JP4061842B2 - 紙葉類鑑別装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紙葉類の真偽を鑑別するための紙葉類鑑別装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、紙幣・有価証券・商品券等の紙葉類又はクレジットカード・キャッシュカードというプラスチックカード（以下、本明細書中これら総称して単に紙葉類という。）が偽造されるケースが増えている。対応策としてこれらの紙葉類に、見る角度により明暗・色が変化するＯＶＩ（Optical Variable Ink）等により印刷された文字・図形・記号や、ホログラムなどによる文字・図形・記号（以下、これらを単に変色要素という。）を設け、見る角度に応じて色の見え方が異なる紙葉類とする場合がある。
【０００３】
これらの変色要素を備えた紙葉類の偽造は困難であり、大量に発行する紙葉類に変色要素を設けることは偽造を防止する有効な手段である。
この変色要素の判別は、人間による判別と機械による判別が存在する。紙葉類を人間が判別しようとするとき、紙葉類を傾けながら変色要素を観察すれば、見る方向により変色要素の色が変化するので真偽を容易に確認できる。
一方、自動販売機、両替機、または、無人店舗等の入出金機等に挿入された紙葉類（特に紙幣）を自動的に判別する場合、変色要素が見る角度により異なる点を利用し、複数の方向からの色を検出して変色要素の有無を検出する。
【０００４】
このような紙葉類に設けられた変色要素の検出動作を実現する鑑別装置（以下、紙葉類鑑別装置という。）の従来技術について説明する。図１８，図１９は従来技術の紙葉類鑑別装置の構成図である。
例えば、図１８で示す従来技術の紙葉類鑑別装置では、光源２と、２組のレンズ８、光バンドパスフィルタである２組のフィルタ９、２組の受光素子１０を備えており、異なる２方向から色を検出している。
また、図１９で示す従来技術の紙葉類鑑別装置では、１台のＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ１１を備え、ＣＣＤカメラ１１が広範囲に紙葉類の色を検出している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術による変色要素を検出する紙葉類鑑別装置の構成にあっては、図１８で示したような高価な光学部品であるレンズ８、フィルタ９、受光素子１０を少なくとも２組以上用いる構成や、図１９で示したような高価のＣＣＤカメラ１１を用いる構成とする必要があることから、いずれも高コストの紙葉類鑑別装置となり、低コスト化が望まれる自動販売機などの装置では、コスト的な問題が生じる。
【０００６】
また、図１８で示した従来技術では、レンズ８、フィルタ９、受光素子１０を２組以上設ける構成となって全体形状が大きく、また、図１９で示した従来技術では、ＣＣＤカメラ１１も形状が大きいため、小型化が求められる自動販売機などではこれら技術を採用できないという問題があった。
以上に述べたように従来技術の課題は、上記変色要素を検出する紙葉類鑑別装置の低コスト化および小型化である。
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、形状が小さく、かつ安価な構成で、精度良く変色要素を判別する紙葉類鑑別装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、
変色要素を備える紙葉類の真偽を鑑別する装置において、
紙葉類の変色要素に対し白色光または予め定められた波長を含む光を照射する光源と、
この光源と紙葉類との相対位置に変化を与えることにより前記変色要素の透過または反射光に波長および出射角度が異なる第１，第２の検出光を生ぜしめる移動手段と、
第１，第２検出光を入射の後に偏向し、第１，第２透過光または第１，第２反射光を出射する透過型または反射型の第１の回折型光学素子と、
前記第１の回折型光学素子から出射される第１，第２透過光または第１，第２反射光を相違する波長に応じて異なる方向へ偏向し、第３，第４透過光または第３，第４反射光を出射する透過型または反射型の第２の回折型光学素子と、
前記第２の回折型光学素子から出射された第３，第４透過光または第３，第４反射光を受光し、受光位置に応じて検出信号を出力する位置検出素子と、
前記位置検出素子から出力された検出信号により第３，第４透過光または第３，第４反射光の受光位置を判別し、第３，第４透過光、または、第３，第４反射光の受光位置が所定位置と一致する場合、紙葉類が真正であると判断する鑑別処理部と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に係る発明では、
請求項１に記載の紙葉類鑑別装置において、
前記第１の透過型または反射型の回折型光学素子は、第１，第２検出光を入射の後に偏向し、第１，第２透過光または第１，第２反射光を出射する複合機能を実現する表面形状を有する回折格子面を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に係る発明では、
請求項１に記載の紙葉類鑑別装置において、
前記第１の透過型または反射型の回折型光学素子は、
第１の検出光を入射の後に偏向し、第１透過光または第１反射光を出射する透過型または反射型の第１の部分と、
第２の検出光を入射の後に偏向し、第２透過光または第２反射光を出射する透過型または反射型の第２の部分と、
からなる表面形状を有する回折格子面を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４に係る発明では、
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の紙葉類鑑別装置において、
前記第２の透過型または反射型の回折型光学素子は、
前記第１の回折型光学素子から出射される第１，第２透過光または第１，第２反射光を相違する波長に応じて異なる方向へ偏向し、第３，第４透過光または第３，第４反射光を出射する複合機能を実現する表面形状を有する回折格子面を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項５に係る発明では、
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の紙葉類鑑別装置において、
前記第２の回折型光学素子から出射される第１透過光または第１反射光を相違する波長に応じて異なる方向へ偏向し、第３透過光または第３反射光を出射する透過型または反射型の第１の部分と、
前記第１の回折型光学素子から出射される第２透過光または第２反射光を相違する波長に応じて異なる方向へ偏向し、第４透過光または第４反射光を出射する透過型または反射型の第２の部分と、
からなる表面形状を有する回折格子面を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項６に係る発明では、
変色要素を備える紙葉類の真偽を鑑別する装置において、
紙葉類の変色要素に対し白色光または予め定められた波長を含む光を照射する光源と、
この光源と紙葉類との相対位置に変化を与えることにより前記変色要素の透過または反射光に波長および出射角度が異なる第１，第２の検出光を生ぜしめる移動手段と、
第１，第２検出光を入射の後に相違する波長に応じて異なる方向へ偏向し、第５，第６透過光または第５，第６反射光を出射する透過型または反射型の第３の回折型光学素子と、
前記第３の回折型光学素子から出射された第５，第６透過光または第５，第６反射光を受光し、受光位置に応じて検出信号を出力する位置検出素子と、
前記位置検出素子から出力された検出信号により第５，第６透過光または第５，第６反射光の受光位置を判別し、第５，第６透過光、または、第５，第６反射光の受光位置が所定位置と一致する場合、紙葉類が真正であると判断する鑑別処理部と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項７に係る発明では、
請求項６に記載の紙葉類鑑別装置において、
前記第３の透過型または反射型の回折型光学素子は、第１，第２検出光を入射の後に偏向し、第５，第６透過光または第５，第６反射光を出射する複合機能を実現する表面形状を有する回折格子面を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項８に係る発明では、
請求項６に記載の紙葉類鑑別装置において、
前記第３の透過型または反射型の回折型光学素子は、
第１の検出光を入射の後に偏向し、第５透過光または第５反射光を出射する透過型または反射型の第１の部分と、
第２の検出光を入射の後に偏向し、第６透過光または第６反射光を出射する透過型または反射型の第２の部分と、
からなる表面形状を有する回折格子面を備えることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項９に係る発明では、
請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の紙葉類鑑別装置において、
各回折型光学素子の形状の設計に際し、
光線を回折型光学素子に入射した場合の回折型光学素子面上における干渉パターンの位相分布を求め、
前記回折型光学素子面上に仮想的に引かれた複数の線に沿う前記位相分布の変化率からその位相分布の極大値および極小値を検索し、
前記仮想的な線に沿って隣り合った二つの前記極大値同士もしくは極小値同士を順次選出し、
前記二つの前記極大値同士を選出した場合には、それら二つの極大値の間に、それら二つの極大値の一方とそれら二つの極大値に挟まれた極小値との差が段差となるように、しかも、前記回折型光学素子から出射される透過光または反射光が所定方向へ向かうような斜面が形成されるように、前記位相分布を鋸歯状パターンで近似することにより、表面形状が決定される透過型又は反射型の回折型光学素子を用い、
前記二つの前記極小値同士を選出した場合には、それら二つの極小値の間に、それら二つの極小値の一方とそれら二つの極小値に挟まれた極大値との差が段差となるように、しかも、前記回折型光学素子からの透過光または反射光が所定方向へ向かうような斜面が形成されるように、前記位相分布を鋸歯状パターンで近似することにより、表面形状が決定される透過型又は反射型の回折型光学素子を用いることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項１０に係る発明では、
請求項９記載の紙葉類鑑別装置において、
前記位相分布が構成する回折格子と交差するように前記回折型光学素子面上に仮想的に引かれた互いに平行な複数の直線に沿って、前記位相分布の極大値および極小値が検索することで表面形状が決定される透過型又は反射型の回折型光学素子を用いることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項１１に係る発明では、
請求項９記載の紙葉類鑑別装置において、
前記位相分布が構成する回折格子の形状から求まる曲率中心近傍から前記回折型光学素子面上を放射状に延びる仮想的な複数の線に沿って、前記位相分布の極大値および極小値が検索することで表面形状が決定される透過型又は反射型の回折型光学素子を用いることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項１２に係る発明では、
請求項９記載の紙葉類鑑別装置において、
前記位相分布が構成する回折格子と交差するように前記回折型光学素子面上に仮想的に複数の折れ線又は曲線を引き、それら複数の折れ線又は曲線に沿って、前記位相分布の極大値および極小値が検索することで表面形状が決定される透過型又は反射型の回折型光学素子を用いることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項１３に係る発明では、
請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の紙葉類鑑別装置において、
各回折型光学素子の形状の設計に際し、
光線を回折型光学素子に入射した場合の回折型光学素子面上における干渉パターンの位相分布を求め、
前記回折型光学素子面上に仮想的に引かれた複数の線に沿う前記位相分布の変化率からその位相分布の極大値および極小値を検索し、
前記仮想的に引かれた線に沿って隣り合った二つの極大値（Ａ，Ｂ）を選出し、それら二つの極大値（Ａ，Ｂ）の一方（極大値Ａ）に連なる、仮想的な複数の線に沿う極大値列（Ｃ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_ｉ、…、Ｃ_Ｎ：ｉは１からＮまでの自然数）が形成する曲線を考え、前記極大値列の各々の極大値（Ｃ_ｉ ）位置における前記曲線の法線に沿って、前記極大値（Ｂ）の存在する側に前記極大値（Ｃ_ｉ）とは別の極大値（Ｄ_ｉ ）を検出し、
前記極大値（Ｃ_ｉ ）と前記別の極大値（Ｄ_ｉ ）との間に、それら二つの極大値（Ｃ_ｉ 、Ｄ_ｉ ）に挟まれた極小値との差が段差となるように、しかも、前記回折型光学素子から出射される透過光または反射光が所定方向へ向かうような斜面が形成されるように、前記位相分布を鋸歯状パターンで近似することにより、表面形状が決定される透過型又は反射型の回折型光学素子を用いることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１４に係る発明では、
請求項９〜請求項１３の何れか１項に記載の紙葉類鑑別装置において、
前記位相分布全体の最大値Ｉ_ｍａｘｏと最小値Ｉ_ｍｉｎｏとを求め、それら最大値Ｉ_ｍａｘｏ及び最小値Ｉ_ｍｉｎｏの差（Ｉ_ｍａｘｏ−Ｉ_ｍｉｎｏ ）をＮ分割した間隔（（Ｉ_ｍａｘｏ−Ｉ_ｍｉｎｏ ）／Ｎ）で、前記近似された前記位相分布を量子化することにより、
表面形状が決定される透過型又は反射型の回折型光学素子を用いることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の紙葉類鑑別装置の実施形態について説明する。まず、第１実施形態について説明する。図１は本実施形態の構成図、図２は変色要素を説明する説明図、図３は本実施形態の構成要素の第１の回折型光学素子の説明図、図４は本実施形態の構成要素の第２の回折型光学素子の説明図、図５は本実施形態の構成要素の位置検出素子（ＰＳＤおよびＰＤアレイ）の出力例を示す図である。
【００２３】
まず、紙葉類鑑別装置の第１実施形態について図１を用いて説明する。紙葉類鑑別装置は、光源２、第１の回折型光学素子４、第２の回折型光学素子５、位置検出素子６を備えている。また、図示しないが、紙葉類１と光源２との相対位置に変化を与える移動手段（本実施例では紙葉類を搬送する移動手段である）と、位置検出素子６から出力される検出信号を用いて鑑別処理を行う鑑別処理部が設けられている。
紙葉類鑑別装置内に搬送される紙葉類１には観察する方向により色の見え方が異なる変色要素３１が設けてある。変色要素３２は、図示しない搬送装置により搬送方向へ向けて紙葉類１が搬送されたときに、変色要素３１が移動した状態を表す、つまり、変色要素３１と変色要素３２は符号は異なるが同じものである。
【００２４】
続いてこの変色要素について図２を用いて説明する。図２（ａ）では通常の紙葉類の印刷文字等に照明光が照射された場合が、また、図２（ｂ）では紙葉類上にある変色要素３１（３２）に照明光が照射された場合がそれぞれ図示されている。
通常の紙葉類では、図２（ａ）で示すように、白色光（波長λ１，λ２が含まれるものとする。）で照明すると印刷されたインクの色により反射される光の波長が決まり、通常の拡散反射面は、全方向に拡散し、どの方向から見ても同じ色に見える。
【００２５】
一方、紙葉類１上に設けられた変色要素３１（３２）に照明光が照射される場合、図２（ｂ）で示すように、変色要素３１（３２）からの反射光は反射する角度により波長が異なる。このため、図１でも示すように、変色要素３１から角度θ１で反射するならば波長λ１の第１検出光となり、変色要素３２から角度θ２で反射するならば波長λ２の第２検出光となる。変色要素の具体例として、先に説明したが、ＯＶＩによる文字・記号・図形や、ホログラムを用いた文字・記号・図形などがある。
【００２６】
続いて、紙葉類鑑別装置の各構成について説明する。紙葉類１には先に説明した変色要素３１（３２）が印刷等により設けられている。
光源２は、紙葉類鑑別装置内において、紙葉類１が搬送される搬送路の上側であって、かつ紙葉類１の変色要素３１（３２）を照明できる位置に配置される。
そして、光源２は、紙葉類鑑別装置に挿入された紙葉類１の変色要素３１（３２）に対し、白色光または所定の波長（λ１およびλ２）を含む光線を照射するようになされている。
【００２７】
第１の回折型光学素子４は、図３に示すように、波長λ１・入射角度θ１の第１検出光、および、波長λ２・入射角度θ２の第２検出光が入射したとき、波長はそのまま維持するが、角度についてはともに出射角度θ３となるように偏向して、第１透過光および第２透過光として出射する。これは図１でも示すように、第１検出光が入射する位置を第１の部分とし、また、第２検出光が入射する位置を第２の部分とし、第１の部分と第２の部分とでは回折格子等を相違させた構成としている。この構成は、後述するが、以下登場する第１，第２，第３の回折型光学素子についても共通である。
【００２８】
なお、図３では透過型の第１の回折型光学素子４について説明してあるが、波長λ１・入射角度θ１の第１反射光が第１の部分に、および、波長λ２・入射角度θ２の第２反射光が第２の部分に入射したとき、波長はそのまま維持するが、角度については出射角度θ３となるように偏向して、第１反射光および第２反射光を出射するような反射型の第１の回折型光学素子４としても良い。透過型または反射型の第１の回折型光学素子４とするかは適宜設計・選択される。
【００２９】
第２の回折型光学素子５は、図４に示すように、入射した光の波長に応じて偏向角を変える機能を有しており、波長λ１・角度θ４の第１透過光（第１反射光）および波長λ２・角度θ４の第２透過光（第２反射光）が入射されたならば、それぞれ角度θ５，θ６に偏向して、波長λ１・角度θ５の第３透過光および波長λ２・角度θ６の第４透過光を出射する。
この場合も図１，図４でも示すように、第１透過光（第１反射光）が入射する位置を第１の部分とし、また、第２透過光（第２反射光）が入射する位置を第２の部分とし、第１の部分と第２の部分とでは回折格子等を相違させた構成としている。
【００３０】
なお、図４では透過型の第２の回折型光学素子５について説明してあるが、波長λ１・角度θ４の第１透過光（第１反射光）が第１の部分に、また、波長λ２・角度θ４の第２透過光（第２反射光）が第２の部分に入射されたならば、それぞれ角度θ５，θ６に偏向して、波長λ１・角度θ５の第３反射光および波長λ２・角度θ６の第４反射光を出射する反射型の第２の回折型光学素子５としても良い。透過型または反射型の第２の回折型光学素子５とするかは適宜設計・選択される。
【００３１】
位置検出素子６は、半導体位置検出素子（ＰＳＤ：Position Sensitive Detector）、または、多分割位置検出素子（ＰＤアレイ：Photo Diode Array）等であり、ＰＳＤは、図１でも明らかなように、１方向に長い受光面を持ち、光の入射した位置に応じた電気出力を得ることができるようになされている。ＰＤアレイは複数のＰＤからなり、光の入射したＰＤより出力が得られる。
【００３２】
続いて紙葉類鑑別装置による鑑別処理について説明する。
図１に示すように、紙葉類１が紙葉類鑑別装置に挿入され、搬送方向に向けて搬送路上を搬送されるとき、光源２により照明される。まず、変色要素３１で波長λ１の第１検出光が角度θ１で変色要素から出射され、第１の回折型光学素子４の第１の部分および第２の回折型光学素子５の第１の部分を経て位置検出装置６に入射する。
【００３３】
続いて、紙葉類１が搬送路上を進み、変色要素３１が変色要素３２の位置に来ると、第１の回折型光学素子４に対する入射位置が第２の部分となり、波長λ２の第２検出光が角度θ２で変色要素から反射され、第１の回折型光学素子４の第２の部分および第２の回折型光学素子５の第２の部分を経て位置検出素子６に入射する。
【００３４】
位置検出素子６においては、入射した光線が第３透過光（第３反射光）であるか、または、第４透過光（第４反射光）であるかによって光の検出位置が相違し、その結果検出信号が異なることとなり、検出位置により波長が判る。
変色要素３１からの第３透過光（第３反射光）が波長λ１の光として受光され、少し時間が経って変色要素３２からの第４透過光（第４反射光）が波長λ２の光として受光されるので、位置検出素子６の検出信号は図５で示すような信号となる。このような検出信号が図示しない鑑別処理部へ出力されたならば、鑑別処理部は、図示しないメモリ部にこの検出信号を記憶させ、予め登録してある真正の信号パターンと比較して一致するならば変色要素からの反射光であると判別でき、この紙葉類１には変色要素を有している、つまり真の紙葉類と鑑別する。
【００３５】
一方、偽造紙幣類等の偽の紙葉類で変色要素を持たない場合、変色要素の検出光が出射されることはなく、反射光の波長はλ１，λ２の何れか１つの波長を有する反射光しか存在しないか、または、両波長の反射光が無くなる。このため図５で示す第３透過光（第３反射光）または第４透過光（第４反射光）であることを示す２つの波形の内１つまたは２つとも無くなる。鑑別処理部は、図示しないメモリ部にこの検出信号を記憶させ、予め登録してある真正の信号パターンと比較して一致しないならば変色要素からの反射光でないと判別でき、この紙葉類１には変色要素を有していない、つまり偽の紙葉類と鑑別する。
【００３６】
なお、上述の第１の回折型光学素子４は、図１，図３で示したように、第１の部分と第２の部分とを分ける回折格子面を有する構成以外にも、図２０で示すように第１の部分と第２の部分とを分けない回折格子面とすることもできる。
具体的には後述する複合機能を実現する表面形状を設計し、この表面形状を有する回折格子面を備える第１の回折形光学素子４とする。
ここに複合機能を有するとは、本明細書中では、波長および入射角度が異なる複数の入射光をおのおの任意の方向へ偏向させる機能を指している。このような複合機能を実現する表面形状の設計方法は後述される。
この回折格子面は、第１，２検出光をそれぞれ任意の出射角度の第１，２透過光（第１，２反射光）に偏向するため、あえて第１の部分，第２の部分に分けなくとも良い。このように第１，第２の部分を有する回折格子面とするか複合機能を有する回折格子面とするかは適宜選択される。
【００３７】
また、上述の第２の回折型光学素子５は、図１，図４で示したように、第１の部分と第２の部分とを分ける回折格子面を有する構成以外にも、図２１で示すように第１の部分と第２の部分とを分けない回折格子面とすることもできる。
この回折格子面は通常（例えば単純な鋸形の回折格子面）の回折格子面としても良い。このような通常の回折格子面を有する回折形光学素子に入射角度が同じで波長が異なる第１，２透過光（第１，２反射光）が入射した場合、波長を維持したまま出射角を相違させることができるのは周知であり、あえて第１の部分，第２の部分に分けなくとも良い。
【００３８】
さらに、複合機能を有する表面形状を設計し、この表面形状を有する回折格子面を備える第２の回折形光学素子５とするようにしてもよい。この回折格子面は、波長および入射角度が異なる第１，第２透過光（第１，第２反射光）をそれぞれ任意の出射角度の第３，第４透過光（第３，第４反射光）に偏向する格子面であり、あえて第１の部分，第２の部分に分けなくとも良い。このように第１，第２の部分を有する回折格子面とするか複合機能を有する回折格子面とするかは適宜選択されるものである。
さらにまた、上記実施例では、第１，第２の検出光を変色要素３１の反射光として説明しているが、変色要素の透過光をもって、第１，第２の検出光としても良い。
【００３９】
図２２は第１の回折型光学素子４および第２の回折型光学素子５がともに複合機能を有する回折格子面を備える紙葉類鑑別装置の構成図であり、図２３は第１の回折型光学素子４は第１，第２の部分を有するが第２の回折型光学素子５は複合機能を有するあるいは通常の回折格子面を有する紙葉類鑑別装置の構成図である。これらのように上述の第１の回折型光学素子４および第２の回折型光学素子５を適宜組み合わせて構成することができる。
【００４０】
続いて、本発明の紙葉類鑑別装置の第２実施形態について図を用いて説明する。図６は本実施形態の構成図、図７は本実施形態の構成要素の第３の回折型光学素子の説明図である。第１実施形態では第１の回折型光学素子４および第２の回折型光学素子５を備えていたが、本実施形態では、図６で示すように複合機能を有する第３の回折型光学素子７を有している点が相違する。なお、その他、紙葉類１、変色要素３１、変色要素３２、光源２、位置検出素子６については、第１実施形態と同様であるとしてその詳細な説明を省略する。
【００４１】
複合機能を持つ第３の回折型光学素子７は、第１の実施形態の第１の回折型光学素子４と第２の回折型光学素子５との機能を併せ持つように設計されたものである。図７で示すように、波長λ１・入射角度θ１の第１検出光、および、波長λ２・入射角度θ２の第２検出光が入射したとき、第３の回折型光学素子７は、入射した光の波長および角度に応じて偏向角を変える機能を有しており、それぞれ角度θ５，θ６に偏向して、波長λ１・角度θ５の第５透過光、および、波長λ２・角度θ６の第６透過光を出射する。これも図６，図７でも示すように、第１検出光が入射する位置を第１の部分とし、また、第２検出光が入射する位置を第２の部分とし、第１の部分と第２の部分とでは回折格子等を相違させた構成としている。
【００４２】
なお、図６，図７では透過型の第３の回折型光学素子７について説明してあるが、波長λ１・入射角度θ１の第１検出光、および、波長λ２・入射角度θ２の第２検出光が入射したとき、第３の回折型光学素子７は、入射した光の波長に応じて偏向角を変える機能を有しており、それぞれ角度θ５，θ６に偏向して、波長λ１・角度θ５の第５反射光、および、波長λ２・角度θ６の第６反射光を出射する反射型の第３の回折型光学素子７としても良い。透過型または反射型の第３の回折型光学素子７とするかは適宜設計・選択される。
ＰＤアレイやＰＳＤである位置検出素子６により、第３の回折型光学素子７からの出射光が検出され、検出信号が出力される。
【００４３】
続いて第２実施形態による鑑別動作について説明する。図６で、紙葉類１が紙葉類鑑別装置に挿入され、搬送方向に向けて搬送路上を搬送されるとき、光源２により照明される。まず、変色要素３１で波長λ１の第１検出光が角度θ１で変色要素から出射され、第３の回折型光学素子７の第１の部分を経て位置検出素子６に入射する。
紙葉類１が搬送路上を進み、変色要素３１が変色要素３２の位置に来ると、第３の回折型光学素子７に対する入射位置が異なり、波長λ２の第２検出光が角度θ２で変色要素から反射され、第３の回折型光学素子７の第２の部分を経て位置検出素子６に入射する。
【００４４】
位置検出素子６においては、入射した光線が第５透過光（第５反射光）であるか、または、第６透過光（第６反射光）であるかによって光の検出位置が相違し、その結果検出信号が異なることとなり、検出位置により波長が判る。
変色要素３１からの第５透過光（第５反射光）が波長λ１の光として受光され、少し時間が経って変色要素３２からの第６透過光（第６反射光）が波長λ２の光として受光されるので、位置検出素子６の検出信号は第１実施形態と同様に図５で示すような信号となる。このような検出信号が図示しない鑑別処理部へ出力されたならば、鑑別処理部は、変色要素からの反射光であると判別でき、この紙葉類１には変色要素を有している、つまり真の紙葉類と鑑別し、また、図５で示した２つの波形の内１つまたは２つともない場合は偽物の葉類と鑑別することとなる。
【００４５】
なお、上述の第３の回折型光学素子７は、図６，図７で示したように第１の部分と第２の部分とを分ける回折格子面を有する構成以外にも、図２４，図２５で示すように第１の部分と第２の部分とを分けない回折格子面とすることもできる。
具体的には後述する複合機能を実現する表面形状を設計し、この表面形状を有する回折格子面を備える第３の回折形光学素子７とする。この回折格子面は、第１，２検出光をそれぞれ任意の出射角度の第５，６透過光（第５，６反射光）に偏向する格子面であり、あえて第１の部分，第２の部分に分けなくとも良い。このように第１，第２の部分を有する回折格子面とするか複合機能を有する回折格子面とするかは適宜選択されるものである。
【００４６】
続いて第１，第２の実施形態に共通する、複合機能を実現する表面形状をし、精度の高い第１，第２，第３の回折型光学素子について説明する。上記の第１，第２実施形態で説明したような機能を持つ第１，第２，第３の回折型光学素子の具体例としては、実際の光学系を配置して干渉縞を記録するホログラフィック光学素子がある。ホログラフィック光学素子例として、例えば、図８に示すように、第１の回折型光学素子４と同等の機能を持たせることができるが、透過光や高次回折光などのノイズ成分が多く、位置検出素子６へ入射する光の効率が低い。たとえば、位相分布を２値化したパターンで素子を製作しており、回折効率が４０％程度の素子であった。
【００４７】
この回折効率を改善するため、本発明者らは、回折効率を向上させる設計方法について発明し、特願平１１−３２７０８０（発明の名称：回折型光学素子の設計方法）として特許出願するに至った。本実施形態では、回折型光学素子を回折効率を向上させる設計方法により求め、この回折型光学素子を紙葉類鑑別装置に利用することで回折効率を向上させる。
【００４８】
まず、第１の回折光学素子４、第２の回折光学素子５、および、第３の回折型光学素子７の第１の設計方法について図面に基づいて説明する。なお、第１の回折光学素子４、第２の回折光学素子５、および、第３の回折型光学素子７の設計方法として、共通する方法であるため、以下これら回折型光学素子を一括して単に回折型光学素子５０と称して説明する。
【００４９】
図９は、回折型光学素子５０の第１の設計方法の手順を示すフローチャート、図１０は直接位相計算法の説明図、図１１は鋸歯状パターンに近似する処理の説明図、図１２は回折型光学素子の一断面における鋸歯状パターンを示す図、図１３は鋸歯状パターンを量子化した一例を示す図、図１４は極小値を基準に鋸歯状パターンを形成した場合の図である。
本実施の形態における回折型光学素子の設計は、電子計算機内に記憶されたプログラムを実行することに行われるものであって、処理が開始されると、先ずステップ１０１において、位相分布が演算される。
【００５０】
ステップ１０１における位相分布の演算手法は、特に限定されるものではないが、例えば従来より知られている直接位相計算法が適用可能である。
直接位相計算法については、例えば応用物理学会論文誌に「自由空間光インターコネクション用計算機ホログラム」として発表されている（S．Kawai and Y．Kohga，Computer-Generated Holograms for Free-Space Optical Interconnections，Japanese Journal of Applied Physics，Vol．30，PP．L210-2103（1991））。
【００５１】
直接位相計算法の概要を、図１０を伴って簡単に説明すると、先ず、これから設計する回折型光学素子５０が置かれる平面Ａと、その回折型光学素子５０によって偏向される各光線の光源Ｓ_０および焦点Ｓ_１とを考える。座標（ｘ，ｙ，０）は、平面Ａ上の点を表す座標である。座標原点は、平面Ａ上の一点である。光源Ｓ_０の位置座標は（Ｘ_ｓ、Ｙ_ｓ、Ｚ_ｓ）である。焦点Ｓ_１の位置座標は（Ｘ_ｍ、Ｙ_ｍ、Ｚ_ｍ）である。そして、各光源Ｓ_０から光線を射出したときの平面Ａ上で干渉波の強度Ｉ（ｘ、ｙ）を、数式１に従って演算する。
【００５２】
【数１】

【００５３】
ここでｒ_ｍおよびｒ_ｓは、以下のように定義される。
【００５４】
【数２】

【００５５】
上記式中、Ａ_ｓは入力波の振幅、Ａ_ｍは集光点の焦点Ｓ_１から光を放射したときの光の振幅、ｉは虚数単位、λは光の波長、ｋ（＝2π／λ）は光の波数、ｘ，ｙは回折型光学素子上の座標（ｘ＝０、１、２、…、ｎ：ｙ＝０、１、２、…、ｎ）である。そして、Ｉ（ｘ、ｙ）が、回折型光学素子５０上の位相分布である。なお、回折型光学素子５０に直交する方向を、ｚ方向としている。
【００５６】
回折型光学素子５０の位相分布Ｉ（ｘ、ｙ）が求まったら、ステップ１０２に移行し、初期設定として、各カウンタｉ，ｊ，ｋ，ｌのそれぞれの値を０にセットする。なお、ｉは、位相分布Ｉ（ｘ、ｙ）のｘ座標上の位置を動かすためのカウンタ、ｊは、位相分布Ｉ（ｘ、ｙ）のｙ座標上の位置を動かすためのカウンタ、kは、y＝ｊにおける極大値の位置を記憶するためのカウンタ、ｌは、y＝ｊにおける極小値の位置を記憶するためのカウンタである。
【００５７】
そして、ステップ１０３に移行し、ｙ＝ｊにおけるｉ番目の位相分布Ｉ（ｉ，ｊ）とｉ＋１番目の位相分布Ｉ（ｉ＋１，ｊ）との大小関係に基づき、そのｉ番目の位相分布Ｉ（ｉ，ｊ）からｉ＋１番目の位相分布Ｉ（ｉ＋１，ｊ）に向かって増加しているか或いは減少しているかを判断する。
ステップ１０３で位相分布Ｉが減少していると判断された場合（Ｉ（ｉ、ｊ）＞Ｉ（１＋１、ｊ））には、ステップ１０４に移行し、フラグＦ（ｉ）を−１にセットし、次いでステップ１０５に移行し、前回セットしたフラグＦ（ｉ−１）が１であるか否かを判定する。
【００５８】
即ち、フラグＦは、ステップ１０３において位相分布Ｉが減少していると判断された場合には、ステップ１０４で１にセットされる一方、減少していると判断された場合には、後述のステップ１０８で−１にセットされるフラグであるから、ステップ１０５の判定が「ＹＥＳ」の場合には、位相分布Ｉが増加から減少に転じた時点であると判断でき、従って、極大値が検索されたと判断できる。
【００５９】
そこで、ステップ１０５の判定が「ＹＥＳ」の場合には、ステップ１０６に移行し、ｙ＝ｊにおける極大値の位置を記憶するために、Ｎ_ｍａｘ（ｋ、ｊ）に現在のカウンタｉの値を記憶する。そして、ステップ１０７に移行し、カウンタｋを１だけインクリメントする。ステップ１０５の判定が「ＮＯ」の場合には、ステップ１０６、１０７の処理は実行しない。
【００６０】
一方、ステップ１０３で位相分布Ｉが増加していると判断された場合（Ｉ（ｉ、ｊ）＜Ｉ（ｉ＋１、ｊ））には、ステップ１０８に移行し、フラグＦ（ｉ）を１にセットし、次いでステップ１０９に移行し、前回セットしたフラグＦ（ｉ−１）が−１であるか否かを判定する。このステップ１０９の判定が「ＹＥＳ」の場合には、位相分布Ｉが減少から増加に転じた時点であると判断でき、従って、極小値が検索されたと判断できる。
【００６１】
そこで、ステップ１０９の判定が「ＹＥＳ」の場合には、ステップ１１０に移行し、ｙ＝ｊにおける極小値の位置を記憶するために、Ｎ_ｍｉｎ（１、ｊ）に現在のカウンタｉの値を記憶する。そして、ステップ１１１に移行し、カウンタ１を１だけインクリメントする。ステップ１０９の判定が「ＮＯ」の場合には、ステップ１１０、１１１の処理は実行しない。
【００６２】
そして、ステップ１０７又は１１１の処理を終えた場合、並びにステップ１０６又は１０９の判定が「ＮＯ」の場合には、ステップ１１２に移行し、カウンタｉをインクリメントし、ステップ１１３に移行し、カウンタｉがその最大値ｍを越えているか否かを判断し、越えていない場合には、ステップ１０３に戻り上述した処理を再び実行するが、ステップ１１３の判定が「ＹＥＳ」の場合には、ステップ１１４に移行し、カウンタｉを０クリアするとともに、カウンタｊをインクリメントする。
【００６３】
次いで、ステップ１１５に移行し、カウンタｊがその最大値ｎを越えているか否かを判断し、越えていない場合には、ステップ１０３に戻り上述した処理を再び実行するが、ステップ１１５の判定が「ＹＥＳ」の場合には、ステップ１０１で求めた全ての位相分布Ｉ（ｉ、ｊ）に対して極大値及び極小値の検索処理が終了したと判断し、ステップ１１６に移行する。
【００６４】
つまり、ステップ１０２〜１１５の処理が完了すれば、回折型光学素子５０が置かれる平面上に仮想的に引かれた互いに平行なｘ軸方向の線に沿って、位相分布Ｉ（ｉ、ｊ）の極大値及び極小値が検索されたことになる。
そこで、ステップ１１６に移行し、上記ステップ１０２〜１１５の処理によって検索された極大値及び極小値を用いて、位相分布Ｉ（ｉ、ｊ）を鋸歯状パターンで近似する処理を実行する。ステップ１１６で実行される鋸歯状処理の槻要は、図１１に示す通りである。
【００６５】
即ち、図９のステップ１０６、１１０において、Ｎ_ｍａｘ（ｋ、ｊ）及びＮ_ｍｉｎ（１、ｊ）を記憶しているから、ｙ＝ｊにおいて何番目の位相分布Ｉ（ｉ、ｊ）が極大値又は極小値であるかは既知である。よって、それらＮ_ｍａｘ（ｋ、ｊ）及びＮ_ｍｉｎ（１、ｊ）に基づけば、極大値Ｉ_ｍａｘ（ｐ、ｊ）と極小値Ｉ_ｍｉｎ（ｐ、ｊ）とを選出することができる。そして、極大値及び極小値の性質から、それらは交互に表れる。
【００６６】
図１１には、ｙ＝ｊにおけるｐ番目の極大値Ｉ_ｍａｘ（ｐ、ｊ）の次に、ｐ番目の極小値Ｉ_ｍｉｎ（ｐ、ｊ）が表れ、その次にｐ＋１番目の極大値Ｉ_ｍａｘ（ｐ＋１、ｊ）、その次にｐ＋１番目の極小値Ｉ_ｍｉｎ（ｐ＋１、ｊ）、その次にｐ＋２番目の極大値Ｉ_ｍａｘ（ｊ、ｐ＋２）が表れている様子が示されている。
そして、曲線上に並ぶ黒丸が、ステップ１１６における鋸歯状処理の実行前の位相分布Ｉ（ｘ、ｙ）を示している。
【００６７】
なお、本実施形態では、隣り合った二つの極大値Ｉ_ｍａｘ（ｐ、ｊ）とＩ_ｍａｘ（ｐ＋１、ｊ）とに挟まれた部分を単位に鋸歯状処理を実行するようになっていて、全体としてはその鋸歯状処理の繰り返しであるから、ここでは、任意の隣り合った二つの極大値Ｉ_ｍａｘ（ｐ、ｊ）とＩ_ｍａｘ（ｐ＋１、ｊ）とに挟まれた部分の鋸歯状処理について説明する。
【００６８】
先ずは、鋸歯状パターンの間隔と段差とを決定する。なお、これら間隔及び段差は、鋸歯状パターンの一つ一つについて個別に決定する。
鋸歯状パターンの間隔Ｗｐは、隣り合った二つの極大値Ｉ_ｍａｘ（ｐ、ｊ）とＩ_ｍａｘ（ｐ＋１、ｊ）との間のｘ軸に沿った方向の距離である。具体的には、Ｎ_ｍａｘ（ｋ、ｊ）−Ｎ_ｍａｘ（ｐ、ｊ）である。
【００６９】
鋸歯状パターンの段差Ａpは、極大値Ｉ_ｍａｘ（ｐ、ｊ）と、その隣の極小値Ｉ_ｍｉｎ（ｐ、ｊ）との差（Ｉ_ｍａｘ（ｐ、ｊ）−Ｉ_ｍｉｎ（ｐ、ｊ））である。なお、鋸歯状パターンの段差は、極大値Ｉ_ｍａｘ（ｐ＋１、ｊ）と、極小値Ｉ_ｍｉｎ（ｐ、ｊ）との差とすることも可能であるが、かかる場合には、鋸歯状パターンの斜面の形状が、図１１の場合とは逆向きになる。
つまり、鋸歯状パターンの斜面の形状としては、図１１のような左下がりのものと、図１１とは逆に右下がりのものとの二種類考えれるが、いずれを採用するかは適宜選択される。
【００７０】
次に、間隔Ｗｐ及び段差Ａｐに基づき、極大値Ｉ_ｍａｘ（ｐ、ｊ）を通るように鋸歯状パターンの斜面を決定する。図１１の例では、極大値Ｉ_ｍａｘ（ｐ、ｊ）を通り左下がりに傾斜した太実線が、決定された斜面である。
そして、極大値Ｉ_ｍａｘ（ｐ、ｊ）とＩ_ｍａｘ（ｐ＋１、ｊ）との間にある各位相分布Ｉ（ｉ、ｊ）を、上記のように決定された斜面上の点に移動する。図１１の例では、白丸で示すのが移動した後の位相分布Ｉ（ｉ、ｊ）である。
【００７１】
以上のような鋸歯状処理をｙ＝ｊの全体に対して実行すれば、図１２に折れ線で示すような鋸歯状パターンが得られ、同様の処理をｙ＝０〜ｎの全てに対して実行すれば、位相分布Ｉ（ｘ、ｙ）全体が、鋸歯状パターンで近似される。
なお、鋸歯状パターンに近似された後の位相分布Ｉ（ｘ、ｙ）は、例えば図１３に示すように量子化することが望ましい。量子化処理としては、例えば位相分布Ｉ（ｘ、ｙ）全体の最大値Ｉ_ｍａｘＯと最小値Ｉ_ｍｉｎＯとを求め、それら最大値Ｉ_ｍａｘＯ及び最小値Ｉ_ｍｉｎＯの差（Ｉ_ｍａｘＯ−Ｉ_ｍｉｎＯ）をＮ分割した間隔（（Ｉ_ｍａｘＯ−Ｉ_ｍｉｎＯ）／Ｎ）で、近似された位相分布Ｉ（ｘ、ｙ）を量子化するという処理が有効である。
【００７２】
以上で図９の処理を終了する。そして、最終的に得られた近似化（若しくは、近似化及び量子化）されている位相分布Ｉ（ｘ、ｙ）を利用して、回折型光学素子５０を製造する。
本実施の形態のような手順を踏んで設計・製造された回折型光学素子５０にあっては、位相分布Ｉがブレーズ化されていることになるから、それがなされていない従来の回折型光学素子に比べて、回折効率が大幅に向上する。
また、本実施の形態にあっては、鋸歯状パターンに近似する処理を、位相分布Ｉ（ｘ、ｙ）の並んだ方向であるｘ軸に平行な仮想的な線に沿って行っているため、鋸歯状処理が簡易であるという利点もある。
【００７３】
そして、鋸歯状パターンに近似された位相分布Ｉ（ｘ、ｙ）を量子化する場合には、位相分布Ｉ（ｘ、ｙ）全体の最大値Ｉ_ｍａｘＯと最小値Ｉ_ｍｉｎＯを基準として量子化を行っているから、ｙ＝０〜ｎの全てに対して同じ基準で量子化が行え、実際に回折型光学素子５０を製造する際に不具合が生じる可能性が小さいという利点もある。
【００７４】
なお、この実施の形態では、図１１に示したように、鍍歯状パターンの間隔Ｗｐを、隣り合った二つの極大値Ｉ_ｍａｘ（ｐ、ｊ）とＩ_ｍａｘ（ｐ＋１、ｊ）との間の距離としているが、これに限定されるものではなく、隣り合った二つの極小値Ｉ_ｍｉｎ（ｐ、ｊ）とＩ_ｍｉｎ（ｐ＋１、ｊ）との間の距離を、鋸歯状パターンの間隔Ｗｐとしてもよい。かかる場合でも、実際は、図１４に示すように、図１２と同様の鋸歯状パターンが得られる。つまり、図１４と図１２とを比較すると判るが、両者の鋸歯状パターンは、形状が同じで、位置が半周期分ずれているだけである。
【００７５】
また、この実施の形態では、鋸歯状パターンに近似する処理を、位相分布Ｉ（ｘ、ｙ）の並んだ方向であるｘ軸に平行な坂想的な線に沿って行っているが、これに限定されるものではなく、例えば、位相分布Ｉ（ｘ、ｙ）に含まれる回折格子の形状から曲率中心を求め、その曲率中心から回折型光学素子５０に沿って放射状に延びる複数の線に沿って極大値及び極小値を検索し、そして鋸歯状パターンに近似する処理を行ってもよい。かかる処理であれば、鋸歯状パターンをより三次元的に近似できるという利点がある。
【００７６】
また、極大値及び極小値を検索するための線は、この実施の形態のように直線に限定されるものではなく、曲線や折れ線であってもよい。そして、そのような曲線や折れ線を、位相分布Ｉ（ｘ、ｙ）における勾配が急峻な方向を向き、且つ互いに交差しないように、複数本選定し、その曲線又は折れ線に沿って極大値及び極小値を検索し、そして鋸歯状パターンに近似する処理を行ってもよい。かかる処理であっても、鋸歯状パターンをより三次元的に近似できるという利点がある。
【００７７】
次に、他の設計方法による回折型光学素子について、図１５を参照して説明する。図１５は、第２の設計方法を説明するための説明図である。
鋸歯状パターンで近似する前の元の位相分布Ｉ（ｘ、ｙ）を見てみると、山の部分と各の部分からなっている。そこで、本設計方法では、その山の部分又は谷の部分を抽出し、その山の部分又は谷の部分毎に鋸歯状パターンで近似するようにしている。
【００７８】
ここで、図１５中、符号６０は位相分布の極大値の連なりを示す。図１５において、上記第１の設計方法と同様の手順によって、ｙ＝ｊについて連続する極大値Ｉ_ｍａｘ（ｓ、ｊ）、極小値Ｉ_ｍｉｎ（ｐ、ｊ）、極大値Ｉ_ｍａｘ（ｑ、ｊ）を検出する。図１５に矢印で示す、極大値Ｉ_ｍａｘ（ｓ、ｊ）を含めた極大値の連なりの曲線に関して極大値Ｉ_ｍａｘ（ｓ、ｊ）における法線ｈ_ｊを設定し、この法線上で第１の実施例と同様の手法で位相分布の変化率から極大値Ｉ_ｍａｘ（ｓ、ｊ）を含む極大値の連なりＩ_ｍａｘ（ｓ、ｊ）とＩ_ｍａｘ（ｓ’、Ｐ’）及びこれら極大値の間にある極小値Ｉ_ｍｉｎ（ｓ”、ｐ”）を検出する。これら極大値Ｉ_ｍａｘ（ｓ、ｊ）、極小値Ｉ_ｍｉｎ（ｓ”、ｐ”）、極大値Ｉ_ｍａｘ（ｓ’、ｐ’）について第１の設計方法と同様に位相分布を斜面により近似する。
【００７９】
そして、上記と同様な手法で極大値の連なりについて位相分布の斜面による近似を極大値の連なりについて半周行う。このような操作によって一つの各の部分をブレーズ化することができる。
第１の設計方法と同様に位相分布全面を操作し上記手法を用いることにより位相分布全面の近似的なブレーズ化が行われる。一度ブレーズ化した谷の部分については計算機上で記憶をしておき二重の操作を避けることができる。
【００８０】
以上説明した第２の設計方法によれば、回折効率が大幅に向上した回折型光学素子５０を設計することができる。
次に、本発明の第３の設計方法について、図１６及び図１７を参照して説明する。ここで、図１６は、第３の設計方法における処理手順を示すフローチャートであり、図１７は、第３の設計方法の説明図である。
【００８１】
この第３の設計方法は、上記の第２の設計方法の処理手順をより明確化するために、フローチャートなどを補充したものであり、第２の設計方法と同様に、位相分布の山の部分又は谷の部分を抽出し、その山の部分又は谷の部分毎に鋸歯状パターンで近似するようにしたものである。
この第３の設計方法では、図１６に示すように、まずステップ２０１において、位相分布Ｉ（ｘ、ｙ）上に仮想的に引かれた線上で位相分布の変化率からその位相分布の極大値及び極小値の検索処理を行う。この検索処理は、第１の設計方法における図９のフローチャートのステップ１０１〜１１５に相当する処理であるので、ここではその詳細な説明は省略する。
【００８２】
ステップ２０２では、ステップ２０１で求めた極大値の内の１つから、その極大値に連なる、仮想的な複数の線に沿う極大値を検出し、極大値の連なる曲線Ｃｓを抽出する。図１７を参照して具体的に説明すると、先ず極大値Ｍ_ａｘＩ（ｓ、ｊ）から始まり、この極大値Ｍ_ａｘＩ（ｓ、ｊ）に連なる極大値Ｍ_ａｘＩ（ｔ、ｊ＋１）と極大値Ｍ_ａｘＩ（ｔ’、ｊ−１）を検出し、これらを含む極大値の連なる曲線を抽出する。なお、図１７中の符号６０は、位相分布の極大値の連なりを示している。
【００８３】
ステップ２０３では、ステップ２０１で仮想的に引かれた線上において、ステップ２０２で選出された極大値と極小値を挟んで隣り合うもう１つの極大値を含む極大値の連なる曲線Ｃｑを抽出する。図１７を参照して具体的に説明すると、極大値Ｍ_ａｘＩ（ｓ、ｊ）と極小値Ｍ_ｉｎＩ（ｒ、ｊ）を挟んで隣合う極大値Ｍ_ａｘＩ（ｑ、ｊ）について、この極大値Ｍ_ａｘＩ（ｑ、ｊ）を含む極大値の連なる曲線を抽出する。
【００８４】
このようにして得られる２つの曲線Ｃｓと曲線Ｃｑとに挟まれた部分には前述のように極小値が存在し、この部分は位相分布の谷の部分になる。
次に、このようにして求めた位相分布の谷の部分をブレーズ化する方法について説明する。
まずステップ２０４では、前記曲線Ｃｓ上の極大値の１点を選出し、その点における曲線Ｃｓの法線を引き、次のステップ２０５ではその法線と曲線Ｃｑの交点の極大値を求める。さらにステップ２０６では、その法線上で２つの曲線Ｃｓ、Ｃｑに挟まれた極小値を検出する。
【００８５】
以上のステップ２０４〜２０６の各処理について、図１７を参照して説明する。まず、極大値Ｍ_ａｘＩ（ｓ、ｊ）上でこの極大値を含む曲線の法線ｈ_jを引く。次に、その法線ｈ_ｊと極大値Ｍ_ａｘＩ（ｑ、ｊ）を含む極大値の連なる曲線との交点の極大値Ｍ_ａｘＩ（ｓ’、ｐ’）を検出する。さらに、その２つの極大値Ｍ_ａｘＩ（ｓ、ｊ）と極大値Ｍ_ａｘＩ（ｓ’、ｐ’）とに挟まれた極小値Ｍ_ｉｎＩ（ｓ”、ｐ”）を検出する。
【００８６】
次に、ステップ２０７では、ステップ２０４〜２０６で求めた各法線上の隣合う２つの極大値と、それらの極大値に挟まれた極小値の位置と、位相分布の強度とから鋸歯状処理を行う。
この鋸歯状処理は、第１の実施の形態の場合に説明した鋸歯状処理と同様である。第１の実施の形態で述べた間隔Ｗｐ及び段差Ａｐに相当する量が、第３の実施の形態では、隣合った２つの極大値Ｍ_ａｘＩ（ｓ、ｊ）と極大値Ｍ_ａｘＩ（ｓ’、ｐ，）とが存在する位置間の水平距離、及び極大値Ｍ_ａｘＩ（ｓ、ｊ）とその隣の極小値Ｍ_ｉｎＩ（ｓ”、ｐ”）との差｛Ｍ_ａｘＩ（ｓ、ｊ）−Ｍ_ｉｎＩ（ｓ”、ｐ”）｝に相当する。
【００８７】
そこで、間隔Ｗｐ及び段差Ａｐに相当する量に基づいて極大値Ｍ_ａｘＩ（ｓ、ｊ）を通るように鋸歯状パターンの斜面を決定する。次に、極大値Ｍ_ａｘＩ（ｓ、ｊ）と極大値Ｍ_ａｘＩ（ｓ’、ｐ’）との間にある各位相分布を第１の設計方法で述べた方法と同様に斜面上の点に移動する。このとき、第１の設計方法と同様に鋸歯状化の処理は面の傾きが２通りあるが、この場合にはその都度、光線追跡等の方法により高効率な方向を選択する。
【００８８】
ステップ２０８では、曲線Ｃｓ上の全ての点で上記のステップ２０４〜２０７の各処理が終了したか否かを判断する。この判断の結果、肯定判定（Ｙｅｓ）の場合には、曲線Ｃｓと曲線Ｃｑに挟まれた部分の鋸歯状処理が終了したことになるので、次のステップ２０９に進む。
ステップ２０９では、位相分布上で曲線Ｃｓと曲線Ｃｑに囲まれた部分（処理の終了した部分）を電子計算機のメモリに記憶する。これにより、処理済みの部分が後に再処理されるのを防止できる。
【００８９】
ステップ２１０では、位相分布面上で未処理の部分の有無を前記メモリを参照して判断する。そして、未処理部分が有る場合には、ステップ２０２〜２０９の各処理を繰り返し、未処理部分がなくなった場合には設計は終了する。
なお、以上の設計方法の手順の説明では、極大値に挟まれた谷の部分の鋸歯状処理を例に挙げたが、これに限定されるものではなく、説明文中の極大値と極小値、山の部分と谷の部分をそれぞれ入れ替えることで、極小値に挟まれた山の部分を鋸歯状処理することができる。
【００９０】
以上説明した第３の設計方法によれば、位相分布の山の部分又は谷の部分を抽出し、その山の部分又は谷の部分毎に鋸歯状パターンで近似するようにしたので、回折効率が大幅に向上した回折型光学素子５０を設計することができる。
なお、上記第１〜第３の各設計方法では、透過型の回折型光学素子の設計に適用した場合について説明しているが、これに限定されるものではなく、反射型の回折型光学素子の設計であっても当然に適用可能である。
【００９１】
以上説明したように、第１〜第３の設計方法によれば、回折格子が重なり合った複雑な場合であってもブレーズ化が行えて回折効率を向上できる回折型光学素子を設計でき、高回折効率である回折型光学素子とすることができる。
特に、請求項１３に係る発明であれば、回折効率をより頼著に向上できる回折型光学素子とすることができる。
【００９２】
そしてこのような第１〜第３の設計方法により設計された第１〜第３の回折型光学素子を用いて位置検出素子６は変色要素を高効率かつ低ノイズに検出することが可能となり、紙葉類の真偽の判別精度が向上する。
【００９３】
さて、上記の数１で表される平面Ａ上で干渉波の強度Ｉ（ｘ、ｙ）は、１の光源Ｓ_０および焦点Ｓ_１を想定し、入力と出力が１対１の場合の数式であった。これは入力と出力が１：１で対応する第１の部分と第２の部分とを設計する場合を想定している。
しかしながら、第１検出光および第２検出光をそれぞれ異なる方向へ透過または反射させるという複合機能を実現する表面形状とするためには、複数の入力に対し複数の出力を対応させる必要がある。このためには先ほど説明した直接位相計算法で用いた数１を変形する。
【００９４】
具体的には、図２６に示すように、先ず、これから設計する回折型光学素子５０が置かれる平面Ａを想定し、その回折型光学素子５０によって偏向される光線の光源Ｓ_０Ａおよび焦点Ｓ_１Ａを考える。座標（ｘ、ｙ、０）は、平面Ａ上の点を表す座標である。座標原点は、平面Ａ上の一点である。光源Ｓ_０Ａの位置座標は、（Ｘ_ｓ、Ｙ_ｓ、Ｚ_ｓ）である。焦点Ｓ_１Ａの位置座標は、（Ｘ_ｍ、Ｙ_ｍ、Ｚ_ｍ）である。そして、平面Ａ上で干渉波の強度Ｉ_Ａ（ｘ、ｙ）を求める。
同様に、光源Ｓ_０Ｂおよび焦点Ｓ_１Ｂを考える。光源Ｓ_０Ｂの位置座標は、（Ｘ_ｌ、Ｙ_ｌ、Ｚ_ｌ）である。焦点Ｓ_１Ｂの位置座標は、（Ｘ_ｑ、Ｙ_ｑ、Ｚ_ｑ）である。そして、平面Ａ上で干渉波の強度Ｉ_Ｂ（ｘ、ｙ）を求める。
このようにして求めた強度Ｉ_Ａ（ｘ、ｙ）および強度Ｉ_Ｂ（ｘ、ｙ）を合成して次式を得る。
【００９５】
【数３】

【００９６】
ここでｒ_ｍ、ｒ_ｓ、ｒ_ｌおよびｒ_ｑは、以下のように定義される。
【００９７】
【数４】

【００９８】
上記式中、Ａ_ｓ，Ａ_ｌはそれぞれ光源Ｓ_０Ａ，光源Ｓ_０Ｂから放射された光の振幅、Ａ_ｍ，Ａ_ｑはそれぞれ焦点Ｓ_１Ａ，焦点Ｓ_１Ｂから光を放射したときの光の振幅、ｉは虚数単位、λ１，λ２はそれぞれ光源Ｓ_０Ａ，光源Ｓ_０Ｂから放射される光の波長、ｋ_Ａ（＝2π／λ１），ｋ_Ｂ（＝2π／λ２）はそれぞれ光源Ｓ_０Ａ，Ｓ_０Ｂから放射される光の波数、ｘ，ｙは回折型光学素子上の座標（ｘ＝０、１、２、…、ｎ：ｙ＝０、１、２、…、ｎ）である。そして、Ｉ_Ａ（ｘ、ｙ）および強度Ｉ_Ｂ（ｘ、ｙ）を加算したＩ（ｘ、ｙ）が、回折型光学素子５０上の位相分布である。なお、回折型光学素子５０に直交する方向を、ｚ方向としている。
その後は上述の第１〜第３の設計方法を用いることで複合機能を有する表面形状を求めることができるため、その説明を省略する。
【００９９】
以上説明したように、第１〜第３の設計方法を用いて複合機能を有する第１，第２または第３の回折型光学素子を求めることができる。これら第１，第２または第３の回折型光学素子を、複合機能を実現する表面形状を有する回折格子面を備えた回折型光学素子とすることで、入射光および出射光を実状に併せて最適な方向へ偏向する回折型光学素子とすることができる。
【０１００】
【発明の効果】
以上本発明によれば、１組の受光光学系で２つ以上の方向からの光を検出することが可能で、また回折型光学素子は成形により製作することができるので、従来のレンズのような厚さがなく、全体構成の小型化が可能となり、また、部品数が少ないので低コストである。
さらに請求項４に係る発明によれば、第１の回折型光学素子と第２の光学素子との機能を一体化した第３の回折型光学素子としたため、さらに小型かつ安価にすることができる。
また、請求光７〜請求光１４に係る発明によれば、鑑別対象である紙葉類から反射される検出光を高効率かつ低ノイズに検出できる回折型光学素子を用いるので判別精度が高い紙葉類鑑別装置とすることができる。
総じて、形状が小さく、かつ安価な構成で、精度良く変色要素を判別する紙葉類鑑別装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の紙葉類鑑別装置の第１実施形態の構成図である。
【図２】変色要素を説明する説明図である。
【図３】本発明の紙葉類鑑別装置の第１実施形態の構成要素の第１の回折型光学素子の説明図である。
【図４】本発明の紙葉類鑑別装置の第１実施形態の構成要素の第２の回折型光学素子の説明図である。
【図５】本発明の紙葉類鑑別装置の第１実施形態の構成要素の位置検出素子（ＰＳＤおよびＰＤアレイ）の出力例を示す図である。
【図６】本発明の紙葉類鑑別装置の第２実施形態の構成図である。
【図７】本発明の紙葉類鑑別装置の第２実施形態の構成要素の第３の回折型光学素子の説明図である。
【図８】ホログラフィック光学素子の説明図である。
【図９】回折型光学素子５０の第１の設計方法の手順を示すフローチャートである。
【図１０】直接位相計算法の説明図である。
【図１１】鋸歯状パターンに近似する処理の説明図である。
【図１２】回折型光学素子の一断面における鋸歯状パターンを示す図である。
【図１３】鋸歯状パターンを量子化した一例を示す図である。
【図１４】極小値を基準に鋸歯状パターンを形成した場合の図である。
【図１５】第２の設計方法を説明するための説明図である。
【図１６】第３の設計方法における処理手順を示すフローチャートである。
【図１７】第３の設計方法の説明図である。
【図１８】従来技術の紙葉類鑑別装置の構成図である。
【図１９】従来技術の紙葉類鑑別装置の構成図である。
【図２０】本発明の紙葉類鑑別装置の第１実施形態の構成要素の第１の回折型光学素子の説明図である。
【図２１】本発明の紙葉類鑑別装置の第１実施形態の構成要素の第２の回折型光学素子の説明図である。
【図２２】第１，第２の回折型光学素子がともに複合機能を有する紙葉類鑑別装置の構成図である。
【図２３】第１の回折型光学素子は第１，第２の部分を有するが第２の回折型光学素子５は複合機能を有するあるいは通常の回折格子面を有する紙葉類鑑別装置の構成図である。
【図２４】第３の回折型光学素子が複合機能を有する紙葉類鑑別装置の第２実施形態の構成図である。
【図２５】複合機能を有する第３の回折型光学素子の説明図である。
【図２６】直接位相計算法の説明図である。
【符号の説明】
１ 紙葉類
２ 光源
３１ 変色要素
３２ 変色要素
４ 第１の回折型光学素子
５ 第２の回折型光学素子
６ 位置検出素子
７ 第３の回折型光学素子
５０ 回折型光学素子
６０ 位相分布の極大値の連なり

Claims (14)

1. 変色要素を備える紙葉類の真偽を鑑別する装置において、
   紙葉類の変色要素に対し白色光または予め定められた波長を含む光を照射する光源と、
   この光源と紙葉類との相対位置に変化を与えることにより前記変色要素の透過または反射光に波長および出射角度が異なる第１，第２の検出光を生ぜしめる移動手段と、
   第１，第２検出光を入射の後に偏向し、第１，第２透過光または第１，第２反射光を出射する透過型または反射型の第１の回折型光学素子と、
   前記第１の回折型光学素子から出射される第１，第２透過光または第１，第２反射光を相違する波長に応じて異なる方向へ偏向し、第３，第４透過光または第３，第４反射光を出射する透過型または反射型の第２の回折型光学素子と、
   前記第２の回折型光学素子から出射された第３，第４透過光または第３，第４反射光を受光し、受光位置に応じて検出信号を出力する位置検出素子と、
   前記位置検出素子から出力された検出信号により第３，第４透過光または第３，第４反射光の受光位置を判別し、第３，第４透過光、または、第３，第４反射光の受光位置が所定位置と一致する場合、紙葉類が真正であると判断する鑑別処理部と、
   を備えることを特徴とする紙葉類鑑別装置。
2. 請求項１に記載の紙葉類鑑別装置において、
   前記第１の透過型または反射型の回折型光学素子は、第１，第２検出光を入射の後に偏向し、第１，第２透過光または第１，第２反射光を出射する複合機能を実現する表面形状を有する回折格子面を備えることを特徴とする紙葉類鑑別装置。
3. 請求項１に記載の紙葉類鑑別装置において、
   前記第１の透過型または反射型の回折型光学素子は、
   第１の検出光を入射の後に偏向し、第１透過光または第１反射光を出射する透過型または反射型の第１の部分と、
   第２の検出光を入射の後に偏向し、第２透過光または第２反射光を出射する透過型または反射型の第２の部分と、
   からなる表面形状を有する回折格子面を備えることを特徴とする紙葉類鑑別装置。
4. 請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の紙葉類鑑別装置において、
   前記第２の透過型または反射型の回折型光学素子は、
   前記第１の回折型光学素子から出射される第１，第２透過光または第１，第２反射光を相違する波長に応じて異なる方向へ偏向し、第３，第４透過光または第３，第４反射光を出射する複合機能を実現する表面形状を有する回折格子面を備えることを特徴とする紙葉類鑑別装置。
5. 請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の紙葉類鑑別装置において、
   前記第２の回折型光学素子から出射される第１透過光または第１反射光を相違する波長に応じて異なる方向へ偏向し、第３透過光または第３反射光を出射する透過型または反射型の第１の部分と、
   前記第１の回折型光学素子から出射される第２透過光または第２反射光を相違する波長に応じて異なる方向へ偏向し、第４透過光または第４反射光を出射する透過型または反射型の第２の部分と、
   からなる表面形状を有する回折格子面を備えることを特徴とする紙葉類鑑別装置。
6. 変色要素を備える紙葉類の真偽を鑑別する装置において、
   紙葉類の変色要素に対し白色光または予め定められた波長を含む光を照射する光源と、
   この光源と紙葉類との相対位置に変化を与えることにより前記変色要素の透過または反射光に波長および出射角度が異なる第１，第２の検出光を生ぜしめる移動手段と、
   第１，第２検出光を入射の後に相違する波長に応じて異なる方向へ偏向し、第５，第６透過光または第５，第６反射光を出射する透過型または反射型の第３の回折型光学素子と、
   前記第３の回折型光学素子から出射された第５，第６透過光または第５，第６反射光を受光し、受光位置に応じて検出信号を出力する位置検出素子と、
   前記位置検出素子から出力された検出信号により第５，第６透過光または第５，第６反射光の受光位置を判別し、第５，第６透過光、または、第５，第６反射光の受光位置が所定位置と一致する場合、紙葉類が真正であると判断する鑑別処理部と、
   を備えることを特徴とする紙葉類鑑別装置。
7. 請求項６に記載の紙葉類鑑別装置において、
   前記第３の透過型または反射型の回折型光学素子は、第１，第２検出光を入射の後に偏向し、第５，第６透過光または第５，第６反射光を出射する複合機能を実現する表面形状を有する回折格子面を備えることを特徴とする紙葉類鑑別装置。
8. 請求項６に記載の紙葉類鑑別装置において、
   前記第３の透過型または反射型の回折型光学素子は、
   第１の検出光を入射の後に偏向し、第５透過光または第５反射光を出射する透過型または反射型の第１の部分と、
   第２の検出光を入射の後に偏向し、第６透過光または第６反射光を出射する透過型または反射型の第２の部分と、
   からなる表面形状を有する回折格子面を備えることを特徴とする紙葉類鑑別装置。
9. 請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の紙葉類鑑別装置において、
   各回折型光学素子の形状の設計に際し、
   光線を回折型光学素子に入射した場合の回折型光学素子面上における干渉パターンの位相分布を求め、
   前記回折型光学素子面上に仮想的に引かれた複数の線に沿う前記位相分布の変化率からその位相分布の極大値および極小値を検索し、
   前記仮想的な線に沿って隣り合った二つの前記極大値同士もしくは極小値同士を順次選出し、
   前記二つの前記極大値同士を選出した場合には、それら二つの極大値の間に、それら二つの極大値の一方とそれら二つの極大値に挟まれた極小値との差が段差となるように、しかも、前記回折型光学素子から出射される透過光または反射光が所定方向へ向かうような斜面が形成されるように、前記位相分布を鋸歯状パターンで近似することにより、表面形状が決定される透過型又は反射型の回折型光学素子を用い、
   前記二つの前記極小値同士を選出した場合には、それら二つの極小値の間に、それら二つの極小値の一方とそれら二つの極小値に挟まれた極大値との差が段差となるように、しかも、前記回折型光学素子からの透過光または反射光が所定方向へ向かうような斜面が形成されるように、前記位相分布を鋸歯状パターンで近似することにより、表面形状が決定される透過型又は反射型の回折型光学素子を用いることを特徴とする紙葉類鑑別装置。
10. 請求項９記載の紙葉類鑑別装置において、
    前記位相分布が構成する回折格子と交差するように前記回折型光学素子面上に仮想的に引かれた互いに平行な複数の直線に沿って、前記位相分布の極大値および極小値が検索することで表面形状が決定される透過型又は反射型の回折型光学素子を用いることを特徴とする紙葉類鑑別装置。
11. 請求項９記載の紙葉類鑑別装置において、
    前記位相分布が構成する回折格子の形状から求まる曲率中心近傍から前記回折型光学素子面上を放射状に延びる仮想的な複数の線に沿って、前記位相分布の極大値および極小値が検索することで表面形状が決定される透過型又は反射型の回折型光学素子を用いることを特徴とする紙葉類鑑別装置。
12. 請求項９記載の紙葉類鑑別装置において、
    前記位相分布が構成する回折格子と交差するように前記回折型光学素子面上に仮想的に複数の折れ線又は曲線を引き、それら複数の折れ線又は曲線に沿って、前記位相分布の極大値および極小値が検索することで表面形状が決定される透過型又は反射型の回折型光学素子を用いることを特徴とする紙葉類鑑別装置。
13. 請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の紙葉類鑑別装置において、
    各回折型光学素子の形状の設計に際し、
    光線を回折型光学素子に入射した場合の回折型光学素子面上における干渉パターンの位相分布を求め、
    前記回折型光学素子面上に仮想的に引かれた複数の線に沿う前記位相分布の変化率からその位相分布の極大値および極小値を検索し、
    前記仮想的に引かれた線に沿って隣り合った二つの極大値（Ａ，Ｂ）を選出し、それら二つの極大値（Ａ，Ｂ）の一方（極大値Ａ）に連なる、仮想的な複数の線に沿う極大値列（Ｃ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_ｉ、…、Ｃ_Ｎ：ｉは１からＮまでの自然数）が形成する曲線を考え、前記極大値列の各々の極大値（Ｃ_ｉ ）位置における前記曲線の法線に沿って、前記極大値（Ｂ）の存在する側に前記極大値（Ｃ_ｉ）とは別の極大値（Ｄ_ｉ ）を検出し、
    前記極大値（Ｃ_ｉ ）と前記別の極大値（Ｄ_ｉ ）との間に、それら二つの極大値（Ｃ_ｉ 、Ｄ_ｉ ）に挟まれた極小値との差が段差となるように、しかも、前記回折型光学素子から出射される透過光または反射光が所定方向へ向かうような斜面が形成されるように、前記位相分布を鋸歯状パターンで近似することにより、
    表面形状が決定される透過型又は反射型の回折型光学素子を用いることを特徴とする紙葉類鑑別装置。
14. 請求項９〜請求項１３の何れか１項に記載の紙葉類鑑別装置において、
    前記位相分布全体の最大値Ｉ_ｍａｘｏと最小値Ｉ_ｍｉｎｏとを求め、それら最大値Ｉ_ｍａｘｏ及び最小値Ｉ_ｍｉｎｏの差（Ｉ_ｍａｘｏ−Ｉ_ｍｉｎｏ ）をＮ分割した間隔（（Ｉ_ｍａｘｏ−Ｉ_ｍｉｎｏ ）／Ｎ）で、前記近似された前記位相分布を量子化することにより、
    表面形状が決定される透過型又は反射型の回折型光学素子を用いることを特徴とする紙葉類鑑別装置。

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