(57)【要約】  蛍光の反射角度を高精度に調整することができ、蛍光を高効率で出射するコリメータレンズを提供する。  開口部と、反射部と、集光部と、を有しており、内周面に形成されている前記反射部が、前記集光部から照射された光を前記集光部に反射し、前記集光部に集められた前記光が、前記開口部又は前記反射部に向かって照射される、コリメータレンズを提供する。さらに、前記コリメータレンズと、励起光学系と、蛍光体と、を備えている、光源装置を提供する。
2020149047.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部と、
反射部と、
集光部と、を有しており、
内周面に形成されている前記反射部が、前記集光部から照射された光を前記集光部に反射し、
前記集光部に集められた前記光が、前記開口部又は前記反射部に向かって照射される、
コリメータレンズ。
【請求項２】
開口数が、０．６以上０．９９以下である、
請求項１に記載のコリメータレンズ。
【請求項３】
前記反射部の形状が、非球面又は球面である、
請求項１に記載のコリメータレンズ。
【請求項４】
前記反射部の素材が、金属膜である、
請求項１に記載のコリメータレンズ。
【請求項５】
複数枚のレンズから成り、
少なくとも１枚のレンズが、
前記反射部を有している、
請求項１に記載のコリメータレンズ。
【請求項６】
前記反射部が、所定の波長域の光を透過し、所定の波長域の前記光を反射する、
請求項１に記載のコリメータレンズ。
【請求項７】
前記反射部が、ダイクロイックミラーである、
請求項１に記載のコリメータレンズ。
【請求項８】
請求項１に記載のコリメータレンズと、
励起光学系と、
蛍光体と、を備えている、
光源装置。
【請求項９】
前記蛍光体が、回転又は非回転する、
請求項８に記載の光源装置。
【請求項１０】
前記コリメータレンズの前記開口部側に前記励起光学系が配置されており、
前記コリメータレンズの前記集光部側に前記蛍光体が配置されている、
請求項８に記載の光源装置。
【請求項１１】
前記コリメータレンズの前記集光部側に前記励起光学系及び前記蛍光体が配置されている、
請求項８に記載の光源装置。
【請求項１２】
請求項８に記載の光源装置を備えている、
画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、コリメータレンズ、光源装置、及び画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、励起光を蛍光体に照射し、蛍光体が発光した蛍光を利用する技術がある。しかし、蛍光は高角度で広がるため、伝播するうちに拡散してしまう。そこで、特許文献１のように、蛍光を略平行な光束に変換するコリメータレンズが利用されている。【０００３】
特許文献１では、発光素子と、前記発光素子から射出された光のうち第１の成分が入射する集光光学系と、前記集光光学系を透過した前記第１の成分が入射する光学素子と、前記光学素子を経由した前記第１の成分が入射するピックアップ光学系と、を備えた光源装置であって、前記集光光学系および前記ピックアップ光学系のうち少なくとも一方は、石英で形成された第１のレンズを含むことを特徴とする光源装置が開示されている。この特許文献１では、この第１のレンズを含む集光光学系が、他の構成要素と協同して、光の照度の分布を均一化することが説明されている。【０００４】
しかし、蛍光は高角度で広がるため、コリメータレンズの焦点距離が短くなり、エタンデュが大きくなってしまうという問題があった。そこで、特許文献２において、角度が大きい蛍光を反射して再利用する技術が開示されている。【０００５】
特許文献２では、蛍光体材料と蛍光体材料に向かう出力を有する励起レーザ源とを含む蛍光体式ランプにおいて、前記蛍光体材料は中心軸に集光させた光を発し、前記ランプは前記中心軸が通過する中心開口を有する光再利用カラーを更に含み、前記中心軸に対して所定の角度より小さい角度の発光は前記中心開口を通過し、前記所定の角度より大きい角度の発光は、光再利用のための前記光再利用カラーによって前記蛍光体材料に向けて反射され、前記光再利用カラーは前記蛍光体材料に対して位置する、蛍光体式ランプが開示されている。この特許文献２では、蛍光体材料から出力された光が、光再利用カラーによって反射され、蛍光体材料に戻ることが説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−１７０３９０号公報
【特許文献２】特表２０１５−５２８９８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２で開示されている光再利用カラーは、レンズと別個の構成であるため、光を反射する角度について高精度な調整が必要となる。また、再利用カラーの保持部が光を遮断することにより、光の利用効率が低下するおそれがある。【０００８】
そこで、本技術は、蛍光の反射角度を高精度に調整することができ、蛍光を高効率で出射するコリメータレンズを提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本技術は、開口部と、反射部と、集光部と、を有しており、内周面に形成されている前記反射部が、前記集光部から照射された光を前記集光部に反射し、前記集光部に集められた前記光が、前記開口部又は前記反射部に向かって照射される、コリメータレンズを提供する。
前記コリメータレンズの開口数が、０．６以上０．９９以下であってもよい。
前記反射部の形状が、非球面又は球面であってもよい。
前記反射部の素材が、金属膜であってもよい。
前記コリメータレンズが、複数枚のレンズから成り、少なくとも１枚のレンズが、前記反射部を有していてもよい。
前記反射部が、所定の波長域の光を透過し、所定の波長域の前記光を反射することができる。
前記反射部が、ダイクロイックミラーであってもよい。
また、本技術は、前記コリメータレンズと、励起光学系と、蛍光体と、を備えている、光源装置を提供する。
前記蛍光体が、回転又は非回転することができる。
前記コリメータレンズの前記開口部側に前記励起光学系が配置されており、前記コリメータレンズの前記集光部側に前記蛍光体が配置されていてもよい。
前記コリメータレンズの前記集光部側に前記励起光学系及び前記蛍光体が配置されていてもよい。
また、本技術は、前記光源装置を備えている、画像表示装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本技術に係るコリメータレンズの側面図である。
【図２】本技術に係るコリメータレンズの特徴を説明するための参考図である。
【図３】本技術に係るコリメータレンズの側面図である。
【図４】本技術に係るコリメータレンズの側面図である。
【図５】本技術に係るコリメータレンズの側面図である。
【図６】本技術に係るコリメータレンズの側面図である。
【図７】本技術に係るコリメータレンズの側面図である。
【図８】本技術に係るコリメータレンズの側面図である。
【図９】本技術に係る光源装置の構成図である。
【図１０】本技術に係るコリメータレンズの側面図である。
【図１１】本技術に係る画像表示装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本技術を実施するための好適な形態について、添付した図面を参照しつつ説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本技術の代表的な実施形態を示したものであり、本技術の範囲がこれらの実施形態に限定されることはない。なお、本技術の説明は以下の順序で行う。
１．本技術に係る第１の実施形態（コリメータレンズ）
２．本技術に係る第２の実施形態（複数枚のレンズ）
３．本技術に係る第３の実施形態（反射部の波長選択性）
４．本技術に係る第４の実施形態（光源装置）
５．本技術に係る第５の実施形態（画像表示装置）
【００１２】
１．本技術に係る第１の実施形態（コリメータレンズ）
【００１３】
本技術に係るコリメータレンズ１０の側面図を図１に示す。図１に示すように、本技術に係るコリメータレンズ１０は、開口部１１と、反射部１２と、集光部１３と、を有している。
【００１４】
コリメータレンズ１０の内周面に、反射部１２が形成されている。さらには、コリメータレンズ１０に入射された光のうち、高角度成分の光が衝突する位置に、反射部１２が形成されている。
【００１５】
反射部１２は、集光部１３から照射された光を集光部１３に向かって反射する。集光部１３に集められた光は、再び開口部１１又は反射部１２に向かって照射される。低角度成分の光が開口部１１に向かって照射され、高角度成分の光が反射部１２に向かって照射される。
【００１６】
なお、反射部１２は、集光部１３から照射された光を、他面の反射部１２に向かって反射してもよい。例えば、コリメータレンズ１０の内周面の上面と下面に反射部１２が形成されている場合に、上面の反射部１２が、下面の反射部１２に向かって光を反射してもよい。
【００１７】
集光部１３による照射と、反射部１２による反射の繰り返しにより、高角度成分の光が次第に低角度成分の光に変換される。そして、開口部１１よりコリメータレンズ１０の外部に略平行の光２が出射される。
【００１８】
高角度成分の光をコリメータレンズ１０が取り込む場合、焦点距離が短くなり、エタンデュが大きくなってしまう。光の利用効率を高めるためには、エタンデュが小さい方が望ましい。したがって、本技術に係るコリメータレンズ１０は、高角度成分の光を低角度成分の光に変換している。
【００１９】
本技術では、コリメータレンズ１０の内周面と反射部１２が結合しているため、反射部１２が光を反射する角度を高精度に調整することができる。
【００２０】
さらに、反射部１２を保持する部材がないため、集光部１３から照射された光が遮断されない。そのため、コリメータレンズ１０は光を高効率で出射できる。
【００２１】
なお、上述した構成においては、例として、励起光１を蛍光体３０に照射し、蛍光体３０が発光した蛍光を光源としたが、光源は蛍光体３０に限られない。当該光源には、一例を挙げれば、発光ダイオードや水銀ランプ等も利用できる。
【００２２】
ところで、コリメータレンズ１０の設計においては、主に平行特性と反射特性を考慮する必要がある。平行特性とは、コリメータレンズ１０に入射された光を、開口部１１が平行に変換して出射する特性である。反射特性とは、コリメータレンズ１０に入射された光を、反射部１２が集光部１３に反射する特性である。
【００２３】
まず、平行特性について述べる。開口部１１が出射する光２は平行であることが望ましいが、光学系に光２を導くことができればよいため、略平行であってもよい。例えば、光軸に対して０度〜９度（１６０ミリラジアン）の角度の光線が光２に含まれていてもよい。
【００２４】
また、コリメータレンズ１０の開口数（ＮＡ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ）が大きいほど、開口部１１が出射する光２が明るくなる。集光部１３の屈折率をｎとし、蛍光体３０の照射角度をθとすると、開口数ＮＡは下式（１）で求めることができる。
【００２５】
ＮＡ＝ｎ×ｓｉｎθ  ・・・（１）
【００２６】
本技術に係るコリメータレンズ１０の開口数は、０．６以上０．９９以下であることが望ましい。さらには、コリメータレンズ１０の開口数は０．９５以上０．９９以下であることが望ましい。
【００２７】
次に、反射特性について述べる。反射特性は、反射部１２の形状、素材、及び面積によって左右される。
【００２８】
反射部１２の形状について説明する。反射特性は、具体的には、反射部１２の形状が球面であるか非球面であるかによって左右される。
【００２９】
図１に示す一実施形態においては、反射部１２は球面となっている。球面は、例えば楕円面やトロイダル面等を含む。
【００３０】
蛍光体３０が回転しない場合は、反射部１２は球面であってもよい。しかし、蛍光体３０が回転する場合は、反射部１２が球面であると問題が生じる。
【００３１】
本技術に係るコリメータレンズ１０の特徴を説明するための参考図を図２に示す。図２に示すように、回転する蛍光体３０の表面３１とコリメータレンズ１０の間に、空気層１４が形成されている。空気層１４が形成されている理由は、蛍光体表面３１とコリメータレンズ１０が密接していると、蛍光体表面３１とコリメータレンズ１０の間に発生する摩擦力により、蛍光体３０が回転できないためである。
【００３２】
空気層１４が形成されているため、反射部１２が反射した光を空気層１４が屈折する。この屈折により、反射部１２に照射される光の光路と、反射部１２が反射する光の光路が異なる。その結果、この反射光が集光部１３に集光されず、光の利用効率が低下してしまう。
【００３３】
そこで、本技術に係るコリメータレンズ１０の側面図を図３に示す。図３に示すように、蛍光体表面３１とコリメータレンズ１０の間に空気層１４が形成されている場合は、反射部１２は非球面であることが望ましい。反射部１２を非球面とすることにより、反射部１２が反射した光は、適切に集光部１３に照射されることができる。
【００３４】
続いて、反射部１２の素材について述べる。反射部１２には金属膜を利用できる。さらには、反射部１２に照射される光が数百ワットに達することがあるため、この金属膜は、光の反射性があり、かつ、高い耐熱性があることが望ましい。例えば、この金属膜に銀、アルミニウム等を利用できる。
【００３５】
最後に、反射部１２の面積について述べる。反射部１２の面積が大きくなるほど、開口部１１の面積が小さくなる。その結果、エタンデュが小さくなる。エタンデュが小さいほど、光の利用効率が高くなる。
【００３６】
２．本技術に係る第２の実施形態（複数枚のレンズ）
【００３７】
高角度成分の光を１枚のコリメータレンズが取り込み、略平行に変換して出射するためには、コリメータレンズの高度な設計が必要になる。そのため、コリメータレンズは複数枚のレンズから成ってもよい。
【００３８】
本技術に係るコリメータレンズの側面図を図４に示す。コリメータレンズは、複数枚のレンズ（１０ａ、１０ｂ）から成り、少なくとも１枚以上のレンズ（１０ａ、１０ｂ）が、反射部１２を有している。図４に示す一実施形態においては、第１レンズ１０ａが、反射部１２を有している。
【００３９】
第１レンズ１０ａと蛍光体表面３１が密接しており、空気層による光の屈折を考慮する必要がないため、反射部１２は球面となっている。
【００４０】
このように複数枚のレンズ（１０ａ、１０ｂ）から成ることにより、コリメータレンズの設計が容易になる。例えば、高角度成分の光を、第１レンズ１０ａが、やや低角度成分の光に変換する。そして、その低角度成分の光を、第２レンズ１０ｂが、略平行の光に変換することができる。
【００４１】
さらに、複数のレンズ（１０ａ、１０ｂ）で構成されることにより、光の反射特性と平行特性を同時に設計できる。例えば、反射部１２を有している第１レンズ１０ａにおいて反射特性を設計し、略平行な光を出射する第２レンズ１０ｂにおいて平行特性を設計することができる。
【００４２】
本技術に係るコリメータレンズの側面図を図５に示す。図５に示すように、第１レンズ１０ａと蛍光体表面３１の間に空気層１４が形成されている。空気層１４による光の屈折を考慮する必要があるため、第１レンズ１０ａが備えている反射部１２は非球面となっている。
【００４３】
本技術に係るコリメータレンズの側面図を図６に示す。図６に示すように、第２レンズ１０ｂが、反射部１２を有してもよい。この場合、第２レンズ１０ｂと蛍光体表面３１の間に空気層１４が形成される。この空気層１４による光の屈折を考慮する必要があるため、第２レンズ１０ｂが備えている反射部１２は非球面となっている。
【００４４】
本技術に係るコリメータレンズの側面図を図７に示す。図７に示すように、コリメータレンズは３枚のレンズ（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を備えてもよい。レンズの枚数をさらに増やすことにより、コリメータレンズの設計がさらに容易になる。
【００４５】
図７に示す一実施形態においては、例えば、高角度成分の光を、第１レンズ１０ａが、やや低角度成分の光に変換する。そして、その低角度成分の光を、第２レンズ１０ｂと第３レンズ１０ｃが、略平行の光に変換することができる。
【００４６】
図７に示す一実施形態においては、第１レンズ１０ａが反射部１２を有しているが、第２レンズ１０ｂ又は第３レンズ１０ｃが反射部１２を有していてもよい。さらには、複数枚のレンズが反射部１２を有していてもよい。
【００４７】
なお、本技術に係るコリメータレンズは、４枚以上のレンズから成ってもよい。
【００４８】
３．本技術に係る第３の実施形態（反射部の波長選択性）
【００４９】
反射部１２が励起光１の一部を反射せず透過してもよい。
【００５０】
本技術に係るコリメータレンズの側面図を図８に示す。図８に示すように、反射部１２は、例えば、反射部１２が、所定の波長域の光３を透過し、所定の波長域の光３を反射してもよい。
【００５１】
例えば、反射部１２が青色の励起光２を透過し、開口部１１も青色の励起光２を透過する場合、励起光学系からの励起光２と、反射部１２が透過する励起光３が足し合わされるため、励起光２の光量を増やすことができる。
【００５２】
さらに、反射部１２が励起光２を透過するため、励起光２が開口部１１のみを透過する設計にする必要がない。
【００５３】
反射部１２には、例えばダイクロイックミラーを利用することができる。
【００５４】
なお、反射部１２が透過又は反射する光は、青色光に限られず、例えば赤色光や緑色光でもよい。さらには、当該光は可視光に限られず、例えば紫外線や赤外線でもよい。
【００５５】
４．本技術に係る第４の実施形態（光源装置）
【００５６】
本技術に係る光源装置の構成図を図９に示す。図９に示すように、光源装置は、少なくとも１枚のレンズから成るコリメータレンズ１０と、励起光学系２０と、蛍光体３０と、を備えることができる。
【００５７】
なお、コリメータレンズ１０は、複数枚のレンズから成ってもよい。
【００５８】
励起光学系２０は、励起光１を蛍光体３０に照射する。蛍光体３０の蛍光部３２は、照射された励起光１によって励起され、蛍光をコリメータレンズ１０に照射する。
【００５９】
コリメータレンズ１０の内周面に、反射部１２が形成されている。さらには、コリメータレンズ１０に入射された光のうち、高角度成分の光が衝突する位置に、反射部１２が形成されている。
【００６０】
反射部１２は、集光部１３から照射された光を集光部１３に向かって反射する。集光部１３に集められた光は、再び開口部１１又は反射部１２に向かって照射される。低角度成分の光が開口部１１に向かって照射され、高角度成分の光が反射部１２に向かって照射される。
【００６１】
なお、反射部１２は、集光部１３から照射された光を、他面の反射部１２に向かって反射してもよい。例えば、コリメータレンズ１０の内周面の上面と下面に反射部１２が形成されている場合に、上面の反射部１２が、下面の反射部１２に向かって光を反射してもよい。
【００６２】
集光部１３による照射と、反射部１２による反射の繰り返しにより、高角度成分の光が次第に低角度成分の光に変換される。そして、開口部１１よりコリメータレンズ１０の外部に略平行の光２が出射される。
【００６３】
蛍光体３０は、回転してもよいし、回転しなくてもよい。
【００６４】
蛍光体３０が回転しない場合は、コリメータレンズ１０と蛍光体表面３１の間に空気層１４が形成されなくともよい。空気層１４が形成されない場合は、図９に示すように、反射部１２の形状は球面であってもよい。
【００６５】
なお、蛍光体３０が回転する場合は、コリメータレンズ１０と蛍光体表面３１の間に空気層１４が形成されうる。空気層１４が形成される場合は、上述したように、反射部１２の形状は非球面であることが望ましい。
【００６６】
コリメータレンズ１０の開口部１１側に励起光学系２０が配置されている。コリメータレンズ１０の集光部１３側に蛍光体３０が配置されている。したがって、励起光１は開口部１１側から照射される。
【００６７】
一方、図１０に示すように、励起光１は集光部１３側から照射されてもよい。この場合は、コリメータレンズ１０の集光部１３側に励起光学系２０及び蛍光体３０が配置されうる。
【００６８】
ところで、光の利用効率は、光源装置による光の再利用率と相関関係にある。再利用率とは、蛍光体３０が光を吸収せずに散乱する割合をいう。再利用率が高いほど、蛍光体３０が光を吸収しにくいため、光の利用効率が高くなる。再利用率が低い蛍光体３０は、反射部１２による反射を繰り返すたびに蛍光を吸収する。そのため、やがて蛍光が消滅してしまう。
【００６９】
さらに、開口部１１と反射部１２の面積比率は、光の再利用率や開口数と相関関係にある。再利用率が高い場合は、反射部１２の面積比率を大きくする必要がある。再利用率が低い場合は、反射部１２の面積比率を小さくする必要がある。よって、光の再利用率を考慮して、開口部１１と反射部１２の面積比率を設計する必要がある。
【００７０】
なお、コリメータレンズ１０が複数枚のレンズから成る場合、反射部１２は光源に最も近いレンズが有していることが望ましい。光源と反射部１２の間の空気層が削減されることにより、光の再利用率が高まるためである。
【００７１】
５．本技術に係る第５の実施形態（画像表示装置）
【００７２】
本技術に係る光画像表示装置１００の構成図を図１１に示す。図１１に示すように、画像表示装置１００は、少なくとも光源装置１１０を備えることができる。光源装置１１０として、上述した第４の実施形態に係る光源装置を利用できる。
【００７３】
画像表示装置１００は、さらに、照明光学系１２０と、空間光変調器１３０と、投射レンズ１４０と、を備えることができる。
【００７４】
光源装置１１０は、光を照明光学系１２０に照射する。照明光学系１２０は、明るさのむらがない光に整えて、空間光変調器１３０に照射する。空間光変調器１３０は、映像信号に対応して光を透過する。投射レンズ１４０は、スクリーン２００等に像を投影する。
【００７５】
照明光学系１２０は、複数のレンズ（１２１、１２２、１２３、１２５）や偏光変換素子１２４等を備えることができる。
【００７６】
一般的に、照明光学系１２０が光を平行に変換するが、本技術では光源装置１１０が平行な光を照射する。そのため、照明光学系１２０の負担が軽減されうる。技術の応用範囲が広がり、画像表示装置１００の小型化にも貢献できる。
【００７７】
なお、本技術に係る光源装置１１０は、画像表示装置１００のほかに、例えば分析装置にも利用できる。例えばフローサイトメーター、ＤＮＡチップ、プロテインチップ等に本技術が利用されてもよい。本技術は蛍光を高効率で利用できるため、分析装置の感度が高まるという効果を生ずる。
【００７８】
なお、本明細書中に記載した効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。
【００７９】
なお、本技術は、以下のような構成をとることもできる。
［１］開口部と、
反射部と、
集光部と、を有しており、
内周面に形成されている前記反射部が、前記集光部から照射された光を前記集光部に反射し、
前記集光部に集められた前記光が、前記開口部又は前記反射部に向かって照射される、
コリメータレンズ。
［２］開口数が、０．６以上０．９９以下である、［１］に記載のコリメータレンズ。
［３］前記反射部の形状が、非球面又は球面である、［１］又は［２］に記載のコリメータレンズ。
［４］前記反射部の素材が、金属膜である、［１］〜［３］のいずれか一つに記載のコリメータレンズ。
［５］複数枚のレンズから成り、少なくとも１枚のレンズが、前記反射部を有している、［１］〜［４］のいずれか一つに記載のコリメータレンズ。
［６］前記反射部が、所定の波長域の光を透過し、所定の波長域の前記光を反射する、［１］〜［５］のいずれか一つに記載のコリメータレンズ。
［７］ 前記反射部が、ダイクロイックミラーである、［１］〜［６］のいずれか一つに記載のコリメータレンズ。
［８］［１］〜［７］のいずれか一つに記載のコリメータレンズと、
励起光学系と、
蛍光体と、を備えている、
光源装置。
［９］前記蛍光体が、回転又は非回転する、［８］に記載の光源装置。
［１０］前記コリメータレンズの前記開口部側に前記励起光学系が配置されており、前記コリメータレンズの前記集光部側に前記蛍光体が配置されている、［８］又は［９］に記載の光源装置。
［１１］前記コリメータレンズの前記集光部側に前記励起光学系及び前記蛍光体が配置されている、［８］〜［１０］のいずれか一つに記載の光源装置。
［１２］ ［８］〜［１１］のいずれか一つに記載の光源装置を備えている、画像表示装置。
【符号の説明】
【００８０】
１      励起光
２      開口部からの出射光
３      反射部からの出射光
１０    コリメータレンズ
１１    開口部
１２    反射部
１３    集光部
１４    空気層
１０ａ  第１レンズ
１０ｂ  第２レンズ
１０ｃ  第３レンズ
２０    励起光学系
３０    蛍光体
１００  画像表示装置
１１０  光源装置
１２０  照明光学系
１３０  空間光変調器
１４０  投射レンズ
２００  スクリーン
【図１】
2020149047.tif 000003
【図２】
2020149047.tif 000004
【図３】
2020149047.tif 000005
【図４】
2020149047.tif 000006
【図５】
2020149047.tif 000007
【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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【国際調査報告】
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