Brevet FR2893150A1 — publié le 20070511

La présente invention concerne de façon générale un système de lentilles à focale variable et, plus particulièrement, un système de lentilles à focale variable par paliers, ayant une petite longueur globale et convenant pour des équipements électroniques compacts. Ces dernières années, des équipements électroniques compacts ayant une fonction photographique, tels que de simples caméras, des téléphones mobiles et des assistants numériques personnels (PDA), sont devenus de plus en plus populaires. Ces équipements électroniques compacts sont devenus si petits qu'ils demandent à des systèmes à lentilles à focale variable d'y être configurés en étant aussi courts que possible, en termes de longueur globale, et aussi simples que possible, en termes de structure. Le brevet US No. 6.233.099, délivré le 15 mai 2001, décrit un système de lentilles à focale variable ayant un premier groupe de lentilles ayant une puissance réfractive négative, un deuxième groupe de lentilles ayant une puissance positive, un troisième groupe de lentilles ayant une puissance réfractive négative et un quatrième groupe de lentilles ayant une puissance réfractive positive, dans l'ordre, depuis un côté objet. Pendant le changement de plan ou de focale depuis la position de focale variable grand angle à la position de focale variable de téléobjectif, la totalité des groupes de lentilles se déplacent sur un axe optique, de telle manière que la séparation entre le premier groupe de lentilles et le deuxième groupe de lentilles diminue, que la séparation entre le deuxième groupe de lentilles et le troi- sième groupe de lentilles augmente, et que la séparation entre le troisième groupe de lentilles et le quatrième groupe de lentilles diminue. Du fait que la totalité des groupes de lentilles sont rendus déplaçables pour procé- der à un changement de plan par variation de focale, le système de lentilles demande un mécanisme de commande du changement de focale compliqué, qui ne convient pas pour des équipements électroniques compacts. En outre, la totalité de la conception mobile des groupes de lentilles nuit au raccourcissement de la longueur globale et à la simplification de la structure du système de lentilles. De plus, le premier groupe de lentilles mobile expose le système de lentilles à un endommagement aisé. La présente invention est faite pour obvier les problèmes mentionnés ci-dessus et a pour but de fournir un système de lentilles à focale variable par paliers, qui ait une petite longueur globale, qui soit de construction simple et compact. Pour atteindre le but ci-dessus, la présente invention fournit un système à lentilles à focale variable par paliers qui comprend un premier groupe de lentilles ayant une puissance de réfraction négative, un deuxième groupe de lentilles ayant une puissance de réfraction positive, un troisième groupe de lentille ayant une puissance de réfraction négative, et un quatrième groupe de lentilles ayant une puissance de réfraction positive, lequel système est caractérisé par le fait que chacun du premier groupe de lentilles, du troisième groupe de lentilles et du quatrième groupe de lentilles est formé à partir d'un bloc unique, le premier groupe de lentilles et le quatrième groupe de lentilles sont fixes, le deuxième groupe de lentilles et le troisième groupe de lentilles sont déplaçables, pour être positionnés sélectivement à la position de focale variable grand angle et à la position de focale variable de téléobjectif, pour effectuer un changement de distance focale, le troisième groupe de lentilles est ajustable de façon fine pour la focalisa- tion, lorsque l'objet est positionné à une distance différente. De préférence, le premier groupe de lentilles est composé d'une lentille négative concave double, une sur-face réfractive de la lentille négative concave double, placée face à l'objet, est une surface sphérique, et une autre surface réfractive de la lentille négative concave double, placée à distance de l'objet, est une surface asphérique. Avantageusement, le deuxième groupe de lentilles comprend un élément de lentille convexe double ayant une puissance de réfraction positive, un élément de lentille concave-convexe ayant une puissance de réfraction négative, et un élément de lentille convexe-concave ayant une puissance de réfraction négative. Selon un mode de réalisation, les deux surfaces réfractives de l'élément de lentille convexe-concave du deuxième groupe de lentilles sont des surfaces asphériques. De préférence, le deuxième groupe de lentilles comprend en outre une ouverture, attachée à une surface réfractive de l'élément de lentille convexe double placé face à l'objet, et l'ouverture se déplaçant conjointement avec le deuxième groupe de lentilles. Avantageusement, le troisième groupe de lentilles est composé d'une lentille négative concave double, les deux surfaces réfractives de la lentille négative concave double étant des surfaces asphériques. Selon une variante de réalisation, le troisième groupe de lentilles est composé d'une lentille négative concave-convexe, les deux surfaces réfractive de la lentille négative concave-convexe étant des surfaces asphériques. De préférence, le quatrième groupe de lentilles est composé d'une lentille positive convexe double. La présente invention sera mieux comprise par l'Homme de l'Art à lecture de la description ci-après de modes de réalisation en référence aux dessins annexés, parmi lesquels : La Fig. 1 est une vue en coupe d'un système de lentilles à focale variable par paliers en position de focale variable grand angle d'un premier mode de réalisa- tion, selon la présente invention ; La Fig. 2 est une vue en coupe du système de lentilles à focale variable par paliers en position de focale de téléobjectif, du premier mode de réalisation, selon la présente invention ; Les Figures 3A-3C représentent respectivement une aberration sphérique, un astigmatisme, et une distorsion, du système de lentilles à focale variable par paliers en position de focale grand angle, selon le premier mode de réalisation ; Les Figures 4A-4C représentent respectivement une aberration sphérique, un astigmatisme, et une distorsion, du système de lentilles à focale variable par paliers en position de focale de téléobjectif, selon le premier mode de réalisation ; La Fig. 5 est une vue en coupe d'un système de lentilles à focale variable par paliers en position de focale grand angle d'un deuxième mode de réalisation, selon la présente invention ; La Fig. 6 est une vue en coupe du système de len- tilles à focale variable par paliers en position de focale de téléobjectif, selon le deuxième mode de réalisation ; Les Figures 7A-7C représentent respectivement une aberration sphérique, un astigmatisme, et une distorsion, du système de lentilles à focale variable par paliers en position de focale grand angle, selon le deuxième mode de réalisation ; et Les Figures 8A-8C représentent respectivement une aberration sphérique, un astigmatisme, et une distorsion, du système de lentilles à focale variable par paliers en position de focale de téléobjectif, selon le deuxième mode de réalisation. En faisant référence à la Fig. 1 et à la Fig. 2, un premier mode de réalisation d'un système de lentilles à focale variable par paliers 100 selon la présente invention est représenté. Le système de lentilles à focale variable par paliers 100 comprend, dans l'ordre depuis un côté objet, un premier groupe de lentilles 110 ayant une puissance réfractive négative, un deuxième groupe de lentilles 120 ayant une puissance réfractive positive, un troisième groupe de lentilles 130 ayant une puissance réfractive négative et un quatrième groupe de lentilles 140 ayant une puissance réfractive positive. Le premier groupe de lentilles 110 est construit à partir d'un bloc unique. Le terme "bloc unique" est défini comme (a) un élément de lentille unique ou (b) une lentille collée composée de plusieurs éléments de lentilles collés ensemble ou (c) une lentille hybride campo- sée d'un élément de lentille en verre et d'un élément de lentille en résine, mince, pressés ensemble. Dans le premier mode de réalisation, le premier groupe de lentilles 110 est composé d'une lentille négative concave double 111. La surface de réfraction de la lentille négative concave double 111, placée face à l'objet, est une sur-face sphérique et une autre surface de réfraction de la lentille négative concave double 111, placée à distance, de l'objet est une surface asphérique. Pour diminuer les aberrations chromatiques, le coefficient de Abbe de la lentille négative concave double 111 doit être de préférence supérieur à 50. Chaque surface asphérique satisfait à l'équation suivante . S2 X = cS + A4S4 + A6SG + A8SB + Al S1 + A1,S1' +... Equation (1) Dans laquelle c désigne une courbure du sommet asphérique, S désigne la distance depuis l'axe optique ; K désigne le coefficient de conicité, A4, A6, A8, A10, Al2 ... désignent les quatrième, sixième, huitième, dixième, douzième coefficients d'asphéricité, et X désigne la déflection d'une ligne tracée depuis un point sur la sur-face de lentilles asphérique à une distance S par rapport à l'axe optique du plan tangentiel du sommet de la sur- face asphérique. Le deuxième groupe de lentilles 120 est composé de trois éléments de lentilles, qui sont, dans l'ordre depuis un côté objet, un élément de lentille double convexe 121, ayant une puissance de réfraction positive, un élément de lentille concave-convexe 122, ayant une puissance de réfraction négative, et un élément de lentille concave-convexe 123 ayant une puissance de réfraction négative. Dans l'ordre, pour diminuer l'aberration, les deux surfaces réfractives du troisième élément de lentille concave-convexe 123 sont des surfaces asphériques. Chaque surface asphérique satisfait également à l'équation (1). Le deuxième groupe de lentilles 120 comprend en outre une ouverture (non représentée sur les figures) attachée à une surface de réfraction de l'élé- ment de lentille convexe double 121, placé face à l'objet. L'ouverture se déplace conjointement avec le deuxième groupe de lentilles 120. 1±\11û(K+1)c2S' Le troisième groupe de lentilles 130 est construit en un bloc unique. Le bloc unique est composé de la lentille négative concave-convexe 131. Les deux surfaces de réfraction de la lentille négative concave-convexe 131 sont des surfaces asphériques. Chaque surface asphérique satisfait également à l'équation (1). Le quatrième groupe de lentilles 140 est construit à partir d'un bloc unique. Le bloc unique est composé d'une lentille positive double convexe 141. Le quatrième groupe de lentilles 140 est utilisé pour améliorer la télécentricité. Le quatrième groupe de lentilles 140 est fixe. Le quatrième groupe de lentilles 140 peut protéger le capteur d'images. En faisant référence à la FIG. 1 et à la FIG. 2 de nouveau, le processus de changement de plan, par variation de focale du système de lentilles à variation focale variable par paliers 100 est présenté ci-après. Dans la présente invention, le premier groupe de lentilles 110 et le quatrième groupe de lentilles 140 ne se déplacent pas par rapport au capteur d'images, et le deuxième et le troisième groupe de lentilles 120 et 130 sont déplacés en avant et en arrière pour effectuer un changement de distance focale. Le troisième groupe de lentilles 130 est ajustable de façon fine, pour la foca- lisation, lorsque l'objet est positionné à une distance différente. Lors de l'opération de changement de focale, le deuxième groupe de lentilles 120 et le troisième groupe de lentilles 130 sont déplaçables pour être posi- tionnés sélectivement à la position de focale grand angle et à la position de focale de téléobjectif. En déplaçant le deuxième groupe de lentilles 120 et le troisième groupe de lentilles 130 d'une position à l'autre, la dis- tance focale du système de lentilles à focale variable par paliers 100 est modifiée. Ce mode de variation de la distance focale, qui ne choisit qu'une pluralité de positions de focale discrètes, est différent du mode à variation de focale continue. Dans le présent mode de réalisation, la première position présente l'extrémité grand angle, tel que représenté sur la FIG. 1, et la deuxième position représente l'extrémité de téléobjectif, tel que représenté sur la FIG. 2. Le Tableau 1 ci-dessous énumère le numéro de sur-face, dans l'ordre depuis le côté objet, le rayon de courbure R (en mm) de chaque surface optique à l'axe optique, la distance d, (en mm) entre les sommets de sur-faces optiques adjacentes; lorsque le deuxième groupe de lentilles 120 est disposé à la première position, la dis-tance dz (en mm) entre les sommets de surfaces optiques adjacentes lorsque le deuxième groupe de lentilles 120 est disposé à la deuxième position, le coefficient d'Abbe v, et l'indice de réfraction nd (à la ligne d de 2=587,6 nm) de chaque élément de lentille pour le premier mode de réalisation. Tableau 1 Sur- R dl face d2 nd V 1 -4,4515 0,6000 1,525 56,3 2 11,0505 1,5748 0,1000 Asphérique 3 2,0000 1,1118 1,804 46,5 Ouverture 4 -5,2023 0,1000 -3,2432 0,7420 1,805 25,5 6 -17,5112 0,3391 7 2,9675 0, 6072 1,607 27,6 Asphérique 8 1,5177 0,6651 1,6060 Asphérique 9 -9,0822 0,8000 1,525 56,3 Asphérique -50,9269 0,8051 1,3391 Asphérique 11 26,5590 1,3548 1,805 25,5 12 -8,2526 0,3000 Le Tableau 2 ci-dessous énumère les valeurs des constantes K, Aä A6, A8, A10 utilisées dans l'équation (1) ci-dessus pour chacune des surfaces de lentilles asphériques du Tableau 1. Tableau 2 Sur- K A4 A6 A8 A10 face 2 39,0062 -4,05740E-03 -1,50710E-03 -1,14035E-04 9,22284E-06 7 -17,1964 -1,97602E-02 -1,22007E- 01 6,30003E-02 -4,58731E-02 8 -0,1246 -6,69706E-02 -6,12734E-02 3,53452E-02 -9,16573E-03 9 -10 3,67969E-03 9,51233E-03 -1,95842E-03 1,69337E-04 10 -6,79528E-03 4,30880E-03 -7,83427E-04 1,17297E-04 Dans le premier mode de réalisation, la distance focale de chaque groupe de lentilles est la suivante : f, = -5, 9428, f2 = 2, 8059, f3 = -21,1167, f4 = 7, 8855, dans laquelle fl désigne la distance focale du premier groupe de lentilles 110, f2 désigne la distance focale du deuxième groupe de lentilles 120, f, désigne la distance focale du troisième groupe de lentilles 130, f4 désigne le quatrième groupe de lentilles 140. Les Figures 3A-3C et les Figures 4A-4C représentent respectivement l'aberration sphérique, l'astigmatisme et la distorsion du système de lentilles à focale variable par paliers 100 à la première position et à la deuxième position, respectivement selon le premier mode de réalisation. PR, sur les Figures 3A et 4A, désigne le demi-rayon de pupille du système de lentilles à focale varia- ble par paliers 100. MF, sur les Figures 3B-3C et 4B-4C, désigne le champ maximal du système de lentilles à focale variable par paliers 100. Sur les FIGS. 3A-3C et les Figures 4A-4C, D, F, et C désignent la ligne D (a,=546, 0740 nm), la ligne F (2\.=486,1327 nm) et la ligne C (2.=632,8000 nm), respectivement. Un trait plein S représente l'astigmatisme dans l'image sagittale, et un trait en pointillé T représente l'astigmatisme dans l'image tangentielle. En référence à la Fig. 5 et à la Fig. 6, il est représenté un deuxième mode de réalisation. Le système de lentilles à focale variable par paliers 100 selon le pré-sent mode de réalisation est similaire à celui représenté dans le premier mode de réalisation. La différence entre le premier mode de réalisation et le deuxième mode de réalisation est que la première unité de lentilles 131' du troisième groupe de lentilles 130' dans le deuxième mode de réalisation est une lentille négative concave double. Diverses valeurs du deuxième mode de réalisation sont énumérées au Tableau 3 et au Tableau 4, dans les-quelles les mêmes symboles valent pour les mêmes significations que celles représentées dans le premier mode de réalisation. Tableau 3 Sur- R dl d2 nd V face 1 -4,1496 0,6000 1,525 56,3 2 12,0411 1,5137 0,1000 Asphérique 3 2,0000 1,0825 1,804 46,5 Ouverture 4 -4,5897 0,1000 5 -2,9064 0,7500 1,805 25,5 6 -11,7521 0,3991 7 2,8700 0,6000 1,607 27,6 Asphérique 8 1,4902 0,5859 1,3036 Asphérique 9 -7,3170 0,8000 1,525 56,3 Asphérique 10 83,5899 0,7094 1,4054 Asphérique 11 58,3954 1,4593 1,805 25,5 12 -5,8623 0,3000 Le Tableau 4 ci-dessous énumère les valeurs des constantes K, A4, A6, A8, A10 utilisées dans l'équation (1) ci-dessus pour chacune des surfaces de lentilles asphériques du. Tableau 3. Tableau 4 Sur- K A4 A6 A8 A10 face 2 18,5534 -1,69078E-03 -1,18934E-03 -1,35367E-04 1,72931E-04 7 -13,3166 -2,39933E-02 -1,19464E- 01 5,96592E-02 -4,63294E-02 8 0,047888 -5,95527E-02 -8,94148E-02 5,08341E-02 -1,54165E-02 9 -10 1,59720E-02 4,12035E-03 -5,30247E-04 3,38511E-05 10 - 10 6,63994E-04 1,74196E-03 -5,73486E-04 1,38850E-04 Dans le deuxième mode de réalisation, la distance focale de chaque groupe de lentilles est la suivante fl = 5, 78, f2 = 2, 70, f3 = 12, 73, f4 = 6,62, dans laquelle f1 désigne la distance focale du premier groupe de lentilles 110, f2 désigne la distance focale du deuxième groupe de lentilles 120, f3 désigne la distance focale du troisième groupe de lentilles 130', f4 désigne le quatrième groupe de lentilles 140. Les Figures 7A-7C et les Figures 8A-8C représentent respectivement l'aberration sphérique, l'astigmatisme et la distorsion du système de lentilles à focale variable par paliers 100 à la première position et à la deuxième position, respectivement, selon le deuxième mode de réalisation. Les mêmes symboles dans ces figures valent pour les mêmes significations que celles représentées dans les premiers modes de réalisation. REVENDICATIONS 1. Système à lentilles à focale variable par paliers comprenant : un premier groupe de lentilles (110) ayant une puissance de réfraction négative ; un deuxième groupe de lentilles (120) ayant une puissance de réfraction positive ; un troisième groupe de lentille ayant une puissance de réfraction négative : et un quatrième groupe de lentilles (140) ayant une 10 puissance de réfraction positive ; caractérisé par le fait que chacun du premier groupe de lentilles, du troisième groupe de lentilles (130) et du quatrième groupe de lentilles (140) est formé à partir d'un bloc unique, le premier groupe de lentilles (110) et 15 le quatrième groupe de lentilles (140) sont fixes, le deuxième groupe de lentilles et le troisième groupe de lentilles (130) sont déplaçables, pour être positionnés sélectivement à la position de focale variable grand angle et à la position de focale variable de téléobjec- 20 tif, pour effectuer un changement de distance focale, le troisième groupe de lentilles (130) est ajustable de façon fine pour la focalisation, lorsque l'objet est positionné à une distance différente. 2. Système à lentilles à focale variable par 25 paliers selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le premier groupe de lentilles (110) est composé d'une lentille négative concave double (111), une surface réfractive de la lentille négative concave double (111), placée face à l'objet, est une surface sphérique, et une 30 autre surface réfractive de la lentille négative concave double (111), placée à distance de l'objet, est une sur-face asphérique. 3. Système à lentilles à focale variable par paliers selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le deuxième groupe de lentilles comprend un élément de lentille convexe double ayant une puissance de réfrac- tion positive, un élément de lentille concaveconvexe (122) ayant une puissance de réfraction négative, et un élément de lentille convexe-concave (123) ayant une puissance de réfraction négative. 4. Système à lentilles à focale variable par paliers selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les deux surfaces réfractives de l'élément de lentille convexe- concave du deuxième groupe de lentilles sont des surfaces asphériques. 5. Système à lentilles à focale variable par paliers selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le deuxième groupe de lentilles comprend en outre une ouverture, attachée à une surface réfractive de l'élément de lentille convexe double (121) placé face à l'objet, et l'ouverture se déplaçant conjointement avec le deuxième groupe de lentilles. 6. Système à lentilles à focale variable par paliers selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le troisième groupe de lentilles (130) est composé d'une lentille négative concave double (111), les deux surfaces réfractives de la lentille négative concave double (111) étant des surfaces asphériques. 7. Système à lentilles à focale variable par paliers selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le troisième groupe de lentilles (130) est composé d'une lentille négative concave-convexe, les deux surfaces réfractive de la lentille négative concave-convexe étant des surfaces asphériques. 8. Système à lentilles à focale variable par paliers selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le quatrième groupe de lentilles (140) est composé d'une lentille positive convexe double.5