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REVENDICATIONS
1. Système optique additif divergent destiné à être placé devant une optique de base à foyer variable ou fixe permettant la mise au point rapprochée, pour réduire une ou plusieurs focales de cette optique de base sans en modifier les caractéristiques de mise au point rapprochée, caractérisé en ce qu'il comporte deux groupes de lentilles séparés par un intervalle d'air, I'un antérieur divergent 1) et l'autre postérieur convergent (12) dont au moins une lentille comporte une surface asphérique.
2. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les valeurs relatives des focales fl du groupe divergent (11) et f2 du groupe convergent (12) sont régies par l'inégalité f 2lUl1.6 fil
3. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa focale F est plus courte en valeur absolue que le tirage image ta compté à partir de sa dernière surface et ceci d'une valeur inférieure à 15%.
4. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le groupe antérieur divergent (11) est composé d'un ménisque divergent dont les rayons de courbure sphérique sont liés par la relation Rl > 2R2.
5. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayon asphérisé Rp du groupe convergent (12) obéit à laloi
EMI1.1
où 121 représente le diamètre utile de la lentille frontale pour
F/22, Hy l'ordonnée pour laquelle la valeur A est calculée, cette valeur A étant la différence des flèches de la courbe osculatrice et de la courbe asphérisée relatives au rayon Rp à cette ordonnée Hy, lorsque A est supérieur à 2k pour X = 0,589 nm.
6. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière dont est composée chaque lentille du groupe divergent (Il) a une dispersion telle que le nombre d'Abbé soit supérieur à 50.
7. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière dont est composée chaque lentille du groupe convergent (12) a une dispersion telle que le nombre d'Abbé soit inférieur à 50.
8. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur de l'intervalle d'air el séparant les groupes divergent (11) et convergent (12) a une valeur comprise entre les deux termes de l'inégalité [Ra(l-cosa)j-ep < ei < .15f2
lorsque Ra représente le dernier rayon de courbure du groupe divergent (11), a un angle défini par le rapport
121
2Ra quand 121 est le diamètre utile du dernier dioptre de rayon Ra pour le pinceau du champ maximum pour F/22, ep l'épaisseur de la dernière lentille du groupe divergent (Il), et f2 la valeur de la focale du groupe convergent (12).
La présente invention concerne un système optique additif divergent destiné à être placé devant une optique de base à foyer variable ou fixe autorisant la mise au point rapprochée, pour réduire une ou plusieurs focales de cette optique de base sans en modifier les caractéristiques de mise au point rapprochée.
L'emploi d'un élément divergent simple, placé devant une optique pouvant être utilisée dans une zone objet rapprochée, afin d'obtenir une réduction appréciable de la focale de base de cette optique est bien connu. Divers dispositifs optiques ont été proposés, à partir d'éléments divergents sphériques ou asphériques, pour parvenir à ce résultat. En particulier, le brevet suisse no 612767 décrit un système optique grand angulaire composé d'un objectif de base et d'au moins un élément additionnel divergent destiné à diminuer la distance focale de cet objectif de base.
Cependant, malgré l'évident intérêt de ce système, on s'est rapidement rendu compte que la simplicité de ces additifs n'autorisait pas la réduction d'un certain nombre de difficultés liées, d'une part à la géométrie des optiques de bases utilisées et d'autre part à la nature des aberrations optiques à corriger.
En particulier, les additifs divergents composés uniquement de lentilles simples divergentes, éventuellement déformées par asphérisation, sont incapables d'apporter les corrections chromatiques que demande la formation d'une image de qualité pour les usages semi-professionnels et professionnels.
De plus, certaines optiques à foyer variable, telles que celles définies par exemple par le brevet britannique no 1.323.221 qui décrit un objectif à foyer variable avec mise au point rapprochée sur toute la gamme des focales, ne peuvent pas être équipées de manière réellement efficace d'un élément frontal divergent simple, même asphérisé, puisque la distance de mise au point minimale devient alors insuffisante pour conserver la majeure partie des performances de l'op- tique de base, notamment la mise au point rapprochée, lorsque la focale la plus courte a été réduite, même si cette réduction est faible.
Ceci est dû au fait que la zone de mise au point rapprochée est reportée trop en avant de la frontale de l'optique de base pour que l'on obtienne, à la fois une réduction sensible de la focale la plus courte et le maintien d'une zone de mise au point rapprochée intéressante pour ce nouvel ensemble à focale variable.
Ainsi, avec une optique telle que celles définies par ce brevet britannique, appliquée au format cinématographique 16 mm et ayant une gamme de focales allant de 9 à 50 mm et une ouverture de 1/2.2, la distance minimale de mise au point est de xm = 225 mm depuis la lentille frontale pour un grandissement de .03256 X. Compte tenu de la forme à donner à un élément divergent, il n'est guère possible de réduire la focale la plus courte de cet objectif 9 :50 mm à une valeur plus faible que 7.0 mm, valeur évidemment calculée pour l'infini, qui n'autorise ni la mise au point dans la plage permise par l'optique de base, ni une correction optimisée puisque la focale de cet élément divergent simple sera alors de
7.0 ta= = 214.98 mm,
.03256 =214.98mm, ce qui repousse les limites de la zone de mise au point rapprochée de l'optique de base.
I1 est aussi bien connu que, pour des raisons de correction optique, on doit utiliser une lentille divergente frontale en forme de ménisque cambré de manière importante dont le tirage image est plus court que la focale et ceci afin d'obtenir un résultat valable.
Dans ce cas, il n'y a plus de réserve de distance pour assurer
la mise au point rapprochée, à moins d'allonger la distance de mise au point minimale, donc de perdre en réduction de focale.
On se trouve ainsi dans l'obligation de rechercher les performances nécessaires à un système divergent frontal qui per
mettent une réduction sensible de la focale la plus courte de l'optique à focale variable de base, tout en maintenant la majeure partie des performances de mise au point rapprochée de cette optique ou bien d'augmenter l'intervalle d'air de manière à créer une zone de réserve de mise au point avec comme conséquence un accroissement du diamètre de la lentille divergente et une notable augmentation des difficultés
de fabrication de cette lentille asphérisée.
Le but de la présente invention est donc de pallier les
inconvénients mentionnés ci-dessus en réalisant un système
optique additif divergent destiné a être placé devant une optique de base à foyer variable ou fixe autorisant la mise au
point rapprochée, pour réduire une ou plusieurs focales de
cette optique de base sans en modifier les caractéristiques de
mise au point rapprochée.
Dans ce but, le système optique additif divergent selon l'invention est défini dans la revendication 1.
Le fait de séparer en deux éléments le système divergent
frontal permet d'augmenter fortement le tirage optique tout en maintenant la valeur de la focale.
Les formules mathématiques de dioptrique
F (I) fi+fi-ei et
t= -f2(fl-ei) (2)
fi + fi-e donnant respectivement les valeurs de la distance focale F et du tirage optique t du système en fonction des focales fl et f2 des deux groupes et de l'intervalle d'air el les séparant, montrent bien la voie qu'il faut suivre pour résoudre le problème, c'est-à-dire augmenter le tirage t d'une valeur At.
Etant donné que At = F - t, on trouve que
At +f2(2fl-el) (3)
fi +f2-ei
Cette équation (3) montre l'importance du facteur e X et explique l'intérêt qu'il y a, à disposer de l'espace défini par la flèche du rayon intérieur de la lentille divergente pour obtenir le but recherché.
A encombrement identique, l'avantage est évident.
Il faut encore ajouter que cette technique permet de résoudre le problème du chromatisme de grandeur, si important pour la définition des grands angulaires.
Il est, en effet, bien connu que la correction du chromatisme de grandeur dû à un élément divergent peut se faire à
l'aide d'une combinaison optique de deux lentille collées
ayant des constringences différentes.
Le fait de décoller les deux éléments optiques et de les
séparer par un intervalle d'air ne modifie pas la nature des
compensations chromatiques due à l'opposition des constrin
gences.
La présente invention sera mieux comprise en référence à
la decription d'un exemple de réalisation numérique et du
dessin annexé, dans lequel:
La figure I est un schéma de principe représentant le sys
tème optique selon l'invention, placé devant une optique de
base.
Les figures 2a et 2b sont des schémas de principe représentant les modifications de caractéristiques optiques apportées par l'ajout d'un élément divergent quelconque devant une optique de base en position de mise au point rapprochée,
La figure 3 montre schématiquement les conséquences d'une augmentation de l'intervalle d'air entre les éléments des figures 2a et 2b,
Les figures 4a et 4b démontrent schématiquement l'avantage qu'il y a de séparer l'élément divergent en deux éléments distincts séparés,
La figure 5 illustre la possibilité d'utilisation de l'espace défini par le rayon intérieur de la lentille,
Les figures 6a et 6b représentent les combinaisons optiques permettant une correction du chromatisme de grandeur,
Les figures 7a et 7b représentent en coupe, deux systèmes optiques, l'un simple, l'autre complexe,
de focale identique mais de tirages optiques différents, et
Les figures 8a et 8b représentent en coupe un exemple de réalisation numérique d'un objectif de base connu auquel on ajoute un élément divergent selon l'art antérieur et selon la présente invention.
En référence à la fig. 1, le système divergent 10 décrit dans sa forme la plus générale, comporte un groupe antérieur divergent 1 1 de distance focale fl et un groupe postérieur convergent 12 de distance focale f2 séparés par un intervalle d'air el. Cet ensemble est destiné à être placé devant une optique de base à foyer variable et à mise au point rapproché 13, afin d'en modifier la focale minimale sans en altérer les autres caractéristiques optiques.
Comme le montre la figure, la nouvelle distance minimale de mise au point rapprochée xi de l'objectif de base 13 équipé de l'élément divergent 10 est déterminée par la position Fi du foyer image de cet élément divergent. Ce foyer fi ainsi que la distance focale F de l'élément 10 sont déterminés en considérant le tracé du passage d'un rayon incident prallèle à l'axe à travers le système. Le point où le prolongement du rayon émergent correspondant rencontre l'axe est le foyer image Fi du système, l'intersection de ce prolongement avec le rayon incident définissant le plan principal image ri. La distance focale F du système 10 est alors égale à la distance niF i, le tirage optique ta étant égal à la distance séparant la lentille 12 et le foyer image Fi.
Les figures 2a et 2b montrent un élément divergent 14 quelconque, placé devant une optique de base à mise au point rapprochée. Sur la fig. 2a où l'optique de base est en position de mise au point rapprochée minimale, la distance de mise au point rapprochée minimale de l'ensemble formé par l'optique de base et l'élément divergent 14 est égale à xm. Sur la fig. 2b illustrant l'ensemble formé par l'optique de base en position de mise au point rapprochée intermédiaire et l'élément divergent 14, le point A' est l'image du point A donnée par l'élément divergent 14 pour une distance rapprochée intermédiaire égale à xi.
A' se trouvant entre Fi et l'optique de base qui est un système convergent, ce dernier ne peut pas en former une image. I1 est alors nécessaire pour remédier à ce défaut de limitation de la mise au point rapprochée, d'allonger la distance xm ce qui entraine une perte de réduction de focale et par conséquent une limitation du but recherché.
L'autre alternative pour éliminer ce défaut consiste alors, comme illustré par la fig. 3, à augmenter l'intervalle d'air m jusqu'à la valeur mi afin de déplacer le point Fm jusqu'au point Fi ce qui augmente la distance minimale jusqu'à la valeur xi et crée de ce fait une zone de réserve Fi Fm pour la mise au point. Cette solution n'est pourtant pas idéale, car le tracé du même rayon dans les deux cas montre que cette augmentation de l'intervalle d'air entraine un accroissement du diamètre de la lentille divergente 15 de 121 m à 121i et par là même une augmentation des difficultés de fabrication de cette lentille.
Les figures 4a et 4b montrent schématiquement comment remédier à ces inconvénients. On remplace l'élément divergent 14 par deux éléments, l'un divergent 1 1 de focale fl et l'autre convergent 12 de focale f2 séparés par un intervalle d'air el, la distance focale Fa de cet ensemble 10 ainsi formé restant égale à la distance focale Fa de l'élément divergent simple 14. L'on obtient ainsi une augmentation de la valeur ta du tirage jusqu'à la valeur ti, ce qui amène la valeur de xm distance de mise au point minimale jusqu'à la valeur de xi,
I'écart entre ces deux distances créant ainsi une zone de réserve de mise au point et un intervalle d'air el dont le rôle important est illustré par la fig. 5.
Cette figure explique l'intérêt qu'il y a à disposer de l'espace défini par la flèche ra d'une lentille divergente simple pour obtenir le but recherché dans le même encombrement. En effet, l'élément convergent qui contribue à augmenter le tirage peut avantageusement être logé dans la cavité définie par la flèche ra.
Cette technique consistant à remplacer l'élément divergent simple par un élément divergent complexe permet en outre de résoudre le problème du chromatisme de grandeur. La fig.
6a illustre la technique couramment utilisée pour effectuer la correction de cette aberration, qui consiste à remplacer une lentille par deux lentilles collées de constringences différentes. En référence à cette figure, cette combinaison se compose soit d'une lentille divergente 21 de rayons Ri et Ride constringence vl supérieure à 50, associée à une lentille divergente sphérique 22 de rayons R2 et R3 où Ri est inférieur à R3 de constringence V2 inférieure à 50, soit d'une lentille divergente 23 de rayons Ri et Rz de constringence vl supérieure à 50, associée à une lentille divergente asphérique 24 de rayons R2 et R3 où Ri est supérieur à R3 de constringence V2 inférieure à 50.
Le fait de décoller les deux éléments en deux lentilles 25 et 26 comme représenté sur la fig. 6b, ne modifie en rien la nature des corrections apportées, celles-ci étant dues uniquement à l'opposition des constringences vl et Vz des deux lentilles 25 et 26.
Les figures 7a et 7b représentent en coupe, les deux systèmes optiques, l'un simple connu 34, l'autre complexe nouveau 30, de focale identique F d mais dont les tirages optiques ts et tc sont différents, ceci en raison de la conception particulière de l'un des éléments par rapport à l'autre. Ces deux systèmes optiques sont placés devant une optique de base 33 de focale Fp et de tirage objet SFo = po, Fo étant le foyer objet de cette optique de base.
La distance minimale de mise au point de l'optique 33 étant de xm, il y a lieu de situer le foyer image de chaque élément divergent au delà de cette limite xm, de manière que ron puisse disposer d'une réserve de mise au point telle que
Rs= xs-xm
Rc=xc-xm
Plus la valeur R sera grande, plus petite sera la distance séparant le sommet S de l'optique de base 33 de la position minimale de l'objet, donc meilleure sera la restitution des caractéristiques de l'optique de base.
De plus, on remarque que le grandissement r sous lequel travaille l'optique 33 pour les distances xp et xc peut s'écrire
Fo rS =avec v = xs + po
v Fo rc=avecu = xc + po
u
Ces équations montrent que yc est inférieur à ya et comme la focale résultante F r de l'ensemble peut s'écrire
Fr=Fd on constate là encore, un net avantage de la solution divergente complexe dans la recherche des buts faisant l'objet de l'invention.
En reprenant les caractéristiques numériques d'une optique de base à foyer variable de type connu dont les données de mise au point rapprochée minimale sont les suivantes: xm = -225 rm = .03256 on peut comparer numériquement les deux systèmes illustrés.
Système simple 34 associé à une optique de base 33 connue (fig. 7a) 121a
EMI3.1
<tb> 128. <SEP> Rl <SEP> = <SEP> 126.2200
<tb> 104. <SEP> Ri <SEP> 59.7167
<tb> 3.2 E-7, -7.1 E-ll, 1.1 E-14
air 52.5288 (el)
Optique de base connue
Matière FKsnd = 1.48749
ta = -234.71 Fd = -237.17
Système complexe 30 associée à une optique de base 33 connue (fig. 7b)
EMI3.2
<tb> 107. <SEP> RI=136.2 <SEP> d <SEP> FK5
<tb> <SEP> 78. <SEP> Ri <SEP> 42.32
<tb> <SEP> air <SEP> 23.53
<tb> <SEP> 74. <SEP> Ri <SEP> = <SEP> 160.0 <SEP> sair <SEP> K10
<tb> <SEP> 73. <SEP> R4=a) <SEP> K10
<tb> 9. E-7, -5.
E-ll, 1.35 E-13
air 3.29 (e2)
Optique de base connue
tc = -283.95
Fd = -237.17
On constate, dans cet exemple, l'égalité des focales résultantes de ensemble Fr = y. Fd c'est-à-dire
Fr =03256 x 237.17 = 7.72 mm Q comparée à la valeur de 11 mm pour la focale de base de l'optique 33 et de l'équivalence des performances de mise au point minimale puisque
Système simple 34 xm = ts + ei = 234.71 + 52.53 = 3.29 = 287.24 mm
Système complexe 30 xc = ta + e2 = 283.95 + 3.29 = 287.24 mm.
Ces deux exemples numériques illustrent bien ce qu'il a été dit en référence à la decription de la fig. 3 c'est-à-dire une notable augmentation du diamètre utile 121u de la lentille simple 34 soit 128 mm par rapport au diamètre utile de la lentille 32 soit 74 mm, dans le cas de l'utilisation d'un système additif divergent simple. D'autre part les deux lentilles concernées, c'est-à-dire les lentilles 34 et 32 comportant chacune une surface asphérique, il est extrêmement important de remarquer que dans le cas du système complexe l'asphéri- sation doit se faire sur un diamètre plus faible ce qui facilite considérablement les problèmes de fabrication de cette lentille.
Les figures 8a et 8b représentant en coupe les deux sys- tèmes des fig. 7a et 7b dans le cadre d'une autre application numérique. En effet, le problème peut être abordé sous un autre angle en revenant à l'équation
Fo Y=-
v conjuguée à l'équation complémentaire
Fd x y = Fr d'oû l'on tire
Fo
Fr=Fd. - Fo
v
Or, étant donné que v=xs+pO ou = = ts + e l'on obtient
Fd Fo Fd Fo
Fr Fd. F0 ¯ Fd.
F0
xS+pO tS+el+pO qui montre que lorsque ts s'accroît par rapport à Fd, la focale
Fr de l'ensemble diminue ou, ce qui revient au même, on peut choisir la valeur de la focale Fd de l'additif pour conserver une valeur identique à celle obtenue avec un système simple de focale plus courte, et ceci avec tous les avantages que cela comporte.
Les calculs numériques suivants montrent bien les effets que l'on peut attendre de cette méthode.
On considère une optique de base 33 qui ici est un objectif à focale fixe F = 20 mm 1/1.3 destiné au format photographique 18 x 24 mm et qui permet une mise au point très rapprochée. Cette optique est équipée successivement de l'additif divergent simple 34 et de l'additif divergent complexe 30 qui donnent tous deux la même focale résultante pour l'ensemble et dont les caractéristiques sont les suivantes:
Système simple 34: focale -120.3691
tirage objet + 126.0402
tirage image ts = -118.1533 Ri=89.58 5. K10 1.78 E-6, -8. E-10,2.1 E-13
R2=35.
air 19.4426
Optique fixe, y = .11872
Système complexe 30: focale -251-.073
tirage objet + 232.1304
tirage image tc = -317.0718
R1=136.20
R2= 42.32
air 32.5 Ri=l60. 2.6E-6,-1.5E-9,3.E-l3
R4= 8. Kl0
air 3.
Optique fixe, y = .05691
Dans cet exemple, l'avantage est aux performances optiques car la distance xm de mise au point rapprochée minimale de l'optique de base 33 étant donnée à 100 mm, la distance minimale objet, dans le cas du système simple, étant donné que x' = = 118.1533 + 19.4426 - 100 = 37.5959 mm et que selon la formule de Newton
F2 x =
x' donc x = (120.3691)2 = 385.3803 mm
37.5959 sera égale à: x - tirage objet c'est-à-dire: 385.3803 - 126.0402 = 259.3401 mm
Dans le cas du système complexe: x = 317.0718 + 3 -100 = 221.0718 mm (251.073)2 = 285.1456 mm
221.0718 ce qui donne une distance minimale objet égale Åa: x - tirage objet c'est-à-dire:
285.1416-232.1304 = 53.0153 mm
La comparaison des valeurs de mise au point minimale obtenues avec les deux systèmes démontrent bien l'amélioration des conditions de travail optique c'est-à-dire distance de mise au point rapprochée et valeurs de focales obtenues avec les système optique additif divergent selon la présente invention.