CN105308475B - 用于激光雷达的低漂移参考 - Google Patents

Abstract

激光雷达***包括被配置为关于目标表面扫描测量光束的五棱镜。聚焦光学组件包括被用于调整测量光束的焦点的角隅棱镜。基于返回光束和本振光束之间的外差频率估计目标距离。本振光束被配置为在与返回光束混合之前向聚焦光学组件来回传播。在一些示例中，使用具有被固定至锂铝硅酸盐玻璃陶瓷管的镜子的法布里‑珀罗干涉仪关于目标距离校准外差频率。

Description

用于激光雷达的低漂移参考

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年11月21日递交的美国临时申请61/728,999、于2013年1月17日递交的美国临时申请61/753,786以及于2013年3月15日递交的美国申请13/840,606的权益，通过引用将这些申请合并于本文。

技术领域

本公开涉及激光雷达***。

背景技术

激光雷达***提供帮助单操作者的物体检查的简单的、方便的、非接触的测量。激光雷达***对于将被测量的诸如飞机、汽车、风力涡轮机或卫星部件的大的物体的应用尤其有用。在美国专利4,733,609、4,824,251、4,830,486、4,969,736、5,114,226、7,139,446、7,925,134，美国专利申请公开2011/0205523以及日本专利2,664,399中描述了一些惯常的激光雷达***，通过引用将它们合并到本文。在这些激光雷达***中，激光束被导向目标表面并在目标表面之上扫描，检测并处理被反射或散射回激光雷达的部分激光束以提供目标信息。能够由编码器速率限制有用的光束扫描速率，并且距离校准在使用期间趋向于漂移。此外，这种***的成本是巨大的。因此，需要改进的激光雷达方法和装置。

发明内容

在一些示例中，测距***包括扫描反射镜，其包括至少两个反射面。第一旋转台被耦合至扫描反射镜，并被配置为关于目标扫描光学测量光束并响应于所扫描的光学测量光束接收来自目标的光学返回光束。在一些实施例中，耦合光源以将光学测量光束导向扫描反射镜，并且使光学接收机位于自扫描反射镜接收返回光束的位置。信号处理器被配置为基于所接收的返回光束为至少一个目标位置提供所估计的目标距离。在其他示例中，耦合光源，以沿正交于自扫描反射镜至目标的测量光束的传播轴的轴，将光学测量光束导向扫描反射镜。在典型的示例中，使两个反射面位于关于彼此45度或135度角的位置。在又一实施例中，光纤被配置为自光源接收测量光束，并自光纤端面将测量光束导向扫描反射镜，并在端面处接收返回光束。

在典型的示例中，测距***包括位于自光纤的端面接收测量光束的位置的角隅棱镜。光束聚焦镜片被配置为自角隅棱镜接收测量光束，并将测量光束聚焦到目标表面处，其中，角隅棱镜关于光束聚焦镜片是可移动的，以便在所选的目标距离处产生测量光束焦点。在一些示例中，第二旋转台被配置为通过第一旋转台的旋转来改变测量光束的传播方向。在典型的示例中，使第一旋转台位于产生所选的光束仰角的位置，并且第二旋转台被配置为产生所选的光束方位角。在一些替代方案中，第二旋转台被配置为旋转光纤的端面。在一些实施例中，在各自的平面反射镜上或在诸如五棱镜的实心棱镜的表面处限定两个反射面。

在一些所公开的示例中，光源被配置为基于测量光束产生第二光束，以便使光学接收机位于接收第二光束的位置，并且其中，信号处理器被配置为基于所接收的返回光束和第二光束为至少一个目标位置提供所估计的目标距离。在实施例中，针对至少一个目标位置的所估计的目标距离是基于与所接收的返回光束和第二光束相关联的差频的。在典型的示例中，配置光源，使得光学测量光束和第二光束是频率啁啾的光束，并针对至少一个目标位置的所估计的目标距离是基于与所接收的返回光束和第二光束以及啁啾速率相关联的差频的。在典型的示例中，信号处理器被耦合至光源，并被配置为基于所估计的或所测量的目标距离选择频率啁啾的光学测量光束的频率啁啾。

在典型的示例中，使角隅棱镜位于接收光学测量光束的位置，并且光束聚焦镜片被配置为接收来自角隅棱镜的测量光束并将测量光束聚焦到目标表面处。角隅棱镜关于光束聚焦镜片是可移动的，以便在所选择的目标距离处产生测量光束焦点。光源被配置为将第二光束导向角隅棱镜，并使光学接收机位于在角隅棱镜中传播之后接收第二光束的位置。将光源耦合至被配置为从普通的输入光束产生光学测量光束和光学第二光束的光纤***，其中，光纤***被进一步配置为接收光学返回光束并将包括返回光束和第二光束的组合光束提供给接收机光学***。

典型的方法包括引导测量光束以便被扫描镜的至少两个反射面所反射，以及旋转扫描镜以便沿所扫描的轴扫描测量光束。接收由扫描镜自扫描轴所返回的光束，并且基于所接收的返回光束估计至少一个目标距离。在一些示例中，旋转扫描镜，以将测量光束导向参考反射镜，以便产生参考返回光束。基于参考返回光束确定扫描轴与预期的扫描轴的偏离。

用于光学测量装置的校准设备包括支撑结构，以及被固定至支撑结构的第一反射光学表面。第一反射面限定具有基于支撑结构的光路长度的循环光路，并且第一反射面被配置为引入光束以便沿循环光路传播。参考光电探测器被配置为接收具有基于光路长度的相对延迟的至少两个光束，并且产生输出信号，以及信号处理器将输出信号特性与光路长度相关联。在一些示例中，第一反射面被配置为将多个延迟后的光束耦合至光电探测器，其中，多个延迟后的光束中的每个延迟后的光束具有对应于循环光路的光路长度的整数倍的光学延迟。在其他示例中，将第二反射面固定至支撑结构。第二反射面被配置为将多个延迟后的光束耦合至参考光电探测器，其中，多个延迟后的光束中的每个延迟后的光束具有对应于循环光路的光路长度的整数倍的光学延迟。在典型的实施例中，将第一反射面和第二反射面固定至支撑结构，以便限定法布里-珀罗谐振器，并且光路长度对应于第一反射面和第二反射面的间隔。在一些示例中，第二反射面被配置为将多个延迟后的光束耦合至光电探测器，其中，多个延迟后的光束中的每个延迟后的光束具有对应于循环光路的光路长度的整数倍的光学延迟。

在典型的示例中，由支撑结构所限定的光路长度是基于具有小于0.5·(10^-6)/℃、0.5·(10^-7)/℃或0.2·(10^-7)/℃的热膨胀系数的支撑结构的部分。根据一些示例，由支撑结构所限定的光路长度是基于包括诸如具有小于0.1·(10-6)/℃的热膨胀系数的锂铝硅氧化物玻璃陶瓷的玻璃陶瓷的支撑结构的部分。

在一些示例中，第一反射面和第二反射面中的至少一个是非平面的。在典型的示例中，第一反射面和第二反射面中的至少一个是非平面的，以便法布里-珀罗谐振器是稳定的谐振器。在其他示例中，使第一反射面和第二反射面位于沿包括第一反射面和第二反射面的曲率中心的轴的位置，以便引导所引入的光束以轴外地传播。在又一其他替代方案中，将第一反射面、第二反射面和第三反射面固定至支撑结构，以便限定环形谐振器，并且光路长度对应于基于第一反射面、第二反射面和第三反射面的间隔的传播距离。在另外的示例中，容器被配置为容纳支撑结构和第一反射光学表面，使得循环光路被限定在容器内。温度控制器被热耦合至容器，并被配置为设置容器的温度。

激光测距装置包括被配置为将探测光束导向目标的探测光束源。测量检测器被配置为接收来自目标的探测光束的至少一部分。参考长度基于超低热膨胀系数(ULE)的支撑结构定义具有光路长度的循环光路。参考长度被配置为接收参考光束并引导参考光束以便沿循环光路传播。参考检测器被配置为自循环光路接收参考光束。信号处理器被耦合至测量检测器和参考检测器，并被配置为基于所接收的来自目标的探测光束部分和所接收的来自参考长度的参考光束部分建立对目标距离的估计。在其他实施例中，将自循环光路所接收的参考光束与沿两倍或更多倍的参考长度的光路长度的参考光束的传播相关联，并且信号处理器被配置为基于与两倍或更多倍的光路长度相关联的所接收的参考光束部分建立对目标距离的估计。根据典型的示例，参考长度包括被固定至支撑结构的第一反射镜和第二反射镜，以定义循环光路。在典型的示例中，布置第一反射镜和第二反射镜，以限定法布里-珀罗谐振器，并且将光路长度与第一反射镜和第二反射镜的间隔相关联。

在其他实施例中，支撑结构是ULE杆，并且使第一反射镜和第二反射镜位于ULE杆的对端处。根据典型的示例，ULE材料是一个或多个的锂铝硅氧化物陶瓷或熔凝石英。在一些实施例中，光纤耦合器被配置为由普通的光束产生测量光束和参考光束，并且参考长度包括被配置为自光纤耦合器接收参考光束并将来自循环光路的参考光束导向参考检测器的输入光纤和输出光纤。

在特定的示例中，普通光束是频率扫描光束，并且信号处理器被配置为基于自目标所接收的探测光束部分与本振光束之间的频率差以及与两倍或更多倍的参考长度的光路长度相关联的所接收的参考光束部分相关联的至少一个频率差建立对目标距离的估计。典型地，密封的容器被配置为容纳参考长度，并且将温度控制器耦合至密封的容器以选择与参考长度相关联的温度。在某些情况下，将参考长度限定在光纤或其他折射介质中。在其他实施例中，参考长度包括被布置以限定环形谐振器的多个反射面，并且将光路长度与多个反射面的间隔相关联。在又一示例中，参考长度包括位于将沿光路长度的参考光束的传播与至少一个反射面上不同位置处的两个反射相关联的位置的至少一个反射面。

方法包括将参考光束导向限定光路长度以产生与沿光路的行程相关联的参考光束部分的光学谐振器。光路长度是基于超低热膨胀(ULE)支撑部的尺寸的。在一个或多个光电探测器处接收参考光束部分，并且基于所接收的部分估计与参考光束部分相关联的传播长度。在一些示例中，产生多个参考光束部分，并且将参考光束部分与沿光路的相应的行程相关联。在典型的示例中，参考光束是扫频光束，并且传播长度估计是基于参考光束部分之间的频率差的。根据其他的示例，通过将多个参考光束部分导向光电探测器并获得与参考光束部分的干涉相关联的外差频率来获得频率差。在一些示例中，ULE支撑部是锂铝硅氧化物陶瓷。在其他替代方案中，建立与扫频光束相关联的频率扫描与目标距离之间的对应。在又一示例中，将探测光束导向目标，并且探测光束为具有与参考光束的频率扫描相对应的频率扫描的扫频光束。获得如自目标所接收的探测光束与本振光束之间的频率差。基于与探测光束相关联的差频和频率扫描与目标距离之间的对应估计至少一个目标距离。

测量装置包括被耦合以提供探测光束和参考光束的测量光束源。光学***包括具有至少一个可移动的光学元件以将探测光束聚焦到目标表面处的调焦光学***。至少一个光电探测器被配置为接收由目标表面向调焦光学***所返回的探测光束的一部分以及来自调焦***的参考光束的一部分。在一些示例中，参考光束作为准直光束传播在调焦***中。在一些示例中，使调焦的光学组件位于由调焦***所返回的探测光束的一部分和参考光束具有如在至少一个光电探测器处所接收的对调焦光学组件的可移动光学元件的共同数目的穿过的位置。在典型的示例中，可移动的光学元件是诸如角隅棱镜的可移动的回射镜。在其他替代方案中，调焦的光学***包括参考光束的回射镜和参考光束的反射镜，其中，使参考光束的回射镜位于自可移动的回射镜接收参考光束并通过回射镜将所移位的参考光束导向参考光束的反射镜的位置，并且参考光束的反射镜被配置为将所移位的参考光束指回参考光束的回射镜。根据一些示例，测量光束源包括被配置为提供探测光束和参考光束的光纤，并且调焦的光学***被配置为将由目标表面所返回的探测光束的一部分和来自参考光束的回射镜的参考光束传送至光纤。在又一示例中，测量光束源包括被配置为提供探测光束和参考光束的光纤，并且调焦的光学***被配置为将由目标表面所返回的探测光束的一部分和参考光束传送至光纤。在其他的示例中，调焦***包括位于接收来自回射镜的探测光束并将探测光束指回反射镜的位置的返回反射镜，并且光学***包括位于接收探测光束并将探测光束聚焦到目标距离处的透镜。典型地，使透镜位于将由目标表面返回的探测光束的一部分指到光纤内的位置。在一些示例中，测量光束是扫频光束，并且光电探测器被配置为以与目标距离相关联的差频产生信号。

根据一些实施例，测量装置包括复合旋转台，其包括方位角旋转台和被固定至方位角旋转台的仰角旋转台，其中，将光学***固定至仰角台，以便基于仰角和方位角将探测光束导向目标表面。在典型的实施例中，信号处理器被配置为基于差频确定目标距离估计。在典型的示例中，光束分离器被配置为从测量光束提供探测光束和参考光束。在一些示例中，光束分离器是基于波前分割或幅值分割的。在典型的示例中，波束分离器包括位于接收测量光束并透射探测光束或参考光束中的一个的位置的光束分离器，并且由分束器将探测光束或参考光束中的至少一个导向调焦的光学***。在一些示例中，分束器是偏振分束器(PBS)，并且使波片位于在偏振的第一状态下将参考光束自PBS耦合至可移动的光学元件并且在正交于第一SOP的第二SOP下将参考光束自可移动的光学元件耦合至PBS的位置。在方便的示例中，第一SOP和第二SOP是线性SOP，并且至少一个波片被配置为提供1/4波长的延迟。

在其他的替代方案中，光束分离器包括被配置为选择测量光束截面的第一部分作为探测光束并将测量光束截面的第二部分作为参考光束的至少一个光学表面。根据一些示例，至少一个光学表面是在对应于测量光束的探测光束部分的表面区域中具有第一曲率和在对应于测量光束的参考光束部分的表面区域中具有第二曲率的折射面。在其他示例中，至少一个光学表面包括位于反射测量光束的探测光束部分或测量光束的参考光束部分的位置的第一反射面。在一些实施例中，使第一反射面位于为探测光束提供第一光束散度和为参考光束提供第二光束散度的位置，其中，第一光束散度和第二光束散度是不同的。在又一示例中，第一光束分离器包括被配置为选择测量光束截面的第一部分作为探测光束和测量光束截面的第二部分作为参考光束的第一光学表面和第二光学表面。在一些实施例中，第一表面包括与探测光束部分或参考光束部分相关联的并被配置为将探测光束部分或参考光束部分反射至第二表面的反射区域。第二表面具有位于反射自第一表面所接收的光束部分以便探测光束部分和参考光束部分沿具有不同光束散度的公共轴传播的位置的反射面区域。根据典型的示例，第二表面包括被配置为将测量光束透射至第一表面的透射区域，并且使光纤位于将测量光束耦合至第二表面的位置。光纤包括位于第二表面处的光纤表面，其中，光纤表面将测量光束耦合至第二表面。

方法包括用聚焦光学组件在目标处选择探测光束的焦点，以及接收自目标返回至聚焦的光学组件的探测光束的一部分。参考光束被导向聚焦的光学组件并自光学组件被返回。基于所接收的探测光束的一部分和自聚焦的光学组件所返回的参考光束估计目标距离。在一些示例中，使调焦的光学组件位于由调焦***所返回的探测光束的一部分和参考光束具有穿过调焦的光学组件的至少一部分的共同数目的位置。根据典型的示例，用聚焦组件的可移动的光学元件选择探测光束的焦点，并且自目标所返回的探测光束的一部分和参考光束具有穿过调焦的光学组件的可移动的光学元件的共同数目。在一些实施例中，可移动的光学元件是诸如空中角隅棱镜或空中屋脊棱镜的可移动的角隅棱镜或屋脊棱镜。在一些实施例中，基于对测量光束波前的分割划分测量光束，以形成探测光束和参考光束。根据一些示例，通过将测量光束导向具有不同曲率或不同反射率的表面区域的光学表面来划分测量光束。在一些示例中，通过将测量光束导向被配置为透射测量光束的第一截面区域并反射测量光束部分的第二截面区域的第一表面来划分测量光束。在典型的实施例中，通过在检测器处将自目标所返回的探测光束部分与参考光束相混合并确定探测光束部分和参考光束之间的频率差来估计目标距离。

被配置为从测量光束提供探测光束和参考光束的光束分离器包括被配置为选择测量光束截面的第一部分作为探测光束以及选择测量光束截面的第二部分作为参考光束，并为探测光束和参考光束产生不同光束散度的至少一个光学表面。在一些示例中，至少一个光学表面是在对应于测量光束的探测光束部分的表面区域中具有第一曲率和在对应于测量光束的参考光束部分的表面区域中具有第二曲率的折射面。在其他示例中，至少一个光学表面包括位于反射测量光束的第一部分或第二部分位置的第一反射面。在又一其他示例中，使第一反射面位于为探测光束提供第一光束散度和为参考光束提供第二光束散度的位置，其中，第一光束散度和第二光束散度是不同的。根据一些示例，第一表面包括与探测光束部分或参考光束相关联的并被配置为将探测光束或参考光束反射至第二表面的反射区域。第二表面具有位于反射自第一表面所接收的光束部分以便探测光束和参考光束沿具有不同光束散度的公共轴传播的位置的反射面区域。在又一示例中，第二表面包括被配置为将测量光束透射至第一表面的透射区域。在一些示例中，使光纤位于将测量光束耦合至第二表面的位置。

光束导向***包括被配置为提供围绕第一轴线旋转的第一旋转台以及被耦合至第一旋转台并被配置为提供围绕不平行于第一轴线的第二轴线旋转的第二旋转台。将可旋转的光学元件耦合至第二旋转台，并且使光学***位于将探测光束提供给可旋转的光学元件的位置。在一些示例中，第一轴线是方位角轴线而第二轴线是仰角轴线，或者第一轴线是仰角轴线而第二轴线是方位角轴线。在典型的示例中，使可旋转的光学元件位于沿平行于第二轴线的传播轴自光学***接收探测光束的位置。根据一些示例，可旋转的光学元件具有位于接收探测光束以便基于分别与第一旋转台和第二旋转台相关联的第一旋转角和第二旋转角将探测光束导向目标位置的位置的平面反射面。在一些示例中，可旋转的光学元件是五棱镜。根据一些实施例，使可旋转的光学元件位于沿平行于第一轴线的轴线自光学***接收探测光束的位置。在其他替代方案中，配置光学***，以关于第一旋转台和第二旋转台的旋转静止。在另外的示例中，光学***包括被配置为接收自目标所返回的探测光束的一部分的光电探测器。在又一示例中，固定照相机，以围绕第一轴线可旋转，以成像视野的目标场。

在又一其他替代方案中，使可旋转的光学元件位于沿平行于第二轴线的轴线接收来自光学***的探测光束的位置。将光纤耦合至光学***，以将测量光束传送至光学***，并且光学***被配置为基于测量光束产生探测光束和参考光束。在一些实施例中，第一旋转台和第二旋转台包括各自的编码器，并且将信号处理器耦合至编码器，以基于编码器信号确定探测光束的导向。根据一些示例，光学***包括可平移以调节探测光束的焦点距离的至少一个光学元件。在特定的实施例中，光学***包括角隅棱镜和物镜，其中，可平移的光学元件是位于改变与物镜相关联的传播距离的位置的角隅棱镜。在一些示例中，光学***被配置为基于导向角隅棱镜的测量光束的一部分产生参考光束。在一些方便的示例中，光学***被配置为将自目标返回的探测光束的一部分和参考光束耦合到光纤中。在其他示例中，耦合照相机，以围绕第二轴线可旋转，并被配置为成像目标的至少一部分。

测距***包括扫描反射镜，其包括至少两个反射面。光学***被配置为将光学探测光束导向扫描反射镜。第一旋转台被耦合至扫描反射镜并被配置为基于扫描反射镜的旋转关于目标扫描光学探测光束，其中，光学***被配置为响应于所扫描的光学探测光束，接收来自目标的光学返回光束。根据一些实施例，使光学接收机位于接收来自光学***的光学返回光束的位置，并且信号处理器被配置为基于光学返回光束为至少一个目标位置提供所估计的目标距离。在又一其他替代方案中，沿正交于自扫描反射镜至目标的光学探测光束的传播的轴线的轴线将光学探测光束导向扫描反射镜。在一些示例中，使扫描反射镜的两个反射面位于关于彼此45度或135度角处。在又一其他实施例中，光纤被配置为接收来自光源的光学探测光束，并将光学探测光束导向光学***，并接收来自目标的返回光束。

在特定的示例中，光学***包括位于接收来自光纤的光学探测光束位置的角隅棱镜。光束聚焦镜片被配置为接收来自角隅棱镜的光学探测光束，并将测量光束聚焦到目标表面处，其中，角隅棱镜是关于光束聚焦镜片可移动的，以在所选择的目标距离处产生光束焦点。在另外的示例中，第二旋转台被配置为将光学探测光束的传播方向改变至目标，其中，使第一旋转台位于产生所选择光束的仰角位置，并且第二旋转台被配置为产生所选择光束的方位角位置。在一些示例中，在诸如五棱镜的实心棱镜的表面处定义两个反射面。在又一示例中，光源被配置为产生第二光束，并且光学***被配置为将第二光束和返回探测光束耦合至光电探测器。信号处理器被配置为基于所接收的返回光束和第二光束为至少一个目标位置提供所估计的目标距离。在一些示例中，为至少一个目标位置所估计的目标距离是基于与所接收的返回光束和第二光束相关联的差频的。

激光雷达***包括被配置为提供扫频光束的测量光束源。耦合光学***，以接收扫频光束，并产生探测光束和参考光束，选择探测光束的焦点距离，并将来自目标的探测光束部分和参考光束耦合至检测器。探测光束导向***包括仰角旋转台和方位角旋转台，其中，将仰角旋转台耦合至方位角旋转台。可旋转的反射面被耦合至仰角台，并被配置为接收探测光束并将探测光束导向所选择的目标位置。在一些示例中，沿旋转的仰角轴或沿旋转的方位角轴将探测光束耦合至可旋转的反射面。

光学测量装置包括光束导向***，包括仰角台和方位角台。固定光学***，以关于方位角台可旋转。光学***被配置为接收测量光束，并成形测量光束，用于传送至目标区域作为探测光束，其中，目标区域是基于由光束导向***所建立的仰角和方位角的。光学***还将自目标所返回的探测光束的一部分与光纤中的测量光束的一部分相组合，并且包括位于为探测光束建立仰角的位置的可旋转的反射面。信号处理***被配置为基于所组合的光束提供对目标距离的估计。在一些示例中，将测量检测器耦合至所组合的探测光束和测量光束部分，其中，信号处理***被电耦合至测量检测器，并被配置为基于来自测量检测器的电信号提供对目标距离的估计。根据其他示例，固定测量检测器，以关于方位角台可旋转或以关于由光束导向***所提供的仰角旋转和方位角旋转被固定。在典型的示例中，可旋转的反射面是平面镜的表面、诸如五棱镜的棱镜的表面、五面镜的表面，并且能够被多层的电介质涂层所限定。在一些示例中，耦合第一测量激光器和第二测量激光器，以向可旋转的光学***的光纤提供双波长的测量光束。

在另外的示例中，参考长度包括被耦合以接收双波长测量光束的一部分的法布里-珀罗谐振器。参考检测器可选地被耦合至法布里-珀罗谐振器，并被电耦合至信号处理***，以提供参考电信号，其中，信号处理***被配置为基于参考电信号提供对目标距离的估计。在典型的示例中，参考电信号包括对应于由法布里-珀罗谐振器所限定的腔的多个行程的信号部分。在其他示例中，可旋转的光学***包括被配置为调整探测光束的焦点的至少一个可平移的光学元件，其中，通过至少一个可平移的光学元件耦合与探测光束的返回部分相组合的测量光束的一部分。在一些示例中，组合测量光束的一部分和探测光束的返回部分，以在至少一个可平移的光学元件中具有相应的光路或具有至少一个可平移的光学元件的共同数目的行程。根据一些示例，至少一个可平移的光学元件是角隅棱镜或屋脊棱镜。

在又一示例中，外壳被配置为容纳参考长度，并且温度控制器被热耦合至外壳并被配置为建立外壳的温度。在另一实施例中，配置产生可见光束的导向激光器，以便用双波长测量光束将可见光束耦合至可旋转的光学***的光纤。在一些替代方案中，可旋转的光学***的光纤是保偏单模光纤。在又一其他示例中，固定照相机，以便关于方位角台可旋转，并位于沿探测光束的传播轴成像的位置。

在其他实施例中，测量装置包括双波长的光纤发射机和接收机***，包括被耦合以向输入/输出光纤提供组合光束的第一激光器和第二激光器、被耦合以接收组合光束的一部分并将参考光束耦合至参考光纤的参考长度、以及被配置以容纳至少参考长度的热控制外壳。耦合光束成形光学***，以接收来自发射机/接收机***的输入/输出光纤的组合光束。典型地，光束成形光学***包括光束聚焦透镜和被配置为将双波长的探测光束聚焦到目标表面处的至少一个可平移的调焦的光学元件。在一些示例中，方位角台被配置为按所选的方位角将双波长的探测光束导向目标表面，并且光束成形光学***被配置为沿方位角台的旋转的轴线引导双波长的探测光束。根据一些替代方案，可旋转的反射面被配置为接收双波长的测量光束，并沿所选的仰角引导双波长的测量光束。在一些实施例中，照相机被配置为沿方位角台的旋转的轴线对目标表面成像。在又一实施例中，可旋转的反射面被配置为接收双波长的探测光束，并沿所选择的仰角引导双波长的探测光束。冷光镜被配置为将双波长的探测光束透射至可旋转的反射面，并将成像光学辐射反射至照相机。在其他情况下，仰角台和方位角台被配置为选择目标位置，其中，固定光束成形光学***，以基于所选择的仰角可旋转。在又一示例中，信号处理器被配置为基于自目标所返回的探测光束部分提供目标距离估计。在另外的示例中，光束成形光学***被配置为形成组合的本振(LO)光束，其中，信号处理器被配置为基于自目标所返回的探测光束部分和组合的LO光束提供目标距离估计。在一些示例中，形成LO光束，以具有对应于往返目标的返回探测光束的可平移的调焦光学元件中的光路的可平移的调焦光学元件中的光路。在一些情况下，基于探测光束和LO光束之间的差频估计目标距离。在典型的示例中，第一检测器和第二检测器被配置为分别接收对应于第一激光器和第二激光器的所返回的探测光束部分和LO光束部分，并且基于第一检测器和第二检测器处的探测光束和LO光束之间的差频估计目标距离。

根据继续关于附图的以下详细描述，所公开技术的前述和其他特征与优点将变得更显而易见。

附图说明

图1是包括被导向为测量光束提供调焦的角隅棱镜的本振光束和测量光束的典型的激光雷达的一部分的示意图。

图2是包括远程本振光束的典型的激光雷达***的一部分的透视图。

图3是包括位于光纤输入处或附近并被配置作为本振光束的光路的一部分的反射面的典型的激光雷达***的一部分的示意图。

图4-7是举例说明被配置为基于对输入光束波前的划分从普通的输入光束产生本振光束和测量光束的光学***的示意图。

图8-9是举例说明被配置为基于对输入光束波前的划分从普通的输入光束产生本振光束和测量光束并用成角度的光纤光束耦合表面来降低不需要的多次反射的光学***的示意图。

图10是包括成角度的光纤光束耦合***并能够从普通的输入光束产生测量光束和本振光束的典型的折叠式光学***的示意图。

图11-12是能够产生测量光束和本振光束的另外的反射折射的光学***的示意图。

图13是被配置为从普通的输入光束产生测量光束和本振光束的零屈光度(zeropower lens)透镜的示意图。

图14是举例说明被提供有具有用于将输入光束分离为测量光束和LO光束的两个不同表面曲率的部分的反射面的示意图。

图15举例说明能够从普通的输入光束产生测量光束和本振光束的典型的全折射(屈光)光学***。

图16A-16C举例说明能够从普通的输入光束产生测量光束和本振光束的典型的折射(屈光)光学***。

图17举例说明能够使用偏振立方体分束器(PBS)和四分之一波长的延迟器从普通的输入光束产生测量光束和本振光束的典型的光学***。

图18-19举例说明能够使用偏振分束器和延迟器从普通的输入光束产生测量光束和本振光束的典型的光学***。

图20是基于偏振的光束状态从普通的输入光束获得测量光束和本振光束的典型的激光雷达光学***的透视图。

图21A-21B举例说明与上升啁啾的测量光束和LO光束以及下降啁啾的测量光束和LO光束相关联的外差拍频。

图22是使用法布里-珀罗干涉仪配置的典型的参考长度基准的示意图。

图23是基于尺寸上稳定的容器内的多次反射的典型的参考长度基准的示意图。

图24-25举例说明另外的参考长度配置。

图26是包括被配置为允许激光器的啁啾速率自动或手动变化的激光器啁啾控制器的激光雷达的框图。

图27是使用可变的激光器的啁啾速率估计至目标的距离的方法的框图。

图28和29A-29C举例说明具有典型的扫描组件的激光雷达***。

图30A-30B是包括五棱镜扫描器的激光雷达***的正视图与平面图。

图30C-30D举例说明基于诸如图30A-30B的那些的激光雷达***中的弯曲的参考镜来检测并校正由误差所引起的摇摆。

图31是用于双激光器的激光雷达***的基于光纤的光束组合***的示意图。

图32是用于包括光学循环器和导向激光器的双激光器的激光雷达***的基于光纤的光束组合***的示意图。

图33举例说明包括位于将光束耦合至用于对光束导向方向和方向误差进行估计的检测器位置的部分透射镜的典型的激光跟踪***。

图34举例说明包括位于将光束耦合至用于对光束导向方向和方向误差进行估计的检测器位置的部分透射镜和位于传送并接收光束位置的大体积的光学***的典型的激光跟踪***。

图35举例说明包括被配置为将测量光束导向目标并产生本振光束的部分透射的反射镜的典型的激光雷达。

图36举例说明用单模光纤将所组合的反啁啾的激光束耦合至聚焦与扫描***的激光雷达***。

图37举例说明单模光纤将啁啾的激光器耦合至产生测量光束和LO光束的基于偏振的分束***的激光雷达***。

图38举例说明单模光纤将啁啾的激光器耦合至产生测量光束和LO光束的基于偏振的分束***的激光雷达***。光束聚焦关于角隅棱镜的平移是可调整的。

图39-40举例说明包括可旋转的折叠式反射镜以在目标之上扫描测量光束的激光雷达***。

图41是多光束的激光雷达***的示意图。

图42举例说明典型的距离信号处理接收机。

图43举例说明包括具有孔的折叠式反射镜的激光雷达。

图44A-44B是被配置为产生双激光器的测量光束和两个远程的LO光束的光学组件的示意图。

图45是被配置为产生双激光器的测量光束和两个LO光束的光学组件的示意图。

图46举例说明产生双激光器的测量光束和组合的具有两个本振光束中的每个的返回光束的光纤***。

图47举例说明产生双激光器的测量光束和组合的具有两个远程的本振光束中的每个的返回光束的光纤***。

图48A是被配置为接收双激光器的测量光束和两个LO光束并关于目标扫描测量光束的光学***的正视图。

图48B是图48A的光学***的一部分的图。

图49举例说明被配置为自将LO反射镜固定至扫描装配的相应光纤接收双激光器的测量光束和至少一个LO光束的光学***。

图50是举例说明以第一波长和第二波长产生平行的测量光束以及处于正交偏振的非平行的LO光束的紧凑的光学***的示意图。

图51A是被配置为产生第一本振光束和第二本振光束以及双波长的测量光束的基于保偏的光纤光学***的示意图。

图51B使用图51A的***举例说明与移动目标位置相关联的外差频率。

图52-54举例说明包括诸如上面所公开的那些的***的典型的激光雷达/激光***。

图55是基于幅度调制光束的测量***的框图。

图56是跟踪被固定至基板或目标的工具球的典型方法的框图。

图57是包括激光雷达或其他简档测量***以制造组件并评估所制造的部件是有瑕疵的还是可接受的典型的制造***的框图。

图58是举例说明包括简档测量以确定所制造的结构或组件是否可接受并且是否能够修理一个或多个这种所制造的结构的典型的制造方法的框图。

具体实施方式

如在该申请中和权利要求中所使用的，单数形式“一个”和“所述”包括复数形式，除非上下文清楚地指示别的方式。此外，术语“包括”意味着“包含”。此外，术语“耦合”不排除在所耦合的物品之间有中间元件的存在。

本文所描述的***、装置和方法不应当被解释为以任何方式的限定。而是，单独地和互相的以各种组合和子组合的方式将本公开导向各个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***、方法和装置既不被限于任何特定的方面或特征或其组合，所公开的***、方法和装置也不需要任一个或多个特定优点存在或问题被解决。任何操作的理论都是为了辅助解释，但所公开的***、方法和装置并不限于这些操作的理论。

尽管为了方便介绍以特定的、按次序的顺序描述一些所公开方法的操作，但是应当理解，这种描述的方式包含再布置，除非以下所提出的专用语言需要特定的顺序。例如，顺序描述的操作在某些情况下可以被重新布置或同时执行。此外，为了简单，附图可能未示出所公开的***、方法和装置能够与其他***、方法和装置协同使用的各种方式。此外，描述有时使用像“产生”和“提供”的术语来描述所公开的方法。这些术语是被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取决于特定实现而变化，并易于被本领域普通技术人员所识别。

在以下描述中为了方便，术语“光”和“光辐射”是指以300nm至10μm的波长范围传播电磁辐射，但也能够使用其他波长。能够将这种辐射导向将被描绘简档、检测或以别的方式调查的一个或多个目标。该辐射在本文中被称为以典型地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。如在该申请中所使用的，光束不需被准直，并且在波导中传播辐射也被称为光束。光束能够具有与一个或多个激光器的横模相关联的空间幅度，并且能够是基本准直的。光纤或其他光波导以及相干激光源容易地可用的波长是方便的。在一些示例中，使用大约1550nm波长的激光二极管。

为了方便，将光束描述为沿一个或多个轴传播。这些轴通常是基于一条或多条线段的，以便当轴被弯曲或被折叠或以别的方式响应于镜子、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(单线态)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，使用诸如镜子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***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***中充当测量光束或本振光束。分束器还能够被提供作为光纤耦合器，并且在一些实施例中，偏振分束器是优选的。

在所公开的示例中，激光雷达***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机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******中。

如本文所使用的，超低热膨胀(ULE)材料是具有小于大约5、0.5、0.2、0.05、0.02、.010或0.007的热膨胀系数(以10^-6/℃为单位)的材料。一些ULE材料包括诸如ZERODUR玻璃陶瓷和熔凝石英的锂铝硅氧化物玻璃陶瓷。

如本文所使用的，循环光路是由反射的或折射的光学表面所限定的光路，以便光束被一次或多次或许多次地导向光学表面。在一些示例中，光束沿普通的光路，例如，由法布里-珀罗或环形谐振器所限定的光路传播多次。在另一示例中，由两个镜***反射光束，以便在镜面上跟踪椭圆形的路径，并且光束能够在每个通道中跟随不同的路径。Herriott和Schulte在应用光学4：883-889(1965)的“折叠光学延迟线(Folded Optical DelayLines)”中描述了这些***，其通过参考被合并在本文。在以下所公开的示例中，使用反射面，但也能够使用折射的光学元件来限定这种循环光路。

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、或充当本振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。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。

在一些示例中，根据方位角和仰角描述旋转。虽然典型地根据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。典型地，随着***被假定处于基准的使用方位时，根据这些角度描述***。为了方便举例说明，在某些图中将角隅棱镜示作屋脊棱镜。

扫频激光雷达

在下面，公开了激光雷达***的各种配置和方面。所公开的***、***组件、模块和相关联的方法能够被用在各种激光雷达***中。在典型的示例中，提供了所谓的扫频激光雷达***。典型的相干雷达***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)表示为如下的时间函数：

f(t)＝f₀+(Δf/Δt)t＝f₀+βt，

其中，f₀是激光初始频率，以及β＝Δf/Δt是激光频率变化的速率。不需要线性扫描，并且作为时间函数的任意的激光频率变化在理论上都是有用的，例如，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、发射、折射或以别的方式引导光束的一部分，以便被接收机镜片所收集。本振光束(“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的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)与本振之间的频率差。该频率差能够被用于确定目标距离。将返回光束和LO导向诸如PIN光电二极管的检测器(典型地被称为平方律检测器)，以产生和频信号和差频信号。和频(以几百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)。至目标位置的距离R能够被计算为R＝cΔf/2β，其中，Δf是与返回光束相关联的外差频率，β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。

因为测距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***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，测距能够具有几微米范围的精度。

FM激光雷达***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测距有很小的影响。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一样小的功率进行可靠的测量。

在图51A中举例说明典型的基于光纤的激光雷达。如图51A中所示的，保偏光纤被用于光束耦合和传送，但在其他示例中，能够使用自由空间传播、表面光导或其他光学***。将激光扫描控制器5102耦合至第一激光二极管5104和第二激光二极管5106，以便产生被分别耦合至光纤5108、5110的啁啾的激光束。3×2的光纤耦合器5112接收这些光束，并将每个光束的部分耦合至测量路径的光纤5114和参考路径的光纤5116。由光纤5114将双波长光束传送至包括反射镜5122和波束成形透镜5124的激光雷达光学***5120。扫描台5130被配置为提供方位角旋转和仰角旋转，以便将测量光束5132导向目标5134。测量光束5132的部分被目标5134所返回，并耦合进光纤5114中。反射镜5122将来自光纤5114的组合光束的一部分反射回光纤5114中，以产生与激光二极管5104、5106中的每个相关联的本振光束。

为了确定目标距离，返回光束和本振光束传播至合路器5112，并且将这些组合光束的一部分导向至少一个测量光电探测器5140。产生与两个激光二极管相关联的外差频率，并且信号处理器5142基于外差频率和激光的啁啾速率确定距离估计。

能够基于激光束的部分提供距离校准，该激光束在光纤5116中传播至2×2的光纤耦合器5150，该2×2的光纤耦合器5150转而将光束部分耦合至光纤5154，光纤5154被耦合至长度参考5156。耦合器5150还将光束部分导向光纤5158，以基于组合光束在光纤末端5160处的反射产生本振光束。将与长度参考相关联的光束在参考光电探测器5162处与本振光束相组合。由信号处理器5142产生并检测与长度参考相关联的外差频率，用于校准。例如，如果长度参考具有长度L并且产生外差的频率差Δf，则距离比例因子R_L能够被获得为R_L＝L/Δf。然后，目标距离能够被计算为R＝R_LΔf_m。

参考基准能够是基于具有精确长度并且被涂覆有金属的或其它涂层以防止与环境湿度相关联的长度变化的光纤的。典型的参考长度是在从大约1m至5m的范围内。能够通过将光纤保持在所控制的温度下、密封的容器中、或监控温度以估计依赖于温度的长度变化来控制依赖于温度的长度变化。这种容器能够由具有金属化和焊接至它们在此通过墙壁的容器的光纤输入和输出的铝或铜所制成。O密封环能够被合并到盖子中，以完成密封。还能够通过焊接或焊接容器来实现密封。此外，能够用干的惰性气体回填容器，以为光纤提供潮湿的自由环境。能够用聚酰亚胺层和封闭涂层给参考光纤外加涂层，以降低湿度所引起的变化。密封涂层能够包括诸如金的金属，或能够是诸如碳的惰性材料。在以下的示例中描述基于多反射的其他典型的参考基准。

将控制器5128耦合至扫描控制器5102、信号处理器5142和扫描台5130，以允许在目标区域之上进行距离评估。扫描台5130能够被配置为以光栅、W图案、螺旋线或其他所选图案扫描。此外，控制器5128能够被用于基于目标距离选择和/或改变激光二极管的扫描速率，以及测量并控制组件的温度，但是，在图51A中未示出温度传感器和控制装置。典型地，将光学隔离器***到各个位置处，以降低或消除能够在激光器操作中产生不期望的变化的不需要的背反射，但是，为了方便举例说明，在图51A中未示出光学隔离器。如方便，能够选择激光束的波长，并且大约1000nm与1600nm之间的波长是典型的。也能够包括可见的光束，以允许测量位置的可见识别，但是，在图51A中未被示出。

图51B描绘来自被调制具有不同啁啾速率的第一激光二极管和第二激光二极管的自任意移动目标位置所返回的测量光束部分的线性调频(啁啾)。还示出了相关联的本振光束的啁啾。示出了与每个激光二极管相关联的外差频率f₁、f₂。对于每个激光器的向上和向下的啁啾频率差都包括多普勒频移贡献f_d，以便f_1up＝f₁-f_d、f_1down＝f₁+f_d、f_2up＝f₂-f_d和f_2down＝f₂+f_d。基于这些差频，能够估计目标速度和目标距离。典型地，选择外差频率在1MHz与100MHz之间，但是，能够使用其他的频率。

如果目标表面正相对于测量光束移动，则由于多普勒频移，对应于激光频率向上扫描的外差频率将不同于对应于频率向下扫描的外差频率。向上扫描与向下扫描之间的频率差的测量允许对目标速度以及目标距离的估计。能够使用包括大于和小于测量光束频率的本振的频率的频率扫描的任意配置。能够在Rezk和Slotwinski的美国专利申请公开2011/0205523中找到涉及这种确定的另外的细节，其通过引用被合并到本文。

以下所描述的是用于基于激光雷达的测距、激光雷达和激光器跟踪的方法、组件、***和子***的许多示例。能够将这些示例彼此组合，以形成各种示例的激光雷达***，但这些示例并不用于限制公开的范围。

远程的本振

如上所述，相干激光雷达***通常将探测光束导向目标，并将自目标所返回的辐射与被称为本振信号的参考光学信号相混合。然后，使用所谓的相干检测，使用所返回的辐射与本振之间的干涉检测所返回的辐射。在一些情况下，然后，所返回的辐射和本振具有共同的频率，并且相干检测被称为零差检测。在大部分的实际应用中，探测光束和本振信号是在不同频率处的，并且相干检测被称为外差检测。在外差检测中，产生与探测信号和本振信号的和与差相关联的信号。由于与和频相关联的非常高的频率(500THz或更大)，所以通常仅检测并处理差频。

如果提供不沿与探测光束共同路径传播的本振，则由于测量光路与本振光路之间的漂移而可能引入距离误差。虽然这些漂移在一些情况下能够被补偿，但是，本文所公开的是本振配置，其为更普通的路径提供探测光束，以便探测光束路径和本振路径的变化趋向于相似并能够彼此偏移。这降低或消除由于温度、振动压力、湿度或其他环境影响而产生的误差。穿过普通光纤将双波长的测量光束传送至诸如五面镜的扫描镜片的光纤***还降低对环境影响的任何依赖。因此，所公开的***很好地适合于至激光雷达的移动部分的光纤光束的传送，即，光纤能够将光束传送至安装到旋转台或其他移动部分的光学***，而不引入测量误差。

在下述的典型示例中，使用波前划分或幅度划分方法，以由单个输入光束构成测量光束和LO光束。在一些示例中，输入光束通过反射折射的光学***的第一表面被导向将输入光束的一部分反射回第一表面的反射折射的光学***的第二表面。第一表面和第二表面典型地具有反射的和透射的区域，以便通过透射而不是反射产生第一光束，以及在透射通过第二表面之前基于第一表面和第二表面的反射产生第二光束。第一表面和第二表面能够是空气隔离的，或被提供作为实心的反射折射的光学元件上的表面。能够基于表面曲率、间隔和折射率选择第一光束和第二光束的散度。为了方便，第一光束和第二光束中较发散的光束典型地被称为测量光束，并且较不发散的(典型地准直的)光束被称为LO光束。第二表面上的反射区能够是中央区域或能够位于表面周长处。在一些配置中，源位置典型地被光学***转送至诸如更靠近或更远离被用于将光束焦点调节到目标上的调焦的角隅棱镜的不同位置。典型地，更靠近的源位置允许使用较小的调焦角的隅棱镜，而更远离的源位置则趋向于降低来自角隅棱镜表面的任何虚反射的量。能够在光纤输出表面处折射率匹配输入光纤以降低反射，或能够关于由光纤所限定的传播轴倾斜光纤输出表面。在一些示例中，使用沿折叠路径引导LO光束、测量光束或这两者的折叠光学***。如方便，能够使用镜子、棱镜或其他反射的光学元件来折叠路径。

远程本振：示例1

关于图1，激光雷达***100包括耦合至诸如将啁啾的光束导向分束器组件104的扫频激光器的光源的光纤102。使透镜106位于自光纤102接收光束并产生被引入到分束器108中的准直光束的位置。分束器108包括部分反射的表面109，其沿测量光束路径将光束的测量部分导向光滤波器或波片110以及另外的光束成形透镜112。在一些示例中，分束器108是偏振分束器，但也能够使用非偏振的分束器。如所示的，使镜子114位于将测量光束116导向调焦的角隅棱镜120的位置。由角隅棱镜120反射测量光束，以便被返回反射镜119反射回调焦的角隅棱镜120中。当离开调焦的角隅棱镜120时，由透镜115成形或聚焦测量光束，以形成被导向目标的光束117。在图1中为了清楚，未示出角隅棱镜中的测量光束路径，但是，通常将返回反射镜从测量光束传播轴移开，以便不遮挡测量光束。通过用一个或多个平移台(图1中未示出)将角隅棱镜120从透镜115移开，测量光束能够被聚焦在所选择的目标距离处。自目标返回的测量光束部分(“返回光束”)沿测量光束的相反方向传播，并被分束器108透射至一个或多个滤波器或波片130和检测器聚焦透镜132，以便由检测器134接收返回光束。

分束器108的部分反射面109将本振部分(LO光束)透射至光学滤波器或波片118，并且然后至调焦的角隅棱镜120。由调焦的角隅棱镜120沿路径125将LO光束导向LO反射角隅棱镜122。使LO角隅棱镜122位于LO光束被返回至调焦的角隅棱镜120并沿平行于并从路径125移开的路径127传播的位置。在其他示例中，使用屋脊棱镜而不是角隅棱镜来反射并改变LO光束的方向。然后，LO光束离开调焦的角隅棱镜120，并入射到沿路径127、125改变方向以返回到分束器108的回射镜124。分束器108反射至少一部分LO光束，以便入射到检测器134。因此，由检测器接收测量光束的部分和LO光束的部分，以便能够获得外差信号。

如图1中所示的，LO光束沿平行于并且从测量光束路径移开的光路传播通过角隅棱镜四次。测量光束在被导向目标之前，传播两次通过调焦的角隅棱镜120。反过来，来自目标的返回光束跟随测量光束，因此穿过调焦的角隅棱镜120两次，以便由调焦的角隅棱镜120所产生的任何路径差对于LO光束和测量/返回光束基本上是相同。

尽管图1的调焦的角隅棱镜120还被用在提供LO光束，但是，调焦的角隅棱镜120的大小不需依赖于LO光束路径的位置而增加以适应LO镜片。在图1的示例中，角隅棱镜的输入表面120/出射面122和其他光学表面可能产生能够使距离确定复杂的不期望的反射。典型地，每个这种反射生成副的或“虚的”LO光束，其可以(有意地或偶然地)被用在确定距离估计中。因为这些表面反射的位置是已知的，所以能够结合基于主LO光束或基于一个或多个副“虚”光束的多个测量，以产生距离估计。然而，在大部分的实际示例中，可以避免这些虚反射，以允许较简单的距离确定。为了降低这种反射的量，一些或所有表面能够被提供有合适的防反射涂层。或者诸如通过提供楔形的光学元件，能够关于本振光束倾斜表面。在其他示例中，能够使用中空的光学元件以避免这种表面。例如，中空的角隅棱镜能够由三个第一前置透镜形成。这种中空的角隅棱镜缺少与不需要的多次反射相关联的表面。

远程本振：示例2

关于图2，激光雷达***包括光纤202，其具有被配置为将啁啾的激光束206传送至准直透镜208和分束器立方体210的出射面204。将啁啾的激光束206的LO部分反射至镜子212A、212B，并且然后至调焦的角隅棱镜220。调焦的角隅棱镜220通常被配置为可平移的，以为啁啾的激光束的测量部分提供调焦，但在图2中未示出平移机制。LO光束沿路径221传播经过角隅棱镜220至LO直角棱镜222并至回射镜224。使LO直角棱镜222位于充当屋脊棱镜的位置，因为棱镜的斜边被用作入射面/出射面，并且直角面起反射LO光束的作用。能够使用诸如屋脊棱镜的其他棱镜。回射镜224沿路径221将LO光束返回至直角棱镜对212A、212B并且至分束器立方体210。如图2中所示的，分束器立方体210将LO光束或其一部分透射至将LO光束导向能够被耦合至检测器(未示出)的光纤232的聚焦透镜231。

由分束器立方体210透射并由透镜227聚焦啁啾的激光束206的测量部分(测量光束)，以在沿至返回反射镜230的测量光束路径将测量光束导向调焦的角隅棱镜220的镜子225处或附近形成发散的光束。测量光束路径偏离LO光束路径221，但是，为了清楚未在图2中指示。在返回反射镜230反射之后，沿测量光束路径将测量光束反射回镜子225。因为测量光束是发射的，所以镜子225不明显地遮挡测量光束。测量光束入射到在目标表面处成形或聚焦测量光束的物镜上(未示出)。来自目标的返回光束向相反方向地跟随测量光束路径，以便分束器立方体210将测量光束反射至将返回光束(和LO光束)导向光纤232的聚焦透镜231。

如图2中所示的，LO光束和测量光束/返回光束沿调焦的角隅棱镜220中的平行的、位移的路径传播，并且调焦的角隅棱镜220中的全部路径长度对于LO光束和测量光束/返回光束基本上是相同的。LO光束传播作为调焦的角隅棱镜220中的准直光束，而测量光束和反射光束分别是发散的和会聚的。

远程本振：示例3

在一些示例中，测量光束部分和LO光束部分被配置为关于彼此以微小的角度传播。参见图3，用于激光雷达的光纤***300的一部分包括光纤302，其延伸通过被支撑基板314所保持的套管304。光纤302自被导向沿轴线301透射测量光束部分306的菲涅耳波带片305或其他光学元件的光纤端面303发射啁啾的光束。测量光束306典型地保持对应于光纤302的数值孔径的光束散度。由波带板305准直LO光束部分，以便沿关于轴301的一角度的轴308传播。通过调焦的角隅棱镜320将LO光束耦合至反射面316，该反射面316向菲涅耳波带板305返回LO光束，但沿关于轴301、308一角度的轴309。LO光束被波带板305聚焦在移开、但近似地或恰好与光纤端面303的发射区共面的位置。在一些示例中，将LO光束聚焦在沿轴311反射LO光束的抛光的套管表面303上。然后，LO光束通过调焦的角隅棱镜320传播回反射面316，并沿轴311返回，以便波带板305将LO光束聚焦到光纤302中。波带板305将端面303重新成像到端面303上。因为，使端面303位于波带板305的焦点处或附近，所以沿轴308、309、310、311的LO光束的传播导致将LO光束再次聚焦到光纤302中。

测量光束306是发散的，并且通过角隅棱镜320被导向返回反射镜，并且然后通过角隅棱镜320指回到将测量光束聚焦到目标的物镜。返回光束反向地跟随该路径，并且连同LO光束一起被耦合到光纤302中。为了简化图3，未示出测量光束路径、返回反射镜和物镜。为了方便举例说明，夸张测量光束的散度和LO传播轴关于轴301的相对倾斜。能够用防反射的涂层降低角隅棱镜表面处的多次反射，并且能够使用角打磨接头(APC)光纤降低与光纤302的端面303处不需要的反射相关联的影响。

远程本振：示例4-测量光束/LO光束产品

能够用各种各样的光学装置获得准直光束部分(典型地被用作LO光束)和发散的光束部分(典型地被用作测量光束)，以下举例说明各种各样的光学装置的示例。如方便，这种光学***可以是基于光束幅度或波前的划分。在一些示例中，光纤被用于提供将被分成测量光束和LO光束的光束。为了降低来自光纤端面的反射，能够使用弯曲的表面或成角度的表面，或能够用能够被选择以提供近似折射率匹配的光学胶粘剂固定光纤端面。在一些示例中，将光纤胶合至第一表面，并且使用第一表面和第二表面处的反射和透射的组合形成LO光束和测量光束。能够基于表面曲率和隔离提供光束准直或散度。

波前耦合的光纤配置的反射划分

在图4-7中的示例中，将光纤耦合至反射折射的或其它的光学元件，典型地，用光学胶粘剂降低光纤端面的反射。关于图4，光纤402被配置为发射光束，该光束由光学玻璃、熔融石英或其他透射的光学材料所形成的双凸透镜405的第一表面403上所限定的透射孔404所透射。光纤402能够被胶合至第一表面403。由透镜405的第二表面408上所限定的中央反射区410将光束的一部分反射至第一表面403上的外部反射区406。反射区406将所反射的光束导向第二表面408的外部透射部分409，以便形成光束412。输入光束的一部分被第二表面的外部透射部分408所透射而没有内反射，以形成发散的光束414。光束412、414能够被进一步引导，以便成为测量光束或LO光束，并且能够基于第一表面403和第二表面408的曲率和间隔以及透镜405的折射率选择光束的形状、大小和发散度。透镜405不需要是两面凸的，但能够具有如一些以下附加的示例中所举例说明的凸面的、凹面的、球面的或非球面的表面。此外，第一表面403和第二表面408能够被限定在单独的表面上或是相隔的，并且不需要实心的透镜元件。

图5举例说明从自反射折射的光学元件505的第一表面507处的透射孔504处的光纤502所接收的单个光束输入产生LO光束和测量光束的光学***。通过在第二表面508的中央反射区510和第一表面507的外部反射部分506处反射输入光束的一部分来获得LO光束。然后，在第二表面508的外部处折射LO光束，以产生准直光束512。通过在第二表面508的中央反射区510周围透射输入光束的一部分以形成测量光束514来产生发散的测量光束。反射折射的光学元件505包括凸的第一表面和凹的第二表面，但是，能够使用其他的表面曲率。

在图6中所举例说明的另一示例中，光学***从在反射折射的光学元件605的第一表面607处的透射孔604处的光纤602所接收的单个光束输入产生LO光束和测量光束。通过在第二表面608的中央反射区610和第一表面607的外部反射部分606处反射输入光束的一部分来获得测量光束。然后，在第二表面608的外部处折射输入光束的这个部分，以生成偏离焦点620的测量光束614。通过在第二表面608的中央反射区610周围透射输入光束的一部分以形成LO光束612来生成准直的LO光束。反射折射的光学元件605包括凸的第一表面和第二表面，但能够使用其他的表面曲率。选择第二表面的曲率，以便LO光束基本上是准直的。

图7举例说明另一示例的光学***。在该示例中，光纤702将输入光束传送至由反射折射的光学元件705的第一表面707所限定的透射孔704。在第二表面708的中央反射区710周围，将LO光束部分透射至准直LO光束的透镜711。中央反射区710能够被提供作为一个或两个透镜711和反射折射的光学元件705上的反射涂层。通过在第二表面708的中央反射区710和第一表面707的外部反射部分706处反射输入光束的一部分来获得测量光束。然后，在透镜的凸面713处折射测量光束以形成发散的测量光束714。在这个示例中，第一表面707和第二表面708是平面的表面，并且另外的透镜元件(透镜711)是能够被胶合至反射折射的光学元件705的平凸透镜。

在图8-9中示出关于光纤轴倾斜光纤端面的示例。参见图8，将光纤802***到第一反射光学元件806中所限定的孔中。为了降低背反射，光纤802终止在倾斜的端面804处。如图8中所示的，考虑到当离开光纤802时，光纤轴801的折射，使倾斜的端面804位于光纤轴801与光纤***的轴803对齐的位置。在其他示例中，保持光纤，以便轴801、803形成直线轴，并且来自所倾斜的端面804的辐射以关于光学***的轴803的一角度传播。在大部分情况下，这些倾斜是小的，并且为了举例说明在图8中被夸张。由凸的/凹的反射折射的光学元件808的表面812上所限定的中央反射区816将来自光纤802的输入光束的LO部分反射回反射的光学元件806的反射面807。然后，由凸的/凹的反射折射的光学元件808折射所反射的部分，以形成准直的光束820。将测量光束部分透射至反射折射的光学元件808以产生测量光束818。光学元件806、808被隔开，并且能够选择间隔和曲率，用于作为优选的光束成形。

参见图9，将光纤902***到平面的反射光学元件906中所限定的孔中。为了降低背反射，光纤902终止在倾斜的端面904处。由平凸的反射折射的光学元件908的表面912的中央反射区916将来自光纤902的输入光束的测量部分的效应反射回反射的光学元件906的反射面907。然后，由反射折射的光学元件908折射所反射的部分，以形成发散的光束918。将LO光束部分透射至反射折射的光学元件908，以产生LO光束920。光学元件906、908被隔离，并且能够选择间隔和曲率，用于作为优选的波束成形。

图10举例说明类似于图7的配置，但具有折叠的轴。使光纤1002位于通过立体反射镜的输入表面1005的透射孔1007将输入光束耦合至被形成作为具有反射涂层的直角棱镜对的立体反射镜1004的位置。立体反射镜1004的反射面1009在立体反射镜的出射面1008的反射区1010周围将LO光束部分反射至平凸透镜1014，以便形成准直的LO光束1022。通过在反射中央区1010和立体反射镜的输入表面1005的反射部分1006处反射输入光束的一部分来形成测量光束。然后，在中央反射区1010周围将测量光束透射至透镜1014，以形成发散的测量光束1020。

在所公开的示例中，使用在凹的、凸的或平面的表面的所选部分之上提供反射的涂层的实心的反射折射的元件。还在一些示例中还使用被隔开的光学元件。通常，至少一个光学表面的中央部分是反射的，并且至少一个光学表面的中央部分是透射的，以便用于至少一个光束的光路被折叠，但存在许多可能的变形。在一些情况下，通过光学元件的中央透射部分透射输入光束，以形成LO光束或测量光束而不反射。然后，用光学元件的外部处的反射产生其他光束(LO光束或测量光束)。在图11中示出典型示例，在该示例中，光纤1102将输入光束耦合至在输出表面1100上具有中央透射区1110的实心的反射折射的元件1105。通过由输出表面1100透射和折射输入光束的一部分而不反射来形成LO光束1116。在输出表面1106的外部反射区1108处将输入光束的一部分反射至反射的输入表面1104。所反射的部分在1120处形成焦点，并且然后被中央透射区所透射，以形成发散的测量光束1124。

图12举例说明位于接收在倾斜的端面1204处离开光纤1202的输入光束的位置的实心的反射折射的光学元件1208。光学元件1208包括被集中在轴AX上的第一表面1210和第二表面1220。第一表面1210包括外部反射区1212和中央透射区1214。第二表面1220包括中央透射区1224、中间反射区1226和外部透射区1230。如图12中所示的，形成准直发光束1240。还能够通过中央透射区1224透射输入光束的一部分来形成发散的光束(未示出)。因为光纤端面1204的倾斜，所反射的光束1250被引导远离轴AX，并且不被光学***所捕获。

如上面的示例中所示的，非准直的、发散的或会聚的测量光束的生成伴随着准直的LO光束的生成。如图13中所示的，能够使用所谓的“两个功率”元件。实心的反射折射的元件1304具有第一表面1318，其具有透射的中央孔1322和反射的环面1320。第二表面1312具有中央反射区1316和透射环面1314。能够选择第一表面的曲率和第二表面的曲率，以便反射折射的元件1304具有用于直通光束的第一功率长度或焦距，和用于沿反射折射的光学元件1304内的折叠路径反射的光束的第二功率长度。对于弯月形，如果两个表面的曲率近似相等，则反射折射的元件充当用于直通光束的零功率透镜。(在这种情况下，如果相等的曲率仅在薄透镜的近似物中产生零功率，则基于厚度选择曲率。)举例说明基于来自光纤的输入光束产生准直光束，并且未示出发散的光束。

关于图14，使光纤1402位于将输入光束导向准直透镜1408的位置，该准直透镜1408产生被导向直角棱镜1416的反射面1417的准直光束1412。棱镜1416包括平面的反射区1420和弯曲的反射区1424。使平面的反射区1420位于反射准直光束1412的外部以产生准直的LO光束1428的位置。使弯曲的反射区1424位于将准直光束1412的内部1432聚焦到焦点1436并产生发散的测量光束1440的位置。如果中央反射区1424是凹的，则测量光束到达如所示的实际焦点1436。然而，凸曲率可以被使用，并且将产生虚焦点。中央区还可以是平面的，并且其他区是弯曲的。通常，能够使用用于内部和外部的不同曲率的任意组合，并且入射光束1412不需被准直。为了方便举例说明示出直角反射，但能够使用其他的角度。如果需要LO光束的多次反射，则能够在光纤的出射面处提供反射面1410。

耦合光纤配置的波前的折射分离

在许多示例中包括反射面，但能够使用仅包括透射面或折射面的光学***。例如，能够使用具有至少一个分为两部分的或其他复合光学表面的折射光学元件。如图15中所示的，光学***包括光纤1502，其位于沿轴1508将输入光束传送至具有凸的输入表面1512/凸的输出表面1514的双凸透镜1510的位置。(未示出由于光纤的输出表面1503的倾斜而引起的轴1508关于光纤1502中传播轴1507的微小偏离。)在图15的示例中，输出表面1514具有外部的环形部分1516A，并且将第二透镜1518固定至第一透镜1510，以便覆盖轴部。第二透镜1518被示作凹透镜/凸透镜，该凹透镜/凸透镜能够被胶合或以别的方式接触第一透镜1510，或能够与轴1508上或远离轴1508的第一透镜空气隔离。其他的表面曲率能够被用于第一透镜1508和第二透镜1518中的一个或两个，并且第一透镜1510的输出端曲率不需匹配第二透镜1518的输入端曲率。在其他示例中，使用分为两部分的透镜。

选择透镜1510的环形部分1516，以产生能够充当LO光束的会聚光束1530。第二透镜1518产生能够充当测量光束的会聚光束1532。如上面的图3中所示的，能够在光纤的出射面1503处提供反射面1536，以引导LO光束，以便在多次反射之后将LO光束耦合回光纤1502中。在其他示例中，能够将准直透镜固定至光纤，并且能够使用第二透镜来拦截准直光束的一部分，以形成测量光束。

在图16A-16C中示出了典型的分为两部分的透镜1602、1612、1622。透镜1602包括第一凸面1604和第二凸面1606。第二凸面1606的轴部1608被提供有不同于第二凸面1606的其他部分的曲率的曲率。类似地，透镜1612包括平的表面1614和凸面1616。表面1616的轴部1618被提供有不同于凸面1606的其他部分的曲率的曲率。在图16C的示例中，透镜1622包括凸面1624和平的表面1626。透镜1622的轴部1628被提供有不同于平的表面1626的其他部分的曲率的曲率。轴部1628对于透镜1624可以是完整的，或能够被提供有固定至表面1626或与表面1626隔开的另外的透镜元件。

幅度光束分离的基于偏振的划分

参见图17，光束分离的光学***包括光纤1702，其被配置为沿轴1704将光束导向准直透镜1708和波片1710。确定波片1710的方向，以便产生用于所接收的光束的所选择的偏振状态(SOP)。在大部分的实际示例中，来自光纤1702的光束是线性偏振光束，并且波片1710是能够被确定方向以沿任意方向产生线性SOP的半波长度延迟器。使光学组件1711位于接收光束的位置，并且包括输入透镜1712、偏振分束器(PBS)1714、四分之一波片1719和具有反射面1721的楔形棱镜1720。第一SOP中的输入光束的一部分通过四分之一波片1719被PBS反射面1716所透射，并且然后通过四分之一波片1719被反射面1721反射回。布置四分之一波长的延迟器1719，以便在穿过四分之一波长的延迟器1719两次时，将第一SOP变换到正交于第一SOP的第二SOP中。因此，反射面1721将所透射的光束导向将光束反射至输出透镜1734以便产生准直光束1740的PBS反射面1716。

PBS反射面1716将第二SOP中的输入光束的测量光束部分导向四分之一波长的延迟器1724和能够被提供在实心的棱镜1725的表面上的反射面1728。布置四分之一波长的延迟器1724，以便在穿过四分之一波长的延迟器1724两次时，将第二SOP转变到第一SOP中，以便由PBS反射面1716透射所反射的测量光束。输出透镜1734将测量光束会聚到1738处的焦点，超过该焦点，输出测量光束1741发散。能够基于波片1710的延迟和方位选择输入光束的SOP，以便能够选择由PBS所反射的和所透射的输入光束的部分，以获得测量光束与LO光束之间所选的光功率的划分。如图17中所示的，光束1740、1741沿非平行的轴传播。

准直的LO光束1740被导向调焦的角隅棱镜和返回镜(图17中未示出)，并且被返回至透镜1734。然而，所返回的LO光束入射到反射面1716，以便被导向反射面1722而不经过波片。与反射面1721相比，反射面1722不具有相应的诸如四分之一波长的延迟器1719的延迟器。然后，反射面1722将LO光束指回到调焦的角隅棱镜和返回镜。然后，LO光束被返回通过透镜1734，以便被反射面1716反射至四分之一波长的延迟器1719，用于反射面1721至光纤1702的反射。典型地，当保持LO光束和测量光束的足够隔离，反射面1720、1721、1728的倾斜被选择为尽可能地小，并且还在反射面1721、1722处提供LO光束的足够位移。

关于图18，使光纤或其他输入光束源位于沿轴1802引导光束的位置。使第一光束成形透镜1806和偏振分束器(PBS)1810位于轴1802上的位置，并且使PBS 1810的反射面1814位于沿折叠轴1816反射输入光束的一部分并将输入光束的一部分透射至四分之一波长的延迟器1818的位置。所反射的和所透射的光束部分分别对应于第一偏振正交(典型地线性的)态(SOPs)和第二偏振正交态。使第二光束成形透镜1822位于沿轴1802的位置，以产生能够被导向目标的测量光束。(或者，这个光束能够充当LO光束。)使四分之一波长的延迟器1818位于转变第二SOP的位置，该第二SOP与进入圆偏振透射光束的透射光束相关联。典型地使用诸如图1中所举例说明的调焦的角隅棱镜布置，将该圆偏振光束导向目标作为测量光束。

在目标处所反射的测量光束的一部分能够被返回到第二光束成形透镜1822，作为具有或不具有偏手性变化的圆偏振。如果所返回的具有偏手性变化，则返回光束的圆SOP被四分之一波长的延迟器1818转换为由PBS 1810所反射的第二SOP。第三光束成形透镜1826将来自PBS 1810的所返回的测量光束导向检测器或光纤或用于传送至检测器的其他光学***。

使PBS 1810位于沿折叠轴1816引导所反射的光束部分，作为供用作LO光束的第一(线性)偏振。使四分之一波长的延迟器1828与PBS 1830一起位于轴1816上的位置。PBS1830的反射面1834被配置为沿平行于并偏离轴1802的轴1836反射光束部分。确定四分之一波长的延迟器1828的方向，以便从如由PBS 1810所反射的线性SOP(第一SOP)产生圆SOP，以便一些光功率沿轴1816离开PBS 1830，并且不被再次捕获。LO光束被PBS 1830反射经过四分之一波长的延迟器1818，以在第一圆SOP中产生LO光束。然后，将这个圆偏振LO光束导向调焦的角隅棱镜和沿轴1836将LO光束指回的LO返回反射镜1835。

图19举例说明图18的光学***，示出传播至调焦的角隅棱镜的第一圆SOP(例如，作为右利手的圆SOP或“RHC”)中的LO光束1950。将正交于第一圆SOP的第二圆SOP(例如，作为左利手的圆SOP或“LHC”)中的圆偏振LO光束1952反射回四分之一波长的延迟器1818。所反射的LO光束1952通常返回自调焦的角隅棱镜和返回镜或如图1中所示的专用的LO反射镜，但图18-19省略了这种LO返回反射镜。当被四分之一波长的延迟器1818透射时，所返回的LO光束1952在被PBS 1830所透射的第一线性SOP中。返回回射镜1835(被示作图18-19中的角隅棱镜)反射LO光束经过PBS 1830和四分之一波长的延迟器1818，以便作为具有与第一圆SOP的偏手性相反的偏手性，即，作为LHC的第二圆SOP中的圆偏振LO光束1954传播。

LO光束1954被导向调焦的角隅棱镜/返回反射镜，并且被反射回四分之一波长的延迟器1818和PBS 1830。LO光束1954被透射到第二圆SOP中的调焦的角隅棱镜并且返回到第一圆SOP中。四分之一波长的延迟器1818将第一圆SOP转换为第一线性SOP，以便通过PBS1810将LO光束反射至将测量光束和LO光束耦合至光纤或直接至检测器的第三透镜1826。容易控制LO光束的偏振，以提供恰当的SOP，但是，所返回的测量光束部分通常不能被如此容易地控制，并且由于SOP的不匹配能够引起额外的功率损失。

图20是使用如图18-19中所示的偏振镜片分离测量光束和LO光束的光学***的透视图。光学组件2004包括第一偏振分束器2006、第二偏振分束器2008和四分之一波长的延迟器2010、2012。沿轴2014引导输入光束，以产生传播至第一镜子2016的直通测量光束。由PBS 2006和PBS 2008中的反射产生LO光束，以便沿轴2023将LO光束导向第二镜子2018。使调焦的角隅棱镜2019和返回反射镜2020位于接收测量光束并将测量光束反射至图20中所示的作为两个元件的、空气隔离透镜的物镜2021。所返回的测量光束向相反方向地跟随光路至光学组件2004，以便沿轴2028传播，用于耦合至光纤或直接至光电探测器。

将LO光束导向调焦的角隅棱镜2019和LO返回反射镜2034(或返回反射镜2020的一部分)，以便被返回至光学组件2004。在光学组件2004处的反射面2011处(或由回射镜)将LO光束反射回调焦的角隅棱镜2018和返回反射镜2034。反射面2011在图20中被示作偏振分束器2008的表面，但是，通常使回射镜位于轴2023上的位置，并能够将回射镜固定至偏振分束器2008或与偏振分束器2008空气隔离。在调焦的角隅棱镜2019的这个第二行程之后，沿折叠轴2028引导LO光束，用于耦合至光纤或直接至光电探测器。因此，到达检测器的测量光束部分和LO光束部分使经过调焦的角隅棱镜2019的数目相同，降低由与光束聚焦相关联的路径差所引入的误差。为了方便举例说明，未示出用于聚焦光束的另外的透镜，并且在大部分的实际示例中，用透镜2013将测量光束聚焦在第一右镜2016处或附近，以便在透镜2021处发散。

激光雷达长度参考

激光雷达***典型地包括参考臂或长度参考，用于确认和/或校准测距中。一些激光雷达使用扫频测量光束和扫频本振光束。基于测量光束的返回部分与本振之间的差频或外差频获得至目标的距离。测量光束的返回部分是频率扫描中较早时间的激光频率，并且然后能够将目标距离估计为cΔf/β，其中c是光速，Δf是外差频率，以及β是激光频率扫描速率。图21A-21B举例说明用于测量光束和LO光束的作为时间函数的光频。从普通的啁啾输入光束产生LO光束和测量光束，以及输入光束的一部分被转移并不被发射至目标，以便充当LO光束。在所选距离处的目标特征返回测量光束的一部分，并且将所返回的部分与LO光束相混合。图21A举例说明用于每个光束的作为时间函数的光频的变化，以及图21B举例说明能够被用于估计目标距离的差频。在有些时候，差频由于啁啾的周期性而变化，但在其他时间期间，差频是恒定的，并被用于距离确定中。通过询问具有已知长度的参考基准，激光扫描速率β的值能够被估计，并且校正或校准扫描的线性度。

图22举例说明典型的长度基准2200，其包括具有选择用作参考长度的长度的锂铝硅酸盐玻璃陶瓷管2202。锂铝硅酸盐玻璃陶瓷由于其低的热膨胀系数(CTE)，典型地小于或等于大约0.2x 10^-7/K，而尤其有优势。这个材料的一个示例是如ZERODUR对商业上可用的玻璃陶瓷，但是，具有类似CTE的其他玻璃陶瓷也能够被使用，例如，Cer-Vit或微晶玻璃。分别用包括电介质涂层2205、2207的镜子2204、2206密封管子2202。镜子被对齐，以便正交于轴2209。管子2202和镜子2204、2206形成法布里-珀罗谐振器，并且能够选择电介质涂层2205、2207的反射率，以提供所选择的谐振器策略。典型地，使用大于50％、75％或90％的反射系数。在一个示例中，谐振器长度大约为25cm，以便与往返相关联的反射对应于50cm的间隔。

使光纤2208位于将校准光束(典型地，所有或测量或探测光束的一部分)传送至沿谐振器轴2209引导准直光束2212的准直透镜2210的位置。使聚焦透镜2211位于将校准光束引导到检测器中的位置。两个镜子形成法布里-珀罗干涉仪。用每个通道，一些光从管子漏出，并被第二透镜聚焦到光电探测器上。取决于部分镜子的反射率，能够生成对应于通过管子的不同数目的通道的多个外差频率信号。对于25cm长的管子，每个信号表示50cm的距离差。这些信号中的任一个都能够被用作参考臂信号。放大器2226将外差频率信号耦合至外差频率检测器2230，该外差频率检测器2230识别与谐振器路径和/或多个往返行程的单一的、单向行程相关联的一个或多个外差频率。处理器或其他测量***2234接收一个或多个所识别的外差频率，并确定比例校准R_L，用于一些或所有频率以及它们相关联的路径长度。虽然玻璃陶瓷管2202是由非常低的CTE材料制成的，但是，热敏/控制***2240能够被配置为用一个或多个温度传感器2242来监控温度并用加热器/冷却器2244加热或冷却管子2202。在一些示例中，测量管子的温度，以便能够确定对有效管长的合适校正，并且比例校准R_L是基于取决于温度的管长的。

图23中举例说明另一典型的参考长度。玻璃陶瓷框2302被提供有反射面2302A、2302B或多个反射区或位于反射输入校准光束位置的离散的反射镜。将激光源2312耦合至光纤耦合器2314，该光纤耦合器2314沿光纤2315将输入光束的一部分导向准直透镜2316。准直透镜2316产生校准光束，其沿多层折叠路径2320传播至回射镜2324。布置回射镜2324，以便沿路径2320将校准光束反射回至光纤耦合器2314的准直透镜2316。光纤2315的光纤输出表面2318被配置为还向光纤耦合器2314反射输入光束的一部分，典型地大约为4％。光纤耦合器2314将来自框2302的多层反射的校准光束以及光纤输出表面2318处所反射的部分传送至检测器2328。所组合的光束在光电探测器2328处产生外差信号，该光电探测器2328能够在传送至诸如图22中所举例说明的校准***之前被缓冲或用放大器2336放大。能够提供温度控制和/或监控，并且框2302典型地被配置为密封在容器内。在一个示例中，将盖板固定到框，以便能够基于稳定的环境控制沿光路2320的光传播。

在其他示例中，校准光路可以是基于诸如马赫-曾德耳路径的其他干涉仪路径的，在该路径中，使用玻璃陶瓷或其他超稳定的材料来定义路径差。法布里-珀罗标准具不需要管子，但是，能够被玻璃陶瓷杆或板所隔离的反射镜所限定。还能够使用环形谐振器配置。在图24-25中举例说明了一些附加的示例。参见图24，由分束器2404、2420和被布置以沿轴2401引导输入光束的第一部分以及沿多层折叠轴2403引导第二部分的反射镜2406、2408、2410、2412、2413、2414、2416、2418限定参考长度。能够将分束器和反射镜固定至诸如锂铝硅酸盐玻璃陶瓷的材料的温度稳定的底座。参见图25，使第一镜子2502和第二镜子2504位于沿法布里-珀罗配置中的轴2501的位置。将镜子2502、2504固定至限定参考长度的温度稳定的杆2506的位置。杆2506能够具有正方形、圆形、矩形或其它横截面。在又一其他示例中，能够在光纤中或其它大块电介质或波导中提供参考路径差。在一些情况下，使波导或大块介质位于密封的、所选择的、抗压力的容器中，以避免由于环境原因引起的长度微扰。如需要的话，能够用光纤进行至这种波导或大块介质的连接。

动态频率选择

当关于测量的多普勒效应是令人担忧的时，具有双激光器的激光雷达具有明显的优点。这种所谓的“测量多普勒”是由激光雷达镜片关于正被测量的目标的运动所引起的。几个双激光器的方法包括：(1)两个完全分离的***的叠加(LO，参考臂等)，(2)两个激光器被偏振所分离的***，以及(3)两个激光器被它们的LO频率所分离的***。使用LO频率分离的第三种方法是典型的低成本选择，但具有必须挑选两个LO频率以为了信号处理的原因保持测量被分离比如说1MHz的额外限制。对于使用固定LO频率的***，这导致激光雷达的较低性能。本文所公开的是能够依赖于目标距离来调整激光啁啾速率的***和方法。

如Rezk等的美国专利申请公开2011/0205523中所示的，在具有第一速率处的第一激光啁啾向上和作为第二速率的第二激光啁啾向下的双激光器雷达***中，能够基于第一啁啾和第二啁啾找到如下测距：

其中，f₁和f₂是独立的距离估计，并且f_d是对外差频率的多普勒贡献。通过使用大的外差频率能够降低距离误差。然而，外差频率还应当被保持在实际检测带宽内。典型地，在双激光器的雷达***中，距离误差和噪声影响与较低的外差频率相关联。

能够基于目标距离选择激光的啁啾速率。对于双激光器的雷达***中的每个激光器，基于能够方便地用单位MHz/m来表示的相关联的比例因子R_L来估计距离。作为示例，提供可变的或动态的啁啾速率的***可以是基于具有30m相干长度(最大距离)、60MHz的最大外差频率带宽、1MHz的最小频率间隔以及1m的最小目标距离的激光器的。用固定的啁啾，在下表中示出了针对1m的目标距离的外差频率。

整个距离	R<sub>L1</sub>	f<sub>1</sub>	R<sub>L2</sub>	f<sub>2</sub>
					30m	2MHz/m	60MHz	1MHz/m	30MHz
1m	2MHz/m	2MHz	1MHz/m	1MHz

双激光器雷达的固定啁啾速率

然而，在典型的动态***中，能够改变用于一个或两个激光器的啁啾速率。例如，在下表中，改变与第二激光器相关联的啁啾速率。

距离	R<sub>L1</sub>	f<sub>1</sub>	R<sub>L2</sub>	f<sub>2</sub>
					30m	2MHz/m	60MHz	1.966MHz/m	59MHz
1m	2MHz/m	2MHz	1MHz/m	1MHz

双激光器雷达的可变啁啾速率

当两个外差频率的量更靠近时，可变的啁啾速率趋向于改善噪声性能，并且在较长的距离处提供较好的多普勒校正。典型地，也部分地基于诸如上述那些的参考长度的测量来使用校准和啁啾线性化。

图26中举例说明激光啁啾速率是可变的的典型双激光器雷达***2600。将第一激光驱动器2602耦合至第一激光源2606，以便产生第一光束，其被提供给光纤耦合器2612。将第二激光驱动器2604耦合至第二激光源2608，以便产生第二光束，其与光纤耦合器2612中的第一光束相组合。将所组合的光束导向测量/LO光路2614和参考光路2616。在校准检测器2618处基于如与沿参考路径传播的部分相组合的第一光束和第二光束生成参考长度的外差频率。将校准检测器2618耦合至信号处理器2620，其能够为第一激光束和第二激光束中的一个或两个确定合适的比例因子。

来自目标的测量光束和LO光束自测量/LO光路2614被返回，并被耦合至检测器2622，以便分别产生用于第一激光束和第二激光束的与目标距离相关联的第一外差频率和第二外差频率。将第一外差频率和第二外差频率耦合至信号处理器2620，其基于外差频率和比例因子提供对距离的估计。将距离选择器2624耦合至激光源的频率控制器2628，以便向激光驱动器2602、2604提供合适的激光驱动控制信号或控制数据。距离选择器2624被配置为选择啁啾速率，以便获得预定范围内的或预定值处的用于第一激光源2606和第二激光源2608中的一个或两个的外差频率。例如，如果第一外差频率比优选的更大或更小，则第一激光源的啁啾速率能够分别被降低或增高。布置距离选择器2624，以便用于(关注的所有特征上的)关注的特定特征的外差频率通过改变激光源的啁啾速率而基本恒定。例如，如果以比例因子RL所测量的第一外差频率为1MHz，则啁啾速率和第一比例因子R_L1能够被增大50倍，以便产生50MHz的外差频率。由于激光源的特性可以限制啁啾速率，但是，在这些界限内，如方便能够改变激光源的啁啾。

图27举例说明典型的激光测距方法。在2702处，为一个或多个激光源选择激光啁啾速率。在2704处，校准啁啾速率和激光频率扫描，以确定比例因子和对预期啁啾简档的偏差。典型地，选择线性度啁啾简档，并且能够用参考长度测量对线性度的偏差。存储对线性度的偏差和比例因子，用于提供距离估计中。尽管这种啁啾简档典型地更难于建立，但是，能够使用阶梯式的、多项式的、指数的或其它的啁啾速率。在2706处，使用所选择的啁啾速率估计目标距离，以及在2708处，能够基于所测量的目标距离为一些或所有激光器选择优选的啁啾速率。能够选择啁啾速率，以便外差频率在优选的范围内，或大于优选的最小值或小于优选的最大值。如果选择不同于如2710处所确定的当前的啁啾速率的一个或多个啁啾速率，则在2704处再次校准频率扫描并获得另外的目标测距。

在上面的示例中，改变用于多个激光器的啁啾速率，但是，在单个激光器的雷达***中同样能改变啁啾速率。

五面镜扫描

以能够在目标之上扫描测量光束的速率限制激光雷达***中的测量速率。在一些惯常的***中，必须旋转相对大的光学***和组件，使得高速扫描是困难的且昂贵的。下述的典型的扫描***和方法能够处理传统方法的这些和其他限制。

关于图28，激光雷达***2800包括至少一个啁啾的激光器2802，其被耦合至光纤耦合器2804。光纤耦合器将啁啾激光束的部分传送至分别产生LO光束和测量光束的本振光束的光学***2806和测量光束的光学***2808。如图28中所示的，LO光束的光学***2806被配置为用于通过LO角隅棱镜2812和优选地被实现为回射镜的LO返回反射镜2814的反射耦合LO光束经过调焦的角隅棱镜2810。测量光束收集/传送光学***2808将发散的测量光束2816导向调焦的角隅棱镜2810和返回反射镜2818。在这种配置中，LO是“远程LO”，因为与调焦的角隅棱镜2810相关联的路径差对于测量光路和LO光路基本上是相同的，即，用于LO光束和测量/返回光束的经过调焦的角隅棱镜2810的四个通道。

配置激光雷达***2800，以便沿轴2820将测量光束导向至仰角扫描组件2824的物镜2822。返回光束被物镜2822所收集并沿测量光束的光路的反向被耦合至光纤耦合器2804。耦合接收机2830以接收所组合的光束，并以被耦合至被配置以基于外差频率提供距离估计的***控制器2834的外差频率产生信号。

***控制器2834能够包括或是基于诸如便携式电脑、平板电脑、工作站或手持通信设备的个人计算机或其他计算设备(图28中未示出)。接收机2830被配置为为个人计算机产生识别信号，并且个人计算机能够基于所检测的外差频率估算或计算距离估计。在一些示例中，***控制器2834能够包括一个或多个计算机，其能够在公共位置或经由诸如局域网或广域网的有线的或无线的网络耦合。第一计算机能够使用有线的或无线的通信网络或通信链路自接收机2830接收信号并将所接收的信号或其数字的或其他的表示转发至第二计算机。第二计算机基于外差频率使用所接收的信号建立距离估计。

仰角扫描组件2824包括被配置用于围绕轴2820旋转的轴承2840。轴承2840典型地也包括编码器，其允许旋转角度的确定。使第一反射镜2842和第二反射镜2844位于沿可旋转的轴2850引导测量光束的位置。

能够将仰角扫描组件2824和LO与测量光束的光学***固定至底座2851，其被耦合至被配置为围绕轴2858旋转底座2850的第二扫描器2852。由被耦合至仰角扫描组件2824和第二扫描器2852的控制***2834引导对测量光束的扫描。还将控制***2834耦合至平移台2853，使平移台2853位于沿平行于轴2820的方向平移调焦的角隅棱镜2810的位置，以便将测量光束聚焦到目标表面处。

还能够提供照相机2860，用于观测目标区域。能够使照相机2860位于沿轴2850通过反射镜2844成像的位置。在典型的示例中，测量光束是红外的或接近红外的光束，并且反射镜2844能够被配置为透射可见光束并反射测量光束。例如，反射镜2844可以是所谓的“热反射镜”，其反射红外辐射并透射可见辐射。在其他示例中，使照相机2860位于沿从测量轴2850移开并关于测量轴2850可能倾斜的轴2868成像的位置。照相机2860通常关于仰角扫描组件2834固定或固定至仰角扫描组件2834，以便在扫描期间能够获得或监控目标的可见像。此外，因为照相机2860随着测量光束移动，并对齐测量光束，所以能够以各种各样的方式使用照相机的输出图像，以提供另外的计量信息。

图29A-29C举例说明用于激光雷达的替代的仰角扫描组件。如图29A中所示的，沿轴2906引导测量光束和返回光束2904。仰角扫描组件2910包括单个反射镜2912，其能够具有依赖于波长的反射系数，以允许用照相机2914对目标区域成像。仰角扫描组件被配置为围绕轴2916(轴2906的延伸)旋转。图29B举例说明包括被配置为提供围绕轴2934旋转的轴承2932的典型的扫描组件2930。五棱镜2936被配置为将测量光束导向目标(以及返回光束至检测***)。五棱镜表面能够被涂覆，或能够使用全内反射。如果使用全内反射，则如果激光雷达是偏振敏感的，则可能需要偏振补偿。能够将楔形棱镜2938固定至五棱镜2936以允许照相机2940观测目标区域。如果使用这种楔形棱镜，则提供依赖于波长的电介质涂层2942，以从目标来回反射测量光束和返回光束，并将观测光束透射至照相机2940。图29C举例说明五棱镜2946和被配置为经由不同的五棱镜面将观测光束透射至照相机的楔形棱镜2948。将显而易见的是，其他示例是可能的。

图30A-30B中举例说明包括可旋转的五棱镜扫描器的典型的激光雷达光学组件。光束成形和光束收集光学***3002包括与物镜3010一起位于沿轴3008以产生聚焦的测量光束的位置的角隅棱镜3004和返回反射镜3006。五棱镜3012被配置为在表面3014、3016处反射来自光学***3002的测量光束，以便将测量光束导向目标。虽然五棱镜3012是方便的，但是能够布置镜子，以便产生类似的反射。将五棱镜3012固定至围绕仰角轴3020可旋转的仰角旋转台3018。仰角轴承3019A、3019B允许围绕轴3020旋转，以便沿可旋转的轴3022引导测量光束。在一些示例中，仅使用仰角轴承3019A、3019B中的一个。

将参考镜3026固定至底座3028。能够旋转轴3022，以便能够通过孔3027将测量光束导向参考镜3026。能够使用参考镜3026建立用于校准的参考长度，并且能够基于校准补偿LO光束中的路径差。能够用诸如编码器3021A、3021B的一个或多个编码器检测仰角，能够用方位角旋转台3047提供围绕方位角轴的旋转，并且能够围绕轴3030旋转底座3028。

图30B类似于图30A，但是，是具有围绕轴3020旋转90度的五棱镜3012的顶视图。照相机3040包括透镜3042，使其位于沿平行于轴3022并从轴3022移开的轴在视野3038中成像的位置。诸如编码器3044的一个或多个方位角编码器允许用方位角台3047所产生的方位角旋转的确定。

在一些示例中，作为折叠的轴3022对应于仰角轴3020。五棱镜3012趋向于降低与仰角轴的轴承摆动相关联的光束导向误差，并且提供增加的光路长度。在图30A-30B中，为了清楚，未示出激光源、本振镜片和控制与处理***。能够使用光纤将啁啾的光束传送至光学***3002以及将返回的测量光束部分和LO光束耦合至如上面的示例中所示的检测***。

如果参考镜3026是曲面镜，则能够通过将测量光束导向参考镜3026的曲率中心来检测和估计方位角的轴承摆动。参见图30C-30D，提供弯曲的参考镜3060，并且布置图30A-30B的装置，以便将测量光束导向参考镜3060的曲率中心3061。还示出了xyz坐标***3062。围绕x轴的旋转误差(例如，方位角的摆动)导致返回信号幅度降低，并且能够通过调节方位角，即，用围绕x轴的相应扫描器旋转来恢复该信号损失。沿其他方向的摆动还导致信号损失，但是，这种信号损失通常是不可用仰角调节恢复的。例如，如图30D中所示的，旋转误差θ是不可用围绕x轴的旋转校正的。

图49举例说明将LO回射镜4902固定至或位于可扫描的五棱镜4904的表面处的光学***。使角隅棱镜4908和返回反射镜4906位于用于使用透镜4912聚焦测量光束的位置，并且使LO反射镜4910位于将LO光束反射到角隅棱镜4908中的位置。该配置允许LO角隅棱镜4902远离测量光束的传播轴的运动。另外的细节类似于其他示例的那些细节，并且一个或多个LO光束能够被提供有类似坐落的LO角隅棱镜。

上面实施例中的仰角扫描组件不限于以45度角坐落的两个反射面，但是，还能够被配置以便两个面在10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、130、135、140、150、160或170度的角度。可以使仰角扫描组件位于与来自激光器的至仰角扫描组件的光束传播相关联的轴(即，光束传送轴)与来自仰角扫描组件的目标方向的交叉点处。在仰角扫描组件旋转期间，光束传送轴与来自仰角扫描组件的目标方向之间的角度可以是常数或近似常数。例如，这个角度在从10％至100％的预定旋转周期期间可以是常数或近似常数。此外，在其他示例中，能够以其他方式测量仰角扫描组件和五棱镜2936的位置。例如，能够用干涉仪测量五棱镜2936的位置，以便干涉仪显示旋转期间的位置变化。该结果可以被用于校正或补偿目标距离估计。

在其他示例中，仰角扫描组件能够沿轴2850或其他轴可移动。这种移动能够被用于选择至少一个反射面上的测量光束的位置。

基于光纤的激光雷达***

参见图31，能够使用光纤***3100分别将第一波长λ1的啁啾的(典型地反啁啾的)激光束和第二波长λ2的啁啾的激光束耦合至波束成形、扫描与收集镜片。将来自第一激光器和第二激光器的第一啁啾激光束和第二啁啾激光束耦合至光纤，该光纤转而又被耦合至相应的光纤耦合器3102、3104。将光纤耦合器3102、3104固定至激光雷达光学支撑部3101，使该支撑部位于关于仰角旋转台或方位角旋转台中的至少一个旋转的位置。光纤耦合器3102、3104分别包括两个输出3102A、3102B和3104A、3104B。将第一啁啾激光束的一部分耦合至输出3102A，以充当第一LO光束，而自输出3102B将另一部分传送至第三光纤耦合器3110。类似地，将第二啁啾激光束的一部分耦合至输出3104A，以充当第二LO光束，而将另一部分传送至第三光纤耦合器3110。来自输出3102B、3104B的第一啁啾激光束的部分和第二啁啾激光束的部分在第三光纤耦合器3110中的输出3112中被组合，以产生能够被用于测量光束的组合光束(具有λ₁和λ₂的光束)。图31中所示的耦合器典型地为2×2的耦合器，并且具有另外的输入端口或输出端口，但未示出未被使用的端口。这种未被使用的端口通常被终止以降低背反射。耦合器和光纤优选地为保偏的，但是，能够使用其他的光纤和耦合器。典型地选择耦合器的分流比，以便将输入光束分为两个基本相等的部分，但能够使用其他的分流比。能够使用各种类型的测量光束镜片和LO光束镜片，但未被示出。在这种配置中，用于第一啁啾激光束和第二啁啾激光束中的每个的测量光束路径是相同的。

参见图32，基于光纤的、双波长的、啁啾激光雷达***包括可选地被连接至2×2耦合器3206的第一激光器3202和第二激光器3204。组合的第一激光束和第二激光束在耦合器的输出3206A(以及第二输出，未被示出)处是可用的。将耦合器的输出3206A连接至2×2耦合器3208。将耦合器的输出3208A连接至光学循环器3210，以便自圆形端口3210A至循环器端口3210B传递光束。与来自第一激光束3202和第二激光器3204的激光束相关联的组合光束在循环器端口3210B处是可用的。使透镜3214和四分之一波长的延迟器3216位于沿圆形的SOP中的LO路径将作为LO光束的组合光束导向反射镜3218的位置。将返回光束导向循环器3210和循环器的端口3210C。将循环器的端口3210C连接至2×2耦合器3224的端口3224A。

将耦合器的输出3208B连接至光学循环器3230，以便自循环器端口3230A至循环器端口3230B传递光束。然后，与来自第一激光器3202和第二激光器3204的激光束相关联的组合光束在循环器端口3230A处是可用的。将双频段耦合器3240的端口3240A连接至循环器的端口3230B和观测或导向激光器3244。然后，组合的第一啁啾激光束和第二啁啾激光束以及观测激光束在耦合器的端口3240A处是可用的。使透镜3250和四分之一波长的延迟器3252位于将作为测量和观测光束的组合光束导向目标并自目标接收与第一啁啾激光束和第二啁啾激光器相关联的返回光束的位置。通过双光束耦合器3240将返回光束导向循环器3230和2×2耦合器3224的端口3224B。因此，2×2耦合器3224在端口3224A处接收返回光束，以及在3224B处接收LO光束，并将混合光束传送至端口3224C，其被耦合至被配置为检测与一个或两个啁啾激光器相关联的外差频率并提供距离估计的检测***。在这个示例中，检测***能够位于远离可移动的(扫描的)镜片处，但返回光束和LO光束均包含来自两个啁啾激光器中的每个的贡献。能够使组合的光束自单个光纤上的耦合器3206达到扫描镜片，以降低所需光纤的数目。

参见图46，用于产生LO光束和双激光器的测量光束的光纤***包括被耦合至各自的2×2分束耦合器4606、4608的第一激光源4602和第二激光源4604。这些耦合器典型地为耦合器输出提供近似均匀的功率分配，但是，能够使用其他的分流比。将耦合器4606、4608中的每个的一个输出分别耦合至2×2光束组合耦合器4610、4612。将耦合器4606、4608的剩余输出连接至激光组合的2×2耦合器4614，耦合器4614被配置为将双波长的测量光束耦合至循环器4616。循环器4616将双波长的测量光束耦合至能够将测量光束提供给激光雷达扫描镜片的保偏单模光纤4618。

由循环器4616将来自目标的返回光束耦合至返回分束2×2耦合器4620，耦合器4620将返回光束的部分导向光束组合耦合器4610、4612。PIN二极管检测器4624被配置为自耦合器4610接收返回光束的一部分和第一LO光束，并产生与激光器4602的啁啾相关联的外差频率。PIN二极管检测器4626被配置为自耦合器4612接收返回光束的一部分和第二LO光束，并产生与激光器4604的啁啾相关联的外差频率。在这个示例中，经由光纤将LO光束耦合至返回光束，并且不将LO光束导向测量光束扫描或聚焦镜片。

在图47中所示的另一示例中，用于产生LO光束和双激光器的测量光束的光纤***包括被耦合至各自的2×2分束耦合器4706、4708的第一激光源4702和第二激光源4704。这些耦合器典型地为耦合器输出提供近似均匀的功率分配，但是，能够使用其他的分流比。将耦合器4706、4708中的每个的一个输出耦合至相应的LO光学循环器4707、4709。这些循环器将LO光束耦合至激光雷达聚焦与扫描镜片。将耦合器4706、4708的剩余输出连接至激光组合2×2耦合器4714，耦合器4714被配置为将双波长的测量光束耦合至循环器4716。循环器4716将双波长的测量光束耦合至激光雷达聚焦与扫描镜片。

由LO光学循环器4707、4709将自激光雷达聚焦与扫描镜片返回的LO光束分别导向光束组合2×2耦合器4710、4712。由循环器4716将来自目标的返回光束耦合至返回分束2×2耦合器4720，耦合器4720将返回光束的部分导向光束组合耦合器4710、4712。PIN二极管检测器4724被配置为自耦合器4710接收返回光束的一部分和第一LO光束，并产生与激光器4702的啁啾相关联的外差。PIN二极管检测器4726被配置为自耦合器4712接收返回光束的一部分和第二LO光束，并产生与激光器4704的啁啾相关联的外差频率。在这个示例中，将LO光束部分地耦合至测量光束扫描与聚焦镜片，以补偿LO/测量光束的光路差。

能够用图48A-48B中所示的装置将图47的光纤组合器/分离器耦合至激光雷达聚焦与扫描镜片。输入光束支撑部4802被配置为容纳并保持光纤，该光纤将双激光器的测量光束传递进孔4804中。光束孔4804能够被支撑臂4805所限定，支撑臂4805延伸进被配置为透射测量光束的较大的孔4807中。准直器4808、4810被配置为接收与各自的激光器相关联的LO光束。由准直器4808、4810将LO光束导向调焦的角隅棱镜4812和LO角隅棱镜4814。LO角隅棱镜4814将LO光束返回至调焦的角隅棱镜4812和各自的回射镜4816、4818。能够使用偏移一个或多个LO光束并将所偏移的LO光束或多个光束返回至调焦的角隅棱镜4812的其他光学元件。自回射镜4816、4818，LO光束跟随反向路径回到用于耦合相应检测器的各自的准直器。举例说明典型的LO路径4817。将测量光束导向调焦的角隅棱镜4812和返回反射镜4828，然后至将测量光束聚焦到目标的透镜4820。在图48A中示出了典型的测量光束路径4819。

光束导向误差检测和校正

图33举例说明来自光纤3302的光通量被导向角隅棱镜3304的耦合光纤的激光***或激光雷达***3300。部分透射的返回反射镜3306通过角隅棱镜3304将光通量的一部分返回至透镜3308，该透镜3308形成被导向目标3310的所聚焦的询问光束。将光通量的其他部分耦合至位置检测透镜3311，该位置检测透镜3311将所透射的通量导向诸如四象限探测器、检测器阵列或其他检测器的位置检测器3312，以便能够估计光束的位置。以这种方式，能够估计光纤3302的输出表面3301的位置。为了方便，角隅棱镜3304被举例说明为直角棱镜。来自目标的、被返回至透镜3308的询问光束的部分被导向返回反射镜3306。返回反射镜3306是部分透射的，以便还将一些所返回的询问光束耦合至位置检测透镜3311，该位置检测透镜3311将所透射的通量导向位置检测器3312，但是，该通量的量典型地太低以至于不能生成有用的信号。

将检测器3312耦合至基于来自检测器3312的电信号确定光纤位置的跟踪处理器3320。基于所估计的光纤位置，能够确定所估计的光束位置，并且光束位置控制器3324能够引导光束调整。或者，所估计的光束位置能被用于处理所返回的光通量过程中的校正位置信息中，以建立物体表面简档、距离或其他物体特性。

反射镜3306典型地被配置为透射小于大约10％、5％、1％或0.5的入射通量。在图33的配置中，返回反射镜是聚焦***的一部分，以便耦合通量至用于光束跟踪的检测器除了透射率的变化之外，不以别的方式干扰光学***。然而，在其他示例中，由折叠镜所透射的光束部分还能够被用于跟踪。此外，在一些情况下，依靠后表面处的每个反射，一些光束部分从角隅棱镜漏出，并且还能够将这些光束部分导向检测器用于光束跟踪。如果检测到跟踪误差或光纤模块或组件的位移或倾斜，则能够执行补偿或校准过程。

图34举例说明包括被耦合以自光纤3406接收输入光束(例如，啁啾的激光束)的光学模块3404的激光雷达***。光学模块3404包括分束器3408、回射镜3410和检测器3412。如需要，提供透镜3416-3418，以成形和聚焦光束。使反射镜3420位于将来自光学模块3404的光束导向调焦的角隅棱镜3424的位置。使部分反射的返回镜3430位于接收来自调焦的角隅棱镜3424的光束并将测量光束反射至调焦的角隅棱镜3424和物镜3434的位置。调焦的角隅棱镜3424是沿轴3438可平移的，以便将测量光束聚焦到目标表面处。来自目标的测量光束的散射、反射或其它部分被指回到光学模块3404并被耦合至检测器3412。由分束器3408将来自光纤3406的输入光束的一部分反射至检测器3412，作为LO光束。

能够布置光学模块3404，以便由分束器3408将线性SOP(例如，水平的或“H”)中的输入光束稍微反射到检测器3412，以产生LO光束，而透射输入光束的剩余部分。四分之一波片3419从H SOP产生第一圆形SOP。来自目标的返回光束优先地为与第一SOP的偏手性相反的偏手性的第二圆形SOP。四分之一波片3419产生由分束器3408反射至四分之一波片3421和回射镜3410的竖直(V)偏振。然后，四分之一波片3421产生第一圆形SOP，该第一圆形SOP被回射镜3410反射作为被四分之一波片3421通过透射转变为H偏振的第二圆形偏振。然后，将来自目标的返回光束转变为能够被分束器3408有效地透射至检测器3412的H SOP。因此，光学模块对从普通的输入光束提供分离的测量光束和LO光束有作用，并且在检测器处将返回光束和LO光束再组合。

如图34中所示的，使反射镜3420位于将输入光束导向目标的位置，但是，光学模块3404通常可以是足够紧凑的，不需要这种反射镜，并且来自透镜的光束被指到角隅棱镜3424中而不反射。

部分反射的返回镜3430还将测量光束的一部分透射至透镜3450和位置检测器3452。能够基于如在位置检测器3452处所成像的光束评估测量光束成形、导向方向和其他特性。例如，能够评估光束导向误差，或能够检测光学组件位置的变化。以这种方式所确定的任何误差或伪像能够被用于调整光束导向或光学元件位置和方位，或提供补偿数据以便在存在光束位置误差的情况下能够校正扫描误差。能够提供误差处理器3454，以确定补偿值或校正值，或报告误差的存在。

部分远程本振

关于图35，使光纤3502位于将输入光束导向角隅棱镜3504的位置，角隅棱镜3504是沿轴3506可平移的，以便能够用透镜3508将测量光束3509聚焦在目标处。输入光束入射到将输入光束的测量光束部分返回到透镜3508的返回镜3510上。透射LO光束部分以形成LO光束3520，用透镜3512的外部3512A将LO光束3520聚焦在检测器3516处。来自目标的返回光束的一部分被返回镜3510所透射并被透镜3512的内部3512B所聚焦为光束3518。透镜的外部3512A和内部3512B具有不同的曲率，以便将LO光束和返回光束合适地聚焦在检测器3516处。信号处理器3524被配置为使用由所组合光束所产生的外差频率估计目标距离。透镜3512能够被形成为具有不同曲率的单个透镜元件，或从一个或多个单独的透镜所组装。为了保持光束被聚焦在检测器3516上，可以将透镜3512固定至平移台，以便和角隅棱镜3504的运动一起被平移。在图35的配置中，通过透射通过返回反射镜提供LO光束，并且LO光束穿过调焦的角隅棱镜3504一次，并与至返回反射镜3510的测量光束具有共同的光路。测量光束和相关联的返回光束使整个四个通道经过调焦的角隅棱镜3504。因此，由聚焦镜片所引入的测量/返回光束与LO光束之间的路径差比LO光束和测量/返回光束进行相同数目的行程的***趋向于较少的补偿。

用紧凑的大镜片的光纤光束传送

图34中所示的光学模块3404能够被用在各个实施例中，以分离和再组合测量光束和LO光束。如图36中所示的，将光学模块3602固定至被控制以关于目标3608扫描测量光束的方位角/仰角扫描器3604。使透镜3610位于接收测量光束并将测量光束导向目标3608的位置。将耦合光纤的激光二极管源3612、3614连接至2×2光纤耦合器3618的输入端口。光纤耦合器3618的输出端口3618A接收来自源3612、3614中的每个的输入光束的一部分，并且光纤3620将组合光束耦合至光学模块3602。模块3602能够产生LO光束和测量光束，并且在检测器处组合返回光束和LO光束，或将组合的返回光束/LO光束耦合至用于耦合至可以或可以不关于台3604固定的检测器的光纤。图36中未示出细节，但是，可以类似于图34中的那些细节。

耦合器3618还包括输出端口3618B，其被连接至被配置为经由输出端口3630A将组合光束的一部分导向参考长度3632的参考长度耦合器3630。参考长度3632被配置为将组合的光束反射回输出端口3630A，但延迟一参考距离。光纤耦合器3630的输出端口3630B被终止，以反射组合光束的一部分以提供LO光束。将来自参考长度3632的光束和LO光束耦合至光纤3634和参考检测器3636。

关于图37，使光学模块3702位于自光纤3703接收诸如一个或多个啁啾激光束的一个或多个输入激光束的位置。将所接收的光束的一部分耦合至检测器3704作为LO光束，并且将另一部分导向透镜3706作为测量光束。透镜3706将测量光束聚焦在目标3707处，并将返回光束耦合至光学模块3702用于传送至检测器3704。在图37的示例中，能够通过光学模块3702和/或透镜3706的平移提供对测量光束的聚焦。

在图38中所示的另一示例中，使调焦的角隅棱镜3802和返回反射镜3804位于调焦的角隅棱镜3802的平移将测量光束聚焦到目标处的位置。光纤3810将一个或多个输入激光束耦合至光学模块3806，光纤模块3806将组合的测量光束耦合至调焦的角隅棱镜3802。使透镜3812位于接收组合的测量光束并将组合的测量光束导向目标以及将返回的光束耦合至光学模块3802的位置。

图39-40举例说明类似于图37-38的那些的附加实施例，但在这些示例中，将折叠镜3902、4002分别固定至转换器/扫描器3904、4004。扫描器3902、4002能够被配置为基于围绕一个或多个轴的旋转来扫描测量光束。

关于图50，LO光束分离和测量光束组合光学***包括限定反射面5014、5016、5020的棱镜5004、5006、5008。反射面5016能够被提供有作为表面部分5016A、5016B的不同反射涂层。将第一激光器沿偏离第一透镜5022的轴的轴耦合至第一准直透镜5022和偏振镜5026。能够将第一透镜5022和偏振镜5026固定至棱镜5004。偏振镜被配置为透射x导向的线性SOP，但被倾斜，以便y偏振的较小部分(典型地1-10％)也被透射。如沿第一透镜5022的轴所观测的，示出这种偏振镜的轴5027。选择反射面5014，以便反射y偏振并透射x偏振。因此，沿垂直于图50的平面的线性SOP中的远程本振(RLO)路径引导第一激光束的一部分。(尽管能够使用不相等的值)反射面部分5016A是独立偏振的，并被选择以同样地透射和反射。因此，沿光损失路径引导50％的第一激光束，并沿图50的平面中所偏振的测量路径引导50％的第一激光束。

沿透镜5022的轴将第二激光器耦合至第二准直透镜5024。第二激光束是作为x偏振的输入。反射面部分5016B被配置作为独立偏振的反射面，其向RLO路径反射第二激光束的一部分(典型地大约20％)并将另一部分(典型地大约80％)透射至反射面5020。因为所反射的部分在图50的平面中是被线性偏振的，所以反射面5014将基本所有的这部分透射至RLO路径。因此生成第一LO光束和第二LO光束，一个在垂直于绘制的平面的SOP中(第一激光束)，以及另一个在绘制的平面的SOP中。此外，由于第一激光束关于第一透镜5022的偏移，所以第一LO光束和第二LO光束彼此不平行。

将第二激光束的透射部分反射至反射面部分5016B，其将部分(典型地相等的部分)反射至测量路径和光损失路径。选择反射面5020的角度，以便当离开透镜5030时第一测量光束和第二测量光束沿平行轴传播。通过为反射面5020或其他表面选择表面定向、通过一个或多个准直透镜的平移或传送第一激光束和第二激光束的一个或多个光纤的平移能够获得平行传播。

LO光束和返回光束能够被再组合用于外差频率的检测。因为LO光束沿不同的轴和不同的SOP传播，所以这些光束能够被选择性地耦合至相应的检测器，并且每个LO光束能够被耦合至具有对其他检测器的小泄露的仅一个检测器。在一些示例中，能够提供60dB或更大的LO隔离。

多光束扫描和视觉***

参见图41，扫描多个测量光束的激光雷达包括被连接至光隔离器和具有保偏光纤的2×2光纤耦合器4108的第一啁啾激光器4102和第二啁啾激光器4104。来自第一激光器和第二激光器的光束被配置为与光纤快轴或光纤慢轴对齐。使光纤耦合器的输出位于透镜4112、4114产生准直光束的位置，准直光束被导向包括多个分束器和反射镜(示作图41中的棱镜)的光束划分光学***4120。透镜4112、4114中的每个都产生包括上啁啾部分和下啁啾部分的光束，并且光束划分光学***4120被配置为产生被导向偏振分束器(PBS)4124的八个光束。布置光束和PBS 4124，以便在反射面4125处由PBS 4124将每个光束的一部分(典型地大约5％)反射至检测器的阵列4128的相应检测器，以充当LO光束(具有用于上啁啾激光器和下啁啾激光器的LO部分)。

八个光束部分被PBS 4124透射至四分之一波片4130以及将八个光束导向扫描器4140的棱镜或透镜阵列4134。然后，在目标区域之上扫描这八个光束，并且将来自目标的返回光束部分导向检测器阵列4128的各自检测器。透镜阵列4134和四分之一波片4130将返回光束导向反射面4125，使反射面4125位于将返回光束导向四分之一波片4144和回射镜阵列4148的各自回射镜4151-4158的位置。能够使用诸如扫描镜的单个扫描器，但在其他示例中，能够将一个或多个或所有光束导向相关联的扫描器。

布置四分之一波片4130，以便测量光束在第一圆形SOP中被圆形地偏振。返回光束在第二圆形的SOP(正交于第一圆形的SOP)中被圆形地偏振。由四分之一波片4130对返回光束的透射产生由PBS 4114反射至四分之一波片4144和回射镜阵列4148的线性偏振光束。因此，光束到达第一线性SOP中的四分之一波片4130处，但被返回至由反射面4125透射至检测器阵列4128的SOP中的PBS 4114。

在图41的示例中，提供两个激光器(一个向上啁啾的和另一个向下啁啾的)，以便能够校正多普勒效应而无需每个光束的多次扫描。如果较低的全扫描速率是可接受的，则能够使用单个啁啾的激光器，并且在其上升啁啾和下降啁啾被组合期间获得测量。对于运动或振动的目标，通常(用上升啁啾激光器和下降啁啾激光器)比(用单个上升和下降啁啾激光器)顺序扫描更好。

在用作说明的示例中，同时扫描(具有上升和下降啁啾激光束成分的)八个光束，以便192线/秒的扫描速率需要扫描镜以12Hz振动。沿正向方向将以1/24秒(0.04167秒)扫描每组的八条线，然后沿反向或回扫方向以相同时间扫描。如果能够进行4000次测量/秒，则在1/24秒中能够获得每条线的167个测量点，并且在一秒中能够获得32,000个像素帧。

旋转扫描镜将多普勒效应引入到扫描光束中。如果光束中心沿旋转轴穿透扫描镜，则光束边缘将经历相等的和相反的多普勒频移，该多普勒频移产生边对边的频差F_dd＝4d/，其中是扫描镜的角速度(弧度/秒)，d是光束直径，以及是光束的波长。对于1/24秒内的15度扫描，最大的多普勒频差大约为32.4kHz。与频率差相关联的距离误差趋向于为基于最大多普勒频差所预测的那些一样大的大约1/3。对于双激光器(即，反啁啾)的激光***，距离误差可能甚至更小。

扫描器4140通常被配置为提供对测量光束的快速扫描。扫描透镜扩展并聚焦所扫描的光束。如由光学不变量所提供的，每个光束的扫描角度成比例于光束的扩展而被降低。然后，将所扩展的、所聚焦的光束导向被配置为沿不平行于扫描器4140的扫描方向的方向扫描光束的第二扫描器。第二扫描器可以是连续的且周期的，以便产生曲折的扫描图案，或能够以梯状增量扫描以产生一系列平行的多个光束扫描。如方便，能够使用其他的扫描图案。

图41的***通常还包括参考路径。将每个激光器连接至诸如2×2耦合器的光纤耦合器，该耦合器将每个激光的部分导向图41中所示的***。将其他部分导向参考路径。例如，2×2耦合器能够被配置为将每个光束的95％提供给多个光束扫描器，并且将每个光束的5％提供给参考长度。在相应的参考检测器处产生用于每个激光器的参考信号。

图42中举例说明典型的距离处理接收机。耦合信号检测器4202，以接收返回光束和LO光束。带通滤波器4204被配置为过滤检测器信号，并将信号的贡献从关注的频率范围移出。模数转换器(A/D)4208被配置为产生代表过滤后的检测器信号的数字，并且数字信号处理器4210基于例如过滤后的检测器信号的FFT识别与目标距离相关联的外差频率。在参考检测器4222处产生基于参考臂和参考LO光束的参考臂信号。带通滤波器4224被配置为过滤参考检测器信号，并将信号的贡献从关注的频率范围内移出。模数转换器(A/D)4228被配置为产生代表过滤后的参考检测器信号的数字，并且数字信号处理器4210识别外差频率。图41的每个光束类似地被处理，并且还处理用于每个激光器的参考光束。八个被识别的距离和两个参考外差频率被进一步处理，以提供距离估计和校准。

具有有孔的折叠镜的激光雷达

参见图43，耦合光学模块4302以接收来自光纤4304的输入光束。将测量光束导向折叠镜4308中的孔4306。使包括调焦的角隅棱镜4312和返回反射镜4324的调焦***4314位于接收测量光束并将测量光束返回至镜子4308的反射面的位置。然后，镜子4308将测量光束导向将测量光束聚焦到目标处的透镜4318。通过沿平行于轴4320的方向平移调焦的角隅棱镜4312来提供光束的聚焦。

将光学模块4302和聚焦***4314固定至被配置为围绕轴4332旋转的方位角旋转工作台4330。将折叠镜4308、聚焦透镜4318和摄相机耦合至被配置为围绕轴4320旋转的仰角旋转轴承。

具有紧凑的大镜片的远程本振

图44A-44B举例说明将LO光束和组合的双激光器测量光束耦合至调焦的角隅棱镜的光学***。图44A举例说明输入LO光束和测量光束，以及图44B举例说明LO光束和返回光束的混合。单模光纤能够被用于传送LO光束和组合的测量光束，以及单模的或多模的光纤能够被用于将所混合的LO光束和返回光束耦合至检测器，但图44A-44B中未示出这种光纤。

PBS立方体4402被配置为接收第一LO光束LO1和第二LO光束LO2以及组合的双波长测量光束(M1/M2)，其优选地在由PBS立方体4402所透射的第一线性SOP中。棱镜4404将第一LO光束导向调焦的角隅棱镜和第一LO返回反射镜，以便产生第一远程LO光束。直角棱镜4406和矩形棱镜4408被配置为将第二LO光束导向调焦的角隅棱镜和第二LO返回反射镜，以便产生第二远程的LO光束。组合的测量光束被透镜4410所聚焦并传播至将光束反射至调焦的角隅棱镜组件然后至目标的镜子。确定四分之一波片4407的方位，以在LO光束和测量光束中产生共同的圆形SOP。

图44B举例说明如返回至PBS立方体4402的第一LO光束和第二LO光束。四分之一波片4407产生被PBS立方体4402所反射的第二线性SOP。将第一LO光束反射至被限定为至第二输出(OUT2)的平行四边形棱镜4420、4424之间的界面的反射面4422。反射返回测量光束，以便在表面4426和表面4423处被部分地反射，以便被耦合至第一输出和第二输出(OUT1，OUT2)。表面4426能够被限定在平行四边形棱镜4424与平行四边形棱镜4430之间的界面处。由PBS立方体4402反射第二LO光束，以便被表面4428反射至第一输出(OUT1)。对于表面4422、4426、4428的典型的表面反射系数分别是80％、50％和20％，但能够使用其他反射系数。能够提供另外的棱镜，以便图44A-44B的组件能够被形成为粘合的光学组件。

图45举例说明对图44A-44B的替代。代替将第一LO光束和第二LO光束导向调焦的角隅棱镜，使反射镜4502、4504位于四分之一波片4506的表面处，以便将LO光束指回到PBS立方体4510中和各自的输出端口。在这个示例中，由于角隅棱镜的位移或热变化而引起的诸如路径长度的变化的影响不调整LO光束。因此，这种调整比LO路径更紧密地接近激光雷达光学***内的测量光束/返回光路路径的***更可能促成距离误差。

典型的测量***实现

上面的示例能够被包括或实现在各种各样的完整***中。图52-54举例说明几个典型的***。关于图52，激光雷达***5200包括被耦合至基于光纤的光学模块5206的测量激光器5202、5204。还将导向激光器5205耦合至基于光纤的光学模块5206，以允许用户在询问下观测目标位置。将调节器5208耦合至测量激光器5202、5204，并且典型地被配置为提供相关联的测量光束的线性光学调频。在其他示例中，能够应用调幅或调相，并且能够使用非线性调制。光学模块5206包括诸如上面所公开的参考长度，并且将来自参考长度的参考光信号导向参考检测器5222，该参考检测器5222被耦合至信号处理器5226，分别用于对第一测量激光器5202和第二测量激光器5204的调制的校准。在替代配置中，能够使用两个参考检测器，每个激光器一个。

集成的光学组件(IOA)5230被配置为经由光纤5232接收来自测量激光器5202、5204的测量光束。IOA 5230和仰角发动机/轴承/编码器组件5240一起关于仰角轴5236可旋转。将仰角轴5236固定至底座5242，转而将底座5242固定至轴5245，轴5245关于固定基座5241周围的方位角发动机/轴承/编码器组件5244可旋转。IOA 5230还被配置为接收来自目标的探测光束部分，并将所接收的探测光束部分与对应于每个测量光束的LO光束相组合。将所组合的光束导向一个或多个光电探测器，并且用RF缆5227将干涉(外差)电信号耦合至信号处理器5226。IOA 5230还包括聚焦镜片，并提供如上面示例中所详细公开的普通的探测信号/LO信号光学***。

耦合照相机5250，以观测目标并随着IOA 5230旋转。将控制器5260耦合至信号处理器5226、方位角发动机/轴承/编码器组件5244以及仰角发动机/轴承/编码器组件5240。能够将校准值、测量结果、图像、用于旋转控制和信号处理的计算机可执行指令以及其他数据和操作程序存储在存储器5262中。

关于图53，激光雷达***5300包括被耦合至基于光纤的光学模块5306的第一测量激光器5302和第二激光器5304。还将导向激光器5305耦合至基于光纤的光学模块5306，以允许用户在询问下观测目标位置。将调节器5308耦合至测量激光器5302、5304，并典型地被配置为提供相关联的测量光束的线性光学调频。在其他示例中，能够应用调幅或调相，并且能够使用非线性调制。光学模块5306包括诸如上面所公开的参考长度，并且将来自参考长度的参考光信号导向参考检测器5322、5324，参考检测器5322、5324被耦合至信号处理器5326，分别用于对第一测量激光器5302和第二测量激光器5304的调制的校准。在替代配置中，单个参考检测器能够被用于两个激光器。

集成的光学组件(IOA)5330被配置为接收来自测量激光器5302、5304的测量光束，以通过冷光镜5332向扫描镜5334提供所聚焦的探测光束，扫描镜5334与仰角发动机/轴承/编码器组件5340一起关于仰角轴5336可旋转。将仰角轴5336固定至底座5342，底座5342转而被固定至轴5345，轴5345关于固定基座5341周围的方位角发动机/轴承/编码器组件5344可旋转。IOA5330还被配置为接收来自目标的探测光束部分，并将所接收的探测光束部分与对应于每个测量光束的LO光束相组合。将所组合的光束导向一个或多个光电探测器，并且经由RF缆5327将干涉(外差)电信号耦合至信号处理器5326。或者，能够经由光纤将所组合的光束指回激光炉5306，并且然后至一个或多个光电探测器。IOA 5330还包括聚焦镜片，并提供如上面示例中所详细公开的普通的探测光束/LO光束的光学***。

耦合瞄准照相机(BSC)5350，以沿探测光束轴5301用冷光镜5332观测目标，并将广角相机(WFC)5350固定至底座5342以便围绕对应于轴5345的轴线的方位角轴旋转。将控制器5360耦合至信号处理器5326、方位角发动机/轴承/编码器组件5344、以及仰角发动机/轴承/编码器组件5340。能够将校准值、测量结果、图像、用于旋转控制和信号处理的计算机可执行指令以及其他数据和操作程序存储在存储器5362中。

关于图54，激光雷达***5400包括被耦合至光纤耦合器或循环器5405、5406以在光纤5407中提供组合光束的第一测量激光器5402和第二测量激光器5404。将来自导向激光器5409的光束与测量光束相组合，以允许用户在询问下观测目标位置。将调节器5411耦合至测量激光器5402、5404，并且典型地被配置为提供相关联的测量光束的线性光学调频。在其他示例中，能够应用调幅或调相，并且能够使用非线性调制。循环器5406将组合的测量光束耦合至参考长度5412。参考检测器5413接收来自参考长度5412的光束，并经由RF缆5423将相应的电信号耦合至信号处理器5422。

集成的光学组件(IOA)5430被配置为接收来自光纤5407的测量光束，以提供用五面镜5431可导向目标的所聚焦的探测光束，该五面镜5431使用仰角轴承5432和仰角发动机/轴承/编码器组件5435关于仰角轴5436可旋转。IOA 5430和仰角发动机/轴承/编码器组件5435经由桥式支架5447被固定至彼此。将IOA 5430、仰角轴5436、轴承5432和仰角发动机/轴承/编码器组件5435固定至在固定基座5451周围关于方位角发动机/轴承/编码器组件5444可旋转的轴5445。IOA 5430还被配置为接收来自目标的探测光束部分，并将所接收的探测光束部分与对应于每个测量光束的LO光束相组合。经由光纤5407将所组合的光束导向测量光电探测器5460，并且将干涉(外差)电信号耦合至信号处理器5422。IOA 5430还包括聚焦镜片，并且提供如上面示例中所详细公开的普通的探测光束/LO光束的光学***。耦合照相机5470，以观测目标并关于仰角轴5436旋转。

诸如上面的那些的多个探测光束和/或本振光束被组合在单个光纤中的基于光纤的***允许任意组件的放置。所有光束在公共光纤中传播，以便对于所有光束来说，关于光纤的运动、温度或其他环境影响都是共同的，并且在检测***中被移除或可移除。

基于调幅光束的测量***

虽然扫频***提供许多优点，但是，调幅或调相激光雷达和激光跟踪***能够被使用，并合并上面所公开的特征和***。参见图55，激光雷达或跟踪***5500包括激光二极管5502，其被耦合至幅度调制器5503以向光纤耦合器5504提供调幅(AM)光束。光纤耦合器5504经由光纤5505将AM光束传送至聚焦光学***5506和扫描镜5508，以便将AM光束导向目标5510。扫描镜5508可以是五面镜或其他合适的光学元件。经由光纤耦合器5504将自目标5502返回的光束指回光学检测器5512。将相位比较器5514耦合至幅度调制器5503和光学检测器5512，以便确定应用于光束的幅度调制与来自目标5510的返回光束的AM调制之间的相移。将来自相位检测器5514的相位信息耦合至基于相位信息估计目标距离的信号处理器5516。能够使用一个或多个AM光束，并且能够应用和检测多个相位调制。在其他示例中，能够应用电频率处的频率调制(FM)而不是或除去AM调制。

激光雷达方法和应用

上面所公开的示例能够被用于实现下面的方法和装置。图56举例说明跟踪被固定至基板或目标的工具球的典型方法。能够将一个或多个工具球固定至目标以为坐标的确定提供参考点。为了在诸如激光雷达的基于激光的测量装置中提供足够的询问光束反射，工具球通常包括成形的反射球表面。

如图56中所示的，在5602处，基于所扫描的询问光束的返回部分识别并记录工具球的位置。能够以诸如圆形、螺旋形、W的或曲折的各种图案扫描光束，以跟踪工具球。在5604处，评估所识别的位置，以确定关于主扫描的位置。在5606处调节主扫描，以便工具球的位置在关于主扫描的优选位置处。典型地，调节主扫描，以便工具球的位置近似置于主扫描范围内的中心。在5608处，进行关于额外扫描的确定。

图57举例说明适合于产生轮船、飞机的一个或多个组件或其他***或装置的部件以及用于评估与再处理这种所制造的组件的典型的制造***5700。***5700典型地包括诸如上述的激光雷达100的形状或简档的测量***5705。制造***5700还包括设计***5710、成形***5720、控制器5730和修理***5740。控制器5730包括被配置为存储所测量的和设计的坐标或如所设计和/或所测量的一个或多个所制造的结构的其他特性的坐标存储器5731。坐标存储器5731通常是诸如硬盘、随机存取存储器或其它存储器设备的计算机可读介质。典型地，设计***5710、成形***5720、成形测量***5705和修理***5740经由使用网络协议的通信总线5715通信。

设计***5710被配置为创建对应于形状、坐标、维度或将被制造的结构的其他特征的设计信息，并将所创建的设计信息传递给成形***5720。此外，设计***5710能够将设计信息传递给控制器5730的坐标存储器5731用于存储。设计信息典型地包括指示将被产生的结构的一些或所有特征的坐标的信息。

成形***5720被配置为基于由设计***5710所提供的设计信息产生结构。由成形***5720所提供的成形工艺包括铸造、锻造、切割或其他工艺。形状测量***5705被配置为测量所制造的结构的一个或多个特征的坐标，并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递给控制器5730。

控制器5730的制造检查器5732被配置为自坐标存储器5731获得设计信息，并将诸如自简档测量装置100所接收的坐标或其他形状信息的信息与从坐标存储器5731读出的设计信息进行比较。制造检查器5732通常被提供作为处理器和被存储在诸如的随机存取存储器、闪存盘、硬盘或其它物理设备的有形的计算机可读介质中的一系列的计算机可执行指令。基于设计与实际结构数据的比较，制造检查器5732通常基于也能够被存储在坐标存储器5731中的一个或多个设计公差能够确定制造结构是否根据设计信息被成形。换句话说，制造检查器5732能够确定所制造的结构是有瑕疵的还是合格的。当结构未根据设计信息被成形时(并且是有瑕疵的)，那么制造检查器5732确定结构是否可修理。如果可修理，那么制造检查器5732能够识别所制造结构的有瑕疵的部分，并且提供合适的坐标或其他修理数据。制造检查器5732被配置为产生一个或多个修理指令或修理数据，并将修理指令和修理数据转发给修理***5740。这种修理数据能够包括需要修理的位置、需要再成形的程度或其它修理数据。修理***5740被配置为基于修理数据处理所制造的结构的有瑕疵的部分。

图58是示出能够合并诸如图57中所举例说明的制造***的典型制造方法5800的流程图。在5802处，获得或创建对应于将被制造的结构的形状的设计信息。在5804处，基于设计信息制造或“成形”该结构。在5806处，用诸如上述的激光雷达***的简档测量***测量所制造的结构的坐标、维度或其他特征，以获得对应于如所制造的结构的形状信息。在5808处，基于实际的和设计的维度、坐标、制造公差或其他结构参数的比较检查所制造的结构。在5810处，如果所制造的结构被确定为合格的，则接受所制造的部件并且在5814处处理结束。在5810处，如果制造部件被例如，如图57中所示的控制器5730的制造检查器5732确定为有瑕疵的，那么在5812处，能够确定制造部件是否可修理。如果可修理，则在5816处再处理或修理所制造的部件，并且然后分别在5806、5808、5810处测量、检查和再评估所制造的部件。在5812处，如果所制造的部件被确定为可修理，则过程在5814处结束。

根据图58的方法，能够使用简档测量***来精确地测量或评估所制造的结构的坐标或其他特征来评估所制造的结构，以确定该结构是有瑕疵的或是合格的。此外，如果所制造的结构被确定为是有瑕疵的，则如果基于设计和实际结构的维度和特征认为部件是可修理的，能够发起再处理过程。通过重复测量、检查和评估过程，有瑕疵的部件能够被再处理，并且有瑕疵的但不可修理的部件能够被丢弃。图57-58的特定***和方法仅是示例的，并且能够使用其他装置。

在上面的实施例中，结构制造***5800能够包括诸如上面所示的激光雷达的简档测量***、设计***5710、成形***5720、被配置为确定部件是否可接受的控制器5730(检查装置)以及修理***5740。然而，能够使用其他的***和方法，并且为了方便举例说明，提供图57和58的示例。

由于所公开的发明的原理可以被应用于许多可能的实施例，应当认识到，所举例说明的实施例仅是本发明的优选示例，并不应当作为本发明范围的限制。相反地，本发明的范围由下面的权利要求所限定。因此，我们要求在这些权利要求的范围和精神内的所有都作为我们的发明。

Claims (39)

1.一种激光测距装置，包括：

扫频探测光束源，被配置为将扫频探测光束指向目标；

参考长度，限定具有基于超低热膨胀系数ULE的支撑结构的光路长度的循环光路，其中，所述参考长度被配置为接收扫频参考光束并引导所述扫频参考光束以沿所述循环光路传播，从而产生一个输出扫频参考光束，该输出扫频参考光束包括对应于不同数目的通道的光部分；

至少一个光电探测器，被配置为接收来自所述目标的所述扫频探测光束的至少一部分并接收来自所述循环光路的所述输出扫频参考光束；

信号处理器，被耦合至所述至少一个光电探测器并被配置为基于自所述目标所接收的所述扫频探测光束的一部分和自所述参考长度所接收的所述输出扫频参考光束的一部分建立对目标距离的估计。

2.根据权利要求1所述的激光测距装置，其中，所述至少一个光电探测器包括被配置为分别自所述目标接收所述扫频探测光束的一部分和自所述循环光路接收所述输出扫频参考光束的测量检测器和参考检测器，其中，将所述信号处理器耦合至所述测量检测器和所述参考检测器。

3.根据权利要求1所述的激光测距装置，其中，所述信号处理器被配置为基于与至少两个通道相关联的所接收的输出扫频参考光束建立对所述目标距离的估计。

4.根据权利要求3所述的激光测距装置，其中，所述参考长度包括被固定至所述支撑结构以限定所述循环光路的第一反射镜和第二反射镜。

5.根据权利要求4所述的激光测距装置，其中，布置所述第一反射镜和所述第二反射镜以定义法布里-珀罗谐振器，并且将所述光路长度与所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的间隔相关联。

6.根据权利要求5所述的激光测距装置，其中，所述支撑结构是ULE杆，并且使所述第一反射镜和所述第二反射镜位于所述ULE杆的对端处。

7.根据权利要求6所述的激光测距装置，其中，所述ULE材料是锂铝硅氧化物陶瓷或熔凝石英中的一个或多个。

8.根据权利要求7所述的激光测距装置，其中，所述ULE材料是锂铝硅氧化物陶瓷。

9.根据权利要求2所述的激光测距装置，还包括被配置为从普通的光束产生所述扫频探测光束和所述扫频参考光束的光纤耦合器，以及其中，所述参考长度包括被配置为接收来自所述光纤耦合器的所述扫频参考光束并将来自所述循环光路的所述输出扫频参考光束导向所述参考检测器的输入光纤和输出光纤。

10.根据权利要求1所述的激光测距装置，其中，所述信号处理器被配置为基于自所述目标所接收的扫频探测光束的一部分与扫频本振光束之间的频率差和与两倍或更多倍的所述参考长度的光路长度相关联的所述输出扫频参考光束的接收部分相关联的至少一个频率差建立对所述目标距离的估计。

11.根据权利要求1所述的激光测距装置，还包括被配置为容纳所述参考长度的密封容器，以及被耦合至所述密封容器以选择与所述参考长度相关联的温度的温度控制器。

12.根据权利要求11所述的激光测距装置，其中，将所述循环光路限定在光纤中。

13.根据权利要求11所述激光测距装置，其中，所述参考长度包括被布置以定义环形谐振器的多个反射面，并且将所述光路长度与所述多个反射面的间隔相关联。

14.根据权利要求11所述的激光测距装置，其中，所述参考长度包括至少一个反射面，使其位于将所述扫频参考光束沿所述光路长度的传播与所述至少一个反射面上的不同位置处的两个反射相关联的位置。

15.根据权利要求1所述的激光测距装置，其中，所述至少一个光电探测器包括参考光电探测器，并且所述循环光路包括：

第一反射面，被固定至所述支撑结构，所述第一反射面被配置为引入所述扫频参考光束以沿所述循环光路传播。

16.根据权利要求15所述的激光测距装置，其中，所述第一反射面被配置为将多个延迟后的光束耦合至所述参考光电探测器，其中，所述多个延迟后的光束中的每个延迟后的光束具有对应于所述循环光路的光路长度的整数倍的光学延迟。

17.根据权利要求15所述的激光测距装置，还包括被固定至所述支撑结构的第二反射面，其中，所述第二反射面被配置为将多个延迟后的光束耦合至所述参考光电探测器，其中，所述多个延迟后的光束中的每个延迟后的光束具有对应于所述循环光路的光路长度的整数倍的光学延迟。

18.根据权利要求17所述的激光测距装置，其中，将所述第一反射面和所述第二反射面固定至所述支撑结构以定义法布里-珀罗谐振器，并且所述光路长度对应于所述第一反射面与所述第二反射面的间隔。

19.根据权利要求18所述的激光测距装置，其中，所述支撑结构是 ULE 管，将所述第一反射面和所述第二反射面固定至管端，并且管长限定所述光路长度。

20.根据权利要求18所述的激光测距装置，其中，所述第二反射面被配置为将多个延迟后的光束耦合至所述参考光电探测器，其中，所述多个延迟后的光束中的每个延迟后的光束具有对应于所述循环光路的光路长度的整数倍的光学延迟。

21.根据权利要求20所述的激光测距装置，其中，由所述支撑结构所限定的光路长度是基于具有小于0.5·(10^-6)/℃的热膨胀系数的所述支撑结构的部分。

22.根据权利要求20所述的激光测距装置，其中，由所述支撑结构所限定的光路长度是基于具有小于0.5·(10^-7)/℃的热膨胀系数的所述支撑结构的部分。

23.根据权利要求20所述的激光测距装置，其中，由所述支撑结构所限定的光路长度是基于具有小于0.2·(10^-7)/℃的热膨胀系数的所述支撑结构的部分。

24.根据权利要求20所述的激光测距装置，其中，由所述支撑结构所限定的光路长度是基于包含玻璃陶瓷的所述支撑结构的部分。

25.根据权利要求24所述的激光测距装置，其中，所述玻璃陶瓷是具有小于 0.1·(10^-6)/℃的热膨胀系数的锂铝硅氧化物玻璃陶瓷。

26.根据权利要求24所述的激光测距装置，其中，所述第一反射面和所述第二反射面中的至少一个是非平面的。

27.根据权利要求24所述的激光测距装置，其中，所述第一反射面和所述第二反射面中的至少一个是非平面的，以便法布里-珀罗谐振器是稳定的谐振器。

28.根据权利要求24所述的激光测距装置，其中，使所述第一反射面和所述第二反射面位于沿包括所述第一反射面和所述第二反射面的曲率的中心的轴线的位置以便所引入的光束被引导以离轴传播。

29.根据权利要求17所述的激光测距装置，还包括第三反射面，其中，将所述第一反射面、所述第二反射面和所述第三反射面固定至所述支撑结构，以定义环形谐振器，并且所述光路长度对应于基于所述第一反射面、所述第二反射面和所述第三反射面的间隔的传播距离。

30.根据权利要求15所述的激光测距装置，还包括被固定至所述支撑结构的第二反射面，其中，所述第一反射面和所述第二反射面被配置为基于所引入的光束在所述第一反射面和所述第二反射面中的至少一个上的两个或更多个位置处的一系列反射建立所述循环光路。

31.根据权利要求30所述的激光测距装置，其中，所述第一反射面和所述第二反射面被配置为将多个延迟后的光束耦合至所述参考光电探测器，其中，所述多个延迟后的光束中的每个延迟后的光束具有对应于所述循环光路的光路长度的整数倍的光学延迟。

32.根据权利要求30所述的激光测距装置，还包括：

容器，被配置为容纳所述支撑结构和所述第一反射面，以便将所述循环光路限定在所述容器内；以及

温度控制器，被热耦合至所述容器并被配置为设置容器的温度。

33.一种估计与扫频参考光束部分相关联的传播长度的方法，包括：

将扫频参考光束导向限定光路长度以产生与对应于不同数目的通道的光部分相关联的扫频参考光束部分的光学谐振器，其中，所述光路长度是基于超低热膨胀ULE的支撑部的尺寸的；以及

接收所述扫频参考光束部分，并基于所述光部分中的至少一个来估计与所述扫频参考光束部分相关联的传播长度。

34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述传播长度估计是基于频率差的。

35.根据权利要求33所述的方法，还包括估计与两个或更多个光部分相关联的传播长度。

36.根据权利要求35所述的方法，其中，通过将与两个或更多个光部分相关联的扫频参考光束部分的多个部分导向光电探测器以及获得与所述两个或更多个光部分的干涉相关联的外差频率来获得所述频率差。

37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述ULE支撑部是锂铝硅氧化物陶瓷。

38.根据权利要求37所述方法，还包括建立与扫频探测光束相关联的频率扫描对目标距离的对应。

39.根据权利要求38所述的方法，还包括：

将扫频探测光束导向目标；

获得如自所述目标所接收的扫频探测光束与扫频本振光束之间的差频；以及

基于与所述扫频探测光束相关联的差频和与所述扫频探测光束相关联的频率扫描对目标距离的对应估计至少一个目标距离。

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