JP4216411B2 - 電子水準儀およびその画像照準法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は傾斜計付き電子水準儀、および水準儀から隔たった位置にある少なくとも一つの視準点としてのスタジア標尺の画像に対して行う特許請求項１の上位概念に基づく照準方法に関するものである。但し該水準儀は建設用水準儀として製造コストが低く、高度に自動化されたものとする。
【０００２】
【従来の技術】
水準儀視準線の水平化装置としては、ドイツ特許公開２９１ １４１からのものが知られている。即ち視準軸利用の望遠鏡装置であり、移動機能付き対物レンズ、ダイアフラムおよび接眼レンズから成っている。この装置は、さらに示差写真素子付き写真受信器やその他の傾斜計から供給されマイクロプロセッサーにより然るべき形に加工されたシグナルを基にして、顕微鏡軸の水平化が達成されるようにダイアフラムを調整することのできる圧電調整器をも含んでいる。
【０００３】
また、日本特許公開６０−２５４１３には、視準点にデジタルスタジア標尺を持つ水準儀が書かれている。それによると、光線は水準儀内に配置された光源から光線分離器を経由してスタジア標尺に送り込まれ、スタジア標尺の像が光学望遠カメラシステムで記録され、画像面に写し出される。得られたデータはコンピュータに保存され、然るべき形で利用される。画像面はそれ自体、マトリクス状に配置された素子を持つ液晶表示器になっている。対物レンズは移動機能により手動結像させることが可能である。
【０００４】
そのほか、日本特許公開５−２７２９７０からは画像面を持つマトリクス受信器の装備された自動水準儀も知られている。この場合ではＣＣＤカメラの画像シグナルがＡ／Ｄ変換器により対応のデジタルシグナルに変換され、データ貯蔵器に保存される。このＣＣＤカメラは移動機能を持つ結像可能な対物レンズを有している。
上記いずれの装置の場合でも、標尺目盛のシャープな結像という目的のために、写真受信器またはＣＣＤ装置には結像可能な対物レンズが配備されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
焦点合わせを回避するために、水準儀用として結像光学系および局部分解能のある画像記録用光電子検出器を持つ装置（ドイツ特許１９５ ０４ ０３９ Ｃ１）が発明された。それによると、結像光学系は、焦点深度域の他に様々な結像機能を持つひとみゾーンに分割されている。その場合、各ひとみゾーンには検出器の様々な区分領域が割り当てられている。この装置は確かに焦点合わせを回避させるが、しかし様々な結像光学系を有するため価格が比較的高くなる。
【０００６】
ドイツ特許３９ １６ ３８５に基づく幾何学応用高度測定法の場合では測定器内の望遠鏡とは関係なしに配置されている傾斜計のシグナルの場合と同じように、測定器の水平位置での基準点は、ＣＣＤ列の中心画素上に想定されているが、計器が傾いている場合にはその傾きに応じて基準点を然るべき位置に移動させねばならない。即ち水平視準軸が一つの画素を、あるいは二画素の間隙を貫通するように基準点を移動させる必要がある。
【０００７】
本発明の課題は、光学構成部品および機械構成部品を節約して、低い製造コストでありながら測定においては高い自動化を保証し、鉛直軸の大きな傾きも補正可能にする電子水準儀およびスタジア標尺画像照準のための方法を創出することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
電子水準儀におけるこの課題は、本発明に関する特許請求項１の特徴部分に記述された手段によって解消される。従属請求項には本発明に基づく水準儀および画像照準法に関するその他の構成および実施態様が開示されている。
【０００９】
本発明に基づく水準儀は、いわゆるカメラ水準儀であって、基本的には対物レンズ、傾斜計、鉛直軸、スタジア標尺照準のための側面無限調整小型歯車、水平化調整装置（三脚台または球形足車付き蝶番台）および画像捕捉、画像表示システムだけから成っている。画像捕捉システムに含まれる構成要素として特に重要なのはＣＣＤ受信器マトリクスであり、その中心画素は対物レンズの物体側主点と共に、水平位置からの偏差を公知の方法で測定するために設置固定されている傾斜計と並列な位置関係にある視準線の確定に利用される。ＣＣＤ受信器マトリクスはそれ自体ビデオサイクルで作動し、隔たった測定目標の動画を供給する。
【００１０】
水準儀による測定において鉛直軸の傾きを考慮に入れるため、コンピュータでのデータ加工の際には傾斜計測定で得たデータも加え入れるようにする。それによって水準儀を正確に水平化することを不必要にする。この場合、標尺像は画像面上に傾いて現れるが、水準儀には画像判定用電子機器や然るべきソフトウェアだけでなく、傾斜計データから然るべき高さ修正計算を行って、その結果を標尺読み取り時に提供することのできるコンピュータを装備している。傾斜計から提供される二つの軸を巡るデータを利用して画像面に現れる十字線を鉛直にセットすることができる。その際よく水平化された水準儀におけるように、視準線も同時に一列に並べるられるように十字線を水平線のところにまで移動させることができる。これにより、傾いて設置された水準儀でもよく水平化された水準儀によるのと同様に作業することが可能となる。
【００１１】
修正値を非常に簡単に得られ、それを然るべき形で測定値の修正に用いるためには、対物レンズの前側の、つまり物体側の主点が視準軸と鉛直軸の交点にあれば、あるいはこの交点から一定の距離のところにあれば好都合である。
さらに、標尺像の結像目的には、鉛直軸に対して定位置に配置されているＣＣＤ受信器マトリクスと対物レンズが調整手段により対物レンズの光学軸の方向に相対的に移動可能であれば、公知の画像判定システムを利用してマトリクス受信素子の提供する画像データからマトリクスおよび／または対物レンズの移動距離および移動方向を求めることができれば有利である。
【００１２】
そのほか、表示ユニットに周辺光の入光を制限する絞り機能のある画像面が装備されていたり、周辺光に応じて画像面のコントラストが調整できる、コンピュータ連結型のコントラスト調整器が備えてあればなおさら便利である。これにより、光の条件が好ましくない場合でも画像面の観察が十分に行えるようになる。
【００１３】
本発明に基づき構成された水準儀により、隔たった視準点に立てられた観察目標としての標尺を画像照準する方法では、水準儀の鉛直軸が傾いた位置にある場合、目標方向での鉛直軸の傾斜成分について二軸傾斜計で計測した当該角度αから視準軸の修正量および修正方向が、目標方向にクロスする方向での鉛直軸の傾斜成分について当傾斜計により別方向で計測した角度βから画像面に現れる十字線の像修正がそれぞれコンピュータによって算出されるというのが特徴になっている。
測定値に然るべき修正を加えるためには、二つの高さ修正値から構成される水準儀の修正値を求めるのが得策である。
【００１４】
その場合、第一の高さ修正値はΔｈ１＝ｆ×ｓｉｎαであるが、画像面のスタジア標尺像に水平視準線を当てはめるにはＣＣＤ受信器マトリクスおよび画像面で中心画素をその分移動させねばならない。次に第二の高さ修正値はΔｈ２＝ｓ×ｓｉｎαであり、これは対物レンズの物体側主点と水平線から離反した視準軸間の距離補正である、但し、ｆは対物レンズの焦点距離、 ｓは対物レンズの物体側主点と鉛直軸、視準軸の交点との距離、αは目標方向を対象として、対物レンズ視準軸の水平線からの傾斜角度、または鉛直線に対する鉛直軸の傾斜角度である。
【００１５】
これら符号の意味は、スタジア標尺の読み取り値が、上記の両高さ修正値△ｈ１、△ｈ２を適用してコンピュータで修正したものであっても変わりない。
高度に水平化された水準儀と同様に作業できるようにするには、画像面の標尺像または像十字線の高さをずらして高さ修正をする。
画像（目標）の位置修正は、画像面上の標尺像または像十字線が鉛直位置に来るまでそれらを回転させることによる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下では本発明を実施例を基に詳しく説明する。
図１に描かれた電子水準儀には固定した三脚台１が付いていて、その上には鉛直軸ＳＴＡの周りに機器本体上部２が据えられている。三脚台１そのものは水準儀を水平化する機能を持つ整準ねじ３、球形足車または楔形盤の付いたそれ自体公知の水平化手段であってもよい。鉛直軸は図では波線で示してある。
【００１７】
本体上部２は水準儀の機能に必要なすべての素子、構成要素群を備えている。
当本体上部２にはその光学軸が視準軸ＺＡと交わる対物レンズ４、ＣＣＤ受信器から構成される画像記録装置としてのＣＣＤ受信器マトリクス５および障害になる余分な光を遮蔽するための絞り７を持つ画像面６が配置されている。対物レンズ４とＣＣＤ受信器マトリクス５との組み合わせは原理的にはビデオカメラと同じである。ＣＣＤ受信器マトリクス５は主にビデオリズムで作動し、それによって動画を生み出している。対物レンズ４は、その物体側主点Ｈが鉛直軸ＳＴＡと視準軸ＺＡとの交点Ａと重なるように鉛直軸ＳＴＡに対して定位置に配置されている。主点は、例えば図１および２に描かれているように、この交点Ａから一定の距離ｓになるように配置することもできる。その場合、距離sは測定値の計算においては、例えば後で詳しく採り上げているような高さ修正の場合では機器定数として考慮に入れられる。
【００１８】
本体上部２には以上のほか、電気供給ユニット８、例えばデータインプット用キーボードなどのインプットユニット９、主に多軸型の傾斜計１０、コンピュータ１１および画像判定用、個別機能制御用の然るべき電子構成要素群１２、さらには ― 水準儀から離れて立てられたスタジア標尺（図には描かれていない）の像を鮮明に写し出すために ― ＣＣＤ受信器マトリクス５への対物レンズ４結像用の構成要素群およびモニタ１３が装備されている。このモニタ１３は水準儀の後ろ側に設置することもできる。水準儀望遠鏡の対物レンズ４を、目標である標尺に合わせて微調整するためには、無限調整小型歯車１４を備えるのが得策である。水準儀本体の上部に水準器１５を備えておけば、それに基づいて整準ねじ３を調節することにより機器水平化のための粗調整が可能である。
【００１９】
水準儀の傾斜角度を測定したり、その測定値を計算、算入するために二軸型傾斜計１０が取り付けられている。それにより視準軸ＺＡ方向での傾斜だけでなく、それと直交する水平方向での傾斜も求められ、得られた値は後の測定値計算に利用される。傾斜計１０による上記両方向での測定の場合、互いに直角にならないような方向が測定方向として含まれていてもよい。
【００２０】
対物レンズ４をＣＣＤ受信器マトリクス上に結像させるには、これら両構成要素群を相対的に調整することができる。つまり、図１から判るように、ＣＣＤ受信器マトリクス５の組み込まれた鏡胴１６がガイド１７にはめ込まれており、伝動装置１８により視準軸方向での移動が可能なようになっている。統合型の画像判定システムによれば結像が自動的に行えて便利である。このシステムでは結像に要する対物レンズ４とＣＣＤ受信器マトリクス５間の距離調整を伝動装置１８で行えるように、標尺像から得たデータを計算して、然るべきシグナルを発するようになっている。画像判定システムがシャープな像を捕らえたときに結像過程が終わり、視準点に立てられたスタジア標尺の目盛を読み取ることができる。
【００２１】
図２に簡略化して描いた水準儀の光線誘導図から、水準儀が正常な機能を発揮するためにはどのような条件が必要かを推し量ることができる。そこでは水準儀望遠鏡の鉛直軸ＳＴＡ、従ってまた対物レンズ４も標尺水平線を基準とする場合に比べ角度αだけ傾けて描かれている。水平方向に描かれた光線は対物レンズ４の物体側焦点Ｆを通過して対物レンズ４の物体側主点Ｈ平面に当たる。いわゆるこの焦点光線は対物レンズ４を通過して視準軸ＺＡに平行に進み、ＣＣＤ受信器マトリクス５の面Ｍ１上の画像点Ｌ１で結像する。目標距離が無限大の場合では画像面Ｍ１は対物レンズ４の像側焦点Ｆ’が存在する面となる。
【００２２】
スタジア標尺が水準儀に近づくに連れて画像面は対物レンズ４から遠ざかる。例えば図２の画像面Ｍ２および画像点Ｌ２は、可能な最短目標距離（約３ｍ）における位置を表したものである。即ち、結像システムを然るべく操作して、ＣＣＤ受信器マトリクス５と対物レンズ４とを最大限Ｍ１〜Ｍ２の移動幅で相互に移動させて調整するということになる。同時に傾斜計により角度αを測定して、関係式Δｈ１＝ｆ×ｓｉｎα（≒ｆ×ａｒｃα ただし、αが小さい場合）から第一修正値Δｈ１をコンピュータ１１で算出し、目標距離無限大の場合Ｆ’の位置にある中心画素ＭＰをＬ１のほうに移動させる。但し、式中ｆは対物レンズ４の焦点距離を表している。スタジア標尺から結像位置までの距離が異なっていても、画像点Ｌ１とＬ２とでは視準軸ＺＡからの距離は同じで変わりない。
【００２３】
水準儀による高さ測定の基準点になるのは、鉛直軸ＳＴＡと視準軸ＺＡとの交点Ａである。従って、標尺の読み取りには上記のほか、交点Ａと水平線との距離を考慮に入れた第二の修正値Δｈ２＝ｓ×ｓｉｎα （≒ｓ×ａｒｃα ただし、αが小さい場合）を求めねばならず、結局高さ修正は全体として Δｈ＝Δｈ１＋Δｈ２ということになる。修正値Δｈ１は傾斜角αと対物レンズ４の焦点距離ｆにだけ依存しており、傾斜計１０によりその量だけでなく方向も求められる。従って、中心画素ＭＰを上下いずれに移動させるべきかが正負の符号で表示できる。焦点距離ｆは固定した機器定数であり、それを含むコンピュータ計算では一定の値として取り扱われる。
【００２４】
対物レンズ４の主点Ｈと交点Ａとの距離ｓも同様に機器定数で、固定値としてインプット可能であり、必要に応じて自動的に考慮される。
しかし結像の際に対物レンズ４を移動させて、ＣＣＤ受信器マトリクスのほうは鉛直軸ＳＴＡから一定距離に固定させているという場合では事情が異なっている。この場合ではビデオカメラにより自動結像させねばならないばかりか、ｓ（対物レンズ４と鉛直軸ＳＴＡとの距離）変更後の当該焦点距離を求めるためにスタジア標尺との距離も測定しなければならない。
【００２５】
水準儀の予備水平化が良好になされていて、しかも対物レンズ４の位置が鉛直軸ＳＴＡからあまり離れていなければ、一般的には高さ修正値△ｈ２は小さな値である。対物レンズ４の主点Ｈが交点Ａと重なれば△ｈ２はゼロになる。
図３に描かれたモニタ１３の画像面には、水平化調整が良好になされた水準儀における中心画素ＭＰの位置が示されている。水準儀の位置に傾きがある場合、スタジア標尺像１９は画像面では十字線２０の水平位置から傾斜角βだけ回転した、波線の位置に現れる。この角度βも同様に傾斜計１０で測定する。次にコンピュータ１１において、画像位置修正手段により傾斜像１９が十字線２０に一致するよう角度βだけ水平位置方向に回転させられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 簡略化した水準儀の構造
【図２】 簡略図示した光線誘導
【図３】 画像面に表示された内容
【符号の説明】
１ 三脚台
２ 本体上部
３ 整準ねじ
４ 対物レンズ
５ ＣＣＤ受信器マトリクス
６ 画像面
７ 絞り
８ 電気供給ユニット
９ インプットユニット
１０ 傾斜計
１１ コンピュータ
１３ モニタ
１４ 無限調整小型歯車
１５ 水準器
１６ 鏡胴
１７ ガイド
１８ 伝動装置
ＳＴＡ 望遠鏡の鉛直軸
ＺＡ 視準軸

Claims (8)

1. − 傾斜計（１０）、
   − 対物レンズ（４）およびＣＣＤ受信器マトリクス（５）および視準点に立てられたコード化目盛付きのスタジア標尺の画像表示用画像面を有する画像記録装置の備わった望遠鏡、
   − その周りを水準儀が回転できる鉛直軸（ＳＴＡ）、
   − 水準儀をスタジア標尺に照準し、粗調整するための水平化調整装置、
   − 測定データインプットのためのインプット用ユニット、電気供給ユニットおよび測定データ加工、測定値計算、画像判定のためのコンピュータとからなり、
   画像記録装置が、主にビデオサイクルで作動するＣＣＤ受信器マトリクスを有し、対物レンズまたはＣＣＤ受信器マトリクスが鉛直軸に対して定位置に配置されており、対物レンズとＣＣＤ受信器マトリクスの相互移動によって両者間の距離調整ができ、そして対物レンズとＣＣＤ受信器マトリクスの中心画素（ＭＰ）とで形成される視準軸（ＺＡ）の水平線からの偏差測定のために傾斜計が固定位置に配置され、
   コンピュータは、傾斜計の測定結果に基づいて算出された補正値に基づいて画像を補正して画像表示用画像面に表示する
   ことを特徴とする電子水準儀。
2. 測定軸が互いに垂直な位置関係にあり、そのうちの一方が視準軸（ＺＡ）に対して垂直または一定角度になっている、コンピュータ（１１）と連結している二軸電子傾斜計（１０）が装備されていることを特徴とする請求項１に基づく水準儀。
3. 対物レンズ（４）の前方主点（Ｈ）が、視準軸（ＺＡ）、鉛直軸（ＳＴＡ）との交点（Ａ）に一致するかまたは当交点（Ａ）から定距離ｓにあることを特徴とする請求項１または２に基づく水準儀。
4. − 標尺像の結像のため、ＣＣＤ受信器マトリクス（５）と対物レンズ（４）が調整手段または伝動装置（１８）により対物レンズ（４）の視準軸方向に相対的に調整移動でき、その場合ＣＣＤ受信器マトリクス（５）か対物レンズ（４）のいずれかが定位置に固定されていること、
   および
   − マトリクス（５）および／または対物レンズ（４）の移動距離および移動方向がマトリクス（５）の受信器素子から提供された画像データを基にそれ自体公知である画像判定システムによって求め得ること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに基づく水準儀。
5. 表示ユニットに周辺光制限のための絞り（７）機能を持つ画像面（６）が備わっており、周辺光の状態に応じて画像面（６）のコントラストを調整する、コンピュータ（１１）に連結された制御器が装備されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに基づく水準儀。
6. 水準儀の鉛直軸（ＳＴＡ）が傾いた状態にある場合、
   二軸傾斜計（１０）によって、視準軸の目標方向水平線からの傾斜角度αあるいは目標方向鉛直線に対する鉛直軸の傾斜角度αを測定し、コンピュータ（１１）が角度αを用いて鉛直軸（ＳＴＡ）の目標方向における傾斜の補正値を算出し、
   二軸傾斜計（１０）によって、画像面（６）、またはモニタ（１３）上に表示された十字線（２０）が目標方向に向かって見た場合に回転方向に傾斜する角度βを測定し、コンピュータ（１１）が角度βを用いて回転方向の傾斜の補正値を算出することを特徴とする、
   隔たった視準点に設置されたスタジア標尺を照準する請求項１に基づいて構成された水準儀による画像照準法
7. 画像面のスタジア標尺像に、水平視準線を当てはめるのに必要なＣＣＤ受信器マトリクスおよび画像面における中心画素の移動量としての第一高さ修正値Δｈ１＝ｆ×ｓｉｎα
   および
   対物レンズ（４）の物体側主点（Ｈ）と水平線から離反した視準軸（ＺＡ）との距離補正値としての第二高さ修正値 Δｈ２＝ｓ×ｓｉｎαである二つの高さ修正値から成る水準儀の修正値を用いること、
   および
   これらの両高さ修正値Δｈ１およびΔｈ２を適用してコンピュータ（１１）によってスタジア標尺からの読み取りを修正することを特徴とする請求項６に基づく方法。
   式中、ｆは対物レンズの焦点距離、ｓは対物レンズの物体側主点と鉛直軸、視準軸の交点との距離、αは対物レンズ視準軸の目標方向水平線からの傾斜角度、または目標方向鉛直線に対する鉛直軸の傾斜角度である。
8. 画像面（１３）における高さ修正のため、画像面の標尺像または十字線（２０）の高さを移動させること、および画像（目標）位置修正のために、画像面（１３）の標尺像（１９）または画像面（１３）の十字線（２０）を標尺像または十字線の鉛直位置に到達するまで回転させることを特徴とする請求項６あるいは７に基づく方法。

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