JPH0727515A - 光学式3次元位置検出装置 - Google Patents
光学式3次元位置検出装置Info
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- JPH0727515A JPH0727515A JP19784893A JP19784893A JPH0727515A JP H0727515 A JPH0727515 A JP H0727515A JP 19784893 A JP19784893 A JP 19784893A JP 19784893 A JP19784893 A JP 19784893A JP H0727515 A JPH0727515 A JP H0727515A
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Abstract
3次元位置計測を、周囲光の影響をさけつつ短時間で実
行する光学式3次元位置計測装置を得る。 【構成】 発光強度を時間的に制御可能な発光源と、こ
の発光源の波長域の光を選択的に透過する外套部と該外
套内に設置された蛍光材料、及び該蛍光を外套外に導き
放射する光ファイバーを有するプローブと、該蛍光波長
を選択的に受光する複数の受光素子とから構成され、プ
ローブの位置を画像上で検出する機構と、画像上の差分
によって背景光との分離を行う機構とよりなる。
Description
おいて、人の顔の凹凸や頭の形状の検出及び、手術時の
生体内位置計測など、人間工学や医療機器分野で幅広く
必要とされる光学式3次元位置計測装置に関するもので
ある。
手法としては直角方向に固定配置された高周波励磁コイ
ルと、プローブコイルを組み合わせた電磁的方法、又は
モアレ縞による体表面の凹凸計測などが主として用いら
れてきた。
磁的方法にあっては、金属材料の存在が測定精度を著し
く損なうことから、金属製のベッドや、メス、鉗子など
を多用する一般の手術環境での利用には適さなかった。
またモアレ縞を用いる方法は、表面の形状全体を測定す
るのには適していても、術者が意図する特定部位の3次
元的位置の絶対座標を読み取ることはできず、また、手
術用照明などのもとでの正確な測定は困難であった。
係わる光学式3次元位置検出装置は、発光強度を時間的
に制御可能な発光源と、プローブを有し、該プローブは
発光源の特定波長域の光のみを選択的に透過させる外套
部と、外套部内部に設けられた蛍光材料と、蛍光材料か
ら発光した光を外套の外部に導きその両端から放射する
光ファイバーとを有し、更に放射された光を撮影する3
個またはそれ以上のビデオカメラと、各カメラで撮影さ
れた2次元画面上の当該光の座標位置から、プローブの
3次元的位置を算定する演算機構とを備えたものであ
る。
3次元位置検出装置は、プローブ内に設けた一対の能動
発光源の光をほぼ全方向から大きな輝度変化を伴わずに
観測できるように、微小球による散乱機構を設けたもの
である。
3次元位置検出装置は、受光素子群の可動保持機構と、
この移動量によってプローブ位置の観測値を補正し、受
光素子の移動によらない位置観測機構を設けたものであ
る。
置検出装置は、光源をパルス的に動作させ、この発光源
の波長域の光を透過する外套内に設置された蛍光材料を
パルス的に発光させ、この2次光を光ファイバーで、外
套端部に導き散乱放射させ、この蛍光像を波長選択性の
ある複数の受光素子でとらえ、発光休止時の背景像との
差分から蛍光発光点像のみを顕在化させ、蛍光発光源も
しくはこれと機械的に一体構造をなすプローブの先端位
置を算出する。
ブは、粗な面を有する微小反射球を2方向から照明する
ことで、あらゆる方向から安定した点光源像として観測
され、位置計測を安定化ならしめる。
動保持機構および、その動きを補正する機構は手術環境
などにあっても術者などとの干渉を最小限に抑えつつ安
定した位置計測を可能ならしめるものである。
する。図1は請求項1に記載した発明の第一の実施例を
示す図である。
グリップ3と、該グリップの基端に同心に固定された保
護用透明管4とを有する。透明管4内には円筒状の発光
用フィルタ外套F2が2個の透明支持リング5、6によ
って管内に支持されている。フィルタ外套F2の中には
蛍光材を含んだ光ファイバーが充填され、その両端が発
光点p1、p2で露出している。
術用ベッド(図示せず)に接近してフィルタF1を有す
る発光源7(例えばストロボ)が設けられている。更に
3台の受光装置8a、8b、8c(例えばCCDカメ
ラ)が設置されている。各受光装置には夫々フィルタF
3が設けられている。更に、発光源7を間欠的に作動発
光させ、また受光するためにタイミングパルス発生器1
0が設けられている。
(a)に示すように、蛍光物質を励起するのに必要な波
長域のみを透過させるようになっている。プローブのフ
ィルタ外套F2の特性は図2(b)に示すように、前記
の光ファイバー内の蛍光材を励起させるのに必要な波長
λ1を通過させるものが選ばれている。
フィルタ外套F2を通過し、光ファイバー内の蛍光材を
励起する。波長λ1の光は蛍光によって波長シフトして
波長λ2の光となる。この波長λ2の光は光ファイバー内
を通過して、フィルタ外套F2の両端から散乱放出され
る。
2を通過できないので、波長λ2の輝点は発光点p1、
p2のみとなる。
点p1、p2における輝映が得られるが、背景照明光の
影響もフィルタF3だけでは十分に低減できない。従っ
て、発光源を間欠動作させ、受光コントローラ11によ
って受光を制御し、画面減算器12により、光源発光時
の画像と、発光休止時の画像の差をとって、p1、p2
を顕在化させている。p1、p2各点の3次元的座標は
プローブ位置算出機構13において、いわゆる三角測量
によって得られる。これらの3次元位置ベクトルをP1
、P2 とするとき、プローブ先端2の位置の3次元位
置ベクトルPdは次式によって与えられる。 Pd = P2 + (L2/L1)(P2 − P
1) ただし、L1 はp1、p2間の距離、L2はp2、pd
間の距離を表す。
う光の例としては二種のものがある。一つは紫外域で照
明し、青〜緑の可視蛍光で位置検出を行うもの、他の一
つは赤の可視光で照明し、近赤外光で位置検出を行うも
のである。前者ではλ1=320〜370nm程度、λ2=
450〜500nm程度であり、後者では、λ1=630
nm 程度、λ2=870nm程度となる。
求項2に記載した本発明の第二の実施例を示す構成図で
ある。前述の実施例1において、プローブ1の発光源は
短波長光によって励起される蛍光を用いているが、照明
条件によっては十分な強度が得られない場合もある。
のレーザ光源14によって照明される微小球15でおき
かえたものである。すなわち第二の実施例では図示の微
小球による発光源を2組プローブ内に設けている。通常
この種の用途には、微小発光ダイオード等が用いられる
が、本装置のように、プローブ軸と受光素子との位置関
係に極めて大きな自由度を与えている場合には発光素子
のビーム開口角が原理的に180度以上にはならないた
め、ビーム光が受光素子8a、8b、8cに達し得ない
場合が生じる。
粗面を有する微小反射球15を透明リング16で保持
し、相対する2方向から半導体レーザもしくはLEDの
光をマイクロレンズ19を介して照らし、散乱反射光を
もって位置計測用のプローブ光源としている。微小反射
球をプローブの軸に平行な強度I0の一様光束で照明す
ると、軸から角度θをなす軸を法線にもつ面は Ii= I0 cosθ の強度で照明されるが、今、微小球の表面からの反射強
度分布についてLambertの余弦則が成り立つと仮定し、
反射率をRとすると、この面から、プローブ軸と直角な
方向(観測条件としては最も悪い場合)に散乱される光
束の強度は反射面の法線と観測方向のなす角度すなわち
(90°− θ)の余弦に比例する。したがって、この
面からの散乱反射光強度は、次式によってあたえられ
る。 Ir(θ) = R・Ii ・cos(90°− θ) = R・I0 ・cosθ・cos( 90°− θ) = (R/2)sin(2θ) この値はθ=45°の時、最大値(R/2)をとる。
ると(観測条件として最も良い場合)、言うまでもなく
θ=0°の正面からの反射強度が最大になり、最大値R
をとる。これをプローブを側面から観察したときの最大
輝度面(θ=45°)の散乱光強度と比較すると、その
比はたかだか1:2であり、プローブ軸の傾斜に伴う最
大輝度面の光度に大きな隔たりがなく、発光素子の感度
を一定としても十分観測できる範囲にあることが理解さ
れる。
れているので、ほぼ全方向から微小光源を安定した観測
条件で観測できることになり、安定した位置計測が可能
になる。
セラミックなどで作られたものである。
は請求項3に記載した本発明の第三の実施例を示す構成
図である。前述の第一の実施例において、受光素子8
a、8b、8cの位置は固定となっていたが、実際の手
術環境などでは、プローブと受光素子群の間の光路が術
者などによって遮断されことも多く、安定した位置計測
を継続することが困難になる。
は、なるべく光源と受光素子との距離を小さく保ちたい
が、位置計測を優先するあまり手術操作位置近傍に受光
素子を配置すると、今度は肝心の手術操作に支障を与え
る。したがって、必要なときにだけ、手術操作部近傍に
受光素子群を移動できる機構が理想的である。
例えば手術用ベッド17に固定された基台18を有し、
その上に回転台20が回転可能に支持されており、更に
その上にテレスコピックの伸縮自在支柱21が固定され
ている。支柱21の伸縮部22の頂部にアーム23が形
成されている。アームは末広がりとなっており、そこに
3個の受光素子8a、8b、8cが取付けられている。
すなわち、受光素子を固定したアームが上下動及び回転
できるようになっている。
刻々コンピュータ内に取り込まれ、可動アーム上の座標
で測定されたプローブ位置(Xa、Ya、Za)をプロ
ーブ位置の観測データをベッドに固定された座標(X
b、Yb、Zb)に変換する。すなわち、アームの回転
角をφ、アームの基準点からの上昇量をhとするとき、
ベッド座標系でのプローブ位置は次式で与えられる。 Xb = Xa・cosφ − Ya・sinφ Yb = Xa・sinφ + Ya・cosφ Zb = Za + h かくして術者は自由に受光素子群を移動しつつもプロー
ブのベッドに対する位置を正確に計測することができ
る。以上は簡単のために2自由度アームの例について記
したが、一般に多自由度を持つアーム機構にあっても、
各関節ごとに、座標変換行列の演算を行うことで座標変
換が可能である。
電源を付加することなく発光部の信号に同期して、発光
点のみを画像上で識別できるため、手術用照明等の高光
度背景光の存在下でも、正確にプローブ先端位置情報を
得ることができる。また、請求項2にあっては、更に高
輝度の点光源がほぼ全ての方向から十分な強度で観測で
きるために、プローブの向きによらない安定した位置計
測が可能である。更に、請求項3によれば手術環境など
で、術者によって受光素子の視野が妨げられる場合に
も、受光素子群を容易に移動し、視野を確保することで
安定した位置計測が可能となる。
示す図である。
ある。
Claims (3)
- 【請求項1】 発光強度を時間的に制御可能な発光源
と、プローブを有し、該プローブは発光源の特定波長域
の光のみを選択的に透過させる外套部と、外套部内部に
設けられた蛍光材料と、蛍光材料から発光した光を外套
の外部に導きその両端から放射する光ファイバーとを有
し、更に放射された光を撮影する3個またはそれ以上の
ビデオカメラと、各カメラで撮影された2次元画面上の
当該光の座標位置から、プローブの3次元的位置を算定
する演算機構とからなる光学式3次元位置検出装置。 - 【請求項2】 前記プローブは時間的に発光強度を制御
可能な発光素子を有し、その発光素子の光を反射放出す
る一対の微小反射球を有することを特徴とする請求項1
に記載の光学式3次元位置検出装置。 - 【請求項3】 前記ビデオカメラの位置を移動可能にす
る保持機構と、移動後のビデオカメラの3次元位置を読
みとる機構と、この座標位置からプローブの3次元的位
置を補正して算定する演算機構を備えた請求項1又は2
の光学式3次元位置検出装置。
Priority Applications (2)
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JP19784893A JP3152810B2 (ja) | 1993-07-15 | 1993-07-15 | 光学式3次元位置検出装置 |
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Family Applications (1)
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1993
- 1993-07-15 JP JP19784893A patent/JP3152810B2/ja not_active Expired - Lifetime
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