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

　　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