(57)【要約】導光装置は、入射連結面(26,46)と垂直な実質上第１主方向(41)に光放射を入射連結するための入射連結面(46)を有するとともに、出射連結面と垂直な実質上第２主方向(42)に光放射を出射連結するための出射連結面(47,48,49)を有する。出射連結面は、入射連結面(46)の寸法以外の寸法を有する。この装置は、多数の板状導光部材(43,44,45)を具え、各々は、実質上長方形の入射連結面および実質上長方形の出射連結面(47,48,49)を有する。多数の板状の導光部材は、共に積層され、それらの長辺で互いに当接する前記入射連結面によって形成される入射連結面(46)を形成する。出射連結面(47,48,49)は、それらの短辺で互いに当接する前記出射連結面によって形成される。【選択図】図14
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質上第１主方向に垂直であり、光放射を入射連結するための入射連結面を有し、かつ、実質上第２主方向に垂直であり、光放射を出射連結するための出射連結面を有し、前記出射連結面が、前記入射連結面の寸法以外の寸法を有する導光装置において、
前記装置は、多数の板状の導光部材を具え、前記導光部材の各々は、実質上長方形の入射連結側面および実質上長方形の出射連結側面を有し、多数の前記板状導光部材は、それらの長辺で互いに当接する前記入射連結側面によって形成される入射連結面を作り出すように共に積層され、かつ、前記出射連結面は、前記板状導光部材の短辺で互いに当接する前記出射連結側面によって作り出されることを特徴とする導光装置。
【請求項２】
前記入射連結面は、長辺が短辺の５倍未満の長さである実質上長方形の形状を有し、出射連結面は、前記長辺の長さの５倍超え、好ましくは１０倍超えの長さを有する長方形の形状を有することを特徴とする請求項１記載の導光装置。
【請求項３】
前記板状の導光部材の各々に、光放射を反射するための反射外側面を設け、該反射外側面が、前記第１主方向に対してある角度をなして位置決めされ、かつ、前記反射外側面が、光放射を出射連結面に向かって実質上第２主方向に方向付けることを特徴とする請求項１または２記載の導光装置。
【請求項４】
前記反射外側面と前記第１主方向との間の角度は、15°と55°の間、好ましくは35°と45°の間、より好ましくは約40°であることを特徴とする請求項３記載の導光装置。
【請求項５】
各板状導光部材の、前記第１主方向に垂直な断面積は、前記第１主方向に増加させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の導光装置。
【請求項６】
前記断面積の増加は、前記入射連結側面から始まることを特徴とする請求項５記載の導光装置。
【請求項７】
前記板状導光部材の部分同士は、光学的な接触とし、好ましくは、前記入射連結面の近くで、光学接着剤とともに接着されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の導光装置。
【請求項８】
前記出射連結面の近くにある前記板状導光部材の厚みは、前記第２主方向に増加させることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の導光装置。
【請求項９】
前記入射連結面の近くにある前記板状導光部材の前記部分同士は、実質上平行な異なる面内で延在し、また、前記出射連結面の近くにある前記板状導光部材の前記部分同士は、実質上同一の面内で延在することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の導光装置。
【請求項１０】
光放射が、入射連結面に連結されて該入射連結面に垂直な実質上第１主方向に入射され、入射された光放射が、出射連結面に連結されて該出射連結面に垂直な実質上第２主方向に出射され、出射連結面が入射連結面の寸法以外の寸法を有する、導光装置を通じて光をガイドする方法において、
前記光放射は、多数の板状の導光部材によりガイドされ、前記導光部材の各々は、実質上長方形の入射連結側面および実質上長方形の出射連結側面を有し、多数の前記板状導光部材は、それらの長辺で互いに当接する前記入射連結側面によって形成される入射連結面を作り出すように共に積層され、前記出射連結面は、前記板状導光部材の短辺で互いに当接する前記出射連結側面によって作り出されることを特徴とする、導光装置を通じて光をガイドする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実質上第１主方向に垂直であり、光放射を入射連結するための入射連結面を有し、かつ、実質上第２主方向に垂直であり、光放射を出射連結するための出射連結面を有し、前記出射連結面が、前記入射連結面の寸法以外の寸法を有し、例えば、発光素子内に光放射をさらにガイドする導光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光素子は、前記出射連結面の前方に設置して光放射を発光素子内に方向付けることができるが、代案として、発光素子を、導光装置の出射連結面に光学接着剤で接着するか、あるいは、一体的に連結することさえも可能である。例えば、導光装置および発光素子は、１回の射出成形工程で成型されていてもよい。この場合、出射連結面は、単なる領域であり、材料の外面ではない。
【０００３】
光放射の「主方向」という用語は、光が前記主方向に対して比較的小さい角度、特に約45°より小さい角度で異なる方向へ放射されるときの光放射の平均方向が実質上主方向であるということを意味する。
【０００４】
導光部材の外面が平坦であり、入射角がある特定の値、すなわち全反射角よりも大きいことを条件として、導光部材の材料の屈折率に依存して、光放射は、導光部材の外面によって導光部材の材料の中に後方へ反射されるであろう。入射角は、光ビームと、この光ビームが方向付けられる面と垂直な線との間の角度である。光をガイドするための適当な材料は、透明な熱可塑性物質、特にポリメチルメタクリレート（PMMA）またはポリカーボネート（PC）である。そのような材料は、例えば射出成形法、押出成形法、または材料除去レーザー工程により成形することができる。
【０００５】
照明されるべき空間内に光を発する素子を具える導光システムは、米国特許公開第2002/0167820号公報に開示されている。この公報は、自動車の車内の照明条件を改善するための導光システムを開示し、板状の発光素子は、車両屋根の屋内ライニングのエリアに配置される。光放射は、発光素子の側面を通じて発光素子と連結されて入射され（coupled in）、そして、均質な方法で、前記発光素子の大きい前面を通じて車両の車内に発光する。
【０００６】
光放射は、発光素子の長方形の入射連結側面に沿って延在する、蛍光灯のような光発生装置によって、発光素子に入射連結（coupled in）されうる。代案として、発光ダイオード（LED）のような多数の光源を、前記入射連結側面に沿って一列に配置してもよい。しかしながら、いずれの場合においても、光発生装置によって放射した光の一部しか、発光素子に光放射を入射連結するための側面に到達しないであろう。光発生装置の背後に配置されるリフレクタは、前記側面に到達する光放射の部分を増加させることができるが、発光素子に連結されて入射されうる光よりも非常に多い光が前記側面付近で依然として発生する。
【０００７】
さらに、導光装置から出る光ビームの方向は、発光素子に入射連結されるかもしれないが、導光装置の出射連結面（coupling-out surface）と垂直な方向である光放射の第２主方向に対して比較的小さな角度で取り囲むことが望ましい場合が多い。第２主方向に対する光ビームのより小さい角度、すなわち第２主方向に光放射の減少した角度分布は、発光素子内への光のガイドを改善する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、好適には、光ビームと光放射の前記主方向との角度がより小さくなるように、光放射が、比較的小さな光源からガイドされ、かつ、より大きな領域、特に長方形の出射連結面にわたって分布される、導光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するために、導光装置は、多数の板状の導光部材を具え、導光部材の各々は、実質上長方形の入射連結側面（lateral coupling-in surface）および実質上長方形の出射連結側面(lateral coupling-out surface)を有し、多数の板状の導光部材は、共に積み重なり、それらの長辺で互いに当接する前記入射連結側面によって形成される入射連結面を作り出し、出射連結面は、それら導光部材の短辺で互いに当接する前記出射連結側面によって作り出される。「実質上長方形」とは、形状が長方形であってもよいが、代案として、２次元の面内、あるいは３次元の空間内で多少湾曲させた２つの長辺および２つの短辺によって囲まれている形状でもよいことを意味する。
【００１０】
多数の板状の導光部材を利用することによって、光放射は、長い出射連結面にわたって分布させることができ、また、入射連結面は光源の前方に設置されるための適当な形状、例えば正方形形状を有する。
【００１１】
一の好適実施形態では、入射連結面は長辺が短辺の５倍未満の長さである実質上長方形形状を有し、また、出射連結面は、前記入射連結面の前記長辺の長さの５倍超え、好ましくは１０倍超えの長さ（の長辺）を有する長方形形状を有する。好適には、入射連結面は、実質上正方形形状を有する。
【００１２】
一の好適実施形態では、板状の導光部材の各々に、光放射を反射するための反射外側面を設け、この反射外側面は、前記第１主方向に対してある角度をなして位置決めされ、かつ、実質上第２主方向に出射連結面に向かって光放射を方向付ける。前記反射外側面と前記第１主方向との間の角度は、好ましくは15°と55°の間であり、より好ましくは35°と45°の間であり、一の好適実施形態では約40°である。従って、光放射の第２主方向は、第１主方向に対して実質上垂直にすることができる。
【００１３】
導光部材の反射外側面は、平面でよいが、導光装置の出射連結面における光放射の分布、すなわち光強度の分布は、湾曲した反射外側面によって影響を及ぼすことができる。導光部材の前記反射外側面の存在は、出射連結面を通じて導光部材から出る光放射の方向、すなわち第２主方向に、導光装置のより小さな寸法の可能性を生み出す。
【００１４】
一の好適実施形態では、各板状導光部材の、前記第１主方向に垂直な断面積は、前記第１主方向に増加させている。断面積の増加は、各導光部材の入射連結側面から始まるのが好ましい。
【００１５】
特に各導光部材の入射連結側面に接する（２つの）発散側面によって作り出される、増加する断面積によって、光放射が導光部材の関連部分を通過した後の光ビームと第１主方向との間の角度がより小さくなる。なぜなら、これら発散外側面は、前記第１主方向に対し、そのように小さな角度を有する方向に光ビームを反射させるからである。この結果として、前記主方向に光放射の減少した角度分布になる。前記発散外側面は、平坦でもよいが、放物線状、あるいは他の形状を有していてもよく、その形状は、光ビームの指向性効果を更に改善しうる。
【００１６】
光放射の第１および第２主方向に対して垂直である導光装置の断面の変換は、多数の別個の板状導光部材を通じて装置内に光放射をガイドすることによって達成される。このようにして、光放射は複数の部分に分けられ、その結果、各部分は、所望の位置まで導光部材を通じてガイドされることができる。さらに、各導光部材の断面は、発散側面のために増加させ、その結果、出射連結面は長方形形状を有することができる。これらは、導光装置の重要な特性である。光放射を前記導光部材内へガイドする方法およびそれらが部材から放出される方法は、あまり重要でない。
【００１７】
光放射は、導光部材にそれら導光部材の入射連結側面を通じて入ることができ、これらの入射連結側面は、ともに導光装置の入射連結面を形成する。一の好適実施形態では、板状導光部材の部分同士は、入射連結面の近くで光学的な接触とし、好ましくは、導光部材自体の材料として、ほぼ同じ屈折率を有する光学接着剤で共に接着される。従って、導光装置の材料内の光放射に対する障壁は、前記入射連結面の近くにはないが、前記入射連結面からさらに離れると、光放射の部分は、積層された導光部材の各々に捕らえられる（入射連結される）。光学接触、例えば光学接着剤の使用の目的は、適当に光放射を混合し、入射連結面の通過後に導光部材の全積層内で一様な光分布を作り出すことであり、その結果、光放射の等価部分が、積層された導光部材の各々に入る。接着剤の適用の代わりに、あるいは、接着剤の適用に加えて、固体の追加導光部材を、導光装置の入射連結面の前面に配置することができ、あるいは、入射連結面に接着することができる。そのような追加導光部材の長さ、あるいは接着剤で接合された導光部材の部分の長さは、20mmと100mmの間にすることができ、好ましくは35mmと70mmの間、より好ましくは約50mmである。
【００１８】
装置の出射連結面の近くで、導光部材の側面をともに接着してよく、その結果、前記出射連結面の近くで、装置の材料内の光放射に対する障壁はない。導光装置の出射連結面の前方に、固体の追加導光部材を設置すること、または出射連結面にそのような追加部材を接着することもまた可能である。
【００１９】
一の好適実施形態では、出射連結面の近くにある前記板状導光部材の厚みは、第２主方向に増加させ、その結果、出射連結面の短辺は、出射連結面からさらに離れた板状導光部材の厚みより長い。板状部材の実質上平行な外面は、この結果として、前記出射連結面の近くで前記第２主方向に発散する。発散外面の効果は、第２主方向から光ビームの方向のずれを更に減少させることであり、すなわち、光放射の角度分布を狭めることである。
【００２０】
好ましくは、前記入射連結面の近くにある板状導光部材の部分同士は、実質上平行な異なる面内で延在し、また、前記出射連結面の近くにある板状導光部材の部分同士は、実質上、一の面内で延在する。前記面は、導光装置の形状を装置を収容するのに利用できるスペースの形状に適合させるため、平坦でも湾曲していてもよい。
【００２１】
さらに、本発明は、導光装置を通じて光をガイドする方法に関するものであり、光放射が、入射連結面に連結されて該入射連結面に垂直な実質上第１主方向に入射され、入射された光放射が、出射連結面に連結されて該出射連結面に垂直な実質上第２主方向に出射され、出射連結面が入射連結面の寸法以外の寸法を有し、前記光放射は、多数の板状の導光部材によりガイドされ、前記導光部材の各々は、実質上長方形の入射連結側面および実質上長方形の出射連結側面を有し、多数の前記板状導光部材は、それらの長辺で互いに当接する前記入射連結側面によって形成される入射連結面を作り出すように共に積層され、前記出射連結面は、前記板状導光部材の短辺で互いに当接する前記出射連結側面によって作り出される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、単に概略的に示された図面を参照しながら、導光装置における２つの実施形態の記載によって更に以下で説明されるであろう。
【００２３】
第１実施形態によると、導光装置は、５つの実質上板状導光部材で構成されており、図1、2および3はこのような導光部材を示す。この例では、導光部材の材料はポリカーボネートであり、これは射出成形工程によって成形されうる透明な熱可塑性材料である。前記部材の外面は平坦であるので、前記関連する外面に対する入射角が全反射角（すなわち、全反射の臨界角）よりも大きいという条件で、入射連結（coupled in）された光は前記外面で反射されるであろう。全反射角は、導光部材の材料における屈折率の値および、導光部材の関連する外面と接する媒体の屈折率の値に依存する。
【００２４】
ポリカーボネートの屈折率は約1.6であり、空気の屈折率は約1.0であり、したがって、全反射角は約39°である。これは、導光部材の関連する外面に対し、39°よりも大きい入射角をもつ全ての光ビームが全反射して導光部材の材料内に戻るであろう。39°よりも小さい入射角をもつ光ビームだけは反射されず出射連結（coupled out）されるであろう。
【００２５】
導光部材は、第１部分１、第２部分２および第３部分３を具える。前記部材によってガイドされる光放射は、入射連結（coupling-in）側面4を通じて入射連結される。従って、入射連結側面4の前方にランプを設置することができる。入射連結側面4は、２つの外側面5、6と接し、これらの外側面5と6は、入射連結した光放射の第１主方向（矢印7）に発散する。側面4を通って入射連結する光は、前記第１方向7に対して比較的小さい角度、特に約45°より小さい角度を含む異なる方向に放射し、その結果、平均方向は実質的に第１主方向7である。
【００２６】
図1では、３つの光ビームが、破線8、9および10によって表わされ、光ビームは入射連結側面4を通じて入射連結される。光ビーム8は外側面5で反射され、光ビーム10は外側面6で反射され、そして、光ビーム9は前記主方向7に対してより小さい角度で方向付けられ、その結果、光ビーム9は外側面5、6のいずれにも当たらない。前記第１主方向7に対してより大きな角度を有する入射連結した光放射が、外側面5、6で反射され、反射の後、第１主方向7に対する角度が減少し、その結果、導光部材の発散部分1が、第１主方向7の周りにおける光放射の角度分布を狭くするということは明らかであろう。
【００２７】
導光部材の第２部分2は、第１主方向7に対して約45°の角度で位置決めされる反射外側面11を有する。従って、第１部分1から進行してくる入射連結した光放射の大部分は、導光部材の第３部分3の方へ反射されるであろう。第２主方向、すなわち反射外側面11で反射される光放射の平均方向は、矢印12で示され、第１主方向7に対して約90°の角度で方向付けられる。
【００２８】
導光部材の第３部分3は、第２主方向12に見て、板状の材料の厚みが増加する部分を具える。第３部分3の発散外面14、15で反射した光放射は、反射の後、より小さい角度で第２主方向12を囲み、その結果、発散外面14、15は、第２主方向12の周りにおける光放射の角度分布を狭くする。光放射の角度分布の減少は、導光部材の第１部分1における減少と同様である。
【００２９】
導光部材によってガイドされる光放射は、出射連結面16を通って、出射連結され、この出射連結面16は、入射連結面4の表面積より非常に大きい表面積を有し、さらに光放射の角度分布は縮小される。導光部材は、このように出射連結面16にわたって適当な光強度の分布を提供する。要求に応じて、導光部材の外面、特に外面5、6および11は、光強度の分布を要求に適合させるように、平面の代わりに曲面であってもよい。
【００３０】
出射連結面16は、板状の発光素子の外側面に対抗してまたはその近くに設置することができ、導光部材から発光素子に光放射を入射連結する。他の実施形態では、光が入射連結されなければならない発光素子または他の素子を、光学接着剤によって第３部分3に接続してもよいし、あるいは、例えば一の射出成形工程において製造することによって、一体部分として形成してもよい。
【００３１】
出射連結面16は、平面であってもよいし、あるいは出射光放射の分布を改良するため、ある特定の輪郭をもつ面で形成しても良い。例えば、出射連結面16には、円柱レンズを設けることができ、この円柱レンズの軸は板状の導光部材の面に対して垂直である。
【００３２】
導光部材の寸法は、以下のようにすることができる。板状部材の厚みは、1mmと5mmの間にすればよく、好ましくは約3mmである。前記発散外面14、15は、導光部材の第２部分2の厚みよりも0.5mmから3mm厚く、好ましくは1mmから2mm厚くなるまで発散（拡開）させることができる。
【００３３】
図4、5、6および7は、図1〜3に示すような種類の導光部材21、22、23、24、25を５枚積層して形成した導光装置の第１実施形態の図である。５枚の導光部材21、22、23、24、25は、相互に平行な面内で延在し、共に積層され、５枚の導光部材21、22、23、24、25の入射連結面が共に、１つの平面で実質的に正方形の入射連結面26を形成する。５つの導光部材の全長は異なるので、５つの出射連結面27、28、29、30、31は、ともに、１つの細長い出射連結面を形成することができる。それぞれの出射連結面27、28、30、31の近くの各部材21、22、24、25の部分は、部材23を除いて、関連する部材21、22、24、25の残りのそれぞれの面から外れて曲げられており、その結果、出射連結面27、28、30、31は、導光部材の積層の途中で、導光部材23の出射連結面29とともに一列に位置する。
【００３４】
図8は、図4〜７より大きいスケールで、光放射が入射連結する側から、すなわち、入射連結面26が位置する側からの導光装置を示す。図9は、ランプ32を有する導光装置の斜視図であり、このランプ32は、導光装置の入射連結面26の方へ光放射を発する。
【００３５】
これらの図は、実質的に正方形の入射連結面26が、導光部材21、22、23、24、25の５つの入射連結面から組み立てられていることを示す。積層した5枚の導光部材21、22、23、24、25は共に、光学接着剤で、少なくとも部分的に接着されることができ、その結果、光放射は、ともに積層した部材の隣接面を通過できる。特にこれらの部材は、入射連結面26の近くの領域内で共に接着することができ、その結果、これらの部材は光学的意味において一体となる。導光部材21、22、23、24、25にわたる光放射の分布は、このことにより改良することができる。
【００３６】
図10〜14は、導光装置の第２実施形態を示し、第１主方向（矢印41）、すなわち入射連結した光放射の平均方向は、第２主方向（矢印42）、すなわち出射連結した光放射の平均方向と実質的に平行である。図10は、３枚の板状の導光部材43、44、45の面に垂直な正面図である。図11は、図10の装置の右側面図である。図12は、図10の装置の底面図であって、入射連結面46を示し、そして、図13は図10の装置の上面図であり、３枚の板状の導光部材43、44、45のそれぞれ３つの出射連結面47、48、49を示し、３つの出射連結面47、48、49は、ともに、装置の長方形の出射連結面を形成する。図14は、導光装置の第２実施形態の斜視図である。
【００３７】
第２実施形態は、入射連結面46を有し、この入射連結面46は、3枚の板状の導光部材43、44、45の相互に当接する入射連結面によって形成される。入射連結面46は実質的に正方形である。なぜなら、導光部材43、44、45の３つの長方形の入射連結面が、長辺で互いに当接するからである。ランプを、入射連結面46の前に設置し、実質的に第１主方向41に光放射を入射連結することができる。
【００３８】
入射連結面46に接している装置の部分は、第１主方向41に垂直な長方形の断面を有し、３枚の導光部材43、44、45は共に、その領域で光学接着剤で接着され、その結果、光放射は導光部材43、44、45の隣接した外面を通過することができる。すなわち、３枚の導光部材がもはや互いに完全に重なり合わないところの入射連結面46から少し離れた位置で（図10参照）、３枚の導光部材は互いから光学的に分離し、その結果、３枚の導光部材の各々は、入射連結した全光放射の約３分の１を、それぞれの出射連結面47、48、49の方にガイドする。
【００３９】
３枚の導光部材43、44、45の各々は、それぞれ、発散外面50と51、52と53および54と55を有し、上述したように、導光部材43、44、45を通る光の案内の間中、光放射の角度分布を結果として狭くする。
【００４０】
入射連結面46の近くの位置では、３枚の板状の導光部材43、44、45は、３つの相互に平行な面に位置決めされるが、出射連結面47、48、49の近くの位置では、３つ全ての導光部材43、44、45は同一平面、すなわち中央に位置する導光部材44の平面に位置決めされる。従って、導光部材43は傾斜部56を有し、導光部材45は傾斜部57を有し、両傾斜部56、57は、導光部材43、44、45の平行な面を含む角度で囲む。
【００４１】
出射連結面47、48、49の近くの導光部材43、44、45の部分は、それらの外側面でともに接着され、これらの外側面は、その領域において互いに平行である。装置の出射連結面は、３つの長方形の出射連結面47、48、49によって形成され、これらの出射連結面47、48、49は、短辺で互いに当接し、長方形の出射連結面が得られる。
【００４２】
導光装置の外面、および／または、個々の導光部材の外面、または前記外面の部分に、被覆加工、すなわち、導光部材自体の材料のものよりも低い、低屈折率を有するコーティングを設けることができる。この種の被覆加工は、特に外面が他の物体と接触している時、その外面での内部反射を確実にする。
【００４３】
上述したような導光部材および導光装置の実施形態は単なる例示に過ぎず、種々の実施形態にすることは可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に従う導光部材の平面図である。
【図２】図1に示される導光部材の左側面図である。
【図３】図1に示される導光部材の底面図である。
【図４】本発明に従う導光装置の第１実施形態を示す図である。
【図５】第１実施形態を示す図である。
【図６】第１実施形態を示す図である。
【図７】第１実施形態を示す図である。
【図８】第１実施形態を示す図である。
【図９】第１実施形態を示す斜視図である。
【図１０】本発明に従う導光装置の第２実施形態を示す図である。
【図１１】第２実施形態を示す図である。
【図１２】第２実施形態を示す図である。
【図１３】第２実施形態を示す図である。
【図１４】第２実施形態を示す斜視図である。
【図１】
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【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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【図１４】
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【国際調査報告】
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