专利名称：测量仪器的自动照准装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有CCD区域传感器等的摄像装置，能够根据从此摄像装置取得的图像对目标自动照准的测量仪器的自动照准装置。
背景技术：
最近，开始使用根据从摄像装置取得的图像能够对目标自动照准的测量仪器。作为这种测量仪器，已知有在下述专利文献1中公开的结构。在图11及图12中示出了这种测量仪器。
如图11所示，该测量仪器具有在视准轴(光轴)O上由物镜1、分光镜2、聚光透镜3、固体摄像元件4构成的望远镜，使透过物镜1、分光镜2及聚光镜3的光在固体摄像元件4上成像。
此外，该测量仪器具有发光部6，从发光部6射出的调制光经过聚光透镜7、三角镜5、分光镜2及物镜1，沿照准轴O发送。沿照准轴O发送的调制光被设在测量点的目标棱镜反射(下面，简单称为目标)，沿照准轴O返回，透过物镜1、分光镜2及聚光透镜3入射到固体摄像元件4上。一部分调制光被分光镜2及三角镜5反射，经过聚光透镜9入射到受光部8。
在该测量仪器中，利用未图示的相位计求出从发光部6射出的调制光和入射到受光部8的调制光之间的相位差，根据该相位差由未图示的运算控制部计算出到达目标的距离。此时，用未图示的水平测角部(水平编码器)及垂直测角部(垂直编码器)测量望远镜的水平角及垂直角。
可是，在测量距离和角度时，必须照准目标以使其正确地位于照准轴O上。该照准如下所述地自动进行。
首先，望远镜朝向目标11，关于包含图12(A)所示的目标1的图像，由固体摄像元件4取得使发光部6发光时的照亮图像和使发光部6熄灯时的熄灯图像。然后，利用未图示的运算控制部求出两图像之差。根据两图像之差，如图12(B)所示地仅得到目标11的图像。这样，求出距离表示照准轴O方向的画面中心的目标11的水平偏差H及垂直偏差V。因此，直到水平偏差H和垂直偏差V成为零之前，通过未图示的水平驱动部(水平伺服电机)和垂直驱动部(垂直伺服电机)使望远镜转动，就能够自动照准目标11。
虽然以上的照准是望远镜静止的情况，但即使在望远镜转动的情况下也能够进行自动照准。望远镜的转动角度通过对来自未图示的水平测角部及垂直测角部的输出脉冲数进行计数而求出。例如，测量仪器水平转动，如果求出使发光部6发光而得到照亮图像时、和使发光部6熄灯而获得熄灯图像时的望远镜的角度差，如图12(C)所示，就能够简单地算出照亮图像和熄灯图像的偏移量X(角度差)。如果求出该图像的偏移量X，就使照亮图像和熄灯图像中的某一个仅移位上述偏移量X，如果求出两图像之差，就如上所述简单地求出水平偏差H和垂直偏差V，能够自动校正目标11。
如此，由于如下述专利文献1所公开的结构是，无论望远镜转动还是静止都能进行自动照准，所以任何时候都能容易地进行自动照准。
专利文献1日本特许第3621123号公报可是，如上述专利文献1所公开的结构是，由水平编码器及垂直编码器这样的角度检测器求出使发光部6发光时的照亮图像和使发光部6熄灯时的熄灯图像的偏移量X。在测量仪器中还存在像水平仪(水准仪)等那样不具有编码器这样的角度检测器的测量仪器。在上述专利文献1中公开的测量仪器中，如果不具有角度检测仪，就会产生在望远镜转动时不能进行自动照准的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而做出的，提供一种测量仪器的自动照准装置，在能够根据从摄像装置取得的图像进行自动照准的测量仪器中，即使望远镜转动时，不使用角度检测仪也能进行自动照准。
为了实现上述课题，第一个发明的技术方案是测量仪器的自动照准装置，其包括摄像装置，对由望远镜捕捉的目标及该目标周围进行摄像；驱动部，使上述望远镜转动；发光部，向上述目标发送光；以及运算控制部，根据使该发光部点亮时由上述摄像装置进行摄像而获得的照亮图像、和使该发光部熄灯时由上述摄像装置进行摄像而获得的熄灯图像之差，求出上述目标的位置，控制上述驱动部来自动照准上述目标，而且，上述运算控制部进行上述照亮图像和上述熄灯图像的相关运算，求出两图像最一致的位置，根据此位置处的两图像之差，求出上述目标的位置。
第二个发明的技术方案是，在第一个发明中，进行上述照亮图像和上述熄灯图像的相关运算，求出与两个图像中重合的像素的亮度有关的相关关系，在该相关关系成为最大时判断为是上述两图像最一致的位置。
第三个发明的技术方案是，在第一个发明中，进行上述照亮图像和上述熄灯图像的横方向上的相关运算，在两图像重合的部分，求出与在沿纵方向的直线上重合的像素的亮度的总和有关的相关关系，在该相关关系成为最大时判断为是上述两图像最一致的位置。
第四个发明的技术方案是，在第一个发明中，进行上述照亮图像和上述熄灯图像的纵方向上的相关运算，在两图像重合的部分，求出与在沿横方向的直线上重合的像素的亮度的总和有关的相关关系，在该相关关系成为最大时判断为是上述两图像最一致的位置。
第五个发明的技术方案是，在第一、第二、第三或第四个发明中，一边使上述照亮图像和上述熄灯图像中的一个偏移，一边进行上述相关运算，此时将偏移范围限定在根据从上述运算控制部向上述驱动部发送的控制信号预测的范围内。
发明效果如上述说明所表明的，在上述的第一个发明中，进行使发光部点亮时的照亮图像和使该发光部熄灯时到熄灯图像的相关运算，寻找两图像最一致的位置，根据此位置的两图像之差求出上述目标的位置，所以，即使在望远镜转动时，也可以不使用角度检测仪进行自动照准。因此，即使是电子水平仪等不具有角度检测器的测量仪器，也能够一边转动望远镜，一边进行自动照准，所以使用方便。
在第二个发明中，进一步，进行上述照亮图像和上述熄灯图像的相关运算，求出与两个图像中重合的像素的亮度有关的相关关系，在该相关关系成为最大时判断为是上述两图像最一致的位置，所以，能够简单可靠地求出两图像最一致的位置，还简单可靠地实现与第一个发明相同的效果。
在第三个发明中，进行上述照亮图像和上述熄灯图像的横方向上的相关运算，在两图像重合的部分，求出与在沿纵方向的直线上重合的像素的亮度的总和有关的相关关系，在该相关关系成为最大时判断为是上述两图像最一致的位置，所以同第二个发明相比，能够以更少的计算量来求出两图像最一致的横向位置，能够更迅速地进行自动照准。
在第四个发明中，进行上述照亮图像和上述熄灯图像的纵方向上的相关运算，在两图像重合的部分，求出与在沿横方向的直线上重合的像素的亮度的总和有关的相关关系，在该相关关系成为最大时判断为是上述两图像最一致的位置，所以同第二个发明相比，能够以更少的计算量来求出两图像最一致的纵向的位置，能够更迅速地进行自动照准。
在第五个发明中，一边使上述照亮图像和上述熄灯图像中的一个偏移，一边进行上述相关运算，此时将偏移范围限定在根据从上述运算控制部向上述驱动部发送的控制信号预测的范围内，所以，能够减少求出两图像间的相关关系所需的时间，能够更迅速地求出两图像最一致的位置，进行自动照准。
图1是本发明的第一实施例的测量仪器的自动照准装置的方框图。
图2是说明上述自动照准装置的光学系统的图。
图3是在上述自动照准装置中使用的区域传感器的平面图。
图4是在全站仪中装入上述自动照准装置的光学系统。
图5是说明上述自动照准装置的原理的图。
图6是说明相关关系的图。
图7是说明在进行照亮图像和熄灯图像的相关运算时决定偏移两图像的范围的方法的图。
图8是说明本发明的第二实施例的测量仪器的自动照准装置的原理的图。
图9是将本发明的第三实施例的自动照准装置装入自动水平仪中的光学系统。
图10是将本发明的第三实施例的自动照准装置装入电子水平仪中的光学系统。
图11是说明具有以往的摄像装置的测量仪器的光学系统的图。
图12是说明具有以往的摄像装置的自动照准装置的原理的图。
附图标记说明11目标 20区域传感器(摄像装置)24发光部28水平驱动部(驱动部)30垂直驱动部(驱动部)32微型计算机(运算控制部)40、40A自动照准装置 50像素a照亮图像 b熄灯图像具体实施方式
下面，参照附图，详细地说明本发明的优选实施方式。首先，根据图1～图7说明本发明的第一实施例涉及的测量仪器的自动照准装置。图1是该自动照准装置的方框图。图2是说明该自动照准装置的光学系统的图。图3是该自动照准装置中使用的区域传感器的平面图。图4是在全站仪(电子测距测角仪)中装入该自动照准装置的光学系统。图5是说明该自动照准装置的原理的图。图6是说明相关关系的图。图7是说明进行照亮图像和熄灯图像的相关运算时决定偏移两图像的范围的方法的图。
如图1所示，本实施例的自动照准装置40包括发出照准光的发光部24；作为接收由目标反射的照准光的摄像装置的CCD等区域传感器20；处理从区域传感器20取得的图像的图像处理装置21；使望远镜转动的水平驱动部28及垂直驱动部30。它们被连接到微型计算机(运算控制部)32。微型计算机32根据由图像处理装置21处理的目标图像，控制水平驱动部28及垂直驱动部30，使该目标和区域传感器20的坐标原点正确地保持一致。在微型计算机32上还连接有显示部22，在显示部22显示测量值和从区域传感器20取得的图像等。
如图2所示，测量仪器的望远镜(照准光学系统)包括在照准轴(光轴)O上设置的物镜41、对焦透镜43、正像透镜44、焦点板47、目镜48。自动照准装置40的光学系统包括射出照准光的发光部24、使照准光变成平行光线的准直透镜26、将照准光向直角方向反射的反射镜45及反射棱镜46、物镜41、分光棱镜42、区域传感器20。
由于被物镜41聚光的自然光透过分光棱镜42，所以目标像就会在焦点板47上成像。操作者能够通过观察目镜48来观看目标像，即使手动也能进行照准操作。另一方面，从发光部24射出的照准光，经过准直透镜26，通过反射镜45和反射棱镜46使光路弯曲90度后，沿照准轴O发送光。所发送的照准光被设置在测量点的目标反射，沿照准轴O返回，由物镜41聚光，由分光棱镜42向直角方向反射后，入射到区域传感器20。
如图3所示，排列像素50使其如围棋盘的目那样构成区域传感器20，通过依次指定沿横向的直线I上的行i及沿纵向的直线J上的列j，区域传感器20就能够向微型计算机32输出在全部像素50的每个接收到的光量，即亮度。包含从区域传感器20得到的目标和背景的图像，能够通过微型计算机32被显示在显示部22上。
图4是将该自动照准装置40装入全站仪中的光学系统的一个例子。全站仪的情况下，除了上述自动照准装置40的光学系统及望远镜的光学系统以外，还具有光波测距仪的光学系统。光波测距仪的光学系统包括测距用发光部60、扩束器62、分光棱镜64、物镜41、受光元件66、从测距用发光部60直接向受光元件66引导测距光的参照光路68。虽然这些光学系统的照准轴O全部以相同轴构成，但也可以使光波测距仪的照准轴区别于自动照准装置及照准光学系统不同，并且使这些照准轴上下平行。由于光波测距仪与现有的相同，所以省略其说明。
在自动照准装置40中，在望远镜静止的情况下微型计算机32检测目标的位置进行自动照准的原理，与上述专利文献1公开的原理相同。接下来，根据图5说明在望远镜转动的情况下，在此自动照准装置40中微型计算机32检测目标的位置进行自动照准的原理。
首先，从摄像装置20取得使发光部24发光时的照亮图像a(参照图5(A))和使发光部24熄灯时的熄灯图像b(参照图5(B))。由于测量仪器在转动，所以在两图像a、b中就会产生偏差。在此，一边将两图像a、b中的一个如图5(C)所示地稍微移动，一边对两图像a、b的重合像素50的各自亮度An、Bn(n是付与像素的编号)通过相关运算求出其相关关系。分别将亮度An、Bn取作横轴和纵轴进行绘制，就获得了图6所示的相关图。相关图中，相关关系越变大，表示亮度An、Bn的点就越集中在向右上升的一条直线52附近。如图5(D)所示，当两图像a、b一致时，相关关系为最大。
为了自动地求出相关关系而使用相关系数。如果在两图像a、b中设两图像a、b的重合的像素50的平均亮度分别为Am、Bm，在两图像a、b中设两图像a、b的重合的像素50的标准偏差分别为As、Bs，设两图像a、b的重合的像素50的总数为N，则相关系数r由下式求出r＝∑{(An-Am)(Bn-Bm)}/N÷(As·Bs)但是，图5(C)中，虽然图像a、b之一仅在纵向和横向的一个方向(横向)上移动，但实际上，两图像a、b之一在纵向和横向的一个方向上一边移动、一边找出两图像a、b间的相关系数成为最大的位置后，两图像a、b之一还一边在纵向和横向的另一个方向上移动、一边找出两图像a、b间的相关系数成为最大的位置。
因此，两图像a、b间的相关系数成为最大时，若在该位置求出两图像a、b之差，则如图5(E)所示，能够仅取出目标11。此后，与上述专利文献1公开的内容相同，求出距离表示照准轴O方向的显示部22中心的水平偏差H及垂直偏差V，能够自动照准目标11。
可是，由于求出了两图像a、b间的相关系数成为最大的位置，所以不需要从两图像a、b全体重合的位置到两图像a、b完全重合的部分消失为止都求出相关系数。由于水平驱动部28及垂直驱动部30的各伺服电机的旋转速度(用区域传感器20的像素数表示)依赖于微型计算机32的控制信号，所以就能够根据获得使发光部24发光时的图像a的时刻和获得使发光部24熄灯时的图像b的时刻之间的时间差T，以及伺服电机的旋转速度设定值，来预测两图像a、b间的偏移量。因此，仅在能够预测两图像a、b的相互的偏移量的范围内，一边偏移其中一个图像，一边求出两图像a、b间的相关系数即可。
假设伺服电机的旋转速度设定值从0(停止)向+侧上升到最大旋转速度+Vf时，两图像a、b间的相关系数成为最大时的两者的偏移量X处于0～+Vf·T之间。因此，如图7(A)所示，也可以在纵向和横向上都一边偏移两图像a、b中的一个，一边将彼此的偏移量X限定在0～+Vf·T的范围内，求出相关系数。
假设伺服电机的旋转速度设定值从-侧的中速-Vm达到0(停止)时，两图像a、b间的相关系数成为最大时的两者的偏移量X处于-Vm·T～0之间。因此，如图7(B)所示，在纵向和横向上都一边偏移两图像a、b中的一个、一边将彼此的偏移量X限定在-Vm·T～0的范围内，求出相关系数。
假设伺服电机的旋转速度设定值从+侧的最大旋转速度+Vf到-侧的中速-Vm时，两图像a、b间的相关系数成为最大时的两者的偏移量X处于-Vm·T～+Vf·T之间。因此，如图7(C)所示，在纵向和横向上都一边偏移两图像a、b中的一个、一边将彼此的偏移量X限定在-Vm·T～+Vf·T的范围内，求出相关系数即可。
假设伺服电机的旋转速度设定值在某一时间内复杂地变化，此时间内的最大旋转速度为+Vf、最小旋转速度为Vs时，两图像a、b间的相关系数成为最大时的两者的偏移量X处于+Vs·T～+Vf·T之间。因此，如图7(D)所示，在纵向和横向上都一边偏移两图像a、b中的一个、一边将彼此的偏移量X限定在+Vs·T～+Vf·T的范围内，求出相关系数即可。
如上所述，根据本实施例的自动照准装置40，不需要求出获得两图像a、b时的望远镜的转动角，所以即使是不具备编码器等角度检测器的测量仪器等的任意测量仪器，通过具备此自动照准装置40，也能够在望远镜转动的状态下进行自动照准。而且，由于将两图像a、b间的偏移量X限定在被预测的范围内求相关系数，所以能够在短时间内求出相关系数成为最大的位置，能够进行迅速地自动照准。
接着，根据图8说明本发明的第二实施例。图8是说明本实施例的自动照准装置的原理的图。此自动照准装置也具有与上述第一实施例的测量仪器相同的结构，在从摄像装置20取得使发光部24发光时的照亮图像a(参照图8(A))和使发光部24熄灯时的熄灯图像b(参照图8(B))之前，与第一实施例相同。但是，本实施例中，如下面所说，求出两图像a、b最一致的位置的相关运算方法与上述第一实施例不同。
如图8(A)、图8(B)所示，若获得两图像a、b，在两图像a、b的重合部分，分别对沿纵向的直线J上的每一列j求出所有像素的亮度总和Ax、Bx，以及对沿横向的直线工上的每一行I求出所有像素的亮度总和Ay、By。
接着，如图8(C)所示，一边使两图像a、b中的一个在横向上一点一点偏移，一边求出两图像a、b重合的每一列j的亮度总和Ax、Bx的相关系数。在亮度总和的Ax、Bx的相关系数成为最大时，可以判断为是在横向上两图像a、b最一致的时刻。
接着，如图8(D)所示，一边使两图像a、b中的一个在纵向上一点一点偏移，一边求出两图像a、b重合的每一行i的亮度总和Ay、By的相关系数。在亮度总和的Ay、By的相关系数成为最大时，可以判断为在纵向上两图像a、b最一致的时刻。此后，与上述第一实施例相同，能自动照准目标11。
根据本实施例，在求出与每一行i及每一列j的像素50的亮度总和有关的相关系数后，就能够以比求出与全像素50的亮度有关的相关系数的第一实施例更少的计算量，求出两图像a、b最一致的位置，能够更加迅速地进行自动照准。
接着，说明本发明的第三实施例的测量仪器的自动照准装置。图9是说明将此自动照准装置组装到自动水平仪(自动水准仪)中的光学系统的图。图10是说明将此自动照准装置组装到电子水平仪中的光学系统的图。
在将此自动水平装置40A组装到自动水平仪中的情况下，如图9所示，虽然追加了补偿照准轴O的水平的自动水平补偿机构49，但由于不需要使望远镜在上下方向转动，所以省略了驱动部30。除此以外，与图2所示的自动照准装置40相同。在此，即使望远镜转动的情况下，也不需要水平和垂直的两个编码器，能够一边补偿照准轴O的水平，一边进行标杆(标尺)的自动照准。
将此自动照准装置40A组装到电子水平仪的情况下，如图10所示，同图9所示的情况相比，还追加了连接到微型计算机32的线传感器70和沿照准轴O将光朝向线传感器70反射的分光棱镜70。除此以外，与图9所示的结构相同。在此，除了能够一边补偿照准轴O的水平、一边进行标杆(标尺)的自动照准之外，还能够使处于测量点的标杆在线传感器70上成像，通过微型计算机32读出标杆的刻度。
如上所述，本实施例的自动照准装置40A不具备编码器等角度检测器，但具备自动水平补偿机构49，专门用于不需要使望远镜在上下方向上转动的自动水平仪或电子水平仪中。此自动照准装置40A也与上述实施例相同，即使是望远镜转动的状态下也能够进行自动照准。
但是，本发明并不限于上述实施例，可以进行各种变形。例如，在上述各实施例中，作为求出两图像a、b最一致的位置的相关运算，虽然由两图像a、b间的相关系数求出，但也可以用其它合适的方法来求出。
例如，也可以在图6所示的相关图中，根据表示重合的像素50的各自亮度An、Bn的点位于规定范围C内的比例成为最大的位置，求出两图像a、b最一致的位置。此外，也可以利用根据亮度An、Bn之差的平方和成为最小值的位置求出的残差相关法。还有，也可以使用根据亮度An和Bn的频率解析中相位部分的类似度为最大的位置求出的相位限定相关方法(傅立叶相位相关法)。
权利要求
1.一种测量仪器的自动照准装置，包括摄像装置，对由望远镜捕捉的目标及该目标周围进行摄像；驱动部，使上述望远镜转动；发光部，向上述目标发送光；以及运算控制部，根据使该发光部点亮时由上述摄像装置进行摄像而获得的照亮图像、和使该发光部熄灯时由上述摄像装置进行摄像而获得的熄灯图像之差，求出上述目标的位置，控制上述驱动部来自动照准上述目标，其特征在于，上述运算控制部进行上述照亮图像和上述熄灯图像的相关运算，求出两图像最一致的位置，根据此位置处的两图像之差，求出上述目标的位置。
2.根据权利要求1所述的测量仪器的自动照准装置，其特征在于，进行上述照亮图像和上述熄灯图像的相关运算，求出与两个图像中重合的像素的亮度有关的相关关系，在该相关关系成为最大时判断为是上述两图像最一致的位置。
3.根据权利要求1所述的测量仪器的自动照准装置，其特征在于，进行上述照亮图像和上述熄灯图像的横方向上的相关运算，在两图像重合的部分，求出与在沿纵方向的直线上重合的像素的亮度的总和有关的相关关系，在该相关关系成为最大时判断为是上述两图像最一致的位置。
4.根据权利要求1所述的测量仪器的自动照准装置，其特征在于，进行上述照亮图像和上述熄灯图像的纵方向上的相关运算，在两图像重合的部分，求出与在沿横方向的直线上重合的像素的亮度的总和有关的相关关系，在该相关关系成为最大时判断为是上述两图像最一致的位置。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的测量仪器的自动照准装置，其特征在于，一边使上述照亮图像和上述熄灯图像中的一个偏移，一边进行上述相关运算，此时将偏移范围限定在根据从上述运算控制部向上述驱动部发送的控制信号预测的范围内。
全文摘要
一种测量仪器的自动照准装置，可根据从摄像装置取得的图像进行自动照准，即使望远镜转动时，不使用角度检测仪，也能够进行自动照准。其包括摄像装置，对由望远镜捕捉的目标(11)及该目标周围进行摄像；驱动部，使望远镜转动；发光部，向目标发送光；以及运算控制部，根据使发光部点亮时获得的照亮图像(a)和使发光部熄灯时获得的熄灯图像(b)之差，求出目标的位置，控制驱动部来自动照准目标；其中，运算控制部一边使照亮图像和熄灯图像中的一个一点一点偏移(C)，一边求出两图像最一致的位置(D)，根据此位置处的两图像之差求出目标的位置(E)。
文档编号G06K9/20GK101017086SQ200710007990
公开日2007年8月15日 申请日期2007年2月1日 优先权日2006年2月9日
发明者西田信幸, 安富敏 申请人:株式会社扫佳