JPH03111925A - Method for detecting movement of speckle pattern and position specifying device using the same - Google Patents
Method for detecting movement of speckle pattern and position specifying device using the sameInfo
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- JPH03111925A JPH03111925A JP1248058A JP24805889A JPH03111925A JP H03111925 A JPH03111925 A JP H03111925A JP 1248058 A JP1248058 A JP 1248058A JP 24805889 A JP24805889 A JP 24805889A JP H03111925 A JPH03111925 A JP H03111925A
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Abstract
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。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention provides a speckle pattern movement detection method for detecting movement information of a speckle pattern caused by scattering of coherent electromagnetic waves on a rough surface of an object, and a speckle pattern movement detection method using the same. This invention relates to the improvement of a position specifying device (a position specifying device useful for specifying a position on a display screen in a computer terminal, a workstation, a personal computer, etc., or specifying a position for various controlled objects).
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。As an example of a conventional position specifying device for computer input, a so-called mouse is widely used because it is inexpensive, easy to operate, and has high position specifying accuracy.
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。The current mainstream mechanical mouse has a ball protruding from a part of the housing that can rotate in any direction, and the direction and amount of movement can be detected based on the direction and amount of rotation of this ball. , to specify the position to be specified.
〔発明が解決しようとする課題1
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
。[Problem to be Solved by the Invention 1] However, since such conventional mechanical mice utilize contact rotation of a mechanical ball, there are problems in terms of durability, and there are also problems with positional accuracy. There are limits to improvement.
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。An optical mouse that optically detects movement information in a non-contact manner has already been provided as a solution to the drawbacks of mechanical mice.
この種の光学式マウスは、例えば特開昭5710792
9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。This type of optical mouse is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5710792, for example.
No. 9, as shown in Publication No. 57-207930,
It includes a main body in which a light source and a photodetector are housed,
Movement information is detected by moving the main body on a dedicated underlay stamped with a regular grid pattern and counting the number of grids on the dedicated underlay that it crosses during movement.
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(、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。However, this type of optical mouse requires a special underlay, which not only limits the freedom of use, but also makes it unusable if the underlay gets dirty or damaged, which reduces its durability. Even points are not enough (, furthermore,
The resolution of movement information detection is determined by the fineness of the grid engraved on the dedicated underlay, so it is not easy to increase the resolution of movement information without increasing costs.
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)。In order to solve these problems, the inventor of the present invention aims to reduce the cost of the device itself, improve operability and durability, and use a special underlay by detecting movement information of so-called speckle patterns. However, a position specifying device that can easily increase the resolution of movement information detection has already been provided (see Japanese Patent Application No. 116878/1983).
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ェ
ストの位置等の光学系の諸宗教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を包含している。However, in such a position specifying device, the detection accuracy of speckle pattern movement information itself affects the position specification accuracy, but various optical system factors such as the length of the optical path and the position of the beam waist There are variations in the top,
If it fluctuates during use, the detection accuracy of the movement information of the speckle pattern will vary, which causes the problem that the position designation operation tends to become unstable.
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
。Note that this problem is not limited to the mouse mentioned above.
Various devices (movement detection devices,
The same problem can occur in speed detection devices, etc.).
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。The present invention has been made from the above viewpoint, and provides a speckle pattern movement detection method that can improve speckle pattern movement detection accuracy, and a method for stabilizing position specifying operation using the same. A position specifying device is provided.
0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、スペックルパタ
ーンを形成するスペックルそのものの性質のうち特にス
ペックルの平均サイズに着目し、以下のような実験を行
った。0 Experimental analysis to solve the problem In order to solve the above problem, the present inventor focused on the average size of speckles among the properties of the speckles themselves that form the speckle pattern, and conducted the following experiment. I did it.
(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、このカーソル移動率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。(1) Experimental details When speckles of a predetermined size are moved under predetermined conditions, the movement information of this speckle pattern is processed by a processing system as appropriate, and based on this processed data, for example, the data is displayed on a personal computer. An experimental system (Figure 2) was constructed to move a cursor on the screen, and the cursor movement rate K (the ratio of the actual cursor movement amount to the rough surface movement amount for generating a moving speckle pattern) and speckle We investigated the relationship between the average size of
(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、1
2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、iで所定方向(この例で
はX方向とする)に所定量xd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V3
でX、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(t ds
:周波数9M:振動の数〔信号の山の数1)を増幅す
るアンプ、15(具体的には15a。(2) Experimental system In FIG. 2, reference numeral 10 is a He-Ne laser, 11 is a condensing lens that condenses the beam Bm from the laser 10, and 1
2 is a rough moving plate that is irradiated with the laser beam Bm focused by the condenser lens 11 and moves by a predetermined amount xd in a predetermined direction (in this example, the X direction) at a predetermined speed v, i; 13 is scattered by the rough moving plate 12, and the moving speed V3
A detector consisting of a pair of photodiodes 13a and 13b arranged in parallel along the X direction to detect the speckle pattern SP moving by X at . (t ds
: Frequency 9M: Amplifier that amplifies the number of vibrations (number of signal peaks 1), 15 (specifically 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。15b) is a binarization circuit that binarizes the output from each amplifier 14 using an appropriate threshold value.
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
トアツプあるい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。Further, 16 is a personal computer, which includes an arithmetic processing section 19 that performs arithmetic processing on how to move the cursor 18 on the display screen 17. This arithmetic processing unit 19 inputs the output from each binarization circuit 15, determines the direction of movement of the cursor 18 from the sign of the phase difference τ between the two, and changes the number of pulses of the binarization signal in the direction of movement. It is provided with an up/down counter that counts up or down accordingly, and moves the cursor 17 by N to a position according to the output of this counter.
(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ロ寸法:0.295mmビームウェ
ストBwの半径ω。: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LT、スペ
ックル平均サイズをDとすると、η=L工/D
・・・(1)である。(3) Experimental conditions In Figures 2 and 3, Laser beam wavelength λ: 632.8 nm Photodiode spacing: 0.3 mm Photodiode aperture size: 0.295 mm Radius of beam waist Bw ω. :9.7μm speckle rigidity η:
10 However, if the speckle translation distance is LT and the average speckle size is D, then η=L/D
...(1).
ここで、上記スペックルトランスレーション距離L1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γ(×
)(×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 C0<X、<X2 <X3 <X(<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、。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くN、Takai、
T、Iwai &T、Asakura、 Applie
d 0ptics Vo122 No、1(1983)
第170〜177頁’Correlation dis
tance of dynamicspeckles’
参照)、スペックルが変形なしに移動するとき LT=
■であり、スペックルが変形のみして移動しないときに
はLT−〇である。よって、スペックルトランスレーシ
ョン距離L1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。Here, as shown in FIG. 4, the speckle translation distance L1 refers to the spatial cross-correlation function γ(×
) (x is the spatial shift amount) (speckle movement amount x C0<X, <X2 <X3 <X (<X5
] is the peak height of the cross-correlation function of the stationary speckle, γ,. The amount of speckle movement when the value becomes 1/e (e: base of natural logarithm) is N, Takai,
T, Iwai & T, Asakura, Applie
d 0ptics Vo122 No. 1 (1983)
Pages 170-177' Correlation dis
tance of dynamic speckles'
), when the speckle moves without deformation LT=
(2), and when the speckles are only deformed and do not move, it is LT-0. Therefore, the speckle rigidity η obtained by normalizing the speckle translation distance L1 by the speckle average size D serves as an index indicating the difficulty of speckle deformation.
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LTは、Lア=(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。According to the above literature, in the case of Gaussian speckle that occurs when a so-called Gaussian beam is scattered by unevenness that is sufficiently deeper than the wavelength, the speckle of the diffraction field (scattering in free space without going through an imaging system) is The speckle translation distance LT is L = (1 + R / ρ) ω ... (
2) However, R is the distance from the rough moving plate 12 to the detection surface position of the speckle pattern SP, and ρ is the rough moving plate 12
The radius of curvature of the wavefront of the laser beam Bm in is the radius of curvature of the wavefront of the laser beam Bm, and ω is the spot radius of the laser beam Bm on the rough moving plate 12.
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。Further, the average speckle size D corresponds to the average speckle radius, and is expressed as D=λR/πω (3).
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< 11/ρ
すなわち、 IRI > Iρ1 ・・・
(5)と仮定すれば、上記(4)式は、
η輸πω2/(λρ) ・・・(4′)にな
る。Therefore, by substituting equations (2) and (3) into equation (1), η=(1+R/ρ)ω/(λR/πω)=(πω2/λ
) (1/R+1/ρ)...(4) Here, +1/R
1< 11/ρ That is, IRI > Iρ1...
Assuming (5), the above equation (4) becomes ηtransport πω2/(λρ) (4').
また、集光レンズ11で絞り込まれたビームウェストB
wから粗面状移動板12までの距離をZ。Also, the beam waist B narrowed down by the condensing lens 11
Z is the distance from w to the rough moving plate 12.
a=πω。′/λとすれば、
ω=ωo v’ (1+ (z/a) 2) ・・・(
6)o=z [1+ (a/z) ” ] 川(7
)であり、
(6)(7)式を上記(4′)式に代入すると、xωo
!z fl +(z/ a) ” ]η =
λ a2 [1+ (z/a) 2]= z /
a
−λz/(πω。)2ocz ・・・ (
8)ここで、上記2が充分大きいと仮定すると、(a/
z)” <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1、ol ζlzl
、 IRI > lzl −(9)となるときで
ある。a=πω. '/λ, then ω=ωo v' (1+ (z/a) 2) ...(
6) o=z [1+ (a/z) ” ] River (7
), and by substituting equations (6) and (7) into equation (4') above, xωo
! z fl + (z/a) ” ]η = λ a2 [1+ (z/a) 2] = z /
a −λz/(πω.)2ocz... (
8) Here, assuming that 2 above is sufficiently large, (a/
z)"< 1, and considering the above equation (7), the above equation (5) holds because normally 1, ol ζlzl
, IRI > lzl - (9).
以上まとめると、粗面がビームウェストB wから遠く
、かつ、ビームウェストBw〜粗面間距離2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。To summarize the above, the rough surface is far from the beam waist Bw, and compared to the distance 2 between the beam waist Bw and the rough surface,
When the distance R between the rough surface and the detection surface is sufficiently long, it can be said that the speckle rigidity η is proportional to the above Z.
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。In addition, in this experiment, the speckle average size D
is expressed by the above equation (3).
ここで、上記Zが充分大きいと仮定すると、1((λ2
/πω。′)2 ・・・(10)となる。Here, assuming that the above Z is sufficiently large, 1((λ2
/πω. ')2...(10).
ゆえに、(6)(10)式より、
ω−の。 (λ2/πω。′)
=λ2/πω。 ・・・(11)が成立する
。Therefore, from equations (6) and (10), ω-. (λ2/πω.′) =λ2/πω. ...(11) holds true.
よって、この(11)式を上記(3)式に代入すると、 D!=t(λR/π) (πω。/λ2)= Rω。Therefore, by substituting this equation (11) into the above equation (3), we get D! =t(λR/π) (πω./λ2)=Rω.
/2 ・・・(12)で近似される。/2 ...(12) is approximated.
以上まとめると、粗面がビームウェスト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、ビームウェス)Bw〜粗
面間距離2に反比例すると言える。In summary, when the rough surface is far from the beam waist Bw, the average speckle size D is proportional to the distance R between the rough surface and the detection surface, regardless of the wavelength λ, and the distance between the beam waist) Bw and the rough surface 2. It can be said that it is inversely proportional.
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。In this experiment, by appropriately adjusting R and z based on equations (3) and (4) above, the speckle rigidity η was uniquely set, and the numerical value of the average speckle size D was variably set. did.
(4)実験結果
スペックル平均サイズDとカーソル移動率にとの関係を
第5図に示す。(4) Experimental Results The relationship between the average speckle size D and the cursor movement rate is shown in FIG.
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には比例的に増加する傾向
にあるが、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には略一定に保たれることが
理解される。According to the same figure, the average speckle size D is 0 to 600μ.
It is understood that the cursor movement rate tends to increase proportionally up to approximately m, but the cursor movement rate remains approximately constant from around the point where the average speckle size D exceeds 600 μm.
このことは、スペックル平均サイズDが600μmを越
えた領域Eに予め設定されていれば、何らかの原因でス
ペックル平均サイズDが若干変動したとしても、それに
よって、カーソル移動率Kが変動することがないことを
意味する。This means that if the average speckle size D is preset in the region E exceeding 600 μm, even if the average speckle size D changes slightly for some reason, the cursor movement rate K will change accordingly. It means there is no.
0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。0 Theoretical analysis for problem solving (1) Basic model system FIG. 6 is a model of the experimental system shown in FIG.
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
ディテクタとじ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。In addition, in the subsequent analysis, the speckle pattern SP
When considering only the amount of movement without considering the direction of movement, there is no essential difference from using only one photodiode as a detector. In addition, speckle deformation is considered to be negligible.
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。By doing so, in theoretically analyzing the model system, it becomes possible to make the movement information of an undeformed image equivalent to that detected by a spatial filter. In order to apply the speed measurement method using a spatial filter, in the analysis, instead of the cursor movement amount, speckle movement amount, and rough surface movement amount, we consider the cursor speed, speckle speed, and rough surface speed, respectively. , if the amount of movement is required, the velocity is integrated over time.
同図において、カーソル速度pは、
p=に−v、 ・・・(13)但し、K=に
、 ・K2 ・K、 ・・・(14)となる。In the figure, the cursor speed p is as follows: p=-v, (13) However, K=: -K2, K, (14).
ここで、
K:カーソル移動率
に1 :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
に3 :カーソル速度/ディテクタ信号の平均周波数の
比
を表す。Here, K: Cursor movement rate: 1: Speckle speed/Rough surface speed ratio (referred to as speckle movement rate) K2: Average frequency of detector signal/Speckle speed ratio: 3: Cursor speed/Detector signal ratio Represents the ratio of average frequencies.
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。Furthermore, by integrating the above equation (13), the following equation for the cursor movement amount N can be found.
1’J = K−x a ・・・(
15)但し、X、は粗面移動量である。1'J = K-x a...(
15) However, X is the amount of movement of the rough surface.
(2)カーソル移動率の各係数
(2−a) Kl 、 Kjについて
スペックル移動率K 、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%式%
(16)
上記(9)式1ρl = lzl、 IRI>l
zを考慮すると、上記(16)式は、
K、=1+R/z
= R/ z ・・・(17)に近似
される。(2) Each coefficient of the cursor movement rate (2-a) Regarding Kl and Kj, the speckle movement rate K is, due to the characteristics of dynamic speckle, in the case of Gaussian speckle, it is usually expressed by the following formula % formula % (16) Equation (9) above 1ρl = lzl, IRI>l
Considering z, the above equation (16) is approximated as K,=1+R/z=R/z (17).
すなわち、上記近似の下では、スペックル移動率に、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、ビームウェストBw〜粗面距離2に反比例するこ
とになる。That is, under the above approximation, the speckle movement rate is proportional to the distance R from the rough surface to the detection surface and inversely proportional to the distance 2 from the beam waist Bw to the rough surface, without being influenced by the wavelength.
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。Further, K3 is a constant determined by the computer interface, etc.
(2−b) K2について
に2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。(2-b) Regarding K2, 2 represents the characteristic of the detector as a spatial filter.
今、スペックルの変形を考慮しないとすれば、速度V、
で動(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、
W(fd、) =Φ(L、/ v −) ・Ω(fd
−/ v 、 )・・・(18)
で表される。Now, if we do not consider the deformation of speckles, then the velocity V,
According to the theory of velocity detection using a spatial filter, the output of the detector placed inside the speckle is W (fd,) = Φ (L, / v -) ・Ω (fd
−/v, )...(18) It is expressed as follows.
ここで、tF(fd=)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。Here, tF(fd=) is the time-frequency power spectrum of the output signal of the detector, Φ(ξ) is the spatial-frequency power spectrum of the speckle, Ω(ξ) is the spatial-frequency power spectrum of the detector, and f ds is the time-frequency power spectrum of the detector. Frequency and ξ indicate spatial frequencies, respectively.
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。According to equation (18), the overlap between the time-frequency power spectrum of the speckle and the time-frequency power spectrum of the detector is obtained as the output signal of the detector.
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に比べて充分大きい場合、
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
べて充分小さい場合には、ディテクタ13の出力信号は
スペックルの速度V、とスペックルの空間周波数パワー
スペクトルΦ(ξ)とによって決まり、ディテクタの空
間周波数パワースペクトルにはよらない。Therefore, as shown in FIG. 7, if the size of the speckle S is sufficiently larger than the aperture d of the detector 13,
In other words, as shown in FIG. 8, if the spread of the spatial frequency power spectrum Φ (ξ) of the speckle is sufficiently smaller than the spread of the spatial frequency power spectrum Ω (ξ) of the detector, the output of the detector 13 is The signal is determined by the speckle velocity V and the speckle spatial frequency power spectrum Φ(ξ), and not by the detector spatial frequency power spectrum.
ると、Φ(ξ)が次のように求まる。Then, Φ(ξ) can be found as follows.
Φ(ξ) =a+exp(−82D21ξ12)・・・
(19)
但し、上記(19)式においては、最大値(相関ピーク
値)が1になるように規格化されており、al+82は
定数である。Φ(ξ) =a+exp(-82D21ξ12)...
(19) However, in the above equation (19), the maximum value (correlation peak value) is normalized to be 1, and al+82 is a constant.
よって、スペックル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
時間周波数パワースペクトルの広がりはv、/Dに比例
することになる。Therefore, the spread of the spatial frequency power spectrum of speckles is proportional to 1/D, and as a result, the spread of the time frequency power spectrum of the output signal of the detector is proportional to v,/D.
従って、K2は、
K2 = f as/ V −” l / D
・・・(20)となる。但し、f dsはfa+の時間
平均である。Therefore, K2 is: K2 = f as / V - "l / D
...(20). However, f ds is the time average of fa+.
そして、この(20)式に上述した(12)式を代入す
ると、
K2(X:Z/Rωo −(21)が
成立する。Then, by substituting the above-mentioned equation (12) into this equation (20), K2(X:Z/Rωo - (21) is established.
(3)結論
上記(2)で詳述したカーソル移動率にの各係数に基づ
いてカーソル移動率Kを算出すると、以下のようになる
。(3) Conclusion When the cursor movement rate K is calculated based on the coefficients of the cursor movement rate detailed in (2) above, the result is as follows.
すなわち、(14)、(17)、 (21)式より、 K=に、−に2 ・K3 ” (R/z) (Z/Rω。) ・K。That is, from equations (14), (17), and (21), K=to, -2 ・K3 ” (R/z) (Z/Rω.)・K.
−K3/ω。 ・・・(22)になる。-K3/ω. It becomes (22).
ここで、K3.ω0はいずれも定数であることから、カ
ーソル移動率には一定になると言える。Here, K3. Since ω0 is a constant, it can be said that the cursor movement rate is constant.
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より充分に大きい場合には、カーソ
ル移動率には一定に保たれることが理論的に裏付けられ
た。In summary, it has been theoretically supported that when the average size D of speckles is sufficiently larger than the aperture size d of the detector 13, the cursor movement rate is kept constant.
◎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。◎Summary of the Invention The present inventor has devised the present invention through the above-mentioned experimental and theoretical analysis.
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
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が略一定に保たれる範囲Eで上
記スペックルの平均サイズDを設定したことを特徴とす
るものである。That is, as shown in FIG. 1(a), the method for detecting movement of a speckle pattern according to the present invention optically detects movement information M of a speckle pattern SP generated by scattering of a coherent electromagnetic wave Bm against a rough object surface 1. When detecting with the photodetector 2, the average size D of speckles in the speckle pattern SP on the light-receiving surface of the photodetector 2, relative movement information of the photodetector 2 with respect to the object rough surface 1, and the photodetector 2
The average size D of the speckles is set within a range E in which the detected movement rate J is kept substantially constant in relation to the detected movement rate J indicating the ratio to the output movement information of be.
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。In such a method invention, the movement information M of the speckle pattern SP is not limited to only the movement amount, but broadly includes movement speed, movement acceleration, etc. Therefore, in addition to the position specifying device described below, this method invention can be applied to other speed detecting devices such as movement amount detecting devices and speed sensors that are necessary for controlling the position of self-propelled carts, etc. Can be mentioned.
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l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(上記に1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。In addition, the speckle pattern SP is shown in Fig. 1(a).
As shown in , only speckles in the so-called diffraction field without an imaging system, which are caused by scattering on the object's rough surface 1, are targeted, and the scattered light on the object's rough surface 1 is imaged on a predetermined part using an imaging lens. What is caused by so-called image field speckles is not a target because the speckle velocity/rough surface velocity (corresponding to 1 above) is different from the above-mentioned one.
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。Furthermore, the photodetector 2 may be selected as appropriate as long as it can detect the movement information of the speckle pattern SP, and the signal processing system from the photodetector 2 may also be a target device. You may change the design as appropriate.
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2 a、 2 bを並設し、第1図(c
)に示すように、一組の光検出素子2 a、 2 b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。Here, regarding the photodetector 2, from the viewpoint of easy real-time processing and accurate determination of the movement information M including the positive and negative of the movement direction of the speckle pattern SP, it is difficult to perform real-time processing as shown in FIG. As shown in FIG.
), it is preferable to configure so that the phase difference τ between the output signals from a pair of photodetecting elements 2 a and 2 b is detected.
この場合において、−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2 a、
2 bを並設すればよいが、例えば組をなす光検出素
子2 a、 2 b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2 a、 2 b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。In this case, when detecting -dimensional movement information, one set of photodetecting elements 2 a,
For example, two or three sets of photodetecting elements 2a, 2b may be used so that the straight lines connecting the photodetecting elements 2a, 2b are perpendicular to each other. This makes it possible to detect two-dimensional or three-dimensional movement information.
そして更に、上記一組の光検出素子2 a、 2 b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2 a、 2 bを用いて各組
の光検出素子2 a、 2 b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2 a、 2 b
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。Furthermore, the processing system for processing the output signal from the photodetector 2 consisting of the pair of photodetecting elements 2 a and 2 b may be selected as appropriate, but the obtained phase difference τ
From the viewpoint of reducing the influence of errors caused by the irregularity of the speckle pattern SP, a plurality of sets of photodetecting elements 2a and 2b are used per one dimension, and each set of photodetecting elements 2a , 2b, each phase difference τ obtained from
or take the average of a pair of photodetecting elements 2a, 2b.
It is preferable to adopt a configuration in which the time average of the phase difference τ obtained from τ is taken or a combination of both is used.
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が略一定に保たれる範囲Eで上記スペックルの平
均サイズDを設定するスペックルサイズ設定手段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
するものである。Further, the invention of a position specifying device using the speckle pattern movement detection method described above includes a movable body 3 movable with respect to the rough surface 1 of the object, and a movable body 3 that An electromagnetic wave source 4 that is incorporated in the movable body 3 and irradiates a coherent electromagnetic wave Bm from a predetermined portion of the movable body 3 to the rough surface 1 of the object; and speckles that are incorporated in the movable body 3 and that are generated from the rough surface 1 of the object due to the irradiation of the electromagnetic wave Bm. A photodetector 2 that detects relative movement information of the pattern SP with respect to the movable body 3, an average size D of speckles in the speckle pattern SP on the light-receiving surface of the photodetector 2, and an object rough surface of the photodetector 2. In the relationship with the detection movement rate J indicating the ratio of the relative movement information with respect to 1 and the output movement information of the photodetector 2, the average size D of the speckles is within a range E where the detection movement rate J is kept approximately constant. A speckle size setting means 5 is provided for setting a speckle size, and a position to be specified is specified based on relative movement information detected by the photodetector 2.
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。In such a device invention, the photodetector 2 may be appropriately selected as described in the method invention, and the output signal detected by the photodetector 2 may be selected as appropriate. The location of the processing system may be selected as appropriate, such as external equipment, the movable body 3, or equipment connected to external equipment, but from the perspective of sharing it with various external devices, it is best to place it within the movable body 3. It is preferable to provide a signal processing system.
また、上記スペックルサイズ設定手段5としては、スペ
ックルの平均サイズDを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との距離を適宜選定することを挙げることができる
。Further, as the speckle size setting means 5, as long as the average size D of speckles can be arbitrarily set, a lens that narrows down the electromagnetic wave Bm directed from the electromagnetic wave source 4 toward the object rough surface 1 may be appropriately selected. , appropriately selecting the distance between the object rough surface 1 and the photodetector 2.
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
ルの平均サイズが所定領域E内に包含されるので、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の
若干の変動に対しても略一定に保たれる。In the above-mentioned technical means, according to the method invention shown in FIG. The detection movement rate J by the detector 2 is kept substantially constant even with slight variations in the average size of speckles.
特に、第1図(b)に示すような一組の光検出素子2a
、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
だけ以前にイスペラ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。In particular, a set of photodetecting elements 2a as shown in FIG. 1(b)
, 2b (the spacing between their centers is g), the speckle pattern SP (assumed to be extremely small in deformation) now moves in the direction of the arrow at a constant speed V. If so, the signal intensity detected by one of the photodetecting elements 2a located at the front stage in the moving direction will be τ for a certain period of time.
This is approximately the same as the photodetecting element 2b located at the rear stage in the moving direction of the isperacle pattern.
この場合、第1図(c)に示すように、上記一組の光検
出素子2 a、 2 b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。In this case, as shown in FIG. 1(c), the time variation curve of the output signals of the pair of photodetecting elements 2a and 2b is as follows:
They are similar to each other and shifted by a phase difference τ, and the phase difference τ
is determined by τ=g/v.
従って、上記位相差τの情報からスペックルパターンS
P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。Therefore, from the information on the phase difference τ, the speckle pattern S
It is possible to determine whether the moving direction of the spec pattern SP is positive or negative from each movement information of P, for example the sign of τ, and from its absolute value it is possible to determine the magnitude of the movement speed V. Furthermore, the rise of the output signal, By counting the falling edges, the amount of movement of the speckle pattern SP can be determined.
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、でU、
た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、でU、だけ相対的に移動することになる。Further, according to the position specifying device invention shown in FIG. 1(d),
An electromagnetic wave Bm is irradiated from an electromagnetic wave source 4 such as a laser to the rough surface 1 of the object, and the movable body 3 moves at a speed V, U, with respect to the rough surface 1 of the object.
If the object's rough surface 1 moves by a distance U, the object rough surface 1 will move relative to the movable body 3 by an amount U at a speed V.
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、でU。At this time, the speckle pattern SP scattered by the rough object surface 1 moves on the light receiving surface of the photodetector 2 at a speed of V and U as the rough object surface 1 moves relative to each other.
だけ比例的に移動する。move proportionally.
よって、上記光検出器2は、上記スペックルパターンS
P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。Therefore, the photodetector 2 has the speckle pattern S.
By detecting the movement information of P at a predetermined detection movement rate J, the relative movement amount of the object rough surface 1 is indirectly detected, and the position of the designated object is determined based on this detection information. It is specified.
このとき、上記スペックルサイズ設定手段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
に設定するので、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の若干の変動に対しても略一定に
保たれる。At this time, the speckle size setting means 5 sets the average size of the speckles on the light receiving surface of the photodetector 2 within the predetermined area E, so that the detection movement rate J by the photodetector 2 is the average size of the speckles. It remains approximately constant even with slight variations in size.
以下、添付図面に示す実施例に基づいてこの発明の詳細
な説明する。Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
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。9 and 10 show the present invention applied to a computer input mouse.
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。In the figure, reference numeral 30 denotes a rough surface of the object, 31 a movable housing having a sliding pressing pad 32 at the bottom, 33 a semiconductor laser as an electromagnetic wave source housed in the movable housing 31 and irradiating a laser beam Bm; 34 is a plastic lens that guides the beam Bm from the semiconductor laser 33 to the irradiation area Q of the object rough surface 30 at a predetermined spot radius ω;
A condensing lens such as a Fresnel lens, 35 is a reflection mirror that appropriately reflects the reflected beam from the object rough surface 30 in order to ensure the optical path length of the detection optical system, and 36 is disposed at the end of the optical path of the detection optical system. Detector 37 detects movement information of the speckle pattern SP generated in the reflected beam from the object rough surface 30; 37 is a signal processing system that converts the output signal from the detector 36 into a movement control signal for computer input; 38 Reference numeral 39 indicates an input switch for performing a position designation operation, and 39 indicates a connection harness to an external device (not shown).
この実施例において、上記ディテクタ36は、特に第1
1図に示すように、移動基準方向であるX方向、X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。In this embodiment, the detector 36 is particularly
As shown in FIG. 1, light-receiving cells 36a to 36d made of photodiodes are arranged side by side in the X direction, which is the movement reference direction, and spaced apart by a predetermined distance along the X direction.
この場合において、上記集光レンズ34は、適当なビー
ムウェストBwの半径ω0を得るためのものであり、ビ
ームウェスト半径ω。、ビームウェスt−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の各受光セル36aないし36
d上のスペックルの平均サイズが各受光セル36aない
し36dの開口面積の5倍となるように設定されている
。In this case, the condenser lens 34 is used to obtain an appropriate radius ω0 of the beam waist Bw, which is the beam waist radius ω. , the distance Z between the beam waist t-Bw and the object rough surface 30 and the distance R between the object rough surface 30 and the detector 36 are determined by
The average size of speckles on d is set to be five times the aperture area of each of the light receiving cells 36a to 36d.
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。Further, the signal processing system 37 includes light receiving cells 36a arranged in parallel in the X direction, particularly as shown in FIG.
36bからの信号を処理するX成分信号処理系37xと
、X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。It is comprised of an X component signal processing system 37x that processes signals from 36b, and a y component signal processing system 37Y that processes signals from light receiving cells 36a and 36C arranged in parallel in the X direction.
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。In this embodiment, the signal processing system 37 includes a corresponding set of light receiving cells 36a, 36b, or 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。An amplifier 41 that amplifies the output of 36c, and this amplifier 41
It consists of a cut filter 42 that removes DC components, noise, and high frequency components of the output of the cut filter 42, and a binarization circuit 43 that binarizes the output of the cut filter 42 with a threshold value of 0.
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、
X方向の位相差τ8.τ。Furthermore, in this embodiment, the signal from the signal processing system 37 is input to the arithmetic processing section 51 in the computer 50, and this arithmetic processing section 51 converts the X component of the output from the binarization circuit 43,
Phase difference in the X direction τ8. τ.
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3o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。The direction of movement is determined from the sign of , the number of pulses of the binary signal is counted up or down depending on the direction of movement, and based on this count value, the relative movement of the speckle pattern SP with respect to the object rough surface 3o is determined. The information is determined and the cursor 53 on the display screen 52 is moved in accordance with this movement information.
The location has been determined.
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。Next, the operation of the position specifying device according to this embodiment will be explained.
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S
Pが生じている。Now, the laser beam Bm irradiated from the semiconductor laser 33
reaches the detector 36 after being reflected by the rough surface 30 of the object, and a speckle pattern S is formed on the detector 36.
P is occurring.
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3
6a、36bにより、また、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る一組の受
光セル36a、36cによって検出されるのである。In this state, when the movable housing 31 is moved on the object rough surface 30, the detector 36
The speckle pattern SP on each of the light receiving cells 36a to 36d moves. The X-direction component of the movement of this speckle pattern SP corresponds to a set of three
6a, 36b, and the X direction component of the movement of the speckle pattern SP is detected by a pair of light receiving cells 36a, 36c arranged in parallel along the X direction.
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。Here, since the detection operations for each movement component of the speckle pattern SP are substantially the same, the movement detection operation for the X-direction component will be described below.
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。That is, in FIG. 12, when the speckle pattern SP moves from the light receiving cell 36a to the light receiving cell 36b,
The output signal of the light receiving cell 36a varies according to the movement of the speckle pattern SP.
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、だけ遅れた信号が得られる。At this time, if the deformation of the speckle pattern SP can be ignored, the adjacent light-receiving cell 36b has approximately the same form as the output signal of the light-receiving cell 36a for a time τ, as shown in FIG. 13(a). You will get a delayed signal.
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。This output signal is input to the X component signal processing system 37x,
After being amplified by the amplifier 41, as shown in FIG. 13(b), the cut filter 42 converts the signals into m and n signals that cross the 0 line, and then as shown in FIG. 13(c). Then, the binarization circuit 43 converts m, n with the 0 line as a reference.
It is converted into two systems of binary signals. The binarized signal is then input to the arithmetic processing section 51.
この場合において、上記時間遅れτ工は、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、τ8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。In this case, the time delay τ is determined by the light receiving cell 36.
It is determined by the distance between a and 36b and the moving speed of the speckle pattern SP, and it is possible to determine whether the moving direction of the speckle pattern SP is positive or negative depending on the sign of τ8.
36bの出力信号の山の数は、各受光セル36a。The number of peaks of the output signal of 36b is the same as that of each light receiving cell 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、上記歯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。In order to correspond to the number of speckle grains passing over 36b, by counting the number of teeth, it is possible to detect the magnitude of the movement of the speckle pattern SP, and from this, movement information can be obtained. be able to. The arithmetic processing unit 51 described above determines the moving direction and moving amount of the speckle pattern SP based on the above-described principle, and thereby sets the moving direction and moving amount of the cursor 53.
この演算処理部5】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。This arithmetic processing unit 5] is exactly the same as a conventional mechanical mouse or optical mouse, and this type of arithmetic processing unit 51 is usually incorporated into the interface of the computer 50.
The binarized signal in this embodiment can be directly input into a conventional mouse interface.
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。In evaluating the performance of the mouse according to this example, we investigated the changes in the cursor movement rate when the mouse according to the example was moved under certain conditions, and found that the cursor movement rate was approximately constant. It has been confirmed that it can be maintained.
更に、この実施例においては、上記ディテクタ36とし
て、X方向及びX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(することが可能である。Furthermore, in this embodiment, the detector 36 includes a plurality of sets of light receiving cells (not shown) in the X direction and in the X direction.
If the signal processing unit 37 can average the phase difference information based on the output from each set, it is possible to reduce the variation in the phase difference information based on the irregularity of the speckle pattern SP. It is possible.
以上説明しC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のものとし、光検
出器による検出移動率をスペックルの平均サイズの若干
の変動に対しても略一定に保てるようにしたので、移動
検出装置の製造上の誤差によって光学系の諸定数がばら
ついたり、使用上変動したりしたとしても、移動検出動
作を安定させることができる。As explained above, according to the speckle pattern movement detection method according to claim 1, the average size of the speckles on the light receiving surface of the photodetector is within a predetermined area, and the detection by the photodetector The movement rate can be kept almost constant even with slight variations in the average size of speckles, so even if the various constants of the optical system vary due to manufacturing errors in the movement detection device or change due to use, Also, the movement detection operation can be stabilized.
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。In particular, according to the method for detecting movement of a speckle pattern according to claim 2, temporal fluctuations of the speckle pattern are detected by at least one set of photodetecting elements arranged in parallel in the moving speckle pattern, and Since the movement information of the speckle pattern can be detected through simple processing such as determining the phase difference between the speckle patterns, real-time processing is easy, and various movement information including the movement direction of the speckle pattern can be easily obtained.
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。Further, according to the position specifying device according to claim 3, the relative movement information of the speckle pattern generated from the rough surface of the object with respect to the rough surface of the object is detected and the position to be specified is specified. It eliminates the need to use an underlay, which makes it easier to operate, and reduces the durability of conventional mechanical mice due to mechanically moving parts, and prevents use when the dedicated underlay becomes dirty or damaged. There are no more restrictions on
The durability of the device itself can be further improved, and
By appropriately setting the optical system harammeter between the electromagnetic wave source and the photodetector without being affected by the grid density of the dedicated underlay, it is possible to increase the resolution of movement information detection and improve position specification accuracy. be able to.
そしてまた、請求項3記載の位置指定装置によれば、ス
ペックルサイズ設定手段にてスペックルの平均サイズを
所定領域に設定することにより、スペックルの平均サイ
ズの変動に対する位置指定部材の移動率変動を回避する
ようにしたので、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。According to the position specifying device according to claim 3, the average size of speckles is set in a predetermined area by the speckle size setting means, so that the movement rate of the position specifying member with respect to fluctuations in the average size of speckles is Since fluctuations are avoided, it becomes possible to perform a position specifying operation with a constant movement rate at all times, and accordingly, a stable position specifying operation can be performed.
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■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
j・・・物体粗面
2・・・光検出器
2 a、 2 b・・・光検出素子
3・・・可動体
4・・・電磁波源
5・・・スペックルサイズ設定手段FIG. 1(a) is an explanatory diagram showing the principle of the speckle pattern movement detection method according to the present invention, and FIGS. 1(b) and (c) are explanatory diagrams showing one embodiment of a photodetector and an explanation of its detection operation. 1(d) is an explanatory diagram showing the schematic configuration of a designated device according to the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram showing the experimental system conducted in devising this invention, and FIG. Figure 2 is a detailed view of the ■ part in Figure 2, Figure 4 is an explanatory diagram showing the concept of speckle translation distance, and Figure 5 shows the relationship between the average speckle size and cursor movement rate determined in the experimental system of Figure 2. Graph diagram showing,
FIG. 6 is an explanatory diagram modeling the experimental system of FIG. 2, FIG. 7 is a schematic explanatory diagram showing the relationship between speckles and a detector according to this invention, and FIG. 8 is a space of speckles according to this invention. 9 is a graph showing the relationship between the frequency power spectrum and the spatial frequency power spectrum of the detector; FIG. 9 is an explanatory diagram showing an embodiment of the mouse to which the present invention is applied; FIG.
The figure is a partially cutaway bottom view, FIG. 11 is an explanatory diagram showing the configuration of the detector according to the embodiment, FIG. 12 is a block diagram showing the signal processing system of the detector according to the embodiment, and FIG. 13 is the signal processing. 3 is a timing chart showing the operation timing of the system. [Explanation of symbols] SP... Speckle pattern Bm... Electromagnetic wave M... Movement information j... Object rough surface 2... Photodetector 2 a, 2 b... Photo detection element 3. ...Movable body 4...Electromagnetic wave source 5...Speckle size setting means
Claims (1)
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)が略一定
に保たれる範囲(E)で上記スペックルの平均サイズ(
D)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。 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(2
a、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)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)が略一定
に保たれる範囲で上記スペックルの平均サイズ(D)を
設定するスペックルサイズ設定手段(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。[Claims] 1) Speckle pattern (SP) caused by scattering of coherent electromagnetic waves (Bm) on the rough surface of an object (1)
When detecting the movement information (M) with the photodetector (2), a speckle pattern (
SP), the detection movement rate (D) which indicates the ratio of the relative movement information of the photodetector (2) with respect to the rough object surface (1) and the output movement information of the photodetector (2);
J), the average size of the speckles (
D) A method for detecting movement of a speckle pattern. 2) The photodetector (2) has at least one set of photodetecting elements (2a, 2b) arranged in parallel per dimension, and the photodetector (2) has at least one set of photodetecting elements (2a, 2b) arranged in parallel per dimension.
A method for detecting movement of a speckle pattern, characterized in that a phase difference (τ) between output signals from a and 2b) is detected. 3) A movable body (3) that is movable with respect to the rough object surface (1), and a coherent electromagnetic wave that is incorporated in this movable body (3) and is transmitted from a predetermined part of the movable body (3) to the rough object surface (1). (Bm)
an electromagnetic wave source (4) that irradiates an electromagnetic wave (Bm) that is incorporated into the movable body (3);
a photodetector (2) that detects relative movement information of a speckle pattern (SP) generated from the object rough surface (1) with respect to the movable body (3) when irradiated with the object; and a light-receiving surface of the photodetector (2). The speckle pattern above (
SP), the detection movement rate (D) which indicates the ratio of the relative movement information of the photodetector (2) with respect to the rough object surface (1) and the output movement information of the photodetector (2);
J), speckle size setting means (5) for setting the average size (D) of the speckles within a range in which the detection movement rate (J) is kept substantially constant; A position specifying device characterized in that a position to be specified is specified based on relative movement information detected by a device (2).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1248058A JPH03111925A (en) | 1989-09-26 | 1989-09-26 | Method for detecting movement of speckle pattern and position specifying device using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1248058A JPH03111925A (en) | 1989-09-26 | 1989-09-26 | Method for detecting movement of speckle pattern and position specifying device using the same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03111925A true JPH03111925A (en) | 1991-05-13 |
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ID=17172575
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1248058A Pending JPH03111925A (en) | 1989-09-26 | 1989-09-26 | Method for detecting movement of speckle pattern and position specifying device using the same |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03111925A (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005122746A (en) * | 2003-10-16 | 2005-05-12 | Agilent Technol Inc | Motion tracking method and system using interference pattern |
| JP2006515945A (en) * | 2003-01-20 | 2006-06-08 | ▲しゃん▼ 宏志 | Method and device for optical signal processing in a computer mouse |
| US7394454B2 (en) | 2004-01-21 | 2008-07-01 | Microsoft Corporation | Data input device and method for detecting lift-off from a tracking surface by electrical impedance measurement |
| JP2008210100A (en) * | 2007-02-26 | 2008-09-11 | Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte Ltd | pointing device |
| JP4896988B2 (en) * | 2005-12-21 | 2012-03-14 | ストラ エンソ オサケ ユキチュア ユルキネン | Package intended to accept an opening device |
| JP2016523414A (en) * | 2013-06-26 | 2016-08-08 | 林 大偉LIN, Dai Wei | Optical sensor array device |
-
1989
- 1989-09-26 JP JP1248058A patent/JPH03111925A/en active Pending
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