JP2803307B2

JP2803307B2 - スペックルパターンの移動検出方法及びこれを用いた位置指定装置

Info

Publication number: JP2803307B2
Application number: JP2087372A
Authority: JP
Inventors: 秀則山田
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1990-04-03
Filing date: 1990-04-03
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2013-09-24
Also published as: JPH03287002A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、コヒーレントな電磁波の物体粗面に対す
る散乱によって生ずるスペックルパターンの移動情報を
検出するスペックルパターンの移動検出方法及びこれを
用いた位置指定装置（計算機端末、ワークステーション
あるいはパーソナルコンピュータ等において表示画面上
で位置指定を行ったり、各種制御対象に対する位置指定
を行う際に有用な位置指定装置）の改良に関する。

〔従来の技術〕

従来における位置指定装置として計算機入力用のもの
を例に挙げると、安価、操作性に優れる、位置指定精度
が高いという観点から、所謂マウスと称されるものが広
く使用されている。

そして、今のところ主流になっている機械式マウスは
あらゆる方向に回転可能なボールをハウジングの一部か
ら突出配置したもので、このボールの回転方向及び回転
量によって移動方向及び移動量を検出し、もって、指定
すべき位置を特定するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の機械式マウスにあっ
ては、機械的なボールの接触回転を利用するため、耐久
性の点で難があり、また、位置精度の向上にも限度があ
る。

このような機械的マウスの欠点を解消するものとして
は、非接触で移動情報を光学的に検出する光学式マウス
が既に提供されている。

この種の光学マウスは、例えば特開昭57−107929号、
同57−207930号公報に示されるように、光源とフォトデ
ィテクタとが格納された本体部を備え、規則正しい格子
パターンが刻印された専用下敷きの上で上記本体部を移
動させ、移動の際に横切る専用下敷きの上の格子の数を
カウントすることにより移動の情報を検出するようにな
っている。

ところが、この種の光学式マウスにあっては、専用下
敷きが必須であるため、使用上の自由度が制限されてし
まうばかりか、専用下敷きが汚れたり、損傷すると使用
できなくなるため、耐久性の点でも充分ではなく、更
に、移動検出情報の分解能は専用下敷きに刻印された格
子の細かさで決まるため、コストをかけずに移動情報検
出の分解能を上げることは容易ではない。

このような光学式マウスの欠点を解消するものとし
て、本願発明者はスペックルパターンの移動情報を利用
したもの（特願昭63−116878号）を既に提供している
が、若干位置指定精度が落ちるという課題が見出され
た。

尚、このような課題は、上述したマウスばかりでな
く、ロボット等の位置指定装置においても同様に生ずる
ものであり、また、スペックルパターンの移動情報の検
出を利用した各種装置（移動検出装置，速度検出装置
等）においても、移動量や移動速度の検出精度がばらつ
いてしまうという課題が生じ得る。

本願発明者は、上述した課題がスペックルの形状の不
規則さに起因するものであると想定し、スペックルパタ
ーンの移動検出方法を工夫すると共に、このスペックル
パターンの移動検出方法を利用した位置指定装置（本願
発明）を案出するに至ったのである。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち、この発明は、第１図（ａ）に示すように、
コヒーレントな電磁波Bmの物体粗面１に対する散乱によ
って生ずるスペックルパターンの移動情報Ｍを検出する
に際し、上記スペックルパターンSPの時間変動を電磁波
検出器２にて検出した後に、上記電磁波検出器２の検出
信号を単位時間毎に平均化するようにしたものである。

このような方法発明において、この方法発明を適用で
きる対象としては、後述する位置指定装置のほかに、自
走台車等の位置制御を行う上で必要になる移動量検出装
置、速度センサ等の速度検出装置等が挙げられる。

また、スペックルパターンSPとしては、第１図（ａ）
に示すように、物体粗面１の散乱によって生ずる結像系
なしの所謂回折界のスペックルによるものでもよいし、
物体粗面１の散乱光を結像レンズにて所定部位に結像さ
せる所謂像界のスペックルによるものであってもよい。

更に、上記電磁波検出器２としては、上記スペックル
パターンSPの移動情報Ｍ（移動量のほかに、移動速度、
移動加速度を含む）を検出し得るものであれば適宜選択
して差し支えなく、また、電磁波検出器２からの検出信
号の平均化処理についても、パルス信号を適宜分周する
等適宜設計変更することができる。

更にまた、上記電磁波検出器２については、リアルタ
イム処理が容易で、しかも、スペックルパターンSPの移
動方向の正負を含めた移動情報Ｍを正確に判別するとい
う観点からすれば、第１図（ｂ）に示すように、移動情
報Ｍを検出する上で必要な方向成分一次元当たり少なく
とも一組の電磁波検出素子2a,2bを並設し、第１図
（ｃ）に示すように、一組の電磁波検出素子2a,2bから
の出力信号の位相差τを検出するように構成することが
好ましい。

この場合において、一次元的な移動情報Ｍを検出する
際には、一つの方向成分に対して一組の電磁波検出素子
2a,2bを並設すればよいが、例えば組をなす電磁波検出
素子2a,2b相互を結ぶ直線が互いに直交するように二組
若しくは三組の電磁波検出素子2a,2bを用いるようにす
れば、二次元的若しくは三次元的な移動情報を検出する
ことが可能になる。

そして更に、上記一組の電磁波検出素子2a,2bからな
る電磁波検出器２からの出力信号を処理する処理系とし
ては適宜選定して差し支えないが、求められた位相差τ
に対してスペックルパターンSPの不規則さに起因する誤
差の影響をより少なくするという観点からすれば、一次
元当たり複数組の電磁波検出素子2a,2b（アレイ状に組
み込んだもの等）を用いて各組の電磁波検出素子から得
られる各位相差τの平均をとったり、一組の電磁波検出
素子2a,2bから得られる位相差τの時間平均をとった
り、両者を併用するような構成を採用することが好まし
い。

また、上記スペックルパターンの移動検出方法を用い
た位置指定装置発明は、第１図（ｄ）に示すように、物
体粗面１に対して移動可能な可動体３と、この可動体３
に組み込まれて可動体３の所定部位から物体粗面１にコ
ヒーレントな電磁波Bmを照射する電磁波源４と、上記可
動体３に組み込まれると共に電磁波Bmの照射に伴って物
体粗面１から生ずるスペックルパターンSPの可動体３に
対する相対移動情報を検出する電磁波検出器２と、この
電磁波検出器２にて検出される相対移動情報を単位時間
毎に平均化する平均処理手段５とを備え、この平均処理
手段５からの相対移動情報に基づいて指定すべき位置を
特定するようにしたものである。

このような装置発明において、可動体３としては、少
なくとも電磁波源４及び電磁波検出器２を格納すること
ができ、しかも、物体粗面１の予め決められた方向ある
いは任意の方向に沿って移動できるものであれば適宜選
択して差し支えない。

また、上記電磁波源４としては、物体粗面１の凹凸度
合より小さい波長のコヒーレントな電磁波Bmを照射する
ものであれば、レーザを始め適宜選択することができ
る。

更に、電磁波検出器２からの検出信号を平均処理手段
５にて平均化した後の信号処理系としては適宜設計変更
して差し支えないが、外部機器の信号処理系を簡略化す
る点からすれば、平均処理手段５からの信号を二値化処
理する信号処理系を付設することが好ましい。また、平
均処理手段５からの相対移動情報を正確に求めるには、
移動基準方向に沿って一次元、二次元若しくは三次元に
配列された電磁波検出素子アレイを用い、相互相関法を
用いるようにすることが好ましい（特願昭63−116878号
実施例２参照）。

また、信号処理部の配設箇所については、外部機器、
可動体３あるいは外部機器への接続機器等適宜選択して
差し支えないが、各種外部機器に対する共用化を図ると
いう観点からすれば、可動体３内に信号処理部を配設す
るのが好ましい。そしてまた、スペックルパターンSPの
変形を有効に防止するという観点からすれば、電磁波Bm
が照射される物体粗面１と電磁波検出器２との間に再回
折光学系を介在させるように設計することが好ましい
（特願昭63−116878号実施例４参照）。更にまた、位置
指定装置の操作性をより向上させるには、可動体３と指
定対象物との移動レートを変化させ得るように設計する
ことが好ましい（特願昭63−116878号実施例５参照）。

〔作用〕

上述したような技術的手段において、第１図（ａ）に
示す方法発明によれば、スペックルパターンSPが電磁波
検出器２を通過すると、電磁波検出器２は、その強度パ
ターンに応じた検出信号を出力する。そして、この検出
信号は単位時間毎に平均化され、平均化された信号に基
づいてスペックルパターンSPの移動情報Ｍが検出され
る。

このとき、電磁波検出器２からの検出信号のパルス幅
はスペックルの形状に応じてばらつくことになるが、電
磁波検出器２からの検出信号を平均化した各平均化信号
のパルス幅は略均一なものに設定される。

また、第１図（ｄ）に示す位置指定装置発明によれ
ば、レーザ等の電磁波源４から物体粗面１に電磁波Bmが
照射され、可動体３が物体粗面１に対して速度v_dでu_dだ
け移動したとすると、物体粗面１が可動体３に対して速
度v_dでu_dだけ相対的に移動することになる。

そして、上記物体粗面１にて散乱されたスペックルパ
ターンSPは上記物体粗面１の相対移動に伴って電磁波検
出器２の受光面で速度v_sでu_sだけ比例的に移動する。

このとき、上記電磁波検出器２は、その受光面上に移
動するスペックルパターンSPの強度パターンに応じたパ
ルス幅のまちまちな検出信号を出力することになるが、
その検出信号は平均処理手段５にて単位時間毎に平均化
され、略均一のパルス幅信号に変換される。

このため、電磁波検出器２からの検出信号の各平均化
信号は、物体粗面１の可動体３に対する相対移動量を略
均一な間隔毎に検出することになり、この検出信号の平
均化信号に基づいてカーソル等の指定対象物が略均一な
間隔で移動し、その指定対象物の位置が特定される。

〔実施例〕

以下、添付図面に示す実施例に基づいてこの発明を詳
細に説明する。

第２図及び第３図は計算機入力用の位置指定装置（所
謂マウス）にこの発明を適用したものである。

同図において、10は物体粗面、11は底部に摺動用の押
し当てパッド11aを有する可動ハウジング、12は可動ハ
ウジング11内に格納されてレーザビームを照射する電磁
波源としての半導体レーザ、13は半導体レーザ12をオン
オフ制御する半導体レーザコントローラ、14は半導体レ
ーザ12からのビームを物体粗面10の照射部位Ｑに所定の
スポット径ｗで導くプラスチックレンズ、フレネルレン
ズ等からなる集光レンズ、15は検出光学系の光路長を確
保するために物体粗面10からの反射ビームを適宜反射さ
せる反射ミラー、16は検出光学系の光路終端位置に配設
され、物体粗面10からの反射ビーム中に生ずるスペック
ルパターンSPの移動情報を検出するディテクタ、17はこ
のディテクタ16からの出力信号に基づいて計算機入力用
の移動制御信号に変換する信号処理系、18は位置指定操
作を行う際の入力スイッチ、19は外部機器（図示せず）
への接続ハーネスである。

この実施例において、上記ディテクタ16は、特に第４
図に示すように、移動基準方向であるｘ方向、ｙ方向に
沿って所定間隔離間するフォトダイオードからなる受光
セル16a〜16dを並設したものである。この場合におい
て、上記集光レンズ14は、ディテクタ16の各受光セル16
a〜16dよりスペックルの平均径が大きくなるようにビー
ム径を調整している。

また、上記信号処理系17は、特に第５図に示すよう
に、ｘ方向に並設された受光セル16a,16bからの信号を
処理するｘ成分信号処理系17xと、ｙ方向に並設された
受光セル16a,16cからの信号を処理するｙ成分信号処理
系17yとで構成されている。

この実施例において、信号処理系17は、対応する一組
の受光セル16a,16b若しくは16a,16cからの出力を増幅す
るアンプ21と、このアンプ21の出力の直流成分及びノイ
ズや高周波数成分を除去するカットフィルタ22と、この
カットフィルタ22の出力を閾値０で二値化する二値化回
路23と、二値化回路23からの出力するパルスを例えば５
分周する分周器24とで構成されている。

そして、信号処理系17の出力はコンピュータのマウス
インタフェースに入力され、これに基づいて表示画面26
上のカーソル27の位置が特定される。

次に、この実施例に係る位置指定装置の作動について
説明する。

今、半導体レーザ12から照射されたレーザビームが物
体粗面10で反射した後上記ディテクタ16上に到達し、こ
のディテクタ16上にはスペックルパターンSPが生じてい
る。

この状態において、上記可動ハウジング11を物体粗面
10上で移動させると、これに対応してディテクタ16の各
受光セル16a〜16d上のスペックルパターンSPが移動す
る。このスペックルターンSPの移動のｘ方向成分はｘ方
向に沿って並設されている一組の16a,16bにより、ま
た、スペックルパターンSPの移動のｙ方向成分はｙ方向
に沿って並設される一組の受光セル16a,16cによって検
出されるのである。

ここで、スペックルパターンSPの各移動成分の検出動
作は実質的に同等であるため、以後ｘ方向成分の移動検
出動作について説明する。

すなわち、第５図において、上記スペックルパターン
SPが受光セル16a〜同16bの方へ移動すると、受光セル16
aの出力信号はスペックルパターンSPの移動に応じて変
動する。このとき、スペックルパターンSPの変形が無視
できるならば、隣の受光セル16bには、第６図（ａ）に
示すように、受光セル16aの出力信号と略同じ形で、時
間τｘだけ遅れた信号が得られる。

この出力信号は、ｘ成分信号処理系17xに入力され、
アンプ21で増幅された後、第６図（ｂ）に示すように、
カットフィルタ22で０ラインを横切る信号に変換され、
しかる後、第６図（ｃ）に示すように、二値化回路23で
０ラインを基準として二値化され、二相のパルス信号に
変換されることになる。

この二相パルス信号は、第６図（ｄ）に示すように、
分周器24によって例えば５分周され、時間的に平均化さ
れたパルス信号に変換される。このため、分周器24通過
前の各パルス信号にあっては、スペックルの形状の不規
則さが各パルス信号のパルス幅に直接影響し、各パルス
信号のパルス幅がばらついてしまうが、分周パルス信号
にあっては、各パルス信号のパルス幅は略均一に設定さ
れる。

ところで、上記二値化回路23からの二相のパルス信号
については、ｍ相とｎ相との時間差τｘでスペックルパ
ターンSPの移動方向が分かり、そのパルス数がスペック
ルパターンSPの移動量に比例するものである。よって、
分周パルス信号についても、二相の位相差からスペック
ルパターンSPの移動方向が分かり、そのパルス数がスペ
ックルパターンSPの移動量に比例するものと言える。

それゆえ、この分周パルス信号がコンピュータのマウ
スインタフェースに入力されると、上記分周パルス信号
のパルス幅が略均一に設定されているため、カーソル27
は、マウス（可動ハウジング11）の移動量に対して略一
定の比率で滑らかに移動する。

また、この実施例においては、第２図及び第３図に示
すように、半導体レーザ12の光が直接的あるいは間接的
に使用者あるいは周囲の者の眼に照射される事態を回避
するための安全装置30が付設されている。

この安全装置30は、上記可動ハウジング11の底部に挿
通孔31を開設し、この挿通孔31には最大寸法ｌ（押し当
てパッド11aの厚みより大きい寸法に設定されている）
だけ突出可能な検出用突起32を進退自在に嵌挿すると共
に、この検出用突起32を復帰スプリング33にて外方に向
けて適宜付勢し、上記検出用突起32の基端側には、検出
用突起32が最大限突出した状態でオフ動作するリミット
スイッチ34を設け、このリミットスイッチ34のオンオフ
動作に上記半導体レーザコントローラ13を介して半導体
レーザ12のオンオフ動作を連動させるようにしたもので
ある。

このため、この実施例においては、第７図（ａ）に示
すように、本装置が物体面Ａから離れたような場合に
は、上記検出用突起32は復帰スプリング33によって最大
限まで突出配置され、これにより、リミットスイッチ34
がオフになり、そのオフ信号に基づいて半導体レーザコ
ントローラ13を介して半導体レーザ12をオフにする。よ
って、このような状況下において、半導体レーザ12の光
が使用者や周囲の者の眼に照射される事態は有効に回避
される。

一方、本装置が物体面Ａに置かれた時には、第７図
（ｂ）に示すように、上記検出用突起32は物体面Ａに当
接して押し込まれ、リミットスイッチ34がオンになり、
半導体レーザコントローラ13を介して半導体レーザ12が
オンになり、通常の位置指定操作が行われ得る。

尚、この種の安全装置としては、少なくとも、半導体
レーザ12等の電磁波源からの電磁波が直接的若しくは間
接的に使用者や周囲の者の眼に到達する異常状況にある
か否かを検知する異常状況検知手段と、上記電磁波が可
動ハウジング11の外部へ発することを停止させる電磁波
停止手段とを備えていれば、実施例で示されたものに限
られるものではなく、適宜設計変更することが可能であ
る。

例えば、上記異常状況検知手段のうち、実施例と同様
に、可動ハウジング11が物体面Ａより所定距離だけ離れ
たことを検知することにより異常状況であると判断する
方式としては、電磁波源（スペックル生成用電磁波源と
同一、別異を問わない）から物体面Ａに照射される電磁
波の反射強度が距離に応じて変化することを利用し、反
射強度を検出したり、また、電磁波の照射スポットＱ
（第２図参照）の位置が距離に応じて変化することを利
用し、照射スポットＱの位置を検出したりするものが挙
げられる。

また、異常状況検知手段の他の方式としては、可動ハ
ウジング11の姿勢を検知し、正常な姿勢以外の姿勢、例
えば装置自体が天地逆転したり、正常な姿勢から90゜以
上傾く等を検知した時点で異常状況であると判断するも
のであり、例えば、第８図（ａ）に示すように、装置内
に配設された姿勢検出器40の可動物体41が正常位置Ｎに
あるときは正常姿勢であると判断し、第８図（ｂ）
（ｃ）に示すように、姿勢検出器40の可動物体41が正常
位置Ｎ以外にあるときは異常姿勢であると判断するよう
にすればよい。

一方、電磁波遮断手段としては、実施例のように、半
導体レーザ12等の電磁波源への電源の供給を停止させる
等、電磁波の発生そのものを停止させるものであっても
良いし、また、シャッタ等にて電磁波が可動ハウジング
11外部へ照射されるのを阻止するように設計しても差し
支えない。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、請求項１記載のスペックル
パターンの移動検出方法によれば、スペックルパターン
の移動情報を単位時間毎に平均化するようにしたので、
スペックルの形状の不規則さに起因する移動情報のばら
つきを軽減することができ、その分、スペックルパター
ンの移動情報の検出精度を向上させることができる。

特に、請求項２記載のスペックルパターンの移動検出
方法によれば、移動するスペックルパターン中に並設さ
れた少なくとも一組の電磁波検出素子にてスペックルパ
ターンの時間変動を検出し、両者間の位相差を求める等
の簡単な処理でスペックルパターンの移動情報を検出し
得るので、リアルタイム処理が容易で、しかも、スペッ
クルパターンの移動方向を含む各種移動情報を簡便に得
ることができる。

また、請求項３記載の位置指定装置によれば、電磁波
検出器にて検出されたスペックルパターンの相対移動情
報を単位時間毎に平均化し、この平均相対移動情報に基
づいて指定対象物の位置を特定するようにしたので、ス
ペックルの形状の不規則さに起因するスペックルパター
ンの相対移動情報のばらつきを軽減して、スペックルパ
ターンの相対移動情報の検出精度を向上できる分、カー
ソル等の指定対象物の移動距離のばらつきを軽減でき、
位置指定精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はこの発明に係るスペックルパターンの移
動検出方法を示す説明図、第１図（ｂ）（ｃ）は電磁波
検出器の一態様を示す説明図及びその検出動作説明図、
第１図（ｄ）はこの発明に係る位置指定装置の概略構成
を示す説明図、第２図はこの発明を適用したマウスの一
実施例を示す説明図、第３図はその一部破断底面、第４
図は実施例に係るディテクタの構成を示す説明図、第５
図は実施例に係るディテクタの信号処理系を示すブロッ
ク図、第６図（ａ）〜（ｄ）はその信号処理系の動作タ
イミングを示すタイミングチャート、第７図（ａ）
（ｂ）は実施例で用いられる安全装置の作動例を示す説
明図、第８図（ａ）〜（ｃ）は安全装置の変形例を示す
説明図である。〔符号の説明〕 SP……スペックルパターン Bm……電磁波Ｍ……移動情報１……物体粗面２……電磁波検出器 2a,2b……電磁波検出素子３……可動体４……電磁波源５……平均処理手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01P 3/00 - 3/80 G06F 3/033

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】コヒーレントな電磁波（Bm）の物体粗面
（１）に対する散乱によって生ずるスペックルパターン
の移動情報（Ｍ）を検出するに際し、上記スペックルパターン（SP）の時間変動を電磁波検出
器（２）にて検出した後に、上記電磁波検出器（２）の検出信号を単位時間毎に平均
化するようにしたことを特徴とするスペックルパターン
の移動検出方法。
【請求項２】請求項１記載のものにおいて、電磁波検出器（２）は、一次元当たり少なくとも一組の
電磁波検出素子（2a,2b）を並設し、一組の電磁波検出
素子（2a,2b）からの出力信号の位相差（τ）に基づい
て移動方向を検出するようにしたことを特徴とするスペ
ックルパターンの移動検出方法。
【請求項３】物体粗面（１）に対して移動可能な可動体
（３）と、この可動体（３）に組み込まれて可動体（３）の所定部
位から物体粗面（１）にコヒーレントな電磁波（Bm）を
照射する電磁波源（４）と、上記可動体（３）に組み込まれると共に電磁波（Bm）の
照射に伴って物体粗面（１）から生ずるスペックルパタ
ーン（SP）の可動体（３）に対する相対移動情報を検出
する電磁波検出器（２）と、この電磁波検出器（２）にて検出される相対移動情報を
単位時間毎に平均化する平均処理手段（５）とを備え、この平均処理手段（５）からの相対移動情報に基づいて
指定すべき位置を特定するようにしたことを特徴とする
位置指定装置。