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
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象的散射(衍射)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[1] ，
式中，L:物平面输入尺寸，P m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，入为激光波长，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P m可表为
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p m成正比，丙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。
综合考虑物面轴上点与轴外点的空间频率
除平面波系统外、球面波也可作为信息处理系统的照明光源图如图2所示。
D为透镜孔径，为物面，T为探测器阵列，D 1为针孔到透镜的距离，D 2为透镜到物面的距离，D 3为物到探测器的距离，又称为等效焦距。
这时由于物与谱面处于透镜同侧，因此散射光不受透镜孔径限制，最高空间频率由谱面肩双尺寸h和等效焦距D 3确定:
利用关系L/D3=D/(D2十D3)，系统的信息处理能力可以表达为
从(7)式，可以发现该系统与平行光照明系统有许多不同之处。
(1)N与h成正比，探测器尺寸增大可以有效地提高信息处理能力。(但也不可无限增大，以免引入其它误差)。
(2)N与D 3无关，且与(D 2+D 3)成反比，即物面在D与T之间移动，N为一常数。向透镜移动可以提高物面输入尺寸，最大输入尺寸向探测器移动可以提高最高空间频率丙，也即提高了系统的分辨率。这无疑增加了系统的灵活性。
(3)由于透镜孔径不再成为最高空间频率的制约因素，因而可以适当减小其孔径，降低造价。
为了比较图1、图2两种焦平面系统的信息处理能力，我们采用相同孔径、相同焦距的透镜，并且焦平面探测器阵列尺寸满足h一D/4。则图2所示系统的信息处理能力可以改写为
将D=l00mm，l00mm代入(8)式可以得到关系曲线如图3。
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。
高分辨激光粒度仪的光路设计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(FT)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2um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给出了两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了2.3倍，分辨能力提高了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一匡能比平面波照明的系统为优。
