DE102006007013A1 - Automatischer Fokussiermechanismus eines Vermessungsinstruments - Google Patents

Automatischer Fokussiermechanismus eines Vermessungsinstruments Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung sieht eine Einrichtung vor, die korrekt und schnell ermittelt, ob die Fokussierlinse (21b) eines automatischen Fokussiermechanismus sich in ihrer Fokussierposition befindet. DOLLAR A Beim Bewegen einer Fokussierlinse (21b) mittels eines Motors (41) entlang der optischen Achse eines optischen Kollimationssystems (Teleskops (20)) wird das Bild eines von dem Teleskop (20) anvisierten Stabs (1) von einem Zeilensensor (24) in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das Ausgangssignal des Zeilensensors (24) wird ferner von einem A/D-Wandler (27) in ein digitales Signal umgewandelt und in einem RAM (28) gespeichert. Auf der Grundlage der in dem RAM (28) gespeicherten Daten überwacht ein Mikrocomputer (3) Frequenzen der Komponentensignale oder Wavelets, die in dem in dem RAM (28) gespeicherten Ausgangssignal des Zeilensensors (24) enthalten sind. Wenn während der Veränderung der Position der Fokussierlinse (21b) eine mit der Position der Fokussierlinse (21b) zusammenhängende bestimmte Frequenz des Ausgangssignals erkannt wird, wird die Entscheidung getroffen, daß die Fokussierlinse (21b) sich in einer richtigen Fokussierposition befindet, und die Entfernung von dem Teleskop (20) zu dem Stab (1) wird auf der Grundlage des Ausgangssignals des Zeilensensors (24) berechnet. Die Positionierung der Fokussierlinse in der Fokussierposition kann durch Vergleich der anhand der Entfernung berechneten Position der Fokussierlinse (21b) mit der durch den Positionssensor (5) ...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen automatischen Fokussiermechanismus, der in ein Vermessungsinstrument, z.B. ein elektronisches Nivellierinstrument, eingebaut und in der Lage ist, ein Teleskop automatisch auf einen anvisierten Stab zu fokussieren.
  • Ein typischer, in ein elektronisches Nivellierinstrument eingebauter automatischer Fokussiermechanismus weist eine Vorrichtung gemäß den 10 und 11 auf. (Vergleiche beispielsweise mit der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2001–12949, S. 2–3, 23). Dieser automatische Fokussiermechanismus ist mit einer Ansteuerschaltung 4 zum Steuern der Bewegung eines Schrittmotors 41 zwecks Bewegen der Fokussierlinse 21b eines Teleskops (das als optisches Kollimationssystem dient) entlang seiner optischen Achse ausgestattet, wobei das Teleskop außer der Fokussierlinse 21b eine Objektivlinse 21a, einen automatischen Kollimationsachsenausgleichmechanismus 22, einen Strahlenteiler 23, eine Fokussierplatte 20a und ein Okular 20b aufweist. Dieser automatische Fokussiermechanismus ist auch mit einem Zeilensensor 24 ausgestattet, der das Bild eines Stabs, der durch das Teleskop anvisiert und durch einen Strahlenteiler 23 erfaßt wird, in ein elektrisches Signal umwandelt. Das von dem Zeilensensor 24 ausgegebene elektrische Signal wird von einem Verstärker 25 verstärkt und dann von einem Analog-Digital-(A/D-)Wandler 27 in ein digitales Signal umgewandelt. Das digitale Signal wird in einem RAM 28 gespeichert, bevor es einem Mikrocomputer 3 zugeführt wird. Der Mikrocomputer 3 ist derart ausgebildet, daß er in der Lage ist:
    eine Teilung mehrerer schwarzer Markierungen (auf der weißen Oberfläche des Stabes in gleichmäßigen Abständen markierte Gradeinteilungen, die ein Dunkel-Hell-Muster bilden) auf der Basis des in dem RAM 28 gespeicherten digitalen Signals zu errechnen;
    die Entfernung von dem Teleskop 20 zu dem Stab auf der errechneten Einteilung basierend zu errechnen; und
    die Fokussierlinse 21b so zu steuern, daß sie in die der Entfernung zugeordnete Fokussierposition gebracht wird.
  • Wenn van der Ansteuerschaltung 4 unter der Steuerung des Mikrocomputers 3 dem Schrittmotor 41 ein Steuersignal zugeführt wird, bewegt sich der Schrittmotor 41 und hält die Fokussierlinse 21b an, sobald sie die Fokussierposition erreicht, d.h., das Teleskop 20 wird automatisch auf den Stab fokussiert.
  • Aus diesem Grund wird die Fokussierlinse 21b einmal zu dem anderen Ende ihres Bewegungsbereichs nahe dem Okular 20b bewegt, wobei das Teleskop 20 auf einen Unendlichkeitspunkt fokussiert ist, bei dem das Ausgangssignal des Zeilensensors 24 eine im wesentlichen flache Wellenform gemäß 11(a) hat. Bevor die Fokussierlinse 21b von dem anderen Ende (an dem das Teleskop 20 auf einen Unendlichkeitspunkt fokussiert ist) weg zu der Objektivlinse 21a hin bewegt wird, definiert der Mikrocomputer 3 einen Schwellenpegel α unterhalb des Spitzenpegels des Zeilensensors 24 und bewegt dann die Fokussierlinse 21b in Richtung der Objektivlinse 21a. Hierbei wird die Fokussierlinse 21b einmal angehalten, wenn das Ausgangssignal des Zeilensensors 24 den Schwellenwert α überschreitet, und einmal, wenn es unterhalb den Schwellenwert α absinkt, um einen Bereich β zu bestimmen, in dem das Ausgangssignal einen Pegel zwischen dem Schwellenpegel α und dem Spitzenpegel annimmt, wie in 11(b) gezeigt. Die Position der Mittellinie CL des Bereichs β wird ebenfalls bestimmt. Wenn zwei oder mehr als zwei unterschiedliche Bereiche beobachtet werden, werden die Positionen der jeweiligen Mittellinien CL und der durchschnittliche Abstand der Mittellinien CL bestimmt. Da dieser durchschnittliche Abstand der Teilung der auf dem Zeilensensor 24 abgebildeten Einteilungen des Stabs 1 entspricht, kann die Entfernung zwischen dem Teleskop 20 und dem Stab auf der Grundlage dieser Einteilung berechnet werden. Durch Bewegen der Fokussierlinse 21 zu der Fokussierposition, die durch die berechnete Entfernung bestimmt ist, kann das Teleskop genau auf den Stab fokussiert werden. Wenn das Teleskop 20 automatisch auf den Stab fokussiert ist, hat das Ausgangssignal des Zeilensensors 24 eine Wellenform gemäß 11(c).
  • Bei einem herkömmlichen automatischen Fokussiermechanismus wird zur automatischen Fokussierung des Teleskops auf einen Stab mit einem darauf befindlichen Muster aus mit gleichem Abstand angeordneten Einteilungen eine Entscheidung dahingehend getroffen, daß die Fokussierlinse 21b in einer richtigen Fokussierposition positioniert ist, wenn der Ausgangspegel des Zeilensensors 24 einen gegebenen Schwellenpegel α überschritten hat, und der Abstand der Einteilungen des Stabs wird aus dem Ausgangssignal des Zeilensensors 24 berechnet. Unter bestimmten Bedingungen in bezug auf den Stab kann der Zustand der sich in einer richtigen Fokussierposition befindenden Fokussierlinse jedoch nicht korrekt erkannt werden.
  • Dies liegt daran, daß der Stab nicht immer in einer gleichmäßig beleuchteten Umgebung verwendet wird oder weil er möglicherweise in einer dunklen Umgebung verwendet wird, in der der Ausgangspegel des Zeilensensors 24 den Schwellenpegel α an keiner Stelle innerhalb des Bewegungsbereichs der Fokussierlinse 21b überschreiten kann. Befindet sich dagegen im Bereich des Teleskops ein helleres Objekt als der Stab, wird das Teleskop möglicherweise auf das hellere Objekt fokussiert, was zur Folge hat, daß der Ausgangspegel des Zeilensensors 24 den Schwellenpegel α überschreitet, wodurch sich eine falsche Fokussierung des Teleskops auf ein anderes Objekt als den Stab ergibt, so daß eine zeitraubende Neuvermessung unvermeidlich wird.
  • Es sei darauf hingewiesen, daß der Stab nicht immer ganz vom Sichtbereich des Teleskops erfaßt wird. Wird bei der Vermessung beispielsweise nur ein oberer oder unterer Teil des Stabs genutzt, führen andere Hintergrundobjekte als der Stab zu Signalen, die das Ausgangssignal des Zeilensensors 24 überlagern. Übersteigt also der Pegel eines das Ausgangssignal des Zeilensensors 24 überlagernden Hintergrundsignals den Schwellenpegel α, ist eine falsche Bestimmung der Fokussierposition und damit der Entfernung die Folge, falls die Fokussierpositionsbestimmung unter dieser Bedingung vorgenommen wird.
  • Mit anderen Worten werden bei der Verarbeitung des Ausgangssignals des Zeilensensors 24 falsche oder ungenaue Entfernungsergebnisse ermittelt, wenn die Einteilung des Musters auf dem Stab auf falschen Daten oder Signalen mit zu niedrigem Pegel basierend berechnet wird.
  • Dann versagt auch die automatische Fokussierung des Teleskops 20 auf den Stab, wodurch sich der Vermessungsvorgang verlängert und die Arbeitseffizienz der Vermessung gemindert wird oder ihre Genauigkeit verloren geht, was einen schlechten Einfluß auf die Vermessung hat.
  • Angesichts dieser für die automatischen Fokussiermechanismen nach dem Stand der Technik relevanten Nachteile liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verbesserung bei automatischen Fokussiermechanismen vorzusehen, so daß der Zustand der sich in einer richtigen Fokussierposition befindenden Fokussierlinse korrekt und schnell erkannt werden kann.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein automatischer Fokussiermechanismus gemäß Anspruch 1 zur Verwendung bei einem Vermessungsinstrument vorgesehen, das mit einem Teleskop mit einem optischen Kollimationssystem ausgestattet ist, welches zwischen einer Objektivlinse und einem Okular desselben eine Fokussierplatte und eine Fokussierlinse zum Erzeugen eines Bildes eines als (Ziel-)Kollimationsobjekt dienenden Stabes auf der Fokussierplatte aufweist, wobei auf dem Stab in gleichmäßigen Abständen ein mehrteiliges Muster angebracht ist, wobei der automatische Fokussiermechanismus derart ausgebildet ist, daß er das Teleskop automatisch auf den Stab fokussiert und aufweist:
    eine Antriebseinrichtung zum Bewegen der Fokussierlinse entlang der optischen Achse des optischen Kollimationssystems;
    eine Positionsdetektoreinrichtung zum Ermitteln der Position der Fokussierlinse in dem optischen Kollimationssystem;
    eine photoelektrische Umwandlungseinrichtung zum Umwandeln des auf der Fokussierplatte erzeugten Bildes eines Objekts in ein elektrisches Signal;
    eine Frequenzdetektoreinrichtung zum Erkennen der Frequenzen des von der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung ausgegebenen elektrischen Signals;
    eine Entfernungsberechnungseinrichtung zum Berechnen der Entfernung von dem Teleskop zu dem Stab auf der Basis des von der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung empfangenen Ausgangssignals, wobei die Entfernungsberechnungseinrichtung derart ausgebildet ist, daß sie die von der Positionsdetektoreinrichtung ermittelte Position der Fokussierlinse und die von der Frequenzdetektoreinrichtung erkannten Frequenzen überwacht, um dadurch die Entfernung zu bestimmen, wenn während eines Positionsveränderungsvorgangs der Fokussierlinse von der Frequenzdetektoreinrichtung eine bestimmte Frequenz für eine Fokussierposition erkannt wird; und
    eine Antriebssteuereinrichtung zum Steuern der Antriebseinrichtung zwecks Positionierung der Fokussierlinse in einer Fokussierposition auf der Basis der von der Entfernungsberechnungseinrichtung berechneten Entfernung und der von der Positionsdetektoreinrichtung ermittelten Position.
  • Wenn die Fokussierlinse von der Antriebseinrichtung entlang der optischen Achse des optischen Kollimationssystems bewegt wird, erkennt die Positionsdetektoreinrichtung die Position der Fokussierlinse und ein Bild des Objekts, das dem auf der Fokussierplatte erzeugten Bild entspricht, wird auf der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung erzeugt und von dieser in ein elektrisches Signal umgewandelt. Wenn die Frequenzdetektoreinrichtung während des Vorgangs der Positionsveränderung der Fokussierlinse eine bestimmte Frequenz des elektrischen Signals erkennt, die für eine gegebene Fokussierposition der Fokussierlinse definiert ist, wird erkannt, daß die Fokussierlinse sich in der Fokussierposition befindet, was es der Entfernungsberechnungseinrichtung ermöglicht, die Entfernung zwischen dem Teleskop und dem Stab auf der Basis des von der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung ausgegebenen Signals zu berechnen, wie nachfolgend im einzelnen beschrieben wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Position der sich in einer Fokussierposition befindenden Fokussierlinse korrekt und schnell zu ermitteln.
  • Das heißt, wenn das Teleskop auf den Stab mit in gleicher Entfernung beabstandeten Einteilungen fokussiert ist, wird auf der Fokussierplatte ein Bild der Einteilungen in Form eines Dunkel-Hell-Musters erzeugt, das von der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung erfaßt und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, das kennzeichnend für das Dunkel-Hell-Muster ist. Der Pegel des elektrischen Signals variiert mit der Dunkelheit und Helligkeit des Dunkel-Hell-Musters des Bildes, und die Frequenz des Signals variiert mit der Fokussierposition der Fokussierlinse. Ferner läßt sich die aus dem Dunkel-Hell-Muster des Stabs zu ermittelnde Frequenz des elektrischen Signals bei sich in der Fokussierposition befindender Fokussierlinse vorläufig aus einer bekannten Beziehung zwischen der Fokussierposition der Fokussierlinse und der Entfernung von dem Teleskop zu dem Stab errechnen. Es ist so mit möglich, durch Überwachen der Position der Fokussierlinse und der Frequenz des Signals festzustellen, daß die Fokussierlinse sich in einer spezifischen, einer bestimmten Frequenz des Signals zugeordneten Fokussierposition befindet, wenn die bestimmte Frequenz beim Bewegen der Fokussierlinse erkannt wird. Da die Frequenz des elektrischen Signals selbst dann genau erkannt werden kann, wenn der Stab sich in einer nicht gleichmäßig beleuchteten Umgebung befindet oder wenn mit dem Teleskop nur ein oberer oder unterer Teil des Stabs gesehen werden kann, ist es möglich, die Position der Fokussierlinse, die sich in einer richtigen Fokussierposition befindet, schnell und dennoch korrekt zu ermitteln.
  • Nachdem die Entfernung des Teleskops zu dem Stab auf der Basis der zugrundeliegenden Fokussierposition bestimmt worden ist, kann eine Neupositionierung der Fokussierlinse in die genaue Fokussierposition erfolgen, indem die Antriebseinrichtung auf der Grundlage der bekannten Beziehung zwischen der Entfernung und der Fokussierposition der Fokussierlinse gesteuert wird, so daß eine automatische Fokussierung des Teleskops auf den Stab ausgeführt wird. Diese Positionierung der Fokussierlinse kann erzielt werden, indem die Antriebseinrichtung so gesteuert wird, daß sie die Fokussierlinse an der Fokussierposition anhält. Die Antriebseinrichtung kann beispielsweise so gesteuert sein, daß sie die Fokussierlinse anhält, wenn die Differenz zwischen der von der Entfernungsberechnungseinrichtung berechneten Fokussierposition und der von der Positionsdetektoreinrichtung ermittelten Position der Fokussierlinse Null geworden ist.
  • Wie in Anspruch 2 beansprucht, kann die Frequenzdetektoreinrichtung in dem automatischen Fokussiermechanismus eines Vermessungsinstruments gemäß Anspruch 1 derart ausgebildet sein, daß sie aus dem von der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung ausgegebenen elektrischen Signal nur eine bestimmte Frequenzkomponente extrahiert, die vermutlich dem Dunkel-Hell-Muster des Stabs zugeordnet werden kann, wenn die Fokussierlinse in der Fokussierposition positioniert ist.
  • Bei der Frequenzdetektoreinrichtung kann zum Extrahieren einer bestimmten Frequenzkomponente, die vermutlich dem Muster des Stabes bei in einer Fokussierposition positionierter Fokussierlinse zugeordnet werden kann, ein Bandpaßfilter verwendet werden. Auf diese Weise ist es möglich, nur jene Frequenzkomponenten, die aus dem Dunkel-Hell-Muster des Stabes stammen, für bestimmte Fokussierpositionen genauer zu ermitteln, selbst wenn der Stab sich in einer nicht gleichmäßig beleuchteten Umgebung befindet und das Ausgangssignal der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung von Rauschen überlagert ist, das von anderen Objekten als dem Stab stammt. Somit ist es möglich, auf genauere Weise festzustellen, daß die Fokussierlinse sich in der Fokussierposition befindet.
  • Wie in Anspruch 3 beansprucht, kann bei dem automatischen Fokussiermechanismus zur Verwendung bei einem Vermessungsinstrument gemäß Anspruch 2 die Entfernungsberechnungseinrichtung aufweisen: eine Einrichtung zum Bilden des gleitenden Mittels zum Berechnen der absoluten Werte der Impulshöhen der bestimmten Frequenzkomponenten, die von der Frequenzdetektoreinrichtung extrahiert werden, und zum Bilden des gleitenden Mittels aus den Absolutwerten der Impulse in einem gegebenen, vorgewählten Stabteilabschnitt;
    eine Entscheidungseinrichtung zum Treffen einer Entscheidung darüber, ob der Maximalwert des gleitenden Mittels einen gegebenen Schwellenpegel überschreitet oder nicht;
    eine Stababschnittsfestlegungseinrichtung zum Festlegen eines Stabteilabschnitts im Zusammenhang mit dem Ausgangssignal der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung, wenn eine positive Entscheidung erzielt wird, und zwar derart, daß der Stabteilabschnitt dieselbe Breite hat wie ein Bereich der photoelektrischen Wandler, der an dem den Maximalwert liefernden Wandler zentriert ist; und
    eine Berechnungseinrichtung zum Berechnen der Entfernung vom Teleskop zu dem Stab auf der Basis der Periode des Ausgangssignals der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung in dem Stabteilabschnitt, indem die Periodenlänge als Teilung des Musters des Stabs angesehen wird.
  • Durch Berechnen der absoluten Werte der Impulshöhen bestimmter Frequenzkomponenten, die durch Bandpaßfiltern gewonnen wurden, und durch Bilden des gleitenden Mittels mit den absoluten Werten können nur die kontinuierlichen Komponentensignale extrahiert werden. Falls bei dieser Bearbeitung ein Komponentensignal (Wavelet), das von dem Dunkel-Hell-Muster des Stabes stammt, kontinuierlich ist, ist sein Pegel, den man beim Bilden des gleitenden Mittels erhält, hoch. Stammt dagegen ein Komponentensignal (Wavelet) von anderen Objekten als dem Stab (z.B. von Hintergrundobjekten), ist es weniger kontinuierlich und das gleitende Mittel ist gering. Überschreitet der Maximalwert (Pegel) des gleitenden Mittels einen gegebenen Schwellenpegel, wird die Fokussierlinse als an einer richtigen Fokussierposition befindlich angesehen und in dem Ausgangssignal der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung wird ein Stabteilabschnitt derart festgelegt, daß der Stabteilabschnitt dieselbe Breite hat wie ein Bereich der photoelektrischen Wandler, der an dem den Maximalwert liefernden Wandler zentriert ist. Betrachtet man die Periodenlänge (Spitzenentfernung) des elektrischen Signals innerhalb des Stabteilabschnitts als Teilung des Dunkel-Hell-Musters des Stabes, kann die Entfernung von dem Teleskop zu dem Stab anhand der Teilung berechnet werden. Somit kann die Entfernung unter Verwendung von lediglich dem hellsten Komponentensignal mit höherer Genauigkeit berechnet werden.
  • Wie in Anspruch 4 beansprucht, kann in dem automatischen Fokussiermechanismus zur Verwendung bei einem Vermessungsinstrument gemäß Anspruch 2
    die photoelektrische Umwandlungseinrichtung mehrere photoelektrische Wandler aufweisen, und
    die Entfernungsberechnungseinrichtung kann aufweisen:
    eine Einrichtung zum Bilden des gleitenden Mittels zum Berechnen der absoluten Werte der Impulshöhen der bestimmten Frequenzkomponenten, die von der Frequenzdetektoreinrichtung extrahiert werden, und zum Bilden des gleitenden Mittels mit den absoluten Werten der Impulshöhen in einem gegebenen vorgewählten Stabteilabschnitt;
    eine Lichtintensitätskorrekturkoeffizientberechnungseinrichtung zum Berechnen eines Lichtintensitätskorrekturkoeffizienten auf der Basis der Differenz zwischen dem Maximalwert des Signals, der die maximale Lichtintensität innerhalb der Stabteilflächen angibt, die beim Bilden des gleitenden Mittels verwendet werden, und der maximalen Lichtintensität, die aus den Ausgangssignalen der mehreren photoelektrischen Wandler erhalten wird;
    innerhalb des Stabs
    eine Lichtintensitätskorrekturkoeffizientmultiplikationseinrichtung zum Multiplizieren des von der Lichtintensitätskorrekturkoeffizientberechnungseinrichtung erhaltenen gleitenden Mittels;
    eine Entscheidungseinrichtung zum Treffen einer Entscheidung dahingehend, ob der Maximalwert der von der Lichtintensitätskorrekturkoeffizientmultiplikationseinrichtung erhaltenen Produkte einen gegebenen Schwellenwert überschreitet oder nicht;
    eine Stababschnittsfestlegungseinrichtung zum Festlegen eines Stabteilabschnitts in dem Ausgangssignal der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung, wenn eine positive Entscheidung getroffen wird, wobei der Stabteilabschnitt dieselbe Breite hat wie ein Bereich der photoelektrischen Wandler, der an dem den Maximalwert liefernden Wandler zentriert ist; und
    eine Berechnungseinrichtung zum Berechnen der Entfernung von dem Teleskop zu dem Stab auf der Basis der Periode des Ausgangssignals der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung in dem Stabteilabschnitt, indem die Periodenlänge als Teilung des Musters des Stabes angesehen wird.
  • Durch Berechnen der absoluten Werte der Impulshöhen der von der Frequenzdetektoreinrichtung extrahierten bestimmten Frequenzkomponenten und Bilden des gleitenden Mittels an den absoluten Werten können nur jene Komponentensignale mit Kontinuität extrahiert werden. Falls bei dieser Bearbeitung ein Komponentensignal mit Kontinuität von dem Dunkel-Hell-Muster an dem Stab stammt, ist sein gleitendes Mittel hoch (high). Stammt ein Komponentensignal jedoch von anderen Hintergrundobjekten und nicht von dem Stab und weist weniger Kontinuität auf, ist sein gleitendes Mittel gering (low). Erzeugt dagegen ein Hintergrundobjekt, das heller als der Stab ist und von dem Teleskop erfaßt wird, ein Signal mit ausreichender Kontinuität, ist der Pegel dieses Signals höher als derjenige des von dem Stabmuster stammenden Signals, so daß das Bild des Stabes nicht extrahiert werden kann, sofern keine Maßnahmen zur Lösung dieses Problems getroffen werden. Unter Berücksichtigung der Möglichkeit, daß ein Hintergrundobjekt, das heller als der Stab ist, erfaßt werden kann, wird daher im Anschluß an das Bilden des gleitenden Mittels eine Lichtintensitätskorrekturkoeffizientmultiplikationsbearbeitung vorgenommen. Genauer gesagt, werden absolute Werte von Impulshöhen bestimmter Frequenzkomponenten, die von der Frequenzdetektoreinrichtung extrahiert werden, berechnet und dann wird mit den absoluten Werten in einem vorgewählten Stabteilabschnitt das glei tende Mittel gebildet. Ferner wird auf der Basis der Differenz zwischen der maximalen Lichtintensität, die aus dem maximalen absoluten Wert innerhalb der Stabteilabschnitte, die bei der Einrichtung zum Bilden des gleitenden Mittels verwendet werden, und der maximalen Lichtintensität, die von den von den mehreren photoelektrischen Wandlern ausgegebenen Signalen erhalten wird, ein Lichtintensitätskorrekturkoeffizient berechnet. Auf der Grundlage dieser Berechnung wird ein Lichtintensitätskorrekturkoeffizient berechnet, der die Pegel der Ausgangssignale der jeweiligen photoelektrischen Wandler auf den Pegel "korrigiert", der der maximalen Lichtintensität entspricht. Beträgt beispielsweise der Pegel des elektrischen Signals (Ausgangssignal des photoelektrischen Wandlers), das das Muster des Stabes erfaßt, 1/2 der maximalen Lichtintensität, wird der Lichtintensitätskorrekturkoeffizient auf 2 eingestellt; und falls der Pegel des von einem Hintergrundobjekt stammenden elektrischen Signals ungefähr die maximale Lichtintensität hat, wird der Lichtintensitätskorrekturkoeffizient auf 1 eingestellt. Nachdem der Lichtintensitätskorrekturkoeffizient vorliegt, werden der Lichtintensitätskorrekturkoeffizient und das durch Bilden des gleitenden Mittels gewonnene gleitende Mittel miteinander multipliziert. Folglich wird das gleitende Mittel des von dem Muster des Stabes stammenden elektrischen Signals mit 2 multipliziert, während das gleitende Mittel des von dem Hintergrundobjekt stammenden elektrischen Signals mit 1 multipliziert wird, was für das dem Stabmuster zugeordnete Signal einen höheren Pegel zur Folge hat als für das dem Hintergrundobjekt zugeordnete Signal. Falls der mit dem Lichtintensitätskorrekturkoeffizienten korrigierte Maximalpegel des von dem Stabmuster stammenden Signals den Schwellenpegel überschreitet, wird anschließend die Fokussierlinse korrekt als in einer echten Fokussierposition befindlich erkannt, und in dem Ausgangssignal der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung wird ein Stabteilabschnitt derart festgelegt, daß der Stabteilabschnitt dieselbe Breite hat wie ein Bereich der photoelektrischen Wandler, der an dem den Maximalwert liefernden Wandler zentriert ist. Indem die Periodenlänge (Entfernung von Maximum zu Maximum) des elektrischen Signals innerhalb des Stabteilabschnitts als Einteilung des Dunkel- Hell-Musters des Stabs angesehen wird, kann die Entfernung von dem Teleskop zum Stab anhand der Einteilung berechnet werden. Somit kann die Entfernung mit höherer Präzision berechnet werden. Infolgedessen kann der Zustand der sich in einer richtigen Fokussierposition befindenden Fokussierlinse selbst dann schnell und genau ermittelt werden, wenn ein Objekt, das heller als der Stab ist, in dem Bild des Hintergrunds erfaßt wird.
  • Aus obenstehender Beschreibung geht hervor, daß der erfinderische automatische Fokussiermechanismus gemäß Anspruch 1 schnell und korrekt ermitteln kann, daß die Fokussierlinse sich in der Fokussierposition befindet.
  • Der automatische Fokussiermechanismus gemäß Anspruch 2 kann auf genauere Weise ermitteln, daß die Fokussierlinse sich in der Fokussierposition befindet.
  • Der automatische Fokussiermechanismus gemäß Anspruch 3 kann ein Hintergrundobjekt von dem betreffenden Stab unterscheiden und die Entfernung von dem Teleskop zu dem Stab mit höherer Präzision bestimmen.
  • Der automatische Fokussiermechanismus gemäß Anspruch 4 kann, selbst wenn im Hintergrund ein Objekt vorhanden ist, das heller als der Stab ist, schneller und genauer erkennen, daß die Fokussierlinse sich in einer richtigen Fokussierposition befindet.
  • Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Schrägansicht, die die Beziehung zwischen einem erfinderischen elektronischen Nivellierinstrument und einem Stab darstellt,
  • 2 eine Darstellung eines automatischen Fokussiermechanismus gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Verwendung bei einem Vermessungsinstrument,
  • 3 einen Graph, der eine charakteristische Beziehung zwischen der Entfernung von dem Teleskop des Vermessungsinstruments zu dem Stab und der Position seiner Fokussierlinse zeigt, wobei die Fokussierlinse in ihrer Fokussierposition positioniert ist,
  • 4 Wellenformen, die bei der Veranschaulichung der Funktionsweise des erfinderischen automatischen Fokussiermechanismus bei gegenüber der Fokussierposition versetzter Fokussierlinse zweckmäßig sind,
  • 5 Wellenformen, die bei der Veranschaulichung der Funktionsweise des erfinderischen automatischen Fokussiermechanismus bei in einer richtigen Fokussierposition befindlicher Fokussierlinse zweckmäßig sind,
  • 6 eine Wellenform, die darstellt, wie die Einteilung der mit gleichem Abstand voneinander angeordneten Abschnitte anhand der Periode eines elektrischen Signals ermittelt wird,
  • 7 eine graphische Darstellung von Funktionen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der Wellenformen gezeigt sind, bei denen ein Hintergrundobjekt heller als der Stab ist, wobei die Fokussierlinse sich in ihrer Fokussierposition befindet,
  • 8 eine graphische Darstellung der Lichtintensitätskorrekturkoeffizientmultiplikationsbearbeitung der Erfindung,
  • 9 eine weitere graphische Darstellung der Funktionen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei solche Wellenfor men gezeigt sind, bei denen der Stab heller als der Hintergrund ist und die Fokussierlinse in ihrer Fokussierposition positioniert ist,
  • 10 eine Darstellung eines herkömmlichen automatischen Fokussiermechanismus, und
  • 11 Wellenformen, die die Funktionsweise des herkömmlichen automatischen Fokussiermechanismus darstellen.
  • Im folgenden wird die Erfindung als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Beziehung zwischen einem Stab und einem elektronischen Nivellierinstrument 2 gemäß der Erfindung. 2 ist ein Blockdiagramm eines erfinderischen automatischen Fokussiermechanismus zur Verwendung bei einem Vermessungsinstrument.
  • Das in den Figuren gezeigte elektronische Nivellierinstrument 2 ist so konstruiert, daß es als Vermessungsinstrument zum Messen der Höhe h einer Position eines Stabs 1 dient, der von dem Teleskop 20 kollimiert oder anvisiert wird. Auf seiner weißen Oberfläche ist der Stab 1 mit mehreren schwarzen Markierungen oder Einteilungen 11 versehen, die in vertikaler Richtung (d.h. Längsrichtung) des Stabes mit gleichem Abstand voneinander angeordnet sind. Die Breiten der Markierungen 11 sind in vertikaler Richtung nicht alle gleich. Der Stab 1 weist mehrere Arten von Markierungen auf, die in einer vorbestimmten Reihenfolge unterschiedliche Breiten haben. Das heißt, der Stab 1 ist mit einem Strichcodemuster versehen, das aus mehreren Arten von Markierungen 11 besteht, welche mit gleichem Abstand voneinander angeordnet sind. Der Stab 1 steht normalerweise aufrecht, kann jedoch auch umgekehrt stehen, so daß er beispielsweise an einer Referenzgrenze C anstößt. In letzterem Fall mißt das elektronische Nivellierinstrument 2 die Entfernung h von der Grenze C zu dem anvisierten Punkt. Diese Entfernung h wird im Normalfall auch als "Höhe" bezeichnet. Auf seiner Rückseite ist der Stab 1 auch für denselben Zweck mit demselben (nicht gezeigten) Strichcodemuster wie auf der Vorderseite versehen.
  • Ungeachtet der Richtung des Strichcodes kann das Strichcodemuster von der Software korrekt gelesen werden, so daß die Arbeiter sich keine Gedanken um die Richtung des oberen Endes des Stabs machen müssen.
  • Das als optisches Kollimationssystem dienende Teleskop 20 weist eine Objektivlinse 21a, eine Fokussierlinse 21b, einen automatischen Ausgleichsmechanismus (Kompensator) 22, einen Strahlenteiler 23, eine Fokussierplatte 20a und ein Okular 20b derart auf, daß, wie in 2 gezeigt, die Fokussierlinse 21b, der automatische Ausgleichsmechanismus 22, der Strahlenteiler 23 und die Fokussierplatte 20a auf die gemeinsame optische Achse der Objektivlinse 21a und des Okulars 20b ausgerichtet sind. Der automatische Kompensationsmechanismus 22 ist so ausgelegt, daß er eine Neigung (relativ zu einer horizontalen Ebene) der Kollimationsachse des elektronischen Nivellierinstruments automatisch ausgleicht. Wenn das Teleskop 20 auf ein Objekt wie den Stab 1 fokussiert ist, wird das von dem Objekt emittierte Licht durch die Objektivlinse 21a, die Fokussierlinse 21b, den automatischen Neigungsausgleichsmechanismus 22 und den Strahlenteiler 23 hindurch gelassen, um auf der Fokussierplatte 20a ein Bild des Objekts zu erzeugen. Die Fokussierlinse 21b dient zur Steuerung des Fokussierzustands (gut oder schlecht fokussiert) des auf der Fokussierplatte 20a erzeugten Bilds entsprechend der Entfernung zwischen dem Teleskop und dem Stab 1. Somit kann er über eine Strecke entlang der optischen Achse des optischen Kollimationssystems frei bewegt werden. Um die Fokussierlinse 21b entlang der optischen Achse des optischen Kollimationssystems zu bewegen, ist die Fokussierlinse 21b z.B. über einen Mechanismus wie eine (nicht gezeigte) Zahnstangeneinheit wirkungsmäßig mit einem Motor 41 verbunden. Der als Antriebseinrichtung dienende Motor 41 ist derart ausgebildet, daß er die Fokussierlinse 21b auf ein von einer Ansteuerschaltung 4 empfangenes Impulssignal hin entlang der optischen Achse des optischen Kollimationssystems be wegt. Die Ansteuerschaltung 4 erzeugt ein Impulssignal und gibt es gemäß dem Befehl eines Mikrocomputers 3 an den Motor 41 aus.
  • Die Drehposition des Motors 41 des optischen Kollimationssystems kann von einem Positionssensor 5 ermittelt werden. Der als Positionsdetektoreinrichtung zum Ermitteln der Position der Fokussierlinse 21b in dem optischen Kollimationssystem dienende Positionssensor 5 besteht beispielsweise aus einem optischen Sensor (Linearcodierer), einem magnetischen Sensor oder einem Sensor zum Ermitteln des Drehwinkels des Motors. Der Ausgang des Positionssensors 5 wird an den Mikrocomputer 3 angeschlossen.
  • Nahe dem Teleskop 20 ist an einer der Fokussierplatte 20a zugeordneten Position ein Zeilensensor 24 angeordnet. Zusammen mit der Objektivlinse 21a, der Fokussierlinse 21b, dem automatischen Ausgleichsmechanismus 22 und dem Strahlenteiler 23 bildet der Zeilensensor 24 ein optisches Abbildungssystem. Der Zeilensensor 24 wandelt das Dunkel-Hell-Bild (das dem auf der Fokussierplatte 20a erzeugten Bild, das als Sekundärbild bezeichnet wird, entspricht), das von dem von dem Strahlenteiler 23 kommenden Licht auf seiner Lichtaufnahmefläche erzeugt wird, in ein elektrisches Signal mit einer entsprechend der Dunkelheit und Helligkeit des Bilds auf der Lichtaufnahmefläche variierenden Intensität um. Um ein elektrisches Signal auszugeben, das jedes der auf dem Stab 1 markierten Muster repräsentieren kann, wenn es sich an einem Unendlichkeitspunkt befindet und durch das Teleskop 20 fokussiert beobachtet wird, weist der Zeilensensor 24 eine ausreichende Anzahl, z.B. 2048, Bildelemente in Form von CCDs (ladungsgekoppelte Bauelemente) auf, nämlich eines für jeden der 2048 Pixel. Vor seiner Eingabe in einen A/D-(Analog-Digital-)Wandler 27 wird das von dem Zeilensensor 24 ausgegebene elektrische Signal von einem Verstärker 25 verstärkt. Der A/D-Wandler 27 speichert das eingegebene analoge Signal und tastet es synchron mit dem von einem Takttreiber 26 gelieferten Takt ab und wandelt dann das abgetastete analoge Signal in ein digitales Signal um. Das von dem A/D-Wandler 27 erhaltene digitale Signal wird sequentiell an zugeordneten Speicherstellen des RAM 28 gespeichert und anschließend zu dem Mikrocomputer 3 übertragen.
  • Der Mikrocomputer (oder die CPU) 3 hat die Funktion der Implementierung der Frequenzdetektoreinrichtung zum Erkennen der Frequenz des Ausgangssignals des Zeilensensors 24 auf der Basis der in dem RAM 28 gespeicherten Daten. Der Mikrocomputer 3 überwacht die Frequenz des Ausgangssignals des Zeilensensors 24 und die Position der Fokussierlinse 21b auf der Basis des Ausgangs des Positionssensors 5. Der Mikrocomputer 3 hat auch die Funktion der Implementierung der Entfernungsberechnungseinrichtung zum Berechnen der Entfernung von dem Teleskop 20 zu dem Stab 1 auf der Basis eines von dem Zeilensensor 24 erhaltenen elektrischen Signals, wenn eine für eine Fokussierposition der Fokussierlinse 21b definierte bestimmte Frequenz des elektrischen Signals während des Vorgangs des Bewegens der Fokussierlinse 21b erkannt wird, d.h. wenn die Fokussierlinse 21b in einer richtigen Fokussierposition angetroffen wird.
  • Der Mikrocomputer 3 kann eine weitere Funktion der Implementierung der Antriebssteuereinrichtung zum Steuern des Motors 41 zum Positionieren der Fokussierlinse 21b auf der Basis der von der Entfernungsberechnungseinrichtung berechneten Entfernung und des Ausgangs des Positionssensors 5 haben. Die gesteuerte Positionierung der Fokussierlinse 21b kann durch Festlegen der Stopp-Position der Fokussierlinse als die Fokussierposition ausgeführt werden. Die Antriebseinrichtung kann beispielsweise so gesteuert werden, daß sie den die Fokussierlinse 21b antreibenden Motor 41 stoppt, wenn die Differenz zwischen der Fokussierposition der Fokussierlinse 21b und der von dem Positionssensor 5 erhaltenen ermittelten Position der Linse Null wird.
  • Ein ROM 31 speichert eine eine Beziehung zwischen der Position (1) der Fokussierlinse 21b des fokussierten optischen Kollimationssystems und der Entfernung (d) von dem Teleskop 20 zu dem Stab 1 definierende Formel gemäß 3.
  • Das von dem Zeilensensor 24 ausgegebene elektrische Signal wird in Form eines (die Luminanz kennzeichnenden) Wechselsignals, das das Hell-Dunkel-Muster des Stabs 1 repräsentiert, geliefert. Seine Frequenz variiert mit der Position der Fokussierlinse 21b. Die Frequenz des Wechselsignals ist niedrig, wenn der Stab 1 nahe dem Teleskop 20 fokussiert ist, und wird höher, wenn der Stab 1 in großer Entfernung von dem Teleskop 20 fokussiert ist. Somit kann zwischen der Frequenz des Ausgangssignals des Zeilensensors 24 und der Entfernung von dem Teleskop 20 zu dem fokussierten Stab 1 vorläufig eine Beziehung formuliert werden.
  • Also speichert der ROM 31 in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine Formel, die die Beziehung zwischen der Fokussierposition der Fokussierlinse 21b und der für ein gegebenes Muster des fokussierten Stabs 1 erwarteten Frequenz beschreibt.
  • Um eine Entscheidung zu treffen, ob die Fokussierlinse 21b sich in einer Fokussierposition befindet, ist der Mikrocomputer 3 außerdem derart ausgestaltet, daß er:
    • (1) die Frequenz des von dem Zeilensensor 24 ausgegebenen elektrischen Signals überwacht, um auf der Basis von im ROM 31 gespeicherten Kennwerttabellen und -daten zu entscheiden, daß die Fokussierlinse 21b sich in einer richtigen Fokussierposition befindet;
    • (2) die Position der Fokussierlinse 21b auf der Basis des Ausgangs des Positionssensors 5 während eines Vorgangs der Positionsveränderung der Fokussierlinse 21b überwacht;
    • (3) beim Erkennen einer bestimmten Frequenz, die während des Vorgangs des Bewegens der Fokussierlinse 21b für eine Fokussierposition der Fokussierlinse 21b definiert ist, bestimmt, daß die Fokussierlinse 21b sich in einer richtigen Fokussierposition befindet; und
    • (4) auf der Basis des Ausgangssignals des Zeilensensors 24 die Entfernung von dem Teleskop zu dem Stab 1 berechnet.
  • Nach der positiven Entscheidung, daß die Fokussierlinse 21b in der richtigen Fokussierposition positioniert ist, steuert der Mikrocomputer 3 den Motor 41 so, daß er die Fokussierlinse 21b auf der Basis der berechneten Entfernung zwischen dem Teleskop 20 und dem Stab 1 und der von dem Positionssensor 5 ermittelten Position der Fokussierlinse 21b neu positioniert.
  • Mit anderen Worten weist der Mikrocomputer 3 weist eine Antriebssteuerungseinrichtung auf, die eine Positionssteuerungsfunktion zum Steuern des Motors 41 derart implementiert, daß die Fokussierlinse 21b gestoppt wird, wenn die Differenz zwischen der Fokussierposition der Fokussierlinse 21b, die von der Entfernung von dem Stab 1 zu dem Teleskop 20 bestimmt wird, und der Position der Fokussierlinse 21b, die von dem Positionssensor 5 ermittelt wird, Null geworden ist. Die Ergebnisse der von dem Mikrocomputer 3 durchgeführten Berechnungen werden auf einer Anzeige 32 angezeigt.
  • Als nächstes werden mit Bezug auf die 4 und 5 Einzelheiten der Funktionsweise des automatischen Fokussiermechanismus beschrieben.
  • Zunächst bewirkt die Betätigung des Autofocus-Knopfs 33, daß der Mikrocomputer 3 die automatische Fokussierung startet, indem er der Ansteuerschaltung 4 den Befehl zur Ausgabe eines sequentiellen Impulssignals an den Motor 41 zuführt. In Reaktion auf das Impulssignal startet der Motor 41 seine Drehbewegung, um die Fokussierlinse 21b die gesamte Strecke bis zu dem äußersten Ende ihres Bewegungsbereichs nahe dem Okular 20b zu be wegen. Unter dieser Bedingung ist das Teleskop 20 auf einen Unendlichkeitspunkt fokussiert. Wenn der Stab 1 sich also nicht an dem Unendlichkeitspunkt befindet, erzeugt der Zeilensensor 24 ein Trivialsignal, das, wie in 4(a) gezeigt, eine praktisch flache Wellenform und wenige Merkmale zur Unterscheidung des Stabs 1 aufweist.
  • Falls das Ausgangssignal des Zeilensensors 24 unter Verwendung des Mikrocomputers 3 mit einem Bandpaßfilter zum Extrahieren einer bestimmten Frequenzkomponente gefiltert wird, wird gemäß 4(b) keine Frequenzkomponente extrahiert. Würde unter diesen Bedingungen an dem Ausgangssignal unter Verwendung des Mikrocomputers 3 zum Extrahieren jener Frequenzkomponenten, die für das Muster des an einem Unendlichkeitspunkt angeordneten Stabes 1 erkennbar sind, eine Bandpaßfilterung durchgeführt, würde der Maximalpegel des sich ergebenden Signals den Schwellenpegel L gemäß 4(c) nicht überschreiten, da der Stab sich in Wirklichkeit nicht an dem Unendlichkeitspunkt befände. Also wird festgestellt, daß die Fokussierlinse 21b gegenüber der Fokussierposition versetzt ist, und sie wird mit vorbestimmter Geschwindigkeit zu der Objektivlinse 21a hin bewegt.
  • Beim Bewegen der Fokussierlinse 21b zu der Objektivlinse 21a hin wird an dem Ausgangssignal mit der entsprechend der Position der Fokussierlinse 21b variierten Filterfrequenz eine Bandpaßfilterung durchgeführt. Der Ausgangspegel des Ausgangssignals des Zeilensensors 24 wird von dem Mikrocomputer 3 überwacht. Zu einem Zeitpunkt während der Bewegung der Fokussierlinse 21b erscheinen die dem Hell-Dunkel-Muster des Stabes 1 zugeordneten Hell-Dunkel-Muster auf den photoelektrischen Wandlern (Pixel), die sich als das Schwingausgangssignal des Zeilensensors 24 herausstellen, welche örtlich begrenzte Wellen oder Wavelets wie die Signale S1, S2 und S3 gemäß 5(a) umfassen. Dann führt der Mikrocomputer 3 die Bandpaßfilterung durch, um eine bestimmte Frequenzkomponente zu extrahieren, die relevant für die Position der Fokussierlinse 21b ist. Diese Filterung bringt nur jene Signale wie beispielsweise S11 und S31 gemäß 5(b) hervor, die von dem gleichmäßig beabstandeten Muster des Stabes 1 stammen. Das heißt, die Signale S1 und S3 enthalten vermutlich eine identische Frequenzkomponente, die von dem Hell-Dunkel-Muster des Stabes 1 stammt, woraus mittels Bandpaßfilterung die Signale S11 und S31 hervorgebracht werden. Andererseits gehört das Signal S2 zu einer anderen Frequenzkomponente als die Komponenten S1 und S3, so daß es als vom Hintergrund stammend angesehen und von der Bandpaßfilterung ausgeschlossen wird.
  • Wird dagegen selbst nach der Bandpaßfilterung mehr als ein erkanntes Signal im Zusammenhang mit dem erfaßten Muster des Stabes 1 aus dem Zeilensensor 24 extrahiert, kann die Entfernung von dem Teleskop 20 zu dem Stab 1 nicht allein auf der Basis dieser Signale genau berechnet werden.
  • Um also in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel die Entfernung mit hoher Genauigkeit zu berechnen, werden die absoluten Werte der Impulshöhen der durch die Bandpaßfilterung erhaltenen bestimmten Frequenzkomponenten berechnet, um mit den absoluten Werten das gleitende Mittel zu bilden. Bei der Bildung des gleitenden Mittels zeigt ein Wavelet (Komponentensignal) mit periodischer Kontinuität (oder periodischen Spitzen) einen hohen Pegel.
  • Wenn beispielsweise die absoluten Werte für die durch Bandpaßfilterung erhaltenen Signale S11 und S31 berechnet werden und das Bilden des gleitenden Mittels unter Verwendung eines vorgewählten Stabteilabschnitts A, der beispielsweise 70 Gradeinteilungen des Stabs 1 entspricht, durchgeführt wird, erhält man Wellenformen der Signale S12 und S32 gemäß 5(c). In diesem Fall weist das Signal S11 eine signifikante Kontinuität auf, so daß der Pegel des Signals S12 hoch (high) ist. Dagegen ist der Pegel des Signals S32 niedrig (low), da das Signal S31 weniger Kontinuität hat. Als nächstes wird eine Entscheidung getroffen, ob der auf diese Weise bei der Bildung des gleitenden Mittels erhaltene Maximalwert des Signals den Schwellenpegel L ü berschreitet oder nicht. Da der Maximalwert M1 in diesem Fall den Schwellenpegel L überschreitet, wird bestimmt, daß die Fokussierlinse 21b in einer richtigen Fokussierposition positioniert ist. Basierend darauf, daß die Position des photoelektrischen Wandlers, der den Maximalwert M1 zeigt, zu dem Signal S1 gehört, wird das Signal S1 als den Stab 1 erfassend angesehen, und in dem Ausgangssignal des Zeilensensors 24 wird ein Stabteilabschnitt A derart festgelegt, daß der Abschnitt A dieselbe Breite hat wie ein Pixelbereich, der an dem Pixel zentriert ist, welcher den Maximalpegel M1 liefert, wie in 5(d) gezeigt.
  • Als nächstes wird anhand der Periodenlänge T (Entfernung von Maximum zu Maximum) des Komponentensignals (Signal S1) innerhalb des Stabteilabschnitts A gemäß 5(e) die Entfernung von dem Teleskop 20 zu dem Stab 1 auf der Grundlage dessen berechnet, daß die Periode T der Einteilung des Musters des Stabs 1 entspricht. Die Fokussierlinse 21b kann genau in der Fokussierposition positioniert werden, indem sie zu der Fokussierposition bewegt wird, die von der auf diese Weise berechneten Entfernung bestimmt wird.
  • In diesem Fall hat der Mikrocomputer 3 außer den oben beschriebenen Funktionen der Implementierung der Entfernungsberechnungseinrichtung und der Frequenzdetektoreinrichtung weitere Funktionen des Implementierens:
    einer Einrichtung zum Berechnen der absoluten Werte der Impulshöhen der bestimmten Frequenzkomponenten, die von der Frequenzdetektoreinrichtung extrahiert werden, und zum Bilden des gleitenden Mittels mit den berechneten absoluten Werten unter Verwendung eines vorgewählten Stabteilabschnitts A;
    einer Entscheidungseinrichtung zum Treffen einer Entscheidung dahingehend, ob das Ergebnis des Bildens des gleitenden Mittels einen gegebenen Schwellenwert überschreitet oder nicht;
    einer Einrichtung zum Festlegen eines Stabteilabschnitts in dem Ausgangssignal des Zeilensensors 24 derart, daß der Stabteilabschnitt dieselbe Breite aufweist wie ein Pixelbereich, der an dem den Maximalwert liefernden Pixel zentriert ist, vorausgesetzt, daß in der Entscheidungseinrichtung eine positive Entscheidung erreicht wird; und
    einer Berechnungseinrichtung zum Berechnen der Entfernung von dem Teleskop 20 zu dem Stab 1 auf der Grundlage der Erkenntnis, daß die Periodenlänge T des Ausgangssignals des Zeilensensors 24 innerhalb des Stabteilabschnitts der Einteilung des Musters des Stabes 1 entspricht.
  • Um in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel schneller und genauer zu ermitteln, ob die Fokussierlinse 21b sich in der richtigen Fokussierposition befindet, verwendet die Erfindung:
    • (a) Bandpaßfiltern, das an dem von dem Zeilensensor 24 ausgegebenen elektrischen Signal durchgeführt wird, um eine bestimmte Frequenzkomponente zu extrahieren;
    • (b) Bilden des gleitenden Mittels, das mit den für die Frequenzkomponente berechneten Mittelwerten durchgeführt wird, um eine relevante Wellenform zu erhalten; und
    • (c) eine Entscheidung, daß die Fokussierlinse 21b in einer richtigen Fokussierposition positioniert ist, unter der Voraussetzung, daß der Maximalwert der Wellenform (d.h. das Ergebnis des Bildens des gleitenden Mittels, das von der Einrichtung zum Bilden des gleitenden Mittels erhalten wird) einen gegebenen Schwellenpegel überschreitet.
  • Nachdem die Entscheidung getroffen worden ist, daß die Fokussierlinse 21b sich in einer richtigen Fokussierposition befindet, kann darüber hinaus die Entfernung genau bestimmt und die Fokussierlinse 21b genau an der Zielfokussierposition neu positioniert werden, da die Entfernung von dem Teleskop 20 zu dem Stab 1 auf der Grundlage der Periodenlänge T des Komponentensignals (Signal S1) innerhalb des der Teilung des gleichmäßig beabstandeten Musters des Stabs 1 zugeordneten Stabteilabschnitts mit hoher Präzision berechnet werden kann.
  • Um die Einteilung des gleichmäßig beabstandeten Musters zu erhalten, kann ferner ein alternatives Verfahren eingesetzt werden, bei dem unter der Voraussetzung eines vorbestimmten Schwellenpegels α die Entfernungen p1, p2, p3, p4 usw. zwischen den benachbarten Mittelpunkten der Spitzen eines den Schwellenpegel überschreitenden Komponentensignals und dann der Mittelwert der Entfernungen p gemäß 6 berechnet werden.
  • Nachdem die Fokussierlinse 21b in der Fokussierposition positioniert ist, kann die Höhe h der anvisierten Position unter Einsatz eines Verfahrens gemäß der Lehren aus z.B. der Veröffentlichung der ungeprüften Japanischen Patentanmeldung Nr. N11-183164 bestimmt werden.
  • Bei dem eben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß der Stab 1 heller ist als seine Hintergrundobjekte. In manchen Fällen jedoch ist ein in dem Teleskop erfaßtes Hintergrundobjekt heller als der Stab 1. In diesem Fall nimmt die relative Lichthelligkeit des Stabes möglicherweise bis zu einem Niveau ab, das zum Extrahieren des Bildes des Stabes viel zu niedrig ist. In Anbetracht dessen, daß im Hintergrund ein helleres Objekt als der Stab 1 vorhanden sein kann, führt die Erfindung daher im Anschluß an das Bilden des gleitenden Mittels eine Lichtintensitätskorrekturkoeffizientmultiplikationsverarbeitung durch.
  • Falls im Hintergrund ein helleres Objekt als der Stab 1 vorhanden ist, erscheint im Laufe der Bewegung der Fokussierlinse 21b im Zusammenhang mit dem Dunkel-Hell-Muster des Stabs 1 mehr als ein Signal wie S1' und S3' in dem von dem Zeilensensor 24 ausgegebenen Signal, wie in 7(a) gezeigt. Die Spitzen dieser Signale S1' und S3' stellen die Positionen der photoelektrischen Wandler (CCDs) dar. Dann führt der Mikrocomputer 3 eine Bandpaßfilterung an den Signalen durch, um eine bestimmte Frequenzkomponente mit der Frequenz zu extrahieren, die der Position der Fokussierlinse 21b entspricht, was, wie in 7(b) gezeigt, im Zusammenhang mit dem gleichmäßig beabstandeten Muster des Stabs 1 zu den relevanten Signalen S11' und S31' führt. Das heißt, die Signale S11' und S31' werden als das Muster des Stabes 1 erfassend und somit als dieselbe Frequenz aufweisend angesehen, da sie von dem Bandpaßfilter extrahiert werden.
  • Als nächstes werden die absoluten Werte der Impulshöhen der bandpaßgefilterten Wellenformen (einschließlich der Signale S11' und Signal S31') berechnet, und unter Verwendung eines vorgewählten Stabteilabschnitts A, der z.B. 70 Muster des Stabes 1 beträgt, wird mit den absoluten Werten das gleitende Mittel gebildet. Dies führt zu einer Wellenform (einschließlich der Signale P1' und P3') gemäß 7(c).
  • Beim Bilden des gleitenden Mittels ergeben sich die Signale P1' und P3', von denen das von dem hellen Hintergrundobjekt stammende Wavelet P3' einen höheren Spitzenpegel hat als das Signal P1', so daß das Signal P3' fälschlicherweise als das Muster des Stabes repräsentierend angesehen wird.
  • Daher wird in diesem Ausführungsbeispiel die Lichtintensitätskorrekturkoeffizientmultiplikationsbearbeitung an den beim Bilden des gleitenden Mittels erhaltenen Signalen P1' und P3' durchgeführt, wie dies nachfolgend im Detail beschrieben wird. Gemäß 8(a) wird beispielsweise bei jedem der Ausgangssignale der jeweiligen photoelektrischen Wandler des Zeilensensors 24 die maximale Lichtintensität in einem Stabteilabschnitt A mit der maximalen Lichtintensität B1 der gesamten Lichtintensität verglichen. Genauer gesagt, bei dem gezeigten Beispiel wird auf der Grundlage der Differenz zwischen dem Maximalwert (maximale Lichtintensität) MA1 innerhalb des Stabteilabschnitts A, die zu dem Signal S1' gehört, und dem Maximalwert (maximale Lichtintensität) B1 in dem gesamten Pixelbereich ein Lichtintensitätskorrekturkoeffizient α1 für das Signal S1' berechnet. In ähnlicher Weise wird für das Signal S3' auf der Grundlage der Differenz zwischen der maximalen Lichtintensität MA2 innerhalb des Stabteilabschnitts A, die dem Signal S3' zugeordnet ist, und der maximalen Lichtintensität B1 ein Lichtintensitätskorrekturkoeffizient α2 berechnet. In diesem Fall beträgt der Maximalwert MA1 des elektrischen Signals ungefähr 1/2 des Maximalwertes B1, so daß der Lichtintensitätskorrekturkoeffizient α1 auf ungefähr 2 eingestellt wird, wie in 8(b) gezeigt. Dagegen wird der Lichtintensitätskorrekturkoeffizient α2 auf 1 eingestellt, da der Maximalwert MA2 gleich dem Maximalwert B1 ist. Als nächstes wird im Anschluß an das Bilden des gleitenden Mittels das in 7(c) gezeigte gleitende Mittel unter Verwendung der auf diese Weise erhaltenen Lichtintensitätskorrekturkoeffizienten α1 und α2 korrigiert. In diesem Fall wird der Pegel des Signals P1 mit den Lichtintensitätskorrekturkoeffizienten α1 multipliziert, während der Pegel des Signals P2 mit den Lichtintensitätskorrekturkoeffizienten α2 multipliziert wird. Infolge dieser Bearbeitung werden diese Signale P1' und P3' zu Signalen P11' bzw. P31' korrigiert, wie in 7(d) gezeigt. In dem gezeigten Beispiel ist der Maximalwert M1' des Signals P11' größer als der Maximalwert M2' des Signals P31', da der Lichtintensitätskorrekturkoeffizient α1 größer als der Koeffizient α2 (α1 > α2) ist.
  • Dann wird eine Entscheidung getroffen, ob jeder der Maximalwerte des durch die Lichtintensitätskorrekturkoeffizientmultiplikationsbearbeitung korrigierten Signals den Schwellenpegel L überschreitet. In dem hier gezeigten Beispiel überschreitet der Maximalwert M1' des Signals P11' den Schwellenpegel L, so daß bestimmt wird, daß die Fokussierlinse 21b in einer richtigen Fokussierposition positioniert ist, die dem photoelektrischen Wandler (Pixel) entspricht, der den Maximalwert M1' liefert, und daß das dem Signal P11' zugeordnete Signal S1' das den Stab 1 erfassende Signal ist. Da der Maximalwert M1' des Signals P11' den Schwellenpegel L überschreitet, wird der Stabteilabschnitt A in dem Ausgangssignal des Zeilensensors 24 derart eingestellt, daß der Stabteilabschnitt A dieselbe Breite hat wie ein Bereich der photoelektrischen Wandler (Pixel), der an dem den Maximalwert M1' liefernden photoelektrischen Wandler zentriert ist, wie dies in 7(e) gezeigt ist.
  • Als nächstes wird aus der Periodenlänge T (Entfernung von Maximum zu Maximum) des Komponentensignals (Wavelet) S1' in dem relevanten Meßabschnitt gemäß 7(f) auf der Basis dessen, daß die Periodenlänge T der Einteilung des Musters des Stabes entspricht, die Entfernung von dem Teleskop 20 zu dem Stab 1 berechnet. Die Fokussierlinse 21b kann zu der durch die auf diese Weise berechnete Entfernung bestimmten Position bewegt und dort positioniert werden.
  • In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel verwendet die Erfindung:
    Bandpaßfilterung, die an dem elektrischen Signal durchgeführt wird, das von dem Zeilensensor 24 ausgegeben wird, um eine bestimmte Frequenzkomponente zu extrahieren; Bilden des gleitenden Mittels, das mit den Mittelwerten durchgeführt wird, die für die Frequenzkomponente berechnet worden sind, um eine relevante Wellenform zu erhalten; und
    Lichtintensitätskorrekturfaktormultiplikationsbearbeitung, die an der Wellenform durchgeführt wird (Ergebnisse der Bildung des gleitenden Mittels), um eine korrigierte Wellenform mit einem Maximalwert zu erhalten, der einen gegebenen Schwellenpegel überschreitet; und
    eine Entscheidung, daß die Fokussierlinse 21b in einer richtigen Fokussierposition positioniert ist, wenn der Maximalwert der korrigierten Wellenform (Ergebnis der Lichtintensitätskorrekturfaktormultiplikationsbearbeitung) einen gegebenen Schwellenpegel überschreitet,
    wodurch eine schnellere und genauere Ermittlung dessen möglich ist, daß die Fokussierlinse 21b sich in der Fokussierposition befindet, selbst wenn im Hintergrund ein helles Objekt vorhanden ist.
  • In diesem Fall hat der Mikrocomputer 3 zusätzlich zu den Funktionen, die die oben beschriebenen Entfernungsberechnungseinrichtung und Frequenzdetektoreinrichtung implementieren, weitere Funktionen, die beinhalten:
    eine Einrichtung zum Berechnen der absoluten Werte der Impulshöhen der bestimmten Frequenzkomponenten, die von der Frequenzdetektoreinrichtung extrahiert werden, und zum Bilden des gleitenden Mittels mit den berechneten absoluten Werten unter Verwendung eines vorgewählten Stabteilabschnitts A;
    eine Lichtintensitätskorrekturkoeffizientberechnungseinrichtung zum Berechnen von Lichtintensitätskorrekturkoeffizienten auf der Grundlage der Differenz zwischen dem Maximalwert innerhalb des Stabteilabschnitts, der in der Einrichtung zum Bilden des gleitenden Mittels verwendet wird, und der maximalen Lichtintensität, die aus den Ausgangssignalen der mehreren photoelektrischen Wandler erhalten wird;
    eine Lichtintensitätskorrekturkoeffizientmultiplikationseinrichtung zum Multiplizieren des Ergebnisses der Bildung des gleitenden Mittels mit den jeweiligen Lichtintensitätskorrekturkoeffizienten;
    eine Entscheidungseinrichtung zum Entscheiden darüber, ob jeder der Maximalwerte der Produkte, die bei der Lichtintensitätskorrekturkoeffizientmultiplikation erhalten werden, einen gegebenen Schwellenwert überschreitet oder nicht;
    eine Stabteilabschnittsfestlegungseinrichtung zum Festlegen eines Stabteilabschnitts in dem Ausgangssignal des Zeilensensors 24 derart, daß der Stabteilabschnitt dieselbe Breite hat wie ein Bereich der photoelektrischen Wandler, der an dem Wandler zentriert ist, der den Maximalwert liefert, wenn bei der Entscheidung eine positive Antwort erhalten wird; und
    eine Berechnungseinrichtung zum Berechnen der Entfernung von dem Teleskop 20 zu dem Stab 1 auf der Grundlage der Periodenlänge T des Ausgangssignals des Zeilensensors 24 innerhalb des Stabteilabschnitts, indem die Periodenlänge als Teilung des Musters des Stabs angesehen wird.
  • Falls die oben beschriebene Bearbeitung mit der Lichtintensitätskorrekturkoeffizientmultiplikationsbearbeitung durchgeführt wird, wenn der Stab 1 in einer Umgebung angeordnet ist, die heller als sein Hintergrund ist, ergeben sich dagegen die Wellenformen gemäß 9(a)(f). Obwohl die Differenz zwischen den Pegeln der Signale P1 und P3 reduziert wird, nachdem sie der Lichtintensitätskorrekturkoeffizientmultiplikationsbeabeitung unterzogen worden sind, überschreitet in diesem Falle der Maximalwert des Signals P31 niemals denjenigen des Signals P11, da das Signal S31 weniger Kontinuität aufweist als das Signal S11. Daher läßt sich eine automatische Positionierung der Fokussierlinse 21b erreichen durch:
    • (1) Annehmen, daß die Fokussierlinse 21b in einer richtigen Fokussierposition positioniert ist, vorausgesetzt, daß der Maximalwert M1 des Signals P11 den Schwellenpegel L überschreitet;
    • (2) Festlegen eines Stabteilabschnitts A derart, daß der Abschnitt A dieselbe Breite hat wie ein Bereich von Pixeln, der an dem Pixel zentriert ist, das den Maximalwert M1 liefert (9(e));
    • (3) Annehmen, daß die Periodenlänge T (Spitzenentfernung) des Komponentensignals (Wavelet S1) innerhalb des Stabteilabschnitts der Teilung des Musters des Stabs 1 entspricht;
    • (4) Berechnen der Entfernung von dem Teleskop 20 zu dem Stab 1 auf der Grundlage der Einteilung des Ausgangssignals des Zeilensensors 24 innerhalb des Stabteilabschnitts;
    • (5) Berechnen der Entfernung von dem Teleskop 20 zu dem Stab 1 auf der Grundlage dieser Einteilung; und
    • (6) Bewegen der Fokussierlinse 21b zu der aus dieser Entfernung berechneten Fokussierposition.
  • 1
    Stab
    2
    elektronisches Nivellierinstrument
    3
    Mikrocomputer
    4
    Ansteuerschaltung
    5
    Positionssensor
    20
    Teleskop
    20a
    Fokussierplatte
    20b
    Okular
    21a
    Objektivlinse
    21b
    Fokussierlinse
    22
    automatischer Ausgleichsmechanismus
    23
    Strahlenteiler
    24
    Zeilensensor
    41
    Motor

Claims (4)

  1. Automatischer Fokussiermechanismus zur Verwendung bei einem Vermessungsinstrument (2), das mit einem Teleskop (20) mit einem optischen Kollimationssystem ausgestattet ist, welches zwischen einer Objektivlinse (21a) und einem Okular (21b) desselben eine Fokussierplatte (20a) und eine Fokussierlinse (21b) zum Erzeugen eines Bilds eines als (Ziel-)Kollimationsobjekt dienenden Stabes (1) auf der Fokussierplatte (20a) aufweist, wobei auf dem Stab (1) in gleichmäßigen Abständen ein mehrteiliges Muster markiert ist, wobei der automatische Fokussiermechnismus derart ausgebildet ist, daß er das Teleskop (20) automatisch auf den Stab (1) fokussiert und aufweist: eine Antriebseinrichtung (41) zum Bewegen der Fokussierlinse (21b) in Richtung der optischen Achse des optischen Kollimationssystems; eine Positionsdetektoreinrichtung (5) zum Ermitteln der Position der Fokussierlinse (21b) in dem optischen Kollimationssystem; eine photoelektrische Umwandlungseinrichtung zum Umwandeln des auf der Fokussierplatte (20a) erzeugten Bilds eines Objekts in ein elektrisches Signal; eine Frequenzdetektoreinrichtung zum Erkennen der Frequenzen des von der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung ausgegebenen elektrischen Signals; eine Entfernungsberechnungseinrichtung zum Berechnen der Entfernung von dem Teleskop (20) zu dem Stab (1) auf der Basis des von der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung empfangenen Ausgangssignals, wobei die Entfernungsberechnungseinrichtung derart ausgebildet ist, daß sie die von der Positionsdetektoreinrichtung ermit telte Position der Fokussierlinse und die von der Frequenzdetektoreinrichtung erkannten Frequenzen überwacht, um dadurch die Entfernung zu bestimmen, wenn während eines Positionsveränderungsvorgangs der Fokussierlinse (21b) von der Frequenzdetektoreinrichtung eine bestimmte Frequenz für eine Fokussierposition erkannt wird; und eine Antriebssteuereinrichtung zum Steuern der Antriebseinrichtung (41) zwecks Positionierung der Fokussierlinse (21b) in einer Fokussierposition auf der Basis der von der Entfernungsberechnungseinrichtung berechneten Entfernung und der von der Positionsdetektoreinrichtung ermittelten Position.
  2. Automatischer Fokussiermechanismus eines Vermessungsinstruments nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzdetektoreinrichtung aus dem von der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung ausgegebenen elektrischen Signal nur eine bestimmte Frequenzkomponente extrahiert, die voraussichtlich das Dunkel-Hell-Muster des Stabs (1) erkennen läßt, wenn die Fokussierlinse (21b) in der Fokussierposition positioniert ist.
  3. Automatischer Fokussiermechanismus eines Vermessungsinstruments nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernungsberechnungseinrichtung aufweist: eine Einrichtung zum Bilden des gleitenden Mittels zum Berechnen der absoluten Werte der Impulshöhen der bestimmten Frequenzkomponenten, die von der Frequenzdetektoreinrichtung extrahiert werden, und zum Bilden des gleitenden Mittels mit den absoluten Werten der Impulse in einem gegebenen vorgewählten Stabteilabschnitt; eine Entscheidungseinrichtung zum Treffen einer Entscheidung darüber, ob der Maximalwert des durch die Bildung des gleitenden Mittels erhaltenen gleitenden Mittels einen gegebenen Schwellenpegel überschreitet oder nicht; eine Stababschnittsfestlegungseinrichtung zum Festlegen eines Stabteilabschnitts in dem Ausgangssignal der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung, wenn eine positive Entscheidung erzielt wird, wobei der Stabteilabschnitt dieselbe Breite hat wie ein Bereich der photoelektrischen Wandler, der an dem den Maximalwert liefernden Wandler zentriert ist; und eine Berechnungseinrichtung zum Berechnen der Entfernung vom Teleskop (20) zu dem Stab (1) auf der Basis der Periodenlänge des Ausgangssignals der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung in dem Stabteilabschnitt, indem die Periodenlänge als Einteilung des Musters des Stabs (1) angesehen wird.
  4. Automatischer Fokussiermechanismus eines Vermessungsinstruments nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrische Umwandlungseinrichtung mehrere photoelektrische Wandler aufweist, und die Entfernungsberechnungseinrichtung aufweist: eine Einrichtung zum Bilden des gleitenden Mittels zum Berechnen der absoluten Werte der Impulshöhen der bestimmten Frequenzkomponenten, die von der Frequenzdetektoreinrichtung extrahiert werden, und zum Bilden des gleitenden Mittels mit den absoluten Werten der Impulshöhen innerhalb eines gegebenen vorgewählten Stabteilabschnitts; eine Lichtintensitätskorrekturkoeffizientberechnungseinrichtung zum Berechnen eines Lichtintensitätskorrekturkoeffizienten auf der Basis der Differenz zwischen der aus dem Pegel des elektrischen Signals innerhalb der Stabteilabschnitte, die beim Bilden des gleitenden Mittels verwendet wurden, erhaltenen maximalen Lichtintensität und der maximalen Lichtintensität, die aus den Ausgangssignalen der mehreren photoelektrischen Wandler erhalten wird; eine Lichtintensitätskorrekturkoeffizientmultiplikationseinrichtung zum Multiplizieren des von der Lichtintensitätskorrekturkoeffizientberechnungseinrichtung erhaltenen gleitenden Mittels; eine Entscheidungseinrichtung zum Treffen einer Entscheidung dahingehend, ob der Maximalwert der von der Lichtintensitätskorrekturkoeffizientmultiplikationseinrichtung erhaltenen Produkte einen gegebenen Schwellenwert überschreitet oder nicht; eine Stababschnittsfestlegungseinrichtung zum Festlegen eines Stabteilabschnitts in Verbindung mit dem Ausgangssignal der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung, wenn eine positive Entscheidung getroffen wird, derart, daß der Stabteilabschnitt dieselbe Breite hat wie ein Bereich der photoelektrischen Wandler, der an dem den Maximalwert liefernden Wandler zentriert ist; und eine Berechnungseinrichtung zum Berechnen der Entfernung von dem Teleskop (20) zu dem Stab (1) auf der Basis der Periodenlänge des Ausgangssignals der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung innerhalb des Stabteilabschnitts, indem die Periodenlänge als Einteilung des Musters des Stabes (1) angesehen wird.
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