(57)【要約】【課題】複数の発光体を含む光源と、光源からの光の光路を調整するフレネルレンズと、を有する照明装置を用いた際に生じ得る輝度むらを効果的に解消する。【解決手段】光軸から最も離間した第１の発光体と光軸とを通る仮想面と交差するフレネルレンズシート上の各位置へ第１の発光体から光が入射した場合における、光軸からフレネルレンズシート上の入射位置までの距離と、出射角度と、の関係を示すグラフにおいて極値をなす第１出射角度φ１〔ｒａｄ〕と、  第１の発光体と隣り合う第２の発光体からフレネルレンズシート上の各位置へ光が入射した場合における、光軸からフレネルレンズシート上の入射位置までの距離と、出射角度と、の関係を示すグラフにおいて極値をなす第２出射角度φ２〔ｒａｄ〕と、  単位レンズの配列ピッチＰ〔μｍ〕と、が次の式を満たす。0.55/(P×cosφ1)＋0.55/(P×cosφ2)＞0.5×(φ1-φ2)【選択図】  図１
2016085856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレネルレンズをなす複数の単位レンズを有するフレネルレンズシートと、
前記フレネルレンズの光軸に沿って前記フレネルレンズの焦点の位置よりも前記フレネルレンズシートに近接して配置され且つ複数の発光体を有する光源と、を備え、
ある基準方向に沿って前記フレネルレンズの光軸から最も離間した第１の発光体と前記光軸とを通る仮想面と交差する前記フレネルレンズシート上の各位置へ前記第１の発光体から光が入射した場合における、前記光軸から前記フレネルレンズシート上の入射位置までの距離と、前記フレネルレンズシートの各位置へ入射した光の前記フレネルレンズシートからの出射角度と、の関係を示すグラフにおいて極値をなす第１出射角度φ１〔ｒａｄ〕と、
前記基準方向に沿って前記第１の発光体と隣り合う第２の発光体から前記仮想面と交差する前記フレネルレンズシート上の各位置へ光が入射した場合における、前記光軸から前記フレネルレンズシート上の入射位置までの距離と、前記フレネルレンズシートの各位置へ入射した光の前記フレネルレンズシートからの出射角度と、の関係を示すグラフにおいて極値をなす第２出射角度φ２〔ｒａｄ〕と、
前記フレネルレンズの前記単位レンズの配列ピッチＰ〔μｍ〕と、が次の式を満たす、照明装置。
0.55/(P×cosφ1)＋0.55/(P×cosφ2)＞0.5×(φ1-φ2)
【請求項２】
前記複数の発光体は、前記基準方向と平行な第１配列方向および前記基準方向と非平行な第２配列方向のそれぞれに配列されている、請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
フレネルレンズをなす複数の単位レンズを有するフレネルレンズシートと、
前記フレネルレンズの光軸に沿って前記フレネルレンズの焦点の位置よりも前記フレネルレンズシートに近接して配置された光源と、を備え、
前記光源は、第１配列方向に配列された二以上の発光体からなる発光体群が、前記第１配列方向と非平行な第２配列方向に配列されるようにして、複数の発光体を有し、
前記第１配列方向と非平行な基準方向に沿って光軸から最も離間して位置する最外方の発光体群上を通過する仮想直線と前記基準方向との交点位置を第１仮想発光点とし、且つ、前記最外方の発光体群と前記基準方向に隣り合う発光体群上を通過する仮想直線と前記基準方向との交点位置を第２仮想発光点とし、
前記第１仮想発光点と前記光軸とを通る仮想面と交差する前記フレネルレンズシート上の各位置へ前記第１仮想発光点から光が入射したと仮定した場合における、前記光軸から前記フレネルレンズシート上の入射位置までの距離と、前記フレネルレンズシートの各位置へ入射した光の前記フレネルレンズシートからの出射角度と、の関係を示すグラフにおいて極値をなす第１出射角度φ１〔ｒａｄ〕と、
前記仮想面と交差する前記フレネルレンズシート上の各位置へ前記第２仮想発光点から光が入射したと仮定した場合における、前記光軸から前記フレネルレンズシート上の入射位置までの距離と、前記フレネルレンズシートの各位置へ入射した光の前記フレネルレンズシートからの出射角度と、の関係を示すグラフにおいて極値をなす第２出射角度φ２〔ｒａｄ〕と、
前記フレネルレンズの前記単位レンズの配列ピッチＰ〔μｍ〕と、が次の式を満たす、照明装置。
0.55/(P×cosφ1)＋0.55/(P×cosφ2)＞0.5×(φ1-φ2)
【請求項４】
前記光軸から距離Ｒだけ離れた前記フレネルレンズシート上の位置へ入射した光の前記フレネルレンズからの出射角度φは、
前記フレネルレンズシートへの入射角度θ〔ｒａｄ〕と、
前記フレネルレンズの前記単位レンズのレンズ角度α〔ｒａｄ〕と、
前記単位レンズの屈折率ｎと、
を用いて、次の式で特定される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明装置。
φ=α＋sin-1（n×sin（sin-1（sinθ/n）−α））
【請求項５】
前記フレネルレンズシートへの入射角度θ〔ｒａｄ〕は、
前記光軸から前記フレネルレンズシート上の入射位置までの距離Ｒ〔μｍ〕と、
前記光軸から発光位置までの距離Ｓ〔μｍ〕と、
前記光軸に沿った前記フレネルレンズシートから発光位置までの距離Ｌ〔μｍ〕と、
を用いて、次の式で特定される、請求項４に記載の照明装置。
θ=tan-1（（Ｒ＋Ｓ）／Ｌ）
【請求項６】
各発光体は、発光ダイオードである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項７】
前記単位レンズは、凸レンズのレンズ面の一部分と同一の外輪郭を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項８】
前記フレネルレンズシートには、光散乱手段が設けられている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の発光体を含む光源と、光源からの光の光路を調整するフレネルレンズと、を有する照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光源と、光源からの光の光路を調整するフレネルレンズと、を有する照明装置が、広く種々の分野、例えば、屋外照明や大空間屋内の照明に用いられている。フレネルレンズは、複数の単位レンズを含んでいる。複数の単位レンズの各レンズ面をつなぎ合わせると、所望の光路調整機能を実現し得る一つのレンズ面に一致する。すなわち、フレネルレンズは、所望の光路調整機能を発現する一つのレンズ面を分割して各単位レンズに付与したレンズである。フレネルレンズは、大幅な薄型化及び軽量化を実現可能な点において有用である。なお、単位レンズはプリズムとも呼ばれるが、本発明では単位レンズと呼称する。
【０００３】
一方、光源は、複数の発光体を含んでおり、これにより、照明装置は、所定の光量を確保することができる。複数の発光体は、例えば規則的なパターンで二次元配列されている。複数の発光体を含む光源が、フレネルレンズの焦点位置に配置されると、発光体の配列パターンが、投影面上に離散化されて現れることにより視認され得る。すなわち、照明される領域上に輝度むらが生じ、均一な明るさで照明することができない。このため、光源は、フレネルレンズの焦点位置よりもフレネルレンズに近接して配置される。この配置によれば、各発光体からの光の光路は、フレネルレンズを透過した後に適度に重なり合い、発光体の配列パターンに対応した輝度むらを解消することができる。また、光源からの光は、フレネルレンズによって、緩やかに発散していく発散光束に整形される。この結果、照明装置は、当該照明装置から離間した投影面上で、フレネルレンズの面積よりも広い領域を照明することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２４９５９号公報
【発明の概要】
【０００５】
ところで、本件発明者らが鋭意研究を重ねたところ、光源を焦点位置からずらしても、輝度むらが投影面上に生じ得ることが知見された。
【０００６】
すなわち、光源が複数の発光体を含む場合、フレネルレンズの光軸からずれた位置に発光体が位置するようになる。本件発明者らが各発光体からの光の光路を調査したところ、光軸から大きく離間して配置された発光体からの光は、照明されている領域の外縁近傍に輝線を生じさせていた。また、輝線の位置は、発光体の光軸からの距離の変動に応じて、変化した。この結果、互いに異なる発光体からの光が、投影面上の異なる位置に輝線を生じさせ、輝度むらとして認識されることが、本件発明者らの知見によって確認された。
【０００７】
本件発明者らは更に鋭意検討を重ねたところ、フレネルレンズを用いた場合に生じ得る回折現象を利用することによって、光軸から発光体までの距離の分布によって生じ得る輝度むらを、効果的に目立たなくさせることが可能であることを、見出した。本発明は、このような本件発明者らの知見に基づくものである。すなわち、本発明は、複数の発光体を含む光源と、光源からの光の光路を調整するフレネルレンズと、を有する照明装置を用いた際に生じ得る輝度むらを効果的に解消することを目的とする。
【０００８】
本発明による第１の照明装置は、
フレネルレンズをなす複数の単位レンズを有するフレネルレンズシートと、
前記フレネルレンズの光軸に沿って前記フレネルレンズの焦点の位置よりも前記フレネルレンズシートに近接して配置され且つ複数の発光体を有する光源と、を備え、
ある基準方向に沿って前記フレネルレンズの光軸から最も離間した第１の発光体と前記光軸とを通る仮想面と交差する前記フレネルレンズシート上の各位置へ前記第１の発光体から光が入射した場合における、前記光軸から前記フレネルレンズシート上の入射位置までの距離と、前記フレネルレンズシートの各位置へ入射した光の前記フレネルレンズシートからの出射角度と、の関係を示すグラフにおいて極値をなす第１出射角度φ１〔ｒａｄ〕と、
前記基準方向に沿って前記第１の発光体と隣り合う第２の発光体から前記仮想面と交差する前記フレネルレンズシート上の各位置へ光が入射した場合における、前記光軸から前記フレネルレンズシート上の入射位置までの距離と、前記フレネルレンズシートの各位置へ入射した光の前記フレネルレンズシートからの出射角度と、の関係を示すグラフにおいて極値をなす第２出射角度φ２〔ｒａｄ〕と、
前記フレネルレンズの前記単位レンズの配列ピッチＰ〔μｍ〕と、が次の式を満たす。
0.55/(P×cosφ1)＋0.55/(P×cosφ2)＞0.5×(φ1-φ2)
【０００９】
本発明による第１の照明装置において、前記複数の発光体は、前記基準方向と平行な第１配列方向および前記基準方向と非平行な第２配列方向のそれぞれに配列されていてもよい。
【００１０】
本発明による第２の照明装置は、
フレネルレンズをなす複数の単位レンズを有するフレネルレンズシートと、
前記フレネルレンズの光軸に沿って前記フレネルレンズの焦点の位置よりも前記フレネルレンズシートに近接して配置された光源と、を備え、
前記光源は、第１配列方向に配列された二以上の発光体からなる発光体群が、前記第１配列方向と非平行な第２配列方向に配列されるようにして、複数の発光体を有し、
前記第１配列方向と非平行な基準方向に沿って光軸から最も離間して位置する最外方の発光体群上を通過する仮想直線と前記基準方向との交点位置を第１仮想発光点とし、且つ、前記最外方の発光体群と前記基準方向に隣り合う発光体群上を通過する仮想直線と前記基準方向との交点位置を第２仮想発光点とし、
前記第１仮想発光点と前記光軸とを通る仮想面と交差する前記フレネルレンズシート上の各位置へ前記第１仮想発光点から光が入射したと仮定した場合における、前記光軸から前記フレネルレンズシート上の入射位置までの距離と、前記フレネルレンズシートの各位置へ入射した光の前記フレネルレンズシートからの出射角度と、の関係を示すグラフにおいて極値をなす第１出射角度φ１〔ｒａｄ〕と、
前記仮想面と交差する前記フレネルレンズシート上の各位置へ前記第２仮想発光点から光が入射したと仮定した場合における、前記光軸から前記フレネルレンズシート上の入射位置までの距離と、前記フレネルレンズシートの各位置へ入射した光の前記フレネルレンズシートからの出射角度と、の関係を示すグラフにおいて極値をなす第２出射角度φ２〔ｒａｄ〕と、
前記フレネルレンズの前記単位レンズの配列ピッチＰ〔μｍ〕と、が次の式を満たす。
0.55/(P×cosφ1)＋0.55/(P×cosφ2)＞0.5×(φ1-φ2)
【００１１】
本発明による第１又は第２の照明装置において、
前記光軸から距離Ｒだけ離れた前記フレネルレンズシート上の位置へ入射した光の前記フレネルレンズからの出射角度φは、
前記フレネルレンズシートへの入射角度θ〔ｒａｄ〕と、
前記フレネルレンズの前記単位レンズのレンズ角度α〔ｒａｄ〕と、
前記単位レンズの屈折率ｎと、
を用いて、次の式で特定されるようにしてもよい。
φ=α＋sin-1（n×sin（sin-1（sinθ/n）−α））
【００１２】
本発明による第１又は第２の照明装置において、
前記フレネルレンズシートへの入射角度θ〔ｒａｄ〕は、
前記光軸から前記フレネルレンズシート上の入射位置までの距離Ｒ〔μｍ〕と、
前記光軸から発光位置までの距離Ｓ〔μｍ〕と、
前記光軸に沿った前記フレネルレンズシートから発光位置までの距離Ｌ〔μｍ〕と、
を用いて、次の式で特定されるようにしてもよい。
θ=tan-1（（Ｒ＋Ｓ）／Ｌ）
【００１３】
本発明による第１又は第２の照明装置において、各発光体は、発光ダイオードであるようにしてもよい。
【００１４】
本発明による第１又は第２の照明装置において、前記単位レンズは、凸レンズのレンズ面の一部分と同一の外輪郭を有するようにしてもよい。
【００１５】
本発明による第１又は第２の照明装置において、前記フレネルレンズシートに、光散乱手段が設けられていてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、複数の発光体を含む光源と、光源からの光の光路を調整するフレネルレンズと、を有する照明装置を用いた際に生じ得る輝度むらを効果的に解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明による一実施の形態を説明するための図であって、照明装置を模式的に示す斜視図である。
【図２】図２は、図１の照明装置を示す側断面図であって、図１の照明装置のフレネルレンズの光路調整機能を説明するための図である。
【図３】図３は、図１の照明装置を示す平面図であって、発光体の配列を説明するための図である。
【図４】図４は、フレネルレンズの光軸上に位置する光源の発光体から射出した光の光路を示す図である。
【図５】図５は、図４の発光体から射出した光のフレネルレンズシート上の入射位置とフレネルレンズシートからの出射角度との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、フレネルレンズの光軸から離間して位置する光源の発光体から射出した光の光路を示す図である。
【図７】図７は、図６の発光体から射出した光のフレネルレンズシート上の入射位置とフレネルレンズシートからの出射角度との関係を示すグラフである。
【図８】図８は、発光体、入射位置及び出射角度の設定方法を説明するための図である。
【図９】図９は、レンズ面角度の設定方法を説明するための図である。
【図１０】図１０は、いくつかの発光体から射出した光のフレネルレンズシート上の入射位置とフレネルレンズシートからの出射角度との関係を示すグラフである。
【図１１】図１１は、光軸方向から照明装置を示す図であって、輝線が生じる現象について説明する図である。
【図１２】図１２は、回折現象を説明するための図である。
【図１３】図１３は、輝線の間隔と回折ボケ量との関係を説明するための図である。
【図１４】図１４は、輝線の間隔と回折ボケ量との関係を説明するための図である。
【図１５】図１５は、図３に対応する図であって、光源の一変形例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。
【００１９】
なお、本明細書において、「板」、「シート」、「フィルム」の用語は、呼称の違いのみに基づいて、互いから区別されるものではない。例えば、「シート」は板やフィルムと呼ばれ得るような部材も含む概念であり、呼称の違いのみにおいて区別され得ない。
【００２０】
また、「シート面（板面、フィルム面）」とは、対象となるシート状（板状、フィルム状）の部材を全体的かつ大局的に見た場合において対象となるシート状部材（板状部材、フィルム状部材）の平面と一致する面のことを指す。また、シート状（板状、フィルム状）の部材に対する法線方向とは、当該シート状（板状、フィルム状）の部材のシート面（板面、フィルム面）への法線方向のことを指す。
【００２１】
さらに、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。
【００２２】
図１〜図１５は、本発明の一実施の形態を説明するための図である。このうち、図１は、照明装置１０を模式的に示す斜視図であり、図２は、照明装置の作用を説明するための側断面図であり、図３は、光源を発光体が設けられている側から示す正面図である。
【００２３】
図１に示すように、照明装置１０は、光源２０と、光源２０からの光の光路を調整するフレネルレンズシート３０と、を有している。フレネルレンズシート３０は、透過光の光路を調整するフレネルレンズ３１を含んでいる。本実施の形態において、フレネルレンズ３１は、光源２０からの光の光路を調整する。
【００２４】
図２に示すように、フレネルレンズシート３０は、シート状の本体部３３と、本体部３３の光源２０に対面しない側の面上に設けられた複数の単位レンズ３５と、を有している。フレネルレンズシート３０は、透明な樹脂材料を用いて形成される。各単位レンズ３５は、光路を調節するレンズ面３６を有している。フレネルレンズシート３０に含まれるレンズ面３６の組み合わせによって、フレネルレンズ３１が構成され、所定の入射光に対して光路調節機能を発揮することができる。隣り合う二つのレンズ面３６の間には、ライズ面３７が形成されている。
【００２５】
図示された例において、フレネルレンズ３１は、サーキュラーフレネルレンズとして形成されている。すなわち、各単位レンズ３５は、輪状に形成され、且つ、複数の単位レンズ３５は同心円状に配列されている。とりわけ図示された例において、複数の単位レンズ３５は、組み合わされて凸レンズのレンズ面と略同一の輪郭をなすようになる。したがって、図２に示すように、フレネルレンズ３１は、焦点Ｆからの発散光束を平行光束に整形する光路調整機能を有している。すなわち、フレネルレンズシート３０では、多数のレンズ面３６をライズ面３７で接続して薄型軽量化を図りながら、凸レンズと略同一な光学機能を発揮し得る。
【００２６】
図２及び図３に示すように、光源２０は、基板２１と、基板２１上に配列された複数の発光体２５と、を有している。図示された例において、発光体２５は、フレネルレンズ３１の光軸ｄｌに直交する面上に、支持されている。
【００２７】
図３には、発光体２５の配列方法の一例が示されている。図３に示された例において、複数の発光体２５は、第１配列方向ｄａ１及び第２配列方向ｄａ２のそれぞれに配列されている。言い換えると、光源２０は、第１配列方向ｄａ１に配列された二以上の発光体２５からなる発光体群２２が、第１配列方向ｄａ１と非平行な第２配列方向ｄａ２に配列されるようにして、複数の発光体２５を有している。とりわけ図示された例において、発光体２５は、第１配列方向ｄａ１及び第２配列方向ｄａ２のそれぞれに一定のピッチで配列されている。また、第１配列方向ｄａ１への発光体２５の配列ピッチは、第２配列方向ｄａ２への発光体２５の配列ピッチと同一となっている。さらに、第１配列方向ｄａ１及び第２配列方向ｄａ２は、互いに直交している。
【００２８】
光源２０は、フレネルレンズ３１の光軸ｄｌに沿ってフレネルレンズシート３０から離間して配置されている。ただし、光源２０は、フレネルレンズ３１の焦点Ｆよりもフレネルレンズシート３０に近接して配置されている。したがって、光源２０から射出した発散光束は、フレネルレンズ３１で平行光束まで絞り込まれない。図２に示すように、光源２０からの光の光路は、フレネルレンズシート３０によって、緩やかに広がる発散光束に整形される。図１に示すように、フレネルレンズシート３０を透過して緩やかに広がる発散光束に整形された光は、照明装置１０から離間した投影面ｐｌの被照明領域ｚを照明する。図１に示された例において、投影面ｐｌは、フレネルレンズ３１の光軸ｄｌに直交している。また、被照明領域ｚは、フレネルレンズシート３０の輪郭と同様に、円形状となっている。
【００２９】
このような照明装置１０を用いた場合、すなわち、フレネルレンズ３１の焦点Ｆよりもフレネルレンズシート３０に近接して複数の発光体２５を含む光源２０を配置してなる照明装置１０を用いた場合、投影面ｐｌ上における被照明領域ｚの縁部近傍に輝線が生じることがあった。とりわけ、光源２０に含まれる複数の発光体２５が、互いに非平行な二つの方向のそれぞれに配列されている場合、輝線がより明確に生じた。被照明領域ｚ内には、複数の輝線が生じ、結果として、生理的に不快な輝度むらとして感知されるようになる。本件発明者らは、このような輝線が生じる原因を調査し、各輝線が生じる方向、及び、輝線の間隔を特定し得るにいたった。以下、まず、輝線が生じる原因とともに輝線が生じる方向および輝線の間隔について説明し、その後、輝線による輝度むらを目立たなくするための工夫について説明する。
【００３０】
図４及び図５に示すように、発光体２５が、焦点Ｆよりもフレネルレンズ３１に近接して、フレネルレンズ３１の光軸ｄｌ上に位置する場合、当該発光体２５から射出した光のフレネルレンズシート３０からの出射角度φは、フレネルレンズシート３０への入射位置が光軸ｄｌから離間するにつれて、大きくなっていく。したがって、光軸ｄｌ上に位置する発光体２５から射出した光は、照明装置１０から遠く離れた投影面ｐｌ上で輝線を生じさせることはない。すなわち、光軸ｄｌ上に位置する発光体２５から射出した光によれば、被照明領域ｚ内に明暗が繰り返す輝度むらを形成することなく、被照明領域ｚを照明することが可能となる。
【００３１】
ここで図４及び後述する図６は、対象となる発光体２５と光軸ｄｌとを通る面での当該発光体２５から射出した光の光路を示している。また、図５及び後述する図７は、対象となる発光体２５及び光軸ｄｌを通る仮想面と交差するフレネルレンズシート３０上の各位置へ当該発光体２５から光が入射した場合における、光軸ｄｌからフレネルレンズシート３０上の入射位置までの距離Ｒと、フレネルレンズシート３０の各位置へ入射した光のフレネルレンズシート３０からの出射角度φと、の関係を示すグラフである。
【００３２】
一方、光源２０が複数の発光体２５を含む場合、フレネルレンズ３１の光軸ｄｌ上に位置しない発光体２５が生じる。図６には、光軸ｄｌから離間して配置された発光体２５からの光の光路が示されている。図６及び図７に示すように、当該発光体２５から射出した光のフレネルレンズシート３０からの出射角度φは、フレネルレンズシート３０への入射位置が光軸ｄｌから所定のある距離だけ離間した際に、最大となる。すなわち、図７に示すように、対象となる発光体２５及び光軸ｄｌを通る仮想面と交差するフレネルレンズシート３０上の各位置へ当該発光体２５から光が入射した場合における、光軸ｄｌからフレネルレンズシート３０上の入射位置までの距離Ｒと、フレネルレンズシート３０の各位置へ入射した光のフレネルレンズシート３０からの出射角度φと、の関係を示すグラフにおいて、極値、とりわけ極大値が生じる。そして、図７に示すように、出射角度φの極値を取る入射位置の周囲となるフレネルレンズシート３０上の位置へ入射する光の出射角度φは、極値をなす出射角度φよりも僅かだけ小さい角度となる。このとき、照明装置１０から遠く離れた投影面ｐｌでは、この極値をとる出射角度φの方向に対応する位置に、輝線が発生する。
【００３３】
ここで、光軸ｄｌから光軸ｄｌに直交する方向に沿って距離Ｒだけ離れたフレネルレンズシート３０上の位置へ入射した光のフレネルレンズ３１からの出射角度φは、
フレネルレンズシート３０への入射角度θ〔ｒａｄ〕と、
フレネルレンズ３１の単位レンズ３５のレンズ角度α〔ｒａｄ〕と、
単位レンズ３５の屈折率ｎと、
を用いて、次の式（１）で表される。
φ=α＋sin-1（n×sin（sin-1（sinθ/n）−α））     ・・・式（１）
【００３４】
なお、図８及び図９に示すように、出射角度φは、フレネルレンズシート３０からの出射光の進行方向がフレネルレンズ３１の光軸ｄｌに対してなす角度のことである。ここで図８及び図９は、図４及び図６と同様に、対象となる発光体２５と光軸ｄｌとを通る面を示している。
【００３５】
入射角度θは、フレネルレンズシート３０への入射光の進行方向がフレネルレンズ３１の光軸ｄｌに対してなす角度のことである。この入射角度θ〔ｒａｄ〕は、
フレネルレンズ３１の光軸ｄｌからフレネルレンズシート３０上の入射位置までの光軸ｄｌに直交する方向に沿った距離Ｒ〔μｍ〕と、
光軸ｄｌから発光位置（図８の例では発光体２５の位置）までの光軸ｄｌに直交する方向に沿った距離Ｓ〔μｍ〕と、
光軸ｄｌに沿ったフレネルレンズシート３０から発光位置（図８の例では発光体２５の位置）までの距離Ｌ〔μｍ〕と、
を用いて、次の式（２）で特定される。
θ=tan-1（（Ｒ＋Ｓ）／Ｌ）   ・・・式（２）
式（２）における距離Ｓ、距離Ｒ及び距離Ｌの正負は、図８に示す通りとした。
【００３６】
さらに、式（１）におけるレンズ角度αは、対象となる光が透過する単位レンズ３５のレンズ面３６がフレネルレンズシート３０のシート面に対してなす角度の大きさである。レンズ面３６のレンズ角度αは、当該レンズ面３６とフレネルレンズ３１の光軸ｄｌとの離間距離Ｒに応じて変動する。すなわち、レンズ面３６のレンズ角度αは、光軸ｄｌからフレネルレンズシート３０上の入射位置までの距離Ｒの関数となる。レンズ角度αを表す関数は、フレネルレンズ３１に付与される光学機能、例えばフレネルレンズ３１の焦点距離及びフレネルレンズ３１の外径に応じて、決定される。
【００３７】
なお、上述した式（１）による出射角度φの特定は、フレネルレンズシート３０が拡散要素を含まず、且つ、フレネルレンズシート３０の本体部３３が、一対の平行な平滑平面を有するとの前提に立っている。この前提においては、図９から理解され得るように、次の四つの式（３）、（４）、（５）及び（６）が成り立つ。これらの式（３）、（４）、（５）及び（６）から、式（１）が導出され得る。
sinθ=n×sinθ０      ・・・式（３）
θ０=α＋β１   ・・・式（４）
n×sinβ１= sinβ２    ・・・式（５）
φ=α＋β２    ・・・式（６）
【００３８】
以上に説明したように、光軸ｄｌから光軸ｄｌに直交する方向に沿って距離Ｒだけ離れたフレネルレンズシート３０上の位置へ入射した光のフレネルレンズ３１からの出射角度φは、式（１）で特定され得る。
φ=α＋sin-1（n×sin（sin-1（sinθ/n）−α））     ・・・式（１）
そして、発光体２５の位置が特定されると、当該発光体２５からフレネルレンズシート３０上の各位置への入射角度θが決まる。したがって、式（１）を利用して、特定の発光体２５からの光に起因した輝線が生じる出射角度を特定することができる。具体的には、発光体２５が特定されると式（２）における「Ｓ」及び「Ｌ」が特定されるので、式（１）における「θ」及び「α」が「Ｒ」のみの関数となり、式（１）で特定される出射角度φが「Ｒ」のみの関数となる。この結果、出射角度φを極大とする「Ｒ」を導出することにより、輝線が生じる方向を示す出射角度φを特定することができる。
【００３９】
ここで図１０のグラフは、光軸ｄｌからの距離Ｓが異なる三つの発光体２５から射出した光について、フレネルレンズシート３０上の入射位置とフレネルレンズシート３０からの出射角度φとの関係を示している。調査対象とした照明装置１０は、図１〜３に示す照明装置１０と同様にした。図１０のグラフは、焦点距離ｆ：１５０ｍｍ、単位レンズ３５の屈折率ｎ：１．５、フレネルレンズシート３０の半径Ｒｍａｘ：１１０ｍｍとなっているフレネルレンズシート３０を用いた場合における、入射位置と出射角度との関係を示している。また、調査対象とした照明装置１０において、光軸ｄｌに沿ったフレネルレンズシート３０から光源２０までの距離Ｌは、６０ｍｍとした。光源２０は、図３及び図１１に示すように、第１配列方向ｄａ１に配列された二以上の発光体２５からなる発光体群２２が、第１配列方向ｄａ１と直交する第２配列方向ｄａ２に配列されるようにして、複数の発光体２５を有するようにした。図１０のグラフは、第２配列方向ｄａ２に沿って光軸ｄｌから最も離間して配置された第１発光体群２２ｘの発光体２５ｘａからの光の出射角度φ１と、第１発光体群２２ｘに光軸ｄｌの側から隣り合う第２発光体群２２ｙの発光体２５ｙａからの光の出射角度φ２と、第２発光体群２２ｙに光軸ｄｌの側から隣り合う第３発光体群２２ｚの発光体２５ｚａからの光の出射角度φ３と、を示している。調査対象とした発光体２５ｘａ，２５ｙａ，２５ｚａは、光軸ｄｌから第２配列方向ｄａ２にずれた位置に配置されていた。
【００４０】
第１発光体群２２ｘのうちの、第２配列方向ｄａ２に沿った光軸ｄｌからの離間距離Ｓが４４ｍｍとなる位置に配置された発光体２５ｘａについて、最大の出射角度φ１は３６．７°となった。第２発光体群２２ｙのうちの、第２配列方向ｄａ２に沿った光軸ｄｌからの離間距離Ｓが４０ｍｍとなる位置に配置された発光体２５ｙａについて、最大の出射角度φ２は３４．９°となった。第３発光体群２２ｚのうちの、第２配列方向ｄａ２に沿った光軸ｄｌからの離間距離Ｓが３６ｍｍとなる位置に配置された発光体２５ｚａについて、最大の出射角度φ３は３３．４°となった。
【００４１】
つまり、図１１に示すように、投影面ｐｌがフレネルレンズシート３０から十分に離間している場合、フレネルレンズ３１の光軸に対して３６．７°傾斜した方向へ、発光体２５ｘａに起因した輝線が生じる。また、図１１に示すように、投影面ｐｌがフレネルレンズシート３０から十分に離間している場合、フレネルレンズ３１の光軸に対して３４．９°傾斜した方向へ、発光体２５ｙａに起因した第２の輝線ｙａが生じる。さらに、図示は省略するが、フレネルレンズ３１の光軸に対して３３．４°傾斜した方向へ、発光体２５ｚａに起因した輝線が生じる。輝線が間隔をあけて発生することにより、投影面ｐｌ上の被照明領域ｚ内に、輝度むらが生じることになる。後述の実施例にて説明するように、本件発明者らが、実際にシミュレーションしたところ、式（１）を用いた計算結果と同様の輝線が確認された。
【００４２】
ところで、図３及び図１１に示された光源２０は、第２配列方向ｄａ２に配列された複数の発光体群２２を有し、各発光体群２２は、第２配列方向ｄａ２と直交する第１配列方向ｄａ１に沿って配列された二以上の発光体２５を含んでいる。そして、上述した式（１）は、対象となる発光体２５と光軸ｄｌとを通過する面内での光路について検討している。すなわち、この式（１）は、対象となる発光体２５から射出して、当該発光体２５と光軸ｄｌとを通過する仮想面内を進む光によって生じる輝線を特定している。したがって、光源２０に含まれる各発光体２５からの光に起因してそれぞれ生じる輝線を、式（１）で特定すると、各発光体に起因する輝線は、被照明領域ｚ内に離散的に生じることになる。
【００４３】
一方、図３及び図１１に示された光源２０を用いた場合、実際には、被照明領域ｚ内において、第１配列方向ｄａ１に沿って対向する被照明領域ｚの両縁部と、第２配列方向ｄａ２に沿って対向する被照明領域ｚの両縁部と、の四箇所に最も強い輝線、及び、明暗の筋として視認される輝度むらが生じる。このように、輝線および輝線に起因した輝度むらが被照明領域ｚ内に一様に生じない原因は、発光体２５が、第１配列方向ｄａ１及び第２配列方向ｄａ２に短ピッチで配列されていることに起因するものと考えられる。すなわち、各発光体２５は、光を放射状に放つ。したがって、図１１に示すように、第１発光体群２２ｘに属する発光体２５ｘｂ及び発光体２５ｘｃは、第１発光体群２２ｘに属する他の発光体２５ｘａと光軸ｄｌとを通過する仮想面と交差するフレネルレンズシート３０上の位置にも入射する。このような発光体２５ｘｂ，２５ｘｃからの光は、第１発光体群２２ｘに属する発光体２５が第１配列方向ｄａ１に短ピッチで配列されていれば、他の発光体２５ｘａと同様に進み、発光体２５ｘａからの光によって生じる輝線ｘａの隣りに又は当該輝線ｘａに一部重なり合って、輝線ｘｂ，ｘｃを生じさせることになる。同様に、図１１に示すように、第２発光体群２２ｙに属する発光体２５ｙａ，発光体２５ｙｂ，発光体２５ｙｃは、近接して又は一部重なり合うようにして、それぞれ、輝線ｙａ，ｙｂ，ｙｃを生じさせる。すなわち、各発光体群２２は、当該発光体群２２に含まれる発光体２５の配列方向である第１配列方向ｄａ１に直交する方向における縁部となる被照明領域ｚ内の位置に、第１配列方向ｄａ１に略沿って延びる輝線を生じさせることになる。
【００４４】
以上のようにして、光軸ｄｌからずれた位置に配置された発光体２５が、輝線を生じさせることになる。そして、光源２０に含まれた複数の発光体２５が、光軸ｄｌから異なる距離Ｓだけずれて配置されていることに起因して、異なる位置に輝線を発生させ、投影面ｐｌ上における被照明領域ｚ内に輝度むらを引き起こしている。次に、被照明領域ｚにおける輝度むらを目立たなくさせる工夫について説明する。
【００４５】
フレネルレンズ３１を用いた照明装置１０では、フレネルレンズ３１を構成する単位レンズ３５の配置に応じて、回折現象が生じる。すなわち、各発光体２５からの光は、厳密には、上述した式（１）で特定した出射角度φの方向だけでなく、他の方向に向けても出射することになる。フレネルレンズシート３０を透過する光は、論理的には多数の次数の回折を生じさせるが、本件発明者らが鋭意実験を繰り返したところ、有効に照明光として利用し得るのは、上述した式（１）で特定した出射角度φの方向に対して両側にそれぞれ一次及び二次ずれた回折光までであった。本件発明者らは、回折により光路が持つようになる角度幅、すなわち回折ぼけ量を調節することにより、より具体的には、隣り合う輝線が回折ぼけによって重なり合うようにすることで、輝線による輝度むらを不可視化し得ることを見出した。
【００４６】
フレネルレンズシート３０での回折現象は、
フレネルレンズシート３０への入射角度θ〔ｒａｄ〕と、
フレネルレンズシート３０からの出射角度φ〔ｒａｄ〕と、
回折の次数ｍと、
光の波長λ〔μｍ〕と、
単位レンズ３５の配列ピッチＰ〔μｍ〕と、
を用いて、次の式（７）によって表される。
sinθ＋sinφ=（ｍ×λ）／Ｐ ・・・式（７）
式（７）における出射角度φ及び入射角度θの正負は、図１２に示す通りとした。
【００４７】
上述したように、±２次の回折光まで、照明光として有効に利用することができ、その一方で、３次以上ずれた回折光は、わずかであり、有効に利用することができない。そして、次数ｍが２だけ変化した場合、出射角度φの変化量は、次の式（８）で示される。
２×λ／（Ｐ×cosφ）       ・・・式（８）
なお、式（８）は、式（７）を次のように式変換することにより導出され得る。
（Ｐ／λ）×sinθ＋（Ｐ／λ）×sinφ=ｍ
ｄｍ／ｄφ=（Ｐ／λ）×cosφ
ｄφ=λ／（Ｐ×cosφ）ｄｍ
【００４８】
上述した式（１）を用いて導出され得る隣り合う二つの第１の輝線ｘ及び第２の輝線ｙをなす中心の出射角度がそれぞれφ１及びφ２である場合、輝線角度間隔Δφｐは、次の式（１０）で表される。
Δφｐ＝φ１−φ２     ・・・式（１０）
そして、第１の輝線ｘをなす光の中心出射角度φ１から第２輝線ｙ側への回折ぼけ量Δφｂ１、及び、第２の輝線ｙをなす光の中心出射角度φ２から第１輝線ｘ側への回折ぼけ量Δφｂ２は、式（８）を用いて、それぞれ、次の式（１１）及び（１２）で表される。
Δφｂ１＝２×λ／（Ｐ×cosφ１）   ・・・式（１１）
Δφｂ２＝２×λ／（Ｐ×cosφ２）   ・・・式（１２）
そして、次の式（１３）が満たされて、回折ぼけ量の和Δφｂが、輝線角度間隔Δφｐよりも大きくなる場合、図１３に示すように、輝線をなす光が重なり合い、輝度むらを効果的に解消することができる。
λ／（Ｐ×cosφ１）＋λ／（Ｐ×cosφ２）＞０．５×（φ１−φ２）
・・・式（１３）
その一方で、式（１３）が満たされない場合には、回折ぼけ量の和Δφｂが輝線角度間隔Δφｐ以下となり、図１４に示すように、各輝線を構成する光が、重なり合わない。図１４に示された例では、明暗の筋模様としての輝度むらが視認され得る。
【００４９】
なお、各配列方向に沿った発光体２５の配列ピッチが光源２０内において大きく変動しないとの仮定において、式（１）で特定される極値を取る最大の出射角度φは、対象となる発光体２５が、光軸ｄｌから離間するにつれて大きくなり、また、輝線角度間隔Δφｐは、光軸ｄｌから最も離れた発光体２５に起因した輝線と、当該発光体２５に光軸ｄｌの側から隣り合う発光体２５に起因した輝線と、の間で最も大きくなる、といった傾向を呈する。また、投影面において、輝線から光軸に近い側では強度は比較的均一で、また光軸から離れる側では強度は急激に弱くなる。そのため、光軸に近づくにつれて、輝線は他の発光体からの照射光と重なり目立ちにくくなる。そのため、輝線角度間隔Δφｐが大きくなり輝度むらが視認され易くなるのは、光軸ｄｌから最も離れて位置する隣り合う二つの発光体２５、または、光軸ｄｌから最も離れて位置する隣り合う二つの発光体群２２からの光を原因としている。
【００５０】
また、回折現象による各発光体２５からの光の光路の広角化は、レンズ面３６の配列方向に生じる。つまり、レンズ面３６の配列方向と平行な方向に沿った光軸ｄｌからの距離Ｓが異なる複数の発光体２５又は複数の発光体群２２に起因した輝度むらを、フレネルレンズシート３０での回折現象によって効果的解消し得る。ここで、フレネルレンズ３１がサーキュラーフレネルレンズである場合、光軸ｄｌを通過するすべて方向が、レンズ面３６の配列方向となり、光軸ｄｌを通過するすべて方向において回折現象が生じ得る。
【００５１】
すなわち、単位レンズ３５の配列方向と一致する基準方向ｄｓに沿ってフレネルレンズ３１の光軸ｄｌから最も離間した第１の発光体２５と光軸ｄｌとを通る仮想面と交差するフレネルレンズシート３０上の各位置へ第１の発光体２５から光が入射した場合における、光軸ｄｌからフレネルレンズシート３０上の入射位置までの距離Ｒと、フレネルレンズシートの各位置へ入射した光のフレネルレンズシート３０からの出射角度φと、の関係を示すグラフにおいて極値をなす第１の出射角度φ１〔ｒａｄ〕と、
基準方向ｄｓに沿って第１の発光体２５と隣り合う第２の発光体２５から仮想面と交差するフレネルレンズシート３０上の各位置へ光が入射した場合における、光軸２５からフレネルレンズシート３０上の入射位置までの距離Ｒと、フレネルレンズシート３０の各位置へ入射した光のフレネルレンズシート３０からの出射角度φと、の関係を示すグラフにおいて極値をなす第２出射角度φ２〔ｒａｄ〕と、
フレネルレンズ３１の単位レンズ３５の配列ピッチＰ〔μｍ〕と、が次の式（１４）を満たすことが、輝度むらを解消する上で有効である。
0.55/(P×cosφ1)＋0.55/(P×cosφ2)＞0.5×(φ1-φ2) ・・・式（１４）
式（１４）が満たされる場合には、隣り合う輝線を構成する光が、それぞれ、回折ぼけを適度に含むようになり、この結果、輝線が重なり合って輝度むらを効果的に目立たなくすることができる。なお、式（１４）では、波長λとして、可視光帯域の中心波長として広く用いられている０．５５〔μｍ〕を採用している。
【００５２】
以上のような本実施の形態による照明装置１０によれば、複数の発光体２５を含む光源２０と、光源２０からの光の光路を調整するフレネルレンズ３１と、を有する照明装置１０を用いた際に生じ得る輝度むらを効果的に目立たなくさせることができる。
【００５３】
なお、上述した実施の形態に対して様々な変更を加えることが可能である。以下、図面を参照しながら、変形の一例について説明する。以下の説明および以下の説明で用いる図面では、上述した実施の形態と同様に構成され得る部分について、上述の実施の形態における対応する部分に対して用いた符号と同一の符号を用いるとともに、重複する説明を省略する。
【００５４】
上述した実施の形態において、光源２０は、第１配列方向ｄａ１に配列された二以上の発光体２５からなる発光体群２２を有し、複数の発光体群２２が、第１配列方向ｄａ１と非平行な第２配列方向ｄａ２に配列されている例を示した。この例においては、図３に示すように、第１配列方向ｄａ１と直交する方向に沿って光軸ｄｌからずれた位置に、各発光体群２２，２２ｘ，２２ｙ，２２ｚに属する発光体２５，２５ｘ，２５ｙ，２５ｚが配置されていた。しかしながら、この例に限られず、例えば図１５に示すように、第１配列方向ｄａ１と直交する方向に沿って光軸ｄｌからずれた位置に、各発光体群２２に属する発光体２５が配置されていなくてもよい。図１１を参照しながら上述したように、図１５に示された光源２０を用いた場合にも、各発光体群２２は、当該発光体群２２に含まれる発光体２５の配列方向である第１配列方向ｄａ１に直交する方向における縁部となる被照明領域ｚ内の領域に、第１配列方向ｄａ１に細長く延びる輝線を生じさせることになる。そして、上述してきた本発明による工夫を適用することによって、図１５に示された光源２０を用いた照明装置１０についても、輝度むらを効果的に目立たなくさせることができる。
【００５５】
具体的には、まず、基準方向ｄｓに沿って光軸ｄｌから最も離間した位置する最外方の発光体群２２ｘ上を通過する仮想直線ｖｌ１と基準方向ｄｓとの交点位置を第１仮想発光点２５ｖ１とし、且つ、最外方の発光体群２２ｘと基準方向ｄｓに隣り合う外方から二番目の発光体群２２ｙ上を通過する仮想直線ｖｌ１と基準方向ｄｓとの交点位置を第２仮想発光点２５ｖ２とする。ここで、基準方向ｄｓは、回折現象を生じさせる方向であることから、単位レンズ３５が配列されている方向とする。フレネルレンズ３１がサーキュラーフレネルレンズである場合には、光軸ｄｌを通過する方向がすべて基準方向ｄｓとなり得る。そこで、輝線を効果的に解消する観点からは、基準方向ｄｓは、第１配列方向ｄａ１に直交する方向であることが好ましい。
【００５６】
そして、第１仮想発光点２５ｖ１と光軸ｄｌとを通る仮想面と交差するフレネルレンズシート３０上の各位置へ第１仮想発光点２５ｖ１から光が入射したと仮定した場合における、光軸ｄｌからフレネルレンズシート３０上の入射位置までの距離Ｒと、フレネルレンズシート３０の各位置へ入射した光のフレネルレンズシート３０からの出射角度φと、の関係を示すグラフにおいて極値をなす第１出射角度φ１〔ｒａｄ〕と、
前記仮想面と交差するフレネルレンズシート３０上の各位置へ第２仮想発光点２５ｖ２から光が入射したと仮定した場合における、光軸ｄｌからフレネルレンズシート３０上の入射位置までの距離Ｒと、フレネルレンズシート３０の各位置へ入射した光のフレネルレンズシート３０からの出射角度φと、の関係を示すグラフにおいて極値をなす第２出射角度φ２〔ｒａｄ〕と、
フレネルレンズ３１の単位レンズ３５の配列ピッチＰ〔μｍ〕と、が次の式（１５）を満たすことが、輝度むらを目立たなくする上で有効である。
0.55/(P×cosφ1)＋0.55/(P×cosφ2)＞0.5×(φ1-φ2) ・・・式（１５）
【００５７】
また、複数の発光体２５は、三以上の方向に配列されていてもよいし、同心円状に配列されていてもよい。このような光源２０を用いた照明装置１０に対しても、上述した式（１４）又は式（１５）を満たすことにより、輝度むらを効果的に目立たなくさせることができる。
【００５８】
また、上述した実施の形態において、フレネルレンズ３１が、サーキュラーフレネルレンズとして形成されている例を示したが、これに限られず、リニアフレネルレンズであってもよい。
【００５９】
さらに、輝度むらを目立たなくする観点から、フレネルレンズシート３０に光散乱手段が設けられていてもよい。例えば、フレネルレンズシート３０の本体部３３に、光散乱材が含まれるようにしてもよい。光散乱材としては、本体部３３のその他の部分と異なる屈折率を有した粒子等を用いることができる。
【００６０】
なお、以上において上述した実施の形態に対するいくつかの変形例を説明してきたが、当然に、複数の変形例を適宜組み合わせて適用することも可能である。
【実施例】
【００６１】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【００６２】
図１〜図３に示された照明装置と同様の構成を有するモデル１及びモデル２を作製してシミュレーションを行った。モデルとした照明装置のフレネルレンズシートは、次のように設計した。
・焦点距離ｆ：１５０ｍｍ
・単位レンズ３５の屈折率ｎ：１．５
・フレネルレンズシート３０の半径Ｒｍａｘ：１１０ｍｍ
モデル１では、単位レンズ３５の配列ピッチＰを５０μｍとし、モデル２では、単位レンズ３５の配列ピッチＰを２００μｍとした。フレネルレンズシート３０は、単位レンズ３５の配列ピッチＰを除き、モデル１及びモデル２の間で共通とした。
【００６３】
光源は、モデル１及びモデル２の間で共通して、図３及び図１１と同様の構成とした。
【００６４】
以上の条件で、シミュレーションを行い、被照明領域ｚ内での輝度の分布を確認した。
【００６５】
第１発光体群２２ｘのうちの、第２配列方向ｄａ２に沿った光軸ｄｌからの離間距離Ｓが４４ｍｍとなる位置に配置された発光体２５ｘａについて、最大の出射角度φ１は３６．７°となった。第２発光体群２２ｙのうちの、第２配列方向ｄａ２に沿った光軸ｄｌからの離間距離Ｓが４０ｍｍとなる位置に配置された発光体２５ｙａについて、最大の出射角度φ２は３４．９°となった。モデル１は、式（１４）の条件を満たし、実際にシミュレーション結果においても、目立った輝度むらは存在しなかった。一方、モデル２は、式（１４）の条件を満たさず、実際にシミュレーション結果においても、目立った輝度むらが存在していた。
【符号の説明】
【００６６】
１０   照明装置
２０   光源
２１   基板
２２   発光体群
２５   発光体
３０   フレネルレンズシート
３１   フレネルレンズ
３３   本体部
３５   単位レンズ
３６   レンズ面
３７   ライズ面
ｄｌ    光軸
ｄｓ    基準方向
ｄａ１   第１配列方向
ｄａ２   第２配列方向
Ｆ     焦点
ｐｌ   投影面
ｚ     被照明領域
ｘ     第１の輝線
ｘａ   第１の輝線
ｘｂ   第１の輝線
ｘｃ   第１の輝線
ｙ     第２の輝線
ｙａ   第２の輝線
ｙｂ   第２の輝線
ｙｃ   第２の輝線
【図１】
2016085856.tif 000003
【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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