JP6916981B2 - レーザー測定装置、方法、キャリブレーション装置および製造方法 - Google Patents

レーザー測定装置、方法、キャリブレーション装置および製造方法 Download PDF

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Description

関連する複数の出願の相互参照
本願は、２０１２年１１月２１日に出願された米国仮出願第61/728,999号、２０１３年１月１７日に出願された米国仮出願第61/753,786号、および、２０１３年３月１５日に出願された米国出願第13/840,606号の利益を主張する。これら全ての出願が、参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、レーザーレーダシステムに関係する。
複数のレーザーレーダシステムによって、単一操作者が対象物を検査する際に援助する、簡易かつ簡便な複数の非接触測定が提供される。複数のレーザーレーダシステムは、航空機、自動車、風力タービンまたは複数の衛星部品のような複数の大きな対象物が測定される複数の適用例にとって特に有用である。幾つかの従来のレーザーレーダシステムは、複数の米国特許第4,733,609号、4,824,251号、4,830,486号、4,969,736号、5,114,226号、7,139,446号、7,925,134号、米国特許出願公開第2011/0205523号明細書、および、日本特許2,664,399で説明され、これらは参照により本明細書に組み込まれる。そのような複数のレーザーレーダシステムにおいて、レーザービームは、標的表面に方向付けられてその全面を走査する。そして、標的情報を提供する目的で、反射または散乱されてレーザーレーダへと戻るレーザービームの複数の部分を検出して処理する。有用な複数のビーム走査レートは複数のエンコーダ速度によって限定され得、距離キャリブレーションは使用中にドリフトする傾向にある。更に、そのような複数のシステムの費用は多大である。従って、改善された複数のレーザーレーダ法および装置が必要とされる。
幾つかの例において、複数の距離測定システムは、少なくとも２つの反射面を含む走査反射器を備える。第１回転ステージは、走査反射器に連結され、標的に対して光学測定ビームを走査し、走査した光学測定ビームに応じて標的から光学リターンビームを受け取るように構成される。幾つかの実施形態において、光源が、光学測定ビームを走査反射器に方向付けるべく連結され、光学レシーバが、走査反射器からリターン光学ビームを受け取るべく置かれる。信号処理器が、受け取ったリターン光学ビームに基づいて少なくとも１つの標的位置に対する推定標的距離を提供するように構成される。他の複数の例において、光源が、走査反射器から標的への測定ビームの伝搬軸に垂直な軸に沿って光学測定ビームを走査反射器に方向付けるべく連結される。典型的な複数の例において、２つの反射面は、相互に４５度から１３５度の角度で置かれる。更なる複数の実施形態において、光ファイバが、光源から測定ビームを受け取り、測定ビームをファイバ末端面から走査反射器へと方向付け、かつ、末端面でリターンビームを受け取るように構成される。
代表的な複数の例において、複数の距離測定システムは、測定ビームを光ファイバの末端面から受け取るべく置かれたコーナーキューブを含む。ビームフォーカス光学系が、コーナーキューブから測定ビームを受け取り、標的表面に測定ビームの焦点を合わせるように構成される。ここで、コーナーキューブは、選択標的距離で測定ビームフォーカスを生成すべく、ビームフォーカス光学系に対して移動可能となる。幾つかの例において、第２回転ステージが、第１回転ステージの回転によって測定ビームの伝搬方向を変化させるように構成される。典型的な例において、第１回転ステージは、選択ビーム仰俯角を生成すべく置かれ、第２回転ステージは、選択ビーム方位角を生成するように構成される。幾つかの代替案において、第２回転ステージは、光ファイバの末端面を回転させるように構成される。幾つかの実施形態において、２つの反射面は、各平面反射器上で画定され、または、ペンタプリズムのような固体プリズムの複数の面で画定される。
幾つかの開示された例において、光源が、測定ビームに基づいて二次ビームを生成するように構成され、これにより、光学レシーバは二次ビームを受け取るべく置かれる。ここでは、信号処理器が、受け取られたリターン光学ビームおよび二次ビームに基づき、少なくとも１つの標的位置に対する推定標的距離を提供するように構成される。ある実施形態においては、少なくとも１つの標的位置に対する推定標的距離は、受け取られたリターン光学ビームおよび二次ビームと関連する差周波数に基づく。代表的な複数の例において、光学測定ビームおよび二次光学ビームが周波数チャープ光学ビームとなって、かつ、少なくとも１つの標的位置に対する推定標的距離が、受け取られたリターン光学ビームおよび二次ビームと関連する差周波数、および、チャープ率に基づくように、光源が構成される。代表的な複数の例において、信号処理器は、光源に連結され、推定または測定された標的距離に基づいて周波数チャープ光学測定ビームの周波数チャープを選択するように構成される。
代表的な複数の例において、コーナーキューブは、光学測定ビームを受け取るべく置かれ、ビームフォーカス光学系は、コーナーキューブから測定ビームを受け取って、標的表面にその測定ビームの焦点を合わせるように構成される。コーナーキューブは、選択標的距離で測定ビームフォーカスを生成すべく、ビームフォーカス光学系に対し移動可能である。光源は、二次ビームをコーナーキューブに方向付けるように構成され、光学レシーバは、コーナーキューブにおける伝搬後にその二次ビームを受け取るべく置かれる。光源は、共通入力光学ビームから光学測定ビームおよび光学二次ビームを生成するように構成された光ファイバシステムに連結される。当該光ファイバシステムは更に、光学リターンビームを受け取り、リターンビームおよび二次光学ビームを含む結合ビームをレシーバ光学システムに提供するように構成される。
複数の代表的な方法は、走査ミラーの少なくとも２つの反射面によって反射されるべく測定光学ビームを方向付ける段階と、走査軸に沿って測定ビームを走査すべく走査ミラーを回転する段階と、を含む。走査ミラーによって走査軸から戻ってくる光学ビームが受け取られ、受け取られたリターンビームに基づいて、少なくとも１つの標的距離が推定される。幾つかの例において、走査ミラーは、参照リターンビームを生成する目的で、測定ビームを基準反射器に方向付けるべく回転される。参照リターンビームに基づいて、走査軸が意図した走査軸から逸脱しているかが判断される。
光学測定装置用の複数のキャリブレーション装置は、支持構造と、当該支持構造に固定された第１反射光学面とを含む。第１反射面は、当該支持構造に基づく光路長を有する循環光学経路を画定する。当該第１反射面は、光学ビームを当該循環光学経路に沿って伝搬すべく導入するように構成される。基準光検出器は、当該光路長に基づく相対遅延を有する少なくとも２つの光学ビームを受け取り、出力信号を生成するように構成される。信号処理器は、出力信号特徴を当該光路長と関連付ける。幾つかの例において、第１反射面は、複数の遅延光学ビームを光検出器に連結するように構成される。当該複数の遅延光学ビームの各々は、当該循環光学経路の当該光路長の整数倍に対応する光学遅延を有する。他の複数の例において、第２反射面は、当該支持構造に固定される。当該第２反射面は、複数の遅延光学ビームを当該基準光検出器に連結するように構成される。当該複数の遅延光学ビームの各々は、当該循環光学経路の当該光路長の整数倍に対応する光学遅延を有する。複数の代表的実施形態において、当該第１反射面および当該第２反射面は、ファブリ・ペロー共振器を画定すべく、当該支持構造に固定される。当該光路長は、当該第１および第２反射面の距離に対応する。幾つかの例において、第２反射面は、複数の遅延光学ビームを光検出器に連結するように構成される。当該複数の遅延光学ビームの各々は、当該循環光学経路の当該光路長の整数倍に対応する光学遅延を有する。
典型的な複数の例において、支持構造によって画定される光路長は、0.5・(10-6)/°C未満、0.5・(10-7)/°C未満または0.2・(10-7)/°C未満の熱膨張係数を有する支持構造の一部に基づく。幾つかの例によると、支持構造によって画定される光路長は、0.1・(10-6)/°C未満の熱膨張係数を有するリチウム・アルミニウムシリコン酸化物ガラスセラミックのようなガラスセラミックを含む支持構造の一部に基づく。
幾つかの実施形態において、第１反射面および第２反射面の少なくとも１つは非平面である。典型的な例において、第１反射面および第２反射面の少なくとも１つは、ファブリ・ペロー共振器が安定した共振器となるべく、非平面である。他の複数の例において、第１反射面および第２反射面は、導入された光学ビームが軸を外して伝搬すべく方向付けられるように、第１反射面および第２反射面の湾曲の複数の中央を含む軸に沿って置かれる。更に他の複数の代替案において、第１、第２および第３反射面は、リング共振器を画定すべく支持構造に固定される。光路長は、第１、第２および第３反射面の距離に基づく伝搬距離に対応する。他の複数の例において、容器は、循環光学経路が当該容器の内側で画定されるべく、支持構造および第１反射光学面を保持するように構成される。温度コントローラは、当該容器に熱的に連結され、容器温度をセットするように構成される。
複数のレーザー距離測定装置は、プローブビームを標的に方向付けるように構成されたプローブビーム源を含む。測定検出器は、当該標的からの当該プローブビームの少なくとも一部を受け取るように構成される。基準長は、極低熱膨張係数（ＵＬＥ）支持構造に基づく光路長を有する循環光学経路を画定する。当該基準長は、参照ビームを受け取り、当該参照ビームを当該循環光学経路に沿って伝搬すべく方向付けるように構成される。基準検出器は、当該循環光学経路からの参照ビームを受け取るように構成される。信号処理器は、当該測定検出器および当該基準検出器に連結され、当該標的から受け取ったプローブビームの一部と、当該基準長から受け取った参照ビームの一部とに基づいて標的距離の推定を確立するように構成される。他の複数の実施形態において、循環光学経路から受け取られる参照ビームは、基準長の２又はそれより多い複数の光路長に沿う参照ビームの伝搬と関連付けられる。信号処理器は、２又はそれより多い複数の光路長と関連付けられた参照ビームの、受け取られた複数の部分に基づいて、標的距離の推定を確立するように構成される。代表的な複数の例によると、基準長は、循環光学経路を画定すべく、支持構造に固定された第１反射器および第２反射器を含む。典型的な複数の例において、第１反射器および第２反射器は、ファブリ・ペロー共振器を画定すべく配置され、光路長は、当該第１反射器および当該第２反射器の距離と関連付けられる。
他の複数の実施形態において、支持構造はＵＬＥロッドであり、第１反射器および第２反射器は、当該ＵＬＥロッドの反対する対向端部に置かれる。ある代表的な例によると、ＵＬＥ材料は、１または複数のリチウム・アルミニウムシリコン酸化物セラミックまたは融解石英である。幾つかの実施形態において、ファイバ連結器は、共通光学ビームから測定ビームおよび参照ビームを生成するように構成される。基準長は、当該ファイバ連結器から当該参照ビームを受け取り、循環光学経路からの当該参照ビームを基準検出器へと方向付けるように構成された、入力光ファイバおよび出力光ファイバを含む。
ある特定の例において、共通光学ビームは周波数走査光学ビームであり、信号処理器は、標的から受け取ったプローブビームの一部と、局所発振器ビームとの間における周波数差、および、基準長の２又はそれより多い複数の光路長と関連付けられた参照ビームの、受け取られた複数の部分と関連付けられる少なくとも１つの周波数差、に基づいて標的距離の推定を確立するように構成される。典型的に、気密シールされた容器は、基準長を保持するように構成され、温度コントローラは、当該基準長と関連付けられる温度を選択すべく、当該気密シールされた容器に連結される。幾つかの場合において、基準長は、光ファイバまたは他の屈折媒体の中で画定される。他の複数の実施形態において、基準長は、リング共振器を画定すべく配置された複数の反射面を含む。光路長は、当該複数の反射面の複数の距離と関連付けられる。更なる複数の例において、基準長は、光路長に沿う参照ビームの伝搬が少なくとも１つの反射面上の異なる位置で２つの反射と関連付けられるように置かれる少なくとも１つの反射面を含む。
複数の方法は、光学経路に沿う通過と関連付けられた参照ビーム部分を生成すべく光路長を画定する光学共振器に参照光学ビームを方向付ける段階を含む。当該光路長は、極低熱膨張（ＵＬＥ）支持部の寸法に基づく。参照ビーム部分は、１または複数の光検出器で受け取られ、参照ビーム部分と関連付けられる伝搬長は、受け取られた部分に基づいて推定される。幾つかの例において、複数の参照ビーム部分が生成される。当該複数の参照ビーム部分は、光学経路に沿う複数の対応する通過と関連付けられる。典型的な複数の例において、参照光学ビームは走査周波数光学ビームであり、複数の伝搬長推定は複数の参照ビーム部分間の周波数差に基づく。他の複数の例によると、複数の周波数差は、複数の参照ビーム部分を光検出器へと方向付ける段階、および、複数の参照ビーム部分の干渉と関連付けられる複数のヘテロダイン周波数を得る段階、によって得られる。幾つかの例において、ＵＬＥ支持部はリチウム・アルミニウムシリコン酸化物セラミックである。他の複数の代替案において、走査周波数光学ビームおよび複数の標的距離と関連付けられた周波数掃引の対応が確立される。まだ更なる複数の例において、プローブ光学ビームは標的へと方向付けられており、当該プローブ光学ビームは参照光学ビームの周波数掃引に対応する周波数掃引を有する走査周波数光学ビームである。標的から受け取られるようなプローブ光学ビームと局所発振器光学ビームとの間の差周波数が得られる。プローブ光学ビームと関連付けられる差周波数と、周波数掃引および複数の標的距離の対応と、に基づいて、少なくとも１つの標的距離が推定される。
複数の測定装置は、プローブビームおよび参照ビームを提供すべく連結された測定ビーム源を備える。光学システムは、標的表面にプローブビームの焦点を合わせるべく、少なくとも１つの移動可能光学素子を有する焦点調整光学システムを含む。少なくとも１つの光検出器は、標的表面によって焦点調整光学システムへと戻されるプローブビームの一部、および、焦点調整システムからの参照ビームの一部を受け取るように構成される。幾つかの例において、参照ビームは、焦点調整システムにおいてコリメートビームとして伝搬する。幾つかの例において、焦点調整光学組立体は、焦点調整システムによって戻されたプローブビームの一部、及び、参照ビームが、少なくとも１つの光検出器で受け取られる焦点調整光学組立体の移動可能光学素子を通過する回数を共通して有するように置かれる。代表的な複数の例において、移動可能光学素子は、コーナーキューブのような移動可能再帰反射器である。他の複数の代替案において、焦点調整光学システムは、参照ビーム再帰反射器および参照ビーム反射器を含む。当該参照ビーム再帰反射器は、移動可能再帰反射器から参照ビームを受け取り、再帰反射器を通じて変位された参照ビームを参照ビーム反射器へと方向付けるべく置かれる。当該参照ビーム反射器は、変位された参照ビームを参照ビーム再帰反射器へと戻すよう方向付けるように構成される。幾つかの例によると、測定ビーム源は、プローブビームおよび参照ビームを提供するように構成された光ファイバを含み、焦点調整光学システムは、標的表面によって戻されたプローブビームの一部と参照ビーム再帰反射器からの参照ビームとを当該光ファイバへと伝送するように構成される。更に他の複数の例において、測定ビーム源は、プローブビームおよび参照ビームを提供するように構成された光ファイバを含み、焦点調整光学システムは、標的表面によって戻されたプローブビームの一部と参照ビームとを当該光ファイバへと伝送するように構成される。他の複数の例において、焦点調整システムは、再帰反射器からプローブビームを受け取り、当該プローブビームを当該反射器へと戻すよう方向付けるべく置かれるリターン反射器を含む。光学システムは、当該プローブビームを受け取り、標的距離で当該プローブビームの焦点を合わせるべく置かれたレンズを含む。典型的に、当該レンズは、標的表面によって戻されたプローブビームの一部を光ファイバの中へと方向付けるべく置かれる。幾つかの例において、測定ビームは走査周波数ビームであり、光検出器は、標的距離と関連付けられる差周波数で信号を生成するように構成される。
幾つかの実施形態によると、測定装置は、方位回転ステージと、当該方位回転ステージに固定された俯仰回転ステージとを含む、複合回転ステージを備える。そこで、光学システムは、プローブビームが仰俯角および方位角に基づいて標的表面へと方向付けられるように、当該俯仰ステージに固定される。典型的な複数の実施形態において、信号処理器は、差周波数に基づいて標的距離推定を判断するように構成される。代表的な複数の例において、ビーム分割器は、測定ビームからプローブビームおよび参照ビームを提供するように構成される。幾つかの例において、ビーム分割器は、波面の分割、または、振幅の分割に基づく。ある代表的な例において、ビーム分割器は、測定ビームを受け取り、プローブビームまたは参照ビームの１つを透過すべく置かれたビームスプリッタを含み、当該プローブビームまたは当該参照ビームの少なくとも１つは、当該ビームスプリッタによって焦点調整光学システムへと方向付けられる。幾つかの例において、当該ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、参照ビームが、第１偏光状態でＰＢＳから移動可能光学素子へと連結され、第１偏光状態に垂直な第２偏光状態で移動可能光学素子からＰＢＳへと連結されるように、波長板が置かれる。複数の簡便な例において、第１および第２偏光状態は直線偏光状態であり、少なくとも１つの波長板が、四分の一波長のリターデーションを提供するように構成される。
他の複数の代替案において、ビーム分割器は、プローブビームとして測定ビーム断面の第１部分を選択し、参照ビームとして測定ビーム断面の第２部分を選択するように構成された少なくとも１つの光学面を含む。幾つかの例によると、少なくとも１つの光学面は、測定ビームのプローブビーム部分に対応する表面領域における第１曲率と、測定ビームの参照ビーム部分に対応する表面領域における第２曲率とを有する屈折面である。他の複数の例において、少なくとも１つの光学面は、測定ビームのプローブビーム部分または測定ビームの参照ビーム部分のいずれかを反射すべく置かれた第１反射面領域を含む。幾つかの実施形態において、第１反射面領域は、プローブビームに対する第１ビーム発散と参照ビームに対する第２ビーム発散とを提供すべく置かれ、当該第１ビーム発散および当該第２ビーム発散は異なる。まだ更なる複数の例において、ビーム分割器は、プローブビームとして測定ビーム断面の第１部分を選択し、参照ビームとして測定ビーム断面の第２部分を選択するように構成された、第１光学面および第２光学面を含む。幾つかの実施形態において、第１面は、プローブビーム部分または参照ビーム部分のいずれかと関連し、プローブビーム部分または参照ビーム部分のいずれかを第２面に反射するように構成された反射領域を含む。第２面は、プローブビーム部分および参照ビーム部分が複数の異なるビーム発散と共通の軸に沿って伝搬するように、第１面から受けとったビーム部分を反射すべく置かれた反射面領域を有する。代表的な複数の例によると、第２面は、測定ビームを第１面に透過するように構成された透過領域を含み、光ファイバは測定ビームを第２面に連結すべく置かれる。光ファイバは第２面で置かれたファイバ面を含み、当該ファイバ面は測定ビームを第２面に連結する。
複数の方法は、フォーカス光学組立体を用いてプローブビームの焦点を標的で選択する段階と、標的からフォーカス光学組立体に戻されたプローブビームの一部を受け取る段階とを含む。参照ビームは、フォーカス光学組立体へと方向付けられ、光学組立体から戻される。標的距離は、プローブビームの受け取られた部分と、フォーカス光学組立体から戻された参照ビームとに基づいて推定される。幾つかの例において、焦点調整光学組立体は、焦点調整システムによって戻されたプローブビームの一部と参照ビームとが、焦点調整光学組立体の少なくとも一部を通過する回数を共通して有するように置かれる。代表的な複数の例によると、プローブビームの焦点は、フォーカス組立体の移動可能光学素子を用いて選択される。標的から戻されたプローブビームの一部と参照ビームとは、焦点調整光学組立体の移動可能光学素子を通過する回数を共通して有する。幾つかの実施形態において、移動可能光学素子は、例えばエアーコーナーキューブ又はエアーダハプリズム等の移動可能なコーナーキューブ又はダハプリズムである。幾つかの実施形態において、測定ビームは、プローブビームおよび参照ビームを形成すべく、測定ビーム波面の分割に基づいて分割される。幾つかの例によると、測定ビームは、異なる曲率又は異なる反射性を有する複数の表面領域を備えた光学面へと測定ビームを方向付けることによって分割される。幾つかの例において、測定ビームは、測定ビームの第１断面領域を透過して測定ビーム部分の第２断面領域を反射するように構成された第１面へと測定ビームを方向付けることによって分割される。代表的な複数の実施形態において、標的距離は、標的から戻されるプローブビーム部分と、参照ビームとを検出器で混合し、プローブビーム部分と参照ビームとの間の周波数差を判断することによって推定される。
測定ビームからプローブビーム及び参照ビームを提供するように構成されたビーム分割器は、プローブビームとして測定ビーム断面の第１部分を、参照ビームとして測定ビーム断面の第２部分を、それぞれ選択し、プローブビーム及び参照ビームに対して異なるビーム発散を生成するように構成された少なくとも１つの光学面を備える。幾つかの例において、少なくとも１つの光学面は、測定ビームのプローブビーム部分に対応する表面領域において第１曲率を有し、測定ビームの参照ビーム部分に対応する表面領域において第２曲率を有する屈折面である。他の複数の例において、少なくとも１つの光学面は、測定ビームの第１部分または第２部分のいずれかを反射すべく置かれる第１反射面領域を含む。更に他の複数の例において、第１反射面領域は、プローブビームに対して第１ビーム発散を、参照ビームに対して第２ビーム発散を、それぞれ提供すべく置かれ、第１ビーム発散及び第２ビーム発散は異なる。幾つかの例によると、第１面は、プローブビーム部分または参照ビームのいずれかと関連付けられ、プローブビームまたは参照ビームのいずれかを第２面へと反射するように構成される反射領域を含む。第２面は、プローブビーム及び参照ビームが異なるビーム発散で共通の軸に沿って伝搬すべく、第１面から受け取られるビーム部分を反射すべく置かれた反射面領域を有する。更に複数の例において、第２面は、測定ビームを第１面へと透過するように構成された透過領域を含む。幾つかの例において、光ファイバは、測定ビームを第２面に連結すべく置かれる。
複数のビームポインティングシステムは、第１軸周りの回転を提供するように構成された第１回転ステージと、第１回転ステージに連結され、第１軸に平行でない第２軸周りの回転を提供するように構成された第２回転ステージとを備える。回転自在光学素子は、第２回転ステージに連結され、光学システムは、回転自在光学素子にプローブビームを提供すべく置かれる。幾つかの例において、第１軸が方位軸であって第２軸が俯仰軸であり、又は、第１軸が俯仰軸であって第２軸が方位軸である。代表的な複数の例において、回転自在光学素子は、第２軸に平行な伝搬軸に沿って光学システムからプローブビームを受け取るべく置かれる。幾つかの例によると、回転自在光学素子は、プローブビームが、各々が第１回転ステージおよび第２回転ステージと関連付けられる第１回転角度および第２回転角度に基づいて、標的位置へと方向付けられるように、プローブビームを受け取るべく置かれた平坦な反射面を有する。幾つかの例において、回転自在光学素子はペンタプリズムである。幾つかの実施形態によると、回転自在光学素子は、第１軸に平行な軸に沿って光学システムからプローブビームを受け取るべく置かれる。他の複数の代替案において、光学システムは、第１及び第２回転ステージの複数の回転に対して静止しているべく構成される。他の複数の例において、光学システムは、標的から戻されるプローブビームの一部を受け取るように構成された光検出器を含む。まだ更なる複数の例において、カメラが、標的視野を撮像すべく第１軸周りで回転自在とされるように固定される。
更に他の複数の代替案において、回転自在光学素子が、第２軸に平行な軸に沿って光学システムからプローブビームを受け取るべく置かれる。光ファイバは、測定ビームを光学システムへと伝送すべく光学システムに連結され、光学システムは、測定ビームに基づいてプローブビーム及び参照ビームを生成するように構成される。幾つかの実施形態において、第１回転ステージおよび第２回転ステージは、各々複数のエンコーダを含み、信号処理器は、複数のエンコーダ信号に基づいてプローブビームのポインティング方向を判断すべく複数のエンコーダに連結される。幾つかの例によると、光学システムは、プローブビームの焦点距離を調節すべく平行移動可能な少なくとも１つの光学素子を含む。特定の複数の実施形態において、光学システムはコーナーキューブ及び対物レンズを含み、そこでは、平行移動可能な光学素子が、対物レンズと関連付けられる伝搬距離を異ならせるべく置かれるコーナーキューブである。幾つかの例において、光学システムは、コーナーキューブへと方向付けられる測定ビームの一部に基づいて参照ビームを生成するように構成される。幾つかの簡便な例において、光学システムは、標的から戻されるプローブビームの一部、及び、参照ビームを、光ファイバの中へと連結するように構成される。他の複数の例において、カメラは、第２軸周りで回転自在とされるべく連結され、標的の少なくとも一部を撮像するように構成される。
複数の距離測定システムは、少なくとも２つの反射面を含む走査反射器を備える。光学システムは、光学プローブビームを走査反射器へと方向付けるように構成される。第１回転ステージは、走査反射器に連結され、走査反射器の回転に基づいて、標的に対して光学プローブビームを走査するように構成される。そこでは、光学システムは、走査された光学プローブビームに応じて、標的からの光学リターンビームを受け取るように構成される。幾つかの実施形態によると、光学レシーバは、光学システムから光学リターンビームを受け取るべく置かれ、信号処理器は、光学リターンビームに基づいて、少なくとも１つの標的位置に対して推定標的距離を提供するように構成される。更に他の複数の代替案において、光学プローブビームは、走査反射器から標的への光学プローブビームの伝搬軸に垂直な軸に沿って走査反射器へと方向付けられる。幾つかの例において、走査反射器の２つの反射面は、相互に４５度または１３５度の角度で置かれる。更に他の複数の実施形態において、光ファイバは、光源から光学プローブビームを受け取って、光学プローブビームを光学システムへと方向付け、且つ、標的からリターンビームを受け取るように構成される。
ある特定の例において、光学システムは、光ファイバから光学プローブビームを受け取るべく置かれるコーナーキューブを備える。ビームフォーカス光学系は、コーナーキューブから光学プローブビームを受け取って、標的表面に測定ビームの焦点を合わせるように構成され、コーナーキューブは、選択標的距離でビーム焦点を生成すべく、ビームフォーカス光学系に対して移動可能である。他の複数の例において、第２回転ステージは、光学プローブビームの伝搬方向を標的へと変化させるように構成され、第１回転ステージは、選択ビーム仰俯角を生成すべく置かれ、第２回転ステージは、選択ビーム方位角を生成するように構成される。幾つかの例において、２つの反射面は、例えばペンタプリズムのような固体プリズムの複数の面で画定される。更なる複数の例において、光源は、二次ビームを生成するように構成され、光学システムは、二次ビームおよびリターンプローブビームを光検出器に連結するように構成される。信号処理器は、受け取られたリターン光学ビーム及び二次ビームに基づき、少なくとも１つの標的位置に対して推定標的距離を提供するように構成される。幾つかの例において、少なくとも１つの標的位置に対する推定標的距離は、受け取られたリターン光学ビーム及び二次ビームと関連付けられる差周波数に基づく。
複数のレーザーレーダシステムは、走査周波数光学ビームを提供するように構成された測定ビーム源を備える。光学システムは、走査周波数光学ビームを受け取り、プローブビーム及び参照ビームを生成し、プローブビームの焦点距離を選択し、標的からのプローブビーム部分および参照ビームを検出器に連結すべく連結される。プローブビームポインティングシステムは、俯仰回転ステージおよび方位回転ステージを含み、俯仰回転ステージは方位回転ステージに連結される。回転自在な反射面は、俯仰ステージに連結され、プローブビームを受け取って、プローブビームを選択された標的位置へと方向付けるように構成される。幾つかの例において、プローブビームは、回転の俯仰軸に沿って、又は、回転の方位軸に沿って、回転自在な反射面に連結される。
光学測定装置は、俯仰ステージおよび方位ステージを有するビームポインティングシステムを備える。光学システムは、方位ステージと共に回転自在とされるべく固定される。光学システムは、測定ビームを受け取って、標的領域への伝送用に、測定ビームをプローブビームとして形状付けるように構成される。そこでの標的領域は、ビームポインティングシステムによって確立される仰俯角及び方位角に基づく。光学システムはまた、光ファイバの中で、標的から戻らされたプローブビームの一部を測定ビームの一部と結合し、プローブビームに対する仰俯角を確立すべく置かれた回転自在な反射面を含む。信号処理システムは、結合ビームに基づいて、標的距離の推定を提供するように構成される。幾つかの例において、測定検出器は、結合されたプローブビーム及び測定ビーム部分に連結され、そこでの信号処理システムは、測定検出器に電気的に連結され、測定検出器からの電気信号に基づいて、標的距離の推定を提供するように構成される。他の複数の例によると、測定検出器は、方位ステージと共に回転自在とされるべく、又は、ビームポインティングシステムによって提供される俯仰及び方位回転に対して固定されるべく、固定される。代表的な複数の例において、回転自在な反射面は、平坦なミラーの面、ペンタプリズムのようなプリズムの面、又は、ペンタミラーの面であり、多層誘電体コーティングによって画定され得る。幾つかの例において、第１及び第２測定レーザーは、二波長測定ビームを回転自在な光学システムの光ファイバに提供すべく連結される。
他の複数の例において、基準長は、二波長測定ビームの一部を受け取るべく連結されるファブリ・ペロー共振器を含む。基準検出器は、ファブリ・ペロー共振器に光学的に連結され、基準電気信号を提供すべく信号処理システムに電気的に連結される。そこでの信号処理システムは、基準電気信号に基づいて標的距離の推定を提供するように構成される。典型的な複数の例において、基準電気信号は、ファブリ・ペロー共振器によって画定されるキャビティの複数の通過に対応する複数の信号部分を含む。他の複数の例において、回転自在な光学システムは、プローブビームの焦点を調節するように構成された少なくとも１つの平行移動可能な光学素子を含み、プローブビームの戻される部分と結合される測定ビームの部分は、少なくとも１つの平行移動可能な光学素子を通して連結される。幾つかの例において、測定ビームの部分、及び、プローブビームの戻される部分は、少なくとも１つの平行移動可能な光学素子において対応する複数の光学経路を有するべく、又は、少なくとも１つの平行移動可能な光学素子を通過する回数を共通して有するべく、結合される。幾つかの例によると、少なくとも１つの平行移動可能な光学素子は、コーナーキューブまたはダハプリズムである。
更なる複数の例において、筐体は、基準長を保持するように構成され、温度コントローラは、筐体に熱的に連結され、且つ、筐体の温度を確立するように構成される。他の複数の実施形態において、可視光学ビームが二波長測定ビームと共に、回転自在な光学システムの光ファイバに連結されるように、可視光学ビームを生成するポインティングレーザーが構成される。幾つかの代替案において、回転自在な光学システムの光ファイバは、偏光保持する単一モード光ファイバである。更に他の複数の例において、カメラが、方位ステージと共に回転自在となるべく固定され、プローブビームの伝搬軸に沿って撮像すべく置かれる。
他の複数の実施形態において、測定装置は、結合ビームを入力／出力光ファイバに提供すべく連結される第１及び第２レーザーと、結合ビームの一部を受け取って参照ビームを基準ファイバに連結すべく連結される基準長と、少なくとも基準長を保持するように構成された熱的に制御される筐体とを含む、二波長ファイバ光学系のトランスミッタ及びレシーバシステムを備える。ビーム成形光学システムは、トランスミッタ／レシーバシステムの入力／出力光ファイバから結合ビームを受け取るべく連結される。典型的には、ビーム成形光学システムは、ビームフォーカスレンズ、及び、標的表面に二波長プローブビームの焦点を合わせるように構成された少なくとも１つの平行移動可能な焦点調整光学素子を含む。幾つかの例において、方位ステージは、選択された方位角で二波長プローブビームを標的表面へと方向付けるように構成され、ビーム成形光学システムは、方位ステージの回転軸に沿って二波長プローブビームを方向付けるように構成される。幾つかの代替案によると、回転自在な反射面は、二波長測定ビームを受け取って、選択仰俯角に沿って二波長測定ビームを方向付けるように構成される。幾つかの実施形態において、カメラは、方位ステージの回転軸に沿って標的表面を撮像するように構成される。更なる複数の実施形態において、回転自在な反射面は、二波長プローブビームを受け取って、選択仰俯角に沿って二波長プローブビームを方向付けるように構成される。コールドミラーは、二波長プローブビームを回転自在な反射面へと透過して撮像光放射をカメラへと反射するように構成される。他の複数の場合、俯仰ステージおよび方位ステージは、標的位置を選択するように構成され、ビーム成形光学システムは、選択仰俯角に基づいて回転自在とされるべく固定される。更なる複数の例において、信号処理器は、標的から戻されるプローブビームの複数の部分に基づいて標的距離推定を提供するように構成される。他の複数の例において、ビーム成形光学システムは、結合された局所発振器（ＬＯ）ビームを形成するように構成され、信号処理器は、標的から戻されるプローブビームの複数の部分と結合されたＬＯビームとに基づいて標的距離推定を提供するように構成される。幾つかの例において、ＬＯビームは、標的へ／から戻される複数のプローブビーム部分の、平行移動可能な焦点調整光学素子の中の光学経路に対応する、平行移動可能な焦点調整光学素子の中の光学経路を有するべく形成される。幾つかの場合において、標的距離は、プローブビームとＬＯビームとの間の差周波数に基づいて推定される。典型的な複数の例において、第１検出器および第２検出器は、第１レーザー及び第２レーザーの各々に対応する、戻される複数のプローブビーム部分および複数のＬＯビーム部分を受け取るように構成され、標的距離は、第１検出器および第２検出器で、プローブビームとＬＯビームとの間の複数の差周波数に基づいて推定される。
前述の特徴および他の複数の特徴、並びに、開示される技術の複数の利点は、添付の複数の図面を参照して進む以下の詳細な説明から、更に明らかになるであろう。
測定ビーム用の焦点調整を提供するコーナーキューブへと方向付けられた局所発振器ビームおよび測定ビームを含む、代表的なレーザーレーダの一部の概略図である。 遠隔局所発振器ビームを含む代表的なレーザーレーダシステムの一部の斜視図である。 ファイバ入力に、又は、その近くに置かれ、局所発振器ビームの光学経路の一部として構成された反射面を含む、代表的なレーザーレーダシステムの一部の概略図である。 入力ビーム波面の分割に基づいて、共通入力ビームから局所発振器ビームおよび測定ビームを生成するように構成された光学システムを図示する概略図である。 入力ビーム波面の分割に基づいて、共通入力ビームから局所発振器ビームおよび測定ビームを生成するように構成された光学システムを図示する概略図である。 入力ビーム波面の分割に基づいて、共通入力ビームから局所発振器ビームおよび測定ビームを生成するように構成された光学システムを図示する概略図である。 入力ビーム波面の分割に基づいて、共通入力ビームから局所発振器ビームおよび測定ビームを生成するように構成された光学システムを図示する概略図である。 入力ビーム波面の分割に基づいて、共通入力ビームから局所発振器ビームおよび測定ビームを生成し、傾斜ファイバビーム連結面を用いて複数の望まれない繰返し反射を減少させるように構成された光学システムを図示する概略図である。 入力ビーム波面の分割に基づいて、共通入力ビームから局所発振器ビームおよび測定ビームを生成し、傾斜ファイバビーム連結面を用いて複数の望まれない繰返し反射を減少させるように構成された光学システムを図示する概略図である。 共通入力ビームから測定ビームおよび局所発振器ビームを生成できる傾斜ファイバビーム連結システムを含む、代表的な折り返し光学システムの概略図である。 測定ビームおよび局所発振器ビームを生成できる他の反射屈折光学システムの概略図である。 測定ビームおよび局所発振器ビームを生成できる他の反射屈折光学システムの概略図である。 共通入力ビームから測定ビームおよび局所発振器ビームを生成するように構成されたゼロパワーレンズの概略図である。 入力ビームを測定ビームおよびＬＯビームへと分離すべく、２つの異なる表面曲率を有する複数の部分を設けられた反射面を図示する概略図である。 共通入力ビームから測定ビームおよび局所発振器ビームを生成できる代表的な全屈折（ジオプトリック）光学システムを図示している。 共通入力ビームから測定ビームおよび局所発振器ビームを生成できる代表的な屈折（ジオプトリック）光学素子を図示している。 共通入力ビームから測定ビームおよび局所発振器ビームを生成できる代表的な屈折（ジオプトリック）光学素子を図示している。 共通入力ビームから測定ビームおよび局所発振器ビームを生成できる代表的な屈折（ジオプトリック）光学素子を図示している。 偏光キューブビームスプリッタ（ＰＢＳ）および複数のλ／４位相差板を使用して、共通入力ビームから測定ビームおよび局所発振器ビームを生成できる代表的な光学システムを図示している。 複数の偏光ビームスプリッタおよび複数のリターダを使用して、共通入力ビームから測定ビームおよび局所発振器ビームを生成できる代表的な光学システムを図示している。 複数の偏光ビームスプリッタおよび複数のリターダを使用して、共通入力ビームから測定ビームおよび局所発振器ビームを生成できる代表的な光学システムを図示している。 偏光の複数のビーム状態に基づいて共通入力ビームから測定ビームおよび局所発振器ビームを得る、代表的なレーザーレーダ光学システムの斜視図である。 アップチャープ測定およびＬＯビームと関連し、ダウンチャープ測定およびＬＯビームと関連する、複数のヘテロダインビート周波数を図示している。 アップチャープ測定およびＬＯビームと関連し、ダウンチャープ測定およびＬＯビームと関連する、複数のヘテロダインビート周波数を図示している。 ファブリ・ペロー干渉計構成を使用する代表的な基準長さ標準器の概略図である。 容積が変動しない容器の中での繰返し反射に基づく、代表的な基準長さ標準器の概略図である。 複数の他の基準長さ構成を図示している。 複数の他の基準長さ構成を図示している。 複数のレーザーチャープ率の自動又は手動での変化を可能にするように構成されたレーザーチャープコントローラを含むレーザーレーダのブロック図である。 複数の可変的レーザーチャープ率を使用して、標的に対する範囲を推定する方法のブロック図である。 代表的な走査組立体を備えるレーザーレーダシステムを図示している。 代表的な走査組立体を備えるレーザーレーダシステムを図示している。 代表的な走査組立体を備えるレーザーレーダシステムを図示している。 代表的な走査組立体を備えるレーザーレーダシステムを図示している。 ペンタプリズムスキャナを含めるレーザーレーダシステムの正面図および平面図である。 ペンタプリズムスキャナを含めるレーザーレーダシステムの正面図および平面図である。 例えば図３０Ａから３０Ｂ等のレーザーレーダシステムにおける湾曲参照ミラーに基づく、複数のガタツキ誘発誤差の検出および補正を図示している。 例えば図３０Ａから３０Ｂ等のレーザーレーダシステムにおける湾曲参照ミラーに基づく、複数のガタツキ誘発誤差の検出および補正を図示している。 デュアルレーザ・レーザーレーダシステム用の、光ファイバベースのビーム結合システムの概略図である。 複数の光学サーキュレータおよびポインティングレーザーを含むデュアルレーザ・レーザーレーダシステム用の、光ファイバベースのビーム結合システムの概略図である。 ビームポインティング方向または方向誤差の推定を目的として光学ビームを検出器に連結すべく置かれた部分的透過ミラーを含む、代表的なレーザートラッキングシステムを図示している。 ビームポインティング方向または方向誤差の推定を目的として光学ビームを検出器に連結すべく置かれた部分的透過ミラー、および、光学ビームを伝送および受信すべく置かれた大容量光学システムを含む代表的なレーザートラッキングシステムを図示している。 測定ビームを標的へと方向付け、局所発振器ビームを生成するように構成された部分的透過反射器を含む、代表的なレーザーレーダを図示している。 複数の結合カウンターチャープレーザービームが単一モードファイバでフォーカス及び走査システムに連結されるレーザーレーダシステムを図示している。 単一モード光ファイバが、測定ビームおよびＬＯビームを生成する偏光ベースのビームスプリットシステムにチャープレーザーを連結する、レーザーレーダシステムを図示している。 単一モード光ファイバが、測定ビームおよびＬＯビームを生成する偏光ベースのビームスプリットシステムにチャープレーザーを連結する、レーザーレーダシステムを図示している。ビーム焦点は、コーナーキューブの平行移動によって調節可能である。 標的の隅々まで測定ビームを走査すべく回転自在な折り返しミラーを含む、レーザーレーダシステムを図示している。 標的の隅々まで測定ビームを走査すべく回転自在な折り返しミラーを含む、レーザーレーダシステムを図示している。 マルチビーム・レーザーレーダシステムの概略図である。 代表的な範囲信号処理レシーバを図示している。 開口を備える折り返しミラーを含むレーザーレーダを図示している。 デュアルレーザ測定ビーム、および、２つの遠隔ＬＯビームを生成するように構成された光学組立体の概略図である。 デュアルレーザ測定ビーム、および、２つの遠隔ＬＯビームを生成するように構成された光学組立体の概略図である。 デュアルレーザ測定ビーム、および、２つのＬＯビームを生成するように構成された光学組立体の概略図である。 デュアルレーザ測定ビームを生成し、リターンビームを２つの局所発振器ビームの各々と結合する光ファイバシステムを図示している。 デュアルレーザ測定ビームを生成し、リターンビームを２つの遠隔局所発振器ビームの各々と結合する光ファイバシステムを図示している。 デュアルレーザ測定ビームおよび２つのＬＯビームを受け取り、標的に対して測定ビームを走査するように構成された光学システムの正面図である。 図４８Ａの光学システムの一部の図である。 ＬＯ反射器が走査組立体に固定されている、対応する複数の光ファイバからデュアルレーザ測定ビームおよび少なくとも１つのＬＯビームを受け取るように構成された光学システムを図示している。 第１波長および第２波長で複数の平行測定ビームを生成し、複数の直交偏光における複数の非平行ＬＯビームを生成する、コンパクトな光学システムを図示している概略図である。 第１局所発振器ビームおよび第２局所発振器ビームと、二波長測定ビームとを生成するように構成された、偏光維持ベースのファイバ光学システムの概略図である。 図５１Ａのシステムを使用して、移動標的位置と関連する複数のヘテロダイン周波数を図示している。 例えば上記で開示された複数のシステムを含む、複数の代表的なレーザーレーダ／複数のレーザートラッカを図示している。 例えば上記で開示された複数のシステムを含む、複数の代表的なレーザーレーダ／複数のレーザートラッカを図示している。 例えば上記で開示された複数のシステムを含む、複数の代表的なレーザーレーダ／複数のレーザートラッカを図示している。 振幅変調光学ビームに基づく測定システムのブロック図である。 基板または標的に固定されたツーリングボールをトラッキングする、代表的な方法のブロック図である。 レーザーレーダ、または、複数のコンポーネントを製造し、製造された複数の部分が欠陥であるか許容可能であるかを評価する他のプロファイル測定システムを含む、代表的な製造システムのブロック図である。 製造された複数の構造またはコンポーネントが許容可能であるか否か、１または複数のそのように製造された構造が修復できるか否かを判断するプロファイル測定を含む、代表的な製造方法を図示するブロック図である。
本願および特許請求の範囲で使用されるように、文脈でそうでないことを明らかに規定していない限りにおいて、「ある（a）」、「ある（an）」、「前記（the）」といった単数形は、複数形を含んでいる。更に、「含む（includes）」という用語は「備える（comprises）」を意味する。更に、「連結され（coupled）」という用語は、連結されたアイテム間の中間要素の存在を排除しない。
本明細書で説明される複数のシステム、装置および方法は、多少なりとも限定するものとして解釈されるべきではない。むしろ、本開示は、様々な開示される実施形態の、単体での、及び、互いの様々な組み合わせ、並びに、複数の部分的組み合わせの中での、新規で非自明な全ての特徴及び態様へと方向付けられる。開示される複数のシステム、方法および装置は、如何なる特定の態様又は特徴、或いは、それらの複数の組み合わせにも限定されず、開示される複数のシステム、方法および装置は、１または複数の特定の利点の何れかが存在すること、又は、１または複数の特定の問題の何れかが解決されることを必要としない。動作の複数の理論のいずれも説明を容易化するものであるが、開示される複数のシステム、方法および装置は、そのような動作の複数の理論に限定されない。
幾つかの開示される方法における複数の動作は、簡便な提示を目的として一連の特定の順番で説明されるけれども、当該説明方法は、以下で明らかにされる特定言語によって特定の順序付けが必要とされない限りにおいて、再構成を包含している、ということが理解されるべきである。例えば、順次に説明される複数の動作は、幾つかの場合において再構成され得、又は、同時に実行され得る。更には、簡易化を目的として、添付の複数の図面は、開示される複数のシステム、方法および装置が他の複数のシステム、方法および装置と伴に使用され得る、様々な方法を示していないかもしれない。更に、説明は時々、開示される複数の方法を説明すべく、「生成」及び「提供」等の複数の用語を使用する。これら用語は、実行される複数の実際の動作の、複数の高度な抽象概念である。これらの用語に対応する複数の実際の動作は、具体的な実施形態に応じて異なるであろう。そして、それらは当業者によって容易に認識され得る。
以下の説明においては便宜上、「光」および「光放射」という複数の用語は、３００ｎｍから１０μｍの波長範囲で伝搬する電磁放射について言及しているが、他の複数の波長が使用され得る。そのような放射は、プロファイルされ、検出され、そうでなければ調べられる、１または複数の標的へと方向付けられ得る。この放射は、本明細書において、典型的には例えばレーザーダイオードのようなレーザーによって生成される光放射に基づく、１または複数の「ビーム」における伝搬として言及される。本願で使用されるように、複数のビームはコリメートされる必要はなく、導波路の中を伝搬する放射もビームと呼ばれる。複数のビームは、１または複数のレーザー横モードと関連付けられる空間範囲を有し得、実質的にコリメートされ得る。複数の光ファイバ又は他の複数の光学導波路、及び、複数のコヒーレントレーザー源が容易に利用できる複数の波長は、簡便である。幾つかの例において、１５５０ｎｍ辺りの複数の波長の複数のレーザーダイオードが使用される。
便宜上、複数のビームが、１または複数の軸に沿って伝搬するものとして説明される。そのような複数の軸は概して、軸が曲げられ又は折り返され、そうでなければ、ミラー、プリズム、レンズおよび他の複数の光学素子に対して反応するので、軸が多数の非共線セグメントを含むように、１または複数のラインセグメントに基づく。「レンズ」という用語は、本明細書で、１または複数の一重線、二重線、又は、他の複数の複合レンズを含む、単一の屈折光学素子（一重線）または複合レンズについて言及すべく使用される。幾つかの例において、複数のビームは、複数の屈折光学素子によって形付けられ又は方向付けられるが、他の複数の例において、例えば複数のミラーのような複数の反射光学素子が使用され、又は、屈折要素及び反射要素の複数の組み合わせが使用される。そのような複数の光学システムは、各々、屈折、反射および反射屈折と呼ばれ得る。屈折、反射、回折、ホログラフィック、及び、他の複数の光学素子の他の複数のタイプが、簡便であり得るように使用され得る。幾つかの例において、例えば複数のキューブビームスプリッタのような複数のビームスプリッタが、入力ビームを透過ビーム及び反射ビームへと分離すべく使用される。これらのビームのいずれかが、簡便であり得る複数のコヒーレントな検出システムにおいて、測定ビームまたは局所発振器ビームとして機能すべく配置され得る。複数のビームスプリッタはまた、複数のファイバ連結器としても提供され得、複数の偏光ビームスプリッタが幾つかの実施形態において好適とされる。
開示される複数の例において、複数のレーザーレーダシステムはプローブビーム又は測定ビームを、多角形、閉じたカーブの複数の部分、ラスタ、ｗパターン、又は、他のパターンであり得る走査経路の隅々まで走査するように構成され、走査は周期的又は非周期的であり得る。標的へと方向付けられる測定ビームまたはプローブビームに応じて、リターンビームが、標的での反射、散乱、回折、屈折、又は、他のプロセスに基づいて得られる。リターンビームの評価は、複数の標的特性の推定を可能とする。以下の複数の例は、例えば、面へと方向付けられてレシーバへと戻される光学ビームの複数の部分に基づいて、面のトポグラフィーの推定を提供するように構成されたレーザーレーダに対して提供される。開示される複数の方法および装置はまた、複数のレーザートラッカシステムの中に組み込れ得る。
本明細書で使用されるように、極低熱膨張（ＵＬＥ）材料は、約５、０．５、０．２、０．０５、０．０２、０．０１０又は０．００７未満の熱膨張係数（10-6/°C単位）を有する材料である。幾つかのＵＬＥ材料は、例えばゼロデュア（ZERODUR）ガラスセラミックおよび融解石英などのリチウム・アルミニウムシリコン酸化物ガラスセラミックを含む。
本明細書で使用されるように、循環光学経路は、光学ビームが、１回又はそれより多く、或いは、複数回、複数の光学面へと方向付けられるべく、複数の反射又は屈折光学面によって画定される光学経路である。幾つかの例において、光学ビームは、例えばファブリ・ペロー共振器又はリング共振器によって画定される光学経路などの共通光路に沿って複数回伝搬する。他の例において、光学ビームは、ミラー面上で楕円形経路を追跡すべく２つのミラーシステムによって反射され、光学ビームは各通路において異なる複数の経路を辿ることができる。そのような複数のシステムは、Herriott and Schulte, "Folded Optical Delay Lines," Applied Optics 4:883-889 (1965)の中で説明され、これは参照により本明細書に組み込まれている。以下で開示される複数の例において、そのような複数の循環光学経路は、複数の反射面を使用して画定されるが、複数の屈折光学素子も使用され得る。
本明細書で説明される幾つかの例において、測定光学ビームは、標的へと方向付けられるプローブビーム、及び、基準長へと方向付けられることによってキャリブレーション用に使用され得、又は、局所発振器ビームとして機能し得、及び、プローブビームとの組み合わせでヘテロダイン検出および標的距離推定用に使用され得る参照ビームへと分割される。他の複数の例において、標的へと方向付けられるビームは、測定ビームと呼ばれる。開示される複数の例において、１または複数の光学ビームの複数の部分は、標的または複数の検出器へと方向付けられ、又は、１か所から１または複数の行先へと伝達される。本明細書で使用されるように、ビーム部分は、光学ビーム全体を含む、光学ビームの任意の小部分について言及する。
幾つかの例において、複数の回転は、複数の方位角及び複数の仰俯角を参照して説明される。そのような複数の角度が典型的に鉛直軸および水平軸に対して画定される一方で、本明細書で使用されるように、鉛直軸及び水平軸で方向付けることは必要とされない。典型的に、複数のシステムは、標準的な方向を使用しているものと仮定して、そのような複数の角度を参照して説明される。図説の便宜上、複数のコーナーキューブは、複数のダハプリズムとして、幾つかの図面で示されている。
走査周波数レーザーレーダ
以下において、複数のレーザーレーダシステムの様々な構成及び態様が開示される。開示される複数のシステム、システムコンポーネント、モジュールおよび関連付けられる方法が、様々なレーザーレーダシステムにおいて使用され得る。典型的な複数の例において、複数のいわゆる走査周波数レーザーレーダシステムが提供される。典型的な複数のコヒーレントレーダーシステムは概して、１または複数のレーザーダイオード光源を使用する。レーザーダイオード周波数は、レーザーダイオードの注入電流を変調することによって、又は、レーザーダイオードの温度を変調することによって、或いは、幾つかの他の方法で、直接変調される。レーザー周波数は概して、線形周波数掃引または線形「チャープ」を生成すべく、波形と共に変調される。従って、レーザー周波数f(t)は、時間ｔの関数として以下の数式１で表わされ得る。
Figure 0006916981
 ここで、f0はレーザー初期周波数で、β=Δf/Δtはレーザー周波数変化のレートである。複数の線形走査は要求されず、時間の関数としての任意のレーザー周波数変動は、多項式又は他の複数の関数に基づく、理論上有用な、複数の段階的周波数変動、若しくは、複数の他の非連続的周波数変動等、又は、複数の連続的変動であるが、複数の線形チャープは概して、より簡便で実用的である。周波数変調（ＦＭ）測定ビームは標的に焦点を合せられ、ビームの一部は、散乱され、反射され、又は、屈折され、そうでなければレシーバ光学系によって収集されるべく方向付けられる。局所発振器ビーム（「ＬＯビーム」）は概して、測定ビームを生成すべく使用される同一のレーザービームの一部として得られる。標的へ／からの測定ビーム伝搬と関連付けられる往復通過時間は、測定ビームの戻される部分（リターンビーム）と局所発振器との間の周波数差をもたらす。この周波数差は、標的距離を判断すべく使用され得る。リターンビームおよびＬＯは、複数の和及び差周波数信号を生成すべく、例えばＰＩＮフォトダイオード（典型的には二乗検波器と呼ばれる。）のような検出器へと方向付けられる。和周波数（１．５μｍ測定ビームに対して数百ＴＨｚ）は、利用できる検出器の帯域幅を超えているが、リターン及びＬＯビームは、検出器帯域幅内の差周波数Δｆ（ヘテロダイン周波数）も生成する。標的位置への距離Ｒは、R=cΔf/2βで算出され得る。ここで、Δｆはリターンビームと関連付けられるヘテロダイン周波数であり、βはチャープ率であり、ｃは光速である。ヘテロダイン周波数生成は、ＬＯ及びリターンビームが直交方向に偏光されないことも必要とするが、範囲は複数の振幅ではなく複数の周波数差に基づいて判断されるので、複数の偏光影響は概してレーザーレーダ性能を低下させない。
複数の範囲測定の精度がレーザー周波数変調の線形性によって限定され得るので、複数の成功したレーザーレーダシステムはレーザー周波数を精密に制御または測定する。例えば、もし標的が距離１メートルであるならば、１０００分の１の線形性が１ｍｍの精度を保証するのに必要である。従って、ＦＭレーザーレーダ用の複数のレーザー源は、より高い複数の線形チャープを提供するように構成され、線形性からの複数の変動が検出及び補償される。幾つかの場合において、複数の範囲測定は、数ミクロン範囲における複数の精度を有し得る。
複数のＦＭレーザーレーダシステムは、周囲の複数の照明状態、及び、面反射性の複数の変化の影響を大きく受けない。なぜならば、信号検出は、信号振幅に依存しないで、且つ、迷光放射による影響を受けない、ヘテロダインビート周波数に基づくからである。従って、リターンビーム、測定ビームまたはＬＯビームにおける振幅変動または強度変化は、複数の範囲測定に対して殆ど影響を有さない傾向にある。更に、コヒーレントヘテロダイン検出が、ショット雑音限界への複数の光学信号をうまく検出できるので、複数のＦＭコヒーレントレーザーレーダは、９桁のダイナミックレンジに対応するリターンビームパワーの１ピコワットと同じくらい小さい大きさで、信頼できる複数の測定を行うことができる。
代表的な光ファイバベースのレーザーレーダが、図５１Ａで図示される。図５１Ａで示されるように、複数の偏光保持ファイバが、ビーム連結及び伝送に対して使用されるが、他の複数の例において、自由空間伝搬、複数の面導波路、又は、他の複数の光学システムが使用され得る。レーザー走査コントローラ５１０２は、光ファイバ５１０８、５１１０に各々連結される複数のチャープレーザービームを生成すべく、第１レーザーダイオード５１０４及び第２レーザーダイオード５１０６に連結される。３×２ファイバ連結器５１１２は、これらのビームを受け取って、各ビームの複数の部分を測定経路光ファイバ５１１４および基準経路光ファイバ５１１６に連結する。二波長ビームは、光ファイバ５１１４によって、反射器５１２２およびビーム成形レンズ５１２４を含むレーザーレーダ光学システム５１２０へと伝送される。走査ステージ５１３０は、測定ビーム５１３２を標的５１３４へと方向付けるべく、方位回転及び俯仰回転を提供するように構成される。測定ビーム５１３２の複数の部分は、標的５１３４によって戻されて、光ファイバ５１１４の中へと連結される。反射器５１２２は、レーザーダイオード５１０４、５１０６の各々と関連付けられる複数の局所発振器ビームを生成すべく、光ファイバ５１１４からの複数の結合ビームの一部を光ファイバ５１１４の中へと戻すように反射する。
標的範囲を判断すべく、リターンビームおよび複数の局所発振器ビームは、コンバイナ５１１２へと伝搬し、これらの結合ビームの一部は少なくとも１つの測定光検出器５１４０へと方向付けられる。複数のレーザーダイオードの両方と関連付けられる複数のヘテロダイン周波数が生成され、信号処理器５１４２は、複数のヘテロダイン周波数および複数のレーザーチャープ率に基づいて複数の範囲推定を判断する。
長さ基準５１５６に連結されるファイバ５１５４に複数のビーム部分を順に連結する２×２ファイバ連結器５１５０へと、光ファイバ５１１６の中で伝搬する複数のレーザービームの複数の部分に基づいて、範囲キャリブレーションが提供され得る。連結器５１５０はまた、ファイバ端部５１６０での複数の結合ビームの反射に基づいて複数の局所発振器ビームを生成すべく、複数のビーム部分をファイバ５１５８へと方向付ける。長さ基準と関連付けられる複数のビームは、基準光検出器５１６２で複数の局所発振器ビームと結合される。長さ基準と関連付けられる複数のヘテロダイン周波数が生成され、キャリブレーションで使用すべく、信号処理器５１４２によって検出される。例えば、もし長さ基準が長さＬを有してヘテロダイン周波数差Δｆを生成するならば、範囲目盛係数RLはRL=L/Δfとして得ることができる。標的範囲は次に、R=RLΔfmとして算出され得る。
複数の参考基準は、精密な長さを有し、周囲の湿度と関連付けられる複数の長さ変化を防止すべく、金属コーティング又は他のコーティングでコーティングされている、複数の光ファイバに基づき得る。典型的な複数の基準長は約１ｍから約５ｍの範囲である。複数の温度依存長さ変化は、温度制御され、気密シールされた容器の中でファイバを保持することによって、又は、温度依存長さ変化を推定すべく温度をモニタすることによって、制御され得る。そのような容器は、アルミニウムまたは銅から作られ得、複数のファイバ入出力は、金属でコーティングされ、容器に半田付けされて容器の壁を貫通する。Ｏリングシールは、シールを完全にすべく、その蓋の中に組み込まれ得る。シールは、容器を溶接または半田付けすることによっても達成され得る。更に、容器は、ファイバに湿度の無い環境を提供すべく、乾燥した不活性ガスで埋め戻され得る。基準ファイバは、複数の湿度誘発変化を低減すべく、ポリイミド層およびシールコートでオーバーコーティングされ得る。複数のシールコーティングは、金のような複数の金属を含み得、又は、カーボンのような複数の不活性材料製であり得る。繰返し反射に基づく他の代表的な複数の参考基準は、以下の複数の例で説明される。
コントローラ５１２８は、複数の標的領域を覆う範囲のアセスメントを可能とすべく、走査コントローラ５１０２、信号処理器５１４２および走査ステージ５１３０に連結される。走査ステージ５１３０は、ラスタ、ｗパターン、渦線、又は、他の選択されたパターンで走査するように構成され得る。更に、コントローラ５１２８は、複数のコンポーネント温度を測定及び制御するだけでなく、標的範囲に基づいて複数のレーザーダイオード走査レートを選択および／または異ならせるべく使用され得るが、複数の温度センサ及び制御は図５１Ａでは不図示としてある。典型的には、複数の光アイソレータは、レーザー動作における複数の望まれない変化を生成し得る複数の望まれない後方反射を減少又は除去すべく、様々な位置で挿入されるが、図説の便宜上、複数の光アイソレータは図５１Ａでは不図示としてある。複数のレーザービーム波長は、簡便に選択され得、約１０００ｎｍと１６００ｎｍとの間の複数の波長が典型的である。測定位置の視覚識別を可能とすべく可視ビームも含まれ得るが、図５１Ａでは不図示としてある。
図５１Ｂは、異なる複数のチャープ率を有するべく変調される第１及び第２レーザーダイオードから移動する任意の標的位置から戻される、複数の測定ビーム部分の複数の線形周波数変調（複数のチャープ）を描いている。複数の局所発振器ビームと関連付けられる複数のチャープも示されている。各レーザーダイオードと関連付けられるヘテロダイン周波数f1、 f2が示されている。各レーザーに対する複数のアップ及びダウンチャープ周波数差は、以下の数式２となるようにドップラーシフト寄与率fdを含む。
Figure 0006916981
 これらの差周波数に基づいて、標的速度および標的範囲が推定され得る。典型的には、複数のヘテロダイン周波数は、１MHzと１００MHzとの間となるべく選択されるが、他の複数の周波数が使用され得る。
もし標的表面が複数の測定ビームに対して移動しているならば、複数のレーザー周波数掃き上げに対応する複数のヘテロダイン周波数は、ドップラー周波数シフトに起因する複数の周波数掃き下げに対応する複数のヘテロダイン周波数と異なるであろう。複数の掃き上げと掃き下げとの間の複数の周波数差の測定によって、標的範囲と同様に標的速度の推定が可能とされる。複数の測定ビーム周波数より大きく、且つ、それより小さい複数の局所発振器周波数を含む、複数の周波数掃引の任意の構成が使用され得る。そのような複数の判断に関する他の複数の詳細は、RezkおよびSlotwinskiによる米国特許出願公開第2011/0205523号明細書で理解され得、これは参照により本明細書に組み込まれている。
レーザーレーダベース範囲ファインディング、レーザーレーダ及びレーザートラッキングのための複数の方法、コンポーネント、システムおよびサブシステムの多数の例が、以下で説明される。これらの例は、様々な例示的レーザーレーダシステムを形成すべく互いに結合され得るが、これらの例は、本開示の範囲を制限すべく使用されるのではない。
複数の遠隔局所発振器
上記で議論されたように、複数のコヒーレントレーザーレーダシステムは概して、プローブビームを標的へと方向付け、標的から戻される放射を、局所発振器信号と呼ばれる基準光学信号と混合する。戻される放射は次に、いわゆるコヒーレントな検出を使用する、戻される放射と局所発振器との間における干渉を使用して、検出される。幾つかの場合において、次に、戻される放射および局所発振器は共通の周波数を有し、コヒーレントな検出は、ホモダイン検出法と呼ばれる。大抵の実用的な複数の適用例において、プローブビームおよび局所発振器信号は異なる複数の周波数であり、コヒーレントな検出はヘテロダイン検出と呼ばれる。ヘテロダイン検出において、複数のプローブ及び局所発振器信号の和及び差と関連付けられる複数の信号が生成される。和周波数（５００ＴＨｚまたはそれより高い）と関連付けられる非常に高い複数の周波数に起因して、差周波数だけが概して検出されて処理される。
もしプローブビームとの共通路に沿って伝搬しない局所発振器が提供されるならば、測定光路と局所発振器光学経路との間の複数のドリフトに起因して、複数の範囲誤差が導入され得る。これらのドリフトは幾つかの場合において補償され得る一方で、本明細書で開示されるのは、プローブビーム経路及び局所発振器経路での複数の変動が同様となる傾向になるように、且つ、互いにオフセットできるように、プローブビームとの更なる共通路を提供する複数の局所発振器構成である。これによって、温度、振動圧力、湿度又は他の複数の環境的影響に起因する複数の誤差が低減され又は除去される。二波長測定ビームを、共通する光ファイバに対するペンタミラーのような走査光学系に伝送する複数のファイバ光学系システムもまた、複数の環境的影響への任意の依存性を低減する。従って、開示される複数のシステムは、レーザーレーダの移動する複数の部分へのファイバビーム伝送に十分適用される、すなわち、複数のファイバは、測定誤差を導入せずに、複数の回転ステージまたは他の移動する複数の部分に取り付けられる複数の光学システムへと複数のビームを伝送できる。
以下で説明される代表的な複数の例において、波面の分割、又は、振幅の分割の複数のアプローチは、単一の入力ビームから測定ビーム及びＬＯビームを形成すべく使用される。幾つかの例において、入力ビームは、入力ビームの一部を第１面へと戻すように反射する反射屈折光学システムの第２面へと、反射屈折光学システムの第１面を通して方向付けられる。第１及び第２面は典型的に、反射せずに透過によって第１ビームを生成し、且つ、第２面を通る透過の前に第１及び第２面による反射に基づいて第２ビームを生成すべく、複数の反射及び透過領域を有する。第１及び第２面は、空気離間され得、又は、固体反射屈折光学素子上の複数の面として提供され得る。第１及び第２ビームの複数の発散は、複数の表面曲率、複数の離間、及び、複数の屈折率に基づいて選択され得る。便宜上、第１及び第２ビームのより多く発散するビームは典型的に測定ビームと呼ばれ、より少なく発散するビーム（典型的にはコリメートされる）はＬＯビームと呼ばれる。第２面上の反射領域は、中央領域とされ得、又は、面周辺に置かれ得る。幾つかの構成において、波源位置は典型的に、光学システムによって、例えば標的上のビーム焦点を調節すべく使用される焦点調整コーナーキューブの近く又はそこから離れている等の異なる位置に中継される。より近くにある複数の波源位置は典型的に、より小さな複数の焦点調整コーナーキューブの使用を可能とするが、その一方で、より離れている複数の波源位置は、複数のコーナーキューブ表面からの任意のゴースト反射の大きさを低減する傾向にある。複数の入力ファイバは、複数の反射を低減すべく複数のファイバ出力面で整合されるインデックスであり得、又は、複数のファイバ出力面はファイバによって画定される伝搬軸に対して傾けられ得る。幾つかの例において、ＬＯビーム、測定ビーム、又は、その両方が折り返し経路に沿って方向付けられる複数の折り返し光学システムが使用される。複数のミラー、複数のプリズム、又は、他の複数の反射光学素子が、簡便であり得る経路を折り返すべく使用され得る。
遠隔局所発振器：例１
図１を参照すると、レーザーレーダシステム１００は、例えば走査周波数レーザーのような光源に連結され、チャープ光学ビームをビームスプリッタ組立体１０４に方向付ける光ファイバ１０２を含む。レンズ１０６は、光ファイバ１０２から光学ビームを受け取り、ビームスプリッタ１０８へと方向付けられるコリメートビームを生成すべく置かれる。ビームスプリッタ１０８は、測定ビーム路に沿って、光学ビームの測定部分を、光学フィルタ又は波長板１１０、及び、他のビーム成形レンズ１１２へと方向付ける、部分的反射面１０９を含む。幾つかの例において、ビームスプリッタ１０８は偏光ビームスプリッタであるが、非偏光ビームスプリッタも同様に使用され得る。示されるように、ミラー１１４は、測定ビーム１１６を焦点調整コーナーキューブ１２０へと方向付けるべく置かれる。測定ビームは、リターン反射器１１９によって反射されて焦点調整コーナーキューブ１２０の中へと戻るべく、コーナーキューブ１２０によって反射される。焦点調整コーナーキューブ１２０を出る際に、測定ビームは、標的へと方向付けられる光学ビーム１１７を形成するレンズ１１５によって形付けられ又はフォーカスされる。図１における明確性を目的として、コーナーキューブ内の測定ビーム路は不図示としてあるが、リターン反射器は概して、測定ビームが遮られないように、測定ビーム伝搬軸から変位される。１または複数の平行移動ステージ（図１において不図示）を用いてレンズ１１５からコーナーキューブ１２０を変位させることによって、測定ビームを選択標的距離でフォーカスできる。標的から戻された測定ビームの複数の部分（「リターンビーム」）は、測定ビームと反対方向で伝搬し、リターンビームが検出器１３４によって受け取られるべく、ビームスプリッタ１０８によって、１または複数のフィルタ又は波長板１３０、及び、検出器焦点レンズ１３２へと送られる。
ビームスプリッタ１０８の部分的反射面１０９は、局所発振器部分（ＬＯビーム）を、光学フィルタ又は波長板１１８、そして焦点調整コーナーキューブ１２０へと送る。ＬＯビームは、焦点調整コーナーキューブ１２０によって、経路１２５に沿って、ＬＯ反射コーナーキューブ１２２へと方向付けられる。ＬＯコーナーキューブ１２２は、ＬＯビームが焦点調整コーナーキューブ１２０へと戻され、経路１２５から変位された平行な経路１２７に沿って伝搬するように置かれる。他の複数の例において、ダハプリズムが、コーナーキューブの代わりに、ＬＯビームを反射してシフトすべく使用される。ＬＯビームは次に、焦点調整コーナーキューブ１２０を出て、ビームスプリッタ１０８に戻るべく、経路１２７、１２５に沿ってＬＯビームを再方向付けする再帰反射器１２４に入射する。ビームスプリッタ１０８は、ＬＯビームの少なくとも一部を検出器１３４に入射させるべく反射する。従って、ヘテロダイン信号を得られるように、測定ビームおよびＬＯビームの両方の複数の部分が検出器によって受け取られる。
図１で示されるように、ＬＯビームは、測定ビーム路から変位された平行な光学経路に沿って、コーナーキューブを４回通るように伝搬する。測定ビームは、標的へと方向付けられる前に、焦点調整コーナーキューブ１２０を２回通過するように伝搬する。標的からのリターンビームは、測定ビーム路を逆に辿り、従って、焦点調整コーナーキューブ１２０によって生成される何れの光路差もＬＯビームおよび測定／リターンビームの両方に対して略同一となるように、焦点調整コーナーキューブ１２０を更に２回通過する。
図１の焦点調整コーナーキューブ１２０はＬＯビームを提供する場合にも使用されるけれども、焦点調整コーナーキューブ１２０のサイズは、ＬＯビーム路の位置に応じてＬＯ光学系を収容すべく大きくなる必要は無い。図１の例において、コーナーキューブ１２０、１２２の複数の入口／出口面、及び、他の複数の光学面は、距離決定を複雑化し得る望まれない複数の反射を生成し得る。そのような各反射は典型的に、範囲推定を判断する場合に使用され得る（意図的又は偶発的のいずれか）、二次ＬＯビームまたは「ゴースト」ＬＯビームを生成する。これら複数の面反射の複数の位置は既知であるので、一次ＬＯビーム、又は、１または複数の二次「ゴースト」ビームに基づく複数の測定を、複数の範囲推定を生成すべく結合できる。しかしながら、大抵の実施例において、複数のゴースト反射は、より簡易な距離決定を可能とすべく回避される。そのような複数の反射の大きさを減少すべく、幾つか又は全ての面に、適切な複数の反射防止コーティングを設けることができる。代替的に、例えば複数のくさび形の光学素子を設けることによって、複数の面を局所発振器ビームに対して傾けることができる。他の複数の例において、そのような複数の面を回避すべく、複数の中空光学素子が使用され得る。例えば、中空コーナーキューブを３つの第１面ミラーから形成できる。そのような中空コーナーキューブは、望まれない繰返し反射と関連する複数の面が無い。
遠隔局所発振器：例２
図２を参照すると、レーザーレーダシステムは、チャープレーザービーム２０６をコリメートレンズ２０８およびビームスプリッタキューブ２１０へと伝送するように構成された出口面２０４を有する光ファイバ２０２を含む。チャープレーザービーム２０６のＬＯ部分は、ミラー２１２Ａ、２１２Ｂへと反射され、次に焦点調整コーナーキューブ２２０へと反射される。焦点調整コーナーキューブ２２０は概して、チャープレーザービームの測定部分に対して焦点調整を提供すべく平行移動可能となるように構成されるが、複数の平行移動メカニズムは図２において不図示である。ＬＯビームは、経路２２１に沿って、コーナーキューブ２２０を通り、ＬＯ直角プリズム２２２へと伝搬し、再帰反射器２２４へと伝搬する。ＬＯ直角プリズム２２２は、ダハプリズムとして機能すべく置かれる。なぜならば、そのプリズム斜辺は入口／出口面として使用され、複数の直角面はＬＯビームを反射すべく機能するからである。例えば複数のダハプリズムのような他の複数のプリズムが使用され得る。再帰反射器２２４は、ＬＯビームを、経路２２１に沿って直角プリズムの組２１２Ａ、２１２Ｂへと戻し、ビームスプリッタキューブ２１０へと戻す。図２で示されるように、ビームスプリッタキューブ２１０は、検出器（不図示）へと連結され得る光ファイバ２３２へとＬＯビームを方向付けるフォーカスレンズ２３１に向けて、ＬＯビーム又はその一部を送る。
チャープレーザービーム２０６の測定部分（測定ビーム）は、ビームスプリッタキューブ２１０によって透過され、リターン反射器２３０への測定ビーム路に沿って測定ビームを焦点調整コーナーキューブ２２０へと方向付けるミラー２２５で、又はその近くで発散ビームを形成すべく、レンズ２２７によってフォーカスされる。測定ビーム路はＬＯビーム路２２１からオフセットされているが、明確性を目的として図２では示されていない。リターン反射器２３０による反射の後、測定ビームは、測定ビーム路に沿って反射され、ミラー２２５に向けて戻される。測定ビームは発散しているので、ミラー２２５は測定ビームを殆ど遮らない。測定ビームは、標的表面に測定ビームを形状付ける又はその焦点を合わせる対物レンズ（不図示）に入射する。標的からのリターンビームは、ビームスプリッタキューブ２１０が、リターンビーム（及びＬＯビーム）を光ファイバ２３２へと方向付けるフォーカスレンズ２３１へと測定ビームを反射するように、測定ビーム路を逆に辿る。
図２で示されるように、ＬＯビームおよび測定ビーム／リターンビームは、焦点調整コーナーキューブ２２０の中で、変位された平行な複数の経路に沿って伝搬する。焦点調整コーナーキューブ２２０の中での全経路長は、ＬＯビームおよび測定ビーム／リターンビームに対して略同一である。測定ビーム及びリターンビームが各々発散及び収束している一方で、ＬＯビームは、焦点調整コーナーキューブ２２０の中でコリメートビームとして伝搬する。
遠隔局所発振器：例３
幾つかの例において、測定ビーム部分およびＬＯビーム部分は、相互に僅かな角度をもって伝搬するように構成される。図３を参照すると、レーザーレーダ用の光学システム３００の一部は、支持基板３１４によって保持されるフェルール３０４を通って延びる光ファイバ３０２を含む。光ファイバ３０２は、軸３０１に沿って測定ビーム部分３０６を伝導するフレネルゾーンプレート３０５又は他の光学素子へと方向付けられるファイバ末端面３０３から、チャープ光学ビームを放射する。測定ビーム３０６は典型的に、光ファイバ３０２の開口数に対応するビーム発散を保持する。ＬＯビーム部分は、軸３０１に対してある角度を有する軸３０８に沿って伝搬すべく、ゾーンプレート３０５によってコリメートされる。ＬＯビームは、焦点調整コーナーキューブ３２０によって、フレネルゾーンプレート３０５に向けるが軸３０１、３０８に対してある角度を有する軸３０９に沿ってＬＯビームを戻す反射面３１６に連結される。ＬＯビームは、ゾーンプレート３０５によって、ファイバ末端面３０３から変位されているがファイバ末端面３０３の放射領域と約または正確に同一平面上の位置に焦点を合わされる。幾つかの例において、ＬＯビームは、軸３１０に沿ってＬＯビームを反射する研磨されたフェルール面３３０上にフォーカスされる。ＬＯビームは次に、焦点調整コーナーキューブ３２０を通って反射面３１６へと戻るように伝搬し、ゾーンプレート３０５によってＬＯビームがフォーカスされてファイバ３０２の中へと戻るように、軸３１１に沿って戻る。ゾーンプレート３０５は、末端面３０３のイメージを末端面３０３上へと再適用する。末端面３０３はゾーンプレート３０５の焦点に又はその近くに置かれるので、ＬＯビームが軸３０８、３０９、３１０、３１１に沿って伝搬した結果、ＬＯビームは光ファイバ３０２の中へと再び焦点を合わされる。
測定ビーム３０６は発散し、コーナーキューブ３２０によってリターン反射器へと方向付けられ、そして、コーナーキューブ３２０によって、標的に測定ビームの焦点を合せる対物レンズへと戻るように方向付けられる。リターンビームは、この経路を逆に辿り、光ファイバ３０２の中へとＬＯビームと共に連結される。図３を簡略化すべく、測定ビーム路、リターン反射器および対物レンズは不図示としている。図説の便宜上、測定ビームの発散、及び、軸３０１に対するＬＯ伝搬軸の相対的な傾きが誇張されている。複数の反射防止コーティングを用いて、コーナーキューブ表面での繰返し反射を低減できる。傾斜研磨コネクタライズ（ＡＰＣ：angle polished connectorized）ファイバを使用して、ファイバ３０２の末端面３０３での必要とされない複数の反射と関連する複数の影響を低減できる。
遠隔局所発振器：例４‐測定ビーム／ＬＯビーム生成
コリメートビーム部分（典型的にはＬＯビームとして使用される）、及び、発散ビーム部分（典型的には測定ビームとして使用される）は、複数の例が以下で図説される様々な光学配置を用いて、得られる。そのような複数の光学システムは、簡便であり得るビーム振幅または波面の分割に基づき得る。幾つかの例において、複数の光ファイバは、分割しようとするビームを、測定ビーム及びＬＯビームの中へと供給すべく使用される。ファイバ末端面からの複数の反射を低減すべく、湾曲面又は傾斜面が使用され得、又は、おおよその屈折率整合を提供すべく選択され得る光学接着剤を用いてファイバ末端面が固定され得る。幾つかの例において、ファイバは第１面に固められ、ＬＯ及び測定ビームは、第１面及び第２面での反射及び透過の組み合わせを使用して形成される。ビームのコリメーション又は発散は、複数の表面曲率及び距離に基づいて提供され得る。
複数の波面連結ファイバ構成の反射分割
図４から７の複数の例において、ファイバは、典型的には複数のファイバ末端面反射を低減させる光学接着剤を用いて、反射屈折素子又は他の光学素子に連結される。図４を参照すると、光ファイバ４０２は、光学ガラス、溶融シリカ、又は、他の透過光学材料から形成される二重凸レンズ４０５の第１面４０３上で画定される、透過開口４０４によって透過される光学ビームを放射するように構成される。光ファイバ４０２は、第１面４０３に対して固められ得る。光学ビームの一部は、レンズ４０５の第２面４０８上で画定される中央反射領域４１０によって、第１面４０３上の外側反射領域４０６へと反射される。反射領域４０６は、ビーム４１２が形成されるように、反射されたビームを第２面４０８の外側透過部４０９へと方向付ける。入力光学ビームの一部は、発散ビーム４１４を形成すべく、第２面の外側透過部４０８によって、内部反射せずに透過される。ビーム４１２、４１４は更に、測定ビーム又はＬＯビームになるように方向付けられ得る。複数のビーム形状、サイズ及び発散が、第１及び第２面４０３、４０８の複数の曲率および間隔と、レンズ４０５の屈折率に基づいて選択され得る。レンズ４０５は、両凸である必要はないが、以下の複数の他の例の幾つかで図示されるような、凸状、凹状、球面状または非球面状の面を有し得る。更に、第１及び第２面４０３、４０８は、複数の別の面上で画定されて互いに離間され得、固体レンズ要素は必要ない。
図５は、反射屈折光学素子５０５の第１面５０７における透過開口５０４でファイバ５０２から受け取られる単一ビーム入力から、ＬＯビーム及び測定ビームを生成する光学システムを図示している。ＬＯビームは、第２面５０８の中央反射領域５１０、及び、第１面５０７の外側反射部５０６で入力ビームの一部を反射することによって得られる。ＬＯビームは次に、コリメートビーム５１２を生成すべく、第２面５０８の外側部分で屈折する。発散測定ビームは、測定ビーム５１４を形成すべく、第２面５０８の中央反射領域５１０の周りで入力ビームの一部を透過することによって生成される。反射屈折光学素子５０５は、凸状第１面および凹状第２面を含むが、他の複数の表面曲率が使用され得る。
図６で図示される他の例において、光学システムは、反射屈折光学素子６０５の第１面６０７における透過開口６０４でファイバ６０２から受け取られる単一ビーム入力から、ＬＯビーム及び測定ビームを生成する。測定ビームは、第２面６０８の中央反射領域６１０、及び、第１面６０７の外側反射部６０６で入力ビームの一部を反射することによって得られる。入力ビームのこの部分は次に、焦点６２０から発散する測定ビーム６１４を生成すべく、第２面６０８の外側部分で屈折する。コリメートＬＯビームは、ＬＯビーム６１２を形成すべく、第２面６０８の中央反射領域６１０の周りで入力ビームの一部を透過することによって生成される。反射屈折光学素子６０５は、凸状第１及び第２面を含むが、他の複数の表面曲率が使用され得る。第２面の曲率は、ＬＯビームが実質的にコリメートされるように選択される。
図７は、更に他の例示的光学システムを図示している。この例において、光ファイバ７０２は、反射屈折光学素子７０５の第１面７０７上で画定される透過開口７０４へと入力ビームを伝送する。ＬＯビーム部分は、第２面７０８の中央反射領域７１０の周りで、ＬＯビームをコリメートするレンズ７１１へと透過される。中央反射領域７１０は、レンズ７１１及び反射屈折光学素子７０５の一方又は両方の上に、反射コーティングとして設けられ得る。測定ビームは、第２面７０８の中央反射領域７１０、及び、第１面７０７の外側反射部７０６で入力ビームの一部を反射することによって得られる。測定ビームは次に、発散測定ビーム７１４を形成すべく、レンズの凸状面７１３で屈折する。この例において、第１面７０７及び第２面７０８は平面であって、追加のレンズ素子（レンズ７１１）は反射屈折光学素子７０５に対して固められ得る平凸レンズである。
複数のファイバ末端面がファイバ軸に対して傾けられる複数の例が、図８から図９で示されている。図８を参照すると、ファイバ８０２は、第１反射光学素子８０６の中で画定される開口の中へと挿入される。複数の後方反射を低減すべく、ファイバ８０２は傾斜末端面８０４で終端する。図８で示されるように、傾斜末端面８０４は、ファイバ８０２を出る際のファイバ軸８０１の屈折を考慮して、ファイバ軸８０１が光学システム軸８０３と整列するように置かれる。他の複数の例において、ファイバは、軸８０１、８０３が直線軸を形成し、傾斜末端面８０４からの放射が光学システム軸８０３に対してある角度で伝搬するように保持される。大抵の場合において、これらの傾きは小さく、実例を目的として図８では誇張されている。ファイバ８０２からの入力ビームのＬＯ部分は、凸状／凹状反射屈折光学素子８０８の面８１２上で画定される中央反射領域８１６によって反射されて反射光学素子８０６の反射面８０７へと戻される。反射された部分は次に、コリメートビーム８２０を形成すべく凸状／凹状反射屈折光学素子８０８によって屈折される。測定ビーム部分は、測定ビーム８１８を生成すべく、反射屈折光学素子８０８へと透過される。光学素子８０６、８０８は互いに離間され、間隔および複数の曲率は、好まれるようにビームを成形すべく選択され得る。
図９を参照すると、ファイバ９０２は、平坦な反射光学素子９０６の中で画定される開口の中へと挿入される。複数の後方反射を低減すべく、ファイバ９０２は傾斜末端面９０４で終端する。ファイバ９０２からの入力ビームの測定部分の複数の影響は、平凸状反射屈折光学素子９０８の面９１２の中央反射領域９１６によって反射されて反射光学素子９０６の反射面９０７へと戻される。反射された部分は次に、発散ビーム９１８を形成すべく、反射屈折光学素子９０８によって屈折される。ＬＯビーム部分は、ＬＯビーム９２０を生成すべく反射屈折光学素子９０８へと透過される。光学素子９０６、９０８は離間され、間隔および複数の曲率は、好まれるようにビームを成形すべく選択され得る。
図１０は、図７の構成と同様の構成を図示しているが、折り返し軸を備えている。ファイバ１００２は、キューブ反射器入力面１００５の透過開口１００７を通して、反射コーティングを備えた直角プリズムの組として形成されたキューブ反射器１００４へと入力ビームを連結すべく置かれる。キューブ反射器１００４の反射面１００９は、コリメートＬＯビーム１０２２を形成すべく、キューブ反射器出口面１００８の反射領域１０１０の周りでＬＯビーム部分を平凸レンズ１０１４へと反射する。測定ビームは、反射中央領域１０１０、および、キューブ反射器入力面１００５の反射部分１００６で入力ビームの一部を反射することによって形成される。測定ビームは次に、発散測定ビーム１０２０を形成すべく、中央反射領域１０１０の周りでレンズ１０１４へと透過される。
開示される複数の例において、凹状面、凸状面または平面の複数の選択された部分一面に反射コーティングが設けられる固体反射屈折素子が使用される。離間された複数の光学素子は、幾つかの例においても使用される。概して、少なくとも１つのビーム用の光学経路が折り返されるように、少なくとも１つの光学面の中央部分は反射性であり、少なくとも１つの光学面の中央部分は透過性であるが、多くの変更が可能である。幾つかの場合において、入力ビームは、反射させずにＬＯ又は測定ビームを形成すべく、光学素子の中央透過部分によって透過される。他のビーム（ＬＯ又は測定ビーム）は次に、光学素子の外側部分における反射で生成される。代表的な例は、ファイバ１１０２によって、入力ビームが出力面１１００上に中央透過領域１１１０を有する固体反射屈折素子１１０５に連結される図１１で示されている。ＬＯビーム１１１６は、出力面１１００で入力ビームの一部が反射せずに透過および屈折することによって形成される。入力ビームの一部は、出力面１１０６の外側反射領域１１０８で反射入力面１１０４へと反射される。反射された部分は、１１２０で焦点を形成し、次に、発散測定ビーム１１２４を形成すべく、中央透過領域によって透過される。
図１２は、傾斜末端面１２０４で光ファイバ１２０２から出る入力光学ビームを受け取るべく置かれる固体反射屈折光学素子１２０８を図示している。光学素子１２０８は、軸ＡＸ上で中央に置かれる第１面１２１０及び第２面１２２０を含む。第１面１２１０は、外側反射領域１２１２及び中央透過領域１２１４を含む。第２面１２２０は、中央透過領域１２２４、中間反射領域１２２６、及び、外側透過領域１２３０を含む。図１２で示されるように、コリメートビーム１２４０が形成される。発散ビーム（不図示）もまた、中央透過領域１２２４による入力ビームの一部の透過によって形成され得る。ファイバ末端面１２０４の傾きが原因で、反射されたビーム１２５０は軸ＡＸから離れて方向付けられ、光学システムによって捕捉されない。
上記の複数の例で示されるように、コリメートされたＬＯビームの生成は、コリメートされていない発散又は収束する測定ビームの生成に伴う。いわゆる「２倍率」要素が、図１３で示されるように使用され得る。固体反射屈折素子１３０４は、透過中央開口１３２２および反射環１３２０を有する第１面１３１８を備える。第２面１３１２は、中央反射領域１３１６および透過環１３１４を有する。第１及び第２面の複数の曲率は、反射屈折素子１３０４が直進ビームに対して第１倍率または第１焦点距離を有し、反射屈折光学素子１３０４の中で折り返し経路に沿って反射されるビームに対して第２倍率を有するように選択され得る。メニスカス形状に対して、もし２つの面の複数の曲率が約等しいならば、反射屈折素子は直進ビームに対してゼロパワーレンズとして機能する。（この場合、等しい複数の曲率は薄いレンズの近接においてのみゼロパワーを生成するので、複数の曲率は厚さに基づいて選択される。）光ファイバからの入力ビームに基づくコリメートビームの生成が図説され、発散ビームは不図示としている。
図１４を参照すると、光ファイバ１４０２は、直角プリズム１４１６の反射面１４１７へと方向付けられるコリメートビーム１４１２を生成するコリメートレンズ１４０８に向けて、入力光学ビーム１４０４を方向付けるべく置かれる。プリズム１４１６は、平面反射領域１４２０および湾曲反射領域１４２４を含む。平面反射領域１４２０は、コリメートＬＯビーム１４２８を生成する目的で、コリメートビーム１４１２の外側部分を反射すべく置かれる。湾曲反射領域１４２４は、コリメートビーム１４１２の内側部分１４３２を焦点１４３６にフォーカスし、発散測定ビーム１４４０を生成すべく置かれる。もし中央反射領域１４２４が凹状であるならば、測定ビームは、示されるように実焦点１４３６に来る。しかしながら、凸状曲率が使用され得、バーチャルな焦点を生成するであろう。中央領域を平面として、外側領域を湾曲させることもできる。概して、内側及び外側部分に対する複数の異なる曲率の任意の組み合わせが使用され得、入射ビーム１４１２はコリメートされることを必要としない。図説の便宜上、直角反射が示されているが、他の複数の角度が使用され得る。ファイバ出口面における反射面１４１０は、もしＬＯビームの繰返し反射が望まれるならば、設けられ得る。
複数の波面連結ファイバ構成の屈折分割
多くの例において、複数の反射面が含まれるが、複数の透過面又は屈折面だけを含む複数の光学システムが使用され得る。例えば、少なくとも１つの、分岐された光学面又は他の複合光学面を有する屈折光学素子が使用され得る。図１５で示されるように、光学システムは、軸１５０８に沿って、凸状入力／出力面１５１２、１５１４を有する二重凸レンズ１５１０へと入力光学ビームを伝送すべく置かれたファイバ１５０２を含む。（ファイバ出力面１５０３の傾きに起因する、ファイバ１５０２の中での伝搬軸１５０７に対する軸１５０８の僅かな逸脱は、不図示としている。）図１５の例において、出力面１５１４は外側環状部分１５１６Ａを有し、第２レンズ１５１８は、軸部を覆うべく第１レンズ１５１０に固定される。第２レンズ１５１８は、第１レンズ１５１０に固められ得、又は、そうでなければ第１レンズ１５１０に接触され得、或いは、軸１５０８上の、又は、当該軸からズレている第１レンズから空気離間され得る凹状／凸状レンズとして示されている。他の複数の表面曲率が第１レンズ１５０８および第２レンズ１５１８の一方又は両方に対して使用され得、第１レンズ１５１０の出力側曲率は、第２レンズ１５１８の入力側曲率と一致する必要はない。他の複数の例において、複数の分岐レンズが使用される。
レンズ１５１０の環状部分１５１６は、ＬＯビームとして機能できる収束光学ビーム１５３０を生成すべく選択される。第２レンズ１５１８は、測定ビームとして機能できる収束ビーム１５３２を生成する。上記の図３で示されるように、繰返し反射の後にＬＯビームが光ファイバ１５０２に連結されてその中へと戻るように、ＬＯビームを方向付けるファイバ出口面１５０３に、反射面１５３６が設けられ得る。他の複数の例において、コリメートレンズがファイバに固定され得、第２レンズが、測定ビームを形成するコリメートビームの一部を遮るべく使用され得る。
代表的な分岐レンズ１６０２、１６１２、１６２２が、図１６Ａから１６Ｃで示されている。レンズ１６０２は、第１凸状面１６０４および第２凸面１６０６を含む。第２凸面１６０６の軸部１６０８は、第２凸面１６０６の他の複数の部分の曲率と異なる曲率を設けられる。同様に、レンズ１６１２は、平面１６１４および凸状面１６１６を含む。面１６１６の軸部１６１８は、凸状面１６０６の他の複数の部分の曲率と異なる曲率を設けられる。図１６Ｃの例において、レンズ１６２２は、凸状面１６２４および平面１６２６を含む。レンズ１６２２の軸部１６２８は、平面１６２６の他の複数の部分の曲率と異なる曲率を設けられる。軸部１６２８は、レンズ１６２４に統合され得、又は、面１６２６に固定された又は離間された追加のレンズ素子を設けられ得る。
振幅ビーム距離の偏光ベースの分割
図１７を参照すると、ビーム分離光学システムは、軸１７０４に沿って光学ビームをコリメートレンズ１７０８及び波長板１７１０へと方向付けるように構成された光ファイバ１７０２を含む。波長板１７１０は、受け取った光学ビームに対して選択偏光状態（ＳＯＰ）を生成すべく方向付けられる。大抵の実施例において、光ファイバ１７０２からの光学ビームは直線偏光ビームであり、波長板１７１０は、任意の方向で直線偏光状態を生成すべく方向付けられ得る半波長リターダである。光学組立体１７１１は、光学ビームを受け取るべく置かれ、入力レンズ１７１２、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１７１４、１／４波長板１７１９、及び、反射面１７２１を備えるウェッジプリズム１７２０を含む。第１偏光状態の入力ビームの一部は、ＰＢＳ反射面１７１６を透過して１／４波長板１７１９を通り、次に、反射面１７２１によって反射されて戻り、１／４波長板１７１９を通る。λ／４位相差板１７１９は、第１偏光状態がλ／４位相差板１７１９を２回通過する場合に第１偏光状態に垂直な第２偏光状態へと変換されるように配置される。従って、反射面１７２１は、コリメートビーム１７４０を生成すべく、ビームを出力レンズ１７３４へと反射するＰＢＳ反射面１７１６へと、透過ビームを方向付ける。
ＰＢＳ反射面１７１６は、第２偏光状態の入力ビームの測定ビーム部分を、λ／４位相差板１７２４、及び、固体プリズム１７２５の面に設けられ得る反射面１７２８に方向付ける。λ／４位相差板１７２４は、反射された測定ビームがＰＢＳ反射面１７１６を透過すべく、第２偏光状態がλ／４位相差板１７２４を２回通過する場合に第１偏光状態へと変換されるように配置される。出力レンズ１７３４は、出力測定ビーム１７４１がそこを超えると発散する、焦点１７３８に測定ビームを集中させる。入力ビームの偏光状態は、測定ビームとＬＯビームとの間の光パワーを選択的に分割したものを得るべく、ＰＢＳによって反射または透過された入力ビームの複数の部分が選択され得るように、波長板１７１０の位相差および方向に基づいて選択され得る。図１７で示されるように、ビーム１７４０、１７４１は、互いに非平行な軸に沿って伝搬する。
コリメートＬＯビーム１７４０は、焦点調整コーナーキューブおよびリターンミラー（図１７においては不図示）へと方向付けられ、レンズ１７３４へと戻される。しかしながら、戻されたＬＯビームは、波長板を通過せずに反射面１７２２へと方向付けられるべく、反射面１７１６に入射する。反射面１７２１と対照的に、反射面１７２２は、λ／４位相差板１７１９のような対応するリターダを有さない。反射面１７２２は次に、ＬＯビームを焦点調整コーナーキューブおよびリターンミラーへと戻すように方向付ける。ＬＯビームは次に、反射面１７２１によるファイバ１７０２への反射用のλ／４位相差板１７１９へと反射面１７１６によって反射されるべく、レンズ１７３４を通過して戻される。典型的に、反射面１７２１、１７２２、１７２８の傾きは、ＬＯビームおよび測定ビームの十分な距離を維持しつつ、出来る限り小さくなるように選択され、また、反射面１７２１、１７２２でＬＯビームの十分な変位を提供すべく選択される。
図１８を参照すると、光ファイバ又は他の入力ビーム源は、軸１８０２に沿って光学ビームを方向付けるべく置かれる。第１ビーム成形レンズ１８０６および偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１８１０は、軸１８０２上に置かれ、ＰＢＳ１８１０の反射面１８１４は、折り返し軸１８１６に沿って入力ビームの一部を反射し、且つ、入力ビームの一部をλ／４位相差板１８１８へと透過すべく置かれる。反射ビーム部分および透過ビーム部分は、第１および第２の垂直な（典型的には直線）偏光状態（ＳＯＰｓ）に各々対応する。第２ビーム成形レンズ１８２２は、標的へと方向付けられ得る測定ビームを生成すべく、軸１８０２に沿って置かれる。（代替的に、当該ビームはＬＯビームとして機能できる。）λ／４位相差板１８１８は、透過ビームと関連付けられる第２偏光状態を円偏光透過ビームへと変換すべく置かれる。円偏光ビームは、典型的には例えば図１で図示された焦点調整コーナーキューブ配置を使用して、測定ビームとして標的へと方向付けられる。
標的で反射された測定ビームの一部は、左右像が変化して又は変化せずに、円偏光として第２ビーム成形レンズ１８２２へと戻され得る。もし左右像が変化して戻されるならば、リターンビームの円偏光状態は、λ／４位相差板１８１８によって、ＰＢＳ１８１０で反射される第２偏光状態へと変換される。第３ビーム成形レンズ１８２６は、ＰＢＳ１８１０から戻された測定ビームを、検出器へと、或いは、検出器へと伝送するためのファイバ又は他の光学システムへと方向付ける。
ＰＢＳ１８１０は、ＬＯビームとして使用する目的で、反射されたビーム部分を第１の（直線）偏光として折り返し軸１８１６に沿って方向付けるべく置かれる。λ／４位相差板１８２８は、ＰＢＳ１８３０と共に軸１８１６上に置かれる。ＰＢＳ１８３０の反射面１８３４は、軸１８０２からオフセットされた平行な軸１８３６に沿ってビーム部分を反射するように構成される。λ／４位相差板１８２８は、幾らかの光パワーが軸１８１６に沿ってＰＢＳ１８３０から出力してから再捕捉されないように、ＰＢＳ１８１０で反射される直線偏光状態（第１偏光状態）から円偏光状態を生成すべく方向付けられる。第１円偏光状態のＬＯビームを生成すべく、ＬＯビームはＰＢＳ１８３０によって反射されてλ／４位相差板１８１８を通る。当該円偏光ＬＯビームは次に、焦点調整コーナーキューブ、および、軸１８３６に沿ってＬＯビームを戻すように方向付けるＬＯリターン反射器１８３５へと方向付けられる。
図１９は、図１８の光学システムを図示しており、焦点調整コーナーキューブへと伝搬する第１円偏光状態（例えば右回りの円偏光状態又は「ＲＨＣ」）のＬＯビーム１９５０を示している。第１円偏光状態に垂直な第２円偏光状態（例えば左回りの円偏光状態又は「ＬＨＣ」）の円偏光ＬＯビーム１９５２は、λ／４位相差板１８１８へと戻るように反射される。反射されたＬＯビーム１９５２は、概して、図１で示されるような、焦点調整コーナーキューブ、及び、リターンミラー又は専用のＬＯ反射器から戻されるが、そのようなＬＯリターン反射器は図１８および１９から省略されている。λ／４位相差板１８１８によって透過される際に、戻されたＬＯビーム１９５２は、ＰＢＳ１８３０によって透過される第１直線偏光状態にある。リターン再帰反射器１８３５（図１８から１９ではコーナーキューブとして示されている。）は、第１円偏光状態とは反対の左右像を有する第２円偏光状態の円偏光ＬＯビーム１９５４として、すなわちＬＨＣとして伝搬すべく、ＬＯビームをＰＢＳ１８３０及びλ／４位相差板１８１８を通過して戻すように反射する。
ＬＯビーム１９５４は、焦点調整コーナーキューブ／リターン反射器へと方向付けられ、λ／４位相差板１８１８及びＰＢＳ１８３０へと戻るように反射される。ＬＯビーム１９５４は、第２円偏光状態で焦点調整コーナーキューブへと透過され、第１円偏光状態で戻る。λ／４位相差板１８１８は、測定ビーム及びＬＯビームをファイバに又は直接検出器に連結する第３レンズ１８２６へとＬＯビームがＰＢＳ１８１０を通過して反射されるように、第１円偏光状態を第１直線偏光状態へと変換する。ＬＯビーム偏光は、適切なＳＯＰｓを提供すべく容易に制御されるが、戻された測定ビーム部分は、概してそのように容易に制御されることができず、ＳＯＰ不整合に起因して追加のパワーロスが生じ得る。
図２０は、図１８から１９で示されるような偏光光学系を使用して測定ビームおよびＬＯビームを分離する、光学システムの斜視図である。光学組立体２００４は、第１および第２の偏光ビームスプリッタ２００６、２００８と、λ／４位相差板２０１０、２０１２とを含む。入力ビームは、第１ミラー２０１６へと伝搬する直進測定ビームを生成すべく、軸２０１４に沿って方向付けられる。ＬＯビームが軸２０２３に沿って第２ミラー２０１８へと方向付けられるように、ＬＯビームはＰＢＳ２００６及びＰＢＳ２００８の中で複数回反射することによって生成される。焦点調整コーナーキューブ２０１９及びリターン反射器２０２０は、測定ビームを受け取って、且つ、２要素空気離間レンズとして図２０で示される対物レンズ２０２１へと測定ビームを反射すべく置かれる。戻された測定ビームは、ファイバに又は直接光検出器に連結するための軸２０２８に沿って伝搬すべく、光学組立体２００４へと光学経路を逆に辿る。
ＬＯビームは、光学組立体２００４へと戻されるべく、焦点調整コーナーキューブ２０１９、及び、ＬＯリターン反射器２０３４（又はリターン反射器２０２０の一部）へと方向付けられる。ＬＯビームは、焦点調整コーナーキューブ２０１９及びリターン反射器２０３４へと戻るように光学組立体２００４における反射面２０１１で（又は再帰反射器によって）反射される。反射面２０１１は、偏光ビームスプリッタ２００８の面として図２０で示されているが、概して、再帰反射器が軸２０２３上に置かれて、偏光ビームスプリッタ２００８に固定され又は空気離間され得る。焦点調整コーナーキューブ２０１９の当該第２の通過の後に、ＬＯビームは、ファイバに又は直接光検出器に連結するための折り返し軸２０２８に沿って方向付けられる。その結果、検出器に到達する測定ビーム部分およびＬＯビーム部分は、焦点調整コーナーキューブ２０１９を同一回数通過し、これにより、ビームフォーカスと関連付けられる複数の光路差によって導入される複数の誤差を低減する。図説の便宜上、複数のビームをフォーカスすべく使用される他の複数のレンズは不図示としてある。大抵の実施例において、測定ビームは、レンズ２０２１で発散すべく、レンズ２０３１で第１の正しいミラー２０１６に又はその近くに焦点を合わせられる。
複数のレーザーレーダ長さ基準
複数のレーザーレーダシステムは典型的に、複数の範囲測定を確認および／またはキャリブレーションする際に使用するための基準アーム又は長さ基準を含む。幾つかのレーザーレーダは、走査周波数測定ビームおよび走査周波数局所発振器ビームを使用する。標的までの距離は、測定ビームの戻される部分と局所発振器との間の差周波数又はヘテロダイン周波数に基づいて得られる。測定ビームの戻される部分は周波数掃引におけるより早い時間からのレーザー周波数にあり、標的距離は次にｃΔｆ／βとして推定され得る。ここでのｃは光速であり、Δｆはヘテロダイン周波数であり、βはレーザー周波数走査レートである。図２１Ａから２１Ｂは、測定ビームおよびＬＯビームに対する時間の関数としての複数の光学周波数を図示している。ＬＯビームおよび測定ビームは共通のチャープ入力ビームから生成され、入力ビームの一部は、ＬＯビームとして機能すべく、反らされて、標的へと放たれない。選択された距離における標的特徴は、測定ビームの一部を戻し、戻された部分およびＬＯビームは混合される。図２１Ａは、各ビームに対する時間の関数としての光学周波数の変動を図示し、図２１Ｂは、標的範囲を推定すべく使用され得る差周波数を図示している。幾つかの時間において差周波数はチャープでの周期性に起因して異なるが、他の複数の時間においては差周波数が一定であり、距離決定の際に使用される。既知の長さを備える参考基準からデータを得ることによって、レーザー走査レートβの値を推定でき、補正され又はキャリブレーションされた線形性を走査できる。
図２２は、基準長として使用すべく選択された長さを備えたアルミノ珪酸リチウムガラスセラミックチューブ２２０２を含む、代表的な長さ標準器２２００を図示している。アルミノ珪酸リチウムガラスセラミックは、典型的には約０．２×１０−７／Ｋ未満又はこれに等しいそれ自体の低い熱膨張係数（ＣＴＥ）に起因して、特に有利である。当該材料の一例は、ゼロデュア（ZERODUR）ガラスセラミックとして商業的に利用できるが、同様のＣＴＥを備える他の複数のガラスセラミックが、例えばセルビット（Cer-Vit）またはSitallとして使用され得る。チューブ２２０２は、誘電体コーティング２２０５、２２０７を各々含むミラー２２０４、２２０６でシールされる。複数のミラーは、軸２２０９に対して垂直となるべく整合される。チューブ２２０２およびミラー２２０４、２２０６はファブリ・ペロー共振器を形成し、誘電体コーティング２２０５、２２０７の反射性は、選択される共振器フィネスを提供すべく選択され得る。典型的には、５０％、７５％又は９０％より大きい複数の反射率が使用される。一例において、複数の往復と関連付けられる複数の反射が距離５０ｃｍと一致するように、共振器長さは約２５ｃｍである。
光ファイバ２２０８は、コリメートビーム２２１２を共振器軸２２０９に沿って方向付けるコリメートレンズ２２１０へと、キャリブレーション光学ビーム（典型的には測定ビーム又はプローブビームの全部又は一部）を伝送すべく置かれる。フォーカスレンズ２２１１は、キャリブレーションビームを検出器の中へと方向付けるべく置かれる。２つのミラーは、ファブリ・ペロー干渉計を形成する。各通過で、幾つかの光がチューブを抜けて、第２レンズによって光検出器上にフォーカスされる。複数の部分的なミラーの反射性に依存して、異なるチューブ通過数に対応する複数のヘテロダイン周波数信号が生成され得る。長さ２５ｃｍのチューブに対して、各信号は、５０ｃｍの範囲差を表わす。任意のこれらの信号が、基準アーム信号として使用され得る。増幅器２２２６は、共振器経路の単一の片道通過、および／または、その複数の往復と関連付けられる１または複数のヘテロダイン周波数を識別するヘテロダイン周波数検出器２２３０に、複数のヘテロダイン周波数信号を連結する。プロセッサ又は他の測定システム２２３４は、１または複数の識別されたヘテロダイン周波数を受け取り、幾つか又は全ての周波数、及び、それらの関連付けられた経路長に対して、目盛キャリブレーションＲＬを判断する。ガラスセラミックチューブ２２０２は非常に低いＣＴＥ材料で作られる一方で、熱感知／制御システム２２４０が、１または複数の温度センサ２２４２で温度をモニタして、ヒータ／クーラ２２４４でチューブ２２０２を加熱又は冷却するように構成され得る。幾つかの例において、効果的なチューブ長に適した補正が判断され得るようにチューブ温度が測定される。目盛キャリブレーションＲＬは、温度依存性のチューブ長に基づく。
他の代表的な基準長は、図２３で図示される。ガラスセラミックフレーム２３０２は、反射面２３０２Ａ、２３０２Ｂ、又は、複数の反射領域、或いは、入力キャリブレーションビームを反射すべく置かれる個別の反射器を設けられる。レーザー源２３１２は、入力ビームの一部をファイバ２３１５に沿ってコリメートレンズ２３１６へと方向付けるファイバ連結器２３１４に連結される。コリメートレンズ２３１６は、繰返し折り返される経路２３２０に沿って再帰反射器２３２４へと伝搬するキャリブレーションビームを生成する。再帰反射器２３２４は、キャリブレーションビームをコリメートレンズ２３１６への経路２３２０に沿ってファイバ連結器２３１４へと戻すように反射すべく配置される。ファイバ２３１５のファイバ出力面２３１８は、入力ビームの一部を、典型的にはその約４％を反射してファイバ連結器２３１４に向けて戻すように構成される。ファイバ連結器２３１４は、ファイバ出力面２３１８で反射された部分だけでなく、繰返し反射されたキャリブレーションビームを、フレーム２３０２から検出器２３２８へと伝送する。複数の結合ビームは、例えば図２２で図示されるキャリブレーションシステムへの伝送の前に、バッファに入れられ得、又は、増幅器２３３６で増幅され得るヘテロダイン信号を、光検出器２３２８で生成する。温度制御および／またはモニタが設けられ得、フレーム２３０２は典型的に容器の中でシールされるように構成される。一例において、光学経路２３２０に沿う光学伝搬が安定した環境に基づいて制御され得るように、複数のカバープレートがフレームに固定される。
他の複数の例において、複数のキャリブレーション光学経路は、ガラスセラミック又は他の超安定材料を使用して光路差が画定される複数のマッハツェンダ経路のような他の複数の干渉計経路に基づき得る。複数のファブリ・ペロエタロンは、チューブを必要としないが、複数のガラスセラミックロッド又はプレートで離間される複数の反射器によって画定され得る。複数のリング共振器構成もまた使用され得る。幾つかの他の例が、図２４から２５で図示される。図２４を参照すると、基準長が、入力ビームの第１部分を軸２４０１に沿って方向付け、第２部分を繰返し折り返される軸２４０３に沿って方向付けるべく配置される、ビームスプリッタ２４０４、２４２０、及び、反射器２４０６、２４０８、２４１０、２４１２、２４１３、２４１４、２４１６、２４１８によって画定される。複数のビームスプリッタ及び複数の反射器が、例えばアルミノ珪酸リチウムガラスセラミックのような材料の温度安定ベースに固定され得る。図２５を参照すると、第１ミラー２５０２及び第２ミラー２５０４が、ファブリ・ペロー構成における軸２５０１に沿って置かれる。ミラー２５０２、２５０４は、基準長を画定する温度安定ロッド２５０６に固定される。ロッド２５０６は、正方形断面、円形断面、長方形断面、又は、他の断面を有し得る。更に他の複数の例において、光ファイバにおいて、又は、他の複数の大容量誘電媒体又は導波路において、基準光路差が設けられ得る。幾つかの場合において、複数の導波路または複数の大容量媒体は、複数の環境的原因に起因する複数の長さ外乱を回避すべく、気密シールされ、選択された、複数の耐圧容器の中に置かれる。そのような複数の導波路又は複数の大容量媒体への複数の接続は、もし所望されるならば、複数の光ファイバを用いて形成できる。
動的周波数選択
複数のデュアルレーザを備える複数のレーザーレーダは、複数の測定において複数のドップラー効果が関係する場合に、明確な複数の利点を有する。そのような、いわゆる「測定ドップラー」は、測定されている標的に対してレーザーレーダ光学系が移動することによって引き起こされる。幾つものデュアルレーザアプローチは、（１）重畳された２つの完全に別のシステム（ＬＯ、基準アーム等）、（２）２つのレーザーが偏光によって分離されるシステム、（３）２つのレーザーが自身のＬＯ周波数によって分離されるシステム、を含む。ＬＯ周波数分離を使用する第３のアプローチは、典型的に最も低コストの選択であるが、複数の信号処理事情で例えば１ＭＨｚ毎に複数の測定を分離し続けるべく、２つのＬＯ周波数を選択しなければならないという他の制約がある。固定された複数のＬＯ周波数を使用する複数のシステムに対して、これは、レーザーレーダの性能を低下させる結果につながる。複数のレーザーチャープ率を標的距離に応じて調節できる複数のシステム及び方法が、本明細書で開示される。
Rezk等による米国特許出願公開第2011/0205523号明細書で示されるように、第１レートでチャープアップする第１レーザーと、第２レートとしてチャープダウンする第２レーザーとを備えたデュアルレーザシステムにおいて、範囲測定は、第１チャープおよび第２チャープの両方に基づき、以下の数式３で得ることができる。
Figure 0006916981
 ここで、ｆ１及びｆ２はそれぞれ独立の範囲推定であり、ｆｄはヘテロダイン周波数へのドップラー寄与率である。大きなヘテロダイン周波数を使用することによって、複数の範囲誤差を低減できる。しかしながら、ヘテロダイン周波数はまた、実際の複数の検出帯域幅の中で維持されるべきである。典型的には、複数のデュアルレーザシステムにおいて、範囲誤差影響およびノイズ影響は、より低いヘテロダイン周波数と関連付けられる。
複数のレーザーチャープ率は、標的範囲に基づいて選択され得る。デュアルレーザシステムの各レーザーに対し、範囲は、便宜的にMHz/m単位で表され得る関連付けられた目盛係数ＲＬに基づいて推定される。例のように、複数の可変的又は動的チャープ率を提供するシステムは、３０ｍ（最大範囲）のコヒーレンス長、６０MHzの最大ヘテロダイン周波数帯域幅、１MHzの最小周波数分離、及び、１ｍの最小標的距離を有するレーザーに基づき得る。複数のチャープを固定した、１ｍの標的距離に対する複数のヘテロダイン周波数が、以下の表１で示されている。
Figure 0006916981
しかしながら、代表的な動的システムにおいて、２つのレーザーのうち１つ又は両方に対する複数のチャープ率は変動され得る。例えば、以下の表２において、第２レーザーと関連付けられるチャープ率は変動される。
Figure 0006916981
可変的な複数のチャープ率は、２つのヘテロダイン周波数の大きさが互いに近づくに連れて、ノイズ性能を改善し、より広い複数の範囲で優れたドップラー補正を提供する傾向にある。典型的には、キャリブレーション及びチャープ線形化もまた、例えば上記で説明されたもの等の基準長の測定に部分的に基づいて使用される。
複数のレーザーチャープ率が可変的である代表的なデュアルレーザー・レーダシステム２６００が、図２６で図示されている。第１レーザー駆動器２６０２は、ファイバ連結器２６１２へと提供される第１ビームを生成すべく、第１レーザー源２６０６に連結される。第２レーザー駆動器２６０４は、ファイバ連結器２６１２で第１ビームと結合される第２ビームを生成すべく、第２レーザー源２６０８に連結される。結合ビームは、測定／ＬＯ光路２６１４および基準光学経路２６１６へと方向付けられる。複数の基準長ヘテロダイン周波数が、基準経路に沿って伝搬する複数の部分と結合される第１及び第２ビームに基づいてキャリブレーション検出器２６１８で生成される。キャリブレーション検出器２６１８は、第１及び第２レーザービームの一方又は両方に対する適切な目盛係数を判断できる信号処理器２６２０に連結される。
標的からの複数の測定ビーム、及び、複数のＬＯビームは、測定／ＬＯ光路２６１４から戻されて、第１レーザービーム及び第２レーザービームに対する標的範囲の各々と関連付けられる第１及び第２ヘテロダイン周波数を生成すべく、検出器２６２２に連結される。第１及び第２ヘテロダイン周波数は、ヘテロダイン周波数及び目盛係数に基づいて範囲推定を提供する信号処理器２６２０に連結される。レンジセレクタ２６２４は、複数の適切なレーザー駆動制御信号又は制御データをレーザー駆動器２６０２、２６０４に提供すべく、レーザー源周波数コントローラ２６２８に連結される。レンジセレクタ２６２４は、第１レーザー源２６０６及び第２レーザー源２６０８の一方又は両方に対して所定の範囲で又は所定の値でヘテロダイン周波数を得るべく、チャープ率を選択するように構成される。例えば、もし第１ヘテロダイン周波数が好ましいものより大きい又は小さいならば、第１レーザー源のチャープ率は、各々において低減され得又は増大され得る。レンジセレクタ２６２４は、レーザー源チャープ率を変動することによって特定の重要な特徴（又は全ての重要な特徴）に対するヘテロダイン周波数が略一定となるように配置され得る。例えば、もし測定された第１ヘテロダイン周波数が目盛係数ＲＬで１MHzならば、チャープ率及び第１目盛係数ＲＬ１は、５０MHzのヘテロダイン周波数を生成すべく、５０のファクターによって増大され得る。複数のチャープ率は、複数のレーザー源特性に起因して限定され得るが、そのような複数の範囲内において、レーザー源チャープは簡便に変化され得る。
図２７は、代表的なレーザー範囲ファインディング方法を図示している。ステップ２７０２で、１または複数のレーザー源に対して複数のレーザーチャープ率が選択される。ステップ２７０４で、複数の目盛係数、及び、意図したチャーププロファイルからの複数の逸脱を判断すべく、複数のチャープ率及び複数のレーザー周波数掃引がキャリブレーションされる。典型的には、複数の線形チャーププロファイルが選択され、線形性からの複数の逸脱が基準長を用いて測定され得る。線形性からの複数の逸脱、及び、複数の目盛係数は、複数の範囲推定を提供する際に使用すべく格納される。段階的で多項式の指数関数的なチャープ率、又は、他のチャープ率についての、複数のチャーププロファイルは典型的に確立するのがより困難であるけれども、これらも使用され得る。ステップ２７０６で、標的範囲が、選択されたチャープ率を使用して推定される。ステップ２７０８で、好ましい複数のチャープ率が、測定された標的範囲に基づき、幾つか又は全てのレーザーに対して選択され得る。複数のヘテロダイン周波数が好ましい範囲内である、又は、好ましい最小値より大きい、或いは、好ましい最大値未満であるように、複数のチャープ率が選択され得る。もしステップ２７１０で判断された現在の複数のチャープ率と異なる１または複数のチャープ率が選択されるならば、再びステップ２７０４で複数の周波数掃引がキャリブレーションされ、他の複数の標的距離測定が得られる。
上記の複数の例において、複数レーザーに対する複数のチャープ率が変動されるが、チャープ率は複数の単一レーザー・レーザーレーダシステムにおいても変動され得る。
ペンタミラー走査
複数のレーザーレーダシステムにおける複数の測定レートは、測定ビームが標的の隅々まで走査され得るレートによって、限定され得る。幾つかの従来のシステムにおいて、相対的に大きな複数の光学システム及び複数のコンポーネントは回転されなければならないので、高速走査は困難であって高価である。以下で説明される代表的な複数の走査システム及び方法は、従来の複数のアプローチのこれらの制限及び他の制限を処理できる。
図２８を参照すると、レーザーレーダシステム２８００は、ファイバ連結器２８０４に連結される少なくとも１つのチャープレーザー２８０２を含む。ファイバ連結器は、ＬＯビーム及び測定ビームを各々が生成する局所発振器ビーム光学システム２８０６及び測定ビーム光学システム２８０８へと、チャープレーザービームの複数の部分を伝送する。図２８で示されるように、ＬＯビーム光学システム２８０６は、好ましくは再帰反射器として実装される、ＬＯコーナーキューブ２８１２及びＬＯリターン反射器２８１４による反射を目的として、ＬＯビームを焦点調整コーナーキューブ２８１０を通して連結するように構成され。測定ビームピックアップ／伝送光学システム２８０８は、発散測定ビーム２８１６を焦点調整コーナーキューブ２８１０及びリターン反射器２８１８へと方向付ける。この構成において、ＬＯは、焦点調整コーナーキューブ２８１０と関連付けられる複数の光路差が、測定光路及びＬＯ光学経路に対して、すなわち、ＬＯビーム及び測定／リターンビーム用の焦点調整コーナーキューブ２８１０を通る４つの通路に対して略同一である、という点で「遠隔ＬＯ」である。
レーザーレーダシステム２８００は、測定ビームが対物レンズ２８２２に対する軸２８２０に沿って俯仰走査組立体２８２４へと方向付けられるように構成される。リターンビームは、対物レンズ２８２２によって収集され、測定ビーム光学経路の逆の経路に沿ってファイバ連結器２８０４に連結される。レシーバ２８３０は、複数の結合ビームを受け取るべく、且つ、複数のヘテロダイン周波数に基づいて複数の範囲推定を提供するように構成されたシステムコントローラ２８３４に連結される、ヘテロダイン周波数の信号を生成すべく、連結される。
システムコントローラ２８３４は、パーソナルコンピュータ、又は、例えばラップトップ、タブレット、ワークステーション又は携帯式の通信デバイス等の他のコンピューティングデバイス（図２８では不図示である。）を含み得、又は、これらに基づき得る。レシーバ２８３０は、パーソナルコンピュータに対して識別信号を生成するように構成され、パーソナルコンピュータは、検出されたヘテロダイン周波数に基づいて範囲推定を計算又は算定できる。幾つかの例において、システムコントローラ２８３４は、共通位置にあり得、又は、例えばローカルエリアネットワーク又はワイドエリアネットワーク等の有線又は無線ネットワークを経由して連結され得る、１または複数のコンピュータを含み得る。第１コンピュータは、レシーバ２８３０から複数の信号を受け取り、且つ、受け取った複数の信号、或いは、それらのデジタル表現又は他の表現を、有線又は無線通信ネットワーク、或いは、コミュニケーションリンクを使用して、第２コンピュータへと転送できる。第２コンピュータは、受け取った複数の信号を使用して、ヘテロダイン周波数に基づき、複数の範囲推定を確立する。
俯仰走査組立体２８２４は、軸２８２０に対する回転用に構成されたベアリング２８４０を含む。ベアリング２８４０は典型的に、回転角度の判断を可能にするエンコーダも含む。第１及び第２反射器２８４２、２８４４は、測定ビームを回転自在軸２８５０に沿って方向付けるべく置かれる。
俯仰走査組立体２８２４、並びに、ＬＯ及び測定ビーム光学システムは、ベース２８５０を軸２８５８周りに回転させるように構成された第２スキャナ２８５２に連結されるベース２８５１に固定され得る。測定ビームの走査は、俯仰走査組立体２８２４及び二次スキャナ２８５２に連結される制御システム２８３４によって方向付けられる。制御システム２８３４はまた、標的表面に測定ビームの焦点を合わせるべく、軸２８２０に平行な方向で焦点調整コーナーキューブ２８１０を移動させるべく置かれた平行移動ステージ２８５３にも連結される。
カメラ２８６０もまた、標的領域を見るべく設けられ得る。カメラ２８６０は、反射器２８４４を通る軸２８５０に沿って撮像すべく置かれ得る。代表的な複数の例において、測定ビームは赤外線ビームであるか、又は、赤外線に近いビームである。反射器２８４４は、可視ビームを透過して測定ビームを反射するように構成され得る。例えば、反射器２８４４は、赤外線放射を反射して可視放射を透過する、いわゆる「ホットミラー」であり得る。他の複数の例において、カメラ２８６０は、測定軸２８５０から変位されていて、もしかしたら当該軸に対して傾けられている軸２８６８に沿って撮像すべく置かれる。カメラ２８６０は概して、走査中に標的の可視画像が得られ又はモニタされ得るように、俯仰走査組立体２８３４に対して固定され、又は、それに固定される。更に、カメラ２８６０は測定ビームと共に移動して測定ビームに整合されるので、カメラの出力画像は、他の計量情報を提供する様々な方法で使用され得る。
図２９Ａから２９Ｃは、複数のレーザーレーダ用の代替的な複数の俯仰走査組立体を図示している。図２９Ａで示されるように、測定及びリターンビーム２９０４は、軸２９０６に沿って方向付けられる。俯仰走査組立体２９１０は、カメラ２９１４で標的領域を撮像することを可能にすべく波長依存性の反射率を有し得る、単一の反射器２９１２を含む。俯仰走査組立体は、軸２９１６（軸２９０６の延長線）周りを回転するように構成される。図２９Ｂは、軸２９３４周りの回転を提供するように構成されたベアリング２９３２を含む、代表的な走査組立体２９３０を図示している。ペンタプリズム２９３６は、測定ビームを標的へと（且つ、リターンビームを検出システムへと）方向付けるように構成される。複数のペンタプリズム面がコーティングされ得、又は、内部全反射が使用され得る。もし内部全反射が使用されるならば、レーザーレーダが偏光感受型である場合に偏光補償が必要とされ得る。ウェッジプリズム２９３８は、カメラ２９４０が標的領域を見ることを可能にすべく、ペンタプリズム２９３６に固定され得る。もしそのようなウェッジプリズムが使用されるならば、複数の測定及びリターンビームを標的へ／から反射して、視聴ビームをカメラ２９４０へと透過すべく、波長依存性の誘電体コーティング２９４２が設けられる。図２９Ｃは、ペンタプリズム２９４６と、視聴ビームを異なるペンタプリズムフェースを経由してカメラへと透過するように構成されたウェッジプリズム２９４８とを図示している。他の複数の例が考えられることが明らかになるであろう。
回転自在なペンタプリズムスキャナを含む代表的なレーザーレーダ光学組立体が図３０Ａから３０Ｂで図示されている。ビーム成形及びビーム収集光学システム３００２は、フォーカス測定ビームを生成すべく、対物レンズ３０１０と共に軸３００８に沿って置かれるコーナーキューブ３００４及びリターン反射器３００６を含む。ペンタプリズム３０１２は、測定ビームを標的へと方向付けるべく、光学システム３００２からの測定ビームを面３０１４、３０１６で反射するように構成される。ペンタプリズム３０１２は簡便である一方で、複数のミラーが同様の複数の反射を生成すべく配置され得る。ペンタプリズム３０１２は、俯仰軸３０２０周りで回転自在な俯仰回転ステージ３０１８に固定される。俯仰ベアリング３０１９Ａ、３０１９Ｂは、測定ビームが回転自在軸３０２２に沿って方向付けられるように、軸３０２０周りの回転を可能にする。幾つかの例において、俯仰ベアリング３０１９Ａ、３０１９Ｂの一方だけが使用される。
参照ミラー３０２６はベース３０２８に固定される。軸３０２２は、測定ビームが開口３０２７を通って参照ミラー３０２６へと方向付けられ得るように、回転され得る。参照ミラー３０２６は、キャリブレーションのための基準長を確立すべく使用され得、ＬＯビームの複数の光路差は、当該キャリブレーションに基づいて補償され得る。複数の仰俯角が、例えばエンコーダ３０２１Ａ、３０２１Ｂ等の１または複数のエンコーダを用いて検出され得る。方位軸周りの複数の回転が、方位回転ステージ３０４７を用いて提供され得る。ベース３０２８が軸３０３０周りで回転され得る。
図３０Ｂは、図３０Ａと似ているが、ペンタプリズム３０１２が軸３０２０周りで９０度回転した平面図である。カメラ３０４０は、軸３０２２から変位された平行な軸に沿って視野３０３８で撮像すべく置かれたレンズ３０４２を含む。例えばエンコーダ３０４４のような１または複数の方位角エンコーダは、方位ステージ３０４７で生成された複数の方位回転の判断を可能にする。
幾つかの例において、折り返される軸３０２２は、俯仰軸３０２０に一致する。ペンタプリズム３０１２は、俯仰軸ベアリングの複数のガタツキと関連付けられる複数のビームポインティング誤差を低減し、増大した光路長を提供する傾向にある。図３０Ａから３０Ｂにおいて、複数のレーザー源、局所発振器光学系、および、制御システム並びに処理システムが、明確さを目的として不図示としてある。光ファイバは、戻された測定ビーム部分及びＬＯビームを上記の複数の例で示されるような検出システムに連結するだけでなく、チャープビームを光学システム３００２へと伝送すべく使用され得る。
もし参照ミラー３０２６が湾曲ミラーであるならば、方位角ベアリングのガタツキは、参照ミラー３０２６の曲率の中央へと測定ビームを方向付けることによって検出されて推定され得る。図３０Ｃから３０Ｄを参照すると、湾曲参照ミラー３０６０が設けられており、図３０Ａから３０Ｂの装置が、測定ビームが参照ミラー３０６０の曲率３０６１の中央へと方向付けられるように配置されている。ｘｙｚ座標システム３０６２もまた示されている。ｘ軸周りの複数の回転誤差（例えば方位ガタツキ等）によって、リターン信号振幅が減少させられる。この信号損失は、方位角を調節することによって、すなわち、ｘ軸周りの対応するスキャナ回転を用いて修復できる。他の複数の方向におけるガタツキもまた、信号損失を引き起こすが、そのような信号損失は概して、複数の俯仰調節では修復できない。例えば、図３０Ｄで示されるように、回転誤差θは、ｘ軸周りの回転では補正できない。
図４９は、ＬＯ再帰反射器４９０２が操作可能なペンタプリズム４９０４の面に固定され、又は、そこに置かれる、光学システムを図示している。コーナーキューブ４９０８およびリターン反射器４９０６は、レンズ４９１２で測定ビームをフォーカスすべく置かれ、ＬＯ反射器４９１０は、ＬＯビームをコーナーキューブ４９０８の中へと反射すべく置かれる。当該構成は、ＬＯコーナーキューブ４９０２が測定ビームの伝搬軸から遠くに移動することを可能にする。他の複数の詳細は、他の複数の例と同様である。１または複数のＬＯビームが、ＬＯコーナーキューブを同様に置くことで提供され得る。
上記の実施形態における俯仰走査組立体は、４５度の角度で置かれた２つの反射面に限定されないが、２つの反射面が１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１２０、１３０、１３５、１４０、１５０、１６０又は１７０度の角度となるように構成され得もする。俯仰走査組立体は、レーザーから俯仰走査組立体へのビーム伝搬と関連付けられる軸（すなわちビーム伝送軸）と、俯仰走査組立体からの標的方向との交点に置かれ得る。俯仰走査組立体の回転中、ビーム伝送軸と俯仰走査組立体からの標的方向との間の角度は、一定であり得、又は、ほぼ一定であり得る。例えば、当該角度は、回転の所定の期間の１０％から１００％の間、一定であり得、又は、ほぼ一定であり得る。更に、他の複数の例において、俯仰走査組立体およびペンタプリズム２９３６の位置は、他の複数の方法で測定され得る。例えば、ペンタプリズム２９３６の位置は、回転中の複数の位置変化を干渉計が示すように、干渉計を用いて測定され得る。その結果は、複数の標的距離推定を補正又は補償すべく使用され得る。
他の複数の例において、俯仰走査組立体は、軸２８５０又は他の複数の軸に沿って移動可能であり得る。そのような移動は、複数の反射面の少なくとも１つで測定ビームの位置を選択すべく使用され得る。
複数のファイバベースレーザーレーダシステム
図３１を参照すると、第１及び第２波長λ１、λ２のチャープ（典型的にカウンターチャープ）レーザービームの各々が、光ファイバシステム３１００を使用して、ビーム成形、走査及び収集光学系に連結され得る。第１及び第２レーザーからの第１及び第２のチャープレーザービームは、各々のファイバ連結器３１０２、３１０４に順に連結される複数の光ファイバに連結される。ファイバ連結器３１０２、３１０４は、俯仰又は方位回転ステージの少なくとも１つで回転すべく置かれるレーザーレーダ光学支持部３１０１に固定される。ファイバ連結器３１０２、３１０４は、各々２つの出力３１０２Ａ、３１０２Ｂ、及び、３１０４Ａ、３１０４Ｂを含む。第１チャープレーザービームの一部は、第１ＬＯビームとして機能すべく、出力３１０２Ａに連結され、その一方で、他の部分は出力３１０２Ｂから第３ファイバー連結器３１１０へと伝送される。同様に、第２チャープレーザービームの一部は、第２ＬＯビームとして機能すべく、出力３１０４Ａに連結され、その一方で、他の部分は第３ファイバー連結器３１１０へと伝送される。出力３１０２Ｂ、３１０４Ｂからの第１及び第２チャープレーザービームの複数の部分が、測定ビームとして使用され得る結合ビーム（λ１及びλ２ビームを備える。）を生成すべく、第３ファイバー連結器３１１０の出力３１１２の中で結合される。図３１で示される複数の連結器は典型的に、複数の２×２連結器であり、他の複数の入力又は出力ポートを備えるが、複数の未使用ポートは不図示としてある。そのような複数の未使用ポートは普通、複数の後方反射を低減すべく終端させられる。複数の連結器および複数の光ファイバは好ましくは偏光保持であるが、他の複数のファイバ及び複数の連結器が使用され得る。複数の連結器分割率は典型的に、入力ビームが２つの略等しい部分へと分割されるように選択されるが、他の複数の分割率が使用され得る。様々な種類の測定ビーム及びＬＯビーム光学系が使用され得るが、不図示としてある。当該構成において、第１及び第２チャープレーザービームの各々に対する複数の測定ビーム路は同一である。
図３２を参照すると、ファイバベースで二波長のチャープレーザーレーダシステムは、２×２連結器３２０６に光学的に接続される第１レーザー３２０２及び第２レーザー３２０４を含む。結合された第１及び第２レーザービームは、連結器出力３２０６Ａ（及び、不図示としてある第２出力）で利用できる。連結器出力３２０６Ａは、２×２連結器３２０８に接続される。連結器出力３２０８Ａは、円形ポート３２１０Ａからサーキュレータポート３２１０Ｂへと光学ビームを伝達すべく、光学サーキュレータ３２１０に接続される。第１及び第２レーザー３２０２、３２０４からの複数のレーザービームと関連付けられる結合ビームは、サーキュレータポート３２１０Ｂで利用できる。レンズ３２１４及びλ／４位相差板３２１６は、ＬＯビームとしての結合ビームを、円偏光状態で、ＬＯ経路に沿って反射器３２１８へと方向付けるべく置かれる。リターンビームは、サーキュレータ３２１０へと方向付けられ、且つ、サーキュレータのポート３２１０Ｃへと方向付けられる。サーキュレータポート３２１０Ｃは、２×２連結器３２２４のポート３２２４Ａに接続される。
連結器出力３２０８Ｂは、サーキュレータポート３２３０Ａからサーキュレータポート３２３０Ｂへと光学ビームを伝達すべく、光学サーキュレータ３２３０に接続される。第１及び第２レーザー３２０２、３２０４からのレーザービームと関連付けられる結合ビームは次に、サーキュレータポート３２３０Ｂで利用できる。デュアルバンド連結器３２４０のポート３２４０Ａは、サーキュレータポート３２３０Ｂに接続され、且つ、視聴又はポインティングレーザー３２４４に接続される。結合された第１及び第２チャープレーザービーム並びに視聴レーザービームは次に、連結器ポート３２４０Ａで利用できる。レンズ３２５０及びλ／４位相差板３２５２は、測定及び視聴ビームとしての結合ビームを標的へと方向付け、標的からの第１及び第２チャープレーザーと関連付けられるリターンビームを受け取るべく置かれる。リターンビームは、デュアルビーム連結器３２４０を通して、サーキュレータ３２３０へと方向付けられ、且つ、２×２の連結器３２２４のポート３２２４Ｂへと方向付けられる。２×２連結器３２２４は従って、ポート３２２４Ａでリターンビームを受け取り、３２２４ＢでＬＯビームを受け取る。そして、２×２連結器３２２４は、複数のチャープレーザーの一方又は両方と関連付けられるヘテロダイン周波数を検出し、且つ、範囲推定を提供するように構成された検出システムに連結されているポート３２２４Ｃへと、混合体を伝送する。この例において、検出システムは、移動可能な（走査）光学系から離れて配置され得るが、リターンビーム及びＬＯビームの両方が、２つのチャープレーザーの各々からの複数の寄与を含んでいる。複数の結合ビームは、必要なファイバの数を減少させるべく、単一の光ファイバ上で、連結器３２０６から走査光学系へと運ばれ得る。
図４６を参照すると、複数のＬＯビーム及びデュアルレーザ測定ビームを生成するためのファイバシステムは、２×２ビームスプリットコンピュータ４６０６、４６０８に各々連結される第１及び第２レーザー源４６０２、４６０４を含む。これらの連結器は典型的に、複数の連結器出力に対して約等しいパワー分割を提供するが、他の複数の分割率が使用され得る。連結器４６０６、４６０８の各々の１つの出力は、２×２ビーム結合連結器４６１０、４６１２にそれぞれ連結される。連結器４６０６、４６０８の残りの複数の出力は、二波長測定ビームをサーキュレータ４６１６に連結するように構成されたレーザー結合２×２連結器４６１４に接続される。サーキュレータ４６１６は、測定ビームをレーザーレーダ走査光学系に提供できる偏光維持単一モードファイバ４６１８に、二波長測定ビームを連結する。
標的からのリターンビームは、サーキュレータ４６１６によって、リターンビームの複数の部分をビーム結合連結器４６１０、４６１２へと方向付けるリターンビーム分割２×２連結器４６２０に連結される。ＰＩＮダイオード検出器４６２４は、連結器４６１０からリターンビーム及び第１ＬＯビームの一部を受け取り、且つ、レーザー４６０２のチャープと関連付けられるヘテロダイン周波数を生成するように構成される。ＰＩＮダイオード検出器４６２６は、連結器４６１２からリターンビーム及び第２ＬＯビームの一部を受け取り、且つ、レーザー４６０４のチャープと関連付けられるヘテロダイン周波数を生成するように構成される。この例において、複数のＬＯビームは、光ファイバを経由してリターンビームに連結されて、且つ、測定ビーム走査又はフォーカス光学系へと方向付けられない。
図４７で示される他の例において、複数のＬＯビーム及びデュアルレーザ測定ビームを生成するためのファイバシステムは、２×２ビームスプリットコンピュータ４７０６、４７０８に各々連結される第１及び第２レーザー源４７０２、４７０４を含む。これらの連結器は典型的に、複数の連結器出力に対して約等しいパワー分割を提供するが、他の複数の分割率が使用され得る。連結器４７０６、４７０８の各々の１つの出力は、ＬＯ光学サーキュレータ４７０７、４７０９にそれぞれ連結される。これらのサーキュレータは、複数のＬＯビームをレーザーレーダフォーカス及び走査光学系に連結する。連結器４７０６、４７０８の残りの複数の出力は、二波長測定ビームをサーキュレータ４７１６に連結するように構成されたレーザー結合２×２連結器４７１４に接続される。サーキュレータ４７１６は、二波長測定ビームをレーザーレーダフォーカス及び走査光学系に連結する。
レーザーレーダフォーカス及び走査光学系から戻される複数のＬＯビームは、ＬＯ光学サーキュレータ４７０７、４７０９によって、ビーム結合２×２連結器４７１０、４７１２へと各々方向付けられる。標的からのリターンビームは、サーキュレータ４７１６によって、リターンビームの複数の部分をビーム結合連結器４７１０、４７１２へと方向付けるリターンビーム分割２×２連結器４７２０に連結される。ＰＩＮダイオード検出器４７２４は、連結器４７１０からリターンビーム及び第１ＬＯビームの一部を受け取り、且つ、レーザー４７０２のチャープと関連付けられるヘテロダイン周波数を生成するように構成される。ＰＩＮダイオード検出器４７２６は、連結器４７１２からリターンビーム及び第２ＬＯビームの一部を受け取り、レーザー４７０４のチャープと関連付けられるヘテロダイン周波数を生成するように構成される。この例において、ＬＯビームは、複数のＬＯ／測定ビーム光学光路差を補償すべく、測定ビーム走査及びフォーカス光学系に部分的に連結される。
図４７のファイバコンバイナ／スプリッタは、図４８Ａから４８Ｂで示される配置で、レーザーレーダフォーカス及び走査光学系に連結され得る。入力ビーム支持部４８０２は、デュアルレーザ測定ビームを伝達する光ファイバを開口４８０４の中で受け取って保持するように構成される。ビーム開口４８０４は、測定ビームを透過するように構成されたより大きな開口４８０７の中へと延在する複数の支持アーム４８０５によって画定され得る。コリメータ４８０８、４８１０は、各々のレーザーと関連付けられた複数のＬＯビームを受け取るように構成される。複数のＬＯビームは、コリメータ４８０８、４８１０によって、焦点調整コーナーキューブ４８１２及びＬＯコーナーキューブ４８１４へと方向付けられる。ＬＯコーナーキューブ４８１４は、複数のＬＯビームを焦点調整コーナーキューブ４８１２へと戻し、且つ、各々の再帰反射器４８１６、４８１８へと戻す。１または複数のＬＯビームをシフトして、当該シフトされた１または複数のＬＯビームを焦点調整コーナーキューブ４８１２へと戻す他の複数の光学素子が使用され得る。再帰反射器４８１６、４８１８から、複数のＬＯビームは、対応する複数の検出器に連結するための各コリメータへと戻る逆経路を辿る。代表的なＬＯ経路４８１７が図示されている。測定ビームは、焦点調整コーナーキューブ４８１２及びリターン反射器４８２８へと方向付けられ、次に、標的に測定ビームの焦点を合わせるレンズ４８２０へと方向付けられる。代表的な測定ビーム路４８１９が図４８Ａで示されている。
ビームステアリング誤差検出及び補正
図３３は、ファイバ３３０２からの光流がコーナーキューブ３３０４へと方向付けられるファイバ連結レーザートラッカ又はレーザーレーダシステム３３００を図示している。部分的に透過性のリターン反射器３３０６は、コーナーキューブ３３０４を通して、標的３３１０へと方向付けられるフォーカスインタロゲーションビームを形成するレンズ３３０８へと、光流の一部を戻す。光流の他の部分は、ビーム位置が推定され得るように、例えば４分割検出器、検出器アレイ、又は、他の複数の検出器等の位置検出器３３１２へと透過光流を方向付ける位置検出レンズ３３１１に連結される。このように、ファイバ３３０２の出力面３３０１の位置を推定できる。便宜上、コーナーキューブ３３０４は直角プリズムとして図示されている。標的からレンズ３３０８へと戻されるインタロゲーションビームの複数の部分は、リターン反射器３３０６へと方向付けられる。リターン反射器３３０６は、戻される幾らかのインタロゲーションビームが、透過光流を位置検出器３３１２へと方向付ける位置検出レンズ３３１１にも連結されるように、部分的に透過性となっているが、当該光流の大きさは典型的に、有用な信号を生成するには小さすぎる。
検出器３３１２は、検出器３３１２からの複数の電気信号に基づいてファイバ位置を判断するトラッキングプロセッサ３３２０に連結される。推定されるファイバ位置に基づいて、推定ビーム位置を判断でき、ビーム位置コントローラ３３２４はビーム調節を方向付けることができる。代替的に、推定ビーム位置は、複数の対象物面プロファイル、距離、又は、他の対象物特性を確立すべく、戻された光流を処理する場合に、補正位置情報において使用され得る。
反射器３３０６は典型的に、入射する光流の約１０％、５％、１％又は０．５％未満を透過するように構成される。図３３の構成において、透過率の変化を除いて、ビームトラッキング用の検出器への連結光流が他の方法で光学システムを乱さないように、リターン反射器はフォーカスシステムの一部となっている。しかしながら、他の複数の例において、複数の折り返しミラーによって透過される複数のビーム部分は、トラッキング用にも使用され得る。更に、幾つかの場合において、幾らかのビーム部分は、複数の後部面での各反射の際にコーナーキューブを抜け、これらのビーム部分は、ビームトラッキング用の検出器にも方向付けられ得る。もし、トラッキング誤差、又は、光学モジュール又はコンポーネントの変位又は傾きが検出されるならば、補償又はキャリブレーション処理手続が実行され得る。
図３４は、光ファイバ３４０６から入力光学ビーム（例えばチャープレーザービーム）等を受け取るべく連結される光学モジュール３４０４を含む、レーザーレーダシステムを図示している。光学モジュール３４０４は、ビームスプリッタ３４０８、再帰反射器３４１０、及び、検出器３４１２を含む。レンズ３４１６から３４１８は、必要とされる複数の光学ビームを形状付けてフォーカスすべく設けられる。反射器３４２０は、光学モジュール３４０４からの光学ビームを焦点調整コーナーキューブ３４２４へと方向付けるべく置かれる。部分的に反射性のリターンミラー３４３０は、焦点調整コーナーキューブ３４２４から光学ビームを受け取り、且つ、測定ビームを焦点調整コーナーキューブ３４２４及び対物レンズ３４３４へと反射すべく置かれる。焦点調整コーナーキューブ３４２４は、標的表面に測定ビームの焦点を合わせるべく、軸３４３８に沿って平行移動可能である。標的からの測定ビームの散乱部分、反射部分又は他の部分は、光学モジュール３４０４へと戻るように方向付けられ、検出器３４１２に連結される。光ファイバ３４０６からの入力光学ビームの一部は、ビームスプリッタ３４０８によってＬＯビームとして検出器３４１２へと反射される。
光学モジュール３４０４は、直線偏光状態（例えば水平又は「Ｈ」）の入力ビームが、ＬＯビームを提供すべくビームスプリッタ３４０８によって検出器３４１２へと僅かに反射される一方で、入力ビームの残りが透過されるように、配置され得る。１／４波長板３４１９は、水平（Ｈ）偏光状態から第１円偏光状態を生成する。標的からのリターンビームは優先的に、第１偏光状態とは反対の左右像を有する、第２円偏光状態である。１／４波長板３４１９は、ビームスプリッタ３４０８によって１／４波長板３４２１及び再帰反射器３４１０へと反射される鉛直（Ｖ）偏光を生成する。１／４波長板３４２１は次に、１／４波長板３４２１による再透過によってＨ偏光へと変換される第２円偏光として再帰反射器３４１０によって反射される、第１円偏光状態を生成する。標的からのリターンビームは従って、ビームスプリッタ３４０８によって検出器３４１２へと効率的に透過され得るＨ偏光状態へと変換される。従って、光学モジュールは、共通入力ビームから分離測定および複数のＬＯビームを提供し、検出器でリターンビーム及びＬＯビームを再結合すべく機能する。
図３４で示されるように、反射器３４２０は、入力ビームを標的へと方向付けるべく置かれるが、光学モジュール３４０４は概して、そのような反射器が必要とされず、且つ、レンズからのビームが反射することなくコーナーキューブ３４２４中へと方向付けられる程、十分にコンパクトであり得る。
部分的に反射性のリターンミラー３４３０はまた、測定ビームの一部をレンズ３４５０及び位置検出器３４５２へと透過する。測定ビーム形状、ポインティング方向、及び、他の複数の特性は、位置検出器３４５２で撮像されるビームに基づいて評価され得る。例えば、複数のビームポインティング誤差が評価され得、又は、複数の光学コンポーネント位置における複数の変動が検出され得る。当該方法で判断される任意の複数の誤差又は乱れは、ビームポインティング又は光学素子の位置及び方向を調節すべく、又は、複数の走査誤差が複数のビーム位置誤差の前に補正され得るように補償データを提供すべく、使用され得る。誤差プロセッサ３４５４は、補償値又は補正値を判断すべく、又は、複数の誤差の存在を報告すべく、設けられ得る。
複数の部分的な遠隔局所発振器
図３５を参照すると、光ファイバ３５０２は、測定ビーム３５０９がレンズ３５０８を用いて標的にフォーカスされ得るように軸３５０６に沿って平行移動可能なコーナーキューブ３５０４へと、入力ビームを方向付けるべく置かれる。入力ビームは、入力ビームの測定ビーム部分をレンズ３５０８へと反射するリターンミラー３５１０に入射する。ＬＯビーム部分は、レンズ３５１２の外側部分３５１２Ａを用いて検出器３５１６にフォーカスされるＬＯビーム３５２０を形成すべく透過される。標的からのリターンビームの一部は、リターンミラー３５１０によって透過され、レンズ３５１２の内側部分３５１２Ｂによってビーム３５１８としてフォーカスされる。レンズの外側部分３５１２Ａ及び内側部分３５１２Ｂは、ＬＯビーム及びリターンビームが検出器３５１６に適切にフォーカスされるように、異なる曲率を有する。信号処理器３５２４は、複数の結合ビームによって生成されるヘテロダイン周波数を使用して、標的範囲を推定するように構成される。レンズ３５１２は、単一レンズ要素として複数の曲率を異ならせて形成され得、又は、１または複数の分離レンズから組み立てられ得る。複数のビームを検出器３５１６にフォーカスし続けることを目的として、レンズ３５１２は、コーナーキューブ３５０４の動きに伴って移動されるべく、平行移動ステージに固定され得る。図３５の構成において、ＬＯビームは、リターン反射器を通る透過によって提供される。当該ＬＯビームは、焦点調整コーナーキューブ３５０４を一度通過し、リターン反射器３５１０に向かう測定ビームとの共通光路を有する。測定ビーム、及び、関連付けられるリターンビームは、焦点調整コーナーキューブ３５０４を通る通路を合計４回通る。その結果として、フォーカス光学系によって導入される測定／リターンビーム及びＬＯビームの間の複数の光路差は、ＬＯビーム及び測定／リターンビームが同一回数通過するシステムに比べてあまり補償されない傾向にある。
コンパクト大容量光学を用いたファイバビーム伝送
図３４で示される光学モジュール３４０４は、測定及びＬＯビームを分離して再結合する様々な実施形態で使用され得る。図３６で示されるように、光学モジュール３６０２は、測定ビームを標的３６０８に対して走査すべく制御される方位角／仰俯角スキャナ３６０４に固定される。レンズ３６１０は、測定ビームを受け取り、且つ、測定ビームを標的３６０８へと方向付けるべく置かれる。ファイバ結合されるレーザーダイオード源３６１２、３６１４は、２×２ファイバ連結器３６１８の複数の入力ポートに接続される。ファイバ連結器３６１８の出力ポート３６１８Ａは、源３６１２、３６１４の各々から複数の入力ビームの一部を受け取り、光ファイバ３６２０は、結合ビームを光学モジュール３６０２に連結する。モジュール３６０２は、ＬＯビーム及び測定ビームを生成でき、且つ、検出器でリターンビーム及びＬＯビームを結合でき、又は、ステージ３６０４に対して固定され得又は固定され得ない検出器へと連結するためのファイバに、結合されたリターン／ＬＯビームを連結できる。複数の詳細は、図３６では不図示としてあるが、図３４のものと同様であり得る。
連結器３６１８はまた、出力ポート３６３０Ａを経由して結合ビームの一部を基準長３６３２へと方向付けるように構成された基準長連結器３６３０に接続される出力ポート３６１８Ｂも含む。基準長３６３２は、結合ビームを出力ポート３６３０Ａへと戻すべく反射するように構成されるが、基準距離によって遅延される。ファイバ連結器３６３０の出力ポート３６３０Ｂは、ＬＯビームを提供する結合ビームの一部を反射すべく終端させられる。基準長３６３２からのビーム、及び、ＬＯビームは、光ファイバ３６３４及び基準検出器３６３６に連結される。
図３７を参照すると、光学モジュール３７０２は、例えば光ファイバ３７０３からの１または複数のチャープレーザービームのような、１または複数の入力レーザービームを受け取るべく置かれる。受け取られた複数のビームの一部は、ＬＯビームとして検出器３７０４に連結され、他の部分は、測定ビームとしてレンズ３７０６へと方向付けられる。レンズ３７０６は、標的３７０７に測定ビームの焦点を合わせ、検出器３７０４への伝送を目的としてリターンビームを光学モジュール３７０２に連結する。図３７の例において、測定ビームフォーカスは、光学モジュール３７０２および／またはレンズ３７０６の平行移動によって提供され得る。
図３８で示される他の例において、焦点調整コーナーキューブ３８０２及びリターン反射器３８０４は、焦点調整コーナーキューブ３８０２の平行移動によって測定ビームの焦点を標的に合わせるように置かれる。光ファイバ３８１０は、結合測定ビームを焦点調整コーナーキューブ３８０２に連結する光学モジュール３８０６に、１または複数の入力レーザービームを連結する。レンズ３８１２は、結合測定ビームを受け取り、且つ、リターンビームを光学モジュール３８０２に連結するだけでなく、結合測定ビームを標的へと方向付けるべく置かれる。
図３９から４０は、図３７から３８のものと同様の更なる複数の実施形態を図示しているが、これら複数の例においては、折り返しミラー３９０２、４００２が各々、トランスデューサ／スキャナ３９０４、４００４に固定される。スキャナ３９０２、４００２は、１または複数の軸周りの複数の回転に基づいて測定ビームを走査するように構成され得る。
図５０を参照すると、ＬＯビーム分離及び測定ビーム結合光学システムは、反射面５０１４、５０１６、５０２０を画定するプリズム５００４、５００６、５００８を含む。反射面５０１６は、面部５０１６Ａ、５０１６Ｂのように異なる反射コーティングを設けられ得る。第１レーザーは、第１レンズ５０２２の軸からオフセットされた軸に沿って、第１コリメートレンズ５０２２及び偏光器５０２６に連結される。第１レンズ５０２２及び偏光器５０２６は、プリズム５００４に固定され得る。偏光器は、ｘ方向の直線偏光状態を透過するように構成されるが、ｙ偏光の同様の部分（典型的には１から１０％）も同じように透過されるべく、傾られる。そのような偏光器軸５０２７は、第１レンズ５０２２の軸に沿って見えるように示されている。反射面５０１４は、ｙ偏光を反射してｘ偏光を透過すべく選択される。従って、第１レーザービームの一部は、図５０の平面に垂直な直線偏光状態で、遠隔局所発振器（ＲＬＯ）経路に沿って方向付けられる。反射面部５０１６Ａは、偏光無依存であり、（等しくない複数の値が使用され得るけれども）等しく透過及び反射すべく選択される。その結果、第１レーザービームの５０％は光損失経路に沿って方向付けられ、残りの５０％は測定経路に沿って方向付けられ、図５０の平面で偏光されている。
第２レーザーは、レンズ５０２２の軸に沿って第２コリメートレンズ５０２４に連結される。第２レーザービームはｘ偏光として入力される。反射面部５０１６Ｂは、第２レーザービームの一部（典型的には約２０％）をＲＬＯ経路に向けて反射し、他の部分（典型的には約８０％）を反射面５０２０へと透過する偏光無依存反射面として構成される。反射される部分は図５０の平面における直線偏光であるので、反射面５０１４は、略全ての当該部分をＲＬＯ経路へと透過する。第１及び第２ＬＯビームは従って、その一方が図面の平面に垂直なＳＯＰで生成され（第１レーザービーム）、その他方が図面の平面におけるＳＯＰで生成される。更に、第１及び第２ＬＯビームは、第１レンズ５０２２に対する第１レーザービームのオフセットに起因して、互いに非平行である。
第２レーザービームの透過された部分は、複数の部分（典型的には等しい部分）を測定経路および光損失経路へと反射する反射面部５０１６Ａへと反射される。反射面５０２０の角度は、第１及び第２測定ビームがレンズ５０３０を出る際に平行な複数の軸に沿って伝搬するように選択される。平行な伝搬は、１または複数のコリメートレンズの平行移動、又は、第１及び第２レーザービームを伝送する１または複数のファイバの平行移動による、反射面５０２０又は他の複数の面に対する面方向の選択によって得られ得る。
ＬＯビーム及びリターンビームは、ヘテロダイン周波数検出を目的として再結合され得る。複数のＬＯビームは異なる複数の軸に沿って異なる複数の偏光状態で伝搬するので、これらのビームは、複数の対応する検出器に選択的に連結され得、各ＬＯビームは、他の検出器に対して殆ど漏洩することなく１つの検出器だけに連結され得る。幾つかの例において、６０ｄＢ又はそれより大きいＬＯアイソレーションが提供され得る。
複数のビーム走査及び視覚システム
図４１を参照すると、複数の測定ビームを走査するレーザーレーダは、複数の偏光維持ファイバを用いて、複数の光アイソレータ及び２×２ファイバ連結器４１０８に接続される第１及び第２チャープレーザー４１０２、４１０４を含む。第１及び第２レーザーからの複数のビームは、ファイバ進相軸またはファイバ遅相軸のいずれかと整合するように構成される。ファイバ連結器の複数の出力は、複数のビームスプリッタ及び反射器（図４１で複数のプリズムとして示されている。）を含むビーム分割光学システム４１２０へと方向付けられる複数のコリメートビームをレンズ４１１２、４１１４が生成するように、置かれる。レンズ４１１２、４１１４の各々は、アップ及びダウンチャープ部分を含むビームを生成し、ビーム分割光学システム４１２０は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４１２４へと方向付けられる８本のビームを生成するように構成される。複数のビーム及びＰＢＳ４１２４は、各ビームの一部（典型的には約５％）が、（アップ及びダウンチャープレーザの両方に対する複数のＬＯ部分を備える）複数のＬＯビームとして機能すべく、ＰＢＳ４１２４によって、反射面４１２５で、複数の検出器のアレイ４１２８の内の対応する検出器へと反射されるように配置される。
８本のビーム部分は、ＰＢＳ４１２４によって、１／４波長板４１３０、及び、８本のビームをスキャナ４１４０へと方向付けるプリズム又はレンズアレイ４１３４へと透過される。８本のビームは次に、標的領域の隅々まで走査され、標的からの複数のリターンビーム部分は、検出器アレイ４１２８の複数の各検出器へと方向付けられる。レンズアレイ４１３４及び１／４波長板４１３０は、複数のリターンビームを１／４波長板４１４４へと反射し、且つ、再帰反射器アレイ４１４８の複数の各再帰反射器４１５１から４１５８へと反射すべく置かれる反射面４１２５へと、複数のリターンビームを方向付ける。例えば走査ミラーのような単一のスキャナが使用され得るが、他の複数の例において、１または複数のビーム、或いは、全てのビームが、関連付けられる複数のスキャナへと方向付けられ得る。
１／４波長板４１３０は、複数の測定ビームが第１円偏光状態の円偏光となるように配置される。複数のリターンビームは、第２円偏光状態（第１円偏光状態に垂直）の円偏光となる。１／４波長板４１３０を複数のリターンビームが透過することによって、ＰＢＳ４１１４で１／４波長板４１４４および再帰反射器アレイ４１４８へと反射される複数の直線偏光ビームが生成される。その結果、複数のビームは、第１直線偏光状態で１／４波長板４１３０に到達するが、反射面４１２５によって検出器アレイ４１２８へと透過される偏光状態でＰＢＳ４１２４へと戻される。
図４１の例において、各ビームによって複数の走査をすることなく複数のドップラー効果が補正され得るように、２つのレーザー（一方はアップチャープで他方はダウンチャープ）が提供される。もしより低い全体走査レートが許容可能であるならば、単一のチャープレーザーが使用され得、複数の測定が、自身のアップチャープ及びダウンチャープが結合される間に得られ得る。複数の同時走査（アップチャープ及びダウンチャープレーザを用いる）は概して、移動又は振動する複数の標的に対する複数の連続走査（単一のアップ及びダウンチャープレーザを用いる）に好適である。
例示的な例において、８本のビーム（複数のアップ及びダウンチャープレーザービームコンポーネント）は同時に走査されるので、毎秒１９２ラインの走査レートは、走査ミラーが１２Ｈｚで振動するように要求する。８本のラインのグループの各々は、同時に、２４分の１秒（０．０４１６７秒）で前進方向に走査されて、次に、逆方向又はリトレース方向に走査されるであろう。もし毎秒４０００測定がなされ得るならば、２４分の１秒でライン当たり１６７測定箇所が獲得され得、１秒で３２，０００画素フレームが獲得され得る。
回転走査ミラーは、複数のドップラー効果を走査されたビームの中に導入する。もしビーム中央が回転軸に沿って走査ミラーに衝突するならば、複数のビームエッジは、エッジｔｏエッジ周波数差Ｆｄｄ＝４ωｄ／λを生成する、複数の等しく且つ反対のドップラー周波数シフトを経るであろう。そこでは、ωは走査ミラー角速度（ラジアン毎秒）であり、ｄはビーム直径であり、λはビーム波長である。２４分の１秒での１５度走査に対して、最大ドップラー周波数差は約３２．４ｋＨｚである。周波数差と関連付けられる複数の範囲誤差は、最大ドップラー周波数差に基づいて予測されるものと比べて約３分の１の大きさとなる傾向がある。複数のデュアルレーザ（すなわちカウンターチャープ）レーザーシステムに対しては、複数の範囲誤差は一層少ないものであり得る。
スキャナ４１４０は概して、測定ビームの高速走査を提供するように構成される。走査レンズは、複数の走査ビームを拡張してフォーカスする。複数のビームの各々の走査角度は、光学的不変量によって提供されるビーム拡張に比例して減少させられる。拡張される複数のフォーカスビームは次に、スキャナ４１４０の走査方向と平行でない方向で複数のビームを走査するように構成された二次スキャナへと方向付けられる。二次スキャナは、複数のジグザグ形走査パターンを生成すべく連続的かつ周期的であり得、又は、一連の平行な複数のビーム走査を生成すべく、段階的増大で走査し得る。他の複数の走査パターンが、簡便であり得るように使用され得る。
図４１のシステムは概して、基準経路も含む。複数のレーザーの各々は、各レーザーの複数の部分を図４１で示されるシステムへと方向付ける２×２連結器のようなファイバ連結器に接続される。他の複数の部分は、基準経路へと方向付けられる。例えば、２×２連結器は、各ビームの９５％を複数のビームスキャナに提供し、各ビームの５％を基準長に提供するように構成され得る。各レーザーに対する基準信号は、対応する基準検出器で生成される。
代表的な範囲処理レシーバが、図４２で図示されている。信号検出器４２０２は、リターンビーム及びＬＯビームを受け取るべく連結される。バンドパスフィルタ４２０４は、検出器信号をフィルタして、関係のある周波数範囲外の複数の信号出資を取り除くように構成される。アナログ・デジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）４２０８は、フィルタされた検出器信号のデジタル表現を生成するように構成され、デジタル信号プロセッサ４２１０は、例えばフィルタされた検出器信号のＦＦＴに基づいて、標的範囲と関連付けられるヘテロダイン周波数を識別する。参照ビームに基づく基準アーム信号、及び、基準ＬＯビームは、基準検出器４２２２で生成される。バンドパスフィルタ４２２４は、基準検出器信号をフィルタして、関係のある周波数範囲外の複数の信号出資を取り除くように構成される。アナログ・デジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）４２２８は、フィルタされた基準検出器信号のデジタル表現を生成するように構成され、デジタル信号プロセッサ４２１０は、ヘテロダイン周波数を識別する。図４１の複数のビームの各々は同様に処理され、各レーザーに対する複数の参照ビームも処理される。８つの識別される範囲、及び、２つの基準ヘテロダイン周波数は更に、複数の範囲推定およびキャリブレーションを提供すべく処理される。
開口折り返しミラーを備えるレーザーレーダ
図４３を参照すると、光学モジュール４３０２は、光ファイバ４３０４から入力ビームを受け取るべく連結される。測定ビームは、折り返しミラー４３０８の開口４３０６へと方向付けられる。焦点調整コーナーキューブ４３１２及びリターン反射器４３２４を含むフォーカスシステム４３１４は、測定ビームを受け取り、測定ビームをミラー４３０８の反射面へと戻すべく置かれる。ミラー４３０８は次に、標的に測定ビームの焦点を合わせるレンズ４３１８へと、測定ビームを方向付ける。ビームフォーカスは、軸４３２０に平行な方向で焦点調整コーナーキューブ４３１２を平行移動することによって提供される。
光学モジュール４３０２及びフォーカスシステム４３１４は、軸４３３２周りで回転するように構成された方位回転テーブル４３３０に固定される。折り返しミラー４３０８、フォーカスレンズ４３１８、及び、ビデオカメラは、軸４３２０周りで回転するように構成された俯仰回転ベアリングに連結される。
コンパクト大容量光学を備える複数の遠隔局所発振器
図４４Ａから４４Ｂは、複数のＬＯビーム、及び、結合されたデュアルレーザ測定ビームを焦点調整コーナーキューブへと連結する光学システムを図示している。図４４Ａは、複数の入力ＬＯビーム及び測定ビームを図示し、図４４Ｂは、リターンビームの複数のＬＯビームとの混合を図示している。複数の単一モード光ファイバは、複数のＬＯビームおよび複数の結合測定ビームを伝送すべく使用され得、単一モード又はマルチモードの複数の光ファイバは、混合されたＬＯビーム及びリターンビームを複数の検出器に連結すべく使用され得るが、そのような複数のファイバは、図４４Ａから４４Ｂでは不図示としてある。
ＰＢＳキューブ４４０２は、好ましくはＰＢＳキューブ４４０２によって透過される第１直線偏光状態で、第１及び第２ＬＯビームＬＯ１、ＬＯ２、及び、結合された二波長測定ビーム（Ｍ１／Ｍ２）を受け取るように構成される。プリズム４４０４は、第１遠隔ＬＯビームを生成すべく、第１ＬＯビームを焦点調整コーナーキューブ及び第１ＬＯリターン反射器へと方向付ける。直角プリズム４４０６及び長方形プリズム４４０８は、第２遠隔ＬＯビームを生成すべく、第２ＬＯビームを焦点調整コーナーキューブ及び第２ＬＯリターン反射器へと方向付けるように構成される。結合測定ビームは、レンズ４４１０によってフォーカスされ、ビームを焦点調整コーナーキューブ組立体へと反射してから標的へと反射するミラーに向かって伝搬する。１／４波長板４４０７は、複数のＬＯビーム及び測定ビームで共通する円偏光状態を生成すべく位置を定められる。
図４４Ｂは、ＰＢＳキューブ４４０２へと戻される第１及び第２ＬＯビームを図示している。１／４波長板４４０７は、ＰＢＳキューブ４４０２によって反射される第２直線偏光状態を生成する。第１ＬＯビームは、反射面４４２２によって第２出力（ＯＵＴ２）へと反射される。リターン測定ビームは、第１及び第２出力（ＯＵＴ１、ＯＵＴ２）の両方に連結されるべく、面４４２６および面４４２３で部分的に反射される。面４４２６は、平行四辺形プリズム４４２４と平行四辺形プリズム４４３０との間の境界面で画定され得る。第２ＬＯビームは、面４４２８によって第１出力（ＯＵＴ１）へと反射されるべく、ＰＢＳキューブ４４０２によって反射される。面４４２２、４４２６、４４２８に対する典型的な複数の面反射率は、各々、８０％、５０％、２０％であるが、他の複数の反射率が使用され得る。他の複数のプリズムが、図４４Ａから４４Ｂの組立体が固められた光学組立体として形成され得るように、提供され得る。
図４５は、図４４Ａから４４Ｂのものに対する代替案を図示している。第１及び第２ＬＯビームを焦点調整コーナーキューブへと方向付けることに代えて、反射器４５０２、４５０４が、複数のＬＯビームをＰＢＳキューブ４５１０の中へと戻して各々の出力ポートへと方向付けるべく、１／４波長板４５０６の面に置かれる。この例において、例えばコーナーキューブ変位または複数の熱的変化に起因する複数の経路長変化のような複数の影響によって、複数のＬＯビームは変調されない。その結果、そのような複数の変調は、ＬＯ経路がレーザーレーダ光学システムの中で測定ビーム／リターンビーム経路により緊密に接近する複数のシステムに比べて、より複数の範囲誤差の原因となりそうである。
代表的な複数の測定システム実装例
上記の複数の例は、様々な完全なシステムの中に含まれ得、又は、実装され得る。図５２から５４は、少しの代表的なシステムを図示している。図５２を参照すると、レーザーレーダシステム５２００は、ファイバベース光学モジュール５２０６に連結される測定レーザー５２０２、５２０４を含む。ポインティングレーザー５２０５は、ユーザがインタロゲーション中の標的位置を見ることを可能にすべく、ファイバベース光学モジュール５２０６にも連結される。変調器５２０８は、測定レーザー５２０２、５２０４に連結され、典型的に、関連付けられる複数の測定ビームの線形光学周波数変調を提供するように構成される。他の複数の例において、振幅変調または位相変調が適用され得、複数の非線形変調が使用され得る。光学モジュール５２０６は、上記で開示されるような基準長を含み、基準長からの基準光学信号は、第１測定レーザー５２０２及び第２測定レーザー５２０４の複数の変調を各々キャリブレーションするための信号処理器５２２６に連結される基準検出器５２２２へと方向付けられる。代替的構成において、２つの基準検出器が、各レーザーに対して１つ使用され得る。
統合光学組立体（ＩＯＡ）５２３０は、光ファイバ５２３２を経由して、複数の測定ビームを測定レーザー５２０２、５２０４から受け取るように構成される。ＩＯＡ５２３０は、俯仰モータ／ベアリング／エンコーダ組立体５２４０を用いて、俯仰シャフト５２３６上で回転自在とされている。俯仰シャフト５２３６は、方位モータ／ベアリング／エンコーダ組立体５２４４を用いて固定ベース５２４１の周りで回転自在とされているシャフト５２４５に順に固定される、取り付５２４２に固定される。ＩＯＡ５２３０はまた、標的から複数のプローブビーム部分を受け取り、且つ、受け取った複数のプローブビーム部分を、複数の測定ビームの各々に対応する複数のＬＯビームと結合するように構成される。複数の結合ビームは、１または複数の光検出器へと方向付けられ、干渉（ヘテロダイン式）電気信号は、無線周波数（ＲＦ）ケーブル５２２７を備える信号処理器５２２６に連結される。ＩＯＡ５２３０はまた、フォーカス光学系も含み、上記の複数の例で詳細に開示された共通プローブビーム／ＬＯビーム光学システムも提供する。
カメラ５２５０は、標的を見るべく、且つ、ＩＯＡ５２３０と共に回転すべく、連結される。コントローラ５２６０は、信号処理器５２２６、方位モータ／ベアリング／エンコーダ組立体５２４４、及び、俯仰モータ／ベアリング／エンコーダ組立体５２４０に連結される。複数のキャリブレーション値、複数の測定結果、複数の画像、回転制御及び信号処理に対する複数のコンピュータ実行可能命令、並びに、他の複数のデータ及び動作プログラムが、メモリ５２６２の中に格納され得る。
図５３を参照すると、レーザーレーダシステム５３００は、ファイバベース光学モジュール５３０６に連結される第１及び第２測定レーザー５３０２、５３０４を含む。ポインティングレーザー５３０５は、ユーザがインタロゲーション中の標的位置を見ることを可能にすべく、ファイバベース光学モジュール５３０６にも連結される。変調器５３０８は、測定レーザー５３０２、５３０４に連結され、典型的には、関連付けられる測定ビームの線形光学周波数変調を提供するように構成される。他の複数の例において、振幅変調または位相変調が適用され得、複数の非線形変調が使用され得る。光学モジュール５３０６は、上記で開示されるような基準長を含み、基準長からの基準光学信号は、第１測定レーザー５３０２及び第２測定レーザー５３０４の複数の変調を各々キャリブレーションするための信号処理器５３２６に連結される基準検出器５３２２、５３２４へと方向付けられる。代替的構成において、単一の基準検出器が両方のレーザーに対して使用され得る。
統合光学組立体（ＩＯＡ）５３３０は、俯仰モータ／ベアリング／エンコーダ組立体５３４０を用いて俯仰シャフト５３３６上で回転自在とされている走査ミラー５３３４に対して、コールドミラー５３３２を通してフォーカスプローブビームを提供すべく、測定レーザー５３０２、５３０４から複数の測定ビームを受け取るように構成される。俯仰シャフト５３３６は、方位モータ／ベアリング／エンコーダ組立体５３４４を用いて固定ベース５３４１周りで回転自在とされているシャフト５３４５に順に固定される、取り付５３４２に固定される。ＩＯＡ５３３０はまた、標的から複数のプローブビーム部分を受け取り、受け取った複数のプローブビーム部分を、複数の測定ビームの各々に対応する複数のＬＯビームと結合するように構成される。複数の結合ビームは、１または複数の光検出器へと方向付けられ、干渉（ヘテロダイン式）電気信号は、無線周波数（ＲＦ）ケーブル５３２７を経由して信号処理器５３２６に連結される。代替的に、複数の結合ビームは、光ファイバを経由して、レーザーオーブン５３０６へと戻されて１または複数の光検出器へと方向付けられ得る。ＩＯＡ５３３０はまた、フォーカス光学系も含み、上記の複数の例で詳細に開示された共通プローブビーム／ＬＯビーム光学システムも提供する。
ボアサイトカメラ（ＢＳＣ）５３５０は、コールドミラー５３３２を用いて、プローブビーム軸５３０１に沿って標的を見るべく連結される。広視野カメラ（ＷＦＣ）５３５０は、シャフト５３４５の軸に対応する方位軸周りで回転すべく、取り付５３４２に固定される。コントローラ５３６０は、信号処理器５３２６、方位モータ／ベアリング／エンコーダ組立体５３４４、及び、俯仰モータ／ベアリング／エンコーダ組立体５３４０に連結される。複数のキャリブレーション値、複数の測定結果、複数の画像、回転制御及び信号処理用の複数のコンピュータ実行可能命令、並びに、他の複数のデータ及び動作プログラムは、メモリ５３６２の中に格納され得る。
図５４を参照すると、レーザーレーダシステム５４００は、ファイバ５４０７の中に結合ビームを提供すべく、複数のファイバ連結器またはサーキュレータ５４０５、５４０６に連結される第１及び第２測定レーザー５４０２、５４０４を含む。ポインティングレーザー５４０９からのビームは、ユーザがインタロゲーション中の標的位置を見ることを可能とすべく、測定ビームと結合される。変調器５４１１は、測定レーザー５４０２、５４０４に連結され、典型的には、関連付けられる測定ビームの線形光学周波数変調を提供するように構成される。他の複数の例において、振幅変調または位相変調が適用され得、複数の非線形変調が使用され得る。サーキュレータ５４０６は、複数の結合測定ビームを基準長５４１２に連結する。基準検出器５４１３は、基準長５４１２からの複数のビームを受け取り、無線周波数（ＲＦ）ケーブル５４２３を経由して、対応する電気信号を信号処理器５４２２に連結する。
統合光学組立体（ＩＯＡ）５４３０は、俯仰ベアリング５４３２及び俯仰モータ／ベアリング／エンコーダ組立体５４３５を使用して俯仰シャフト５４３６上で回転自在とされているペンタミラー５４３１を用いて、標的へと方向づけられ得るフォーカスプローブビームを提供すべく、ファイバ５４０７から複数の測定ビームを受け取るように構成される。ＩＯＡ５４３０及び俯仰モータ／ベアリング／エンコーダ組立体５４３５は、ブリッジ支持部５４４７を経由して互いに固定される。ＩＯＡ５４３０、俯仰シャフト５４３６、ベアリング５４３２、及び、俯仰モータ／ベアリング／エンコーダ組立体５４３５は、方位モータ／ベアリング／エンコーダ組立体５４４４を用いて固定ベース５４５１周りで回転自在とされているシャフト５４４５に固定される。ＩＯＡ５４３０はまた、標的から複数のプローブビーム部分を受け取り、且つ、受け取った複数のプローブビーム部分を複数の測定ビームの各々に対応する複数のＬＯビームと結合するように構成される。複数の結合ビームは、ファイバ５４０７を経由して測定光検出器５４６０へと方向付けられ、干渉（ヘテロダイン式）電気信号は、信号処理器５４２２に連結される。ＩＯＡ５４３０はまた、フォーカス光学系も含み、上記の複数の例で詳細に開示される共通プローブビーム／ＬＯビーム光学システムも提供する。カメラ５４７０は、標的を見て、俯仰シャフト５４３６で回転すべく連結される。
例えば複数のプローブビームおよび／または複数の局所発振器ビームが単一のファイバの中で結合される上記のもの等の複数のファイバベースシステムによって、任意のコンポーネント配置が可能とされる。全てのビームは、ファイバ上での動き、温度又は他の複数の環境的影響が全てのビームに対して共通となるように、共通のファイバ内を伝搬し、検出システムの中で移動させられ、又は、移動可能とされる。
複数の振幅変調光学ビームに基づく複数の測定システム
複数の走査周波数システムが多数の利点をもたらす一方で、複数の振幅又は位相変調レーザーレーダ及びレーザートラッキングシステムが使用され得、これらは、上記で開示された複数の特徴およびシステムを組み入れ得る。図５５を参照すると、レーザーレーダ又はトラッキングシステム５５００は、振幅変調（ＡＭ）光学ビームをファイバ連結器５５０４に提供する振幅変調器５５０３に連結される、レーザーダイオード５５０２を含む。ファイバ連結器５５０４は、ＡＭ光学ビームを標的５５１０へと方向付けるべく、光ファイバ５５０５を経由して、ＡＭ光学ビームをフォーカス光学システム５５０６及び走査ミラー５５０８へと伝送する。走査ミラー５５０８は、ペンタミラーまたは他の適切な光学素子であり得る。標的５５１０から戻される光学ビームは、ファイバ連結器５５０４を経由して光検出器５５１２へと戻るように方向付けられる。位相比較器５５１４は、光学ビームに適用される振幅変調と、標的５５１０からのリターンビームのＡＭ変調との間の複数の位相シフトを判断すべく、振幅変調器５５０３および光検出器５５１２に連結される。位相検出器５５１４からの位相情報は、位相情報に基づいて標的距離を推定する信号処理器５５１６に連結される。１または複数のＡＭ光学ビームが使用され得、複数の位相変調が適用されて検出され得る。他の複数の例において、複数の周波数での複数の周波数変調（ＦＭ）が、ＡＭ変調に代えて又は加えて適用され得る。
複数のレーザーレーダ法及び適用例
上記で開示された複数の例は、以下の複数の方法及び装置を実施すべく使用され得る。図５６は、基板または標的に固定されるツーリングボールをトラッキングする代表的な方法を図示している。１または複数のツーリングボールは、複数の座標判断用の複数の基準箇所を提供すべく、標的に固定され得る。複数のツーリングボールは概して、例えばレーザーレーダのようなレーザーベース測定装置の中でインタロゲーションビームの十分な反射を提供すべく、反射性ボール形状面を含む。
図５６で示されるように、ステップ５６０２で、ツーリングボール位置が識別され、走査インタロゲーション光学ビームの戻される複数の部分に基づいて記録される。光学ビームは、ツーリングボールを追跡すべく、例えば円形、渦線形、Ｗ字形またはジグザグ形等の様々なパターンで走査され得る。ステップ５６０４で、識別された位置が、一次走査に対する位置を判断すべく評価される。ステップ５６０６で、ツーリングボール位置が一次走査に対して好適な位置となるように、一次走査が調節される。典型的には、一次走査は、ツーリングボール位置が一次走査範囲内の約中央に置かれるように調節される。ステップ５６０８で、他の走査に関する判断がなされる。
図５７は、船、飛行機の１または複数のコンポーネント、又は、他の複数のシステム又は装置の一部を生成するのに適した、且つ、そのような製造された複数のコンポーネントを評価して再処理するのに適した、代表的な製造システム５７００を図示している。システム５７００は典型的に、例えば上記で議論されたレーザーレーダ１００のような形状又はプロファイル測定システム５７０５を含む。製造システム５７００はまた、設計システム５７１０、成形システム５７２０、コントローラ５７３０および修復システム５７４０も含む。コントローラ５７３０は、複数の測定及び設計座標、又は、設計および／または測定された１または複数の製造構造の他の複数の特性を格納するように構成された座標ストレージ５７３１を含む。座標ストレージ５７３１は概して、例えばハードディスク、ランダムアクセスメモリ、又は、他のメモリデバイス等のコンピュータ可読媒体である。典型的には、設計システム５７１０、成形システム５７２０、形状測定システム５７０５、及び、修復システム５７４０は、ネットワークプロトコルを使用して、通信バス５７１５経由で通信する。
設計システム５７１０は、製造される構造の形状、複数の座標、複数の寸法、又は、他の複数の特徴に対応する設計情報を生成し、且つ、生成された設計情報を成形システム５７２０に伝達するように構成される。更に、設計システム５７１０は、ストレージ用に、設計情報をコントローラ５７３０の座標ストレージ５７３１に伝達できる。設計情報は典型的に、生成される構造の幾つか又は全ての特徴の複数の座標を示す情報を含む。
成形システム５７２０は、設計システム５７１０によって提供される設計情報に基づいて、構造を生成するように構成される。成形システム５７２０によって提供される複数の成形処理は、鋳造、鍛造、切断、又は、他のプロセスを含み得る。形状測定システム５７０５は、製造構造の１または複数の特徴の複数の座標を測定し、且つ、測定された複数の座標を示す情報、又は、構造形状に関する他の情報をコントローラ５７３０に伝達するように構成される。
コントローラ５７３０の製造インスペクタ５７３２は、座標ストレージ５７３１から設計情報を得て、例えばプロファイル測定装置１００から受け取られる複数の座標または他の形状情報等の情報を、座標ストレージ５７３１から読み出された設計情報と比較するように構成される。製造インスペクタ５７３２は概して、プロセッサ、及び、例えばランダムアクセスメモリ、フラッシュドライブ、ハードディスク、又は、他の複数の物理デバイス等の有形なコンピュータ可読媒体の中に格納される一連のコンピュータ実行可能命令として提供される。設計と実際の構造データとの比較に基づいて、製造インスペクタ５７３２は、製造構造が、概して座標ストレージ５７３１の中にも格納され得る１または複数の設計許容値に基づく設計情報に従って形付けられているか否かを判断できる。換言すると、製造インスペクタ５７３２は、製造構造が欠陥であるか非欠陥であるかを判断できる。構造が設計情報に従って形付けられていない（且つ、欠陥である）場合、製造インスペクタ５７３２は構造が修復可能であるか否かを判断する。もし修復可能であれば、製造インスペクタ５７３２は、製造構造の複数の欠陥部を識別して、適切な複数の座標、又は、他の修復データを提供できる。製造インスペクタ５７３２は、１または複数の修復命令または修復データを生成して、且つ、複数の修復命令および修復データを修復システム５７４０に転送するように構成される。そのような修復データは、修復を必要とする複数の位置、必要とされる再成形の範囲、又は、他の修復データを含み得る。修復システム５７４０は、修復データに基づいて、製造構造の複数の欠陥部を処理するように構成される。
図５８は、図５７で図示されるような複数の製造システムを組み込み得る、代表的な製造方法５８００を示すフローチャートである。ステップ５８０２で、製造構造の形状に対応して、設計情報が得られ、又は、生成される。ステップ５８０４で、設計情報に基づいて、構造が製造され、又は、「形付け」られる。ステップ５８０６で、製造構造に対応する形状情報を得るべく、製造構造の複数の座標、複数の寸法、又は、他の複数の特徴が、例えば上記で説明された複数のレーザーレーダシステムのようなプロファイル測定システムで測定される。ステップ５８０８で、製造構造が、複数の寸法、複数の座標、製造公差、又は、他の複数の構造パラメータの、実際のものと設計によるものとの比較に基づいて検査される。ステップ５８１０で、もし製造構造が非欠陥であると判断されたならば、製造部分は受け入れられて、ステップ５８１４で処理が終了する。ステップ５８１０で、もし、例えば図５７で示されるようなコントローラ５７３０の製造インスペクタ５７３２によって製造部分が欠陥であると判断されたならば、ステップ５８１２で、当該製造部分が修復可能であるかどうかが判断され得る。もし修復可能ならば、ステップ５８１６で、製造部分が再処理され又は修復され、ステップ５８０６、５８０８、５８１０の各々で測定、検査、再評価される。ステップ５８１２で、もし製造部分が修復不可能であると判断されたならば、ステップ５８１４で処理が終了する。
図５８の方法によれば、製造構造の複数の座標又は他の複数の特徴を正確に測定又は評価するプロファイル測定システムを使用して、製造構造は、その構造が欠陥であるか非欠陥であるかを判断すべく評価され得る。更に、もし製造構造が欠陥であると判断され、そして、その部分が複数の構造寸法及び特徴の設計によるものと実際のものとに基づいて修復可能であると判断されれば、再処理工程が開始され得る。測定、検査及び評価処理を繰り返すことによって、複数の欠陥部分は再処理され得、欠陥であるが修復可能ではない部分は捨てられ得る。図５７から５８の複数の特定のシステム及び方法は単に例示であって、他の複数の配置が使用され得る。
上記の実施形態において、構造製造システム５８００は、例えば上記で示される複数のレーザーレーダのようなプロファイル測定システム、設計システム５７１０、成形システム５７２０、ある部分が許容可能であるか否かを判断するように構成されたコントローラ５７３０（検査装置）、及び、修復システム５７４０を含み得る。しかしながら、他の複数のシステム及び方法が使用され得、図説の便宜上、図５７及び５８の複数の例が提供される。
開示される発明の複数の原理が適用され得る、多くの考えられる実施形態を鑑みると、例示される複数の実施形態が単に本発明の好適な複数の例であって、本発明の範囲を限定するものと見なされるべきではないと認識されるべきである。むしろ、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって画定される。従って、これらの請求項の範囲及び主旨の中にある全てが本発明であると主張される。

Claims (24)

  1. プローブビームを標的へと方向付けるプローブビーム源と、
    基準長を画定し、参照ビームを受け取るべく置かれる光ファイバと、
    前記光ファイバを保持すべく気密シールされ、乾燥した不活性ガスで埋め戻される容器と、
    前記基準長と関連付けられる温度を選択し、測定すべく、前記気密シールされる容器に連結される温度コントローラと、
    前記標的から前記プローブビームの少なくとも一部を受け取り、前記基準長を画定する前記光ファイバから前記参照ビームを受け取る少なくとも１つの光検出器と、
    前記標的からの前記プローブビームの受け取られた部分、前記基準長を画定する前記光ファイバからの前記参照ビームの受け取られた部分および前記基準長の前記測定された温度に基づいて標的距離の推定を確立するべく、前記少なくとも１つの光検出器に連結される信号処理器と、
    を備える、レーザー測定装置。
  2. 前記少なくとも１つの光検出器が、前記標的から前記プローブビームの前記一部を、そして前記基準長を画定する前記光ファイバから前記参照ビームをそれぞれ受け取る測定検出器および基準検出器を含み、
    前記信号処理器は、前記測定検出器および前記基準検出器に連結される、請求項１に記載のレーザー測定装置。
  3. 共通光学ビームから前記プローブビームおよび前記参照ビームを生成する第１ファイバ連結器と、
    第２ファイバ連結器と、
    を更に備え、
    前記参照ビームが前記基準長を画定する前記光ファイバを通って前記第２ファイバ連結器から基準検出器へと方向付けられるように、前記基準長を画定する前記光ファイバが前記第２ファイバ連結器に連結される、請求項１に記載のレーザー測定装置。
  4. 前記共通光学ビームが、周波数走査光学ビームであり、
    前記信号処理器が、前記標的からの前記プローブビームの前記受け取られる部分と少なくとも１つの局所発振器ビームとの間の周波数差および前記参照ビームの受け取られる部分と基準局所発振ビームとの間の周波数差に基づいて前記標的距離の前記推定を確立する、請求項３に記載のレーザー測定装置。
  5. 前記第２ファイバ連結器が、前記基準検出器へと方向付けられる基準局所発振ビームを生成し、
    前記共通光学ビームが、周波数走査光学ビームであり、
    前記信号処理器が、前記標的からの前記プローブビームの前記受け取られる部分とプローブ局所発振ビームとの間の周波数差、および、前記基準長を画定する前記光ファイバから受け取られる前記参照ビームと前記基準局所発振ビームとの間の周波数差に基づいて前記標的距離の前記推定を確立する、請求項３に記載のレーザー測定装置。
  6. 前記基準長を画定する前記光ファイバが金属コーティングを有する、請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザー測定装置。
  7. 前記基準長が１ｍから５ｍの間である、請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザー測定装置。
  8. 前記気密シールされる容器は、アルミニウムまたは銅の容器である、請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザー測定装置。
  9. 前記基準長を画定する前記光ファイバへ連結されるファイバ入力およびファイバ出力を更に備え、前記ファイバ入力および前記ファイバ出力は、前記気密シールされる容器に半田付けされる、請求項１から８のいずれか１項に記載のレーザー測定装置。
  10. 前記気密シールされる容器は、Ｏリングでシールされる蓋を有する、請求項１から９のいずれか１項に記載のレーザー測定装置。
  11. 前記気密シールされる容器は、半田付けされた蓋を有する、請求項１から１０のいずれか１項に記載のレーザー測定装置。
  12. 前記気密シールされる容器は、溶接された蓋を有する、請求項１から１０のいずれか１項に記載のレーザー測定装置。
  13. 前記基準長を画定する前記光ファイバは、ポリイミド層でオーバーコーティングされる、請求項１から１２のいずれか１項に記載のレーザー測定装置。
  14. 前記基準長を画定する前記光ファイバは、ポリイミド層およびシールコートでオーバーコーティングされる、請求項１から１２のいずれか１項に記載のレーザー測定装置。
  15. 光ファイバに沿う通過と関連付けられる参照ビームを生成すべく、基準長を画定する前記光ファイバへ光学ビームを方向付ける段階であって、前記光ファイバが気密シールされ、乾燥した不活性ガスで埋め戻される容器に置かれる、方向付ける段階と、
    前記気密シールされる容器の温度を設定し、前記基準長に関連付けられる温度を測定する段階と、
    前記参照ビームを受け取り、そして前記参照ビームおよび前記測定された温度に基づいて標的へのプローブビームの伝搬に関連付けられる伝搬長を推定する段階と、
    を備える、方法。
  16. 前記参照ビームが走査周波数光学ビームであり、
    前記伝搬長の推定が前記走査周波数光学ビームによって部分的に確立される周波数差に基づく、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記周波数差は、前記参照ビームの複数の部分と局所発振器ビームとの干渉に関連付けられるヘテロダイン周波数である、請求項１６に記載の方法。
  18. 共通ビームの一部を第１ファイバ連結器へ方向付けることにより、前記参照ビームおよび前記局所発振器ビームを提供する段階を更に備える、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記第１ファイバ連結器は前記共通ビームを第２ファイバ連結器から受け取り、前記第２ファイバ連結器は前記プローブビームを前記標的へと方向付ける、請求項１８に記載の方法。
  20. 複数の標的距離に対する前記走査周波数光学ビームと関連付けられる周波数掃引の対応を確立する段階を更に備える、請求項１６に記載の方法。
  21. 前記プローブビームを標的へと方向付ける段階であって、前記プローブビームは前記参照ビームの周波数掃引に対応する周波数掃引を有する走査周波数光学ビームである、方向付ける段階と、
    前記標的から受け取られる前記プローブビームと局所発振器光学ビームとの間の差周波数を得る段階と、
    前記プローブビームと関連付けられる前記差周波数と、複数の標的距離に対する前記走査周波数光学ビームと関連付けられる前記周波数掃引の前記対応とに基づいて、少なくとも１つの標的距離を推定する段階と
    を更に備える、請求項１５に記載の方法。
  22. 構造の形状と関連付けられる設計情報を取得する段階と、
    前記設計情報に基づいて前記構造を製造する段階と、
    請求項１から１４のいずれか１項に記載のレーザー測定装置用いて、製造された前記構造の形状を測定する段階と、
    前記測定から得られる形状情報と、前記設計情報により特定される前記構造の前記形状とを比較する段階と、
    を備える、製造方法。
  23. 前記測定から得られる前記形状情報と、前記設計情報により特定される前記構造の前記形状との前記比較に基づいて、製造された前記構造を再処理する段階を更に備える、請求項２２に記載の製造方法。
  24. 前記再処理する段階は、製造された前記構造を前記設計情報に基づいて修復する段階を有する、請求項２３に記載の製造方法。
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