WO1984004399A1

WO1984004399A1 - Additional divergent optical system

Info

Publication number: WO1984004399A1
Application number: PCT/CH1984/000059
Authority: WO
Inventors: Francois Laurent
Original assignee: Francois Laurent
Priority date: 1983-04-20
Filing date: 1984-04-18
Publication date: 1984-11-08
Also published as: EP0140918A1; CH658322A5

Abstract

Additional divergent optical system comprising two units separated by an air gap, a divergent fore unit (11) and a rear convergent unit (12) of which at least one of the curvature radii is deformed by any law of aspherization. This optical system is intended to be arranged before a base optics with variable or fixed focus enabling a close focusing to reduce one or a plurality of focal lines of said base optics without modifying the optical characteristics thereof.

Description

Systems optique additif divergent

La presente invention concerne un sytème 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 caracteristiques 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 ete proposés, à partir d'éléments divergents sphériques ou asphériques, pour parvenir à ce résultat. En particulier, le brevet suisse no 612.767 décrit un Systeme optique grand angulaire compose d'un objectif de base et d'au moins un element 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 difficultes 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 deformées 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, teiles que celles définies par exempie 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 maniére r efficace d'un élément frontal divergent simple, même asphérisé, puisque la distance de mise au point minimalale devient alors insuffi sante pour conserver la majeure partie des Performances de l'optique de base, notamment la mise au point rapprochee, lorsque la focale la plus courte a ete reduϊte, my si cette réduction est faible. Ceci est du au fait que la zone de mise au point rapprochee est reportee trop en avant de la frontale de l'optique de base pour que l'on obtienne, à la fois une reduction sensible de la focale la plus courte et le maintien d 'une zone de mise au point rapprochee interesting pour ce nouvel ensemble à focale variable.

Ainsi, avec une optique parts que celles difinies par ce brevet britannique, appliquee au format cinematographique 16 mm et ayant une gamme de focales allant de 9 à 50 mm et une Overture de 1 / 2.2, la distance minimale de mise au point est de x _m = 225 mm depuis la lentille frontale pour un grandissement de .03256 X. Compte tenu de la forme à donner à un element divergent, il n'est guere possible de reduire la focale la plus courte de cet objectif 9:50 mm à une valeur plus faible que 7.0 mm, valeur evidemment calculee pour Vinfini, qui n'autorise ni la mise au point dans la plage permise par l'optique de base, ni une correction optimisee puisque la focale de cet element divergent simple sera alors de ta = = 214.98 mm, ce

qui repousse les limites de la zone de mise au point rapprochee de l'optique de base.

II est aussi bien connu que, pour des raisons de correction optique, on doit utiliser une lentille divergente frontale en forme de ménisque cambre de maniere importante dont le tirage image est plus court que la focale et ceci afin d'obtenir un resultat valid.

Dans ce cas, il n'y a plus de reserve de distance pour assurer la mise au point rapprochee, à moins d'allonger la distance de mise au pointminimale, donc de perdre en reduction de focale.

On se trouve ainsi dans l'obligation de rechercher 1es Performances necessaires à un systéme divergent frontal qui permettent une reduction 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 rapprochee de cette optique ou bien d'augmenter l'intervalle d'air de maniere à créer une zone de reserve de mise au point avec comme consequence un accroissement du diamètre de la lentille divergente et une notable augmentation des difficultes de fabrication de cette lentille aspherisée.

Le but de la présente invention est donc de pallier les inconvénients mentionnes ci-dessus en réalisant un Systeme optique additif divergent destiné a être placé devant une optique de base à foyer variable ou fixe autorisant la mise au point rapprochée, pour rèduire une ou plusieurs foc the 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 caractérisé en ce qu 'il comporte deux groupes séparés par un intervalle d'air, l'un antérieur divergent et l'autre postérieur convergent dont l'un au moins des rayons de courbure est déformé par une loi quelconque d'asphérisation.

The 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.

The formules mathematiques de dioptrique

et

donnant respectivement les valeurs de la distance focale F et du tirage optique t du Systeme en fonction des focales f ₁ et f ₂ des deux groupes et de l'intervalle d'air el les séparant, montrent bien la voie qu'il faut suivre pour resoudre le problème, c'est-à-dire augmenter le tirage t d'une valeur Δt. Etant donné que Δt = F - t, on trouve que

Δt = (3)

Cette equation (3) montre l'importance du facteur el et explique l'intérêt qu'il y a, à disposer de l'espace défini par la flièhe du rayon intérieur de la lentille divergente pour obtenir le but recherché.

A encombrement identique, l'avantage est évident.

II faut encore ajouter que cette technique permet de résoudre le Problème du chromatisme de grandeur, si important pour la définition des grands angulaires.

II est, en effet, bien connu que la correction du chromatisme de grandeur du à un élément divergent peut se faire à l'aide d'une combinaison optique de deux lentille collées ayant des constringences différentes.

The fait de décoller les deux elements optiques et de les séparer par un intervalle d'air ne modifie pas la nature des compensations chromatiques due à l'opposition des constringences.

La présente invention sera mieux comprise en reference à l a description d'un exempie de realization numérique et du dessin annexé, dans lequel:

La figure l est un Schéma de principe representant le Système optique selon l'invention, placé devant une optique de base,

Les figures 2a et 2b sont des Schemas 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 Schematiquement les consequences d'une augmentation de l'intervalle d'air entre les elements des figures 2a et 2b,

Les figures 4a et 4b demontrent Schematiquement l'avantage qu'il y a de separer l'element divergent en deux elements distincts separes,

La figure 5 illustration la possibilite d'utilisation de l'espace defini par le rayon interieur de la lentille,

Les figures 6a and 6b representent les combinaisons optiques permettant une correction du chromatisme de grandeur,

Les figures 7a and 7b representent encoupe, deux systemes optiques, l'un simple, l'autre complexe, de focale identique màis de tirages optiques differents, et

The figures 8a and 8b representent en coupe un exempie de realization numerique d'un objectif de base connu auquel on ajoute un element divergent selon l'art anterieur et selon la presente invention.

En reference à la fig. 1, le systems divergent 10 decrit dans sa formme la plus generale, comporte un groupe anterieur divergent 11 de distance focale f ₁ et un groupe posterieur convergent 12 de distance focale f ₂ separate par un intervalle d'air el. Cet ensemble est destine à etre place devant une optique de base I foyer variable et à mise au point rapproche 13, afin d'en modifier la focale minimalale sans en alterer les autres caracteristiques optiques.

Comme le montre la figure, la nouvelle distance minimale de mise au point rapprochee x _i de l'objectif de base 13 equipe de l'element divergent 10 est determinee par la position F _i du foyer image de cet element divergent. Ce foyer F _i ainsi que la distance focale F de l'élement 10 sont determines en considerant le trace du passage d'un rayon incident parallele à l'axe à travers le Systeme. The point or the prolongement du rayon emergent correspondant rencontre l'axe est le foyer Image F _i du Système, l'intersection de ce prolongement avec le rayon incident définissant le plan principal image π _i . La distance focale F du Systéme 10 est alors égale à la distance π _i F _i , le tirage optique t _a étant égal à la distance separant la lentille 12 et le foyer image F _i .

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 ou l'optique de base est en position de mise au point rapprochée minimalale, la distance de mise au point rapprochee minimale de l'en- semble formé par l'optique de base et l'element divergent 14 est égale à x _m . Sur la fig.2b illustrant l'ensemble formé par l'optique de base en position de mise au point rapprochée intermédiaire et l'element divergent 14, le point A'est l'image du point A donnee par l'element divergent 14 pour a distance rapprochée intermédiaire égale à x _i . A 'se trouvant entre F _i et l'optique de base qui est un Systeme convergent, ce dernier ne peut pas en former une image. II est alors nécessaire pour remédier à ce défaut de limitation de la mise au point rapprochée, d'allonger la distance x _m ce qui entraine une perte de reduction de focale et par consequent 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 m _i afin de déplacer le point F _m jusqu'au point F _i ce qui augmente la distance minimum x _m jusqu'à la valeur x _i et crée de ce fait une zone de réserve F _i F _m pour la mise au point. Cette solution n'est pourtant pas ideal, car le trace du mime rayon dans les deux cas montre que cette augmentation de l'intervalle d'air entraine un accroissement du diamitre de la lentille divergente 15 de ∅ _m à ∅ _i et par là même an augmentation of the difficultés de fabrication de cette lentille.

Les figure 4a et 4b montrent schematiquement comment remédier à ces inconvénients. On remplace l'élément divergent 14 par deux éléments, l'un divergent 11 de focale f ₁ et l'autre convergent 12 de focale f ₂ séparés par un intervalle d'air el, la distance focale F _a de cet ensemble 10 ainsi forme restant égale à la distance focale F _a de l'ele ment divergent simple 14. L'on obtient ainsi une augmentation de la valeur t _a du tirage jusqu'à la valeur t _i , ce qui amine la valeur de x _m distance de mise au point minimal jusqu'à la valeur de x _i , l'écart entre ces deux distances creant ainsi une zone de réserve de mise au point et un intervalle d'air e _l dont le rôle important est illustré par la fig. 5.

Cette figure explique l'intérêt qu'il ya à disposer de l'espace défini par la flièhe R _a d'une lentille divergente simple pour obtenir le but recherché dans le mime encombrement. En effet, l'ilement convergent qui contribue à augmenter le tirage peut avantageusement être logé dans la cavite definie par la fléche R _a .

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 illustration of the technique couramment utilisée pour effectuer la correction de cette aberration, qui consiste à remplacer une lentille par deux lentilles collées de constringences differentes. En référence à cette figure, cette combinaison se compose soit d'une lentille divergente 21 de rayons R ₁ et R ₂ de constringence V ₁ supérieure à 50, associee à une lentille divergente sphérique22 de rayons R ₂ et R ₃ or R ₂ est inferieur à R ₃ de constringence V ₂ inférieure à 50, soit d'une lentille divergente 23 de rayons R ₁ et R ₂ de constringenceV ₁ supérieure à 50, associée à une lentille divergente asphérique 24 de rayons R ₂ et R ₃ or R ₂ est Supérieur à R3 de constringence V ₂ 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 V ₁ and V ₂ des deux lentilles 25 and 26.

Les figures 7a et 7b représentent en coupe, les deux systémes optiques, l'un simple connu 34, l'autre complexenouveau 30, de focale identique F _d mais dont les tirages optiques t _s et t _c sont différents, ceci en raison de la coneeption particulière de l'un des eléments par rapport à l'autre. These deux systems optiques sont placés devant une optique de base 33 de focale F _p et de tirage objet SF _o = p _o , F _o etant le foyer objet de cette optique de base.

The distance minimal de mise au point de l'optique 33 étant de x _m , il ya lieu de situer le foyer image de chaque élément divergent au delà de cette limite x _m , de manière que l'on puisse disposer d'une réserve de mise au point parts que

R _s = x _s - x _m

R _c = x _c - x _m 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 caracteristiques de l ' optique de base.

De plus, on remarque que le grandissement

sous lequel travaille l'optique 33 pour les distances Xp et x _c peut s'écrire

avec v = x _s + p _o

avec u = x _c + Po

Ces equations montrent que

est inférieur à

et comme la focale résultante F _r de l'ensemble peut s'ecrire

F _r = F _d 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 numeriques d'une optique de base à foyer variable de type connu dont les données de mise au point rapprochée minimale sont les suivantes: x _m = - 225 = .03256 on peut comparer numériquement les deux systèmes illustrés.

Système simple 34 associé à une optique de base 33 connue (fig.7a) ∅ _u

128. 3.2 E-7, -7.1 E-11, 1 .1 E-14

104.

air 52.5288 (e ₁ )

Optique de base connue

Matiere FK ₅ n _d = 1 .48749 t _s = - 234.71

F _d = - 237.17

Systéme complexe 30 associée à une optique de base 33 connue (fig.7b)

107. 4 Fκ5

78.

air 23.53 74. 9. E-7, -5. E-11, 1.35 E-13

8. K10 73.

air 3.29 (e ₂ )

Optique de base connue t _c = - 283.95 F _d = - 237.17

On constate, dans cet exempie, l'égalité des focales résultantes de l'ensemble F =

F _d c'est-à-dire

For _r = .03256 x 237.17 = 7.72 mm comparée à la valeur de 11 mm pour la focale de base de l'optique 33 et de l'equivalence des Performances de mise au point mininale puisque

Systems simple 34 x _m = t _s + e1 = 234.71 + 52.53 = 287.24 mm Systime complexe 30 x _c = t _c + e ₂ = 283.95 + 3.29 = 287.24 mm.

Ces deux exemples numériques illustrent bien ce qu'il a ete dit en référence à la description de la fig. 3 c'est-à-dire une notable augmentation du diamitre utile ∅ _u de la lentille simple 34 soit 128 mm par rapport au diamétre utile de la lentille 32 soit 74 mm, dans le cas de l'utilisation d'un systime additif divergent simple. D'autre part les deux lentilles eoncernées, c'est-à-dire les lentilles 34 et 32 comportant chacune une surface aspherique, il est extrêmement important de remarquer que dans le cas du système complexe l'asphérisation doit se faire sur un diamitre plus faible ce qui facilite considerablement les problèmes de fabrication de cette lentille.

The figures 8a and 8b represent the coupe les deux sytèmes des fig. 7a and 7b in the cadre d 'une autre application number. En effet, le problème peut être abordé sous un autre angle en revenant à l'equation

conjuguée à l'équation complémenta

F _d x = F _r d'où l'on tire

F _r = F _d .

Or, étant donné que v = X _s + P _O où x _s = t _s + e ₁

1'on obtient F _r =

qui montre que lorsque t _s s'accroît par rapport à F _d , la focale F _r de l'ensemble diminue ou, ce qui revient au même, on peut choisir la valeur de la focale F _d 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 meme focale résultante pour l'ensemble et dont les caractéristiques sont les suivantes: Systime simpl e 34: focale - 120.3691 tirage objet + 126.0402 tirage image t _s = -118.1533

R ₁ = 89.58 1,78 E-6, -8. E-10, 2.1 E-13

R ₂ = 35. 5. K10 air 19.4426

Optique fixe,

= .11872

Systime complexe 30: focale - 251 .073 tirage objet + 232.1304 tirage image t _c = - 317.0718

R ₁ = 136.20

5. FK5 R ₂ = 42.32 air 32.5

R ₃ = 160. 2.6 E-6, -1 .5 E-9, 3. E-13

8. K10 R ₄ = ∞ air 3. Optique fixe

= .05691

Dans cet exempie, l'avantage est aux Performances optiques car la distance x _m de mise au point rapprochee minimale de l'optique de base

33 etant donnee à 100 mm, the distance minimal objet, dans le cas du systime simple, etant donne que x '= 118.1533 + 19.4426 - 100 = 37.5959 mm et que selon la formule de Newton x

donc

= x 385.3803 mm

sera égale ä: x - tirage objet c 'est-à-dire: 385.3803 - 126.0402 = 259 .3401 mm

Dans le cas du systime complexe: x '= 317.0718 + 3 - 100 = 221. 0718 mm x = (251-073) ² = 285.1456 mm 221 .0718 ce qui donne une distance mininale objet égale à: x - tirage objet c'est-à-dire: 285.1416 - 232.1304 = 53.0153 mm

The comparaison des valeurs de mise au point minimal obtenues avec les deux systèmes démontrent bien l'amelioration des conditions de travail optique c'eat-à-dire distance de mise au point rapprochée et valeurs de focales obtenues avec le Systeme optique additif divergent selon la presente invention.

Claims

Revendications

1. 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 rapprochéée, caractéristiques de mise au point rapprochéée en ce qu'il comporte deux groupes séparés par un intervalle d'air, l'un antérieur divergent (11) et l'autre posterieur convergent (12) dont l'un au moins des rayons de courbure est déformé par une loi quelconque d 'aspherization.

2. System optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que les valeurs relatives des focales (f ₁ ) de l'élément divergent (11) et (f ₂ ) de l'élément convergent (12) sont régies par l'inégalité | f ₂ | ≥ | 1.6 f1 |

3. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa focale (F) est plus courte en valeur absolue que le tirage image (t _a ) compté à partir de sa dernèire 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 R ₁ ≥2R ₂ .

5. System optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayon asphérisé (R _p ) du groupe convergent (12) obéit à la loi

où (∅) représente le diamètre utile de la lentille pour F / 22, (H _y ) l'ordonnée pour laquelle la valeur (Δ) est calculée comme étant la différence des flèches entre la courbe osculatrice (R _p ) et la courbe asphérisée au level (H _y ), lorsque l'écart (Δ) est supérieur à

pou

= 5,890 Å.

6. Sytime optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière dont est composée chaque lentille du groupe divergent (11) à une dispersion parts 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 parts que le nombre d'Abbe soit inferieur à 50.

8. System optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur de l'intervalle d'air (e ₁ ) séparant les groupes (11) et (12) à une valeur comprise entre les deux termes de l'inegalité

[R _a (1 - cosα)] - e _p <e ₁ <.15 f ₂ lorsque (R _a ) représente le demier rayon de courbure du groupe divergent (11), (α) un angle défini par le rapport

quand (∅) est

le diamètre utile du dioptre (R _a ) pour le pinceau du champ maximum à F / 22 et (e _p ) l'epaisseur de la lentille du groupe divergent

(11).