光学定位系统的制作方法

本公开涉及光学定位领域，具体地，涉及一种光学定位系统。

背景技术：

光学定位系统是根据光学特性获得一个或多个光学标记物坐标的系统。通常一个或多个标记物附着在一个待确定位置的物体(跟踪工具)上。标记物可以是有源标记物(也称主动标记物，例如，发光二极管)、无源标记物(也称被动标记物，例如，反射球，反射片)，或主动标记物和被动标记物的组合。

无源标记物的一个例子是玻璃微珠技术的圆片或圆球。这种无源标记是通过在基层嵌入微小玻璃珠(其数量以数十万计)后获得反光布，并且将基层包覆到物体(例如，球体、圆片)的表面。

光学定位系统中常规的照明装置是传感装置周围的灯环。图1是现有技术中光学定位系统的照明装置的示意图。如图1所示，灯环1可由多个led灯排列组成。由于各个led灯的亮度可能存在较大的个体差异，因此，灯环1很难成为理想的高斯光源，进而感测器得到的是一个不完全对称的环，很难直接提取环的中心，当距离标记物较近时影响更为明显。

有源标记物在理论上应该是光学高斯圆点，但是相应的地需要配置控制电路，还需要配置电源，如果使用电池作为电源，还涉及到工作寿命的问题，在应用上会受到很多的限制。

技术实现要素：

本公开的目的是提供一种可靠、准确性高的光学定位系统。

为了实现上述目的，本公开提供一种所述光学定位系统，包括：

逆向反射标记物，用于附着在用户操作的工具上；

半透射镜；

点光源；

感测装置，所述点光源发出的光经过所述半透射镜后照射到所述逆向反射标记物，由所述逆向反射标记物反射的光经过所述半透射镜后照射到所述感测装置；

计算装置，与所述感测装置连接，用于根据所述感测装置感测的光线计算所述逆向反射标记物相对于所述感测装置的位置。

可选地，所述逆向反射标记物包括粘合在一起、且球心重合的两个半径不同的半球透镜，在半径较大的半球透镜表面设置有反射层，以使光从半径较小的半球透镜折射进入所述逆向反射标记物，并经过所述反射层的反射后从所述半径较小的半球透镜射出所述逆向反射标记物。

可选地，所述点光源为单个led灯。

可选地，所述感测装置和所述点光源分别设置于所述半透射镜的两侧。

可选地，所述半透射镜所在平面与所述感测装置的受光面成45°角度。

可选地，所述感测装置和所述逆向反射标记物分别设置于所述半透射镜的两侧。

可选地，所述感测装置和所述逆向反射标记物设置于所述半透射镜的同侧。

可选地，所述计算装置还用于根据所述逆向反射标记物相对于所述感测装置的位置和所述感测装置相对于世界坐标系的位置，计算所述逆向反射标记物相对于世界坐标系的位置。

可选地，所述计算装置根据单目立体视觉算法或多目立体视觉算法计算所述逆向反射标记物相对于世界坐标系的位置。

可选地，所述计算装置还用于根据所述感测装置感测的光线计算所述工具相对于所述感测装置的位姿。

通过上述技术方案，将光学定位系统中的环形光源替换为点光源，并通过设置半透射镜，将工作时的光路模拟成由感测装置发出光并接收光。这样，使得光学定位系统中的照明光源更加接近于理想的高斯分布的光源，因此，能够利用逆向反射标记物更加准确地定位用户操作的工具。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是现有技术中光学定位系统的照明装置的示意图；

图2是一示例性实施例提供的光学定位系统的光路示意图；

图3是另一示例性实施例提供的光学定位系统的光路示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

将光学定位系统应用在医学中时，医生可以使用跟踪工具接触感兴趣的表面(例如，患者的身体表面)。光学定位系统中的感测装置(例如，相机)便可感测到标记物的光学影像，进而得出这些标记物相对于的相机位置。

本公开提供一种光学定位系统。图2是一示例性实施例提供的光学定位系统的光路示意图。如图2所示，所述光学定位系统包括逆向反射标记物2、点光源3、半透射镜4、感测装置5和计算装置6。

其中，逆向反射标记物用于附着在用户操作的工具(下文也叫跟踪工具)上。逆向反射标记物具有逆反射能力，能使入射光线沿原来的方向反射回去。传统的逆向反射材料在交通上有一些应用，在山区盘山公路的路面上一般都等间距地设置逆向反射材料，当夜间行驶的汽车的车灯照上后显得非常醒目，以提醒司机注意。

半透射镜也叫半反半透镜，是能够使入射光能量一半反射，一半透射的透镜。由于单个led灯接近于理想的点光源。在具体实施时，点光源可以为单个led灯。

感测装置可以是互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)相机或电荷耦合器件(chargecoupleddevice，ccd)相机。

在图2的实施例中，点光源3发出的光经过半透射镜4后照射到逆向反射标记物2，由逆向反射标记物2反射的光经过半透射镜4后照射到感测装置5。

具体地，感测装置5和点光源3可以分别设置于半透射镜4的两侧。如图2所示，点光源3发出的光线a照射到半透射镜4后，经半透射镜4反射的光线b经过逆向反射标记物2反射后射出的光线e再次照到半透射镜4(其中，逆向反射标记物2以及在逆向反射标记物2内部的光在下文中详细说明)，光线e经半透射镜4透射的光线f照射到感测装置5，由感测装置5感测到。

根据逆向反射标记物的特性，光线e和光线b互相平行。光线a关于半透射镜4对称的虚拟光线为光线a'。相当于从感测装置5发出光线a'，经过逆向反射标记物2的反射后又沿原方向返回到感测装置5。

计算装置6与感测装置5连接，用于根据感测装置5感测的光线计算逆向反射标记物2相对于感测装置5的位置。

本公开中，点光源3接近于理想点光源，点光源3凭借半透射镜4形成的虚拟光源可以处于感测装置5(例如，相机)的光心位置。逆向反射标记物2使得能量被引导回其源，点光源3是一个接近于高斯分布的点光源，那么感测装置5感测后形成的图像也会是一个较理想的高斯分布的圆点。

通过上述技术方案，将光学定位系统中的环形光源替换为点光源，并通过设置半透射镜，将工作时的光路模拟成由感测装置发出光并接收光。这样，使得光学定位系统中的照明光源更加接近于理想的高斯分布的光源，因此，能够利用逆向反射标记物更加准确地定位用户操作的工具。

本领域技术人员可以理解的是，根据定位的具体需求，在光学定位系统中可以包括多个逆向反射标记物2和/或多个感测装置5。例如，可以包括一个逆向反射标记物2和多个感测装置5、多个逆向反射标记物2和一个感测装置5、或者多个逆向反射标记物2和多个感测装置5。

为了使得定位更加准确，可以通过试验的方式来选择合适的系统设置参数。例如，点光源3的照射角度需要大于感测装置5的镜头成像角的1.5倍。其中，点光源3的照射角度例如可以是点光源3发出的光束的中心线到光强降低至中心线最大光强的50％的光束的夹角。感测装置5的镜头成像角是指能够在感测装置5中成像的入射角度。如果光学计算要求的感测装置5的镜头成像角为40°，则可以设置点光源3的照射角为大于60°，以保证感测装置5的镜头中各个位置的点亮度均匀。

一些传统的逆向反射材料，由于表面容易受到污垢、手指上油和的其他东西的污染。表面上的任何污染物都可能影响该标记物的逆向反射性能，导致不能形成均匀的反射，进而无法正确识别圆心。

在一实施例中，逆向反射标记物2可以包括粘合在一起、且球心重合的两个半径不同的半球透镜，在半径较大的半球透镜表面设置有反射层，以使光从半径较小的半球透镜折射进入逆向反射标记物，并经过反射层的反射后从半径较小的半球透镜射出逆向反射标记物。如图2所示，逆向反射标记物2由左边半径较大的半球透镜和右边半径较小的半球透镜粘合而成，且二者球心重合，在一定角度范围内能够产生精确的逆向反射，将半径较小的半球透镜处的入射光平行反射回原处。

半径较小的半球透镜，其球面可以朝向感测装置5。当半径较小的半球透镜球面上接收到入射光线b时，在球内发生折射，生成折射光线c，后经过半径较大的半球透镜的球面上反射层的反射后，生成反射光线d。光线d又在半径较小的半球透镜的球面上发生折射，生成出射光线e。

由于应用了点光源，通过上述设置，能够使得感测装置接收到一个理想的高斯分布的光斑。通过提取该高斯光斑的中心，可以精确地找到光斑的中心在相机图像上的位置。

要满足特定角度的光线能够通过逆向反射标记物2平行逆反射，需要逆向反射标记物2满足合适的折射率和大小球半径。可以通过光学仿真软件，计算出合适的折射率和大小球半径。保证在一定的入射角(入射光线与入射表面法线的夹角)范围内(例如，0°～70°)，光线能够平行逆反射。例如，光源为850nm波长的红外线，材料的折射率为1.65，较小半球的直径为9mm，较大半球的直径为13mm。

其中，半透射镜所在平面与感测装置的受光面可以设置成45°角度。这样，根据光路的走向，感测装置5有更多机会接收正入射的光线，使得接收的光线光能量较强，易于感测光线。

在图2的实施例中，感测装置5和逆向反射标记物2分别设置于半透射镜4的两侧。图3是另一示例性实施例提供的光学定位系统的光路示意图。如图3所示，在图3中，感测装置5和逆向反射标记物2设置于半透射镜4的同侧。与图2的实施例相比，在图3的实施例中，感测装置5和逆向反射标记物2二者的位置做了调换。

点光源3发出的光线a照射到半透射镜4后，经半透射镜4折射的光线b经过逆向反射标记物2反射后射出的光线e再次照到半透射镜4。光线e经半透射镜4透射的光线f照射到感测装置5，由感测装置5感测到。

其中，当半径较小的半球透镜球面上接收到入射光线b时，在球内发生折射，生成折射光线c，后经过半径较大的半球透镜的球面上反射层的反射后，生成反射光线d。光线d又在半径较小的半球透镜的球面上发生折射，生成出射光线e。

根据逆向反射标记物的特性，光线e和光线b互相平行。光线a关于半透射镜4对称的虚拟光线，其相当于是从感测装置5发出的，经过逆向反射标记物2的反射后又沿原方向返回到感测装置5。

可以根据具体的要求来确定具体采用上述哪种相对位置。

感测装置5感测到光斑后，计算装置6可以计算出光斑中心的位置，即为逆向反射标记物相对于感测装置的位置。

确定高斯分布的光斑的中心位置，例如可以采用拉普拉斯-高斯差分算法。

在又一实施例中，计算装置6还可以用于根据逆向反射标记物相对于感测装置5的位置和感测装置5相对于世界坐标系的位置，计算逆向反射标记物相对于世界坐标系的位置。

具体地，计算装置6可以根据单目立体视觉算法或多目立体视觉算法(例如，solvepnp算法)计算逆向反射标记物相对于世界坐标系的位置。

本公开的光学定位系统中还可以包括多个感测装置5，多个感测装置5可以设置在一个刚体上。当光学定位系统中包括两个以上感测装置5时，还可以使用双目与多目视觉算法。

本领域技术人员能够理解的是，若光学定位系统包括一个逆向反射标记物2和多个感测装置5，每个感测装置5中可以应用单目立体视觉算法，多个感测装置5也可以应用多目立体视觉算法；若光学定位系统包括多个逆向反射标记物2和一个感测装置5，该感测装置5中可以应用单目立体视觉算法。

有的应用场景中，只需要定位一个目标的位置，即定位一个逆向反射标记物2的位置。而在一些应用场景中，还需要定位跟踪工具的位姿。在又一实施例中，光学定位系统包括用于附着在用户操作的工具上的三个以上逆向反射标记物2。计算装置6还用于根据感测装置感测的光线计算所述工具相对于感测装置5的位姿。

三个以上逆向反射标记物2可以布局为不共面且距离不相等。

本领域技术人员可以理解的是，若跟踪工具的三维结构已知，利用三个以上逆向反射标记物2在世界坐标系中的坐标及其在感测装置5中的透视投影坐标(即相对于感测装置5的坐标)，即可求解出感测装置5的坐标系与世界坐标系之间的绝对位姿关系，包括绝对平移向量以及旋转矩阵，该类求解方法统称为n点透视(perspective-n-point，pnp)位姿求解问题。

对于透视投影来说，要使得pnp问题有确定解，需要至少三组控制点。这里的控制点是指能够确定一个逆向反射标记物2三维空间坐标(世界坐标系中)位置，同时也能够确定该逆向反射标记物2相对于感测装置5的坐标位置。三维空间坐标位置指工具上逆向反射标记物2的三维坐标，相对于感测装置5的坐标位置为逆向反射标记物2在感测装置5中生成的图像上的高斯光心位置。

p3p问题可以转化为一个四面体形状的确定问题。已知条件为知道三个以上逆向反射标记物2在世界坐标系中的位置，以及在感测装置5的相机投影坐标，求棱长边的问题。通过余弦定理，再利用点云配准方法就可以得到感测装置5的坐标系相对于世界坐标系的平移以及旋转。

确定了逆向反射标记物2的位置，可以基于逆向反射标记物2与跟踪工具尖端上的物体(例如，手术刀等)的位置之间的已知关系，来确定跟踪工具尖端的位置。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。