水准测量装置和水准测量方法

摘要

本发明涉及一种水准测量装置(1)，其具有：限定了校准轴(2)并可以用水准测量杆(5)进行校准以确定高度的观测装置；成像系统，其与所述观测装置在空间上隔开，并具有成像透镜(7)以及检测器(11)，该成像透镜(7)被指定有透镜主平面(8)，该检测器(11)具有位于像平面(12)中的记录面(10)；以及与检测器相连的评估装置(16)，其中，所述水准测量杆(5)在所述校准轴(2)的高度处的高度信息可以作为测量高度由评估装置(16)利用检测器信息来提供。成像系统的视场(18)由成像透镜(7)和检测器(11)定义为最大角度范围，在该最大角度范围内点可以由成像透镜(7)借助于检测器(11)的记录面(10)进行记录。根据本发明，成像透镜(7)和检测器(11)相对于彼此并相对于包含校准轴(2)的镜头平面(6)设计和布置为使得透镜平面的位于视场(18)内的所有点同时焦点对准地成像在检测器(11)的记录面(10)上。

说明书

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的水准测量装置和根据权利要求11的前 序部分的水准测量或测量方法。

在测量或水准测量过程中会使用水准测量装置和测量杆。水准测量装置包括测量 望远镜和水平仪形式的装置，该水平仪形式的装置例如确保测量望远镜的光轴大体上 水平线向。如果将水准测量装置安装在三脚架上，则可以借助于水平校准后的水平仪 通过使用三脚架的三个可调地脚螺钉来生成测量水平线。除了使用箱式水平仪进行粗 略的水准测量以外，也可以进行精细的水准测量，其中例如采用更加精确的管状水平 仪。借助于补偿器，甚至在没有精确水平仪的情况下可以对水准测量装置的目标轴进 行水准测量。补偿器使用重力对使用箱式水平仪进行初步水准测量之后目标光束的余 下的剩余倾斜度的至少一部分进行补偿。补偿器可以削弱不希望的具有衰减的振荡。

当通过望远镜注视水准测量杆时，可以确定杆附着点和水平线之间的垂直距离。 水平测量杆的高度例如为4m。精确的标度至少定位在纵向区域。刻度的零点就是杆 附着点。对于水准测量杆，多种实施方式是已知的，其中例如后者可以具有箱式水平 仪和在后侧的柄。通过对水平仪进行水准测量使该杆保持垂直。还存在包括至少一个 另外刻度的杆。

结合将可观测区域成像到传感器阵列上并对这个成像进行评估的数字水准测量 装置，使用相应的数字水准测量杆。这样的测量杆可以被装置自动读取，并且数据可 以被评估和保存。为了实现自动水准测量，除水准测量装置的评估和保存元件之外， 还需要具有至少一种自动可评估编码的测量杆。

在已知的数字水准测量装置的情况下，望远镜包括至少一个物镜、聚焦装置、分 束器、十字线、目镜和包括传感器阵列的检测器。采用该光学系统，通过眼睛已经可 以读取杆。由于部分光在分束器中被偏转到检测器上用于电子图像转换，所以数据也 可以被自动检测。分束器例如可以体现为这样的带通滤波器，使得将电磁辐射的对人 眼重要的光谱范围转送到目镜而将其他光谱成分提供到传感器阵列。

由处理器单元对测量顺序进行控制，该处理器单元不仅实时对测量进行评估，还 可以提供依赖于周围条件(如依赖于温度)的校正，针对此目的，多种评估算法是已 知的。这些算法中的大多数使用一段刻度，并且不仅确定可观测的高度还确定距离。

检测器将接收到的编码后的杆的图样转换为数字数据。而且，由焦点传感器记录 聚焦透镜的位置。可以根据该位置确定装置和杆之间的大致距离。在1.80m至100m 的距离范围内，聚焦透镜例如大致移位14mm。在已知的解决方案的情况下，根据确 定聚焦透镜的位置而导出的距离不能足够精确地被确定。而且，对聚焦透镜的调整是 非常耗时的。

在使用数字水准测量装置进行测量的过程中，在第一步骤，如同传统方法的情况， 必须对水准测量杆进行瞄准和聚焦。在测量键已经被开启后，对聚焦透镜的位置进行 记录，对补偿器进行监控。在接下来的步骤中，大致确定目标高度和距离。最后，在 最后的步骤，借助于评估法，更具体而言是相关法来确定精确的高度和距离。为了能 够执行相关，有必要存储对应于水准测量杆的成像的基准信号。例如通过移动测量信 号直至基准信号和测量信号对应地尽量好，可以确定高度。测量信号的移动对应于所 寻求的高度。由于测量信号被成像为取决于距离的不同大小，所以测量信号的标度必 须预先匹配到基准信号的标度。

例如从专利文献DE 3618513 C2、DE 19833996 C1、EP 1066497 B1和DE 19804198 B4可获知数字水准测量装置，其中在后两篇文献中的检测器包括二维传感 器阵列。EP 0066497 B1描述了一种评估方法，其中确定或补偿测量杆的倾斜位置。 而且，提出了一种用于精确地确定距离的额外的距离测量装置，其增加了装置和评估 费用。DE 19804198 B4描述了借助于傅里叶变换对图像信号进行评估的实施方式， 其提高了与测量杆的基准信号的相关性。

EP 0808447描述了一种装置，其中成像光学单元具有多个不同的成像瞳孔区， 为该瞳孔区分配在空间分辨光电检测器或空间分辨光电检测器的部分区域，使得成像 光学单元能够从不同距离范围内同时成像。这种装置的结构相对复杂，并且存在不被 任何瞳孔区清楚地成像的距离范围。

对已知的解决方法而言，提供与其到水准测量装置的距离无关的可观测测量杆的 可评估信息是复杂的。而且，当确定高度时，不可能在花费较少费用的情况下来校正 望远镜或水准测量装置的偏离水平线向的小的偏移。

于是，一个问题在于找到一种解决方案，采用该解决方案可以以简单的方式在相 对于数字水准测量装置的大的距离范围内提供可观测测量杆的可评估信息。特别是， 成像光学单元在这里旨在更不容易发生故障，从而使得能够更加健壮和更加精确地确 定高度信息。

而且，作为进一步的具体问题，如果从水准测量装置的水平校准出现小的偏移， 意在还能够确定精确的高度值。

通过实现独立权利要求的表征特征来解决这些问题。可以从从属的专利权利要求 中获得以可替换的或有利的方式对本发明进行改进的技术特征。

在本发明的第一步骤中，已经认识到如果水准测量装置具有望远镜光学单元和空 间上与望远镜光学单元分离且具有专用的成像光学单元的成像系统，那么水准测量方 法和水准测量装置会变得更加简单。因此，将对可观测测量杆的可评估信息的提供与 望远镜光学单元分开，更具体来说，与望远镜的聚焦装置分开。

如果望远镜仅仅用于观测物体(测量杆部分)而不用于读取物体信息(标度)， 则对望远镜聚焦而言没有必要将其精确地设定为距测量杆的距离。在适当的情况下可 以省去聚焦，这样可以简化测量顺序。不言而喻，在适当的情况下，则也可以采用观 测装置替代望远镜。望远镜或观测装置规定了至少一个望远镜轴或观测轴，其称为水 准测量装置的校准轴。

在本发明的第二步骤中，已经认识到，由于对成像系统的光学组件进行移位总是 带来聚焦线发生偏移的风险并因此会出现顺序误差，所以如果没有必要以取决于测量 杆距离的方式对成像光学单元和/或检测器的焦点位置进行调整，则借助于成像系统 所执行的测量会变得更加健壮和更加精确。

因此，就根据本发明的数字水准测量装置而言，以与瞄准装置本地分离的方式来 布置成像系统。在这种情况下，成像系统具有至少一个成像物镜，向该成像物镜指定 了物镜主平面，成像系统还具有包含位于像平面的记录面的检测器。在这种情况下， 瞄准装置(更具体而言可以实现为望远瞄准镜)的光轴形成校准轴，出于确定高度的 目的，该校准轴可以用测量杆进行校准。

根据成像物镜以及设置在下游的检测器的实施方式和布置方式，成像系统的检测 范围被定义为角度范围，在该角度范围内位于成像系统的视场中的点可以成像到检测 器的记录面上。

检测范围(下文也同义地使用术语“视场”)由此应当被理解为表示成像系统的 最大角度范围，在该角度范围内，借助于检测器的记录面可以由成像物镜来进行点的 检测。

因此，涉及一种水准测量装置，该水准测量装置包括：

○校准轴，其为了确定高度的目而用测量杆进行校准；

○成像物镜，该成像物镜被指定有物镜主平面；

○检测器，其包括位于像平面的记录面；以及

○评估装置，其与检测器相连接。

在这种情况下，成像物镜可以将检测范围内的物体成像到检测器的记录面上，并 且评估装置可以使用检测器信息提供关于成像后的物体的高度信息。

根据本发明，将成像物镜和检测器相对于彼此以及相对于包含校准轴的物平面实 施和布置为使得物平面的位于视场或检测范围内的所有点同时清楚地成像在检测器 的记录面上。

检测器进一步地与评估装置相连接，该评估装置被设计为用于使用检测器信息来 确定并提供关于成像在记录面上的物体的高度信息。

举例来说，通过具有以取决于入射角度的方式在检测范围内变化的焦距的成像物 镜，可以确保根据本发明的以下效果，物平面的位于检测范围内的所有点以与距离无 关的方式清楚地成像在检测器的记录面上。举例来说，成像物镜7可以具有衍射结构 或在一个轴(尤其是水平轴)上，这使得成像物镜的焦距依赖于角度(尤其是依赖于 方位角角度)而变化。

作为一种替代，将成像物镜和检测器相对于彼此以及相对于瞄准装置或由此定义 的校准轴实施和布置为使得物镜主平面、像平面和物平面满足沙伊姆弗勒条件。根据 本发明，采用这样的手段也可以确保物平面的位于检测范围内的所有点以与距离无关 的方式而清楚地成像在检测器的记录面上。

特别是，如果物平面、像平面以及物镜主平面相交于公共线或直线，则此时满足 沙伊姆弗勒条件。也就是说，如果物镜主平面、像平面以及包含校准轴的物平面相交 于公共相交线，则可以在以与距离无关的方式的测量过程中，在不需要调整支出的情 况下确保位于物平面上的物体的理想地清楚地成像。结果，可以对测量杆代码进行不 易出错的、健壮的以及仍然高精度的检测并由此对高度信息做出改进的确定。

通过与现有技术中已知的方案相比较，根据本发明的方案由此具有以下优点，在 从第一距离变化到另一距离并且没有聚焦支出的情况下基于清楚地成像的代码进行 高度读取。

针对根据本发明的水准测量装置的实施方式，其中物镜主平面、像平面以及物平 面相交于一线，具体来说，在物平面和物镜主平面之间形成有角度α，而在物镜主平 面和像平面之间形成有角度β。沙伊姆弗勒准则确保在物平面的一个点清楚地成像到 像平面上(更具体而言清楚地成像到检测器的记录面上)的情况下，物平面的成像到 检测器的记录面上的所有其他点也清楚地成像。

在相交线上，成像物镜的中心在物镜距离处，检测器的记录面的中心在检测器距 离处。在这种情况下，该两个中心可以相对于相交线大体上位于包括校准轴的公共法 向平面内。当在成像系统和望远瞄准镜之间存在小的距离时，成像线从物镜平面上的 点移动到记录面上的成像点，也就是说，相对于校准轴成锐角。

为确保校准轴的希望的距离范围可以成像到检测器的记录面上，必选相应地选择 角度α和β、物镜距离、检测器距离以及检测器的记录面的垂直于相交线方向的广度。 在这种情况下，通过选择角度α和β来确定成像比例。由于角度α优选地处于80°至 90°的范围内，尤其是大体上为90°，所以成像比例实际上由角度β决定。

成像比例和检测器的记录面的垂直于相交线方向的广度同希望的距离范围相关 联，使得在预定义的距离范围而言和检测器的记录面的垂直于相交线方向的预定广度 而言，必须选择成像比例以及由此的角度β，使得所希望的距离范围可以成像到检测 器的记录面上。

在选择物镜距离之后，根据所希望的距离范围也可以对为正确成像所需的检测器 距离进行限定。

在限定了角度α和β、物镜距离、检测器距离以及检测器的记录面的垂直于相交 线方向的广度以后，可以对为清楚地成像所需的成像物镜的焦距进行定义。为了通过 透镜将物平面6上的点清楚地成像到记录面10上的点，在该成像过程中，物距g、 像距b和成像物镜或透镜的焦距f必须满足透镜公式1/f＝1/g+1/b，使得f＝b*g/(b+g) 成立。

针对本发明的所有实施方式，可以额外地采用以下改进。

由于折射率取决于光在透镜中的传播速度，所以会产生取决于颜色的像差。这可 以通过采用用于编码的颜色对透镜进行调整和/或对由检测器检测的频率范围进行选 择而被考虑。

检测器优选地包括二维传感器阵列，该二维传感器阵列在第一方向上针对清楚地 成像的物体检测校准轴上的位置，并且在第二方向(优选地横向于第一方向)上检测 物体的高度信息。在校准轴上的位置确定对应于三角距离测量，并且在传感器阵列具 有精细的分辨率的情况下是相当准确的。可以根据现有技术中已知的任何所希望的代 码评估来执行对高度信息的确定。

由于到物体的距离根据三角距离测量获知，成像刻度根据水准测量装置的成像参 数获知，所以针对与存储的高度代码的比较可以对成像的物体进行准确地刻度标定， 这使评估更容易。可以在比根据现有技术的方案的情况需要更少支出的条件下进行距 离确定，这是另一个优点。另外，可以通过增加第一方向上的传感器阵列的精度而以 简单的方式来提高距离确定的准确度。在适当的情况下，也可以通过选择更大的角度 β来增大成像比例。

另外，不言而喻，在倾斜的测量杆的情况下，还可以执行现有技术中已知的校正。

同样地，对于高度信息或相应的代码部分，可以相对于测量杆的纵向方向横向地 布置并由此在传感器阵列的第一方向上被成像。在这样的实施方式的情况下，使用一 维传感器阵列可能足够。

传感器阵列例如实施为二极管阵列，但是也有可能使用本领域技术人员所知的具 有在两个读出方向上的读出的另外的面传感器排列。优选地，传感器是具有使得代码 条的位置可检测的分辨率的面阵列。同样可以在检测器的记录面和评估传感器之间使 用传输装置，该传输装置借助于从记录面到具有更小空间分辨率的传感器上的连续成 像来确定所希望的图像信息。尤其是，传输装置也可以仅仅确保到远离记录面的检测 器上的光学成像。

由于即使在校准轴的水平校准尽可能地精确时，校准轴也可以稍微偏离准确的水 平方向，所以优选地将倾斜传感器连接到评估装置上。倾斜传感器确定校准轴和物平 面中的水平校准线之间的偏离角度γ。评估装置使用偏离角度γ以及在校准轴上成像 的物体的位置来确定高度信息。因此使用简单的方法可以获得非常高的精度。

如果沿着校准轴的被成像到第一检测器的第一记录面上的区域不满足要求，则可 以使用至少一个另外的检测器，该另外的检测器的另外的记录面位于包括公共相交线 的另外的像平面中。在物镜主平面和像平面之间存在角度β′。该到第二检测器上的成 像优选地通过另外的成像物镜来实现，该另外的成像物镜被指定有另外的包括公共相 交线的另外的物镜主平面。但是，另选地，也可以使用两个成像物镜和仅一个检测器。

选择成像参数，使得该另外的成像物镜可以将另外的检测范围的物体成像到该另 外的检测器的另外的记录面上，并且该评估装置使用该另外的检测器的信息来提供关 于被成像的物体的高度信息。

由于根据本发明的水准测量装置的高测量精度，对空气中折射率波动的补偿变得 重要。可以通过采用色散来实现该补偿。出于这个目的，有必要使用至少两个波长执 行相同的测量。可以根据发现的测量差异推断出真空中的理论高度值。

附图在关于现有技术和关于本发明示例性实施方式的例示的基础上阐释了本发 明。在这种情况下，在附图中：

图1示出了根据本发明的第一实施方式中的穿过水准测量布置的水平剖面的示 意图；

图2示出了根据本发明的穿过水准测量布置的垂直剖面的示意图；

图3示出了根据本发明的具有两个成像系统的水准测量装置的立体图；

图4示出了根据本发明的第二实施方式中的穿过水准测量布置的水平剖面的示 意图；

图5示出了用于更加详细地说明图4中描绘的实施方式的穿过水准测量布置的垂 直剖面的示意图；以及

图6示出了根据本发明的第三实施方式中的穿过水准测量布置的水平剖面的示 意图。

图1示出了根据本发明的水准测量装置1的示意性地例示的第一示例，所述装置 的校准轴2为所例示的实施方式中望远镜3的轴。用户4将校准轴2指引到测量杆5 上，该测量杆5在校准轴2上的两个不同位置5a和5b处示出。将含有对准轴2的垂 直平面指定为物平面6。

成像物镜7例示在物镜主平面8中，该物镜主平面8就水平校准的校准轴2而言 是垂直平面。物平面6和物镜主平面8相交于相交线9，并在物平面6和物镜主平面 8之间形成角度α。

检测器11的记录面10位于像平面12内。像平面12与物镜主平面8和物平面6 相交于相交线9。在物镜主平面8和像平面12之间形成角度β。如果确保在一个位置 处清楚地成像，则像平面12、物镜主平面8和物平面6的具有公共相交线9的这种 布置确保在没有调节支出的情况下物平面内的位于距离范围内的所有物体可以与它 们的位置无关地清楚地成像到记录面10上。

保证了沙伊姆弗勒(Scheimpflug)位置，由此可以进行对成像物镜7的聚焦的调 整。就测量杆5的从第一位置5a到另一位置5b的位移而言，可以在没有聚焦支出的 情况下根据大体上清楚地成像的码来读取高度。

成像物镜7将测量杆5的物体成像到检测器11的记录面10上，并且评估装置利 用检测器信息提供关于成像的物体的高度信息。

从相交线9起，成像物镜7的中心位于物镜距离处，而检测器11的记录面10的 中心位于检测器距离处。这两个中心都大体上位于该相交线的公共法向面内，该法向 面也包括校准轴2。

为了确保将校准轴2的希望的距离范围成像到检测器11的记录面10上，必须正 确地选择角度α和β、物镜距离、检测器距离和检测器11的记录面10的垂直于相交 线9方向的广度。在这种情况下，通过选择角度α和β来确定成像比例。由于角度α 优选地处于80°至90°的范围内，并且在所例示的实施方式中大体上为90°，所以成 像比例由角度β来确定。

成像比例和检测器11的记录面10的垂直于相交线9的尺寸与所希望的距离范围 相关联，使得对预定义的距离范围而言和对检测器11的与相交线9相垂直的记录面 10的预定义的范围而言，必需将成像比例以及由此的角度β选择为使得所希望的距 离范围可以成像到该记录面上。

在选择物镜距离以后，根据所希望的距离范围也可以对为正确成像所需的检测器 距离进行定义。

在限定了角度α和β、物镜距离、检测器距离和检测器的记录面的垂直于相交线 方向的广度之后，可以对为清楚成像所需的成像物镜的焦距进行限定。为了通过透镜 将物平面6的点清楚地成像到记录面10的点，在该成像过程中，物距g、像距b和 成像物镜或透镜的焦距f必须满足透镜公式1/f＝1/g+1/b，使得f＝b*g/(b+g)成立。

在所例示的实施方式中，检测器11包括直接布置在记录面10上的二维传感器阵 列。对于清楚地成像的物体，在垂直于相交线9的第一方向上对校准轴2上的位置进 行检测，并且在优选地横向于第一方向的第二方向上对物体的高度信息进行检测。因 此，校准轴2上的位置确定对应于三角距离测量。可以根据现有技术中已知的任何所 希望的代码评估来确定高度信息。

图2示出了包括根据本发明的水准测量装置1、三脚架17和测量杆5的布置， 就图2而言校准轴2有点偏离精确的水平方向13。水准测量装置1包括连接至评估 装置的倾斜传感器14。倾斜传感器14确定校准轴2和水平校准线13之间的偏移角γ。 在校准轴处的高度信息m1和m2并不对应于实际高度。评估装置分别根据偏移角γ 以及距离L1和L2确定高度修正d1和d2，其中d1＝L1*tan(γ)，d2＝L2*tan(γ)。以很 小的支出根据三角距离测量相对精确地得出距离L1和L2。考虑到高度修正d1和d2 可以分别确定非常精确的高度值h1和h2。

图3示出了具有第一成像光学单元15和第二成像光学单元15′的水准测量装置1 的实施方式，每个成像光学单元15、15′包括成像物镜7、7′和具有记录面的检测器11、 11′。如果沿着校准轴2的在第一成像光学单元15中被成像到所指定的记录面上的区 域不满足需要，那么对于近距离范围而言，例如第二成像光学单元15′可以确保成像 到另一检测器11′的指定的记录面上。在这种情况下，第二成像系统可以同样地以使 得物平面的位于检测范围内的所有点可以同时清楚地成像在另一检测器11′的记录面 上的方式被实施。举例来说，成像物镜7′和检测器11′(以对应于图1的方式)可以 以满足沙伊姆弗勒(Scheimpflug)条件的方式布置成使得成像物镜7′的物镜主平面、 检测器11′的像平面和物平面也相交于公共直线。

特别是，在这种情况下可以选择针对不同距离范围而设计的、具有不同焦距的两 个成像系统的成像物镜7、7′。

但是，根据一种另选的实施方式，两个成像光学单元15、15′还可以布置在公共 成像物镜7的下游，其中成像光学单元15、15′成像到两个独立的检测器11、11′上， 更具体而言，其中选择不同的角度β和/或不同的检测器距离。

根据另一种另选的实施方式，两个不同的成像物镜7、7′彼此并排成像在检测器 的同一记录面上。特别地，在这种情况下，可以选择稍微小于90°的角度α，用于对 被指引到更近距离范围的成像物镜的物镜主平面的校准。

选择第二成像光学单元15′的成像参数，以使得后续位置区域的物体被成像到第 二检测器11′的记录面上。评估装置16可以在各种情况下选择检测器的高度信息，具 有高度信息的物体被成像在该检测器的记录面上。

图4和5在不同情况下示出了与在图1中例示的水准测量类似的水准测量装置。

图4中根据本发明的数字水准测量装置1也具有望远瞄准镜3，该望远瞄准镜3 与设置在下游的成像物镜7和检测器11在空间上隔开。望远瞄准镜3的光轴定义了 校准轴2，对校准轴2而言，该校准轴2跨越物平面6(更具体而言是垂直的物平面 6)，其中出于确定测量点的高度的目的，校准轴2用那里竖起的测量杆5进行校准。 在这种情况下，在待测量的两个可能的位置例示了测量杆5。

根据各实施方式和对成像物镜7以及设置在下游的检测器11的布置，将检测范 围定义为角度范围，在该角度范围内位于水准测量装置的视场中的点可以成像到检测 器11的记录面上。

根据本发明，将成像物镜7和检测器11相对于彼此以及相对于定义了物平面6 的望远瞄准镜3精确地实施和精确地布置为使得物平面6的位于检测范围内的所有点 可以同时清楚地成像在检测器11的记录面10上。

出于该目的，如图4中所示的成像物镜7的焦距以依赖于角度的方式(更加具体 来说是以依赖于方位角角度的方式)在检测范围18内变化。

举例来说，成像物镜7为此具体体现为在一个轴(更加具体来说是在水平轴)具 有像场弯曲。但是，另选地或者附加地，成像物镜7也可以具有衍射结构，该衍射结 构使得成像物镜7的焦距以取决于入射角度的方式而变化。合适的像场弯曲和衍射结 构(诸如格状结构)使得成像物镜7的焦距以取决于入射角度的方式而相应地变化， 该合适的像场弯曲和衍射结构(诸如格状结构)对于所属技术领域的技术人员而言是 已知的，并且可以根据水准测量装置的做出的需要而相应地进行选择。

仅作为举例，成像物镜7可以相对于望远瞄准镜3和相对于检测器被布置为使得 物平面6和物镜主平面8形成约处于80°和略小于90°之间的范围内的角度α，并使得 物镜主平面8大致上平行于像平面12地被对准。

在这种情况下，来自位于第一位置5a处的测量杆5的成像线以第一入射角度入 射到成像物镜7上，其中所述成像线例示为实线形式。相比之下，来自位于第二位置 5b处的测量杆5的成像线以不同于第一入射角度的第二入射角度入射到成像物镜7 上，其中所述成像线例示为点线形式。作为示例，来自无限远处的成像线以第三入射 角度入射到成像物镜7上，其中所述成像线以点点划线为基础加以例示。

接下来，如图4中明显可见地，成像物镜7针对第一入射角比针对第二入射角具 有更小的焦距，并且成像物镜7针对第三入射角比针对第二入射角具有甚至更小的焦 距。因此，具体来说，在这种情况下，焦距在检测范围的角度分布上连续减小(从面 对校准轴的检测范围界限到背离校准轴的检测范围界限)。

仅仅为了提供对根据如图4中例示的本发明的实施方式的更好理解，图5示出与 图4中的成像系统组件的布置相同方式，但是图5的成像系统组件的布置具有按传统 实现的成像物镜7，该成像物镜的焦距不会以取决于角度的方式变化。

接下来，如图5中明显可见地，相比之下，在如图中所例示的检测器11和成像 物镜7的布置方式的情况下，传统的成像物镜7的焦距不会以取决于角度的方式变化， 传统的成像物镜7不会使得位于检测范围内的物平面6的所有点同时清楚地成像在检 测器11的记录面10上。

为了使第一位置5a和第二位置5b处例示的测量杆清楚地成像，在各种情况下将 成像物镜7或检测器11的焦点位置移位不同程度会是必要的，如同现有技术的装置 的情况。但是，这会带来聚焦线发生偏移的风险，该偏移也称为顺序误差。根据本发 明，相比而言，与可观测的测量杆的距离无关，仅提供成像物镜7或检测器11的固 定的焦点位置，以使得成像系统的光学组件不需要易受误差影响的移位。

图6示出了根据本发明的数字水准测量装置的另一种可选的实施方式，其中由于 这种情况下检测范围18很受限制，所以成像物镜7和检测器11的实施方式和布置方 式是尤其用于限制附近范围而被设计。

如图6中明显可见地，成像物镜7、检测器11和望远镜3相对于彼此被布置为 使得物镜主平面8和像平面12彼此平行对准并且分别平行于物平面6。而且，选择 成像物镜7和检测器11的布置方式，使得在这种情况下成像物镜7的光轴和检测器 11的光轴以平行的方式彼此相对远地偏移的方式来设置，所述成像物镜7的光轴和 检测器11的光轴分别垂直于物镜主平面8和像平面12。

如同根据图1，图6的成像物镜7可以被实现为标准的透镜或者标准的透镜组。 也就是说，在这种布置方式的情况下，成像物镜7的焦距尤其不会以取决于入射角度 的方式变化。

于是，根据本发明的这种具体的布置方式还可以保证物平面6的位于检测范围 18内的所有点同时清楚地成像在检测器11的记录面10上。尤其是，由于像平面12、 物镜主平面8以及物平面6相互平行，所以在这种布置方式的情况下还满足沙伊姆弗 勒条件。

在这种情况下，图6中所示的布置方式尤其还可以运用于根据本发明的水准测量 装置中，该水准测量装置具有两个或更多个单独的、分别用于不同的距离范围的成像 系统。举例来说，根据本发明，还可以提供对应于图3中的水准测量装置的水准测量 装置，但是其中，针对近距离范围设计的成像系统对应于图6中所示的成像物镜7 和检测器11的实施方式和布置方式。相比之下，针对远距离范围设计的成像系统或 者如图1举例所示的，具有其中像平面12、物镜主平面8以及物平面6相交于一条 直线的布置方式，或者另选地对应于图4的方式，用焦距以取决于入射角度的方式变 化的成像物镜7来实现。

不言而喻，这些例示的附图仅仅示意性地例示了可能的示例性的实施方式。不同 的方法同样可以相互结合并且可以与现有技术中的方法相结合。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种水准测量装置(1)，该水准测量装置包括：

-瞄准装置，其定义了校准轴(2)并为了确定高度的目能够用测量杆(5)进行 校准；

-成像系统，该成像系统与所述瞄准装置在空间上隔开并包括：

-成像物镜(7)，为该成像物镜(7)指定有物镜主平面(8)，以及

-检测器(11)，该检测器(11)包括位于像平面(12)中的记录面(10)，

其中，所述成像系统的视场(18)被所述成像物镜(7)和所述检测器(11) 限定为最大角度范围，在该最大角度范围内能够由所述成像物镜(7)借助于所 述检测器(11)的记录面(10)来检测点；以及

-评估装置(6)，该评估装置(6)与所述检测器(11)相连接，

其中，能够由所述评估装置(16)采用检测器信息将所述测量杆(5)在所述校 准轴(2)的高度处的高度信息作为测量高度来进行提供，

所述水准测量装置的特征在于：

所述成像物镜(7)和所述检测器(11)相对于彼此并相对于包含所述校准轴(2) 的物平面(6)被实施和布置为使得所述物平面(6)的位于所述视场(18)内的所有 点同时清楚地成像在所述检测器(11)的记录面(10)上，其中，所述物镜主平面(8)、 所述像平面(12)以及所述物平面(6)以满足沙伊姆弗勒条件的方式相对于彼此对 准。

2.根据权利要求1所述的水准测量装置(1)，其特征在于：

所述成像物镜(7)和所述检测器(11)相对于彼此并相对于所述校准轴(2)被 布置为使得所述物镜主平面(8)、所述像平面(12)以及所述物平面(6)以满足沙 伊姆弗勒条件的方式彼此平行地对准，并且使得所述成像物镜(7)的光轴和所述检 测器(11)的光轴以彼此间隔开一偏移量的方式来布置，所述成像物镜(7)的光轴 和所述检测器(11)的光轴分别垂直于所述物镜主平面(8)和像平面(12)。

3.根据权利要求1所述的水准测量装置(1)，其特征在于：

所述物镜主平面(8)、所述像平面(12)以及所述物平面(6)以满足沙伊姆弗 勒条件的方式相交于公共相交线(9)，其中在所述物平面(6)和所述物镜主平面(8) 之间形成有角度α，并在所述物镜主平面(8)和所述像平面(12)之间形成有角度β。

4.根据权利要求3所述的水准测量装置(1)，其特征在于：

所述成像物镜(7)的中心在物镜距离处被间隔开，所述检测器(11)的记录面 (10)的中心在距所述相交线(9)的检测器距离处被间隔开，并且两个中心相对于 所述相交线(9)大体上位于公共法向平面内，所述法向平面还包括所述校准轴(2)。

5.根据权利要求3或4所述的水准测量装置(1)，其特征在于：

根据要成像在所述校准轴(2)上的距离范围选择所述角度α和β、所述物镜距 离、所述检测器距离以及所述检测器(11)的记录面(10)的垂直于所述相交线(9) 方向的广度，其中通过选择所述角度α和β来确定成像比例，所述角度α优选地位于 80°至90°的范围内，尤其是大致为90°，并且尤其是，其中g为物距，b是对应于将 所述物平面(6)上的点成像到所述检测器(11)的记录面(10)上的点的像距，并 且其中所述成像物镜(7)具有由公式1/f＝1/g+1/b确定的焦距f。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的水准测量装置(1)，其特征在于：

所述检测器(11)包括二维传感器阵列，其中可以在所述传感器阵列的第一方向 上针对清楚地成像的测量杆部分检测在所述校准轴(2)上的位置，并在横向于所述 第一方向的第二方向上检测测量杆部分的高度信息。

7.根据权利要求6所述的水准测量装置(1)，其特征在于：

倾斜传感器(14)与所述评估装置(16)相连接，其中所述倾斜传感器(14)提 供所述校准轴(2)和水平校准线(13)之间的偏离角度γ，所述评估装置(16)使 用所述偏离角度γ以及成像的测量杆部分在所述校准轴(2)上的位置来提供所述高 度信息。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的水准测量装置(1)，其特征在于：

设置有至少一个另外的成像系统，其包括

-至少一个另外的检测器(11′)，该另外的检测器(11′)的另外的记录面位 于另外的像平面中，以及

-另外的成像物镜(7′)，其设置在所述另外的检测器(11′)的上游，并为该 另外的成像物镜(7′)指定有另外的物镜主平面，

其中，所述另外的成像物镜(7′)和所述另外的检测器(11′)相对于彼此并相对 于所述物平面(6)被实施和布置为使得所述物平面(6)的位于所述另外的成像系统 的视场内的所有点同时清楚地成像在所述另外的检测器(11′)的所述另外的记录面 上，并且

其中，所述评估装置(16)使用所述另外的检测器(11′)的信息来提供关于成 像的测量杆部分的高度信息。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的水准测量装置(1)，其特征在于：

所述瞄准装置被实施为望远镜(3)，并且所述校准轴(2)由所述望远镜(3)的 光轴形成。

10.一种使用包括高度信息的测量杆(5)和根据权利要求1至9中任意一项所 述的水准测量装置(1)进行水准测量的方法，其中所述水准测量装置(1)的所述校 准轴(2)借助于所述瞄准装置而被指引到所述测量杆(5)上，而所述测量杆(5) 在所述校准轴(2)的高度处的、由所述检测器(11)和所述评估装置(16)确定的 高度信息被作为测量高度而提供，所述方法的特征在于：

当所述测量高度被确定时，成像的高度信息至少部分地位于所述水准测量装置 (1)的所述物平面(6)上，以及

所述成像物镜(7)和所述检测器(11)相对于彼此并相对于所述物平面(6)被 实施和布置为使得所述物平面(6)的位于所述视场(18)内的所有点同时清楚地成 像在所述检测器(11)的记录面(10)上，其中所述物镜主平面(8)、所述像平面(12) 以及所述物平面(6)以满足沙伊姆弗勒条件的方式相对于彼此对准。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：

-所述物平面(6)、所述物镜主平面(8)和所述像平面(12)相交于公共相交 线(9)，或者

-所述物平面(6)、所述物镜主平面(8)和所述像平面(12)彼此平行地对准， 并且所述成像物镜(7)的光轴和所述检测器(11)的光轴以彼此间隔开一偏移量的 方式来布置，所述成像物镜(7)的光轴和所述检测器(11)的光轴分别垂直于所述 物镜主平面(8)和所述像平面(12)。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于：

所述检测器(11)包括二维传感器阵列，其中在所述传感器阵列的第一方向上针 对清楚地成像的测量杆部分检测在所述校准轴(2)上的位置，并在横向于所述第一 方向的第二方向上检测所述测量杆部分的高度信息。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：

倾斜传感器(14)对所述校准轴(2)和水平校准线(13)之间的偏离角度γ进 行检测，并且使用所述偏离角度γ以及成像的测量杆部分在所述校准轴(2)上的位 置来确定所述高度信息。

14.根据权利要求10至13中任意一项所述的方法，其特征在于：

使用至少两个波长执行相同的高度测量，并且根据发现的测量差异推断出真空中 的理论高度值，使得空气中的折射率波动的影响得到补偿。