JPH07119608B2 - 比高測定用水準儀 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、二点間の高度差を求める比高測定用の水準儀
に関する。

〔従来の技術〕

比高測定には、一般に標尺とレベルと称されている水準
儀とを用いる。測定二点に標尺を立てて、これらの目盛
を水平に整置した水準儀の望遠鏡で交互に読んで、読取
値の差を高度差として求めている。

また水準儀の望遠鏡の視野内には、視準用十字線が設け
られていて、この十字線に付加された二本の一定間隔の
スタジア線と称されている水平線を用いて、大まかな水
平距離の測定を行うこともある。この場合には、スタジ
ア線ではさまれた標尺上の距離を読んで、望遠倍率によ
り水平距離を算出している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の比高測定では、測定者が標尺の目盛を読むので、
ディジタル表示が困難であり、またデータ処理器への数
値読取り、データストア、自動データ処理ができない問
題がある。また水準儀の望遠視野は１゜20′程であって
極端に狭く、標尺に目盛よりも粗間隔で表示されている
桁数字が視野外となって、高さ値を読み誤ることがあ
る。スタジア測量も同様であって、ディジタル読取り及
び表示ができないので、水平距離を自動算出して表示さ
せることが困難である。

特開昭62−3610号公報には、標尺上の高度に対応したコ
ードパターンをコードリーダで遠隔読取りし、高度値及
び水平距離をディジタル表示する測定装置が開示されて
いるが、コードリーダの像センサエレメントに結像され
るバーコード像の大きさが標尺までの水平距離に応じて
伸縮するので、コード読取りに必要な分解能を得るため
には像伸縮を補償するズームレンズ系を撮像光学系に必
要とし、また水平距離は、撮像光学系の合焦（ピント）
調整機構の調整位置の検出値に基づいて計算されるの
で、光学系の構造が複雑であり、高価である。

本発明はこの問題にかんがみ、ズームレンズ系や合焦調
整機構の調整位置の検出を利用せずに、イメージセンサ
の出力に基づき所要の分解能でのコードパターンの読取
り及び概略水平距離の測定ができるようにすることを目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の比高測定用水準儀は、水準望遠鏡と、合焦光学
系の後方に設けられたイメージセンサと、このイメージ
センサの出力の符号パルスを復号するデコード手段とを
具備し、標尺の長手方向に沿って高度値に対応して付さ
れ、標尺巾方向に符号要素が延びる符号模様を水平整準
状態で読取って、高度値をデコードし表示するものであ
り、上記イメージセンサの出力信号を処理して既知長さ
の符号模様に対応する符号模様像の横幅を検出する検出
手段と、上記検出手段の検出結果により標尺までの概略
距離を算出する計算手段と、概略距離値を表示する手段
とを具備している。

イメージセンサは、符号模様の像の符号並び方向に延
び、且つ上記水平整準状態の水平線に読取りラインが合
致する受光エレメント列を有し、水準儀と標尺との間の
可測範囲の最大距離においてイメージセンサが符号模様
の最小像を読取るに十分な分解能の受光エレメントピッ
チを有すると共に、上記可測範囲の最小距離においてイ
メージセンは、符号模様の最大像を読取るに十分な上記
受光エレメント列の長さ（またはエレメント個数）を有
している。

〔作用〕

このように構成することにより、水準儀と標尺との水平
距離の変化に応じて伸縮する像の長さを一定に保つオー
トズーム機構を光学系に設けなくても、イメージセンサ
の最小分解能とビット長（センサエレメントの個数）を
可測範囲の最大距離及び最小距離の条件で設定すること
により必要な分解能が得られ、また合焦光学系の合焦調
整量を検出して水平距離を算出することなく、像の大き
さのみに基づいて概略距離を算出することができる。

〔実施例〕

第１図に本発明を適用した水準儀の光学系を示し、第２
図に測定対象である標尺の要部（正面図）を示す。

標尺１の目盛面には、その基端からの高度値を絶対符号
化した光学読取用のバーコード２が、例えば5mmの単位
目盛間隔Ｐで長手方向（高さ方向）に配列されている。
夫々のバーコード２は、ナローバー2a（ロジック“0"に
対応）、ワイドバー2b（ロジック“1"に対応）及びスペ
ース2cで構成されている。エレメント2a、2bは反射率が
低い部分（黒）で、スペース2cは反射率が高い部分
（白）に対応する。符号系としては、工業用又は商業用
に使用されている3of9コード、2of5コード、NRZコード
（UPC/EAN/JAN）等を利用することができる。

水準儀３は公知のオートレベルと概ね同じ光学系を備
え、対物レンズ系４、平行光束系５及び接眼レンズ系６
から成る。接眼レンズ系５は合焦レンズ6a、十字線やス
タジア線を付した焦点鏡6b、接眼レンズ6c等を含む。平
行光束系５は望遠鏡の光軸の傾きにかかわりなく、水平
な視準線を得る自動水平装置であって、プリズム5a、5b
及び糸で釣り下げられた捩り子プリズム5cから成ってい
る。

接眼レンズ系６にはビームスプリッタ７が介挿されてい
て、分岐された像光が倍率レンズ系８を通してイメージ
センサ９に結像される。このイメージセンサ９は例えば
CCDラインセンサであってよく、標尺１の巾方向、即ち
バーコード２の符号エレメントの並び方向に読取ライン
が合致する向きに配置されている。イメージセンサ９の
出力は第３図の処理回路系に導出されて、読取ったバー
コード２が復号され、高度値が表示される。

第３図において、倍率レンズ系８を通して、イメージセ
ンサ９に結像された標尺のバーコード像は、電気信号と
して読取られて、アンプ10を介してコンパレータ11に導
出される。コンパレータ11は、一定レベルＥ以下をクリ
ップしてバーコード信号として取り出す。この際、像が
合焦状態でない場合や、第２図のバーコード２間のライ
ンスペース2dに読取ラインが位置している場合には、像
出力レベルが低いので、コンパレータ出力に現われるこ
となく除外される。即ち、復号可能な信号レベルを弁別
して、復号値のエラーが極力少なくなるようにしてい
る。

コンパレータ11の出力は波形整形回路12で整形され、バ
ーコード２のバー2a、2bを高レベル、スペース2cを低レ
ベルとするコードパルスとしてCPU13に供給される。CPU
13は、コードパルスの高レベル部分のパルス巾に基いて
ナローバー2aをロジック“0"、ワイドバー2bをロジック
“1"として弁別し、更にこれらを高度値に復号する。

CPU13における復号アルゴリズムは基本的には時間計測
によるパルス巾判定でよい。即ち入力コードパルスの高
レベル部分に対応したパルス巾をクロックパルス数に対
応させて、ナロー及びワイドのエレメント列に対応した
時間巾データ列を作成し、個々のデータの大小比較を所
定のマージンでもって行い、コードビット列を得る。コ
ードビット列はその桁ごとにデコーダ（CPUのプログラ
ム中のデコードテーブル）により十進変換され、高度値
としてメモリに記憶されると共に、表示器14に表示され
る。また測定高度値を例えばRS232C型のI/Oポート15か
らポケットコンピュータのようなデータターミナルに転
送することもできる。

なおバーコード２のスペース2cにもナロースペースとワ
イドスペースとを設けてバーエレメントと共にコードと
して利用する所謂インターリーブバーコード系の場合で
も、復号原理は同じである。

第４図は水準儀３の後面パネルの正面図であって、接眼
レンズ6cの上部に表示器14、18が設けられていて、表示
器14には読取った高度値がディジタル表示される。なお
表示器18には後述の距離測定による概略測距値が表示さ
れる。

第５図のバーコードフォーマットで示すように、標尺１
の表面に付いたよごれや標尺より後の背景などの像を誤
情報として取込むことが無いように、バーコード２に識
別シンボル21（IDコード）を付加することができる。こ
の識別シンボル21は例えば“0000"シーケンス（ナロー
バーとスペースとが交互に４つずつ現われる）のような
自然には出来にくい特殊コードであってよい。この識別
シンボル21をCPU13で読取ることが出来たときにバーコ
ード２の本体を復号するようにプログラムすることがで
きる。またこの識別シンボル21をバーコード２の本体の
前端及び後端に設けて、両端において識別シンボル21を
正しく読取ったときのみ復号ステップに進めるようにし
てもよい。

識別シンボル21の後には、第５図に示すように、例えば
４桁のデータエリア22が設けられ、その語尾にパリティ
ビット23が付加される。また必要があれば、コード体系
に定義された算術に従って計算したチェックサム24を付
加してもよい。

なお識別シンボル21は、コードデータの読込み開始点及
び終了点をCPU13に認識させるためのスタートキャラク
タ及びストップキャラクタと兼用してもよい。また標尺
１上のバーコード２の前後には一定巾の無信号部分であ
るスタートマージ25a及びストップマージン25bを付加す
るのがよい。

識別シンボル21又はスタート／ストップキャラクタのコ
ードをCPU13が正しく読取れなかった場合には、CPU13か
ら警報信号を出して表示器14においてNG表示14bを表示
させることができる。この場合には、操作者が接眼レン
ズ6cをのぞいて合焦状態のチェック及び視野内にバーコ
ード２が正しく入っているか否かのチエックを行う。

第２図のバーコード２の長手方向配列のラインスペース
2d（無コード部分）にイメージセンサ９の読取ラインが
位置している場合にも、バーコード２（識別シンボル2
1）を読取ることができない。この場合には、第３図に
示すようにイメージセンサ９の前面側に設けた平行ガラ
ス板16を微小角度だけ傾けて、イメージセンサ９の読取
ラインにバーコード２の像が位置するように光軸を折曲
げる操作を行う。この操作によって像を所定量（最大で
も1/2ピッチ）だけ標尺の長手方向にてシフトさせれ
ば、識別シンボル21を読取れるようになる。

平行ガラス板16の傾倒動作を行わせるアクチュエータ17
を更に設ければ、CPU13からの前記の読取不良を示す警
報信号でもってこのアクチュエータ17を作動させること
により、自動的に結像位置の補正を行うことができる。
このような1/2ピッチ相当の光学系の補正を行っても、
バーコード２の間隔を例えばヒッチｐ＝5mmの単位目盛
間隔としたとき、±2.5mmの公称測定誤差以上に読取精
度が劣化することはない。

アクチュエータ17は、例えば偏心輪とサーボモータとで
構成することができ、CPU13による制御で連続的に又は
一定ステップ巾で離散的に光軸の角度を変化させ、イメ
ージセンサ９上への結像位置が縦方向に変化するように
成すことができる。また視野補正のために横方向に光軸
を動かしてもよい。

なおイメージセンサ９として複数の読取ラインを備える
もの又はマトリックス配列の二次元センサを使用すれ
ば、バーコード間のラインスペース2dにおいて読取れな
かったときに、その読取ラインに対して上又は下にシフ
トした別の読取ラインを用いて読取れるように構成する
ことができる。

読取精度を高めると共に読取エラーを少なくするため
に、第６図のような段違いのコード配列を採用すること
ができる。即ち、Ａ系列としてピッチｐ（単位目盛間
隔）のバーコード2Aを設け、標尺１の巾方向に隣接させ
て1/2ピッチだけ長手方向にずらした同じくピッチｐの
バーコード2BをＢ系列として設ける。この構成によれ
ば、バーコード2Aのラインスペース2d（無コード部）に
イメージセンサ９の読取ラインが位置して識別シンボル
21の読取ができなかったときに、Ｂ系列のバーコード2B
の読取に切換えれば、良好に読取ることができる。

バーコード2Aと2Bとのコード値を1/2ピッチ分違えてお
けば、公称測定誤差を半分（±1/4ピッチ）に低減する
ことができる。またバーコード2Aと2Bとで同一コード値
を使用しても、CPU13においてＡ系列とＢ系列との切換
えを認識して、復号値に対して1/2ピッチ分の補正演算
を行えば、実質的に公称誤差±1/4ピッチの高精度の読
取り値が得られる。Ａ系列とＢ系列との読取を切換える
ために、第３図に示した平行ガラス板16を使用すること
もでき、この場合には光軸を標尺１の巾方向にシフトし
得るように構成する。また使用するイメージセンサ９の
ビット数（エレメント数）が十分多くて十分な解像度を
有していれば、イメージセンサ９の読取ラインの領域を
前半部と後半部とに分けて、夫々においてＡ及びＢ系列
のバーコード2A、2Bを夫々読取れるようにしてもよい。

バーコード2Aと2Bとを標尺１の長手方向に一部オーバー
ラップさせるのが望ましい。即ち、第６図に示すよう
に、Ｂ系列のバーコード2Bのバー長さを1/2ピッチ以上
にして、Ａ系列のバーコード2Aに対して標尺１の長手方
向にオーバーラップさせれば、読取不能が生じることが
無くなる。

勿論、第７図の変形例に示すように、バーコード2A及び
2Bの双方のバー長さをピッチｐに近づけて、お互いのオ
ーバーラップ量を増やし、読取確度を高めてもよい。し
かし第７図の場合には、Ａ系列及びＢ系列の両方を同時
に読める高さ位置が巾広く存在する故、公称精度は実質
的にピッチｐ相当より高くはならない。第６図の場合に
は、1/2ピッチごとにバーコードを配列したのと概ね等
価であるので、公称精度は高まる。

第６図のコード配列では、系列Ａ、Ｂのバーコード2A、
2Bに隣接させて、同一のバーコード2A′、2B′を夫々付
加してある。これらのバーコード2A′、2B′はCPU13に
おいて真値検定に用いることができる。例えばコード2A
と2A′との各ビットを比較して、一致したときのみ復号
処理を行い、不一致のときはエラー処理を行うように検
定アルゴリズムを組込むことができる。またバーコード
2A又は2A′の一方のチェックビット又はチェックコード
（パリティ又はチェックサム、CRC等）でエラーが発見
されたときに、他方のコードを読むようにしてもよい。

バーコードの段差配列を第８図のように更に３段、４段
……と増加させてもよい。第８図の３段（2A〜2C）の場
合には、公称誤差は一系列のピッチｐの1/3となる。

次に第９図にイメージセンサ９としてCCDラインセンサ
を用いた場合の撮像面とバーコード像及びイメージ信号
出力との関係を示し、第10図に読取り光学系の概略を示
す。

CCDラインセンサは一列の受光エレメント30を有し、そ
の撮像面にナローバー2a及びワイドバー2bの結像を生じ
させれば、対応するシリアルのコードパルス信号S_pを読
出すことができる。サンプリング定理により、ナローバ
ー2a又はスペース2cの像の巾内に少なくとも２個の受光
エレメント30が含まれれば、パルス信号S_pに基いてコー
ドを読取ることができる。

CCDラインセンサの解像度及びビット数（エレメント
数）を定めるには、標尺１と水準儀３との間の距離の変
化に応じた像の伸縮を考慮する必要がある。この点に関
しては以下のように距離にほぼ逆比例して撮像面の像が
縮むと考えることかできる。即ち、第10図に示すように
読取光学系が対物レンズ系４及び拡大レンズ系８及びイ
メージセンサ９でもって構成されている場合、対物レン
ズ系４の焦点距離をｆ、標尺１上のバーコード２までの
距離をＡ、結像点までの距離をＢ、 で、倍率ｕは、 となる。比高測定用水準儀の場合、標尺までの距離Ａは
一般に2m〜100mの範囲である。ｆ＝100mmの対物レンズ
系４を用いると、Ａが100mのとき、Ｂは約0.1001mで、
倍率ｕは0.001001倍となる。従って横巾（バーコード全
長）が20mmのバーコード２を望遠すると、対物レンズ系
４による像の大きさは約0.02002mm（20μｍ）となる。

またＡが最短距離2mのとき、同様な計算で像の大きさ
は、1.05263mmとなる。即ち、標尺１までの距離変化100
m〜2mに対し、像の大きさはほぼ1:50の比で変化する。

ここでバーコード２のモジュール数（ナローバー2aを
１、ワイドバー2bを２〜３、スペース2cを１としたとき
のバーコード全体の総和）を50とする。イメージセンサ
９はモジュール数50に対応したパルス信号を得る分解能
を必要とする。距離Ａ＝100mにて必要な分解能を得るた
めのCCDのエレメント数は、ナイキスト間隔を考慮する
と総モジュール数50の２倍の100ビットである。第９図
に示すCCDの受光エレメント30の間隔を約10μｍとする
と、100ビット分に対応するバーコード像の大きさは約1
mm程必要である。従って第10図の拡大レンズ系８の倍率
を50にすれば、距離100mにて撮像面上のバーコードの全
巾が約1mmとなり、その総モジュール数50が約100ビット
で読取られるので、必要な分解能が得られる。

距離Ａ＝2mのときには、上述したように像の大きさが50
倍に拡大されるので、CCDの全エレメント数として5000
ビット（100ビット×50）以上（例えば8192ビット）必
要である。このときの結像面における像の大きさは約50
mmである。

なお望遠鏡の倍率を高くすると共に、イメージセンサ９
の総ビット数を多くすれば、200m程度までの距離におけ
る高度差測定か可能である。それ以上は光の波長や、シ
ンチレーションによりバーコード読取が困難になると考
えられる。

以上のようにイメージセンサ９の受光面上で像の大きさ
がほぼ距離に逆比例することを利用して、水準儀３から
標尺１までのおおよその距離をCPU13で算出して表示さ
せることができる。即ち、CPU13は、波形整形回路12か
ら入力されるコードパルス信号に基いてバーコード像の
横巾をクロックカウントにより計測する。上述の例では
距離変化2m〜100mに対し、結像面での像の大きさが50mm
〜1mmと変化するので、これらの関係と像巾の計測値か
ら既知定数の逆比例計算をCPU13で行わせれば、概略の
測距値が得られる。この測距値は第３図、第４図の表示
器18にて表示される。

なお像巾の計測値に基いて基準距離（例えば50m時）に
対する2m〜100mでの結像倍率を計算することができる。
この結像倍率は、コード読取の際のナローバー2a及びワ
イドバー2bの弁別アルゴリズムにおいて、各測定パルス
巾に対する正規化係数として使用することができる。即
ち、ナローバー及びワイドバーに対応したパルス巾のデ
ィジタル値をCPU内で正規化演算してから大小比較の弁
別アルゴリズムを実行するように構成すれば、プログラ
ムがより簡易になると共に、弁別精度が増す。

なお比高測定では、二点において標尺を立てて夫々の高
度読取値の差をもって高度差とするので、上述の実施例
の水準儀を用いてこれを自動化することができる。即
ち、標尺１のバーコード２を読取ることにより、二点の
夫々の高度値をCPUのメモリ内に記憶させ、更にこれら
の差を高度差として表示させることが可能である。

また上述の実施例においては、測量技士が水準儀３の接
眼レンズ6cをのぞいて合焦状態とするようになっている
が、個人差により合焦点が異なるので、自動焦点方式に
してもよい。例えばイメージセンサ９の像出力の微分レ
ベルが最大となるようにサーボ動作する合焦レンズモー
タ及びそのサーボ回路を付加することができる。

また上述の実施例の水平儀３は自動水平補正系の付いた
所謂オートレベルであるが、気泡管を用いた手動水平整
準式のＹレベル又はティルティングレベルに適用するこ
とも可能である。

また実施例においては、バーコードを高度目盛として使
用したが、田の字セグメントを用いた符号体系を用いて
もよい。また通常の標尺に付されている桁ごとの高度数
字及び高度目盛を併用してもよい。

〔発明の効果〕

本発明は上述のように、イメージセンサの最小分解能
（センサエレメントのピッチ）とビット長（センサエレ
メントの個数）を可測範囲の最大距離及び最小距離の条
件で設定したので、水準儀と標尺との水平距離の変化に
応じて伸縮する像の長さを一定に保つオートズーム機構
を光学系に設けなくても、可測範囲において必要な分解
能が得られ、また可測範囲において生じる像の伸縮に基
づいて概略距離を算出するようにしたので、合焦光学系
の合焦調整量を検出して水平距離を算出することなく可
測範囲においてイメージセンサの出力信号のみに基づい
て水平距離を表示させることができる。従って、高価な
オートズーム機構や合焦調整量の検出系を利用すること
なく、比較的安価で、簡単な構造の比高水準儀を構成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による水準儀の光学系の概略図、第２図
は標尺の要部拡大図、第３図はデータ処理回路のブロッ
ク図、第４図は水準儀の後部正面図、第５図は標尺に付
したバーコードのフォーマット図、第６図〜第８図はバ
ーコード配列の変形例を示す略線図、第９図はイメージ
センサ（CCD）上のバーコード結像及びイメージ出力を
示す略線図、第10図は読取光学系の概略図である。 なお図面に用いた符号において、 １……標尺 ２……バーコード ３……水準儀 ４……対物レンズ系 ５……平行光束系 ６……接眼レンズ系 ７……ビームスプリッタ ８……倍率レンズ系 ９……イメージセンサ である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水準望遠鏡と、合焦光学系の後方に設けら
   れたイメージセンサと、このイメージセンサの出力の符
   号パルスを復号するデコード手段とを具備し、標尺の長
   手方向に沿って高度値に対応して付され、標尺巾方向に
   符号要素が延びる符号模様を水平整準状態で読取って、
   高度値をデコードし表示するようにした比高測定用水準
   儀において、 上記イメージセンサの出力信号を処理して既知長さの符
   号模様に対応する符号模様像の横幅を検出する検出手段
   と、 上記検出手段の検出結果により標尺までの概略距離を算
   出する計算手段と、 概略距離値を表示する手段とを具備し、 上記イメージセンサが、上記符号模様の像の符号並び方
   向に延び、且つ上記水平整準状態の水平線に横取りライ
   ンが合致する受光エレメント列を有し、上記水準儀と標
   尺との間の可測範囲の最大距離において上記イメージセ
   ンサが上記符号模様の最小像を読取るに十分な分解能の
   受光エレメントピッチを有すると共に、上記可測範囲の
   最小距離において上記イメージセンサが上記符号模様の
   最大像を読取るに十分な上記受光エレメント列の長さ
   （またはエレメント個数）を有することを特徴とする比
   高測定用水準儀。