CCD興起于20世紀(jì)70年代，是由一組規(guī)則排列的金屬-氧化物-半導(dǎo)體（ MOS）電容器陣列和輸入、輸出電路組成。它能夠利用時(shí)鐘脈沖電壓來(lái)產(chǎn)生和控制半導(dǎo)體勢(shì)阱的變化，完成對(duì)光的探測(cè)。不同于普通固態(tài)電子器件，CCD器件中信息的存在和表達(dá)方式為電荷，而不是電流或電壓，因此對(duì)信息的表達(dá)具有更高的靈敏度。按照感光單元的排列方式來(lái)劃分，CCD器件可以分為線陣CCD和面陣CCD。

傳統(tǒng)激光粒度儀采用環(huán)形光電二極管陣列作為探測(cè)器，但一般探測(cè)器只有 32 環(huán)，較低的空間分辨率限制了其在顆粒測(cè)量中的應(yīng)用。并且由于應(yīng)用量少，導(dǎo)致其成本非常高。近些年來(lái)，以面陣 CCD 為探測(cè)器的激光粒度儀得到了一定的發(fā)展，但在室溫條件下，面陣 CCD 容易受到暗電流的影響，動(dòng)態(tài)范圍一般只有 20~30dB,且面陣CCD 存在價(jià)格高，尺寸小，采集電路設(shè)計(jì)復(fù)雜等缺陷。相比于面陣 CCD 探測(cè)器，線陣 CCD 具有分辨率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍寬等特點(diǎn)，并且可以對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行直接操作，具有更大的靈活性，因此能夠滿足不同環(huán)境條件下的顆粒粒度測(cè)量要求。目前，在不同工業(yè)領(lǐng)域，線陣 CCD 已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，如高性能文件打印、光譜掃描、光學(xué)字符識(shí)別等。由于應(yīng)用范圍廣，使得線陣 CCD 成本較低。所以采用線陣 CCD 探測(cè)器替代傳統(tǒng)探測(cè)器可以有效降低激光粒度儀的制造成本。

目前，激光粒度儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)主要有前置式傅里葉透鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)和后置式傅里葉透鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)兩種，目前，依然采用前置式傅里葉透鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)的激光粒度儀制造商有丹東百特、遼寧儀表研究所、成都精新以及國(guó)外的 Shimadzu、Sympatec 等公司。并且由于干法測(cè)量要求的特殊性，一般干法激光粒度儀也采用前置式傅里葉透鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)。因此，本文主要對(duì)前置式傅里葉透鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討。線陣 CCD 具有 7450 個(gè)像素點(diǎn)，單位像素點(diǎn)的尺寸為 4.7×4.7μm，采用精度為8bit，采樣數(shù)據(jù)率為 30MHz?；诰€陣 CCD 的前置式傅里葉光學(xué)結(jié)構(gòu)的激光粒度儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

（基于線陣 CCD 的前置式激光粒度儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖）

隨著工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的不斷進(jìn)步，針對(duì)小粒徑顆粒、不規(guī)則形狀顆粒和特殊材料顆粒的研究越來(lái)越深入?；诰€陣 CCD 探測(cè)器的激光粒度儀測(cè)量性能需要從顆粒的散射光學(xué)模型、儀器的光學(xué)結(jié)構(gòu)和采集數(shù)據(jù)的反演算法三個(gè)方面來(lái)進(jìn)一步提高。

不管是 Mie 氏光散射理論還是夫瑯禾費(fèi)衍射理論，其前提條件都是假設(shè)被測(cè)樣品為球形顆粒。而在實(shí)際社會(huì)生產(chǎn)過(guò)程中，顆粒的形狀往往是不規(guī)則的，采用傳統(tǒng)光散射理論描述顆粒的散射光強(qiáng)分布是不合適宜的，容易造成反演粒度分布偏離真實(shí)粒度分布。因此，建立更普適性的顆粒散射光學(xué)模型是提高激光粒度測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。使用近似非負(fù)約束 Chin-Shifrin 算法是一種獲得準(zhǔn)確性更高的顆粒粒度分布的方法。

為了提高顆粒測(cè)量粒度范圍，擴(kuò)大線陣 CCD 的可測(cè)量散射角，建議采用漸變?yōu)V光片系統(tǒng)對(duì)中心艾里斑光強(qiáng)進(jìn)行濾光處理，獲取顆粒小角度散射光強(qiáng)信息，同時(shí)為了擴(kuò)大有效測(cè)量散射角，設(shè)計(jì)組合線陣 CCD 探測(cè)器，對(duì)大角度散射光進(jìn)行有效采集。另外，為了滿足不同社會(huì)生產(chǎn)需求，例如在線顆粒測(cè)量、超細(xì)顆粒粒度測(cè)量等。引入更高效的數(shù)據(jù)反演算法也迫在眉睫。