JP7169835B2

JP7169835B2 - 電子レベル

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Publication number: JP7169835B2
Application number: JP2018185901A
Authority: JP
Inventors: 亨藤沢
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2022-11-11
Anticipated expiration: 2038-09-28
Also published as: JP2020056617A; CN110966983B; CN110966983A

Description

本発明は、電子レベル（電子式水準儀）に関し、より詳細には、電子レベルにおける撮像データの補正に関する。

電子レベルは、視準した標尺に印刷されたパターンを読取り、イメージセンサを用いてデジタルデータ化して、視準点の高さや標尺までの距離を計算する（特許文献１）。

イメージセンサとしては一般に、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ等がある。イメージセンサには、画素ごとに感度のばらつきがあり、この特性を感度不均一性という。感度不均一性は温度に依存して変動する。特に、ＣＭＯＳイメージセンサは感度不均一性が高い。

電子レベルは、低温から高温、かつ低感度から高感度の広い環境範囲において使用されるため、電子レベルには一般的にＣＣＤイメージセンサが用いられてきた（特許文献１）。しかし、安価なＣＭＯＳイメージセンサを電子レベルに用いることが求めれてきた。

特開２００７－０１０４１０号公報

しかし、ＣＭＯＳイメージセンサを用いると、温度変化に伴って感度不均一性が変動し、標尺パターンの読み取りを正確に行うことができなくなると言う問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、温度に応じて感度不均一性に起因するノイズの補正を行うことができる電子レベルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の１つの態様に係る電子レベルは、標尺パターンを撮像し、撮像データを電気信号として出力するイメージセンサと、温度を計測する温度センサと、前記温度に応じて設定された補正データを記憶する記憶装置と、前記温度に応じて前記補正データを選択し、前記補正データに基づいて前記撮像データを補正する処理部とを備えることを特徴とする。

上記態様において、前記補正データは、感度設定に応じて設定され、前記処理部は、測定ごとに設定される感度設定に基づいて、前記補正データを選択することも好ましい。

また、上記態様において、前記補正データは、シャッタ機構を用いずに取得される遮光データであることも好ましい。

また、上記態様において、前記補正データは、所定の範囲の温度および感度設定に応じて、イメージセンサの個々の画素ごとに設定され、テーブルとして前記記憶装置に記憶されていることも好ましい。

上記の態様に係る電子レベルによれば、温度センサを備え、温度センサにより取得した温度および該温度に応じた補正データに基づいて補正を行うので、感度不均一性に起因するノイズを温度変化に応じて補正可能な電子レベルを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る電子レベルの構成ブロック図である。同形態の電子レベルによる測定の概略を示すフローチャートである。同形態の電子レベルによる測定におけるチャージタイム設定を説明するフローチャートである。同形態の電子レベルによる測定における補正処理を説明する図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。実施の形態は一例であり本発明はこれに限定されるものではない。

（実施の形態）
１．電子レベルの構成
図１は、本発明の実施の形態に係る電子レベル１００の構成ブロック図である。

電子レベル１００は、望遠鏡１０、イメージセンサ２０、温度センサ３０、処理部４０、表示部５０、操作部６０および記憶部７０から大略構成されている。

望遠鏡１０は、標尺２のパターンの像を形成するための対物レンズ部１１、電子レベルの視準線を自動的に水平にする自動補償機構であるコンペンセータ１２と、ビームスプリッタ１３と、作業者が標尺２を目視するための接眼レンズ部１４とを備える。

対物レンズ部１１は、対物レンズ１１１と合焦レンズ１１２とを備え、合焦レンズ１１２を移動させることにより、標尺２のパターンの像に対するピント合わせを行うことができる。ビームスプリッタ１３は、対物レンズ部１１から取り込んだ光を接眼レンズ部１４方向と、イメージセンサ２０方向に分割する。

イメージセンサ２０は、対物レンズ部１１によって形成され、イメージセンサ２０上に結像した、標尺２のパターン像を電気信号に変換する固体撮像素子である。本実施例では、ＣＭＯＳイメージセンサが使用されている。イメージセンサ２０は、フォ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よく、例えば、ＣＣＤイメージセンサを用いてもよい。

温度センサ３０は、イメージセンサ２０自体またはその環境の温度を測定する温度計であり、例えば、サーミスタ、抵抗測温体、または熱電対などの電気的温度計を用いることができる。電子レベル１００における温度センサ３０の配置は、イメージセンサ２０自体またはその環境の温度を測定するという目的を逸脱しない限り、特に限定されないが、イメージセンサ２０に接触して、またはイメージセンサ２０の近傍に配置すると正確な補正が可能となるので有利である。

処理部４０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ・Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ・Ｕｎｉｔ）である。処理部４０は、イメージセンサ駆動回路２３を駆動して、イメージセンサ２０を駆動する。また、処理部４０には、イメージセンサ２０からの画像信号が、増幅器２１で増幅され，信号変換回路２２でデジタル化された後、入力される。

また、処理部４０は、イメージセンサ２０の撮像のための感度（チャージタイム）の設定を行う感度設定部４１と、設定された感度により、標尺２を測定する本測定部４２と、測定により得られた撮像データを、温度および感度設定に応じた補正データを用いて補正する感度不均一性補正部４３と、補正後の標尺パターンデータより高さ（標尺の読取値）を計算する、高さ計算部４４とを備える。

表示部５０は、例えば液晶ディスプレイであり、処理部４０から出力された測定結果を表示する。

操作部６０は、例えば、測定ボタン等であり、作業者が該ボタンを押し下げることにより電子レベル１００は測定を実行する。

記憶部７０は、第１の記憶装置７１と、第２の記憶装置７２とを備える。

第１の記憶装置７１は、不揮発性メモリであり、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ・Ｏｎｌｙ・Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ等である。第１の記憶装置７１は、データを補正するための補正データテーブルを記憶し、感度設定プログラム、本測定プログラム、感度不均一性補正プログラム、および高さ計算プログラム等、電子レベル１００の機能を発揮するために実行されるプログラムを記憶している。また、第１の記憶装置７１は、測定データを記憶する。

第２の記憶装置７２は、揮発性メモリであり、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄａｍ・Ａｃｅｓｓ・Ｍｅｍｏｒｙ）等である。

電子レベル１００の測定に用いる標尺２は、アルミニウム製やカーボンファイバー製の真直な基体に、標尺パターン３としてバーコードパターンが印刷等により表示されたものである。

バーコードパターンの例としては、例えば特開平７－４９５９号公報に示されるように、同一ピッチで形成されたバーコードパターンが２種類刻印され、それぞれのパターンはバーの太さが第１周期と異なる第２周期で変更されているものが挙げられるが、このほか、公知の電子レベル用の標尺に使用される任意のバーコードパターンを用いることができる。

２．測定全体の動作
図２は、本実施の形態に係る電子レベル１００を用いて、標尺２を読み取り高さを測定する全体動作のフローチャートである。

作業者が、電子レベル１００の測定ボタン（操作部）を押し下げる等により、電子レベル１００が測定をスタートすると、ステップＳ１０１において、電子レベル１００は、測定のための感度設定処理を行う。

一般に、イメージセンサでは、画素ごとに信号を時分割多重で読み出し、時間積分することでシグナル/ノイズ比（以下「Ｓ／Ｎ比」という。）が向上されるために、光電変換で得られた信号電荷を集め、出力まで蓄積する。この蓄積時間をチャージタイムという。電子レベル１００は、天候や、時間帯によって、さまざまな環境での測定に用いられるが、例えば、周囲が暗い場合には、高感度で測定を実行する必要があり、明るい場合にはシグナルの最大値が測定に適正な値となるように、感度を下げて測定する必要がある。

すなわち、高感度を必要とする測定環境では、チャージタイムを長くしてＳ／Ｎ比を大きくし、低感度となる測定環境では、チャージタイムを短くしてＳ／Ｎ比を適正な値とする必要がある。したがって、ステップＳ１０１の感度設定処理において、感度設定は、撮像時のチャージタイム設定と同義である。該処理の詳細については後述する。

次に、ステップＳ１０２において、本測定部４２が、ステップＳ１０１で設定されたチャージタイムにより、本測定を行う。すなわち、イメージセンサ駆動回路２３を駆動して、イメージセンサ２０による標尺パターンの撮像を行うとともに、温度センサ３０による温度データの取得を行う。取得した標尺パターン３の撮像データおよび温度データは、第２の記憶装置７２に一旦保存する。

次に、ステップＳ１０３において、感度不均一性補正部４３が、ステップＳ１０２で第２の記憶装置７２に記憶された標尺パターン３の撮像データの補正を行い、補正後の標尺パターンデータを出力する。補正方法については後述する。

次に、ステップＳ１０４で、高さ計算部４４が、Ｓ１０３で取得した補正後の標尺パターンデータから求められるパターンと、第１の記憶装置７１にあらかじめ記憶された、コードパターンと高さとの相関に基づいて、標尺２の読取り値を計算する。

最後に、ステップＳ１０５で、算出された標尺２の読取り値を、表示部５０に表示して動作を終了する。あるいは、表示部５０への表示と第１の記憶装置７１への保存の両方を行ってもよい。

３．感度設定処理
図３を参照して、ステップＳ１０１の感度設定処理の詳細を説明する。ここで、適正な測定を行うためのデータのシグナルの最大値は目標値としてあらかじめ設定されている。

電子レベル１００が、感度設定処理を開始すると、まず、ステップＳ２０１で感度設定部４１が、所定のチャージタイムで、標尺２を撮像し、撮像データを取得する。

次にステップＳ２０２で、感度設定部４１が、得られた撮像データのうち、シグナルの最大値を検出する。図示の例では、「２０１」が最大値となる。

次にステップＳ２０３で、感度設定部４１が、撮像データの最大値が、予め設定された目標値と一致しているか否かを判断する。

一致している場合（Ｙｅｓ）、ステップＳ２０４で、感度設定部４１が当該測定でのチャージタイムを感度設定として設定し、処理はステップＳ１０２へと移行する。

一致していない場合（Ｎｏ）、ステップＳ２０５で、感度設定部４１が、最大シグナルが目標値よりも大きいか否かを判断する。

目標値よりも大きい場合（Ｙｅｓ）、ステップＳ２０６で、チャージタイムを所定時間短縮し、ステップＳ２０１に戻って、再度標尺パターン３の撮像を行う。

一方、目標値よりも小さい場合（Ｎｏ）、ステップＳ２０７でチャージタイムを所定時間延長し、ステップＳ２０１に戻って再度標尺パターン３の撮像を行う。

このように、チャージタイムを調整しながらステップＳ２０１～Ｓ２０３を繰り返し、シグナルの最大値が目標値となるように、チャージタイムを設定する。

図２に戻りステップＳ１０１でチャージタイムの設定が終わると、ステップＳ１０２に移行する。

４．補正処理
次に、ステップＳ１０３の補正処理について、図４を参照しながら説明する。図４は、
補正処理におけう電子レベル１００内でのデータの流れを示す。

図示の例においては、標尺パターン３として[黒白黒白白黒]のパターン部分を読み取ったものとする。感度不均一性補正部４３には、感度設定部４１で設定したチャージタイム（７５０（ｍｓ））で本測定を行って、イメージセンサ２０より出力された撮像データ｛３０，２０１，３０，２１，２０１，３０｝および温度センサ３０より出力された温度データ（４５℃）が入力される。

感度不均一性補正部４３は、第１の記憶装置７１から補正データテーブル７３を読み出す。補正データテーブル７３は、温度条件および感度設定に応じて、イメージセンサの個々の画素ごとに、設定された補正データを、条件ごとにテーブル形式で表した補正データである。補正データは、例えば、工場出荷時において、環境条件ごとに、電子レベル１００を用いて暗所で測定を行い得られた遮光データである。

次いで、感度不均一性補正部４３は、設定されているチャージタイムおよび温度データに基づいて、補正データテーブルより最適な補正データを選択する。図示の例では、チャージタイム７５０（ｍｓ）、温度４５（℃）であるので、Ｎｏ.６が最適な補正データとして選択される。

次に、感度不均一性補正部４３は、選択した補正データを撮像データに適用して撮像データの補正を行う。図示の例では、例えば、撮像データから、補正データを減算し、補正後の撮像データ｛１０，１，１０，１，１，１０｝を得る。

このようして、得られた補正後の撮像データが、標尺パターンデータとして高さ計算部４４による高さの計算に用いられる。

本実施形態に係る電子レベル１００によれば、温度センサを備えるとともに温度に応じた補正データをあらかじめ記憶した記憶装置とを備え、温度データに基づいて使用する補正データを選択し、これを撮像データに適用して感度不均一性に基づくノイズの補正を行うので、温度が高い場所や低い場所でも、感度不均一性の影響が低減された測定を行うことができる。

また、本実施形態に係る電子レベル１００によれば、温度に加えてさらに感度設定に応じても補正データを作成し、測定ごとに自動で設定される感度に応じて補正データを自動的に設定するため、より環境条件にあった補正を行うことができる。

また、デジタルカメラ等では、露光/遮光の切り替えを行うシャッタ機構を備えている。本実施の形態によれば、工場出荷時に、遮光データを取得して、遮光データを補正データとして第１の記憶装置に記憶しているので、露光/遮光の切り替えを行うシャッタ機構を備える必要がない。

また、補正データは各温度、各感度設定条件に応じて補正データを設定してもよいが、図示の例では、所定の温度範囲、所定の感度設定範囲に応じて補正データを設定している。このようにすると、第１の記憶装置７１に記憶させる補正データの容量を低減できるとともに、感度不均一性補正部４３による読み出し速度を速くすることができ、補正処理を迅速に行うことができる。

２０イメージセンサ
３０温度センサ
４０処理部
７１第１の記憶装置（記憶装置）
７３補正データテーブル
１００電子レベル

Claims

標尺パターンを撮像し、撮像データを電気信号として出力するイメージセンサと、
温度を計測する温度センサと、
前記温度およびチャージタイム設定に応じて設定された補正データを記憶する記憶装置と、
前記補正データに基づいて前記撮像データを補正して、前記標尺パターンの示す高さを算出する処理部とを備え、
前記チャージタイム設定は、本測定に先立って前記標尺パターンを撮像した前記撮像データのシグナルの最大値が予め設定された目標値に一致するように設定され、
前記補正データは、前記温度の範囲および前記チャージタイム設定の範囲に応じて設定された、前記イメージセンサの個々の画素ごとの補正値のテーブルであり、
前記処理部は、前記温度および前記チャージタイム設定に応じて前記補正データを選択し、前記撮像データを補正することを特徴とする電子レベル。
前記補正データは、シャッタ機構を用いずに取得される遮光データであることを特徴とする請求項１に記載の電子レベル。