1.本技术涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种红外成像光学系统。


背景技术：

2.红外光谱具有夜视增强、全天时探测识别目标的能力，因此红外成像在军事与民用领域均有着广泛的应用。按照红外在大气传输中存在的“大气窗口”，红外光谱可以分为短波红外，中波红外以及长波红外三大类。中波红外与长波红外成像探测目标自身热辐射，实现对场景的成像，均具有透阴霾、雾及高湿环境以及全天时成像能力。中波红外热成像适合探测较高温目标，长波红外适合于探测常温或低温目标。在实际应用中，由于场景存在不同温度分布的目标，采用双波段探测手段更有利于获得清晰、高分辨率及高动态范围的图像，增强目标的探测识别能力。
3.传统方式中，大多采用分立的光学镜头及探测器实现单一谱段的成像，系统较为庞大及复杂；不同设备之间的视轴一致性也难以保证，使用效能较差。随着红外探测器器件的发展与进步，红外双色探测器能够同时输出中波红外及长波红外两幅图像，降低了红外热成像设备的体量；但同时对光学系统提出了挑战，光学系统必须同时将中波红外及长波红外超宽光谱的信息收集到探测器靶面，极大增加了光学系统设计开发难度。专利cn 109407273 a虽然实现了可见光、中波及长波红外的共口径设计，但光学系统的相对孔径仅f/4，聚光能力较低，难以获得高清晰、高分辨率图像。付强等在2015年光学学报“中波/长波双色红外光学系统材料选择”中研究了共口径红外双波段光学系统的设计要素，但获得的设计结果仍然是小相对孔径光学系统，难以满足红外成像系统追求高聚光能力、高灵敏度的需求。
4.共口径中长波红外成像光学系统是解决分立红外光学系统体量庞大、精度不高的关键途径。在具体应用中，共口径成像光路设计面临着超宽光谱的色差及二级光谱校正难题；由于同时满足中波红外及长波红外的高透红外材料十分有限，加大了像差校正难度；进一步的，为了提高红外热成像系统的探测灵敏度，发挥红外双色探测器的性能，光学系统需要实现大相对孔径设计，也加大了光学像差的校正与平衡难度。
5.针对上述问题，亟需进行改进。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提供一种红外成像光学系统，具有实现中波红外与长波红外的完全共光路设计、降低光学系统的空间尺寸以及具备大相对孔径成像能力、聚光能力强、成像质量优异的优点。
7.第一方面，本技术提供了一种红外成像光学系统，技术方案如下：包括：沿光轴从物侧到像侧依次排列的：具有正光焦度的第一透镜；具有负光焦度的第二透镜；
具有负光焦度的第三透镜；具有正光焦度的第四透镜；所述第一透镜的光焦度为φ1，整个光学系统的光焦度为φ，满足：0.40≤φ1/φ≤0.90；所述第一透镜与所述第二透镜的组合光焦度为φ12，整个光学系统光焦度为φ，满足：0.35≤φ12/φ≤0.52；所述第三透镜与所述第四透镜的组合光焦度为φ34，整个光学系统光焦度为φ，满足：1.02≤φ34/φ≤1.42。
8.进一步地，在本技术中，所述φ12与所述φ之间满足：0.35≤φ12/φ≤0.48；所述φ34与所述φ之间满足：1.02≤φ34/φ≤1.05。
9.进一步地，在本技术中，所述φ1与所述φ之间满足：0.40≤φ1/φ≤0.55；所述第二透镜的光焦度为φ2，整个光学系统光焦度为φ，满足：-0.075≤φ2/φ≤-0.045；所述φ34与所述φ之间满足：1.25≤φ34/φ≤1.42。
10.进一步地，在本技术中，所述第一透镜靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凸面，所述第一透镜靠近物侧的一面为非球面，所述第二透镜靠近物侧的一面为凹面，靠近像侧的一面为凸面，所述第三透镜靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面，所述第三透镜的凸面为非球面，所述第四透镜靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面，所述第四透镜的凸面为非球面，非球面满足下列表达式：；z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c=1/r，r表示镜面的近轴曲率半径；k为圆锥系数；a、b、c、d为高次非球面系数。
11.进一步地，在本技术中，所述第二透镜与所述第三透镜之间设置有孔径光阑。
12.进一步地，在本技术中，所述第一透镜靠近物侧一面的近轴曲率半径为109.792mm、通光孔径为55mm，靠近像侧一面的近轴曲率半径为-924.698mm、通光孔径为50.2mm，所述第一透镜在中轴线上的厚度为10.17mm；所述第二透镜靠近物侧一面的曲率半径为-51.957mm、通光孔径为48.8mm，靠近像侧一面的曲率半径为-70.497mm、通光孔径为46mm，所述第二透镜在中轴线上的厚度为5.288mm，所述第二透镜与所述第一透镜在中轴线上的间隔为8.96mm；所述孔径光阑500的通光孔径为39.6mm，所述孔径光阑与所述第二透镜在中轴线上的间隔为1.15mm；
所述第三透镜靠近物侧一面的近轴曲率半径为88.948mm、通光孔径为43.1mm，靠近像侧一面的曲率半径为26.108mm、通光孔径为38.1mm，所述第三透镜与所述孔径光阑在中轴线上的间隔为32.56mm，所述第三透镜在中轴线上的厚度为8mm；所述第四透镜靠近物侧一面的近轴曲率半径为26.125mm、通光孔径为37.2mm，靠近像侧一面的曲率半径为48.498mm、通光孔径为21.6mm，所述第四透镜在中轴线上的厚度为25mm，所述第四透镜与所述第三透镜在中轴线上的间隔为2.08mm，所述第四透镜与像平面在中轴线上的间隔为10.35mm。
13.进一步地，在本技术中，所述第一透镜与物面之间设置有孔径光阑，所述孔径光阑设置在所述第一透镜靠近物侧的镜面上。
14.进一步地，在本技术中，所述第一透镜靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面，所述第一透镜的凸面与凹面为非球面，所述第二透镜靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面，所述第三透镜靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面，所述第四透镜靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面，非球面满足下列表达式：；z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c=1/r，r表示镜面的近轴曲率半径；k为圆锥系数；a、b、c、d为高次非球面系数。
15.进一步地，在本技术中，所述第一透镜靠近物侧一面的近轴曲率半径为116.638mm、通光孔径为50mm，靠近像侧一面的近轴曲率半径为232.206mm、通光孔径为48.6mm，所述第一透镜在中轴线上的厚度为11.07mm；所述孔径光阑与所述第一透镜的凸面贴合，所述孔径光阑的通光孔径为50mm；所述第二透镜靠近物侧一面的曲率半径为32.636mm、通光孔径为45.8mm，靠近像侧一面的曲率半径为23.058mm、通光孔径为32.6mm，所述第二透镜在中轴线上的厚度为14.68mm，所述第二透镜与所述第一透镜在中轴线上的间隔为15.27mm；所述第三透镜靠近物侧一面的曲率半径为130.417mm、通光孔径为32mm，靠近像侧一面的曲率半径为22.336mm、通光孔径为30.5mm，所述第三透镜在中轴线上的厚度为4mm，所述第三透镜与所述第二透镜在中轴线上的间隔为10.86mm；所述第四透镜靠近物侧一面的曲率半径为28.078mm、通光孔径为33.2mm，靠近像侧一面的曲率半径为345.258mm、通光孔径为26.9mm，所述第四透镜在中轴线上的厚度为17.36mm，所述第四透镜与所述第三透镜在中轴线上的间隔为4.37mm，所述第四透镜与像平面在中轴线上的间隔为11.25mm。
16.进一步地，在本技术中，所述第一透镜的材料为硫系玻璃材料，所述第二透镜的材料为锗材料或晶体材料，所述第三透镜的材料为晶体材料，所述第四透镜的材料为晶体材料。
17.由上可知，本技术提供的一种红外成像光学系统，通过采用四个透镜校正两个宽谱段的色差及二级光谱，通过透镜之间的相互协同配合用于校正球差、彗差、像散及场曲等像差，从而达到在保证中波红外与长波红外共光路的同时还可以获得质量优异的成像，具有实现中波红外与长波红外的完全共光路设计、降低光学系统的空间尺寸以及具备大相对
孔径成像能力、聚光能力强、成像质量优异的有益效果。
18.本技术的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术了解。本技术的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
19.图1为本技术提供的其中一种实施例中的红外成像光学系统示意图。
20.图2为图1所示的光学系统在中波红外的光学传递函数曲线分布图。
21.图3为图1所示的光学系统在长波红外的光学传递函数曲线分布图。
22.图4为本技术提供的另一种实施例中的红外成像光学系统示意图。
23.图5为图4的光学系统在中波红外的光学传递函数曲线分布图。
24.图6为图4的光学系统在长波红外的光学传递函数曲线分布图。
25.图中：100、第一透镜；200、第二透镜；300、第三透镜；400、第四透镜；500、孔径光阑。
具体实施方式
26.下面将结合本技术中附图，对本技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
27.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
28.请参照图1至图6，一种红外成像光学系统，其技术方案具体包括：沿光轴从物侧到像侧依次排列的：具有正光焦度的第一透镜100；具有负光焦度的第二透镜200；具有负光焦度的第三透镜300；具有正光焦度的第四透镜400；第一透镜100的光焦度为φ1，整个光学系统的光焦度为φ，满足：0.40≤φ1/φ≤0.90；第一透镜100与第二透镜200的组合光焦度为φ12，整个光学系统光焦度为φ，满足：0.35≤φ12/φ≤0.52；第三透镜300与第四透镜400的组合光焦度为φ34，整个光学系统光焦度为φ，满足：1.02≤φ34/φ≤1.42。
29.通过上述技术方案，在满足上述条件式下，利用第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300以及第四透镜400之间的相互协同配合来校正两个宽谱段的色差及二级光谱，校正球差、彗差、像散及场曲等像差，从而达到中波红外与长波红外共光路且获得质量优异的成像，并且在保证成像质量的同时，缩减尺寸，使系统更加紧凑，减少制造成本，有利于小型化和推广，具有实现中波红外与长波红外的完全共光路设计、降低光学系统的空间尺寸以及具备大相对孔径成像能力、聚光能力强、成像质量优异的有益效果。
30.进一步地，如图1所示，本技术还可以进一步限定，使φ12与φ之间满足：0.35≤φ12/φ≤0.48；φ34与φ之间满足：1.02≤φ34/φ≤1.05。
31.除此之外，φ12与φ之间还可以是以下关系：0.32≤φ12/φ≤0.48；φ34与φ之间还可以是以下关系：0.95≤φ34/φ≤1.05。
32.在本实施例中，第一透镜100靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凸面，第一透镜100靠近物侧的一面为非球面，第二透镜200靠近物侧的一面为凹面，靠近像侧的一面为凸面，第三透镜300靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面，第三透镜300的凸面为非球面，第四透镜400靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面，第四透镜400的凸面为非球面，非球面满足下列表达式：；z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c=1/r，r表示镜面的近轴曲率半径；k为圆锥系数；a、b、c、d为高次非球面系数，，非球面系数的参数如下表所示：值得注意的是，面序号所代表的镜面按照顺序对应为沿光轴从物侧到像侧依次排列的各透镜的镜面。
33.通过上述技术方案，将第一透镜100靠近物侧的凸面、第三透镜300的凸面以及第四透镜400的凸面设置为非球面用以校正球差、彗差、像散及场曲等像差，在减少镜片数量，缩减尺寸的同时可以获得更好的成像效果，起到简化设计，降低成本的效果进一步地，在其中一些实施例中，第二透镜200与第三透镜300之间设置有孔径光阑500。
34.通过上述技术方案，在第二透镜200与第三透镜300之间设置有孔径光阑500用于调节光束的强弱，孔径光阑500设置在第二透镜200与第三透镜300之间可以保证近轴条件，改善成像质量，校正像差。
35.具体的，第一透镜100靠近物侧一面的近轴曲率半径为109.792mm、通光孔径为55mm，靠近像侧一面的近轴曲率半径为-924.698mm、通光孔径为50.2mm，第一透镜100在中轴线上的厚度为10.17mm；第二透镜200靠近物侧一面的曲率半径为-51.957mm、通光孔径为48.8mm，靠近像侧一面的曲率半径为-70.497mm、通光孔径为46mm，第二透镜200在中轴线上的厚度为5.288mm，第二透镜200与第一透镜100在中轴线上的间隔为8.96mm；孔径光阑500的通光孔径为39.6mm，孔径光阑500与第二透镜200在中轴线上的间隔为1.15mm；第三透镜300靠近物侧一面的近轴曲率半径为88.948mm、通光孔径为43.1mm，靠近像侧一面的曲率半径为26.108mm、通光孔径为38.1mm，第三透镜300与孔径光阑500在中轴线上的间隔为32.56mm，第三透镜300在中轴线上的厚度为8mm；第四透镜400靠近物侧一面的近轴曲率半径为26.125mm、通光孔径为37.2mm，靠近像侧一面的曲率半径为48.498mm、通光孔径为21.6mm，第四透镜400在中轴线上的厚度为25mm，第四透镜400与第三透镜300在中轴线上的间隔为2.08mm，第四透镜400与像平面在中轴线上的间隔为10.35mm。其中，中轴线与光轴重合。
36.通过上述技术方案，在保证成像质量优秀的同时缩减系统尺寸，使系统更加紧凑，节省成本，有利于使用和推广。
37.在其中一些实施例中，第一透镜100的材料为硫系玻璃材料。
38.通过上述技术方案，硫系玻璃材料具有优良的红外透过率、较高的折射率和较低的折射率温度系数，因此将其作为第一透镜100的材料。
39.具体的，在一些具体实施方式中，第一透镜100的材料可以选用ig4玻璃、也可以选用ig6玻璃。
40.在其中一些实施例中，第二透镜200的材料为锗材料。
41.通过上述技术方案，锗材料具有良好的机械性能与导热性能，因此将其作为第二透镜200的材料。
42.在其中一些实施例中，第三透镜300的材料为晶体材料。
43.具体的，在一些具体实施方式中，第三透镜300的材料为氟化钙或氟化钡。
44.通过上述技术方案，氟化钙或氟化钡具有高抗冲击和热冲击性能，在紫外、可见光、红外波段范围内均有良好的透过率，并且可以消除二级光谱，因此将其作为第三透镜300的材料。
45.在其中一些实施例中，第四透镜400的材料为晶体材料。
46.具体的，在一些具体实施方式中，第四透镜400的材料为硒化锌或硫化锌。
47.通过上述技术方案，硒化锌或硫化锌在0.5μm~22μm范围内具有良好的透射性能，并且具有光传输损耗小的特点，其折射率、同质性和均匀性能提供优质的光学性能，因此将其作为第四透镜400的材料。
48.作为优选方案之一，该光学系统的参数设置如下表所示：
通过上述参数设置，该光学系统达到的技术指标如下：（1）工作波段：3.7μm~4.8μm，7.7μm~9.5μm；（2）焦距：50mm；（3）探测器：640*512，17μm；（4）相对孔径：f/0.9。
49.在本实施例所记载的技术方案里，该光学系统可以与非制冷双色红外探测器匹配，用于航空航天或地面等多种平台，实现多波段红外成像，用于探测、监控等任务，相对孔径可以达到f/0.9，而常规的双波探测光学系统的相对孔径仅仅只有f/4，而通过本技术所记载的方案，相对孔径可以达到f/0.8至f/1.5之间，在保证小体积的同时，具有非常强的聚光能力，有利于获得高灵敏度探测效果。
50.图2表征了本实施例中光学系统在中波红外的光学传递函数曲线分布，平均光学传递函数值在达到了0.7@30lp/mm，成像质量优异。
51.图3表征了本实施例中光学系统在长波红外的光学传递函数曲线分布，平均光学传递函数值在达到了0.64@30lp/mm，成像质量较优异。
52.除此之外，如图4所示，本技术还可以限定，使φ1与φ之间满足：0.40≤φ1/φ≤0.55；第二透镜200的光焦度为φ2，整个光学系统光焦度为φ，满足：-0.075≤φ2/φ≤-0.045；φ34与φ之间满足：1.25≤φ34/φ≤1.42。
53.除此之外，φ34与φ之间还可以是以下关系：1.25≤φ34/φ≤1.45。
54.在本实施例中，第一透镜100靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面，第一透镜100的凸面与凹面为非球面，第二透镜200靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面，第三透镜300靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面，第四透镜400靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面，非球面满足下列表达式：
；z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c=1/r，r表示镜面的近轴曲率半径；k为圆锥系数；a、b、c、d为高次非球面系数，非球面系数的各参数如下表所示：值得注意的是，面序号所代表的镜面按照顺序对应为沿光轴从物侧到像侧依次排列的各透镜的镜面。
55.通过上述技术方案，将第一透镜100的凸面和凹面设置成非球面，用于校正球差、彗差、像散及场曲等像差，在减少镜片数量，缩减尺寸的同时可以获得更好的成像效果，起到简化设计，降低成本的效果。
56.进一步地，在其中一些实施例中，第一透镜100与物面之间设置有孔径光阑500，孔径光阑500设置在第一透镜100靠近物侧的镜面上。
57.通过上述技术方案，在第一透镜100靠近物侧的镜面上设置有孔径光阑500用于调节光束的强弱，同时用于保证近轴条件，改善成像质量，校正像差，并且将孔径光阑设置在第一透镜100的凸面上，有利于获得紧凑轻小布局设计。
58.具体的，第一透镜100靠近物侧一面的近轴曲率半径为116.638mm、通光孔径为50mm，靠近像侧一面的近轴曲率半径为232.206mm、通光孔径为48.6mm，第一透镜100在中轴线上的厚度为11.07mm；孔径光阑500与第一透镜100的凸面贴合，孔径光阑500的通光孔径为50mm；第二透镜200靠近物侧一面的曲率半径为32.636mm、通光孔径为45.8mm，靠近像侧一面的曲率半径为23.058mm、通光孔径为32.6mm，第二透镜200在中轴线上的厚度为14.68mm，第二透镜200与第一透镜100在中轴线上的间隔为15.27mm；第三透镜300靠近物侧一面的曲率半径为130.417mm、通光孔径为32mm，靠近像侧一面的曲率半径为22.336mm、通光孔径为30.5mm，第三透镜300在中轴线上的厚度为4mm，第三透镜300与第二透镜200在中轴线上的间隔为10.86mm；第四透镜400靠近物侧一面的曲率半径为28.078mm、通光孔径为33.2mm，靠近像侧一面的曲率半径为345.258mm、通光孔径为26.9mm，第四透镜400在中轴线上的厚度为17.36mm，第四透镜400与第三透镜300在中轴线上的间隔为4.37mm，第四透镜400与像平面在中轴线上的间隔为11.25mm。中轴线与光轴重合。
59.通过上述技术方案，在保证成像质量优秀的同时缩减系统尺寸，使系统更加紧凑，节省成本，有利于使用和推广。
60.在其中一些实施例中，第一透镜100的材料为硫系玻璃材料。
61.通过上述技术方案，硫系玻璃材料具有优良的红外透过率、较高的折射率和较低的折射率温度系数，因此将其作为第一透镜100的材料。
62.在一些具体实施方式中，第一透镜100的材料可以选择为ig6玻璃。
63.在其中一些实施例中，第二透镜200的材料为晶体材料。
64.具体的，在一些具体实施方式中，第二透镜200的材料可以为硒化锌。
65.通过上述技术方案，硒化锌在0.5μm~22μm范围内具有良好的透射性能，并且具有光传输损耗小的特点，其折射率、同质性和均匀性能提供优质的光学性能，因此将其作为第二透镜200的材料。
66.在其中一些实施例中，第三透镜300的材料为晶体材料。
67.具体的，在一些具体实施方式中，第三透镜300的材料可以选择为氟化钙或氟化钡。
68.通过上述技术方案，氟化钙或氟化钡具有高抗冲击和热冲击性能，在紫外、可见光、红外波段范围内均有良好的透过率，并且可以消除二级光谱，因此将其作为第三透镜300的材料。
69.在其中一些实施例中，第四透镜400的材料为晶体材料。
70.具体的，在一些具体实施方式中，第四透镜400的材料可以选择为硫化锌。
71.作为优选的技术方案之一，该光学系统的参数设置如下表所示：通过上述参数设置，该光学系统达到的技术指标如下：（1）工作波段：3.7μm~4.8μm，7.7μm~9.5μm；（2）焦距：50mm；（3）探测器：640*512，17μm；（4）相对孔径：f/1.0。
72.在本技术实施例所记载的方案中，该光学系统可以与非制冷双色红外探测器匹配，用于航空航天或地面等多种平台，实现多波段红外成像，用于探测、监控等任务，相对孔径可以达到f/1.0，而常规的双波探测光学系统的相对孔径仅仅只有f/4，而通过本技术所记载的方案，相对孔径可以达到f/0.8至f/1.5之间，在保证小体积的同时，具有非常强的聚光能力，有利于获得高灵敏度探测效果。
73.图5表征了本实施例中光学系统在中波红外的光学传递函数曲线分布，平均光学传递函数值在达到了0.63@30lp/mm，成像质量优异。
74.图6表征了本实施例中光学系统在长波红外的光学传递函数曲线分布，平均光学传递函数值在达到了0.58@30lp/mm，成像质量优异。
75.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。