专利名称：电子水平仪与电子水平仪标尺的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子水平仪及其用到的电子水平仪标尺，特别是涉及可以将标尺的图谱像由光电变换器变换为电信号，对所得到的电信号进行傅里叶变换，以执行对焦控制以及异常检测等的电子水平仪和电子水平仪标尺。
背景技术：
以往进行直接水平测量等的时候，使用了水平仪(水准仪)与标尺。即，测量者利用水平仪目视标尺的刻度来测定高低落差。这种藉助于老式水平仪的测量产生测量者的读数误差。为了消除这种读数误差，已开发出以电子方式进行标尺刻度作业的电子水平仪。这种电子水平仪的结构的例子是，从标尺一侧发出包含规定信号的光，在电子水平仪一侧接收并且识别这种光，再读取标尺的刻度。
尽管现在图像处理技术很先进，可通过对倍率随距离变化的标尺刻度进行图像处理，以电子方式读取标尺刻度，但问题在于需要大量的处理时间，缺乏实用性。
发明内容
因此，开发出本发明的第1实施例以及第2实施例，即标尺刻度的倍率随距离变化，也能用简易的信号处理，以电子方式读取标尺刻度的电子水平仪。
这种第1实施例以及第2实施例的电子水平仪可自动地求出高低落差，但需使标尺的图谱像与焦点重合，而这种对焦作业需要手动进行。随着近年自动对焦技术的进步，对焦作业进入自动化，但一般采用三角测量法。这种三角测量法的自动对焦控制存在需采用专用控制单元，从而导致成本上升的问题。
而且，第1实施例以及第2实施例的电子水平仪由于对焦作业是手动的，所以存在因标尺瞄准偏差和标尺焦点偏差而造成测定错误的可能性较高的问题。
本发明第一方面的电子水平仪，其特征在于，用于自动测定标尺起始点距离所述标尺同所述电子水平仪瞄准线之交点的高低落差，所述标尺具有在所述标尺的长度方向上等间距交替排列的调制图谱，所述电子水平仪其构成包括包含用于上述图谱成像的对焦光学系统在内的望远镜光学系统；将所述调制图谱的图像变换为电信号的光电变换器；以可调节方式使得所述图谱成像在所述光电变换器上的对焦部；对所述电信号进行傅里叶变换的信号处理部；响应所述傅里叶变换的输出电平对所述对焦部进行控制的对焦控制部。
本发明第二方面的电子水平仪，其特征在于，用于自动测定标尺起始点距离所述标尺同所述电子水平仪瞄准线之交点的高低落差，所述标尺具有在所述标尺的长度方向上等间距交替排列的调制图谱，所述电子水平仪其构成包括用来对图谱成像的望远镜光学系统；将所述调制图谱的图像变换为电信号的光电变换器；用来对所述电信号进行傅里叶变换的信号处理部；响应测定者的操作使测定开始的测定起动命令输入装置；根据所述傅里叶变换输出电平，运算所述高低落差的算出部；所述测定起动命令输入装置起动后用于检测所述傅里叶变换输出电平异常的异常判别部；用来报告该异常判别部检测结果的报告装置。
附图示出的是本发明实施例。
图1表示第1实施例电子水平仪的构成；图2是第1实施例电子水平仪用标尺2的说明图；图3是表示第1实施例电子水平仪1外观的斜视图；图4表示第1实施例输出信号的能谱；图5是第1实施例距离测定原理的说明图；
图6是第1实施例远距离测定原理的说明图；图7是第1实施例远距离测定原理的说明图；图8是第1实施例远距离测定原理的说明图；图9是第1实施例近距离测定原理的说明图；图10是第1实施例运算处理装置的构成图；图11是第1实施例作用的说明图；图12是第2实施例电子水平仪用标尺的图谱；图13是第3实施例电子水平仪1的构成图；图14是第3实施例运算处理装置16的构成图；图15是第3实施例对焦控制的说明图；图16是第3实施例的变形例对焦控制说明图；图17是第4实施例电子水平仪1的构成图；图18是第4实施例运算处理装置16的构成图。
具体实施例方式
根据
本发明实施例。
第1实施例如图1～图3所示的本实施例测量装置由电子水平仪1与电子水平仪用标尺2组成。电子水平仪1如图3所示安装在校平装置100上。第1实施例的电子水平仪1如图1所示，由物镜11、补偿器12、分束器13、目镜14、线型传感器15以及运算处理装置16组成。
物镜11是用来形成电子水平仪用标尺2的图谱像的。补偿器12是不论电子水平仪光轴多么倾斜，总是使瞄准线自动呈水平用的自动补偿机构，该机构使水平光线上下变化并且成像。分束器13是用来将光分成目镜14方向与线型传感器15方向两部分的。目镜14是测量者用来观察电子水平仪用标尺2的。线型传感器15相当于图谱检测部，是用来将物镜形成的电子水平仪用标尺2的图谱像变换为电信号的。本实施例中使用电荷耦合器件(CCD)作线型传感器。只要是至少在一维配置有光电二极管的线性图像传感器，上述线型传感器都可采用。
运算处理装置16由放大器161、取样保持电路162、A/D变换器163、RAM164、时钟驱动器165、微型计算机166以及显示器167组成。
再后面，电子水平仪用标尺2如图2所示按相等间隔(P)重复配置有第1图谱A、第2图谱B和第3图谱R。即，以3种图谱为一组，各组连续排列而成，定义配置在最左一侧的组为0组，并记作R(0)、A(0)、B(0)，则重复配置成R(1)、A(1)、B(1)、R(2)、A(2)、B(2)……。另外，全部图谱是按相等间隔p交变的，因而把与此间隔相对应的信号设为基准信号。
第1实施例中设定为10mm的间隔，但可以采用任意的间隔距离。而且第3图谱R以黑条纹宽度8mm作为固定宽度，第1图谱A以600mm为一周期调制黑条纹部分宽度，第2图谱B以570mm为一周期调制黑条纹部分宽度。另外，第1图谱A与第2图谱B只要周期有差异，可以采用任意周期。第1图谱A、第2图谱B的调制情况如图2(b)所示。
下面说明如上构成的本测量装置的测定原理。
首先说明求出电子水平仪用标尺2水平位置的原理。
电子水平仪用标尺2的第1图谱A是以600mm为一周期调制黑条纹部分宽度的，调制宽度设为0～10mm，则第1图谱宽度DA由下式给出。
DA＝5*(1+Sin(2*π*X/600-π/2)) (式1)其中，X＝10mm，40mm，70mm。……同样，电子水平仪用标尺2的第2图谱B是以570mm为一周期调制黑条纹部分宽度的，因而第2图谱宽度DB由下式给出。
DB=5*(1+Sin(2*π*X/570+π2))]]>(式2)其中，X＝20mm，50mm，80mm。……另外，式1与式2中加了±π/2相位差，这是为了在信号处理中便于将第1图谱A的信号与第2图谱B的信号相分离。
而且，第1图谱A与第2图谱B周期有些差异，因而在与原点的距离为此二周期的最小公倍数处出现相同的图谱。本实施例中，在600mm与570mm的最小公倍数11400mm处出现相同的图谱。因而第1图谱A的信号与第2图谱B的信号的相位差是在0～11400mm范围内由0变化到2π的。
即，设水平位置上第1图谱A的信号相位为ΦA，水平位置上第2图谱B的信号相位为ΦB，则电子水平仪用标尺2的水平位置H为
H＝11400*((ΦB-ΦA-π)/Qπ))mm(式3)以下说明运算电子水平仪1与电子水平仪用标尺2的距离的方法。
若由上述电子水平仪1读取电子水平仪用标尺2，并作傅里叶变换，则如图4能谱所示，可得到第1图谱A的周期分量、第2图谱B的周期分量、第3图谱R与第1图谱A以及第2图谱B为一组的周期分量(为基准信号周期的3倍)以及基准信号(与图谱的等间距p相对应的信号)的周期分量。另外，谱线群随电子水平仪1与电子水平仪用标尺2的距离的减小向低频一侧移动。而且谱线群中，周期最小的是基准信号(与图谱的等间距P相对应的信号)。这种等间距确定为p，因而由透镜成像公式可以运算出电子水平仪1与电子水平仪用标尺2的距离。
即，如图5所示，电子水平仪用标尺2的等间距P通过电子水平仪1的透镜形成像W，所以设从透镜至电子水平仪用标尺2的距离为L，从透镜到像的距离为d，则L＝d(P/W)，其中d＝f(f为透镜焦距)，因此，L＝d(p/w)＝f(p/w)。而且电子水平仪1透镜所形成的像W，在线型传感器15中一像素的长度设为C，线型传感器15所得与等间距P相当的频率(周期)的一波长设为K时，则W＝CK。因此，电子水平仪1与电子水平仪用标尺2的距离L为L＝((f/(C*K)))*P (式4)于是，可以求得电子水平仪1与电子水平仪用标尺2的大致距离。
以下说明水平高度的测定原理。
首先说明远距离测定的情况。
如图6所示，若对线型传感器15所得信号作傅里叶变换，就可以得到与等间距P相当的信号。这里，设快速傅里叶变换(FFT)求得的相位为θ，与水平位置相当的线型传感器15的地址位置(第m位)的相位为θm，则H1＝(θm360°)*p(式5)即，可以在等间距p范围内精密地测定水平位置H1(精密测定)。
而且，为了求得水平位置，需要求出从电子水平仪用标尺2上所形成等间距p图谱开始位置起算的大致位置。因此，在基准信号(与等间距p相当的信号)的前后半间距区域内对线型传感器15的输出信号积分。再将该积分值分别每3个中取一个(乘积检波)的话，如图7所示，就可以得到相当于第1图谱A的信号1，相当于第2图谱B的信号2以及相当于第3图谱R的信号3。但由于第3图谱R其宽度未调制，与第1图谱A和第2图谱B的最大调制宽度10mm不同，第3图谱R宽只8mm，因而第3图谱R的信号其积分值基本上一定，与信号1和信号2相比，其值约为这两种信号的80％。
而且，第3图谱R、第1图谱A以及第2图谱B按确定的顺序重复配置，所以间隔取出的信号可以确定是第3图谱R、第1图谱A、第2图谱B中的哪一种。而且，为了消除阴影等外光的影响，以第3图谱R的信号为基准得到如图8所示的(A-R)、(B-R)信号。
接下来，由(A-R)、(B-R)信号，选择包含与水平位置相对应的线型传感器15地址位置(第m位)和基准信号R的一组R、(A-R)、(B-R)信号，再求出(A-R)与(B-R)的相位，这样就可以求出电子水平仪用标尺2某一位置的第1图谱A、第2图谱B以及第3图谱R的组合。
这里，设(A-R)信号为Am，(B-R)信号为Bm，(A-R)信号最大振幅的1/2为Wa，(B-R)信号最大振幅的1/2为Wb，则(A-R)与(B-R)的相位分别为a＝Sin-1(Am/Wa) (式6)b＝Sin-1(Bm/Wb)-2*π(10/570) (式7)式7的尾数部分是因为第2图谱B的信号位置偏离第1图谱A的信号10mm。
将式6与式7代入式3，就可以求得第1图谱A的信号在电子水平仪用标尺2的水平位置。而且，若包含水平位置的基准信号属于第3图谱R，则从该水平位置减去10mm，若包含水平位置的基准信号属于第2图谱B，则要在该水平位置上加10mm。从而可以得到水平位置大致的水平高度H2(粗略测定)。
综上所述，可以先求出水平位置基准信号的相位(精密测定)，再由第1图谱A、第2图谱B的相位差求出相应于水平位置的基准信号处于从电子水平仪用标尺2的图谱开始位置起算的哪个位置(粗略测定)，并使这些精密测定H1与粗略测定值H2合并，从而求得水平高度H。
以下说明近距离测定的情况。
近距离测定时，与远距离测定那样实行傅里叶变换后，再进行乘积检波求出水平高度的情况相比，因为可以得到第1图谱A，第2图谱B以及第3图谱R的清晰图像，所以可望直接测定信号宽度的方法精度高。
首先如图9所示，为求出线型传感器15输出的上升沿、下降沿，对输出信号进行微分。可以由这些信号沿求出黑条纹部分边缘间的间隔。而且还求出对应于黑条纹部分中心的数位。这种数位的间隔为第1图谱A、第2图谱B、第3图谱R中等间距P所对应的基准信号。
然后，求出对应于水平位置的地址位置(第m位)前后的基准信号位置时，由于基准信号宽度在电子水平仪用标尺2上相当于10mm，所以设前后基准信号分别Nf(第Nf位)、Nb(第Nb位)，则高度H1(精测定)为H1＝((m-Nf)/(Nb-Nf))*10 (式8)再设基准信号初始位置为Ne，最终位置为Ns，个数为n，则各基准信号间隔的平均值为K＝(Ne-N3)/n将此k值代入式4，就可以求得电子水平仪1与电子水平仪用标尺2的大致距离。
因为黑条纹部分的宽度从起点开始每3个宽度取一个，并识别宽度一定的第3图谱R，再按第3图谱R、第1图谱A、第2图谱B的顺序安排，所以能确定该部分宽度与第3图谱R、第1图谱A以及第2图谱B的对应关系。
再确定包含对应于水平位置的线型传感器15地址位置(第m位)的基准信号属于第3图谱R、第1图谱A以及第2图谱B中的哪一个，同时确定对应于上述图谱的第几组。即，若写为R(n)、A(n)、B(n)则指第n组。
于是，由于式1为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间有2个值，但根据n为整数的条件只选择1个。设与此对应的组号为na，由于电子水平仪用标尺2上有600mm的周期(即每周期20组)，则
n＝20*d+na其中d＝0，1，2。……又因此n求出第2图谱B的宽度DB。先以X＝30*n+20代入式2，所得值与DB比较，一致时的n为所求组号。根据上述n、m所属的第3图谱R、第1图谱A以及第2图谱B的种类，大致的水平高度H2(粗略测定)分别为H2＝30*n， 第3图谱R时H2＝30*n+10，第1图谱A时 (式10)H2＝30*n+20，第2图谱B时此外，不只判断1组图谱，而且还判断前后多个位置，就可降低因图谱污损而引起的差错率。
因此，可根据对应于第3图谱R、第1图谱A以及第2图谱B所对应信号的黑条纹部分宽度求出基准信号，通过确定对应于水平位置的地址位置的基准信号来进行精密测定，由对应于第1图谱A、第2图谱B的信号相位差进行精略测定，并通过使这些精密测定值H1与粗略测定值H2合并来求出水平高度。
以上说明的测定方法，除了用已调制的第1图谱A以及第2图谱B以外，还用未调制的第3图谱R来对已调制的图谱信号进行区别，但通过求出对应于所检测的两种图谱的信号各自波长等的方法，为能识别第1图谱A信号和第2图谱B信号，就可不用第3图谱R进行测定。
以下详细说明本实施例电子水平仪1上所装的运算处理装置16。放大器161是放大线型传感器15来的电信号的，取样保持电路162是按时钟驱动器165来的定时信号对已放大电信号进行取样和保持的。A/D变换器163是用来对取样保持的电信号进行A/D变换的。而且，RAM164是用来存储A/D变换后的数字信号的。此外，微型计算机166则执行各种运算处理。
这里，根据图10详细说明微型计算机166所完成的功能运算处理装置16由基准信号形成部1661、图谱信号形成部1662、图谱组检测部1663以及算出部1664组成，基准信号形成部1661在远距离测定时通过傅里叶变换从线型传感器15所得到的电信号形成对应于等间距p的基准信号，而在近距离测定时对线型传感器15的输出信号微分，由上升沿、下降沿形成基准信号。
图谱信号形成部1662则在远距离测定时对基准信号前后半间距区域进行积分，通过每3个积分值中去掉一个(乘积检波)，形成第1图谱信号与第2图谱信号，而在近距离测定时靠间隔取出动作形成第1图谱信号与第2图谱信号。
图谱组检测部1663在近距离测定时，通过比较第1图谱A的宽度DA以及第2图谱B宽度DB，来确定对应于水平位置的图谱组是第几组。
算出部1664在远距离测定时，由瞄准线附近的第1图谱信号与第2图谱信号的相位求算出高低落差，而在近距离测定时根据特定的图谱组求算出高低落差。
另外运算处理装置16完成距离测定部的相应功能，可运算式4来计算电子水平仪1与电子水平仪用标尺2的大致水平距离。
此外，显示器167是显示算出部1664算出的高低落差的，可以采用液晶显示等显示装置，也可以做成输出给外部存储装置。
根据图11说明以上构成的第1实施例。
首先，在步骤1(S1)，将电子水平仪用标尺2设置在被测定点位置，使电子水平仪1起动开始测量。接下来，在S2，线型传感器15对物镜11所形成的电子水平仪用标尺2的第3图谱R、第1图谱A以及第2图谱B的像进行摄像，并变换为电信号。再在S3将从线型传感器15取得的电信号进行A/D变换，在S4将变换后的数字信号存储到RAM164中。在S5，通过对从线型传感器15取得的电信号作快速傅里叶变换(FFT)。不局限于FFT，还可以采用最大熵法(MEM)等，只要可求得频谱，任何方法都可用。
接下来的S6中，在S5所得到的频谱群中选择周期最小的为基准信号。而且，在S7运算式4，计算电子水平仪1与电子水平仪用标尺2的大致水平距离。在S8，根据S7的运算结果判断是近距离测定还是远距离测定。在本第1实施例中，是以10m以下作为近距离测定的，但可以适当改变。S8中判断是远距离测定时便进入S9。在S9中，在基准信号的前后半间距区域内对线型传感器15的输出信号积分。在步骤S10中，通过分别每3个积分值取出1个(乘积检波)，提取对应于第1图谱A的信号1、对应于第2图谱B的信号2以及对应于第3图谱R的信号3。然后，在S11，因为对应于第3图谱R的信号3其积分值基本上一定，与信号1和信号2相比该值约为这两种信号80％，而且各图谱顺序是一定的，可确定是第1图谱、第2图谱以及第3图谱R的哪一种。在S12，运算式6与式7以求出ΦA、ΦB，再进入S13，可将S12的运算结果代入式3进行粗略测定H2。
又在S14运算式5，进行完精密测定H1之后，进入S15，使精密测定值H1与粗略测定值H2合并，求得水平高度H，并判断测定是否结束。
接下来，S8中判断为近距离测定时，进入S16，对线型传感器15的输出信号作微分，检测出上升沿、下降沿。再在S17中求出黑条纹部分边缘间的间隔，确定与黑条纹部分中心相对应的数位。在S18，由S17得出的值形成等间距P的基准信号。
然后，在S19运算式8，进行精密测定H1，在S20从起点开始每3个黑条纹部分的密度分别取1个，以识别宽度一定的第3图谱R。在S21，由于各图谱的顺序是一定的，因而可确定信号与第3图谱R、第1图谱A以及第2图谱B的对应关系。
再在S22，用式9等确定对应于水平位置的基准信号相应于第几组，在S23运算式10，进行粗略测定H2。而然后，进入S15，使精密测定值H1与粗略测定值H2合并，求出水平高度H，再判断测定是否完成。在S15判断为测定结束时，就进入S24终止测定。在S15判断为测定未结束时，则返回到步骤S2。
还有，S12是由S11所确定的竖直位置来运算高低落差，在显示器167上显示运算值的。再进入到S13，并判断测定是否结束，测定结束时进入S14终止测定。在S13，测定未结束时，就回到S2重复测量。
另外，算出部1664可以做成由水平高度H求出高低落差，在显示器167上显示。
第2实施例以下说明本发明第2实施例。
本第2实施例，通过只采用已调制第1图谱A以及第2图谱B，不采用第3图谱R，由检测出的2种图谱所对应信号求得各自的波长，来识别第1图谱A信号与第2图谱B信号，并进行测定。
第2实施例的电子水平仪用标尺2，如图12所示，第1图谱A与第2图谱B按相等间距(P)重复配置，未配置第3图谱R，这一点与第1实施例的电子水平仪用标尺2不同。
以下对信号处理加以说明，由于与第1实施例的共同点较多，所以仅就不同点进行说明首先，根据基准信号运算电子水平仪1与电子水平仪用标尺2的距离这一点是相同的。
再在远距离测定时，精密测定与第一实施例相同。粗略测定中，对线型传感器15的输出信号积分，在图11步骤10(S10)的信号提取处理中，每2个积分值分别取1个，以得到对应于第1图谱A的信号1以及对应于第2图谱B的信号2。
这里，为了远距离测定，对所得到信号的识别至少检测1周期。因此，图谱识别部将周期长的信号判别为对应于第1图谱A的信号1，将周期短的信号判别为信号2。这样判别为信号1与信号2之后，就可以同第1实施例那样分别求出相位ΦA、ΦB，并与精密测定值合并求得水平高度。图谱识别部的功能由运算处理装置16实现。
近距离测定时，图11中步骤21(S21)的信号确定过程中，由于电子水平仪1的线型传感器15上的图谱间距相当于宽度W，所以根据各信号宽度的变化量与基准信号的间距宽度，来判别对应于第1图谱A的信号1以及对应于第2图谱B的信号2。具体来说，首先将第1图谱周期设定为600mm，第2图谱周期设定为570mm，则两种图谱的脉冲宽度分别与式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为图谱组的序号，且n＝1、2、……。
反之，由DA、DB值求出n的公式可对上式变形，并表为n＝(15/π)*((ΦA+π/2) (式13)ΦA＝SIN-1(DA/5-1)(给出DA)时；n＝(57/4π)*(Φb-π/2)-(1/2) (式14)ΦB＝SIN-1(DB/5-1)(给出DB时)。
所得到的信号中，取最初的脉冲宽度为DA，由式13求得n。这种情况可在600mm的1周期以内。n可求得2个值，但可根据第2脉冲宽度比最初脉冲宽度大还是小而归结为一个值。接着由式11求出n为n+1时的脉冲宽度，并写作DA+1。同样，可求得最初脉冲宽度为DB时的n，并写作DB+1。若最初脉冲宽度的后一个脉冲宽度与DA+1相近，则将最初的脉冲宽度判为A图谱，而与DB+1相近的话，最初的脉冲宽度就判为B图谱。
这样判别了信号1与信号2之后，同第1实施例那样对图谱组序号进行确定，并与精密测定合并，求出水平高度。
第2实施例的其他构成由于与第1实施例相同故省略其说明。
另外，第1实施例以及第2实施例中，是通过使图谱宽度变化的空间调制来形成第1以及第2图谱的，但本发明不限于此，也可以使图谱宽度不变化而通过使图谱浓度变化来加以调制。
如上构成的第1实施例以及第2实施例，对于电子水平仪用标尺来说，第1图谱、第2图谱、以及根据情况而需要的第3图谱在测量方向上按相等间隔顺序排列，第1图谱与第2图谱形成变化周期互不相同的图谱宽度，而根据情况所需要的第3图谱形成为相等的图谱宽度。而且，电子水平仪的图谱检测部读取第1图谱、第2图谱以及根据情况所需要的第3图谱，基准信号形成部由图谱检测部所检测出的检测信号形成基准信号，图谱信号形成部由该基准信号形成部所形成的基准信号以及图谱检测部检测出的检测信号形成第1图谱信号与第2图谱信号，算出部由瞄准线附近的第1图谱信号与第2图谱信号的相位算出高低落差，因而没必要进行相互相关等运算，达到测定时间缩短的效果。
第1实施例及第2实施例还做成其基准信号形成部由图谱检测部检测出的检测信号的脉冲宽度形成基准信号，图谱组检测部由瞄准线附近的第1图谱信号与第2图谱信号的图谱宽度确定包含瞄准线的图谱组，算出部根据已确定的图谱组算出高低落差。
第1实施例以及第2实施例又可以做成算出部在与电子水平仪用标尺之间的距离小于一定值时，根据确定出的图谱组算出高低落差，在与电子水平仪用标尺之间的距离大于一定值时，由瞄准线附近的第1图谱信号与第2图谱信号的相位算出高低落差。
电子水平仪用标尺的第2图谱与第3图谱加上一定周期的调制，因而具有不必存储全部信息来处理，而以简单构成就可以实现电子水平仪的卓越效果。
此外，第1实施例的电子水平仪用标尺除了第1图谱以及第2图谱之外，还增加等间距且一致的第3图谱，并将它们等间隔顺序排列而成，电子水平仪通过设置图谱识别部在图谱检测部提取的信号当中根据具有一致性的第3图谱信号判别第1图谱信号与第2图谱信号，从而具有可以容易地判别第1图谱信号与第2图谱信号的效果。
第3实施例以下根据
本发明第3实施例。
第3实施例如图13所示，由物镜12、分束器13、目镜14、线型传感器15、运算处理装置16以及驱动部17构成。
物镜11是用来形成电子水平仪用标尺2图谱像的。本实施例的物镜11由对物透镜111与内部透镜112构成，可以通过使内部透镜112移动，对电子水平仪用标尺2的图谱像进行对焦。因此，内部透镜112用来与对焦部分相对应。
驱动部17是用来使内部透镜112移动的。驱动部17是用来根据运算处理装置16的运算结果使内部透镜112移动规定量的。本实施例的驱动部17采用圆弧电动机，但如超声波电动机等那样，只要可以使内部透镜112往复移动，任何驱动装置都可采用。
另外，第3实施例其他构成与第1实施例相同故省略其说明。电子水平仪用标尺2与图2所示的第1实施例相同，也省略其说明。
而且，物镜11、补偿器12、分束器13和目镜14相当于望远镜的光学系统，线型传感器15相当于光电变换器。
以下，根据图14说明第3实施例的微型计算机166完成的功能运算处理装置16由基准信号形成部1661、图谱信号形成部1662、图谱组检测部1663、算出部1664、对焦控制部1665以及图谱识别部1666组成。
对焦控制部1665对从线型传感器15得到的电信号进行傅里叶变换，用以控制驱动部17使该傅里叶变换输出电平为最大。另外，傅里叶变换可以利用基准信号形成部1661的快速傅里叶变换。即运算处理装置16也有信号处理部的功能。
这里说明对焦控制部1665的对焦控制原理。电子水平仪用标尺2按相等间距p排列，而且各条纹宽度被调制。由线性传感器15等一维传感器读取该图谱，若对该输出信号进行傅里叶变换，就可以得到第1实施例图4所示的能谱。
若横轴的单位为“周”，则在下列位置出现峰值nh/(p/(d*f)) (周/n位)这里，p为电子水平仪用标尺2的图谱间距，d为电子水平仪用标尺2与电子水平仪1的距离，f为电子水平仪1光学系统的焦距，n为进行傅里叶变换的一维传感器位数，h为一维传感器位间隔。
峰值电平随着偏离对焦位置而下降。因此，可以监视峰值电平，并执行对焦动作，通过检测出峰值电平位置进行对焦控制。
图谱识别部1666是为了检索电子水平仪用标尺2图谱像的能图谱而进行图谱匹配用的。
另外运算处理装置16的其他构成与第1实施例相同，因而省略其说明。
根据图15说明以上构成的第3实施例的对焦动作。
本第3实施例采用线型传感器15，在步骤1(S1)，运算处理装置16的对焦控制部1665使驱动部17动作，将内部透镜112从无限远方向近方一侧匀速移动。而且在S2判断是否经过规定时间，是经过规定时间，进入S3，就由线型传感器15取得数据。接着在S4，运算处理装置16进行傅里叶变换，在S5与前一次数据比较，判断傅里叶变换的变换输出电平是否超过峰值。也就是判断傅里叶变换的变换输出电平是否超过最大值。在S5判断为傅里叶变换的变换输出电平超过最大值时，进入S6，对焦控制部1665就控制驱动部17使内部透镜112停止移动；在S5判断为傅里叶变换的变换输出电平未超过最大值时，就返回到S2。
又在S6使内部透镜112停止移动后，进入S7，对焦控制部1665使驱动部17动作，将内部透镜112离开上一次的位置，从近方向无穷远处匀速移动。接下来在S8，由线型传感器15取入数据后，在S9运算处理装置16进行傅里叶变换。而且，在S10与前一次数据相比较，判断傅里叶变换的变换输出电平是否超过峰值。在S10a判断为傅里叶变换的变换输出电平超过最大值时，即已对焦，进入S11，对焦控制部1665控制驱动部17使内部透镜112停止移动。在S10判断为傅里叶变换的变换输出电平不超过峰值时，就返回到S7继续对焦控制。
如上构成的第3实施例可以通过搜索傅里叶变换的变换输出电平最大值来进行对焦控制。
第3实施例的变形例以下根据图16说明采用面型传感器151来代替线型传感器15的第3实施例变形例。
在步骤1(S1)，运算处理装置16的对焦控制部1665使驱动部17动作，将内部透镜112从无穷远方向近方一侧匀速移动。并且在S2判断是否经过规定时间，是经过规定时间，则进入S3，由面型传感器151取入数据。接下来在S4判断是否确定过面型传感器151的列位置。即搜索电子水平仪用标尺2的图谱像所在的列位置。而且，判断为在S4未确定过面型传感器151的列位置时，进入S5取出1列后，运算处理装置16进行傅里叶变换。又在S6运算处理装置16的图谱识别部1666判断是否有与时钟信号相近似的谱图。即通过图谱识别来判断有没有出现如图4所示的电子水平仪用标尺2图谱像的能谱图案。在S6，图谱识别部1666识别出与时钟信号相近似的谱图时，就进入S7，将该面型传感器151的列存储到RAM164中后，返回S2。
在步骤S6图谱识别部1666未识别与时钟信号相近似的谱图时，进入S8判断是否见到全部列。在S8判断为见到全部列时，返回S2，在判断为未见到全部列时就返回到S5。
在S4判断为确定出面型传感器151的列位置时，进入S9，与上一次数据比较，判断傅里叶变换的变换输出电平是否超过峰值。在S9判断为傅里叶变换的变换输出电平超过最大值时，进入步骤S10，对焦控制部1665控制驱动部17使内部透镜112停止移动。在S9判断为傅里叶变换的变换输出电平不超过最大值时，就返回S2。
在S10使内部透镜112停止移动后，进入S11，对焦控制部1665使驱动部17作动，将内部透镜离开上一次位置，从近方向无穷远方低速移动。这种移动与S1中的相比，为低速移动，因而可以进行精密的调整。以下在S12由面型传感器151取入数据后，在S13运算处理装置16进行傅里叶变换。而且在S14与上一次数据比较，判断傅里叶变换的变换输出电平是否超过峰值。在S14判断为傅里叶变换的变换输出电平超过最大值时，就是已对焦，进入S15，对焦控制部1665就控制驱动部17使内部透镜112停止移动。在S14判断为傅里叶变换的变换输出电平未超过峰值时，就返回S12继续对焦控制。
综上所述，第3实施例的变形例通过搜索傅里叶变换的变换输出电平最大值，可以进行对焦控制。该第3实施例的变形例，其对焦控制部1665根据粗略调整步骤所得到的傅里叶变换输出电平，求出大致的对焦位置，然后再根据细微调整步骤所得到的傅里叶变换输出电平进行精密调整，可以高速地进行对焦控制。
而且，第3实施例变形例，其对焦控制部1665作成按傅里叶变换输出电平线性近似设想输出峰值并进行控制。
上述第3实施例可只用已调制的第1图谱A以及第2图谱B，不用第3图谱R，从检测出的两种图谱相对应的信号求出各自的波长，由此识别第1图谱A的信号与第2图谱B的信号，并进行测定。
如上构成的第3实施例以及第3实施例的变形例，除对焦控制之外均为执行已有技术的数值运算处理，因而省略说明。
如上构成的第3实施例，是对测长方向有等间距排列图谱的标尺进行瞄准，并自动地求出高低落差的电子水平仪，该实施例做成望远镜光学系统的对焦光学系统形成图谱像，光电变换器接收来自望远镜光学系统的光，将图谱变换为信号，对焦部又使光电变换器上形成图谱。而且，信号处理部对光电变换器的输出进行傅里叶变换，对焦控制部又根据信号处理部的输出电平来控制对焦部，因而不需要新的对焦单元，对焦部只需增加驱动部就可以进行自动对焦控制，其卓越的效果在于结构简洁、成本便宜。
第3实施例还可以这样其对焦部从远到近或从近到远使焦点位置移动，对焦控制部根据上述移动所得到的信号处理部输出电平进行对焦控制。
第3实施例的对焦控制部又可以这样根据粗略调整步骤所得到的傅里叶变换输出电平求得大致的对焦位置，然后根据细微调整步骤所得到的傅里叶变换输出电平进行精密调整。
第3实施例的对焦控制部还可以由信号处理部的输出电平通过线性近似，假定输出峰，并进行控制。
第4实施例根据
本发明第4实施例。
第4实施例如图17所示，由物镜11、补偿器12、分束器13、目镜14、线型传感器15以及运算处理装置16构成。
物镜11是用来形成电子水平仪用标尺2的图谱像的。可通过物镜11内的内部透镜的移动对电子水平仪用标尺2的图谱像进行对焦。
运算处理装置16由放大器161、取样保持电路162、A/D变换器163、RAM164、时钟驱动器165、微型计算机166、显示器167、测定起动开关168以及蜂鸣器169构成。
测定起动开关168相当于测定起动命令的输入装置，经测定者操作使运算处理装置起动，就可以便测定开始。另外，测定起动命令输入装置不限于开关装置，只要可以使运算处理装置16起动，任何输入装置都可以采用。
第4实施例的其他构成与第1实施例相同，故省略其说明。而且电子水平仪用标尺2也与图2所示的第1实施例相同，故省略其说明。
以下，根据图18说明微型计算机166所完成的功能。运算处理装置16由基准信号形成部1661、图谱信号形成部1662、图谱组检测部1663、算出部1664、图谱识别部1666以及异常判别部1667组成。
异常判别部1667在测定起动开关168起动时用于检测出从基准信号形成部1661得到的傅里叶变换输出的异常，并驱动显示器167和蜂鸣器169来报告异常。
这里说明异常判别部1667的异常判别原理。电子水平仪用标尺2按相等间隔p排列，而且各条条纹宽度是调制过的。由线型传感器15等一维传感器读取读图谱，若对此信号进行傅里叶变换，就可得到如第1实施例图4所示的能谱。
设横轴的单位为周，则在下列位置出现峰值nh/(p/d*f) (周/n位)这里，p是电子水平仪用标尺2的图谱间隔；d是电子水平仪用标尺2与电子水平仪1的距离；f是电子水平仪1的光学系统的焦距；n是进行傅里叶变换的一维传感器位数；h是一维传感器的位间隔。
而且这种谱线在对规定以外的标尺作瞄准时，谱线变化，出现谱线峰值的周期也变化。因此，若对这种谱图进行识别，就可以检测出电子水平仪用标尺2的瞄准偏差。
又在偏离焦点时，由于傅里叶变换输出下降，所以可通过将该电平值限于规定值以上，自动地检测出电子水平仪用标尺2的焦距偏移。
另外，异常判别部1667检测出异常时，就会在显示器167上显示异常状况，蜂鸣器169发出鸣叫。即显示器167与蜂鸣器169均相当于报警装置，但不限于报警装置，只要能够向使用者报知异常，可以采用任何装置。而且显示器167上还可以清楚地显示瞄准偏差、焦点偏差或别的情况。
运算处理装置16的其他构成与第1实施例以及第3实施例相同，故省略其说明。
如上构成的第4实施例在使用者按下测定起动开关168时，运算处理装置16便起动。而且基准信号形成部1661利用快速傅里叶变换，对从线型传感器15所得到的电信号作变换后，形成频谱图。
然后，起动图谱识别部1666，由异常判别部1667判断进行过图谱识别的频谱图是否正确。异常判别部1667判断为频谱图不正确，发生瞄准偏差时，就在显示器167上显示异常状况，并且蜂鸣器169鸣叫。
异常判别部1667还对基准信号形成部1661进行过傅里叶变换的傅里叶变换输出电平作出判断，在一定电平以下时，就认为偏离焦点，在显示器167上显示异常状况，同时蜂鸣器169发出鸣响。
异常判别部1667未判别出异常时，运算处理装置16就会开始高低落差等计算。另外数值运算方式等实行的是已有技术中已说明的，故省略其说明。
第4实施例可只采用已调制的第1图谱A以及第2图谱B，不用第3图谱R，从检测出的2种图谱所对应的信号求出各自的波长，并由此识别第1图谱A信号与第2图谱B信号后，进行测定。即，不限于3个周期图谱的电子水平仪用标尺2，还可以采用2个周期图谱的电子水平仪用标尺2。
如上所述构成的第4实施例，是以测长方向上等间距排列有图谱的标尺作瞄准，来自动地求出高低落差的电子水平仪，该实施例做成望远镜光学系统形成图谱像，光电变换器接收望远镜光学系统来的光，将图谱变换为信号后，信号处理部就对光电变换器的输出进行傅里叶变换。而且在测定者的操作下，测定起动命令输入装置就使测定开始，算出部根据信号处理部的傅里叶变换输出，运算高低落差，异常判别部也在测定起动命令输入装置起动时，检测信号处理部的傅里叶变换输出异常，由报警装置报知异常判别结果，因而具有可以自动地检测出傅里叶变换输出异常的效果。
而且，沿望远镜光学系统成像的测长方向等间距排列有图谱的标尺，是具有以规定比值设定的至少2个周期图谱的标尺，可做成异常判别部对信号处理部所产生傅里叶变换输出电平的缺陷加以判断，该部根据是否有规定比值的2个频谱，来判别异常状况，因而具有可自动检测瞄准偏差、焦距偏差，以防止测定错误。
此外，第4实施例的报警装置还可以使显示装置显示或/和告警音发生装置发出声音。
权利要求
1.一种电子水平仪，其特征在于，用于自动测定标尺起始点距离所述标尺同所述电子水平仪瞄准线之交点的高低落差，所述标尺具有在所述标尺的长度方向上等间距交替排列的调制图谱，所述电子水平仪其构成包括包含用于上述图谱成像的对焦光学系统在内的望远镜光学系统；将所述调制图谱的图像变换为电信号的光电变换器；以可调节方式使得所述图谱成像在所述光电变换器上的对焦部；对所述电信号进行傅里叶变换的信号处理部；响应所述傅里叶变换的输出电平对所述对焦部进行控制的对焦控制部。
2.如权利要求1所述的电子水平仪，其特征在于，对焦控制部根据对焦部由远向近或由近向远使焦点位置移动时得到的所述傅里叶变换输出电平，进行对焦控制。
3.如权利要求1所述的电子水平仪，其特征在于，对焦控制部构成为根据粗略调整步骤所得到的所述傅里叶变换输出电平求出大致对焦位置后，再根据细微调整步骤所得到的所述傅里叶变换输出电平进行精密调节。
4.如权利要求1所述的电子水平仪，其特征在于，对焦控制部构成为通过对所述傅里叶变换输出电平得出的线性近似进行输出峰值的估计，进行所述对焦控制。
5.一种电子水平仪，其特征在于，用于自动测定标尺起始点距离所述标尺同所述电子水平仪瞄准线之交点的高低落差，所述标尺具有在所述标尺的长度方向上等间距交替排列的调制图谱，所述电子水平仪其构成包括用来对图谱成像的望远镜光学系统；将所述调制图谱的图像变换为电信号的光电变换器；用来对所述电信号进行傅里叶变换的信号处理部；响应测定者的操作使测定开始的测定起动命令输入装置；根据所述傅里叶变换输出电平，运算所述高低落差的算出部；所述测定起动命令输入装置起动后用于检测所述傅里叶变换输出电平异常的异常判别部；用来报告该异常判别部检测结果的报告装置。
6.如权利要求5所述的电子水平仪，其特征在于，所述标尺具有按规定比值形成的至少2个周期图谱，所述异常判别部工作时对所述信号处理部的所述傅里叶变换输出电平的缺陷进行判断，并根据是否存在具有所述规定比值的2种频谱来判别所述异常。
7.如权利要求5或6所述的电子水平仪，其特征在于，所述报告装置包括显示装置或告警音发生装置。
全文摘要
本发明涉及电子水平仪及其所用标尺，尤其涉及一种将标尺图谱像变换为电信号，并对该信号作傅里叶变换，来实现对焦控制和异常检测功能的电子水平仪。上述标尺将第1、第2图谱和有时需要的第3图谱沿测长方向等间隔顺序排列，第1、与第2图谱的宽度变化周期不同，第3图谱则等宽。上述水平仪做成光电变换器接收望远镜光学系统来的光并将图谱变换为电信号，信号处理部对此信号作傅里叶变换后，进行对焦控制和异常检出。
文档编号G01C5/00GK1773215SQ200510125060
公开日2006年5月17日 申请日期1993年12月22日 优先权日2001年10月26日
发明者熊谷薰, 川岛伸二, 古屋喜一, 大友文夫 申请人:株式会社拓普康