(57)【要約】【課題】対象パターンの適切な撮像を低コストで実現することができるとともに小型化を図ることができる光学装置を提供すること。【解決手段】１つの光源２から出射された光Ｌを、コリメーションレンズ３、回折光学素子４および計算機合成ホログラム５によって各第１の光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒごとの各第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯに分割し、これら各第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯによって合焦状態の有無の判別が可能なガイドパターンを形成すること。【選択図】図２
2011209571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
文字、数字または番号もしくはこれらの配列からなる所定の情報を有する対象パターンの前記情報を認識するために撮像装置によって前記対象パターンを撮像する際に、前記対象パターンが形成されたパターン形成面上に、このパターン形成面に対する前記撮像装置の光軸方向における位置を決定するための光の投影パターンとして、前記撮像装置が前記パターン形成面に対して合焦状態となっている場合にのみ前記パターン形成面上に正規の形状を呈した状態で投影されるガイドパターンを投影する光学装置であって、
光を出射する１つの光源と、
この光源から出射された光をコリメートするコリメーションレンズと、
このコリメーションレンズによってコリメートされた光を互いに異なる方向に向かう複数の第１の光に分割する回折光学素子と、
前記複数の第１の光ごとに、各第１の光を複数の第２の光にそれぞれ分割し、これら各第１の光ごとの各第２の光を、互いに異なる出射方向であって、前記合焦状態においてのみ前記各第１の光ごとの各第２の光のそれぞれが他の前記第１の光から変換された各第２の光のそれぞれと互いに重なり合った状態で前記パターン形成面上に投影されるような出射方向に出射する計算機合成ホログラムと
を備え、
前記各第１の光ごとの各第２の光は、前記計算機合成ホログラムからの出射後に前記ガイドパターンに対応する所定の形状を呈するように形成され、
前記ガイドパターンは、前記各第１の光ごとの各第２の光が前記パターン形成面上に投影されてなること
を特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記ガイドパターンは、前記合焦状態においては、互いに離間された所定数のパターン構成部からなる投影パターンとして投影され、非合焦状態においては、互いに離間された前記所定数よりも多数のパターン構成部からなる投影パターンとして投影されること
を特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記各第１の光ごとの各第２の光の形状および出射方向は、前記計算機合成ホログラムから前記パターン形成面までの距離が、前記合焦状態に相当する最適距離の場合と、前記最適距離よりも短い距離の場合と、前記最適距離よりも長い距離の場合とで、前記ガイドパターンの形状を互いに異ならせることが可能な形状とされていること
を特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記各第１の光ごとの各第２の光が呈する前記所定の形状は、その少なくとも一部が所定の線巾を有する線形状とされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項５】
前記線巾が、前記合焦状態に対応する前記計算機合成ホログラムから前記パターン形成面までの距離の範囲に応じた値に設定されていること
を特徴とする請求項４に記載の光学装置。
【請求項６】
前記回折光学素子は、前記コリメーションレンズによってコリメートされた光を２つの前記第１の光に分割すること
を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項７】
前記計算機合成ホログラムは、前記２つの第１の光を、それぞれ２つずつの前記第２の光に分割すること
を特徴とする請求項６に記載の光学装置。
【請求項８】
前記回折光学素子は、計算機合成ホログラムとされていること
を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項９】
前記ガイドパターンを撮像する撮像素子と、
この撮像素子によって撮像された前記ガイドパターンに基づいて、前記パターン形成面に対する前記撮像装置の光軸方向における位置の適否を判定し、判定結果を出力する判定装置と
を備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記対象パターンは、一次元コードまたは二次元コードとされていること
を特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置に係り、特に、対象パターンの情報を認識するための対象パターンの撮像を支援するのに好適な光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、一次元コードや二次元コード等のそれに含まれる情報を認識する対象となるパターン（以下、対象パターンと称する）を撮像によって読み取り、読み取られた対象パターンの情報を認識するバーコードスキャナ等の情報認識装置が採用されていた。
【０００３】
この種の情報認識装置においては、対象パターンの情報を確実に認識するために、対象パターンに対する合焦がなされた状態で対象パターンを適切に撮像することが重要とされていた。
【０００４】
このような対象パターンの情報の読み取りを支援するための技術として、これまでにも、例えば、特許文献１に示すような従来技術が提案されていた。
【０００５】
すなわち、特許文献１においては、焦点距離での視野の決定の容易化を最小の費用で実現するといった目的を達成するために、シンボルが形成された面に向かって、この面がシンボルを読み取るのに最適な位置となった場合にその面上に規定の形状を呈した状態で結像されるガイド光を出射するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００９−５２０２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１においては、その目的に反してガイド光を出射するために複数の光源を搭載していたため、光源に要するコストが高くなるばかりでなく、各光源をある程度間隔を設けて配置する必要上、装置の小型化が困難であるといった問題点を有していた。なお、特許文献１においては、光源の数を特許文献１に記載されている数以上に削減するための有効な手段は何等示唆されていない。
【０００８】
そこで、本発明は、このような問題点に鑑みなされたものであり、対象パターンの適切な撮像を低コストで実現することができるとともに小型化を図ることができる光学装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前述した目的を達成するため、本発明の請求項１に係る光学装置は、文字、数字または番号もしくはこれらの配列からなる所定の情報を有する対象パターンの前記情報を認識するために撮像装置によって前記対象パターンを撮像する際に、前記対象パターンが形成されたパターン形成面上に、このパターン形成面に対する前記撮像装置の光軸方向における位置を決定するための光の投影パターンとして、前記撮像装置が前記パターン形成面に対して合焦状態となっている場合にのみ前記パターン形成面上に正規の形状を呈した状態で投影されるガイドパターンを投影する光学装置であって、光を出射する１つの光源と、この光源から出射された光をコリメートするコリメーションレンズと、このコリメーションレンズによってコリメートされた光を互いに異なる方向に向かう複数の第１の光に分割する回折光学素子と、前記複数の第１の光ごとに、各第１の光を複数の第２の光にそれぞれ分割し、これら各第１の光ごとの各第２の光を、互いに異なる出射方向であって、前記合焦状態においてのみ前記各第１の光ごとの各第２の光のそれぞれが他の前記第１の光から変換された各第２の光のそれぞれと互いに重なり合った状態で前記パターン形成面上に投影されるような出射方向に出射する計算機合成ホログラムとを備え、前記各第１の光ごとの各第２の光は、前記計算機合成ホログラムからの出射後に前記ガイドパターンに対応する所定の形状を呈するように形成され、前記ガイドパターンは、前記各第１の光ごとの各第２の光が前記パターン形成面上に投影されてなる点にある。
【００１０】
そして、この請求項１に係る発明によれば、１つの光源から出射された光を、コリメーションレンズ、回折光学素子および計算機合成ホログラムによって各第１の光ごとの各第２の光に分割することができ、これら各第２の光をパターン形成面上に投影させることによって合焦状態の有無の判別が可能なガイドパターンを形成することができるので、光源の数を従来よりも削減しつつ対象パターンの適切な撮像を実現することができる。
【００１１】
また、請求項２に係る光学装置の特徴は、請求項１において、更に、前記ガイドパターンは、前記合焦状態においては、互いに離間された所定数のパターン構成部からなる投影パターンとして投影され、非合焦状態においては、互いに離間された前記所定数よりも多数のパターン構成部からなる投影パターンとして投影される点にある。
【００１２】
そして、この請求項２に係る発明によれば、ガイドパターンを構成するパターン構成部の数に基づいて、合焦状態の有無を更に簡便かつ迅速に判別することができる。
【００１３】
さらに、請求項３に係る光学装置の特徴は、請求項１または２において、更に、前記各第１の光ごとの各第２の光の形状および出射方向は、前記計算機合成ホログラムから前記パターン形成面までの距離が、前記合焦状態に相当する最適距離の場合と、前記最適距離よりも短い距離の場合と、前記最適距離よりも長い距離の場合とで、前記ガイドパターンの形状を互いに異ならせることが可能な形状とされている点にある。
【００１４】
そして、この請求項３に係る発明によれば、合焦状態の有無だけでなく、計算機合成ホログラムからパターン形成面までの距離についての最適距離に対する大小関係をも判別することができるので、非合焦状態の場合に、撮像装置からパターン形成面までの距離を拡大すればよいのかあるいは縮小すればよいのかを容易に決定することができる。
【００１５】
さらにまた、請求項４に係る光学装置の特徴は、請求項１〜３のいずれか１項において、更に、前記各第１の光ごとの各第２の光が呈する前記所定の形状は、その少なくとも一部が所定の線巾を有する線形状とされている点にある。
【００１６】
そして、この請求項４に係る発明によれば、ガイドパターンの形状を、正規の形状からのずれを認識し易い形状にすることができる。
【００１７】
また、請求項５に係る光学装置の特徴は、請求項４において、更に、前記線巾が、前記合焦状態に対応する前記計算機合成ホログラムから前記パターン形成面までの距離の範囲に応じた値に設定されている点にある。
【００１８】
そして、この請求項５に係る発明によれば、正規の形状のガイドパターンが投影された時点において合焦状態を確実に形成することができる。
【００１９】
さらに、請求項６に係る光学装置の特徴は、請求項１〜５のいずれか１項において、前記回折光学素子は、前記コリメーションレンズによってコリメートされた光を２つの前記第１の光に分割する点にある。
【００２０】
そして、この請求項６に係る発明によれば、回折光学素子の形状を簡素化することができ、コストを更に削減することができる。
【００２１】
さらにまた、請求項７に係る光学装置の特徴は、請求項６において、更に、前記計算機合成ホログラムは、前記２つの第１の光を、それぞれ２つずつの前記第２の光に分割する点にある。
【００２２】
そして、この請求項７に係る発明によれば、計算機合成ホログラムの形状を簡素化することができ、コストを更に削減することができる。
【００２３】
また、請求項８に係る光学装置の特徴は、請求項１〜７のいずれか１項において、前記回折光学素子は、計算機合成ホログラムとされている点にある。
【００２４】
そして、この請求項８に係る発明によれば、第１の光の電界強度分布を最適化することができ、ひいては、合焦状態の有無の判定に最適なガイドパターンを得ることができる。
【００２５】
さらに、請求項９に係る光学装置の特徴は、請求項１〜８のいずれか１項において、前記ガイドパターンを撮像する撮像素子と、この撮像素子によって撮像された前記ガイドパターンに基づいて、前記パターン形成面に対する前記撮像装置の光軸方向における位置の適否を判定し、判定結果を出力する判定装置とを備えた点にある。
【００２６】
そして、この請求項９に係る発明によれば、判定装置の判定結果に基づいて、パターン形成面に対する撮像装置の光軸方向における位置を手動または自動で調整することができる。
【００２７】
さらにまた、請求項１０に係る撮像装置の特徴は、請求項１〜９のいずれか１項において、前記対象パターンは、一次元コードまたは二次元コードとされている点にある。
【００２８】
そして、この請求項１０に係る発明によれば、一次元コードまたは二次元コードを適切に撮像することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、対象パターンの適切な撮像を低コストで実現することができるとともに小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る光学装置の実施形態を示す構成図
【図２】本発明に係る光学装置の実施形態を示す光路図
【図３】本発明に係る光学装置の実施形態において、光の伝搬式を説明するための第１の説明図
【図４】本発明に係る光学装置の実施形態において、光の伝搬式を説明するための第２の説明図
【図５】本発明に係る光学装置の実施形態において、計算機合成ホログラムの具体的な設計方法を示す工程図
【図６】本発明に係る光学装置の実施形態において、第２の計算機合成ホログラムからパターン形成面までの理想的な距離を第２の光の出射方向とともに示す模式図
【図７】本発明に係る光学装置の実施形態において、左右の第１の光の電界強度分布を示す図
【図８】本発明に係る光学装置の実施形態において、左外側および左内側の第２の光が呈する形状を示す図
【図９】本発明に係る光学装置の実施形態において、右外側および右内側の第２の光が呈する形状を示す図
【図１０】本発明に係る光学装置の実施形態において、正規の形状のガイドパターンの一例を示す模式図
【図１１】本発明に係る光学装置の実施形態において、非正規形状のガイドパターンの一例を示す模式図
【図１２】本発明に係る光学装置の実施形態において、図１１とは異なる非正規形状のガイドパターンの一例を示す模式図
【図１３】本発明の実施例において、第１の計算機合成ホログラムの位相分布解を示す平面図
【図１４】図１３の位相分布解を有する第１の計算機合成ホログラムによって実現される左右の第１の光の電界強度分布を示す図
【図１５】本発明の実施例において、第２の計算機合成ホログラムにおける左側の光学機能部の設計のために取り出された左側の第１の光の電界強度分布を示す図
【図１６】本発明の実施例において、第１の計算機合成ホログラムに入射した時点のレーザ光源からの入射光の電界強度分布を示す図
【図１７】本発明の実施例において、第２の計算機合成ホログラムによるビーム形状の変換機能を示す概念図
【図１８】本発明の実施例において、左側の光学機能部の位相分布解を示す平面図
【図１９】図１８の位相分布解を有する左側の光学機能部によって実現される第２の光の電界強度分布を示す図
【図２０】本発明の実施例において、第２の計算機合成ホログラムにおける右側の光学機能部の設計のために取り出された右側の第１の光の電界強度分布を示す図
【図２１】本発明の実施例において、右側の光学機能部の位相分布解を示す平面図
【図２２】図２１の位相分布解を有する左側の光学機能部によって実現される第２の光の電界強度分布を示す図
【図２３】本発明に係る光学装置の実施形態において、第２の計算機合成ホログラムからパターン形成面までの距離と第２の光のパターン形成面上への結像位置との関係を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明に係る光学装置の実施形態について、図１〜図２３を参照して説明する。
【００３２】
本実施形態における光学装置は、文字、数字または番号もしくはこれらの配列からなる所定の情報を有する対象パターンの情報を認識可能とされた情報認識装置に搭載されており、この情報認識装置による対象パターンの情報の認識に適用されるようになっている。具体的には、本実施形態の光学装置は、この光学装置とともに情報認識装置に搭載された撮像装置が、対象パターンの情報の認識のために対象パターンを撮像する（読み取る）際に、この対象パターンの撮像を支援するようになっている。なお、情報認識装置としては、例えば、対象パターンとしての一次元コードや二次元コード等の情報を認識するバーコードスキャナが挙げられる。バーコードスキャナは、いわゆるハンディタイプのものであってもよい。
【００３３】
そして、図１および図２は、このような情報認識装置に適用される本実施形態の光学装置１の具体的な構成を示したものである。
【００３４】
本実施形態の光学装置１は、対象パターンの情報の認識のために撮像装置が対象パターンを撮像する際に、対象パターンが所定の範囲に亘って形成されたパターン形成面上に、ガイドパターンを投影するようになっている。ただし、ガイドパターンとは、パターン形成面に対する撮像装置の光軸方向における位置の決定に用いられるパターン形成面上に投影される光の投影パターンであって、撮像装置がパターン形成面に対して合焦状態となっている場合にのみ、パターン形成面上に正規の形状を呈した状態で投影される投影パターンのことをいう。
【００３５】
ここで、パターン形成面としては、バーコードが印刷された印刷面やバーコードが印刷されたシールが貼り付けられた貼り付け面（例えば、商品の包装）等の種々のパターン形成面を想定することができる。また、合焦状態とは、撮像装置の物体側の焦点がパターン形成面上の一点に完全に一致している状態または一致しているとみなすことができる状態のことをいう。この合焦状態とされる場合の撮像装置の物体側の焦点とパターン形成面との位置および距離の関係については、コンセプトに応じた好適な関係を設定すればよい。したがって、本実施形態において、合焦状態に相当するパターン形成面に対する撮像装置の光軸方向における位置は、唯一の固定された位置ではなく、一定の変動幅を持った位置となっている。また、詳細は後述するが、ガイドパターンの正規の形状についても、撮像装置とパターン形成面との距離によって線巾が変わるような一定の変動幅を持った形状となっている。
【００３６】
図１および図２に示すように、本実施形態の光学装置１は、光源としてのレーザ光源２を有しており、このレーザ光源２は、前方（図１、図２における上方）に向かって所定の広がり角度を持ったレーザ光Ｌ（図２参照）を出射するようになっている。このレーザ光源２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）または半導体レーザ（ＬＤ）であってもよい。
【００３７】
また、図１および図２に示すように、レーザ光源２に対するレーザ光Ｌの出射側の位置には、平凸のコリメーションレンズ３が、レーザ光源２に対して所定の間隔を隔てるようにして配置されている。このコリメーションレンズ３には、レーザ光源２から出射されたレーザ光Ｌが入射するようになっている。そして、コリメーションレンズ３は、入射したレーザ光Ｌをコリメート（平行化）して前方に出射するようになっている。
【００３８】
さらに、図１および図２に示すように、コリメーションレンズ３に対するレーザ光Ｌの出射側の位置には、回折光学素子としての第１の計算機合成ホログラム４が、コリメーションレンズ３に対して所定の間隔を隔てるようにしてコリメーションレンズ３の光軸に直交するように配置されている。この第１の計算機合成ホログラム４には、コリメーションレンズ３によってコリメートされたレーザ光Ｌが、所定のモードフィールド径を有するガウシアンビームとして入射するようになっている。そして、第１の計算機合成ホログラム４は、入射したレーザ光Ｌを、回折作用によって互いに異なる二方向に向かう２つの第１の光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒ（図２参照）にほぼ均等な光量で分割するようになっている。このとき、２つの第１の光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒは、図２において左右にほぼ等しい回折角度を有した状態で第１の計算機合成ホログラム４から出射される。以下、必要に応じて、第１の計算機合成ホログラム４から左前方（図２における左上方）に進行する一方の第１の光Ｌ１Ｌを左側の第１の光Ｌ１Ｌと称し、第１の計算機合成ホログラム４から右前方（図２における右上方）に進行する他方の第１の光Ｌ１Ｒを右側の第１の光Ｌ１Ｒと称する。
【００３９】
第１の計算機合成ホログラム４から出射された２つの第１の光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒは、第１の計算機合成ホログラム４から或る特定の距離だけ進行した位置において、第１の計算機合成ホログラム４に入射した時点のレーザ光Ｌとほぼ同じモードフィールド径を有するガウシアンビームとなる。
【００４０】
このような２つの第１の光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒは、第１の計算機合成ホログラム４に設定された最適化された位相分布によって実現されている。
【００４１】
ここで、一般に、計算機合成ホログラムという素子は、コヒーレントな光源の光を、回折現象を用いることによって最初に目標として設定した特定の電界強度分布の光に変換する素子として知られている。このような計算機合成ホログラムは、通常は、反復フーリエ法（ＩＦＴＡ：Iterative Fourier Transform Algorithm）と呼ばれる手法で設計することが可能である。反復フーリエ法とは、計算機合成ホログラムの最適計算を行うアルゴリズムの総称であり、具体的にはGerchBerg-Saxton法、Direct Binary Search法または遺伝子アルゴリズムなどのアルゴリズムが用いられることが多い。
【００４２】
一方で、波動光学的な領域においては、光の伝播も光線追跡とは異なり、角スペクトル伝搬法、フーリエ伝搬法、フレネル伝搬法またはレーリー・ゾンマーフェルト法などを用いて計算できることが知られている。どの計算法を用いるのが適当かは計算容量や光の伝搬距離に依存することになる。
【００４３】
なお、光の伝搬に関する式としては、以下に述べる（１）〜（３）の各式が知られている。すなわち、まず、図３に示すような開口面Ｓを仮定するとともに、この開口面Ｓの中の一点Ｐ（ｘ0、ｙ0、0）を仮定する。また、この開口面Ｓからｚ離れた距離のｘｙｚ平面上に点Ｑ（ｘｉ、ｙｉ、ｚ）を仮定する。そして、点Ｐを通る光が点Ｑに作る光の強度は、ホイヘンス−フレネルの式から（１／ｊλ）・E(ｘ0，ｙ0)exp(−jkr/r)となる。但し、r=z〔1+｛(xi−x0)／z｝2+｛(yi−y0)／z｝2〕０．５≒ｚ＋（１／２ｚ）・〔(xi−x0)2 + (yi−y0)2]−（１／８ｚ３）・〔（ｘｉ−ｘ0）２＋（ｙｉ-ｙ0）2〕2＝ｚ＋（ｘｉ２＋ｙｉ２）／２ｚ−（ｘｉｘ０+ｙｉｙ0）／ｚ＋（ｘ０２＋ｙ０２）／２ｚ−・・・・である。そして、開口面Ｓ全体を通る光が点Ｑに作る光の強度Ｅ(xi,yi)は、点Ｐを通る光が点Ｑに作る光の強度を開口面Ｓの全領域にわたって積分すればよい。この積分の結果は次の（１）式のようになる。
【００４４】
E(xi,yi)=（１／ｊλ）・∬E(x0,y0)exp(-jkr/r)dx0dy0                （１）
【００４５】
ただし、伝搬距離Ｚ<Ｄ／λ（Ｄ：開口径、λ：波長）の領域においては、フレネル伝搬式と称される次の（２）式が成立する。
【００４６】
E(xi,yi)=exp(jkz)／(jkz)exp(jk(xi2+yi2／(2z))・∬E(x0,y0)exp(jπ／λz(x02+y02)exp((−ｊ2π／λz)x0xi+y0yi) dx0dy0      （２）
【００４７】
一方で、伝搬距離Ｚ＞Ｄ／λの領域においては、フーリエ伝搬式と称される次の（３）式が成立する。
【００４８】
E(xi,yi)=(exp(jkz)／(jλz))exp(jk／2z )(xi2+yi2)∬E(x0,y0)exp(−2πj／λz)(x0xi+y0yi)dx0dy0              （３）
【００４９】
以上のフーリエ光学系に関する定式化はGoodman著のIntroduction to Fourier Optics （Roberts ＆ Co., 第３版）に詳しく記述されている。
【００５０】
次に、計算機合成ホログラムの具体的な設計方法の１つとしての反復フーリエ法について述べる。
【００５１】
まず、一般に、レーザーなどのコヒーレントな光源においては、特に横モードがシングルモードである場合に、シングルモードガウシアンと称される次の（４）式に示す電界強度分布が形成されることが知られている。
【００５２】
E(x,y)=exp(−(x2+y2／w0)）2    （４）
【００５３】
そして、このようなガウシアンの直後に位相分布のみからなる回折光学素子が置かれたと仮定する。さらに、その光源から距離ｆ離れた距離に像面があると仮定し、なおかつ像面において目標とする電界強度分布が実現されると仮定する。この様子を図４に示す。図４においては、入射光源の存在する物体面での光の電界強度分布がｕ（ｘ、ｙ）とされている。ただし、ｕは、一般に複素数で表されるようになっている。
【００５４】
さらに、図４の回折光学素子の位相をφ（ｘ、ｙ）とすると、この回折光学素子を出た直後の光の電界はｕ（ｘ、ｙ）＝｜ｕ（ｘ，ｙ）｜・ｅｘｐ（φ（ｘ，ｙ））｜と表される。ただし、ｕ（ｘ、ｙ）の電界強度は、回折光学素子に入射するレーザ光の振幅分布Ｉｉｎ（ｘ、ｙ）の平方根となる。また、図４においては、回折光学素子の物体側の面（以下、ＤＯＥ面と称する）が光源とｚ軸方向における同じ位置に置かれていると仮定している。そして、回折光学素子を出た光は、光源から距離ｆ離れた像面に、フーリエ変換された光として結像されることになる。この像面における光（フーリエ変換された光）の強度分布Ｕは、Ｕ（ｘ，ｙ）＝｜Ｕ（ｕ，ｖ）｜・ｅｘｐ（ｊ・φ（ｕ，ｖ））と表すことができる。
【００５５】
さらにまた、像面（フーリエ面）における目標とする電界強度分布をＩｏｂｊ（ｕ、ｖ）と仮定する。
【００５６】
ここで、反復フーリエ法における繰り返し計算（反復計算）の中で、Ｕ（ｕ，ｖ）は、最終的にはＩｏｂｊ（ｕ、ｖ）に収束するはずである。ただし、ｕ（ｘ、ｙ）とＵ（ｕ、ｖ）は、お互いにフーリエ変換の関係になる。
【００５７】
そして、以上のような仮定を前提として、反復フーリエ法による反復計算によって回折光学素子の位相φ（ｘ、ｙ）の最適な最終解を求める。
【００５８】
この反復フーリエ法による反復計算のフローチャートは図５に示す通りとなる。
【００５９】
すなわち、図５に示すように、反復計算のアルゴリズムは、初期位相φ０（ｘ，ｙ）から出発する（図５のＳＴＥＰ１参照）。このとき、入射光の設定からＲｅ（ｕ（ｘ，ｙ））＝√Ｉｉｎ（ｘ，ｙ）となる。ただし、Ｒｅは、関数の実数成分である。さらに、Ｉｉｎ（ｘ，ｙ）は、回折光学素子に入射するレーザ光の強度分布である。
【００６０】
一方で、回折光学素子の透過直後においては、Ｕ（ｘ、ｙ）＝｜（Ｕ（ｘ，ｙ））｜・ｅｘｐ（φ（ｘ，ｙ））となる。ただし、一般に、Ｕ（ｘ、ｙ）は、複素数の関数となる。
【００６１】
次いで、ｕ（ｘ，ｙ）にフーリエ変換を行うことにより、伝搬後の像面が得られてＵ（ｕ，ｖ）・ｅｘｐ（ｊφ（ｕ，ｖ））となる（図５のＳＴＥＰ２参照）。
【００６２】
次いで、（ｕ，ｖ）のフーリエ面において、Ｕ（ｕ、ｖ）を、目標とする電界強度分布Ｕ‘（ｕ，ｖ）＝√Ｉｏｂｊ（ｕ，ｖ）で置換する（図５のＳＴＥＰ３参照）。
【００６３】
この後で、メリット関数で目標とする像面にどの程度近ずいたかの評価を行った後に、フーリエ逆変換を行うことにより、ＤＯＥ面での関数ｕ（ｘ，ｙ）・ｅｘｐ（ｊφ（ｘ、ｙ））が求まることになる（図５のＳＴＥＰ４参照）。
【００６４】
次いで、ＤＯＥ面においても、ｕ（ｘ、ｙ）・ｅｘｐ（ｊφ（ｘ，ｙ））のｕ（ｘ、ｙ）をｕ’（ｘ、ｙ）＝√Ｉｉｎ（ｘ、ｙ）で置換する（図５のＳＴＥＰ５参照）。この計算ループにおいては、ＤＯＥ面と像面の両方において置換による束縛条件を課すことになる。
【００６５】
そして、このような繰り返し計算を行い、ＤＯＥ面上のＵ‘（ｕ、ｖ）が目標とする電界強度分布を示す関数√Ｉｏｂｊ（ｕ，ｖ）に十分に近づいたと判断した場合には、計算を終了する。
【００６６】
ここで、√Ｉｏｂｊ（ｕ，ｖ）とＵ’（ｕ、ｖ）とがどの程度近づいたかを評価するために、一般には、これら２つの関数の誤差値を表す評価関数を設定し、設定された評価関数によって表される誤差値が予め設定された設定値より小さくなった場合に計算を終了することになる。
【００６７】
この計算にあたって、２つの関数の誤差が依然として大きい場合には、さらに、Ｕ‘（ｘ、ｙ）・ｅｘｐ（ｊφ（ｕ，ｖ））に逆フーリエ変換を行って再びｕ（ｘ，ｙ）・ｅｘｐ（ｊφ（ｘ，ｙ））を求めた後に、強度分布を表すｕ（ｘ，ｙ）を入射光の強度√Ｉｉｎで置き換える。このようにして繰り返し計算を連続的に行う。
【００６８】
そして、図５に示すようなループを何十回と回転させることにより、目標とする位相分布φ（ｘ、ｙ）を求めることができる（ＳＴＥＰ６）。
【００６９】
この図５に示すようなアルゴリズムは、Gerchberg-Saxtonアルゴリズムとして知られている。このようなGerchberg-Saxton アルゴリズムはＯＳＡが発行するApplied Optics の  July 1989 Vol 28.NO13. p2641-2650に記述されている。
【００７０】
以上述べたように、像面において目標とする電界強度分布を実現することができる最適な位相分布解は、Gerchberg-Saxtonアルゴリズムによって求めることができる。このような位相分布解が具現化された計算機合成ホログラムを実際に製造する方法としては、例えば、薄い透光性の基板に、屈折率が場所によって局所的に変化するような屈折率分布を形成する方法や、透明基板の表面に凹凸形状を形成する方法等が知られている。
【００７１】
ここで、前述した最適な位相分布解を透明基板の表面に凹凸形状を形成することによって実現するタイプの計算機合成ホログラムでは、次の（５）式で表される関係式が成立する。
【００７２】
ｈ＝（λ／２π）×ψ／（ｎ−１）    （５）
【００７３】
但し、（５）式におけるｈは、計算機合成ホログラムの凹凸形状における凹部の基準平面からの物理深さ〔μｍ〕である。また、（５）式におけるλは、計算機合成ホログラムを通る光の波長〔μｍ〕である。さらに、（５）式におけるψは、計算機合成ホログラムの位相〔rad〕である。さらにまた、（５）式におけるｎは、計算機合成ホログラムを構成する基板媒質の屈折率である。
【００７４】
そして、このような計算機合成ホログラムを製造する具体的な方法としては、石英基板の表面にフォトレジストまたは電子ビーム露光用レジストを塗布した上で、ｉ線のステッパーなどのＵＶ光を用いた露光装置によってマスク露光を行う方法や、ＥＢ描画装置によって露光した後に現像を行うことにより、レジストからなる特定のパターンを形成する方法等がある。ここで、石英製の計算機合成ホログラムは、それ自身も製品として使用することもできるが、この作製されたホログラムをマスターとして、ナノインプリントやホットエンボシングプロセスによる高速な転写技術により、樹脂基板上へも大量に複製を作製することもできる。また、凹凸形状（ミクロ構造）を最初に形成する基板としては、前述のように石英やＳｉを用いることが一般的であるが、これら以外にも、透明な誘電体材質であればガラスやセラミックスなどを使用してもよい。
【００７５】
ところで、計算から得られる位相解としては、連続的に０〜２πの範囲内でなだらかに位相が変化しているような曲面からなるアナログ解の位相解が一般的であるが、このような位相解を実現するのは製造上困難である。このため、実際には、計算によって得られた位相解を、ｘｙ平面で正方形のピクセルに分解しつつｚ方向の高さも８段、１６段といった２ｎの段数で代表して置換した形状近似がしばしば行われる。このようなピクセルで構成されるホログラム（計算機合成ホログラム）は、アナログ型ホログラムと対比してデジタル型のホログラムと呼ばれている。このようなデジタル型の計算機合成ホログラムは、リソグラフィーやドライエッチングを用いた半導体製造プロセスを用いて比較的容易な製造が可能であるといったメリットを有している。
【００７６】
また、一般に、回折光学素子は、使用する光の波長をλ〔μｍ〕、回折光学素子の周期サイズをΛ〔μｍ〕、回折次数をｎ、回折角度をθ〔°〕とすると、次式の法則にしたがう。
【００７７】
Λ・ｓｉｎθ＝ｎ・λ      （６）
【００７８】
なお、（６）式において、特に、次数が±1次に限定すればΛ・ｓｉｎθ＝λとさらに簡単な式になる。
【００７９】
このような（６）式は、計算機合成ホログラムにも適用することができ、その場合には、Λとして、前述したデジタル型の計算機合成ホログラムのピクセルのサイズを代入し、θとして、計算機合成ホログラムからの光の出射角度を代入すればよい。
【００８０】
そして、以上のようにして設計された第１の計算機合成ホログラム４を備えた上で、さらに、光学装置１は、図１および図２に示すように、第１の計算機合成ホログラム４に対する第１の光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒの出射側の位置に、第１の計算機合成ホログラム４に対して所定の間隔を隔てて平行に配置された第２の計算機合成ホログラム５を有している。
【００８１】
図１に示すように、第２の計算機合成ホログラム５は、透明基板５ａと、この透明基板５ａに図１における横方向に互いに間隔を隔てるようにして形成された左右一対の光学機能部５ｂ，５ｃとを有している。なお、光学機能部５ｂ，５ｃは、第２の計算機合成ホログラム５のうちの後述する光学的な機能（光分割機能およびビームシェーパ機能）を発揮する部位である。
【００８２】
ここで、２つの第１の光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒが第１の計算機合成ホログラム４から或る特定の距離だけ進行した位置においてホログラム４に入射した時点のレーザ光Ｌとほぼ同じモードフィールド径を有するガウシアンビームとなることについては、前述した通りである。
【００８３】
このような前提で、一対の光学機能部５ｂ，５ｃのうちの左側の光学機能部５ｂは、左側の第１の光Ｌ１Ｌの光路上であって、この左側の第１の光Ｌ１Ｌの第１の計算機合成ホログラム４からの進行距離が特定の距離となる位置に配置されている。同様に、一対の光学機能部５ｂ，５ｃのうちの右側の光学機能部５ｃは、右側の第１の光Ｌ１Ｒの光路上であって、この右側の第１の光Ｌ１Ｒの第１の計算機合成ホログラム４からの進行距離が特定の距離となる位置に配置されている。
【００８４】
したがって、第１の計算機合成ホログラム４から出射された左側の第１の光Ｌ１Ｌは、第２の計算機合成ホログラム５の左側の光学機能部５ｂに、第１の計算機合成ホログラム４に入射した時点のレーザ光Ｌとほぼ同じモードフィールド径を有するガウシアンビームとして入射することになる。また、第１の計算機合成ホログラム４から出射された右側の第１の光Ｌ１Ｒは、第２の計算機合成ホログラム５の右側の光学機能部５ｃに、第１の計算機合成ホログラム４に入射した時点のレーザ光Ｌとほぼ同じモードフィールド径を有するガウシアンビームとして入射することになる。
【００８５】
そして、第２の計算機合成ホログラム５は、各光学機能部５ｂ，５ｃにそれぞれ入射した各第１の光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒを、各２つずつの合計４つの第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯに分割し、これら４つの第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯを互いに異なる出射方向に出射するようになっている。ここで、これら４つの第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯのうちの１つＬ２ＬＯは、左側の第１の光Ｌ１Ｌから分割された左外側の第２の光Ｌ２ＬＯとされている。また、他の３つの第２の光Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯのうちの１つＬ２ＬＩは、左側の第１の光Ｌ１Ｌから分割された左内側の第２の光Ｌ２ＬＩとされており、この左内側の第２の光Ｌ２ＬＩは、左外側の第２の光Ｌ２ＬＯの発生（分割）位置に対して図１、図２における横方向の内側（右側）近傍位置において発生するようになっている。さらに、残りの２つの第２の光Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯのうちの１つＬ２ＲＩは、右側の第１の光Ｌ１Ｒから分割された右内側の第２の光Ｌ２ＲＩとされている。最後の１つの第２の光Ｌ２ＲＯは、右側の第１の光Ｌ１Ｒから分割された右外側の第２の光Ｌ２ＲＯとされており、この右外側の第２の光Ｌ２ＲＯは、右内側の第２の光Ｌ２ＲＩの発生位置に対して図１、図２における横方向の外側（右側）近傍位置において発生するようになっている。
【００８６】
ただし、左外側の第２の光Ｌ２ＬＯの発生位置と左内側の第２の光Ｌ２ＬＩの発生位置とは極めて近いので、図２においては、両者Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩが同一点で発生したような光として図示されている。同様に、右外側の第２の光Ｌ２ＲＯの発生位置と右内側の第２の光Ｌ２ＲＩの発生位置とは極めて近いので、図２においては、両者Ｌ２ＲＯ、Ｌ２ＲＩが同一点で発生したような光として図示されている。
【００８７】
これら各第２の光のＬ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯの第２の計算機合成ホログラム５からの具体的な出射方向は、図６に示すようになっている。すなわち、図６に示すように、左外側の第２の光Ｌ２ＬＯは、その第２の計算機合成ホログラム５上の出射位置から左前方（図６における左上方）の角度（回折角）θ２°の方向に向かって出射されるようになっている。また、図６に示すように、左内側の第２の光Ｌ２ＬＩは、その第２の計算機合成ホログラム５上の出射位置から右前方（図６における右上方）の角度θ１°の方向に向かって出射されるようになっている。さらに、図６に示すように、右内側の第２の光Ｌ２ＲＩは、その第２の計算機合成ホログラム５上の出射位置から左前方の角度θ１°の方向に向かって出射されるようになっている。さらにまた、図６に示すように、右外側の第２の光Ｌ２ＲＯは、その第２の計算機合成ホログラム５上の出射位置から右前方の角度θ２°の方向に向かって出射されるようになっている。ただし、各第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯの出射角の基準（０°）は、第２の計算機合成ホログラム５の前方となっている。これら各第２の光のＬ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯの出射方向は、後述するように、合焦状態においてのみ、各第２の光のＬ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯのそれぞれが他の１つの第２の光のＬ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯと互いに重なり合った状態でパターン形成面６（図２、図６参照）上に投影されるような出射方向とされている。
【００８８】
さらに、第２の計算機合成ホログラム５は、図６に示したように単に２つの異なる角度θ１、θ２にビームを分割する機能だけでなく、ビームの形状を変換するビームシェーパとしての機能をも有するように設計されている。
【００８９】
そして、このようなビームシェーパとしての機能によって、各第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯは、第２の計算機合成ホログラム５からの出射後に、第１の光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒの段階におけるガウシアン形状（光の進行方向に直交する断面の形状が円形状）から、パターン形成面６に投影されるべきガイドパターンの形状に対応する形状へと変換されている。
【００９０】
例えば、図７に示すような２つのガウシアンビームが第１の光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒとして左右の光学機能部５ｂ、５ｃにそれぞれ入射した場合に、左側の光学機能部５ｂは、図８に示すようなパターン形状を光学機能部５ｂからの出射後（フラウンフォーファ領域において）に呈することが可能な形状の第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩを発生させるようにしてもよい。また、この場合に、右側の光学機能部５ｃは、図９に示すようなパターン形状を光学機能部５ｃからの出射後（フラウンフォーファ領域において）に呈することが可能な形状の第２の光Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯを発生させるようにしてもよい。
【００９１】
ただし、図８、図９における上方向は、図２、図６における紙面垂直方向の手前側に相当し、図８、図９における下方向は、図２、図６における紙面垂直方向の奥側に相当する。
【００９２】
ここで、図８に示す左外側の第２の光Ｌ２ＬＯは、所定の線巾（横幅）を持った図８における縦方向に長尺な直線形状を有している。また、図８に示す左内側の第２の光Ｌ２ＬＩは、左外側の第２の光Ｌ２ＬＯと平行かつ同一の大きさおよび形状とされた長辺部と、この長辺部の長手方向の両端から左外側の第２の光Ｌ２ＬＯ側に向かって垂直に延びる一対の短辺部とからなるコの字形状を有している。一方、図９に示す右内側の第２の光Ｌ２ＲＩは、図８に示す左内側の第２の光Ｌ２ＬＩと線対称の逆コの字形状を有している。また、図９に示す右外側の第２の光Ｌ２ＲＯは、図８に示す左外側の第２の光Ｌ２ＬＯと線対称の直線形状を有している。
【００９３】
このような各第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯは、第２の計算機合成ホログラム５から出射されてそれぞれの光路を進行した後に、第２の計算機合成ホログラム５に対する出射側の位置に第２の計算機合成ホログラム５に平行に配置された平面状のパターン形成面６上に、各第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯの形状を反映した投影パターンとして投影されることになる。
【００９４】
このとき、第２の計算機合成ホログラム５からパターン形成面６までの距離ｌ（図６参照）が合焦状態に相当する最適距離（ただし、一定の変動幅を持った距離）の場合には、各第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯは、互いに離間された合計２つ（所定数）のパターン構成部からなる投影パターンとしてパターン形成面６上に投影されるようになっている。すなわち、この場合には、左外側の第２の光Ｌ２ＬＯと右内側の第２の光Ｌ２ＲＩとが互いに重なり合った状態で投影されることによって、互いに一体とされた１つのパターン構成部をなすことになる。また、この場合には、左内側の第２の光Ｌ２ＬＩと右外側の第２の光Ｌ２ＲＯとが互いに重なり合った状態で投影されることによって、互いに一体とされたもう１つのパターン構成部をなすことになる。このとき、２つのパターン構成部は互いに線対称となる。
【００９５】
そして、このようにして合焦状態において投影された２つのパターン構成部からなる投影パターンは、正規な形状のガイドパターンをなすようになっている。
【００９６】
なお、このような正規な形状のガイドパターンが投影される合焦状態のうち、最も理想的な状態（すなわち、撮像装置の物体側の焦点がパターン形成面上の一点に完全に一致した状態）においては、次式が成立することになる。
【００９７】
ｌ（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２）＝ｄ      （６）
【００９８】
ただし、（６）式におけるｌは、図６に示す第２の計算機合成ホログラム５からパターン形成面６までの距離（最短距離）である。また、（６）式におけるθ１、θ２は、前述した第２の計算機合成ホログラム５からの各第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯのそれぞれの出射方向（角度）である。さらに、（６）式におけるｄは、第２の計算機合成ホログラム５に入射する各第１の光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒの中心間距離である。図６は、このような理想的な合焦状態における第２の計算機合成ホログラム５とパターン形成面６との位置関係を示している。
【００９９】
一方、第２の計算機合成ホログラム５からパターン形成面６までの距離ｌが合焦状態に相当する最適距離よりも短いまたは長い距離の場合、換言すれば、非合焦状態に相当する距離の場合には、各第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯは、互いに離間された合計４つのパターン構成部からなる投影パターンとしてパターン形成面６上に投影されるようになっている。すなわち、この場合には、左外側の第２の光Ｌ２ＬＯと右内側の第２の光Ｌ２ＲＩとが互いに離間された状態で投影されることによって、互いに離間された２つのパターン構成部をなすことになる。また、この場合には、左内側の第２の光Ｌ２ＬＩと右外側の第２の光Ｌ２ＲＯとが互いに離間された状態で投影されることによって、互いに離間されたもう２つのパターン構成部をなすことになる。
【０１００】
そして、このようにして非合焦状態において投影された４つのパターン構成部からなる投影パターンは、正規の形状から逸脱した形状（以下、非正規形状と称する）すなわち別々に分離した状態のガイドパターンをなすようになっている。
【０１０１】
ここで、ガイドパターンの具体例として、図８および図９に示したような形状を呈することが可能とされた第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯが図６に示したような出射方向に出射される場合の例（以下、本具体例と称する）について説明する。
【０１０２】
まず、本具体例において、第２の計算機合成ホログラム５からパターン形成面６までの距離ｌが最適距離となる場合、すなわち、第２の計算機合成ホログラム５に対してパターン形成面６が図２３における（ａ）の位置関係を有する場合には、図１０に示すようなガイドパターン８が投影されることになる。この図１０に示すガイドパターン８は、逆コの字形状の左側のパターン構成部８ａと、この左側のパターン構成部８ａと線対称のコの字形状の右側のパターン構成部８ｂとによって構成されている。ここで、左側のパターン構成部８ａは、図９に示した右内側の第２の光Ｌ２ＲＩと図８に示した左外側の第２の光Ｌ２ＬＯとが、図８、図９における形状を保ったままパターン形成面６上に互いに重なり合った状態で投影されてなるものである。また、右側のパターン構成部８ｂは、図８に示した左内側の第２の光Ｌ２ＬＩと図９に示した右外側の第２の光Ｌ２ＲＯとが、図８、図９における形状を保ったままパターン形成面６上に互いに重なり合った状態で投影されてなるものである。したがって、本具体例におけるガイドパターンの正規の形状は、逆コの字形状とコの字形状とが違いに向かい合うような括弧形状（［  ］形状）となる。ただし、本具体例において、正規の形状には、右内側の第２の光Ｌ２ＲＩと左外側の第２の光Ｌ２ＬＯ、また、左内側の第２の光Ｌ２ＬＩと右外側の第２の光Ｌ２ＲＯがそれぞれ横ずれおよび縦ずれ無く完全に重なり合った状態で投影された場合のガイドパターンの形状に限らず、設計コンセプトに応じた若干のずれを有しつつ重なり合った状態で投影された場合のガイドパターンの形状も含まれている。したがって、例えば、各パターン構成部８ａ、８ｂの横幅（線巾）が図１０に示す理想的な状態（ずれが無い投影状態）よりも太くなった場合においても、正規の形状であることを妨げない。
【０１０３】
一方、本具体例において、第２の計算機合成ホログラム５からパターン形成面６までの距離ｌが最適距離よりも短い距離となる場合、すなわち、第２の計算機合成ホログラム５に対してパターン形成面６が図２３における（ｂ）の位置関係を持つ場合には、図１１に示すような非正規形状のガイドパターン９が投影されることになる。この図１１に示すガイドパターン９は、図１０に示したものと同様の括弧状をなす２つのパターン構成部９ｂ、９ｃのそれぞれの外側に直線形状のパターン構成部９ａ、９ｄが配置されたものとなっている。各パターン構成部９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄは、左側から順に、左外側の第２の光Ｌ２ＬＯ、右内側の第２の光Ｌ２ＲＩ、左内側の第２の光Ｌ２ＬＩ、右外側の第２の光Ｌ２ＲＯが投影されてなるものであり、各第２の光のそれぞれの図８、図９における形状に相当する形状を有している。
【０１０４】
また、本具体例において、第２の計算機合成ホログラム５からパターン形成面６までの距離ｌが最適距離よりも長い距離となる場合、すなわち、第２の計算機合成ホログラム５に対してパターン形成面６が図２３における（ｃ）の位置関係を持つ場合には、図１２に示すような非正規形状のガイドパターン１０が投影されることになる。この図１２に示すガイドパターン１０は、図１０に示したものと同様の括弧状をなす２つのパターン構成部１０ａ、１０ｄのそれぞれの内側に直線形状のパターン構成部１０ｂ、１０ｃが配置されたものとなっている。各パターン構成部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは、左側から順に、右内側の第２の光Ｌ２ＲＩ、左外側の第２の光Ｌ２ＬＯ、右外側の第２の光Ｌ２ＲＯ、左内側の第２の光Ｌ２ＬＩが投影されてなるものであり、各第２の光のそれぞれの図８、図９における形状に相当する形状を有している。
【０１０５】
なお、本具体例においては、各第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯの図８、図９における縦方向に延びる直線部分の線巾（横幅）によって、ガイドパターンが正規の形状をなすか否かを制御することができる。したがって、この線巾は、合焦状態に対応する第２の計算機合成ホログラム５からパターン形成面６までの距離の範囲に応じた線巾に設定すればよい。このとき、合焦状態とされる場合の第２の計算機合成ホログラム５からパターン形成面６までの距離の範囲が狭い場合、すなわち、情報認識装置の情報認識性能が低い等の理由によって厳密な合焦状態が求められる場合には、各第２の光の線巾が小さくなるように第２の計算機合成ホログラム５を設計すればよい。一方、合焦状態とされる場合の第２の計算機合成ホログラム５からパターン形成面６までの距離の範囲が広い場合、すなわち、情報認識装置の情報認識性能が高い等の理由によって求められる合焦状態が緩和されている場合には、各第２の光の線巾が大きくなるように第２の計算機合成ホログラム５を設計すればよい。
【０１０６】
このようなガイドパターンを投影する第２の計算機合成ホログラム５は、第１の計算機合成ホログラム４と同様に、ＩＦＴＡを用いた最適な位相分布解の計算によって設計することができる。
【０１０７】
図１および図２に戻って、更に、本実施形態における光学装置１は、ガイドパターンを撮像する撮像素子１４を有しており、この撮像素子１４には、不図示のレンズ等の光学系を介してガイドパターンの像が結像するようになっている。なお、この撮像素子１４は、対象パターン７（図２参照）を撮像する撮像装置の撮像素子を兼ねていてもよい。また、ガイドパターンは、対象パターン７と同一の光学系（撮像装置を構成する光学系）を介して光学装置１内に取込まれるようにしてもよい。なお、撮像素子１４として、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子を適用してもよい。
【０１０８】
また、図１および図２に示すように、撮像素子１４には、判定装置としての情報処理部１５が接続されている。この情報処理部１５は、撮像素子１４によって撮像されたガイドパターンにおけるパターン構成部の数を画像認識によって把握し、把握されたパターン構成部の数に基づいて、パターン形成面６に対する撮像装置の光軸方向における位置の適否を判定するようになっている。具体的には、把握されたパターン構成部の数が２つであれば、位置が適切と判定し、数が４つであれば位置が不適切と判定する。そして、情報処理部１５は、判定結果を出力するようになっている。
【０１０９】
このとき、図１０〜図１２に示したような各ガイドパターン８、９、１０を投影する場合であって、情報処理部１５が、パターン構成部の数を把握する性能だけでなく、各ガイドパターン８、９、１０の形状を峻別する性能をも有しているのであれば、情報処理部１５は、パターン形成面６に対する撮像装置の光軸方向における距離が、最適距離、最適距離よりも短い距離または最適距離よりも長い距離のいずれであるかにまでも及んだ判定を行うようにすることが望ましい。
【０１１０】
また、撮像素子１４が撮像装置の撮像素子を兼ねる場合には、情報処理部１５は、撮像素子１４によって撮像された対象パターンの情報を認識する性能を併有するものであってもよい。
【０１１１】
さらに、図１および図２に示すように、情報処理部１５には、撮像位置情報表示処理部１６が接続されており、この撮像位置情報表示処理部１６には、情報処理部１５によって出力された判定結果が入力されるようになっている。
【０１１２】
そして、撮像位置情報表示処理部１６は、情報処理部１５から入力された判定結果に応じたパターン形成面６に対する撮像装置の光軸方向における位置に関する情報をディスプレイ等の表示部に表示するようになっている。ここで、パターン形成面６に対する撮像装置の光軸方向における位置が適切な場合には、撮像位置情報表示処理部１６は、位置が適切である旨の記号やメッセージを表示すればよい。一方、パターン形成面６に対する撮像装置の光軸方向における位置が不適切な場合には、撮像位置情報表示処理部１６は、位置が不適切である旨の記号やメッセージ（例えば、「バーコード位置が正しくありません」、「バーコード位置が近すぎます」、「バーコード位置が遠すぎます」等）を表示すればよい。このような情報が表示されることにより、ユーザは、パターン形成面６に対する撮像装置の光軸方向における位置を手動によって最適な位置に調整することができる。この場合に、ユーザは、情報認識装置を図２、図６における縦方向に移動させることによって、光学装置１と撮像装置とを同方向に一体的に移動させればよい。
【０１１３】
なお、このような撮像位置情報表示処理部１６を設ける代わりに、情報処理部１５の判定結果に応じてパターン形成面６に対する撮像装置の光軸方向における位置を最適な位置に自動的に調整する自動調整装置を設けるようにしてもよい。
【０１１４】
また、撮像装置を構成する光学系は、ガイドパターンが正規の形状となった場合に撮像装置がパターン形成面６に合焦されるものであれば、その最も物体側における光軸（光軸方向）が、コリメーションレンズ３の光軸に対して傾いているものであってもよい。この場合であっても、第２の計算機合成ホログラム５からパターン形成面６までの距離を調整する方向（図１、図２における縦方向）に光学装置１と撮像装置とを一体的に移動させれば、パターン形成面６に対する撮像装置の光軸方向における位置を合焦状態に調整することができ、ひいては、撮像装置を対象パターン７に合焦させることができることに変わりはない。
【０１１５】
さらに、図１０に示したようなガイドパターン８を投影する場合には、左右のパターン構成部８ａ、８ｂの間に対象パターン７が位置される場合に、撮像装置が対象パターン７に合焦されるように構成してもよい。
【実施例】
【０１１６】
次に、本発明の実施例について説明する。
【０１１７】
まず、本実施例においては、図７に示したような第１の光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒ（ガウシアンビーム）の電界強度分布（振幅分布）を目標（束縛条件）として、ＩＦＴＡアルゴリズムを用いて第１の計算機合成ホログラム４の位相分布解（凹凸形状）を求めた。
【０１１８】
ただし、このとき、図７の電界強度分布は、第１の光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒが第１の計算機合成ホログラム４から２５ｍｍ伝搬（進行）した位置において、モードフィールド半径＝５００μｍ、両光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒの中心間距離＝３．０ｍｍの状態で得られる電界強度分布と仮定した。なお、モードフィールド半径＝５００μｍは、第１の計算機合成ホログラム４に入射した時点のレーザ光源２からの入射光（ガウシアンビーム）（図１６参照）の半径と同一と仮定した。また、レーザ光源２は、λ＝６５０ｎｍの赤色光を出射するＮＡ＝０．６程度のＬＤと仮定した。さらに、コリメーションレンズ３は、レーザ光源２からの入力光を半径５００μｍのガウシアンビームにすることができる焦点距離＝０．６４ｍｍ程度の非球面レンズと仮定した。ただし、レーザ光源２から出射された時点のレーザ光の位相分布は自由としており、ＩＦＴＡアルゴリズムの束縛条件として加味しなかった。
【０１１９】
さらに、ホログラムの基本構成は、ピクセルの数が縦１０２４個×横１０２４個、１個のピクセルのサイズが５μｍ、段数が１６段と仮定した。なお、前述した（６）式において、第１の光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒを±１次光とみなして、Λにピクセルサイズとしての５μｍを代入した場合には、本実施例における第１の光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒの出射角度（回折角）は７．４７°となる。
【０１２０】
そして、このような仮定の下で、第１の光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒの伝搬計算として角スペクトル伝搬法を採用して、GerchBerg-Saxtonアルゴリズムで繰り返し計算を行った。
【０１２１】
このような繰り返し計算によって得られた第１の計算機合成ホログラム４の位相分布解は図１３のようになった。そして、このようにして得られた第１の計算機合成ホログラム４から２５ｍｍ離れた位置での第１の光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒの電界強度分布は図１４のようになった。ここで、図１４の電界強度分布は、図７に示した目標の電界強度分布に比べて多少のノイズ光があるものの、ほぼ目標通りの電界強度分布となった。
【０１２２】
次いで、本実施例においては、第２の計算機合成ホログラム５の位相分布解（凹凸形状）をＩＦＴＡアルゴリズムを用いて求めた。
【０１２３】
ただし、前述のように、第２の計算機合成ホログラム５は、左右一対の光学機能部５ｂ、５ｃを有するため、ＩＦＴＡによる繰り返し計算を２種類行って、左側の光学機能部５ｂの位相分布解と右側の光学機能部５ｃの位相分布解とを別々に求めた。
【０１２４】
ここでまず、左側の光学機能部５ｂの位相分布解を求めるにあたっては、図７に示した電界強度分布のうちの左側の第１の光Ｌ１Ｌの中心から図７の電界強度分布全体の１／４の領域の電界強度分布を取り出した。なお、図７の電界強度分布全体を縦１０２４ピクセル×横１０２４ピクセルの画像とみなせば、このとき取り出される電界強度分布は、第１の光Ｌ１Ｌの中心から縦１０２４ピクセル×横１０２４ピクセルの画像領域内の電界強度分布となる。
【０１２５】
次いで、取り出された電界強度分布を、セルを２倍にすることによって縦１０２４ピクセル×横１０２４ピクセルの領域内の電界強度分布に変換した。この変換された電界強度分布は図１５のようになる。
【０１２６】
ここで、左側の光学機能部５ｂは、第１の計算機合成ホログラム４から２５ｍｍ離れた位置にあるべきなので、この図１５の電界強度分布に示す第１の光Ｌ１Ｌの直後に左側の光学機能部５ｂを配置すると仮定した。
【０１２７】
また、左側の光学機能部５ｂは、ピクセルの数が縦１０２４個×横１０２４個、１個のピクセルのサイズが５μｍ、段数が１６段と仮定した。
【０１２８】
さらに、左側の光学機能部５ｂから出射された第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩは、左側の光学機能部５ｂからある程度離れた位置において目標とする電界強度分布である図８に示したような形状に変換されると仮定した。ここで、ある程度離れた位置としているのは、フラウンフォーファ領域において第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩが図８の形状に変換されることを想定している。ここでのビーム形状の変化は図１７に示す通りである。
【０１２９】
このような仮定の下で、ＩＦＴＡの繰り返し計算によって得られた左側の光学機能部５ｂの位相分布解は図１８のようになった。なお、このとき、光の伝搬計算には、フーリエ伝搬による計算を用いた。そして、このようにして得られた左側の光学機能部５ｂから出射された第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩの電界強度分布は図１９のようになった。ここで、図１９の電界強度分布は、図８に示したものとほぼ一致する目標通りの分布となった。また、図１８の位相分布解によって得られる回折効率は８７．８％となり、ＳＮＲは３３．６ｄＢとなった。また、第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩの出射角度は、図６を用いて説明すれば、θ１＝５．８４°、θ２＝３．７４°となった。
【０１３０】
次に、右側の光学機能部５ｃの位相分布解を求めるにあたっても、左側の光学機能部５ｂと同様の手法を用いた。
【０１３１】
すなわち、まず、図７に示した電界強度分布のうちの右側の第１の光Ｌ１Ｒの中心から図７の電界強度分布全体の１／４の領域の電界強度分布を取り出した。
【０１３２】
次いで、取り出された電界強度分布を、セルを２倍にすることによって縦１０２４ピクセル×横１０２４ピクセルの領域内の電界強度分布に変換した。この変換された電界強度分布は図２０のようになる。
【０１３３】
ここで、右側の光学機能部５ｃも、第１の計算機合成ホログラム４から２５ｍｍ離れた位置にあるべきなので、この図２０の電界強度分布に示す第１の光Ｌ１Ｒの直後に右側の光学機能部５ｃを配置すると仮定した。
【０１３４】
また、右側の光学機能部５ｃも、ピクセルの数が縦１０２４個×横１０２４個、１個のピクセルのサイズが５μｍ、段数が１６段と仮定した。
【０１３５】
さらに、右側の光学機能部５ｃから出射された第２の光Ｌ２ＲＯ、Ｌ２ＲＩは、右側の光学機能部５ｃからある程度離れた位置において目標とする電界強度分布である図９に示したような形状に変換されると仮定した。ここで、ある程度離れた位置としているのは、フラウンフォーファ領域において第２の光Ｌ２ＲＯ、Ｌ２ＲＩが図９の形状に変換されることを想定している。
【０１３６】
このような仮定の下で、ＩＦＴＡの繰り返し計算によって得られた右側の光学機能部５ｃの位相分布解は図２１のようになった。なお、このとき、光の伝搬計算には、フーリエ伝搬による計算を用いた。そして、このようにして得られた右側の光学機能部５ｃから出射された第２の光Ｌ２ＲＯ、Ｌ２ＲＩの電界強度分布は図２２のようになった。ここで、図２２の電界強度分布は、図９に示したものとほぼ一致する目標通りの分布となった。また、図２１の位相分布解によって得られる回折効率は８８．６％となり、ＳＮＲは３３．８ｄＢとなった。このことは、左右の光学機能部５ｂ、５ｃとしてほぼ線対称の光学機能部５ｂ、５ｃが得られたことを示している。
【０１３７】
そして、このようにして得られた第１の計算機合成ホログラム４および第２の計算機合成ホログラム５を備えた光学装置１によれば、まず、レーザ光源２から出射されたレーザ光Ｌは、コリメーションレンズ３によってコリメートされて半径５００μｍのモードフィールド径のガウシアンビームに変換される。次に、コリメート後のレーザ光Ｌは、第１の計算機合成ホログラム４によってほぼ均等のパワーの左右の第１の光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒに分割されるとともに、第１の計算機合成ホログラム４の回折作用によって左右に等しい角度で出射される。次に、第１の計算機合成ホログラム４から出射された各第１の光Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒは、第２の計算機合成ホログラム５によって第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯに分割されて出射される。そして、第２の計算機合成ホログラム５から出射された第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯは、その形状がガイドパターンに対応する所定の形状（図８、図９）に変換された後にパターン形成面６上に投影されてガイドパターンを形成する。このとき、合焦状態となっている場合には、図１０に示したような正規の形状のガイドパターン８が投影される。一方、非合焦状態となっている場合には、図１１または図１２に示したような互いに分離した状態の非正規形状のガイドパターン９、１０が投影される。そして、このガイドパターンの形状を画像認識することによって、パターン形成面６に対する撮像装置の位置の適否を判断することができる。
【０１３８】
以上述べたように、本発明によれば、１つのレーザ光源２から出射されたレーザ光を、コリメーションレンズ３、第１の計算機合成ホログラム４および第２の計算機合成ホログラム５によって第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯに分割することができ、これら各第２の光Ｌ２ＬＯ、Ｌ２ＬＩ、Ｌ２ＲＩ、Ｌ２ＲＯをパターン形成面６に投影させることによって合焦状態の有無の判別が可能なガイドパターンを形成することができる。この結果、光源の数を従来よりも削減しつつ対象パターンの適切な撮像を実現することができる。さらに、光源数の削減にともなって、光源を設置するスペースを小さくすることができるため、小型化を実現することができる。
【０１３９】
なお、本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々変更することができる。
【０１４０】
例えば、第１の計算機合成ホログラム４の代わりに、この第１の計算機合成ホログラム４と同様の回折作用を実現することができる回折格子を配置するようにしてもよい。
【０１４１】
また、正規の形状のガイドパターンは、図１０に示したものに限定する必要はなく、例えば、２つの円弧状のパターン構成部を向かい合わせた形状（すなわち、（  ）形状）や、くの字状のパターン構成部と逆くの字状のパターン構成部とを向かい合わせた形状（すなわち、＜  ＞形状）等の種々の形状を採用することができる。さらに、正規な形状のガイドパターンを構成するパターン構成部の数は、前述した２つには限定されない。さらにまた、正規な形状のガイドパターンを構成する複数のパターン構成部の形状は、線形状を有するものに限定されるものではなく、線形状以外の多角形状であってもよい。
【符号の説明】
【０１４２】
１  光学装置
２  レーザ光源
３  コリメーションレンズ
４  第１の計算機合成ホログラム
５  第２の計算機合成ホログラム
６  パターン形成面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１７】
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【図２３】
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【図７】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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