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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.
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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, 2–3).
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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
automatische Fokussiermechanismus gemäß Anspruch 2 kann auf genauere
Weise ermitteln, daß die
Fokussierlinse sich in der Fokussierposition befindet.
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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.
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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.
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Im
folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Schrägansicht,
die die Beziehung zwischen einem erfinderischen elektronischen Nivellierinstrument
und einem Stab darstellt,
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2 eine
Darstellung eines automatischen Fokussiermechanismus gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung zur Verwendung bei einem Vermessungsinstrument,
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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,
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4 Wellenformen,
die bei der Veranschaulichung der Funktionsweise des erfinderischen automatischen
Fokussiermechanismus bei gegenüber
der Fokussierposition versetzter Fokussierlinse zweckmäßig sind,
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5 Wellenformen,
die bei der Veranschaulichung der Funktionsweise des erfinderischen automatischen
Fokussiermechanismus bei in einer richtigen Fokussierposition befindlicher
Fokussierlinse zweckmäßig sind,
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6 eine
Wellenform, die darstellt, wie die Einteilung der mit gleichem Abstand
voneinander angeordneten Abschnitte anhand der Periode eines elektrischen
Signals ermittelt wird,
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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,
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8 eine
graphische Darstellung der Lichtintensitätskorrekturkoeffizientmultiplikationsbearbeitung
der Erfindung,
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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,
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10 eine
Darstellung eines herkömmlichen
automatischen Fokussiermechanismus, und
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11 Wellenformen,
die die Funktionsweise des herkömmlichen
automatischen Fokussiermechanismus darstellen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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