(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波モード光を外部に取り出すホログラフィックな光学構造を有する平面導波路を囲む透明シートと、前記平面導波路の片端もしくは両端に配置されて前記平面導波路に光結合する発光体と、前記透明シートの少なくとも一方の表面もしくは前記透明シートの少なくとも一方の表面に近接して形成された光学拡散機能を有するシートとを具備し、前記発光体は、前記発光体が光結合する前記平面導波路の片端もしくは両端に配置されているか、或いは前記発光体と前記平面導波路の端面との間に前記発光体からの光を導波する他の平面導波路が介在するように配置されていることを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
前記透明シートの少なくとも一方の表面に発光体の波長に励起されて発光する蛍光体が形成されているか、前記透明シートの少なくとも一方の表面に近接して発光体の波長に励起されて発光する蛍光体が含まれるシートを設けることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記平面導波路は、複数形成され、前記平面導波路の内、少なくとも一本は、他の平面導波路とは異なる波長の光が導波されるように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記透明シートが複数枚積層されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発光デバイス。
【請求項５】
前記導波モード光を外部に取り出すホログラフィックな光学構造は前記導波モード光波長に対して二次以上のＢｒａｇｇ回折格子機能を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発光デバイス。
【請求項６】
前記平面導波路が形成された前記透明シートもしくは前記積層された透明シートの少なくとも一方の面に接するか、もしくは近接して反射面が配され、かつ、前記反射面は、前記導波路から前記反射面と反対方向に出射される光線と、位相的に強め合う干渉を起こす位置に配されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の発光デバイス。
【請求項７】
前記平面導波路に光結合する前記発光体がＬＥＤもしくは半導体レーザーであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、線状もしくは平面状に発光する要素を含む発光デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光素子の代表例としてＬＥＤ(Light Emitting Diode)が知られている。ＬＥＤでは、薄い発光層（活性層）がｐ型クラッド層とｎ型クラッド層に挟まれる層構造を基本としている。活性層は活性層を挟む両クラッド層より小さなバンドキャップを有する。クラッド層の上下には、更に複雑な層構造を設けることが多い。一番外側の層に電極を設け通電して活性層を発光させる。
ＡｌＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系可視光ＬＥＤの例を図１５に示す（簡単のため、基本的な層構造のみを示す）。この材料系では、赤色から緑色の可視光を発光できるＬＥＤを実現できる。まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド層２（０＜ｘ＜１）、それよりバンドキャップの小さいアンドープ（Ａｌy Ｇａ1-y ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ活性層３（０＜ｙ＜１，ｙ＜ｘ）、ｐ型（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド層４を結晶成長する。最上部（ｐ側）には、ワイヤボンドのための円形電極８をｎ型ＧａＡｓ基板１の底面にはｎ側全面電極９を形成する。
このＬＥＤチップ１０は、そのままでは扱いにくいので、パッケージ（外囲器）が必要である。その１例として大型ＳＭＤ(Surface Mount Device)パッケージ２０がある。この光学的構造を図１６に示す。
【０００３】
まず、カソード側リードフレーム１１上に、ＬＥＤチップ１０を銀ペースト１２等の導電材料でマウントする。ＬＥＤチップ１０の上側の電極８からアノード側リードフレーム１３に金ワイヤ１４を張る。リードフレーム１１、１３とＬＥＤチップ１０の外側には、完全拡散反射に近い条件で反射する白色のＰＰＡ（ポリフタルアミド) 樹脂の外囲器（筐体）１５が配されている。この外囲器１５の開口凹部に透明な材料、例えば、エポキシ樹脂１６を充填しＬＥＤチップ１０を封止する。集光性を良くするため、透明樹脂をレンズ状にすることもある。熱特性を良くして高出力化するには、銀ペーストの代わりに共晶半田、エキポシの代わりにシリコーン樹脂、ＰＰＡ樹脂の代わりにセラミックパッケージを用いたりする。
【０００４】
一方、半導体レーザ（ＬＤ）は、ＬＥＤと同様の層構造の結晶ウエーハを用いるが、電流は、開両端に挟まれたストライプ（導波路兼発光領域）にのみ流す。このストライプ状の導波路のみが発光し、ストライプに沿って導波され両劈開端面で反射を繰り返すことでゲインを得てレーザ発振する。例としてＡｌＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系可視光ＬＤを図１７に示す。ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型（Ａｌx Ｇａ1-ｘ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド層２（０＜ｘ＜１）、それよりバンドギャップの小さいアンドープ（Ａｌx Ｇａ1-y ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ活性層３（０＜ｙ＜１，ｙ＜ｘ）、ｐ型（Ａｌx Ｇａ1-ｘ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド層４を連続結晶成長するまではＬＥＤとほぼ同じ工程である。
次に、ＬＤの特徴である導波路構造（メサストライプ）５を最上部（ｐ型）に形成する。このメサストライプの横を選択的にｎ型（Ａｌx Ｇａ1-ｘ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ電流ブロック層６：ｐ型（Ａｌx Ｇａ1-ｘ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ電流ブロック層７で埋め込む。これによりｐ−ｎ逆接合ができるため電流がブロックされる。そして電流はストライプ５部分にのみ効率よく集中して注入される。この上にｐ型（Ａｌx Ｇａ1-ｘ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ第二グラット層４′を結晶成長し、ｐ側全面電極８を形成する。また、ＬＥＤと同様に、ｎ側全面電極９をｎ型ＧａＡｓ基板１の底面に形成する。光出力を取り出すのは、端面の導波路端からのみである。この場合、発光面は波長オーダーのサイズ（1 ミクロン程度）の非常に微小な点である。
【０００５】
ＬＥＤは、約３０００ミクロン角のチップ表面から主に発光を取り出す。これに対し、半導体レーザ（ＬＤ）では、チップ端面でさらに微小な点（ミクロンオーダ）で発光する。つまり、これらは、指向性のある点光源である。しかし、人間の目に映る照明の分野では、少なくとも線光源、理想は面光源であることが望ましい。現在の蛍光灯や液晶TVのバックライトに用いられる陰極放電等（ＣＣＦＬ）等は、所定の幅と長さを有しており、照明としては使いやすい。
発光を平準化させるには、照明やバックライトの分野では、一般に導光板が用いられる。しかし、導光板は、サイドから光を入力し、その光を幾何光学的に分散させるために、その構造自体が厚くなる欠点がある。
導光板をバックライトに使用した例を図２０に示す。サイドから導光板３０にＲＧＢ三原色のＬＥＤパッケージ２０、２１、２２からの光を入射させた場合、混色して白色化するためには、サイドから所定の距離が必要であり、その間は白色化できずに各色がバラバラに出てしまう。それを覆い隠すことは可能であるが、隠された部分はロスとなる。
【０００６】
より高機能なバックライトとしては、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ:Liquid Crystal Display ）のカラーフィルタの部分に所望の波長の光のみが照明されるのが望ましいが、導光板では平面上の所定の一のみ所定の波長の光を取り出すことは難しい。やはり平面発光の一部を隠すことはできても効率が落ちる。
また、ＬＥＤ等の点光源を平面状に並べてバックライトを構成する方法もある。この様子を図２１に示す。それぞれのＬＥＤ素子２０〜２８を実装（マウント等）するためにプリント基板４０が必要であり、素子からの放熱も考慮しなくてはいけない。バックライト面全体が発熱で熱くなってしまう（簡単のため、プリント基板の煩雑な配線は省略した）。この方法は、指向性点光源を並べることになり、ＬＥＤ２０〜２８の部分のみ輝度が突出し易い。
ここで、導波路を利用した発光素子を議論する（ＬＤも含まれる）。導波路は、そもそも導波方向以外に光は漏れない。端面からのみ入出力が可能である。しかし、導波光を導波路に沿って線状に取り出す方法がある。Ｂｒａｇｇ散乱次数が二次以上の回折格子を導波路に沿って形成する。この回折格子に結合した導波光を、いわゆる放射モード光（radiation mode）として取り出すものである（回折格子は一種の単純なホログラムである。同様にホログラフィックな位相パターンによって導波路に沿って出力を取り出せる）。
【０００７】
この様子を図１８に示す。Ｂｒａｇｇの散乱次数で二次の回折格子１００が矩形断面の平面導波路２００に沿って形成されている。導波光は、平面導波路２００からしみ出すため、透明なクラットシート２１０で囲まれている。これは、ＬＤの導波路構造と同様である。プリント基板４０上のＬＥＤパッケージ２０からの出力が導波路２００に入力される。入力された光は、導波路２００に沿って進む導波モード光３００（矢印）として進行する。回折次数が二次の場合は、導波路２００の上下、ほぼ垂直な方向に放射モード光出力４００を取り出すことができる。導波モード光３００は、放射モード光出力４００が導波路モードにとっては損失となるため、徐々に減衰していく。但し、導波路２００の幅はミクロンオーダであり非常に狭い。点状の光源から線状の光源とはなったが、面状の光源にするには、さらに工夫が必要である。
【０００８】
さて、この理屈を分布帰還半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）（Distributed FeedBack Laser Diode）に適応した例がある。これはＧＣＳＥＬ(Grating-coupled  Surface Emitting Laser) とも呼ばれる。これを図１９に示す。中の導波路構造が分かり易いように、電流狭窄機構やその他の煩雑な構造を省略し、主要部分を透明化している。共振状態で効率良く放射モード光を取り出すためには、回折格子１００の中央付近に１／４波長分の位相の不連続（位相シフト）１１０を意図的に形成する。また、ｐ側電極８は全面電極ではなく放射モード出力４００を取り出すための光取出窓５０を空けている。
これらの放射モード（radiation mode）に関する解析は、例えば、非特許文献１〜４等に詳細が掲載されている。また、発明者もこのＧＣＳＥＬに関して、特許文献１〜４等に開示されている。ＧＣＳＥＬは、半導体ウエーハそのものにモノリシック（monolithic）に形成するものであり、長尺もしくは大面積で薄い面状発光体という本発明の目的には不向きである。発熱や実装の問題のある発光素子自身とは分離させ、安価で大面積可能な材料で、導波路に沿ってホログラフィックに光を取り出す工夫が必要である。
【０００９】
また可視光の照明応用としては、図２０のような構造のみでは放射モード光を直接利用することは難しい。眼の安全や干渉等の問題が発生するからである。
【特許文献１】特開平２−７７１８５号公報
【特許文献２】特開平９−６４３３４号公報
【特許文献３】特開平１１−３０７８７４号公報
【特許文献４】特開２０００−１５１０１４号公報
【非特許文献１】Streifer et al IEEE journal of Qantum Electronics,Vol 11,pp.867-873(1975)
【非特許文献２】Streifer et al IEEE journal of Qantum Electronics,Vol 12,pp.74-78(1976)
【非特許文献３】Streifer et al IEEE journal of Qantum Electronics,Vol 12,pp.737-797(1976)
【非特許文献４】Streifer et al IEEE journal of Qantum Electronics,Voll 13,pp.131-141(1977)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の平面発光板を有する発光デバイスには次のような問題がある。
（１）ＣＣＦＬ等の放電管は、電圧が高く厚い。
（２）ＬＥＤやＬＤを用いた指向性点光源の平面アレイは、点の輝度が高く、面全体で均一性が得にくい。また、発光素子には電流を流す必要があり、素子自身の発熱とその放熱が問題である。さらに、素子の高さが平面発光板の厚さを限定する。
（３）ＬＥＤやＬＤは、温度が上昇すると波長が長波長にシフトする。そのため、色度の温度安定性が悪い。つまり、色の変化が起き易い。
（４）導光板に側面から光を入力する平面光源は、単色のＬＥＤからの出力を混色させるための領域が必要である。また、幾何光学的な厚さが必要であり、それほど薄くはできない。また、平面上の所望の領域のみを所望の波長で効率よく照明するような制御性にとぼしい。
（５）導波路に沿って二次以上の回折格子を形成して放射モード光を取り出す発光デバイスは、コヒーレンシが良いため眼の安全や干渉の心配がある。導波路自体は非常に狭い幅なので点状から線状の光源となりうるが、面状の光源ではない。
【００１１】
本発明はこのような事情によりなされたものであり、放射モード光を出力できるホログラフィックな加工を施した導波路構造を有する発光デバイスにおいて、放射モード光を照明に使えるように光拡散板でコヒーレンシを抑制した発光デバイスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記（４）の技術を発展させたものであり、放射モード光を出力できるホログラフィックな加工を施した導波路構造を基本とし、放射モード光を照明に使えるように光拡散板でコヒーレンシを抑制し、あるいは蛍光体シートを付加して白色を含む混色光を得ることを特徴としている。また、これらの導波路構造を横方向や厚み方向にシート状に集積して面状の混色光を得ることを特徴としている。更に、ホログラフィックな加工位置を制御して、シート内の所望の位置でのみ放射モード出力を得ることを特徴としている。
本発明の発光デバイスの一態様は、導波モード光を外部に取り出すホログラフィックな光学構造を有する平面導波路と、この表面導波路を囲むように形成された透明シートと、前記平面導波路の片端もしくは両端に配置されて前記平面導波路に光結合する発光体と、前記透明シートの少なくとも一方の表面もしくは前記透明シートの少なくとも一方の表面に近接して形成された光学拡散機能を有するシートとを具備し、前記発光体は、前記発光体が光結合する前記平面導波路の片端もしくは両端に配置されているか、或いは前記発光体と前記平面導波路の端面との間に前記発光体からの光を導波する他の平面導波路が介在するように配置されていることを特徴としている。
【００１３】
前記透明シートの少なくとも一方の表面に発光体の波長に励起されて発光する蛍光体が形成されているか、前記透明シートの少なくとも一方の表面に近接して発光体の波長に励起されて発光する蛍光体が含まれるシートを設けるようにすることができる。また、前記平面導波路は、複数形成され、これら平面導波路の内、少なくとも二本の平面導波路は、前記平面導波路以外の少なくとも一本の平面導波路から分岐されるようにすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、ＬＥＤやＬＤのような半導体光源を用いながら、薄くて扱い易く所望の位置に所望の波長の発光領域を限定でき、無駄な発光の少ない効率の良い可視光の発光デバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００１６】
まず、図１を参照して実施例１を説明する。
図１は、この実施例の発光デバイスの斜視図である。この発光デバイスは、図１８と導波路の基本構造が同じである。即ち、Ｂｒａｇｇ散乱次数を持つ回折格子１００を持つ導波路（コア）２００とそれを囲む導波路クラッドシート（透明シート）２１０とより構成されている。ＬＥＤパッケージ２０からの出力（導波モード光）は、導波路コア２００に入力され、導波路２００に沿って進む。図では導波モード光３００は矢印で示される。回折次数が二次の場合は導波路コア２００の上下、ほぼ垂直な方向に放射モード光出力４００を取り出すことができる。図１８に示す従来技術と異なるのは、比較的コヒーレンシの良い放射モード光４００を拡散散乱させる光拡散板（光学拡散機能を有するシート）５００、５０１が導波クラッドシート２１０の上下に設けられていることである。放射モード出力４００は、この拡散散乱によって、広い角度から視認されるようになる。また、細い線状の光源であった導波路２００が拡散板５００、５０１では、拡散されて幅の広い発光面として視認される。導波路２００からの放射モード発光は、放射角が狭いために効率の良い発光メカニズムといえる。即ち、この放射モード発光体と、可視光照明としての応用に合致する光拡散板との組み合わせが特徴的な効果を生じる結果となる。
【実施例２】
【００１７】
次に、図２を参照して実施例２を説明する。
図２は、この実施例の発光デバイスの斜視図である。この発光デバイスは、図１８及び図１と導波路の基本構造が同じである。即ち、Ｂｒａｇｇ散乱次数を持つ回折格子１００を持つ導波路（コア）２００とそれを囲む導波路クラッドシート２１０とより構成されている。ＬＥＤパッケージ２０からの出力（導波モード光）は、導波路２００に入力され、導波路２００に沿って進む。図では導波モード光３００は矢印で示される。回折次数が二次の場合は導波路２００の上下、ほぼ垂直な方向に放射モード光出力４００を取り出すことができる。
この実施例の発光デバイスでは、光ファイバーを用いている点で図１及び図１８の構造とは相違している。即ち、基板４０上に設けられた発光源であるＬＥＤパッケージ２０からの光は、一旦光ファイバー６００に集光され、遠く離れた場所から導波路２００に結合される。
【００１８】
光ファイバ６００は、ＬＥＤパッケージ２０からの光を効率良く集光するために、先端６１０は球状に加工され、いわゆる先球ファイバとなっている。導波路２００に結合されるもう一方のファイバ端は、ファイバ６００の断面を示すためにフラットに表現したが、当然、高光結合を達成するために先球加工が施されていても良い。光ファイバを用いることで、電気回路や発熱を考慮する必要のある駆動機構と、光のみを必要とする主要機能部分とを距離的に分離することが出来る。光源は、ＬＥＤに限らず、ＬＤを用いても良い。両者は、同じ導波路を持つデバイスであり、放射角の狭いＬＤの方が導波路への光結合を向上させることが出来る。
【実施例３】
【００１９】
次に、図３を参照して実施例３を説明する。
この実施例の発光デバイスは、図１と基本構造が同じであり、Ｂｒａｇｇ散乱次数を持つ回折格子１００を持つ導波路（コア）２００とそれを囲む導波路クラッドシート２１０とより構成されている。ＬＥＤパッケージ２０からの出力（導波モード光）は、導波路２００に入力され、導波路２００に沿って進む。図では導波モード光３００は矢印で示される。回折次数が二次の場合は導波路２００の上下、ほぼ垂直な方向に放射モード光出力４００を取り出すことができる。
この実施例では光拡散シート５００、５０１が導波路クラッドシート２１０の上下に一体化して密着していることに特徴がある。導波路クラッドシート２１０の表面が拡散効果を持つように凹凸加工が施されているようにしても良い。
導波路クラッドシートと拡散シートを一体化することによりアセンブリを低コスト化が可能になると共に非常に扱い易くなるために応用性に富むようになる。光源は、ＬＥＤに限らず、ＬＤでも良い。両者は、同じ導波路を持つデバイスであり、放射角の狭いＬＤの方が導波路への光結合を向上させることが出来る。
【実施例４】
【００２０】
次に、図４を参照して実施例４を説明する。
この実施例の発光デバイスは、図１と基本構造が同じであり、Ｂｒａｇｇ散乱次数を持つ回折格子１００を持つ導波路（コア）２００とそれを囲む導波路クラッドシート２１０とより構成されている。ＬＥＤパッケージ２０からの出力（導波モード光）は、導波路２００に入力され、導波路２００に沿って進む。図では導波モード光３００は矢印で示される。回折次数が二次の場合は導波路２００の上下、ほぼ垂直な方向に放射モード光出力４００を取り出すことができる。
この実施例では蛍光体入り光拡散シート７００、７０１が導波路クラッドシート２１０の上下に貼り付けるか蛍光体そのものを導波路クラッドシート２１０に塗布することに特徴がある。ここに用いる蛍光体としては、例えば、ＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet) がある。
導波路に導入される光の波長は４７０ｎｍの青色である。青色の放射モード光４００により黄色の蛍光体であるＹＡＧが励起され、黄色の発光も得られる。青色の放射モードもＹＡＧ蛍光体によって散乱されるため、実施例１の光拡散板と同様の効果も得られる。結果的に青色と黄色の光が混色することにより疑似白色が得られる。即ち、この実施例では白色平面光源が実現している。
【００２１】
蛍光体は、ＹＡＧに限定することなく、緑や赤の蛍光体でも良く、その場合は、ＲＢＧ(Red,Blue,Green)による演色性の良い白色発光が実現する。白色光の実現は、バックライトの応用では極めて重要である。
また、二次の回折格子１００から得られる放射モード光は、その周期によって波長が選択されるため、波長の変化が少ない利点を有する。ＬＥＤは一般に温度上昇により長波長側にピーク波長がシフトする。これにより蛍光体の励起効率も変化し、色味としては複雑に変化する。ＬＥＤの波長変化があっても回折格子のフィルタ作用により放射モード光の波長がフィクスされる。したがって、この実施例では回折格子を使う発光機構により波長の温度変化の少ない安定した色度が得られる。
また、実施例２のようにファイバ６００を使えば、ＬＥＤパッケージ２０を導波路クラッドシート２１０から距離を置くことができる。つまり、バックライト用平面光源である導波路クラッドシートからＬＥＤを離すことにより、ＬＥＤの温度制御がより容易になり、その点からも色度や輝度の制御性が向上する。光源としては、ＬＥＤに限らず、ＬＤでも良い。両者は、同じ導波路を持つデバイスであり、放射角の狭いＬＤの方が導波路への光結合を向上させることが出来る。
【実施例５】
【００２２】
次に、図５を参照して実施例５を説明する。
図５は、この実施例の発光デバイスの斜視図である。この発光デバイスは、図１と基本構造が同じである。即ち、Ｂｒａｇｇ散乱次数を持つ回折格子１００を持つ導波路（コア）２００とそれを囲む導波路クラッドシート２１０とより構成されている。ＬＥＤパッケージ２０からの出力（導波モード光）は、導波路２００に入力され、導波路２００に沿って進む。図では導波モード光３００は矢印で示される。回折次数が二次の場合は導波路２００の上下、ほぼ垂直な方向に放射モード光出力４００を取り出すことができる。
この実施例では反射板を用いることに特徴がある。実施例１では導波路２００への上下両方向への放射モード光をそのまま拡散して利用するものである。実際の応用、とくにバックライトへの応用では、一方の面のみを照明することが多い。このため、この実施例では導波路２００の下方には光拡散板の代わりに反射板５１０を設ける。これは鏡面の金属が蒸着されているものを用いる。導波路２００の上方には実施例１と同様に光拡散板５００を用いる。
【００２３】
上下の放射モード光４００は、位相が揃っているので、下面に配置した反射板５１０からの反射光は、直接上方に放射された放射モード光と干渉を起こす。弱め合う干渉が起きると、出力が落ちる。このため強め合う干渉を起こすように回折格子１００と反射板５１０の距離を位相オーダで調整する必要がある。反射板５１０は、導波路クラッドシート２１０の下面に貼り付けるようにしても良い。その方が導波路クラッドシート２１０の厚さで距離を調整することができる。
【実施例６】
【００２４】
次に、図６を参照して実施例６を説明する。
図６は、この実施例の発光デバイスの斜視図である。この発光デバイスは、図１８と導波路の基本構造が同じである。即ち、Ｂｒａｇｇ散乱次数を持つ回折格子１００を持つ導波路（コア）２００とそれを囲む導波路クラッドシート２１０とより構成されている。ＬＥＤパッケージ２０からの出力（導波モード光）は、導波路２００に入力され、導波路２００に沿って進む。図では導波モード光３００は矢印で示される。回折次数が二次の場合は導波路コア２００の上下、ほぼ垂直な方向に放射モード光出力４００を取り出すことができる。図１に示す発光デバイスと異なるのは、ＬＥＤパッケージが一対であることに特徴がある。また、実施例１と同様に、比較的コヒーレンシの良い放射モード光４００を拡散散乱させる光拡散板５００、５０１が導波クラックシート２１０の上下に設けられている。
【００２５】
この実施例では導波路２００の両端面に、それぞれＬＥＤパッケージ２０とＬＥＤパッケージ２１の光を結合させている。導波路２００の導波モード光３００は、放射モード光４００が損失となるために進行につれて減衰する。そのため二次の回折格子の形状が一様であれば放射モード光４００も導波モード光３００の減衰に対応して小さくなっていく。つまり、均一性に乏しくなる。
これを克服する方法の１つがこの実施例で行われる導波路２００の両端から光を入力することである。これにより均一性を向上させることができる。また、２つのＬＥＤパッケージ２０、２１の出力を独立に制御することにより導波路２００に沿う放射モード光４００の分布を調整することができる。光源としてＬＤを使うことができる。
【実施例７】
【００２６】
次に、図７を参照して実施例７を説明する。
図７は、この実施例の発光デバイスの斜視図である。この発光デバイスは、図１と導波路の基本構造が同じである。即ち、Ｂｒａｇｇ散乱次数を持つ回折格子を持つ導波路（コア）とそれを囲む導波路クラッドシート２１０とより構成されている。
この実施例は複数のＬＥＤパッケージ（この実施例では３個）を用いることに特徴がある。即ち、ＬＥＤパッケージ２０、２１、２２を並列して用いる。並列に配置したＬＥＤパッケージ２０、２１、２２からの出力（導波モード光）は、それぞれ導波路２００、２０１、２０２に入力され、導波路２００、２０１、２０２に沿って進む。回折次数が二次の場合は導波路２００、２０１、２０２の上下、ほぼ垂直な方向に放射モード光出力を取り出すことができる。また、比較的コヒーレンシの良い放射モード光を拡散散乱させる光拡散板（図示しない）が導波路クラッドシート２１０の上下に設けられている。放射モード出力は、この拡散散乱によって、広い角度から視認されるようになる。また、細い線状の光源であった導波路２００、２０１、２０２が光拡散板では、拡散されて幅の広い発光面として視認される。導波路２００、２０１、２０２からの放射モード発光は、放射角が狭いために効率の良い発光メカニズムといえる。即ち、この放射モード発光体と、可視光照明としての応用に合致する光拡散板との組み合わせが特徴的な効果を生じる結果となる。
【００２７】
ここで、導波路クラッドシート２１０は、共通の透明シートである。複数の導波路２００、２０１、２０２を１つの透明シートに内包することでシートを面方向に広く拡張できる。つまり、面光源としての応用が広がる。また、導波路２００、２０１、２０２にそれぞれ異なる波長（例えば、ＲＢＧの三原色）を割り当てることで隣接する複数の細線導波路を１つの混色ユニットと考えることができる。さらに、その混色ユニットを繰り返すことで白色を含む混色応用としてその応用範囲が広がる。
【実施例８】
【００２８】
次に、図８を参照して実施例８を説明する。
図８は、この実施例の発光デバイスの斜視図である。この発光デバイスは、図１と導波路の基本構造が同じである。即ち、Ｂｒａｇｇ散乱次数を持つ回折格子を持つ導波路（コア）とそれを囲む導波路クラッドシート２１０とより構成されている。
この実施例は複数のＬＥＤパッケージ（この実施例では３個）を用いることに特徴があり、基本構造が実施例７のものと同じである。即ち、実施例７の発光デバイスに光ファイバ６００、６０１、６０２を配するものである。光拡散板や反射板の図示は省略する。
ここで、導波路クラッドシート２１０は、共通の透明シートである。複数の導波路２００、２０１、２０２を１つの透明シートに内包することでシートを面方向に広く拡張できる。つまり、面光源としての応用が広がる。また、導波路２００、２０１、２０２にそれぞれ異なる波長（例えば、ＲＢＧの三原色）を割り当てることで隣接する複数の細線導波路を１つの混色ユニットと考えることができる。さらに、その混色ユニットを繰り返すことで白色を含む混色応用としてその応用範囲が広がる。また、光ファイバを配することにより、導波路クラッドシートから離れた位置にＬＥＤパッケージを配置することができる。
【００２９】
光ファイバを用いることで、電気回路や発熱を考慮する必要のある駆動機構と、光のみを必要とする主要機能部分とを距離的に分離することが出来る。光源は、ＬＥＤに限らず、ＬＤを用いても良い。両者は、同じ導波路を持つデバイスであり、放射角の狭いＬＤの方が導波路への光結合を向上させることが出来る。
【実施例９】
【００３０】
次に、図９を参照して実施例９を説明する。
図９は、この実施例の発光デバイスの斜視図である。この発光デバイスは、図１と導波路の基本構造が同じである。即ち、Ｂｒａｇｇ散乱次数を持つ回折格子を持つ導波路とそれを囲む導波路クラッドシートとより構成されている。
この実施例は１つのＬＥＤパッケージと複数の導波路（この実施例では３本）とを用いることに特徴がある。即ち、ＬＥＤパッケージ２０からの出力（導波モード光）は、導波路２００、２０１、２０２に入力され、導波路２００、２０１、２０２に沿って進む。回折次数が二次の場合は導波路２００、２０１、２０２の上下、ほぼ垂直な方向に放射モード光出力を取り出すことができる。また、比較的コヒーレンシの良い放射モード光を拡散散乱させる光拡散板（図示しない）が導波路クラッドシート２１０の上下に設けられている。放射モード出力は、この拡散散乱によって、広い角度から視認されるようになる。
【００３１】
この発光デバイスは、複数の導波路に１個の高出力ＬＥＤパッケージ２０を光源としており、この光源から光を分配する構造である。光源からの出力を効率良く１本の平面導波路２２０に結合するために、この平面導波路２２０の入り口は、幅、厚さとも大きな開口を有しており、この開口は徐々に狭く薄く変化する構造、即ち、フレア構造２３０となっている。平面導波路２２０は、その先で平面導波路２４０、２４１、２４２に分岐しており、回折格子付き導波路２００、２０１、２０２に連なるようになっている。この分配用分岐導波路には二次以上の回折格子がないため導波路の表面から光が逃げ出すことはなく、光エネルギーは回折格子付き導波路２００、２０１、２０２に結合するまで保存される。
細い線状の光源であった導波路２００、２０１、２０２が光拡散板では、拡散されて幅の広い発光面として視認される。導波路２００、２０１、２０２からの放射モード発光は、放射角が狭いために効率の良い発光メカニズムといえる。即ち、この放射モード発光体と、可視光照明としての応用に合致する光拡散板との組み合わせが特徴的な効果を生じる結果となる。
【００３２】
ここで、導波路クラッドシート２１０、２５０は、共通の透明シートである。複数の導波路２００、２０１、２０２を１つの透明シートに内包することでシートを面方向に広く拡張できる。つまり、面光源としての応用が広がる。また、導波路２００、２０１、２０２にそれぞれ異なる波長（例えば、ＲＢＧの三原色）を割り当てることで隣接する複数の細線導波路を１つの混色ユニットと考えることができる。さらに、その混色ユニットを繰り返すことで白色を含む混色応用としてその応用範囲が広がる。
また、図９で示した発光デバイスを１つのユニットとして、更に、この構造を横方向に展開することもできる。これにより光源素子の個数を減らしてアセンブリの手間を減らすことが可能になる。このフレア構造は他の実施例の発光デバイスの入力部にも適用することが可能である。
【実施例１０】
【００３３】
次に、図１０を参照して実施例１０を説明する。
図１０は、この実施例の発光デバイスの斜視図である。この発光デバイスは、図１と導波路の基本構造が同じである。即ち、Ｂｒａｇｇ散乱次数を持つ回折格子を持つ導波路とそれを囲む導波路クラッドシートとより構成されている。
この実施例は１つのＬＥＤパッケージと複数の導波路（この実施例では３本）とを用い、さらに光ファイバを用いることに特徴がある。即ち、ＬＥＤパッケージ２０からの出力（導波モード光）は、導波路２００、２０１、２０２に入力され、導波路２００、２０１、２０２に沿って進む。回折次数が二次の場合は導波路２００、２０１、２０２の上下、ほぼ垂直な方向に放射モード光出力を取り出すことができる。また、比較的コヒーレンシの良い放射モード光を拡散散乱させる光拡散板（図示しない）が導波路クラッドシート２１０の上下に設けられている。放射モード出力は、この拡散散乱によって、広い角度から視認されるようになる。
【００３４】
この発光デバイスは、複数の導波路に１個の高出力ＬＥＤパッケージ２０を光源としており、この光源から光を分配する構造である。光源からの出力を効率良く１本の平面導波路２２０に結合するために、この平面導波路２２０の入り口は幅、厚さとも大きな開口を有しており、この開口は徐々に狭く薄く変化する構造即ち、フレア構造２３０となっている。平面導波路２２０は、その先で平面導波路２４０、２４１、２４２に分岐しており、回折格子付き導波路２００、２０１２０２に連なるようになっている。この分配用分岐導波路には二次以上の回折格子がないため導波路の表面から光が逃げ出すことはなく、光エネルギーは回折格子付き導波路２００、２０１、２０２に結合するまで保存される。
この実施例ではＬＥＤパッケージ２０とフレア構造２３０の間に光ファイバ６００を介在させる。これにより、電気回路や発熱を考慮する必要のある駆動機構と光のみを必要とする主要機能部分とを距離的に分離することが出来る。光源は、ＬＥＤに限らず、ＬＤを用いても良い。両者は、同じ導波路を持つデバイスであり、放射角の狭いＬＤの方が導波路への光結合を向上させることが出来る。
【実施例１１】
【００３５】
次に、図１１を参照して実施例１１を説明する。
図１１は、この実施例の発光デバイスの斜視図である。この発光デバイスは、図１と導波路の基本構造が同じである。即ち、Ｂｒａｇｇ散乱次数を持つ回折格子を持つ導波路（コア）とそれを囲む導波路クラッドシートとより構成されている。
この実施例は複数の導波路（この実施例では３本）を配列して収納した導波路クラッドシート２１０、２１１、２１２を積層して用いることに特徴がある。そのために、導波路クラッドシート２１０、２１１、２１２に収納された導波路にはそれぞれ対応するＬＥＤパッケージ（図示しない）が配列され、積み重ねられている。即ち、並列に配置し積み重ねたＬＥＤパッケージからの出力（導波モード光）は、それぞれ導波路に入力され、導波路に沿って進む。回折次数が二次の場合は導波路の上下、ほぼ垂直な方向に放射モード光出力を取り出すことができる。また、比較的コヒーレンシの良い放射モード光を拡散散乱させる光拡散板（図示しない）が導波路クラッドシート２１０の上、導波路クラッドシート２１２の下に設けられている。放射モード出力は、この拡散散乱によって、広い角度から視認されるようになる。
【００３６】
それぞれの導波路クラッドシートには、異なる波長の光が導波されるように分配している。この実施例では、導波路クラッドシート２１０にはＢ（青）、２１１にはＲ（赤）、２１２にはＧ（緑）の色がそれぞれ対応している。それぞれの色に対して回折格子の周期が異なるために積み重ねても互いに干渉し合うことはない。つまり、ＢＲＧ各色の光は自由に導波路クラッドシートのスタックを互いに透過できる。そのため積み重ねることで混色や白色化が容易にできる。
【実施例１２】
【００３７】
次に、図１２を参照して実施例１２を説明する。
図１２は、この実施例の発光デバイスの斜視図（光拡散板の表示は省略する）である。この発光デバイスは、図１と導波路の基本構造が同じである。即ち、Ｂｒａｇｇ散乱次数を持つ回折格子を持つ導波路とそれを囲む導波路クラッドシートとより構成されている。
この実施例は、複数の導波路（この実施例では３本）を平面的に配列させて１つの導波路クラッドシートに収納し、この複数の導波路を１つのＬＥＤパッケージを光源とし、光ファイバを介して導波することに特徴があり、さらに、それぞれ１つのＬＥＤパッケージを光源とする導波路クラッドシートを積層する構造（この実施例では３層）に特徴がある。
【００３８】
即ち、この実施例では実施例１１に実施例９、１０で説明した分配導波路クラッドシート２５０、２５１、２５２を積み重ね、更に、光ファイバ６００、６０１、６０２を介して遠くのＬＥＤパッケージ２０、２１、２２の光源からＢＲＧ３色の光を積み重ねた複数の導波路を含む導波路クラッドシート２１０、２１１、２１２にそれぞれ導入する。光ファイバを用いることにより、電気回路や発熱を考慮する必要のある駆動機構と光のみを必要とする主要機能部分とを距離的に分離することが出来る。光源はＬＥＤに限らず、ＬＤを用いても良い。両者は、同じ導波路を持つデバイスであり、放射角の狭いＬＤの方が導波路への光結合を向上させることが出来る。
【実施例１３】
【００３９】
次に、図１３を参照して実施例１３を説明する。
図１３は、この実施例の発光デバイスの斜視図である。この発光デバイスは、図１と導波路の基本構造が同じである。即ち、Ｂｒａｇｇ散乱次数を持つ回折格子を持つ導波路とそれを囲む導波路クラッドシートとより構成されている。
この実施例は複数のＬＥＤパッケージ（この実施例では３個）を用いる。即ち、ＬＥＤパッケージ２０、２１、２２を並列して用いる。並列に配置したＬＥＤパッケージ２０、２１、２２からの出力（導波モード光）は、それぞれ導波路２００、２０１、２０２に入力され、導波路２００、２０１、２０２に沿って進む。回折次数が二次の場合は導波路２００、２０１、２０２の上下、ほぼ垂直な方向に放射モード光出力を取り出すことができる。また、比較的コヒーレンシの良い放射モード光を拡散散乱させる光拡散板（図示しない）が導波路クラッドシート２１０の上下に設けられている。放射モード出力は、この拡散散乱によって、広い角度から視認されるようになる。また、細い線状の光源であった導波路２００、２０１、２０２が光拡散板では、拡散されて幅の広い発光面として視認される。導波路２００、２０１、２０２からの放射モード発光は、放射角が狭いために効率の良い発光メカニズムといえる。即ち、この放射モード発光体と、可視光照明としての応用に合致する光拡散板との組み合わせが特徴的な効果を生じる結果となる。
【００４０】
この実施例では導波路表面の回折格子の存在する領域が選択的に設けられていることに特徴がある。これまで述べた実施例では回折格子の存在する領域は導波路表面全体に渡っていた。しかし、実際の発光デバイスでは光が本当に必要な場所は全面ではなく、所定の領域であることが多い。そうであると、不要な場所の発光領域はロスとなって効率が悪い。導波路と二次以上の回折格子からの放射モード光を利用した発光デバイスは、出力を取り出す回折格子の位置を自由に選べる大きな利点がある。それ以外の場所では導波路から光が漏れないのでその点ででも好都合である。
また、回折格子からの出力は、回折格子の周期によって波長も選別でき、更に、回折格子の深さ、形状によって取り出す出力を制御することもできる（深いほど大きな出力がえられる）。但し導波路面内で微細な回折格子の深さや形状を変化させるのは難しいので回折格子領域の幅や長さを変えることで出力を変化する方が実現性が高い。回折格子そのものよりもその領域は遥かに大きいので、レジストとマスクによって容易にパターニングできるからである。
【００４１】
図１３では回折格子のある領域を導波路上に所定の長さの領域１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８として残し、他の領域は平坦化させている。光源は、左側にＬＥＤパッケージ２０、２１、２２を配置する。したがって、前述のように、導波モードは左側で強く、右になるほで減衰する。つまり、導波路クラッドシート２１０の右側で放射モード出力が弱くなる。それを補償するために、右に行くほど回折格子領域の長さを長くして、放射モードの取り出し量を大きくなるように設計している。
これにより導波路クラッドシート２１０面内での発光領域の出力は均一化できる。光源はＬＥＤに限らず、ＬＤを用いても良い。両者は、同じ導波路を持つデバイスであり、放射角の狭いＬＤの方が導波路への光結合を向上させることが出来る。
【実施例１４】
【００４２】
この実施例は、実施例１３の発光デバイスを改良したものである。
図１４を参照して実施例１４を説明する。図１４は、この実施例の発光デバイスの斜視図である。この発光デバイスは、図１と導波路の基本構造が同じである。即ち、Ｂｒａｇｇ散乱次数を持つ回折格子を持つ導波路とそれを囲む導波路クラッドシートとより構成されている。
この実施例は配列された複数の導波路を囲む１つの導波路クラッドシートを用いる。導波路に対応するＬＥＤパッケージ（図示しない）は、各導波路にそれぞれ対応させても良いし、１つのＬＥＤパッケージを全ての導波路に対応させても良い。ＬＥＤパッケージの出力（導波モード光）は、それぞれ導波路２００、２０１、２０２、・・・に入力され、導波路２００、２０１、２０２、・・・に沿って進む。回折次数が二次の場合は導波路２００、２０１、２０２、・・・の上下、ほぼ垂直な方向に放射モード光出力を取り出すことができる。また、比較的コヒーレンシの良い放射モード光を拡散散乱させる光拡散板（図示しない）が導波路クラッドシート２１０の上下に設けられている。放射モード出力は、この拡散散乱によって、広い角度から視認されるようになる。
【００４３】
この実施例では導波路表面の回折格子の存在する領域が選択的に設けられていることに特徴がある。これまで述べた実施例では回折格子の存在する領域は導波路表面全体に渡っていた。しかし、実際の発光デバイスでは光が本当に必要な場所は全面ではなく、所定の領域であることが多い。そうであると、不要な場所の発光領域はロスとなって効率が悪い。導波路と二次以上の回折格子からの放射モード光を利用した発光デバイスは、出力を取り出す回折格子の位置を自由に選べる大きな利点がある。それ以外の場所では導波路から光が漏れないのでその点ででも好都合である。
この実施例では、赤色フィルタ８００、８０１、８０２の位置にのみ赤色の放射モード出力が放射されるように、導波路２００、２０１、２０２、・・・に回折格子１００、１０１、１０２を配置している。回折格子自身が波長選択性を持つフィルタ機能を持つことを考慮すると、最終的にはＬＣＤの波長フィルタが不要になる。
【００４４】
光源はＬＥＤに限らず、ＬＤを用いても良い。両者は、同じ導波路を持つデバイスであり、放射角の狭いＬＤの方が導波路への光結合を向上させることが出来る。
以上、実施例で説明したように、本発明は、ＬＥＤやＬＤのような半導体光源を用いながら、薄くて扱い易く所望の位置に所望の波長の発光領域を限定でき、無駄な発光の少ない効率の良い可視光の発光デバイスを提供する。また、発光位置の制御性能によって白色等の混色の実現も容易になる。
【００４５】
また、厚くて混色の難しい導光板方式や基板に平面状にＬＥＤ素子を並べて実装する方式とは異なり、桁違いに薄い発光シートを実現できる。つまり、ＬＥＤやＬＤを用いた指向性点光源の平面アレイは、素子の厚さでリミットされるが、本発明の導波路の厚さは波長オーダー、つまりμｍオーダーである。クラッドを入れても１００μｍのオーダーで非常に薄くできる。また、面アレイは、光が必要な発光部には素子そのものが存在するために電流による素子自身の発熱とその放熱が問題である。電流を流す必要のある素子とその駆動部分を発光シートから離すことができる。ＬＥＤやＬＤは、温度が上昇すると波長が長波長にシフトするので、色度の温度安定性が悪い。回折格子からの放射モード出力は、回折格子そのものの波長選択性によって色度の安定性が高い。本発明は、また、平面上の所望の領域のみを所望の波長で効率良く照明するような制御性があることで幅広いデバイスに応用可能である。
また、導波路に沿う二次以上の回折格子を介して放射モード光を取り出す発光デバイスは、コヒーレンシが良いために目の安全や干渉の心配があったが、光拡散板や蛍光体シート等によってこの問題が回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施例である実施例１の発光デバイス斜視図。
【図２】本発明の一実施例である実施例２の発光デバイス斜視図。
【図３】本発明の一実施例である実施例３の発光デバイス斜視図。
【図４】本発明の一実施例である実施例４の発光デバイス斜視図。
【図５】本発明の一実施例である実施例５の発光デバイス斜視図。
【図６】本発明の一実施例である実施例６の発光デバイス斜視図。
【図７】本発明の一実施例である実施例７の発光デバイス斜視図。
【図８】本発明の一実施例である実施例８の発光デバイス斜視図。
【図９】本発明の一実施例である実施例９の発光デバイス斜視図。
【図１０】本発明の一実施例である実施例１０の発光デバイス斜視図。
【図１１】本発明の一実施例である実施例１１の発光デバイス斜視図。
【図１２】本発明の一実施例である実施例１２の発光デバイス斜視図。
【図１３】本発明の一実施例である実施例１３の発光デバイス斜視図。
【図１４】本発明の一実施例である実施例１４の発光デバイス斜視図。
【図１５】従来のＬＥＤチップ斜視図。
【図１６】従来のＬＥＤパッケージ斜視図。
【図１７】従来のＬＤチップ斜視図。
【図１８】従来の導光板を用いたＬＥＤバックライト斜視図。
【図１９】従来のＬＥＤを平面上に並べたＬＥＤバックライト斜視図。
【図２０】従来の二次の回折格子を用いて放射モードを取り出す導波路構造の斜視図。
【図２１】従来の二次の回折格子を用いたＧＣＳＥＬ構造の斜視図。
【符号の説明】
【００４７】
１・・・ＧａＡｓ基板
２・・・ｎ型（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド層（０＜ｘ＜１）
３・・・アンドープ（Ａｌy Ｇａ1-y ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ活性層（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）
４・・・ｐ型（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド層
５・・・メサストライプ
６・・・ｎ型（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ電流ブロック層
７・・・ｐ型（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ電流ブロック層
８・・・ｐ側円形ボンディングパッド（ｐ側全面電極）
９・・・ｎ側全面電極
１０・・・ＬＥＤチップ
１１・・・カソード側リードフレーム
１２・・・銀ペースト
１３・・・アノード側リードフレーム
１４・・・金ワイヤ
１５・・・白色樹脂（外囲器）
１６・・・透明樹脂（エポキシ）
２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８・・・ＬＥＤパッケージ
３０・・・導光板
４０・・・プリント板
５０・・・光取出窓
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８・・・回折格子形成領域
１１０・・・１／４波長位相シフト
２００、２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６、２０７、２０８・・・導波路（コア）
２１０、２１１、２１２・・・導波路クラッドシート
２２０・・・光源結合用平面導波路
２３０・・・光源結合用平面導波路のフレア構造
２４０、２４１、２４２・・・光分配用分岐導波路
２５０、２５１、２５２・・・光分配用分岐導波路クラッドシート
３００・・・導波モード光
４００・・・放射モード光
５００、５０１・・・光拡散板（光学拡散機能を有する構造）
５１０・・・反射板
６００、６０１、６０２・・・光ファイバ
７００、７０１・・・蛍光体入りシート（蛍光体塗布層）
８００、８０１、８０２・・・ＬＣＤのカラーフィルタ
【図１】
0005182909.tif 000002
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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