JP2008243653A - 誘電体バリア放電ランプ点灯装置および液晶表示装置 - Google Patents

誘電体バリア放電ランプ点灯装置および液晶表示装置 Download PDF

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Abstract

【課題】外部の導電性部材との容量的結合を回避し、ランプ電力の変動を抑制する。
【解決手段】内部電極2を一端に配置された複数本、例えば32本の誘電体バリア放電ランプ1と、各誘電体バリア放電ランプ1に共通の第1の外部電極3aと、各誘電体バリア放電ランプ1に共通の透光性の第2の外部電極3bと、内部電極2と第1の外部電極3aおよび第2の外部電極3bとの間に電圧を印加し誘電体バリア放電ランプ1を点灯する点灯回路4とを備え、誘電体バリア放電ランプ1は、第1の外部電極3aおよび第2の外部電極3bとから離間して配置され、かつ、第1の外部電極3aおよび第2の外部電極3bとの間に配置される。
【選択図】図1

Description

誘電体バリア放電により点灯する内部−外部電極方式の放電ランプ点灯装置、より具体的には、略矩形波電圧を印加し、略矩形波電圧の電圧値が変化するときに流れるパルス電流によって点灯する誘電体バリア放電ランプを点灯する放電ランプ点灯装置およびその誘電体バリア放電ランプ点灯装置を用いた液晶表示装置に関する。
近年、液晶ディスプレイ等のバックライト用途として、誘電体バリア放電により点灯する内部−外部電極方式の希ガス放電ランプの研究が盛んに行われている。これは、希ガス放電ランプは水銀が不要であるため、水銀蒸気圧の上昇に伴う発光効率の低下を招くことなく、また環境上好ましいとの理由に基づくものである。誘電体バリア放電を用いた点灯動作においては、駆動電圧の印加により誘電体層を充電し、駆動電圧が反転したときに発生する高圧により放電を起こさせる作用を用いるため、駆動電圧として高周波の矩形波電圧が用いられる。また、誘電体バリア放電はランプの負荷特性が容量性の正特性となるため、点灯回路1つで複数のランプを並列点灯できるという特徴がある。
誘電体バリア放電ランプ点灯装置の好適な構成例として特許文献1に開示されているものがある。図6は、特許文献1に記載された従来の誘電体バリア放電ランプ点灯装置の構成を示すものである。図6において、101は内壁に蛍光体105が塗布された発光管内に希ガスが封入され、かつ内部電極102が配置された誘電体バリア放電ランプ、103は発光管の外面上に設置された帯状の外部電極、104は内部電極102と外部電極103との間に電圧を印可し、誘電体バリア放電ランプ101を点灯する点灯回路である。上記構成により、誘電体バリア放電ランプ101の放電空間でプラズマを発生させ、プラズマからの紫外線を蛍光体105で可視光に変換し、所定の光出力を得る。しかしながら、帯状の外部電極103が誘電体バリア放電ランプ101の外面上にあるため光利用効率が低くなる課題を有していた。また、外部電極103を誘電体バリア放電ランプ101の外面上に完全に密着させることが難しく、製造上のバラツキや動作中の振動・熱衝撃等の種々の原因により、外部電極103と誘電体バリア放電ランプ101との間に隙間が生じる課題がある。隙間が生じると、光出力が不安定になったり、隙間で発生する微小な放電により、オゾンが発生するなどの不具合を生じる。
また、別の誘電体バリア放電ランプ点灯装置の好適な構成例として特許文献2に開示されているものがある。図7は、特許文献2に記載された誘電体バリア放電ランプ点灯装置の構成を示すものである。図7において、111は蛍光体115が塗布された発光管内に希ガスが封入され、かつ内部電極112が配置された誘電体バリア放電ランプ、113は発光管に対して所定の空隙を隔てて誘電体バリア放電ランプ111と対向するように配置された外部電極、114は内部電極112と外部電極113との間に電圧を印可し、誘電体バリア放電ランプ111を点灯する点灯回路である。基本的な発光原理は特許文献1と同じであるので省略するが、外部電極113が所定の空隙を設けて配置されているため、光の利用効率が良くなり発光効率がよくなる、微小放電が発生せずオゾンが発生しない等、特許文献1の誘電体バリア放電ランプ点灯装置で発生する不具合を解消する優れた特徴を有する。
特開平5−29085号公報(図1参照) 特開2006−313734号公報(図14参照)
しかしながら、特許文献2に開示される誘電体バリア放電ランプ点灯装置において、外部電極113を所定の空隙を隔てて配置したために新たな課題が発生した。それは、近接した導電性部材(例えば鉄、アルミなどの金属)と容量的に結合し、ランプ電力が増加してしまう問題である。
内部−外部電極方式の誘電体バリア放電ランプは、誘電体バリア放電ランプの放電空間を形成する発光管の内壁面と外部電極との間でコンデンサを形成し、誘電体バリア放電ランプに流れるランプ電流を制御する。すなわち、発光管の内壁面と発光管の外にある導電性部材とを容量的に結合させることを積極的に利用している。
特許文献1の誘電体バリア放電ランプ点灯装置の場合、発光管の内壁面と容量的に結合する相手としては、発光管の外壁面上に配置された外部電極103が支配的となる。さらに距離が非常に近いため、他の金属性製の物体が近づいたとしても、よほど近づかない限り、ランプ電力が大きく増加することはない。すなわち、特許文献1に開示される誘電体バリア放電ランプ点灯装置は、近接する導電性部材に対して比較的影響を受けにくいと言える。
一方、特許文献2の誘電体バリア放電ランプ点灯装置は、基本的には発光管内壁面と容量的に結合する相手としては外部電極113が支配的になるが、外部電極113が発光管から空隙を設けて配置されているため、近接する導電性部材に対して受ける影響度合いが比較的大きくなり、例えば、導電性部材を同じ距離に近づけたとき、特許文献1の誘電体バリア放電ランプ点灯装置と比べて、特許文献2の誘電体バリア放電ランプ点灯装置は、ランプ電力の増加度合いが大きくなる。すなわち、特許文献2に開示される誘電体バリア放電ランプ点灯装置は、近接する導電性部材に対して比較的影響を受け易いと言える。
実際に特許文献2の誘電体バリア放電ランプ点灯装置を液晶バックライトに応用した場合の構成として、図8に示す構成が考えられるが、この構成の場合、液晶パネルの有無でランプ電力が大きく変動することが本願発明者らの実験で確認された。実験の詳細を以下に示す。図8において、121は蛍光体が塗布された発光管内に希ガスが封入され、かつ内部電極122が配置された32本の誘電体バリア放電ランプ、123は発光管に対して5mmの空隙を隔てて誘電体バリア放電ランプ121と対向するように配置された外部電極、124は内部電極122と外部電極123との間に電圧を印可し、誘電体バリア放電ランプ121を点灯する点灯回路、125は誘電体バリア放電ランプ121からの光出力の配光を制御する光学部材、126は液晶パネルである。誘電体バリア放電ランプ121は内径3mm、外形2mm、長さ340mmのものを22mm間隔で並べた。外部電極123はアルミ製の板状のもの用い、各誘電体バリア放電ランプ121に共通とした。点灯回路124からは20kHzの矩形波高電圧を出力した。光学部材125は、拡散板、拡散シート、レンズシート等で構成するが、ここではこれらをまとめて1つの光学部材として表現しており、誘電体バリア放電ランプ121から10mmの位置に配置している。上記構成において、ランプ電力を測定すると、液晶パネル126が無い場合電力に比べて、液晶パネル126が有る場合には、ランプ電力が約20%も上昇した。液晶パネル126を構成するガラス基板上には各画素を制御するための配線等が縦横無尽に構成されており、これらは当然導電性を有するため、この配線が外部電極として作用したと考えられる。また、誘電体バリア放電ランプ121と外部電極123との距離が5mmであるのに対して、液晶パネル126との距離が15mm程度(10mm+光学部材の厚さ)であり、距離の差が比較的小さいため20%ものランプ電力上昇をもたらしたと考えられる。誘電体バリア放電ランプ121と液晶パネル126との距離を例えば100mmなどもっと離せばランプ電力上昇はもっと小さくなると考えられるが、その場合、薄いことが特徴の液晶の長所をなくすことになり、現実的に不可能である。また、バックライトの設計に際して、液晶パネル126を組み込んだときのランプ電力上昇分を推測して設計する必要があり、さらに、このランプ電力上昇は液晶パネル126の種類によって変わることが予想されるから、設計が非常に複雑になると考えられる。
また、一般照明用に応用する場合においても、周囲、特に光の照射方向に導電性部材が近づくことは十分にあり得るため、ランプ電力の上昇が問題になる可能性がる。
すなわち、特許文献2の誘電体バリア放電ランプ点灯装置においては、外部の導電性部材との容量的結合を回避する方策が必要であり、特に液晶バックライトに応用する場合においては、必須であると考えられる。
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、誘電体バリア放電ランプから空隙を設けて外部電極を配置する内部−外部電極方式の誘電体バリア放電ランプ点灯装置において、外部の導電性部材との容量的結合を回避でき、ランプ電力の変動を抑えた誘電体バリア放電ランプ点灯装置の提供を目的とする。
第1発明に係る誘電体バリア放電ランプ点灯装置は、少なくとも1つの内部電極を有する誘電体バリア放電ランプと、誘電体バリア放電ランプの放電空間外に配置された第1の外部電極と、誘電体バリア放電ランプの放電空間外に配置されかつ透光性の第2の外部電極と、内部電極と第1の外部電極および第2の外部電極との間に高周波電圧を印加し誘電体バリア放電ランプを点灯する点灯回路とを備え、誘電体バリア放電ランプは第1の外部電極および第2の外部電極から離間して、かつ第1の外部電極と第2の外部電極との間に配置することを特徴とする。
第1発明にあっては、誘電体バリア放電ランプを第1の外部電極および透光性の第2の外部電極から離間して、かつ第1の外部電極と第2の外部電極との間に配置しているため、外部の導電性部材との容量的結合を防止でき、ランプ電力の上昇を回避できる。
第2発明に係る液晶表示装置は、第1発明における誘電体バリア放電ランプ点灯装置と、さらに液晶パネルとを有することを特徴とする。
第2発明にあっては、誘電体バリア放電ランプと液晶パネルとの容量的結合を防いだ液晶表示装置を実現することができる。
本発明によれば、誘電体バリア放電ランプを第1の外部電極および透光性の第2の外部電極から離間して、かつ第1の外部電極と第2の外部電極との間に配置することにより、外部の導電性部材との容量的結合を防止でき、ランプ電力の上昇を回避できる。これにより、様々な用途の光源として用いることができる等、優れた効果を奏する。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1(a)は本発明の実施の形態1に係る誘電体バリア放電ランプ点灯装置の構成を示す平面図、図1(b)は図1(a)における誘電体バリア放電ランプ点灯装置の断面図である。
本発明の実施の形態1に係る誘電体バリア放電ランプ点灯装置は、内部電極2を一端に配置された複数本、例えば32本の誘電体バリア放電ランプ1と、各誘電体バリア放電ランプ1に共通の第1の外部電極3aと、各誘電体バリア放電ランプ1に共通の透光性の第2の外部電極3bと、内部電極2と第1の外部電極3aおよび第2の外部電極3bとの間に電圧を印加し誘電体バリア放電ランプ1を点灯する点灯回路4とを備える。
誘電体バリア放電ランプ1は例えば図2に示すような構成をしており、可視光(380nm〜770nm)における透過率が優れたホウケイ酸ガラスなどで形成された外径3mm、内径2mm、長さ340mmの円筒状の発光管5に、放電用ガスとしてキセノンを主成分とする混合ガスが封入されており、その封入圧力は例えば20kPaである。キセノン以外の混合ガス成分としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン等で、混合比を例えば6:4で混合する。発光管5の内表面には蛍光体6が塗布されている。発光管5の一端には、ニッケル、ニオブなどの金属製の内部電極2が配置され、リード線により、発光管5の外部に電気的に導出されている。誘電体バリア放電ランプ1は、図1(b)に示すように、第1の外部電極3aおよび第2の外部電極3bから離間して配置されており、スペーサ(図示せず)により誘電体バリア放電ランプ1と第1の外部電極3aとの距離を例えば5mm、誘電体バリア放電ランプ1と第2の外部電極3bとの距離を例えば10mm、誘電体バリア放電ランプ1間の距離を例えば22mmになるように固定されている。スペーサは光の吸収がなるべくないように白色または透明の樹脂等で作られることが望ましい。
第1の外部電極3aは、導電性を有する金属材料、例えばアルミ平板で構成され、誘電体バリア放電ランプ1からの光を前面に反射するための反射機能を有している。反射機能は、例えばアルミ平板表面に銀を蒸着するなどにより簡単に構成できる。
第2の外部電極3aは、ガラス基板上に塗布されたITO等の透明電極で構成され、誘電体バリア放電ランプ1からの光および第1の外部電極3aで反射した光が透過するようになっている。
点灯回路4の構成の一例を図3に示す。図3において、1は誘電体バリア放電ランプ、2は内部電極、3aは第1の外部電極、3bは透光性の第2の外部電極、4は点灯回路である。図1では誘電体バリア放電ランプ1を32本としているが、ここでは簡単のため1本のみを図示する。
誘電体バリア放電ランプ1、内部電極2、第1の外部電極3a、第2の外部電極3bは上記と同様であるので詳細は省略する。
点灯回路4はいわゆるプッシュプル方式のインバータ回路である。点灯回路4は、直流電源7、駆動回路8、スイッチ素子であるFET9、10、昇圧トランス11を含む。直流電源7、FET9、10は昇圧トランス11の1次巻線に接続される。駆動回路8はFET9、10にゲート信号を出力し、FET9、10を交互にON/OFFする。駆動回路8は市販のIC等で簡単に構成することがでる。昇圧トランス11は直流電源7からの直流電圧を矩形波形の高周波高電圧に変換する。昇圧トランス11の2次巻線の一端は内部電極2に、他端は第1の外部電極3a、第2の外部電極およびGNDに接続される。なおこのときの周波数は駆動回路8の出力信号の周波数に依存し、例えば20kHzである。また、昇圧比は昇圧トランス11の1次巻線と2次巻線の巻数比に依存し、例えば直流24Vを6kVp−pの矩形波電圧に変換する。このとき昇圧トランス11の出力電圧は必ずしも理想的な矩形波形にはならず、昇圧トランス11のリーケージインダクタンス、寄生容量等の影響により、多少のリンギングを含む。前記6kVp−pはリンギングを含むpeak to peakの値を示している。
上記構成において、誘電体バリア放電ランプ1の内部電極2と第1の外部電極3aおよび第2の外部電極3bとの間に矩形波の高周波高電圧が印加されると、矩形波の高周波高電圧の電圧値が変化するとき、すなわち極性が反転するときに内部電極2と第1の外部電極3aおよび第2の外部電極3bとの間にパルス電流が流れ、誘電体バリア放電ランプ1内に誘電体バリア放電が生じる。このとき発光管5と、誘電体バリア放電ランプ1と第1の外部電極3aおよび第2の外部電極3bとの空隙とが誘電体として作用する。誘電体バリア放電が開始すると、発光管5内に封入されたキセノンが電子により励起され、紫外線を放射する。紫外線は発光管5の内壁に塗布された蛍光体6により可視光に変換され、誘電体バリア放電ランプ1は点灯する。各誘電体バリア放電ランプ1からの光は、反射機能を有する第1の外部電極3aで反射され、透光性の第2の外部電極3bを透過して、所定の方向に照射される。一般に、キセノンを用いた誘電体バリア放電を用いた点灯動作においては、正弦波電圧よりも矩形波電圧で点灯することにより、キセノンのエキシマ発光が増加し、紫外線が多く放出されるため、発光効率が良くなる。
点灯中、誘電体バリア放電ランプ1は第1の外部電極3aおよび第2の外部電極3bと支配的に容量的結合をする。これは、誘電体バリア放電ランプ1が第1の外部電極3aおよび第2の外部電極3bの間に配置され、誘電体バリア放電ランプ1が第1の外部電極3aおよび第2の外部電極3bによってほぼ囲まれた状態あり、第1の外部電極3aおよび第2の外部電極3bの外側に電界が発生しないためである。このため、他の導電性部材が近接、例えば、図1(b)における第2の外部電極3bの上側に接触したとしてもランプ電力の上昇は発生しない。なお、複数の第1の外部電極3aおよび第2の外部電極3bを用いて、誘電体バリア放電ランプ1を完全に囲むほうが理想的であるが、液晶パネルとの容量的結合を考えたときには、本構成で十分にランプ電力の上昇を抑えることができた。また、本構成を一般照明に応用した場合においても、光を照射する方向、すなわち透光性の第2の外部電極が配置される側に導電性部材が近接する可能性が最も高いと考えられ、本構成でランプ電力の上昇を十分に回避できる。また、周囲を完全に囲む場合でも、例えば第1の外部電極を箱型にする等で実現可能である。
(実施の形態2)
図4は本発明の実施の形態2に係る液晶表示装置の構成を示す断面図である。実施の形態2は実施の形態1の誘電体バリア放電ランプ点灯装置を用いた液晶表示装置であり、実施の形態1と同じ構成のものは同符号とし、ここでは詳細な説明を省略する。実施の形態1と異なる点は、光学部材12、液晶パネル13が新たに加わった点である。
光学部材12は、拡散板、拡散シート、レンズシート等で構成されているが、ここではこれらをまとめて1つの光学部材として表現している。拡散板、拡散シートは線光源である32本の誘電体バリア放電ランプ1からの光出力を面光源へと変換する。レンズシートは拡散板、拡散シートからの拡散光を有る程度集光し、液晶パネル13上での輝度を向上させる。
液晶パネル13は、光学部材12上に配置され、光の透過量を制御することにより、液晶パネル13上に所定の画像を映し出す。
上記構成により、誘電体バリア放電ランプ1と液晶パネル13との間に透光性の第2の外部電極があるため、誘電体バリア放電ランプ1と液晶パネル13との容量的結合を防止した液晶表示装置を実現することができる。
なお、誘電体バリア放電ランプ1は外径3mm、内径2mm、長さ340mmとしたが、この形状に限ったものではなく、他の形状でもよい。また、内部電極2はニッケル製としたが、例えばニオブ等他の電極材料でもよく、形状もカップ形状で示しているが、棒状等他の形状でもよい。また、発光管5はホウケイ酸ガラスとしたが、ソーダガラス、石英ガラス等他の材料で構成してもよい。
また、第1の外部電極3aはアルミ製としたが、例えば銅、鉄などの金属製でもよい。また、第1の外部電極3aの反射機能必ずしも必須ではなく、反射シート等で反射機能を実現する構成としてもよい。また、第1の外部電極3aは平板としたが、他の形状でもよく、例えば図5に示すような波形の構成でもよい。図5において、14は誘電体バリア放電ランプ、15は第1の外部電極である。また、第1の外部電極3aは複数の誘電体バリア放電ランプ1に共通の1つの第1の外部電極としたが、電気的に接続されかつほとんど隙間なく構成されていれば複数の第1の外部電極3aであってもよい。
また、第2の外部電極3bをガラス基板上にITO膜を塗布して構成したが、この構成に限ったものではなく、透光性を有しかつ導電性を有していれば他の構成でもよい。また、第2の外部電極3bをガラス基板上にITO膜を塗布して構成する場合、第2の外部電極3bに光が拡散または集光するようなパターンを持たせることにより、光学部材12の一部として使用することも可能である。また、第2の外部電極3bは複数の誘電体バリア放電ランプ1に共通の1つの第2の外部電極としたが、電気的に接続されかつほとんど隙間なく構成されていれば複数の第2の外部電極3bであってもよい。
また、誘電体バリア放電ランプ1と外部電極3との距離を5mmとしたが、誘電体バリア放電ランプ1と第2の外部電極3bとの距離を10mmとしたが、これらはこの距離に限定したものではなく、他の距離であってもよいのは言うまでもない。ただし、オゾン発生の防止、光の利用効率の観点から、それぞれ3〜20mm程度の距離が望ましい。
また、誘電体バリア放電ランプ1間の距離を22mmとしたが、この距離に限ったものではない。
また、放電用ガスの封入ガス圧を20kPaとしたが、5〜35kPa程度の範囲であれば他のガス圧でも良い。
また、放電用ガスの混合比を6:4としたが他の混合比率でもよい。一般的にはキセノンの分圧を上げるほど効率は良くなるが、放電が不安定になる。
また、誘電体バリア放電ランプ1を32本としたが、この本数に限ったものではないことは言うまでもない。
また、点灯回路4はプッシュプル方式としたが、他の構成でも良く、例えばハーフブリッジ方式、フルブリッジ方式等でも良い。また、直流電源7はバッテリー、チョッパ回路等で簡単に構成できる。また、FET9、10はバイポーラトランジスタ、IGBT等を代わりに使っても良い。また、駆動周波数を20kHzとしたが、他の周波数でも良く、発光効率の観点から5〜30kHz程度であれば良い。また、昇圧トランス5の出力電圧を6kVp−pとしたが、この値は、誘電体バリア放電ランプ1の長さ、封入ガス圧等の設計要因で変化し、誘電体バリア放電ランプ1によって他の値であっても良いのは言うまでもない。
なお、本発明の第2の実施の形態と似た構成の発明で、画像へのノイズ(縞模様など)を防止するために液晶パネルの直下に導電性部材を配置する発明(例えば、特開平6−27475)があるが、本発明は、外部電極が誘電体バリア放電ランプから離間して配置されるタイプの内部―外部電極方式誘電体バリア放電ランプを点灯する誘電体バリア放電ランプ点灯装置において、誘電体バリア放電ランプが液晶パネルと容量的結合をし、ランプ電力が上昇をする課題を解決するための手段を提供するものであり、全く別の発明である。また、発明者らの実験によると、第2の外部電極の有無による画像への影響は確認できなかった。
以上のように、本発明によれば、外部電極が誘電体バリア放電ランプから離間して配置されるタイプの内部−外部電極方式誘電体バリア放電ランプを点灯する誘電体バリア放電ランプ点灯装置において、誘電体バリア放電ランプが第1の外部電極および透光性の第2の外部電極の間に配置されているため、導電性部材が近づいたとしても、誘電体バリア放電ランプと導電性部材が容量的結合をすることがなく、ランプ電力が上昇することはない。これにより、本発明に係る誘電体バリア放電ランプ点灯装置は、液晶ディスプレイ等のバックライト用光源、コピー機、スキャナ用の光源、殺菌、UV洗浄用の紫外線光源等に有用である。
本発明の実施の形態1に係る誘電体バリア放電ランプ点灯装置の構成図 本発明の実施の形態1に係る誘電体バリア放電ランプの構成図 本発明の実施の形態1に係る誘電体バリア放電ランプ点灯装置の回路図 本発明の実施の形態2に係る液晶表示装置の構成図 外部電極形状の他の一例を示す概略図 従来の誘電体バリア放電ランプ点灯装置の構成図 他の従来の誘電体バリア放電ランプ点灯装置の構成図 従来の誘電体バリア放電ランプ点灯装置を液晶バックライトに応用した時の構成図
符号の説明
1,14,101,111,121 誘電体バリア放電ランプ
2,102,112,122 内部電極
3a,3b,15,103,113,123 外部電極
4,104,114,124 点灯回路
5 発光管
6,105,115 蛍光体
7 直流電源
8 駆動回路
9,10 FET
11 昇圧トランス
12,125 光学部材
13,126 液晶パネル

Claims (2)

  1. 少なくとも1つの内部電極を有する誘電体バリア放電ランプと、
    前記誘電体バリア放電ランプの放電空間外に配置された第1の外部電極と、
    前記誘電体バリア放電ランプの放電空間外に配置されかつ透光性の第2の外部電極と、
    前記内部電極と前記第1の外部電極および前記第2の外部電極との間に高周波電圧を印加し前記誘電体バリア放電ランプを点灯する点灯回路とを備え、
    前記誘電体バリア放電ランプは前記第1の外部電極および前記第2の外部電極から離間して、かつ前記第1の外部電極と前記第2の外部電極との間に配置することを特徴とする誘電体バリア放電ランプ点灯装置。
  2. 請求項1に記載の誘電体バリア放電ランプ点灯装置と、
    前記第2の外部電極が配置された光射出面に配置した液晶パネルと
    を備えたことを特徴とする液晶表示装置。
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JP2007083711A Pending JP2008243653A (ja) 2007-03-28 2007-03-28 誘電体バリア放電ランプ点灯装置および液晶表示装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012202928A (ja) * 2011-03-28 2012-10-22 Ushio Inc 光照射装置

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