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WO2019053768A1 - 顕微鏡および観察方法 - Google Patents

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WO2019053768A1
WO2019053768A1 PCT/JP2017/032817 JP2017032817W WO2019053768A1 WO 2019053768 A1 WO2019053768 A1 WO 2019053768A1 JP 2017032817 W JP2017032817 W JP 2017032817W WO 2019053768 A1 WO2019053768 A1 WO 2019053768A1
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WO
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image processing
light
image
unit
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PCT/JP2017/032817
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English (en)
French (fr)
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陽輔 藤掛
勇輝 照井
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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Priority to JP2019541507A priority patent/JP7063337B2/ja
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/6456—Spatial resolved fluorescence measurements; Imaging
    • G01N21/6458—Fluorescence microscopy

Definitions

  • a beam splitting unit for splitting light from a light source into a plurality of beams, and generated by interference of at least a portion of the beams of the plurality of beams split by the beam splitting unit
  • Detection system that includes an illumination optical system that scans a sample in a plurality of directions by interference fringes, a detection optical system that receives light from the sample, and a plurality of detection units that detect light from the sample via the detection optical system
  • a microscope is provided that includes an apparatus and an image processing unit that generates an image using detection results of two or more detection units of the detection apparatus.
  • FIG. 21 is a diagram showing a region of frequency space used for component separation in the sixth embodiment. It is a figure which shows the microscope which concerns on 7th Embodiment. It is a figure which shows the microscope which concerns on 8th Embodiment. It is a figure which shows the mask which concerns on 8th Embodiment, and the polarization state of excitation light. It is a figure which shows the area
  • Stage 2 holds the sample S to be observed.
  • the sample S is, for example, a cell fluorescently stained in advance.
  • the sample S contains a fluorescent substance such as a fluorescent dye.
  • the light source 3 emits excitation light L1 for exciting a fluorescent substance contained in the sample S.
  • the illumination optical system 4 scans the sample S with interference fringes L2 of the excitation light L1 in a plurality of directions (eg, X direction, Y direction).
  • the illumination optical system 4 two-dimensionally scans the sample S with the interference fringe L2.
  • the detection optical system 5 is disposed at a position where the fluorescence L3 from the sample S (shown later in FIG. 4) is incident.
  • the detection device 6 includes a plurality of detection units 6a (shown later in FIG.
  • the collimator lens 12 converts the excitation light L1 emitted from the optical fiber 11 into parallel light.
  • the collimator lens 12 is disposed, for example, such that the focal point on the same side as the light source 3 coincides with the light exit of the optical fiber 11.
  • the focal point on the same side as the light source 3 will be referred to as the back focal point
  • the focal point on the same side as the sample S will be referred to as the front focal point.
  • the image processing unit 7 generates an image based on the detection result of the detection device 6 obtained as described above.
  • the processing performed by the image processing unit 7 will be described below.
  • the coordinate system is described as a vector as appropriate.
  • the distribution of the fluorescent substance in the sample S is represented by Obj (r)
  • the image data obtained by the detection device 6 is represented by I (r, r s ).
  • I (r, r s ) is represented by the following formula (3).
  • the effective PSF (solid line) of each detection unit 6a is shown in one graph for three detection units 6a whose coordinates in the Xb direction are different from each other.
  • the graph in the center of FIG. 5A shows the distribution Q1a (solid line) corresponding to the effective PSF of the detection unit 6a arranged at the position X1a.
  • the graph on the left side of FIG. 5A shows the distribution Q1b (solid line) corresponding to the effective PSF of the detection unit 6a arranged at the position X1b.
  • the graph on the right side of FIG. 5A shows a distribution Q1c (solid line) corresponding to the effective PSF of the detection unit 6a disposed at the position X1c.
  • a distribution Q3b illustrated in the graph on the left side of FIG. 5A is a distribution corresponding to the detection unit 6a disposed at the position X1b among the plurality of detection units 6a.
  • the distribution Q3b is a maximum (peak) at a position X1b (for example, the central position of the light receiving area of the detection unit 6a) at which the detection unit 6a is disposed.
  • the position X1b is offset from the peak position X2b of the partial distribution Q2b including the position X1b in the distribution Q2 corresponding to the intensity distribution of the interference fringe L2.
  • the peak position of the main lobe of the distribution Q1b of the effective PSF is offset from the center position (the position of X2a, the position of the optical axis of the detection optical system) of the detection device 6.
  • the position (r) of the detection unit 6a of the detection device 6 also shifts the position of the main lobe of the effective PSF.
  • the displacement of the position of the main lobe of the effective PSF is referred to as the displacement of the effective PSF.
  • the distribution Q1c corresponding to the effective PSF is a distribution obtained by multiplying the distribution Q2 corresponding to the intensity distribution of the interference fringe L2 and the distribution Q3c corresponding to the detected PSF of the detection unit 6a disposed at the position X1c.
  • the image processing unit 7 uses the detection result of the detection unit 6a selected from the plurality of detection units 6a based on the magnification of the detection optical system 5 and the cycle (fringe interval) of the interference fringe L2.
  • the image processing unit 7 selects the detection unit 6a from the plurality of detection units 6a based on the peak position (for example, peak positions X2a, X2b, and X2c in FIG. 5) of the interference fringe L2, and the detection result of the selected detection unit 6a
  • the peak position of the interference fringe L2 corresponds to, for example, the position at which the intensity is maximal (for example, the center position of the bright portion) in the intensity distribution of the interference fringe L2.
  • the image processing unit 7 may use only the detection result of the one detection unit 6a disposed at the position X1a as the detection result on the partial distribution Q2a including one peak in the intensity distribution of the interference fringe L2.
  • the detection results of the detection unit 6a disposed at the position X1a and at least one detection unit 6a around the detection unit 6a may be used.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the observation method according to the embodiment.
  • the illumination optical system 4 of FIG. 1 sets the angle of the scanning mirror.
  • the illumination optical system 4 irradiates excitation light as interference fringes on the position on the sample determined by the angle of the scanning mirror set in step S1.
  • the fluorescent substance of the sample is excited by the interference fringes of the excitation light.
  • the detection device 6 of FIG. 4 detects the fluorescence L3 from the sample S via the detection optical system 5.
  • step S4 the microscope 1 (for example, the control unit) determines whether to change the angle of the scanning mirror.
  • the microscope 1 determines that the process from step S1 to step S3 is not completed for a part of the planned observation area, it determines to execute the angle change of the scanning mirror in step S4 (step S4; Yes) .
  • the microscope 1 determines that the angle change of the scanning mirror is to be performed (Step S4; Yes)
  • the process returns to Step S1, and the illumination optical system 4 sets the angle of the scanning mirror to the predetermined next angle.
  • the processing from step S2 to step S4 is repeated.
  • the illumination optical system 4 two-dimensionally scans the sample S with the interference fringes of the excitation light L1.
  • the microscope 1 scans the interference fringes L2 two-dimensionally by scanning the interference fringes L2 in two directions parallel to the sample surface Sa.
  • the microscope 1 according to the embodiment may three-dimensionally scan the interference fringe L2 by scanning the interference fringe L2 in two directions parallel to the sample surface Sa and one direction perpendicular to the sample surface Sa (When the interference fringe L2 is scanned three-dimensionally, the process of scanning the interference fringe L2 in two directions parallel to the sample surface Sa (hereinafter referred to as two-dimensional process) is the same as the process described in the above embodiment.
  • the microscope 1 can generate, for example, a three-dimensional super-resolution image by repeating the two-dimensional processing with changing the position in the Z direction.
  • the interference fringes L2 may be scanned three-dimensionally.
  • a (k s ) is the apodization function for suppressing the negative value of the image, called a apodization to applying the A (k s) to Obj ⁇ (r, k s) .
  • the functional form of A (k s ) is designed to suppress the negative value of the image by theoretical calculation or simulation.
  • F ks -1 is an inverse Fourier transform of k s .
  • the image processing unit 7 performs the inverse Fourier transform after adding the spectra of the detection units 6a, but the images may be added after performing the inverse Fourier transform.
  • FIG. 8 is a flowchart showing the observation method according to the second embodiment.
  • the processing from step S1 to step S4 is the same as that of FIG.
  • the image processing unit 7 Fourier-transforms the detection result of each detection unit.
  • the image processing unit 7 executes deconvolution.
  • the image processing unit 7 executes apodization. Apodization may be part of deconvolution processing.
  • the image processing unit 7 adds the images for each of the detection units 6a using the result of deconvolution.
  • the image processing unit 7 generates a second image (eg, super-resolution image) by performing inverse Fourier transform on the first image (eg, Fourier image) obtained in step S14.
  • a second image eg, super-resolution image
  • the image processing unit 7 may change the range of the detection unit 6a to be added, as described in the first embodiment. In addition, as described in the first embodiment, the image processing unit 7 may improve the resolution one-dimensionally or two-dimensionally.
  • the image processing unit 7 corrects the deformation of the shape of the effective PSF for each detection unit 6a by image processing different from that of the second embodiment.
  • FIG. 9A shows a PSF before image processing according to the present embodiment, which is the same as FIG. 5A.
  • the distance between the detection units 6a of the detection device 6 does not match the distance between the interference fringes L2.
  • the effective PSF (solid line) of the image obtained for each detection unit 6a is broken in shape depending on the position of the detector 6a.
  • the distribution Q2g shifts the phase of the distribution Q2 so that the peak position X2c of the distribution Q2c of FIG. 9A matches the position X1c of the detection unit 6a. It is a distribution.
  • the peak position X2g of the distribution Q2g substantially coincides with the position X1c of the detection unit 6a.
  • the code Q1g is a distribution corresponding to the effective PSF obtained from the distribution Q2g whose phase is shifted and the detection PSF (distribution Q3c) of the detection unit 6a arranged at the position X1c. In the distribution Q1g, the collapse of the shape of the effective PSF is reduced.
  • ⁇ indicates the initial phase of the interference fringe L2.
  • the image processing unit 7 changes the phase of the interference fringe L2 according to the detector coordinates by image processing to make the shape of the effective PSF uniform.
  • the microscope 1 acquires four-dimensional image data I (r, r s ) as described in the equation (3).
  • the image processing unit 7 performs four-dimensional Fourier transform on I (r, r s ).
  • the four-dimensional data in the frequency space obtained by the Fourier transform expressed by I ⁇ (k, k s) .
  • the image processing unit 7, the I ⁇ (k, k s) extracts the information of one of satisfying area of formula (15) from the following equation (13).
  • a region satisfying the condition of equation (13) is referred to as a zeroth-order component region AR1a
  • a region satisfying the condition of equation (14) is referred to as a + 1st-order component region AR1b
  • a condition of equation (15) The region to be filled in is referred to as a region AR1 c of -1st order component.
  • the image processing unit 7 performs the processing shown in the above equations (16) and (17) on the result of the component separation and the inverse Fourier transform.
  • the phase of the interference fringe L2 is shifted according to the detector coordinate r. Shift amount of the phase of the interference fringes, for example, as the peak of the peak position and the interference fringes of the resulting function by the product of PSF det (r + r s) and PSF ill (r s) is matched approximately, it is determined Ru.
  • the value of the initial phase ⁇ may be a value previously measured using fluorescent beads, or may be a value estimated from an observation image.
  • the image processing unit 7 determines the amount of phase conversion (phase shift amount) based on the light intensity distribution of the excitation light in the sample S.
  • the image processing unit 7 determines the phase shift amount based on the electric field intensity ill (r) of the excitation light on the sample surface Sa as the light intensity distribution of the excitation light in the sample S.
  • PH (r) is a pinhole function defined by the following equation (23).
  • OTF 0 (k, k s ), OTF +1 (k, k s ), and OTF ⁇ 1 (k, k s ) are represented by the following Expression (26).
  • an interference fringe L2 is formed by combining the interference fringe due to the interference of the excitation light L1c and the interference fringe due to the interference of the excitation light L1d. Since the polarization directions of the excitation light L1c and the excitation light L1d are almost orthogonal to each other, the interference between the excitation light L1c and the excitation light L1d is suppressed.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating a pupil conjugate surface and a region of a frequency space used for component separation according to the eighth embodiment.
  • the pupil conjugate plane P1 is expressed in a wave number coordinate space.
  • K NA ex (circle drawn by a dotted line) shown in FIG. 20A is the pupil radius of the objective lens 21.
  • the area AR2a and the area AR2b in which the excitation light L1c is incident, and the area AR2c and the area AR2d in which the excitation light L1d is incident are circular, respectively, but are not limited to the circle.
  • the radius of each of the areas ARa to ARd is ⁇ k NA ex .
  • the electric field strength ill (r) at the sample surface Sa is expressed by the following equation (35).
  • k 0 x and k 0 y are wave number vectors of the interference fringe L2, respectively.
  • the illumination pupil has four poles, and the interference fringes in the periodic direction are the X direction and the interference fringes in the Y direction are the sum of the interference fringes in the Y direction.
  • Image data I (r, r s ) obtained by the detection device 6 is expressed by the following equation (36).
  • the image processing unit 7 four-dimensionally Fourier-transforms I (r, r s ) in equation (36) with respect to r and r s as shown in the following equation (37).
  • I 0 to (k, k s ) is referred to as a zero-order component
  • I to +1, x (k, k s ) is referred to as a +1 order component in the X direction
  • I to -1, x (k, k We call s 1) the ⁇ 1st order component in the X direction
  • I 1 to +1, y (k, k s ) is referred to as a + 1st order component in the Y direction
  • I 1 to -1, y (k, k s ) is referred to as a -1st order component in the Y direction.
  • the code AR3a is an area where data of the 0th order component exists (hereinafter referred to as an area of the 0th order component).
  • the code AR3b is an area in which data of the + 1st order component in the X direction is present (hereinafter referred to as an area of the + 1st order component in the X direction).
  • the code AR3c is an area where data of a -1st order component in the X direction is present (hereinafter referred to as an area of a -1st order component in the X direction).
  • the code AR3 d is an area where data of + 1st order component in the Y direction is present (hereinafter referred to as an area of + 1st order component in the Y direction).
  • the code AR3e is an area where data of -1st order component in the Y direction exists (hereinafter referred to as an area of -1st order component in the Y direction).
  • the region AR3e of the ⁇ 1st order component in the Y direction is expressed by the following equation (44).
  • the image processing unit 7 calculates data of each component in the real space by performing inverse Fourier transform on each extracted component.
  • the zero-order component in the real space is represented by I 0 (r, r s )
  • the + 1st- order component in the X direction in the real space is represented by I +1 , x (r, r s ).
  • the primary component is represented by I -1, x (r, r s ).
  • the + 1st order component in the Y direction in real space is represented by I +1 , y (r, r s )
  • the ⁇ 1st order component in the Y direction in real space is represented by I ⁇ 1, y (r, r s ).
  • the image processing unit 7 uses the at least a part of the data of each component in the real space obtained as described above to match the detector coordinates so that the effective PSFs for each of the detection units 6a of the detection device 6 are aligned. Shift the phase of the interference fringes.
  • the image processing unit 7 calculates the + 1st component in the X direction, the ⁇ 1st component in the X direction, the + 1st component in the Y direction, and the ⁇ 1st component in the Y direction according to the following equation (45). Shift the phase for each of
  • ⁇ x (r) is the amount of phase shift for each of the + 1st order component and the ⁇ 1st order component in the X direction.
  • y y (r) is a phase shift amount for each of the + 1st order component and the ⁇ 1st order component in the Y direction.
  • Phase shift amount of the is, for example, is set so that the peak position of the function obtained by the product of PSF det and (r + r s) and PSF ill (r s), and the peak position of the interference fringes L2 matches Ru.
  • the image processing unit 7 adds the respective components as shown in the following equation (46).
  • region used for component separation is not limited to the area
  • the area used for component separation may be larger or smaller than the area shown in the above formulas (41) to (44).
  • at least one of the openings 38a and 38b of the mask 38 and the openings 40a and 40b of the mask 40 may not be circular.
  • the region used for component separation can be determined by numerical simulation, theoretical calculation or the like for any of the cases where the opening of the mask has a shape other than the circular shape when the opening of the mask is circular.
  • the process performed by the image processing unit 7 may be any of the processes described in the first to fourth embodiments.
  • the deconvolution in the frequency space described in the fourth embodiment although there are three components in the above equation (27), the zeroth order component, the + 1st order component in the X direction, The five components of the ⁇ 1st order component in the X direction, the + 1st order component in the Y direction, and the ⁇ 1st order component in the Y direction may be used.
  • FIG. 21 is a view showing a microscope according to a ninth embodiment.
  • the microscope 1 includes the ⁇ / 2 wavelength plate 30 and the optical path rotating unit 31 described with reference to FIG.
  • the optical path rotation unit 31 is driven by the drive unit 32 and rotates around the optical axis of the illumination optical system 4.
  • the optical path rotation unit 31 rotates, the optical path of the excitation light L1c and the optical path of the excitation light L1d rotate around the optical axis of the illumination optical system 4, respectively.
  • the periodic direction of the interference fringes L2 formed on the sample surface Sa rotates around the Z direction.
  • FIG. 22 is a view showing a polarization state of excitation light according to the ninth embodiment.
  • the area AR4a on which the excitation light L1c is incident on the pupil plane P0 is aligned in the X direction.
  • the area AR4b and the area AR4b on which the excitation light L1d is incident on the pupil plane P0 are aligned in the Y direction.
  • FIG. 22B corresponds to a state in which the dove prism (optical path rotating portion 31 in FIG. 21) and the ⁇ / 2 wavelength plate 30 are rotated by 22.5 ° from the state in FIG.
  • the region AR4a on which the excitation light L1c is incident on the pupil plane P0 is aligned in the direction rotated 45 ° from the X direction.
  • the periodic direction of the interference fringes of the excitation light L1c on the sample surface Sa is rotated 45 ° from the X direction.
  • the area AR4b on which the excitation light L1d is incident on the pupil plane P0 is aligned in the direction rotated 45 ° from the Y direction.
  • the periodic direction of the interference fringes of the excitation light L1d on the sample surface Sa is rotated 45 ° from the Y direction.
  • the detection device 6 detects fluorescence L3 from the sample S before and after the periodic direction of the interference fringe L2 is changed.
  • the image processing unit 7 generates an image based on the detection result of the detection device 6 before the change of the periodic direction of the interference fringe L2 and the detection result of the detection device 6 after the change of the periodic direction of the interference fringe L2.
  • the optical path rotation unit 31 may be disposed in the optical path between the dichroic mirror 16 and the detection device 6 as described with reference to FIG.
  • the microscope 1 changes the periodic direction of the interference fringes L2 by the optical path rotating unit 31, but the fringe direction changing unit that changes the periodical direction of the interference fringes L2 is also different from the optical path rotating unit 31. Good.
  • FIG. 23 is a view showing a microscope according to a tenth embodiment.
  • FIG. 24 is a view showing a mask according to the tenth embodiment.
  • the microscope 1 includes a drive unit 45 and a drive unit 46.
  • the mask 38 is rotatable around the optical axis of the excitation light L1 c.
  • the mask 38 is driven by the drive unit 45 to rotate (see FIG. 24A). In FIG. 24A, the mask 38 is rotated 45 degrees clockwise.
  • the mask 40 is rotatable around the optical axis of the excitation light L1d.
  • the mask 40 is driven by the drive unit 46 to rotate (see FIG. 24B).
  • the drive unit 46 rotates the mask 40 by the same angle as the drive unit 45 rotates the mask 38.
  • the mask 40 is rotated 45 degrees clockwise.
  • the periodic direction of the interference fringes L2 on the sample surface Sa is rotated 45 ° around the Z direction.
  • a ⁇ / 2 wavelength plate 48 is provided in the light path between the polarization separation element 41 and the dichroic mirror 16.
  • the ⁇ / 2 wavelength plate 48 is driven by the drive unit 49 and rotates around the optical axis of the illumination optical system 4.
  • the ⁇ / 2 wavelength plate 48 and the drive unit 49 adjust the excitation light L1 c and the excitation light L1 d so as to be incident on the sample S with S polarization.
  • FIG. 25 is a view showing a microscope according to an eleventh embodiment.
  • the microscope 1 includes a relay optical system 47.
  • the relay optical system 47 is a part of the illumination optical system 4 and a part of the detection optical system 5.
  • the relay optical system 47 is disposed in the optical path between the deflection mirror 18 a and the deflection mirror 18 b in the scanning unit 18.
  • the deflection mirror 18 a is disposed at substantially the same position as the first pupil conjugate plane optically conjugate with the pupil plane P 0 of the objective lens 21.
  • the scanning part 18 is not limited to the above-mentioned form.
  • the stage 2 may include a Y stage that moves in the Y direction with respect to the objective lens 21, and the scanning unit 18 may include a Y stage instead of the deflection mirror 18b.
  • the scanning unit 18 may scan the sample S in the X direction with the excitation light L1 by the deflection mirror 18a, and scan the sample S in the Y direction with the excitation light L1 by moving the Y stage.
  • the deflection mirror 18 a may be disposed at substantially the same position as the pupil conjugate plane optically conjugate with the pupil plane P 0 of the objective lens 21.
  • the stage 2 includes an X stage moving in the X direction with respect to the objective lens 21 and a Y stage moving in the Y direction with respect to the objective lens 21.
  • the scanning unit 18 includes the X stage and the Y stage described above. May be included. In this case, the scanning unit 18 may scan the sample S in the X direction with the excitation light L1 by the movement of the X stage described above, and scan the sample S in the Y direction with the excitation light L1 by the movement of the Y stage described above .
  • the scanning direction in which the sample S is scanned with interference fringes is two directions of the X direction and the Y direction, and the illumination optical system 4 two-dimensionally scans the sample S with interference fringes.
  • the scanning direction in which the sample S is scanned with the interference fringes may be three directions of the X direction, the Y direction, and the Z direction.
  • the microscope 1 performs 2D processing to acquire a 2D image by scanning the sample S with interference fringes in the X direction and Y direction, and repeats the 2D processing by changing the position in the Z direction at which interference fringes are generated
  • the sample S may be three-dimensionally scanned with interference fringes.
  • the microscope 1 may three-dimensionally scan the sample S with interference fringes to acquire a plurality of 2D images different in position in the Z direction and generate a 3D image (eg, Z-stack).
  • the illumination optical system 4 may scan in the X direction and the Y direction, and may scan in the Z direction by the movement of the stage 2.
  • the illumination optical system 4 may scan the sample S three-dimensionally with interference fringes.
  • the illumination pupil has a form in which the illumination pupil having the shape shown in FIG. 26B has four poles.
  • the illumination pupil has a form in which the illumination pupil of the shape shown in FIG. 26C has four poles.
  • the number of the plurality of regions (number of poles) on which the excitation light is incident is set to an arbitrary number of 2 or more.
  • the shape of one of the plurality of regions on the pupil plane P0 where the excitation light is incident may be different from the shape of the other regions.
  • the diffraction grating 53 splits the excitation light L1 into a plurality of light beams by diffraction.
  • the diffraction grating 53 is a beam splitting unit that splits the excitation light that excites the fluorescent material into a plurality of beams.
  • the diffraction grating 53 is disposed within the focal point of the lens 52 or within 1 mm near the focal point. That is, the diffraction grating 53 is disposed within a plane conjugate with the sample surface Sa or within 1 mm in the vicinity thereof.
  • the plurality of light fluxes described above include 0th order diffracted light, + 1st order diffracted light, and -1st order diffracted light.
  • the fast axis of the ⁇ / 4 wavelength plate 61 is set to a direction rotated 45 ° counterclockwise in the X direction when viewed from the + Z side.
  • the excitation light L1 passing through the ⁇ / 4 wavelength plate 61 becomes circularly polarized light and is incident on the mask 15.
  • the excitation light L1 passing through the opening 15a and the opening 15b of the mask 15 is circularly polarized light, and is incident on the ⁇ / 4 wavelength plate 62.
  • the fast axis of the ⁇ / 4 wavelength plate 62 is set to a direction rotated clockwise by 45 ° in the X direction when viewed from the + Z side.
  • the excitation light L1 that has passed through the ⁇ / 4 wavelength plate 62 becomes linearly polarized light in the X direction, and is irradiated to the sample.
  • the ⁇ / 4 wavelength plate 62 is included in the polarization adjusting unit that adjusts the polarization state of the excitation light when entering the sample.
  • a polarization adjusting unit can reduce the loss of the light amount of the excitation light L1 as compared with the aspect described in FIG.

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Abstract

【課題】試料の画像を取得する。 【解決手段】顕微鏡は、光源からの光を複数の光束に分割する光束分割部を有し、光束分割部により分割された複数の光束の少なくとも一部の光束の干渉によって生成される干渉縞によって、試料を複数の方向において走査する照明光学系と、試料からの光が入射する検出光学系と、検出光学系を介して試料からの光を検出する複数の検出部を含む検出装置と、検出装置の２以上の検出部の検出結果を用いて画像を生成する画像処理部と、を備える。

Description

顕微鏡および観察方法
　本発明は、顕微鏡および観察方法に関する。
　試料からの蛍光を検出する走査型顕微鏡が提案されている（例えば、下記の非特許文献１参照）。
Confocal laser scanning microscopy with spatiotemporal structured illumination, Peng Gao, G. Ulrich Nienhaus, Optics Letters, Vol.41, No.6, 1193-1196, 2016.3.15
　本発明の第１の態様に従えば、光源からの光を複数の光束に分割する光束分割部を有し、光束分割部により分割された複数の光束の少なくとも一部の光束の干渉によって生成される干渉縞によって、試料を複数の方向において走査する照明光学系と、試料からの光が入射する検出光学系と、検出光学系を介して試料からの光を検出する複数の検出部を含む検出装置と、検出装置の２以上の検出部の検出結果を用いて画像を生成する画像処理部と、を備える顕微鏡が提供される。
　本発明の第２の態様に従えば、光源からの光を複数の光束に分割し、複数の光束の少なくとも一部の光束の干渉によって生成される干渉縞によって、試料を複数の方向において走査することと、試料からの光が入射する検出光学系を介して、複数の検出部を含む検出装置によって、試料からの光を検出することと、検出装置の２以上の検出部の検出結果を用いて画像を生成することと、を含む観察方法が提供される。
第１実施形態に係る顕微鏡および励起光の光路を示す図である。 第１実施形態に係るマスクおよび偏光子を示す図である。 第１実施形態に係るマスク、偏光子、干渉縞、及び励起光の偏光状態を示す図である。 第１実施形態に係る顕微鏡および蛍光の光路を示す図である。 第１実施形態に係る検出装置の各位置における実効ＰＳＦを示す図である。 第１実施形態に係る観察方法を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る顕微鏡の画像処理部の処理を示す図である。 第２実施形態に係る観察方法を示すフローチャートである。 第３実施形態に係る顕微鏡の画像処理部の処理を示す図である。 第３実施形態において、成分分離に用いる周波数空間の領域を示す図である。 第３実施形態に係る観察方法を示すフローチャートである。 第４実施形態に係る観察方法を示すフローチャートである。 第５実施形態に係る顕微鏡を示す図である。 第５実施形態に係る顕微鏡を示す図である。 第６実施形態に係る顕微鏡を示す図である。 第６実施形態において、成分分離に用いる周波数空間の領域を示す図である。 第７実施形態に係る顕微鏡を示す図である。 第８実施形態に係る顕微鏡を示す図である。 第８実施形態に係るマスクおよび励起光の偏光状態を示す図である。 第８実施形態に係る干渉縞、及び成分分離に用いる周波数空間の領域を示す図である。 第９実施形態に係る顕微鏡を示す図である。 第９実施形態に係る励起光の偏光状態を示す図である。 第１０実施形態に係る顕微鏡を示す図である。 第１０実施形態に係るマスクを示す図である。 第１１実施形態に係る顕微鏡を示す図である。 変形例に係る照明瞳を示す図である。 変形例に係る照明瞳を示す図である。 変形例に係る顕微鏡を示す図である。 変形例に係る偏光調整部を示す図である。 変形例に係る偏光調整部を示す図である。
［第１実施形態］
　第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る顕微鏡および励起光の光路を示す図である。以下の実施形態において、顕微鏡１は走査型の蛍光顕微鏡であるものとして説明するが、実施形態に係る顕微鏡は、走査型の顕微鏡あるいは蛍光顕微鏡に限定されない。顕微鏡１は、ステージ２と、光源３と、照明光学系４と、検出光学系５と、検出装置６と、画像処理部７とを備える。顕微鏡１は、概略すると以下のように動作する。
　ステージ２は、観察対象の試料Ｓを保持する。試料Ｓは、予め蛍光染色された細胞などである。試料Ｓは、蛍光色素などの蛍光物質を含む。光源３は、試料Ｓに含まれる蛍光物質を励起する励起光Ｌ１を発する。照明光学系４は、試料Ｓを励起光Ｌ１の干渉縞Ｌ２で複数の方向（例、Ｘ方向、Ｙ方向）において走査する。照明光学系４は、干渉縞Ｌ２で試料Ｓを２次元的に走査する。検出光学系５は、試料Ｓからの蛍光Ｌ３（後に図４に示す）が入射する位置に配置される。検出装置６は、検出光学系５を介して試料Ｓからの蛍光Ｌ３を検出する複数の検出部６ａ（後に図４に示す）を含む。画像処理部７は、検出装置６の２以上の検出部６ａの検出結果を用いて、画像（例、超解像画像）を生成する。以下、顕微鏡１の各部について説明する。
　光源３は、例えばレーザー素子などの光源を含む。光源３は、所定の波長帯の可干渉光を発生する。所定の波長帯は、試料Ｓの励起波長を含む波長帯に設定される。光源３から出射する励起光Ｌ１は、例えば直線偏光である。光源３の出射口には、光ファイバー１１などの導光部材が接続される。なお、顕微鏡１は、光源３を備えなくてもよく、光源３は、顕微鏡１と別に提供されてもよい。例えば、光源３は、顕微鏡１に交換可能（取り付け可能、取り外し可能）に設けられてもよい。光源３は、顕微鏡１による観察時などに、顕微鏡１に外付けされてもよい。
　照明光学系４は、光源３からの励起光Ｌ１が入射する位置に配置される。照明光学系４には、光源３から光ファイバー１１を介して励起光Ｌ１が入射する。光ファイバー１１は、照明光学系４の一部でもよいし、光源３を含む光源装置の一部でもよい。照明光学系４は、光源３側から試料Ｓ側へ向かう順に、コリメーターレンズ１２、λ／４波長板１３、偏光子１４、マスク１５（開口部材）、ダイクロイックミラー１６、リレー光学系１７、走査部１８、レンズ１９、レンズ２０、及び対物レンズ２１を備える。
　以下の説明において、適宜、図１などに示すＸＹＺ直交座標系を参照する。このＸＹＺ直交座標系において、Ｘ方向およびＹ方向は、それぞれ、対物レンズ２１の光軸２１ａに垂直な方向である。また、Ｚ方向は、対物レンズ２１の光軸２１ａに平行な方向である。なお、対物レンズ２１の光軸２１ａは、照明光学系４の光軸４ａに含まれる。また、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向のそれぞれについて、適宜、矢印と同じ側を＋側（例、＋Ｘ側）と称し、矢印と反対側を－側（例、－Ｘ側）と称する。また、反射によって光路が折れ曲がる場合、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向のそれぞれに対応する方向を、添え字を付けて表す。例えば、図１のＸａ方向、Ｙａ方向、Ｚａ方向は、それぞれ、コリメーターレンズ１２からダイクロイックミラー１６までの光路において、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に対応する方向である。
　コリメーターレンズ１２は、光ファイバー１１から出射する励起光Ｌ１を平行光に変換する。コリメーターレンズ１２は、例えば、その光源３と同じ側の焦点が光ファイバー１１の光出射口と一致するように配置される。以下の説明において、照明光学系４に含まれるレンズについて、適宜、光源３と同じ側の焦点を後側焦点と称し、試料Ｓと同じ側の焦点を前側焦点と称する。
　λ／４波長板１３は、励起光Ｌ１の偏光状態を円偏光にする。偏光子１４は、例えば偏光板であり、所定方向の直線偏光が透過する特性を有する。偏光子１４は、試料Ｓに入射する光がＳ偏光（Ｙ方向の直線偏光）となるように、配置される。偏光子１４は、コリメーターレンズ１２の光軸１２ａの周りで回転可能である。コリメーターレンズ１２の光軸１２ａは、照明光学系４の光軸４ａに含まれる。
　マスク１５は、蛍光物質を励起する励起光を複数の光束に分割する光束分割部である。照明光学系４は、マスク１５が分割した複数の光束のうち２以上の光束の干渉によって生成される干渉縞Ｌ２によって、試料Ｓを走査する。マスク１５は、対物レンズ２１の瞳面Ｐ０と光学的に共役な瞳共役面Ｐ１の位置またはその近傍１００ｍｍ以内に配置される。マスク１５は、瞳面Ｐ０またはその近傍１００ｍｍ以内に配置されてもよい。
　マスク１５は、励起光Ｌ１が通る開口１５ａおよび開口１５ｂを有する。開口１５ａを通った励起光Ｌ１ａと開口１５ｂを通った励起光Ｌ１ｂとの干渉によって、干渉縞Ｌ２が形成される。マスク１５は、コリメーターレンズ１２の光軸１２ａの周りで回転可能である。マスク１５は、例えば偏光子１４と相対的に固定され、偏光子１４と一体的に回転する。マスク１５および偏光子１４は、駆動部２２から供給されるトルクによって回転する。
　図２（Ａ）は、第１実施形態に係るマスクを示す図である。マスク１５の開口１５ａ、開口１５ｂは、コリメーターレンズ１２（図１参照）の光軸１２ａに関して、対称的に配置されている。図２（Ａ）の状態において、開口１５ａ、開口１５ｂは、Ｘａ方向に並んでいる。図２（Ｂ）は、第１実施形態に係る偏光子を示す図である。偏光子１４の透過軸１４ａは、マスク１５において開口１５ａ、開口１５ｂが並ぶ方向（図２（Ａ）ではＸａ方向）に対して、垂直な方向（図２（Ｂ）ではＹａ方向）と平行に設定される。図２（Ｃ）は、対物レンズ２１の瞳面Ｐ０を示す図である。符号Ｐ０ａ、Ｐ０ｂは、それぞれ、励起光Ｌ１が入射する領域である。図２（Ｃ）に示すパラメーターについては、後に画像処理部７の説明において参照する。
　図１の説明に戻り、ダイクロイックミラー１６は、励起光Ｌ１が反射し、かつ試料Ｓからの蛍光Ｌ３（後に図４に示す）が透過する特性を有する。マスク１５の開口１５ａ、開口１５ｂを通った励起光Ｌ１は、ダイクロイックミラー１６で反射して光路が折れ曲がり、リレー光学系１７に入射する。リレー光学系１７は、ダイクロイックミラー１６からの励起光Ｌ１を走査部１８へ導く。リレー光学系１７は、図中１枚のレンズで表されているが、リレー光学系１７に含まれるレンズの数は１枚とは限らない。また、リレー光学系１７は、光学系の距離等によっては不要な場合もある。なお、各図において、リレー光学系１７以外の部分についても２枚以上のレンズを１枚のレンズで表す場合がある。
　走査部１８は、Ｘ方向とＹ方向との２方向において、試料Ｓを励起光Ｌ１の干渉縞Ｌ２で走査する。走査部１８は、励起光Ｌ１によって干渉縞Ｌ２が形成される位置を、対物レンズ２１の光軸２１ａに交差する２方向において変更する。走査部１８は、偏向ミラー１８ａおよび偏向ミラー１８ｂを含む。偏向ミラー１８ａおよび偏向ミラー１８ｂは、励起光Ｌ１の光路に対する傾きが可変である。偏向ミラー１８ａおよび偏向ミラー１８ｂは、それぞれ、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー、レゾナントミラー（共振型ミラー）等である。偏向ミラー１８ａおよび偏向ミラー１８ｂは、スキャナであってもよい。
　偏向ミラー１８ａは、試料Ｓにおいて励起光Ｌ１が入射する位置をＸ方向に変化させる。偏向ミラー１８ｂは、試料Ｓにおいて励起光Ｌ１が入射する位置をＹ方向に変化させる。走査部１８は、例えば、対物レンズ２１の瞳面Ｐ０と共役な位置が、偏向ミラー１８ａの位置、偏向ミラー１８ｂの位置、または偏向ミラー１８ａと偏向ミラー１８ｂとの間の位置になるように配置される。なお、走査部１８は、試料Ｓにおいて励起光Ｌ１が入射する位置を、偏向ミラー１８ａがＹ方向に変化させ、偏向ミラー１８ｂがＸ方向に変化させる構成でもよい。
　走査部１８からの励起光Ｌ１は、レンズ１９に入射する。レンズ１９は、励起光Ｌ１を対物レンズ２１の試料面Ｓａと光学的に共役な試料共役面Ｓｂに集光する。試料面Ｓａは、対物レンズ２１の前側焦点または前側焦点近傍の位置に配置され、対物レンズ２１の光軸２１ａに垂直な面である。試料共役面Ｓｂには、マスク１５の開口１５ａを通った励起光Ｌ１ａと開口１５ｂを通った励起光Ｌ１ｂとの干渉によって、干渉縞が形成される。
　試料共役面Ｓｂを通った励起光Ｌ１は、レンズ２０に入射する。レンズ２０は、励起光Ｌ１を平行光に変換する。レンズ２０を通った励起光Ｌ１は、対物レンズ２１の瞳面Ｐ０を通る。対物レンズ２１は、励起光Ｌ１を試料面Ｓａ上に集光する。レンズ２０および対物レンズ２１は、試料共役面Ｓｂに形成される干渉縞を試料面Ｓａに投影する。試料面Ｓａには、局所的な干渉縞Ｌ２が形成される。
　干渉縞Ｌ２は、光強度が相対的に高い明部と、光強度が相対的に低い暗部とを含む。明部と暗部とが並ぶ方向（図１ではＸ方向）を、適宜、干渉縞Ｌ２の周期方向Ｄ１と称す。干渉縞Ｌ２の周期方向Ｄ１は、マスク１５の開口１５ａと開口１５ｂとが並ぶ方向（図１ではＸａ方向）に対応する。駆動部２２がマスク１５をＺａ方向の周りで回転させると、開口１５ａと開口１５ｂとが並ぶ方向が回転し、干渉縞Ｌ２の周期方向Ｄ１がＺ方向の周りで回転する。すなわち、駆動部２２は、干渉縞Ｌ２の方向を変更する縞方向変更部に含まれる。駆動部２２（縞方向変更部）は、照明光学系４の光軸４ａに垂直な面（例、マスク１５の光出射側の面）において２以上の光束が並ぶ方向（以下、光束分割方向という）を変更する。上記の光束分割方向は、例えば、開口１５ａと開口１５ｂとが並ぶ方向であり、駆動部２２は、マスク１５を回転させることによって、光束分割方向を変更する。
　また、マスク１５がＺａ方向の周りで回転すると、試料Ｓに対して励起光Ｌ１が入射する方向が変化する。駆動部２２は、偏光子１４をマスク１５と連動して回転させることによって、偏光子１４の透過軸の向きを変化させ、励起光Ｌ１が、Ｓ偏光で試料Ｓに入射するように調整する。すなわち、偏光子１４および駆動部２２は、干渉縞の方向に基づいて、励起光Ｌ１の偏光状態を調整する偏光調整部に含まれる。
　図３は、第１実施形態に係るマスク、偏光子、干渉縞、及び励起光の偏光状態を示す図である。図３（Ａ）において、マスク１５の開口１５ａおよび開口１５ｂが並ぶ方向は、Ｘａ方向である。偏光子１４の透過軸１４ａは、Ｘａ方向に垂直なＹａ方向である。この場合、励起光Ｌ１（図１参照）は、開口１５ａを通った光束と、開口１５ｂを通った光束が試料Ｓに入射して、周期方向Ｄ１の干渉縞Ｌ２が生成される。励起光Ｌ１入射面は、ＸＺ平面に平行である。試料Ｓに入射する際の励起光Ｌ１は、その偏光方向Ｄ２が入射面に垂直なＹ方向であり、つまり、励起光Ｌ１は、Ｓ偏光で試料Ｓに入射する。
　図３（Ｂ）において、マスク１５の開口１５ａおよび開口１５ｂが並ぶ方向は、Ｘａ方向を反時計回りに１２０°回転させた方向である。偏光子１４の透過軸１４ａは、Ｙａ方向を反時計回りに１２０°回転させた方向である。干渉縞Ｌ２の周期方向は、Ｘ方向に対して１２０°をなす方向である。励起光Ｌ１の入射面は、ＸＺ平面をＺ方向の周りで１２０°回転させた面である。試料Ｓに入射する際の励起光Ｌ１は、その偏光方向Ｄ２が入射面に垂直な方向であり、つまり、励起光Ｌ１は、Ｓ偏光で試料Ｓに入射する。
　図３（Ｃ）において、マスク１５の開口１５ａおよび開口１５ｂが並ぶ方向Ｘａ方向を反時計回りに２４０°回転させた方向である。偏光子１４の透過軸１４ａは、Ｙａ方向を反時計回りに２４０°回転させた方向である。干渉縞Ｌ２の周期方向Ｄ１は、Ｘ方向に対して２４０°をなす方向である。励起光Ｌ１の入射面は、ＸＺ平面をＺ方向の周りで２４０°回転させた面である。試料Ｓに入射する際の励起光Ｌ１は、その偏光方向Ｄ２が入射面に垂直な方向であり、つまり、励起光Ｌ１は、Ｓ偏光で試料Ｓに入射する。
　上述のように励起光Ｌ１が試料ＳにＳ偏光で入射する場合、Ｐ偏光で入射する場合に比べて、干渉縞Ｌ２のコントラストが高くなる。なお、図３では、干渉縞Ｌ２の周期方向を１２０°の角度刻みで３通りに変化させているが、干渉縞Ｌ２の周期方向は、この例に限定されない。干渉縞Ｌ２の周期方向は、後述する画像処理部７が生成する画像において、分解能を向上させることが可能な方向（超解像効果が得られる方向）に相当する。干渉縞Ｌ２の周期方向は、所望の超解像効果が得られるように、適宜設定される。例えば、干渉縞Ｌ２の周期方向は、互いに９０°の角度をなす２通りでもよいし、１通りでもよい。また、マスク１５は、対物レンズ２１の倍率およびＮＡ（開口数）、照明瞳形状に合わせて交換可能でもよい。
　図４は、第１実施形態に係る顕微鏡および蛍光の光路を示す図である。検出光学系５は、試料Ｓで発生した蛍光Ｌ３の像を形成する。検出光学系５は、試料Ｓから検出装置６に向かう順に、対物レンズ２１、レンズ２０、レンズ１９、走査部１８、リレー光学系１７、ダイクロイックミラー１６、及びレンズ２３を含む。試料Ｓで発生した蛍光Ｌ３は、対物レンズ２１、レンズ２０、及びレンズ１９をこの順に通って、走査部１８に入射する。蛍光Ｌ３は、走査部１８によってデスキャンされ、リレー光学系１７を通ってダイクロイックミラー１６に入射する。ダイクロイックミラー１６は、蛍光Ｌ３が透過する特性を有する。ダイクロイックミラー１６を透過した蛍光Ｌ３は、レンズ２３に入射する。レンズ２３は、蛍光Ｌ３を検出装置６に集光する。
　検出装置６は、イメージセンサであり、２次元的に配列された複数の検出部６ａを含む。複数の検出部６ａは、検出装置６において２方向に配列されている。複数の検出部６ａは、Ｘｂ方向とＹｂ方向との２方向に配列されている。複数の検出部６ａは、それぞれ、フォトダイオードなどの光電変換素子を含むセンサセル、ピクセル、あるいは光検出器等である。複数の検出部６ａは、それぞれ、蛍光Ｌ３を検出可能である。検出部６ａは例えば１画素に相当するが、複数の画素を含む検出領域（受光領域）を１つの検出部６ａとして用いてもよい。
　顕微鏡１は、走査部１８により干渉縞Ｌ２を試料面Ｓａ上で走査し、検出装置６は、蛍光Ｌ３を検出する。例えば、顕微鏡１は、試料面Ｓａから選択される照明領域を干渉縞Ｌ２で照明し、検出装置６は、上記照明領域からの蛍光Ｌ３を検出する。顕微鏡は、検出装置６による検出が終了した後に、走査部１８により上記照明領域を変更する。顕微鏡１は、蛍光を検出する処理と、照明領域を変更する処理とを繰り返すことで、所望の領域における蛍光強度分布（検出装置６の測定値）を取得する。
　画像処理部７は、上述のようにして得られた検出装置６の検出結果に基づいて、画像を生成する。以下、画像処理部７が実行する処理について説明する。以下の説明に用いる数式において、適宜、座標系をベクトルで記述する。試料面Ｓａにおける座標および検出装置６における座標（以下、ディテクター座標という）をベクトルｒ＝（ｘ，ｙ）で表し、対応する波数座標（ｒでのフーリエ変換後の座標）をベクトルｋ＝（ｋｘ，ｋｙ）で表す。また、走査部１８による走査先の座標（以下、スキャン座標という）をベクトルｒｓ＝（ｘｓ，ｙｓ）で表し、その対応する波数座標（ｒｓでのフーリエ変換後の座標）をベクトルｋｓ＝（ｋｘｓ，ｋyｓ）で表す。以下の説明において、波数を空間周波数もしくは周波数と称す場合がある。光学系の倍率は、説明の便宜上１倍であるとするが、任意の倍率で構わない。
　対物レンズ２１を含む光学系の開口数をＮＡ、照明光波長をλｅｘ、蛍光Ｌ３の波長をλｅｍとすると、励起光が入射する場合の対物レンズ２１の瞳半径ｋＮＡ ｅｘおよび蛍光が入射する場合の対物レンズ２１の瞳半径ｋＮＡ ｅｍは、下記の式（１）で表される。よく知られているように瞳面と像面の各々の電場振幅はフーリエ変換の関係で結ばれているため、瞳位置の座標を波数座標で表現することがある。ｋＮＡ ｅｘおよびｋＮＡ ｅｍは各々、瞳を波数座標で表現した場合の瞳半径の値を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、図２（Ｃ）を参照しつつ、各種パラメーターについて説明する。図２（Ｃ）では、瞳面Ｐ０を波数座標空間（周波数空間）で表している。図２（Ｃ）に示す点線で書かれた円の内部の領域は、対物レンズ２１の瞳であり、ｋＮＡ ｅｘは、対物レンズ２１の瞳半径である。励起光Ｌ１が入射する領域Ｐ０ａ、領域Ｐ０ｂは、ここではそれぞれ円形であるとするが、円形に限られない。領域Ｐ０ａ、領域Ｐ０ｂのそれぞれの半径は、σｋＮＡ ｅｘである。σは対物レンズ２１の瞳半径に対する領域Ｐ０ａ，もしくは領域Ｐ０ｂの半径の比である。対物レンズ２１の光軸２１ａから領域Ｐ０ａの中心までの距離は、（１－σ）ｋＮＡ ｅｘである。領域Ｐ０ａの中心と領域Ｐ０ｂの中心との距離は、例えば２（１－σ）ｋＮＡ ｅｘであるが、この値に限らない。試料面Ｓａでの励起光の電場強度ｉｌｌ（ｒ）は、下記の式（２）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、ベクトルｋ０＝（ｋ０，０）は照明縞の波数ベクトルを示し、ｋ０＝２（１－σ）ｋＮＡ ｅｘである。ＰＳＦｉｌｌ（ｒ）は光学系の開口数がσＮＡである場合の点像強度分布関数（Point Spread Function）である。ｉｌｌ（ｒ）の干渉縞の間隔（明部から次の明部までの距離）は、１／ｋ０＝1／（２（１－σ）ｋＮＡ ｅｘ）である。以下の説明において、干渉縞の間隔を、適宜、縞間隔または干渉縞の周期と称する。
　実施形態において、試料Ｓに含まれる蛍光物質は、励起光Ｌ１によって励起し、励起した蛍光物質から蛍光Ｌ３が放射される。検出装置６は、蛍光Ｌ３を受光し、検出光学系５により形成された蛍光物質の像を撮像する。検出装置６は、蛍光物質の像を撮像して画像データを取得する。以下の説明では、検出装置６の検出部６ａのサイズ（検出部サイズ）は、検出装置６における干渉縞Ｌ２の周期に相当する寸法（１周期に相当する検出装置６上の長さ）に比べて十分に小さいとする。例えば、検出部６ａのサイズは、λｅｍ／４ＮＡ程度に設定される。
　ここで、試料Ｓにおける蛍光物質の分布をＯｂｊ（ｒ）で表し、検出装置６で得られる画像データをＩ（ｒ，ｒｓ）で表す。Ｉ（ｒ，ｒｓ）は、下記の式（３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　式（３）における＊ｒは、ｒについてのコンボリューションである。ここで、ＰＳＦｄｅｔ（ｒ）は、対物レンズ２１を含む検出光学系５および蛍光波長λｅｍによって定まる検出ＰＳＦである。画像データＩ（ｒ，ｒｓ）は、ディテクター座標ｒ＝（ｘ，ｙ）及びスキャン座標ｒｓ＝（ｘｓ，ｙｓ）を独立変数に持つ４次元のデータである。Ｉ（ｒ，ｒｓ）を変形すると、下記の式（４）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　式（４）における＊ｒｓはｒｓについてのコンボリューションである。また、ＰＳＦｅｆｆ（ｒ，ｒｓ）は、下記の式（５）で定義される実効ＰＳＦである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　上記の式（４）より、検出装置６の検出部６ａごとに、Ｏｂｊ（ｒｓ）の画像データが得られることが分かる。また、上記の式（５）より、検出装置６の検出部６ａの位置（ｒ）ごとに、実効ＰＳＦの形状が異なることが分かる。
　図５は、第１実施形態に係る検出装置の各検出部における実効ＰＳＦを示す図である。図５の各グラフにおいて、横軸は検出装置６のＸｂ方向である。試料面Ｓａは検出装置６と光学的に共役であり、試料面Ｓａの座標Ｘと検出装置の座標Ｘｂは適当な座標変換によって対応づけられる。例えば、光学系の倍率が１である場合、Ｘ＝Ｘｂとなる）。
　図５（Ａ）には、Ｘｂ方向の座標が互いに異なる３つの検出部６ａについて、各検出部６ａの実効ＰＳＦ（実線）を１つのグラフに表した。例えば、図５（Ａ）の中央のグラフには、位置Ｘ１ａに配置される検出部６ａの実効ＰＳＦに対応する分布Ｑ１ａ（実線）を示した。また、図５（Ａ）の左側のグラフには、位置Ｘ１ｂに配置される検出部６ａの実効ＰＳＦに対応する分布Ｑ１ｂ（実線）を示した。また、図５（Ａ）の右側のグラフには、位置Ｘ１ｃに配置される検出部６ａの実効ＰＳＦに対応する分布Ｑ１ｃ（実線）を示した。
　また、図５の点線に対応する符号Ｑ２は、図２等に示した干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布である。分布Ｑ２は、試料面Ｓａでの励起光の電場強度ｉｌｌ（ｒ）（上記の式（２）参照）に対応する。干渉縞Ｌ２の強度が極大となる位置、すなわち分布Ｑ２のピーク位置Ｘ２ａ、Ｘ２ｂ、及びＸ２ｃは、数値シミュレーション等によって予め求めることができる。
　分布Ｑ２は、部分的な分布であるＱ２ａ、Ｑ２ｂ、及びＱ２ｃを含む。分布Ｑ２ａは、ピーク位置Ｘ２ａの前の極小位置から次の極小位置までの範囲における分布である。分布Ｑ２ｂは、ピーク位置Ｘ２ｂの前の極小位置から次の極小位置までの範囲における分布である。分布Ｑ２ｃは、ピーク位置Ｘ２ｃの前の極小位置から次の極小位置までの範囲における分布である。
　また、図５の２点鎖線に対応する符号Ｑ３ａ、符号Ｑ３ｂ、及びＱ３ｃは、対物レンズ２１を含む検出光学系５および蛍光波長λｅｍによって定まる検出ＰＳＦに対応する分布である。検出ＰＳＦは、式（３）などのＰＳＦｄｅｔ（ｒ）に対応する。
　図５（Ａ）の中央のグラフに示す分布Ｑ３ａは、複数の検出部６ａのうち位置Ｘ１ａに配置される検出部６ａに対応する分布である。分布Ｑ３ａは、検出部６ａが配置される位置Ｘ１ａ（例、検出部６ａの受光領域の中心位置）において極大（ピーク）になる。位置Ｘ１ａは、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２ａのピーク位置Ｘ２ａとほぼ同じである。実効ＰＳＦに対応する分布Ｑ１ａは、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２と、位置Ｘ１ａに配置される検出部６ａの検出ＰＳＦに対応する分布Ｑ３ａとを掛け合わせた分布である。
　図５（Ａ）の中央のグラフにおいて、検出部６ａの位置Ｘ１ａすなわち検出ＰＳＦのピーク位置（分布Ｑ３ａのピーク位置）は、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２ａのピーク位置Ｘ２ａとのずれ量が所定値よりも小さい（例、ほぼ０）。このような場合、実効ＰＳＦの分布Ｑ１ａは、単一の極大（ピーク）をとる。この場合、分布Ｑ１ａのピーク位置は、検出部６ａの位置Ｘ１ａあるいは干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２ａのピーク位置Ｘ２ａとほぼ同じになる。
　図５（Ａ）の左側のグラフに示す分布Ｑ３ｂは、複数の検出部６ａのうち位置Ｘ１ｂに配置される検出部６ａに対応する分布である。分布Ｑ３ｂは、検出部６ａが配置される位置Ｘ１ｂ（例、検出部６ａの受光領域の中心位置）において極大（ピーク）になる。位置Ｘ１ｂは、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２のうちで位置Ｘ１ｂを含む部分的な分布Ｑ２ｂのピーク位置Ｘ２ｂとずれている。実効ＰＳＦに対応する分布Ｑ１ｂは、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２と、位置Ｘ１ｂに配置される検出部６ａの検出ＰＳＦに対応する分布Ｑ３ｂとを掛け合わせた分布である。
　図５（Ａ）の左側のグラフにおいて、検出部６ａの位置Ｘ１ｂすなわち検出ＰＳＦのピーク位置（分布Ｑ３ｂのピーク位置）は、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２ｂのピーク位置Ｘ２ｂとのずれ量が所定値よりも大きい。この場合、実効ＰＳＦの分布Ｑ１ｂが２つの極大（ピーク）をとる。このように、検出器６ａの位置によって実効ＰＳＦのピークが２つに分かれる事があり、これを実効ＰＳＦの形状の崩れと呼ぶ。実効ＰＳＦの最も強いビークをメインローブ、それ以外のピークをサイドローブと呼ぶ。
　実効ＰＳＦの分布Ｑ１ｂのメインローブのピーク位置は、検出装置６の中心位置（Ｘ２ａの位置、検出光学系の光軸の位置）からずれている。このように、検出装置６の検出部６ａの位置（ｒ）によって、実効ＰＳＦのメインローブの位置もずれることが分かる。以下の説明において、適宜、実効ＰＳＦのメインローブの位置のずれを実効ＰＳＦの位置ずれと呼ぶ。
　図５（Ａ）の右側のグラフに示す分布Ｑ３ｃは、複数の検出部６ａのうち位置Ｘ１ｃに配置される検出部６ａに対応する分布である。分布Ｑ３ｃは、検出部６ａが配置される位置Ｘ１ｃ（例、検出部６ａの受光領域の中心位置）において極大（ピーク）になる。位置Ｘ１ｃは、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２のうちで位置Ｘ１ｃを含む部分的な分布Ｑ２ｃのピーク位置Ｘ２ｃとずれている。実効ＰＳＦに対応する分布Ｑ１ｃは、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２と、位置Ｘ１ｃに配置される検出部６ａの検出ＰＳＦに対応する分布Ｑ３ｃとを掛け合わせた分布である。
　図５（Ａ）の右側のグラフにおいて、検出部６ａの位置Ｘ１ｃすなわち検出ＰＳＦのピーク位置（分布Ｑ３ｃのピーク位置）は、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２ｃのピーク位置Ｘ２ｃとのずれ量が所定値よりも大きい。この場合、実効ＰＳＦの分布Ｑ１ｂが２つの極大（ピーク）をとり、実効ＰＳＦの形状の崩れ、実効ＰＳＦの位置ずれが発生している。
　図５（Ｂ）は、検出部６ａの位置が図５（Ａ）と異なる。図５（Ｂ）の左側のグラフに示す分布Ｑ３ｄは、複数の検出部６ａのうち位置Ｘ１ｄに配置される検出部６ａに対応する分布である。分布Ｑ３ｄは、検出部６ａが配置される位置Ｘ１ｄ（例、検出部６ａの受光領域の中心位置）において極大（ピーク）になる。位置Ｘ１ｄは、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２のうちで位置Ｘ１ｄを含む部分的な分布Ｑ２ｂのピーク位置Ｘ２ｂとほぼ同じである。このような場合、実効ＰＳＦの分布Ｑ１ｄは、単一の極大（ピーク）をとり、分布Ｑ１ｄのピーク位置は、検出部６ａの位置Ｘ１ｄあるいは干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２ｂのピーク位置Ｘ２ｂとほぼ同じになる。すなわち、実効ＰＳＦの形状の崩れは発生していない。
　また、図５（Ｂ）の右側のグラフに示す分布Ｑ３ｅは、複数の検出部６ａのうち位置Ｘ１ｅに配置される検出部６ａに対応する分布である。分布Ｑ３ｅは、検出部６ａが配置される位置Ｘ１ｅ（例、検出部６ａの受光領域の中心位置）において極大（ピーク）になる。位置Ｘ１ｅは、干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２のうちで位置Ｘ１ｅを含む部分的な分布Ｑ２ｃのピーク位置Ｘ２ｃとほぼ同じである。このような場合、実効ＰＳＦの分布Ｑ１ｅは、単一の極大（ピーク）をとり、分布Ｑ１ｅのピーク位置は、検出部６ａの位置Ｘ１ｅあるいは干渉縞Ｌ２の強度分布に対応する分布Ｑ２ｃのピーク位置Ｘ２ｃとほぼ同じになる。すなわち、実効ＰＳＦの形状の崩れは発生していない。
　本実施形態において、画像処理部７は、検出光学系５の倍率および干渉縞Ｌ２の周期（縞間隔）に基づいて、複数の検出部６ａから選択される検出部６ａの検出結果を用いる。画像処理部７は、干渉縞Ｌ２のピーク位置（例、図５のピーク位置Ｘ２ａ、Ｘ２ｂ、Ｘ２ｃ）に基づいて検出部６ａを複数の検出部６ａから選択し、選択した検出部６ａの検出結果を用いる。干渉縞Ｌ２のピーク位置は、例えば、干渉縞Ｌ２の強度分布において強度が極大の位置（例、明部の中心位置）に相当する。
　画像処理部７は、例えば、図５（Ｂ）の中央のグラフにおけるピーク位置Ｘ２ａに対応する検出結果として、ピーク位置Ｘ２ａと対応する位置Ｘ１ａに配置される検出部６ａの検出結果を用いる。例えば、ピーク位置Ｘ２ａ、Ｘ２ｂ、及びＸ２ｃは、数値シミュレーション等によって予め求められ、記憶部に予め記憶される。画像処理部７は、記憶されたピーク位置の情報に基づいて、複数の検出部６ａのうちピーク位置Ｘ２ａの最も近くに配置される検出部６ａを選択し、選択した検出部６ａの検出結果を用いる。
　画像処理部７は、干渉縞Ｌ２の強度分布において１つのピークを含む部分的な分布Ｑ２ａに関する検出結果として、位置Ｘ１ａに配置される１つの検出部６ａの検出結果のみを用いてもよいし、位置Ｘ１ａに配置される検出部６ａおよびこの検出部６ａの周囲の少なくとも１つの検出部６ａの検出結果を用いてもよい。
　また、画像処理部７は、例えば、図５（Ｂ）の左側のグラフにおけるピーク位置Ｘ２ｂに対応する検出結果として、ピーク位置Ｘ２ｂと対応する位置Ｘ１ｄに配置される検出部６ａの検出結果を用いる。画像処理部７は、検出光学系５の倍率および干渉縞Ｌ２の周期に基づいて、干渉縞Ｌ２の強度分布において１つのピークを含む部分的な分布Ｑ２ｂと位置が整合する検出部６ａを複数の検出部６ａから選択する。例えば、画像処理部７は、記憶されたピーク位置の情報に基づいて、複数の検出部６ａのうちピーク位置Ｘ２ｂの最も近くに配置される検出部６ａ（例、位置Ｘ１ｄに配置される検出部６ａ）を選択する。画像処理部７は、分布Ｑ２ｂに関する検出結果として、選択した検出部６ａの検出結果を用いる。
　画像処理部７は、干渉縞Ｌ２の強度分布において１つのピークを含む部分的な分布Ｑ２ｂに関する検出結果として、位置Ｘ１ｄに配置される１つの検出部６ａの検出結果のみを用いてもよいし、位置Ｘ１ｄに配置される検出部６ａおよびこの検出部６ａの周囲の少なくとも１つの検出部６ａの検出結果を用いてもよい。分布Ｑ１ｄに対応する実効ＰＳＦ（ＰＳＦｅｆｆ）は、分布Ｑ２ｂのピーク位置Ｘ２ｂと検出部６ａとの位置Ｘ１ｄとが整合することで、実効ＰＳＦの形状の崩れが低減される。
　また、画像処理部７は、例えば、図５（Ｂ）の右側のグラフにおけるピーク位置Ｘ２ｃに対応する検出結果として、ピーク位置Ｘ２ｃと対応する位置Ｘ１ｅに配置される検出部６ａの検出結果を用いる。画像処理部７は、検出光学系５の倍率および干渉縞Ｌ２の周期に基づいて、干渉縞Ｌ２の強度分布において１つのピークを含む部分的な分布Ｑ２ｃと位置が整合する検出部６ａを複数の検出部６ａから選択する。例えば、画像処理部７は、記憶されたピーク位置の情報に基づいて、複数の検出部６ａのうちピーク位置Ｘ２ｃの最も近くに配置される検出部６ａ（例、位置Ｘ１ｅに配置される検出部６ａ）を選択する。画像処理部７は、分布Ｑ２ｃに関する検出結果として、選択した検出部６ａの検出結果を用いる。
　画像処理部７は、干渉縞Ｌ２の強度分布において１つのピークを含む部分的な分布Ｑ２ｃに関する検出結果として、位置Ｘ１ｅに配置される１つの検出部６ａの検出結果のみを用いてもよいし、位置Ｘ１ｅに配置される検出部６ａおよびこの検出部６ａの周囲の少なくとも１つの検出部６ａの検出結果を用いてもよい。分布Ｑ１ｅ（ＰＳＦｅｆｆ）は、分布Ｑ２ｃのピーク位置Ｘ２ｃと検出部６ａとの位置Ｘ１ｅとが整合することで、実効ＰＳＦの形状の崩れが低減される。
　画像処理部７は、上述のように選択した検出部６ａの検出結果について、検出部ごとの画像の位置ずれ（実効ＰＳＦｅｆｆのピーク位置、もしくはメインローブの位置ずれ）を補正する。検出部ごとの画像の位置ずれは、各種設計値を用いた理論計算、あるいは蛍光ビーズなどの小物体を検出装置６によって撮影した撮像画像から取得可能である。このような位置ずれの補正を行うと、選択された検出部６ａのそれぞれで得られる画像の実効ＰＳＦをほぼ同一にすることができる。このようにして得られた画像のＰＳＦｅｆｆは、近似的に検出装置６の中心位置の検出部（光軸上に位置する検出部）のＰＳＦｅｆｆと同等と見なせる。検出装置６の中心位置（ｒ＝（０，０））の検出部のＰＳＦｅｆｆは、下記の式（６）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　干渉縞Ｌ２の周期方向、つまりｋ０方向に着目すると、式（６）より干渉縞Ｌ２の周期が小さいほどＰＳＦｅｆｆの半値全幅は狭く、分解能が良くなることが分かる。つまり実施形態における干渉縞Ｌ２の周期方向に含まれる縞の数（明部）が多いほどＰＳＦｅｆｆの半値全幅は狭くなり、分解能が良い。通常の蛍光顕微鏡の半値全幅は０．５１λｅｍ／ＮＡで与えられる。実施形態におけるＰＳＦｅｆｆの半値全幅は、例えばσ＝０．３の場合に０．３λｅｘ／ＮＡとなり、通常の蛍光顕微鏡よりもＰＳＦの半値全幅が１．７倍ほど狭く分解能が良い。実施形態における干渉縞Ｌ２の周期方向に含まれる明部の数は、例えばσ＝０．３の場合に５である。実施形態におけるＰＳＦｅｆｆの半値全幅は、例えばσ＝０．４の場合は０．３４λｅｘ／ＮＡとなり、通常の蛍光顕微鏡よりもＰＳＦの半値全幅が１．５倍ほど狭く分解能が良い。実施形態における干渉縞Ｌ２の周期方向に含まれる明部は、例えばσ＝０．４の場合に３である。また、通常の共焦点顕微鏡のピンホールを十分に小さく絞った場合、通常の蛍光顕微鏡よりもＰＳＦの半値全幅が１．４倍ほど狭く分解能が良いことが知られている。共焦点顕微鏡に対して、分解能向上効果の優位性を持つためには、通常の蛍光顕微鏡よりもＰＳＦの半値全幅が１．５倍以上狭いことが望ましい。すなわち、実施形態において干渉縞Ｌ２の周期方向に含まれる明部は３以上であることが望ましい。他の実施形態においても同様である。
　画像処理部７は、ＰＳＦｅｆｆがほぼ同一となった画像を足し合わせることで、画像を生成する。画像処理部７は、足し合わされる画像のＰＳＦｅｆｆがほぼ同一になっていることで、分解能およびＳ／Ｎ比が良好な画像ＩＳＲ（ｒｓ）を生成可能である。なお、画像ＩＳＲ（ｒｓ）の生成に用いる検出部６ａの範囲を広くすると、信号量を増加することができる。また、画像ＩＳＲ（ｒｓ）の生成に用いる検出部６ａの範囲を狭くすると、セクショニング能力を高くすることができる。
　上記の式（６）をフーリエ変換することで、実効ＯＴＦを求めることができる。通常の蛍光顕微鏡での遮断周波数であるｋcut convは、ｋcut conv＝２ＮＡ／λで与えられる。実施形態に係る顕微鏡は、干渉縞Ｌ２の方向にＯＴＦが拡大し、２ｋcut convまでの遮断周波数を持つ。ここでは簡単のため、励起波長と蛍光波長は等しくλであるとした。実施形態に係るＯＴＦは、通常の蛍光顕微鏡のＯＴＦと、通常の蛍光顕微鏡のＯＴＦが干渉縞Ｌ２の周期方向にシフトした成分とが合わさったものになる。
　上記の式（６）で説明したように、実施形態に係る顕微鏡１は、干渉縞Ｌ２の周期方向（図１ではＸ方向）の分解能が向上する。顕微鏡１は、干渉縞Ｌ２の周期方向を変更して試料Ｓからの蛍光を検出することで、２次元的に分解能を向上させることも可能である。ここで、干渉縞Ｌ２の周期方向を９０°変更する例を説明する。干渉縞Ｌ２の周期方向を９０°変更するには、図２の状態のマスク１５及び偏光子１４をＺａ方向の周りで９０°回転させる。
　干渉縞Ｌ２の周期方向がＸ方向である場合の超解像画像をＩSＲｘ（ｒｓ）とし、干渉縞Ｌ２の周期方向がＹ方向である場合の超解像画像をＩSＲｙ（ｒｓ）とする。画像処理部７は、ＩSＲｘ（ｒｓ）とＩSＲｙ（ｒｓ）とを足し合わせることで、２次元的に分解能が向上した超解像画像を生成してもよい。また、画像処理部７は、下記の処理によって超解像画像を生成してもよい。
　画像処理部７は、超解像画像ＩSＲｘ（ｒｓ）および超解像画像ＩSＲｙ（ｒｓ）をそれぞれフーリエ変換する。ここで、フーリエ変換された超解像画像ＩSＲｘ（ｒｓ）をＩ～ SＲx（ｋｓ）で表わす。明細書中の「～」は数式中のチルダーである。また、フーリエ変換された超解像画像ＩSＲｙ（ｒｓ）をＩ～ SＲｙ（ｋｓ）で表す。Ｉ～ SＲ_x（ｋｓ）は、通常の蛍光顕微鏡に比べて、干渉縞の周期方向（Ｘ方向）に関して遮断周波数が増加する。また、Ｉ～ SＲｙ（ｋｓ）は、通常の蛍光顕微鏡に比べて、干渉縞の周期方向（Ｙ方向）に関して遮断周波数が増加する。画像処理部７は、Ｉ~SＲｘ（ｋｓ）とＩ~SＲｙ（ｋｓ）とを足し合わせる。これにより、２方向（Ｘ方向およびＹ方向）において、遮断周波数が増加する。
　なお、足し合わされた実効ＯＴＦの形状は、干渉縞Ｌ２の周期方向を変更する方向の組み合わせによって、いびつである場合がある。この場合、画像処理部７は、実効ＯＴＦの形状を補正する周波数フィルターをかけてもよい。これにより、ＩSＲｘ（ｒｓ）とＩSＲｙ（ｒｓ）とを足し合わせる場合よりも効果的に分解能を向上させることができる。また、図３で説明したように、照明光学系４は、干渉縞Ｌ２の周期方向を０°、１２０°、２4０°の３通りに変更し、検出装置６は、３通りの周期方向のそれぞれについて蛍光Ｌ３を検出してもよい。画像処理部７は、３通りの周期方向について検出装置６が検出した３つの検出結果（例、３枚の画像）を用いて、超解像画像を生成してもよい。
　次に、上述の顕微鏡１の構成に基づき、実施形態に係る観察方法について説明する。図６は、実施形態に係る観察方法を示すフローチャートである。顕微鏡１の各部については、適宜、図１あるいは図４を参照する。ステップＳ１において、図１の照明光学系４は、走査ミラーの角度を設定する。照明光学系４は、ステップＳ１で設定された走査ミラーの角度によって定まる試料上の位置に、励起光を干渉縞として照射する。ステップＳ２において、試料の蛍光物質は、励起光の干渉縞で励起される。ステップＳ３において、図４の検出装置６は、試料Ｓからの蛍光Ｌ３を、検出光学系５を介して検出する。
　ステップＳ４において、顕微鏡１（例、制御部）は、走査ミラーの角度変更を実行するか否かを判定する。顕微鏡１は、予定された観察領域の一部についてステップＳ１からステップＳ３の処理が終了していないと判定した場合に、ステップＳ４において走査ミラーの角度変更を実行すると判定する（ステップＳ４；Ｙｅｓ）。顕微鏡１は、走査ミラーの角度変更を実行すると判定した場合（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、ステップＳ１の処理に戻り、照明光学系４は、走査ミラーの角度を予定された次の角度に設定する。そして、ステップＳ２からステップＳ４の処理が繰り返される。このようにして、照明光学系４は、試料Ｓを励起光Ｌ１の干渉縞で２次元的に走査する。
　顕微鏡１は、ステップＳ４において、予定された観察領域の全てについてステップＳ１からステップＳ３の処理が終了したと判定した場合に、走査ミラーの角度変更を実行しないと判定する（ステップＳ４；Ｎｏ）。走査ミラーの角度変更を実行しないと顕微鏡１が判定した場合（ステップＳ４；Ｎｏ）、ステップＳ５において、画像処理部７は、検出部ごとの画像の位置ずれを補正する。画像処理部７は、複数の検出部の少なくとも１つの検出部から得られるデータを、その検出部の位置に基づいて補正する。例えば、画像処理部７は、複数の検出部から選択される検出部から得られるデータを、当該検出部の位置に基づいて補正する。例えば、画像処理部７は、複数の検出部のうちの第１の検出部（例、図５（Ｂ）において位置Ｘ１ｄに配置される検出部）から得られるデータを、第１の検出部の位置（例、Ｘ１ｄ）に基づいて補正する。また、画像処理部７は、２以上の検出部の検出結果を用いて画像を生成する。例えば、ステップＳ６において、画像処理部７は、ステップＳ５の補正後の画像を足し合わせることで、画像（例、超解像画像）を生成する。
　なお、検出装置６の複数の検出部６ａの位置は、干渉縞Ｌ２のピーク（もしくは極大、明点）位置と整合するように、干渉縞Ｌ２の周期に基づいて設定されてもよい。検出装置６は、検出部６ａの間隔と干渉縞Ｌ２の縞間隔とが整合するように、予め設定されてもよい。上記の検出部６ａの間隔は、１つの検出部６ａの中心と、その隣の検出部６ａの中心との間隔である。また、上記の干渉縞Ｌ２の縞間隔は、干渉縞Ｌ２において、１つの明部の中心線と、その隣の明部の中心線との間隔である。ここで、干渉縞Ｌ２の波数をｋ０とすると、干渉縞Ｌ２の縞間隔は1／ｋ０となる。干渉縞の縞間隔が1／ｋ０である場合、検出装置６の検出部６ａの間隔は、下記の式（７）に示すＰと概ね同じになるように設定される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　上記の式（７）において、対物レンズ２１を含む検出光学系５の倍率は１倍とした。検出光学系５の倍率がＭｄｅｔである場合は、倍率分だけ検出器６ａの間隔を変え、検出器６ａの間隔をＭｄｅｔ／ｋ０とすればよい。もしくは、検出光学系５の一部をズームレンズにすることで検出器６ａの間隔を干渉縞Ｌ２の周期に整合させることが出来る。この場合、検出光学系５の倍率のみを変更可能なレンズ２３をズームレンズとすることが望ましい。また、干渉縞Ｌ２の周期は、検出装置６の複数の検出器６ａの間隔と整合するように、調整されてもよい。例えば、マスク１５の開口部１５ａ、１５ｂの間隔を変更することで干渉縞Ｌ２の周期を変更することができる。
　なお、本実施形態において、顕微鏡１は、試料面Ｓａと平行な２方向に干渉縞Ｌ２を走査することで、干渉縞Ｌ２を２次元的に走査する。実施形態に係る顕微鏡１は、試料面Ｓａと平行な２方向、及び試料面Ｓａに垂直な１方向に干渉縞Ｌ２を走査することで、干渉縞Ｌ２を三次元的に走査してもよい（。干渉縞Ｌ２を三次元的に走査する場合、試料面Ｓａと平行な２方向に干渉縞Ｌ２を走査する処理（以下、２次元処理という）については、上述の実施形態で説明した処理と同様である。顕微鏡１は、２次元処理をＺ方向の位置を変更して繰り返すことにより、例えば、三次元的な超解像画像を生成可能である。後述の実施形態について同様に、顕微鏡１は、干渉縞Ｌ２を三次元的に走査してもよい。
［第２実施形態］
　第２実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。本実施形態において、画像処理部７（図４参照）は、周波数空間上のデータに対してフィルタリングを行って、画像を生成する。画像処理部７は、検出装置６から得られるデータに対してデコンボリューションを実行して、画像を生成する。画像処理部７は、上記のフィルタリングとして、検出装置６の検出部６ａごとにデコンボリューションおよびアポダイゼーションを行って、画像を生成する。すなわち、画像処理部７は、周波数空間上のデータに対して、デコンボリューションを含むフィルタリングを行う。以下の説明において、適宜、デコンボリューションとアポダイゼーションの一連の処理を合わせて（総称して）、デコンボリューションと称することがある。
　図７は、第２実施形態に係る顕微鏡の画像処理部の処理を示す図である。顕微鏡の各部については、適宜、図１あるいは図４を参照する。図７（Ａ）は、デコンボリューション前のＰＳＦであり、図５（Ａ）と同様である。図７（Ａ）において、検出装置６（図４参照）の検出部６ａの間隔が干渉縞Ｌ２の間隔に合っていない。この場合、上記の式（５）で説明したように、検出部６ａごとに得られる画像の実効ＰＳＦ（実線）は検出器６ａの位置によっては形状が崩れる。検出器６ａごとの実効ＰＳＦは、設計値から理論計算すること、あるいは蛍光ビーズのような小物体を撮影することにより取得可能（推定可能）である。画像処理部７は、このようにして取得した実効ＰＳＦを用いて、検出部６ａごとに得られる画像の実効ＰＳＦの形状の崩れ、および位置ずれを補正するようにデコンボリューションを実行する。
　図７（Ｂ）はデコンボリューション後のＰＳＦである。図７（Ｂ）の中央のグラフにおいて、符号Ｑ４ａは、図７（Ａ）の中央のグラフに示す分布Ｑ１ａすなわち位置Ｘ１ａに配置された検出部６ａの実効ＰＳＦを、デコンボリューションして得られる実効ＰＳＦに対応する。ここでは、検出部６ａの位置Ｘ１ａと、分布Ｑ２ａのピーク位置Ｘ２ａとのずれ量が所定値よりも小さく、デコンボリューション後の実効ＰＳＦに対応する分布Ｑ４ａは、デコンボリューション前の実効ＰＳＦに対応する分布Ｑ１ａとほぼ同じである。
　また、図７（Ｂ）の左側のグラフにおいて、符号Ｑ４ｂは、図７（Ａ）の左側のグラフに示す分布Ｑ１ｂすなわち位置Ｘ１ｂに配置された検出部６ａの実効ＰＳＦを、デコンボリューションして得られる実効ＰＳＦに対応する。図７（Ｂ）の右側のグラフにおいて、符号Ｑ４ｃは、図７（Ａ）の右側のグラフに示す分布Ｑ１ｃすなわち位置Ｘ１ｃに配置された検出部６ａの実効ＰＳＦを、デコンボリューションして得られる実効ＰＳＦに対応する。このような一連の処理（デコンボリューション）によって、図７（Ｂ）の３つのグラフに示すように、検出器６ａごとの実効ＰＳＦがほぼ同一となる。画像処理部７は、デコンボリューションの結果を用いて、画像を生成する。以下、画像処理部７の処理について、より詳しく説明する。
　画像処理部７は、複数の検出部６ａの少なくとも一部の検出結果を周波数空間上のデータへ変換し、その変換結果を用いて画像（例、超解像画像）を生成する。以下の説明において、複数の検出部６ａの少なくとも一部の検出結果を周波数空間で表したデータを、適宜、周波数空間の成分という。画像処理部７は、複数の検出部６ａの少なくとも一部の検出結果をフーリエ変換し、フーリエ変換により得られる周波数空間の成分を用いて画像を生成する。上記の式（４）をｒｓについてフーリエ変換すると、下記の式（８）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　式（４）の左辺のＩ～（ｒ，ｋｓ）は、Ｉ（ｒ，ｒｓ）をｒｓについてフーリエ変換したものである。右辺のＯＴＦｅｆｆ（ｒ，ｋｓ）は、ＰＳＦｅｆｆ（ｒ，ｒｓ）をｒｓについてフーリエ変換したものであり、検出装置６の検出部６ａごとの実効ＯＴＦを表す。また、右辺のＯｂｊ～（ｋｓ）はＯｂｊ（ｒｓ）をｒｓについてフーリエ変換したものである。
　デコンボリューションには、ウィーナーフィルタやリチャードソン・ルーシー法など様々な方法が存在する。ここでは一例としてウィーナーフィルタを用いた処理を説明するが、画像処理部７は、その他の処理によってデコンボリューションを実行してもよい。ウィーナーフィルタによる、各検出部のデコンボリューションは、下記の式（９）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　式（９）において、Ｏｂｊ～（ｒ，ｋｓ）は検出装置６の検出部６ａごとに推定した蛍光物質の分布（以下、推定蛍光物質分布という）である。ｗはノイズを抑制するためのウィーナーパラメータである。この処理により、検出装置６の２以上の検出部６ａにおいて、推定蛍光物質分布Ｏｂｊ～（ｒ，ｋｓ）がほぼ共通になる。すなわち、上記の処理により検出器６ａごとの実効ＰＳＦの形状の崩れがおよび位置ずれが補正され、検出器６ａごとの実効ＰＳＦがほぼ同一となる。画像処理部７は、下記の式（１０）に示す処理によって、Ｏｂｊ～（ｒ，ｋｓ）にアポダイゼーションを行い、検出装置６の検出部６ａにおけるスペクトルを足し合わせ、超解像画像ＩＳＲ（ｒｓ）を生成する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　式（１０）において、Ａ（ｋｓ）は画像の負値を抑制するためのアポダイゼーション関数であり、Ｏｂｊ～（ｒ，ｋｓ）にＡ（ｋｓ）を掛けることをアポダイゼーションと呼ぶ。Ａ（ｋｓ）の関数形は理論計算もしくはシミュレーション等により画像の負値を抑制するよう設計する。また、Ｆｋｓ －１は、ｋｓに関する逆フーリエ変換である。画像処理部７は、検出部６ａごとのスペクトルを足し合わせた後に逆フーリエ変換を行うが、逆フーリエ変換を行ってから画像を足し合わせてもよい。画像処理部７は、式（９）および式（１０）の処理において、検出部６ａごとに独立してデコンボリューションした後に、検出部６ａごとに画像を足し合わせる。画像処理部７は、下記の式（１１）のように、２以上の検出部６ａをまとめて、デコンボリューションしてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　図８は、第２実施形態に係る観察方法を示すフローチャートである。ステップＳ１からステップＳ４の処理は、図６と同様であるので、その説明を省略する。ステップＳ１１において、画像処理部７は、各検出部の検出結果をフーリエ変換する。ステップＳ１２において、画像処理部７は、デコンボリューションを実行する。ステップＳ１３において、画像処理部７は、アポダイゼーションを実行する。アポダイゼーションは、デコンボリューションの一部の処理でもよい。画像処理部７は、ステップＳ１４において、デコンボリューションの結果を用いて検出部６ａごとの画像を足し合わせる。画像処理部７は、ステップＳ１５において、ステップＳ１４で得られた第１の画像（例、フーリエ画像）を逆フーリエ変換することで、第２の画像（例、超解像画像）を生成する。
　なお、画像処理部７は、第１実施形態で説明したように、足し合わせる検出部６ａの範囲を変化させてもよい。また、画像処理部７は、第１実施形態で説明したように、１次元的にまたは２次元的に分解能を向上させてもよい。
［第３実施形態］
　第３実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図９は、第３実施形態に係る顕微鏡の画像処理部の処理を示す図である。顕微鏡の各部については、適宜、図１あるいは図４を参照する。
　本実施形態において、画像処理部７（図４参照）は、第２実施形態と異なる画像処理によって、検出部６ａごとの実効ＰＳＦの形状の崩れを補正する。図９（Ａ）は、本実施形態に係る画像処理前のＰＳＦであり、図５（Ａ）と同様である。図９（Ａ）において、検出装置６（図４参照）の検出部６ａの間隔が干渉縞Ｌ２の間隔に合っていない。この場合、上記の式（５）で説明したように、検出部６ａごとに得られる画像の実効ＰＳＦ（実線）は検出器６ａの位置によっては形状が崩れる。画像処理部７は、干渉縞Ｌ２の強度分布の部分的な分布（例、図９（Ａ）左側のグラフに示すＱ２ｂ）のピーク位置が、検出部６ａの位置と整合するように、干渉縞Ｌ２の強度分布の位相を画像処理によって実効的にシフトさせる。
　図９（Ｂ）は、位相をシフトさせた後の検出部６ａごとの実効ＰＳＦである。図９（Ｂ）の左側のグラフにおいて、分布Ｑ２ｆは、図９（Ａ）の分布Ｑ２ｂのピーク位置Ｘ２ｂが検出部６ａの位置Ｘ１ｂと一致するように、分布Ｑ２の位相をシフトさせた分布である。分布Ｑ２ｆのピーク位置Ｘ２ｆは、検出部６ａの位置Ｘ１ｂとほぼ一致する。符号Ｑ１ｆは、位相をシフトさせた分布Ｑ２ｆと、位置Ｘ１ｂに配置された検出部６ａの検出ＰＳＦ（分布Ｑ３ｂ）とから得られる実効ＰＳＦに対応する分布である。分布Ｑ１ｆは、実効ＰＳＦの形状の崩れが低減されている。
　また、図９（Ｂ）の右側のグラフにおいて、分布Ｑ２ｇは、図９（Ａ）の分布Ｑ２ｃのピーク位置Ｘ２ｃが検出部６ａの位置Ｘ１ｃと一致するように、分布Ｑ２の位相をシフトさせた分布である。分布Ｑ２ｇのピーク位置Ｘ２ｇは、検出部６ａの位置Ｘ１ｃとほぼ一致する。符号Ｑ１ｇは、位相をシフトさせた分布Ｑ２ｇと、位置Ｘ１ｃに配置された検出部６ａの検出ＰＳＦ（分布Ｑ３ｃ）とから得られる実効ＰＳＦに対応する分布である。分布Ｑ１ｇは、実効ＰＳＦの形状の崩れが低減されている。
　上述のような画像処理処理により、検出部６ａごとの実効ＰＳＦ（実線）の形状がほぼ同一となるように補正される。画像処理部７は、ほぼ同一の形状に補正された実効ＰＳＦを持つ検出部６ａごとの画像を用いて、画像を生成する。
　以下、画像処理部７の処理の流れについて、より詳しく説明する。検出装置６で得られる像Ｉ（ｒ，ｒｓ）は、上記の式（３）で表される。式（３）に、上記の式（２）に示したｉｌｌ（ｒ）を代入すると、下記の式（１２）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　式（１２）において、φは干渉縞Ｌ２の初期位相を示す。画像処理部７は、画像処理によって干渉縞Ｌ２の位相をディテクター座標に応じて変化させ、実効ＰＳＦの形状を揃える。顕微鏡１は、式（３）で説明したように、４次元の画像データＩ（ｒ，ｒｓ）を取得する。画像処理部７は、Ｉ（ｒ，ｒｓ）に対して４次元のフーリエ変換を行う。フーリエ変換によって得られる周波数空間の４次元のデータをI～（ｋ，ｋｓ）で表す。画像処理部７は、I～（ｋ，ｋｓ）から、下記の式（１３）から式（１５）のいずれかの条件を満たす領域の情報を抽出する。以下の説明において、式（１３）の条件を満たす領域を０次成分の領域ＡＲ１ａと称し、式（１４）の条件を満たす領域を＋１次成分の領域ＡＲ１ｂと称し、式（１５）の条件を満たす領域を－１次成分の領域ＡＲ１ｃと称する。また、０次成分の領域ＡＲ１ａのデータをI０ ～（ｋ，ｋｓ）で表し、＋１次成分の領域ＡＲ１ｂのデータをＩ＋１ ～（ｋ，ｋｓ）で表し、－１次成分の領域ＡＲ１ｃのデータをI－１ ～（ｋ，ｋｓ）で表す。I０ ～（ｋ，ｋｓ）、I＋１ ～（ｋ，ｋｓ）、I－１ ～（ｋ，ｋｓ）は、それぞれ、フーリエ変換で得られる周波数空間上のデータである。I～（ｋ，ｋｓ）からI０ ～（ｋ，ｋｓ）、I＋１ ～（ｋ，ｋｓ）、I－１ ～（ｋ，ｋｓ）を分離する処理を、適宜、成分分離と称す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　図１０は、第３実施形態において、成分分離に用いる周波数空間の領域を示す図である。ここでは、マスク１５（図２参照）の開口１５ａ、開口１５ｂが円形である場合について説明する。マスク１５の開口は円形以外の形状でもよい。０次成分の領域ＡＲ１ａ、＋１次成分の領域ＡＲ１ｂ、及び－１次成分の領域ＡＲ１ｃの範囲は、マスク１５の開口が円形である場合、マスク１５の開口が円形以外の形状である場合のいずれについても、数値シミュレーション、理論計算等で求めることができる。
　図１０（Ａ）にはｋｘｓ－ｋｙｓ平面における各領域を示した。０次成分の領域ＡＲ１ａ、＋１次成分の領域ＡＲ１ｂ、－１次成分の領域ＡＲ１ｃは、それぞれ円形の領域である。０次成分の領域ＡＲ１ａ、＋１次成分の領域ＡＲ１ｂ、及び－１次成分の領域ＡＲ１ｃは、直径がいずれも同じである。０次成分の領域ＡＲ１ａの直径は、４σｋＮＡ ｅｘである。０次成分の領域ＡＲ１ａは、原点を中心とする領域である。＋１次成分の領域ＡＲ１ｂおよび－１次成分の領域ＡＲ１ｃは、それぞれ、中心がｋｘｓの軸上の領域である。－１次成分の領域ＡＲ１ｃの中心と原点との距離Ａは、２（１－σ）ｋＮＡ ｅｘである。＋１次成分の領域ＡＲ１ｂは、０次成分の領域ＡＲ１ａに関して－１次成分の領域ＡＲ１ｃと対称な位置の領域である。
　図１０（Ｂ）にはｋｘｓ－ｋｘ平面における各領域を示した。０次成分の領域ＡＲ１ａ、＋１次成分の領域ＡＲ１ｂ、及び－１次成分の領域ＡＲ１ｃは、それぞれ平行四辺形の領域である。
　画像処理部７は、試料Ｓにおける励起光の光強度分布に基づいて、成分分離における周波数空間の領域を設定する。例えば、画像処理部７は、試料Ｓにおける励起光の光強度分布として試料面Ｓａでの励起光の電場強度ｉｌｌ（ｒ）に基づいて、互いに重複しない複数の領域を設定する。上記の複数の領域は、互いに重複しない３以上の領域を含む。例えば、上記の複数の領域は、第１領域として図１０の領域ＡＲ１ａ、第２領域として図１０の領域ＡＲ１ｂ、第３領域として図１０の領域ＡＲ１ｃを含む。画像処理部７は、周波数空間上のデータから、第１領域（領域ＡＲ１ａ）に属するデータ、第２領域（領域ＡＲ１ｂ）に属するデータ、及び第３領域（領域ＡＲ１ｃ）に属するデータのそれぞれを抽出することで、成分分離を行う。
　画像処理部７は、I０ ～（ｋ，ｋｓ）、Ｉ＋１ ～（ｋ，ｋｓ）、及びI－１ ～（ｋ，ｋｓ）をそれぞれ、４次元の逆フーリエ変換することによって、実空間の画像データを算出する。以下、I０ ～（ｋ，ｋｓ）を逆フーリエ変換して得られる画像データをI０（ｒ，ｒｓ）で表す。また、Ｉ＋１ ～（ｋ，ｋｓ）を逆フーリエ変換して得られる画像データをＩ＋１（ｒ，ｒｓ）で表す。また、I－１ ～（ｋ，ｋｓ）を逆フーリエ変換して得られる画像データをI－１（ｒ，ｒｓ）で表す。画像処理部７は、I０（ｒ，ｒｓ）、I＋１（ｒ，ｒｓ）、及びI－１（ｒ，ｒｓ）のそれぞれに対して、下記の式（１６）に示す演算を行う。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
　式（１６）において、ψ（ｒ）は検出装置６の検出部６ａの位置ｒごとの位相シフト量を表す。画像処理部７は、上記の式（１６）の３式の演算結果について、下記の式（１７）に示すように和を算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　上記の式（１７）の演算から得られるＩ’（ｒ，ｒｓ）は、検出部６ａの位置ｒごとの実効ＰＳＦの形状の崩れが補正され、実効ＰＳＦの形状がほぼ同一となった画像となる。画像処理部７は、Ｉ’（ｒ，ｒｓ）に対して、検出装置６の検出部６ａごとの実効ＰＳＦの位置ずれを補正する。これにより、検出装置６の２以上の検出部６ａで実効ＰＳＦをほぼ同一とすることができる。画像処理部７は、実効ＰＳＦがほぼ同一に補正された検出部６ａごとの画像を足し合わせることによって、画像を生成する。
　ここで、成分分離を行う領域の決定方法、位相シフト処理の位相シフト量の決定方法、実効ＰＳＦの位置ずれ補正方法、本手法によって得られる超解像効果について説明する。Ｉ（ｒ，ｒｓ）に対して、ｒ、ｒｓについて４次元のフーリエ変換を行うと、下記の式（１８）に示すI～（ｋ，ｋｓ）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
　式（１８）において、Ｆｒ，ｒｓはｒ、ｒｓについてのフーリエ変換を表す。ＯＴＦｄｅｔは、ＰＳＦｄｅｔのフーリエ変換であり検出光学系５のＯＴＦを表す。ｉｌｌ～は、ｉｌｌのフーリエ変換であり、ＯＴＦｉｌｌはＰＳＦｉｌｌのフーリエ変換であり、Ｏｂｊ～はＯｂｊのフーリエ変換である。式（１８）は、下記の式（１９）に示すように、３つの項の和になっている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
　ここで、式（１９）の右辺第１項のI０ ～（ｋ，ｋｓ）を０次成分と称し、右辺第２項のI＋１ ～（ｋ，ｋｓ）を＋１次成分と称し、右辺第３項のI－１ ～（ｋ，ｋｓ）を－１次成分と称す。これは上記で説明した、０次成分の領域ＡＲ１ａのデータI０ ～（ｋ，ｋｓ）、＋１次成分の領域ＡＲ１ｂのデータＩ＋１ ～（ｋ，ｋｓ）、－１次成分の領域ＡＲ１ｃのデータI－１ ～（ｋ，ｋｓ）と同一である。０次成分、＋１次成分、－１次成分は、それぞれ、下記の式（２０）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
　ここで、０次成分、＋１次成分、－１次成分が値も持つ領域の決定方法について述べる。式（２０）において、ＯＴＦｄｅｔ（ｋ）の遮断周波数は２ｋＮＡ emで与えられる。また、ＯＴＦｉｌｌ（ｋ）の遮断周波数は２σｋＮＡ ｅｘで与えられる。したがって、ＯＴＦｄｅｔ（ｋ）は、|ｋ|が２ｋＮＡ em以下である範囲でのみ値を持つ。同様に、ＯＴＦｉｌｌ（ｋ-ｋｓ）は|ｋ-ｋｓ|が２σｋＮＡ ｅ以下である範囲でのみ値を持つ。ＯＴＦｉｌｌ（ｋ-ｋｓ-ｋ０）は|ｋ-ｋｓ-ｋ０|が２σｋＮＡ ｅｘ以下である範囲でのみ値を持つ。ＯＴＦｉｌｌ（ｋ-ｋｓ+ｋ０）は|ｋ-ｋｓ+ｋ０|が２σｋＮＡ ｅｘ以下である範囲でのみ値を持つ。この領域を図示すると図１０に示した形となる。
　したがって、I～（ｋ，ｋｓ）からI０ ～（ｋ，ｋｓ）、I＋１ ～（ｋ，ｋｓ）、I－１ ～（ｋ，ｋｓ）を分離するためには、それぞれ、式（１３）から式（１５）のそれぞれに示した領域の値を抽出すればよい。なお、０次成分の領域ＡＲ１ａ、＋１次成分の領域ＡＲ１ｂ、－１次成分の領域ＡＲ１ｃは、それぞれ、式（１３）から式（１５）のそれぞれに示した領域よりも大きくてもよいし、小さくてもよい。また、マスク１５の開口１５ａ、開口１５ｂが円形以外の場合も理論計算、シミュレーション等によりＯＴＦｄｅｔ、ＯＴＦｉｌｌが値を持つ領域を算出することで成分分離を行う領域を決定できる。
　I０ ～（ｋ，ｋｓ）、I＋１ ～（ｋ，ｋｓ）、I－１ ～（ｋ，ｋｓ）のそれぞれを逆フーリエ変換により実空間に戻したものを、I０（ｒ，ｒｓ）、I＋１（ｒ，ｒｓ）、I－１（ｒ，ｒｓ）とする。上記の式（２０）をｋ，ｋｓについて逆フーリエ変換すると以下の式（２１）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
　画像処理部７は、成分分離および逆フーリエ変換の結果に対して、上記の式（１６）、式（１７）に示した処理を行う。このようにして、ディテクター座標ｒに応じて干渉縞Ｌ２の位相がシフトされる。干渉縞の位相のシフト量は、例えば、ＰＳＦｄｅｔ（ｒ+ｒs）とＰＳＦｉｌｌ（ｒｓ）の積によって得られる関数のピーク位置と干渉縞のピークとがほぼ一致するように、決定される。
　干渉縞の位相のシフト量は、例えば、下記のように決定される。画像処理部７は、ディテクター座標ｒで検出した信号の位置ずれ量を算出する。画像処理部７は、ＰＳＦｄｅｔ（ｒ+ｒs）とＰＳＦｉｌｌ（ｒｓ）の積によって得られる関数のピーク位置を求めることで、上記の位置ずれ量を算出する。ここで実効ＰＳＦの位置ずれはディテクター座標ｒに比例すると考えてよく、位置ずれの度合いを表すパラメーターをβとし、位置ずれ量をｒ／βで表す。
　βの値は、ＰＳＦｄｅｔ（ｒ+ｒs）とＰＳＦｉｌｌ（ｒｓ）との積によって得られる関数のピーク位置から算出されてもよいし、数値シミュレーションによって算出されてもよい。βが決まると、ディテクター座標に応じた位相シフト量が決まる。干渉縞Ｌ２の位相シフト量ψ（ｒ）はＰＳＦｄｅｔ（ｒ+ｒs）とＰＳＦｉｌｌ（ｒｓ）との積によって得られる関数のピーク位置と、干渉縞のピーク位置とが一致するように決定される。このような処理によって、位相シフト量は、例えば、ψ（ｒ）＝－２πｋ０・ｒ／β－φとなる。初期位相φの値は、蛍光ビーズを用いて予め測定された値でもよいし、観察画像から推定される値でもよい。画像処理部７は、試料Ｓにおける励起光の光強度分布に基づいて、位相を変換する量（位相シフト量）を決定する。画像処理部７は、試料Ｓにおける励起光の光強度分布として試料面Ｓａでの励起光の電場強度ｉｌｌ（ｒ）に基づいて、位相シフト量を決定する。このように設定したψ（ｒ）を用いることで、式（１６）、式（１７）に示した処理後に検出器６ａの位置ｒごとの実効ＰＳＦの形状の崩れが補正される。
　画像処理部７は、上述のように位相シフト処理を行った後、検出器６ａごとの実効ＰＳＦの位置ずれを補正する処理を行う。位置ずれの補正処理を行うと、検出装置６の検出部６ａごとの画像の実効ＰＳＦがほぼ同一となる。画像処理部７は、検出装置６の検出部６ａごとの画像を足し合わせることで、超解像画像IＳＲ（ｒｓ）を生成する。この一連の処理は、下記の式（２２）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
　式（２２）において、ＰＨ（ｒ）は、下記の式（２３）で定義されるピンホール関数である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
ｒＰＨの値を調整することで、信号量およびセクショニング効果を調整することができる。ｒＰＨを大きくすると、信号量が増加する。また、ｒＰＨを小さくするとセクショニング能力が向上する。上式（２２）の演算によって得られる画像の実効ＰＳＦであるＰＳＦＳＲ（ｒｓ）は下記の式（２４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
　干渉縞Ｌ２の周期方向、つまりｋ０方向に着目すると、式（２４）より干渉縞Ｌ２の周期が小さいほどＰＳＦｅｆｆの半値全幅は狭く、分解能が良くなることが分かる。つまり実施形態における干渉縞Ｌ２の周期方向に含まれる縞の数（明部）が多いほどＰＳＦｅｆｆの半値全幅は狭くなり、分解能が良い。通常の蛍光顕微鏡の半値全幅は０．５１λｅｍ／ＮＡで与えられる。実施形態におけるＰＳＦｅｆｆの半値全幅は、例えばσ＝０．３の場合に０．３λｅｘ／ＮＡとなり、通常の蛍光顕微鏡よりもＰＳＦの半値全幅が１．７倍ほど狭く分解能が良い。実施形態における干渉縞Ｌ２の周期方向に含まれる明部の数は、例えばσ＝０．３の場合に５である。実施形態におけるＰＳＦｅｆｆの半値全幅は、例えばσ＝０．４の場合は０．３４λｅｘ／ＮＡとなり、通常の蛍光顕微鏡よりもＰＳＦの半値全幅が１．５倍ほど狭く分解能が良い。実施形態における干渉縞Ｌ２の周期方向に含まれる明部は、例えばσ＝０．４の場合に３である。また、通常の共焦点顕微鏡のピンホールを十分に小さく絞った場合、通常の蛍光顕微鏡よりもＰＳＦの半値全幅が１．４倍ほど狭く分解能が良いことが知られている。共焦点顕微鏡に対して、分解能向上効果の優位性を持つためには、通常の蛍光顕微鏡よりもＰＳＦの半値全幅が１．５倍以上狭いことが望ましい。すなわち、実施形態において干渉縞Ｌ２の周期方向に含まれる明部は３以上であることが望ましい。他の実施形態においても同様である。
　本実施形態において、スキャン間隔、検出装置６の検出部６ａの間隔は、遮断周波数およびナイキストの定理に基づいて設定されてもよい。スキャン間隔は、干渉縞の周期方向においてλｅｘ／８ＮＡ以下に設定されてもよい。また、スキャン間隔は、干渉縞の周期方向と垂直な方向においてλｅｘ／４ＮＡ以下に設定されてもよい。また、検出装置６の検出部６ａの間隔は、λｅｍ／４ＮＡ以下に設定されてもよい。
　図１１は、第３実施形態に係る観察方法を示すフローチャートである。ステップＳ１からステップＳ４の処理は図６と同様であり、その説明を省略する。ステップＳ２１において、画像処理部７は、複数の検出部６ａの少なくとも一部の検出結果をフーリエ変換する。ステップＳ２１において、画像処理部７は、Ｉ（ｒ，ｒｓ）に対して４次元のフーリエ変換を行う。ステップＳ２２において、画像処理部７は、周波数空間において成分分離する。画像処理部７は、フーリエ変換により得られる周波数空間の成分を周波数空間の領域ごとに分離する。ステップＳ２３において、画像処理部７は、分離された成分を逆フーリエ変換する。ステップＳ２４において、画像処理部７は、位相シフト処理を実行する。画像処理部７は、ステップＳ２５において、実効ＰＳＦの位置ずれを補正する。ステップＳ２６において、画像処理部７は、ステップＳ２５で位置ずれを補正して得られる画像を足し合わせることで、画像（例、超解像画像）生成する。
　このように、本実施形態に係る画像処理部７は、成分分離によって得られるデータの少なくとも一部の位相を変換して画像を生成する。上述の説明において、画像処理部７は、実空間上のデータに対して位相シフト処理を実行する。すなわち、画像処理部７は、成分分離によって得られるデータとして、成分分離したデータ（周波数空間上のデータ）を逆フーリエ変換によって実空間上のデータに変換したデータ（実空間上のデータ）を用いる。なお、画像処理部７は、成分分離した周波数空間上のデータに対して、周波数空間において位相シフト処理を実行してもよい。
［第４実施形態］
　第４実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。本実施形態において、画像処理部７（図４参照）は、第３実施形態で説明した成分分離を行った後、分離された成分についてデコンボリューションを行って画像を生成する。
　上記の式（１９）に式（２０）を代入すると、下記の式（２５）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000025
　式（２５）において、ＯＴＦ０（ｋ，ｋｓ）、ＯＴＦ＋１（ｋ，ｋｓ）、及びＯＴＦ－１（ｋ，ｋｓ）は、下記の式（２６）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000026
　画像処理部７は、ＯＴＦ０（ｋ，ｋｓ）、ＯＴＦ＋１（ｋ，ｋｓ）、及びＯＴＦ－１（ｋ，ｋｓ）のそれぞれの推定値を用いて、デコンボリューションを行う。デコンボリューションには、ウィーナーフィルタやリチャードソン・ルーシー法など様々な方法がある。ここでは、デコンボリューションの一例としてウィーナーフィルタを用いた処理を説明するが、他の方法を用いたデコンボリューションでもよい。上記の式（２５）について、ウィーナーフィルタによるデコンボリューションは、下記の式（２７）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000027
　式（２７）において、Ａ（ｋｓ）は画像の負値を抑制するためのアポダイゼーション関数である。また、ｗは、ノイズを抑制するためのウィーナーパラメータである。Fｋｓ －１はｋｓに関する逆フーリエ変換である。画像処理部７は、上述のデコンボリューションの結果を用いて画像を生成する。
　図１２は、第４実施形態に係る観察方法を示すフローチャートである。ステップＳ１からステップＳ４の処理は、図６と同様であり、その説明を省略する。ステップＳ３１において、画像処理部７は、検出結果をフーリエ変換する。また、ステップＳ３２において、画像処理部７は、周波数空間で成分を分離する。ステップＳ３３において、画像処理部７は、ステップＳ３２の処理によって分離された成分を用いて、デコンボリューションを行う。ステップＳ３４において、画像処理部７は、アポダイゼーションを行う。ステップＳ３５において、画像処理部７は、デコンボリューションおよびアポダイゼーションによって得られたデータに対して逆フーリエ変換を行う。画像処理部７は、逆フーリエ変換によって得られたデータを用いて画像を生成する。
　以上のように、本実施形態に係る画像処理部７は、周波数空間において成分分離、デコンボリューション、及びアポダイゼーションを実行し、これらの処理によって得られたデータを実空間におけるデータに変換して画像を生成する。本実施形態において、画像処理部７は、検出装置６の検出部６ａごとの実効ＰＳＦをほぼ一致させて位置ずれを補正する処理によらずに、画像を生成してもよい。
　本実施形態において、スキャン間隔、検出装置６の検出部６ａの間隔は、遮断周波数およびナイキストの定理に基づいて設定されてもよい。スキャン間隔は、干渉縞の周期方向においてλｅｘ／８ＮＡ以下に設定されてもよい。また、スキャン間隔は、干渉縞の周期方向と垂直な方向においてλｅｘ／４ＮＡ以下に設定されてもよい。また、検出装置６の検出部６ａの間隔は、λｅｍ／４ＮＡ以下に設定されてもよい。
　なお、画像処理部７は、上記のｋに関して積算の対象とする範囲を、全空間の範囲に設定してもよいし、全空間の一部の範囲に設定してもよい。また、画像処理部７は、フーリエ変換によってI０ ～（ｋ，ｋｓ）、I＋１ ～（ｋ，ｋｓ）、I－１ ～（ｋ，ｋｓ）を演算する際に、ｒの範囲を限定してもよい。また、画像処理部７は、ＯＴＦ０（ｋ，ｋｓ）、ＯＴＦ＋１（ｋ，ｋｓ）、及びＯＴＦ－１（ｋ，ｋｓ）として、蛍光ビーズを用いた測定あるいは設計値を用いた数値シミュレーション等によって予め得られるデータを用いてもよいし、試料Ｓからの蛍光を検出装置６が検出した結果から得られるデータ（例、推定値）を用いてもよい。
［第５実施形態］
　第５実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図１３は、第５実施形態に係る顕微鏡を示す図である。本実施形態において、検出装置６は、複数の検出部６ａが１次元的に配列されたラインセンサ（ラインディテクター）を含む。複数の検出部６ａは、検出装置６において１方向に配列されている。検出装置６は、試料面Ｓａと光学的に共役な位置に配置される。複数の検出部６ａが並ぶ方向（以下、配列方向という）は、干渉縞Ｌ２の周期方向と対応する方向に設定される。例えば、図１３において、干渉縞の周期方向はＸ方向であり、複数の検出部６ａの配列方向は、Ｘ方向に対応するＸｂ方向に設定される。
　本実施形態に係る顕微鏡１は、λ/２波長板３０と、光軸の周りで光路を回転させる光路回転部３１とを備える。λ/２波長板３０は、光路回転部３１による光路の回転角に基づいて、光路回転部３１を通る偏光を回転させる。光路回転部３１は、照明光学系４においてマスク１５から試料Ｓまでの間の光路に配置される。光路回転部３１は、例えば、照明光学系４の光路において励起光Ｌ１がほぼ平行光になる位置に配置される。光路回転部３１は、例えば、照明光学系４において励起光Ｌ１が通り且つ検出光学系５において蛍光Ｌ３が通る位置に配置される。光路回転部３１は、例えば、ダイクロイックミラー１６と試料Ｓとの間の光路に配置される。λ/２波長板３０は、光路回転部３１に対して試料Ｓと同じ側に配置されてもよいし、光路回転部３１に対して試料Ｓと反対側（例、励起光の光源と同じ側）に配置されてもよい。
　光路回転部３１は、例えば、ダブプリズムなどのイメージローテーターである。光路回転部３１は、照明光学系４の光軸の周りで回転可能に設けられる。光路回転部３１は、駆動部３２によって駆動されて回転する。光路回転部３１としてダブプリズムを用いる場合、ダブプリズムを照明光学系４の光軸の周りでθ°回転させると、ダブプリズムからの光出射側（試料Ｓ側）における光路は、ダブプリズムへの光入射側（光源３側）における光路に対して、照明光学系４の光軸の周りで２×θ°回転する。これにより、試料Ｓに対する励起光Ｌ１の入射面は、Ｚ方向の周りで２×θ°回転し、干渉縞Ｌ２の周期方向は、Ｚ方向の周りで２×θ°回転する。例えば、干渉縞Ｌ２の周期方向を９０°変更する場合、駆動部３２は、光路回転部３１を照明光学系４の光軸の周りで４５°回転させる。このように、光路回転部３１は、試料に対する干渉縞の方向を変更する縞方向変更部に含まれる。
　λ/２波長板３０は、照明光学系４の光軸の周りで回転可能に設けられる。λ/２波長板３０は、光路回転部３１と連動して回転する。λ/２波長板３０は、光路回転部３１の回転角に基づいて定められる角度だけ回転する。例えば、λ/２波長板３０は、光路回転部３１と固定（例、一体化）され、光路回転部３１とともに回転する。この場合、λ/２波長板３０は、光路回転部３１の回転角と同じ角度だけ回転する。
　λ/２波長板３０を照明光学系４の光軸の周りでθ°回転させると、励起光Ｌ１の偏光方向は、光入射側（光源３側）における偏光方向に対して、照明光学系４の光軸の周りで２×θ°回転する。これにより、試料Ｓに入射する際の励起光Ｌ１の偏光状態は、Ｓ偏光になる。
　また、図１３の光路回転部３１は、像回転部にも含まれる。像回転部は、試料Ｓの像（例、試料Ｓからの蛍光の像）を複数の検出部６ａに対して、検出光学系５の光軸の周りで回転させる。すなわち、縞方向変更部と像回転部とは、同一の部材（光学部材）として光路回転部３１を含む。光路回転部３１は、照明光学系４の光路のうち蛍光が入射する位置に配置される。像回転部は、光路回転部３１によって蛍光の像を回転させる。光路回転部３１は、検出装置６における複数の検出部６ａの配列方向に対する干渉縞Ｌ２の周期方向を調整する。光路回転部３１としてダブプリズムを用いる場合、ダブプリズムを照明光学系４の光軸の周りでθ°回転させると、干渉縞Ｌ２の周期方向がＺ方向の周りで２×θ°回転する。そして、試料Ｓからの蛍光Ｌ３の光路は、ダブプリズムへの光入射側（試料Ｓ側）に対して、光出射側（検出装置６側）において－２×θ°回転する。
　ダブプリズムを回転させると、ダブプリズムを介して試料Ｓへ向かう光の光路が回転し、試料Ｓに対する干渉縞Ｌ２の周期方向が変化する。また、試料Ｓからダブプリズムを介して検出装置６へ向かう光の光路は、試料Ｓへ向かう光の光路と反対向きに同じ角度だけ回転する。したがって、検出装置６における複数の検出部６ａ（例、ラインディテクター）の像を、検出光学系５を介して試料面Ｓａに投影した場合、複数の検出部６ａが並ぶ方向と干渉縞の周期方向とは、ダブプリズムによって干渉縞の周期方向を変更した場合でも常に一致する。よって、検出装置６は、干渉縞Ｌ２の周期方向の変更前と変更後とで同じように、蛍光Ｌ３を検出可能である。画像処理部７は、検出装置６の検出結果に基づいて、第１実施形態から第４実施形態で説明した処理によって画像を生成する。
　なお、第１実施形態において、顕微鏡１は、駆動部２２がマスク１５を回転させることで干渉縞Ｌ２の周期方向を変更するが、上記の光路回転部３１（例、ダブプリズム）によって干渉縞Ｌ２の周期方向を変更してもよい。また、干渉縞Ｌ２の周期方向を変更する縞方向変更部は、駆動部２２および光路回転部３１のいずれとも異なる形態でもよい。例えば、ステージ２は、Ｚ方向の周りで回転可能に設けられ、その回転によって試料Ｓに対する干渉縞Ｌ２の方向を変更してもよい。この場合、ステージ２は、試料Ｓに対する干渉縞Ｌ２の方向を変更する縞方向変更部に含まれる。
　図１４に示す顕微鏡１は、光路回転部３１が設けられる位置が図１３と異なる。図１４において、縞方向変更部は、第１実施形態と同様であり、マスク１５および駆動部２２を含む。光路回転部３１は、図１３において縞方向変更部と像回転部とを兼ねているが、図１４において縞方向変更部と別に設けられる。図１４において、光路回転部３１は、検出光学系５の光路のうち照明光学系４の光路と重複しない位置に配置される。光路回転部３１は、励起光Ｌ１が入射せず、蛍光Ｌ３が入射する位置に配置される。光路回転部３１は、ダイクロイックミラー１６と検出装置６との間の光路に配置される。
　顕微鏡１は、駆動部２２がマスク１５および偏光子１４を回転させることで、干渉縞Ｌ２の周期方向を変更する。駆動部３２は、マスク１５および偏光子１４の回転角に基づいて定まる角度だけ、光路回転部３１を回転させる。顕微鏡１は、駆動部３２が光路回転部３１を回転させることで、検出装置６に投影される像の方向を複数の検出部６ａが並ぶ方向に対して整合させる。
［第６実施形態］
　第６実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図１５は、第６実施形態に係る顕微鏡を示す図である。本実施形態において、顕微鏡１は、遮光部材３３を備える。遮光部材３３は、試料面Ｓａと光学的に共役な位置またはその近傍に配置される。図１５において、検出装置６は、試料面Ｓａと光学的に共役な位置に配置され、遮光部材３３は、検出装置６の近傍に配置される。遮光部材３３は、試料面Ｓａと共役な位置またはその近傍に配置されてもよい。
　遮光部材３３は、蛍光Ｌ３が通る開口３３ａを有し、開口３３ａの周囲において蛍光Ｌ３を遮光する。開口３３ａは、検出装置６における複数の検出部６ａの配列方向（Ｘｂ方向）に延びている。開口３３ａは、例えば矩形状のスリットである。遮光部材３３は、開口３３ａの長辺が複数の検出部６ａの配列方向とほぼ平行になるように、配置される。遮光部材３３は、開口３３ａの寸法と形状の一方または双方が可変でもよい、例えば、遮光部材３３は、光を遮る領域を可変な機械式の絞り、あるいは空間光変調器（ＳＬＭ）などでもよい。なお、開口３３ａの寸法と形状の一方または双方が固定でもよい。
　検出装置６は、遮光部材３３の開口３３ａを通った蛍光Ｌ３を検出する。画像処理部７は、検出装置６の検出結果に基づいて、画像を生成する。画像処理部７が行う処理は、第１実施形態から第４実施形態で説明した処理のいずれでもよい。ここでは、画像処理によって干渉縞Ｌ２のＰＳＦの位相をシフトさせる場合について、説明する。
　本実施形態において、検出装置６の検出結果に相当する画像データＩ（ｘ，ｒｓ）は、下記の式（２８）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000028
　I（ｘ，ｒｓ）は、検出装置６における検出部６ａの位置に相当するディテクター座標ｘ、及びスキャン座標（ｘｓ，ｙｓ）を独立変数に持つ３次元のデータである。式（２８）において、ＰＨｙ（ｙｓ）は遮光部材３３の影響を表すピンホール関数である。ＰＨｙ（ｙｓ）は、下記の式（２９）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000029
　式（２９）において、Ｄｙは、Ｙｂ方向（図１７参照）における遮光部材３３の開口３３ａの幅の半分である。すなわち、Ｙｂ方向（図１７参照）における遮光部材３３の開口３３ａの幅を２Ｄｙとしている。
　なお、本実施形態において説明する画像処理部７の処理は、図１３に示したように遮光部材３３が設けられていない場合についても適用可能である。遮光部材３３が設けられていない場合、Ｄｙが無限大であることに相当し、ｙｓの全範囲においてＰＨｙ（ｙｓ）＝１としてもよい。また、遮光部材３３が設けられていない場合、検出部６ａに入射する際の蛍光Ｌ３の光路のＹｂ方向の幅は、検出部６ａのＹｂ方向の寸法に相当し、Ｄｙの値として検出部６ａのＹｂ方向の寸法の半分の値を用いてもよい。
　上記の式（２８）をｘ、ｘｓ、ｙｓについてフーリエ変換すると、下記の式（３０）が得られる。式（３０）において、ＰＨｙ ～（ｋｙｓ）はＰＨｙ（ｙｓ）のフーリエ変換を表す。また、ｋｙは、コンボリューションの積分変数を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000030
　ここでは、説明の便宜上、照明形状が上記の式（２）で表されるとし、干渉縞Ｌ２の周期方向は、Ｘ方向であるとする。式（３０）のｉｌｌ～（ｋｘ-ｋｘｓ，ｋｙ-ｋｙｓ）は、下記の式（３１）で表される。式（３１）において、φは、干渉縞Ｌ２の初期位相を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000031
　式（３１）を式（３０）に代入して整理すると、I～（ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ ）は、下記の式（３２）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000032
　式（３２）において、I～ ０ （ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ）は、第３実施形態で説明した０次成分に相当し、I～ ＋１ （ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ）は＋１次成分に相当し、I～ －１（ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ）は－１次成分に相当する。I～ ０ （ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ）、I～ ＋１ （ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ ）、I～ －１（ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ ）が値をもつ領域は、互いに異なる。
　図１６は、第６実施形態において、成分分離に用いる周波数空間の領域を示す図である。０次成分、＋１次成分、及び－１次成分のそれぞれが値を持つ領域のｋｙｓ方向における範囲は、ＰＨｙ ～およびＯＴＦｄｅｔに依存する。図１６には、マスク１５（図２参照）の開口１５ａ、開口１５ｂが円形の場合について、各成分が値を持つ領域を示した。マスク１５の開口が円形以外の形状である場合、ｉｌｌのフーリエ変換を求め、式（３０）に基づいて各成分が値を持つ領域の範囲を算出することが可能である。各成分が値を持つ領域の範囲を算出する手法としては、解析的な計算でもよいし、数値シミュレーション等でもよい。
　図１６において、０次成分の領域ＡＲ１ａ、＋１次成分の領域ＡＲ１ｂ、－１次成分の領域ＡＲ１ｃは、ｋｘｓ－ｋｙｓ面においてそれぞれ長円形状の領域である。０次成分の領域ＡＲ１ａ、＋１次成分の領域ＡＲ１ｂ、及び－１次成分の領域ＡＲ１ｃは、ｋｘｓ－ｋｙｓ面においてｋｘｓ方向の幅がいずれも同じである。０次成分の領域ＡＲ１ａの幅は、４σｋＮＡ ｅｘである。０次成分の領域ＡＲ１ａは、原点を中心とする領域である。＋１次成分の領域ＡＲ１ｂおよび－１次成分の領域ＡＲ１ｃは、それぞれ、中心がｋｘｓの軸上の領域である。－１次成分の領域ＡＲ１ｃの中心と原点との距離は、２（１－σ）ｋＮＡ ｅｘである。＋１次成分の領域ＡＲ１ｃは、０次成分の領域ＡＲ１ａに関して－１次成分の領域ＡＲ１ｃと対称な位置の領域である。
　画像処理部７は、I～（ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ）から各成分を抽出する。例えば、画像処理部７は、I～（ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ）から０次成分の領域ＡＲ１ａのデータを抽出することによって、I０ ～（ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ）を分離する。また、画像処理部７は、I～（ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ）から＋１次成分の領域ＡＲ１ｂのデータを抽出することによって、I＋１ ～（ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ）を分離する。また、画像処理部７は、I～（ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ）から－１次成分の領域ＡＲ１ｃのデータを抽出することによって、I－１ ～（ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ）を分離する。
　画像処理部７は、成分分離により得られたI０ ～（ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ）、I＋１ ～（ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ）、及びI－１ ～（ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ）のそれぞれについて逆フーリエ変換を行って、実空間における各成分のデータを算出する。I０ ～（ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ）を逆フーリエ変換したデータをI０（ｘ，ｘｓ，ｙｓ）で表し、I＋１ ～（ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ）を逆フーリエ変換したデータをI＋１（ｘ，ｘｓ，ｙｓ）で表し、I－１ ～（ｋｘ，ｋｘｓ，ｋｙｓ）を逆フーリエ変換したデータをI－１（ｘ，ｘｓ，ｙｓ）で表す。
　画像処理部７は、上述のようにして得られた実空間における各成分のデータの少なくとも一部を用いて、検出装置６の検出部６ａごとの実効ＰＳＦが揃うように、ディテクター座標に合わせて干渉縞の位相をシフトする。画像処理部７は、下記の式（３３）、（３４）に示す演算によって、干渉縞Ｌ２の位相をシフトする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000033
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000034
　また、画像処理部７は、位相シフト処理の後、第３実施形態と同様に、位置ずれを補正する補正処理を行う。また、画像処理部７は、補正処理後に、各検出部の画像を足し合わせることによって超解像画像を生成する。
［第７実施形態］
　第７実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図１７は、第７実施形態に係る顕微鏡を示す図である。本実施形態において、顕微鏡１は、駆動部２２および駆動部３４を備える。駆動部２２は、第１実施形態と同様である。駆動部２２は、マスク１５を回転させ、干渉縞Ｌ２の周期方向を変更する。駆動部２２は、試料Ｓに対する干渉縞Ｌ２の方向を変更する縞方向変更部に含まれる。
　本実施形態において、検出装置６は、Ｚｂ方向の周りで回転可能である。駆動部３４は、Ｚｂ方向の周りで検出装置６を回転させる。駆動部３４は、検出装置６における検出部６ａの配列方向が干渉縞Ｌ２の周期方向と対応するように、検出装置６を回転させる。例えば、駆動部２２がマスク１５を９０°回転させる場合、干渉縞Ｌ２の周期方向が９０°変化するので、駆動部３４は、検出装置６を９０°回転させる。
　また、駆動部３４は、検出装置６と遮光部材３３との相対位置が維持されるように、遮光部材３３を回転させる。例えば、遮光部材３３と検出装置６とは一体化されており、駆動部３４は、遮光部材３３と検出装置６とを一体的に回転させる。
　なお、顕微鏡１は、検出装置６を回転させる代わりに、図１４に示した光路回転部３１を備えてもよい。また、顕微鏡１は、図１３に示したように遮光部材３３を備えなくてもよい。
［第８実施形態］
　第８実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図１８は、第８実施形態に係る顕微鏡を示す図である。上述の実施形態において、瞳面Ｐ０（図２（Ｃ）参照）上で照明瞳が２極（２つの領域）に分かれる例を説明したが、照明瞳はその他の形態でもよい。ここでは、照明瞳が瞳面上で４極（４つの領域）に分かれる形態について説明する。
　本実施形態に係る照明光学系４は、光ファイバー１１の光出射側に、コリメーターレンズ１２、λ／２波長板３５、偏光分離素子３６、ミラー３７、マスク３８（開口部材）、ミラー３９、マスク４０（開口部材）、及び偏光分離素子４１を備える。照明光学系４は、ダイクロイックミラー１６から対物レンズ２１までの構成について、第１実施形態と同様である。
　光ファイバー１１から出射した励起光Ｌ１は、コリメーターレンズ１２によってほぼ平行光に変換され、λ／２波長板３５に入射する。λ／２波長板３５を通った励起光Ｌ１は、第１方向の直線偏光である励起光Ｌ１ｃ、および第２方向の直線偏光である励起光Ｌ１ｄを含む。λ／２波長板３５は、励起光Ｌ１ｃの光量と励起光Ｌ１ｄの光量とが所定の比率になるように、その光学軸（進相軸、遅相軸）の方向が設定される。
　λ／２波長板３５を通った励起光Ｌ１（励起光Ｌ１ｃおよび励起光Ｌ１ｄ）は、偏光分離素子３６に入射する。偏光分離素子３６は、コリメーターレンズ１２の光軸１２ａに対して傾いた偏光分離膜３６ａを有する。偏光分離膜３６ａは、第１方向の直線偏光が反射し、第２方向の直線偏光が透過する特性を有する。偏光分離素子３６は、例えば、偏光ビームスプリッタプリズム（ＰＢＳプリズム）である。上記の第１方向の直線偏光は、偏光分離膜３６ａに対するＳ偏光である。上記の第２方向の直線偏光は、偏光分離膜３６ａに対するＰ偏光である。
　偏光分離膜３６ａに対するＳ偏光である励起光Ｌ１ｃは、偏光分離膜３６ａで反射し、ミラー３７を介してマスク３８に入射する。偏光分離膜３６ａに対するＰ偏光である励起光Ｌ１ｄは、偏光分離膜３６ａを透過し、ミラー３９を介してマスク４０に入射する。マスク３８およびマスク４０は、蛍光物質を励起する励起光を複数の光束に分割する光束分割部である。マスク３８およびマスク４０については、後に図１９を参照して説明する。
　マスク３８を通った励起光Ｌ１ｃおよびマスク４０を通った励起光Ｌ１ｄは、それぞれ、偏光分離素子４１に入射する。偏光分離素子４１は、励起光Ｌ１ｃの光路および励起光Ｌ１ｄの光路に対して傾いた偏光分離膜４１ａを有する。偏光分離膜４１ａは、第１方向の直線偏光が反射し、第２方向の直線偏光が透過する特性を有する。偏光分離素子４１は、例えば、偏光ビームスプリッタプリズム（ＰＢＳプリズム）である。上記の第１方向の直線偏光は、偏光分離膜４１ａに対するＳ偏光である。上記の第２方向の直線偏光は、偏光分離膜４１ａに対するＰ偏光である。
　励起光Ｌ１ｃは、偏光分離膜４１ａに対してＳ偏光になっており、偏光分離膜４１ａで反射してダイクロイックミラー１６に入射する。励起光Ｌ１ｄは、偏光分離膜４１ａに対するＰ偏光になっており、偏光分離膜４１ａを透過してダイクロイックミラー１６に入射する。なお、偏光分離素子３６および偏光分離素子４１の一方または双方は、ＰＢＳプリズムでなくてもよい。偏光分離素子３６および偏光分離素子４１の一方または双方は、ＴＥ偏光とＴＭ偏光とで反射、透過が異なるフォトニック結晶などでもよい。
　図１９は、第８実施形態に係るマスクおよび励起光の偏光状態を示す図である。図１９（Ａ）において、Ｘｃ方向、Ｙｃ方向、Ｚｃ方向は、それぞれ、試料面Ｓａ（図１８参照）におけるＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に対応する方向である。マスク３８は、開口３８ａおよび開口３８ｂを有する。マスク３８は、瞳面共役面またはその近傍１００ｍｍ以内に配置される。開口３８ａおよび開口３８ｂは、Ｘｃ方向に並んでいる。開口３８ａおよび開口３８ｂは、例えば円形であるが、円形以外の形状でもよい。
　図１９（Ｂ）において、Ｘｄ方向、Ｙｄ方向、Ｚｄ方向は、それぞれ、試料面Ｓａ（図１８参照）におけるＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に対応する方向である。マスク４０は、瞳面共役面またはその近傍１００ｍｍ以内に配置される。マスク３８またはマスク４０は、瞳面またはその近傍１００ｍｍ以内に配置されてもよい。マスク４０は、開口４０ａおよび開口４０ｂを有する。開口４０ａおよび開口４０ｂは、Ｙｄ方向に並んでいる。開口４０ａおよび開口４０ｂは、例えば円形であるが、円形以外の形状でもよい。
　図１９（Ｃ）において、符号ＡＲ２ａは、対物レンズ２１の瞳面Ｐ０において、マスク３８の開口３８ａを通った励起光Ｌ１ｃが入射する領域である。符号ＡＲ２ｂは、瞳面Ｐ０において、マスク３８の開口３８ｂを通った励起光Ｌ１ｃが入射する領域である。領域ＡＲ２ａ、領域ＡＲ２ｂにおける矢印は、入射する励起光Ｌ１ｃの偏光方向を示す。領域ＡＲ２ａと領域ＡＲ２ｂとは、Ｘ方向に並んでいる。
　領域ＡＲ２ａに入射する励起光Ｌ１ｃおよび領域ＡＲ２ｂに入射する励起光Ｌ１ｃは、それぞれ、Ｙ方向の直線偏光である。領域ＡＲ２ａに入射する励起光Ｌ１ｃと領域ＡＲ２ｂに入射する励起光Ｌ１ｃとは、偏光方向が同じであり、試料面Ｓａ（図１８参照）において互いに干渉する。この干渉によって、試料面Ｓａには、周期方向がＸ方向の干渉縞が形成される。試料面Ｓａに対する励起光Ｌ１ｃの入射面は、ＸＺ面であり、励起光Ｌ１ｃは、試料ＳにＳ偏光で入射する。
　また、図１９（Ｃ）において、符号ＡＲ２ｃは、瞳面Ｐ０において、マスク４０の開口４０ａを通った励起光Ｌ１ｄが入射する領域である。符号ＡＲ２ｄは、瞳面Ｐ０において、マスク４０の開口４０ｂを通った励起光Ｌ１ｄが入射する領域である。領域ＡＲ２ｃ、領域ＡＲ２ｄにおける矢印は、入射する励起光Ｌ１ｄの偏光方向を示す。領域ＡＲ２ｃと領域ＡＲ２ｄとは、Ｙ方向に並んでいる。
　領域ＡＲ２ｃに入射する励起光Ｌ１ｄおよび領域ＡＲ２ｄに入射する励起光Ｌ１ｄは、それぞれ、Ｘ方向の直線偏光である。領域ＡＲ２ｃに入射する励起光Ｌ１ｄと領域ＡＲ２ｄに入射する励起光Ｌ１ｄとは、偏光方向が同じであり、試料面Ｓａ（図１８参照）において互いに干渉する。この干渉によって、試料面Ｓａには、周期方向がＹ方向の干渉縞が形成される。試料面Ｓａに対する励起光Ｌ１ｄの入射面は、ＹＺ面であり、励起光Ｌ１ｃは、試料ＳにＳ偏光で入射する。
　図１８の説明に戻り、試料面Ｓａには、励起光Ｌ１ｃの干渉による干渉縞と、励起光Ｌ１ｄの干渉による干渉縞とを合成した干渉縞Ｌ２が形成される。なお、励起光Ｌ１ｃと励起光Ｌ１ｄとで偏光方向が互いにほぼ直交するので、励起光Ｌ１ｃと励起光Ｌ１ｄとの干渉が抑制される。
　検出装置６は、試料Ｓからの蛍光Ｌ３を、検出光学系５を介して検出する。検出装置６は、第１実施形態で説明したように、Ｘｂ方向とＹｂ方向との２方向に複数の検出部６ａが配列されたイメージセンサである。画像処理部７は、検出装置６の検出結果に基づいて、画像を生成する。ここでは、画像処理によって干渉縞Ｌ２のＰＳＦの位相をシフトさせる場合について説明する
　図２０は、第８実施形態に係る瞳共役面、及び成分分離に用いる周波数空間の領域を示す図である。図２０（Ａ）では、瞳共役面Ｐ１を波数座標空間で表している。図２０（Ａ）に示すｋＮＡ ｅｘ（点線で書かれた円）は、対物レンズ２１の瞳半径である。励起光Ｌ１ｃが入射する領域ＡＲ２ａおよび領域ＡＲ２ｂと、励起光Ｌ１ｄが入射する領域ＡＲ２ｃおよび領域ＡＲ２ｄとは、ここではそれぞれ円形であるとするが、円形に限られない。領域ＡＲａから領域ＡＲｄの各領域の半径は、σｋＮＡ ｅｘである。領域ＡＲａから領域ＡＲｄの各領域の中心と、対物レンズ２１の光軸２１ａとの距離は、（１－σ）ｋＮＡ ｅｘである。領域ＡＲ２ａの中心と領域ＡＲ２ｂの中心との距離は、例えば２（１－σ）ｋＮＡ ｅｘであるが、この値に限らない。また、領域ＡＲ２ｃの中心と領域ＡＲ２ｄの中心との距離は、例えば２（１－σ）ｋＮＡ ｅｘであるが、この値に限らない。
　試料面Ｓａでの電場強度ｉｌｌ（ｒ）は、下記の式（３５）で表される。式（３５）において、ｋ０x、ｋ０yは、それぞれ干渉縞Ｌ２の波数ベクトルである。ｋ０xは、ｋ０x＝（ｋ０，０）で表される。ｋ０yは、ｋ０y＝（０，ｋ０）で表される。ｋ０x、ｋ０yの成分であるｋ０は、ｋ０＝２（１－σ） ｋＮＡ ｅｘで表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000035
　本実施形態においては、照明瞳が４極であり、周期方向がＸ方向の干渉縞と周期方向がＹ方向の干渉縞との足し合わせになる。検出装置６によって得られる画像データＩ（ｒ，ｒｓ）は、下記の式（３６）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000036
　画像処理部７は、式（３６）のＩ（ｒ，ｒｓ）をｒ，ｒｓについて、下記の式（３７）に示すように４次元フーリエ変換する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000037
　式（３７）において、ＯＴＦｄｅｔは、ＰＳＦｄｅｔのフーリエ変換であり、検出光学系５のＯＴＦを表す。また、ｉｌｌ～は、ｉｌｌのフーリエ変換である。また、ＯＴＦｉｌｌは、ＰＳＦｉｌｌのフーリエ変換である。φｘ、φｙは、それぞれ、干渉縞Ｌ２のＸ方向の初期位相、干渉縞Ｌ２のＹ方向の初期位相である。Ｏｂｊ～は、Ｏｂｊのフーリエ変換である。式（３７）は、下記の式（３８）に示すように、５つの項の和になっている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000038
　式（３８）の右辺の各項は、下記の式（３９）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000039
　ここで、I０ ～（ｋ，ｋｓ）を０次成分と称し、I～ ＋１，ｘ（ｋ，ｋｓ）をＸ方向の＋１次成分と称し、I～ －１，ｘ（ｋ，ｋｓ）をＸ方向の－１次成分と称する。また、I～ ＋１，ｙ（ｋ，ｋｓ）をＹ方向の＋１次成分と称し、I～ －１，ｙ（ｋ，ｋｓ）をＹ方向の－１次成分と称する。図２０（Ｂ）において、符号ＡＲ３ａは、０次成分のデータが存在する領域（以下０次成分の領域という）である。符号ＡＲ３ｂは、Ｘ方向の＋１次成分のデータが存在する領域（以下、Ｘ方向の＋１次成分の領域という）である。符号ＡＲ３ｃは、Ｘ方向の－１次成分のデータが存在する領域（以下、Ｘ方向の－１次成分の領域という）である。符号ＡＲ３ｄは、Ｙ方向の＋１次成分のデータが存在する領域（以下、Ｙ方向の＋１次成分の領域という）である。符号ＡＲ３ｅは、Ｙ方向の－１次成分のデータが存在する領域（以下、Ｙ方向の－１次成分の領域という）である。
　０次成分の領域ＡＲ３ａは、下記の式（４０）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000040
　Ｘ方向の＋１次成分の領域ＡＲ３ｂは、下記の式（４１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000041
　Ｘ方向の－１次成分の領域ＡＲ３ｃは、下記の式（４２）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000042
　Ｙ方向の＋１次成分の領域ＡＲ３ｄは、下記の式（４３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000043
　Ｙ方向の－１次成分の領域ＡＲ３ｅは、下記の式（４４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000044
　画像処理部７は、フーリエ変換によって得られたI～（ｋ，ｋｓ）から、フィルタリングによって各成分を抽出する。例えば、画像処理部７は、I～（ｋ，ｋｓ）のうち、上記の式（４０）を満たす領域におけるデータを、０次成分として抽出する。また、画像処理部７は、I～（ｋ，ｋｓ）のうち、上記の式（４１）を満たす領域におけるデータを、Ｘ方向の＋１次成分として抽出する。また、画像処理部７は、I～（ｋ，ｋｓ）のうち、上記の式（４２）を満たす領域におけるデータを、Ｘ方向の－１次成分として抽出する。また、画像処理部７は、I～（ｋ，ｋｓ）のうち、上記の式（４３）を満たす領域におけるデータを、Ｙ方向の＋１次成分として抽出する。また、画像処理部７は、I～（ｋ，ｋｓ）のうち、上記の式（４４）を満たす領域におけるデータを、Ｙ方向の－１次成分として抽出する。
　画像処理部７は、抽出した各成分を逆フーリエ変換することによって、実空間における各成分のデータを算出する。ここでは、実空間における０次成分をI０（ｒ，ｒｓ）で表し、実空間におけるＸ方向の＋１次成分をI＋１，ｘ（ｒ，ｒｓ）で表し、実空間におけるＸ方向の－１次成分をI－１，ｘ（ｒ，ｒｓ）で表す。また、実空間におけるＹ方向の＋１次成分をI＋１，ｙ（ｒ，ｒｓ）で表し、実空間におけるＹ方向の－１次成分をI－１，ｙ（ｒ，ｒｓ）で表す。
　画像処理部７は、上述のようにして得られた実空間における各成分のデータの少なくとも一部を用いて、検出装置６の検出部６ａごとの実効ＰＳＦが揃うように、ディテクター座標に合わせて干渉縞の位相をシフトする。画像処理部７は、下記の式（４５）に示す演算によって、実空間におけるＸ方向の＋１次成分、Ｘ方向の－１次成分、Ｙ方向の＋１次成分、及びＹ方向の－１次成分のそれぞれについて、位相をシフトする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000045
　式（４５）において、ψｘ（ｒ）は、Ｘ方向の＋１次成分および－１次成分のそれぞれに対する位相シフト量である。ψｙ（ｒ）は、Ｙ方向の＋１次成分および－１次成分のそれぞれに対する位相シフト量である。上記の位相シフト量は、例えば、ＰＳＦｄｅｔ（ｒ+ｒs）とＰＳＦｉｌｌ（ｒｓ）との積によって得られる関数のピーク位置と、干渉縞Ｌ２のピーク位置とが一致するように設定される。
　画像処理部７は、成分ごとの位相シフト処理の後に、下記の式（４６）に示すように各成分を足し合わせる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000046
　上述の位相シフト処理によって、検出装置６の検出部６ａごとに実効ＰＳＦがほぼ揃ったデータが得られる。画像処理部７は、位相シフト処理の後に、検出部６ａごとの位置ずれを補正する補正処理を行う。そして、画像処理部７は、補正処理されたデータを足し合わせることで、超解像画像を生成する。
　なお、成分分離に用いる領域は、上記の式（４１）から式（４４）に示した領域に限定されない。成分分離に用いる領域は、上記の式（４１）から式（４４）に示した領域よりも大きくてもよいし、小さくてもよい。また、マスク３８の開口３８ａおよび開口３８ｂ、マスク４０の開口４０ａおよび開口４０ｂの少なくとも１つは、円形でなくてもよい。成分分離に用いる領域は、マスクの開口が円形である場合、マスクの開口が円形以外の形状である場合のいずれについても、数値シミュレーション、理論計算等で求めることができる。
　なお、画像処理部７が行う処理は、第１実施形態から第４実施形態で説明した処理のいずれでもよい。例えば、第４実施形態で説明した周波数空間でのデコンボリューションを適用する場合、上記の式（２７）では３成分であったが、本実施形態では、０次成分、Ｘ方向の＋１次成分、Ｘ方向の－１次成分、Ｙ方向の＋１次成分、及びＹ方向の－１次成分の５成分を用いればよい。
［第９実施形態］
　第９実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図２１は、第９実施形態に係る顕微鏡を示す図である。本実施形態において、顕微鏡１は、図１３で説明したλ/２波長板３０および光路回転部３１を備える。光路回転部３１は、駆動部３２によって駆動され、照明光学系４の光軸の周りで回転する。光路回転部３１が回転すると、励起光Ｌ１ｃの光路および励起光Ｌ１ｄの光路は、それぞれ、照明光学系４の光軸の周りで回転する。その結果、試料面Ｓａに形成される干渉縞Ｌ２の周期方向は、Ｚ方向の周りで回転する。
　図２２は、第９実施形態に係る励起光の偏光状態を示す図である。図２２（Ａ）において、瞳面Ｐ０上で励起光Ｌ１ｃが入射する領域ＡＲ４ａは、Ｘ方向に並んでいる。また、瞳面Ｐ０上で励起光Ｌ１ｄが入射する領域ＡＲ４ｂおよび領域ＡＲ４ｂは、Ｙ方向に並んでいる。
　図２２（Ｂ）は、図２２（Ａ）の状態から、ダブプリズム（図２１の光路回転部３１）およびλ／２波長板３０が２２．５°回転した状態に相当する。図２２（Ｂ）において、瞳面Ｐ０上で励起光Ｌ１ｃが入射する領域ＡＲ４ａは、Ｘ方向から４５°回転した方向に並んでいる。この状態において、試料面Ｓａにおける励起光Ｌ１ｃの干渉縞の周期方向は、Ｘ方向から４５°回転した方向になる。また、瞳面Ｐ０上で励起光Ｌ１ｄが入射する領域ＡＲ４ｂは、Ｙ方向から４５°回転した方向に並んでいる。この状態において、試料面Ｓａにおける励起光Ｌ１ｄの干渉縞の周期方向は、Ｙ方向から４５°回転した方向になる。
　図２１の説明に戻り、本実施形態において、検出装置６は、干渉縞Ｌ２の周期方向が変更される前後のそれぞれにおいて、試料Ｓからの蛍光Ｌ３を検出する。画像処理部７は、干渉縞Ｌ２の周期方向の変更前における検出装置６の検出結果と、干渉縞Ｌ２の周期方向の変更後における検出装置６の検出結果とに基づいて、画像を生成する。なお、光路回転部３１は、図１４で説明したように、ダイクロイックミラー１６と検出装置６との間の光路に配置されてもよい。
［第１０実施形態］
　第１０実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。第９実施形態において、顕微鏡１は、光路回転部３１によって干渉縞Ｌ２の周期方向を変更するが、干渉縞Ｌ２の周期方向を変更する縞方向変更部は、光路回転部３１と別の態様でもよい。
　図２３は、第１０実施形態に係る顕微鏡を示す図である。図２４は、第１０実施形態に係るマスクを示す図である。本実施形態において、顕微鏡１は、駆動部４５および駆動部４６を備える。マスク３８は、励起光Ｌ１ｃの光軸の周りで回転可能である。マスク３８は、駆動部４５に駆動されて、回転する（図２４（Ａ）参照）。図２４（Ａ）において、マスク３８は、時計周りに４５°回転している。
　また、マスク４０は、励起光Ｌ１ｄの光軸の周りで回転可能である。マスク４０は、駆動部４６に駆動されて、回転する（図２４（Ｂ）参照）。駆動部４６は、駆動部４５がマスク３８を回転させる角度と同じ角度だけ、マスク４０を回転させる。図２４（Ｂ）において、マスク４０は、時計周りに４５°回転している。これにより、試料面Ｓａにおける干渉縞Ｌ２の周期方向は、Ｚ方向の周りで４５°回転する。
　偏光分離素子４１とダイクロイックミラー１６との間の光路には、λ/２波長板４８が設けられる。λ/２波長板４８は、駆動部４９によって駆動され、照明光学系４の光軸の周りで回転する。λ/２波長板４８および駆動部４９は、励起光Ｌ１ｃおよび励起光Ｌ１ｄのそれぞれについて、Ｓ偏光で試料Ｓに入射するように調整する。
［第１１実施形態］
　第１１実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図２５は、第１１実施形態に係る顕微鏡を示す図である。本実施形態において、顕微鏡１は、リレー光学系４７を備える。リレー光学系４７は、照明光学系４の一部であり、かつ検出光学系５の一部である。リレー光学系４７は、走査部１８において、偏向ミラー１８ａと偏向ミラー１８ｂとの間の光路に配置される。偏向ミラー１８ａは、対物レンズ２１の瞳面Ｐ０と光学的に共役な第１瞳共役面とほぼ同じ位置に配置される。リレー光学系４７は、偏向ミラー１８ｂとレンズ１９との間に上記の第１瞳共役面と光学的に共役な第２瞳共役面が形成されるように設けられる。偏向ミラー１８ｂは、上記の第２瞳共役面とほぼ同じ位置に配置される。
　なお、走査部１８は、上述の形態に限定されない。例えば、ステージ２は、対物レンズ２１に対してＹ方向に移動するＹステージを含み、走査部１８は、偏向ミラー１８ｂの代わりにＹステージを含んでもよい。この場合、走査部１８は、偏向ミラー１８ａによって試料Ｓを励起光Ｌ１でＸ方向に走査し、Ｙステージの移動によって試料Ｓを励起光Ｌ１でＹ方向に走査してもよい。この場合、偏向ミラー１８ａは、対物レンズ２１の瞳面Ｐ０と光学的に共役な瞳共役面とほぼ同じ位置に配置されてもよい。
　また、ステージ２は、対物レンズ２１に対してＸ方向に移動するＸステージを含み、走査部１８は、偏向ミラー１８ａの代わりにＸステージを含んでもよい。この場合、走査部１８は、上記のＸステージの移動によって試料Ｓを励起光Ｌ１でＸ方向に走査し、偏向ミラー１８ｂによって試料Ｓを励起光Ｌ１でＹ方向に走査してもよい。この場合、偏向ミラー１８ｂは、対物レンズ２１の瞳面Ｐ０と光学的に共役な瞳共役面とほぼ同じ位置に配置されてもよい。
　また、ステージ２は、対物レンズ２１に対してＸ方向に移動するＸステージと、対物レンズ２１に対してＹ方向に移動するＹステージとを含み、走査部１８は、上記のＸステージおよびＹステージを含んでもよい。この場合、走査部１８は、上記のＸステージの移動によって試料Ｓを励起光Ｌ１でＸ方向に走査し、上記のＹステージの移動によって試料Ｓを励起光Ｌ１でＹ方向に走査してもよい。
　上述の実施形態においては、試料Ｓを干渉縞で走査する走査方向がＸ方向およびＹ方向の２方向であり、照明光学系４は、試料Ｓを干渉縞で２次元的に走査する。なお、試料Ｓを干渉縞で走査する走査方向は、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向の３方向でもよい。例えば、顕微鏡１は、試料Ｓを干渉縞でＸ方向およびＹ方向に走査して２Ｄ画像を取得する２Ｄ処理を実行し、干渉縞が生成されるＺ方向の位置を変更して２Ｄ処理を繰り返すことで、試料Ｓを干渉縞で三次元的に走査してもよい。顕微鏡１は、試料Ｓを干渉縞で三次元的に走査することで、Ｚ方向の位置が異なる複数の２Ｄ画像を取得し、３Ｄ画像（例、Z-stack）を生成してもよい。試料Ｓを干渉縞で三次元的に走査する場合、照明光学系４がＸ方向およびＹ方向に走査し、ステージ２の移動によってＺ方向に走査してもよい。また、照明光学系４が試料Ｓを干渉縞で三次元的に走査してもよい。
［変形例］
　以下、変形例について説明する。上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図２６及び図２７は、変形例に係る照明瞳を示す図である。
　照明瞳は、図２において２極であり、図２０において４極であるが、図２６（Ａ）において３極である。符号ＡＲ５ａから符号ＡＲ５ｃは、それぞれ、瞳面Ｐ０において励起光が入射する領域である。この場合、領域ＡＲ５ａに入射した励起光と領域ＡＲ５ｂに入射した励起光との第１干渉縞と、領域ＡＲ５ｂに入射した励起光と領域ＡＲ５ｃに入射した励起光との第２干渉縞と、領域ＡＲ５ｃに入射した励起光と領域ＡＲ５ａに入射した励起光との第３干渉縞とが形成される。試料面Ｓａには、上記の第１干渉縞と第２干渉縞と第３干渉縞とを合成した干渉縞が形成される。この干渉縞は、第１干渉縞の周期方向と、第２干渉縞の周期方向と、第３干渉縞の周期方向とがそれぞれ周期方向であり、周期方向が３方向であるので、３方向において超解像効果を得ることができる。なお、照明瞳は、５以上の極を有してもよい。
　また、照明瞳は、図２などにおいて円形であるが、その他の形状でもよい。図２６（Ｂ）および図２６（Ｃ）において、符号ＡＲ６は、励起光が入射する領域である。図２６（Ｂ）の領域ＡＲ６は、対物レンズ２１の光軸２１ａを中心とする円の一部である円ＡＲ６ａと、円弧ＡＲ６ａの両端を結ぶ直線ＡＲ６ｂとに囲まれる領域である。また、図２６（Ｃ）の領域ＡＲ６は、対物レンズ２１の光軸２１ａを中心とする円の一部である円弧と、円弧ＡＲ６ａと対称な曲線ＡＲ６ｃとに囲まれる領域である。
　図２６（Ｂ）あるいは図２６（Ｃ）の形状の照明瞳である場合、円形の照明瞳である場合と比較して、干渉縞が形成されない方向の分解能が良くなり、セクショニングも良くなる。また、図２６（Ｂ）の形状の照明瞳である場合、図２６（Ｃ）の形状の照明瞳である場合と比較して、干渉縞が形成されない方向の分解能が良くなり、セクショニングも良くなる。また、図２６（Ｃ）の形状の照明瞳である場合、図２６（Ｂ）の形状の照明瞳である場合と比較して、干渉縞が形成される方向の分解能がよい。
　図２７（Ａ）において、照明瞳は、図２６（Ｂ）に示した形状の照明瞳を４極にした形態である。図２７（Ｂ）において、照明瞳は、図２６（Ｃ）に示した形状の照明瞳を４極にした形態である。なお、円形以外の形状の照明瞳である場合についても、励起光が入射する複数の領域の数（極の数）は、２以上の任意の数に設定される。また、瞳面Ｐ０において励起光が入射する複数の領域のうち、１つの領域の形状が他の領域の形状と異なってもよい。また、瞳面Ｐ０において励起光が入射する複数の領域のうち、１つの領域の寸法が他の領域の寸法と異なってもよい。また、瞳面Ｐ０において励起光が入射する複数の領域は、対物レンズ２１の光軸２１ａに関して非対称に配置されてもよい。
　照明瞳の各極の形状、寸法、及び配置は、例えば、図２に示したマスク１５の開口の形状、寸法、及び配置を設計することで実現可能である。また、マスク１５は、光を遮る領域が可変な機械式の絞り、あるいは空間光変調器（ＳＬＭ）などでもよい。
　図２８は、変形例に係る顕微鏡を示す図である。図２８において、照明光学系４は、光ファイバー１１からダイクロイックミラー１６へ向かう順に、コリメーターレンズ５０、λ／２波長板５１、レンズ５２、回折格子５３、レンズ５４、及びマスク１５を備える。コリメーターレンズ５０は、光ファイバー１１からの励起光Ｌ１をほぼ平行光に変換する。λ／２波長板５１は、試料Ｓに入射する際の励起光Ｌ１の偏光状態を調整する。レンズ５２は、励起光Ｌ１を回折格子５３に集光する。
　回折格子５３は、励起光Ｌ１を回折によって複数の光束に分岐させる。回折格子５３は、蛍光物質を励起する励起光を複数の光束に分割する光束分割部である。回折格子５３はレンズ５２の焦点もしくは焦点近傍１ｍｍ以内の位置に配置される。つまり、回折格子５３は試料面Ｓａと共役な面もしくはその近傍１ｍｍ以内に配置される。上記の複数の光束は、０次回折光、＋１次回折光、及び－１次回折光を含む。レンズ５４は、０次回折光、＋１次回折光、及び－１次回折光をそれぞれほぼ平行光に変換する。マスク１５は、０次回折光を遮光し、かつ、＋１次回折光の少なくとも一部と－１次回折光の少なくとも一部とが通るように設けられる。このような形態においては、マスク１５を透過する励起光Ｌ１の光量を増やすことができる。なお、回折格子５３は、０次回折光が発生しないように設計されてもよい。また、マスク１５を設けないような構成をとってもよい。
　図２９および図３０は、それぞれ、変形例に係る偏光調整部を示す図である。照明光学系４は、図１に示したダイクロイックミラー１６などの反射部材によって光路が折れ曲がるが、図２９、図３０においては、照明光学系４を、光軸４ａが直線になるように展開して示した。図２９、図３０において、Ｚ方向は光軸４ａと平行な方向であり、Ｘ方向およびＹ方向は、それぞれ、光軸４ａと垂直な方向である。
　図２９において、照明光学系４は、λ／４波長板６１、マスク１５、及びλ／４波長板６２を含む。光ファイバー１１から出射した励起光Ｌ１は、ほぼＸ方向の直線偏光であり、λ／４波長板６１に入射する。なお、光ファイバー１１とλ／４波長板６１との間の光路に、透過軸がＸ方向の偏光子（例、偏光板）が設けられてもよい。
　λ／４波長板６１の進相軸は、＋Ｚ側から見た場合にＸ方向を反時計回りに４５°回転させた方向に設定される。λ／４波長板６１を通った励起光Ｌ１は、円偏光となりマスク１５に入射する。マスク１５の開口１５ａ、開口１５ｂを通った励起光Ｌ１は、円偏光であり、λ／４波長板６２に入射する。λ／４波長板６２の進相軸は、＋Ｚ側から見た場合にＸ方向を時計回りに４５°回転させた方向に設定される。λ／４波長板６２を通った励起光Ｌ１は、Ｘ方向の直線偏光となり、試料に照射される。
　マスク１５は、第１実施形態で説明したように、光軸４ａの周りで回転可能に設けられる。マスク１５が回転すると、干渉縞の周期方向が変化する。例えば、図２９の状態において、マスク１５の開口１５ａと開口１５ｂとはＹ方向に並んでおり、干渉縞の周期方向はＹ方向になる。図２９の状態からマスク１５が９０°回転すると、干渉縞の周期方向は９０°回転して、Ｘ方向になる。
　λ／４波長板６２は、光軸４ａの周りで回転可能である。λ／４波長板６２は、マスク１５と同じ角度だけ回転するように、設けられる。例えば、λ／４波長板６２は、マスク１５と一体化され、マスク１５と一体的に回転する。例えばマスク１５が９０°回転すると、λ／４波長板６２は、９０°回転して、その進相軸がλ／４波長板６１の進相軸と平行になる。この場合、λ／４波長板６２を通った励起光Ｌ１は、Ｙ方向の直線偏光になる。試料面に対する励起光Ｌ１の入射面は、干渉縞の周期方向と平行であり、試料面に入射する際の励起光Ｌ１が干渉縞の周期方向と垂直な直線偏光であるので、励起光Ｌ１は、Ｓ偏光の状態で試料面に照射される。
　このように、λ／４波長板６２は、試料に入射する際の励起光の偏光状態を調整する偏光調整部に含まれる。このような偏光調整部は、図１で説明した態様に比べて、励起光Ｌ１の光量のロスを低減することができる。
　図３０において、照明光学系４は、偏光子６５、マスク１５、及びλ／２波長板６６を含む。光ファイバー１１か出射した励起光Ｌ１は、ほぼＸ方向の直線偏光であり、偏光子６５に入射する。偏光子６５は、透過軸がＸ方向に設定される。偏光子６５通った励起光Ｌ１は、Ｘ方向の直線偏光であり、マスク１５に入射する。マスク１５の開口１５ａ、開口１５ｂを通った励起光Ｌ１は、Ｘ方向の直線偏光であり、λ／２波長板６６に入射する。λ／２波長板６６の進相軸は、＋Ｚ側から見た場合にＸ方向を時計回りに４５°回転させた方向に設定される。λ／２波長板６６を通った励起光Ｌ１は、Ｙ方向の直線偏光となり、試料に照射される。
　マスク１５は、第１実施形態で説明したように、光軸４ａの周りで回転可能に設けられる。マスク１５が回転すると、干渉縞の周期方向が変化する。例えば、図３０の状態において、マスク１５の開口１５ａと開口１５ｂとはＸ方向に並んでおり、干渉縞の周期方向はＸ方向になる。図２９の状態からマスク１５が９０°回転すると、干渉縞の周期方向は９０°回転して、Ｙ方向になる。
　λ／２波長板６６は、光軸４ａの周りで回転可能である。λ／２波長板６６は、マスク１５の回転角の半分の角度だけ回転するように、設けられる。例えばマスク１５が９０°回転すると、λ／２波長板６６は、４５°回転する。この場合、λ／２波長板６６を通った励起光Ｌ１は、Ｘ方向の直線偏光になる。試料面に対する励起光Ｌ１の入射面は、干渉縞の周期方向と平行であり、試料面に入射する際の励起光Ｌ１が干渉縞の周期方向と垂直な直線偏光であるので、励起光Ｌ１は、Ｓ偏光の状態で試料面に照射される。このように、λ／２波長板６６は、試料に入射する際の励起光の偏光状態を調整する偏光調整部に含まれる。このような偏光調整部は、図１で説明した態様に比べて、励起光Ｌ１の光量のロスを低減することができる。
　なお、実施形態に係る顕微鏡１は、検出装置６がイメージセンサーを含み、検出光学系５の光軸の周りで試料Ｓの像を回転させる像回転部を備えてよい。縞方向を回転した場合に、試料Ｓの像を回転することによって縞周期と検出部の位置を整合させることができる。
　上述の実施形態において、画像処理部７は、例えばコンピュータシステムを含む。画像処理部７は、記憶部に記憶されている画像処理プログラムを読み出し、この画像処理プログラムに従って各種の処理を実行する。この画像処理プログラムは、コンピュータに、検出装置６の検出結果に基づいて画像を生成することを実行させる。上記の検出装置６の検出結果は、光源からの光を複数の光束に分割し、複数の光束の少なくとも一部の光束の干渉によって生成される干渉縞によって、試料を複数の方向において走査し、試料からの光が入射する検出光学系を介して、複数の検出部を含む検出装置によって、試料からの光を検出して得られる。
　なお、本発明の技術範囲は、上述の実施形態などで説明した態様に限定されるものではない。上述の実施形態などで説明した要件の１つ以上は、省略されることがある。また、上述の実施形態などで説明した要件は、適宜組み合わせることができる。また、法令で許容される限りにおいて、上述の実施形態などで引用した全ての文献の開示を援用して本文の記載の一部とする。
１・・・顕微鏡、３・・・光源、４・・・照明光学系、５・・・検出光学系、６・・・検出装置、６ａ・・・複数の検出部、７・・・画像処理部、Ｌ２・・・干渉縞
 

Claims (25)

  1. 　光源からの光を複数の光束に分割する光束分割部を有し、前記光束分割部により分割された前記複数の光束の少なくとも一部の光束の干渉によって生成される干渉縞によって、試料を複数の方向において走査する照明光学系と、
    　前記試料からの光が入射する検出光学系と、
    　前記検出光学系を介して前記試料からの光を検出する複数の検出部を含む検出装置と、
    　前記検出装置の２以上の検出部の検出結果を用いて画像を生成する画像処理部と、を備える顕微鏡。
  2. 　前記干渉縞は、前記干渉縞の周期方向において３以上の明部を有する、
    　請求項１に記載の顕微鏡
  3. 　前記照明光学系は、対物レンズを有し、
    　前記光束分割部は、複数の開口部を有する開口部材を含み、
    　前記開口部材は、前記対物レンズの瞳面、前記瞳面の近傍、瞳共役面、又は前記瞳共役面の近傍に配置される、
    　請求項１又は請求項２に記載の顕微鏡
  4. 　前記光束分割部は、回折格子を含み、
    　前記回折格子は、前記試料と共役な位置又はその近傍に配置される、
    　請求項１又は請求項２に記載の顕微鏡。
  5. 　前記検出装置は、前記複数の検出部が１方向に配列されたラインセンサを含む、
    　請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の顕微鏡。
  6. 　前記検出装置は、前記複数の検出部が２方向に配列されたイメージセンサを含む、
    　請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の顕微鏡。
  7. 　前記試料に対する前記干渉縞の方向を変更する縞方向変更部を備える、
    　請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の顕微鏡。
  8. 　前記試料の像を前記複数の検出部に対して、前記検出光学系の光軸の周りで回転させる像回転部を備える、
    　請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の顕微鏡。
  9. 　前記像回転部は、前記検出光学系のうち前記照明光学系と重複しない光路に配置される、
    　請求項８に記載の顕微鏡。
  10. 　前記縞方向変更部と前記像回転部とは同一の部材により構成される、
    　請求項８に記載の顕微鏡。
  11. 　前記試料に入射する際の前記光の偏光状態を調整する偏光調整部を備える、
    　請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の顕微鏡。
  12. 　前記複数の検出部の位置は、前記検出光学系の倍率および前記干渉縞の周期に基づいて設定される、
    　請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の顕微鏡。
  13. 　前記画像処理部は、前記検出光学系の倍率および前記干渉縞の周期に基づいて、前記複数の検出部から選択される検出部の検出結果を用いて前記画像を生成する、
    　請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の顕微鏡。
  14. 　前記画像処理部は、前記複数の検出部の少なくとも１つの検出部から得られるデータを、その検出部の位置に基づいて補正する、
    　請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の顕微鏡。
  15. 　前記画像処理部は、前記複数の検出部の少なくとも一部の検出結果を周波数空間上のデータへ変換する
    　請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の顕微鏡。
  16. 　前記画像処理部は、前記複数の検出部の少なくとも一部の検出結果を、フーリエ変換によって前記周波数空間上のデータへ変換する、
    　請求項１５に記載の顕微鏡。
  17. 　前記画像処理部は、前記周波数空間上のデータに対してフィルタリングを行って、前記画像を生成する、
    　請求項１５又は請求項１６に記載の顕微鏡。
  18. 　前記画像処理部は、前記周波数空間上のデータを前記周波数空間の複数の領域に分離して、前記画像を生成する、
    　請求項１５から請求項１７のいずれか１項に記載の顕微鏡。
  19. 　前記画像処理部は、前記干渉縞の光強度分布に基づいて、前記周波数空間上のデータを前記周波数空間の複数の領域に分離する、
    　請求項１８に記載の顕微鏡。
  20. 　前記複数の領域は、互いに重複しないように設定される、
    　請求項１８または請求項１９に記載の顕微鏡。
  21. 　前記画像処理部は、前記分離によって得られるデータの少なくとも一部の位相を変換して前記画像を生成する、
    　請求項１８から請求項２０のいずれか１項に記載の顕微鏡。
  22. 　前記画像処理部は、前記干渉縞の光強度分布および前記検出部の位置に基づいて、前記位相を変換する量を決定する、
    　請求項２１に記載の顕微鏡。
  23. 　前記画像処理部は、前記検出装置から得られるデータに対してデコンボリューションを実行して、前記画像を生成する、
    　請求項１から請求項２２のいずれか１項に記載の顕微鏡。
  24. 　前記画像処理部は、前記複数の検出部の少なくとも１つの検出部から得られるデータに対して、その検出部の位置、及び前記干渉縞の光強度分布に基づいて前記デコンボリューションを実行する、
    　請求項２３に記載の顕微鏡。
  25. 　光源からの光を複数の光束に分割し、前記複数の光束の少なくとも一部の光束の干渉によって生成される干渉縞によって、試料を複数の方向において走査することと、
    　前記試料からの光が入射する検出光学系を介して、複数の検出部を含む検出装置によって、前記試料からの光を検出することと、
    　前記検出装置の２以上の検出部の検出結果を用いて画像を生成することと、を含む観察方法。
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