摘要:内方位元素测试仪是测量航测相机的主点、主距及畸变的仪器。本文介绍了内方位元素测试仪光学系统设计，包括光学参数、结构形式的确定，成象质量和最终设计结果.
引言
内方位元素测试仪其测角精度均方差达到1”，这样高的测量精度在国内目前未曾报道过。光学系统是内方位元素测试仪测量系统的一个重要组成部分，起瞄准、测量和检测的作用。在这里仅讨论有关光学系统的设计。首先，光学系统应设计合理，象质良好，满足使用要求;其次，光学系统应调节方便，调节过程中成象清晰稳定，不影响测量结果。
1光学系统总体结构
光学系统总体结构如图1所示，由以下几部分构成:
1.1瞄准望远镜光学系统
瞄准航测相机象面位置处的网格板，测量其高低角和方位角，是主侧量光学系统。系统结构采用远摄物镜形式，可以有效缩短筒长，对结构设计有利。
1.2入瞳观测系统
观测航测相机的入瞳。入瞳观测系统与瞄准望远镜共用主光路，在瞄准望远镜中加入一组透镜，作为入瞳观测系统使用，将这一组透镜移出作为瞄准望远镜使用。入瞳观测系统与瞄准望远镜共用一个CCD，入瞳观测系统与瞄准望远镜象面需保持一致，这样移入透镜时不必或只做微量调整即可做入瞳观测系统。
1.3视轴晃动检测光学系统
检测瞄准望远镜视轴的晃动量。采用两种方法检测视轴晃动:l)自准直反射镜法;2)基准平行光管法。
2瞄准望远镜设计要点
2.1光学参数和瞄准精度的关系
在内方位元素测试仪中，瞄准望远镜对航测相机网格板上的十字丝刻线进行瞄准，测量网格板上每一个十字丝的高低角和方位角。瞄准望远镜的光学参数，根据瞄准精度均方差0.3”的要求来确定，当瞄准望远镜转动0.3‘，时，刻线的象在CCD光敏面上移动l/2个象素(5协m)。则瞄准望远镜的焦距为
我们选用PULNIX公司的2/3英寸CCD摄象机，其光敏面的尺寸为8.361mmx6.391mm，对角线长10.488mm，则瞄准望远镜的视场为
2.2结构形式的确定
光学系统的焦距长达3，44Omm，一般结构因其尺寸太大无法满足结构设计的要求，所以瞄准望远镜采用远摄物镜形式。前后两组透镜光焦度的分配由以下方程求解:
2.3成象质量
在瞄准望远镜系统设计中，由于望远镜视场角很小，不用校正轴外象差，只需校正球差，彗差和轴向色差。前后组独立校正象差，这样系统的装配误差对成象质量影响较小。望远镜相对孔径和视场角都很小，但焦距很长，所以系统存在的象差主要是二级光谱色差。二级光谱色差只与焦距和材料有关，我们采用TF3玻璃来复消色差。后组负透镜采用特种火石玻璃在前冕牌玻璃在后的形式，后组负透镜的高级象差比较大，与前组正透镜的高级象差符号相反，这样整个系统的高级象差就比较小。
使用进口的SIGN认2100光学设计软件来进行象差优化，优化后的象差曲线色差得到校正，二级光谱色差值达到最小值。系统的波象差最大值为1/8波长，远小于1/4波长，达到衍射极限。
图2是瞄准望远镜光学系统的调制传函曲线。从图中可看出，瞄准望远镜的调制传递函数接近于理论值，瞄准望远镜的设计达到了预期结果。
3入瞳观测系统设计
在内方位元素测试仪测角过程中，入瞳观测系统观测到的航测相机的入瞳中心与瞄准望远镜的入瞳中心以及仪器内外轴轴线的交点应互相重合。否则有渐晕对测量会产生不利影响，主要是l)有拦光，在CCD靶面照度不够，对比度差，噪声大;2)渐晕使CCD靶面上网格板十字丝象的中心与理想十字丝象的中心有漂移，细分时产生测量误差。为了消除这个误差影响，有必要引入入瞳观测系统。入瞳观测系统在看到入瞳后，在CCD靶面上有一个亮斑，当内外框转动时，如果CCD靶面上的亮斑没有移动，则说明内外框转轴交点与相机入瞳中心重合，若有移动则说明没有重合，可通过调整机构来保证重合。入瞳观测系统其实是相机调整机构的一个辅助系统，使相机调整有一定依据。其最终设计结果为相机入瞳象占CCD靶面的l/4，与瞄准望远镜共象面，最大波象差有1/2波长，满足使用要求。
4视轴晃动检测光学系统
瞄准望远镜固定在内框内壁，内框转动时由于自重的原因，内框会产生变形，内框转动不同角度，变形量也不相同。这样，瞄准望远镜的视轴方向也跟着变化，从而影响仪器的测量精度。为此，需要对视轴晃动的变形进行测量和校正。检测视轴晃动的变形有两种方法:a)自准直反射镜法;b)基准平行光管法。
4.1自准直反射镜法
自准直反射镜法检测视轴晃动的原理是:在内轴上穿一根钢管，钢管中心位置处放一平面反射镜，由于钢管是对称均匀变形，在内框转动过程中，钢管中心位置处的角度方向始终保持不变。以内框处于平衡位置时自准直十字丝位置为参考点，记下内框每转动一个角度时自准直十字丝的位置，由于处在钢管中央的反射镜法线方向始终不变，每一次测量所得十字丝位置与参考点位置之差可用来标定瞄准望远镜的视轴的变化。在与瞄准望远镜象面共扼的位置放一分划板，分划板后的照明系统，将分划板照亮。这样，分划板上的十字丝相当于一个目标，经瞄准望远镜后成象于无穷远，经自准直反射镜后成象于CCD上。
4.2基准平行光管法
检测视轴晃动还可以采用基准平行光管的方法。由于相机焦距f‘=300mm，为此专门设计了一个焦距是300mm的平行光管，其象面位置处放置一块十字丝分划板。平行光管放在内外框转轴中心处，十字丝照亮后经平行光管出射光线为平行光，又经瞄准望远镜成象于CCD靶面上。平行光管不动，内框转动，每转动一个角度记下一个十字丝的位置，与参考位置比较也可检测视轴的晃动。实际测量时，上述这两种方法都要采用。
结束语
光学系统作为内方位元素测试仪的一个重要组成部分，对仪器的测量精度有直接影响。只要初始结构和材料选择合适，采用一体化优化设计方法，从设计结果来看，能够作到象质良好，调节方便，满足加工和使用要求。
参考文献:
(1)王子余.几何光学和光学设计「MJ.杭州:浙江大学出版社，1989.50一276
(2)衷旭沧.现代光学设计方法[MI.北京:北京理工大学出版社，1995.116一154
作者筒介:李华(1975一).男(汉族)，新王奎屯人.研究实习员.主要从事光学设计工作.
