JP3667352B2 - 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
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Description
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用される、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へ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憶することができる。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・パッケージへ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、複数の電荷結合素子(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−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12a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12b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つに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25R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、zS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zS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27L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zS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40I(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24R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23R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からの放出エ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装置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30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14a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、能動的または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zS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40Iは、それが入射指向性エネルギー・ビーム40I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14aに作用する入射指向性エネルギー・ビーム40I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22R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40I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40I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14a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、CCD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に赤外線エ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27R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27L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憶されることがある。
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22L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22L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(6D)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2D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20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10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。
Claims (10)
- 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、第1の空間的位置を有す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、第2の空間的位置を有す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、
第1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、且つ第2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、前記能動的ならびに受動的ターゲットの前記第1及び第2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。 - 前記プロセッサが、複数の前記第1のセンサ・サイクルと複数の前記第2のセンサ・サイクルとを散在させるようにする請求項1に記載のシステム。
- 前記プロセッサが、前記第1および第2のセンサ・サイクルを同時に発生させるのに適応される請求項1に記載のシステム。
- 前記プロセッサが、複数の前記第1のセンサ・サイクルと複数の前記第2のセンサ・サイクルとを散在させ、あるいは複数の前記第1および第2のセンサ・サイクルを同時に発生させるようにした請求項1に記載のシステム。
- 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、
物体に第1の空間的位置を有する能動的ターゲットを固着させるステップと、
物体に第2の空間的位置を有する受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、
第1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、且つ第2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能動的ならびに受動的ターゲットの前記第1及び第2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、
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。 - 前記プロセッサが、複数の前記第1のセンサ・サイクルと複数の前記第2のセンサ・サイクルとを散在させるようにする請求項5に記載の方法。
- 前記プロセッサが、前記第1および第2のセンサ・サイクルを同時に発生させるのに適応される請求項5に記載の方法。
- 前記プロセッサが、複数の前記第1のセンサ・サイクルと複数の前記第2のセンサ・サイクルとを散在させ、あるいは複数の前記第1および第2のセンサ・サイクルを同時に発生させるようにする請求項5に記載の方法。
- 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、
第1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、且つ第2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、
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。 - 物体の空間的位置を算出するための方法であって、
前記物体に第1の空間的位置を有する能動的ターゲットならびに第2の空間的位置を有する受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、
第1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、且つ第2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能動的ならびに受動的ターゲットの前記第1及び第2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、
から成る、物体の空間的位置を算出するための方法。
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