DE3883593T2 - Vorrichtung zur Messung von Höhendifferenzen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung eines Höhenunterschieds zwischen zwei Punkten.
• Die Messung des Höhenunterschieds erfolgt im allgemeinen mit einer Meßlatte und mit einem als Nivellier bezeichneten Nivelliergerät. Die Meßlatte wird an zwei Meßpunkten aufgestellt, und ihre Teilungen werden abwechselnd mit einem horizontal angebrachten Fernrohr des Nivelliers abgelesen. Aus der Differenz zwischen den abgelesenen Werten wird dann ein Höhenunterschied erhalten.
• Außerdem ist ein Visierfadenkreuz in einem Sichtfeld des Nivellierfernrohrs angeordnet. Eine Horizontalentfernung kann mit zwei Distanzlinien, die an dem Fadenkreuz in einem vorbestimmten Abstand angebracht sind, grob gemessen werden. Dabei wird der Abstand zwischen den Distanzlinien abgelesen, und eine Horizontalentfernung wird entsprechend einer Fernrohrvergrößerung berechnet.
• Bei einer herkömmlichen Methode zur Messung eines Höhenunterschieds ist es schwierig, eine Digitalanzeige zu verwirklichen, da ein Bediener die Teilungen auf einer Meßlatte abliest. Ferner ist es nicht möglich, numerische Werte in eine Datenverarbeitungseinheit einzulesen, Daten zu speichern und automatisch zu verarbeiten. Das Sichtfeld eines Fernrohrs bei einem Nivellier ist bis zu 1º20' schmal. Digitale Ziffern, die auf der Meßlatte in gröberen Abständen als die Teilungen dargestellt sind, können daher aus dem Sichtfeld herausfallen, und der Höhenwert kann falsch abgelesen werden. Da bei einer Distanzmessung eine Horizontalentfernung durch Multiplizieren eines Meßwerts mit einer Fernrohrvergößerung ermittelt werden muß, wird die Berechnung beschwerlich.
• DE-A-3,213,860 offenbart ein Nivellier zur Messung von Höhenunterschieden, das umfaßt ein Fernrohr mit einer Nivelliereinrichtung, um das Fernrohr und ein optisches System, das einen Bildsensor enthält, zu nivellieren, wobei der Sensor einen Detektor besitzt, um im Betrieb ein Abbild einer aus der Gruppe codierter Höhenmarkierungen zu lesen, die in Einheitsabständen auf einer Meßlatte angebracht sind, eine Decodierungseinrichtung, verbunden mit dem Ausgang dieses Detektors, zur Decodierung der abgebildeten Codemarke, um ein digitales Höhensignal zu bilden, eine Glasscheibe vor der Objektlinse des Fernrohrs und mit parallelen Flächen und einer Neigungseinrichtung, um die Glasscheibe um eine horizontale Achse senkrecht zur optischen Achse des Fernrohrs zum vertikalen Ausgleich der optischen Achse desselben zu neigen, eine Einrichtung zum Ermitteln des Neigungswinkels dieser Glasplatte sowie einen Interpolator zum Berechnen des interpolierten Höhenwerts gemäß dem Ausgangssignal von der Decodierungseinrichtung und einem Winkelwert von der Winkelermittlungseinrichtung, der bei einer geneigten Stellung erhalten wird, bei der die optische Achse des Fernrohrs mit einer dieser Marken zusammenfällt.
• Der Bediener muß die neigbare Glasscheibe von Hand einstellen, um die optische Achse des Fernrohrs mit einer der Höhenmarken abzugleichen, die einzeln mit Hilfe von Infrarotlicht-emittierenden Dioden, die mit vorbestimmten Impulsmustern getastet werden, codiert sind.
• DE-A-3,424,806 offenbart ein Nivellier zur Messung von Höhenunterschieden, das umfaßt: ein Fernrohr mit einem optischen System einschließlich eines Bildsensors, wobei der Bildsensor eine lineare Bildabtastzeile besitzt, die gerichtet ist, um im Betrieb ein Abbild eines Teils eines Musters auf einer Meßlatte angebrachter Marken zu lesen, eine mit dem Ausgang des Bildsensors verbundene Decodierungseinrichtung zum Decodieren der abgebildeten codierten Marke, um ein digitales Ausgangssignal zu bilden. Die Marken auf der Meßlatte sind ungleichmäßig beabstandet, da sie einen nichtwiederholenden Barcode definieren, der längs der Latte verläuft. Das Ausgangssignal wird zu einem Computer geführt, der es mit einer gespeicherten Abbildung des gesamten Codes vergleicht und die Lage der optischen Achse relativ zu der Latte berechnet, indem er sich für die beste Korrelation entscheidet.
• Die Erfindung stellt ein Nivellier- und Meßlattensystem zur Messung von Höhenunterschieden bereit, das umfaßt: ein Fernrohr mit Nivelliereinrichtung zum Nivellieren des Fernrohrs und eines optischen Systems einschließlich eines Bildsensors, wobei der Sensor eine lineare Bildabtastzeile besitzt, die gerichtet ist, um im Betrieb ein Abbild einer von einer Gruppe codierter Höhenmarkierungen zu lesen, die in Einheitsabständen zur digitalen Höhenanzelge auf einer Nivellierlatte angebracht sind, Decodiereinrichtung, verbunden mit dem Ausgang des Bildsensors, zum Decodieren der abgebildeten Markierung, um ein digitales Höhensignal zu bilden, eine Glasscheibe vor der Objektivlinse des Fernrohrs und mit parallelen Flächen und einer Neigungseinrichtung zum Neigen der Glasscheibe um eine horizontale Achse senkrecht zu der optischen Achse des Fernrohrs zum vertikalen Ausgleich der optischen Achse desselben, eine Einrichtung zum Ermitteln des Neigungswinkels der Glasscheibe, eine Vertikalkanten-Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln mindestens einer vertikalen Kante der Markierung entsprechend dem Ausgang des Bildsensors und einen Interpolator zum Berechnen des interpolierten Höhenwerts entsprechend dem Ausgangssignal von der Decodiereinrichtung und einem Winkelwert von der Winkelermittlungseinrichtung, der bei einer geneigten Stellung erhalten wird, wo die Kantenermittlungseinrichtung einen Zustand ermittelt, daß die optische Achse des Fernrohrs mit einer der vertikalen Kanten der Markierungen eine Linie bildet.
• Aspekte der Erfindung sind in den Ansprüchen, insbesondere den Ansprüchen 1, 9 und 12, definiert.
• Die Erfindung wird nun als Beispiel mit Verweis auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Systems eines erfindungsgemäßen Nivelliers ist;
• Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung ist, die einen Hauptteil einer Meßlatte zeigt;
• Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Datenverarbeitungsschaltung ist;
• Fig. 4 eine Ansicht ist, die einen Rückteil des Nivelliers zeigt;
• Fig. 5 ein Ablaufdiagramm eines Interpolationsvorgangs ist;
• Fig. 6A bis 6D Darstellungen sind, die Lagebeziehungen zwischen einer Lesezeile eines Bildsensors und Barcode-Abbildungen zeigen;
• Fig. 7 eine Darstellung ist, die ein Format der an der Meßlatte angebrachten Barcodes zeigt;
• Fig. 8 bis 10 schematische Darstellungen sind, die Abwandlungen von Barcode-Anordnungen zeigen;
• Fig. 11 eine schematische Darstellung ist, die eine auf einen Bildsensor (CCD) fokussierte Barcode-Abbildung und dessen Bildausgang zeigt; und
• Fig. 12 eine schematische Darstellung eines optischen Lesesystems ist.
• Fig. 1 zeigt ein optisches System eines Nivelliers, auf das die vorliegende Erfindung angewandt wird. Fig. 2 ist eine Vorderansicht eines Hauptteils einer zu messenden Meßlatte.
• Barcodes 2 zum optischen Lesen, die durch Umwandlung von Höhenwerten in absolute Codes erhalten werden, sind auf einer Einteilungsseite einer Meßlatte 1 von ihrem proximalen Ende aus in ihrer Längsrichtung (einer Höhenrichtung) in einem Einheitsabstand P von z. B. 10 mm angeordnet. Die vertikalen Längen jedes Barcodes 2 und ein Zeilenabstand 2s zwischen benachbarten Codes sind jeweils auf 5 mm (P/2) gesetzt. Der durch jeden Barcode dargestellte Höhenwert entspricht der Höhe eines oberen Endes eines entsprechenden Barcodes. Jeder Barcode 2 wird durch einen schmalen Balken 2a (= logisch "0"), einen breiten Balken 2b (= logisch "1") und einen Zwischenraum 2c gebildet. Die Balken 2a und 2b entsprechen Teilen geringen Reflexionsvermögens (schwarz), und der Zwischenraum 2c entspricht einem Teil hohen Reflexionsvermögens (weiß). Als Codesystem kann ein im industriellen oder kommerziellen Bereich verwendetes Codesystem benutzt werden. Solche Codesysteme umfassen den 3 aus 9 Code, den 2 aus 5 Code, den NRZ Systemcode, z. B. UPC (Universal Product Code), EAN (Europe Article Numbering) oder JAN (Japan Article Numbering), oder dergleichen.
• Ein Nivellier 3 hat einen Aufbau, der dem eines bekannten automatischen Nivelliers ähnlich ist, und umfaßt ein Objektivsystem 4, ein automatisches, horizontales optisches System 5 und ein Okularsystem 6. Das Okularsystem 6 umfaßt eine Fokussierlinse 6a, einen Fokussierspiegel 6b, an dem ein Fadenkreuz und Distanzlinien angebracht sind, und ein Okular 6c. Das automatische, horizontale optische System 5 ist eine automatische horizontale Einheit, um ungeachtet einer optischen Achse eines Fernrohrs eine horizontale Sehlinie zu erhalten, und wird durch die Prismen 5a und 5b und einem an einem Faden 5d aufgehängten Pendelspiegel oder einem Pendelprisma 5c gebildet.
• Ein Strahlteiler 7 ist in das Okularsystem 6 eingefügt. Ein geteiltes Licht der Abbildung wird über ein Vergrößerungslinsensystem 8 auf einen Bildsensor 9 fokussiert. Dieser Bildsensor 9 kann z. B. durch einen CCD-Zeilensensor gebildet werden und ist so gelegen, daß eine Lesezeile mit der Breitenrichtung der Meßlatte 1, z. B. einer Ausrichtungsrichtung der codierten Elemente jedes Barcodes 2, übereinstimmt. Die optische Achse befindet sich auf der Lesezeile. Ein Ausgang von dem Bildsensor 9 wird der Verarbeitungsschaltung in Fig. 3 zugeführt. Dann wird der gelesene Barcode 2 decodiert und ein Höhenwert angezeigt.
• Um die Meßgenauigkeit durch Interpolation abgelesener Werte zu verbessern, ist ein mikrooptisches System 20 mit einer Glasscheibe 21 mit parallelen Oberflächen, die winklig verlagert werden kann, an der Vorderseite des Objektivsystems 4 angeordnet. Es sei angenommen, daß die Dicke der Glasscheibe 21 l ist, der Neigungswinkel derselben in bezug zu einer senkrechten Ebene (Linsenoberfläche) 8 ist und das Reflexionsvermögen der Glasplatte 21 ist. Dann ist ein horizontaler Bewegungsbetrag der optischen Achse gegeben als:
• e = {(n-1)/n} · l · tanR.
• Eine Interpolationskorrektur eines Werts bis zu 1/50 des Einheitsteilungsintervalls des Barcodes 2 wird mit diesem horizontalen Bewegungsbetrag der optischen Achse (Bildbewegungsbetrag) ausgeführt.
• Eine Winkelverlagerungsvorrichtung für die Glasscheibe 21 umfaßt einen Hebel 22, verbunden mit einer Drehwelle 21a, eine Verbindung 23, verbunden mit dem Hebel 22, eine Zahnstange 24 und ein Ritzel 25, die an einem Ende der Verbindung 23 angeordnet sind, und einen Ritzelantriebsmotor 26. Ein Drehcodierer 27 ist mit einer Welle des Motors 26 verbunden, um eine Impulsfolge mit einer Impulszahl, die dem Winkel R der der Glasscheibe 21 proportional ist, oder einen Codeimpuls zu erhalten, der einen absoluten Winkel darstellt. Man beachte, daß ein Schrittmotor als Antriebsmotor 26 benutzt werden kann, um unter Verwendung seiner Antriebsimpulse den Winkel der Glasscheibe 21 in Einheiten von sehr kleinen Winkeln zu ändern. In diesem Fall ist kein Drehcodierer erforderlich, sondern es wird statt dessen ein Zähler zum Zählen der Antriebsimpulse eingerichtet.
• Bei der Verarbeitungsschaltung in Fig. 3 wird eine auf den Bildsensor fokussierte Barcode-Abbildung der Meßlatte 1 als elektrisches Signal gelesen und über einen Verstärker 10 einem Komparator 11 zugeführt. Der Komparator 11 schert einen elektrischen Signalanteil mit einem Pegel, der kleiner als ein vorbestimmter Pegel E ist, ab und extrahiert ihn als Barcode-Signal. Wenn in diesem Fall das Bild unfokussiert ist oder die Lesezeile in dem Zeilenzwischenraum 2s zwischen den Barcodes in Fig. 2 liegt, ist ein Bildausgangspegel tief, und daher erscheint es nicht am Ausgang des Komparators 11 und wird weggelassen. Das heißt, Signalpegel, die eine Decodierung erlauben, werden unterschieden und falsch decodierte Werte minimiert.
• Ein Ausgang des Komparators 11 wird durch eine Impulsformerschaltung geformt und einer CPU 13 als ein Codeimpuls zugeführt, in dem die Balken 2a und 2b des Barcodes 2 einen hohen Pegel haben und dessen Zwischenraum 2c einen tiefen Pegel hat. Die CPU 13 unterscheidet auf der Basis der Impulsbreite des Hochpegelteils des Codeimpulses, daß der schmale Balken 2a logisch "0" und der breite Balken 2b logisch "1" Ist. Diese Werte werden dann als ein Höhenwert decodiert.
• Im Grunde kann ein Decodierungsalgorithmus in der CPU 13 eine Impulsbreitenbestimmung durch Zeitmessung (Bitzählung in dem CCD) sein. Im besonderen wird eine den Elementanordnungen der schmalen und breiten Balken entsprechende zeitbreite Datenfolge erzeugt, indem eine dem Hochpegelteil eines Eingangscodeimpulses entsprechende Impulsbreite dazu gebracht wird, der Zahl der Taktimpulse zu entsprechen. Dann wird durch Vergleichen des Werts aller Daten mit einer vorbestimmten Toleranzgrenze eine Codebitfolge erhalten. Die Codebitfolge wird durch einen Decoder oder eine Codetabelle in einem Programm der CPU in Dezimalwerte in Einheiten von Bits umgewandelt, in einem Speicher als ein Höhenwert gespeichert und durch eine Anzeigeeinheit 14 angezeigt. Außerdem kann der gemessene Höhenwert zu einem tragbaren Terminal, z. B. einem tragbaren Computer, von z. B. einem RS 232C I/O Port 15 übertragen werden.
• Ein sogenannter verschachtelter Barcode, bei dem schmale und breite Zwischenräume in dem Zwischenraum 2c des Barcodes 2 angeordnet sind, die zusammen mit den Balkenelementen als Code zu benutzen sind, kann verwendet werden. In diesem Fall ist das Decodierungsprinzip das gleiche wie bei dem obigen Code.
• Fig. 4 ist eine Vorderansicht einer Rückseltenplatte des Nivelliers 3.
• Die Anzeigeeinheit 14 ist über dem Okular 6c angeordnet. Ein abgelesener Höhenwert wird auf der Anzeigeeinheit 14 digital dargestellt.
• Ein Interpolationsvorgang, der das mikrooptische System 20 benutzt, wird mit Verweis auf ein Ablaufdiagramm in Fig. 5 und auf Fig. 6A bis 6D, die abgetastete Abbildungen zeigen, beschrieben.
• Bei Schritt S1 in Fig. 5 werden in der CPU 13 Register, die einem Zähler C entsprechen, und Speicher M1 und M2 gesetzt. Der Zähler C zählt Ausgangsimpulse von dem Drehcodierer 27 bei Drehung des Motors 26 in dem optischen System 20. Das mikrooptische System 20 ist so eingerichtet, daß die optische Sehachse auf der Oberfläche der Meßlatte 1 um z. B. 0.1 mm pro Impuls bewegt wird.
• Bei Schritt S2 wird die Anwesenheit/Abwesenheit eines Barcode-Signals in einem Leseausgang von dem Bildsensor 9 geprüft. Wenn sich eine Leselinie L in dem Zeilenzwischenraum 2s zwischen den Codes befindet, wie in Fig. 6A gezeigt, wird kein Barcode-Signal erhalten. Daher wird in diesem Fall der Motor 26 angesteuert, um den Winkel des Parallelscheibenglases 21 zu verlagern und die Leselinie L nach oben zu bewegen. Tatsächlich wird ein Bild auf dem Bildsensor 9 in bezug auf die Leselinie L nach unten bewegt.
• Gleichzeitig werden Impulsausgänge von dem Drehcodierer 27 gezählt (Schritt S4). Wenn ein Barcode-Signal gelesen wird während das Bild bewegt wird, wird ein Zählwert C in dem Register M1 gespeichert, der Motor 26 wird angehalten und der Zählwert C zurückgesetzt (Schritte S6 und S7). Wenn der Ablauf zu Schritt S2 zurückkehrt, verzweigt er zu einem Vorgang "Anwesenheit des Barcodes". Als Folge wird die Leselinie L wiederum aufwärts bewegt und Ausgänge von dem Codierer werden gezählt (Schritte S8 und S9). Wenn die Leselinie L bei Bewegung des Bilds die senkrechte Länge (5 mm) des Barcodes 2 kreuzt, kann kein Barcode-Signal gelesen werden. Bei Schritt S10 wird die Abwesenheit eines Barcode-Signals ermittelt, und der momentane Zählwert C wird in dem Register M2 gespeichert. Ein Standardzählwert ist 50 Impulse.
• Zu dieser Zeit wird der Motor 26 bei Schritt S12 umgekehrt, und die Leselinie L wird um eine Strecke bewegt, die 25 Impulsen entspricht, wodurch die Leselinie L ungefähr zur Mitte des Barcodes bewegt wird, d. h. zu einer Position, die ein zuverlässiges Lesen eines Barcode- Signals erlaubt. Zu dieser Zeit wird der Barcode decodiert, um einen abgelesenen Höhenwert Y (mm) zu erhalten (Schritt S13). Der Wert Y entspricht einem oberen Ende des Barcodes 2 auf der Meßlatte 1. Mit dem obigen Vorgang ist die Messung vollendet, und ein Interpolierter Höhenwert wird dann gemäß der folgenden Gleichung (Schritt 14) berechnet:
• y = Y-K (M1+M2) (1)
• wo ein Bewegungsbetrag der optischen Achse auf der Meßlatte 1 ist, der einem Impuls von dem Drehcodierer, z. B. 0.1 mm, entspricht. Nach Vollendung der Messung wird die Glasscheibe 21 zum Ausgangspunkt des Drehcodierers 27 zurückgeführt.
• Wenn sich bei genauer Einstellung, wie in Fig. 6B gezeigt, die Leselinie L auf dem Barcode 2 befindet, verzweigt der Ablauf zu dem Vorgang "Anwesenheit des Barcode-Signals" in Schritt S2 und die Messung und die Interpolationsberechnung werden in der gleichen Weise wie oben beschrieben durchgeführt. Da gemäß Gleichung (1) M1 = 0, wird in diesem Fall die Interpolation nur mit dem Wert M2 ausgeführt.
• Man beachte, daß ein Wert Y-5, der einer unteren Endlinie des Barcodes 2 entspricht, aus dem Decodierungswert Y des Barcodes 2 berechnet und die Interpolationsverarbeitung auf der Basis der unteren Endlinie durchgeführt werden kann.
• Wenn die Horizontaleinstellung durchgeführt wird, kann eine Kante eines Bilds auf dem Bildsensor 9 wegen eines Fokussierfehlers unscharf sein. In einem solchen Fall entspricht die obere Endposition des Barcodes 2 nicht genau dem Decodierungswert Y. Deshalb wird, wie in Fig. 6D gezeigt, vorzugsweise ein Schritt zum Erhalten eines Zählwerts M3 durch Impulszählen der senkrechten Länge des Barcodes 2 hinzugefügt. Obwohl der Wert M3 in der gleichen Weise wie oben in Fig. 6C beschrieben erhalten wird, kann in diesem Fall der Wert M2 anstelle des Werts M3 benutzt werden. Da die Mitte des Barcodes 2 aus dem Decodierungswert Y als Y - 2.5 mm berechnet werden kann, kann eine Interpolationsberechnung für die Mitte gemäß Gleichung (2) unten durchgeführt werden. Der Wert M3 ist kleiner als der Standardwert von 50. Er ist zum Beispiel auf 40 Impulse eingestellt.
• y = Y-2.5+M3/2-K (M1+M2) (2)
• Es sei angenommen, daß Fokusunschärfen gleichmäßig in den oberen und unteren Endlinien des Barcodes verursacht werden. Dann stellt eine Position, die um M3/2 von Y - 2.5 mm aus höher ist, das tatsächliche obere Ende des Barcodes dar. Daher kann der Einfluß des Fokussierungsfehlers durch eine Interpolationsberechnung gemäß Gleichung (2) eliminiert werden.
• Um die Interpolationsgenauigkeit zu verbessern, wird weiter eine Interpolationsberechnung in bezug auf die Leselinie L nach horizontaler Einstellung auf der Basis des unteren Barcodes 2 durchgeführt (der Barcode mit einem Decodierungswert Y - 10 mm in Fig. 6), und ein Mittelwert zwischen dem erhaltenen Wert und einem Berechnungswert von dem oberen Barcode 2 (Y mm) kann erhalten werden.
• Obwohl das Verhältnis des Barcodes 2 zu dem Zeilenabstand 2s in dem obigen Beispiel 1 : 1 ist, kann dieses Verhältnis willkürlich eingestellt werden. Zum Beispiel kann die Länge des Zwischenraums 2s vermindert und die des Barcodes 2 erhöht werden.
• Wie durch ein Barcode-Format in Fig. 7 gezeigt, kann ein Erkennungssymbol (ID-Code) 21 dem Barcode zugesetzt werden, so daß auf der Oberfläche der Meßlatte 1 befindlicher Schmutz oder ein Bild hinter der Meßlatte nicht irrtümlich als Information gelesen werden. Das Erkennungssymbol 21 kann durch einen besonderen Code, z. B. eine "0000" Sequenz (vier schmale Balken und vier Zwischenräume erscheinen abwechselnd), die unter natürlichen Bedingungen wahrscheinlich nicht erscheint, gebildet werden. Der Meßvorgang kann programmiert werden, so daß ein durch den Barcode 2 dargestellter Höhenwert decodiert wird, wenn dieses Erkennungssymbol 21 durch die CPU 13 gelesen wird. Ferner können die Erkennungssymbole 21 an beiden Enden des Barcodes 2 angebracht werden, und der Ablauf kann programmiert werden, um zu dem Decodierungsschritt nur vorzurücken, wenn die Erkennungssymbole 21 an beiden Enden korrekt gelesen wurden.
• Wie in Fig. 7 gezeigt, ist ein Datenbereich 22 mit z. B. 4 Bits nächst dem Erkennungssymbol 21 angeordnet. Ein Paritätsbit 23 ist dem LSB des Datenbereichs 22 angefügt. Ferner kann eine Prüfsumme 24, die gemäß einer durch das Codesystem bestimmten arithmetischen Operation berechnet wird, dem Datenbereich 22 angefügt werden.
• Man beachte, daß das Erkennungssymbol 21 sowohl als Start- als auch als Stopzeichen benutzt werden kann, um die CPU 13 zu veranlassen, die Anfangs- und Endpunkte des Lesens der Codedaten zu erkennen. Start- und Stopränder 25a und 25b, die jeweils eine vorbestimmte Breite haben und als signalfreier Teil dienen, werden vorzugsweise an beiden Enden des Barcodes 2 auf der Meßlatte 1 angebracht.
• Wenn die CPU 13 das Erkennungssymbol 21 oder den Start/Stop-Zeichencode nicht korrekt lesen kann, erzeugt sie ein Alarmsignal, das die Anzeigeeinheit 14 in Fig. 4 veranlaßt, eine NG Anzeigelampe 14a einzuschalten. In diesem Fall überprüft der Bediener den Fokus und prüft, ob sich der Barcode 2 richtig im Sehfeld befindet, indem er durch das Okular 6c schaut.
• Wenn keine hochgenaue Messung erforderlich ist, kann das mikrooptische System 20 weggelassen werden. Wenn sich jedoch die Lesezeile in dem Zeilenzwischenraum 2s zwischen den benachbarten Barcodes befindet, wird das Ablesen schwierig. In diesem Fall kann ein Sensor mit einer Mehrzahl von Lesezeilen oder ein zweidimensionaler Sensor mit einer Matrixanordnung als Bildsensor 9 benutzt werden. Wenn ein Barcode in dem Zeilenzwischenraum 2s nicht gelesen werden kann, kann er mit einer anderen Lesezeile gelesen werden, die in bezug auf die in dem Zeilenzwischenraum 2s befindliche Lesezeile nach oben oder unten verschoben ist.
• Um die Lesegenauigkeit zu verbessern und Lesefehler zu verringern, kann eine in Fig. 8 gezeigte versetzte Array-Codeanordnung verwendet werden. Im besonderen sind Barcodes 2A in einem Abstand P (Einheitsteilungsintervall) als ein System A angeordnet, und Barcodes 2B sind als ein System B angeordnet, das an den Barcodes 2A in der Breitenrichtung der Meßlatte 1 anliegt und in der Längsrichtung um 1/2 P verschoben ist. Wenn sich die Lesezeile in dem Zeilenzwischenraum 2s zwischen den Barcodes 2A befindet und das Erkennungssymbol 21 nicht gelesen werden kann, wird gemäß dieser Anordnung ein Lesevorgang auf die des Barcodes 2B in dem System B umgeschaltet, um dadurch eine 'gewünschte Ablesung auszuführen.
• Wenn die Codewerte der Barcodes 2A und 2B um 1/2 P verschoben sind, kann ein nomineller Meßfehler auf die Hälfte (± 1/4 P) verringert werden. Selbst wenn die Barcodes 2A und 2B den gleichen Codewert haben, erkennt die CPU 13 die Umschaltung zwischen dem System A und B, um einen Korrekturvorgang in bezug auf den Codewert um 1/2 P auszuführen. Als Folge kann ein Ablesewert mit hoher Genauigkeit, z. B. mit einem nominellen Fehler von ± 1/4 P, erhalten werden. Wenn der zu verwendende Bildsensor 9 eine ausreichende Zahl von Bits (die Zahl der Elemente) und eine ausreichende Auflösung besitzt, kann der Bereich der Lesezeile des Bildsensors 9 in eine erste und zweite Hälfte geteilt werden, so daß die Barcodes 2A und 2B in den Systemen A und B jeweils durch die geteilten Bereiche gelesen werden.
• Teile der Barcodes 2A und 2B überschneiden sich vorzugsweise in der Längsrichtung der Meßlatte 1. Insbesondere wird, wie in Fig. 8 gezeigt, wenn die Balkenlänge jedes Barcodes 2B in dem System B größer als 1/2 P gemacht wird und die Barcodes B die Barcodes A in dem System A in der Längsrichtung der Meßlatte 1 überlappen, die Ablesung nicht verhindert.
• Wie in einer Abwandlung in Fig. 9 gezeigt, können die Balkenlängen der Barcodes 2A und 2B dem Abstand P angenähert werden, um den überlappungsbereich jedes Barcodes zu vergrößern, um dadurch die Ablesegenauigkeit zu verbessern.
• Gemäß der Codeanordnung in Fig. 8 sind die Barcodes 2A' und 2B' jeweils so angeordnet, daß sie an den Barcodes 2A und 2B in den Systemen A und B anliegen. Die Barcodes 2A' und 2B' sind mit den Barcodes 2A bzw. 2B identisch. Diese Barcodes 2a' und 2B' können zur wahren Wertermittlung in der CPU 13 verwendet werden. Ein Ermittlungsalgorithmus kann z. B. so programmiert werden, daß die Decodierungsverarbeitung nur ausgeführt wird, wenn die Bits der Codes 2A und 2A' nach einem Vergleich übereinstimmen, während eine Fehlerverarbeitung ausgeführt wird, wenn eine Nichtübereinstimmung festgestellt wird. Wenn ein Fehler in einem der Prüfbits oder Prüfcodes (Parität oder Prüfsumme, CRC oder dergleichen) der Barcodes 2A und 2A' ermittelt wird, kann der andere Code gelesen werden.
• Wie Fig. 10 zeigt, kann die Zahl der versetzten Code-Arrays auf drei oder mehr erhöht werden. Im Fall von drei Arrays (2A bis 2C) in Fig. 10 wird der nominelle Fehler 1/3 des Abstands P eines Systems.
• Fig. 11 zeigt eine Beziehung zwischen einer abbildenden Oberfläche, einer Barcodeabbildung und einem Bildsignalausgang, wenn ein CCD-Zeilensensor als Bildsensor 9 benutzt wird. Fig. 12 ist eine schematische Darstellung eines optischen Lesesystems.
• Der CCD-Zeilensensor besitzt eine Anordnung lichtempfangender Elemente 30. Wenn die schmalen und breiten Balken 2a und 2b auf der abbildenden Oberfläche des CCD-Zeilensensors abgebildet werden, kann ein serielles Codeimpulssignal Sp, das den Abbildungen entspricht, gelesen werden. Gemäß dem Abtasttheorem kann ein Code auf der Basis des Impulssignals Sp gelesen werden, wenn mindestens zwei der lichtempfangenden Elemente 30 In der Breite der Abbildung des schmalen Balkens 2a oder des Zwischenraums 2c eingeschlossen sind.
• Um die Auflösung und die Zahl der Bits des CCD-Zeilensensors festzulegen, müssen die Vergrößerung und die Verkleinerung entsprechend den Abstandsänderungen zwischen der Meßlatte 1 und dem Nivellier 3 betrachtet werden. Hinsichtlich dieses Punkts kann angenommen werden, daß eine Abbildung auf einer abbildenden Oberfläche umgekehrt proportional zu der Entfernung wie folgt verkleinert wird. Wenn, wie in Fig. 12 gezeigt, das optische Lesesystem durch ein Objektivlinsensystem 4, ein Vergrößerungslinsensystem 8 und einen Bildsensor 9 gebildet wird, sei angenommen, daß die Brennweite des Objektivlinsensystems 4 , die Entfernung zu dem Barcode 2 auf der Meßlatte 1 A und der Abstand zu einem abbildenden Punkt B ist,
• 1/A + 1/B = 1/f, B = (A·f)/(A-f).
• Dann ist eine Vergrößerung u gegeben als u = B/A = (B-f)/f. Bei dem Nivellier zur Messung einer Höhendifferenz fällt die Entfernung A zu der Meßlatte in den Bereich von 2 m bis 100 m. Wenn ein Objektivlinsensystem mit f = 100 mm benutzt wird, wenn A 100 m ist, ist B etwa 0.1001 m, und die Vergrößerung wird 0.001001. Wenn der Barcode 2 mit einer seitlichen Breite (die gesamte Länge des Barcodes) von 20 mm zu betrachten ist, beträgt daher die Größe des durch das Objektivlinsensystem 4 erhaltenen Bilds etwa 0.02002 mm (20 um).
• Wenn A der kleinsten Entfernung von 2 m entspricht, wird die Größe der Abbildung nach der gleichen Berechnung 1.05263 mm. Das heißt, die Größe einer Abbildung wird im Verhältnis von etwa 1 : 50 bei einer Änderung des Abstands zu der Meßlatte 1 von 100 m auf 2 m verändert.
• Es sei angenommen, daß die Zahl der Module (die Summe der Barcodes, wenn der schmale Balken 2a, der breite Balken 2b und der Zwischenraumbalken 2c jeweils auf eins, zwei bis drei und eins gesetzt werden) der Barcodes 2 50 beträgt. Dann muß der Bildsensor 9 eine Auflösung zum Erhalten eines Impulscodesignals haben, die den 50 Modulen entspricht. Die Zahl der in dem CCD benötigten Elemente, um eine erforderliche Auflösung zu erzielen, wenn A = 100 m ist, beträgt unter Berücksichtigung des Nyquistintervalls das Doppelte der Gesamtzahl der Module, d. h. 100 Bits. Wenn der Abstand zwischen den lichtempfangenden Elementen 30 in dem in Fig. 11 gezeigten CCD 10 um beträgt, muß die Größe einer Barcodeabbildung, die 100 Bits entspricht, etwa 1 mm betragen. Wenn die Vergrößerung des Vergrößerungslinsensystems 8 in Fig. 12 auf 50 eingestellt ist, beträgt daher die Gesamtbreite eines Barcodes auf der abbildenden Oberfläche etwa 1 mm, und die insgesamt 50 Module können durch etwa 100 Bits gelesen werden, wodurch die erforderliche Auflösung erreicht wird.
• Wenn, wie oben beschrieben, A = 2 ist, wird die Größe einer Abbildung 50mal vergrößert. Daher werden 5,000 (100 Bits · 500) Bits als Gesamtzahl von Elementen in dem CCD benötigt. In diesem Fall beträgt die Größe des Bilds auf der abbildenden Oberfläche etwa 50 mm.
• Wenn die Vergrößerung des Fernrohrs und die Gesamtzahl der Bits in dem Bildsensor 9 erhöht werden, kann eine Messung des Höhenunterschieds in einer Entfernung von etwa 200 m durchgeführt werden. Über diese Entfernung hinaus wird das Lesen des Barcodes wegen der Lichtwellenlänge und der Szintillation schwierig.
• Unter Ausnutzung der Tatsache, daß die Größe einer Abbildung auf der lichtempfangenden Oberfläche des Bildsensors 9 umgekehrt proportional zu der Entfernung zu der Meßlatte verändert wird, kann eine ungefähre Entfernung von dem Nivellier 3 zu der Meßlatte 1 durch die CPU 13 berechnet und angezeigt werden. Im besonderen berechnet die CPU 13 die seitliche Breite einer Barcodeabbildung aus einer Taktzählung auf der Basis einer Codeimpulssignaleingabe von der Impulsformungsschaltung 12. In dem obigen Beispiel wird die Größe eines Bilds auf der abbildenden Oberfläche von 50 mm auf 1 mm bei einer Entfernungsänderung von 2 m auf 100 m verändert. Wenn die CPU 13 eine umgekehrt proportionale Berechnung einer bekannten Konstanten mit diesen Beziehungen und einem Meßwert der Breite eines Bilds ausführt, kann daher ein ungefährer Meßwert erhalten werden. Dieser Meßwert wird auf der in Fig. 3 und 4 gezeigten Anzeigeeinheit 14 dargestellt.
• Eine Abbildungsvergrößerung im Bereich von 2 m bis 100 m in bezug auf eine Standardentfernung (z. B. 50 m) kann auf der Basis des Meßwerts der Bildbreite berechnet werden. Diese Abbildungsvergrößerung kann als Normalisierungskoeffizient in bezug auf jede gemessene Impulsbreite in einem Unterscheidungsalgorithmus für die schmalen und breiten Balken 2a und 2b beim Lesen des Codes benutzt werden. Insbesondere, wenn ein Digitalwert einer Impulsbreite, die einem schmalen oder breiten Balken entspricht, durch einen Normalisierungsvorgang erhalten wird, und dann ein Unterscheidungsalgorithmus zum Vergleichen der Größe ausgeführt wird, wird das Programm weiter vereinfacht und die Unterscheidungsgenauigkeit verbessert.
• Da bei der Messung eines Höhenunterschieds die Meßlatte an zwei Punkten aufgestellt und eine Differenz zwischen den abgelesenen Höhenwerten als ein Höhenunterschied erhalten wird, kann diese Messung mit dem Nivellier in der oben beschriebenen Ausführung automatisiert werden. Insbesondere werden nach dem Ablesen des Barcodes 2 auf der Meßlatte 1 die Höhenwerte L1 und L2 bei den zwei Punkten jeweils in dem in Fig. 3 gezeigten Speicher 16 gespeichert, so daß eine Differenz zwischen den Werten durch die CPU 13 berechnet und auf der Anzeigeeinheit 14 als ein Höhenwert angezeigt werden kann.
• Bei der oben beschriebenen Ausführung bestimmt ein Vermesser einen Fokussierzustand, indem der durch das Okular 6c in dem Nivellier 3 schaut. Da sich jedoch ein Brennpunkt mit den Vermessern ändert, kann ein automatisches Fokussierungssystem verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Fokussierungslinsenmotor und dessen Regelschaltung hinzugefügt werden. Der Fokussierungslinsenmotor führt einen Regelvorgang aus, um den differentiellen Pegel eines Bildausgangs von dem Bildsensor 9 zu maximieren.
• Das Nivellier 3 in der obigen Ausführung ist ein sogenanntes automatisches Nivellier mit einem automatischen Horizontal-Korrektursystem. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auf ein Typ Y Nivellier mit manueller Horizontaleinstellung, das eine Wasserwaage oder eine Kippregel verwendet, angewandt werden.
• Außerdem werden bei der Ausführung die Barcodes als Höheneinteilungen verwendet. Jedoch kann ein Codesystem mit quadratischen Segmenten benutzt werden. Ferner können Höhenzahlen und Höheneinteilungen in Einheiten von Ziffern, die an einer normalen Meßlatte angebracht sind, gemeinsam verwendet werden.

Claims (12)

1. Nivellier zur Messung von Höhenunterschieden, umfassend: ein Fernrohr mit Nivelliereinrichtung (5) zum Nivellieren des Fernrohrs und einem optischen System einschließlich eines Bildsensors (9), wobei der Sensor (9) eine lineare Bildabtastzeile (39) aufweist, die gerichtet ist, um im Betrieb ein Abbild einer von einer Gruppe codierter Höhenmarkierungen (2) zu lesen, die in Einheitsabständen zur digitalen Höhenanzeige auf einer Nivellierlatte (1) angebracht sind, eine Decodiereinrichtung (13), verbunden mit dem Ausgang des Bildsensors (9), zum Decodieren der abgebildeten Markierung, um ein digitales Höhensignal zu bilden, eine Glasscheibe (21) vor der Objektivlinse des Fernrohrs und mit parallelen Flächen und einer Neigungseinrichtung (22-26) zum Neigen der Glasscheibe (21) um eine horizontale Achse (21a) und senkrecht zur optischen Achse des Fernrohrs, zum Vertikalausgleich der optischen Achse, eine Einrichtung (27) zum Ermitteln des Neigungswinkels der Glasscheibe (21), einer Vertikalkanten- Ermittlungseinrichtung zum Erfassen mindestens einer vertikalen Kante der Markierung entsprechend dem Ausgang des Bildsensors (9) und einen Interpolator zum Berechnen eines interpolierten Höhenwerts entsprechend dem Ausgangssignal von der Decodiereinrichtung und einem Winkelwert von der Winkelermittlungseinrichtung (27), der bei einer geneigten Stellung erhalten wird, wo die Kantenermittlungseinrichtung einen Zustand ermittelt, bei dem die optische Achse des Fernrohrs mit einer der vertikalen Kanten der Markierungen eine Linie bildet.

2. Nivellier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelermittlungseinrichtung einen Drehcodierer (27) umfaßt, der mit der Neigungseinrichtung für die Glasscheibe (21) verbunden ist.

3. Nivellier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelermittlungseinrichtung einen Schrittmotor, der mit der Neigungseinrichtung gekoppelt ist, um die Glasscheibe zu neigen, und einen Impulszähler umfaßt der die Ansteuerimpulse des Schrittmotors zählt, um Neigungswinkeldaten zu erzeugen.

4. Nivellier nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor (9) eine Reihe lichtempfangender Elemente (30) umfaßt, die in einer Richtung verläuft, die im Betrieb mit den Abbildern der Markierungen (in einer Querrichtung einer Nivellierlatte) ausgerichtet ist, und eine ausreichende Auflösung zum Lesen des kleinsten Abbilds der Markierungen bei einem maximalen Abstand innerhalb eines vorgegebenen meßbaren Bereichs zwischen dem Nivellier und einer Nivellierlatte hat, und eine Länge der lichtempfangenden Elementreihe (oder die Zahl der Elemente) ausreichend ist, um dem Bildsensor zu erlauben, die größte Abbildung der Markierungen bei dem minimalen Abstand innerhalb des meßbaren Bereichs zu lesen.

5. Nivellier nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter gekennzeichnet durch Einrichtung zum Ermitteln einer Länge einer Abbildung auf der Sensoroberfläche (9) auf der Basis eines Ausgangs von dem Bildsensor, Einrichtung zum Berechnen eines horizontalen Abstands zwischen dem Nivellier und einer Nivellierlatte auf der Basis der Länge einer Markierung auf der Nivellierlatte entsprechend der seiner Abbildung und der Vergrößerung des Fernrohrs von der Objektivlinse zu der Sensoroberfläche sowie Einrichtung zum Anzeigen des berechneten Horizontalabstands.

6. Nivellier nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Anzeigeeinrichtung (14) zur digitalen Anzeige von Höhenwerten.

7. Nivellier nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System des Fernrohrs ein Okular (6c) zum Ausrichten der optischen Achse desselben mit der Nivellierlatte und einen Strahlteiler (7) zum Teilen einfallender Strahlen zwischen dem Okular (6c) und dem Bildsensor (9) umfaßt.

8. Nivellier nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nivelliereinrichtung ein automatisches optisches Nivelliersystem ist, das einen Pendelspiegel (5c,5d), ein erstes festes Prisma (5a) zum Richten einfallender Strahlen auf eine reflektierende Oberfläche des Pendelspiegels (5c) und ein zweites festes Prisma (5b) zum Richten von dem Spiegel (5c) reflektierter Strahlen auf den Bildsensor (9) umfaßt.

9. Nivellierlatte (1) zur Verwendung bei der Messung von Höhenunterschieden, wobei die Latte Einteilungen mit gleichmäßigen Einheitsabständen von einem Ende der Nivellierlatte trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einteilungen durch die vertikalen Kanten der Zeichenmuster der Markierungen (2) bestimmt werden und jede Einteilung eine codierte Höhenmarkierung (2) umfaßt.

10. Nivellierlatte nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Markierungen einen Höhencode (22) und einen Identifizierungscode (21) umfaßt, der sich im digitalen Bitmuster von störenden Umgebungsbildern unterscheidet, wenn die Markierung von einem Bildsensor aufgenommen und anschließend decodiert wird.

11. Nivellierlatte nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Markierungen (2) eine Barcode-Markierung ist, die quer zu der Latte verläuft und Zeichen und Zwischenräume umfaßt, die jeweils in Längsrichtung der Latte verlaufen.

12. Einrichtung zum Messen von Höhenunterschieden, die ein Nivellier nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und eine Latte nach einem der Ansprüche 9 bis 11 umfaßt.