基于光偏振原理的高速摄像光学系统

　　在焊接过程中,电弧形态和熔滴过渡与焊接参数密切相关,通过它们可以优化焊接参数而得到较好的焊缝成形效果.目前,对电弧形态的研究是通过高速摄像而完成的[1-2],而检测熔滴过渡的方法可以通过很多媒介,如光谱信号、声音信号、电信号及X射线等[3-4].研究表明[5],高速摄像能够清晰记录焊接电弧和熔滴瞬变过程的形态和影像,并广泛用于焊接实验中.

　　杨战胜等[6]在熔滴拍摄的过程中,采用基于背光激光的阴影成像原理,选用小孔光澜削弱弧光而

　　获得较为清晰的熔滴图像.激光是单一波长的平行光,通过扩束筒装置可将光斑直径较小的激光束扩束为直径较大的近似平行光束,当投射到成像物镜时,平行光束将在透镜焦点位置会聚为一点,从而顺利通过小孔光栅;而电弧光则是球面光,在成像物镜的焦点处形成一个光斑,使得小孔部分通过光栅而其余部分被阻挡,以达到衰减弧光的目的[7]

　　目前,大多数高速摄像的光学系统都是根据小孔光栅原理所建立[8-9],但该系统需保证各光学元件的中心位于同一直线上,以保证熔滴影像画面的亮度均匀[10].此外,由成像的光学原理可知,若扩束系统的透镜、焊丝及成像透镜之间的距离未精确调整到理想状况,如焊丝不在成像透镜的焦距上,将对成像质量造成影响,因此,利用小孔光栅滤去电弧光要求操作人员具有较丰富的经验.

　　鉴于此,本文提出了一种基于光的偏振原理而对明亮弧光进行有效滤除的方法,通过对激光的选择,基于圆偏振片组合的调节,最大限度地增大成像系统中的背景光与弧光的亮度比例(对比度),从而获得清晰的熔滴过渡过程图像.本系统的滤光效果较好,且对位置距离不敏感,便于操作人员调节.

　　1　基于光偏振原理高速摄像光学系统

　　光学系统结构(见图1)由光源、扩束、成像和摄像部分组成.本系统采用的背光光源是氦氖激光器发射波长介于600~700 nm的激光,且为部分偏振光.扩束部分由2个对合的金属筒组成,每一个金属筒含一个透镜,2个透镜之间的距离为2个透镜的焦距之和,利用成像原理而保证扩束筒中射出的激光为均匀近似的平行光.光源和扩束筒固定在一个

　　三脚架上,以使扩束筒发射的激光能够通过焊丝并在镜头上形成图像.一般地,在拍摄电弧时不需要背光光源,这是因为电弧本身发光并能够在成像系统中成像.

　　成像系统由一系列光学元件和镜头组成,光学元件包括紫外线滤光(UV)片、圆偏振片组合、干涉滤光片以及光圈等.摄像机采用最高拍摄速度为10 000 f/s的高速数字彩色摄像机.

　　在实际拍摄的过程中,由于电弧光的亮度很高,对弧光的抑制效果是影响成像品质的关键,本系统通过3个部分对弧光进行抑制.