專利名稱：測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種觀察光學(xué)系統(tǒng)具有變焦功能的測量儀。
背景技術(shù)：
在測量儀例如全站儀等中使用的準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡(collimatingtelescope)的倍率為30倍左右的高倍率，存在難以一開始用準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡校準(zhǔn)測定點(diǎn)這一問題。因此，在現(xiàn)有技術(shù)中，先用目視或采用瞄準(zhǔn)器校準(zhǔn)測定點(diǎn)，接著通過準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡來校準(zhǔn)測定點(diǎn)。但是，由于目視、瞄準(zhǔn)器、準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡的倍率大不相同，因此即使用目視、瞄準(zhǔn)器校準(zhǔn)測定點(diǎn)，在準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡的視野內(nèi)捕捉測定點(diǎn)也不容易。另外，雖然可以通過使望遠(yuǎn)鏡具有變焦功能，在用望遠(yuǎn)鏡觀察測定點(diǎn)的狀態(tài)下改變倍率，但對焦結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)導(dǎo)致光軸的穩(wěn)定性惡劣，難以保障準(zhǔn)直位置，從而并不采用于測量儀，尤其是全站儀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種可以在觀察光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置變焦功能的測量儀。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的測量儀具備:觀察光學(xué)系統(tǒng)，其具有用于輸出數(shù)字圖像信號的圖像傳感器和變焦光學(xué)系統(tǒng)；基準(zhǔn)圖形投影光學(xué)系統(tǒng)，其將基準(zhǔn)圖形以無窮遠(yuǎn)的狀態(tài)入射至所述觀察光學(xué)系統(tǒng)并成像于所述圖像傳感器；轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，其將所述觀察光學(xué)系統(tǒng)和所述基準(zhǔn)圖形投影光學(xué)系統(tǒng)作為一體可在水平、鉛直的兩個(gè)方向上轉(zhuǎn)動；水平角度檢測器、鉛直角度檢測器，其用于檢測該轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)在兩個(gè)方向上轉(zhuǎn)動的水平角、鉛直角；以及運(yùn)算控制部，其中，該運(yùn)算控制部根據(jù)所述水平角度檢測器、所述鉛直角度檢測器的檢測結(jié)果和在所述圖像傳感器上的所述基準(zhǔn)圖形與所述觀察光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)直點(diǎn)之間的差別來測定該準(zhǔn)直點(diǎn)的水平角、鉛直角。另外，本發(fā)明的測量儀還具備光電測距儀，對測定對象物的測定點(diǎn)進(jìn)行測距，其中該光電測距儀具有與所述觀察光學(xué)系統(tǒng)的光軸平行的測距光軸。另外，本發(fā)明的測量儀還具備微調(diào)機(jī)構(gòu)，該微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述測距光軸上，并對該測距光軸的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行微調(diào)，而且所述測量儀以使測距的測定點(diǎn)與所述觀察光學(xué)系統(tǒng)的測定點(diǎn)相一致的方式構(gòu)成。另外，在本發(fā)明的測量儀中，所述基準(zhǔn)圖形是由垂直相交的線構(gòu)成的格子，通過測定投影至所述圖像傳感器的所述格子的線間距來運(yùn)算變焦倍率。另外，在本發(fā)明的測量儀中，所述基準(zhǔn)圖形是由垂直相交的線構(gòu)成的格子，通過測定投影至所述圖像傳感器的所述格子來運(yùn)算圖像的畸變，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果來校正測定結(jié)果O另外，在本發(fā)明的測量儀中，所述觀察光學(xué)系統(tǒng)是市售的數(shù)碼相機(jī)。根據(jù)本發(fā)明，測量儀具備:觀察光學(xué)系統(tǒng)，其具有用于輸出數(shù)字圖像信號的圖像傳感器和變焦光學(xué)系統(tǒng)；基準(zhǔn)圖形投影光學(xué)系統(tǒng)，其使基準(zhǔn)圖形以無窮遠(yuǎn)的狀態(tài)入射至所述觀察光學(xué)系統(tǒng)并成像于所述圖像傳感器；轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，其將所述觀察光學(xué)系統(tǒng)和所述基準(zhǔn)圖形投影光學(xué)系統(tǒng)作為一體可在水平、鉛直的兩個(gè)方向上轉(zhuǎn)動；水平角度檢測器、鉛直角度檢測器，其用于檢測該轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)在兩個(gè)方向上轉(zhuǎn)動的水平角、鉛直角；以及運(yùn)算控制部，其中，該運(yùn)算控制部根據(jù)所述水平角度檢測器、所述鉛直角度檢測器的檢測結(jié)果和在所述圖像傳感器上的所述基準(zhǔn)圖形與所述觀察光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)直點(diǎn)之間的差別來測定該準(zhǔn)直點(diǎn)的水平角、鉛直角。因此通過變焦光學(xué)系統(tǒng)變更倍率，使校準(zhǔn)變得容易，并且即使在所述觀察光學(xué)系統(tǒng)的光軸晃動的情況下，也能實(shí)施將晃動考慮在內(nèi)的準(zhǔn)確的測角。另外，根據(jù)本發(fā)明，還具備光電測距儀，對測定對象物的測定點(diǎn)進(jìn)行測距，其中該光電測距儀具有與所述觀察光學(xué)系統(tǒng)的光軸平行的測距光軸。因此能構(gòu)成具有變焦功能的簡便的全站儀。另外，根據(jù)本發(fā)明，還具備微調(diào)機(jī)構(gòu)，該微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述測距光軸上，并對該測距光軸的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行微調(diào)，而且所述測量儀以使測距的測定點(diǎn)與所述觀察光學(xué)系統(tǒng)的測定點(diǎn)相一致的方式構(gòu)成。因此能高精度地進(jìn)行測距測角。另外，根據(jù)本發(fā)明，所述基準(zhǔn)圖形是由垂直相交的線構(gòu)成的格子，通過測定投影至所述圖像傳感器的所述格子的線間距來運(yùn)算變焦倍率。因此能進(jìn)行加以倍率的準(zhǔn)確的測定。另外，根據(jù)本發(fā)明，所述基準(zhǔn)圖形是由垂直相交的線構(gòu)成的格子，通過測定投影至所述圖像傳感器的所述格子來運(yùn)算圖像的畸變，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果來校正測定結(jié)果。因此能進(jìn)行正確的測定。另外，根據(jù)本發(fā)明，所述觀察光學(xué)系統(tǒng)是市售的數(shù)碼相機(jī)，因此能廉價(jià)且簡便地構(gòu)成測量儀。


圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例的測量儀的示意結(jié)構(gòu)圖。圖2是表示用于第一實(shí)施例的基準(zhǔn)線的一個(gè)例子的圖。圖3 (A)、圖3 (B)、圖3 (C)是表示用第一實(shí)施例的觀察光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行變焦的情形下的圖像的變化、圖像中的測定點(diǎn)狀態(tài)的說明圖。圖4是表示進(jìn)行變焦的情形下的基準(zhǔn)圖形歪曲的狀態(tài)的說明圖。圖5是表不第二實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的不意圖。圖6是第三實(shí)施例的主視圖。圖7是所述第三實(shí)施例的側(cè)視圖。圖8㈧是用于第三實(shí)施例的鉛直角度檢測器的剖面圖，圖8(B)是在轉(zhuǎn)動軸處于傾斜狀態(tài)時(shí)的說明圖。圖9是表示用于所述鉛直角度檢測器的角度檢測圖形的一個(gè)例子的說明圖。圖10是第四實(shí)施例的主視圖。圖11是表示第四實(shí)施例的光電測距儀、基準(zhǔn)圖形投影光學(xué)系統(tǒng)的示意結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面，參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說明。
圖1表示本發(fā)明第一實(shí)施例的測量儀的基本結(jié)構(gòu)。另外，在圖1中，I表示觀察光學(xué)系統(tǒng)，2 表不光電測距儀(EDM:Electro_OpticalDistance Measurement)。所述觀察光學(xué)系統(tǒng)I具有觀察光軸3，所述光電測距儀2具有測距光軸4，就所述觀察光學(xué)系統(tǒng)I和所述光電測距儀2而言，所述觀察光軸3和所述測距光軸4相平行，并以已知間隔設(shè)置。另外，所述觀察光學(xué)系統(tǒng)I與所述光電測距儀2機(jī)械地形成一體從而構(gòu)成測定部10，該測定部10以可在水平方向和鉛直方向的兩個(gè)方向上轉(zhuǎn)動的方式被轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)5支撐。在所述觀察光學(xué)系統(tǒng)I中，所述觀察光軸3上具有:物鏡6、變焦光學(xué)系統(tǒng)7、圖像傳感器8，該圖像傳感器8設(shè)置于所述變焦光學(xué)系統(tǒng)7的焦點(diǎn)位置。所述圖像傳感器8采用由多個(gè)像素集合體而構(gòu)成的CXD傳感器、CMOS傳感器等，各像素以如下方式構(gòu)成:發(fā)送受光信號并基于所發(fā)送的信號能確定在所述圖像傳感器8中的位置。來自該圖像傳感器8的輸出信號是來自所述像素的輸出信號的集合，其作為數(shù)字圖像信號向運(yùn)算控制部9輸出。在所述觀察光軸3上，關(guān)于所述物鏡6，在物體一側(cè)配設(shè)有例如半透明反射鏡(half mirror) 12的光路分割光學(xué)構(gòu)件。所述觀察光軸3穿過所述半透明反射鏡12,在該半透明反射鏡12的反射光軸3a上配置有聚光透鏡13，在該聚光透鏡13的焦點(diǎn)位置配置有基準(zhǔn)圖形14。該基準(zhǔn)圖形14以能夠檢測基準(zhǔn)位置、倍率及像畸變的方式構(gòu)成(圖形)，例如是由如圖2所示那樣垂直相交的縱橫線而構(gòu)成的格子，在該基準(zhǔn)圖形14的中心設(shè)置有垂直相交的粗基準(zhǔn)線17，而且在所述基準(zhǔn)圖形14的中心部具有精密圖形14a，該精密圖形14a的方格相對于周圍的方格以規(guī)定倍率縮小而設(shè)定(在圖示中每邊為1/2倍)。若使所述反射光軸3a相對于所述轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)5的轉(zhuǎn)動軸(水平轉(zhuǎn)動軸和鉛直轉(zhuǎn)動軸)(未圖示)不產(chǎn)生機(jī)械性的位置變化(固定為已知關(guān)系)，則在所述圖像傳感器8上的所述基準(zhǔn)圖形14的位置反映測量儀的機(jī)械位置、姿態(tài)。在此，所述半透明反射鏡12、所述聚光透鏡13、所述基準(zhǔn)圖形14構(gòu)成將該基準(zhǔn)圖形14以無窮遠(yuǎn)的狀態(tài)投影至所述觀察光學(xué)系統(tǒng)I的基準(zhǔn)圖形投影光學(xué)系統(tǒng)18。所述轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)5在水平轉(zhuǎn)動軸、鉛直轉(zhuǎn)動軸分別具備水平角度檢測器15、鉛直角度檢測器16，所述水平角度檢測器15、所述鉛直角度檢測器16分別用于檢測所述測定部10的水平轉(zhuǎn)動角、鉛直轉(zhuǎn)動角。所述光電測距儀2向所述測距光軸4上射出測距光，并接收來自測定對象物的反射光，且基于接收結(jié)果測定到測距光照射的點(diǎn)(測定點(diǎn))為止的距離。此外，測距光可以為可見光、不可見光中的任意一種，但若采用可見光，則能通過目視或在圖像上確認(rèn)測定中的測定點(diǎn)。所述運(yùn)算控制部9將所述圖像傳感器8拍攝的影像圖像顯示于顯示部11。另外，所述運(yùn)算控制部9處理來自所述圖像傳感器8的影像信號圖像信號而并提取所述基準(zhǔn)圖形基準(zhǔn)圖形14。作為提取該基準(zhǔn)圖形基準(zhǔn)圖形14的一種方法能夠采用如下方法:的一種，取得無所述基準(zhǔn)圖形基準(zhǔn)圖形14的影像圖像，接著取得有該基準(zhǔn)圖形基準(zhǔn)圖形14的影像圖像，能通過得到兩個(gè)影像圖像的差別來提取所述基準(zhǔn)圖形基準(zhǔn)圖形14。
另外，所述運(yùn)算控制部9根據(jù)來自所述水平角度檢測器15、所述鉛直角度檢測器16的檢測信號、以及來自所述半透明反射鏡12、所述圖像傳感器8的圖像信號來運(yùn)算測定點(diǎn)的水平角、鉛直角。對上述結(jié)構(gòu)的測量儀的作用進(jìn)行說明。所述基準(zhǔn)圖形14位于所述聚光透鏡13的焦點(diǎn)，因此來自所述基準(zhǔn)圖形14的光透過所述聚光透鏡13而變成平行光，并在所述圖像傳感器8上成像。在所述觀察光軸3和所述反射光軸3a完全一致的狀態(tài)下，所述基準(zhǔn)圖形14的中心與所述圖像傳感器8的中心一致。另外，所述基準(zhǔn)圖形14與所述變焦光學(xué)系統(tǒng)7的倍率相應(yīng)地而被投影，所述基準(zhǔn)圖形14上的點(diǎn)的位置(坐標(biāo))確定在與所述變焦光學(xué)系統(tǒng)7的倍率相應(yīng)的位置。另外，在所述觀察光軸3相對所述反射光軸3a傾斜的情形下，所述基準(zhǔn)圖形14以相當(dāng)于所述觀察光軸3的傾斜角的量進(jìn)行位移并投影至所述圖像傳感器8。而且，所述反射光軸3a相對所述轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)5的轉(zhuǎn)動軸(水平轉(zhuǎn)動軸和鉛直轉(zhuǎn)動軸)以已知關(guān)系被固定，因此若檢測所述基準(zhǔn)圖形14在所述圖像傳感器8上的位移，則能檢測所述觀察光軸3的傾斜度。進(jìn)一步，參照圖3(A)-圖3 (C)，說明使用所述觀察光學(xué)系統(tǒng)I進(jìn)行變焦時(shí)候的圖像的變化、圖像中的測定點(diǎn)的狀態(tài)，并說明使用該觀察光學(xué)系統(tǒng)I測定水平角、鉛直角的情況。用所述觀察光學(xué)系統(tǒng)I使變焦倍率設(shè)定為低倍率(例如2倍)的狀態(tài)下，使所述觀察光軸3朝向測定對象物的測定點(diǎn)，使包括測定對象物的廣角圖像顯示于所述顯示部
11(參照圖3(A))。在該顯示部11上，顯示所述圖像傳感器8拍攝的圖像，并且所述基準(zhǔn)圖形14以與該圖像相重合的狀態(tài)被顯示。為了易于辨別，該基準(zhǔn)圖形14的顏色設(shè)定為與背景不同的顏色，還可以使其閃爍。另外，所述基準(zhǔn)圖形14的中心(與所述基準(zhǔn)線17交叉的點(diǎn))表示測定點(diǎn)。通過所述轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)5來調(diào)整所述測定部10的方向即所述觀察光軸3的方向，使得所述基準(zhǔn)圖形14的中心與測定點(diǎn)對準(zhǔn)，即使得測定點(diǎn)成為圖像的中心。該觀察光軸3的方向通過所述水平角度檢測器15、所述鉛直角度檢測器16來測定。通過所述變焦光學(xué)系統(tǒng)7來階段性地或連續(xù)地提高變焦倍率，由此能容易觀察測定對象(參照圖3(B)、圖3(C))。進(jìn)而在圖像上，除基準(zhǔn)圖形線之外，還顯示用于指定測定點(diǎn)的測定指標(biāo)19。該測定指標(biāo)19通過外部的操作能顯示于畫面上的所期望位置。通過所述變焦光學(xué)系統(tǒng)7來提高變焦倍率，在觀察像上的寫入的所述基準(zhǔn)圖形14也與觀察像成為一體而被放大。此時(shí)，即使產(chǎn)生所述觀察光軸3的晃動，觀察像與所述基準(zhǔn)圖形14成為一體而晃動，因此對觀察像和觀察像上的該基準(zhǔn)圖形14之間的關(guān)系沒有影響。因此將該基準(zhǔn)圖形14作為基準(zhǔn)在圖像上測定所述測定指標(biāo)19，由此能校正水平和鉛直，并能消除由晃動引起的測定誤差。此外，如圖4所示，通常在光學(xué)系統(tǒng)中，由于光學(xué)變形(Iensdistortion)在圖像中存在歪曲，由此在計(jì)測時(shí)需要進(jìn)行校正。此時(shí)，用所述圖像傳感器8測定構(gòu)成所述基準(zhǔn)圖形14的格子的縱線、橫線，由此能測定縱線、橫線的歪曲狀態(tài)，根據(jù)測定結(jié)果能校正測定值?；蛘?，將歪曲的線作為基準(zhǔn)進(jìn)行測定。即使在任意情況下，能通過所述基準(zhǔn)圖形14測定對應(yīng)于倍率的歪曲，從而使得不受光學(xué)變形影響的高精度測定成為可能。測定點(diǎn)的測距通過所述光電測距儀2來實(shí)施。另外，通過將可見光作為測距光，能在圖像上確認(rèn)測距位置。所述測距光軸4與所述觀察光軸3平行，并以已知間隔分離，雖沒有準(zhǔn)確地測定所述測定點(diǎn)，但所述測定點(diǎn)與所述光電測距儀2的測定位置的偏差很小，因此在實(shí)際應(yīng)用中將用所述光電測距儀2測定的測距結(jié)果作為所述測定點(diǎn)的測距距離并無影響。于是，能實(shí)現(xiàn)具有變焦功能且測定點(diǎn)的校準(zhǔn)變?nèi)菀椎娜緝x。此外，在第一實(shí)施例中，作為所述光電測距儀2可以安裝市售的手持式光電測距儀，或者也可以采用省略所述光電測距儀2而測定角度的測量儀。接著，當(dāng)使用所述觀察光學(xué)系統(tǒng)I而制作計(jì)測用全景圖像時(shí)，可以使用所述基準(zhǔn)圖形14。在制作計(jì)測用全景圖像時(shí)，需要以攝影的轉(zhuǎn)動中心作為中心的拍攝圖像，但是用攝像頭得到的拍攝圖像是透鏡主點(diǎn)中心的圖像，并不是轉(zhuǎn)動中心的圖像。因此，為算出與轉(zhuǎn)動中心的關(guān)系，需要基于另一個(gè)透鏡主點(diǎn)與轉(zhuǎn)動中心的關(guān)系重新構(gòu)成圖像。如上所述，若采用變焦功能，則透鏡的主點(diǎn)發(fā)生變化，從而無法確定透鏡主點(diǎn)與轉(zhuǎn)動中心的關(guān)系。因此，在采用變焦功能的所述觀察光學(xué)系統(tǒng)I中無法完成全景圖像的制作。在本實(shí)施例中，基準(zhǔn)圖形是與變焦功能無關(guān)地以轉(zhuǎn)動中心為中心的圖像，將所述基準(zhǔn)圖形作為標(biāo)尺的圖像成為以轉(zhuǎn)動中心為中心的圖像，從而使計(jì)測用全景圖像的制作變得容易。圖5表示第二實(shí)施例的測量儀的基本結(jié)構(gòu)。在第二實(shí)施例中，用于進(jìn)一步提高測距精度。此外，在第二實(shí)施例中，省略與第一實(shí)施例相同的部分，而僅表不光學(xué)系統(tǒng)。第二實(shí)施例是設(shè)置了測距光軸4的微調(diào)機(jī)構(gòu)21的實(shí)施例。此外，作為該微調(diào)機(jī)構(gòu)21的一個(gè)例子,可列舉其由一對楔形棱鏡而構(gòu)成的機(jī)構(gòu)。在一對楔棱鏡中，能通過使各棱鏡相對轉(zhuǎn)動來對所述測距光軸4的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行微調(diào)。在經(jīng)由該微調(diào)機(jī)構(gòu)21的所述測距光軸4上設(shè)置半透明反射鏡22，直角棱鏡23與該半透明反射鏡22相對置而配置，并且反射鏡24以與該直角棱鏡23相對置的方式設(shè)置，以使來自該直角棱鏡23的反射光入射至觀察光學(xué)系統(tǒng)I。此外，作為測距光優(yōu)選采用可見光。從光電測距儀2射出的測距光的一部分被所述半透明反射鏡22所分割，被分割的一部分測距光作為監(jiān)控用光25入射于所述直角棱鏡23,通過該直角棱鏡23來與入射光平行地反射，在所述直角棱鏡23反射的所述監(jiān)控用光25進(jìn)一步通過所述反射鏡24來與所述測距光軸4平行地反射，并入射至所述觀察光學(xué)系統(tǒng)I。另外，入射至該觀察光學(xué)系統(tǒng)I的所述監(jiān)控用光25被圖像傳感器8接收。測距光軸監(jiān)控光學(xué)系統(tǒng)26包括所述半透明反射鏡22、所述直角棱鏡23、所述反射鏡24?？梢酝ㄟ^所述微調(diào)機(jī)構(gòu)21對所述測距光軸4的方向進(jìn)行微調(diào)，由此能夠使得用所述光電測距儀2測定的位置對準(zhǔn)在用所述觀察光學(xué)系統(tǒng)I測定的位置上。因此，能夠使進(jìn)行測角的測定點(diǎn)與進(jìn)行測距的測定點(diǎn)一致，并能進(jìn)一步提高測定精度。
另外，就所述測距光軸監(jiān)控光學(xué)系統(tǒng)26而言，其反映用所述微調(diào)機(jī)構(gòu)21調(diào)整的所述測距光軸4的狀態(tài)并將所述監(jiān)控用光25入射至所述觀察光學(xué)系統(tǒng)1，因此能夠通過由所述圖像傳感器8接收所述監(jiān)控用光25，在圖像上算出測距光的照射位置(測定點(diǎn))。圖6、圖7表示第三實(shí)施例。在第三實(shí)施例中，作為具有變焦光學(xué)系統(tǒng)的觀察光學(xué)系統(tǒng)是使用市售的數(shù)碼相機(jī)而構(gòu)成經(jīng)緯儀(transit)的光學(xué)系統(tǒng)。此外,在圖6、圖7中，與圖1中表不的相同部件賦予相同符號并省略其說明。在三腳架31的上端設(shè)置有校平部32，轉(zhuǎn)動基臺34經(jīng)由水平轉(zhuǎn)動軸33以可轉(zhuǎn)動的方式設(shè)置于該校平部32。所述校平部32具有鉛直地校平所述水平轉(zhuǎn)動軸33的軸心的校平機(jī)構(gòu)(未圖示)。在所述轉(zhuǎn)動基臺34內(nèi)部中，容納有水平轉(zhuǎn)動驅(qū)動部(未圖示)，所述轉(zhuǎn)動基臺34通過該水平轉(zhuǎn)動驅(qū)動部以所述水平轉(zhuǎn)動軸33為中心而轉(zhuǎn)動。在所述轉(zhuǎn)動基臺34垂直地設(shè)置有架臺35。在該架臺35設(shè)置有在水平方向上延伸的鉛直轉(zhuǎn)動臺37，該鉛直轉(zhuǎn)動臺37可通過具有水平軸心的鉛直轉(zhuǎn)動軸36進(jìn)行轉(zhuǎn)動。在所述架臺35容納有鉛直轉(zhuǎn)動驅(qū)動部(未圖示)，所述鉛直轉(zhuǎn)動臺37通過該鉛直轉(zhuǎn)動驅(qū)動部以所述鉛直轉(zhuǎn)動軸36為中心在鉛直方向上轉(zhuǎn)動。在所述鉛直轉(zhuǎn)動臺37安裝有數(shù)碼相機(jī)38，該數(shù)碼相機(jī)38具備對焦結(jié)構(gòu)。而且該數(shù)碼相機(jī)38具有觀察光軸3，該觀察光軸3通過所述鉛直轉(zhuǎn)動臺37的轉(zhuǎn)動來在鉛直方向上轉(zhuǎn)動。此外，所述觀察光軸3與所述水平轉(zhuǎn)動軸33的軸心交叉，并且在包含所述水平轉(zhuǎn)動軸33的軸心的鉛直面內(nèi)轉(zhuǎn)動。對所述觀察光軸3設(shè)置有基準(zhǔn)圖形投影光學(xué)系統(tǒng)18。如上所述，該基準(zhǔn)圖形投影光學(xué)系統(tǒng)18具有反射光軸3a (參照圖1)，該反射光軸3a相對于所述水平轉(zhuǎn)動軸33的軸心、所述鉛直轉(zhuǎn)動軸36的軸心具有機(jī)械固定的關(guān)系，所述水平轉(zhuǎn)動軸33的轉(zhuǎn)動量與所述反射光軸3a的水平轉(zhuǎn)動角一致，所述鉛直轉(zhuǎn)動軸36的轉(zhuǎn)動量與所述反射光軸3a的鉛直轉(zhuǎn)動
角一致。就所述水平轉(zhuǎn)動軸33和所述鉛直轉(zhuǎn)動軸36而言，分別設(shè)置有水平角度檢測器15、鉛直角度檢測器16，通過所述水平角度檢測器15、所述鉛直角度檢測器16來分別檢測所述水平轉(zhuǎn)動軸33、所述鉛直轉(zhuǎn)動軸36的轉(zhuǎn)動角。所述水平角度檢測器15、所述鉛直角度檢測器16可采用一般的編碼器(encoder)，但在本實(shí)施例中采用內(nèi)裝于所述水平轉(zhuǎn)動軸33和所述鉛直轉(zhuǎn)動軸36的角度檢測器。所述水平角度檢測器15與所述鉛直角度檢測器16是相同結(jié)構(gòu)，因此以下參照圖8對所述鉛直角度檢測器16進(jìn)行說明。在所述鉛直轉(zhuǎn)動軸36的端部形成有與該鉛直轉(zhuǎn)動軸36的軸心同心的圓柱狀的軸部空間41，軸端部為空心結(jié)構(gòu)。該軸端部通過軸承42以轉(zhuǎn)動自如的方式被所述架臺35支撐，在該架臺35形成有與所述軸部空間41同心的軸承部空間43，該軸承部空間43與所述軸部空間41具有相同直徑。在所述軸部空間41和所述軸承部空間43中容納有所述鉛直角度檢測器16的主要結(jié)構(gòu)單元。在所述軸部空間41設(shè)置有第一聚光透鏡44，在所述軸承部空間43設(shè)置有第二聚光透鏡45。所述第一聚光透鏡44、所述第二聚光透鏡45的倍率分別為一倍，并具有相同的焦點(diǎn)距離。所述第一聚光透鏡44、所述第二聚光透鏡45分別具有光軸46a、46b，該光軸46a與所述鉛直轉(zhuǎn)動軸36的軸心一致,所述光軸46b與所述軸承部空間43的軸心一致。因此，在所述鉛直轉(zhuǎn)動軸36未傾斜的狀態(tài)下，所述光軸46a與所述光軸46b在同一條直線上一致。此外，為了避免產(chǎn)生像畸變，所述第一聚光透鏡44和所述第二聚光透鏡45優(yōu)選具有相同特性。在所述軸部空間41的底部設(shè)置有角度檢測圖形47，該角度檢測圖形47位于所述第一聚光透鏡44的焦點(diǎn)位置。另外，在所述軸承部空間43設(shè)置有軸部圖像傳感器48，該軸部圖像傳感器48位于所述第二聚光透鏡45的焦點(diǎn)位置。在所述軸承部空間43、所述軸部空間41的適當(dāng)?shù)奈恢蒙显O(shè)置有用于照明所述角度檢測圖形47的發(fā)光部。在圖示中，作為一個(gè)例子表示了設(shè)置于所述軸部空間41的底部、且包圍所述角度檢測圖形47周圍的環(huán)狀的發(fā)光部49。作為所述軸部圖像傳感器48，使用像素集合體的CXD傳感器或CMOS傳感器等，各像素能以能夠在所述軸部圖像傳感器48上確定其位置的方式構(gòu)成。另外，來自該軸部圖像傳感器48的受光信號輸入于信號處理部51，該信號處理部51以基于受光信號測定轉(zhuǎn)動角、所述鉛直轉(zhuǎn)動軸36的傾斜(傾斜角)的方式構(gòu)成。圖9表示所述角度檢測圖形47的一個(gè)例子。該角度檢測圖形47的基本形狀是圓形，該角度檢測圖形47的中心與所述第一聚光透鏡44的光軸即所述光軸46a —致。所述角度檢測圖形47包括:位于其中心部的校正用圓形圖形53、配設(shè)于該圓形圖形53周圍的基準(zhǔn)圖形54。所述圓形圖形53是以規(guī)定線寬描繪的圓。所述基準(zhǔn)圖形54是在徑向延伸的線段55以規(guī)定角距配置于全周的結(jié)構(gòu)，并且由所述線段55而形成環(huán)狀的軌跡(track)。在該線段55中，多個(gè)規(guī)定位置的線段55a是粗線。所述線段55內(nèi)端和外端，其分別位于與所述圓形圖形53同心的圓周上。另外，如圖所示，所述線段55a并沒有設(shè)置于將圓周等分分割的位置，檢測所述線段55a的位置，由此能檢測所述基準(zhǔn)圖形54的轉(zhuǎn)動角。下面對上述鉛直角度檢測器16的作用進(jìn)行說明。所述角度檢測圖形47通過所述第一聚光透鏡44、所述第二聚光透鏡45的作用以I: I的關(guān)系投影至所述軸部圖像傳感器48，該軸部圖像傳感器48發(fā)送與接收的所述角度檢測圖形47相對應(yīng)的信號。若所述鉛直轉(zhuǎn)動軸36轉(zhuǎn)動，則所述角度檢測圖形47與該鉛直轉(zhuǎn)動軸36 —體轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的角度檢測圖形47的像投影至所述軸部圖像傳感器48。該軸部圖像傳感器48按照每個(gè)像素發(fā)送受光信號，因此例如所述線段55a移動，則接收來自該線段55a的光的像素的位置發(fā)生變化。因此，基于來自所述軸部圖像傳感器48的信號接收來自所述線段55a的光的像素的位置變化，由此能夠檢測所述鉛直轉(zhuǎn)動軸36相對于所述架臺35的轉(zhuǎn)動角。接著，參照圖8(B)對所述鉛直轉(zhuǎn)動軸36相對于所述架臺35傾斜的情形進(jìn)行說明。在所述第一聚光透鏡44、所述第二聚光透鏡45的作用下，入射至所述第一聚光透鏡44的光線通過所述第二聚光透鏡45與該光線平行地投影至所述軸部圖像傳感器48。若所述第一聚光透鏡44的所述光軸46a相對于所述第二聚光透鏡45的所述光軸46b傾斜，則投影至所述軸部圖像傳感器48的所述角度檢測圖形47的像，從傾斜了與所述第一聚光透鏡44的所述光軸46a傾斜度相應(yīng)的角度的方向，投影至所述軸部圖像傳感器48。因此，所投影的像在所述軸部圖像傳感器48上只發(fā)生與傾斜度相應(yīng)量的位移。在此，若將在所述軸部圖像傳感器48上的圖形圖像的位移量設(shè)為Λ，將所述第一聚光透鏡44的所述光軸46a的傾斜度設(shè)為α，將所述第二聚光透鏡45的焦點(diǎn)設(shè)為f，則構(gòu)成tana = Λ/f。而且，所述圓圖形53的中心表示所述角度檢測圖形47的中心，通過檢測接收來自所述圓形圖形53的光的所述軸部圖像傳感器48的各像素的位置，能算出所述圓形圖形53的中心，通過算出該圓圖形53的中心與所述軸部圖像傳感器48的中心的偏差，能算出所述位移量Λ。因此，能夠基于所述軸部圖像傳感器48的受光結(jié)果檢測所述第一聚光透鏡44的所述光軸46a的傾斜度即所述鉛直轉(zhuǎn)動軸36的傾斜角。能夠以所述軸部圖像傳感器48的像素單位來檢測所述角度檢測圖形47在所述軸部圖像傳感器48上的轉(zhuǎn)動、或所述角度檢測圖形47的中心位置的位移量，因此可進(jìn)行高精度的測定。而且，能檢測轉(zhuǎn)動角和所述鉛直轉(zhuǎn)動軸36的傾斜度。根據(jù)所檢測的傾斜度進(jìn)行測定值的校正，由此能夠得到消除了所述鉛直轉(zhuǎn)動軸36的傾斜影響的測定結(jié)果。因此，即使在所述鉛直轉(zhuǎn)動軸36的轉(zhuǎn)動包含誤差的狀態(tài)下，也能進(jìn)行高精度的角度檢測。因此，即使不要求所述鉛直轉(zhuǎn)動軸36的部件精度、組合的高精度，也能降低所述鉛直角度檢測器16的制作成本。此外，在上述實(shí)施例中，可以在所述鉛直轉(zhuǎn)動軸36 —側(cè)設(shè)置所述軸部圖像傳感器48，也可以在所述架臺35側(cè)設(shè)置所述角度檢測圖形47。圖10、圖11表示第四實(shí)施例。在第四實(shí)施例中，作為具有變焦光學(xué)系統(tǒng)的觀察光學(xué)系統(tǒng)是使用市售的數(shù)碼相機(jī)來構(gòu)成全站儀的光學(xué)系統(tǒng)。此外，在圖10、圖11中，對于與圖1和圖5-圖7中表示的部件相同的部件賦予相同附圖標(biāo)記并省略其說明。在第四實(shí)施例中，將光電測距儀2與基準(zhǔn)圖形投影光學(xué)系統(tǒng)18 —體地設(shè)置于在所述鉛直轉(zhuǎn)動臺37，可以用市售的數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行測角，并能用所述光電測距儀2進(jìn)行測距且用微調(diào)機(jī)構(gòu)21對測距光軸4進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，使測距的測定點(diǎn)與測角的測定點(diǎn)一致。進(jìn)而，所述光電測距儀2可以是安裝市售的手持式光電測距儀。此時(shí)，通過組合市售的數(shù)碼相機(jī)和市售的手持式所述光電測距儀2，能簡便地構(gòu)成全站儀。
權(quán)利要求
1.一種測量儀，具備:觀察光學(xué)系統(tǒng)，其具有用于輸出數(shù)字圖像信號的圖像傳感器和變焦光學(xué)系統(tǒng)；基準(zhǔn)圖形投影光學(xué)系統(tǒng)，其將基準(zhǔn)圖形以無窮遠(yuǎn)的狀態(tài)入射至所述觀察光學(xué)系統(tǒng)并成像于所述圖像傳感器；轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，其將所述觀察光學(xué)系統(tǒng)和所述基準(zhǔn)圖形投影光學(xué)系統(tǒng)作為一體可在水平、鉛直的兩個(gè)方向上轉(zhuǎn)動；水平角度檢測器、鉛直角度檢測器，其用于檢測該轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)在兩個(gè)方向上轉(zhuǎn)動的水平角、鉛直角；以及運(yùn)算控制部，其中，該運(yùn)算控制部根據(jù)所述水平角度檢測器、所述鉛直角度檢測器的檢測結(jié)果和在所述圖像傳感器上的所述基準(zhǔn)圖形與所述觀察光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)直點(diǎn)之間的差別來測定該準(zhǔn)直點(diǎn)的水平角、鉛直角。
2.權(quán)利要求1所述的測量儀，還具備光電測距儀，對測定對象物的測定點(diǎn)進(jìn)行測距，其中該光電測距儀具有與所述觀察光學(xué)系統(tǒng)的光軸平行的測距光軸。
3.權(quán)利要求2所述的測量儀，還具備微調(diào)機(jī)構(gòu)，該微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述測距光軸上，并對該測距光軸的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行微調(diào)，而且所述測量儀以使測距的測定點(diǎn)與所述觀察光學(xué)系統(tǒng)的測定點(diǎn)相一致的方式構(gòu)成。
4.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的測量儀，其中，所述基準(zhǔn)圖形是由垂直相交的線構(gòu)成的格子，通過測定投影至所述圖像傳感器的所述格子的線間距來運(yùn)算變焦倍率。
5.權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的測量儀，其中，所述基準(zhǔn)圖形是由垂直相交的線構(gòu)成的格子，通過測定投影至所述圖像傳感器的所述格子來運(yùn)算圖像的畸變，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果來校正測定結(jié)果。
6.權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的測量儀，其中，所述觀察光學(xué)系統(tǒng)是市售的數(shù)碼相機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明的測量儀具備觀察光學(xué)系統(tǒng)(1)，具有用于輸出數(shù)字圖像信號的圖像傳感器(8)和變焦光學(xué)系統(tǒng)(7)；基準(zhǔn)圖形投影光學(xué)系統(tǒng)(18)，將基準(zhǔn)圖形(14)以無窮遠(yuǎn)的狀態(tài)入射至所述觀察光學(xué)系統(tǒng)并成像于所述圖像傳感器；轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)(5)，將所述觀察光學(xué)系統(tǒng)和所述基準(zhǔn)圖形投影光學(xué)系統(tǒng)作為一體可在水平、鉛直的兩個(gè)方向上轉(zhuǎn)動；水平角度檢測器(15)、鉛直角度檢測器(16)，用于檢測該轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)在兩個(gè)方向上轉(zhuǎn)動的水平角、鉛直角；以及運(yùn)算控制部(9)，該運(yùn)算控制部根據(jù)所述水平角度檢測器、所述鉛直角度檢測器的檢測結(jié)果和在所述圖像傳感器上的所述基準(zhǔn)圖形與所述觀察光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)直點(diǎn)之間的差別來測定該準(zhǔn)直點(diǎn)的水平角、鉛直角。
文檔編號G01C15/00GK103162674SQ20121055502
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者熊谷薰, 大佛一毅, 穴井哲治, 大友文夫 申請人:株式會社拓普康