專利名稱：電子水平儀與電子水平儀標尺的制作方法
技術領域：
本發明涉及電子水平儀及其用到的電子水平儀標尺，特別是涉及可以將標尺的圖譜像由光電變換器變換為電信號，對所得到的電信號進行傅里葉變換，以執行對焦控制以及異常檢測等的電子水平儀和電子水平儀標尺。
以往進行直接水平測量等的時候，使用了水平儀(水準儀)與標尺。即，測量者利用水平儀目視標尺的刻度來測定高低落差。這種藉助于老式水平儀的測量產生測量者的讀數誤差。為了消除這種讀數誤差，已開發出以電子方式進行標尺刻度作業的電子水平儀。這種電子水平儀的結構的例子是，從標尺一側發出包含規定信號的光，在電子水平儀一側接收并且識別這種光，再讀取標尺的刻度。
盡管現在圖像處理技術很選進，可通過對倍率隨距離變化的標尺刻度進行圖像處理，以電子方式讀取標尺刻度，但問題在于需要大量的處理時間，缺乏實用性。
因此，開發出本發明的第1實施例以及第2實施例，即標尺刻度的倍率隨距離變化，也能用簡易的信號處理，以電子方式讀取標尺刻度的電子水平儀。
這種第1實施例以及第2實施例的電子水平儀可自動地求出高低落差，但需使標尺的圖譜像與焦點重合，而這種對焦作業需要手動進行。隨著近年自動對焦技術的進步，對焦作業進入自動化，但一般采用三角測量法。這種三角測量法的自動對焦控制存在需采用專用控制單元，從而導致成本上升的問題。
而且，第1實施例以及第2實施例的電子水平儀由于對焦作業是手動的，所以存在因標尺瞄準偏差和標尺焦點偏差而造成測定錯誤的可能性較高的問題。
附圖示出的是本發明實施例。
圖1表示第1實施例電子水平儀的構成;
圖2是第1實施例電子水平儀用標尺2的說明圖;
圖3是表示第1實施例電子水平儀1外觀的斜視圖;
圖4表示第1實施例輸出信號的能譜;
圖5是第1實施例距離測定原理的說明圖;
圖6是第1實施例遠距離測定原理的說明圖;
圖7是第1實施例遠距離測定原理的說明圖;
圖8是第1實施例遠距離測定原理的說明圖;
圖9是第1實施例近距離測定原理的說明圖;
圖10是第1實施例運算處理裝置的構成圖;
圖11是第1實施例作用的說明圖;
圖12是第2實施例電子水平儀用標尺的圖譜;
圖13是第3實施例電子水平儀1的構成圖;
圖14是第3實施例運算處理裝置16的構成圖;
圖15是第3實施例對焦控制的說明圖;
圖16是第3實施例的變形例對焦控制說明圖;
圖17是第4實施例電子水平儀1的構成圖;
圖18是第4實施例運算處理裝置16的構成圖。
根據
本發明實施例。
第1實施例如圖1～圖3所示的本實施例測量裝置由電子水平儀1與電子水平儀用標尺2組成。電子水平儀1如圖3所示安裝在校平裝置100上。第1實施例的電子水平儀1如圖1所示，由物鏡11、補償器12、分束器13、目鏡14、線型傳感器15以及運算處理裝置16組成。
物鏡11是用來形成電子水平儀用標尺2的圖譜像的。補償器12是不論電子水平儀光軸多么傾斜，總是使瞄準線自動呈水平用的自動補償機構，該機構使水平光線上下變化并且成像。分束器13是用來將分光成目鏡14方向與線型傳感器15方向兩部分的。目鏡14是測量者用來觀察電子水平儀用標尺2的。線型傳感器15相當于圖譜檢測部，是用來將物鏡形成的電子水平儀用標尺2的圖譜像變換為電信號的。本實施例中使用電荷耦合器件(CCO)作線型傳感器。只要是至少在一維配置有光電二極管的線性圖像傳感器，上述線型傳感器都可采用。
運算處理裝置16由放大器16、取樣保持電路162、A/D變換器163、RAM164、時鐘驅動器165、微型計算機166以及顯示器167組成。
再后面，電子水平儀用標尺2如圖2所示按相等間隔(P)重復配置有第1圖譜A、第2圖譜B和第3圖譜R。即，以3種圖譜為一組，各組連續排列而成，定義配置在最左一側的組為0組，并記作R(0)、A(0)、B(0)，則重復配置成R(1)、A(1)、B(1)、R(2)、A(2)、B(2)……。另外，全部圖譜是按相等間隔p交變的，因而把與此間隔相對應的信號設為基準信號。
第1實施例中設定為10mm的間隔，但可以采用任意的間隔距離。而且第3圖譜R以黑條紋寬度8mm作為固定寬度，第1圖譜A以600mm為一周期調制黑條紋部分寬度，第2圖譜B以570mm為一周期調制黑條紋部分寬度。另外，第1圖譜A與第2圖譜B只要周期有差異，可以采用任意周期。第1圖譜A、第2圖譜B的調制情況如圖2(b)所示。
下面說明如上構成的本測量裝置的測定原理。
首先說明求出電子水平儀用標尺2水平位置的原理。
電子水平儀用標尺2的第1圖譜A是以600mm為一周期調制黑條紋部分寬度的，調制寬度設為0～10mm，則第1圖譜寬度DA由下式給出。
DA＝5＊(1+Sin(2*π*X/600-π/2)) (式1)其中，X＝10mm，40mm，70mm。……同樣，電子水平儀用標尺2的第2圖譜B是以570mm為一周期調制黑條紋部分寬度的，因而第2圖譜寬度DB由下式給出。
DB＝5＊(1+Sin(2*π*X/570+ (π)/2 )) (式2)其中，X＝20mm，50mm，80mm。……另外，式1與式2中加了±π/2相位差，這是為了在信號處理中便于將第1圖譜A的信號與第2圖譜B的信號相分離。
而且，第1圖譜A與第2圖譜B周期有些差異，因而在與原點的距離為此二周期的最小公倍數處出現相同的圖譜。本實施例中，在600mm與570mm的最小公倍數11400mm處出現相同的圖譜。因而第1圖譜A的信號與第2圖譜B的信號的相位差是在0～11400mm范圍內由0變化到2π的。
即，設水平位置上第1圖譜A的信號相位為ΦA，水平位置上第2圖譜B的信號相位為ΦB，則電子水平儀用標尺2的水平位置H為H＝11400＊((ΦB-ΦA-π)/Qπ)mm(式3)以下說明運算電子水平儀1與電子水平儀用標尺2的距離的方法。
若由上述電子水平儀1讀取電子水平儀用標尺2，并作傅里葉變換，則如圖4能譜所示，可得到第1圖譜A的周期分量、第2圖譜B的周期分量、第3圖譜R與第1圖譜A以及第2圖譜B為一組的周期分量(為基準信號周期的3倍)以及基準信號(與圖譜的等間距p相對應的信號)的周期分量。另外，譜線群隨電子水平儀1與電子水平儀用標尺2的距離的減小向低頻一側移動。而且譜線群中，周期最小的是基準信號(與圖譜的等間距P相對應的信號)。這種等間距確定為p，因而由透鏡成像公式可以運算出電子水平儀1與電子水平儀用標尺2的距離。
即，如圖5所示，電子水平儀用標尺2的等間距P通過電子水平儀1的透鏡形成像W，所以設從透鏡至電子水平儀用標尺2的距離為L，從透鏡到像的距離為d，則L＝d(P/W)，其中d f(f為透鏡焦距)，因此，L＝d(p/w) f(p/w)。而且電子水平儀1透鏡所形成的像W，在線型傳感器15中一像素的長度設為C，線型傳感器15所得與等間距P相當的頻率(周期)的一波長設為K時，則W＝CK。因此，電子水平儀1與電子水平儀用標尺2的距離L為L＝((f/C＊K))＊P (式4)于是，可以求得電子水平儀1與電子水平儀用標尺2的大致距離。
以下說明水平高度的測定原理。
首先說明遠距離測定的情況。
如圖6所示，若對線型傳感器15所得信號作傅里葉變換，就可以得到與等間距P相當的信號。這里，設快速傅里葉變換(FFT)求得的相位為θ，與水平位置相當的線型傳感器15的地址位置(第m位)的相位為θm，則H1＝(θm360°)＊P (式5)即，可以在等間距p范圍內精密地測定水平位置H1(精密測定)。
而且，為了求得水平位置，需要求出從電子水平儀用標尺2上所形成等間距p圖譜開始位置起算的大致位置。因此，在基準信號(與等間距p相當的信號)的前后半間距區域內對線型傳感器15的輸出信號積分。再將該積分值分別每3個中取一個(乘積檢波)的話，如圖7所示，就可以得到相當于第1圖譜A的信號1，相當于第2圖譜B的信號2以及相當于第3圖譜R的信號3。但由于第3圖譜R其寬度未調制，與第1圖譜A和第2圖譜B的最大調制寬度10mm不同，第3圖譜R寬只8mm，因而第3圖譜R的信號其積分值基本上一定，與信號1和信號2相比，其值約為這兩種信號的80%。
而且，第3圖譜R、第1圖譜A以及第2圖譜B按確定的順序重復配置，所以間隔取出的信號可以確定是第3圖譜R、第1圖譜A、第2圖譜B中的哪一種。而且，為了消除陰影等外光的影響，以第3圖譜R的信號為基準得到如圖8所示的(A-R)、(B-R)信號。
接下來，由(A-R)、(B-R)信號，選擇包含與水平位置相對應的線型傳感器15地址位置(第m位)和基準信號R的一組R、(A-R)、(B-R)信號，再求出(A-R)與(B-R)的相位，這樣就可以求出電子水平儀用標尺2某一位置的第1圖譜A、第2圖譜B以及第3圖譜R的組合。
這里，設(A-R)信號為Am，(B-R)信號為Bm，(A-R)信號最大振幅的1/2為Wa，(B-R)信號最大振幅的1/2為Wb，則(A-R)與(B-R)的相位分別為φa＝Sin-1(Am/Wa) (式6)φb＝Sin-1(Bm/Wb)-2＊π(10/570) (式7)式7的尾數部分是因為第2圖譜B的信號位置偏離第1圖譜A的信號10mm。
將式6與式7代入式3，就可以求得第1圖譜A的信號在電子水平儀用標尺2的水平位置。而且，若包含水平位置的基準信號屬于第3圖譜R，則從該水平位置減去10mm，若包含水平位置的基準信號屬于第2圖譜B，則要在該水平位置上加10mm。從而可以得到水平位置大致的水平高度H2(粗略測定)。
綜上所述，可以先求出水平位置基準信號的相位(精密測定)，再由第1圖譜A、第2圖譜B的相位差求出相應于水平位置的基準信號處于從電子水平儀用標尺2的圖譜開始位置起算的哪個位置(粗略測定)，并使這些精密測定H1與粗略測定值H2合并，從而求得水平高度H。
以下說明近距離測定的情況。
近距離測定時，與遠距離測定那樣實行傅里葉變換后，再進行乘積檢波求出水平高度的情況相比，因為可以得到第1圖譜A，第2圖譜B以及第3圖譜R的清晰圖像，所以可望直接測定信號寬度的方法精度高。
首先如圖9所示，為求出線型傳感器15輸出的上升沿、下降沿，對輸出信號進行微分。可以由這些信號沿求出黑條紋部分邊緣間的間隔。而且還求出對應于黑條紋部分中心的數位。這種數位的間隔為第1圖譜A、第2圖譜B、第3圖譜R中等間距P所對應的基準信號。
然后，求出對應于水平位置的地址位置(第m位)前后的基準信號位置時，由于基準信號寬度在電子水平儀用標尺2上相當于10mm，所以設前后基準信號分別Nf(第Nf位)、Nb(第Nb位)，則高度H1(精測定)為H1((m-Nf)/(Nb-Nf)＊10 (式8)再設基準信號初始位置為Ne，最終位置為Ns，個數為n，則各基準信號間隔的平均值為K＝(Ne-N3)/n將此k值代入式4，就可以求得電子水平儀1與電子水平儀用標尺2的大致距離。
因為黑條紋部分的寬度從起點開始每3個寬度取一個，并識別寬度一定的第3圖譜R、再按第3圖譜R、第1圖譜A、第2圖譜B的順序安排，所以能確定該部分寬度與第3圖譜R、第1圖譜A以及第2圖譜B的對應關系。
再確定包含對應于水平位置的線型傳感器15地址位置(第m位)的基準信號屬于第3圖譜R、第1圖譜A以及第2圖譜B中的哪一個，同時確定對應于上述圖譜的第幾組。即，若寫為R(n)、A(n)、B(n)則指第n組。
于是，由于式1為DA＝5＊(1+Sin(2＊π＊Xa/600-π/2))其中Xa＝30＊n+10，所以可由DA值求得n。
因此，n＝(10/π)＊(Φa+(π/2))-(1/3) (式9)Φa＝SIN-1(DA/5)-1)φa在0-2π間有2個值，但根據n為整數的條件只選擇1個。設與此對應的組號為na，由于電子水平儀用標尺2上有600mm的周期(即每周期20組)，則n＝20＊d+na其中d＝0，1，2。……又因此n求出第2圖譜B的寬度DB。先以X＝30＊n+20代入式2，所得值與DB比較，一致時的n為所求組號。根據上述n、m所屬的第3圖譜R、第1圖譜A以及第2圖譜B的種類，大致的水平高度H2(粗略測定)分別為H2＝30＊n，第3圖譜R時H2＝30＊n+10，第1圖譜A時H2＝30＊n+20，第2圖譜B時 (式10)此外，不只判斷1組圖譜，而且還判斷前后多個位置，就可降低因圖譜污損而引起的差錯率。
因此，可根據對應于第3圖譜R、第1圖譜A以及第2圖譜B所對應信號的黑條紋部分寬度求出基準信號，通過確定對應于水平位置的地址位置的基準信號來進行精密測定，由對應于第1圖譜A、第2圖譜B的信號相位差進行精略測定，并通過使這些精密測定值H1與粗略測定值H2合并來求出水平高度。
以上說明的測定方法，除了用已調制的第1圖譜A以及第2圖譜B以外，還用未調制的第3圖譜R來對已調制的圖譜信號進行區別，但通過求出對應于所檢測的兩種圖譜的信號各自波長等的方法，為能識別第1圖譜A信號和第2圖譜B信號，就可不用第3圖譜R進行測定。
以下詳細說明本實施例電子水平儀1上所裝的運算處理裝置16。放大器161是放大線型傳感器15來的電信號的，取樣保持電路162是按時鐘驅動器165來的定時信號對已放大電信號進行取樣和保持的。A/D變換器163是用來對取樣保持的電信號進行A/D變換的。而且，RAM164是用來存儲A/D變換后的數字信號的。此外，微型計算機166則執行各種運算處理。
這里，根據圖10詳細說明微型計算機166所完成的功能運算處理裝置16由基準信號形成部1661、圖譜信號形成部1662、圖譜組檢測部1663以及算出部1664組成，基準信號形成部1661在遠距離測定時通過傅里葉變換從線型傳感器15所得到的電信號形成對應于等間距p的基準信號，而在近距離測定時對線型傳感器15的輸出信號微分，由上升沿、下降沿形成基準信號。
圖譜信號形成部1662則在遠距離測定時對基準信號前后半間距區域進行積分，通過分別每3個積分值中一個(乘積檢波)，形成第1圖譜信號與第2圖譜信號，而在近距離測定時靠間隔取出動作形成第1圖譜信號與第2圖譜信號。
圖譜組檢測部1663在近距離測定時，通過比較第1圖譜A的寬度DA以及第2圖譜B寬度DB，來確定對應于水平位置的圖譜組是第幾組。
算出部1664在遠距離測定時，由瞄準線附近的第1圖譜信號與第2圖譜信號的相位求算出高低落差，而在近距離測定時根據特定的圖譜組求算出高低落差。
另外運算處理裝置16完成距離測定部的相應功能，可運算式4來計算電子水平儀1與電子水平儀用標尺2的大致水平距離。
此外，顯示器167是顯示算出部1664算出的高低落差的，可以采用液晶顯示等顯示裝置，也可以做成輸出給外部存儲裝置。
根據圖11說明以上構成的第1實施例。
首先，在步驟1(S1)，將電子水平儀用標尺2設置在被測定點位置，使電子水平儀1起動開始測量。接下來，在S2，線型傳感器15對物鏡11所形成的電子水平儀用標尺2的第3圖譜R、第1圖譜A以及第2圖譜B的像進行攝像，并變換為電信號。再在S3將從線型傳感器15取得的電信號進行A/D變換，在S4將變換后的數字信號存儲到RAM164中。在S5，通過對從線型傳感器15取得的電信號作快速傅里葉變換(FFT)。不局限于FFT，還可以采用最大熵法(MEM)等，只要可求得頻譜，任何方法都可用。
接下來的S6中，在S5所得到的頻譜群中選擇周期最小的為基準信號。而且，在S7運算式4，計算電子水平儀1與電子水平儀用標尺2的大致水平距離。在S8，根據S7的運算結果判斷是近距離測定還是遠距離測定。在本第1實施例中，是以10m以下作為近距離測定的，但可以適當改變。S8中判斷是遠距離測定時便進入S9。在S9中，在基準信號的前后半間距區域內對線型傳感器15的輸出信號積分。在步驟S10中，通過分別每3個積分值取出1個(乘積檢波)，提取對應于第1圖譜A的信號1、對應于第2圖譜B的信號2以及對應于第3圖譜R的信號3。然后，在S11，因為對應于第3圖譜R的信號3其積分值基本上一定，與信號1和信號2相比該值約為這兩種信號80%，而且各圖譜順序是一定的，可確定是第1圖譜、第2圖譜以及第3圖譜R的哪一種。在S12，運算式6與式7以求出φA、φB，再進入S13，可將S12的運算結果代入式3進行粗略測定H2。
又在S14運算式5，進行完精密測定H1之后，進入S15，使精密測定值H1與粗略測定值H2合并，求得水平高度H，并判斷測定是否結束。
接下來，S8中判斷為近距離測定時，進入S16，對線型傳感器15的輸出信號作微分，檢測出上升沿、下降沿。再在S17中求出黑條紋部分邊緣間的間隔，確定與黑條紋部分中心相對應的數位。在S18，由S17得出的值形成等間距P的基準信號。
然后，在S19運算式8，進行精密測定H1，在S20從起點開始每3個黑條紋部分的密度分別取1個，以識別寬度一定的第3圖譜R。在S21，由于各圖譜的順序是一定的，因而可確定信號與第3圖譜R、第1圖譜A以及第2圖譜B的對應關系。
再在S22，用式9等確定對應于水平位置的基準信號相應于第幾組，在S23運算式10，進行粗略測定H2。而然后，進入S15，使精密測定值H1與粗略測定值H2合并，求出水平高度H，再判斷測定是否完成。在S15判斷為測定結束時，就進入S24終止測定。在S15判斷為測定未結束時，則返回到步驟S2。
還有，S12是由S11所確定的豎直位置來運算高低落差，在顯示器167上顯示運算值的。再進入到S13，并判斷測定是否結束，測定結束時進入S14終止測定。在13測定未結束時，就回到S2重復測量。
另外，算出部1664可以做成由水平高度H求出高低落差，在顯示器167上顯示。
第2實施例以下說明本發明第2實施例。
本第2實施例，通過只采用已調制第1圖譜A以及第2圖譜B，不采用第3圖譜R，由檢測出的2種圖譜所對應信號求得各自的波長，來識別第1圖譜A信號與第2圖譜B信號，并進行測定。
第2實施例的電子水平儀用標尺2，如圖12所示，第1圖譜A與第2圖譜B按相等間距(P)重復配置，未配置第3圖譜R，這一點與第1實施例的電子水平儀用標尺2不同。
以下對信號處理加以說明，由于與第1實施例的共同點較多，所以僅就不同點進行說明。
首先，根據基準信號運算電子水平儀1與電子水平儀用標尺2的距離這一點是相同的。
再在遠距離測定時，精密測定與第一實施例相同。粗略測定中，對線型傳感器15的輸出信號積分，在圖11步驟10(S10)的信號提取處理中，每2個積分值分別取1個，以得到對應于第1圖譜A的信號1以及對應于第2圖譜B的信號2。
這里，為了遠距離測定，對所得到信號的識別至少檢測1周期。因此，圖譜判別部將周期長的信號判別為對應于第1圖譜A的信號1，將周期短的信號判別為信號2。這樣判別為信號1與信號2之后，就可以同第1實施例那樣分別求出相位φA、φB，并與精密測定值合并求得水平高度。圖譜判別部的功能由運算處理裝置16實現。
近距離測定時，圖11中步驟21(S21)的信號確定過程中，由于電子水平儀1的線型傳感器15上的圖譜間距相當于寬度W，所以根據各信號寬度的變化量與基準信號的間距寬度，來判別對應于第1圖譜A的信號1以及對應于第2圖譜B的信號2。具體來說，首先將第1圖譜周期設定為600mm，第2圖譜周期設定為570mm，則兩種圖譜的脈沖寬度分別與式1、式2相同，即DA＝5＊(1+SIN(2＊π＊Xa/600-π/2)) (式11)但其中Xa＝20＊n;
DB＝5＊(1+SIN(2＊π＊Xb/570+π/2)) (式12)
但其中Xb＝20＊n+10。另外，n為圖譜組的序號，且n＝1、2、……。
反之，由DA、DB值求出n的公式可對上式變形，并表為n＝(15/π)＊(φA+π/2) (式13)φA＝SIN-1(DA/5-1)(給出DA)時;
n＝(57/4π)＊(φb-π/2)-(1/2) (式14)φB＝SIN-1(DB/5-1)(給出DB時)。
所得到的信號中，取最初的脈沖寬度為DA，由式13求得n。這種情況可在600mm的1周期以內。n可求得2個值，但可根據第2脈沖寬度比最初沖寬度大還是小而歸結為一個值。接著由式11求出n為n+1時的脈沖寬度，并寫作DA+1。同樣，可求得最初脈沖寬度為DB時的n，并寫作DB+1。若最初脈沖寬度的后一個脈沖寬度與DA+1相近，則將最初的脈沖寬度判為A圖譜，而與DB+1相近的話，最初的脈沖寬度就判為B圖譜。
這樣判別了信號1與信號2之后，同第1實施例那樣對圖譜組序號進行確定，并與精密測定合并，求出水平高度。
第2實施例的其他構成由于與第1實施例相同故省略其說明。
另外，第1實施例以及第2實施例中，是通過使圖譜寬度變化的空間調制來形成第1以及第2圖譜的，但本發明不限于此，也可以使圖譜寬度不變化而通過使圖譜濃度變化來加以調制。
如上構成的第1實施例以及第2實施例，對于電子水平儀用標尺來說，第1圖譜、第2圖譜、以及根據情況而需要的第3圖譜在測量方向上按相等間隔順序排列，第1圖譜與第2圖譜形成變化周期互不相同的圖譜寬度，而根據情況所需要的第3圖譜形成為相等的圖譜寬度。而且，電子水平儀的圖譜檢測部讀取第1圖譜、第2圖譜以及根據情況所需要的第3圖譜，基準信號形成部由圖譜檢測部所檢測出的檢測信號形成基準信號，圖譜信號形成部由該基準信號形成部所形成的基準信號以及圖譜檢測部檢測出的檢測信號形成第1圖譜信號與第2圖譜信號，算出部由瞄準線附近的第1圖譜信號與第2圖譜信號的相位算出高低落差，因而沒必要進行相互相關等運算，達到測定時間縮短的效果。
第1實施例及第2實施例還做成其基準信號形成部由圖譜檢測部檢測出的檢測信號的脈沖寬度形成基準信號，圖譜組檢測部由瞄準線附近的第1圖譜信號與第2圖譜信號的圖譜寬度確定包含瞄準線的圖譜組，算出部根據已確定的圖譜組算出高低落差。
第1實施例以及第2實施例又可以做成算出部在與電子水平儀用標尺之間的距離小于一定值時，根據確定出的圖譜組算出高低落差，在與電子水平儀用標尺之間的距離大于一定值時，由瞄準線附近的第1圖譜信號與第2圖譜信號的相位算出高低落差。
電子水平儀用標尺的第2圖譜像與第3圖譜加上一定周期的調制，因而具有不必存儲全部信息來處理，而以簡單構成就可以實現電子水平儀的卓越效果。
此外，第1實施例的電子水平儀用標尺除了第1圖譜以及第2圖譜之外，還增加等間距且一致的第3圖譜，并將它們等間隔順序排列而成，電子水平儀通過設置圖譜判別部在圖譜檢測部提取的信號當中根據具有一致性的第3圖譜信號判別第1圖譜信號與第2圖譜信號，從而具有可以容易地判別第1圖譜信號與第2圖譜信號的效果。
第3實施例以下根據
本發明第3實施例。
第3實施例如圖13所示，由物鏡12、分束器13、目鏡14、線型傳感器15、運算處理裝置16以及驅動部17構成。
物鏡11是用來形成電子水平儀用標尺2圖譜像的。本實施例的物鏡11由對物透鏡111與內部透鏡112構成，可以通過使內部透鏡112移動，對電子水平儀用標尺2的圖譜像進行對焦。因此，內部透鏡112用來與對焦部分相對應。
驅動部17是用來使內部透鏡112移動的。驅動部17是用來根據運算處理裝置16的運算結果使內部透鏡112移動規定量的。本實施例的驅動部17采用圓弧電動機，但如超聲波電動機等那樣，只要可以使內部透鏡112往復移動，任何驅動裝置都可采用。
另外，第3實施例其他構成與第1實施例相同故省略其說明。電子水平儀用標尺2與圖2所示的第1實施例相同，也省略其說明。
而且，物鏡11、補償器12、分束器13和目鏡14相當于望遠鏡的光學系統，線型傳感器15相當于光電變換器。
以下，根據圖14說明第3實施例的微型計算機166完成的功能運算處理裝置16由基準信號形成部1661、圖譜信號形成部1662、圖譜組檢出部1663、算出部1664、對焦控制部1665以及圖譜識別部1666組成。
對焦控制部1665對從線型傳感器15得到的電信號進行傅里葉變換，用以控制驅動部17使該傅里葉變換輸出電平為最大。另外，傅里葉變換可以利用基準信號形成部1661的快速傅里葉變換。即運算處理裝置16也有信號處理部的功能。
這里說明對焦控制部1665的對焦控制原理。電子水平儀用標尺2按相等間距p排列，而且各條紋寬度被調制。由線性傳感器15等一維傳感器讀取該圖譜，若對該輸出信號進行傅里葉變換，就可以得到第1實施例圖4所示的能譜。
若橫軸的單位為“周”，則在下列位置出現峰值nh/(p/d＊f) (周/n位)這里，p為電子水平儀用標尺2的圖譜間距，d為電子水平儀用標尺2與電子水平儀1的距離，f為電子水平儀1光學系統的焦距，n為進行傅里葉變換的一維傳感器位數，h為一維傳感器位間隔。
峰值電平隨著偏離對焦位置而下降。因此，可以監視峰值電平，并執行對焦動作，通過檢測出峰值電平位置進行對焦控制。
圖譜識別部1666是為了檢索電子水平儀用標尺2圖譜像的能圖譜而進行圖譜匹配用的。
另外運算處理裝置16的其他構成與第1實施例相同，因而省略其說明。
根據圖15說明以上構成的第3實施例的對焦動作。
本第3實施例采用線型傳感器15，在步驟1(S1)，運算處理裝置16的對焦控制部1665使驅動部17動作，將內部透鏡112從無限遠方向近方一側勻速移動。而且在S2判斷是否經過規定時間，是經過規定時間，進入S3，就由線型傳感器15取得數據。接著在S4，運算處理裝置16進行傅里葉變換，在S5與前一次數據比較，判斷傅里葉變換的變換輸出電平是否超過峰值。也就是判斷傅里葉變換的變換輸出電平是否超過最大值。在S5判斷為傅里葉變換的變換輸出電平超過最大值時，進入S6，對焦控制部1665就控制驅動部17使內部透鏡112停止移動;在S5判斷為傅里葉變換的變換輸出電平未超過最大值時，就返回到S2。
又在S6使內部透鏡112停止移動后，進入S7，對焦控制部1665使驅動部17動作，將內部透鏡112離開上一次的位置，從近方向無窮遠處勻速移動。接下來在S8，由線型傳感器15取入數據后，在S9運算處理裝置16進行傅里葉變換。而且，在S10與前一次數據相比較，判斷傅里葉變換的變換輸出電平是否超過峰值。在S10判斷為傅里葉變換的變換輸出電平超過最大值時，即已對焦，進入S11，對焦控制部1665控制驅動部17使內部透鏡112停止移動。在S10判斷為傅里葉變換的變換輸出電平不超過峰值時，就返回到S7繼續對焦控制。
如上構成的第3實施例可以通過搜索傅里葉變換的變換輸出電平最大值來進行對焦控制。
第3實施例的變形例以下根據圖16說明采用面型傳感器151來代替線型傳感器15的第3實施例變形例。
在步驟1(S1)，運算處理裝置16的對焦控制部1665使驅動部17動作，將內部透鏡112從無窮遠方向近方一側勻速移動。并且在S2判斷是否經過規定時間，是經過規定時間，則進入S3，由面型傳感器151取入數據。接下來在S4判斷是否確定過面型傳感器151的列位置。即搜索電子水平儀用標尺2的圖譜像所在的列位置。而且，判斷為在S4未確定過面型傳感器151的列位置時，進入S5取出1列后，運算處理裝置16進行傅里葉變換。又在S6運算處理裝置16的圖譜識別部1666判斷是否有與時鐘信號相近似的譜圖。即通過圖譜識別來判斷有沒有出現如圖4所示的電子水平儀用標尺2圖譜像的能譜圖案。在S6，圖譜識別部1666識別出與時鐘信號相近似的譜圖時，就進入S7，將該面型傳感器151的列存儲到RAM164中后，返回S2。
在步驟S6圖譜識別部1666未識別與時鐘信號相近似的譜圖時，進入S8判斷是否見到全部列。在S8判斷為見到全部列時，返回S2，在判斷為未見到全部列時就返回到S5。
在S4判斷為確定出面型傳感器151的列位置時，進入S9，與上一次數據比較，判斷傅里葉變換的變換輸出電平是否超過峰值。在S9判斷為傅里葉變換的變換輸出電平超過最大值時，進入步驟S10，對焦控制部1665控制驅動部17使內部透鏡112停止移動。在S9判斷為傅里葉變換的變換輸出電平不超過最大值時，就返回S2。
在S10使內部透鏡112停止移動后，進入S11，對焦控制部1665使驅動部17作動，將內部透鏡離開上一次位置，從近方向無窮遠方低速移動。這種移動與S1中的相比，為低速移動，因而可以進行精密的調整。以下在S12由面型傳感器151取入數據后，在S13運算處理裝置16進行傅里葉變換。而且在S14與上一次數據比較，判斷傅里葉變換的變換輸出電平是否超過峰值。在S14判斷為傅里葉變換的變換輸出電平超過最大值時，就是已對焦，進入S15，對焦控制部1665就控制驅動部17使內部透鏡112停止移動。在S14判斷為傅里葉變換的變換輸出電平未超過峰值時，就返回S12繼續對焦控制。
綜上所述，第3實施例的變形例通過搜索傅里葉變換的變換輸出電平最大值，可以進行對焦控制。該第3實施例的變形例，其對焦控制部1665根據粗略調整步驟所得到的傅里葉變換輸出電平，求出大致的對焦位置，然后再根據細微調整步驟所得到的傅里葉變換輸出電平進行精密調整，可以高速地進行對焦控制。
而且，第3實施例變形例，其對焦控制部1665作成按傅里葉變換輸出電平線性近似設想輸出峰值并進行控制。
上述第3實施例可只用已調制的第1圖譜A以及第2圖譜B，不用第3圖譜R，從檢測出的兩種圖譜相對應的信號求出各自的波長，由此識別第1圖譜A的信號與第2圖譜B的信號，并進行測定。
如上構成的第3實施例以及第3實施例的變形例，除對焦控制之外均為執行已有技術的數值運算處理，因而省略說明。
如上構成的第3實施例，是對測長方向有等間距排列圖譜的標尺進行瞄準，并自動地求出高低落差的電子水平儀，該實施例做成望遠鏡光學系統的對焦光學系統形成圖譜像，光電變換器接收來自望遠鏡光學系統的光，將圖譜變換為信號，對焦部又使光電變換器上形成圖譜。而且，信號處理部對光電變換器的輸出進行傅里葉變換，對焦控制部又根據信號處理部的輸出電平來控制對焦部，因而不需要新的對焦單元，對焦部只需增加驅動部就可以進行自動對焦控制，其卓越的效果在于結構簡潔、成本便宜。
第3實施例還可以這樣其對焦部從遠到近或從近到遠使焦點位置移動，對焦控制部根據上述移動所得到的信號處理部輸出電平進行對焦控制。
第3實施例的對焦控制部又可以這樣根據粗略調整步驟所得到的傅里葉變換輸出電平求得大致的對焦位置，然后根據細微調整步驟所得到的傅里葉變換輸出電平進行精密調整。
第3實施例的對焦控制部還可以由信號處理部的輸出電平通過線性近似，假定輸出峰，并進行控制。
第4實施例根據
本發明第4實施例。
第4實施例如圖17所示，由物鏡11、補償器12、分束器13、目鏡14、線型傳感器15以及運算處理裝置16構成。
物鏡11是用來形成電子水平儀用標尺2的圖譜像的。可通過物鏡11內的內部透鏡的移動對電子水平儀用標尺2的圖譜像進行對焦。
運算處理裝置16由放大器161、取樣保持電路162、A/D變換器163、RAM164、時鐘驅動器165、微型計算機166、顯示器167、測定起動開關168以及蜂鳴器169構成。
測定起動開關168相當于測定起動命令的輸入裝置，經測定者操作使運算處理裝置起動，就可以使測定開始。另外，測定起動命令輸入裝置不限于開關裝置，只要可以使運算處理裝置16起動，任何輸入裝置都可以采用。
第4實施例的其他構成與第1實施例相同，故省略其說明。而且電子水平儀用標尺2也與圖2所示的第1實施例相同，故省略其說明。
以下，根據圖18說明微型計算機166所完成的功能。運算處理裝置16由基準信號形成部1661、圖譜信號形成部1662、圖譜組檢出部1663、算出部1664、圖譜識別部1666以及異常判別部1667組成。
異常判別部1667在測定起動開關168起動時用于檢測出從基準信號形成部1661得到的傅里葉變換輸出的異常，并驅動顯示器167和蜂鳴器169來報告異常。
這里說明異常判別部1667的異常判別原理。電子水平儀用標尺2按相等間隔p排列，而且各條條紋寬度是調制過的。由線型傳感器15等一維傳感器讀取讀圖譜，若對此信號進行傅里葉變換，就可得到如第1實施例圖4所示的能譜。
設橫軸的單位為周，則在下列位置出現峰值nh/(p/d＊f)(周/n位)這里，p是電子水平儀用標尺2的圖譜間隔;d是電子水平儀用標尺2與電子水平儀1的距離;f是電子水平儀1的光學系統的焦距;n是進行傅里葉變換的一維傳感器位數;h是一維傳感器的位間隔。
而且這種譜線在對規定以外的標尺作瞄準時，譜線變化，出現譜線峰值的周期也變化。因此，若對這種譜圖進行識別，就可以檢測出電子水平儀用標尺2的瞄準偏差。
又在偏離焦點時，由于傅里葉變換輸出下降，所以可通過將該電平值限于規定值以上，自動地檢測出電子水平儀用標尺2的焦距偏移。
另外，異常判別部1667檢測出異常時，就會在顯示器167上顯示異常狀況，蜂鳴器169發出鳴叫。即顯示器167與蜂鳴器169均相當于報警裝置，但不限于報警裝置，只要能夠向使用者報知異常，可以采用任何裝置。而且顯示器167上還可以清楚地顯示瞄準偏差、焦點偏差或別的情況。
運算處理裝置16的其他構成與第1實施例以及第3實施例相同，故省略其說明。
如上構成的第4實施例在使用者按下測定起動開關168時，運算處理裝置16便起動。而且基準信號形成部1661利用快速傅里葉變換，對從線型傳感器15所得到的電信號作變換后，形成頻譜圖。
然后，起動圖譜識別部1666，由異常判別部1667判斷進行過圖譜識別的頻譜圖是否正確。異常判別部1667判斷為頻譜圖不正確，發生瞄準偏差時，就在顯示器167上顯示異常狀況，并且蜂鳴器169鳴叫。
異常判別部1667還對基準信號形成部1661進行過傅里葉變換的傅里葉變換輸出電平作出判斷，在一定電平以下時，就認為偏離焦點，在顯示器167上顯示異常狀況，同時蜂鳴器169發出鳴響。
異常判別部1667未判別出異常時，運算處理裝置16就會開始高低落差等計算。另外數值運算方式等實行的是已有技術中已說明的，故省略其說明。
第4實施例可只采用已調制的第1圖譜A以及第2圖譜B，不用第3圖譜R，從檢測出的2種圖譜所對應的信號求出各自的波長，并由此識別第1圖譜A信號與第2圖譜B信號后，進行測定。即，不限于3個周期圖譜的電子水平儀用標尺2，還可以采用2個周期圖譜的電子水平儀用標尺2。
如上所述構成的第4實施例，是以測長方向上等間距排列有圖譜的標尺作瞄準，來自動地求出高低落差的電子水平儀，該實施例做成望遠鏡光學系統形成圖譜像，光電變換器接收望遠鏡光學系統來的光，將圖譜變換為信號后，信號處理部就對光電變換器的輸出進行傅里葉變換。而且在測定者的操作下，測定起動命令輸入裝置就使測定開始，算出部根據信號處理部的傅里葉變換輸出，運算高低落差，異常判別部也在測定起動命令輸入裝置起動時，檢測信號處理部的傅里葉變換輸出異常，由報警裝置報知異常判別結果，因而具有可以自動地檢測出傅里葉變換輸出異常的效果。
而且，沿望遠鏡光學系統成像的測長方向等間距排列有圖譜的標尺，是具有以規定比值設定的至少2個周期圖譜的標尺，可做成異常判別部對信號處理部所產生傅里葉變換輸出電平的缺陷加以判斷，該部根據是否有規定比值的2個頻譜，來判別異常狀況，因而具有可自動檢測瞄準偏差、焦距偏差，以防止測定錯誤。
此外，第4實施例的報警裝置還可以使顯示裝置顯示或/和告警音發生裝置發出聲音。
權利要求
1.一種電子水平儀用標尺，其特征在于具有以第1周期調制的第1圖譜，以及以不同于該第1周期的第2周期調制的第2圖譜，通過在測定方向上等間距順序排列所述第1圖譜與第2圖譜而構成。
2.如權利要求1所述的電子水平儀用標尺，其特征在于所述第1圖譜以及所述第2圖譜的調制是通過使條紋寬度變化的空間調制進行的。
3.如權利要求1或2所述的電子水平儀用標尺，其特征在于除所述第1圖譜以及所述第2圖譜之外，還有一致的第3圖譜，并通過在測長方向上等間距順序排列所述第1圖譜、圖2圖譜以及第3圖譜而構成。
4.一種電子水平儀，其特征在于采用權利要求1至3任一項記載的電子水平儀用標尺進行測定，其構成包括檢測所述第1圖譜與所述第2圖譜的圖譜檢測部;由該圖譜檢測部所檢測的檢測信號的間隔形成基準信號的基準信號形成部;由該基準信號形成部所形成的基準信號以及所述圖譜檢測部所檢測的檢測信號形成第1圖譜信號與第2圖譜信號的圖譜信號形成部;由瞄準線附近的第1圖譜信號的相位與第2圖譜信號的相位算出高低落差的算出部。
5.一種電子水平儀，其特征在于采用權利要求1至3任一項記載的電子水平儀用標尺進行測定，其構成包括檢測所述第1圖譜與所述第2圖譜的圖譜檢測部，由該圖譜檢測部所檢測的檢測信號的間隔形成基準信號的基準信號形成部;由該基準信號形成部所形成的基準信號以及所述圖譜檢測部所檢測的檢測信號形成第1圖譜信號與第2圖譜信號的圖譜信號形成部;由瞄準線附近的第1圖譜信號與第2圖譜的調制分量電平確定包含瞄準線的圖譜組的圖譜組檢測部;根據所確定圖譜組算出高低落差的算出部。
6.一種電子水平儀，其特征在于采用權利要求1記載的電子水平儀用標尺進行測定，其構成包括檢測所述第1圖譜與所述第2圖譜的圖譜檢測部;由該圖譜檢測部所檢測的檢測信號的間隔形成基準信號的基準信號形成部;根據此基準信號測定與電子水平儀用標尺之間的距離的距離測定部;由該基準信號形成部所形成的基準信號以及所述圖譜檢測部所檢測的檢測信號形成第1圖譜信號與第2圖譜信號的圖譜信號形成部;根據該基準信號形成部所形成的基準信號以及所述圖譜檢測部所檢測的檢測信號，由瞄準線附近的第1圖譜信號與第2圖譜的調制分量確定包含視平線的圖譜組的圖譜組檢測部;在對所述電子水平儀用標尺的距離在規定距離以上時，由瞄準線附近的第1圖譜信號以及第2圖譜信號的相位算出高低落差，而在對所述電子水平儀用標尺的距離在規定距離以下時，根據上述所定圖譜組算出高低落差的算出部。
7.一種電子水平儀，其特征在于采用權利要求3記載的電子水平儀用標尺進行測定，其構成包括檢測所述第1圖譜、所述第2圖譜以及所述第3圖譜的圖譜檢測部;由該圖譜檢測部所檢測的檢測信號，形成表示排列間距的基準信號的基準信號形成部;根據該基準信號形成部所形成的基準信號，由所述圖譜檢測部所檢測的檢測信號形成第1圖譜信號、第2圖譜信號以及第3圖譜信號的圖譜信號形成部;根據所述圖譜信號形成部所形成的一致的第3圖譜信號對所述第1圖譜信號以及所述第2圖譜信號進行判別的圖譜判別部;由瞄準或附近的第1圖譜信號以及第2圖譜信號的相位算出高低落差的算出部。
8.一種電子水平儀，其特征在于是對沿測長方向上等間距排列有圖譜的標尺作瞄準，自動求得高低落差的電子水平儀，其構成包括包含用于上述圖譜成像的對焦光學系統在內的望遠鏡光學系統;用來接收該望遠鏡光學系統來的光，將所述圖譜變換為信號的光電變換器;用來使該圖譜成像在該光電變換器上的對焦部;用來對所述光電變換器輸出進行傅里葉變換的信號處理部;用來根據該信號處理部的輸出電平對所述對焦部進行控制的對焦控制部。
9.如權利要求8所述的電子水平儀，其特征在于對焦控制部根據對焦部由遠向近或由近向遠使焦點位置移動時得到的信號處理部輸出電平，進行對焦控制。
10.如權利要求8所述的電子水平儀，其特征在于對焦控制部構成為根據粗略調整步驟所得到的傅里葉變換輸出電平求出大致對焦位置后，再根據細微調整步驟所得到的傅里葉變換輸出電平進行精密調整。
11.如權利要求8所述的電子水平儀，其特征在于對焦控制部構成為由信號處理部的輸出電平通過線性近似假定峰值，并進行控制。
12.一種電子水平儀，其特征在于是對沿測長方向上等間距排列有圖譜的標尺作瞄準，自動求出高低落差的電子水平儀，其構成包括用來形成該圖譜像的望遠鏡光學系統;用來接收該望遠鏡光學系統來的光，將所述圖像變換為信號的光電變換器;用來對該光電變換器的輸出進行傅里葉變換的信號處理部;由測定者操作用來使測定開始的測定起動命令輸入裝置;根據所述信號處理部的傅里葉變換輸出，運算高低落差用的算出部;所述測定起動命令輸入裝置起動時用于檢測出所述信號處理部傅里葉變換輸出異常的異常判別部;用來報告該異常判別部結果的報告裝置。
13.如權利要求12所述的電子水平儀，其特征在于沿望遠鏡光學系統成像的測長方向上等間距排列有圖譜的標尺具有以規定比值設定的至少2個周期圖譜，異常判別部構成為對信號處理部的傅里葉變換輸出電平缺陷進行判斷，并且根據是否有所述規定比值的2個頻譜對異常進行判別。
14.如權利要求12或13所述的電子水平儀，其特征在于報告手段包括顯示裝置的顯示或/和告警音發生裝置的聲響。
全文摘要
本發明涉及電子水平儀及其所用標尺，尤其涉及一種將標尺圖譜像變換為電信號，并對該信號作傅里葉變換，來實現對焦控制和異常檢測功能的電子水平儀。上述標尺將第1、第2圖譜和有時需要的第3圖譜沿測長方向等間隔順序排列，第1、與第2圖譜的寬度變化周期不同，第3圖譜則等寬。上述水平儀做成光電變換器接收望遠鏡光學系統來的光并將圖譜變換為電信號，信號處理部對此信號作傅里葉變換后，進行對焦控制和異常檢出。
文檔編號G01V9/00GK1104336SQ9312127
公開日1995年6月28日 申請日期1993年12月22日 優先權日1993年12月22日
發明者熊谷薰, 川島伸二, 古屋喜一, 大友文夫 申請人:株式會社拓普康
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
