CN102621669B - 用于红外中波探测器的小型光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于红外中波探测器的小型光学系统，包括：沿同一光轴从物点到像点依次排列四片光焦度为正-负-正-正的透镜，第二透镜位于使物点和像点共轭的两个位置之一；物点在第一透镜和第三透镜之间的中间成像面处第一次成像，第一次成的像通过第四透镜再次成像到红外中波探测器的光敏面上；设所述光学系统在小视场工作状态下的焦距为fn，第一透镜的直径为D1，第一透镜的焦距为f1，第四透镜的放大率为m4，则0.2≤f1/fn≤0.3，0.7≤f1/D1≤1.2，-3≤m4≤-1.5。本发明能够在实现红外相机小型化的同时保证光学系统仍然具有大口径、长焦距、双视场、成像质量好的特点。

Description

用于红外中波探测器的小型光学系统

技术领域

本发明涉及光学元件技术领域，尤其涉及一种用于红外中波探测器的小型光学系统。

背景技术

近年来，红外成像技术及应用在各国受到广泛的重视，并得到蓬勃的发展。红外焦平面探测器技术的日益成熟，为满足各领域的需求提供了良好的基础，进一步促进了红外光学系统的发展。

相对于可见光相机而言，红外相机探测对象是低对比度的弱目标。目标探测能力是衡量红外相机性能的关键指标。红外相机中包括光学系统和红外探测器，提高红外相机探测能力可以采取三种措施，一是采用高灵敏度的制冷型红外探测器；二是增加红外光学系统的有效口径；三是提高红外光学系统的透过率。

与非制冷红外探测器相比，制冷红外型探测器组件体积较大，包括制冷杜瓦组件，杜瓦组件中含有冷光阑。冷光阑只允许视场中的有用光线到达探测器，以减小热辐射背景的影响，为此光学系统要求具有100％的冷光阑效率。现有的用于制冷型红外探测器的光学系统，冷光阑均作为孔径光阑并且位于光学系统的后端。用于非制冷探测器的红外光学系统的孔径光阑的位置可以根据像差校正与体积的需要任意放置，而用于制冷型红外探测器的光学系统的孔径光阑的位置固定，不利于光学系统像差的优化平衡，也不利于光学系统体积的缩小。

随着光学系统有效口径的增大，使红外探测器接收来自目标或背景的红外辐射越来越多，红外相机的探测能力也越强。口径的增大势必增加孔径量像差的校正难度。另外，与可见光相比，红外光的波长较长，光学艾利斑直径较大，从而导致红外相机的分辨率远远低于可见光相机，增加光学系统的焦距是提高红外相机分辨率的有效途径，进而提高红外相机对目标的识别能力。然而，焦距变长会导致红外光学系统的色差难以控制。

与可见光材料相比，红外材料的吸收较大，例如，锗单晶在3.8μm的吸收系数为1.35×10^-2/cm；红外增透薄膜的透过率至少比可见光增透薄膜的透过率低两个百分点，这大大限制了单个红外光学零件透过率；因此，在保证良好成像质量的前提下，追求光学零件数量的最小化，以提高红外光学系统的透过率，是红外相机设计过程中所关注的重点之一。然而，光学零件数量的减少势必影响光学系统像差的校正能力。

在许多场合，只具有单一视场的红外光学系统已远远不能满足要求，双视场红外光学系统应运而生。在两个视场的条件下，保持焦面固定与成像清晰是双视场红外光学系统的基本要求，利用大视场搜索目标，小视场仔细观察目标，在军用与民用领域具有良好的应用前景。

为了使红外相机便于使用，红外相机变得原来越小，小型化趋势明显。具有高分辨率、高灵敏度的红外相机要求红外相机使用体积较大的制冷型探测器，光学系统需要具有大口径、长焦距、成像质量好的特点，这与红外相机的小型化趋势相违背。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于红外中波探测器的小型光学系统，实现红外相机小型化的同时保证光学系统仍然具有大口径、长焦距、双视场、成像质量好的特点。

本发明采用的技术方案是，所述用于红外中波探测器的小型光学系统，包括：沿同一光轴从物点到像点依次排列的第一透镜到第四透镜，第一、三、四透镜为具有正光焦度且凸面弯向物方的弯月型透镜，第二透镜为具有负光焦度的双凹透镜、且基于物像交换原则位于使物点和像点共轭的两个位置之一，所述两个位置分别对应光学系统的大视场工作状态和小视场工作状态；

物点在第一透镜和第三透镜之间的中间成像面处第一次成像，第一次成的像通过第四透镜再次成像到红外中波探测器的光敏面上；

设所述光学系统在小视场工作状态下的焦距为fn，第一透镜的直径为D1，第一透镜的焦距为f1，第四透镜的放大率为m4，则0.2≤f1/fn≤0.3，0.7≤f1/D1≤1.2，-3≤m4≤-1.5。

进一步的，所述光学系统中每个透镜的材料为锗、硅、硒化锌或者锗硫系玻璃，所述第一透镜到第四透镜这四个透镜中至少包括上述四种材料中的两种材料的透镜。

进一步的，第一透镜的两个表面均为球面，第二透镜的两个表面至少一个符合非球面方程，第三透镜和第四透镜中每个透镜的两个表面至少一个符合衍射面方程。

进一步的，所述非球面方程中至少包含两项非球面系数；

所述衍射面方程的衍射面系数中至少有一项不为0、且所述衍射面方程相位数的绝对值大于等于4。

进一步的，所述非球面方程为奇次非球面方程或者偶次非球面方程，所述衍射面方程为以奇次非球面方程或者偶次非球面方程为基底的衍射面方程。

进一步的，在所述中间成像面处还设有一个通光孔直径为d/|m4|～(d/|m4|+1)毫米的光阑，d为覆盖红外中波探测器光敏面面积的最小外接圆直径。

进一步的，所述红外中波探测器的冷光阑成像于第一透镜上、且所述光学系统在小视场工作状态下的有效通光口径D与第一透镜的直径D1的比值等于1，其中，D＝fn/F#，F#为红外中波探测器的F数。

进一步的，所述冷光阑的效率为100％。

采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

1.本发明仅采用四片光焦度为正-负-正-正的透镜组成用于红外中波探测器的光学系统，通过不同制作材料的透镜组合实现小体积、双视场、长焦距的特点。使用的光学透镜数少，光学系统的透过率高达87％以上，有利于提高红外相机的温度灵敏度，增强其探测能力。

通过对透镜及光学系统的参数进行设定0.2≤f1/fn≤0.3，0.7≤f1/D1≤1.2，-3≤m4≤-1.5，可以实现1＜fn/fw≤7，fw是大视场工作状态下的焦距，且光学系统的焦距L＜(fn+f42)/|m4|+(|m4|+2)f4，有利于小视场状态孔径量像差及大视场状态视场量像差的平衡、光学系统的可生产性、以及长焦距光学系统的小体积。

2.本发明所述光学系统的孔径效率D/D1为1，实现光学系统径向尺寸的最小，有利于红外相机的小型化，同时减少了透镜材料和加工成本。

3.本发明所述光学系统进一步包括的光阑，有效地消除了视场外无用的红外辐射，有利于提高探测器灵敏面上成像的对比度，改善图像的视觉效果。

4.通过一个传动机构的驱动，调整第二透镜所处的共轭位置，可以起到视场变换、调焦、温度补偿等功能，避免了以往发明采用两个或三个传动机构实现的缺点，简化传动结构，有利于高灵敏度、高分辨率红外相机的小型化。

附图说明

图1为本发明第一实施例中用于红外中波探测器的小型光学系统的结构示意图；

图2为本发明第一实施例中用于红外中波探测器的小型光学系统的优选结构示意图；

图3为本发明第二实施例中用于红外中波探测器的小型光学系统在小视场工作状态下的结构示意图；

图4为本发明第二实施例中用于红外中波探测器的小型光学系统在大视场工作状态下的结构示意图；

图5为本发明第二实施例中第三透镜的衍射面在红外相机工作波长4μm处的衍射面相位情况示意图；

图6为本发明第二实施例中第四透镜的衍射面在红外相机工作波长4μm处的衍射面相位情况示意图；

图7为第二实施例中用于红外中波探测器的小型光学系统在小视场工作状态下的光学传递函数曲线图；

图8为第二实施例中用于红外中波探测器的小型光学系统在大视场工作状态下的光学传递函数曲线图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

第一实施例，如图1所示，一种用于红外中波探测器的小型光学系统，包括：沿同一光轴OO’从物点到像点依次排列的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4，第一透镜1、第三透镜3和第四透镜4为具有正光焦度且凸面弯向物点的弯月型透镜，第二透镜2为具有负光焦度的双凹透镜、且基于物像交换原则位于使物点和像点共轭的两个位置之一，所述两个位置分别对应光学系统的大视场工作状态和小视场工作状态，图1中只绘出光学系统的大视场工作状态。

物点在第一透镜1和第三透镜之3间的中间成像面9处第一次成像，第一次成的像通过第四透镜4再次成像到红外中波探测器的光敏面5上。红外中波探测器位于该光学系统第四透镜4的外侧，图1中只绘出了红外中波探测器的探测器窗口7、冷光阑8和光敏面5。

设该光学系统在小视场工作状态下的焦距为fn，第一透镜1的直径为D1，第一透镜1的焦距为f1，第四透镜4的放大率为m4，则0.2≤f1/fn≤0.3，0.7≤f1/D1≤1.2，-3≤m4≤-1.5。

具体的，该光学系统中每个透镜的材料可以为锗、硅、硒化锌或者锗硫系玻璃，第一透镜1到第四透镜4这四个透镜中至少包括上述四种材料中的两种材料的透镜。该光学系统中的四个透镜之所以不选同一材料制作的原因，是为了校正光学系统成像的色差的需要。

第一透镜1的两个表面均为球面，即符合球面方程，球面方程的公式如下：

$\mathrm{ZS}=\frac{Y^2}{R\sqrt{1+[1-{\left(\frac{Y}{R}\right)}^2]}}---\left(1\right)$

其中：ZS为球面沿光轴方向的矢高，R为表面与光轴OO’交点处的曲率半径，Y为透镜垂直于光轴的高度。

第二透镜2的两个表面至少一个符合非球面方程，非球面方程可以分为偶次非球面方程和奇次非球面方程，偶次非球面方程的通用公式如下：

$\mathrm{ZA}=\frac{Y^2}{R\sqrt{1+[1-(1+K){\left(\frac{Y}{R}\right)}^2]}}+{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i{Y}^{2i}---\left(2\right)$

奇次非球面方程的通用公式如下：

$\mathrm{ZA}=\frac{Y^2}{R\sqrt{1+[1-(1+K){\left(\frac{Y}{R}\right)}^2]}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_i{Y}^i---\left(3\right)$

其中：ZA为非球面沿光轴方向的矢高，R为表面顶点处的曲率半径，Y为垂直于光轴的高度，K为圆锥系数，α_i、β_i为非球面系数。第二透镜2具体采用的非球面方程中至少包含两项非球面系数。第二透镜2的两个表面至少一个符合奇次非球面方程或者偶次非球面方程均可。当第二透镜2的两个表面中的一个符合奇次非球面方程或者偶次非球面方程时，其余的表面则符合球面方程或非球面方程均可。

第三透镜3和第四透镜4中每个透镜的两个表面至少一个符合衍射面方程。本领域公知，衍射面是基于非球面的衍射面或者是基于球面的衍射面。

基于非球面的衍射面方程的通用公式如下：

$\mathrm{ZH}=\mathrm{ZA}+\mathrm{HOR}[\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{Y}^{2i}-\frac{\mathrm{\λ}}{n-1}+\mathrm{INT}\left(\frac{1}{\mathrm{\λ}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{Y}^{2i}\right)]---\left(4\right)$

其中各量的含义如下：

ZH：衍射面沿光轴方向的透镜矢高；

HOR：衍射级次；

λ：红外相机的工作波段的中心波长，其由红外中波探测器的光谱响应决定；

n：透镜材料在红外相机的工作波长λ处的折射率；

INT：取整函数；

C1、C2、......、Cn：衍射面系数；

衍射面方程的相位数。

基于球面的衍射面方程的通式如下：

$\mathrm{ZH}=\mathrm{ZS}+\mathrm{HOR}[\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{Y}^{2i}-\frac{\mathrm{\λ}}{n-1}+\mathrm{INT}\left(\frac{1}{\mathrm{\λ}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{Y}^{2i}\right)]---\left(5\right)$

本发明第三透镜3和第四透镜4具体采用的衍射面方程的衍射面系数C1、C2、C3中至少有一个不为0、且所述衍射面方程相位数的绝对值大于等于4。第三透镜3和第四透镜4中每个透镜的两个表面至少一个符合以奇次非球面方程基底的衍射面方程或者以偶次非球面方程为基底的衍射面方程均可。当第三透镜3和第四透镜4中每个透镜的两个表面中的一个符合以奇次非球面方程基底的衍射面方程或者以偶次非球面方程为基底的衍射面方程时，其余的表面则符合球面方程或者非球面方程或者衍射面方程均可。

优选的，如图2所示，在该光学系统的中间成像面9处还设有一个通光孔直径为d/|m4|～(d/|m4|+1)毫米的光阑6，d为覆盖红外中波探测器光敏面5面积的最小外接圆直径，用于避免无效的光线通过第四透镜4入射到红外中波探测器的光敏面5上。图2中只绘出光学系统的大视场工作状态。

优选的，红外中波探测器的冷光阑8成像于第一透镜1上、且该光学系统在小视场工作状态下的有效通光口径D与第一透镜1的直径D1的比值等于1，此时可以使第一透镜1的纵向尺寸最小，有利于红外相机的小型化，同时减少第一透镜1材料和加工成本。其中，D＝fn/F#，F#为红外中波探测器的F数。该冷光阑8的效率为100％。

本发明第二实施例，下面介绍一个包含具体材料选择及尺寸参数的用于制冷型红外中波探测器的小型光学系统的优选实例。由于制冷型红外中波探测器的体积较大，很难进一步缩小红外相机的尺寸，故本发明所述光学系统应用于包含制冷型红外中波探测器的红外相机时的针对性更强，但并不排除本发明所述光学系统应用于非包含制冷型红外中波探测器的红外相机的可能。

如图3所示，该光学系统包括处于同一光轴OO′的四片透镜组成，从物点到像点依次包括具有正光焦度第一透镜1，具有负光焦度的第二透镜2，具有正光焦度的第三透镜3，具有正光焦度的第四透镜4。第一透镜1为一片凸面弯向物点的弯月型硅透镜，用于提供该光学系统的主光焦度。第二透镜2为一片双凹型锗透镜，第三透镜3为凸面弯向物方的弯月型锗透镜；第四透镜4为凸面弯向物点的弯月型锗透镜；第三透镜3与第四透镜4之间存在中间成像面9，第四透镜4将物点在中间成像面处的成像再次成像到制冷型红外探测器的光敏面5上。

在电机(图3中未画出)驱动下，第二透镜2在第一透镜1与第三透镜3之间沿光轴OO′之间移动，并在基于物像交换原则使物点和像点共轭的两个位置P1、P2处具有接近衍射限级的成像质量，实现该光学系统的小视工作场状态与大视场工作状态，并且保持成像面的位置不变，也就是红外中波探测器光敏面5的位置不变。图3中第二透镜2处于第一位置P1处，该光学系统处在小视场工作状态；图4中第二透镜2处于第二透镜P2处，该光学系统处在大视场工作状态。

第二透镜2还具有调焦与温度补偿的功能。具体的，当成像物距不是无限远及工作温度改变时，该光学系统的小视场工作状态与大视场工作状态在红外中波探测器光敏面5上均不能清晰成像，此时可以通过电机驱动第二透镜2，改变第一位置P1和第二位置P2，使其再聚焦，成像清晰。

设该光学系统在小视场工作状态下的焦距为fn，大视场工作状态下的焦距fw，第一透镜1的直径为D1，第一透镜1焦距f1，第四透镜4焦距f4，第四透镜4的放大率m4，则该光学系统满足以下结构条件：f1/fn＝0.23，f1/D1＝1.1，m4＝-2.4，f4＝10.97mm，以上结构参数保证工作在长焦距的光学系统具有衍射限级的成像质量的前提下，轴向尺寸最小，轴向长度L仅为160mm，远远小于[fn+f4²]/|m4|+(|m4|+2)f4(该值约为223.41mm)。该光学系统的轴向尺寸是指沿光轴OO′方向，第一透镜1上的第一表面S1顶点到制冷型红外中波探测器光敏面5的距离。

可选的，为了使成像更加清晰，还可以进一步采用非球面方法(asphericsurface)校正系统孔径量像差，采用衍射面方法(diffractive optical element)校正色差，使该光学系统在小视场工作状态与大视场工作状态下均具有衍射限级成像质量。像差校正的过程是由现有光学软件的优化功能基于上述非球面方法以及衍射面方法的原理实现的，故此处不详述。

优选的，制冷型红外中波探测器的冷光阑8成像于第一透镜1上、且该光学系统在小视场工作状态下的有效通光口径D与第一透镜1的直径D1的比值等于1，此时可以使第一透镜1的纵向尺寸最小，有利于红外相机的小型化，同时减少第一透镜1材料和加工成本。其中，D＝fn/F#，F#为制冷型红外中波探测器的F数。该冷光阑8的效率为100％。

优选的，在中间成像面9处放置直径为(d/|m4|+1)＝13.3mm的圆形光阑6，其中d为覆盖制冷型红外中波探测器光敏面5面积的最小外接圆直径，既有利于光学视场外红外辐射的抑制与消除，又便于圆形光阑6的定位与安装。

表1为本实施例的所述光学系统的技术指标，表2为本实施例的所述光学系统的具体光学参数。

表1光学系统的技术指标

表2光学系统的具体光学参数

表2中，若曲率半径为正数，则表示该表面为凸面；若曲率半径为负数，则表示该表面为凹面，∞表示该表面为平面；间隔是指两相邻表面的距离，譬如，第一表面S1的间距为第一表面S1到第二表面S2间沿光轴OO′的距离；第九表面S9、第十表面S10、探测器冷光阑8、探测器光敏面5所涉及的参数为制冷型红外探测器的固有参数，不作为该光学系统的设计变量。

在本实施例中，第一透镜1上的第一表面S1、第二表面S2均为球面；第二透镜2上的第三表面S3为球面，第四表面S4为偶次非球面；第三透镜3上的第五表面S5为以偶次非球面为基底的衍射面，第六表面S6为球面；第四透镜4的第七表面S7为以偶次非球面为基底的衍射面，第八表面S8为球面。

表3是第二透镜2上的第四表面S4、第三透镜3上的第五表面S5与第四透镜4上的第七表面S7所涉及的偶次非球面系数。

表3第二、三、四透镜所涉及的所涉及的偶次非球面系数

第二透镜2上的第四表面S4、第三透镜3上的第五表面S5与第四透镜4上的第七表面S7采用的偶次非球面方程为：

$\mathrm{ZA}=\frac{Y^2}{R\sqrt{1+[1-(1+K){\left(\frac{Y}{R}\right)}^2]}}+{\mathrm{AY}}^4+{\mathrm{BY}}^6---\left(6\right)$

其中各量的含义如下：

ZA：偶次非球面沿光轴方向的透镜矢高；

R：表面与光轴OO’交点处的曲率半径；

Y：透镜垂直于光轴方向的高度；

K：圆锥系数；

A、B：偶次非球面系数。

表4是第三透镜3上的第五表面S5与第四透镜4上的第七表面S7的衍射面系数。

表4第三、四透镜所涉及的所涉及的衍射面系数

第三透镜3上的第五表面S5与第四透镜4上的第七表面S7采用的以偶次非球面为基底的衍射面的方程为：

$\mathrm{ZH}=\mathrm{ZA}+\mathrm{HOR}[\frac{{C1Y}^2+{C2Y}^4+{C3Y}^6-\mathrm{\λ}}{n-1}+\mathrm{INT}\left(\frac{{C1Y}^2+{C2Y}^4+{C3Y}^6}{\mathrm{\λ}}\right)]---\left(7\right)$

其中各量的含义如下：

ZH：衍射面沿光轴方向的透镜矢高；

HOR：衍射级次；

λ：红外相机的工作波段的中心波长，在本实施例中取4μm；

n：透镜材料在红外相机的工作波段的中心波长λ处的折射率；

INT：取整函数；

C1、C2、C3：衍射面系数；

$\mathrm{INT}\left(\frac{{C1Y}^2+{C2Y}^4+{C3Y}^6}{\mathrm{\λ}}\right):$ 衍射面方程的相位数。

如图5、6所示，经过计算，在红外相机的工作波段的中心波长4μm处，第三透镜3与第四透镜4的衍射面相位数的绝对值均为11。

图7为本实施例中小视场工作状态下光学传递函数曲线图，图8为本实施例中大视场工作状态下光学传递函数曲线图，(0，0)、(0，0.707)、(0，1)分别表示0视场、0.707视场和全视场，T、S分别表示子午方向、弧矢方向。采用本发明技术方案，无论是光学系统工作在小视场状态还是大视场状态，光学传递函数曲线都趋近于衍射限级，即光学系统的成像质量较好。

以上实施方式仅为本发明的优选实施例，但是本发明也可以采用其它的变形实施例，而获得与本发明优选实施例基本相同的技术效果。例如：第三透镜3和第四透镜4也可以同时存在两个衍射面，而不限于只存在一个衍射面；衍射面的基底也不限于偶次非球面；非球面系数也不限于表3中所示的两项A、B，只要采用至少两项非球面系数即可；衍射面系数也不限于表4中所示的三项C1、C2、C3，只要采用至少一项衍射面系数，同时衍射面相位数的绝对值大于4即可。

采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

1.本发明仅采用四片光焦度为正-负-正-正的透镜组成用于红外中波探测器的光学系统，通过不同制作材料的透镜组合实现小体积、双视场、长焦距的特点。使用的光学透镜数少，光学系统的透过率高达87％以上，有利于提高红外相机的温度灵敏度，增强其探测能力。

通过对透镜及光学系统的参数进行设定0.2≤f1/fn≤0.3，0.7≤f1/D1≤1.2，-3≤m4≤-1.5，可以实现1＜fn/fw≤7，且光学系统的焦距L＜(fn+f4²)/|m4|+(|m4|+2)f4，有利于小视场状态孔径量像差及大视场状态视场量像差的平衡、光学系统的可生产性、以及长焦距光学系统的小体积。

2.本发明所述光学系统的孔径效率D/D1为1，实现光学系统径向尺寸的最小，有利于红外相机的小型化，同时减少了透镜材料和加工成本。

3.本发明所述光学系统进一步包括的光阑，有效地消除了视场外无用的红外辐射，有利于提高探测器灵敏面上成像的对比度，改善图像的视觉效果。

4.通过一个传动机构的驱动，调整第二透镜所处的共轭位置，可以起到视场变换、调焦、温度补偿等功能，避免了以往发明采用两个或三个传动机构实现的缺点，简化传动结构，有利于高灵敏度、高分辨率红外相机的小型化。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (8)

1.一种用于红外中波探测器的小型光学系统，其特征在于，包括：沿同一光轴从物点到像点依次排列的第一透镜到第四透镜，第一、三、四透镜为具有正光焦度且凸面弯向物方的弯月型透镜，第二透镜为具有负光焦度的双凹透镜、且基于物像交换原则位于使物点和像点共轭的两个位置之一，所述两个位置分别对应光学系统的大视场工作状态和小视场工作状态；

物点在第一透镜和第三透镜之间的中间成像面处第一次成像，第一次成的像通过第四透镜再次成像到红外中波探测器的光敏面上；

设所述光学系统在小视场工作状态下的焦距为fn，第一透镜的直径为D1，第一透镜的焦距为f1，第四透镜的放大率为m4，则0.2≤f1/fn≤0.3，0.7≤f1/D1≤1.2，-3≤m4≤-1.5。

2.根据权利要求1所述的用于红外中波探测器的小型光学系统，其特征在于，所述光学系统中每个透镜的材料为锗、硅、硒化锌或者锗硫系玻璃，所述第一透镜到第四透镜这四个透镜中至少包括上述四种材料中的两种材料的透镜。

3.根据权利要求1所述的用于红外中波探测器的小型光学系统，其特征在于，第一透镜的两个表面均为球面，第二透镜的两个表面至少一个符合非球面方程，第三透镜和第四透镜中每个透镜的两个表面至少一个符合衍射面方程。

4.根据权利要求3所述的用于红外中波探测器的小型光学系统，其特征在于，所述非球面方程中至少包含两项非球面系数；

所述衍射面方程的衍射面系数中至少有一项不为0、且所述衍射面方程相位数的绝对值大于等于4。

5.根据权利要求3所述的用于红外中波探测器的小型光学系统，其特征在于，所述非球面方程为奇次非球面方程或者偶次非球面方程，所述衍射面方程为以奇次非球面方程或者偶次非球面方程为基底的衍射面方程。

6.根据权利要求1所述的用于红外中波探测器的小型光学系统，其特征在于，在所述中间成像面处还设有一个通光孔直径为d/|m4|～（d/|m4|+1）毫米的光阑，d为覆盖红外中波探测器光敏面面积的最小外接圆直径。

7.根据权利要求1所述的用于红外中波探测器的小型光学系统，其特征在于，所述红外中波探测器的冷光阑成像于第一透镜上、且所述光学系统在小视场工作状态下的有效通光口径D与第一透镜的直径D1的比值等于1，其中，D=fn/F#，F#为红外中波探测器的F数；所述冷光阑位于红外中波探测器的探测器窗口与光敏面之间。

8.根据权利要求7所述的用于红外中波探测器的小型光学系统，其特征在于，所述冷光阑的效率为100%。

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