(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項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、
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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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