Brevet FR2661006A1 — publié le 19911018

i La présente invention concerne un système de lentilles à focale variable (zoom) convenant pour l'utilisation avec des caméras vidéo, des appareils photographiques électroniques, etc, qui a une ouvertu- re F= 1:2,8 à l'extrémité "grand angle", et qui est capable de procurer un grossissement jusqu'à un rap- port d'environ 3. Conjointement à des efforts importants qui ont été consacrés à réduire la taille, le poids et le coût de caméras vidéo et d'appareils photographiques électroniques, il existe un besoin croissant portant sur une réduction correspondante de la taille, du poids et du coût du système optique qui est utilisé dans ces appareils. Des systèmes de lentilles à focale variable légers et de faible encombrement ont été utilisés avec des appareils photographiques pour la photographie aux halogénures d'argent, et ces systèmes sont essentiel- lement disponibles sous la forme d'un système de len- tilles à focale variable du type à "deux groupes", qui comprend, dans l'ordre à partir du côté objet, le pre- mier groupe de lentilles ayant une vergence négative et le second groupe de lentilles ayant une vergence positive, ce système procurant un effet de zoom par le changement de la distance entre les deux groupes de lentilles. Un exemple du système de lentilles à focale variable à deux groupes prévu pour l'utilisation avec des caméras vidéo et des appareils photographiques électroniques, est décrit dans la demande de brevet japonaise publiée et non examinée no 265211/1988. Cependant, ces systèmes de lentilles à fo- cale variable à deux groupes classiques ne permettent d'obtenir qu'un rapport de zoom s'élevant jusqu'à en- viron 2, et ils sont incapables de satisfaire les exi- gences de versions récentes de caméras vidéo et d'ap- pareils photographiques électroniques pour lesquels on désire obtenir des rapports de zoom plus élevés Pour obtenir des rapports de zoom supérieurs à 2, on peut utiliser un système de lentilles à focale variable consistant en trois groupes de lentilles, ou plus, mais l'augmentation de la complexité du système est alors inévitable, et l'exigence d'une plus petite taille, d'un plus faible poids et d'un plus faible coût ne peut pas être entièrement satisfaite. L'invention a été faite dans ces circonstan- ces et l'un de ses buts est de procurer un système de lentilles à focale variable léger, économique et de faible encombrement, qui comporte une configuration de lentilles simple, à deux groupes, et qui soit néan- moins capable de procurer un rapport de zoom d'environ 3, tout en présentant des performances optiques satis- faisantes. On peut atteindre ce but de l'invention au moyen d'un système de lentilles à focale variable qui comprend, dans l'ordre à partir du côté de l'objet, un premier groupe de lentilles qui comprend au moins trois éléments de lentille et qui a une vergence glo- bale négative, et un second groupe de lentilles qui comprend au moins quatre éléments de lentille, le second groupe de lentilles comportant, dans l'ordre à partir de l'objet, une lentille positive, une lentille collée constituée par un élément de lentille positif et un élément de lentille négatif, et un élément de lentille positif, ce second groupe de lentilles ayant une vergence globale positive, le système de lentilles à focale variable permettant le changement de sa dis- tance focale par le réglage de la distance entre les premier et second groupes de lentilles, et le système de lentilles à focale variable satisfaisant les condi- tions (a) et (b) suivantes (a) O '05 lentille négatif collé, au niveau de la ligne d. Dans un mode de réalisation préféré, ce sys- tème de lentilles à focale variable satisfait la con- dition supplémentaire (c) suivante: (c) 0,5 élément de lentille positif, le second groupe de len- tilles comprend, dans l'ordre à partir du côté de l'objet, proche du premier groupe de lentilles, une lentille positive, une lentille collée constituée par un élément de lentille positif et un élément de len- tille négatif, et un élément de lentille positif, ce système de lentilles à focale variable satisfaisant en outre les conditions (d) et (e) suivantes: (d) 1,2 C Ifl/fwl 1,7 dans lesquelles fw est la distance focale du système global à l'extrémité grand angle, fi est la distance focale du premier groupe de lentilles, et ni et N 2 sont les indices de réfraction sur la ligne d des deux 1 O éléments de lentille négatifs dans le premier groupe de lentilles, le paramètre ni concernant l'élément de lentille qui est le plus proche de l'objet. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, et en se référant aux dessins annexés dans lesquels: Les figures I-24 montrent des Exemples 1-6 du système de lentilles à focale variable de l'inven- tion, et parmi ces figures: Les figures 1, 5, 9, 13, 17 et 21 sont des coupes simplifiées des groupes de lentilles qui sont utilisés respectivement dans les Exemples 1-6; Les figures 2, 6, i O, 14, 18 et 22 sont des représentations graphiques montrant les courbes d'aberration que l'on obtient à l'extrémité grand an- gle dans les Exemples respectifs 1-6; Les figures 3, 7, 11, 15, 19 et 23 sont des représentations graphiques qui montrent les courbes d'aberration que l'on obtient à la position moyen an- gle dans les Exemples respectifs 1-6; et Les figures 4, 8, 12, 16, 20 et 24 sont des représentations graphiques qui montrent les courbes d'aberration que l'on obtient à l'extrémité téléobjec- tif dans les Exemples respectifs 1-6. On trouvera ci-dessous la description des conditions (a) (e) que doit obligatoirement, ou de préférence, satisfaire le système de lentilles à fo- cale variable de l'invention. La condition (a) concerne la différence en- tre les indices de réfraction des deux éléments de la lentille collée, dans le second groupe de lentilles. En combinant pour la lentille collée deux matériaux optiques qui satisfont la plage de la condition (a), on peut compenser d'une manière équilibrée l'aberra- tion sphérique, la coma et l'astigmatisme Si la limi- te inférieure de cette condition n'est pas atteinte, l'aberration sphérique est sous-compensée et, simulta- nément, l'aberration de coma augmentera Si la limite supérieure de la condition (a) est dépassée, il de- vient difficile de réduire la courbure de champ et l'astigmatisme. La condition (b) concerne la différence en- tre les nombres d'Abbe des deux éléments de la lentil- le collée dans le second groupe de lentilles, et cette condition doit être satisfaite pour réaliser une com- pensation effective de l'aberration chromatique qui se produit dans le second groupe de lentilles En combi- nant les nombres d'Abbe des deux éléments de la len- tille collée d'une manière qui satisfait la condition (b), on peut réduire l'aberration chromatique Si la limite inférieure de cette condition n'est pas attein- te, ou si sa limite supérieure est dépassée, il de- vient difficile d'obtenir une compensation effective de l'aberration chromatique axiale (ou longitudinale), et en particulier de l'aberration chromatique du gros- sissement (ou de l'aberration chromatique latérale) à l'extrémité grand angle. La condition (c) concerne le rayon de cour- bure de l'interface entre les deux éléments de la lentille collée dans le second groupe de lentilles La lentille collée dans le second groupe de lentilles est constituée par un élément de lentille positif et un élément de lentille négatif ayant respectivement une forte vergence positive et une vergence négative, dans le but de réaliser un système de lentilles ayant un faible encombrement L'utilisation de cette lentille collée contribue à réduire les effets défavorables d'erreurs de fabrication dans l'usinage des lentilles. De plus, en ajustant le rayon de courbure de l'inter- face de la lentille collée de manière à satisfaire la plage de la condition (c), on peut compenser effecti- vement l'aberration sphérique et la coma Si la limite inférieure de la condition (c) n'est pas atteinte, le rayon de courbure de l'interface de la lentille collée est si faible que l'aberration sphérique et la coma augmenteront de façon notable Si la limite supérieure de cette condition est dépassée, l'aberration sphéri- que sera sous-compensée et, simultanément, des varia- tions d'aberration excessivement importantes se pro- duiront sous l'effet de la variation de la distance focale du système. La condition (d) concerne la vergence du premier groupe de lentilles, et il est préférable de la satisfaire non seulement pour réduire la valeur du déplacement du premier groupe de lentilles pendant la variation de la distance focale du système, de façon à réaliser un système de lentilles ayant un faible en- combrement, mais également pour assurer une marge de mise au point suffisante pour l'insertion d'un filtre et d'une plaque frontale dans des caméras vidéo ou des appareils photographiques électroniques Si la limite inférieure de la condition (d) n'est pas atteinte, la vergence du premier groupe de lentilles augmentera, ce qui donnera une condition favorable pour réaliser un système de faible encombrement, mais par contre il deviendra difficile de réduire l'aberration sphérique et la distorsion Si la limite supérieure de la condi- tion (d) est dépassée, la vergence du premier groupe de lentilles diminuera, ce qui permettra de compenser effectivement l'aberration sphérique et la distorsion, mais par contre il deviendra difficile d'obtenir une longue marge de mise au point et, simultanément, la valeur du déplacement du premier groupe de lentilles pendant la variation de la distance focale du système augmentera, ce qui n'est pas préférable pour réaliser un système ayant un faible encombrement. La condition (e) concerne les indices de réfraction des éléments de lentille négatifs dans le premier groupe de lentilles, et il est préférable que cette condition soit satisfaite de façon à maintenir à un niveau désiré la somme de Petzval du système glo- bal, et à réaliser une compensation effective de la courbure de champ et de l'astigmatisme Le premier groupe de lentilles du système de l'invention a une vergence fortement négative, ce qui fait que le systè- me de lentilles global a une somme de Petzval négati- ve, et la courbure du champ a tendance à être surcom- pensée Pour éviter ce problème, les indices de ré- fraction des éléments de lentille négatifs dans le premier groupe de lentilles sont fixés à des niveaux suffisamment élevés pour faire en sorte que la somme de Petzval négative qui apparaît dans le premier groupe de lentilles soit réduite, afin de décaler dans la direction positive la somme de Petzval du système global, grâce à quoi la courbure de champ et l'astig- matisme peuvent être compensés d'une manière équili- brée. Exemples Six exemples de l'invention sont décrits ci- dessous en relation avec des tableaux de données numé- riques, dans lesquels le terme F représente le rapport d'ouverture, f représente la distance focale du systè- me global, W représente le demiangle d'observation, r représente le rayon de courbure d'une surface de len- tille individuelle, d représente l'épaisseur d'un élé- ment de lentille individuel ou la distance dans l'air entre des éléments adjacents, N représente l'indice de réfraction d'un élément de lentille individuel au ni- veau de la ligne d, et V représente le nombre d'Abbe d'un élément de lentille individuel au niveau de la ligne d. Le tableau de données numériques pour chaque exemple fait intervenir une lame parallèle plane qui est placée le plus près du point image, et cette lame est une combinaison hypothétique d'un filtre, d'une plaque frontale et de composants semblables qui sont utilisés dans une caméra vidéo, un appareil photogra- phique électronique, etc La seconde surface de la lame parallèle plane coïncide avec la position focale. Exemple 1 La figure 1 est une représentation en coupe simplifiée d'un système de lentilles à focale variable conforme à l'Exemple 1 de l'invention Des données numériques pour ce système de lentilles sont présen- tées dans le Tableau 1 ci-dessous La figure 2 est une représentation graphique montrant les courbes d'aber- ration que l'on obtient avec ce système de lentilles à l'extrémité grand angle; la figure 3 est une représen- tation graphique montrant les courbes d'aberration que l'on obtient à la position moyen angle; et la figure 4 est une représentation graphique montrant les courbes d'aberration que l'on obtient à l'extrémité téléobjec- tif. P = 1:2,8 5,7, X = 27,20 9,70 Tableau 1 f = 8,15 23,50, N de surface r 1 10,707 2 5,583 3 288,549 4 10,901 8,839 6 20,856 7 10,186 8 -23,485 9 6,789 -8,139 11 4,140 12 7,092 13 -281,149 Les valeurs de d 6 et y F 1:2,8 f 8,15 X) 27,2 d 6 11,97 d 13 6,44 d 0,80 1,80 0,80 0,76 1,58 variable 2,16 0, 10 3,02 2 r 29 0,85 1,82 variable , 00 n 1,83481 1,83481 1,80518 1,48749 1,72000 1,83400 1,56873 1,51633 d 13 varieront de la 1:3,8 1:5,7 14,00 23,50 16,0 9,70 ,91 2,50 11,48 19,68 vd 42,7 42,7 ,4 ,2 ,3 37,2 63,2 64,1 façon suivante Exemple 2 La figure 5 est une représentation en coupe simplifiée d'un système de lentilles à focale variable conforme à l'Exemple 2 de l'invention Des données numériques pour ce système de lentilles sont présen- tées dans le Tableau 2 ci-dessous La figure 6 est une représentation graphique montrant les courbes d'aber- ration que l'on obtient avec ce système de lentilles à l'extrémité grand angle; la figure 7 est une représen- tation graphique montrant les courbes d'aberration que l'on obtient à la position moyen angle; et la figure 8 est une représentation graphique montrant les courbes d'aberration que l'on obtient à l'extrémité téléobjec- tif. F = 1:2,8 5,7, = 27,20 9,6 N de surface r 1 13,118 2 5,874 3 -80,165 4 13,226 10,200 6 68,846 7 10,249 8 -29,528 9 6,324 -11,976 11 4,259 12 8,855 13 236,875 Co Tableau 2 f = 8,15 23,50, d 0,80 1,73 0, 80 0,60 1,55 variable 1,93 0,10 2,57 1,73 0,47 1,46 variable ,00 n 1,83481 1,83400 1,80518 1,51633 1,69680 1,83400 1,.62280 1,51633 Les valeurs de d 6 et y F 1:2,8 f 8,15 X) 27,2 d 6 13,92 d 13 7,73 d 13 varieront de la 1:3,8 1:5,7 14,00 23,50 16,0 9,6 6,62 2,50 12,48 20,20 façon suivante vd 42,7 37,2 ,4 64,1 ,5 37 2 57,1 64, Exemple 3 La figure 9 est une représentation en coupe simplifiée d'un système de lentilles à focale variable conforme à l'Exemple 3 de l'invention Des données nu- mériques pour ce système de lentilles sont présentées dans le Tableau 3 ci-dessous La figure 10 est une représentation graphique montrant les courbes d'aber- ration que l'on obtient avec ce système de lentilles à l'extrémité grand angle; la figure il est une repré- sentation graphique montrant les courbes d'aberration que l'on obtient à la position moyen angle; et la fi- gure 12 est une représentation graphique montrant les courbes d'aberration que l'on obtient à l'extrémité téléobjectif. Tableau 3 F = 1; 2,8 5,, = 27,2 9,7 c N de surface r 1 12,434 2 6,091 3 85,450 4 12,163 8,212 6 12,642 7 10,079 8 -32,236 9 6,784 -9,649 11 4,570 12 9,401 13 -73,048 14 o o Les valeurs de d 6 F 1:2,8. f 8,15 X 27,2 d 6 13,61 d 13 6,44 f = 8,15 23,50, d 0,80 2,15 0,80 0,62 1,64 variable 2, 06 0,10 2,88 2,68 1,16 1,75 variable ,00 n 1.,77250 1,72000 *1,80518 1.,51633 1,65830 1,83400 1,70000 1,51633 et d 13 varieront de la 1:3,8 1:5, 7 14,00 23,50 16,1 9 7 6,51 2,50 11,29 19,18 vd 49,6 ,3 ,4 64,1 57.,3 37,2 48,1 64,1 façon suivante Exemple 4 La figure 13 est une représentation en coupe simplifiée d'un système de lentilles à focale variable conforme à l'Exemple 4 de l'invention Des données nu- mériques pour ce système de lentilles sont présentées dans le Tableau 4 ci-dessous La figure 14 est une représentation graphique montrant les courbes d'aber- ration que l'on obtient avec ce système de lentilles à l'extrémité grand angle; la figure 15 est une repré- sentation graphique montrant les courbes d'aberration que l'on obtient à la position moyen angle; et la fi- gure 16 est une représentation graphique montrant les courbes d'aberration que l'on obtient à l'extrémité téléobjectif. Tableau 4 F = 1:2,8 5,7, = 27,30 9,6 N de surface il r 11,351 6,437 38,817 8,806 8,481 14,881 8,882 -62,753 7,849 -7,864 ,228 11,419 -25,228 o f = 8,15 23,50, d 0, 80 1,70 0,80 1,26 1,58 variable 2,11 0,10 2,90 1, 59 1,81 variable ,00 co Les valeurs de d 6 F 1:2,8 f 8,15 a 27,3 d 6 14,36 d 13 8,18 et d 13 varieront de la 1:3,8 1:5,7 14,00 23,50 16,0 9,6 6,78 2,50 13,07 21,00 facon suivante n 1 83481 1,77250 1,80518 1,55963 1 '67790 1,83400 1,62012 1,51633 vd 42,7 49,6 ,4 61,2 ,3 37,2 49,6 64,1 Exemple 5 La figure 17 est une représentation en coupe simplifiée d'un système de lentilles à focale variable conforme à l'Exemple 5 de l'invention Des données numériques pour ce système de lentilles sont présen- tées dans le Tableau 5 ci-dessous La figure 18 est une représentation graphique montrant les courbes d'aberration que l'on obtient avec ce système de len- tilles à l'extrémité grand angle; la figure 19 est une 1 o représentation graphique montrant les courbes d'aber- ration que l'on obtient à la position moyen angle; et la figure 20 est une représentation graphique montrant les courbes d'aberration que l'on obtient à l'extrémi- té téléobjectif. Tableau 5 F = 1:2,8 5,7, = 27,30 9,70 N de surface r 1 11,573 2 5,811 3 -76,111 4 14,730 10,242 6 32,510 7 12,020 8 32,842 9 11,330 26,752 11 6,993 12 -13,637 13 4,380 14 8,940 72,840 Les valeurs de d 6 et y 1:2,8 f 8,15 X 27,3 d 6 14,12 d 15 8,85 f = 8,15 23,50, d 0,80 1,81 0,80 0,79 1,45 variable 1, 45 0,20 1,44 0,10 2,58 0,80 0,41 1,48 n 1,83481 1,83481 1, 80518 1,62299 1,65100 1,65844 1,71736 1,67270 variable ,00 1,51633 d 13 varieront de la 1:3,9 1:5,7 14,00 23,50 16,1 9,7 6,69 2,50 13,87 22,03 vd 42,7 42,7 ,4 58,1 56,1 ,9 29,5 32,1 64,1 façon suivante Exemple 6 La figure 21 est une représentation en coupe simplifiée d'un système de lentilles à focale variable conforme à l'Exemple 6 de l'invention Des données numériques pour ce système de lentilles sont présen- tées dans le Tableau 6 ci-dessous La figure 22 est une représentation graphique montrant les courbes d'aberration que l'on obtient avec ce système de len- tilles à l'extrémité grand angle; la figure 23 est une représentation graphique montrant les courbes d'aber- ration que l'on obtient à la position moyen angle; et la figure 24 est une représentation graphique montrant les courbes d'aberration que l'on obtient à l'extrémi- té téléobjectif. F = 1:2,8 5,7, = 27,4 9 7 N de surface r 1 14,139 2 6,043 3 -131,962 4 14,533 10,420 6 39 t 581 7 14,089 8 37,641 9 13,928 68,598 11 6,341 12 -60,901 13 4,409 14 9,784 95,335 16 o Les valeurs de d 6 F 1:2,8 f 8,15 (a 27,4 d 6 14,25 d 15 9,13 Tableau 6 f = 8,15 23,50, d 0,80 1,67 0,80 0,79 1,47 variable 1,39 0, 20 1, 47 0, 10 2,66 0, 80 0, 41 1, 47 n 1,83481 1,83481 1,80518 1,52299 1,65100 1,60729 1,72825 1,67270 variable 00 1,51633 t d 13 varieront de la 1:3,9 1:5,7 14,00 23,50 16,1 9,7 6,73 2,50 14,25 22, 56 vd 42,7 42,7 ,4 58,1 56, 1 59,4 28, 5 32,1 64, 1 façon suivante e, Données numériques pour les Exemples 1 6, en ce qui concerne les conditions (a) (e) Le tableau 7 montre les données numériques pour les exemples 1 6, concernant les conditions (a)-(e). Tableau 7 Condition Exemple i Exemple 2 Exemple 3 (a) n N-np 0,114 0,137 0,176 (b) vp-v N 13,1 18,3 20,1 (c) Irc/fzl 0,806 1,113 0,899 (d) I fl/fwl 1,436 1,625 1,585 (e) (nl+n 2)/2 1,83481 1,83441 1,74625 Condition Exemple 4 Exemple 5 Exemple 6 (a) n N-np 0,156 0,0587 0, 121 (b) vp-v N 18,1 21,4 30,9 (c) Irc/f 21 0,707 1,222 5,377 (d) Ifl/fwl 1,633 1,594 1, 588 (e) (nl+n 2)/2 1,80366 1,83481 1,83481 Comme décrit dans les pages précédentes, la présente invention procure un système de lentilles à focale variable d'une configuration "deux groupes" simple, qui permet de réaliser un effet de zoom jus- qu'à un rapport d'environ 3, tout en présentant des performances optiques satisfaisantes. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et repré- senté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Système de lentilles à focale variable, caractérisé en ce qu'il comprend, dans l'ordre à par- tir du côté de l'objet, un premier groupe de lentilles qui comprend au moins trois éléments de lentille et qui a une vergence globale négative, et un second groupe de lentilles qui comprend au moins quatre élé- ments de lentille, ce second groupe de lentilles com- portant, dans l'ordre à partir du côté de l'objet, une lentille positive, une lentille collée constituée par un élément de lentille positif et par un élément de lentille négatif, et un élément de lentille positif, et ce second groupe de lentilles ayant une vergence globale positive, ce système de lentilles à focale variable étant capable de changer sa distance focale par le réglage de la distance entre les premier et second groupes de lentilles, et ce système de lentil- les à focale variable satisfaisant les conditions (a) et (b) suivantes: (a) 0,05 dans lesquelles np est l'indice de réfraction au ni- veau de la ligne d de l'élément de lentille positif de la lentille collée dans le second groupe de lentilles, n N est l'indice de réfraction au niveau de la ligne d de l'élément de lentille négatif de la lentille collée dans le second groupe de lentilles, Vp est le nombre d'Abbe de l'élément de lentille positif collé, au ni- veau de la ligne d, et V N est le nombre d'Abbe de l'élément de lentille négatif collé, au niveau de la ligne d. 2 Système de lentilles à focale variable selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il sa- tisfait en outre la condition (c) suivante: (c) 0,5 4 Ir C/f 2 l 4 10 dans laquelle f 2 est la distance focale du second groupe de lentilles et r C est le rayon de courbure de l'interface entre les éléments de lentille positif et négatif de la lentille collée, dans le second groupe de lentilles. 3 Système de lentilles à focale variable selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier groupe de lentilles comprend, dans l'ordre à partir du côté de l'objet, un élément de lentille né- gatif en forme de ménisque ayant une surface convexe dirigée vers l'objet, un élément de lentille négatif et un élément de lentille positif, et le second groupe de lentilles comprend, dans l'ordre à partir du côté de l'objet, proche du premier groupe de lentilles, un élément de lentille positif, une lentille collée cons- tituée par un élément de lentille positif et un élé- ment de lentille négatif, et un élément de lentille positif, ce système de lentilles à focale variable satisfaisant en outre les conditions (d) et (e) sui- vantes: (d) 1,2 1,7 dans lesquelles f W est la distance focale du système global à l'extrémité grand angle, fl est la distance focale du premier groupe de lentilles, et ni et N 2 sont les indices de réfraction au niveau de la ligne d des deux éléments de lentille négatifs dans le premier groupe de lentilles, le paramètre ni concernant l'éle- ment de lentille qui est le plus proche de l'objet.