光纤阵列接收光学系统的优化设计方案

光纤阵列接收光学系统主要包括非球面透镜、光纤阵列、APDs 探测器。该系统的工作原理是：首先，通过非球面透镜将回波信号会聚到5×5 光纤阵列端面，然后，通过光纤阵列分别耦合进入相应的APDs。利用这种设计，使各单元接收到光信号，并保证光纤阵列耦合的APDs 各个单元接收视场与目标点一一对应。下面将给出光纤阵列接收光学系统的具体设计。

1. 确定光纤的间距

首先根据需要设计5×5 光纤阵列，为了保证每个APD 单元的接收视场与探测目标一一对应，并减少通道之间的串扰，光纤间隙和光纤纤芯直径应满足以下条件：

为了提高接收回波的功率，采用Thorlabs 厂家提供的大芯径的能量光纤。选定的光纤芯径d core为400μm，包层为440μm，光纤的数值孔径值NAfiber为0.22。由式(4-8)可知d gap≥200μm。考虑到生产工艺和成本，我们选择光纤间隙为600μm，也就是说光纤的中心间距d pitch为1.0mm。

2. 确定非球面接收透镜的焦距

为了很好地利用发射光能量并确保接收视场与发散角一一对应，接收光学系统的接收视场θ接收应该与发散角θ发射一致。为此，我们设计接收光学系统的接收视场角为25mrad×25mrad，可以计算得到单个通道(包含光纤间隙)对应的接收视场角为：

另一方面，单个通道对应的接收视场可以由下式计算得到：

式中，d pitch是光纤阵列的中心间距；fr是接收透镜的焦距。我们可以计算得到：。实际上，我们选择焦距长为211mm 的接收透镜。(www.xing528.com)

3. 确定非球面接收透镜的口径

在计算完非球面透镜焦距后，下面计算透镜的接收口径。因为需要利用非球面透镜聚焦激光回波并耦合进入光纤，因此要求非球面透镜的数值孔径NAlens小于或者等于光纤的数值孔径NAfiber，则有：

由于光纤的数值孔径值NAfiber为0.22，结合上一步计算得到的非球面透镜焦距fr为211mm，可以计算得到非球面透镜的口径为：

实际上，我们选择的非球面透镜口径值为92mm。

单个APD 的接收视场角可以由式(4-13)计算：

由于光纤阵列是5×5 的方形布局，5×5 的光纤阵列接收视场角，即接收光学系统的整体接收视场角为：

由式(4-14)可知，面阵发射光源的发散角要稍微大于接收光学系统的整体接收视场角，这刚好可以有效避免发射光斑边缘处的回波过低而导致探测器无法探测的情况；同时，为方便发射与接收光轴一一对应的调试，留有更多的调整余量。