DE19825221A1 - Optische Faser-Meßeinrichtung zur Positionsmessung - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft verbesserte Strahler elektromagnetischer Strahlen. Insbesonde­ re betrifft sie solche Strahler, die noch perfektere Punktquellen elektromagnetischer Strahlen sind, als sie bisher im Stand der Technik verfügbar waren. Sie betrifft auch ein neuartiges Verfahren, um den Ort von Punkten im dreidimensionalen Raum zu bestim­ men, wobei solche nahezu perfekte Punktquellen elektromagnetischer Strahlung ver­ wendet werden.

Hintergrund der Erfindung

Die elektromagnetischen Strahlen, auf die sich diese Erfindung bezieht, sind häufig, aber nicht notwendigerweise, im sichtbaren Spektrum. Die im wesentlichen Punktquel­ lenstrahler dieser Erfindung sind geeignet, an einem tragenden Gegenstand bekannter Größe und Form angeordnet zu werden, dessen Position und Ausrichtung in einem dreidimensionalen Koordinatensystem aus der Bestimmung der Orte dieser Strahler in diesem Koordinatensystem bestimmt werden. Sie können auch an einem oder mehre­ ren ortsfesten und/oder sich bewegenden Gegenständen bekannter Größe und Form angeordnet werden, deren Position(en) und Ausrichtung(en) verfolgt werden, wenn sie sich im Raum innerhalb eines dreidimensionalen Koordinatensystems bewegen. Bei dieser Verwendung als eine Positions- und Ausrichtungsbestimmungseinrichtung wird der Strahler von einer Mehrzahl elektromagnetischer Strahlenempfänger gesehen, die allgemein hier als Kameras bezeichnet sind.

Die geraden Strahlenlinien zwischen einer Mehrzahl von entweder Strahlern oder Ka­ meras oder beiden kann mit geraden Bezugslinien verglichen werden, um somit eine Mehrzahl Winkel zu bilden, von denen die geometrischen Informationen erhalten wer­ den. Diese geometrischen Informationen können wiederum verwendet werden, den ge­ nauen Ort(e) des/der Strahler(s) im Raum zu bestimmen, und von diesen Strahlerorten können, wenn die Form und die Größe des Gegenstands bekannt sind, die Position und Ausrichtung des Gegenstands geometrisch bestimmt werden, an dem sich die Strahler befinden. Da der Ort der Strahler gleichzeitig fortlaufend oder zumindest sehr häufig verfolgt werden kann, können Bewegungen des Gegenstands verfolgt werden, an dem sie angeordnet sind. Je häufiger die Orte der Strahler bestimmt werden, um so genauer ist die Bewegungsverfolgungsmöglichkeit des Systems. Des weiteren kann, je kleiner und weniger veränderlich die Strahlerquelle der elektromagnetischen Strahlen ist, um so genauer ihr Ort bestimmt werden. Das heißt, je mehr der Strahler einer Punktquelle äh­ nelt, die an der gleichen scheinbaren Stelle im Raum ist, unabhängig von dem Winkel, unter dem die Kameras sie betrachten, um so genauer kann ihr Ort in einem dreidimen­ sionalen Koordinatensystem bestimmt werden. Daraus ergibt sich, daß, je genauer die Bestimmung der Orte der Punktquellen ist, um so genauer ist die Bestimmung der Posi­ tionen und Ausrichtungen des Gegenstands, der die Strahler trägt.

Systeme zur Verfolgung oder Bestimmung der Position und Ausrichtung von Gegen­ ständen im Raum sind bekannt, wobei die Winkel, die durch den Schnitt von Bündeln ausgesandter elektromagnetischer Strahlung gebildet werden, entweder zwischen zwei solchen Bündeln oder zwischen einem solchen Bündel und einem Bezugsbündel oder Linien gemessen werden. Es wird auf die US Patentanmeldung, Aktenzeichen 08/317, 805 hingewiesen, die nun das Patent US-A-5,622,170 ist und deren Gesamtheit hier durch Bezugnahme eingegliedert wird und die ein System offenbart, die Raumposition und -ausrichtung des Gegenstands zu bestimmen, indem der Ort der Strahler elektro­ magnetischer Strahlen bestimmt wird, die auf seiner Oberfläche angeordnet sind, wobei elektrooptische Sensoren verwendet werden.

Um ihre Genauigkeit zu verbessern, gibt es für diese Strahler den Wunsch, daß sie sich enger einer Punktquelle ausgesandter Strahlung annähern oder ihr ähneln.

Wie es hier angegeben ist, ist ein Punktquellenstrahler ein sehr kleiner strahlender (manchmal leuchtender) Körper endlicher Abmessung. Diese Strahler können selbst der Gegenstand sein, der verfolgt werden soll. Alternativ können sie eine Größe aufweisen, die mit der Größe des Gegenstands vergleichbar ist, an dem sie angeordnet sind. Je­ doch sind bei den meisten Anwendungen die Strahler dieser Erfindung üblicherweise viel kleiner als die Größe des Gegenstands, an dem sie angeordnet werden. Üblicher­ weise sind diese Strahler viele Größenordnungen kleiner als das Volumen des dreidi­ mensionalen Raums, in dem sich der Gegenstand befindet oder verfolgt wird. Somit kann in bezug auf das Volumen des Raums, in dem sich der verfolgte Gegenstand be­ wegt, der Strahler betrachtet werden, als daß er unbedeutende Abmessungen hat. We­ gen seiner geringen Größe, und ohne die besonderen Strahlerformen zu betrachten, die bei der Ausführung dieser Erfindung beschrieben sind, kann die Form des Strahlers auch angesehen werden, daß sie keine praktische Konsequenz besitzt. Jedoch sind die Strahler vorzugsweise symmetrisch und idealerweise sollten sie sphärisch sein oder sich zumindest einer Sphäre annähern.

Verschiedene elektrooptische Verfahren sind im Stand der Technik beschrieben wor­ den, um den Ort eines punktförmigen Strahlers elektromagnetischer Energie innerhalb eines dreidimensionalen Volumens relativ zu irgendeinem Bezugskoordinatensystem zu bestimmen. Wenn es mehrere solche Strahler gibt, die an bekannten Orten an einem im wesentlichen starren Gegenstand angebracht sind, kann die Bestimmung der Ortskoor­ dinaten eines jeden Strahlers in dem Bezugssystem die Bestimmung der Position und Ausrichtung des Gegenstands ermöglichen, und deshalb kann, wenn die Größe und Form des Gegenstands bekannt sind, der Ort irgendeines bestimmten Punkts an dem Gegenstand in bezug auf das Bezugssystem bestimmt werden.

Ein solches Verfahren verwendet mehrere winkelmessende, optische Sensoren, wobei mehrere Sensoren verwendet werden, den Ort eines oder mehrerer Strahler zu bestim­ men. Die Orte einer Mehrzahl von Strahlern elektromagnetischer Energie können in be­ zug auf eine, zwei oder drei Winkeldimension bestimmt werden. Mit der Mehrzahl elek­ tromagnetischer Energiesensoren (Kameras), die an bekannten oder bestimmbaren Orten innerhalb einer Koordinate geeignet angeordnet sind, können die dreidimensiona­ len Koordinaten der Strahler in bezug auf dieses Koordinatensystem mit einem hohen Maß an Genauigkeit bestimmt werden.

Beispielsweise kann jede von zwei oder mehreren beabstandeten üblichen Videokame­ ras, die sich jeweils an einer oder mehreren bekannten Raumpositionen innerhalb eines dreidimensionalen Raums befinden, der durch irgendein Bezugskoordinatensystem de­ finiert ist, den Elevations- und den Azimuthwinkel des Bildes einer Infrarot-Leuchtdiode in bezug auf die örtlichen optischen und mechanischen Achsen einer jeden Kamera be­ obachten. Ein geeignet programmierter, elektronischer Computer mit geeigneter Soft­ ware (die beide an und für sich herkömmlich sind, soweit es die gegenständliche Erfin­ dung betrifft) kann diese Winkel und Positionskoordinaten der Kameras in dreidimensio­ nalen, rechtwinkligen Koordinaten des Orts eines jeden Leuchtdiodenstrahlers in bezug auf jede Kamera umwandeln, und deshalb in bezug auf das Bezugskoordinatensystem als Ganzes. Alternativ kann z. B. eine Mehrzahl von zwei oder drei oder mehr optischen Winkelpositionssensoren, die geeignet in bezug zueinander und an bekannten oder bestimmbaren Positionen in dem Koordinatensystem angeordnet sind, der Ort eines je­ den Leuchtdiodenstrahlers messen. Dieser Vorgang, die dreidimensionalen Koordinaten einer Punktstrahlungsquelle zu bestimmen, wird als Digitalisierung dieses Punktes im Raum bezeichnet.

Eine Anzahl solcher elektromagnetischer Sensoren ist in der veröffentlichten Literatur beschrieben worden, und sie sind als beabstandete Paare oder Triplets verwendet wor­ den, um den Ort eines Strahlers elektromagnetischer Strahlung im dreidimensionalen Raum zu bestimmen. Ein im Handel erhältliches Beispiel ist das FlashPoint 5000 Sy­ stem, das von Image Guided Technologies of Boulder, Colorado, hergestellt wird. Die­ ses und andere Beispiele von Systemen, die lineare (eindimensionale) Erfassungsein­ richtungen verwenden, sind in den folgenden Druckschriften des Standes der Technik beschrieben:
FlashPoint 5000 Users Manual; Image Guided Technologies, Inc., Boulder, Colorado, 1996.
H. Fuchs, J. Duran, B. Johnson und Zvi. M. Kedem; "Acquisition and Modeling of Hu­ man Body Form Data", Proc. SPIE, Bd. 166,1978, S. 94-102.
Jean-Claude Reymond, Jean-Luc Hidalgo; A System for monitoring the movements of one or more point sources of luminous radiation≅, US Patent 4,209,254, 24. Juni 1980.
Y. Yamashita, N. Suzuki, M. Oshima; "Three-Dimensional Sterometric Measurement Systems Using Optical Scanners, Cylindrical Lenses, and Line Sensors", Proc. SPIE, Bd. 361, S. 67-73.
F. Mesqui, F. Kaeser, und P. Fischer; "real-time, non-invasive recording and 3-d display of the functional movements of an arbitrary mandible point", SPIE Biostereometrics 602 (1985) 5. 77-84.
Sharon S. Welch, Kevin J. Shelton und James I. Clemmons; A Optical position measu­ rement for a large gap magnetic suspension System, Proc. of the 37^th International In­ strumentation Symposium, San Diego 5-9. Mai 1991, S. 163-182.
Waldean S. Schulz; A Method and apparatus for three-dimensional non-contact shape sensing≅, US Patent 5,198,877, erteilt am 30. März 1993.
Farhad Daghighian; A Optical position sensing with duolateral photoeffekt diodes, Sen­ sor November 1994, S. 31-39.

Beispiele von Systemen, die zweidimensionale Erfassungseinrichtungen verwenden, sind in den folgenden Druckschriften zu finden, die den Stand der Technik wiedergeben:
US-A-4,896,673 von Rose u. a.

US-A-4,836,788 von Baumrind u. a.
Vorausgesetzt, daß es eine Möglichkeit gibt, zwischen der Emission mehrerer Strahler elektromagnetischer Strahlung (z. B. Leuchtdiodens) zu unterscheiden, die an einem im wesentlichen starren Gegenstand bekannter Größe und Form angebracht sind, können die Position und Ausrichtung des Gegenstands geometrisch von den bestimmten Orten der mehreren Strahler abgeleitet werden. In einem zumindest beschränkten Ausmaß kann sogar die Form eines unbekannten Gegenstands bestimmt werden, wenn eine ausreichende Anzahl Leuchtdiodenstrahler an jeder seiner Flächen befestigt wird (siehe bspw. das oben genannte '788 Patent). Je komplizierte die Form des Gegenstands ist, um so mehr Strahler werden verlangt, seine Form zu definieren. Jeder Strahler kann durch eine einzigartige Emissionswellenlänge, durch seinen relativen Ort bei einigen eindeutigen geometrischen Mustern von Strahlern oder durch seine Zahlenposition in einer Emissionsreihenfolge unterschieden werden. Es ist möglich, daß andere Mittel, Strahler unter verschiedenen Strahlern zu unterscheiden, bekannt sind oder mit der Zeit entdeckt werden.

Heutzutage sind auf dem Gebiet sich im Raum bewegende Gegenstände zu verfolgen, als Strahler elektromagnetischer Strahlung, deren Orte bestimmt werden sollen, übli­ cherweise Leuchtdioden im sichtbaren oder Infrarotlicht verwendet worden. Andere Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung zusätzlich zu dem sichtbaren Spektrum sind ebenfalls gut geeignet, in diesem Umfeld verwendet zu werden. Die bestimmte Wellenlänge der ausgestrahlten Strahlung ist keine Beschränkung in der Praxis oder des Umfangs dieser Erfindung.

Unglücklicherweise besitzt eine herkömmliche Leuchtdiode, die mit irgendeiner gegebe­ nen Wellenlänge strahlt, mehrere Nachteile bei ihrer als Verwendung Strahler elektro­ magnetischer Energie. Gegenwärtig werden elektromagnetische Energie aussendende Halbleiterchips (Leuchtdioden) herkömmlicherweise in einer schützenden, im wesentli­ chen transparenten Epoxyumhüllung angeordnet. Der Schutz des Halbleiterchips und seiner elektrischen Verbindungen ist äußerst wichtig. Jedoch ist ein Nachteil dieser not­ wendigen Epoxyumhüllung, daß sie die Lichtstrahlen bricht, die von den Chip ausge­ sendet worden sind, was den scheinbaren optischen Ort des Chips verschiebt. Die Be­ trachtung des Chips durch die Epoxyumhüllung hindurch unter verschiedenen Winkeln verschiebt im allgemeinen seinen sichtbaren Ort wegen dieser Brechung.

Ein zweiter Nachteil ist, daß der Leuchtdioden-Halbleiterchip, der so groß wie 1 Qua­ dratmillimeter sein kann, und üblicherweise auf einer teilweise reflektierenden Fläche angebracht wird, nicht gleichförmig selbst ohne die schützende Epoxybeschichtung strahlt. Dies kann eine sichtbare Verschiebung des Orts des Beleuchtungsschwerpunkts hervorrufen, weil die Kameraansicht des Chip um den geometrischen Schwerpunkt des Chip gedreht wird. Des weiteren ist an dem oberen Ende des Chip typischerweise ein elektrischer Kontaktdraht oder Metallstreifen angebracht, der teilweise das Licht von ei­ nem Teil des Chip ablenkt (oder reflektiert) und eine Asymmetrie in das Strahlungsmu­ ster einführt. Diese Wirkungen beschränken die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der genauen optischen Lokalisierung des Chip, insbesondere wenn das Ziel ist, eine Koor­ dinate zu bestimmen, die einen kleineren Fehlerbereich als die Größe des Chip auf­ weist.

Ein dritter Nachteil tritt auf, wenn die Leuchtdioden der Reihe nach gepulst werden, als eine Möglichkeit eindeutig einzelne Leuchtdioden zu erkennen. Das Pulsen kann eine elektromagnetische Störung erzeugen, es sei denn, die Wellenform des Stromflusses durch jede Leuchtdiode wird sorgsam gesteuert. Selbst in diesem Fall neigen die Drähte zu den Leuchtdioden dazu, als Antennen zu wirken, und übertragen Untergrund von dem Steuergerät, was in der Praxis HF-Steuersignale erzeugt, die häufig von der elek­ tromagnetischen Sensoreinrichtung aufgenommen werden.

Ein vierter Nachteil besteht, wenn die Leuchtdioden innerhalb eines chirurgischen (me­ dizinischen) Umfelds verwendet werden. Der elektrische Strom, der jede Leuchtdiode treibt, muß sehr gut gegenüber Masse, dem Patienten und allen anderen elektrischen Strömen isoliert sein, einschließlich elektrischer Ströme, die andere Leuchtdioden und/oder andere Funktionen treiben. Ein Versagen, diese elektrischen Ströme vollstän­ dig zu isolieren, kann bedeutende Schwierigkeiten und sogar eine Verletzung hervorru­ fen.

Ein fünfter Nachteil besteht, wenn die Leuchtdioden innerhalb eines medizinischen Kernmagnet-Resonanzbildgebers verwendet wird. Die elektrischen Metallverbindung, die durch sie hindurchfließenden Ströme und das Metallgehäuse oder die Wärmesenke (wenn verwendet) verformt die Magnetfelder des medizinischen Kernmagnet-Reso­ nanzbildgebers und kann dadurch das Bild des Patienten verschlechtern.

Ein sechstes Problem tritt bei der Konstruktion einer praktischen Meßeinrichtung, eines chirurgischen Instruments oder eines anderen solchen Gegenstands auf, wenn die Leuchtdioden an ihm angebracht werden. Um Wartungskosten zu verringern, sollte die Konstruktion ermöglichen, daß eine durchgebrannte Leuchtdiode ersetzt wird (und vor­ zugsweise ohne weiteres ersetzt werden kann). Sonst muß jedesmal, wenn eine Leuchtdiode außer Funktion gerät, der gesamte Gegenstand/Meßeinrichtung entfernt und ersetzt werden. Im allgemeinen nimmt, wenn die Leuchtdiode als eine austauschba­ re Einrichtung hergestellt wird, wobei irgendeine Art Sockel verwendet wird, die Leucht­ dioden aufzunehmen, dies zusätzlichen Raum an dem Gegenstand in Anspruch und er­ höht die Schwierigkeit eine genaue Anordnung des Energie aussendenden Chip beizu­ behalten. Das heißt, es muß eine Einrichtung geben, um zu gewährleisten, daß ein Austausch des Leuchtdiodenchip genau an demselben effektiven Ort wie der ursprüng­ liche erfolgt, und daß alle anderen relevante Eigenschaften unverändert bleiben. Wenn dies nicht erreicht wird, muß das System jedesmal erneut kalibriert werden, wenn eine Leuchtdiode ersetzt wird.

Eine Leuchtdiode als Lichtgenerator ist kein Problem. Tatsächlich kann eine Leuchtdi­ ode viel schneller als eine Lampenquelle gepulst werden. Eine Leuchtdiode ist nahezu monochromatisch, was gestattet, für die Positionsmeßsensoren ein schmales Bandfilter zu verwenden, um den größten Teil der störenden Hintergrundbeleuchtung abzuschnei­ den. Leuchtdioden sind preisgünstig und besitzen ein langes Leben. Eine Laserdiode, die eine sehr spezielle Art einer Leuchtdiode ist, ist insbesondere gut zur Kopplung von Licht in eine optische Faser geeignet. Diese Eigenschaften und der gegenwärtigen Man­ gel einer geeigneten alternativen Lichtquellen legen nahe, daß von Leuchtdiode und im besonderen Fall von Laserdioden erwartet werden kann, daß sie weiterhin eine Rolle bei der Bestimmung der Position und Ausrichtung von Gegenständen im Raum spielen. Deshalb müssen Lösungen zu den obigen Problemen geschaffen werden.

Optische Fasern oder optische Faserbündel sind eine gute Möglichkeit, Licht von einer Quelle zu einem Ziel zu übertragen. Jedoch besitzen sie einen Hauptnachteil bezüglich ihrer Verwendung als Lichtquellen in der Art Systeme, die zur Bestimmung der Orte elektromagnetischer Strahler verwendet werden, wie jene oben beschriebenen. Der Nachteil ist, daß, wenn das optische Faserende als die Lichtquelle betrachtet wird, der von einem Faserende (oder Faserbündel) ausgesandte Lichtkegel einen ungeeignet geringen Scheitel- oder Kegelöffnungswinkel besitzt. Zum Zweck der Verfolgung eines Gegenstands, der eine beliebige Ausrichtung aufweisen kann, sollten die Lichtstrahler an dem Gegenstand idealerweise gleichförmig über zumindest einen wesentlichen Ab­ schnitt einer vollen Halbkugel ausstrahlen, vorzugsweise wenigstens die gesamte Halb­ kugel und idealerweise sich einer im wesentlichen ganzen Kugel annähern.

Deshalb ist es Aufgabe dieser Erfindung, eine neue praktische und wirksame Möglich­ keit zu schaffen, im wesentlichen Punktquellenemissionen elektrischer Strahlungsener­ gie von Orten eines Gegenstands zu erzeugen, der im dreidimensionalen Raum mit ei­ nem elektrooptischen Ortsbestimmungssystem verfolgt werden soll.

Eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist, zu verbessern, wie relativ kleine Punkt­ quellen Strahler elektromagnetischer Strahlungsenergie ausgeführt werden, insbesonde­ re wo die Orte der Strahler im dreidimensionalen Raum unter Verwendung eines elek­ trooptischen Positionsbestimmungssystems verfolgt werden sollen.

Eine weitere Zielsetzung dieser Erfindung ist, eine Einrichtung zur Verbesserung eines jeden der oben aufgeführten Nachteile bereitzustellen.

Andere zusätzliche Zielsetzungen dieser Erfindung werden aus einer Betrachtung die­ ser gesamten Beschreibung einschließlich der Zeichnungen offensichtlich.

Erfindungsgemäße Lösungen der Aufgabe sind in den unabhängigen Ansprüchen an­ gegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird durch das Beispiel der Verwendung mehrerer Lichtstrahler beschrie­ ben, die an einer Sonde bzw. Meßeinrichtung befestigt sind, die für Zeigezwecke in be­ zug auf einen gegebenen dreidimensionalen Raum (ein dreidimensionales Volumen) verwendet wird. Es versteht sich, daß diese beschreibende Bezugnahme nur dem Zweck der Darstellung dient. Der Gegenstand, an dem elektromagnetische Strahlungs­ strahler angeordnet sind, könnte irgendein Gegenstand oder eine Mehrzahl Gegenstän­ de sein, deren Position(en) und Ausrichtung(en) innerhalb eines dreidimensionalen Vo­ lumens in bezug auf ein Koordinatensystem verfolgt werden soll/sollen. Beispiele sol­ cher Gegenstände sind ein Roboterarm, der Kopf eines Beobachters in einem Anzeige­ system virtueller Realität, eine dreidimensionale Computermaus, ein chirurgisches In­ strument, ein Patient, an dem das Instrument verwendet wird, oder Ähnliches oder sogar Kombinationen solcher Gegenstände.

Jeder Strahler der vorliegenden Erfindung wird geeignet durch eine Laserdiode oder ei­ ne Leuchtdiode dargestellt, wobei aber andere Lichtquellen verwendet werden können. Geeigneterweise koppelt eine Linse die elektromagnetischen Strahlen, die von der Lichtquelle austreten, in ein Ende einer optischen Faser oder Faserbündels, und ein op­ tisches Element (der im wesentlichen punktquellenförmige, elektromagnetische Strahler dieser Erfindung) an dem anderen Ende der Faser oder des Faserbündels abgelenktes Licht geeignet in einem sehr weiten und im wesentlichen gleichförmigen Emissionsmu­ ster. Insbesondere ist es dieses optische Streuelement an dem Ende einer optischen Faser und seine Verwendung im Zusammenhang mit der dreidimensionalen Gegen­ standsverfolgung, vorauf sich diese Erfindung bezieht.

Die beigefügten Figuren, die Teil der Beschreibung bilden, stellen eine bevorzugte Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung und einige Abänderungen von ihr dar. Zu­ sammen mit der Textbeschreibung dienen diese Figuren dazu, die Grundideen der Er­ findung zu erläutern. Ein bestimmtes Bezugszeichen in den Figuren bezieht sich durch­ gehend auf dieselbe Komponente der Erfindung in allen Figuren und Textbeschreibun­ gen.

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines sonst herkömmlichen Systems, das die Verwendung der vorliegenden Erfindung vornehmen kann;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Meßeinrichtung, einer Lichtquel­ le und optischer Lichtfaserleiter

Fig. 3a eine Draufsicht auf eine Ausgestaltung eines Punktquellenstrahlers gemäß dieser Erfindung;

Fig. 3b eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform dieser Erfin­ dung;

Fig. 4, 5, 6, 7 und 8 perspektivische Ansichten anderer Ausführungsformen dieser Er­ findung.

Die Bauteile des herkömmlichen Digitalisierungs- und Meßsystems, die gemäß einem Gesichtspunkt dieser Erfindung verwendet werden, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, umfas­ sen: einen Gegenstand 12, der in einem dreidimensionalen Volumen in bezug auf ein Bezugskoordinatensystem verfolgt werden soll. Der Gegenstand ist der bestimmte Ge­ genstand, der in einem dreidimensionalen Volumen in bezug auf ein Bezugkoordinaten­ system digitalisiert werden soll. Ein Beispiel dieses Gegenstands, der in den Figuren dargestellt ist, ist ein Stift oder bzw. eine Meßeinrichtung mit einer Spitze 14, die für Zei­ gezwecke verwendet werden kann. In Fig. 1 sind Strahler 18 in ihrer herkömmlichen Ausgestaltung gezeigt. In Fig. 2 sind zwei Laserdioden 20 als Lichtgeneratoren (Licht­ quellen) gezeigt. Diese Erfindung zieht irgendeine Anzahl Lichtquellen in Betracht, wo­ bei aber nur zwei Lichtquellen gezeigt sind, um die Figuren übersichtlich zu halten. Lin­ sen 22 koppeln das Licht von den entsprechenden Quellen 20 in ein Ende der optischen Faser (oder des Faserbündels) 24, die dazu dient, das Licht zu den Strahlern 26 zu übertragen. Jedes eigenständige optische Strahlerelement 26, das an dem anderen Ende der Faser oder des Faserbündels angeordnet ist, streut das Licht mit einem sehr weiten Strahlungsmuster 28. Optische Elemente 26a (besondere und darstellende For­ men des vorliegenden optischen Elements 26 sind in Fig. 2 gezeigt), die in Fig. 3a bzw. 3b gezeigt sind, sind eine streuende Kugel und eine Streuplatte. Ein anderes optisches Element 26b, das in Fig. 4 gezeigt ist, ist ein sich verjüngender Lichtleiter oder Bildleiter besonderer Ausgestaltung, der Licht, das in einem im wesentlichen Halbkugelmuster gestreut ist, aussenden kann. Ein weiteres optisches Element 26c, das in Fig. 5 gezeigt ist, ist eine besondere konkave Linse.

Beispielhafte Lichtstrahlen 28 werden von jedem der optischen Elemente ausgestrahlt, von denen einige wenige von der Sensoreinrichtung 30 gesehen werden (siehe Fig. 1). Ein elektronisches Versorgungssystem 32 speist und steuert die Sensoreinrichtung 30 und die Lichtquellen. Das elektronische Versorgungssystems 32 verarbeitet auch den Eingang von der Sensoreinrichtung 30. Ein sonst herkömmlicher, elektronischer Compu­ ter 38 erhält den Dateneingang von der Versorgung 32. Aus diesen Daten berechnet der Computer 38 die XYZ Koordinaten des Orts eines jeden optischen Elements 18 oder 26 usw., das als ein im wesentlichen punktquellenförmiger Lichtstrahler erscheint. Aus den derart bestimmten Koordinaten eines jeden Strahlers und der bekannten Geometrie der Meßeinrichtung berechnet der Computer 32 auch die Position und Ausrichtung der Meßeinrichtung und bestimmt deshalb den Ort der Meßeinrichtungsspitze. Es wird auch ein dreidimensionaler Einheitsvektor bestimmt, der die Längsrichtung der Meßeinrich­ tung beschreibt (was ein Gesichtspunkt der Ausrichtung der Probe ist). Wenn mehr als zwei nichtkollineare, elektrische Energiestrahlungsstrahler an der Probe angeordnet sind, kann auch ein dreidimensionaler Quervektor berechnet werden, um ihre Drehaus­ richtung (oder ihre Rollwinkel) zu beschreiben.

Die Teile der verschiedenen Figuren sind durchgehend numeriert, wie folgt:

10 dreidimensionales Bezugskoordinatensystem (rechtwinklig)
12 zu verfolgender Gegenstand (wie eine Meßeinrichtung, wie dargestellt)
14 Meßeinrichtungsspitze
18 herkömmliche optische Strahler
20a, . . . Laserdioden
22a, . . . Kopplungslinsen
24a, . . . optische Fasern oder optische Faserbündel
26 optisches Element (allgemein)
26a optisches Element: streuende Kugel oder Platte
26b optisches Element: sich verjüngender Lichtleiter
26c optisches Element: konkave Linse
30 Sensoreinrichtung des Positionsmeßsystems
32 Versorgungselektronik für Strahler und Sensor

Die Erfindung ist unten unter Bezugnahme auf die Figuren und die numerierten, einzel­ nen Komponenten darin beschrieben. In der Beschreibung unten dienen die besondere Konstruktion, die Anzahl und die Anordnung der Komponenten alle der Einfachheit der Erläuterung. Andere Konstruktionen, Anzahlen und Anordnungen der gleichen funktio­ nalen Komponenten bilden alternative mit umfaßte Ausführungsformen des vorliegend beschriebenen Verfahrens und Vorrichtung.

Bezugnehmend auf Fig. 1 und 2 sollte man beachten, daß die vorliegende Erfindung im wesentlichen das gleiche Versorgungsgerät verwenden kann, wie es in Systemen nach dem Stand der Technik verwendet wurde. Diese Ausrüstung besteht aus einer elektro­ optischen Sensoreinrichtung 30 (z. B. die Kameraanordnung), einem elektronischen Steuergerät 32 und einem elektronischen Computer 38. Der einzige Unterschied zwi­ schen den Versorgungskomponenten, die bei dieser Erfindung verwendet werden, und jenen, die bei den Systemen nach dem Stand der Technik verwendet werden, ist, daß das Steuergerät 32 nach dem Stand der Technik im allgemeinen elektrische Impulse er­ zeugt, um die Leuchtdioden 18 zu zünden, die in Fig. 1 gezeigt sind und vorhergehend an der Meßeinrichtung 12 (oder einem anderen zu verfolgenden Gegenstand) angeord­ net worden sind. Bei der vorliegenden Erfindung steuern die gleichen elektrischen Im­ pulse die Laserdioden 20 der Fig. 2 an, die zumindest bei einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform vorzugsweise von dem zu verfolgenden Gegenstand 12 fernliegend ange­ ordnet sind. Die Laserdioden 20 befinden sich vorzugsweise in dem Steuergerät 32 selbst, um ihre Emission elektromagnetischer Störstrahlung zu begrenzen. Alternativ können die Laserdioden 20 in einem getrennten Gehäuse oder sogar in dem Handgriff der Meßeinrichtung 12 selbst untergebracht werden. Obgleich es einige Nachteile ge­ ben mag, die Lichtquellen innerhalb des Meßeinrichtungskörpers anzuordnen, weil Streustrahlung andere umgebende Operationen stören kann, wie es erwähnt wurde, gibt es einen bestimmten wirtschaftlichen Vorteil, die Lichtquellen innerhalb des Meßeinrich­ tungsgriffs anzuordnen. Der Vorteil dieser Wahl ist, daß eine Meßeinrichtung nach dem Stand der Technik zu einer Meßeinrichtung der vorliegenden Erfindung nachgerüstet werden könnte, ohne irgendeine Änderung der Versorgungsausrüstung zu verlangen. Dies kann ein Vorteil in Verbindung mit einigen bestehenden Systemen sein, insbeson­ dere wo die Nachrüstungskosten einen Faktor darstellen. In beiden Fällen ist die Ar­ beitsweise des Systems unter diesem Gesichtspunkt dieser Erfindung im wesentlichen die gleiche unabhängig davon, wo schließlich die Lichtquelle angeordnet wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lichtquelle von dem Strahler entfernt, aber dies muß nicht unbedingt so sein. In dieser Beziehung ermöglicht die vorliegende Erfindung Besitzern früherer Systeme, sie zu dem System dieser Erfindung ohne wesentlicher Umänderungskosten nachzurüsten.

Genau wie beim Stand der Technik können die Laserlichtdioden 20 sequentiell ange­ steuert (gepulst) und ihr Licht wird ihren entsprechenden Strahlern gemäß dieser Erfin­ dung übertragen, wodurch diese Strahler sequentiell aufleuchten und sie dann einzeln lokalisiert werden können. Alternativ kann jede der Laserdioden 20 gesteuert werden, fortlaufend statt sequentielle zu arbeiten. Bei diesem Gesichtspunkt dieser Erfindung muß jede Laserdiode eingestellt werden, jeweils Lichtstrahlen 28 unterschiedlicher Wellenlängen zu erzeugen, um eindeutig jeden Punktquellenlichtstrahler 26 zu erken­ nen. Alternativ können die optischen Elemente 26 auch in einem solchen geometrischen Muster angeordnet werden, daß die optischen Elemente eindeutig durch ihren Ort (wie die Scheitel eines unregelmäßigen Polygons oder Polyeders) erkannt werden.

Jedenfalls erfaßt die Sensoreinrichtung diese Emission und gibt Rohdaten des Orts von jedem Strahler durch das Steuergerät 32 an den Computer 38 zurück, auf dem ein Softwareprogramm läuft, die XYZ Koordinaten in bezug auf das Koordinatensystem aus den rohen Sensordaten zu berechnen. In der Praxis könnten die rohen Daten der Sen­ soreinrichtung 30 analoge Daten sein, die das Steuergerät 32 in digitale Daten umwan­ deln könnte. Die endgültige dreidimensionale Koordinatenberechnung würde dann von dem Computer 38 vorgenommen, der ein üblicher Personalcomputer oder eine Arbeits­ endstation sein könnte. Natürlich ist diese Erfindung nicht auf den bestimmten Computer beschränkt, der zur Ausführung ihrer Meßaspekte gewählt worden ist.

Die Sensoreinrichtung 30, die Versorgungssteuerelektronik 32 und die Berechnungen in dem Computer 38 sind nicht wesentlich verschieden von dem Stand der Technik. Des­ halb werden keine weiteren Einzelheiten von ihnen erörtert. Sie könnten vorgefertigte, im Handel erhältliche Systeme sein, und deshalb werden sich hier nur durch Bezug­ nahme auf die oben erwähnten technischen Veröffentlichungen und Patente geoffen­ bart.

Vier alternative Ausführungsformen der optischen Strahlerelemente werden dargestellt. Jede arbeitet etwas verschieden, aber die Wirkung ist die gleiche: Licht von einer ge­ eigneten Quelle, wie eine Laserdiode, wird durch die optische Faser zu einem geeigne­ ten Strahler übertragen und strahlt dann mit einem viel weiteren Kegel als er von der Faser ohne Eingriff der optischen Strahlerelemente haben würde. Des weiteren sieht der Sensor, daß der wirksame Punkt, von dem das Licht zu kommen scheint, sehr klein ist, und sein Schwerpunkt ändert sich nicht mit dem Ausrichtungswinkel des optischen Strahlerelements in bezug auf die Sensoreinrichtung. Wenn die Lichtquellen, bspw. La­ serdioden oder Leuchtdioden, in dem Steuergerät 32 untergebracht und gut gegenüber elektromagnetischer Störstrahlung abgeschirmt sind, entweicht keine oder höchstens nur ein sehr kleiner Teil elektromagnetischer Störstrahlung, und nur das beabsichtigte Licht wird innerhalb der optischen Faser(n) übertragen. Die Meßeinrichtung kann kon­ struiert werden, daß sie elektrisch und magnetisch vollständig neutral ist. Deshalb kann die Meßeinrichtung ausgelegt werden, daß sie insgesamt nicht metallisch ist. Schließlich brennen bei der Ausgestaltung dieser Erfindung die optischen Fasern und die optischen Strahlerelemente nicht aus und können so klein wie oder sogar kleiner als die Leuchtdi­ oden-Lichtquellen gemacht werden. Des weiteren arbeiten diese Lichtstrahlerelemente, die bei dieser Erfindung verwendet werden, unmittelbar und ohne Sockel. Andererseits können die Laserdioden, die ausbrennen können und ersetzt werden müssen, ange­ ordnet werden, wo sie ohne weiteres ersetzt werden können, wie es notwendig ist (wie innerhalb des Steuergeräts 32. Bei einer weniger bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung können sie in dem Handgriff der Meßeinrichtung selbst angeordnet werden). Der Ort des tatsächlichen Lichts, der der Ursprung der Strahlung ist, die durch die Aus­ führung dieser Erfindung ausgesandt wird, kann von dem Systemkonstrukteur festgelegt werden, ohne die praktische Ausführung dieser Erfindung zu beeinträchtigen. Es ver­ steht sich, daß bei einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung die elektrisch betriebene Lichtquelle von der Meßeinrichtung selbst räumlich entfernt ist.

Die optischen Fasern 24 selbst können irgendeinen Durchmesser aufweisen, wie z. B. 400 Mikron. Das heißt, sie können dünner und leichter als die Drahtpaare sein, die frü­ her verwendet wurden, die Lichtquellen zu versorgen. Jedoch können sie ausreichend groß sein, um das Problem zu vereinfachen, wirksam das Licht von den Laserdioden 20 zu der optischen Faser oder dem Faserbündel zu koppeln. Weil die von diesem opti­ schen Fasern 24 überquerten Strecken kurz sind und die von ihnen geführten Informa­ tionen einfach sind, können die Fasern 24 höhere innere Verluste als Fasern für Fern­ kommunikationen ertragen. Beispielsweise könnten sie aus preiswertem Kunststoff, wie Polymethylmethacrylat, statt aus dem teuereren und verlustärmeren Silica zu sein.

Eine erste Ausführungsform des kritischen optischen Elements 26a dieser Erfindung ist in Fig. 3a gezeigt. In diesem Fall wird das Licht gleichförmig und weit mittels einer klei­ nen Streukugel 26a gestreut, die optisch mit dem Ende der optischen Faser gekoppelt ist. Dies ist die bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung, weil sie Licht sehr gleichförmig omnidirektional (im wesentlichen in alle Richtungen) streuen kann. Solche Streukugeln werden bspw. von Rare Earth Medical Inc. (West Yarmouth, Massachu­ setts) zur Verwendung bei der Laserabtragchirurgie hergestellt (aber nicht für geometri­ sche Ortungszwecke). Solche Streukugeln sind transparente Epoxykugeln mit sehr klei­ nen Teilchen reflektierenden Pulvers, das darin suspendiert ist. Die Kombination von lichtreflektierenden Teilchen und Brechung um sie herum streut das Licht sehr gleich­ förmig in alle Richtungen. Der einzige Nachteil dieser Ausführungsform tritt auf, wenn eine Kugel teilweise von dem Griff der Meßeinrichtung (oder einem anderen solchen Gegenstand) überdeckt wird. In dieser Sonnenuntergangssituation verschiebt sich der Schwerpunkt des sichtbaren Bereiches der Kugel von der geometrischen Kugelmitte fort.

Die Sonnenuntergangssituation kann ausgeschlossen werden, indem eine ebene Ab­ lenkungs- bzw. Streuscheibe wie die, die deren Ausgestaltung in Fig. 3b gezeigt ist, statt einer Kugel, wie in Fig. 3a gezeigt, verwendet und sichergestellt wird, daß ihre Ebene tangential zu der Kurve des Meßeinrichtungsgriffs ist. Wenn die ebene Streuscheibe 26a aus einer normalen Richtung (d. h. von vorne) betrachtet wird, erzeugt der schmale Lichtkegel, der von der optischen Faser 24 ausgesendet wird, eine hell beleuchtete Kreisscheibe auf dem Streuer 26a. Da dieses Scheibe unter größeren Winkeln von der Normalen betrachtet wird, erscheint die Scheibe als eine Ellipse, aber der Schwerpunkt bleibt in der Mitte. Die Lichtintensitätsverteilung dieser Ausgestaltung ist eine Lamber­ t'sche, d. h., das meiste Licht wird in einer Richtung abgestrahlt, die normal zu der Platte ist, und weniger wird unter größeren Winkeln in bezug auf die Normalenrichtung ge­ streut. Mathematisch ist die Intensität proportional dem Kosinus des Lichtwinkels, wenn in bezug auf die Normalenrichtung gemessen wird. Beispielsweise fällt die Intensität auf null, wenn unter einem Winkel betrachtet wird, der sich 90 Grad von der Normalen nä­ hert.

Eine zweite Ausführungsform des optischen Elements 26 dieser Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. In diesem Fall wird das Licht weit mittels eines speziellen Faserbündels 26b gestreut, das ein Bildleiter oder ein Lichtleiter genannt wird. Es verjüngt sich vorzugs­ weise, um das Licht in einem kleineren Fleck zu sammeln und es besitzt einen hohen numerischen Index, den Emissionswinkel des Strahlungskegels zu erweitern. Solche Faserbündel sind bei Collimated Holes, Inc., (Campbell, California) erhältlich.

Bei jeder Ausführungsform dieser Erfindung können die optischen Faserbündel zufällig angeordnet werden und müssen nicht irgendeine Bildgeometrie bewahren, weil sie nur als Lichtübertrager verwendet werden. Wenn die Fasern des Lichtleiters einen großen Brechungsindex aufweisen (einen numerischen Aperturwert nahe 1,0), wird das Licht im wesentlichen in einem vollen Halbkugelmuster abgestrahlt. Selbst wenn die Lichtintensi­ tät mit dem Kosinus des Richtungswinkels der Strahlung abnimmt (in bezug auf die opti­ sche Achse der Fasern gemessen) strahlt viel mehr Licht in die Richtung, die im we­ sentlichen parallel zu der Achse der Fasern ist, und viel weniger unter größeren Win­ keln. Obgleich es so ist, wird ausreichend abgestrahltes Licht von der Kameraeinrich­ tung "gesehen". Dies ist in Fig. 4 als eine größere Konzentration der Strahlen 28 in der Vorwärtsrichtung gezeigt (d. h., im wesentlichen parallel zu der Achse der Faser) als in einer zu der Faserachse normalen Richtung.

Man beachte, daß bei der in dieser Figur gezeigten Ausführungsform die gesamte opti­ sche Faser 24 und der Lichtleiter 26b ein und dasselbe Element sein könnten, wenn sie richtig ausgelegt werden. Das heißt, die optische Faser 24 kann einfach ein langer, fle­ xibler Lichtleiter mit einer großen (weiten) numerischen Apertur an seinem Ende sein. Herkömmliche, optische Fasern sind nicht aufgefunden worden, ausreichend große ko­ nische Emissionswinkel zu erzeugen, ohne zuerst abgeändert worden zu sein. Deshalb ist dieser Gesichtspunkt dieser Erfindung besonders entwickelt worden, um diesen Mangel zu überwinden.

Man sollte beachten, daß bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform die optische Fa­ ser 24 und die Kopplungslinse 22 fortgelassen werden könnten, und die Lichtquelle 20 könnte unmittelbar innerhalb der Meßeinrichtung direkt hinter dem optischen Element 26 angeordnet werden. Während dies nicht vermeidet, elektronische und magnetische Stö­ rungen zu erzeugen (weil ein elektrisches Kabel zu der Meßeinrichtung dann verlangt würde), überwindet es einige der Nachteile, die in dem Abschnitt dieser Beschreibung mit dem Titel Hintergrund der Erfindung aufgeführt worden sind. Obgleich sogar diese Alternative als innerhalb des Bereiches dieser Erfindung betrachtet wird, ist sie keine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung. In dieser Beziehung beachte man die Ausgestaltung, die in Fig. 8 gezeigt ist.

Eine dritte Ausführungsform des optischen Elements 26 ist in den Fig. 5 und 6 gezeigt. Fig. 5 ist eine Schrägansicht und Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht, die mehr im einzel­ nen die Wirkung der Linse dieser Ausführungsform auf die Lichtstrahlen zeigt. In diesem Fall wird das Licht weit über eine im wesentlichen vollständige Halbkugel mittels einer sehr kleinen konkaven Linse 26c gestreut. Die Linse ist ausgelegt, daß sie ein sehr klei­ nes virtuelles Bild des Endes der optischen Faser erzeugt, das selbst unter sehr großen Winkeln sichtbar ist. Das heißt, das Licht wird nicht nur in der "Vorwärts- und nahen Vor­ wärtsrichtung" gestrahlt, die im wesentlichen parallel zu der Achse der optischen Über­ tragungsfaser ist, sondern wird auch in Richtungen gestrahlt, die sich der Parallelität zu der ebenen Oberfläche der Linse annähern, die im wesentlichen quer zu der Achse der optischen Faser oder des Faserbündels ist. Man beachte, daß, wenn das Ende(en) der optischen Übertragungsfaser abgerundet ist oder eine konvexe Linse oder eine optisch transparente Kugel auf dem Ende der Faser angeordnet ist, das ausgesandte Licht et­ was divergiert, aber der Öffnungswinkel des Kegels des ausgesandten Lichts ungefähr 90 Grad nicht überschreitet, was weiterhin zu schmal ist, ohne weitere Abänderung zur weiteren Verwendung einer Linse dieser Ausführungsform praktisch verwendbar zu sein. Aus diesem Grund wird am meisten bevorzugt, eine konkave Linse zu verwenden. In dieser Beziehung ist ein abgerundetes Ende der optischen Faser, gekoppelt mit einer konkaven Linse, sehr wirksam.

Eine vierte Ausführungsform des optischen Elements 26 dieser Erfindung ist in Fig. 7 gezeigt. In dieser Ausführungsform wird Licht, das aus der optischen Übertragungsfaser herauskommt, von einem sehr kleinen gekrümmten (hyperbolischen) Spiegel 26d re­ flektiert. Dies ist das reflektierende optische Gegenstück zu dem brechenden Element 26c, das in den anderen Figuren gezeigt ist. Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß das Licht über einen weiten Ring von Winkeln verteilt werden kann. Der Nachteil dieser An­ ordnung ist, daß die optische Faser oder der Spiegel selbst das reflektierte Licht bei Winkeln nahe der optischen Achse (vorwärts und rückwärts) abdeckt.

Die obige Beschreibung hat vier besondere Ausführungsformen von einsetzbaren im wesentlichen zumindest halbkugelförmig strahlenden, optischen Elementen dieser Er­ findung dargestellt. Jede dieser Ausführungsformen ist für die vorliegende erfundene Einrichtung beispielhaft, optische Fasern zur praktischen Verwendung in einem elektro­ opitschem System zur Verfolgung eines Gegenstands, wie einer Meßeinrichtung oder eines Zeigers mit zwei oder mehreren Punktquellenlichtstrahlern herzustellen. Die opti­ schen Elemente erleichtern eine erhöhte Genauigkeit, eine nahezu vollkommene elek­ trische und magnetische Isolierung und keine Erzeugung von Störstrahlung. Die passi­ ven optischen Fasern an dem Gegenstand selbst verringern potentiell die Kosten aus­ reichend, so daß chirurgische Wegwerfsonden wirtschaftlich machbar wären. Des weite­ ren sind die optischen Fasern robuster als Leuchtdioden und sind deshalb zur Sterilisie­ rung in einem Autoklaven im medizinischen Umfeld geeigneter. Schließlich kann die op­ tische Lichtquelle ein Laser (Diode oder Gas) sein, der die Möglichkeit besitzt, mehr Licht als die einfache Leuchtdiode zu erzeugen, die beim Stand der Technik verwendet wird.

Während dieser Erfindung unter Bezugnahme auf mehrere bevorzugten Ausführungs­ formen beschrieben worden ist, sollte der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet fähig sein, ohne weiteres alternative Ausführungsformen in Betracht zu ziehen, die materiell nicht vom Bereich dieser Erfindung abweichen. Deshalb sind der Umfang und der Inhalt dieser Erfindung nicht durch die vorstehende Beschreibung beschränkt. Der Umfang und der Inhalt der Erfindung sind vielmehr durch die folgenden Ansprüche definiert.

Claims (30)

1. Vorrichtung zur Ortsbestimmung wenigstens eines Punkts in einem dreidimen­ sionalen Raum in bezug auf ein dreidimensionales Koordinatensystem, das den Raum definiert, gekennzeichnet durch
wenigstens einen Strahler (26) elektromagnetischer Strahlung, der ein Strah­ lungsablenkungs- bzw. streuelement (26a; 26b; 26c; 26d) umfaßt, das die Strahlung in einer im wesentlichen konischen Muster (28) aussendet, das sich zumindest einem Raumwinkel von ungefähr 180° nähert, wobei das Strah­ lungsemissionsmuster einen Schwerpunkt aufweist, so daß es sich zumindest eng einer Strahlungspunktquelle nähert, wodurch bewirkt wird, daß der Schwer­ punkt der elektromagnetischen Strahlung in einer im wesentlichen invarianten Beziehung zu dem Strahlungsstrahler unabhängig von dem Winkel ist, unter dem der Schwerpunkt der ausgesandten Strahlung betrachtet wird,
einen elektromagnetischen Strahlungsgenerator, der betriebsmäßig mit jedem Strahler (26) verbunden ist,
eine Einrichtung (24) zur Übertragung von von dem Generator erzeugter elek­ tromagnetischer Strahlung zu dem Strahler (26),
eine Mehrzahl elektromagnetischer Strahlungssensoren, von denen jeder we­ nigstens einen elektromagnetischen Strahl erfassen kann, der von wenigstens einem der Strahler ausgesandt worden ist,
eine Stromversorgung für den elektromagnetischen Strahlungserzeuger,
Mittel, um elektromagnetische Strahlung zu unterscheiden, die von wenigstens zwei der Strahler ausgesandt wird, wenn es eine Mehrzahl Strahler gibt, und
eine Einrichtung (38) zur Bestimmung des Orts des Strahlers in bezug auf das dreidimensionale Koordinatensystem,
wobei als Folge der Strahler, die elektromagnetische Strahlung unter einem Raumwinkel von zumindest nahezu 180° aussendet, der Ort der Strahler mit großer Genauigkeit bestimmbar ist, als es die Genauigkeit wäre, die durch elektromagnetische Strahlung bestimmt wird, die ohne das Streuelement er­ zeugt worden wäre.

2. Elektrisch neutrale Vorrichtung zur Strahlung elektromagnetischer Strahlung von einer effektiven Punktquelle,
gekennzeichnet durch
einen elektromagnetischen Strahlungsgenerator
einen Strahler elektromagnetischer Strahlung, der ein Strahlungsablenkungs- bzw. -streuelement (26a; 26b; 26c; 26d) umfaßt, das die elektromagnetische Strahlung in einem im wesentlichen konischen Muster über einen Raumwinkel aussendet, der sich zumindest 180° nähert,
wobei die Strahlungsemission einen Schwerpunkt hat, so daß sie sich zumin­ dest nahe einer Punktquelle der Strahlung annähert, wodurch bewirkt wird, daß der Schwerpunkt der elektromagnetischen Strahlung in im wesentlichen invari­ anter Beziehung zu dem Strahler der Strahlung unabhängig von dem Winkel ist, unter dem der Schwerpunkt der ausgesandten Strahlung betrachtet wird, und
wobei der Strahler mit Abstand von dem Generator angeordnet ist,
wenigstens eine optische Faser in Arbeitsbeziehung zu dem Generator und dem Strahler angeordnet ist, so daß sie elektromagnetische Strahlung von dem Generator zu dem Strahler übertragen kann, und
eine elektrische Stromquelle, die arbeitsmäßig mit dem elektromagnetischen Strahlungsgenerator verbunden ist, wobei der Generator im wesentlichen elek­ trisch und magnetisch von dem Strahler getrennt ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Strahler eine Anlenkungseinrichtung (26a; 26b; 26c; 26d) umfaßt.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkungseinrichtung im wesentlichen ein Querschnitt einer Kugel (26a) ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkungseinrichtung (26a) im wesentlichen flach ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Strahler (26) einen Lichtleiter (24) umfaßt, der so ge­ formt ist, daß er elektromagnetische Strahlung von einem Ende unter einem Raumwinkel von nahezu 180° aussenden kann.

7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Strahler eine konkave Linse (26c) mit einer negative Brennweite umfaßt, die elektromagnetische Strahlung unter einem Raumwinkel von nahezu 180° aussenden kann.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Strahler einen gekrümmten, konvexen Spiegel (26d) umfaßt, der reflektierte elektromagnetische Strahlung unter einem Raumwinkel von nahezu 180° aussenden kann.

9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung sichtbares Licht umfaßt.

10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung infrarotes Licht umfaßt.

11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung ultraviolettes Licht umfaßt.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Mehrzahl Strahler vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein elektromagnetischer Strahlungsgenerator mit jedem Strahler verbunden ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahler mit unterschiedlicher Wellenlängen strahlen.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens ein Strahler von einem Gegenstand in dem dreidi­ mensionalen Raum angeordnet ist und der elektromagnetische Strahlungsge­ nerator nahe dem Strahler angeordnet ist.

16. Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens ein Strahler an einem Gegenstand (18) in dem dreidimensionalen Raum angeordnet ist, der elektromagnetische Strahlungsge­ nerator mit Abstand von dem Strahler angeordnet ist und wenigstens ein elek­ tromagnetischer Strahlungsleiter (24) in Arbeitsbeziehung zwischen dem Gene­ rator und dem Strahler angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Strahlungsgenerator in oder an dem Gegenstand ausreichend nahe dem Strahler angeordnet ist, um eine Strahlungsleiter dazwi­ schen auszuschließen.

18. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Strahlungsgenerator elektrisch betrieben wird und der Strahler und der Gegenstand im wesentlichen elektrisch neutral sind.

19. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Strahlungsgenerator elektrisch betrieben wird und der Strahler und der Gegenstand im wesentlichen magnetisch neutral sind.

20. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Strahler nicht mit einer Stromquelle verbunden ist.

21. Verfahren zur genauen Bestimmung des Orts eines Punktes im dreidimensiona­ len Raum, gekennzeichnet durch
elektrisches Erzeugen elektromagnetischer Strahlung,
Übertragen der elektromagnetischen Strahlung nichtelektrisch zu einem Strah­ ler, der ein Strahlungsablenkungs- bzw. -streuelement umfaßt, das so konstru­ iert ist, daß elektromagnetische Strahlung von ihm in einer konischen Anord­ nung über einen Raumwinkel ausgesandt wird, der sich zumindest 180° nähert,
nichtelektrisches Aussenden der elektromagnetischen Strahlung von dem Ab­ lenkungselement in einem im wesentlichen konischen Muster über einen Öff­ nungswinkel, der sich zu mindestens ungefähr 180° annähert, und
wodurch bewirkt wird, daß sich der Schwerpunkt der ausgesandten, elektroma­ gnetischen Strahlung wenigstens nahe einer Strahlungspunktquelle nähert, die im wesentlichen invariant in bezug auf den Strahler der Strahlung unabhängig von dem Winkel ist, unter dem die ausgesandte Strahlung betrachtet wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagneti­ sche Strahlung mit Abstand von dem Strahler erzeugt wird, die erzeugte elek­ tromagnetische Strahlung nichtelektrisch durch wenigstens eine optische Faser von dem elektromagnetischen Generator zu dem Strahler übertragen wird und der Strahler elektrisch und mechanisch im wesentlichen neutral aufrechterhal­ ten wird.

23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Strahler an einem dreidimensionalen Gegenstand angebracht wird, ein elektromagnetischer Generator in Arbeitsverbindung mit einem Strahlungsleiter in Arbeitsbeziehung mit jedem der Strahler und von dem Gegenstand entfernt angeordnet wird, und der Gegenstand elektrisch und magnetisch im wesentli­ chen neutral in bezug auf den elektromagnetischen Generator aufrechterhalten wird.

24. Verfahren zur Bestimmung der Position und Ausrichtung wenigstens eines dreidimensionalen Gegenstands in einem dreidimensionalen Raum, der durch ein Koordinatensystem definiert ist, gekennzeichnet durch
Anordnen einer Mehrzahl elektromagnetischer Strahler in bekannter räumlich beabstandeter Beziehung zueinander an einer Oberfläche des Gegenstands, die ein Ablenkungselement umfassen, das so konstruiert ist, daß elektromagne­ tische Strahlung in einem im wesentlichen konischen Muster über einen Raumwinkel strahlt, der sich wenigstens ungefähr 180° nähert,
Bereitstellen wenigstens eines elektromagnetischen Strahlungsgenerators, der von dem Gegenstand beabstandet ist,
Bereitstellen eines nichtelektrischen Strahlungsleiters, der betriebsmäßig mit je­ dem Strahler und mit dem wenigstens einen Generator verbunden ist,
Erzeugen elektromagnetischer Strahlung von jedem der Generatoren,
nichtelektrisches Übertragen der genannten Strahlung durch die genannten Strahlungsleiter zu den Strahlern,
nichtelektrisches Abstrahlen eines im wesentlichen konischen Strahlungsmu­ sters von wenigstens einem der Ablenkungselemente,
Empfangen der ausgesandten Strahlung durch eine Mehrzahl elektromagneti­ scher Strahlungsempfänger,
Bestimmen des Orts eines jeden Strahlers als Funktion der Winkel zwischen der empfangenen Strahlung und entsprechenden Bezugslinien, und
Umwandeln der bestimmten Orte der Strahler in eine Position und Ausrichtung des Gegenstands in dem dreidimensionalen Raum.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkung­ selement (26a; 26b; 26c; 26d) einen Streuer umfaßt.

26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkung­ selement im wesentlichen ein Querschnitt einer Kugel (26a) ist.

27. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkung­ selement wenigstens einen Lichtleiter-Bildleiter umfaßt, der so geformt ist, daß er elektromagnetische Strahlung unter einem Raumwinkel von wenigstens 180° aussenden kann.

28. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Streu- bzw. Ablenkelement eine flache Platte ist.

29. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Streu- bzw. Ablenkeinrichtung eine konkave Linse mit negativer Brennweite ist.

30. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Streu- bzw. Ablenkelement einen konvexen Spiegel umfaßt.