Brevet FR2682489A1 — publié le 19930416

La présente invention concerne de façon générale un objectif zoom qui peut être utilisé avec des appareils de prise de vues de petite dimension et qui réduit les con- traintes relatives au foyer image par rapport aux appareils de prise de vues reflex à un seul objectif Plus précisé- ment, la présente invention concerne un objectif zoom qui donne un rapport élevé de variation de distance focale supérieur ou égal à 2,5. On connaît déjà divers types d'objectifs zooms destinés à des appareils de prise de vues de faible encom- brement Les objectifs zooms qui comportent au moins trois groupes de lentilles, avec un rapport de distances focales dépassant 2, sont classés de la manière suivante. (i) Les objectifs zooms à quatre groupes de len- tilles (groupes convergent, divergent, convergent et divergent), avec un diaphragme placé entre le second et le troisième groupe, tous les groupes étant déplacés indépen- damment les uns des autres vers l'objet (ce type comprend un objectif dans lequel certains des quatre groupes sont associés) Des exemples de tels objectifs zooms sont décrits dans les demandes de brevet japonais mises à l'inspection publique N O Sho 63-43 115, 63-159 818 et 63-157 120. (ii) Les objectifs zooms à trois groupes de len- tilles (groupes convergent, convergent et divergent), avec un diaphragme placé dans le second groupe, tous les groupes étant déplacés indépendamment les uns des autres vers l'objet Des exemples d'un tel objectif zoom sont décrits dans les demandes de brevet japonais mises à l'inspection publique no Sho 63-153 511 et 63-161 423. (iii) Un objectif zoom à trois groupes de lentilles (groupes convergent, convergent et divergent) avec un diaphragme placé entre le second et le troisième groupe, tous les groupes étant déplacés vers l'objet (par exemple comme décrit dans la demande de brevet japonais N O Hei 2-73 211). (iv) Un objectif zoom pratiquement à quatre groupes qui a la même composition que l'objectif (ii) mais dans lequel le second groupe est divisé en un groupe avant et un groupe arrière qui sont mobiles indépendamment l'un de l'autre (voir l'exemple 3 de la demande précitée de brevet japonais N O Hei 2-73 211). Les objectifs zooms classiques précités posent des problèmes Dans l'objectif (i), les quatre groupes de lentilles doivent être déplacés indépendamment si bien qu'on doit utiliser un grand nombre de cames; cependant, il est difficile au point de vue mécanique de loger ces cames dans le petit espace disponible pour les objectifs utilisés dans un appareil de prise de vues de petite dimension. Les objectifs (i) et (ii) nécessitent qu'un bloc obturateur utilisé aussi comme diaphragme soit placé entre le second et le troisième groupe (qui présente une détério- ration importante de performances due aux erreurs de fabrication) ou à l'intérieur du second groupe Dans ces conditions, il faut une grande précision pour le position- nement du bloc obturateur et, simultanément, il est diffi- cile d'assurer des performances optiques reproductibles puisque les performances de formation d'image sont forte- ment détériorées en présence de petites erreurs. En outre, tous les objectifs (i) à (iv) posent un problème commun, qui est que la réduction globale de dimension de ces objectifs ne suffit pas pour qu'ils puissent être utilisés avec un appareil de prise de vues de faible encombrement et, dans tous les cas, l'ensemble de l'objectif comporte jusqu'à dix éléments et plus, cinq au moins étant utilisés dans le second groupe. La présente invention a été réalisée dans ces conditions et elle a pour objet un objectif zoom qui a un rapport élevé de distances focales supérieur ou égal à 2,5, dont la longueur totale est faible, qui est composé d'un plus petit nombre d'éléments et qui peut être utilisé avec un appareil de prise de vues de petites dimensions. La présente invention concerne un objectif zoom qui comprend au moins trois groupes de lentilles qui sont disposés, dans l'ordre à partir du côté de l'objet, sous forme d'un premier groupe de lentilles ayant une distance focale positive, d'un second groupe de lentilles ayant une distance focale positive et d'un troisième groupe de lentilles ayant une distance focale négative, dans lequel, lorsque le changement de distance focale est réalisé d'un angle important à un petit angle, le premier, le second et le troisième groupe de lentilles sont déplacés vers l'objet afin que la distance comprise entre le premier et le second groupe augmente et que la distance comprise entre le second et le troisième groupe diminue, l'objectif étant caracté- risé en ce que chacun des premier et second groupes de lentilles possède au moins une surface asphérique. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: les figures 1 et 3 sont des coupes simplifiées d'objectifs zooms selon les exemples 1 et 2 respectivement, à l'extrémité de grand angle; et les figures 2 (a) à 2 (c) et 4 (a) à 4 (c) représentent les courbes d'aberrations obtenues avec les objectifs zooms des exemples 1 et 2 respectivement, chacune des figures étant composées de quatre graphiques dont le premier représente la condition des sinus (SC) et l'aberration sphérique (SA), le second représente l'aberration chroma- tique pour les raies d, g et c, le troisième représente l'astigmatisme (S et M) et le quatrième représente la distorsion. On décrit maintenant des exemples de mise en oeuvre de l'invention. Chacun des objectifs zooms des exemples est du type d'un téléobjectif qui comprend, dans l'ordre depuis le côté de l'objet, un premier groupe de lentilles ayant une distance focale positive, un second groupe de lentilles ayant une vergence élevée et une distance focale positive, et un troisième groupe de lentilles ayant une distance focale négative. Ces objectifs zooms comportent une surface asphé- rique à la fois dans le premier et dans le second groupe de lentilles, et réduisent de manière satisfaisante le nombre d'éléments constituants et la longueur totale de l'objectif. Les objectifs zooms à trois groupes de lentilles ont en général une vergence positive élevée dans le second groupe de lentilles, et ce groupe est composé de nombreux éléments En conséquence, on peut réduire le nombre d'élé- ments tout en réduisant la dimension globale de l'objectif zoom par utilisation d'une surface asphérique dans le second groupe de lentilles On peut obtenir le même résul- tat par utilisation d'une surface asphérique dans le premier groupe de lentilles qui a une vergence positive, comme le second groupe de lentilles. Si l'on incorpore une seule surface asphérique uniquement au second groupe de lentilles, lors de la mise en oeuvre de cette solution reposant sur l'incorporation de surface asphérique, la réduction du nombre d'éléments n'est pas très efficace Un procédé plus efficace comprend l'utilisation d'une surface asphérique au moins dans chacun des premier et second groupes. Le second groupe de lentilles a une vergence posi- tive suffisamment élevée pour qu'il soit difficile d'équi- librer l'aberration sphérique et les autres aberrations uniquement par utilisation de surfaces sphériques Il est donc préférable que l'aberration sphérique produite dans le second groupe soit corrigée par la surface asphérique divergente alors que toutes les autres aberrations sont corrigées par les surfaces asphériques, si bien qu'un équilibre est obtenu entre toutes les aberrations qui apparaissent dans le second groupe. Lorsque le nombre d'éléments constituants est réduit, l'astigmatisme risque d'être insuffisamment corrigé et est alors corrigé de préférence par des surfaces asphériques. La suite est une discussion supplémentaire relative à la variation du coefficient de l'aberration du troisième ordre due à une surface asphérique La configuration d'une surface asphérique peut être exprimée de façon générale par l'équation ( 1) suivante: x = lcy 2/(l+J 1-(l+K)c 2 y 2)l+a 4 y 4 +a 6 y 6 +a 8 y 8 +al Oy 10 + x étant la distance d'écart des coordonnées du point de la surface asphérique auquel la hauteur par rapport à l'axe optique est égale à y dans le plan tangent au sommet de la surface asphérique, c étant la courbure ( 1/r) du sommet de la surface asphérique, K étant la constante de conicité, et a 4, a 6, a 8 et al O étant les coefficients asphériques du quatrième, du sixième, du huitième et du dixième ordre respectivement. Le calcul de la distance focale sous forme f = 1,0, c'est-à-dire l'utilisation des grandeurs X = x/s, Y = y/s, C = fc, A 4 = f 3 a 4, A 6 = f a 6, A 8 = f 7 a 8 et A 10 = f 9 al O dans l'équation ( 1) donne l'équation suivante ( 2): X = lCY /(l+l-_(l+K)C 2 y 2)l+A 4 y 4 +A 6 y 6 +A 8 y 8 +A 110 Y+ Le second terme et les termes suivants de l'équation ( 2) donnent la valeur de l'asphéricité et la relation entre le coefficient A 4 du second terme et le coefficient asphé- rique du troisième ordre est donnée par: = 8 (N'-N)A 4 N étant l'indice de réfraction du milieu avant la surface asphérique N' l'indice de réfraction du milieu après la surface asphérique. Le coefficient asphérique O donne les amplitudes suivantes de variation des coefficients d'aberration du troisième ordre qu'on peut obtenir d'après la théorie des aberrations: AI = h 4 AII = h HO AIII =h 2 H 20 AIV =h 2 H 2 ç 5 AV =h H 3 AI étant le coefficient d'aberration sphérique, AII étant le coefficient de coma, AIII étant le coefficient d'astig- matisme, AIV étant le coefficient de courbure de champ sagittal, AV étant le coefficient de distorsion, h étant la hauteur des rayons paraxiaux sur l'axe à l'endroit o ils passent à travers chaque surface de lentille, et H étant la hauteur des rayons paraxiaux désaxés passant par le centre de la pupille, à la hauteur à laquelle ils passent à travers chaque surface de lentille. Lorsque des surfaces asphériques doivent être disposées dans le second groupe de lentilles, l'utilisation d'une seule surface sphérique est insuffisante pour une réduction importante du nombre des éléments constituants. En conséquence, il est préférable d'utiliser au moins une surface asphérique qui remplit les conditions suivantes (a) et (b) dans chacun des premier et second groupes (a) 30 AI 2 étant la somme des variations du coefficient de l'aber- ration sphérique du troisième ordre dues à toutes les surfaces asphériques dans le second groupe (le coefficient d'aberration est tel qu'il est calculé lorsque la distance focale de l'ensemble de l'objectif à l'extrémité de grand angle est considérée comme étant égale à 1,0), et AIII 1 étant la somme des variations du coefficient d'astigmatisme dues à toutes les surfaces asphériques dans le premier groupe. La condition (a) concerne les surfaces asphériques du second groupe et doit être remplie pour que l'aberration sphérique soit corrigée efficacement par les surfaces asphériques Si la limite supérieure de cette condition est dépassée, les surfaces asphériques ne permettent plus une correction efficace de l'aberration sphérique Si la limite inférieure de la condition (a) n'est pas atteinte, la correction de l'aberration sphérique est excessive. La condition (b) s'applique aux surfaces asphériques du premier groupe et elle doit être remplie pour la correc- tion efficace de l'astigmatisme par les surfaces asphé- riques Si la limite supérieure de cette condition est dépassée, les surfaces asphériques ne permettent plus une correction efficace de l'astigmatisme Si la limite infé- rieure de la condition (b) n'est pas atteinte, la correc- tion de l'astigmatisme est excessive. Si deux surfaces asphériques au moins sont disposées dans chacun des premier et second groupes afin que les conditions (a) et (b) soient remplies, les surfaces asphé- riques respectives peuvent être réalisées afin qu'elles remplissent diverses fonctions. Dans un autre mode de réalisation préféré, une surface asphérique peut aussi être réalisée dans le troi- sième groupe et, de cette manière, la composition classique à trois éléments qui comporte, depuis le côté de l'objet, un élément convergent, un élément divergent et un élément divergent, peut être simplifiée sous forme d'une composi- tion à deux éléments qui comporte un élément convergent et un élément divergent, dans cet ordre depuis le côté de l'objet. Dans les exemples, tous les objectifs sont décrits comme entrant dans la catégorie des objectifs à "trois groupes", mais il faut noter que le second groupe peut être considéré comme formé de deux sous-groupes et, à cet égard, les applications de l'invention s'étendent à des objectifs à quatre groupes du type décrit au début du présent mémoire De même, un objectif zoom à trois groupes dont le dernier groupe est suivi d'un groupe arrière ayant une plus petite vergence entre aussi dans le cadre de la présente invention. Le diaphragme peut être placé soit à l'intérieur du second groupe soit derrière lui Dans le premier cas, le diamètre des lentilles du premier groupe peut être réduit mais, d'autre part, la réalisation d'une composition efficace est difficile Dans le dernier cas (lorsque le diaphragme est placé entre le second et le troisième groupe), le bloc à lentilles peut être séparé du bloc à obturateur et contribue à la réalisation d'une structure mécanique simple. Les exemples 1 et 2 d'objectifs zooms selon la présente invention sont décrits dans la suite en référence à des tableaux dans lesquels f désigne la distance focale, f B le foyer image, r le rayon de courbure d'une surface individuelle de lentille (ou le rayon de courbure du sommet dans le cas d'une surface asphérique), d l'épaisseur de la lentille ou de l'espace d'air compris entre les lentilles (les grandeurs précédentes sont exprimées en millimètres), ON l'ouverture numérique, O le demi-angle de vision (en degrés), N l'indice de réfraction d'une lentille indivi- duelle pour la raie d, et v le nombre d'Abbe d'une lentille individuelle pour la raie d Dans tous les tableaux, les surfaces asphériques se distinguent des surfaces sphériques par disposition d'un astérisque après le numéro de la surface, et A 4, A 6 et A 8 désignent les coefficients asphé- riques du quatrième, du sixième et du huitième ordre respectivement. Exemple 1 La figure 1 est une coupe simplifiée de l'objectif zoom de l'exemple 1, du côté des grands angles Les données de cet exemple sont indiquées dans le tableau 1 Les courbes des aberrations obtenues avec cet objectif sont indiquées sur les figures 2 (a), 2 (b) et 2 (c). Tab: Surface n r 1 -42,988 2 90,498 3 52,111 4 * -29,362 -16,814 6 27,555 7 -74,154 8 15,613 9 9,481 * -20,364 11 * -25,577 12 -15,020 13 -10,020 14 -125,860 Quatrième surface asphérique K= O A = 0,71014234 x 105 4 A 6 = 0,18285133 x 108 A = -0,77801825 x 10-11 8 Onzième surface asphérique K = O A 4 = 0,50222950 x 10-4 46 A 6 = 0,20250687 x 106 A = 0,53626768 x 10-8 8 leau 1 d 1,50 2,88 4,00 variable 1,50 2,67 3, 56 2,30 6,44 variable 3,40 2,70 1,40 Dixième K = A 4 = A 6 = A 8 = n 1,83400 V 37,2 1,69680 ,5 1,73077 1,80518 ,5 ,4 1,80518 1,58913 1,68893 1,77250 ,4 61,2 31,1 49,6 surface asphérique o 0,55216448 x 10-4 0,36450519 x 106 -0,92039024 x 109 Les valeurs de ON, f, f B, e, d 4 et dl O varient lors de la variation de la distance focale comme l'indique le tableau 2. Tableau 2 ON f f B e d 4 dl O 3,6 29,00 8,10 36,6 3,90 11,44 6,0 ,00 27,60 23,0 7, 27 ,53 8,5 77,39 51,79 ,4 ,48 2,47 Exemple 2 La figure 3 est une coupe simplifiée de l'objectif zoom de l'exemple 2, du côté des grands angles Les données particulières à cet exemple figurent dans le tableau 3 Les5 courbes d'aberration obtenues avec cet objectif sont indiquées sur les figures 4 (a), 4 (b) et 4 (c). Tableau 3 Surface n r d N v 1 -35,339 1,50 1,83481 42,7 0 2 498,555 3,15 3 80,520 4,00 1,69680 55,5 4 * -26,542 variable -15,588 3,09 1,69680 55,5 6 -59,742 4,36 7 18,388 2,30 1,80518 25,4 8 12,206 5,52 1,58913 61,2 9 * -18,034 variable -28,577 2,81 1,80518 25,4 11 -17,178 0,10 0 12 -60,034 1,30 1,77250 49,6 13 -286,403 3,64 14 -13,114 1,40 1,83481 42,7 -207,293 Quatrième surface asphérique K = O Neuvième K = surface o O asphérique A 4 = 0,77515110 x 10-5 A 4 = 0,65326338 x 10-4 A = 0,68111723 x 10-8 A 6 = 0,26245822 x 106 6 -86 A 8 = -0,10034564 x 10-10 A 8 = -0,20965611 x 10- Les valeurs de ON, f, f B, O, d 4 et d 9 varient avec la variation de la distance focale comme indiqué dans le tableau 4 qui suit. il Tableau 4 ON 3,6 6,0 8,5 f 29,00 50,02 77,40 f B 8,10 27,36 51,11 a 36,9 23,0 15,4 d 4 3,86 7,30 10,51 d 9 11,29 5,41 2,33 Le tableau 5 indique des valeurs qui remplissent les conditions (a) et (b) dans les exemples 1 et 2. Tableau 5 Condition I 2 III Ex 1 -9,1 -0,28 Ex 2 -13,3 -0, 28 Comme l'indique la description qui précède, l'objec- tif zoom selon la présente invention a une disposition aussi simple que celle d'une composition à trois groupes mais, grâce à l'introduction de caractéristiques particu- lières dans la disposition des éléments du premier et du second groupe et à leur configuration, le rapport des distances focales a une valeur élevée supérieure ou égale à 2,5, avec cependant obtention d'un grand angle de vision et réduction du diamètre des lentilles et de la longueur totale de l'objectif Simultanément, les variations des aberrations sont réduites lors de la variation de la distance focale d'un grand angle à un petit angle ou de l'infini à une courte distance De plus, le nombre d'élé- ments utilisés dans l'ensemble de l'objectif est réduit de manière satisfaisante En conséquence, l'invention concerne un objectif zoom du type d'un téléobjectif qui comprend trois groupes au total et qui peut être utilisé dans un appareil de prise de vues de faible encombrement. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux objectifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Objectif zoom comprenant au moins trois groupes de lentilles qui sont disposés, dans l'ordre depuis le côté de l'objet, sous forme d'un premier groupe de lentilles ayant une distance focale positive, d'un second groupe de lentilles ayant une distance focale positive et d'un troisième groupe de lentilles ayant une distance focale négative, dans lequel, lorsque la variation de distance focale est réalisée d'un grand angle à un petit angle, le premier, le second et le troisième groupe de lentilles sont tous déplacés vers l'objet si bien que la distance comprise entre le premier et le second groupe de lentilles augmente alors que la distance comprise entre le second et le troisième groupe de lentilles diminue, caractérisé en ce que chacun des premier et second groupes de lentilles possède au moins une surface asphérique. 2 Objectif zoom selon la revendication 1, dans lequel la surface asphérique au moins remplit les condi- tions suivantes (a) et (b) (a) -30 AI 2 étant la somme des variations du coefficient de l'aber- ration sphérique du troisième ordre dues à toutes les surfaces asphériques du second groupe (le coefficient d'aberration est tel qu'il est calculé lorsque la distance focale de l'ensemble de l'objectif à l'extrémité de grand angle est considérée comme égale à 1,0), et AIII 1 étant la somme des variations du coefficient d'astigmatisme dues à toutes les surfaces asphériques du premier groupe de lentilles. 3 Objectif zoom selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le troisième groupe de lentilles comporte deux éléments qui sont placés, dans l'ordre depuis le côté de l'objet, sous forme d'un élément convergent et d'un élément divergent, et il possède au moins une surface asphérique.