JP3460074B2

JP3460074B2 - 電子レベルの水平位誤差補正機構

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Publication number: JP3460074B2
Application number: JP32976895A
Authority: JP
Inventors: 薫熊谷
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1995-11-24
Filing date: 1995-11-24
Publication date: 2003-10-27
Anticipated expiration: 2015-11-24
Also published as: EP0790484A3; EP0790484B1; CN1152116A; CN1079942C; DE69622984D1; DE69622984T2; EP0790484A2; US5777899A; JPH09145358A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は標尺のパターン像を
光電変換器により電気信号に変換し、得られた電気信号
を利用して高低差等を自動的に計測することのできる電
子レベルの振動誤差補正機構に係わり、特に、コンペン
セータ手段に傾き角を検出する手段を設け、一定時間の
平均傾き角と、光電変換時間の平均傾き角との差を演算
することにより、振動による電子レベルの水平位誤差を
補正し、一定時間の平均傾き角と、予め記憶された水平
位誤差とからコンペンセータ手段の水平位誤差を補正す
る機構に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から直接水準測量等を行う場合に
は、レベル（水準儀）と標尺が使用されていた。即ち、
測量者が、標尺の目盛りをレベルを使用して目視するこ
とにより高低差を測定していた。この古典的なレベルに
よる測量は、測量者による読み誤りが発生していた。こ
の読み誤りを解消するために、標尺の目盛り作業を電子
的に行う電子レベルが開発された。この電子レベルは例
えば、標尺側から所定信号を包含させた光を発光させ、
この光を電子レベル側で受光して識別し、標尺の目盛り
を読み取る様に構成されていた。

【０００３】本出願人は、電子的に高低差を読み取るこ
とのできる電子レベルを開発した。この電子レベル１
は、図２に示す様に、第１のパターンＡと第２のパター
ンＢと第３のパターンＲが等間隔（ｐ）で繰り返し配置
されている電子レベル用標尺２を使用している。即ち、
３種のパターンを１組として各ブロックが連続して形成
されており、最も左側に配置されたブロックを、０ブロ
ックと定義し、Ｒ（０）、Ａ（０）、Ｂ（０）と記載す
れば、Ｒ（１）、Ａ（１）、Ｂ（１）、Ｒ（２）、Ａ
（２）、Ｂ（２）、・・・・・・・・と繰り返し配置さ
れている。なお、全てのパターンが等間隔ｐで繰り返さ
れているので、この間隔に対応した信号を基準信号とす
ることができる。

【０００４】そして例えば第３のパターンＲは、黒幅８
ｍｍで固定幅となっており、第１のパターンＡは、６０
０ｍｍで１周期となる様に黒部分の幅を変調しており、
第２のパターンＢは、５７０ｍｍで１周期となる様に黒
部分の幅を変調している。

【０００５】ここで電子レベル用標尺２の水平位置を求
める原理を説明すると、電子レベル用標尺２の第１のパ
ターンＡは、６００ｍｍで１周期となる様に黒部分の幅
を変調しているので、変調幅を０〜１０ｍｍとすれば、
第１のパターンの幅Ｄ_Aは、以下の式で与えられる。

【０００６】Ｄ_A＝５＊（１＋ＳＩＮ（２＊π＊Ｘ／６００−π／２））・・・第１式

【０００７】となる。但し、Ｘ＝（１０ｍｍ、４０ｍ
ｍ、７０ｍｍ・・・・・・である）。

【０００８】同様に、電子レベル用標尺２の第２のパタ
ーンＢは、５７０ｍｍで１周期となる様に黒部分の幅を
変調しているので、第２のパターンの幅Ｄ_Bは、以下の
式で与えられる。

【０００９】Ｄ_B＝５＊（１＋ＳＩＮ（２＊π＊Ｘ／５７０＋π／２））・・・第２式

【００１０】となる。但し、Ｘ＝（２０ｍｍ、５０ｍ
ｍ、８０ｍｍ・・・・・・である）。

【００１１】なお第１式と第２式で、±π／２のオフセ
ットが加えられているが、これは信号処理において第１
のパターンＡによる信号と、第２のパターンＢによる信
号を分離し易くするためである。

【００１２】そして第１のパターンＡと第２のパターン
Ｂとは、周期が僅かに異なっているため、両者の最小公
倍数である距離で同様のパターンが現れる。本実施例で
は６００ｍｍと５７０ｍｍの最小公倍数である１１４０
０ｍｍで同様のパターンが現れる。従って第１のパター
ンＡによる信号と、第２のパターンＢによる信号との位
相差は、０〜１１４００ｍｍの範囲で０〜２πまで変化
することになる。

【００１３】即ち、水平位置における第１のパターンＡ
による信号の位相をφ_Aとし、水平位置における第２の
パターンＢによる信号の位相をφ_Bとすれば、電子レベ
ル用標尺２における水平位置Ｈは、

【００１４】Ｈ＝１１４００＊（（φ_B−φ_A−π）／（２π））ｍｍ・・・・第３式

【００１５】となる。

【００１６】次に、電子レベル１と電子レベル用標尺２
との距離を演算する方法を説明する。

【００１７】上記電子レベル１で電子レベル用標尺２を
読み取り、フーリエ変換を施せば、図４のパワースペク
トルに示す様に、第１のパターンＡの周期成分と、第２
のパターンＢの周期成分と、第３のパターンＲと第１の
パターンＡと第２のパターンＢの１組（１ブロック）と
した周期成分（基準信号の３倍の周期となる）と、基準
信号（パターンの等間隔ピッチ（ｐ）に対応するもの）
の周期成分とが得られる。なおスペクトラム群は、電子
レベル１と電子レベル用標尺２との距離が小さくなる
と、低周波側に移動する。そしてスペクトル群で最も周
期の小さいものは、基準信号（パターンの等間隔ピッチ
（ｐ）に対応するもの）である。この等間隔ピッチはｐ
に定められているので、レンズの結像公式により、電子
レベル１と電子レベル用標尺２との距離を演算すること
ができる。

【００１８】即ち図１０に示す様に、電子レベル用標尺
２の等間隔ピッチｐが、電子レベル１のレンズにより像
ｗとなるので、レンズから電子レベル用標尺２までの距
離をＬ、レンズから像までの距離をｄとすれば、

【００１９】Ｌ＝ｄ（ｐ／ｗ）となり、ｄ≒ｆであるか
ら（ｆはレンズの焦点距離）

【００２０】Ｌ＝ｄ（ｐ／ｗ）≒ｆ（ｐ／ｗ）

【００２１】となる。更に電子レベル１のレンズによる
像ｗは、リニアセンサ１５の１画素の長さをＣとし、リ
ニアセンサ１５で得られた等間隔ピッチｐに相当する周
波数（サイクル）の一波長をｋとすれば、ｗ＝Ｃｋとな
る。従って、電子レベル１と電子レベル用標尺２との距
離Ｌは、

【００２２】Ｌ＝（（ｆ／Ｃ＊ｋ））＊（ｐ）・・・・・第４式

【００２３】従って、電子レベル１と電子レベル用標尺
２との概略距離を求めることができる。

【００２４】次に水準高の測定原理を説明する。

【００２５】まず、遠距離測定の場合を説明する。

【００２６】図１３に示す様に、リニアセンサ１５で得
られた信号をフーリエ変換すれば、等間隔ピッチｐに相
当する信号を得ることができる。ここで、高速フーリエ
変換で求められた位相をθとし、水平位置に相当するリ
ニアセンサ１５のアドレス位置（第ｍビット目）の位相
をθ_mとすれば、

【００２７】Ｈ₁＝（θ_m／３６０゜）＊ｐ・・・・・第５式

【００２８】となる。即ち、等間隔ピッチｐ内を精密に
水平位置Ｈ₁を測定することができる（精測定）。

【００２９】また水平位置を求めるためには、電子レベ
ル用標尺２に形成された等間隔ピッチｐのパターン開始
位置からの概略位置を求める必要がある。そこでリニア
センサ１５の出力信号を、基準信号（等間隔ピッチｐに
相当する信号）の前後半ピッチ分で積分する。更にこの
積分値を３つ毎に間引けば（プロダクト検波）、図１４
に示す様に、第１のパターンＡに相当する信号１と、第
２のパターンＢに相当する信号２と、第３のパターンＲ
に相当する信号３とが得られる。しかしながら第３のパ
ターンＲは、幅が変調されていない上、第１のパターン
Ａと第２のパターンＢの最大変調幅が１０ｍｍに対し
て、第３のパターンＲは８ｍｍしかないので、第３のパ
ターンＲに相当する信号３は、積分値が略一定であり、
信号１や信号２に比較して約８０％の値となる。

【００３０】そして、第３のパターンＲと、第１のパタ
ーンＡと、第２のパターンＢとは、定められた順番に繰
り返して配置されているので、間引かれた信号が、第３
のパターンＲ、第１のパターンＡ、第２のパターンＢの
何れであるか、決定することができる。更にシェーディ
ング等の外乱光の影響を取り除くため、第３のパターン
Ｒに相当する信号を基準として、図１５に示す様に、
（Ａ−Ｒ）、（Ｂ−Ｒ）の信号を得る。

【００３１】次に（Ａ−Ｒ）、（Ｂ−Ｒ）の信号から、
水平位置に対応するリニアセンサ１５のアドレス位置
（第ｍビット目）を含む、基準信号が含まれるＲ、（Ａ
−Ｒ）、（Ｂ−Ｒ）の１組の信号を選択し、（Ａ−Ｒ）
と（Ｂ−Ｒ）の位相を求めれば、電子レベル用標尺２の
何れの位置の、第１のパターンＡ、第２のパターンＢ、
第３のパターンＲの組合せであるかを求めることができ
る。

【００３２】ここで、（Ａ−Ｒ）信号をＡｍとし、（Ｂ
−Ｒ）信号をＢｍとし、（Ａ−Ｒ）信号の最大振幅の１
／２をＷａ、（Ｂ−Ｒ）信号の最大振幅の１／２をＷｂ
とすれば、（Ａ−Ｒ）と（Ｂ−Ｒ）の位相は、それぞ
れ、

【００３３】 φ_a＝ＳＩＮ^-1（Ａｍ／Ｗａ）・・・・第６式

【００３４】 φ_b＝ＳＩＮ^-1（Ｂｍ／Ｗｂ）−２＊π（１０／５７０）・・・・第７式

【００３５】となる。第７式の端数部分は、第２のパタ
ーンＢに相当する信号の位置が、第１のパターンＡに相
当する信号より１０ｍｍずれているからである。

【００３６】そして第６式と第７式を、第３式に代入す
れば、第１のパターンＡに対応する信号の電子レベル用
標尺２における水平位置を求めることができる。また水
平位置を含む基準信号の所属が第３のパターンＲであれ
ば、この水平位置に１０ｍｍを減じ、水平位置を含む基
準信号の所属が第２のパターンＢであれば、この水平位
置に１０ｍｍを加えればよい。この結果、水平位置の概
略の水準高Ｈ₂を得ることができる。（粗測定）

【００３７】以上の様に水準高Ｈは、水平位置における
基準信号の位相を求め（精測定）、また、水平位置に相
当する基準信号が、電子レベル用標尺２のパターン開始
位置を基準に何れの位置にあるかを、第１のパターン
Ａ、第２のパターンＢの位相差より求め（粗測定）、こ
れら精測定Ｈ₁と粗測定Ｈ₂を桁合わせすることにより求
めることができる。

【００３８】次に近距離測定の場合を説明する。

【００３９】近距離測定の場合には、遠距離測定の様に
フーリエ変換を施した後、プロダクト検波を行って水準
高を求めるよりも、第１のパターンＡと第２のパターン
Ｂと第３のパターンＲの鮮明な画像が得られるため、直
接に信号幅を測定した方が高精度が期待できる。

【００４０】まず図１６に示す様に、リニアセンサ１５
の出力の立ち上がり、立ち下がりエッジを求めるため出
力信号を微分する。これらのエッジにより、黒部分のエ
ッジ間の間隔を求めることができる。更に、黒部分の中
心に相当するビットを求める。このビットの間隔が、第
１のパターンＡ、第２のパターンＢ、第３のパターンＲ
の等間隔ピッチｐである基準信号となる。

【００４１】そして水平位置に相当するアドレス位置
（第ｍビット）の前後の基準信号の位置を求めると、基
準信号の幅は、電子レベル用標尺２上で１０ｍｍに相当
するため、前後の基準信号をそれぞれＮ_f（第Ｎ_f ビッ
ト）、Ｎ_b（第Ｎ_bビット）とすれば、

【００４２】Ｈ₁＝（（ｍ−Ｎ_f）／（Ｎ_b−Ｎ_f））＊１０・・・第８式

【００４３】となる。（精測定）

【００４４】また、基準信号のスタート位置をＮ_e、最
終位置をＮ_s とし、個数をｎとすれば、各基準信号の間
隔の平均は、

【００４５】ｋ＝（Ｎ_e−Ｎ_s）／ｎ

【００４６】となり、このｋを第４式に代入すれば、電
子レベル１と電子レベル用標尺２との概略距離を求める
ことができる。

【００４７】そして黒部分の幅を最初より３個毎に間引
き、一定幅である第３のパターンＲを認識し、第３のパ
ターンＲ、第１のパターンＡ、第２のパターンＢの順に
配置されていることから、第３のパターンＲ、第１のパ
ターンＡ、第２のパターンＢの対応が決定される。

【００４８】更に水平位置に相当するリニアセンサ１５
のアドレス位置（第ｍビット目）を含む基準信号が、第
３のパターンＲ、第１のパターンＡ、第２のパターンＢ
の何れに属するかを定めると共に、この何番目ブロック
に該当するかを決定する。即ち、Ｒ（ｎ）、Ａ（ｎ）、
Ｂ（ｎ）であれば、ｎ番目のブロックということにな
る。

【００４９】そして第１式から、

【００５０】Ｄ_A＝５＊（１＋ＳＩＮ（２＊π＊Ｘａ／
６００−π／２））

【００５１】但し、Ｘａ＝３０＊ｎ＋１０

【００５２】となるので、Ｄ_Aの値からｎを求めること
ができる。

【００５３】従って、

【００５４】ｎ＝（１０／π）＊（φ_a＋（π／２））−（１／３）・・・・第９式

【００５５】φ_a＝ＳＩＮ^-1（（Ｄ_A／５）−１）

【００５６】となる。φ_aは、０〜２πの間で２つ存在
するが、ｎは整数である条件より１個のみに選択され
る。このブロック番号をｎａとすれば、電子レベル用標
尺２上において、６００ｍｍ周期（即ち２０ブロック毎
に）存在するので、

【００５７】ｎ＝２０＊ｄ＋ｎａ

【００５８】となる。但し、ｄ＝０、１、２、３・・・
・である。

【００５９】そして、このｎを用いて第２のパターンＢ
の幅Ｄ_Bを求める。

【００６０】Ｘ＝３０＊ｎ＋２０

【００６１】として第２式に代入した後、Ｄ_Bを比較
し、一致した時のｎが求めるブロック番号である。この
ｎ、ｍが所属する第３のパターンＲ、第１のパターン
Ａ、第２のパターンＢの種類により、概略水準高Ｈ
₂（粗測定）は、

【００６２】第３のパターンＲの場合には、Ｈ₂＝３０＊ｎ第１のパターンＡの場合には、Ｈ₂＝３０＊ｎ＋１０第２のパターンＢの場合にはＨ₂＝３０＊ｎ＋２０

【００６３】・・・・第１０式

【００６４】となる。

【００６５】なお１組のパターンのみの判断でなく、前
後数カ所の判断を行えば、パターンの汚れ等による誤り
率を低減化させることができる。

【００６６】従って、第３のパターンＲ、第１のパター
ンＡ、第２のパターンＢに相当する信号の黒部分の幅よ
り基準信号を求め、水平位置に相当するアドレス位置の
基準信号を定めることにより精測定を行い、第１のパタ
ーンＡ、第２のパターンＢに相当する信号の位相差によ
り粗測定を行い、これら精測定Ｈ₁と粗測定Ｈ₂を桁合わ
せすることにより、水準高を求めることができる。

【００６７】以上において、変調された第１パターンＡ
及び第２パターンＢに加え変調されていない第３パター
ンＲを用いて変調されたパターン信号の区別を行う測定
方法について説明を行ったが、検出した２種類のパター
ンに相当する信号からそれぞれの波長を求めること等に
より、第１パターンＡの信号と第２パターンＢの信号と
の識別ができれば、第３パターンＲを用いることなく測
定が行える。

【００６８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の電
子レベルは、高低差を自動的に求めることができるが、
微小な振動が存在する屋外の測定では、電子レベルに内
蔵されているコンペンセータ手段も振動し、懸垂垂下さ
れた懸垂光学部材が振動して測定誤差が生じるという問
題や、部品のバラツキ等によるコンペンセータの水平位
補正誤差が生じるという問題点があった。

【００６９】特に、振動の大きい橋梁上の測量では、そ
の悪影響が顕著であり、振動対策が強く望まれており、
水平位誤差においては、従来から汎用に使用されている
コンペンセータでも高精度の水平位が得られることが強
く望まれていた。

【００７０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題に鑑み
案出されたもので、望遠鏡光学系に水平位を保つための
コンペンセータ手段を有し、視準する標尺の高低差を自
動的に求める電子レベルにおいて、前記コンペンセータ
手段に傾き角を検出するための傾き角検出手段が設けら
れ、この傾き角検出手段からの傾き角データを一定時間
累積加算したデータと、前記傾き角検出手段からの傾き
角データを測光時のみ累積加算したデータとから補正量
を求め、高さに換算するための演算処理手段を備えてお
り、コンペンセータ手段の水平位誤差を補正することを
特徴としている。

【００７１】また本発明のコンペンセータ手段は、前後
左右に揺動して水平位を補正する懸垂光学部材を含んで
おり、傾き角検出手段は、前記懸垂光学部材に設けられ
た反射マークと、この反射マークを検出するための２つ
の受発光部とからなり、演算処理手段が、前記２つの受
発光部の出力信号の位相差から前記懸垂光学部材の傾き
角を演算する構成にすることもできる。

【００７２】

【００７３】また本発明の演算処理手段には、前記コン
ペンセータ手段の傾き角データ信号を一定時間の間取り
込み記憶するための第１の傾き角信号記憶手段と、前記
コンペンセータ手段の傾き角データ信号を、前記光電変
換器が測光している時間の間取り込み記憶するための第
２の傾き角信号記憶手段とが含まれており、演算処理手
段には、第１の傾き角信号記憶手段の記憶データから一
定時間平均傾き角検出信号を演算するための一定時間平
均傾き角検出手段と、第２の傾き角信号記憶手段の記憶
データから光電変換時間平均傾き角検出信号を演算する
ための光電変換時間平均傾き角検出手段と、前記一定時
間平均傾き角検出信号と光電変換時間平均傾き角検出信
号に基づき、振動による水平位誤差を補正するための補
正量演算手段とを含んでもよい。

【００７４】更に本発明の一定時間とは、コンペンセー
タ手段の固有振動数の周期以上であり、かつ、電子レベ
ルの測定時間以内となっており、光電変換時間は、前記
一定時間の起算点から、少なくとも前記光電変換器の最
適露光時間計測時間経過後から起算される構成にしても
よい。

【００７５】

【００７６】また本発明の補正量演算手段は、一定時間
平均傾き角検出信号と光電変換時間平均傾き角検出信号
に基づくことに代えて、予め測定され記憶されたコンペ
ンセ−タ手段の水平位補正誤差記憶手段と前記一定時間
平均傾き角検出信号の検出信号と光電変換時間平均傾き
角検出信号とに基づき、電子レベルの水平位誤差を補正
する構成にすることもできる。

【００７７】

【発明の実施の形態】以上の様に構成された本発明は、
望遠鏡光学系に水平位を保つためのコンペンセータ手段
を有し、視準する標尺の高低差を自動的に求める電子レ
ベルであって、前記コンペンセータ手段に設けられた傾
き角検出手段が傾き角を検出し、演算処理手段が、傾き
角検出手段からの傾き角データを一定時間累積加算した
データと、傾き角検出手段からの傾き角データを測光時
のみ累積加算したデータとから補正量を求め、高さに換
算する様になっており、コンペンセータ手段の水平位誤
差を補正することができる。

【００７８】また本発明のコンペンセータ手段は、前後
左右に揺動して水平位を補正する懸垂光学部材を含んで
おり、傾き角検出手段は、懸垂光学部材に設けられた反
射マークと、この反射マークを検出するための２つの受
発光部とからなり、演算処理手段が、２つの受発光部の
出力信号の位相差から懸垂光学部材の傾き角を演算する
こともできる。

【００７９】

【００８０】そして本発明の演算処理手段では、第１の
傾き角信号記憶手段が、コンペンセータ手段の傾き角デ
ータ信号を一定時間の間取り込み記憶し、第２の傾き角
信号記憶手段が、コンペンセータ手段の傾き角データ信
号を、光電変換器が測光している時間の間取り込み記憶
し、一定時間平均傾き角検出手段が、第１の傾き角信号
記憶手段の記憶データから一定時間平均傾き角検出信号
を演算し、光電変換時間平均傾き角検出手段が、第２の
傾き角信号記憶手段の記憶データから光電変換時間平均
傾き角検出信号を演算し、補正量演算手段が、一定時間
平均傾き角検出信号と光電変換時間平均傾き角検出信号
に基づき、振動による水平位誤差を補正することもでき
る。

【００８１】更に本発明の一定時間とは、コンペンセー
タ手段の固有振動数の周期以上であり、かつ、電子レベ
ルの測定時間以内となっており、光電変換時間は、一定
時間の起算点から、少なくとも光電変換器の最適露光時
間計測時間経過後から起算することができる。

【００８２】

【００８３】また本発明の補正量演算手段は、一定時間
平均傾き角検出信号と光電変換時間平均傾き角検出信号
に基づくことに代えて、予め測定され記憶されたコンペ
ンセ−タ手段の水平位補正誤差記憶手段と前記一定時間
平均傾き角検出信号の検出信号と光電変換時間平均傾き
角検出信号とに基づき、電子レベルの水平位誤差を補正
する様にすることもできる。

【００８４】

【実施例】

【００８５】本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。

【００８６】図１〜図３に示す様に、本実施例の測量装
置は、電子レベル１と、電子レベル用標尺２とからなっ
ている。電子レベル１は、図３に示す様に整準装置１０
０上に載置されており、図１に示す様に、対物レンズ部
１１と、コンペンセータ１２と、ビームスプリッタ１３
と、接眼レンズ部１４と、リニアセンサ１５と、演算処
理手段１６と、傾き角検出部５００とから構成されてい
る。

【００８７】対物レンズ部１１は、電子レベル用標尺２
の電子的読取用パターンの像を形成するためのものであ
る。本実施例の対物レンズ部１１は、対物レンズとイン
ターナルレンズとから構成されており、インターナルレ
ンズを移動させることにより、電子レベル用標尺２のパ
ターンの像に対するピント合わせを行うことができる。
ビームスプリッタ１３は、光を接眼レンズ部１４方向
と、リニアセンサ１５方向に分割させるためのものであ
る。接眼レンズ部１４は、測量者が、電子レベル用標尺
２を目視するためのものである。なお対物レンズ部１１
と接眼レンズ部１４とが、電子レベル用標尺２の目視用
目盛りを観察するための視準光学系に該当し、また、対
物レンズ部１１とリニアセンサ１５とが、測定光学系に
該当している。

【００８８】コンペンセータ１２は、電子レベル１の傾
きを補正するためのもので、図５〜図６に示す様に、コ
ンペンセータ本体１２０と、このコンペンセータ本体１
２０から懸垂垂下された懸垂光学部材１２１と、懸垂光
学部材１２１を吊り下げるための４本の吊り線１２２、
１２２、・・・と、第１のミラー１２３と、第２のミラ
ー１２４と、プリズム１２５と、反射マーク１２６と、
第１の受発光部１２７ａと、第２の受発光部１２７ｂと
から構成されている。

【００８９】コンペンセータ本体１２０の４隅には、４
本の吊り線１２２、１２２、・・・が取り付けられ、懸
垂光学部材１２１を垂下できる様に構成されている。

【００９０】懸垂光学部材１２１は、電子レベル１の傾
きに応じて前後左右に揺動する様に構成されており、上
面部には、第２のミラー１２４が形成されており、下面
部には、反射マーク１２６が形成されている。

【００９１】第１のミラー１２３に入射した光は、反射
されて懸垂光学部材１２１上の第２のミラー１２４に導
かれ、第２のミラー１２４で反射された光は、プリズム
１２５へ導かれ、プリズム１２５から接眼レンズ部に放
射される様に構成されている。懸垂光学部材１２１は、
前後左右に揺動自在に垂下されているので、電子レベル
１の傾きに対応することができる。

【００９２】懸垂光学部材１２１の下面部には、反射マ
ーク１２６が形成されている。この反射マーク１２６と
対向する位置には、傾いた懸垂光学部材１２１の反射マ
ーク１２６を検出するための２つの第１の受発光部１２
７ａと、第２の受発光部１２７ｂが配置されている。２
つの第１の受発光部１２７ａと、第２の受発光部１２７
ｂとは、反射マーク１２６を中心として、左右対称の位
置に配置されており、第１の受発光部１２７ａと第２の
受発光部１２７ｂとの出力信号の位相差を検出すれば、
懸垂光学部材１２１の傾き角を検出することができる。

【００９３】即ち、図７に示す様に、懸垂光学部材１２
１が傾けば、第１の受発光部１２７ａと第２の受発光部
１２７ｂとの信号の出力には、アンバランスが生じ、そ
のアンバランス量を測定すれば、懸垂光学部材１２１の
傾き角を求めることができる。

【００９４】なおコンペンセータ１２は、コンペンセー
タ手段に該当するものであり、第１の受発光部１２７ａ
と第２の受発光部１２７ｂと反射マーク１２６とが、傾
き角検出手段に該当するものである。また反射マーク１
２６は、反射部材に該当するものである。

【００９５】リニアセンサ１５は、対物レンズ部１１に
よって形成された電子レベル用標尺２のパターン像を電
気信号に変換するためのものである。本実施例では、Ｃ
ＣＤリニアセンサが使用されている。このリニアセンサ
１５は、ホトダイオードを少なくとも１次元的に配置し
たリニアイメージセンサであれば、何れのセンサを採用
することができる。

【００９６】演算処理手段１６は信号処理部に該当する
もので、アンプ１６１と、サンプルホールド１６２と、
Ａ／Ｄ変換器１６３と、ＲＡＭ１６４と、クロックドラ
イバ１６５と、マイクロコンピュータ１６６とから構成
されている。この演算処理手段１６には、表示器１６７
が接続されている。なお本実施例の演算処理手段１６
は、傾き角データ信号形成手段と、第１の傾き角信号記
憶手段と、第２の傾き角信号記憶手段と、一定時間平均
傾き角検出手段と、光電変換時間平均傾き角検出手段
と、補正量演算手段と、水平位補正誤差記憶手段とが含
まれている。

【００９７】ここで本実施例の電子レベル１に搭載され
た演算処理手段１６を図１に基づいて詳細に説明する。
アンプ１６１は、リニアセンサ１５からの電気信号を増
幅するものであり、サンプルホールド１６２は、増幅さ
れた電気信号をクロックドライバ１６５からのタイミン
グ信号でサンプルホールドするものである。Ａ／Ｄ変換
器１６３は、サンプルホールドされた電気信号をＡ／Ｄ
変換するためのものである。そしてＲＡＭ１６４は、Ａ
／Ｄ変換されたデジタル信号を記憶するためのものであ
る。またマイクロコンピュータ１６６は、各種演算処理
を行うものである。

【００９８】そして、対物レンズ部１１とビームスプリ
ッタ１３と接眼レンズ部１４とは、望遠鏡光学系に該当
するものであり、リニアセンサ１５は光電変換器に該当
するものである。

【００９９】演算処理手段１６には、傾き角検出部５０
０と操作部５５０と表示部１６７とが接続されている。

【０１００】傾き角検出部５００は、第１の受発光部１
２７ａと第２の受発光部１２７ｂとを発光駆動するため
の発光部ドライバー５１０と、第１の受発光部１２７ａ
の受光信号をＡ／Ｄ変換するための第１のＡ／Ｄ変換器
５２０ａと、第２の受発光部１２７ｂの受光信号をＡ／
Ｄ変換するための第２のＡ／Ｄ変換器５２０ｂとから構
成されている。

【０１０１】ここでマイクロコンピュータ１６６が果た
す機能を図８に基づいて説明すると、演算処理手段１６
は、基準信号形成部１６６１と、パターン信号形成部１
６６２と、ブロック検出部１６６３と、算出部１６６４
と、傾き角データ信号形成手段１６７１と、第１の傾き
角信号記憶手段１６７２と、第２の傾き角信号記憶手段
１６７３と、一定時間平均傾き角検出手段１６７４と、
光電変換時間平均傾き角検出手段１６７５と、補正量演
算手段１６７６と、水平位補正誤差記憶手段１６７７と
から構成されている。

【０１０２】基準信号形成部１６６１は、リニアセンサ
１５から得られた電気信号から、遠距離測定の場合に
は、高速フーリエ変換により等間隔ピッチｐに相当する
基準信号を形成し、近距離測定の場合には、リニアセン
サ１５の出力信号を微分し、立ち上がり、立ち下がりエ
ッジから基準信号を形成する。

【０１０３】パターン信号形成部１６６２は、遠距離測
定の場合には、基準信号の前後半ピッチ分で積分し、こ
の積分値を３つ毎に間引く（プロダクト検波）ことによ
り、第１のパターン信号と第２のパターン信号を形成
し、近距離測定の場合には、間引き動作により、第１の
パターン信号と第２のパターン信号を形成する。

【０１０４】ブロック検出部１６６３は、近距離測定の
場合に、第１のパターンＡの幅Ｄ_A及び第２のパターン
Ｂの幅Ｄ_Bを比較することにより、水平位置に相当する
ブロックが何番目のブロックであるかを決定する。

【０１０５】算出部１６６４は、遠距離測定の場合に
は、視準線付近の第１のパターン信号と第２のパターン
信号の位相から高低差を算出し、近距離測定の場合に
は、特定されたブロックに基づき高低差を算出する様に
なっている。

【０１０６】なお電子的読取用パターン２１が等間隔ピ
ッチであるから、レンズの結像公式により、電子レベル
１と電子レベル用標尺２との距離（水平距離）を演算す
ることができ、更に算出部１６６４で高低差を算出する
ことができるので、これらの機能が測定部に該当するこ
とになる。

【０１０７】即ち図９に示す様に、電子レベル用標尺２
の等間隔ピッチｐが、電子レベル１のレンズにより像ｗ
となるので、レンズから電子レベル用標尺２までの距離
をＬ、レンズから像までの距離をｄとすれば、

【０１０８】Ｌ＝ｄ（ｐ／ｗ）となり、ｄ≒ｆであるか
ら（ｆはレンズの焦点距離）

【０１０９】Ｌ＝ｄ（ｐ／ｗ）≒ｆ（ｐ／ｗ）

【０１１０】となる。更に電子レベル１のレンズによる
像ｗは、リニアセンサ１５の１画素の長さをＣとし、リ
ニアセンサ１５で得られた等間隔ピッチｐに相当する周
波数（サイクル）の一波長をｋとすれば、ｗ＝Ｃｋとな
る。従って、電子レベル１と電子レベル用標尺２との距
離Ｌは、

【０１１１】Ｌ＝（（ｆ／（Ｃ＊ｋ）））＊（ｐ）・・・・・第４式

【０１１２】となり、電子レベル１と電子レベル用標尺
２との水平距離を求めることができる。

【０１１３】傾き角データ信号形成手段１６７１は、第
１の受発光部１２７ａと第２の受発光部１２７ｂとの受
光信号から、懸垂光学部材１２１の傾き角に相当するデ
ータ信号を形成するためのものである。図１０（ａ）に
示す様に、懸垂光学部材１２１のが傾けば、第１の受発
光部１２７ａの出力電圧は（ａ）の様になり、第２の受
発光部１２７ｂの出力電圧は（ｂ）の様になる。なお、
それぞれの出力電圧の山の部分は、懸垂光学部材１２１
の反射マーク１２６が、受発光部が鉛直上に位置した場
合に相当する。なお、受発光部が１対の場合には、図１
０（ｂ）の様になる。

【０１１４】従って、第１の受発光部１２７ａと第２の
受発光部１２７ｂとの受光信号を、第１のＡ／Ｄ変換器
５２０ａと第２のＡ／Ｄ変換器５２０ｂとでＡＤ変換
し、その位相差を演算すれば、懸垂光学部材１２１の傾
き方向と、傾き角を得ることができる。

【０１１５】なお、受発光部が１対の場合には、Ａ／Ｄ
変換器５２０ｂの出力を演算することにより、懸垂光学
部材１２１の傾き方向と、傾き角を得ることができる。
受発光部が２対の場合には、１対の場合に比較して感度
が２倍となり、高感度に測定が行える。

【０１１６】第１の傾き角信号記憶手段１６７２は、図
１１に示す様に、傾き角データ信号形成手段１６７１で
得られたコンペンセータ１２の傾き角データ信号を一定
時間の間、取り込み記憶するためのものである。この一
定時間とは、コンペンセータ１２の固有振動数の周期以
上であり、かつ、電子レベル１の測定時間以内となって
いる。

【０１１７】第２の傾き角信号記憶手段１６７３は、図
１１に示す様に、傾き角データ信号形成手段１６７１で
得られたコンペンセータ１２の傾き角データ信号を、光
電変換器であるリニアセンサ１５が測光している時間の
間、取り込み記憶するためのものである。

【０１１８】なお演算処理手段１６は、電子レベル１の
測定開始前に、リニアセンサ１５からの出力信号を測定
し、適正露出となる様なリニアセンサ１５の取り込み時
間を決定する。従って、第１の傾き角信号記憶手段１６
７２で記憶される一定時間の起算点から、上述の適正露
出となる取り込み時間の決定動作が完了した後、リニア
センサ１５の測光時間が開始される様になっている。

【０１１９】一定時間平均傾き角検出手段１６７４は、
第１の傾き角信号記憶手段１６７２で記憶されたコンペ
ンセータ１２の傾き角データ信号を累積加算し、一定時
間平均傾き角検出信号Ｃ_aveを演算するためのものであ
る。

【０１２０】光電変換時間平均傾き角検出手段１６７５
は、第２の傾き角信号記憶手段１６７３で記憶されたコ
ンペンセータ１２の傾き角データ信号を累積加算し、光
電変換時間平均傾き角検出信号Ｍ_aveを演算するための
ものである。この光電変換時間平均傾き角検出信号Ｍ
_aveは、演算処理手段１６が計算する高さと相関があ
る。

【０１２１】補正量演算手段１６７６は、一定時間平均
傾き角検出手段１６７４で得られた一定時間平均傾き角
検出信号Ｃ_aveと、光電変換時間平均傾き角検出手段１
６７５で得られた光電変換時間平均傾き角検出信号Ｍ
_aveとの差を求め、Ｓ＝一定時間平均傾き角検出信号Ｃ
_ave−光電変換時間平均傾き角検出信号Ｍ_aveこの得られ
たＳを補正量とし、高さに換算することにより、コンペ
ンセータ１２の振動による水平位誤差を除去することが
できる。

【０１２２】即ち、コンペンセータ１２と電子レベル１
は、一体的に取り付けられているので、電子レベル１の
振動する水平位誤差を除去することができる。

【０１２３】ここで、図１２に基づいて、水平位補正誤
差記憶手段１６７７を使用する具体例を説明する。

【０１２４】コンペンセータ１２は、ミラー１２３、１
２４及びプリズム１２５を物理的に動作させることによ
り、視準方向の傾斜を光学的に補正するものである。

【０１２５】コンペンセータ１２は、製造時に視準方向
と傾斜の追随性を調整する。即ち、視準方向は吊り線の
吊り状態を調整し、追随性については、重りの追加、又
は、基準位置をずらす様に調整している。この追随性を
誤差範囲に入る様に調整するものであるが、１級レベル
の様な高精度のものでは、調整は容易でなく、一般的に
はコンペンセータ１２は使用されない。

【０１２６】図１２は、追随性がずれた状態と理想的な
状態のＣ_aveを示す図であり、コンペンセータ１２の移
動量に比例して補正量が増加している。なお補正量は、
単に比例して増加する場合のみでなく、２次的な変化等
をする場合もある。

【０１２７】従って、上記実施例により、平均値の傾斜
位置を算出し、予め水平位補正誤差記憶手段１６７７に
おける誤差量により、個々に有するコンペンセータ１２
の誤差を補正することもできる。この方法により、高精
度な傾斜補正が実現される。

【０１２８】なお表示器１６７は、測定結果を表示する
ものであり、操作部５５０は、使用者が測定を開始する
場合に操作するものである。

【０１２９】また演算処理手段１６は、基準信号形成部
１６６１と、パターン信号形成部１６６２と、ブロック
検出部１６６３と、算出部１６６４と、傾き角データ信
号形成手段１６７１と、第１の傾き角信号記憶手段１６
７２と、第２の傾き角信号記憶手段１６７３と、一定時
間平均傾き角検出手段１６７４と、光電変換時間平均傾
き角検出手段１６７５と、補正量演算手段１６７６と、
水平位補正誤差記憶手段１６７７とから構成されている
が、マイクロコンピュータ１６６が全ての機能を果たす
構成としてもよい。

【０１３０】

【効果】以上の様に構成された本発明は、望遠鏡光学系
に水平位を保つためのコンペンセータ手段を有し、視準
する標尺の高低差を自動的に求める電子レベルにおい
て、前記コンペンセータ手段に傾き角を検出するための
傾き角検出手段が設けられ、この傾き角検出手段からの
傾き角データを一定時間累積加算したデータと、前記傾
き角検出手段からの傾き角データを測光時のみ累積加算
したデータとから補正量を求め、高さに換算するための
演算処理手段を備えており、コンペンセータ手段の水平
位誤差を補正する様に構成されているので、懸垂光学部
材の振動の影響を除去し、電子レベルの水平位誤差を補
正することができるという効果がある。

【０１３１】また、補正量演算手段が、一定時間平均傾
き角検出手段で得られた一定時間平均傾き角検出信号Ｃ
_aveと、水平位補正誤差記憶手段から得られた補正量を
高さに換算し、補正することにより、コンペンセータの
水平位補正誤差を補正することができる。

【０１３２】また本発明の傾き角検出手段は、少なくと
も１対の受発光素子を含んでおり、演算処理手段の傾き
角データ信号形成手段が、受光素子の出力信号から、コ
ンペンセータ手段の傾き角データ信号を演算することも
できるので、傾き角データ信号を高分解能で検出するこ
とができる上、その傾き方向も検出することができる。

【０１３３】そして本発明の演算処理手段には、前記コ
ンペンセータ手段の傾き角データ信号を一定時間の間取
り込み記憶するための第１の傾き角信号記憶手段と、前
記コンペンセータ手段の傾き角データ信号を、前記光電
変換器が測光している時間の間取り込み記憶するための
第２の傾き角信号記憶手段とが含まれており、演算処理
手段には、第１の傾き角信号記憶手段の記憶データから
一定時間平均傾き角検出信号を演算するための一定時間
平均傾き角検出手段と、第２の傾き角信号記憶手段の記
憶データから光電変換時間平均傾き角検出信号を演算す
るための光電変換時間平均傾き角検出手段と、前記一定
時間平均傾き角検出信号と光電変換時間平均傾き角検出
信号との差を演算し、この差に相当する傾き角を補正量
とする補正量演算手段とを含んでいるので、短時間に、
そして、高さの測定等に悪影響を与えることなく電子レ
ベルの振動する水平位誤差を短時間除去することができ
るという効果がある。

【０１３４】更に、水平位補正誤差記憶手段を含んでい
るので、コンペンセータ手段の水平位補正誤差を補正す
ることができ、高精度な水平位測定を行うことができる
という効果がある。

【０１３５】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の電子レベル１の構成を示す図
である。

【図２】本実施例の電子レベル用標尺２を説明する図で
ある。

【図３】本実施例の電子レベル１の外観を示す斜視図で
ある。

【図４】出力信号のパワースペクトラムを示す図であ
る。

【図５】本実施例のコンペンセータ１２を示す斜視図で
ある。

【図６】本実施例のコンペンセータ１２を説明する図で
ある。

【図７】本実施例の傾いたコンペンセータ１２を説明す
る図である。

【図８】本実施例の演算処理手段１６の構成を示す図で
ある。

【図９】本実施例の水平距離の測定原理を説明する図で
ある。

【図１０（ａ）】第１の受発光部１２７ａと第２の受発
光部１２７ｂの出力電圧を示す図である。

【図１０（ｂ）】受発光部が１対の場合の出力電圧を示
す図である。

【図１１】本実施例のコンペンセータ１２の振動による
測定誤差の除去を説明する図である。

【図１２】水平位補正誤差記憶手段１６７７を説明する
図である。

【符号の説明】

１電子レベル１１対物レンズ部１２コンペンセータ１２０コンペンセータ本体１２１懸垂光学部材１２２吊り線１２３第１のミラー１２４第２のミラー１２５プリズム１２６反射マーク１２７ａ第１の受発光部１２７ｂ第２の受発光部１３ビームスプリッタ１４接眼レンズ部１５リニアセンサ１６演算処理手段１６６１基準信号形成部１６６２パターン信号形成部１６６３ブロック検出部１６６４算出部１６７１傾き角データ信号形成手段１６７２第１の傾き角信号記憶手段１６７３第２の傾き角信号記憶手段１６７４一定時間平均傾き角検出手段１６７５光電変換時間平均傾き角検出手段１６７６補正量演算手段１６７７水平位補正誤差記憶手段２電子レベル用標尺２１電子的読取用パターン２２目視用目盛り１６７表示部５００傾き角検出部５１０発光部ドライバー５２０ａ第１のＡ／Ｄ変換器５２０ｂ第２のＡ／Ｄ変換器５５０操作部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】望遠鏡光学系に水平位を保つためのコンペ
ンセータ手段を有し、視準する標尺の高低差を自動的に求める電子レベルにお
いて、前記コンペンセータ手段に傾き角を検出するため
の傾き角検出手段が設けられ、この傾き角検出手段から
の傾き角データを一定時間累積加算したデータと、前記
傾き角検出手段からの傾き角データを測光時のみ累積加
算したデータとから補正量を求め、高さに換算するため
の演算処理手段を備えており、コンペンセータ手段の水
平位誤差を補正することを特徴とする電子レベルの水平
位誤差補正機構。
【請求項２】コンペンセータ手段は、前後左右に揺動し
て水平位を補正する懸垂光学部材を含んでおり、傾き角
検出手段は、前記懸垂光学部材に設けられた反射マーク
と、この反射マークを検出するための２つの受発光部と
からなり、演算処理手段が、前記２つの受発光部の出力
信号の位相差から前記懸垂光学部材の傾き角を演算する
請求項１記載の電子レベルの水平位誤差補正機構。
【請求項３】演算処理手段には、前記コンペンセータ手
段の傾き角データ信号を一定時間の間取り込み記憶する
ための第１の傾き角信号記憶手段と、前記コンペンセー
タ手段の傾き角データ信号を、前記光電変換器が測光し
ている時間の間取り込み記憶するための第２の傾き角信
号記憶手段とが含まれており、演算処理手段には、第１
の傾き角信号記憶手段の記憶データから一定時間平均傾
き角検出信号を演算するための一定時間平均傾き角検出
手段と、第２の傾き角信号記憶手段の記憶データから光
電変換時間平均傾き角検出信号を演算するための光電変
換時間平均傾き角検出手段と、前記一定時間平均傾き角
検出信号と光電変換時間平均傾き角検出信号に基づき、
振動による水平位誤差を補正するための補正量演算手段
とが含まれている請求項１記載の電子レベルの水平位誤
差補正機構。
【請求項４】前記一定時間とは、コンペンセ−タ手段の
固有振動数の周期以上であり、かつ、電子レベルの測定
時間以内となっており、光電変換時間は、前記一定時間
の起算点から、少なくとも前記光電変換器の最適露光時
間計測時間経過後から起算される請求項３記載の電子レ
ベルの水平位誤差補正機構。
【請求項５】補正量演算手段は、一定時間平均傾き角検
出信号と光電変換時間平均傾き角検出信号に基づくこと
に代えて、予め測定され記憶されたコンペンセ−タ手段
の水平位補正誤差記憶手段と前記一定時間平均傾き角検
出信号の検出信号と光電変換時間平均傾き角検出信号と
に基づき、電子レベルの水平位を補正する請求項３記載
の電子レベルの水平位誤差補正機構。