專利名稱：光學傾斜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的光學傾斜儀、根據(jù)權(quán)利要求17的前序部分所述的儀器傾斜度的測量方法以及具有這種傾斜儀的大地測量儀器。
背景技術(shù)：
各種結(jié)構(gòu)類型的傾斜儀很久以來就在必須考慮到儀器位置的所有領(lǐng)域得到應(yīng)用。這特別適用于大地測量領(lǐng)域或者建筑業(yè)中的測量。
盡管對于高精密測量來說，具有復雜結(jié)構(gòu)的各種實現(xiàn)方式是公知的，然而迄今缺少簡單和堅固而仍具有足夠精度的傾斜儀。
在US 5,392,112中說明了一種傾角測量儀，該傾角測量儀把一條光束分割成兩條分光束，該兩條分光束在被儀器固定表面和液面各自反射之后，在一個檢測器上聚焦并在此被記錄。從兩條分光束的空間點的相對位置推斷出儀器的傾角。
在公開文件DE 41 10 858中公布了一種雙軸傾斜儀，該雙軸傾斜儀將一個幾何圖形通過一臺傾敏的和可偏轉(zhuǎn)光束的傳感器投影到一個線性陣列上。該傳感器含有一種液體，該液體相對于儀器的位置使得該圖形在線性陣列上的投影受到影響或發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
除了由于這種包含成像光學系統(tǒng)以及可選的分束器的復雜結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的缺點以外，這種結(jié)構(gòu)類型的傾斜儀還由于兩條分光束的射束路徑的所需最小長度而只能在受限程度上實現(xiàn)小型化。
在JP 09243359中說明了一種更簡單的傾斜傳感器，該傾斜傳感器具有一個謎封的并填充了液體的容器。該容器的內(nèi)側(cè)具有拱形面，汞滴停留在該拱形面內(nèi)。該容器和位于該容器內(nèi)的液體由一個光源照射，并且光輻射由一臺由四個光電二極管組成的作為簡單的象限傳感器的檢測器記錄。從由于汞滴引起的遮光的位置，可推斷出傳感器的傾斜度。由于這種結(jié)構(gòu)，就不能利用光電二極管的由陰影投射產(chǎn)生的變暗的任何信息。特別是對檢測器上的明暗過渡的準確位置沒有進行考慮。
因此在現(xiàn)有技術(shù)中，雖然高精密和開發(fā)成熟的傾斜儀是公知的，但是如果不投入大量費用，這些傾斜儀的體積由于其與類屬相一致的復雜性和結(jié)構(gòu)而無法得以縮小。另一方面，存在簡單的解決方案，然而鑒于為測定傾斜度而供使用的信息是非常有限的，因而更有可能會粗略估計傾斜度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光學傾斜儀，該光學傾斜儀與簡單的遮光測量儀器相比在得到改進的測量精度的情況下，具有一種簡單結(jié)構(gòu)。
另一目的是提供一種傾斜儀，該傾斜儀具有最少的機械和光學部件，并因此具有更大的堅固性和耐沖擊性。
本發(fā)明的另一目的是保證大地測量儀器或建筑業(yè)所用儀器中的結(jié)構(gòu)可集成性。這特別是涉及已有電子部件作為評測裝置的應(yīng)用。
此外，又一目的是對老化效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)例如熱變化加以考慮的可能性。
這些目的是根據(jù)本發(fā)明，分別通過權(quán)利要求1和17的限定特征以及通過從屬權(quán)利要求的限定特征來實現(xiàn)的。
本發(fā)明涉及一種光學傾斜儀。通過一個輻射源產(chǎn)生輻射，使用該輻射將一介質(zhì)聚焦到照相機上。該介質(zhì)保持在一容納元件中。該容納元件例如可由液體用盒或者懸擺用保持器構(gòu)成。在此情況下，圖像無需與光學準確圖像對應(yīng)。重要的是對容納元件的透射，該容納元件具有至少一種位于其內(nèi)部或者由該容納元件保持的第一介質(zhì)?？蛇x地，可通過圖像處理來評測該介質(zhì)或該介質(zhì)的一部分在照相機上的圖像，這樣例如也可考慮和校正成像誤差，例如失真。因此在此方面，應(yīng)把容納元件的透射理解為成像，在該成像中，產(chǎn)生至少第一介質(zhì)或第一介質(zhì)的一部分的可由照相機評測的圖像。
所用的輻射可位于可見光譜范圍內(nèi)，但也可位于不可見光譜范圍內(nèi)，并在通常情況下，通過輻射源、照相機以及介質(zhì)的技術(shù)和物理參數(shù)來確定。作為輻射源，除了各種類型的常規(guī)燈以外，還可使用發(fā)光二極管或激光器，特別是半導體激光器。根據(jù)實現(xiàn)形式，使用該輻射來透射該介質(zhì)，或?qū)⒃摻橘|(zhì)用于遮擋輻射。在照相機上形成的圖像的組成部分或者至少部分介質(zhì)中的要被分析的組成部分現(xiàn)可含有包括介質(zhì)在照相機上的陰影投射在內(nèi)的明暗過渡，或者兩種介質(zhì)之間的界面。根據(jù)更具體的布置，作為第一介質(zhì)的介質(zhì)被選擇成與第二介質(zhì)相協(xié)調(diào)，使得例如可將明暗邊界識別為過渡效應(yīng)或者特別顯著的界面。原則上，兩種效應(yīng)同等有用。在選擇各相時，對于介質(zhì)來說，也可進行透射率或透射系數(shù)的匹配。
用于指示位置的第一介質(zhì)可以是固體、液體或氣體。第二介質(zhì)同樣可具有這些相中的一種，但原則上，此處也可使用一個抽真空區(qū)域，只要保持第一介質(zhì)的可檢測邊界即可。以下給出各種實施例的非一些非限定性的示例1、作為第一介質(zhì)的懸擺位于氣態(tài)的第二介質(zhì)內(nèi)。盡管氣態(tài)的介質(zhì)是可透輻射的，然而懸擺是不可透輻射的或者僅受限制地透明，這樣，根據(jù)作為較少量照明區(qū)而在照相機上再現(xiàn)的懸擺的圖像，可推斷出懸擺位置，并因此可推斷出傾斜度。
2、把采用具有不同透射系數(shù)和密度的固體制成的兩個半球相互連接成一個球，該球可旋轉(zhuǎn)地安裝在一個容納元件內(nèi)。
3、把作為第一介質(zhì)的一種不可透輻射的液體連同作為第二介質(zhì)的一種可透輻射且不可溶于該液體的氣體一起封入一個用作容納元件的容器內(nèi)。為了進行評測，使用兩種介質(zhì)之間的明暗過渡，其中，在兩種介質(zhì)僅具有對所述輻射的略微不同的透輻射性的情況下，也可進行明暗過渡的評測。
4、把一種對所述輻射透明的氣體和一種同樣透明的液體封入一個容器內(nèi)，其中，進行界面的檢測。由于液體中的內(nèi)聚性而在過渡區(qū)域內(nèi)形成一條不是筆直而是彎曲的線。根據(jù)曲率，可確定液體位于哪一側(cè)，從而可以不對兩種介質(zhì)中的一種、特別是液體進行著色。
5、把作為第一介質(zhì)和第二介質(zhì)的兩種具有不同密度但具有相似透射系數(shù)的相互不可溶解的液體封入一個用作容納元件的容器內(nèi)。使用兩種介質(zhì)之間的界面的圖像進行評測。
例如針對液體，提出了汞、水或硅油。為了確定第一介質(zhì)的位置，不僅可使用界面的圖像，而且可使用明暗過渡的圖像或者兩者的組合。為了實現(xiàn)界面的增強，可通過其他措施更容易地記錄形成這種界面。例如可在界面上散布懸浮微粒，該懸浮微粒增強在該區(qū)域內(nèi)的輻射吸收。而且可行的是，在界面上放置懸浮類的固體，而該固體可以是可透輻射或者不可透輻射的。
第一介質(zhì)或者兩種介質(zhì)之間的過渡的圖像被投影到照相機上，在那里被記錄并被轉(zhuǎn)換為電子信號。作為合適的照相機，可使用例如CCD照相機或CMOS照相機。這種照相機例如可備有Agilent公司的CMOS黑白圖像傳感器(CMOS-Monochrome-Bildsensor)ADCS 2120，其具有由640×480像素點組成的場。
由照相機產(chǎn)生的信號由一個評測單元進行分析并被針對儀器的傾斜度進行評測。為此，可使用一個獨立的組件或一個獨立的部件。另選地，也可使用其他儀器的可能現(xiàn)有部件。例如，在安裝于測距儀內(nèi)的傾斜儀的情況下，該評測單元的功能也可由供測距使用的電子部件一同承擔。同樣，作為輻射源，也可使用已供其他目的使用的源。因此在測距儀的示例中，在測距儀中可能的話供測距使用的激光的一部分可被輸出耦合，并可能在散射或擴束之后，被用于介質(zhì)的成像。
從兩種介質(zhì)之間的邊界的相對和絕對位置以及形狀，可推斷出儀器的傾斜度。如果例如一臺照相機安裝在一個填充有液體的矩形容器的側(cè)面上，則從作為液位線的液面與照相機所成的角度，可確定傾斜方向(此處例如為縱向傾斜)。如果在另一軸上發(fā)生單純傾斜(此處例如為橫向傾斜)，則可根據(jù)液面高度測定傾斜度。對于液位線高度，兩個軸上的組合傾斜不僅導致角度變化，而且導致位置變化。
這種成像和評測不僅可使用純明暗過渡進行，而且可可使用界面進行。此外，界面的分析還提供其他優(yōu)點。根據(jù)上述例子，此處應(yīng)考慮一種具有液態(tài)和氣態(tài)介質(zhì)的系統(tǒng)，而不限制對其他實施例的適用性。
1、在一個界面的情況下，與一個純明暗過渡的分析相反，可評測這些介質(zhì)的兩個過渡，即，有兩條邊沿可供使用。
2、上述例子的橫向傾斜的變化導致界面的圖像寬度的增加或減小。因此，圖像寬度也可作為用于測定傾斜度的信息來考慮。特別是可實現(xiàn)系統(tǒng)的自校準，因為在光束水平導入容納元件的情況下，界面的圖像寬度在儀器的水平位置下變得最小。
3、在超過規(guī)定的傾斜極限(例如橫向傾斜)的情況下，一個雙界面可在一定情況下由照相機感知，該雙界面由液體與容器壁的接觸來限定。該界面之間的間隔，與界面的寬度相當，可用作傾斜度的大小并可被對應(yīng)地進行評測。
4、在使用潤濕液體作為第一介質(zhì)的情況下，該液體由于粘著在容器的接觸位置而升高。根據(jù)液位線的曲率，可確定液體位于容器的哪一側(cè)。而且在橫方向，液體也具有一個曲率，這樣即使在橫向傾斜不足的情況下，也總是能夠確定界面的兩條線或水平線。下線是液體的最低點，上線是液體與容納元件的內(nèi)側(cè)的潤濕邊沿。在容納元件移動之后，而且在穩(wěn)態(tài)下，下線比上潤濕線明顯更清晰，并且更快速地穩(wěn)定。在此方面，界面的檢測以及因此第一介質(zhì)的位置的檢測不僅可根據(jù)界面的水平對準區(qū)域進行，而且可借助于界面的彎曲區(qū)域進行。
5、如果界面依賴于角度而可變形，例如通過一臺具有專門彎曲成形的表面的水準儀內(nèi)的氣泡而可變形，則從氣泡的位置和/或變形，同樣可推斷出傾斜度。這種變形例如可這樣實現(xiàn)，即形成與球面形狀有偏差的拱形，例如非球面或者隧道形狀的拱形。位于該拱形和液體之間的氣泡便隨著增加的傾斜度而變形。
通過根據(jù)本發(fā)明的照相機應(yīng)用，可以對第一介質(zhì)的圖像的特性和特征(此處特別是邊界或界面的分布和位置)進行分辨和評測。這樣，使用根據(jù)本發(fā)明的方法，可對由于老化或環(huán)境影響引起的變化進行校正或消除。介質(zhì)的體積變化可毫無問題地加以考慮，因為在測量縱向傾斜時，對圖像中的邊界或界面的分布進行檢測，并可分析角度，而不依賴于絕對位置。橫向傾斜可根據(jù)界面的圖像寬度來測定，其中，如上所述，該過程可與自校準相結(jié)合。該自校準過程可在使用傾斜儀期間一直進行著，從而使大量的供傾斜度和寬度用的數(shù)據(jù)記錄可供使用。根據(jù)這些值，可選地可使用統(tǒng)計或內(nèi)插法來計算出最小值，并使其與水平位置相等。
然而，基于界面的圖像寬度的傾斜測定的前提條件是容納元件具有合適的容器形狀，該容器形狀不會引起界面的圖像的液面相關(guān)變化。而該必要條件例如通過一種具有平行側(cè)壁的容器可容易地實現(xiàn)。特別是，介質(zhì)損耗或該介質(zhì)的密度變化可按此方式進行補償。


下面參照附圖中示意性地示出的實施例，純粹通過示例更詳細地對根據(jù)本發(fā)明的方法和根據(jù)本發(fā)明的儀器進行說明。具體來說圖1是根據(jù)本發(fā)明的傾斜儀的第一實施例的示意性側(cè)視圖；圖2a-d是第一實施例的具有不同介質(zhì)的示意性俯視圖；圖3a-c是處于水平位置的傾斜儀的第一實施例以及在照相機上成像的介質(zhì)表面的示意性俯視圖；圖4a-c是處于縱向傾斜的傾斜儀的第一實施例以及在照相機上成像的介質(zhì)表面的示意性俯視圖；圖5a-e是處于水平位置的傾斜儀的第一實施例的示意性側(cè)視圖和俯視圖以及在照相機上成像的介質(zhì)表面的示意性側(cè)視圖和俯視圖；圖6a-e是處于橫向傾斜的傾斜儀的第一實施例的示意性側(cè)視圖和俯視圖以及在照相機上成像的介質(zhì)表面的示意性側(cè)視圖和俯視圖；圖7a-d是處于水平位置的傾斜儀的第二實施例的示意性側(cè)視圖和俯視圖以及在照相機上成像的介質(zhì)表面的示意性俯視圖；以及圖8a-e是針對容納元件的兩種不同形成表面，處于橫向傾斜的傾斜儀的第二實施例的示意性側(cè)視圖以及在照相機上成像的介質(zhì)表面的示意性俯視圖。
具體實施例方式
以下根據(jù)圖中示意性示出的實施例對根據(jù)本發(fā)明的方法或者根據(jù)本發(fā)明的裝置純示例性地進行更詳細的說明。
圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的把所有部件集成在作為公用基座1的板上的光學傾斜儀的第一實施例的側(cè)視圖。通過輻射源2發(fā)射與基座1垂直的可見或不可見輻射S。輻射S由透鏡3準直并通過第一偏轉(zhuǎn)元件4和第二偏轉(zhuǎn)元件5再次偏轉(zhuǎn)，從而使其垂直入射在基座1上。在該入射輻射的范圍內(nèi)，在基座1上安裝有容納元件6，該容納元件6具有朝基座取向的第一表面7和朝第二偏轉(zhuǎn)元件取向的第二表面8。在基座1與容納元件或其第一表面7之間具有照相機9，該照相機9與評測單元10連接。出于節(jié)省占地的原因，屬于光束產(chǎn)生、射束路徑和輻射接收的部件安裝在基座1的一側(cè)，而評測單元10安裝在基座1的相反側(cè)，然而原則上，也可選擇這些部件或評測單元10的另一配置。因此，該配置具有的優(yōu)點是把所有電子部件集成在一個公用基座1上，該基座1例如也可形成為印刷電路板。因此，可實現(xiàn)一種簡單的機械不敏感結(jié)構(gòu)。偏轉(zhuǎn)元件4和5可形成為反射元件，例如棱鏡或反射鏡。然而原則上，無專用元件也能實現(xiàn)合適偏轉(zhuǎn)，例如，通過在外殼的內(nèi)側(cè)反射來實現(xiàn)合適偏轉(zhuǎn)，其中，該反射也可具有散射或漫射特性。也可在以下情況時放棄偏轉(zhuǎn)，即保證容納元件6的至少部分區(qū)域由輻射源2的輻射S或照相機9照射。例如，也可通過彎曲或成角度的基座1產(chǎn)生輻射源2和容納元件6或照相機9的這種合適取向。然而原則上，在放棄安裝到公用基座1上的情況下，與圖7和圖8所示的根據(jù)本發(fā)明的第二實施例一樣，也可進行部件的直接相互安裝。
圖2a示出傾斜儀的該第一實施例的俯視圖。從輻射源2發(fā)射的輻射由透鏡3準直并通過第一偏轉(zhuǎn)元件4和第二偏轉(zhuǎn)元件5被引導到容納元件6上。該容納元件安裝在照相機9上。在本實施例中，輻射源2和照相機9固定在作為基座1的大致平坦的底板上。在容納元件6內(nèi)具有至少一個第一介質(zhì)。圖2b至圖2d示出了可能布置。
圖2b示出作為一種可能實施例的使用不透輻射的第一介質(zhì)11部分填充容納元件。容納元件的剩余區(qū)域可使用第二介質(zhì)12填充，其中，該第二介質(zhì)也可由真空替代。在使用不透輻射的第一介質(zhì)11的本實施例中，第二介質(zhì)12被如此選擇，以使其具有至少部分的透輻射性。通過這種布置，產(chǎn)生兩種介質(zhì)之間的明暗對比，該明暗對比可由照相機檢測。
圖2c示出使用透輻射的第一介質(zhì)13填充容納元件的另一實施例。而容納元件的剩余空間可由第二介質(zhì)填充，該第二介質(zhì)在該例中同樣是透輻射的。在兩種介質(zhì)之間形成界面14，該界面14在照相機上成像并可由該照相機進行分辨。例如通過施加小微粒，例如粉末，或者也可施加更大部件，例如浮子，使該界面14的可檢測性得到增強。
圖2d示出在傾斜儀傾斜時的容納元件內(nèi)的介質(zhì)的位置變化。對以照相機為基準的該變化作了圖示，該照相機相對于基座固定。該示意性示出的位置與圖2a所示的傾斜儀的逆時針方向的旋轉(zhuǎn)對應(yīng)，并被稱為縱向傾斜。圖2b和圖2c所示的介質(zhì)位置與傾斜儀的水平位置對應(yīng)，而圖2d示出在所述傾斜儀的旋轉(zhuǎn)時可由照相機記錄的位置。通過該傾斜，透輻射的第一介質(zhì)13在容納元件的內(nèi)部發(fā)生位移。所改變的位置可通過界面14的取向來識別和確定。
圖3a-c再次對在傾斜儀的水平、非傾斜位置的情況下的界面的位置和識別作了概要說明。圖3a中，輻射通過第二偏轉(zhuǎn)元件5被引導到容納元件6，并在通過該容納元件的體積之后，聚焦在照相機9上。圖3b示出容納元件內(nèi)的介質(zhì)的可由照相機感知的圖像。此處，透輻射的第一介質(zhì)13在其界面仍相對于照相機水平取向。圖3c示意性示出由照相機感知的圖像。界面16的圖像被投影在由多行和多列的像點或像素組成的檢測面15上。通過單個像點的遮光可把該圖像轉(zhuǎn)換為信號，從該信號中推導出界面的位置或取向。與原則上同樣可實現(xiàn)的根據(jù)如圖2b所示的本發(fā)明的純明暗過渡的識別相比，兩種可透射介質(zhì)之間的界面的檢測提供的可能性是，在界面16的圖像中評測用于位置確定的兩條邊沿。除了像點的純遮光的評測以外，還可進行其他特征的考慮。因此，可通過灰度值的識別或者通過一臺彩色照相機獲得界面的位置的準確分辨。另外，也可對其他特征，例如由于折射或散射引起的色彩變化一同加以考慮。
在傾斜儀或者基座1的單純縱向傾斜時的界面的位置變化在圖4a-c作了示意性圖示。圖4a示出作為縱向傾斜的傾斜儀相對于垂直線的旋轉(zhuǎn)。界面14保留在其絕對位置不變，并因此相對于重力矢量調(diào)平。然而如圖4b所示，作為相對于基座1或者相對于照相機的位置，界面14的相對位置發(fā)生變化?，F(xiàn)在，界面14是傾斜的。在檢測面15上的界面16的對應(yīng)圖像在圖4c作了示意性圖示，其中，該圖像現(xiàn)在具有相對于照相機或檢測面的傾斜。
圖5a-e示出在水平取向的根據(jù)本發(fā)明的傾斜儀的情況下的狀態(tài)的側(cè)視圖。圖5a示出傾斜儀的俯視圖，而圖5b中示出側(cè)視圖，該側(cè)視圖在圖5a與右視圖對應(yīng)。圖5b的該側(cè)視圖中示意性地示出傾斜儀的結(jié)構(gòu)。在基座1上安裝有照相機9，該照相機9間接或直接支承具有第一表面7和第二表面8的容納元件6。在基座1的另一側(cè)安裝有評測單元10。圖5c示出逆時針旋轉(zhuǎn)90°之后的圖5b的該側(cè)視圖的抽象表示。輻射S從左入射到容納元件6上，該容納元件6具有位于其內(nèi)部的透輻射的第一介質(zhì)13。在穿過容納元件之后，該輻射入射到照相機9上，這樣，界面14在照相機9的檢測面上成像。圖5d示出界面14相對于照相機的位置。圖5e示出在檢測面15上的界面16的關(guān)聯(lián)圖像。
圖6a-e對一個傾斜的傾斜儀進行圖示，其中，進行了繞取向垂直于前述旋轉(zhuǎn)的軸的旋轉(zhuǎn)。由這種旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的位置被稱為橫向傾斜。圖6a示出傾斜儀的俯視圖，圖6b示出傾斜儀的側(cè)視圖。在圖6c中可以看出，容納元件6內(nèi)的此處示范性作為液面形成的界面14現(xiàn)在相對于輻射S的入射軸是傾斜的。由此看出，如圖6d所示，界面14從照相機的視向展寬。如圖6e所示，可以看出，界面16’在檢測面上的圖像現(xiàn)在同樣展寬，從而涉及到更多的像點。界面16’的圖像寬度和傾斜儀的橫向傾斜相互關(guān)聯(lián)，這樣從該寬度可推斷出傾斜度。
圖7a-d示出根據(jù)本發(fā)明的傾斜儀的第二實施例，該第二實施例例如可在測錘桿或類似的大地測量儀器中使用。
圖7a示意性示出這種傾斜儀的結(jié)構(gòu)，其中，該傾斜儀位于水平位置?；?’大致呈U狀，并將輻射源2保持在兩個翼部之間。該輻射源發(fā)射輻射S，該輻射S由透鏡3準直。然后，該經(jīng)校準直的輻射S被引導到容納元件6’，該容納元件6’間接或直接安裝在照相機9上。在基座1’的與照相機9的相背的一側(cè)安裝有一個評測單元。容納元件6具有兩個表面，其中，第一表面7大致為平面，而第二表面8’具有拱形。容納元件填充有液態(tài)介質(zhì)，在該液態(tài)介質(zhì)中具有作為第二介質(zhì)的氣泡，其中，其他氣體，或者可能的話，另一種液體也可執(zhí)行氣泡的功能。然而另選地，根據(jù)本發(fā)明，介質(zhì)的其他組合可能也是適合的。例如取代氣泡，可使用油中的汞滴，這樣該汞滴與氣泡相反，不是漂浮在表面上而是保留在容器的底部。此外，各個具體設(shè)計尤其依賴于結(jié)構(gòu)情況。因此，例如汞滴的使用需要具有拱形的第二表面8’取向沿著地面方向。
圖7b示出其中省略了輻射源2的保持裝置而僅示出輻射源2的傾斜儀的俯視圖。該輻射源的輻射透射容納元件6’并入射到位于其下的照相機9上，該照相機9安裝在基座1’上。
圖7c示出從照相機的方向看到的容納元件里面的視圖。在透輻射的第一介質(zhì)13’中，根據(jù)其界面來可檢測氣泡17。另選地或附加地，除了界面的識別以外，還可使用氣泡17的其他特征，例如，由于在透輻射的第一介質(zhì)13’內(nèi)經(jīng)過的距離引起的透射率變化或者由于氣泡的不同透射系數(shù)引起的透射率變化。在照相機的檢測面15上的氣泡的界面16”的圖像在圖7d作了示意性圖示。
圖8a-e示意性示出傾斜儀的橫向傾斜的狀態(tài)。圖8a示出基座1’向右傾斜，因此該傾斜與橫向傾斜對應(yīng)。氣泡17現(xiàn)已在容納元件6’的內(nèi)部向左偏移。該偏移也在圖8b和圖8c示出。圖8b與從照相機的方向看到容納元件上的視圖對應(yīng)。氣泡現(xiàn)相對于照相機向左偏移。在檢測面15上的界面16”的關(guān)聯(lián)圖像在圖8c示出。
如果容納元件的第二表面按其拱形如此形成，即使得氣泡依賴于傾斜度而變形，則也可從圖像的形狀或形狀變化推斷出傾斜度。合適的形狀例如可以是非球面的拱形，該拱形具有相對于球面或多或少增加的曲率。圖8d和圖8e例示出具有向外減小的曲率半徑的非球面形狀。隨著增加的傾斜度，氣泡因此獲取一個越來越拉長的形狀。圖8d示出從照相機的方向看到容納元件上的視圖。氣泡現(xiàn)相對于照相機向左偏移并具有拉長的形狀。界面16’’’在檢測面15上的關(guān)聯(lián)圖像在圖8e示出。
作了圖示的實施例僅示出根據(jù)本發(fā)明的實現(xiàn)例，并因此應(yīng)理解為不是限定性或限制性的。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員例如在使用其他射束路徑或偏轉(zhuǎn)元件(如棱鏡、散射面或光波導、或者容納元件和位于其內(nèi)的介質(zhì)的另選形式時，可推導出根據(jù)本發(fā)明的其他實施方式。特別是能夠取代流體介質(zhì)而使用擺動固體或者固體和流體介質(zhì)的組合。
附圖純示意性地示出了檢測面的像點，特別是其數(shù)量。在實際的實施例中，可用照相機的像點數(shù)量通常高很多，從而可獲得位置或角度的更高分辨率。
權(quán)利要求
1.一種光學傾斜儀，具有輻射源(2)，用于產(chǎn)生輻射(S)；至少一個第一介質(zhì)(11，13)，其位置依賴于傾斜度；容納元件(6，6’)，用于第一介質(zhì)(11，13)；檢測器，用于記錄圖像(16，16’，16”，16)并將其轉(zhuǎn)換為信號；以及評測單元(10)，用于確定傾斜度；其特征在于，檢測器被形成為照相機(9)，優(yōu)選地被形成為CMOS或CCD微型照相機；以及輻射源(2)和照相機(9)被配置成使得第一介質(zhì)(11，13)的至少一部分的圖像由所述輻射間接或直接地再現(xiàn)在照相機(9)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學傾斜儀，其特征在于，輻射源(2)和照相機(9)被配置成使得第一介質(zhì)(11，13)的優(yōu)選地大致平坦的界面(14)的至少一部分的圖像由所述輻射間接或直接地再現(xiàn)在照相機(9)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學傾斜儀，其特征在于，第一介質(zhì)(11，13)是液體，并且界面(14)是液位線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學傾斜儀，其特征在于，容納元件(6，6’)被設(shè)計成優(yōu)選地半填充的圓筒盒。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中的任何一項所述的光學傾斜儀，其特征在于，傾斜儀具有以下部分作為第二介質(zhì)(12)，即氣體，液體，或者固體，特別是采用浮子的形式，其與第一介質(zhì)(11，13)的接觸面限定界面(14)。
6.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學傾斜儀，其特征在于，第一介質(zhì)(11，13)和第二介質(zhì)(12)針對輻射(S)具有不同的透射率，優(yōu)選的是具有不同的透射系數(shù)，特別地其特征在于，所述兩種介質(zhì)中的一種不可透射輻射(S)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學傾斜儀，其特征在于，第一介質(zhì)(11，13)是擺動固體。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的光學傾斜儀，其特征在于，輻射源(2)具有半導體激光器或者LED。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的光學傾斜儀，其特征在于，輻射源(2)和照相機(9)被配置成使得在第一介質(zhì)(11，13)的范圍內(nèi)的輻射(S)與第一介質(zhì)(11，13)的表面大致平行地傳播。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的光學傾斜儀，其特征在于，容納元件(6，6’)間接或直接地安裝在照相機(9)上。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的光學傾斜儀，其特征在于，容納元件(6，6’)具有第一平坦透明表面(7)，以及第二透明表面(8)，這兩個表面被取向為彼此大致平行，其中，第二表面(8)是平坦的或呈拱形的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學傾斜儀，其特征在于，照相機(9)具有一個二維檢測面(15)，該二維檢測面(15)被取向為與容納元件(6，6’)的第一表面(7)和/或第二表面(8)相平行。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的光學傾斜儀，其特征在于，輻射源(2)和照相機(9)安裝在公用基座(1，1’)上，優(yōu)選地安裝在印刷電路板上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學傾斜儀，其特征在于，輻射源(2)和照相機(9)被配置成使得所產(chǎn)生的輻射(S)與基座(1，1’)的表面相垂直地發(fā)射，并使照相機(9)的接收裝置取向成與基座(1，1’)的表面相垂直。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的光學傾斜儀，其特征在于，從輻射源(2)到照相機(9)的射束路徑具有至少一個偏轉(zhuǎn)元件(4，5)。
16.一種大地測量儀器，特別是測距儀或測錘桿，具有根據(jù)權(quán)利要求1至15中的任何一項所述的光學傾斜儀。
17.一種方法，用于測量儀器的傾斜度，特別是大地測量儀器的傾斜度，該儀器具有輻射源(2)，用于產(chǎn)生輻射(S)；至少一個第一介質(zhì)(11，13)，其位置是依賴于傾斜度的；容納元件(6，6’)，用于第一介質(zhì)(11，13)；照相機(9)，用于記錄圖像；以及評測單元(10)，用于測定儀器的傾斜度；所述方法具有以下步驟利用由輻射源產(chǎn)生的輻射(S)在照相機(9)上產(chǎn)生圖像，其中，該圖像包含第一介質(zhì)(11，13)的至少一部分；由照相機(9)記錄圖像并將其轉(zhuǎn)換為信號；以及由評測單元(10)根據(jù)所述信號測定儀器的傾斜度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在產(chǎn)生圖像時，輻射(S)與第一介質(zhì)(11，13)的表面大致平行地傳播。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，其特征在于，傾斜度的測定是在考慮到以下來進行的第一介質(zhì)(11，13)在圖像中的角度，以及第一介質(zhì)(11，13)在圖像中的絕對位置。
20.根據(jù)權(quán)利要求17至19中的任何一項所述的方法，其特征在于，在達到或超過可預(yù)定的傾斜值時，輸出一信號。
21.根據(jù)權(quán)利要求17至20中的任何一項所述的方法，其特征在于，在測定傾斜度時，考慮到特別是消除了由于至少第一介質(zhì)(11，13)的溫度效應(yīng)和/或物質(zhì)損耗引起的誤差。
22.根據(jù)權(quán)利要求17至21中的任何一項所述的方法，其特征在于，在產(chǎn)生圖像時，再現(xiàn)第一介質(zhì)(11，13)的至少一個界面(14)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，在測定儀器的傾斜度時，考慮到界面(14)的尺度、形狀和/或位置。
全文摘要
在一種光學傾斜儀中，由輻射源(2)發(fā)射輻射(S)。該輻射(S)在通過包含至少第一介質(zhì)(11，13)的容納元件(6，6’)之后，聚焦在照相機(9)上。根據(jù)第一介質(zhì)(11，13)的位置，特別是液位相對于傾斜儀或者照相機(9)的位置，可推斷出傾斜儀的傾斜度。使用照相機(9)記錄第一介質(zhì)(11，13)的位置可評測多個特征，特別是界面(14)的形狀、尺度和位置。
文檔編號G01C9/06GK1659420SQ03813233
公開日2005年8月24日 申請日期2003年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月7日
發(fā)明者庫爾特·埃內(nèi), 庫爾特·吉熱 申請人:萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司