JP2007235079A - Light emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光ダイオード(以下、LED)の放射光を適切に偏向、制御して、集光するための発光装置に関する。 The present invention relates to a light emitting device for appropriately deflecting, controlling, and condensing light emitted from a light emitting diode (hereinafter, LED).
LEDを照明用として使用する場合、レンズまたは反射鏡を用いて、LEDの放射光を偏向、制御し、集光する必要がある。LED素子の配光(光度分布)は図2のAのようなランバーチアン型に近似でき、ビーム角(光度が最大光度の半分以上である、放射光の放射角度範囲)で表現するならば約120°であるけれども、これに対して、通常の照明用途が要求する配光は、目的照射面を効率良く照明するために、例えば図2のBのようなビーム角30°の広角配光、或いは図2のCのようなビーム角10°の狭角配光のようにずっと狭いからである。When the LED is used for illumination, it is necessary to deflect, control, and collect the emitted light of the LED using a lens or a reflecting mirror. The light distribution (luminance distribution) of the LED element can be approximated to a Lambertian type as shown in FIG. In contrast to this, although the light distribution required by a normal illumination application is 120 °, a wide-angle light distribution with a beam angle of 30 ° as shown in FIG. Alternatively, it is much narrower like a narrow-angle light distribution with a beam angle of 10 ° as shown in FIG.
LED発光装置として、従来もっとも一般的であったものは、図3のように、LED素子1の発光面前方に凸レンズ12を配置して構成する光学系であり、LEDを発した光線は球面状の凸レンズにより屈折、偏向して集光する。(例えば、特許文献1参照。)LEDの設置位置を前方にすればビーム角は広がり、後方に下げれば狭くなる。
一方、図4のように放物面鏡などの凹面鏡13を用いて集光するものもある。(例えば、特許文献2参照。)この場合、LED素子1は凹面鏡13の焦点近傍に、凹面鏡13に対向して設置される。
然るに、この凸レンズ集光系から成る、従来のLED発光装置は、低い集光効率および配光形状不適切という、二つの問題点を抱えている。
この凸レンズ集光系にあっては、図3からわかるように、LED素子1からレンズを見込む角度範囲への放射光のみが照射面に向かうので、例えば1mm□のLED素子と直径5mmφの半球凸レンズの組合せの場合、ビーム角30°の広角配光で60%、ビーム角10°の狭角配光で20%という集光効率の低さである。
また、レンズ集光系の性格上、配光の中心方向の光度が高くなり過ぎ、照射面の中央部が明る過ぎる照度分布不均一を生ずるという欠点もある。However, the conventional LED light-emitting device composed of this convex lens condensing system has two problems of low condensing efficiency and inappropriate light distribution shape.
In this convex lens condensing system, as can be seen from FIG. 3, only the radiated light from the
In addition, due to the nature of the lens condensing system, the luminous intensity in the center direction of the light distribution becomes too high, and there is a drawback that the illuminance distribution non-uniformity is too bright at the center of the irradiated surface.
これに対して、凹面鏡による従来の集光系はLED放射光の角度範囲の略全域を反射するので、集光効率は高い。しかしながら、LED素子自身が反射光を遮る構造であり、あまり大きい面積のLEDを用い難い、或いはあまり放熱面積の広い放熱板を付設し難いという欠点がある。On the other hand, since the conventional condensing system by the concave mirror reflects substantially the entire angular range of the LED radiation light, the condensing efficiency is high. However, the LED element itself has a structure in which the reflected light is blocked, and there is a drawback that it is difficult to use an LED having a very large area or to attach a heat radiating plate having a large heat radiating area.
本発明によるLED発光装置の典型例を図1に示す。
コーン(円錐筒)の連鎖から成る、前後に開口4と開口5を持つ回転面反射鏡3と、放熱板2に密接された多数のLED素子1より成る面光源を組み合わせて成る発光装置である。後部開口4の側に設置されたLED素子から前方に(図1右側)発した放射光は、反射鏡内面で反射された後、前部開口5より、或いはダイレクトに前部開口5より射出される。反射鏡3は、曲線弧または折れ線弧を光軸6(照射面中心と発光装置を結ぶ線)の周りに回転して成る回転面反射鏡である。回転させるべき線弧を、以下、回転面の稜線と呼ぶこととするが、本発明によるLED発光装置の反射鏡稜線は、下記の反射鏡基本形状の稜線に近似した、或いは近傍に存する曲線弧または折れ線弧であることを特徴とする。
曲線弧の光軸周り回転は回転曲面を、折れ線弧の回転はコーンの連鎖を与える。A typical example of an LED light emitting device according to the present invention is shown in FIG.
It is a light emitting device comprising a rotating surface reflecting mirror 3 having an opening 4 and an opening 5 in the front and rear, and a surface light source composed of a large number of
The rotation of the curved arc around the optical axis gives a rotating curved surface, and the rotation of the polygonal arc gives a chain of cones.
即ち、反射鏡3の基本形状は、図5の反射鏡のみの断面図を参照して、以下の通りである。この基本形状は、放物線の一部を稜線とし、この稜線を光軸6の周りに回転させて成るものである。
先ず、円形の後部開口4の大きさは、要求される光出力のLED発光面積に見合うように設定する。
次に、円形の前部開口5の大きさは、後部開口4よりも大きくし、後部開口4の両端AおよびBと前部開口5の反対側の端DおよびEを結ぶ直線9aおよび9bが成す角度θ(反射鏡の開き角と呼ぶ。)が、発光装置から所望照射範囲を見込む角度と略一致するように設定する。そして、前部開口の位置は、下記の方法で発生させた放物線10と、開き角を指示する直線9aが交差する位置の近傍とする。ここで、この放物線10は、所望ビーム角(所望光度分布の半値角度幅)の半分をθiとして、後部開口の一端Aに焦点を置き、この焦点を通り、光軸6を含む面内にあって、光軸6に対して角度θiほど傾いた直線7を中心軸とし、そして後部開口の焦点位置と反対側の一端Bを通過するものとする。That is, the basic shape of the reflecting mirror 3 is as follows with reference to the sectional view of only the reflecting mirror of FIG. This basic shape is formed by rotating a part of the parabola around the
First, the size of the circular rear opening 4 is set so as to meet the required LED light emitting area of light output.
Next, the size of the circular front opening 5 is larger than that of the rear opening 4, and
本発明によるLED発光装置においては、後部開口4の全域が、略一定一様の輝度分布で発光することが望ましく、少なくとも後部開口面積の30%以上のLED素子表面積総和である必要がある。ここで、LED素子表面積とは、LED素子の「発光部面積+発光部を囲んで露出している基板の表面積」と定義する。集光系の光源にあっては、LED素子の間に多少の間隙があっても、一様に光っていると見做して差支えないからである。
単一のLED素子、或いは蛍光体付きのLEDで光源を形成する場合は、その形状を後部開口の形状に合わせて、円形または六角形などの円形近似とするのが望ましい。そして複数のLED素子を設置する場合は、LED素子を後部開口全域に、格子状などに敷き詰めるのが望ましい。また、赤色、緑色、青色のLED素子を組合せて白色光源とする場合は、各色それぞれで、一定一様な輝度分布とする必要がある。
また、敷き詰めたLED素子間の隙間は、LED発光装置を照明用として使用する場合は小さい方が良く、表示用、ディスプレー用として使う場合は大きい方が良い。なお、後者の場合、LED素子間の隙間の放熱板表面は黒色に加工し、光線の反射をなるべく抑える必要がある。In the LED light emitting device according to the present invention, it is desirable that the entire area of the rear opening 4 emits light with a substantially uniform luminance distribution, and it is necessary that the total surface area of the LED elements is at least 30% or more of the rear opening area. Here, the LED element surface area is defined as “light emitting part area + surface area of the substrate exposed surrounding the light emitting part” of the LED element. This is because a light source of a condensing system can be regarded as shining uniformly even if there are some gaps between the LED elements.
In the case where the light source is formed by a single LED element or an LED with a phosphor, it is desirable to match the shape of the rear opening with a circular approximation such as a circle or a hexagon. When a plurality of LED elements are installed, it is desirable to spread the LED elements over the entire rear opening in a grid pattern or the like. Further, when a white light source is formed by combining red, green, and blue LED elements, it is necessary to obtain a constant and uniform luminance distribution for each color.
Further, the gap between the spread LED elements is preferably smaller when the LED light emitting device is used for illumination, and larger when it is used for display and display. In the latter case, it is necessary to process the surface of the heat sink in the gap between the LED elements to be black and suppress reflection of light as much as possible.
図5においてθ=2θiとしたときの反射鏡をCPC(Compound Parabolic Concentrator)という。(例えば非特許文献1参照)図6は、このCPC11における、光線入射孔である後部開口4の中央Cおよび端部Aから各方向に発した光線の追跡結果である。この図より、殆どの光線が反射鏡の開き角(直線8a、8bの成す角)の内側に放射されていることがわかる。後部開口面4のいろいろの位置から発する光線、或いは光軸を含む面と交差するいろいろの光線(いわゆるスキューレイ)についても光線追跡を行った結果、殆どの光線が開き角θを見込む円錐内の方向に放射されることがわかった。
図7は、後部開口全面に一定一様の輝度分布の面光源を配した、図6に示したCPCによる、光度分布および遠隔域の(発光装置から十分に離れた位置での)照度分布である。この図からも、大部分の出射光束が、反射鏡の開き角、即ち所望照射角の内側に放射されていることがわかる。
反射鏡を用いた集光系の場合、反射面における光吸収による集光効率の減少が避けられないが、図7の集光系では、反射面の反射率が90%でも、集光効率85%という、凸レンズ集光系の従来例よりは大幅に高い集光効率を示している。
FIG. 7 shows the luminous intensity distribution and the illuminance distribution in a remote area (at a position sufficiently away from the light emitting device) by the CPC shown in FIG. 6 in which a surface light source having a uniform luminance distribution is arranged on the entire rear opening. is there. Also from this figure, it can be seen that most of the emitted light beam is radiated inside the opening angle of the reflecting mirror, that is, the desired irradiation angle.
In the case of a condensing system using a reflecting mirror, a reduction in condensing efficiency due to light absorption on the reflecting surface is unavoidable, but in the condensing system of FIG. 7, even if the reflectance of the reflecting surface is 90%, the condensing efficiency is 85. %, The light collection efficiency is significantly higher than the conventional example of the convex lens condensing system.
CPCが示す図7のように、照射面境界が際立っている照度分布は、照明用途分野では一般に歓迎されない。多くの場合、図8のような、照射面境界の照度が外側に向ってフェードアウトする照度分布、即ちビーム角が照射面見込み角より狭い配光が要望される。
この図8は、後部開口全面に一定一様の輝度分布の面光源を配した、図1に示したコーン連鎖反射鏡による、光度分布および照度分布である。大部分の出射光束が、反射鏡の開き角、即ち所望照射角の内側に放射されており、また、光度分布の半値角度幅が、設定したビーム角に略等しくなっている。集光効率(光源放射光束に対する照射範囲入射光束の割合)は、反射鏡反射率が90%のとき、87%であった。
凸レンズによる従来の集光系では、山型の照度分布とならざるを得ず、図8のような、ビーム角範囲内の、比較的一様な照度分布を実現できない。As shown in FIG. 7 indicated by CPC, the illuminance distribution where the irradiation surface boundary stands out is not generally welcomed in the lighting application field. In many cases, as shown in FIG. 8, an illuminance distribution in which the illuminance at the boundary of the irradiation surface fades out toward the outside, that is, a light distribution whose beam angle is narrower than the expected angle of the irradiation surface is desired.
FIG. 8 shows the luminous intensity distribution and the illuminance distribution by the cone chain reflecting mirror shown in FIG. 1 in which a surface light source having a constant and uniform luminance distribution is arranged on the entire rear opening. Most of the emitted light beam is emitted inside the opening angle of the reflecting mirror, that is, the desired irradiation angle, and the half-value angle width of the luminous intensity distribution is substantially equal to the set beam angle. The light collection efficiency (the ratio of the incident range incident light beam to the light source emitted light beam) was 87% when the reflector reflectance was 90%.
In a conventional condensing system using a convex lens, the illuminance distribution has a mountain shape, and a relatively uniform illuminance distribution within the beam angle range as shown in FIG. 8 cannot be realized.
本発明の構成による場合、上記のように、反射鏡の後部開口に配した面光源が開口全域で略一定一様の輝度分布で光っていることが原則である。しかし、面光源の一様発光面積(LED素子を並べた場合、LED素子の占有面積、即ちLED素子表面積の総和)が、反射鏡の後部開口面積の30%以上であれば、一応、滑らかな光度分布ないし照度分布を得ることができる。
例えば、図9は、図8と同じ光学系において、一様輝度発光部面積の反射鏡後部開口面積に占める占有率を25%としたときの照度分布であるが、図9左側の後部開口中央の円形部のみ発光、図9右側の後部開口周縁の円環部のみ発光、の両ケースとも約20%の照度ムラを示している。この20%の照度ムラは、実用上、許容される限界と判断されることから、本発明を構成する光源としては、反射鏡後部開口面積の30%以上の表面積の、単一のLED素子、または敷き詰められた複数のLED素子から成る面光源を採用する。In the case of the configuration of the present invention, as described above, in principle, the surface light source arranged in the rear opening of the reflecting mirror shines with a substantially uniform luminance distribution over the entire opening. However, if the uniform light emitting area of the surface light source (when LED elements are arranged, the total occupied area of the LED elements, that is, the total surface area of the LED elements) is 30% or more of the rear opening area of the reflector, it is smooth. A luminous intensity distribution or illuminance distribution can be obtained.
For example, FIG. 9 shows the illuminance distribution when the occupancy ratio of the uniform luminance light emitting area in the rear opening area of the reflector is 25% in the same optical system as in FIG. Illumination unevenness of about 20% is shown in both cases, in which only the circular part of the case emits light and only the ring part around the periphery of the rear opening on the right side of FIG. This 20% illuminance unevenness is judged to be a practically allowable limit. Therefore, as a light source constituting the present invention, a single LED element having a surface area of 30% or more of the rear opening area of the reflector, Alternatively, a surface light source composed of a plurality of LED elements laid down is adopted.
一般のハロゲンランプや蛍光灯などの非面光源を、反射板と拡散透過板で挟んで、一様輝度分布の面光源とすることができるが、しかしこのような構成では、ランプ放射光の50%近くが中にこもって、拡散透過板を出射する光線が少なく、光学系全体として非常に低い集光効率の発光装置となる。本発明を構成する光源として、高効率の裸のLED素子または蛍光体付きLEDを推奨する所以である。A non-surface light source such as a general halogen lamp or a fluorescent lamp can be sandwiched between a reflection plate and a diffuse transmission plate to form a surface light source having a uniform luminance distribution. As a whole, the optical system as a whole has a very low light collection efficiency. This is why a highly efficient bare LED element or LED with phosphor is recommended as the light source constituting the present invention.
LEDの照明用途分野への適用においては、光束が大きく、且つ寸法の小さい光源とするのが望ましく、そのためには、LED発光効率が極大となるLED動作温度を保ちつつ、できるだけ大きい単位発光面積当り入力電力とする必要がある。照明用のLED素子の場合、LED素子が発光面の後背面で密着、付設される放熱板を、できるだけ大きい表面積にして、大きい電力を注入する。
本発明の構成では、先述の凸レンズの従来例と同じで、反射鏡の従来例に比べ、LED後背部に放熱板取り付けの余裕があるが、更には反射鏡を金属製とし、図1に示したように、LED後背部の平面放熱板にこの反射鏡を密着接合することによって、大面積の放熱板が得られる。このようにして、従来例よりもずっと大きい電力、大きい光束の光源を作れる。In application to the field of LED lighting, it is desirable to use a light source having a large luminous flux and a small size. For this purpose, the LED light emitting efficiency is maximized per unit light emitting area while maintaining the LED operating temperature at which the LED luminous efficiency is maximized. It is necessary to use input power. In the case of an LED element for illumination, the LED element is in close contact with the rear surface of the light emitting surface, and a heat sink attached is provided with a surface area as large as possible to inject a large amount of power.
In the configuration of the present invention, it is the same as the conventional example of the convex lens described above. Compared to the conventional example of the reflector, there is a margin for mounting the heat sink on the back of the LED, but the reflector is made of metal and is shown in FIG. As described above, a large-area heat radiating plate can be obtained by closely bonding the reflecting mirror to the flat heat radiating plate behind the LED. In this way, a light source with much higher power and larger luminous flux than the conventional example can be made.
本発明の構成に成る発光装置は、照明用途以外に、信号灯や、屋外用大型ディスプレーなどに適用される表示素子としても有用である。前側射出面全域で一様な輝度分布だからである。また、本装置を表示素子に使用する場合、ビーム角が視野角ということになるが、請求項1に従う反射鏡にすれば、視野角内のどの角度から見ても略一定の輝度となるという、優位性もある。このことは、図8において、ビーム角の範囲内で光度が略一定であることから推定できる。
しかし欠点もある。LED素子自体の反射率が結構高いために、外光を反射し易いということである。このため、この表示素子のコントラストは低下する。
反射鏡の後部開口に配置された、後部開口と同じ形状の放熱板の上に並べた、複数のLED素子から成る面光源において、充填率(LED素子の発光面積の総和/後部開口の面積)が30%から70%の間となるよう、隙間を持って均等にLED素子を並べ、このLED素子間の隙間の放熱板表面を黒色に加工すれば、この面光源の反射率は減少し、コントラストの低下を防止できる。The light-emitting device having the configuration of the present invention is useful as a display element applied to a signal lamp, a large outdoor display, and the like in addition to the illumination application. This is because the luminance distribution is uniform over the entire front exit surface. In addition, when this apparatus is used as a display element, the beam angle is the viewing angle. However, if the reflecting mirror according to
But there are drawbacks. Since the reflectance of the LED element itself is quite high, it is easy to reflect external light. For this reason, the contrast of the display element is lowered.
In a surface light source composed of a plurality of LED elements arranged on a heat sink having the same shape as that of the rear opening, arranged at the rear opening of the reflector, the filling factor (the sum of the light emitting areas of the LED elements / the area of the rear opening) If the LED elements are arranged evenly with a gap so as to be between 30% and 70%, and the heat sink surface in the gap between the LED elements is processed into black, the reflectance of the surface light source decreases, A reduction in contrast can be prevented.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1のLED光源1は、図10に拡大して示すように、円形放熱板2の全面に、赤色発光(r)、緑色発光(g)、青色発光(b)それぞれのLED素子1を多数、配置して成る白色光源である。各色の多数のLED素子が円形放熱板1の全面に均等に分散配置されているので、各色それぞれについて、一定一様の輝度分布が得られる。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The LED
この反射鏡の反射面形状の設計方法、設計ステップは、図5及び図1を参照して次の如くである。
1.円形面光源の直径と同一の後部開口直径d1を設定する。
2.所望ビーム角を2θiとして、後部開口の一端Aを通り、光軸6から角度θiほど傾いた直線7を中心軸とし、このA点に焦点を置く、後部開口のA点に対向する一端Bを通る放物線10を描く。なお、この放物線10の焦点距離fは、次式で計算できる。
f=d1・(1+ sinθi)
3.この放物線10を光軸6の周りに回転して成る回転面を反射鏡の基本形状と設定する。
4.所望照射範囲を見込む頂角をθとして、上記A点を通り、光軸に対してθ/2ほど傾いた直線9aが、上記放物線10と交差する点Dの光軸方向位置に前部開口を設定し、点Dの光軸からの垂直距離の2倍を、前部開口の直径d2とする。
5.以上のステップで生成した、図5の反射鏡11について、後部開口4に、一定一様輝度の、直径d1の円形面光源を配したときの光度分布を計算し、これが所望の光度分布と一致すれば、ここで設計を終了する。
6.ステップ5で所望の光度分布が得られない場合、図5の反射鏡11を光軸方向に適当に分割し(稜線の勾配に反比例する間隔で、10分割程度)、図1のような、前記反射鏡11に近似した、コーンの連鎖から成る反射鏡を生成する。このコーンの連鎖の稜線は折れ線を成しており、この折れ線の屈曲点は、図5の反射鏡11の稜線上にある。
7.ステップ6で得られた、コーンの連鎖から成る反射鏡3について光度分布を計算し、これが所望の光度分布と一致しないならば、折れ線の屈曲点を多少移動して、即ちコンの直径を微調整して、再度、光度分布を計算する。
8.ステップ7を繰返し、所望の光度分布が達成されたならば、ここで設計を終了する。The reflecting surface shape design method and design steps of the reflecting mirror are as follows with reference to FIGS.
1. A rear opening diameter d1 that is the same as the diameter of the circular surface light source is set.
2. A desired beam angle is set to 2θi, and a straight line 7 passing through one end A of the rear opening and inclined by an angle θi from the
f = d1 · (1 + sin θi)
3. A rotating surface formed by rotating the
4). A
5). With respect to the reflecting
6). If the desired luminous intensity distribution cannot be obtained in step 5, the reflecting
7). The luminous intensity distribution is calculated for the reflector 3 made of a chain of cones obtained in
8). Step 7 is repeated, and when the desired light intensity distribution is achieved, the design is finished here.
図1は、ビーム角30°の広角配光で、且つ開き角40°までフェードアウトする光度分布の、高効率の照明を目的として設計された発光装置の実施例である。
平面光源は、直径4mmの放熱板の上に、赤色発光(r)、緑色発光(g)、青色発光(b)それぞれ60個のLED素子1を敷き詰めている。各LED素子の基板は0.25mm□で、即ちLED素子表面積の総和は11.25mm2であり、この面積の反射鏡後部開口面積に占める割合(占有率)は、90%である。なお、各LED素子の発光部は0.2mm□、総発光面積は7.2mm2となっている。
円形発熱板2はアルミなどの熱伝導性の材質であり、各LED素子がこの放熱板に密着して付設してあるので、放熱板1によってLED素子は冷却される。かくして、LED素子全体の電気入力は7W〜15Wにできる。
LEDの発光効率は、80lm/Wであるので、本実施例の面光源の全光束は560lm〜1200lmである。FIG. 1 shows an embodiment of a light-emitting device designed for high-efficiency illumination with a wide-angle light distribution with a beam angle of 30 ° and a luminous intensity distribution that fades out to an opening angle of 40 °.
In the planar light source, 60
The circular
Since the luminous efficiency of the LED is 80 lm / W, the total luminous flux of the surface light source of this embodiment is 560 lm to 1200 lm.
図1の反射鏡3は、例えばアルミ板のプレス加工などにて作れる。内面を研磨すれば、約90%の反射率を実現できる。
本実施例では、上記ステップ5の段階で、十分になだらかにフェードアウトする光度分布が得られなかったために、ステップ8まで進んだ。最終的に、後部開口側の5点の屈曲点の位置を外側に0.1〜0.3mm移動した。
この最終設計結果が図1のコーン連鎖の反射鏡3であり、d1=4mm、d2=14.45mm、L=21.06mmである。The reflecting mirror 3 in FIG. 1 can be made, for example, by pressing an aluminum plate. If the inner surface is polished, a reflectance of about 90% can be realized.
In this example, since the luminous intensity distribution that fades out sufficiently smoothly was not obtained in the step 5 described above, the process proceeds to step 8. Finally, the positions of the five bending points on the rear opening side were moved 0.1 to 0.3 mm outward.
The final design result is the cone-chain reflecting mirror 3 of FIG. 1, d1 = 4 mm, d2 = 14.45 mm, and L = 21.06 mm.
この実施例の発光装置が示す光度分布、照度分布が図8である。反射鏡の反射率を90%として、集光効率は87%であり、従来のものに比し相当に高い。ピーク光度は、電気入力を7W〜15Wとして、2150cd〜4600cdと計算される。FIG. 8 shows the luminous intensity distribution and the illuminance distribution shown by the light emitting device of this example. When the reflectance of the reflector is 90%, the light collection efficiency is 87%, which is considerably higher than that of the conventional one. The peak luminous intensity is calculated to be 2150 cd to 4600 cd, assuming that the electric input is 7 W to 15 W.
なお、図1の実施例において、アルミ製反射鏡3は、放熱板2と一体となっている。このように放熱面積を広大にすれば、大きい電気入力とすることができ、先述の電気入力の上限15Wは、この処置の結果である。In the embodiment of FIG. 1, the aluminum reflecting mirror 3 is integrated with the
1、1r、1g、1b LED素子
2 放熱板
3 反射鏡
4 反射鏡の後部開口
5 反射鏡の前部開口
6 光軸
7 放物線の中心軸
8a、8b ビーム角を示す直線
9a、9b 開き角を示す直線
10 放物線
11 回転面反射鏡の基本形状
12 凸レンズ
13 凹面反射鏡1, 1r, 1g,
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