室內(nèi)用雙CCD交匯精度靶平板光源設(shè)計及實(shí)現(xiàn)＊

華 程，倪晉平，董 濤

（西安工業(yè)大學(xué) 陜西省光電測試與儀器技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710021）

雙CCD交匯精度靶主要用于槍（炮）射擊的立靶密集度參數(shù)測試實(shí)驗(yàn)，具有測量精度高，且能夠獲得彈丸穿幕影像利于事后分析等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用［1-3］．在室外靶道使用時，天空光線自然形成了亮度均勻穩(wěn)定的背景．在室內(nèi)靶道使用時，由于靶道內(nèi)光線微弱，就要求提供發(fā)光強(qiáng)度適中，且在空間上具有良好的均勻性和時間穩(wěn)定性的人工光源作為亮背景［4-6］．

目前為室內(nèi)天目靶配備的光源有LED弧形光源和L形LED光源［7-9］．其中LED弧形光源可根據(jù)CCD相機(jī)接收到的每個LED光源發(fā)光強(qiáng)度的分布情況進(jìn)行弧線曲率設(shè)計，使得CCD相機(jī)采集到的背景光在某一空間曲線上達(dá)到均勻，但是弧線形光源存在著安裝復(fù)雜、安全防護(hù)性差等問題；L形LED光源因?yàn)槊總€LED模塊的擺放角度都與CCD相機(jī)位置相關(guān)，設(shè)計完成后大小不可以改變，CCD精度靶靶面參數(shù)如果出現(xiàn)改變，光源需重新設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計安裝復(fù)雜，線結(jié)構(gòu)光激光器與原向反射膜組合光源發(fā)光強(qiáng)度低，只可在CCD精度靶標(biāo)定試驗(yàn)中使用，無法進(jìn)行動態(tài)彈丸測量［10］．現(xiàn)有室內(nèi)雙CCD交匯精度靶光源大多使用在LED陣列前加毛玻璃而產(chǎn)生的背景光［9］，此方法產(chǎn)生的背景光均勻程度有限，且功率較大．由于雙CCD交匯精度靶采用的是高速相機(jī)，所以相機(jī)單幅圖像的曝光時間極短，一般為15．30μs．室內(nèi)用雙CCD交匯精度靶的背景光亮度低、不均勻或者不穩(wěn)定，會降低目標(biāo)與背景的對比度而導(dǎo)致目標(biāo)淹沒在背景中，這樣會對目標(biāo)的識別和彈丸圖像的提取帶來困難，也影響對彈丸投影中心像素的提取精度．

為了提高CCD精度靶的可靠性和測量精度必需為其設(shè)計發(fā)光均勻的光源．本文以LED屏幕的背景光源的設(shè)計為理論基礎(chǔ)，為CCD精度靶設(shè)計了使用小功率LED燈珠陣列與導(dǎo)光板、散射板等組成的平板光源的方案．

1 雙CCD精度靶光源的性能指標(biāo)

雙CCD交匯精度靶測量系統(tǒng)由兩臺結(jié)構(gòu)和性能完全相同的線陣CCD相機(jī)組成，圖1為1m×1 m雙CCD交匯精度靶示意圖．

兩臺線陣CCD相機(jī)的探測視場相互重疊的部分即為有效探測靶面．試驗(yàn)時，當(dāng)沒有彈丸穿過靶面時，CCD對背景光源進(jìn)行成像；當(dāng)有彈丸穿過有效探測靶面時，彈丸對背景光形成遮擋，從而在兩臺CCD像面上形成陰影圖像，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證當(dāng)彈丸遮擋陰影與背景光的灰度值之差達(dá)到10個灰度值以上，提取出彈丸圖像中心像素值，結(jié)合測試系統(tǒng)參數(shù)，即可解算出彈丸的著靶坐標(biāo)［5］．根據(jù)工程需求確定靶面大小，每條光源長度為1m，根據(jù)線陣CCD相機(jī)成像原理，以及精度靶安裝調(diào)試過程而確定光源寬度應(yīng)≥5cm．測試過程中光源所產(chǎn)生的背景光通過CCD相機(jī)采集，其灰度值的最大值需要≥15，發(fā)光表面的噪聲波動（均勻度）≤±6個灰度值．

圖1 雙CCD交匯精度靶組成示意圖Fig．1 Schematic diagram of dual-CCD intersection precision targeting

2 平板光源設(shè)計

2．1 平板光源的組成結(jié)構(gòu)及工作原理

常用平板光源由保護(hù)板、反光紙、LED燈珠、導(dǎo)光板、擴(kuò)散板組成，光線最終通過擴(kuò)散板發(fā)出，所以平板光源發(fā)出光線角度很大，角度約為180°左右，因此光源的光能利用率會降低．為解決這一問題，在擴(kuò)散板后方加入兩層棱鏡膜，棱鏡膜可以將從擴(kuò)散板發(fā)出之后的光線匯聚在70°［11-14］，這樣可以提高光能的利用率，從而增加光源的發(fā)光強(qiáng)度，平板光源組成示意圖如圖2所示．

平板光源的LED陣列位于導(dǎo)光板兩側(cè)，發(fā)出光線側(cè)面耦合進(jìn)入導(dǎo)光板內(nèi)，由于全反射原理，光線將在導(dǎo)光板內(nèi)向前傳播而不能夠從導(dǎo)光板的上表面出射．在導(dǎo)光板的底部制作擴(kuò)散網(wǎng)點(diǎn)［5］，擴(kuò)散網(wǎng)點(diǎn)利用光的散射原理，當(dāng)光在導(dǎo)光板中傳導(dǎo)時，遇到擴(kuò)散點(diǎn)時會出現(xiàn)散射現(xiàn)象，這些散射的光線一部分會射出導(dǎo)光板，由于全反射原理，另一部分會繼續(xù)反射，直至遇到下一個擴(kuò)散網(wǎng)點(diǎn)，重復(fù)散射過程，如圖3所示．

光線經(jīng)過擴(kuò)散板進(jìn)一步均勻化后，經(jīng)過棱鏡膜將從擴(kuò)散板射出的各向均勻的大視角的發(fā)散光，聚攏在探測系統(tǒng)要求的一定角度范圍內(nèi)出射，將不滿足出射條件的光線反射回去再利用，從而增加了光源的亮度．反光紙將LED斜向下射出光線進(jìn)行反射改為斜向上以提高LED光能利用率．

圖2 平板光源組成示意圖Fig．2 Composition of the flat light source

圖3 光在導(dǎo)光板中的傳輸原理Fig．3 Transmission principle of light in the light guide plate

光擴(kuò)散板經(jīng)過不同手段的板材成型加工，在加工過程中給板材內(nèi)加入可以使光發(fā)生干涉的擴(kuò)散粒子，使光線在通過基材時因折射率不同，從而實(shí)現(xiàn)多次折射，把光線均勻的分散，反射，散射，調(diào)整光傳播得方向，從而使得點(diǎn)光源變成面光源．兩片棱鏡膜沿光源光線傳播方向前后放置，以棱鏡膜上表面上的棱鏡長度方向?yàn)槔忡R膜的正向方向，第一片棱鏡膜正向方向與空間水平方向垂直放置，第二片棱鏡膜正方向與空間水平方向水平放置，通過此方法更改光從擴(kuò)散板傳出后的方向，以提高CCD相機(jī)對平板光源的光能的利用率．整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示．

2．2 光源導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)分布計算

在二維平面上，LED陣列發(fā)出的光在指定區(qū)域的照度值是與該位置的距離點(diǎn)光源相對坐標(biāo)是有關(guān)的［7］．對于導(dǎo)光板，可將LED視為點(diǎn)光源，建立點(diǎn)光源模型，設(shè)空間任意一面元ds接受點(diǎn)光源S的光照，面元到光源的距離為r，由點(diǎn)光源S發(fā)出到面元ds光束的光軸與ds法線向量的夾角為θ，光源S的初始光強(qiáng)為I，則面元上的照度為

以點(diǎn)光源所在位置建立三維直角坐標(biāo)系，對式（1）進(jìn)行坐標(biāo)系變換為

圖4 平板光源橫截面整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig．4 Overall structure of flat light source cross section

定義式f（x，y）為網(wǎng)點(diǎn)填充率函數(shù)，式f（x，y）的變化反映網(wǎng)點(diǎn)的密度和網(wǎng)點(diǎn)之間距離的等排布規(guī)律．

式中：s（x，y）為在（x，y）處散射網(wǎng)點(diǎn)面積的大小；s0為網(wǎng)格面積．

設(shè)置兩顆LED燈珠之間的距離為d，通過式（2）得到二維平面下兩顆LED燈珠在導(dǎo)光板內(nèi)的照度分布規(guī)律為

對導(dǎo)光板中光的傳輸過程進(jìn)行分析，當(dāng)從兩個LED發(fā)出的光線在導(dǎo)光板中進(jìn)行耦合時，光線遇到底部散射網(wǎng)點(diǎn)即被散射，由于導(dǎo)光板使用的材質(zhì)和LED發(fā)出光線角度的關(guān)系，使傳導(dǎo)到導(dǎo)光板上表面的光線會發(fā)生全反射現(xiàn)象，因此只有在一定角度內(nèi)的散射光線才可以從上底面出射．因此導(dǎo)光板上底面的出射光亮度B正比于其底部散射光亮度B1，則有

式中：k1為比例系數(shù)，由導(dǎo)光板的材料決定．當(dāng)光源與導(dǎo)光板的參數(shù)一定時，根據(jù)光傳播過程的影響因素得到，底面任意一點(diǎn)處B1正比于每個散射網(wǎng)點(diǎn)面積占每個網(wǎng)格面積的比例，即為網(wǎng)點(diǎn)填充率函數(shù)，以及正比耦合到該點(diǎn)處的亮度值，將下底面上的傳導(dǎo)光亮度值可近似看成與此處截面的傳導(dǎo)光的照度值成正比，表達(dá)式為

其中k2為比例系數(shù)，導(dǎo)光板的材料決定．

由式（3）與式（6）得

設(shè)計時假設(shè)底面網(wǎng)點(diǎn)為圓形，即s＝πr2可計算其在不同位置上網(wǎng)點(diǎn)的半徑大小，公式為

網(wǎng)點(diǎn)填充率函數(shù)

光源與導(dǎo)光板參數(shù)確定時，式中k1，k2，kl1，l2為已知參數(shù)，分別由導(dǎo)光板材料、所選LED光強(qiáng)度、兩LED間設(shè)計距離決定，令

通過確定網(wǎng)點(diǎn)填充率函數(shù)，建立長、寬、高分別為1 000．0mm、100．0mm、4．0mm 的導(dǎo)光板模型，導(dǎo)光板材料設(shè)定為聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA），折射率為1．49．導(dǎo)光板各面的光學(xué)性質(zhì)定義為透射率為98%的平滑光學(xué)面，底面加入反射膜（反射率設(shè)為98%）．正出光表面利用系統(tǒng)自動設(shè)置的兩層微棱鏡方向相互垂直的放置的棱鏡膜，光源模型采用LED標(biāo)準(zhǔn)模型．

根據(jù)每個LED間隔d＝2mm，單個LED長4 mm，計算得出單側(cè)需要165個LED．將式（12）拓展為5個LED燈珠發(fā)光時的情況，使用Matlab進(jìn)行程序編寫得到網(wǎng)點(diǎn)的大小及分布規(guī)律如圖5所示（X軸為LED排列方向，單位為mm，Y軸為導(dǎo)光板寬度，單位為mm，Z軸為網(wǎng)點(diǎn)的密集度）．確定網(wǎng)點(diǎn)采用橫向等間隔排列，網(wǎng)點(diǎn)大小隨器與LED光源間的距離增大而增大（LED在光線傳播過程中光強(qiáng)大的地方網(wǎng)點(diǎn)小而稀疏，光強(qiáng)小的地方網(wǎng)點(diǎn)大而密集），將導(dǎo)光板底面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單個網(wǎng)格大小為1mm×1mm，網(wǎng)格沿水平方向方向交錯0．5mm排列．得到的網(wǎng)點(diǎn)分布圖如圖6所示．之后將33個模塊進(jìn)行拼接得到165個LED下的導(dǎo)光板．

按照圖6中參數(shù)研制平板光源中導(dǎo)光板，長1 000mm、寬200mm、厚3．5mm，散射板選擇厚為0．2mm的散射膜，選用兩張厚度為0．28mm的棱鏡膜，軸向相互垂直放置于散射板前方完成平板光源設(shè)計及制作．

圖5 導(dǎo)光板底面網(wǎng)點(diǎn)的大小及分布規(guī)律Fig．5 Mesh point size and distribution of bottom surface of the light guiding plate

圖6 導(dǎo)光板下底面導(dǎo)入網(wǎng)點(diǎn)正視圖Fig．6 The front view of outlets of bottom surface of light guide plate

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將1m×1m的CCD精度靶的光源取一段（1 m），與地面垂直放置，在距離光源1．5m處放置線陣CCD相機(jī)，相機(jī)鏡頭與地面夾角為45°進(jìn)行試驗(yàn)．設(shè)置P2-42-02K40型線陣CCD相機(jī)采樣頻率為6．4kHz，對光源（光源寬200mm，長1．0m）進(jìn)行圖像采集，得到其灰度值曲線如圖7所示．

圖7 背景光圖像灰度曲線 （有棱鏡膜）Fig．7 Background light gray curve（with prism film）

分析灰度值曲線得到背景光源最高灰度值約38，均勻度（灰度值最大值與最小值與其平均值的偏差度）為±5個灰度值，最大噪聲為5個灰度值．通過使用5．56mm直徑鐵柱當(dāng)作模擬彈丸遮擋光源，通過試驗(yàn)進(jìn)行圖像采集，進(jìn)行圖像處理得到其灰度值曲線如圖8所示，通過分析圖像中彈丸遮擋處灰度值與光源平均灰度值差值判斷過靶彈丸是否可在CCD相機(jī)中成清晰像，從而判斷所設(shè)計光源是否可以用于1m×1m的CCD精度靶實(shí)際測試中．分析圖8彈丸遮擋灰度為10，模擬彈丸遮擋處與其邊界處背景光與灰度差為20，與均勻度值之差為15，與最大噪聲之差為15，可見通過此光源CCD相機(jī)可以采集到清晰的模擬彈丸圖形，可以滿足CCD精度靶對采集彈丸圖像的進(jìn)一步分析．將光源去掉棱鏡膜進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)得到如圖9所示的灰度值曲線，通過對比圖8和圖9的灰度值曲線可以看出，有棱鏡膜的平光光源提高了約15個灰度值．通過實(shí)驗(yàn)得出，加有棱鏡膜的平板光源具有良好的亮度、均勻度和靈敏度．

圖8 模擬彈丸遮擋光源灰度曲線（有棱鏡膜）Fig．8 Simulated projectile shading light gray curve（with prism film）

圖9 模擬彈丸遮擋光源灰度曲線（無棱鏡膜）Fig．9 Simulated projectile shading light gray curve（without prism film）

4 結(jié) 論

1）本文設(shè)計了應(yīng)用于1m×1m靶面的CCD精度靶平板光源長1 000mm、寬200mm、厚3．5 mm的導(dǎo)光板，對CCD精度靶平板光源中的擴(kuò)散板和棱鏡膜進(jìn)行了選擇，散射膜厚0．2mm，棱鏡膜厚0．28mm．

2）光源距離探測鏡頭為1．5m，CCD相機(jī)采樣頻率為6．4kHz情況下，采集背景圖像的灰度值，進(jìn)行測試，平板光源的均勻度為±5個灰度值，最大噪聲為5個灰度值，表明其具有良好的均勻性．高灰度值約38，表明其具有較好的發(fā)光強(qiáng)度．

3）通過實(shí)驗(yàn)證明加有棱鏡膜的平板光源具有更高的發(fā)光強(qiáng)度，可滿足更大靶面的CCD精度靶測試．

文中所研究的平板光源可單獨(dú)設(shè)計加工適用于此種光源的棱鏡膜從而進(jìn)一步增加CCD相機(jī)對此光源的光利用率，以提高其發(fā)光強(qiáng)度．可進(jìn)一步擴(kuò)大CCD精度靶測試靶面．

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