JP2023135357A - 変位量測定装置、変位量測定システム、非接触入力装置、および生体微動測定装置 - Google Patents

変位量測定装置、変位量測定システム、非接触入力装置、および生体微動測定装置 Download PDF

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Abstract

【課題】演算負荷を低減させ被測定物の変位量を高速に検出することが可能な変位量測定装置を実現すること。【解決手段】変位量測定装置は、被測定物に対してコヒーレント光を照射する照射手段と、被測定物による反射光に基づいて、輝度変化が生じた輝度変化座標を検出し、当該輝度変化座標に関するデータを出力する輝度変化座標検出手段と、輝度変化座標検出手段から出力された、輝度変化座標に関するデータに基づいて、被測定物の変位量を推定する変位量推定手段とを備え、変位量推定手段は、データから抽出された輝度変化座標の位置を表す第１の要素の集合からなる第１の数値列の演算処理を行うことにより、被測定物の第１の要素の変位量を算出する第１の数値列処理系統と、データから抽出された輝度変化座標の位置を表す第２の要素の集合からなる第２の数値列の演算処理を行うことにより、被測定物の第２の要素の変位量を算出する第２の数値列処理系統とを有する。【選択図】図９

Description

本発明は、変位量測定装置、変位量測定システム、非接触入力装置、および生体微動測定装置に関する。
下記非特許文献１には、被測定物の微小変位量を計測する目的で、スペックルパターンをイベントベースビジョンセンサにより取得し、スペックルパターン画像を生成した上で画像処理を施すことで、被測定物の微小変位量を測定する技術が開示されている。
しかしながら、従来のイベントベースビジョンセンサとスペックルパターン画像とを用いた被測定物の変位測定技術では、光検出素子から非同期に出力されるイベント情報を一定時間蓄え、画像化することで従来の画像処理を適用し、スペックルパターン画像の並進量を算出していたため、イベントベースビジョンセンサを用いているにも関わらず、演算処理量が比較的多く、被測定物の変位量を高速に検出することができない。
本発明は、上述した従来技術の課題を解決するため、演算負荷を低減させ被測定物の変位量を高速に検出することが可能な変位量測定装置を実現することを目的とする。
上述した課題を解決するために、一実施形態に係る変位量測定装置は、被測定物に対してコヒーレント光を照射する照射手段と、被測定物による反射光に基づいて、輝度変化が生じた輝度変化座標を検出し、当該輝度変化座標に関するデータを出力する輝度変化座標検出手段と、輝度変化座標検出手段から出力された、輝度変化座標に関するデータに基づいて、被測定物の変位量を推定する変位量推定手段とを備え、変位量推定手段は、データから抽出された輝度変化座標の位置を表す第１の要素の集合からなる第１の数値列の演算処理を行うことにより、被測定物の第１の要素の変位量を算出する第１の数値列処理系統と、データから抽出された輝度変化座標の位置を表す第２の要素の集合からなる第２の数値列の演算処理を行うことにより、被測定物の第２の要素の変位量を算出する第２の数値列処理系統とを有する。
一実施形態に係る変位量測定装置によれば、演算負荷を低減させ被測定物の変位量を高速に検出することが可能な変位量測定装置を実現することができる。
第１実施形態に係る変位量測定装置の全体構成を示す図 第１実施形態に係る変位量測定装置が備える輝度変化座標検出手段の構成の一例を示す図 第１実施形態に係る変位量測定装置が備える輝度変化座標検出手段の構成の他の一例を示す図 第１実施形態に係る変位量測定装置が備える輝度変化座標検出手段によるイベントデータの出力例を示す図 第１実施形態に係る変位量測定装置が備える変位量推定手段による変位量の推定の原理を説明するための図 一実施形態に係る変位量推定手段による、被測定物の変位量の推定方法の原理を説明するための図 一実施形態に係る変位量測定装置が備える変位量推定手段による、被測定物の変位量の算出方法の一例を説明するための図 一実施形態に係る変位量測定装置が備える変位量推定手段によって算出された複数の差分値の度数分布を表すヒストグラム 一実施形態に係る変位量測定装置が備える変位量推定手段の機能構成の一例を示す図 一実施形態に係る変位量測定装置が備える変位量推定手段による処理の手順の一例を示すフローチャート 一実施形態に係る変位量測定装置が備える変位量推定手段による計算量の一例を示すグラフ 一実施形態に係る変位量測定装置が備える変位量推定手段による、被測定物の変位量の算出方法の他の一例を説明するための図 一実施形態に係る変位量測定装置が備える変位量推定手段による計算量の他の一例を示すグラフ 一実施形態に係る変位量測定装置が備える変位量推定手段の機能構成の他の一例を示す図 一実施形態に係る変位量測定装置が備える変位量推定手段の機能構成のさらなる他の一例を示す図 一実施形態に係る変位量測定装置が備える情報処理部のハードウェア構成図 一実施形態に係る変位量測定装置の第１実施例である非接触入力装置の概略図 一実施形態に係る変位量測定装置の第１実施例である非接触入力装置の断面構成図 一実施形態に係る変位量測定装置の第２実施例である振戦測定装置の概略図 一実施形態に係る変位量測定装置の第２実施例である振戦測定装置の断面構成図
以下、図面を参照して、一実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
（変位量測定装置１００の全体構成）
図１は、第１実施形態に係る変位量測定装置１００の全体構成を示す図である。図１に示す変位量測定装置１００は、被測定物１０（例えば、人間の手）に対してコヒーレント光を照射し、被測定物１０からの反射光に基づいて、輝度変化座標を検出し、検出された輝度変化座標に関するイベントデータに基づいて、被測定物１０の微小な変位量を測定することができる装置である。
なお、「輝度変化座標」とは、イメージセンサにおける一定以上の輝度変化が生じた画素である。また、「イベントデータ」とは、一定以上の輝度変化が生じた画素に関し、輝度変化の発生時刻（Ｔ）、発生位置（Ｘ，Ｙ）、および極性（Ｐ）を含むデータである。
変位量測定装置１００によって測定された被測定物１０の微小な変位量は、例えば、変位量測定装置１００の外部の装置に出力され、当該外部の装置において、利用者への表示、外部被制御装置の制御等に用いられる。
図１に示すように、変位量測定装置１００は、照射手段１１０（「投光手段」と呼ぶ場合もある）、干渉像形成手段１２０、輝度変化座標検出手段１３０、および情報処理部１５０を備える。
照射手段１１０は、被測定物１０に対してコヒーレント光を照射する。照射手段１１０は、被測定物１０による反射光による干渉像を、輝度変化座標検出手段１３０の受光面上に形成できるようにするために、コヒーレンスの高いレーザ光源が用いられることが好ましい。照射手段１１０としては、例えば、レーザダイオード(LD)、垂直共振器型面発光レーザ（VCSEL）、小型のガスレーザ、固体レーザ等を用いることができる。
干渉像形成手段１２０は、被測定物１０による反射光（すなわち、被測定物１０によって反射されたコヒーレント光）から干渉像を形成する。本実施形態では、干渉像形成手段１２０は、被測定物１０と輝度変化座標検出手段１３０との間における、被測定物１０からの反射光の光路上に配置されている。干渉像形成手段１２０は、被測定物１０の変位量が適切に取得できるように、輝度変化座標検出手段１３０の受光面に受光される干渉像の特性を調整する機能を有する。例えば、干渉像形成手段１２０は、レンズ、開口、位相シフト素子、空間光変調素子（ＳＬＭ）等のいわゆる波面制御素子を有して構成される。
干渉像形成手段１２０によって形成される干渉像の一例として、被測定物１０の表面の粗さに起因したランダムな干渉像である、スペックル像が用いられる。スペックル像は、光の波動としての特性を反映したものであり、被測定物１０の動きに対して極めて鋭敏にその像の輝度分布を変化させる。すなわち、スペックル像は、被測定物１０の微小な変位を輝度変化座標検出手段１３０における受光面で捉えられるレベルに感度をスケール変換したものとなっている。
輝度変化座標検出手段１３０は、干渉像形成手段１２０によって形成された干渉像を受光面において受光し、受光された干渉像に基づいて、一定以上の輝度変化が生じた輝度変化座標を検出する。そして、輝度変化座標検出手段１３０は、検出された輝度変化座標に関するイベントデータを出力する。なお、輝度変化座標検出手段１３０の構成例については、図２および図３を用いて後述する。
情報処理部１５０は、変位量推定手段１５１および変位推定値出力手段１５２を有する。
変位量推定手段１５１は、輝度変化座標検出手段１３０から出力されたイベントデータに基づいて、被測定物１０の実空間における変位量の推定値を算出する。
変位推定値出力手段１５２は、変位量推定手段１５１によって算出された、被測定物１０の変位量の推定値を出力する。
ここで、第１実施形態に係る変位量測定装置１００は、変位量推定手段１５１が、輝度変化座標の位置を表す２つの要素（Ｘ座標およびＹ座標）の２つの数値列に対し、ハードウェア的に並列に設けられた２つの数値列処理系統を用いて、被測定物１０の実空間における変位量の推定値を算出することができる。
すなわち、変位量推定手段１５１は、第１の数値列処理系統Ｐ１による、Ｘ座標値の数値列に基づく被測定物１０のＸ軸の変位量の算出と、第２の数値列処理系統Ｐ２による、Ｙ座標の数値列に基づく被測定物１０のＹ軸の変位量の算出とを、並列に行うことができる。なお、本書における「並列」とは、独立して行うことができることを意味し、一部期間が同時期になる場合も含む。
これにより、第１実施形態に係る変位量測定装置１００は、演算負荷を低減させ、被測定物１０の変位量を高速に検出することができる。
なお、情報処理部１５０の各機能は、一又は複数の処理回路によって実現することが可能である。ここで、本明細書における「処理回路」とは、電子回路により実装されるプロセッサのようにソフトウェアによって各機能を実行するようプログラミングされたプロセッサや、上記で説明した各機能を実行するよう設計されたASIC（Application Specific Integrated Circuit）、DSP（digital signal processor）、FPGA（field programmable gate array）や従来の回路モジュール等のデバイスを含むものとする。
（輝度変化座標検出手段１３０の構成の一例）
図２は、第１実施形態に係る変位量測定装置１００が備える輝度変化座標検出手段１３０の構成の一例を示す図である。
図２に示す例では、輝度変化座標検出手段１３０は、イベントベースビジョンカメラ１３１を有して構成される。
イベントベースビジョンカメラ１３１は、イベントベースビジョンセンサを搭載している。イベントベースビジョンセンサは、干渉像を受光することにより、２次元配列された画素集合において、一定以上の輝度変化が生じた輝度変化座標を瞬時に（すなわち、極めて短時間且つ極めて高速に）検出して、検出された輝度変化座標に関し、輝度変化の発生時刻（Ｔ）、発生位置（Ｘ，Ｙ）、および極性（Ｐ）を含むイベントデータを出力することができる。これにより、イベントベースビジョンカメラ１３１は、イベントデータを直接生成することができる。
変位量測定装置１００は、輝度変化座標検出手段１３０にイベントベースビジョンカメラ１３１を用いることにより、鋭敏に変化するスペックル像を高速に取得し、被測定物１０の微小な変位を確実に捉えることができる。
（輝度変化座標検出手段１３０の構成の他の一例）
図３は、第１実施形態に係る変位量測定装置１００が備える輝度変化座標検出手段１３０の構成の他の一例を示す図である。
図３に示す例では、輝度変化座標検出手段１３０は、フレームカメラ１３２、連続フレーム間輝度差演算手段１３３、および輝度変化座標抽出手段１３４を有して構成される。
フレームカメラ１３２は、干渉像が写し出されている通常のフレーム画像を撮像し、当該フレーム画像を出力する。連続フレーム間輝度差演算手段１３３は、フレームカメラ１３２から出力された連続する２つのフレーム画像における各画素の輝度差を算出する。輝度変化座標抽出手段１３４は、輝度変化座標抽出手段１３４によって一定以上の輝度差が算出された画素を、輝度変化座標として抽出する。そして、輝度変化座標抽出手段１３４は、抽出された輝度変化座標に関し、輝度変化の発生時刻（Ｔ）、発生位置（Ｘ，Ｙ）、および極性（Ｐ）を含むイベントデータを出力する。
（輝度変化座標検出手段１３０によるイベントデータの出力例）
図４は、第１実施形態に係る変位量測定装置１００が備える輝度変化座標検出手段１３０によるイベントデータの出力例を示す図である。
図４（ａ）および図４（ｂ）は、イベントベースビジョンカメラ１３１が備えるイベントベースビジョンセンサの受光面上に形成されるスペックル像の一例を示す図である。但し、図４（ａ）は、時刻ｔにおけるスペックル像４００Ａを示す。また、図４（ｂ）は、時刻ｔ＋Δｔにおけるスペックル像４００Ｂを示す。図４（ｃ）は、イベントベースビジョンカメラ１３１によって出力されるイベントデータの一例であり、図４（ａ）に示すスペックル像と、図４（ｂ）に示すスペックル像とに基づいて生成されるイベントデータ４１０である。
イベントベースビジョンカメラ１３１が有するイベントベースビジョンセンサは、２次元配列された画素集合において、輝度変化が所定の閾値を超えた画素（すなわち、輝度変化座標）が検出されたとき（すなわち、イベント発生時）、発生時刻（Ｔ）、発生位置（Ｘ，Ｙ）、および極性（Ｐ）を含むデータを、イベントデータとして出力する光検出素子である。極性（Ｐ）は、「１：増加」または「０：減少」の２値を採り得る。
例えば、図４（ａ）に示す時刻ｔにおけるスペックル像４００Ａが、Δｔ後に、図４（ｂ）に示す時刻ｔ＋Δｔにおけるスペックル像４００Ｂへと、水平方向に並進した場合、時刻ｔ＋Δｔにおけるイベントベースビジョンセンサの輝度変化の極性は、図４（ｃ）のイベントデータ４１０に示すように、輝度値が一定値以上の減少した減少成分４１０Ａ（図中薄い網掛けがなされた領域）と、輝度値が一定値以上の増加した増加成分４１０Ｂ（図中濃い網掛けがなされた領域）とを有して、空間的に分布する。
この場合、イベントベースビジョンセンサは、増加成分４１０Ｂ内の全ての画素に関し、信号検出の時刻（Ｔ）、画素位置（Ｘ，Ｙ）、および極性（１：増加）を含む信号の時系列データ群を出力する。また、イベントベースビジョンセンサは、減少成分４１０Ａ内の全ての画素について、信号検出の時刻（Ｔ）、画素位置（Ｘ，Ｙ）、および極性（０：減少）を含む信号の時系列データ群を出力する。この際、イベントベースビジョンセンサは、減少成分４１０Ａおよび増加成分４１０Ｂの領域のいずれにも該当しない他の領域（図中網掛けが成されていない領域）の全ての画素について、データ出力を行わない。このため、イベントベースビジョンセンサから出力されるイベントデータ４１０は、フレーム画像データと比較して極めてデータ量が少ない。
このように、イベントベースビジョンセンサは、フレームレートによる制約がなく、フレーム画像データを出力するイメージセンサと比較して、高速にスペックル像のシフト情報を、イベントデータとして出力することができる。
例えば、イベントベースビジョンセンサは、センサ面内の全イベントデータのサンプリング時間は１～２００ｕｓ程度であり、通常のビデオカメラなどのフレームレートに対して極めて高速である。したがって、輝度変化座標検出手段１３０が有するイベントベースビジョンセンサは、被測定物１０の変位に対して鋭敏に変化するスペックル像のシフト量を、高速且つ確実に検知することができる。
（変位量推定手段１５１による変位量の推定の原理）
図５は、第１実施形態に係る変位量測定装置１００が備える変位量推定手段１５１による変位量の推定の原理を説明するための図である。
図５（ａ）および図５（ｂ）は、イベントベースビジョンカメラ１３１から出力されるイベントデータに基づくフレーム画像の一例である。但し、図５（ａ）は、時刻ｔにおけるフレーム画像５００Ａを示す。また、図５（ｂ）は、時刻ｔ＋Δｔｓにおけるフレーム画像５００Ｂを示す。なお、フレーム画像５００Ａ，５００Ｂでは、輝度値が一定値以上増加した増加成分のみを示している。また、図５（ｃ）は、フレーム画像５００Ａ，５００Ｂに基づいて算出された相互相関関数の一例を示す。
まず、本推定原理は、イベントベースビジョンカメラ１３１から出力されるイベントデータの時系列データから、図５（ａ）のようなフレーム画像５００Ａを得るために、単位フレームを算出する積算時間を設定し、画像を表す２次元行列を用意し、積算時間内に画素位置に対応する行列番号が出現する回数をカウントする。
次に、本推定原理は、図５（ｂ）に示すように、図５（ａ）のフレーム画像５００Ａの時刻、例えば、積算開始時刻（ｔ）よりΔｔｓだけ離れた時間を積算の開始点として、同様に積分時間内に出現する行列番号の出現回数をカウントする。
図５（ｂ）のフレーム画像５００Ｂにおける点線は、図５（ａ）のフレーム画像５００Ａのパターンを示しており、これらのパターンは、図５（ｂ）のフレーム画像５００Ｂにおいては、薄い網掛けで示す位置に並進している。
次に、本推定原理は、フレーム画像５００Ａとフレーム画像５００Ｂとの間の相互相関関数（図５（ｃ）参照）を算出する。
図５（ｃ）に示すように、相関関数の変数、すなわち変位量をΔＸ軸、ΔＹ軸とした場合に、スペックルパターンの並進量に対応した距離および位置（画像上のピクセル変位量）に相互相関関数のピーク値が得られる。例えば、本推定原理は、フレーム画像５００Ａ，５００ＢのいずれかをＸ軸方向およびＹ軸方向にずらして画像の重なり領域について積算することで、図５（ｃ）に示す相互相関関数を算出できる。
また、本推定原理は、相互相関関数の算出に、フレーム画像５００Ａ，５００Ｂをフーリエ変換して、一方の複素共役を他方に乗じた後に、逆フーリエ変換を施すことにより算出する方法（ウィーナー＝ヒンチンの定理）を用いることもできる。
（変位量推定手段１５１による変位量推定方法の原理）
図６は、一実施形態に係る変位量推定手段１５１による、被測定物１０の変位量の推定方法の原理を説明するための図である。
図６（ａ）は、一実施形態に係る変位量測定装置１００が備える光学系を示す図である。図６（ｂ）は、一実施形態に係る変位量測定装置１００が備えるイベントベースビジョンカメラ１３１から出力されるイベントデータ群の一例を示す図である。図６（ｃ）は、異なる２つの時刻のイベントデータ群の画像イメージを示す図である。
図６（ａ）に示すように、変位量測定装置１００は、照射手段１１０からコヒーレント光を被測定物１０である粗面１０Ａに照射し、その反射光を輝度変化座標検出手段１３０の受光面で受光することで、イベントベースビジョンカメラ１３１の受光面上に形成されるスペックル像を測定することができる。
ここで、図６（ａ）に示すように、粗面１０Ａが変位すると、輝度変化座標検出手段１３０の受光面上のスペックル像も同一方向に並進する。また、粗面１０Ａの変位量と輝度変化座標検出手段１３０の受光面上のスペックル像の並進量との比は、同一条件下では一定である。このことから、変位量測定装置１００は、輝度変化座標検出手段１３０の受光面上のスペックル像の並進に基づいて、被測定物１０の変位を推定することができる。
図６（ｂ）に示すイベントデータ群６００は、粗面１０Ａの変位前の時刻にて取得された、時系列に連続する１００個のイベントデータを含むイベントデータ群である。図６（ｂ）に示すイベントデータ群６０１は、粗面１０Ａの変位後に時刻にて取得された、時系列に連続する１００個のイベントデータを含むイベントデータ群である。図６（ｂ）に示すように、イベントデータ群６００，６０１を構成する各イベントデータは、輝度変化の発生した時刻、座標、および極性を含んでいる。
このため、図６（ｂ）に示すイベントデータ群６００に含まれる１００個のイベントデータを合算すると、図６（ｃ）に示す複数のスペックル像６１０が求められる。
また、図６（ｂ）に示すイベントデータ群６０１に含まれる１００個のイベントデータを合算すると、図６（ｃ）に示す複数のスペックル像６１０'が求められる。
すなわち、複数のスペックル像６１０は、粗面１０Ａの変位に伴って、複数のスペックル像６１０'へと並進する。したがって、複数のスペックル像６１０'と、複数のスペックル像６１０との差分は、すなわち、粗面１０Ａの変位量を推定できるものとなる。
なお、イベントデータ群６０１とイベントデータ群６０１との間の時間は極めて短いことから、粗面１０Ａおよび複数のスペックル像６１０は、等速運動しているものと仮定しても問題ない。したがって、複数のスペックル像６１０のパターンと、複数のスペックル像６１０'のパターンとは、略同一である。
（変位量推定手段１５１による変位量算出方法の一例）
図７は、一実施形態に係る変位量測定装置１００が備える変位量推定手段１５１による、被測定物１０の変位量の算出方法の一例を説明するための図である。
図７では、イベントデータ群に含まれる５つの輝度変化座標を代表的に用いて、被測定物１０の変位量の算出方法を説明する。
図７（ａ）～（ｃ）に示す輝度変化座標７００は、粗面１０Ａの変位前の時刻にて検出された輝度変化座標である。図７（ａ）～（ｃ）に示す輝度変化座標７００'は、粗面１０Ａの変位後の時刻にて検出された輝度変化座標であり、輝度変化座標７００が並進したものである。
まず、図７（ａ）に示すように、変位量推定手段１５１は、時系列における１番目の輝度変化座標７００に着目し、当該１番目の輝度変化座標７００と、５つの輝度変化座標７００'の各々との、座標値の差分値を算出する。
次に、図７（ｂ）に示すように、変位量推定手段１５１は、時系列における２番目の輝度変化座標７００に着目し、当該２番目の輝度変化座標７００と、５つの輝度変化座標７００'の各々との、座標値の差分値を算出する。
同様に、変位量推定手段１５１は、時系列における３番目の輝度変化座標７００に着目し、当該３番目の輝度変化座標７００と、５つの輝度変化座標７００'の各々との、座標値の差分値を算出する。
同様に、変位量推定手段１５１は、時系列における４番目の輝度変化座標７００に着目し、当該４番目の輝度変化座標７００と、５つの輝度変化座標７００'の各々との、座標値の差分値を算出する。
最後に、図７（ｃ）に示すように、変位量推定手段１５１は、時系列における５番目の輝度変化座標７００に着目し、当該５番目の輝度変化座標７００と、５つの輝度変化座標７００'の各々との、座標値の差分値を算出する。
すなわち、変位量推定手段１５１は、粗面１０Ａの変位前のイベントデータ群に含まれる全ての輝度変化座標７００について、粗面１０Ａの変位後のイベントデータ群に含まれる全ての輝度変化座標７００'の各々との、座標値の差分値を算出する。
したがって、例えば、変位量推定手段１５１は、粗面１０Ａの変位前のイベントデータ群と、粗面１０Ａの変位後のイベントデータ群とが、それぞれ１００個のイベントデータを含む場合、１００×１００＝１００００個の差分値を算出する。
ここで、変位前のイベントデータ群に含まれる、ある１つの輝度変化座標７００に着目した場合、算出された複数の差分値の中には、スペックル全体の並進と同方向且つ同距離の差分値（Δx,Δy）が、必ず１つ存在している。このことは、全ての輝度変化座標７００にも当てはまる。
このため、変位量推定手段１５１によって算出された差分値の中には、最終的に、スペックル全体の並進と同方向且つ同距離の差分値（Δx,Δy）が、変位前のイベントデータ群に含まれるイベントデータ数と同数存在することとなる。
したがって、変位量推定手段１５１によって算出された複数の差分値の度数分布をヒストグラム化すると、当該ヒストグラムは、スペックル全体の並進と同方向且つ同距離の差分値（Δx,Δy）において、ピークを有するものとなる。
（変位量推定手段１５１によって算出された複数の差分値の度数分布）
図８は、一実施形態に係る変位量測定装置１００が備える変位量推定手段１５１によって算出された複数の差分値の度数分布を表すヒストグラムである。
図８に示すヒストグラムは、変位量推定手段１５１によって図７で説明した方法を用いて算出された複数の差分値の度数分布を表すものであり、横軸を座標値（Ｘ座標またはＹ座標）の差分値とし、縦軸を度数とするものである。
図８に示すように、複数の差分値の度数分布を表すヒストグラムは、ある差分値にピークを持つものとなる。このピークとなる差分値は、実際のスペックル像の並進量（実移動量）と同値である。
このことから、変位量推定手段１５１は、複数の差分値のうちの最頻値を、実際のスペックル像の並進量として特定することができ、当該最頻値に基づいて、被測定物１０粗面１０Ａの変位量を推定することができる。
このように、変位量推定手段１５１は、２つのイベントデータ群のそれぞれの積算により２枚のスペックル像を生成することなく、直接的な数値列の差分演算により、スペックル像の並進量を算出できるため、被測定物１０の変位量を、演算負荷を低減させ高速に算出することができる。
（変位量推定手段１５１の機能構成）
図９は、一実施形態に係る変位量測定装置１００が備える変位量推定手段１５１の機能構成の一例を示す図である。
図９に示すように、変位量推定手段１５１は、イベントデータ群生成手段１７１および要素別数値列生成手段１７２を備える。
イベントデータ群生成手段１７１は、輝度変化座標検出手段１３０から出力された所定数のイベントデータを取得して、当該所定数のイベントデータを含むイベントデータ群を生成する。
要素別数値列生成手段１７２は、イベントデータ群生成手段１７１によって生成されたイベントデータ群における要素別の数値列を生成する。具体的には、要素別数値列生成手段１７２は、Ｘ座標（「第１の要素」の一例）の集合からなる第１の数値列と、Ｙ座標（「第２の要素」の一例）の集合からなる第２の数値列とを生成する。
また、変位量推定手段１５１は、第１の数値列処理系統Ｐ１と、第２の数値列処理系統Ｐ２とを備える。
第１の数値列処理系統Ｐ１は、イベントデータから抽出された輝度変化座標の位置を表すＸ座標（「第１の要素」の一例）の集合からなる第１の数値列の演算処理を行うことにより、被測定物１０のＸ座標の変位量を算出する。
第２の数値列処理系統Ｐ２は、イベントデータから抽出された輝度変化座標の位置を表すＹ座標（「第２の要素」の一例）の集合からなる第２の数値列の演算処理を行うことにより、被測定物１０のＹ座標の変位量を算出する。
第１の数値列処理系統Ｐ１および第２の数値列処理系統Ｐ２の各々は、数値列補正手段１７３、演算組み合わせ選定手段１７４、および変位量導出手段１７５を有する。
数値列補正手段１７３は、第１の数値列または第２の数値列に対する所定の補正を行う。所定の補正とは、例えば、正負いずれかの極性を有するイベントデータの輝度変化座標のみを抽出する処理、ソート処理等である。
演算組み合わせ選定手段１７４は、数値列補正手段１７３によって補正された第１の数値列または第２の数値列について、演算対象とする輝度変化座標の組み合わせを選定する。具体的には、演算組み合わせ選定手段１７４は、一方のイベントデータ群に含まれる輝度変化座標と、他方のイベントデータ群に含まれる輝度変化座標との組み合わせ（例えば、総当たりの組み合わせ、同一降下順同士の組み合わせ等）を選定する。
変位量導出手段１７５は、演算組み合わせ選定手段１７４によって選定された全ての輝度変化座標の組み合わせについて、座標値の差分値を算出する。そして、変位量導出手段１７５は、算出された複数の差分値のうちの最頻値を、実際のスペックル像のＸ軸またはＹ軸の並進量として特定し、当該最頻値に基づいて、被測定物１０のＸ軸またはＹ軸の変位量を推定する。さらに、変位量導出手段１７５は、推定された被測定物１０のＸ軸またはＹ軸の変位量を、変位推定値出力手段１５２へ出力する。
なお、変位量推定手段１５１は、数値列補正手段１７３および演算組み合わせ選定手段１７４を有しなくともよい。すなわち、変位量推定手段１５１は、数値列の補正と、演算対象とする輝度変化座標の組み合わせの選定とを行わなくともよい。この場合、変位量推定手段１５１は、「総当たりの組み合わせ」を自動的に選定してもよい。
（変位量推定手段１５１による処理の手順の一例）
図１０は、一実施形態に係る変位量測定装置１００が備える変位量推定手段１５１による処理の手順の一例を示すフローチャートである。
まず、イベントデータ群生成手段１７１が、輝度変化座標検出手段１３０から出力されたイベントデータを取得する（ステップＳ１０１）。次に、イベントデータ群生成手段１７１は、ステップＳ１０１で取得されたイベントデータを、変位量測定装置１００が備えるメモリに記憶させる（ステップＳ１０２）。
そして、イベントデータ群生成手段１７１は、ステップＳ１０１およびＳ１０２を繰り返し実行することによって、所定数（例えば、１００個）のイベントデータがメモリに記憶されると、当該所定数のイベントデータから、イベントデータ群を生成する（ステップＳ１０３）。
また、イベントデータ群生成手段１７１は、ステップＳ１０１～Ｓ１０３を２回実行することにより、異なる２つの時刻のイベントデータ群を生成する。
続いて、要素別数値列生成手段１７２は、生成された２つのイベントデータ群各々について、Ｘ座標の集合からなる第１の数値列と、Ｙ座標の集合からなる第２の数値列とを生成する（ステップＳ１０４）。
次に、第１の数値列処理系統Ｐ１において、数値列補正手段１７３は、第１の数値列に対する所定の補正（例えば、極性による分類、ソート処理等）を行う（ステップＳ１０５）。また、演算組み合わせ選定手段１７４が、ステップＳ１０５で補正された第１の数値列について、演算対象とする輝度変化座標の組み合わせを選定する（ステップＳ１０６）。そして、変位量導出手段１７５が、ステップＳ１０６で選定された全ての輝度変化座標の組み合わせについて、座標値の差分値を算出し、算出された複数の差分値のうちの最頻値を、実際のスペックル像のＸ軸の並進量として特定し、当該最頻値に基づいて、被測定物１０のＸ軸の変位量を推定する（ステップＳ１０７）。
また、ステップＳ１０５～ステップＳ１０７と並行して、第２の数値列処理系統Ｐ２において、数値列補正手段１７３が、第２の数値列に対する所定の補正（例えば、極性による分類、ソート処理等）を行う（ステップＳ１０８）。また、演算組み合わせ選定手段１７４が、ステップＳ１０８で補正された第２の数値列について、演算対象とする輝度変化座標の組み合わせを選定する（ステップＳ１０９）。そして、変位量導出手段１７５が、ステップＳ１０９で選定された全ての輝度変化座標の組み合わせについて、座標値の差分値を算出し、算出された複数の差分値のうちの最頻値を、実際のスペックル像のＹ軸の並進量として特定し、当該最頻値に基づいて、被測定物１０のＹ軸の変位量を推定する（ステップＳ１１０）。
さらに、変位量導出手段１７５が、ステップＳ１０７で推定された被測定物１０のＸ軸の変位量と、ステップＳ１１０で推定された被測定物１０のＹ軸の変位量とを、変位推定値出力手段１５２へ出力する（ステップＳ１１１）。
その後、変位量推定手段１５１は、図１０に示す一連の処理を終了する。なお、変位量推定手段１５１は、図１０に示す一連の処理を繰り返し実行することにより、被測定物１０の変位量を高速に推定し続けることができる。
（変位量推定手段１５１による計算量の一例）
図１１は、一実施形態に係る変位量測定装置１００が備える変位量推定手段１５１による計算量の一例を示すグラフである。
図１１に示すグラフは、３２０×２４０ｐｘの画像素子を備えたイベントベースビジョンカメラ１３１において、１秒間に１００００個のイベントデータが出力される場合の、変位量測定装置１００による必要計算量を示す。
図１１に示すグラフにおいて、横軸は、変位の速度分解能を表すイベントデータ群毎秒を示す。イベントデータ群毎秒の値が大きいほど、被測定物１０の速い変位を追従可能となる。イベントデータ群に含まれるイベントデータの数をｎとした場合、イベントデータ群毎秒は１秒に出力されたイベントデータにｎを除算した値である。
図１１に示すグラフでは、凡例として、三角実線で示される「総当たり方式」と、丸点線で示される「画像相関方式」とを含んでいる。なお、「総当たり方式」は、一実施形態に係る変位量測定装置１００に用いられる方式である。一方、「画像相関方式」は、従来の変位量測定装置に用いられる方式である。
「総当たり方式」とは、一方のイベントデータ群に含まれる全ての輝度変化座標と、他方のイベントデータ群に含まれる全ての輝度変化座標との、全ての組み合わせについて、差分値を算出し、算出された複数の差分値のうちの最頻値を、被測定物１０の変位量として算出する方式である。
「画像相関方式」とは、２つのイベントデータ群により生成される２つの画像の相関から、被測定物１０の変位量を求める方式である。
「総当たり方式」では、全ての組み合わせの差分値の算出が必要であり、総当たりで差分値を求める計算量はO(n2)、度数分布を求める計算量はO(n2)であるので、全体の計算量はO(n2)である。よって、「総当たり方式」では、被測定物１０の変位量を求めるために必要な計算量は、下記式（１）で表すことができる。
Figure 2023135357000002
このため、「総当たり方式」では、１回の計算量は、イベントデータ群に含まれるイベントデータの数ｎに比例する。また、イベントデータ群毎秒は、イベントデータ群に含まれるイベントデータの数ｎと反比例の関係である。よって、イベントデータ群毎秒に対する計算量は、反比例関係にある。
「画像相関方式」では、２つの画像をフーリエ変換し、合成画像を生成し、逆フーリエ変換する必要がある。フーリエ変換および逆フーリエ変換に必要な計算量は、画素数Ｎに対して、ＮｌｏｇＮで表すことができる。また、合成画像生成に必要な計算量はＮである。よって、「画像相関方式」では、被測定物１０の変位量を求めるために必要な計算量は、下記式（２）で表すことができる。
Figure 2023135357000003
このため、「画像相関方式」では、１回の計算量は、イベントデータ群に含まれるイベントデータの数ｎに依存しない。よって、イベントデータ群毎秒に対する計算量は、概ね比例する。
図１１に示すグラフによれば、イベントデータ群毎秒が約２７５を超える状況（被測定物１０が高速に変位する状況）では、一実施形態に係る変位量測定装置１００に用いられる「総当たり方式」が、従来の変位量測定装置に用いられる「画像相関方式」に比べて、少ない計算量で被測定物１０の変位量を推定できることがわかる。
（変位量推定手段１５１による変位量算出方法の他の一例）
図１２は、一実施形態に係る変位量測定装置１００が備える変位量推定手段１５１による、被測定物１０の変位量の算出方法の他の一例を説明するための図である。
図１２では、イベントデータ群に含まれる５つの輝度変化座標を代表的に用いて、被測定物１０の変位量の算出方法を説明する。
図１２（ａ）～（ｂ）に示す輝度変化座標７００は、粗面１０Ａの変位前の時刻にて検出された輝度変化座標である。図１２（ａ）～（ｂ）に示す輝度変化座標７００'は、粗面１０Ａの変位後の時刻にて検出された輝度変化座標であり、輝度変化座標７００が並進したものである。
輝度変化座標７００，７００'に付されている番号は、Ｙ軸の座標値を降順にソートしたときの順番である。また、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）を、輝度変化座標７００，７００'を、Ｙ軸の座標値の降順に、同一直線上（Ｙ軸上）に配列したものである。
変位量推定手段１５１は、「ソート方式」として、５つの輝度変化座標７００の各々について、同一番号を有する輝度変化座標７００'との、座標値の差分値を算出する。
例えば、変位量推定手段１５１は、「１」が付与されている輝度変化座標７００については、「１」が付与されている輝度変化座標７００'との、座標値の差分値を算出する。
また、例えば、変位量推定手段１５１は、「２」が付与されている輝度変化座標７００については、「２」が付与されている輝度変化座標７００'との、座標値の差分値を算出する。
同様に、変位量推定手段１５１は、他の番号が付与されている輝度変化座標７００についても、同じ番号が付与されている輝度変化座標７００'との、座標値の差分値を算出する。
これにより、変位量推定手段１５１は、複数の輝度変化座標７００の各々について、同番号が付与された輝度変化座標７００'との差分値のみ（すなわち、全体並進量と等しい差分値のみ）を算出することができる。したがって、変位量推定手段１５１は、図７に示す「総当たり方式」と比較して、差分値の算出処理に係る演算処理量を軽減することができる。
変位量推定手段１５１は、「ソート方式」を用いる場合、複数の輝度変化座標７００の各々について、同番号が付与された１つの輝度変化座標７００'との差分値だけでなく、同番号の周辺の番号が付与された複数の輝度変化座標７００'との差分値も算出してもよい。
例えば、変位量推定手段１５１は、「２」が付与されている輝度変化座標７００については、「２」が付与されている輝度変化座標７００'との差分値だけでなく、「１」が付与されている輝度変化座標７００'との差分値と、「３」が付与されている輝度変化座標７００'との差分値とを算出してもよい。
これにより、変位量推定手段１５１は、ノイズ、イベントデータの重複等に起因して、輝度変化座標７００と輝度変化座標７００'との間で、番号のずれが生じた場合であっても、実際に対応する輝度変化座標７００と輝度変化座標７００'との差分値を算出することができる。
（変位量推定手段１５１による計算量の一例）
図１３は、一実施形態に係る変位量測定装置１００が備える変位量推定手段１５１による計算量の他の一例を示すグラフである。
図１３に示すグラフは、３２０×２４０ｐｘの画像素子を備えたイベントベースビジョンカメラ１３１において、１秒間に１００００個のイベントデータが出力される場合の、変位量測定装置１００による必要計算量を示す。
図１３に示すグラフでは、凡例として、三角実線で示される「総当たり方式」と、丸点線で示される「画像相関方式」と、四角一点鎖線で示される「ソート方式」とを含んでいる。なお、「ソート方式」は、一実施形態に係る変位量測定装置１００に用いられる他の方式である。
また、ここでは、「ソート方式」において、各算出元の輝度変化座標（図１２の輝度変化座標７００に相当）について、算出相手の輝度変化座標（図１２の輝度変化座標７００'に相当）の範囲を、「同番号±３」としており、すなわち、算出相手の輝度変化座標の数（周辺領域数）を「７」としている。
「ソート方式」では、イベントデータ群の数列をソートするため、ｎｌｏｇ（ｎ）の計算量が必要であり、この計算を２つの数列に対して実施するため、２ｎｌｏｇ（ｎ）の計算量が必要となる。
また、ここでは、「ソート方式」において、イベントデータ群に含まれるイベントデータの数をｎとし、算出相手の輝度変化座標の数（周辺領域数）を「７」としていることから、７ｎの計算量が必要となる。
さらに、「ソート方式」では、イベントデータ群の数列をソートするためにO(n logn)、座標差分計算にO(n)、度数分布の算出にO(n)だけの計算量がかかり、全体としてはO(n logn)の計算量がかかる。
よって、「ソート方式」では、被測定物１０の変位量を求めるために必要な計算量は、下記式（３）で表すことができる。
Figure 2023135357000004
このため、「ソート方式」では、１回の計算量は、ｎｌｏｇ（ｎ）に比例する。また、イベントデータ群毎秒は、イベントデータ群に含まれるイベントデータの数ｎと反比例の関係である。よって、イベントデータ群毎秒に対する計算量はｌｏｇ（ｎ）比例であり、ｎが大きい場合、計算量はほとんど一定となる。
図１３に示すグラフによれば、「ソート方式」は、「総当たり方式」と比べて、少ない計算量で被測定物１０の変位量を推定できることがわかる。
（変位量推定手段１５１の機能構成の他の一例）
図１４は、一実施形態に係る変位量測定装置１００が備える変位量推定手段１５１の機能構成の他の一例を示す図である。
図１４に示す変位量測定装置１００においては、輝度変化座標検出手段１３０が備えるイベントベースビジョンカメラ１３１の受光素子１３１Ａに対し、露光領域１３１Ｂを設定する。この露光領域１３１Ｂは、時間とともにＸ軸方向に走査する。これにより、イベントベースビジョンカメラ１３１から出力されるイベントデータのＸ座標値は、予め周期的にソートされた状態となる。
このため、変位量推定手段１５１は、Ｙ軸に関する第２の数値列のみソートのみを行えばよく、第１の数値列処理系統Ｐ１の数値列補正手段１７３が不要となる。したがって、図１４に示す変位量測定装置１００は、変位量推定手段１５１の演算処理量をさらに軽減することができる。
（変位量推定手段１５１の機能構成のさらなる他の一例）
図１５は、一実施形態に係る変位量測定装置１００が備える変位量推定手段１５１の機能構成のさらなる他の一例を示す図である。
図１５に示す変位量測定装置１００は、第１の数値列処理系統Ｐ１および第２の数値列処理系統Ｐ２の各々が、数値列補正手段１７３の代わりに、度数分布配列生成手段１７６を有する点で、図９に示す変位量測定装置１００と異なる。度数分布配列生成手段１７６は、時刻の異なる２つのイベントデータ群から、２つの度数分布配列を生成する。
また、図１５に示す変位量測定装置１００は、第１の数値列処理系統Ｐ１および第２の数値列処理系統Ｐ２の各々において、変位量導出手段１７５が、「総当たり方式」の代わりに、「畳み込み演算方式」を用いて、被測定物１０の変位量を算出する点で、図９に示す変位量測定装置１００と異なる。
また、図１５に示す変位量測定装置１００は、第１の数値列処理系統Ｐ１および第２の数値列処理系統Ｐ２の各々が、演算組み合わせ選定手段１７４を有しない点で、図９に示す変位量測定装置１００と異なる。
以下、図１５に示す変位量測定装置１００が備える変位量導出手段１７５による、「畳み込み演算方式」を用いた、被測定物１０の変位量の算出方法を、イベントデータ群のＸ軸座標要素に着目して説明する。
なお、以下の説明において、なおＸ軸方向のイベントカメラのセンサ数をＭとし、時系列的に早いイベントデータ群をＡとし、時系列的に遅いイベントデータ群をＢとする。
イベントデータ群Ａには、Ｎ個のイベントデータが含まれており、そのＸ座標はそれぞれAx0,Ax1,Ax2・・・AxN-1と表される。
また、イベントデータ群Ｂには、Ｎ個のイベントデータが含まれており、そのＸ座標はそれぞれBx0、Bx1、Bx2・・・BxN-1と表される。
また、AxiおよびBxi(i=0,1,・・・,N-1)は、Ｘ座標が持てる区間(0～M-1)の整数である。
ここでイベントデータ分A，Bの座標情報であるAx、Bxのうち同一座標が何個あるかに注目した数列として、s（イベントデータ群Aのうち、AxがM-1-iであるものの個数をs[i]として定義される数列）、ｔ(イベントデータ群Bのうち、Bxがiであるものの個数をt[i]として定義される数列)を設定する。この配列s,tからは、下記数式（４）によって求められる配列dを定義できる。
Figure 2023135357000005
なお、d[k]は、「Bxj-Ax_i=k-(M-1)を満たす整数の組(i,j)(0≦i,j≦N-1)の個数」に等しい。
上記数式（４）の右辺を式変形すると、下記数式（５）となり、畳み込みの形式で表すことができる。
Figure 2023135357000006
このことから、配列s,t,dを離散フーリエ変換することにより得られる配列をそれぞれS,T,Dとした場合、配列Dは、
D[k]=S[k]・T[k] (k=0,1,…,2M-2)
として計算することができ、さらにD（第１の配列）を逆離散フーリエ変換することで、d（第２の配列）を求めることができる。このdは差分座標の頻度を示していることから、dの最頻値を抽出することで、スペックルの並進量を推定できる。
なお、「畳み込み演算方式」は、数列同士の差分の頻度を離散フーリエ変換を用いて求めることから、第１の数値列処理系統Ｐ１および第２の数値列処理系統Ｐ２の各々は、高度な演算処理を実施できるＦＰＧＡ、ＧＰＵ等を備えることが好ましい。
（情報処理部１５０のハードウェア構成）
図１６は、一実施形態に係る変位量測定装置１００が備える情報処理部１５０のハードウェア構成図である。図１６は、情報処理部１５０がパーソナルコンピュータで実現される場合の、情報処理部１５０のハードウェア構成の一例を表している。
図１６に示されているように、情報処理部１５０は、コンピュータによって構築されており、ＣＰＵ２０１Ａ、ＣＰＵ２０１Ｂ、ＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０３、ＨＤ２０４、ＨＤＤ(Hard Disk Drive)コントローラ２０５、ディスプレイ２０６、外部機器接続Ｉ／Ｆ(Interface)２０８、ネットワークＩ／Ｆ２０９、データバス２１０、キーボード２１１、ポインティングデバイス２１２、ＤＶＤ－ＲＷ(Digital Versatile Disk Rewritable)ドライブ２１４、メディアＩ／Ｆ２１６を備えている。
これらのうち、ＣＰＵ２０１ＡおよびＣＰＵ２０１Ｂは、情報処理部１５０全体の動作を制御する。ＲＯＭ２０２は、ＩＰＬ等のＣＰＵ２０１の駆動に用いられるプログラムを記憶する。ＲＡＭ２０３は、ＣＰＵ２０１のワークエリアとして使用される。ＨＤ２０４は、プログラム等の各種データを記憶する。ＨＤＤコントローラ２０５は、ＣＰＵ２０１の制御にしたがってＨＤ２０４に対する各種データの読み出し又は書き込みを制御する。ディスプレイ２０６は、カーソル、メニュー、ウィンドウ、文字、又は画像などの各種情報を表示する。外部機器接続Ｉ／Ｆ２０８は、各種の外部機器を接続するためのインターフェースである。この場合の外部機器は、例えば、ＵＳＢ(Universal Serial Bus)メモリやプリンタ等である。ネットワークＩ／Ｆ２０９は、通信ネットワークを利用してデータ通信をするためのインターフェースである。データバス２１０は、図１６に示されているＣＰＵ２０１ＡおよびＣＰＵ２０１Ｂ等の各構成要素を電気的に接続するためのアドレスバスやデータバス等である。
また、キーボード２１１は、文字、数値、各種指示などの入力のための複数のキーを備えた入力手段の一種である。ポインティングデバイス２１２は、各種指示の選択や実行、処理対象の選択、カーソルの移動などを行う入力手段の一種である。ＤＶＤ－ＲＷドライブ２１４は、着脱可能な記録媒体の一例としてのＤＶＤ－ＲＷ２１３に対する各種データの読み出し又は書き込みを制御する。なお、ＤＶＤ－ＲＷに限らず、ＤＶＤ－Ｒ等であってもよい。メディアＩ／Ｆ２１６は、フラッシュメモリ等の記録メディア２１５に対するデータの読み出し又は書き込み（記憶）を制御する。
上記のとおり、情報処理部１５０は、２つのＣＰＵ（ＣＰＵ２０１ＡおよびＣＰＵ２０１Ｂ）を有する。例えば、ＣＰＵ２０１Ａは、第１の数値列処理系統Ｐ１の処理を実行する。また、例えば、ＣＰＵ２０１Ｂは、第２の数値列処理系統Ｐ２の処理を実行する。ＣＰＵ２０１ＡおよびＣＰＵ２０１Ｂは、互いに並列して処理を実行することができる。これにより、情報処理部１５０は、ＣＰＵ２０１Ａ（第１の数値列処理系統Ｐ１）による第１の数値列の演算処理と、ＣＰＵ２０１Ｂ（第２の数値列処理系統Ｐ２）による第２の数値列処理系統とを、並列して実行することができる。
なお、第１の数値列処理系統Ｐ１および第２の数値列処理系統Ｐ２は、互いに並列して処理を実行することが可能なものであれば、如何なるハードウェアの組み合わせであってもよく、２つのＣＰＵの組み合わせに限らず、２つの演算回路の組み合わせ、２つのコンピュータの組み合わせ、等であってもよい。
（第１実施例）
図１７は、一実施形態に係る変位量測定装置１００の第１実施例である非接触入力装置１１００の概略図である。図１８は、一実施形態に係る変位量測定装置１００の第１実施例である非接触入力装置１１００の断面構成図である。
図１７および図１８に示すように、非接触入力装置１１００は、筐体１１０１、画像表示手段１１０２、結像プレート１１０３、光学窓１１０４、非接触入力識別手段１１０５、および変位量測定装置１００を備える。非接触入力装置１１００が備える変位量測定装置１００としては、一実施形態に係る変位量測定装置１００を用いることができる。また、図１７および図１８では、変位量測定装置１００が備える干渉像形成手段１２０の図示を省略している。
非接触入力装置１１００において、変位量測定装置１００が備える照射手段１１０は、筐体１１０１の上方且つ前方（画像表示手段１１０２および結像プレート１１０３によって形成される虚像の近傍）に向けて、コヒーレント光をシート光として照射する。そして、虚像に対する被測定物１０（操作者の指）の非接触操作に伴って、被測定物１０がシート光を横切ると、被測定物１０によるシート光の反射光が、光学窓１１０４を介して筐体１１０１内の変位量測定装置１００が備える輝度変化座標検出手段１３０に干渉像として入射されるようになっている。
これにより、変位量測定装置１００が備える情報処理部１５０（図示省略）は、被測定物１０の微小変位量を検出し、検出された被測定物１０の微小変位量を示す情報を、非接触入力識別手段１１０５へ出力することができる。
非接触入力識別手段１１０５は、変位量測定装置１００から出力された微小変位量を示す情報に基づいて、被測定物１０による非接触操作（例えば、指の押し込み動作、手書き動作、スワイプ動作等）を高精度に検出し、その検出結果を、被操作装置（図示省略）へ出力したり、操作者へフィードバックしたりすることができる。
なお、非接触入力装置１１００では、操作性向上のため、結像プレート１１０３を用いて、画像表示手段１１０２に表示される画像や映像情報から虚像を形成し、当該虚像を筐体１１０１の上方且つ前方に表示することができる。結像プレート１１０３とは、図１８に示すように、光線の透過偏向特性を有する部材であり、積層された反射構造により実現できる。
非接触入力装置１１００は、一実施形態に係る変位量測定装置１００を備えることにより、当該変位量測定装置１００によって被測定物１０（操作者の指）の非接触操作の微小な動きを高速且つ確実に捉えることができ、すなわち、被測定物１０（操作者の指）の非接触操作を高精度に検出することができる。
（第２実施例）
図１９は、一実施形態に係る変位量測定装置１００の第２実施例である振戦測定装置１２００の概略図である。図２０は、一実施形態に係る変位量測定装置１００の第２実施例である振戦測定装置１２００の断面構成図である。
図１９および図２０に示すように、振戦測定装置１２００は、「生体微動測定装置」の一例であり、筐体１２０１、円筒レンズ１２０２、折り返しミラー１２０３、光学窓１２０４、支持台１２０５、表示デバイス１２０６、および変位量測定装置１００を備える。振戦測定装置１２００が備える変位量測定装置１００としては、一実施形態に係る変位量測定装置１００を用いることができる。また、図１９および図２０では、変位量測定装置１００が備える干渉像形成手段１２０の図示を省略している。
図１９および図２０に示す振戦測定装置１２００は、被測定物１０である生体の小刻みな振動（例えば、振戦）を検知することが可能な装置である。振戦とは、筋肉の収縮、弛緩が繰り返される際に起こる不随意運動であり、手の震えなどが代表的である。振戦は、例えば、ストレス、不安、疲労、甲状腺機能亢進症、アルコールの離脱症状等を原因として生じ得る。また、安静時振戦はパーキンソン病の主症状の一つとされる。
振戦の測定は従来、筋電位計測や加速度センサを用いて行われている。図１９および図２０に示す振戦測定装置１２００は、変位量測定装置１００を用いたことにより、マイクロメートルレベルの被測定物１０の微振動を捉えることができるため、非接触環境で振戦を高精度に測定することが可能である。
図１９に示すように、振戦測定装置１２００による振戦の測定は、肘から前腕の角度が水平な支持台１２０５に対して４５°となるようにして測定する。そして、振戦測定装置１２００は、照射手段１１０から手の甲にコヒーレント光を照射し、手の甲によるコヒーレント光の反射光が、輝度変化座標検出手段１３０に干渉像として入射されるようになっている。
これにより、変位量測定装置１００が備える情報処理部１５０は、被測定物１０の微小変位量を検出することができ、すなわち、被測定物１０の振戦を高精度に測定することができる。変位量測定装置１００によって測定された振戦データは周波数解析等を施すことにより、人の状態理解や医療データとして利用可能となる。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形又は変更が可能である。
なお、「変位量測定装置」の各機能は、「変位量測定システム」によって実現されてもよい。この場合、「変位量測定システム」は、物理的に１つの装置によって実現されてもよく、物理的に複数の装置によって実現されてもよい。
また、本発明は、「生体微動測定装置」および「非接触入力装置」への適用に限らない。例えば、本発明は、ゲーム機器、入出力機器等にも適用可能である。また、例えば、本発明は、微小な検出を利用するものに限らず、微小な移動誤差を除外するような機器にも適用可能である。
１０ 被測定物
１０Ａ 粗面
１００ 変位量測定装置
１１０ 照射手段
１２０ 干渉像形成手段
１３０ 輝度変化座標検出手段
１３１ イベントベースビジョンカメラ
１３１Ａ 受光素子
１３１Ｂ 露光領域
１３２ フレームカメラ
１３３ 連続フレーム間輝度差演算手段
１３４ 輝度変化座標抽出手段
１５０ 情報処理部
１５１ 変位量推定手段
１５２ 変位推定値出力手段
１７１ イベントデータ群生成手段
１７２ 要素別数値列生成手段
１７３ 数値列補正手段
１７４ 演算組み合わせ選定手段
１７５ 変位量導出手段
１７６ 度数分布配列生成手段
４００Ａ，４００Ｂ スペックル像
４１０ イベントデータ
４１０Ａ 減少成分
４１０Ｂ 増加成分
５００Ａ，５００Ｂ フレーム画像
６００，６０１ イベントデータ群
６１０，６１０' スペックル像
７００，７００' 輝度変化座標
１１００ 非接触入力装置
１１０１ 筐体
１１０２ 画像表示手段
１１０３ 結像プレート
１１０４ 光学窓
１１０５ 非接触入力識別手段
１２００ 振戦測定装置（生体微動測定装置）
１２０１ 筐体
１２０２ 円筒レンズ
１２０３ 折り返しミラー
１２０４ 光学窓
１２０５ 支持台
１２０６ 表示デバイス
Ｐ１ 第１の数値列処理系統
Ｐ２ 第２の数値列処理系統
Zhou Ge,Yizhao Gao,Hayden K.-h. So,Edmund Y. Lam,"Event-based laser speckle correlation for micro motion estimation",Optics Letters 46 （2021） 3885-3888

Claims (12)

  1. 被測定物に対してコヒーレント光を照射する照射手段と、
    前記被測定物による反射光に基づいて、輝度変化が生じた輝度変化座標を検出し、当該輝度変化座標に関するデータを出力する輝度変化座標検出手段と、
    前記輝度変化座標検出手段から出力された、前記輝度変化座標に関するデータに基づいて、前記被測定物の変位量を推定する変位量推定手段と
    を備え、
    前記変位量推定手段は、
    前記データから抽出された前記輝度変化座標の位置を表す第１の要素の集合からなる第１の数値列の演算処理を行うことにより、前記被測定物の前記第１の要素の前記変位量を算出する第１の数値列処理系統と、
    前記データから抽出された前記輝度変化座標の位置を表す第２の要素の集合からなる第２の数値列の演算処理を行うことにより、前記被測定物の前記第２の要素の前記変位量を算出する第２の数値列処理系統と
    を有する
    ことを特徴とする変位量測定装置。
  2. 前記第１の数値列処理系統による前記第１の数値列の演算処理と、前記第２の数値列処理系統による前記第２の数値列の演算処理とを、並列して行う
    ことを特徴とする請求項１に記載の変位量測定装置。
  3. 前記輝度変化座標検出手段は、
    前記反射光に基づいて前記輝度変化座標を検出し、当該輝度変化座標に関するデータを出力するイベントベースビジョンカメラを有する
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の変位量測定装置。
  4. 前記輝度変化座標検出手段は、
    前記反射光による前記被測定物のフレーム画像を撮像するフレームカメラと、
    前記フレームカメラから出力された複数の前記フレーム画像における各画素の輝度差を算出する連続フレーム間輝度差演算手段と、
    前記連続フレーム間輝度差演算手段によって一定以上の前記輝度差が算出された画素を、前記輝度変化座標として抽出する輝度変化座標抽出手段と
    を有することを特徴とする請求項１または２に記載の変位量測定装置。
  5. 前記第１の数値列処理系統および前記第２の数値列処理系統の各々は、
    時刻の異なる２つのデータ群のうちの、一方のデータ群に含まれる複数の輝度変化座標と、他方のデータ群に含まれる複数の輝度変化座標との組み合わせについて、座標値の差分値を算出し、算出された複数の前記差分値のうちの最頻値を、前記被測定物の変位量として導出する変位量導出手段を有する
    ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の変位量測定装置。
  6. 前記第１の数値列処理系統および前記第２の数値列処理系統の各々は、
    時刻の異なる２つのデータ群のうちの、一方のデータ群に含まれる複数の輝度変化座標と、他方のデータ群に含まれる複数の輝度変化座標と、をそれぞれ座標値に基づいてソートする、数値列補正手段と、
    前記一方のデータ群に含まれる複数の輝度変化座標と、前記他方のデータ群に含まれる複数の輝度変化座標とにおける、前記ソート後の順番が同一である全ての組み合わせについて、座標値の差分値を算出し、算出された複数の前記差分値のうちの最頻値を、前記被測定物の変位量として導出する変位量導出手段と
    を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の変位量測定装置。
  7. 前記変位量導出手段は、
    前記一方のデータ群に含まれる複数の輝度変化座標と、前記他方のデータ群に含まれる複数の輝度変化座標とにおける、前記ソート後の順番が同一である全ての組み合わせと、前記ソート後の順番の差が所定値以下である全ての組み合わせとについて、座標値の差分値を算出し、算出された複数の前記差分値のうちの最頻値を、前記被測定物の変位量として導出する
    ことを特徴とする請求項６に記載の変位量測定装置。
  8. 前記輝度変化座標検出手段は、
    前記データの所定の軸方向の座標値を周期的にソートして出力し、
    前記第１の数値列処理系統および前記第２の数値列処理系統のいずれか一方は、
    前記数値列補正手段による前記ソートを行う代わりに、前記輝度変化座標検出手段による周期的なソート後の複数の前記座標値を含む前記一方のデータ群と、前記輝度変化座標検出手段による周期的なソート後の複数の前記座標値を含む前記他方のデータ群とを取得する
    ことを特徴とする請求項６または７に記載の変位量測定装置。
  9. 前記第１の数値列処理系統および前記第２の数値列処理系統の各々は、
    時刻の異なる２つのデータ群から、２つの度数分布配列を生成する度数分布配列生成手段と、
    変位量導出手段と
    を備え、
    前記変位量導出手段は、
    前記２つの度数分布配列を離散フーリエ変換することによって第１の配列を取得し、
    取得された前記第１の配列の積を逆フーリエ変換することにより第２の配列を生成し、
    生成された前記第２の配列における最頻値を、前記被測定物の変位量として導出する
    ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の変位量測定装置。
  10. 被測定物に対してコヒーレント光を照射する照射手段と、
    前記被測定物による反射光に基づいて、輝度変化が生じた輝度変化座標を検出し、当該輝度変化座標に関するデータを出力する輝度変化座標検出手段と、
    前記輝度変化座標検出手段から出力された、前記輝度変化座標に関するデータに基づいて、前記被測定物の変位量を推定する変位量推定手段と
    を備え、
    前記変位量推定手段は、
    前記データから抽出された前記輝度変化座標の位置を表す第１の要素の集合からなる第１の数値列の演算処理を行うことにより、前記被測定物の前記第１の要素の前記変位量を算出する第１の数値列処理系統と、
    前記データから抽出された前記輝度変化座標の位置を表す第２の要素の集合からなる第２の数値列の演算処理を行うことにより、前記被測定物の前記第２の要素の前記変位量を算出する第２の数値列処理系統と
    を有する
    ことを特徴とする変位量測定システム。
  11. 請求項１から９のいずれか一項に記載の変位量測定装置を備える
    ことを特徴とする非接触入力装置。
  12. 請求項１から９のいずれか一項に記載の変位量測定装置を備える
    ことを特徴とする生体微動測定装置。
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