CN101251639A - 变焦透镜和图像获取装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种变焦透镜和具有该变焦透镜的图像获取装置。所述变焦透镜包括分别具有负、正、和正屈光力的第一到第三透镜组。当透镜位置状态从广角到远距照相变化时,全部透镜组沿光轴方向移动使得第一和第二透镜组之间的距离减小并且第二和第三透镜组之间的距离增大。通过第三透镜组的移动实现近距离聚焦。第一透镜组由负和正透镜元件组成。第二透镜组由一个正透镜元件、和一个由一个双凸形状的正透镜和一个双凹形状的负透镜组成的胶合透镜组成。第三透镜组由一个正透镜元件组成,其物侧和像侧透镜表面中的至少一个是非球面。该变焦透镜满足预定的条件。

Description

变焦透镜和图像获取装置
技术领域
本发明涉及一种新的变焦透镜和一种新的图像获取装置。尤其,本发明涉及一种小型变焦透镜和一种使用该变焦透镜的图像获取装置。
背景技术
为了在照相机上记录一目标图像,已知一种在采用例如CCD(电荷耦合器件)或者CMOS(互补金属氧化物半导体)的光电转换元素的图像获取装置上记录该目标图像的方法。在该方法中,形成在图像获取装置上的目标图像通过使用相应的光电转换元件将目标图像的强度转换为电输出被记录。
例如,用于通过使用这些光电转换元件的图像获取元件记录目标图像的所谓的数码摄像机和数码照相机的适当的变焦透镜已知有负-正-正的3组变焦透镜。
通过从物侧顺次排列来配置该负-正-正3组变焦透镜,三个透镜组的第一透镜组具有负屈光力,第二透镜组具有正屈光力以及第三透镜组具有正屈光力。当透镜位置从具有最短焦距的最大广角状态变化到具有最长焦距的最大远距照相状态时,至少第二透镜组向物侧移动,并且第一和第三透镜组沿光轴方向移动以便第一透镜组和第二透镜组之间的距离减小,第二透镜组和第三透镜组之间的距离增加。
例如,已知的有公开号2000-89110,2002-277740,2001-318311和2003-307677的日本未审核专利申请中所具体描述的装置。
然而,已知的负-正-正3组变焦透镜中存在一个问题。即,最大广角状态的整个透镜长度很大,使得其难以缩小照相机机身的高度。此外,用于移动第一透镜组的凸轮轨道的倾斜太陡峭不能确保充分的停止精度。
发明内容
考虑到上述问题,本发明期望提供一种适于小型化照相机机身的变焦透镜,和一种使用该变焦透镜的图像获取装置。
根据本发明的一实施例,提供一种变焦透镜,其包括具有负屈光力的第一透镜组、具有正屈光力的第二透镜组和具有正屈光力的第三透镜组,该第一、第二、和第三透镜组从物侧起以此次序被设置。当透镜位置状态从最大广角状态向最大远距照相状态变化时,所有的透镜组沿光轴方向移动,并且至少第二透镜组向物侧移动,第三透镜组向像侧移动,使得第一透镜组和第二透镜组之间的距离减小并且第二透镜组和第三透镜组之间的距离增大。当目标位置变化时,第三透镜组移动以执行近距离聚焦。第一透镜组由凹面朝向像侧并且像侧透镜表面是非球面的负透镜元件、和凹面朝向像侧的弯月形的正透镜元件组成,正透镜元件设置在负透镜元件的像侧上,两者间具有气隙。第二透镜组由一个正透镜元件,和一个由一个双凸形的正透镜和一个双凹形的负透镜组成的胶合透镜组成,该胶合透镜布置在正透镜元件的像侧,两者间具有气隙。第三透镜组由一个正透镜元件组成,其中物侧透镜表面和像侧透镜表面中的至少一个是非球面。该变焦透镜满足以下条件式(1):0.12<24·fw<0.22,其中φ24是第二透镜组中布置的胶合透镜的胶合面的屈光力,其由以下方程式定义:24=(n5-n4)/R24(n5<n4),其中n5是构成第二透镜组中布置的胶合透镜的负透镜的关于d线(具有587.6nm的波长)的折射率;n4是构成第二透镜组中布置的胶合透镜的正透镜的关于d线的折射率;R24是第二透镜组中布置的胶合透镜的胶合面的曲率半径;以及fw是整个透镜***在最大广角状态的焦距。
根据本发明一实施例的图像获取装置包括根据上述本发明实施例的变焦透镜和用于将由该变焦透镜形成的光学图像转换成为电信号的固体图像获取元件。
根据本发明的实施例,可小型化照相机机身。
附图说明
图1示出本发明变焦透镜的一实施例中的屈光布置的示意图;
图2示出本发明变焦透镜的第一实施例的透镜结构的示意图;
图3、4和5是数值示例1的像差曲线图,其中具体的数值被用于第一实施例,尤其地,图3示出最大广角状态中的球面像差、像散差、畸变像差和横向像差,图4A和4B示出中间焦距状态中的上述像差,图5示出最大远距照相状态中的上述像差;
图6示出本发明变焦透镜的第二实施例的透镜结构的示意图;
图7、8和9是数值示例2的像差曲线图,其中具体的数值示例被用于第二实施例,尤其地,图7示出最大广角状态中的球面像差、像散差、畸变像差和横向像差,图8示出中间焦距状态中的上述像差,图9示出最大远距照相状态中的上述像差些;
图10示出本发明变焦透镜的第三实施例的透镜结构的示意图;
图11、12和13是数值示例3的像差曲线图,其中具体的数值示例被用于第三实施例,尤其地,图11示出最大广角状态中的球面像差、像散差、畸变像差和横向像差,图12示出中间焦距状态中的上述像差,图13示出最大远距照相状态中的上述像差;
图14A和14B是示出可伸缩型照相机的透镜镜筒结构的示意的剖视图;
图15示出传统的可伸缩型照相机的透镜镜筒的内表面中形成的凸轮沟槽的形状的示意图;
图16示出图15所示的凸轮沟槽的一部分的放大示意图;
图17示出使用根据本发明实施例的变焦透镜的可伸缩型照相机的透镜镜筒的内表面中形成的凸轮沟槽的形状的示意图;
图18和19分别是可伸缩型照相机的示意正视图和示意侧视图,为了说明可伸缩型照相机中的要点;和
图20示出根据本发明实施例的图像获取装置的方框图。
具体实施方式
以下将参考附图描述依照本发明的一说明性的实施例应用变焦透镜和该图像获取装置的实施例。
首先,本发明一实施例的变焦透镜将描述如下。
本发明一实施例的变焦透镜包括具有负屈光力的第一透镜组,具有正屈光力的第二透镜组和具有正屈光力的第三透镜组,从物侧开始以第一,第二,和第三透镜组的次序排列。当透镜位置状态从最大广角状态变化到最大远距照相状态,全部透镜组沿光轴方向移动,并且至少第二透镜组向物侧移动,第三透镜组向像侧移动,以减小第一透镜组和第二透镜组之间的距离并增加第二透镜组和第三透镜组之间的距离。当目标位置变化,第三透镜组移动以执行近距离聚焦。第一透镜组由凹面朝向像侧并且像侧透镜表面是非球面的负透镜元件和凹面朝向像侧的弯月形的正透镜元件组成,正透镜元件被布置在负透镜元件的像侧上,两者间具有气隙。第二透镜组由一个正透镜元件和一个胶合透镜组成,该胶合透镜由一个双凸形的正透镜和一个双凹形的负透镜组成的,该胶合透镜布置在正透镜元件的像侧,两者间具有气隙。第三透镜组由一个正透镜元件组成,其物侧透镜表面和像侧透镜表面中的至少一个是非球面。变焦透镜满足以下条件式(1):0.12<24·fw<0.22,其中24是第二透镜组中布置的胶合透镜的胶合面的屈光力,由以下方程式定义:24=(n5-n4)/R24(n5<n4),其中n5是构成第二透镜组中布置的胶合透镜的负透镜的关于d线(具有587.6nm的波长)的折射率;n4是构成第二透镜组中布置的胶合透镜的正透镜的关于d线的折射率;R24是第二透镜组中布置的胶合透镜的胶合面的曲率半径;以及fw是整个透镜***在最大广角状态的焦距。
上述变焦透镜可有助于照相机机身的小型化。
当透镜位置状态从最大广角状态变化到最大远距照相状态,第一和第二透镜组之间的距离减小,以致第二透镜组的横向放大率变化,因此整个透镜***的焦距变化。第三透镜组沿光轴方向移动,提供对透镜位置变化引起的像面畸变像差变动的极好校正。
在近距离聚焦的时候移动第三透镜组能够简化透镜镜筒结构。这是因为第三透镜组具有小的透镜直径。
负-正-正3组变焦透镜经常用于所谓的可伸缩型照相机,其中透镜组收容在照相机机身中以便最小化相应的透镜组之间的距离。
为了缩减照相机机身的厚度,需要缩小用于这些可伸缩型照相机中的变焦透镜的透镜组厚度和整个透镜长度。亦即,在可伸缩型照相机中,保持透镜的透镜镜筒沿光轴方向移动,当这些压缩时,相应的透镜镜筒互相覆盖,然后收容在主体中。
本发明的实施例的变焦透镜中,如后所述,由于第二透镜组横向放大率的大范围的负值,同在此以前使用的透镜组比较起来,可减少在最大广角状态处的整个透镜长度。
然而,仅仅改变第二透镜组的横向放大率会引起以下问题,即最大广角状态下的视角可能狭窄;最大远距照相状态下的整个透镜长度可能大于传统的长度;可能不能保证最大远距照相状态下第一和第二透镜组之间的充足的距离。解决该问题的较为简单的方法是增加第一和第二透镜组的屈光力。然而这引起以下新问题,即由于在制造期间形成的生产误差显著地恶化光学性能;并且可能增加随着最大广角状态下视角的变化而形成的离轴像差。
考虑到此,可通过以下透镜结构以及注意以下两点解决上述问题并可最小化在生产期间的装配误差等等的影响。所述结构是,第一透镜组由一个负透镜L11和一个正透镜L12的两个透镜组成,并且负透镜L11的像侧透镜表面是非球面。第二透镜组由一个正透镜L21和一个由一个正透镜和一个负透镜组成的胶合负透镜L22组成。第三透镜组由一个正透镜L3组成。第一点是当透镜位置状态从最大广角状态变化到最大远距照相状态时,第三透镜组向像侧移动。第二点是恰当地设置胶合面的屈光力。
具体地,第一透镜组具有由负透镜L11和布置在负透镜L11的像侧上并在两者间具有气隙的正透镜L12组成的板状(tablet)结构。这能够极好校正轴上像差和离轴像差。此外,非球面被用于负透镜L11的像侧透镜表面,因此可很好地校正彗差随视角变化的变动,在最大广角状态下尤其趋向产生该变动。
第二透镜组由正透镜L21和由正透镜和负透镜组成的胶合透镜L22组成,胶合透镜L22布置在正透镜L21像侧上,两者间具有气隙。这能够极好校正易于发生在最大广角状态的负畸变像差。
尤其是,为了防止由于正透镜L21和胶合透镜L22在制造期间形成的相互倾斜导致的光学性能恶化,与胶合透镜L22中的负透镜的折射率相比,正透镜的折射率增加,并且胶合面的凹面朝向物侧。这容许正屈光力缓和正透镜的物侧透镜表面的曲率半径。将胶合面的凹面设置为朝向物侧还可以抑制在胶合面上发生离轴像差。
第三透镜组由正透镜L3组成。正透镜L3的物侧透镜表面和像侧透镜表面中的至少一个可以是非球面。这能够极好校正彗差的变动,该变动尤其在最大远距照相状态随着视角的变化而产生。
另外,通过设置第三透镜组使得其在最大广角状态与像面分离,可抑制负畸变像差的发生。此外,当透镜位置状态从最大广角状态变化到最大远距照相状态时,第三透镜组向像侧移动,并且通过第三透镜组的离轴光的高度变化可用于极好地校正离轴像差随透镜位置变化的变动。
虽然可以考虑不仅在最大广角状态,也在最大远距照相状态减少整个透镜长度,有关透镜组的屈光力可进一步提高,但是在生产期间的装配误差等等的影响增加,使得其难以确保稳态的光学性能。因此,在本发明实施例的变焦透镜中,主要目标是缩小最大广角状态下的整个透镜长度。
优选,在第一和第二透镜组之间设置一孔径光阑,并且当透镜位置改变时该孔径光阑与第二透镜组整体地移动。这使得孔径光阑可以布置在第一透镜组的像侧上。因此,负透镜L11的像侧透镜表面的凹面朝向像侧,正透镜L12的像侧透镜表面的凹面朝向像侧,使得能够极好地校正最大广角状态下产生的离轴像差。在最大广角状态下,离轴光远离光轴地穿过第一透镜组,使得能够分别地校正离轴像差和轴上像差。另外,当透镜位置状态从最大广角状态变化到最大远距照相状态,第一透镜组和孔径光阑之间的距离缩小,因此通过第一透镜组的离轴光可接近于光轴。这能够极好地校正当透镜位置变化时产生的离轴像差的变动。
条件式(1)用于定义设置在第二透镜组中的胶合透镜L22的胶合面的屈光力。
当第二透镜组由一个正透镜和一个由一个正透镜和一个负透镜组成的胶合负透镜组成时,在由于正透镜和胶合负透镜之间的相互倾斜导致的性能恶化方面存在一个重要的问题。其中R21是构成正透镜的物侧透镜表面;R22是像侧透镜表面;R23是构成胶合透镜的物侧透镜表面;R24是胶合面;R25是像侧透镜表面,该三个透镜表面R21、R22和R23具有正屈光力并具有会聚作用,该胶合面R24具有色差校正作用,透镜表面R25具有负屈光力并具有发散作用。因此,当正透镜和胶合透镜导致相互偏心时,仅仅具有会聚作用的三个表面中的一个会被移动,导致光学性能恶化。尤其,胶合透镜的物侧透镜表面R23的非常凸起的表面朝向物侧,从而导致在偏心期间屏幕的周边部分的性能恶化。
考虑到此,本发明的实施例的变焦透镜中,通过提高执行主要色差校正的胶合透镜L22的胶合面R24的正屈光力,减小物侧透镜表面的屈光力以抑制由于相互离轴导致的光学性能恶化。
随着超出条件式(1)的上限,胶合面R24的屈光力过于提高,导致高次负球差和光学性能恶化。增加中心厚度以便该正透镜可承受磨光处理和表面研磨处理变成必要的。这与小型化相悖。
随着低于条件式(1)的下限,如先前提到的,胶合面R24的正屈光力被削弱,胶合透镜L22的物侧透镜表面R23的屈光力被提高。这增加在制造期间产生的正透镜L21和胶合透镜L22之间的相互倾斜导致的光学性能的恶化,使其难以获得稳态的光学性能。
在依照本发明实施例的变焦透镜中,为了抑制最大广角状态下的离轴像差,以及进一步改善光学性能,期望满足以下用于定义第一透镜组中正透镜L12的形状的条件式(2)。
0.25<fw/r22<0.32  (2)
其中,r22是设置在第一透镜组中的正透镜元件L12的像侧透镜表面的曲率半径。
随着低于条件式(2)的下限,在最大广角状态下在正透镜L12中产生的场的负曲率太大,使得其难以实现较高性能。
相反,随着超出条件式(2)的上限值,正透镜L12的主点位置向像侧移动。这导致不希望的整个透镜长度的增加。
在依照本发明实施例的变焦透镜中,为了通过更适当地校正最大广角状态下的轴上像差实现高图像质量,希望满足以下用于定义设置在第二透镜组中的正透镜L21形状的条件式(3)。
-0.5<(r31+r32)/(r31-r32)<-0.3  (3)
其中,r31是设置在第二透镜组中的正透镜元件L21的物侧透镜表面的曲率半径,以及r32是设置在第二透镜组中的正透镜元件L21的像侧透镜表面的曲率半径。
随着超出条件式(3)的上限,正透镜L21的物侧透镜表面的会聚作用被削弱,第二透镜组的主点位置向像侧移动,使得难以缩小整个透镜长度。
相反,随着低于条件式(3)的下限值,正透镜L21的物侧透镜表面的会聚作用被提高,导致负球差的不充分校正。
虽然还可通过使得正透镜L21的物侧透镜表面成为非球面来适当地校正负球差,但是随着正透镜L21的物侧透镜表面的曲率增加,负透镜的像侧透镜表面的曲率增加。结果,在胶合透镜L22中产生的正球面像差增加。这使得难以避免由于正透镜L21和胶合透镜L22之间相互偏心导致的光学性能的恶化,使得难以实现高图像质量。
在依照本发明实施例的变焦透镜中,为了缩小在最大广角状态的整个透镜长度,期望满足以下用于定义第二透镜组的横向放大率的条件式(4)。
1.3<β2w·β2t<1.5  (4)
其中,β2w是第二透镜组在最大广角状态的横向放大率,β2t是第二透镜组在最大远距照相状态的横向放大率。
随着低于条件式(4)的下限,最大广角状态的整个透镜长度可能没有充分的缩小。
随着超出条件式(4)的上限,第二透镜组在最大远距照相状态的横向放大率太大,导致在第一透镜组和第二透镜组的光轴方向上的非常高的光阑准确度。提高的光阑准确度可能导致甚至由于在生产期间的装配误差引起的光阑误差使图像位置沿光轴方向移动。因此,聚焦位置的检测精度降低,导致图像模糊。
在依照本发明实施例的变焦透镜中,为了实现进一步小型化,期望满足以下用于定义第三透镜组焦距的条件式(5)。
1.8<f3/fw<3  (5)
其中,f3是第三透镜组的焦距。
随着超出条件式(5)的上限值,当目标位置接近最大广角状态时,近距离聚焦时所需的第三透镜组移动量太大,以致不能确保第二和第三透镜组之间的充足的距离。
随着低于条件式(5)的下限值,通过第三透镜组的离轴光远离光轴,第三透镜组的透镜直径太大,从而阻碍小型化。
如上所述,依照本发明实施例的变焦透镜能够缩减整个长度,尤其地,在最大广角状态缩减整个长度和小型化。因此,这些变焦透镜适于用于所谓的可伸缩型照相机,因此有助于照相机机身的厚度减薄和外形缩小。
下面将简要地描述可伸缩型照相机。
如同先前的描述,负-正-正3组变焦透镜经常用于所谓的可伸缩型照相机,其中透镜组收容在照相机机身中使得最小化各个透镜组之间的距离。
为了减少照相机机身的厚度,要求用于这些可伸缩型照相机的变焦透镜能够缩小透镜厚度和整个透镜长度。这是因为用于保持透镜并在光轴方向移动它们的透镜镜筒由多个圆筒组成,收容在主体中以便当收缩时各个透镜镜筒一个叠置在另一个之上。
已知的结构中,为了缩小照相机机身的厚度,设置最大广角状态下整个透镜长度,使之几乎和最大远距照相状态的一样,并且当透镜位置状态从最大广角状态变化到最大远距照相状态,第一透镜组暂时向像侧移动然后向物侧移动。
当第二透镜组的横向放大率在-1到0的范围内向像侧移动,然后变成小于-1时,第一透镜组向物侧移动。因此,在负-正-正3组变焦透镜中,第二透镜组的横向放大率变成-1的位置包括在透镜位置状态从最大广角状态变化到最大远距照相状态的半路上。
作为可伸缩型结构,二级可伸缩型是已知的,如图14A和14B所示,其中三个透镜镜筒A(支持第一透镜组1g)、B(支持第二透镜组2g)和C(支持第三透镜组3g)互相交叠,并且两个透镜镜筒A和B沿光轴方向驱动。图14A和14B分别说明了收纳状态和使用状态。
透镜镜筒B被旋转驱动并因此与设置在透镜镜筒B和C之间的凸轮沟槽一起沿光轴方向移动,以便透镜镜筒B可沿光轴方向从收缩状态向最大广角状态延伸,并且透镜镜筒B在从最大广角状态到最大远距照相状态可在光轴方向上被固定。透镜镜筒A可在光轴方向沿着设置在透镜镜筒B中的凸轮沟槽移动,以便透镜镜筒A可相对于透镜镜筒B从收缩状态向最大广角延伸,并且在光轴方向沿着预定的凸轮轨道从最大广角状态向最大远距照相状态驱动。第二透镜组2g可在光轴方向上沿着设置在透镜镜筒B的内壁的凸轮沟槽被驱动。
图15是示出设置在透镜镜筒B的内壁用于驱动透镜镜筒A的凸轮沟槽cg的示意图。此结构中,位于透镜镜筒A的外周的三个位置上的凸轮销(未图示)与透镜镜筒B内壁的凸轮沟槽cg彼此可滑动地啮合。透镜镜筒A通过形成在位于透镜镜筒B内侧的线型镜筒(未图示)中的前后延伸的线状凹槽和上述的凸轮销之间的可滑动啮合而变得不可旋转。因此,透镜镜筒B内壁的旋转使得能够在光轴方向沿着凸轮沟槽cg移动。
区域S是当照相机电源打开时的驱动范围,其中第一透镜组1g沿光轴方向从收缩状态(图15中的复位位置)向最大广角状态移动(图15中的广角位置)。区域T是使用中的变焦驱动范围,其中第一透镜组1g沿光轴方向从最大广角状态(图15中的广角位置)向最大远距照相状态(远位置)移动。
如上所述,已经预先使最大广角状态中的整个透镜长度几乎和最大远距照相状态的一样,以便第一透镜组从收缩状态向广角端的移动量大,从而增加透镜镜筒B的转动角。这是因为在较小转动角获得大移动量的企图需要大倾斜角的凸轮沟槽,因此增加作为光轴方向中移动能力的传递扭矩的负荷。
因为难以增加凸轮沟槽cg的倾斜角使之超过一定的角度,所以必须增加透镜镜筒B的外径(亦即,增加图15中在垂直方向上的长度),或者增加区域S中的转动角。
另外,因为在最大广角状态第一透镜组的移动方向被反向,所以被迫使用具有明显角度变化的位置sd由R连接的形状,如图16所示。随着区域T中透镜镜筒B旋转角的减小,最大广角状态向最大远距照相状态变化的开始位置处的凸轮沟槽的倾斜角变大,从而增加由R连接的范围。
根据上述观点,使用已知的变焦透镜的可伸缩型照相机需要很大的载荷用于旋转透镜镜筒并且沿光轴方向移动第一透镜组1g。结果,难以缩小需用功率或者提供小型化。
在本发明实施例的变焦透镜中,如图17所示,通过缩减在最大广角状态的整个透镜长度,可缩小区域S中透镜镜筒B的转动角,从而减小从最大广角状态向最大远距照相状态变化的开始部分的凸轮沟槽的倾斜角。因此,由于凸轮沟槽cg的倾斜角减小,所以用于旋转透镜镜筒的载荷被减小,并且透镜镜筒B的圆筒直径也被减小。这容许功率减小和小型化。
接下来将描述最大广角状态下的整个透镜长度对照相机高度的影响。图18是照相机机身的正视图,图19是照相机机身的侧视图,其中透镜位置状态是最大广角状态。
如图19所示,照片拍摄镜头L的垂直方向上的照片拍摄范围LA与取景器VF在垂直方向上的观察范围FA几乎匹配。虽然当降低照相机机身CB的高度CBh时使取景器VF接近照片拍摄镜头L是有效的,但照片拍摄镜头L的镜筒前端Lf进入观察范围FA,由此照相机机身CB的高度CBh的缩减是有限的。
照相机CMR在取景器VF旁边还具有照明***,其照明范围相应于照相机CMR的照片拍摄范围,例如闪光灯SB和用于自动聚焦的辅助闪光AF。甚至对于没有取景器VF的照相机,照相机高度也有限制。
作为一种特定的降低照相机CMR的高度CBh的方法,可考虑减少照片拍摄镜头L的圆筒直径Ld,或者做为选择,缩小具有宽视角的最大广角状态中的整个透镜长度L1。
缩减透镜镜筒直径Ld的情况下,第三透镜组由于受限制的出瞳位置而在小型化方面受到限制。第一透镜组由于视角而在小型化方面受到限制,所述视角容易为用户在最大广角状态使用。第二透镜组由于在确定视角情况下易于被用户使用的开放F值的F值而在小型化方面受到限制。虽然存在实现进一步小型化的手段,例如缩减构成各个透镜组的透镜数量,但是随着像素密度的提高要求能够实现更高的性能。因此期望确保必要的最少透镜数量,这使得难以期待任何突出的改进。
因此,依照本发明一实施例的变焦透镜致力于缩减最大广角状态中的整个透镜长度。
已知的变焦透镜中,当透镜位置从最大广角状态向最大远距照相状态变化,如上所述,在广角端的整个透镜长度几乎和远距照相端的一样。因此,β21w·β21t≈1,其中β21w是第二透镜组在最大广角状态的横向放大率,β21t是第二透镜组在最大远距照相状态的横向放大率。
在依照本发明实施例的变焦透镜中,如上所述,通过使用第二透镜组的横向放大率的大范围负值使在最大广角状态的整个透镜长度比之前减小。
这使得能够减少可伸缩型照相机的厚度并降低照相机机身的外形。
在依照本发明实施例的变焦透镜中,可通过在基本上垂直于光轴的方向上移动构成透镜中的整个某一透镜组或者某一透镜组的一部分来移动图像,同时带来较小的光学性能恶化。
能够移动图像的变焦透镜可与检测***、操作***和驱动***结合以便发挥作为防震照相机的作用,其校正由在快门开关等等的时候产生的照相机震动导致的图像模糊。
检测***检测照相机的模糊角度并输出照相机震动信息。基于照相机震动信息,操作***输出减少照相机震动需要的透镜位置信息。基于透镜位置信息,驱动***向移动透镜组提供驱动量。
依照本发明实施例的变焦透镜使用一非球面的表面。非球面的透镜可是玻璃模制透镜、由树脂制造的薄的非球面层转印到抛光玻璃透镜上的复合透镜、或者塑料模制透镜。
依照本发明实施例的变焦透镜中,可设置低通过滤器以防止透镜***中在像侧上发生摩尔条纹,并且可根据光接收元件的频谱灵敏度特性设置红外截止滤波器。
接下来,将参考附图和数据表描述本发明变焦透镜的具体实施例,以及其中具体数值被用于该实施例的数值示例。
每一实施例中,引入非球面的表面,并且非球面的形状由以下方程式定义。
x=cy2/(1+(1-(1+k)c2y2)1/2)+Ay4+By6+…
其中,y是距离光轴的高度,x是下垂(sag)量,c是曲率,k是圆锥系数,A、B、…是非球面系数。
图1示出本发明各个实施例的变焦透镜的屈光力分配,所述变焦透镜通过从物侧顺次设置具有负屈光力的第一透镜组G1、具有正屈光力的第二透镜组G2和具有正屈光力的第三透镜组G3来构成。从最大广角状态向最大远距照相状态的变焦过程中,所有的透镜组被移动以便第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的气隙减小,第一透镜组G1和第三透镜组G3之间的气隙增大。此时,第一透镜组G1暂时向像侧移动然后向物侧移动,第二透镜组G2向物侧移动,第三透镜组G3向像侧移动。第三透镜组G3移动以补偿像面位置随各个透镜组移动的变化。第三透镜组G3在近距离聚焦的时候也向物侧移动。
图2示出根据本发明第一实施例的变焦透镜1的透镜结构。第一透镜组G1通过从物侧向像侧顺次设置凹面朝向像侧的负透镜L11、凸面朝向物侧的弯月形的正透镜L12来构成。第二透镜组G2通过从物侧向像侧顺次设置双凸形状的正透镜L21和由双凸形状的正透镜和双凹形状的负透镜组成的胶合负透镜L22来构成。第三透镜组G3由双凸形状的正透镜L3组成。第一透镜组G1的负透镜L11是复合透镜,其中由塑料制成的薄的非球面树脂层层压在像侧透镜表面上。孔径光阑S靠近第二透镜组G2的物侧。在从最大广角状态向最大远距照相状态的变焦过程中,孔径光阑S与第二透镜组G2一起移动。过滤器FL设置在像面IMG和第三透镜组G3之间。
表1示出数值示例1的透镜数据,其中具体的数值被用于第一实施例。在表1及其后示出其它的透镜数据的数据表中,“表面序号”表示从物侧起计数的第i个表面,“曲率半径”表示从物侧起计数的第i个表面的曲率半径,“表面距离”表示从物侧起计数的第i个表面和第(i+1)个表面之间的轴向表面距离,“折射率”表示具有第i个表面的玻璃材料在物侧相对于d线的折射率,“阿贝数”表示具有第i个表面的玻璃材料在物侧相对于d线的阿贝数。例如,“0.0000”的曲率半径表示表面是平面,“(Di)”的表面距离表示表面距离是可调的距离。
表1
  表面序号   曲率半径   表面距离   折射率   阿贝数
  1:2:3:4:5:6:7:8:9:10:11:12:13:14:15:   0.00000.99130.91351.46893.32860.00000.9327-2.35361.8722-0.76100.56957.1400-2.46210.00000.0000   0.0710.0130.2510.157(D5)0.0900.2010.0860.3360.052(D11)0.201(D13)0.103(Bf)   1.883001.534201.922861.618811.834001.717361.773771.51680   40.841.720.8(孔径光阑)63.937.329.547.264.2
第一透镜组G1的负透镜L11的像侧上的树脂表面(第三表面)、第二透镜组G2的正透镜L21的两个表面(第七表面和第八表面)、第三透镜组G3的正透镜L3的像侧表面(第十三表面)由非球面组成。表2示出数值示例1中各个表面的四阶、六阶、八阶和十阶非球面系数A、B、C和D,以及每一圆锥系数k。表2及其后示出非球面系数的数据表中,“E-i”是以“10”作为基础的指数表达式,即表示“10-i”。例如,“0.12345E-05”表示“0.12345×10-5”。
表2
第三表面:k=0.00000    A=-0.171398E+00
B=+0.193059E-01    C=-0.264773E+00    D=-0.768007E-01
第七表面:k=0.00000    A=-0.241569E+00
B=-0.386951E+00    C=+0.852781E+00    D=-0.377382E+01
第八表面:k=0.00000    A=+0.106028E+00
B=-0.173016E+00    C=+0.000000E+00    D=+0.000000E+00
第十三表面:k=0.00000    A=+0.120524E+00
B=-0.326640E+00    C=+0.650050E+00    D=-0.504031E+00
变焦透镜1中,从最大广角状态向最大远距照相状态变焦时,第一透镜组G1和第二透镜组G2(孔径光阑S)之间的表面距离D5、第二透镜组G2和第三透镜组G3之间的表面距离D11、第三透镜组G3和过滤器FL之间的表面距离D13被改变。表3示出上述数值示例1中各个表面距离在最大广角状态(f=1.000)、中间聚焦距离状态(f=1.632)和最大远距照相状态(f=2.825)下的值,以及各聚焦距离f、各F数FNO和各视角2ω。
表3
f      1.000~  1.632~  2.825
FNO    2.88~   3.83~   5.63
2ω    64.66~  40.03~  23.64°
D5     1.467    0.731    0.240
D11    0.785    1.563    2.870
D13    0.489    0.419    0.285
Bf     0.170    0.170    0.170
表4示出用于获取在数值示例1中的条件式(1)到(5)的各个条件的数值、和各个条件式的对应值。
表4
β2w=-0.742
β2t=-1.863
f3=2.388
(1)Φ24·fw=0.153
(2)fw/r22=0.300
(3)(r31+r32)/(r31-r32)=-0.432
(4)β2w·β2t=1.383
(5)f3/fw=2.388
图3到5是数值示例1在无限远聚焦状态中的各种像差的曲线图。具体地,图3示出最大广角状态(f=1.000)的各种像差,图4示出中间拍摄距离状态(f=1.632)的各种像差,图5示出最大远距照相状态(f=2.825)的各种像差。
在图3到5的各个像差曲线图中,球面像差曲线图中的实线代表球面像差,像散图形中的实线和虚线分别表示弧矢像面(sagittal image surface)和子午像面(meridional image surface)。在横向像差曲线图中,A代表视角,y代表像高。
可从这些各个像差曲线图中发现数值示例1有效地校正各种像差并且具有极好的成像性能。
图6示出根据本发明第二实施例的变焦透镜2的透镜结构。第一透镜组G1通过从物侧到像侧顺次设置凹面朝向像侧的负透镜L11、和凸面朝向物侧的弯月形的正透镜L12来构成。第二透镜组G2通过从物侧到像侧顺次设置双凸形状的正透镜L21、和由双凸形状的正透镜和双凹形状的负透镜组成的胶合负透镜L22来构成。第三透镜组G3由双凸形状的正透镜L3组成。孔径光阑S靠近第二透镜组G2的物侧设置。在从最大广角状态到最大远距照相状态的变焦过程中,孔径光阑S与第二透镜组G2一起移动。过滤器FL设置在像面IMG和第三透镜组G3之间。
表5示出数值示例2的透镜数据,其中具体数值被用于根据第二实施例的变焦透镜2。
表5
  表面序号   曲率半径   表面距离   折射率   阿贝数
  1:2:3:4:   0.00000.93031.49433.6108   0.0820.2440.163(D4)   1.883001.92286   40.820.8
  5:6:7:8:9:10:11:12:13:14:   0.00001.0545-2.40991.4721-0.63030.54235.7942-3.05700.00000.0000   0.0880.3090.0130.3690.050(D10)0.188(D12)0.117(Bf) 1.618811.834001.717361.773771.51680   (孔径光阑)63.937.329.547.264.2
第一透镜组G1的负透镜L11的像侧表面(第二表面)、第二透镜组G2的正透镜L21的物侧表面(第六表面)、第三透镜组G3的正透镜L3的像侧表面(第十二表面)由非球面的表面组成。表6示出数值示例2中各个表面的四阶、六阶、八阶和十阶非球面系数A、B、C和D,以及各圆锥系数k。
表6
第二表面:k=-1.464827    A=+0.104447E+00
B=+0.177067E+00    C=-0.599480E+00    D=+0.729075E+00
第六表面:k=-0.912092    A=-0.218992E+00
B=-0.243218E+00    C=+0.718317E+00    D=-0.577169E+01
第十二表面:k=0.00000    A=-0.942987E  01
B=+0.397661E+00    C=-0.797949E+00    D=+0.631424E+00
变焦透镜2中,在从最大广角状态到最大远距照相状态的变焦过程中,第一透镜组G1和第二透镜组G2(孔径光阑S)之间的表面距离D4、第二透镜组G2和第三透镜组G3之间的表面距离D10、第三透镜组G3和过滤器FL之间的表面距离D12发生变化。表7示出上述数值示例2中各个表面距离在最大广角状态(f=1.000)、中间聚焦距离状态(f=1.702)和最大远距照相状态(f=2.826)中的值,以及各聚焦距离f、各F数FNO和各视角2ω。
表7
f     1.000~  1.702~  2.826
FNO   2.88~   4.03~   5.75
2ω   63.68~  38.35~  23.64°
D4    1.377    0.672    0.202
D10   0.667    1.630    2.802
D12   0.559    0.378    0.265
Bf    0.164    0.164    0.164
表8示出数值示例2中用于获取条件式(1)到(5)的各个条件的数值,以及各个条件式的对应值。
表8
β2w=-0.747
β2t=-1.810
f3=2.611
(1)Φ24·fw=0.185
(2)fw/r22=0.277
(3)(r31+r32)/(r31-r32)=-0.391
(4)β2w·β2t=1.352
(5)f3/fw=2.611
图7到9是数值示例2的无限远程聚焦状态下的各种像差的曲线图。具体地,图7示出最大广角状态(f=1.000)的各种像差,图8示出中间聚焦距离状态(f=1.702)的各种像差,以及图9示出最大远距照相状态(f=2.826)的各种像差。
在图7到9的各个像差曲线图中,球面像差曲线图中的实线代表球面像差,像散差图形中的实线和虚线分别表示弧矢像面和子午像面。在横向像差曲线图中,A代表视角,y代表像高。
可从这些各个像差曲线图中发现数值示例2有效地校正多种像差并且具有极好的成像性能。
图10示出根据本发明第三实施例的变焦透镜3的透镜结构。第一透镜组G1通过从物侧到像侧顺次设置凹面朝向像侧的负透镜L11、和凸面朝向物侧的弯月形的正透镜L12来构成。第二透镜组G2通过从物侧到像侧顺次设置双凸形状的正透镜L21、和由双凸形状的正透镜和双凹形状的负透镜组成的胶合负透镜L22来构成。第三透镜组G3由双凸形状的正透镜L3组成。孔径光阑S靠近第二透镜组G2的物侧设置。在从最大广角状态到最大远距照相状态的变焦过程中,孔径光阑S与第二透镜组G2一起移动。过滤器FL设置在像面IMG和第三透镜组G3之间。
表9示出数值示例3的透镜数据,其中具体数值被用于根据第三实施例的变焦透镜3。
表9
  表面序号   曲率半径   表面距离   折射率   阿贝数
  1:2:3:4:5:6:7:8:9:10:11:12:13:14:   0.00000.95501.48503.62710.00001.0509-2.63691.6697-0.61320.55744.8285-2.70730.00000.0000   0.0820.2330.155(D4)0.0880.1750.0130.4660.050(D10)0.209(D12)0.101(Bf)   1.883001.922861.618811.834001.717361.773771.51680   40.820.8(孔径光阑)63.937.329.547.264.2
第一透镜组G1的负透镜L11的像侧表面(第二表面)、第二透镜组G2的正透镜L21的物侧表面(第六表面)、第三透镜组G3的正透镜L3的像侧表面(第十二表面)是非球面。表10示出数值示例3中各个表面的四阶、六阶、八阶和十阶非球面系数A、B、C和D,以及各圆锥系数k。
表10
第二表面:k=0.00000    A=-0.106109E+00
B=+0.843253E-01    C=-0.411705E+00    D=+0.242015E+00
第六表面:k=0.00000    A=-0.302771E+00
B=-0.156961E+00    C=-0.805435E+00    D=+0.220392E+00
第十二表面:k=0.00000    A=+0.108650E+00
B=-0.353476E+00    C=+0.778293E+00    D=-0.649556E+00
变焦透镜3中,在从最大广角状态到最大远距照相状态的变焦过程中,第一透镜组G1和第二透镜组G2(孔径光阑S)之间的表面距离D4、第二透镜组G2和第三透镜组G3之间的表面距离D10、第三透镜组G3和过滤器FL之间的表面距离D12变化。表11示出上述数值示例3中各个表面距离在最大广角状态(f=1.000)、中间聚焦距离状态(f=1.702)和最大远距照相状态(f=2.820)下的值,以及各聚焦距离f、各F数FNO和各视角2ω。
表11
f      1.000~  1.702~  2.820
FNO    2.88~   4.03~   5.75
2ω    63.64~  37.84~  23.28°
D4     1.435    0.659    0.214
D10    0.697    1.563    2.756
D12    0.503    0.413    0.283
Bf     0.166    0.166    0.166
表12示出数值示例3中用于获取条件式(1)到(5)的各个条件的数值,以及各个条件式的对应值。
表12
β2w=-0.733
β2t=-1.802
f3=2.269
(1)Φ24·fw=0.190
(2)fw/r22=0.276
(3)(r31+r32)/(r31-r32)=-0.430
(4)β2w·β2t=1.322
(5)f3/fw=2.269
图11到13是数值示例3的无限远程聚焦状态中的各种像差的曲线图。具体地,图11示出最大广角状态(f=1.000)的各种像差,图12示出中间聚焦距离状态(f=1.702)的各种像差,以及图13示出最大远距照相状态(f=2.820)的各种像差。
在图11到13的各个曲线图中,球面像差曲线图中的实线代表球面像差,像散差图形中的实线以及虚线分别表示弧矢像面和子午像面。横向像差曲线图中,A代表视角,y代表像高。
可从这些各个像差曲线图中发现数值示例3有效地校正多种像差并且具有极好的成像特性。
接下来将描述本发明实施例的图像获取装置。
该图像获取装置包括变焦透镜和用于将由变焦透镜形成的光学影象转换成为电信号的固体图像获取元件。变焦透镜通过从物侧顺次设置具有负屈光力的第一透镜组、具有正屈光力的第二透镜组和具有正屈光力的第三透镜组来配置。当透镜位置状态从最大广角状态变化到最大远距照相状态时,所有的透镜组沿光轴方向移动并且至少第二透镜组向物侧移动,第三透镜组向像侧移动以便第一透镜组和第二透镜组之间的距离减小并且第二透镜组和第三透镜组之间的距离增加。当目标位置变化,移动第三透镜组以执行近距离聚焦。第一透镜组由凹面朝向像侧并且像侧透镜表面由非球面组成的负透镜元件L11、和凹面朝向像侧的弯月形的正透镜元件L12组成,正透镜元件L12设置在负透镜元件L11的像侧上,两者间具有气隙。第二透镜组由正透镜元件L21、和由双凸形状的正透镜和双凹形状的负透镜组成的胶合透镜L22组成,胶合透镜L22设置在正透镜元件L21像侧上,两者间具有气隙。第三透镜组由正透镜元件L3组成,其中物侧透镜表面和像侧透镜表面的至少一个是非球面。满足以下条件式(1):
0.12<24·fw<0.22  (1)
其中,φ24是第二透镜组中布置的胶合透镜的胶合面的屈光力,由以下方程式定义:
24=(n5-n4)/R24     (n5<n4)
其中,n5是构成第二透镜组中布置的胶合透镜的负透镜的关于d线(具有587.6nm的波长)的折射率;n4是构成第二透镜组中布置的胶合透镜的正透镜的关于d线的折射率;R24是第二透镜组中布置的胶合透镜的胶合面的曲率半径;以及fw是整个透镜***在最大广角状态下的焦距。
图20是根据本发明的图像获取装置的一实施例的数码照相机的方框图。
数码照相机10包括用于光学捕获目标图像的透镜部分20和照相机机身部分30,照相机机身部分30具有将由透镜部分20捕捉的物体光学图像转换成电学图像信号的功能,并对该图像信号执行多种处理并控制透镜部分20。
透镜部分20具有由例如透镜的光学元件和过滤器组成的变焦透镜21、用于在变焦的时候移动可调放大率光学***的变焦驱动部分22、用于移动聚焦组的聚焦驱动部分23、和用于控制孔径光阑的打开的光圈驱动部分24。作为变焦透镜21,可使用上述变焦透镜1到3的任何一个,或者做为选择使用包含在它们的各个数值示例中的本发明的一实施例的变焦透镜,或者除了上述图示的实施例和数值示例以外的实施方式。
照相机机身部分30包括用于将由变焦透镜21形成的光学图像转换成电信号的图像获取元件31。
作为图像获取元件31,可使用CCD、CMOS等等。从图像获取元件31输出的电学图像信号在图像处理电路22中经过多种处理。然后将处理过的信号以预定模式进行数据压缩,作为图像数据临时存储在图像存储器33中。
照相机控制器CPU(中央处理单元)34用于总的控制整个照相机机身部分30和透镜部分20,取得临时存储在图像存储器33中的图像数据,以及在液晶示出器35上显示该数据并在外部储存器36中存储该数据。照相机控制器CPU34还读取存储在外部储存器36中的图像数据,并在液晶示出器35上示出该数据。
来自操作部分40,例如快门释放开关和变焦开关的信号,输入到照相机控制器CPU34,并且基于来自操作部分40的信号控制各个部分。例如,当快门释放开关***作,从照相机控制器CPU34向定时器37发出指令,并且来自变焦透镜21的光被输入图像获取元件31,图像获取元件31的信号读取时间也由定时器37控制。
关于控制变焦透镜21的信号,例如AF(自动聚焦)信号、AE(自动曝光)信号和变焦信号,从照相机控制器CPU34向透镜控制器38发送。透镜控制器38控制变焦驱动部分22、聚焦驱动部分23和光圈驱动部分24,从而使得变焦透镜21进入预定状态。
上述实施例中,以举例而非限制的方式通过数码照相机描述了图像获取装置。该图像获取装置适用于数码摄像机或者结合到诸如个人电脑和PDA(个人数字助手)的信息设备中的照相机部件。
应该理解,上述实施例中图示和描述的各个部分的形状和数值是为了例证用于实现本发明实施例的具体装置,它们不应不视为对本发明技术范围的限制。
本申请要求享有2007年2月19日在日本专利局提交的日本专利申请2007-38303的优先权,其全部内容通过参考结合于此。

Claims (6)

1.一种变焦透镜,包括:
具有负屈光力的第一透镜组,具有正屈光力的第二透镜组和具有正屈光力的第三透镜组,该第一、第二、和第三透镜组从物侧起以此次序设置;并且
其中,当透镜位置状态从最大广角状态向最大远距照相状态变化时,所有的透镜组沿光轴方向移动,并且至少所述第二透镜组向物侧移动,所述第三透镜组向像侧移动,使得所述第一透镜组和第二透镜组之间的距离减小并且所述第二透镜组和第三透镜组之间的距离增大,
当目标位置变化时,所述第三透镜组移动以执行近距离聚焦,
所述第一透镜组由一个凹面朝向像侧且像侧透镜表面是非球面的负透镜元件和一个凹面朝向像侧的弯月形的正透镜元件组成,所述正透镜元件设置在所述负透镜元件的像侧,两者间具有气隙,
所述第二透镜组由一个正透镜元件和一个由一个双凸形的正透镜和一个双凹形的负透镜组成的胶合透镜组成,该胶合透镜布置在该正透镜元件的像侧,两者间具有气隙,
所述第三透镜组由一个正透镜元件组成,其物侧透镜表面和像侧透镜表面中的至少一个是非球面,并且
满足以下条件式(1):
0.12<24·fw<0.22  (1)
其中,φ24是设置在所述第二透镜组中的胶合透镜的胶合面的屈光力,其由以下方程式定义:
24=(n5-n4)/R24     (n5<n4)
其中,n5是构成设置在所述第二透镜组中的胶合透镜的负透镜的相对于d线(具有587.6nm的波长)的折射率;n4是构成设置在所述第二透镜组中的胶合透镜的正透镜的相对于d线的折射率;R24是设置在所述第二透镜组中的胶合透镜的胶合面的曲率半径;fw是整个透镜***在最大广角状态的焦距。
2.根据权利要求1的变焦透镜,其中,满足以下式(2):
0.25<fw/r22<0.32  (2)
其中,r22是设置在所述第一透镜组中的正透镜元件的像侧透镜表面的曲率半径。
3.根据权利要求1的变焦透镜,其中,满足以下式(3):
0.5<(r31+r32)/(r31-r32)<0.3  (3)
其中,r31是设置在所述第二透镜组中的正透镜元件的物侧透镜表面的曲率半径;r32是设置在第二透镜组中的正透镜元件的像侧透镜表面的曲率半径。
4.根据权利要求1的变焦透镜,其中,满足以下式(4):
1.3<β2w·β2t<1.5  (4)
其中,β2w是所述第二透镜组在最大广角状态的横向放大率;β2t是第二透镜组在最大远距照相状态的横向放大率。
5.根据权利要求1的变焦透镜,其中,满足以下式(5):
1.8<f3/fw<3  (5)
其中,f3是所述第三透镜组的焦距。
6.一种图像获取装置,包括:
变焦透镜;和
固体图像获取元件,用于将由所述变焦透镜形成的光学图像转换成电信号,其中
所述变焦透镜包括:
具有负屈光力的第一透镜组,具有正屈光力的第二透镜组和具有正屈光力的第三透镜组,该第一、第二、和第三透镜组从物侧起以此次序设置;并且
其中,当透镜位置状态从最大广角状态向最大远距照相状态变化,在光轴方向中的所有的透镜组沿光轴方向移动,并且至少所述第二透镜组向物侧移动,所述第三透镜组向像侧移动,使得所述第一透镜组和第二透镜组之间的距离减小并且所述第二透镜组和第三透镜组之间的距离增大,
当目标位置变化,所述第三透镜组移动以执行近距离聚焦,
所述第一透镜组由一个凹面朝向像侧且像侧透镜表面是非球面的负透镜元件和一个凹面朝向像侧的弯月形的正透镜元件组成,该正透镜元件设置在该负透镜元件的像侧,两者间具有气隙,
所述第二透镜组由一个正透镜元件、和一个由一个双凸形的正透镜和一个双凹形的负透镜组成的胶合透镜组成,该胶合透镜布置在该正透镜元件的像侧,两者间具有气隙,
所述第三透镜组由一个正透镜元件组成,其物侧透镜表面和像侧透镜表面中的至少一个是非球面,并且
满足以下条件式(1):
0.12<24·fw<0.22  (1)
其中,φ24是设置在所述第二透镜组中的胶合透镜的胶合面的屈光力,其由以下方程式定义:
24=(n5-n4)/R24     (n5<n4)
其中,n5是构成设置在所述第二透镜组中的胶合透镜的负透镜的相对于d线(具有587.6nm的波长)的折射率;n4是构成设置在所述第二透镜组中的胶合透镜的正透镜的相对于d线的折射率;R24是设置在所述第二透镜组中的胶合透镜的胶合面的曲率半径;fw是整个透镜***在最大广角状态的焦距。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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