專利名稱：找平設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)測量領(lǐng)域，并特別地涉及大地測量儀器。具體而言，本發(fā)明涉及一 種用于測量找平設(shè)備與水準(zhǔn)標(biāo)尺之間的高度差的找平設(shè)備；涉及在大地測量中對找平設(shè)備 的使用；以及涉及一種用于光學(xué)檢測物體的垂直位置的方法。
背景技術(shù)：
找平設(shè)備是一種特殊的大地測量儀器，用于光學(xué)測量相對于水準(zhǔn)標(biāo)尺的高度差， 以及由此測量所述儀器和水準(zhǔn)標(biāo)尺之間的高度差。 —般而言，找平設(shè)備至少包括望遠鏡，所述望遠鏡包括光學(xué)檢測器、用于在光學(xué)檢 測器上生成圖像的光學(xué)系統(tǒng)、以及控制器。控制器被配置用于從所述光學(xué)檢測器接收輸出 信號，以及基于輸出信號輸出表示所檢測的高度差的找平信號。 在此方面，必須用與該設(shè)備分離的水準(zhǔn)標(biāo)尺來實施利用電子找平設(shè)備的測量。在 水準(zhǔn)標(biāo)尺的表面上以水準(zhǔn)標(biāo)尺的延長方向設(shè)有指示出相對于地面的高度的刻度(度量) (例如，以編碼圖形的方式)。 在測量期間，使水準(zhǔn)標(biāo)尺與光學(xué)系統(tǒng)的光軸成直線。在此階段，光學(xué)系統(tǒng)的光軸必 須被設(shè)置在水平面上。經(jīng)對準(zhǔn)后，光學(xué)系統(tǒng)在光學(xué)檢測器上生成在測量標(biāo)尺上提供的刻度 的至少一部分的圖像。所述圖像被分析以讀取水準(zhǔn)標(biāo)尺在圖像中間的刻度。相應(yīng)的值被輸 出，作為設(shè)備與水準(zhǔn)標(biāo)尺之間的高度差。 在1995年四月出版的期刊"VR Vermessungswesen undRaumord皿ng"第57巻第2 期的由Wieland Feist， Klaus Giirtler， ThomasMarold禾卩Holger Rosenkranz發(fā)表的論文 "Die腦en DigitalnivelliereDiNi 10皿d DiNi20"中對上述方法禾口設(shè)備進行了更為詳 細的解釋。該期干lj由Harms J. Meckenstock， Domagkweg 90， D-42109 W聊ertal， Germany 發(fā)行。該論文的內(nèi)容在此引用作為參考。 通過同一 申請者的共同待決的申請PCT/EP2006/009823，另一種找平設(shè)備是已知 的。在此將該文檔的整個內(nèi)容通過參考引入。在文獻DE 19706790A1和US 5572009中公開了測量標(biāo)尺和分析將這些測量標(biāo)尺 成像的圖像的方法。這些文獻的內(nèi)容在此引用作為參考，從而成為本發(fā)明的一部分。
通常，水準(zhǔn)標(biāo)尺上的任意條形碼可以通過線性圖像傳感器進行掃描。較新的面型 (即，二維)圖像傳感器(特別是CMOS傳感器)在電子設(shè)備的市場上更流行，并且例如在成 本、速度和集成后處理的方面相對于線性圖像傳感器具有很多優(yōu)勢。 不過，由于面型圖像傳感器通常具有較小像素，因此它們還提供較小行/列長度， 其可以導(dǎo)致可讀取的較短碼段。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述問題而實現(xiàn)了本發(fā)明。 在某些實施例中，通過讀出和均衡大于一條的像素線(即，附加至少一行次線)，
4存在對準(zhǔn)確率的提高。同樣，由帶有條形碼的物體的不均勻顏色或反射屬性導(dǎo)致的錯誤可 以被最小化。此外，取決于物體和物鏡之間的距離，可以向自動搜索條形碼的系統(tǒng)提供較大 的識別范圍。 本發(fā)明的示例性實施例描述了對于面型圖像傳感器的找平設(shè)備的使用，其中以下 述方式完成安裝，所述方式為，線(行)與物體的條形碼的垂直讀取方向成銳角。
在本發(fā)明的示例性實施例中，可以被掃描的碼段更大，優(yōu)選，增大因子為至少到 V 2，并且通過讀取次要(相鄰的)像素(所述像素與主像素線的那些像素交替)，分辨率 也可以被增加，優(yōu)選地，增大因子同樣為至少到V 2。注意，由此，可以使用固定放大倍數(shù)； 由于可變放大倍數(shù)將使得測量物體距離更困難，因此使用固定放大倍數(shù)是有利的。
本發(fā)明的實施例提供了一種找平設(shè)備，其具有高度的分辨率，并能夠以高準(zhǔn)確率 檢測條形碼。 根據(jù)本發(fā)明的實施例，一種用于光學(xué)測量相對于水準(zhǔn)標(biāo)尺的高度差的找平設(shè)備， 包括具有光軸的物鏡、與所述光軸在光軸的物側(cè)相交的物平面，其中物體(例如水準(zhǔn)標(biāo) 尺)可以被放置在物平面，從而物鏡將所述物體成像到所述物鏡的像平面，所述像平面與 所述光軸在光軸的像側(cè)上相交。所述設(shè)備進一步包括像接收元件，包括多行檢測器元件， 所述多行被設(shè)置為形成二維檢測器陣列，所述檢測器用于輸出信號，所述信號表示在所述 檢測器上入射的光總量，其中所述像接收元件被設(shè)置在所述像平面中。此外，所述設(shè)備包 括用于接收輸出信號的處理器、以及用于使所述物鏡繞垂直軸移動的支架。所述檢測器行 相對于所述物體的垂直軸的像以銳角(大于0。且小于90°的角度)設(shè)置。
在此方面，所述檢測器行相對于圖像平面中的對應(yīng)于物體(即，水準(zhǔn)標(biāo)尺)的垂直 方向的方向成銳角的取向、以及由此形成的條形碼圖形的水平取向使得若干檢測器行提供 關(guān)于條形碼圖形的位置的略微不同的信息。該不同信息接著可以通過使用適當(dāng)?shù)募訖?quán)方案 被計算地結(jié)合到處理器中，從而提供提高的分辨率。 根據(jù)一實施例，所述銳角介于10°和80°之間，或甚至介于32。和58°之間；根 據(jù)另一實施例，所述銳角介于40。和50°之間，當(dāng)檢測器行的數(shù)量等于或約等于每行的檢 測器數(shù)量時，該角度范圍是尤其優(yōu)選的。 二維傳感器的光敏元件的陣列在行方向上可以包括超過100個(以及具體地超過 200個、以及具體地超過400個)光敏元件，并且在交叉行方向上包括超過100個(以及具 體地超過200個、以及具體地超過400個)光敏元件。適當(dāng)?shù)亩S傳感器的典型示例可以 在行方向上包括640個元件，以及在交叉行方向上包括480個元件。 一般而言，至少存在三 行或更多行。盡管正方形或矩形的行排列是優(yōu)選的，但也可以使用相互偏移的多個較短行。 在此排列中，優(yōu)選地每行的檢測器數(shù)量少于行數(shù)，同時行偏移小于每行的檢測器數(shù)量，并且 優(yōu)選地為1。在此情形中，接近二維檢測器陣列的邊緣的行可以比中央排列的行(其優(yōu)選地 是最長的)更短。 根據(jù)一實施例，所述光學(xué)檢測器的至少一個是電荷耦合設(shè)備(CCD)或CMOS圖像傳 感器。在本申請的上下文中，檢測器行包括側(cè)面排列的多個檢測器。如果檢測器是CCD，則 讀出方向限定了所述行。 根據(jù)一示例，水準(zhǔn)標(biāo)尺具有在水準(zhǔn)標(biāo)尺的延長方向上排列的交替光反射率的圖 形，并且控制器被配置用于生成所述找平信號，所述信號通過分析在所述檢測器的輸出信號中包含的水準(zhǔn)標(biāo)尺的各個圖形而表示所檢測的高度差。 此圖形可以直接指示出以編碼形式的高度信息。由此，水準(zhǔn)標(biāo)尺而不是找平設(shè)備 自身表示出用于測量的實物量具。在輸出信號中包含的圖形可以被分析，以測量所述設(shè)備 和水準(zhǔn)標(biāo)尺之間的相對高度差。 其它示例涉及在大地測量中對上述設(shè)備的使用。 另外的示例涉及一種用于檢測高度差的方法，包括將物體成像到檢測器上，從而 所述物體的垂直軸以銳角向檢測器的行方向傾斜，以及計算相鄰行的檢測器的檢測器輸出 信號的加權(quán)組合。 上述的實施例和方面可以相互結(jié)合。


通過以下參考附圖對本發(fā)明的示例性實施例的詳細描述，本發(fā)明的前述以及其它 特征將更明顯。注意，并非本發(fā)明所有可能的實施例都必須展示出每個或任意一個在此識 別的優(yōu)點。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的找平設(shè)備的透視圖； 圖2A是操作中的找平設(shè)備的側(cè)視圖； 圖2B是操作中的找平設(shè)備的俯視圖； 圖3是示出圖1的找平設(shè)備的基本部分的互連的框圖； 圖4示出與根據(jù)本發(fā)明的找平設(shè)備一起使用的水準(zhǔn)標(biāo)尺的一部分； 圖5示意性示出可以與本發(fā)明的找平設(shè)備一起使用的檢測器陣列； 圖6示意性示出可以由找平設(shè)備生成的像； 圖7示出根據(jù)本發(fā)明在正方形檢測器上對水準(zhǔn)標(biāo)尺的條形碼的像的布置；
圖8示出圖7的檢測器陣列的主和次像素線； 圖9示出根據(jù)本發(fā)明的正方形10X 10檢測器陣列的檢測器的示例性列舉以及加 權(quán)方案； 圖10示出根據(jù)本發(fā)明的矩形8X6檢測器陣列的檢測器的行和列的示例性列舉； 以及 圖11示意性示出俯視圖中物鏡、像平面以及兩個垂直軸(由十字表示)的相對位 置。
具體實施例方式
在以下描述的示例性實施例中，盡可能地由相同的標(biāo)號指示出功能和結(jié)構(gòu)上相同 的部件。因此，為了理解特定實施例的單獨部件的特征，應(yīng)該參考對其它實施例以及對本發(fā) 明內(nèi)容的描述。 在下文中，參考附圖描述了找平設(shè)備的實施例。 如圖1最佳地示出的，本發(fā)明的找平設(shè)備1基本包括望遠鏡2，所述望遠鏡2具有 物鏡22a、二維檢測器21、樞軸轉(zhuǎn)動步進電動機、支架13、以及處理器7。在本實施例中，檢 測器具有若干行單獨元件的矩形或正方形陣列。 望遠鏡2基本包括光學(xué)系統(tǒng)22a、22b、22c、組成光學(xué)檢測器的矩形或正方形的CCD檢測器21、分束器26、目鏡27、以及聚焦步進電動機24。光學(xué)系統(tǒng)包括多個光學(xué)透鏡22a、 22b和22c、補償器25，它們限定了光學(xué)系統(tǒng)的光軸10的物體端部分。可選的補償器25是 一種用于使光軸IO保持水平的自動機構(gòu)，并被設(shè)置在光軸的像側(cè)部分。物體側(cè)的第一透鏡 22a是物鏡，而之后的透鏡22b和22c構(gòu)成成像光學(xué)元件。 通過使用分束器26，光學(xué)透鏡22a、22b和22c適于在CCD檢測器21上生成圖像， 以及用于由用戶(未示出)通過目鏡27觀看視野V1。聚焦步進電動機24適于通過調(diào)節(jié) 第一光學(xué)系統(tǒng)28的透鏡22b和22c之間的間隙G，而調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)和由光學(xué)透鏡22a、22b 和22c在CCD檢測器21上成像的物平面12之間的距離D。在圖2A和2B中示出了該距離 D。 可選的目鏡27可以被用于監(jiān)視找平設(shè)備1的望遠鏡2的光軸10相對于水準(zhǔn)標(biāo)尺 9的對準(zhǔn)。 樞軸轉(zhuǎn)動步進電動機4和望遠鏡2的大多數(shù)部分(光學(xué)透鏡22a、22b和22c、補償 器25、分束器26、CCD檢測器21、聚焦步進電動機24和目鏡27的部分)被設(shè)置在望遠鏡2 的外殼23中。 望遠鏡2的外殼23經(jīng)由樞軸42附接于底板13。如圖2A所示，底板13連同三腳 架6構(gòu)成了三腳臺作為支架。 可選的廣角照相機3包含多個光學(xué)透鏡32a、32b和32c，其與陣列CCD檢測器31 構(gòu)成了第二光學(xué)系統(tǒng)38。光學(xué)透鏡32a、32b和32c限定了第二光學(xué)系統(tǒng)38的光軸11，并 適于在陣列CCD檢測器31上生成來自視野V2的二維圖像。 如圖4所示，水準(zhǔn)標(biāo)尺9包括柄部91，在其上提供了交替光反射率圖形形式的刻度 92?？潭?2在水準(zhǔn)標(biāo)尺9的延長方向上被設(shè)置在柄部91上。在刻度92的左右端，提供了 邊緣部分93、94。 如圖5最佳地示出的，CCD檢測器21是二維傳感器，其優(yōu)選地包括在行方向與交叉 行方向上的多于400個光敏元件(像素)POO-P(x-l) (y-l)。在一實施例中，在行方向上的 每一行21a的像素POO-PO (y-l) 、 P10-P1 (y-l) 、 P20-P2 (y-l) 、 . 、 P (x_2) 0_P (x_2) (y_l)、 P(x-1)0-P(x-1) (y-l)的數(shù)量是640。因此，通配符字符"y"是640。在交叉行方向上的像 素P00-P(x-l)0、P01-P(x-l)1、…、P0(y-2)-P(x-l) (y-2) 、 PO (y_l) _P (x_l) (y_l)的數(shù)量 是480。因此，通配符字符"x"是480。 陣列CCD檢測器31與光學(xué)透鏡32a、32b和32c被安裝于外殼33中。廣角照相機 3的外殼33經(jīng)由托架8固定于望遠鏡2的外殼23。托架8允許外殼23和33相對于彼此 的某種調(diào)整(以及由此允許望遠鏡2和廣角照相機3相對于彼此的某種調(diào)整)。在操作期 間，廣角照相機3的光軸11的取向被維持成相對于望遠鏡2的光軸10恒定。
通過使用繞固定垂直軸5的樞軸轉(zhuǎn)動步進電動機4和齒輪系統(tǒng)41 (其也被包含在 望遠鏡2的外殼23中)，望遠鏡2和廣角照相機3可以相對于樞軸42旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，望遠鏡 2的光軸10和廣角照相機3的光軸11可以在各個水平平面(未示出)中旋轉(zhuǎn)。不過，要注 意，光軸IO為精確地水平并非總是必須的；而是，在某些情形中這樣可以滿足，如果光軸以 一個角度傾斜于水平平面，所述傾角可以由傾角計或傾斜傳感器測量。例如，如果物體的距 離也被測量，則物體相對于設(shè)備的高度可以被推斷出來。 在本實施例中，在望遠鏡2的外殼23內(nèi)還提供了微計算機7?？商鎿Q地，例如可以在底板13中提供微計算機。 微計算機7連接于望遠鏡2的二維檢測器21、補償器25以及聚焦步進電動機24、照相機7的陣列CCD檢測器31、樞軸轉(zhuǎn)動步進電動機4、輔助裝置19 (參見圖3)的顯示器14、用戶接口 15、以及存儲器16。計算機可以具有若干處理器。
在下文中，將簡要描述找平設(shè)備1的功能。 在可能由用戶經(jīng)由用戶接口 15觸發(fā)的測量操作之初，微計算機7控制樞軸轉(zhuǎn)動步進電動機4，使得望遠鏡2相對于垂直軸5旋轉(zhuǎn)。同時，微計算機7從陣列CCD傳感器31接收表示二維圖像18的圖像信號(第二輸出信號)。望遠鏡2和照相機3的旋轉(zhuǎn)被保持，直到微計算機7識別出圖像信號中的水準(zhǔn)標(biāo)尺9的表示(^presentation) 17為止。二維圖像18中的所述表示17在圖6中示出。 基于所識別的水準(zhǔn)標(biāo)尺9的表示17，微計算機7控制樞軸轉(zhuǎn)動步進電動機4，從而通過旋轉(zhuǎn)望遠鏡2和照相機3，使得望遠鏡2的第一光學(xué)系統(tǒng)28的光軸10自動與所識別的水準(zhǔn)標(biāo)尺9的表示17進行對準(zhǔn)。 更詳細地，微計算機7確定由從照相機3接收的圖像信號所表示的二維圖像18中所識別的表示17的位置。通過考慮望遠鏡2和照相機3的光軸10和11相對于彼此的相關(guān)性，可以定義二維圖像18的哪個區(qū)域大致上對應(yīng)于望遠鏡2的光軸10。由此，樞軸轉(zhuǎn)動步進電動機4被微計算機7致動，直到水準(zhǔn)標(biāo)尺9中所識別的表示17被布置在該區(qū)域中為止。 在以上實施例中，微計算機7通過在由圖像信號表示的二維圖像18中進行圖像分析，而識別陣列CCD檢測器31的圖像信號中的水準(zhǔn)標(biāo)尺9的表示17。 附加地或可替換地，微計算機7可以通過將圖像信號與存儲在連接于微計算機7的存儲器16中的第一預(yù)置圖形信號進行比較，而直接在圖像信號中識別水準(zhǔn)標(biāo)尺9的表示17。此外，可替換地或附加地，微計算機7可以通過檢測為圖像信號中的各個水準(zhǔn)標(biāo)尺9預(yù)置的特征顏色，而識別水準(zhǔn)標(biāo)尺9的表示17。為特定水準(zhǔn)標(biāo)尺9預(yù)置的多種特征顏色可以被存儲在存儲器16中。為了便利于對水準(zhǔn)標(biāo)尺9的識別，用戶可以從存儲在存儲器16中的多種水準(zhǔn)標(biāo)尺特征中選擇實際水準(zhǔn)標(biāo)尺的特征。 而且，如果水準(zhǔn)標(biāo)尺9位于廣角照相機3的第二光學(xué)系統(tǒng)38的視野V2中，則水準(zhǔn)標(biāo)尺9的柄91的邊緣區(qū)域93、94被示出為對于陣列CCD檢測器31是垂直行。由此，根據(jù)另一實施例，通過使用"霍夫變換"在圖像信號中檢測水準(zhǔn)標(biāo)尺9。這種算法可以在找平的情況下提取或識別垂直幾何結(jié)構(gòu)。 望遠鏡2的旋轉(zhuǎn)軸5和望遠鏡2的光軸10不一定相交。由此，當(dāng)通過水準(zhǔn)標(biāo)尺9對準(zhǔn)望遠鏡2的光軸10時，望遠鏡2的光軸10相對于垂直旋轉(zhuǎn)軸5的偏移可以被微處理器7自動考慮。 進一步地，為了通過水準(zhǔn)標(biāo)尺9對準(zhǔn)望遠鏡2的光學(xué)系統(tǒng)的光軸10，上述找平設(shè)備1的微計算機7適于控制在望遠鏡2中提供的聚焦步進電動機24。 在此方面，找平設(shè)備1通過將照相機3的圖像信號中所識別的水準(zhǔn)標(biāo)尺9的表示17的長度或?qū)挾扰c存儲器16中存儲的、為各個水準(zhǔn)標(biāo)尺9預(yù)置的長度或?qū)挾戎颠M行比較，而自動檢測找平設(shè)備1與水準(zhǔn)標(biāo)尺9之間的距離?；谒鶛z測的距離，微計算機7控制聚焦步進電動機24使得光學(xué)系統(tǒng)與物平面12之間的距離D自動被調(diào)節(jié)為找平設(shè)備1與水準(zhǔn)
8標(biāo)尺9之間所檢測的距離。由此，基于從照相機3的陣列CCD檢測器31接收的圖像信號中所識別的水準(zhǔn)標(biāo)尺9的表示17，由微計算機7執(zhí)行對聚焦步進電動機24的控制。
通過基于照相機3的圖像信號控制聚焦步進電動機24，對光學(xué)系統(tǒng)的聚焦可以被自動預(yù)調(diào)節(jié)為大致期望的水準(zhǔn)標(biāo)尺9所在的距離。 在本實施例中，圖4中的陰影區(qū)域以及特別是邊緣部分93、94為褐黃色，其可以被稱為"信號顏色"。該高反射率顏色通常在自然環(huán)境中找不到。由此，該顏色可以如上所述被微計算機7用于識別照相機3的第二光學(xué)系統(tǒng)38的圖像信號中的水準(zhǔn)標(biāo)尺9。
如果水準(zhǔn)標(biāo)尺9位于望遠鏡2的光學(xué)系統(tǒng)的視野VI中，則微計算機7通過分析在光學(xué)檢測器21的輸出信號中包含的交替光反射的圖形來生成找平信號，其表示所檢測的在水準(zhǔn)標(biāo)尺9和電子找平設(shè)備1之間的高度差。通過本申請的前言頁中列舉的現(xiàn)有技術(shù)文獻，基于在輸出信號中包含的圖形而具體生成找平信號以輸出電子找平設(shè)備1相對于水準(zhǔn)標(biāo)尺9的高度是公知的。 找平設(shè)備不是非要包括上述優(yōu)選實施例的所有元件。而且，可以提供例如電源(例如電池)或例如遠程控制單元的附加元件。顯示器14可以被集成到望遠鏡2的外殼23中或者照相機3的外殼33中?？商鎿Q地，甚至可以使用例如PDA(個人數(shù)字助理)或PC(個人計算機)的獨立顯示裝置。 根據(jù)圖7所示的示例，水準(zhǔn)標(biāo)尺的條形碼被成像到10X10的正方形檢測器陣列上，從而標(biāo)尺的垂直軸與檢測器陣列的對角線對準(zhǔn)，即，檢測器的行與垂直物體軸的圖像形成45°的角度小(或與45。的誤差不大于5。)。如圖8所示，與對角線相交的檢測器形成主像素線，而與主像素線相鄰的檢測器以及通過頂角橫向接觸檢測器的主像素線的檢測器(其到對角線的距離只有它們(對角)大小的一半)形成了次像素線，其在主像素線的每一側(cè)有兩行。在此上下文中，檢測器的"線"被理解為被角對角地排列。從圖9開始，這些像素線的加權(quán)方案是明顯的根據(jù)此處所示的編號，主像素線具有由Px， x列舉的像素；第一次像素線具有由Px， x士l列舉的像素；以及下一次像素線具有由Px， x士2列舉的像素。根據(jù)公式1，加權(quán)方案為，當(dāng)x+y是偶數(shù)(但不是0也不是xmax+ymax)，則計算加權(quán)和(Px，x+Px， x+2+Px， x-2)/3，并且當(dāng)x+y是奇數(shù)，則計算加權(quán)和(Px， x+l+Px， x_l)/2。當(dāng)不想要取平均值時，可以無需加權(quán)而直接使用對角線值Px， x。當(dāng)x+y為0，使用值P0，0，同樣，當(dāng)x是xmax且y是ymax，未力口權(quán)地使用Pxmax， ymax (xmax禾口 ymax指示出x禾口 y的最大可會g值，即，分別是行數(shù)以及最長行中的檢測器數(shù)量)。注意，當(dāng)將使用所述方案時，檢測器陣列僅需要具有主像素線和第一次像素線以及可選地具有第二次像素線。不過，如果存在更多像素線，并可以被包括在擴展的加權(quán)方案中(如果需要的話)，則檢測器將更加通用。
根據(jù)圖10，使用具有6行每行八個實際像素的矩形檢測器陣列(外部編號)。注意，該選擇僅用于說明目的，因為實際檢測器將具有較大數(shù)量的行和列。物理陣列被劃分為8X8的"虛擬像素"陣列(圖10中的內(nèi)部編號)。可以注意到，虛擬像素具有與實際像素不同的重疊。具體而言，對于每個虛擬像素區(qū)域，一個或若干個實際像素區(qū)域做出貢獻。例如，虛擬像素VO，O僅具有一個貢獻者，即實際像素PO，O，而重疊是該實際像素的區(qū)域的75%。另一方面，虛擬像素Vl，l具有兩個貢獻者PO，l和P1，1，其重疊區(qū)域分別為25%和50%。 一般而言，對于行數(shù)與每行的檢測器數(shù)量的比率是3 : 4的情形，如果(s mod 4)是0或3，則將存在一個因子75%;并且如果(s mod 4)是1或2，則將存在因子25%和50%。具體而言，令A(yù)Py,x為像素在位置y，x的初始輸出信號；令A(yù)V"為虛擬像素在位置s，r的計算值；并且令I(lǐng)NT (3 s/4) = y以及r = x。 那么，如果(s mod 4)是0或3，則AVs,r = 0. 75 APy,x ;
如果(s mod 4)是l，則AVs,r = 0. 25 APy,x+0. 5 APy+1,x ;以及
如果(s mod 4)是2，則AVs,r = 0. 5 APy,x+0. 25 APy,x。 以此方式，定義了虛擬像素的平方數(shù)。當(dāng)然，對于其它的每行的檢測器數(shù)量與行數(shù)的比率，應(yīng)該相應(yīng)調(diào)節(jié)系數(shù)，從而產(chǎn)生虛擬像素的平方數(shù)。同樣，在這種情形中，將產(chǎn)生不同的角度小。盡管對于3 : 4陣列(arctan(3/4) "37°以及arctan (4/3) "53° )該角度接近于37° (或53° )，但是對于其它縱橫比率其它角度將是優(yōu)選的，諸如，對于縱橫比率2 : 3為大約34。(或大約56。)，這也是十分常見的。注意，當(dāng)行定義了較長尺寸時，小于45° (但大于30° )的角度將是行方向和垂直(或相應(yīng))方向之間的優(yōu)選角度，在矩形陣列中其等于圖10中所示的列方向與水平(或相應(yīng))方向之間的角度。
同樣，將如下所示，計算所有可能的虛擬像素值并非總是必須的；而是，通常這樣可以滿足，在計算中使用主虛擬像素線和次虛擬像素線的值。當(dāng)快速讀出時間很重要時，例如，如果自動聚焦過程通過對條形碼的識別正在工作，這尤其具有優(yōu)勢。在這種情形中，當(dāng)物體比最短可能距離更遠時，并非使用檢測器行和列的完整長度，傳感器的讀出窗口被減少。這導(dǎo)致較短的最小讀出時間，以及從而導(dǎo)致最長到最短曝光時間的增加的比率。
針對每個虛擬像素的值的集合、或至少針對對角線虛擬像素線和最近的次虛擬像素線的值的集合可以執(zhí)行如下的示例性加權(quán)方案如果(nmod 4):=0我=1/2 (AVn/4,n/4—Ln/4);如果(nmod 4):=1:ADn=3/4 3/4 1/2 AV(n—5)/4, ((n—5)/4)+1 +1/4 3/4*1/2* AV(n—5)/4, ((n—5)/4)+2 +3/4 3/4 1/2 AV((n—5)/4)+1, ((n—5)/4) +1/4 3/4 AV((n—5)/4)+1, ((n—5)/4)+1 +1/4 1/4 1/2 AV((n—5)/4)+1, ((n—5)/4)+2 +1/4 3/4 1/2 AV(n—5)/4+2, (n—5)/4+1/4 1/4 1/2 AV((n—5)/4+2, ((n—5)/4)+1 ;如果(nmod 4):=2:ADn=AV(n-2)/4, (n-2)/4 ;如果(nmod 4):=3:ADn=1/4 1/4 1/2 AV(n—7)/4, ((n—7)/4) + 1 +1/4 3/4*1/2* AV(n—7)/4, ((n—7)/4)+2 +1/4 1/4 1/2 AV((n—7)/4)+1, ((n—7)/4) +1/4 3/4 AV((n—7)/4)+1, ((n—7)/4)+1 +3/4 3/4*1/2*AV((n—7)/4)+1, ((n—7)/4)+2 +1/4 3/4*1/2*AV((n-7)/4+2, (n-7)/4+
3/4 3/4*1/2*AV((n-7)/4+2, ((n-7)/4)+1 °
在此，n從4開始增大；ADn是加權(quán)虛擬像素數(shù)據(jù)；以及AVX, y是虛擬像素值列的數(shù)字and然后可以執(zhí)行正常的進一步處理。注意，每種情形中的加權(quán)系數(shù)之和為1。優(yōu)選地在計算中使用定點數(shù)字。附帶地，表達式(a mod b)表示除法a/b的余數(shù)，而INT(a/b)表示[a-(a mod b)]/b的結(jié)果的整數(shù)，其中a和b是正數(shù)。
以上述方式，系數(shù)被計算，通過所述系數(shù)，由實際檢測器所檢測的實際亮度值A(chǔ)P將被加權(quán)。可以注意到，比起只有實際值A(chǔ)Pu的情形，該方案導(dǎo)致沿著檢測器對角線的更多(虛擬)像素值A(chǔ)Dn;換句話說，該方案導(dǎo)致分辨率結(jié)果的增加。與此同時，由于在計算像素值A(chǔ)Dn時所使用的若干不同的物理像素，常常出現(xiàn)的對像素的制造不均衡趨向于被消除。
應(yīng)該理解，具有較少虛擬像素值的其它加權(quán)方案也是可想到的。例如，在可替換方案中，僅使用來自主像素線和第一次像素線的虛擬像素值。在另一簡化方案中，僅使用虛擬像素的主像素線的值。不過，在這些可替換方案中，與還使用了第二次像素線的完整方案相比，較小提及分辨率的增加。在另一方案中，矩形陣列的取向與所投影的垂直方向大約成45° ，但僅僅檢測器的正方形子陣列在計算中被實際讀出或使用，其中物體的垂直軸被投影到其對角線上。 圖11中給出了多個光學(xué)部件的排列的俯視圖。物體22a的光軸10具有與物平面12相交的第一部分10'，以及與檢測器21所在的圖像平面相交的第二部分10"。注意，在該示意性圖中，出于增加清晰性的目的，用于聚焦的成像光學(xué)器件已被省略。出于找平的目的，例如用于定位水準(zhǔn)標(biāo)尺，物體可以繞垂直軸5移動。平行于轉(zhuǎn)軸5的另一輔助垂直軸5'與光軸10的第一部分10'相交。該軸5'被光學(xué)系統(tǒng)成像到圖像平面之后的位置5"(已知輔助性垂直軸5'與光軸10在物平面12和望遠鏡的焦點之間的一個位置相交)。被成像的軸5"和光軸10的第二部分10"限定了一平面，其在圖11的俯視圖中為與光軸10的第二部分10"重合的線。在與圖像平面相交的點，形成了直角。另一方面，垂直軸5'和光軸10的第一部分10'還限定了一平面，其在圖11的俯視圖中為與光軸10的第一部分10'重合的線。該平面與物平面12形成了直角。將會理解，在此示例中，由垂直軸5'和5"分別與光軸10的第一或第二部分、以及分別與像平面或物平面12限定的平面的相交線全是垂直的，或者至少它們在光學(xué)上是一致的。例如，如果通過插入反射鏡(諸如圖1中的分束器26)使光軸10的第二部分IO"與光軸10的第一部分10'形成一個角度，則垂直軸5'的像5"可以不是垂直的；而是，其將在光學(xué)上與垂直軸5' —致，像5"是垂直軸5'的光學(xué)像。與此同時，物體的垂直軸12'將被成像到像平面上，以形成物體的垂直軸12'的像12"。
應(yīng)該理解，垂直軸5優(yōu)選地與光軸10相交。更優(yōu)選，相交點與裝置的消加常數(shù)點(anallactic point)靠近或重合。 顯而易見，本發(fā)明不限于上述對步進電動機的使用。作為替代，可以使用適于使望遠鏡2和照相機3繞固定垂直軸5移動、或者變更物體22a與物平面12之間的距離D的任意其它已知致動器。例如，取代于聚焦步進電動機和光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)透鏡中的一個可置換透鏡，可以使用具有可變折射率的光學(xué)透鏡。 而且，顯而易見，被用作為二維檢測器21以及作為陣列CCD檢測器31的光學(xué)檢測器的大小和種類可以變更。此外，檢測器可以是彩色或黑白檢測器。不過，當(dāng)使用二維彩色檢測器時本發(fā)明是尤其有利的。在此情形中，特定插值方案允許對顏色不均勻性進行可觀的均衡。 代替于如上所述的具有4 : 3或3 : 2的縱橫比的二維檢測器，可以想到使用具有相對較少、相對較長的行(即，具有(顯著)大于2 : 1的縱橫比)、但具有交錯的行的檢測器。這種檢測器可以通過沿垂直物體軸的圖像的行方向被設(shè)置(即，小=0)，并且相比
于具有非交錯行的線檢測器還提供了分辨率增加。如上所述的優(yōu)選加權(quán)方案可以用于這種傳感器，其中用交錯的行分別取代主像素線和次像素線。 此外，盡管上文中作為找平設(shè)備描述了本發(fā)明，但是所闡述的原理還可以用于測 繪設(shè)備。 同樣，當(dāng)噪聲不是問題時，可以想到不把加權(quán)方案應(yīng)用于計算平均信號值，而是作 為替代，當(dāng)檢測器陣列相對于垂直物體軸的像以銳角傾斜時，利用各個檢測器的略微不同 的垂直位置。在某些情形中，這可以在確定水準(zhǔn)標(biāo)尺上的碼條的位置和寬度時允許增加的 精度。 用于光學(xué)測量相對于水準(zhǔn)標(biāo)尺的高度差的找平設(shè)備的實施例包括物鏡、在物鏡 的像平面中設(shè)置的檢測器陣列、用于使所述物鏡繞所述設(shè)備的固定垂直軸移動的支架、以 及處理器。所述檢測器陣列具有以銳角向垂直物體軸的像傾斜的行。對于任意一行的檢測 器，優(yōu)選，在它們之間不具有大的空隙。 盡管已經(jīng)參考本發(fā)明的某些示例性實施例描述了本發(fā)明，但是顯而易見，對于本 領(lǐng)域技術(shù)人員來說許多可替換方案、修改和變體將是明顯的。因此，此處闡述的本發(fā)明的示 例性實施例用于說明，而不以任意方式進行限制。在不脫離如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā) 明的精神和范圍的情況下，可以做出多種改變。
權(quán)利要求
一種找平儀器，包括具有光軸的物鏡、與所述光軸相交的物平面、以及與所述光軸相交的像平面，其中所述物鏡被配置用于將置于所述物平面中的物體成像到所述像平面；像接收元件，其包括多行光檢測器；所述多行光檢測器被設(shè)置為形成二維檢測器陣列；所述光檢測器適于輸出信號，所述信號表示在所述光檢測器上入射的光量，其中所述像接收元件被設(shè)置在所述像平面中；以及用于使所述物鏡相對于垂直軸移動的支架，其中所述多行檢測器相對于所述物體的垂直軸的像以銳角設(shè)置，所述物體的垂直軸的所述像由所述物鏡生成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的找平儀器，其中所述支架包括旋轉(zhuǎn)配置，用于使所述物鏡和所述像接收元件相對于所述支架的垂直軸旋轉(zhuǎn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中所述銳角大于10。，且小于8(T ，優(yōu)選大于32° ，且小于58。。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述銳角大于40。，且小于5(T 。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中檢測器的行數(shù)等于每行中光檢測器的數(shù)量。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的裝置，其中所述行的數(shù)量小于所述行中最長一行中的光檢測器的數(shù)量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的裝置，還包括至少一個處理器，其適于通過所述行中的相鄰行的光檢測器的輸出信號計算加權(quán)平均信號。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的裝置，還包括存儲器，用于存儲所述至少一個處理器的輸出數(shù)據(jù)。
9 根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的裝置，還包括顯示器，用于顯示由所述至少一個處理器提供的輸出數(shù)據(jù)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的裝置，還包括致動器，用于使所述物鏡和所述像接收元件繞所述支架的垂直軸移動。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至io之一所述的裝置，還包括傾斜傳感器，用于檢測所述光軸相對于垂直于所述支架的垂直軸的平面的角度。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至11之一所述的裝置，還包括置于所述物鏡和所述光檢測器之間的至少一個反射器。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至12之一所述的裝置，其中所述物鏡提供固定放大倍數(shù)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1至13之一所述的裝置，其中所述物鏡是望遠鏡的一部分。
15. —種在大地測量過程中的根據(jù)權(quán)利要求1至14之一所述的裝置的用途。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的用途，其中所述至少一個處理器用于將數(shù)據(jù)提供作為像識別步驟的輸入，所述像識別步驟構(gòu)成所述大地測量過程的部分。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的用途，其中所述物體是水準(zhǔn)標(biāo)尺的機器可讀刻度的條形碼。
18. —種用于檢測物體的垂直位置的方法，所述方法包括使物鏡和包括多行光檢測器的檢測器陣列相對于垂直軸移動，從而朝向所述物體取向通過所述物鏡將所述物體成像到所述檢測器陣列上，從而所述物體的垂直軸的像相對于所述多行光檢測器的延長方向形成銳角；生成對應(yīng)于所述光檢測器上入射光的強度的數(shù)據(jù)；計算對應(yīng)于在所述光檢測器中的選定若干光檢測器上入射的光的強度的數(shù)據(jù)的加權(quán)和。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括顯示表示數(shù)據(jù)的加權(quán)和的像單元的陣列。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括對所述數(shù)據(jù)的加權(quán)和進行圖像識別。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18至20之一所述的方法，其中所述銳角大于10。，且小于80° 。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述銳角大于30。，且小于6(T 。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述銳角大于40。，且小于5(T 。
24. 根據(jù)權(quán)利要求18至23之一所述的方法，包括調(diào)節(jié)所述物鏡，從而使所述物體的垂直軸的像與所述光檢測器陣列的對角線對準(zhǔn)。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述數(shù)據(jù)的加權(quán)和的加權(quán)系數(shù)取決于各個光檢測器與來所述光檢測器陣列的對角線的橫向距離。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述加權(quán)系數(shù)越小，各個光檢測器與所述對角線的橫向距離就越大。
27. 根據(jù)權(quán)利要求25或26所述的方法，其中下述檢測器的加權(quán)系數(shù)為零，所述檢測器到所述對角線的橫向距離大于其橫向大小。
28. 根據(jù)權(quán)利要求25至27之一所述的方法，其中與所述檢測器陣列的對角線相交的那些光檢測器的加權(quán)系數(shù)大于相鄰于與所述檢測器陣列的對角線相交的所述光檢測器而不是與所述檢測器陣列的對角線相交的所述光檢測器自身的那些光檢測器的加權(quán)系數(shù)。
29. 根據(jù)權(quán)利要求25至27之一所述的方法，還包括為每個像計算多于進入所述計算的光檢測器信號的數(shù)量的數(shù)據(jù)的加權(quán)和。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于光學(xué)測量相對于水準(zhǔn)標(biāo)尺的高度差的找平設(shè)備，并且包括物鏡(22a)、二維檢測器(21)、用于使所述物鏡(22a)和所述檢測器(21)在所述設(shè)備的固定垂直軸(5)周圍旋轉(zhuǎn)的支架(13)、以及處理器。所述檢測器被設(shè)置，從而它的行向物體的垂直軸的像以銳角傾斜。本發(fā)明還涉及一種用于檢測設(shè)備相對于水準(zhǔn)標(biāo)尺的高度差的方法，包括將所述水準(zhǔn)標(biāo)尺成像到檢測器陣列(21)上，從而所述標(biāo)尺的垂直軸的像以銳角向檢測器行傾斜。
文檔編號G01C15/00GK101715542SQ200780053476
公開日2010年5月26日 申請日期2007年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月23日
發(fā)明者K·格特勒 申請人:特里伯耶拿有限公司