JP4648033B2

JP4648033B2 - 測量機の自動焦点機構

Info

Publication number: JP4648033B2
Application number: JP2005050462A
Authority: JP
Inventors: 信幸西田; 直樹東海林; 崇司長尾
Original assignee: 株式会社ソキア・トプコン
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2025-02-25
Also published as: US7361874B2; US20060192074A1; CN1825152A; CN100498409C; DE102006007013A1; DE102006007013B4; JP2006234614A

Description

本発明は、標尺を視準する望遠鏡を備えた電子レベルなどの測量機に搭載されて、標尺に対する望遠鏡の焦点を自動で合わすことができる測量機の自動焦点機構に関する。

電子レベルに搭載された自動焦点機構としては、例えば、図１０、図１１に示すものがある（特許文献１参照）。この自動焦点機構は、視準光学系として、対物レンズ２１ａ、合焦レンズ２１ｂ、視準軸の自動補償機構２２、ビームスプッリタ２３、焦点板２０ａ、接眼レンズ２０ｂを有する望遠鏡２０に搭載されて、合焦レンズ２１ｂを視準光学系の光軸に沿って移動させるステッピングモータ４１と、ステッピングモータ４１の駆動を制御する駆動回路４を備えているとともに、望遠鏡２０で標尺を視準したときの物体像をビームスプリッタ２３から取込んで電気信号に変換するラインセンサ２４を備えており、ラインセンサ２４の出力による電気信号はアンプ２５で増幅されたあと、Ａ／Ｄ変換器２７でデジタル信号に変換されるようになっている。このデジタル信号はＲＡＭ２８に記憶されたあと、マイコン３に転送されるようになっている。マイコン３は、ＲＡＭ２８に記憶されたデジタル信号を基に、標尺上のマーク（白地の表面に黒色のマークが複数個等間隔で表示されて、複数のパターンが形成されたもの）のピッチを求め、このピッチを基に望遠鏡２０と標尺との距離を求め、この距離に対応した位置まで合焦レンズ２１ｂを移動させる制御を行うようになっている。マイコン３の制御による信号が駆動回路４からステッピングモータ４１に出力されると、ステッピングモータ４１の駆動によって合焦レンズ２１ｂが合焦位置まで移動して停止し、望遠鏡２０の焦点が標尺に対して自動的に合うようになっている。

この際、合焦レンズ２１ｂの移動可能範囲のうち接眼レンズ２０ｂ側の端まで合焦レンズ２１ｂを移動させたときには、望遠鏡２０は無限遠の位置に合焦しているため、ラインセンサ２４の出力信号は、図１１（ａ）に示すように、平坦な波形となっている。望遠鏡２０が無限遠の位置に合焦している状態から合焦レンズ２１ｂを対物レンズ２１ａ側に移動させるに先立って、マイコン３はラインセンサ２４の出力信号のピークから範囲αを閾値として設定し、ラインセンサ２４の出力信号がα以上になるまで合焦レンズ２１ｂを対物レンズ２１ａ側に移動させる。この過程で、図１１（ｂ）に示すように、ラインセンサ２４の出力信号がα以上になったときに、合焦レンズ２１ｂを一旦停止させ、α内にある信号成分のうちある部分の長さβを求めるとともに、βの中心位置であるセンターラインＣＬを求める。α内の信号成分が複数箇所あるときは、各個所毎にセンターラインＣＬの位置を求め、各センターラインＣＬの間隔を平均して、その平均値を求める。この平均値は、ラインセンサ２４上の画像における標尺（１）のマークのピッチに相当するため、このピッチを基に望遠鏡２０と標尺との距離を求める。この距離を基に合焦レンズ２１ｂを指定の位置まで移動させることで、標尺に対して正確に合焦させることができる。標尺に対して望遠鏡２０の焦点が自動的に合うと、ラインセンサ２４の出力信号は、図１１（ｃ）に示すような波形になる。

特開２００１−１２９４９号公報（第２頁〜第３頁、図２、図３）

従来技術においては、等間隔パターンが表示された標尺を視準する測量機の焦点を自動で合わせるに際して、ラインセンサ２４の出力信号のレベルが閾値αを超えたことを条件に、合焦レンズ２１ｂが概略合焦位置にあると判定するとともに、そのときのラインセンサ２４の出力信号を基に標尺上のマークのピッチを演算するようにしているため、標尺の状態によっては合焦レンズが概略合焦位置にあることを検出できない恐れがある。

すなわち、標尺は常に均一な明るさの環境下で使用されるとは限らず、標尺の周囲が暗いときには、合焦レンズ２１ｂを移動範囲内に渡って移動させても、ラインセンサ２４の出力レベルが閾値αを越えないことがある。逆に、望遠鏡の視準範囲内に標尺よりも明るいものが存在するときに、標尺よりも明るいものを視準して、ラインセンサ２４のレベルが閾値αを越えたときには、標尺以外のものを標尺と誤って判定すると、やり直しが余儀なくされ、やり直しに時間を要することになる。

標尺は、必ずしも望遠鏡の視野内全域をカバーしているとは限らず、例えば、標尺の上端や下端を使用して測量を行う場合、標尺以外の背景部分もラインセンサ２４の出力信号に含まれるため、ラインセンサ２４の出力信号のうち背景部分に相当する出力信号のレベルが閾値αを越えたときに、合焦状態になったことを検出するための合焦検出処理を実行すると、誤った判定にしたがった測距が実行される恐れがある。

すなわち、ラインセンサ２４の出力信号を処理する場合、誤ったデータや信号レベルの低いデータを基に標尺上のパターンのピッチを求めるための演算処理を行うと、測距結果を間違えたり、測距精度が悪くなったりするという課題が生じる。

その結果、標尺に対する望遠鏡２０の焦点を自動的に合わすための処理であるオートフォーカスに失敗し、オートフォーカスの処理時間が長くなって作業効率が低下したり、オートフォーカスの精度が悪くなって、測定結果に悪影響を及ぼしたりすることがある。

本発明は、前記従来の課題に鑑みて為されたもので、その目的は、合焦レンズが合焦位置にあることを確実にかつ迅速に検出することにある。

前記目的を達成するために、請求項１に係る発明では、対物レンズと接眼レンズとの間に焦点板と前記焦点板上に結像させる合焦レンズが配列された視準光学系を有する望遠鏡を備えた測量機に搭載され、複数のパターンが等間隔で配列された標尺を視準対象として、前記標尺に対する焦点を自動で合わせる測量機の自動焦点機構において、前記合焦レンズを前記視準光学系の光軸方向に沿って移動させる駆動手段と、前記視準光学系における前記合焦レンズの位置を検出する位置検出手段と、前記焦点板上に結像する物体像を電気信号に変換する光電変換手段と、前記光電変換手段の出力による電気信号のうち前記合焦レンズが合焦位置にあるときに前記標尺上のパターンから検出されると想定される特定の周波数成分のみを前記位置検出手段の検出出力に応じて抽出して検出する周波数検出手段と、前記位置検出手段の検出による前記合焦レンズの位置と前記周波数検出手段の検出による周波数とを監視し、前記合焦レンズの位置が変化する過程で、前記合焦レンズの位置に対応づけて予め設定された特定の周波数成分を前記周波数検出手段によって検出し、前記特定の周波数成分の絶対値を算出し、この絶対値にあらかじめ設定された標尺区間エリアを基にして移動平均処理を施し、該移動平均処理による処理結果の最大値が閾値を超えているか否かを判定し、肯定の判定結果が得られたことを条件に前記最大値を中心とした標尺区間エリアを前記光電変換手段の出力による電気信号に関連づけて設定し、前記標尺エリア内の電気信号の周期を前記標尺上のパターン間のピッチとして前記望遠鏡から前記標尺までの距離を算出する距離算出手段と、前記距離算出手段の算出値と前記位置検出手段の検出出力とを基に前記駆動手段の駆動を制御して前記合焦レンズの位置決めを行う駆動制御手段とを備えてなることを特徴とする。

（作用）駆動手段の駆動によって合焦レンズが視準光学系の光軸方向に沿って移動すると、合焦レンズの位置が位置検出手段によって検出されるととともに、焦点板上に結像する物体像に相当する物体像が光電変換手段によって電気信号に変換される。

すなわち、複数のパターンが等間隔で配列された標尺を望遠鏡で視準すると、光電変換手段には、焦点板上に結像する物体像が取り込まれ、光電変換手段からは物体像の明暗に応じた電気信号が出力される。物体像の明暗に応じてレベルが変化する電気信号は合焦レンズの位置に応じて周波数が変化する電気信号となる。しかも、電気信号の周波数は、合焦レンズが合焦位置にあるときに、標尺上のパターンから検出される周波数として、合焦レンズの位置と、望遠鏡から標尺までの距離との関係から予め求めておくことができるため、合焦レンズの位置が変化する過程で、合焦レンズの位置と電気信号の周波数とを監視し、合焦レンズの位置が変化したときに、その位置で特定の周波数が検出されたときには、合焦レンズが概略合焦位置にあると判定することができる。電気信号の周波数は、標尺が不均一な明るさの環境下に置かれても、正確に検出されるとともに、標尺のうち、標尺の上端や下端のみが視準されたときでも、正確に検出されるため、合焦レンズが概略合焦位置にあることを確実にかつ迅速に検出することができる。

合焦レンズが概略合焦位置にあるとして、望遠鏡から標尺までの距離が求められた後は、望遠鏡から標尺までの距離と合焦レンズの位置を基に駆動手段の駆動を制御して合焦レンズの正確な位置決めを行うことで、標尺に対する焦点を自動で合わせることができる。この場合、駆動手段に対する駆動制御として、合焦レンズの停止位置を規定した制御を行うことで、合焦レンズの位置決めを行うことができる。例えば、距離算出手段の算出値に対応した合焦レンズについての合焦位置と位置検出手段で検出した合焦レンズの位置との差が０になったときに、駆動手段による合焦レンズの移動を停止させる制御を行うことで、合焦レンズを正確な合焦位置に位置決めすることができる。

また、周波数検出手段が光電変換手段の出力による電気信号からその周波数を検出するに際して、合焦レンズが合焦位置にあるときに、標尺上のパターンから検出されると想定される特定の周波数成分のみを合焦レンズの位置に応じて抽出するための処理として、例えば、バンドパスフィルタ処理を実行するようにしたため、標尺が、明るさが不均一な環境下に置かれたときに、光電変換手段の出力による電気信号に、標尺上のパターン以外のものから得られた信号がノイズとして重畳しても、標尺上のパターンから得られた周波数成分のみを抽出することができ、合焦レンズの位置に応じた特定の周波数をより正確に検出することができ、合焦レンズが略合焦位置にあることの判定をより正確に行うことができる。

さらに、バンドパスフィルタ処理によって得られた特定の周波数成分に対してその絶対値を算出するとともに、算出された絶対値に対して移動平均処理を施すと、連続性を有する信号成分のみを抽出することができる。このとき、標尺上のパターンから得られた信号の成分が連続性を有するものであるときには、移動平均処理によるレベルは大きくなる。これに対して、標尺以外の背景などを視準して得られた信号として、連続性の少ない信号の成分が抽出されたときには、この信号の成分に対して移動平均処理を施すと、その信号のレベルは低くなる。そして、移動平均処理によって得られた信号のレベルの最大値が閾値を超えているときには、合焦レンズが概略合焦位置にあるとして、最大値を中心とした標尺区間エリアを光電変換手段の出力信号に対応づけて標尺エリアとして設定し、標尺エリア内の電気信号の周期（波の間隔）を標尺上のパターン間のピッチとして、望遠鏡から標尺までの距離を演算することで、明るいレベルの信号成分のみを用いて望遠鏡から標尺までの距離を演算することができ、より精度の高い距離を求めることができる。

請求項２に係る発明では、対物レンズと接眼レンズとの間に焦点板と前記焦点板上に結像させる合焦レンズが配列された視準光学系を有する望遠鏡を備えた測量機に搭載され、複数のパターンが等間隔で配列された標尺を視準対象として、前記標尺に対する焦点を自動で合わせる測量機の自動焦点機構において、前記合焦レンズを前記視準光学系の光軸方向に沿って移動させる駆動手段と、前記視準光学系における前記合焦レンズの位置を検出する位置検出手段と、複数の光電変換素子を有して前記焦点板上に結像する物体像を電気信号に変換する光電変換手段と、前記光電変換手段の出力による電気信号のうち前記合焦レンズが合焦位置にあるときに前記標尺上のパターンから検出されると想定される特定の周波数成分のみを前記位置検出手段の検出出力に応じて抽出して検出する周波数検出手段と、前記位置検出手段の検出による前記合焦レンズの位置と前記周波数検出手段の検出による周波数とを監視し、前記合焦レンズの位置が変化する過程で、前記合焦レンズの位置に対応づけて予め設定された特定の周波数を前記周波数検出手段によって検出し、前記特定の周波数成分の絶対値を算出し、この絶対値にあらかじめ設定された標尺区間エリアを基にして移動平均処理を施し、前記移動平均処理手段に用いた標尺区間エリアにおける電気信号の最大値と光電変換手段に捕捉された区間全体における電気信号の最大値との比を基に光量補正係数を算出し、該光量補正係数と前記移動平均処理の処理結果とを乗算し、該乗算結果の最大値が閾値を超えているか否かを判定し、肯定の判定結果が得られたことを条件に、前記最大値を中心とした標尺区間エリアを前記光電変換手段の出力による電気信号に関連づけて設定し、前記光電変換手段の出力による電気信号のうち前記標尺エリア内の電気信号の周期を前記標尺上のパターン間のピッチとして前記望遠鏡から前記標尺までの距離を算出する距離算出手段と、前記距離算出手段の算出値と前記位置検出手段の検出出力とを基に前記駆動手段の駆動を制御して前記合焦レンズの位置決めを行う駆動制御手段とを備えたことを特徴とする。

（作用）バンドパスフィルタ処理によって得られた特定の周波数成分に対してその絶対値を算出するとともに、算出された絶対値に対して移動平均処理を施すと、連続性を有する信号成分のみを抽出することができる。このとき、標尺上のパターンが写り込んでいる信号の成分が連続性を有するものであるときには、移動平均処理によるレベルは大きくなる。これに対して、標尺以外の背景などを視準して得られた信号として、連続性の少ない信号の成分が抽出されたときには、この信号の成分に対して移動平均処理を施すと、その信号のレベルは低くなる。一方、標尺よりも明るいものが背景に写り込み、背景に写り込んだ像から得られた信号の成分が連続性を有するときには、標尺上のパターンが写り込んでいる信号のレベルよりも、背景に写り込んだ像から得られた信号のレベルの方が大きくなり、そのままでは標尺像を抽出することができない。そこで、標尺よりも明るいものが背景に写り込むことを考慮して、移動平均処理を行った後、光量補正係数乗算処理を実行する。具体的には、バンドパスフィルタ処理によって得られた特定の周波数成分に対してその絶対値を算出するとともに、算出された絶対値に対して、この算出値にあらかじめ設定された標尺区間エリアを基にして、移動平均処理を施し、移動平均処理に用いた標尺区間エリアにおける電気信号の最大値と光電変換手段に捕捉された区間全体における電気信号の最大値との比を基に光量補正係数を算出する。これを基に各光電変換素子の出力信号のレベルを光量の最大値になるような光量補正係数を算出する。例えば、標尺のパターンが写り込んでいる電気信号（光電変換素子の出力信号）のレベルが光量の最大値の１／２であるときには、光量補正係数を２として求め、背景に写り込んだ像に関する電気信号のレベルが略光量の最大値であるときには、光量補正係数を１として求める。光量補正係数が求められた後は、移動平均処理で得られた信号に対して光量補正係数を乗算する。すると、標尺のパターンが写り込んでいる電気信号について移動平均処理を施して得られた信号には２が乗算され、背景に写り込んだ像に関する電気信号について移動平均処理を施して得られた信号には１が乗算され、標尺のパターンが写り込んでいる信号のレベルが背景に写り込んだ像に関する信号のレベルよりも大きくなる。この後は、光量補正係数乗算処理によって得られた信号（標尺のパターンに関する信号）のレベルの最大値が閾値を超えているときには、合焦レンズが概略合焦位置にあるとして、最大値を中心とした標尺区間エリアを光電変換手段の出力信号に対応づけて設定し、標尺エリア内の電気信号の周期（波の間隔）を標尺上のパターン間のピッチとして、望遠鏡から標尺までの距離を演算することで、より精度の高い距離を求めることができる。さらに、標尺よりも明るいものが背景に写り込んでいるときでも、合焦レンズが概略合焦位置にあることをより迅速にかつ正確に検出するこができる。

以上の説明から明らかなように、請求項１に係る発明によれば、合焦レンズが合焦位置にあることを確実にかつ迅速正確に検出することができる。特に、標尺と背景を確実に区別することができ、より精度の高い距離を求めることができる。

請求項２に係る発明によれば、さらに、標尺よりも明るいものが背景に写り込んでいるときでも、合焦レンズが概略合焦位置にあることをより、迅速にかつ正確に検出するこができる。

次に、本発明の実施形態を、実施例に基づいて説明する。図１は本発明を適用した電子レベルと標尺との関係を説明するための斜視図、図２本発明の一実施例を示す測量機の自動焦点機構のブロック構成図である。

これらの図において、電子レベル２は、望遠鏡２０で標尺１を視準して、視準位置の高さｈを測定する測量機として構成されている。標尺１には、白地の表面に黒色のマーク１１が複数個標尺１の上下方向（軸方向）に沿って等間隔で表示されている。各マーク１１の上下方向の幅寸法は、全て同じ寸法ではなく、複数種類の寸法のマーク１１が所定の順序で標尺1上に配置されている。すなわち、標尺１上には、各マーク１１による複数のパターンがバーコードパターンとして、等間隔で形成されている。標尺１は、通常、正立状態でセットされるが、天井面Ｃを基準にして、標尺１を上下方向に反転させた倒立状態でセットされる場合もある。この場合、天井面Ｃから視準位置までの距離ｈ（以下、正立状態の場合と同様に視準位置の高さｈという。）を電子レベル２で測定することになる。また、標尺１の裏面（背面）には、標尺１を使用し得るように、同様のバーコードパターンが設けられている（図示せず）。また、標尺１を天地逆にしてもソフトウエア機能で読むことができるようにしているので、作業者は標尺１を用いるときに標尺１の天地方向を誤る恐れはない。

望遠鏡２０は、図２に示すように、視準光学系として、対物レンズ２１ａ、合焦レンズ２１ｂ、自動補償機構（コンペンセータ）２２、ビームスプリッタ２３、焦点板２０ａ、接眼レンズ２０ｂを備えており、合焦レンズ２１ｂ、自動補償機構２２、ビームスプリッタ２３および焦点板２０ａは、対物レンズ２１ａと接眼レンズ２０ｂとを結ぶ光軸上に配列されている。自動補償機構２２は電子レベルの視準軸が傾いても自動的に水平方向（視準面）を補正している機構を持っている。視準光学系を有する望遠鏡２０で標尺１などの視準対象を視準すると、この視準によって受光された光信号は、対物レンズ２１ａ、合焦レンズ２１ｂ、傾斜自動補償機構２２、ビームスプリッタ２３を介して焦点板２０ａ上に物体像として結像する。焦点板２０ａ上に結像する物体像の合焦状態、例えば、合焦・非合焦を標尺１との距離に応じて調整するために、合焦レンズ２１ｂが設けられており、この合焦レンズ２１ｂは視準光学系の光軸に沿って所定の範囲に亘って移動できるように、視準光学系の光軸に沿って往復動自在に配置されている。この合焦レンズ２１ｂを視準光学系の光軸に沿って移動させるために、合焦レンズ２１ｂには、ラックアンドピニオンなどの機構（図示せず）を介してモータ４１が接続されている。このモータ４１は駆動手段として、駆動回路４からのパルス信号に応答して合焦レンズ２１ｂを視準光学系の光軸に沿って移動できるようになっている。駆動回路４は、マイコン３からの指令にしたがってパルス信号を生成し、このパルス信号をモータ４１に出力するようになっている。

また、視準光学系におけるモータ４１の位置は位置センサ５で検出されるようになっている。位置センサ５は、視準光学系における合焦レンズ２１ｂの検出する位置検出手段として、例えば、光学的センサ（リニアエンコーダ）、磁気的センサ、あるいは、モータの回転量を検出する回転量センサなどを用いて構成されており、位置センサ５の検出出力はマイコン３に入力されるようになっている。

また、望遠鏡２０の近傍には、焦点板２０ａと共役の位置にラインセンサ２４が配置されている。ラインセンサ２４は、対物レンズ２１ａ、合焦レンズ２１ｂ、自動補償機構２２、ビームスプリッタ２３とともに映像光学系を構成し、ビームスプッリタ２３で分岐された光信号をその受光面で受光し、受光面上に形成された物体像（焦点板２０ａ上に結像する物体像に相当する物体像）を、その明暗に応じて電気信号に変換する光電変換手段として構成されている。ラインセンサ２４は、望遠鏡２０で無限遠の標尺１を視準したときに、標尺１上の全てのパターンに関する電気信号を出力するために、例えば、２０４８画素に対応した光電変換素子として、２０４８画素のＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅｃｏｕｐｌｅｄｄｅｖｉｃｅ）を用いて構成されており、ラインセンサ２４の出力による電気信号はアンプ２５で増幅されたあと、Ａ／Ｄ（アナログ・デジタル）変換器２７に入力されるようになっている。Ａ／Ｄ変換器２７は、クッロクドライバ２６のクッロク信号に同期して入力信号をサンプルホールドするとともに、ホールドされたアナログ信号をデジタル信号に変換してＲＡＭ２８に出力するようになっている。Ａ／Ｄ変換器２７の変換動作により得られたデジタル信号はデジタルのデータとして、ＲＡＭ２８の指定のエリアに順次記録され、記録されたデータはマイコン３に転送されるようになっている。

マイコン（ＣＰＵ）３は、ＲＡＭ２８に記録されたデータを基にラインセンサ２４の出力による電気信号の周波数を検出する周波数検出手段としての機能を備えているとともに、位置センサ５の出力による合焦レンズ２１ｂの位置とラインセンサ２４の出力による電気信号の周波数とを監視し、合焦レンズ２１ｂの位置が変化する過程で、その位置に対応づけて予め設定された特定の周波数が検出されたことを条件に、すなわち、合焦レンズ２１ｂが概略合焦位置にあることが検出されたことを条件に、ラインセンサ２４の出力による電気信号を基に望遠鏡２０から標尺１までの距離を算出する距離算出手段としての機能を備えて構成されている。

また、マイコン３は、距離算出手段の算出値と位置センサ５の検出出力とを基にモータ４１の駆動を制御して、合焦レンズ２１ｂの位置決めを行う駆動制御手段としての機能を備えて構成されている。合焦レンズ２１ｂの位置決めを行うための制御としては、合焦レンズ２１ｂの停止位置を規定した制御を行うことができる。例えば、距離算出手段の算出値に対応した合焦レンズ２１ｂについての合焦位置と位置センサ５の検出値（合焦レンズ２１ｂの位置）との差が０になったときに、モータ４１の駆動による合焦レンズ２１ｂの移動を停止させる制御を行うことができる。

また、ＲＯＭ３１には、図３に示すように、合焦レンズ２１ｂが合焦位置にあるときの、合焦レンズ２１ｂの視準光学系における位置（ｌ）と、合焦レンズ２１ｂが合焦位置にあるときの、望遠鏡２０から標尺１までの距離（ｄ）との関係を示す数式が記録されている。

また、ラインセンサ２４の出力による電気信号は、標尺１上のパターンの明暗に応じた交流信号（輝度に応じた交流信号）として出力されるとともに、合焦レンズ２１ｂの位置に応じて周波数が変化する交流信号として出力される。この交流信号は、標尺１が望遠鏡２０から近い位置にあるときに合焦状態になったときには、低い周波数の信号となり、標尺１が望遠鏡２０から順次遠くなる位置でそれぞれ合焦状態になったときには、順次高い周波数の信号となる。このため、合焦レンズ２１ｂが合焦位置にあるときの、ラインセンサ２４の出力信号の周波数と、合焦レンズ２１ｂが合焦位置にあるときの、望遠鏡２０から標尺１までの距離との関係を合焦レンズ２１ｂの位置に対応づけて予め求めておくことができる。

そこで、本実施例においては、合焦レンズ２１ｂが合焦位置にあるときの位置と、合焦レンズ２１ｂが合焦位置にあるときに標尺１のパターンから検出されると想定される周波数との関係を示す数式がＲＯＭ３１に記憶されている。

そして、本実施例においては、合焦レンズ２１ｂが概略合焦位置にあることを判定するために、マイコン３は、ＲＯＭ３１に記憶された特性値などに関するテーブルやデータを基にラインセンサ２４の出力による電気信号の周波数を監視するとともに、位置センサ５の出力による合焦レンズ２１ｂの位置を監視し、合焦レンズ２１ｂの位置が変化する過程で、その位置に対応づけて予め設定された特定の周波数が検出されたときには、合焦レンズ２１ｂが概略合焦位置にあるとして、ラインセンサ２４の出力信号を基に望遠鏡２０から標尺１までの距離を算出することとしている。マイコン３は、合焦レンズ２１ｂが概略合焦位置にあると判定したあとは、望遠鏡２０から標尺１までの距離と位置センサ５の検出による合焦レンズ２１ｂの位置とを基に、モータ４１の駆動を制御して、合焦レンズ２１ｂの再度位置決めを行うこととしている。

すなわち、マイコン３は、駆動制御手段としての機能を備え、合焦レンズ２１ｂの停止位置を規定するための制御として、望遠鏡２０から標尺１までの距離に対応した合焦レンズ２１ｂについての合焦位置と位置センサ５の検出による合焦レンズ２１ｂの位置との差が０になったときに、モータ４１による合焦レンズ２１ｂの移動を停止させて、合焦レンズ２１ｂを合焦位置に位置決めを行うようになっている。また。マイコン３の演算による測定結果は表示部３２の画面上に表示されるようになっている。

次に、具体的な動作を図４と図５に基づいて説明する。まず、自動焦点ボタン３３が操作されると、マイコン３は自動焦点処理を開始し、この処理に伴う指令が駆動回路４に与えられ、駆動回路４からモータ４１に順次パルス信号が出力される。このパルス信号に応答してモータ４１が回転すると、合焦レンズ２１ｂは、合焦レンズ２１ｂの移動可能範囲のうち接眼レンズ２０ｂ側の端まで一旦移動して停止する。このとき、望遠鏡２０は、無限遠の位置に合焦した状態になる。無限遠の位置に標尺１が存在しないときには、ラインセンサ２４からは、図４（ａ）に示すように、標尺１を特定できるほど鮮明ではなく、全体に混然とした信号であって、ほぼ平坦な波形の信号となっている。このときラインセンサ２４の出力信号を基にマイコン３で特定の周波数成分を抽出するためのバンドパスフィルタ処理を行うと、図４（ｂ）に示すような信号が得られる。この場合、マイコン３において、標尺１が無限遠にあるときに標尺１上のパターンから検出されると想定される特定の周波数のみを抽出するためのバンドパスフィルタ処理を行っても、図４（ｃ）に示すように、抽出された信号成分の最大値Ｍが閾値Ｌを超えないため、合焦レンズ２１ｂは非合焦位置にあるとして、合焦レンズ２１ｂを所定の速度で対物レンズ２１ａ側に順次移動させる。

合焦レンズ２１ｂが対物レンズ２１ａ側に移動する過程では、合焦レンズ２１ｂの位置に応じてバンドパスフィルタ処理を行うときの周波数（特定の周波数）が順次変更されるとともに、ラインセンサ２４の出力信号の状態がマイコン３で監視される。合焦レンズ２１ｂの移動に伴って、標尺１上のパターンの明暗が信号の振幅として観測されるようになると、ラインセンサ２４からは、例えば、図５（ａ）示すように、各光電変換素子（画素）の位置に応じた電気信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３等が出力される。このときマイコン３においては、合焦レンズ２１ｂの位置に対応した特定の周波数成分を抽出するためのバンドパスフィルタ処理が実行され、図５（ｂ）に示すように、標尺１上の等間隔パターンに対応した周波数成分のみの信号Ｓ１１、Ｓ３１が抽出される。すなわち、信号Ｓ１、Ｓ３は、同一の周波数成分を有し、標尺１のパターンが写り込んでいる信号と想定されるため、バンドパスフィルタ処理によって、信号Ｓ１、Ｓ３に対応した信号Ｓ１１、Ｓ３１が抽出される。これに対して、信号Ｓ２は、信号Ｓ１、Ｓ３とは周波数成分が異なるため、標尺1以外の背景に関する信号として、バンドパスフィルタ処理によって除去される。

一方、バンドパスフィルタ処理を行っても、標尺１のパターンが写り込んでいると想定される信号が複数抽出されたときには、そのままではラインセンサ２４の出力による電気信号を基に望遠鏡２０から標尺１までの距離を精度良く算出することはできない。

そこで、本実施例では、より精度の高い距離を算出するために、バンドパスフィルタ処理によって得られた特定の周波数成分の絶対値を算出し、この算出値に対して移動平均処理を施すこととしている。移動平均処理を実施すると、信号成分に周期的な連続性を有するものは、そのレベルが高くなる。

例えば、バンドパスフィルタ処理によって得られた信号Ｓ１１、Ｓ３１に対して、その絶対値を算出し、あらかじめ設定された標尺区間エリアＡ、例えば、標尺１上の７０パターン分に相当する標尺区間エリアＡを用いて、移動平均処理を施すと、図５（ｃ）に示すように、信号Ｓ１２、Ｓ３２の波形が得られる。この場合、信号Ｓ１１は、その信号成分が連続性を有するので、信号Ｓ１２のレベルが高くなる。これに対して、信号Ｓ３１は、その信号成分の連続性が少ないので、信号Ｓ３２のレベルが低くなる。このあと、移動平均処理によって得られた信号の最大値が閾値Ｌを越えているか否かを判定する。この場合、最大値Ｍ１は閾値Ｌを越えているので、概略合焦状態にあると判定する。そして、最大値Ｍ１に対応した光電変換素子（画素）の位置を基に電気信号Ｓ１が、標尺１が写り込んでいる電気信号として、最大値Ｍ１を中心とした標尺区間エリアＡを図５（ｄ）に示すように、ラインセンサ２４の出力である電気信号に標尺エリアとして設定する。

次に、図５（ｅ）に示すように、標尺エリアに属する信号成分（電気信号Ｓ１）の周期Ｔ（波の間隔）を、標尺１上のパターン間のピッチとして、このピッチを基に望遠鏡２０から標尺１までの距離を演算する。この演算値を基に合焦レンズ２１ｂを指定の位置まで移動させて、その位置に停止させることで、合焦レンズ２１ｂを合焦位置に位置決めすることができる。

この場合、マイコン３は、前述した距離算出手段としての機能するため、周波数検出手段の抽出による特定の周波数成分の絶対値を算出し、この絶対値に、あらかじめ設定された標尺区間エリアＡを基にして、移動平均処理を施す移動平均処理手段と、この移動平均処理手段の処理結果が閾値を超えているか否かを判定する判定手段と、この判定手段により肯定の判定結果が得られたことを条件に、前記最大値を中心とした標尺区間エリアＡをラインセンサ２４（光電変換手段）の出力による電気信号に関連づけて設定する標尺エリア設定手段と、ラインセンサ２４の出力による電気信号のうち標尺エリア内の電気信号の周期Ｔを標尺１上のパターン間のピッチとして望遠鏡２０から標尺１までの距離を演算する演算手段として機能することになる。

本実施例においては、ラインセンサ２４の出力による電気信号に対してバンドパスフィルタ処理を行って特定の周波数成分を抽出するとともに、抽出された特定の周波数成分に対してその絶対値を求め、その絶対値に対して移動平均処理を施し、移動平均処理結果の最大値が閾値を超えていることを条件に、合焦レンズ２１ｂが概略合焦位置にあると判定するようにしたため、合焦レンズ２１ｂが合焦位置にあることをより迅速にかつ正確に検出するこができる。

また、合焦レンズ２１ｂが概略合焦位置にあると判定したあとは、標尺１の等間隔パターンから得られた信号成分のうち標尺エリアに属する信号成分（信号Ｓ１）の周期Ｔを基に望遠鏡２０から標尺１までの距離を演算するようにしたため、距離を高精度に求めることができるとともに、合焦レンズ２１ｂをより正確に合焦位置に位置決めすることができる。

また、等間隔パターンのピッチを求めるに際しては、図６に示すように、ラインセンサ２４の出力による電気信号に対して、所定の閾値αを設定し、閾値αを超えた信号成分の中心間隔ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４を求め、各中心間隔ｐ間の平均値を求める方法を採用することもできる。

また、合焦レンズ２１ｂが合焦位置に位置決めされたあとは、例えば、特開平１１−１８３１６４号公報に示す手順にしたがって視準位置の高さｈを求めることができる。

前記実施例においては、標尺１が背景よりも明るい環境に配置されたことを想定しているが、実際には、標尺１よりも明るいものが背景に写り込むことがある。この場合、標尺像の光量は相対的に下がるので、そのままでは標尺像を抽出できないことがある。そこで、標尺１よりも明るいものが背景に写り込むことを考慮し、移動平均処理を行った後、光量補正係数乗算処理を実行することとしている。

具体的には、標尺１よりも明るいものが背景に写り込んでいるときには、合焦レンズ２１ｂの移動に伴って、標尺１上のパターンの明暗が信号の振幅として観測されるようになると、ラインセンサ２４からは、例えば、図７（ａ）示すように、各光電変換素子（画素）の位置に応じた電気信号Ｓ１’、電気信号Ｓ３’等が出力される。このときマイコン３においては、合焦レンズ２１ｂの位置に対応した特定の周波数成分を抽出するためのバンドパスフィルタ処理が実行され、図７（ｂ）に示すように、標尺１上の等間隔パターンに対応した周波数成分のみの信号Ｓ１１’、Ｓ３１’が抽出される。すなわち、信号Ｓ１１’、Ｓ３１’は、同一の周波数成分を有し、標尺１のパターンが写り込んでいる信号と想定されるため、バンドパスフィルタ処理によって抽出される。

次に、バンドパスフィルタ処理によって得られた波形（信号Ｓ１１’と信号Ｓ３１’を含む）に対して、その絶対値を算出し、この算出値に対して、あらかじめ設定された標尺区間エリアＡ、例えば、標尺１上の７０パターン分に相当する標尺区間エリアＡを用いて、移動平均処理を施すと、図７（ｃ）に示すような波形（信号Ｐ１’と信号Ｐ３’を含む）が得られる。

移動平均処理によって信号Ｐ１’と信号Ｐ３’が得られたときには、そのままでは、Ｐ３’が最大値となってしまい背景を標尺と判定してしまう。

そこで、本実施例においては、移動平均処理によって信号Ｐ１’と信号Ｐ３’が得られたときには、信号Ｐ１’と信号Ｐ３’に光量補正係数乗算処理を実行することとしている。例えば、図８（ａ）に示すように、ラインセンサ２４の各光電変換素子の出力信号である電気信号に対して、標尺区間エリアＡ内における電気信号の最大値と、ラインセンサ２４に捕捉された区間全体の電気信号の最大値Ｂ１と比較していく。具体的には、標尺区間エリアＡにおける電気信号Ｓ１’の最大値ＭＡ１とラインセンサ２４に捕捉された区間全体の電気信号の最大値Ｂ１との比を基に光量補正係数α１を算出する。同様に、標尺区間エリアＡにおける電気信号Ｓ３’の最大値ＭＡ２とラインセンサ２４に捕捉された区間全体の電気信号の最大値Ｂ１との比を基に光量補正係数α２を算出する。この場合、電気信号ＭＡ１のレベルは最大値Ｂ１の約１／２であるため、図８（ｂ）に示すように、光量補正係数α１は約２に設定される。これに対して、電気信号ＭＡ２のレベルは最大値Ｂ１と同じ（その比が１／１）であるため、光量補正係数α２は１に設定される。次に、求められた光量補正係数を移動平均処理後、図７（ｃ）の全体に乗算する。光量補正係数α１と光量補正係数α２の値が求められたときには、光量補正係数α１と信号Ｐ１’とを乗算する処理と、光量補正係数α２と信号Ｐ３’とを乗算する処理を実行する。これらの処理を実行すると、図７（ｄ）に示すように、信号Ｐ１’は信号Ｐ１１’となり、信号Ｐ３’は信号Ｐ３１’となる。この場合、光量補正係数α１＞光量補正係数α２であるため、信号Ｐ１１’のレベルは、信号Ｐ３１’のレベルよりも大きくなる。

このあと、光量補正係数乗算処理によって得られた信号の最大値が閾値Ｌを越えているか否かを判定する。この場合、最大値Ｍ１’は閾値Ｌを越えているので、合焦レンズ２１ｂが概略合焦位置にあると判定されると共に、信号Ｐ１１’の最大値Ｍ１’に対応した光電変換素子（画素）の位置を基に信号Ｓ１’は標尺１が写り込んだ信号であると判定される。信号Ｐ１１’の最大値Ｍ１’が閾値Ｌを越えているときには、信号Ｐ１１’の最大値Ｍ１’に対応した光電変換素子（画素）の位置を基に最大値Ｍ１’を中心とした標尺区間エリアＡを図７（ｅ）に示すように、ラインセンサ２４の出力である電気信号に標尺エリアとして設定する。

次に、図７（ｆ）に示すように、標尺エリアに属する信号成分（電気信号Ｓ１’）の周期Ｔ（波の間隔）を、標尺１上のパターン間のピッチとして、このピッチを基に望遠鏡２０から標尺１までの距離を演算する。この演算値を基に合焦レンズ２１ｂを指定の位置まで移動させて、その位置に停止させることで、合焦レンズ２１ｂを合焦位置に位置決めすることができる。

本実施例においては、ラインセンサ２４の出力による電気信号に対してバンドパスフィルタ処理を行って特定の周波数成分を抽出するとともに、抽出された特定の周波数成分に対してその絶対値を求め、その絶対値に対して移動平均処理を施し、移動平均処理結果に対して、光量補正係数乗算処理を施し、この処理結果の最大値が閾値を超えていることを条件に、合焦レンズ２１ｂが概略合焦位置にあると判定するようにしたため、標尺１よりも明るいものが背景に写り込んでいるときでも、合焦レンズ２１ｂが概略合焦位置にあることをより迅速にかつ正確に検出するこができる。

この場合、マイコン３は、前述した距離算出手段としての機能するため、周波数検出手段の抽出による特定の周波数成分の絶対値を算出し、この絶対値に、あらかじめ設定された標尺区間エリアＡを基にして、移動平均処理を施す移動平均処理手段と、前記移動平均処理手段に用いた標尺区間エリアＡにおける電気信号の最大値とラインセンサ２４（光電変換手段）に捕捉された区間全体における電気信号の最大値との比を基に光量補正係数を算出する光量補正係数算出手段と、前記光量補正係数算出手段の算出による光量補正係数と前記移動平均処理手段の処理結果とを乗算する光量補正係数乗算手段と、前記光量補正係数乗算手段の乗算結果の最大値が閾値を超えているか否かを判定する判定手段と、この判定手段により肯定の判定結果が得られたことを条件に、前記最大値を中心とした標尺区間エリアＡをラインセンサ２４の出力信号に関連づけて設定する標尺エリア設定手段と、ラインセンサ２４の出力による電気信号のうち標尺エリア内の電気信号の周期Ｔを標尺１上のパターン間のピッチとして望遠鏡２０から標尺１までの距離を演算する演算手段として機能することになる。

一方、標尺１が背景よりも明るい環境に配置されたときに、光量補正係数乗算処理を含む処理を実行したときには、図９（ａ）〜（ｆ）に示すような波形が得られる。この場合、移動平均処理で得られた信号Ｐ１、Ｐ３に関して光量補正係数乗算処理を施すと、信号Ｐ１と信号Ｐ３のレベル差は縮まるが、信号Ｓ１１に対して信号Ｓ３１の連続性が小さいため、信号Ｐ３１が信号Ｐ１１を超えることはない。そして、波形（ｄ）の最大値Ｍ１が閾値Ｌを越えていることを条件に、合焦レンズ２１ｂが概略合焦位置にあるとして、最大値Ｍ１を中心とした標尺区間エリアＡを設定し（図９（ｅ））、標尺エリアに属する信号成分（電気信号Ｓ１）の周期Ｔ（波の間隔）を、標尺１上のパターン間のピッチとして、このピッチを基に望遠鏡２０から標尺１までの距離を演算し、この演算値を基に合焦レンズ２１ｂを指定の位置まで移動させて、その位置に停止させることで、合焦レンズ２１ｂを合焦位置に位置決めすることができる。

本発明を電子レベルに適応したときの電子レベルと標尺との関係を説明するための斜視図である。本発明の一実施例を示す測量機の自動焦点機構のブッロク構成図である。望遠鏡から標尺までの距離と合焦レンズが合焦位置にあるときの位置との関係を示す特性図。合焦レンズが非合焦状態にあるときの動作を説明するための波形図。合焦レンズが概略合焦位置にあるときの作用を説明するための波形図。等間隔パターンのピッチを検出する方法を説明するための波形図。本発明の他の実施例であって、合焦レンズが概略合焦位置にあるときの標尺よりも明るいものが背景に写り込んだときの作用を説明するための波形図。光量補正係数乗算処理を説明するための図。本発明の他の実施例であって、合焦レンズが概略合焦位置にあるときの標尺が背景よりも明るい環境に配置されたときの作用を説明するための波形図。従来例を示すブロック構成図である。従来例の動作を説明するための波形図である。

符号の説明

１標尺
２電子レベル
３マイコン
４駆動回路
５位置センサ
２０望遠鏡
２０ａ焦点板
２０ｂ接眼レンズ
２１ａ対物レンズ
２１ｂ合焦レンズ
２２自動補償機構
２３ビームスプリッタ
２４ラインセンサ
４１モータ

Claims

対物レンズと接眼レンズとの間に焦点板と前記焦点板上に結像させる合焦レンズが配列された視準光学系を有する望遠鏡を備えた測量機に搭載され、複数のパターンが等間隔で配列された標尺を視準対象として、前記標尺に対する焦点を自動で合わせる測量機の自動焦点機構において、
前記合焦レンズを前記視準光学系の光軸方向に沿って移動させる駆動手段と、前記視準光学系における前記合焦レンズの位置を検出する位置検出手段と、前記焦点板上に結像する物体像を電気信号に変換する光電変換手段と、
前記光電変換手段の出力による電気信号のうち前記合焦レンズが合焦位置にあるときに前記標尺上のパターンから検出されると想定される特定の周波数成分のみを前記位置検出手段の検出出力に応じて抽出して検出する周波数検出手段と、
前記位置検出手段の検出による前記合焦レンズの位置と前記周波数検出手段の検出による周波数とを監視し、前記合焦レンズの位置が変化する過程で、前記合焦レンズの位置に対応づけて予め設定された特定の周波数成分を前記周波数検出手段によって検出し、前記特定の周波数成分の絶対値を算出し、この絶対値にあらかじめ設定された標尺区間エリアを基にして移動平均処理を施し、該移動平均処理による処理結果の最大値が閾値を超えているか否かを判定し、肯定の判定結果が得られたことを条件に前記最大値を中心とした標尺区間エリアを前記光電変換手段の出力による電気信号に関連づけて設定し、前記標尺エリア内の電気信号の周期を前記標尺上のパターン間のピッチとして前記望遠鏡から前記標尺までの距離を算出する距離算出手段と、
前記距離算出手段の算出値と前記位置検出手段の検出出力とを基に前記駆動手段の駆動を制御して前記合焦レンズの位置決めを行う駆動制御手段とを備えてなることを特徴とする測量機の自動焦点機構。
対物レンズと接眼レンズとの間に焦点板と前記焦点板上に結像させる合焦レンズが配列された視準光学系を有する望遠鏡を備えた測量機に搭載され、複数のパターンが等間隔で配列された標尺を視準対象として、前記標尺に対する焦点を自動で合わせる測量機の自動焦点機構において、
前記合焦レンズを前記視準光学系の光軸方向に沿って移動させる駆動手段と、前記視準光学系における前記合焦レンズの位置を検出する位置検出手段と、複数の光電変換素子を有して前記焦点板上に結像する物体像を電気信号に変換する光電変換手段と、
前記光電変換手段の出力による電気信号のうち前記合焦レンズが合焦位置にあるときに前記標尺上のパターンから検出されると想定される特定の周波数成分のみを前記位置検出手段の検出出力に応じて抽出して検出する周波数検出手段と、
前記位置検出手段の検出による前記合焦レンズの位置と前記周波数検出手段の検出による周波数とを監視し、前記合焦レンズの位置が変化する過程で、前記合焦レンズの位置に対応づけて予め設定された特定の周波数成分を前記周波数検出手段によって検出し、前記特定の周波数成分の絶対値を算出し、この絶対値にあらかじめ設定された標尺区間エリアを基にして移動平均処理を施し、前記移動平均処理手段に用いた標尺区間エリアにおける電気信号の最大値と光電変換手段に捕捉された区間全体における電気信号の最大値との比を基に光量補正係数を算出し、該光量補正係数と前記移動平均処理の処理結果とを乗算し、該乗算結果の最大値が閾値を超えているか否かを判定し、肯定の判定結果が得られたことを条件に、前記最大値を中心とした標尺区間エリアを前記光電変換手段の出力による電気信号に関連づけて設定し、前記光電変換手段の出力による電気信号のうち前記標尺エリア内の電気信号の周期を前記標尺上のパターン間のピッチとして前記望遠鏡から前記標尺までの距離を算出する距離算出手段と、
前記距離算出手段の算出値と前記位置検出手段の検出出力とを基に前記駆動手段の駆動を制御して前記合焦レンズの位置決めを行う駆動制御手段とを備えたことを特徴とする測量機の自動焦点機構。