(57)【要約】      （修正有）【課題】測定しようとする目的物の距離と関係なく目的物の正確な空間位置及び方向を検出してトラッキングできるオプティカルトラッキングシステムを用いたトラッキング方法を提供する。【解決手段】オプティカルトラッキングシステムを用いたトラッキング方法は、パターン部のイメージを拡大させて結像させることができるように、目的物に取り付けられたマーカーユニットからパターン部の平行出射光を放出させるステップＳ１１０と、マーカーユニットから放出されたパターン部の平行出射光を結像ユニットにより受け入れて拡大されたパターン部のイメージを結像させるステップＳ１２０と、結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージを用いてプロセッサを通じてマーカーユニットの空間位置及び方向を算出するステップＳ１３０と、を含む。【選択図】図３
2018077245.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターン部のイメージを拡大させて結像させることができるように、目的物に取り付けられたマーカーユニットから前記パターン部の平行出射光を放出させるステップと、
前記マーカーユニットから放出された前記パターン部の平行出射光を結像ユニットにより受け入れて拡大されたパターン部のイメージを結像させるステップと、
前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージを用いてプロセッサを通じて前記マーカーユニットの空間位置及び方向を算出するステップと、
を含むトラッキング方法。
【請求項２】
前記マーカーユニットの空間位置と方向を算出するステップは、
前記プロセッサを通じて前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージを用いて前記マーカーユニットが回転された角度を算出し、前記マーカーユニットの方向を算出するステップと、
前記プロセッサを通じて前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージ及び前記マーカーユニットの回転された角度を用いて前記マーカーユニットの空間位置を算出するステップと、
を含む請求項１に記載のトラッキング方法。
【請求項３】
前記マーカーユニットの方向を算出するステップは、
前記プロセッサを通じて前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの領域別パターン部の位置及びパターン部の大きさの変化を測定するステップと、
前記プロセッサに既に格納された前記パターン部のイメージの領域別基準パターン部の位置及び基準パターン部の大きさと、前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの領域別パターン部の位置及びパターン部の大きさの変化とを比較し、マーカーユニットの回転された角度を算出するステップと、
を含む請求項２に記載のトラッキング方法。
【請求項４】
前記マーカーユニットの空間位置を算出するステップは、
前記プロセッサを通じて前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの位置及び大きさを測定するステップと、
前記プロセッサに既に格納された前記パターン部のイメージの基準位置及び大きさと、前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの位置及び大きさとを前記プロセッサを通じて比較し、マーカーユニットの空間位置を算出するステップと、
を含む請求項２に記載のトラッキング方法。
【請求項５】
前記マーカーユニットは、
多数のパターンが形成された少なくとも１つのパターン部と、
前記パターン部に光を照射する少なくとも１つの光源と、
前記光源から照射されて前記パターン部を通過したり、前記パターン部により反射された光を前記結像ユニットに平行出射光形態で放出させる少なくとも１つの第１レンズ部と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載のトラッキング方法。
【請求項６】
前記マーカーユニットは、少なくとも１つの光源から照射される光を、表面にパターン部が設けられたボールレンズを通じて反射させて平行出射光形態で放出させることを特徴とする請求項１に記載のトラッキング方法。
【請求項７】
前記マーカーユニットは、少なくとも１つの光源から照射されてパターン部により反射されたり、前記パターン部を透過した光を魚眼レンズに通過させて平行出射光形態で放出することを特徴とする請求項１に記載のトラッキング方法。
【請求項８】
前記マーカーユニットは、少なくとも１つの光源から照射されてパターン部により反射されたり、前記パターン部を透過した光を対物レンズに通過させて平行出射光形態で放出させた後、プリズムを通じて画角が異なる平行出射光を放出することを特徴とする請求項１に記載のトラッキング方法。
【請求項９】
前記マーカーユニットは、少なくとも１つの光源から照射される光を、パターン部が設けられたミラー部を通じて反射させて平行出射光形態で放出させることを特徴とする請求項１に記載のトラッキング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オプティカルトラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法に関し、より詳細には、患部や手術道具のような目的物に取り付けられたマーカーの座標を追跡して目的物の空間位置及び方向を検出するオプティカルトラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近では、腹腔鏡手術や耳鼻咽喉科の手術をするとき、患者の苦痛をさらに減らして速やかに患者が回復できるようにするために、ロボット手術が進められている実情である。
【０００３】
かかるロボット手術の際には、手術の危険を最小化してさらに精密な手術を行われるようにするために、患部や手術道具のような目的物の空間位置及び方向を正確に追跡して検出した後、前記手術道具を患者の患部へ正確に操縦（ＮＡＶＩＧＡＴＥ）できるナビゲーションが用いられる。
【０００４】
上記のような手術用ナビゲーションには、上述したように患部や手術器具のような目的物の空間位置及び方向を正確に追跡して検出することができるトラッキングシステムが含まれる。
【０００５】
上記のようなトラッキングシステムは、通常、患部や手術器具のような目的物に取り付けられるマーカーと、前記マーカーによって放出される光を結像させる第１及び第２結像ユニットと、前記第１及び第２結像ユニットと連結されて前記マーカーの３次元座標を算出した後、既に格納された前記互いに隣り合うマーカーを連結する直線の情報及び互いに隣り合う一対の直線がなす角度情報を前記マーカーの３次元座標と比較して前記目的物の空間位置及び方向を算出するプロセッサとを含む。
【０００６】
上記のような従来の一般的なトラッキングシステムは、結像ユニットに結像されるマーカーの円形状の直径を用いて前記プロセッサを通じてマーカーと離隔された距離を測定する。しかし、前記結像ユニットに結像された前記マーカーの円形状の枠が前記結像ユニットレンズの歪みによって不透明であるので、前記マーカーの円形状の直径を正確に測定することが難しいという問題があるだけでなく、距離変化に応じた前記マーカーの円形状の直径の変化が微少でマーカーと距離測定時に識別力が非常に低く、マーカーの位置を正確に測定することができないという問題点があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の目的は、測定しようとする目的物の距離と関係なく、目的物の正確な空間位置及び方向を検出してトラッキングできるオプティカルトラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステムは、目的物に取り付けられて内部に含まれたパターン部のイメージを拡大させて結像させることができるように、前記パターン部の平行出射光を放出させる少なくとも１つのマーカーユニットと、前記マーカーユニットから放出される前記パターン部の平行出射光を受光して、拡大されたパターン部のイメージを結像させる少なくとも１つの結像ユニットと、前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージを用いて前記マーカーユニットの空間位置及び方向を算出するプロセッサとを含む。
【０００９】
一実施例によれば、前記マーカーユニットは、多数のパターンが形成された少なくとも１つのパターン部と、前記パターン部に光を照射する少なくとも１つの光源と、前記光源から照射され前記パターン部を通過したり前記パターン部により反射された光を前記結像ユニットに平行出射光形態で放出させる少なくとも１つの第１レンズ部とを含むことができる。
【００１０】
ここで、前記パターン部は前記第１レンズ部の焦点距離に配置されることが望ましい。
【００１１】
一方、前記第１レンズ部は対物レンズであり得る。
【００１２】
一実施例によれば、前記光源は前記マーカーユニットの内部に配置され得る。
【００１３】
他の施例によれば、前記光源は前記マーカーユニットの外部に配置され得る。
【００１４】
ここで、前記光源はＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）であり得る。
【００１５】
一実施例によれば、前記結像ユニットは、前記マーカーユニットから放出された前記パターン部の平行出射光を、レンズ部を通じて受光して前記平行出射光により拡大されたパターン部のイメージをセンサ部に結像させるカメラであり得る。
【００１６】
一方、前記プロセッサは、前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの位置及び大きさの変化を用いて、前記マーカーユニットの空間位置を算出し、前記拡大されたパターン部の領域別パターン位置及びパターンの大きさの変化を用いて前記マーカーユニットの方向を算出することができる。
【００１７】
一実施例によれば、前記プロセッサは、前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの位置及び大きさを、既に格納された基準パターン部イメージの基準位置及び大きさと比較して前記マーカーユニットの空間位置を算出することができ、前記拡大されたパターン部の領域別パターンの位置及びパターンの大きさと、既に格納されたパターン部イメージの領域別基準パターンの位置及び基準パターンの大きさとを比較して前記マーカーユニットの方向を算出することができる。
【００１８】
一方、前記マーカーユニットは、少なくとも１つの光源から照射される光を、表面にパターン部が設けられたボールレンズを通じて反射させて平行出射光形態で放出させることもできる。ここで、前記パターン部は、前記ボールレンズの表面全体または表面の一部に設けられることができる。
【００１９】
他の実施例によれば、前記マーカーユニットは、少なくとも１つの光源から照射され、パターン部により反射されたり前記パターン部を透過した光を魚眼レンズに通過させて平行出射光形態で放出することができる。
【００２０】
前記パターン部は前記魚眼レンズの焦点距離に配置され得る。
【００２１】
または、前記光源は、前記パターン部により光が反射されて前記魚眼レンズを通過できるように、前記マーカーユニットの外部に配置され得る。これとは異なって、前記光源は、前記光源から照射された光が前記パターン部を透過して前記魚眼レンズを通過できるように、前記マーカーユニットの内部に配置され得る。
【００２２】
他の実施例によれば、前記マーカーユニットは、少なくとも１つの光源から照射されてパターン部により反射されたり前記パターン部を透過した光を対物レンズに通過させて平行出射光形態で放出させた後、プリズムを通じて画角が異なる平行出射光を放出することができる。
【００２３】
前記パターン部は、前記対物レンズの焦点距離に配置され得る。
【００２４】
または、前記光源は、前記パターン部により光が反射されて前記対物レンズを通過できるように、前記マーカーユニットの外部に配置され得る。これとは異なって、前記光源は、前記光源から照射された光が前記パターン部を透過して前記対物レンズを通過できるように、前記マーカーユニットの内部に配置され得る。
【００２５】
他の実施例によれば、前記マーカーユニットは、少なくとも１つの光源から照射される光を、パターン部が設けられたミラー部を通じて反射させて平行出射光形態で放出させることができる。
【００２６】
前記マーカーユニットは、前記ミラー部により反射されて平行光形態で放出される光をもう一度平行出射光形態に変換させて放出させることができるように、前記ミラー部と一定間隔離隔されるように配置された第１レンズをさらに含むことができる。
【００２７】
または、前記マーカーユニットは、前記ミラー部に入射される光量を調節し、前記結像ユニットに結像される拡大されたパターン部のイメージの画角及び解像度を調節できるように、前記ミラー部に設けられる絞りをさらに含むことができる。
【００２８】
一方、前記ミラー部は球面または非球面形態のミラーであり得る。
【００２９】
続いて、本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いたトラッキング方法は、パターン部のイメージを拡大させて結像させることができるように、目的物に取り付けられたマーカーユニットから前記パターン部の平行出射光を放出させるステップと、前記マーカーユニットから放出された前記パターン部の平行出射光を結像ユニットにより受光して拡大されたパターン部のイメージを結像させるステップと、前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージを用いて、プロセッサを通じて前記マーカーユニットの空間位置及び方向を算出するステップとを含む。
【００３０】
一実施例によれば、前記マーカーユニットの空間位置及び方向を算出するステップは、前記プロセッサを通じて前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージを用いて前記マーカーユニットが回転された角度を算出し、前記マーカーユニットの方向を算出するステップと、前記プロセッサを通じて前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージ及び前記マーカーユニットの回転された角度を用いて前記マーカーユニットの空間位置を算出するステップとを含むことができる。
【００３１】
ここで、前記マーカーユニットの方向を算出するステップは、前記プロセッサを通じて前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの領域別パターンの部位置及びパターン部の大きさの変化を測定するステップと、前記プロセッサに既に格納された前記パターン部イメージの領域別基準パターン部の位置及び基準パターン部の大きさと、前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの領域別パターン部の位置及びパターン部の大きさの変化とを比較し、マーカーユニットの回転された角度を算出するステップとを含むことができる。
【００３２】
そして、前記マーカーユニットの空間位置を算出するステップは、前記プロセッサを通じて前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの位置及び大きさを測定するステップと、前記プロセッサに既に格納された前記パターン部のイメージの基準位置及び大きさと前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの位置及び大きさとを前記プロセッサを通じて比較し、マーカーユニットの空間位置を算出するステップを含むことができる。
【００３３】
一実施例によれば、前記マーカーユニットは、少なくとも１つの光源から照射される光を、表面にパターン部が設けられたボールレンズを通じて反射させて平行出射光形態で放出させることができる。
【００３４】
他の実施例によれば、前記マーカーユニットは、少なくとも１つの光源から照射されてパターン部により反射されたり前記パターン部を透過した光を魚眼レンズに通過させて平行出射光形態で放出することができる。
【００３５】
他の実施例によれば、前記マーカーユニットは、少なくとも１つの光源から照射されてパターン部により反射されたり前記パターン部を透過した光を対物レンズに通過させて平行出射光形態で放出させた後、プリズムを通じて画角が異なる平行出射光を放出することができる。
【００３６】
他の実施例によれば、前記マーカーユニットは、少なくとも１つの光源から照射される光を、パターン部が設けられたミラー部を通じて反射させて平行出射光形態で放出させることができる。
【発明の効果】
【００３７】
このように、本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法は、マーカーユニットからパターン部の平行出射光を放出させて結像ユニットに拡大されたパターン部のイメージを結像させた後、これを用いてマーカーユニットの空間位置を算出する。即ち、前記マーカーユニットの位置精度を結像ユニットの解像力にのみ依存せず、パターン部のイメージを拡大させて結像ユニットに結像させることによって、測定しようとする目的物の距離が結像ユニットと遠く離れていても前記目的物の空間位置及び方向を精度の減少なしに算出することができる。
【００３８】
従って、本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法は、測定しようとする目的物の距離と関係なく目的物の正確な空間位置及び方向を検出してトラッキングできるので、可用領域を大幅に広げることができるだけでなく、従来のマーカーに比べてマーカーユニットの大きさを大幅に減らして製作できるので、装備を小型化させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１実施例によるトラッキングシステムの概略図である。
【図２】マーカーユニットのパターン部の一例を示した図面である。
【図３】本発明の第１実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物をトラッキングする過程を説明するためのフローチャートである。
【図４】マーカーユニットから光が放出される過程を説明するための図面である。
【図５】結像ユニットに平行出射光が入射される過程を説明するための図面である。
【図６】本発明の第１実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の方向を算出する過程を説明するための図面である。
【図７ａ】本発明の第１実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
【図７ｂ】本発明の第１実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
【図７ｃ】本発明の第１実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
【図７ｄ】本発明の第１実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
【図８】マーカーユニットの空間位置及び方向を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
【図９】マーカーユニットの方向が算出される過程を説明するためのフローチャートである。
【図１０】マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
【図１１】本発明の第２実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
【図１２】本発明の第２実施例によるマーカーユニットの空間位置が算出される過程を説明するための図面である。
【図１３】本発明の第３実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
【図１４】本発明の第３実施例によるオプティカルトラッキングシステムのプロセッサによりマーカーユニットの空間位置が算出される過程を説明するための図面である。
【図１５】本発明の第４実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
【図１６】本発明の第４実施例によるオプティカルトラッキングシステムのプロセッサによりマーカーユニットの空間位置が算出される過程を説明するための図面である。
【図１７】本発明の第５実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
【図１８】本発明の第５実施例によるマーカーユニットを示した図面である。
【図１９】本発明の第５実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物をトラッキングする過程を説明するためのフローチャートである。
【図２０】マーカーユニットの空間位置及び方向を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
【図２１】マーカーユニットの方向が算出される過程を説明するためのフローチャートである。
【図２２】本発明の第５実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の方向を算出する過程を説明するための図面である。
【図２３】マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
【図２４ａ】マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
【図２４ｂ】マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
【図２４ｃ】マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
【図２４ｄ】マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
【図２５】本発明の第６実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
【図２６】本発明の第７実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
【図２７】本発明の第８実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
【図２８】本発明の第９実施例によるマーカーユニットを説明するための図面である。
【図２９】本発明の第１０実施例によるマーカーユニットを説明するための図面である。
【図３０】本発明の第１１実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
【図３１】本発明の第１１実施例によるマーカーユニットを示した図面である。
【図３２】本発明の第１１実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物をトラッキングする過程を説明するためのフローチャートである。
【図３３】マーカーユニットの空間位置及び方向を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
【図３４】マーカーユニットの方向が算出される過程を説明するためのフローチャートである。
【図３５】本発明の第１１実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の方向を算出する過程を説明するための図面である。
【図３６】マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
【図３７ａ】マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
【図３７ｂ】マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
【図３７ｃ】マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
【図３７ｄ】マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
【発明の具体的な説明】
【００４０】
本発明は、多様な変更を加えることができ、また、様々な形態を有することができるところ、特定の実施例を図面に例示して本文に詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の開示形態について限定しようとするのではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。
【００４１】
第１、第２等の用語は多様な構成要素を説明するのに用いられるが、前記構成要素は前記用語によって限定されてはならない。前記用語は１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ用いられる。例えば、本発明の権利範囲を逸脱せずに第１の構成要素は第２の構成要素と呼ばれることができ、同様に第２の構成要素は第１の構成要素と呼ばれることができる。
【００４２】
本出願で使用する用語は単に特定の実施例を説明するために使用しており、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上明確に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本出願で、「含む」または「有する」等の用語は明細書に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部分品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定するものであり、１つまたはそれ以上の他の特徴や数字、ステップ、動作、構成要素、部分品またはこれらを組み合わせたもの等の存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解されるべきである。
【００４３】
異なって定義しない限り、技術的であったり科学的である用語を含めてここで使用される全ての用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者によって一般に理解されるものと同一の意味を有する。
【００４４】
一般に使用される辞典に定義されている用語等は関連技術の文脈上の意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本出願で明白に定義しない限り、理想的であったり過度に形式的な意味で解釈されない。
【００４５】
以下、図面を参照して、本発明の望ましい実施例をより詳細に説明する。
【００４６】
本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステム及びこれを用いたトラッキング方法は、患部や手術道具のような目的物に少なくとも１つのマーカーユニットを取り付けた後、前記マーカーユニットから放出される平行出射光を結像ユニットを通じて受光して、前記マーカーユニットに含まれたパターン部の拡大イメージを結像させた後、前記パターン部の拡大イメージを用いてプロセッサを通じて目的物の空間位置及び方向を算出することができるようにするものであって、その詳細な構成については図面を参照して説明する。
【００４７】
＜実施例１＞
図１は、本発明の第１実施例によるトラッキングシステムの概略図であり、図２はマーカーユニットのパターン部の一例を示した図面である。
【００４８】
図１及び図２を参照すると、本発明の第１実施例によるトラッキングシステムは、マーカーユニット１１０、結像ユニット１２０及びプロセッサ１３０を含む。
【００４９】
前記マーカーユニット１１０は、目的物に取り付けられて内部に含まれたパターン部１１１のイメージを拡大させて結像させることができるように前記パターン部１１１の平行出射光を放出させる。
【００５０】
例えば、前記マーカーユニット１１０はパターン部１１１、光源１１２及び第１レンズ部１１３を含むことができる。
【００５１】
前記パターン部１１１は、複数のパターン部１１１ａが一定の形態及び間隔で形成される。例えば、前記パターン部１１１はパターン部１１１ａが形成された部分を除いた残りの部分が光を透過させることができるように製作され得る。他の例を挙げると、前記パターン部１１１はパターン部１１１ａが形成された部分にのみ光を透過させ、残りの部分は光を透過させることができないように製作され得る。また他の例を挙げると、前記パターン部１１１は、前記光源１１２から照射された光が反射され得るように製作されることもできる。ここで、前記パターン部１１１は後述される第１レンズ部１１３の焦点距離に配置され得る。
【００５２】
前記光源１１２は、前記パターン部１１１に光を照射する。例えば、前記光源１１２は、前記パターン部１１１の後方部に位置するように前記マーカーユニット１１０の内部に配置され得る。前記のように、前記光源１１２がパターン部１１１の後方部に配置される場合には、前記パターン部１１１が前記光源１１２から照射される光の一部が透過されて、後述される結像ユニット１２０に入射される。他の例を挙げると、前記光源１１２は、前記マーカーユニット１１０の外部に配置されることもできる。前記光源１１２が前記マーカーユニット１１０の外部に配置される場合には、前記光源１１２から照射される光は、前記パターン部１１１により反射されて後述される結像ユニット１２０に入射される。ここで、前記光源１１２はＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）であり得る。
【００５３】
前記第１レンズ部１１３は、前記光源１１２から照射されて前記パターン部１１１を通過したり、前記パターン部１１１により反射された光を前記結像ユニット１２０に平行出射光形態で放出させて入射され得るように前記パターン部１１１の前方部に配置される。例えば、前記第１レンズ部１１３は、前記パターン部１１１のイメージを拡大させて結像ユニット１２０に結像させることができるようにする対物レンズであり得る。
【００５４】
前記結像ユニット１２０は、前記マーカーユニット１１０から放出される前記パターン部１１１の平行出射光を受光して拡大されたパターン部１１１のイメージを結像させることができる。ここで、前記結像ユニット１２０は、前記マーカーユニット１１０から放出された前記パターン部１１１の平行出射光をレンズ部１２１を通じて受光して前記平行出射光により拡大されたパターン部１１１のイメージをセンサ部１２２に結像させるカメラであり得る。
【００５５】
前記プロセッサ１３０は、前記結像ユニット１２０と連結されて前記結像ユニット１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１のイメージを用いて前記マーカーユニット１１０の空間位置及び方向を算出することができる。ここで、前記プロセッサ１３０は、前記結像ユニット１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１のイメージの位置及び大きさの変化を用いて前記マーカーユニット１１０の空間位置を算出することができる。また、前記プロセッサ１３０は、前記拡大されたパターン部１１１の領域別パターン部の位置及びパターン部１１１ａの大きさの変化を用いて前記マーカーユニット１１０の方向を算出することができる。
【００５６】
図１〜図７ｄを参照して本発明の第１実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の空間位置及び方向を算出する過程について説明する。
【００５７】
図３は本発明の第１実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物をトラッキングする過程を説明するためのフローチャートであり、図４はマーカーユニットから光が放出される過程を説明するための図面であり、図５は結像ユニットに平行出射光が入射される過程を説明するための図面であり、図６は本発明の第１実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の方向を算出する過程を説明するための図面であり、図７ａ〜図７ｄは、本発明の第１実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の空間位置を算出する過程を説明するための図面であり、図８は、マーカーユニットの空間位置及び方向を算出する過程を説明するためのフローチャートであり、図９は、マーカーユニットの方向が算出される過程を説明するためのフローチャートであり、図１０は、マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
【００５８】
図１〜図７ｄを参照すると、本発明の第１実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物をトラッキングするためには、まずパターン部１１１のイメージを拡大させて結像させることができるように、目的物に取り付けられたマーカーユニット１１０から前記パターン部１１１の平行出射光を放出させる（Ｓ１１０）。
【００５９】
パターン部１１１の平行出射光を放出させる過程についてより詳細に説明すると、まず光源１１２を作動させて前記パターン部１１１に光を照射し、前記光源１１２から照射された光が前記パターン部１１１を透過したり、前記パターン部１１１により反射されるようにする。前記パターン部１１１を透過したり前記パターン部１１１により反射された光は図４に示した通り、対物レンズからなる第１レンズ部１１３を通過して平行出射光形態で放出される。
【００６０】
前記第１レンズ部１１３を通過してマーカーユニット１１０から放出されたパターン部１１１の平行出射光は結像ユニット１２０に入射されて拡大されたパターン部１１１のイメージを結像させる（Ｓ１２０）。
【００６１】
拡大されたパターン部１１１のイメージを結像させる過程について、より詳細に説明すると、前記第１レンズ部１１３を通過してマーカーユニット１１０から放出されたパターン部１１１の平行出射光は、図５に示した通り、結像ユニット１２０のレンズ部１２１を通過するようになる。前記結像ユニット１２０のレンズ部１２１を通過したパターン部１１１の平行出射光は、センサ部１２２に拡大されたパターン部１１１のイメージを結像させるようになる。
【００６２】
前記のように、結像ユニット１２０に拡大されたパターン部１１１のイメージが結像されると、プロセッサ１３０は、前記拡大されたパターン部１１１のイメージを用いて前記マーカーユニット１１０の空間位置及び方向を算出する（Ｓ１３０）。
【００６３】
図８を参照して前記マーカーユニット１１０の空間位置及び方向を算出する過程について、より詳細に説明すると、次の通りである。
【００６４】
図８は、マーカーユニットの空間位置及び方向を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
【００６５】
図８を参照すると、前記プロセッサ１３０を通じて前記マーカーユニット１１０の空間位置及び方向を算出するためには、前記プロセッサ１３０を通じて前記結像ユニット１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１のイメージを用いて前記マーカーユニット１１０が回転された角度を算出し、前記マーカーユニット１１０の方向を算出する（Ｓ１３１）。
【００６６】
前記のようにプロセッサ１３０により前記マーカーユニット１１０の回転された角度が算出されると、前記プロセッサ１３０を通じて前記結像ユニット１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１のイメージと前記マーカーユニット１１０の回転された角度とを用いて前記マーカーユニット１１０の空間位置を算出する（Ｓ１３２）。
【００６７】
ここで、前記結像ユニット１２０の空間位置及び方向情報は、前記プロセッサ１３０に既に格納される。
【００６８】
図６及び図９を参照して、前記マーカーユニット１１０の方向を算出するステップ（Ｓ１３１）について、より詳細に説明すると次の通りである。
【００６９】
図９は、マーカーユニットの方向が算出される過程を説明するためのフローチャートである。
【００７０】
図９を参照すると、前記マーカーユニット１１０の方向を算出するためには、まず前記プロセッサ１３０を通じて、前記結像ユニット１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１のイメージの領域別パターン部１１１ａの位置及びパターン部１１１ａの大きさの変化を測定する（Ｓ１３１０）。
【００７１】
前記パターン部１１１のイメージの領域別パターン部１１１ａの位置及びパターン部１１１ａの大きさの変化を測定した後、前記プロセッサ１３０に既に格納された前記パターン部１１１のイメージの領域別基準パターン部１１１ａの位置及び基準パターン部１１１ａの大きさと、前記結像ユニット１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１のイメージの領域別パターン部１１１ａの位置及びパターン部１１１ａの大きさの変化とを比較し、マーカーユニット１１０の回転された角度を算出することによって、前記マーカーユニット１１０の方向を算出するようになる（Ｓ１３１１）。
【００７２】
即ち、図６に示した通り、マーカーユニット１１０が回転をすると、結像ユニット１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１のイメージＩ１のパターン部１１１ａの位置及び大きさも変わるようになることによって、前記プロセッサ１３０に既に格納された前記パターン部のイメージＩ２の領域別基準パターン部１１１ａの位置及び基準パターン部１１１ａの大きさと、前記結像ユニット１２０に結像されたパターン部のイメージＩ１の領域別パターン部１１１ａの位置及びパターン部１１１ａの大きさの変化とを比較するようになると、前記マーカーユニット１１０の回転された角度を算出することができるので、前記マーカーユニット１１０の方向を算出することができるようになる。
【００７３】
次に、図７ａ〜図７ｄ及び図１０を参照して前記マーカーユニットの空間位置を算出するステップ（Ｓ１３２）について、より詳細に説明すると、次の通りである。
【００７４】
図１０は、マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
【００７５】
図１０を参照すると、前記マーカーユニット１１０の空間位置を算出するためには、まず前記プロセッサ１３０を通じて前記結像ユニット１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１のイメージの位置及び大きさを測定する（Ｓ１３２０）。
【００７６】
前記パターン部１１１のイメージの位置及び大きさを測定した後、前記プロセッサ１３０に既に格納された前記パターン部１１１のイメージの基準位置及び大きさと、前記結像ユニット１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１のイメージの位置及び大きさとを前記プロセッサ１３０を通じて比較し、マーカーユニット１１０の空間位置を算出するようになる（Ｓ１３２１）。
【００７７】
図７ａは、前記マーカーユニット１１０がプロセッサ１３０に既に格納された位置に存在するとき、前記パターン部１１１のイメージが結像ユニット１２０に結像される基準位置及び大きさを示したものであって、図７ｂに示した通り、マーカーユニット１１０と結像ユニット１２０との間の離隔された距離Ｄ２が基準距離Ｄ１より短くなる場合には、プロセッサ１３０に既に格納されたパターン部１１１のイメージの基準大きさＡ１より拡大されたパターン部１１１のイメージの大きさＡ２が前記結像ユニット１２０に、さらに大きく結像される。従って、前記パターン部１１１のイメージの基準大きさＡ１と、前記結像ユニット１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１のイメージの大きさＡ２とをプロセッサ（１３０）を通じて比較し、前記マーカーユニット１１０の空間位置を算出することができるようになる。
【００７８】
一方、図面には示さなかったが、マーカーユニット１１０と結像ユニット１２０との間の離隔された距離Ｄ２が基準距離Ｄ１より長くなる場合には、プロセッサ１３０に既に格納されたパターン部のイメージの基準大きさＡ１より、拡大されたパターン部１１１のイメージの大きさＡ２が前記結像ユニット１２０に小さく結像される。
【００７９】
そして、図７ｃに示した通り、マーカーユニット１１０が基準位置Ｂ１下に位置する場合には、前記プロセッサ１３０に既に格納されたパターン部１１１のイメージの基準位置（Ｃ１：図７ａ参照）より、前記拡大されたパターン部１１１のイメージが上部に位置して前記結像ユニット１２０に結像される。従って、前記パターン部１１１のイメージの基準位置Ｃ１と前記結像ユニット１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１のイメージの位置Ｃ２とをプロセッサ１３０を通じて比較して前記マーカーユニット１１０の空間位置を算出することができるようになる。
【００８０】
一方、図面には示さなかったが、マーカーユニット１１０が基準位置Ｂ１上に位置する場合には、前記プロセッサ１３０に既に格納されたパターン部１１１のイメージの基準位置Ｃ１より、前記拡大されたパターン部１１１のイメージが下部に位置するように前記結像ユニット１２０に結像される。
【００８１】
そして、前記マーカーユニット１１０と結像ユニット１２０との間の離隔された距離Ｄ２が基準距離Ｄ１と異なり、前記マーカーユニット１１０が基準位置Ｂ１に位置しない場合には、前記プロセッサ１３０に既に格納された前記パターン部のイメージの基準位置Ｃ１及び大きさＡ１と、前記結像ユニット１２０に結像されて拡大されたイメージの位置Ｃ２及び大きさＡ２とを比較してマーカーユニット１１０の空間位置を算出することができる。
【００８２】
一方、図７ｄに示した通り、前記マーカーユニット１１０と結像ユニット１２０との間の離隔された距離Ｄ２が基準距離Ｄ１と同一であり、前記マーカーユニット１１０が基準位置Ｂ１に位置した状態で前記マーカーユニット１１０の方向のみがθだけ変更された場合には、前記結像ユニット１２０に結像される拡大されたパターン部１１１のイメージの大きさＡ２及び位置Ｃ２が前記プロセッサ１３０に既に格納された前記パターン部１１１のイメージの基準位置Ｃ１及び大きさＡ１と同一に算出される。従って、前記マーカーユニット１１０の方向は、ステップＳ１３１１で説明した通り、前記拡大されたパターン部１１１のイメージＩ１の領域別パターン部１１１ａの位置及びパターン部１１１ａの大きさの変化と、プロセッサ１３０に既に格納されたパターン部のイメージＩ２の領域別基準パターン部１１１ａの位置及び基準パターン部１１１ａの大きさとを比較してマーカーユニット１１０の回転された角度を算出することによって、前記マーカーユニット１１０の方向を算出することができる。
【００８３】
＜実施例２＞
本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは、２つの結像ユニットが配置される内容を除けば、第１実施例によるオプティカルトラッキングシステムと実質的に同一であるので、結像ユニットの配置と関連された一部内容を除いた他の構成要素及び内容に関する詳細な説明は省略することにする。
【００８４】
図１１は、本発明の第２実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
【００８５】
図１１を参照すると、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは１つのマーカーユニット２１０と、第１、２結像ユニット２２０ａ、２２０ｂと、プロセッサ２３０とを含む。
【００８６】
前記第１、２結像ユニット２２０ａ、２２０ｂは、前記マーカーユニット２１０を中心に互いに一定角度離隔されるように配置され、前記マーカーユニット２１０から放出されるパターン部２１１の平行出射光をそれぞれ受光して、それぞれ互いに異なる拡大されたパターン部２１１のイメージを結像させる。ここで、前記第１、２結像ユニット２２０ａ、２２０ｂは、図１１に示した通り、Ｙ軸上に配置されることが望ましい。
【００８７】
本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは第１、２結像ユニット２２０ａ、２２０ｂで２つの拡大されたパターン部２１１のイメージを結像させるので、プロセッサ２３０により前記マーカーユニット２１０の空間位置座標も２つを算出することができるので、第１実施例によるオプティカルトラッキングシステムより正確なマーカーユニット２１０の空間位置及び方向を算出することができる。
【００８８】
図１１及び図１２を参照して、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムのプロセッサによりマーカーユニットの空間位置が算出される過程について例を挙げて説明すると、次の通りである。
【００８９】
図１２は、本発明の第２実施例によるマーカーユニットの空間位置が算出される過程を説明するための図面である。
【００９０】
図１２に示した通り、マーカーユニット２１０の第１レンズ部２１３の座標をＸ、Ｙとすると、前記第１レンズ部２１３の座標Ｘ、Ｙは数式１のように表現され得る。
【００９１】
【数１】
2018077245.tif 000003
【００９２】
ここで、ｆｃは、第１、２結像ユニット２２０ａ、２２０ｂに結像されて拡大されたパターン部２１１のイメージのＸ軸座標であり、Ｌは、第２結像ユニット２２０ｂのレンズ部２２１ｂのＹ軸座標であり、ｕ１は、第１結像ユニット２２０ａに結像されて拡大されたパターン部２１１のイメージの中心座標のＹ軸座標であり、ｕ２は、第２結像ユニット２２０ｂに結像されて拡大されたパターン部２１１のイメージの中心座標のＹ軸座標である。
【００９３】
図１２に示した通り、前記マーカーユニット２１０の第１レンズ部２１３の位置は固定された状態で方向のみがθだけの回転値があるとき、第１、２結像ユニット２２０ａ、２２０ｂにより確認されるマーカーユニット２１０のパターン部２１１の実空間座標（Ｘ１、Ｙ１）（Ｘ２、Ｙ２）は数式２のように表現され得る。
【００９４】
【数２】
2018077245.tif 000004
【００９５】
ここで、ｆｂは、マーカーユニット２１０の第１レンズ部２１３の焦点距離であり、θは、マーカーユニット２１０の回転値である。
【００９６】
そして、第１結像ユニット２２０ａに結像される拡大されたパターン部２１１のイメージの中心座標をＸ３、Ｙ３とし、第２結像ユニット２２０ｂに結像される拡大されたパターン部２１１のイメージの中心座標をＸ４、Ｙ４とすると、図１２に示した通り、第１結像ユニット２２０ａに結像される拡大されたパターン部２１１のイメージの中心座標（Ｘ３、Ｙ３）と、第１結像ユニット２２０ａのレンズ部２２１ａの中心座標（０、０）と、マーカーユニット２１０の第１レンズ２１３の中心座標（Ｘ、Ｙ）と、第１結像ユニット２２０ａにより確認されるマーカーユニット２１０のパターン部２１１の実空間座標（Ｘ１、Ｙ１）とはライン１上に位置するということを確認することができ、第２結像ユニット２２０ｂに結像される拡大されたパターン部２１１のイメージの中心座標（Ｘ４、Ｙ４）と、第２結像ユニット２２０ｂのレンズ部２２１ｂの中心座標（０、Ｌ）と、マーカーユニット２１０の第１レンズ部２１３の中心座標（Ｘ、Ｙ）と、第２結像ユニット２２０ｂにより確認されるマーカーユニット２１０のパターン部２１１の実空間座標（Ｘ２、Ｙ２）とはライン２上に位置するということを確認することができる。ここで、（Ｘ３、Ｙ３）＝（−ｆｃ′、−ｕ１）、（Ｘ４、Ｙ４）＝（−ｆｃ、Ｌ＋ｕ２）で表されることができ、（Ｘ１、Ｙ１）と（Ｘ２、Ｙ２）は、数式２のように表現され得る。
【００９７】
前記のようにライン１及びライン２に位置したそれぞれの座標を表１を通じて整理すると、次の通りである。
【００９８】
【表１】
2018077245.tif 000005
【００９９】
表１は、図１２に示されたライン１及びライン２に位置した座標整理表であって、前記表１を参照してライン１及びライン２上の３座標（１）、（２）、（３）で２つの式を作ってその差を算出すると、数式３のように表現され得る。
【０１００】
【数３】
2018077245.tif 000006
【０１０１】
また、ライン１、ライン２上の３座標（１）、（２）、（４）で２つの式を作ってその差を算出すると、数式４のように表現され得る。
【０１０２】
【数４】
2018077245.tif 000007
【０１０３】
また、ライン１、ライン２上の３座標（１）、（３）、（４）で２つの式を作れば、数式５及び数式６のように表現され得る。
【０１０４】
【数５】
2018077245.tif 000008
【０１０５】
【数６】
2018077245.tif 000009
【０１０６】
そして、数式３を数式４に代入して両辺をｃｏｓθで除算するとｔａｎθを求めることができ、ｔａｎθは数式７のように表現され得る。
【０１０７】
【数７】
2018077245.tif 000010
【０１０８】
一方、数式５及び数式６でθ値を知っていれば変数はＸ、Ｙだけであるので、２式を連立すると、マーカーユニット２１０の第１レンズ部２１３の座標であるＸ、Ｙを算出することができ、前記マーカーユニット２１０の第１レンズ部２１３の座標Ｘ、Ｙは数式８のように表現され得る。
【０１０９】
【数８】
2018077245.tif 000011
【０１１０】
＜実施例３＞
本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは、マーカーユニットに対する一部内容を除けば、第１実施例によるオプティカルトラッキングシステムと同一であるので、マーカーユニットと関連された一部内容を除いた他の構成要素に関する詳細な説明は省略することにする。
【０１１１】
図１３は、本発明の第３実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
【０１１２】
図１３を参照すると、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは１つのマーカーユニット３１０、第１結像ユニット３２０及びプロセッサ３３０を含む。
【０１１３】
前記マーカーユニット３１０はパターン部３１１と、第１、２光源３１２ａ、３１２ｂと、第１、２レンズ部３１３ａ、３１３ｂ とを含むことができる。
【０１１４】
前記パターン部３１１には多数のパターン部（図示せず）が一定間隔に形成される。ここで、前記パターン部３１１は、前記第１、２レンズ部３１３ａ、３１３ｂと対応し、図１３に示した通り、２つに形成され得るだけでなく、後述される図１４に示した通り、１つにも形成され得る。
【０１１５】
前記第１、２光源３１２ａ、３１２ｂは互いに所定間隔離隔されるように前記パターン部３１１の後方に配置されて前記パターン部３１１に光を照射する。
【０１１６】
前記第１、２レンズ部３１３ａ、３１３ｂは互いに所定間隔離隔されるように前記パターン部３１１の前方部に配置され、前記第１、２光源３１２ａ、３１２ｂから照射されて前記パターン部３１１を通過した光を結像ユニット３２０に平行出射光形態で放出させることができるようにする。
【０１１７】
本実施例によるオプティカルトラッキングシステムのマーカーユニット３１０の方向を算出する過程は、第１実施例によるオプティカルトラッキングシステムと同一であるので、これに関する説明は省略し、図１４を参照としてマーカーユニット３１０の空間位置がプロセッサ３３０により算出される過程についてのみ例を挙げて説明する。
【０１１８】
図１４は、本発明の第３実施例によるオプティカルトラッキングシステムのプロセッサによりマーカーユニットの空間位置が算出される過程を説明するための図面である。
【０１１９】
図１４に示した通り、結像ユニット３２０に結像されるイメージ座標をｕ１、ｕ２とすると、マーカーユニット３１０の第１レンズ部３１３ａの中心座標（Ｘ、Ｙ）を過ぎてパターン部３１１と会う点の座標、即ちパターン部３１１の実空間座標（Ｘ１、Ｙ１）は数式９のように表現され得る。
【０１２０】
【数９】
2018077245.tif 000012
【０１２１】
また、前記マーカーユニット３１０の第２レンズ部３１３ｂの中心座標（−ｓｉｎθ１＋Ｘ、ｃｏｓθ１＋Ｙ）を過ぎてパターン部３１１と会う座標、即ちパターン部３１１の実空間座標（Ｘ２、Ｙ２）は数式１０のように表現され得る。
【０１２２】
【数１０】
2018077245.tif 000013
【０１２３】
一方、実施例２と同様にライン１及びライン２上のそれぞれの座標を表２を通じて整理すると、次の通りである。
【０１２４】
【表２】
2018077245.tif 000014
【０１２５】
表２は、図１０に示されたライン１及びライン２に位置した座標整理表であって、前記表２を参照してライン１及びライン２上の３座標（２）、（３）、（４）で２つの式を作って整理すると、Ｘ、Ｙは数式１１のように表現され得る。
【０１２６】
【数１１】
2018077245.tif 000015
【０１２７】
また、ライン１及びライン２上の３座標（１）、（２）、（３）で２つの式を作ってその差を算出すると、数式１２のように表現され得る。
【０１２８】
【数１２】
2018077245.tif 000016
【０１２９】
また、ライン１及びライン２上の３座標（１）、（２）、（４）で２つの式を作ってその差を算出すると、数式１３のように表現され得る。
【０１３０】
【数１３】
2018077245.tif 000017
【０１３１】
また、ライン１及びライン２上の３座標（１）、（３）、（４）で２つの式を作ると、数式１４と数式１５のように表現され得る。
【０１３２】
【数１４】
2018077245.tif 000018
【０１３３】
【数１５】
2018077245.tif 000019
【０１３４】
一方、数式１２を数式１３に代入して両辺をｃｏｓθで除算すると、ｔａｎθは数式１６のように表現され得る。
【０１３５】
【数１６】
2018077245.tif 000020
【０１３６】
そして、数式１４と数式１５でθ値を知っていれば、変数はＸ、Ｙだけであるので、２式を連立すると、第１レンズ部３１３ａの座標Ｘ、Ｙは数式１７のように表現され得る。
【０１３７】
【数１７】
2018077245.tif 000021
【０１３８】
また、数式１７で第１レンズ部３１３ａの座標が算出されるので、第２レンズ部（３１３ｂ）の座標（−ｓｉｎθ１＋Ｘ、ｃｏｓθ１＋Ｙ）も算出され得る。
【０１３９】
＜実施例４＞
本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは、２つの結像ユニットと２つのマーカーユニットが配置される内容を除くと、第１実施例によるオプティカルトラッキングシステムと実質的に同一であるので、結像ユニット及びマーカーユニットの配置と関連された一部内容を除いた他の構成要素及び内容に関する詳細な説明は省略することにする。
【０１４０】
図１５は、本発明の第４実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図である。
【０１４１】
図１５を参照すると、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは第１、２マーカーユニット４１０ａ、４１０ｂと、第１、２結像ユニット４２０ａ、４２０ｂと、プロセッサ４３０とを含む。
【０１４２】
前記第１、２マーカーユニット４１０ａ、４１０ｂは目的物に所定間隔離隔されて取り付けられ、前記第１、２マーカーユニット４１０ａ、４１０ｂ間の空間位置及び方向はプロセッサ４３０に既に格納される。
【０１４３】
前記第１、２結像ユニット４２０ａ、４２０ｂは、それぞれ第１、２マーカーユニット４１０ａ、４１０ｂから放出されるパターン部４１１ａ、４１１ｂの平行出射光を受光して拡大されたイメージを結像させる。即ち、第１結像ユニット４２０ａは、第１マーカーユニット４１０ａから放出されるパターン部４１１ａの平行出射光を受光して拡大されたイメージを結像させ、第２結像ユニット４２０ｂは、第２マーカーユニット４１０ｂから放出されるパターン部４１１ｂの平行出射光を受光して拡大されたイメージを結像させる。
【０１４４】
前記プロセッサ４３０は、前記第１、２結像ユニット４２０ａ、４２０ｂと連結されて前記結像ユニット４２０ａ、４２０ｂに結像されて拡大されたパターン部４１１ａ、４１１ｂのイメージを用いて前記第１、２マーカーユニット４１０ａ、４１０ｂの空間位置及び方向を算出する。
【０１４５】
図１６は、本発明の第４実施例によるオプティカルトラッキングシステムのプロセッサによりマーカーユニットの空間位置が算出される過程を説明するための図面である。
【０１４６】
図１６に示した通り、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムはプロセッサ４３０により第１結像ユニット４２０ａのレンズ部４２１ａの中心から第１マーカーユニット４１０ａの第１レンズ部４１３ａの中心に向かうベクトルを算出し、第２結像ユニット４２０ｂのレンズ部４２１ｂの中心から第２マーカーユニット４１０ｂの第２レンズ部４１３ｂの中心に向かうベクトルを算出した後、算出された２つのベクトルを通じてｌｌとｌｒの２つの直線式を作って２つ直線の交点を算出することによって第１、２マーカーユニット４１０ａ、４１０ｂの空間位置を算出することができるようになる。
【０１４７】
＜実施例５＞
図１７は、本発明の第５実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図であり、図１８は、本発明の第５実施例によるマーカーユニットを示した図面である。
【０１４８】
図１７及び図１８を参照すると、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは少なくとも１つの光源５４０、少なくとも１つのマーカーユニット５１０、少なくとも１つの結像ユニット５２０及びプロセッサ５３０を含む。
【０１４９】
前記少なくとも１つの光源５４０は、前記マーカーユニット５１０に向かって光を照射できるように配置される。例えば、前記光源５４０はＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）であり得る。ここで、前記少なくとも１つの光源５４０は、前記マーカーユニット５１０の外部に配置されることが望ましい。
【０１５０】
前記少なくとも１つのマーカーユニット５１０は、前記光源５４０から照射される光を反射させて平行出射光形態で放出されるようにする。
【０１５１】
前記マーカーユニット５１０は、ボールレンズ５１３と、前記ボールレンズ５１３の表面に設けられたパターン部５１１とを含むことができる。ここで、前記パターン部５１１は、前記ボールレンズ５１３の全体表面に設けられることができる。これとは異なって前記パターン部５１１は、前記ボールレンズ５１３の表面一部にのみ設けられることができる。
【０１５２】
前記ボールレンズ５１３は、前記結像ユニット５２０にパターン部５１１の拡大されたイメージを結像させることができるように、前記光源５４０から照射される光を反射させて平行出射光形態で前記結像ユニット５２０側に放出する。
【０１５３】
前記少なくとも１つの結像ユニット５２０は、前記マーカーユニット５１０から放出される前記平行出射光を受光して前記パターン部５１１の拡大されたイメージを結像させる。
【０１５４】
例えば、前記結像ユニット５２０は、前記マーカーユニット５１０から放出された前記平行出射光をレンズ部５２１を通じて受光して前記平行出射光により拡大されたパターン部５１１のイメージをセンサ部５２２に結像させるカメラであり得る。
【０１５５】
前記プロセッサ５３０は、前記結像ユニット５２０に結像された前記パターン部５１１の拡大されたイメージと、前記プロセッサ５３０に既に格納された基準パターン部のイメージとを比較して前記マーカーユニット５１０の空間位置及び方向を算出する。
【０１５６】
より詳細に説明すると、前記プロセッサ５３０は、前記結像ユニット５２０に結像されて拡大されたパターン部５１１のイメージの位置及び大きさを、既に格納された基準パターン部のイメージの基準位置及び大きさと比較して前記マーカーユニット５１０の空間位置を算出し、前記拡大されたパターン部５１１の領域別パターン部の位置及びパターン部５１１の大きさと、既に格納されたパターン部のイメージの領域別基準パターン部の位置及び基準パターン部の大きさとを比較して前記マーカーユニット５１０の方向を算出し、前記マーカーユニット５１０の空間位置及び方向を算出することによって目的物の空間位置及び方向を算出することができる。
【０１５７】
図１７〜図２４を参照して本発明の第５実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の空間位置及び方向を算出するようになる過程について説明する。
【０１５８】
図１９は、本発明の第５実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物をトラッキングする過程を説明するためのフローチャートである。
【０１５９】
図１７〜図１９を参照すると、本発明の第５実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物をトラッキングするためには、まず光源５４０を作動させてマーカーユニット５１０、即ちパターン部５１１が設けられたボールレンズ５１３に向かって光を照射する（Ｓ２１０）。
【０１６０】
前記マーカーユニット５１０に向かって照射された光はパターン部５１１のイメージを拡大させて結像させることができるようにボールレンズ５１３の表面にパターン部５１１が設けられたマーカーユニット５１０により反射されて平行出射光形態で放出される（Ｓ２２０）。
【０１６１】
前記ボールレンズ５１３により反射されて放出された平行出射光は、結像ユニット５２０に入射されて拡大されたパターン部５１１のイメージを結像させる（Ｓ２３０）。
【０１６２】
前記拡大されたパターン部５１１のイメージを結像させる過程（Ｓ２３０）について、より詳細に説明すると、前記ボールレンズ５１３により反射されて放出されたパターン部５１１の平行出射光は結像ユニット５２０のレンズ部５２１を通過するようになり、前記結像ユニット５２０のレンズ部５２１を通過したパターン部５１１の平行出射光はセンサ部５２２に拡大されたパターン部５１１のイメージを結像させるようになる。
【０１６３】
上記のように結像ユニット５２０に拡大されたパターン部５１１のイメージが結像されると、プロセッサ５３０は、前記拡大されたパターン部５１１のイメージを用いて前記マーカーユニット５１０の空間位置及び方向を算出する（Ｓ２４０）。
【０１６４】
図２０を参照して前記マーカーユニット５１０の空間位置及び方向を算出する過程について、より詳細に説明すると、次の通りである。
【０１６５】
図２０は、マーカーユニットの空間位置及び方向を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
【０１６６】
図２０を参照すると、前記プロセッサ５３０を通じて前記マーカーユニット５１０の空間位置及び方向を算出するためには、前記プロセッサ５３０を通じて前記結像ユニット５２０に結像されて拡大されたパターン部５１１のイメージを用いて前記マーカーユニット５１０が回転された角度を算出し、前記マーカーユニット５１０の方向を算出する（Ｓ２４１）。
【０１６７】
上記のように、プロセッサ５３０により前記マーカーユニット５１０の回転された角度が算出されると、前記プロセッサ５３０を通じて前記結像ユニット５２０に結像されて拡大されたパターン部５１１のイメージと前記マーカーユニット５１０の回転された角度とを用いて前記マーカーユニット５１０の空間位置を算出する（Ｓ２４２）。
【０１６８】
ここで、前記結像ユニット５２０の空間位置及び方向情報は、前記プロセッサ５３０に既に格納される。
【０１６９】
図２１及び図２２を参照して、前記マーカーユニット５１０の方向を算出するステップ（Ｓ２４１）について、より詳細に説明すると、次の通りである。
【０１７０】
図２１は、マーカーユニットの方向が算出される過程を説明するためのフローチャートであり、図２２は、本発明の第１実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の方向を算出する過程を説明するための図面である。
【０１７１】
図２１を参照すると、前記マーカーユニット５１０の方向を算出するためには、まず前記プロセッサ５３０を通じて前記結像ユニット５２０に結像されて拡大されたパターン部５１１のイメージの領域別パターン部５１１の位置及びパターン部５１１の大きさの変化を測定する（Ｓ１４１０）。
【０１７２】
前記パターン部５１１のイメージの領域別パターン部５１１の位置及びパターン部５１１の大きさの変化を測定した後、前記プロセッサ５３０に既に格納された前記パターン部５１１のイメージの領域別基準パターン部５１１の位置及び基準パターン部５１１の大きさと、前記結像ユニット５２０に結像されて拡大されたパターン部５１１のイメージの領域別パターン部５１１の位置及びパターン部５１１の大きさの変化とを比較してマーカーユニット５１０の回転された角度を算出することによって、前記マーカーユニット５１０の方向を算出するようになる（Ｓ２４１１）。
【０１７３】
即ち、図２２に示した通り、マーカーユニット５１０が回転をすると結像ユニット５２０に結像されて拡大されたパターン部５１１のイメージＩ１のパターン部５１１の位置及び大きさも変わるようになることによって、前記プロセッサ５３０に既に格納された前記パターン部のイメージＩ２の領域別基準パターン部５１１の位置及び基準パターン部５１１の大きさと、前記結像ユニット５２０に結像されたパターン部のイメージＩ１の領域別パターン部５１１の位置及びパターン部５１１の大きさの変化とを比較するようになると、前記マーカーユニット５１０の回転された角度θを算出することができるので、前記マーカーユニット５１０の方向を算出することができるようになる。
【０１７４】
次に、図２３〜図２４ｄを参照して前記マーカーユニットの空間位置を算出するステップ（Ｓ２４２）について、より詳細に説明すると、次の通りである。
【０１７５】
図２３は、マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するためのフローチャートであり、図２４ａ〜図２４ｄは、マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
【０１７６】
図２３〜図２４ｄを参照すると、前記マーカーユニット５１０の空間位置を算出するためには、まず前記プロセッサ５３０を通じて前記結像ユニット５２０に結像されて拡大されたパターン部５１１のイメージの位置及び大きさを測定する（Ｓ２４２０）。
【０１７７】
前記パターン部５１１のイメージの位置及び大きさを測定した後、前記プロセッサ５３０に既に格納された前記パターン部５１１のイメージの基準位置及び大きさと、前記結像ユニット５２０に結像されて拡大されたパターン部５１１のイメージの位置及び大きさとを前記プロセッサ５３０を通じて比較し、マーカーユニット５１０の空間位置を算出するようになる（Ｓ２４２１）。
【０１７８】
図２４ａは、前記マーカーユニット５１０がプロセッサ５３０に既に格納された位置に存在するとき、前記パターン部５１１のイメージが結像ユニット５２０に結像される基準位置及び大きさを示したものであって、図２４ｂに示した通り、マーカーユニット５１０と結像ユニット５２０との間の離隔された距離Ｄ２が基準距離Ｄ１より短くなる場合には、プロセッサ５３０に既に格納されたパターン部５１１のイメージの基準大きさＡ１より拡大されたパターン部５１１のイメージの大きさＡ２が前記結像ユニット５２０に、さらに大きく結像される。従って、前記パターン部５１１のイメージの基準大きさＡ１と、前記結像ユニット５２０に結像されて拡大されたパターン部５１１のイメージの大きさＡ２とをプロセッサ５３０を通じて比較し、前記マーカーユニット５１０の空間位置を算出することができるようになる。
【０１７９】
一方、図面には示さなかったが、マーカーユニット５１０と結像ユニット５２０との間の離隔された距離Ｄ２が基準距離Ｄ１より長くなる場合には、プロセッサ５３０に既に格納されたパターン部のイメージの基準大きさＡ１より拡大されたパターン部５１１のイメージの大きさＡ２が前記結像ユニット５２０に小さく結像される。
【０１８０】
そして、図２４ｃに示した通り、マーカーユニット５１０が基準位置Ｂ１下に位置する場合には、前記プロセッサ５３０に既に格納されたパターン部５１１のイメージの基準位置（Ｃ１：図２４ａ参照）より前記拡大されたパターン部５１１のイメージが上部に位置して前記結像ユニット５２０に結像される。従って、前記パターン部５１１のイメージの基準位置Ｃ１と、前記結像ユニット５２０に結像されて拡大されたパターン部５１１のイメージの位置Ｃ２とをプロセッサ５３０を通じて比較し、前記マーカーユニット５１０の空間位置を算出することができるようになる。
【０１８１】
一方、図面には示さなかったが、マーカーユニット５１０が基準位置Ｂ１より上に位置する場合には、前記プロセッサ５３０に既に格納されたパターン部５１１のイメージの基準位置Ｃ１より前記拡大されたパターン部５１１のイメージが下部に位置するように前記結像ユニット５２０に結像される。
【０１８２】
そして、前記マーカーユニット５１０と結像ユニット５２０との間の離隔された距離Ｄ２が基準距離Ｄ１と異なり、前記マーカーユニット５１０が基準位置Ｂ１に位置しない場合には、前記プロセッサ５３０に既に格納された前記パターン部のイメージの基準位置Ｃ１及び大きさＡ１と、前記結像ユニット５２０に結像されて拡大されたパターン部のイメージの位置Ｃ２及び大きさＡ２とを比較してマーカーユニット５１０の空間位置を算出することができる。
【０１８３】
一方、図２４ｄに示した通り、前記マーカーユニット５１０と結像ユニット５２０との間の離隔された距離Ｄ２が基準距離Ｄ１と同一であり、前記マーカーユニット５１０が基準位置Ｂ１に位置した状態で前記マーカーユニット５１０の方向のみがθだけ変更された場合には、前記結像ユニット５２０に結像される拡大されたパターン部５１１のイメージの大きさＡ２及び位置Ｃ２が前記プロセッサ５３０に既に格納された前記パターン部５１１のイメージの基準位置Ｃ１及び大きさＡ１と同一に算出される。従って、前記マーカーユニット５１０の方向はステップＳ２４１１で説明した通り、前記拡大されたパターン部５１１のイメージＩ１の領域別パターン部５１１ａの位置及びパターン部５１１ａの大きさの変化と、プロセッサ５３０に既に格納されたパターン部のイメージＩ２の領域別基準パターン部５１１ａの位置及び基準パターン部５１１ａの大きさとを比較してマーカーユニット５１０の回転された角度を算出することによって、前記マーカーユニット５１０の方向を算出することができる。
【０１８４】
上述した通り、本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステムは、マーカーユニット５１０からパターン部５１１の平行出射光を放出させて結像ユニット５２０に拡大されたパターン部５１１のイメージを結像させた後、これを用いてマーカーユニット５１０の空間位置を算出する。即ち、前記マーカーユニット５１０の位置精度を結像ユニット５２０の解像力にのみ依存せず、パターン部５１１のイメージを拡大させて結像ユニット５２０に結像させることによって測定しようとする目的物の距離が結像ユニット５２０と遠く離れていても、前記目的物の空間位置及び方向を精度の減少なしに算出することができる。
【０１８５】
従って、本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステムは測定しようとする目的物の距離と関係なく、目的物の正確な空間位置及び方向を検出してトラッキングできるので、可用領域を大幅に広げることができるだけでなく、従来のマーカーユニットに比べてマーカーユニット５１０の大きさを大幅に減らして製作できるので、装備を小型化させることができる。
【０１８６】
＜実施例６＞
図２５を参照して本発明の第６実施例によるオプティカルトラッキングシステムについて説明すると、次の通りである。
【０１８７】
図２５は、本発明の第６実施例によるオプティカルトラッキングシステムを説明するための図面である。
【０１８８】
図２５を参照すると、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは少なくとも１つの光源（図示せず）と、マーカーユニット６１０と、第１、２結像ユニット６２０Ａ、６２０Ｂと、プロセッサ６３０等を含むことができる。
【０１８９】
図２５に示した通り、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムはボールレンズ６１３の表面にパターン部６１１が設けられたマーカーユニット６１０を中心に第１、２結像ユニット６２０ａ、６２０ｂが配置され、前記プロセッサ６３０が前記第１、２結像ユニット６２０ａ、６２０ｂと連結されて構成され得る。
【０１９０】
従って、前記第１、２結像ユニット６２０ａ、６２０ｂが前記マーカーユニット６１０から放出される平行出射光をそれぞれ受光して、前記パターン部６１１の拡大されたイメージを結像させ、例えば、前記結像ユニット６２０ａ、６２０ｂは、前記マーカーユニット６１０から放出された前記平行出射光を各レンズ部６２１ａ、６２１ｂを通じて受光して前記平行出射光により拡大されたパターン部６１１のイメージをそれぞれのセンサ部６２２ａ、６２２ｂに結像させるカメラであり得る。
【０１９１】
前記プロセッサ６３０は、前記第１、２結像ユニット６２０ａ、６２０ｂにそれぞれ結像されたパターン部６１１の拡大されたイメージと、既に格納された基準パターン部のイメージとを比較し、前記マーカーユニット６１０の空間位置及び方向を算出する。ここで、前記第１、２結像ユニット６２０ａ、６２０ｂ及び前記少なくとも１つの光源の空間位置及び方向は、前記プロセッサ６３０に既に格納される。
【０１９２】
＜実施例７＞
図２６を参照して本発明の第７実施例によるオプティカルトラッキングシステムについて説明すると、次の通りである。
【０１９３】
図２６は、本発明の第７実施例によるオプティカルトラッキングシステムを説明するための図面である。
【０１９４】
図２６を参照すると、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは少なくとも１つの光源（図示せず）と、第１〜第３マーカーユニット７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃと、結像ユニット７２０と、プロセッサ７３０等を含むことができる。
【０１９５】
図２６に示した通り、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは、ボールレンズ７１３ａ、７１３ｂ、７１３ｃの表面にパターン部７１１ａ、７１１ｂ、７１１ｃが設けられた第１〜第３マーカーユニット７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃが所定間隔で目的物に配置され、前記光源から照射される光が前記第１〜第３マーカーユニット７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃにより反射されて平行出射光形態で放出され、前記第１〜第３マーカーユニット７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃにより放出された平行出射光は、前記結像ユニット７２０により受光されて、第１〜第３マーカーユニット７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃの拡大されたパターン部７１１ａ、７１１ｂ、７１１ｃのイメージを結像させるようになる。
【０１９６】
結像ユニット７２０は、前記第１〜第３マーカーユニット７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃから放出された前記平行出射光をレンズ部７２１を通じて受光して前記平行出射光により拡大されたパターン部７１１ａ、７１１ｂ、７１１ｃのイメージをセンサ部７２２に結像させることができる。
【０１９７】
一方、プロセッサ７３０は、前記結像ユニット７２０と連結されて前記結像ユニット７２０に結像された第１〜第３マーカーユニット７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃの拡大されたパターン部７１１ａ、７１１ｂ、７１１ｃのイメージと、既に格納された基準パターン部のイメージとを比較し、前記マーカーユニット７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃの空間位置及び方向を算出する。ここで、前記結像ユニット７２０及び前記少なくとも１つの光源の空間位置及び方向は、前記プロセッサ７３０に既に格納される。
【０１９８】
また、前記目的物に取り付けられた第１〜第３マーカーユニット７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃの幾何学的情報も前記プロセッサ７３０に既に格納される。
【０１９９】
ここで、前記第１〜第３マーカーユニット７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃの幾何学的情報とは、互いに隣り合うマーカーユニット７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃを仮想で連結する直線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の長さ情報と、前記互いに隣り合う仮想の一対の直線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３がなす角度θ１、θ２、θ３情報であり得る。
【０２００】
＜実施例８＞
図２７を参照し、本発明の第８実施例によるオプティカルトラッキングシステムについて説明すると、次の通りである。
【０２０１】
図２７は、本発明の第８実施例によるオプティカルトラッキングシステムを説明するための図面である。
【０２０２】
図２７を参照すると、本実施例は第２結像ユニット８２０ｂがさらに追加されることを除いては第７実施例と実質的に同一である。
【０２０３】
即ち、図２７に示した通り、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムではボールレンズ８１３ａ、８１３ｂ、８１３ｃの表面にパターン部８１１ａ、８１１ｂ、８１１ｃが設けられた第１〜第３マーカーユニット８１０ａ、８１０ｂ、８１０ｃが所定間隔で目的物に取り付けられ、第１〜第３マーカーユニット８１０ａ、８１０ｂ、８１０ｃを中心に第１、２結像ユニット８２０ａ、８２０ｂが配置され、前記第１、２結像ユニット８２０ａ、８２０ｂにはプロセッサ８３０が連結される。
【０２０４】
これによって、光源から照射される光が前記第１〜第３マーカーユニット８１０ａ、８１０ｂ、８１０ｃにより反射され、平行出射光形態で結像ユニット８２０ａ、８２０ｂにより受光されて拡大されたパターン部８１１ａ、８１１ｂ、８１１ｃのイメージを結像させるようになる。
【０２０５】
結像ユニット８２０ａ、８２０ｂは、前記第１〜第３マーカーユニット８１０ａ、８１０ｂ、８１０ｃから放出された前記平行出射光をレンズ部８２１ａ、８２１ｂを通じて受光して前記平行出射光により拡大されたパターン部８１１ａ、８１１ｂ、８１１ｃのイメージをセンサ部８２２ａ、８２２ｂにより結像させることができる。
【０２０６】
＜実施例９＞
本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは、マーカーユニットの一部内容を除けば、第５実施例によるオプティカルトラッキングシステムと実質的に同一であるので、マーカーユニットと関連された一部内容を除いた他の構成要素及び内容に関する詳細な説明は省略することにする。
【０２０７】
図２８は、本発明の第９実施例によるマーカーユニットを説明するための図面である。
【０２０８】
図２８を参照すると、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムのマーカーユニット９１０はパターン部９１１と、魚眼レンズ９１３とを含むことができる。
【０２０９】
前記パターン部９１１は少なくとも１つの光源（図示せず）から照射される光を反射させたり透過させることができる。即ち、前記光源がマーカーユニット９１０の外部に配置される場合には、前記パターン部９１１は、前記光源から照射される光を反射させることができるように製作されることが望ましく、前記光源が前記パターン部９１１の後方部に位置するように前記マーカーユニット９１０の内部に配置される場合には、前記パターン部９１１は、前記光源から照射される光を透過させることができるように製作されることが望ましい。
【０２１０】
前記魚眼レンズ９１３は、前記少なくとも１つの光源から照射され、前記パターン部９１１により反射されたり、前記パターン部９１１を透過した光を通過させて平行出射光形態で結像ユニット（図示せず）側に放出させることができるように、前記パターン部９１１の前方部に配置される。
【０２１１】
ここで、前記パターン部９１１は、前記魚眼レンズ９１３の焦点距離に配置されることが望ましい。
【０２１２】
＜実施例１０＞
本実施例によるオプティカルトラッキングシステムはマーカーユニットの一部内容を除けば、第１実施例によるオプティカルトラッキングシステムと実質的に同一であるので、マーカーユニットと関連された一部内容を除いた他の構成要素及び内容に関する詳細な説明は省略することにする。
【０２１３】
図２９は本発明の第１０実施例によるマーカーユニットを説明するための図面である。
【０２１４】
図２９を参照すると、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムのマーカーユニット１０１０はパターン部１０１１と、対物レンズ１０１３と、プリズム１０１４等を含むことができる。
【０２１５】
前記パターン部１０１１は、少なくとも１つの光源（図示せず）から照射される光を反射させたり透過させることができる。即ち、前記光源がマーカーユニット１０１０の外部に配置される場合には、前記パターン部１０１１は、前記光源から照射される光を反射させることができるように製作されることが望ましく、前記光源が前記パターン部１０１１の後方部に位置するように前記マーカーユニット１０１０の内部に配置される場合には、前記パターン部１０１１は、前記光源から照射される光を透過させることができるように製作されることが望ましい。
【０２１６】
前記対物レンズ１０１３は、前記少なくとも１つの光源から照射されて前記パターン部１０１１により反射されたり前記パターン部１０１１を透過した光を通過させて平行出射光形態で結像ユニット（図示せず）側に放出させることができるように、前記パターン部１０１１の前方部に配置される。
【０２１７】
ここで、前記パターン部１０１１は、前記対物レンズ１０１３の焦点距離に配置されることが望ましい。
【０２１８】
前記プリズム１０１４は、前記対物レンズ１０１３を通過した平行出射光を通過させて前記平行出射光の画角を広げた後、結像ユニットに入射されるようにする。ここで、前記プリズム１０１４はピラミッド形態に形成されることが望ましい。
【０２１９】
＜実施例１１＞
図３０は、本発明の第１１実施例によるオプティカルトラッキングシステムの概略図であり、図３１は、本発明の第１１実施例によるマーカーユニットを示した図面である。
【０２２０】
図３０及び図３１を参照すると、本実施例によるオプティカルトラッキングシステムは少なくとも１つの光源１１４０、少なくとも１つのマーカーユニット１１１０、少なくとも１つの結像ユニット１１２０及びプロセッサ１１３０を含む。
【０２２１】
前記少なくとも１つの光源１１４０は、前記マーカーユニット１１１０に向かって光を照射できるように配置される。例えば、前記光源１１４０はＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）であり得る。ここで、前記少なくとも１つの光源１１４０は、前記マーカーユニット１１１０の外部に配置されることが望ましい。
【０２２２】
前記少なくとも１つのマーカーユニット１１１０は、前記光源１１４０から照射される光を反射させて平行出射光形態で放出して前記結像ユニット１１２０にパターン部１１１１の拡大されたイメージを結像させることができるようにする。
【０２２３】
前記マーカーユニット１１１０はミラー部１１１３及びパターン部１１１１などを含むことができる。
【０２２４】
前記ミラー部１１１３は少なくとも１つの光源１１４０から前記マーカーユニット１１１０に向かって照射される光をパターン部１１１１側に反射させた後、前記パターン部１１１１により反射された光を再反射させて前記少なくとも１つの結像ユニット１１２０側に平行光形態で放出させる。ここで、前記ミラー部１１１３は球面または非球面形態のミラーであり得る。例えば、前記ミラー部１１１３には光が一点に集まることができるように反射させる凹ミラーを用いることができる。
【０２２５】
前記パターン部１１１１は、前記ミラー部１１１３の焦点距離に配置され、前記ミラー部１１１３から反射されて入射される光を前記ミラー部１１１３側に再反射させる。
【０２２６】
一方、前記マーカーユニット１１１０は、第１レンズ１１１２をさらに含むことができる。
【０２２７】
前記第１レンズ１１１２は、前記ミラー部１１１３と焦点距離だけ離隔されるように配置され得る。即ち、前記第１レンズ１１１２は、前記ミラー部１１１３と前記第１レンズ１１１２の焦点距離だけ離隔されるように配置され、前記ミラー部１１１３により反射されて平行出射光形態で放出される光を前記少なくとも１つの結像ユニット１１２０側にもう一度平行出射光形態に変換させて放出させる。
【０２２８】
一方、前記マーカーユニット１１１０は、前記ミラー部１１１３に設けられる絞り１１１４をさらに含むことができる。前記絞り１１１４は、前記光源１１４０から照射されて前記ミラー部１１１３に入射される光量を調節し、前記結像ユニット１１２０に結像される拡大されたパターン部１１１１のイメージの画角及び解像度を調節できる。
【０２２９】
前記少なくとも１つの結像ユニット１１２０は、前記マーカーユニット１１１０から放出される前記平行出射光を受光して前記パターン部１１１１の拡大されたイメージを結像させる。
【０２３０】
例えば、前記結像ユニット１１２０は、前記マーカーユニット１１１０から放出された前記平行出射光をレンズ部１１２１を通じて受光して前記平行出射光により拡大されたパターン部１１１１のイメージをセンサ部１１２２に結像させるカメラであり得る。
【０２３１】
前記プロセッサ１１３０は、前記結像ユニット１１２０に結像された前記パターン部１１１１の拡大されたイメージと、前記プロセッサ１１３０に既に格納された基準パターンイメージとを比較して前記マーカーユニット１１１０の空間位置及び方向を算出する。
【０２３２】
さらに詳細に説明すると、前記プロセッサ１１３０は、前記結像ユニット１１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１１のイメージの位置及び大きさを、既に格納された基準パターンイメージの基準位置及び大きさと比較して前記マーカーユニット１１１０の空間位置を算出し、前記拡大されたパターン部１１１１の領域別パターンの位置およびパターン部１１１１の大きさと、既に格納されたパターンイメージの領域別基準パターンの位置及び基準パターンの大きさとを比較して前記マーカーユニット１１１０の方向を算出し、前記マーカーユニット１１１０の空間位置及び方向を算出することによって、目的物の空間位置と方向を算出することができる。
【０２３３】
図３０〜図３７を参照して本発明の第１１実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の空間位置及び方向を算出するようになる過程について説明する。
【０２３４】
図３２は、本発明の第１１実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物をトラッキングする過程を説明するためのフローチャートである。
【０２３５】
図３０〜図３２を参照すると、本発明の第１１実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物をトラッキングするためには、まず光源１１４０を作動させ、マーカーユニット１１１０、即ちパターン部１１１１が設けられたミラー部１１１３に向かって光を照射する（Ｓ３１０）。
【０２３６】
前記マーカーユニット１１１０に向かって照射された光はパターン部１１１１のイメージを拡大させて結像させることができるようにミラー部１１１３の焦点距離にパターン部１１１１が設けられたマーカーユニット１１１０により反射されて平行出射光形態で放出される（Ｓ３２０）。
【０２３７】
より詳細に説明すると、前記マーカーユニット１１１０に向かって照射された光は、前記ミラー部１１１３により反射されてパターン部１１１１上の一点に集まった後、前記パターン部１１１１及びミラー部１１１３により再び反射されて平行光形態で放出され、前記ミラー部１１１３により平行出射光形態で放出された光は、前記第１レンズ１１１２を通じて再び平行出射光形態に変換されて放出される。
【０２３８】
前記マーカーユニット１１１０により反射されて放出された平行出射光は、結像ユニット１１２０に入射されて拡大されたパターン部１１１１のイメージを結像させる（Ｓ３３０）。
【０２３９】
前記拡大されたパターン部１１１１のイメージを結像させる過程（Ｓ３３０）について、より詳細に説明すると、前記マーカーユニット１１１０により反射されて放出されたパターン部１１１１の平行出射光は結像ユニット１１２０のレンズ部１１２１を通過するようになり、前記結像ユニット１１２０のレンズ部１１２１を通過したパターン部１１１１の平行出射光はセンサ部１１２２に拡大されたパターン部１１１１のイメージを結像させるようになる。
【０２４０】
前記結像ユニット１１２０に拡大されたパターン部１１１１のイメージが結像されると、前記結像ユニット１１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１１のイメージを確認した後、絞り１１１４を作動させて前記ミラー部１１１３に入射される光量を調節して前記結像ユニット１１２０に結像される拡大されたパターン部１１１１のイメージの画角及び解像度を調節する（Ｓ３４０）。
【０２４１】
前記絞り１１１４によりミラー部１１１３に入射される光量が調節されて画角及び解像度が調節された拡大されたパターン部１１１１のイメージが前記結像ユニット１１２０に結像されると、プロセッサ１１３０は、前記画角及び解像度が調節された拡大されたパターン部１１１１のイメージを用いて前記マーカーユニット１１１０の空間位置及び方向を算出する（Ｓ３５０）。
【０２４２】
図３３を参照して、前記マーカーユニット１１１０の空間位置及び方向を算出する過程（Ｓ１５０）について、より詳細に説明すると、次の通りである。
【０２４３】
図３３は、マーカーユニットの空間位置及び方向を算出する過程を説明するためのフローチャートである。
【０２４４】
図３３を参照すると、前記プロセッサ１１３０を通じて前記マーカーユニット１１１０の空間位置及び方向を算出するためには、前記プロセッサ１１３０を通じて前記結像ユニット１１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１１のイメージを用いて前記マーカーユニット１１１０が回転された角度を算出し、前記マーカーユニット１１１０の方向を算出する（Ｓ３５１）。
【０２４５】
前記のようにプロセッサ１１３０により前記マーカーユニット１１１０の回転された角度が算出されると、前記プロセッサ１１３０を通じて前記結像ユニット１１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１１のイメージと前記マーカーユニット１１１０の回転された角度とを用いて前記マーカーユニット１１１０の空間位置を算出する（Ｓ３５２）。
【０２４６】
ここで、前記結像ユニット１１２０の空間位置及び方向情報は、前記プロセッサ１１３０に既に格納される。
【０２４７】
図３４及び図３５を参照して、前記マーカーユニット１１１０の方向を算出するステップ（Ｓ３５１）について、より詳細に説明すると、次の通りである。
【０２４８】
図３４は、マーカーユニットの方向が算出される過程を説明するためのフローチャートであり、図３５は、本発明の第１１実施例によるオプティカルトラッキングシステムを用いて目的物の方向を算出する過程を説明するための図面である。
【０２４９】
図３４を参照すると、前記マーカーユニット１１１０の方向を算出するためには、まず前記プロセッサ１１３０を通じて前記結像ユニット１１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１１のイメージの領域別パターン部１１１１の位置及びパターン部１１１１の大きさの変化を測定する（Ｓ３５１０）。
【０２５０】
前記パターン部１１１１のイメージの領域別パターンの位置及びパターンの大きさの変化を測定した後、前記プロセッサ１１３０に既に格納された前記パターン部１１１１のイメージの領域別基準パターンの位置及び基準パターンの大きさと、前記結像ユニット１１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１１のイメージの領域別パターンの位置及びパターンの大きさの変化とを比較し、マーカーユニット１１１０の回転された角度を算出することによって、前記マーカーユニット１１１０の方向を算出するようになる（Ｓ３５１１）。
【０２５１】
即ち、図３５に示した通り、マーカーユニット１１１０が回転をすると、結像ユニット１１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１１のイメージＩ１のパターン部１１１１の位置及び大きさも変わるようになることにより、前記プロセッサ１１３０に既に格納された前記パターンイメージＩ２の領域別基準パターンの位置及び基準パターンの大きさと、前記結像ユニット１１２０に結像されたパターンイメージＩ１の領域別パターンの位置及びパターンの大きさの変化とを比較するようになると、前記マーカーユニット１１１０の回転された角度を算出することができるので、前記マーカーユニット１１１の方向を算出することができるようになる。
【０２５２】
次に、図３６及び図３７を参照して前記マーカーユニットの空間位置を算出するステップ（Ｓ３５２）について、より詳細に説明すると、次の通りである。
【０２５３】
図３６は、マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するためのフローチャートであり、図３７ａ〜図３７ｄは、マーカーユニットの空間位置を算出する過程を説明するための図面である。
【０２５４】
図３６〜図３７ｄを参照すると、前記マーカーユニット１１１０の空間位置を算出するためには、まず前記プロセッサ１１３０を通じて前記結像ユニット１１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１１のイメージの位置及び大きさを測定する（Ｓ３５２０）。
【０２５５】
前記パターン部１１１１のイメージの位置及び大きさを測定した後、前記プロセッサに既に格納された前記パターン部１１１１のイメージの基準位置及び大きさと、前記結像ユニット１１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１１のイメージの位置及び大きさとを前記プロセッサ１１３０を通じて比較し、マーカーユニット１１１０の空間位置を算出するようになる（Ｓ３５２１）。
【０２５６】
図３７ａは、前記マーカーユニット１１１０がプロセッサ１１３０に既に格納された位置に存在するとき、前記パターン部１１１１のイメージが結像ユニット１１２０に結像される基準位置及び大きさを示したものであって、図３７ｂに示した通り、マーカーユニット１１１０と結像ユニット１１２０との間の離隔された距離Ｄ２が基準距離Ｄ１より短くなる場合には、プロセッサ１１３０に既に格納されたパターン部１１１１のイメージの基準大きさＡ１より拡大されたパターン部１１１１のイメージの大きさＡ２が前記結像ユニット１１２０に、さらに大きく結像される。従って、前記パターン部１１１１のイメージの基準大きさＡ１と、前記結像ユニット１１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１１のイメージの大きさＡ２とをプロセッサ１１３０を通じて比較し、前記マーカーユニット１１１０の空間位置を算出することができるようになる。
【０２５７】
一方、図面には示さなかったが、マーカーユニット１１１０と結像ユニット１１２０との間の離隔された距離Ｄ２が基準距離Ｄ１より長くなる場合には、プロセッサ１１３０に既に格納されたパターンイメージの基準大きさＡ１より拡大されたパターン部１１１１のイメージの大きさＡ２が前記結像ユニット１１２０に小さく結像される。
【０２５８】
そして、図３７ｃに示した通り、マーカーユニット１１１０が基準位置Ｂ１下に位置する場合には、前記プロセッサ１１３０に既に格納されたパターン部１１１１のイメージの基準位置（Ｃ１：図３７ａ参照）より前記拡大されたパターン部１１１１のイメージが上部に位置し、前記結像ユニット１１２０に結像される。従って、前記パターン部１１１１のイメージの基準位置Ｃ１と、前記結像ユニット１１２０に結像されて拡大されたパターン部１１１１のイメージの位置Ｃ２とをプロセッサ１１３０を通じて比較し、前記マーカーユニット１１１０の空間位置を算出することができるようになる。
【０２５９】
一方、図面には示さなかったが、マーカーユニット１１１０が基準位置Ｂ１上に位置する場合には、前記プロセッサ１１３０に既に格納されたパターン部１１１１のイメージの基準位置Ｃ１より前記拡大されたパターン部１１１１のイメージが下部に位置するように前記結像ユニット１１２０に結像される。
【０２６０】
そして、前記マーカーユニット１１１０と結像ユニット１１２０との間の離隔された距離Ｄ２が基準距離Ｄ１と異なり、前記マーカーユニット１１１０が基準位置Ｂ１に位置しない場合には、前記プロセッサ１１３０に既に格納された前記パターンイメージの基準位置Ｃ１及び大きさＡ１と、前記結像ユニット１１２０に結像されて拡大されたパターンイメージの位置Ｃ２及び大きさＡ２とを比較し、マーカーユニット１１１０の空間位置を算出することができる。
【０２６１】
一方、図３７ｄに示した通り、前記マーカーユニット１１１０と結像ユニット１１２０との間の離隔された距離Ｄ２が基準距離Ｄ１と同一であり、前記マーカーユニット１１１０が基準位置Ｂ１に位置した状態で、前記マーカーユニット１１１０の方向のみがθだけ変更された場合には、前記結像ユニット１１２０に結像される拡大されたパターン部１１１１のイメージの大きさＡ２及び位置Ｃ２が前記プロセッサ１１３０に既に格納された前記パターン部１１１１のイメージの基準位置Ｃ１及び大きさＡ１と同一に算出される。従って、前記マーカーユニット１１１０の方向はステップＳ３５１１で説明した通り、前記拡大されたパターン部１１１１のイメージＩ１の領域別パターン１１１１ａの位置及びパターン１１１１ａの大きさの変化を、プロセッサ１１３０に既に格納されたパターンのイメージＩ２の領域別基準パターン１１１１ａの位置及び基準パターン１１１１ａの大きさと比較し、マーカーユニット１１１０の回転された角度を算出することによって、前記マーカーユニット１１１０の方向を算出することができる。
【０２６２】
上述した通り、本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステムは、マーカーユニット１１１０からパターン部１１１１の平行出射光を放出させ、結像ユニット１１２０に拡大されたパターン部１１１１のイメージを結像させた後、これを用いてマーカーユニット１１１０の空間位置を算出する。即ち、前記マーカーユニット１１１０の位置精度を結像ユニット１１２０の解像力にのみ依存せず、パターン部１１１１のイメージを拡大させて結像ユニット１１２０に結像させることによって、測定しようとする目的物の距離が結像ユニット１１２０と遠く離れていても、前記目的物の空間位置及び方向を精度の減少なしに算出することができる。
【０２６３】
従って、本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステムは、測定しようとする目的物の距離と関係なく、目的物の正確な空間位置及び方向を検出してトラッキングできるので、可用領域を大幅に広げることができるだけでなく、従来のマーカーユニットに比べてマーカーユニット１１１０の大きさを大幅に減らして製作できるので、装備を小型化させることができる。
【０２６４】
一方、光源１１４０から照射されてマーカーユニット１１１０のミラー部１１１３に入射される光量を調節し、前記ミラー部１１１３により反射されて前記結像ユニット１１２０に結像される拡大されたパターン部１１１１のイメージの画角及び解像度を調節できるので、さらに正確な目的物の空間位置と方向を検出してトラッキングできるという長所がある。
【０２６５】
上述した本発明の詳細な説明では本発明の望ましい実施例を参照して説明したが、該当技術分野の熟練した当業者または該当技術分野に通常の知識を有する者であれば、後述する特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び技術領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更させられることを理解できるであろう。
【図１】
2018077245.tif 000022
【図２】
2018077245.tif 000023
【図３】
2018077245.tif 000024
【図４】
2018077245.tif 000025
【図５】
2018077245.tif 000026
【図６】
2018077245.tif 000027
【図７ａ】
2018077245.tif 000028
【図７ｂ】
2018077245.tif 000029
【図７ｃ】
2018077245.tif 000030
【図７ｄ】
2018077245.tif 000031
【図８】
2018077245.tif 000032
【図９】
2018077245.tif 000033
【図１０】
2018077245.tif 000034
【図１１】
2018077245.tif 000035
【図１２】
2018077245.tif 000036
【図１３】
2018077245.tif 000037
【図１４】
2018077245.tif 000038
【図１５】
2018077245.tif 000039
【図１６】
2018077245.tif 000040
【図１７】
2018077245.tif 000041
【図１８】
2018077245.tif 000042
【図１９】
2018077245.tif 000043
【図２０】
2018077245.tif 000044
【図２１】
2018077245.tif 000045
【図２２】
2018077245.tif 000046
【図２３】
2018077245.tif 000047
【図２４ａ】
2018077245.tif 000048
【図２４ｂ】
2018077245.tif 000049
【図２４ｃ】
2018077245.tif 000050
【図２４ｄ】
2018077245.tif 000051
【図２５】
2018077245.tif 000052
【図２６】
2018077245.tif 000053
【図２７】
2018077245.tif 000054
【図２８】
2018077245.tif 000055
【図２９】
2018077245.tif 000056
【図３０】
2018077245.tif 000057
【図３１】
2018077245.tif 000058
【図３２】
2018077245.tif 000059
【図３３】
2018077245.tif 000060
【図３４】
2018077245.tif 000061
【図３５】
2018077245.tif 000062
【図３６】
2018077245.tif 000063
【図３７ａ】
2018077245.tif 000064
【図３７ｂ】
2018077245.tif 000065
【図３７ｃ】
2018077245.tif 000066
【図３７ｄ】
2018077245.tif 000067
【手続補正書】
【提出日】平成30年1月23日(2018.1.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マーカーユニットと、
結像ユニットと、
プロセッサと、
を含むオプティカルトラッキングシステムのトラッキング方法であって、
パターン部のイメージを拡大させて結像させることができるように、目的物に取り付けられた前記マーカーユニットから前記パターン部の平行出射光を放出させるステップと、
前記マーカーユニットから放出された前記パターン部の平行出射光を前記結像ユニットにより受け入れて拡大されたパターン部のイメージを結像させるステップと、
前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージを用いて前記プロセッサを通じて前記マーカーユニットの空間位置及び方向を算出するステップと、
を含むオプティカルトラッキングシステムのトラッキング方法。
【請求項２】
前記マーカーユニットの空間位置と方向を算出するステップは、
前記プロセッサを通じて前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージを用いて前記マーカーユニットが回転された角度を算出し、前記マーカーユニットの方向を算出するステップと、
前記プロセッサを通じて前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージ及び前記マーカーユニットの回転された角度を用いて前記マーカーユニットの空間位置を算出するステップと、
を含む請求項１に記載のトラッキング方法。
【請求項３】
前記マーカーユニットの方向を算出するステップは、
前記プロセッサを通じて前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの領域別パターン部の位置及びパターン部の大きさの変化を測定するステップと、
前記プロセッサに既に格納された前記パターン部のイメージの領域別基準パターン部の位置及び基準パターン部の大きさと、前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの領域別パターン部の位置及びパターン部の大きさの変化とを比較し、マーカーユニットの回転された角度を算出するステップと、
を含む請求項２に記載のトラッキング方法。
【請求項４】
前記マーカーユニットの空間位置を算出するステップは、
前記プロセッサを通じて前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの位置及び大きさを測定するステップと、
前記プロセッサに既に格納された前記パターン部のイメージの基準位置及び大きさと、前記結像ユニットに結像されて拡大されたパターン部のイメージの位置及び大きさとを前記プロセッサを通じて比較し、マーカーユニットの空間位置を算出するステップと、
を含む請求項２に記載のトラッキング方法。
【請求項５】
前記マーカーユニットは、
多数のパターンが形成された少なくとも１つのパターン部と、
前記パターン部に光を照射する少なくとも１つの光源と、
前記光源から照射されて前記パターン部を通過したり、前記パターン部により反射された光を前記結像ユニットに平行出射光形態で放出させる少なくとも１つの第１レンズ部と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載のトラッキング方法。
【請求項６】
前記マーカーユニットは、少なくとも１つの光源から照射される光を、表面にパターン部が設けられたボールレンズを通じて反射させて平行出射光形態で放出させることを特徴とする請求項１に記載のトラッキング方法。
【請求項７】
前記マーカーユニットは、少なくとも１つの光源から照射されてパターン部により反射されたり、前記パターン部を透過した光を魚眼レンズに通過させて平行出射光形態で放出することを特徴とする請求項１に記載のトラッキング方法。
【請求項８】
前記マーカーユニットは、少なくとも１つの光源から照射されてパターン部により反射されたり、前記パターン部を透過した光を対物レンズに通過させて平行出射光形態で放出させた後、プリズムを通じて画角が異なる平行出射光を放出することを特徴とする請求項１に記載のトラッキング方法。
【請求項９】
前記マーカーユニットは、少なくとも１つの光源から照射される光を、パターン部が設けられたミラー部を通じて反射させて平行出射光形態で放出させることを特徴とする請求項１に記載のトラッキング方法。