(57)【要約】【課題】小型化および軽量化を図ることのできる表示装置を提供すること。【解決手段】表示装置は、非平行光からなる画像光Ｌを出射する画像生成系２０と、画像生成系２０から出射された画像光Ｌが投射レンズ系を介さずに入射する導光系３０とを有している。導光系３０は、画像光Ｌが入射する曲面からなる入射面４１、および入射面４１から入射した画像光を平行光に変換する曲面からなる複数の反射面４２を備えた透光性の入射部４０と、第１方向Ｘの一方端側が入射部４０に接続した透光性の導光部５０とを備えている。導光部５０では、入射部４０から入射した画像光Ｌが第１面５６と第２面５７との間で反射して出射部５８に導かれる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非平行光からなる画像光を出射する画像生成系と、
前記画像生成系から出射された前記画像光が投射レンズ系を介さずに入射する導光系と、
を有し、
前記導光系は、前記画像光が入射する曲面からなる入射面、および前記入射面から入射した前記画像光を平行光に変換する曲面からなる複数の反射面を備えた透光性の入射部と、第１方向の一方端側が前記入射部に接続した透光性の導光部と、を備え、
前記導光部は、前記一方端側から前記第１方向の他方端側に向けて延在する第１面と、前記第１方向と交差する第２方向の一方側で前記第１面と対向する第２面と、前記第２面の前記入射部から離間する部分に設けられた出射部と、を備え、
前記入射部から前記導光部に出射された前記平行光が前記第１面と前記第２面との間で反射して前記出射部に導かれることを特徴とする表示装置。
【請求項２】
請求項１に記載の表示装置において、
前記画像生成系の同一個所から前記入射面に入射した非平行な光束が前記入射部で平行光化された後の平行光束を、前記第１方向および前記第２方向に対して交差する第３方向からみたとき、前記導光部における前記一方端側の部分の内部が前記平行光束によって満たされていることを特徴とする表示装置。
【請求項３】
請求項２に記載の表示装置において、
前記第１面と前記第２面とが平行であり、
前記平行光束を前記第３方向からみたときの光束径をＤとし、前記第１面と前記第２面との前記第２方向における間隔をｔとし、前記平行光束の前記第１面および前記第２面に対する入射角をθとしたとき、
前記光束Ｄ、前記間隔ｔおよび前記入射角θは、下記条件式
Ｄ＝２ｔ×Ｓｉｎθ
を満たしていることを特徴とする表示装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の表示装置において、
前記第１面と前記第２面とが平行であり、
前記平行光束を前記第３方向からみたとき、前記導光部における前記一方端側の部分では、前記平行光束の光線のうち、一方の側端部に位置する第１光線が前記第２面に入射する位置、および前記平行光束の光線のうち、他方の側端部に位置する第２光線が前記第２面に入射する位置が、前記平行光束の中心光線が前記第１面に入射する位置における法線上に位置することを特徴とする表示装置。
【請求項５】
請求項１から４までの何れか一項に記載の表示装置において、
前記入射面および前記複数の反射面のうち、少なくとも１つの面は、自由曲面であることを特徴とする表示装置。
【請求項６】
請求項１から５までの何れか一項に記載の表示装置において、
前記複数の反射面のうち、少なくとも１つの面は、反射性の金属層を備えていることを特徴とする表示装置。
【請求項７】
請求項１から６までの何れか一項に記載の表示装置において、
前記入射部と前記導光部とは、一体の部材であることを特徴とする表示装置。
【請求項８】
請求項１から６までの何れか一項に記載の表示装置において、
前記入射部の少なくとも一部は、第１透光性部材に形成され、
前記導光部は、前記第１透光性部材に接合面で面接合された第２透光性部材に形成されていることを特徴とする表示装置。
【請求項９】
請求項８に記載の表示装置において、
前記接合面は、前記第２方向の前記一方側の第１端部が前記第２面と前記入射部の反射領域との間に位置し、前記第２方向の他方側の第２端部が前記第１面と前記入射部の反射領域との間に位置していることを特徴とする表示装置。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の表示装置において、
前記第１透光性部材と前記第２透光性部材とは、屈折率およびアッベ数が異なり、
前記接合面は曲面からなり、
前記接合面は、前記入射部に含まれていることを特徴とする表示装置。
【請求項１１】
請求項８または９に記載の表示装置において、
前記第１透光性部材と前記第２透光性部材とは、屈折率およびアッベ数が異なり、
前記接合面は平面からなり、
前記接合面は、前記入射部と前記導光部の間に位置することを特徴とする表示装置。
【請求項１２】
請求項１から１１までの何れか一項に記載の表示装置において、
前記画像生成系は、画像を生成する光変調パネルと、前記光変調パネルの前記画像光の出射側の面に固定されたレンズ素子と、を有していることを特徴とする表示装置。
【請求項１３】
請求項１から１２までの何れか一項に記載の表示装置において、
前記導光部では、前記第１方向および前記第２方向に対して交差する第３方向からみたときに前記第２面に対する法線方向から前記一方端側に傾いた複数の部分反射層が互いに平行に前記第１方向に沿って配置されており、
前記出射部は、前記第２面のうち、前記複数の部分反射層に前記第１方向で重なる部分であることを特徴とする表示装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の表示装置において、
前記複数の部分反射層のうち、少なくとも１つの部分反射面は、反射性の金属層を含む多層膜を備えていることを特徴とする表示装置。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の表示装置において、
前記複数の部分反射層は、入射する光の入射角に応じて反射率が変化する特性を有していることを特徴とする表示装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の表示装置において、
前記複数の部分反射層は、入射角が大のときには、入射角が小のときより反射率が大であることを特徴とする表示装置。
【請求項１７】
請求項１５に記載の表示装置において、
前記複数の反射面は、入射角が小のときには、入射角が大のときより反射率が大であることを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導光系を備えた表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表示装置として、画像光が入射する入射部に対して導光部が接続された導光系を備えた構成が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の表示装置において、画像生成系から出射された画像光は、投射レンズ系を介して入射部に入射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−３８４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
表示装置では、小型化および軽量化が要求されているが、特許文献１に記載の構成では、画像生成系と導光系との間に投射レンズ系を設ける必要があるため、小型化および軽量化が困難である。
【０００５】
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、小型化および軽量化を図ることのできる表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る表示装置の一態様は、非平行光からなる画像光を出射する画像生成系と、前記画像生成系から出射された前記画像光が投射レンズ系を介さずに入射する導光系と、を有し、前記導光系は、前記画像光が入射する曲面からなる入射面、および前記入射面から入射した前記画像光を平行光に変換する曲面からなる複数の反射面を備えた透光性の入射部と、第１方向の一方端側が前記入射部に接続した透光性の導光部と、を備え、前記導光部は、前記一方端側から前記第１方向の他方端側に向けて延在する第１面と、前記第１方向と交差する第２方向の一方側で前記第１面と対向する第２面と、前記第２面の前記入射部から離間する部分に設けられた出射部と、を備え、前記入射部から前記導光部に出射された前記平行光が前記第１面と前記第２面との間で反射して前記出射部に導かれることを特徴とする。
【０００７】
本発明では、画像生成系から出射された非平行光からなる画像光は、投射レンズ系を介さずに導光系の入射部の入射面に入射した後、入射部の複数の反射面で反射して平行光に変換される。このため、平行光化された画像光は、導光部の第１面と第２面との間で反射して導光部内を進行し、出射部から出射される。従って、投射レンズ系を設けなくても、画像光を出射部から出射することができるので、表示装置の小型化および軽量化を図ることができる。
【０００８】
本発明において、前記画像生成系の同一個所から前記入射面に入射した非平行な光束が前記入射部で平行光化された後の平行光束を、前記第１方向および前記第２方向に対して交差する前記第３方向からみたとき、前記導光部における前記一方端側の部分の内部が前記平行光束によって満たされている態様を採用することができる。かかる態様によれば、導光部の第２方向の厚さを薄くしても、輝度の高い画像を表示することができる。
【０００９】
本発明において、前記第１面と前記第２面とが平行であり、前記平行光束を前記第３方向からみたときの光束径をＤとし、前記第１面と前記第２面との前記第２方向における間隔をｔとし、前記平行光束の前記第１面および前記第２面に対する入射角をθとしたとき、前記光束Ｄ、前記間隔ｔおよび前記入射角θは、下記条件式
Ｄ＝２ｔ×Ｓｉｎθ
を満たしている態様を採用することができる。かかる態様によれば、第３方向からみたとき、導光部の一方端部分の全体が平行光化された画像光によって満たされている。従って、導光部の第２方向の厚さを薄くしても、輝度の高い画像を表示することができる。
【００１０】
本発明において、前記第１面と前記第２面とが平行であり、前記平行光束を前記第３方向からみたとき、前記導光部における前記一方端側の部分では、前記平行光束の光線のうち、一方の側端部に位置する第１光線が前記第２面に入射する位置、および前記平行光束の光線のうち、他方の側端部に位置する第２光線が前記第２面に入射する位置が、前記平行光束の中心光線が前記第１面に入射する位置における法線上に位置する態様を採用することができる。かかる態様によれば、第３方向からみたとき、導光部の一方端部分の全体が平行光化された画像光によって満たされている。従って、導光部の第２方向の厚さを薄くしても、輝度の高い画像を表示することができる。
【００１１】
本発明において、前記入射面および前記複数の反射面のうち、少なくとも１つの面は、自由曲面である態様を採用することができる。
【００１２】
本発明において、前記複数の反射面のうち、少なくとも１つの面は、反射性の金属層を備えている態様を採用することができる。
【００１３】
本発明において、前記入射部と前記導光部とは、一体の部材である態様を採用することができる。
【００１４】
本発明において、前記入射部の少なくとも一部は、第１透光性部材に形成され、前記導光部は、前記第１透光性部材に接合面で面接合された第２透光性部材に形成されている態様を採用することができる。かかる態様によれば、入射部および導光部を各々、適正な方法で製造することができる。
【００１５】
本発明において、前記接合面は、前記第２方向の前記一方側の第１端部が前記第２面と前記入射部の反射領域との間に位置し、前記第２方向の他方側の第２端部が前記第１面と前記入射部の反射領域との間に位置している態様を採用することができる。かかる態様によれば、接合面が、入射部内での適正な反射や、導光部内での適正な反射を妨げにくい。
【００１６】
本発明において、前記第１透光性部材と前記第２透光性部材とは、屈折率およびアッベ数が異なり、前記接合面は曲面からなり、前記接合面は、前記入射部に含まれている態様を採用することがきる。かかる態様によれば、接合面がレンズとして機能するので、画像光を平行光化する役目の一部を担う。従って、入射部に対する設計上の要求を軽減することができる。また、色収差等の軽減を図ることができる。
【００１７】
本発明において、前記第１透光性部材と前記第２透光性部材とは、屈折率およびアッベ数が異なり、前記接合面は平面からなり、前記接合面は、前記入射部と前記導光部の間に位置する態様を採用することができる。かかる態様によれば、接合面が屈折面として機能するので、色収差等の軽減を図ることができる。
【００１８】
本発明において、前記画像生成系は、画像を生成する光変調パネルと、前記光変調パネルの前記画像光の出射側の面に固定されたレンズ素子と、を有している態様を採用することができる。かかる態様によれば、画像生成系自身が備えるレンズ素子が、画像光を平行光化する役目の一部を担うので、入射部に対する設計上の要求を軽減することができる。
【００１９】
本発明において、前記導光部では、前記第３方向からみたときに前記第２面に対する法線方向から前記一方端側に傾いた複数の部分反射層が互いに平行に前記第１方向に沿って配置されており、前記出射部は、前記第２面のうち、前記複数の部分反射層に前記第１方向で重なる部分である態様を採用することができる。かかる態様によれば、導光部内を進行する光の一部が部分反射層で反射して出射部から出射される。
【００２０】
本発明において、前記複数の部分反射層のうち、少なくとも１つの部分反射面は、金属層を含む多層膜からなる態様を採用することができる。かかる態様によれば、部分反射層の反射率を高めることができる。
【００２１】
本発明において、前記複数の反射面は、入射する光の入射角に応じて反射率が変化する特性を有している態様を採用することができる。かかる態様によれば、出射部から出射される光の輝度ばらつきを軽減することができる。本発明において、前記複数の反射面は、前記反射面に対する入射角が大のときには、前記反射面に対する入射角が小のときより反射率が大である態様を採用するこができる。本発明において、前記複数の反射面は、前記反射面に対する入射角が小のときには、前記反射面に対する入射角が大のときより反射率が大である態様を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態１に係る表示装置の外観の一例を模式的に示す説明図である。
【図２】図１に示す表示装置の光学系の平面図である。
【図３】図２に示す導光部内での平行光束の様子を模式的に示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態２に係る表示装置の光学系の平面図である。
【図５】本発明の実施形態３に係る表示装置の光学系の平面図である。
【図６】本発明の実施形態４に係る表示装置の光学系の平面図である。
【図７】本発明の実施形態５に係る表示装置の光学系の平面図である
【図８】本発明の実施形態６に係る表示装置の導光部の説明図である。
【図９】本発明の実施形態８に係る表示装置の外観の一例を模式的に示す説明図である。
【図１０】図９に示す表示装置を観察者に対する正面方向からみた正面図である。
【図１１】図９に示す表示装置を左側からみた側面図である。
【図１２】図５等に示す導光部の製造方法を示す説明図である。
【図１３】図５等に示す導光部の別の製造方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明で参照する図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材の数や縮尺を異ならしめてある。
【００２４】
［実施形態１］
（全体構成）
図１は、本発明の実施形態１に係る表示装置１００の外観の一例を模式的に示す説明図である。図１に示す表示装置１００は、シースルー型のアイグラスディスプレイ等として構成されており、テンプル１１１（Ｒ）、１１１（Ｌ）を左右に備えたフレーム１１０を有している。表示装置１００は、後述する表示部１０がフレーム１１０に支持されており、表示部１０から出射された画像を使用者に虚像として認識させる。本実施形態において、表示装置１００は、表示部１０として、右眼用の表示部１０（Ｒ）と左眼用の表示部１０（Ｌ）とを備えている。右眼用の表示部１０（Ｒ）と左眼用の表示部１０（Ｌ）とは、同一の構成をもって左右対称に配置されている。従って、以下の説明では、右眼用の表示部１０（Ｒ）を中心に説明し、左眼用の表示部１０（Ｌ）については説明を省略する。
【００２５】
また、以下の説明では、左右方向を第１方向Ｘと、前後方向を第２方向Ｚとし、上下方向を第３方向Ｙとして説明する。また、第１方向Ｘの一方側（右側）にＸ１を付し、第１方向Ｘの他方側（左側）にＸ２を付し、第２方向Ｚの一方側（後側）にＺ１を付し、第２方向Ｚの他方側（前側）にＺ２を付し、第３方向Ｙの一方側（上側）にＹ１を付し、第３方向Ｙの他方側（下側）Ｙ２に付して説明する。ここで、右眼用の表示部１０（Ｒ）と左眼用の表示部１０（Ｌ）とは対称に配置されているため、表示部１０（Ｒ）と左眼用の表示部１０（Ｌ）とでは、第１方向Ｘの一方側Ｘ１と他方側Ｘ２とが左右で反転する。
【００２６】
（表示部１０の全体構成）
図２は、図１に示す表示部１０の光学系の平面図である。なお、図２では、画像生成系２０の中央から出射される画像光Ｌを点線で示し、画像生成系２０の端部から出射される画像光Ｌを一点鎖線および二点鎖線で示してある。
【００２７】
図２に示すように、表示部１０（表示部１０（Ｒ））は、非平行光からなる画像光Ｌを出射する画像生成系２０と、画像生成系２０から出射された画像光Ｌが投射レンズ系を介さずに入射して出射部５８に導かれる導光系３０とを有している。
【００２８】
導光系３０は、画像光Ｌが入射する曲面からなる入射面４１、および入射面４１から入射した画像光Ｌを平行光に変換する曲面からなる複数の反射面４２を備えた透光性の入射部４０と、第１方向Ｘの一方端５１側（一方側Ｘ１の端部）が入射部４０に接続した透光性の導光部５０とを備えている。導光部５０は、一方端５１から第１方向Ｘの他方端５２側（他方側Ｘ２の端部）に向けて延在する第１面５６と、第１方向Ｘと交差する第２方向Ｚの一方側Ｚ１で第１面５６と対向する第２面５７と、第２面５７の入射部４０から離間する部分に設けられた出射部５８とを備えている。本形態において、出射部５８は、第２面５７のうち、入射部４０から第１方向Ｘの他方側Ｘ２に離間した部分からなる。このように構成した導光系３０では、入射部４０から導光部５０に出射された平行光が第１面５６と第２面５７との間で反射して第１方向Ｘの一方側Ｘ１から他方側Ｘ２に出射部５８に導かれ、出射部５８から出射される。本実施形態において、入射部４０と導光部５０とは一体の部材６０である。
【００２９】
（画像生成系２０の詳細構成）
画像生成系２０は、液晶装置や有機エレクトロルミネンセンス装置等からなる光変調パネルであり、入射部４０に対して第１方向Ｘの一方側Ｘ１で入射面４１に対向している。本実施形態において、画像生成系２０は、第２方向Ｚの一方側Ｚ１の端部２１が第２方向Ｚの他方側Ｚ２の端部２２より第１方向Ｘの一方側Ｘ１に位置するように斜めに配置されている。
【００３０】
（入射部４０の詳細構成）
入射部４０において、入射面４１は、入射部４０のうち、第１方向Ｘの一方側Ｘ１に向いた面であり、画像生成系２０に投射レンズ系を介さずに対向している。従って、入射面４１は、第２方向Ｚの一方側Ｚ１の端部４１１が第２方向Ｚの他方側Ｚ２の端部４１２より第１方向Ｘの一方側Ｘ１に位置するように斜めに配置されている。入射面４１は、非球面や自由曲面等の曲面からなり、本実施形態において、入射面４１は、凹状の自由曲面からなる。
【００３１】
入射部４０には、複数の反射面４２として、反射用第１曲面４３および反射用第２曲面４４が形成されている。反射用第１曲面４３は、第２方向Ｚの一方側Ｚ１を向く面からなり、第１方向Ｘの一方側Ｘ１の端部４３１が第１方向Ｘの他方側Ｘ２の端部４３２より第２方向Ｚの一方側Ｚ１に位置するように斜めに配置されている。反射用第１曲面４３は、非球面や自由曲面等の曲面からなり、本実施形態において、本実施形態において、反射用第１曲面４３は、凹状の自由曲面からなる。反射用第１曲面４３では、反射膜等が形成されておらず、臨界角以上の入射角で入射した光を全反射する。
【００３２】
反射用第２曲面４４は、第２方向Ｚの他方側Ｚ２を向く面からなり、反射用第１曲面４３と対向している。反射用第２曲面４４は、第１方向Ｘの一方側Ｘ１の端部４４１が第１方向Ｘの他方側Ｘ２の端部４４２より第２方向Ｚの一方側Ｚ１に位置するように斜めに配置されている。反射用第２曲面４４は、非球面や自由曲面等の曲面からなり、本実施形態において、反射用第２曲面４４は、凸状の自由曲面からなる。反射用第２曲面４４については、反射膜等が形成されておらず、臨界角以上の入射角で入射した光を全反射する構成を採用することができる。但し、本実施形態において、反射用第２曲面４４は、アルミニウム、銀、マグネシウム、クロム等を主成分とする反射性の金属層４４０を備えている。
【００３３】
このように構成した入射部４０では、画像生成系２０から出射された非平行光なる画像光Ｌが入射面４１に入射すると、入射面４１から入射した画像光Ｌは反射用第１曲面４３に向かう。次に、画像光Ｌは、反射用第１曲面４３で反射されて反射用第２曲面４４に向かう。次に、画像光Ｌは、反射用第２曲面４４で導光部５０に向けて反射され、その間に、画像光Ｌは平行光に変換される。
【００３４】
（導光部５０の詳細構成）
導光部５０では、第１面５６と第２面５７とが平行に配置されている。第１面５６および第２面５７は、導光部５０と外界（空気）との屈折率差に基づいて、臨界角以上の入射角で入射した光を全反射する。このため、第１面５６（第１反射面）および第２面５７（第２反射面）には反射膜等が形成されていない。
【００３５】
導光部５０には、入射部４０から離間する部分に、第３方向Ｙからみたときに第２面５７に対する法線方向から第１方向Ｘの一方側Ｘ１に傾いた複数の部分反射層５５が互いに平行に第１方向Ｘに沿って配置されている。出射部５８は、第２面５７のうち、複数の部分反射層５５に第１方向Ｘで重なる部分であり、第１方向Ｘにおいて所定の幅を有する領域である。
【００３６】
複数の部分反射層５５は各々、誘電体多層膜からなる。また、複数の部分反射層５５のうち、少なくとも１つの部分反射面が、誘電体多層膜と、アルミニウム、銀、マグネシウム、クロム等主成分とする反射性の金属層（薄膜）との複合多層膜であってもよい。部分反射層５５が金属層を含んでいる構成の場合、部分反射層５５の反射率を高める効果や、部分反射層５５の透過率および反射率の入射角依存性および偏光依存性を適正化できるという効果がある。
【００３７】
このように構成した導光部５０では、入射部４０から入射してきた平行光からなる画像光Ｌは、第１面５６と第２面５７との間で反射して第１方向Ｘの一方側Ｘ１から他方側Ｘ２に進行する。そして、部分反射層５５に入射した画像光Ｌの一部は、部分反射層５５で反射して出射部５８から観察者の眼Ｅに向けて出射される。また、部分反射層５５に入射した画像光Ｌの残りは、部分反射層５５を透過し、第１方向Ｘの他方側Ｘ２で隣り合う次の部分反射層５５に入射する。従って、複数の部分反射層５５の各々において第２方向Ｚの一方側Ｚ１に反射した画像光Ｌは、出射部５８から観察者の眼Ｅに向けて出射される。それ故、観察者は、虚像を認識することができる。その際、外界の光は、外界から導光部５０に入射した光は、導光部５０に入射した後、部分反射層５５を透過して観察者の眼Ｅに到達する。このため、観察者は、画像生成系２０で生成された画像をみることができるとともに、外界の景色等をシースルーでみることができる。
【００３８】
（導光部５０内の様子）
図３は、図２に示す導光部５０内での平行光束の様子を模式的に示す説明図であり、画像生成系２０の同一個所から入射部４０の入射面４１に入射した非平行な光束が入射部４０で平行光化された後の平行光束Ｌ０（画像光Ｌ）を第３方向Ｙからみた様子を模式的に示してある。なお、図３では、平行光束Ｌ０の中心光線Ｌ０ｃを実線で示し、平行光束Ｌ０の一方の側端部に位置する第１光線Ｌ０ａを長い破線で示し、平行光束Ｌ０の他方の側端部に位置する第２光線Ｌ０ｂを一点鎖線で示してある。また、図３の上段には、中心光線Ｌ０ｃと第１光線Ｌ０ａとに挟まれた第１平行光束部分Ｌ０１をグレーで示し、図３の下上段には、中心光線Ｌ０ｃと第２光線Ｌ０ｂとに挟まれた第２平行光束部分Ｌ０２をグレーで示してある。
【００３９】
図３に示すように、表示部１０では、画像生成系２０の同一個所から入射部４０の入射面４１に入射した非平行な光束が入射部４０で平行光化された後の平行光束Ｌ０を第３方向Ｙからみたとき、導光部５０の入射部４０が位置する一方端部分（第１方向Ｘの一方側Ｘ１の部分）の内部が平行光束Ｌ０によって満たされるように構成されている。より具体的には、平行光束Ｌ０では、中心光線Ｌ０ｃと第１光線Ｌ０ａとの間に挟まれた第１平行光束部分Ｌ０１（グレー部分）と、中心光線Ｌ０ｃと平行光束Ｌ０の第２光線Ｌ０ｂとの間に挟まれた第２平行光束部分Ｌ０２（グレー部分）とを合成すると、導光部５０の内部が平行光束Ｌ０によって満たされている。
【００４０】
かかる構成は、例えば、第１面５６と第２面５７とが平行であって、平行光束Ｌ０の光束径をＤとし、第１面５６と第２面５７との第２方向Ｚにおける間隔をｔとし、平行光束Ｌ０の第１面５６および第２面５７に対する入射角をθとしたとき、光束Ｄ、間隔ｔおよび入射角θを、下記条件式
Ｄ＝２ｔ×Ｓｉｎθ
を満たするように設定することにより実現することができる。
【００４１】
言い換えれば、第１光線Ｌ０ａおよび第２光線Ｌ０ｂが第２面５７に入射する位置が、中心光線Ｌ０ｃが第１面５６に入射する位置における仮想の法線Ｌｓ上に位置するように設定することにより実現することができる。なお、図２に示すように、画像光Ｌは、画像生成系２０の各個所から出射されるが、本実施形態では、画像生成系２０のいずれの個所から出射される画像光Ｌについても、上記の条件を満たしている。
【００４２】
（本形態の主な効果）
以上説明したように、本実施形態に係る表示装置１００（表示部１０）において、画像生成系２０から出射された非平行光からなる画像光Ｌは、投射レンズ系を介さずに導光系３０の入射部４０の入射面４１に入射した後、入射部４０の複数の反射面４２で反射して平行光に変換される。このため、平行光化された画像光は、導光部５０の第１面５６と第２面５７との間で反射して導光部５０内を進行し、出射部５８から出射される。従って、投射レンズ系を設けなくても、画像光を平行光として出射部５８から観察者の眼Ｅに出射することができるので、観察者に虚像を認識させることができる。また、投射レンズ系を設ける必要がないので、表示装置１００の小型化および軽量化を図ることができる。さらに、投射レンズ系を設ける必要がないので、表示装置１００のデザイン性を高めることができる。
【００４３】
また、表示装置１００（表示部１０）では、画像生成系２０の同一個所から入射部４０の入射面４１に入射した非平行な光束が入射部４０で平行光化された後の平行光束Ｌ０を第３方向Ｙからみたとき、導光部５０における第１方向Ｘの一方側Ｘ１の部分の内部が平行光束Ｌ０によって満たされている。このため、導光部５０の第２方向Ｚの厚さを薄くしても、輝度の高い虚像を観察者に認識させることができる。
【００４４】
また、導光部５０では複数の部分反射層５５が互いに平行に第１方向Ｘに沿って配置されており、出射部５８は、第２面５７のうち、複数の部分反射層５５に第１方向Ｘで重なる部分である。従って、出射部５８は、第１方向Ｘにおいて所定の幅を有する領域であるので、観察者の眼Ｅの位置が第１方向Ｘに多少、移動した場合でも、虚像を観察者に認識させることができる。
【００４５】
また、入射部４０では、複数の反射面４２のうちの１つ面が金属層を備えている。本実施形態では、複数の反射面４２のうち、画像光Ｌを平行光化して導光部５０に反射する反射用第２曲面４４が金属層４４０を備えている。このため、反射用第２曲面４４に対する入射角が小さい場合でも、確実に反射することができる。従って、輝度の高い虚像を観察者に認識させることができる。
【００４６】
［実施形態２］
図４は、本発明の実施形態２に係る表示装置１００の光学系の平面図である。なお、本形態および後述する各実施形態の基本的な構成は、実施形態１と同様であるため、共通する部分には同一の符号を付してそれらの説明を省略する。
【００４７】
図４に示すように、本形態の表示部１０も、実施形態１と同様、非平行光からなる画像光Ｌを出射する画像生成系２０と、画像生成系２０から出射された画像光Ｌが投射レンズ系を介さずに入射して出射部に導かれる導光系３０とを有している。導光系３０は、画像光Ｌが入射する曲面からなる入射面４１、および入射面４１から入射した画像光Ｌを平行光に変換する曲面からなる複数の反射面４２を備えた透光性の入射部４０と、第１方向Ｘの一方端５１側が入射部４０に接続した透光性の導光部５０とを備えている。
【００４８】
このように構成した導光系３０において、実施形態１では、入射部４０と導光部５０とが一体の部材６０によって構成されていたが、本実施形態においては、入射部４０の少なくとも一部は、第１透光性部材６１に形成され、導光部５０は、第１透光性部材６１に面接合された第２透光性部材６２に形成されている。このため、入射部４０については樹脂成形品で構成する一方、導光部５０については部分反射層５５を挟んで積層した透光性基板を切断して構成する等、入射部４０および部分反射層５５を適正な方法で製造することができる。
【００４９】
ここで、第１透光性部材６１と第２透光性部材６２との接合面６５は、第２方向Ｚの一方側Ｚ１の第１端部６５１が第２面５７と入射部４０の反射領域との間に位置し、第２方向Ｚの他方側Ｚ２の第２端部６５２が第１面５６と入射部４０の反射領域との間に位置している。より具体的には、接合面６５の第１端部６５１は、反射用第１曲面４３のうち、入射面４１の側から画像光Ｌが入射する領域（反射領域）と第２面５７との間に位置する。また、接合面６５の第２端部６５２は、反射用第２曲面４４のうち、反射用第１曲面４３の側から画像光Ｌが入射する領域（反射領域）と第１面５６との間に位置する。従って、接合面６５が、入射部４０内での適正な反射や、導光部５０内での適正な反射を妨げにくい。
【００５０】
本実施形態において、接合面６５は曲面からなる。また、第１透光性部材６１と第２透光性部材６２とは、屈折率およびアッベ数が異なり、第１透光性部材６１と第２透光性部材６２との接合面６５は曲面からなる。例えば、可視光波長域において、第１透光性部材６１の屈折率は１．５８５であり、第１透光性部材６１のアッベ数が３０であり、第２透光性部材６２の屈折率は１．５３１であり、第２透光性部材６２のアッベ数が５６である。また、接合面６５は、入射部４０の側に凹んだ凹曲面である。このため、接合面６５は、負のパワーを有するレンズ面を構成している。
【００５１】
従って、接合面６５は、画像光Ｌを平行光化する役目の一部を担うレンズとして機能する。それ故、本実施形態のように、投射レンズ系を用いない場合でも、入射部４０に対する設計上の要求を軽減することができ、かつ、色収差等の軽減を図ることができる。このような構成の場合、接合面６５は、画像光Ｌを平行光化する役目の一部を担っていることから、接合面６５は入射部４０に含まれていることになる。なお、接合面６５を負のパワーを有するレンズ面と機能させるにあたっては、接合面６５を導光部５０の側に凹んだ凹曲面とし、導光部５０の屈折率を入射部４０の屈折率より小さくしてもよい。
【００５２】
［実施形態３］
図５は、本発明の実施形態３に係る表示装置１００の光学系の平面図である。図５に示すように、本形態の表示部１０も、実施形態１、２と同様、非平行光からなる画像光Ｌを出射する画像生成系２０と、画像生成系２０から出射された画像光Ｌが投射レンズ系を介さずに入射して出射部に導かれる導光系３０とを有している。導光系３０は、画像光Ｌが入射する曲面からなる入射面４１、および入射面４１から入射した画像光Ｌを平行光に変換する曲面からなる複数の反射面４２を備えた透光性の入射部４０と、第１方向Ｘの一方端側（一方側Ｘ１の端部５１）が入射部４０に接続した透光性の導光部５０とを備えている。
【００５３】
このように構成した導光系３０において、本実施形態においては、入射部４０の少なくとも一部は、第１透光性部材６１に形成され、導光部５０は、第１透光性部材６１に面接合された第２透光性部材６２に形成されている。また、第１透光性部材６１と第２透光性部材６２との接合面６５は、第２方向Ｚの一方側Ｚ１の第１端部６５１が第２面５７と入射部４０の反射領域との間に位置し、第２方向Ｚの他方側Ｚ２の第２端部６５２が第１面５６と入射部４０の反射領域との間に位置している。
【００５４】
本実施形態において、第１透光性部材６１と第２透光性部材６２とは、屈折率およびアッベ数が異なる、例えば、可視光波長域において、第１透光性部材６１の屈折率は１．５８５であり、第１透光性部材６１のアッベ数が３０であり、第２透光性部材６２の屈折率は１．５３１であり、第２透光性部材６２のアッベ数が５６である。また、第１透光性部材６１と第２透光性部材６２との接合面６５は平面からなり、入射部４０によって平行光化された画像光Ｌが接合面６５を透過する。従って、入射部４０の全てが第１透光性部材６１に構成され、導光部５０は第２透光性部材６２に構成されており、接合面６５は、入射部４０と導光部５０との間に位置する。
【００５５】
このように構成した導光系３０では、接合面６５での屈折によって色収差等を低減することができる。従って、本実施形態のように、投射レンズ系で色収差の低減を図ることができない場合でも、解像度の高い虚像を観察者に認識させることができる。なお、本実施形態において、接合面６５は、第２面５７に対して部分反射層５５とは反対側に傾いているが、入射部４０の構成によっては、接合面６５が第２面５７に対して部分反射層５５とは同じ側に傾いている態様を採用してもよい。この場合、接合面６５と部分反射層５５とが平行な態様、および接合面６５と部分反射層５５とが非平行な態様のいずれであってもよい。
【００５６】
［実施形態４］
図６は、本発明の実施形態４に係る表示装置１００の光学系の平面図である。図６に示すように、本形態の表示部１０も、実施形態１、２と同様、非平行光からなる画像光Ｌを出射する画像生成系２０と、画像生成系２０から出射された画像光Ｌが投射レンズ系を介さずに入射して出射部に導かれる導光系３０とを有している。導光系３０は、画像光Ｌが入射する曲面からなる入射面４１、および入射面４１から入射した画像光Ｌを平行光に変換する曲面からなる複数の反射面４２を備えた透光性の入射部４０と、第１方向Ｘの一方端側（一方側Ｘ１の端部５１）が入射部４０に接続した透光性の導光部５０とを備えている。
【００５７】
ここで、画像生成系２０は、画像を生成する光変調パネル２６と、光変調パネル２６の画像光Ｌの出射側の面に固定されたレンズ素子２７とを有している。その他の構成は、実施形態２と同様である。このように構成した表示部１０では、画像生成系２０自身が備えるレンズ素子２７が、画像光Ｌを平行光化する役目の一部を担うので、入射部４０に対する設計上の要求を軽減することができる。なお、本実施形態において、入射面４１は凸曲面であるが、実施形態１と同様、入射面４１は凹曲面であってもよい。また、本実施形態に係る構成は、実施形態２に限らず、実施形態１、３等に適用してもよい。
【００５８】
［実施形態５］
図７は、本発明の実施形態５に係る表示装置１００の光学系の平面図である。図７に示すように、本形態の表示部１０も、実施形態１と同様、非平行光からなる画像光Ｌを出射する画像生成系２０と、画像生成系２０から出射された画像光Ｌが投射レンズ系を介さずに入射して出射部に導かれる導光系３０とを有している。導光系３０は、画像光Ｌが入射する曲面からなる入射面４１、および入射面４１から入射した画像光Ｌを平行光に変換する曲面からなる複数の反射面４２を備えた透光性の入射部４０と、第１方向Ｘの一方端側（一方側Ｘ１の端部５１）が入射部４０に接続した透光性の導光部５０とを備えている。
【００５９】
かかる表示装置１００において、実施形態１では、入射面４１と画像生成系２０とが、概ね第１方向Ｘで対向していたが、本実施形態において、入射面４１と画像生成系２０とは、第１方向Ｘおよび第２方向Ｚの双方に対して交差する斜め方向で対向している。より具体的には、画像生成系２０は、第２方向Ｚの一方側Ｚ１の端部２１が第２方向Ｚの他方側Ｚ２の端部２２より第１方向Ｘの他方側Ｘ２に位置するように斜めに配置されている。また、入射部４０において、入射面４１は、第２方向Ｚの一方側Ｚ１の端部４１１が第２方向Ｚの他方側Ｚ２の端部４１２より第１方向Ｘの他方側Ｘ２に位置するように斜めに配置されている。反射用第１曲面４３は、第１方向Ｘの他方側Ｘ２に向かってわずかに傾いた面からなり、第１方向Ｘの一方側Ｘ１の端部４３１が第１方向Ｘの他方側Ｘ２の端部４３２より第２方向Ｚの一方側Ｚ１に位置する。反射用第１曲面４３は、凹状の自由曲面からなる。反射用第２曲面４４は、第１方向Ｘの一方側Ｘ１に向かってわずかに傾いた面からなり、第１方向Ｘの一方側Ｘ１の端部４４１が第１方向Ｘの他方側Ｘ２の端部４４２より第２方向Ｚの一方側Ｚ１に位置する。反射用第２曲面４４は、凸状の自由曲面からなる。また、反射用第２曲面４４は、アルミニウム、銀、マグネシウム、クロム等を主成分とする反射性の金属層４４０を備えている。
【００６０】
このように構成した入射部４０でも、実施形態１と同様、画像生成系２０から出射された非平行光なる画像光Ｌが入射面４１に入射すると、入射面４１から入射した画像光Ｌは反射用第１曲面４３に向かう。次に、画像光Ｌは、反射用第１曲面４３で反射されて反射用第２曲面４４に向かう。次に、画像光Ｌは、反射用第２曲面４４で導光部５０に向けて反射され、その間に、画像光Ｌは平行光に変換される。なお、本実施形態においても、実施形態２、３、４と同様、入射部４０の少なくとも一部が第１透光性部材６１に形成され、導光部５０は、第１透光性部材６１に面接合された第２透光性部材６２に形成されている態様を採用してもよい。
【００６１】
［実施形態６］
図８は、本発明の実施形態６に係る表示装置１００の導光部５０の説明図である。本実施形態においては、図８に示す導光部５０に形成された部分反射層５５は、入射角に応じて透過率および反射率が変化する特性を有している。本実施形態において、複数の部分反射層５５は、入射角が大のときには、小のときより反射率が大である。
【００６２】
本実施形態において、部分反射層５５が第２面５７に対して成す角度は４５°〜７０°である。また、部分反射層５５に対する入射角が小さいときには、透過率が９８％以上であり、反射率が２％以下である。これに対して、部分反射層５５に対する入射角が大きいときには、透過率が７７％であり、反射率が２３％である。このような構成によれば、表１、表２および表３を参照して説明するように、出射部５８の第１方向Ｘの各位置から出射される画像光Ｌの輝度ばらつきを小さくすることができる。より具体的には、出射部５８では、第１方向Ｘにおいて入射部４０から離間する程、画像光Ｌの出射強度が低下するが、本実施形態によれば、かかる出射強度の低下を抑制することができる。
【００６３】
【表１】
2018165740.tif 000003
【００６４】
【表２】
2018165740.tif 000004
【００６５】
【表３】
2018165740.tif 000005
【００６６】
例えば、図８に示す部分反射層５５の各間から出射される光の輝度（出射強度）を算出した場合、表１に示す結果となり、出射部５８の第１方向Ｘの各位置から出射される画像光Ｌの輝度ばらつきを小さくすることができる。表１には、部分反射層５５の各間５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅから画像光Ｌが出射されるまでの透過回数および反射回数を示してある。反射回数については、最終的には、大きな入射角で反射される。これに対して、透過は、入射角が大きい場合と小さい場合とがあり、本形態では、入射角によって部分反射層５５での透過率が異なる。従って、透過回数は、入射角が大きい場合と小さい場合とに分けてある。また、光線については、図８に示すように、各間５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅのうち、第１方向Ｘの最も一方側Ｘ１から出射される光線Ｌ１１、第１方向Ｘの中央から出射される光線Ｌ１２、および第１方向Ｘの最も他方側Ｘ２から出射される光線Ｌ１３の各々について輝度を示してある。
【００６７】
表１から分かるように、各間５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅにおいて、輝度が１３．１％から２３％であり、ばらつきが小さい。また、各各間５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅにおける光線Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３の輝度のばらつきが小さい。これに対して、部分反射層５５に対する入射角にかかわらず、部分反射層５５での透過率が７７％以上で反射率が２３％である場合、各間５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅから出射される光線Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３の輝度は、表２に示す結果となる。表２から分かるように、各間５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅから出射される光線Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３の輝度は８．１％から２３％であり、ばらつきが大きい。
【００６８】
また、図８に示すように、部分反射層５５が形成されている導光部５０に対して、第１方向Ｘの他方側Ｘ２に、部分反射層５５が形成されていない透光層５９を設けた場合、部分反射層５５を透過する回数を減らすことができる。従って、部分反射層５５に対する入射角にかかわらず、部分反射層５５での透過率が７７％以上で反射率が２３％である場合、各間５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅから出射される光線Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３の輝度は、表３に示す結果となる。表３から分かるように、各間５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅから出射される光線Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３の輝度は１３．１％から２３％であり、ばらつきが小さい。但し、この場合には、透光層５９を設けた分、導光系３０の第１方向Ｘの厚さが厚くなる。
【００６９】
従って、本実施形態のように、部分反射層５５が形成されていない透光層５９（図８参照）を設けずに、部分反射層５５が形成されている部分のみによって導光部５０を構成することにより、薄型化を図った場合でも、出射部５８において第１方向Ｘにおいて入射部４０から離間する位置から出射される画像光Ｌの輝度の差を縮めることができる。また、各各間５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅにおける光線Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３の輝度のばらつきを小さくすることができる。さらに、部分反射層５５での無駄な反射を低減したため、ゴーストの発生に起因する表示品質の低下を抑制することができる。
【００７０】
［実施形態７］
実施形態６では、部分反射層５５は、部分反射層５５に対する入射角が大のときには、部分反射層５５に対する入射角が小のときより反射率が大であったが、例えば、部分反射層５５が第２面５７に対して成す角度が２５°〜４０°である場合、部分反射層５５については、部分反射層５５に対する入射角が小のときには、部分反射層５５に対する入射角が大のときより反射率が大である態様を採用してもよい。
【００７１】
［実施形態８］
図９は、本発明の実施形態８に係る表示装置１００の外観の一例を模式的に示す説明図である。図１０は、図９に示す表示装置１００を観察者に対する正面方向からみた正面図である。図１１は、図９に示す表示装置１００を左側からみた側面図である。実施形態１に係る表示装置１００では、画像生成系２０および入射部４０を耳側に配置し、耳側から鼻側に向けて画像光Ｌを導いたが、本実施形態では、図９、図１０および図１１に示すように、画像生成系２０および入射部４０が眼前の上方に配置されており、導光部５０が上方から下方に延在している。このため、上方から下方に向けて画像光Ｌを導いて眼に向けて出射する。このため、本実施形態では、上下方向が第１方向Ｘに相当し、前後方向が第２方向Ｚに相当し、左右方向が第３方向Ｙに相当する。また、第１方向Ｘの一方側Ｘ１は上側に相当し、第１方向Ｘの他方側Ｘ２は下側に相当する。
【００７２】
［導光部５０の製造方法］
図１２は、図５等に示す導光部５０の製造方法を示す説明図である。図１３は、図５等に示す導光部５０の別の製造方法を示す説明図である。図５等に示す導光部５０（第２透光性部材６２）を製造するには、図１２に示すように、一方面に部分反射面５５を形成した複数枚の透光性基板６６をずらしながら重ね、この状態で、透光性基板６６に荷重を加えながら透光性基板６６同士を接合層を介して接合し、積層体６７を形成する。その際、部分反射面５５が形成されていない透光性基板６６も積層しておく。次に、積層体６７を斜めに切断する。その結果、導光部５０（第２透光性部材６２）が得られる。その際、切断面によって第１面５６および第２面５７が構成されるので、切断面に対しては研磨等を行う。透光性基板６６は、ガラス基板、石英基板、樹脂基板等である。透光性基板６６がガラス基板である場合、ガラス接合等によって接合できるので、接着剤を用いる必要がない。また、接着剤を用いて透光性基板６６を接合してもよい。
【００７３】
これに対して、図１３に示す方法では、一方面に部分反射面５５を形成した複数枚の透光性基板６６をずらさずに重ね、この状態で、透光性基板６６に荷重を加えながら透光性基板６６同士を接合層を介して接合し、積層体６７を形成する。その際、部分反射面５５が形成されていない透光性基板６６も積層しておく。次に、積層体６７を斜めに切断する。その結果、導光部５０（第２透光性部材６２）が得られる。その際、切断面によって第１面５６および第２面５７が構成されるので、切断面に対しては研磨等を行う。透光性基板６６は、ガラス基板、石英基板、樹脂基板等である。透光性基板６６がガラス基板である場合、ガラス接合等によって接合できるので、接着剤を用いる必要がない。また、接着剤を用いて透光性基板６６を接合してもよい。
【００７４】
図１２に示す方法によれば、材料の損失を減らすことができる。これに対して、図１３に示す方法では、複数の透光性基板６６は、全体が重なっているので、透光性基板６６に荷重を加えながら接着剤を硬化させる際、図１２に示す方法より、透光性基板６６の全体に均等な荷重が加わる。従って、透光性基板６６同士を均一に密着した状態に接着することができる。
【００７５】
［他の実施形態］
上記実施形態において、導光部５０では、複数の部分反射層５５での部分反射によって出射部５８から表示光を出射する構成であったが、出射部５８に回折素子を設け、回折素子によって表示光を出射する構成の表示装置１００（表示部１０）に本発明を適用してもよい。
【００７６】
上記実施形態において、第１面５６または第２面５７に反射防止膜を設けてもよい。外界からの光（シースルー光）が透過する場合も、画像光Ｌが導光部５０から外部へ出射する場合も、導光部５０の界面で反射が起きるとその分ロスになる。従って、反射防止膜を設ければ、シースルー光および画像光Ｌのいずれについても、輝度を高めることができる。また、また、無用な光の戻り光を減らすことができるので、ゴーストの発生を抑制することもできる。
【符号の説明】
【００７７】
１０…表示部、２０…画像生成系、２６…光変調パネル、２７…レンズ素子、３０…導光系、４０…入射部、４１…入射面、４２…反射面、４３…反射用第１曲面、４４…反射用第２曲面、５０…導光部、５５…部分反射層、５６…第１面、５７…第２面、５８…出射部、５９…透光層、６５…接合面、６１…第１透光性部材、６２…第２透光性部材、６６…透光性基板、６７，６８…積層体、１００…表示装置、１１０…フレーム、１１１…テンプル、４４０…金属層、６５１…第１端部、６５２…第２端部、θ…入射角、Ｄ…光束、Ｅ…眼、Ｌ…画像光、Ｌ０…平行光束、Ｌ０１…第１平行光束部分、Ｌ０２…第２平行光束部分、Ｌ０ａ…第１光線、Ｌ０ｂ…第２光線、Ｌ０ｃ…中心光線、Ｌｓ…法線、Ｘ…第１方向、Ｙ…第３方向、Ｘ１，Ｘ２，Ｙ２，Ｚ１，Ｚ２…側、Ｚ…第２方向、ｔ…間隔。
【図１】
2018165740.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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