專利名稱：光學(xué)傾斜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的光學(xué)傾斜儀、根據(jù)權(quán)利要求17的前序部分所述的儀器傾斜度的測(cè)量方法以及具有這種傾斜儀的大地測(cè)量?jī)x器。
背景技術(shù)：
各種結(jié)構(gòu)類型的傾斜儀很久以來(lái)就在必須考慮到儀器位置的所有領(lǐng)域得到應(yīng)用。這特別適用于大地測(cè)量領(lǐng)域或者建筑業(yè)中的測(cè)量。
盡管對(duì)于高精密測(cè)量來(lái)說(shuō)，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的各種實(shí)現(xiàn)方式是公知的，然而迄今缺少簡(jiǎn)單和堅(jiān)固而仍具有足夠精度的傾斜儀。
在US 5,392,112中說(shuō)明了一種傾角測(cè)量?jī)x，該傾角測(cè)量?jī)x把一條光束分割成兩條分光束，該兩條分光束在被儀器固定表面和液面各自反射之后，在一個(gè)檢測(cè)器上聚焦并在此被記錄。從兩條分光束的空間點(diǎn)的相對(duì)位置推斷出儀器的傾角。
在公開(kāi)文件DE 41 10 858中公布了一種雙軸傾斜儀，該雙軸傾斜儀將一個(gè)幾何圖形通過(guò)一臺(tái)傾敏的和可偏轉(zhuǎn)光束的傳感器投影到一個(gè)線性陣列上。該傳感器含有一種液體，該液體相對(duì)于儀器的位置使得該圖形在線性陣列上的投影受到影響或發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
除了由于這種包含成像光學(xué)系統(tǒng)以及可選的分束器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的缺點(diǎn)以外，這種結(jié)構(gòu)類型的傾斜儀還由于兩條分光束的射束路徑的所需最小長(zhǎng)度而只能在受限程度上實(shí)現(xiàn)小型化。
在JP 09243359中說(shuō)明了一種更簡(jiǎn)單的傾斜傳感器，該傾斜傳感器具有一個(gè)謎封的并填充了液體的容器。該容器的內(nèi)側(cè)具有拱形面，汞滴停留在該拱形面內(nèi)。該容器和位于該容器內(nèi)的液體由一個(gè)光源照射，并且光輻射由一臺(tái)由四個(gè)光電二極管組成的作為簡(jiǎn)單的象限傳感器的檢測(cè)器記錄。從由于汞滴引起的遮光的位置，可推斷出傳感器的傾斜度。由于這種結(jié)構(gòu)，就不能利用光電二極管的由陰影投射產(chǎn)生的變暗的任何信息。特別是對(duì)檢測(cè)器上的明暗過(guò)渡的準(zhǔn)確位置沒(méi)有進(jìn)行考慮。
因此在現(xiàn)有技術(shù)中，雖然高精密和開(kāi)發(fā)成熟的傾斜儀是公知的，但是如果不投入大量費(fèi)用，這些傾斜儀的體積由于其與類屬相一致的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)而無(wú)法得以縮小。另一方面，存在簡(jiǎn)單的解決方案，然而鑒于為測(cè)定傾斜度而供使用的信息是非常有限的，因而更有可能會(huì)粗略估計(jì)傾斜度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)傾斜儀，該光學(xué)傾斜儀與簡(jiǎn)單的遮光測(cè)量?jī)x器相比在得到改進(jìn)的測(cè)量精度的情況下，具有一種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。
另一目的是提供一種傾斜儀，該傾斜儀具有最少的機(jī)械和光學(xué)部件，并因此具有更大的堅(jiān)固性和耐沖擊性。
本發(fā)明的另一目的是保證大地測(cè)量?jī)x器或建筑業(yè)所用儀器中的結(jié)構(gòu)可集成性。這特別是涉及已有電子部件作為評(píng)測(cè)裝置的應(yīng)用。
此外，又一目的是對(duì)老化效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)例如熱變化加以考慮的可能性。
這些目的是根據(jù)本發(fā)明，分別通過(guò)權(quán)利要求1和17的限定特征以及通過(guò)從屬權(quán)利要求的限定特征來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明涉及一種光學(xué)傾斜儀。通過(guò)一個(gè)輻射源產(chǎn)生輻射，使用該輻射將一介質(zhì)聚焦到照相機(jī)上。該介質(zhì)保持在一容納元件中。該容納元件例如可由液體用盒或者懸擺用保持器構(gòu)成。在此情況下，圖像無(wú)需與光學(xué)準(zhǔn)確圖像對(duì)應(yīng)。重要的是對(duì)容納元件的透射，該容納元件具有至少一種位于其內(nèi)部或者由該容納元件保持的第一介質(zhì)?？蛇x地，可通過(guò)圖像處理來(lái)評(píng)測(cè)該介質(zhì)或該介質(zhì)的一部分在照相機(jī)上的圖像，這樣例如也可考慮和校正成像誤差，例如失真。因此在此方面，應(yīng)把容納元件的透射理解為成像，在該成像中，產(chǎn)生至少第一介質(zhì)或第一介質(zhì)的一部分的可由照相機(jī)評(píng)測(cè)的圖像。
所用的輻射可位于可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)，但也可位于不可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)，并在通常情況下，通過(guò)輻射源、照相機(jī)以及介質(zhì)的技術(shù)和物理參數(shù)來(lái)確定。作為輻射源，除了各種類型的常規(guī)燈以外，還可使用發(fā)光二極管或激光器，特別是半導(dǎo)體激光器。根據(jù)實(shí)現(xiàn)形式，使用該輻射來(lái)透射該介質(zhì)，或?qū)⒃摻橘|(zhì)用于遮擋輻射。在照相機(jī)上形成的圖像的組成部分或者至少部分介質(zhì)中的要被分析的組成部分現(xiàn)可含有包括介質(zhì)在照相機(jī)上的陰影投射在內(nèi)的明暗過(guò)渡，或者兩種介質(zhì)之間的界面。根據(jù)更具體的布置，作為第一介質(zhì)的介質(zhì)被選擇成與第二介質(zhì)相協(xié)調(diào)，使得例如可將明暗邊界識(shí)別為過(guò)渡效應(yīng)或者特別顯著的界面。原則上，兩種效應(yīng)同等有用。在選擇各相時(shí)，對(duì)于介質(zhì)來(lái)說(shuō)，也可進(jìn)行透射率或透射系數(shù)的匹配。
用于指示位置的第一介質(zhì)可以是固體、液體或氣體。第二介質(zhì)同樣可具有這些相中的一種，但原則上，此處也可使用一個(gè)抽真空區(qū)域，只要保持第一介質(zhì)的可檢測(cè)邊界即可。以下給出各種實(shí)施例的非一些非限定性的示例1、作為第一介質(zhì)的懸擺位于氣態(tài)的第二介質(zhì)內(nèi)。盡管氣態(tài)的介質(zhì)是可透輻射的，然而懸擺是不可透輻射的或者僅受限制地透明，這樣，根據(jù)作為較少量照明區(qū)而在照相機(jī)上再現(xiàn)的懸擺的圖像，可推斷出懸擺位置，并因此可推斷出傾斜度。
2、把采用具有不同透射系數(shù)和密度的固體制成的兩個(gè)半球相互連接成一個(gè)球，該球可旋轉(zhuǎn)地安裝在一個(gè)容納元件內(nèi)。
3、把作為第一介質(zhì)的一種不可透輻射的液體連同作為第二介質(zhì)的一種可透輻射且不可溶于該液體的氣體一起封入一個(gè)用作容納元件的容器內(nèi)。為了進(jìn)行評(píng)測(cè)，使用兩種介質(zhì)之間的明暗過(guò)渡，其中，在兩種介質(zhì)僅具有對(duì)所述輻射的略微不同的透輻射性的情況下，也可進(jìn)行明暗過(guò)渡的評(píng)測(cè)。
4、把一種對(duì)所述輻射透明的氣體和一種同樣透明的液體封入一個(gè)容器內(nèi)，其中，進(jìn)行界面的檢測(cè)。由于液體中的內(nèi)聚性而在過(guò)渡區(qū)域內(nèi)形成一條不是筆直而是彎曲的線。根據(jù)曲率，可確定液體位于哪一側(cè)，從而可以不對(duì)兩種介質(zhì)中的一種、特別是液體進(jìn)行著色。
5、把作為第一介質(zhì)和第二介質(zhì)的兩種具有不同密度但具有相似透射系數(shù)的相互不可溶解的液體封入一個(gè)用作容納元件的容器內(nèi)。使用兩種介質(zhì)之間的界面的圖像進(jìn)行評(píng)測(cè)。
例如針對(duì)液體，提出了汞、水或硅油。為了確定第一介質(zhì)的位置，不僅可使用界面的圖像，而且可使用明暗過(guò)渡的圖像或者兩者的組合。為了實(shí)現(xiàn)界面的增強(qiáng)，可通過(guò)其他措施更容易地記錄形成這種界面。例如可在界面上散布懸浮微粒，該懸浮微粒增強(qiáng)在該區(qū)域內(nèi)的輻射吸收。而且可行的是，在界面上放置懸浮類的固體，而該固體可以是可透輻射或者不可透輻射的。
第一介質(zhì)或者兩種介質(zhì)之間的過(guò)渡的圖像被投影到照相機(jī)上，在那里被記錄并被轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)。作為合適的照相機(jī)，可使用例如CCD照相機(jī)或CMOS照相機(jī)。這種照相機(jī)例如可備有Agilent公司的CMOS黑白圖像傳感器(CMOS-Monochrome-Bildsensor)ADCS 2120，其具有由640×480像素點(diǎn)組成的場(chǎng)。
由照相機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)由一個(gè)評(píng)測(cè)單元進(jìn)行分析并被針對(duì)儀器的傾斜度進(jìn)行評(píng)測(cè)。為此，可使用一個(gè)獨(dú)立的組件或一個(gè)獨(dú)立的部件。另選地，也可使用其他儀器的可能現(xiàn)有部件。例如，在安裝于測(cè)距儀內(nèi)的傾斜儀的情況下，該評(píng)測(cè)單元的功能也可由供測(cè)距使用的電子部件一同承擔(dān)。同樣，作為輻射源，也可使用已供其他目的使用的源。因此在測(cè)距儀的示例中，在測(cè)距儀中可能的話供測(cè)距使用的激光的一部分可被輸出耦合，并可能在散射或擴(kuò)束之后，被用于介質(zhì)的成像。
從兩種介質(zhì)之間的邊界的相對(duì)和絕對(duì)位置以及形狀，可推斷出儀器的傾斜度。如果例如一臺(tái)照相機(jī)安裝在一個(gè)填充有液體的矩形容器的側(cè)面上，則從作為液位線的液面與照相機(jī)所成的角度，可確定傾斜方向(此處例如為縱向傾斜)。如果在另一軸上發(fā)生單純傾斜(此處例如為橫向傾斜)，則可根據(jù)液面高度測(cè)定傾斜度。對(duì)于液位線高度，兩個(gè)軸上的組合傾斜不僅導(dǎo)致角度變化，而且導(dǎo)致位置變化。
這種成像和評(píng)測(cè)不僅可使用純明暗過(guò)渡進(jìn)行，而且可可使用界面進(jìn)行。此外，界面的分析還提供其他優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)上述例子，此處應(yīng)考慮一種具有液態(tài)和氣態(tài)介質(zhì)的系統(tǒng)，而不限制對(duì)其他實(shí)施例的適用性。
1、在一個(gè)界面的情況下，與一個(gè)純明暗過(guò)渡的分析相反，可評(píng)測(cè)這些介質(zhì)的兩個(gè)過(guò)渡，即，有兩條邊沿可供使用。
2、上述例子的橫向傾斜的變化導(dǎo)致界面的圖像寬度的增加或減小。因此，圖像寬度也可作為用于測(cè)定傾斜度的信息來(lái)考慮。特別是可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自校準(zhǔn)，因?yàn)樵诠馐綄?dǎo)入容納元件的情況下，界面的圖像寬度在儀器的水平位置下變得最小。
3、在超過(guò)規(guī)定的傾斜極限(例如橫向傾斜)的情況下，一個(gè)雙界面可在一定情況下由照相機(jī)感知，該雙界面由液體與容器壁的接觸來(lái)限定。該界面之間的間隔，與界面的寬度相當(dāng)，可用作傾斜度的大小并可被對(duì)應(yīng)地進(jìn)行評(píng)測(cè)。
4、在使用潤(rùn)濕液體作為第一介質(zhì)的情況下，該液體由于粘著在容器的接觸位置而升高。根據(jù)液位線的曲率，可確定液體位于容器的哪一側(cè)。而且在橫方向，液體也具有一個(gè)曲率，這樣即使在橫向傾斜不足的情況下，也總是能夠確定界面的兩條線或水平線。下線是液體的最低點(diǎn)，上線是液體與容納元件的內(nèi)側(cè)的潤(rùn)濕邊沿。在容納元件移動(dòng)之后，而且在穩(wěn)態(tài)下，下線比上潤(rùn)濕線明顯更清晰，并且更快速地穩(wěn)定。在此方面，界面的檢測(cè)以及因此第一介質(zhì)的位置的檢測(cè)不僅可根據(jù)界面的水平對(duì)準(zhǔn)區(qū)域進(jìn)行，而且可借助于界面的彎曲區(qū)域進(jìn)行。
5、如果界面依賴于角度而可變形，例如通過(guò)一臺(tái)具有專門彎曲成形的表面的水準(zhǔn)儀內(nèi)的氣泡而可變形，則從氣泡的位置和/或變形，同樣可推斷出傾斜度。這種變形例如可這樣實(shí)現(xiàn)，即形成與球面形狀有偏差的拱形，例如非球面或者隧道形狀的拱形。位于該拱形和液體之間的氣泡便隨著增加的傾斜度而變形。
通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的照相機(jī)應(yīng)用，可以對(duì)第一介質(zhì)的圖像的特性和特征(此處特別是邊界或界面的分布和位置)進(jìn)行分辨和評(píng)測(cè)。這樣，使用根據(jù)本發(fā)明的方法，可對(duì)由于老化或環(huán)境影響引起的變化進(jìn)行校正或消除。介質(zhì)的體積變化可毫無(wú)問(wèn)題地加以考慮，因?yàn)樵跍y(cè)量縱向傾斜時(shí)，對(duì)圖像中的邊界或界面的分布進(jìn)行檢測(cè)，并可分析角度，而不依賴于絕對(duì)位置。橫向傾斜可根據(jù)界面的圖像寬度來(lái)測(cè)定，其中，如上所述，該過(guò)程可與自校準(zhǔn)相結(jié)合。該自校準(zhǔn)過(guò)程可在使用傾斜儀期間一直進(jìn)行著，從而使大量的供傾斜度和寬度用的數(shù)據(jù)記錄可供使用。根據(jù)這些值，可選地可使用統(tǒng)計(jì)或內(nèi)插法來(lái)計(jì)算出最小值，并使其與水平位置相等。
然而，基于界面的圖像寬度的傾斜測(cè)定的前提條件是容納元件具有合適的容器形狀，該容器形狀不會(huì)引起界面的圖像的液面相關(guān)變化。而該必要條件例如通過(guò)一種具有平行側(cè)壁的容器可容易地實(shí)現(xiàn)。特別是，介質(zhì)損耗或該介質(zhì)的密度變化可按此方式進(jìn)行補(bǔ)償。


下面參照附圖中示意性地示出的實(shí)施例，純粹通過(guò)示例更詳細(xì)地對(duì)根據(jù)本發(fā)明的方法和根據(jù)本發(fā)明的儀器進(jìn)行說(shuō)明。具體來(lái)說(shuō)圖1是根據(jù)本發(fā)明的傾斜儀的第一實(shí)施例的示意性側(cè)視圖；圖2a-d是第一實(shí)施例的具有不同介質(zhì)的示意性俯視圖；圖3a-c是處于水平位置的傾斜儀的第一實(shí)施例以及在照相機(jī)上成像的介質(zhì)表面的示意性俯視圖；圖4a-c是處于縱向傾斜的傾斜儀的第一實(shí)施例以及在照相機(jī)上成像的介質(zhì)表面的示意性俯視圖；圖5a-e是處于水平位置的傾斜儀的第一實(shí)施例的示意性側(cè)視圖和俯視圖以及在照相機(jī)上成像的介質(zhì)表面的示意性側(cè)視圖和俯視圖；圖6a-e是處于橫向傾斜的傾斜儀的第一實(shí)施例的示意性側(cè)視圖和俯視圖以及在照相機(jī)上成像的介質(zhì)表面的示意性側(cè)視圖和俯視圖；圖7a-d是處于水平位置的傾斜儀的第二實(shí)施例的示意性側(cè)視圖和俯視圖以及在照相機(jī)上成像的介質(zhì)表面的示意性俯視圖；以及圖8a-e是針對(duì)容納元件的兩種不同形成表面，處于橫向傾斜的傾斜儀的第二實(shí)施例的示意性側(cè)視圖以及在照相機(jī)上成像的介質(zhì)表面的示意性俯視圖。
具體實(shí)施例方式
以下根據(jù)圖中示意性示出的實(shí)施例對(duì)根據(jù)本發(fā)明的方法或者根據(jù)本發(fā)明的裝置純示例性地進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明。
圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的把所有部件集成在作為公用基座1的板上的光學(xué)傾斜儀的第一實(shí)施例的側(cè)視圖。通過(guò)輻射源2發(fā)射與基座1垂直的可見(jiàn)或不可見(jiàn)輻射S。輻射S由透鏡3準(zhǔn)直并通過(guò)第一偏轉(zhuǎn)元件4和第二偏轉(zhuǎn)元件5再次偏轉(zhuǎn)，從而使其垂直入射在基座1上。在該入射輻射的范圍內(nèi)，在基座1上安裝有容納元件6，該容納元件6具有朝基座取向的第一表面7和朝第二偏轉(zhuǎn)元件取向的第二表面8。在基座1與容納元件或其第一表面7之間具有照相機(jī)9，該照相機(jī)9與評(píng)測(cè)單元10連接。出于節(jié)省占地的原因，屬于光束產(chǎn)生、射束路徑和輻射接收的部件安裝在基座1的一側(cè)，而評(píng)測(cè)單元10安裝在基座1的相反側(cè)，然而原則上，也可選擇這些部件或評(píng)測(cè)單元10的另一配置。因此，該配置具有的優(yōu)點(diǎn)是把所有電子部件集成在一個(gè)公用基座1上，該基座1例如也可形成為印刷電路板。因此，可實(shí)現(xiàn)一種簡(jiǎn)單的機(jī)械不敏感結(jié)構(gòu)。偏轉(zhuǎn)元件4和5可形成為反射元件，例如棱鏡或反射鏡。然而原則上，無(wú)專用元件也能實(shí)現(xiàn)合適偏轉(zhuǎn)，例如，通過(guò)在外殼的內(nèi)側(cè)反射來(lái)實(shí)現(xiàn)合適偏轉(zhuǎn)，其中，該反射也可具有散射或漫射特性。也可在以下情況時(shí)放棄偏轉(zhuǎn)，即保證容納元件6的至少部分區(qū)域由輻射源2的輻射S或照相機(jī)9照射。例如，也可通過(guò)彎曲或成角度的基座1產(chǎn)生輻射源2和容納元件6或照相機(jī)9的這種合適取向。然而原則上，在放棄安裝到公用基座1上的情況下，與圖7和圖8所示的根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例一樣，也可進(jìn)行部件的直接相互安裝。
圖2a示出傾斜儀的該第一實(shí)施例的俯視圖。從輻射源2發(fā)射的輻射由透鏡3準(zhǔn)直并通過(guò)第一偏轉(zhuǎn)元件4和第二偏轉(zhuǎn)元件5被引導(dǎo)到容納元件6上。該容納元件安裝在照相機(jī)9上。在本實(shí)施例中，輻射源2和照相機(jī)9固定在作為基座1的大致平坦的底板上。在容納元件6內(nèi)具有至少一個(gè)第一介質(zhì)。圖2b至圖2d示出了可能布置。
圖2b示出作為一種可能實(shí)施例的使用不透輻射的第一介質(zhì)11部分填充容納元件。容納元件的剩余區(qū)域可使用第二介質(zhì)12填充，其中，該第二介質(zhì)也可由真空替代。在使用不透輻射的第一介質(zhì)11的本實(shí)施例中，第二介質(zhì)12被如此選擇，以使其具有至少部分的透輻射性。通過(guò)這種布置，產(chǎn)生兩種介質(zhì)之間的明暗對(duì)比，該明暗對(duì)比可由照相機(jī)檢測(cè)。
圖2c示出使用透輻射的第一介質(zhì)13填充容納元件的另一實(shí)施例。而容納元件的剩余空間可由第二介質(zhì)填充，該第二介質(zhì)在該例中同樣是透輻射的。在兩種介質(zhì)之間形成界面14，該界面14在照相機(jī)上成像并可由該照相機(jī)進(jìn)行分辨。例如通過(guò)施加小微粒，例如粉末，或者也可施加更大部件，例如浮子，使該界面14的可檢測(cè)性得到增強(qiáng)。
圖2d示出在傾斜儀傾斜時(shí)的容納元件內(nèi)的介質(zhì)的位置變化。對(duì)以照相機(jī)為基準(zhǔn)的該變化作了圖示，該照相機(jī)相對(duì)于基座固定。該示意性示出的位置與圖2a所示的傾斜儀的逆時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)對(duì)應(yīng)，并被稱為縱向傾斜。圖2b和圖2c所示的介質(zhì)位置與傾斜儀的水平位置對(duì)應(yīng)，而圖2d示出在所述傾斜儀的旋轉(zhuǎn)時(shí)可由照相機(jī)記錄的位置。通過(guò)該傾斜，透輻射的第一介質(zhì)13在容納元件的內(nèi)部發(fā)生位移。所改變的位置可通過(guò)界面14的取向來(lái)識(shí)別和確定。
圖3a-c再次對(duì)在傾斜儀的水平、非傾斜位置的情況下的界面的位置和識(shí)別作了概要說(shuō)明。圖3a中，輻射通過(guò)第二偏轉(zhuǎn)元件5被引導(dǎo)到容納元件6，并在通過(guò)該容納元件的體積之后，聚焦在照相機(jī)9上。圖3b示出容納元件內(nèi)的介質(zhì)的可由照相機(jī)感知的圖像。此處，透輻射的第一介質(zhì)13在其界面仍相對(duì)于照相機(jī)水平取向。圖3c示意性示出由照相機(jī)感知的圖像。界面16的圖像被投影在由多行和多列的像點(diǎn)或像素組成的檢測(cè)面15上。通過(guò)單個(gè)像點(diǎn)的遮光可把該圖像轉(zhuǎn)換為信號(hào)，從該信號(hào)中推導(dǎo)出界面的位置或取向。與原則上同樣可實(shí)現(xiàn)的根據(jù)如圖2b所示的本發(fā)明的純明暗過(guò)渡的識(shí)別相比，兩種可透射介質(zhì)之間的界面的檢測(cè)提供的可能性是，在界面16的圖像中評(píng)測(cè)用于位置確定的兩條邊沿。除了像點(diǎn)的純遮光的評(píng)測(cè)以外，還可進(jìn)行其他特征的考慮。因此，可通過(guò)灰度值的識(shí)別或者通過(guò)一臺(tái)彩色照相機(jī)獲得界面的位置的準(zhǔn)確分辨。另外，也可對(duì)其他特征，例如由于折射或散射引起的色彩變化一同加以考慮。
在傾斜儀或者基座1的單純縱向傾斜時(shí)的界面的位置變化在圖4a-c作了示意性圖示。圖4a示出作為縱向傾斜的傾斜儀相對(duì)于垂直線的旋轉(zhuǎn)。界面14保留在其絕對(duì)位置不變，并因此相對(duì)于重力矢量調(diào)平。然而如圖4b所示，作為相對(duì)于基座1或者相對(duì)于照相機(jī)的位置，界面14的相對(duì)位置發(fā)生變化?，F(xiàn)在，界面14是傾斜的。在檢測(cè)面15上的界面16的對(duì)應(yīng)圖像在圖4c作了示意性圖示，其中，該圖像現(xiàn)在具有相對(duì)于照相機(jī)或檢測(cè)面的傾斜。
圖5a-e示出在水平取向的根據(jù)本發(fā)明的傾斜儀的情況下的狀態(tài)的側(cè)視圖。圖5a示出傾斜儀的俯視圖，而圖5b中示出側(cè)視圖，該側(cè)視圖在圖5a與右視圖對(duì)應(yīng)。圖5b的該側(cè)視圖中示意性地示出傾斜儀的結(jié)構(gòu)。在基座1上安裝有照相機(jī)9，該照相機(jī)9間接或直接支承具有第一表面7和第二表面8的容納元件6。在基座1的另一側(cè)安裝有評(píng)測(cè)單元10。圖5c示出逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°之后的圖5b的該側(cè)視圖的抽象表示。輻射S從左入射到容納元件6上，該容納元件6具有位于其內(nèi)部的透輻射的第一介質(zhì)13。在穿過(guò)容納元件之后，該輻射入射到照相機(jī)9上，這樣，界面14在照相機(jī)9的檢測(cè)面上成像。圖5d示出界面14相對(duì)于照相機(jī)的位置。圖5e示出在檢測(cè)面15上的界面16的關(guān)聯(lián)圖像。
圖6a-e對(duì)一個(gè)傾斜的傾斜儀進(jìn)行圖示，其中，進(jìn)行了繞取向垂直于前述旋轉(zhuǎn)的軸的旋轉(zhuǎn)。由這種旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的位置被稱為橫向傾斜。圖6a示出傾斜儀的俯視圖，圖6b示出傾斜儀的側(cè)視圖。在圖6c中可以看出，容納元件6內(nèi)的此處示范性作為液面形成的界面14現(xiàn)在相對(duì)于輻射S的入射軸是傾斜的。由此看出，如圖6d所示，界面14從照相機(jī)的視向展寬。如圖6e所示，可以看出，界面16’在檢測(cè)面上的圖像現(xiàn)在同樣展寬，從而涉及到更多的像點(diǎn)。界面16’的圖像寬度和傾斜儀的橫向傾斜相互關(guān)聯(lián)，這樣從該寬度可推斷出傾斜度。
圖7a-d示出根據(jù)本發(fā)明的傾斜儀的第二實(shí)施例，該第二實(shí)施例例如可在測(cè)錘桿或類似的大地測(cè)量?jī)x器中使用。
圖7a示意性示出這種傾斜儀的結(jié)構(gòu)，其中，該傾斜儀位于水平位置?；?’大致呈U狀，并將輻射源2保持在兩個(gè)翼部之間。該輻射源發(fā)射輻射S，該輻射S由透鏡3準(zhǔn)直。然后，該經(jīng)校準(zhǔn)直的輻射S被引導(dǎo)到容納元件6’，該容納元件6’間接或直接安裝在照相機(jī)9上。在基座1’的與照相機(jī)9的相背的一側(cè)安裝有一個(gè)評(píng)測(cè)單元。容納元件6具有兩個(gè)表面，其中，第一表面7大致為平面，而第二表面8’具有拱形。容納元件填充有液態(tài)介質(zhì)，在該液態(tài)介質(zhì)中具有作為第二介質(zhì)的氣泡，其中，其他氣體，或者可能的話，另一種液體也可執(zhí)行氣泡的功能。然而另選地，根據(jù)本發(fā)明，介質(zhì)的其他組合可能也是適合的。例如取代氣泡，可使用油中的汞滴，這樣該汞滴與氣泡相反，不是漂浮在表面上而是保留在容器的底部。此外，各個(gè)具體設(shè)計(jì)尤其依賴于結(jié)構(gòu)情況。因此，例如汞滴的使用需要具有拱形的第二表面8’取向沿著地面方向。
圖7b示出其中省略了輻射源2的保持裝置而僅示出輻射源2的傾斜儀的俯視圖。該輻射源的輻射透射容納元件6’并入射到位于其下的照相機(jī)9上，該照相機(jī)9安裝在基座1’上。
圖7c示出從照相機(jī)的方向看到的容納元件里面的視圖。在透輻射的第一介質(zhì)13’中，根據(jù)其界面來(lái)可檢測(cè)氣泡17。另選地或附加地，除了界面的識(shí)別以外，還可使用氣泡17的其他特征，例如，由于在透輻射的第一介質(zhì)13’內(nèi)經(jīng)過(guò)的距離引起的透射率變化或者由于氣泡的不同透射系數(shù)引起的透射率變化。在照相機(jī)的檢測(cè)面15上的氣泡的界面16”的圖像在圖7d作了示意性圖示。
圖8a-e示意性示出傾斜儀的橫向傾斜的狀態(tài)。圖8a示出基座1’向右傾斜，因此該傾斜與橫向傾斜對(duì)應(yīng)。氣泡17現(xiàn)已在容納元件6’的內(nèi)部向左偏移。該偏移也在圖8b和圖8c示出。圖8b與從照相機(jī)的方向看到容納元件上的視圖對(duì)應(yīng)。氣泡現(xiàn)相對(duì)于照相機(jī)向左偏移。在檢測(cè)面15上的界面16”的關(guān)聯(lián)圖像在圖8c示出。
如果容納元件的第二表面按其拱形如此形成，即使得氣泡依賴于傾斜度而變形，則也可從圖像的形狀或形狀變化推斷出傾斜度。合適的形狀例如可以是非球面的拱形，該拱形具有相對(duì)于球面或多或少增加的曲率。圖8d和圖8e例示出具有向外減小的曲率半徑的非球面形狀。隨著增加的傾斜度，氣泡因此獲取一個(gè)越來(lái)越拉長(zhǎng)的形狀。圖8d示出從照相機(jī)的方向看到容納元件上的視圖。氣泡現(xiàn)相對(duì)于照相機(jī)向左偏移并具有拉長(zhǎng)的形狀。界面16’’’在檢測(cè)面15上的關(guān)聯(lián)圖像在圖8e示出。
作了圖示的實(shí)施例僅示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)例，并因此應(yīng)理解為不是限定性或限制性的。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員例如在使用其他射束路徑或偏轉(zhuǎn)元件(如棱鏡、散射面或光波導(dǎo)、或者容納元件和位于其內(nèi)的介質(zhì)的另選形式時(shí)，可推導(dǎo)出根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方式。特別是能夠取代流體介質(zhì)而使用擺動(dòng)固體或者固體和流體介質(zhì)的組合。
附圖純示意性地示出了檢測(cè)面的像點(diǎn)，特別是其數(shù)量。在實(shí)際的實(shí)施例中，可用照相機(jī)的像點(diǎn)數(shù)量通常高很多，從而可獲得位置或角度的更高分辨率。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)傾斜儀，具有輻射源(2)，用于產(chǎn)生輻射(S)；至少一個(gè)第一介質(zhì)(11，13)，其位置依賴于傾斜度；容納元件(6，6’)，用于第一介質(zhì)(11，13)；檢測(cè)器，用于記錄圖像(16，16’，16”，16)并將其轉(zhuǎn)換為信號(hào)；以及評(píng)測(cè)單元(10)，用于確定傾斜度；其特征在于，檢測(cè)器被形成為照相機(jī)(9)，優(yōu)選地被形成為CMOS或CCD微型照相機(jī)；以及輻射源(2)和照相機(jī)(9)被配置成使得第一介質(zhì)(11，13)的至少一部分的圖像由所述輻射間接或直接地再現(xiàn)在照相機(jī)(9)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)傾斜儀，其特征在于，輻射源(2)和照相機(jī)(9)被配置成使得第一介質(zhì)(11，13)的優(yōu)選地大致平坦的界面(14)的至少一部分的圖像由所述輻射間接或直接地再現(xiàn)在照相機(jī)(9)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)傾斜儀，其特征在于，第一介質(zhì)(11，13)是液體，并且界面(14)是液位線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)傾斜儀，其特征在于，容納元件(6，6’)被設(shè)計(jì)成優(yōu)選地半填充的圓筒盒。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中的任何一項(xiàng)所述的光學(xué)傾斜儀，其特征在于，傾斜儀具有以下部分作為第二介質(zhì)(12)，即氣體，液體，或者固體，特別是采用浮子的形式，其與第一介質(zhì)(11，13)的接觸面限定界面(14)。
6.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)傾斜儀，其特征在于，第一介質(zhì)(11，13)和第二介質(zhì)(12)針對(duì)輻射(S)具有不同的透射率，優(yōu)選的是具有不同的透射系數(shù)，特別地其特征在于，所述兩種介質(zhì)中的一種不可透射輻射(S)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)傾斜儀，其特征在于，第一介質(zhì)(11，13)是擺動(dòng)固體。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的光學(xué)傾斜儀，其特征在于，輻射源(2)具有半導(dǎo)體激光器或者LED。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的光學(xué)傾斜儀，其特征在于，輻射源(2)和照相機(jī)(9)被配置成使得在第一介質(zhì)(11，13)的范圍內(nèi)的輻射(S)與第一介質(zhì)(11，13)的表面大致平行地傳播。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的光學(xué)傾斜儀，其特征在于，容納元件(6，6’)間接或直接地安裝在照相機(jī)(9)上。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的光學(xué)傾斜儀，其特征在于，容納元件(6，6’)具有第一平坦透明表面(7)，以及第二透明表面(8)，這兩個(gè)表面被取向?yàn)楸舜舜笾缕叫校渲?，第二表?8)是平坦的或呈拱形的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)傾斜儀，其特征在于，照相機(jī)(9)具有一個(gè)二維檢測(cè)面(15)，該二維檢測(cè)面(15)被取向?yàn)榕c容納元件(6，6’)的第一表面(7)和/或第二表面(8)相平行。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的光學(xué)傾斜儀，其特征在于，輻射源(2)和照相機(jī)(9)安裝在公用基座(1，1’)上，優(yōu)選地安裝在印刷電路板上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學(xué)傾斜儀，其特征在于，輻射源(2)和照相機(jī)(9)被配置成使得所產(chǎn)生的輻射(S)與基座(1，1’)的表面相垂直地發(fā)射，并使照相機(jī)(9)的接收裝置取向成與基座(1，1’)的表面相垂直。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的光學(xué)傾斜儀，其特征在于，從輻射源(2)到照相機(jī)(9)的射束路徑具有至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)元件(4，5)。
16.一種大地測(cè)量?jī)x器，特別是測(cè)距儀或測(cè)錘桿，具有根據(jù)權(quán)利要求1至15中的任何一項(xiàng)所述的光學(xué)傾斜儀。
17.一種方法，用于測(cè)量?jī)x器的傾斜度，特別是大地測(cè)量?jī)x器的傾斜度，該儀器具有輻射源(2)，用于產(chǎn)生輻射(S)；至少一個(gè)第一介質(zhì)(11，13)，其位置是依賴于傾斜度的；容納元件(6，6’)，用于第一介質(zhì)(11，13)；照相機(jī)(9)，用于記錄圖像；以及評(píng)測(cè)單元(10)，用于測(cè)定儀器的傾斜度；所述方法具有以下步驟利用由輻射源產(chǎn)生的輻射(S)在照相機(jī)(9)上產(chǎn)生圖像，其中，該圖像包含第一介質(zhì)(11，13)的至少一部分；由照相機(jī)(9)記錄圖像并將其轉(zhuǎn)換為信號(hào)；以及由評(píng)測(cè)單元(10)根據(jù)所述信號(hào)測(cè)定儀器的傾斜度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在產(chǎn)生圖像時(shí)，輻射(S)與第一介質(zhì)(11，13)的表面大致平行地傳播。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，其特征在于，傾斜度的測(cè)定是在考慮到以下來(lái)進(jìn)行的第一介質(zhì)(11，13)在圖像中的角度，以及第一介質(zhì)(11，13)在圖像中的絕對(duì)位置。
20.根據(jù)權(quán)利要求17至19中的任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在達(dá)到或超過(guò)可預(yù)定的傾斜值時(shí)，輸出一信號(hào)。
21.根據(jù)權(quán)利要求17至20中的任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在測(cè)定傾斜度時(shí)，考慮到特別是消除了由于至少第一介質(zhì)(11，13)的溫度效應(yīng)和/或物質(zhì)損耗引起的誤差。
22.根據(jù)權(quán)利要求17至21中的任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在產(chǎn)生圖像時(shí)，再現(xiàn)第一介質(zhì)(11，13)的至少一個(gè)界面(14)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，在測(cè)定儀器的傾斜度時(shí)，考慮到界面(14)的尺度、形狀和/或位置。
全文摘要
在一種光學(xué)傾斜儀中，由輻射源(2)發(fā)射輻射(S)。該輻射(S)在通過(guò)包含至少第一介質(zhì)(11，13)的容納元件(6，6’)之后，聚焦在照相機(jī)(9)上。根據(jù)第一介質(zhì)(11，13)的位置，特別是液位相對(duì)于傾斜儀或者照相機(jī)(9)的位置，可推斷出傾斜儀的傾斜度。使用照相機(jī)(9)記錄第一介質(zhì)(11，13)的位置可評(píng)測(cè)多個(gè)特征，特別是界面(14)的形狀、尺度和位置。
文檔編號(hào)G01C9/06GK1659420SQ03813233
公開(kāi)日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2003年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月7日
發(fā)明者庫(kù)爾特·埃內(nèi), 庫(kù)爾特·吉熱 申請(qǐng)人:萊卡地球系統(tǒng)公開(kāi)股份有限公司