Brevet FR2723789A1 — publié le 19960223

SYSTEME OPTIQUE POUR APPAREIL DE PRISE DE VUES La présente invention concerne de simples lentilles formées d'un seul élément et plus particulièrement des lentilles format horizontal ou paysage formées d'un seul élément, qui sont notamment appropriées pour être utilisées en tant que lentille de prise de vues (ou objectif) dans des appareils de prise de vues bon marché tels que des appareils de prise de vues à usage unique. Une lentille à format horizontal est constituée par un seul élément de lentille en forme de ménisque convergent et un diaphragme. L'agencement est connu depuis environ 150 ans et a été utilisé à l'origine avec des matériaux photosensibles possédant des sensibilités spectrales si étroites dans le domaine du bleu, que l'on obtenait des résultats satisfaisants avec des valeurs de diaphragme élevées F. sans corrections de couleurs. Les objectifs actuels à un seul constituant, qui sont utilisés dans des appareils photographiques simples, comme par exemple des appareils de prise de vues à usage unique, sont habituellement réalisés avec des matériaux présentant une faible dispersion et un faible indice de réfraction afin de réduire l'aberration chromatique longitudinale. C'est pourquoi, pour réduire la difficulté de correction de l'aberration chromatique dans un système de lentille à un seul élément, on a conçu les lentilles en cherchant à réduire la dispersion (en utilisant des matériaux à faible indice et à nombre d'Abbe élevé (habituellement des matières plastiques)) pour obtenir la puissance nécessaire et réduire l'ouverture numérique (NA) de la lentille.30 Le diaphragme dans une lentille à format horizontal est utilisé pour minimiser l'aberration de coma. On sait parfaitement qu'il existe un emplacement optimum pour un diaphragme sur le côté concave d'un élément de lentille formant ménisque pour réduire la coma. On peut également35 obtenir une correction utile de la courbure du champ astigmatique en "cintrant" l'élément de lentille. Par conséquent la forme de ménisque réduit une autre aberration. On peut légèrement réduire l'aberration sphérique au moyen du cintrage, mais seulement aux dépens de la courbure de champ astignatique, étant donné que l'aberration sphérique peut être commandée par la limitation du diaphragme, et c'est ce qu'on faisait. C'est pourquoi, les lentilles à format horizontal étaient habituellement limitées à F/11 et à des ouvertures habituellement plus faibles. De même, elles étaient limitées à des angles de demi-champ de 20 ou moins en raison de l'altération de la qualité de l'image pour des angles de champ plus étendus; voir Jacobs, Fundamentals of Optical Engineering, McGraw- Hill, N.Y. (1943). La lentille à format horizontal travaille de façon appropriée pour de faibles ouverture numériques, allant par exemple de F/45 à F/22. Pour des ouvertures plus élevés, par exemple de F/8 à F/11, l'image en direction du bord du champ n'est pas aussi bonne qu'au centre du champ en raison de la présence de rayons lumineux obliques controllés de façon inadéquate. Le moyen classique pour corriger l'image en direction du bord du champ est d'utiliser une faible ouverture ou d'ajouter des éléments de lentille supplémentaires. La première solution est indésirable du point de vue photographique et la seconde est indésirable du point de vue économique. Ainsi, bien que certains appareils de prise de vues à usage unique utilisent une lentille à deux éléments, ce second élément de lentille crée une masse additionnelle et rend le système de lentilles plus lourd et plus onéreux. Ces conditions sont particulièrement importantes pour des appareils de prise de vues à usage unique, qui doivent être légers, compacts et bon marché. Les lentilles à format horizontal sont simples et par conséquent bon marché. C'est pourquoi, il serait souhaitable d'utiliser une lentille à format horizontal perfectionnée dans des appareils de prise de vues modernes. Des tentatives visant à améliorer cette lentille pour des appareils de prise de vues, des lentilles et des films modernes ont été effectuées fréquemment. De telles tentatives sont décrites dans le brevet US No 5 278 597, qui sera décrit plus loin ci-après et dans la demande de brevet US 08/292349,intitulée HYBRID REFRACTIVE/DIFFRACTIVE ACHROMATIC CAMERA LENS AND CAMERA USING SUCH, qui est une demande de continuation en partie de la demande de brevet US 08/175 708 déposée le 29 Décembre 1993 au nom de Mark M. Meyers et qui suggère une solution différente pour un appareil de prise de vues comportant une lentille à un seul élément. La présente invention a également trait à des perfectionnements concernant une lentille à format horizontal. Un but de la présente invention est de fournir un appareil photographique comportant une lentille à format horizontal utile pour une ouverture comprise entre F/8 et F/16 et en particulier pour des ouvertures comprises entre F/9 et F/11. Un autre but de la présente invention est de fournir une lentille à format horizontal et un appareil de prise de vues fournissant une image utile sur un angle de demi-champ d'au moins 30 et de préférence de 33 ou plus. Ces buts de l'invention ainsi que d'autres sont atteints àl'aide d'un appareil photographique comprenant: (i) un corps d'appareil de prise de vues destiné à contenir un film, et (ii) un système optique constitué par: une lentille en forme de ménisque et possédant une surface asphérique située sur la surface avant de l'élément de lentille, un diaphragme situé entre l'élément de lentille et le film, le film étant incurvé de manière à définir un segment courbe cylindrique dont la surface concave est tournée vers ce ménisque, et le film possédant un rayon de courbure R tel que 85 mm Selon un aspect de la présente invention, la lentille est agencée de manière à posséder un champ complet d'observation w tel que 65 Selon un autre aspect de la présente invention, l'élément de lentille peut fonctionner avec une valeur de diaphragme F dans une gamme 8 S F/# distance focale f dans la gamme comprise entre 28 et 35 mm. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente un dessin schématique d'un appareil photographique 100 comportant un boîtier 5. une lentille 10 conforme à l'invention étant représentée à distance du film photographique 15 sur lequel une image est formée, cette lentille possédant une surface avant 1 courbe et une surface arrière 2 concave; - les figures 2A-2D représentent des tracés de l'aberration de la lentille 10 de la figure 1. La figure 2A représente le tracé de l'aberration sphérique longitudinale, la figure 2B le tracé de la couleur latérale, la figure 2C le tracé de la distorsion et la figure 2D les tracés de courbures de champ sagitales (S) et tangentielles (T) pour trois longueurs d'onde différentes; - la figure 3 représente le tracé de la fonction de transfert de modulation MTF polychrome de la lentille 10 de la figure 1; - la figure 4 est un tracé de la fonction MTF polychrome correspondant à 0,7 fois le champ, c'est-à-dire à un angle de demi-champ de 24,8 de la lentille 10 de la figure 1; - la figure 5 représente un tracé de la fonction MTF polychrome correspondant au champ total, c'est-à-dire un demi-angle de 33,40 de la lentille 10 de la figure 1. En se référant à la figure 1, on y voit représentée une lentille à format horizontal 10 destinée à être utilisée dans des applications à des appareils de prise de vues fonctionnant en lumière visible, et plus particulièrement destinée à être utilisée dans un appareil de prise de vues à usage unique 100 possédant un bottier 5, un diaphragme ou un obturateur d'ouverture ST, un film photographique 15 supporté en un emplacement approprié de sorte qu'une image est produite par la lentille sur le film. L'appareil de prise de vues 100 comprend d'autres structures connues ou des moyens pour faire avancer le film et un obturateur pour permettre une exposition du film de manière à capter une image d'une scène devant être photographiée. La lentille 10 est un élément unique ou singulet convexe/concave (c'est-à- dire en forme de ménisque) formé d'un corps possédant une première surface convexe 1 du côté de l'objet et une surface concave 2 qui constitue la surface située à l'opposé de la première surface courbe 1. Il s'agit fondamentalement d'une lentille à format horizontal. Les deux surfaces 1 et 2 sont perpendiculaires à l'axe optique de la lentille. La lentille réfringente est formée par un matériau transparent du point de vue optique, qui possède un indice de réfraction égal au moins à 1,45 et un nombre V supérieur à 50. Dans une forme de réalisation préférée, l'indice de réfraction est égal à 1,49 et le nombre V est de 57,4. Un matériau approprié préférable est constitué par n'importe quel matériau moulable tel qu'une matière plastique optique ou un verre. Si l'élément de lentille est moulé, la matière plastique est préférable étant donné qu'elle est meilleur marché et facile à mouler. La valeur du diaphragme F de la lentille donne une ouverture de F/10 et la lentille possède un angle de demi-champ de 33,40. L'épaisseur totale de la lentille peut être inférieure à 4 mm et il est préférable que cette épaisseur soit égale à environ 1 à 3 mm. Dans cette forme de réalisation, elle est égale à 1,645 mm. La distance focale des lentilles à format horizontal selon l'invention peut être comprise entre 28 et mm et est comprise de préférence entre 32 et 35 mm. Conformément à un aspect de l'invention, il est prévu une lentille à format horizontal (c'est-à-dire un élément de lentille en forme de ménisque) possédant une distance focale située dans une gamme de 32 à 35 mm et des valeurs de diaphragme fournissant des ouvertures comprises entre F/9 et F/11. La distance focale de la lentille 10 est de 32,84 mm. Le centre de courbure, du rayon de base de la surface incurvée convexe 1, est situé à 6,33 mm à droite de cette surface, le long de l'axe optique. La surface 1 est asphérique et peut être décrite par l'équation suivante: x= Cy2 +DY4+EY6+FYS+GY' +HY2+IY'4+ JY'6 1+ l-(k+ 1)C2Y2 L'élément asphérique affaiblit la puissance superficielle en direction du bord (c'est-à-dire que la lentille devient plus négative au fur et à mesure qu'on se rapproche du bord de l'ouverture). Le degré de déformation asphérique est indiqué dans le tableau 2. La valeur Y/R dans le tableau 2 est l'ouverture transparente relative de la surface asphérique, Y/R=1 représentant une demi- ouverture de 4 mm pour cette forme de réalisation. La forme de ménisque de la lentille et la surface de réfraction sphérique servent principalement à réduire la courbure de champ astigmatique et l'aberration sphérique dans l'image réelle produite par la lentille. Le matériau préféré pour l'élément de lentille est le polyméthylméthacrylate. Il est aisément moulable et simplifie la fabrication de l'élément de lentille avec une surface asphérique. En outre, le nombre de dispersion élevé d'Abbe (V=57,4) du polyméthylméthacrylate (PMMA) minimise l'introduction d'aberrations chromatiques dans l'image formée par l'élément de lentille. Des dimensions et espacements indiqués à titre d'exemple sont reproduits dans le tableau 1, l'indice n étant situé au centre de la gamme mesurée pour la longueur d'onde nominale x = 546,1 nm, l'indice de réfraction est égal à 1,49 et le nombre V est égal à 57,4. Tableau 1 Surface Rayon Épaisseur Matériau Indice Nombre 1 6,3336(a) 1,645 PMMA 1,492 57,4 2 9,5006(b) 0 Air 1,000 Air 3,223 Air 1,000 Diaphragme 26,367 Plan Image -90,00 (a) Le profil de surface est un élément asphérique; le rayon de courbure de base est égal à 6,3336. Le profil asphérique de la surface est tel que décrit par l'équation ldans laquelle C=0,1578881; k=0; D=-O,27619E-3; E=O,55003E-4; F=-0,46081E-5; G=0,13672E-6; H=O; I=0,84984E-10; et J=-0,58619E-11. (b) Forme cylindrique; le rayon de courbure (suivant la dimension longitudinale du film) est -90 mm. Tableau 2 Y/R Déformation Déformation sagitale sagitale totale* 0,1 0,012642 0,012635 0,2 0,050721 0,050622 0,3 0,114704 0,114277 0,4 0,205402 0,204333 0,5 0,324026 0,322088 0,6 0,472269 0,469423 0,7 0,652451 0,648691 0,8 0,867728 0,862849 0,9 1,122449 1,116331 1,0 1,422748 1,416336 1,1 1,777628 1,768677 * inclut la déformation asphérique. La lentille de la première forme de réalisation possède une longueur d'onde nominale ou centrale 1=546,1 nm. La lentille est optimisée et analysée pour une largeur de bande de 440 à 650 nm autour de cette longueur d'onde centrale. La lentille est conçue de manière à être utilisée dans un appareil de prise de vues comportant des moyens classiques appropriés ou une structure classique appropriée pour définir une forme incurvée du film. La forme du film est courbe suivant un segment de cylindre, la surface concave du film étant tournée vers la surface 2 de la lentille. Bien que dans l'art antérieur on ait décrit des éléments à une seule lentille en forme de ménisque, utilisés chacun en liaison avec une configuration courbe du film, de telles configurations de film avaient des rayons absolus de courbure compris entre 100 mm et 160 mm. Selon un aspect de la présente invention, le meilleur rayon de courbure pour le film de forme cylindrique est d'environ - mm, c'est-à-dire que l'on a 85 mm surface concave étant tournée vers la lentille. Bien que le brevet US 5 278 597 indique qu'un rayon de courbure R pour le fil nécessite d'être compris entre -80 mm et -250 mm pour l'obtention d'une performance acceptable, dans toutes les formes de réalisation décrites, les rayons de courbure sont compris entre -100 mm et -200 mm. La plupart des autres utilisations possedent un rayon de courbure de à -140 mm. Ceci est dû au fait que les concepteurs de lentilles savent d'une manière commune que plus le film est cintré, plus la variation entre la qualité de l'image dans la direction longitudinale et la qualité de l'image dans la direction courte (direction parallèle à l'axe du cylindre) du film de forme cylindrique est élevée. Par conséquent, étant donné que les concepteurs de lentilles croyaient habituellement que la variation de l'image augmente progressivement lorsque la courbure de la pellicule augmente, ils évitent des rayons de courbure inférieurs à 100 mm. Cependant, nous avons trouvé que pour les valeurs de diaphragme F fournissant des ouvertures égales à F/9 ou plus (c'est-à-dire F/11,..., F/16), la lentille à format horizontal possède une profondeur de champ suffisante pour être utilisée avec un film disposé suivant un cylindre ayant un rayon de coubure dans la gamme de - 85 à -95 mm, sans altération notable de la qualité de l'image. En outre, nous avons trouvé que cette gamme de rayons s'adapte à la courbure de champ et à la distorsion de champ de la lentille et par conséquent compense la courbure et la distorsion de champ, de sorte que, lorsque le film est aplati et est imprimé, la qualité d'image résultante est supérieure. Étant donné qu'il est avantageux que la lentille collecte autant de lumière que cela est possible, la valeur de diaphragme F de la lentille doit fournir une ouverture proche de F/9. On obtient de bons résultats avec des lentilles ayant des valeurs de diaphragme fournissant des ouvertures situées dans la gamme F/9 à F/l. Les figures 2 à 5 sont des tracés des aberrations et de la fonction de transfert de modulation MTF de la lentille. L'analyse de performance s'effectue le long du rayon sphérique de meilleur ajustement jusqu'au coin du film cylindrique. Pour un format de film de 35 mm, ce rayon est de -130 mm. Le rayon de meilleur ajustement sera différent pour d'autres formats. Le rayon de -130 mm a été utilisé uniquement à des fins d'analyse. Le rayon réel du cylindre du film est 90 mm. Il est mesuré suivant la dimension longitudinale du film. Dans la petite dimension du film, le rayon de courbure est infini. On notera que sur l'axe, les valeurs de MTF de la lentille pour des fréquences de 10 à lignes/mm sont égales à 0,45 ou plus, que à 0,7 du champ la valeur moyenne NTF(( ST)) est supérieure à 0,3 pour des fréquences comprises entre 10 et 20 et que la valeur de MTF est égale à environ 0,5 pour 10 lignes/mm et environ 0,7 pour 5 lignes/mm. Il ressort à l'évidence de la description qui précède que l'invention fournit une lentille à un seul élément destinée à être utilisée dans un objectif d'appareil de prise de vues tels que des appareils de prise de vues bon marché ou à usage unique. En utilisant les caractéristiques de cette lentille, on obtient un contrôle extrêmement bon de l'aberration. Enfin, la lentille selon la présente invention n'est pas limitée à son utilisation dans un appareil de prise de vues à usage unique, mais peut être utilisé dans n'importe quel appareil de prise de vues à objectif simple ou dans n'importe quel autre dispositif de prise d'images pour focaliser la lumière du spectre visible, et en particulier dans des dispositifs constitués avec un composant ou un élément à une seule lentille. Bien que dans la forme de réalisation précédente, la distance focale soit de 32,84 mm, la lentille conforme à la présente invention est particulièrement appropriée pour être utilisée dans des appareils de prise de vues bon marché tels que (mais non exclusivement) des appareils de prise de vues à usage unique possédant des distances focales de 32 à 35 mm et ayant une valeur de diaphragme F fournissant des ouvertures comprises entre F/8 et F/12 et en particulier de tels appareils de prise de vues possédant une valeur de diaphragme F fournissant des ouvertures comprises entre F/9 et F/11. Des changements et modifications dans le cadre de l'invention apparaîtront à l'évidence aux spécialistes de la technique. C'est pourquoi la description précédente peut être considérée comme purement illustrative, sans aucun caractère limitatif. il REVENDICATIONS 1. Système optique convenant pour être utilisé dans des appareils de prise de vues à une seule lentille à usage unique ou à d'autres appareils de prise de vues à une seule lentille bon marché, qui fonctionnent dans une gamme du spectre visible, comprenant un seul élément en forme de ménisque (10), qui comprend un corps en un matériau optiquement transparent possédant un indice de réfraction égal au moins à 1,45, ledit corps possédant des première et seconde surfaces (1 et 2) situées sur des faces opposées, et un diaphragme (ST) situé entre ledit élément et le film (15), caractérisé en ce que ledit élément est adapté pour l'exposition d'un film cintré sous une forme cylindrique, ledit film (15) possédant un rayon de courbure compris entre -85 et - 95 mm, dans lequel l'élément de lentille est agencé pour avoir la couverture angulaire suivante: w 68 . w étant le champ d'observation total. 2. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'indice de réfraction est égal à 1,49. 3. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément (10) peut fonctionner à des ouvertures situées dans une gamme 8 F/# 12 et possède une distance focale f située dans la gamme de 28 à 35 mm. 4. Système optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit élément (10) peut fonctionner à des ouvertures situées dans une gamme 9 F/# 11. 5. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément (10) peut fonctionner à des ouvertures situées dans une gamme 8 F/# 12 et possède une distance focale f située dans la gamme de 32 à 35 mm. 6. Système optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit élément (10) possède une ouverture telle que 9 7. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une surface concave dudit élément en forme de ménisque (10) est tournée vers le film (15). 8. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit film (15) possède un rayon de courbure tel que 87 mm 9. Système optique selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une surface concave (2) dudit élément en forme de ménisque (10) est tournée vers le film (15). 10. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface asphérique rend la vergence de l'élément (10) plus faible en direction de l'ouverture transparente. 11. Appareil de prise de vues à usage unique (100) comprenant a) un boîtier d'appareil de prise de vues (5); et b) un film (15) contenu dans ledit boîtier (5) de l'appareil de prise de vues, ledit film (15) possédant une section devant être exposée et présentnt une forme cylindrique, caractérisé en ce que c) un objectif (10) en forme de ménisque constitué d'un seul élément est monté sur ledit bottier de l'appareil de prise de vues de manière à permettre l'exposition dudit film (15), et dans lequel ladite section de film devant être exposée possède un rayon de courbure R tel que mm