CN1825152A - 测量机的自动焦点机构 - Google Patents

Abstract

本发明能够可靠且迅速地检测出聚焦透镜位于聚焦位置上。在利用马达(41)使聚焦透镜(21b)沿水平校正光学系统的光轴移动的过程中，用线传感器24将伴随着望远镜(20)的水平校正的物体像转换为电信号，用A/D转换器(27)将输出信号转换为数据信号，并存储在RAM(28)内，基于该数据，在微型计算机(3)中监视由上述电信号的频率，在检测出聚焦透镜(21b)的位置所对应的特定频率时，设聚焦透镜(21b)大致位于聚焦位置，基于线传感器(24)的输出信号来求取从望远镜(20)到标尺(1)的距离，根据该距离以及由位置传感器5的输出所得到的聚焦透镜21b的位置，将聚焦透镜21b定位在聚焦位置上。

Description

测量机的自动焦点机构

技术领域

本发明涉及安装在具有对标尺进行平行校正的望远镜的电子水平仪(level)等测量机上的、能够使望远镜的焦点自动对准标尺的测量机的自动焦点机构。

背景技术

作为安装在电子水平仪上的自动焦点机构，例如有图10、图11所示的机构(参见专利文献1)。该自动焦点机构作为水平校正光学系统，被安装在望远镜20上，该望远镜20具有物镜21a、聚焦透镜21b、水平校正轴的自动补偿机构22、分束器23、焦点板20a、以及目镜20b，该自动焦点机构具有使聚焦透镜21b沿着水平光学系统的光轴移动的步进马达41、控制步进马达41的驱动的驱动电路4，并且，还具有线传感器24，该线传感器24从分束器23取入在利用望远镜20对标尺进行水平校正时的物体像、并将其转换为电信号，在由线传感器24的输出所得到的电信号在放大器25被放大后，在A/D转换器27被转换为数字信号。该数字信号被存储于RAM 28内之后，再被传送到微型计算机3。微型计算机3执行以下控制：以存储在RAM 28内的数字信号为基础，求取标尺上的标记(在白底的表面以等间隔显示多个黑色的标记，而形成有多个图案)的间距，以该间距为基础，求取望远镜20和标尺的距离，并使聚焦透镜21b移动，直到到达与该距离相对应的位置。在从驱动电路4向步进马达41输出了由微型计算机3的控制所产生的信号时，利用步进马达41的驱动将聚焦透镜21b移动到聚焦位置并停止，望远镜20的焦点自动对准标尺。

此时，在使聚焦透镜21b移动到聚焦透镜21b的可移动范围中的目镜20b一侧的终端时，由于望远镜20聚焦于无限远的位置，因此，线传感器24的输出信号如图11(a)所示，成为平坦的波形。在使聚焦透镜21b从望远镜20聚焦于无限远的位置的状态移动到物镜21a一侧之前，微型计算机3根据线传感器24的输出信号的峰值，将范围α设定为阈值，并使聚焦透镜21b向着物镜21a一侧移动，直到线传感器24的输出信号变为大于等于α。在该过程中，如图11(b)所示，在线传感器24的输出信号已经变为大于等于α时，使聚焦透镜21b暂时停止，求出位于α内的信号分量中的某个部分的长度β，并且，还求出作为β的中心位置的中心线CL。在α内的信号分量存在多个位置时，对每个位置求取中心线CL的位置，对各中心线CL的间隔进行平均，求取该平均值。该平均值与线传感器24上的图像中标尺(1)的标记的间距相当，因此以该间距为基准来求取望远镜20和标尺的距离。通过以该距离为基础使聚焦透镜21b移动到指定位置，从而能够正确地对标尺进行聚焦。若望远镜20的焦点自动地对准标尺，则线传感器24的输出信号变为图11(c)所示的波形。

(专利文献1)日本专利公开特开2001-12949号公报(第2页-第3页，图2、图3)

在以往技术中，在使对显示等间隔图案的标尺进行水平校正的测量机的焦点自动对准时，由于以线传感器24的输出信号的电平超过阈值α为条件来判断出聚焦透镜21b大致位于聚焦位置，并且，以此时的线传感器24的输出信号为基础来计算标尺上的标记的间距，因此，有可能不能利用标尺的状态来检测聚焦透镜大致位于聚焦位置。

即，标尺通常不限于在均一亮度的环境下使用，在标尺的周围很暗时，即使使聚焦透镜21b在移动范围内移动，线传感器24的输出电平有时也不超过阈值α。反之，在望远镜的水平校正范围内存在比标尺还要亮的部分情况下，对比标尺还要亮的部分进行水平校正，在线传感器24的电平超过阈值α时，将标尺以外的部分误判为标尺，则不得以要重做，而重新做需要时间。

标尺没有必要覆盖望远镜的视野内整个区域，例如，在使用标尺的上端或下端来执行测量的情况下，由于标尺以外的背景部分也包含在线传感器24的输出信号内，因此，在线传感器24的输出信号中的、相当于背景部分的输出信号的电平超过阈值α时，若执行用于检测成为了聚焦状态的聚焦检测处理，则有可能执行基于错误判断的测距。

即，在处理线传感器24的输出信号的情况下，若执行以错误的数据或信号电平低的数据为基础来求取标尺上的图案的间距的运算处理，则会产生测距结果错误、或测距精度恶化的问题。

其结果是，作为用于自动地使望远镜20的焦点对准标尺的处理的自动对焦失败，从而或者使自动对焦的处理时间变长、使操作效率低下，或者使自动对焦的精度恶化而使测量结果受到恶劣影响。

发明内容

本发明是鉴于上述以往问题而作出的，其目的在于可靠且迅速地检测出聚焦透镜处于聚焦位置上。

为了实现上述目的，在有关技术方案1的测量机的自动焦点机构中，其结构为，测量机的自动焦点机构，其被安装在具备望远镜的测量机上，所述望远镜具有在物镜和目镜的间配置了焦点板和使之成像于所述焦点板上的聚焦透镜的水平校正光学系统，将按等间隔配置了多个图案的标尺作为水平校正对象，使对于所述标尺的焦点自动地对准，该测量机的自动焦点机构具有：驱动单元，使所述聚焦透镜沿着所述水平校正光学系统的光轴方向移动；位置检测单元，检测所述水平校正光学系统中的所述聚焦透镜的位置；光电转换单元，将成像于所述焦点板上的物体像转换为电信号；频率检测单元，检测由所述光电转换单元的输出所产生的电信号的频率；距离计算单元，在监视通过所述位置检测单元的检测所得到的所述聚焦透镜的位置以及通过所述频率检测单元的检测而得到的频率、且所述聚焦透镜的位置改变的过程中，以利用所述频率检测单元检测出对应于该位置预先设定的特定频率为条件，以所述光电转换单元的输出信号为基础，计算从所述望远镜移动到所述标尺的距离；以及，驱动控制单元，以所述距离计算单元的计算值和所述位置检测单元的的检测输出为基础，来控制所述驱动单元的驱动，确定所述聚焦透镜的位置。

(作用)若由于驱动单元的驱动而使聚焦透镜沿着水平校正光学系统的光轴方向移动，则利用位置检测单元检测聚焦透镜的位置，并且，利用光电转换单元将相当于成像于焦点板上的物体像的物体像转换为电信号、以改变聚焦透镜的位置的过程中，利用频率检测单元检测出对应于该位置、预先设定的特定频率时，聚焦透镜位于聚焦位置，并以光电转换单元的输出信号为基础，利用距离计算单元计算从望远镜到标尺的距离，因此，能够可靠且迅速地检测出聚焦透镜位于聚焦位置。

即，若用望远镜中对等间隔配置了多个图案的标尺进行水平校正后，则在光电转换单元中，取入了在焦点板上成像的物体像，并从光电转换单元输出与物体像的明暗相对应的电信号。电平按照物体像的明暗而改变的电信号成为频率按照聚焦透镜的位置而改变的电信号。而且，由于能够按照聚焦透镜的位置、以及从望远镜到标尺的距离之间的关系，设聚焦透镜位于聚焦位置上时、按照标尺上的图案所检测出的频率而预先求出电信号的频率，因此，在聚焦透镜的位置变化的过程中，监视聚焦透镜的位置和电信号的频率，在聚焦透镜的位置变化时，在该位置检测出特定频率时，能够判断为聚焦透镜大致位于聚焦位置。电信号的频率即使在标尺处于不均一亮度的环境下，也能够被正确检测，并且，即使在仅仅对标尺中的、标尺的上端或下端执行水平校正时也能够被正确检测，因此，能够可靠且迅速地检测出聚焦透镜大致位于聚焦位置上。

设聚焦透镜大致位于聚焦位置而求出了从望远镜到标尺的距离之后，以从望远镜到标尺的距离以及聚焦透镜的位置为基础，来控制驱动单元的驱动，并执行聚焦透镜的定位，由此能够使焦点自动对准标尺。这种情况下，通过执行规定聚焦透镜的停止位置的控制来作为针对驱动单元的驱动控制，从而能够执行聚焦透镜的定位。例如，就与距离计算单元的计算值相对应的聚焦透镜而言的聚焦位置、与位置检测单元的检测值(聚焦透镜的位置)的差成为0时，执行使借助于驱动单元而使聚焦透镜的移动停止的控制，由此能够将聚焦透镜定位在聚焦位置上。

在技术方案2中，其结构为，在技术方案1所述的测量机的自动焦点机构中，所述频率检测单元，在根据所述位置检测单元的检测输出而仅仅提取出由所述光电转换单元的输出而产生的电信号中的、假定为所述聚焦透镜位于聚焦位置时从所述标尺上的图案而检测出的特定频率分量。

(作用)在频率检测单元从由光电转换单元的输出而产生的电信号中检测该频率时，设聚焦透镜处于聚焦位置上时，根据聚焦透镜的位置而仅仅提取出假定为从标尺上的图案而检测出的特定频率分量的处理，例如，为了执行带通滤波处理，在标尺处于亮度不均一的环境下时，即使在由光电转换单元的输出所产生的电信号上，作为噪声而重叠了从标尺上的图案以外的部分得到的信号，也能够仅仅提取出从标尺上的图案中所得到的频率分量，能够更正确地检测与聚焦透镜的位置相对应的特定频率，能够更正确地执行聚焦透镜位于聚焦位置的判断。

在技术方案3中，其结构为，在技术方案2所述的测量机的自动焦点机构中，所述距离计算单元具有：移动平均处理单元，计算由于所述频率检测单元的提取所得到的特定频率分量的绝对值，并以预先设定的标尺区域区域为基础对该计算值实施移动平均处理；判定单元，针对所述移动平均处理单元的处理结果，来判断最大值是否超过了阈值；标尺区域设置单元，以由所述判断单元而得到了肯定的判断结果为条件，将以所述最大值为中心的标尺区间区域与所述光电转换单元的输出信号相关联地进行设置；以及，运算单元，将由所述光电转换单元的输出所得到的电信号中的、所述标尺区域内的电信号周期作为所述标尺上的图案间的间距，来计算从所述望远镜到所述标尺的距离。

(作用)若对于利用带通滤波处理所得到的特定频率分量计算其绝对值，并针对所计算出的绝对值实施移动平均处理，则能够仅提取具有连续性的信号分量。此时，在根据标尺上的图案所得到的信号分量是具有连续性的分量时，由移动平均处理所得到的电平变大。对此，若在提取出了连续性少的信号分量作为对标尺以外的背景等进行水平校正所得到的信号时，对该信号分量实施移动平均处理，则该信号电平变低。于是，在利用移动平均处理所得到的信号电平的最大值超过阈值时，设聚焦透镜大致位于聚焦位置，将以最大值为中心的标尺区间区域与光电转换单元的输出信号相对应地设定为标尺区域，将标尺区域内的电信号的周期(波的间隔)设为标尺上的图案间的间距，计算从望远镜到标尺的距离，由此能够仅使用明亮的电平的信号分量来计算从望远镜到标尺的距离，从而能够求出更高精度的距离。

在技术方案4中，其结构为，在技术方案2所述的测量机的自动焦点机构中，所述光电转换单元具有多个光电转换元件，所述距离计算单元具有：移动平均处理单元，计算由所述频率检测单元的提取所得到的特定频率分量的绝对值，并以预先设定的标尺区间区域为基础，对该计算值实施移动平均处理；光量修正系数计算单元，以在所述移动平均处理单元中使用的标尺区间区域中的光量的最大值以及从光电转换元件组的输出信号中得到的光量的最大值的差为基础，计算光量修正系数；光量修正系数乘法运算单元，使按照所述光量修正系数计算单元的计算所得到的光量修正系数与所述移动平均处理单元的处理结果相乘；判断单元，判断所述光量修正系数乘法运算单元的乘法运算结果的最大值是否超过阈值；标尺区域设置单元，以由所述判断单元得到了肯定的判断结果为条件，将以所述最大值为中心的标尺区间区域与所述光电转换单元的输出信号相关联地进行设置；以及运算单元，将由所述光电转换单元的输出所产生的电信号中的、所述标尺区域内的电信号的周期作为所述标尺上的图案间的间距，来计算从所述望远镜到所述标尺的距离。

(作用)若针对利用带通滤波处理所得到的特定频率分量计算其绝对值，并对所计算出的绝对值实施移动平均处理，则能够仅仅提取出具有连续性的信号分量。此时，在标尺上的图案是正在写入的信号分量是具有连续性的分量时，由移动平均处理所产生的电平变大。对此，在提取了连续性少的信号分量作为对标尺以外的背景等执行水平校正所得到的信号时，若对该信号分量实施移动平均处理，则该信号电平变低。另一方面，在比标尺还要亮的部分被写入背景、从写入到背景内的像所得到的信号分量具有连续性时，与写入标尺上的图案的信号的电平相比，从写入到背景内的像所得到的信号的电平较大，不能原样地提取标尺像。因此，我们考虑将比标尺明亮的部分写入背景，在执行过移动平均处理后，执行光量修正系数乘法运算处理。具体来说，针对利用带通滤波处理所得到的特定频率分量计算其绝对值，并且，针对计算出的绝对值，以预先设定的标尺区间区域为基础，对该计算值实施移动平均处理，以在移动平均处理中使用的标尺区间区域中的光量的最大值和根据光电转换元件组的输出信号所得到的光量的最大值的差为基础，来计算光量修正系数。以其为基础来计算使各光电转换元件的输出信号的电平成为光量最大值的光量修正系数。例如，在写入了标尺图案的电信号(光电转换元件的输出信号)的电平为光量最大值的1/2时，将光量修正系数设定为2来执行求取，在与写入了背景的像有关的电信号的电平大致为光量最大值时，将光量修正系数设为1来执行求取。求取了光量修正系数后，对由移动平均处理所得到的信号乘以光量修正系数。如此，对写入了标尺图案的电信号实施移动平均处理所得到的信号乘以2，对有关写入到背景内的像的电信号实施移动平均处理所得到的信号乘以1，使写入了标尺图案的信号电平大于有关写入到背景内的信号电平。此后，在利用光量修正系数乘法运算处理所得到的信号(有关标尺图案的信号)的电平的最大值超过阈值时，设聚焦透镜大致处于聚焦位置，将以最大值为中心的标尺区间区域与光电转换单元的输出信号相对应地进行设置，将标尺区域内的电信号的周期(波的间隔)作为标尺上的图案间的间距，计算从望远镜到标尺的距离，由此能够求取更高精度的距离。另外，即使在比标尺还要明亮的部分被写入到背景内时，也能够更迅速且正确地检测出聚焦透镜大致位于聚焦位置。

发明效果

从以上说明中我们可以了解到，根据技术方案1的测量机的自动焦点机构，能够可靠且迅速地检测聚焦透镜位于聚焦位置。

根据技术方案2，能够更正确地执行聚焦透镜位于聚焦位置的判断。

根据技术方案3，能够区分标尺和背景，能够求取更高精度地距离。

根据技术方案4，即使在比标尺还要明亮的部分被写入到背景内时，也能够更迅速且正确地检测聚焦透镜大致位于聚焦位置。

附图说明

图1是用于说明将本发明应用于电子水平仪时的电子水平仪和标尺的关系的立体图。

图2是表示本发明的一个实施例的测量机的自动焦点机构的方框结构图。

图3是表示从望远镜到标尺的距离与聚焦透镜位于聚焦位置时的位置之间的关系的特性图。

图4是用于说明聚焦透镜位于非聚焦状态时的动作的波形图。

图5是用于说明聚焦透镜大致位于聚焦位置时的作用的波形图。

图6是用于说明检测等间隔图案的间距的方法的波形图。

图7是本发明的其他实施例，是用于说明比聚焦透镜大致位于聚焦位置时的标尺还要明亮的部分被写入到背景内时的作用的波形图。

图8是用于说明光量修正系数乘法运算处理的图。

图9是本发明其他实施例，是用于说明聚焦透镜大致位于聚焦位置时的标尺被配置在比背景还要明亮的环境时的作用的波形图。

图10是表示以往例子的方框结构图。

图11是用于说明以往例子的动作的波形图。

具体实施方式

以下，基于实施例来说明本发明的实施方式。图1是用于说明应用了本发明的电子水平仪和表尺的关系的立体图，图2是表示本发明的一个实施例的测量机的自动焦点机构的方框结构图。

在这些图中，电子水平仪2是作为利用望远镜20对标尺1进行水平校正、测量水平校正位置的高度h的测量机而被构成的。在标尺1上，在白底的表面上沿着标尺1的上下方向(轴方向)按等间隔显示有多个黑色的标记11。各标记11的上下方向的宽度尺寸不是完全相同的尺寸，多种尺寸的标记11按照规定顺序被配置在标尺1上。即，在标尺1上，由各标记11所形成的多个图案按等间隔形成为条码图案。标尺1通常按正立状态放置，但也有按以顶面C为基准，将标尺1在上向方向反转的倒立状态来放置的情况。这种情况下，利用电子水平仪2来测量从顶面C到水平校正位置的距离h(以下与正立状态的情况相同，称为水平校正位置的高度h)。并且，在标尺1的里面(背面)，为了能够使用标尺1而设置了同样的条码图案(图中未示)。此外，由于即使上下颠倒标尺1，也能够通过软件功能来读出标尺1，因此，有可能在操作者使用标尺1时，会弄错标尺1的上下方向。

望远镜20如图2所示，作为水平校正光学系统，具有物镜21a、聚焦透镜21b、自动补偿机构(补偿中心)22、分束器23、焦点板20a、以及目镜20b。聚焦透镜21b、自动补偿机构22、分束器23以及焦点板20a被配置排列于连结物镜21a和目镜20b的光轴上。自动补偿机构22具有即使在电子水平仪的水平校正轴倾斜的情况下，也自动地在水平方向(水平校正面)执行校正的机构。用具有水平校正光学系统的望远镜20中对标尺1等水平校正对象进行水平校正时，由于该水平校正而受光的光信号经由物镜21a、聚焦透镜21b、倾斜自动补偿机构22以及分束器23而作为物体像成像于焦点板20a上。为了根据与标尺1的距离来调整成像于焦点板20a上的物体像的聚焦状态，例如是聚焦、非聚焦，而设置了聚焦透镜21b，为了能使该聚焦透镜21b沿着水平校正光学系统的光轴在规定范围能移动，而沿着水平校正光学系统的光轴往复自由地配置聚焦透镜21b。为了使该聚焦透镜21b沿着水平校正光学系统的光轴移动，在聚焦透镜21b上，经由齿条齿轮等机构(图中未示)而连接有马达41。该马达41作为驱动单元能够应答来自驱动电路4的脉冲信号而沿着水平校正光学系统的光轴移动聚焦透镜21b。驱动电路4根据来自微型计算机3的指令来产生脉冲信号，并将该脉冲信号输出到马达41。

水平校正光学系统中的马达41的位置由位置传感器5检测。位置传感器5作为检测水平校正光学系统中的聚焦透镜21b的位置检测单元，例如使用光学传感器(线性编码器)、磁传感器、或者检测马达旋转量的旋转量传感器等来构成，位置传感器5的检测输出被输入给微型计算机3。

在望远镜20附近，在与焦点板20a共轭的位置上配置有线传感器24。线传感器24与物镜21a、聚焦透镜21b、自动补偿机构22、分束器23一起构成了图象光学系统，其作为由分束器23分支的光信号在其受光面受光、将受光面上所形成的物体像(相当于成像于焦点板20a上的物体像的物体像)根据其明暗而转换为电信号的光电转换单元而被构成。线传感器24在利用望远镜20对无限远的标尺1执行了水平校正时，为了输出有关标尺1上的所有图案的电信号，例如使用2048象素的CCD(Charge Couple device)来构成与2048象素相对应的光电转换元件，在利用放大器25对由线传感器24的输出所得到的电信号进行放大后，将其输入到A/D(模拟/数字)转换器27。A/D转换器27与时钟驱动器26的时钟信号同步地对输入信号进行采样，并且，将所保持的模拟信号转换为数字信号，并输出到RAM 28。通过A/D转换器27的转换动作所得到的数字信号作为数字数据，被顺序记录到RAM 28的指定区域内，所记录的数据被传送到微型计算机3。

微型计算机(CPU)3是具有作为频率检测单元的功能而被构成的，所述频率检测单元以RAM 28内所记录的数据为基础，来检测由线传感器24的输出所得到的电信号的频率，并且，微型计算机3还具有作为距离计算单元的功能，所述距离计算单元用于监视由位置传感器5的输出得到的聚焦透镜21b的位置、和由线传感器24的输出得到的电信号的频率，在聚焦透镜21b的位置变化的过程中，以检测出与该位置相对应地预先设定的特定频率为条件，即以检测出聚焦透镜21b大致处于聚焦位置为条件，基于由线传感器24的输出所产生的电信号来计算从望远镜20到标尺1的距离。

微型计算机3是具有作为驱动控制单元的功能而被构成的，所述驱动控制单元以距离计算单元的计算值以及位置传感器5的检测输出为基础，来控制马达41的驱动，进行聚焦透镜21b的定位。作为用于执行聚焦透镜21b的定位的控制，能够执行规定了聚焦透镜21b的停止位置的控制。例如，在就距离计算单元的计算值所对应的聚焦透镜21b而言的聚焦位置和位置传感器5的检测值(聚焦透镜21b的位置)的差已经变为0时，能够执行使得由马达41的驱动而导致的聚焦透镜21b的移动停止的控制。

在ROM 31内，如图3所示，记录了表示在聚焦透镜21b位于聚焦位置时的、聚焦透镜21b的水平校正光学系统的位置(1)、与聚焦透镜21b位于聚焦位置时的、从望远镜20到标尺1的距离(d)之间的关系的数学表达式。

线传感器24的输出所得到的电信号作为与标尺1上的图案的明暗相对应的交流信号(与亮度相对应的交流信号)而被输出，并且，还作为频率根据聚焦透镜21b的位置而变化的交流信号被输出。该交流信号在标尺1处于距离望远镜20近的位置上时变为聚焦状态时，成为低频率的信号，在标尺1从望远镜20依次变远的位置上分别变为聚焦状态时，依次变为高频率的信号。由此，能够与聚焦透镜21b的位置相对应地预先求取在聚焦透镜21b处于聚焦位置上时的、线传感器24的输出信号的频率、与聚焦透镜21b处于聚焦位置上时的、从望远镜20到标尺1的距离之间的关系的关系。

因此，在本实施例中，在ROM 31内存储有表示在聚焦透镜21b处于聚焦位置时的位置、以及假定为在聚焦透镜21b处于聚焦位置时从标尺1的图案检测出的频率之间的关系的数学表达式。

这样，在本实施例中，由于判断为聚焦透镜21b大致位于聚焦位置，因此，微型计算机3基于与存储在ROM 31内的特性值等有关的表和数据等来监视由线传感器24的输出所得到的电信号的频率，并且，对由位置传感器5的输出所得到的聚焦透镜21b的位置进行监视，在聚焦透镜21b的位置变化的过程中，在检测出与该位置相对应地预先设定的特定频率时，设聚焦透镜21b大致位于聚焦位置，以线传感器24的输出信号为基础来计算从望远镜20到标尺1的距离。微型计算机3在判断出聚焦透镜21b大致处于聚焦位置后，以从望远镜20到标尺1的距离和由位置传感器5的检测所得到的聚焦透镜21b的位置为基础，来控制马达41的驱动，执行聚焦透镜21b的再次定位。

即，微型计算机3具有作为驱动控制单元的功能，作为用于规定聚焦透镜21b的停止位置的控制，在与从望远镜20到标尺1的距离相对应的聚焦透镜21b的聚焦位置、以及由位置传感器5的检测所得到的聚焦透镜21b的位置的差变为0时，使借助于马达41来执行的聚焦透镜21b的移动停止，并执行聚焦透镜21b在聚焦位置上的定位。此外，借助于微型计算机3的运算所得到的测量结果被显示在显示部32的画面上。

接下来，基于图4和图5来说明具体的动作。首先，若自动焦点按钮33被操作，则微型计算机3开始自动焦点处理，伴随着该处理的指令被提供给驱动电路4，以从驱动电路4向马达41顺序输出脉冲信号。应答该脉冲信号、马达41旋转时，聚焦透镜21b暂时移动到聚焦透镜21b的可移动范围中的、目镜20b一侧的终端并停止。此时，望远镜20处于聚焦于无限远的位置的状态。当在无限远的位置上不存在标尺1时，如图4(a)所示，越是能够从线传感器24来特定标尺1，则标尺1越不鲜明，从而是整体上模糊的信号，成为大致平坦波形的信号。此时，执行用于基于线传感器24的输出信号而利用微型计算机3提取特定频率分量的带通滤波处理，则得到如图4(b)所示的信号。这种情况下，在微型计算机3中，由于标尺1处于无限远时，即使执行了用于仅仅提取假定为按照标尺1上的图案所检测出的特定频率的带通滤波处理，如图4(c)所示，提取出的信号分量的最大值M也不会超过阈值L，因此，设聚焦透镜21b不处于聚焦位置，使聚焦透镜21b按规定速度顺序移动到物镜21a一侧。

在聚焦透镜21b移动到物镜21a一侧的过程中，顺序改变根据聚焦透镜21b的位置来执行带通滤波处理时的频率(特定频率)，并且，用微型计算机3监视线传感器24的输出信号的状态。若伴随着聚焦透镜21b的移动，标尺1上的图案的明暗作为信号振幅被观测到，则例如如图5(a)所示，从线传感器24输出与各光电转换元件(象素)的位置相对应的电信号S1、S2、S3等。此时，在微型计算机3中，执行用于提取与聚焦透镜21b的位置相对应的特定频率分量的带通滤波处理，如图5(b)所示，仅仅提取出与标尺1上的等间隔图案相对应的频率分量的信号S11、S31。即，信号S1、S3具有相同的频率分量，由于假定为写入了标尺1的图案，因此，利用带通滤波处理提取出与信号S1、S3相对应的信号S11、S31。对此，信号S2由于其频率分量与信号S1、S2不同，因此，作为关于标尺1以外的背景的信号，而通过带通滤波处理被除去。

另一方面，即使执行带通滤波处理，在提取了多个被假定为写入了标尺1的图案的信号时，不能原样地基于由线传感器24的输出所得到的电信号来高精度地计算出从望远镜20到标尺1的距离。

因此，在本实施例中，为了更高精度地计算距离，对利用带通滤波处理所得到的特定频率分量的绝对值进行计算，针对该计算值实施移动平均处理。若实施了移动平均处理，则在信号分量内具有周期的连续性的部分，其电平变高。

例如，对于利用带通滤波处理所得到的信号S11、S31，计算其绝对值，使用预先设定的标尺区间区域A、例如是相当于标尺1上的70个图案的标尺区间区域A，来实施移动平均处理，则如图5(c)所示，得到了信号S12、S32的波形。这种情况下，由于信号S11的信号分量具有连续性，因此，信号S12的电平变高。与此相对，信号S31由于其信号分量的连续性少，因此，信号S32的电平变低。此后，判断利用移动平均处理所得到的信号的最大值是否超过阈值L。这种情况下，由于最大值M1超过了阈值L，因此，判断为处于大致聚焦状态。之后，以与最大值M1相对应的光电转换元件(象素)的位置为基础，电信号S1作为写入了标尺1的电信号，如图5(d)所示，对作为线传感器24的输出的电信号，将以最大值M1为中心的标尺区间区域A设定为标尺区域。

接下来，如图5(e)所示，将属于标尺区域内的信号分量(电信号S1)的周期T(波的间隔)作为标尺1上的图案间的间距，以该间距为基础来计算从望远镜20到标尺1的距离。基于该计算值，使聚焦透镜21b移动到指定位置，并使其停止于该位置，由此能够将聚焦透镜21b定位在聚焦位置上。

这种情况下，微型计算机3除了作为前述的距离计算单元和频率检测单元的功能之外，还用作判断单元、标尺区域设定单元和计算单元。其中，所述判断单元对由频率检测单元的提取所得到的特定频率分量的绝对值进行计算，并以预先设定的标尺区间区域A为基础，对该计算值实施移动平均处理；所述标尺区域设定单元，以利用该判断单元得到了肯定的判断结果为条件，将以所述最大值为中心的标尺区间区域A与线传感器24的输出信号相关联地来设置；所述运算单元，将由线传感器24的输出所得到的电信号中的标尺区域内的电信号的周期T作为标尺1上的图案间的间距，来计算从望远镜1到标尺1的距离。

在本实施例1中，针对由线传感器24的输出所得到的电信号，执行带通滤波处理，以提取特定频率分量，并且，针对所提取出的特定频率分量求取其绝对值，对其绝对值实施移动平均处理，由于以移动平均处理的结果的最大值超过阈值为条件，来判断聚焦透镜21b大致处于聚焦位置，因此，能够更迅速且正确地检测出聚焦透镜21b处于聚焦位置。

由于在判断为聚焦透镜21b处于大致聚焦位置之后，基于从标尺1的等间隔图案所得到的信号分量中的、属于标尺区域的信号分量(信号S1)的周期T，来计算从望远镜20到标尺1的距离，因此，能够高精度地求取距离，并且，还能够将聚焦透镜21b更正确地定位于聚焦位置上。

在求取等间隔图案的间距时，如图6所示，能够采用下述方法：对于由线传感器24的输出所得到的电信号设定规定阈值α，求取超过了阈值α的信号分量的中心间隔p1、p2、p3、p4，求取各中心间隔p间的平均值。

在聚焦透镜21b被定位在聚焦位置上后，例如，能够按照日本专利特开平11-183164号公报所示的顺序来求取水平校正位置的高度h。

在所述实施例中，尽管假定标尺1被配置在比背景还要亮的环境内，但实际上，有时也有将比标尺1还亮的部分写入背景内的情况。这种情况下，由于标尺像的光量相对降低，因此，有时不能原样地提取出标尺像。因此，考虑向背景中写入比标尺1还要亮的部分，在执行了移动平均处理后，执行光量修正系数乘法运算的处理。

具体而言，在向背景中写入比标尺1还要亮的部分时，若伴随着聚焦透镜21b的移动，标尺1上的图案的明暗作为信号振幅而被观测，则例如如图7(a)所示，从线传感器24输出与各光电转换元件(象素)的位置相对应的电信号S1’、电信号S3’等。此时，在微型计算机3中，用于提取与聚焦透镜21b的位置相对应的特定频率分量的带通滤波处理被执行，如图7(b)所示，仅仅提取出与标尺1上的等间隔图案相对应的频率分量的信号S11’、S31’。即，由于信号S11’、S31’具有相同的频率分量，且假定为写入了标尺1的图案的信号，因此，能够被利用带通滤波处理来提取出。

接下来，针对利用带通滤波处理所得到的波形(包含信号S11’和信号S31’)，计算其绝对值，使用预先设置的标值区间区域A、例如是相当于标尺1上的70个图案的标尺区间区域A，来对该计算值实施移动平均处理，则得到图7(c)所示的波形(包含信号P1’和信号P3’)。

在利用移动平均处理得到了信号P1’和信号P3’时，原样地将P3’变为最大值后的背景判定为标尺。

因此，在本实施例中，在利用移动平均处理得到了信号P1’和信号P3’时，对信号P1’和信号P3’实施光量修正系数乘法运算处理。例如，如图8(a)所示，针对线传感器24的各光电转换元件的电信号(输出信号)，将标尺区间区域A内的光量的最大值和全体光量的最大值B1相比较。具体而言，以与电信号S1’相对应的标尺区间区域A中的光量的最大值MA1和全体光量的最大值B1的差为基础，来计算光量修正系数α1。同样，以与电信号S3’相对应的标尺区间区域A中的光量的最大值MA2和全体光量的最大值B1的差为基础，来计算光量修正系数α2。这种情况下，由于电信号MA1的电平约是最大值B1的1/2，因此，如图8(b)所示，光量修正系数α1大约设定为2。与此相对，由于电信号MA2的电平是最大值B1，因此，光量修正系数α1设定为1。接下来，对求出的光量修正系数执行移动平均处理后，对图7(c)的全体执行乘法运算。在求取了光量修正系数α1和光量修正系数α2的值时，对光量修正系数α1和信号P1’执行乘法运算处理，并对光量修正系数α2和信号P3’执行乘法运算处理。若执行了这些处理，则如图7(d)所示，信号P1’变为信号P11’，信号P3’变为P31’。这种情况下，由于光量修正系数α1＞光量修正系数α2，因此，信号P11’的电平变得信号P31’的电平大。

此后，判断由光量修正系数乘法运算处理所得到的信号的最大值是否超过了阈值L。这种情况下，由于最大值M1’超过了阈值L，因此，判断为聚焦透镜21b大致处于聚焦位置，并且，以与信号P11’的最大值M1相对应的光电转换元件(像素)的位置为基础，判断为信号S1’为写入了标尺1的信号。在信号P11’的最大值M1’超过阈值L时，以与信号P11’的最大值M1’相对应的光电转换元件(像素)的位置为基础，将以最大值M1’为中心的标尺区间区域A如图7(e)所示地，对作为线传感器24的输出的电信号设定为标尺区域。

接下来，如图7(f)所示，将属于标尺区域内的信号分量(电信号S1’)的周期T(波的间隔)作为标尺1上的图案间的间距，以该间距为基础来计算从望远镜20到标尺1的距离。以该运算值为基础，使聚焦透镜21b移动到指定位置，并使其停止在该位置上，由此能够将聚焦透镜21b定位在聚焦位置上。

在本实施例中，针对由线传感器24的输出所得到的电信号，执行带通滤波处理，提取出特定的频率分量，并且，对所提取出的特定频率分量，求取其绝对值，对该绝对值实施移动平均处理，针对移动平均处理结果实施光量修正系数乘法运算处理，以该处理结果的最大值超过阈值为条件，判断为聚焦透镜21b大致位于聚焦位置，由此，即使在比标尺1亮的部分写入背景内时，也能够更迅速且正确地检测出聚焦透镜21b大致位于聚焦位置。

这种情况下，微型计算机3除了作为前述的距离计算单元和频率检测单元的功能外，还用作以下功能：移动平均处理单元，对由频率检测单元的提取所得到的特定频率分量的绝对值进行计算，以预先设定的标值区间区域A为基础，对该计算值实施移动平均处理；光量修正系数计算单元，以所述移动平均处理单元中使用的标尺区间区域A的最大值、和从光电转换元件组的输出信号得到的光量的最大值的差为基础，来计算光量修正系数；光量修正系数乘法运算单元，对由所述光量修正系数计算单元的计算所得到的光量修正系数、和所述移动平均处理单元的处理结果执行乘法运算；判断单元，判断所述光量修正系数乘法运算单元的乘法结果的最大值是否超过阈值；标尺区域设置单元，以利用该判断单元得到了肯定的判断结果为条件，将以所述最大值为中心的标尺区间区域A与线传感器24的输出信号相关联地执行设定；以及，运算单元，将由线传感器24的输出所得到的电信号中的、标尺区域内的电信号的周期T作为标尺1上的图案间的间距，来计算从望远镜20到标尺1的距离。

另一方面，在标尺1配置在比背景还要亮的环境内时，在执行了包含光量修正系数乘法运算处理的处理时，得到了图9(a)-(f)所示的波形。这种情况下，若关于在移动平均处理中所得到的信号P1、P3，来实施光量修正系数乘法运算处理，则信号P1和信号P3的电平差缩小，但是，由于相对于信号S11，信号S31的连续性小，因此，信号P31没有超过信号P11。并且，以波形(d)的最大值M1超过阈值L为条件，设聚焦透镜21b大致位于聚焦位置，设定以最大值M1为中心的标尺区间区域A(图9(e))、将属于标尺区域的信号分量(电信号S1)的周期T(波的间隔)作为标尺1上的图案间的间距，以该间距为基础来计算从望远镜20到标尺1的距离，基于该计算值将聚焦透镜21b移动到指定位置，并使其停止在该位置上，由此能够将聚焦透镜21b定位在聚焦位置上。

Claims (4)

1.一种测量机的自动焦点机构，它被安装在具有望远镜的测量机上，以等间隔排列了多个图案的标尺作为水平校正对象，使焦点自动对准所述标尺，其中，所述望远镜具有水平校正光学系统，该水平校正光学系统在物镜和目镜之间排列有焦点板、和在所述焦点板上成像的聚焦透镜，

该测量机的自动焦点机构的特征在于，具有：

驱动单元，使所述聚焦透镜沿着所述水平校正光学系统的光轴方向移动；

位置检测单元，检测所述水平校正光学系统中的所述聚焦透镜的位置；

光电转换单元，将成像于所述焦点板上的物体像转换为电信号；

频率检测单元，检测由所述光电转换单元的输出所得到的电信号的频率；

距离计算单元，监视由所述位置检测单元的检测所得到的所述聚焦透镜的位置以及由所述频率检测单元的检测所得到的频率，在所述聚焦透镜的位置改变的过程中，以由所述频率检测单元检测出对应于该位置预先设定的特定频率为条件，基于所述光电转换单元的输出信号，来计算从所述望远镜到所述标尺的距离；以及，

驱动控制单元，基于所述距离计算单元的计算值和所述位置检测单元的检测输出，来控制所述驱动单元的驱动，进行所述聚焦透镜的定位。

2.如权利要求1所述的测量机的自动焦点机构，其特征在于，

所述频率检测单元根据所述位置检测单元的检测输出，仅仅提取出由所述光电转换单元的输出所得到的电信号中的、被假定为所述聚焦透镜位于聚焦位置时从所述标尺上的图案被检测出的、特定频率分量。

3.如权利要求2所述的测量机的自动焦点机构，其特征在于，所述距离计算单元具有：

移动平均处理单元，计算由所述频率检测单元的提取所得到的特定频率分量的绝对值，基于预先设定的标尺区间区域，对该计算值实施移动平均处理；

判断单元，针对所述移动平均处理单元的处理结果，来判断最大值是否超过阈值；

标尺区域设置单元，以利用所述判断单元而得到了肯定的判断结果为条件，将以所述最大值为中心的标尺区间区域与所述光电转换单元的输出信号相关联地进行设置；以及

运算单元，以由所述光电转换单元的输出所得到的电信号中所述标尺区域内的电信号的周期作为所述标尺上的图案间的间距，来计算从所述望远镜到所述标尺的距离。

4.如权利要求2所述的测量机的自动焦点机构，其特征在于，所述光电转换单元具有多个光电转换元件，所述距离计算单元具有：

移动平均处理单元，计算由所述频率检测单元的提取所得到的特定频率分量的绝对值，并基于预先设定的标尺区间区域，对该计算值实施移动平均处理；

光量修正系数计算单元，基于所述移动平均处理单元所使用的标尺区间区域中的光量的最大值和从光电转换元件组的输出信号所得到的光量的最大值的差，来计算光量修正系数；

光量修正系数乘法运算单元，将由光量修正系数计算单元的计算所得到的光量修正系数与所述移动平均处理单元的处理结果相乘；

判断单元，判断所述光量修正系数乘法运算单元的乘法运算结果的最大值是否超过了阈值；

标尺区域设置单元，以利用所述判断单元而得到了肯定的判断结果为条件，将以所述最大值为中心的标尺区间区域与所述光电转换单元的输出信号相关联地进行设置；以及，

运算单元，将由所述光电转换单元的输出所得到的电信号中所述标尺区域内的电信号的周期作为所述标尺上的图案间的间距，来计算从所述望远镜到所述标尺的距离。

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