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Dokumentenidentifikation DE69320708T3 28.07.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0000576004
Titel Elektronisches Höhenmessgerät mit Höhenmesslatte
Anmelder Kabushiki Kaisha Topcon, Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Kumagai, Kaoru, Tokyo 174, JP;
Kawashima, Shinji, Tokyo 174, JP;
Furuya, Kiichi, Tokyo 174, JP;
Ohtomo, Fumio, Tokyo, 174, JP
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Bardehle, Pagenberg, Dost, Altenburg, Geissler, 81679 München
DE-Aktenzeichen 69320708
Vertragsstaaten CH, DE, LI, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 24.06.1993
EP-Aktenzeichen 931101018
EP-Offenlegungsdatum 29.12.1993
EP date of grant 02.09.1998
EPO date of publication of amended patent 13.10.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.07.2005
IPC-Hauptklasse G01C 15/06
IPC-Nebenklasse G01D 5/249   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Höhenmeßgerät und eine Höhenmeßlatte, die mit ersterem verwendet wird, und insbesondere auf ein elektronisches Höhenmeßgerät und eine zugehörige Höhenmeßlatte, die betätigt werden, um das Bild von Skalenmustern auf der Höhenmeßlatte mit einem photoelektrischen Meßaufnehmer in ein elektrisches Signal umzuwandeln und die Fourier-Transformation für das Signal durchzuführen, wodurch die Fokussiersteuerung und Abnormalitätserfassung durchgeführt werden.

Für die direkte Messung des Höhenverlaufs und dergleichen ist bisher gewöhnlich ein Satz bestehend aus dem Höhenmeßinstrument und dem Höhenmeßstab verwendet worden. Der Geometer visiert also die Skala auf der Höhenmeßlatte durch das Höhenmeßinstrument an und mißt den Höhenunterschied. Dieses traditionelle Höhenmeßschema schließt aber den durch den Geometer verursachten Ablesefehler ein. Mit der Absicht, den Lesemeßfehler des Geometers auszuschließen, ist ein elektronisches Höhenmeßgerät (das hier einfach als „elektronisches Nivellier" bezeichnet wird), das die Skala auf der Höhenmeßlatte elektronisch mißt, entwickelt worden. Dieses elektronische Höhenmeßsystem ist so gestaltet, daß von der Höhenmeßlatte ein optisches Signal ausgesandt wird und das optische Signal am Höhenmeßgerät empfangen und die Skala der Höhenmeßlatte abgelesen wird.

Obgleich es möglich ist, die neueste fortgeschrittene Bildverarbeitungstechnologie auf das elektronische Ablesen der Skala der Höhenmeßlatte anzuwenden, die bezüglich ihrer Vergrößerung von der Entfernung abhängt, nimmt die Verarbeitung für das Skalenmusterbild eine übermäßig lange Zeit in Anspruch, so daß es derselben an praktischer Eignung fehlt.

Bei der Befassung mit dieser Situation sind Nivelliere auf der Basis der ersten und der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entwickelt worden, die die Skala des höchsten Meßstabes elektronisch durch eine einfache Signalverarbeitung lesen können, selbst wenn die Vergrößerung der Skala in Abhängigkeit von der Entfernung variiert. Diese elektronischen Nivelliere sind betrieblich in der Lage, den Höhenunterschied automatisch zu berechnen, nachdem das Skalenmusterbild durch die manuelle Betätigung in einen fokussierten Zustand gebracht worden ist. Die automatische Fokussierungstechnik, die allgemein auf der Triangulation beruht, ist seit kurzem dabei, vorherrchend zu werden. Allerdings benötigt die automatische Fokussierungssteuerung auf der Basis der Triangulation ihre eigene Steuereinheit, was zu gesteigerten Herstellungskosten führt.

Darüber hinaus sind die oben erwähnten elektronischen Nivelliere, die auf der manuellen Fokussieroperation beruhen, aufgrund des ungenauen Visierens oder ungenauen Fokussierens der Skala der Höhenmeßlatte mit dem Problem der fehlerhaften Messung behaftet.

Die Druckschrift US-A-4,715,714 offenbart eine Meßvorrichtung die benutzt wird, um die relative Position zwischen einem ersten Objekt und einem zweiten Objekt oder dem Bild derselben zu bestimmen. Das erste Objekt weist einen Codeträger auf, der entlang eines Pfades angeordnet ist. Der Codeträger ist mit einem rechtwinklig zum Pfad angeordnetem Muster versehen. Das zweite Objekt weist einen Codeleser auf, der auf den Codepfad gerichtet ist. Ein Computer ist stromabwärts des Codelesers angeschlossen und besitzt Mittel zum Quantifizieren des durch den Codeleser gelieferten Signals und zum Vergleichen desselben mit dem gespeicherten Codebild des Codeträgers. Diese Meßvorrichtung mißt die Skala der Latte vollelektronisch durch Bilden von irregulären Mustern auf der Latte entlang der Länge der Meßrichtung und durch Bildverarbeitung der irregulären Muster der Latte, wobei die Vergrößerung derselben in Abhängigkeit von der Entfernung geändert wird. Allerdings ist die benötigte Verarbeitungszeit relativ lang.

Die Druckschrift EP-A-0 290 140 offenbart eine Ausrüstung zum Messen von Höhenunterschieden. Die Ausrüstung benutzt eine Höhenmeßlatte und ein Höhenmeßgerät. Die Höhenmeßlatte trägt Unterteilungsmarken, die durch kodierte beabstandete Marken an Einheitshöhen gebildet sind, wodurch diese Marken mit einer konstanten Teilung angeordnet sind. Um jede Markierung zu unterscheiden, sind die Marken senkrecht zur Längenmeßrichtung angeordnet. In diesem System sind Strichcodes erforderlich, um jede mit einem vorbestimmten Zwischenabstand angeordnete Marke zu unterscheiden. Das Skalenmuster besitzt eine relativ komplizierte Struktur. Was weiter die longitudinale Richtung anbetrifft, gibt es nur Markierungen mit einer konstanten Teilung. Daher ist das Ablesen zwischen den Markierungen nicht in allen Fällen möglich.

Im Hinblick auf diesen Stand der Technik ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Meßlatte und elektrisches Höhenmeßgerät zu schaffen, die für eine einfache Signalverarbeitung befähigt sind.

Dieses Ziel wird durch eine Höhenmeßlatte und ein elektrisches Gerät erreicht, wie in Anspruch 1 und 5 definiert. Weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Blockdiagramm, das das elektronische Nivellier 1 auf der Basis der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

2(a) und 2(b) sind Diagramme zur Erläuterung der Höhenmeßlatte 2, die mit dem in 1 dargestellten elektronischen Nivellier benutzt wird;

3 ist eine perspektivische Ansicht des elektronischen Nivelliers 1, basierend auf der ersten Ausführungsform der Erfindung;

4 ist ein Diagramm, das das Leistungsspektrum des Ausgangssignals der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

5 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips der Entfernungsmessung auf der Basis der ersten Ausführungsform der Erfindung;

6, 7 und 8 sind Diagramme die benutzt werden, um das Prinzip der Messung großer Entfernungen auf der Basis der ersten Ausführungsform der Erfindung zu erläutern;

9 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips der Messung kleiner Entfernungen auf der Basis der ersten Ausführungsform der Erfindung;

10 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung der Rechenmittel 16 auf der Basis der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;

11 ist ein Flußdiagramm das benutzt wird, um die Betriebsweise der ersten Ausführungsform der Erfindung zu erläutern;

12 ist ein Diagramm, das das Skalenmuster auf der Höhenmeßlatte, basierend auf der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, zeigt;

13 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung des elektronischen Nivelliers 1 auf der Basis der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

14 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung der Rechenmittel 16, basierend auf der dritten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;

15 ist ein Flußdiagramm, das die Fokussierungssteuerung auf der Basis der dritten Ausführungsform der Erfindung darstellt;

16 ist ein Flußdiagramm, das die Fokussierungssteuerung auf der Basis einer Variante der dritten Ausführungsform der Erfindung darstellt;

17 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung des elektronischen Nivelliers 1 auf der Basis der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und

18 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung der Rechenmittel 16 auf der Basis der vierten Ausführungsform der Erfindung darstellt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Ausführungsformen dieser Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

Erste Ausführungsform

Das Höhenmeßsystem dieser Ausführungsform besteht aus einem Nivellier 1 und einer Höhenmeßlatte 2, wie in den 1 bis 3 dargestellt ist. Das elektronische Nivellier 1 ist auf einem Vernier-Abschnitt 100 montiert, wie in 3 dargestellt. Er besteht aus einem optischen System, das einen Objektivlinsenabschnitt 11, einen Kompensator 12, einen Strahlteiler 13, einen Okularabschnitt 14, einen linearen Sensor 15 und eine Recheneinrichtung 16 umfaßt, wie in 1 dargestellt.

Der Objektivlinsenabschnitt 11 erzeugt das Bild des Skalenmusters der Höhenmeßlatte 2. Der Kompensator 12 ist ein automatisch arbeitender Mechanismus zum Waagerechthalten der Visierlinie, wodurch eine gewisse Neigung der optischen Achse des elektronischen Nivelliers 1 ausgeglichen wird. Der Strahlteiler 13 spaltet den einfallenden Lichtstrahl in zwei Richtungen zum Okularabschnitt 14 und zum linearen Sensor 15 hin. Der Okularabschnitt 14 wird durch den Geometer benutzt, um die Skala auf der Höhenmeßlatte 2 anzuvisieren. Der lineare Sensor 15 ist ein Musterdetektor, der das durch den Objektivlinsenabschnitt gebildete Skalenmusterbild in ein elektrisches Signal umwandelt. Der lineare Sensor 15, der bei dieser Ausführungsform ein linearer CCD-Sensor ist, kann irgendein optischer Sensor sein, der ein Array von Fotodioden von mindestens einer einzelnen Dimension aufweist.

Die Recheneinrichtung 16 besteht aus einem Verstärker 161, einer Abtast- und Halteschaltung 162, einem A/D-Umsetzer 163, einem RAM 164, einem Takttreiber 165, einem Mikrocomputer 166 und einem Sichtanzeigeabschnitt 167.

Die Höhenmeßlatte 2 weist eine zyklische, geradlinige Anordnung von Skalenmustern mit einer konstanten Teilung p auf, wobei jeder Musterblock aus einem ersten Muster A, einem zweiten Muster B und einem dritten Muster R besteht, wie in 2 dargestellt ist. Entsprechende Blöcke bestehend aus drei Mustern sind also kontinuierlich ausgebildet. Der ganz linke Musterblock ist als Block 0 definiert und umfaßt R(0), A(0) und B(0); der nächste Block ist Block 1 und umfaßt R(1), A(1), B(1); der nächste Block ist Block 2 und umfaßt R(2), A(2) und B(2); usw. Es wird ein Bezugssignal entsprechend der konstanten Musterteilung p erzeugt.

Die Musterteilung beträgt bei dieser Ausführungsform 10 mm, obgleich sie willkürlich gewählt werden kann. Das dritte Muster R hat eine konstante Breite von 8 mm für ihren schwarzen Abschnitt, während das erste Muster A eine Breite des schwarzen Abschnittes besitzt, die in einer zyklischen Periode von 600 mm moduliert ist, und das zweite Muster B hat eine Breite des schwarzen Abschnittes, die in einer zyklischen Periode von 570 mm moduliert ist. Das erste Muster A und das zweite Muster B können willkürliche periodische Breitenvariationen haben, die sich leicht voneinander unterschieden. Das ersten Muster A und das zweite Muster B sind in ihren Breiten moduliert bzw. nach Rastermaß entworfen, wie in 2(b) gezeigt ist.

Als nächstes soll das Meßprinzip des wie oben beschrieben angeordneten Höhenmeßsystems erläutert werden.

Zunächst wird die Messung der horizontalen Position der Höhenmeßlatte 2 erklärt. Da das erste Muster A in Bezug auf die Breite des schwarzen Abschnittes mit einer Periode von 600 mm moduliert ist, wird die Musterbreite DA für eine Modulationsbreite von 0–10 mm wie Folgt ausgedrückt: DA = 5 × (1 + sin(2 × &pgr; × X/600 – &pgr;/2))(1) wobei X den Wert 10 mm, 40 mm, 70 mm, usw. annimmt.

Ähnlich wird die Musterbreite DB des zweiten Musters B, das mit einer Periode von 570 mm moduliert ist, wie folgt ausgedrückt: DB = 5 × (1 + sin(2 × &pgr; × X/570 + &pgr;/2))(2) wobei X die Werte 20 nun, 50 mm, 80 mm, usw. annimmt.

Das erste und das zweite Muster werden mit verschobenen Phasen von ±&pgr;/2 in der Absicht moduliert, die Trennung der sich aus diesen Mustern ergebenden Signale zu vereinfachen.

Da das erste Muster A und das zweite Muster B leicht unterschiedliche Perioden haben, erscheint dasselbe Muster in einem Abstand, der das kleinste gemeinsame Vielfache der Perioden ist, d. h. in einem Abstand von 11400 mm, was bei dieser Ausführungsform das kleinste gemeinsame Vielfache von 600 mm und 570 mm ist. Dementsprechend weisen die aus den ersten und zweiten Mustern erzeugten Signale Phasenverschiebungen auf, die über den Bereich von 0–11400 mm zwischen 0 und 2&pgr; variieren.

Was die Signale des ersten und des zweiten Musters mit jeweils entsprechenden Phasen ϕA und ϕB, anbetrifft, wird die horizontale Position H der Höhenmeßlatte 2 wie folgt ausgedrückt: H = 11400 × ((ϕB – ϕA – &pgr;)/(2&pgr;)) mm(3)

Als nächstes wird die Berechnung des Abstandes des elektronischen Nivelliers 1 und der Höhenmeßlatte 2 erläutert.

Das elektronische Nivellier 1 liest die Skala auf der Höhenmeßlatte 2, und das resultierende Signal wird der Fourier-Transformation unterzogen. Wie in dem Leistungssprektrumsdiagramm der 4 dargestellt, werden die Signalkomponenten in eine Frequenzkomponente des Referenzsignals entsprechend der Musterteilung p, in eine Frequenzkomponente des ersten Musters A, eine Frequenzkomponente des zweiten Musters B und eine Frequenzkomponente (die eine dreimal so große Periode wie die des Referenzsignals besitzt) eines Satzes (Block) des dritten Musters R, des ersten Musters A und des Musters B getrennt. Diese Spektralfrequenzen bewegen sich in dem Maße nach unten, wie sich der Abstand zwischen dem elektronischen Nivelier 1 und der Höhenmeßlatte 2 verringert. Unter allen Signalkomponenten hat das Referenzsignal die kleinste Periode (sie entspricht der konstanten Musterteilung p).

Da die Musterteilung p fixiert ist, kann der Abstand zwischen dem elektronischen Nivelier 1 und der Höhenmeßlatte 2 auf der Basis der Linsenfokusformel berechnet werden.

Wie in 5 gezeigt ist, erzeugt die Linse nämlich eine Bildweite w für die Musterteilung p, und der Abstand L zwischen der Bodenhöhe 1 und der Latte 2 wird aus dem Abstand d zwischen der Linse und dem Bild wie folgt berechnet: L = d(p/w)

Da d annähernd gleich dem Fokusabstand f der Linse ist, gilt: L = d(p/w) ≅ f(p/w)

Bei Verwendung des linearen Sensors 15 mit einer Pixellänge von C und einer Ausgabewellenlänge von k entsprechend der Musterteilung p wird die durch die Linse erzeugte Bildlänge w ausgedrückt durch w = Ck. Dementsprechend wird der Abstand L zwischen der Bodenhöhe 1 und der Latte 2 annähernd wie folgt berechnet: L = ((f/C × k)) × (p)(4)

Als nächstes wird das Prinzip der Höhenmessung erläutert.

Der erste Fall ist die Höhenmessung auf lange Distanz. Die Fourier-Transformation für das Ausgabesignal des linearen Sensors 15 erzeugt ein Signal, das die Musterteilung p reflektiert, wie in 6 dargestellt. Für eine Phase &thgr;, die sich aus der schnellen Fourier-Transformation ergibt, und für eine Phase &thgr;m in derjenigen Position des linearen Sensors 13 (das m-te Bit), die der horizontalen Position entspricht, kann die horizontale Position H1 innerhalb der Teilung p genau wie folgt berechnet werden (Feinmessung): H1 = (&thgr;m/360°) × p(5)

Um die horizontale Position zu messen, ist es erforderlich, die angenäherte Position der Teilung p zu erhalten, die von der Musteranfangsposition auf der Höhenmeßlatte 2 gezählt wird. Anfänglich wird das Ausgangssignal des linearen Sensors 15 für die Teilungen der vorderen und hinteren Hälfte des Referenzsignals (es entspricht der Musterteilung p) integriert. Die Entnahme des integrierten Wertes bei jedem dritten Impuls (Produktdetektion) erzeugt ein Signal 1 für das erste Muster A, ein Signal 2 für das zweite Muster B und ein Signal 3 für das dritte Muster R, wie in 7 dargestellt. Das dritte Muster R von 8 mm wird nicht moduliert, während das erste Muster A und das zweite Muster B in einer Tiefe von 10 mm moduliert werden, und daher hat das dritte Mustersignal 3, das einen virtuellen konstanten integrierten Wert aufweist, ein Niveau von etwa 80% in Bezug auf die Signale 1 und 2.

Da das dritte Muster R, das erste Muster A und das zweite Muster B in einer vorbestimmten Reihenfolge zyklisch plaziert sind, kann jedes entnommene Signal unter den Mustern identifiziert werden. Um den Einfluß von optischen Störungen, wie etwa das Schattieren, zu beseitigen, können Differenzsignale A-R und B-R auf der Basis des Signals des dritten Musters R erzeugt werden, wie in 8 dargestellt.

Anschließend ist es durch Wählen eines Satzes von Signalen R, A-R und B-R einschließlich des Referenzsignals, das die Bitposition (m-tes Bit) auf dem linearen Sensor 15 entsprechend der horizontalen Position enthält, und durch Bewerten der Phasen der Signale A-R und B-R möglich zu bestimmen, an welcher Position der Höhenmeßlatte 2 die Kombination des ersten Musters A, des zweiten Musters B und des dritten Musters R abgeleitet ist.

Was das A-R-Signal des Niveaus Am mit einer Halbspitzenamplitude Wa und das B-R-Signal des Niveaus Bm mit einer Halbspitzenamplitude Wb anbetrifft, ergeben sich die Phasen dieser Signale A-R und B-R wie folgt: ϕ&agr; = sin–1(Am/Wa)(6) ϕb = sin–1(Bm/Wb) – 2 × &pgr;(10/570)(7)

Der Grund für den zweiten Term der Formel (7) besteht darin, daß die Position des Signals für das zweite Muster B eine Verschiebung von 10 mm gegenüber dem ersten Muster A aufweist.

Durch Einsetzen der Formeln (6) und (7) in die Formel (3) kann die horizontale Position auf der Höhenmeßlatte 2 für das Signal des ersten Musters A berechnet werden. Im Falle, daß das Bezugssignal, welches die horizontale Position enthält, zum dritten Muster R gehört, werden 10 mm von der berechneten horizontalen Position subtrahiert; oder im Falle, daß es zu dem zweiten Muster B gehört, werden 10 mm zu der berechneten horizontalen Position hinzuaddiert. Als Ergebnis wird das angenäherte Niveau H2 der horizontalen Position erhalten (Grobmessung).

Zusammengefaßt wird das Niveau H durch: Bewerten der Phase des Bezugssignals an der horizontalen Position gemessen (Feinmessung), Bestimmen der Position des Bezugssignals für die horizontale Position in Bezug auf die Musterstartposition auf der Höhenmeßlatte 2, basierend auf der Phasendifferenz zwischen dem ersten Muster A und dem zweiten Muster B (Grobmessung); und Verschmelzen des Feinmeßergebnisses H1 und des Grobmeßergebnisses H2.

Als nächstes wird der Fall der Messung bei kurzer Distanz erläutert. In diesem Falle werden klare Bilder des ersten Musters A, des zweiten Musters B und des dritten Musters R erzeugt, und daher wird eine genauere Höhenmessung durch die direkte Messung der Signalamplitude erwartet, statt der Produktbildungserfassung im Anschluß an die Fourier-Transformation, wie es bei der Messung auf große Distanz der Fall ist.

Zu Beginn wird also das Ausgangssignal des linearen Sensors 15 differenziert, um dadurch die ansteigenden Flanken und die abfallenden Flanken des Signals zu erfassen, wie in 9 dargestellt. Die Breite des schwarzen Abschnittes jedes Musters kann aus den Flanken des Signals abgeschätzt werden. Als nächstes wird die Position des zentralen Bits jedes schwarzen Abschnittes bestimmt. Ein Signal, das das Bitintervall darstellt, wird zum Referenzsignal, das die konstante Teilung p des ersten Musters A, des zweiten Musters B und des dritten Musters R wiedergibt.

Da die Periode des Differenzsignals einer Distanz von 10 mm auf der Höhenmeßlatte 2 entspricht, ergeben sich die Positionen der Referenzsignale Nf (Nf-tes Bit) und Nb (Nb-tes Bit) vor und hinter der Bitposition (m-tes Bit) für die horizontale Position (Feinmessung) gemäß folgender Formel: H1 = ((m – Nf)/(Nb – Nf)) × 10(8)

Was die in einer Anzahl von n vorliegenden Bezugssignale zwischen der Startposition Ns und der Endposition Ne anbetrifft, wird das Durchschnittsintervall k des Bezugssignals berechnet durch: k = (Ne – Ns)n

Durch Einsetzen des sich ergebenden Wertes von k in dem Ausdruck (4) kann die angenäherte Distanz zwischen dem elektronischen Nivellier 1 und der Höhenmeßlatte 2 erhalten werden.

Durch Entnehmen jedes dritten schwarzen Abschnittes von Anfang an und Berücksichtigen des dritten Musters R, das in der ordnungsgemäßen Reihung des dritten Musters R, des ersten Musters A und des zweiten Musters B konstante Breite besitzt, kann die Entsprechung zwischen den entnommenen Abschnitten und den Mustern R, A und B bestimmt werden.

Anschließend wird die Bestimmung in Bezug auf die Frage durchgeführt, zu welchem Muster unter R, A und B und zu welchem Musterblock das Referenzsignal gehört, das die Bitposition (m-tes Bit) des linearen Sensors 15 für die Horizontalposition umfaßt, beispielsweise der n-te Block im Falle von R(n), A(n) und B(n).

Durch Einsetzen von DA = 5*(1 + SIN(2*&pgr;*Xa/600 – &pgr;/2)) Xa = 30 × n + 10 in die Formel (1) für DA, kann der Wert von n aus DA wie folgt berechnet werden: n = (10/&pgr;) × (ϕa+ (&pgr;/2)) – (1/3)(9) ϕ&agr; = sin–1((DA/5) – 1)

Einer der beiden Werte von ϕa, der zwischen 0 und 2&pgr; besteht, wird aufgrund der Bedingung gewählt, daß n eine ganze Zahl ist. Dieser Musterblock, dem eine Blocknummer na erteilt wird, besteht bei einem Intervall von 600 mm (d. h. jeder 20-te Block) auf der Höhenmeßlatte 2, wobei n berechnet wird durch: n = 20 × d + na; wobei d die Werte 0, 1, 2, 3, usw. annimmt.

Die Breite DB des zweiten Musters B wird unter Benutzung des resultierenden Wertes von n berechnet.

Durch Einsetzen von X = 30 × n + 20 in die Formel (2) und Vergleichen von DB mit den obigen Berechnungsergebnissen von DB, wird die Blocknummer n, bei der beide DB-Werte übereinstimmen, erfaßt. Das angenäherte Niveau H2 (Grobmessung) wird in einem der folgenden drei Fälle in Abhängigkeit davon berechnet, zu welchem Muster, dem dritten R, dem ersten Muster A und dem zweiten Muster B, die bestimmten Werte von n und m gehören. Für das dritte Muster R: H2 = 30 × n

Für das erste Muster A: H2 = 30 × n + 10

Für das zweite Muster B: H2 = 30 × n + 20(10)

Durch Bestimmen auf der Basis einiger zusätzlicher Sätze von Mustern vor und hinter dem inhärenten Mustersatz kann der durch eine verschmutzte Skala verursachte Meßfehler minimiert werden.

Zusammenfassend gilt: Der Pegel H wird durch Erzeugen des Referenzsignals aus der Breite von schwarzen Abschnitten der Muster R, A und B sowie durch Bestimmen eines Referenzsignals für die der horizontalen Position entsprechenden Bitposition erhalten, um so ein Feinmeßresultat H1, ein Grobmeßresultat H2 auf der Basis der Phasendifferenz zwischen den Signalen des ersten Musters A und des zweiten Musters B zu erhalten, und anschließendes Verschmelzen des Feinmeßergebnisses H1 und des Grobmeßergenisses H2.

Wenngleich die soeben beschriebene Meßmethode dazu bestimmt ist, Signale des modulierten ersten Musters A und des zweiten Musters B auf der Basis des nicht modulierten dritten Musters R zu unterscheiden, ist die Messung auch ohne Benutzung des dritten Musters R möglich, falls das erste Muster A und das zweite Muster B auf der Basis eines anderen Systems identifiziert werden können, wie etwa die Erfassung der Wellenlänge der von beiden Mustern abgeleiteten Sensorausgangssignale.

Als nächstes werden die Einzelheiten der Rechenmittel 16 beschrieben, die im elektronischen Nivellier 1 enthalten sind. Gemäß 4 verstärkt der Verstärker 163 das vom linearen Sensor 15 erzeugte Signal, und die Abtast- und Halteschaltung 162 hält und tastet das verstärkte Signal als Antwort auf das Zeitablaufsignal ab, das durch den Taktgeber 165 geliefert wird. Der A/D-Umsetzer 163 wandelt das von der Abtast- und Halteschaltung 162 gehaltene Spannungssignal in digitale Daten um; der RAM 164 speichert die Daten; und der Mikrocomputer 166 führt verschiedene Rechenprozesse durch.

Nachfolgend werden die Funktionen des Mikrocomputers 166 unter Bezugnahme auf 10 erläutert. Die Recheneinrichtung 16 besteht aus einem Referenzsignalgenerator 1661, einem Mustersignalgenerataor 1662, einem Blockdetektor 1663 und einem Rechenteil 1664. Der Referenzsignalgenerator 1661 erzeugt ein Referenzsignal, das die Musterteilung p durch die schnelle Fourier-Transformation im Falle der Messung auf lange Distanz erzeugt, oder er erzeugt ein Referenzsignal aus der ansteigenden und der abfallenden Flanke des Ausgangssignals des linearen Sensors 15 durch die Differenzieroperation für das Signal im Falle der Messung auf kurze Distanz.

Der Mustersignalgenerator 1662 integriert die Ausgabe des linearen Sensors für die vordere und hintere Teilungshälfte des Bezugsignals und er entnimmt jeden dritten integrierten Wert (Produkterfassung), um so ein erstes Mustersignal und ein zweites Mustersignal im Falle der Messung auf lange Distanz zu erzeugen, oder das erste Mustersignal und das zweite Mustersignal direkt durch die Entnahmeoperation im Falle der Messung auf kurze Distanz zu erzeugen.

Der Blockdetektor 1663 vergleicht die Breite DA des ersten Musters A mit der Breite DB des zweiten Musters B, um so die Blockzahl im Falle der Messung auf kurze Distanz zu bestimmen.

Der Rechenteil 1664 berechnet die Höhendifferenz auf der Basis der Phasen des ersten Mustersignals und des zweiten Mustersignals in einer Position der Visierlinie im Falle der Messung auf lange Distanz, oder er berechnet die Höhendifferenz auf der Basis des identifizierten Blocks im Falle der Messung auf kurze Distanz.

Die Recheneinrichtung 16 hat auch eine Distanzmessungsfunktion und ist in der Lage, den angenäherten horizontalen Abstand zwischen dem elektronischen Nivellier 1 und der Höhenmeßlatte 2 durch die Berechnung des Ausdruckes (4) zu berechnen.

Der Sichtanzeigteil 167, der eine Flüssigkristalltafel sein kann, zeigt den durch den Rechenteil 1664 berechneten Höhenunterschied an. Das Rechenergebnis kann an eine externe Speichervorrichtung oder dergleichen geliefert werden.

Als nächstes wird die Betriebsweise der ersten, wie oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung im einzelnen auf der Basis des Flußdiagramms der 11 erläutert.

Im Schritt 1 wird. die Höhenmeßlatte 2 in der Meßposition plaziert, und das elektronische Nivellier 1 wird eingeschaltet, um die Messung zu beginnen. In Schritt 2 wandelt der lineare Sensor 15 das Bild des dritten Musters R, des ersten Musters A und des zweiten Musters B der Höhenmeßlatte 2, abgebildet durch den Objektivlinsenteil 11, in ein elektrisches Signal um. In Schritt 3 wird das vom linearen Sensor 15 erzeugte elektrische Signal der A/D-Umsetzung unterzogen, und die resultierenden digitalen Daten werden in Schritt 4 im RAM 164 gespeichert. In Schritt 5 wird das von dem lineraren Sensor 15 gelieferte elektrische Signal der schnellen Fourier-Transformation (FFT) unterzogen. Anstatt der FFT kann auch eine andere Spektralanalysetechnik, wie etwa das Verfahren der maximalen Entropie (MEM) oder dergleichen, benutzt werden.

In Schritt 6 wird. das Spektrum mit der höchsten Frequenz unter jenen als Bezugssignal gewählt, die in Schritt 5 erhalten wurden. In Schritt 7 wird der angenäherte Abstand zwischen dem elektronischen Nivellier 1 und der Höhenmeßlatte 2 auf der Basis der Formel (4) berechnet.

In Schritt 8 wird der Meßmodus, d. h. Messung auf kurze oder lange Distanz, aus dem in Schritt 1 erhaltenen Berechnungsergebnissen bestimmt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Abstand von 10 m oder darunter als kurze Distanz eingestuft, wenngleich sie willkürlich geändert werden kann.

Im Falle der Messung auf lange Distanz, die in Schritt 8 entschieden wird, geht die Abfolge der Schritte nach Schritt 9 über, in welchem das Ausgangssignal des linearen Sensors 15 über die halbe Teilungslänge vor und hinter dem Referenzsignal integriert wird. In Schritt 10 wird jeder dritte integrierte Wert entnommen (Produkterfassung), so daß das Signal 1 des ersten Muster A, das Signal 2 des zweiten Musters B und das Signal 3 des dritten Musters R getrennt werden. In Schritt 11 wird jedes Signal bestimmt, vom ersten Muster A, vom zweiten Muster B oder vom dritten Muster R zu stammen, basierend auf der Tatsache, daß das Signal 3 des dritten Musters R einen virtuell konstanten, integrierten Wert besitzt, der etwa 80% der Signale 1 und 2 beträgt, und daß diese drei Muster der Reihe nach auftreten. In Schritt 12 werden die Phasen ϕA und ϕB auf der Basis der Gleichungen (6) und (7) berechnet, und die Berechnungsergebnisse werden in die Formel (3) eingesetzt, um das grobe Niveau in Schritt 13 zu berechnen.

In Schritt 14 wird der Feinpegel H1 auf der Basis der Formel (5) berechnet und der Feinpegel H1 und der Grobpegel H2 werden verschmolzen, um in Schritt 15 das Niveau H zu. erhalten. Der Schritt 15 testet die Vollständigkeitsbedingung der Messung.

Im Falle der Messung auf kurze Distanz, die in Schritt 8 entschieden wird, geht die Schrittfolge nach Schritt 16 über, in welchem das Ausgangssignal des linearen Sensors 15 differenziert wird, um die ansteigende und die abfallende Flanke des Signals zu erfassen. Im nächsten Schritt 17 wird die Breite zwischen den Kanten des schwarzen Abschnittes gemessen, um die der Mitte des schwarzen Abschnittes entsprechende Bitposition zu bestimmen. In Schritt 18 wird das Referenzsignal, das die Musterteilung darstellt, aus dem Ergebnis des Schrittes 17 gebildet.

In Schritt 19 wird der Feinpegel H1 auf der Basis der Formel (8) berechnet und in Schritt 20 wird jede dritte Breite eines schwarzen Abschnittes entnommen und das dritte Muster R mit der konstanten Musterbreite wird erkannt. In Schritt 21 werden alle Muster, das dritte Muster R, das erste Muster A und das zweite Muster B auf der Basis der ordnungsgemäßen Aneinanderreihung der Muster bestimmt.

In Schritt 22 wird die Blockzahl des Bezugssignals für die horizontale Position auf der Basis der Formel (9) bestimmt, und der Grobpegel H2 wird in Schritt 23 auf der Basis der Formel (10) berechnet. In Schritt 15 werden der Feinpegel H1 und der Grobpegel H2 gemischt, um das Niveau H zu erhalten, und das Ende der Messung wird festgestellt. Im Falle der in Schritt 15 entschiedenen Beendigung geht die Sequenz nach Schritt 24 über, um die Operation zu beenden, oder aber die Sequenz kehrt nach Schritt 2 zurück.

In Schritt 12 wird die Höhendifferenz in Bezug auf die in Schritt 11 bestimmte Position berechnet, und das Ergebnis wird auf dem Sichtanzeigeteil 167 angezeigt. Der nachfolgende Schritt 13 bestimmt über die Beendigung der Messung. Im Falle der Beendigung der Messung geht die Sequenz nach Schritt 14 über, um die Operation zu beenden oder die Sequenz kehrt nach Schritt 2 zurück, um die Meßoperation zu wiederholen.

Als alternativer Systemaufbau wird die Höhendifferenz aus dem Niveau H durch den Berechnungsteil 1664 berechnet, wobei das Ergebnis auf dem Sichtanzeigteil 167 angezeigt wird.

Zweite Ausführungsform

Die zweite Ausführungsform dieser Erfindung wird nunmehr erläutert. Diese Ausführungsform dient dazu, nur die modulierten ersten und zweiten Abschnitte A und B für die Messung zu benutzen, während das dritte Muster R nicht benutzt wird. Die Signale des ersten Muster und des zweiten Musters werden auf der Basis ihrer Wellenlängen unterschieden.

Die bei dieser Ausführungsform benutzte Höhenmeßlatte 2 ist in 12 dargestellt, auf der das erste Muster A und das zweite Muster B zyklisch mit einer konstanten Teilung p ausgerichtet sind; und es unterscheidet sich vom Gegenstück der ersten Ausführungsform durch das Fehlen des dritten Musters R.

Als nächstes wird die Signalverarbeitung nur für unterschiedliche Teile gegenüber der ersten Ausführungsform erläutert. Der Abstand zwischen dem elektronischen Nivellier 1 und der Höhenmeßlatte 2 wird ebenfalls bei dieser Ausführungsform berechnet. Bei der Messung auf große Distanz wird die Feinmessung in gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform durchgeführt. Für die Grobmessung wird das Ausgangssignal des linearen Sensors 15 integriert, und jeder zweite integrierte Wert wird im Signalentnahmeprozeß des Schrittes 10 gemäß 11 entnommen, um so das Signal 1 des ersten Musters A und das Signal 2 des zweiten Musters B zu erhalten.

Diese Signale werden wegen der Messung auf lange Distanz für mindestens eine einzelne Periode erfaßt, und ein Musteridentifizierer unterscheidet diese Signale auf der Basis der Periode, d. h., das Signal 1 des ersten Musters A weist eine längere Periode auf, und das Signal 2 des zweiten Musters B weist eine kürzere Periode auf. Aufgrund der Unterscheidung zwischen dem Signal 1 und dem Signal 2 werden ihre Phasen ϕA und ϕB abgeschätzt, und der Grobpegel wird mit dem Feinpegel gemischt, um das Niveau zu erhalten. Die Funktion des Musteridentifiziers wird durch die Recheneinrichtung 16 zum Abschluß gebracht.

Bei der Messung auf kurze Distanz entspricht die Musterteilung auf dem linearen Sensor 15 des elektronischen Nivelliers 1 dem Wert w im Signalidentifikationsschritt 21 von 11, und das Signal 1 des ersten Musters A und das Signal 2 des zweiten Musters B werden auf der Basis der Größe der Breitenvariation jedes Signals sowie der Periode des Referenzsignals unterschieden. Speziell werden für das erste Muster mit einer Periode von 600 mm und für das zweite Muster mit einer Periode von 570 mm deren Impulsbreiten in der gleichen Weise wie gemäß den Formeln (1) und (2) berechnet, nämlich wie folgt: DA5 × (1 + sin(2 × &pgr; × Xa/600 – &pgr;/2))(11) wobei Xa = 20 × n DB5 × (1 + sin(2 × &pgr; × Xb/570 + &pgr;/2))(12) wobei Xb = 20 × n + 10 und wobei n die Blocknummer entsprechend 0, 1, 2 usw. ist.

Durch Umbilden der obigen Formeln wird der Wert von n aus DA wie folgt berechnet: n = (15/&pgr;) × (ϕA + &pgr;/2)(13) wobei ϕp = sin–1(DA/5 – 1)

Alternativ wird der Wert von n aus DA wie folgt berechnet: n = (57/4&pgr;) × (ϕB – &pgr;/2) – (1/2)(14) wobei ϕB = sin–1(DB/5 – 1)

Die erste Impulsbreite des erfaßten Signals ist DA, und der Wert von n wird durch die Formel (13) berechnet. In diesem Falle liegt die zu wählende Blocknummer innerhalb der Periode von 600 mm. Unter zwei möglichen Werten von n wird einer auf der Basis des Vergleichs der ersten und der zweiten Impulsbreite gewählt. Anschließend wird die Impulsbreite DA+1 für n + 1 durch die Formel (11) berechnet. Ähnlich wird der Wert von n für den Fall der ersten Impulsbreite DB berechnet, und daraus wird DB+1 berechnet. Falls die der ersten Impulsbreite am nächsten kommende Impulsbreite näher an DA+1 liegt, wird die erste Impulsbreite als diejenige des Musters A bestimmt, oder aber wenn sie näher an DB+1 liegt, wird die erste Impulsbreite als diejenige des Musters B bestimmt.

Im Anschluß an die Diskrimination der Signale 1 und 2 wird die Blocknummer in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform bestimmt, und der Grobpegel wird mit dem Feinpegel gemischt, um das Niveau zu erhalten.

Der verbleibende Bearbeitungsabschnitt der zweiten Ausführungsform ist identisch mit dem der ersten Ausführungsform, so daß die Erläuterung nicht wiederholt wird.

Wenngleich bei der ersten und bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung das erste und das zweite Muster auf der Basis der Raummodulation gebildet wird, wobei die Musterbreite variiert wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses System beschränkt; so kann die Musterkonzentration für die Modulation variiert werden, statt die Musterbreite zu variieren.

Bei der bisherigen ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung ist das erste und das zweite Muster (und das dritte Muster der ersten Ausführungsform) in zyklischer Folge mit konstanter Teilung entlang der Länge der Meßrichtung ausgefluchtet, wobei das erste und das zweite Muster Musterbreiten besitzen, die in verschiedenen Perioden variieren, während das dritte Muster eine konstante Musterbreite besitzt. Im elektronischen Nievellier 1 liest der Musterdetektor das erste und das zweite Muster (und das dritte Muster bei der ersten Ausführungsform); der Referenzsignalgenerator erzeugt ein Referenzsignal aus dem durch den Musterdetektor erfaßten Signal; der Mustersignalgenerator erzeugt das erste und das zweite Mustersignal aus dem Referenzsignal und dem erfaßten Signal; und der Berechnungsteil berechnet die Höhendifferenz aus den Phasen des ersten und des zweiten Mustersignals an einer Stelle in der Nähe der Visierlinie. Dementsprechend ist eine Berechnung wie die der gegenseitigen Korrelation nicht erforderlich, und die Meßzeit wird verringert.

Weiter erzeugt bei dem elektronischen Höhenmeßgerät, basierend auf der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung, der Referenzsignalgenerator das Referenzsignal aus der Impulsbreite des durch den Musterdetektor erfaßten Signals; der Blockdetektor bestimmt den Musterblock, in welchem die Visierlinie enthalten ist, und zwar auf der Basis der Musterbreiten der ersten und der zweiten Mustersignale an einer Stelle in der Nähe der Visierlinie; und der Rechenteil berechnet die Höhendifferenz auf der Basis des bestimmten Musterblocks.

Das auf der ersten und der zweiten Ausführungsform der Erfindung basierende elektronische Höhenmeßgerät arbeitet auch mit dem Rechenteil, um die Höhendifferenz auf der Basis des bestimmten Musterblocks im Falle einer kurzen Distanz zur Höhenmeßlatte zu berechnen, oder um die Höhendifferenz auf der Basis der Phasen des ersten und des zweiten Mustersignals an einer Stelle in der Nähe der Visierlinie im Falle eines langen Abstandes zur Höhenmeßlatte zu berechnen.

Weiter werden das zweite und das dritte Muster auf der Meßlatte mit konstanter Periode moduliert, und daher ist es nicht erforderlich, die gesamte Information zu speichern und zu berechnen, und das elektronische Höhenmeßgerät kann in einer recht einfachen Hardware-Struktur konfiguriert werden.

Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung weist die Höhenmeßlatte das dritte Muster mit einer konstanten Teilung zusätzlich zum ersten und zum zweiten Muster auf, wobei diese Muster in zyklischer Reihenfolge mit einer konstanten Teilung ausgebildet sind, und das elektronische Nivellier enthält den Musteridentifizierer, durch den die ersten und zweiten Muster leicht unterschieden werden können, basierend auf dem dritten Mustersignal mit der konstanten Periode unter den durch den Musterdetektor erfaßten Signalen.

Dritte Ausführungsform

Die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erklärt.

Das Gerät dieser Ausführungsform besteht aus einem Objektivlinsenteil 11, einem Kompensator 12, einem Strahlteiler 13, einem Okularteil 14, einem linearen Sensor 15, einer Recheneinrichtung 16 und einem Antrieb 17, wie in 13 dargestellt.

Der Objektivlinsenteil 11 zum Bilden des Musterbildes der Höhenmeßlatte 2 besteht aus einer Objektivlinse 111 und einer inneren Linse 112, die als Fokussierteil dienen und die Funktion hat, das Musterbild auf der Höhenmeßlatte 2 durch Bewegen mit dem Antrieb 17 zu fokussieren.

Der Antrieb 17 arbeitet entsprechend dem von der Recheneinrichtung 16 gelieferten Rechenergebnis, um die innere Linse 112 für den spezifizierten Wert zu bewegen. Obgleich der Motor 17 bei dieser Ausführungsform ein Elektromotor ist, kann jedes beliebige Antriebsmittel, wie etwa ein Schrittmotor, ein Ultraschallmotor, verwendet werden, der die innere Linse 112 hin- und herbewegen kann.

Der Objektivlinsenteil 11, der Kompensator 12, der Strahlteiler 13, der Okularteil 14 in Kombination bilden ein optisches Teleskopsystem, und der lineare Sensor 15 arbeitet als photoelektrischer Wandler.

Der restliche Teil des elektronischen Nivelliers 1 und die Ausbildung der Höhenmeßlatte 2 sind mit denen der ersten Ausführungsform identisch, die in 1 und in 2 dargestellt ist, so daß eine Erläuterung derselben nicht wiederholt wird.

Als nächstes werden die Funktionen des Mikrocomputers 166 unter Bezugnahme auf 14 erläutert. Die Berechnungseinrichtung 16 besteht aus einem Referenzsignalgenerator 1661, einem Mustersignalgenerator 1662, einem Blockdetektor 1663, einem Rechenteil 1664, einem Fokussierungskontroller 1665 und einem Mustererkenner 1666.

Der Fokussierungsregler 1665 führt die Fourier-Transformation für das durch den linearen Sensor 15 erzeugte elektrische Signal durch und steuert den Antrieb 17, so daß der Ausgangspegel der Fourier-Transformation maximal ist. Für die Fourier-Transformation kann die Funktion der schnellen Fourier-Transformation des Referenzsignalgenerators 1661 benutzt werden. Die Recheneinrichtung 16 umfaßt nämlich die Funktion eines Signalprozessors.

Nunmehr wird das Prinzip der vom Fokussierungskontroller 1665 durchgeführten Fokussierungssteuerung erklärt. Die Höhenmeßlatte 2 weist eine Reihung von Skalenmustern mit einer konstanten Teilung p auf, wobei jedes Skalenmuster in Bezug auf die Breite moduliert wird. Die Skalenmuster werden durch den linearen Sensor 15 gelesen. Das ausgegebene Signal wird der Fourier-Transformation unterzogen, und ein Leistungsspektrum, wie es in 4 der ersten Ausführungsform dargestellt ist, wird erzeugt.

Im Diagramm, bei dem die Frequenz auf der horizontalen Achse abgetragen ist, erscheinen Spitzen bei: nh/(p/d × f) Periode/n Bit.

Darin ist: p die Musterteilung der Höhenmeßlatte 2, d der Abstand zwischen dem elektronischen Nivellier 1 und der Höhenmeßlatte 2, f der Brennpunktabstand des optischen Systems des elektronischen Nivelliers 1, n die Anzahl der Bits des eindimensionalen Sensors, der die Fourier-Transformation durchführt, und h das Bitintervall des Sensors.

Der Spitzenwert fällt, wenn sich das Objektivlinsensystem aus der scharf eingestellten Position herausbewegt. Dementsprechend findet die Fokussierungsoperation so statt, damit der Spitzenwert erfaßt wird.

Der Mustererkenner 1666 führt die Musteranpassung durch Suchen nach einem Musterbild der Höhenmeßlatte 2 auf der Basis des Leistungsspektrums durch.

Der restliche Teil der Recheneinrichtung 16 ist mit demjenigen der ersten Ausführungsform identisch, so daß eine Erklärung desselben nicht wiederholt wird.

Als nächstes wird die Fokussierungsoperation auf der Basis dieser Ausführungsform gemäß dem Flußdiagramm der 15 erläutert.

In Schritt 1 betätigt der Fokussierungskontroller 1665 in der Recheneinrichtung 16 den Antrieb 17, um die innere Linse 112 aus ihrer Unendlichposition zu der näheren Position mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu bewegen. Schritt 2 stellt den Ablauf einer vorbestimmten Zeitlänge fest, und beim Erfassen des Zeitablaufs werden in Schritt 3 Daten aus dem linearen Sensor 15 abgerufen. In Schritt 4 führt die Recheneinrichtung 16 die Fourier-Transformation für die Daten durch, und in Schritt 5 wird das Ergebnis mit dem vorherigen Ergebnis verglichen, um zu entscheiden, ob der Ausgangspegel der Fourier-Transformation den Spitzenwert durchschritten hat. Wenn der Durchgang des Spitzenwertes in Schritt 5 erfaßt wird, geht die Bearbeitungssequenz nach Schritt 6 weiter, in welchem der Fokussierungskontroller 1665 den Antrieb 17 betätigt, um die innere Linse 112 anzuhalten; oder die Sequenz kehrt nach Schritt 2 zurück.

Nachdem die innere Linse 112 in Schritt 6 angehalten worden ist, betätigt der Fokussierungskontroller 1665 den Antrieb 17, um die innere Linse 112 in Schritt 7 bei einer bestimmten Geschwindigkeit in die Unendlichposition zu bewegen. Im nächsten Schritt 8 werden Daten vom linearen Sensor 15 abgerufen, und in Schritt 9 wird die Fourier-Trasnsformation durch die Berechnungseinrichtung 16 durchgeführt. Schritt 10 vergleicht das Ergebnis mit dem vorherigen Ergebnis, um dadurch zu entscheiden, ob der gegebene Pegel der Fourier-Transformation den Spitzenwert durchschritten hat, oder nicht. Aufgrund der Erfassung des Durchgangs des Spitzenwertes in Schritt 10, d. h. der Erfassung des Im-Fokus-Zustandes, betätigt der Fokussierungskontroller 1665 den Antrieb 17, um die innere Linse 112 in Schritt 11 anzuhalten, oder die Sequenz kehrt nach Schritt 7 zurück, um die Fokussierungsoperation fortzusetzen.

Auf diese Weise ist das Höhenmeßgerät auf der Basis der dritten Ausführungsform dieser Erfindung in der Lage, das Skalenmuster der Höhenmeßlatte durch Erfassen des Spitzenwertes der Ausgabe der Fourier-Transformation zu fokussieren.

Variante der dritten Ausführungsform

Anhand des Flußdiagramms der 16 wird eine von der dritten Ausführungsform abgeleitete Ausführungsvariante erläutert, bei der der lineare Sensor 15 durch einen Flächensensor 151 ersetzt ist.

In Schritt 1 betätigt der Fokussierungskontroller 1665 in der Recheneinheit 16 den Antrieb 17, um die innere Linse 112 aus ihrer Unendlichposition zu der näheren Position mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu bewegen. Schritt 2 entscheidet über den Ablauf einer vorbestimmten Zeitlänge, und bei Erfassung des Zeitablaufs werden in Schritt 3 Daten vom Flächensensor 151 abgerufen. Schritt 4 entscheidet, ob die Zeile des Flächensensors 151, in der das Musterbild der Höhenmeßlatte vorliegt, bestimmt worden ist. Falls die Sensorzeile in Schritt 4 noch nicht bestimmt worden ist, geht die Sequenz nach Schritt 5 weiter, in welchem die Recheneinrichtung 16 Daten von einer Zeile abruft und dafür die Fourier-Transformation durchführt. In Schritt 6 entscheidet der Mustererkenner 1666 in der Recheneinrichtung 16, ob ein Leistungsspektrum, das eine Näherung des Taktes ist, vorhanden ist oder nicht. Es wird nämlich auf der Basis der Mustererkennungstechnik entschieden, ob das aus dem Musterbild der Höhenmeßlatte 2 hervorgehende Leistungsspektrum, wie in 4 gezeigt, erscheint, oder nicht. Bei Erfassung des interessierenden Leistungsspektrums durch den Mustererkenner 1666 in Schritt 6 werden in Schritt 7 die Zeilendaten des Flächensensors 151 im RAM 164 gespeichert, und die Sequenz kehrt nach Schritt 2 zurück.

Falls das interessierende Leistungsspektrum in Schritt 6 nicht erfaßt wird, geht die Sequenz nach Schritt 8 weiter um zu testen, ob alle Zeilen überprüft worden sind oder nicht. Mit Beendigung der Überprüfung aller Zeilen in Schritt 8 kehrt die Sequenz nach Schritt 2 zurück, oder falls nicht, kehrt die Sequenz nach Schritt 5 zurück.

Nach dem Urteil über die Bestimmung der Zeile des Sensors in Schritt 4 geht die Sequenz nach Schritt 9 über, um zu entscheiden, ob der ausgegebene Pegel der Fourier-Transformation den Spitzenwert durchschritten hat, auf der Basis des Vergleichs mit den vorherigen Daten. Nach Erfassen des Durchgangs des Spitzenwertes in Schritt 9 betätigt der Fokussierungskontroller 1665 den Antrieb 17, um in Schritt 11 die Linse 112 anzuhalten, oder die Sequenz kehrt nach Schritt 2 zurück.

Nachdem die innere Linse 112 in Schritt 10 angehalten worden ist, betätigt der Fokussierungskontroller 1665 den Antrieb 17, um die innere Linse 112 in Schritt 11 zur Unendlichposition mit niedriger Geschwindigkeit zu bewegen. Diese Linsenbewegung ist langsamer als der Betrieb in Schritt 1 wegen der Absicht einer präzisen Fokuseinstellung. Im nächsten Schritt 12 werden Daten vom Flächensensor 151 abgerufen, und es wird in Schritt 13 die Fourier-Transformation durch die Recheneinrichtung 16 durchgeführt. Schritt 14 vergleicht das Ergebnis mit dem vorherigen Ergebnis um zu entscheiden, ob der ausgegebene Pegel der Fourier-Transformation den Spitzenwert durchschritten hat oder nicht. Nach dem Erfassen des Durchgangs des Spitzenwertes in Schritt 14, d. h. der Erfassung des Im-Fokus-Zustandes, wirkt der Fokussierungskontroller 1665 auf den Antrieb 17 ein, um in Schritt 15 die innere Linse 112 anzuhalten; andernfalls kehrt die Sequenz nach Schritt 12 zurück, um die Fokussierungsoperation fortzusetzen.

Auf diese Weise ist das Höhenmeßgerät auf der Basis dieser Ausführungsvariante in der Lage, das Skalenmuster der Höhenmeßlatte durch Erfassen des Spitzenwertes der Fourier-Transformation zu fokussieren. Es ist zum Erzielen einer angenäherten Fokusposition auf der Basis des ausgegebenen Pegelsder Fourier-Transformation aufgebaut, die in groben Schritten durchgeführt wird, und um danach die präzise Fokussierung auf der Basis des ausgegebenen Signals der in feinen Schritten durchgeführten Fourier-Transformation herbeizuführen, wobei die Fokussierungssteuerung in kurzer Zeit endet.

Bei dieser Ausführungsvariante arbeitet der Fokussierungskontroller 1665 auf Vermutungsbasis durch lineare Annäherung des Spitzenwertes aus dem ausgegebenen Pegel der Fourier-Transformation. Sie kann aber auch durch alleiniges Benutzen des modulierten ersten und zweiten Musters A und B arbeiten, unter Ausschluß des dritten Musters R, sowie durch Unterscheiden der Signale dieser Muster auf der Basis ihrer Wellenlängen.

Die obige dritte Ausführungsform und die Variante derselben führen die numerischen Rechenprozesse durch, die auf der herkömmlichen Technik beruhen, mit Ausnahme der Fokussierungssteuerung, so daß eine weitere Erläuterung entfällt.

Das elektronische Höhenmeßgerät der beschriebenen dritten Ausführungsform ist zum automatischen Messen der Höhendifferenz durch das Anvisieren der Höhenmeßlatte ausgebildet, auf welcher Skalenmuster in Reihe mit konstanter Teilung entlang der Länge der Meßrichtung ausgefluchtet sind. In dem Gerät bildet das optische Teleskopsystem das Skalenmusterbild; der photoelektrische Wandler wandelt das Musterbild in ein Signal um; und der Fokussierungsteil erzeugt das Musterbild auf dem photoelektrischen Wandler. Der Signalprozessor bewirkt die Fourier-Transformation für das ausgegebene Wandlersignal, und der Fokussierungsteil wird auf der Basis der Ausgabe des Signalprozessors gesteuert. Das Gerät führt die automatische Fokussierungssteuerung einfach durch das Vorhandensein eines zusätzlichen Antriebs im Fokussierungsteil durch, statt eine separate Fokussierungseinheit zu benötigen, wodurch die Konstruktion vereinfacht und die Herstellungskosten verringert werden.

Das Gerät der dritten Ausführungsform kann so modifiziert werden, daß der Fokussierungskontroller auf der Basis der Ausgabe des Signalprozessors arbeitet, wobei das Signal durch die Bewegung der Fokusposition von einer entfernten Position zu einer nahen Position oder von einer nahen Position zu einer entfernten Position mit Hilfe des Fokussierungsteils erzeugt wird.

Der Fokussierungskontroller der dritten Ausführungsform kann so modifiziert werden, daß eine angenäherte Fokusposition auf der Basis des ausgegebenen Pegels der Fourier-Transformation erhalten wird, die in groben Schritten durchgeführt wird, und wobei anschließend eine Feinfokusjustierung auf der Basis des ausgegebenen Pegels der Fourier-Transformation durchgeführt wird, die in feinen Schritten ausgeführt wird.

Der Fokussierungskontroller der dritten Ausführungsform kann so abgeändert werden, daß er auf der Basis einer Annahme durch lineare Annäherung einen Spitzenwert von des ausgegebenen Pegels des Signalprozessors betätigt wird.

Vierte Ausführungsform

Nachfolgend wird die vierte Ausführungsform dieser Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erklärt. Das Gerät dieser Ausführungsform besteht aus einem Objektivlinsenteil 11, einem Kompensator 12, einem Strahlteiler 13, einem Okularteil 14, einem linearen Sensor 15 und einer Recheneinrichtung 16, wie in 17 dargestellt.

Der Objektivinsenteil 11 erzeugt das Bild der Skalenmuster der Höhenmeßlatte 2, und das Bild wird durch die Bewegung einer inneren Linse im Objektivlinsenteil 11 fokussiert.

Die Recheneinrichtung 16 besteht aus einem Verstärker 161, einer Abtast- und Halteschaltung 162, einem A/D-Umsetzer 163, einem RAM 164, einem Takttreiber 16, einem Mikrocomputer 166, einem Sichtanzeigeteil 167, einem Meßstartschalter 168 und einem Summer 169. Der Meßstartschalter 168 arbeitet als Meßstart-Befehlseingabemittel, und löst die Recheneinrichtung aus, um die Messung als Reaktion auf das Tätigwerden des Bedieners einzuleiten. Das Meßstart-Befehlseingabemittel ist nicht auf einen Schalter beschränkt; vielmehr kann irgendein Eingabemittel benutzt werden, das in der Lage ist, die Recheneinrichtung in Betrieb zu setzen.

Der verbleibende Teil dieser Ausführungsform und die Gestaltung der Höhenmeßlatte sind mit denjenigen der in 1 und in 2 dargestellten ersten Ausführungsform identisch, so daß deren Erläuterung nicht wiederholt wird.

Als nächstes werden die Funktionen des Mikrocomputers 166 unter Bezugnahme auf 18 erläutert. Die Recheneinrichtung 16 besteht aus einem Referenzsignalgenerator 1661, einem Mustersignalgenerator 1662, einem Blockdetektor 1663, einem Rechenteil 1664, einem Mustererkenner 1666 und einem Anomaliediskriminator 1667.

Wenn der Meßstartschalter 168 aktiviert wird, geht der Anomaliediskriminator 1667 in Betrieb, um eine Anomalie in der Ausgabe der durch den Referenzsignalgenerator 1661 erzeugten Ausgabe der Fourier-Transformation zu erfassen und den Sichtanzeigeteil 167 und den Summer 169 zu aktivieren, um dadurch das Auftreten einer Anomalie zu melden.

Das Prinzip der Anomalieerfassung durch den Anomaliediskriminator 1667 wird nachfolgend erläutert. Die Höhenmeßlatte 2 weist eine regelmäßige Reihung von Skalenmustern mit einer konstanten Teilung p auf, wobei jedes Skalenmuster der Breite nach moduliert ist. Skalenmuster werden durch den linearen Sensor 15 gelesen. Das Ausgabesignal wird der Fourier-Transformation unterzogen, und ein Leistungsspektrum wird erzeugt, wie es in 4 der ersten Ausführungsform dargestellt ist.

Auf dem Diagramm mit der auf der horizontalen Achse abgetragenen Frequenz erscheinen Spitzen bei: nh/(p/d × f) Periode/nBit, dabei ist: p die Musterteilung der Höhenmeßlatte 2,; d der Abstand zwischen dem elektronischen Nivellier 1 und der Höhenmeßlatte 2; f der Fokusabstand des optischen Systems des elektronischen Nivellierst n die Anzahl der Bits des eindimensionalen Sensors, der die Fourier-Transformation durchführt; und h das Bitintervall des Sensors.

Im Falle, daß eine Position der Höhenmeßlatte, die sich von der spezifizierten Position unterscheidet, anvisiert wird, variieren Frequenzen, bei denen Spitzen auftreten auf den Spektalmustern. Demgemäß kann die Visierabweichung auf der Höhenmeßlatte auf der Basis der Mustererkennung der Spektralmuster erfaßt werden.

Im Falle, daß das Musterbild aus dem Fokus gerät, fällt die Fourier-Transformationsausgabe aus, und dementsprechend kann der Fehler der Höhenmeßlatte automatisch auf der Basis des Ausgangspegels erfaßt werden.

Als Reaktion auf die Erfassung einer Anomalie durch den Anomaliediskriminator 1667 wird diese auf dem Sichtanzeigeteil 167 angezeigt, und der Summer 169 wird aktiviert. Es ist dem Sichtanzeigeteil 167 möglich, den Visiserfehler und den Fokusfehler unterschiedlich anzuzeigen. Es kann jede andere Warnvorrichtung anstelle des Anzeigeteils und des Summers verwendet werden.

Der verbleibende Teil des Aufbaus der Recheneinrichtung 16 entspricht der ersten und der dritten Ausführungsform, so daß deren Erläuterung nicht wiederholt wird.

Wenn im Betrieb der Bediener den Meßstartschalter 168 drückt, beginnt die Recheneinrichtung 16 zu arbeiten. Der Referenzsignalgenerator 1661 führt die schnelle Fourier-Transformation für das vom linearen Sensor 15 erzeugte Signal durch, um so ein Spektralmuster zu bilden.

Anschließend wird der Mustererkenner 1666 aktiviert, und die aus der Mustererkennung resultierende Integrität des Spektralmusters wird durch den Anomaliediskriminator 1667 beurteilt. Bei Erfassung einer Sichtlinienabweichung durch den Anomaliediskriminator 1667 auf der Basis des Spektralmusters wird sie auf dem Sichtanzeigeteil 167 angezeigt, und der Summer 169 wird aktiviert.

Der Anomaliediskriminator 1667 bewertet den ausgegebenen Pegel der durch den Referenzsignalgenerator 1661 gelieferten Fourier-Transformation, und im Falle, daß der ausgegebene Pegel unter einem bestimmten Niveau liegt, zeigt er eine Anomaliemeldung auf dem Sichtanzeigeteil 167 an und aktiviert den Summer 169.

Falls jedoch der Anomaliediskriminator 1667 keine Anomalie erfaßt, beginnt die Recheneinrichtung 16 mit der Berechnung der Höhendifferenz. Die Art und Weise der numerischen Berechnung entspricht der weiter oben erläuterten herkömmlichen Art, so daß deren Erläuterung nicht wiederholt wird.

Das Gerät der vierten Ausführungsform kann modifiziert werden, um nur das modulierte erste und zweite Muster A und B zu verwenden, unter Ausschluß des dritten Musters R, und die Signale dieser Muster werden auf der Basis ihrer Wellenlängen unterschieden. Eine Höhenmeßlatte mit zwei Arten von periodischen Mustern kann nämlich anstelle der Höhenmeßlatte verwendet werden, die drei Arten von periodischen Mustern aufweist.

Das elektronische Höhenmeßgerät der beschriebenen vierten Ausführungsform ist dazu bestimmt, den Höhenunterschied automatisch durch das Anvisieren der Höhenmeßlatte zu messen, auf der Skalenmuster mit konstanter Teilung entlang der Länge der Meßrichtung angeordnet sind. Bei dem Gerät bildet das optische Teleskopsystem das Skalenmusterbild, der photoelektrische Wandler wandelt das Musterbild in ein Signal um, und der Signalprozessor führt die Fourier-Transformation für das Wandlerausgangssignal durch. Die Meßoperation wird durch die Meßstart-Befehleingabeeinrichtung als Antwort auf die vom Bediener durchgeführte Handlung in Gang gesetzt. Der Rechenteil berechnet den Höhenunterschied auf der Basis der Ausgabe der Fourier-Transformation, die durch den Signalprozessor durchgeführt wird; der Anomaliediskriminator arbeitet mit dem Ziel, die Anomalie in der Ausgabe der Fourier-Transformation bei der Auslösung der Meßstart-Befehlseingabemittel zu erfassen; und die Anzeigeeinrichtung zeigt das Ergebnis der Anomaliediskrimination an, wodurch eine Anomalie des Fourier-Transformationspegels automatisch erfaßt werden kann.

Die Höhenmeßlatte, die eine Anordnung von Skalenmustern mit konstanter Teilung entlang der Länge trägt, weist mindestens zwei periodische Muster auf, die mit einem spezifizierten Verhältnis zum Abbilden durch das optische Teleskopsystem gebildet sind. Der Anomaliediskriminator erfaßt die Mangelhaftigkeit des Ausgabepegels der Fourier-Transformation, die durch den Signalprozessor durchgeführt wird und diskriminiert die Anomalie auf der Basis des Vorhandenseins oder Fehlens von zwei Spektralmustern mit dem spezifizierten Verhältnis, wodurch der Visierfehler und der Fokusfehler automatisch entdeckt werden können, um die Falschmessung zu verhindern.


Anspruch[de]
  1. Messlatte (2) mit Code-Mustern, die photoelektrisch detektierbar sind,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    die Latte (2) ein erstes Code-Muster (A) und ein zweites Code-Muster (B) aufweist, wobei das erste Code-Muster (A) in einer ersten zyklischen Periode entlang der Lattenlänge moduliert ist und das zweite Code-Muster (B) in einer zweiten zyklischen Periode unterschiedlich von der ersten Periode entlang der Lattenlänge moduliert ist, wobei die ersten zweiten Code-Muster abwechselnd auf der Latte angeordnet sind, zyklisch bei konstanter Teilung entlang der Lattenlänge.
  2. Latte (2) gemäß Anspruch 1, bei welcher die ersten und zweiten Muster (A, B) örtlich moduliert sind, derart, dass die Musterbreite (Da, DB) variiert wird.
  3. Latte (2) gemäß Anspruch 1 oder 2 mit einem dritten Muster (R) mit konstanter Breite, wobei die ersten, zweiten und dritten Muster (A, B, R) zyklisch bei konstanter Teilung (p) entlang der Längenmessrichtung angeordnet sind.
  4. Elektronisches Höhenmessgerät (1), welches mit der Latte (2) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche betrieben wird, mit einem Muster-Detektor (15), der Signale der ersten und zweiten Muster erzeugt,

    gekennzeichnet durch

    einen Rechenabschnitt (1664), der die Höhendifferenz auf der Basis der Phasen (&PHgr;A, &PHgr;B) der ersten und zweiten Mustersignale an einer Position in Nähe der Visierlinie auf der Basis eines identifizierten Musterblocks oder auf der Basis der Ausgabe einer Fourier-Signaltransformation berechnet.
  5. Elektronisches Höhenmessgerät (1) gemäß Anspruch 4, weiter aufweisend: einen Referenzsignal-Generator (1661), der ein Referenzsignal auf Basis der Periode des durch den Muster-Detektor detektierten Signals produziert, einen Mustersignal-Generator (1662), der ein erstes Mustersignal und ein zweites Mustersignal aus dem Referenzsignal und dem durch den Muster-Detektor detektierten Signal produziert.
  6. Elektronisches Höhenmessgerät (1) gemäß Anspruch 5 mit einem Block-Detektor (1663), der einen Musterblock identifiziert, welcher die Visierlinie enthält, basierend auf Stufen von Modulationskomponenten der ersten und zweiten Mustersignale an einer Position in der Nähe der Visierlinie.
  7. Elektronisches Höhenmessgerät (1) gemäß Ansprüchen 4, 5 oder 6, bei welchem die Berechnung durchgeführt wird im Falle, dass die gemessene Distanz außerhalb eines vorbestimmten Wertes ist oder auf der Basis des identifizierten Musterblocks im Falle, dass die gemessene Distanz innerhalb des vorbestimmten Wertes ist.
  8. Elektronisches Höhenmessgerät (1) gemäß Anspruch 6, bei welchem der Mustersignal-Generator (1662) das dritte Mustersignal bildet, wobei der Muster-Detektor (15) das dritte Muster (R) detektiert; und wobei ein Muster-Diskriminator die ersten und zweiten Mustersignale auf der Basis des dritten Mustersignals unterscheidet.
  9. Elektronisches Höhenmessgerät (1) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, aufweisend:

    ein teleskopisches optisches System (11, 12, 13, 14) mit einem optischen Fokussiersystem zum Bilden eines Musterbildes;

    einen photoelektrischen Wandler (15), der das Musterbild in ein elektronisches Signal wandelt;

    einen Fokussierabschnitt (11; 111, 112), der das Musterbild auf dem photoelektrischen Wandler bildet,

    einen Signalprozessor, der die Fourier-Transformation des photoelektrischen Wandlers implementiert;

    sowie eine Fokussiersteuereinrichtung, die den Fokussierabschnitt in Antwort auf die Ausgabe des Signalprozessors steuert.
  10. Elektronisches Höhenmessgerät (1) gemäß Anspruch 9, bei welchem die Fokussiersteuereinrichtung die Fokussiersteuerung auf der Basis des Ausgabepegels des Signalprozessors anführt, welcher aus einer Bewegung der Fokusposition von einer fernen Position zu einer nahen Position oder von einer nahen Position zu einer fernen Position durch den Fokussierabschnitt resultiert.
  11. Elektronisches Höhenmessgerät (1) gemäß Anspruch 9, bei welchem die Fokussiersteuereinrichtung eine näherungsweise In-Fokus-Position auf der Basis eines Ausgabepegels der Fourier-Transformation bestimmt, ausgeführt in groben Schritten, und danach eine Fein-Fokussier-Einstellung auf der Basis eines Ausgabepegels der Signal-Fourier-Transformation, ausgeführt in feinen Schritten, implementiert.
  12. Elektronisches Höhenmessgerät (1) gemäß Anspruch 9, bei welchem die Fokussiersteuereinrichtung die Fokussiersteuerung durch die Annahme einer Ausgabeunterbrechung auf der Basis der aus einem Ausgabepegel des Signalprozessors resultierenden linearen Näherung implementiert.
  13. Elektronisches Höhenmessgerät (1) gemäß Anspruch 9, aufweisend:

    ein Messbeginnbefehls-Eingabemittel, das die Messung in Antwort auf eine Bediener-Aktion startet;

    einen Abnormalitäts-Diskriminator (1667), der eine Abnormalität in der Ausgabe der Signal-Fourier-Transformation nach der Aktivierung des Messbeginnbefehls-Eingabemittels detektiert; und

    ein Anzeigemittel zum Anzeigen des Ergebnisses der Detektion durch den Abnormalitäts-Diskriminator.
  14. Elektronisches Höhenmessgerät (1) gemäß Anspruch 13, bei welchem die Latte (2) mindestens zwei periodische, in einem bestimmtem Verhältnis gebildete Muster aufweist; und bei welchem der Abnormalitäts-Diskriminator (1667) arbeitet, um die Mangelhaftigkeit in dem Ausgabepegel der Signal-Fourier-Transformation, welcher durch den Signalprozessor geliefert wird, zu beurteilen und um die Abnormalität abhängig von dem Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein von zwei Spektren mit dem bestimmten Verhältnis zu unterscheiden.
  15. Elektronisches Gerät (1) gemäß Anspruch 13 oder 14, bei welchem das Anzeigemittel einen Anzeigeabschnitt (167) oder einen Akustik-Alarmabschnitt aufweist.
Es folgen 16 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
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