Brevet FR2725800A1 — publié le 19960419

i SYSTEME DE LENTILLES A DISTANCE FOCALE VARIABLE, NOTAMMENT POUR DES CAMERAS DE TELEVISION La présente invention concerne un système de lentilles à focale (distance focale) variable appelé également système zoom, plus particulièrement un système de lentilles à focale variable pour une caméra de télévision destinée à préparer des émissions de télévision ou à l'industrie ou à tout autre usage professionnel. Les systèmes de lentilles à focale variable pour des caméras de télévision comprennent habituellement un premier groupe de lentilles qui permet de corriger les variations de la position de l'image dues à la variation de distance entre la caméra et l'objet en déplaçant le premier groupe de lentilles, ou une partie de ce premier groupe de lentilles, selon la direction de l'axe optique, un deuxième groupe de lentilles qui se déplace dans la direction de l'axe optique de la même façon que le premier groupe de lentilles pour faire varier la distance focale du système complet de lentilles à focale variable, un troisième groupe de lentilles ainsi qu'un quatrième groupe de lentilles munis d'un diaphragme, et présentant un pouvoir de réfraction positif permettant de former l'image. Le quatrième groupe de lentilles est divisé en des moitiés avant et arrière largement espacées l'une de l'autre selon la direction de l'axe optique. On peut quelquefois introduire ou enlever un élément optique tel qu'un organe de prolongement de la gammine de distance focale, une lentille anamorphique ou similaire entre les moitiés avant et arrière du quatrième groupe de lentilles, et la première moitié du quatrième groupe de lentilles est agencée pour collimater sensiblement un faisceau lumineux sortant de ce groupe de lentilles, ce qui permet de simplifier la conception et la structure d'un élément optique destiné à être introduit sélectivement entre les moitiés avant et arrière. On dispose un prisme et/ou un filtre sélectif derrière le quatrième groupe de lentilles afin de diviser le faisceau lumineux en faisceaux lumineux rouge, vert et bleu. On a utilisé de tels systèmes de lentilles à focale variable depuis longtemps dans de nombreuses caméras de télévision grâce à sa facilité de conception, du fait que les fonctions réalisées par les différents groupes de lentilles sont bien définies, et qu'il est possible d'identifier de façon inéquivoque celles des lentilles qui provoquent des fluctuations dues à des aberrations optiques pendant les opérations de zoom avec de tels systèmes de lentilles. Néanmoins, de tels systèmes de lentilles à focale variable présentent des inconvénients du fait de la nécessité de déplacer le premier groupe de lentilles présentant la lentille de diamètre le plus important ou tout au moins de diamètre très important, selon la direction de l'axe optique lors de la mise au point du système de R:\13200\13204FR DOC- 11 octobre 1995 1/10 zoom. Quand la mise au point est réalisée de façon électrique, la réponse en déplacement du premier groupe de lentilles est fortement ralentie dans l'opération de mise au point à cause du poids notable de ce premier groupe de lentilles, ce qui rend difficile une focalisation parfaite lors de la poursuite d'objets se déplaçant à grande vitesse. On a utilisé récemment des systèmes de lentilles à focale variable comprenant quatre ou cinq groupes de lentilles dans lesquels le premier et le troisième groupes de lentilles sont fixes, l'effet de zoom étant obtenu grâce au déplacement du deuxième groupe de lentilles selon la direction de l'axe optique, et le changement de la position de l'image dû à l'opération de zoom ou à la modification de la distance séparant l'objet de la caméra étant corrigé au moyen d'un déplacement du quatrième groupe de lentilles selon la direction de l'axe optique. Le troisième groupe de lentilles présente un pouvoir de réfraction positif. Grâce à sa structure simple et à sa petite taille, un tel système de lentilles à focale variable a été utilisé à grande échelle dans des camescopes destinés au grand public. Quand on utilise un tel système de lentilles à focale variable dans une caméra de télévision pour des émissions de télévision ou pour des utilisations professionnelles, on se trouve confronté au problème qui suit. Dans un système de lentilles à focale variable pour une telle caméra de télévision, il faut prévoir un mécanisme permettant d'introduire et de retirer un élément optique tel qu'un organe de prolongement de la distance focale, qu'une lentille anamorphique ou similaire dans l'axe optique, et il faut donc disposer d'une zone collimatée o les rayons lumineux sont collimatés. Il faut prévoir une telle zone collimatée, par exemple derrière le troisième groupe de lentilles. Cependant, quand on dispose la zone collimatée derrière le troisième groupe de lentilles, les rayons lumineux dans la zone collimatée perdent leur parallélisme quand la distance séparant l'objet de la caméra varie car c'est le quatrième groupe de lentilles qui permet de corriger la position de l'image à la suite de modifications de la distance de l'objet, ce quatrième groupe étant situé derrière le troisième groupe de lentilles et, également derrière la zone collimatée. Quand le parallélisme des rayons lumineux est modifié par des changements de la distance de l'objet, les performances du système de lentilles, après mise en place de l'élément optique entre le quatrième et le cinquième groupes de lentilles, sont fortement dégradées, ce qui rend difficile l'utilisation d'un tel système de lentilles à focale variable comme système de lentilles à focale variable pour la diffusion d'émissions ou pour un usage professionnel o les critères de performance sont beaucoup plus stricts. En outre, comme les rayons lumineux qui ont subi une divergence au niveau du deuxième groupe de lentilles sont collimatés par le troisième groupe de lentilles R:\1320 13204FR-DOC - 9 octobre 1995 - 2/10 disposé juste derrière le deuxième groupe de lentilles, ce dernier groupe présentant un pouvoir de réfraction positif, on ne peut obtenir une dimension de faisceau suffisamment grande. En même temps, du fait que le pouvoir de réfraction du système composé du quatrième et du cinquième groupes de lentilles situé derrière le troisième groupe de lentilles est positif, les rayons lumineux convergent et on ne peut pas obtenir la distance focale arrière requise séparant le plan image de la face postérieure du système de lentilles. Dans le cas o l'on constitue la zone collimatée derrière le quatrième groupe de lentilles, on rencontre des problèmes de distribution du pouvoir de réfraction entre le troisième groupe de lentilles présentant un pouvoir de réfraction positif, et le quatrième groupe de lentilles. En fait, quand le pouvoir de réfraction du troisième groupe de lentilles est important, il faut que le pouvoir de réfraction du quatrième groupe de lentilles soit faible, ce qui rend très importante la distance que le quatrième groupe de lentilles doit parcourir afin de corriger la variation de la position de l'image due à la variation de la distance de l'objet, ce qui rend impossible la miniaturisation du système complet de lentilles. Quand, par contre, le pouvoir de réfraction du troisième groupe de lentilles est faible, il faut que le pouvoir de réfraction du quatrième groupe de lentilles soit important, ce qui a pour effet d'amplifier les aberrations dues à la variation de la distance de l'objet. Un but de la présente invention est donc de proposer un système de lentilles à focale variable qui présente une zone de collimation qui ne soit pas modifiée par les variations de la distance de l'objet, et qui soit de taille compacte. L'invention propose donc un système de lentilles à distance focale variable comprenant cinq groupes de lentilles disposées en ordre ascendant ou de numéro croissant à partir du côté de l'objet, le premier, le troisième et le cinquième groupes de lentilles étant fixes, le deuxième groupe de lentilles se déplaçant selon la direction de l'axe optique du système de lentilles à distance focale variable lors d'une opération de zoom dudit système, le quatrième groupe de lentilles se déplaçant selon la direction de l'axe optique afin de corriger les variations de la position du plan image dues à l'opération de zoom et afin de corriger les variations de la position du plan image dues à des variations de la distance de l'objet, caractérisé en ce que le premier groupe de lentilles présente un pouvoir de réfraction positif, le deuxième groupe de lentilles présente un pouvoir de réfraction négatif, le troisième groupe de lentilles présente un pouvoir de réfraction négatif, le quatrième groupe de lentilles présente un pouvoir de réfraction positif et le cinquième groupe de lentilles présente un pouvoir de réfraction positif. R\13200\13204FR DOC- 1l octobe 1995 -3/10 De préférence le quatrième groupe de lentilles est disposé de telle sorte que les rayons lumineux émergeant de ce quatrième groupe de lentilles soient focalisés à l'infini ou en un point situé à grande distance dudit groupe de lentilles. Selon un mode de réalisation, le système comprend un élément optique tel qu'un organe de prolongement de la distance focale ou qu'une lentille anamorphique, destiné à être inséré et retiré entre le quatrième et le cinquième groupes de lentilles. Dans le système de lentilles à focale variable selon la présente invention, le zoom est réalisé en déplaçant le deuxième groupe de lentilles, les variations de la position du plan-image étant corrigées en déplaçant le quatrième groupe de lentilles. Le poids ainsi que la taille du deuxième et du quatrième groupes de lentilles sont nettement inférieurs à ceux du premier groupe de lentilles. En conséquence, la vitesse de réponse lors des déplacements des groupes de lentilles déplaçables pour des opérations de focalisation ou de zoom est très élevée par rapport à la vitesse que l'on aurait pu obtenir en déplaçant le premier groupe de lentilles, et il est possible de poursuivre de façon satisfaisante un objet se déplaçant à grande vitesse, même dans le cas o la focalisation est réalisée électriquement et automatiquement. En outre, du fait le troisième groupe de lentilles présente un pouvoir de réfraction négatif, les rayons lumineux divergent au niveau du troisième groupe de lentilles, ce qui permet d'assurer une largeur de faisceau suffisamment importante et, en conséquence, une distance focale arrière suffisante entre la face postérieure du système et le plan-image. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 illustre schématiquement la disposition des éléments de lentilles dans un système de lentilles à focale variable selon un mode de réalisation de la présente invention, les figures 2A à 2C illustrent respectivement, l'aberration sphérique, l'astigmatisme et la distorsion du système de lentilles à focale variable, à son extrémité de course à grand angle de champ, les figures 3A à 3C illustrent respectivement, l'aberration sphérique, l'astigmatisme et la distorsion du système de lentilles à focale variable, à son extrémité de course de téléobjectif, et la figure 4 illustre schématiquement l'agencement des éléments de lentilles dans un système de lentilles à focale variable selon un autre mode de réalisation de la présente invention. Tel qu'illustré sur la figure 1, un système de lentilles à focale variable ou un système de zoom 1, selon un mode de réalisation de la présente invention, comprend un premier jusqu'à un cinquième groupes de lentilles, I à V. Le premier, le troisième ]I\132OM3204FR.DOC- Il ocobre 1995 -4/110 et le cinquième groupes de lentilles I, III et V sont fixes et le deuxième et quatrième groupes de lentilles II et IV sont déplaçables selon la direction de l'axe optique (ligne en traits mixtes). Le deuxième groupe de lentilles II constitue le système de zoom (le système de variation d'agrandissement), le quatrième groupe de lentilles IV constituant un système correcteur permettant de corriger la position du plan image à la suite d'une opération de zoom réalisée par le deuxième groupe de lentilles II ou d'une modification de la distance de l'objet. Le premier groupe de lentilles I présente un pouvoir de réfraction positif, le deuxième groupe de lentilles II présente un pouvoir de réfraction négatif, le troisième groupe de lentilles III présente un pouvoir de réfraction négatif, le quatrième groupe de lentilles IV qui est précédé d'un diaphragme 2, présente un pouvoir de réfraction positif et le cinquième groupe de lentilles V présente un pouvoir de réfraction positif. Un système de prisme 3, un filtre de séparation (passe- bas) 4 ainsi qu'un capteur CCD (capteur à transfert de charge) 5 sont disposés derrière le cinquième groupe de lentilles V. Le tableau I donne les rayons de courbure r (mm) des surfaces de réfraction, les distances de séparation axiale des surfaces d (mm) (correspondant à l'épaisseur centrale des lentilles ou des séparations d'air), les indices de réfraction n des lentilles ainsi que les coefficients d'Abbe (l'inverse du pouvoir de dispersion) u des différentes lentilles du système de lentilles à focale variable illustré sur la figure 1. Les surfaces sont numérotées en partant du côté de l'objet (le côté gauche sur la figure 1). Sur le tableau I, D1 à D4 représentent respectivement les séparations entre le premier et le deuxième groupes de lentilles, entre le deuxième et le troisième groupes de lentilles, entre le troisième et le quatrième groupes de lentilles, et entre le quatrième et le cinquième groupes de lentilles. Les valeurs de D1 à D4 pour une distance focale de 8,30 et une distance focale de 120,35 sont indiquées sur le tableau II. R:I\13200\13204FR DOC - 9 octobre 1995 - 5/10 TABLEAUI r d n v i -202,714 2,25 1l 80517 25,4 2 129,165 6,01 3 698,773 6,17 1,43387 95,1 4 -192,694 0 12 289,875 7,84 1,43387 95,1 6 1-1551216 0,12 7 120,881 7 84 1,60300 65,5 8 -284,866 0,12 9 60,184 6,56 1,74100 52,6 187,711 Di 11il 50,686 0, 80 1,83480 42,7 12 14,117 5,79 13 -51,808 0,75 1l 81600 46,6 14 32,063 2,93 27,360 4t77 ir 80517 25 16 -35,677 0,44 17 -28,055 0,75 1,81600 46,6 18 108,079 D2 19 -25,579 0,81 1,75500 52,3 57,338 2,40 1,84655 23,9 21 -380,691 1,87 22 diaphragme D3 23 198,768 4,20 1,58267 46,5 24 -41,931 0,12 3697,781 3,70 1,58913 61, 2 26 -130,171 0,12 27 60,764 7r00 1,48749 70, 4 R.\132"13204FR.DOC - 9 ocwoe 1995 - 6/10 28 -34,789 1,25 1,80400 46.6 29 -99,040 D4 48;761 4,60 1,48749 70,4 31 -71,853 0,12 32 36,938 6,45 1,51454 54;6 33 -35,944 1,30 1,83400 37,2 34 23,970 2,27 35 36,636 8,.15 1,51824 58,9 36 -23,018 1,25 1,80400 46,6 37 -201,936 0,36 38 47,981 7,35 1,48749 70,4 39 -30,174 1100 33,00 1,58267 46,5 41 13,20 1,51633 64,0 42 _ _ TABLEAU H f=8,30 f=120,35 D1 0,80 47,95 D2 52,83 5,69 D3 1,88 1,15 D4 37,50 38,23 L'aberration sphérique, l'astigmatisme et la distorsion pour une distance focale de 8,30 pour le système de lentilles à focale variable de ce mode de réalisation sont illustrés respectivement sur les figures 2A à 2C, et ceux pour une distance focale de ,35 sont indiquées respectivement sur les figures 3A à 3C. Sur les figures co signifie l'angle de vision. Sur les figures 2B et 3B, la ligne en tirets représente l'astigmatisme selon le plan méridien et la ligne en traits pleins représente l'astigmatisme selon le plan sagittal. Comme on peut le comprendre des figures 2A à 2C et des figures 3A à 3C, dans ce système de lentilles à focale variable selon ce mode de réalisation, les aberrations optiques sont très faibles. R:\13200\13204FR DOC - 9 octobre 1995 - 7/10 De plus, dans le système de lentilles à focale variable de ce mode de réalisation on réalise le zoom du système de lentilles à focale variable en déplaçant le deuxième groupe de lentilles II, les variations du plan-image étant corrigées grâce au déplacement du quatrième groupe de lentilles IV. Comme le poids ainsi que la taille du deuxième et du quatrième groupes de lentilles II et IV sont nettement inférieurs à ceux du premier groupe de lentilles I, la vitesse de réponse lors des déplacements des groupes de lentilles déplaçables pendant des opérations de focalisation ou de zoom, est très élevée par comparaison avec celle obtenue en déplaçant le premier groupe de lentilles I. Les possibilités de focalisation permettant ainsi de suivre un objet se déplaçant à grande vitesse même dans le cas o la focalisation est réalisée électriquement et automatiquement. De plus, comme le troisième groupe de lentilles III présente un pouvoir de réfraction négatif, les rayons lumineux subissent une divergence au niveau du troisième groupe de lentilles III, ce qui permet d'obtenir une distance focale arrière suffisamment longue, même si l'on forme une zone collimatée derrière le quatrième groupe de lentilles IV. En même temps, le quatrième groupe de lentilles IV n'a pas besoin de parcourir de longues distances et n'a pas besoin de présenter un diamètre important. En conséquence, le système de lentilles à focale variable de ce mode de réalisation peut présenter une taille faible. Tel que représenté sur la figure 4, un organe de prolongement ("extenseur") 10 permettant d'augmenter les possibilités de variation de la distance focale du système de lentilles à focale variable peut être introduit et supprimé à volonté entre le quatrième et le cinquième groupes de lentilles IV et V. On peut également introduire et extraire, à la place de l'organe de prolongement de distance vocale 10, une lentille anamorphique permettant de faire varier le rapport entre les dimensions d'une image ou son format, entre le quatrième et le cinquième groupes de lentilles IV et V. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. R:U13200\1 3204FRDOC - 9 octobre 1995 -8/1 0 REVENDICATIONS 1.- Système de lentilles à distance focale variable comprenant cinq groupes de lentilles (I,II,III,IV,V) disposées en ordre ascendant ou de numéro croissant à partir du côté de l'objet, le premier (I), le troisième (III) et le cinquième (V) groupes de lentilles étant fixes, le deuxième groupe de lentilles (II) se déplaçant selon la direction de l'axe optique du système de lentilles à distance focale variable lors d'une opération de zoom dudit système, le quatrième groupe de lentilles (IV) se déplaçant selon la direction de l'axe optique afin de corriger les variations de la position du plan image dues à l'opération de zoom et afin de corriger les variations de la position de l'image dues à des variations de la distance de l'objet, caractérisé en ce que le premier groupe de lentilles (I) présente un pouvoir de réfraction positif, le deuxième groupe de lentilles (II) présente un pouvoir de réfraction négatif, le troisième groupe de lentilles (III) présente un pouvoir de réfraction négatif, le quatrième groupe de lentilles (IV) présente un pouvoir de réfraction positif et le cinquième groupe de lentilles (V) présente un pouvoir de réfraction positif. 2.- Système de lentilles à distance focale variable selon la revendication 1, caractérisé en ce que le quatrième groupe de lentilles (IV) est disposé de telle sorte que les rayons lumineux émergeant de ce quatrième groupe de lentilles soient focalisés à l'infini ou en un point situé à grande distance dudit groupe de lentilles. 3.- Système de lentilles à distance focale variable selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un élément optique (10), destiné à être inséré, et retiré, entre le quatrième (IV) et le cinquième (V) groupes de lentilles. R:\132OO1 3204FR.DOC- Il octobre 1995 - 9/ 10