JP2838246B2

JP2838246B2 - 電子レベル用標尺と電子レベル

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Publication number: JP2838246B2
Application number: JP19169692A
Authority: JP
Inventors: 薫熊谷; 文夫大友
Original assignee: TOPUKON KK
Current assignee: TOPUKON KK
Priority date: 1992-06-24
Filing date: 1992-06-24
Publication date: 1998-12-16
Anticipated expiration: 2013-12-16
Also published as: JPH074959A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子レベルと、これに
使用する電子レベル用標尺に係わり、特に、電子的に高
低差を算出する電子レベルに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から直接水準測量等を行う場合に
は、レベル（水準儀）と標尺が使用されていた。即ち、
測量者が、標尺の目盛りをレベルを使用して目視するこ
とにより高低差を測定していた。この古典的なレベルに
よる測量は、測量者による読み誤りが発生していた。こ
の読み誤りを解消するために、標尺の目盛り作業を電子
的に行う電子レベルが開発された。この電子レベルは例
えば、標尺側から所定信号を包含させた光を発光させ、
この光を電子レベル側で受光して識別し、標尺の目盛り
を読み取る様に構成されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら画像処理
技術が進歩した今日では、距離に応じて倍率が変化する
標尺の目盛りを画像処理することにより、電子的に標尺
の目盛りを読み取ることも可能であるが、膨大な処理時
間を必要とし、実用性に乏しいという問題点があった。
従って、距離に応じて標尺の目盛りの倍率が変化して
も、簡易な信号処理により、電子的に標尺の目盛りを読
み取ることのできる電子レベルの出現が強く望まれてい
た。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題に鑑み
案出されたもので、等間隔で順次配列された第１のパタ
ーン、第２のパターン、場合によっては第３のパターン
を測長方向に有し、前記第１のパターンと前記第２のパ
ターンとは、互いに異なる周期のパータン幅で形成さ
れ、この第３のパターンは等パターン幅で形成されてい
ることを特徴としている。

【０００５】また本発明の電子レベルは、上記電子レベ
ル用標尺を使用して測定を行う電子レベルであって、前
記第１のパターン、第２のパターン、場合によっては第
３のパターンを読み取るためのパターン検出部と、この
パターン検出部で検出された検出信号から基準信号を形
成するための基準信号形成部と、この基準信号形成部で
形成された基準信号と前記パターン検出部で検出された
検出信号とから、第１のパターン信号と第２のパターン
信号を形成するためのパターン信号形成部と、視準線付
近の第１のパターン信号と第２のパターン信号の位相か
ら高低差を算出するための算出部とから構成されてい
る。

【０００６】更に本発明の電子レベルは、前記第１のパ
ターン、第２のパターンを読み取るためのパターン検出
部と、このパターン検出部で検出された検出信号の間隔
から基準信号を形成するための基準信号形成部と、この
基準信号に基づき電子レベル用標尺までの距離を測定す
る距離測定部と、この基準信号形成部で形成された基準
信号と前記パターン検出部で検出された検出信号とか
ら、第１のパターン信号と第２のパターン信号を形成す
るためのパターン信号形成部と、視準線付近の第１のパ
ターン信号と第２のパターン信号のパターン幅から、視
準線が含まれるパターンのブロック部を特定するための
ブロック検出部と、この特定されたブロックに基づき高
低差を算出するための算出部とから構成されている。

【０００７】そして本発明の電子レベルは、電子レベル
用標尺までの距離が一定距離以下である場合には、前記
特定されたブロックに基づき高低差を算出し、前記電子
レベル用標尺までの距離が一定距離以上である場合に
は、視準線付近の第１のパターン信号と第２のパターン
信号の位相から高低差を算出する算出部を備えることも
できる。

【０００８】

【作用】以上の様に構成された本発明は、第１のパター
ン、第２のパターン、場合によっては第３のパターンを
測長方向に等間隔で順次配列し、第１のパターンと第２
のパターンとは、互いに異なる周期のパータン幅で形成
し、第３のパターンは等パターン幅に形成している。

【０００９】また本発明の電子レベルは、上記電子レベ
ル用標尺を使用して測定を行う電子レベルであり、パタ
ーン検出部が、第１のパターン、第２のパターン、第３
のパターンを読み取り、基準信号形成部が、パターン検
出部で検出された検出信号から基準信号を形成し、パタ
ーン信号形成部が、この基準信号形成部で形成された基
準信号とパターン検出部で検出された検出信号とから、
第１のパターン信号と第２のパターン信号を形成し、算
出部が、視準線付近の第１のパターン信号と第２のパタ
ーン信号の位相から高低差を算出する様になっている。

【００１０】更に本発明の電子レベルは、基準信号形成
部が、パターン検出部で検出された検出信号のパルス幅
から基準信号を形成し、ブロック検出部が、視準線付近
の第１のパターン信号と第２のパターン信号のパターン
幅から、視準線が含まれるパタンのブロック部を特定
し、算出部が、特定されたブロックに基づき高低差を算
出する様になっている。

【００１１】そして本発明の電子レベルは、算出部が、
電子レベル用標尺までの距離が一定距離以下である場合
には、特定されたブロックに基づき高低差を算出し、電
子レベル用標尺までの距離が一定距離以上である場合に
は、視準線付近の第１のパターン信号と第２のパターン
信号の位相から高低差を算出する様にすることもでき
る。

【００１２】

【実施例】

【００１３】本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。

【００１４】図１〜図３に示す様に、本実施例の測量装
置は、電子レベル１と、電子レベル用標尺２とからなっ
ている。電子レベル１は、図３に示す様に整準装置１０
０上に載置されており、図１に示す様に、対物レンズ部
１１と、コンペンセータ１２と、ビームスプリッタ１３
と、接眼レンズ部１４と、リニアセンサ１５と、演算処
理手段１６とから構成されている。

【００１５】対物レンズ部１１は、電子レベル用標尺２
のパターンの像を形成するためのものである。コンペン
セータ１２は、電子レベル１の光軸が多少傾いても、視
準線を自動的に水平にするための自動補償機構であり、
水平光線を上下に変化させて結像させるものである。ビ
ームスプリッタ１３は、光を接眼レンズ部１４方向と、
リニアセンサ１５方向に分割させるためのものである。
接眼レンズ部１４は、測量者が、電子レベル用標尺２を
目視するためのものである。リニアセンサ１５はパター
ン検出部に該当するもので、対物レンズ部によって形成
された電子レベル用標尺２のパターン像を電気信号に変
換するためのものである。本実施例では、ＣＣＤリニア
センサが使用されている。このリニアセンサ１５は、ホ
トダイオードを少なくとも１次元的に配置したリニアイ
メージセンサであれば、何れのセンサを採用することが
できる。

【００１６】演算処理手段１６は、アンプ１６１と、サ
ンプルホールド１６２と、Ａ／Ｄ変換器１６３と、ＲＡ
Ｍ１６４と、クロックドライバ１６５と、マイクロコン
ピュータ１６６と、表示器１６７とから構成されてい
る。

【００１７】次に電子レベル用標尺２は、図２に示す様
に、第１のパターンＡと第２のパターンＢと第３のパタ
ーンＲが等間隔（ｐ）で繰り返し配置されている。即
ち、３種のパターンを１組として各ブロックが連続して
形成されており、最も左側に配置されたブロックを、０
ブロックと定義し、Ｒ（０）、Ａ（０）、Ｂ（０）と記
載すれば、Ｒ（１）、Ａ（１）、Ｂ（１）、Ｒ（２）、
Ａ（２）、Ｂ（２）、・・・・・・・・と繰り返し配置
されている。なお、全てのパターンが等間隔ｐで繰り返
されているので、この間隔に対応した信号を基準信号と
する。

【００１８】本実施例では１０ｍｍ間隔で設定されてい
るが、何れの間隔距離を採用することができる。また第
３のパターンＲは、黒幅８ｍｍで固定幅となっており、
第１のパターンＡは、６００ｍｍで１周期となる様に黒
部分の幅を変調しており、第２のパターンＢは、５７０
ｍｍで１周期となる様に黒部分の幅を変調している。な
お、第１のパターンＡと第２のパターンＢとは、周期が
僅かに異なれば、何れの周期を採用することができる。
なお、第１のパターンＡ、第２のパターンＢ、の変調の
様子は、図２（ｂ）の様になる。

【００１９】以上の様に構成された本測量装置の測定原
理を説明する。

【００２０】まず、電子レベル用標尺２の水平位置を求
める原理を説明する。

【００２０】電子レベル用標尺２の第１のパターンＡ
は、６００ｍｍで１周期となる様に黒部分の幅を変調し
ているので、変調幅を０〜１０ｍｍとすれば、第１のパ
ターンの幅Ｄ_Aは、以下の式で与えられる。

【００２１】Ｄ_A＝５＊（１＋ＳＩＮ（２＊π＊Ｘ／６００−π／２））・・・第１式

【００２２】となる。但し、Ｘ＝（１０ｍｍ、４０ｍ
ｍ、７０ｍｍ・・・・・・である）。

【００２３】同様に、電子レベル用標尺２の第２のパタ
ーンＢは、５７０ｍｍで１周期となる様に黒部分の幅を
変調しているので、第２のパターンの幅Ｄ_Bは、以下の
式で与えられる。

【００２４】Ｄ_B＝５＊（１＋ＳＩＮ（２＊π＊Ｘ／５７０＋π／２））・・・第２式

【００２５】となる。但し、Ｘ＝（２０ｍｍ、５０ｍ
ｍ、８０ｍｍ・・・・・・である）。

【００２６】なお第１式と第２式で、±π／２のオフセ
ットが加えられているが、これは信号処理において第１
のパターンＡによる信号と、第２のパターンＢによる信
号を分離し易くするためである。

【００２７】そして第１のパターンＡと第２のパターン
Ｂとは、周期が僅かに異なっているため、両者の最小公
倍数である距離で同様のパターンが現れる。本実施例で
は６００ｍｍと５７０ｍｍの最小公倍数である１１４０
０ｍｍで同様のパターンが現れる。従って第１のパター
ンＡによる信号と、第２のパターンＢによる信号との位
相差は、０〜１１４００ｍｍの範囲で０〜２πまで変化
することになる。

【００２８】即ち、水平位置における第１のパターンＡ
による信号の位相をφ_Aとし、水平位置における第２の
パターンＢによる信号の位相をφ_Bとすれば、電子レベ
ル用標尺２における水平位置Ｈは、

【００２９】Ｈ＝１１４００＊（（φ_B−φ_A−π）／（２π））ｍｍ・・・・第３式

【００３０】となる。

【００３１】次に、電子レベル１と電子レベル用標尺２
との距離を演算する方法を説明する。

【００３２】上記電子レベル１で電子レベル用標尺２を
読み取り、フーリエ変換を施せば、図４のパワースペク
トルに示す様に、第１のパターンＡの周期成分と、第２
のパターンＢの周期成分と、第３のパターンＲと第１の
パターンＡと第２のパターンＢの１組（１ブロック）と
した周期成分（基準信号の３倍の周期となる）と、基準
信号（パターンの等間隔ピッチ（ｐ）に対応するもの）
の周期成分とが得られる。なおスペクトラム群は、電子
レベル１と電子レベル用標尺２との距離が小さくなる
と、低周波側に移動する。そしてスペクトル群で最も周
期の小さいものは、基準信号（パターンの等間隔ピッチ
（ｐ）に対応するもの）である。この等間隔ピッチはｐ
に定められているので、レンズの結像公式により、電子
レベル１と電子レベル用標尺２との距離を演算すること
ができる。

【００３３】即ち図５に示す様に、電子レベル用標尺２
の等間隔ピッチｐが、電子レベル１のレンズにより像ｗ
となるので、レンズから電子レベル用標尺２までの距離
をＬ、レンズから像までの距離をｄとすれば、

【００３４】Ｌ＝ｄ（ｐ／ｗ）となり、ｄ≒ｆであるか
ら（ｆはレンズの焦点距離）

【００３５】Ｌ＝ｄ（ｐ／ｗ）≒ｆ（ｐ／ｗ）

【００３６】となる。更に電子レベル１のレンズによる
像ｗは、リニアセンサ１５の１画素の長さをＣとし、リ
ニアセンサ１５で得られた等間隔ピッチｐに相当する周
波数（サイクル）の一波長をｋとすれば、ｗ＝Ｃｋとな
る。従って、電子レベル１と電子レベル用標尺２との距
離Ｌは、

【００３６】Ｌ＝（（ｆ／Ｃ＊ｋ））＊（ｐ）・・・・・第４式

【００３７】従って、電子レベル１と電子レベル用標尺
２との概略距離を求めることができる。

【００３８】次に水準高の測定原理を説明する。

【００３９】まず、遠距離測定の場合を説明する。

【００４０】図６に示す様に、リニアセンサ１５で得ら
れた信号をフーリエ変換すれば、等間隔ピッチｐに相当
する信号を得ることができる。ここで、高速フーリエ変
換で求められた位相をθとし、水平位置に相当するリニ
アセンサ１５のアドレス位置（第ｍビット目）の位相を
θ_mとすれば、

【００４１】Ｈ₁＝（θ_m／３６０゜）＊ｐ・・・・・第５式

【００４２】となる。即ち、等間隔ピッチｐ内を精密に
水平位置Ｈ₁を測定することができる（精測定）。

【００４３】また水平位置を求めるためには、電子レベ
ル用標尺２に形成された等間隔ピッチｐのパターン開始
位置からの概略位置を求める必要がある。そこでリニア
センサ１５の出力信号を、基準信号（等間隔ピッチｐに
相当する信号）の前後半ピッチ分で積分する。更にこの
積分値を３つ毎に間引けば（プロダクト検波）、図７に
示す様に、第１のパターンＡに相当する信号１と、第２
のパターンＢに相当する信号２と、第３のパターンＲに
相当する信号３とが得られる。しかしながら第３のパタ
ーンＲは、幅が変調されていない上、第１のパターンＡ
と第２のパターンＢの最大変調幅が１０ｍｍに対して、
第３のパターンＲは８ｍｍしかないので、第３のパター
ンＲに相当する信号３は、積分値が略一定であり、信号
１や信号２に比較して約８０％の値となる。

【００４４】そして、第３のパターンＲと、第１のパタ
ーンＡと、第２のパターンＢとは、定められた順番に繰
り返して配置されているので、間引かれた信号が、第３
のパターンＲ、第１のパターンＡ、第２のパターンＢの
何れであるか、決定することができる。更にシェーディ
ング等の外乱光の影響を取り除くため、第３のパターン
Ｒに相当する信号を基準として、図８に示す様に、（Ａ
−Ｒ）、（Ｂ−Ｒ）の信号を得る。

【００４５】次に（Ａ−Ｒ）、（Ｂ−Ｒ）の信号から、
水平位置に対応するリニアセンサ１５のアドレス位置
（第ｍビット目）を含む、基準信号が含まれるＲ、（Ａ
−Ｒ）、（Ｂ−Ｒ）の１組の信号を選択し、（Ａ−Ｒ）
と（Ｂ−Ｒ）の位相を求めれば、電子レベル用標尺２の
何れの位置の、第１のパターンＡ、第２のパターンＢ、
第３のパターンＲの組合せであるかを求めることができ
る。

【００４６】ここで、（Ａ−Ｒ）信号をＡｍとし、（Ｂ
−Ｒ）信号をＢｍとし、（Ａ−Ｒ）信号の最大振幅の１
／２をＷａ、（Ｂ−Ｒ）信号の最大振幅の１／２をＷｂ
とすれば、（Ａ−Ｒ）と（Ｂ−Ｒ）の位相は、それぞ
れ、

【００４７】 φ_a＝ＳＩＮ^-1（Ａｍ／Ｗａ）・・・・第６式

【００４８】 φ_b＝ＳＩＮ^-1（Ｂｍ／Ｗｂ）−２＊π（１０／５７０）・・・・第７式

【００４９】となる。第７式の端数部分は、第２のパタ
ーンＢに相当する信号の位置が、第１のパターンＡに相
当する信号より１０ｍｍずれているからである。

【００５０】そして第６式と第７式を、第３式に代入す
れば、第１のパターンＡに対応する信号の電子レベル用
標尺２における水平位置を求めることができる。また水
平位置を含む基準信号の所属が第３のパターンＲであれ
ば、この水平位置に１０ｍｍを減じ、水平位置を含む基
準信号の所属が第２のパターンＢであれば、この水平位
置に１０ｍｍを加えればよい。この結果、水平位置の概
略の水準高Ｈ₂を得ることができる。（粗測定）

【００５１】以上の様に水準高Ｈは、水平位置における
基準信号の位相を求め（精測定）、また、水平位置に相
当する基準信号が、電子レベル用標尺２のパターン開始
位置を基準に何れの位置にあるかを、第１のパターン
Ａ、第２のパターンＢの位相差より求め（粗測定）、こ
れら精測定Ｈ₁と粗測定Ｈ₂を桁合わせすることにより求
めることができる。

【００５２】次に近距離測定の場合を説明する。

【００５３】近距離測定の場合には、遠距離測定の様に
フーリエ変換を施した後、プロダクト検波を行って水準
高を求めるよりも、第１のパターンＡと第２のパターン
Ｂと第３のパターンＲの鮮明な画像が得られるため、直
接に信号幅を測定した方が高精度が期待できる。

【００５４】まず図９に示す様に、リニアセンサ１５の
出力の立ち上がり、立ち下がりエッジを求めるため出力
信号を微分する。これらのエッジにより、黒部分のエッ
ジ間の間隔を求めることができる。更に、黒部分の中心
に相当するビットを求める。このビットの間隔が、第１
のパターンＡ、第２のパターンＢ、第３のパターンＲの
等間隔ピッチｐである基準信号となる。

【００５５】そして水平位置に相当するアドレス位置
（第ｍビット）の前後の基準信号の位置を求めると、基
準信号の幅は、電子レベル用標尺２上で１０ｍｍに相当
するため、前後の基準信号をそれぞれＮ_f（第Ｎ_f ビッ
ト）、Ｎ_b（第Ｎ_bビット）とすれば、

【００５６】Ｈ₁＝（（ｍ−Ｎ_f）／（Ｎ_b−Ｎ_f））＊１０・・・第８式

【００５７】となる。（精測定）

【００５８】また、基準信号のスタート位置をＮ_e、最
終位置をＮ_s とし、個数をｎとすれば、各基準信号の間
隔の平均は、

【００５９】ｋ＝（Ｎ_e−Ｎ_s）／ｎ

【００６０】となり、このｋを第４式に代入すれば、電
子レベル１と電子レベル用標尺２との概略距離を求める
ことができる。

【００６１】そして黒部分の幅を最初より３個毎に間引
き、一定幅である第３のパターンＲを認識し、第３のパ
ターンＲ、第１のパターンＡ、第２のパターンＢの順に
配置されていることから、第３のパターンＲ、第１のパ
ターンＡ、第２のパターンＢの対応が決定される。

【００６２】更に水平位置に相当するリニアセンサ１５
のアドレス位置（第ｍビット目）を含む基準信号が、第
３のパターンＲ、第１のパターンＡ、第２のパターンＢ
の何れに属するかを定めると共に、この何番目ブロック
に該当するかを決定する。即ち、Ｒ（ｎ）、Ａ（ｎ）、
Ｂ（ｎ）であれば、ｎ番目のブロックということにな
る。

【００６３】そして第１式から、

【００６４】Ｄ_A＝５＊（１＋ＳＩＮ（２＊π＊Ｘａ／
６００−π／２））

【００６５】但し、Ｘａ＝３０＊ｎ＋１０

【００６６】となるので、Ｄ_Aの値からｎを求めること
ができる。

【００６７】従って、

【００６８】ｎ＝（１０／π）＊（φ_a＋（π／２））−（１／３）・・・・第９式

【００６９】φ_a＝ＳＩＮ^-1（（Ｄ_A／５）−１）

【００７０】となる。φ_aは、０〜２πの間で２つ存在
するが、ｎは整数である条件より１個のみに選択され
る。このブロック番号をｎａとすれば、電子レベル用標
尺２上において、６００ｍｍ周期（即ち２０ブロック毎
に）存在するので、

【００７１】ｎ＝２０＊ｄ＋ｎａ

【００７２】となる。但し、ｄ＝０、１、２、３・・・
・である。

【００７３】そして、このｎを用いて第２のパターンＢ
の幅Ｄ_Bを求める。

【００７４】Ｘ＝３０＊ｎ＋２０

【００７５】として第２式に代入した後、Ｄ_Bを比較
し、一致した時のｎが求めるブロック番号である。この
ｎ、ｍが所属する第３のパターンＲ、第１のパターン
Ａ、第２のパターンＢの種類により、概略水準高Ｈ
₂（粗測定）は、

【００７６】第３のパターンＲの場合には、Ｈ₂＝３０
＊ｎ

【００７７】第１のパターンＡの場合には、Ｈ₂＝３０
＊ｎ＋１０

【００７８】第２のパターンＢの場合にはＨ₂＝３０
＊ｎ＋２０

【００７９】・・・・第１０式

【００８０】となる。

【００８１】なお１組のパターンのみの判断でなく、前
後数カ所の判断を行えば、パターンの汚れ等による誤り
率を低減化させることができる。

【００８２】従って、第３のパターンＲ、第１のパター
ンＡ、第２のパターンＢに相当する信号の黒部分の幅よ
り基準信号を求め、水平位置に相当するアドレス位置の
基準信号を定めることにより精測定を行い、第１のパタ
ーンＡ、第２のパターンＢに相当する信号の位相差によ
り粗測定を行い、これら精測定Ｈ₁と粗測定Ｈ₂を桁合わ
せすることにより、水準高を求めることができる。

【００８３】以上において、変調された第１パターンＡ
及び第２パターンＢに加え変調されていない第３パター
ンＲを用いて変調されたパターン信号の区別を行う測定
方法について説明を行ったが、検出した２種類のパター
ンに相当する信号からそれぞれの波長を求めること等に
より、第１パターンＡの信号と第２パターンＢの信号と
の識別ができれば、第３パターンＲを用いることなく測
定が行える。

【００８４】次に本実施例の電子レベル１に搭載された
演算処理手段１６を詳細に説明する。アンプ１６１は、
リニアセンサ１５からの電気信号を増幅するものであ
り、サンプルホールド１６２は、増幅された電気信号を
クロックドライバ１６５からのタイミング信号でサンプ
ルホールドするものである。Ａ／Ｄ変換器１６３は、サ
ンプルホールドされた電気信号をＡ／Ｄ変換するための
ものである。そしてＲＡＭ１６４は、Ａ／Ｄ変換された
デジタル信号を記憶するためのものである。またマイク
ロコンピュータ１６６は、各種演算処理を行うものであ
る。

【００８５】ここでマイクロコンピュータ１６６が果た
す機能を図１０に基づいて説明すると、演算処理手段１
６は、基準信号形成部１６６１と、パターン信号形成部
１６６２と、ブロック検出部１６６３と、算出部１６６
４とからなり、基準信号形成部１６６１は、リニアセン
サ１５から得られた電気信号から、遠距離測定の場合に
は、高速フーリエ変換により等間隔ピッチｐに相当する
基準信号を形成し、近距離測定の場合には、エリアセン
サ１５の出力信号を微分し、立ち上がり、立ち下がりエ
ッジから基準信号を形成する。

【００８６】パターン信号形成部１６６２は、遠距離測
定の場合には、基準信号の前後半ピッチ分で積分し、こ
の積分値を３つ毎に間引く（プロダクト検波）ことによ
り、第１のパターン信号と第２のパターン信号を形成
し、近距離測定の場合には、間引き動作により、第１の
パターン信号と第２のパターン信号を形成する。

【００８７】ブロック検出部１６６３は、近距離測定の
場合に、第１のパターンＡの幅Ｄ_A及び第２のパターン
Ｂの幅Ｄ_Bを比較することにより、水平位置に相当する
ブロックが何番目のブロックであるかを決定する。

【００８８】算出部１６６４は、遠距離測定の場合に
は、視準線付近の第１のパターン信号と第２のパターン
信号の位相から高低差を算出し、近距離測定の場合に
は、特定されたブロックに基づき高低差を算出する様に
なっている。

【００８９】なお演算処理手段１６は、距離測定部に該
当する機能をも果たしており、第４式を演算して、電子
レベル１と電子レベル用標尺２との水平概略距離を計算
することができる。

【００９０】そして表示器１６７は、算出部１６６４で
算出された高低差を表示するもので、液晶表示等の表示
手段を採用してもよく、更に、外部記憶手段等に出力さ
せる構成としてもよい。

【００９１】以上の様に構成された本実施例の作用を図
１１に基づいて説明する。

【００９２】まず、ステップ１（以下、Ｓ１と略する）
で、被測定点に電子レベル用標尺２を設置し、電子レベ
ル１を起動させて測量を開始する。次にＳ２では、リニ
アセンサ１５が、対物レンズ部１１によって形成された
電子レベル用標尺２の第３のパターンＲ、第１のパター
ンＡ、第２のパターンＢの像を撮像し電気信号に変換す
る。更にＳ３では、リニアセンサ１５から取り込まれた
電気信号をＡ／Ｄ変換し、Ｓ４で、変換されたディジタ
ル信号をＲＡＭ１６４に記憶させる。更にＳ５では、リ
ニアセンサ１５から取り込まれた電気信号に高速フーリ
エ変換（ＦＦＴ）を施し、フーリエ変換する。なおＦＦ
Ｔに限らず最大エントロピー法（ＭＥＭ）等、スペクト
ルが得られる手法であれば何れの方法も採用できる。

【００９３】次にＳ６では、Ｓ５で得られたスペクトル
群で最も周期の小さいものを選択し、基準信号とする。
そしてＳ７では第４式を演算して、電子レベル１と電子
レベル用標尺２との水平概略距離を計算する。Ｓ８では
Ｓ７の演算結果により、近距離測定であるか、遠距離測
定であるかを判断する。本実施例では、１０ｍ以下を近
距離測定としているが、適宜変更することができる。Ｓ
８での判断が遠距離測定である場合にはＳ９に進み、Ｓ
９でリニアセンサ１５の出力信号を、基準信号の前後半
ピッチ分で積分する。更にＳ１０で、積分値を３つ毎に
間引びく（プロダクト検波）ことにより、第１のパター
ンＡに相当する信号１と、第２のパターンＢに相当する
信号２と、第３のパターンＲに相当する信号３を抽出す
る。そしてＳ１１では、第３のパターンＲに相当する信
号３の積分値が略一定であり、信号１や信号２に比較し
て約８０％の値となることと、各パターンの順番が一定
であることから、第１のパターンＡ、第２のパターン
Ｂ、第３のパターンＲの何れであるか決定される。Ｓ１
２では第６式と第７式を演算し、φ_A、φ_Bを求め、Ｓ１
３に進んで、Ｓ１２の演算結果を第３式に代入して粗測
定Ｈ₂を行うことができる。

【００９４】なおＳ１４で第５式を演算して精測定Ｈ₁
を行った後、Ｓ１５に進んで、精測定Ｈ₁と粗測定Ｈ₂を
桁合わせして水準高Ｈを求め、測定終了か否かを判断す
る。

【００９５】次にＳ８の判断が近距離測定である場合に
は、Ｓ１６に進み、リニアセンサ１５の出力信号を微分
し、立ち上がり、立ち下がりエッジを検出する。次にＳ
１７では、黒部分のエッジ間の間隔を求め、黒部分の中
心に相当するビットを決定する。Ｓ１８では、Ｓ１７で
得られた値から等間隔ピッチｐである基準信号を形成す
る。

【００９６】そしてＳ１９では、第８式を演算して精測
定Ｈ₁を行い、Ｓ２０では、黒部分の幅を最初より３個
毎に間引き、一定幅である第３のパターンＲを認識す
る。更にＳ２１では、各パターンの順は一定であること
から、第３のパターンＲ、第１のパターンＡ、第２のパ
ターンＢの対応が決定される。

【００９７】またＳ２２では、水平位置に相当する基準
信号が、何番目ブロックに該当するかを第９式等を使用
して決定し、Ｓ２３では、第１０式を演算して粗測定Ｈ
₂を行う。そしてＳ１５に進んで、精測定Ｈ₁と粗測定Ｈ
₂を桁合わせして水準高Ｈを求め、測定終了か否かを判
断する。Ｓ１５で測定終了と判断した場合には、Ｓ２４
に進み測定を終了し、Ｓ１５で測定終了でないと判断し
た場合には、Ｓ２に戻る様に構成されている。

【００９８】そしてＳ１２では、Ｓ１１で決定された鉛
直位置から高低差が演算され、演算値が表示器１６７に
表示される。更にＳ１３に進み、Ｓ１３では測定終了か
否かを判断し、測定終了の場合にはＳ１４に進んで測量
を終了する。なおＳ１３で、測定を終了しない場合に
は、Ｓ２に戻って測量を繰り返す様になっている。

【００９９】なお算出部１６６４が、水準高Ｈから高低
差を求め、表示器１６７に表示する構成にすることも可
能である。

【０１００】次に本発明の第２実施例を説明する。

【０１０１】本第２実施例は、変調された第１パターン
Ａ及び第２パターンＢのみを用い第３パターンＲを用い
ることなく、検出した２種類のパターンに相当する信号
からそれぞれの波長を求めることにより、第１パターン
Ａの信号と第２パターンＢの信号とを識別して測定を行
なうものである。

【０１０２】第２実施例の電子レベル用標尺２は、図１
２に示すように、第１のパターンＡと第２のパターンＢ
とが等間隔（ｐ）で繰り返し配置され、第３のパターン
Ｒが配置されていない点で第１実施例の電子レベル用標
尺２と相違している。

【０１０３】次に信号処理について説明を行うが、基本
的には、第１実施例と共通する点が多いため相違する点
につき説明を行う。

【０１０４】まず、基準信号に基づき電子レベル１と電
子レベル用標尺２との距離を演算する点は共通である。

【０１０５】また遠距離測定において、精密測定は第１
実施例と同じである。粗測定では、リニアセンサ１５の
出力信号を積分し、図１１におけるＳ１０の信号抽出処
理において、その積分値を２つ毎に間引いて第１のパタ
ーンＡに相当する信号１を第２のパターンＢに相当する
信号２を得ることとしている。

【０１０６】ここで、得られた信号の識別は、遠距離測
定のため、少なくとも１周期分が検出されている。従っ
てパターン判別部が、長い周期の信号を第１のパターン
Ａに相当する信号１と、短い周期の信号を信号２と判別
する。このように信号１と信号２と判別した後は、第１
実施例と同様に、それぞれの位相φ_A、φ_Bを求めて、精
密測定と桁合わせをして、水準高を求めることができ
る。パターン判別部の機能は、演算処理手段１６により
実現される。

【０１０７】そして近距離測定においては、図１１にお
けるＳ２１の信号の決定において、電子レベル１のリニ
アセンサ１５上でのパターンピッチが幅ｗに相当するの
で、各信号の幅の変化量と基準信号のピッチ幅に基づき
第１のパターンＡに相当する信号１と、第２のパターン
Ｂに相当する信号２とを判別する。具体的には、まず、
第１パターンの周期を６００ｍｍ、第２パターンの周期
を５７０ｍｍとおくと、それぞれのパルス幅は第１、２
式と同様に、

【０１０８】Ｄ_A＝５＊（１＋ＳＩＮ（２＊π＊Ｘａ／６００−π／２））・・・第１１式

【０１０９】となる。但し、Ｘａ＝２０＊ｎである。

【０１１０】Ｄ_B＝５＊（１＋ＳＩＮ（２＊π＊Ｘｂ／５７０＋π／２））・・・第１２式

【０１１１】となる。但し、Ｘｂ＝２０＊ｎ＋１０で
ある。

【０１１２】なお、ｎはブロック番号である。（ｎ＝
０、１、２・・・・・・）

【０１１３】そして逆に、Ｄ_A、Ｄ_Bの値より、ｎを求め
る式は上式を変形して、

【０１１４】Ｄ_Aが与えられた場合には、

【０１１５】ｎ＝（１５／π）＊（φ_A＋π／２）・・・第１３式

【０１１６】φ_A＝ＳＩＮ^-1（Ｄ_A／５−１）

【０１１７】Ｄ_Bが与えられた場合には、

【０１１８】ｎ＝（５７／４π）＊（φ_B−π／２）−（１／２）・・・第１４式

【０１１９】φ_B＝ＳＩＮ^-1（Ｄ_B／５−１）

【０１２０】と表される。

【０１２１】そして得られた信号のうち、最初のパルス
幅をＤ_Aとして第１３式よりｎをもとめる。この場合は
６００ｍｍの１周期以内でよい。ｎは２つ求められる
が、最初のパルス幅から２つ目のパルス幅が最初のパル
ス幅より大きいか小さいかでｎは１つに絞られる。次に
ｎをｎ＋１のときのパルス幅を第１１式より求め、Ｄ_A+
₁とする。同様に最初のパルス幅をＤ_Bとしたときのｎを
求め、Ｄ_B+1を得る。最初のパルス幅の次のパルス幅が
Ｄ_A+1に近ければ最初のパルス幅はＡパターンと判別さ
れ、Ｄ_B+1に近ければ最初のパルス幅はＢパターンと判
別される。

【０１２２】このように信号１と信号２を判別した後
は、第１実施例と同様にブロック番号の決定を行い、精
密測定と桁合わせをして、水準高を求める。

【０１２３】次に変形例を説明する。

【０１２４】上述の実施例において、パターン幅を変化
させる空間変調で第１及び第２パターンを形成したが、
本願発明は、これに限らずパターン幅を変化させずにパ
ターン濃度を変化させて変調させても適用できる。

【０１２５】

【効果】以上の様に構成された本発明の電子レベル用標
尺は、等間隔で順次配列された第１のパターン、第２の
パターンを測長方向に有し、前記第１のパターンと前記
第２のパターンとは、互いに異なる周期で変調されて形
成されており、電子レベルは、前記第１のパターン、第
２のパターンを読み取るためのパターン検出部と、この
パターン検出部で検出された検出信号から基準信号を形
成するための基準信号形成部と、この基準信号形成部で
形成された基準信号と前記パターン検出部で検出された
検出信号とから、第１のパターン信号と第２のパターン
信号を形成するためのパターン信号形成部と、視準線付
近の第１のパターン信号と第２のパターン信号の位相か
ら高低差を算出するための算出部とから構成されている
ので、相互相関等の演算を行う必要がないので、測定時
間が短縮されるという効果がある。

【０１２６】更に電子レベル用標尺の第２のパターンと
第３のパターンとは、一定周期の変調がかけられている
ので、全ての情報を記憶して処理する必要がなく、比較
的簡単な構成で電子レベルを実現することができるとい
う卓越した効果がある。

【０１２７】そして本発明の電子レベル用標尺におい
て、第１パターン及び第２パターンにさらに第３パター
ンとして等ピッチの一様なパターンを追加して、これら
を等間隔で順次配列して形成され、電子レベルは、パタ
ーン検出部から抽出した信号のうち一様な第３パターン
信号に基づき第１パターンの信号と第２パターンの信号
と判別するパターン判別部を設けることにより、容易に
第１パターンの信号と第２パターンの信号との判別が可
能となるという効果がある。

【０１２８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の電子レベル１の構成を示す図
である。

【図２（ａ）】本実施例の電子レベル用標尺２を説明す
る図である。

【図２（ｂ）】本実施例の電子レベル用標尺２を説明す
る図である。

【図３】本実施例の電子レベル１の外観を示す斜視図で
ある。

【図４】出力信号のパワースペクトラムを示す図であ
る。

【図５】本実施例の距離測定の原理を説明する図であ
る。

【図６】本実施例の遠距離測定の原理を説明する図であ
る。

【図７】本実施例の遠距離測定の原理を説明する図であ
る。

【図８】本実施例の遠距離測定の原理を説明する図であ
る。

【図９】本実施例の近距離測定の原理を説明する図であ
る。

【図１０】本実施例の演算処理手段１６の構成を示す図
である。

【図１１】本実施例の作用を説明する図である。

【図１２】第２実施例の電子レベル用標尺のパターンを
示す図である。

【符号の説明】

１電子レベル１１対物レンズ１２コンペンセータ１３ビームスプリッタ１４接眼レンズ部１５リニアセンサ１６演算処理手段１６６１基準信号形成部１６６２パターン信号形成部１６６３ブロック検出部１６６４算出部２電子レベル用標尺

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01C 5/00 - 5/06 G01C 15/00 - 15/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１周期で変調された第１パターンと、該
第１周期と異なる第２周期で変調された第２パターンと
を有し、前記第１パターンと第２パターンとを測長方向
に等ピッチで順次配列することにより構成された電子レ
ベル用標尺。
【請求項２】前記第１パターン及び前記第２パターンの
変調は線幅を変化させる空間変調により行われることを
特徴とする請求項１記載の電子レベル用標尺。
【請求項３】前記第１パターンと前記第２パターンの他
に、一様な第３パターンを有し、前記第１パターン、第
２パターン及び第３パターンを測長方向に等ピッチで順
次配列することにより構成された請求項１又は２記載の
電子レベル用標尺。
【請求項４】請求項１乃至３記載の電子レベル用標尺を
使用して測定を行う電子レベルであって、前記第１パタ
ーンと前記第２パターンを検出するパターン検出部と、
このパターン検出部で検出された検出信号の間隔から基
準信号を形成する基準信号形成部と、この基準信号形成
部で形成された基準信号と前記パターン検出部で検出さ
れた検出信号とから、第１のパターン信号と第２のパタ
ーン信号を形成するパターン信号形成部と、視準線付近
の第１のパターン信号の位相と第２のパターン信号の位
相から高低差を算出する算出部とから構成されているこ
とを特徴とする電子レベル。
【請求項５】請求項１乃至３記載の電子レベル用標尺を
使用して測定を行う電子レベルであって、前記第１パタ
ーンと前記第２パターンを検出するパターン検出部と、
このパターン検出部で検出された検出信号の間隔から基
準信号を形成する基準信号形成部と、この基準信号形成
部で形成された基準信号と前記パターン検出部で検出さ
れた検出信号とから、第１のパターン信号と第２のパタ
ーン信号を形成するパターン信号形成部と、視準線付近
の第１のパターン信号と第２のパターンの変調成分レベ
ルから視準線が含まれるパターンのブロック部を特定す
るブロック検出部と、この特定されたブロックに基づき
高低差を算出する算出部とから構成されていることを特
徴とする電子レベル。
【請求項６】請求項１記載の電子レベル用標尺を使用し
て測定を行う電子レベルであって、前記第１パターンと
前記第２パターンを検出するパターン検出部と、このパ
ターン検出部で検出された検出信号の間隔から基準信号
を形成する基準信号形成部と、この基準信号に基づき電
子レベル用標尺までの距離を測定する距離測定部と、こ
の基準信号形成部で形成された基準信号と前記パターン
検出部で検出された検出信号とから、第１のパターン信
号と第２のパターン信号を形成するパターン信号形成部
と、この基準信号形成部で形成された基準信号と前記パ
ターン検出部で検出された検出信号に基づき、視準線付
近の第１のパターン信号と第２のパターンの変調成分レ
ベルから視準線が含まれるパターンのブロック部を特定
するブロック検出部と、前記電子レベル用標尺までの距
離が所定距離以上である場合には、視準線付近の第１の
パターン信号と第２のパターン信号の位相から高低差を
算出し、前記電子レベル用標尺までの距離が所定距離以
下である場合には、前記特定されたブロックに基づき高
低差を算出する算出部とから構成されていることを特徴
とする電子レベル。
【請求項７】請求項３記載の電子レベル用標尺を使用し
て測定を行う電子レベルであって、前記第１パターン、
前記第２パターン及び前記第３パターンを検出するパタ
ーン検出部と、このパターン検出部で検出された検出信
号から配列ピッチを示す基準信号を形成する基準信号形
成部と、この基準信号形成部で形成された基準信号に基
づき、前記パターン検出部で検出された検出信号から第
１のパターン信号、第２のパターン信号及び第３のパタ
ーン信号を形成するパターン信号形成部と、前記パター
ン信号形成部より形成された一様な第３パターン信号に
基づき前記第１のパターン信号と前記第２のパターン信
号を判別するパターン判別部と、視準線付近の第１のパ
ターン信号と第２のパターン信号の位相から高低差を算
出する算出部とから構成されていることを特徴とする電
子レベル。