JP3605034B2 - ズームレンズ及びそれを用いた光学機器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はズームレンズ及びそれを用いた光学機器に関し、特に一眼レフカメラ等のスティルカメラ、電子スティルカメラ、ビデオカメラ等に好適であり、コンパクトで高性能、特に倍率色収差を良好に補正した広角のズームレンズ及びそれを用いた光学機器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一眼レフカメラ用の交換レンズは、レンズ系の像面側にクイックリターンミラー等を配置するスペースを確保するためにある程度長いバックフォーカスを必要としている。またCCDを用いたデジタルカメラにおいてもローパスフィルター、赤外カットフィルター等を配置するスペースを確保するために長いバックフォーカスを必要としている。
【0003】
35mm一眼レフカメラ用に換算して広角端の焦点距離が35mmよりも短い所謂、広角ズームレンズとして、従来より、負の屈折力が先行し、負レンズ群と正レンズ群を有する所謂ネガティブリード式のショートズームが、
例えば、特開平5−88084号公報や特開平7−234360号公報等で提案されている。
【0004】
これは、レンズ系がレトロフォーカスタイプをとり、最も簡単なレンズ群構成で前述のバックフォーカスを長く確保することが可能なズームタイプである。このズームタイプは簡単な構成であるためロ−コスト化に有利である。
【0005】
従来より前述のような広角ズームレンズに於いては、光学性能上、特に、歪曲、像面湾曲、倍率色収差を良好に補正することが課題となっていた。これは、レンズ系が絞りを挟んで物体側が負の屈折力、像側が正の屈折力の非対称な屈折力配置になっているために発生しており、特に倍率色収差に関しては、画面中間部から周辺部にかけて収差が多く残存し、特に明暗のはっきりした高輝度の被写体を撮影した場合に色のにじみとなって現れる場合があった。倍率色収差を補正する方法として、異常分散ガラスを用いる方法があるが、レンズ枚数の増加、レンズ系の増大につながってしまう傾向にあった。
【0006】
色収差については分散の異なる硝材を組み合わせて補正する方法の他にレンズ面又は光学系の一部に回折作用を有する回折光学素子を設けて補正した光学系が、例えば特開平4−213421号公報や特開平6−324262号公報、特開平9−197274号公報、特開平9−211329号公報、米国特許第5,268,790号等で提案されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
一般に負の屈折力の第1群と正の屈折力の第2群の2つのレンズ群を有するネガティブリード型のズームレンズは広画角化が比較的容易であり、また所定のバックフォーカスが容易に得られるという特長がある。
【0008】
しかしながら、広画角化を図りつつ、全変倍範囲にわたり良好なる光学性能を得るには、各レンズ群の屈折力配置やレンズ形状等を適切に設定する必要がある。各レンズ群の屈折力配置やレンズ構成等が不適切であると、例えば回折光学素子を用いても変倍に伴う色収差の変動が大きくなり、全変倍範囲にわたり高い光学性能を得るのが難しくなってくる。
【0009】
本発明は、負の屈折力のレンズ群が先行するネガティブリード型のズームレンズにおいて、各レンズ群のレンズ構成を適切に設定することにより、色収差をはじめ諸収差を良好に補正し、広画角で全変倍範囲にわたり高い光学性能を有し、レンズ系全体の小型化を図ったズームレンズ及びそれを用いた光学機器の提供を目的とする。
【0010】
この他、本発明は、35mm一眼レフカメラ換算で焦点距離28mm程度の広角域を含む広角のズームレンズで、良好な性能で特に倍率色収差が良好に補正されたコンパクトなズームレンズ及びそれを用いた光学機器の提供を目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明のズームレンズは、物体側より順に、負の屈折力の前群と、正の屈折力の後群を有し、前記各群の間隔を変化させて広角端から望遠端への変倍を行うズームレンズに於いて、前群は少なくとも2枚の負レンズと、少なくとも1枚の正レンズより構成され、後群は絞りと、少なくとも2枚の正レンズと、少なくとも1枚の負レンズで構成され、前記少なくともひとつの群に回折光学素子が含まれており、DaWを広角端での前群と後群の間隔、DaTを望遠端での前群と後群の間隔、fDOEを該回折光学素子の回折成分のみの焦点距離fw、ftを広角端と望遠端での全系の焦点距離、faを前群の広角端での焦点距離、fbを後群の焦点距離、SKwを広角端でのバックフォーカスとしたとき
DaW > DaT (1)
10 <|fDOE|/ft< 500 (2)
【数1】
1.4 < SKw/fw < 2.0 (5)
の条件式を満足することを特徴としている。
【0012】
請求項2の発明は請求項1の発明において前記回折光学素子は前群に含まれており、該回折光学素子は負の屈折力を有することを特徴としている。
【0013】
請求項3の発明は請求項1の発明において前記回折光学素子は後群に含まれており、該回折光学素子は正の屈折力を有することを特徴としている。
【0014】
請求項4の発明は請求項1から3のいずれか1項の発明において、前記回折光学素子は積層構造であることを特徴としている。
【0015】
請求項5の発明の光学機器は、請求項1から4のいずれか1項のズームレンズを有することを特徴としている。
【0024】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の数値実施例1のズームレンズのレンズ断面図、図2、図3は本発明の数値実施例1の広角端、望遠端の収差図である。
【0025】
図4は本発明の数値実施例2のズームレンズのレンズ断面図、図5、図6は本発明の数値実施例2の広角端、望遠端の収差図である。
【0026】
図7は本発明の数値実施例3のズームレンズのレンズ断面図、図8、図9は本発明の数値実施例3の広角端、望遠端の収差図である。
【0027】
図10は本発明の数値実施例4のズームレンズのレンズ断面図、図11、図12は本発明の数値実施例4の広角端、望遠端の収差図である。
【0028】
レンズ断面図においてL1は負の屈折力の前群(第1群)であり、図1、図4の数値実施例1,2では、共に負の屈折力の第11群と第12群の2つのレンズ群を有している。
【0029】
L2は正の屈折力の後群(第2群)である。
【0030】
図7、図10の数値実施例3,4では、第2群L2の像面側に固定のレンズ群(固定群)L3を設けている。
SPは絞りである。
【0031】
広角端から望遠端への変倍を、図1の数値実施例1では、第12群L12を像面側に凸状の軌跡で第2群L2を物体側へ移動させて行っており、図4、図7、図10の数値実施例2,3,4では第1群L1を像面側に凸状の軌跡で、第2群L2を物体側へ移動させて行っている。
【0032】
絞りSPは第2群L2と一体的に移動している。
【0033】
尚、収差図の球面収差において実線はd線、二点鎖線はg線、一点鎖線はC線、点線はF線、鎖線は正弦条件であり、非点収差において実線はサジタル光線、点線はメリディオナル光線を表し、倍率色収差に於いて二点鎖線はg線、一点鎖線はC線、点線はF線を表す。
【0034】
ここで本発明では、前述したズームタイプにおいて、
前群は少なくとも2枚の負レンズと、少なくとも1枚の正レンズより構成され、後群は少なくとも2枚の正レンズと、少なくとも1枚の負レンズで構成され、前記少なくともひとつの群に回折光学素子が含まれており、DaWを広角端での前群と後群の間隔、DaTを望遠端での前群と後群の間隔、fDOEを、該回折光学素子の回折成分のみの焦点距離、ftを望遠端での全系の焦点距離としたとき、
DaW > DaT (1)
10 <|fDOE|/ft< 500 (2)
の条件式を満足することを特徴としている。
【0035】
条件式(1)は変倍における各レンズ群の移動状態を特定するものであり、条件式(1)を満足するように各レンズ群を移動させることにより、レンズ系全体の小型化を図りつつ、所定の変倍比を効果的に得ている。
【0036】
又、条件式(2)を満足するように回折光学素子の屈折力を設定することにより、g線かc線までの広い波長域における倍率色収差を良好に補正している。
【0037】
本発明は以上のように回折光学素子を用いると共に各レンズ群のレンズ構成を適切に設定することにより、高変倍でレンズ全長の短縮化を図った全変倍範囲にわたり色収差を良好に補正し、高い光学性能を有したズームレンズを達成している。
【0038】
本発明に係る回折光学素子DOEの形状は、基準波長(d線)をλ、光軸からの距離をh、位相をφ(h)としたとき
φ(h)=2π/λ(Cl×h2+C2×h4+C3×h6+…)…(a)
の式で表されるものである。
【0039】
回折光学素子DOEは従来のガラスによる屈折とは異なる光学的特性を備えている。
【0040】
回折光学素子DOEの分散値νdはd,F,C線の波長をλd,λF,λCとすると
νd=λd/(λF―λC)
で与えられる。
【0041】
回折光学素子は負の分散と異常分散性の特徴を持っている。具体的には、アッベ数νd=−3.45、θ(度)gt=0.296となっている。
【0042】
尚、本発明のズームレンズに用いる回折光学素子は、そのピッチを変更することにより非球面の効果を持たせても良い。特に回折光学素子の位相の高次項を最適化することにより良好な光学性能を得ている。
【0043】
尚、本発明において更に高い光学性能を得るためには、次の条件のうち少なくとも1つを満足することが好ましい。
(ア−1) 前記回折光学素子は前群に含まれており、該回折光学素子は負の屈折力を有することである。
【0044】
これによって、変倍における倍率色収差を全変倍範囲にわたりバランズ良く補正している。
(ア−2) 前記回折光学素子は後群に含まれており、該回折光学素子は正の屈折力を有することである。
【0045】
これによって、変倍における倍率色収差を全変倍範囲にわたりバランズ良く補正している。
(ア−3) 前記前群は、負の屈折力を有するひとつまたは二つの部分系より構成され、前記後群は、絞りを有するとともにひとつの部分系より構成され、fw,ftを各々広角端、望遠端での全系の焦点距離、faを前群の広角端での焦点距離、fbを後群の焦点距離としたとき
【0046】
【数5】
【0047】
の条件式を満足することである。
【0048】
条件式(3)は、広角端の焦点距離と望遠端の焦点距離の積の平方根に対する広角端での前群の焦点距離の範囲を規定するものであり、条件式(4)は、広角端の焦点距離と望遠端の焦点距離の積の平方根に対する後群の焦点距離の範囲を規定するものであり、どちらも下限値を超えて前群、後群の屈折力が強くなると、レンズ系のコンパクト化には有利だが、各々のレンズ群で発生する諸収差が大きくなり、これをバランス良く補正することが困難となり、上限値を超えて前群、後群の屈折力が弱くなると、収差補正には有利だが、レンズ全長及び前玉径が大きくなる。
(ア−4) SKwを広角端でのバックフォーカス、fwを広角端での全系の焦点距離としたとき、
1.4 < SKw/fw < 2.0 (5)
の条件式を満足することである。
【0049】
条件式(5)は広角端の焦点距離に対する広角端のバックフォーカスを規定するものであり、クイックリターンミラー等を配置するスペースを効果的に確保する為の条件である。
【0051】
(ア−5) 前記回折光学格子は積層構造であることである。
【0052】
これによって広い波長域において高い回折効率を確保するのを容易にしている。
【0053】
通常、回折格子の設計次数(例えば1次)での回折効率は最適化した光線波長から離れるに従って低下し、その反面、設計次数以外で特に近傍の次数である0次、2次回折光が増大してくる傾向がある。
【0054】
この設計次数以外の回折光の増加は、それが像面に達するとフレアとなり、光学系の解像度の低下につながる。これに対し、異なる屈折率の光学材料で形成した回折面を積層構造に形成することで、より広い波長領域で設計次数の回折効率を維持することができる。
【0055】
本発明のズームレンズでは、この積層構造の回折光学面を適用することでより良好な像を得ている。
【0056】
またこの場合は、回折光学面の表面に格子形状が形成されないようにすることができ、この結果、防塵性に優れ、回折光学素子の組み立て作業性が向上し、より安価な光学系が得られる。
【0062】
次に、各数値実施例のレンズ構成の特徴について説明する。
【0063】
尚、以下の各数値実施例の構成は、第1、第2発明のいずれにも適用できる。
【0064】
数値実施例1
前群(L1)は負の屈折力の第11群と第12群より成り、第11群は物体側に凸状の正メニスカスレンズと物体側に凸の負メニスカスレンズより成り、第12群は、物体側に凸面を有する負メニスカスレンズ、負レンズ、正レンズより成り、後群L2は、複数の正レンズと複数の負レンズより構成されている。広角端から望遠端への変倍時、前記第11群は固定、前記第12群は、像側に凸の軌跡で移動し、後群L2は、物体側に移動している。第11群の最も物体側を正レンズとすることで、歪曲を良好に補正している。
【0065】
次に、倍率色収差を補正するために回折光学素子(DOE)を用いている。
【0066】
後群の最も像面側には、条件式(2)を満足する正の屈折力の回折光学素子が用いられており、これにより、g線からC線までの倍率色収差を良好に補正している。
【0067】
また、近軸配置は、条件式(3),(4),(5)を満足している。
【0068】
フオーカシングは、前群L1中の第12群で行うことが可能であり、重量の軽いレンズ群で行うことにより、近年、35mm一眼レフカメラで主流となっているオートフォーカスカメラに装着した場合、フォーカスレンズの軽量化が可能なため、迅速なオートフォーカスが行えるようにしている
数値実施例2
前群L1を、物体側に凸面を有する2枚の負メニスカスレンズ、負レンズ、正レンズより構成し、最も物体側のレンズの像面側のレンズ面はレンズ中心からレンズ周辺へ行くに従って負の屈折力が弱くなる形状の非球面を用いることで、広角側で発生する樽型の歪曲を小さくしている。後群は、複数の正レンズと、複数の負レンズより構成されている。広角端から望遠端への変倍時、前記前群L1は、像側に凸の軌跡で移動し、後群は、物体側に移動している。
【0069】
後群の最も像面側には、条件式(2)を満足する正の屈折力の回折光学素子が用いられており、これにより、g線からC線までの倍率色収差を良好に補正している。
【0070】
また、近軸配置は、数値実施例1と同様に条件式(3),(4),(5)を満足している。
【0071】
フオーカシングは前群L1中の最も物体側のレンズL11を除いたレンズ群L12で行うことが可能であり、重量の軽いレンズ群で行うことにより、近年、35mm一眼レフカメラで主流となっているオートフォーカスカメラに装着した場合、フォーカスレンズの軽量化が可能なため、迅速なオートフォーカスが行えるようにしている。
【0072】
数値実施例3
前群L1を、物体側に凸面を有する負メニスカスレンズ、負レンズ、正レンズより構成し、前記第2負レンズの像側のレンズ面はレンズ中心からレンズ周辺へ行くに従って負の屈折力が弱くなる形状の非球面を用いることで、広角側で発生する樽型の歪曲を小さくしている。後群L2は、複数の正レンズと複数の負レンズより構成され、後群L2の像側には弱い負の屈折力を有し、変倍時固定のレンズ群L3が配置されている。広角端から望遠端への変倍時、前記前群L1は、像側に凸の軌跡で移動し、後群L2は、物体側に移動している。
【0073】
前群の最も物体側の負メニスカスレンズの像側の面には、条件式(2)を満足する負の屈折力の回折光学素子が用いられており、これにより、g線からc線までの倍率色収差を良好に補正している。
【0074】
また、近軸配置は、数値実施例1と同様に条件式(3),(4),(5)を満足している。
【0075】
数値実施例4
前群L1を、物体側に凸面を有する負メニスカスレンズ、負レンズ、正レンズより構成し、前記第2負レンズの像側のレンズ面はレンズ中心からレンズ周辺へ行くに従って負の屈折力が弱くなる形状の非球面を用いることで、広角側で発生する樽型の歪曲を小さくしている。後群L2は、複数の正レンズと複数の負レンズより構成され、後群の像側には、弱い負の屈折力を有し変倍時固定のレンズ群L3が配置されている。広角端から望遠端への変倍時、前記前群L1は、像側に凸の軌跡で移動し、後群L2は、物体側に移動している。
【0076】
後群の最も像側のレンズの像側の面には、条件式(2)を満足する正の屈折力の回折光学素子が用いられており、これによりg線からc線までの倍率色収差を良好に補正している。
【0077】
また、近軸配置は、数値実施例1と同様に条件式(3),(4),(5)を満足している。
【0078】
本発明に係る回折光学素子はホログラフィック光学素子の制作手法であるリソグラフィック手法で2値的に製作した光学素子であるバイナリーオプテックスで製作してもよい。またこれらの方法で作成した型によって製造してもよい。また光学面にプラスチック等の膜を上記回折光学面として転写する方法(いわゆるレプリカ非球面)で作成してもよい。
【0079】
回折光学素子の回折格子形状は、例えば図13に示すキノフォーム形状が適用可能である。図14は図13に示す回折光学素子の1次回折効率の波長依存特性を示している。実際の回折格子の構成は、基材102の表面に紫外線硬化樹脂を塗布し、樹脂部に波長530nmで1次回折効率が100%となるような格子厚dの格子103を形成している。
【0080】
図14で明らかなように設計次数での回折効率は最適化した波長530nmから離れるに従って低下し、一方設計次数近傍の次数0次、2次回折光が増大している。この設計次数以外の回折光の増加は、フレアとなり、光学系の解像度の低下につながる。
【0081】
そこで図15に示す積層型の回折格子を本発明の実施例における回折光学素子部の格子形状として用いても良い。
【0082】
図16はこの構成の回折光学素子の1次回折効率の波長依存特性である。具体的な構成としては、基材上に紫外線硬化樹脂(nd=1.499,νd=54)からなる第1の回折格子104を形成し、その上に別の紫外線硬化樹脂(nd=1.598,νd=28)からなる第2の回折格子105を形成している。この材質の組み合わせでは、第1の回折格子部の格子厚d1はd1=13.8μm、第2の回折格子部の格子厚d2はd2=10.5μmとしている。
【0083】
図16から分かるように積層構造の回折格子にすることで、設計次数の回折効率は、使用波長全域で95%以上の高い回折効率を有している。
【0084】
この他、図17に示すようなエアギャップをはさんだ2層構成のもの等が適用可能である。
【0085】
図17に示すようなエアギャップをはさんだ2層構成のもの等が適用可能である。
【0086】
図17に示す2つの回折格子106,107を用いた回折光学素子の1次回折光の回折効率の波長依存特性を図18に示す。
【0087】
図17では基材102上に紫外線硬化樹脂からなる第1の回折格子106を形成し、基材102’上に紫外線硬化樹脂からなる第2の回折格子107を形成している。
【0088】
図18からわかるように設計次数の回折効率は、使用波長全域で95%以上の高い回折効率を有している。
【0089】
このように本発明の実施例の回折光学素子として積層構造の回折格子を用いることで、光学性能は更に改善される。
【0090】
尚、前述の積層構造の回折光学素子として、材質を紫外線硬化樹脂に限定するものではなく、他のプラスチック材なども使用できるし、基材によっては、第1の回折格子部を直接基材に形成してもよい。
【0091】
また、各格子厚が異なる必要はなく、材料の組み合わせによっては図19に示すように2つの格子厚を等しくできる。この場合は、回折光学素子表面に格子形状が形成されないので、防塵性に優れ、回折光学素子の組み立て作業性が向上し、より安価な光学系を提供できる。
【0092】
次に本発明のズームレンズを撮影光学系として用いたレンズシャッターカメラ(光学機器)の実施形態を図20を用いて説明する。
【0093】
図20において、10はカメラ本体、11は本発明のズームレンズによって構成された撮影光学系、12は被写体像を観察するためのファインダーである。
【0094】
13はストロボ装置、14は測定窓、15はカメラの動作を知らせる液晶表示窓、16はレリーズボタン、17は各種のモードを切り替える操作スイッチである。
【0095】
図21は本発明のズームレンズをフィルム用カメラやデジタルカメラ等の一眼レフカメラに適用したときの光学機器の要部概略図である。
【0096】
図21において20はカメラ本体、21は本発明のズームレンズ、22は撮像手段であり、フィルム、CCD等から成っている。23はファインダー系であり、被写体像が形成される焦点板25、像反転手段としてのペンタプリズム26焦点版25上の被写体像を観察する為の接眼レンズ27を有している。24はクイックリターンミラーである。
【0097】
次に本発明の数値実施例を記載する。
【0098】
数値実施例においてriは物体側より順に第i番目の面の曲率半径、diは物体側より順に第i番目の面と第(i+1)番目の面の間隔、niとνiは各々物体側より順に第i番目の光学部材のガラスの屈折率とアッベ数である。
【0099】
又、本実施例の非球面については回転対称の非球面であり、基準曲率半径をr、レンズ光軸からの径方向距離をh、非球面係数をb,c,d,eとしたとき、光軸方向の座標Z(h)は以下の式で表わされる。
【0100】
【数7】
【0101】
回折光学素子面を表わす位相方程式は前記(a)式の係数を表記した。このとき回折の次数は1次であり、波長はd線である。
【0102】
又「e−x]は「10−x」を意味している。
【0103】
又、前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関数を表−1に示す。
【0104】
【外1】
【0105】
【外2】
【0106】
【外3】
【0107】
【外4】
【0108】
【表1】
【0109】
【発明の効果】
本発明によれば、前述の如く負の屈折力のレンズ群が先行するネガティブリード型のズームレンズにおいて、各レンズ群のレンズ構成を適切に設定することにより、色収差をはじめ諸収差を良好に補正し、広画角で全変倍範囲にわたり高い光学性能を有し、レンズ系全体の小型化を図ったズームレンズ及びそれを用いた光学機器を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の数値実施例1のレンズ断面図
【図2】本発明の数値実施例1の広角端の収差図
【図3】本発明の数値実施例1の望遠端の収差図
【図4】本発明の数値実施例2のレンズ断面図
【図5】本発明の数値実施例2の広角端の収差図
【図6】本発明の数値実施例2の望遠端の収差図
【図7】本発明の数値実施例3のレンズ断面図
【図8】本発明の数値実施例3の広角端の収差図
【図9】本発明の数値実施例3の望遠端の収差図
【図10】本発明の数値実施例3のレンズ断面図
【図11】本発明の数値実施例3の広角端の収差図
【図12】本発明の数値実施例3の望遠端の収差図
【図13】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図14】本発明に係る回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図15】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図16】本発明に係る回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図17】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図18】本発明に係る回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図19】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図20】本発明の光学機器の説明図
【図21】本発明の光学機器の説明図
【符号の説明】
L1 第1群
L2 第2群
L3 第3群
L11 第11群
L12 第12群
SP 絞り
d d線
g g線
ΔS サジタル像面
ΔM メルディオナル像面
101 回折光学素子
102 基板
103,104,105 層
10,20 カメラ本体
11 撮影光学系
12 ファインダー
13 ストロボ装置
14 測定窓
15 液晶表示窓
16 レリーズボタン
17 操作スイッチ
21 ズームレンズ
22 撮像手段
23 ファインダー系
24 クイックリターンミラー
25 焦点版
Claims (5)
- 物体側より順に、負の屈折力の前群と、正の屈折力の後群を有し、前記各群の間隔を変化させて広角端から望遠端への変倍を行うズームレンズに於いて、前群は少なくとも2枚の負レンズと、少なくとも1枚の正レンズより構成され、後群は絞りと、少なくとも2枚の正レンズと、少なくとも1枚の負レンズで構成され、前記少なくともひとつの群に回折光学素子が含まれており、DaWを広角端での前群と後群の間隔、DaTを望遠端での前群と後群の間隔、fDOEを該回折光学素子の回折成分のみの焦点距離、fw、ftを広角端と望遠端での全系の焦点距離、faを前群の広角端での焦点距離、fbを後群の焦点距離、SKwを広角端でのバックフォーカスとしたとき
DaW > DaT
10 <|fDOE|/ft< 500
の条件式を満足することを特徴としたズームレンズ。 - 前記回折光学素子は前群に含まれており、該回折光学素子は負の屈折力を有することを特徴とした請求項1のズームレンズ。
- 前記回折光学素子は後群に含まれており、該回折光学素子は正の屈折力を有することを特徴とした請求項1のズームレンズ。
- 前記回折光学素子は積層構造であることを特徴とした請求項1から3のいずれか1項のズームレンズ。
- 請求項1から4のいずれか1項のズームレンズを有することを特徴とする光学機器。
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