专利名称：找平设备和方法
技术领域：
本发明涉及光学测量领域，并特别地涉及大地测量仪器。具体而言，本发明涉及一 种用于测量找平设备与水准标尺之间的高度差的找平设备；涉及在大地测量中对找平设备 的使用；以及涉及一种用于光学检测物体的垂直位置的方法。
背景技术：
找平设备是一种特殊的大地测量仪器，用于光学测量相对于水准标尺的高度差， 以及由此测量所述仪器和水准标尺之间的高度差。 —般而言，找平设备至少包括望远镜，所述望远镜包括光学检测器、用于在光学检 测器上生成图像的光学系统、以及控制器。控制器被配置用于从所述光学检测器接收输出 信号，以及基于输出信号输出表示所检测的高度差的找平信号。 在此方面，必须用与该设备分离的水准标尺来实施利用电子找平设备的测量。在 水准标尺的表面上以水准标尺的延长方向设有指示出相对于地面的高度的刻度(度量) (例如，以编码图形的方式)。 在测量期间，使水准标尺与光学系统的光轴成直线。在此阶段，光学系统的光轴必 须被设置在水平面上。经对准后，光学系统在光学检测器上生成在测量标尺上提供的刻度 的至少一部分的图像。所述图像被分析以读取水准标尺在图像中间的刻度。相应的值被输 出，作为设备与水准标尺之间的高度差。 在1995年四月出版的期刊"VR Vermessungswesen undRaumord皿ng"第57巻第2 期的由Wieland Feist， Klaus Giirtler， ThomasMarold禾卩Holger Rosenkranz发表的论文 "Die腦en DigitalnivelliereDiNi 10皿d DiNi20"中对上述方法禾口设备进行了更为详 细的解释。该期干lj由Harms J. Meckenstock， Domagkweg 90， D-42109 W聊ertal， Germany 发行。该论文的内容在此引用作为参考。 通过同一 申请者的共同待决的申请PCT/EP2006/009823，另一种找平设备是已知 的。在此将该文档的整个内容通过参考引入。在文献DE 19706790A1和US 5572009中公开了测量标尺和分析将这些测量标尺 成像的图像的方法。这些文献的内容在此引用作为参考，从而成为本发明的一部分。
通常，水准标尺上的任意条形码可以通过线性图像传感器进行扫描。较新的面型 (即，二维)图像传感器(特别是CMOS传感器)在电子设备的市场上更流行，并且例如在成 本、速度和集成后处理的方面相对于线性图像传感器具有很多优势。 不过，由于面型图像传感器通常具有较小像素，因此它们还提供较小行/列长度， 其可以导致可读取的较短码段。
发明内容
考虑到上述问题而实现了本发明。 在某些实施例中，通过读出和均衡大于一条的像素线(即，附加至少一行次线)，
4存在对准确率的提高。同样，由带有条形码的物体的不均匀颜色或反射属性导致的错误可 以被最小化。此外，取决于物体和物镜之间的距离，可以向自动搜索条形码的系统提供较大 的识别范围。 本发明的示例性实施例描述了对于面型图像传感器的找平设备的使用，其中以下 述方式完成安装，所述方式为，线(行)与物体的条形码的垂直读取方向成锐角。
在本发明的示例性实施例中，可以被扫描的码段更大，优选，增大因子为至少到 V 2，并且通过读取次要(相邻的)像素(所述像素与主像素线的那些像素交替)，分辨率 也可以被增加，优选地，增大因子同样为至少到V 2。注意，由此，可以使用固定放大倍数； 由于可变放大倍数将使得测量物体距离更困难，因此使用固定放大倍数是有利的。
本发明的实施例提供了一种找平设备，其具有高度的分辨率，并能够以高准确率 检测条形码。 根据本发明的实施例，一种用于光学测量相对于水准标尺的高度差的找平设备， 包括具有光轴的物镜、与所述光轴在光轴的物侧相交的物平面，其中物体(例如水准标 尺)可以被放置在物平面，从而物镜将所述物体成像到所述物镜的像平面，所述像平面与 所述光轴在光轴的像侧上相交。所述设备进一步包括像接收元件，包括多行检测器元件， 所述多行被设置为形成二维检测器阵列，所述检测器用于输出信号，所述信号表示在所述 检测器上入射的光总量，其中所述像接收元件被设置在所述像平面中。此外，所述设备包 括用于接收输出信号的处理器、以及用于使所述物镜绕垂直轴移动的支架。所述检测器行 相对于所述物体的垂直轴的像以锐角(大于0。且小于90°的角度)设置。
在此方面，所述检测器行相对于图像平面中的对应于物体(即，水准标尺)的垂直 方向的方向成锐角的取向、以及由此形成的条形码图形的水平取向使得若干检测器行提供 关于条形码图形的位置的略微不同的信息。该不同信息接着可以通过使用适当的加权方案 被计算地结合到处理器中，从而提供提高的分辨率。 根据一实施例，所述锐角介于10°和80°之间，或甚至介于32。和58°之间；根 据另一实施例，所述锐角介于40。和50°之间，当检测器行的数量等于或约等于每行的检 测器数量时，该角度范围是尤其优选的。 二维传感器的光敏元件的阵列在行方向上可以包括超过100个(以及具体地超过 200个、以及具体地超过400个)光敏元件，并且在交叉行方向上包括超过100个(以及具 体地超过200个、以及具体地超过400个)光敏元件。适当的二维传感器的典型示例可以 在行方向上包括640个元件，以及在交叉行方向上包括480个元件。 一般而言，至少存在三 行或更多行。尽管正方形或矩形的行排列是优选的，但也可以使用相互偏移的多个较短行。 在此排列中，优选地每行的检测器数量少于行数，同时行偏移小于每行的检测器数量，并且 优选地为1。在此情形中，接近二维检测器阵列的边缘的行可以比中央排列的行(其优选地 是最长的)更短。 根据一实施例，所述光学检测器的至少一个是电荷耦合设备(CCD)或CMOS图像传 感器。在本申请的上下文中，检测器行包括侧面排列的多个检测器。如果检测器是CCD，则 读出方向限定了所述行。 根据一示例，水准标尺具有在水准标尺的延长方向上排列的交替光反射率的图 形，并且控制器被配置用于生成所述找平信号，所述信号通过分析在所述检测器的输出信号中包含的水准标尺的各个图形而表示所检测的高度差。 此图形可以直接指示出以编码形式的高度信息。由此，水准标尺而不是找平设备 自身表示出用于测量的实物量具。在输出信号中包含的图形可以被分析，以测量所述设备 和水准标尺之间的相对高度差。 其它示例涉及在大地测量中对上述设备的使用。 另外的示例涉及一种用于检测高度差的方法，包括将物体成像到检测器上，从而 所述物体的垂直轴以锐角向检测器的行方向倾斜，以及计算相邻行的检测器的检测器输出 信号的加权组合。 上述的实施例和方面可以相互结合。
通过以下参考附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的前述以及其它 特征将更明显。注意，并非本发明所有可能的实施例都必须展示出每个或任意一个在此识 别的优点。
图1是根据本发明实施例的找平设备的透视图； 图2A是操作中的找平设备的侧视图； 图2B是操作中的找平设备的俯视图； 图3是示出图1的找平设备的基本部分的互连的框图； 图4示出与根据本发明的找平设备一起使用的水准标尺的一部分； 图5示意性示出可以与本发明的找平设备一起使用的检测器阵列； 图6示意性示出可以由找平设备生成的像； 图7示出根据本发明在正方形检测器上对水准标尺的条形码的像的布置；
图8示出图7的检测器阵列的主和次像素线； 图9示出根据本发明的正方形10X 10检测器阵列的检测器的示例性列举以及加 权方案； 图10示出根据本发明的矩形8X6检测器阵列的检测器的行和列的示例性列举； 以及 图11示意性示出俯视图中物镜、像平面以及两个垂直轴(由十字表示)的相对位 置。
具体实施例方式
在以下描述的示例性实施例中，尽可能地由相同的标号指示出功能和结构上相同 的部件。因此，为了理解特定实施例的单独部件的特征，应该参考对其它实施例以及对本发 明内容的描述。 在下文中，参考附图描述了找平设备的实施例。 如图1最佳地示出的，本发明的找平设备1基本包括望远镜2，所述望远镜2具有 物镜22a、二维检测器21、枢轴转动步进电动机、支架13、以及处理器7。在本实施例中，检 测器具有若干行单独元件的矩形或正方形阵列。 望远镜2基本包括光学系统22a、22b、22c、组成光学检测器的矩形或正方形的CCD检测器21、分束器26、目镜27、以及聚焦步进电动机24。光学系统包括多个光学透镜22a、 22b和22c、补偿器25，它们限定了光学系统的光轴10的物体端部分。可选的补偿器25是 一种用于使光轴IO保持水平的自动机构，并被设置在光轴的像侧部分。物体侧的第一透镜 22a是物镜，而之后的透镜22b和22c构成成像光学元件。 通过使用分束器26，光学透镜22a、22b和22c适于在CCD检测器21上生成图像， 以及用于由用户(未示出)通过目镜27观看视野V1。聚焦步进电动机24适于通过调节 第一光学系统28的透镜22b和22c之间的间隙G，而调节光学系统和由光学透镜22a、22b 和22c在CCD检测器21上成像的物平面12之间的距离D。在图2A和2B中示出了该距离 D。 可选的目镜27可以被用于监视找平设备1的望远镜2的光轴10相对于水准标尺 9的对准。 枢轴转动步进电动机4和望远镜2的大多数部分(光学透镜22a、22b和22c、补偿 器25、分束器26、CCD检测器21、聚焦步进电动机24和目镜27的部分)被设置在望远镜2 的外壳23中。 望远镜2的外壳23经由枢轴42附接于底板13。如图2A所示，底板13连同三脚 架6构成了三脚台作为支架。 可选的广角照相机3包含多个光学透镜32a、32b和32c，其与阵列CCD检测器31 构成了第二光学系统38。光学透镜32a、32b和32c限定了第二光学系统38的光轴11，并 适于在阵列CCD检测器31上生成来自视野V2的二维图像。 如图4所示，水准标尺9包括柄部91，在其上提供了交替光反射率图形形式的刻度 92。刻度92在水准标尺9的延长方向上被设置在柄部91上。在刻度92的左右端，提供了 边缘部分93、94。 如图5最佳地示出的，CCD检测器21是二维传感器，其优选地包括在行方向与交叉 行方向上的多于400个光敏元件(像素)POO-P(x-l) (y-l)。在一实施例中，在行方向上的 每一行21a的像素POO-PO (y-l) 、 P10-P1 (y-l) 、 P20-P2 (y-l) 、 . 、 P (x_2) 0_P (x_2) (y_l)、 P(x-1)0-P(x-1) (y-l)的数量是640。因此，通配符字符"y"是640。在交叉行方向上的像 素P00-P(x-l)0、P01-P(x-l)1、…、P0(y-2)-P(x-l) (y-2) 、 PO (y_l) _P (x_l) (y_l)的数量 是480。因此，通配符字符"x"是480。 阵列CCD检测器31与光学透镜32a、32b和32c被安装于外壳33中。广角照相机 3的外壳33经由托架8固定于望远镜2的外壳23。托架8允许外壳23和33相对于彼此 的某种调整(以及由此允许望远镜2和广角照相机3相对于彼此的某种调整)。在操作期 间，广角照相机3的光轴11的取向被维持成相对于望远镜2的光轴10恒定。
通过使用绕固定垂直轴5的枢轴转动步进电动机4和齿轮系统41 (其也被包含在 望远镜2的外壳23中)，望远镜2和广角照相机3可以相对于枢轴42旋转。结果，望远镜 2的光轴10和广角照相机3的光轴11可以在各个水平平面(未示出)中旋转。不过，要注 意，光轴IO为精确地水平并非总是必须的；而是，在某些情形中这样可以满足，如果光轴以 一个角度倾斜于水平平面，所述倾角可以由倾角计或倾斜传感器测量。例如，如果物体的距 离也被测量，则物体相对于设备的高度可以被推断出来。 在本实施例中，在望远镜2的外壳23内还提供了微计算机7。可替换地，例如可以在底板13中提供微计算机。 微计算机7连接于望远镜2的二维检测器21、补偿器25以及聚焦步进电动机24、照相机7的阵列CCD检测器31、枢轴转动步进电动机4、辅助装置19 (参见图3)的显示器14、用户接口 15、以及存储器16。计算机可以具有若干处理器。
在下文中，将简要描述找平设备1的功能。 在可能由用户经由用户接口 15触发的测量操作之初，微计算机7控制枢轴转动步进电动机4，使得望远镜2相对于垂直轴5旋转。同时，微计算机7从阵列CCD传感器31接收表示二维图像18的图像信号(第二输出信号)。望远镜2和照相机3的旋转被保持，直到微计算机7识别出图像信号中的水准标尺9的表示(^presentation) 17为止。二维图像18中的所述表示17在图6中示出。 基于所识别的水准标尺9的表示17，微计算机7控制枢轴转动步进电动机4，从而通过旋转望远镜2和照相机3，使得望远镜2的第一光学系统28的光轴10自动与所识别的水准标尺9的表示17进行对准。 更详细地，微计算机7确定由从照相机3接收的图像信号所表示的二维图像18中所识别的表示17的位置。通过考虑望远镜2和照相机3的光轴10和11相对于彼此的相关性，可以定义二维图像18的哪个区域大致上对应于望远镜2的光轴10。由此，枢轴转动步进电动机4被微计算机7致动，直到水准标尺9中所识别的表示17被布置在该区域中为止。 在以上实施例中，微计算机7通过在由图像信号表示的二维图像18中进行图像分析，而识别阵列CCD检测器31的图像信号中的水准标尺9的表示17。 附加地或可替换地，微计算机7可以通过将图像信号与存储在连接于微计算机7的存储器16中的第一预置图形信号进行比较，而直接在图像信号中识别水准标尺9的表示17。此外，可替换地或附加地，微计算机7可以通过检测为图像信号中的各个水准标尺9预置的特征颜色，而识别水准标尺9的表示17。为特定水准标尺9预置的多种特征颜色可以被存储在存储器16中。为了便利于对水准标尺9的识别，用户可以从存储在存储器16中的多种水准标尺特征中选择实际水准标尺的特征。 而且，如果水准标尺9位于广角照相机3的第二光学系统38的视野V2中，则水准标尺9的柄91的边缘区域93、94被示出为对于阵列CCD检测器31是垂直行。由此，根据另一实施例，通过使用"霍夫变换"在图像信号中检测水准标尺9。这种算法可以在找平的情况下提取或识别垂直几何结构。 望远镜2的旋转轴5和望远镜2的光轴10不一定相交。由此，当通过水准标尺9对准望远镜2的光轴10时，望远镜2的光轴10相对于垂直旋转轴5的偏移可以被微处理器7自动考虑。 进一步地，为了通过水准标尺9对准望远镜2的光学系统的光轴10，上述找平设备1的微计算机7适于控制在望远镜2中提供的聚焦步进电动机24。 在此方面，找平设备1通过将照相机3的图像信号中所识别的水准标尺9的表示17的长度或宽度与存储器16中存储的、为各个水准标尺9预置的长度或宽度值进行比较，而自动检测找平设备1与水准标尺9之间的距离。基于所检测的距离，微计算机7控制聚焦步进电动机24使得光学系统与物平面12之间的距离D自动被调节为找平设备1与水准
8标尺9之间所检测的距离。由此，基于从照相机3的阵列CCD检测器31接收的图像信号中所识别的水准标尺9的表示17，由微计算机7执行对聚焦步进电动机24的控制。
通过基于照相机3的图像信号控制聚焦步进电动机24，对光学系统的聚焦可以被自动预调节为大致期望的水准标尺9所在的距离。 在本实施例中，图4中的阴影区域以及特别是边缘部分93、94为褐黄色，其可以被称为"信号颜色"。该高反射率颜色通常在自然环境中找不到。由此，该颜色可以如上所述被微计算机7用于识别照相机3的第二光学系统38的图像信号中的水准标尺9。
如果水准标尺9位于望远镜2的光学系统的视野VI中，则微计算机7通过分析在光学检测器21的输出信号中包含的交替光反射的图形来生成找平信号，其表示所检测的在水准标尺9和电子找平设备1之间的高度差。通过本申请的前言页中列举的现有技术文献，基于在输出信号中包含的图形而具体生成找平信号以输出电子找平设备1相对于水准标尺9的高度是公知的。 找平设备不是非要包括上述优选实施例的所有元件。而且，可以提供例如电源(例如电池)或例如远程控制单元的附加元件。显示器14可以被集成到望远镜2的外壳23中或者照相机3的外壳33中。可替换地，甚至可以使用例如PDA(个人数字助理)或PC(个人计算机)的独立显示装置。 根据图7所示的示例，水准标尺的条形码被成像到10X10的正方形检测器阵列上，从而标尺的垂直轴与检测器阵列的对角线对准，即，检测器的行与垂直物体轴的图像形成45°的角度小(或与45。的误差不大于5。)。如图8所示，与对角线相交的检测器形成主像素线，而与主像素线相邻的检测器以及通过顶角横向接触检测器的主像素线的检测器(其到对角线的距离只有它们(对角)大小的一半)形成了次像素线，其在主像素线的每一侧有两行。在此上下文中，检测器的"线"被理解为被角对角地排列。从图9开始，这些像素线的加权方案是明显的根据此处所示的编号，主像素线具有由Px， x列举的像素；第一次像素线具有由Px， x士l列举的像素；以及下一次像素线具有由Px， x士2列举的像素。根据公式1，加权方案为，当x+y是偶数(但不是0也不是xmax+ymax)，则计算加权和(Px，x+Px， x+2+Px， x-2)/3，并且当x+y是奇数，则计算加权和(Px， x+l+Px， x_l)/2。当不想要取平均值时，可以无需加权而直接使用对角线值Px， x。当x+y为0，使用值P0，0，同样，当x是xmax且y是ymax，未力口权地使用Pxmax， ymax (xmax禾口 ymax指示出x禾口 y的最大可會g值，即，分别是行数以及最长行中的检测器数量)。注意，当将使用所述方案时，检测器阵列仅需要具有主像素线和第一次像素线以及可选地具有第二次像素线。不过，如果存在更多像素线，并可以被包括在扩展的加权方案中(如果需要的话)，则检测器将更加通用。
根据图10，使用具有6行每行八个实际像素的矩形检测器阵列(外部编号)。注意，该选择仅用于说明目的，因为实际检测器将具有较大数量的行和列。物理阵列被划分为8X8的"虚拟像素"阵列(图10中的内部编号)。可以注意到，虚拟像素具有与实际像素不同的重叠。具体而言，对于每个虚拟像素区域，一个或若干个实际像素区域做出贡献。例如，虚拟像素VO，O仅具有一个贡献者，即实际像素PO，O，而重叠是该实际像素的区域的75%。另一方面，虚拟像素Vl，l具有两个贡献者PO，l和P1，1，其重叠区域分别为25%和50%。 一般而言，对于行数与每行的检测器数量的比率是3 : 4的情形，如果(s mod 4)是0或3，则将存在一个因子75%;并且如果(s mod 4)是1或2，则将存在因子25%和50%。具体而言，令APy,x为像素在位置y，x的初始输出信号；令AV"为虚拟像素在位置s，r的计算值；并且令INT (3 s/4) = y以及r = x。 那么，如果(s mod 4)是0或3，则AVs,r = 0. 75 APy,x ;
如果(s mod 4)是l，则AVs,r = 0. 25 APy,x+0. 5 APy+1,x ;以及
如果(s mod 4)是2，则AVs,r = 0. 5 APy,x+0. 25 APy,x。 以此方式，定义了虚拟像素的平方数。当然，对于其它的每行的检测器数量与行数的比率，应该相应调节系数，从而产生虚拟像素的平方数。同样，在这种情形中，将产生不同的角度小。尽管对于3 : 4阵列(arctan(3/4) "37°以及arctan (4/3) "53° )该角度接近于37° (或53° )，但是对于其它纵横比率其它角度将是优选的，诸如，对于纵横比率2 : 3为大约34。(或大约56。)，这也是十分常见的。注意，当行定义了较长尺寸时，小于45° (但大于30° )的角度将是行方向和垂直(或相应)方向之间的优选角度，在矩形阵列中其等于图10中所示的列方向与水平(或相应)方向之间的角度。
同样，将如下所示，计算所有可能的虚拟像素值并非总是必须的；而是，通常这样可以满足，在计算中使用主虚拟像素线和次虚拟像素线的值。当快速读出时间很重要时，例如，如果自动聚焦过程通过对条形码的识别正在工作，这尤其具有优势。在这种情形中，当物体比最短可能距离更远时，并非使用检测器行和列的完整长度，传感器的读出窗口被减少。这导致较短的最小读出时间，以及从而导致最长到最短曝光时间的增加的比率。
针对每个虚拟像素的值的集合、或至少针对对角线虚拟像素线和最近的次虚拟像素线的值的集合可以执行如下的示例性加权方案如果(nmod 4):=0我=1/2 (AVn/4,n/4—Ln/4);如果(nmod 4):=1:ADn=3/4 3/4 1/2 AV(n—5)/4, ((n—5)/4)+1 +1/4 3/4*1/2* AV(n—5)/4, ((n—5)/4)+2 +3/4 3/4 1/2 AV((n—5)/4)+1, ((n—5)/4) +1/4 3/4 AV((n—5)/4)+1, ((n—5)/4)+1 +1/4 1/4 1/2 AV((n—5)/4)+1, ((n—5)/4)+2 +1/4 3/4 1/2 AV(n—5)/4+2, (n—5)/4+1/4 1/4 1/2 AV((n—5)/4+2, ((n—5)/4)+1 ;如果(nmod 4):=2:ADn=AV(n-2)/4, (n-2)/4 ;如果(nmod 4):=3:ADn=1/4 1/4 1/2 AV(n—7)/4, ((n—7)/4) + 1 +1/4 3/4*1/2* AV(n—7)/4, ((n—7)/4)+2 +1/4 1/4 1/2 AV((n—7)/4)+1, ((n—7)/4) +1/4 3/4 AV((n—7)/4)+1, ((n—7)/4)+1 +3/4 3/4*1/2*AV((n—7)/4)+1, ((n—7)/4)+2 +1/4 3/4*1/2*AV((n-7)/4+2, (n-7)/4+
3/4 3/4*1/2*AV((n-7)/4+2, ((n-7)/4)+1 °
在此，n从4开始增大；ADn是加权虚拟像素数据；以及AVX, y是虚拟像素值列的数字and然后可以执行正常的进一步处理。注意，每种情形中的加权系数之和为1。优选地在计算中使用定点数字。附带地，表达式(a mod b)表示除法a/b的余数，而INT(a/b)表示[a-(a mod b)]/b的结果的整数，其中a和b是正数。
以上述方式，系数被计算，通过所述系数，由实际检测器所检测的实际亮度值AP将被加权。可以注意到，比起只有实际值APu的情形，该方案导致沿着检测器对角线的更多(虚拟)像素值ADn;换句话说，该方案导致分辨率结果的增加。与此同时，由于在计算像素值ADn时所使用的若干不同的物理像素，常常出现的对像素的制造不均衡趋向于被消除。
应该理解，具有较少虚拟像素值的其它加权方案也是可想到的。例如，在可替换方案中，仅使用来自主像素线和第一次像素线的虚拟像素值。在另一简化方案中，仅使用虚拟像素的主像素线的值。不过，在这些可替换方案中，与还使用了第二次像素线的完整方案相比，较小提及分辨率的增加。在另一方案中，矩形阵列的取向与所投影的垂直方向大约成45° ，但仅仅检测器的正方形子阵列在计算中被实际读出或使用，其中物体的垂直轴被投影到其对角线上。 图11中给出了多个光学部件的排列的俯视图。物体22a的光轴10具有与物平面12相交的第一部分10'，以及与检测器21所在的图像平面相交的第二部分10"。注意，在该示意性图中，出于增加清晰性的目的，用于聚焦的成像光学器件已被省略。出于找平的目的，例如用于定位水准标尺，物体可以绕垂直轴5移动。平行于转轴5的另一辅助垂直轴5'与光轴10的第一部分10'相交。该轴5'被光学系统成像到图像平面之后的位置5"(已知辅助性垂直轴5'与光轴10在物平面12和望远镜的焦点之间的一个位置相交)。被成像的轴5"和光轴10的第二部分10"限定了一平面，其在图11的俯视图中为与光轴10的第二部分10"重合的线。在与图像平面相交的点，形成了直角。另一方面，垂直轴5'和光轴10的第一部分10'还限定了一平面，其在图11的俯视图中为与光轴10的第一部分10'重合的线。该平面与物平面12形成了直角。将会理解，在此示例中，由垂直轴5'和5"分别与光轴10的第一或第二部分、以及分别与像平面或物平面12限定的平面的相交线全是垂直的，或者至少它们在光学上是一致的。例如，如果通过插入反射镜(诸如图1中的分束器26)使光轴10的第二部分IO"与光轴10的第一部分10'形成一个角度，则垂直轴5'的像5"可以不是垂直的；而是，其将在光学上与垂直轴5' —致，像5"是垂直轴5'的光学像。与此同时，物体的垂直轴12'将被成像到像平面上，以形成物体的垂直轴12'的像12"。
应该理解，垂直轴5优选地与光轴10相交。更优选，相交点与装置的消加常数点(anallactic point)靠近或重合。 显而易见，本发明不限于上述对步进电动机的使用。作为替代，可以使用适于使望远镜2和照相机3绕固定垂直轴5移动、或者变更物体22a与物平面12之间的距离D的任意其它已知致动器。例如，取代于聚焦步进电动机和光学系统的光学透镜中的一个可置换透镜，可以使用具有可变折射率的光学透镜。 而且，显而易见，被用作为二维检测器21以及作为阵列CCD检测器31的光学检测器的大小和种类可以变更。此外，检测器可以是彩色或黑白检测器。不过，当使用二维彩色检测器时本发明是尤其有利的。在此情形中，特定插值方案允许对颜色不均匀性进行可观的均衡。 代替于如上所述的具有4 : 3或3 : 2的纵横比的二维检测器，可以想到使用具有相对较少、相对较长的行(即，具有(显著)大于2 : 1的纵横比)、但具有交错的行的检测器。这种检测器可以通过沿垂直物体轴的图像的行方向被设置(即，小=0)，并且相比
于具有非交错行的线检测器还提供了分辨率增加。如上所述的优选加权方案可以用于这种传感器，其中用交错的行分别取代主像素线和次像素线。 此外，尽管上文中作为找平设备描述了本发明，但是所阐述的原理还可以用于测 绘设备。 同样，当噪声不是问题时，可以想到不把加权方案应用于计算平均信号值，而是作 为替代，当检测器阵列相对于垂直物体轴的像以锐角倾斜时，利用各个检测器的略微不同 的垂直位置。在某些情形中，这可以在确定水准标尺上的码条的位置和宽度时允许增加的 精度。 用于光学测量相对于水准标尺的高度差的找平设备的实施例包括物镜、在物镜 的像平面中设置的检测器阵列、用于使所述物镜绕所述设备的固定垂直轴移动的支架、以 及处理器。所述检测器阵列具有以锐角向垂直物体轴的像倾斜的行。对于任意一行的检测 器，优选，在它们之间不具有大的空隙。 尽管已经参考本发明的某些示例性实施例描述了本发明，但是显而易见，对于本 领域技术人员来说许多可替换方案、修改和变体将是明显的。因此，此处阐述的本发明的示 例性实施例用于说明，而不以任意方式进行限制。在不脱离如所附权利要求所限定的本发 明的精神和范围的情况下，可以做出多种改变。
权利要求
一种找平仪器，包括具有光轴的物镜、与所述光轴相交的物平面、以及与所述光轴相交的像平面，其中所述物镜被配置用于将置于所述物平面中的物体成像到所述像平面；像接收元件，其包括多行光检测器；所述多行光检测器被设置为形成二维检测器阵列；所述光检测器适于输出信号，所述信号表示在所述光检测器上入射的光量，其中所述像接收元件被设置在所述像平面中；以及用于使所述物镜相对于垂直轴移动的支架，其中所述多行检测器相对于所述物体的垂直轴的像以锐角设置，所述物体的垂直轴的所述像由所述物镜生成。
2. 根据权利要求1所述的找平仪器，其中所述支架包括旋转配置，用于使所述物镜和所述像接收元件相对于所述支架的垂直轴旋转。
3. 根据权利要求1或2所述的装置，其中所述锐角大于10。，且小于8(T ，优选大于32° ，且小于58。。
4. 根据权利要求3所述的装置，其中所述锐角大于40。，且小于5(T 。
5. 根据权利要求4所述的装置，其中检测器的行数等于每行中光检测器的数量。
6. 根据权利要求1至3之一所述的装置，其中所述行的数量小于所述行中最长一行中的光检测器的数量。
7. 根据权利要求1至6之一所述的装置，还包括至少一个处理器，其适于通过所述行中的相邻行的光检测器的输出信号计算加权平均信号。
8. 根据权利要求1至7之一所述的装置，还包括存储器，用于存储所述至少一个处理器的输出数据。
9 根据权利要求1至8之一所述的装置，还包括显示器，用于显示由所述至少一个处理器提供的输出数据。
10. 根据权利要求1至9之一所述的装置，还包括致动器，用于使所述物镜和所述像接收元件绕所述支架的垂直轴移动。
11. 根据权利要求1至io之一所述的装置，还包括倾斜传感器，用于检测所述光轴相对于垂直于所述支架的垂直轴的平面的角度。
12. 根据权利要求1至11之一所述的装置，还包括置于所述物镜和所述光检测器之间的至少一个反射器。
13. 根据权利要求1至12之一所述的装置，其中所述物镜提供固定放大倍数。
14. 根据权利要求1至13之一所述的装置，其中所述物镜是望远镜的一部分。
15. —种在大地测量过程中的根据权利要求1至14之一所述的装置的用途。
16. 根据权利要求15的用途，其中所述至少一个处理器用于将数据提供作为像识别步骤的输入，所述像识别步骤构成所述大地测量过程的部分。
17. 根据权利要求16的用途，其中所述物体是水准标尺的机器可读刻度的条形码。
18. —种用于检测物体的垂直位置的方法，所述方法包括使物镜和包括多行光检测器的检测器阵列相对于垂直轴移动，从而朝向所述物体取向通过所述物镜将所述物体成像到所述检测器阵列上，从而所述物体的垂直轴的像相对于所述多行光检测器的延长方向形成锐角；生成对应于所述光检测器上入射光的强度的数据；计算对应于在所述光检测器中的选定若干光检测器上入射的光的强度的数据的加权和。
19. 根据权利要求18所述的方法，还包括显示表示数据的加权和的像单元的阵列。
20. 根据权利要求18所述的方法，还包括对所述数据的加权和进行图像识别。
21. 根据权利要求18至20之一所述的方法，其中所述锐角大于10。，且小于80° 。
22. 根据权利要求21所述的方法，其中所述锐角大于30。，且小于6(T 。
23. 根据权利要求22所述的方法，其中所述锐角大于40。，且小于5(T 。
24. 根据权利要求18至23之一所述的方法，包括调节所述物镜，从而使所述物体的垂直轴的像与所述光检测器阵列的对角线对准。
25. 根据权利要求24所述的方法，其中所述数据的加权和的加权系数取决于各个光检测器与来所述光检测器阵列的对角线的横向距离。
26. 根据权利要求25所述的方法，其中所述加权系数越小，各个光检测器与所述对角线的横向距离就越大。
27. 根据权利要求25或26所述的方法，其中下述检测器的加权系数为零，所述检测器到所述对角线的横向距离大于其横向大小。
28. 根据权利要求25至27之一所述的方法，其中与所述检测器阵列的对角线相交的那些光检测器的加权系数大于相邻于与所述检测器阵列的对角线相交的所述光检测器而不是与所述检测器阵列的对角线相交的所述光检测器自身的那些光检测器的加权系数。
29. 根据权利要求25至27之一所述的方法，还包括为每个像计算多于进入所述计算的光检测器信号的数量的数据的加权和。
全文摘要
本发明涉及一种用于光学测量相对于水准标尺的高度差的找平设备，并且包括物镜(22a)、二维检测器(21)、用于使所述物镜(22a)和所述检测器(21)在所述设备的固定垂直轴(5)周围旋转的支架(13)、以及处理器。所述检测器被设置，从而它的行向物体的垂直轴的像以锐角倾斜。本发明还涉及一种用于检测设备相对于水准标尺的高度差的方法，包括将所述水准标尺成像到检测器阵列(21)上，从而所述标尺的垂直轴的像以锐角向检测器行倾斜。
文档编号G01C15/00GK101715542SQ200780053476
公开日2010年5月26日 申请日期2007年5月23日 优先权日2007年5月23日
发明者K·格特勒 申请人:特里伯耶拿有限公司