(57)【要約】【課題】本発明は、複数方向に亘る超解像画像の情報を高速に取得することを目的とする。【解決手段】本発明の構造化照明光学系は、被観察面（１３ａ）上に干渉縞（Ｆ）を形成するための回折光束を生成する空間変調素子（２）と、前記空間変調素子（２）と被観察面（１３ａ）との間に配置され、前記空間変調素子（２）から前記被観察面（１３ａ）へ向かう前記回折光束を前記被観察面（１３ａ）の法線周りに回転させる光束回転手段（４，４２）と、を備えたことを特徴とする。【選択図】      図１
2007279287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被観察面上に干渉縞を形成するための回折光束を生成する空間変調素子と、
前記空間変調素子と前記被観察面との間に配置され、前記空間変調素子から前記被観察面へ向かう前記回折光束を前記被観察面の法線周りに回転させる光束回転手段と、
を備えたことを特徴とする構造化照明光学系。
【請求項２】
前記光束回転手段は、
前記回折光束を奇数回反射する反射光学系と、その反射光学系の全体を回転させる回転機構とからなり、
前記反射光学系の入射光軸、射出光軸、回転軸は、同一直線上に存在する
ことを特徴とする請求項１に記載の構造化照明光学系。
【請求項３】
前記反射光学系は、
像回転プリズムである
ことを特徴とする請求項２に記載の反射光学系。
【請求項４】
前記反射光学系の前記空間変調素子側には、
前記反射光学系と共に回転する偏光素子が挿入され、
前記反射光学系の前記被観察面側には、
前記被観察面側へ固定される１／２波長板が挿入され、
前記偏光素子の透過軸の方向は、
前記回折光束の偏光方向が前記反射光学系の反射面に対しＰ偏光又はＳ偏光となるように設定され、
前記１／２波長板の光学軸の方向は、
前記反射光学系から射出した前記回折光束の分離方向に垂直な方向と、前記偏光素子の透過軸の方向との双方に対し等しい角度を成すように設定される
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の構造化照明光学系。
【請求項５】
前記干渉縞の位相を変化させる位相変化手段を更に備えた
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の構造化照明光学系。
【請求項６】
前記位相変化手段は、
前記空間変調素子をその変調方向へシフトさせるシフト機構である
ことを特徴とする請求項５に記載の構造化照明光学系。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の構造化照明光学系と、
前記干渉縞の形成された前記被観察面からの光を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。
【請求項８】
前記結像光学系が結像する前記被観察面の像を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子の出力を演算処理する計算機と
を更に備えたことを特徴とする請求項７に記載の構造化照明顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間変調された照明光で被観察面を照明する構造化照明光学系、及びそれを備えた構造化照明顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体標本などの被観察物を超解像観察する手法に、回折格子等の空間変調素子を用いて被観察物を構造化照明し、結像光学系の解像限界を超える高い空間周波数の光線を結像に寄与させるものがある（特許文献１，２等を参照）。構造化照明の方法には、被観察物上に回折格子を直接配置する方法の他に、照明光学系内の標本面と共役な面へ回折格子を挿入し、そのパターンを被観察物上へ投影する方法も有効である。何れの場合も、構造化照明された被観察物の像（変調像）を検出し、その変調像を復調すれば、被観察物の超解像観察が可能となる。
【０００３】
但し、変調像を復調するには、位相の異なる複数の変調像のデータが必要であり、そのために、回折格子を格子ピッチの方向へシフトさせながら変調像の検出を繰り返す必要がある。さらに、超解像効果を被観察物上の各方向に亘り得るためには、回折格子の配置方向を回転させ、各々の回転位置においてこのようなシフトを行う必要がある。したがって、回折格子には、シフト用のアクチュエータと回転ステージとを組み合わせた機構が必要となる。
【特許文献１】特開平１１−２４２１８９公報
【特許文献２】米国再発行特許発明第３８３０７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、回転ステージにアクチュエータを組み合わせると、機構や配線が複雑になるので、回転と停止を高速に繰り返すことは難しくなり、必要なデータを得るまでに時間が掛かる。因みに、機構や配線を単純化するため、二次元の回折格子を使用し、それを２方向へのみシフトさせることも考えられるが、２つのシフト方向と２つの格子ピッチ方向とを厳密に一致させることは難しく、精度の点で不十分となる。
【０００５】
そこで本発明は、複数方向に亘る超解像画像の情報を高速取得するのに適した構造化照明光学系、及び複数方向に亘る超解像画像の情報を高速取得することの可能な構造化照明顕微鏡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】
【０００６】
本発明の構造化照明光学系は、被観察面上に干渉縞を形成する空間変調素子と、前記空間変調素子と前記被観察面との間に配置され、前記空間変調素子から前記被観察面へ向かう前記回折光束を前記被観察面の法線周りに回転させる光束回転手段とを備えたことを特徴とする。
なお、前記光束回転手段は、前記回折光束を奇数回反射する反射光学系と、その反射光学系の全体を回転させる回転機構とからなり、前記反射光学系の入射光軸、射出光軸、回転軸は、同一直線上に存在することが望ましい。
【０００７】
また、前記反射光学系は、例えば、像回転プリズムである。
また、前記反射光学系の前記空間変調素子側には、前記反射光学系と共に回転する偏光素子が挿入され、前記反射光学系の前記被観察面側には、前記被観察面側へ固定される１／２波長板が挿入され、前記偏光素子の透過軸の方向は、前記回折光束の偏光方向が前記反射光学系の反射面に対しＰ偏光又はＳ偏光となるように設定され、前記１／２波長板の光学軸の方向は、前記反射光学系から射出した前記回折光束の分離方向に垂直な方向と、前記偏光素子の透過軸の方向との双方に対し等しい角度を成すように設定されることが望ましい。
【０００８】
また、本発明の構造化照明光学系において、前記干渉縞の位相を変化させる位相変化手段を更に備えてもよい。
また、前記位相変化手段は、例えば、前記空間変調素子をその変調方向へシフトさせるシフト機構である。
また、本発明の構造化照明顕微鏡は、本発明の何れかの構造化照明光学系と、前記干渉縞の形成された前記被観察面からの光を結像する結像光学系とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
なお、本発明の構造化照明顕微鏡は、前記結像光学系が結像する前記被観察面の像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子の出力を演算処理する計算機とを更に備えてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、複数方向に亘る超解像画像の情報を高速取得するのに適した構造化照明光学系、及び複数方向に亘る超解像画像の情報を高速に取得することができる構造化照明顕微鏡が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態を説明する。本実施形態は、超解像観察が可能な顕微鏡装置の実施形態である。
先ず、本顕微鏡装置の構成を説明する。
図１は、本顕微鏡装置の概略構成図である。図１に示すとおり、本顕微鏡装置には、レーザ光源１、光ファイバ１ａ、コレクタレンズ２、１次元の周期構造を持つ位相型・透過型の回折格子３、直線偏光板３１、入射光軸と射出光軸とを同一直線上に持つダブプリズム４、１／２波長板３２、レンズ５、０次光カット絞り６、レンズ７、視野絞り８、レンズ９、励起フィルタ１０、ダイクロイックミラー１１、対物レンズ１２、蛍光色素で標識された生体などの標本１３、バリアフィルタ１４、第２対物レンズ１５、ＣＣＤカメラなどの撮像装置２１、回路やコンピュータなどの制御・演算装置２２、液晶表示ディスプレイなどの画像表示装置２３、ピエゾ素子などのアクチュエータ４１、及び回転ステージ４２が配置される。
【００１２】
レーザ光源１からの光束は、光ファイバ１ａによって導光され、その光ファイバ１ａの端面１Ａに二次光源を生成する。その二次光源からの光束は、コレクタレンズ２によって平行光に変換され、回折格子３を照明する。その回折格子３で発生した各次数の回折光束は、直線偏光板３１を通過することにより直線偏光となり、ダブプリズム４の入射面４ｂへ入射する。回折光束は、入射面４ｂからダブプリズム４の内部へ進入すると、ダブプリズム４の底面４ａにおいて全反射した後、ダブプリズム４の射出面４ｃから外部へ射出する。その回折光束は、１／２波長板３２を通過することにより偏光方向を変化させ、レンズ５により、０次光カット絞り６の配置面の各位置に次数毎に集光する。この配置面は、光ファイバ１ａの端面１Ａとレンズ２，５に関し共役な面である。
【００１３】
この回折光束のうち、０次回折光束及び２次以降の高次回折光束は、０次光カット絞り６によって遮光され、±１次回折光束のみが０次光カット絞り６を通過する。その±１次回折光束は、レンズ７によって視野絞り８の配置面に集光した後、レンズ９及び励起フィルタ１０を経てダイクロイックミラー１１へ入射する。
ダイクロイックミラー１１へ入射した±１次回折光束は、ダイクロイックミラー１１を反射し、対物レンズ１２の後ろ側焦点面に集光した後、対物レンズ１２の先端側からそれぞれ平行光となって射出すると、標本面１３ａへ所定角度で入射し、互いに干渉する（２光束干渉）。この２光束干渉により、標本面１３ａにはストライプ状の干渉縞Ｆが形成される。これによって、標本面１３ａは、空間変調された照明光で照明（構造化照明）されたことになる。
【００１４】
この干渉縞Ｆによって照明された標本面１３ａでは、蛍光色素が励起され、蛍光を発する。このときの標本面１３ａを対物レンズ１２の側から見ると、モアレ縞が観察される。このモアレ縞は、標本１３が有する微細構造と干渉縞Ｆのパターンとが成すものであって、標本１３の微細構造を、干渉縞Ｆのパターンの空間周波数の分だけ低い空間周波数帯域で表現するものである。よって、対物レンズ１２の解像限界を超える高い空間周波数の構造の蛍光までもが、対物レンズ１２によって捉えられることになる。
【００１５】
対物レンズ１２によって捉えられた蛍光は、ダイクロイックミラー１１及びバリアフィルタ１４を透過した後、第２対物レンズ１５によって、標本面１３ａの変調像１６を結像する。この変調像１６は、撮像装置２１によって画像として検出され、制御・演算装置２２へと取り込まれる。
さて、以上の本顕微鏡装置において、干渉縞Ｆのパターンを決定する回折格子３は、アクチュエータ４１によって格子線と直交する方向Ｄｂへシフト可能である。この方向Ｄｂへ回折格子３がシフトすると、干渉縞Ｆは、そのパターンの空間周波数を維持したまま位相のみを変化させる。
【００１６】
また、回折格子３の後段に配置されたダブプリズム４は、その光軸の周りを回転ステージ４２によって回転可能である。このダブプリズム４が回転すると、ダブプリズム４から射出する±１次回折光束は、各光線の角度関係を維持したまま光軸の周りに回転する。このとき、標本面１３ａへ入射する±１次回折光束も、各光線の角度関係を維持したまま光軸Ｚの周りに回転する。よって、干渉縞Ｆは、そのパターンを維持したままその方向のみを回転させる。
【００１７】
因みに、ダブプリズム４は、一般に平行系内に配置される像回転プリズムであり、ダブプリズム４の回転角度θと像の回転角度θ’（ここでは、±１次回折光束の分離方向であって、干渉縞Ｆの回転角度である。）との関係は、θ’＝２θである。
ここで、ダブプリズム４の入射面４ｂ及び射出面４ｃは、光軸に対し傾斜しているため、入射角度の異なる光線の光路長に差異を与え、収差を発生させてしまうので、像共役、瞳共役共に収差を補正する一般の顕微鏡にはあまり使われていない。しかし、本顕微鏡装置では、光源としてレーザー光源１を用いるので、干渉縞Ｆに寄与する±１次回折光束は、コヒーレンス長の十分に長い単一波長の光束である。
【００１８】
したがって、±１次回折光束の各光線にダブプリズム４から光路差が与えられても、その光路差がコヒーレンス長よりも短い限りは、標本面１３ａ上で＋１次回折光束は互いに干渉し、干渉縞Ｆを形成することができる。
一方、±１次回折光束の集光面、つまり瞳共役面（０次光カット絞り６の配置面など）では、そこへ集光する光束に角度による光路差が生じると、標本面１３ａに形成される干渉縞Ｆのコントラストが低下してしまう。
【００１９】
そのため、本顕微鏡装置では、ダブプリズム４の挿入箇所は、瞳共役に関して平行系の位置である、回折格子３とレンズ５との間となっている（図１参照）。なお、本顕微鏡装置では、レンズ７と視野絞り８との間、又は視野絞り８とレンズ９との間も、瞳共役に関して平行系の位置であるが、一般に、標本１３からレンズ７までの光学系は、顕微鏡本体の筐体内に収められていることが多く、回転ステージ４２を配置するスペースがないので、ダブプリズム４の挿入箇所としては、回折格子３とレンズ５との間が最も適していると考えられる。
【００２０】
また、ダブプリズム４の入射側及び射出側に配置された直線偏光板３１及び１／２波長板３２は、ダブプリズム４の回転に依らず干渉縞Ｆのコントラストを維持するために挿入された光学素子である。このうち、直線偏光板３１は、ダブプリズム４と共に回転ステージ４２によって回転可能であり、１／２波長板３２は、回転ステージ４２によって回転しない。これらの直線偏光板３１及び１／２波長板３２とダブプリズム４との関係については、後に詳述する。
【００２１】
次に、制御・演算装置２２の動作を説明する。
制御・演算装置２２は、以下の手順（１）〜（４）を実行することにより必要なデータを取得する。
（１）回転ステージ４２を制御してダブプリズム４及び直線偏光板３１の回転角度θを０°（基準位置）にセットする。
【００２２】
（２）アクチュエータ４１及び撮像装置２１を制御し、干渉縞Ｆの位相を３段階に変化させ、変調像１６の画像を各位相の下で１枚ずつ取得する。
（３）回転ステージ４２を制御してダブプリズム４及び直線偏光板３１の回転角度θを＋６０°にセットし、手順（２）を実行する。
（４）回転ステージ４２を制御してダブプリズム４及び直線偏光板３１の回転角度θを−６０°にセットし、手順（２）を実行する。
【００２３】
以上の手順により必要なデータを取得すると、制御・演算装置２２は、そのデータへ公知の画像処理演算を施し、標本１３の超解像画像を取得する。この超解像画像は、画像表示装置２３へ表示される。
次に、直線偏光板３１及び１／２波長板３２とダブプリズム４との関係を説明する。
干渉縞Ｆのコントラストを高くするためには、標本面１３ａへ入射する±１次回折光束をＳ偏光にすることが望ましい。なぜなら、２光束干渉の干渉強度は、２光束がＳ偏光の場合はコントラストは１となるが、２光束がＰ偏光の場合はコントラストは、入射角度φ0に依存しｃｏｓ(２φ0)となる。また、２光束が非偏光の場合はコントラストは二者の平均となる。したがって、有限なφ0に対してＰ偏光の混入は干渉縞Ｆのコントラストを低下させてしまい、超解像観察の精度を低下させてしまい好ましくない。このため、標本面１３ａに対する±１次回折光束は、Ｓ偏光に設定される必要がある。
【００２４】
但し、本顕微鏡装置では、ダブプリズム４により±１次回折光束が回転するので、標本面１３ａに対する±１次回折光束の偏光方向をＳ偏光に保つための工夫が必要となる。ダブプリズム４と共に回転する直線偏光板３１と、回転しない１／２波長板３２とが挿入されたのは、そのためである。
図２は、ダブプリズム４の周辺の様子を示す斜視図である。ここでは、光軸周りの各角度を、回折格子３の格子線方向を基準とした角度で表す。図２は、ダブプリズム４及び直線偏光板３１の回転角度θが０°のときの様子を示している。
【００２５】
図２に示すとおり、本顕微鏡装置では、直線偏光板３１の透過軸ａ３１とダブプリズム４の底面４ａとが平行、かつ１／２波長板３２の光学軸ａ３２の方向は０°（つまり回折格子３の格子線と平行）という条件（条件１）が満たされている。
先ず、θ＝０°のときの光線の振る舞いを説明する。
回折格子３から射出した±１次回折光束Ｌ＋１，Ｌ−１の分離方向Ｄ１は、格子線と直交するので、９０°である。θ＝０°のとき、直線偏光板３１の透過軸ａ３１の方向も０°なので、直線偏光板３１を透過した±１次回折光束Ｌ＋１，Ｌ−１の偏光方向Ｐ１も、０°である。これらの±１次回折光束Ｌ＋１，Ｌ−１は、ダブプリズム４の底面４ａにてＳ偏光の状態で反射し、Ｓ偏光のままダブプリズム４から射出する。θ＝０°なので、ダブプリズム４から射出した±１次回折光束Ｌ＋１’，Ｌ−１’の分離方向Ｄ１’は、ダブプリズム４への入射時と同じく９０°となる。
【００２６】
それらの±１次回折光束Ｌ＋１’，Ｌ−１’は、１／２波長板３２を通過するときに、その偏光方向Ｐ１を、光学軸ａ３２を対称軸として反転させ、Ｐ１’へと変化させる。光学軸ａ３２の方向は０°であり、θ＝０°のときに偏光方向Ｐ１は０°なので、反転後の偏光方向Ｐ１’は、反転前の偏光方向Ｐ１と同じく０°となる。
したがって、θ＝０°のとき、１／２波長板３２から射出する±１次回折光束Ｌ＋１’，Ｌ−１’の分離方向Ｄ１’は９０°であり、それらの偏光方向Ｐ１’は０°であり、両者は直交する。その結果、標本面１３ａへ入射する±１次回折光束Ｌ＋１’，Ｌ−１’は、その標本面１３ａに対しＳ偏光となる。
【００２７】
なお、図２において、回折格子３の射出側光路Ａ、直線偏光板３１の射出側光路Ｂ、ダブプリズム４の射出側光路Ｃ、１／２波長板３２の射出側光路Ｄを標本側から見ると、それぞれ図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）のとおりである。
以下、図３に基づき±１次回折光束Ｌ＋１，Ｌ−１の分離方向Ｄの変化と偏光方向Ｐ０の変化とを個別に説明する。
【００２８】
先ず、分離方向Ｄに関係するのは、回折格子３とダブプリズム４である。回折格子３の通過直後（図３（Ａ））、分離方向ＤはＤ１に設定され、ダブプリズム４の通過直後（図３（Ｃ））、分離方向ＤはＤ１’となる。このうち、回折格子３は、θに依らず分離方向Ｄを９０°に設定する働きがあり、ダブプリズム４は、θに応じて分離方向Ｄを２θだけ回転させる働きがある。但し、θ＝０°のときには、ダブプリズム４による回転量は０°となるので、分離方向Ｄのトータルの回転量は、９０°となる。
【００２９】
一方、偏光方向Ｐ０に関係するのは、直線偏光板３１と１／２波長板３２である。直線偏光板３１の通過直後（図３（Ｂ））、偏光方向Ｐ０はＰ１に設定され、１／２波長板３２の通過直後（図３（Ｄ））、偏光方向Ｐ０はＰ１’に設定される。このうち、直線偏光板３１は、偏光方向Ｐ０をθに設定する働きがあり、１／２波長板３２は、θに依らず偏光方向Ｐ０を光学軸ａ３２に関し反転させる働きがある。但し、θ＝０°のときには、直線偏光板３１による偏光方向Ｐ０の回転量は０°であり、そのとき偏光方向Ｐ１と１／２波長板３２の光学軸ａ３２の方向とが一致するので、１／２波長板３２による偏光方向Ｐ０の回転量も０°となる。したがって、θ＝０°のとき、偏光方向Ｐ０のトータルの回転量は、０°となる。
【００３０】
なお、一般にダブプリズム４の底面４ａにおける全反射の際に、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分で位相差が発生し、偏光状態が変化するが、本実施形態の条件１では、偏光板の軸ａ３１とダブプリズム４の底面４ａとを平行とし、ダブプリズム４への入射光をＳ偏光のみに設定しているので、全反射前後で偏光が維持され、偏光方向Ｐ０には関係しない。
以上の結果、分離方向Ｄのトータルの回転量と偏光方向Ｐ０のトータルの回転量には９０°の差が生じ、分離方向Ｄと偏光方向Ｐ０とが最終的に直交することは明らかである。
【００３１】
次に、θ＝６０°のときの光線の振る舞いを説明する。
図４は、ダブプリズム４の周辺の様子を示す斜視図である（θ＝６０°のとき）。
回折格子３から射出する±１次回折光束Ｌ＋１，Ｌ−１の分離方向Ｄ１は、θに依らず９０°である。しかし、θ＝６０°のとき、直線偏光板３１の透過軸ａ３１の方向は６０°となるので、直線偏光板３１を透過した±１次回折光束Ｌ＋１，Ｌ−１の偏光方向Ｐ１は、６０°となる。直線偏光板３１とダブプリズム４とは同じ姿勢なので、これらの±１次回折光束Ｌ＋１，Ｌ−１は、ダブプリズム４の底面４ａにてＳ偏光の状態で反射し、Ｓ偏光のままダブプリズム４から射出する。θ＝６０°なので、ダブプリズム４から射出した±１次回折光束Ｌ＋１’，Ｌ−１’の分離方向は、２×６０°＝１２０°だけ回転しており、最初の分離方向Ｄ１（９０°）と合わせると、分離方向Ｄ１’は、９０°＋１２０°＝２１０°となる。
【００３２】
それらの±１次回折光束Ｌ＋１’，Ｌ−１’は、１／２波長板３２を通過するときに、その偏光方向Ｐ１を、光学軸ａ３２を対称軸として反転させ、Ｐ１’へと変化させる。光学軸ａ３２の方向はθに依らず０°であるのに対し、θ＝６０°のときに偏光方向Ｐ１は６０°となっているので、反転後の偏光方向Ｐ１’は、１２０°となる。
したがって、θ＝６０°のとき、１／２波長板３２から射出する±１次回折光束Ｌ＋１’，Ｌ−１’の分離方向Ｄ１’は２１０°であり、それらの偏光方向Ｐ１’は１２０°であり、両者は直交する。その結果、標本面１３ａへ入射する±１次回折光束Ｌ＋１’，Ｌ−１’は、その標本面１３ａに対しＳ偏光となる。
【００３３】
なお、図４において、回折格子３の射出側光路Ａ、直線偏光板３１の射出側光路Ｂ、ダブプリズム４の射出側光路Ｃ、１／２波長板３２の射出側光路Ｄを標本側から見ると、それぞれ図５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）のとおりである。
以下、図５に基づき±１次回折光束Ｌ＋１，Ｌ−１の分離方向Ｄの変化と偏光方向Ｐ０の変化とを個別に説明する。
【００３４】
先ず、分離方向Ｄに関係するのは、回折格子３とダブプリズム４である。回折格子３の通過直後（図５（Ａ））、分離方向ＤはＤ１に設定され、ダブプリズム４の通過直後（図５（Ｃ））、分離方向ＤはＤ１’となる。このうち、回折格子３は、θに依らず分離方向Ｄを９０°に設定する働きがあり、ダブプリズム４は、θに応じて分離方向Ｄを２θだけ回転させる働きがある。特に、θ＝６０°のときには、ダブプリズム４による回転量は、２θ＝１２０°となる。したがって、θ＝６０°のとき、分離方向Ｄのトータルの回転量は、９０°＋１２０°＝２１０°となる。
【００３５】
一方、偏光方向Ｐ０に関係するのは、直線偏光板３１と１／２波長板３２である。直線偏光板３１の通過後（図５（Ｂ））、偏光方向Ｐ０はＰ１に設定され、１／２波長板３２の通過直後（図５（Ｄ））、偏光方向Ｐ０はＰ１’となる。このうち、直線偏光板３１は、偏光方向Ｐ０をθに設定する働きがあり、１／２波長板３２は、θに依らず偏光方向Ｐ０を光学軸ａ３２に関し反転させる働きがある。特に、θ＝６０°のときには、直線偏光板３１による偏光方向Ｐ０の回転量は６０°であり、そのとき偏光方向Ｐ１と１／２波長板３２の光学軸ａ３２の方向とが６０°の角度を成すので、１／２波長板３２による偏光方向Ｐ０の回転量は６０°となる。したがって、θ＝６０°のとき、偏光方向Ｐ０のトータルの回転量は、１２０°となる。
【００３６】
以上の結果、分離方向Ｄのトータルの回転量と偏光方向Ｐ０のトータルの回転量とには９０°の差が生じ、分離方向Ｄと偏光方向Ｐ０とが最終的に直交することは明らかである。
図示省略するが、θ＝−６０°のときのダブプリズム４の周辺の様子は、分離方向Ｄ１を対称軸として図４，図５を反転させたものとなる。したがって、θ＝−６０°であるときも、標本面１３ａへ入射する±１次回折光束Ｌ＋１’，Ｌ−１’は、その標本面１３ａに対しＳ偏光となる。
【００３７】
以上の結果、本顕微鏡装置では、上述した手順（１）〜（４）において、回転角度θを０°，＋６０°，−６０°に切り替えるときに、干渉縞Ｆのコントラストを確実に高く保つことができる。よって、必要なデータを高精度に取得することができる。
次に、０次光カット絞り６を説明する。
図６は、０次光カット絞り６を光軸方向から見た図である。図６（ａ）は、θ＝０°のときの様子、図６（Ｂ）は、θ＝６０°のときの様子、図６（Ｃ）は、θ＝−６０°のときの様子である。図６に示すように、本顕微鏡装置では、±１次回折光束Ｌ＋１’，Ｌ−１’の分離方向が０°、＋１２０°，−１２０°の３通りに設定されるので、±１次回折光束Ｌ＋１’，Ｌ−１’の集光箇所も、３通り（合計６箇所）となる。
【００３８】
このため、０次光カット絞り６の開口部６Ｃは、これら６つの集光箇所の全てをカバーしている必要がある。図６において、符号Ｚで示すのは光軸であり、符号６Ａで示すのは２次以降の高次回折光を遮光するリング状の遮光板であり、符号６Ｂで示すのは０次回折光を遮光する円形の遮光板であり、符号６Ｄで示すのは遮光板６Ａと遮光板６Ｂとを互いに固定するアームである（このアーム６Ｄは、遮光板６Ａ，６Ｂと同一の部材で構成されてもよい。）。このアーム６Ｄは、０次光カット絞り６を、遮光板６Ａと遮光板６Ｂとを同一面上に配置した単一部品として構成するために設けられたものであるが、本顕微鏡装置では、図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すとおり、±１次回折光束Ｌ＋１’，Ｌ−１’の６つの集光箇所の何れにも掛からない位置に配置される必要がある。
【００３９】
なお、ガラス基板上に遮光板６Ａ，６Ｂと同形の遮光部をパターニングしてなる０次光カット絞りを用いれば、アーム６Ｄを省略することもできるが、ガラス基板の表面で余分な反射光が生じ、干渉縞Ｆにノイズを与える可能性があるので、０次光カット絞り６は、遮光板とアームとの組み合わせで構成されることが最も望ましい。
以上、本顕微鏡装置では、干渉縞Ｆの方向を回転させるために、回折格子３の後段にダブプリズム４を挿入し、それを回転ステージ４２で回転させる。したがって、回折格子３は、アクチュエータ４１によってシフトされれば十分であり、回転ステージに載せられる必要は無い。このように、回転ステージ４２の回転対象とアクチュエータ４１のシフト対象とが異なれば、両者の機構及び配線をシンプルにすることができるので、回転ステージ４２の回転と停止とを高速に繰り返すことも可能である。したがって、本顕微鏡装置の制御・演算装置２２は、上述した手順（１）〜（４）を高速に行い、超解像画像を高速に取得することが可能である。
【００４０】
また、本顕微鏡装置には、ダブプリズム４と共に回転する直線偏光板３１と、適切に配置された１／２波長板３２とが備えられるので、標本面１３ａ上の干渉縞Ｆのコントラストは高く保たれ、したがって、超解像画像の取得精度も高まる。
（変形例）
なお、本顕微鏡装置は、条件１：「直線偏光板３１の透過軸ａ３１とダブプリズム４の底面４ａとが平行、かつ１／２波長板３２の光学軸ａ３２の方向は０°（つまり回折格子３の格子線と平行）」を満たしたが、次に説明する条件２、条件３、条件４の何れかに変更しても、同じ効果が得られる。
【００４１】
＜条件２＞
図７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は、条件２を示す図であり、条件２を満たすときの光路Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを標本側から見た様子である（但し、図示はθ＝０°のみ）。図７に示すとおり、条件２は、「直線偏光板３１の透過軸ａ３１とダブプリズム４の底面４ａとが平行、かつ１／２波長板３２の光学軸ａ３２の方向は９０°（回折格子３の格子線と垂直）」である。
【００４２】
このように、１／２波長板３２の光学軸ａ３２が９０°に設定された場合も、１／２波長板３２へ入射する光の偏光方向Ｐ１が同じであれば、１／２波長板３２から射出する光の偏光方向Ｐ１’（＝光学軸ａ３２を対称軸としてＰ１を反転したもの）は、光学軸ａ３２が０°に設定されたときと同じになる。よって、この条件２によっても条件１と同じ効果が得られる。
【００４３】
＜条件３＞
図８（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は、条件３を示す図であり、条件３を満たすときの光路Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを標本側から見た様子である（但し、図示はθ＝０°のみ）。図８に示すとおり、条件３は、「直線偏光板３１の透過軸ａ３１とダブプリズム４の底面４ａとが垂直、かつ１／２波長板３２の光学軸ａ３２の方向は４５°」である。
【００４４】
このように、直線偏光板３１の透過軸ａ３１をダブプリズム４の底面４ａと垂直にすると、底面４ａにて反射する光は、Ｐ偏光となる。しかし、この条件３では、１／２波長板３２の光学軸ａ３２の方向が４５°に設定されるので、１／２波長板３２を通過した光の偏光方向Ｐ１’を分離方向Ｄ１’に対し垂直にすることができる。よって、この条件３によっても条件１と同じ効果が得られる。
【００４５】
＜条件４＞
図９（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は、条件４を示す図であり、条件４を満たすときの光路Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを標本側から見た様子である（但し、図示はθ＝０°のみ）。図９に示すとおり、条件４は、「直線偏光板３１の透過軸ａ３１とダブプリズム４の底面４ａとが垂直、かつ１／２波長板３２の光学軸ａ３２の方向は−４５°」である。つまり、条件３において、１／２波長板３２の光学軸ａ３２の方向を９０°回転させたものに等しい。したがって、この条件４によっても、条件３と同じ効果、つまり条件１と同じ効果が得られる。
【００４６】
さらに、以上の条件１，２，３，４をまとめると、少なくとも、本顕微鏡装置は、次の条件、すなわち「直線偏光板３１の透過軸ａ３１の方向は、±１次回折光束Ｌ＋１，Ｌ−１の偏光方向がダブプリズム４の底面４ａに対しＰ偏光又はＳ偏光となるような方向であり、１／２波長板３２の光学軸ａ３２の方向は、ダブプリズム４を通過した±１次回折光束Ｌ＋１’，Ｌ−１’の非分離方向と直線偏光板３１の透過軸ａ３１の方向との双方に対し等しい角度を成す」を満たせばよい。
【００４７】
但し、ここでいう「非分離方向」とは、分離方向Ｄ１’と垂直な方向であって、干渉縞Ｆの縞方向に対応する方向である。
また、本顕微鏡装置では、０次光カット絞り６を用いたが、０次回折光束の強度が十分に小さく、干渉縞Ｆに影響しない場合には、それを省略しても構わない。
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態も、顕微鏡装置の実施形態である。ここでは、第１実施形態との相違点のみ説明する。相違点は、光源及び回折格子の種類と、像回転プリズムの種類及び挿入位置とにある。
【００４８】
図１０は、本顕微鏡装置の概略構成図である。図１０に示すとおり、本顕微鏡装置には、レーザ光源１の代わりに水銀ランプなどの放電光源１０１が配置され、位相型の回折格子３の代わりに濃度型の回折格子１０３が配置され、ダブプリズム４の代わりにアッベプリズム１０４が配置される。
アッベプリズム１０４は、ダブプリズム４とは異なり、その入射面１０４ｃと射出面１０４ｅとが光軸に垂直である。入射面１０４ｃからアッベプリズム１０４へ入射した光束は、アッベプリズム１０４の３つの面１０４ｂ、１０４ａ、１０４ｄにて順に反射した後、各光線の角度関係を保ったまま面１０４ｅから射出する。
【００４９】
このようなアッベプリズム１０４は、その挿入箇所が平行光束でなくとも収差が発生しないので、挿入箇所の自由度が高いという利点がある。因みに、図１０では、アッベプリズム１０４の挿入箇所をレンズ５と０次光カット絞り６との間とした。但し、挿入箇所はこの位置に限定されるものではない。
このアッベプリズム１０４も、第１実施形態のダブプリズム４と同様、回転ステージ４２により、その光軸の周りを回転可能である。アッベプリズム１０４と直線偏光板３１と１／２波長板３２との関係は、第１実施形態におけるダブプリズム４と直線偏光板３１と１／２波長板３２との関係と、同様に設定される。
【００５０】
このアッベプリズム１０４は、角度の異なる入射光線の間に位相差を与えないので、本顕微鏡装置では光源としてコヒーレンス長の短い放電光源１０１を用いたにも拘わらず、超解像観察に適した良好な干渉縞Ｆを生成することができる。
また、本顕微鏡装置では、単色性の低い放電光源１０１を使用したので、それに合わせて、回折格子として濃度型の回折格子１０３を用いた。濃度型の回折格子１０３は、位相型の回折格子と異なり、その回折強度が波長に依存しないからである。但し、濃度型の回折格子１０３は、比較的強い強度の０次回折光束を発生するので、本顕微鏡装置において０次光カット絞り６は必須となる。
【００５１】
［その他］
なお、上述した各実施形態では、±１次回折光束を回転させるために、ダブプリズム、アッベプリズムなどの像回転プリズムを用いたが、奇数枚のミラーを組み合わせて同じ機能の反射光学系を構成し、それを像回転プリズムの代わりに用いてもよい。
また、上述した各実施形態では、空間変調素子として１次元かつ透過型の回折格子を使用したが、反射型の回折格子や２次元の回折格子、その他の空間変調素子を使用してもよい。
【００５２】
また、上述した各実施形態では、干渉縞Ｆの方向を回転させるために、±１次回折光束を回転させたが、光束を回転させる代わりに、標本１３を回転ステージに載せて、それを光軸周りに回転させてもよい。但し、標本１３を回転させるよりも、光束を回転させる方が、回転前後の位置決め精度が高い点で望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】第１実施形態の顕微鏡装置の概略構成図である。
【図２】ダブプリズム４の周辺の様子を示す斜視図である（θ＝０°のとき）。
【図３】図２の光路Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを標本側から見た図である。
【図４】ダブプリズム４の周辺の様子を示す斜視図である（θ＝６０°のとき）。
【図５】図４の光路Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを標本側から見た図である。
【図６】０次光カット絞り６を光軸方向から見た図である。
【図７】条件２を満たすときの光路Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを標本側から見た図である（θ＝０°のとき）。
【図８】条件３を満たすときの光路Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを標本側から見た図である（θ＝０°のとき）。
【図９】条件４を満たすときの光路Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを標本側から見た様子である（θ＝０°のとき）。
【図１０】第２実施形態の顕微鏡装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００５４】
１…レーザ光源，１ａ…光ファイバ，２…コレクタレンズ，３…回折格子，３１…直線偏光板，４…ダブプリズム，３２…１／２波長板，６…０次光カット絞り，７…レンズ，８…視野絞り，９…レンズ，１０…励起フィルタ，１１…ダイクロイックミラー，１２…対物レンズ，１３…標本，１４…バリアフィルタ，１５…第２対物レンズ，２１…撮像装置，４１…アクチュエータ，４２…回転ステージ
【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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