焦平面探测系统的信息处理能力及其在激光测粒技术中的应用
任中京
山东建材学院, 济南250022
提要：分析了两种焦平面探测系统信息处理能力，给出了所设计的新型激光粒度仪的光路实例，结果表明球面波照明的焦平面探测系统具有更大的综合优势。
关键词焦平面探测系统信息能力激光粒度仪空间带宽积
The Study of Information Capacity for Focal Plane Arrays Detectesystems and its
Application in laser Part Icle Sizer Design
Ren Zhongjing
(Shandong Institute of Building Materials ，Jinan，250022)
Abstract :the information capacity for 2 kinds of focal plane systems had been discueeed.there are different distinguishing feature and caculating methords between plane wave and spherical wave focal plane systems.
A sample of application shows that it is very important to design the information capacity in laser particle sizer.
Key word :information capacity ，spatial-bandwidth，laser particle sizer，focal plane array
焦平面探测系统，实质是一种光学信息处理系统，它通过设置在焦平面上的阵列探测器检测物体或图像的散射谱，据此进行特征识别、图像处理等操作。激光粒度分析技术是此类系统最典型的应用之一。它通过检测颗粒群的散射谱反演颗粒粒度分布。
作为信息处理系统，信息处理能力是它的一个重要指标，通常用空间带宽积表示，
N=2Lρm
式中，L：物平面输入尺寸，ρm：系统传递的最高空间频率。如用h 表示焦平面探测器的半高度，λ为激光波长，F为付立叶变换透镜的焦距(或者等效焦距)。则最高空间频率ρm可表为
ρm=h/λF
显然，系统的信息处理能力与输入尺寸L ,系统输出的最高空间频率ρm成正比，ρm表征了该系统对图像精细结构的分辨能力, 对激光测粒技术而言就是对小颗粒的分辨能力。要提高测粒水平, 必须探索提高信息处理能力的有效途径。
理论分析
不同的光学系统、空间带宽积的表达式不同。通常的焦平面探测系统采用平面波照明, 如
图1 所示。
综上所述, 对于球面波焦平面探测系统, 只要恰当地选择探测器尺寸, 调节光路参数, 就可以获得比平面波焦平面系统更高的信息处理能力。
激光粒度仪是通过焦平面阵列检测颗粒的散射谱从而反求颗粒粒度分布, 由于它具有并行光学处理的优点因而测量速度快, 重复性好,很受欢迎。但是目前国内外的激光粒度仪均采用平面波照明, 不仅体积大, 测量粒径下限受透镜焦距与孔径的限制, 不能满足超细颗粒产品检侧的要求。为丁解决亚微米颗粒的侧试问题,我们根据信息光学原理。设计了一种怜识小, 重量径, 分辨能力高, 测试范围宽的新塑撒尤粒度仪光路[3], 如图4。
气体激光器(L)发出的激光经扩束(S)滤波(F)成为发散的找而波照射在变换诱镜(F T)上, 然后会聚在光电探测器(D)的中心, 由于被测物体(P)是准球形的颗粒。因而探测器阵列为同心环状。流动样品池置于透镜之后, 且位置沿导轨方向可调。整个光路的特点是：
(1)球面波系统和激尤器转置, 光路长度压缩1/2，使得激光粒度仪小型化, 便携式成为可能。
(2)透镜孔径不再成为限制散射光的主要因素, 因而可以大大缩小其有效孔径。
(3)样品池后置, 可以尽量接近探测器阵列, 大大棋高了可测的空问骊率丙, 因而系统可分辨的最小粒径达列0. 1um。
(4)样品池在镜头与探恻器咕列之间可连续移动, 相当于在保持信息处理能力不变的前提下连续改变系统的等效焦距, 使得不换透镜改变量程成为可能。
(5)探测器阵列的单元数目一定, 等效焦距越短测量粒度范围越窄, 系统对颗粒的分解能力就越高, 本系统在2μm以下可以分解为12个粒度级, 此功能在平面波照明的激光粒度仪
是很难实现的。高分辨激光粒度仪的光路设计、充分体现了信息处理能力(空间带宽积)在焦平面探测系统研究中的重要地位。
表1给出了网种焦平面探测系统的主要参数比较，从表1可见，尽管球面波照明的焦平面系统采用的透镜减小了孔径，但是它的空间带宽积却增大2.3倍, 分辨能力提高10倍。
结论:
通过理论分析与实验表明，信息处理能力是焦平面探测系统的重要技术指标。只要光路议置得当, 球四波照明山点平曲珠测系统的综合性能比平面板照明的系统为优。
参考文献:
[1] A.Vanderlugt，Optical Signal Processing，John Wiley&Sons，Inc.1992,p145
[2]J.W.Goodman.Introduction to Fourter Optics ,McGraw-Hill,1968
[3]ZL94225544.5专利说明出
[4]任中京，应用激光，1994,14(1),8
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