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Die Erfindung betrifft eine selbstleuchtende und
ausgedehnte (nicht punktförmige),
vorzugsweise kugelförmige
Positionsmarkerleuchte (= "aktiver
Marker" bzw. "aktiver sphärischer
Marker"), die zusammen
mit optischen Trackingsystemen zur Erfassung der Position und der
Bewegung von Personen oder Gegenständen, an denen ein oder mehrere
derartige Marker angebracht sind, benutzt wird. Eine solche Positionsmarkerleuchte
besteht aus einer Lichtquelle, die aus einer oder aus mehreren Einzellichtquellen
bestehen kann, und einer diese Lichtquelle umgebenden lichtdurchlässigen Hülle einer
vorgegebenen Form.
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Auf Markern basierende optische Trackingsysteme
können
mit passiven (= reflektierenden) oder aktiven (= selbstleuchtenden)
Markern arbeiten. Die Erfahrung zeigt, daß in bestimmten Situationen, z.B.
in Umgebungen, wo sich viele Personen oder reflektierende Gegenstände nahe
den Trackingkameras befinden, nach Möglichkeit aktive Marker eingesetzt
werden sollten. Als aktive Marker kommen Punktlichtquellen (für die meisten
Anwendungen sind z.B. LEDs angenäherte
Punktlichtquellen) oder ausgedehnte Lichtquellen in Frage. In manchen
Anwendungssituationen, insbesondere wenn Präzisionsmessungen bei stark
variierenden Abständen
zwischen Messkameras und Markern durchgeführt werden sollen, ist es sinnvoll,
mit ausgedehnten Lichtquellen an Stelle von Punktlichtquellen zu
arbeiten.
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Ausgedehnte aktive Marker, z.B. selbstleuchtende
sphärische
Marker, bestehen meist aus einer Hülle der gewünschten Form, die von innen durch
eine oder durch mehrere Einzellichtquellen beleuchtet wird. Diese
Bauform aktiver Marker entspricht dem Stand der Technik. Sie ist
z.B. für
den Spezialfall virtueller Film- und Fernsehstudios in der
DE 19806646 C1 beschrieben
und war allgemein bereits vor Anmeldung dieses Patents bekannt.
In dieser Schrift werden als Marker Halogen-Glühlampen verwendet, die jeweils
von einem dünnen
kugelförmigen
Teflongehäuse
umgeben sind.
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Die
DE 43 11 937 A1 offenbart eine lichtemittierende
Vorrichtung, die aus einem lichtstreuenden, Lumineszenzdioden aufnehmenden
Leuchtkörper aufgebaut
ist. Diese Vorrichtung ist zur Hinterleuchtung von schmalen Anzeigenfeldern
aber nicht für den
anmeldungsgemäßen Zweck
geeignet.
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In der
DE 299 08 497 U1 wird eine
Lampe für Dekorationszwecke
vorgestellt. Diese besteht aus einer lichtemittierenden Diode, welche
von einer lichtbrechenden Einrichtung umgeben ist. Somit wird zwar
das Licht der Diode in alle Richtungen gestrahlt, eine völlig homogene
und geometrisch abgegrenzte Ausleuchtung ist aber hiermit nicht
realisierbar.
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Auch die
DE 297 05 238 U1 offenbart
eine beleuchtete Dekorationseinrichtung, bei der mehrere lichtleitende
Fasern in einem Hohlkörper
angeordnet sind. Dies hat zum Effekt, daß eine Vielzahl von Lichtpunkten
(Enden der lichtleitenden Fasern) in unterschiedliche Raumrichtungen
leuchten.
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Der Terminus einer "Lichtquelle" im Marker bezieht
sich im folgenden Text sowohl auf das unmittelbare Vorhandensein der
Lichtquelle (z.B. lichtemittierende Dioden) im Inneren des Markers,
als auch auf die Zuführung
von Lichtenergie von einer außerhalb
des Markers liegenden Lichtquelle in den Innenraum des Markers mittels
lichtleitender Elemente (z.B. Glasfasern).
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Ein wesentliches Problem bei der
Herstellung derartiger Positionsmarkerleuchten ist die homogene
Ausleuchtung der Markeroberfläche
durch die im Marker befindliche Lichtquelle. Zeigt die Helligkeitsverteilung
an der Markeroberfläche
Ungleichmäßigkeiten,
erscheint also der Marker "fleckig" bzw. weist er Helligkeitsgradienten
auf, so wirkt sich dies unmittelbar auf die erzielbare Genauigkeit
der Positionsmessung, d.h. im Fall des sphärischen Markers auf die Berechnung
des Flächenschwerpunkts
der sichtbaren Kreisscheibe, aus.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, die Leuchtcharakteristik eines solchen Markers so zu gestalten,
daß anhand
des durch einen optischen Bildaufnehmer erzeugten Bildes des Markers
eine sehr genaue Berechnung der Markerposition, d.h. im Falle eines
sphärischen
Markers eine sehr genaue Berechnung des Flächenschwerpunkts der sichtbaren
Kreisscheibe, ermöglicht
wird. Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine möglichst
homogene und geometrisch abgegrenzte Ausleuchtung der Markeroberfläche zu erzeugen,
um eine möglichst
genaue Positionsmessung des Markers zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Positionsmarkerleuchte
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung.
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Um eine homogene Ausleuchtung der
Markeroberfläche
zu gewährleisten,
ist erfindungsgemäß der Raum
zwischen Lichtquelle und Markerhülle ganz
oder teilweise mit einem lichtstreuenden, transparenten Material,
das streuende Einzelpartikeln trägt
und in mehreren dünnen
Schichten angeordnet ist, gefüllt.
Das streuende Material sollte selbst möglichst wenig Licht absorbieren,
um die Energiebilanz nicht zu verschlechtern und Überhitzungen
zu vermeiden. Die Lichtstreuung im Material führt dazu, daß sich die
Lichtabstrahlung des Markers nicht auf bestimmte Abstrahlwinkel
konzentriert, sondern homogen alle Raumwinkel abdeckt.
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Wird der Zwischenraum nur teilweise
gefüllt, ist
es vorteilhaft, wenn der streuende Bereich die Form einer geschlossenen
Schale besitzt, um in alle Richtungen homogene Abstrahlung zu gewährleisten.
Die Oberflächenform
dieser geschlossenen Schale sollte dabei mit der Form der Markerhülle korrespondieren.
Bei einer kugelförmigen
Markerhülle kommen
als solche Schalen beispielsweise Kugelschalen oder Kugeln kleineren
Durchmessers in Frage.
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Auch die (evtl. zusätzliche)
Anbringung einer oder mehrerer dünner
streuender Schichten, sozusagen als "Zwischenschalen", ist möglich.
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Als streuende Einzelpartikel sind
z.B. Glaskügelchen
in sortierten oder bevorzugt in gemischten Größen einsetzbar. Daneben ist
der Einsatz von Teilchen verschiedenster Geometrien denkbar, die
die Eigenschaft haben, bei geringer Lichtabsorption für eine möglichst
hohe Diffusion der Strahlung zu sorgen. Insbesondere Glaswolle kombiniert
eine Reihe vorteilhafter mechanischer Eigenschaften und bietet sich
so vor allem als Füllmaterial
für größere Macker an.
Hier ist aber zu beachten, daß die
optischen Eigenschaften der verwendeten Glaswolle hinreichend sein
müssen,
was die Verwendung handelsüblicher Dämmwolle
ausschließt.
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Als streuende Medien wären homogene, opake
Kunststoffe denkbar. Hier sind jedoch, da zur Homogenisierung der
Strahlung größere optische Weglängen im
Material durchlaufen werden müssen, im
allgemeinen die Absorptionseigenschaften des Materials nicht mehr
zu vernachlässigen.
Daher wird vorgeschlagen, ein vollständig transparentes Material
zu verwenden, in das Partikel mit streuender Wirkung eingelagert
sind. Dabei kann es sich um transparente Partikel aus einem zweiten
Material handeln, welches einen anderen Brechungsindex aufweist
als das Trägermaterial.
Es kann sich aber auch um spiegelnde Partikel oder um eingelagerte
(z.B. weiße) Farbpigmente
handeln.
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Dünne
streuende Schichten können
allein oder zusätzlich
als streuendes Material verwendet werden und werden vorteilhafterweise
realisiert, indem auf ein lichtdurchlässiges Trägermaterial eine dünne Schicht
aus streuenden Einzelpartikeln aufgebracht wird.
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Im folgenden soll die Erfindung anhand
von mit Hilfe der beigefügten
Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
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1a zeigt
im Querschnitt eine dem Stand der Technik entsprechende Bauform
eines aktiven sphärischen
Markers.
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1b bis 1f zeigen im Querschnitt
verschiedene Ausführungsformen
eines aktiven sphärischen
Markers.
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1a zeigt
im Querschnitt eine dem Stand der Technik entsprechende Bauform
eines aktiven sphärischen
Markers. Im Zentrum des Markers befindet sich eine Lichtquelle 1,
die hier als Anordnung mehrerer Einzellichtquellen auf einem würfelförmigen Träger dargestellt
ist, die aber auch aus nur einer Einzellichtquelle oder aus beliebigen
anderen Anordnungen mehrerer Einzellichtquellen bestehen kann. Die
Lichtquelle 1 ist umgeben von einer Hülle 2 der gewünschten
Form (hier kugelförmig).
Diese Hülle erscheint
also für
die Bildaufnehmer eines optischen Trackingsystems als ausgedehnte
Lichtquelle einer vorgegebenen Form und ermöglicht so prinzipiell eine
hochgenaue Bestimmung des Markerortes. Die Ausleuchtung der Hülle 2 hängt aber
in dieser Bauform direkt von der Leuchtcharakteristik der Lichtquelle 1 ab,
wobei sich Inhomogenitäten
der Ausleuchtung negativ auf die erreichbare Genauigkeit auswirken.
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1b bis 1f zeigen im Querschnitt
verschiedene weitere Ausführungsformen
eines aktiven sphärischen
Markers. Der Zwischenraum zwischen der Lichtquelle 1 und
der streuenden Hülle 2 ist
ganz oder teilweise durch stark streuendes, aber möglichst wenig
absorbierendes Material 3 ausgefüllt, welches hier schraffiert
dargestellt ist.
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In 1b ist
der gesamte Zwischenraum zwischen Lichtquelle 1 und Hülle 2 durch
das streuende Material 3 gefüllt. Diese Ausführungsform
ist vor allem bei Verwendung leichter Füllmaterialien 3 oder
für kleinere
Marker sinnvoll.
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In den 1c bis 1e füllt das streuende Material 3 den
Zwischenraum zwischen Lichtquelle 1 und Hülle 2 nur
teilweise, in Form einer wie bereits oben bezeichneten geschlossenen
Schale, wobei das streuende Material 3 in 1c in der Markermitte direkt um die Lichtquelle 1,
in 1d an der Innenseite
der Hülle 2,
und in 1e als Kugelschale
ohne Kontakt zu Lichtquelle 1 oder Hülle 2 angeordnet ist.
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1f zeigt
den Grenzfall der 1e,
bei dem die streuende Kugelschale auf eine dünne streuende Schicht 3 reduziert
ist. Diese Schicht kann z.B. durch ein transparentes Trägermaterial
realisiert werden, das eine dünne
Schicht streuender Partikel trägt,
wie es die Erfindung vorschlägt.
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Die Unterschiede dieser Ausführungsformen liegen
sowohl in der Ausleuchtung der Hülle 2 als auch
in der besseren oder schlechteren Kühlung der Lichtquelle 1 und
man wird abhängig
von der Markergröße, der
Art des Füllmaterials,
der Art der Lichtquellen, dem tolerierbaren Gewicht und den Anforderungen
an die Ausleuchtung die eine oder andere Variante wählen.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Marker liegen
in einer ausgedehnten, geometrisch scharf begrenzten und homogenen
Leuchtcharakteristik, die eine hochgenaue Positionsbestimmung bei
den genannten Tracking-Systemen ermöglicht.