室内用双CCD交汇精度靶平板光源设计及实现＊

华 程，倪晋平，董 涛

（西安工业大学 陕西省光电测试与仪器技术重点实验室，西安710021）

双CCD交汇精度靶主要用于枪（炮）射击的立靶密集度参数测试实验，具有测量精度高，且能够获得弹丸穿幕影像利于事后分析等诸多优点而被广泛应用［1-3］．在室外靶道使用时，天空光线自然形成了亮度均匀稳定的背景．在室内靶道使用时，由于靶道内光线微弱，就要求提供发光强度适中，且在空间上具有良好的均匀性和时间稳定性的人工光源作为亮背景［4-6］．

目前为室内天目靶配备的光源有LED弧形光源和L形LED光源［7-9］．其中LED弧形光源可根据CCD相机接收到的每个LED光源发光强度的分布情况进行弧线曲率设计，使得CCD相机采集到的背景光在某一空间曲线上达到均匀，但是弧线形光源存在着安装复杂、安全防护性差等问题；L形LED光源因为每个LED模块的摆放角度都与CCD相机位置相关，设计完成后大小不可以改变，CCD精度靶靶面参数如果出现改变，光源需重新设计，系统设计安装复杂，线结构光激光器与原向反射膜组合光源发光强度低，只可在CCD精度靶标定试验中使用，无法进行动态弹丸测量［10］．现有室内双CCD交汇精度靶光源大多使用在LED阵列前加毛玻璃而产生的背景光［9］，此方法产生的背景光均匀程度有限，且功率较大．由于双CCD交汇精度靶采用的是高速相机，所以相机单幅图像的曝光时间极短，一般为15．30μs．室内用双CCD交汇精度靶的背景光亮度低、不均匀或者不稳定，会降低目标与背景的对比度而导致目标淹没在背景中，这样会对目标的识别和弹丸图像的提取带来困难，也影响对弹丸投影中心像素的提取精度．

为了提高CCD精度靶的可靠性和测量精度必需为其设计发光均匀的光源．本文以LED屏幕的背景光源的设计为理论基础，为CCD精度靶设计了使用小功率LED灯珠阵列与导光板、散射板等组成的平板光源的方案．

1 双CCD精度靶光源的性能指标

双CCD交汇精度靶测量系统由两台结构和性能完全相同的线阵CCD相机组成，图1为1m×1 m双CCD交汇精度靶示意图．

两台线阵CCD相机的探测视场相互重叠的部分即为有效探测靶面．试验时，当没有弹丸穿过靶面时，CCD对背景光源进行成像；当有弹丸穿过有效探测靶面时，弹丸对背景光形成遮挡，从而在两台CCD像面上形成阴影图像，经过试验验证当弹丸遮挡阴影与背景光的灰度值之差达到10个灰度值以上，提取出弹丸图像中心像素值，结合测试系统参数，即可解算出弹丸的着靶坐标［5］．根据工程需求确定靶面大小，每条光源长度为1m，根据线阵CCD相机成像原理，以及精度靶安装调试过程而确定光源宽度应≥5cm．测试过程中光源所产生的背景光通过CCD相机采集，其灰度值的最大值需要≥15，发光表面的噪声波动（均匀度）≤±6个灰度值．

图1 双CCD交汇精度靶组成示意图Fig．1 Schematic diagram of dual-CCD intersection precision targeting

2 平板光源设计

2．1 平板光源的组成结构及工作原理

常用平板光源由保护板、反光纸、LED灯珠、导光板、扩散板组成，光线最终通过扩散板发出，所以平板光源发出光线角度很大，角度约为180°左右，因此光源的光能利用率会降低．为解决这一问题，在扩散板后方加入两层棱镜膜，棱镜膜可以将从扩散板发出之后的光线汇聚在70°［11-14］，这样可以提高光能的利用率，从而增加光源的发光强度，平板光源组成示意图如图2所示．

平板光源的LED阵列位于导光板两侧，发出光线侧面耦合进入导光板内，由于全反射原理，光线将在导光板内向前传播而不能够从导光板的上表面出射．在导光板的底部制作扩散网点［5］，扩散网点利用光的散射原理，当光在导光板中传导时，遇到扩散点时会出现散射现象，这些散射的光线一部分会射出导光板，由于全反射原理，另一部分会继续反射，直至遇到下一个扩散网点，重复散射过程，如图3所示．

光线经过扩散板进一步均匀化后，经过棱镜膜将从扩散板射出的各向均匀的大视角的发散光，聚拢在探测系统要求的一定角度范围内出射，将不满足出射条件的光线反射回去再利用，从而增加了光源的亮度．反光纸将LED斜向下射出光线进行反射改为斜向上以提高LED光能利用率．

图2 平板光源组成示意图Fig．2 Composition of the flat light source

图3 光在导光板中的传输原理Fig．3 Transmission principle of light in the light guide plate

光扩散板经过不同手段的板材成型加工，在加工过程中给板材内加入可以使光发生干涉的扩散粒子，使光线在通过基材时因折射率不同，从而实现多次折射，把光线均匀的分散，反射，散射，调整光传播得方向，从而使得点光源变成面光源．两片棱镜膜沿光源光线传播方向前后放置，以棱镜膜上表面上的棱镜长度方向为棱镜膜的正向方向，第一片棱镜膜正向方向与空间水平方向垂直放置，第二片棱镜膜正方向与空间水平方向水平放置，通过此方法更改光从扩散板传出后的方向，以提高CCD相机对平板光源的光能的利用率．整体结构示意图如图4所示．

2．2 光源导光板网点分布计算

在二维平面上，LED阵列发出的光在指定区域的照度值是与该位置的距离点光源相对坐标是有关的［7］．对于导光板，可将LED视为点光源，建立点光源模型，设空间任意一面元ds接受点光源S的光照，面元到光源的距离为r，由点光源S发出到面元ds光束的光轴与ds法线向量的夹角为θ，光源S的初始光强为I，则面元上的照度为

以点光源所在位置建立三维直角坐标系，对式（1）进行坐标系变换为

图4 平板光源横截面整体结构示意图Fig．4 Overall structure of flat light source cross section

定义式f（x，y）为网点填充率函数，式f（x，y）的变化反映网点的密度和网点之间距离的等排布规律．

式中：s（x，y）为在（x，y）处散射网点面积的大小；s0为网格面积．

设置两颗LED灯珠之间的距离为d，通过式（2）得到二维平面下两颗LED灯珠在导光板内的照度分布规律为

对导光板中光的传输过程进行分析，当从两个LED发出的光线在导光板中进行耦合时，光线遇到底部散射网点即被散射，由于导光板使用的材质和LED发出光线角度的关系，使传导到导光板上表面的光线会发生全反射现象，因此只有在一定角度内的散射光线才可以从上底面出射．因此导光板上底面的出射光亮度B正比于其底部散射光亮度B1，则有

式中：k1为比例系数，由导光板的材料决定．当光源与导光板的参数一定时，根据光传播过程的影响因素得到，底面任意一点处B1正比于每个散射网点面积占每个网格面积的比例，即为网点填充率函数，以及正比耦合到该点处的亮度值，将下底面上的传导光亮度值可近似看成与此处截面的传导光的照度值成正比，表达式为

其中k2为比例系数，导光板的材料决定．

由式（3）与式（6）得

设计时假设底面网点为圆形，即s＝πr2可计算其在不同位置上网点的半径大小，公式为

网点填充率函数

光源与导光板参数确定时，式中k1，k2，kl1，l2为已知参数，分别由导光板材料、所选LED光强度、两LED间设计距离决定，令

通过确定网点填充率函数，建立长、宽、高分别为1 000．0mm、100．0mm、4．0mm 的导光板模型，导光板材料设定为聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA），折射率为1．49．导光板各面的光学性质定义为透射率为98%的平滑光学面，底面加入反射膜（反射率设为98%）．正出光表面利用系统自动设置的两层微棱镜方向相互垂直的放置的棱镜膜，光源模型采用LED标准模型．

根据每个LED间隔d＝2mm，单个LED长4 mm，计算得出单侧需要165个LED．将式（12）拓展为5个LED灯珠发光时的情况，使用Matlab进行程序编写得到网点的大小及分布规律如图5所示（X轴为LED排列方向，单位为mm，Y轴为导光板宽度，单位为mm，Z轴为网点的密集度）．确定网点采用横向等间隔排列，网点大小随器与LED光源间的距离增大而增大（LED在光线传播过程中光强大的地方网点小而稀疏，光强小的地方网点大而密集），将导光板底面进行网格划分，单个网格大小为1mm×1mm，网格沿水平方向方向交错0．5mm排列．得到的网点分布图如图6所示．之后将33个模块进行拼接得到165个LED下的导光板．

按照图6中参数研制平板光源中导光板，长1 000mm、宽200mm、厚3．5mm，散射板选择厚为0．2mm的散射膜，选用两张厚度为0．28mm的棱镜膜，轴向相互垂直放置于散射板前方完成平板光源设计及制作．

图5 导光板底面网点的大小及分布规律Fig．5 Mesh point size and distribution of bottom surface of the light guiding plate

图6 导光板下底面导入网点正视图Fig．6 The front view of outlets of bottom surface of light guide plate

3 实验结果与分析

将1m×1m的CCD精度靶的光源取一段（1 m），与地面垂直放置，在距离光源1．5m处放置线阵CCD相机，相机镜头与地面夹角为45°进行试验．设置P2-42-02K40型线阵CCD相机采样频率为6．4kHz，对光源（光源宽200mm，长1．0m）进行图像采集，得到其灰度值曲线如图7所示．

图7 背景光图像灰度曲线 （有棱镜膜）Fig．7 Background light gray curve（with prism film）

分析灰度值曲线得到背景光源最高灰度值约38，均匀度（灰度值最大值与最小值与其平均值的偏差度）为±5个灰度值，最大噪声为5个灰度值．通过使用5．56mm直径铁柱当作模拟弹丸遮挡光源，通过试验进行图像采集，进行图像处理得到其灰度值曲线如图8所示，通过分析图像中弹丸遮挡处灰度值与光源平均灰度值差值判断过靶弹丸是否可在CCD相机中成清晰像，从而判断所设计光源是否可以用于1m×1m的CCD精度靶实际测试中．分析图8弹丸遮挡灰度为10，模拟弹丸遮挡处与其边界处背景光与灰度差为20，与均匀度值之差为15，与最大噪声之差为15，可见通过此光源CCD相机可以采集到清晰的模拟弹丸图形，可以满足CCD精度靶对采集弹丸图像的进一步分析．将光源去掉棱镜膜进行上述实验得到如图9所示的灰度值曲线，通过对比图8和图9的灰度值曲线可以看出，有棱镜膜的平光光源提高了约15个灰度值．通过实验得出，加有棱镜膜的平板光源具有良好的亮度、均匀度和灵敏度．

图8 模拟弹丸遮挡光源灰度曲线（有棱镜膜）Fig．8 Simulated projectile shading light gray curve（with prism film）

图9 模拟弹丸遮挡光源灰度曲线（无棱镜膜）Fig．9 Simulated projectile shading light gray curve（without prism film）

4 结 论

1）本文设计了应用于1m×1m靶面的CCD精度靶平板光源长1 000mm、宽200mm、厚3．5 mm的导光板，对CCD精度靶平板光源中的扩散板和棱镜膜进行了选择，散射膜厚0．2mm，棱镜膜厚0．28mm．

2）光源距离探测镜头为1．5m，CCD相机采样频率为6．4kHz情况下，采集背景图像的灰度值，进行测试，平板光源的均匀度为±5个灰度值，最大噪声为5个灰度值，表明其具有良好的均匀性．高灰度值约38，表明其具有较好的发光强度．

3）通过实验证明加有棱镜膜的平板光源具有更高的发光强度，可满足更大靶面的CCD精度靶测试．

文中所研究的平板光源可单独设计加工适用于此种光源的棱镜膜从而进一步增加CCD相机对此光源的光利用率，以提高其发光强度．可进一步扩大CCD精度靶测试靶面．

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