本发明涉及一种基于玻璃平行平板进行光束扫描的面阵探测器简便定焦方法，属于光学测量仪器领域。
背景技术：
1、在光电自准直仪中，点光源发出的光经准直物镜后准直成为平行光，平行光经平面反射镜反射到物镜上，经物镜聚焦后汇聚到焦点上，让探测器(ccd或cmos)位于物镜的焦平面上，那么探测器就能采集到一个光斑图像，光电自准直仪光路原理图如图1所示。当反射镜的角度发生偏转时，探测器上的光斑的位置也会随之发生变化，通过质心计算算法可以得到每个光斑的质心，比较前后质心位置的变化可以得到一个位移量，然后通过几何关系可以计算出反射镜的角度变化。在光电自准直仪中，探测器是否准确安装到物镜焦平面上对于测角精度有着较大的影响。而这类系统在使用过程中由于温度变化以及环境震动等干扰因素的存在，会使原本完成定焦的系统发生偏移，因此其在使用前都需检查系统是否处于离焦状态，重新完成定焦后才能进行后续的测量工作。光电自准直仪通过计算前后光斑的质心的变化量来测得角度的变化，所以在光电自准直仪的安装调校过程中，探测器是否准确安装到物镜的焦平面处直接影响到测角的精度与可靠性。当待测件存在较大偏转角，自准直发出的测量光束只有部分反射光线能够回到自准直系统中。理论上，如果探测器正好处于焦平面上，各部分的光线聚焦到同一点上，所以无论哪一部分的光线用于测角，得到的数据都是一样的。但是如果探测器处于离焦状态，那么不同位置的光线聚焦到探测器上的光斑的质心位置就会发生变化。因此需要对探测器的安装位置进行精准定焦，确保口径内任意位置的光束聚焦后的光斑的质心位于同一位置，以此来确保测角的精度。在卫星相机中，如果探测器不能准确安装到焦平面上，那么采集到的图像就会模糊不清。因此一种简单可靠且高精度的探测器定焦方法在这种探测器需要精准定焦的系统中是至关重要的。
2、传统的定焦方法中，和本发明最相似的方案为光斑直径法。根据几何光学原理，平行光经过物镜后聚焦在焦平面上，汇聚成一个光点，在焦平面上光斑的直径最小。保持光路其余部分不变，沿光轴方向前后移动探测器，在不同的位置采集光斑图像，然后对光斑图像进行去噪、边缘提取等图像处理操作，可以得到光斑直径的大小。然后比较轴向不同位置处光斑直径，当光斑直径最小时，便认为探测器处于焦平面位置了。
3、这种方法在定焦过程中需要来回移动探测器的位置，定焦过程较为繁琐，也无法在结构固定的系统中使用。而且在探测器处于离焦状态时，无法根据探测器采集到的光斑图像判断此时探测器是处于焦平面之前还是之后。此方法通过光斑的直径变化来判断探测器是否安装到位，理论上光斑定位精度最高为亚像素精度，所以在高精度光电自准直系统中，探测器的焦平面定位精度就会成为制约测角精度进一步提升的关键因素。
技术实现思路
1、为了解决现有自准直仪定焦方法精度低且定焦繁琐的问题，本发明的目的是提供一种基于玻璃平行平板进行光束扫描的面阵探测器简便定焦方法，该方法在物镜前放置一块玻璃平行平板，通过玻璃平行平板的细光束经物镜聚焦后落到探测器上形成一光斑，通过质心计算算法可以得到这个光斑质心的位置，然后转动平行平板，若转动前后对应光斑的质心处于探测器的同一位置，此时探测器恰好处于物镜的焦平面上，说明探测器已经安装到位，若是各个质心的位置之间存在偏差，则说明探测器此时处于离焦状态，需要调整安装位置。本发明的质心定位精度可以达到百分之一像素的精度。
2、本发明的目的是通过下述技术步骤实现的。
3、基于玻璃平行平板进行光束扫描的面阵探测器简便定焦方法，包括如下步骤：
4、步骤一、在物镜前放置玻璃平行平板，平行平板与光束垂直，细平行入射光通过玻璃平行平板后经物镜聚焦到探测器上形成光斑，探测器采集得到光斑图像，然后通过质心计算算法得到光斑质心的位置；
5、步骤二、转动玻璃平行平板，采集玻璃平行平板不同转动角度的光斑图像，分别计算得到各个光斑的质心，与步骤一形成的光斑质心的位置进行比较，判断探测器此时是处于焦前还是焦后；
6、步骤三、通过步骤一、步骤二的光斑质心位置，得到离焦量△d：
7、
8、式中，f为物镜的焦距，h为两个光斑质心之间的距离，l为旋转平行平板前后细光束的中心间距，根据斯涅尔定律计算得到，计算过程如式(2)所示：
9、
10、θ3＝θ1-θ2 (3)
11、
12、式中，n1为空气折射率，n2为玻璃平行平板折射率，d为玻璃平行平板厚度，θ1为玻璃平行平板旋转角度，θ2为光线在玻璃内与法线的夹角，θ3为光线在玻璃内与入射光线夹角；
13、步骤四、在结构已经固定的系统中，通过在探测器安装处增减垫片来完成精确的定焦调整，依据此前判断探测器处于焦前或焦后以及计算出的离焦量决定垫片的增减或者对垫片做适当的磨削，即完成探测器简便定焦。
14、如果对探测器定焦精度要求不高，则只需采集两次图像即可完成定焦，旋转玻璃平行平板产生两束在竖直方向上偏差较远的平行光束，然后分别采集光斑图像，计算两幅图像中光斑质心的位置，根据公式(1)计算得到离焦量。
15、如果探测器需要高精度定焦，在口径内多次旋转玻璃平行平板并分别采集光斑图像，依据上述计算离焦量的方法分别计算出离焦量，所述离焦量受各种像差的影响并不一致，利用最小二乘法对所述离焦量进行拟合得到方差最小时的离焦量，参考方差最小时的离焦量进行探测器定焦。
16、有益效果：
17、1、本发明公开的一种基于玻璃平行平板进行光束扫描的面阵探测器简便定焦方法，在物镜前放置一块玻璃平行平板，通过玻璃平行平板的细光束经物镜聚焦后落到探测器上形成一光斑，通过质心计算算法可以得到这个光斑质心的位置，然后转动平行平板，若转动前后对应光斑的质心处于探测器的同一位置，此时探测器恰好处于物镜的焦平面上；因为在定焦过程中不需要来回移动探测器或多次更换垫片，只需改变平行平板的旋转角度，然后比较探测器上光斑质心位置变化，即可完成定焦，所以在结构固定系统中的使用不受限制，并且定焦方法简洁，定焦精度高；
18、2、本发明公开的一种基于玻璃平行平板进行光束扫描的面阵探测器简便定焦方法，该方法将带玻璃平行平板置于物镜前方，通过玻璃平行平板的角度实现在物镜口径内的光束扫描，定焦方法基于光学系统原本的光路，不需额外搭建系统，而且方法所用仪器简单，所有光学实验室均具备实现条件。
19、3、本发明公开的一种基于玻璃平行平板进行光束扫描的面阵探测器简便定焦方法，如果对探测器定焦精度要求不高，则只需采集两次图像即可完成定焦，旋转玻璃平行平板产生两束在竖直方向上偏差较远的平行光束，然后分别采集光斑图像，计算两幅图像中光斑质心的位置，根据离焦量公式计算得到离焦量。如果探测器需要高精度定焦，在口径内多次旋转玻璃平行平板并分别采集光斑图像，依据上述计算离焦量的方法分别计算出离焦量，所述离焦量受各种像差的影响并不一致，利用最小二乘法对所述离焦量进行拟合得到方差最小时的离焦量为参考进行探测器定焦。依据实际使用需求选择定焦操作，既可以实现简单快速的定焦，也能够实现高精度的定焦操作。