CN101421659A - 摄像镜头以及摄像装置 - Google Patents

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CN101421659A CNA200780012780XA CN200780012780A CN101421659A CN 101421659 A CN101421659 A CN 101421659A CN A200780012780X A CNA200780012780X A CN A200780012780XA CN 200780012780 A CN200780012780 A CN 200780012780A CN 101421659 A CN101421659 A CN 101421659A
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矶野雅史
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Abstract

为了提供一种光学性能良好、低成本小型的固体摄像元件用摄像镜头以及摄像装置,摄像镜头1从物体侧起依次备有第1透镜(10)、像平面侧为非球面且光轴近旁像平面侧呈凹形状、周边部像平面侧呈凸形状的第2透(20)、第3透镜(30)。

Description

摄像镜头以及摄像装置
技术领域
本发明涉及小型摄影镜头系统,更详细地说,所涉及的摄像镜头以及摄像装置,是适合于数字输入器械(数字照相机和数字摄像机等)的高性能小型之固体摄像元件用的摄像镜头以及摄像装置。
背景技术
近年来,随着个人电脑等的普及,能够简便地将图像信息取入数字器械的数字静像照相机以及数字影像照相机等(以下称之为“数字相机”),其普及程度已经遍及个人用户。今后,作为图像信息的输入器械,可以预计这种数字相机将越来越普及。
另外,搭载于数字相机的CCD(Charge Coupled Device)等固体摄像元件的小型化有所进展,数字相机也随之被要求进一步小型化。因此,在数字输入器械中占最大容积的摄像镜头系统,也被极力要求小型化。对摄像镜头进行小型化之最容易的方法是减小固体摄像元件的尺寸,但是为此必须减小受光元件的尺寸,固体摄像元件的制造难度上升,同时对摄像镜头的性能要求也提高。
反之,固体摄像元件尺寸就此不变而减小摄像镜头尺寸的话,出射光瞳位置必然变近。出射光瞳位置变近的话,从摄影镜头射出的轴外光束倾斜地入射到像平面上,微透镜不能充分发挥聚光性能,图像中央部分和图像周边部分的图像亮度发生极端变化,存在问题。为了解决该问题而使摄影镜头的出射光瞳位置远些的话,总避免不了摄影镜头整体的大型化。并且,由于近年来的低价格竞争,对摄影镜头低成本化的要求越来越强烈。而最近固体摄像元件的高密度化却对摄像镜头的性能要求越来越高。
对于上述要求和希望,一种小型的3个构成的固体摄像元件用镜头被提案(参照例如专利文献1)。
专利文献1:特开2004-309695号公报
发明的内容
发明欲解决的课题
但是,上述以往的镜头虽然小型但出射光瞳位置近,作为固体摄像元件用镜头并不合适。
本发明鉴于上述状况,以提供一种光学性能良好的、低成本的、小型的、固体摄像元件用摄像镜头为目的。
用来解决课题的手段
为了解决上述课题,第1项记载的发明的摄像镜头,其特征在于,从物体侧起,依次备有:第1透镜;第2透镜,其像平面侧为非球面,且光轴近旁像平面侧呈凹形状、周边部像平面侧呈凸形状;第3透镜。
第2项记载的发明是第1项中记载的摄像镜头,其特征在于,所述第1透镜是凸面向着物体侧的凹凸透镜。
第3项记载的发明是第1项或第2项中记载的摄像镜头,其特征在于,所述第3透镜,其像平面侧为非球面,且光轴近旁像平面侧呈凹形状、周边部像平面侧呈凸形状。
第4项记载的发明是第1项至第3项的任何一项中记载的摄像镜头,其特征在于,在所述第1透镜的物体侧备有孔径光阑。
第5项记载的发明是第1项至第4项的任何一项中记载的摄像镜头,其特征在于,所述第2透镜满足以下条件。
0.3<(r21+r22)/(r21-r22)<90...(1)
其中,
r21:第2透镜物体侧的曲率半径
r22:第2透镜像平面侧的曲率半径
第6项记载的发明的摄像装置,其特征在于,备有第1项至第5项的任何一项中记载的摄像镜头和、对介过所述摄像镜头而入射的光进行摄像的固体摄像元件。
发明的效果
根据本发明,能够使固体摄像元件用摄像镜头实现良好的光学性能、低成本且小型。另外,将该摄像镜头应用于数字相机等摄像装置,能够有助于该摄像装置的高功能化、低成本化和小型化。
附图说明
图1:本发明涉及的实施方式的数字静像照相机100内部结构方框示意图。
图2:光学系统101中含有的摄像镜头1的结构示意图。
图3:(a)是实施例1的摄像镜头1的球面像差示意图。(b)是同上的像散示意图。(c)是同上的畸变示意图。
图4:(a)是实施例2的摄像镜头1的球面像差示意图。(b)是同上的像散示意图。(c)是同上的畸变示意图。
图5:手机200内部结构方框示意图。
符号说明
O1   光轴
100  数字静像照相机
101  光学系统
1    摄像镜头
10   第1透镜
20   第2透镜
30   第3透镜
D1   孔径光阑
GF   玻璃滤波器
102  固体摄像元件
103  A/D变换部
104  控制部
105    光学系统驱动部
106    时机发生部
107    摄像元件驱动部
108    图像存储器
109    图像处理部
110    图像压缩部
111    图像记录部
112    显示部
113    操作部
200    手机电话机
210    控制部
220    操作部
230    显示部
240    无线通信部
241    天线
250    摄像单元
260    记忆部
270    临时记忆部
发明的最佳实施方式
以下参照附图,对本发明涉及的实施方式作详细说明。但是,本发明范围并不局限于说明举例。本说明书中的“焦强(power)”是由焦点距离的倒数定义的量。
参照图1、图2,说明本实施方式的装置结构。图1表示本实施方式的数字静像照相机100的内部结构。
如图1所示,作为摄像装置的数字静像照相机100,备有光学系统101、固体摄像元件102、A/D变换部103、控制部104、光学驱动部105、时机发生部106、摄像元件驱动部107、图像存储器108、图像处理部109、图像压缩部110、图像记录部111、显示部112、操作部113。
光学系统101是含有后述摄像镜头1的光学系统,来自于被摄物体的光入射其上。固体摄像元件102是CCD或CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)等摄像元件,每R,G,B地光电变换入射光并输出其模拟信号。A/D变换部103将模拟信号变换到数字数据。
控制部104控制数字静像照相机100各部。控制部104含有CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory),通过从ROM读出并展开在RAM的各种程序与CPU的协动,实行各种处理。
光学系统驱动部105由控制部104控制,在变倍、对焦、曝光等时驱动控制光学系统101。时机发生部106输出模拟信号输出用的时机信号。摄像元件驱动部107扫描驱动控制固体摄像元件102。
图像存储器108中能够读出和刻写地记忆图像数据。图像处理部109对图像数据施行各种图像处理。图像压缩部110用JPEG(Joint Photographic Experts Group)等压缩方式压缩摄影图像数据。图像记录部111插在没有图示的槽口,将图像数据记录到SD(Secure Digital)存储卡、记忆棒、xD图像卡等记录媒体。
显示部112是彩色液晶板等,显示拍摄好的图像、摄影前的直通图像和各种操作画面等。操作部113备有释放按钮,以及用来设定各种模式和各种数值等的各种操作键,将由用户操作输入的信息输出到控制部104。
在此对数字静像照相机100中的动作进行说明。摄影被摄物体时,是监视被摄物体(直通图像显示)和实行图像摄影。监视被摄物体时,介过光学系统101得到的被摄物体的像成像于固体摄像元件102的受光面。设置在光学系统101摄影光轴后方的固体摄像元件102由时机发生部16和摄像元件驱动部107扫描驱动,作为光学成像所对应的光电变换输出,每一定周期输出1画面份的模拟信号。
该模拟信号按每RGB的各原色成分被调整适当增益后,在A/D变换部103被变换成数字数据。该数字数据由图像处理部109进行包括像素补间处理及γ修正处理之色彩过程(color process)处理,生成数字值的辉度信号Y及色差信号Cb,Cr(图像数据),格纳到图像存储器108,定期读出其中的信号,生成视频信号,输出到显示部112。
该显示部112在监视时起到电子取景器功能,实时显示摄影图像。该状态下,根据用户通过操作部113的操作输入,随时设定光学系统101的变倍、对焦、曝光等。
该监视状态下,用户想摄影静止图像之时机按下操作部113的释放按钮,由此摄影静止图像数据。在释放按钮按下时机,格纳在图像存储器108中的1帧图像数据被读出,由图像压缩部110压缩。其被压缩的图像数据由图像记录部111记录到媒体。
图2表示光学系统101中含有的摄像镜头1的结构。摄像镜头1由从物体侧(被摄物体侧)起,沿着光轴O1向像平面侧,依次为:孔径光阑D1;第1透镜10,凸面向着物体侧的正(正的焦强)凹凸透镜;第2透镜20,凹面向着像平面侧的负(负的焦强)凹凸透镜;第3透镜30,凹面向着像平面侧的负凹凸透镜;玻璃滤波器GF构成,玻璃滤波器GF的后方设有没有图示的固体摄像元件102。也可代替玻璃滤波器或加上备有低通过滤、红外线过滤。
孔径光阑D1具有面S1。第1透镜10沿着光轴O1从物体侧向像平面侧依次具有面S2、S3。第2透镜20沿着光轴O1从物体侧向像平面侧依次具有面S4、S5。第3透镜30沿着光轴O1从物体侧向像平面侧依次具有面S6、S7。玻璃滤波器GF沿着光轴O1从物体侧向像平面侧依次具有面S8、S9。
接下去,对本实施方式的摄像镜头1应该满足的条件式范围作说明。本实施方式的摄像镜头1没有必要同时满足所有以下所示各条件式范围,通过分别单独满足各个条件式范围,能够达成对应的作用效果。当然,从光学性能、小型化或组装的观点出发,优选满足多个条件式范围。
首先,摄像镜头1的第2透镜20满足以下条件式(1)。
0.3<(r21+r22)/(r21-r22)<90...(1)
其中,
r21:第2透镜20的物体侧的曲率半径
r22:第2透镜20的像平面侧的曲率半径
小于条件式(1)的下限的话,彗形像差恶化,并且珀兹瓦尔和修正过剩,分辨率不足。超过条件式(1)的上限的话,珀兹瓦尔和修正不足,难以修正像场弯曲。
优选第2透镜20满足以下条件式(1A),更优选满足条件式(1B)。
1<(r21+r22)/(r21-r22)<3...(1A)
1.3<(r21+r22)/(r21-r22)<2.5...(1B)
摄像透镜1满足以下条件式(2)。
-0.6<f/f2<-0.05...(2)
其中,
f:摄像镜头1整个系统的焦点距离
f2:第2透镜20的焦点距离
小于条件式(2)的下限的话,彗形像差恶化,并且珀兹瓦尔和修正过剩,分辨率不足。超过条件式(2)的上限的话,珀兹瓦尔和修正不足,难以修正像场弯曲。
优选摄像镜头1满足以下条件式(2A),更优选满足条件式(2
B)。
-0.4<f/f2<-0.1...(2A)
-0.3<f/f2<-0.13...(2B)
摄像透镜1满足以下条件式(3)。
0.05<f/f3<0.6...(3)
其中,
f:摄像镜头1整个系统的焦点距离
f3:第3透镜30的焦点距离
小于条件式(3)的下限的话,彗形像差恶化,并且珀兹瓦尔和修正过剩,分辨率不足。超过条件式(3)的上限的话,珀兹瓦尔和修正不足,难以修正像场弯曲。
优选摄像镜头1满足以下条件式(3A),更优选满足条件式(3B)。
0.1<f/f3<0.4···(3A)
0.12<f/f3<0.3···(3B)
摄像透镜1满足以下条件式(4)。
0.05<f/f1<1.6...(4)
其中,
f:摄像镜头1整个系统的焦点距离
f1:第1透镜10的焦点距离
小于条件式(4)的下限的话,彗形像差恶化,并且珀兹瓦尔和修正过剩,分辨率不足。超过条件式(4)的上限的话,珀兹瓦尔和修正不足,难以修正像场弯曲。
优选摄像镜头1满足以下条件式(4A),更优选满足条件式(4B)。
0.5<f/f1<1.2...(4A)
0.8<f/f1<1.0...(4B)
优选摄像镜头1的第2透镜20的像平面侧为非球面,且像平面侧非球面在光轴O1近旁呈凹形状、周边部呈凸形状。这样具有以下效果,即以光轴O1近旁的凹面使光学系统全长小型化,同时以周边部的凸面使出射光瞳位置远一些。
另外,优选摄像镜头1的第3透镜30也和第2透镜20一样,像平面侧为非球面,且像平面侧非球面在光轴O1近旁呈凹形状、周边部呈凸形状。这样具有以下效果,即以光轴O1近旁的凹面使光学系统全长小型化,同时以周边部的凸面使出射光瞳位置远一些。
另外,优选摄像镜头1如本实施方式所述,在第1透镜10的物体侧设孔径光阑D1。这样具有即使对光学系统全长小型化也使出射光瞳远一些之效果。
根据上述本实施方式,第2透镜20满足条件式(1)(优选条件式(1A)、(1B))。这样能够防止彗形像差恶化,使珀兹瓦尔和恰当,防止分辨率不足,容易修正像场弯曲。
另外,以第1透镜10为凸面向着物体侧的凹凸透镜。这样,能够使主点位置位于光学系统的前方,能够使光学系统全长小型化同时容易修正球面像差和像场弯曲。
另外,摄像镜头1满足条件式(2)(优选条件式(2A)、(2
B))。这样能够防止彗形像差恶化,使珀兹瓦尔和恰当,防止分辨率不足,容易修正像场弯曲。
另外,摄像镜头1满足条件式(3)(优选条件式(3A)、(3B))。这样能够防止彗形像差恶化,使珀兹瓦尔和恰当,防止分辨率不足,容易修正像场弯曲。
另外,摄像镜头1满足条件式(4)(优选条件式(4A)、(4B))。这样能够防止彗形像差恶化,使珀兹瓦尔和恰当,防止分辨率不足,容易修正像场弯曲。
另外,第2透镜20的像平面侧为非球面,且像平面侧非球面在光轴O1近旁呈凹形状、周边部呈凸形状。这样,能够以第2透镜20光轴O1近旁的凹面使光学系统全长小型化,同时同样以周边部的凸面使出射光瞳位置远一些。
另外,第3透镜30的像平面侧为非球面,且像平面侧非球面在光轴O1近旁呈凹形状、周边部呈凸形状。这样,能够以第3透镜30光轴O1近旁的凹面使光学系统全长小型化,同时同样以周边部的凸面使出射光瞳位置远一些。
另外,摄像镜头1在第1透镜10的物体侧设有孔径光阑D1。这样,即使对光学系统全长小型化也能够使出射光瞳位置远一些。
由此能够实现固体摄像元件102用摄像镜头1良好的光学性能,且低成本小型。并且,将摄像镜头1应用于数字静像照相机100,能有助于数字静像照相机100的高功能化和低成本化以及小型化。
(实施例1)
对上述实施方式涉及的具体实施例1作说明。本实施例的摄像镜头1满足下表1。
表1
(a)
 
i ri di j Nj j
123456789 ∞1.0501.68723.6445.2851.5171.594∞∞ 0.0500.6160.7890.7350.1000.6000.3900.300 1234 1.530481.530481.583401.51680 55.7255.7230.2364.20
(b)
 
非球面系数
第2面S2
ε=                        -2.7098E+00A4=                       4.3170E-01A6=                       -1.7513E-01
第3面S3
ε=                        1.8994E-01A4=                       1.7788E-01
 
A6=                      3.3740E-01
第4面S4
ε=                       3.1000E+01A4=                      -2.4363E-02A6=                      4.7477E-02A8=                      1.2042E-02A10=                     -3.9879E-02
第5面S5
ε=                       -1.0000E+00A4=                      -1.6251E-01A6=                      1.9977E-03A8=                      1.7857E-02A10=                     -1.2057E-02
第6面S6
ε=                       1.4616E-01A4=                      -3.4970E-01A6=                      1.0130E-01A8=                      -6.4808E-02A10=                     3.3679E-02A12=                     -5.6672E-03
第7面S7
ε=                       -9.9056E-01A4=                      -2.1577E-01A6=                      9.3098E-02A8=                      -3.5849E-02A10=                     8.7226E-03A12=                     8.8191E-04
(C)
 
条件式(1) 1.58
 
条件式(2) -0.27
条件式(3) 0.25
条件式(4) 0.90
上表1(a)中,i(i=1,2,3...)是从物体侧起算的面Si的编号。ri是光学元件的面Si(i:编号)上的曲率半径。di是轴上面(Si)间隔[mm](光轴O1上的光学元件的厚度或其gap长)。j(j=1,2,3,4)是从物体侧起算的第j透镜的编号,以玻璃滤波器GF为j=4。Nj:第j个光学元件的折射率,vj:第j个光学元件的阿贝数。实施例中,数据的附带文字E表示该数值的指数部分,例如,1.0E-2的话表示1.0×10-2。
本实施例的摄像镜头1,其整体焦点距离f=3.52[mm],F值FNO=4.0,整体轴上面间隔Σd=3.580[mm]。
另外,如上表1(b)所示,第2面S2、第3面S3、第4面S4、第5面S5、第6面S6、第7面S7是非球面形状的折射光学面或具有与非球面等价折射作用的面。各非球面的面形状由下式(5)定义。
(数1)
X ( H ) = C &CenterDot; H 2 1 + 1 - &epsiv; &CenterDot; C 2 &CenterDot; H 2 + &Sigma; k Ak &CenterDot; H k &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 5 )
其中,
H:垂直于光轴方向的高度
X(H):在高度H位置的光轴方向的变位量(面顶点基准)
C:近轴曲率
ε:2次曲面参数
Ak:k次非球面系数
表1(b)中记载之外的非球面系数Ak为0。
上表1(c)中出示了由上述条件式(1)~(4)规定的参数值。如表1(c)所示,各参数值满足条件式(1B)、(2B)、(3B)、(4B)。
图3表示本实施例摄像镜头1的像差。图3(a)表示本实施例摄像镜头1的球面像差。图3(b)表示同上的像散。图3(b)表示同上的畸变。
图3(a)的球面像差图中,实线d、一点划线g、二点划线c分别表示对d线、g线、c线的球面像差量,SC表示正弦条件不满足量。图3(b)的像散图中,实线DS表示弧矢面,虚线DM表示子午面。另外,图3(a)的球面像差图中,纵轴表示光线的F值。图3(b)的像散图以及图3(c)的畸变图中,纵轴表示像高,最大像高Y+=2.2。
如图3(a)~(c)所示,根据本实施例的摄像镜头1,能够良好地修正球面像差、像散以及畸变。
(实施例2)
对上述实施方式涉及的具体实施例2作说明。本实施例的摄像镜头1满足下表2。
表2
(a)
 
i ri di j Nj j
123456789 ∞1.0781.75725.7438.2541.5591.494∞∞ 0.0500.6150.8050.7600.1000.6000.3900.300 1234 1.530481.530481.583401.51680 55.7255.7230.2364.20
(b)
 
非球面系数
第2面S2
ε=                           -2.9403E+00A4=                          4.2136E-01A6=                          -1.8017E-01
第3面S3
ε=                           -1.7164E-01A4=                          1.7549E-01A6=                          2.8790E-01
第4面S4
ε=                           1.0000E+00A4=                          -1.9256E-02A6=                          -3.3262E-02A8=                          9.0867E-03A10=                         -3.9275E-02
第5面S5
ε=                           -1.0000E+00A4=                          -1.4769E-01A6=                          4.6008E-03A8=                          1.5211E-02A10=                         -1.2083E-02
第6面S6
ε=                            2.7695E-01A4=                           -3.4505E-01A6=                           9.5169E-02A8=                           -6.6262E-02A10=                          3.3653E-02
 
A12=                        -5.4785E-03
第7面S7
ε=                          -6.2858E-01A4=                         -2.3023E-01A6=                         9.5233E-02A8=                         -3.5676E-02A10=                        8.6972E-03A12=                        -8.9418E-04
(C)
 
条件式(1) 1.94
条件式(2) -0.15
条件式(3) 0.14
条件式(4) 0.88
上表2(a)~(c)的各符号与上表1相同。本实施例的摄像镜头1,其整体焦点距离f=3.52[mm],F值FNO=4.0,整体轴上面间隔Σd=3.620[mm]。
另外,如上表2(b)所示,第2面S2、第3面S3、第4面S4、第5面S5、第6面S6、第7面S7是非球面形状的折射光学面或具有与非球面等价折射作用的面。各非球面的面形状由上式(5)定义。
上表2(c)中出示了由上述条件式(1)~(4)规定的参数值。如表2(c)所示,各参数值满足条件式(1B)、(2B)、(3B)、(4B)。
图4表示本实施例摄像镜头1的像差。图4(a)表示本实施例摄像镜头1的球面像差。图4(b)表示同上的像散。图4(c)表示同上的畸变。另外,图4(a)的球面像差图中,纵轴表示光线的F值。图4(b)的像散图以及图4(c)的畸变图中,纵轴表示像高,最大像高Y+=2.2。
图4(a)~(c)的各符号与图3(a)~(c)的各符号相同。如图4(a)~(c)所示,根据本实施例的摄像镜头1,能够良好地修正球面像差、像散以及畸变。
上述实施方式以及各实施例中的记述,是本发明涉及的摄像镜头以及摄像装置的恰好一例,本发明并不局限于此。
例如,上述实施方式以及实施例中,作为搭载了摄像镜头的摄像装置,对数字静像照相机的例子进行了说明,但并不局限于此,也可以是影像照相机、带摄像功能的手机、PHS(Personal Handyphone System)、PDA(PersonalDigital Assistant)等至少具有摄像功能的便携终端等器械。
另外,搭载了摄像镜头的摄像装置也可以作为摄像单元搭载于上述器械中。在此参照图5说明手机200的例子,其中搭载了作为摄像装置的摄像单元250。图5表示手机200的内部结构。
如图5所示,手机200备有:控制部(CPU)210,其统括控制各部同时实行与各处理相应的程序;操作部220,用来通过键操作输入号码等;显示部230,显示所定数据和拍摄的影像等;无线通信部240,介过天线241,用来实现与外部服务器等间的各种信息通信;摄像单元250,作为摄像装置;记忆部(ROM)260,记忆手机200的系统程序、各种处理程序以及终端ID等必须的诸数据;临时记忆部(RAM)270,用作作业区域,临时格纳由控制部210实行的各种处理程序和数据、或处理数据、或由摄像单元250得到的摄像数据等。
摄像单元250由摄像镜头1、(固体)摄像元件、镜筒、摄像镜头1的驱动机构等构成,摄像单元250自身没有控制部和图像处理部,是以通过连接器等与控制部、操作部、显示部等连接作为前提的镜头单元。具体如下,摄像单元250例如摄像光学系统中筐体的物体侧端面设在手机200的背面(以显示部230的主显示部为正面),其设置位置在相当于主显示部下方。另外,摄像单元250的外部连接端子与手机200的控制部210连接,向控制部210输出辉度信号和色差信号等图像信号。从摄像单元250输入的图像信号通过手机200的控制系统,记忆到记忆部260或显示在显示部230,并且介过无线通信部240作为影像信息送往外部。
另外,搭载了摄像镜头的摄像装置作为摄像单元,也可以作为照相模块,其以备有上述镜头单元和配置在基板上的控制部以及图像处理部等,且通过连接器等被与备有显示部以及操作部等的别体连接进行使用为前提。

Claims (6)

1.一种摄像镜头,其特征在于,从物体侧起,依次备有:第1透镜;第2透镜,其像平面侧为非球面,且光轴近旁像平面侧呈凹形状、周边部像平面侧呈凸形状;第3透镜。
2.权利要求1中记载的摄像镜头,其特征在于,所述第1透镜是凸面向着物体侧的凹凸透镜。
3.权利要求1或2中记载的摄像镜头,其特征在于,所述第3透镜的像平面侧为非球面,且光轴近旁像平面侧呈凹形状、周边部像平面侧呈凸形状。
4.权利要求1至3的任何一项中记载的摄像镜头,其特征在于,在所述第1透镜的物体侧备有孔径光阑。
5.权利要求1至4的任何一项中记载的摄像镜头,其特征在于,所述第2透镜满足以下条件。
3<(r21+r22)/(r21-r22)<90...(1)
其中,
r21:第2透镜物体侧的曲率半径
r22:第2透镜像平面侧的曲率半径
6.一种摄像装置,其特征在于,备有权利要求1至5的任何一项中记载的摄像镜头和、对介过所述摄像镜头入射的光进行摄像的固体摄像元件。
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