JP2855696B2 - 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 - Google Patents

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。

このような機械式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。

この種の光学式マウスは、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、移動情報検出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の
分解能を上げることは容易ではない。

このような課題を解決するために、本発明者は、所謂
スペックルパターンの移動情報を検出することにより、
装置自体の低廉化、操作性及び耐久性の向上を図りなが
ら、専用下敷きを用いることなく、移動情報検出の分解
能を容易に上げることができる位置指定装置を既に提供
している（特願昭63−116878号参照）。

ところが、このような位置指定装置においては、スペ
ックルパターンの移動情報の検出精度そのものが位置指
定精度に影響することになるが、光路の長さやビームウ
エストの位置等の光学系の諸定数が製造上ばらついた
り、使用時において変動すると、スペックルパターンの
移動情報の検出精度がばらついてしまい、その分、位置
指定動作が不安定になり易いという課題が生ずる。

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を始め、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）においても同様に生じ得るもので
ある。

この発明は、以上の観点に立ってなされたものであっ
て、スペックルパターンの移動検出精度を向上できるス
ペックルパターンの移動検出方法及びこれを用いて位置
指定動作の安定化を図るようにした位置指定装置を提供
するものである。

〔課題を解決するための手段〕

◎課題解決のための実験的解析 本発明者は、上記技術的課題を解決する上で、スペッ
クルの性質のうち特にスペックルの変形度合に着目し、
以下のような実験を行った。

（１）実験内容 所定サイズのスペックルを所定の条件にて移動させた
際に、このスペックルパターンの移動情報を適宜処理系
にて処理し、この処理データに基づいて例えばパーソナ
ルコンピュータの表示画面上のカーソルを移動させる実
験系（第２図）を構成し、スペックルの変形度合の指標
となる後述のスペックル剛性率ηが異なる各スペックル
に対し、移動スペックルパターン生成用の粗面移動量と
カーソル移動量との関係を実測して求め、スペックル剛
性率ηに対する粗面移動量とカーソル移動量との直線性
を調べ、更に、カーソル移動率Ｋ（移動スペックルパタ
ーン生成用の粗面移動量に対する実際のカーソルの移動
量の比）とスペックル剛性率ηとの関係を調べた。

（２）実験系 第２図において、符号10はHe−Neレーザ、11はレーザ
10からのビームBmを集光する集光レンズ、12は集光レン
ズ11にて集光されたレーザビームBmが照射されると共に
所定速度v_dで所定方向（この例ではｘ方向とする）に所
定量x_dだけ移動する粗面状移動板、13は粗面状移動板12
にて散乱し、移動速度v_sでx_sだけ移動するスペックルパ
ターンSPを検出するためにｘ方向に沿って並設される一
対のフォトダイオード13a,13bからなるディテクタ、14
（具体的には14a,14b）はディテクタ13の出力（f_ds:周
波数,M:振動の数〔信号の山の数］）を増幅するアン
プ、15（具体的には15a,15b）は各アンプ14からの出力
を適当な閾値で二値化する二値化回路である。

また、16はパーソナルコンピュータであり、表示画面
17上のカーソル18をどのように移動させるかを演算処理
する演算処理部19を具備している。この演算処理部19
は、各二値化回路15からの出力を入力し、両者の位相差
τ_ｐの正負からカーソル18の移動の向きを判別し、二値
化信号のパルス数を移動の向きに応じてアップカウント
またはダウンカウントするアップダウンカウンタを備
え、このカウンタ出力に応じた位置にＮだけカーソル17
を移動させるようにしたものである。

（３）実験条件 第２図及び第３図において、 レーザビームの波長λ:632.8nm フォトダイオード間隔:0.3mm フォトダイオード開口寸法:0.295mm ビームウエストBwの半径ω₀:9.7μｍ スペックル平均サイズD:1.5mm スペックル剛性率η：可変 但しスペックルトランスレーション距離をL_T、スペッ
クル平均サイズをＤとすると、 η＝L_T/D …（１） である。

ここでは、上記スペックル平均サイズＤは平均のスペ
ックル半径に対応しており、理論的には、ｘ−ｙ座標系
において以下のように表される。

上記ディテクタ13の受光面に生ずるスペックルの電磁
波強度信号の空間分布Ｉ（x,y）の以下の（２）式にて
示される空間的自己相関関数について、 β_Ｉ（X_D,Y_D）＝1/e（e:自然対数の底） …（３） を満足するようなX_D,Y_Dによって、スペックル平均サイ
ズＤは、 で与えられる。

但し、Ｓはスペックルが生成されている領域の面積を
示す。

このような理論式を上記光学系のパラメータにて表現
すると、所謂ガウスビームが波長より充分深い凹凸に散
乱されたときに生ずるガウス的スペックルの場合に、 Ｄ＝λR/πω …（５） で表される。但し、ωは粗面状移動板12におけるレーザ
ビームBmのスポット半径であり、 である。

よって、上記（５）式に基づいてR,z,ω_０を適宜調整
することによりスペックル平均サイズＤの数値を所望の
値に設定することができる。

一方、上記スペックルトランスレーション距離L_Tと
は、第４図に示すように、移動前と移動後の各々のスペ
ックルパターンSPにおける空間的相互相関関数 のピークの高さ（スペックルの移動量ｘ〔０＜x₁＜x₂＜
x₃＜x₄＜x₅〕によって変化）が静止スペックルの相互相
関関数のピークの高さγ_P0の1/e（e:自然対数の底）に
なるときのスペックルの移動量を意味し（N.Takai,T.Iw
ai ＆ T.Asakura,Applied Optics Vol22 No.1（1983）
第170〜177頁‘Correlation Distance of dynamic spec
kles'参照）、スペックルが変形なしに移動するときL_T
＝∞であり、スペックルが変形のみして移動しないとき
にはL_T＝０である。よって、スペックルトランスレーシ
ョン距離L_Tをスペックル平均サイズＤで規格化して得ら
れるスペックル剛性率ηはスペックルの変形し難さを示
す指標になるものである。

ここで、上記スペックルトランスレーション距離L_Tを
理論的に求めると、次のようである。

すなわち、光検出器（２）の受光面上に生ずるスペッ
クルパターン（SP）のうち、ある時刻ｔ＝t₁における電
磁波強度信号の空間分布Ｉ（x,y,t₁）と時刻ｔ＝t₁から
τだけ経過したときの電磁波強度信号の空間分布Ｉ（x,
y,t₁＋τ）との間の以下の（７）式にて示される空間的
相互相関関数γ_Ｉ（X,Y,τ）について、 各時間差τ＝τ′におけるγ_Ｉ（X,Y,τ′）の最大値
が時間τ＝０のときのγ_Ｉ（X,Y,0）の最大値の1/e（e:
自然対数の底）となるような時間差τ＝τ′のときのγ
_Ｉ（X,Y,τ′）の最大値を与えるX_M,Y_Mに対し、 で与えられる。

但し、Ｓはスペックルが生成されている領域の面積を
示す。

また、上記文献によれば、所謂ガウスビームが波長よ
り充分に深い凹凸に散乱されたときに生ずるガウス的ス
ペックルの場合に、回折界（結像系を介さない自由空間
における散乱）のスペックルにおいては、上述した理論
式を以下の（９）式のように光学系のパラメータにて表
現することができる。

L_T＝（１＋R/ρ）ω …（９） 但し、ρは粗面状移動板12におけるレーザビームBmの
波面の曲率半径であり、 ρ＝ｚ｛１＋（πω₀ ²/λｚ）^２｝ …（10） である。

また、スペックル平均サイズＤは上記（５）式にて、
Ｄ＝λR/πωのように表される。

よって、（５）（９）式を（１）式へ代入すると、 η＝（１＋R/ρ）ω／（λR/πω） ＝（πω²/λ）（1/R＋1/ρ） …（11） が成立する。

このため、上記（９）（10）式に基づいてR,z,ω_０を
適宜調整することにより、スペックルトランスレーショ
ン距離L_Tひいてはスペックル剛性率ηを可変設定するこ
とができる。

（４）実験結果 上記粗面移動量x_dと上記カーソル移動量Ｎとの関係を
実測したものを第５図に示す。尚、同図においては、ｚ
＝9.93mm、Ｒ＝497mm、ビームウエスト半径ω_０＝９μ
ｍである。

同図によれば、上記粗面移動量x_dとカーソル移動量Ｎ
とが略比例的に変化していることが理解される。尚、図
中ｑは最小二乗法にて両者の関係を近似した特性直線ｑ
を示す。

そして、上記特性直線ｑと各実測点（ｎ個）との二乗
誤差平均（特性直線ｑからの標準偏差）σを以下の（1
2）式にて求めたところ、フルスケールの1.58％であっ
た。

但し、Δh_iは特性直線ｑからの誤差であり、h_maxは上
記粗面の最大移動量に対応するフルスケールである。

次に、各種スペックルを用い、各スペックル剛性率η
と上記第５図に基づいて求めた二乗誤差平均σとの関係
を第６図に示す。

同図によれば、スペックル剛性率ηが１を越えた辺り
から上記二乗誤差平均σが小さい値で略収束にしてお
り、スペックル剛性率ηがそれ以下の値にある場合に
は、上記二乗誤差平均σが急速に悪化することが理解さ
れる。

このことは、スペックル剛性率ηが１を越えた辺りか
ら粗面移動量x_dとカーソル移動量Ｎとの直線性が極めて
良好になることを裏付けている。

更に、上記スペックル剛性率ηとカーソル移動率Ｋと
の関係を第７図に示す。

同図によれば、スペックル剛性率ηが０〜３付近まで
はカーソル移動率Ｋが単調に増加しているが、スペック
ル剛性率ηが３を越えた辺りからカーソル移動率Ｋが略
一定に保たれていることが理解される。

このことは、スペックル剛性率ηが３を越えた領域に
おいては、上記スペックル剛性率ηが若干変動したとし
ても、上記カーソル移動率Ｋが変動することはないこと
を裏付けている。

◎発明の概要 本発明者は、以上の実験的解析を経て本発明を案出す
るに至ったのである。

すなわち、この発明に係るスペックルパターンの移動
検出方法は、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SPの移動情報Ｍを光検出器２にて検出
するに際し、光検出器２の物体粗面１に対する複数の相
対移動情報と各相対移動情報に対応する光検出器２の各
出力移動情報との実測点群を特性直線にて近似し、この
特性直線に対する各実測点の二乗誤差平均σと、スペッ
クル剛性率ηとの関係において、上記二乗誤差平均σが
略一定に収束する領域Ｅのスペックル剛性率ηを設定し
たことを特徴とするものである。

このような方法発明において、上記スペックルパター
ンSPの移動情報Ｍとしては、移動量のみに限られるもの
ではなく、移動速度、移動加速度等広く包含される。こ
のため、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が対象になる
ほか、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も対象とな
り得る。

更に、上記光検出器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、光検出器２からの信号処理系に
ついても対象となる装置に応じて適宜設計変更して差し
支えない。

ここで、上記光検出器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
組の光検出素子2a,2bを並設し、第１図（ｃ）に示すよ
うに、一組の光検出素子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を検出する際
には、一つの方向成分に対して一組の光検出素子2a,2b
を並設すればよいが、例えば組をなす光検出素子2a,2b
相互を結ぶ直線が互いに直行するように二組若しくは三
組の光検出素子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、上記一組の光検出素子2a,2bからなる光
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
の光検出素子2a,2bを用いて各組の光検出素子2a,2bから
得られる各位相差τの平均をとったり、一組の光検出素
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、上記スペックル剛性率ηの設定方法としては、
上述したものを基準に設定すればよいが、より光検出器
２の検出精度を上げるという観点からすれば、第１図
（ａ）に示すように、上記スペックル剛性率ηと、光検
出器２の物体粗面１に対する相対移動情報と光検出器２
の出力移動情報との比を示す検出移動率Ｊとの関係にお
いて、上記検出移動率Ｊが略一定に保たれる領域Ｈで上
記スペックル剛性率ηを設定するようにすることが好ま
しい。

更に、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光検出器２と、上記第１図
（ａ）の方法にてスペックル剛性率ηを設定するスペッ
クル剛性率設定手段５とを備え、上記光検出器２で検出
された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、上記光検出器２として
は、上述した方法発明にて述べたものと同様に適宜選択
して差し支えなく、また、この光検出器２にて検出され
た出力信号の信号処理系の配設個所については、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内に信号処理系を配
設することが好ましい。

また、スペックル剛性率設定手段５としては、スペッ
クル剛性率ηを任意に設定し得るもので有れば、上記電
磁波源４から物体粗面１へ向かう電磁波Bmを絞り込むレ
ンズを適宜選択したり、物体粗面１と光検出器２との距
離やビームウエストと物体粗面１との距離を適宜選定す
ることを挙げることができる。

〔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、スペックル剛性率ηが所定領域
Ｅ内に包含されているので、仮に、スペックル剛性率η
が若干変動したとしても、光検出器２の物体粗面１に対
する複数の相対移動情報と各相対移動情報に対応する光
検出器２の各出力移動情報との実測点群を特性直線にて
近似した際に、この特性直線に対する各実測点の二乗誤
差平均σが略一定に収束する。

また、スペックル剛性率ηを所定領域Ｈ内に包含させ
るように設定すれば、仮に、スペックル剛性率ηが若干
変動したとしても、上記スペックル剛性率ηと、光検出
器２の物体粗面１に対する相対移動情報と光検出器２の
出力移動情報との比を示す検出移動率Ｊとの関係におい
て、上記検出移動率Ｊが略一定に保たれる。

特に、第１図（ｂ）に示すような一組の光検出素子2
a,2b（両者の中心間の間隔をｇとする）からなる光検出
器２を用いれば、今、スペックルパターンSP（変形は極
めて小さいものとする）が一定速度ｖで矢印方向に移動
しているとすると、その移動方向前段に位置する一方の
光検出素子2aで検出される信号強度はある時間τ_ｐだけ
以前にスペックルパターンの移動方向後段に位置する光
検出素子2bと略同じになる。

この場合、第１図（ｃ）に示すように、上記一組の光
検出素子2a,2bの出力信号の時間変動曲線は、互いに相
似で位相差τ_ｐだけずれたものになり、位相差τ_ｐはτ
＝g/vで決まる。

従って、上記位相差τ_ｐの情報からスペックルパター
ンSPの各移動情報、例えばτ_ｐの符号からスペックルパ
ターンSPの移動方向の正負を判別でき、また、その絶対
値から移動速度ｖの大きさを判別することができ、更
に、上記移動速度を時間積分したり、出力信号の立ち上
がり、立ち下がりを計数することにより、上記スペック
ルパターンSPの移動量を求めることができる。

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。

このとき、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光検出
器２の受光面上で速度v_sでu_sだけ比例的に移動する。

よって、上記光検出器２は、上記スペックルパターン
SPの移動情報を所定の検出移動率Ｊにて検出することに
より、間接的に物体粗面１の相対移動量を検出すること
になるので、この検出情報に基づいて指定対象物の位置
が特定されるのである。

このとき、上記スペックル剛性率設定手段５が光検出
器２の受光面上のスペックルのスペックル剛性率ηを所
定領域Ｅ内に設定すると、上記物体粗面１に対する光検
出器２の相対移動情報と光検出器の出力移動情報との間
の直線性は良好に保たれる。

更に、上記スペックル剛性率設定手段５がスペックル
剛性率ηを所定領域Ｈ内に設定すると、光検出器２によ
る検出移動率Ｊは、スペックル剛性率が若干変動しても
略一定に保たれる。

〔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８図及び第９図は計算機入力用のマウスにこの発明
を適用したものである。

同図において、符号30は物体粗面、31は底部に摺動用
の押当てパッド32を有する可動ハウジング、33は可動ハ
ウジング31内に格納されてレーザビームBmを照射する電
磁波源としての半導体レーザ、34は半導体レーザ33から
のビームBmを物体粗面30の照射部位Ｑに所定のスポット
半径ω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、35は検出光学系の光路長を確保する
ために物体粗面30からの反射ビームを適宜反射させる反
射ミラー、36は検出光学系の光路終端位置に配設され、
物体粗面30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、37はこのディ
テクタ36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、38は位置指定操作を行
う際の入力スイッチ、39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36は、特に第10
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してフォトダイオードからなる受光
セル36aないし36d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34は、適当なビー
ムウエストBwの半径ω_０を得るためのものであり、ビー
ムウエスト半径ω₀,ビームウエストBw〜物体粗面30間距
離ｚ及び物体粗面30〜ディテクタ36間距離Ｒは、ディテ
クタ36上のスペックル剛性率ηが10であるように設定さ
れている。

また、上記信号処理系37は、特に第11図に示すよう
に、ｘ方向に並設された受光セル36a,36bからの信号を
処理するｘ成分信号処理系37xと、ｙ方向に並設された
受光セル36a,36cからの信号を処理するｙ成分信号処理
系37yとで構成されている。

この実施例において、信号処理系37は、対応する一組
の受光セル36a,36b若しくは36a,36cの出力を増幅するア
ンプ41と、このアンプ41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42と、このカッ
トフィルタ42の出力を閾値０で二値化する二値化回路43
とからなる。

更に、この実施例においては、信号処理系37からの信
号が計算機50内の演算処理部51に入力され、この演算処
理部51は、二値化回路43からの出力のｘ成分、ｙ成分の
位相差τ_x,τ_ｙの符号から移動の向きを判別し、二値化
信号のパルス数を移動の向きに応じてアップカウントま
たはダウンカウントし、このカウント値に基づいて上記
スペックルパターンSPの物体粗面30に対する相対移動情
報を判別し、この移動情報に対応して表示画面52のカー
ソル53の位置を特定している。

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33から照射されたレーザビームBmが
物体粗面30で反射した後上記ディテクタ36上に到達し、
このディテクタ36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31を物体粗面
30上で移動させると、これに対応してディテクタ36の各
受光セル36aないし36d上のスペックルパターンSPが移動
する。このスペックルパターンSPの移動のｘ方向成分は
ｘ方向に沿って併設されている一組の36a,36b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36a,36c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11図において、上記スペックルパターン
SPが受光セル36aから同36bの方へ移動すると、受光セル
36a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、スペックル剛性率ηが10であることから、
スペックルの変形を殆ど無視することが可能になり、隣
の受光セル36bには、第12図（ａ）に示すように、受光
セル36aの出力信号と略同じ形で、時間τ_ｘ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37xに入力され、
アンプ41で増幅された後、第12図（ｂ）に示すように、
カットフィルタ42で０ラインを横切るm,n二系統の信号
に変換され、しかる後、第12図（ｃ）に示すように、二
値化回路43で０ラインを基準としてm,n二系統の二値化
信号に変換される。そして、二値化された信号は演算処
理部51に入力される。

この場合において、上記時間遅れτ_ｘは、受光セル36
aと同36bとの間の距離とスペックルパターンSPの移動速
度によって決まり、τ_ｘの正負でスペックルパターンSP
の移動方向の正負を判別することができ、また、各受光
セル36a,36bの出力信号の山の数は、各受光セル36a,36b
の上を通過するスペックルの粒の数に対応するため、上
記山の数をカウントすることにより、スペックルパター
ンSPの移動の大きさを検出することができ、これらによ
って、移動情報を得ることができる。上述した演算処理
部51は、前述した原理に基づいてスペックルパターンSP
の移動方向及び移動量を判別し、これにより、カーソル
53の移動方向及び移動量を設定する。

この演算処理部51は、従来の機械式マウスや光学式マ
ウスと全く同様であり、通常この種の演算処理部51は計
算機50のインタフェースに組み込まれているため、本実
施例の場合の二値化信号をそのまま従来のマウス用のイ
ンタフェースに入力することができる。

この実施例に係るマウスの性能を評価する上で、実施
例に係るマウスを一定の条件で移動させた際の上記カー
ソル移動率の変化状態を調べて見たところ、カーソル移
動率を略一定に保つことができることが確認された。

更に、この実施例において、上記ディテクタ36とし
て、ｘ方向及びｙ方向に複数組の受光セル（図示せず）
を配列し、信号処理部37として、各組からの出力に基づ
く位相差情報を平均化し得るようにすれば、スペックル
パターンSPの不規則さに基づく位相差情報のばらつきを
少なくすることが可能である。

尚、上記演算処理部51の機能としては、上述したもの
に限られるものではなく、例えば、τ_ｘの大きさでスペ
ックルパターンSPの移動速度を判別し、スペックルパタ
ーンSPの移動速度を時間積分することによりその移動量
を判別することもできる。また、上記信号処理系37に変
えて、処理時間が遅くなるが、例えば一組の受光セル
（例えば36a,36b）間の相互相関関数をリアルタイムで
処理することによって、スペックルパターンSPの移動方
向及び移動量を判別することもできる。

〔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、光検出器の受光面上
のスペックルのスペックル剛性率を所定領域内のものと
し、スペックル剛性率の若干の変動に対しても、物体粗
面に対する光検出器の相対移動情報と光検出器の出力移
動情報との間の直線性を保つようにしたので、移動検出
装置の製造上の誤差による光学系の諸定数がばらついた
り、使用上変動したりしてスペックル剛性率が変動した
としても、移動検出誤差を極めて少ない精度の良い移動
検出を行うことができる。

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、更にスペックル剛性率を所定領域内のも
のとすることにより、スペックル剛性率の若干の変動に
対しても、光検出器による検出移動率を略一定に保つよ
うにしたので、移動検出装置の製造上の誤差による光学
系の所定数がばらついたり、使用上変動したりしてスペ
ックル剛性率が変動したとしても、検出移動率の変動の
ない安定した移動検出を行うことができる。

また、請求項３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光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だけで
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。

更に、請求項４記載の位置指定装置によれば、物体粗
面から生ずるスペックルパターンの物体粗面に対する相
対移動情報を検出し、指定すべき位置を特定するように
したので、専用下敷きを用いる必要がなくなり、その
分、操作性をより簡便にすることができるほか、従来の
機械式マウスのような機械的可動部に伴う耐久性の低下
や専用下敷きの汚れ、損傷に伴う使用の制限がなくな
り、装置自体の耐久性をより向上させることができ、更
に、専用下敷きの格子密度に影響されることなく、電磁
波源と光検出器との間の光学系パラメータを適宜設定す
ることにより移動情報検出の分解能を上げることが可能
になり、位置指定精度を向上させることができる。

そしてまた、請求項４記載の位置指定装置によれば、
スペックル剛性率設定手段にてスペックルのスペックル
剛性率を所定領域に設定することにより、スペックル剛
性率の変動に対する位置指定部材の位置指定の線形性を
良好に保つようにしたので、位置指定誤差の少ない精度
の良い位置指定を行うことができる。そして更に、スペ
ックル剛性率を所望のものに設定し、検出移動率変動を
回避するようにした場合には、常時移動率が一定の位置
指定動作を行うことが可能になり、その分、安定した位
置指定動作を行うことができる。

【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
動検出方法の原理を示す説明図、第１図（ｂ）（ｃ）は
光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図はこの発明を案出する上で行
った実験系を示す説明図、第３図は第２図中III部詳細
図、第４図はスペックルトランスレーション距離の概念
を示す説明図、第５図は第２図の実験系にて求めた物体
粗面の移動量x_dとカーソル移動量Ｎとの関係を示すグラ
フ図、第６図は第２図の実験系にて求めたスペックル剛
性率ηと二乗誤差平均σとの関係を示すグラフ図、第７
図は第２図の実験系にて求めたスペックル剛性率ηとカ
ーソル移動率との関係を示すグラフ図、第８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９図は
その一部破断底面図、第10図は実施例に係るディテクタ
の構成を示す説明図、第11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12図はその信号処理
系の動作タイミングを示タイミングチャートである。 〔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……光検出器 2a,2b……光検出素子 ３……可動体 ４……電磁波源 ５……スペックル剛性率設定手段

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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
   （SP）の移動情報（Ｍ）を光検出器（２）にて検出する
   に際し、 光検出器（２）の物体粗面（１）に対する複数の相対移
   動情報と各相対移動情報に対応する光検出器（２）の各
   出力移動情報との実測点群を特性直線にて近似し、この
   特性直線に対する各実測点の二乗誤差平均（σ）と、以
   下の（Ａ）式にて定義されるスペックル剛性率（η）と
   の関係において、上記二乗誤差平均（σ）が略一定に収
   束する領域（Ｅ）のスペックル剛性率（η）を設定した
   ことを特徴とするスペックルパターンの移動検出方法。 η＝L_T/D ……（Ａ） 但し、L_Tはスペックルトランスレーション距離であり、
   光検出器（２）の受光面上に生ずるスペックルパターン
   （SP）のうち、ある時刻ｔ＝t₁における電磁波強度信号
   の空間分布Ｉ（x,y,t₁）と時刻ｔ＝t₁からτだけ経過し
   たときの電磁波強度信号の空間分布Ｉ（x,y,t₁＋τ）と
   の間の以下の（Ｂ）式で示される空間的相互相関関数γ
   _Ｉ（X,Y,τ）について、 各時間差τ＝τ′におけるγ_Ｉ（X,Y,τ′）の最大値が
   時間τ＝０のときのγ_Ｉ（X,Y,0）の最大値の1/e（e:自
   然対数の底）となるような時間差τ＝τ′のときのγ_Ｉ
   （X,Y,τ′）の最大値を与えるX_M,Y_Mに対し、 で定義される。 但し、Ｓはスペックルが生成されている領域の面積を示
   す。 また、Ｄはスペックル平均サイズである。 ここで、上記スペックル平均サイズＤは平均のスペック
   ル半径に対応しており、理論的には、ｘ−ｙ座標系にお
   いて以下のように表される。 光検出器（２）の受光面に生ずるスペックルの電磁波強
   度信号の空間分布Ｉ（x,y）の以下の（Ｃ）式にて示さ
   れる空間的自己相関関数について、 β_Ｉ（X_D,Y_D）＝1/e（e:自然対数の底）を満足するよう
   なX_D,Y_Dによって、スペックル平均サイズＤは、 で定義される。 但し、Ｓはスペックルが生成されている領域の面積を示
   す。
2. 【請求項２】請求項１記載の方法において、 上記スペックル剛性率（η）と、光検出器（２）の物体
   粗面（１）に対する相対移動情報と光検出器（２）の出
   力移動情報との比を示す検出移動率（Ｊ）との関係にお
   いて、上記検出移動率（Ｊ）が略一定に保たれる領域
   （Ｈ）で上記スペックル剛性率（η）を設定することを
   特徴とするスペックルパターンの移動検出方法。
3. 【請求項３】請求項１又は２いずれかに記載の方法にお
   いて、 光検出器（２）は、一次元当たり少なくとも一組の光検
   出素子（2a,2b）を並設し、一組の光検出素子（2a,2b）
   からの出力信号の位相差（τ_ｐ）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。
4. 【請求項４】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
   する光検出器（２）と、 請求項１又は２のいずれかに記載のスペックル剛性率
   （η）を設定するスペックル剛性率設定手段（５）とを
   備え、 上記光検出器（２）で検出された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。