DE102008037176A1 - Light beam's direction determining device for use in tracking system, has front and rear plates whose form and condition are introduced in space, and evaluation unit evaluating direction of light beams based on measured striking points - Google Patents

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Abstract

The device has two front and rear plates (4, 5), where the form and condition of the plates are introduced in a space. A camera (6) measures striking points (8, 9) of light beams (3) on the plates, where the light beams are emitted by a light source (2) e.g. LED. An evaluation unit evaluates a direction of the light beams based on the measured striking points. The front surface is made of glass or Plexiglas(RTM: tough transparent plastic). The surfaces have markings (10-13) to calibrate the camera. An independent claim is also included for a tracking system having a device for determining a direction of a light beam.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung eines Lichtstrahls.object The present invention is an apparatus for determining the Direction of a ray of light.

Die Bestimmung der Richtung eines Lichtstrahls hat verschiedenste Nutzungsmöglichkeiten. Beispielsweise ist eine solche Vorrichtung in einem Trackingsystem zur Positions- und/oder Orientierungsbestimmung eines Objektes einsetzbar. Eine mögliches Anwendungsgebiet stellen bildgeführte chirurgische Verfahren dar, bei denen die Haltung eines Instruments oder Werkzeugs in Bezug auf den Patienten verfolgt wird. Anhand dieser Informationen kann der Chirurg sehen, wohin das Instrument auf einem MR- oder CT-Scan zeigt und was hinter der Endspitze des chirurgischen Instruments liegt. Diese Anwendungen verlangen eine sehr hohe Genauigkeit. Da die hier verwendeten Instrumente einen langen Hebel aufweisen, ist insbesondere eine hohe Winkelgenauigkeit entscheidend.The Determining the direction of a light beam has a wide variety of uses. For example is such a device in a tracking system for positional and / or orientation determination of an object can be used. A possible Application area provide image-guided surgical procedures in which the attitude of an instrument or tool in relation to is tracked on the patient. Based on this information can the surgeon can see where the instrument is going on an MR or CT scan shows and what is behind the end tip of the surgical instrument lies. These applications require very high accuracy. There the instruments used here have a long lever is in particular a high angular accuracy crucial.

Es sind Verfahren bekannt, bei denen die Haltung eines Instruments aktive oder passive Positionsmarkern aufweist und die Position und Orientierung des Instruments bestimmt wird, indem die Position der Positionsmarker gemessen wird. EP 0 847 253 B1 beschreibt beispielsweise ein optisches Positionsmesssystem zum Messen der Position eines chirurgischen Instruments 13, welches Infrarot-Leuchtdioden 12 aufweist, deren Position von zwei oder mehreren Kameras 10 bestimmt werden. Ein solches Verfahren zeichnet sich zwar durch eine recht hohe Positionsgenauigkeit aus, allerdings führen selbst kleinste Winkelfehler durch den großen Hebel zu großen Ortsfehlern an der Spitze des Instruments. Es ist daher wünschenswert, die Position und Orientierung des Instruments mit einer möglichst großen Winkelgenauigkeit zu vermessen.Methods are known in which the attitude of an instrument has active or passive position markers and the position and orientation of the instrument is determined by measuring the position of the position markers. EP 0 847 253 B1 describes, for example, an optical position measuring system for measuring the position of a surgical instrument 13 , which infrared light emitting diodes 12 whose position is from two or more cameras 10 be determined. Although such a method is characterized by a relatively high position accuracy, even the smallest angle errors caused by the large lever lead to large position errors at the tip of the instrument. It is therefore desirable to measure the position and orientation of the instrument with the greatest possible angular accuracy.

Ferner sind im Stand der Technik Vorrichtungen und Verfahren bekannt, die es ermöglichen, den Auftreffpunkt eines Laserstrahls auf einen Schirm sehr genau zu bestimmen. CA 2,378,154 A1 beschreibt beispielsweise ein System, bei dem der Auftreffpunkt 22 eines Laserstrahls auf einen Schirm 16 mit einer Kamera 14 sowie einem Rechner 10 ermittelt wird. Auf dem Schirm 16 wird hierbei eine Projektion des Computerbildschirms dargestellt und der Laserstrahl dient als Eingabegerät für den Computer.Furthermore, in the prior art devices and methods are known which make it possible to determine the point of impact of a laser beam on a screen very accurately. CA 2,378,154 A1 describes, for example, a system where the impact point 22 a laser beam on a screen 16 with a camera 14 as well as a calculator 10 is determined. On the screen 16 In this case, a projection of the computer screen is shown and the laser beam serves as an input device for the computer.

Das in CA 2,378,154 A1 offenbarte Verfahren ermöglicht allerdings lediglich die Bestimmung des Auftreffpunkts des Laserstrahls auf dem Schirm. Informationen über die Richtung des Laserstrahls lassen sich hierbei nicht gewinnen.This in CA 2,378,154 A1 However, disclosed method only allows the determination of the point of impact of the laser beam on the screen. Information about the direction of the laser beam can not be obtained here.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, ein Verfahren bereitzustellen, welches es ermöglicht, die Richtung eines Lichtstrahls zu ermitteln.task It is now the object of the present invention to provide a method which allows the direction of a light beam to investigate.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem vorliegenden Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.These Task is achieved by a device according to the present claim 1 solved. Preferred embodiments are the subject of the dependent claims.

Erfindungsgemäß wird dementsprechend eine Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung eines Lichtstrahls vorgeschlagen, die mindestens zwei Flächen, deren Form sowie Lage im Raum bekannt ist, Mittel zur Messung der Auftreffpunkte des Lichtstrahls durch die Flächen sowie Mittel zur Berechnung der Richtung des Lichtstrahls anhand der gemessenen Auftreffpunkte aufweist.According to the invention Accordingly, a device for determining the direction of a light beam proposed that at least two surfaces whose shape as well as location in space is known means of measuring the impact points of the light beam through the surfaces as well as means of calculation the direction of the light beam based on the measured impact points having.

Durch die Verwendung von zwei Flächen, für die jeweils der Auftreffpunkt des Lichtstrahls ermittelt wird, ist es möglich, die Richtung des Strahls eindeutig zu bestimmen. Dabei ist die Form der Flächen beliebig. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf ebene Flächen beschränkt. Die Form und Lage der Flächen muss lediglich bekannt sein.By the use of two surfaces, for each the point of impact of the light beam is determined, it is possible to clearly determine the direction of the beam. Here is the shape the surfaces arbitrarily. The present invention is not limited to flat surfaces. The shape and location The areas must only be known.

Vorzugsweise ist die in Richtung des Lichtstrahls hintere Fläche lichtstreuend, insbesondere weiß. Es handelt sich hierbei beispielsweise um die Decke oder Wand eines Raumes. Alternativ kann auch eine Leinwand verwendet werden.Preferably if the rear surface in the direction of the light beam is light-scattering, especially white. These are for example around the ceiling or wall of a room. Alternatively, a canvas can also be used be used.

Die in Richtung des Lichtstrahls vordere Fläche ist vorzugsweise teillichtdurchlässig. Dementsprechend ist es möglich den Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf diese Fläche zu bestimmen und gleichzeitig tritt genügend Licht durch diese Fläche hindurch und erreicht die hintere Fläche. Die vordere Fläche besteht vorzugsweise aus Glas oder Plexiglas, wobei die Oberfläche möglicherweise mattiert ist.The in the direction of the light beam front surface is preferably partially translucent. Accordingly, it is possible the point of impact of the light beam on this surface determine and at the same time enough light passes through them Surface and reaches the rear surface. The front surface is preferably made of glass or Plexiglas, the surface may be frosted.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die in Richtung des Lichtstrahls vordere Fläche in einen opaquen und einen transparenten Zustand schaltbar. Vorzugsweise ist die vordere Fläche in einer Pixelstruktur aufgebaut ist, wobei jedes Pixel in einen opaquen und einem transparenten Zustand schaltbar ist. Hierzu wird beispielsweise ein schaltbarer Polarisationsfilter verwendet.In an alternative embodiment is in the direction of the light beam front surface into an opaque and a transparent state switchable. Preferably, the front surface is is built in a pixel structure, with each pixel in one Opaquen and a transparent state is switchable. For this purpose is For example, uses a switchable polarizing filter.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist zumindest eine der Flächen eine oder mehrere Markierungen zur Kalibrierung der Mittel zur Messung der Auftreffpunkte auf.In a preferred embodiment has at least one the areas one or more marks for calibration the means for measuring the impact points on.

Ferner hat es sich als vorteilhaft herausgestellt für die Messung der Auftreffpunkte zumindest eine Kamera zu verwenden. Es ist dabei sowohl möglich, mit einer Kamera die Auftreffpunkte auf beiden Flächen zu messen, als auch eine separate Kamera für jede Fläche zu verwenden. Allerdings sind auch andere Arten zur Messung der Auftreffpunkte möglich.Furthermore, it has proven to be advantageous for the measurement of the impact points to use at least one camera. It is both possible to measure with one camera the impact points on both surfaces, as well as to use a separate camera for each surface. However, they are Other types for measuring the impact points possible.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Trackingsystem zur Positions- und/oder Orientierungsbestimmung eines Objektes, wobei das Trackingsystem eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Richtungsbestimmung eines Lichtstrahls aufweist und das zu trackende Objekt eine gerichtete Lichtquelle aufweist.object The present invention also provides a tracking system for position and / or orientation determination of an object, wherein the tracking system an inventive device for direction determination a light beam and the object to be tracked a directed Has light source.

Vorzugsweise weist das Objekt ferner eine Steuereinheit, Mittel zur Energieversorgung sowie eine geeignete Optik auf, wobei es sich bei der Optik um eine Multi-Facettenoptik und bei der Lichtquelle um einen Laser, ein Laser-Array, insbesondere ein Array von Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL, oder Leuchtdioden handelt. Falls Leuchtdioden als Lichtquelle verwendet werden, so ist es möglich neben den Auftreffpunkten auf die Fläche auch die Ausdehnung dieser Auftreffpunkte zu ermitteln. In diesem Fall kann anhand des Verhältnisses der Ausdehnungen auf den Abstand der Lichtquelle geschlossen werden.Preferably the object further comprises a control unit, means for supplying energy as well as a suitable optics, wherein the optics is a Multi-faceted optics and at the light source around a laser, a Laser array, in particular an array of vertical-cavity surface-emitting Laser, VCSEL, or light-emitting diodes acts. If LEDs as Light source can be used, so it is possible in addition to the Impact points on the area also the extent of this Determine impact points. In this case, based on the ratio the expansions are closed to the distance of the light source.

Vorzugsweise emittiert die Lichtquelle Licht im sichtbaren Bereich. Auf diese Weise wird die Sicherheit des Systems verbessert, da das menschliche Auge bei zu starker Strahlung einen Schließreflex auslöst, um Strahlungsschäden durch sichtbares Licht zu verhindern. Alternativ emittiert die Lichtquelle Strahlung im infraroten Bereich.Preferably the light source emits light in the visible range. To this Way, the safety of the system is improved as the human Eye causes a closing reflex if the radiation is too strong, to prevent radiation damage from visible light. Alternatively, the light source emits radiation in the infrared region.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Trackingsystem mehrere, im Raum verteilte, erfindungsgemäße Vorrichtungen auf.In a further embodiment, the tracking system several, distributed in space, inventive devices on.

Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn das zu trackende Objekt mehrere, zumindest zwei, Lichtstrahlen emittiert, wobei das Trackingsystem Mittel zur Messung der Auftreffpunkte der mehreren Lichtstrahlen durch die Flächen und ferner Mittel zur Zuordnung der Lichtstrahlen zu der entsprechenden Lichtquelle aufweist. Eine solche Zuordnung kann beispielsweise anhand der Geometrie der ausgesendeten Lichtstrahlen sowie der gemessenen Auftreffpunkte erfolgen. Eine besonders einfache Zuordnung kann auch dadurch erzielt werden, dass die mehreren Lichtstrahlen im zeitlichen Wechsel zueinander emittiert werden. Dieses wird auch als Zeitmultiplexverfahren bezeichnet.It is also advantageous if the object to be tracked has several, at least two, emitting light rays, the tracking system Means for measuring the points of impact of the plurality of light beams through the surfaces and further means for assigning the light rays to the corresponding light source. Such an assignment can, for example, based on the geometry of the emitted light beams as well as the measured impact points. A particularly simple one Allocation can also be achieved by using the multiple light beams be emitted in temporal change to each other. This will too referred to as time-division multiplexing.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Objekt um ein, vorzugsweise medizinisches, Instrument oder Werkzeug.In A preferred embodiment is the object to a, preferably medical, instrument or tool.

Das erfindungsgemäße Trackingsystem bestimmt vorzugsweise die Position und/oder Orientierung von zumindest zwei Objekten, welche jeweils zumindest eine gerichtete Lichtquelle aufweisen, wobei das System Maßnahmen zur Identifizierung der Objekte aufweist. Um die Identifizierung der Objekte zu ermöglichen emittieren diese vorzugsweise die Lichtstrahlen im zeitlichen Wechsel zueinander.The Inventive tracking system preferably determines the position and / or orientation of at least two objects, which each have at least one directional light source, the system measures to identify the objects having. To enable the identification of the objects These emit preferably the light beams in temporal change to each other.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von mit Hilfe der beigefügten Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.in the The following is the invention with reference to the attached Figures illustrate embodiments closer be explained.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die in einem Trackingsystem eingesetzt wird. 1 shows a device according to the invention, which is used in a tracking system.

2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 2 shows an alternative embodiment of the device according to the invention.

3 zeigt ein Objekt, dessen Position und Orientierung mit dem Trackingsystem gemessen wird. 3 shows an object whose position and orientation is measured with the tracking system.

4 zeigt ein Trackingsystem, das mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen aufweist. 4 shows a tracking system comprising a plurality of devices according to the invention.

1 zeigt ein Trackingsystem zur Positions- und/oder Orientierungsbestimmung des Objekts 1. Das Objekt 1 weist eine Lichtquelle 2 auf, die einen Lichtstrahl 3 emittiert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es nunmehr, die Richtung des Lichtstrahls 3 zu bestimmen. Die Vorrichtung weist zwei Flächen 4, 5, eine Kamera 6 sowie eine Recheneinheit 7 auf. 1 shows a tracking system for position and / or orientation determination of the object 1 , The object 1 has a light source 2 on, which is a ray of light 3 emitted. The device according to the invention now makes it possible to control the direction of the light beam 3 to determine. The device has two surfaces 4 . 5 , a camera 6 as well as a computing unit 7 on.

Der Lichtstrahl 3 tritt durch die vordere Fläche 4 hindurch und trifft auf die hintere Fläche 5. Die Kamera 6 zeichnet dieses Bild auf und leitet es an die Recheneinheit 7 weiter, welche die aufgenommenen Daten auswertet.The light beam 3 enters through the front surface 4 through and hits the back surface 5 , The camera 6 records this image and forwards it to the arithmetic unit 7 Next, which evaluates the recorded data.

Die vordere Fläche 4 ist daher teillichtdurchlässig ausgestaltet. Sie wird beispielsweise aus Glas oder Plexiglas gefertigt. Um den gestreuten Anteil des auftreffenden Lichts zu erhöhen, wird die Oberfläche der Fläche 4 mattiert oder angeraut.The front surface 4 is therefore designed teillichtdurchlässig. It is made of glass or Plexiglas, for example. To increase the scattered portion of the incident light, the surface of the surface becomes 4 matted or roughened.

Es sind allerdings im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch alternative Ausführungen für die vordere Fläche 4 möglich. Diese Fläche 4 kann beispielsweise derart ausgestaltet werden, dass sowohl ein opaquer als auch ein transparenter Zustand möglich sind, wobei eine entsprechende Schaltung jeweils einen der beiden Zustände auswählt.However, it is in the context of the present invention, alternative embodiments for the front surface 4 possible. This area 4 For example, it can be configured in such a way that both an opaque and a transparent state are possible, with a corresponding circuit selecting one of the two states in each case.

Die vordere Fläche 4 wird zu diesem Zweck beispielsweise als Flüssigkristallbildschirm, LCD, ausgestaltet. Eine Strukturierung der Fläche in einzelnen Pixel ist hierbei unnötig. Vielmehr kann die gesamte vordere Fläche 4 in einen opaquen oder einen transparenten Zustand geschaltet werden. Zur Umschaltung zwischen den beiden Zuständen kann beispielsweise ein veränderbarer Polarisationsfilter eingesetzt werden.The front surface 4 is designed for this purpose, for example, as a liquid crystal screen, LCD. A structuring of the area in individual pixels is unnecessary here. Rather, the entire front surface 4 be switched to an opaque or a transparent state. For switching between the two states, for example, a variable polarization filter can be used.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel weist die vordere Fläche 4 vorzugsweise eine Pixelstruktur auf, wobei jedes Pixel in einen opaquen oder einen transparenten Zustand geschaltet werden kann. Nunmehr wird jeweils ein Pixel transparent geschaltet, während die übrigen Pixel opaque bleiben. Tritt nun ein Lichtstrahl 3 durch die vordere Platte 4 hindurch und wird auf der hinteren Platte 5 beobachtet, so ist der Auftreffpunkt 8 des Strahls 3 auf die vordere Fläche 4 bekannt, da dieser Punkt 8 dem Ort des transparenten Pixels entspricht.In an alternative embodiment, the front surface 4 Preferably, a pixel structure, wherein each pixel can be switched to an opaque or a transparent state. Now one pixel each is switched transparent, while the remaining pixels remain opaque. Now kick a ray of light 3 through the front plate 4 through and gets on the back plate 5 observed, so is the point of impact 8th of the beam 3 on the front surface 4 known since this point 8th corresponds to the location of the transparent pixel.

Die hintere Fläche 5 ist typischerweise lichtstreuend, vorzugsweise weiß. Es kann sich dabei auch um eine Decke oder Wand eines Raumes oder um eine Leinwand handeln. Die Form der Flächen 4, 5 ist beliebig. In den hier gezeigten Ausführungsbeispielen werden zwar stets ebenen Flächen verwendet, im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind aber beliebig geformte Flächen, beispielsweise gewölbte Flächen, genauso verwendbar. Die Form der Flächen 4, 5 muss dem System bekannt sein.The back surface 5 is typically light scattering, preferably white. It can also be a ceiling or wall of a room or a screen. The shape of the surfaces 4 . 5 is arbitrary. Although planar surfaces are always used in the exemplary embodiments shown here, arbitrarily shaped surfaces, for example curved surfaces, are equally usable in the context of the present invention. The shape of the surfaces 4 . 5 must be known to the system.

Zur Bestimmung der Auftreffpunkte 8, 9 des Lichtstrahls 3 auf die Flächen 4, 5 wird in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine Kamera 6 verwendet, die Bilder der beiden Flächen 4, 5 aufzeichnet.To determine the impact points 8th . 9 of the light beam 3 on the surfaces 4 . 5 becomes a camera in the embodiment shown here 6 used the images of the two surfaces 4 . 5 records.

Es sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung aber auch andere Mittel zur Messung der Auftreffpunkte 8, 9 denkbar. In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird für jede der Flächen 4, 5 eine separate Kamera 6 verwendet. Ferner ist es möglich, entlang der Flächen 4, 5 Drähte mit Photodioden aufzuspannen und anhand der von den Photodioden gemessenen Helligkeit, die Auftreffpunkte 8, 9 des Lichtstrahls 3 auf den Flächen 4, 5 zu ermitteln. Hierbei werden die Drähte für die vordere Fläche 4 derart aufgespannt, dass ein genügender Anteil des Lichtstrahls durch die Fläche 4 hindurch tritt und auf die hintere Fläche 5 trifft.However, within the scope of the present invention, other means of measuring the points of impact are also known 8th . 9 conceivable. In an alternative embodiment, for each of the surfaces 4 . 5 a separate camera 6 used. Furthermore, it is possible along the surfaces 4 . 5 To wire wires with photodiodes and based on the brightness measured by the photodiodes, the impact points 8th . 9 of the light beam 3 on the surfaces 4 . 5 to investigate. This will be the wires for the front surface 4 spanned so that a sufficient proportion of the light beam through the surface 4 passes through and onto the rear surface 5 meets.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Flächen 4, 5 als sehr große ortsauflösende Photodioden auszugestalten. Das Funktionsprinzip dieser als Position Sensitive Device bekannten Dioden wird an dieser Stelle als bekannt vorausgesetzt. Es muss auch hier darauf geachtet werden, dass die vordere Fläche 4 teillichtdurchlässig ausgestaltet wird. Dazu wird die entsprechende Photodiode hinreichend dünn ausgestaltet.Another possibility is the surfaces 4 . 5 as very large spatially resolving photodiodes to design. The functional principle of these known as Position Sensitive Device diodes is assumed to be known at this point. It must also be ensured here that the front surface 4 teillichtdurchlässig is configured. For this purpose, the corresponding photodiode is made sufficiently thin.

Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Flächen 4, 5 Markierungen 1013 auf, die zur Kalibrierung der Kamera 6 dienen. Die Position der Markierungen 1013 auf den Flächen 4, 5 ist bekannt und anhand dieser Markierungen 1013 legt die Kamera 6 bzw. die Recheneinheit 7 ein Koordinatensystem fest, in dem die Auftreffpunkte 8, 9 ermittelt werden.At the in 1 shown embodiment, the surfaces 4 . 5 marks 10 - 13 on, which is used to calibrate the camera 6 serve. The position of the marks 10 - 13 on the surfaces 4 . 5 is known and based on these markings 10 - 13 puts the camera 6 or the arithmetic unit 7 a coordinate system in which the impact points 8th . 9 be determined.

Die Kamera 6 ist an eine Recheneinheit 7 angeschlossen, wobei die Auswertung der aufgezeichneten Daten von der Recheneinheit 7 ausgeführt wird. Ferner weist diese Recheneinheit 7 einen Bildschirm 14 auf. Auf diesem Bildschirm 14 kann beispielsweise die errechnete Richtung des Lichtstrahls 3 angezeigt werden. Die Auswertung der aufgezeichneten Daten kann alternativ auch in der Kamera 6 selbst vorgenommen werden, sofern diese eine integrierte Recheneinheit aufweist.The camera 6 is to a computing unit 7 connected, wherein the evaluation of the recorded data from the arithmetic unit 7 is performed. Furthermore, this arithmetic unit has 7 a screen 14 on. On this screen 14 For example, the calculated direction of the light beam 3 are displayed. The evaluation of the recorded data can alternatively also in the camera 6 even if it has an integrated computing unit.

Die Recheneinheit 7 ermittelt somit Daten bezüglich der Richtung des Lichtstrahls. Es sind ferner Schnittstellen 25 vorgesehen, über die die Daten an weitere Systeme weitergeleitet werden können. Beispielsweise ist es auf diese Weise möglich, die von der Recheneinheit 7 ermittelten Daten in einem bildgestützten Verfahren zu verwenden.The arithmetic unit 7 thus determines data regarding the direction of the light beam. They are also interfaces 25 provided, through which the data can be forwarded to other systems. For example, it is possible in this way, that of the arithmetic unit 7 data to be used in a picture-based process.

Der Auftreffpunkt 9 des Lichtstrahls 3 auf der hinteren Fläche 9 habe die Koordinaten (x1, y1, z1) und der Auftreffpunkt 8 auf der vorderen Fläche habe die Koordinaten (x2, y2, z2). In diesem Fall liegt die Lichtquelle auf einer Geraden g, die gegeben ist durch g = (x2, y2, z2) + α·(x2 – x1, y2 – y1, z2 – z1),wobei α eine reelle Zahl ist.The impact point 9 of the light beam 3 on the back surface 9 have the coordinates (x 1 , y 1 , z 1 ) and the point of impact 8th on the front surface have the coordinates (x 2 , y 2 , z 2 ). In this case, the light source lies on a straight line g, which is given by g = (x 2 , y 2 , z 2 ) + α · (x 2 - x 1 , y 2 - y 1 , z 2 - z 1 ) where α is a real number.

Ein solches Verfahren zur Bestimmung der Richtung eines Lichtstrahls hat verschiedenste Anwendungsmöglichkeiten. In dem hier dargestellten Anwendungsbeispiel wird die erfindungsgemäße Vorrichtung als Teil eines Trackingsystems zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung des Objekts 1 verwendet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Verwendung beschränkt. Vielmehr sind auch andere Einsatzmöglichkeiten denkbar. Beispielsweise kann diese Vorrichtung auch zur Ausrichtung einer Lichtquelle genutzt werden. Die genaue Abstrahlrichtung einer Lichtquelle, die einen gerichteten Strahl emittiert, kann mit der hier beschriebenen Vorrichtung gemessen und anschließend auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, ohne dass der Standpunkt der Lichtquelle bekannt ist. Dementsprechend lässt sich die erfindungsgemäß Vorrichtung als Teil einer Kalibrationseinrichtung für einen Laser einsetzen. Andere Einsatzgebiete liegen beispielsweise im Bereich von wissenschaftlichen Experimenten zum Thema Optik.Such a method for determining the direction of a light beam has a wide variety of applications. In the application example shown here, the device according to the invention is used as part of a tracking system for determining the position and / or orientation of the object 1 used. However, the invention is not limited to this use. Rather, other uses are conceivable. For example, this device can also be used to align a light source. The exact direction of emission of a light source emitting a directional beam can be measured with the device described herein and then adjusted to a desired value without knowing the position of the light source. Accordingly, the device according to the invention can be used as part of a calibration device for a laser. Other applications are, for example, in the field of scientific experiments on optics.

Die 1 und 2 zeigen dagegen den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Trackingsystem, das die Position und/oder Orientierung des Objekts 1 bestimmt. Bei dem in 1 gezeigten Trackingsystem lässt sich lediglich die Richtung des Lichtstrahls 3 bestimmen, d. h. es kann die Gerade g angegeben werden, auf der die Lichtquelle 2 liegt. 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem von der Lichtquelle 2 zwei Lichtstrahlen 3, 18 ausgehen. Der zweite Lichtstrahl 18 trifft in den Punkten 19 und 20 auf die Ebenen 4, 5 auf. Auch diese Auftreffpunkte 19, 20 werden von der Kamera 6 erfasst. In der Recheneinheit 7 erfolgt dann eine Zuordnung der einzelnen Auftreffpunkte 8, 9, 19, 20 zu den Lichtstrahlen 3, 18. Hierbei wird die Geometrie der Flächen 4, 5 sowie der Lichtquelle 2 berücksichtigt. Die vorliegende Erfindung ist keineswegs auf zwei abgestrahlte Lichtstrahlen 3, 18 beschränkt. Es ist durchaus möglich, dass das Objekt 1 eine Vielzahl von Strahlen, beispielsweise in Form eines Speichenrades, abstrahlt.The 1 and 2 In contrast, show the use of the device according to the invention in a tracking system, the position and / or orientation of the object 1 certainly. At the in 1 Tracking system shown can only be the direction of the light beam 3 determine, ie it can be specified the line g, on which the light source 2 lies. 2 shows an alternative embodiment play, where by the light source 2 two beams of light 3 . 18 out. The second light beam 18 meets in the points 19 and 20 to the levels 4 . 5 on. Also these impact points 19 . 20 be from the camera 6 detected. In the arithmetic unit 7 then an assignment of the individual impact points takes place 8th . 9 . 19 . 20 to the rays of light 3 . 18 , This will be the geometry of the surfaces 4 . 5 as well as the light source 2 considered. The present invention is by no means limited to two radiated light beams 3 . 18 limited. It is quite possible that the object 1 a plurality of rays, for example in the form of a spoked wheel, radiates.

Strahlt das Objekt 1 mehr als einen Lichtstrahl 3, 18 ab, so werden diese Lichtstrahlen 3, 18 vorzugsweise nicht kontinuierlich emittiert, sondern vielmehr in einem zeitlichen Wechsel. Hierzu wird beispielsweise ein Laser-Array eingesetzt, bei dem die einzelnen Laser-Zellen im zeitlichen Wechsel zueinander Strahlung emittieren. Wird nunmehr ein Auftreffpunkt 8, 9, 19, 20 eines Lichtstrahls 3, 18 auf einer der Flächen 4, 5 beobachtet, so lässt sich dieser Auftreffpunkt 8, 9, 19, 20 ohne Weiteres dem in diesem Moment emittierten Lichtstrahl 3, 18 zuordnen. Dieses Verfahren, das auch als Zeitmultiplexverfahren bezeichnet wird, ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn von dem Objekt 1 eine Vielzahl von symmetrisch angeordneten Lichtstrahlen 3, 18 emittiert wird.Shines the object 1 more than a ray of light 3 . 18 off, then these rays of light 3 . 18 preferably not continuously emitted, but rather in a temporal change. For this purpose, for example, a laser array is used, in which the individual laser cells emit radiation in temporal alternation. Will now be a hit point 8th . 9 . 19 . 20 a ray of light 3 . 18 on one of the surfaces 4 . 5 observed, this is the point of impact 8th . 9 . 19 . 20 without further ado the light beam emitted at that moment 3 . 18 assign. This method, which is also referred to as a time-division multiplex method, is particularly advantageous if of the object 1 a plurality of symmetrically arranged light beams 3 . 18 is emitted.

Strahlt das Objekt 1 beispielsweise Strahlen 3, 18 in Form eines Speichenrads ab, so ermöglicht das Zeitmultiplexverfahren eine problemlose Zuordnung der einzelnen Durchstoßpunkte 8, 9, 19, 20 zu den Strahlen 3, 18. Dazu werden die Lichtstrahlen 3, 18, die die einzelnen Speichen bilden, nacheinander emittiert. Auf diese Weise kann die Orientierung des Objekts 1 bestimmt werden.Shines the object 1 for example, rays 3 . 18 in the form of a spoked wheel, so the time division method allows easy allocation of the individual puncture points 8th . 9 . 19 . 20 to the rays 3 . 18 , In addition the light rays become 3 . 18 , which form the individual spokes, emitted one after the other. In this way, the orientation of the object 1 be determined.

Genau wie bei dem Strahl 3 kann nunmehr auch für den Lichtstrahl 18 eine Gerade festgelegt werden, auf der die Lichtquelle 2 liegt. Seien (x'1, y'1, z'1) und (x'2, y'2, z'2) die Koordinaten der Auftreffpunkte 19, 20 des zweiten Lichtstrahls 18 auf die Ebenen 4, 5, so liegt die Lichtquelle 2 auf einer Geraden f, die gegeben ist durch f = (x'2, y'2, z'2) + β·(x'2 – x'1, y'2 – y'1, z'2 – z'1),wobei β eine reelle Zahl ist. Der Schnittpunkt der beiden Geraden g und f lässt sich nun unmittelbar berechnen. An diesem Schnittpunkt befindet sich die Lichtquelle 2.Just like the beam 3 can now also for the light beam 18 a straight line are set on which the light source 2 lies. Let (x ' 1 , y' 1 , z ' 1 ) and (x' 2 , y ' 2 , z' 2 ) be the coordinates of the points of impact 19 . 20 of the second light beam 18 to the levels 4 . 5 so lies the light source 2 on a straight line f given by f = (x ' 2 , y ' 2 'z' 2 ) + β · (x ' 2 - x ' 1 , y ' 2 - y ' 1 'z' 2 - z ' 1 ) where β is a real number. The intersection of the two lines g and f can now be calculated directly. At this intersection is the light source 2 ,

Neben der Position des Objekts 1 kann aus den gemessenen Informationen auch die genaue Winkelorientierung des Objekts 1 errechnet werden.Next to the position of the object 1 From the measured information, the exact angular orientation of the object can also be determined 1 be calculated.

In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Objekt 1 um ein medizinisches Instrument 1, das in seiner Handgriff 15 eine Lichtquelle 1 aufweist. Ferner weist das medizinische Instrument 1 ein Stange 16 auf, an deren Endspitze 17 zu einem Werkzeug geformt ist.In the exemplary embodiment illustrated here, the object is 1 a medical instrument 1 that in his handle 15 a light source 1 having. Furthermore, the medical instrument 1 a pole 16 on, at the end tip 17 is shaped into a tool.

Ein solches Instrument 1 wird üblicherweise in bildgeführten Chirurgiesystemen verwendet. Dabei bedient der Chirurg das Instrument 1 mittels des Handgriffs 15, der sich außerhalb des Patientenkörpers befindet. Die Endspitze 17 wird in einem Operationsbereich im Körper der Patienten eingesetzt. Auf diese Weise genügt ein kleiner Einschnitt in die Haut des Patienten, durch den das Werkzeug eingeführt wird. Dieses ist als minimal-invasive Chirurgie bekannt.Such an instrument 1 is commonly used in image-guided surgery systems. The surgeon operates the instrument 1 by means of the handle 15 which is outside the patient's body. The end tip 17 is used in an operating area in the patient's body. In this way, a small incision into the skin of the patient through which the tool is inserted is sufficient. This is known as minimally invasive surgery.

Da der Chirurg dementsprechend das Werkzeug an der Endspitze 17 des Instruments 1 nicht sehen kann, wird er durch ein bildgeführtes System unterstützt. Vor der Operation werden Bilder (z. B. CT- oder MRI-Bilder) von dem Patienten aufgenommen. Während des Eingriffs wird die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet, um die Position des chirurgischen Instruments 1 zu ermitteln. Es wird zunächst die Position der Lichtquelle 2 errechnet, die in dem Handstück 15 integriert ist. Aus der bekannten Geometrie des Instruments 1 kann nunmehr auf die genaue Position der Endspitze 17 geschlossen werden.Since the surgeon accordingly the tool at the end tip 17 of the instrument 1 can not see, he is supported by an image-guided system. Before surgery, images (eg, CT or MRI images) are taken by the patient. During the procedure, the device according to the invention is used to determine the position of the surgical instrument 1 to investigate. It is first the position of the light source 2 calculated in the handpiece 15 is integrated. From the known geometry of the instrument 1 can now on the exact position of the end tip 17 getting closed.

Das im Voraus aufgenommene Bild wird nun auf dem Bildschirm 14 angezeigt, wobei die ermittelte Position des Instruments 1 darin angezeigt wird. Der Chirurg kann somit sehen, wo sich die Endspitze 17 im Operationsbereich genau befindet, indem er das auf dem Bildschirm 14 angezeigte Bild betrachtet.The pre-recorded image will now be on the screen 14 displayed, wherein the determined position of the instrument 1 is displayed in it. The surgeon can thus see where the end tip is 17 in the surgical area is exactly by looking at the screen 14 viewed image displayed.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie die Winkellage des Handstücks 15 sehr exakt bestimmt. Dementsprechend ist trotz des recht langen Hebels 16 die Position der Endspitze 17 sehr exakt bekannt.The device according to the invention is characterized in particular by the angular position of the handpiece 15 determined very precisely. Accordingly, despite the rather long lever 16 the position of the end tip 17 very accurately known.

3 zeigt eine schematische Darstellung des Handgriffs 15 des Instruments 1. An diesem Handgriff 15 ist die Stange 16 befestigt. Ferner weist der Handgriff 15 eine Steuereinheit 22, Mittel 21 zur Stromversorgung sowie eine Lichtquelle 2 auf. Die Steuereinheit 22 dient zur Ansteuerung der Lichtquelle 2. Zur Stromversorgung wird beispielsweise eine Batterie 21, ein Akkumulator oder eine Stromquelle verwendet. 3 shows a schematic representation of the handle 15 of the instrument 1 , At this handle 15 is the rod 16 attached. Further, the handle has 15 a control unit 22 , Medium 21 for power supply and a light source 2 on. The control unit 22 serves to control the light source 2 , The power supply, for example, a battery 21 , an accumulator or a power source.

Bei der Lichtquelle 2 handelt es sich in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel um mehrere Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) 2. Alternativ werden auch andere Laserdioden oder Leuchtdioden verwendet. Das abgestrahlte Licht liegt im sichtbaren Wellenlängenbereich. Auf diese Weise wird die Sicherheit des Systems für den Benutzer deutlich verbessert, da das menschliche Auge für Licht dieser Wellenlängen einen Schließmechanismus auslöst, um eine Beschädigung durch zu starke Strahlung zu verhindern. Alternativ kann auch infrarotes Licht verwendet werden. In diesem Fall sind allerdings erhöhte Sicherheitsmaßnahmen notwendig.At the light source 2 In the embodiment shown here, several vertical cavity surface-emitting lasers (VCSEL) are involved. 2 , Alternatively, other laser diodes or LEDs are used. The emitted light lies in the visible wavelength range. In this way, the security of the system for the user significantly improved because the human eye for light of these wavelengths triggers a locking mechanism to prevent damage from excessive radiation. Alternatively, infrared light can also be used. In this case, however, increased security measures are necessary.

Das von der Lichtquelle 2 abgestrahlte Licht trifft auf eine Optik 23. Es handelt sich dabei um eine Multifacetten-Optik 23, die das von einer Lichtquelle 2 ausgehende Licht in verschiedene Strahlen bündelt und diese Strahlen in unterschiedliche Raumrichtungen ablenkt. Auf diese Weise erzeugt die Lichtquelle 2 ein Speichenrad von Lichtstrahlen.That from the light source 2 radiated light meets an optic 23 , It is a multifaceted look 23 that's from a light source 2 bundles outgoing light into different beams and deflects these beams in different spatial directions. In this way, the light source generates 2 a spoked wheel of rays of light.

Werden Leuchtdioden als Lichtquelle 2 verwendet, so besitzen die abgestrahlten Strahlen einen gewissen Öffnungswinkel. Dementsprechend hat ein Auftreffpunkt 8, 19 auf der vorderen Fläche 4 einen geringeren Durchmesser als ein Auftreffpunkt 9, 20 auf der hinteren Fläche 5. Es ist nunmehr möglich, die Durchmesser der verschiedenen Auftreffpunkte 8, 9, 19, 20 zu messen. Werden diese Durchmesser zueinander ins Verhältnis gesetzt, so kann der Abstand der Lichtquelle 2 von den Flächen 4, 5 berechnet werden. Diese Information kann ebenfalls zum Tracking des Objekts 1 verwendet werden.Become LEDs as a light source 2 used, the radiated rays have a certain opening angle. Accordingly has a hit point 8th . 19 on the front surface 4 a smaller diameter than a point of impact 9 . 20 on the back surface 5 , It is now possible, the diameter of the different impact points 8th . 9 . 19 . 20 to eat. If these diameters are set in relation to each other, the distance between the light source and the light source can be reduced 2 from the surfaces 4 . 5 be calculated. This information can also be used to track the object 1 be used.

4 zeigt ein weiteres Trackingsystem zur Positions- und/oder Orientierungsbestimmung eines Objekts 1. Das Objekt 1 wird dabei in einem Trackingvolumen untersucht, das durch einen Raum definiert ist. 4 shows a further tracking system for determining the position and / or orientation of an object 1 , The object 1 is examined in a tracking volume defined by a space.

Das in 4 dargestellte Trackingsystem weist mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen auf. Die Flächen 4, 5 sind an der Decke des Raumes angeordnet, während jeweils zwei Flächen 4a, 5a und 4b, 5b an zwei Seitenwänden des Raumes angeordnet sind. Ferner weisen die erfindungsgemäßen Mittel zur Messung der Auftreffpunkte sowie zumindest eine zentrale Recheneinheit für die mehreren Vorrichtungen auf. Diese Mittel sind jedoch hier zur Vereinfachung nicht dargestellt.This in 4 shown tracking system has several devices according to the invention. The surfaces 4 . 5 are arranged on the ceiling of the room, while each two surfaces 4a . 5a and 4b . 5b are arranged on two side walls of the room. Furthermore, the inventive means for measuring the impact points and at least one central processing unit for the plurality of devices. However, these means are not shown here for the sake of simplicity.

Das Objekt 1 weist wiederum eine Lichtquelle 2 auf, von der nun ein Speichenrad von Lichtstrahlen abgestrahlt wird. Bei dem in 4 dargestellten Beispiel treffen die Lichtstrahlen 3 und 18 die an der linken Seitenwand angeordneten Flächen 4a, 5a und ferner trifft der Lichtstrahl 24 auf die an der rechten Seitenwand angeordneten Flächen 4b, 5b. Die Auftreffpunkte der drei Lichtstrahlen 3, 18, 24 werden gemessen und es werden so drei Gerade bestimmt, auf denen die Lichtquelle 2 angeordnet sein kann. Aus dem Schnittpunkt der Gerade ergibt sich der Ort des Objekts 1. Des Weiteren lässt sich aus den aufgenommenen Daten auch die Orientierung des Objekts 1 bestimmen. Da die Orientierung mit einer sehr hohen Winkelgenauigkeit gemessen wird, ist die exakte Position der Endspitze 17 sehr genau bekannt.The object 1 again has a light source 2 on, from which now a spoked wheel is radiated by light rays. At the in 4 example shown, the light rays hit 3 and 18 the arranged on the left side wall surfaces 4a . 5a and further, the light beam strikes 24 on the arranged on the right side wall surfaces 4b . 5b , The points of impact of the three rays of light 3 . 18 . 24 are measured and thus three straight lines are determined on which the light source 2 can be arranged. From the intersection of the straight line, the location of the object results 1 , Furthermore, the orientation of the object can also be determined from the recorded data 1 determine. Since the orientation is measured with a very high angular accuracy, the exact position of the end tip 17 very well known.

Das in 4 gezeigte Trackingsystem besitzt den Vorteil, dass eine Vielzahl von Messpunkten aufgenommen wird. Dieses erhöht die Genauigkeit der Messung. Ferner ist ein Tracking des Objektes 1 selbst dann möglich, wenn ein Teil der Strahlen verdeckt wird. Beispielsweise könnte der Chirurg selbst einen großen Teil der Strahlen abschirmen.This in 4 The tracking system shown has the advantage that a plurality of measuring points is recorded. This increases the accuracy of the measurement. Furthermore, a tracking of the object 1 even possible if some of the rays are obscured. For example, the surgeon himself could shield a large portion of the rays.

Eine weitere alternative Ausgestaltungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass als Flächen 4, 5 die Ober- und Unterseite einer Glassplatte verwendet wird. Es wird in diesem Fall der Eintritts- und der Austrittspunkt eines Lichtstrahls in die Platte ermittelt und anhand dieser Daten die Richtung des Strahls bestimmt.Another alternative embodiment of the device according to the invention is that as surfaces 4 . 5 the top and bottom of a glass plate is used. In this case, the entry and exit points of a light beam into the plate are determined and the direction of the beam is determined on the basis of these data.

Mit dem erfindungsgemäßen Trackingsystem ist es ferner möglich, die Position und/oder Orientierung mehrere Objekte 1 zu bestimmen. Dazu weist jedes dieser Objekte 1 zumindest eine gerichtete Lichtquelle 2 auf. Des Weiteren weist das Trackingsystem Mittel zur Identifizierung des einzelnen Objekte 1 auf. Es ist beispielsweise möglich, dass die Objekte 1 im zeitlichen Wechsel zueinander Licht emittieren. Da somit zu jedem Zeitpunkt genau ein Objekt einen Lichtstrahl emittiert, ist es ohne Weiteres möglich, den Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf eine der Flächen 4, 5 dem entsprechenden Objekt 1 zuzuordnen. Es handelt sich wiederum um eine Zeitmultiplex-Verfahren.With the tracking system according to the invention, it is also possible, the position and / or orientation of multiple objects 1 to determine. This is indicated by each of these objects 1 at least one directional light source 2 on. Furthermore, the tracking system has means for identifying the individual objects 1 on. For example, it is possible that the objects 1 emit light in temporal alternation. Since, therefore, exactly one object at a time emits a beam of light, it is easily possible, the point of impact of the light beam on one of the surfaces 4 . 5 the corresponding object 1 assigned. Again, it is a time division multiplex method.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - EP 0847253 B1 [0003] - EP 0847253 B1 [0003]
  • - CA 2378154 A1 [0004, 0005] - CA 2378154 A1 [0004, 0005]

Claims (25)

Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung eines Lichtstrahls (3, 18, 24), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens zwei Flächen (4, 5), deren Form sowie Lage im Raum bekannt ist, Mittel (6) zur Messung der Auftreffpunkte (8, 9, 9, 20) des Lichtstrahls (3, 18, 24) auf die Flächen (4, 5), sowie Mittel (7) zur Berechnung der Richtung des Lichtstrahls (3, 18, 24) anhand der gemessenen Auftreffpunkte (8, 9, 9, 20) aufweist.Device for determining the direction of a light beam ( 3 . 18 . 24 ), characterized in that the device has at least two surfaces ( 4 . 5 ), whose shape and position in space is known, means ( 6 ) for measuring the impact points ( 8th . 9 . 9 . 20 ) of the light beam ( 3 . 18 . 24 ) on the surfaces ( 4 . 5 ), as well as funds ( 7 ) for calculating the direction of the light beam ( 3 . 18 . 24 ) based on the measured impact points ( 8th . 9 . 9 . 20 ) having. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung des Lichtstrahls (3, 18, 24) hintere Fläche (5) lichtstreuend, insbesondere weiß, ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that in the direction of the light beam ( 3 . 18 . 24 ) rear surface ( 5 ) is light-scattering, especially white. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung des Lichtstrahls (3, 18, 24) vordere Fläche (4) teillichtdurchlässig ist.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that in the direction of the light beam ( 3 . 18 . 24 ) front surface ( 4 ) is partially translucent. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung des Lichtstrahls (3, 18, 24) vordere Fläche (4) aus Glas oder Plexiglas besteht.Apparatus according to claim 3, characterized in that in the direction of the light beam ( 3 . 18 . 24 ) front surface ( 4 ) consists of glass or Plexiglas. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung des Lichtstrahls (3, 18, 24) vordere Fläche (4) in einen opaquen und einen transparenten Zustand schaltbar ist.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that in the direction of the light beam ( 3 . 18 . 24 ) front surface ( 4 ) is switchable into an opaque and a transparent state. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung des Lichtstrahls (3, 18, 24) vordere Fläche (4) in einer Pixelstruktur aufgebaut ist, wobei jedes Pixel in einen opaquen und einem transparenten Zustand schaltbar ist.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that in the direction of the light beam ( 3 . 18 . 24 ) front surface ( 4 ) is constructed in a pixel structure, wherein each pixel is switchable into an opaque and a transparent state. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Fläche (4) einen schaltbaren Polarisationsfilter aufweist.Device according to claim 5 or 6, characterized in that the front surface ( 4 ) has a switchable polarization filter. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Flächen (4, 5) eine oder mehrere Markierungen (10, 11, 12, 13) zur Kalibrierung der Mittel (6) zur Messung der Auftreffpunkte (8, 9, 9, 20) aufweist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the surfaces ( 4 . 5 ) one or more markings ( 10 . 11 . 12 . 13 ) for calibrating the means ( 6 ) for measuring the impact points ( 8th . 9 . 9 . 20 ) having. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mitteln (6) zur Messung der Auftreffpunkte (8, 9, 9, 20) um zumindest eine Kamera (6) handelt.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the means ( 6 ) for measuring the impact points ( 8th . 9 . 9 . 20 ) around at least one camera ( 6 ). Trackingsystem zur Positions- und/oder Orientierungsbestimmung zumindest eines Objektes (1), wobei das Trackingsystem eine Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (1) eine gerichtete Lichtquelle (2) aufweist.Tracking system for position and / or orientation determination of at least one object ( 1 ), wherein the tracking system comprises a device according to one of the preceding claims, characterized in that the object ( 1 ) a directional light source ( 2 ) having. Trackingsystem gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (1) ferner eine Steuereinheit (22), Mittel (21) zur Energieversorgung sowie eine geeignete Optik (23) aufweist.Tracking system according to claim 10, characterized in that the object ( 1 ) a control unit ( 22 ), Medium ( 21 ) for energy supply and a suitable optics ( 23 ) having. Trackingsystem gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Optik (23) um eine Multi-Facettenoptik handelt.Tracking system according to one of claims 10 or 11, characterized in that it is in the optics ( 23 ) is a multi-faceted look. Trackingsystem gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Lichtquelle (2) um einen Laser oder ein Laser-Array, insbesondere um einen Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser-Array, VCSEL-Array, handelt.Tracking system according to one of Claims 10 to 12, characterized in that the light source ( 2 ) is a laser or a laser array, in particular a vertical-cavity surface-emitting laser array, VCSEL array. Trackingsystem gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Lichtquelle (2) um Leuchtdioden handelt.Tracking system according to one of Claims 10 to 12, characterized in that the light source ( 2 ) are light-emitting diodes. Trackingsystem gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Trackingsystem ferner Mittel zur Bestimmung der Ausdehnung der Auftreffpunkte (8, 9, 9, 20) aufweist.Tracking system according to claim 14, characterized in that the tracking system further comprises means for determining the extent of the impact points ( 8th . 9 . 9 . 20 ) having. Trackingsystem gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) Licht im sichtbaren Bereich emittiert.Tracking system according to one of claims 10 to 15, characterized in that the light source ( 2 ) Emitted light in the visible range. Trackingsystem gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) Strahlung im infraroten Bereich emittiert.Tracking system according to one of claims 10 to 15, characterized in that the light source ( 2 ) Emits radiation in the infrared range. Trackingsystem gemäß einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Trackingsystem mehrere, im Raum verteilte Vorrichtungen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist.Tracking system according to one of Claims 10 to 17, characterized in that the tracking system a plurality of distributed in space devices according to a of claims 1 to 4. Trackingsystem gemäß einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (1) mehrere, zumindest zwei, Lichtstrahlen (3, 18, 24) emittiert.Tracking system according to one of claims 10 to 18, characterized in that the object ( 1 ) several, at least two, light rays ( 3 . 18 . 24 ) emitted. Trackingsystem gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Trackingsystem Mittel (6) zur Messung der Auftreffpunkte der mehreren Lichtstrahlen durch die Flächen (4, 5) und ferner Mittel zur Zuordnung der Lichtstrahlen (3, 18, 24) zu der entsprechenden Lichtquelle (2) aufweist.Tracking system according to claim 19, characterized in that the tracking system comprises means ( 6 ) for measuring the impact points of the plurality of light rays through the surfaces ( 4 . 5 ) and further means for assigning the light beams ( 3 . 18 . 24 ) to the corresponding light source ( 2 ) having. Trackingsystem gemäß einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Lichtstrahlen (3, 18, 24) im zeitlichen Wechsel zueinander emittiert werden.Tracking system according to one of claims 19 or 20, characterized in that the plurality of light beams ( 3 . 18 . 24 ) are emitted in temporal change to each other. Trackingsystem gemäß einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Objekt (1) um ein Instrument oder Werkzeug handelt.Tracking system according to one of claims 10 to 21, characterized in that it is at the object ( 1 ) is an instrument or tool. Trackingsystem gemäß einem der Ansprüche 10 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Objekt (1) um ein medizinisches Instrument oder Werkzeug handelt.Tracking system according to one of claims 10 to 22, characterized in that the object ( 1 ) is a medical instrument or tool. Trackingsystem gemäß einem der Ansprüche 10 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Trackingsystem die Position und/oder Orientierung von zumindest zwei Objekten (1) bestimmt, welche jeweils zumindest eine gerichtete Lichtquelle (2) aufweisen, wobei das System Maßnahmen zur Identifizierung der Objekte (1) aufweist.Tracking system according to one of claims 10 or 23, characterized in that the tracking system, the position and / or orientation of at least two objects ( 1 ) determines which at least one directional light source ( 2 ), the system having measures for identifying the objects ( 1 ) having. Trackingsystem gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Objekte (1) die Lichtstrahlen (3, 18, 24) im zeitlichen Wechsel zueinander emittieren.Tracking system according to claim 24, characterized in that the objects ( 1 ) the light beams ( 3 . 18 . 24 ) emit in temporal change.
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