本发明属于光学领域中红外显示技术领域，涉及一种红外中波波段、含无热化设计的光学系统。本发明大视场无热化红外光学系统，包括由依次共光轴的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)组成的透镜组和探测器，其中，探测器沿光入射方向依次为保护玻璃(5)、锗片(7)、光阑(8)和像面(6)，所述第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)的材料为单晶硅，第四透镜(4)的材料为ZnSe，且第一透镜(1)的光焦度为正，第二透镜(2)、第三透镜(3)和第四透镜(4)的光焦度为负。本发明利用四片镜片得到大视场，其结构简单、体积小，且利用材料热膨胀性的不同进行无热化设计，具有成像质量高的特点。
1.一种大视场无热化红外光学系统，其特征在于：包括由依次共光轴的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)组成的透镜组和探测器，其中，所述探测器沿光入射方向依次为保护玻璃(5)、锗片(7)、冷光阑(8)和像面(6)，所述第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)的材料为单晶硅，第四透镜(4)的材料为ZnSe，且第一透镜(1)的光焦度为正，第二透镜(2)、第三透镜(3)和第四透镜(4)的光焦度为负，所述第一透镜(1)第一面的曲率半径为-43.85mm，第二面的曲率半径为-35.1372mm，且其中心厚度为2mm；
所述第二透镜(2)第一面的曲率半径为-18.4672mm，第二面的曲率半径为-92.26mm，中心厚度为5.25mm；所述第三透镜(3)第一个面的曲率半径为-59.43mm，第二面的曲率半径为-24.9124mm，中心厚度为6.5mm；所述第四透镜(4)第一面的曲率半径为-34.54mm，第二面的曲率半径为-18.91mm，中心厚度为6.48mm。
2.根据权利要求1所述的大视场无热化红外光学系统，其特征在于：所述保护玻璃(5)为厚度1mm的硅，所述锗片(7)厚度为0.3mm。
3.根据权利要求2所述的大视场无热化红外光学系统，其特征在于：所述第二透镜(2)与第一透镜(1)之间的间距为6.16mm，第三透镜(3)与第二透镜(2)之间的距离为0.77mm，所述第四透镜(4)和第三透镜(3)之间的距离为0.67mm，且所述第四透镜(4)距保护玻璃(5)的距离为5mm，所述锗片(7)距离保护玻璃1.875mm，冷光阑(8)位于锗片(7)的1mm后的位置，像面(6)距离冷光阑20mm。
4.根据权利要求3所述的大视场无热化红外光学系统，其特征在于：第一透镜(1)的直径尺寸为21mm，所述第二透镜(2)的直径尺寸为18.5mm，第三透镜(3)的直径尺寸为
23.4mm，第四透镜(4)的直径尺寸为26.2mm。
一种大视场无热化红外光学系统
技术领域
[0001] 本发明属于光学领域中红外显示技术领域，涉及一种红外中波波段、含无热化设计的光学系统。
背景技术
[0002] 目前红外光学系统按类型分有定焦红外光学系统和变焦红外光学系统。通常温度的变化对红外镜头的像质影响较大，通常通过位置补偿的方法进行焦距调节来解决温度的变化所引起的像质恶化。
[0003] 目前也有考虑光学零件和结构零件的热胀冷缩，但确定视场条件下，进行无热化设计时。但是现有技术无热化光学系统，一般所需镜片多，系统的复杂和体积较大，从而降低光学系统的成像性能。特别是大视场成像时，很难同时满足无热化需求和成像质量要求，从而难以获得高质量的光学成像。现有技术尚没有在-80～+80℃的环境温度无需调节就能保持像质清晰、针对37μm～4.7μm中波红外焦平面探测器进行无热化设计的大视场、小体积的红外光学系统。
发明内容
[0004] 本发明的目的是：提供一种结构简单、体积小、成像质量高的大视场无热化光学系统。
[0005] 本发明的技术方案是：一种大视场无热化红外光学系统，其特征在于：包括由依次共光轴的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜组成的透镜组和探测器，其中，所述探测器沿光入射方向依次为保护玻璃、锗片、冷光阑和像面，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的材料为单晶硅，第四透镜的材料为ZnSe，且第一透镜的光焦度为正，第二透镜、第三透镜和第四透镜的光焦度为负。
[0006] 所述第一透镜第一面的曲率半径为-43.85mm，第二面的曲率半径为-35.1372mm，且其中心厚度为2mm；所述第二透镜第一面的曲率半径为-18.4672mm，第二面的曲率半径为-92.26mm，中心厚度为5.25mm；所述第三透镜第一个面的曲率半径为-59.43mm，第二面的曲率半径为-24.9124mm，中心厚度为6.5mm；所述第四透镜第一面的曲率半径为-34.54mm，第二面的曲率半径为-18.91mm，中心厚度为6.48mm。
[0007] 所述探测器保护玻璃为厚度1mm的硅，所述锗片厚度为0.3mm。
[0008] 所述第二透镜与第一透镜之间的间距为6.16mm，第三透镜与第二透镜之间的距离为0.77mm，所述第四透镜和第三透镜之间的距离为0.67mm，且所述第四透镜距保护玻璃的距离为5mm，所述锗片距离保护玻璃1.875mm，冷光阑位于锗片的1mm后的位置，像面距离冷光阑20mm。
[0009] 所述第一透镜的直径尺寸为21mm，所述第二透镜的直径尺寸为18.5mm，第三透镜的直径尺寸为23.4mm，第四透镜的直径尺寸为26.2mm。
[0010] 本发明的优点是：本发明大视场无热化红外光学系统利用不同材料膨胀系数的相互补偿，无需任何调节，即可保持低温-80～高温+80℃温度范围内的像质始终优良，从而实现无热化设计，且无需电机、控制电路、传动机构等，从而节省了成本、空间和重量。而且本发明镜头本身非常小巧，系统本身总长仅为27.83mm，仅采用4片镜片即可实现38.85°视场，同时具有较大的相对孔径，F数为2，冷光阑效率：100％；全视场内畸变≤3.5％，因此具有较佳的成像质量。而且由于镜头自身环境适应性好，像质好，调节环节少，镜头性能稳定，从而具有更好的高低温和振动耐受性，可靠性高。
附图说明
[0011] 图1为本发明大视场无热化红外光学系统一较佳实施方式的结构示意图；其中，1-第一透镜，2-第二透镜，3-第三透镜，4-第四透镜，5-探测器保护玻璃，6-像面，7-锗片，
8-冷光阑。
具体实施方式
[0012] 下面通过具体实施方式对本发明作进一步的说明：
[0013] 参见图1所示，其是本发明大视场无热化红外光学系统的结构示意图。所述大视场无热化红外光学系统包括由第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4组成的透镜组和一探测器。其中，所述探测器沿光入射方向依次为保护玻璃5、锗片7、冷光阑8和像面6。
[0014] 请同时参阅表1，其给出了透镜组四个透镜的光学参数，其中，所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3均有一面为非球面，且第一透镜1的光焦度为正，第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4的光焦度为负。所述第一透镜1的材料为单晶硅，其外形尺寸即直径为21mm，第一面的曲率半径为-43.85mm，第二面的曲率半径为-35.1372 mm，且其中心厚度为
2mm。所述第二透镜2与第一透镜1之间的间距为6.16mm，其材料也为单晶硅，外形尺寸即直径为18.5mm，其第一面的曲率半径为-18.4672mm，第二面的曲率半径为-92.26mm，中心厚度为5.25mm。所述第三透镜3与第二透镜之间的距离为0.77mm，材料也为单晶硅，其外形尺寸为23.4mm，第一个面的曲率半径为-59.43mm，第二面的曲率半径为-24.9124mm，中心厚度为6.5mm。所述第四透镜4和第三透镜3之间的距离为0.67mm，其材料为ZnSe，外形尺寸为26.2mm，第一面的曲率半径为-34.54mm，第二面的曲率半径为-18.91mm，其中心厚度为6.48mm，且所述第四透镜距保护玻璃5的距离为5mm。
[0015] 表1透镜组的光学参数
[0016]
[0017] 所述探测器为像素数640×512、像素大小15μm的中波红外焦平面探测器，适用波长：3.7μm～4.7μm；中心波长：4.1μm；有效成像面积：9600μm×7680μm。探测器保护玻璃5为厚度1mm的硅，所述锗片7厚度为0.3mm，距离保护玻璃1.875mm。冷光阑8位于锗片7的1mm后的位置，随后20mm后为探测器像面6。
[0018] 本发明大视场无热化光学系统用四片镜片实现了31°×23.25°的大视场，其圆视场为38.85°，焦距为17.1mm，其结构简单，体积小。系统采用一次成像的方式，系统第一透镜1的第一面到探测器保护玻璃5的轴向空间长度为32.83mm，且仅用4片镜片实现了321p/mm条件下衍射传递函数全视场≥50％，同时具有较大的相对孔径，F数为2，冷光阑效率为100％，其全视场内畸变≤3.5％，保证了较高的成像质量。而且本发明使用多种光学材料，利用材料不同的热光系数进行温度补偿，从而消除温度的影响，保证了从低温-80～高温+80℃温度范围的像质，具有更好的高低温和振动耐受性，可靠性高。
