JP2001506762A - ターゲットの空間的位置を算出するためのシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 能動的信号に応答してエネルギーを放出するのに適応される能動的ターゲットと、能動的エネルギー源から受動的ターゲットに突き当てるエネルギーを反射するのに適応されるそのような受動的ターゲットとを有するターゲットの空間的位置を算出するためのシステム。共通の検出器が、能動的ターゲットによって放出されるエネルギーならびに受動的ターゲットによって反射されるエネルギーの両方を検出するために供給される。共通のプロセッサが、共通の検出器によって検出されるエネルギーに反応して受動的ならびに能動的ターゲットの両方の空間的位置を算出するために供給される。１つのセンサ・サイクルの間に、能動的ターゲットの空間的位置が算出され、また、１つのセンサ・サイクルの間に、受動的ターゲットの空間的位置が算出される。センサ・サイクルは散在化させられているか、あるいは単一のセンサ・サイクルの間に、能動的ターゲットならびに受動的ターゲットの同時算出を可能にする同一のサイクルであることがある。このシステムでは、能動的ターゲットを固着させた硬質な物体および／または受動的ターゲットを固着させた他の硬質な物体の両方、および／または能動的および受動的ターゲットの両方を固着させた物体の空間的位置ならびに角度方向を算出することも可能である。

Description

【発明の詳細な説明】 ターゲットの空間的位置を算出するためのシステム 発明の背景 本発明は、一般的にはターゲットの空間的位置を算出するためのシステムに関 する。詳細には、能動的および受動的ターゲットの両方の空間的位置を算出する のに適応される、そうしたタイプのシステムに関する。さらに詳細には、本発明 は、能動的ターゲットを取り付けられた１つの物体の、および受動的ターゲット を取り付けられたもう１つのその物体の、空間的位置および角度方向を算出する のに適応されるシステムである。 当業者には公知のものであるが、物体の空間的位置および角度方向を算出する ためのシステムが有用である。こうしたシステムの第１のシステムには、物体に 固着させるポイントマーカーあるいはターゲットとしての受動的後方反射体が含 まれており、また、第２のシステムには、固着ポイントマーカーあるいはターゲ ットとしての能動的照射エミッタが含まれている。両方の技術とも間隔を置いて 配置されているセンサ上の高度な対比ターゲットの画像を映写することによって 、またポイントターゲットのそれぞれの三次元の座標を算出するための数学的処 理を使用することによって動作している。それらの三次元座標（即ち、３Ｄ）は 、分離したポイントとして使用される、あるいは、もしそれらの幾何学的配置が 公知のものであれば、１組のセットとして考えることができるであろうし、その 結果、空間の中で事前に選択されたポイント、典型的にはセンサに対応して固定 されたポイントを中心とする三次元座標系に関する空間における、物体の位置お よび角度の方向（即ち、自由度が６Ｄ：ｘ，ｙ，ｚの位置およびピッチ、偏揺お よび横転角度方向）を算出することになる。 能動的および受動的ターゲットの両方とも、高度な対比ターゲットの画像を、 間隔を置いて配置されているセンサ上に映し出し、数学的処理を使用して、空間 における事前選択ポイントである原点に、典型的には各センサに照らし合わせて 決められたポイントに、つまりは三次元座標系に照らし合せてそのターゲットの それぞれの空間的位置を算出する。ターゲットの空間的位置は数多くの適応にお いて使用することができる。例えば、いくつかの個別のターゲットはヒト被写体 上の興味のあるポイントヘ固着させることができる。それから、ヒト被写体は一 連の運動を行うことができ、その間にシステムはヒト被写体に固着させた様々な ターゲットのそれぞれについて空間的位置データを算出する。データはグラフィ ック的に表示され、および／または収集され、また数多くの適用例で使用するた めに記憧することができる。そのデータに関する利用法の１つには、医学的評価 、あるいは被写体の動作についての診断を行っている医療関係者に情報を提供す ることが挙げられる。その収集されたデータのもう１つの利用法は、その収集さ れたデータを、ヒト被写体によって作り出される動作に匹敵するようなコンピュ ータ・アニメ・キャラクタの動作を作り出すためのコンピュータ・ソフトウェア ・パッケージヘ転送することである。もう１つの例では、２つあるいはそれ以上 のターゲットを、既知の幾何学的な配置で１つの物体にしっかりと固着する場合 もある。それから、そのシステムでは、しっかりと固着されたターゲットを１セ ットとして考え、結果的にはその物体の空間的位置の算出を行うことになる。即 ち、２つのターゲットが使用されている場合には、物体のベクトル角度、あるい は３つないしはそれ以上のターゲットが使用されている場合には、物体について の角度方向の収集が行われる。物体の空間的位置及びベクトル角度か角度方向の いずれかを算出するには、いくつかの利用法がある。例えば、ポインティング装 置はその物体から離して作ることも可能で、それにより、そのポインティング装 置の末端チップはそのターゲットに関して既知の位置にあることになる。こうし たポインティング装置は、リバース・エンジニアリングのアプリケーションにお けるように、デジタル化ポインタとして手で持って使用することができる。オペ レータは、製造された構成要素上で、このポインティング装置を様々な既知の場 所に移動させるわけで、その製造工程の精度は、ポインティング装置の末端チッ プの測定位置の分析から算出される。 ある放出型ターゲット（即ち、能動的ターゲット）システムでは、複数の電荷 結合素予（ＣＣＤ）センサがターゲットによって放出されるエネルギーを検出す るために使用されている。単一ポイント・ターゲットは赤外線エネルギーを放出 するセンサ・サイクル毎にエネルギーを付与される。各センサ・サイクル間に、 センサ上に焦点を当てて放出されたエネルギーが収集され（即ち、集積化されて ）、センサ処理回路に移される。ターゲットの三次元位置を算出するために、タ ーゲットは少なくとも３つのセンサ軸上で（即ち、最低３つの直交する平面をカ バーする）検出されなければならない。センサ上で作り出される高度な対比画像 、確定的で、自動的なターゲットの弁別を可能にするような、それぞれのターゲ ットの能動的活性化に対する制御、高速リニア・センサを使用する機能を含む放 出ターゲット使用システムには、数多くの利点がある。ただし、こうしたシステ ムは能動的ポイント・ターゲットのみによって動作するように設計されている。 ある逆反射型ターゲット（即ち、受動的ターゲット）システムでは、エネルギ ー源は、逆反射型ターゲットの全般的な方向に赤外線エネルギーを放出するよう にエネルギーを付与される。そして、複数のＣＣＤセンサはそのターゲットによ って反射されたエネルギーを検出するのに使用される。各センサ・サイクルの間 に、センサ上に焦点を当てられた反射エネルギーが収集され（即ち、集積化され ）、センサ処理回路に移される。ターゲットの三次元位置を算出するために、タ ーゲットは少なくとも３つのセンサ軸（即ち、３つの直交する平面を最低限カバ ーする）上で検出されなければならない。無線ターゲットの使用、安価な低速域 アレー・センサを使用する機能を含む逆反射型ターゲット・システムには数多く の利点がある。ただし、こうしたシステムは、受動的ポイント・ターゲットのみ によって動作するように設計されている。 患者に関して外科用器械の位置および姿勢が追跡されている画像ガイドの外科 手術手順におけるものなどといった、いくつかの適用例では、ある種の外科器械 では能動的ターゲットを外科器械に固着させ、また、他の外科器械では受動的タ ーゲットを外科器械に固着させる。このように、外科医が受動的ターゲットを有 する器械を必要とする手術中に１つの手順を実施している場合には、こうした、 そのセンサを伴う器械、プロセッサ、表示画面が外科医によって使用される。一 度その手順が実施され、外科医に受動的ターゲットを有する器械が必要になると 、そのセンサを伴う器械、プロセッサ、表示画面が外科医によって使用されるこ とになる。 発明の概要 本発明により、ターゲットの空間的位置を算出するためのシステムが提供され るが、このシステムは能動化信号に応答してエネルギーを放出するように適応を 受けている能動的ターゲットおよび能動化可能なエネルギー源からそうした受動 的ターゲット上に衝突するエネルギーを反射するように適応を受けている受動的 ターゲットを有する。共通のエネルギー検出器は、能動的ターゲットによって放 出されるエネルギーならびに受動的ターゲットによって反射されるエネルギーの 両方を検出するために供給される。共通のプロセッサは、共通の検出器によって 検出されるエネルギーに反応する受動的および能動的ターゲットの両方の空間的 位置を算出するために供給される。センサ・サイクルの間に、能動的ターゲット の空間的位置が算出され、センサ・サイクルの間に、受動的ターゲットの位置が 算出される。センサ・サイクルは散在化している場合があり、またはセンサ・サ イクルは単一センサ・サイクルの間は能動的ターゲットおよび受動的ターゲット の両方の同時検出を可能にするように同一になっている場合がある。 本発明のもう１つの特徴により、能動的ターゲットを固着させた硬質な物体、 および／または受動的ターゲットを固着させた硬質な物体、および／または受動 的ターゲットおよび能動的ターゲットの両方を固着させた硬質な物体の空間的位 置および角度方向を算出するために供給される。能動的および受動的ターゲット がそれらのそれぞれの公知の硬質な物体に固着され、互いに固定される関係にな り、物体上の幾何図形的な配列関係に固着される。共通のエネルギー検出器は、 １つの物体に固着されている能動的ターゲットによって放出されているエネルギ ー、他の物体に固着している受動的ターゲットによって反射されるエネルギー、 あるいは能動的ターゲットから放出されるエネルギーおよび同じ硬質の物体に固 着している受動的ターゲットによって反射されるエネルギーの両方を検出するた めに供給される。共通のプロセッサは、共通の検出器によって検出されるエネル ギーに反応して物体の空間的位置を算出するために供給される。センサ・サイク ルの間に、能動的ターゲットの空間的位置は算出され、センサ・サイクルの間に 、受動的ターゲットの位置は算出される。センサ・サイクルは散在化している場 合があり、またはセンサ・サイクルは単一センサ・サイクルの間は能動的ターゲ ッ トおよび受動的ターゲットの両方の同時検出が可能となるように同一になってい る場合もある。 本発明のもう１つの特徴により、表示装置が能動的ターゲットおよび受動的タ ーゲットを有する物体の算出された空間的方向ならびに位置を描写するために供 給される。 こうした配置により、能動的および受動的ターゲットの両方に対する共通の検 出器を使用すれば、共通のプロセッサが物体に固着させた能動的および受動的タ ーゲットの両方の空間的な方向を算出する際に同じ処理工程を使用することが可 能になる。さらに、外科手術的な環境の中では、外科医は能動的および受動的タ ーゲットにより器械を操作して手術するように適応されるシステムを有しており 、それによって、能動的ターゲットを固着させた器械、および／または受動的タ ーゲットを固着させた他の器械、および／または物体に固着させた能動的および 受動的ターゲットの両方を有するその他の物体を、共通の表示装置画面上で見る ことができる。 図面の簡単な説明 本発明の他の特徴は、以下の図と一緒に行う以下の説明を参考にすることでさ らに容易に明らかなものとなるであろう。 図１は、本発明により一対の硬質な物体の空間的位置および方向を算出するた めのシステムのブロック図である。 図２および図３は、図１のシステムの図式的概略図である。 図４は、図１〜図３のシステムの中で使用されている典型的な受動的ターゲッ トの逆反射型の特徴を理解する際に有用な図である。 図５Ａ〜図５Ｄは、図１〜図３のシステムの様々な操作パターンを示すタイミ ング図であり、図５Ａは能動のみのモードを示し、図５Ｂは受動のみのモードを 示している。図５Ｃは散在する能動一受動モードを示し、図５Ｄは同一の能動− 受動モードを示している。 図６は、図１のシステムで使用されている表示装置画面の概略図であり、この 表示装置画面には一対の物体が示されており、つまり能動的ターゲットを固着さ せた物体により算出された物体の空間的な方向ならびに位置、それに受動的ター ゲットを固着させた物体により算出された他の物体の空間的な方向ならびに位置 が示されている。 図７は、図１のシステムによって検出可能な、そうした能動的および受動的タ ーゲットの両方を固着させた物体を示している。 好適な実施例 図１を参照すると、システム１０は、一対の硬質な物体１２ａおよび１２ｂの いずれかあるいは両方の空間的位置および方向を算出するためのシステムが提供 されている。ここでは、硬質な物体１２ａおよび１２ｂは異なった外科器械であ る。ここでは、硬質な物体１２ａは、複数の、ここでは４つの、この硬質な物体 に固着させた受動的、逆反射ポイント・ターゲット１４ａを有している。ここで は、エネルギー逆反射型ターゲット１４ａのそれぞれには、物体１２ａに球形で 固着可能な一般的に入手可能で当業者には周知であるような逆反射材料で覆われ ている。これまた当業者には公知であるが、エネルギー逆反射ターゲットの他の 型のものでは、物体１２ａに固着可能な平板ディスクなどが入手可能であるが、 一般的に入手可能であるような逆反射材料で覆われている。ターゲット１４ａは 、公知の物体１２ａに固着しており、互いに固定されている関係であり、物体１ ２ａ上の幾何学的配置に固定されている。 ここでは、硬質な物体１２ｂは、この硬質な物体に固着される、複数の能動的 ポイント・ターゲット１４ｂを有している。ターゲット１４ｂは、公知の物体１ ２ｂに固着されており、互いに固定されている関係であり、物体１２ｂ上の幾何 学的配置に固定されている。能動的ターゲット１４ｂは、図に示されているよう に、ケーブル１６を経由してコントローラ１８へ供給されている。ここでは、エ ネルギー放出ターゲット１４ｂには、コントローラ１８によりケーブル１６を経 由してエネルギー放出ターゲットに供給される電気的エネルギーでエネルギーを 付与される、赤外線エネルギー放出ダイオードが含まれており、それが赤外線エ ネルギーを放出する。こうした赤外線エネルギー放出ダイオードは一般的に入手 が可能で、当業者には公知のものである。 図２も参照すると、共通のエネルギー検出システム２０は、物体１２ｂに固着 させた能動的ターゲット１４ｂによって放出されるエネルギーならびに他の物体 １２ａに固着させた受動的ターゲット１４ａによって反射されるエネルギーの両 方を検出するために供給されている。共通の検出器システム２０には、間隔を置 いて配置されている一対のセンサ・アセンブリ２１Ｌおよび２１Ｒが含まれてい る。センサ・アセンブリ２１Ｌおよび２１Ｒのそれぞれには以下のものが含まれ ている：ここでは、２つの２次元の、電荷結合素子（ＣＣＤ）センサ２２Ｌなら びに２２Ｒ（図１ならびに図３）の各々；環状取付けリング２５Ｌならびに２５ Ｒの各々；図に示されているように、環状取付けリング２５Ｌならびに２５Ｒ内 の中央に取り付けられた焦点レンズ２３Ｌならびに２３Ｒの各々；図に示されて いるように、環状取付けリング２５Ｌならびに２５Ｒのそれぞれに取り付けられ た複数の発光ダイオード２７Ｌならびに２７Ｒである。 センサ・アセンブリ２１Ｒおよび２１Ｌのそれぞれが、関連する方向の赤外線 エネルギー源、即ち発光ダイオード２７Ｌおよび２７Ｒのそれぞれと整列してい る独自のｕ、ｖ、ｚ_s座標システムを有している。ダイオード２７Ｌ，２７Ｒは 、各センサ・アセンブリ２１Ｒおよび２１Ｌのｚ_s軸の周囲に円周状に均等に分 布している。複数の赤外線放出ダイオード２７Ｌおよび２７Ｒは、プロセッサ部 １９によって電気的エネルギーをエネルギー付与されている。プロセッサ部１９ には、プロセッサ２６、ホストコンピュータ３０、表示装置３２、コントローラ １８が含まれている。プロセッサ２６は、ライン２９上の信号を経由してダイオ ード２７Ｌおよび２７Ｒにエネルギー付与し、複数の赤外線放出ダイオード２７ Ｌおよび２７Ｒにエネルギーを付与して、方向性をもった赤外線エネルギー源に 関連するセンサ・アセンブリ２２Ｌおよび２２Ｒのそれぞれにｚ_s軸に一般的に 対応する方向をもった軸に沿って目的の伝播の方向をもって赤外線エネルギーの 入射方向エネルギー・ビーム４０１（図４）を作り出すように動作する。方向性 をもった赤外線エネルギー源によって作り出された入射指向性エネルギー・ビー ムは、その関連するセンサ２２Ｌおよび２２Ｒの見取り図の容積領域に対応する 寸法、形、強度を持っており、計測容積２８（図１）中に入射指向性エネルギー ・ビームを供給するのには十分である。 センサ・アセンブリ２１Ｌおよび２１Ｒは、各々、ライン２４Ｌならびに２４ Ｒ上の出力信号をそれぞれ発生することができ、そこに焦点を当てるエネルギー の強度を表わしている。各センサ・サイクルの間、そこに焦点を当てるエネルギ ーが収集され（即ち、集積化され）、それからプロセッサ２６に移される。ここ で、センサ・アセンブリ２１Ｌおよび２１Ｒを固定された標準器に取り付け、所 定の距離Ｄ（図２）、ここでは５００ｍｍの距離、互いに分離させられる。ここ で、センサ・アセンブリ２１Ｌならびに２１Ｒはそれぞれ、レンズ２３Ｌと２３ Ｒの間の中間にある原点からおおよそ１．９ｍの距離があり、ｚ軸に沿ってそこ を中心とするおおよそ１ｍ³の共通の測定容積２８を観察するには十分な視野を 有している。 上述のように、各センサ・アセンブリ２１Ｒならびに２１Ｌは、センサ・アセ ンブリ２１Ｒならびに２１Ｌのそれぞれに関連するレンズ２３Ｌおよび２３Ｒ上 にそれぞれターゲット１４ｂおよび１４ａからの放出あるいは反射エネルギーの 焦点エネルギー画像を作り出すために、エネルギー逆反射型ターゲット１４ａか らの反射エネルギーおよびエネルギー放出ターゲット１４ｂからの放出工ネルギ ーの両方に焦点を合わせるための関連するレンズ２３Ｌならびに２３Ｒをそれぞ れ独自に有している。 プロセッサ２６は、センサ２２Ｒならびに２２Ｌに結合され、センサ２２Ｒな らびに２２Ｌのそれぞれの上に焦点エネルギー画像の２次元のｕ，ｖ位置を算出 する。それから、センサ２２Ｒならびに２２Ｌのそれぞれの上にある同じような ターゲットである１４ａ、１４ｂの焦点エネルギー画像の２次元のｕ，ｖ位置を 使用して、共通の座標系に関連してターゲット１４ａおよび１４ｂの空間的位置 を算出するために、計算には共通の固定ｘ，ｙ，ｚ座標系の原点に照らし合わせ て、既知の空間的位置のデータセットに対して焦点エネルギー画像のｕ、ｖ位置 の比較をする数学的計算を行うことが含まれているが、これは当業者には公知の 数学的計算である。プロセッサ２６は、ターゲット１４ａおよび１４ｂの空間的 位置を表示画面３２上に表示することができる、あるいはホストコンピュータ３ ０によって更に処理することができるようにするため、ホストコンピュータ３０ と結合させられる。上述のように、プロセッサ２６は、プロセッサ部１９が方向 性をもった赤外線エネルギー源２７Ｒならびに２７Ｌをエネルギー反射型ターゲ ット検出モードの間の適当な時に活性化することができるようにするため、方向 性をもった赤外線エネルギー源２７Ｌおよび２７Ｒに結合させられる。プロセッ サ２６はまた、プロセッサ２６が、エネルギー放出ターゲット検出モードの間に 要求される方法でエネルギー放出ターゲット１４ｂを活性化するのにコントロー ラ１８に信号を送ることができるようにするため、コントローラ１８と結合され られる。このように、システム１０には、２つの操作モードがある：能動的モー ド（即ち、ターゲット１４ｂ放出モード）；受動的モード（即ち、ターゲット１ ４ａ反射モード）、である。こうしたモードは、図５Ａ〜図５Ｄと関連づけて詳 細を説明される方法において動作されることがある。しかし、ここで述べること は以下のことで十分である。即ち、プロセッサ部１９は両方のモード用の共通の プロセッサであり、センサ・サイクルのシーケンスの間は、共通の検出器（即ち 、センサ２２Ｒおよび２２Ｌ）によって検出されたエネルギーに反応して受動的 ならびに能動的ターゲットの両方の空間的位置を算出するために適応される、と いうことである。センサ・サイクルの第１部分の間は、能動的ターゲットの空間 的位置が算出され、またサイクルの第２部分の間は受動的ターゲットの位置が算 出される。第１部分におけるセンサ・サイクルは第２部分におけるセンサ・サイ クルにより散在させられることがあり、あるいは第１および第２部分におけるサ イクルはオーバーラップして単一のセンサ・サイクルの間は能動的ターゲットな らびに受動的ターゲットの両方を同時に算出することができる。能動的ターゲッ トあるいは受動的ターゲットのいずれかの位置は、単一のセンサ・サイクルにお いて算出されることがあることは留意する必要がある。このように、能動的ター ゲット（単数）あるいはターゲット（複数）用のセンサ・サイクルの処理は、例 えば、受動的ターゲット（単数）あるいはターゲット（複数）用のセンサ・サイ クルの処理により散在させられることがある。さらに、複数の能動的ターゲット ・センサ・サイクルは、１つあるいはそれ以上の受動的ターゲット・センサ・サ イクルの処理に続いて起こることがある。それは、能動的また受動的サイクルが 散在させられているからであろう。さらに、センサ・サイクルは同一あることが あり、その場合には、単一のセンサ・サイクルの間では能動的ターゲットおよび 受 動的ターゲットの両方の同時検出が可能になる。 このように、コントローラ１８はエネルギー放出ターゲット１４ｂの活性化を 制御するために供給される。特に、１９９６年２月２０日に出願し、本発明と同 じ譲受人へ譲渡され、その全ての内容が参考としてここに組み込まれている「１ つの物体の空間的位置および角度方向を算出するためのシステム」と題されてい る、我々の同時係属出願番号Ｎｏ．０８／６０３，７９１の中に述べられている ような方法で、コントローラ１８は、１つあるいはそれ以上のエネルギー放出タ ーゲット１４ｂに結合され、プロセッサ２６から適当な信号（単数）あるいは信 号（複数）を受信する際に、プロセッサ２６によって特定されるシーケンスにお いて個別に、すべて同じ時に、あるいはプロセッサ２６により特定されるサブセ ットにおいて、のいずれかでエネルギー放出ターゲット１４ｂの１つあるいはそ れ以上を活性化させることができる。 システム１０は、ユーザによって選択されるものとしての複数の操作モードパ ターンの１つにおいて動作している。これらのパターンは、図５Ａ〜図５Ｄに関 して詳細に説明する。プロセッサ２６は、エネルギー反射型ターゲット・モード において動作するとき、プロセッサ２６は、方向性をもった赤外線エネルギー源 ２７Ｌおび２７Ｒのそれぞれを活性化する。こうした電気的エネルギーの引き渡 しに反応して、赤外線放出ダイオード２７Ｌおよび２７Ｒはエネルギーを放出す るが、ここでは、赤外線エネルギーは、センサ・アセンブリ２２Ｌおよび２２Ｒ のｚ_s軸に広く対応している方向軸に沿って狙っている伝搬の方向で入射指向性 エネルギー・ビームの中にエネルギーを混入させるものである。計測容積１５に 位置しているエネルギー逆反射型ターゲット１４ａは、入射指向性エネルギー・ ビームを後方に反射するように動作する。再び図２を参照すると、方向性をもっ た赤外線エネルギー源２７Ｌあるいは２７Ｒからの入射指向性エネルギー・ビー ム４０１は、それが入射指向性エネルギー・ビーム４０１には並行しているが、 伝搬の方向は反対である（それによる単純な反射に反対するように、当業者には 周知のことであるが、入射エネルギー光線と前記入射エネルギー光線が反射され る表面上のポイントに対する基準との間の角度が、反射エネルギー光線と反射の ポイントに対する前記基準との間の角度と等しくなるようにエネルギーは反射さ れる）といった方法で入射エネルギー４０Ｒの大半が反射されるように、逆反射 型ターゲット１４ａによって反射される。本発明において使用されているような 逆反射型のものは当業者には周知のものである。方向性をもった赤外線エネルギ ー源２７Ｌによって放出され、例えば、また、エネルギー逆反射型ターゲット１ ４ａに作用する入射指向性エネルギー・ビーム４０１では、反射指向性エネルギ ー・ビーム４０Ｒはレンズ２３Ｌならびにセンサ２２Ｌにのみ伝搬の方向を有し 、また入射指向性エネルギー・ビーム４０Ｉでは、レンズ２３Ｒおよびセンサ２ ２Ｒに向って伝搬することはないという結果になるのであろう。同様に、方向性 をもった赤外線エネルギー源２７Ｌによって放出され、また、エネルギー逆反射 型ターゲット１４ａに作用する入射指向性エネルギー・ビーム４０１では、反射 指向性エネルギー・ビーム４０Ｒはレンズ２３Ｒセンサ２２Ｒにのみ伝搬の方向 を有し、また入射指向性エネルギービーム４０１では、レンズ２３Ｌおよびセン サ２２Ｌに向って伝搬することはないという結果になるのであろう。そのため、 反射指向性エネルギー・ビーム４０Ｒはそれが発する方向に伝搬していく。この ように、方向性をもった赤外線エネルギー源２７Ｒによって最初に作り出される エネルギーの場合は、反射指向性エネルギー・ビーム４０Ｒがレンズ２３Ｒによ って収束され、またレンズ２３Ｒによって焦点を合わられて、センサ２２Ｒ上に 焦点を結ぶことになるであろう。 受動的ターゲット操作モードにおいては、方向性をもった赤外線エネルギー源 ２７Ｌおよび２７Ｒはプロセッサ２６によって活性化される。逆反射型ターゲッ ト１４ａが方向性をもった赤外線エネルギー源の方向性ビームの内にあって（そ れにより前記方向性をもったエネルギー源によって照明を受ける）、またＣＣＤ センサ２２Ｌおよび２２Ｒの視野の内にあるといったように、空間の中に位置し ているときには、方向性をもった赤外線エネルギーは、逆反射型ターゲット１４ ａによって後方に反射され、ＣＣＤセンサ２２Ｌおよび２２Ｒ上にそれぞれエネ ルギー画像を結ぶレンズ２３Ｌおよび２３Ｒを通じて戻される。このように、Ｃ ＣＤセンサ２２Ｌおよび２２Ｒの視野に位置している受動的ターゲット１４ａに よって後方に反射される赤外線エネルギーは、ＣＣＤセンサ２２Ｌおよび２２Ｒ 上にそれぞれエネルギー画像を結ぶレンズ２３Ｌおよび２３Ｒによってそれぞれ 収束される。 能動的ターゲット・モードの間、赤外線放出ターゲット１４ｂは、放出ターゲ ットのコントローラ１８によって活性化され、放出ターゲット１４ｂに赤外線工 ネルギーを放出させる。ＣＣＤセンサ２２Ｌおよび２２Ｒの視野の中に位置する 放出ターゲット１４ｂによって放出される赤外線エネルギーはそれぞれ、ＣＣＤ センサ２２Ｌおよび２２Ｒ上にそれぞれエネルギー画像を結ぶレンズ２３Ｌおよ び２３Ｒを通じて収束される。 能動的ターゲット・モードあるいは受動的ターゲット・モードのいずれかの間 、エネルギー画像は、センサ２２Ｌおよび２２Ｒの各サイクルの間に、２次元の ＣＣＤセンサ２２Ｌおよび２２Ｒの中からプロセッサ２６に移される。プロセッ サ２６は、エネルギー焦点画像の位置を算出するようにプログラムされる。この ように、プロセッサ２６は、各物体１２ａおよび１２ｂの空間的位置を算出する ために、能動的ターゲット・モードおよび受動的ターゲット・モードの両方に対 して同じ処理過程を用いる。 図５Ａ〜図５Ｄを参照すると、様々な操作パターンが示されている。１つのパ ターン（即ち、能動のみのパターン）は図５Ａで示されている。ここでは、ター ゲット１４ｂのみがセンサ・サイクルの各シーケンスの間、ライン１６上のパル スを経由して活性化される。もう１つのパターン（即ち、受動のみのパターン） を図５Ｂに示す。ここでは、方向性をもった赤外線エネルギー源２７Ｌおよび２ ７Ｒのみがセンサ・サイクルの各シーケンスの間、ライン２９上のパルスを経由 して活性化される。さらにもう１つのパターン（即ち、散在化しているパターン ）を図５Ｃに示す。ここでは、方向性をもった赤外線エネルギー源２７Ｌおよび ２７Ｒの活性化、ライン２９上のパルスによるターゲット１４ｂの活性化がライ ン１６上のパルスにより散在化される。このように、ここでは、共通のプロセッ サは、散在化した能動的−受動的センサ・サイクルのシーケンスの間、共通の検 出器によって検出されるエネルギーに反応して受動的および能動的ターゲットの 両方の空間的位置を算出する。その上更に、もう１つのパターン（即ち、同期同 形パターン）を図５Ｄに示す。ここでは、方向性をもった赤外線エネルギー源２ ７Ｌおよび２７Ｒの活性化およびライン２９上のパルスによるターゲット１４ｂ の活性化が、センサ・サイクルの各シーケンスの間に、ライン１６上のパルスに よるターゲット１４ｂの活性化によって同時に行われる。このように、ここでは 、共通のプロセッサが、同時的能動的−受動的センサ・サイクルの各シーケンス の間に、共通の検出器により検出されるエネルギーに反応して受動的および能動 的ターゲットの両方の空間的位置を算出する。 このように、図５Ｃおよび図５Ｄから、センサ・サイクルの第１部分の間に、 能動的ターゲットの空間的位置は算出され、また、サイクルの第２部分の間に、 受動的ターゲットの位置が算出されることは留意しておく必要がある。第１部分 におけるセンサ・サイクルは、図５Ｃにあるように、第２部分におけるセンサ・ サイクルによって散在化されることがある。あるいは第１および第２部分におけ るセンサ・サイクルはオーバーラップして図５Ｄにあるように、単一センサ・サ イクルの各シーケンスの間に、能動的ターゲットおよび受動的ターゲットの両方 の同時的算出を可能にすることがある。 前述のことから、能動的および受動的ターゲットの両方に対して共通の検出器 を使用することで、共通のプロセッサが物体に固着させた能動的および受動的タ ーゲットの両方の空間的な方向を算出する同じ処理工程を使用することが可能に なることにも留意しておく必要がある。 ターゲット１４ａおよびターゲット１４ｂのそれぞれの位置は、ホストコンピ ュータ３０とプロセッサ２６によって連結されている。コンピュータ３０は、図 ６に示されているように、物体１２ａおよび物体１２ｂの両方の同時表示を可能 にするようにプログラムすることができる。代替的には、コンピュータからの情 報は、後になってからの表示、および／またはさらなる処理のために記憧される ことがある。 このように、システム１０には次のようなものが含まれる：単一あるいは複数 の活性化可能な放出ポイント・ターゲット１４ｂであって、好適には物体１２ｂ に固着可能な赤外線放出ターゲット・ポイント；および／または単一あるいは複 数の逆反射型ポイント・ターゲットであって、好適には物体１２ａに固着可能な 高度な反射力のある逆反射型ポイント・ターゲット；センサ部２０であって、好 適には放出ポイント・ターゲット１４ｂあるいは逆反射型ポイント・ターゲット １４ａのいずれかか、または両方からセンサおよびセンサに関連するものによっ て収集されたエネルギーの位置に関する情報を示す信号を供給するための一対の 赤外線感知２次元アレイ、即ち、ＣＣＤセンサ；センサ部２０によって作り出さ れる信号に応答するプロセッサ部１９（これには、プロセッサ２６、好適にはマ イクロ・プロセッサ、コントローラ１８、ホストコンピュータ３０）、が含まれ る。プロセッサ部１９は能動的ポイント・ターゲット１４ｂおよび／または受動 的ポイント・ターゲット１４ａの位置を算出するために、また、ポイント・ター ゲット１４ａおよび１４ｂの空間的位置を算出するために、また、任意には物体 １２ａおよび／または１２ｂの空間的位置ならびに方向を算出するためにプログ ラムされる。システム１０には、エネルギー源が１つ、即ち、好適にはセンサ２ ２Ｌおよび２２Ｒのそれぞれをアセンブリ２１Ｌおよび２１Ｒとして取り囲むこ とによりセンサ２２Ｌならびに２２Ｒに照らし合わせて固定される、複数の方向 性をもった赤外線エミッタが含まれるが、そこではエミッタの方向性ビームがセ ンサ２２Ｌおよび２２Ｒの視野を照明しており、２次元アレイＣＣＤセンサ２２ Ｌおよび２２Ｒのエリア重心を通って直角に突き出している軸に対応する１つの 軸に沿いに前記方向性ビームを指図することにより赤外線エネルギーを使ってセ ンサ２２Ｌおよびセンサ２２Ｒを取り囲む。エミッタ２７Ｌおよび２７Ｒについ ては、前述のプロセッサ部１９によって指図通りに活性化を行う制御が可能であ る。コントローラ１８は、プロセッサ部１９により指図通りに活性化される複数 の放出ポイント・ターゲット１４ｂのシーケンス制御および活性化のために供給 される。 図７を参照すると、物体１２ｃはプロセッサ部１９による検出および処理に適 応される能動的および受動的ターゲットを組合せて示されている。受動的および 能動的ターゲットならびに物体の様々な組合せが用いられることがあり、それに は単一の受動的および／または能動的ターゲットが含まれることに留意しておく ことが必要である。 他の実施例は、添付の請求項の精神ならびに請求範囲の内にある。例えば、ポ イント・ターゲット１４ａおよび１４ｂの少なくとも３つの位置を算出すること が６Ｄ位置および角度方向の算出に関して要求されるけれども、仮に自由度（６ Ｄ）が６未満の算出が所望されている場合には（即ち、それに関する位置、それ に沿ったベクトル、物体１２ａおよび１２ｂ）、各物体１２ａならびに１２ｂの それぞれの上にあるターゲット１４ａおよび１４ｂの２つのみの位置の算出が要 求される。さらに、上述のセンサ部２０に間隔を置いて配置されている一対の２ Ｄセンサ２２Ｌおよび２２Ｒが含まれている場合であっても、そうしたセンサ２ ０には他のセンサ配置が含まれていることがある。例えば、センサ部２０には単 一の２Ｄセンサ、一対のリニア・センサ、あるいは他の適当なセンサの配置が含 まれていることがある。例えば、個別のポイント・ターゲットが示されている場 合であっても、ここでは４つの逆反射型ポイント・ターゲット１４ａ、また４つ の放出ポイント・ターゲット１４ｂであるが、その位置、それに沿った角度、硬 質の物体は２つないしはそれ以上の逆反射型ターゲット１４ａ、あるいは２つな いしはそれ以上の能動的照射ターゲット１４ｂ、あるいは各逆反射型ターゲット １４ａおよび能動的照射ターゲット１４ｂの１つないしはそれ以上のいずれかの 組合せによって算出されることが可能であろう。さらに、硬質な物体１２ａおよ び１２ｂの位置ならびに方向［配向］を算出することがここでは示されているけ れども、仮に物体１２ａあるいは１２ｂの位置のみが所望されている場合には、 単一の逆反射型ターゲット１４ａあるいは単一の能動的照射ターゲット１４ｂに よって算出することができる。その上さらに、ここでは位置センサのシステム１ ０が一対の２次元画像センサ２２Ｌおよび２２Ｒを使用しているけれども、単一 の２次元画像センサ１１あるいは２つの１次元画像センサを使用し、前記ターゲ ットの相対的な位置および物体の位置についての当初の推定の知識を利用するこ とによって、３つあるいはそれ以上のターゲットをもつ物体の位置ならびに方向 を算出することができる数学的処理が有用である。また、ここでは位置センサの システム１０は一対の２次元画像センサ２２Ｌおよび２２Ｒを使用しているけれ ども、Ｎが２またはそれ以上である、Ｎ個の２次元画像センサ、あるいは、Ｍが ３またはそれ以上である、Ｍ個の１次元画像センサを使用する、１つのターゲッ トの位置を算出することができる数学的処理が有用である。ここでは、位置セン サシステム１０は、相対的位置および方向において固定されている、一対の２次 元画像センサ１１を使用しており、画像センサを束縛されていない状態にし、使 用する前に再び位置付けをすることが可能であり、２次元画像センサの相対的な 位置および方向を算出するポイント・ターゲットの位置を追跡する以前に、較正 シーケンスが用いられる。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 せた他の硬質な物体の両方、および／または能動的およ び受動的ターゲットの両方を固着させた物体の空間的位 置ならびに角度方向を算出することも可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ターゲットの空間的位置を算出するためのシステムであって、 能動的信号に応答してエネルギーを放出するのに適応される能動的ターゲット と、 受動的ターゲットに衝突するエネルギーを反射するのに適応される受動的ター ゲットと、 前記受動的ターゲットにエネルギーを衝突させるように配置された能動的エネ ルギー源と、 前記能動的ターゲットによって放出されたエネルギーならびに前記受動的ター ゲットにより反射されたエネルギーの両方を検出するための共通のエネルギー検 出器と、 １つのセンサ・サイクルの間に前記能動的ターゲットの空間的位置が算出され 、且つ１つのセンサ・サイクルの間に前記受動的ターゲットの空間的位置が算出 されるように、前記共通のエネルギー検出器によって検出されるエネルギーに反 応して、前記受動的ならびに能動的ターゲットの両方の空間的位置を算出するた めの共通のプロセッサと、 から成るターゲットの空間的位置を算出するためのシステム。 ２． 前記プロセッサが、前記の第２番目に述べられている複数のセンサ・サイ クルによって、前記の第１番目に述べられている複数のセンサ・サイクルを散在 化させるのに適応される請求項１に記載のシステム。 ３． 前記第１番目と前記第２番目に述べられているセンサ・サイクルが同一の センサ・サイクルである請求項１に記載のシステム。 ４． 前記プロセッサが、前記第２番目に述べられている複数のセンサ・サイク ルによって、前記第１番目に述べられている複数のセンサ・サイクルを散在化さ せるのに適応され、あるいは単一のセンサ・サイクルの間に同時に操作するのに 適応される請求項１に記載のシステム。 ５． ターゲットの空間的位置を算出するための方法であって、 物体に受動的ターゲットを固着させるステップと、 物体に能動的ターゲットを固着させるステップと、 前記能動的ターゲットによって放出されるエネルギーならびに前記受動的ター ゲットによって反射されるエネルギーの両方を共通のエネルギー検出器を用いて 検出するステップと、 １つのセンサ・サイクルの間に前記能動的ターゲットの空間的位置が算出され 、且つ１つのセンサ・サイクルの間に前記受動的ターゲットの空間的位置が算出 されるように、前記共通のエネルギー検出器によって検出されるエネルギーに反 応して前記受動的ならびに能動的ターゲットの両方の空間的位置を共通のプロセ ッサを用いて算出するステップと、 とから成るターゲットの空間的位置を算出するための方法。 ６． 前記プロセッサが、前記の第２番目に述べられている複数のセンサ・サイ クルによって、前記の第１番目に述べられている複数のセンサ・サイクルを散在 化させる請求項５に記載の方法。 ７． 前記第１番目ならびに第２番目に述べられているセンサ・サイクルが同一 のセンサ・サイクルである請求項５に記載の方法。 ８． 前記第１番目に述べられている複数のセンサ・サイクルが前記第２番目に 述べられているセンサ・サイクルによって散在化される、あるいは前記第１番目 および第２番目のセンサ・サイクルが同一である請求項５に記載の方法。 ９． 物体の空間的位置ならびに角度方向を算出するための方法であって、 前記物体のうちの１つに複数の受動的ターゲットを固着させるステップと、 前記物体のうちのもう１つに複数の能動的ターゲットを固着させるステップと 、 前記能動的ターゲットによって放出されるエネルギーならびに前記受動的ター ゲットによって反射されるエネルギーの両方を共通のエネルギー検出器を用いて 検出するステップと、 １つのセンサ・サイクルの間に前記能動的ターゲットの空間的位置が算出され 、且つ１つのセンサ・サイクルの間に前記受動的ターゲットの空間的位置が算出 されるように、前記共通のエネルギー検出器によって検出されるエネルギーに反 応して前記受動的ならびに能動的ターゲットの両方の空間的位置を共通のプロセ ッサを用いて算出するステップと、 とから成る物体の空間的位置ならびに角度方向を算出するための方法。 １０． 物体の空間的位置を算出するための方法であって、 前記物体に受動的ターゲットならびに能動的ターゲットを固着させるステップ と、 前記能動的ターゲットによって放出されるエネルギーならびに前記受動的ター ゲットによって反射されるエネルギーの両方を共通のエネルギー検出器を用いて 検出するステップと、 １つのセンサ・サイクルの間に前記能動的ターゲットの空間的位置が算出され 、且つ１つのセンサ・サイクルの間に前記受動的ターゲットの空間的位置が算出 されるように、前記共通のエネルギー検出器によって検出されるエネルギーに反 応して前記受動的ならびに能動的ターゲットの両方の空間的位置を共通のプロセ ッサを用いて算出するステップと、 とから成る物体の空間的位置を算出するための方法。