JP2022519927A - レーザレーダ - Google Patents

Abstract

レーザレーダは、ターゲットの撮像、及び、ターゲットにプローブビームを向けるために使用される、２部構成の対物レンズを含む。トレーサビームのうちターゲットイメージを劣化させる部分については、トレーサビームの中央部分を遮断するダイクロイックフィルタによって減衰される。波長版からの反射されたものが局部発振器ビームとなるように、波長板でまたは波長板に焦点が合うように偏光ビームスプリッタを介してプローブビームを向ける混合レンズを用いて、局部発振器ビームが生成される。ターゲット測定値を提供するために、またはプローブビームの焦点を確立するために、プローブビームと共焦点である撮像システムが結合されている。

Description

本開示は、レーザレーダおよびレーザ追跡システム、そのようなシステムのための光学系および構成要素、ならびに関連付けされた測定方法および装置に関する。

レーザレーダシステムは、一般に、戻りビームの一部の検出に基づいて物体距離の推定値を生成する。戻りビームを局部発振器信号と混合し、戻りビームと局部発振器との間の周波数差を測定することに基づいて距離を推定するヘテロダイン方式を使用して高感度検出が提供される。適切なチャープでビームを送信することにより、ドップラーシフトを引き起こす可能性がある物体の動きが存在する場合でも、これらの測定を行うことができる。

実際の実施態様では、カメラは、プローブ（測定）ビームとビジュアルアライメントに使用されるポインティング（またはトレーサ）ビームの両方を受け取るターゲット表面を撮像する。カメラは、ターゲットイメージを生成するように調整されるレンズを含み、プローブビームおよびトレーサビームは、別個の調整可能なレンズを用いてターゲット上にイメージされる。視覚／可視イメージ用に異なるレンズを使用し、ＩＲプローブビーム用にビーム集束レンズを使用することにより、簡単なレンズ設計が可能になる。残念ながら、２つの可動レンズを使用するには、それぞれに移動または他のステージが必要であり、カメラ軸とプローブビーム軸とのアライメントを維持することは困難であり、アライメントのずれは、粗いビジュアルアライメント以上に、カメラ画像を使用することを困難にする。

ヘテロダインレーザレーダにおける他の困難は、測定対象物に関連付けされた信号経路と局部発振器（ｌｏｃａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：ＬＯ）経路との間の経路長の変動に基づく。ＬＯ経路変動は、測距誤差を引き起こすだけでなく、戻ってきたプローブビーム部分とＬＯビームとの間の偏光の相対状態の変化による信号変動も引き起こす。例えば、金属または誘電体ミラーまたはビームスプリッタなどの光学部品による反射は、異なる偏光状態間に位相シフトを導入する可能性がある。そのような変動は、距離感度を低下させるか、またはドロップアウト、すなわち完全な信号損失につながる可能性がある。

レーザレーダの実際の用途は、典型的には、測定される部品へのアライメントを必要とし、１つまたは複数のツーリングボールのセットを部品の周りに配置しなければならない。そのような設定は遅くなる可能性があり、部品を測定できる進度を制限する。したがって、改善が必要である。

装置は、ダイクロイックビームスプリッタと、ダイクロイックビームスプリッタにプローブビームを軸に沿って向けるように配置された光ファイバとを備えている。対物レンズは、軸上に配置されるとともに、固定レンズ、および、ダイクロイックビームスプリッタからプローブビームを受光するように配置されている可動レンズとを備えている。イメージセンサは、ダイクロイックビームスプリッタに光学的に結合され、ダイクロイックビームスプリッタを介してターゲットからイメージングビームを受光するように軸上に配置されており、可動レンズは、イメージセンサでターゲットイメージを形成し、プローブビームをターゲットに集束させるように移動可能である。いくつかの例では、ダイクロイックビームスプリッタは、プローブビームがダイクロイックビームスプリッタを介して可動レンズに透過され、イメージングビームがダイクロイックビームスプリッタによってイメージセンサに反射されるように配置される。他の例では、対物レンズは、ダイクロイックビームスプリッタからトレーサビームを受光し、プローブビームおよびトレーサビームをターゲットに向けるように配置され、プローブビームは１２００ｎｍ～１８００ｎｍの波長を有し、トレーサビームは４００ｎｍ～７００ｎｍの波長を有する。いくつかの代替形態では、ダイクロイックビームスプリッタは、プローブビームがダイクロイックビームスプリッタによって可動レンズに反射され、イメージングビームがダイクロイックビームスプリッタによってイメージセンサに送られるように配置される。典型的な実施形態では、ダイクロイックビームスプリッタは、キューブダイクロイックビームスプリッタ、プレートダイクロイックビームスプリッタ、または二重反射ダイクロイックビームスプリッタである。

さらなる実施形態では、ダイクロイックビームスプリッタは、可動レンズに面する第１の表面と、イメージングビームをイメージセンサに向け、ターゲットから戻されるプローブビームの一部を光ファイバに向けるように配置されたダイクロイック反射面とを含む二重反射ダイクロイックビームスプリッタである。他の実施形態では、ダイクロイックビームスプリッタは、可動レンズに面する第１の表面と、イメージングビームが第１の表面によってイメージセンサに反射され、ターゲットから光ファイバに戻されるプローブビームの一部が反射面によって光ファイバに送られるように、イメージングビームを第１の表面に向けるように配置されたダイクロイック反射面とを含む二重反射ダイクロイックビームスプリッタである。さらに追加の例では、ダイクロイックビームスプリッタは、可動レンズに面する第１の表面と、ターゲットから戻されたプローブビームの一部を第１の表面に向けるように配置されたダイクロイック反射面とを含む二重反射ダイクロイックビームスプリッタであり、イメージングビームは、ダイクロイック反射面によってイメージセンサに送られる。他の代表的な例では、第１の表面は、ダイクロイック反射面から受け取られたイメージングビームに対して臨界角よりも大きい角度に配置され、二重反射ダイクロイックビームスプリッタは、出力面を含み、出力面は、ターゲットから戻され、ダイクロイック反射面によって第１の表面に反射されたプローブビームの一部が反射されて出力面に垂直に入射するように配置されている。いくつかの実施形態では、二重反射ダイクロイックビームスプリッタは、第１の表面とダイクロイック反射面との間の頂角βを有する第１のプリズムを含み、βはｓｉｎ^－１（１／ｎ）より大きく、ｎはプリズムの屈折率である。いくつかの例によれば、二重反射ダイクロイックビームスプリッタのダイクロイック反射面は、第１のプリズムまたは第２のプリズムの表面上に規定される。場合によっては、二重反射プリズムは、それぞれの合わせ面で互いに固定された第１のプリズムおよび第２のプリズムを含み、ダイクロイック反射面は合わせ面に配置されている。いくつかの特定の例では、ダイクロイック反射面は、合わせ面のうちの少なくとも１つに規定される。

他の代替形態では、ダイクロイックビームスプリッタは、ダイクロイックプレートおよび平面反射器を含み、ダイクロイックプレートは、ターゲットから戻されたプローブビームの一部を平面反射器に向け、イメージングビームをイメージセンサに送るように配置される。さらに他の例では、ダイクロイックビームスプリッタは、ダイクロイックプレートおよび平面反射器を含み、ダイクロイックプレートは、イメージングビームを平面反射器に反射し、ターゲットから戻されたプローブビームの一部を送るように配置される。

いくつかの代表的な例では、光ファイバは、偏光保持シングルモード（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ：ＰＲＳＭ）光ファイバであり、偏光ビームスプリッタ（ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ：ＰＢＳ）をさらに備え、ＰＢＳは、ＰＲＳＭ光ファイバからのプローブビームが、ＰＢＳによってダイクロイックビームスプリッタに実質的に送られる偏光状態（典型的には直線偏光状態）で、受光されるように配置されている。装置は、プローブビームに円偏光状態を生成し、プローブビームの一部を光ファイバに向けて反射して局部発振器ビームを生成するために、ＰＢＳとダイクロイックビームスプリッタとの間に配置された波長板を含み得る。さらなる例では、波長板は、ＰＢＳからプローブビームを受光するように配置された入力面と、波長板の入力面からプローブビームを受光するように配置された出力面とを有する。入力面または出力面の一方は、反射防止コーティングされており、入力面および出力面の他方は、プローブビームの一部を局部発振器ビームとして反射する。

典型的には、光ファイバから測定ビームを受けるように混合レンズが配置され、混合レンズの軸方向部分の軸に沿ってダイクロイックフィルタが配置され、ダイクロイックフィルタは、測定ビームを透過し、トレーサビームを実質的に透過しにくい。他の例では、ダイクロイックフィルタは、測定ビームを透過し、トレーサビームを反射するダイクロイック反射器である。いくつかの例では、ダイクロイックフィルタは、トレーサビームを実質的に透過しない波長依存偏光子である。代表的な実施形態によれば、ダイクロイック反射器は、混合レンズの軸方向部分の軸に沿って配置され、ダイクロイック反射器は、測定ビームを透過し、トレーサビームを反射し、ダイクロイック反射器の寸法は、イメージセンサの対応する寸法に基づく。いくつかの実施形態では、混合レンズは、測定ビームを受光し、ビーム角直径α内に測定ビームを集束させるように配置される。ダイクロイック反射器は、混合レンズの軸方向部分の軸に沿って配置され、ダイクロイック反射器は、測定ビームを透過し、トレーサビームを反射し、ダイクロイック反射器の寸法は、イメージセンサの対応する寸法に基づく。代表的な例では、ダイクロイック反射器の寸法は、イメージセンサの対応する寸法と、混合レンズ焦点からダイクロイック反射器までの軸に沿った光学距離と混合レンズ焦点からイメージセンサまでの光学距離との比との積の少なくとも０．５、０．７５、１．０、または１．５倍である。便宜上、ダイクロイックフィルタは、可動レンズのレンズ面に配置されている。

装置は、光ファイバと、光ファイバから測定ビームを受光し、測定ビーム焦点を生成するように配置された混合レンズとを備えている。表面を有する光学素子は、測定ビーム焦点に近接して配置され、測定ビームの一部を反射して局部発振器ビームとして光ファイバに戻す。対物レンズは、光学素子から測定ビームを受光し、測定ビームの一部をプローブビームとしてターゲットに向かわせ、ターゲットから戻されたプローブビームの一部を光ファイバに向かわせて信号ビームを形成するように配置される。いくつかの例では、光学素子は、混合レンズから測定ビームを受光する入射面と、入射レンズの反対側の出射面とを有する波長板であり、出射面は、測定ビームの一部を反射するために測定ビーム焦点に近接して配置されている。他の例では、波長板は、混合レンズから測定ビームを受光する入射面と、入射レンズの反対側の出射面とを有し、入射面は、測定ビームの一部を反射するために測定ビーム焦点に近接して配置されている。典型的な例では、波長板の入射面および出射面の一方は、混合レンズから測定ビームを受光するように配置された反射防止コーティングを含み、入射面および出射面の他方は、混合レンズから測定ビームを受光するように配置されたコーティングされていない部分を有する。いくつかの代替形態では、混合レンズから測定ビームを受講し、測定ビームを波長板に結合するために、偏光ビームスプリッタが配置される。場合によっては、測定ビーム焦点に近接して配置された表面を有する光学素子が偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）である。他の例では、光学素子は、ＰＢＳと、ＰＢＳに固定された波長板とを含む。またさらなる例では、ＰＢＳは、光ファイバから測定ビームを受光するように結合された入射面を有し、波長板は、ＰＢＳからの測定ビームを対物レンズに結合し、測定ビームの一部を反射して局部発振器ビームとして光ファイバに戻すように配置された出射面を含む。

いくつかの例では、ＰＢＳは、測定ビームのプローブビーム部分を波長板に反射するように配置され、光検出器は、ターゲットおよび局部発振器ビームからプローブビームの一部を受け取り、ヘテロダイン電気信号を生成するために光ファイバに結合される。検出システムは、ヘテロダイン電気信号に基づいてターゲット距離推定値を提供する。

いくつかの例では、装置は、それぞれ第１および第２の波長で第１および第２の測定ビームを生成する第１および第２の測定ビーム源を含む。ビームコンバイナは、第１および第２の測定ビームを受光し、第１および第２の測定ビームを結合して結合測定ビームを形成するように配置され、光ファイバは、結合測定ビームを混合レンズに向ける。混合レンズは、光学素子において結合ビームを集束し、結合測定ビームの一部を反射して第１および第２の局部発振器ビームとして光ファイバに向けて戻す。他の例によれば、第１および第２の光検出器は、ターゲットからプローブビームの一部ならびに第１および第２の局部発振器ビームを受光し、第１および第２のヘテロダイン電気信号を生成するように配置される。場合によっては、第１および第２の光検出器は、光ファイバに結合されるか、ファイバおよび／または偏光ビームスプリッタからプローブビームの一部を受光するように結合される。検出システムは、第１および第２のヘテロダイン電気信号に基づいてターゲット距離推定値を提供する。さらなる例では、混合レンズは、光ファイバから測定ビームおよびトレーサビームを受光し、対物レンズの軸上にダイクロイックフィルタが配置され、ダイクロイックフィルタはトレーサビームに対して非透過性である。

方法は、関連付けされたビーム開口数を有するトレーサビームをビームスプリッタに向かわせるステップを含む。トレーサビーム開口数の一部は、ビームスプリッタが測定ビームおよび部分的に覆い隠された／減衰されたトレーサビームを受光するように、遮断され、覆い隠され、減衰され、散乱される。ビームスプリッタからの部分的に覆い隠されたトレーサビームは、対物レンズを有するターゲットに向けられ、イメージングビームは、ビームスプリッタを有する検出器に向けられたビームスプリッタで受講され、トレーサビームの覆い隠された部分は、撮像検出器に対応する。

方法は、光ファイバからの測定ビームを測定ビーム焦点に集束させるステップと、局部発振器ビームを生成するために、測定ビームの一部を光ファイバに向けて反射させるステップとを含む。場合によっては、測定ビームは、ビームスプリッタを介して、測定ビームの一部を光ファイバに反射する表面を有する光学素子に集束される。具体例では、光学素子は波長板であり、反射面は波長板の表面である。他の実施形態では、光学素子は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、反射面はＰＢＳの表面である。

いくつかの例では、装置は、プローブビームを軸に沿ってターゲットに向かわせ、少なくとも１つのターゲット寸法の推定値を生成するように配置されたレーザレーダを含み、レーザレーダは、プローブビーム軸を走査するように結合されたプローブビームスキャナを含む。ターゲットの画像を生成するために軸に沿って光学的に撮像部が配置され、ターゲットイメージ内で識別された少なくとも１つの特徴に基づいてプローブビームをターゲット位置に向けるように、撮像部にプローブビームスキャナが結合されている。いくつかの例では、撮像部はイメージセンサであり、イメージプロセッサはターゲットイメージ内の少なくとも１つの特徴を識別する。いくつかの例では、少なくとも１つの特徴は設計特徴であり、ターゲット位置は設計特徴に関連付けられている。他の例では、少なくとも１つの特徴は、ツーリングボールまたは眼球球であり、ターゲット位置は、ツーリングボールまたは眼球球の位置に基づいて判定される。さらなる例では、ターゲット位置は、眼球球の位置に基づいて判定される。

さらなる例では、装置は、プローブビームを軸に沿ってターゲットに向けるように配置されたレーザレーダを備え、レーザレーダは、プローブビーム軸を走査するように結合されたプローブビームスキャナを備えている。撮像システムは、ターゲットの画像を生成するために軸に沿って光学的に配置されたイメージセンサと、イメージセンサにおいてターゲットイメージの焦点を調整するために対物レンズに結合されたフォーカス機構とを備えている。イメージプロセッサは、ターゲットの画像およびターゲットまでの距離の推定値に基づいて少なくとも１つのターゲット寸法の推定値を生成するために撮像システムに結合される。いくつかの例では、レーザレーダは、ターゲットまでの距離の推定値を生成するように構成されるか、またはターゲットまでの距離の推定値がオートフォーカス機構などのフォーカス機構の調整に基づく。一例では、ターゲット位置は、眼球球の位置に基づいて判定される。いくつかの例では、撮像システムは、複数の画像部分を生成するように構成され、イメージプロセッサは、複数の画像部分を共通の画像に繋ぎ合わせるように構成される。追加の例では、イメージプロセッサは、テストグリッド画像に基づいて、例えば少なくとも１つの画像部分などの少なくとも１つの画像部分の歪みを少なくとも部分的に補正するように構成される。

測定装置は、走査可能なレーザプローブビームを提供するレーザレーダと、移動可能なミラーを含む遠隔ミラーシステムとを備えている。レーザレーダは、ターゲットへ反射されてターゲットの少なくとも１つの特徴を測定するために、走査可能なレーザプローブビームを遠隔ミラーシステムの移動可能なミラーに向かわせるように構成される。いくつかの例では、遠隔ミラーシステムは、少なくとも１つのツーリングボールまたは眼球球を含み、レーザレーダは、走査可能なレーザプローブビームを少なくとも１つのツーリングボールまたは眼球球に向けることで遠隔ミラーシステムの位置を判定するように配置される。典型的な例では、レーザレーダは、走査可能なレーザプローブビームがターゲットの少なくとも１つの特徴に向けられるように、移動可能なミラーの調整を開始するために遠隔ミラーシステムに結合される。

開示された技術の上記および他の目的、特徴、および利点は、添付の図面を参照して進められる以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。

ボアサイト撮像およびプローブビーム集束に使用される共通の可動レンズを含む代表的なレーザレーダの一部の概略図である。 ボアサイト撮像およびプローブビーム集束のための固定レンズおよび可動レンズを含む代表的なレーザレーダの概略図である。 二重反射ダイクロイックビームスプリッタを含む代表的なレーザレーダシステムを示す概略図である。 可視ビーム部分をイメージセンサに向け、プローブビームを光ファイバに／から向ける薄いビームスプリッタを含む代表的なレーザレーダシステムの一部を示す概略図である。 トレーサビームの反射部分を制御するように設計されたモデル光学フィルタの透過率を示す図である。 トレーサビームの反射部分を制御する代表的な光学フィルタの透過率を示す図である。 図５Ｂに示すような透過率を有する光学フィルタなしで得られたボアサイト画像を示す図である。 図５Ｂに示すような透過率を有する光学フィルタありで得られたボアサイト画像を示す図である。 可動レンズ構成要素および２回反射ダイクロイックビームスプリッタを含む代表的な光学系の概略図である。 可動レンズ構成要素および２回反射ダイクロイックビームスプリッタを含む代表的な光学系の概略図である。 図６Ａ～図６Ｂの例で提供されるような代表的な光学系の色収差を示す図である。 可動レンズ構成要素および２回反射ダイクロイックビームスプリッタを含む代表的な光学系の概略図である。 例示的な２回反射ダイクロイックビームスプリッタを示す図である。 周辺加重ダイクロイックフィルタを含むレーザレーダ光学系を示す図である。 画質を改善し、撮像のための有効開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ：ＮＡ）を低減するためにイメージングビーム部分を反射するダイクロイックフィルタを示す図である。 画質を改善し、撮像のための有効開口数（ＮＡ）を低減するためにイメージングビーム部分を反射するダイクロイックフィルタを示す図である。 中央ダイクロイックフィルタコーティングを有する混合レンズ素子を有する光学系を示す図である。 中央ダイクロイックフィルタコーティングを有する混合レンズ素子を有する光学系を示す図である。 中央ダイクロイックフィルタコーティングを有する混合レンズ素子を有する光学系を示す図である。 トレーサビームの中央部分を減衰させるように透過率の角度依存性を有するダイクロイックフィルタコーティングを有する混合レンズ素子を有する光学系を示す図である。 代表的なダイクロイックフィルタの波長の関数としての透過率のグラフである。 局部発振器ビームを生成するために猫目石再帰反射器として配置された混合レンズおよび波長板を含むレーザレーダ光学系を示す図である。 局部発振器ビームを生成するために猫目石再帰反射器として配置された混合レンズおよび波長板を含むレーザレーダ光学系を示す図である。 温度制御チャンバ内に配置された基準アームと連通するように結合された混合光学系および投影光学系を含むレーザレーダシステムを示す図である。 温度制御チャンバ内に配置された基準アームと連通するように結合された混合光学系および投影光学系を含むレーザレーダシステムを示す図である。 代表的な混合光学系を示す図である。 局部発振器ビームを生成するための猫目石再帰反射器を含むレーザレーダシステムの性能を示す図である。 局部発振器ビームを生成するための猫目石再帰反射器を含むレーザレーダシステムの性能を示す図である。 局部発振器ビームを生成するための猫目石再帰反射器を含むレーザレーダシステムの性能を示す図である。 代表的な２回反射ダイクロイック（または中立）プリズムを示す図である。 代表的な２回反射ダイクロイック（または中立）プリズムを示す図である。 代表的な２回反射ダイクロイック（または中立）プリズムを示す図である。 代表的な空気離間した反射器を示す図である。 個別にまたは任意の組み合わせで使用することができるレーザレーダ／追跡器方法を示す図である。 個別にまたは任意の組み合わせで使用することができるレーザレーダ／追跡器方法を示す図である。 個別にまたは任意の組み合わせで使用することができるレーザレーダ／追跡器方法を示す図である。 別の例示的なレーザレーダシステムを示す図である。 ２つの基準アームを提供する代表的な光ファイバ回路を示す図である。 ビーム伝送ファイバの変位に基づくビーム走査を示す図である。 代表的なマルチビームレーザレーダを示す図である。 マルチビームを生成するファイバの代表的な配置を示す図である。 マルチビームを生成するファイバの代表的な配置を示す図である。 図１７Ｂ～図１７Ｃのファイバ配置によって生成されたターゲットにおけるビームスポットを示す図である。 検出器アレイを含む代表的なマルチビームレーザレーダを示す図である。 共焦点レーザレーダを使用してターゲット寸法および特徴サイズを取得する代表的な方法を示す図である。 共焦点レーザレーダなどのレーザレーダの代表的な処理および制御アーキテクチャを示す図である。 球上に規定された代表的な追跡ターゲットを示す。 共焦点レーザレーダを使用する代表的な測定方法を示す図である。 隠れた領域を測定するための追跡ターゲットの配置を示す図である。 隠れた領域を測定するための追跡ターゲットの配置に対する代替手法を示す図である。 レーザレーダシステムを備えた協調ロボット（ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｒｏｂｏｔ：ＣＯＢＯＴ）の使用を示す図である。 レーザレーダシステムを備えた協調ロボット（ＣＯＢＯＴ）の使用を示す図である。 関心対象上の特徴を測定する代表的な方法を示す図である。 複数のターゲット特徴の迅速な並列測定のためのシステムを示す図である。 部品を製造し、製造された部品が不良であるか許容可能であるかを評価するためのレーザレーダまたは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。 製造された構造または構成要素が許容可能であるかどうか、およびそのような製造された構造を修復することができるかどうかを判定するためのプロファイル測定を含む代表的な製造方法を示すブロック図である。 代表的な基準アームアセンブリを示す図である。 代表的な基準アームアセンブリを示す図である。 焦点追跡を提供する代表的なレーザレーダを示す図である。 本明細書に開示される方法および装置のいずれかを使用して、基板またはターゲット（またはターゲット特徴）に固定されたツーリングボールを追跡する代表的な方法のブロック図である。 代表的なコンピューティング環境を示す図である。

本出願および特許請求の範囲で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈上他に明確に指示されない限り、複数形を含む。さらに、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」という用語は「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」を意味する。さらに、「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語は、結合されたアイテム間の中間要素の存在を必ずしも排除するものではない。場合によっては、要素は、中間要素を除外するために直接結合されると呼ばれる。

本明細書に記載されたシステム、装置、および方法は、決して限定するものとして解釈されるべきではない。代わりに、本開示は、単独で、ならびに互いに様々な組み合わせおよび部分的組み合わせで、様々な開示された実施形態のすべての新規かつ非自明の特徴および態様を対象とする。開示されたシステム、方法、および装置は、任意の特定の態様または特徴またはそれらの組み合わせに限定されず、開示されたシステム、方法、および装置は、任意の１つまたは複数の特定の利点が存在すること、または問題が解決されることを必要としない。動作の理論は、説明を容易にするためのものであるが、開示されたシステム、方法、および装置は、そのような動作の理論に限定されない。

開示された方法のいくつかの動作は、便利な提示のために特定の連続した順序で説明されているが、以下に記載された特定文言によって特定の順序が必要とされない限り、この説明の方法は並べ替えを包含することを理解されたい。例えば、順次に記載された動作は、場合によっては並べ替えられ、または同時に実行されてもよい。さらに、簡単にするために、添付の図は、開示されたシステム、方法、および装置を他のシステム、方法、および装置と組み合わせて使用することができる様々な方法を示さない場合がある。さらに、説明は、開示された方法を説明するために「生成する（ｐｒｏｄｕｃｅ）」および「提供する（ｐｒｏｖｉｄｅ）」などの用語を使用することがある。これらの用語は、実行される実際の動作の高レベルの抽象化である。これらの用語に対応する実際の動作は、特定の実施態様に応じて異なり、当業者によって容易に識別可能である。

以下の説明において便宜上、「光（ｌｉｇｈｔ）」および「光放射（ｏｐｔｉｃａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）」という用語は、３００ｎｍ～１０μｍの波長範囲で伝播する電磁放射線を指すが、他の波長を使用することもできる。そのような放射線は、プロファイリング、検出、または他の方法で調査される１つまたは複数の標的に向けられ得る。この放射は、本明細書では、典型的にはレーザダイオードなどのレーザによって生成された光放射に基づく１つまたは複数の「ビーム（ｂｅａｍｓ）」を伝播すると呼ばれる。本出願で使用されるように、ビームはコリメートされる必要はなく、導波路内を伝播する放射もビームと呼ばれる。ビームは、１つまたは複数のレーザ横モードに関連付けされた空間的範囲を有することができ、実質的にコリメートされることができる。光ファイバまたは他の光導波路およびコヒーレントレーザ源が容易に利用可能な波長が便利である。いくつかの例では、約１５５０ｎｍの波長のレーザダイオードが使用される。

便宜上、ビームは、１つまたは複数の軸に沿って伝播するものとして説明される。そのような軸は、一般に、１つまたは複数の線分に基づいているため、軸は、ミラー、プリズム、レンズ、および他の光学素子に応じて曲げられるか、折り畳まれるか、そうでなければ応じるときに、いくつかの非共線セグメントを含むことができる。「レンズ（ｌｅｎｓ）」という用語は、本明細書では、単一の屈折光学素子（シングレット）、または１つもしくは複数のシングレット、ダブレット、もしくは他の複合レンズを含む複合レンズを指すために使用される。いくつかの例では、ビームは屈折光学素子によって成形または向けられるが、他の例では、ミラーなどの反射光学素子が使用されるか、または屈折および反射素子の組み合わせが使用される。そのような光学系は、それぞれ、屈折光学系、反射光学系、および反射屈折光学系と呼ぶことができる。好都合であり得るように、他のタイプの屈折要素、反射要素、回折要素、ホログラフィック要素および他の光学素子を使用することができる。いくつかの例では、入力ビームを透過ビームと反射ビームとに分離するために、キューブビームスプリッタなどのビームスプリッタが使用される。これらのビームのいずれかは、好都合であり得るように、コヒーレント検出システムにおいて測定ビームまたは局部発振器ビームとして機能するように構成することができる。ビームスプリッタはファイバカプラとして提供することもでき、いくつかの実施形態では偏光ビームスプリッタが好ましい。用語「ビームスプリッタ」（ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）はまた、典型的には、ビームコンバイナを指すために使用される。ファイバカプラおよびファイバ波長分割マルチプレクサ（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒｓ：ＷＤＭ）は、ビームを結合または分離することができる。

開示された例では、レーザレーダシステムは、多角形、閉曲線の部分、ラスタ、ｗパターン、または他のパターンとすることができる走査経路にわたってプローブまたは測定ビームを走査するように構成され、走査は周期的または非周期的とすることができる。ターゲットに向けられた測定ビームまたはプローブビームに応答して、ターゲットにおける反射、散乱、回折、屈折、または他のプロセスに基づいて戻りビームが得られる。戻りビームの評価は、ターゲット特性の推定を可能にする。以下の例は、例えば、表面に向けられた光ビームの受信機に戻される部分に基づいて表面トポグラフィの推定値を提供するように構成されたレーザレーダに関して提供される。開示された方法および装置は、レーザトラッカシステムに組み込むこともできる。

本明細書に記載のいくつかの例では、測定光ビームは、ターゲットに向けられるプローブビーム、基準長さに向けられることによってカリブレーションに使用することができる基準ビーム、および／またはプローブビームと組み合わせてヘテロダイン検出およびターゲット距離推定に使用される局部発振器ビームに分割される。他の例では、ターゲットに向けられたビームはプローブビームと呼ばれ、検出のために戻された部分は信号ビームと呼ばれる。開示された例では、１つまたは複数の光ビームの一部は、ターゲット、検出器に向けられるか、または１つから１つまたは複数の目的地に伝達される。本明細書で使用される場合、ビーム部分は、光ビーム全体を含む光ビームの任意の部分を指す。多くの例では、ポインティングまたはトレーサビームは、１つまたは複数のプローブビームと共にターゲットに伝播する。トレーサビームは可視波長にあり、プローブビームが意図されたターゲット位置に向けられていることをユーザが確認することを可能にする。そのようなトレーサビームは、そうでなければ未使用であり、場合によっては、望ましくないトレーサビーム反射がターゲットのボアサイトカメラ画像と干渉する可能性がある。プローブビームは、典型的には約９００ｎｍを超える波長であり、しばしば適切なビーム源は約１３００ｎｍおよび１５００ｎｍの波長を有する。他の波長を使用することもできる。

開示されたシステムは、一般に、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）などの１つまたは複数のビームスプリッタと、キューブビームスプリッタまたはプレートビームスプリッタなどのダイクロイックビームスプリッタ（ｄｉｃｈｒｏｉｃ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒｓ：ＤＢＳ）とを含む。ビームスプリッタ面は、プレート面、プリズム面、レンズ面、または他の湾曲面もしくは平面に設けることができる。本明細書で使用される場合、ＤＢＳは、第１の波長範囲で優先的に反射（または透過）し、第２の波長範囲で優先的に透過（または反射）するビームスプリッタである。説明の便宜上、ビームスプリッタ面の角度（傾斜角）は、光軸に対してビームスプリッタ面に垂直な軸から測定される。ＰＢＳおよびＤＢＳは、プローブビームの効率的な使用および優れたターゲットイメージ強度を可能にするが、偏光および波長に依存しない（中性）ビームスプリッタも使用することができる。

いくつかの例では、回転は方位角および仰角を参照して説明される。このような角度は、典型的には、本明細書で使用されるように、垂直軸および水平軸に対して定義されるが、垂直軸および水平軸を有する配向は必要ではない。典型的には、システムは、そのような角度を参照して説明され、システムは、標準的な使用中の向きにあると仮定される。

以下に説明する典型的な例では、ターゲットに向けられたプローブビームは偏光されているが、偏光されていないまたはランダムに偏光されたビームを使用することができる。光学フィルタは、５％、２％、１％、またはそれ以下の透過率の場合、非透過性と呼ばれる。プローブビームおよびトレーサビームなどのビームは、関心対象のある表面またはその近くに集束され得る。本明細書で使用される場合、ビームは、ビームウエストが表面の±０．５、１、２、５、または１０レイリー範囲内にある場合、表面に集束されていると呼ばれる。

掃引周波数レーザレーダ
以下では、レーザレーダシステムの様々な構成および態様が開示される。開示されたシステム、システム構成要素、モジュール、および関連付けされた方法は、様々なレーザレーダシステムで使用することができる。典型的な例では、いわゆる掃引周波数レーザレーダシステムが提供される。典型的なコヒーレントレーダシステムは、一般に、１つまたは複数のレーザダイオード光源を使用する。レーザダイオード周波数は、レーザダイオード注入電流を変調することによって、またはレーザダイオード温度を変調することによって、または何らかの他の方法で直接変調される。レーザ周波数は、一般に、線形周波数掃引または線形「チャープ」を生成するように波形で変調される。レーザ周波数ｆ（ｔ）は、時間ｔの関数として以下のように表すことができる。
ｆ（ｔ）＝ｆ_０＋（Δｆ／Δｔ）ｔ＝ｆ_０＋γｔ、

式中、ｆ_０はレーザ初期周波数であり、γ＝Δｆ／Δｔはレーザ周波数変化率である。線形掃引は必要とされず、時間の関数としての任意のレーザ周波数変動は、階段状もしくは他の不連続な周波数変動、または多項式もしくは他の関数に基づく連続的な変動など、理論的に有用であるが、線形チャープは一般により便利で実用的である。周波数変調（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ：ＦＭ）測定ビームは標的に集束され、ビームの一部は散乱され、反射され、屈折され、または受信機光学系によって収集されるように方向付けられる。局部発振器ビーム（「ＬＯビーム」）は、一般に、測定ビームを生成するために使用されるのと同じレーザビームの一部として得られる。標的へのおよび標的からの測定ビーム伝播に関連付けされたラウンドトリップ通過時間は、測定ビームの戻り部分（戻りビーム）と局部発振器とが光学的に混合されたときに得られる周波数差をもたらす。この周波数差は、ターゲット距離を判定するために使用することができる。戻りビームおよびＬＯは、ＰＩＮフォトダイオード（典型的には二乗則検出器と呼ばれる）などの検出器に向けられて、和周波信号および差周波信号を生成する。和周波数（１．５μｍの測定ビームでは数百ＴＨｚ）は利用可能な検出器帯域幅を超えるが、戻りビームおよびＬＯビームはまた、検出器帯域幅内に差周波数Δｆ（ヘテロダイン周波数）を生成する。標的位置までの距離Ｒは、Ｒ＝ｃΔｆ／２γとして計算することができ、ここで、Δｆは戻りビームに関連付けされたヘテロダイン周波数であり、γはチャープ速度であり、ｃは光速である。ヘテロダイン周波数生成はまた、ＬＯおよび戻りビームが直交偏光されていないことを必要とするが、範囲は振幅ではなく周波数差に基づいて決定されるため、偏光効果はヘテロダイン信号レベルを低減するが、ヘテロダイン周波数は変化しない。

距離測定の精度がレーザ周波数変調の線形性によって制限され得るので、成功したレーザレーダシステムはレーザ周波数を正確に制御または測定する。例えば、ターゲットが１メートル離れている場合、１ｍｍの精度を確保するためには、１０００分の１の直線性が必要である。したがって、ＦＭレーザレーダ用のレーザ源は、高線形チャープを提供するように構成され、線形性からの変動が検出され、補正される。場合によっては、範囲測定は、数ミクロン範囲の精度を有することができる。

ＦＭレーザレーダシステムは、信号検出がヘテロダインビート周波数に基づくため、周囲の照明条件および表面反射率の変化の影響をほとんど受けず、ヘテロダインビート周波数は信号振幅に依存せず、迷光放射の影響を受けない。したがって、戻りビーム、測定ビーム、またはＬＯビームの振幅または強度変動は、距離測定にほとんど影響しない傾向がある。加えて、コヒーレントなヘテロダイン検出は、ＦＭコヒーレントなレーザレーダが、９桁のダイナミックレンジに対応するわずか１ピコワットの戻りビーム出力で信頼性の高い測定を行うことができるように、ショットノイズ限界まで光信号を首尾よく検出することができる。

以下のいくつかの例では、１つまたは２つの波長のプローブビームを使用するシステムが示されている。一般に、１つまたは複数のプローブビームを使用することができ、２つのカウンターチャープビームの使用は、レーザレーダと標的との間の相対運動に関連付けされたドップラーシフト誤差の補正、修正、または排除を可能にする。

いくつかの例では、開示されたシステムは、単一の対物レンズ（固定レンズおよび可動レンズを有する）を使用して、プローブおよび信号ビームを標的に向けて集束させ、ターゲットの画像を生成する。これは、ボアサイト画像とプローブビームとのアライメントを維持する傾向がある。プローブビームおよび画像ビームの波長の違い、ならびに使用される高い開口数（ＮＡ）のために、色収差補正は困難であり得、ダイクロイックプリズム型ビームスプリッタによる撮像は、コマ収差などのかなりの量の他の収差を導入し得る。対物レンズによる焦点合わせの前に組み合わされたプローブ／トレーサビームを成形するために追加レンズが使用される場合、イメージングビームとは無関係にプローブビーム収差（可視波長トレーサビームとプローブビームの赤外線波長との間の色収差など）を補正するために追加のレンズが使用され得る。場合によっては、そのような追加のレンズを使用すると、過剰なトレーサビーム反射が生じ、トレーサビームを成形すると、ターゲット撮像に干渉する可能性がある反射部分などのビーム部分を低減することができる。いくつかの例では、追加のレンズは、波長板表面などの光学表面にビーム焦点を提供して、猫目石再帰反射器構成を使用して局部発振器（ＬＯ）ビームを生成してＬＯ安定性を提供する。

以下では、説明を簡便にするために、開示された技術の代表的な例が提供される。任意の例の特徴および態様のいずれも、他の例の特徴および態様と組み合わせることができる。

実施例１
図１を参照すると、レーザレーダまたは他の装置用の光学系１００は、光ファイバ端１０２から測定（またはプローブ）ビームおよびポインティング（またはトレーサ）ビームを放射する光ファイバ１０１を含む。ビームスプリッタ１０４は、プローブビームおよびトレーサビームを受け取り、固定レンズ１０９、１１２および可動レンズ１１０（二箇所に示されている）を含む対物レンズ１０８に一部を向けるように配置されている。可動レンズ１１０は、一般に、対物レンズ１０８によって提供される焦点を調整するために軸１２０に沿った位置に移動可能である。固定レンズ１１２は、組み合わされたプローブ／トレーサビーム１１４をターゲット１１６に結合する。典型的な例では、プローブビーム波長は１２００ｎｍ～１７００ｎｍであり、トレーサビーム波長は４００ｎｍ～７００ｎｍであり、典型的には６５０ｎｍ～７００ｎｍであり、容易に入手可能なレーザダイオードを使用することができる。

対物レンズ１０８はまた、典型的にはターゲット１１６の広帯域または周囲照明に基づくイメージングビームと共に、ターゲット１１６から戻されたプローブビームおよびトレーサビームの一部を受け取る。プローブビームの戻り部分は、ファイバ１０１内を伝播するように、ビームスプリッタ１０４を通ってファイバ端１０２に向けられる。イメージングビームは、ビームスプリッタ面１０６によってトレーサビームの一部と共にイメージセンサ１１８に結合される。ビームスプリッタ面１０６は、一般に、プローブビームを優先的に透過させ、イメージングビームを反射する（または、必要に応じて、プローブビームを反射し、イメージングビームを透過させる）薄膜ダイクロイックフィルタである。軸１２０に沿って可動レンズ１１０の位置を調整することによって、プローブビームおよびトレーサビームがターゲット１１６上に集束され、イメージングビームがイメージセンサ１１８上に集束される。したがって、対物レンズ１０８は、広い波長範囲（例えば、２５０ｎｍ～１７００ｎｍ）にわたって動作しなければならない。しかしながら、プローブ、トレーサ、およびイメージングビームに単一のレンズ１０８を使用することにより、ビームアライメントが維持され、ビーム走査中にビームが変位しない。図１に示すように、レンズ１０８およびビームスプリッタ１０４は、ターゲット上にプローブビームおよびトレーサビームを投影し、イメージセンサ１１８上にターゲット１１６の画像上を投影する投影システム１３０を形成する。場合によっては、イメージセンサ１１８およびファイバ端１０２は、可視波長において光学的に共役であり、またはほぼ共役である。しかしながら、色収差のために、プローブビーム波長では、イメージセンサ１１８およびファイバ端１０２は、一般に、色収差の補正がないと光学的に共役ではない。いくつかの例では、そのような色収差を提供することができ、便利であるが、必須ではない。

実施例２
図２を参照すると、代表的なレーザレーダ２００の一部は、固定レンズ２１０および可動レンズ２０８を有する対物レンズ２０６を含む軸２０４に沿って配置された投影光学系２０２を含む。可動レンズ２０８は、軸２０４に沿って移動可能であり、イメージセンサ２１２でターゲットの画像を形成し、ターゲットのファイバ端２１４からのプローブビームおよびトレーサビームを走査可能軸２１６に沿って集束させる。ビームスプリッタ２１８（典型的にはダイクロイックビームスプリッタ）は、画像ビームをイメージセンサ２１２に結合し、プローブビームおよびトレーサビームをターゲットとファイバ端２１４との間に結合する。

焦点ビームおよびプローブビームは、軸受２２４によって保持されたシャフト２２２に固定され、座標系２５０のｚ軸に平行な軸２０４を中心に回転可能なエレベーション反射器２２０で走査される。シャフトの回転は、シャフト２１６に配置されたエンコーダ２３０を用いて測定される。いくつかの構成要素は、ハウジング２３２内に配置されている。

実施例３
図３は、プローブビームおよびトレーサビームを標的との間で通信する光学系３００を示す。ファイバ端３０４を有する光ファイバ３０２は、プローブビームおよび／またはトレーサビームまたはその両方をビームスプリッタ３０６に結合する。ビームスプリッタ３０６は、それぞれのプリズム面に配置されたダイクロイック（または他の反射面）反射器３１２を有する第１のプリズム３０８および第２のプリズム３１０を含む。場合によっては、ダイクロイック反射器３１２は、プリズム３０８、３１０の一方または両方に塗布された薄膜コーティングによって規定されるか、または別個の基板上の別個のコーティングが使用される。プリズム３０８、３１０をダイクロイック反射器３１２において互いに固定することが好都合である。ダイクロイック反射器は、伝播軸３１６に対して角度θに配置されている。伝播軸３１６は、対物レンズに面するプリズム面３１４、ファイバ端３０４に面するプリズム面３１８、およびイメージセンサ３２４に面するプリズム面３２０にほぼ垂直である。上述したように、イメージセンサ３２４およびファイバ端３０４は、特に撮像／トレーサ波長において光学的に共役であり得る。

ダイクロイック反射器３１２は、ターゲットおよび対物レンズから受けたイメージングビームをプリズム面３１４へと向けるように配置されており、その結果、イメージングビームは、例えば内部全反射によってプリズム面３２０へと反射される。角度θは、一般に、表面３１４で内部全反射を提供するように選択されるが、適切な反射率を提供するためにコーティングを提供することができる。４５度より大きい角度θは、ダイクロイック反射器３１２へのビームの入射角を減少させ、その結果、ダイクロイック反射器は、波長の関数としての反射率の変動および／または偏光状態の関数としての反射率の変動などの角度依存変動をより少なく示す。例えば、ビーム入射角を低減する角度θは、５０°、５５°、６０°、６５°、７０°、７５°、またはそれ以上とすることができる。

実施例４
図４を参照すると、ビームコンバイナ／セパレータ光学系４００は、トレーサビームおよび／またはプローブビームをプレートビームスプリッタ４０６に伝送するファイバ端４０２を有する光ファイバ４０１を含む。プローブビームおよび／またはトレーサビームは、プレートビームスプリッタ４０６（この例では、透過される）によって軸４１６に沿って対物レンズに結合される。対物レンズから戻されたイメージングビームは、狭帯域フィルタ４０８を介してプレートビームスプリッタ４０６によって結合され、イメージセンサ４１０に集束される。この例では、プレートビームスプリッタ４０６は、プローブビームがターゲットに効率的に結合され、イメージングビームがイメージセンサ４１０に効率的に結合されるように、ダイクロイックビームスプリッタである。狭帯域フィルタ４０８は、トレーサビーム波長で減衰する。そのようなフィルタのモデル透過曲線が図５Ａに示されており、例示的なダイクロイックフィルタの代表的な透過曲線５０２のグラフ５００が図５Ｂに示されており、図５Ｃ～図５Ｄは、それぞれ、そのようなフィルタを用いておよび用いずに得られた代表的な画像である。

図５Ｂに示す特性を有するダイクロイックフィルタ（ビームスプリッタ）は、例えばプリズム面３２０（図３参照）に配置され得る。典型的には、適切なフィルタは、イメージセンサ（図３のイメージセンサ３２４など）に最も近いプリズム面に配置され、選択されたプリズム面上にコーティングとして設けられる。ダイクロイックフィルタは、入射角０度における平均透過率が９０％以上の範囲５０４において、透過帯域幅４８０～６３０ｎｍのバンドパス光学フィルタとして機能することができる。ダイクロイックフィルタはまた、５０６に示すように透過率が５％±３％である６５２ｎｍ～６６２ｎｍの波長範囲でノッチフィルタの役割を果たす。より長い波長は使用されず、これらの波長でのダイクロイックフィルタ性能は無関係である。図５Ｂの例は、図５Ａのモデルよりも容易に製造される。イメージセンサを用いた撮像のための透過率は、約４８０ｎｍ～６３０ｎｍの範囲で５０％、７５％、８０％、または９０％を超え、トレーサ波長の透過率は１０％、５％、２．５％、１％、または０．５％未満であることが一般的に好ましい。

実施例５
図６Ａを参照すると、代表的なレーザレーダシステム６００は、軸６０８に沿って配置された固定レンズ６０４および可動（集束）レンズ６０６を有する対物レンズ６０２を含む。集束レンズ６０６は、一般に、軸６０８に沿って移動可能であるようにステージに固定される。（集束レンズ６０６は、第２の焦点位置において破線で示されている）。ファイバ端６１０は、プローブビームおよび／またはトレーサビームを、偏光ビームスプリッタ６１２、混合レンズ６１４、および１／４波長板６１６を含む混合光学系６０９に結合する。以下でさらに説明するように、混合レンズ６１４は、プローブビームの反射部分が局部発振器ビームとして機能するようにファイバ端６１０に向かって戻されるように、波長板６１６の表面６１７にプローブビームを集束させる。組み合わされたプローブ／トレーサビームは、軸６０８に垂直な面６２０、６２２、６２６を有する二重反射ビームスプリッタ６１８を介して対物レンズ６０２によってターゲットに集束される。ダイクロイック面６２３（または他のビームスプリッタ面）は、イメージングビームをターゲットからイメージセンサ６３０へと向かわせ、プローブビームの戻り部分をターゲットからファイバ端へと、またはファイバ端６１０に向かって伝送する。イメージセンサ６３０に到達するトレーサビーム部分を低減するために、図５Ａ～図５Ｂに示すように、適切な狭帯域フィルタ６２９を設けることができる。そうでなければイメージセンサ６３０に到達する可能性があるトレーサビーム部分を低減するために、ノッチフィルタまたは他のフィルタを使用することができる。１／４波長板６１６をダブルパスすると、戻されたプローブビームと、（ＬＯビームを形成する）表面６１７で反射されたプローブビームの一部とが、ファイバ端６１０から放射されたプローブビームの偏光と直交する共通の直線偏光になる。次いで、戻されたプローブビームおよびＬＯビームは、ホモダインまたはヘテロダイン検出のために検出器６１１で干渉する。図６Ａに示すように、ＰＢＳ６１２は、ファイバ端６１０からのプローブビームを透過し、戻ってきた信号およびＬＯビームを反射するように配置されているが、ＰＢＳ６１２は、プローブビームを反射し、戻ってきたプローブおよびＬＯビームを透過するように配置することができる。上述したように、ダイクロイック面６２３は、より小さい入射角、すなわちキューブビームスプリッタに典型的な４５度未満の角度で使用するように設計することができるため、ダイクロイックコーティング性能の向上を可能にするように傾斜している。加えて、焦点ずれに応じた反射率の変動が低減され、焦点ずれに応じてターゲットイメージ位置がシフトしない傾向がある。プリズム面は軸６０８に対して好都合に垂直であるが、他の角度を使用することもできる。二重反射ビームスプリッタ６１８はまた、追加のクリアランス６５０を提供する。

実施例６
図６Ｂに示す別の例では、１つまたは複数のプローブビームがファイバ６５２によって放射され、ＰＢＳ６５４、プローブビームレンズまたはレンズアセンブリ６５６、１／４波長板６５７、二反射プリズム６５８、可動レンズ６６０および固定レンズ６６２を介してターゲットに向けられる。プローブビームの一部は、検出器または検出器アセンブリ６７０に戻され、観察ビームは、二反射プリズム６５８によってイメージセンサ６７２に結合される。ＬＯビームは、ＰＢＳ６５４によって検出器６７０にも向けられる。他の例では、ＬＯビームは波長板６５７の表面からの反射によって生成される。

イメージセンサ６７２において高画質の画像を取得するためには、可視波長における色収差を十分に低減する必要がある。しかしながら、可視波長およびプローブ（ＩＲ）とポインティング（赤色レーザ）との間の両方で色収差の許容可能な低い値を得ることは、レンズ設計上の困難な課題である。図６Ｃは、６９５で示される可視波長（範囲６９０において、矢印６９１で示す色収差）およびプローブ（すなわち、ＩＲ）波長ならびに６９４でのポインティングビーム波長での色収差を示す。混合レンズ６５６は、ポインティングビームとプローブビーム（可視およびＩＲ）との間の色収差を低減または排除するように選択され、レンズ６６０、６６２は、可視範囲６９０）の色収差を低減するように選択される。フォーカスシフトは、０．５ｍから無限遠の範囲のターゲット距離に対して示されており、曲線は、０．５ｍのターゲット距離に関連付けされた曲線６９７を除いて、ほぼ重なり合う。

実施例７
図７Ａは、プローブビームおよびトレーサビームの一方または両方をターゲットとの間で通信し、ターゲットから撮像光（場合によってはイメージングビームと呼ばれる）を受け取る対物レンズ７０２を含む光学アセンブリ７００を示す。対物レンズ７０２は、プローブビームおよびトレーサビームをターゲットに集束させ、ターゲットをイメージセンサ７０８上にイメージすることを可能にする固定レンズ７０４および可動レンズ７０６を含む。ビームスプリッタ７１０は、対物レンズ７０２を介してターゲットにプローブビームおよびトレーサビームを送り、１つまたは複数の検出器（図７Ａには図示せず）に結合するためにターゲットからのプローブビームの少なくとも戻り部分を透過する。ビームスプリッタ７１０は、ビーム伝播軸７１８（光学面７１４は、７１６、７２０で折り畳まれた状態で伝播軸に垂直である）に対して垂直に配置された光学面７１２、７１４、７１６を含む。伝播軸７１８は、互いに対して様々な角度にある軸セグメントによって規定される。ビームスプリッタ７１０は、第１のプリズム７１０Ａと、第２のプリズム７１０Ｂと、典型的には波長依存反射および透過を提供する多層薄膜コーティングであるビームスプリッタ層７２０とを備えている。ターゲットの画像を形成するために使用されるイメージングビームは、図７では７２２として示されており、ビームスプリッタ層７２０によって反射され、次いで光学面７１６によってイメージセンサ７０８に反射される。プリズム角βは、典型的には、イメージングビームが臨界角よりも大きい角度、すなわちｓｉｎ^１（１／ｎ）よりも大きい角度で入射するように選択され、ｎはプリズム７１０Ｂの屈折率である。いくつかの例では、プローブビーム（単数または複数）は、上述のように波長板の表面などの平面７４０に中間焦点を有する。

図７Ｂを参照すると、ビーム結合および分離のための光学系は、図７Ａのビームスプリッタ７１０と同様であるが、線源／検出器システム７６０からの１つまたは複数のプローブビーム（およびトレーサビームの一部）をターゲットに反射し、１つまたは複数のプローブビームの戻り部分を線源／検出器システム７６０に結合するダイクロイック面７５４を有するビームスプリッタ７５２を含む。画像ビームは、軸７６２に沿ってイメージセンサ７６４に送られる。他の例のように、軸７６２は、互いに対して様々な角度にある軸セグメントによって画定され、軸７６２の一部は、Ｘ線源／検出器システム７６０およびイメージセンサ７６４まで延在する。

実施例８
図８Ａを参照すると、光学系８００は、プローブビームおよび／またはトレーサビームをビームスプリッタ８０４に結合するように配置された光ファイバ端８０２を含む。対物レンズ８０６は、プローブビーム（単数または複数）をターゲットに集束させることができるように、固定レンズ８１０および可動（焦点）レンズ８０８を含む。光学フィルタ８２０は、プローブビームおよびトレーサビームを受け取り、少なくともプローブビームをターゲットに送るように配置される。フィルタ８２０は、開口８２４を有するダイクロイック層８２２を含む。ダイクロイック層８２２は、典型的にはリング形状であり、プローブビーム波長で透過性であり、可視波長またはイメージセンサ８３０によって使用される他の波長で減衰するように選択される。したがって、フィルタ８２０は、イメージングビームの開口数を低減し、対物レンズ８０６の設計を単純化することができる。４００ｎｍ～７００ｎｍの波長範囲（標的撮像用）および１３００～１６００ｎｍの波長範囲（プローブビーム集束）で同時に精密撮像およびビーム集束に適したレンズの設計は困難であり得ることが理解されよう。フィルタ８２０などのフィルタを用いると、プローブビーム開口数は、微細な焦点合わせを可能にするために大きいままであり得るが、イメージングビーム開口数を制限することにより、満足のいく画像が提供される。図８Ａにダイクロイック層８２２が示されているが、同様の吸収層を使用することができる。開口８２４の直径または他の寸法は、対物レンズ設計と併せて選択することができる。図８Ａの例では、開口８２４を通ってダイクロイック層８２２を通って伝播するための光路長差は、一般に、プローブビームに焦点誤差を導入するのを回避するのに十分に小さく保たれる。

図８Ｂ～図８Ｃに代表的なフィルタ８５０、８６０が示されている。フィルタ８５０は、減衰リング８５２と、基板の片面、片面または両面に設けられた透過中央領域８５４とを含む。減衰リング８５２には、イメージングビーム（典型的には４００ｎｍ～７００ｎｍであるが、他の波長での画像化を使用することもできる。）を優先的に減衰させる吸収性、反射性、偏光性、または他の層を設けることができる。減衰リング８５２および透過中央領域８５４は、減衰リング８５２と透過中央領域８５４との間の位相差に関連付けされたプローブビーム集束誤差を排除または低減するために、共通の厚さまたは共通の光学的厚さを有することができる。図８Ｃの例では、フィルタ８６０は、透過領域８６４の周りに配置された減衰リング８６２を含む。

実施例９
図９Ａは、１つまたは複数のプローブビームおよびトレーサビームを偏光ビームスプリッタ（ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ：ＰＢＳ）９０４および撮像レンズ９０６に向けるように配置された光ファイバ端９０２を含む光学系９００を示す。撮像レンズ９０６は、プローブビームを波長板９１０、一般にはプローブビーム内に円形の偏光状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ：ＳＯＰ）を生成する１／４波長板の表面９０８に集束させる。典型的には、撮像レンズ９０６は、波長板９１０の表面９０８上に光ファイバ端９０２の像を形成する。表面９０８は、プローブビームの一部を、ファイバ端９０２に戻されるか、そうでなければ通常は局部発振器ビームとして使用するために向けられるように、撮像レンズ９０６に反射して戻す。表面９０８は、数パーセントの反射率が一般に十分な局部発振器ビーム出力を生成するのに十分であるため、コーティングされていない表面とすることができる。表面９０８を撮像レンズ９０６の焦点に配置することにより、局部発振器ビームは、波長板９０８の傾斜に応答して低減された変動でファイバ端９０２に戻される傾向がある。ダイクロイックビームスプリッタ９１２がプローブビームおよびトレーサビームを受け取り、対物レンズ９１４がプローブビームをターゲット９１６に集束させる。戻ったプローブビーム部分は、ファイバ端９０２に向かって再び結合され、イメージングビームは、ビームスプリッタ９１２によってイメージセンサ９２０に反射される。

図９Ａ～図９Ｂに示すように、撮像レンズ９０６はまた、プローブビームまたはトレーサビームのうちの１つまたは複数の中央部分を遮断するように配置された中央遮蔽部９２２を含む。ほとんどの例では、トレーサビームの一部は、ビームスプリッタ９１２のターゲットに面する表面９２６によって反射されたトレーサビームの全部または一部がイメージセンサ９２０に到達しないように選択された角度直径内で遮断または減衰される。この遮断は、トレーサビームの一部がイメージセンサに到達するのを低減し、その結果、優れたターゲットイメージが生成される。ビーム部分９３０、９３１は、軸９３６（すなわち、より大きな開口数のビーム部分）から変位され、ターゲット９１６に向かって伝播する。対応するビーム部分は、ビームスプリッタ９１２によって反射されるが、イメージセンサ９２０には到達しない。トレーサビームの中央部分９３２（低開口数部分）は遮断または減衰され、イメージセンサ９２０に到達せず、または低減されたビームパワーでイメージセンサに到達する。中央遮蔽部９２２は、典型的には、プローブビームを透過し、トレーサビーム波長で反射するダイクロイック反射器によって提供される。ダイクロイック反射器の寸法は、イメージセンサの対応する寸法に基づく。いくつかの例では、撮像レンズ９０６は、ビーム角直径α内でプローブビームを集束させ、ダイクロイック反射器の寸法は、イメージセンサの対応する寸法と、混合レンズ焦点からダイクロイック反射器までの軸に沿った光学距離と混合レンズ焦点からイメージセンサまでの光学距離との比との積の少なくとも０．５、０．７５、１．０、または１．５倍である。図９Ｃに示すように、イメージセンサ９２０に反射されるトレーサビーム部分を減衰させる遮蔽寸法ｄ_ｏｂｓは、ｄ_ｏｂｓ＝（Ｚ_{ＳＥＮＳＯＲ}／Ｚ_{ＭＩＸＬＥＮＳ}）Ｄとして決定することができ、ここで、Ｄはイメージセンサ寸法であり、Ｚ_{ＳＥＮＳＯＲ}およびＺ_{ＭＩＸＬＥＮＳ}は混合レンズ焦点からのイメージセンサ９２０および中央遮蔽部９２２の軸方向距離である。トレーサビーム部分の除去が望まれる程度に応じて、より大きいまたはより小さい寸法も使用することができる。（便宜上、図９Ｃは、折り畳まれていない図９Ａの光学系を示す。）

図９Ｄに、トレーサビーム部分がイメージセンサに到達するのを低減する別の手法を示す。図９Ａの光学系と同様の光学系において、撮像レンズ９５２は、波長板９６０または他の光学素子の表面９５８にプローブビーム集束を生成する。ダイクロイックコーティング９５６は、撮像レンズ９５２に設けられ、入射角および波長の関数として可変透過率を提供する。典型的には、ダイクロイックコーティング９５６の中央部分は、トレーサビームに対して高反射性であるが、プローブビームに対して透過性である。より高い入射角に関連付けされたものなどのダイクロイック反射器の他の部分は、トレーサビームならびにプローブビームを透過する傾向がある。そのようなコーティングは、ビームスプリッタまたは波長板の平面などの他の表面に配置することができる。図９Ｅは、代表的なダイクロイックコーティングの透過曲線である。図９Ｅに示すように、プローブビームは最大３０度の入射角で透過されるが、トレーサ波長での透過率は実質的に変化し、垂直入射での透過率は低く、角度の関数として透過率が増加する。

実施例１０
図１０を参照すると、光学系１０００は、対物レンズ１００２と、ターゲット１００８に焦点を合わせるためにプローブビームおよびトレーサビームを対物レンズ１００２に向ける混合光学系１００４とを含む。場合によっては、２つのカウンターチャープされたプローブビームが使用される。混合光学系１００４は、１つまたは複数のプローブビームおよびトレーサビームを結合ビーム１０１３としてＰＢＳ１０１２に向け、次いで混合レンズ１０１４に向けるファイバ端１０１０を含む。混合レンズ１０１４は、結合ビーム１０１３を波長板１０１６の表面１０１８に集束させ、表面１０１８からのプローブビームの反射部分は、局部発振器ビームとして機能するようにファイバ端１０１０に向かって戻される。表面１０１８からの反射部分の偏光状態（ＳＯＰ）は、９０度回転する。波長板１０１６の反対側は、典型的には反射防止コーティングを有する。

混合レンズ１０１４と波長板１０１６との組み合わせは、波長板１０１６の傾斜に反応しにくい猫目石再帰反射器１０３０として機能する。プローブビーム（単数または複数）および局部発振器ビーム（単数または複数）の一部は、ＰＢＳ１０１２によって、各プローブビーム波長についてプローブビーム部分およびＬＯ部分を受け取るように結合されたそれぞれの検出器を通常含む検出器アセンブリ１０３２に向けられる。

実施例１１
図１１は、プローブ／トレーサビームがＰＢＳ１１１２によって混合レンズ１１１４に反射されて、表面１１１８からの反射部分の偏光状態（ＳＯＰ）が９０度回転するように、プローブ／トレーサビームを波長板１１１６のターゲット側表面１１１８に集束させる、図１０と同様の光学系を示す。波長板１１１６の反対側は反射防止コーティング１１２１を有する。この例では、戻りビーム部分は、ビームスプリッタ１１１２によって検出器１１３２に送られる。

実施例１２
図１２Ａを参照すると、レーザレーダシステム１２００は、ポインティングレーザ１２０２、第１のプローブレーザ１２０４、およびファイバモジュール１２１０に結合された第２のプローブレーザ１２０６を含み、ファイバモジュールは、温度制御可能であり、排気または不活性ガスで満たされ得る密閉容器１２１１を含む。プローブレーザ１２０４、１２０６は、それぞれの光アイソレータ１２０５、１２０７を介して結合され、次いで、ファイバモジュール１２１０に出力するために第１および第２のプローブビームを組み合わせる波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１２１２に結合される。ファイバモジュール１２１０は、組み合わされたプローブビームの一部をＷＤＭ１２１６に向けるファイバカプラ１２１４を含み、ＷＤＭは、プローブビームの一部をトレーサレーザ１２０２からのトレーサまたはポインティングビーム（赤色または他の可視ビームなど）と組み合わせ、ファイバ端１２１８で組み合わされたプローブ／ポインティングビームを出力する。他の例では、ＷＤＭ１２１２およびファイバカプラ１２１４は、密閉容器１２１１内に配置された単一のカプラに置き換えられる。カプラ１２１４はまた、プローブビーム部分をカプラ１２２２に向かわせ、カプラは、一方が基準ファイバ１２２６を含む２つの異なる経路を介してビーム部分をカプラ１２２４に結合する。次いで、カプラ１２２４は、異なる経路に関連付けされたビーム部分を結合し、結合ビームをＷＤＭ１２２８に向かわせ、ＷＤＭは、各経路からのビーム部分を、それぞれ第１のプローブレーザ１２０２および第２のプローブレーザ１２０４の波長に関連付けされた基準検出器１２３０、１２３２に向ける。基準検出器１２３０、１２３２の各々におけるビーム部分は、基準ファイバ１２２６の長さならびに第１および第２のプローブビームにおける周波数チャープに関連付けされた周波数においてヘテロダイン信号を生成する。これらのヘテロダイン信号および既知の基準ファイバ１２２６の長さに基づいて、プローブレーザ周波数チャープおよび標的１２５０から得られる測定信号は、距離測定値のキャリブレーションまたは確認に使用することができる。

ファイバ端１２１８は、結合ビームを混合光学系１２３４に結合する。ＰＢＳ１２３６は結合ビームを受け取り、混合レンズ１２３８は、局部発振器部分を反射してＰＢＳ１２３６に戻す１／４波長板１２３９の表面１２４０にビーム焦点を形成する。結合ビームの他の部分は、ビームがビームスプリッタ１２４４（プレートとして示されているが、キューブ、二重反射または他のものを使用することができる）を通って、結合ビームをターゲット１２５０に集束させるための固定レンズ１２４８および可動レンズ１２４６を有する対物レンズに伝播する投影光学系１２４２に向けられる。ビームスプリッタは、イメージングビームをカメラ１２５７に向ける。１つまたは複数の走査ミラー１２４９（典型的には図２に示すように）は、結合ビームをターゲット１２５０に向かわせ、ターゲット１２５０からの結合ビームの戻り部分は、投影光学系１２４２および混合光学系１２３４に向けて戻される。それぞれの局部発振器ビームと共にターゲット１２５０から戻されたビーム部分は、ＰＢＳ１２３６によってダイクロイックビームスプリッタ１２６０に反射される。検出器１２６２、１２６４は、それぞれの波長に関連付けされたビーム部分および局部発振器ビームを受け取り、対応するヘテロダイン信号を生成するように配置される。他の例では、各検出器の前の波長フィルタと共に通常のビームスプリッタ（すなわち、非偏光性および非二色性）が使用される。そのような構成は、一般に、いくらかの追加の信号損失に関連付けされるが、生成するのにより便利であり得る。

図１２Ａに示すように、局部発振器（ＬＯ）ビームは、混合レンズの焦点における１／４波長板表面からの反射を使用して生成される。合成レンズ１２３８および１／４波長板１２３９は、１／４波長板１２３９の表面に集束される入射ビームのための猫目石再帰反射器として機能する。１／４波長板１２３９の傾斜があっても、プローブビームのＬＯおよび戻り部分のアライメントが提供される。例えば、７．５ｍｍの混合レンズ焦点距離の場合、－０．６ｍｍから０．６ｍｍの間の正確な焦点からの変位に対する波長板傾斜の関数としてのビームオフセット（スポットオフセット）が図１３Ａにプロットされている。正確な焦点の場合、スポットオフセットはすべての傾斜に対して０である。図１３Ｂはスポットオフセットの関数としての信号損失を示し、図１３Ｃはビーム１３０２、１３０４間の検出器表面でのスポットオフセット（ｓｐｏｔ ｏｆｆｓｅｔ：ＳＯ）を示す。

図１２Ｂは、図１２Ａのレーザレーダ１２００と同様のレーザレーダ１２８０を示す。ただし、図１２Ｂの例では、ファイバ１２２６などの基準経路の一部または全部の構成要素を含む温度制御オーブン１２９０が示されている。一般に、すべての光ファイバ構成要素をオーブン内に配置し、オーブンを排気して密封することが好ましい。ファイバ端１２１８は、プローブビームの一部を検出器アセンブリ１２９３に向けるＰＢＳ１２９２を含む局部発振器光学アセンブリ１２９１に結合ビームを向ける。ＰＢＳは完全ではなく、したがって「誤った」偏光の一部が反射されるので、反射される部分は総ビームの一部であることに留意されたい。プローブビームの他の部分は、１／４波長板１２９４に向けられ、標的から戻された部分は、ＰＢＳ１２９２によって１／４波長板１２９４に反射され、次いで再帰反射器１２９５に反射される。次いで、プローブビームは、図示のように検出器アセンブリ１２９３に向けられる。図１２Ａのプレートビームスプリッタ１２４４の代わりに、キューブビームスプリッタ１２９６が、観察ビームの一部をカメラ１２９７に反射するように配置されている。レンズ１２３８は、レンズ１２４６、１２４８を使用するプローブビームおよびイメージングビームの独立した集束を可能にする。

図１２Ｃは、猫目石アセンブリ１２８４および検出器モジュール１２８１を含む混合光学系１２７９を示す。猫目石アセンブリ１２８４は、入力プローブビームを波長板１２８６の表面に集束させて反射によってＬＯビームを生成するレンズ１２８５を含む。検出器モジュール１２８１は、第１の波長の透過部分が検出器１２８８に向けられ、第２の波長の反射部分が検出器１２８９に向けられるように、ＬＯおよび戻りプローブビーム部分をダイクロイックビームスプリッタ１２８７に向けるＰＢＳ１２８３を含む。第１の波長と第２の波長との間の波長差は、ダイクロイックビームスプリッタ１２８７による分離のために、１、２、５、１０、２０、５０、または１００ｎｍ以上とすることができる。混合光学系１２７９は、コンパクトにすることができ（総体積が２立方インチ未満）、必要な構成要素が少なく、容易かつ安定してアライメントすることができる。

実施例１３
図１４Ａ～図１４Ｄは、二重反射ビームスプリッタに関する。図１４Ａは、ダイクロイック面１４０４がプリズム１４０６の頂角として定義される角度βで配置された二重反射プリズムビームスプリッタ１４００を示す。図１４Ｂは、プリズム角度ならびにビームスプリッタ面１４１０、１４１２に垂直な軸１４０８に対する入射角および反射角を示すプリズム１４０６の詳細図である。図１４Ｃは、プリズム１４０６などのプリズムを含むことができる別の代替の二重反射ビームスプリッタ１４２０を示す。図１４Ｄに示すように、二重反射ビームスプリッタ１４５２は、プレートダイクロイックビームスプリッタ１４５４および反射器１４６０を含む。プレートダイクロイックビームスプリッタ１４５４および反射器１４６０は、軸１４５６上に配置されている。反射器１４６０は、例えば、透過プレートの表面１４５８上に規定することができる。

実施例１４
図１５Ａ～図１５Ｃは、レーザレーダもしくはレーザトラッカシステムまたは他の光学測定システムにおいて個別にまたは組み合わせて使用することができる代表的な方法を示す。図１５Ａに示すように、方法１５００は、１５０２でプローブビームとトレーサビームとを結合するステップと、１５０４で固定部分および可動部分を有する対物レンズを用いて、結合ビームをターゲットに向けるステップとを含む。ターゲットから受け取ったプローブビーム部分は、ダイクロイックビームスプリッタに戻され、１５０６で検出器に向けられる。１５０８において、画像ビームはイメージセンサに向けられ、１５１０において、ターゲットにおけるプローブビームの焦点およびイメージセンサにおけるイメージングビームの焦点が可動レンズによって調整される。

図１５Ｂに示されるように、方法１５３０は、１５３２において、１つまたは複数のプローブビームとトレーサビームとを結合するステップと、１５３４において、結合ビームを反射面に集束させて、プローブビームの各々の部分を含む逆伝播局部発振器（ＬＯ）ビームを生成するステップとを含む。１５３６において、ターゲットから受け取ったプローブビームの部分が受け取られ、ＬＯビームと共に１つまたは複数の検出器に向けられる。１５３８において、戻されたプローブビーム部分と対応するＬＯビームとの間のヘテロダイン周波数に基づいて、ターゲット距離または高さが推定される。

図１５Ｃに示されているように、方法１５５０は、１５５２において、（１つまたは複数のプローブビームおよびトレーサビームなどの）ビームをファイバベースＷＤＭなどのビームスプリッタと結合するステップと、１５５４において、トレーサビームの中央または低ＮＡ部分を遮断するステップとを含む。１５５６において、結合ビーム（トレーサビームの中心部分を除く）は、ダイクロイックビームスプリッタに向けられる。１５５８において、イメージングビームがダイクロイックビームスプリッタからイメージセンサに向けられ、１５６０において、１つまたは複数のプローブビームの戻り部分が処理されて距離または高さ推定値が生成される。典型的には、戻りビーム部分は、異なる（ヘテロダイン）周波数で電気信号を生成するために対応する局部発振器ビームと混合され、ヘテロダイン周波数は距離／高さに関してキャリブレーションされる。

実施例１５
図１６Ａは、一般に温度制御された密閉された不活性ガス充填または排気エンクロージャ１６０３内に配置されたファイバモジュール１６０２を含む代表的なレーザレーダ１６００を示す。ファイバモジュール１６０２は、プローブレーザ１６０４に結合された光アイソレータ１６０６およびファイバカプラ１６０８を備えている。ＷＤＭ１６１０は、プローブレーザ１６０４からのプローブビームおよびトレーサレーザ１６１２からのトレーサビームの一部を受け取るように結合され、組み合わされたプローブ／トレーサビームを混合光学系１６１４に結合する。混合光学系１６１４は、ターゲットから戻されたプローブビームの部分を１つまたは複数の検出器１６１６に結合して、ターゲット距離または高さを判定するために処理される電気信号を生成する。混合光学系１６１４は、組み合わされたプローブ／トレーサビームを投影光学系１６１８に結合し、次いでターゲットへの伝送のためにビームスキャナ１６２０に結合する。投影光学系１６１８はまた、投影光学系１６１８に設けられた対物レンズと組み合わせて、ボアサイトカメラ１６１７として機能するイメージセンサにイメージングビームを向ける。ビームスキャナ１６２０、投影光学系１６１８、および混合光学系１６１４はまた、プローブビームの戻り部分をターゲットから１つまたは複数の検出器１６１６に向ける。さらに、基準フォトダイオード１６３０は、カプラ１６０８から受け取ったプローブビーム部分が、ヘテロダイン信号周波数を距離または高さに関連付けることができるように、所定の長さを有する基準ファイバ１６３６に向けられるように、ファイバカプラ１６３２、１６３４に結合される。レーザレーダ１６００は、本明細書に開示される混合光学系、投影光学系、およびビームスキャナのいずれかを使用することができ、場合によっては、１つまたは複数を省略することができる。一変形例では、検出器１６１６は省略され、検出器１６２２は、信号ビームを受け取るようにファイバモジュール１６０２のファイバカプラ１６２４に結合される。

図１６Ａの例は、単一のプローブレーザのみを示しているが、典型的には、異なる波長の２つのプローブレーザが使用され、レーザは、ターゲット運動に関連付けされたドップラーシフトを低減または排除してヘテロダイン検出を可能にするカウンターチャープビームを生成する。ほとんどの例のように、トレーサビームはアライメントを確認するために使用されるが、それ以外は未使用である。

実施例１６
図１６Ｂを参照すると、代表的な光学系１６５０は、第１のプローブレーザ１６５４と、第２のプローブレーザ１６５８と、可視（典型的には赤色発光）レーザ１６５２とを含む。各プローブレーザビームの一部は、それぞれの検出器１６５６、１６５８においてヘテロダイン信号を生成するためにそれぞれの基準経路１６６６、１６６８に向けられる。カプラ１６７０は、可視／プローブカプラ１６７２において可視レーザ１６５２からの可視ビームと組み合わされるプローブビームの部分を組み合わせる。典型的には、基準ヘテロダイン周波数を安定化させるために、気密封止された温度コントローラエンクロージャ１６６４が設けられる。

実施例１７
代替的な光学系１６８０が図１６Ｃに示されている。出力ファイバ端１６８８にアクチュエータ１６９０が取り付けられ、ファイバ端１６８８および関連付けされた出力ビームの変位を可能にする。ボイスコイル、圧電、または他のデバイスがアクチュエータとして機能することができる。変位されたビームは、上述のようにビームカプラ１６８４および混合光学系１６８２を通って、出力ビームを標的に撮像するレンズ１６９１に向けられる。ビーム変位は、標的における出力ビームの小さな運動または走査をもたらす。比較的小さなファイバ運動の場合、混合光学系によって生成されたＬＯビームおよび測定ビームは、使用可能なＲＦ（ヘテロダイン）信号を提供するために検出器１６８６で効率的に重なり合ったままである。ボイスコイルまたは圧電スタックなどの小型で高速なアクチュエータを使用することにより、ビームを非常に迅速かつ正確に掃引することができる。二重アクチュエータを使用して、２つの横方向に掃引することができる。これは、典型的にははるかに遅い走査ミラーを使用せずに孔またはポストなどの特徴を迅速に測定するために、ターゲット上の慎重に選択された点を測定する方法を提供する。この走査に関連付けされたビーム変位に対応するために、より大きな面積の検出器が便利であり得るが、過剰な検出器サイズは検出器帯域幅を制限し、ヘテロダイン信号の大きさを低減する可能性がある。一例では、１ｍｍのファイバ変位は、０．４ｍｒａｄの角度ビーム走査を生成する。単一波長の単一プローブビームのみが図１６Ｃに示されているが、２つ以上の波長をそれぞれの検出器と共に使用することができる。

実施例１８
図１７Ａ～図１７Ｃに示すように、測定システム１７００は、測定を同時に行うことができる複数の測定位置を提供するために複数のファイバ出力１７０１を含むことができる。測定システム１７００は、光アイソレータ１７０５を介して結合された可視レーザ１７０２およびプローブレーザ１７０４を含む。プローブレーザビームの一部は、基準アームタップ（典型的にはファイバカプラ）１７０６によって、基準アーム１７１２および可視／プローブカプラ１７０３に向けられる。１行Ｎ列のカプラ１７０８は、結合された可視／プローブビームを受け取り、Ｎ個の結合された可視／プローブ出力ビームを生成する。あるいは、１×Ｎスイッチを使用することができる。これらのＮ個のビームは、共通の走査投影光学系に向けることができる。便宜上、関連付けされた局部発振器ビームおよび検出器は示されていない。

図１７Ｂ～図１７Ｃは、Ｎ個のビームを混合光学系に向けるように構成された光ファイバの代表的なアレイ１７２０を示す。代表的なファイバ端１７２２～１７２６は十字状に配置され、それぞれがコア１７２７などのそれぞれのコアを有する。出力ファイバが標準的な直径１２５μｍのＰＭファイバである場合、そしてファイバが接触している場合、コアは１２５μｍ離れている。このアレイをターゲットに集束させると、図１７Ｄに示すビームパターン１７５０が生成され、ビームスポット１７５３～１７５６は可視ターゲット表面上に直接示され、ビームスポット１７５２はターゲットの凹部１７０６内にある。結合ビームの角度分離は、０．５、１、２、５、１０、または２０ｍｒａｄ以上であり得る。大きな分離は、適切なビーム焦点を維持するために対物レンズ特性に注意する必要があり、大きなビーム分離（例えば、０．５、１、２、５、１０、２０ｍｍ）を達成することができる。図１７Ｄの例では、孔１７０６を囲む豆スポット１７５３～１７５６は、孔１７０６の平面までの範囲に関連付けされた戻りプローブビームを同時に提供し、凹部１７０６の画像を処理して、範囲情報と共に孔直径を提供することができる。そのような測定は、走査を必要とする従来の手法よりもはるかに高速である。

図１８は、代表的なマルチファイバ光構成を示す図である。この構成では、検出器アレイ１８１０は、各ファイバの混合信号（すなわち、戻されたプローブビーム部分およびＬＯビーム）を捕捉するように配置される。複数のファイバ端１８０２（代表的なファイバ端１８０２_１、１８０２_２を含む）は、プローブビームを偏光ビームスプリッタ、ならびに上述のレンズおよび１／４波長板を含む猫目石アセンブリ１８０７に向ける。猫目石アセンブリ１８０７は、プローブビームの一部を１／４波長板の表面から反射することによってＬＯビームを生成する。プローブビームは、対物レンズ１８１１によって物体１８１２に向けられ、複数のファイバ端１８０２の各ファイバからのプローブビームは、物体１８１２に対応するビームスポットを提供する（例えば、代表ビームスポット１８０８_１、１８０８_２）。物体１８１２からのプローブビーム部分は、対物レンズ１８１１、猫目石アセンブリ１８０７、およびＰＢＳ、ならびに検出器アレイ１８１０のそれぞれの検出器（例えば、代表的な検出器１８１０_１、１８１０_２）に戻される。二重波長プローブビームが使用される場合、ダイクロイックビームスプリッタおよび追加の検出器アレイを使用することができる。２つのファイバ端のみからのビームが示されており、ファイバ端１８０２_１からのビームは１８０４_１、１８０６_１として示され、ファイバ端１８０２_２からのビームは１８０４_２、１８０６_２として示されている。複数のファイバ端１８０２の各々に関連付けされたヘテロダイン信号は、対応する処理要素１８２０（処理要素１８２０_１、１８２０_２など）で処理されて、距離、範囲、または寸法の推定値を確立する。他の例では、単一の処理システムが使用され、ヘテロダイン信号が一度に１つずつ処理される。例えば、電気スイッチは、すべてのヘテロダイン信号を受け取り、処理のために選択されたヘテロダイン信号を順次結合することができる。図１８では、ファイバ端は単一の方向に沿って分布して示されているが、十字形または他の分布（例えば、多角形の対角線、曲線、エッジ、および／または内部に沿って）を使用することができる。

実施例１９
レーザレーダは、レーダ軸に沿って整列されたカメラを含むことができる。そのような実装形態は、重力および温度などの環境条件に対する空間的配向によって変化するキャリブレーションパラメータを有する安価な監視カメラを使用することができる。カメラデータは、レーザ走査データとは無関係に処理されて提示され、カメラとレーザレーダデータとの間のリアルタイム調整は困難であり得る。いくつかの開示されている例では、計測カメラは、レーザレーダ測定経路を有する共通の集束光学系を使用するように配置されており、そのようなカメラは、本明細書では共焦点カメラと呼ばれ、関連レーザレーダは共焦点レーザレーダ（ｃｏｎｆｏｃａｌ Ｌａｓｅｒ Ｒａｄａｒ：ｃＬＲ）と呼ばれる。これは、カメラとレーザレーダとの間の６自由度（ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ：ＤＯＦ）にわたる測定値を提供する。そのようなカメラは、高精細カメラとすることができ、ＬＲとカメラデータとのリアルタイム調整を可能にするデータ間のレイテンシを最小化または低減するために、システムアーキテクチャ内の低レベルでカメラデータを提供するように結合することができる。共焦点レーザレーダにおいて２つの測定モード（ＬＲおよびカメラ）を使用することにより、ＬＲを指して関心のある特徴を最適に測定することが可能になる。さらに、低レイテンシデータインターフェースは、リアルタイムアルゴリズムおよびカメラ内で識別可能な特徴の追跡を可能にする。

レーザレーダは、関心対象表面までの方位角、仰角、および距離を測定する。方位角および仰角は、適切な軸上のエンコーダから読み取られる。距離測定は、ヘテロダイン干渉法で達成され、周囲光からの干渉なしにほぼすべての表面で行うことができる。距離（Ｒ）、方位角（Ａ）および仰角（Ｅ）の直線座標ＸＹＺへの変換は、以下のような周知の球面座標からデカルト座標への変換によって達成される。
Ｘ_ＬＲ＝Ｒ＊ｃｏｓ（Ｅ）＊ｃｏｓ（Ａ）
Ｙ_ＬＲ＝Ｒ＊ｃｏｓ（Ｅ）＊ｓｉｎ（Ａ）
Ｚ_ＬＲ＝Ｒ＊ｓｉｎ（Ｅ）

キャリブレーションされたカメラは、画像内のすべてのピクセルの方位角および仰角を決定することができる角度測定デバイスとして見ることができる。ＬＲとカメラとが共焦点関係を有することにより、距離測定はカメラ画像にスケールを提供することができる。この関係により、カメラの中心画素をＸＹＺ_ＬＲに直接関連付けることができる。シーンへのカメラ焦点面の投影が｜ＬＲの中心軸に垂直であることを保証することはできないが、実際の関係はキャリブレーションプロセスによって判定することができる。

キャリブレーションされたカメラでは、距離がＬＲによって判定されると、平面特徴をカメラによって直接測定することができる。距離が確立されると、球などの既知の幾何学的形状を有する他の特徴も測定することができる。

再び図１２Ａを参照すると、測定距離（０．５ｍ～３０ｍまたは５０ｍなど）にわたるプローブビーム集束を可能にするために、レンズ１２４６、１２４８のうちの１つまたは複数にオートフォーカス（ａｕｔｏ－ｆｏｃｕｓ：ＡＦ）線形移動ステージ１２５３が結合される。ビームスプリッタ１２４４は、ビーム位置をカメラスクリーンまたは他の表示装置に表示することができるように、標的または他のシーンからの可視光（または他の撮像放射）をカメラ１２５７に反射する。カメラ１２５７は、１つまたは複数の処理システム１２５８に結合され、出力を使用して、コンピュータベース測定アルゴリズムのための入力画像を提供することもできる。カメラ１２５７およびプローブビームは同じ集束光学系を共有するので、カメラセンサアレイと標的上の測定ビームの位置（測定点）との間の関係は、カメラ搭載が安定している限り不変のままである。この不変性は、カメラ１２５７を共焦点カメラとして確立し、オートフォーカスステージ１２５３を使用して走査ビーム集束を可能にする。一例では、焦点は、カメラ１２５７によって生成された画像に最大のコントラストを提供するように調整される。そのような構成では、プローブビームを迅速に集束させ、カメラ画像内の選択された位置に向けることができる。異なる焦点位置におけるカメラに対するプローブビームの位置の変動は、存在する場合、周囲温度に起因する任意の変動と同様にキャリブレーションによって補正することができる。レーザレーダフォーカスコントローラ１２５５によって提供されるように、レーザレーダプローブビームに基づく焦点信号を使用して、追加の焦点補正を行うことができる。以下で説明する他の例では、処理システム１２５８を使用して、より大きな画像を形成するために画像を一緒に繋ぎ合わせ、一緒に繋ぎ合わされる画像の歪みを補正し、ツーリングボールまたは眼球球などのターゲット特徴または対象物を識別または追跡することができる。

実施例２０
図１９を参照すると、ターゲット特徴サイズまたは寸法を確立する方法１９００は、１９０２でターゲット表面までの距離を確立するステップを含む。１９０３で決定されたようにターゲット表面が平面である場合、１９０４でターゲット特徴の画像が取得される。ターゲット表面が平面でない場合、ターゲット表面の形状、傾斜、および距離は、１９０５で、通常は追加の走査によって確立される。あるいは、既知の幾何学的形状の形状または構造の予備画像の歪みを評価することができる。１９０６において、画像の倍率が、いくつかまたはすべての画像（すなわち、標的）位置について決定される。決定された画像倍率により、１９１０で、画像上の特徴サイズを実際の寸法に適切にスケーリングすることができる。これらのスケーリングされた寸法は、１９１０で報告または記憶することができる。いくつかの例では、スケーリングされた寸法を設計寸法と比較して、特徴が正しくサイズ設定されているかどうかを判定する。

実施例２１
図２０を参照すると、レーザレーダシステム２０００は、標的方位角および仰角を確立するための報告および調整、距離を報告するレーザ測距測定電子機器、ならびに方位角および仰角を制御するモータを含むレーザレーダ測距システム２００２を含む。共焦点カメラ２００４はまた、ターゲットの画像を生成するように配置され、レーザレーダ測距システム２００２およびカメラ２００４の両方は、組み込みプロセッサ２００６に結合される。したがって、レーザレーダ距離データおよび画像データは、イーサネットまたはユニバーサルシリアルバス（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ：ＵＳＢ）などのネットワークまたは他の通信接続を介した遠隔プロセッサへのそのようなデータの通信に関連するレイテンシを増加させることなく、組み込みプロセッサ２００６に提供される。図２０の例示的なシステムは、レーザレーダ測距システムと共焦点カメラとを密接に結合することによって得られる迅速な動作で、共焦点カメラとレーザレーダデータとの協働使用を可能にする。これらの測定システムの各々は、データストリームを継続的に作成している。図示のように、このデータは、共焦点レーザレーダに物理的に関連付けられた組み込みコンピュータで組み合わされる。共焦点レーザレーダを備えた組み込みコンピュータのこの使用は、測定される部品のデジタル表現であるコンピュータ支援設計（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ：ＣＡＤ）に基づいて選択された特徴が測定される検索を容易にする。多くの場合、ＣＡＤ座標で測定される特徴のリストがある。実際の部品が測定される通常の状況下では、特徴はＣＡＤの理想的な座標にはない。さらに、理想的な測定は、好ましくは、測定装置、ここでは共焦点レーザレーダが測定される特徴の中心にあるときに行われる。任意の予め選択された特徴を識別することができる検索アルゴリズムが実行されなければならないが、これらの検索アルゴリズムは非常に非効率的であり得る。共焦点レーザレーダの共焦点および／または計測関係のために、特徴がカメラの視野内にあるとき、関心のある特徴は自動的かつ迅速にセンタリングされ得る。

他の例では、測定前に高速アライメントを得ることができる。多くの用途では、システムが対象の特徴を測定する前に、部品へのアライメントを実行しなければならない。アライメントは、（１）レーザレーダが部品との既知の関係を有するツーリングボールのセットを測定する絶対的なアライメント、または（２）特徴のセットに対するアライメントの２つのタイプのアライメントとすることができる。上述したように、カメラで検索することにより、特徴を迅速に見つけることができる。ツーリングボールの場合、共焦点レーザレーダは追加の利点を有する。レーザレーダをツーリングボール上にセンタリングするためにカメラを使用することができる。すべてのアルゴリズムにおいて、一般に、ツーリングボールの表面測定値をツーリングボールの中心に投影することができるように、ツーリングボールの半径は既知であると仮定される。センタリング後、４つの異なるアルゴリズムを使用することができる：（１）光沢のあるツーリングボールの場合、カメラがレーザレーダを正確にセンタリングしており、表面までの距離を単に測定していると仮定し、（２）光沢のあるツーリングボールの場合、Ｗ字形レーザレーダ走査を実行してツーリングボールまでの正確な角度を決定し、次いで表面までの距離を測定し、（３）つや消しのツーリングボールの場合、カメラがレーザレーダを正確にセンタリングしており、単に表面までの距離を測定していると仮定し、（４）つや消しのツーリングボールの場合、表面を走査して球体フィットを実行してツーリングボールの位置を判定する。すべての場合において、カメラでセンタリングする能力は、速度および全体的な生産性を向上させる。

カメラは、レーザレーダ距離測定と併せて特徴（ツーリングボールなど）を測定することができる。さらに、カメラは、孔、スロット、多角形などの平面特徴を測定することができる。これらのタイプの測定では、特徴の中心に空隙のみがある。したがって、レーザレーダシステムは、特徴の周りの表面を指すようにカメラ視野を意図的にオフセットしなければならない。

実施例２２
図２１を参照すると、代表的な追跡標的２１００が示されている。追跡標的２１００は、球上に規定された同心円環２１０２、２１０４を有する球２１０１に基づく。リング２１０２、２１０４は、異なる色、反射率、表面仕上げ、パターン、またはカメラ画像で容易に見られる他の特徴を有する。標的の他の部分２１０６、２１０８は、共通の表面色または仕上げなどを有することができる。場合によっては、部分２１０６、２１０８は光沢があり反射率が高いが、リング２１０２、２１０４は異なる色を有する。そのような追跡標的は、１、２、３、またはそれ以上のリングを有することができる。このような追跡標的の見え方を考慮して便宜上、本明細書では「眼球球」または「ｅｙｅｂａｌｌ ｓｐｈｅｒｅ：ＥＳ」と呼ぶ。

図２２は、ＥＳを使用する代表的な方法２２００を示す。ＥＳは、例えば、カメラの視野の外側に部分を有し得る螺旋または角度探索を使用してレーザレーダで探索することによって、２２０２でカメラの視野内に最初に配置されなければならない。場合によっては、オペレータは、ターゲットまたはレーザレーダ位置を調整することができる。２２０４で、ＥＳは共焦点カメラで追跡される。ＥＳは、環状リングをカメラ視野の中心に保つことによって追跡することができる（または追跡の誤差を低減する）。リングが視野の中心を離れると、誤差を最小にするようにレーザレーダ（および共焦点カメラ）を配向するようにレーザレーダ内の１つまたは複数のモータに指令される。運動の速度は連続的に計算され、速度が閾値を下回ると、２２０６でＥＳが運動していないと宣言される。次に、２２０８において、球の位置の測定がトリガされる。返された測定値は球の中心である。通常、対象の測定値は表面であり、球の測定値は表面に投影される。

ＥＳは特に便利であるが、球に取り付けられたコーナーキューブ（「球状に取り付けられた再帰反射器」または「Ｓｐｈｅｒｉｃａｌｌｙ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｒｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ：ＳＭＲ」と呼ばれる）などの他の追跡ターゲットを使用することができる。そのようなターゲットは、球の中心にコーナーキューブ反射点を有するべきであり、そうでなければ誤差が生じる可能性がある。ＥＳは、ＳＭＲとは異なり、誤った取り扱いに応答してミスアライメントを示さない。ＥＳの様々な領域に塗料を提供したり、エッチングしたり、フロストしたり、反射性、金属性、二色性または他のコーティングでコーティングしたりすることができる。

ＥＳまたは他の追跡標的は、レーザレーダ２３０４への高い入射角を有する標的領域の測定を可能にするか、または隠される。図２３を参照すると、追跡標的２３０２が異なる位置に示されており、レーザレーダ２３０４からのプローブビーム２３０１が標的２３０８の隠れた領域２３１０に到達することを可能にする。

いくつかの例では、ＥＳは、異なる色のリングを追加することによって精密球を変更することによって形成される。リングはまた、再帰反射塗料で充填され、フラッシュによってそれらを非常に視認可能にすることができる。球は、３つの測定モード、すなわち（１）カメラから角度が使用され、球の中心までの距離がレーザレーダから得られるつや消し、（２）球面に適合するつや消し球、または（３）角度を見つけるための鏡面点上のＷ字形レーザレーダ走査、次いで鏡面点までの距離測定を作成する、つや消し材料または光沢のいずれかで作製され得る。モード２および３では、レーザレーダはすべての測定を行い、カメラはレーザレーダを球の中心に置き、球が動いていないことを検出している。モード１では、カメラは依然として動きの欠如の追跡および検出に使用されるが、カメラの角度測定値はＬＲ測定値と組み合わされて測定をほぼ瞬時に行う。

実施例２３
別のタイプの隠れ点ツールを追跡と共に使用することもできる。図２４に示すように、ベクトルバー２４００を作成することができる。ＥＳ２４１０、２４１２の中心が、プローブビーム軸２４１６、２４１７を有するレーザレーダ２４０４によって測定される場合、結果は、測定球２４０３の中心または測定点に投影され得る。このような測定は、スタジア測定と呼ぶことができる。完全な６ＤＯＦツールは、異なる位置に配置された３つの眼球球を用いて作成することができ、これらの眼球球は同一直線上にある必要はない。

２つの眼球球を用いて、２つの眼球球（ＸＹＺ_１、ＸＹＺ_２）のＸＹＺ位置である２つの測定が行われる。ＸＹＺ_１とＸＹＺ_２との間の距離は重要ではないが、ＥＳ２５１２と測定球２４０３との間の距離Ｄ_ｍは既知でなければならない。３つすべての球の中心が同一線上にある場合、優れた測定結果が得られる。測定球２４０３の中心は、通常の技術を使用して標的の表面に投影される。測定球２４０３のＸＹＺのサンプル計算は以下の通りである。

このような測定は、待ち時間が短いため、各球体ボールを１０分の数秒で測定できるため実用的である。固定的に分離された二つの眼球球と測定球とを有する器具が便利であるが、そのような器具は、シャフト２４１４に沿って異なる位置に移動することができる単一の眼球球を使用することができる。次いで、各位置での測定値を使用することができる。

実施例２４
レーザレーダを使用する自動測定システムは、高価で時間のかかる設定プロセスを必要とし、完了までに数週間を要し、熟練した人員を必要とする可能性がある。本明細書では、計測グレードの高精細度（ｈｉｇｈ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ：ＨＤ）またはレーザレーダに組み込まれた他のカメラを利用するシステムが開示される。孔、スロット、スタッドおよび他の特徴などの特徴を識別および／または測定するための機械学習アルゴリズムが提供される。いわゆる「協調ロボット」（通常、ミラーまたは他の光学系を含む）は、死角測定、および測定装置のローカル追跡を可能にして、セットアップ時間を短縮し、測定時間をスピードアップする。

いくつかの開示された例では、測定される部品の周りに配置されるツーリングボールは必要ではなく、拡張現実アプリケーションは、部品のＣＡＤ画像およびカメラ画像をオーバーレイすることができる。これにより、部品の自動検出が可能になり、選択された標的領域を測定／走査するようにレーザレーダに指示するために使用することができる。その場合、関心のあるターゲット領域を特定するために長いレーザレーダ走査は必要ない。いくつかの用途では、直接の視線にない点に到達することが隠れているか困難な点の測定のために、レーザレーダと共に追加のミラーが使用される。そのようなミラーは、一般に小さく、したがって、固定位置からの限られた視野を提供する。このようなミラーをロボットに取り付けることにより、この限られた視野を自動化された動きで大きく広げることができる。協調ロボットの使用は、ミラーの容易な位置決めを可能にし、安全のために測定領域を保護する必要がない。したがって、協調ロボットは、静的なミラー位置よりも大きな視野を可能にし、単一のレーザレーダ位置からのより多くの測定も可能にする、複数の再現可能で安定した位置にミラーを配置することができる。

図２５Ａを参照すると、ミラー２５０６は、協調ロボット（ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｒｏｂｏｔ：ＣＯＢＯＴ）２５０４のツールフランジ２５０７に取り付けられる。典型的には、ＣＯＢＯＴは、ミラー２５０６を選択された位置および角度に設定することができるように、１つまたは複数の移動ステージおよび１つまたは複数の回転ステージを含む。いくつかの例では、ツーリングボール２５２８は、剛性シャフト上のミラー２５０６の前方のオフセットに取り付けられる。（この例ではツーリングボールが使用されているが、計測カメラを含むシステムはツーリングボールを使用する必要はない。）レーザレーダ２５００は、レーザレーダ２５００を反復可能に位置決めすることができるように、単一の固定位置に配置されるか、またはプログラム可能ポジショナに固定される。ミラー２５０６の位置は、手動で、またはシミュレーションソフトウェアを使用して、選択されたレーザレーダ位置から測定対象物の隠れた特徴が見えるようにロボット２５０４にプログラムされる。図２５Ｂに示すように、ツーリングボール２５２８の初期位置は、レーザレーダ２５００を用いて直接的および間接的（すなわち、ミラー２５０６におけるツーリングボール２５２８の反射を介して）の両方で測定され、ツーリングボール２５２８の公称位置を決定し、ツーリングボール２５２８の中心とミラー２５０６内のツーリングボール像とを結ぶ線の垂直二等分面を通るミラー２５０６の表面を画定する。ＣＯＢＯＴ２５０４の移動に加えて、ツールフランジ２５０７が固定されたアーム２５０５を移動させて、物体２５０８上の追加の位置にアクセスすることができる。

この設定に続いて、ＣＯＢＯＴ２５０４は、複数のプログラムされた位置の各々へと駆動されることができ、レーザレーダ２５００は、先に得られた公称値に基づいてツーリングボールを自動的に測定することができる。これにより、サンプル測定に使用するためのミラー位置の自動で正確な決定が可能になる。場合によっては、典型的には、より低い精度が十分である場合、ロボットの再現性が十分であり得る。

ミラー測定およびＣＯＢＯＴ位置決めを調整するために、ＣＯＢＯＴからのデジタルまたは物理ＩＯには、測定ＰＣへの直接接続、またはＯＰＣ、Ｐｒｏｆｉｎｅｔもしくは他の標準ＰＬＣインターフェースに基づくプログラマブルロジックコントローラ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：ＰＬＣ）を介した接続のいずれかが提供される。ＰＣ上のインターフェースソフトウェアは、ＣＯＢＯＴからの移動信号および位置内信号、ならびにレーザレーダからの測定信号と調整することができる。これは、他のものを教示するために接続する別個のソフトウェアプラットフォームを備えてもよく、またはＰＬＣとの通信およびレーザレーダ自体の両方を制御するのに適した単一のソフトウェアの一部であってもよい。

取り付けられたツーリングボール２５２８と組み合わせてＣＯＢＯＴ２５０４およびミラー２５０６を使用することにより、より高速な測定が可能になり、レーザレーダまたは部品の再配置を低減した測定が可能になり、必要なツーリングボール測定の回数が低減される。単一のレーザレーダ位置に対して複数のミラー位置を作成することができ、部品の他の測定中にミラー移動を行うことができ、デッド測定時間を短縮し、または再配置移動中に同時に行うことができる。ＣＯＢＯＴ２５０４は、必ずしも安全フェンシングまたはゾーニングを必要とせず、したがって、部品の近くに配置することができ、オペレータが近くにいる間に移動することさえできる。ミラー２５０６の自動洗浄は、ミラー表面上への材料の堆積を防止するために、パッドを介した、またはエアコームもしくは送風機からのＣＯＢＯＴ２５０４の力フィードバックに基づくことができる。

図２５Ａは、ＣＯＢＯＴ２５０４におけるツーリングボール２５２８に加えて、測定対象物２５０８に配置された代表的なツーリングボール２５２０～２５２３を示す。ツーリングボール２５２８および２５２０～２５２３は、走査面２５０１からのビーム走査に応答して、それぞれの軸２５１０および２５１１～２５１４に沿って照射することができる。

実施例２５
ボアサイトカメラ／レーザレーダシステムは、ターゲットの異なる部分に関連付けされた複数の画像をともに繋ぎ合わせすることによってターゲットイメージの取得を可能にする。各カメラ画像は、レーザレーダで得られたターゲット距離に関連付けることができ、任意のカメラ傾斜は、上述したように既知の形状の特徴を使用して補正することができる。図２６に示す代表的な方法２６００では、２６０２において、共焦点レーザレーダが固定位置に設定され、２６０４において、ターゲットの少なくとも一部の画像が取得される。２６０６において、レーザレーダプローブビームを使用してターゲット部分までの距離が測定される。２６０８において、取得された画像および関連付けされた距離、方位角、仰角、およびレーザレーダ位置座標が格納される。２６１０において、追加の画像が意図されているかどうかが判定される。そうであれば、レーザレーダ位置を２６０２に設定して画像取得を繰り返す。レーザレーダ位置は、以前の位置、または選択された新しい位置に固定されたままであり得る。すべての意図された画像が取得された場合、２６１２で画像はより大きな対象領域の画像を作成するために繋ぎ合わせされる。この画像は、特定のターゲット特徴の位置を特定し、特徴測定値を提供し、追加のレーザレーダ測定のためのターゲット領域を識別するために、または他の目的のために使用することができる。典型的な例では、レーザレーダは、評価中のターゲットの全体図を生成するために１回または複数回再配置される。

場合によっては、画像の繋ぎ合わせは、カメラ／プローブビームキャリブレーション後に優れた結果をもたらす。例えば、いくつかの例では、カメラ視野中心は、プローブビーム／トレーサビームが入射するターゲット上の位置に対応する画像部分を含む１つまたは複数の画像に基づいて決定される。別の例では、グリッドパターンの画像を評価して、カメラおよびプローブビームによって使用される投影レンズによって導入される画像歪みを判定することができる。そのような歪みは、繋ぎ合わせされる画像に対して修正または補正することができる。

実施例２６
図２７を参照すると、共焦点レーザレーダ２７０４などのレーザレーダと共に使用するための代表的な制御および測定装置２７００は、測定コントローラ２７０６および埋め込み特徴プロセッサ２７０８を含む。これらの一方または両方は、１つまたは複数の中央処理装置、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣに、またはシステムオンチップ（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ：ＳＯＣ）として実装することができる。図示のように、測定コントローラ２７０６に通信される特徴セット２７１０には、１つまたは複数の特徴が含まれ、各特徴について、対応する走査パスの要求を特徴プロセッサ２７０８に通信する。走査パスが返され、レーザレーダ２７０４の適切な走査が実行され、レーザレーダ測定データが特徴プロセッサ２７０８に返される。満足のいく測定データを受け取ると、特徴プロセス２７０８は、測定が完了したことを測定コントローラ２７０６に通信する。同様のメッセージングが特徴セット２７１０の各特徴について実行され、１つまたは複数の他の走査経路の走査が処理されている間に、１つまたは複数の走査経路に対するデータの処理を実行することができる。特徴セット２７１０は、部品寸法、孔のサイズおよび位置、部品形状、向きなどの様々な標的特徴の仕様を含むことができる。レーザレーダ２７０４から返される走査データは、レーザ距離データおよび／または共焦点カメラで得られた画像データを含むことができる。

実施例２７
適切な撮像システム（高精細カメラなど）を含むレーザレーダでは、レーザレーダプローブビームは、ターゲットイメージから選択された特徴に基づいて関心領域に向けることができる。そのような測定では、ツーリングボールは必要とされない。さらに、ターゲット設計（ＣＡＤ画像など）は、部品評価のためにカメラ画像でオーバーレイまたは他の方法で表示することができる。評価される特徴は、カメラ画像、および特徴測定のために生成された走査経路から識別することができる。レーザレーダは、部品評価のためにこれらの走査経路で駆動することができる。上記のように、協調ロボットに配置されたミラーは、そうでなければレーザレーダの再配置なしでは不可能である測定に使用することができる。場合によっては、協調ロボットは、選択された走査経路に基づいて制御される。協調ロボットは、人間のオペレータに厳しい安全対策を必要とする空間に配置することができ、したがって測定プロセスを簡素化する。場合によっては、レーザレーダまたは他の測定装置の位置は、ＧＰＳ、ジャイロスコープ、および／または加速度計を使用して決定することができ、場合によっては、そのような追跡は、アライメントのためにツーリングボールを使用する必要性を排除することができる。

対照的に、従来のレーザレーダは、各ロボット位置に対して部品上に４つのツーリングボールを配置する必要があり、通常、１０以上のロボット位置が必要である。本明細書に開示されるようにツーリングボールなしでアライメントすることができるレーザレーダは、迅速で簡単な部品のセットアップおよび測定を可能にすることができる。上述のようにカメラを使用して、機械学習を使用して、部品が対応するＣＡＤ設計に適合するという仮定に依存することなく、特徴を検出し、誤った位置にあるように見える特徴を識別し、特徴パラメータを調整することができる。

実施例２８
図２８は、船舶、航空機、または他のシステムもしくは装置の一部の１つまたは複数の構成要素を製造し、そのような製造された構成要素を評価および再処理するのに適した代表的な製造システム２８００を示す。システム２８００は、典型的には、上述のレーザレーダシステムなどの形状またはプロファイル測定システム２８０５を含む。製造システム２８００はまた、設計システム２８１０と、成形システム２８２０と、コントローラ２８３０と、修復システム２８４０とを含む。コントローラ２８３０は、設計および／または測定された１つまたは複数の製造された構造の測定および設計座標または他の特性を記憶するように構成された座標記憶装置２８３１を含む。座標記憶装置２８３１は、一般に、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ、または他のメモリデバイスなど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２８１０、成形システム２８２０、形状測定システム２８０５、および修復システム２８４０は、ネットワークプロトコルを使用して通信バス２８１５を介して通信する。

設計システム２８１０は、製造される構造物の形状、座標、寸法、または他の特徴に対応する設計情報を作成し、作成した設計情報を成形システム２８２０に伝達するように構成される。さらに、設計システム２８１０は、設計情報を記憶のためにコントローラ２８３０の座標記憶装置２８３１に通信することができる。設計情報は、典型的には、生成される構造のいくつかまたはすべての特徴の座標を示す情報を含む。

成形システム２８２０は、設計システム２８１０によって提供された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２８２０によって提供される成形プロセスは、鋳造、鍛造、切断、または他のプロセスを含むことができる。形状測定システム２８０５は、製造された構造の一以上の特徴の座標を測定し、測定された座標を示す情報または構造形状に関連付けされた他の情報をコントローラ２８３０に通信するように構成される。

コントローラ２８３０の製造検査部２８３２は、座標記憶部２８３１から設計情報を取得し、プロファイル測定装置１００から受け取った座標やその他の形状情報等の情報と、座標記憶部２８３１から読み出した設計情報とを比較するように構成されている。製造検査部２８３２は、一般に、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、または他の物理的装置などの有形のコンピュータ可読媒体に記憶されたプロセッサおよび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、製造検査部２８３２は、一般に座標記憶装置２８３１に記憶することもできる１つまたは複数の設計公差に基づいて、製造構造が設計情報に従って成形されているか否かを判定することができる。すなわち、製造検査部２８３２は、製造された構造物の良否を判定することができる。そして、製造検査部２８３２は、構造物が設計情報にしたがって成形されていない（不良である）場合、構造物の修復が可能であるか否かを判定する。修復可能である場合、製造検査部２８３２は、製造された構造の欠陥部分を識別し、適切な座標または他の修復データを提供することができる。製造検査部２８３２は、１つまたは複数の修復命令または修復データを生成し、修復命令および修復データを修復システム２８４０に転送するように構成される。そのような修復データは、修復を必要とする場所、必要な再成形の程度、または他の修復データを含むことができる。修復システム２８４０は、修復データに基づいて製造された構造の欠陥部分を処理するように構成される。

実施例２９
図２９は、図２８に示すような製造システムを組み込むことができる代表的な製造方法２９００を示すフローチャートである。２９０２において、製造される構造体の形状に対応して設計情報が取得または作成される。２９０４において、構造体は、設計情報に基づいて製造または「成形」される。２９０６において、製造された構造の座標、寸法、または他の特徴が、製造された構造に対応する形状情報を得るために、上述のレーザレーダシステムなどのプロファイル測定システムを用いて測定される。２９０８において、製造された構造は、実際の寸法と設計寸法、座標、製造公差、または他の構造パラメータとの比較に基づいて検査される。２９１０において、製造された構造体が良品であると判定された場合、製造された部品が受け入れられ、２９１４において処理が終了する。２９１０において、例えば図１９に示すようにコントローラ１９３０の製造検査部１９３２によって製造部品が不良であると判定された場合、２９１２において、製造部品が修復可能であるかどうかを判定することができる。修復可能な場合、製造された部品は、２９１６で再処理または修復され、次いで、それぞれ２９０６、２９０８、２９１０で測定、検査、および再評価される。製造された部品が２９１２で修復不可能であると判定された場合、プロセスは２９１４で終了する。

図２９の方法によれば、プロファイル測定システムを使用して、製造された構造の座標または他の特徴を正確に測定または評価することにより、製造された構造を評価して、構造が欠陥であるか否かを判定することができる。さらに、製造された構造体が不良であると判定された場合、設計および実際の構造体の寸法および特徴に基づいて部品が修復可能であるとみなされる場合、再処理プロセスを開始することができる。測定、検査、評価工程を繰り返すことで、不良品を再処理したり、不良品であっても修復できないものを廃棄したりすることができる。図２８～図２９の特定のシステムおよび方法は例示にすぎず、他の構成を使用することができる。

上記の実施形態では、構造物製造システム２８００は、本明細書に開示されたレーザレーダおよび関連する光学系などのプロファイル測定システムと、設計システム２８１０と、成形システム２８２９と、部品が許容可能であるか否かを判定するように構成されたコントローラ２８３０（検査装置）と、修復システム２８４０とを含むことができる。しかしながら、他のシステムおよび方法を使用することができ、図２８～図２９の例は、説明を簡便にするために提供されている。

実施例３０
上記で開示したようなレーザベースの測定システム用の基準アセンブリの追加の実施形態を図３０Ａ～図３０Ｂに示す。図３０Ａを参照すると、基準アームアセンブリ３０００は、典型的には排気または不活性ガスで満たされた気密エンクロージャ３００２に結合された真空定格ファイバフィードスルー３００２～３００５を含む。ファイバフィードスルー３００２、３００３、３００４は、典型的には、ポインティングレーザ３００８、プローブレーザ３００９、および基準検出器３０１０にそれぞれ結合される。ファイバフィードスルー３００２は、トレーサビームを第１のカプラ３０１２に送る。ファイバフィードスルー３００３は、プローブビームをアイソレータ３０１４に送り、次いで、アイソレータは、プローブビームを第１のカプラ３０１２に結合する。組み合わされたプローブ／トレーサビームは、上述したような適切な走査、集束、および検出システムに送るために、第１のカプラ３０１２からファイバフィードスルー３００５に向けられ、次いでＦＣ／ＡＰＣコネクタ３０１６などの光ファイバコネクタに向けられる。第１のカプラ３０１２は、アイソレータ３０１４からのプローブビームの一部を、このビーム部分をそれぞれの経路３０２２Ａ、３０２２Ｂに沿って伝播する第１および第２の部分に分割する第２のカプラ３０２０に向ける。必要に応じて、ファイバフィードスルー３００３とアイソレータ３０１４との間にファイバ遅延長３０８０を配置して、内部構成要素（プローブレーザなど）からの反射が典型的な測定範囲外のヘテロダイン周波数を生成するようにすることができる。経路３０２２Ａ、３０２２Ｂは、典型的には、これらの経路のうちの１つに追加のファイバ長を含めることによって提供される安定した固定された経路差を有する。第３のカプラ３０２４は、経路３０２２Ａ、３０２２Ｂから第１および第２のビーム部分を受け取り、これらの部分を結合し、結合された部分をファイバフィードスルー３００４を介して基準検出器３０１０に向ける。固定経路差は、第１のビーム部分と第２のビーム部分との間のビート信号を特定の長さに関連付けることを可能にする。

エンクロージャ３００２は、典型的には、銅製であり、熱電（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ：ＴＥＣ）モジュール３０８３および制御電子機器３０８４によって温度制御される。エンクロージャ３００２の外側には、通常、エンクロージャ３００２を周囲環境から絶縁するためにエンクロージャ３００２を取り囲む絶縁体（図示せず）が設けられる。エンクロージャ３００２は、ボルトおよびＯリングによって封止された蓋を有する。エンクロージャ３００２を排気または窒素などの他のガスで満たすために、管３０８２を設けることができる。管３０８２は、エンクロージャの蓋に配置することができ、銅で作ることができる。そのような管は、一般に、エンクロージャ３００２の排出または充填後にピンチオフまたは他の方法でシールされる。銅は便利な材料であるが、他の材料を使用することもできる。場合によっては、エンクロージャは乾燥ガスで満たされる。

図３０Ｂを参照すると、デュアルプローブビームと共に使用するための基準アームアセンブリ３０４０は、典型的には排気または不活性ガスで満たされた気密エンクロージャ３０４２に結合されたファイバフィードスルー３０４３Ａ～３０４３Ｆを含む。ファイバフィードスルー３０４３Ａ、３０４３Ｂ、３０４３Ｃ、３０４３Ｄ、３０４３Ｆは、通常、それぞれ、ポインティングレーザまたはトレーシングレーザ３０４８、第１のプローブレーザ３０４９Ａ、第２のプローブレーザ３０４９Ｂ、第１の基準検出器３０５０Ａ、および第２の基準検出器３０５０Ｂに結合される。ファイバフィードスルー３０４３Ａは、トレーサビームを第１のカプラ３０５２に送り、ファイバフィードスルー３０４３Ｂ～３０４３Ｂは、プローブビームをアイソレータ３０５４Ａ～３０５４Ｂに送り、次いで、アイソレータ３０５４Ａ～３０５４Ｂは、プローブビームを第２のカプラ３０５５に結合する。組み合わされたプローブビームは、第２のカプラ３０５５から第１のカプラ３０５２に向けられ、組み合わされたプローブ／トレーサビームは、ファイバフィードスルー３０４３Ｆに向けられ、次いで、適切な走査、集束、および検出システムに送るためのＦＣ／ＡＰＣコネクタ３０５６などの光ファイバコネクタに向けられる。ファイバカプラ３０５２は、使用されない出力３０９０を含み、３０７０で後方反射を低減または排除するために終端される。

第２のカプラ３０５５は、アイソレータ３０５４Ａ、３０５４Ｂからの組み合わされたプローブビームの一部を方向付け、次いで結合ビーム部分をそれぞれの経路３０６２Ａ、３０６２Ｂに沿って伝播する第１の部分と第２の部分とに分割する第３のカプラ３０６０に向ける。必要に応じて、ファイバ遅延長３０４５Ａ、３０４５Ｂは、ファイバフィードスルー３０４３Ｂ、３０４３Ｃとアイソレータ３０５４Ａ、３０５４Ｂとの間に配置され得る。経路３０６２Ａ、３０６２Ｂは、典型的には、これらの経路のうちの一方に追加のファイバ長３０４７を含めることによって提供される安定した固定された経路差を有する。第３のカプラ３０６４は、経路３０６２Ａ、３０６２Ｂから第１および第２のビーム部分を受け取り、これらの部分を組み合わせ、組み合わせた部分をファイバフィードスルー３０４３Ｄ、３０４３Ｅを介してそれぞれの基準検出器３０５０Ａ、３０５０Ｂに向ける。固定経路差は、第１のビーム部分と第２のビーム部分との間のビート信号を特定の長さに関連付けることを可能にする。最も実用的な例では、光学フィルタ３０８０Ａ、３０８０Ｂは、基準検出器３０５０Ａが第１のプローブレーザ３０４９Ａによって提供される第１の波長のビーム部分のみを受け取り、基準検出器３０５０Ｂが第２のプローブレーザ３０４９Ｂによって提供される第２の波長のビーム部分のみを受け取るように配置される。例えば、第１および第２の波長は、約１５５０ｎｍおよび１５６０ｎｍであり得る。ファイバ遅延長３０４５Ａ、３０４５Ｂは、ファイバフィードスルー３０４３Ｂ、３０４３Ｃとアイソレータ３０５４Ａ、３０５４Ｂとの間に配置されてもよく、その結果、内部構成要素からの反射は、典型的な測定範囲外となり得るヘテロダイン周波数を生成する。波長分離のために、第３のカプラ３０６４および光フィルタ３０８０Ａ、３０８０Ｂの代わりに、波長分波カプラを用いてもよい。

図３０Ａ～図３０Ｂの例では、プローブビームに使用される光ファイバは、通常、偏光保持シングルモード（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ：ＰＲＳＭ）ファイバであり、トレーサビームの場合、ＰＲＳＭファイバは通常使用されない。ヘテロダイン周波数を確立するために使用される長さの差は、一般に１ｍ～２００ｍ、典型的には５、１０、１５、２０、２５、または５０ｍの長さのファイバを使用する。

実施例３１
図３１を参照し、共焦点撮像を伴う代表的なレーザレーダシステム３１００は、軸３１０１に沿って、第１のレンズ３１０６に、次いで波長板３１０８に、プローブビームおよびトレーサビームを向けるビームスプリッタ３１０４を含み、波長板は上述のように反射によって局部発振器（ＬＯ）ビームを生成するために使用することができる。ＬＯビームは他の方法でも生成することができ、波長板３１０８からの反射は好都合な例にすぎない。次いで、プローブ／トレーサビームは、キューブビームスプリッタ３１１０（または上述のプレートビームスプリッタもしくは二重反射ビームスプリッタ）などのビームスプリッタを介して、固定レンズ部分３１１６および可動（集束）レンズ部分３１１４を含む対物レンズ３１１２に向けられる。ビームスキャナ３１２０は、集束されたプローブ／トレーサビームを受け取り、ビームをターゲットに向ける。イメージセンサ３１２２は、レーザレーダが共焦点撮像を提供するように軸３１０１上に配置されている。フォーカスコントローラ３１２４は、イメージセンサ３１２２に結合され、移動ステージまたは他の移動機構３１２６を用いて可動レンズ３１１４を調整することによってターゲットからの画像のオートフォーカスを提供する。プローブビームの戻り部分は、ビームスプリッタ３１０４に向けられ、次いで検出器３１２８に向けられる。検出器３１２８で生成されたヘテロダインまたは他の信号は、ターゲット表面の特性評価を可能にする。

フォーカスコントローラおよび移動機構３１２６によるオートフォーカスは、プローブビームが様々なターゲット領域を走査するときにプローブビームのフォーカスを維持することを可能にする。従来のシステムでは、ターゲットにプローブビームの焦点を確立することは時間がかかる可能性がある。共焦点イメージセンサを使用すると、イメージセンサ３１２２で生成されたターゲットイメージを使用して迅速な焦点調整が可能になる。したがって、焦点を確立および調整することができ、イメージセンサ３１２２およびフォーカスコントローラ３１２４を使用して、プローブビームを視野の任意の選択部分に向けることができる。画像をつなぎ合わせてターゲットのパノラマ画像を提供するための、特徴を識別する処理のために、非一時的なコンピュータ可読メモリまたはネットワーク接続３１３０がイメージセンサ３１２から画像を受け取る。

実施例３２
図３２は、基板またはターゲットに固定されたツーリングボールを追跡する（またはターゲット特徴を追跡する）代表的な方法を示す図である。１つまたは複数のツーリングボールをターゲットに固定して、座標決定のための基準点を提供することができる。ツーリングボールは、一般に、レーザレーダなどのレーザベースの測定装置において探索ビームの十分な反射を提供するために、反射ボール形状の表面を含む。

図３２に示すように、３２０２において、走査された探索光ビームの戻り部分に基づいて、ツーリングボールの位置が特定され、記録される。光ビームは、ツーリングボールを追跡するために、円、螺旋、ｗ形、またはジグザグなどの様々なパターンで走査することができる。３２０４において、特定された位置が評価されて、一次走査に対する位置を決定する。一次走査は、３２０６において、ツーリングボールの位置が一次走査に対して好ましい位置にあるように調整される。典型的には、一次走査は、ツーリング位置が一次走査範囲内のほぼ中心になるように調整される。３２０８において、追加の走査に関する判定が行われる。

実施例３３
図３３および以下の説明は、上記の方法のいずれかを含む、開示された技術が実装され得る例示的なコンピューティング環境の簡潔で一般的な説明を提供することを意図している。必須ではないが、開示された技術は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）によって実行されるプログラムモジュールなどのコンピュータ実行可能命令の一般的な文脈で説明される。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実行する、または特定の抽象データ型を実装する、ルーチン、プログラム、オブジェクト、構成要素、データ構造などを含む。さらに、開示された技術は、ハンドヘルドデバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースまたはプログラム可能な家庭用電化製品、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータなどを含む他のコンピュータシステム構成で実施されてもよい。開示された技術はまた、通信ネットワークを介してリンクされた遠隔処理装置によってタスクが実行される分散コンピューティング環境で実施されてもよい。分散コンピューティング環境では、プログラムモジュールは、ローカルおよび遠隔メモリ記憶装置の両方に配置されてもよい。

図３３を参照すると、開示された技術を実装するための例示的なシステムは、例示的な従来のＰＣ３３００の形態の汎用コンピューティングデバイスを含み、これは、１つまたは複数の処理ユニット３３０２と、システムメモリ３３０４と、システムメモリ３３０４を含む様々なシステム構成要素を１つまたは複数の処理ユニット３３０２に結合するシステムバス３３０６とを含む。システムバス３３０６は、メモリバスまたはメモリコントローラ、周辺バス、および様々なバスアーキテクチャのいずれかを使用するローカルバスを含むいくつかのタイプのバス構造のいずれかであってもよい。例示的なシステムメモリ３３０４は、読み出し専用メモリ（ｒｅａｄ ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ：ＲＯＭ）３３０８およびランダムアクセスメモリ（ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ：ＲＡＭ）３３１０を含む。ＰＣ３３００内の要素間の情報の転送を助ける基本ルーチンを含む基本入出力システム（ｂａｓｉｃ ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ ｓｙｓｔｅｍ：ＢＩＯＳ）３３１２は、ＲＯＭ３３０８に記憶されている。メモリ３３０４はまた、形状識別および処理、レーザレーダおよびＣＯＢＯＴ制御および通信、ならびに設計データの取得のそれぞれのためのコンピュータ実行可能命令およびデータを含む部分３３７１～３３７３を含む。

例示的なＰＣ３３００は、ハードディスクからの読み出しおよびハードディスクへの書き込みのためのハードディスクドライブ、リムーバブル磁気ディスクからの読み出しまたはリムーバブル磁気ディスクへの書き込みのための磁気ディスクドライブ、およびリムーバブル光ディスク（ＣＤ－ＲＯＭまたは他の光学媒体など）からの読み出しまたはリムーバブル光ディスクへの書き込みのための光ディスクドライブなどの、１つまたは複数の記憶装置３３３０をさらに含む。そのような記憶装置は、それぞれ、ハードディスクドライブインターフェース、磁気ディスクドライブインターフェース、および光学ドライブインターフェースによってシステムバス３３０６に接続することができる。ドライブおよびそれらの関連するコンピュータ可読媒体は、ＰＣ３３００のためのコンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、および他のデータの不揮発性記憶を提供する。磁気カセット、フラッシュメモリカード、デジタルビデオディスク、ＣＤ、ＤＶＤ、ＲＡＭ、ＲＯＭなど、ＰＣによってアクセス可能なデータを格納することができる他のタイプのコンピュータ可読媒体も、例示的な動作環境で使用することができる。

複数のプログラムモジュールは、オペレーティングシステム、１つまたは複数のアプリケーションプログラム、他のプログラムモジュール、およびプログラムデータを含む記憶装置３３３０に記憶することができる。ユーザは、キーボードおよびマウスなどのポインティングデバイスなどの１つまたは複数の入力デバイス３３４０を介して、ＰＣ３３００にコマンドおよび情報を入力することができる。他の入力装置は、デジタルカメラ、マイクロフォン、ジョイスティック、ゲームパッド、サテライトディッシュ、スキャナなどを含むことができる。これらおよび他の入力装置は、システムバス３３０６に結合されたシリアルポートインターフェースを介して１つまたは複数の処理ユニット３３０２に接続されることが多いが、パラレルポート、ゲームポート、またはユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）などの他のインターフェースによって接続されてもよい。モニタ３３４６または他の種類の表示装置も、ビデオアダプタなどのインターフェースを介してシステムバス３３０６に接続される。スピーカおよびプリンタ（図示せず）などの他の周辺出力デバイスが含まれてもよい。

ＰＣ３３００は、遠隔コンピュータ３３６０などの１つまたは複数の遠隔コンピュータへの論理接続を使用してネットワーク環境で動作することができる。いくつかの例では、１つまたは複数のネットワークまたは通信接続３３５０が含まれる。遠隔コンピュータ３３６０は、別のＰＣ、サーバ、ルータ、ネットワークＰＣ、またはピアデバイスもしくは他の共通ネットワークノードであってもよく、典型的には、ＰＣ３３００に関して上述した要素の多くまたはすべてを含むが、図３３にはメモリ記憶装置３３６２のみが示されている。パーソナルコンピュータ３３００および／または遠隔コンピュータ３３６０は、論理的なローカルエリアネットワーク（ｌｏｃａｌ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ：ＬＡＮ）およびワイドエリアネットワーク（ｗｉｄｅ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ：ＷＡＮ）に接続することができる。そのようなネットワーキング環境は、オフィス、企業規模のコンピュータネットワーク、イントラネット、およびインターネットにおいて一般的である。

ＰＣ３３００は、ＬＡＮネットワーキング環境で使用される場合、ネットワークインターフェースを介してＬＡＮに接続される。ＷＡＮネットワーキング環境で使用される場合、ＰＣ３３００は、典型的には、インターネットなどのＷＡＮを介した通信を確立するためのモデムまたは他の手段を含む。ネットワーク化された環境では、パーソナルコンピュータ３３００またはその一部に関して示されたプログラムモジュールは、遠隔メモリ記憶装置またはＬＡＮもしくはＷＡＮ上の他の場所に記憶することができる。図示のネットワーク接続は例示的なものであり、コンピュータ間の通信リンクを確立する他の手段が使用されてもよい。

開示された技術の原理が適用され得る多くの可能な実施形態を考慮して、図示された実施形態は好ましい例にすぎず、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことを認識されたい。

Claims (92)

1. 軸に沿って伝播するプローブビームを受光するように配置されたビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタからプローブビームを受光し、前記軸に沿って前記プローブビームをターゲットに向けるように前記軸上に配置されているとともに、少なくとも１つの光学素子を含む、対物レンズと、
   前記ビームスプリッタに光学的に結合され、前記ビームスプリッタを介して前記ターゲットからイメージングビームを受け取るように前記軸上に配置されたイメージセンサと、を備え、
   前記少なくとも１つの光学素子が、前記イメージセンサでターゲットイメージを形成し前記プローブビームを前記ターゲットに集束させるように、可動できる、
   装置。
2. 前記プローブビームとトレーサビームとを前記軸に沿って前記ビームスプリッタに向けるように配置された光ファイバをさらに備え、
   前記ビームスプリッタは、ダイクロイックビームスプリッタであり、
   前記対物レンズは、固定レンズと前記少なくとも１つの可動光学素子とを含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記イメージセンサにおいて前記ターゲットイメージを集束させ、前記ターゲットにおいて前記プローブビームを集束させるように前記少なくとも１つの可動光学素子に結合されたオートフォーカス機構をさらに備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記プローブビームは、前記少なくとも１つの可動光学素子によって、前記イメージセンサの視野の中心近傍に集束される、請求項１に記載の装置。
5. 前記可動光学素子に結合され、前記プローブビームおよび前記イメージングビームの集束を調整するように構成されたフォーカスコントローラをさらに備える、請求項１に記載の装置。
6. 前記プローブビームを前記ターゲットに向け、前記イメージングビームを前記イメージセンサに向けるように配置されたビームスキャナをさらに備える、請求項５に記載の装置。
7. 前記ターゲットの選択された部分が、前記イメージセンサのセンサ表面の所定の位置において前記イメージセンサで撮像されるように、前記イメージセンサと前記ビームスキャナとに結合されたイメージプロセッサをさらに備える、請求項６に記載の装置。
8. 前記所定の位置は、前記イメージセンサの前記センサ表面の中心位置である、請求項７に記載の装置。
9. 前記イメージセンサによって生成されたターゲットイメージに基づいて前記プローブビームが前記ターゲットの選択された部分に向けられるように、前記イメージセンサと前記ビームスキャナとに結合されたイメージプロセッサをさらに備える、請求項６に記載の装置。
10. 前記プローブビームを前記対物レンズに向けるように配置されたプローブビームレンズをさらに備え、
    前記プローブビームレンズは、前記プローブビームが前記ターゲットに集束され、前記イメージングビームが前記イメージセンサに集束されるように配置されている、請求項１に記載の装置。
11. 前記プローブビームを前記ビームスプリッタに向けるように配置されたファイバ端を有する光ファイバをさらに備え、
    前記イメージセンサおよび前記光ファイバ端は、前記イメージングビームと関連付けされた１つまたは複数の波長で光学的に共役である、請求項１に記載の装置。
12. レーザレーダプローブビームを、前記レーザレーダプローブビームをターゲットに集束させるように配置された対物レンズへ、軸に沿って向かわせるステップと、
    前記ターゲットからのイメージングビームを、前記対物レンズおよびイメージセンサへ、前記軸に沿って向かわせるステップと、を備え、
    前記イメージセンサは、前記イメージセンサにおいて前記対物レンズが前記ターゲットの少なくとも一部の画像を生成するように配置されている、
    方法。
13. 前記イメージセンサにおいて形成された前記ターゲットの画像のコントラストに基づいて、前記レーザレーダプローブビームを前記ターゲットに集束させるステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記イメージセンサにおいて形成された前記ターゲットの画像に基づいて、前記ターゲットにおける前記プローブビームの集束を調整するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記プローブビームの前記戻り部分に基づいて前記ターゲットまでの距離を推定するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
16. 前記ターゲットまでの前記推定された距離と前記ターゲットの前記画像とに基づいて、ターゲット特徴の寸法を推定するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
17. イメージプロセッサを用いて、前記画像内で前記ターゲットの指定された部分を見つけてセンタリングし、前記プローブビームを前記ターゲットの前記指定された部分に向かわせるステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
18. 前記イメージセンサに結合されたプロセッサを用いて、ターゲット距離に基づいて決定された角度を使用して少なくとも１つのターゲット寸法を測定する、請求項１２に記載の方法。
19. 前記ターゲットイメージ内のターゲット特徴サイズと前記ターゲットまでの距離とに基づいて少なくとも１つのターゲット寸法を推定するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
20. 前記ターゲットの前記少なくとも一部の前記画像に基づいて、移動するターゲットを追跡するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
21. 前記イメージセンサで取得された前記ターゲットの複数の画像と、前記プローブビームの戻り部分に基づいて決定される関連付けされた前記ターゲットまでの距離とを取得することによって、前記ターゲットのセグメント化された画像を形成するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
22. 前記セグメント化された画像に基づいて前記ターゲットの三次元モデルを生成するステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記パノラマ画像に基づいて前記ターゲット内で少なくとも１つの選択されたターゲット領域を配置するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
24. ダイクロイックビームスプリッタと、
    前記ダイクロイックビームスプリッタにプローブビームとトレーサビームとを軸に沿って向けるように配置された光ファイバと、
    前記軸上に配置され、固定レンズ、および、前記ダイクロイックビームスプリッタから前記プローブビームを受光し、前記プローブビームを前記軸に沿ってターゲットに向けるように配置された可動レンズを含む、対物レンズと、
    前記ダイクロイックビームスプリッタに光学的に結合され、前記ダイクロイックビームスプリッタを介して前記ターゲットからイメージングビームを受光するように前記軸上に配置されたイメージセンサと、を備え、
    前記可動レンズは、前記イメージセンサでターゲットイメージを形成し前記プローブビームを前記ターゲットに集束させるように、移動可能である、イメージセンサと
    装置。
25. 前記ダイクロイックビームスプリッタは、前記ダイクロイックビームスプリッタを介して前記プローブビームが前記可動レンズに透過され、前記ダイクロイックビームスプリッタによって前記イメージングビームが前記イメージセンサに反射されるように配置されている、請求項２４に記載の装置。
26. 前記対物レンズは、前記ダイクロイックビームスプリッタからトレーサビームを受光し、前記プローブビームと前記トレーサビームとを前記ターゲットに向けるように配置されており、
    前記プローブビームは１２００ｎｍ～１８００ｎｍの波長を有し、前記トレーサビームは４００ｎｍ～７００ｎｍの波長を有する、請求項２４または２５に記載の装置。
27. 前記ダイクロイックビームスプリッタは、前記ダイクロイックビームスプリッタによって前記プローブビームが前記可動レンズに反射され、前記ダイクロイックビームスプリッタによって前記イメージングビームが前記イメージセンサに透過されるように配置されている、請求項２４から２６のいずれか一項に記載の装置。
28. 前記ダイクロイックビームスプリッタは、キューブダイクロイックビームスプリッタ、プレートダイクロイックビームスプリッタ、または二重反射ダイクロイックビームスプリッタである、請求項２４から２７のいずれか一項に記載の装置。
29. 前記ダイクロイックビームスプリッタは、前記可動レンズに面する第１の表面と、前記イメージングビームを前記イメージセンサに向け、前記ターゲットから戻される前記プローブビームの前記一部を前記光ファイバに向けるように配置されたダイクロイック反射面と、を含む二重反射ダイクロイックビームスプリッタである、請求項２４から２８のいずれか一項に記載の装置。
30. 前記ダイクロイックビームスプリッタは、前記可動レンズに面する第１の表面と、前記イメージングビームが前記第１の表面によって前記イメージセンサに反射されるように前記イメージングビームを前記第１の表面に向けるように配置されたダイクロイック反射面とを含む二重反射ダイクロイックビームスプリッタであり、
    前記ターゲットから前記光ファイバに戻される前記プローブビームの前記一部は、前記反射面によって前記光ファイバに送られる、請求項２４から２９のいずれか一項に記載の装置。
31. 前記ダイクロイックビームスプリッタは、前記可動レンズに面する第１の表面と、前記ターゲットから戻された前記プローブビームの前記一部を前記第１の表面に向けるように配置されたダイクロイック反射面とを含む二重反射ダイクロイックビームスプリッタであり、
    前記イメージングビームは、前記ダイクロイック反射面によって前記イメージセンサに送られる、請求項２４から３０のいずれか一項に記載の装置。
32. 前記第１の表面は、前記ダイクロイック反射面から受光した前記イメージングビームに対する臨界角よりも大きい角度に配置されている、請求項２４から３１のいずれか一項に記載の装置。
33. 前記二重反射ダイクロイックビームスプリッタは、出力面を含み、前記出力面は、前記ターゲットから戻され、前記ダイクロイック反射面によって前記第１の表面に反射された前記プローブビームの前記一部が、反射されて前記出力面に通常入射するように配置される、請求項２４から３２のいずれか一項に記載の装置。
34. 前記二重反射ダイクロイックビームスプリッタは、出力面を含み、前記出力面は、前記ターゲットから戻され、前記ダイクロイック反射面によって前記第１の表面に反射された前記イメージングビームが、反射されて前記出力面に通常入射するように配置される、請求項２４から３３のいずれか一項に記載の装置。
35. 前記二重反射ダイクロイックビームスプリッタは、前記第１の表面と前記ダイクロイック反射面との間に頂角を有する第１のプリズムを含み、
    前記頂角は、ｓｉｎ^－１（１／ｎ）より大きく、ｎは前記プリズムの屈折率である、請求項２４から３４のいずれか一項に記載の装置。
36. 前記二重反射ダイクロイックビームスプリッタの前記ダイクロイック反射面は、前記第１のプリズムの表面上に規定されている、請求項２４から３５のいずれか一項に記載の装置。
37. 前記二重反射プリズムが、それぞれの合わせ面で互いに固定された第１のプリズムおよび第２のプリズムを含み、前記ダイクロイック反射面が前記合わせ面に配置されている、請求項２４から３６のいずれか一項に記載の装置。
38. 前記ダイクロイック反射面は、前記合わせ面のうちの少なくとも１つに規定されている、請求項２４から３７のいずれか一項に記載の装置。
39. 前記ダイクロイックビームスプリッタは、ダイクロイックプレートおよび平面反射器を含み、前記ダイクロイックプレートは、前記ターゲットから戻された前記プローブビームの前記一部を前記平面反射器に向かわせ、前記イメージングビームを前記イメージセンサに送るように配置されている、請求項２４から３８のいずれか一項に記載の装置。
40. 前記ダイクロイックビームスプリッタは、ダイクロイックプレートおよび平面反射器を含み、前記ダイクロイックプレートは、前記イメージングビームを前記平面反射器に反射し、前記ターゲットから戻された前記プローブビームの前記一部を送るように配置されている、請求項２４から３９のいずれか一項に記載の装置。
41. 前記光ファイバは、偏光保持シングルモード（ＰＲＳＭ）光ファイバであり、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）をさらに備え、前記ＰＢＳは、前記ＰＲＳＭ光ファイバからの前記プローブビームが、前記ＰＢＳによって前記ダイクロイックビームスプリッタに実質的に送られる偏光状態で、受光されるように配置されている、請求項２４から４０のいずれか一項に記載の装置。
42. 前記偏光状態は、直線偏光状態である、請求項２４から４１のいずれか一項に記載の装置。
43. 前記プローブビームに円偏光状態を生成し、前記プローブビームの一部を前記光ファイバに向けて反射して局部発振器ビームを生成するために、前記ＰＢＳと前記ダイクロイックビームスプリッタとの間に配置された波長板をさらに備える、請求項２４から４２のいずれか一項に記載の装置。
44. 前記波長板は、前記ＰＢＳから前記プローブビームを受光するように配置された入力面と、前記波長板の前記入力面から前記プローブビームを受光するように配置された出力面とを有し、
    前記入力面または前記出力面の一方は、反射防止コーティングされており、前記入力面および前記出力面の他方は、前記局部発振器ビームとして前記プローブビームの一部を反射する、請求項２４から４３のいずれか一項に記載の装置。
45. 前記光ファイバから前記測定ビームを受け取るように配置された混合レンズと、前記混合レンズの軸方向部分の前記軸に沿って配置されたダイクロイックフィルタとをさらに備え、
    前記ダイクロイックフィルタは、前記測定ビームを透過し、前記トレーサビームを透過しない、請求項２４から４４のいずれか一項に記載の装置。
46. 前記混合レンズの軸方向部分の前記軸に沿って配置されたダイクロイック反射器をさらに備え、
    前記ダイクロイックフィルタは、前記測定ビームを透過し、前記トレーサビームを反射するダイクロイック反射器である、請求項２４から４５のいずれか一項に記載の装置。
47. 前記ダイクロイックフィルタが、前記トレーサビームを実質的に透過しない波長依存偏光子である、請求項２４から４６のいずれか一項に記載の装置。
48. 前記混合レンズの軸方向部分の前記軸に沿って配置されたダイクロイック反射器をさらに備え、
    前記ダイクロイック反射器は、前記測定ビームを透過し、前記トレーサビームを反射し、
    前記ダイクロイック反射器の寸法は、前記イメージセンサの対応する寸法に基づく、請求項２４から４７のいずれか一項に記載の装置。
49. 前記測定ビームを受光し、前記測定ビームを集束させるように配置された混合レンズと、
    前記混合レンズの軸方向部分の前記軸に沿って配置され、前記測定ビームを透過し、前記トレーサビームを反射するダイクロイック反射器、とを備え、
    前記ダイクロイック反射器の寸法は、前記イメージセンサの対応する寸法に基づく、請求項２４から８のいずれか一項に記載の装置。
50. 前記ダイクロイック反射器の寸法は、前記イメージセンサの対応する寸法と、前記混合レンズ焦点から前記ダイクロイック反射器までの前記軸に沿った光学距離と前記混合レンズ焦点から前記イメージセンサまでの光学距離との比との積の少なくとも０．５、０．７５、１．０、または１．５倍である、請求項２４から４９のいずれか一項に記載の装置。
51. 前記ダイクロイックフィルタは、前記可動レンズのレンズ面に配置されている、請求項２４から５０のいずれか一項に記載の装置。
52. 光ファイバと、
    前記光ファイバから測定ビームを受光し、測定ビーム焦点を生成するように配置された撮像レンズと、
    前記測定ビームの一部を反射して前記局部発振器ビームとして前記光ファイバ内に戻すための、前記測定ビーム焦点に近接して配置された表面を有する光学素子と、
    前記光学素子から前記測定ビームを受光し、前記測定ビームの一部をプローブビームとしてターゲットに向かわせ、前記ターゲットから戻された前記プローブビームの一部を前記光学素子および前記撮像レンズを介して前記光ファイバに向かわせて信号ビームを形成するように配置された対物レンズと
    を備える、装置。
53. 前記光学素子は波長板である、請求項５２に記載の装置。
54. 前記波長板は、前記撮像レンズから前記測定ビームを受光する入射面と、前記入射レンズの反対側の出射面とを有し、
    前記出射面は、前記測定ビームの前記一部を反射するために前記測定ビーム焦点に近接して配置されている、請求項５２または５３に記載の装置。
55. 前記波長板は、前記撮像レンズから前記測定ビームを受光する入射面と、前記入射面の反対側の出射面とを有し、
    前記入射面は、前記測定ビームの前記一部を反射するために前記測定ビーム焦点に近接して配置されている、請求項５２から５４のいずれか一項に記載の装置。
56. 前記波長板の前記入射面および前記出射面の一方は、前記撮像レンズから前記測定ビームを受光するように配置された反射防止コーティングを含み、前記入射面および前記出射面の他方は、前記撮像レンズから前記集束された測定ビームを受光するように配置されたコーティングされていない部分を有する、請求項５２から５５のいずれか一項に記載の装置。
57. 前記測定ビームを前記波長板に結合するように配置された偏光ビームスプリッタをさらに備える、請求項５２から５６のいずれか一項に記載の装置。
58. 前記撮像レンズから前記測定ビームを受光し、前記測定ビームを前記波長板に結合するように配置された偏光ビームスプリッタをさらに備える、請求項５２から５７のいずれか一項に記載の装置。
59. 前記測定ビーム焦点に近接して配置された前記表面を有する前記光学素子は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）である、請求項５２から５８のいずれか一項に記載の装置。
60. 前記ＰＢＳは、前記対物レンズに面する出射面を有し、前記ＰＢＳの前記出射面は、前記測定ビームの前記一部を反射して前記局部発振器ビームとして前記光ファイバに戻すために、前記測定ビーム焦点に配置されている、請求項５２から５９のいずれか一項に記載の装置。
61. 前記光学素子は、偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）に固定された波長板とを含む、請求項５２から６０のいずれか一項に記載の装置。
62. 前記ＰＢＳは、前記光ファイバから前記測定ビームを受光するように結合された入射面を有し、前記波長板は、前記ＰＢＳからの前記測定ビームを前記対物レンズに結合し、前記測定ビームの前記一部を反射して前記局部発振器ビームとして前記光ファイバに戻すように配置された出射面を含む、請求項５２から６１のいずれか一項に記載の装置。
63. 前記ＰＢＳは、前記測定ビームのプローブビーム部分を前記波長板に反射するように配置されている、請求項５２から６２のいずれか一項に記載の装置。
64. 前記光ファイバに結合され、前記プローブビームおよび前記局部発振器ビームを受光し、ヘテロダイン電気信号を生成するように配置された光検出器と、
    前記ヘテロダイン電気信号に基づいてターゲット距離推定値を提供する検出システムと
    をさらに備える、請求項５２から６３のいずれか一項に記載の装置。
65. それぞれ第１および第２の波長で第１および第２の測定ビームを生成する第１および第２の測定ビーム源と、
    前記第１および第２の測定ビームを受光し、前記第１および第２の測定ビームを結合して結合測定ビームを形成するビームコンバイナと、をさらに備え、
    前記光ファイバは前記結合測定ビームを前記撮像レンズに向け、前記光学素子は前記結合測定ビームの一部を反射して第１および第２の局部発振器ビームとして前記光ファイバに向けて戻す、
    請求項５２から６４のいずれか一項に記載の装置。
66. 第１および第２のヘテロダイン電気信号を生成するように、ターゲットから戻された前記プローブビームの一部ならびに前記第１および第２の局部発振器ビームを受光するために前記光ファイバまたは偏光ビームスプリッタに結合された第１および第２の光検出器と、
    前記第１および第２のヘテロダイン電気信号に基づいてターゲット距離推定値を提供する検出システムと
    をさらに備える、請求項５２から６５のいずれか一項に記載の装置。
67. 前記混合レンズは、前記光ファイバから測定ビームおよびトレーサビームを受光し、前記対物レンズの軸上に配置されたダイクロイックフィルタをさらに備え、
    前記ダイクロイックフィルタは、前記トレーサビームに対して非透過性である、請求項５２から６６のいずれか一項に記載の装置。
68. 関連付けされたビーム開口数を有するトレーサビームをビームスプリッタに向かわせるステップと、
    前記ビームスプリッタが前記測定ビームと部分的に覆い隠されたトレーサビームとを受光するように、前記トレーサビーム開口数の一部をブロックするステップと、
    前記部分的に覆い隠されたトレーサビームを、対物レンズを用いて前記ビームスプリッタからターゲットに向かわせるステップと、
    前記ビームスプリッタでイメージングビームを受光し、前記ビームスプリッタで前記イメージングビームを撮像検出器に向かわせるステップとを含み、
    前記トレーサビームの覆い隠された部分が前記撮像検出器に対応する、
    方法。
69. 光ファイバからの測定ビームを測定ビーム焦点に集束させるステップと、
    局部発振器ビームを生成するために前記測定ビームの一部を前記光ファイバに向けて反射させるステップと
    を含む、方法。
70. 前記測定ビームは、ビームスプリッタを介して、前記測定ビームの前記一部を前記光ファイバに反射する表面を有する光学素子に集束される、請求項６９に記載の方法。
71. 前記光学素子は波長板であり、前記反射面は前記波長板の表面である、請求項６９または７０に記載の方法。
72. 前記光学素子は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、前記反射面は前記ＰＢＳの表面である、請求項６９から７１のいずれか一項に記載の方法。
73. プローブビームを軸に沿ってターゲットに向かわせ、少なくとも１つのターゲット寸法の推定値を生成するように配置され、前記プローブビーム軸を走査するように結合されたプローブビームスキャナを備える、レーザレーダと、
    前記ターゲットの画像を生成するために前記軸に沿って光学的に配置された撮像部と、を備え、
    前記プローブビームスキャナは、ターゲットイメージ内で識別された少なくとも１つの特徴に基づいて前記プローブビームをターゲット位置に向けるように、前記撮像部に結合されている、
    装置。
74. 前記撮像部はイメージセンサであり、前記ターゲットイメージ内の前記少なくとも１つの特徴を識別するイメージプロセッサをさらに備える、請求項７３に記載の装置。
75. 前記少なくとも１つの特徴は設計特徴であり、前記ターゲット位置は前記設計特徴と関連付けられている、請求項７３または７４に記載の装置。
76. 前記少なくとも１つの特徴は、ツーリングボールまたは眼球球であり、前記ターゲット位置は、前記ツーリングボールまたは眼球球の前記位置に基づいて判定される、請求項７３から７５のいずれか一項に記載の装置。
77. 前記ターゲット位置が、前記眼球球の前記位置に基づいて判定される、請求項７３から７６のいずれか一項に記載の装置。
78. プローブビームを軸に沿ってターゲットに向けるように配置され、前記プローブビーム軸を走査するように結合されたプローブビームスキャナを備えるレーザレーダと、
    前記ターゲットの画像を生成するために前記軸に沿って光学的に配置されたイメージセンサ、および前記イメージセンサにおいて前記ターゲットイメージの焦点を調整するために対物レンズに結合されたフォーカス機構を備える撮像システムと、
    前記ターゲットの前記画像と前記ターゲットまでの距離の推定値とに基づいて少なくとも１つのターゲット寸法の推定値を生成するために前記撮像システムに結合されたイメージプロセッサと、
    を備える装置。
79. 前記レーザレーダは、前記ターゲットまでの前記距離の前記推定値を生成するように構成されている、請求項７８に記載の装置。
80. 前記ターゲットまでの前記距離の前記推定値は、前記フォーカス機構の調整に基づく、請求項７８または７９に記載の装置。
81. 前記フォーカス機構はオートフォーカス機構である、請求項７８から８０のいずれか一項に記載の装置。
82. 前記撮像部はイメージセンサであり、前記ターゲットイメージ内の前記少なくとも１つの特徴を識別するイメージプロセッサをさらに備える、請求項７８から８１のいずれか一項に記載の装置。
83. 前記少なくとも１つの特徴は設計特徴であり、前記ターゲット位置は前記設計特徴と関連付けられている、請求項７８から８２のいずれか一項に記載の装置。
84. 前記少なくとも１つの特徴は、ツーリングボールまたは眼球球であり、前記ターゲット位置は、前記ツーリングボールまたは眼球球の前記位置に基づいて判定される、請求項７８から８３のいずれか一項に記載の装置。
85. 前記ターゲット位置が、前記眼球球の前記位置に基づいて判定される、請求項７８から８４のいずれか一項に記載の装置。
86. 前記撮像システムは、複数の画像部分を生成するように構成され、前記イメージプロセッサは、前記複数の画像部分を共通の画像に繋ぎ合わせするように構成されている、請求項７８から８５のいずれか一項に記載の装置。
87. 前記イメージプロセッサは、少なくとも１つの画像部分の歪みを少なくとも部分的に補正するように構成されている、請求項７８から８６のいずれか一項に記載の装置。
88. 前記イメージプロセッサは、テストグリッド画像に基づいて少なくとも１つの画像部分の歪みを少なくとも部分的に補正するように構成されている、請求項７８から８７のいずれか一項に記載の装置。
89. 走査可能なレーザプローブビームを提供するレーザレーダと、
    移動可能なミラーを含む遠隔ミラーシステムと、を備え、
    前記レーザレーダは、ターゲットへ反射されて前記ターゲットの少なくとも１つの特徴を測定するために、前記走査可能なレーザプローブビームを前記遠隔ミラーシステムの前記移動可能なミラーに向かわせるように構成されている、
    測定装置。
90. 前記レーザレーダは、前記走査可能なレーザプローブビームを前記遠隔ミラーシステムに向け、前記遠隔ミラーシステムの位置を判定するように配置されており、
    前記遠隔ミラーシステムの位置および前記ターゲットから前記レーザレーダに戻された前記プローブビームの一部に基づいて前記ターゲットの前記少なくとも１つの特徴が測定される、請求項８９に記載の測定装置。
91. 前記遠隔ミラーシステムは、少なくとも１つのツーリングボールまたは眼球球を含み、
    前記レーザレーダは、前記走査可能なレーザプローブビームを前記少なくとも１つのツーリングボールまたは眼球球に向けることで前記遠隔ミラーシステムの前記位置を判定するように配置されている、請求項８９または９０に記載の測定装置。
92. 前記レーザレーダは、前記走査可能なレーザプローブビームが前記ターゲットの前記少なくとも１つの特徴に向けられるように前記移動可能なミラーの調整を開始するために前記遠隔ミラーシステムに結合されている、請求項９０または９１に記載の測定装置。

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