JPH03287002A - 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）く−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ノ）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４−ルの接触回転を利用するため、耐久
性の点で難があり、また、位置精度の向上にも限度があ
る。

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

この種の光学マウスは、例えば特開昭５７−１０７９２
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の
上の格子の数をカウントすることにより移動の情報を検
出するようになっている。

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

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

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

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

〔課題を解決するための手段〕

すなわち、この発明は、第１図（ａ）に示すように、コ
ヒーレントな電磁波Ｂ１１１の物体粗面ｌに対する散乱
によって生ずるスペックルパターンの移動情報Ｍを検出
するに際し、上記スペックルパターンＳＰの時間変動を
電磁波検出器２にて検出した後に、上記電磁波検出器２
の検出信号を単位時間毎に平均化するようにしたもので
ある。

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

また、スペックルパターンＳＰとしては、第１図（ａ）
に示すように、物体粗面１の散乱によって生ずる結像系
なしの所謂回折界のスペックルによるものでもよいし、
物体粗面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であってもよい。

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

更にまた、上記電磁波検出器２については、リアルタイ
ム処理が容易で、しかも、スペックルパターンＳＰの移
動方向の正負を含めた移動情報Ｍを正確に判別するとい
う観点からすれば、第１図（ｂ）に示すように、移動情
報Ｍを検出する上で必要な方向成分一次元当たり少なく
とも一組の電磁波検出素子２　ａ、　２　ｂを並設し、
第１図（ｃ）に示すように、一組の電磁波検出素子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Ｍを検出する際
には、一つの方向成分に対して一組の電磁波検出素子２
　ａ、　２　ｂを並設すればよいが、例えば組をなす電
磁波検出素子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電磁波検出素子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、上記一組の電磁波検出素子２ａ。

２ｂからなる電磁波検出器２からの出力信号を処理する
処理系としては適宜選定して差し支えないが、求められ
た位相差τに対してスペックルパターンＳＰの不規則さ
に起因する誤差の影響をより少なくするという観点から
すれば、一次元当たり複数組の電磁波検出素子２ａ、２
ｂ（アレイ状に組み込んだもの等）を用いて各組の電磁
波検出素子から得られる各位相差τの平均をとったり、
一組の電磁波検出素子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
対して移動可能な可動体３の所定部位から物体粗面ｌ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に紐み込まれると共に電磁波Ｂａ＋の照射に
伴って物体粗面ｌから生ずるスペックルパターンＳＰの
可動体３に対する相対移動情報を検出する電磁波検出器
２と、この電磁波検出器２にて検出される相対移動情報
を単位時間毎に平均化する平均処理手段５とを備え、こ
の平均処理手段５からの相対移動情報に基づいて指定す
べき位置を特定するようにしたものである。

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

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

更に、電磁波検出器２からの検出信号を平均処理手段５
にて平均化した後の信号処理系としては適宜設計変更し
て差し支えないが、外部機器の信号処理系を簡略化する
点からすれば、平均処理手段５からの信号を二値化処理
する信号処理系を付設することか好ましい。また、平均
処理手段５からの相対移動情報を正確に求めるには、移
動基準方向に沿って一次元、二次元若しくは三次元に配
列された電磁波検出素子アレイを用い、相互相関法を用
いるようにすることか好ましい（特開昭６３−１１６８
７８号実施例２参照）。

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

〔作用〕

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

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

また、第１図（ｄ）に示す位置指定装置発明によれば、
レーザ等の電磁波源４から物体粗面ｌ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ｖ４でＵ、
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、でＵ、だけ相対的に移動することになる。

そして、上記物体粗面ｌにて散乱されたスペックルパタ
ーンＳＰは上記物体粗面１の相対移動に伴って電磁波検
出器２の受光面で速度Ｖ、でｕ８だけ比例的に移動する
。

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

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

〔実施例〕

以下、添付図面に示す実施例に基づいてこの発明の詳細
な説明する。

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

同図において、１０は物体粗面、１１は底部に摺動用の
押し当てパッドｌｌａを有する可動ハウジング、１２は
可動ハウジングｌＩ内に格納されてレーザビームを照射
する電磁波源としての半導体レーザ、１３は半導体レー
ザＩ２をオンオフ制御する半導体レーザコントローラ、
１４は半導体レーザ１２からのビームを物体粗面１０の
照射部位Ｑに所定のスポット径Ｗで導くプラスチックレ
ンズ、フレネルレンズ等からなる集光レンズ、１５は検
出光学系の光路長を確保するために物体粗面１０からの
反射ビームを適宜反射させる反射ミラー　１６は検出光
学系の光路終端位置に配設され、物体粗面ｌＯからの反
射ビーム中に生ずるスペックルパターンＳＰの移動情報
を検出するディテクタ、１７はこのディテクタ１６から
の出力信号に基づいて計算機入力用の移動制御信号に変
換する信号処理系、１８は位置指定操作を行う際の入力
スイッチ、１９は外部機器（図示せず）への接続ハーネ
スである。

この実施例において、上記ディテクタ１６は、特に第４
図に示すように、移動基準方向であるＸ方向、ｙ方向に
沿って所定間隔離間するフォトダイオードからなる受光
セル１６ａ〜１６ｄを並設したものである。この場合に
おいて、上記集光レンズ１４は、ディテクタＩ６の各受
光セル１６ａ〜！６６よりスペックルの平均径が大きく
なるようにビーム径を調整している。

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

この実施例において、信号処理系１７は、対応する一組
の受光セル１６ａ、１６ｂ若しくは１６ａ。

１６ｃからの出力を増幅するアンプ２１と、このアンプ
２】の出力の直流成分及びノイズや高周波数成分を除去
するカットフィルタ２２と、このカットフィルタ２２の
出力を閾値０で二値化する二値化回路２３と、二値化回
路２３からの出力するパルスを例えば５分周する分周器
２４とで構成されている。

そして、信号処理系１７の出力はコンピュータのマウス
インタフェースに入力され、これに基づいて表示画面２
６上のカーソル２７の位置が特定される。

次に、この実施例に係る位置指定装置の作動について説
明する。

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

この状態において、上記可動ハウジング１１を物体粗面
１０上で移動させると、これに対応してディテクタ１６
の各受光セル１６ａ〜１６ｄ上のスペックルパターンＳ
Ｐが移動する。このスベ、。

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１６ａ、１６ｂにより、また、ス
ペックルパターンＳＰの移動のｙ方向成分はｙ方向に沿
って並設される一組の受光セル１６ａ、１６ｃによって
検出されるのである。

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

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

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

この二相パルス信号は、第６図（ｄ）に示すように、分
周器２４によって例えば５分周され、時間的に平均化さ
れたパルス信号に変換される。このため、分周器２４通
過前の各パルス信号にあっては、スペックルの形状の不
規則さが各ノくルス信号のパルス幅に直接影響し、各パ
ルス信号の７＜ルス幅がばらついてしまうが、分周パル
ス信号にあっては、各パルス信号のパルス幅は略均−に
設定される。

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

それゆえ、この分周パルス信号がコンピュータのマウス
インタフェースに人力されると、上記分周パルス信号の
パルス幅が略均−に設定されているため、カーソル２７
は、マウス（可動）＼ウジフグ１１）の移動量に対して
略一定の比率で滑らかに移動する。

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

この安全装置３０は、上記可動ハウシング１１の底部に
挿通孔３１を開設し、この挿通孔３１には最大寸法Ｉ２
（押し当てパッドｌｌａの厚みより大きい寸法に設定さ
れている）だけ突出可能な検出用突起３２を進退自在に
嵌挿すると共に、この検出用突起３２を復帰スプリング
３３にて外方に向けて適宜付勢し、上記検出用突起３２
の基端側には、検出用突起３２が最大限突出した状態で
オフ動作するリミットスイッチ３４を設け、このリミッ
トスイッチ３４のオンオフ動作に上記半導体レーザコン
トローラ１３を介して半導体レーザ１２のオンオフ動作
を連動させるようにしたものである。

このため、この実施例においては、第７図（ａ）に示す
ように、本装置が物体面Ａから離れたような場合には、
上記検出用突起３２は復帰スプリング３３によって最大
限まで突出配置され、これにより、リミットスイッチ３
４がオフになり、そのオフ信号に基づいて半導体レーザ
コントローラ１３を介して半導体レーザ１２をオフにす
る。よって、このような状況下において、半導体レーザ
１２の光が使用者や周囲の者の眼に照射される事態は有
効に回避される。

一方、本装置が物体面Ａに置かれた時には、第７図（ｂ
）に示すように、上記検出用突起３２は物体面Ａに当接
して押し込まれ、リミットスイッチ３４がオンになり、
半導体レーザコントローラ１３を介して半導体レーザ１
２がオンになり、通常の位置指定操作が行われ得る。

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

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

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

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

〔発明の効果〕

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

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

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

【図面の簡単な説明】

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

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