数Ｎｍａｘを３と仮定した場合を説明する。
【０２７７】
図３０は、位相数Ｎｍａｘ＝３、方向数Ｍｍａｘ＝３である場合の復調演算を説明する図である。図３０において符号Ｉｒ（１，１）、Ｉｒ（２，１）、…、Ｉｒ（３，３）で示すのは、干渉縞の位相及び方向の組み合わせが互いに異なる変調画像であって、変調画像Ｉｒ（Ｎ、Ｍ）の「Ｎ」は、その変調画像に寄与した干渉縞の位相番号であり、変調画像Ｉｒ（Ｎ、Ｍ）の「Ｍ」は、その変調画像に寄与した干渉縞の方向番号である。
【０２７８】
図３０に示すとおり、位相数Ｎｍａｘ＝３、方向数Ｍｍａｘ＝３である場合の復調演算では、３×３＝９フレームの変調画像を個別にフーリエ変換し（図３０（ａ））、干渉縞の方向が共通である変調画像同士で変調成分の分離を行い（図３０（ｂ））、それによって得られた合計９つの変調成分の各々を再配置してから（図３０（ｃ））、同一の波数空間上で重み付け合成し（図３０（ｄ））、３方向にかけて周波数範囲の広がった復調画像Ｏｋを生成する。この復調画像Ｏｋを逆フーリエ変換したものが、標本１５の超解像画像Ｏｒである。この超解像画像Ｏｒは、３方向の各々にかけて高い解像度を有している。
【０２７９】
図３０に明らかなとおり、Ｎｍａｘ＝３、Ｍｍａｘ＝３の場合、Ｎｍａｘ×Ｎｍａｘ＝９フレームの変調画像から１フレームの超解像画像Ｏｒが生成される。
【０２８０】
なお、ここでは、位相数Ｎｍａｘを３と仮定したので、変調成分の分離を、連立方程式を解くことによって行ったが、位相数Ｎｍａｘが３より大きい場合は、以下の特許文献２に開示された方法で行ってもよい。
【０２８１】
特許文献２：国際公開第２００６／１０９４４８号パンフレット
また、ここでは、２Ｄ−ＳＩＭモードについて説明したが、３Ｄ−ＳＩＭモードにおいては、変調画像に重畳される変調成分が、−２次変調成分、−１次変調成分、０次変調成分、＋１次変調成分、＋２次変調成分の５種類になるので（すなわち、ｌ＝−２、−１、０、＋１、＋２となるので）、これらの変調成分を互いに分離すればよい。よって、３Ｄ−ＳＩＭモードでは、例えば、位相数Ｎｍａｘを５以上として、一連の変調画像のフレーム数を増やせばよい。
【０２８２】
また、ここでは、復調演算における再配置（図３０（ｃ））及び合成（図３０（ｄ））の処理を順次に行ったが、一括の演算式で行うことも可能である。その演算式としては、以下の非特許文献１のOnline Methodsにおける数式（１）などが適用可能である。
【０２８３】
非特許文献１："Super-Resolution Video Microscopy of Live Cells by Structured Illumination", Peter Kner, Bryant B. Chhun, Eric R. Griffis, Lukman Winoto, and Mats G. L. Gustafsson, NATURE METHODS Vol.6 NO.5, pp.339-342, (2009)
［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。
【符号の説明】
【０２８４】
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、４２…撮像素子、４３…制御装置、４４…画像記憶・演算装置、４５…画像表示装置、１２…コレクタレンズ、１３…偏光板、１４…光束分岐部、１７…集光レンズ、１８…光束選択部、２１…レンズ、２２…視野絞り、２３…フィールドレンズ、２４…励起フィルタ、３３…ダイクロイックミラー、３１…対物レンズ、３４…吸収フィルタ、３５…第２対物レンズ、２…標本
【図１】
2015008415.tif 000006
【図２】
2015008415.tif 000007
【図３】
2015008415.tif 000008
【図４】
2015008415.tif 000009
【図５】
2015008415.tif 000010
【図６】
2015008415.tif 000011
【図７】
2015008415.tif 000012
【図８】
2015008415.tif 000013
【図９】
2015008415.tif 000014
【図１０】
2015008415.tif 000015
【図１１】
2015008415.tif 000016
【図１２】
2015008415.tif 000017
【図１３】
2015008415.tif 000018
【図１４】
2015008415.tif 000019
【図１５】
2015008415.tif 000020
【図１６】
2015008415.tif 000021
【図１７】
2015008415.tif 000022
【図１８】
2015008415.tif 000023
【図１９】
2015008415.tif 000024
【図２０】
2015008415.tif 000025
【図２１】
2015008415.tif 000026
【図２２】
2015008415.tif 000027
【図２３】
2015008415.tif 000028
【図２４】
2015008415.tif 000029
【図２５】
2015008415.tif 000030
【図２６】
2015008415.tif 000031
【図２７】
2015008415.tif 000032
【図２８】
2015008415.tif 000033
【図２９】
2015008415.tif 000034
【図３０】
2015008415.tif 000035
【国際調査報告】
2015008415.tif 000036
2015008415.tif 000037
2015008415.tif 000038
2015008415.tif 000039