JP2004325713A - 対物レンズ - Google Patents
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Abstract
【課題】テレセントリック特性を確保しつつ、小型で光学性能の良好な撮影レンズを実現すること。
【解決手段】物体側から像側へ順に、開口絞りＳＰ、像側の面が凸形状で正の屈折力の第１レンズＬ１、物体側の面が凹形状で負の屈折力の第２レンズＬ２を有し、全体として正の屈折力を有する対物レンズにおいて、比較的屈折力の強い第１レンズＬ１の像側レンズ面と第２レンズＬ２の物体側レンズ面を開口絞りＳＰの中心に対してコンセントリックな形状とする。
【選択図】 図１
【解決手段】物体側から像側へ順に、開口絞りＳＰ、像側の面が凸形状で正の屈折力の第１レンズＬ１、物体側の面が凹形状で負の屈折力の第２レンズＬ２を有し、全体として正の屈折力を有する対物レンズにおいて、比較的屈折力の強い第１レンズＬ１の像側レンズ面と第２レンズＬ２の物体側レンズ面を開口絞りＳＰの中心に対してコンセントリックな形状とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は対物レンズに関し、特にビデオカメラやデジタルカメラ、またカメラ付の携帯電話や携帯端末等の撮影レンズ（撮影光学系）に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子を有するビデオカメラやデジタルカメラ、そしてカメラ付の携帯電話や携帯端末が種々開発されている。特に、携帯電話や携帯端末においては、その携帯性の観点から小型・軽量の撮影レンズが強く望まれている。
【０００３】
小型の撮影レンズとしては、正の屈折力の第１レンズと負の屈折力の第２レンズの２枚構成のものが知られている（例えば特許文献１，２）。
【０００４】
また、小型化とともに結像性能の向上も考慮した、正の屈折力の第１レンズと負の屈折力の第２レンズ、正の屈折力の第３レンズからなる所謂トリプレット構成の撮影レンズも知られている（例えば特許文献３〜８）。
【０００５】
トリプレット構成の内、前玉径の縮小化及び射出瞳距離を長くするために比較的有利な構成となる、最も物体側に開口絞りを配置した所謂前絞りタイプの撮影レンズも知られている（例えば特許文献９〜１１）。
【０００６】
さらに、撮影レンズでは無いがトリプレット構成を採用し、小型化を狙ったものも知られている。（例えば特許文献１２，１３）
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２５８１５５号公報
【特許文献２】
米国特許第５３２９４０３号明細書
【特許文献３】
特開２００１−８３４０９号公報
【特許文献４】
特開２００２−２２１６５９号公報
【特許文献５】
特開２００２−２４４０３０号公報
【特許文献６】
特許第２６８３４６３号明細書
【特許文献７】
特許第２７４２５８１号明細書
【特許文献８】
米国特許第５５９６４５５号明細書
【特許文献９】
特開平４−１５３６１２号公報
【特許文献１０】
特開２００１−７５００６号公報
【特許文献１１】
米国特許第６４４１９７１号明細書
【特許文献１２】
米国特許第４１６３６０４号明細書
【特許文献１３】
米国特許第５５９６４５２号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載された系では、２枚構成の負レンズを像側に比較的強い凹面を向けた形状としており、射出瞳が短くなりやすく固体撮像素子を用いた場合シェーディングの発生が課題となる。
【０００９】
特許文献２に記載された系では、２枚構成の正レンズと負レンズの間隔が大きく小型化の点では課題を有する。
【００１０】
また、正負正の３枚構成のレンズ系の場合、前玉径を縮小し小型化を図るとともに、像側のテレセントリック特性を良好にするために、開口絞りを撮像素子から最も離した前絞りタイプが有利である。前絞りタイプにて全長短縮を図りながら良好な光学性能を得るには開口絞りに対してコンセントリックな形状が好ましいが、従来例では各レンズの形状が、開口絞りに対してコンセントリックな形状となっていないか、若しくはコンセントリックとはなっているものの、形状的に最適な形状とは言いがたかった。
【００１１】
本発明は、これら従来のレンズ系の問題点を認識した上で、必要十分なテレセントリック特性を確保しつつ、小型で光学性能の良好な対物レンズを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明の対物レンズは、物体側から像側へ順に、開口絞り、像側の面が凸形状で正の屈折力の第１レンズ、物体側の面が凹形状で負の屈折力の第２レンズを有し、全体として正の屈折力を有する対物レンズであって、第１レンズの物体側の面の曲率半径をＲ１１、像側の面の曲率半径をＲ１２、第２レンズの物体側の面の曲率半径をＲ２１、像側の面の曲率半径をＲ２２とするとき、
−１．０＜（Ｒ１１＋Ｒ１２）／（Ｒ１１−Ｒ１２）＜−０．１
１．０＜（Ｒ２１＋Ｒ２２）／（Ｒ２１−Ｒ２２）＜３．０
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の対物レンズの実施形態について説明する。
【００１４】
図１，３，５，７，９，１１，１３，１５，１７，１９，２１，２３，２５，２７，２９，３１，３３，３５，３７，３９，４１，４３，４５は、それぞれ後述する数値実施例１〜２３の対物レンズのレンズ断面図である。図２，４，６，８，１０，１２，１４，１６，１８，２０，２２，２４，２６，２８，３０，３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６は、それぞれ数値実施例１〜２３の対物レンズの諸収差図である。以後、数値実施例１〜２３を総称して本実施形態と言う。本実施形態の対物レンズは、デジタルカメラや、カメラ付の携帯電話や携帯端末等の撮影レンズに適用されるものである。
【００１５】
本実施形態の各レンズ断面図において、Ｌ１は正の屈折力の第１レンズ、Ｌ２は負の屈折力の第２レンズ、Ｌ３は正の屈折力の第３レンズ、Ｌ４は正又は負の屈折力の第４レンズ、ＳＰは開口絞りである。ＩＭは像面であり、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）の感光面が配置されている。Ｇは水晶ローパスフィルターや赤外カットフィルター等に対応して設計上設けられたガラスブロックである。
【００１６】
図３７に示す数値実施例１９を除く他の数値実施例の対物レンズは正の屈折力の第３レンズＬ３を有している。図３９，４１，４３，４４に示す数値実施例２０〜２３の対物レンズは第４レンズＬ４を有しているが、図３９，４１，４３（数値実施例２０〜２２）の第４レンズＬ４は正の屈折力であり、図４４（数値実施例２３）の第４レンズＬ４は負の屈折力である。
【００１７】
なおレンズ断面図において左方が被写体側（物体側）で、右方は像面側である。本実施形態の対物レンズは、２群２枚、３群３枚、そして４群４枚のいずれかのレンズ構成で第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の形状を適切に設定することにより、良好な光学性能を有しつつ、小型で簡易な構成の対物レンズを実現している。
【００１８】
本実施形態の対物レンズでは、開口絞りＳＰをレンズ系の最も物体側に配置する所謂前絞り構成として、近年の固体撮像素子に適した射出瞳距離を得ている。そして開口絞りＳＰの像側に、物体側に比して像側に強い屈折力の凸面を向けた正の屈折力の第１レンズＬ１、続いて像側に比して物体側に強い屈折力の凹面を向けた負の屈折力の第２レンズＬ２を配置している。
【００１９】
本実施形態では、比較的屈折力の強い第１レンズＬ１の像側の面を凸形状とし、やはり屈折力の強い第２レンズＬ２の物体側の面を凹形状とすることで、いずれの面も開口絞りＳＰの中心に対してコンセントリックな形状に近づけている。このような構成により軸外光束における非点収差、コマ収差等の発生を抑え画面全域の結像性能を良好にしている。
【００２０】
なお、第１レンズＬ１の物体側の面は比較的曲率を緩く（曲率半径を大きく）することでコンセントリックな面ではないが収差の発生を極力低減している。また第２レンズＬ２の像側の面も同様に比較的緩い曲率としているが、像側に凸形状として若干コンセントリックな形状に近づけている。このように屈折力の強いレンズ面をコンセントリックにし、コンセントリックから外れるレンズ面は曲率を緩くすることでレンズＬ１，Ｌ２の必要な屈折力を確保しながら小型化と収差補正を両立している点が本実施形態の対物レンズの特徴である。
【００２１】
図３７に示す数値実施例１９の対物レンズは、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の２枚構成であり、最小枚数にて良好な光学性能を実現している。
【００２２】
図１，３，５，７，９，１１，１３，１５，１７，１９，２１，２３，２５，２７，２９，３１，３３，３５に示す数値実施例１〜１８の対物レンズは、第２レンズＬ２の像側に正の屈折力の第３レンズＬ３を有している。この第３レンズＬ３が像面近傍に配置されることでフィールドレンズの役割を果たし、２枚構成に比べてさらに射出瞳を像面から遠ざけることが可能となる。よってこのような構成によりコンパクト化とテレセントリック特性がさらに良好に両立できるというメリットがある。
【００２３】
また図３９，４１，４３に示す数値実施例２０〜２３の対物レンズは、第２レンズＬ２の像側に２枚のレンズを配置している点が特徴である。これら２枚のレンズは数値実施例１〜１８のような３枚構成の正レンズＬ３の屈折力を分割した構成となっている。数値実施例２０〜２２では負レンズＬ２の像側は２枚の正レンズであり、正の屈折力を分担することで諸収差の発生を抑えさらに良好な光学性能が提供できるメリットがある。また数値実施例２３では負レンズＬ２の像側に順に正レンズ、負レンズを配置している。これら２枚のレンズにてテレフォトタイプの屈折力配置を形成しているため３枚構成に比べさらにバックフォーカスが短縮できコンパクト化の点でメリットがある。
【００２４】
なお、本実施形態の対物レンズは２枚、３枚、４枚いずれのタイプにおいても、主に第１レンズＬ１の像側のレンズ面と第２レンズＬ２の物体側のレンズ面にて正負のテレフォトタイプの屈折力配置としている点が特徴である。よって第１レンズＬ１、第２レンズＬ２の屈折力をある程度強めながら第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間隔を適切に設定することで光学全長を短縮してコンパクト化を図っている。
【００２５】
また第１レンズＬ１と第２レンズＬ２に非球面を設けると更に良好な光学性能が提供できる。特に比較的曲率がきつい（曲率半径が小さい）第１レンズＬ１の像側のレンズ面、第２レンズＬ２の物体側のレンズ面のいずれか、もしくは両方を非球面とすると、球面収差、コマ収差を良好に補正できるため、高画素の固体撮像素子を用いる場合好適である。
【００２６】
更に第１レンズＬ１の物体側のレンズ面を非球面とすると、球面収差補正能力が高まり、Ｆナンバーを小さくして口径比を高める場合に特に有効となる。
【００２７】
また第２レンズＬ２の像側のレンズ面を非球面とすると、軸外光束に対しコマ収差補正能力が高まるため、特に画角を大きくした場合に軸外性能を良好にすることができる。
【００２８】
また第３レンズＬ３の物体側のレンズ面を非球面とすると、像面湾曲が良好に補正され平坦な結像特性を提供できる。
【００２９】
なおレンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３の媒質はガラス材料であっても合成樹脂材料（プラスチック材料）であってもよい。特に第３レンズＬ３は第１レンズ、第２レンズに比べ屈折力を弱くできるので樹脂材料とした場合の温度変化によるピント変動が比較的小さくできる。また第１レンズと第２レンズは屈折力が強いため樹脂材料とした場合の温度変化によるピント変動が課題となるが、各レンズを同様な屈折力とすればピント変動に関しキャンセル作用が働くため課題を回避できる。このように樹脂材料とした場合はガラス材料に比べ非球面レンズとしながら低コストで作製できるというメリットがある。
【００３０】
さらに本実施形態の対物レンズは以下の条件式を満足している。
但し、Ｒ１１は第１レンズＬ１の物体側の面の曲率半径、Ｒ１２は第１レンズＬ１の像側の面の曲率半径、Ｒ２１は第２レンズＬ２の物体側の面の曲率半径、Ｒ２２は第２レンズＬ２の像側の面の曲率半径である。
【００３１】
条件式（１）は、第１レンズＬ１の形状因子に関する条件式である。条件式（１）にて−１となる場合は平凸形状であり、−１から０までが両凸形状にて像側レンズ面の曲率が物体側レンズ面の曲率より大きい（曲率半径が小さい）形状となる。条件式（１）の上限を超えると第１レンズＬ１の像側レンズ面の曲率が緩くなり開口絞りＳＰに対するコンセントリックな形状からずれを生じ非点収差、コマ収差等の発生により軸外性能が低下するため好ましくない。また下限を超えて物体側レンズ面が物体側に凹面となると球面収差の発生が過度となり好ましくない。
【００３２】
条件式（２）は、第２レンズＬ２の形状因子に関する条件式である。条件式（２）にて１となる場合は凹平形状であり、１より大きい場合は物体側に凹面を向けたメニスカス形状となる。条件式（２）の下限を超えると像側レンズ面が凹面となり屈折力が弱いながらもコンセントリックとして軸外収差の発生を低減する作用が弱まる。結果として軸外光束の入射角が大きくなるため像面湾曲、非点収差の発生が課題となる。また上限を超えてメニスカスの度合いが強まりすぎると負レンズとして必要な屈折力を設定できなくなり正レンズＬ１に対して球面収差、色収差等の収差をキャンセルする作用が薄れるのが課題となる。
【００３３】
また、本実施形態の対物レンズは更に以下の条件式を満足している。
０．１＜｜ｆ２／ｆ｜＜０．８ …（３）
０．５＜ ｆ３／ｆ ＜３．０ …（４）
（ｎ１＋ｎ２）／２＞０．１ …（５）
０．５＜ｄ１２／ｆ＜３．０ …（６）
但し、ｆ２は第２レンズＬ２の焦点距離、ｆ３は第３レンズＬ３の焦点距離、ｆは対物レンズ全系の焦点距離、ｎ１，ｎ２はそれぞれ第１レンズＬ１、第２レンズＬ２を構成する媒質の屈折率、ｄ１２は第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間隔である。
【００３４】
条件式（３）は第２レンズＬ２の焦点距離、すなわち屈折力に関する式である。上限を超えて第２レンズＬ２の屈折力が弱すぎるとペッツバール和が正に大きくなりすぎアンダーの像面湾曲が発生するため好ましくない。また下限を超えて第２レンズＬ２の屈折力が強すぎると球面収差がオーバー側に補正過剰となり好ましくない。また製造誤差に起因する第２レンズＬ２の偏芯による中心コマ、片ボケ等の発生も課題となる。
【００３５】
条件式（４）は第３レンズＬ３の焦点距離、すなわち屈折力に関する式である。上限を超えて第３レンズＬ３の屈折力が弱すぎるとフィールドレンズとしての作用が弱まり射出瞳が像面に近づくため固体撮像素子を用いた場合には画面周辺のシェーディングが問題となる。また下限を超えて第３レンズＬ３の屈折力が強すぎるとフィルターを挿入するために必要なバックフォーカスが確保できなくなるのが課題となる。
【００３６】
条件式（５）は第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の屈折率の平均値に関する式である。本実施形態の対物レンズの第１レンズＬ１と第２レンズＬ２は順に正負のテレフォト配置を構成しているため、各レンズともある程度の屈折力をもたせて全長短縮を図っている。この際、所望の屈折力においてはレンズ媒質の屈折率が小さいほど曲率がきつくなる。下限を超えて屈折率が小さくなりすぎるとレンズ面の曲率がきつくなりすぎ高次の球面収差、コマ収差の発生が顕著となり非球面を用いても補正が困難となるため好ましくない。
【００３７】
条件式（６）は第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間隔に関する式である。本実施形態の対物レンズは主に第１レンズＬ１の像側レンズ面と第２レンズＬ２の物体側レンズ面にて正負のテレフォトタイプの屈折力配置としているが、このテレフォトタイプの屈折配置を形成する上でこれらのレンズ面間隔を適切に設定することが重要である。条件式（６）の下限を超えて間隔が小さすぎるとテレフォトタイプの屈折力配置とする効果が薄れ光学全長が長くなりコンパクト化の点で好ましくない。また上限を超えて間隔が大きくなりすぎるとフィルター挿入に必要なバックフォーカスが確保できなくなるのが課題となる。
【００３８】
次に数値実施例１〜２３の数値データを示す。各数値実施例において、Ｒｉは物体側より順に第ｉ番目の面（第ｉ面）の曲率半径、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面との間の間隔、Ｎｉとνｉはそれぞれ第ｉ番目の部材のｄ線に対する屈折率、アッベ数である。そして、ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角である。
【００３９】
非球面形状は、光軸方向にｘ軸、光軸と垂直方向にｈ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐定数、Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを各々非球面係数としたとき、
【外１】
なる式で表している。なお「ｅ±Ｚ」は「×１０±Ｚ」を表している。
【００４０】
また前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係を表１に示す。
【００４１】
【００４２】
【００４３】
【００４４】
【００４５】
【００４６】
【００４７】
【００４８】
【００４９】
【００５０】
【００５１】
【００５２】
【００５３】
【００５４】
【００５５】
【００５６】
【００５７】
【００５８】
【００５９】
【００６０】
【００６１】
【００６２】
【００６３】
【００６４】
【表１】
【００６５】
次に本発明の対物レンズを撮影光学系として用いたデジタルスチルカメラの実施形態を図４７を用いて説明する。
【００６６】
図４７において、２０はカメラ本体、２１は数値実施例１〜２３いずれかの対物レンズによって構成された撮影光学系、２２はカメラ本体に内蔵され、撮影光学系２１によって形成された被写体像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）、２３は固体撮像素子２２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録するメモリ、２４は液晶ディスプレイパネル等によって構成され、固体撮像素子２２上に形成された被写体像を観察するためのファインダである。
【００６７】
このように本発明の対物レンズをデジタルスチルカメラ等の光学機器に適用することにより、小型で高い光学性能を有する光学機器が実現できる。
【００６８】
以下に本発明のとり得る態様について列挙する。
【００６９】
（態様１） 物体側から像側へ順に、開口絞り、像側の面が凸形状で正の屈折力の第１レンズ、物体側の面が凹形状で負の屈折力の第２レンズを有し、全体として正の屈折力を有する対物レンズにおいて、該第１レンズの物体側の面の曲率半径をＲ１１、像側の面の曲率半径をＲ１２、該第２レンズの物体側の面の曲率半径をＲ２１、像側の面の曲率半径をＲ２２とするとき、
−１．０＜（Ｒ１１＋Ｒ１２）／（Ｒ１１−Ｒ１２）＜−０．１
１．０＜（Ｒ２１＋Ｒ２２）／（Ｒ２１−Ｒ２２）＜３．０
なる条件を満足することを特徴とする対物レンズ。
【００７０】
（態様２） 前記対物レンズ全系の焦点距離をｆ、前記第２レンズの焦点距離をｆ２とするとき、
０．１＜｜ｆ２／ｆ｜＜０．８
なる条件を満足することを特徴とする態様１の対物レンズ。
【００７１】
（態様３） 前記第２レンズの像側に正の屈折力の第３レンズを有し、前記対物レンズ全系の焦点距離をｆ、該第３レンズの焦点距離をｆ３とするとき、
０．５＜ ｆ３／ｆ ＜３．０
なる条件を満足することを特徴とする態様１又は２の対物レンズ。
【００７２】
（態様４） 前記第２レンズの像側に正の屈折力の第３レンズを有し、前記第１レンズの屈折率をｎ１、前記第２レンズの屈折率をｎ２とするとき、
（ｎ１＋ｎ２）／２＞０．１
なる条件を満足することを特徴とする態様１〜３いずれかの対物レンズ。
【００７３】
（態様５） 前記対物レンズ全系の焦点距離をｆ、前記第１レンズと第２レンズの間隔をｄ１２とするとき、
０．５＜ｄ１２／ｆ＜３．０
なる条件を満足することを特徴とする態様１〜４いずれかの対物レンズ。
【００７４】
（態様６） 前記第１レンズ、第２レンズ、第３レンズのうち少なくとも一つはプラスチック材料で構成されることを特徴とする態様１〜５いずれかの対物レンズ。
【００７５】
（態様７） 固体撮像素子上に像を形成することを特徴とする態様１〜６いずれかの対物レンズ。
【００７６】
（態様８） 態様１〜７いずれかに記載された対物レンズによって構成される撮影光学系と、該撮影光学系によって形成される像を受光する光電変換素子とを備えることを特徴とする機器。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、十分なテレセントリック特性を確保しつつ、小型で光学性能の良好な対物レンズを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】数値実施例１の対物レンズのレンズ断面図である。
【図２】数値実施例１の対物レンズの収差図である。
【図３】数値実施例２の対物レンズのレンズ断面図である。
【図４】数値実施例２の対物レンズの収差図である。
【図５】数値実施例３の対物レンズのレンズ断面図である。
【図６】数値実施例３の対物レンズの収差図である。
【図７】数値実施例４の対物レンズのレンズ断面図である。
【図８】数値実施例４の対物レンズの収差図である。
【図９】数値実施例５の対物レンズのレンズ断面図である。
【図１０】数値実施例５の対物レンズの収差図である。
【図１１】数値実施例６の対物レンズのレンズ断面図である。
【図１２】数値実施例６の対物レンズの収差図である。
【図１３】数値実施例７の対物レンズのレンズ断面図である。
【図１４】数値実施例７の対物レンズの収差図である。
【図１５】数値実施例８の対物レンズのレンズ断面図である。
【図１６】数値実施例８の対物レンズの収差図である。
【図１７】数値実施例９の対物レンズのレンズ断面図である。
【図１８】数値実施例９の対物レンズの収差図である。
【図１９】数値実施例１０の対物レンズのレンズ断面図である。
【図２０】数値実施例１０の対物レンズの収差図である。
【図２１】数値実施例１１の対物レンズのレンズ断面図である。
【図２２】数値実施例１１の対物レンズの収差図である。
【図２３】数値実施例１２の対物レンズのレンズ断面図である。
【図２４】数値実施例１２の対物レンズの収差図である。
【図２５】数値実施例１３の対物レンズのレンズ断面図である。
【図２６】数値実施例１３の対物レンズの収差図である。
【図２７】数値実施例１４の対物レンズのレンズ断面図である。
【図２８】数値実施例１４の対物レンズの収差図である。
【図２９】数値実施例１５の対物レンズのレンズ断面図である。
【図３０】数値実施例１５の対物レンズの収差図である。
【図３１】数値実施例１６の対物レンズのレンズ断面図である。
【図３２】数値実施例１６の対物レンズの収差図である。
【図３３】数値実施例１７の対物レンズのレンズ断面図である。
【図３４】数値実施例１７の対物レンズの収差図である。
【図３５】数値実施例１８の対物レンズのレンズ断面図である。
【図３６】数値実施例１８の対物レンズの収差図である。
【図３７】数値実施例１９の対物レンズのレンズ断面図である。
【図３８】数値実施例１９の対物レンズの収差図である。
【図３９】数値実施例２０の対物レンズのレンズ断面図である。
【図４０】数値実施例２０の対物レンズの収差図である。
【図４１】数値実施例２１の対物レンズのレンズ断面図である。
【図４２】数値実施例２１の対物レンズの収差図である。
【図４３】数値実施例２２の対物レンズのレンズ断面図である。
【図４４】数値実施例２２の対物レンズの収差図である。
【図４５】数値実施例２３の対物レンズのレンズ断面図である。
【図４６】数値実施例２３の対物レンズの収差図である。
【図４７】デジタルスチルカメラの要部概略図である。
【符号の説明】
Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｌ３ 第３レンズ
Ｌ４ 第４レンズ
ＳＰ 絞り
Ｇ ガラスブロック
ＩＭ 結像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ΔＭ メリディオナル像面
ΔＳ サジタル像面
【発明の属する技術分野】
本発明は対物レンズに関し、特にビデオカメラやデジタルカメラ、またカメラ付の携帯電話や携帯端末等の撮影レンズ（撮影光学系）に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子を有するビデオカメラやデジタルカメラ、そしてカメラ付の携帯電話や携帯端末が種々開発されている。特に、携帯電話や携帯端末においては、その携帯性の観点から小型・軽量の撮影レンズが強く望まれている。
【０００３】
小型の撮影レンズとしては、正の屈折力の第１レンズと負の屈折力の第２レンズの２枚構成のものが知られている（例えば特許文献１，２）。
【０００４】
また、小型化とともに結像性能の向上も考慮した、正の屈折力の第１レンズと負の屈折力の第２レンズ、正の屈折力の第３レンズからなる所謂トリプレット構成の撮影レンズも知られている（例えば特許文献３〜８）。
【０００５】
トリプレット構成の内、前玉径の縮小化及び射出瞳距離を長くするために比較的有利な構成となる、最も物体側に開口絞りを配置した所謂前絞りタイプの撮影レンズも知られている（例えば特許文献９〜１１）。
【０００６】
さらに、撮影レンズでは無いがトリプレット構成を採用し、小型化を狙ったものも知られている。（例えば特許文献１２，１３）
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２５８１５５号公報
【特許文献２】
米国特許第５３２９４０３号明細書
【特許文献３】
特開２００１−８３４０９号公報
【特許文献４】
特開２００２−２２１６５９号公報
【特許文献５】
特開２００２−２４４０３０号公報
【特許文献６】
特許第２６８３４６３号明細書
【特許文献７】
特許第２７４２５８１号明細書
【特許文献８】
米国特許第５５９６４５５号明細書
【特許文献９】
特開平４−１５３６１２号公報
【特許文献１０】
特開２００１−７５００６号公報
【特許文献１１】
米国特許第６４４１９７１号明細書
【特許文献１２】
米国特許第４１６３６０４号明細書
【特許文献１３】
米国特許第５５９６４５２号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載された系では、２枚構成の負レンズを像側に比較的強い凹面を向けた形状としており、射出瞳が短くなりやすく固体撮像素子を用いた場合シェーディングの発生が課題となる。
【０００９】
特許文献２に記載された系では、２枚構成の正レンズと負レンズの間隔が大きく小型化の点では課題を有する。
【００１０】
また、正負正の３枚構成のレンズ系の場合、前玉径を縮小し小型化を図るとともに、像側のテレセントリック特性を良好にするために、開口絞りを撮像素子から最も離した前絞りタイプが有利である。前絞りタイプにて全長短縮を図りながら良好な光学性能を得るには開口絞りに対してコンセントリックな形状が好ましいが、従来例では各レンズの形状が、開口絞りに対してコンセントリックな形状となっていないか、若しくはコンセントリックとはなっているものの、形状的に最適な形状とは言いがたかった。
【００１１】
本発明は、これら従来のレンズ系の問題点を認識した上で、必要十分なテレセントリック特性を確保しつつ、小型で光学性能の良好な対物レンズを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明の対物レンズは、物体側から像側へ順に、開口絞り、像側の面が凸形状で正の屈折力の第１レンズ、物体側の面が凹形状で負の屈折力の第２レンズを有し、全体として正の屈折力を有する対物レンズであって、第１レンズの物体側の面の曲率半径をＲ１１、像側の面の曲率半径をＲ１２、第２レンズの物体側の面の曲率半径をＲ２１、像側の面の曲率半径をＲ２２とするとき、
−１．０＜（Ｒ１１＋Ｒ１２）／（Ｒ１１−Ｒ１２）＜−０．１
１．０＜（Ｒ２１＋Ｒ２２）／（Ｒ２１−Ｒ２２）＜３．０
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の対物レンズの実施形態について説明する。
【００１４】
図１，３，５，７，９，１１，１３，１５，１７，１９，２１，２３，２５，２７，２９，３１，３３，３５，３７，３９，４１，４３，４５は、それぞれ後述する数値実施例１〜２３の対物レンズのレンズ断面図である。図２，４，６，８，１０，１２，１４，１６，１８，２０，２２，２４，２６，２８，３０，３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６は、それぞれ数値実施例１〜２３の対物レンズの諸収差図である。以後、数値実施例１〜２３を総称して本実施形態と言う。本実施形態の対物レンズは、デジタルカメラや、カメラ付の携帯電話や携帯端末等の撮影レンズに適用されるものである。
【００１５】
本実施形態の各レンズ断面図において、Ｌ１は正の屈折力の第１レンズ、Ｌ２は負の屈折力の第２レンズ、Ｌ３は正の屈折力の第３レンズ、Ｌ４は正又は負の屈折力の第４レンズ、ＳＰは開口絞りである。ＩＭは像面であり、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）の感光面が配置されている。Ｇは水晶ローパスフィルターや赤外カットフィルター等に対応して設計上設けられたガラスブロックである。
【００１６】
図３７に示す数値実施例１９を除く他の数値実施例の対物レンズは正の屈折力の第３レンズＬ３を有している。図３９，４１，４３，４４に示す数値実施例２０〜２３の対物レンズは第４レンズＬ４を有しているが、図３９，４１，４３（数値実施例２０〜２２）の第４レンズＬ４は正の屈折力であり、図４４（数値実施例２３）の第４レンズＬ４は負の屈折力である。
【００１７】
なおレンズ断面図において左方が被写体側（物体側）で、右方は像面側である。本実施形態の対物レンズは、２群２枚、３群３枚、そして４群４枚のいずれかのレンズ構成で第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の形状を適切に設定することにより、良好な光学性能を有しつつ、小型で簡易な構成の対物レンズを実現している。
【００１８】
本実施形態の対物レンズでは、開口絞りＳＰをレンズ系の最も物体側に配置する所謂前絞り構成として、近年の固体撮像素子に適した射出瞳距離を得ている。そして開口絞りＳＰの像側に、物体側に比して像側に強い屈折力の凸面を向けた正の屈折力の第１レンズＬ１、続いて像側に比して物体側に強い屈折力の凹面を向けた負の屈折力の第２レンズＬ２を配置している。
【００１９】
本実施形態では、比較的屈折力の強い第１レンズＬ１の像側の面を凸形状とし、やはり屈折力の強い第２レンズＬ２の物体側の面を凹形状とすることで、いずれの面も開口絞りＳＰの中心に対してコンセントリックな形状に近づけている。このような構成により軸外光束における非点収差、コマ収差等の発生を抑え画面全域の結像性能を良好にしている。
【００２０】
なお、第１レンズＬ１の物体側の面は比較的曲率を緩く（曲率半径を大きく）することでコンセントリックな面ではないが収差の発生を極力低減している。また第２レンズＬ２の像側の面も同様に比較的緩い曲率としているが、像側に凸形状として若干コンセントリックな形状に近づけている。このように屈折力の強いレンズ面をコンセントリックにし、コンセントリックから外れるレンズ面は曲率を緩くすることでレンズＬ１，Ｌ２の必要な屈折力を確保しながら小型化と収差補正を両立している点が本実施形態の対物レンズの特徴である。
【００２１】
図３７に示す数値実施例１９の対物レンズは、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の２枚構成であり、最小枚数にて良好な光学性能を実現している。
【００２２】
図１，３，５，７，９，１１，１３，１５，１７，１９，２１，２３，２５，２７，２９，３１，３３，３５に示す数値実施例１〜１８の対物レンズは、第２レンズＬ２の像側に正の屈折力の第３レンズＬ３を有している。この第３レンズＬ３が像面近傍に配置されることでフィールドレンズの役割を果たし、２枚構成に比べてさらに射出瞳を像面から遠ざけることが可能となる。よってこのような構成によりコンパクト化とテレセントリック特性がさらに良好に両立できるというメリットがある。
【００２３】
また図３９，４１，４３に示す数値実施例２０〜２３の対物レンズは、第２レンズＬ２の像側に２枚のレンズを配置している点が特徴である。これら２枚のレンズは数値実施例１〜１８のような３枚構成の正レンズＬ３の屈折力を分割した構成となっている。数値実施例２０〜２２では負レンズＬ２の像側は２枚の正レンズであり、正の屈折力を分担することで諸収差の発生を抑えさらに良好な光学性能が提供できるメリットがある。また数値実施例２３では負レンズＬ２の像側に順に正レンズ、負レンズを配置している。これら２枚のレンズにてテレフォトタイプの屈折力配置を形成しているため３枚構成に比べさらにバックフォーカスが短縮できコンパクト化の点でメリットがある。
【００２４】
なお、本実施形態の対物レンズは２枚、３枚、４枚いずれのタイプにおいても、主に第１レンズＬ１の像側のレンズ面と第２レンズＬ２の物体側のレンズ面にて正負のテレフォトタイプの屈折力配置としている点が特徴である。よって第１レンズＬ１、第２レンズＬ２の屈折力をある程度強めながら第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間隔を適切に設定することで光学全長を短縮してコンパクト化を図っている。
【００２５】
また第１レンズＬ１と第２レンズＬ２に非球面を設けると更に良好な光学性能が提供できる。特に比較的曲率がきつい（曲率半径が小さい）第１レンズＬ１の像側のレンズ面、第２レンズＬ２の物体側のレンズ面のいずれか、もしくは両方を非球面とすると、球面収差、コマ収差を良好に補正できるため、高画素の固体撮像素子を用いる場合好適である。
【００２６】
更に第１レンズＬ１の物体側のレンズ面を非球面とすると、球面収差補正能力が高まり、Ｆナンバーを小さくして口径比を高める場合に特に有効となる。
【００２７】
また第２レンズＬ２の像側のレンズ面を非球面とすると、軸外光束に対しコマ収差補正能力が高まるため、特に画角を大きくした場合に軸外性能を良好にすることができる。
【００２８】
また第３レンズＬ３の物体側のレンズ面を非球面とすると、像面湾曲が良好に補正され平坦な結像特性を提供できる。
【００２９】
なおレンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３の媒質はガラス材料であっても合成樹脂材料（プラスチック材料）であってもよい。特に第３レンズＬ３は第１レンズ、第２レンズに比べ屈折力を弱くできるので樹脂材料とした場合の温度変化によるピント変動が比較的小さくできる。また第１レンズと第２レンズは屈折力が強いため樹脂材料とした場合の温度変化によるピント変動が課題となるが、各レンズを同様な屈折力とすればピント変動に関しキャンセル作用が働くため課題を回避できる。このように樹脂材料とした場合はガラス材料に比べ非球面レンズとしながら低コストで作製できるというメリットがある。
【００３０】
さらに本実施形態の対物レンズは以下の条件式を満足している。
【００３１】
条件式（１）は、第１レンズＬ１の形状因子に関する条件式である。条件式（１）にて−１となる場合は平凸形状であり、−１から０までが両凸形状にて像側レンズ面の曲率が物体側レンズ面の曲率より大きい（曲率半径が小さい）形状となる。条件式（１）の上限を超えると第１レンズＬ１の像側レンズ面の曲率が緩くなり開口絞りＳＰに対するコンセントリックな形状からずれを生じ非点収差、コマ収差等の発生により軸外性能が低下するため好ましくない。また下限を超えて物体側レンズ面が物体側に凹面となると球面収差の発生が過度となり好ましくない。
【００３２】
条件式（２）は、第２レンズＬ２の形状因子に関する条件式である。条件式（２）にて１となる場合は凹平形状であり、１より大きい場合は物体側に凹面を向けたメニスカス形状となる。条件式（２）の下限を超えると像側レンズ面が凹面となり屈折力が弱いながらもコンセントリックとして軸外収差の発生を低減する作用が弱まる。結果として軸外光束の入射角が大きくなるため像面湾曲、非点収差の発生が課題となる。また上限を超えてメニスカスの度合いが強まりすぎると負レンズとして必要な屈折力を設定できなくなり正レンズＬ１に対して球面収差、色収差等の収差をキャンセルする作用が薄れるのが課題となる。
【００３３】
また、本実施形態の対物レンズは更に以下の条件式を満足している。
０．１＜｜ｆ２／ｆ｜＜０．８ …（３）
０．５＜ ｆ３／ｆ ＜３．０ …（４）
（ｎ１＋ｎ２）／２＞０．１ …（５）
０．５＜ｄ１２／ｆ＜３．０ …（６）
但し、ｆ２は第２レンズＬ２の焦点距離、ｆ３は第３レンズＬ３の焦点距離、ｆは対物レンズ全系の焦点距離、ｎ１，ｎ２はそれぞれ第１レンズＬ１、第２レンズＬ２を構成する媒質の屈折率、ｄ１２は第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間隔である。
【００３４】
条件式（３）は第２レンズＬ２の焦点距離、すなわち屈折力に関する式である。上限を超えて第２レンズＬ２の屈折力が弱すぎるとペッツバール和が正に大きくなりすぎアンダーの像面湾曲が発生するため好ましくない。また下限を超えて第２レンズＬ２の屈折力が強すぎると球面収差がオーバー側に補正過剰となり好ましくない。また製造誤差に起因する第２レンズＬ２の偏芯による中心コマ、片ボケ等の発生も課題となる。
【００３５】
条件式（４）は第３レンズＬ３の焦点距離、すなわち屈折力に関する式である。上限を超えて第３レンズＬ３の屈折力が弱すぎるとフィールドレンズとしての作用が弱まり射出瞳が像面に近づくため固体撮像素子を用いた場合には画面周辺のシェーディングが問題となる。また下限を超えて第３レンズＬ３の屈折力が強すぎるとフィルターを挿入するために必要なバックフォーカスが確保できなくなるのが課題となる。
【００３６】
条件式（５）は第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の屈折率の平均値に関する式である。本実施形態の対物レンズの第１レンズＬ１と第２レンズＬ２は順に正負のテレフォト配置を構成しているため、各レンズともある程度の屈折力をもたせて全長短縮を図っている。この際、所望の屈折力においてはレンズ媒質の屈折率が小さいほど曲率がきつくなる。下限を超えて屈折率が小さくなりすぎるとレンズ面の曲率がきつくなりすぎ高次の球面収差、コマ収差の発生が顕著となり非球面を用いても補正が困難となるため好ましくない。
【００３７】
条件式（６）は第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間隔に関する式である。本実施形態の対物レンズは主に第１レンズＬ１の像側レンズ面と第２レンズＬ２の物体側レンズ面にて正負のテレフォトタイプの屈折力配置としているが、このテレフォトタイプの屈折配置を形成する上でこれらのレンズ面間隔を適切に設定することが重要である。条件式（６）の下限を超えて間隔が小さすぎるとテレフォトタイプの屈折力配置とする効果が薄れ光学全長が長くなりコンパクト化の点で好ましくない。また上限を超えて間隔が大きくなりすぎるとフィルター挿入に必要なバックフォーカスが確保できなくなるのが課題となる。
【００３８】
次に数値実施例１〜２３の数値データを示す。各数値実施例において、Ｒｉは物体側より順に第ｉ番目の面（第ｉ面）の曲率半径、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面との間の間隔、Ｎｉとνｉはそれぞれ第ｉ番目の部材のｄ線に対する屈折率、アッベ数である。そして、ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角である。
【００３９】
非球面形状は、光軸方向にｘ軸、光軸と垂直方向にｈ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐定数、Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを各々非球面係数としたとき、
【外１】
【００４０】
また前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係を表１に示す。
【００４１】
【表１】
次に本発明の対物レンズを撮影光学系として用いたデジタルスチルカメラの実施形態を図４７を用いて説明する。
【００６６】
図４７において、２０はカメラ本体、２１は数値実施例１〜２３いずれかの対物レンズによって構成された撮影光学系、２２はカメラ本体に内蔵され、撮影光学系２１によって形成された被写体像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）、２３は固体撮像素子２２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録するメモリ、２４は液晶ディスプレイパネル等によって構成され、固体撮像素子２２上に形成された被写体像を観察するためのファインダである。
【００６７】
このように本発明の対物レンズをデジタルスチルカメラ等の光学機器に適用することにより、小型で高い光学性能を有する光学機器が実現できる。
【００６８】
以下に本発明のとり得る態様について列挙する。
【００６９】
（態様１） 物体側から像側へ順に、開口絞り、像側の面が凸形状で正の屈折力の第１レンズ、物体側の面が凹形状で負の屈折力の第２レンズを有し、全体として正の屈折力を有する対物レンズにおいて、該第１レンズの物体側の面の曲率半径をＲ１１、像側の面の曲率半径をＲ１２、該第２レンズの物体側の面の曲率半径をＲ２１、像側の面の曲率半径をＲ２２とするとき、
−１．０＜（Ｒ１１＋Ｒ１２）／（Ｒ１１−Ｒ１２）＜−０．１
１．０＜（Ｒ２１＋Ｒ２２）／（Ｒ２１−Ｒ２２）＜３．０
なる条件を満足することを特徴とする対物レンズ。
【００７０】
（態様２） 前記対物レンズ全系の焦点距離をｆ、前記第２レンズの焦点距離をｆ２とするとき、
０．１＜｜ｆ２／ｆ｜＜０．８
なる条件を満足することを特徴とする態様１の対物レンズ。
【００７１】
（態様３） 前記第２レンズの像側に正の屈折力の第３レンズを有し、前記対物レンズ全系の焦点距離をｆ、該第３レンズの焦点距離をｆ３とするとき、
０．５＜ ｆ３／ｆ ＜３．０
なる条件を満足することを特徴とする態様１又は２の対物レンズ。
【００７２】
（態様４） 前記第２レンズの像側に正の屈折力の第３レンズを有し、前記第１レンズの屈折率をｎ１、前記第２レンズの屈折率をｎ２とするとき、
（ｎ１＋ｎ２）／２＞０．１
なる条件を満足することを特徴とする態様１〜３いずれかの対物レンズ。
【００７３】
（態様５） 前記対物レンズ全系の焦点距離をｆ、前記第１レンズと第２レンズの間隔をｄ１２とするとき、
０．５＜ｄ１２／ｆ＜３．０
なる条件を満足することを特徴とする態様１〜４いずれかの対物レンズ。
【００７４】
（態様６） 前記第１レンズ、第２レンズ、第３レンズのうち少なくとも一つはプラスチック材料で構成されることを特徴とする態様１〜５いずれかの対物レンズ。
【００７５】
（態様７） 固体撮像素子上に像を形成することを特徴とする態様１〜６いずれかの対物レンズ。
【００７６】
（態様８） 態様１〜７いずれかに記載された対物レンズによって構成される撮影光学系と、該撮影光学系によって形成される像を受光する光電変換素子とを備えることを特徴とする機器。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、十分なテレセントリック特性を確保しつつ、小型で光学性能の良好な対物レンズを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】数値実施例１の対物レンズのレンズ断面図である。
【図２】数値実施例１の対物レンズの収差図である。
【図３】数値実施例２の対物レンズのレンズ断面図である。
【図４】数値実施例２の対物レンズの収差図である。
【図５】数値実施例３の対物レンズのレンズ断面図である。
【図６】数値実施例３の対物レンズの収差図である。
【図７】数値実施例４の対物レンズのレンズ断面図である。
【図８】数値実施例４の対物レンズの収差図である。
【図９】数値実施例５の対物レンズのレンズ断面図である。
【図１０】数値実施例５の対物レンズの収差図である。
【図１１】数値実施例６の対物レンズのレンズ断面図である。
【図１２】数値実施例６の対物レンズの収差図である。
【図１３】数値実施例７の対物レンズのレンズ断面図である。
【図１４】数値実施例７の対物レンズの収差図である。
【図１５】数値実施例８の対物レンズのレンズ断面図である。
【図１６】数値実施例８の対物レンズの収差図である。
【図１７】数値実施例９の対物レンズのレンズ断面図である。
【図１８】数値実施例９の対物レンズの収差図である。
【図１９】数値実施例１０の対物レンズのレンズ断面図である。
【図２０】数値実施例１０の対物レンズの収差図である。
【図２１】数値実施例１１の対物レンズのレンズ断面図である。
【図２２】数値実施例１１の対物レンズの収差図である。
【図２３】数値実施例１２の対物レンズのレンズ断面図である。
【図２４】数値実施例１２の対物レンズの収差図である。
【図２５】数値実施例１３の対物レンズのレンズ断面図である。
【図２６】数値実施例１３の対物レンズの収差図である。
【図２７】数値実施例１４の対物レンズのレンズ断面図である。
【図２８】数値実施例１４の対物レンズの収差図である。
【図２９】数値実施例１５の対物レンズのレンズ断面図である。
【図３０】数値実施例１５の対物レンズの収差図である。
【図３１】数値実施例１６の対物レンズのレンズ断面図である。
【図３２】数値実施例１６の対物レンズの収差図である。
【図３３】数値実施例１７の対物レンズのレンズ断面図である。
【図３４】数値実施例１７の対物レンズの収差図である。
【図３５】数値実施例１８の対物レンズのレンズ断面図である。
【図３６】数値実施例１８の対物レンズの収差図である。
【図３７】数値実施例１９の対物レンズのレンズ断面図である。
【図３８】数値実施例１９の対物レンズの収差図である。
【図３９】数値実施例２０の対物レンズのレンズ断面図である。
【図４０】数値実施例２０の対物レンズの収差図である。
【図４１】数値実施例２１の対物レンズのレンズ断面図である。
【図４２】数値実施例２１の対物レンズの収差図である。
【図４３】数値実施例２２の対物レンズのレンズ断面図である。
【図４４】数値実施例２２の対物レンズの収差図である。
【図４５】数値実施例２３の対物レンズのレンズ断面図である。
【図４６】数値実施例２３の対物レンズの収差図である。
【図４７】デジタルスチルカメラの要部概略図である。
【符号の説明】
Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｌ３ 第３レンズ
Ｌ４ 第４レンズ
ＳＰ 絞り
Ｇ ガラスブロック
ＩＭ 結像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ΔＭ メリディオナル像面
ΔＳ サジタル像面
Claims (1)
- 物体側から像側へ順に、開口絞り、像側の面が凸形状で正の屈折力の第１レンズ、物体側の面が凹形状で負の屈折力の第２レンズを有し、全体として正の屈折力を有する対物レンズにおいて、該第１レンズの物体側の面の曲率半径をＲ１１、像側の面の曲率半径をＲ１２、該第２レンズの物体側の面の曲率半径をＲ２１、像側の面の曲率半径をＲ２２とするとき、
−１．０＜（Ｒ１１＋Ｒ１２）／（Ｒ１１−Ｒ１２）＜−０．１
１．０＜（Ｒ２１＋Ｒ２２）／（Ｒ２１−Ｒ２２）＜３．０
なる条件を満足することを特徴とする対物レンズ。
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Cited By (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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