CN114930183A - 激光雷达 - Google Patents

Abstract

激光雷达包括用于对目标成像并且将探测光束引导到目标的两部分物镜。利用阻挡跟踪光束的中心部分的二向色滤波器来衰减跟踪光束的使目标图像降级的部分。可以利用混合透镜产生本地振荡光束，该混合透镜引导探测光束通过偏振分束器以聚焦在波片处或波片上，使得部分作为本地振荡光束从波片反射。与探测光束共焦的成像系统被耦合以提供目标测量或建立探测光束的焦点。

Description

激光雷达

技术领域

本公开涉及激光雷达和激光跟踪系统、光学系统和用于这种系统的部件以及相关联的测量方法和装置。

背景技术

激光雷达系统通常基于对返回光束的一部分的检测来产生对对象距离的估计。使用返回光束与本地振荡信号混合的外差系统来提供高灵敏度检测并且基于测量返回光束和本地振荡之间的频率差来估计距离。通过发射具有适当啁啾(chirp)的光束，即使在存在可以引起多普勒频移的对象运动的情况下也可以进行这些测量。

在实际实现中，相机对接收探测(测量)光束和用于视觉对准的指向(或跟踪)光束的目标表面进行成像。相机包括被调节以产生目标图像的透镜，并且利用单独的可调节透镜将探测光束和跟踪光束成像到目标上。使用用于可视/可见图像的不同透镜和用于IR探测光束的光束聚焦透镜允许简单透镜设计。不幸的是，使用两个能移动的透镜需要用于每个的平移或其它阶段并且难以保持相机轴和探测光束轴的对准，并且未对准使得难以将相机图像用于除了粗略视觉对准之外的任何情况。

外差激光雷达的其它困难是基于与被测量的对象相关联的信号路径和本地振荡(LO)路径之间的路径长度的变化。LO路径变化不仅引起测距误差，而且引起由于返回的探测光束部分和LO光束之间的相对偏振状态的变化而引起的信号变化。例如，通过诸如金属或电介质镜或分束器的光学部件的反射可以在不同的偏振状态之间引入相移。这种变化会降低距离灵敏度或导致漏失，即完全的信号损失。

激光雷达的实际应用通常需要与被测量的零件的对准，并且必须在零件周围放置一组或多组加工球。这种设置可能是缓慢的，限制了零件可以被测量的速率。因此，需要改进。

发明内容

装置包括二向色分束器和光纤，该光纤被定位成将探测光束沿轴引导到二向色分束器。物镜被定位在轴上，并且包括固定透镜和能移动的透镜，能移动的透镜被定位成从二向色分束器接收探测光束。图像传感器光学地耦合到二向色分束器并且被定位在轴上以经由二向色分束器从目标接收成像光束，其中能移动的透镜是能平移的以在图像传感器处形成目标图像并且将探测光束聚焦在目标处。在一些示例中，二向色分束器被定位成使得探测光束被传送通过二向色分束器到达能移动的透镜，并且成像光束被二向色分束器反射到图像传感器。在其他示例中，物镜被定位成从二向色分束器接收跟踪光束并且将探测光束和跟踪光束引导到目标，其中探测光束具有1200nm和1800nm之间的波长，并且跟踪光束具有400nm和700nm之间的波长。在一些替代方案中，二向色分束器被定位成使得探测光束由二向色分束器反射到能移动的透镜，并且成像光束被二向色分束器传送到图像传感器。在通常实施例中，二向色分束器是立方体二向色分束器、板二向色分束器或双反射二向色分束器。

在另外实施例中，二向色分束器是双反射二向色分束器，双反射二向色分束器包括面向能移动的透镜的第一表面和二向色反射表面，二向色反射表面被定位成将成像光束引导到图像传感器并且将探测光束的从目标返回的部分引导向光纤。在其他实施例中，二向色分束器是双反射二向色分束器，双反射二向色分束器包括面向能移动的透镜的第一表面和二向色反射表面，二向色反射表面被定位成将成像光束引导到第一表面，使得成像光束被第一表面反射到图像传感器，并且探测光束的从目标返回向光纤的部分被反射表面传送到光纤。在另外示例中，二向色分束器是双反射二向色分束器，双反射二向色分束器包括面向能移动的透镜的第一表面和二向色反射表面，二向色反射表面被定位成将探测光束的从目标返回的部分引导到第一表面，并且成像光束被二向色反射表面传送到图像传感器。在其它代表性示例中，第一表面相对于从二向色反射表面接收到的成像光束以大于临界角的角度被定位，并且双反射二向色分束器包括输出表面，输出表面被定位成使得从目标返回并且被二向色反射表面反射到第一表面的探测光束的部分被反射以垂直入射到输出表面。在一些实施例中，双反射二向色分束器包括第一棱镜，第一棱镜具有在第一表面与二向色反射表面之间的顶角β，其中顶角β大于sin^-1(1/n)，其中n为棱镜的折射率。根据一些示例，双反射二向色分束器的二向色反射表面被限定在第一棱镜或第二棱镜的表面上。在一些情况下，双反射棱镜包括在相应配合表面处彼此固定的第一棱镜和第二棱镜，并且二向色反射表面被定位在配合表面处。在一些具体示例中，二向色反射表面被限定在配合表面中的至少一个上。

在其它替代方案中，二向色分束器包括二向色板和平面反射器，其中二向色板被定位成将探测光束的从目标返回的部分引导到平面反射器并且将成像光束传送到图像传感器。在另外的其他示例中，二向色分束器包括二向色板和平面反射器，其中二向色板被定位成将成像光束反射到平面反射器并且传送探测光束的从目标返回的部分。

在一些代表性示例中，光纤是偏振保持单模(PRSM)光纤，并且还包括偏振分束器(PBS)，偏振分束器被定位成使得来自PRSM光纤的探测光束在处于基本上由PBS传送到二向色分束器的偏振状态(通常为线性偏振态)的PBS接收。装置可以包括被定位在PBS和二向色分束器之间的波片，以在探测光束中产生圆偏振状态，并且朝向光纤反射探测光束的一部分，以产生本地振荡光束。在其他示例中，波片具有被定位为从PBS接收探测光束的输入表面和被定位为从波片的输入表面接收探测光束的输出表面。输入表面或输出表面中的一个被抗反射涂敷，而输入表面和输出表面中的另一个反射探测光束的一部分作为本地振荡光束。

通常地，混合透镜被定位成从光纤接收测量光束，并且二向色滤波器沿着轴被定位在混合透镜的轴向部分上，二向色滤波器透射测量光束并且基本上不透射跟踪光束。在其他示例中，二向色滤波器是二向色反射器，其透射测量光束并反射跟踪光束。在一些示例中，二向色滤波器是波长相关偏光片，波长相关偏光片基本上不透射跟踪光束。根据代表性实施例，二向色反射器沿着所述轴被定位在混合透镜的轴向部分上，二向色反射器透射测量光束并且反射跟踪光束，其中二向色反射器的尺寸基于图像传感器的对应尺寸。在一些实施例中，混合透镜被定位成接收测量光束并且将测量光束聚焦在光束角直径α内。二向色反射器沿着轴被定位在混合透镜的轴向部分上，二向色反射器透射测量光束并反射跟踪光束，其中二向色反射器的尺寸基于图像传感器的对应尺寸。在代表性示例中，二向色反射器的尺寸是图像传感器的对应尺寸与沿着轴从混合透镜焦点到二向色反射器的光学距离与从混合透镜焦点到图像传感器的光学距离的比率的乘积的至少0.5倍、0.75倍、1.0倍或1.5倍。为了方便起见，二向色滤波器被定位在能移动的透镜的透镜表面上。

装置包括光纤和混合透镜，该混合透镜被定位成从光纤接收测量光束并且产生测量光束焦点。具有表面的光学元件被定位在测量光束焦点附近，以将测量光束的一部分反射回到光纤中作为本地振荡光束。物镜被定位成从光学元件接收测量光束，将测量光束的一部分作为探测光束引导到目标，并且将探测光束的从目标返回的部分通过光学元件和成像透镜引导向光纤中以形成信号光束。在一些示例中，光学元件是波片，其具有从成像透镜接收测量光束的入射表面和与入射透镜相反的出射表面，其中出射表面被定位在测量光束焦点附近以反射测量光束的部分。在其他示例中，波片具有从成像透镜接收测量光束的入射表面和与入射表面相反的出射表面，其中入射表面被定位在测量光束焦点附近以反射测量光束的部分。在通常示例中，波片的入射表面和出射表面中的一个包括被定位成从成像透镜接收测量光束的抗反射涂层，并且入射表面和出射表面中的另一个具有被定位成从成像透镜接收聚焦的测量光束的未涂覆部分。在一些代替方案中，偏振分束器被定位成从成像透镜接收测量光束并且将测量光束耦合到波片。在一些情况中，具有被定位在测量光束焦点附近的表面的光学元件是偏振分束器(PBS)。在其他示例中，光学元件包括PBS和固定到PBS的波片。在又一个示例中，PBS具有被耦合以从光纤接收测量光束的入射表面，并且波片包括出射表面，出射表面被定位成将测量光束从PBS耦合到物镜，并且将测量光束的部分反射回到光纤中作为本地振荡光束。

在一些示例中，PBS被定位成将测量光束的探测光束部分反射到波片并且光学检测器被耦合到光纤以接收来自目标的探测光束的部分和本地振荡光束并且产生外差电信号。检测系统基于外差电信号提供目标距离估计。

在一些示例中，装置包括第一测量光束源和第二测量光束源，其分别产生第一波长和第二波长的第一测量光束和第二测量光束。光束组合器被定位成接收第一测量光束源和第二测量光束源并且耦合第一测量光束和第二测量光束以形成组合测量光束，其中光纤将组合测量光束引导到混合透镜。混合透镜将组合光束聚焦在光学元件处，朝向光纤反射反射回组合测量光束的一部分作为第一本地振荡光束和第二本地振荡光束。根据其它示例，第一光学检测器和第二光学检测器被耦合到以被定位成接收来自目标的探测光束的一部分和第一本地振荡光束和第二本地振荡光束并且产生第一外差电信号和第二外差电信号。在一些情况下，第一光学检测器和第二光学检测器耦合到光纤，或者被耦合以从光纤和/或从偏振分束器接收探测光束的部分。检测系统基于第一外差电信号和第二外差电信号来提供目标距离估计。在又一个示例中，混合透镜从光纤接收测量光束和跟踪光束，并且二向色滤波器被定位在物镜的轴上，其中，二向色滤波器不透射跟踪光束。

方法包括将具有相关联的光束数值孔径的跟踪光束引导到分束器。跟踪光束数值孔径的一部分被阻挡、遮蔽、衰减、散射，使得分束器接收测量光束和部分地遮蔽/衰减的跟踪光束。利用物镜将部分地遮蔽的跟踪光束从分束器引导到目标，并且利用分束器接收成像光束，并且利用分束器将成像光束引导到成像检测器，其中跟踪光束的遮蔽的部分对应于成像检测器。

方法包括将来自光纤的测量光束聚焦到测量光束焦点，并且朝向光纤反射测量光束的一部分以产生本地振荡光束。在一些情况下，测量光束通过分束器聚焦到光学元件，光学元件具有将测量光束的部分反射到光纤的表面。在具体示例中，光学元件是波片，并且反射表面是波片的表面。在其它实施例中，光学元件是偏振分束器(PBS)，并且反射表面是PBS的表面。

在一些示例中，装置包括激光雷达，其被定位成沿轴将探测光束引导到目标并且产生至少一个目标尺寸的估计，激光雷达包括被耦合以扫描探测光束轴的探测光束扫描器。成像器沿轴光学地定位以产生目标的图像，其中探测光束扫描器耦合到成像器，以便基于在目标图像中识别的至少一个特征将探测光束引导到目标位置。在一些示例中，成像器是图像传感器，并且图像处理器识别目标图像中的至少一个特征。在一些示例中，至少一个特征是设计特征，并且目标位置与设计特征相关联。在其它示例中，至少一个特征是加工球或眼球球体，并且目标位置基于加工球或眼球球体的位置来确定。在进一步的示例中，目标位置基于眼球球体的位置来确定。

在进一步的示例中，装置包括激光雷达，其被定位成沿轴将探测光束引导到目标，激光雷达包括被耦合以扫描探测光束轴的探测光束扫描器。成像系统包括沿着轴被光学地定位以产生目标的图像的图像传感器和耦合到物镜以调整目标图像在图像传感器处的焦点的聚焦机构。图像处理器耦合到成像系统以基于目标的图像和到目标的距离的估计来产生至少一个目标尺寸的估计。在一些示例中，激光雷达被配置为产生到目标的距离的估计，或者到目标的距离的估计基于诸如自动聚焦机构的聚焦机构的调整。在一个示例中，基于眼球球体的位置来确定目标位置。在一些示例中，成像系统被配置成产生多个图像部分，并且图像处理器被配置成将多个图像部分拼接成共同图像。在附加示例中，图像处理器被配置为基于测试网格图像至少部分地补偿至少一个图像部分中的失真，至少一个图像部分诸如至少一个图像部分。

测量装置包括提供能扫描激光探测光束的激光雷达和包括能平移反射镜的远程反射镜系统。激光雷达被配置成将能扫描激光探测光束引导到远程反射镜系统的能平移反射镜，以被反射至目标，从而测量目标的至少一个特征。在一些示例中，远程反射镜系统包括至少一个加工球或眼球球体，并且激光雷达被定位成将可扫描激光探测光束引导到至少一个加工球或眼球球体以确定远程反射镜系统的位置。在通常示例中，激光雷达耦合到远程反射镜系统以发起对能平移反射镜的调整，使得能扫描激光探测光束被引导到目标的至少一个特征。

通过继续参考附图，从以下详细描述，所公开的技术的前述和其他目的、特征和优点将变得更加显而易见。

附图说明

图1是包括用于瞄准成像和探测光束聚焦的公共能移动的透镜的代表性激光雷达的一部分的示意图。

图2是包括用于瞄准成像和探测光束聚焦的能移动的透镜和固定透镜的代表性激光雷达的示意图。

图3是示出包括双反射二向色分束器的代表性激光雷达系统的示意图。

图4是示出包括将可见光束部分引导至图像传感器并且将探测光束引导至光纤和/或从光纤引导探测光束的薄分束器的代表性激光雷达系统的一部分的示意图。

图5A示出设计成控制跟踪光束的反射部分的模型光学滤波器的透射率。

图5B示出控制跟踪光束的反射部分的代表性光学滤波器的透射率。

图5C至图5D示出在没有(图5C)和有(图5D)具有图5B所示的透射率的光学滤波器的情况下获得的瞄准图像。

图6A至图6B是包括能移动的透镜部件和两次反射二向色分束器的代表性光学系统的示意图。

图6C示出诸如在图6A至图6B的示例中提供的代表性光学系统的色差。

图7A是包括能移动的透镜部件和两次反射二向色分束器的代表性光学系统的示意图。

图7B示出示例性的两次反射二向色分束器。

图8A示出包括周边加权的分色滤波器的激光雷达光学系统。

图8B至图8C示出反射成像光束部分以改善图像质量并且减小用于成像的有效数值孔径(NA)的二向色滤波器。

图9A至图9C示出具有混合透镜元件的光学系统，该混合透镜元件具有中心二向色滤波器涂层。

图9D示出具有混合透镜元件的光学系统，该混合透镜元件具有透射比与角度相关的二向色滤波器涂层，以便衰减跟踪光束的中心部分。

图9E是对于代表性二向色滤波器的透射率作为波长的函数的曲线图。

图10至图11示出包括作为猫眼回射器而定位的波片和混合透镜以产生本地振荡光束的激光雷达光学系统。

图12A至图12B示出包括耦合成与被定位在温度受控室中的参考臂通信的投影仪光学系统和混合光学系统的激光雷达系统。

图12C示出代表性混合光学器件。

图13A至图13C示出包括猫眼回射器以产生本地振荡光束的激光雷达系统的性能。

图14A至图14C示出代表性两次反射二向色(或中性)棱镜。

图14D示出代表性空气间隔反射器。

图15A至图15C示出可以单独或以任何组合使用的激光雷达/跟踪器方法。

图16A示出另一示例激光雷达系统。

图16B示出提供两个参考臂的代表性光纤线路。

图16C示出基于光束传输纤维的位移的光束扫描。

图17A示出代表性多光束激光雷达。

图17B至图17C示出产生多个光束的纤维的代表性布置。

图17D示出由图17B至图17C的纤维布置产生的目标处的光束点。

图18示出包括检测器阵列的代表性多光束激光雷达。

图19示出使用共焦激光雷达获得目标尺寸和特征大小的代表性方法。

图20示出用于诸如共焦激光雷达的激光雷达的代表性处理和控制架构。

图21示出在球体上定义的代表性跟踪目标。

图22示出使用共焦激光雷达的代表性测量方法。

图23示出用于测量另外隐藏区域的跟踪目标的布置。

图24示出放置跟踪目标以测量另外隐藏区域的替代方法。

图25A至图25B示出具有激光雷达系统的协作机器人(COBOT)的使用。

图26示出测量关注目标上的特征的代表性方法。

图27示出用于多个目标特征的快速、并行测量的系统。

图28是包括激光雷达或其它轮廓测量系统以制造部件并且评估所制造的部件是否有缺陷或可接受的代表性制造系统的框图。

图29是示出包括轮廓测量以确定所制造的结构或部件是否可接受以及一个或多个这种制造的结构是否可以被修复的代表性制造方法的框图。

图30A至图30B示出代表性参考臂组件。

图31示出提供焦点跟踪的代表性激光雷达。

图32是使用在此公开的任何方法和设备跟踪固定到基板或目标(或目标特征)的加工球的代表性方法的框图。

图33示出代表性计算环境。

具体实施方式

如在该申请中和在权利要求中所使用的，单数形式“一(a/an)”和“该”包括复数形式，除非上下文另有明确说明。另外，术语“包括”是指“包含”。此外，术语“耦合”不必排除在耦合的物品之间存在中间元件。在一些情况下，元件被称为直接耦合以排除中间元件。

本文描述的系统、装置和方法不应被解释为以任何方式进行限定。相反，单独地和互相的以各种组合和子组合将本公开导向各种所公开的实施例的所有新颖的和非显而易见的特征和方面。所公开的系统、方法和装置不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和装置也不要求存在任何一个或多个特定优点或解决问题。任何操作理论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法和设备不限于这样的操作理论。

尽管为了方便呈现而以特定的顺序次序描述了一些所公开的方法的操作，但是应当理解，这种描述方式涵盖重新安排，除非以下阐述的特定语言要求特定的排序。例如，在一些情况下，顺序描述的操作可以重新排列或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能未示出所公开的系统、方法和装置可以结合其他系统、方法和装置使用的各种方式。另外，本说明书有时使用术语如“生产”和“提供”来描述所公开的方法。这些术语是所执行的实际操作的高级抽象。对应于这些术语的实际操作将根据特定实现而变化，并且容易被本领域普通技术人员识别。

在下面的描述中为了方便，术语“光”和“光辐射”是指在300nm至10μm的波长范围内传播电磁辐射，但是可以使用其他波长。这种辐射可以被导向到将被描绘、检测或以其他方式研究的一个或多个目标。该辐射在此被称为以通常基于由诸如激光二极管的激光器所产生的光辐射的一个或多个“光束”传播。如在本申请中所使用的，光束不需要被准直，并且在波导中传播辐射也被称为光束。光束可以具有与一个或多个激光横向模式相关联的空间距离，并且可以基本上被准直。光纤或其它光波导和相干激光源容易地可用的波长是方便的。在一些示例中，使用波长在1550nm附近的激光二极管。

为了方便，光束被描述为沿着一个或多个轴传播。这些轴通常基于一个或多个线段，以便当轴被弯曲或被折叠或以别的方式响应于反射镜、棱镜、透镜以及其他光学元件时，轴能够包括大量非共线的线段。本文使用的术语“透镜”是指单个折射光学元件(singlet：单态)或包括一个或多个单线态、双线或其他复合透镜的复合透镜。在一些示例中，由折射的光学元件成形或引导光束，但在其他示例中，使用诸如反射镜的反射的光学元件或使用折射的和反射的元件的组合。这种光学系统能够被分别称作屈光的、反射光学的和反射折射的。如方便，能够使用其他类型的折射的、反射的、衍射的、全息的和其他的光学元件。在一些示例中，使用诸如立方体分束器的分束器来将输入光束分成所透射的光束和所反射的光束。如方便，能够布置这些光束中的任一个，以在相干检测系统中充当测量光束或本地振荡光束。分束器还能够被提供作为纤维耦合器，并且在一些实施例中，偏振分束器是优选的。术语“分束器”通常也用于指光束组合器。纤维耦合器和纤维波分复用器(WDM)可以组合或分离光束。

在所公开的示例中，激光雷达系统被配置为在能够是多边形、闭合曲线的部分、光栅、w图案或其它图案的扫描路径之上扫描探测光束或测量光束，并且扫描能够是周期的或非周期的。响应于导向目标的测量光束或探测光束，基于目标处的反射、散射、衍射、折射或其他过程获得返回光束。对返回光束的评估允许对目标特性的估计。关于被配置为例如基于被返回至接收器的导向表面的光束部分提供对表面地形的估计的激光雷达，提供以下示例。所公开的方法和装置还能够被合并到激光跟踪器系统中。

在本文所描述的一些示例中，将测量光束分为被导向目标的探测光束和能够通过被导向参考长度而被用于校准、或充当本地振荡光束以及结合探测光束被用于外差检测和目标距离估计的参考光束。在其他示例中，导向目标的光束被称为测量光束并且返回用于检测的部分被称为信号光束。在所公开的示例中，一个或多个光束的部分被导向目标、检测器，或自一个至一个或多个目标被传递。如本文所使用的，光束部分是指光束的任意一小部分，包括整个光束。在许多示例中，指向或跟踪光束与一个或多个探测光束一起传播到目标。跟踪光束处于可见波长，并且允许用户确认探测束被导向到预期目标位置。否则，这样的跟踪光束是未使用的，并且在一些情况下，不期望的跟踪光束反射会干扰目标的瞄准相机图像。探测光束的波长通常大于约900nm，并且通常合适的光束源的波长在1300nm和1500nm左右。可以使用其它波长。

所公开的系统通常包括一个或多个分束器，例如偏振分束器(PBS)和二向色分束器(DBS)，诸如立方体或板状分束器。可以在板表面、棱镜表面、透镜表面或其它弯曲或平面表面上提供光束分离表面。如这里所使用的，DBS是优选地在第一波长范围中反射(或透射)并且优选地在第二波长范围中透射(或反射)的分束器。为了便于描述，从垂直于分束器表面的轴相对于光轴测量分束器表面的角度(倾斜角)。虽然PBS和DBS允许有效使用探测光束和优良的目标图像强度，但是也可以使用偏振和波长无关(中性)分束器。

在一些示例中，参考方位角和仰角描述旋转。虽然通常地参考纵轴和横轴定义这些角度，但是如本文所使用的，不需要关于竖直地和水平的方位。通常地，随着系统被假定处于基准的使用方位时，参考这些角度描述系统。

在下面描述的通常示例中，被导向到目标的探测光束是偏振的，但是可以使用非偏振或随机偏振的光束。光学滤波器被称为对于5％、2％、1％或更小的透射率是非透射的。诸如探测光束和跟踪光束的光束可以聚焦在关注的表面处或附近。如本文所用，如果束腰在表面的±0.5、1、2、5或10瑞利范围内，则光束被称为聚焦在表面上。

扫频激光雷达

在下文中，公开了激光雷达系统的各种配置和方面。所公开的系统、系统组件、模块和相关联的方法能够被用在各种激光雷达系统中。在通常的示例中，提供了所谓的扫频激光雷达系统。通常的相干雷达系统通常使用一个或多个激光二极管光源。通过调整激光二极管的注入电流或调整激光二极管的温度或以一些其他方式直接调整激光二极管的频率。通常用波形来调整激光频率，以便产生线性频率扫描或线性“啁啾”。然后，能够将激光频率f(t)表示为如下的时间t的函数：

f(t)＝f₀+(Δf/Δt)t＝f₀+γt,

其中，f₀是激光初始频率，以及γ＝Δf/Δt是激光频率变化的速率。不需要线性扫描，并且作为时间的函数的任意的激光频率变化在理论上都是有用的，诸如阶跃型或其他非连续的频率变化或基于多项式或其他函数的连续变化，但是，线性啁啾通常是更方便且实用的。将调频(FM)测量光束聚焦在目标处，并且散射、反射、折射或以别的方式引导光束的一部分，以便被接收器镜片所收集。本地振荡光束(“LO光束”)通常被获得作为被用于产生测量光束的相同激光束的一部分。与往返目标的测量光束传播相关联的往返行程时间导致测量光束的返回部分(返回光束)与本地振荡被光学混合时获得的频率差。该频率差能够用于确定目标距离。将返回光束和LO导向诸如PIN光电二极管的检测器(通常地被称为平方律检测器)，以产生和频信号与差频信号。和频(在几百THz，用于1.5μm的测量光束)超过可用的检测器带宽，但是，返回光束和LO光束还产生检测器带宽内的差频Δf(外差频率)。到目标位置的距离R能够被计算为R＝cΔf/2γ，其中，Δf是与返回光束相关联的外差频率，γ是啁啾速率，并且c是光速。外差频率的生成还需要LO光束和返回光束不被正交地偏振，但是，因为基于频率差而不是幅度来确定距离，所以偏振效应通常不降低激光雷达的性能。

因为距离测量的精度能够被激光的频率调制所限制，所以成功的激光雷达系统精确地控制或测量激光频率。例如，如果目标在一米远，则为了确保1mm的精度，千分之一的线性度是必须的。因此，用于FM激光雷达的激光源被配置为提供高度线性的啁啾，并且检测并补偿来自线性度的变化。在某些情况下，距离测量能够具有几微米范围的精度。

FM激光雷达系统在表面反射率方面很大程度不受环境照明条件和变化的影响，因为信号检测是基于外差拍频的，其独立于信号幅度并不受杂散辐射的影响。因此，返回光束、测量光束或LO光束的幅度或强度的变化倾向于对距离测量有很小的影响。此外，相干外差检测能够成功地检测光学信号对散粒噪声的限制，以便FM相干激光雷达能够用对应于九个数量级的动态范围的像一皮瓦的返回光束功率那样小的功率进行可靠的测量。

在下面的一些示例中，示出使用一个或两个波长的探测光束的系统。通常，可以使用一个或多个探测光束，并且使用两个反啁啾光束允许补偿、校正或消除与激光雷达和目标之间的相对运动相关的多普勒频移误差。

在一些示例中，所公开的系统使用单个物镜(具有固定和能移动的透镜)来将探测光束和信号光束引导到目标并使探测光束和信号光束聚焦于目标，并且产生目标的图像。这有助于保持瞄准图像和探测光束的对准。由于探测光束和图像光束波长的差异以及所使用的高数值孔径(NA)，色差校正可能是具有挑战性的，并且通过二向色棱镜型分束器的成像可能引入显著量的其他像差，例如彗差。如果在由物镜聚焦之前使用附加透镜来成形组合的探测/跟踪光束，则附加透镜可以用于独立于成像光束来补偿探测光束像差(诸如探测光束的可见波长跟踪光束和红外波长之间的色差)。在一些情况下，使用这种附加透镜导致过量的跟踪光束反射，并且对跟踪光束进行整形可以减少光束部分，诸如可能干扰目标成像的反射部分。在一些示例中，附加透镜在诸如波片表面的光学表面处提供光束焦点，以使用猫眼回射器布置产生本地振荡(LO)光束，以提供LO稳定性。

在下文中，提供所公开的技术的代表性示例以便于说明。任何示例的任何特征和方面可以与其他示例的特征和方面组合。

示例1

参考图1，用于激光雷达或其它装置的光学系统100包括从纤维端102发射测量(或探测)光束和指向(或跟踪)光束的光纤101。分束器104被定位成接收探测光束和跟踪光束，并且将部分引导到包括固定透镜109、112和能移动的透镜110(在两个位置示出)的物镜108。能移动的透镜110通常可在沿轴120的位置移动，以调整由物镜108提供的焦点。固定透镜112将组合的探测/跟踪光束114耦合到目标116。在通常示例中，探测光束波长在1200nm和1700nm之间，跟踪光束波长在400nm和700nm之间，并且通常地在650nm和700nm之间，从而可以使用容易获得的激光二极管。

物镜108还接收从目标116返回的探测光束和跟踪光束的部分以及通常基于目标116的宽带或环境照明的成像光束。探测光束的返回部分被引导通过分束器104到达纤维端102，以便在光纤101中传播。成像光束连同一部分跟踪光束一起被分束器表面106耦合到图像传感器118。分束器表面106通常是薄膜二向色滤波器，其优选地透射探测光束并且反射成像光束(或根据需要反射探测光束并且透射成像光束)。通过沿轴120调整能移动的透镜110的位置，将探测光束和跟踪光束聚焦在目标116上，并且将成像光束聚焦在图像传感器118上。因此，物镜108必须在大波长范围(例如，250nm至1700nm)内操作。然而，通过对探测光束、跟踪光束和成像光束使用单个透镜108，光束对准被保持，并且光束在光束扫描期间不发生位移。如图1所示，透镜108和分束器104形成投影系统130，其将探测光束和跟踪光束投影到目标上并且将目标116的图像投影在图像传感器118上。在一些情况下，图像传感器118和纤维端102在可见波长处光学共轭或近似共轭。然而，由于色差，在探测光束的波长处，图像传感器118和纤维端102在没有色差校正的情况下通常不是光学共轭的。在一些示例中，可以提供这样的色差并且是方便的，但不是必需的。

示例2

参照图2，代表性激光雷达200的一部分包括沿轴204设置的投影光学系统202，其包括具有固定透镜210和能移动的透镜208的物镜206。能移动的透镜208沿轴204能平移，以在图像传感器212处形成目标的图像，并且沿可扫描轴216在目标处形成来自纤维端214的探测光束和跟踪光束。分束器218(通常为二向色分束器)将图像光束耦合到图像传感器212并且在目标与纤维端214之间耦合探测光束和跟踪光束。

用固定到杆222的高度反射器220扫描聚焦光束和探测光束，该杆由轴承224保持以绕平行于坐标系250的z轴的轴204可旋转。杆的旋转利用被定位在杆216处的编码器230测量。一些部件被定位在壳体232中。

示例3

图3示出将探测光束和跟踪光束传送到目标和将其从目标传送的光学系统300。具有纤维端304的光纤302将探测光束和/或跟踪光束或两者耦合到分束器306。分束器306包括第一棱镜308和第二棱镜310，其具有被定位在各自的棱镜面处的二向色(或其他反射表面)反射器312。在一些情况下，二向色反射器312由施加到棱镜308、310中的一个或两个的薄膜涂层限定，或者使用单独基板上的单独涂层。在二向色反射器312处将棱镜308、310彼此固定是方便的。二向色反射器相对于传播轴316成角度θ定位。传播轴316通常垂直于面向物镜的棱镜表面314、面向纤维端304的棱镜表面318以及面向图像传感器324的棱镜表面320。如上所述，图像传感器324和纤维端304可以是光学共轭的，特别是在成像/跟踪波长下。

二向色反射器312被定位成将从目标和物镜接收到的成像光束引导到棱镜表面314，使得成像光束通过被反射(例如全内反射)到棱镜表面320。角度θ通常被选择为在表面314处提供全内反射，但是可以提供涂层以提供合适的反射率。大于45度的角度θ减小光束到二向色反射器312的入射角，使得二向色反射表现出较少的角度相关变化，诸如作为波长的函数的反射率的变化和/或作为偏振态的函数的反射率的变化。例如，角度θ可以大于50°、55°、60°、65°、70°、75°或更多，从而减少光束入射角。

示例4

参考图4，光束组合器/分离器光学系统400包括具有纤维端402的光纤401，其将跟踪光束和/或探测光束递送到板分束器406。探测和/或跟踪光束由板分束器406沿轴416耦合(在该示例中，传送)到物镜。从物镜返回的成像光束通过窄带滤波器408由板分束器406耦合，并且聚焦在图像传感器410处。在该示例中，板分束器406是二向色分束器，使得探测光束被有效地耦合到目标，并且成像光束被有效地耦合到图像传感器410。窄带滤波器408在跟踪光束波长处衰减。图5A中示出这种滤波器的模型传输曲线；图5B中示出所制造的示例二向色滤波器的代表性透射曲线500；以及图5C至图5D分别是在没有和具有这种滤波器的情况下获得的代表性图像。

具有图5B所示的特性的二向色滤波器(分束器)可以被定位在例如棱镜表面320(参见图3)处。通常，合适的滤波器被定位在最靠近图像传感器(例如图3的图像传感器324)的棱镜面处，并且被提供为所选棱镜面上的涂层。二向色滤波器可以充当具有范围504中的传输带宽为480至630nm的带通光学滤波器，其中在0度入射角处平均透射率大于或等于90％。二向色滤波器还在652nm至662nm波长范围中充当陷波滤波器，其中透射率是5％±3％，如在506处所注释。不使用更长的波长，并且在这些波长的二向色滤波器性能是不相关的。图5B的示例比图5A的模型更容易制造。通常优选的是，利用图像传感器成像的透射率在约480nm至630nm的范围内大于50％、75％、80％或90％，而跟踪波长的透射率小于10％、5％、2.5％、1％或0.5％。

示例5

参考图6A，代表性激光雷达系统600包括物镜602，其具有沿轴608定位的固定透镜604和能移动(聚焦)透镜606。聚焦透镜606通常固定到沿轴608能移动的台。(聚焦透镜606在第二焦点位置以虚线示出)。纤维端610将探测光束和/或跟踪光束耦合到包括偏振分束器612、混合透镜614和四分之一波片616的混合光学器件609。如下面进一步讨论的，混合透镜614将探测光束聚焦在波片616的表面617，使得探测光束的反射部分朝向纤维端610返回，以用作本地振荡光束。组合的探测/跟踪光束由物镜602通过具有垂直于轴608的面620、622、626的双反射分束器618聚焦在目标处。二向色表面623(或其它分束表面)将成像光束从目标引导到图像传感器630，并且将探测光束的返回部分从目标传送到纤维端610或朝向其传送。为了减少到达图像传感器630的跟踪光束部分，可以提供合适的窄带滤波器629，如图5A至图5B所示。陷波滤波器或其他滤波器可以用于减少可能另外到达图像传感器630的跟踪光束部分。两次通过四分之一波片616导致返回的探测光束和在表面617反射的探测光束的一部分(形成LO光束)处于与从纤维端610发射的探测光束的偏振正交的共同线性偏振。返回的探测光束和LO光束然后在检测器611处干涉，以便进行零差或外差检测。如图6A所示，PBS 612被定位成从纤维端610传送探测光束并且反射返回的信号和LO光束，但是PBS612可以排列成反射探测光束并且传送返回的探测光束和LO光束。如上所述，二向色表面623倾斜以允许改进的二向色涂层性能，因为它可以被设计成用于较小入射角，即小于45度角，这是通常的立方分束器。另外，作为散焦函数的反射率的变化减小，并且目标图像位置倾向于不响应于散焦而偏移。虽然棱镜表面方便地垂直于轴608，但是可以使用其它角度。双反射分束器618还提供了额外间隙650。

示例6

在图6B所示的另一个示例中，一个或多个探测光束由纤维652发射，并且经由PBS654、探测光束透镜或透镜组件656、四分之一波片657、两次反射棱镜658、能移动的透镜660和固定透镜662引导到目标。探测光束的部分返回到检测器或检测器组件670，并且观察光束通过两次反射棱镜658耦合到图像传感器672。LO光束也被PBS 654引导到检测器670。在其它示例中，LO光束是通过从波片657的表面的反射产生的。

为了在图像传感器672处获取高质量图像，应当充分地减小可见波长处的色差。然而，在可见光波长以及在探测(IR)和指向(红色激光)之间获得可接受的低色差值是要求高的透镜设计挑战。图6C示出了在可见波长(在范围690内，色差用箭头691表示)和在695指示的探测(即IR)波长以及在694的指向光束波长的色差。选择混合透镜656以减小或消除指向光束和探测光束(可见光和IR)之间的色差，并且选择透镜660、662以减小可见光范围690中的色差。示出范围从0.5m到无穷远的目标距离的焦点偏移；除了与0.5m目标距离相关联的曲线697之外，曲线几乎重叠。

示例7

图7A示出包括物镜702的光学组件700，该物镜702向目标并且从目标传达探测光束和跟踪光束中的一个或两个，并且从目标接收成像光(在一些情况下被称为成像光束)。物镜702包括固定透镜704和能移动的透镜706，其允许将探测光束和跟踪光束聚焦在目标上并且将目标成像在图像传感器708上。分束器710经由物镜702将探测光束和跟踪光束传送到目标，并且从目标传送探测传送的至少返回部分，以耦合到一个或多个检测器(图7A中未示出)。分束器710包括被定位成垂直于传送传播轴718的光学表面712、714、716(光学表面714垂直于传播轴，如在716、720处折叠的)。传播轴718由相对于彼此成各种角度的轴分段来定义。分束器710包括第一棱镜710A、第二棱镜710B和分束器层720，其通常为提供波长相关反射和透射的多层薄膜涂层。用于形成目标的图像的成像光束在图7中表示为722，并且被分束器层720反射，然后被光学表面716反射到图像传感器708。棱镜角β通常被选择为使得成像光束以大于临界角的角度入射，即大于sin¹(1/n)，其中n是棱镜710B的折射率。在一些示例中，探测光束(或多个探测光束)在平面740处例如在如上所述的波片的表面处具有中间焦点。

参考图7B，用于光束组合和分离的光学系统包括分束器752，其类似于图7A的分束器710，但是具有二向色表面754，其将一个或多个探测光束(以及跟踪光束的部分)从源/检测器系统760反射到目标，并将一个或多个探测光束的返回部分耦合到源/检测器系统760。图像光束沿轴762被传送到图像传感器764。如在其它示例中，轴762由相对于彼此成各种角度的轴分段限定，并且轴762的部分延伸到源/检测器系统760和图像传感器764。

示例8

参考图8A，光学系统800包括纤维端802，其被定位成将探测光束和/或跟踪光束耦合到分束器804。物镜806包括固定透镜810和能移动(聚焦)透镜808，以便将探测光束聚焦在目标上。光学滤波器820被定位成接收探测光束和跟踪光束，并至少将探测光束传送到目标。该滤波器820包括具有孔径824的二向色层822。二向色层822通常是环形的，并且被选择为在探测光束波长下是透射的，而在图像传感器830所使用的可见波长或其它波长下衰减。因此，滤波器820减小成像光束的数值孔径，这可以简化物镜806的设计。将理解，适于同时在400nm至700nm的波长范围(用于目标成像)和1300至1600nm的波长范围(探测光束聚焦)中精确成像和光束聚焦的透镜的设计可能是具有挑战性的。利用诸如滤波器820的滤波器，探测光束数值孔径可以保持较大，以允许精细聚焦，同时限制成像光束数值孔径提供令人满意的图像。虽然图8A中示出二向色层822，但是可以使用类似的吸收层。孔径824的直径或其它尺寸可以结合物镜设计来选择。在图8A的示例中，传播通过孔径824和传播通过二向色层822的光路径长度差通常保持足够小，以避免将焦点误差引入到探测光束。

图8B至图8C中示出代表性滤波器850、860。滤波器850包括设置在基板的一个、任一个或两个表面上的衰减环852和透射中心区854。衰减环852可以设置有吸收、反射、偏振或其它层，其优选地衰减成像光束(通常在400nm到700nm，但也可使用其它波长的成像)。衰减环852和透射中心区854可以具有共同的厚度或共同的光学厚度，以消除或减小与衰减环852和透射中心区854之间的相位差相关联的探测光束焦点误差。在图8C的示例中，滤波器860包括被定位在透射区域864周围的衰减环862。

示例9

图9A示出包括纤维端902的光学系统900，该纤维端902被定位成将一个或多个探测光束和跟踪光束引导到偏振分束器(PBS)904和成像透镜906。成像透镜906将探测光束聚焦在波片910的表面908上，其通常是在探测光束中产生圆偏振态(SOP)的四分之一波片。通常，成像透镜906在波片910的表面908上形成纤维端902的图像。表面908将探测光束的部分反射回成像透镜906，以便返回到纤维端902或以其他方式被引导，通常用作本地振荡光束。表面908可以是未涂覆的表面，因为百分之几的反射率通常足以产生足够的本地振荡光束功率。通过将表面908定位在成像透镜906的焦点处，本地振荡光束趋向于返回到纤维端902，其响应于波片908的倾斜而具有减小的变化。二向色分束器912接收探测光束和跟踪光束，并且物镜914将探测光束聚焦在目标916。返回的探测光束部分被耦合回纤维端902，并且成像光束被分束器912反射到图像传感器920。

如图9A至图9B所示，成像透镜906还包括中心遮蔽922，其被定位成阻挡一个或多个探测光束或跟踪光束的中心部分。在大多数示例中，在选择的角直径内阻挡或衰减跟踪光束的一部分，使得由分束器912的面向目标的表面926反射的跟踪光束的全部或一些部分没有到达图像传感器920。这种阻挡减少了跟踪光束的部分到达图像传感器，从而产生优良目标图像。从轴936偏离光束部分930、931(即，较大数值孔径处的光束部分)并且朝向目标916传播，相应的光束部分被分束器912反射，但没有到达图像传感器920。跟踪光束的中心部分932(低数值孔径部分)被阻挡或衰减，并且不会到达图像传感器920或以减小的光束功率到达图像传感器。中心遮蔽922通常由透射探测光束并且反射跟踪光束波长的二向色反射器提供。二向色反射器的尺寸基于图像传感器的对应尺寸。在一些示例中，成像透镜906将探测光束聚焦在光束角直径α内，并且二向色反射器的尺寸为图像传感器的对应尺寸与沿着轴从混合透镜焦点到二向色反射器的光学距离与从混合透镜焦点到图像传感器的光学距离的比率的乘积的至少0.5、0.75、1.0或1.5倍。如图9C所示，衰减被反射到图像传感器920的跟踪光束部分的遮蔽尺寸d_obs可以被确定为d_obs＝(Z_SENSOR/Z_MIXLENS)D，其中D是图像传感器尺寸，Z_SENSOR和Z_MIXLENS是图像传感器920和中心遮蔽922距混合透镜焦点的轴向距离。根据期望排除跟踪光束部分的程度，也可以使用更大或更小的尺寸。(为了方便，图9C示出展开的图9A的光学系统)

图9D中示出减少跟踪光束部分到达图像传感器的另一种方法。在类似于图9A的光学系统中，成像透镜952在波片960或其它光学元件的表面958处产生探测光束的焦点。在成像透镜952处提供二向色涂层956，并且提供作为入射角和波长的函数的可变透射。通常，二向色涂层956的中心部分对跟踪光束是高度反射的，但对探测光束是透射的。二向色反射器的其它部分，例如与较高入射角相关的那些部分，趋于透射跟踪光束以及探测光束。这种涂层可以放置在其它表面(诸如分束器或波片的平面表面)上。图9E是代表性二向色涂层的透射曲线。如图9E所示，探测光束以高达30度的入射角透射，而跟踪波长的透射显著变化，在垂直入射时具有低透射，而作为角度的函数，透射增加。

示例10

参考图10，光学系统1000包括物镜1002和混合光学系统1004，该混合光学系统将探测光束和跟踪束引导到物镜1002以聚焦在目标1008上。在一些情况下，使用两个反啁啾探测光束。混合光学系统1004包括纤维端1010，其将一个或多个探测光束和跟踪光束作为组合光束1013引导到PBS 1012，然后引导到混合透镜1014。混合透镜1014将组合光束1013聚焦在波片1016的表面1018上，并且来自表面1018的探测光束的反射部分返回朝向纤维端1010，以用作本地振荡光束。来自表面1018的反射部分的偏振态(SOP)被旋转90度。波片1016的相反侧通常具有抗反射涂层。

混合透镜1014和波片1016的组合用作猫眼回射器1030，其倾向于对波片1016的倾斜不敏感。一个或多个探测光束和一个或多个本地振荡光束的部分被PBS 1012引导到检测器组件1032，该组件通常包括被耦合以接收每个探测光束波长的探测光束部分和LO部分的各自的检测器。

示例11

图11示出与图10类似的光学系统，其中，探测/跟踪光束被PBS 1112反射到混合透镜1114，以将探测/跟踪光束聚焦在波片1116的目标侧表面1118上，从而来自表面1118的反射部分的偏振态(SOP)被旋转90度。波片1116的相反侧具有抗反射涂层1121。在该示例中，返回光束部分由分束器1112传送到检测器1132。

示例12

参考图12A，激光雷达系统1200包括耦合到纤维模块1210的指向激光器1202、第一探测激光器1204和第二探测激光器1206，该纤维模块包括可以被温度控制并且被抽空或填充有惰性气体的气密密封容器1211。探测激光器1204、1206经由各自的光隔离器1205、1207耦合，然后耦合到波分复用器(WDM)1212，该波分复用器组合第一和第二探测光束以输出到纤维模块1210。纤维模块1210包括纤维耦合器1214，其将组合探测光束的部分引导到WDM1216，该WDM将探测光束的部分与来自跟踪激光器1202的跟踪或指向光束(诸如红色或其它可见光束)组合，并且在纤维端1218输出组合的探测/指向光束。在其他示例中，WDM 1212和纤维耦合器1214由被定位在密封容器1211内的单个耦合器代替。耦合器1214还将探测光束部分引导到耦合器1222，该耦合器继而经由两个不同路径将光束部分耦合到耦合器1224，其中一个路径包含参考纤维1226。耦合器1224然后组合与不同路径相关的光束部分，并且将组合光束引导到WDM 1228，其将来自每个路径的光束部分引导到分别与第一探测激光器1202和第二探测激光器1204的波长相关联的参考检测器1230、1232。在每个参考检测器1230、1232处的光束部分产生频率与参考纤维1226的长度以及第一和第二探测光束中的频率啁啾相关联的外差信号。基于这些外差信号和参考纤维1226的已知长度，探测激光器频率啁啾和来自目标1250的所得测量信号可以用于距离测量的校准或确认。

纤维端1218将组合光束耦合到混合光学器件1234。PBS 1236接收组合光束，并且混合透镜1238在四分之一波片1239的表面1240处形成光束焦点，其将本地振荡部分反射回PBS 1236。组合光束的其它部分被引导到投影光学系统1242，其中光束通过分束器1244(示为板，但可以使用立方体、双反射或其它)传播到具有固定透镜1248和能移动的透镜1246的物镜，以用于将组合光束聚焦在目标1250处。分束器将成像光束引导至相机1257。一个或多个扫描镜1249(通常如图2所示)将组合光束引导至目标1250，并且来自目标1250的组合光束的返回部分被引导回投影光学系统1242和混合光学器件1234。从目标1250返回的光束部分连同各自的本地振荡光束一起被PBS 1236反射到二向色分束器1260。检测器1262、1264被定位成接收与相应波长相关联的光束部分和本地振荡光束，并且产生相应的外差信号。在其它示例中，在每个检测器前面连同波长滤波器一起使用普通分束器(即，非偏振和非二向色的)。这种配置通常与一些额外的信号损耗相关联，但是可以更方便地产生。

如图12A所示，使用来自混合透镜的焦点处的四分之一波片表面的反射产生本地振荡(LO)光束。组合透镜1238和四分之一波片1239用作聚焦在四分之一波片1239的表面上的入射光束的猫眼回射器。即使四分之一波片1239倾斜，也提供探测光束的LO和返回部分的对准。例如，对于7.5mm的混合透镜焦距，在图13A中绘出了对于从精确聚焦的-0.6mm和0.6mm之间的位移的作为波片倾斜的函数的光束偏移(点偏移)。对于精确聚焦，对于所有倾斜，光点偏移为零。图13B示出作为点偏移的函数的信号损耗，图13C示出光束1302、1304之间的检测器表面处的点偏移(SO)。

图12B示出与图12A的激光雷达1200类似的激光雷达1280。然而，在图12B的示例中，示出了包含诸如纤维1226的参考路径的一些或所有组件的温度受控炉1290。通常优选将所有纤维光学元件定位在炉中，抽空并且气密密封炉。纤维端1218将组合光束引导到本地振荡光学组件1291，该本地振荡光学组件包括将探测光束的部分引导到检测器组件1293的PBS 1292。应当注意，反射的部分是总光束的一小部分，因为PBS不是完美的，因此反射了一些“错误”的偏振。探测光束的其它部分被引导到四分之一波片1294，从目标返回的部分被PBS 1292反射到四分之一波片1294，然后到达回射器1295。然后，如所示，将探测光束引导到检测器组件1293。代替图12A的板状分束器1244，立方体分束器1296被定位成将观看光束的部分反射到相机1297。透镜1238允许使用透镜1246、1248对探测光束和成像光束进行独立聚焦。

图12C示出包含猫眼组件1284以及检测器模块1281的混合光学器件1279。猫眼组件1284包括将输入探测光束聚焦在波片1286的表面上以通过反射产生LO光束的透镜1285。检测器模块1281包括PBS 1283，其将LO和返回的探测光束部分引导到二向色分束器1287，使得第一波长的透射部分被引导到检测器1288，并且第二波长的反射部分被引导到检测器1289。第一和第二波长之间的波长差可以是1、2、5、10、20、50或100nm或更大，以便由二向色分束器1287分离。混合光学器件1279可以是紧凑的(总体积小于2立方英寸)，需要很少的部件，并且可以容易地和稳定地对准。

示例13

图14A至图14D涉及双反射分束器。图14A示出双反射棱镜分束器1400，其中二向色表面1404以角度β定位，该角度β被限定为棱镜1406的顶角。图14B是棱镜1406的详细视图，其示出相对于垂直于分束器面1410、1412的轴1408的棱镜角度以及入射和反射角度。图14C示出另一种可选的双反射分束器1420，其可以包括棱镜，诸如棱镜1406。如图14D所示，双反射光束分离器1452包括板状二向色光束分离器1454和反射器1460。板状二向色分束器1454和反射器1460被定位在轴1456上。例如，反射器1460可以被限定在透射板的表面1458上。

示例14

图15A至图15C示出可以单独或组合用在激光雷达或激光跟踪器系统或其它光学测量系统中的代表性方法。如图15A所示，方法1500包括在1502处组合探测和跟踪光束，并且在1504处利用具有固定部分和能移动部分的物镜将组合光束引导到目标。从目标接收到的探测光束部分返回到二向色分束器并且在1506处引导到检测器。在1508处，将成像光束引导到图像传感器，并且在1510处，利用能移动的透镜调整探测光束在目标处的焦点和成像光束在图像传感器处的焦点。

如图15B所示，方法1530包括在1532处组合一个或多个探测光束和跟踪光束，并在1534处将组合光束聚焦在反射表面上以生成包括每个探测光束的部分的反向传播本地振荡(LO)光束。在1536处，接收从目标接收到的探测光束的部分，并且将其与一个或多个LO光束一起引导到一个或多个检测器。在1538处，基于返回的探测光束部分和对应的LO光束之间的外差频率来估计目标距离或高度。

如图15C所示，方法1550包括在1552处利用分束器(诸如基于纤维的WDM)组合光束(例如一个或多个探测光束和跟踪光束)，并且在1554处阻挡跟踪光束的中心或低NA部分。在1556处，组合光束(小于跟踪光束的中心部分)被引导到二向色分束器。在1558处，将成像光束从二向色分束器引导到图像传感器，并且在1560处，处理一个或多个探测光束的返回部分以产生距离或高度估计。通常地，返回光束部分与相应的本地振荡光束混合，以产生在差(外差)频率的电信号，并且外差频率相对于距离/高度被校准。

示例15

图16A示出代表性激光雷达1600，其包括被定位在通常温度受控的、气密密封的惰性气体填充或抽空的壳体1603中的纤维模块1602。纤维模块1602包括耦合到探测激光器1604的光隔离器1606和纤维耦合器1608。WDM 1610被耦合以接收来自探测激光器1604的探测光束和来自跟踪激光器1612的跟踪光束的部分，并且将组合的探测/跟踪光束耦合到混合光学器件1614。混合光学器件1614将从目标返回的探测光束的部分耦合到一个或多个检测器1616，以产生被处理以确定目标距离或高度的电信号。混合光学器件1614将组合的探测/跟踪光束耦合到投影光学器件1618，然后耦合到光束扫描器1620以便递送到目标。投影光学器件1618还将成像光束引导到图像传感器，该图像传感器与投影光学器件1618中提供的物镜相结合用作瞄准相机(boresight camera)1617。光束扫描器1620、投影光学器件1618和混合光学器件1614还将探测光束的返回部分从目标引导到一个或多个检测器1616。此外，参考光电二极管1630耦合到纤维耦合器1632、1634，使得从耦合器1608接收到的探测光束部分被引导到具有预定长度的参考纤维1636，从而外差信号频率可以与距离或高度相关联。激光雷达1600可以使用本文公开的混合光学器件、投影光学器件和光束扫描器中的任何一个，并且在一些情况下，可以省略一个或多个。在一种变化中，省略了检测器1616，并且检测器1622被耦合到纤维模块1602的纤维耦合器1624以接收信号光束。

图16A的示例仅示出单个探测激光器，但通常使用不同波长的两个探测激光器，并且这些激光器产生反啁啾光束，该光束允许外差探测，减少或消除与目标运动相关联的多普勒频移。如在大多数示例中，跟踪光束用于确认对准，但是在其他方面未被使用。

示例16

参考图16B，代表性光学系统1650包括第一探测激光器1654、第二探测激光器1658、以及可见(通常是红光发射)激光器1652。每个探测激光束的部分被引导到各自的参考路径1666、1668，以在各自的检测器1656、1658处产生外差信号。耦合器1670将探测光束的部分组合，然后在可见/探测耦合器1672处将其与来自可见激光器1652的可见光束组合。通常，提供气密密封的温度控制器外壳1664以稳定参考外差频率。

示例17

图16C中示出替代光学系统1680。致动器1690被附接到输出纤维端1688，从而允许纤维端1688和相关联的输出光束的位移。音圈、压电或其它设备可以用作致动器。如上所述，移位的光束被引导通过光束耦合器1684和混合光学器件1682，到达将输出光束成像在目标处的透镜1691。光束位移导致输出光束在目标处的小运动或扫描。对于相对小的纤维运动，由混合光学器件产生的LO光束和测量光束在检测器1686处保持高效地重叠，以提供可用的RF(外差)信号。通过使用小的、快速的致动器，诸如音圈或压电叠层，可以非常快速和精确地扫描光束。双致动器可用于在两个横向方向上扫描。这提供了一种用于测量目标上仔细选择的点以便快速测量诸如孔或柱的特征而不使用扫描镜(其通常会慢得多)的方法。为了适应与该扫描相关联的光束位移，较大面积的检测器可能是方便的，但是过大的检测器大小可能限制检测器带宽并且减小外差信号幅度。在一个示例中，1mm的纤维位移产生0.4mrad的角度光束扫描。尽管在图16C中仅示出单个波长的单个探测光束，但是可以与相应的检测器一起使用两个或更多个波长。

示例18

如图17A至图17C所示，测量系统1700可以包括多个纤维输出1701，以提供可以同时进行测量的多个测量位置。测量系统1700包括通过光隔离器1705耦合的可见光激光器1702和探测激光器1704。探测激光光束的部分由参考臂抽头(通常是纤维耦合器)1706引导到参考臂1712和可见光/探测耦合器1703。1×N耦合器1708接收组合的可见/探测光束，并且产生N个组合的可见/探测输出光束。或者，可以使用1×N开关。这N个光束可以被引导到共用扫描和投影光学器件。为了便于说明，没有示出相关联的本地振荡光束和检测器。

图17B至图17C示出被配置成将N个光束引导到混合光学器件的光纤的代表性阵列1720。代表性纤维端1722至1726以十字形排列，每个纤维端具有相应芯，诸如芯1727。如果输出纤维是标准的125μm直径PM纤维，则如果纤维接触，则芯相隔125μm。将该阵列聚焦在目标上产生图17D所示的光束图案1750，其中光束点1753和1756被示为直接指向可见目标表面，而光束点1752在目标中的凹陷1706内。组合光束的角间隔可以是0.5、1、2、5、10或20mrad或更大。大间隔可能需要注意物镜特性以保持合适的光束焦点，并且可以实现大光束间隔(诸如0.5、1、2、5、10、20mm)。在图17D的示例中，围绕孔1706的光束点1753至1756将同时提供与到孔1706的平面的距离相关联的返回探测光束，并且可以处理凹陷1706的图像以便与距离信息一起提供孔直径。这种测量将比需要扫描的传统方法快得多。

图18示出代表性多纤光学配置。在该配置中，检测器阵列1810被定位成捕获每个纤维的混频信号(即，返回的探测光束部分和LO光束)。多个纤维端1802(包括代表性纤维端1802₁、1802₂)将探测光束引导到偏振分束器和猫眼组件1807，该猫眼组件包括如上所述的透镜和四分之一波片。猫眼组件1807通过从四分之一波片的表面反射探测光束的部分来产生LO光束。探测光束由物镜1811引导到物体1812；来自多个纤维端1802的每个纤维的探测光束在对象1812处提供相应的光束点(例如，代表性光束点1808₁、1808₂)。来自对象1812的探测光束部分返回到物镜1811、猫眼组件1807和PBS，并返回到检测器阵列1810的相应检测器(例如代表性检测器1810₁、1810₂)。如果使用双波长探测光束，则可以使用二色向分束器和附加检测器阵列。仅示出来自两个纤维端的光束：来自纤维端1802₁的光束被指示为1804₁、1806₁，并且来自纤维端1802₂的光束被指示为1804₂、1806₂。与多个纤维端部1802中的每一个相关联的外差信号在相应的处理元件1820(诸如处理元件1820₁、1820₂)处被处理，以建立距离、范围或尺寸估计。在其他示例中，使用单个处理系统，并且外差信号被一次一个地处理。例如，电开关可以接收所有外差信号，并且顺序耦合所选外差信号以便处理。在图18中，示出了纤维端沿单个方向分布，但是可以使用十字形或其他分布(例如，沿对角线、曲线、多边形的边缘和/或内部)。

示例19

激光雷达可以包括沿着雷达轴对准的相机。这样的实现可以使用具有随着相对于重力的空间定向和诸如温度的环境条件而变化的校准参数的廉价监视相机。相机数据独立于激光扫描数据被处理和呈现，并且相机和激光雷达数据之间的实时协调可能是困难的。在一些公开的示例中，计量相机被定位成使用具有激光雷达测量路径的公共焦点光学器件；这种相机在此称为共焦相机，而相关联的激光雷达称为共焦激光雷达(cLR)。这提供了在相机和激光雷达之间的6个自由度(DOF)上的测量。这种相机可以是高清晰度相机并且被耦合以在系统架构中的低级别提供相机数据，以最小化或减少数据之间的等待时间，从而允许LR和相机数据的实时协调。在共焦激光雷达中使用两种测量模式(LR和相机)允许LR被指向以最佳地测量关注特征。另外，低等待时间数据接口允许实时算法和在相机中可识别的特征的跟踪。

激光雷达测量方位角、仰角和到关注表面的距离。从适当轴上的编码器读取方位角和仰角。距离测量用外差干涉测量法来完成，并且可以在几乎所有表面上进行，而没有来自环境光的干扰。通过公知的球面坐标到笛卡尔坐标的转换，完成距离(R)、方位角(A)和仰角(E)到直线坐标XYZ的转换，诸如：

X_LR＝R*cos(E)*cos(A)

Y_LR＝R*cos(E)*sin(A)

Z_LR＝R*sin(E)

校准相机可以被视为角度测量设备，其中可以确定图片中的每个像素的方位角和仰角。利用LR和相机具有共焦关系，距离测量可以向相机图像提供标度。这种关系允许相机的中心像素与XYZ_LR直接相关。虽然不能保证相机焦平面到场景上的投影垂直于|LR的中心轴，但是实际关系可以通过校准过程来确定。利用校准相机，一旦LR确定该距离，则可以由相机直接测量平面特征。一旦建立了距离，也可以测量具有诸如球体的已知几何形状的其他特征。

再参考图12A，自动聚焦(AF)线性平移台1253耦合到透镜1246、1248中的一个或多个透镜，以允许探测光束聚焦在测量距离(例如，0.5m到30m或50m)。分束器1244将来自目标或其他场景的可见光(或其他成像辐射)反射到相机1257，使得光束位置可以被显示在相机屏幕或其他显示设备上。相机1257耦合到一个或多个处理系统1258，并且输出也可以用于提供用于基于计算机的测量算法的输入图像。由于相机1257和探测光束共享相同聚焦光学器件，所以只要相机安装件稳定，相机传感器阵列和测量光束在目标(测量点)上的位置之间的关系就保持不变性。这种不变性将相机1257建立为共焦相机，并且允许使用自动聚焦台1253进行扫描光束聚焦。在一个示例中，调整焦点以在由相机1257产生的图像中提供最大对比度。在这种排列中，探测光束可以被快速聚焦并且引导到相机图像中的选定位置。如果存在，则可以利用校准来校正探测光束在不同焦点位置处相对于相机的位置变化，如可以利用由于环境温度引起的任何变化。可以使用基于由激光雷达焦点控制器1255提供的激光雷达探测光束的焦点信号来进行附加焦点校正。在以下讨论的其他示例中，处理系统1258可以用于将图像拼接在一起以形成更大的图像，校正要被拼接在一起的图像中的畸变，并且标识或跟踪诸如加工球或眼球球体之类的目标特征或对象。

示例20

参考图19，建立目标特征大小或尺寸的方法1900包括在1902处建立到目标表面的距离。如果目标表面是平面的，如在1903处所确定的，则在1904获得目标特征的图像。如果目标表面不是平面的，则在1905处通常通过附加扫描来建立目标表面形状、倾斜和距离。或者，可以评估已知几何形状的形状或结构的初步图像中的失真。在1906处，针对一些或所有图像(即，目标)位置确定图像放大率。在1910处，利用所确定的图像放大率，可以将图像上的特征大小适当地缩放至实际尺寸。在1910处，可以报告或存储这些缩放的尺寸。在一些示例中，将经缩放的尺寸与设计尺寸进行比较以确定特征是否被正确地确定大小。

示例21

参考图20，激光雷达系统2000包括激光雷达测距系统2002，其包括用于建立目标方位角和仰角的报告和调整，报告距离的激光测距测量电子设备，以及控制方位角和仰角的电动机。共焦相机2004还被定位成产生目标的图像，并且激光雷达测距系统2002和相机2004都耦合到嵌入式处理器2006。因此，激光雷达距离数据和图像数据被提供给嵌入式处理器2006，而没有与这样的数据经由网络或其他通信连接(诸如以太网或通用串行总线(USB))到远程处理器的通信相关联的增加的延迟。图20的示例系统允许共焦相机和激光雷达数据的协作使用，通过紧密耦合激光雷达测距系统和共焦相机获得快速操作。这些测量系统中的每一个都连续地创建数据流。如图所示，该数据在与共焦激光雷达物理相关联的嵌入式计算机处组合。这种使用具有共焦激光雷达的嵌入式计算机便于搜索，其中基于计算机辅助设计(CAD)测量所选择的特征，计算机辅助设计是待测量部件的数字表示。在许多情况下，存在要在CAD坐标中测量的特征的列表。在正常情况下，当测量实际部件时，特征不在CAD的理想坐标上。此外，理想的测量优选在测量装置、在此是共焦激光雷达以待测量的特征为中心时进行。必须实行能够识别任何预选特征的搜索算法，但是这些搜索算法可能是非常低效的。由于共焦激光雷达的共焦和/或计量关系，当特征处于相机的视场中时，关注特征可以自动且快速地居中。

在其它示例中，可以在测量之前获得快速对准。在许多应用中，在系统测量关注特征之前，必须执行与部件的对准。对准可以是两种类型：(1)其中激光雷达测量与部件具有已知关系的一组加工球的绝对定位(absolute)，或(2)与一组特征的对准。如上所述，用相机搜索允许快速找到特征。对于加工球，共焦激光雷达具有额外的优点。相机可以用于将激光雷达在加工球上居中。在所有算法中，通常假定加工球的半径是已知的，使得加工球的表面测量可以投影到加工球的中心。在居中之后，可以使用四种不同算法：(1)对于发亮加工球，假定相机已经正确地使激光雷达居中并且简单地测量到表面的距离，(2)对于发亮加工球，执行W形激光雷达扫描以确定到加工球的精确角度，然后测量到表面的距离，(3)对于无光泽加工球，假定相机已经正确地使激光雷达居中并且简单地测量到表面的距离，以及(4)对于无光泽加工球，扫描表面，然后执行球体拟合以确定加工球的位置。在所有情况下，以相机为中心的能力提高速度和总生产率。

相机可以结合激光雷达距离测量来测量特征(诸如加工球)。此外，相机可以测量平面特征，例如孔、槽、多边形等。对于这些类型的测量，在特征的中心仅存在空隙。因此，激光雷达系统必须有意地偏移相机视场以指向特征周围的表面。

示例22

参考图21，示出代表性跟踪目标2100。跟踪目标2100基于具有在球体上定义的同心环2102、2104的球体2101。环2102、2104具有不同的颜色、反射率、表面光洁度、图案或在相机图像中容易看到的其它特征。目标的其它部分2106、2108可以具有共同的表面颜色或光洁度等。在一些情况下，部分2106、2108是有光泽的并且高度反射的，而环2102、2104具有不同的颜色。这种跟踪目标可以具有1、2、3或更多个环。从这样的追踪目标的外观的观点出发，在此称为“眼球球体”或“ES”。

图22示出使用ES的代表性方法2200。ES必须首先通过例如使用螺旋或角度搜索利用激光雷达搜索而被定位在2202处的相机视场内，该激光雷达可以具有相机视场之外的部分。在一些情况下，操作员可以调整目标或激光雷达位置。在2204，用共焦相机跟踪ES。可以通过保持以相机视场为中心的圆环而跟踪ES(或跟踪误差被减小)。当环离开视场中心时，激光雷达中的一个或多个电动机被命令定向激光雷达(和共焦相机)以最小化误差。连续计算移动的速度，并且一旦速度低于阈值，在2206处宣告ES不在移动。然后，在2208处，触发球体的位置的测量。返回的测量是球体的中心。通常，关注测量是表面，并且球体测量被投射到该表面。

尽管ES特别方便，但是可以使用其它跟踪目标，诸如安装在球体中的角隅棱镜(称为“球形安装的回射器”或“SMR”)。这种目标应该在球心处具有角隅棱镜反射点，否则可能导致误差。与SMR不同，ES不会响应于误操作而表现出未对准。ES的各个区域可以提供有涂料、蚀刻、磨砂、或涂覆有反射性、金属性、二向色或其它涂层。

ES或其它跟踪目标允许测量具有对激光雷达2304的高入射角或被隐藏起来的目标区域。参考图23，跟踪目标2302被显示在不同的位置，允许来自激光雷达2304的探测光束2301到达目标2308的另外的隐藏区域2310。

在一些示例中，通过添加不同颜色的环来修改精密球体，而形成ES。环也可以填充反光涂料，使它们在闪光下非常明显。球体可以由无光泽材料制成或者发光，从而产生三种测量模式：(1)使用来自相机的角度并且到球体中心的距离来自激光雷达的哑光，(2)适合在球面上的哑光球体，或者(3)在镜像点上进行W形激光雷达扫描以找到角度并且然后进行到镜像点的距离测量。在模式2和3中，激光雷达进行所有测量，并且相机将激光雷达在球体上居中，并且检测到球体没有移动。在模式1中，相机仍然用于跟踪和检测没有运动，然而，相机的角度测量与LR测量相结合，使得测量几乎是瞬时的。

示例23

另一种类型的隐藏点工具也可以与跟踪一起使用。如图24所示，可以创建矢量条2400。如果ES 2410、2412的中心由激光雷达2404用探测光束轴2416、2417测量，则结果可以被投射到测量球体2403的中心或测量点。这种测量可以被称为体育场测量。可以创建具有定位在不同位置的3个眼球球体的完整的6DOF工具，并且这些眼球球体不必共线。

对于两个眼球球体，进行两个测量，这两个测量是两个眼球球体的XYZ位置(XYZ₁、XYZ₂)。XYZ₁和XYZ₂之间的距离不是关键的，但是ES 2512和测量球2403之间的距离D_m必须是已知的。如果所有三个球体的中心共线，则获得优良的测量结果。使用常规技术将测量球2403的中心投影到目标的表面。测量球2403的XYZ的样本计算为：

这种测量是实用的，因为低等待时间允许在十分之几秒内测量每个球体。虽然具有两个固定分离的眼球球体和测量球体的工具是方便的，但是这种工具可以使用能够沿着轴2414移动到不同位置的单个眼球球体。然后可以使用每个位置处的测量。

示例24

使用激光雷达的自动测量系统可能需要昂贵且时间密集的设置过程，并且需要数周来完成，从而需要熟练的人员。本文公开利用嵌入在激光雷达中的度量级高清晰度(HD)或其他相机的系统。提供了机器学习算法，以用于识别和/或测量诸如孔、槽、柱和其它特征的特征。所谓的“协作机器人”(通常包括反射镜或其它光学系统)允许盲点测量和测量设备的本地跟踪以减少设置时间并且加速测量时间。

在一些公开的示例中，不需要放置在待测量的部件周围的加工球，并且增强现实应用可以覆盖部件的CAD图像和相机图像。这允许自动检测部件，并且可以用于引导激光雷达测量/扫描选定的目标区域。然后不需要冗长的激光雷达扫描来定位关注目标区域。对于一些应用，附加反射镜与激光雷达一起使用，以用于测量隐藏的或难以到达的不在直接视线中的点。这种反射镜通常很小，因此从固定位置提供有限视场。通过将这种反射镜连接到机器人，这种有限视野可以用自动移动来极大地扩展。使用协作机器人允许容易地定位反射镜，并且不需要为了安全而保护测量区域。因此，协作机器人可以将反射镜定位在多个、可重复且稳定的位置，从而允许比静态反射镜位置更大的视场，并且还允许从单个激光雷达位置进行更多测量。

参考图25A，反射镜2506安装到协作机器人(COBOT)2504的工具法兰2507。通常，COBOT包括一个或多个平移台和一个或多个旋转台，使得可以将反射镜2506设置到所选位置和角度。在一些示例中，加工球2528在偏移处附接在刚性轴上的反射镜2506的前面。(尽管在该示例中使用加工球，但是包括测量相机的系统不需要使用加工球。)激光雷达2500被定位在单个固定位置或者固定到可编程定位器，使得激光雷达2500可以被可重复地定位。手动地或使用模拟软件将反射镜2506的位置编程到机器人2504中，使得从选定的激光雷达位置可见待测量的对象的隐藏特征。如图25B所示，用激光雷达2500直接和间接(即，经由在反射镜2506中的加工球2528的反射)测量加工球2528的初始位置，以确定加工球2528的标称位置，并且通过连接加工球2528的中心和反射镜2506中的加工球图像的线的垂直平分面限定反射镜2506的表面。除了COBOT 2504的移动之外，工具法兰2507所固定到的臂2505可以被移动以接近对象2508上的附加位置。

在该设置之后，COBOT 2504可以被驱动到多个编程位置中的每一个，并且激光雷达2500可以基于早先获得的标称值自动测量加工球。这允许自动、准确地确定用于样品测量的反射镜位置。在一些情况下，通常在较低精度就足够的情况下，机器人可重复性可能是足够的。

为了协调反射镜测量和COBOT定位，来自COBOT的数字或物理IO被提供有到测量PC的直接连接或通过基于OPC、Profinet或其它标准PLC接口的可编程逻辑控制器(PLC)。PC上的接口软件可以与来自COBOT的移动和就位信号以及来自激光雷达的测量信号协调。这可以包括独立软件平台，这些软件平台连接以教导其它软件平台，或者可以是单个软件套件的一部分，以控制与PLC的通信和激光雷达本身的通信。

COBOT 2504和反射镜2506与附接的加工球2528的组合使用允许更快的测量，允许利用减少的激光雷达或部件重新定位的测量，并且减少所需的加工球测量的数量。可以针对单个激光雷达位置进行多个反射镜位置，并且可以在对部件的其他测量期间进行反射镜移动，从而减少死区测量时间，或者同时在重新定位移动期间进行反射镜移动。COBOT 2504不一定需要安全围栏或分区，因此可以靠近部件放置，甚至在操作员在附近时移动。反射镜2506的自动清洁可以基于COBOT 2504通过垫的力反馈，或者来自空气梳或鼓风机的力反馈，以防止材料沉积在反射镜表面上。

图25A示出除了COBOT 2504中的加工球2528之外，被定位在被测量的对象2508处的代表性加工球2520至2523。加工球2528和2520至2523可以响应于来自扫描表面2501的光束扫描而沿相应轴2510和2511至2514被照射。

示例25

瞄准相机/激光雷达系统允许通过将与目标的不同部分相关联的多个图像拼接在一起而获取目标图像。每个相机图像可以与用激光雷达获得的目标距离相关联，并且可以使用如上所述的已知形状的特征来补偿任何相机倾斜。在图26所示的代表性方法2600中，在2602处，共焦激光雷达被设置在固定位置，并且在2604处，获得目标的至少一部分的图像。在2606处，使用激光雷达探测光束测量到目标部分的距离。在2608处，存储所获取的图像和相关联的距离、方位角、仰角和激光雷达位置坐标。在2610处，确定是否预期附加图像。如果是，则重复图像获取，其中激光雷达位置被设置在2602处。激光雷达位置可以保持固定到先前位置，或者所选择的新位置。如果已经获取了所有预期图像，则在2612处拼接图像以形成更大目标区域的图像。该图像可以用于定位特定目标特征、提供特征测量、识别用于附加激光雷达测量的目标区域或其它目的。在通常示例中，激光雷达被重新定位一次或多次以产生评估中的目标的全视图。

在一些情况下，图像拼接在相机/探测光束校准之后产生优良结果。例如，在一些示例中，基于一个或多个图像来确定相机视场中心，所述一个或多个图像包括与探测光束/跟踪光束入射在目标上的位置相对应的图像部分。在另一个示例中，可以评估网格图案的图像以确定由相机所使用的投影透镜和探测光束所引入的图像失真。可以针对要拼接的图像来校正或补偿这种失真。

示例26

参考图27，用于与诸如共焦激光雷达2704的激光雷达一起使用的代表性控制和测量装置2700包括测量控制器2706和嵌入式特征处理器2708。这些中的一个或两个可以在一个或多个中央处理单元、FPGA、ASIC中实现，或者实现为片上系统(SOC)。如图所示，一个或多个特征被包括在传达到测量控制器2706的特征集2710中，对于每个特征，测量控制器将对相应扫描路径的请求传达到特征处理器2708。返回扫描路径，并且实行激光雷达2704的适当扫描，并且激光雷达测量数据被返回到特征处理器2708。在接收到满意的测量数据后，特征过程2708向测量控制器2706传达测量完成。对于特征集2710的每个特征执行类似的消息传递，并且可以在一个或多个其他扫描路径的扫描进行的同时执行一个或多个扫描路径的数据处理。特征集2710可以包括各种目标特征的规格，诸如部件尺寸、孔大小和位置、部件形状、取向等。从激光雷达2704返回的扫描数据可以包括用共焦相机获得的激光距离数据和/或图像数据。

示例27

在包括适当成像系统(诸如高清晰相机)的激光雷达中，激光雷达探测光束可以基于从目标图像中选择的特征而被引导到关注区域。在这种测量中，不需要加工球。此外，目标设计(例如CAD图像)可以与用于部件评估的相机图像重叠或以其他方式显示。可以从相机图像和针对特征测量产生的扫描路径识别待评估的特征。激光雷达可以用这些扫描路径驱动以进行部件评估。如上所示，被定位在协作机器人处的反射镜可以用于测量，否则在不重新定位激光雷达的情况下，这是不可能的。在一些情况下，基于所选择的扫描路径来控制协作机器人。协作机器人可以被定位在需要人类操作者的严格安全措施的空间中，从而简化测量过程。在一些情况下，激光雷达或其他测量装置的位置可以使用GPS、陀螺仪和/或加速度计来确定；在一些情况下，这种跟踪可以消除使用用于对准的加工球的需要。

相比之下，传统激光雷达需要四个加工球被定位在每个机器人位置的部件上，并且通常需要10个或更多个机器人位置。如本文所公开的可以在没有加工球的情况下对准的激光雷达可以允许快速、简单的部件设置和测量。使用如上所述的相机，机器学习可以用于检测特征并且识别出看起来处于错误位置的那些特征，并且调整特征参数，而不依赖于部件符合相应CAD设计的假设。

示例28

图28示出适于生产船、飞机的一个或多个部件，或其它系统或转置的部件以及适于评估和再处理这些制造的部件的代表性制造系统2800。系统2800通常包括形状或轮廓测量系统2805，诸如上面讨论的激光雷达系统。制造系统2800还包括设计系统2810、成形系统2820、控制器2830和修复系统2840。控制器2830包括坐标存储装置2831，其被配置为存储所设计和/或测量的一个或多个制造结构的测量和设计坐标或其他特性。坐标存储装置2831通常是计算机可读介质，例如硬盘、随机存取存储器或其它存储器设备。通常，设计系统2810、成形系统2820、形状测量系统2805和修复系统2840使用网络协议经由通信总线2815通信。

设计系统2810被配置为创建对应于待制造的结构的形状、坐标、尺寸或其他特征的设计信息，并且将所创建的设计信息传达到成形系统2820。此外，设计系统2810可以将设计信息传达到控制器2830的坐标存储装置2831以进行存储。设计信息通常包括指示要生产的结构的一些或全部特征的坐标的信息。

成形系统2820被配置成基于由设计系统2810提供的设计信息来产生结构。由成形系统2820提供的成形过程可以包括铸造、锻造、切割或其它过程。形状测量系统2805被配置为测量所制造结构的一个或多个特征的坐标，并且将指示所测量的坐标的信息或与结构形状相关的其他信息传达到控制器2830。

控制器2830的制造检查器2832被配置为从坐标存储装置2831获得设计信息，并且将从轮廓测量装置100接收到的诸如坐标或其他形状信息的信息与从坐标存储装置2831读出的设计信息进行比较。制造商检查器2832通常被提供为处理器和存储在诸如随机存取存储器、闪存驱动器、硬盘或其它物理设备等有形计算机可读介质中的一系列计算机可执行指令。基于设计和实际结构数据的比较，制造检查器2832可以确定制造结构是否根据设计信息，通常基于也可以存储在坐标存储装置2831中的一个或多个设计容差而成形。换句话说，制造检查器2832可以确定制造结构是有缺陷的还是无缺陷的。当结构没有根据设计信息成形(并且有缺陷)时，制造检查器2832确定该结构是否是可修复的。如果可修复，则制造检查器2832可以识别制造结构的缺陷部分，并且提供合适的坐标或其他修复数据。制造检查器2832被配置成产生一个或多个修复指令或修复数据，并且将修复指令和修复数据转发到修复系统2840。这种修复数据可以包括需要修复的位置、需要重新成形的程度或其它修复数据。修复系统2840被配置为基于修复数据来处理制造结构的缺陷部分。

示例29

图29是示出可以结合诸如图28所示的制造系统的代表性制造方法2900的流程图。在2902处，获得或创建与要制造的结构的形状相对应的设计信息。在2904处，基于设计信息来制造或“成形”结构。在2906处，利用轮廓测量系统(诸如上述激光雷达系统)来测量所制造的结构的坐标、尺寸或其他特征，以获得与所制造的结构相对应的形状信息。在2908处，基于实际和设计尺寸、坐标、制造公差或其它结构参数的比较来检查制造的结构。在2910处，如果确定所制造的结构是无缺陷的，则在2914处接受制造的部件，并且处理结束。如果在2910处例如由控制器1930的制造检查器1932确定制造部件有缺陷，如图19所示，则在2912处，可以确定制造部件是否是可修复的。如果是可修复的，则在2916处对所制造的部件进行再加工或修复，然后分别在2906、2908、2910处进行测量、检查和重新评估。如果在2912确定所制造的部件是不可修复的，则该过程在2914结束。

根据图29的方法，使用轮廓测量系统来精确地测量或评估制造结构的坐标或其它特征，可以评估所制造的结构以确定该结构是有缺陷的还是无缺陷的。此外，如果所制造的结构被确定为有缺陷的，则如果基于设计和实际结构尺寸和特征认为该部件是可修复的，则可以启动再处理过程。通过重复测量、检查和评估过程，可以重新处理有缺陷的部件，并且可以丢弃有缺陷的但不可修复的部件。图28至图29的特定系统和方法仅是示例性的，并且可以使用其它排列。

在上述实施例中，结构制造系统2800可以包括轮廓测量系统，诸如本文公开的激光雷达和相关联的光学系统、设计系统2810、成形系统2829、配置成确定部件是否可接受的控制器2830(检查设备)和修复系统2840。然而，可以使用其它系统和方法，并且提供图28至图29的示例以便于说明。

示例30

图30A至图30B示出用于如上所述的基于激光的测量系统的参考组件的附加实施例。参考图30A，参考臂组件3000包括真空额定纤维馈通3002至3005，其耦合到密封外壳3002，该外壳通常被抽空或填充有惰性气体。纤维馈通3002、3003、3004通常分别耦合到指向或跟踪激光器3008、探测激光器3009和参考检测器3010。纤维馈通3002将跟踪光束递送到第一耦合器3012；纤维馈通3003将探测光束递送到隔离器3014，该隔离器然后将探测光束耦合到第一耦合器3012。组合的探测/跟踪光束从第一耦合器3012引导到纤维馈通3005，然后引导到诸如FC/APC连接器3016的纤维光学连接器，以便递送到诸如上述合适的扫描、聚焦和检测系统。第一耦合器3012将来自隔离器3014的一部分探测光束引导至第二耦合器3020，该第二耦合器将该光束部分分成沿各自路径3022A、3022B传播的第一和第二部分。如果需要，纤维延迟长度3080可以被定位在纤维馈通3003和隔离器3014之间，使得来自内部组件(例如在探测激光器中)的反射产生超出通常测量距离的外差频率。路径3022A、3022B通常通过在这些路径之一中包括附加纤维长度来提供稳定的固定路径差。第三耦合器3024从路径3022A、3022B接收第一光束部分和第二光束部分，并且将这些部分组合，并且将组合的部分经由纤维馈通3004引导到参考检测器3010。固定路径差允许第一和第二光束部分之间的拍频信号与特定长度的关联。

外壳3002通常由铜制成，并且通过热电(TEC)模块3083和控制电子器件3084进行温度控制。外壳3002的外部通常设置有围绕外壳3002的隔热件(未示出)，以使外壳3002与周围环境隔热。外壳3002具有用螺栓和O形环密封的盖。管3082可以被提供用于利用惰性气体或诸如氮气的其它气体抽空或填充外壳3002。管3082可以被定位在外壳盖上并且由铜制成。在排空或填充外壳3002之后，这种管通常被夹断或以其它方式密封。铜是方便材料，但是也可以使用其它材料。在一些情况下，外壳填充有干气。

参考图30B，与双探测光束一起使用的参考臂组件3040包括耦合到通常被抽空或填充有惰性气体的密封外壳3042的纤维馈通3043A至3043F。纤维馈通3043A、3043B、3043C、3043D、3043F通常分别耦合到指向或跟踪激光器3048、第一探测激光器3049A、第二探测激光器3049B、第一参考检测器3050A及第二参考检测器3050B。纤维馈通3043A将跟踪光束递送到第一耦合器3052；纤维馈通3043B至3043B将探测光束递送到隔离器3054A至3054B，该隔离器然后将探测光束耦合到第二耦合器3055。组合的探测光束从第二耦合器3055被引导到第一耦合器3052，并且组合的探测/跟踪光束被引导到纤维馈通3043F，然后被引导到诸如FC/APC连接器3056的纤维光学连接器，以用于递送到适当的扫描、聚焦和检测系统。纤维耦合器3052包括未使用的输出3090，并且被终止以减少或消除在3070处的背反射。

第二耦合器3055将组合的探测光束的部分从隔离器3054A、3054B引导，然后引导到第三耦合器3060，该第三耦合器将组合的光束部分分成沿相应路径3062A、3062B传播的第一和第二部分。如果需要，纤维延迟长度3045A、3045B可以被定位在纤维馈通3043B、3043C与隔离器3054A、3054B之间。路径3062A、3062B通常具有稳定的、固定的路径差，该差通过在这些路径之一中包括附加纤维长度3047来提供。第三耦合器3064从路径3062A、3062B接收第一和第二光束部分，并且组合这些部分，并且将组合的部分经由纤维馈通3043D、3043E引导到相应的参考检测器3050A、3050B。固定的路径差允许第一和第二光束部分之间的拍频信号与特定长度的关联。在大多数实际示例中，光学滤波器3080A、3080B被定位成使得参考检测器3050A仅接收由第一探测激光器3049A提供的第一波长的光束部分，并且参考检测器3050B仅接收由第二探测激光器3049B提供的第二波长的光束部分。例如，第一和第二波长可以是大约1550nm和1560nm。纤维延迟长度3045A、3045B可以被定位在纤维馈通3043B、3043C与隔离器3054A、3054B之间，使得来自内部组件的反射产生可以在通常测量距离之外的外差频率。波长多路分解耦合器可以用来代替第三耦合器3064和光学滤波器3080A、3080B，以分离波长。

在图30A至图30B的示例中，用于探测光束的光纤通常是偏振保留单模(PRSM)纤维；对于跟踪光束，通常不使用PRSM纤维。用于建立外差频率的长度差使用长度通常在1m和200m之间，通常地为5、10、15、20、25或50m的纤维。

示例31

参考图31，具有共焦成像的代表性激光雷达系统3100包括分束器3104，其将探测和跟踪光束沿轴3101引导到第一透镜3106，然后引导到波片3108，该波片可以用于通过如上所述的反射产生本地振荡(LO)光束。LO光束也可以以其它方式产生，并且来自波片3108的反射仅仅是一个方便的示例。然后，探测/跟踪光束被引导通过分束器，诸如立方体分束器3110(或如上所述的平板分束器或双反射分束器)，到达包括固定透镜部分3116和能移动(聚焦)透镜部分3114的物镜3112。光束扫描器3120接收聚焦的探测/跟踪光束并且将光束引导到目标。图像传感器3122被定位在轴3101上，使得激光雷达提供共焦成像。焦点控制器3124耦合到图像传感器3122，并且通过利用平移台或其他平移机构3126调整能移动的透镜3114来提供来自目标的图像的自动聚焦。探测光束的返回部分被引导到分束器3104，然后被引导到检测器3128。在检测器3128处产生的外差或其它信号允许目标表面的表征。

当探测光束扫描各种目标区域时，由焦点控制器和平移机构3126提供的自动聚焦允许保持探测光束的焦点。在传统系统中，在目标上建立探测光束的焦点可能是耗时的。使用共焦图像传感器允许使用在图像传感器3122处产生的目标图像进行快速焦点调节。因此，可以建立和调整焦点，并且可以使用图像传感器3122和焦点控制器3124将探测光束引导到视野的任何选择部分。非暂时性计算机可读存储器或网络连接3130从图像传感器312接收图像以用于处理以识别特征、将图像拼接在一起以提供目标的全景图像。

示例32

图32示出跟踪固定到基板或目标的加工球(或跟踪目标特征)的代表性方法。一个或多个加工球可以固定到目标上，以提供用于坐标确定的参考点。加工球通常包括反射性球形表面，以便在诸如激光雷达的基于激光的测量装置中提供探询光束的充分反射。

如图32所示，在3202，基于扫描的探询光束的返回部分，识别并且记录加工球位置。可以以各种图案(诸如圆形、螺旋形、W形或锯齿形)扫描光束，以便跟踪加工球。在3204，评估识别的位置以确定相对于主扫描的位置。在3206调整主扫描，以使加工球位置相对于主扫描处于优选位置。通常，调整主扫描，使得加工位置大致在主扫描范围内居中。在3208，做出关于附加扫描的确定。

示例33

图33和下面讨论旨在提供对其中可以实现包括上述方法中的任一种的所公开的技术的示例性计算环境的简要概括描述。尽管不是必需的，但是在由个人计算机(PC)执行的诸如程序模块之类的计算机可执行指令的一般场境中描述所公开的技术。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。此外，所公开的技术可以用其他计算机系统配置(其包括手持设备、多处理器系统、基于微处理器或可编程的消费电子产品、网络PC、小型计算机、大型计算机等)来实现。还可以在分布式计算环境中实践所公开的技术，其中任务由通过通信网络链接的远程处理设备执行。在分布式计算环境中，程序模块可以位于本地和远程内存存储设备中。

参考图33，用于实现所公开技术的示例性系统包括示例性常规PC3300形式的通用计算设备，其包括一个或多个处理单元3302、系统存储器3304和系统总线3306，该系统总线3306将包括系统存储器3304的各种系统组件耦合到一个或多个处理单元3302。系统总线3306可以是几种类型的总线结构中的任何一种，包括存储器总线或存储器控制器、外围总线和使用各种总线架构中的任一种的本地总线。示例性系统存储器3304包括只读存储器(ROM)3308和随机存取存储器(RAM)3310。基本输入/输出系统(BIOS)3312，包含有助于在PC3300内的元件之间传输信息的基本例程存储在ROM 3308中。存储器3304还包含部分3371至3373，其包括分别用于形状识别和处理、激光雷达和COBOT控制和通信以及设计数据获取的计算机可执行指令和数据。

示例性PC 3300还包括一个或多个存储设备3330，诸如用于从硬盘读取和写入硬盘的硬盘驱动器、用于从能移动硬盘读取或写入能移动磁盘的磁盘驱动器和用于从能移动光盘(如CD-ROM或其他光学介质)或者写入能移动光盘(如CD-ROM或其他光学介质)的光盘驱动器。这样的存储设备可以分别通过硬盘驱动器接口、磁盘驱动器接口和光盘驱动器接口连接到系统总线3306。驱动器及其相关联的计算机可读介质为PC 3300提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他数据的非易失性存储。可以存储由PC可访问的数据的其他类型的计算机可读介质(诸如磁带、闪存卡、数字视盘、CD、DVD、RAM、ROM等)也可以在示例性操作环境中使用。

多个程序模块可以存储在包括操作系统、一个或多个应用程序、其他程序模块和程序数据的存储设备3330中。用户可以通过一个或多个输入设备3340(诸如键盘)和指示设备(诸如鼠标)向PC 3300输入命令和信息。其他输入设备可以包括数码相机、麦克风、操纵杆、游戏手柄、卫星天线、扫描仪等。这些和其他输入设备通常通过耦合到系统总线3306的串行端口接口连接到一个或多个处理单元3302，但也可以通过其他接口(诸如并行端口、游戏端口或通用串行总线(USB))连接。监视器3346或其他类型的显示设备也经由诸如视频适配器之类的接口连接到系统总线3306。可以包括其他外围输出设备，诸如扬声器和打印机(未示出)。

PC 3300可以使用到一台或多台远程计算机(诸如远程计算机3360)的逻辑连接在联网环境中操作。在一些示例中，包括一个或多个网络或通信连接3350。远程计算机3360可以是另一台PC、服务器、路由器、网络PC或对等设备或其他常见网络节点，并且通常包括许多或所有与PC 3300相关的上述元件，尽管只有一个存储器存储设备3362已经在图33中示出。个人计算机3300和/或远程计算机3360可以连接到逻辑局域网(LAN)和广域网(WAN)。这种网络环境在办公室、企业距离的计算机网络、内部网和互联网中很常见。

在LAN网络环境中使用时，PC 3300通过网络接口连接到LAN。当在WAN网络环境中使用时，PC 3300通常包括调制解调器或其他用于通过WAN(例如互联网)建立通信的装置。在联网环境中，与个人计算机3300相关的程序模块或其部分可以存储在远程存储器存储设备或LAN或WAN上的其他位置中。所示的网络连接是示例性的，并且可以使用在计算机之间建立通信链接的其他方式。

鉴于所公开的技术的原理可以应用于许多可能实施例，应当认识到，所示出的实施例仅是优选示例，并且不应当被认为限制本公开的范围。

Claims (92)

1.一种装置，包括：

分束器，所述分束器被定位成接收沿轴传播的探测光束；

物镜，所述物镜被定位在所述轴上以从所述分束器接收探测光束并且将所述探测光束沿所述轴引导到目标，所述物镜包括至少一个光学元件；以及

图像传感器，所述图像传感器光学地耦合到所述分束器并且被定位在所述轴上以经由所述分束器接收来自所述目标的成像光束，其中，所述至少一个光学元件是能移动的以在所述图像传感器处形成目标图像并且将所述探测光束聚焦在所述目标处。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括：

光纤，所述光纤被定位成将所述探测光束和跟踪光束沿着所述轴引导到所述分束器，其中，所述分束器是二向色分束器，并且所述物镜包括固定透镜和所述至少一个能移的动光学元件。

3.根据权利要求1所述的装置，还包括自动聚焦机构，所述自动聚焦机构耦合到所述至少一个能移动的光学元件以将所述目标图像聚焦在所述图像传感器处且将所述探测光束聚焦在所述目标处。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述探测光束由所述至少一个能移动的光学元件聚焦在所述图像传感器的视场的中心附近。

5.根据权利要求1所述的装置，还包括焦点控制器，所述焦点控制器耦合到所述能移动的光学元件并且被配置为调整所述探测光束和所述成像光束的焦点。

6.根据权利要求5所述的装置，还包括光束扫描器，所述光束扫描器被定位成将所述探测光束引导到所述目标并且将所述成像光束引导到所述图像传感器。

7.根据权利要求6所述的装置，还包括图像处理器，所述图像处理器耦合到所述图像传感器和所述光束扫描器，使得所述目标的选定部分在所述图像传感器处被成像于所述图像传感器的传感器表面的预定位置中。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述预定位置是所述图像传感器的所述传感器表面的中心位置。

9.根据权利要求6所述的装置，还包括图像处理器，所述图像处理器耦合到所述图像传感器和所述光束扫描器，使得基于由所述图像传感器产生的目标图像将所述探测光束引导到所述目标的选定部分。

10.根据权利要求1所述的装置，还包括探测光束透镜，所述探测光束透镜被定位成将所述探测光束引导到所述物镜，所述探测光束透镜被定位成使得所述探测光束和所述成像光束分别聚焦在所述目标和所述图像传感器处。

11.根据权利要求1所述的装置，还包括具有纤维端的光纤，所述纤维端被定位成将所述探测光束引导到所述分束器，其中，所述图像传感器和所述光学纤维端在与所述成像光束相关联的一个或多个波长处光学共轭。

12.一种方法，包括：

沿着轴将激光雷达探测光束引导到物镜，所述物镜被定位成将所述激光雷达探测光束聚焦在目标处；以及

沿着所述轴将成像光束从所述目标引导到所述物镜并且引导到图像传感器，其中，所述图像传感器被定位成使得所述物镜在所述图像传感器处产生所述目标的至少一部分的图像。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括基于在所述图像传感器处形成的所述目标的图像的对比度来将所述激光雷达探测光束聚焦在所述目标处。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括基于在所述图像传感器处形成的所述目标的所述图像来调整所述探测光束在所述目标处的焦点。

15.根据权利要求12所述的方法，还包括基于所述探测光束的返回部分来估计到所述目标的距离。

16.根据权利要求12所述的方法，还包括基于到所述目标的估计距离和所述目标的所述图像来估计目标特征的尺寸。

17.根据权利要求12所述的方法，还包括利用图像处理器在所述图像中找到所述目标的指定部分并且使所述指定部分居中，从而将所述探测光束引导到所述目标的所述指定部分。

18.根据权利要求12所述的方法，利用耦合到所述图像传感器的处理器，使用基于目标距离确定的角度来测量至少一个目标尺寸。

19.根据权利要求12所述的方法，还包括基于所述目标图像中的目标特征大小和到所述目标的距离来估计至少一个目标尺寸。

20.根据权利要求12所述的方法，还包括基于所述目标的所述至少一部分的所述图像来跟踪移动目标。

21.根据权利要求12所述的方法，还包括通过获得用所述图像传感器获得的所述目标的多个图像和基于所述探测光束的返回部分确定的到所述目标的相关联距离，来形成所述目标的分割图像。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括基于所述分割图像来产生所述目标的3D模型。

23.根据权利要求22所述的方法，还包括基于全景图像来定位所述目标中的至少一个选定目标区域。

24.一种装置，包括：

二向色分束器；

光纤，所述光纤被定位成将探测光束和跟踪光束沿轴引导到所述二向色分束器；

物镜，所述物镜被定位在所述轴上并且包括固定透镜和能移动的透镜，所述能移动的透镜被定位成从所述二向色分束器接收所述探测光束并且沿着所述轴将所述探测光束引导到目标；以及

图像传感器，所述图像传感器光学地耦合到所述二向色分束器并且被定位在所述轴上以经由所述二向色分束器从所述目标接收成像光束，其中，所述能移动的透镜是能平移的以在所述图像传感器处形成目标图像并且将所述探测光束聚焦在所述目标处。

25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述二向色分束器被定位成使得所述探测光束被传送通过所述二向色分束器到达所述能移动的透镜，并且所述成像光束被所述二向色分束器反射到所述图像传感器。

26.根据权利要求24至25中的任一项所述的装置，其中，所述物镜被定位成从所述二向色分束器接收跟踪光束并且将所述探测光束和所述跟踪光束引导到所述目标，其中，所述探测光束具有1200nm和1800nm之间的波长，而所述跟踪光束具有400nm和700nm之间的波长。

27.根据权利要求24至26中的任一项所述的装置，其中，所述二向色分束器被定位成使得所述探测光束被所述二向色分束器反射到所述能移动的透镜，并且所述成像光束被所述二向色分束器传送到所述图像传感器。

28.根据权利要求24至27中的任一项所述的装置，其中，所述二向色分束器为立方体二向色分束器、板二向色分束器或双反射二向色分束器。

29.根据权利要求24至28中的任一项所述的装置，其中，所述二向色分束器是包括第一表面和二向色反射表面的双反射二向色分束器，所述第一表面面向所述能移动的透镜，所述二向色反射表面被定位成将所述成像光束引导到所述图像传感器并且将所述探测光束的从所述目标返回的部分引导到所述光纤。

30.根据权利要求24至29中的任一项所述的装置，其中，所述二向色分束器是包括第一表面和二向色反射表面的双反射二向色分束器，所述第一表面面向所述能移动的透镜，所述二向色反射表面被定位成将所述成像光束引导到所述第一表面，使得所述成像光束被所述第一表面反射到所述图像传感器，并且所述探测光束的从所述目标返回到所述光纤的所述部分被所述反射表面传送到所述光纤。

31.根据权利要求24至30中的任一项所述的装置，其中，所述二向色分束器是包括第一表面和二向色反射表面的双反射二向色分束器，所述第一表面面向所述能移动的透镜，所述二向色反射表面被定位成将所述探测光束的从所述目标返回的所述部分引导到所述第一表面，并且所述成像光束被所述二向色反射表面传送到所述图像传感器。

32.根据权利要求24至31中的任一项所述的装置，其中，所述第一表面相对于从所述二向色反射表面接收到的所述成像光束以大于临界角的角度被定位。

33.根据权利要求24至32中的任一项所述的装置，其中，所述双反射二向色分束器包括输出表面，所述输出表面被定位成使得所述探测光束的从所述目标返回的并且被所述二向色反射表面反射到所述第一表面的所述部分被反射以垂直入射到所述输出表面。

34.根据权利要求24至33中的任一项所述的装置，其中，所述双反射二向色分束器包括输出表面，所述输出表面被定位成使得从所述目标返回的并且被所述二向色反射表面反射到所述第一表面的所述成像光束被反射以垂直入射到所述输出表面。

35.根据权利要求24至34中的任一项所述的装置，其中，所述双反射二向色分束器包括第一棱镜，所述第一棱镜具有在所述第一表面与所述二向色反射表面之间的顶角，其中，所述顶角大于sin^-1(1/n)，其中，n为所述棱镜的折射率。

36.根据权利要求24至35中的任一项所述的装置，其中，所述双反射二向色分束器的所述二向色反射表面被限定在所述第一棱镜的表面上。

37.根据权利要求24至36中的任一项所述的装置，其中，所述双反射棱镜包括在相应配合表面处彼此固定的第一棱镜和第二棱镜，并且所述二向色反射表面被定位在所述配合表面处。

38.根据权利要求24至37中的任一项所述的装置，其中，所述二向色反射表面被限定在所述配合表面中的至少一个上。

39.根据权利要求24至38中的任一项所述的装置，其中，所述二向色分束器包括二向色板和平面反射器，其中，所述二向色板被定位成将所述探测光束的从所述目标返回的所述部分引导到所述平面反射器并且将所述成像光束传送到所述图像传感器。

40.根据权利要求24至39中的任一项所述的装置，其中，所述二向色分束器包括二向色板和平面反射器，其中，所述二向色板被定位成将所述成像光束反射到所述平面反射器并且传送所述探测光束的从所述目标返回的所述部分。

41.根据权利要求24至40中的任一项所述的装置，其中，所述光纤是偏振保持单模(PRSM)光纤，并且还包括偏振分束器(PBS)，所述偏振分束器(PBS)被定位成使得来自所述PRSM光纤的所述探测光束在处于基本上由所述PBS传送到所述二向色分束器的偏振状态下被所述PBS接收。

42.根据权利要求24至41中的任一项所述的装置，其中，所述偏振状态为线性偏振状态。

43.根据权利要求24至42中的任一项所述的装置，还包括被定位在所述PBS和所述二向色分束器之间的波片，以在所述探测光束中产生圆偏振状态，并且朝向所述光纤反射所述探测光束的一部分，以产生本地振荡光束。

44.根据权利要求24至43中的任一项所述的装置，其中，所述波片具有被定位为从所述PBS接收所述探测光束的输入表面和被定位为从所述波片的所述输入表面接收所述探测光束的输出表面，其中，所述输入表面或所述输出表面中的一个被抗反射涂敷，而所述输入表面和所述输出表面中的另一个反射所述探测光束的一部分作为本地振荡光束。

45.根据权利要求24至44中的任一项所述的装置，还包括被定位成从所述光纤接收所述测量光束的混合透镜和沿着所述轴被定位在所述混合透镜的轴向部分上的二向色滤波器，其中，所述二向色滤波器透射所述测量光束并且不透射所述跟踪光束。

46.根据权利要求24至45中的任一项所述的装置，还包括沿所述轴被定位在所述混合透镜的轴向部分上的二向色反射器，其中，所述二向色滤波器是透射所述测量光束并且反射所述跟踪光束的二向色反射器。

47.根据权利要求24至46中的任一项所述的装置，其中，所述二向色滤波器是波长相关偏光片，所述波长相关偏光片基本上不透射所述跟踪光束。

48.根据权利要求24至47中的任一项所述的装置，还包括沿所述轴被定位在所述混合透镜的轴向部分上的二向色反射器，所述二向色反射器透射所述测量光束并且反射所述跟踪光束，其中，所述二向色反射器的尺寸基于所述图像传感器的对应尺寸。

49.根据权利要求24至8中的任一项所述的装置，还包括混合透镜，所述混合透镜被定位成接收所述测量光束并且聚焦所述测量光束；以及

沿着所述轴被定位在所述混合透镜的轴向部分上的二向色反射器，所述二向色反射器透射所述测量光束并且反射所述跟踪光束，其中，所述二向色反射器的尺寸基于所述图像传感器的对应尺寸。

50.根据权利要求24至49中的任一项所述的装置，其中，所述二向色反射器的尺寸是所述图像传感器的对应尺寸与下述比率的乘积的至少0.5倍、0.75倍、1.0倍或1.5倍，所述比率是沿着所述轴从所述混合透镜焦点到所述二向色反射器的光学距离与从所述混合透镜焦点到所述图像传感器的光学距离的比率。

51.根据权利要求24至50中的任一项所述的装置，其中，所述二向色滤波器被定位在所述能移动的透镜的透镜表面上。

52.一种装置，包括：

光纤；

成像透镜，所述成像透镜被定位成从所述光纤接收测量光束并且产生测量光束焦点；

光学元件，所述光学元件具有被定位在所述测量光束焦点附近的表面，以将所述测量光束的一部分反射回到所述光纤中作为本地振荡光束；以及

物镜，所述物镜被定位成从所述光学元件接收所述测量光束，将所述测量光束的一部分作为探测光束引导到目标，并且将所述探测光束的从所述目标返回的部分通过所述光学元件和所述成像透镜引导到所述光纤中以形成信号光束。

53.根据权利要求52所述的装置，其中，所述光学元件是波片。

54.根据权利要求52至53中的任一项所述的装置，其中，所述波片具有从所述成像透镜接收所述测量光束的入射表面和与所述入射透镜相反的出射表面，其中，所述出射表面被定位在所述测量光束焦点附近以反射所述测量光束的所述部分。

55.根据权利要求52至54中的任一项所述的装置，其中，所述波片具有从所述成像透镜接收所述测量光束的入射表面和与所述入射表面相反的出射表面，其中，所述入射表面被定位在所述测量光束焦点附近以反射所述测量光束的所述部分。

56.根据权利要求52至55中的任一项所述的装置，其中，所述波片的所述入射表面和所述出射表面中的一个包括被定位成从所述成像透镜接收所述测量光束的抗反射涂层，并且所述入射表面和所述出射表面中的另一个具有被定位成从所述成像透镜接收聚焦的所述测量光束的未涂覆部分。

57.根据权利要求52至56中的任一项所述的装置，还包括偏振分束器，所述偏振分束器被定位成将所述测量光束耦合到所述波片。

58.根据权利要求52至57中的任一项所述的装置，还包括偏振分束器，所述偏振分束器被定位成从所述成像透镜接收所述测量光束并且将所述测量光束耦合到所述波片。

59.根据权利要求52至58中的任一项所述的装置，其中，具有被定位在所述测量光束焦点附近的所述表面的所述光学元件是偏振分束器PBS。

60.根据权利要求52至59中的任一项所述的装置，其中，所述PBS具有面向所述物镜的出射表面，并且所述PBS的所述出射表面被定位在所述测量光束焦点处，以将所述测量光束的所述部分反射回到所述光纤中作为所述本地振荡光束。

61.根据权利要求52至60中的任一项所述的装置，其中，所述光学元件包括偏振分束器和固定到所述偏振分束器(PBS)的波片。

62.根据权利要求52至61中的任一项所述的装置，其中，所述PBS具有被耦合以从所述光纤接收所述测量光束的入射表面，并且所述波片包括出射表面，所述出射表面被定位成将所述测量光束从所述PBS耦合到所述物镜，并且将所述测量光束的所述一部分反射回到所述光纤中作为所述本地振荡光束。

63.根据权利要求52至62中的任一项的装置，其中，所述PBS被定位成将所述测量光束的探测光束部分反射到所述波片。

64.根据权利要求52至63中的任一项所述的装置，还包括：

光学检测器，所述光学检测器耦合到所述光纤并且被定位成接收所述探测光束和所述本地振荡光束并且产生外差电信号；以及

检测系统，所述检测系统基于所述外差电信号来提供目标距离估计。

65.根据权利要求52至64中的任一项所述的装置，还包括：

第一测量光束源和第二测量光束源，所述第一测量光束源和所述第二测量光束源分别产生第一波长的第一测量光束和第二波长的第二测量光束；以及

光束组合器，所述光束组合器接收所述第一测量光束源和所述第二测量光束源并且耦合所述第一测量光束和所述第二测量光束以形成组合测量光束，其中，所述光纤将所述组合测量光束引导到所述成像透镜，并且所述光学元件朝向所述光纤反射回所述组合测量光束的一部分作为第一本地振荡光束和第二本地振荡光束。

66.根据权利要求52至65中的任一项所述的装置，还包括：

第一光学检测器和第二光学检测器，所述第一光学检测器和所述第二光学检测器耦合到所述光纤或偏振分束器，以接收所述探测光束的从目标返回的部分以及所述第一本地振荡光束和所述第二本地振荡光束，以便产生第一外差电信号和第二外差电信号；以及

检测系统，所述检测系统基于所述第一外差电信号和所述第二外差电信号来提供目标距离估计。

67.根据权利要求52至66中的任一项所述的装置，其中，所述混合透镜从所述光纤接收测量光束和跟踪光束，并且还包括被定位在所述物镜的轴上的二向色滤波器，其中，所述二向色滤波器不透射所述跟踪光束。

68.一种方法，包括：

将跟踪光束引导到分束器，所述跟踪光束具有相关联的光束数值孔径；

阻挡所述跟踪光束数值孔径的一部分，使得所述分束器接收所述测量光束和部分地遮蔽的跟踪光束；

利用物镜将所述部分地遮蔽的跟踪光束从所述分束器引导到目标；以及

利用所述分束器接收成像光束，并且利用所述分束器将所述成像光束引导到成像检测器，其中，所述跟踪光束的遮蔽的部分对应于所述成像检测器。

69.一种方法，包括：

将来自光纤的测量光束聚焦到测量光束焦点；以及

朝向所述光纤反射所述测量光束的一部分以产生本地振荡光束。

70.根据权利要求69所述的方法，其中，所述测量光束通过分束器聚焦到光学元件，所述光学元件具有将所述测量光束的所述部分反射到所述光纤的表面。

71.根据权利要求69至70所述的方法，其中，所述光学元件是波片，并且所述反射表面是所述波片的表面。

72.根据权利要求69至71中的任一项所述的方法，其中，所述光学元件是偏振分束器(PBS)，并且所述反射表面是所述PBS的表面。

73.一种装置，包括：

激光雷达，所述激光雷达被定位成沿轴将探测光束引导到目标并且产生至少一个目标尺寸的估计，所述激光雷达包括被耦合以扫描所述探测光束轴的探测光束扫描器；

成像器，所述成像器沿所述轴光学地定位以产生所述目标的图像，其中，所述探测光束扫描器耦合到所述成像器，以便基于在目标图像中识别的至少一个特征来将所述探测光束引导到目标位置。

74.根据权利要求73所述的装置，其中，所述成像器是图像传感器，并且还包括识别所述目标图像中的所述至少一个特征的图像处理器。

75.根据权利要求73至74所述的装置，其中，所述至少一个特征是设计特征，并且所述目标位置与所述设计特征相关联。

76.根据权利要求73至75所述的装置，其中，所述至少一个特征是加工球或眼球球体，并且所述目标位置是基于所述加工球或所述眼球球体的位置来确定的。

77.根据权利要求73至76所述的装置，其中，所述目标位置是基于所述眼球球体的位置来确定的。

78.一种装置，包括：

激光雷达，所述激光雷达被定位成沿轴将探测光束引导到目标，所述激光雷达包括被耦合以扫描所述探测光束轴的探测光束扫描器；

成像系统，所述成像系统包括图像传感器和聚焦机构，所述图像传感器沿着所述轴被光学地定位以产生所述目标的图像，所述聚焦机构耦合到物镜以调整在所述图像传感器处所述目标图像的焦点；以及

图像处理器，所述图像处理器耦合到所述成像系统以基于所述目标的所述图像和到所述目标的距离的估计来产生至少一个目标尺寸的估计。

79.根据权利要求78所述的装置，其中，所述激光雷达被配置成产生到所述目标的所述距离的所述估计。

80.根据权利要求78至79中的任一项所述的装置，其中，到所述目标的所述距离的所述估计基于所述聚焦机构的调整。

81.根据权利要求78至80中的任一项所述的装置，其中，所述聚焦机构是自动聚焦机构。

82.根据权利要求78至81中的任一项所述的装置，其中，所述成像器是图像传感器，并且还包括识别所述目标图像中的所述至少一个特征的图像处理器。

83.根据权利要求78至82中的任一项所述的装置，其中，所述至少一个特征是设计特征，并且所述目标位置与所述设计特征相关联。

84.根据权利要求78至83中的任一项所述的装置，其中，所述至少一个特征是加工球或眼球球体，并且所述目标位置是基于所述加工球或所述眼球球体的位置来确定的。

85.根据权利要求78至84中的任一项所述的装置，其中，所述目标位置是基于所述眼球球体的位置来确定的。

86.根据权利要求78至85中的任一项所述的装置，其中，所述成像系统被配置成产生多个图像部分，并且所述图像处理器被配置成将所述多个图像部分拼接成共同图像。

87.根据权利要求78至86中的任一项所述的装置，其中，所述图像处理器被配置成至少部分地补偿至少一个图像部分中的失真。

88.根据权利要求78至87中的任一项所述的装置，其中，所述图像处理器被配置成基于测试网格图像来至少部分地补偿至少一个图像部分中的失真。

89.一种测量装置，包括：

激光雷达，所述激光雷达提供能扫描激光探测光束；

远程反射镜系统，所述远程反射镜系统包括能平移反射镜，其中，所述激光雷达被配置成将所述能扫描激光探测光束引导到所述远程反射镜系统的所述能平移反射镜，以被反射至目标，从而测量所述目标的至少一个特征。

90.根据权利要求89所述的测量装置，其中，所述激光雷达被定位成将所述能扫描激光探测光束引导到所述远程反射镜系统并且确定所述远程反射镜系统的位置，其中，基于所述远程反射镜系统位置和所述探测光束的从所述目标返回到所述激光雷达的部分来测量所述目标所述目标的所述至少一个特征。

91.根据权利要求89至90所述的测量装置，其中，所述远程反射镜系统包括至少一个加工球或眼球球体，并且所述激光雷达被定位成将能扫描激光探测光束引导到所述至少一个加工球或眼球球体以确定所述远程反射镜系统的所述位置。

92.根据权利要求90至91所述的测量装置，其中，所述激光雷达耦合到所述远程反射镜系统以发起对所述能平移反射镜的调整，使得所述能扫描激光探测光束被引导到所述目标的所述至少一个特征。

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