Brevet FR2890186A3 — publié le 20070302

FR 2890186 A3 20070302 FR 0508812 A 20050829 1. Domaine de l'invention La présente invention concerne un système de lentille à focale variable. Plus particulièrement, l'invention concerne un système de lentille à focale variable pas à pas ayant une courte longueur totale et conçu pour des équipements électroniques relativement minces. 2. Technique apparentée Ces dernières années, les équipements électroniques relativement minces dotés d'une fonction photographique, tels que les appareils photos, les téléphones mobiles et assistants numériques personnels, se sont rapidement répandus sur le marché. Ces équipements électroniques compacts sont devenus tellement petits qu'il est nécessaire que les lentilles d'imagerie soient configurées de manière à avoir une longueur to-tale aussi courte que possible et une structure aussi simple que possible. Afin de réduire la longueur totale de la lentille d'imagerie, une solution est que la lentille soit conçue de manière à avoir une longueur focale fixe. Une telle lentille a été décrite dans la publication du brevet américain n 2003/0210475 de Shinohara, publiée le 13 novembre 2003. Cependant, la lentille à longueur focale fixe est incapable de faire varier la distance de vision lors de la prise de photos. Si un utilisateur souhaite prendre des vues depuis plusieurs distances, l'utilisateur doit se déplacer en avant et en arrière, ce qui est évidemment agaçant et pénible. Un système de lentille à longueur focale variable de façon continue pouvant ajuster sa longueur focale de façon continue pour prendre des vues depuis plusieurs distances peut surmonter le problème susmentionné, mais le système de lentille à focale variable doté d'une telle fonction est généralement composé d'une grande quantité de composants de lentille. La structure du système de lentille est trop compliquée. En outre, ce système de len- tille nécessite un mécanisme de commande précis et compliqué pour commander les différentes unités de lentille se déplaçant le long d'un axe optique pour faire varier de façon. continue la longueur focale. Plus on veut que la taille du système de lentille soit petite, plus la commande est difficile à atteindre. Par conséquent, le système de lentille à longueur focale variable continue n'est pas conçu pour être utilisé dans ces équipements relativement minces. RESUME DE L'INVENTION Un objet de la présente invention est de fournir un système de lentille à focale variable pas à pas ayant une courte longueur totale, une structure simple et compacte, et capable de faire varier pas à pas la longueur focale pour prendre des vues depuis plusieurs distances. Pour atteindre l'objet susmentionné, la présente invention prévoit un système de lentille à focale variable pas à pas. Le système de lentille à focale variable pas à pas inclut une première unité de lentille qui a une puissance de réfraction positive, une ouverture, une deuxième unité de lentille qui a une puissance de réfraction positive, une troisième unité de lentille qui a une puissance de réfraction négative. Chacune des première, deuxième et troisième unités de lentille est construite en un seul bloc. Les première et deuxième unités de lentille sont positionnées sélectivement dans une première position et dans une deuxième position, et on passe d'une position à l'autre en déplaçant les première et deuxième unités de lentille dans des directions opposées. Constitué de trois blocs uniques comme susmentionné, le système de lentille a une structure simple et compacte. Le système de lentille pas à pas fait varier la longueur focale en déplaçant les première et deuxième unités de lentille dans des directions opposées de la première position à la deuxième position ou de la deuxième position à la première position pour permettre aux utilisateurs de prendre des vues depuis deux distances différentes. Pour les mêmes raisons que celles évoquées précédemment, le système de lentille 100 a une courte longueur totale. Brève description des dessins La présente invention sera apparente pour les spécialistes de la technique à la lecture de la description suivante des modes de réalisation de celle-ci, en faisant référence aux dessins joints, dans les-quels: la figure 1 est une vue en coupe d'un système de lentille à focale variable pas à pas dans une première position selon un premier mode de réalisation de la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe du système de lentille à focale variable pas à pas de la figure 1 dans une deuxième position; les figures 3A-3C montrent une aberration sphéri- que, un astigmatisme, et une distorsion, respective- ment, du système de lentille à focale variable pas à pas comme illustré par la figure 1; les figures 4A-4C montrent une aberration sphérique, un astigmatisme, et une distorsion, respective- 2890186 4 ment, du système de lentille à focale variable pas à pas comme illustré par la figure 2; la figure 5 est une vue en coupe d'un système de lentille à focale variable pas à pas dans une première position selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention; la figure 6 est une vue en coupe du système de lentille à focale variable pas à pas de la figure 6 dans une deuxième position; les figures 7A-7C montrent une aberration sphérique, un astigmatisme, et une distorsion, respective-ment, du système de lentille à focale variable pas à pas comme illustré par la figure 5; et les figures 8A-8C montrent une aberration sphéri- que, un astigmatisme, et une distorsion, respective-ment, du système de lentille à focale variable pas à pas comme illustré par la figure 6. Description détaillée des modes de réalisation préférés Les figures 1 et 2 montrent un premier mode de réalisation d'un système de lentille à focale variable pas à pas 100 selon la présente invention. Le système de lentille à focale variable pas à pas 100 utilisé pour créer une image d'une scène sur un capteur d'image 200 inclut, dans l'ordre à partir du côté d'un objet, une première unité de lentille 110 ayant une puissance de réfraction positive, une ouverture 120, une deuxième unité de lentille 130 ayant une puissance de réfraction positive et une troisième unité de lentille 140 ayant une puissance de réfraction négative. Chacune des unités de lentille 110, 130 et 140 est construite en un seul bloc. Le terme un seul bloc est défini comme (a) un élément de lentille unique ou (b) une lentille collée constituée de plusieurs éléments de lentille collés ensemble ou (c) une lentille hybride constituée d'un élément de lentille en verre et d'une couche de résine mince appliqués l'un contre l'autre. L'ouverture 120 sert à laisser passer la lu- mière. La première unité de lentille 110 est une lentille collée constituée d'une lentille biconvexe 111 et d'une lentille concave-convexe négative 112 adhérées l'une à l'autre. La première unité de lentille 110 est utilisée pour corriger la couleur latérale, la courbure de champ et l'aberration sphérique. Afin de réduire da-vantage au minimum l'aberration sphérique, la lentille biconvexe 111 est composée d'un verre en plateaux, et la lentille concave-convexe négative 112 est composée d'un verre extra blanc. Afin de réduire la courbure de champ, les rayons de courbure des surfaces de réfraction de la lentille collée satisfont la relation sui-vante: 6p+ 1:gr3 bp SD r 5r2 r3 h ço où h indique la hauteur d'image, çP indique le diamètre de la pupille de sortie, p indique la taille de pixel du capteur d'image 200, ri indique le rayon de courbure de la surface de réfraction de la lentille biconvexe 111 tournée du côté objet, r3 indique le rayon de courbure de la surface de réfraction de la lentille concave-convexe négative 112 30 tournée du côté image, et r2 indique le rayon de courbure de la surface collée de la lentille collée. La deuxième unité de lentille 130 est une lentille positive biconvexe 131 pour faire converger da- vantage la lumière ayant traversé la première unité de lentille 110. Afin de réduire autant que possible la longueur totale du système de lentille à focale variable pas à pas 100, la condition suivante doit de préférence être satisfaite: 1/3 En outre, afin de réduire l'aberration, la lentille biconvexe 131 est composée de verre en plateaux, et les deux surfaces de réfraction de la lentille biconvexe 131 sont asphériques. Chaque surface asphérique satisfait l'équation suivante: Z = cS _ + A4S4 + A6S6 + AaSR + Al S10 Equation (1) 1+V1-(K+1)c252 où c désigne une courbure du vertex asphérique, S désigne une distance à partir de l'axe optique, K désigne le coefficient conique, A4, A6, A8 et A10 désignent les quatrième, sixième, huitième et dixième coefficients asphériques, et Z désigne le fléchissement d'une ligne tirée à partir d'un point sur la surface de lentille asphérique à une distance S de l'axe optique au plan tangentiel du vertex de la surface asphérique. La troisième unité de lentille 140 est une lentille concave plate 141 qui est utilisée pour corriger la courbure de champ et réduire l'aberration chromatique. La lentille concave plate 141 a une surface plate tournée du côté de l'image sur laquelle un revêtement multiple, en tant que filtre de blocage des infra-rouges, peut être facilement placé. Le revêtement multiple peut couper des rayons infrarouges pour réduire l'influence des rayons infrarouges sur le capteur d'image 200 et améliorer l'exactitude des couleurs. En référence aux figures 1 et 2 de nouveau, le processus de zoom est décrit dans ce qui suit. Dans la présente invention, la troisième unité de lentille 140 ne se déplace pas par rapport au capteur d'image 200. Les première et deuxième unités de lentille 110, 130 sont uniquement disposées dans la première ou dans la deuxième position. Selon le présent mode de réalisation, la première position illustre la position grand-angulaire, et la deuxième position il- lustre la position en téléobjectif. Lorsque les première et deuxième unités de lentille 110, 130 sont placées dans la première position, comme le montre la figure 1, le système de lentille à focale variable pas à pas 100 a la longueur totale la plus courte. Lorsque les première et deuxième unités de lentille 110, 130 sont placées dans la deuxième position, comme le montre la figure 2, le système de lentille à focale variable pas à pas 100 a la longueur totale la plus longue. En déplaçant les première et deuxième unités de len- tille 110, 130 d'une position à l'autre, la longueur focale du système de lentille à focale variable pas à pas 100 est changée. Ce mode de zoom est différent du mode de zoom continu qui est mentionné dans l'art appa- renté. Ce mode est un mode de zoom pas à pas. De ce fait, le système de lentille est défini comme un système de lentille à focale variable pas à pas. Dans le processus de zoom de la description ci- dessus, les première et deuxième unités de lentille 110, 130 sont amenées à se déplacer le long de l'axe optique dans des directions opposées; c'est-à-dire, lorsque la première unité de lentille 110 est dé-placée vers le côté objet, la deuxième unité de len- tille 140 est déplacée vers le côté image, et vice ver-sa. Ce mode de déplacement peut augmenter la distance entre la première unité de lentille 110 et la deuxième unité de lentille 130 pour affaiblir la convergence de la lumière, de sorte qu'un rapport de zoom relativement grand est obtenu. Selon le présent mode de réalisation, le rapport de zoom est d'environ 2.0. L'ouverture 120 se positionne entre la première unité de lentille 110 et la deuxième unité de lentille 130. Lorsqu'on zoome, l'ouverture 120 se déplace également le long de l'axe optique. Lorsque les première et deuxième unités de lentille 110, 130 sont mi-ses dans la première position, l'ouverture 120 entre presque en contact avec la première unité de lentille 110. Lorsque les deux unités de lentille 110, 130 sont mises dans la deuxième position, l'ouverture 120 laisse une certaine distance entre les deux unités de lentille 110, 130. Constitué de trois blocs uniques comme susmentionné, le système de lentille 100 a une structure sim- ple et compacte. Le système de lentille pas à pas 100 fait varier la longueur focale en déplaçant les première et deuxième unités de lentille 110, 130 dans des directions opposées de la première position à la deuxième position ou de la deuxième position à la première position pour permettre aux utilisateurs de prendre des vues depuis deux distances différentes. Pour les mêmes raisons que celles évoquées précédemment, le système de lentille 100 peut être conçu avec une courte longueur totale. Le tableau 1 ci-dessous répertorie le numéro de la surface, dans l'ordre du côté objet, le rayon de courbure r (en mm) de chaque surface optique au niveau de l'axe optique, la distance dl (en mm) entre les ver-tex des surfaces optiques adjacentes lorsque les première et deuxième unités de lentille 110, 130 sont dis-posées dans la première position, la distance d2 (en mm) entre les vertex des surfaces optiques adjacentes lorsque les première et deuxième unités de lentille 110, 130 sont disposées dans la deuxième position, le numéro Abbe V et l'indice de réfraction n (au niveau de la ligne d de À = 587,6 nm) de chaque élément de lentille pour le premier mode de réalisation. Tableau 1 Surface R dl d2 n V 1 8, 176 1, 94 1, 94 1, 517 64, 2 2 -5, 919 0, 59 0, 59 1, 620 36, 4 3 -39, 920 0, 10 2, 91 4 2,70 7,04 Ouverture 6, 244 2, 02 2, 02 1, 530 55, 9 Asphérique 6 -6, 387 2, 26 0, 75 Asphérique 7 -4,193 1, 00 1,00 1,847 23,8 8 0, 75 0, 75 Le tableau 2 ci-dessous répertorie les valeurs des constantes K, A4, A6, A3, et Alo utilisées dans l'équation (1) ci-dessus pour chacune des surfaces de lentille asphérique du tableau 1. Tableau 2 Surface 6 K 2,604 -4,974 A4 0,001677 0,002898 A6 0,000302 0,000591 As 0, 000048 0,000093 Alo -0,000003 -0, 000005 Les figures 3A-3C et les figures 4A-4C montrent l'aberration sphérique, l'astigmatisme et la distor- sion, respectivement, du système de lentille à focale 10 variable pas à pas dans la première position et la deuxième position, respectivement, selon le premier mode de réalisation. PR dans les figures 3A et 4A indi- que le rayon pupillaire du système de lentille à focale variable pas à pas 100. MF dans les figures 3B-3C et 15 4B-4C indique le champ maximum du système de lentille à focale variable pas à pas 100. Dans les figures 3A-3C et 4A4C, d, F, et C indiquent la ligne d (À = 587,6 nm), la ligne F (À = 486,1 nm) et la ligne C (À = 656,3 nm) respectivement. La ligne S montre l'astigmatisme dans l'image sagittale, et la ligne T montre l'astigmatisme dans l'image tangentielle. Il est apparent à partir des schémas respectifs qu'une correc- tion excellente est effectuée pour les différentes aberrations et qu'une bonne qualité d'image est obte-25 nue, bien que le système de lentille à focale variable pas à pas ait une structure simple. Les figures 5 et 6 montrent un deuxième mode de réalisation. Le système de lentille à focale variable pas à pas selon le deuxième mode de réalisation est similaire à celui montré dans le premier mode de réalisa- tion, les différences entre eux étant que la lentille collée de la première unité de lentille 110 du deuxième mode de réalisation est constituée d'une lentille biconvexe 111 et d'une lentille biconcave 112',. et que la deuxième unité de lentille 130 du deuxième mode de réa- lisation est constituée d'une lentille concave-convexe 131'. Dans la mesure où le processus de zoom du système de lentille à focale variable pas à pas du deuxième mode de réalisation est identique à celui montré dans le premier mode de réalisation, une description dé-taillée de celui-ci est omise ci-après. Plusieurs valeurs du deuxième mode de réalisation sont répertoriées dans les tableaux 3 et 4, dans les-quels les symboles identiques à ceux du premier mode de réalisation ont les mêmes significations. Tableau 3 Surface R dl d2 n V 1 6, 760 1, 65 1, 65 1, 713 53, 8 2 - 0, 60 0, 60 1, 805 25, 4 3 35, 208 0, 20 1, 43 4 0,75 7,01 Ouverture -4, 789 1, 90 1, 90 1, 530 55, 9 Asphérique 6 -2, 557 4, 12 0, 52 Asphérique 7 -6, 451 1, 00 1, 00 1, 847 23, 8 8 0,80 0,80 Tableau 4 Surface 6 K 0 -10 A4 -0, 021025 -0, 059387 A6 0,011641 0,017530 A8 -0, 007690 -0, 003618 Alo -0, 000890 -0, 000233 Les figures 7A-7C et 8A-8C montrent l'aberration sphérique, l'astigmatisme, et la distorsion, respecti- vement, du système de lentille à focale variable pas à pas dans la première position et dans la deuxième position, respectivement, selon le deuxième mode de réalisation. Sur ces figures, les symboles identiques à ceux du premier mode de réalisation ont les mêmes significa- tions. Il est apparent à partir de ces schémas qu'une correction excellente est effectuée pour les différentes aberrations et qu'une bonne qualité d'image est obtenue. Comme le verront les spécialistes de la technique d'après la description précédente, plusieurs altérations et modifications, par exemple, la substitution de la lentille concave-convexe 112 ou de la lentille biconcave 112' par une lentille concave-plate, et la lentille biconvexe 131 ou le collage de la lentille con- cave-convexe 131' à la lentille négative dans la sur-face tournée du côté image, sont possibles dans la pratique de la présente invention sans s'éloigner de la portée de celleci. 2890186 13 REVENDICATIONS 1. Système de lentille à focale variable pas à pas conçu pour créer une image d'une scène sur un cap- teur d'image comprenant, dans l'ordre à partir du côté objet: une première unité de lentille (110) ayant une puissance de réfraction positive; une ouverture (120) pour laisser passer la lu- mière; une deuxième unité de lentille (130) ayant une puissance de réfraction positive; et une troisième unité de lentille (140) ayant une puissance de réfraction négative; dans lequel lesdites première, deuxième et troisième unités de lentille sont construites en un seul bloc; ladite troisième unité de lentille est fixe; lesdites première et deuxième unité de lentille sont positionnées sélectivement dans une première position et dans une deuxième position, et on passe d'une position à l'autre en déplaçant lesdites première et deuxième unités de lentille dans des directions opposées. 2. Système de lentille à focale variable pas à pas selon la revendication 1, dans lequel la première unité de lentille est une lentille collée constituée d'une lentille positive et d'une lentille négative adhérées l'une à l'autre, et les rayons de courbure des surfaces de réfractions des lentilles collées satisfont la relation suivante: 3 6p 1 1 1 3 6p 5 + 5+ h rp ri 5rz rl h ço où h indique la hauteur d'image, ç indique le diamètre de la pupille de sortie, p indique la taille de pixel du capteur d'image, ri indique le rayon de courbure de la surface de réfraction de la lentille positive tournée du côté ob- jet, r3 indique le rayon de courbure de la surface de réfraction de la lentille négative tournée du côté image, et r2 indique le rayon de courbure de la surface col- lée de la lentille collée. 3. Système de lentille à focale variable pas à pas selon la revendication 2, dans lequel ladite lentille collée inclut une lentille biconvexe et une len- tille négative concave-convexe et ladite deuxième unité de lentille est constituée d'une lentille positive biconvexe. 4. Système de lentille à focale variable pas à pas selon la revendication 3, dans lequel les surfaces de réfraction de ladite lentille positive biconvexe de la deuxième unité de lentille sont des surfaces asphériques. 5. Système de lentille à focale variable pas à pas selon la revendication 2, dans lequel ladite len- tille collée inclut une lentille positive biconvexe et une lentille négative biconcave, et ladite deuxième unité de lentille est constituée d'une lentille positive concave-convexe. 6. Système de lentille à focale variable pas à pas selon la revendication 5, dans lequel les surfaces de réfraction de ladite lentille concaveconvexe de la-dite deuxième unité de lentille sont des surfaces asphériques. 7. Système de lentille à focale variable pas à pas selon la revendication 2, dans lequel ladite lentille collée inclut une lentille positive biconvexe et une lentille négative concave-plate, et ladite deuxième unité de lentille est une lentille collée. 8. Système de lentille à focale variable pas à pas selon la revendication 7, dans lequel ladite lentille collée de la deuxième unité de lentille inclut une lentille positive biconvexe et une lentille néga-tive. 9. Système de lentille à focale variable pas à pas selon la revendication 7, dans lequel ladite lentille collée de la deuxième unité de lentille inclut une lentille positive concave-convexe et une lentille négative. 10. Système de lentille à focale variable pas à pas selon la revendication 1, dans lequel ladite troisième unité de lentille est constituée d'une lentille négative concave-plate. 11. Système de lentille à focale variable pas à pas selon la revendication 10, dans lequel ladite lentille concave-plate de la troisième unité de lentille est recouverte d'un revêtement infrarouge multi-couches sur la surface tournée du côté image de celle-ci. 12. Système de lentille à focale variable pas à pas selon la revendication 1, dans lequel la puissance réfractive de la première unité de lentille et de la deuxième unité de lentille satisfont la relation sui- vante: 1/3