JPH06507473A - 位置固定 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 位置固定 この発明は、位置固定に係り、特に移動の位置追跡を用いることに関する。正確 な移動の評価は、種々の分野、例えば、治療された手足の移動範囲を解析する医 療の分野、競技技術を補正するスポーツ分野、或は、機械の振動をモニターする 工業分野等で用いられている。

現状の移動を追跡する装置は、解像度に限界がある傾向がある。即ち、装置に関 連したノイズが固定された位置の精度に限界を与えている。装置は、通常、光検 知面、例えば、電荷結合装置のアレーで構成される面上に対象物の画像を集光す るレンズを備えている。各電荷結合装置は、入射光線に反応して電荷を獲得する 光検出素子であり、素子同士の電荷の分布が画像の光分布に一致している。各素 子がサンプルされ、電荷分布に従ってスクリーン上に画像が再生される。

移動を追跡する際には、点の位置を連続的に固定することによって観察下の対象 物上の特定点をモニターすることが一般的である。この場合には、所定の周波数 で点をモニターして、移動の通路ばかりか、その部分の速度及びその速度を追跡 することができる。点は、通常、ＬＥＤのような光源、或は、照射光を反射する ことができる、プリズム或は、反射テープ等のマーカーが該当する。この点は、 叙述した方法により、例えば、スクリーン上に再現される。

点光源を利用した場合には、点光源の位置を解析する解像度は、点光源の像が制 限された素子数上にレンズで結像されることから制限されることとなる。従って 、総合的な解像度は、像が結像される各素子の個々の解像度によって制限され、 各素子の残る潜在的な解像度が用いられないままとなる。

この発明のよれば、少なくとも一方向において観察領域からの放射強度の空間変 化に感応する放射線感応手段と、前記放射線を減衰して前記方向において所定の 空間変化を生じさせる前記感応手段と前記観察領域との間に位置されたマスク手 段と、既に記憶した値で前記感応手段からの出力信号を補正する補正手段と、か ら構成されることを特徴とする目的物の位置を決定する装置が提供される。

この発明のよれば、多数の素子に分割された放射線検出面を有する検出器と、検 出器と放射線源との間に設けられたマスクであってマスクの特定の領域の各々を 通過する放射線の透過の程度がランダムなパターンに従って決定されるマスクと 、放射線検出面の各素子をサンプリングして各素子に入射される放射線強度を決 定する手段と、から構成されることを特徴とする放射線点源を位置固定する装置 が提供される。

一実施例によれば、マスクは、平行な透明及び不透明帯域に交互に分割されてい るシート材料から成っている。この帯域の幅は、全く無秩序に計算されている。

その結果、マスク及びパターンのいずれもが帯域の反復パターンがないことで固 有の最大値を備えた自動相関関数を有することとなる。

第２の実施例によれば、シート状のマスクは、マスクの長さ方向に沿って連続的 に変化する透過係数を有している。透過率の変化は、その性質としてアナログの ランダムパターンとなり、好ましくは、多数の空間周波数の加算として決定され る。ここにおいて各周波数は、与えられた、例えば、マスクの左側端の空間参照 点についてのランダム位相を有している。透過率の変化は、下記のように定めら れても良い。

ここにおいて、マスクの全長りに沿った任意の点での光学的な係数であり、ｎは 、パターンを生成するために加えられるンヌソイド関数の数であり、ｐ（ｉ）　 は、ｉ番目のシヌソイド関数のランダム位相のオフセットである。

マスクは、特有の自動相関の最大値を有し、マスクが交互の不透明及び透明帯域 を有すると、最大値から離れた自動相関の最小値に対する自動相関の最大値の比 が改善される特徴がある。

この発明の装置は、点光源の像を結像するレンズを備えていない。マスクは、放 射線源からの放射線に干渉し、検出面上に異なる放射線強度を有するパターンを 形成している。放射線強度のパターンは、検出面の素子の各々からの応答信号を サンプリングすることによってその配置が決められる。点の位置は、マスクパタ ーンと決められたパターンとを比較することによって固定することができる。マ スクによって生じた異なる放射線強度の多数の領域を用いることによって、結像 された像に一致する素子数に制限されることなく、検出面の多数の素子に対して 平均技術を用いて点源の位置を決定させていることから、装置の解像度を向上さ せることができる。

レンズを用いないことから、レンズの収差を含まず、また、結像を必要としない 。

この発明の装置は、１次元的にのみ位置を固定できる。２或は、３次元の場合に は、各次元に対して装置が必要とされる。

変形例では、装置は、２次元内においてランダム化された透明及び不透明パター ンを備えたマスクを有することにより２次元内で位置を固定できる。

各々が異なる主要色に応答する３つのマスクパターンが光学的に混在され単一の マスクパターンを構成しても良い。各マスクパターンに対応する自動相関最大値 は、マスクを生じさせる色に対して各々が同一の空間伝達関数を有するカラーフ ィルターが取り付けられた検出器で検出されても良い。この方法を用いると、観 察下における光の点源の色が決定される。このことは、色による点源の一致を実 現することができる。

この発明は、シート材マスクを提供している。このマスクに従って決定される。

シート材の面に直角に見た際に各面の透過率に従って決定される個々のランダム パターンは、正確に一致される。

入射放射線がシート材料に直交する際に、マスクは、鋭い最大値を透過し、他の 方向からの入射放射線を減衰することとなる。ピークの透過は、通常入射の５０ ％であり、他の方向からの入射に対しては２５％となる。その結果、入射放射線 がシート材料、即ち、マスクに直交する際に固有のピークが生じる。この固有の ピークは、方向性ファインダーとして働く単一の検出器で検出される。

次の図を参照してこの発明を説明する。

図１は、この発明に従った装置を組み込んだ位置固定装置を概略図である。

図２は、図１に示された装置に用いられるマスクによって作られたパターンの形 状例を示している。

図３は、図２に示されたマスクの自動相関作用を表わすグラフである。

図４は、図１に示された装置に用いられ、２次元的に確率化されたパターンを有 するマスクによって形成されたパターン形状の変形例である。

図５及び図６は、ベーカーコードシーケンス及びこれに対応した自動相関関数を 示している。

図を参照すると、図１に示す装置は、光源２を備え、この光源２からは、光が光 源２の光軸に対して４５度に配置されている銀が蒸着されたハーフミラ−１２を 介して照射されている。照射された光の主焦点は、ハーフミラ−１２の背面側に 形成される。照射光の視野６内には、対称物（図示せず）情の特定床に置かれた 反射性のマーカー８が設けられている。

マーカー８から反射された光は、例えば経路１０を通ることとなる。マーカー８ からの光は、ミラー１２によって反射されてマスク１４に向けられる。このマス ク１４は、光源２の光軸に対して９０度に配置され、ミラー１２からこのマスク １４までの距離は、光源の主焦点からミラー１２までの距離に等しく定められて いる。

マスク１４は、透明領域及び不透明領域でパターンが形成されている。矩形のシ ート材は、軸方向に交互に並行な透明帯域２４及び不透明帯域２６に区分されて いる。実際には、シート材は、透明で、不透明帯域は、このシートに印刷されて いる。この帯域２４．２６の幅は、全く無秩序に決定され、その結果、マスク１ ２全体に亙って帯域２４．２６には、繰り返しパターンはない。この帯域の無秩 序な構成は、マスクの自動相関関数を決定することとなる。

マスクの自動相関関数は、図３にグラフで表わされる。このグラフの縦軸は、光 強度を表わし、横軸は、２つのマスクの一方がその他方の前面に置かれ、左から 右に移動された場合に於ける透過光が２つの同一のマスクパターンに対して変化 する様子を示している。この２つのパターンが正確に重なった際には、特徴的な 極めて鋭いピーク２２が生じる。また、２８で示すような光の最小不透過が生じ る。

図１を再び参照すると、マスク１４の背後には、電荷結合装置のような光学セン サーアレー１６が設けられている。このアレーは、直線的に多数の、例えば、４ ０９６個の電荷結合素子を配置している。

ミラー１２から反射された光がマスク１４によって減衰されると、マスクパター ンに一致する影のパターンがセンサーアレー１６上に形成される。光が入射した か否かに依存して各素子に生じた電荷を読み出すことによってマスクパターンに 生じた影の境界の位置をサンプリング回路１８が確認することとなる。個々のサ ンプリング回路１８は、各素子に入射した光を表わすディジタル信号を発生する 。ディジタル信号の各々は、コンピュータ２０のメモリー領域に記憶される。

完全なメモリーの内容は、アレー１６を横切って生じる影のパターンの完全な画 像を表わすこととなる。

電荷結合素子は、入射光強度の微細陰影の出力に応答することとなる。例えば、 マスクパターンが電気的なホワイトノイズ（ランダムな位相オフセットを有する 異なる周波数のシヌソイド関数（ｓｉ＋ｎ＋５ｏｉｄ’ｓ）の合計）に類似した アナログ変化である場合には、任意に与えられた素子に入射する光の強度に対し て電荷結合素子のダイナミックレンジ内のその出力で対応する信号を有する任意 の値を取ることができる。同様にマスクパターンが交互の不透明及び透明ライン （例えば、ベーカコード）の形状であり、影の鋭いエツジが特定の電荷結合素子 に投影される場合には、素子からの出力は、その素子に投影される光に比例する こととなる。（例えば、素子の幅を横切る鋭いエッヂの−に比例することとなる 。）マスクパターンを表わす値のレプリカのセットは、また、コンピュータ２０ のメモリ内に記憶されている。このコンピュータ２０は、上述したように、図３ に示すようにメモリ内容を比較することによって補正を実行する。コンピュータ ２０は、手動補正で２つのマスクが重ね合わされるようにメモリ内容を重ねるこ とによってアレー１６上に生じた影の位置が決定され、重ね合わされるべき２つ のパターンの配置が確立されて自動相関関数の固有の最大値２２が発生される。

マーカー８の正確な位置は、どの位置に同一の形状の影のパターンが点光源、即 ち、マーカー８によって生ずるかを計算することによって決定される。

全体の位置及び移動は、対象物上の全ての点に多数のマーカー８を配置すること によって計算され、示される。各点の位置は、連続的に固定され、全体の画像の 様子を定めることができ、その画像が再構築され、スクリーン（図示せず）に表 示される。

最高の解像度を得るには、コンピュータメモリに記憶されたマスクパターンのレ プリカは、影の位置像かな増加をも含んでいなければならない。即ち、影が一方 向に僅かに増加した場合には、電荷結合装置の各素子の出力は、影の形状に依存 して僅かに（差異が生じる程度に）アレーの一部を充電する。コンピュータレプ リカは、従って、全てのパターンが測定範囲に亙って移動した際に、各素子に充 電される僅かな電荷の幅広い組み合せを再現できるものでなければならない。

各素子が単純にｏｎ−ｏｔｆされるような場合には、Ｎ個の素子のアレーに対し ては、単純な直線エツジの影の位置の解像度は、Ｎ分の１と単純に表わされる。

然ながら、各素子からの出力の振幅がＳレベルで評価される場合には、影の位置 は、各素子については、８分の１で分解され、全アレーについては、（ＮｘＳ） 分の１で分解される。更に、照射がシャドーマスクにおける全アレーに亙る場合 には、信号の分解能は、Ｎ素子に対してＲＭＳ平均によって　Ｎの係数で改善さ れる。

従って、Ｎ素子に対するアレーの理論的な最大解像度及び振幅ｆｋＳは、下記式 で表わされる。

解像度−ＮＸ　ＮｘＳ分の１ これは、各素子に於ける信号レベルが需の振幅範囲におけるＳ値の任意の一つを 取る場合に該当する。実際には、１つの鋭い補正ピークを生じさせるに有用な影 のパターンの空間分布は、各素子の信号レベルの独立性のような限定を受け、全 振幅範囲の４分の１即度に制限される。従って、実際には、上述した式は、下記 式のように変形される。

解像度−（Ｎｘ　Ｎｘ５）／４分の１ 例えば、電荷結合装置が１０２４個の素子を含み、各素子が１０２４個の振幅レ ベルの出力する場合には、解像度は、下記式で表わされる。

解像度−（］０２４ｘ３２ｘ１０２４）　／４分の１即ち、８００万分の１より 良好となる。

図２に示されるマスクは、１方向におけるマーカー８を位置させることのみに用 いることができる。図１に示される特定のデメンションを定める装置の部品を多 数組み合わせることによって、多数デメンションの計算をすることができる。

然ながら、２次元に於けるマーカー８の位置を決定する際には、図４に示すマス ク１４を用いることができる。マスク１４の交互の帯域２４．２６は、２次元的 に無秩序に計算され、従フて、マスクは、特有の自動相関関数を有することとな る。

この関数は、２次元におけるマーカー８の位置を計算することに用いることがで きる。

図１に示される装置の全位置解像度は、従来のレンズ系を用いた装置と同様にア レーを形成する素子数及び各素子のＳ／Ｎ比にのみ依存せず、付加的に素子数の ルートに依存する。

これは、従来のレンズ系を用いた装置と異なり、像が結像される素子のみに代え てアレー素子の全てからの信号を用いることによって位置解像度の計算にアレー の素子数のルートの平均係数を持ち込まなければならないこととなる。

図２に示されたような両面の夫々にマスクパターンを有する透明シート材は、あ る方向で用いられる。パターンは、シート材の面に対して直角に見た場合両面の パターンが一致するように両面に配置されている。マスク（図示せず）は、入射 光線がマスクに直角に入射した場合、鋭い最大値を通過させることとなるが、他 の方向から入射された場合には、光線を減衰することとなる。ピークの透過は、 直角入射光線の５０％であり、他の方向からの入射光線の２５％となる。マスク が単一の光検出器（図示せず）の前面に置かれた場合には、検出器からの出力は 、直角入射の如何に限らず鋭いピークを与えることとなる。入射角を関数とする と、ピークの鋭さは、シート材の厚さ及びマスクパターンの最小空間周波数によ って表わされる距離の依存している。３ｍｌシート材に以上で１００／ａｍで分 離された空間周波数を有するマスクに対しては、最大ピークは、１１分の角度範 囲で実現できる。１０００のＳ／Ｎ比を有する検出器については、０．６秒を越 える入射角の分解能を与えることとなる。

好ましくは、マスクの形態は、鋭い自動相関ピーク及び略ゼロ振幅に近いサイド ビークを与えるような無秩序な位相オフセット有するシヌソイド関数の合計で実 現できる。

この状況は、２値の連続列とは異なっている。即ち、種々の幅の交互の透明及び 不透明のラインの形状を取るシャドーマスクとは、異なっている。連続列は、ベ ーカーコード或はパーフェクトワードとして知られている連続列は、自動相関関 数において最小限サイドピークを有している。　（（ベーカ。

ＲＢ、　２値デイジタル系に於けるグループ同期１通信理論。

アカデミツクプレス、ニューヨーク、１９５３）　ｆＢｔｔｋｔｒ、　Ｒｈ、　 ’Ｇ＋ｏ＋＋ｐ　ｓｙ＋＋ｃｈｒｏｎｉｓｉａ（ｏｌ　ｂｉｎｘｒ７　ｄｉｌｉ ｌｓｌ　Ｂｓｔｏ＋ｓ、ｃｏａｍ＋＋ａｉ　’ｃｓｊｉｏｎ　１ｈｅｏｔ７．’ 　＾ｃｘｄｅｓｉｃ　Ｐｒ５ｓｓ、　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ’　１９５３）及び（シ ンポジューム、通信理論、　ＩＥＥ、ロンドン、１９５２．　９月）（Ｓｙ＋ｅ ｐｔｉｕｗ　ｏｎ　Ｃｏｍｍｕｍｉｅｉｊｉｏａｓ　Ｔｈｅｏｒ７．　ｘｊ　Ｉ ＥＥ、　Ｌｏｎｄｏ鳳、　５ｅｐｉ　１９５２）　）　もし、連続列の長さがＮ である場合には、補正ピークの振幅は、Ｎであり、相関するピークの振幅がＮで あり、残るサイドピーク振幅がプラス・マイナス１内にある。

この特性を有する最大コード長は、ただ１３個のみである。

これは、ｌ、　Ｉ、　１．１．　］、　０．０．１．１．０．１．０．１となる 。ベーカーコードとの組み合せは、良好な表現となるより長い連続列を実現でき ることとなる。

ベーカーコードは、自動相関性プロットにおいて基準マークを与えることに用い ることができる。長さＮのベーカーコードの各セグメントが更に同様のベーカー コードによってエンコードされ、それにより、長さＮｘＮのコード連続列を生じ させ、そしてピークの振幅がＮｘＮとなり、サイドピークが振幅Ｎを有するＮ個 の規則的に間隔を空けた鋭いサブピークを除きどこでも２より小さくなる。同封 した図面は、長さ１３のべ一カーコードに対するこの効果を示している。図５は 、その対応する自動相関関数３２を有するＮ−１３に対する単純なベーカーコー ド連続列１３を示している。後者のサイドビークが主ピークについて対称に延出 されるが、単純化のためにプロットの左側のみが示されている。図６には、Ｎ− １３に対して２乗されたべ一カーコードが示されている。

第１のベーカーコード列の各セグメントは更にそれに適合する１３の列を有して いる。これは、主ピークを鋭くすることとなり、参照の為に用いられるサイドビ ークを与えることとなる。

ベーカーコードは、十分に低く、シかも主ピークから離れるにつれて規則的に変 化する自動相関性ピークを生じさせるに特に有用であり、一般にシャドーマスク については、魅力的な形態である。シャドーマスクの関数を定める任意の周期的 関数を付は加えることは、同様の空間周期の規則的なサイドビークを備える自動 相関性プロットとなる。これらの振幅は、シャドーマスクの関数を定める加えら れた周期的関数の振幅の比と同様に主ピークに比例することとなる。

光学的な放射を用いて位置を決定することについてこの発明は、記載している、 当業者にとって、この原理を、例えば、音響的な放射を用いる技術を同様に適用 しても良いことは明かである。

国際調査報告　、、ｒｙｌ、。。＋ｔ、、＋ｏ’ｒｎ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．少なくとも一方向において観察領域からの放射強度の空間変化に感応する放 射線感応手段１６と、前記放射線を減衰して前記方向において所定の空間変化を 生じさせる前記感応手段と前記観察領域との間に位置されたマスク手段１４と、 既に記憶した値で前記感応手段からの出力信号を補正する補正手段１８、２０と 、 から構成されることを特徴とする目的物の位置を決定する装置。
2. ２．前記マスク手段１４は、前記方向で連続的に変化する透過率を有し、アナロ グ的な特性を有し、無秩序なパターンとなっていることを特徴とする特許請求の 範囲１項記載の目的物の位置を決定する装置。
3. ３．前記パターンは、多数の空間周波数の加算に依存して決定され、各周波数は 、所定の空間参照点を参照する無秩序な位相を有していることを特徴とする特許 請求の範囲２項記載の目的物の位置を決定する装置。
4. ４．前記マスク１４は、交互に配置され、無秩序に幅が変化し、特徴的な最大値 を備える自動相関関数を与える多数の透過帯域及び不透明帯域から成っているこ とを特徴とする特許請求の範囲１項記載の目的物の位置を決定する装置。
5. ５．ベーカーコードに従って前記帯域の幅が変化することを特徴とする特許請求 の範囲４項記載の目的物の位置を決定する装置。
6. ６．前記帯域の幅の変化は、所定の周期的変化で変調されて基準パターンを与え ることを特徴とする特許請求の範囲５項記載の目的物の位置を決定する装置。
7. ７．前記周期変化は、ベーカーコードであることを特徴とする特許請求の範囲６ 項記載の目的物の位置を決定する装置。