JPH03111925A - 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

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
。

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。

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。

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。

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〕

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。

（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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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＜　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。

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。

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。

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。

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（（λ２
／πω。′）２　　　　・・・（１０）となる。

ゆえに、（６）（１０）式より、 ω−の。　　（λ２／πω。′） ＝λ２／πω。　　　　　　・・・（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！＝ｔ（λＲ／π）　　（πω。／λ２）＝　Ｒω。

／２　　　　　　　・・・（１２）で近似される。

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。

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とカーソル移動率にとの関係を
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。

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。

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。

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。

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＝に−ｖ、　　　　　　・・・（１３）但し、Ｋ＝に
、　　・Ｋ２　・Ｋ、　　・・・（１４）となる。

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。

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。

１’Ｊ　＝　Ｋ−ｘ　ａ　　　　　　　　　　・・・（
１５）但し、Ｘ、は粗面移動量である。

（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。

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。

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 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。

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。

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。

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。

ると、Φ（ξ）が次のように求まる。

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。

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。

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。

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。

（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
。

すなわち、（１４）、（１７）、　　（２１）式より、 Ｋ＝に、−に２　・Ｋ３ ”　（Ｒ／ｚ）　　　（Ｚ／Ｒω。）　　・Ｋ。

−Ｋ３／ω。　　　　　　　・・・（２２）になる。

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。

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。

◎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
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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
。

〔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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔実施例〕

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。

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。

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。

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
。

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
、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。

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、
Ｘ方向の位相差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。

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Ｓ
Ｐ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。

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、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。

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。

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。

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。

〔発明の効果〕

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。

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。

【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■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

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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。