大地测量装置的制作方法

专利名称：大地测量装置的制作方法
大地测量装置本发明涉及根据权利要求1前序部分的具有角度和距离测量功能、用于确定目标对象的位置的大地测量装置。从远古时代便已知许多大地测量装置，以用于测量目标点。在这种情况下，从测量装置到待测量目标点的距离和方向或角度被记录，并且尤其是，测量装置以及可能存在的参照点的绝对位置被检测为空间标准数据。这种大地测量装置的一般已知示例包括经纬仪、视距仪和全站仪，全站仪也称为电子测速仪或计算机测速仪。公开文献EP 1 686 350中例如描述了一种现有技术的大地测量装置。这种装置具有允许相对于所选目标确定方向和距离的基于电传感器的角度和距离测量功能。在这种情况下，在装置的内部参照系统中确定角度和距离变量，并且如果合适的话，还需要将角度和距离变量与外部参照系统组合以用于绝对位置确定。现代全站仪具有微处理器，用于检测的测量数据的数字进一步处理和存储。这种装置一般具有紧凑且一体的设计，其中，装置中通常存在同轴距离测量元件以及计算、控制和存储单元。根据全站仪的发展期，可以附加地集成标定(targeting)或瞄准装置的动力化以及用于自动目标搜寻和跟踪的装置。全站仪可以具有电子显示控制单元作为人机接口，电子显示控制单元具有显示器和输入装置(例如，键盘)，通常是具有电子数据存储装置的微处理器计算单元。以基于电传感器的方式检测到的测量数据被馈送到显示控制单元，使得可以由显示控制单元确定、光学显示和存储目标点的位置。现有技术中已知的全站仪还可以具有用于建立与外部外围组件的无线电链接的无线电数据接口，外部外围组件例如是手持式数据采集装置，具体可以设计为数据记录器或野外计算机。为了瞄准或标定待测量的目标点，一般类型的大地测量装置具有例如光学望远镜的望远瞄准镜作为瞄准装置。望远瞄准镜一般可绕垂直轴和水平倾斜轴相对于测量装置的基座旋转，使得望远瞄准镜可以通过枢转和倾斜与待测量的点对准。除了光学观察通道之外，现代装置可以具有用于检测图像的摄像机，所述摄像机集成到望远瞄准镜中，并且例如同轴地或以平行方式对准，其中可以将检测到的图像具体表示为显示控制单元的显示器和/或用于远程控制的外围装置(例如，数据记录器)的显示器上的实时图像。在这种情况下，瞄准装置的光学系统可以具有手动对焦(例如，用于改变聚焦光学系统的位置的调整螺丝)或自动对焦，其中例如通过伺服电动机改变聚焦位置。例如从DE 19710722、DE 19926706或DE 19949580已知用于大地装置的望远瞄准镜的自动对焦装置。光学系统或瞄准装置的光学观察通道通常包含物镜组、图像反转系统、聚焦光学系统、用于产生十字瞄准线的标线、以及目镜，它们例如按此顺序从目标侧布置。聚焦透镜组的位置根据对象距离、以使得在设置在聚焦平面中的标线上出现清晰对象图像的方式设置。然后可以通过目镜观察所述图像，或者例如在同轴设置的摄像机的帮助下检测所述图像。作为示例，公开文献EP 1 081 459或1 662 278中公开了大地装置的通用望远瞄准镜的构造。由于光路通常共同地用作观察通道并且用于测量，这种装置需要按照构造具有利用高费用生产的专业高精度光学系统的望远镜的方式对所述光路进行技术设计。而且，提供了附加的分离的发射和接收通道，还提供了用于距离测量装置的波长的附加图像平面， 以用于同轴电子距离测量。此外，常规测量装置同时具有自动目标跟踪功能(ATR: “自动目标识别”)，为此，另外的单独ATR光源(例如，发射具有850nm波长的光的多模光纤输出) 以及专用ATR摄像机传感器附加地集成在望远镜中，使得望远镜光学系统具有存在一些分支(ramified)光路的高复杂性。为了避免失真、色偏或渐晕，也就是说，可观察的视野的边缘区域中的亮度减小， 对各个光学组件具有极其严格的要求。因此，为了将各个波长耦合出(couple out)和耦合进(couple in)，需要特别地以涉及高费用的方式涂覆的光学单元，在这种情况下，尽管有涂层，但可见带旨在允许呈现最高可能颜色保真度的表示。此外，望远镜的高复杂性需要高费用来实现所要求的光学组件的高精度安装和调整。总之，由于望远镜的光学组件被共同地用于直接观察通道和测量，所以对光学组件的要求十分严格，这不利地需要光学组件的生产、安装和调整方面的高费用。为了在用户倾斜地向目镜里面看去时减小(ke印down)直视图像与产生十字瞄准线的标线之间的视差的风险，在通用望远瞄准镜中，目镜的出射光瞳的孔径很小。作为示例，光瞳的孔径具有仅几毫米的直径。这也被证明是不利的，因为发现用户通过小光瞳孔径观察目标较费劲，并且对于戴眼镜的用户来说这尤其不理想。这是因为当在与目镜相距较小(slight)距离处向目镜里面看去时，观察者的视野已经明显受限。为了允许用户体验对待测量目标的更放松的观察以及测量装置的符合人体工程学的方便应用，经常同时使用摄像机-屏幕组合。为此目的，作为示例，在望远瞄准镜中附加地设置同轴摄像机。摄像机图像可以表示在显示控制单元的用户显示器上或者分离的外围装置(例如数据记录器)的显示器上，使得可以实现对测量过程以及目标识别或目标跟踪的控制， 因此可以实现测量过程的便利性和自动化。然而，通常仍借助于通过望远瞄准镜的目镜观察目标来实现用户对目标对象的瞄准，因为在实际使用期间(例如，在暴晒的情况下)，可能不能充分识别显示控制单元和数据记录器的显示图像。此外，除了直接观察通道之外，存在的摄像机要求在望远镜光学系统中为摄像机提供另一图像平面以及经由分束器耦合出部分光束，这进一步增加了望远瞄准镜的复杂性并且降低了直接观察通道图像的亮度。本发明的一个目的是提供一种用于确定待测量的目标点的位置的改进的大地测量装置。尤其是，在这种情况下，本发明使得用户能够以更方便的方式瞄准目标点，更具体而言，即使在阳光下在野外使用期间，也能够以符合人体工程学的舒适方式并且还适于眼镜佩戴者的方式瞄准目标点。另一目的是降低望远镜光学系统的复杂性，并且使得可以使用较少的利用高费用生产的光学元件，且以涉及较低费用的方式安装/调整光学组件，而在这种情况中无需承受关于可以通过瞄准装置的目镜观察的周围环境图像的质量损失。本发明的另一目的是使得可以使用具有相对大的光瞳孔径的目镜，而不存在当倾斜地向目镜里面看去时周围环境图像与十字瞄准线之间的视差的风险。
借助于独立权利要求的特性部分特征的实现来达成这些目的。可以从从属权利要求获悉以另选或较佳的方式发展本发明的特征。本发明涉及一种设计为经纬仪或全站仪的大地测量装置，其具有用于确定目标对象的位置的角度和距离测量功能。为此目的，测量装置具有用作望远瞄准镜的瞄准装置，该瞄准装置包括具有多倍放大效应的物镜、用于检测视野的摄像机图像的摄像机传感器、布置在摄像机传感器上游的聚焦光学系统、以及目镜。在这种情况下，在物镜和摄像机传感器之间限定了第一光路。而且，存在用于根据检测的摄像机图像生成显示图像的电子图形处理器，所述电子图像处理器连接到摄像机传感器。根据本发明，在这种情况下，瞄准装置附加地具有电子图形显示组件，更具体地， 微型或迷你显示器，其布置在目镜的上游，并且用于生成的显示图像的视觉表示。在这种情况下，在显示组件和目镜之间限定了与第一光路分离的第二光路。为了分离光路，在瞄准装置中，特别地，以防止通过物镜入射的光射线进入目镜的方式设置第一光路和第二光路之间的、对可见范围中的光射线不透明的定界(demarcation)。本发明因而通过在瞄准装置中完全省却需要利用高费用以及严格要求生产的光学系统的视觉直接观察通道而与现有技术的大地测量装置脱离。然而，在这种情况下，为了能够在阳光下瞄准目标对象(即，在不能足够好地辨别外部显示器上的显示的情况下)，在根据本发明的测量装置的情况下，在用作望远瞄准镜的瞄准装置中设置电子图形显示组件，组件可以通过目镜而被观察，因而代替了视觉直接观察通道。如在现有技术的大地测量装置的情况中已知的，具有与望远瞄准镜类似方式的瞄准装置装配有物镜作为望远瞄准镜光学系统的部分，但是没有直接观看通道。根据本发明，将在摄像机传感器的帮助下检测的摄像机图像具体提供为微型显示器上的实时显示图像，其中电子图形处理器优选地利用实时处理根据摄像机图像数据生成实时显示图像。为此目的，将显示图像数据从图形处理器发送到与之相连的微型显示器，且在微型显示器处将其从视觉上表示为显示图像，尤其是实时显示图像。然后用户可以通过布置在微型显示器的下游的目镜观看显示图像。作为根据本发明的技术效果，通过省略视觉直接观看通道以及其它，可以显著降低望远瞄准镜的光学系统的复杂性，因为不需要单独的摄像机或直接观看图像平面，并且不需要在分束器的帮助下耦合出部分光束的单独摄像机分支。此外，摄像机图像的可选电子处理使得可以使用以涉及较低费用且满足不那么严格需求的方式生产的光学系统，而在这种情况下，与直接观察图像相比，通过目镜观察到的显示图像的质量没有明显降低。相反，根据本发明，依靠对检测的摄像机图像的合适的电子处理，可以提供甚至在很多方面相对于直接观察图像得以改善的显示图像，并且可以通过目镜在微型显示器上观看该显示图像，即使使用较低质量的光学系统。作为示例，可以在本身已知的相应的基于软件的图像处理测量的帮助下，特别是实时地减小、补偿或甚至完全校正失真、由光学系统的涂层导致的色偏、和/或渐晕。这同样适用于安装和调整望远镜光学系统时的精度。因而，根据本发明，可以在检测的摄像机图像的相应电子处理的帮助下，校正或补偿可以在目镜中看到的、例如由不精确定位在望远镜光学系统中的光学元件导致的周围环境图像中的微小误差。这允许利用较低费用或用遵从不那么严格的要求的方式安装和/调整望远镜光学系统，而在这种情况下不会显著不利地影响可以观看到的显示图像的质量。此外，根据本发明，可以省却在具有直接观察通道的望远瞄准镜的情况下需要的图像反转光学系统(例如，图像反转棱镜)，且可以借助检测的摄像机图像的相应电子处理而省却用于产生十字瞄准线的标线，使得结果是瞄准装置的复杂性可以进一步降低。作为示例，十字瞄准线(可选地与关于测量的其它信息一起)可以电子直接插入到显示图像中。作为当在图形处理器中生成显示图像时这种电子添加十字瞄准线的结果，在这种情况下，附加地提供了优于具有直接观看通道的望远瞄准镜的其它优点可以使用具有相对大的光瞳孔径直径的目镜。如已经描述的，相比之下，在具有标线的视觉直接观看通道的情况下，目镜的出射光瞳的孔径必须选择为非常小，例如，具有仅几毫米的直径，尤其是具有小于约5mm的直径，以便在用户倾斜地向目镜里面看去时减小标线和中间图像之间的视差。该问题是由虚拟图像平面(即，周围环境图像的中间图像平面)与真实图像平面(即， 标线)之间的叠加造成的。相比之下，本发明在不增加这种视差风险的情况下允许使用具有相对大的光瞳孔径的目镜，因为视野区域的图像与十字瞄准线一起在一个平面(即，具体为微型显示器的屏幕的平面)中共同地生成。作为示例，目镜可以相应地具有直径在5mm至20mm之间的光瞳孔径。这提供了如下优点在目镜中并不需要具有干扰效应的小的出射光瞳，并且用户可以更方便地且以更加放松的方式通过目镜瞄准目标对象。此外，因此，适于以改进的方式并且还有利于戴眼镜的用户来通过目镜观察显示图像。而且，十字瞄准线的电子插入使得可以提供在可能的预定十字瞄准线实施方式中的选择能力，具体为以使得可以用应用专用的方式做出对十字瞄准线实施方式的选择的方式。作为示例，用户可以从在颜色和/或形式方面不同的十字瞄准线中进行选择。对于一些应用，作为示例，用于指示出(index)显示图像中的瞄准的目标点的同心圆或方格可以证明是较佳的。为了即使在例如黄昏的暗光线条件下也能清晰地辨别显示图像中的十字瞄准线，十字瞄准线例如可以选择为白色。关于安装和调整瞄准装置时的费用，依靠以下事实附加地提供优点与现有技术中望远瞄准镜的情况下所需的标线定位精度相比，摄像机传感器相对于瞄准装置的光轴的显著较低的横向定位精度就足够了。这是因为，由于可以借助于简单的校准确定对应于光轴的摄像机传感器的图像检测点，所以可以通过软件插入十字瞄准线、使其中心恰好位于链接到显示图像中的所述图像检测点的位置处，并且能够以高精度瞄准目标对象。在这种情况下，根据本发明可以完全省略直接观察通道所需的标线的高精度定位，其中所述定位涉及高费用。作为图形显示组件的微型显示器的安装位置对于提供的瞄准精度同样是不关键的，并且原则上与瞄准装置的光轴或物镜的光轴无关。然而，为了实现直觉瞄准或便于瞄准，物镜或目镜且尤其是微型显示器的光轴优选地可以同轴对准。根据本发明可以带来关于布置在摄像机传感器的上游的聚焦元件的移动的另外的优点，其中，可以以已知方式手动或自动地实现移动。具体而言，如果在聚焦元件移动期间机制(mechanism)具有例如导致图像位置在摄像机传感器上的横向位移的再现顺序误差，则可以以与相应的当前焦点位置相关的方式在借助于图形处理器根据检测的摄像机图像生成显示图像期间通过软件对此进行校正。尽管机制中存在实际相当大的绝对误差，例如，聚焦光学系统导引中的弯曲，但根据本发明，因而可以借助于对显示图像中的误差进行基于软件的补偿来确保高精度瞄准。作为另选，对于某些应用，还可以有能力相应地以与顺序误差相关的方式调适例如借助于电子图像处理通过软件被补充到显示图像中的十字瞄准线的位置，使得顺序错误被校正，并且因此，使得用户可以执行基本上脱离顺序错误的高精度标定。除了顺序误差校正之外，或者作为顺序错误校正的替代，也可以在借助于图形处理器根据检测的摄像机图像生成显示图像时通过软件补偿由于望远镜光学系统中的温度波动而导致的误差，也就是说，以与望远镜光学系统的温度特性相关的方式出现的在摄像机上成像的误差。为此目的，作为示例，可以在瞄准装置中提供温度传感器，使得可以通过校准而去除描述的温度影响。在本发明的又一实施方式中，瞄准装置光学系统具有高度畸变的光学组件，其从视野的中央区域向边缘区域改变成像比例。作为示例，可以使用具有如下类型的光学元件 在视野的中央区域中产生附加的放大，并且相比之下，在视野的边缘区域中产生缩小，特别是具有鱼眼状效果的光学组件。因此，一方面，可以确保大的视野，且另一方面，允许中央区域中甚至增加的分辨率。可以通过软件补偿以标定方式产生的这种高度失真，使得再次生成不失真的显示图像。在这种情况下，畸变光学系统具有这样的优点可以通过摄像机传感器以增加的分辨率检测视野中感兴趣的中央区域，并且因此，即使在检测的摄像机图像的中央区域的数字上明显的放大表示作为显示图像的情况下，也可以形成高图像质量。相比之下，这种高度畸变光学系统不适于根据现有技术的通过直接观察通道的直接数据观察。因为现有技术的测量装置中的望远镜光学系统一般具有约1.5°的视野，所以可以证明发现目标对象的过程是冗长的。为了确保尤其在发现过程的开始时例如15°的较大视野，根据本发明，可以提供能够选择性地枢转进(pivot into)和枢转出(pivot out) 第一光路的专用附加光学元件(例如，广角光学系统)。部分地，还可以通过已经提到的高度畸变鱼眼状光学系统产生该效应。此外，附加地或另选地，可以使用另一单独的全景摄像机，其例如与瞄准装置光学系统的光轴平行对准且布置在瞄准装置外壳上。通过具有大视野的所述摄像机检测的广角图像可以表示为微型显示器上的显示图像(例如，在发现过程开始)。在发现目标对象之后，观察者可以改变到集成的同轴摄像机的图像以用于标定目的。以这种方式(通过目镜连续观察同一微型显示器)，可以以简单方式发现和精确瞄准目标对象。在这种情况下，集成在瞄准装置光学系统中的摄像机传感器包含多个图像检测点。纯粹作为示例，例如，可以使用具有5百万个图像检测点的摄像机传感器，其中每个图像检测点具有例如约2 μ mX 2 μ m的像素大小。摄像机传感器可以实施为CXD或CMOS区域传感器，其中检测区域的对角线例如可以在5mm至IOmm之间。尤其是，摄像机传感器位于中间图像平面中，在现有技术的直接观察通道望远瞄准镜的情况下标线通常设置在中间图像平面中。作为示例，摄像机传感器可以以如下方式实施且布置在瞄准装置中例如约2.2° X 1.6°的视野的摄像机图像可以被检测作为标准。用于比较，在现有技术的一般直接观察通道望远瞄准镜的情况下，约1.5°的圆形视野是惯例。而且，在一个特定实施方式中，根据本发明的测量装置可以具有现有技术中已知的自动精细标定功能(ATR “自动目标识别”)。为此目的，提供精细标定光源，从该光源发射的射线被耦合到第一光路中，且在粗略标定的目标对象的方向上通过物镜发射。在目标对象处反射的精细标定射线可以经由物镜接收，并且例如在波长相关射线耦合出元件或滤光器的帮助下引导到精细标定检测器上。然而，根据本发明，存在的摄像机传感器无论如何还可以执行精细标定检测器的功能，使得反射的精细标定射线被摄像机传感器检测为精细标定图像，且关于瞄准装置的精细对准而被评估。为了从通过物镜入射的环境光过滤出在目标对象处反射的接收的精细标定射线，可以在摄像机传感器的上游布置在自动精细标定期间枢转的窄带滤光器元件， 使得基本上仅有在目标对象处反射的精细标定射线被检测为精细标定图像。常规地，摄像机传感器具有例如约850nm附近的特定波长范围，其中针对不同颜色提供的图像检测点具有基本上相同的灵敏度。该波长范围尤其适于精细标定功能，也就是说，精细标定光源优选地发射该波长范围中(例如约850nm附近)的精细标定射线。另选地，还可以使用具有专门针对精细标定射线(例如红外范围中)的波长设计的附加像素类型的摄像机传感器。如已经描述的，电子图形显示组件尤其实施为微型显示器。在这种情况下，微型显示器例如可以具有大约在5mm至25mm之间的显示器对角线。相应的微型显示器或迷你显示器是现有技术中已知的，诸如是 有机发光二极管显示器(0LED显示器)， 薄膜晶体管液晶显示器(TFT LED)，或 硅基液晶显示器(LC0S显示器)。因为通常的微型显示器一般具有比常规摄像机传感器低的分辨率，所以使用高分辨率检测的摄像机图像可以被压缩，也就是说，在显示图像生成期间实现数据缩减。作为示例，常规微型显示器具有例如640 X 480像素或800 X 600像素的分辨率，并且常规摄像机传感器具有例如2500X1900个图像检测点的分辨率。因此，在显示图像中的检测的摄像机图像的完整表示的情况下，可以较佳地实现例如3X3像素的摄像机像素的组合，由此使得可以获得相当大的数据缩减，并且因此获得相对于微型显示器中的反应速度改善的实时图像表示。在数字放大显示图像的情况下，根据上述示例，摄像机像素与显示器像素的1:1表可以实现高达3的电子缩放因子，而在图像质量方面没有损失，也就是说，没有所需的插值。如上面已经指示的，当根据摄像机图像生成显示图像时，图形处理器可以执行执行下面的电子处理步骤以及其它，尤其可以基本上实时地执行下面的电子处理步骤 线图案和/或十字瞄准线的电子插入， 测量信息的电子插入，·摄像机图像的失真的补偿， 摄像机图像的边缘区域中的亮度减小的补偿，和/或 摄像机图像的色偏补偿，所述色偏通过位于第一光路中的光学系统的涂层产生，更具体而言是白平衡。
在这种情况下，图形处理器可以以本身已知的方式例如实现为FPGA(现场可编程门阵列)、PLD (可编程逻辑器件)或ASIC(专用集成电路)。然而，另选地，也可以通过大地装置的中央处理单元实现图形处理，所述单元因此还用作图形处理器，其中通过中央处理单元附加地执行各种其它电子处理步骤。在又一特定实施方式中，检测的摄像机图像可以附加地用作用于自动聚焦或手动聚焦的聚焦装置。如上面已经部分地描述的，根据本发明，例如可以在微型显示器的显示图像中附加地提供下面的应用/功能 测量的目标点(测量数据)的表示，其中测量数据可以相应地与实时显示图像叠加，使得用户被告知已经测量了哪些目标点且这例如可以用作进一步测量的判定基础。 存储的设计数据(诸如要建造的建筑物的CAD模型)的表示，其中设计数据可以相应地与实时显示图像叠加，并且还例如选择性地被插入和遮住(mask out)。因此，根据本发明，用户可以随时获得设计数据的纵览，而无需在过程中将眼睛从望远镜移开。尤其是，在这种情况下，只要设计数据已经在定界上下文中传递(transfer)到字段中，就可以改变设计数据的表示(例如，使用的颜色)，使得定界进程以改善的方式对于观察者显而易见，并且用户知道哪些点已经被定界以及哪些点尚未被定界。 以与摄像机的当前位置和对准相关的方式、并且尤其是以与当前缩放级别相关的方式的测量/设计数据的表示，使得测量/设计数据在各种情况下根据当前表示的视野调适。 对象(尤其是特定测量点)的距离相关表示，使得近对象被表示地比远对象大， 并且由此用户可以进行记录的对象的光学距离估算。·目标点的当前位置(例如棱镜的当前位置)相对于期望位置的距离和角度指示的显示。所谓的定界元素可以显示在显示器中。作为示例，可以在定界过程期间表示箭头以用于指示目标点(棱镜)相对于要被定界的期望位置的方向。另选地，还可以在定界期间同时表示十字瞄准线和十字瞄准线的期望位置，使得用户仅需要通过旋转照准仪来将十字瞄准线和显示的期望位置带到相应的位置。这使得用户能够通过观察瞄准装置中的微型显示器来直接执行针对设计数据的定界过程。因而可以避免从目镜移开眼睛以及作为其结果的必要的重新聚焦(能导致眼睛疲劳)。相比之下，根据现有技术，通过望远镜标定是必要的，且在此之后，必须在单独的显示器上分别读取定界信息，这使得需要在通过望远瞄准镜进行观察和观察单独显示器之间不断改变。 微型显示器的实时显示图像中的数字放大，使得可以为用户提供更大的对象表示以及因此得到的简化且更精确的标定。 在微型显示器的实时显示图像中的附加信息的插入，所述信息是测量过程所需的，诸如字母数字信息(例如，诸如距离或方向、点信息、代码、棱镜类型等测量元素)或者图形信息(例如，水平仪、电池状态、棱镜类型等)。 不同类型的十字瞄准线的显示，其中，可以由用户选择十字瞄准线的颜色以及例如十字瞄准线的形式。因此可以根据应用选择最优十字瞄准线。 微型显示器的实时显示图像的图像亮度和对比度的改变/操纵，例如作为其结果，当逆光工作时，可以以改进的方式使目标点可见，因此无疲劳(fatigue-free)工作变
11得可行。作为示例，在阳光下，摄像机的亮度和/或曝光时间可以相应地改变。 微型显示器的实时显示图像中的像差(失真或色差)的补偿/校正，使得可以为用户提供最优图像属性和精确的标定性。 不同图像处理过程(例如，锐化边缘图像或提取边缘图像)的实现。因此，可以为用户提供通过第一图像处理过程过滤且与相关工作过程相关的数据。下面基于附图中示意性示出的具体示例性实施方式纯粹通过示例的方式更详细地描述根据本发明的方法和根据本发明的装置，还将讨论本发明的其它优点。在附图中，具体地

图1示出设计为全站仪的根据本发明的大地测量装置；图2示出根据本发明的具有布置在目镜上游的微型显示器的瞄准装置光学装置的第一实施方式；图3示出根据本发明的具有布置在目镜上游的微型显示器的瞄准装置光学装置的第二实施方式；图4示出根据本发明的具有布置在目镜上游的微型显示器的瞄准装置光学装置的第三实施方式；图5示出检测的摄像机图像和在图形处理器的帮助下从其产生的微型显示器的显示图像；图6示出根据本发明的与现有技术中具有直接观察通道和小目镜光瞳孔径的测量装置相比具有宽目镜光瞳孔径的测量装置；图7示出根据本发明的具有布置在目镜上游的微型显示器的瞄准装置光学装置的第四实施方式；以及图8示出根据本发明的具有布置在目镜上游的微型显示器的瞄准装置光学装置的第五实施方式。图1示出设计为全站仪的根据本发明的大地测量装置，用于测量相对于位于某距离的目标对象的水平角、垂直角和距离。全站仪设置在支架上，其中全站仪的基座19直接且固定地连接到支架。全站仪的主体(所述主体也称为上部16)可绕垂直轴V相对于基座19旋转。在这种情况下，上部16具有由两个柱状物形成的支撑体17、以可以绕柱子之间的水平倾斜轴H旋转的方式安装的瞄准装置2，并且还具有电子显示控制单元18。显示控制单元18可以以已知方式设计，用于控制测量装置1，并且还用于处理、显示和存储测量数据。瞄准装置2以可绕水平倾斜轴H旋转的方式设置在支撑体17上，并且因此能够相对于基座19水平地和垂直地枢转和倾斜以用于与目标对象对准的目的。在这种情况下，瞄准装置实施为公共瞄准装置结构单元，其中至少一个物镜、聚焦光学系统、同轴摄像机传感器、根据本发明的迷你显示组件、目镜6并且尤其还有图形处理器集成在公共瞄准装置外壳中。借助于瞄准装置2，可以标定目标对象，并且能够以基于电传感器的方式检测从全站仪到目标对象的距离。而且，提供了用于上部16相对于基座19以及瞄准装置2相对于支撑体17的角度对准的基于电传感器的检测的装置。以基于电传感器的方式检测的这些测量数据被馈送到显示控制单元18，由显示控制单元18处理，使得可以由显示控制单元18确定、光学显示并且存储目标点相对于全站仪的位置。图2示出根据本发明的具有微型或迷你显示器作为显示组件8的瞄准装置光学系统的第一折射实施方式。瞄准装置光学系统具有用于检测摄像机图像、相对于瞄准装置2的光轴同轴对准的物镜3、聚焦光学系统5、摄像机传感器4，具有作为显示组件8的微型显示器，并且还具有目镜6。在这种情况下，摄像机传感器4连接到用于根据检测的摄像机图像生成显示图像的电子图形处理器7。图形处理器7进而连接到微型显示器，使得可以在微型显示器的帮助下表示生成的显示图像，并且可以由用户通过目镜6观察生成的显示图像。在这种情况下，在物镜3和摄像机传感器4之间限定了第一光程9，并且在显示组件8和目镜6之间限定了通过显示图像与第一光程9分离的第二光程10。为了在瞄准装置中分离光路，也就是说，使得直视被阻断，第一光路9和第二光路10之间的对于可见范围中的光射线不透明的定界以防止通过物镜3入射的光射线进入目镜6的方式存在。此处通过摄像机传感器4或微型显示器实现定界。物镜3例如还可以以多物镜方式构造或以齐焦方式实现——具有可变视野。分别提供EDM激光源20和精细标定光源22，用于距离测量和自动目标搜寻功能， 其中EDM激光束和精细标定束在第一光束组合器25和第二光束组合器沈(例如，具有二向色涂层的分光镜面)的帮助下相应地耦合进和耦合出。EDM激光源20可以发射例如可见范围(例如具有630nm的范围)中的EDM激光束，使得测量点在目标对象上可见。在这种情况下，在第一光束组合器25和聚焦光学系统5之间可以存在光束耦合出单元27，其耦合出EDM激光束，但是较佳地以不受阻碍的方式尽可能远地发射可见光谱。耦合出的EDM激光束被光束组合器25引导到EDM接收器21上。在所示实施方式中，摄像机传感器4附加地用作用于检测反射的精细标定射线的精细标定检测器23 (ATR接收器)。位置可变的聚焦元件5能够另选地以多物镜方式实现。聚焦元件5较佳地具有针对无穷远对象的稳定、精确可再现的位置，使得可以在自动精细标定期间确保尽可能好的可达精度。可以在摄像机传感器的上游设置可被枢转用于自动精细标定测量的窄带滤光器对，所述滤光器阻断环境光，并且设计为对于精细标定射线的波长是透射性的。图3示出根据本发明的具有与图2类似的构造的瞄准装置光学系统的第二实施方式。因而，这里示意性示出的瞄准装置2也具有相对于瞄准装置2的光轴同轴对准的物镜3、聚焦光学系统5、摄像机传感器，还具有迷你显示组件8 (实现为具有例如800X600 显示像素的分辨率的OLED微型显示器)以及目镜6。然而，在这种情况下，微型显示器与目镜6—起实现为集成结构单元，其中显示屏表面的法线相对于目镜6的光轴和物镜3的光轴倾斜取向。图4示出根据本发明的瞄准装置光学装置的第三实施方式。在这种情况下，瞄准装置实现为具有反射镜光学系统的折反射光系统。在这种情况下，第一凹透镜观用作物镜 3。
较小的第二反射镜四设计为对于EDM激光束是透射性的，使得在EDM激光源的帮助下发射的用于距离测量的EDM激光束通过第二反射镜四透射。在多物镜聚焦光学系统5的帮助下，视野区域的图像聚焦到摄像机传感器4上，并且被检测为摄像机图像。进而可以借助于电子图形处理器7根据检测的摄像机图像生成显示图像，其中可以在迷你显示组件8的帮助下表示显示图像，并且可以由用户通过目镜6观察显示图像。图5示出检测的摄像机图像12和在图形处理器的帮助下从其产生的用于微型显示器上的图形表示的显示图像13。基于摄像机图像12可以看出，瞄准装置光学系统具有高度畸变的光学组件，使得成像比例从视野的中央区域向边缘区域改变。具体而言，可以使用具有如下类型的鱼眼状效果的光学组件在视野的中央区域中产生附加放大，并且对比之下，在视野的边缘区域中产生缩小。因此，借助于畸变光学系统，可以利用借助于摄像机传感器相对于视野的边缘区域增加的分辨率检测视野的中央区域(用于目标对象11的精确标定)。总之，因此，一方面，能够确保与没有畸变光学系统的解决方案相比更广的视野，另一方面，能够允许与没有畸变光学系统的解决方案相比中央区域中甚至有所增加的分辨率。可以在生成显示图像期间在电子图像处理的帮助下补偿以标定方式产生的摄像机图像12的已知失真，使得生成再次无失真的显示图像13。由于在视野的感兴趣的中央区域中确保的增加的分辨率，则即使在中央区域的数字上相当大的放大表示的情况下，也能够提供检测的摄像机图像12作为微型显示器中的显示图像13，尤其是在质量上没有损失。作为另一电子图像处理步骤，在根据摄像机图像12生成显示图像13期间，在显示图像13的位置处插入十字瞄准线，使得十字瞄准线的中点高度精确地指示瞄准装置的光轴的当前对准。如已经解释的，可以选择性地提供数字缩放功能，使得在各种情况下，以相应放大方式仅将摄像机图像的可变部分区域表示为显示图像。而且，可以通过软件使摄像机图像不仅与十字瞄准线、而且附加地与其它种类的信息叠加。作为示例，可以实现测量数据(尤其针对已经测量的点的角度/距离值、GIS数据、设计数据和/或标记)的电子附加，使得同样可以从微型显示器中表示的显示图像收集这些数据。图6示出根据本发明的大地测量装置1，与现有技术中具有直接观察通道和非常小的光瞳孔径30的测量装置相比，其目镜6具有宽光瞳孔径15。根据本发明，在图形处理器中生成显示图像期间十字瞄准线的上述电子添加提供了优于具有直接观察通道的望远瞄准镜的以下优点可以使用具有相对大光瞳孔径直径的目镜6。相比之下，在使用设置在中间图像平面的标线的视觉直接观察通道的情况下，目镜的光瞳30的孔径必选选择为很小，以减小当用户倾斜地向目镜里面看去时标线和中间图像之间的视差。该问题由虚拟图像平面(即，中间图像平面)与真实图像平面(即，标线) 的叠加导致。与此相比，本发明在没有增加这种视差的风险的情况下允许使用具有相对大光瞳孔径15的目镜6，因为视野区域的图像与十字瞄准线共同地在一个平面(S卩，尤其是微型显示器的屏幕的平面)中生成。对于用户而言，这提供了以下优点在目镜中不需要具有干扰效应的小出射光瞳，且可以在瞄准装置2的帮助下更方便地且以更放松的方式标定目标对象。此外，由于确保了宽光瞳孔径，所以对于戴眼镜的用户也适合以改进的方式通过目镜观察显示图像。图7示出根据本发明的瞄准装置的第四实施方式。在这种情况下，除了布置在具有多倍放大效应的物镜3的下游的摄像机传感器4之外，提供了例如与瞄准装置光学系统的光轴平行对准的另一单独的全景摄像机31，该摄像机可以设置在瞄准装置外壳上。在这种情况下，全景摄像机31设计为在大广角视野(与摄像机传感器4的视野相比)中检测广角图像。例如在发现过程的开始，借助所述全景摄像机31检测到的具有大视野的广角图像可以在微型显示器8上表示为显示图像。在找到目标对象之后，观察者可以改变到布置在具有多倍放大效应的物镜3的下游的摄像机传感器4的图像，以用于标定目的。以这种方式，可以通过目镜连续观察同一微型显示器、以简单方式发现并且精确瞄准目标对象。图8示出根据本发明的瞄准装置的第五实施方式。在该示例性实施方式中，微型显示器和目镜以这种方式布置即，微显示器8、物镜3和目镜6的光轴不同轴对准。作为示例，图8中示出的结构(其中微型显示器8和目镜6相对于物镜3的光轴稍微倾斜向上取向)可以使得在人体工程学上对于高个用户更舒适并且更容易通过目镜观察显示图像。 然而，根据图8的这种布置方式可能在标定目标对象时在直观性上具有不利影响。毋庸置疑，这些示出的附图仅示意性示出可能的示例性实施方式。不同的方法同样可以彼此组合，并且还可以与现有技术中的方法组合。在本发明的语境中，术语“大地测量装置”旨在总是以概括方式理解成表示具有利用空间参照测量或检查数据的装置的测量仪器。具体而言，这涉及相对于参照或测量点的距离和/或方向或角度的测量。然而，此外，可以存在可用于补充测量或数据记录的其它装置，例如用于基于卫星的位置确定的组件(例如GPS、GL0NASS或GALILEO)。
权利要求
1.一种设计为经纬仪或全站仪的大地测量装置(1)，该大地测量装置(1)包括 角度和距离测量功能，其用于确定目标对象(11)的位置， 瞄准装置0)，其包括 □具有多倍放大效应的物镜(3)，□摄像机传感器G)，更具体地，CCD或CMOS区域传感器，其具有用于检测视野的摄像机图像(12)的多个图像检测点，□布置在所述摄像机传感器(4)的上游的聚焦光学系统(5)，其中在所述物镜C3)和所述摄像机传感器(4)之间限定了第一光路(9)，以及□目镜(6)，更具体地，其中所述物镜(3)的光轴和所述目镜(6)的光轴同轴， 以及 电子图形处理器(7)，其用于根据所述摄像机图像(1 生成显示图像(13)，其特征在于，所述瞄准装置( 具有电子图形显示组件(8)，所述电子图形显示组件(8)布置在所述目镜(6)的上游、并且用于所生成的显示图像(1 的视觉表示，其中在所述显示组件 (8)和所述目镜(6)之间限定了通过所述显示图像而与所述第一光路(9)分离的第二光路 (10)。
2.根据权利要求1所述的大地测量装置，其特征在于，第一和第二光路(9，10)之间的对于可见范围中的光射线不透明的定界以使得防止通过所述物镜C3)入射的光射线进入所述目镜(6)的方式存在。
3.根据权利要求1或2所述的大地测量装置(1)，其特征在于， 所述显示组件(8)、所述物镜C3)和所述目镜(6)的光轴同轴对准。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的大地测量装置(1)，其特征在于，当生成所述显示图像(1 时，所述图形处理器(7)执行以下电子处理步骤中的至少之 线图案和/或十字瞄准线的电子插入， 测量信息的电子插入， 所述摄像机图像(1 的失真的补偿， 所述摄像机图像(1 的边缘区域中的亮度减小的补偿， 所述摄像机图像(1 的色偏的补偿，所述色偏通过位于所述第一光路中的光学系统的涂层而产生，更具体地是所述摄像机图像(1 的白平衡， 所述聚焦光学系统(5)的顺序误差的补偿，和/或眷作用于所述摄像机图像(12)的温度影响的补偿，更具体地，其中，为此目的在所述瞄准装置( 中设置温度传感器，并且其中，通过瞄准装置光学系统C3)的温度特性的校准实现补偿。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的大地测量装置(1)，其特征在于所述测量装置(1)具有利用精细标定光源0 的自动标定功能，该精细标定光源02) 发射的射线能够被耦合到所述第一光路中，并且能够通过所述物镜C3)在所述目标对象 (11)的方向上发射，其中在作为精细标定检测器的所述摄像机传感器(4)的帮助下在精细标定图像中检测在所述目标对象(11)处反射的射线，并且针对所述瞄准装置⑵的精细对准而评估所述精细标定图像。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的大地测量装置(1)，其特征在于作为所述显示组件(8)的微型显示器，其中所述微型显示器具有大约在5mm至25mm之间的显示器对角线，并且所述微型显示器被设计为 有机发光二极管显示器， 薄膜晶体管液晶显示器，或 硅基液晶显示器。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的大地测量装置(1)，其特征在于 所述图形处理器(7)被设计为 FPGA， PLD，或 ASIC0
8.根据前述权利要求中的任一项所述的大地测量装置(1)，其特征在于 所述目镜(6)具有直径在5mm至20mm之间的出射光瞳(15)。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的大地测量装置(1)，其特征在于 瞄准装置光学系统(3)被实施为 折反射光系统，或 折射系统。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的大地测量装置(1)，其特征在于所述物镜C3)具有极大畸变光学系统，使得与视野的边缘区域相比，能够利用增加的分辨率检测视野的中央区域，所述中央区域对于标定所述目标对象(11)是至关重要的，其中所得到的所述摄像机图像(1 的失真在通过所述图形处理器(7)实现的所述显示图像 (13)的生成期间被补偿。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的大地测量装置(1)，其特征在于至少所述物镜( 、所述聚焦光学系统( 、所述摄像机传感器(4)、所述显示组件(8)、 所述目镜(6)、以及尤其还有所述图形处理器(7)形成公共瞄准装置结构单元，尤其集成在公共瞄准装置外壳中。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的大地测量装置(1)，其特征在于 所述瞄准装置O)以可绕水平倾斜轴(H)旋转的方式设置在支撑体(17)上， 其中，至少 所述瞄准装置(2)， 眷所述支撑体(17)，以及 电子显示控制单元(18)，其设计为用于控制所述测量装置(1)并且还用于处理、显示和存储测量数据，形成所述测量装置(1)的上部(16)，所述上部可绕垂直轴(V)相对于基座(19)旋转。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的大地测量装置(1)，其特征在于除了所述摄像机传感器(4)之外，提供相对于所述瞄准装置光学系统(3)的光轴对准的另一全景摄像机(31)，该摄像机能够设置在瞄准装置外壳上，用于检测具有与所述摄像机传感器的视野相比大的广角视野的广角图像。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的大地测量装置(1)，其特征在于 提供能够选择性地枢转进和枢转出所述第一光路的广角光学系统，以便扩展所述摄像机传感器(4)的视野。
全文摘要
本发明涉及一种设计为经纬仪或全站仪的大地测量装置，其具有角度和距离测量功能用于确定目标对象的位置。为此目的，该测量装置包括瞄准装置(2)，其具有多倍放大的透镜(3)；摄像机传感器(4)，特别是CCD或CMOS区域传感器，其包括用于记录视野的摄像机图像的多个图像记录点；布置在摄像机传感器(4)前面的聚焦光学系统(5)，其中在透镜(3)和摄像机传感器(4)之间限定了第一光路(9)；以及目镜(6)，更具体地，其中透镜(3)的光轴和目镜(6)的光轴同轴。摄像机传感器还连接到用于根据摄像机图像生成显示图像的电子图形处理器(7)。根据本发明，瞄准装置(2)包括电子图形显示组件(8)，特别是微型显示器或迷你显示器，其布置在目镜(6)前面，用于可视地展示所生成的显示图像，其中在显示组件(8)和目镜(6)之间限定了通过显示图像与第一光路(9)分离的第二光路(10)。
文档编号G01C1/04GK102317738SQ201080007299
公开日2012年1月11日 申请日期2010年2月10日 优先权日2009年2月11日
发明者托马斯·延森 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司