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變焦透鏡系統的製作方法

2023-05-20 04:09:11 1

專利名稱:變焦透鏡系統的製作方法
背景技術:
1.發明領域本發明涉及一種安裝在袖珍可攜式數據手持機上的變焦透鏡系統。
2.現有技術的描述近年來,在行動電話和可攜式數據手持機如PDA(個人數字助理)等裝置上安裝有小的數字照像機模塊。安裝在這種可攜式數據手持機上的光學系統越來越需要更小型化且重量更輕。目前,對於上述的光學系統,有很多光學系統中(i)採用單焦距透鏡系統,和(ii)設置數字變焦功能,使得視角可以變化。在此,需注意的是,數字變焦功能是通過修整物像平面的周緣而獲得虛擬的遠攝視角來實現的。而且,對於上述的光學系統,提出了一種可以在光軸方向上厚度更薄的光學變焦透鏡系統(以下稱作變焦透鏡系統)。舉一個具體的例子,變焦透鏡系統從目標側起依次包括具有負折射光焦度的第一透鏡組(以下稱作第一負透鏡組)和具有正折射光焦度的第二透鏡組(以下稱作第二正透鏡組)。通過沿光軸移動第一負透鏡組和第二正透鏡組而改變焦距,從而改變視角。另外,還有一種這樣的透鏡系統,其中設置有多個單焦距透鏡系統,並且根據所需的放大率從一種單焦距透鏡系統切換為另一種單焦距透鏡系統。在需要便攜的裝置如可攜式數據手持機中採用上述雙透鏡組配置的變焦透鏡系統的情況下,因為透鏡組布置成在變焦時沿光軸向前或向後移動,裝置的操作性受到損失。如果更多地考慮便攜性,則優選內變焦系統,因為沒有透鏡組布置成從安裝變焦透鏡系統的裝置向外移動。另一方面,在根據所需的放大率將多個單焦距透鏡系統中的一個單焦距透鏡系統切換到另一個的透鏡系統中,不得不提供用於存放多個單焦距透鏡系統的空間,並且其製造成本增加;此外,因為每次改變放大率時拍攝者必需改變他/她的姿勢,所以降低了裝置的操作性。
發明概述本發明實現了一種變焦透鏡系統,該系統可以達到下列目的(i)進一步小型化;(ii)降低製造成本;(iii)增強安裝該變焦透鏡系統的諸如可攜式手持機等的裝置的操作性;(iv)在短焦距末端處的視角半寬度約為40°。
(v)變焦比約為2。根據本發明的一個方面,提供了一種變焦透鏡系統,從目標側起依次包括第一負透鏡元件,第二正透鏡元件和第三正透鏡元件。從短焦距末端到長焦距末端的變焦中,第二正透鏡元件和第三正透鏡元件沿光軸移動,而第一負透鏡元件保持靜止。另外,第二正透鏡元件被導向從成像側向目標側移動。優選本發明的變焦透鏡系統滿足下列條件0.8<(d23W-d23T)/fw<1.5 …(1)其中fw表示在短焦距末端處整個變焦透鏡系統的焦距;d23W表示在短焦距末端處第二正透鏡元件和第三正透鏡元件之間的距離;並且d23T表示在長焦距末端處第二正透鏡元件和第三正透鏡元件之間的距離。本發明的變焦透鏡系統可以滿足下列條件
0.6<fw/f2<1.2…(2)其中fw示在短焦距末端處整個變焦透鏡系統的焦距;f2表示第二正透鏡元件的焦距。優選本發明的變焦透鏡系統滿足下列條件-15<R1L1/fw<-2…(3)其中R1L1表示第一負透鏡元件的最靠近目標側表面的曲率半徑;並且fw表示在短焦距末端處整個變焦透鏡系統的焦距。本發明的變焦透鏡系統可以滿足下列條件1.2<fBW/fBT<3.0…(4)其中fBW表示在短焦距末端處變焦透鏡系統的後焦距(同等的空氣厚度);並且fBT表示在長焦距末端處變焦透鏡系統的後焦距(同等的空氣厚度)。優選本發明的變焦透鏡系統滿足下列條件0.1<fBT/fW<0.5…(5)其中fBT表示在長焦距末端處變焦透鏡系統的後焦距(同等的空氣厚度);並且fW表示在短焦距末端處整個變焦透鏡系統的焦距。本發明的變焦透鏡系統可以滿足下列條件vd1>50…(6)vd2>50…(7)vd3>50…(8)其中
vd1表示第一負透鏡元件的阿貝數;vd2表示第二正透鏡元件的阿貝數;vd3表示第三正透鏡元件的阿貝數;上述之外,優選關於第二正透鏡元件滿足下列條件vd2>60…(7』)其中vd2表示第二正透鏡元件的阿貝數。優選本發明的變焦透鏡系統滿足下列條件-0.8<fW/f1<-0.4…(9)其中fW表示在短焦距末端處整個變焦透鏡系統的焦距;並且f1表示第一負透鏡元件的焦距。本發明的變焦透鏡系統可以滿足下列條件0.05<fW/f3<0.2…(10)其中fW表示在短焦距末端處整個變焦透鏡系統的焦距;並且f3表示第三正透鏡元件的焦距。
附圖簡述下面將參考附圖詳細描述本發明,附圖中

圖1表示根據本發明的變焦透鏡系統;圖2是圖1所示變焦透鏡系統的透鏡元件移動路徑的示意圖;圖3表示根據本發明第一實施方案的變焦透鏡系統的透鏡布局;圖4A、4B、4C和4D表示根據第一實施方案的透鏡配置處於短焦距末端時出現的像差;圖5A、5B、5C和5D表示根據第一實施方案的透鏡配置處於長焦距末端時出現的像差;圖6表示根據本發明第二實施方案的變焦透鏡系統的透鏡布局;圖7A、7B、7C和7D表示根據第二實施方案的透鏡配置處於短焦距末端時出現的像差;圖8A、8B、8C和8D表示根據第二實施方案的透鏡配置處於長焦距末端時出現的像差;圖9表示根據本發明第三實施方案的變焦透鏡系統的透鏡布局;圖10A、10B、10C和10D表示根據第三實施方案的透鏡配置處於短焦距末端時出現的像差;以及圖11A、11B、11C和11D表示根據第三實施方案的透鏡配置處於長焦距末端時出現的像差。
優選實施方案的描述圖1表示根據本發明的變焦透鏡系統。變焦透鏡系統L在短焦距末端具有大約40°的視角半寬度,並具有大約為2的變焦比。三透鏡元件配置的變焦透鏡系統L從目標側起依次包括第一負透鏡元件L1,第二正透鏡元件L2和第三正透鏡元件L3。在變焦透鏡系統L的成像側,在成像裝置的前面設置例如紅外吸收濾光器等的蓋片玻璃F(平面平行片)。第一負透鏡元件L1是一個不可移動地支撐在變焦透鏡系統中的固定透鏡元件。第二正透鏡元件L2和第三透鏡元件L3布置成以這些透鏡元件沿其光軸移動的方式支撐在變焦透鏡系統中。考慮到變焦透鏡系統的製造成本和重量的減輕,優選第一負透鏡元件L1、第二正透鏡元件L2和第三正透鏡元件每一個都由塑料材料製作,當然,也可以由玻璃材料製造這些透鏡元件。根據圖2,亦即,圖1所示變焦透鏡系統中透鏡元件移動路徑的視圖,在從短焦距末端(廣角端)到長焦距末端(遠攝端)的變焦中,第二正透鏡元件L2單調地移向目標側,第三正透鏡元件L3移向成像側,之後移向目標側。
通過以這種方式移動第二正透鏡元件L2和第三正透鏡元件L3,可以連續地(無階躍的方式)改變變焦透鏡系統L的焦距,而第一負透鏡元件L1保持靜止。
另外,在此三透鏡元件配置的變焦透鏡系統L中,因為第一負透鏡元件L1在整個變焦範圍內保持靜止,所以安放變焦透鏡系統L的鏡筒不從安裝變焦透鏡系統的裝置延伸。根據此配置,可以實現一種具有理想的操作性的變焦透鏡系統。另外,變焦透鏡系統L總共由三個透鏡元件(透鏡元件的最少數量)組成,以至於可以實現製造成本的進一步降低,並且在拍攝時不需要改變攝影者的姿勢。通過在變焦時控制第二正透鏡元件L2和第三正透鏡元件L3,從而能夠在由短焦距末端和長焦距末端限定的變焦範圍內停止在任何位置,可以以無階躍的方式改變變焦透鏡系統的焦距。
或者,通過對第二正透鏡元件L2和第三正透鏡元件L3提供多個停止位置,可以以階躍的方式改變變焦透鏡系統L的焦距,從而實現步進變焦透鏡系統。條件(1)規定了關於短焦距末端和長焦距末端第二正透鏡元件L2和第三正透鏡元件L3之間的距離變化。
如果(d23W-d23T)/fw超過條件式(1)的上限,則第二正透鏡元件L2和第三正透鏡元件L3的移動距離變長。因此,變焦透鏡系統L的總尺寸變大。
如果(d23W-d23T)/fw超過條件式(1)的下限,則第二正透鏡元件L2和第三正透鏡元件L3的移動距離變得過短。因此,很難確保大約為2的變焦比。
通過滿足條件(1),可以不增加變焦透鏡系統L總體長度而確保必需的變焦比。條件(2)規定了第二正透鏡元件L2的焦距(折射光焦度)。
如果fw/f2超過條件式(2)的上限,則第二正透鏡元件L2的焦距變得太短,即折射光焦度變得太強。因此,在第二正透鏡元件L2內校正像差變得困難。
如果fw/f2超過條件式(2)的下限,則第二正透鏡元件L2的焦焦距變得太長,即折射光焦度變得太弱。因此,第二正透鏡元件L2的移動距離變長,並且變焦透鏡系統的總尺寸變大。
通過滿足條件(2),可以使第二正透鏡元件L2的移動距離適當變短,並且可以使變焦透鏡系統最小化。條件(3)規定了第一負透鏡元件L1的最靠近目標側表面(第一透鏡表面r1)的發散度。
如果R1L1/fw超過條件(3)的上限,則第一負透鏡元件的第一透鏡表面r1的發散效應變小。因此,收集周邊照明變得困難。
如果R1L1/fw超過條件(3)的下限,則第一負透鏡元件的第一透鏡表面r1的曲率半徑變得過小。因此,機械加工第一負透鏡元件L1變得困難。
通過滿足條件(3),可以不增大變焦透鏡系統L的第一負透鏡元件L1的直徑而充足地收集周邊照明,甚至在使短焦距末端處變焦透鏡系統L的焦距較短時也是如此。條件(4)規定了變焦透鏡系統L關於短焦距末端和長焦距末端的後焦距。
如果fBW/fBT超過條件(4)的上限,則短焦距末端處的遠心率大大地不同於長焦距末端處的遠心率。結果,在短焦距或長焦距末端之一處的遠心率下降。
如果fBW/fBT超過條件(4)的下限,則第三正透鏡元件L3的移動距離變得過短,這樣對進一步小型化不利。
通過滿足條件(4),可以在短焦距和長焦距末端兩處達到理想的遠心率;並且同時,可以確保第三正透鏡元件L3的移動距離,同時可以達到變焦透鏡系統L的進一步小型化。條件(5)規定了在長焦距末端處的後焦距。
如果fBT/fW超過條件(5)的上限,則不能充分地確保第三正透鏡元件L3達到長焦距末端的移動距離。因此,變焦透鏡系統L的總體尺寸變大。
如果fBT/fW超過條件(5)的下限,則很難維持在長焦距末端的遠心率。
通過滿足條件(5),可以適當地確保長焦距末端處的遠心率;同時,可以確保第三正透鏡元件L3的移動距離,並且可以達到變焦透鏡系統L的進一步小型化。條件(6)、(7)和(8)分別規定了第一負透鏡元件L1、第二正透鏡元件L2和第三正透鏡元件L3的阿貝數。因為變焦透鏡系統L由三個單透鏡元件組成,所以優選在每個單透鏡元件中不出現色差。
如果阿貝數超過條件(6)~(8)的下限,則不能執行對長焦距末端處色差的校正。條件(7』)更嚴格地規定了第二正透鏡元件L2的阿貝數。
應該理解,第二正透鏡元件L2的移動距離長於第一負透鏡元件L1和第三正透鏡元件L3的移動距離。因此,優選第二正透鏡元件L2的阿貝數大於第一負透鏡元件L1和第三正透鏡元件L3的阿貝數。條件(9)規定了第一負透鏡元件L1的焦距(折射光焦度)。
如果fW/f1超過條件(9)的上限,則Petzval之和增加,並且場曲率也增大。
如果fW/f1超過條件(9)的下限,則非第一負透鏡元件L1的焦距變得過短,即折射光焦度變得過強。因此,很難由較少的透鏡元件校正出現在第一負透鏡元件L1中的像差。
通過滿足條件(9),可以實現場曲率和其它像差之間的適當平衡。條件(10)規定了第三正透鏡元件L3的焦距(折射光焦度)。
如果fW/f3超過條件(10)的上限,則第三正透鏡元件L3的焦距變得過短,即其折射光焦度變得過強。因此,很難由較少的透鏡元件校正出現在第三正透鏡元件L3中的像差。
如果fW/f3超過條件(10)的下限,則則第三正透鏡元件L3的焦距變得過長,即其折射光焦度變得過弱。因此,變焦時第三正透鏡組L3的移動距離變長,以致於對進一步小型化變焦透鏡系統L不利。
通過滿足條件(10),可以使第三正透鏡元件L3的移動距離變短;並且同時可以實現變焦透鏡系統L的進一步小型化。下面將描述實施方案的規定數據。
在每個實施方案中,變焦透鏡系統L從目標側起依次包括第一負透鏡元件L1(表面號1和2),光闌S,第二正透鏡元件L2(表面號3和4),和第三正透鏡元件L3(表面號5和6)。
在變焦透鏡系統L之後設置蓋片玻璃(平面平行板(表面號7和8))。
在由球差代表的色差(軸向色差)的曲線中,實線和兩類虛線分別表示關於d、g和c線的球差。另外,在橫向色差的曲線中,兩類虛線分別表示關於g和c線的放大率;但是,作為基線的d線與橫坐標重合。在象散曲線中,S表示矢向圖像,M表示徑向圖像。
在表中,FNO表示f數,fw表示整個變焦透鏡系統在短焦距末端處的焦距,fT表示整個變焦透鏡系統在長焦距末端處的焦距,fBW表示在短焦距末端處的後焦距(同等的空氣厚度),fBT表示在長焦距末端處的後焦距(同等的空氣厚度),f1表示第一負透鏡元件L1的焦距,f2表示第二正透鏡元件L2的焦距,f3表示第三正透鏡元件L3的焦距,W表示視角半寬度(°),r表示曲率半徑,d表示透鏡元件的厚度或透鏡元件之間的距離,Nd表示d線的折射率,v表示阿貝數。
除此之外,關於光軸對稱的非球面限定如下x=cy2/(1+[1-{1+K}c2y2]1/2)+A4y4+A6y6+A8y8+A10y10…其中c表示非球面頂點的曲率(1/r);y表示離開光軸的距離;K表示錐面係數;並且A4表示第四階非球面係數;A6表示第六階非球面係數;A8表示第八階非球面係數;A10表示第十階非球面係數。圖3表示根據本發明第一實施方案的變焦透鏡系統的透鏡布局。圖4A~4D表示根據第一實施方案的透鏡配置處於短焦距末端時出現的像差。圖5A~5D表示根據第一實施方案的透鏡配置處於長焦距末端時出現的像差。表1是表示第一實施方案的數據。以短焦距末端和長焦距末端的順序表示FNO.和W的值。同樣,以短焦距末端和長焦距末端的順序表示關於表面2、4和6的值。
光闌S設置在短焦距末端的表面2之後的2.81mm處、以及長焦距末端的表面2之後的0.70mm處。[表1]FNO.=12.8-3.8fW=3.20fT=6.00fBW=2.05+0.8/1.51633=2.58fBT=0.52+0.8/1.51633=1.05f1=-5.13f2=3.43f3=25.95W=37.9-19.0表面號 rdNdvd1*-12.149 1.00 1.49176 57.42 3.2732.81-0.70- -3*1.9431.77 1.48749 70.24*-8.390 1.20-4.84- -5*28.031 1.00 1.49176 57.46*-23.146 2.05-0.52- -7 ∞ 0.80 1.51633 64.18 ∞ -- -*表示關於光軸旋轉對稱的非球面。
非球面數據(未表示的非球面係數為零(0.00))
表面號 KA4 A6A810.00 0.80890×10-30.18554×10-3-0.25309×10-430.00 -0.88931×10-20.22701×10-2-40.00 0.19638×10-1- 0.81377×10-250.00 -0.64072×10-2- -0.48617×10-360.00 0.19293×10-1- -0.60999×10-3[實施方案2]圖6表示根據本發明第二實施方案的變焦透鏡系統的透鏡布局。圖7A~7D表示根據第二實施方案的透鏡配置處於短焦距末端時出現的像差。圖8A~8D表示根據第二實施方案的透鏡配置處於長焦距末端時出現的像差。表2表示第二實施方案的數據。以短焦距末端和長焦距末端的順序表示FNO.和W的值。同樣,以短焦距末端和長焦距末端的順序表示關於表面2、4和6的值。
光闌S設置在短焦距末端的表面2之後的3.15mm處、以及長焦距末端的表面2之後的0.80mm處。[表2]FNO.=12.8-4.0fW=3.00fT=6.00fBW=2.02+0.8/1.51633=2.55fBT=0.46+0.8/1.51633=0.99f1=-5.29f2=3.53f3=17.15W=39.8-19.0表面號 r d Nd vd1*-15.4181.00 1.5163364.12 3.392 3.15-0.80 - -3*1.925 2.10 1.4874970.24*-10.5150.93-4.83 - -
5*36.745 1.00 1.51633 64.16*-11.5612.02-0.46- -7∞ 0.80 1.51633 64.18∞ -- -*表示關於光軸旋轉對稱的非球面。
非球面數據(未表示的非球面係數為零(0.00))表面號 K A4 A6 A810.000.89531×10-30.18897×10-3-0.19631×10-430.00-0.89456×10-20.58296×10-4-40.000.20873×10-1-0.67586×10-250.00-0.36619×10-2--0.30000×10-360.000.19001×10-1--0.46000×10-3[實施方案3]圖9表示根據本發明第三實施方案的變焦透鏡系統的透鏡布局。圖10A~10D表示根據第三實施方案的透鏡配置處於短焦距末端時出現的像差。圖11A~11D表示根據第三實施方案的透鏡配置處於長焦距末端時出現的像差。表3表示第三實施方案的數據。以短焦距末端和長焦距末端的順序表示FNO.和W的值。同樣,以短焦距末端和長焦距末端的順序表示關於表面2、4和6的值。
光闌S設置在短焦距末端的表面2之後的3.69mm處、以及長焦距末端的表面2之後的0.70mm處。[表3]FNO.=12.8-4.3fW=3.00fT=7.00fBW=2.11+0.8/1.51633=2.64fBT=0.43+0.8/1.51633=0.96f1=-5.36f2=3.64f3=19.58
W=39.8-16.4表面號r d Nd vd1*-21.7181.00 1.6180063.42 3.977 3.69-0.70 - -3*1.939 1.83 1.4874970.24*-14.6021.22-5.88 - -5*-154.228 1.00 1.6180063.46*-11.2482.11-0.43 - -7 ∞ 0.80 1.5163364.18 ∞ - - -*表示關於光軸旋轉對稱的非球面。
非球面數據(未表示的非球面係數為零(0.00))表面號KA4 A6A81 0.00 0.46683×10-30.14951×10-3-0.16082×10-43 0.00 -0.67578×10-20.14410×10-2-4 0.00 0.23576×10-1- 0.82065×10-25 0.00 -0.18860×10-2- -0.30000×10-36 0.00 0.17506×10-1- -0.46000×10-3每個實施方案的每個條件的數值示於表4。[表4]實施方案1 實施方案2實施方案3條件(1) 1.14 1.21 1.21條件(2) 0.93 0.85 0.82條件(3) -3.80 -5.14-7.24條件(4) 2.47 2.57 2.74條件(5) 0.33 0.33 0.32條件(6) 57.5 64.2 63.4條件(7) 70.2 70.2 70.2條件(8) 57.5 64.2 63.4條件(7′) 70.2 70.2 70.2條件(9) -0.62 -0.57-0.56
條件(10) 0.12 0.170.15從表4中可以看出,第一至第三實施方案的數值滿足條件(1)~(10)以及條件(7』)。另外,在每個焦距處的像差得到了適當的校正。根據本發明,變焦透鏡系統從目標側起依次包括不可移動地固定端第一負透鏡元件,可沿光軸移動的第二正透鏡元件和第三正透鏡元件;由此,通過移動第二正透鏡元件和第三正透鏡元件進行變焦,同時保持第一負透鏡元件靜止。換言之,變焦時沒有透鏡布置成從安裝了變焦透鏡系統的裝置向外移動,即可以獲得內變焦系統。由於這種配置,本發明的變焦透鏡系統可以達到下列狀態(i)安裝了本發明變焦透鏡系統的裝置的操作性提高;(ii)在短焦距末端有大約40°的視角半寬度;並且(iii)變焦比約為2。
另外,因為用於組成本發明的變焦透鏡系統的透鏡元件的數量小,所以可以實現最大的成本降低;並且與設置有多個單焦距透鏡系統、其中根據所需的放大率將單焦距透鏡系統從一個切換到另一個的變焦透鏡系統相比,拍攝時不需要改變攝影者的姿勢。
權利要求
1.一種變焦透鏡系統,從目標側起依次包括第一負透鏡元件,第二正透鏡元件和第三正透鏡元件,其中在從短焦距末端到長焦距末端的變焦中,第二正透鏡元件和第三正透鏡元件沿光軸移動,而第一負透鏡元件保持靜止;並且其中第二正透鏡元件被導向為從成像側向目標側移動。
2.如權利要求1所述的變焦透鏡系統,滿足下列條件0.8<(d23W-d23T)/fw<1.5其中fw表示在短焦距末端處整個變焦透鏡系統的焦距;d23W表示在短焦距末端處第二正透鏡元件和第三正透鏡元件之間的距離;並且d23T表示在長焦距末端處第二正透鏡元件和第三正透鏡元件之間的距離。
3.如權利要求1所述的變焦透鏡系統,還滿足下列條件0.6<fw/f2<1.2其中fw表示在短焦距末端處整個變焦透鏡系統的焦距;並且f2表示第二正透鏡元件的焦距。
4.如權利要求1所述的變焦透鏡系統,還滿足下列條件-15<R1L1/fw<-2其中R1L1表示第一負透鏡元件的最靠近目標側表面的曲率半徑;並且fw表示在短焦距末端處整個變焦透鏡系統的焦距。
5.如權利要求1所述的變焦透鏡系統,還滿足下列條件1.2<fBW/fBT<3.0其中fBW表示在短焦距末端處變焦透鏡系統的後焦距(同等的空氣厚度);並且fBT<表示在長焦距末端處變焦透鏡系統的後焦距(同等的空氣厚度)。
6.如權利要求1所述的變焦透鏡系統,還滿足下列條件0.1<fBT/fW<0.5其中fBT表示在長焦距末端處變焦透鏡系統的後焦距(同等的空氣厚度);並且fW表示在短焦距末端處整個變焦透鏡系統的焦距。
7.如權利要求1所述的變焦透鏡系統,還滿足下列條件νd1>50νd2>50νd3>50其中νd1表示第一負透鏡元件的阿貝數;νd2表示第二正透鏡元件的阿貝數;並且νd3表示第三正透鏡元件的阿貝數。
8.如權利要求1所述的變焦透鏡系統,還滿足下列條件νd2>60其中νd2表示第二正透鏡元件的阿貝數。
9.如權利要求1所述的變焦透鏡系統,還滿足下列條件-0.8<fW/f1<-0.4其中fW表示在短焦距末端處整個變焦透鏡系統的焦距;並且f1表示第一負透鏡元件的焦距。
10.如權利要求1所述的變焦透鏡系統,還滿足下列條件0.05<fW/f3<0.2其中fW表示在短焦距末端處整個變焦透鏡系統的焦距;並且f3表示第三正透鏡元件的焦距。
全文摘要
一種變焦透鏡系統,從目標側起依次包括第一負透鏡元件,第二正透鏡元件和第三正透鏡元件,其中在從短焦距末端到長焦距末端的變焦中,第二正透鏡元件和第三正透鏡元件沿光軸移動,而第一負透鏡元件保持靜止。另外,第二正透鏡元件被導向為從成像側向目標側移動。
文檔編號G02B13/00GK1621883SQ20041009171
公開日2005年6月1日 申請日期2004年11月25日 優先權日2003年11月26日
發明者榎本隆 申請人:賓得株式會社

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