(57)【要約】  本発明は、パーソナルディスプレイシステムのためのディスプレイ要素、パーソナルディスプレイ、方法、及び使用に関する。ディスプレイ要素は、内部全反射により光をガイドすることができるライトガイド（２１）と、回折入力結合格子（２２）と、回折出力結合格子（２５）を備える。入力結合格子は、出力結合格子への光の伝搬を可能にするべくそれに誘導された光をライトガイドへ結合するように適合される。本発明によれば、入力結合格子は、光を少なくとも２つの回折波面としてライトガイドへ結合するように適合され、ディスプレイ要素はさらに、前記波面をそれぞれ異なる経路に沿って出力結合格子へガイドするように適合された少なくとも２つの異なる射出瞳拡大素子格子（２３、２４）を備える。本発明は、回折ディスプレイ要素のサイズの減少を可能にする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パーソナルディスプレイのためのディスプレイ要素であって、
内部全反射により光をガイドすることができるライトガイドと、
回折入力結合格子と、
回折出力結合格子と、
を備え、前記入力結合格子は、前記出力結合格子への光の伝搬を可能にするべくそれに誘導された光を前記ライトガイドへ結合するように適合され、前記入力結合格子は、光を少なくとも２つの回折波面として前記ライトガイドへ結合するように適合され、前記ディスプレイ要素はさらに、前記波面をそれぞれ異なる経路に沿って前記出力結合格子へガイドするように適合された少なくとも２つの異なる射出瞳拡大素子格子を備え、前記入力結合格子は、光を第１の正の及び第１の負の透過次数へ又は第１の正の及び第１の負の反射次数へそれぞれ回折させることにより、前記少なくとも２つの回折波面を前記ライトガイドへ結合するように適合される、
ディスプレイ要素。
【請求項２】
前記ディスプレイ要素が、前記入力結合格子の本質的に横方向に対向する側部に存在する２つの異なる射出瞳拡大素子格子を備える、請求項１に記載のディスプレイ要素。
【請求項３】
前記出力結合格子が、前記射出瞳拡大素子格子に関して対称に存在する、請求項１又は請求項２に記載のディスプレイ要素。
【請求項４】
前記射出瞳拡大素子格子が、扇形ゾーンとして前記入力結合格子に関して対称に配置される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のディスプレイ要素。
【請求項５】
前記入力結合格子が二重周期格子を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のディスプレイ要素。
【請求項６】
前記入力結合格子が、光を主に第１の直交する方向に第１の正の及び負の次数に及び他の直交する方向に第１の正の又は負の次数に入力結合するように、直交する横方向の両方に周期的である、請求項５に記載のディスプレイ要素。
【請求項７】
前記入力結合格子が単周期格子を含む、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のディスプレイ要素。
【請求項８】
前記入力結合格子の格子ベクトルが、方向単位ベクトル
【数１】
2020521994.tif 000004
並びに、第１の射出瞳拡大素子格子への負のθｘ及び第２の射出瞳拡大素子格子への正のθｘを有する波を誘導するように適合される、請求項１〜７のいずれか一項に記載のディスプレイ要素。
【請求項９】
前記入力結合格子、射出瞳拡大素子格子、及び出力結合格子の１つ又は複数の格子ベクトルは、前記波面が前記ライトガイドから前記出力結合格子により出力結合されるときに、前記波面が前記入力結合格子上に入射するときと同じ直交する波面ベクトル成分を有するように選択される、請求項１〜８のいずれか一項に記載のディスプレイ要素。
【請求項１０】
前記入力結合格子が、互いに対して横方向に配置され、前記結合を行うために異なる格子線配向及び／又はプロファイルを有する、少なくとも２つの部分を備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載のディスプレイ要素。
【請求項１１】
前記波面が、それぞれ、前記出力結合格子上で伝搬することができる最大視野を広げるために前記入力結合格子へ誘導された全画像のうちの部分画像を搬送するように適合される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のディスプレイ要素。
【請求項１２】
前記射出瞳拡大素子格子及び／又は前記出力結合格子が、前記ライトガイドの一方の側部に配置される第１の格子区域と、前記ライトガイドの反対の側部に配置される第２の格子区域を備え、前記第１の区域と前記第２の区域が互いに位置合わせされる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のディスプレイ要素。
【請求項１３】
前記入力結合格子が、前記ライトガイドの一方の側部にのみ配置される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のディスプレイ要素。
【請求項１４】
前記ディスプレイ要素が、拡張現実アイウェア要素である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のディスプレイ要素。
【請求項１５】
目に近接したディスプレイ装置などのパーソナルディスプレイ装置であって、
画像を投影するための画像ソースと、
前記入力結合格子に投影された画像を前記出力結合格子上に表示するための前記請求項のいずれかに記載の少なくとも１つの回折ディスプレイ要素と、
を備えるパーソナルディスプレイ装置。
【請求項１６】
パーソナルディスプレイ上に画像を生成するための方法であって、
内部全反射により横方向に光をガイドすることができるライトガイド上に配置された入力結合格子へ光を誘導することと、
前記入力結合された光を、前記ディスプレイの射出瞳を拡大するように構成された少なくとも１つの射出瞳拡大素子格子へガイドすることと、
前記光を、前記少なくとも１つの射出瞳拡大素子格子から、見ることができる画像を生成するための出力結合格子へガイドすることと、
を含み、
前記入力結合格子上で、光を２つの回折波面として前記ライトガイドへ結合することと、
前記２つの回折波面を、前記ディスプレイの射出瞳を拡大するための２つの異なる射出瞳拡大素子格子へガイドすることと、
前記光を、前記２つの射出瞳拡大素子格子から前記出力結合格子へガイドすることと、
をさらに含み、
前記２つの回折波面は、前記入力結合格子の第１の正の及び第１の負の透過次数に又は代替的に第１の正の及び第１の負の反射次数に対応する、
方法。
【請求項１７】
請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載のディスプレイ要素が用いられる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
入射光の第１の正の及び第１の負の透過回折次数又は代替的に第１の正の及び第１の負の反射回折次数に基づく分割と、回折ディスプレイ要素上に画像を生成するための分割された光の再結合の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折ディスプレイ技術に関する。特に、本発明は、入力結合格子、射出瞳拡大素子格子、及び出力結合格子を備えるライトガイドに基づく回折ディスプレイに関する。加えて、本発明は、回折ディスプレイ上に画像を表示する方法、及び新規な使用に関する。具体的には、本発明は、回折格子を用いる目に近接したディスプレイ（ＮＥＤ）などのパーソナルディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディスプレイの入力結合格子と出力結合格子との間にさらなる格子、いわゆる射出瞳拡大素子（ＥＰＥ）格子を用いて、ライトガイドに基づく回折ディスプレイの射出瞳を拡大することができる。通常、例えば、ＵＳ６５８０５２９Ｂ１で説明されているように、回折ＮＥＤの入力結合格子は、射出瞳拡大素子を介して出力結合格子へガイドされる単一の反射回折次数又は透過回折次数を使用する。高い入力結合効率を得るためには、すべての光を採用される回折次数にするのに、傾斜した又は張出した構造などの複雑な格子構造を用いる必要がある。このような高度な格子構造並びにＮＥＤディスプレイ要素の幾何学的形状のうちのいくつかが、ＵＳ２０１６／０２３１５６８Ａ１で開示されている。
【０００３】
２Ｄの射出瞳拡大素子を有する単一のライトガイドの最大視野（ＦＯＶ）は、ライトガイドの屈折率と、入力結合された光の波長域に依存する。波長域が４６０〜６３０ｎｍであり、且つ、ライトガイド屈折率が２．０のとき、最大ＦＯＶは、およそ３３〜３５度である。現在、ガラス材料の屈折率がより高いとライトガイドに使用するには青色光を吸収しすぎるので、屈折率は２．０に制限される。ＦＯＶを広げるための通常の手法は、ライトガイドの入力結合格子が横方向に揃うように複数のライトガイドを積み重ねることである。１つの手法は、各原色（赤、緑、青）のために単一のライトを用いることである。この手法では、ＲＧＢ画像は３つのライトガイドを必要とする。
【０００４】
積み重ねる手法でさえも、上記に言及したような従来技術の方策は、入力結合に単一回折次数のみを使用し、物理的に大きいＥＰＥ格子につながる。これは、大ＦＯＶ（＞４０度）のウェアラブルＮＥＤ装置でのそれらの使用の妨げとなる。この問題を例証するために、ＵＳ２０１６／０２３１５６８Ａ１で開示されたディスプレイ設計は、１５ｍｍ×１０ｍｍ（高さ×幅）のアイボックス及び２０ｍｍの射出瞳距離を有する、単色（５０〜１００ｎｍ）波長域及び５０度のＦＯＶのＮＥＤディスプレイに適用され、図１に示した構造が得られる。この構造は、ライトガイド１１、ライトガイド１１上の入力結合格子１２、射出瞳拡大素子格子１３、及び出力結合格子１４を備える。大きいＦＯＶに起因して、ＥＰＥ格子１３は、出力結合格子１４よりも垂直方向及び水平方向により大きい。ライトガイドの全寸は７７ｍｍ×５２ｍｍ（高さ×幅）であり、これは小型のアイウェアのようなＮＥＤには大きすぎる。
【０００５】
したがって、大きいＦＯＶを有するより小さいＮＥＤの生産を可能にする改良された方策が必要とされている。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の目的は、従来技術の問題のうちの少なくともいくつかを克服することと、パーソナルディスプレイのための新規なディスプレイ要素を提供することである。具体的な目的は、従来技術の方策よりも小さい面積を必要とするディスプレイ要素を提供することである。特定の目的は、より小さいライトガイドを用いて同じアイボックスサイズ及びＦＯＶを達成することである。
【０００７】
さらなる目的はまた、従来の方策よりも大きいＦＯＶの達成を可能にするディスプレイ要素を提供することである。
【０００８】
さらなる目的は、このようなディスプレイ要素を採用するパーソナルディスプレイ装置、パーソナルディスプレイ上に画像を表示する改良された方法、及び新規な使用を提供することである。
【０００９】
本発明は、入射光の１つよりも多い回折次数を用い、回折次数を異なる射出瞳拡大素子格子を介して異なる経路に沿ってウェーブガイドへ及びその中へ結合及びガイドするという考えに基づいている。これは、視野を損なうことなく小さいサイズのディスプレイ要素を製造すること又はさらには要素の最大視野を広げることを可能にする。
【００１０】
一態様によれば、本発明のパーソナルディスプレイシステムのためのディスプレイ要素は、内部全反射により光をガイドすることができるライトガイドと、回折入力結合格子と、回折出力結合格子を備える。入力結合格子は、ライトガイド上で、入力結合格子へ誘導された光をライトガイドへ結合することができるように適合され、この場合、光は、見ることができる画像を生成するための出力結合格子へ伝搬する。本発明によれば、入力結合格子は、入ってくる光を、少なくとも２つ、特に２つの、回折波面に分割するように適合される。ディスプレイ要素はさらに、前記波面をそれぞれ異なる経路に沿って出力結合格子へガイドするべく互いに対して横方向にずらしてライトガイド上に位置決めされる少なくとも２つ、特に２つの、異なる射出瞳拡大素子格子を備える。最終的な見ることができる画像は、異なる射出瞳拡大素子を介して伝搬する２つの波面の和として単一の出力結合格子上に形成される。
【００１１】
目に近接したディスプレイ装置などの本発明のパーソナルディスプレイ装置は、画像を投影するための画像ソースと、その前記入力結合格子に投影された画像を前記出力結合格子上に表示するための前記請求項のいずれかに記載の少なくとも１つの回折ディスプレイ要素とを備える。ユーザの各目につき１つの、２つのこのようなディスプレイ要素が提供され得る。装置は、例えば、アイウェアに一体化されたディスプレイなどの拡張現実ディスプレイとすることができる。
【００１２】
本発明のパーソナルディスプレイ上に画像を生成するための方法は、内部全反射により横方向に光をガイドすることができるライトガイド上に配置された入力結合格子へ光を誘導することを含み、この場合、光は、異なる方向に伝搬する２つの異なる回折波面としてライトガイドへ結合される。回折波面は、ディスプレイの射出瞳を拡大するための２つの異なる射出瞳拡大素子格子へガイドされる。最後に、光は、射出瞳拡大素子格子から、最終的な見ることができる画像を生成するための単一の出力結合格子へガイドされる。通常、光は、本質的にライトガイドの平面の法線方向に入力結合格子へ誘導される。
【００１３】
本発明の使用は、入射光の回折次数に基づく分割と、回折ディスプレイ要素上に画像を生成するための分割された光の再結合の使用を含む。
【００１４】
より詳細には、本発明は、独立請求項に記載の事項によって特徴付けられる。
【００１５】
本発明は顕著な利点を与える。第１に、本発明は、回折ディスプレイ要素の横サイズを減少させることを可能にする。これは、２つの射出瞳拡大素子を、比較できるＦＯＶを提供することになる単一のより大きい射出瞳拡大素子よりも、ライトガイド上により効率よく配置することができるためである。本発明の実施形態を用いると、最大視野は、実際には、従来の格子及び格子レイアウトと比較してさらに広がることができる。より詳細には、本発明は、最新技術の手法よりも、ライトガイドにおいてさらに１５％大きい視野（ＦＯＶ）がガイドされることを可能にする。
【００１６】
特に、提示した入力結合及び射出瞳拡大素子構造によれば、入力結合された光の第１のプラスとマイナスとの両方の次数を用いることができ、これは効率を犠牲にせずに比較的より容易に製造することができるバイナリ格子の使用を可能にする。出力結合格子上で、異なる回折次数の波面が再結合される。最新技術の手法と比較して、本発明は、より小さい総ライトガイド面積を必要とし、最終的にはＮＥＤ装置のより良好なフォームファクタを可能にする。
【００１７】
従属請求項は、本発明の選択された実施形態に向けられる。
【００１８】
いくつかの実施形態では、要素は、入力結合格子の本質的に横方向に対向する側部に存在する２つの射出瞳拡大素子格子を備える。一実施形態では、この格子は、扇形ゾーンとして入力結合格子に関して対称に、好ましくはその近傍に存在し、したがって、ボウタイのような幾何学的形状を生じる。
【００１９】
いくつかの実施形態では、出力結合格子は、射出瞳拡大素子格子に関して対称に存在する。射出瞳拡大素子格子の格子線は、最終画像が形成される出力結合格子へ光をガイドするように配置される。
【００２０】
いくつかの実施形態では、ライトガイドはテーパ形状を有し、入力結合格子と射出瞳拡大素子格子は、その広い方の端上に存在し、出力結合格子は、その狭い方の端上に存在する。このように、ライトガイドのスペースが最適に使用される。
【００２１】
いくつかの実施形態では、入力結合格子は、光を正の及び対応する負の回折次数へそれぞれ回折させることにより２つの波面を基板へ結合するように適合される。これらの回折次数は、ライトガイド及び画像ソースに対する入力結合格子の位置に応じて、第１の正の及び負の透過次数又は第１の正の及び負の反射次数を含み得る。
【００２２】
いくつかの実施形態では、入力結合格子は、二重周期格子を含む。典型的な実施形態では、格子は、２つの直交する方向に周期的であり、直交する方向のうちの１つは、入力結合格子及び／又は出力結合格子の対称軸でもあり得る２つのＥＰＥ格子の対称軸と位置合わせされる。
【００２３】
いくつかの実施形態では、入力結合格子は、光を主に第１の直交する方向に第１の正の及び負の次数に、並びに、他の直交する方向に第１の正の又は負の次数に入力結合するように、直交する横方向の両方に周期的である。
【００２４】
いくつかの代替的な実施形態では、入力結合格子は、単周期格子からなる、又は単周期格子を有する異なる入力結合ゾーンを備える。いくつかの実施形態では、入力結合格子は、互いに対して横方向に配置され、異なる経路上でライトガイドへ同時に２つの波面の結合を行うために異なる格子線配向及び／又はプロファイルを有する、少なくとも２つの部分を備える。
【００２５】
いくつかの実施形態では、入力結合格子、射出瞳拡大素子格子、及び出力結合格子の１つ又は複数の格子ベクトルは、波面がライトガイドから出力結合格子により出力結合されるときに、波面が入力結合格子上に入射するときと同じ直交する波面ベクトル成分を有するように選択される。
【００２６】
いくつかの実施形態では、波面は、それぞれ、出力結合格子上で伝搬することができる最大視野を広げるために入力結合格子へ誘導された全画像のうちの部分画像を搬送するように適合される。このように、ディスプレイ装置の最大ＦＯＶを顕著に広げることができる。いくつかの実施形態では、ディスプレイ要素の視野は、少なくとも１つの方向に、特に、入射光の回折次数分割が実施される方向に少なくとも４０度である。
【００２７】
いくつかの実施形態では、格子のそれぞれは、ライトガイドの一方の側部にのみ又はライトガイド内に配置される。しかしながら、いくつかの実施形態では、格子のうちの少なくとも１つは、互いに位置合わせされてライトガイドの対向する側部に配置される２つの格子で形成される。このように、要素の輝度均一性を向上させることができる。しかしながら、典型的な実施形態では、入力結合格子は、ライトガイドの一方の側部にのみ配置される。
【００２８】
いくつかの実施形態では、ディスプレイ要素の上記の格子のうちの少なくとも１つ、好ましくは格子のすべては、バイナリ格子である。
【００２９】
次に、本発明の実施形態及びその利点を、添付の図面を参照しながらより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】大きいＦＯＶを達成するべく適用される従来の格子配置を備えるライトガイドに基づく回折ディスプレイを示す図である。
【図２】大きいＦＯＶを達成するべく適用される本発明の一実施形態に係る格子配置を備えるライトガイドに基づく回折ディスプレイを示す図である。
【図３】図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の別の実施形態に係る格子配置を示す図である。
【図４】図４Ａ及び図４Ｂは、本発明のさらに別の実施形態に係る格子配置を示す図である。
【図５】図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の援用によるＦＯＶの向上を波面ベクトルグラフとして例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下では、入力結合格子の周りに対称に配置される２つの格子ゾーンとしてボウタイ形のＥＰＥを採用するライトガイドに基づく回折型の目に近接したディスプレイ（ＮＥＤ）要素の種々の実装が説明される。
【００３２】
図２は、一実施形態に係るディスプレイ要素を示す。ライトガイド２１は、二重周期入力結合格子２２、２つのＥＰＥ格子２３、２４、及び出力結合格子２５を含む。図１及び図２での出力結合格子１４、２５は、比較を容易にするためにまったく同じ物理サイズを有する。この実施形態は、図１での方策よりも、出力結合格子のサイズに対してはるかにより小さい総ＥＰＥ格子面積を呈する。これは、ＮＥＤ装置のよりコンパクトな設計を可能にする。図２の配置で必要とされる総ライトガイド面積は、はるかにより小さいことが分かる。
【００３３】
ライトガイドの総フットプリントは、例えば７５ｍｍ×５０ｍｍ以下、５０〜７０ｍｍ×２５〜４５ｍｍなどとすることができる。図１に関して上記で言及したのと同じ設計パラメータ（１５ｍｍ×１０ｍｍ（高さ×幅）のアイボックス及び２０ｍｍの射出瞳距離を有する５０度のＦＯＶのＮＥＤディスプレイ）によれば、６２ｍｍ×３６ｍｍ（高さ×幅）のライトガイドで十分である。
【００３４】
格子は、ライトガイドの第１の主表面上又は第２の主表面上に存在することができる。光がプロジェクタから出てくるときに最初に入射するライトガイド表面上に格子があるとき、入力結合格子１２は透過格子である。格子が他の主表面上にあるとき、入力結合格子１２は反射格子である。
【００３５】
図２の実施形態では、入力結合格子２２は、ｘ方向とｙ方向との両方に周期的であり、そのナノ構造は、光を主にｘ方向に＋／−１次数に及びｙ方向に−１次数に入力結合するように設計される。格子ベクトルは、理想的には、光線を出力結合格子２５から出力結合するときに該光線が入力結合格子２２上に入射するときと同じｘ方向及びｙ方向ベクトル成分を有するように設計される。
【００３６】
図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の別の実施形態を示す。図３Ａに例示したライトガイドの第１の主表面３１Ａは、ｘ方向に周期的な入力結合格子３２を含む。この入力結合格子は、光をプラスとマイナスの第１の透過回折次数（Ｔ−１、Ｔ＋１）に結合する（光が本明細書で想定される場合の格子の側部から来るとき）。ライトガイドの第２の主表面３１Ｂは、ＥＰＥ格子３４、３５及び出力結合格子３６を含む。
【００３７】
入力結合格子上に入射する光線は、方向ベクトル
【数１】
2020521994.tif 000003
を有する。負のθｘを有する光線は、入力結合格子から主に右のＥＰＥ格子３５を通ってアイボックス、すなわち、出力結合格子へ移動し、一方、正のθｘを有する光線は、左のＥＰＥ格子３４を通って移動する。
【００３８】
一実施形態（図示せず）では、互いに反対符号の回折次数（ｏｐｐｏｓｉｔｅ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｏｒｄｅｒｓ）への入ってくる光の分割を提供するように適合される２つの横方向に配置される区域が入力結合格子に存在する。
【００３９】
当業者に理解されるように、本明細書で言及されるすべての実施形態において、格子の互いに対する配向及びそれらの他の特性は、説明した所望の波長の回折及び回折された光線の伝搬が起こるように適切に選択される。
【００４０】
単一の入力結合回折次数のみを使用する従来技術の方策では、ＦＯＶ全体を単一のＥＰＥ格子を通して伝搬する必要があることに注目されたい。これは、単一のライトガイドによりサポートされる最大ＦＯＶを本質的に制限する。本発明によれば、単一の従来のＥＰＥを通すよりも２つのＥＰＥ格子を通してより広い全ＦＯＶを伝搬することができる。この効果は、図５Ａ（従来の単一回折次数結合）及び図５Ｂ（本発明の一実施形態に係る互いに反対符号の回折次数結合）の波面ベクトル線図に例示される。
【００４１】
同じライトガイド表面上の２つの隣接するヒットポイント間の距離が入力結合格子の直径よりも大きくなるほど高角度でライトガイド内部を伝搬する光線は、より低輝度の領域を人間の目で知覚される最終画像にし得る。この影響は、ライトガイドの両方の側部にＥＰＥ格子及び出力結合格子を有することにより低減することができる。これは、第１のライトガイド表面４１Ａがｘ方向に周期的な透過入力結合格子と、第１のＥＰＥ格子４３Ａ、４４Ｂと、ｙ方向に周期的な出力結合格子４５Ａとを含む一実施形態を示す図４Ａ及び図４Ｂに例示される。第２の表面４１Ｂは、第２のＥＰＥ格子４３Ｂ、４４Ｂと、出力結合格子４５Ｂを含む。
【００４２】
異なる格子ベクトルを有する本発明のいくつかの実施形態は、ディスプレイ要素全体の視野又は動作波長域をさらに増加させるべく積み重ねることができる。
【００４３】
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４４】
ＵＳ６５８０５２９Ｂ１
ＵＳ２０１６／０２３１５６８Ａ１
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
2020521994.tif 000011
【図５Ｂ】
2020521994.tif 000012
【国際調査報告】
2020521994.tif 000013
2020521994.tif 000014
2020521994.tif 000015
2020521994.tif 000016
2020521994.tif 000017