JP6043809B2 - 可変焦点レンズ装置及び光学結像装置 - Google Patents

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Description

本発明は光学系の技術分野に関し、具体的には可変焦点レンズ装置及びこれに対応する光学結像装置に関する。
デジタル画像技術の発展と普及に伴い、光学結像装置が様々なタイプの機器に幅広く応用されている。例えば、種類が非常に多い携帯機器と小型機器において、小型の光学結像装置が広く必要とされている。
小型の結像装置にも高精度に焦点距離を調整する能力を与えるため、ねじ山駆動の超音波モータ(USM;Ultra Sonic Motor)を用いて焦点距離を調整するものが開示されている(PCT国際出願WO2007/118418参照)。その一つの基本構造は、固定子になる外筒と回転子になる内筒を備え、内筒に光学レンズ群が設けられ、外筒に圧電素子が取り付けられ、それらの圧電素子は電気信号が与えられると外筒を振動させ進行波を発生することができ、それにより、外筒と内筒との間の螺合により内筒を回転させることによって、外筒に対する内筒の直線変位を発生させる。前記構成において、光学レンズ群が内筒とともに回転するので、このような構成において生じるズレが修正しにくくなるという問題がある。
前記問題を解消するため、回転子にもう一つの筒を増設したものも提出されている(出願番号200810142713.6、公開番号CN101425762の中国特許出願を参照)。当該筒は両端に設けられた摺動溝などの手段で固定子に径方向固定されるとともに、その筒の外面のねじ山と回転子内面のねじ山との螺合により、回転子の螺旋運動を単純な直線運動に変換し、光学レンズ群を回転子内の当該筒に取り付けて(よって、その筒はレンズ筒も呼ばれる)、光軸の回転が避けられる。しかし、光学結像装置は一般的に複数の独立調整可能な光学レンズ群、例えばズーミング用のレンズ群、フォーカシング用のレンズ群などを必要とするため、前記構造を有する複数のUSMの使用により構造はより複雑になる。
本発明は一つの観点では、内面にねじ山が設けられた第1の筒と、前記第1の筒内に位置し、外面及び内面にねじ山が設けられ、外面に設けられたねじ山のピッチ及び螺旋方向の少なくとも一方が内面とは異なり、外面のねじ山が前記第1の筒の内面のねじ山と螺合するように形成された第2の筒と、前記第2の筒を前記第1の筒に対して回転させるように、前記第1の筒の外面に取り付けられ、且つ、電気信号が与えられると前記第1の筒を振動させ進行波を発生させる第1群の圧電素子と、前記第2の筒内に位置し、外面に前記第2の筒の内面のねじ山と螺合するためのねじ山が設けられた第3の筒であって、前記第3の筒の中空の部分には第1の光学レンズ群が保持され、前記第3の筒が前記第1の筒に対して径方向に固定されることにより、前記第2の筒が回転しているときに前記第2の筒の回転軸に沿って直線運動する第3の筒と、を備える可変焦点レンズ装置であって、
固定部分と可動部分とを有するボイスコイルモータをさらに備え、前記固定部分及び前記可動部分の一方は磁石を含み、他方は導体を含み、前記導体は電気信号が与えられると前記固定部分に対して直線運動するように前記可動部分を駆動し、前記固定部分が前記第1の筒に対して固定されることにより、前記可動部分の移動経路が前記第2の筒の前記回転軸に平行となり、前記可動部分には第2の光学レンズ群が取り付けられていることを特徴とする可変焦点レンズ装置
を提供する。
本発明は別の観点では、前記可変焦点レンズ装置と、光学レンズ群と、フォトセンサとを備える光学結像装置を提供する。
本発明の具体例においては、互いに異なる光学レンズ群を駆動する、ねじ山駆動のUSMとボイスコイルモータとの組み合わせ方式が採用されている。USMにおいては、固定子に対して径方向に固定された第3の筒を回転子内に配置することにより、回転子の螺旋運動を単純な直線運動に変換する。このような組み合わせ方式の焦点距離調整構造によって、光軸の安定性を良好に維持しつつ、異なる駆動方式の組み合わせにより、異なる機能のレンズ群を一体化してこれらを好適に利用することができ、全体の構成が簡素化される。
以下、本発明の可変焦点レンズ装置及び光学結像装置の具体的な例示を、図面を参照しながら詳しく説明する。
本発明に係る光学結像装置の一つの実施例の縦断面構成模式図。 図1における一部の構造の分解斜視図。 本発明に係る光学結像装置の他の一つの実施例の縦断面構成模式図。 本発明に係る光学結像装置のさらに他の一つの実施例の縦断面構成模式図。
(実施例1)
本発明に係る可変焦点レンズ装置の一つの実施の形態は、図1と図2に示すように、2群の独立制御可能な焦点調整構造、即ち構造20及び構造60を備える。構造20はUSM駆動を採用し、第1の筒22と、第2の筒23と、第1群の圧電素子21と、第3の筒24とを備える。構造60はボイスコイルモータ(VCM;Voice Coil Motor)駆動を採用している。
第1の筒22の内面にはねじ山221が設けられている。第2の筒23は第1の筒22内に位置し、その外面及び内面にそれぞれねじ山231と232とが設けられている。第2の筒23は、その外面に設けられたねじ山のピッチ及び螺旋方向の少なくとも一方が内面とは異なり、外面のねじ山231が第1の筒22の内面のねじ山221と螺合するためのものである。第2の筒23を第1の筒22に対して回転させるように、第1群の圧電素子21が、第1の筒22の外面に取り付けられている。第1群の圧電素子21に電気信号が与えられると第1の筒22を振動させ進行波を発生させる。
第1の筒22と、第2の筒23と、第1群の圧電素子21とによりねじ山駆動のUSMが構成され、その分解斜視図は図2である。また、第1の筒22は固定子とも呼ばれ、第2の筒23は回転子とも呼ばれる。第1群の圧電素子21は図2に示すような複数の圧電片の組(例えば圧電セラミックス製の複数の薄膜の組)でもよく、形状が正多角形であり、接着又は溶接の手段によって固定子の外面に取り付けられている。また、他の実施の形態において、圧電素子は他の形状や構成でもよく、固定子を振動させ円周方向の進行波が発生すればよいことは、言うまでもない。他の実施の形態において、固定子と回転子との相互螺合ためのねじ山の表面について耐摩耗処理を行い、または耐摩耗材料を塗布してもよい。本発明の他のねじ山による螺合に係る箇所も似たような処理を行ってもよいことは言うまでもなく、その説明は省略する。ねじ山駆動のUSMについての詳しい説明は、出願番号WO2007118418のPCT国際出願を参照できる。
第3の筒24は第2の筒23内に位置し、その外面に第2の筒23の内面のねじ山232と螺合するためのねじ山241が設けられている。第3の筒24が第1の筒22に対して径方向に固定されることにより、第3の筒24は、第2の筒23が回転しているときに第2の筒23の回転軸に沿って直線運動する。第3の筒24の中空の部分は第1の光学レンズ群25を配置されるので、第3の筒24はレンズ筒とも呼ばれる。
VCMは固定部分と可動部分とを備え、その固定部分と可動部分の一方は磁石を含み、他方は導体を含む。導体は電気信号が与えられると、可動部分の移動経路が第2の筒23の回転軸に平行となるように、固定部分に対して直線運動するように可動部分を駆動する。VCMの可動部分には第2の光学レンズ群61が固定されている。
本発明の光学結像装置の一つの実施の形態は、前記実施の形態の可変焦点レンズ装置を備え、第1の光学レンズ群25と、第2の光学レンズ群61と、フォトセンサ15とを含む(図1と図2を参照)。なお、第1の光学レンズ群25は第3の筒24内に設けられ、その光軸がUSMの回転子の回転軸に平行である。第2の光学レンズ群61は、VCMの可動部分に固定され、第2の光学レンズ群61の光軸が第1の光学レンズ群25の光軸と同一である。フォトセンサ15は光路に沿って第2の光学レンズ群61の後段に設けられ、その感光面が第1の光学レンズ群25の光軸に垂直である。USMはサイズが小さく、ストロークが長いという特性を有するので、第1の光学レンズ群25をズーミングのために使用することができる。また、VCMは、技術的に成熟しており、そのストロークが短いという特徴もフォーカシングの要求を満たしているので、第2の光学レンズ群61をフォーカシングのために使用することができる。
図1及び2を参照し、可変焦点レンズ装置の他の実施の形態において、さらにレンズ筒がUSMの固定子に対して径方向に固定された構成を実現することができる。具体的には、少なくとも1つのロッド10を備え、ロッド10は第1の筒22に対して径方向に固定されている。第3の筒24の筒壁には少なくとも1つの、第2の筒23の回転軸に平行な貫通孔が設けられ、ロッド10は第3の筒24の貫通孔に貫通状態で配置されることにより、第3の筒24は第2の筒23が回転しているときロッド10に沿って直線運動する。レンズ筒は他の方式で径方向に固定されてもよく、例えば、レンズ筒両端の位置制限構造によって固定されてもよい。前記好ましい構成は、レンズ筒の筒壁を貫通状態で配置されたロッドによりレンズ筒の径方向への固定を実現するので、位置決めの構造が簡易になるとともに、レンズ筒と互いに独立していて、レンズ筒内に配置される光学レンズ群の光軸の安定性を保証しつつ、部品の製造および組立もより簡単にでき、精度の要求をより良好に満たすこともできる。
ロッド10はレンズ筒を固定するという役割を担うため、少なくとも1つでその目的を図ることができるが、よりよい力平衡並びに構造の安定性及び精度を考慮すれば、回転子の回転軸に対し対称に2つのロッドを配置する(図1及び2に示すように)、或いは、複数のロッドを均一に配布してもよい。当然ながら、レンズ筒の筒壁にもこれに対応した同じ個数分の貫通孔を設けるべきである。
図1及び2を参照すると、可変焦点レンズ装置の他の実施の形態において、さらに以下の構成によりUSMの固定子に対するレンズ筒の径方向の固定を実現することができる。具体的に、孔111が設けられた第1の基体11と孔121が設けられた第2の基体12とを備え、第1の基体11と第2の基体12とにはそれぞれ位置制限穴112と位置制限穴122が設けられ、第1の筒22が第1の基体11に固定され、ロッド10の両端はそれぞれ第1の基体11及び第2の基体12の位置制限孔に挿入または貫通状態で配置されている。これに対応して、第1の筒22に対して固定されたVCMの固定部分の構造は、以下のとおりである。すなわち、VCMの固定部分が第3の基体14に固定され、第3の基体14に第2の基体12が固定接続され、第3の基体14がフォトセンサ15を保持するために用いられる構成である。第1の基体11はロッド10と第1の筒22との固定の基礎として役目を果たしているので、部品の製造中において設計の精度を保証しやすくなり、組立も簡易且つ確実になる。他の実施の形態において、ロッド10は他の方式と構成で第1の筒22に対して径方向に固定されてもよく、例えば、ロッド10の端部を曲げて、第1の筒22の筒壁に挿入又は溶接してもよい。
図1及び図2を参照すると、可変焦点レンズ装置の他の実施の形態において、組立の精度がより高くなることを保証するため、第7の筒13が配置されている。第1の筒22は第7の筒13内に配置されている。第7の筒13の一端は第1の基体11に固定接続され、他端は第2の基体12に固定接続されている。第7の筒13と2つの基体との固定接続は、それぞれに第7の筒13の端部と対応する基体とに位置決め孔と位置決め突起とをそれぞれ設け、位置決め突起を対応する位置決め孔に係合する構成とすることにより、さらに組み立てるときの精度を上げられる。
(実施例2)
本発明の可変焦点レンズ装置の他の1つの実施の形態について、図3を参照して説明する。前の実施の形態と比べ、当該可変焦点レンズ装置の実施の形態は、構造20と構造60との間に独立制御可能な焦点調整構造、即ち構造40を追加して、より広い需要に適合するようにしたものである。
追加される構造40は構造20と似ていて、ともにUSM駆動を採用し、具体的に第4の筒42と、第5の筒43と、第2群の圧電素子41と、第6の筒44とを備える。
構造20の説明のように、第4の筒42と、第5の筒43と、第2群の圧電素子41とにより1つのねじ山駆動のUSMが構成される。第4の筒42はUSMの固定子になり、第5の筒43はUSMの回転子になり、第6の筒44は光学レンズ群45を配置するための中空の部分を有するレンズ筒である。第4の筒42は第1の筒22に対して固定され、第5の筒43の回転軸は第2の筒23の回転軸と同一である。第4の筒42と、第5の筒43と、第2群の圧電素子41と、第6の筒44とのそれぞれの構成関係は、第1の筒22と、第2の筒23と、第1群の圧電素子21と、第3の筒24とのそれぞれの構成関係に対するものと同じである。注意が必要なのは、構造20と構造40とは、部品間の構成関係は同じであるが、部品のサイズと部品間の螺合に使用するねじ山の曲線は異なってもよく、異なる制御精度、調整速度、ストロークの長さなどの要求が満たされればよい。
本発明の光学結像装置の他の一つの実施の形態は、前記実施の形態の可変焦点レンズ装置を備え、ズーミング用の第1の光学レンズ群25(構造20によりUSM駆動される)と、フォーカシング用の第2の光学レンズ群61(構造60によりVCM駆動される)と、ズーミング補償のための第3の光学レンズ群45(構造40によりUSM駆動される)と、フォトセンサ15とを含む(図3参照)。なお、3つの光学レンズ群の光軸は同一であり、USMの回転子の回転軸に平行である。
図3を参照して、可変焦点レンズ装置の他の実施の形態は、2つのUSMでの駆動構造は、ロッド10を用いてUSMの固定子に対するレンズ筒の径方向の固定を実現するという点において、実施例1で言及したUSM駆動構造と類似している。ロッド10は、構造20と構造40とに共通とすることができる。1つの実施の形態において、ロッド10は2つ設けられ、これらはUSMの回転子の回転軸に対し対称に配置される。
図3を参照し、可変焦点レンズ装置の他の実施の形態において、さらに以下の構成によりUSMの回転子に対するレンズ筒の径方向の固定を実現するこができる。具体的に、孔が設けられた第1の基体11と、孔が設けられた第2の基体12を備え、第1の基体11と第2の基体12とには位置制限穴が設けられ、第1の筒22が第1の基体11に固定され、第4の筒42が第2の基体12に固定され、ロッド10の両端はそれぞれ第1の基体11と第2の基体12の位置制限孔に挿入または貫通状態で配置されている。
図3を参照して、可変焦点レンズ装置の他の実施の形態において、組立の精度がより良好となることを保証するため、第7の筒13が配置されている。構造20及び構造40がともに第7の筒13内に配置されている。第7の筒13の一端は第1の基体11に固定接続され、他端は第2の基体12に固定接続されることにより、ロッド10とUSMの回転子の回転軸との平行性、および2つの光学レンズ群の光軸の一致をよりよく保証する。
(実施例3)
本発明の可変焦点レンズ装置およびこれに対応した光学結像装置の他の1つの実施の形態について、図4を参照して説明する。実施例1との比較において、本実施例には、光路調整素子が追加されている。光路調整素子は、光路において第1の光学レンズ群25の前段に配置され、入射する光線の光路を曲げる。例えば、1つの潜望鏡構造44が追加され、入射光が90度曲げられてから後続の焦点調整構造に進行させるにより、携帯電話機などの機器に適用する場合に結像装置全体を横に配置することができ、結像装置全体の高さを削減して、携帯電話機などの機器への厚みに対する要求を満たすことができる。
以上は具体的な実施例を使って本発明の原理と実施の形態について説明したが、以上の実施の形態はあくまで本発明を理解するためのものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるわけではないことを理解すべきであろう。当業者は、本発明の思想に基づいて前記具体的な実施の形態を変更するができる。

Claims (4)

  1. 内面にねじ山が設けられた第1の筒と、
    前記第1の筒内に位置し、外面及び内面にねじ山が設けられ、外面に設けられたねじ山のピッチ及び螺旋方向の少なくとも一方が内面とは異なり、外面のねじ山が前記第1の筒の内面のねじ山と螺合するように形成された第2の筒と、
    前記第2の筒を前記第1の筒に対して回転させるように、前記第1の筒の外面に取り付けられ、且つ、電気信号が与えられると前記第1の筒を振動させ進行波を発生させる第1群の圧電素子と、
    前記第2の筒内に位置し、外面に前記第2の筒の内面のねじ山と螺合するためのねじ山が設けられた第3の筒であって、前記第3の筒の中空の部分には第1の光学レンズ群が保持され、前記第3の筒が前記第1の筒に対して径方向に固定されることにより、前記第2の筒が回転しているときに前記第2の筒の回転軸に沿って直線運動する第3の筒と、を備える可変焦点レンズ装置であって、
    固定部分と可動部分とを有するボイスコイルモータをさらに備え、前記固定部分及び前記可動部分の一方は磁石を含み、他方は導体を含み、前記導体は電気信号が与えられると前記固定部分に対して直線運動するように前記可動部分を駆動し、前記固定部分が前記第1の筒に対して固定されることにより、前記可動部分の移動経路が前記第2の筒の前記回転軸に平行となり、前記可動部分には第2の光学レンズ群が取り付けられており、
    且つ、少なくとも1つのロッドをさらに備え、前記ロッドは前記第1の筒に対して径方向に固定され、
    前記第1の筒に対して径方向に固定された前記第3の筒の筒壁には少なくとも1つの、前記第2の筒の前記回転軸に平行な貫通孔が設けられ、前記ロッドが前記貫通孔に貫通状態で配置されることにより、前記第3の筒は前記第2の筒が回転しているときに前記ロッドに沿って直線運動し、且つ、
    前記第1の筒に対して固定され、内面にねじ山が設けられた第4の筒と、
    前記第4の筒内に位置し、外面及び内面にねじ山が設けられ、外面に設けられたねじ山のピッチ及び螺旋方向の少なくとも一方が内面とは異なり、外面のねじ山が前記第4の筒の内面のねじ山と螺合するように形成された第5の筒と、
    前記第5の筒を前記第4の筒に対して回転させるように、前記第4の筒の外面に取り付けられ、且つ、電気信号が与えられると前記第4の筒を振動させ進行波を発生させ、前記第5の筒の回転軸と前記第2の筒の前記回転軸とは同一である第2群の圧電素子と、
    前記第5の筒内に位置し、外面に前記第5の筒の内面のねじ山と螺合するためのねじ山が設けられた第6の筒であって、前記第6の筒の中空の部分には第3の光学レンズ群が保持され、前記第6の筒が前記第4の筒に対して径方向に固定されることにより、前記第5の筒が回転しているときに前記第5の筒の回転軸に沿って直線運動する第6の筒と、をさらに備え、
    前記第4の筒に対して径方向に固定された前記第6の筒の筒壁には少なくとも1つの、前記第6の筒の回転軸に平行な貫通孔が設けられ、前記ロッドがこの貫通孔に貫通状態で配置されることにより、前記第6の筒は前記第5の筒が回転しているときに前記ロッドに沿って直線運動し、且つ、
    第1の基体と、第2の基体と、第7の筒とをさらに備え、
    前記第1の基体と前記第2の基体とにはそれぞれ位置制限孔が設けられ、
    前記第7の筒の一端は前記第1の基体に固定接続され、他端は前記第2の基体に固定接続され、
    前記第1の筒と前記第4の筒とは前記第7の筒内に位置し、前記第1の筒が前記第1の基体に固定され、
    前記第4の筒は前記第1の筒に対して固定され、前記第4の筒は前記第2の基体に固定され、
    前記ロッドは前記第1の筒に対して径方向に固定され、前記ロッドの両端はそれぞれ前記第1の基体及び前記第2の基体の前記位置制限孔に挿入または貫通状態で配置されていることを特徴とする可変焦点レンズ装置。
  2. 前記ロッドは2つ設けられ、2つの前記ロッドが前記第2の筒の前記回転軸に対し対称に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の可変焦点レンズ装置。
  3. 内面にねじ山が設けられた第1の筒と、
    前記第1の筒内に位置し、外面及び内面にねじ山が設けられ、外面に設けられたねじ山のピッチ及び螺旋方向の少なくとも一方が内面とは異なり、外面のねじ山が前記第1の筒の内面のねじ山と螺合するように形成された第2の筒と、
    前記第2の筒を前記第1の筒に対して回転させるように、前記第1の筒の外面に取り付けられ、且つ、電気信号が与えられると前記第1の筒を振動させ進行波を発生する第1群の圧電素子と、
    前記第2の筒内に位置し、外面に前記第2の筒の内面のねじ山と螺合するためのねじ山が設けられた第3の筒であって前記第3の筒が前記第1の筒に対して径方向に固定されることにより、前記第2の筒が回転しているときに前記第2の筒の回転軸に沿って直線運動する第3の筒と、
    前記第3の筒内に位置し、前記第2の筒の前記回転軸に平行な光軸を有する第1の光学レンズ群と、
    前記光軸に垂直な感光面を有するフォトセンサと、を備える光学結像装置であって、
    ボイスコイルモータと、第2の光学レンズ群とをさらに備え、
    前記ボイスコイルモータは、光路に沿って前記第1の光学レンズ群の後段に配置され、固定部分と可動部分とを備え、前記固定部分及び前記可動部分の一方は磁石を含み、他方は導体を含み、前記導体は電気信号が与えられると前記固定部分に対して直線運動するように前記可動部分を駆動し、前記固定部分が前記第1の筒に対して固定されることにより、前記可動部分の移動経路が前記第2の筒の前記回転軸に平行となり、
    前記第2の光学レンズ群は、前記ボイスコイルモータの可動部分に固定され、前記第2の光学レンズ群の光軸が前記第1の光学レンズ群の光軸と同一であり、前記第1の光学レンズ群はズーミング用であり、前記第2の光学レンズ群はフォーカシング用であり、
    前記フォトセンサは光路に沿って前記第2の光学レンズ群の後段に配置されており、
    且つ、少なくとも1つのロッドをさらに備え、前記ロッドは前記第1の筒に対して径方向に固定され、
    前記第1の筒に対して径方向に固定された前記第3の筒の筒壁には少なくとも1つの、前記第2の筒の前記回転軸に平行な貫通孔が設けられ、前記ロッドが前記貫通孔に貫通状態で配置されることにより、前記第3の筒は前記第2の筒が回転しているときに前記ロッドに沿って直線運動し、且つ、
    光路に沿って前記第1の光学レンズ群の後段に配置され、前記第1の筒に対して固定され、内面にねじ山が設けられた第4の筒と、
    前記第4の筒内に位置し、外面及び内面にねじ山が設けられ、外面に設けられたねじ山のピッチ及び螺旋方向の少なくとも一方が内面とは異なり、外面のねじ山が前記第4の筒の内面のねじ山と螺合するように形成された第5の筒と、
    前記第5の筒を前記第4の筒に対して回転させるように、前記第4の筒の外面に取り付けられ、且つ、電気信号が与えられると前記第4の筒を振動させ進行波を発生させ、前記第5の筒の回転軸と前記第2の筒の前記回転軸とは同一である第2群の圧電素子と、
    前記第5の筒内に位置し、外面に前記第5の筒の内面のねじ山と螺合するためのねじ山が設けられた第6の筒であって、前記第6の筒の中空の部分には第3の光学レンズ群が保持され、前記第6の筒が前記第4の筒に対して径方向に固定されることにより、前記第5の筒が回転しているときに前記第5の筒の回転軸に沿って直線運動する第6の筒と、
    前記第6の筒内に位置し、前記第1の光学レンズ群の光軸が同一であるズーミング補償用の第3の光学レンズ群と、をさらに備え、
    前記第4の筒に対して径方向に固定された前記第6の筒の筒壁には少なくとも1つの、前記第2の筒の前記回転軸に平行な貫通孔が設けられ、前記ロッドがこの貫通孔に貫通状態で配置されることにより、前記第6の筒は前記第5の筒が回転しているときに前記ロッドに沿って直線運動し、且つ、
    第1の基体と、第2の基体と、第7の筒とをさらに備え、
    前記第1の基体と前記第2の基体とにはそれぞれ位置制限孔が設けられ、
    前記第7の筒の一端は前記第1の基体に固定接続され、他端は前記第2の基体に固定接続され、
    前記第1の筒と前記第4の筒とは前記第7の筒内に位置し、前記第1の筒が前記第1の基体に固定され、
    前記第4の筒は第1の筒に対して固定され、前記第4の筒は前記第2の基体に固定され、
    前記ロッドは前記第1の筒に対して径方向に固定され、前記ロッドの両端はそれぞれ前記第1の基体及び前記第2の基体の前記位置制限孔に挿入または貫通状態で配置されていることを特徴とする光学結像装置。
  4. 光路に沿って前記第1の光学レンズ群の前段に配置され、入射する光線の光路を曲げるための光路調整素子をさらに備えることを特徴とする請求項3に記載の光学結像装置。
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