DE112007003515T5

DE112007003515T5 - Nivelliergerät und -Verfahren

Info

Publication number: DE112007003515T5
Application number: DE112007003515T
Authority: DE
Inventors: Klaus Gürtler
Original assignee: Trimble Jena GmbH
Current assignee: Trimble Jena GmbH
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2010-04-15
Also published as: US20100134617A1; US8537216B2; WO2008141665A1; CN101715542B; CN101715542A

Abstract

Nivelliergerät, umfassend:
einem Objektiv mit einer optischen Achse, einer die optische Achse schneidenden Objektebene, und einer die optische Achse schneidenden Bildebene, wobei das Objektiv ausgebildet ist, ein in der Objektebene angeordnetes Objekt in die Bildebene abzubilden;
eine mehrere Reihen von Lichtdetektoren umfassende Bildaufnahmeeinheit, wobei die mehreren Reihen von Lichtdetektoren so angeordnet sind, dass sie ein zweidimensionales Detektor-Array bilden, wobei die Lichtdetektoren dazu ausgebildet sind, eine auf die Lichtdetektoren einfallende Lichtmenge darstellende Signale auszugeben, wobei die Bildaufnahmeeinheit in der Bildeben angeordnet ist; und
eine Halterung zum Bewegen des Objektivs um eine vertikale Achse,
wobei die mehreren Reihen von Detektoren unter einem spitzen Winkel in Bezug auf ein Bild einer vertikalen Achse des Objekts angeordnet sind, wobei das Bild der vertikalen Achse des Objekts durch das Objektiv erzeugt ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der optischen Messung und speziell auf geodätische Messinstrumente. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Nivelliergerät zur Messung einer Höhendifferenz zwischen dem Nivelliergerät und einem Nivellierstab; auf die Verwendung des Nivelliergeräts für eine geodätische Messung; und auf ein Verfahren der optischen Erfassung der vertikalen Position eines Objekts.
Kurze Beschreibung des Standes der Technik
Ein Nivelliergerät (oder kurz: Nivellier) ist ein spezielles geodätisches Messinstrument zum optischen Messen einer Höhendifferenz in Bezug auf einen Nivellierstab, and somit einer Höhendifferenz zwischen dem Instrument und dem Nivellierstab.
Allgemein umfasst das Nivelliergerät wenigstens ein Teleskop einschließlich eines optischen Detektors, ein optisches System zum Erzeugen eines Bildes auf dem optischen Detektor und eine Steuerung. Die Steuerung ist dazu ausgebildet, ein Ausgangssignal des optischen Detektors zu empfangen und ein Nivelliersignal auszugeben, welches eine auf der Grundlage der Ausgangssignals erfasste Höhendifferenz darstellt.
In dieser Hinsicht ist die Verwendung eines von dem Gerät gesonderten Nivellierstabs erforderlich, um eine Messung mit dem Nivelliergerät vorzunehmen. Eine Skala (Maßstab), welche eine Höhe in Bezug zum Boden anzeigt, ist auf einer Oberfläche des Nivellierstabs in einer Erstreckungsrichtung des Nivellierstabs bereitgestellt (z. B. in Form eines kodierten Musters).
Während der Messung wird der Nivellierstab in eine Linie mit der optischen Achse des optischen Systems gebracht. In dieser Phase muss die optische Achse des optischen Systems in einer horizontalen Ebene angeordnet werden. Nach Ausrichtung erzeugt das optische System ein Bild wenigstens eines Teils der auf dem Messstab bereitgestellten Skala auf dem optischen Detektor. Das Bild wird analysiert, um die Skala des Nivellierstabs in der Mitte des Bildes abzulesen. Der entsprechende Wert wird als Höhendifferenz zwischen dem Gerät und dem Nivellierstab ausgegeben.
Das oben beschriebene Verfahren und das oben beschriebene Gerät sind genauer in dem Aufsatz "Die neuen Digitalnivelliere DiNi 10 und DiNi 20" von Wieland Feist, Klaus Gürtler, Thomas Marold und Holger Rosenkranz, veröffentlicht im April 1995 in Band 57, Ausgabe 2 der Zeitschrift "VR Vermessungswesen und Raumordnung", erläutert. Diese Zeitschrift wird von Hanns J. Meckenstock, Domagkweg 90, D-42109 Wuppertal, Deutschland, herausgegeben. Der Inhalt dieses Aufsatzes wird durch Inbezugnahme eingeschlossen.
Ein anderes Nivelliergerät ist aus der gleichfalls anhängigen Anmeldung PCT/EP2006/009823 desselben Anmelders bekannt. Der gesamte Inhalt dieses Dokuments wird durch Inbezugnahme eingeschlossen.
Beispiele für Messstäbe and Bildanalyseverfahren zum Abbilden dieser Messstäbe sind in den Druckschriften DE 197 06 970 A1 und US 5,572,009 offenbart. Der gesamte Inhalt des letzteren Dokuments wird durch Inbezugnahme Teil der vorliegenden Offenbarung.
Normalerweise kann jedes Streifen-Kodon auf einem Nivellierstab mit einem linearen Bildsensor abgetastet werden. Neuere flächige (d. h., zweidimensionale) Bildsensoren, insbesondere CMOS-Sensoren, sind auf dem Markt elektronischer Geräte weiter verbreitet und haben eine Reihe von Vorteilen gegenüber linearen Bildsensoren in Bezug auf z. B. Kosten, Geschwindigkeit und integrierter Nachverarbeitung.
Allerdings stellen flächige Bildsensoren, da sie gewöhnlich kleinere Pixel aufweisen, auch eine kleinere Zeilen/Spaltenlänge bereit, was dazu führen kann, dass ein kürzeres Kodonsegment gelesen werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der obengenannten Probleme vollzogen.
In einigen Ausführungsformen gibt es eine Genauigkeitssteigerung durch Auslesen und Mitteln mehr als einer Zeile von Pixeln, nämlich wenigstens einer zusätzlichen sekundären Zeile. Außerdem können durch ungleichmäßige Farb- oder Reflexionseigenschaften des das Streifen-Kodon tragenden Objekts verursachte Fehler minimiert sein. Weiterhin kann ein System, welches automatisch nach dem Streifen-Kodon sucht, mit einem breiteren Erkennungsbereich bereitgestellt werden, in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen Objekt und Objektiv.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschreiben die Verwendung eines flächigen Bildsensors in einem Nivelliergerät, wobei der Einbau derart erfolgt, dass die Zeilen (Reihen) in einem spitzen Winkel zu der vertikalen Leserichtung des Streifen-Kodons auf dem Objekt liegen.
In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Kodonsegment, welches abgetastet werden kann, größer sein, vorzugsweise um einen Faktor von wenigstens bis zu √2, und die Auflösung kann erhöht sein, vorzugsweise ebenfalls um einen Faktor von wenigstens bis zu √2, indem auch Sekundäre (benachbarte) Pixel gelesen werden, welche zwischen denen der primären Pixelzeile angeordnet sind. Es ist zu beachten, dass deshalb eine festeingestellte Vergrößerung eingesetzt werden kann; dies ist vorteilhaft, weil eine variable Vergrößerung es erschweren würde, die Distanz zu dem Objekt zu messen.
Ausführungsformen der Erfindung stellen ein Nivelliergerät bereit, welches ein hohes Maß an Auflösung aufweist und fähig ist, ein Streifen-Kodon mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegende Erfindung umfasst ein Nivelliergerät zum optischen Messen einer Höhendifferenz in Bezug auf einen Nivellierstab ein Objektiv mit einer optischen Achse und einer Objektebene, welche die optische Achse auf deren Objektseite schneidet, und in welcher das Objekt (z. B. der Nivellierstab) angeordnet werden kann, so dass das Objektiv das Objekt auf eine Bildebene des Objektivs abbildet, wobei die Bildebene die optischen Achse auf deren Bildseite schneidet. Das Gerät umfasst ferner eine Bildaufnahmeeinheit mit mehreren Detektorelementzeilen, wobei die mehreren Zeilen so angeordnet sind, dass sie ein zweidimensionales Array bilden, wobei die Detektoren zum Ausgeben von Signalen vorgesehen sind, welche eine auf den Detektor fallende Lichtmenge darstellen, und wobei die Bildaufnahmeeinheit in der Bildebene angeordnet ist. Ferner umfasst das Gerät einen Prozessor zum Empfang der Ausgabesignale, und eine Halterung zum Bewegen des Objektivs um eine vertikale Achse. Die Detektorzeilen sind in einem spitzen Winkel (einem Winkel größer als 0° und kleiner als 90°) in Bezug auf ein Bild einer vertikalen Achse des Objekts.
In dieser Hinsicht führt die Ausrichtung der Detektorzeilen in einem spitzen Winkel zu derjenigen Richtung in der Bildebene, welche einer vertikalen Richtung des Objekts, d. h. des Nivellierstabs, und somit einer horizontalen Ausrichtung des Streifen-Kodon-Musters entspricht, dazu, dass einige Detektorzeilen etwas unterschiedliche Informationen über die Position des Streifen-Kodon-Musters liefern. Diese unterschiedlichen Informationen können rechnerisch in einem Prozessor mittels eines geeigneten Gewichtungsschemas kombiniert werden, um eine verbesserte Auflösung bereitzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt der spitze Winkel zwischen 10° und 80°, oder sogar zwischen 32° und 58°; gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt der spitze Winkel zwischen 40° und 50°, was besonders bevorzugt ist, wenn die Zahl der Detektorzeilen gleich oder ungefähr gleich der Zahl der Detektoren pro Zeile ist.
Ein Array von lichtsensitiven Elementen eines zweidimensionalen Sensors kann mehr als 100 und insbesondere mehr als 200 und weiter insbesondere mehr als 400 lichtsensitive Elemente in Zeilenrichtung, und mehr als 100 und insbesondere mehr als 200 und weiter insbesondere mehr als 400 lichtsensitive Elemente in Querzeilenrichtung aufweisen. Ein typisches Beispiel eines geeigneten zweidimensionalen Sensors könnte 640 Elemente in Zeilenrichtung und 480 Elemente in Querzeilenrichtung aufweisen. Allgemein gibt es wenigstens drei oder mehr Zeilen. Während eine quadratische oder rechteckige Zeilenanordnung bevorzugt ist, können auch mehrere kurze Reihen, die gegeneinander versetzt sind, eingesetzt werden. In dieser Anordnung gibt es vorzugsweise weniger Detektoren pro Zeile als Zeilen vorhanden sind, während der Zeilenversatz weniger ist als diese Zahl der Detektoren pro Zeile, und vorzugsweise 1 beträgt. In diesem Fall können die Zeilen nahe der Kante des zweidimensionalen Detektor-Arrays kürzer sein als zentral angeordnete Zeilen, welche vorzugsweise die längsten sind.
Gemäß einer Ausführungsform ist wenigstens einer der optischen Detektoren ein Charge-Coupled Device (CCD) oder CMOS Bildsensor. Im Kontext dieser Anmeldung umfasst eine Detektorzeile mehrere Detektoren in einer Seite-an-Seite-Anordnung. Wenn der Detektor ein CCD ist, legt die Ausleserichtung die Zeilen fest.
Gemäß einem Beispiel trägt der Nivellierstab ein Muster aus in der Erstreckungsrichtung des Nivellierstabs abwechselnder Lichtreflektivität, und die Steuerung ist ausgebildet, das Nivelliersignal, welches eine erfasste Höhendifferenz darstellt, durch Analysieren des betreffenden Musters des Nivellierstabs, welches in dem Ausgabesignal des Detektors enthaltne ist, zu erzeugen.
Dieses Muster kann direkt die Höheninformation in kodierter Form angeben. Somit stellt der Nivellierstab und nicht das Nivelliergerät selbst das materielle Maß für die Messung bereit. Das in dem Ausgabesignal enthaltene Muster kann zur Messung der relativen Höhendifferenz zwischen dem Gerät und dem Nivellierstab analysiert werden.
Andere Beispiele beziehen sich auf die Verwendung des obenbeschriebenen Geräts in einer geodätischen Messung.
Noch weitere Beispiele beziehen sich auf ein Verfahren zur Erfassung einer Höhendifferenz mit Abbilden eines Objekts auf einen Detektor, so dass eine vertikale Achse des Objekts zu einer Zeilenrichtung eines Detektors um einen spitzen Winkel geneigt ist, und gewichtete Kombinationen von Detektor-Ausgabesignalen der Detektoren in benachbarten Zeilen zu berechnen.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte können miteinander kombiniert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorgenannten sowie weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen klarer ersichtlich. Es sei angemerkt, dass nicht alle möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung notwendig jeden einzelnen, oder überhaupt einen der hier aufgezeigten Vorteile zeigen.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Nivelliergeräts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A ist eine Darstellung eines Nivelliergeräts im Betrieb in Seitenansicht;
2B ist eine Darstellung eines Nivelliergeräts im Betrieb in Aufsicht;
3 ist ein Blockdiagramm, welches das Zusammenwirken der Grundbausteine des Nivelliergeräts von 1 zeigt;
4 zeigt einen Ausschnitt eines Nivellierstabs, welcher zusammen mit dem Nivelliergerät gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
5 zeigt schematisch ein Detektor-Array, welches mit dem erfindungsgemäßen Nivelliergerät verwendet werden kann;
6 zeigt schematisch ein Bild, welches von dem Nivelliergerät erzeugt sein könnte;
7 zeigt eine Anordnung des Bildes eines Streifen-Kodons eines Nivellierstabs auf einem quadratischen Detektor-Array gemäß der Erfindung;
8 zeigt primäre und sekundäre Pixel-Reihen des Detektor-Arrays von 7;
9 zeigt eine beispielhafte Nummerierung von Detektoren eines quadratischen 10×10 Detektor-Arrays gemäß der Erfindung, und ein Gewichtungs-Schema;
10 zeigt eine beispielhafte Nummerierung von Detektoren eines rechteckigen 8×6 Detektor-Arrays gemäß der Erfindung;
11 zeigt schematisch die relativen Orte des Objektivs, der Bildebene, und zweier vertikaler Achsen (durch Kreuze indiziert) in einer Aufsicht.
Detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen
In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen sind Komponenten mit entsprechender Funktion und Struktur so weit wie möglich mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Um die Merkmale individueller Komponenten einer bestimmten Ausführungsform zu verstehen, sollten daher die Beschreibungen anderer Ausführungsformen und die der Erfindungszusammenfassung herangezogen werden.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Wie am besten in 1 dargestellt, besteht das erfindungsgemäße Nivelliergerät eigentlich aus einem Teleskop 2 mit einem Objektiv 22a, einem zweidimensionalen Detektor 21, einem Schwenk-Schrittmotor, einer Halterung 13 und einem Prozessor 7. In der vorliegenden Ausführungsform weist der Detektor ein rechteckiges oder quadratisches Array aus mehreren Zeilen einzelner Elemente auf.
Das Teleskop 2 besteht eigentlich aus einem optischen System 22a, 22b, 22c, einem rechteckigen oder quadratischen, den optischen Detektor bildenden CCD-Detektor 21, einem Strahlteiler 26, einem Okular 27 und einem Fokussier-Schrittmotor 24. Das optische System besteht aus mehreren optischen Linsen 22a, 22b und 22c und einem Kompensator 25, welche den objektseitigen Teil der optischen Achse 10 des optischen Systems definieren. Der optionale Kompensator 25 ist ein automatischer Mechanismus zum Horizontal-Halten der optischen Achse 10, und ist im bildseitigen Teil der optischen Achse angeordnet. Die erste Linse 22a auf der Objektseite ist die Objektivlinse, während die nachfolgenden Linsen 22b und 22c eine Abbildungsoptik bilden.
Durch Einsatz des Strahlteilers 26 können die optischen Linsen 22a, 22b und 22c ein Bild aus einem Blickfeld V1 sowohl auf dem CCD-Detektor 21 als auch für einen (nicht dargestellten) Benutzer bereitstellen, der in das Okular 27 schaut. Der Fokussier-Schrittmotor 24 ist dazu ausgebildet, einen Abstand D zwischen dem optischen System und der Objektebene 12, die durch die optischen Linsen 22a, 22b und 22c auf den CCD-Detektor abgebildet wird, durch Einstellen eines Spalts G zwischen den Linsen 22b und 22c des ersten optischen Systems 28 einzustellen. Dieser Abstand D ist in den 2A und 2B gezeigt.
Das optionale Okular 27 kann verwendet werden, um die Ausrichtung der optischen Achse 10 des Teleskops 2 des Nivelliergeräts 1 in Bezug auf den Nivellierstab zu überwachen.
Der Schwenk-Schrittmotor 4 und die meisten Teile des Teleskops 2 (die optischen Linsen 22a, 22b und 22c, der Kompensator 25, der Strahlteiler 26, der CCD-Detektor 21, der Fokussier-Schrittmotor 24 und ein Teil des Okulars 27) sind in einem Gehäuse 23 des Teleskops 2 angeordnet.
Das Gehäuse 23 des Teleskops 2 ist über eine Schwenkhalterung 42 an einer Grundplatte 13 angebracht. Wie in 2A gezeigt, bildet die Grundplatte 13 zusammen mit einem Dreibein 6 ein sogenanntes ”Tribrach” (Dreifuß, wörtlich ”Dreiarm”) als Halterung.
Die optionale Weitwinkelkamera 3 enthält mehrere optische Linsen 32a, 32b und 32c, die ein zweites optisches System 38 mit einem Array-CCD-Detektor 31 bilden. Die optischen Linsen 32a, 32b und 32c definieren eine optische Achse 11 des zweiten optischen Systems 38 und sind ausgebildet, ein zweidimensionales Bild aus einem Blickfeld V2 auf dem Array-CCD-Detektor 31 zu erzeugen.
Wie in 4 dargestellt, besteht der Nivellierstab 9 aus einem Schaft 91, auf welchem eine Skala in Form eines Musters abwechselnder Licht-Reflektivität bereitgestellt ist. Die Skala 92 ist an dem Schaft 91 in der Längs-Erstreckungsrichtung des Nivellierstabs 9 bereitgestellt. Rechts und links der Skala 92 sind Randbereiche 93, 94 bereitgestellt.
Wie am besten in 5 dargestellt, ist der CCD-Detektor 21 ein zweidimensionaler Detektor, der vorzugsweise mehr als 400 lichtsensitive Elemente (Pixel) P00 – P(x – 1)(y – 1) sowohl in Zeilenrichtung wie in Querzeilenrichtung aufweist. In einer Ausführungsform ist die Zahl der Pixel P00 – P0(y – 1), P10 – P1(y – 1), P20 – P2(y – 1), ..., P(x – 2)0 – P(x – 2)(y – 1), P(x – 1)0 – P(x – 1)(y – 1) jeder Zeile 21a in Zeilenrichtung 640. Somit beträgt der Platzhalter ”y” 640. Die Zahl der Pixel P00 – P(x – 1)0, P01 – P(x – 1)1, P0(y – 2) – P(x – 1)(y – 2), P0(y – 1) – P(x – 1)(y – 1) in der Querzeilenrichtung ist 480. Somit beträgt der Platzhalter ”x” 480.
Der Array-CCD-Detektor 31 und die optischen Linsen 32a, 32b und 32c sind in einem Gehäuse 33 angebracht. Das Gehäuse 33 der Weitwinkelkamera 3 ist an dem Gehäuse 23 des Teleskops 2 durch eine Gabel 8 angebracht. Die Gabel 8 erlaubt etwas Ausrichtung der beiden Gehäuse 23 und 33 (und damit des Teleskops 2 und der Weitwinkelkamera 3) in Bezug aufeinander. Während des Betriebs wird die Ausrichtung der optischen Achse 11 der Weitwinkelkamera 3 in Bezug auf die optische Achse 10 des Teleskops 2 konstant gehalten.
Das Teleskop 2 und die Weitwinkelkamera 2 können mittels des Schwenk-Schrittmotors 4 und eines Getriebesystems 41 (welches ebenfalls in dem Gehäuse 23 des Teleskops 3 untergebracht ist) um eine feste vertikale Achse 5 um die Schwenkhalterung 42 gedreht werden. Als Folge daraus können die optische Achse 10 des Teleskops 2 und die optische Achse 11 der Weitwinkelkamera 3 in ihrer jeweiligen (nicht gezeigten) horizontalen Ebene gedreht werden. Man beachte aber, dass es nicht immer erforderlich ist, dass die optische Achse 10 genau horizontal verläuft; vielmehr kann es in manchen Anwendungsfällen genügen, wenn die optische Achse zu der horizontalen Ebene unter einem Winkel geneigt ist, welcher Neigungswinkel mit einem Klinometer oder Tiltsensor gemessen werden kann. Wenn z. B. der Abstand des Objekts ebenfalls gemessen wird, kann die Höhe des Objekts in Bezug auf das Gerät abgeleitet werden.
In der vorliegende Ausführungsform ist innerhalb des Gehäuses 23 ferner ein Mikrocomputer 7 des Teleskops 2 bereitgestellt. Alternativ kann der Mikrocomputer z. B. in der Grundplatte bereitgestellt sein.
Der Mikrocomputer 7 ist mit dem zweidimensionalen Detektor 21, dem Kompensator 25 und dem Fokussier-Schrittmotor 24 des Teleskops 2, dem Array-CCD-Detektor 31 der Kamera 3, dem Schwenk-Schrittmotor 4, einer Anzeige 14, einer Benutzer-Schnittstelle 15 und einem Speicher 16 der Zusatzvorrichtung 19 (siehe 3) verbunden. Der Computer kann mehrere Prozessoren aufweisen.
Im Folgenden wird die Funktion des Nivelliergeräts 1 kurz beschrieben.
Zu Beginn einer Messung, die durch einen Benutzer über die Benutzer-Schnittstelle ausgelöst werden kann, steuert der Mikrocomputer 7 den Schwenk-Schrittmotor 4 derart an, dass das Teleskop 2 um die vertikale Achse 5 gedreht wird. Inzwischen empfängt der Mikrocomputer 7 ein Bildsignal (zweites Ausgabesignal), welches ein zweidimensionales Bild 18 von dem Array-CCD-Detektor 31 darstellt. Die Drehung des Teleskops 2 und der Kamera 3 wird beibehalten bis der Mikrocomputer 7 eine Darstellung 17 eines Nivellierstabs 9 in dem Bildsignal erkennt. Solch eine Darstellung 17 in dem zweidimensionalen Bild 18 ist in 6 dargestellt.
Auf der Grundlage der erkannten Darstellung 17 des Nivellierstabs 9 steuert der Mikrocomputer 7 den Schwenk-Schrittmotor 4 derart an, dass die optische Achse 10 des ersten optischen Systems 28 des Teleskops 2 durch Drehung sowohl des Teleskops 2 als auch der Kamera 3 automatisch mit der erkannten Darstellung 17 des Nivellierstabs 9 ausgerichtet wird.
Genauer bestimmt der Mikrocomputer 7 eine Position der erkannten Darstellung 17 in dem durch das von der Kamera 3 empfangenen Bildsignal dargestellten zweidimensionalen Bild 18. Unter Berücksichtigung der Abhängigkeit der optischen Achsen 10 und 11 des Teleskops 2 und der Kamera 3 voneinander kann bestimmt werden, welches Gebiet des zweidimensionalen Bildes 18 ungefähr der optischen Achse 10 des Teleskops 2 entspricht. Somit wird der Schwenk-Schrittmotor 4 solange durch den Mikrocomputer 7 aktiviert, bis die erkannte Darstellung 17 des Nivellierstabs 9 in diesem Gebiet angeordnet ist.
In der obigen Ausführungsform erkennt der Mikrocomputer 7 die Darstellung 17 des Nivellierstabs 9 in dem Bildsignal des Array-CCD-Detektors durch Unterziehen des durch das Bildsignal dargestellten zweidimensionalen Bildes 18 einer Bildanalyse.
Zusätzlich oder stattdessen könnte der Mikrocomputer 7 die Darstellung 17 des Nivellierstabs 9 durch Vergleich des Bildsignals mit einem ersten voreingestellten Mustersignal, welches in dem Speicher 16 abgelegt ist, direkt in dem Bildsignal erkennen. Ferner kann der Mikrocomputer 7 zusätzlich oder stattdessen die Darstellung 17 des Nivellierstabs 9 durch Erfassen einer Kennzeichnungs-Farbe, welche für den jeweiligen Nivellierstab 9 voreingestellt ist, in dem Bildsignal erkennen. Mehrere für bestimmte Nivellierstäbe 9 voreingestellte Kennzeichnungs-Farben könnten in dem Speicher 16 abgelegt sein. Um die Identifizierung des Nivellierstabs 9 zu erleichtern, könnte der Benutzer die Kennzeichen des tatsächlichen Nivellierstabs aus mehreren, in dem Speicher 16 abgelegten Kennzeichen auswählen.
Ferner werden die Randbereiche 93, 94 des Schafts 91 des Nivellierstabs 9 auf dem Array-CD-Detektor 31 als vertikale Linien gezeigt, wenn der Nivellierstab 9 sich in dem Blickfeld V2 des zweiten optischen Systems 38 der Weitwinkelkamera 3 befindet. Somit wird der Nivellierstab 9 in dem Bildsignal gemäß einer weiteren Ausführungsform mittels einer ”Hough-Transformation” erfasst. Ein solcher Algorithmus vermag unter Nivellierbedingungen eine vertikale Geometrie zu extrahieren oder zu erfassen.
Die Drehachse 5 des Teleskops 2 und die optische Achse 10 des Teleskops 2 müssen sich nicht notwendigerweise schneiden. Somit kann ein Versatz der optischen Achse 10 des Teleskops 2 in Bezug auf die vertikale Drehachse 5 durch dem Mikrocomputer 7 automatisch beim Ausrichten der optischen Achse 10 des Teleskops 2 mit dem Nivellierstab 9 berücksichtigt werden.
Außer zur Ausrichtung der optischen Achse 10 des optischen Systems des Teleskops 2 mit dem Nivellierstab 9 ist der Mikrocomputer 7 zur Steuerung des in dem Teleskop 2 vorgesehenen Fokussier-Schrittmotors 24 ausgebildet.
In dieser Hinsicht erfasst das Nivelliergerät 1 automatisch einen Abstand zwischen dem Nivelliergerät 1 und dem Nivellierstab 9 durch Vergleich einer Länge oder Breite der in dem Bildsignal der Kamera 3 erkannten Darstellung 17 des Nivellierstabs 9 mit einer für den jeweiligen Nivellierstab 9 voreingestellten, in dem Speicher 16 abgelegten Länge oder Breite. Auf der Grundlage des erfassten Abstands steuert der Mikrocomputer 7 den Fokussier-Schrittmotor 24 derart an, dass der Abstand D zwischen dem optischen System und der Objektebene 12 automatisch auf den erfassten Abstand zwischen dem Nivelliergerät 1 und dem Nivellierstab 9 eingestellt wird. Somit wird die Steuerung des Fokussier-Schrittmotors 24 auf der Grundlage der erkannten Darstellung 17 des Nivellierstabs 9 in dem von dem Array-CCD-Detektor 31 der Kamera 3 empfangenen Bildsignal ausgeführt.
Durch Steuern des Fokussier-Schrittmotors 24 auf der Grundlage des Bildsignal der Kamera 3 kann der Fokus des optischen Systems automatisch auf eine Entfernung voreingestellt werden, in welcher der Nivellierstab 9 ungefähr erwartet wird.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die schattierten Gebiete in 4, und insbesondere die Randgebiete 93 und 94 von leuchtend-gelber Farbe, welche als ”Signalfarbe” (”Signal Color”) bezeichnet werden könnte. Diese Farbe hoher Reflektivität ist normalerweise in natürlicher Umgebung nicht anzutreffen. Somit kann diese Farbe durch den Mikrocomputer 7 dazu verwendet werden, den Nivellierstab 9 in dem Bildsignal des zweiten optischen Systems 28 der Kamera 3 wie oben beschrieben zu erkennen.
Der Mikrocomputer 7 erzeugt das eine erfasste Höhendifferenz zwischen dem Nivellierstab 9 und dem elektronischen Nivelliergerät 1 darstellende Nivellier signal durch Analyse des Musters aus abwechselnder Licht-Reflektivität, welches in dem Ausgabesignal des optischen Detektors 21 enthalten ist, sofern der Nivellierstab 9 sich in dem Blickfeld V1 des optischen Systems des Teleskops 2 befindet. Die konkrete Erzeugung des Nivelliersignals auf der Grundlage des in dem Ausgabesignal enthaltenen Musters, um eine Höhe des elektronischen Nivelliergeräts 1 in Bezug auf den Nivellierstab 9 auszugeben, ist aus den eingangs dieser Anmeldung zitierten Druckschriften des Standes der Technik bekannt.
Das Nivelliergerät muss nicht unbedingt alle Elemente der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform aufweisen. Ferner können zusätzliche Elemente wie z. B. eine Stromversorgung (z. B. eine Batterie) oder z. B. eine Fernbedienungseinheit bereitgestellt sein. Die Anzeige 14 könnte entweder in das Gehäuse 23 des Teleskops 2 oder das Gehäuse 33 der Kamera 3 integriert sein. Alternativ könnte sogar ein gesondertes Anzeigemittel wie ein PDA (personal digital assistant) oder ein PC (personal computer) verwendet werden.
Gemäß dem in 7 gezeigten Beispiel wird das Streifen-Kodon eines Nivellierstabs auf einen 10×10 quadratischen Detektor-Array abgebildet, so dass die vertikale Achse des Stabs mit der Diagonalen des Detektor-Arrays ausgerichtet ist, d. h. die Detektorzeilen bilden einen Winkel φ von 45° (oder innerhalb von weniger als 5° um 45°) mit dem Bild der vertikalen Objektachse. Wie in 8 gezeigt, bilden die von der Diagonalen durchsetzten Detektoren eine primäre Pixelreihe, während die der primären Pixelreihe benachbarten Detektoren und die die Detektoren der primären Pixelreihe seitlich an den Ecken berührenden Detektoren, welche einen Abstand von der Diagonalen von bloß ihrer halben (diagonalen) Größe haben, sekundäre Pixelreihen bilden, und zwar zwei an jeder Seite der primären Pixelreihe. In diesem Zusammenhang seien ”Reihen” von Detektoren als Ecke-an-Ecke-Anordnung zu verstehen. Aus 9 ist ein Gewichtungs-Schema dieser Pixel-Reihen ersichtlich: Gemäß der in dieser gezeigten Nummerierung sind die Pixel der primären Pixel-Reihe mit Px, x nummeriert; die Pixel der ersten sekundären Pixel-Reihe mit Px, x ± 1; und die Pixel der nächsten sekundären Pixel-Reihe mit Px, x ± 2. Gemäß Formel 1 besagt das Gewichtungsschema dass, wenn x + y gerade ist (aber weder 0 noch xmax + ymax), die gewichtete Summe (Px, x + Px, x + 2 + Px, x – 2)/3 berechnet wird, und wenn x + y ungerade ist, die gewichtete Summe (Px, x + 1 + Px, x – 1)/2 berechnet wird. Falls eine Mittelung nicht gewünscht ist, können die Diagonalwerte Px, x direkt ohne Gewichtung verwendet werden. Wenn x + y = 0 ist, wird der Wert P0, 0 verwendet, und ebenso wird der Wert Pxmax, ymax ohne Gewichtung verwendet, wenn x = xmax ist und y = ymax ist (wobei xmax und ymax die maximal möglichen Werte für x bzw. y sind, nämlich die Zahl der Reihen, bzw. die Zahl der Detektoren in der längsten Reihe). Man beachte, dass, wenn ein solches Gewichtungsschema verwendet werden soll, das Detektor-Array nur die primäre und erste sekundäre und, optional, die zweite sekundäre Pixelreihe aufzuweisen braucht. Allerdings wird der Detektor vielseitiger sein, wenn mehr Pixelreihen vorhanden sind, die bei Bedarf in einem erweiterten Gewichtungsschema einbezogen werden können.
Gemäß 10 wird ein rechteckiges Detektor-Array mit 6 Zeilen aus je acht echten Pixeln verwendet (äußere Nummerierung). Man beachte, dass diese Auswahl nur Illustrationszwecken dient, indem tatsächliche Detektoren größere Zahlen von Zeilen und Spalten aufweisen. Das physikalische Array ist in ein Array von 8×8 ”virtuellen Pixeln” aufgeteilt (innere Nummerierung in 10). Es sei angemerkt, dass die virtuellen Pixel in verschiedener Weise mit den echten Pixeln überlappen. Insbesondere tragen zur Fläche jedes virtuellen Pixels ein oder mehrere tatsächliche Pixelflächen bei. Z. B. hat das virtuelle Pixel V0, 0 nur einen Beitragenden, nämlich das echte Pixel P0, 0, und die Überlappung beträgt 75% der Fläche dieses tatsächlichen Pixels. Andererseits hat das virtuelle Pixel V1, 1 zwei Beitragende P0, 1 und P1, 1, und die Überlappungsflächen betragen 25% bzw. 50%. Allgemein ergibt sich für ein Verhältnis der Zeilenzahl zur Zahl der Detektoren pro Zeile von 3:4 ein Faktor von 75% wenn (s mod 4) = 0 oder 3; und Faktoren von 25% und 50% wenn (s mod 4) = 1 oder 2. Insbesondere sei APy, x das ursprüngliche Ausgangssignal eines Pixel bei der Position y, x; sei AV_s,r der berechnete Wert eines virtuellen Pixels bei der Position s,r; und sei INT(3·s/4) = y und r = x.
Dann gilt für (s mod 4) = 0 oder 3: AV_s,r = 0,75 AP_y,x; für (s mod 4) = 1: AV_s,r = 0,25·AP_y,x + 0,5·AP_y+1,x; und für (s mod 4) = 2: AV_s,r = 0,5·AP_y,x + 0,25·AP_y,x.
In dieser Weise wird eine Quadratzahl an virtuellen Pixeln definiert. Natürlich sollten für andere Verhältnisse der Zahl der Detektoren pro Zeile zur Zahl der Zeilen die Koeffizienten entsprechend angepasst werden, so dass eine Quadratzahl an virtuellen Pixeln resultiert. Ebenso würde sich in einem solchen Fall ein anderer Winkel φ ergeben: Während dieser Winkel für ein 3:4-Array nahe bei 37° (oder 53°) liegt (arctan(3/4)37° und arctan(4/3)53°), werden andere Winkel für andere Aspektverhältnisse zweckmäßig sein, wie z. B. etwa 34° (oder etwa 56°) für ein Aspektverhältnis von 2:3, welches ebenfalls verbreitet ist. Man beachte, dass dort, wo die Zeilen die längere Dimension festlegen, sich ein Winkel von unter 45° (aber mehr als 30°) als der bevorzugte Winkel zwischen der Zeilenrichtung und der vertikalen (oder dieser entsprechenden) Richtung ergeben wird, welcher Winkel in einem rechteckigen Array identisch zu dem Winkel zwischen der Spaltenrichtung und der horizontalen (oder entsprechenden) Richtung ist, wie in 10 angedeutet.
Wie weiter unten gezeigt werden wird, ist es auch nicht immer notwendig, alle möglichen virtuellen Pixelwerte zu berechnen; vielmehr ist es oftmals ausreichend, in den Berechnungen die Werte der primären und sekundären virtuellen Pixelreihen zu verwenden. Dies ist z. B. besonders bevorzugt, wenn eine schnelle Auslesezeit wichtig ist, z. B. wenn ein Autofokus-Verfahren mit einer Erkennung des Streifen-Kodons arbeitet. Wenn in einem solchen Fall das Objekt weiter entfernt ist als der kürzestmögliche Abstand, werden die Detektorzeilen und -spalten nicht in voller Länge verwendet, und das Auslesefenster des Sensors wird verkleinert. Dies ergibt eine kürzere minimale Auslesezeit, und ein entsprechend größeres Verhältnis der längsten zur kürzesten Belichtungszeit.

Der Satz von Werten für jedes virtuelle Pixel, oder wenigstens für die diagonalen virtuellen Pixelreihen und die nächsten sekundären virtuellen Pixelreihen, können dem folgenden beispielhaften Gewichtungsschema unterworfen werden:

Wenn (n mod 4) = 0:	AD_n = ½·(AV_n/4,n/4-1 + AV_n/4-1,n/4);

wenn (n mod 4) = 1:	AD_n = ¾·¾·½·AV_{(n-5)/4,((n-5)/4)+1} +
	¼·¾·½·AV_{(n-5)/4,((n-5)/4)+2} +
	¼·¾·½·AV_{((n-5)/4)+1,((n-5)/4)} +
	¼·¾·AV_{((n-5)/4)+1,((n-5)/4)+1} +
	¼·¼·½·AV_{((n-5)/4)+1,((n-5)/4)+2} +
	¼·¾·½·AV_{((n-5)/4)+2,(n-5)/4} +
	¼·¼·½·AV_{((n-5)/4)+2,((n-5)/4)+1};

wenn (n mod 4) = 2:	AD_n = AV_{(n-2)/4,(n-2)/4};

wenn (n mod 4) = 3:	AD_n = ¼·¼·½·AV_{(n-7)/4,((n-7)/4)+1} +
	¼·¾·½·AV_{(n-7)/4,((n-7)/4)+2} +
	¼·¼·½·AV_{((n-7)/4)+1,((n-7)/4)} +
	¼·¾·AV_{((n-7)/4)+1,((n-7)/4)+1} +
	¾·¾·½·AV_{((n-7)/4)+1,((n-7)/4)+2} +
	¼·¾·½·AV_{((n-7)/4)+2,(n-7)/4} +
	¾·¾·½·AV_{((n-7)/4)+2,((n-7)/4)+1}.

Hierin läuft n von 4 aufwärts; AD_n sind die gewichteten virtuellen Pixeldaten; und AV_x,y sind die virtuellen Pixelwerte. Die Reihe von Zahlen AD_n kann dann wie üblich einer weiteren Auswertung unterworfen werden. Man beachte, dass die Summe der Gewichtungskoeffizienten in jedem Falle 1 beträgt. Es ist zweckmäßig, bei der Berechnung Festkommazahlen zu verenden. Übrigens bezeichnet der Ausdruck (a mod b) den Rest der Division a/b, während INT(a/b) die Ganzzahl bezeichnet, die sich aus [a – (a mod b)]/b ergibt, wobei a und b positiv sind.
In der oben beschriebenen Weise werden Koeffizienten berechnet, mit welchen die tatsächlichen Intensitätswerte AP, die von den tatsächlichen Detektoren erfasst werden, gewichtet werden. Es sei angemerkt, dass dieses Schema mehr (virtuelle) Pixelwerte AD_n entlang der Diagonalen ergibt, als tatsächliche Werte AP_x,x vorhanden waren; mit anderen Worten, es ergibt sich eine Steigerung der Auflösung. Gleichzeitig neigt das Schema wegen der Verwendung mehrerer verschiedener Pixel bei der Berechnung der Pixelwerte AD_n dazu, die immer vorhandenen Herstellungs-Ungleichmäßigkeiten der Pixel auszugleichen.
Es sei angemerkt, dass andere Gewichtungs-Schemata mit weniger virtuellen Pixelwerten ebenfalls denkbar sind: Z. B. werden in einem alternativen Schema nur virtuelle Pixelwerte aus der primären und der ersten sekundären Pixelreihe verwendet. In einem noch weiter vereinfachten Schema werden nur die Werte der primären Pixelreihe der virtuellen Pixel verwendet. In diesen Alternativen ist jedoch die Steigerung der Auflösung weniger prägnant als in den kompletten Schema, welches auch die zweiten sekundären Pixelreihen verwendet. In noch einem anderen Schema ist ein rechteckiges Array unter etwa 45° zur projizierten vertikalen Richtung orientiert, aber nur jenes quadratische Sub-Array wird tatsächlich ausgelesen oder bei der Berechnung verwendet, auf dessen Diagonale die vertikale Achse des Objekts projiziert wird.
Ein Aufsicht-Schema der Anordnung der verschiedenen optischen Komponenten ist in 11 angegeben: Die optische Achse 10 des Objektivs 22a hat einen ersten Teil 10', der eine Objektebene 12 schneidet, und einen zweiten Teil 10'', der eine Bildebene schneidet, in der ein Detektor 21 angeordnet ist. Man beachte dass die für die Fokussierung verwendeten Linsen der Abbildungsoptik in dieser schematischen Zeichnung zwecks klarerer Darstellung weggelassen wurden. Das Objektiv kann zu Nivellierungszwecken, z. B. zum Lokalisieren des (nicht gezeigten) Nivellierstabs, um die vertikale Achse 5 bewegt werden. Eine weitere vertikale, zur Schwenkachse 5 parallele Hilfsachse 5' schneidet den ersten Teil 10' der optischen Achse 10. Diese Achse 5' wird durch das optische System auf einen Ort 5'' hinter der Bildebene abgebildet (vorausgesetzt, die vertikale Hilfsachse 5' schneidet die optische Achse 10 an einem Ort zwischen der Objektebene 12 und dem Brennpunkt des Teleskops). Die abgebildete Achse 5'' und der zweite Teil 10'' der optischen Achse 10 definieren eine Ebene, welche in der Aufsichtdarstellung der 11 als eine Linie erscheint, die mit dem zweiten Teil 10'' der optischen Achse 10 koinzidiert. Am Schnittpunkt mit der Bildebene ist ein rechter Winkel gebildet. Andererseits definieren die vertikale Achse 5' und der erste Teil 10' der optischen Achse 10 ebenfalls eine Ebene, welche in der Aufsichtdarstellung von 11 als eine mit dem ersten Teil 10' der optischen Achse 10 koinzidierende Linie erscheint. Diese Ebene bildet einen rechten Winkel mit der Objektebene 12. Man erkennt, dass die Schnittlinien der durch die vertikalen Achsen 5' und 5'' mit dem ersten 10' bzw. zweiten Teil 10'' der optischen Achse 10 definierten Ebenen, mit der Bild- bzw. Objektebene 12 in diesem Beispiel alle vertikal sind, oder wenigstens einander optisch entsprechen. Wenn z. B. der zweite Teil 10'' der optischen Achse 10 durch Einfügen eines Spiegels (wie dem Strahlteiler 26 in 1) dazu gebracht wird, mit dem ersten Teil 10' der optischen Achse 10 einen Winkel zu bilden, braucht das Bild 5'' der vertikalen Achse 5' nicht vertikal zu sein; es wird aber der vertikalen Achse 5' optisch entsprechen, deren Bild sie ist. Gleichzeitig wird eine vertikale Achse 12' des Objekts auf die Bildebene unter Bildung eines Bildes 12'' der vertikalen Achse 12' des Objekts abgebildet.
Hierbei schneidet die vertikale Achse 5 vorzugsweise die optische Achse 10. Noch weiter bevorzugt liegt der Schnittpunkt nahe bei, oder im anallaktischen Punkt des Geräts.
Es ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf den oben beschriebenen Einsatz von Schrittmotoren beschränkt ist. Jeder andere bekannte Aktuator kann stattdessen verwendet werden, der geeignet ist, das Teleskop 2 und die Kamera 3 um die feststehende vertikale Achse 5 zu bewegen, oder den Abstand D zwischen dem Objektiv 22a und der Objektebene 12 zu verändern. Beispielsweise könnte eine optische Linse mit variabler Brechkraft an Stelle des Fokussier-Schrittmotors und der verlagerbaren der optischen Linsen des optischen Systems eingesetzt werden.
Ferner ist ersichtlich, dass die Art und Größe der als zweidimensionaler Detektor 21 und als Array-CCD-Detektor 31 eingesetzten optischen Detektoren abgewandelt werden können. Weiterhin können die Detektoren entweder Farb- oder Schwarz-/Weiß-Detektoren sein. Die vorliegende Erfindung ist jedoch besonders vorteilhaft, wenn ein zweidimensinaler Farbdetektor verwendet wird: In diesem Fall erlaubt das besondere Interpolationsschema einen erheblichen Ausgleich der Farbinhomogenitäten.
An Stelle des zweidimensionalen Detektors mit Aspektverhältnis 4:3 oder 3:2 wie oben beschrieben ist es denkbar, einen mit relativ wenigen, relativ langen Zeilen zu verwenden, d. h. mit einem Aspektverhältnis von (viel) mehr als 2:1, aber zueinander versetzten Zeilen. Ein solcher Detektor kann mit der Zeilenrichtung entlang des Bildes der vertikalen Objektachse (d. h. φ = 0) angeordnet werden, und dennoch, verglichen mit einem Zeilen-Detektor ohne zueinander versetzte Zeilen, eine Auflösungssteigerung bereitstellen. Das oben beschriebene bevorzugte Gewichtungsschema kann für einen solchen Detektor verwendet werden, wobei die zueinander gestaffelten Zeilen den Platz der primären bzw. sekundären Pixelreihen einnehmen.
Ferner können die beschriebenen Grundsätze auch in einem Vermessungsgerät Anwendung finden, wenngleich oben ein Nivelliergerät beschrieben wurde.
Ebenso ist es denkbar, wenn Rauschen keine Rolle spielt, kein Gewichtungsschema zur Berechnung gemittelter Signalwerte anzuwenden, sondern stattdessen die geringfügig verschiedenen vertikalen Positionen der einzelnen Detektoren auszunutzen, wenn das Detektor-Array um einen spitzen Winkel in Bezug auf das Bild einer vertikalen Objektachse verkippt ist. In einigen Anwendungen kann dies eine gesteigerte Genauigkeit bei der Bestimmung der Position und Breite der Kodon-Streifen des Nivellierstabs erlauben.
Ausführungsformen eines Nivelliergeräts zum optischen Messen einer Höhendifferenz in Bezug auf einen Nivellierstab umfassen ein Objektiv, ein in einer Bildebene des Objektivs angeordnetes Detektor-Array, eine Halterung zum Bewegen des Objektivs um eine feste vertikale Achse des Geräts, und einen Prozessor. Das Detektor-Array weist Zeilen auf, die um einen spitzen Winkel zu einem Bild einer vertikalen Achse eines Objekts geneigt sind. Es ist bevorzugt, wenn die Detektoren jeder Zeile keine Lücken erheblicher Größe zwischen einander aufweisen.
Während die Erfindung in Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist ersichtlich, dass dem Fachmann viele Alternativen, Modifikationen und Variationen offenkundig sein werden. Dementsprechend seien die hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung als illustrativ und in keiner Weise beschränkend verstanden. Verschiedenerlei Änderungen können gemacht werden, ohne vom Konzept und Umfang der in den nachfolgenden Ansprüchen definierten Erfindung abzuweichen.
Zusammenfassung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Nivelliergerät zum optischen Erfassen einer Höhendifferenz in Bezug auf einen Nivellierstab, und umfasst ein Objektiv, einen zweidimensionalen Detektor, eine Halterung zum Drehen sowohl des Objektivs als auch des Detektors um eine feste vertikale Achse des Geräts, und einen Prozessor. Der Detektor ist so angeordnet, dass seine Zeilen zu einem Bild einer vertikalen Achse des Objekts um einen spitzen Winkel geneigt sind. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Erfassen einer Höhendifferenz eines Geräts in Bezug auf einen Nivellierstab, umfassend Abbilden des Nivellierstabs auf ein Array von Detektoren derart, dass das Bild einer vertikalen Achse des Stabs zu Detektorzeilen um einen spitzen Winkel geneigt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 2006/009823 [0007]
- DE 19706970 A1 [0008]
- US 5572009 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Aufsatz ”Die neuen Digitalnivelliere DiNi 10 und DiNi 20” von Wieland Feist, Klaus Gürtler, Thomas Marold und Holger Rosenkranz, veröffentlicht im April 1995 in Band 57, Ausgabe 2 der Zeitschrift ”VR Vermessungswesen und Raumordnung” [0006]
- Hanns J. Meckenstock, Domagkweg 90, D-42109 Wuppertal, Deutschland [0006]

Claims

Nivelliergerät, umfassend: einem Objektiv mit einer optischen Achse, einer die optische Achse schneidenden Objektebene, und einer die optische Achse schneidenden Bildebene, wobei das Objektiv ausgebildet ist, ein in der Objektebene angeordnetes Objekt in die Bildebene abzubilden; eine mehrere Reihen von Lichtdetektoren umfassende Bildaufnahmeeinheit, wobei die mehreren Reihen von Lichtdetektoren so angeordnet sind, dass sie ein zweidimensionales Detektor-Array bilden, wobei die Lichtdetektoren dazu ausgebildet sind, eine auf die Lichtdetektoren einfallende Lichtmenge darstellende Signale auszugeben, wobei die Bildaufnahmeeinheit in der Bildeben angeordnet ist; und eine Halterung zum Bewegen des Objektivs um eine vertikale Achse, wobei die mehreren Reihen von Detektoren unter einem spitzen Winkel in Bezug auf ein Bild einer vertikalen Achse des Objekts angeordnet sind, wobei das Bild der vertikalen Achse des Objekts durch das Objektiv erzeugt ist.
Nivelliergerät nach Anspruch 1, wobei die Halterung eine Schwenkanordnung zum Schwenken des Objektivs und der Bildaufnahmeeinheit um die vertikale Achse der Halterung beinhaltet.
Gerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei der spitze Winkel mehr als 10°, und weniger als 80° beträgt, vorzugsweise mehr als 32°, und weniger als 58° beträgt.
Gerät nach Anspruch 3, wobei der spitze Winkel mehr als 40°, und weniger als 50° beträgt.
Gerät nach Anspruch 4, wobei eine Zahl der Detektorzeilen gleich einer Zahl der Lichtdetektoren in jeder Zeile ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Zahl der Zeilen kleiner als eine Zahl der Detektoren in der längsten der Zeilen ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend wenigstens einen Prozessor, der zum Berechnen gewichteter Mittelungssignale aus Ausgabesignalen der Lichtdetektoren benachbarter der Zeilen ausgebildet ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend einen Speicher zum Speichern von Ausgabedaten des wenigstens eines Prozessors.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend eine Anzeige zum Anzeigen von durch den wenigstens einen Prozessor bereitgestellten Ausgabedaten.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner umfassend einen Aktuator zum Bewegen des Objektivs und der Bildaufnahmeeinheit um die vertikale Achse der Halterung.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner umfassend einen Kippsensor zum Erfassen eines Winkels der optischen Achse in Bezug auf eine zur vertikalen Achse der Halterung senkrechten Ebene.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner umfassend wenigstens einen zwischen dem Objektiv und den Lichtdetektoren angeordneten Reflektor.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Objektiv eine feste Vergrößerung bereitstellt.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Objektiv Teil eines Teleskops ist.
Verwendung des Geräts nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in einem geodätischen Messverfahren.
Verwendung nach Anspruch 15, wobei der wenigstens eine Prozessor dazu verwendet wird, Daten zur Eingabe für einen Bilderkennungsschritt als Bestandteil des geodätischen Messverfahrens bereitzustellen.
Verwendung nach Anspruch 16, wobei das Objekt ein Streifen-Kodon einer maschinenlesbaren Skala eines Nivellierstabs ist.
Verfahren zum Erfassen der vertikalen Position eines Objekts, wobei das Verfahren umfasst: Bewegen eines Objektivs und eines mehrere Reihen von Detektoren umfassenden Detektor-Arrays um eine vertikale Achse zur Ausrichtung auf das Objekt; Abbilden des Objekts mit dem Objektiv auf das Detektor-Array derart, dass ein Bild einer vertikalen Achse des Objekts in Bezug auf eine Erstreckungsrichtung der mehreren Reihen von Lichtdetektoren einen spitzen Winkel bildet; Erzeugen von Daten, die Intensitäten von auf die Lichtdetektoren fallendem Licht entsprechen; Berechnen gewichteter Summen von Intensitäten von auf ausgewählte der Lichtdetektoren fallendem Licht entsprechenden Daten.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend Anzeigen einer die gewichteten Summen von Daten darstellenden Anordnung von Bildelementen.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend Unterwerfen der gewichteten Summen von Daten einer Bilderkennung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei der spitze Winkel mehr als 10°, und weniger als 80° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der spitze Winkel mehr als 30°, und weniger als 60° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der spitze Winkel mehr als 40°, und weniger als 50° beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, umfassend Justieren des Objektivs derart, dass das Bild der vertikalen Achse des Objekts entlang einer Diagonalen des Lichtdetektor-Arrays ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei Gewichtungskoeffizienten der gewichteten Summen von Daten von einem lateralen Abstand der jeweiligen Lichtdetektoren von der Diagonalen Lichtdetektor-Arrays abhängt.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Gewichtungskoeffizienten umso kleiner sind, je größer der laterale Abstand des jeweiligen Lichtdetektors von der Diagonalen ist.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, wobei die Gewichtungskoeffizienten derjenigen Detektoren, deren lateraler Abstand von der Diagonalen mehr als ihre laterale Größe beträgt, Null ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei die Gewichtungskoeffizienten derjenigen Lichtdetektoren, welche von der Diagonalen des Detektor-Arrays geschnitten werden, größer sind als die Gewichtungskoeffizienten derjenigen Lichtdetektoren, die den von der Diagonalen des Detektor-Arrays geschnittenen Lichtdetektoren benachbart sind, jedoch nicht selbst von der Diagonalen des Detektor-Arrays geschnitten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, ferner umfassend Berechnen von mehr gewichteten Summen von Daten für jedes Bild, als die Zahl der Lichtdetektorsignale, welche in die Berechnung eingehen.