JP2958779B2 - 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）。

そして、上記した先行技術中には、上述した位置指定
装置の操作性をより向上させるという観点から、用途に
応じて細かい位置指定を行ったり、ラフな位置指定を行
うことを可能にするために、例えばスペックルの平均サ
イズを可変にすることにより、位置指定装置の可動体の
移動量と指定対象物の移動量との比（位置指定移動率）
をダイナミックに変化させるという技術が既に開示され
ている。

ところが、本発明者が上記位置指定移動率のダイナミ
ック変化技術を更に研究していたところ、スペックルの
平均サイズの大きさによっては、上記位置指定移動率を
ダイナミックに変化させることができない場合が起こり
得ることが判明したが、上記位置指定移動率の変化動作
を確実に行わせる上で、スペックルの平均サイズをどの
ように設定すべきかについては未だ充分には解決されて
いない。

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）にて、検出移動率の変化動作を確
実に行わせるという要請下においては同様に生じ得るも
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検出移動率の変化動作を確実
に行わせることが可能な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移動率の変化動作を確実
に行うことが可能な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、上記課題を解決する上で、スペックルの
平均サイズと検出移動率あるいは位置指定移動率との関
係を調べるために、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ハーソナ
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、位置指定移動率に相当するカ
ーソル移動率Ｋ（移動スペックルパターンを生成するた
めの粗面移動量に対する実際のカーソルの移動量の比）
とスペックルの平均サイズとの関係を調べた。

（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ト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f_ds,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カウントアップま
たはカウントダウン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 スペックル剛性率η:10 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、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 は空間的ずらし量）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.Iwai ＆ T.Asakura,Applied Optics
Vol22 No.1（1983）第170〜177頁‘Correlation dista
nce of dynamic speckles'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。

そして、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所謂ガウ
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）のスペックルのスペックルトラン
スレーション距離L_Tは、 L_T＝（１＋R/ρ）ω …（２） 但し、Ｒは粗面状移動板12からスペックルパターンSP
の検出面位置までの距離、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、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る。

また、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、 Ｄ＝λR/πω …（３） にて表される。

よって、（２）（３）式を（１）式へ代入すると、 η＝（１＋R/ρ）ω／（λR/πω） ＝（πω²／λ）（1/R＋1/ρ） …（４） ここで、|1/R|《|1/ρ｜、 すなわち、|R|》｜ρ｜ …（５） と仮定すれば、上記（４）式は、 η≒πω²／（λρ） …（４′） になる。

また、集光レンズ11で絞り込まれたビームウエストBw
から粗面状移動板12までの距離をz,a＝πω₀ ²／λとす
れば、 であり、 （６）（７）式を上記（４′）式に代入すると、 ここで、上記ｚが充分大きいと仮定すると、（a/z）²
≪１であり、上記（７）式を考慮すれば、上記（５）式
が成立するのは、通常、 ｜ρ｜≒|z|,|R|》|z| …（９） となるときである。

以上まとめると、粗面がビームウエストBwから遠く、
かつ、ビームウエストBw〜粗面間距離ｚに比べて、粗面
〜検出面間距離Ｒが充分長いときには、スペックル剛性
率ηは上記ｚに比例すると言える。

また、この実験において、上記スペックル平均サイズ
Ｄは上記（３）式にて表示される。

ここで、上記ｚが充分大きいと仮定すると、 １《（λz/πω₀ ²）² …（10） となる。

ゆえに、（６）、（10）式より、 ω≒ω₀・（λz/πω₀ ²） ＝λz/πω₀ …（11） が成立する。

よって、この（11）式を上記（３）式に代入すると、 Ｄ≒（λR/π）・（πω₀／λｚ） ＝Ｒω₀/z …（12） で近似される。

以上まとめると、粗面がビームウエストBwから遠いと
き、スペックル平均サイズＤは、波長λと無関係に、粗
面〜検出面間距離Ｒに比例し、ビームウエストBw〜粗面
間距離ｚに反比例すると言える。

尚、この実験においては、上記（３）（４）式に基づ
いてR,zを適宜調整することにより、スペックル剛性率
ηを一義的に設定し、スペックル平均サイズＤの数値を
可変設定した。

（４）実験結果 スペックル平均サイズＤとカーソル移動率Ｋとの関係
を第５図に示す。

同図によれば、スペックル平均サイズＤが０〜600μ
ｍ程度まではカーソル移動率Ｋは比例的に増加する傾向
にあり、スペックル平均サイズＤが600μｍを越えた辺
りからカーソル移動率Ｋは略一定に保たれることが理解
される。

このことは、スペックル平均サイズＤを０〜600μｍ
の領域Ｅ内で適宜可変設定すれば、カーソル移動率Ｋが
そのスペックルの平均サイズＤの大きさに応じて略比例
的に変化することを意味する。

◎課題解決のための理論的解析 （１）基本モデル系 第６図は第２図の実験系をモデル化したものである。

尚、以後の解析に当たっては、スペックルパターンSP
の移動の向きを考えず、移動量のみを問題にするときは
ディテクタとして一つのフォトダイオードのみを使用す
る場合と本質的な違いがないので、ディテクタとして一
つのフォトダイオードのみを使用する場合を考え、ま
た、スペックルの変形は無視できるものとみなす。

こうすることにより、モデル系を理論解析する上で、
変形しない画像の移動情報を空間フィルタによって検出
するものと等価にすることが可能になる。そして、空間
フィルタによる速度測定の手法を適用するために、解析
においては、カーソル移動量，スペックル移動量，粗面
移動量の代わりに各々カーソル速度，スペックル速度，
粗面速度で考え、また、移動量が必要な場合には、速度
を時間積分するようにする。

同図において、カーソル速度ｐは、 ｐ＝Ｋ・v_d …（13） 但し、Ｋ＝K₁・K₂・K₃ …（14） となる。

ここで、 K:カーロス移動率 K₁：スペックル速度／粗面速度の比（スペックル移動率
と称する） K₂：ディテクタ信号の平均周波数／スペックル速度の比 K₃：カーソル速度／ディテクタ信号の平均周波数の比 を表す。

また、上記（13）式を積分すれば、以下のカーソル移
動量Ｎの式が求まる。

Ｎ＝Ｋ・x_d …（15） 但し、x_dは粗面移動量である。

（２）カーソル移動率の各係数 （２−ａ）K₁，K₃について スペックル移動率K₁は動的スペックルの特性により、
ガウス的スペックルの場合には通常次式で与えられる。

K₁＝１＋R/ρ …（16） ここで、 上記（９）式｜ρ｜≒|z|,|R|》|z|を考慮すると、上
記（16）式は、 K₁≒１＋R/z ≒R/z …（17） に近似される。

すなわち、上記近似の下では、スペックル移動率K
₁は、波長に影響されることなく、粗面〜検出面距離Ｒ
に比例し、ビームウエストBw〜粗面距離ｚに反比例する
ことになる。

また、K₃はコンピュータのインタフェース等で決まる
定数である。

（２−ｂ）K₂について K₂はディテクタの空間フィルタとしての特性を表すも
のである。

今、スペックルの変形を考慮しないとすれば、速度v_s
で動くスペックルの中に置いたディテクタの出力は、空
間フィルタによる速度検出の理論により、 Ψ（f_ds）＝Φ（f_ds／v_s）・Ω（f_ds／v_s） …（18） で表される。

ここで、Ψ（f_ds）はディテクタの出力信号の時間周
波数パワースペクトル、Φ（ξ）はスペックルの空間周
波数パワースペクトル、Ω（ξ）はディテクタの空間周
波数パワースペクトルであり、f_dsは時間周波数、ξは
空間周波数を夫々示す。

そして、（18）式によれば、スペックルの時間周波数
パワースペクトルとディテクタの時間周波数パワースペ
クトルの重なりがディテクタの出力信号として得られる
ことになる。

従って、第７図に示すように、上記スペックルＳの大
きさがディテクタ13の開口ｄに比べて充分小さい場合、
言い換えれば、第８図に示すように、スペックルの空間
周波数パワースペクトルΦ（ξ）の広がりがディテクタ
の空間周波数パワースペクトルΩ（ξ）の広がりに比べ
て充分大きい場合には、上記ディテクタ13の出力信号は
スペックルの速度v_sとディテクタの空間周波数パワース
ペクトルΩ（ξ）とによって決まり、スペックルの空間
周波数パワースペクトルΦ（ξ）にはよらない。

一方、上記ディテクタの開口を１次元矩形開口とみな
せば、 Φ（ξ）＝a₁sinc²（ｄ・ξ） …（19） となる。但し、a₁は定数である。

よって、ディテクタの空間周波数パワースペクトルの
広がりは1/dに比例し、結局、ディテクタの出力信号の
出力信号の時間周波数パワースペクトルの広がりは、v_s
/dに比例することになる。

従って、K₂は、 となる。但し、▲▼はf_dsの時間平均である。

（３）結論 上記（２）で詳述したカーソル移動率Ｋの各係数に基
づいてカーソル移動率Ｋを算出すると、以下のようにな
る。

すなわち、（14），（17），（20）式より、 Ｋ＝K₁・K₂・K₃ ∝（R/z）・（1/d）・K₃ ＝（K₃/d）・（R/z） …（21） になる。

ここで、K₃,dはいずれも定数であることから、 上記カーソル移動率Ｋは、 Ｋ∝R/z …（22） の関係を満足する。

更に、上記（12）式から、スペックルの平均サイズＤ
は、Ｄ＝Ｒω₀/zであることから、 上記（22）式は、 Ｋ∝R/z∝Ｒω₀/z＝Ｄ …（23） となる。

以上まとめると、スペックルの平均サイズＤがディテ
クタ13の開口寸法ｄより充分小さい場合、上記カーソル
移動率Ｋはスペックルの平均サイズＤに比例することが
理論的に裏付けられた。

◎発明の概要 本発明者は、以上の実験的解析及び理論的解析を経て
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
ツクルパターンSPの移動情報Ｍを光検出器２にて検出す
るに際し、上記光検出器２の受光面上のスペックルパタ
ーンSPにおけるスペックルの平均サイズＤ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がスペックルの平均サイズＤに対
して略比例的に変化する領域Ｅで上記スペックルの平均
サイズＤを可変設定するように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のみが対象と
なり、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は、スペッ
クル速度／粗面速度（理論式のK₁に相当）が上述したも
のと異なったものになるため、対象にならない。

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１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、１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交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、１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光検出器２と、この光検
出器２の受光面上のスペックルパターンSPにおけるスペ
ックルの平均サイズＤ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
がスペックルの平均サイズＤに対して略比例的に変化す
る領域Ｅで上記スペックルの平均サイズＤを可変設定す
るスペックルサイズ可変手段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、上記スペックルサイズ可変手段５としては、ス
ペックルの平均サイズＤを位置指定操作中にて任意に設
定し得るものであれば、上記電磁波源４から物体粗面１
へ向かう距離を適宜可変設定できるようにしたり、物体
粗面１と光検出器２との距離を適宜可変設定できるよう
にする等適宜設計変更して差し支えない。

〔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、光検出器２の受光面上のスペッ
クルの平均サイズＤが所定領域Ｅ内にて可変設定される
ので、光検出器２による検出移動率Ｊはスペックルの平
均サイズＤに応じて略比例的に変化する。

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だけずれたものになり、位相差τはτ＝g/
vで決まる。

従って、上記位相差τ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の符号からスペックパターン
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
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
になるのであり、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、上記スペックルサイズ可変手段５が光検出
器２の受光面上のスペックルの平均サイズを所定領域Ｅ
内にて可変設定すると、光検出器２による記検出移動率
Ｊはスペックルの平均サイズに応じて変化し、これに追
従して位置指定移動率が変化する。

〔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９図及び第10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。

また、符号40は反射ミラー35の位置を上下させ、もっ
て、物体粗面30のビーム照射部位から反射ミラー35を介
してディテクタ36に至る光路長Ｒを変化させ、後述する
カーソル53の移動率を変化させる移動レート可変ボタン
であり、上記反射ミラー35が取り付けられると共に可動
ハウジング31の頂部挿通孔31a個所にて上下動可能に配
設されるボタン本体40aと、ボタン本体40aと、反射ミラ
ー35位置を所定の位置に復帰させるべくボタン本体40a
を付勢するリターンスプリング40bとからなる。

この実施例において、上記ディテクタ36は、特に第11
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ω₀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、反射
ミラー35の位置が可動範囲内のいずれの個所にあって
も、ディテクタ36上のスペックルの平均サイズ（ここで
はスペックルの半径寸法を意味する）がディテクタ36の
各受光セル36aないし36dの開口以下になるように設定さ
れている。

また、上記信号処理系37は、特に第12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方向に沿って並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12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、スペックルパターンSPの変形が無視できる
ならば、隣の受光セル36bには、第13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13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13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36a
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。

また、この実施例に係るマウスにおいては、上記移動
レート可変ボタン40を所定量ずつ押し下げ、カーソル53
の移動率変化を調べたところ、移動レート可変ボタン40
の押し下げ量に応じてカーソル53の移動率が略比例的に
減少することが確認された。

このため、この実施例に係るマウスを使用するに当た
って、カーソル53を細かく移動させたい場合には、上記
移動レート可変ボタン40を適宜押し下げ、逆に、カーソ
ル53をラフに移動させたい場合には、押し下げ量０の初
期位置に設定した状態でマウスを操作すればよい。

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。

また、この実施例に係る移動レート可変ボタン40につ
いては物体粗面30〜ディテクタ36間距離Ｒを変化させる
ようにしているが、これに限られるものではなく、例え
ばビームウエストBw〜物体粗面30間距離ｚを変化させる
ようにしてもよい。

この場合、スペックルの平均サイズはｚに反比例する
（課題を解決するための手段の欄（12）式参照）ことに
なるため、ｚを小さくするようにすれば、スペックルの
平均サイズを大きく設定できる分、カーソル53をラフに
移動させることが可能になり、また、ｚを大きくするよ
うにすれば、スペックルの平均サイズを小さく設定でき
る分、カーソル53を細かく移動させることが可能にな
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
のスペックルの平均サイズを所定領域内にて変化させ、
スペックルの平均サイズに応じて光検出器による検出移
動率を略比例的に変化させるようにしたので、光検出器
による検出移動率の変化動作を確実に実現することがで
き、各種移動情報の検出分解能の調整をダイナミックに
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、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、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ハ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３記載の位置指定装置によれば、
スペックルサイズ可変手段にてスペックルの平均サイズ
を所定領域にて可変設定することにより、スペックルの
平均サイズに応じて光検出器による検出移動率を略比例
的な関係で確実に変化させるようにしたので、光検出器
の検出信号に応じて移動する指定対象物の移動率を略比
例的な関係で確実に変化させることが可能になる。

このため、細かい位置指定精度が要求される場合やラ
フな位置指定精度が要求される場合においても、位置指
定物の移動量を要求に応じて細かく、あるいはラフなも
のに確実に設定することができ、位置指定装置の操作性
をより向上させることが可能である。

【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）はこの発明に係る一指定装置の概略構
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スペ
ックル平均サイズとカーソル移動率との関係を示すグラ
フ図、第６図は第２図の実験系をモデル化した説明図、
第７図はこの発明に係るスペックルとディテクタとの関
係を示す模式説明図、第８図はこの発明に係るスペック
ルの空間周波数パワースペクトルとディテクタの空間周
波数パワースペクトルとの関係を示すグラフ図、第９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10図はその一部破断底面図、第11図は実施例に係るデ
ィテクタの構成を示す説明図、第12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13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……スペックルサイズ可変手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G06F 3/033 G01P 3/36

Claims (3)

(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、 上記光検出器（２）の受光面上のスペックルパターン
   （SP）におけるスペックルの平均サイズ（Ｄ）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）がスペ
   ックルの平均サイズ（Ｄ）に対して略比例的に変化する
   領域（Ｅ）で上記スペックルの平均サイズ（Ｄ）を可変
   設定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。
2. 【請求項２】請求項１記載のものにおいて、 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）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。
3. 【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
   する光検出器（２）と、 この光検出器（２）の受光面上のスペックルパターン
   （SP）におけるスペックルの平均サイズ（Ｄ）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）がスペックルの
   平均サイズ（Ｄ）に対して略比例的に変化する領域
   （Ｅ）で上記スペックルの平均サイズ（Ｄ）を可変設定
   するスペックルサイズ可変手段（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。