(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像光学系（５）と、２次元で局所分解を行う光電式検出器（７）と、評価装置（８）とを備えた光学的測定ヘッド（９，９ａ，９ｂ，９ｃ）を用い、前記結像光学系（５）の視野内に存在する物体（１）の一部分を、該物体（１）の既知の物体輪郭（２ａ）および該物体（１）の表面に設けられた既知のコードパターン（２ｂ）とともに前記検出器（７）上で結像させて検出し、検出した画像情報を前記評価装置（８）へ供給することで、３次元空間において既知の物体構造（２ａ，２ｂ）をもつ物体（１）の位置および回転位置を求める方法において、
前記評価装置（８）内で、検出器（７）上に結像された物体（１）の少なくとも一部分について、該検出器（７）上に結像された前記物体輪郭（２ａ）および前記コードパターン（２ｂ）の位置および／または該位置の推移と、前記位置に依存して変化する該物体構造の結像スケールと、結像された前記物体構造（２ａ，２ｂ）の形状と該物体（１）がゼロ位置（極座標における角度φ＝０かつδ＝０）のときにとる該物体構造の形状との偏差とを求め、求められた結果から、前記結像光学系（５）の既知の結像特性を用いて、ロケーションパラメータにより記述される空間内での物体（１）の位置および回転位置を求め、
幾何学的なベクトル方程式を用いて前記ロケーションパラメータを求めることを特徴とする、
３次元空間における物体の位置および回転位置を求める方法。
【請求項２】
結像光学系（５）と、２次元で局所分解を行う光電式検出器（７）と、評価装置（８）とを備えた光学的測定ヘッド（９，９ａ，９ｂ，９ｃ）を用い、前記結像光学系（５）の視野内に存在する物体（１）の一部分を、該物体（１）の物体輪郭（２ａ）および該物体（１）の表面に設けられた既知のコードパターン（２ｂ）とともに前記検出器（７）上で結像させて検出し、検出した画像情報を前記評価装置（８）へ供給することで、３次元空間において既知の物体構造（２ａ，２ｂ）をもつ物体（１）の位置および回転位置を求める方法において、
前記評価装置（８）内で、検出器（７）上に結像された物体（１）の少なくとも一部分について、該検出器（７）上に結像された前記物体輪郭（２ａ）および前記コードパターン（２ｂ）の位置および／または該位置の推移と、前記位置に依存して変化する該物体構造の結像スケールと、結像された前記物体構造（２ａ，２ｂ）の形状と該物体（１）がゼロ位置（極座標における角度φ＝０かつδ＝０）のときにとる該物体構造の形状との偏差とを求め、求めた結果から前記結像光学系（５）の既知の結像特性を用いて、ロケーションパラメータにより記述される空間内での物体（１）の位置および回転位置を求め、
数学的な最適化法を用いて前記ロケーションパラメータを変化させ、それらのロケーションパラメータから計算された検出器画像を物体（１）の検出された画像情報と最適にまたは少なくとも十分良好に一致させることを特徴とする、
３次元空間における物体の位置および回転位置を求める方法。
【請求項３】
前記物体（１）の幾何学的形状（２ａ）および前記物体（１）における物体表面上の前記コードパターン（２ｂ）の位置および／または該位置の推移と、前記位置に依存して変化する該物体構造の結像スケールと、結像された前記物体構造（２ａ，２ｂ）の形状と該物体（１）がゼロ位置（極座標における角度φ＝０かつδ＝０）のときにとる該物体構造の形状との偏差とを測定ヘッド（９，９ａ，９ｂ，９ｃ）により捕捉検出して評価する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記物体構造（２ａ；２ｂ）として、物体（１）に取り付けられたコードパターン（２ｂ）を測定ヘッド（９，９ａ，９ｂ，９ｃ）により捕捉検出して評価する、請求項１または２記載の方法。
【請求項５】
前記物体構造（２ａ；２ｂ）をコードパターン（２ｂ）として、物体（１）と機械的に結合可能な別個の部材（１ａ）に取り付ける、請求項１または２記載の方法。
【請求項６】
コードパターン（２ｂ）の設けられた複数の部材（１ａ）を用い、それらを物体（１）と機械的に結合する、請求項１または２記載の方法。
【請求項７】
前記の物体（１）および／または部材（１ａ）を管状に形成する、請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記物体構造（２ａ；２ｂ）を、物体（１）および／または部材（１ａ）の長手方向軸に対し回転対称に形成する、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記物体構造（２ａ；２ｂ）を、物体（１）および／または部材（１ａ）の長手方向軸に対し回転対称になるよう、および長手方向軸に対し平行になるよう、交互に形成する、請求項７記載の方法。
【請求項１０】
前記物体構造（２ａ；２ｂ）を螺旋状に形成する、請求項１から７のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記物体構造（２ａ；２ｂ）を完全に不規則に形成し、該不規則な形成を行っても、物体（１）および／または部材（１ａ）における前記物体構造（２ａ：２ｂ）の位置は一義的に求められる、請求項１から７のいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
測定精度を向上させるため、前記物体構造（２ａ、２ｂ）により検出器（７）において形成される強度分布の基本空間周波数または高調波空間周波数と、検出器（７）におけるビーム感応形構造の基本空間周波数とによって、低周波の重畳パターンを形成する、請求項１から１１のいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
前記物体（１）を照射するかまたは、前記の物体（１）または物体構造（２ａ，２ｂ）を発光性にする、請求項１から１２のいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
１つの物体（１）または複数の物体（１）の空間位置測定のため、同時に複数の光学的測定ヘッド（９，９ａ，９ｂ，９ｃ）を使用する、請求項１から１３のいずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
前記物体（１）を立体的に捕捉検出する、請求項１から１４のいずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
前記の立体的な捕捉検出を、相対的にアライメントされているまたはアライメントすることのできる２つの光学的測定ヘッド（９ａ，９ｂ）により、または１つの光学的測定ヘッド（９）と、該測定ヘッドに合わせてアライメントされたまたはアライメント可能なミラー（１５，１５ａ，１５ｂ）により行う、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
距離測定器（１８，１８ａ）を用いて物体（１）までの距離を求める、請求項１から１６のいずれか１項記載の方法。
【請求項１８】
前記の距離測定を電気光学的に行い、前記距離測定器（１８，１８ａ）を光学的測定ヘッド（９）に取り付けるかまたは、結像光学系（５）をいっしょに用いて光学的測定ヘッド（９）に統合する、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
物体（１）の位置および／または回転位置を表す前記ロケーションパラメータを上位の座標系に変換する、請求項１から１８のいずれか１項記載の方法。
【請求項２０】
前記物体（１）は医療診断、治療または手術に用いられる補助部材である、請求項１から１９のいずれか１項記載の方法。
【請求項２１】
前記補助部材は手術用顕微鏡、手術器具、患者と結合されたフレームまたは腫瘍治療のための放射源である、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記物体（１）は水準測量桿である、請求項１から１９のいずれ１項記載の方法。
【請求項２３】
前記物体（１）は砲身または指向性アンテナまたはレーダアンテナである、請求項１から１９のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、結像光学系と、２次元で局所分解を行う光電式検出器と、評価装置とを備えた光学的測定ヘッドを用い、前記結像光学系の視野内に存在する物体の一部分を、該物体の既知の物体輪郭および該物体の表面に設けられた既知のコードパターンとともに前記検出器上で結像させて検出し、検出した画像情報を前記評価装置へ供給することで、３次元空間において既知の物体構造をもつ物体の位置および回転位置を求める方法に関する。
【０００２】
本発明の対象とする物体は多種多様であり、その機能と用途は非常に様々である。そのような物体の実例は、医療分野における手術用顕微鏡や手術器具、測地学的な測量における水準測量桿、軍事分野における砲身、あるいはアンテナ殊に指向性アンテナやレーダアンテナなどである。このような物体においては、空間内におけるその位置が重要な役割を果たす。これはまえもって定められた座標系において、位置に関する３つのパラメータ（並進運動群）と回転位置に関する３つのパラメータ（回転グループ）から成る６つの実数のロケーションパラメータによって完全に定められる。物体の位置は、物体上で選ばれた位置の３次元の座標によって与えられる。物体の位置は一般に、規定された物体軸の方向ベクトルと物体軸を中心とした物体の回転角度によって記述される。物体軸の方向ベクトルは、長さ１をもつ単位ベクトルすなわちその成分の絶対値の２乗の和が１となる。
【０００３】
WO 95/27918 には、手術用顕微鏡の空間位置を符号化された光信号を用いて求めるための装置について記載されている。この場合、光信号は有利には赤外線領域内で放射され、受光器によって受光される。手術用顕微鏡はカルダン方式でアームに懸架されており、３つの空間方向で並進的に動かしたり、３つの空間方向を中心に回転させることができ、したがってその位置を空間内で自由に調整することができる。手術用顕微鏡上において特定の個所に、発光ダイオードまたは発光ダイオードから光の供給されるグラスファイバが取り付けられている。空間内の様々な個所に受光器が配置されており、それらの受光器は各々それらに固有の光信号を受光する。そしてそれらの信号から、手術用顕微鏡の空間位置が求められる。このため、患者の空間位置も同時に既知であれば、手術用顕微鏡により観察される手術領域の座標がわかり、このことは顕微外科のためには必須である。
【０００４】
測地学的な測量技術において、水準点を求めるためおよび地形の測量のために、水準測量桿が用いられる。これは建築物の測量や交通路の工事にも尽かされる。その際、水準器と水準測量桿とのレベル差を測定する目的で、水準測量桿は水準器の望遠鏡光学系によって照準が定められる。ここで前提とするのは、水準測量桿が望遠鏡光学系の光軸に対し垂直にアライメントされていることである。望遠鏡の光軸は一般に水平方向平面で調整されるので、オペレータは水準測量桿をそれに取り付けられた気泡管を用いて、できるかぎり垂直にアライメントされるよう保持しなければならない。水準測量桿が誤って傾いてしまうと、レベル測定において誤差が引き起こされてしまう。
【０００５】
DE 34 24 806 C2 に記載されている自動化されたディジタル水準器の普及に伴い、まず第１に電子的な桿の読み取りが可能となった。この目的で水準測量桿上に、黒と白のエレメントから成るコードパターンが取り付けられ、それらのうち一部分が電子水準器の望遠鏡光学系によって、局所分解を行う検出器上で結像される。この場合、望遠鏡の視野内に存在するコードパターンの情報が利用され、これは基準コードパターンとして水準機内に格納されている水準測量桿のコードパターンとの比較により、望ましいレベル測定値を得ることを目的とする。たしかにこのような測定および評価の手法によって、測定されたコードパターンが同定されるが、水準測量桿がうっかり傾いてしまい、それが測定精度に関与することは考慮されない。
【０００６】
DE 195 30 788 C1 によれば、特別なコードパターンが知られている。この場合、回転対称の横断面をもつ水準測量桿においてその外被表面上に、水準測量桿の長手軸に対し回転対称に閉じられた線を成すコードエレメントが設けられている。これにより、コードパターンをすべての側から見ることができる。
【０００７】
DE 44 38 759 C1 には、符号化された水準測量桿の測定方向における傾斜角度を電子水準器を用いて求める方法が知られている。この場合、水準測量桿の傾きは、もっぱら測定方向つまり観察方向においてのみ考慮され、検出器においてそれによって生じるコードパターンのゆがみが評価されて、傾斜角度が求められる。ここでは、水準測量桿の側方での傾きつまり水準器の観察方向と交差する方向での傾きについては留意されない。したがって検出器としては、１次元のダイオードアレイで十分である。
【０００８】
水準測量桿の側方での傾きに起因して、レベル測定や距離測定においても誤差が発生する。水準器の光軸と傾斜した水準測量桿との交点は、水準測量桿が精確に垂直にアライメントされているときよりも、水準測量桿の基点からいっそう離れた個所にある。このためオペレータが不正確に気泡管を読み取ることで不十分な垂直方向のアライメントによって、測定結果が誤ったものとなってしまう。あとから誤りを補正する機会はない。しかも現在では、水準測定のために水準器を操作するただ一人のオペレータしか動員されないことが多い。孤立しておかれた水準測量桿が風の吹く状況に晒されると、水準測定においてそれ相応に偏差が引き起こされてしまう。
【０００９】
砲身の場合には、ならびに指向性アンテナやレーダアンテナの場合にも、以下のことが同様にあてはまる。すなわちまず第１に重要であるのは、空間内におけるそのアライメントを確定すること、あるいはまえもって定められた特定方向へ砲身を旋回させて測定することである。この場合、砲身と機械的に連結されているエンコーダを用いることで、砲身の水平方向と垂直方向の角度位置（方位角と仰角）が制御される。エンコーダは一般にコーディングされた回転ディスクを有しており、これは砲身が旋回すると伝動装置を介して回転運動を行い、その際に回転角度に対応する電気信号を供給する。このような制御の場合、機械的なあそびが欠点となる。しかも大きな熱的負荷や衝撃負荷によって不精確になるし、摩耗も激しくなる。
【００１０】
本発明の課題は、３次元空間における物体の位置と回転位置を高速かつ無接触で求めることができるようにする方法を提供することにある。
【００１１】
本発明によればこの課題は、評価装置内で、検出器上に結像された物体の少なくとも一部分について、該検出器上に結像された前記物体輪郭および前記コードパターンの位置および／または該位置の推移と、前記位置に依存して変化する該物体構造の結像スケールと、結像された前記物体構造の形状と該物体がゼロ位置（極座標における角度φ＝０かつδ＝０）のときにとる該物体構造の形状との偏差とを求め、求められた結果から、前記結像光学系の既知の結像特性を用いて、ロケーションパラメータにより記述される空間内での物体の位置および回転位置を求め、幾何学的なベクトル方程式を用いて前記ロケーションパラメータを求めることによって解決される。さらに上記の課題は、評価装置内で、検出器上に結像された物体の少なくとも一部分について、該検出器上に結像された前記物体輪郭および前記コードパターンの位置および／または該位置の推移と、前記位置に依存して変化する該物体構造の結像スケールと、結像された前記物体構造の形状と該物体がゼロ位置（極座標における角度φ＝０かつδ＝０）のときにとる該物体構造の形状との偏差とを求め、求めた結果から前記結像光学系の既知の結像特性を用いて、ロケーションパラメータにより記述される空間内での物体の位置および回転位置を求め、数学的な最適化法を用いて前記ロケーションパラメータを変化させ、それらのロケーションパラメータから計算された検出器画像を物体）の検出された画像情報と最適にまたは少なくとも十分良好に一致させることによって解決される。従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。
【００１２】
空間における物体の位置と回転位置を求めるために、光学的測定ヘッドが用いられる。測定ヘッドは、結像光学系と２次元で局所分解を行う検出器とを有しており、この検出器は結像光学系の焦点面に配置されている。そして結像光学系により、物体の物体構造が検出器上に結像される。それらの物体構造は、先験的情報として既知のものである。物体構造には、物体の幾何学的形状およびそのサイズないしはスケールを含ませることができ、あるいは物体上の特定の個所におけるマーキングとしたり、または物体に取り付けられたコードパターンとすることができる。検出器上に２次元で存在する物体または物体構造の画像は、検出器に接続された評価ユニットにおいて評価される。
【００１３】
２次元の画像情報を評価するためには様々な可能性がある。たとえば、物体の画像を計算された画像と比較することができる。物体の既知の幾何学的形状や物体に設けられたマークまたは物体に設けられたコードパターンから、あるいはそれらの物体構造すべてからもいっしょに、冒頭で述べた６つのロケーションパラメータの任意の有用な値について結像光学系の既知の特性（および必要に応じて位置分解検出器の離散化）を関与させて、予期される検出器画像が計算される。最適化法を用いることで、計算された画像と実際に捕捉検出された画像とを最良にまたは少なくとも十分良好に一致させるようなロケーションパラメータの値が求められる。このような最適化法はたとえば Quasi-Newton 法（最小２乗法または最尤法など）であり、これは K. Levenberg: "A method for the Solution of Certain non-linear Problems in Least Squares", Quart. Apl. Math. 2 (1944), pp. 164-168 または D. W. Marquardt: "An Algorithm for Least-squares Estimation of Nonlinear Parameters", SIAM J. Appl. Math. 11 (1963), pp. 431-441 または J.J. More: "The Levenberg-Marquardt Algorithm: Implementation and Theory", Numerical Analysis, ed. G. A. Watson, Lecture Notes in Mathematics 630, Springer Verlag (1978), pp. 105-116 により知られている。
【００１４】
他の実現可能な評価のやり方によれば、検出器上に結像された物体構造をそれらの幾何学的なパラメータに関して分析し、それによって物体のロケーションパラメータを求めることである。つまりまずはじめに、検出器上に結像された幾何学的形状（たとえば周縁輪郭）またはコードパターンの平面位置および回転位置と、検出器座標に依存して変化する結像スケールの推移を測定し確定する。コードパターンが設けられている場合、有利には、検出器上に結像されたコードパターンのすべてのコードエレメントが完全に用いられる。なぜならば、それによって高い精度ならびにとりわけ評価結果の高いロバスト性と安定性を得ることができるからである。しかしながら、たとえば殊に高速に測定結果を得ようとするためなど、他の要求のためには、コードパターンにおいてデコーディングされた３つのコードエレメントを評価するだけですでに十分である。その場合には、測定結果の精度はいくらか制約される。これに対する代案として、結像された物体周縁輪郭だけを評価することもできる。
【００１５】
検出された物体構造について求められた幾何学的パラメータから、光学的結像式と幾何学的関係式（ベクトル代数）を用いることで、物体のロケーションパラメータが求められる。冒頭で述べたように位置ベクトルと物体軸の方向ベクトルと物体軸を中心とした物体の回転角を含むロケーションパラメータによって、物体の空間位置つまりその位置と回転位置が再構成される。
【００１６】
もちろん、上述の評価方式を相互に組み合わせてもよい。たとえば周縁輪郭の粗い評価によって、あるいは僅かなコードエレメントだけを評価することによって、ロケーションパラメータをおおざっぱに求めることができるし、捕捉検出した物体の幾何学的形状全体あるいは捕捉検出されたすべてのコードエレメントを関与させて、微細な評価を行うことができる。微細な評価のために、たとえば先に挙げた最適化法を利用することができ、そのために粗い評価で求められたロケーションパラメータを最適化のスタートパラメータとして利用することができる。
【００１７】
好適には、物体の空間位置特定のために３次元のデカルト座標系が選ばれる。測定ヘッドの座標つまりは検出器の座標は、この座標系内で既知である。この座標系を、これが検出器の座標と一致するようまえもって選ぶこともできる。なお、物体のロケーションパラメータをなんらかの任意の有用な座標系に換算できることは自明である。たとえば、物体の回転位置を２つの極座標角度（Polarwinkel）または方位角、仰角および回転軸を中心とした物体の回転角によって表すことができ、あるいは３つのオイラー角によって表すこともできる。
【００１８】
本発明のためには、２次元で局所分解を行う光電式検出器が必要である。これはたとえばビジコンカメラとすることができるし、あるいは２次元のＣＣＤアレイとすることができる。とはいうものの、並置された複数の１次元のＣＣＤアレイを用いてもよい。このような検出器と結像光学系を用いることで、物体が捕捉検出される。この場合、結像光学系の視野内に存在する物体構造が結像され、検出される。その際に検出器の光感応形の検出器平面は、一般に結像光学系の光軸に対し垂直に調整されている。光軸と光感応形検出器平面との交点によって、検出器の座標系のゼロ点を規定することができる。
【００１９】
離散的な光感応形ピクセル構造をもつＣＣＤ検出器を使用した場合、適切な物体構造を用いることで、たとえば適切なコードパターン構造を用いることで、ＣＣＤ検出器の局所分解能をさらに著しく高めることができる。このようにすることで、検出器のピクセル分解能の１０倍よりも大きな分解能を実現できる。コードパターンにより検出器上で引き起こされる強度分布の基本空間周波数または調波空間周波数と、検出器のビーム感応形構造の基本空間周波数とによって、低周波の重畳パターンが形成されるようにすれば、格別な測定感度が得られるようになる。低周波の重畳パターンは、モアレパターンと同じように作用する。モアレパターンについては、それを作っている構造の変位に対し非常に敏感に反応することが知られている。つまり、検出器上の強度分布が検出器のピクセル構造に対しごく僅かに変化しただけでも、低周波の重畳パターンがその空間周波数に関して激しく変化するようになる。このため、検出器上に結像されたコードパターンの位置を高精度で測定することができる。つまり重畳パターンの変化は物体の位置および回転位置の変化によって引き起こされるので、空間内での物体のロケーションパラメータは非常に高感度になり、つまりは高精度に測定できるようになる。
【００２０】
物体が水準測量桿であれば、それらの位置に加えてそれらの軸の方向ベクトルも重要である。なぜならば、これは垂線からの水準測量桿の傾きを表しているからである。コードパターンが平坦な面に取り付けられている周知慣用の水準測量桿のほかに、それらの長手方向軸に対して回転対称な水準測量桿を回転対称なバーコードを設けて使用することもできる。しかもこの事例では結像光学系は同じコードパターンを、水準測量桿のすべての側から連続的に取り出すことができる。結像されたコードパターンまたは水準測量桿の検出された輪郭から、水準測量桿軸の方向ベクトルを求めることにより、結像光学系の注視方向での水準測量桿の傾斜も、結像光学系の注視方向を横切る方向での水準測量桿の横方向の傾斜も捕捉される。このようにして、理想的な垂線からの水準測量桿の偏差が求められ、水準測定のためのそれ相応の補正において考慮される。この補正は、水準測定ごとに自動的に行われる。しかもこのようにして、水準測量桿の事前のアライメントを省略することができる。これによって１人のオペレータだけで、しかも風の状態とは無関係に、迅速かつ精密な地形測定を行うことができる。さらに状況に応じて、水準測量桿の軸を中心とした水準測量桿回転角を求めれば（適切なコードパターンまたは特定のマーキングを前提とする）、測定ヘッドの位置が変わってもその照準方向が自動的に得られるようになる。
【００２１】
物体が砲身の場合、水準測量桿の場合と同じように砲身に種々のコードパターンを備え付けることができる。砲身の仰角と方位角だけを求めようとするならば、砲身の長手方向軸に対し回転対称なコードパターンまたは砲身の周縁輪郭だけで十分である。長手方向軸に対し平行に配向されたコードバーをもつコードパターンを砲身に付加的に取り付ければ、砲身の軸を中心とした砲身回転角を付加的に求めることができる。この場合、コードバーを推計統計学的ないしは確率論的に配向させることができる。また、これらのコードパターンの組み合わせを用いることもでき、その場合、たとえば回転対称なコードリングをもつセグメントと、平行または確率論的なコードバーをもつセグメントが交互に設けられる。有利であるのは、砲身の周りに螺旋状に巻回されたコードパターンであり、これによって砲身軸の方向ベクトルと砲身の軸を中心とした砲身回転角とについてほぼ等しい感度を得ることができる。とはいうものの、完全に不規則な構造をもつコードパターンを用いることもでき、たとえば軍事的なカモフラージュパターンが設けられる。あらゆるコードパターンにとって重要であるのは、自ずとわかるものであるか測定により求められるものである。ここで有利であるのは、相関法に容易に適用できるようなコードパターンである。
【００２２】
結像光学系を用いることで、砲身の輪郭および／またはコードパターンが捕捉検出され、砲身の回転位置が無接触で求められる。場合によっては、たとえば赤外線光などによって砲身を能動的に照射することができる。また、砲身または被着されたコードパターンを発光性としてもよい。砲身に対し結像光学系と検出器を一般に固定的に取り付けることにより光学的測定に基づき、砲身の方位角、仰角および回転角を求めるために、いかなる機械的に可動なコンポーネントも不要となるような利点が得られる。このような無接触な測定は迅速に完了するし、精密な結果が得られる。
【００２３】
物体が医療環境（殊に顕微外科）で使用される補助手段たとえば手術用顕微鏡、手術器具（外科用メス、穴あけ器、内視鏡など）または腫瘍治療用放射源である場合、補助手段の物体構造が測定ヘッドにとって良好に見えているようにしておかなければならない。補助手段を用いた操作においては、それが人または器具によってときおり隠されて、測定ヘッドへの注視方向が遮られてしまう可能性がある。しかしこのような条件のもとでも補助手段の空間位置をたえず測定しようとするならば、測定ヘッドにより捕捉すべき物体構造を補助手段の露出した個所に設け、それによって捕捉すべき物体構造が遮られていない測定ヘッドへの注視方向にできるかぎり良好におかれるようにするのが有用である。コードパターンを使用する場合、それを補助手段の複数の個所に取り付けることもできるし、あるいは補助手段の表面全体を覆うようにしてもよい。最適な捕捉検出のために測定ヘッドを空間的に可動に構成することができるし、あるいは有利には空間内に分散させて配置された複数の測定ヘッドを同時に使用することもできる。しかも、複数の測定ヘッドから供給される結果の冗長性によって、医療分野において格別に機器の安全性について課される要求が満たされる。
【００２４】
なお、物体が患者自身であってもよく、つまりいっそう正確には患者に固定的に連結されたフレームであってもよく、そのフレームによって患者の座標系が規定される。脳腫瘍の手術の場合にはまさに、このようなフレームが患者の頭部に固定され、その際、フレームに関連づけられた腫瘍の空間位置が、たとえば事前に撮影されたコンピュータトモグラフィ写真によって突き止められる。フレームの幾何学的構造またはフレームに取り付けられたコードパターンを測定ヘッドにより捕捉検出して、フレームの空間位置を求めれば、腫瘍の座標が測定ヘッドの座標系内でも既知となる。しかも、手術用顕微鏡および手術用器具の空間位置も測定ヘッドにより確定されるので、腫瘍に至までの内視鏡による脳のナビゲーションを完全自動で行うことができる。
【００２５】
これまで述べてきた本発明のすべての適用事例において、使用すべきコードパターンを物体にうまく設けることができなかったり、あるいは物体がすでに完成した部材として存在している場合も起こり得る。このような事例では、コードパターンを設けた別個の部材を物体に偏心で取り付けることができる（「ブースタ方式」、"Boosterprinzip"）。この部材を円筒形にすることができる。もちろん、複数の部材を１つの物体に取り付けてもよい。物体が空間内で移動すると、別個に取り付けられた部材も一義的に結合された運動を実行し、たとえば回転運動を行い、その結果、物体の位置および回転位置を計算によって常に決定することができる。
【００２６】
また、物体を立体的に捕捉検出することもできる。この目的で、２つの測定ヘッドにより１つの立体ベースを形成させることができる。あるいは１つの測定ヘッドを用い、その測定ヘッドが物体の立体画像を捕捉できるよう、１つまたは複数のフェードインミラーをいっしょに使って、立体ベースが構築される。このような付加的な画像情報によって、２つの目を使って見るのと同じように、物体の位置特性精度がさらに高まる。
【００２７】
さらに、距離測定器を測定ヘッドと結合したり、あるいは測定ヘッドに統合させたりすることも可能である。物体の距離に関するこのような付加的な情報を用いることで、やはり測定精度を高めることができる。しかもこの場合、付加的な情報によって、物体位置に関する測定結果をさらに迅速に得ることができるようになる。
【００２８】
次に、図面を参照しながら本発明の実施例について詳しく説明する。
【００２９】
図１は、コードパターンの設けられた物体の回転位置と、光学結像系および局所分解検出器を備えた測定ヘッドにより物体構造を捕捉検出する様子を示す図である。
【００３０】
図２は、種々の回転位置における物体が検出器によって検出された様子を示す図である。
【００３１】
図３は、物体の回転位置と位置ベクトルを求めるための幾何学的な関係を示す図である。
【００３２】
図４は、医療用補助手段として構成された物体と、複数の測定ヘッドによってそれを捕捉検出する様子を示す図である。
【００３３】
図５ａ，ｂは、コードパターンが設けられ被測定物体に取り付けられている別個のヘッドを示す図である。
【００３４】
図６ａ，ｂ，ｃは、物体を立体的に捕捉検出する様子を示す図である。
【００３５】
図７ａ，ｂは、遠隔測定を行う測定ヘッドを示す図である。
【００３６】
図１は、直交座標系ｘ，ｙ，ｘにおいて物体１が略示されている。物体１は基点３および物体軸４を有しており、この物体にはコードパターン２ｂが設けられている。物体輪郭２ａおよび／またはコードパターン２ｂはあらかじめ既知であるか、あるいはそれらは測定されるので、物体輪郭２ａないしはコードパターン２ｂの個々のコードエレメントにおける細部の大きさ、形状ならびに物体１の基点３までの距離が明らかになる。物体輪郭２ａは、最も簡単な事例では直線である。図１ではこれに加えて、物体軸４に対し回転対称に物体輪郭２ａが描かれており、この特別な事例では、軸４を中心とする物体１の回転角ｋは、物体輪郭２ａからだけでは求めることができない。
【００３７】
測定ヘッド９内に設けられている結像光学系５を用いることで、その視野内にある物体構造２ａ，２ｂの一部分が、２次元で局所分解を行う光電式検出器７上に結像される。検出器７の電気信号は評価ユニット８において評価される。図１によれば、評価ユニット８も測定ヘッド９内に統合されている。当然ながら基本的に評価ユニット８を、たとえば別個の電子装置やコンピュータ（ＰＣ）内など測定ヘッド９外に設けることも可能である。
【００３８】
検出器７の光感応性の検出器平面に座標系ｘDet，ｙDet が定義されており、ここでその座標点は、結像光学系５の光軸と検出器平面との交点のところに選択されている。検出器平面に対し垂直に配置された光軸６は、座標系ｘ，ｙ，ｚのｚ軸に対し平行に配向されている。水平方向におかれた結像光学系５の場合、ｙ軸は同時に地表に対する垂線である。もちろん、他の座標系を用いることもできる。
【００３９】
【外１】
0004658318.tif 000002
【００４０】
【外２】
0004658318.tif 000003
【００４１】
これについて図２には、種々の極座標における角度（φ，δ）のときの検出器７上の物体１の結像が示されている。検出器座標系ｘDet ,ｙDet内に図示されている線の各々は、それぞれ異なる極座標における角度（φ，δ）の対について結像光学系５により捕捉された物体１の同一部分の結像にシンボリックに対応している。場合によっては存在するかもしれないコードパターン２ｂの個々のコードエレメントは、ここには描かれていない。
【００４２】
図２には線Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３という３つのグループが示されており、これらは３つの異なる垂直方向の角度δを表している。図２の上方領域におけるグループＧ１は、小さい垂直方向の角度δに対応づけることができる一方、大きい角度δによってグループＧ３が生じている。各グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３内で水平方向の角度φが変化し、ここでｘDet の正の座標値または負の座標値のときにそれに応じて各線に対し大きい負ないしは正の角度φを対応づけることができる。
【００４３】
φとδに依存する各線の種々の長さによって、物体１の回転位置に応じた種々の結像スケールが表される。この場合、物体構造２ａ，２ｂの結像スケールは各線に沿って変化する。その理由は、物体構造２ａ，２ｂは物体１の回転に起因して、結像光学系５から様々な間隔をおいて離れているからである。結像スケールは、物体１における物体構造２ａ，２ｂの既知の大きさと、検出器７における物体構造２ａ，２ｂの測定された大きさの商によって得られる。結像光学系５の焦点距離ｆを用いて上記の商から、幾何学的な光学系の規則に従い結像光学系５と物体１における物体構造２ａ，２ｂとの距離が計算される。
【００４４】
【外３】
0004658318.tif 000004
【００４５】
【外４】
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【００４６】
【外５】
0004658318.tif 000006
【００４７】
絶対値の平方を形成することにより、以下の２次方程式が成り立つ。
【００４８】
【数１】
0004658318.tif 000007
【００４９】
【外６】
0004658318.tif 000008
【００５０】
【外７】
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【００５１】
【外８】
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【００５２】
【外９】
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【００５３】
当然ながらこの場合、結果の精度と信頼性に関して有利であるのは、付加的なコードエレメントあるいは検出されたすべてのコードエレメントを評価に利用して、既述のベクトル計算を適用することである。しかも、数学において一般的に知られている推定手法や補償手法を使用することもできる。また、反復や類似の数学的手法を用いることで、上述のベクトル方程式を解くこともできる。
【００５４】
コードパターン２ｂのコードレメントの代わりに、物体輪郭２ａの細部や物体１上のマーキングを同じようにして評価することもできる。
【００５５】
さらに有利には、そのようにして求められた物体１のロケーションパラメータを後続の最適化法において使用し、そうすることでいっそう精度を上げてロケーションパラメータを求めることができる。この場合、ロケーションパラメータは、それらのロケーションパラメータから計算された物体構造２ａ，２ｂの検出器画像が実際に検出された画像情報と最適に一致するまで変えられる。しかし基本的には、先行の計算とは無関係に最適化法を実行することもできる。
【００５６】
図４には、物体１として医療分野のための補助手段が示されている。その際、患者に対するこの補助手段の空間位置および回転位置が非常に重要となる。物体１は手術用顕微鏡、たとえば外科用メス、穴あけ器、内視鏡等などの手術器具、または患者と固定的に結合されたフレームとすることができるし、あるいは腫瘍治療用の放射源とすることもできる。物体１には図４に略示されているように、その表面の複数の個所にコードパターン２ｂを設けることができる。物体１の空間位置は、たとえば旋回アーム１０を用いることで変えられる。しかも物体１は旋回点３において３つの角度、φ，δ，ｋで回転可能に旋回アーム１０に支承されており、したがってその旋回位置を任意に調整することができる。このようにして物体１を、たとえば脳の手術などのときに、患者の頭部のところで必要とされる任意の空間位置に動かすことができる。
【００５７】
【外１０】
0004658318.tif 000012
【００５８】
図５ａには、別個の部材１ａに取り付けられた物体１が略示されている。物体１ａの物体構造２ａ，２ｂを本発明に従って測定ならびに評価することによって、物体１ａの（６次元の）空間位置が求められ、つまりは物体１の空間位置も求められる。この場合、適用目的のために不十分な構造しかもっていない物体１に、適切な部材１ａをあとから備え付けることができる点で有利である。必要に応じて、部材１ａを再び簡単に取り外すことができる。もちろん、複数のこのような部材１ａを物体１に取り付けることもできる（図５ｂ）。
【００５９】
図６ａには、２つの測定ヘッド９ａ，９ｂを立体鏡形に配置した様子が示されている。この配置構成によれば、付加的な画像情報に基づき物体位置をいっそう高い精度で求めることができるようになる。測定ヘッド９ａ，９ｂは一方の側で互いに固定的に結合されており、したがってそれらの光軸６ａ，６ｂ相互間の位置は一定である。軸６ａ，６ｂによってなんらかの角度が形成されるようにしてもよい。有利にはこれらの軸は、組み立てコストを抑えるため互いに平行に配向されている。他方、両方の測定ヘッド９ａ，９ｂを互いに可変に保持し、物体１を測定するためにそれらを据え付けるときにはじめて、適切な調整を行うことができる。物体１がまえもってわかっている初期位置におかれるならば、セルフキャリブレーションによって測定ヘッド９ａ，９ｂにおける光軸６ａ，６ｂ相互の位置を自動的に調整することができる。この場合、測定ヘッド９ａ，９ｂを必要に応じてただ１つのケーシング内に収容することができる。
【００６０】
図６ｂには、立体鏡形の配置構成の変形実施例が描かれている。この場合にはただ１つの測定ヘッド９だけしか用いられず、これは一方の立体部分画像をダイレクトに検出し、他方の立体部分画像を側方に配置されたミラー１５を介して検出する。このミラー１５を介して検出された光は測定ヘッド９のビーム入射側へ入力結合されるが、これはフラップ式に折り畳み可能な入力結合ミラー１６によって行われ、この入力結合ミラーはその位置に応じて一方または他方の立体部分画像だけにしか、測定ヘッド９の検出器７による画像検出の許可を与えない。あるいは入力結合ミラー１６は、たとえばＬＣＤシャッタの機能に従いその反射特性や透過特性について制御可能であり、これは両方の立体部分画像が交互に（入力結合ミラー１６をあるときは高い透過性にしあるときは高い反射性にすることで）検出器７に達するようにすることによって制御可能である。他方、半透過性の入力結合ミラー１６を用いることもでき、これは両方の立体部分画像を同時に検出器７のそれぞれ異なる検出器領域に与えるか、または２つの別個の検出器７に与える。このことは、半透過性のミラー１６を適切に傾け、結像光学系５をそれに合わせて調整することによって行うことができる。
【００６１】
当然ながら、図６ｃに示されているように２つのミラー１５ａ，１５ｂによって立体像ベースを形成し、対応する立体部分画像を旋回可能なミラー１７を介して検出器７により交互に受光させるようにすることもできる。また、旋回可能なミラー１７を、旋回可能なプリズムまたは定置されたプリズムに置き換えてもよい。定置されたプリズムを用いた場合であれば、あるいは適切なミラー配置によって、両方の立体部分画像を検出器７の種々の領域に同時に結像させることができる。
【００６２】
立体画像検出の代わりに、あるいはそれに加えて、距離測定器１８，１８ａを用いて物体１までの距離を求め、別の測定情報として評価装置に入れることができる。距離測定値によって、物体１のロケーションパラメータを求める精度および／または評価の速さが向上する。
【００６３】
この場合、電気光学的距離測定器１８，１８ａが有利である。これはたとえば図７ａに示されているように、独立した装置として測定ヘッド９と結合されているかまたは、図７ｂに示されているように測定ヘッド９内に統合されている。さらに図７ａには、共働するターゲットマーク１９（反射シート、反射器、逆反射器）が描かれており、そこまでの距離が測定される。もちろん、反射補助を用いず、共働しないターゲットとして物体１の所定の表面までの距離測定を行うことも可能である。
【００６４】
図７ｂに示されている統合された距離測定器１８ａの実施形態のもつ利点とは、測定ヘッド９の結像光学系５がいっしょに利用され、測定ヘッド９の光軸６に沿って距離を求めることができる点である。この場合、たとえば部分透過性または波長選択性のミラーによって、距離測定器１８ａの放射光が測定ヘッド９の光学的ビーム路へ入力結合され、ないしは距離測定器１８ａにおいて検出するため受光した光が出力結合される。
【００６５】
電気光学的距離測定器１８，１８ａは通常、可視波長範囲または赤外線波長範囲で作動する。その際、測定ヘッド９の検出器７の感度外にある波長が有利であり、あるいは検出器７および／または距離測定器１８，１８ａのために適切なフィルタが用いられる。波長選択性ミラー２０を使用した場合、それにより必要に応じて距離測定器１８ａの赤外線光をきわめて良好に反射させることができ、それと同時に、測定ヘッド９の検出器７へ可視光をきわめて良好に透過させることができる。なお、どのような形式の電気光学的距離測定器１８，１８ａであっても使用することができ、たとえば別個の照射ビーム路と受光ビーム路によって２軸で構成されているような測定器や、照射ビーム路と受光ビーム路のために１軸で同一の光学的構造を同時に使用するような測定器を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  コードパターンの設けられた物体の回転位置と、光学結像系および局所分解検出器を備えた測定ヘッドにより物体構造を捕捉検出する様子を示す図である。
【図２】  種々の回転位置における物体が検出器によって検出された様子を示す図である。
【図３】  物体の回転位置と位置ベクトルを求めるための幾何学的な関係を示す図である。
【図４】  医療用補助手段として構成された物体と、複数の測定ヘッドによってそれを捕捉検出する様子を示す図である。
【図５】  コードパターンが設けられ被測定物体に取り付けられている別個のヘッドを示す図である。
【図６ａ】  物体を立体的に捕捉検出する様子を示す図である。
【図６ｂ】  物体を立体的に捕捉検出する様子を示す図である。
【図６ｃ】  物体を立体的に捕捉検出する様子を示す図である。
【図７ａ】  遠隔測定を行う測定ヘッドを示す図である。
【図７ｂ】  遠隔測定を行う測定ヘッドを示す図である。
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７ｂ】
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【図７ａ】
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