JP2013125609A - 光源システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光源システム10は、互いに異なる光学特性を有する光源光を出射する光源モジュール20a,20b,20cと、光源モジュール20a,20b,20cが機械的に着脱自在な照射モジュール60とを有している。照射モジュール60は、光源光を導光し、光源光の一方の光学特性に応じた光学特性を有する導光部材73と、光源光を導光し、光源光の他方の光学特性に応じ、導光部材73の光学特性とは異なる光学特性を有する導光部材77と、導光部材73によって導光された光源光の一方の前記光学特性を変換して、光源光を第1の変換光として出射する第1の光変換ユニット103とを有している。導光部材73の中心軸は、導光部材77の中心軸に対して平行に配設されている。第1の光変換ユニット103は、導光部材73と光学的に接続し、導光部材77と光学的に分離している。
【選択図】 図1
Description
そして光学特性が異なると、光源システムはそれぞれの光源に対応する専用且つ特殊な導光機構を有する必要があり、結果として一般照明光光学系と蛍光観察用レーザ光学系といった目的に応じた専用の光源システムが構築されてしまう。これにより光源システムは高価となり、光源システムのコストパフォーマンスが低下してしまう。
[第1実施形態]
[構成]
図1と図2と図3Aと図3Bと図4と図5と図6を参照して第1の実施形態について説明する。なお、図1と図2と図3Aと図3Bと図4と図5と図6では一部の部材の図示を省略している。また光源21aが出射する光を光源光A、光源21bが出射する光を光源光B、光源21cが出射する光を光源光Cと称する。
図1に示すように、光源システム10は、互いに異なる光学特性を有する光源光A,B,Cを出射する光源モジュール20a,20b,20cと、光源モジュール20a,20b,20cを駆動する光源駆動ユニット50と、光源光A,B,Cを基とする照明光を観察対象物に照射し、光源モジュール20a,20b,20cが機械的に着脱自在な照射モジュール60とを有している。
以下に、光源モジュール20a,20b,20cそれぞれに配設されている略同一の機能を有する共通の部材について説明する。
図1に示すように、光源モジュール20aは、光源21aと導光部材27aとの間に配設され、光源21aから出射された光源光Aを導光部材27aに集光するレンズ35をさらに有している。
図1に示すように、光源モジュール20bは、光源21bと出射端部23bとの間に配設され、光源21bから前方に向かって出射された光源光Bを集光する2つのレンズ37a,37bと、光源21bよりも後方に配設され、光源21bから後方に向かって出射された光源光Bを前方に向かって反射するミラー39と、2つのレンズ37a,37bの間に配設され、光源光Bから不要な成分をカットするフィルタ41とをさらに有している。
ミラー39は、光源光Bをレンズ37aに集光する凹面を有している。
フィルタ41は、光源光Bから不要な紫外成分と赤外成分とをカットする。フィルタ41は、例えばバンドパスフィルタ、またはローパスフィルタとハイパスフィルタとの組み合わせによって形成される。
導光部材27b側に配設されているレンズ37bは、フィルタ41によって不要な成分が除去された光源光Bを導光部材27bに集光する。
図1に示すように、光源モジュール20cは、光源21cと導光部材27cとの間に配設され、光を合成する合成光学系45をさらに有している。
また、光源モジュール20cの基本的な構成は、光源モジュール20bの基本的な構成と略同一のため、以下においては、光源モジュール20bをもちいて構成と動作とについて説明する。
図1に示すように、本実施形態における光源システム10は1つの光源駆動ユニット50を有しており、前記したように光源駆動ユニット50は光源モジュール20a,20b,20cによって共有されている。
図1に示すように、照射モジュール60は、光源モジュール20aと、光源モジュール20bまたは光源モジュール20cと光学的及び機械的に固定する固定ユニット61と、固定ユニット61と接続し、光源光A,B,Cを導光する導光ユニット71と、導光ユニット71の端部に配設され、導光ユニット71によって導光された光源光A,B,Cを照明光に変換して出射する、または光源光B,Cを照明光として直接外部に出射する光変換ユニット101とを有している。
図1に示すように、固定ユニット61は、略直方体形状を有している。固定ユニット61は、第1の平面に配設されている入射端部63aと固定部65aと、第1の平面に対して直交している第2の平面に配設されている入射端部63bと固定部65bと、第1の平面に対向し、第2の平面に対して直交し、導光ユニット71が接続する第3の面とを有している。
図1に示すように導光ユニット71は、入射端部63aから入射した光源光A(レーザ光)を導光する導光部材73(第1の導光部材)と、入射端部63bから入射した光源光B,C(ランプ光またはLED光)を導光する導光部材77(第2の導光部材)と、導光部材77を覆う樹脂製の外皮91とを有している。導光部材73は、入射端部63aから入射した光源光Aの光学特性に応じた光学特性を有している。導光部材77は、入射端部63bから入射した光源光B,Cの光学特性に応じた光学特性を有している。導光部材77の光学特性は、導光部材73の光学特性とは異なる。
図1と図2とに示すように、導光部材73は、光源光Aを導光することに好適な単線の光ファイバによって形成されている。導光部材73は、導光部材73の近傍において、図示しないフェルールによって保持されている。導光部材73は、円形状を有するコア73aと、コア73aの屈折率よりも低い屈折率を有し、コア73aを覆うクラッド73bとによって形成されている。コア73aの直径は、例えば数μm〜200μmとなっている。照明用として、導光部材73は、マルチモード光ファイバが好適である。導光部材73は、円柱形状を有している。
図3Aに示すように、導光部材77は、複数の光ファイバの素線が束ねられることによって形成されているバンドルファイバを有している。このような導光部材77は、例えばライトガイドである。この光ファイバの本数は、例えば、数百本〜数千本となっている。図1と図4と図5とに示すように、導光部材77は、導光部材73よりも太い。
導光部材73の他端部(出射端部75)は、第1の光変換ユニット103のスペクトル変換部材105と予め接続する。導光部材77は、空洞部85が形成されるように、複数の光ファイバ(素線)が束ねられることによって予め形成されている。これにより、導光部材77は、円筒形状を有する。
次に、導光部材77の一端部が屈曲して側面開口部87が形成され、導光部材73の一端部が側面開口部87から突出し、導光部材73の一端部が孔67aと嵌合または接着し固定部65aによって保持され、導光部材77の一端部が孔67bと嵌合または接着し固定部65bによって保持されるように、導光部材73,77は固定ユニット61と接続する。
導光部材73は、光源光A(青色レーザ光)を導光するため、青色のレーザ光の波長域370nm〜500nmの光透過率を有している。導光部材73の開口数NAは、導光部材77の開口数NAと比較して、大きくなくても良い。
A:導光部材77の有効な入射領域(入射端部63b)は、導光部材73の有効な入射領域(入射端部63a)よりも大きいことが好適である。
B:導光部材77の開口数は、導光部材73の開口数よりも大きいことが好適である。
C:青色領域の光に対して、導光部材73の透過率は、導光部材77の透過率よりも大きいことが好適である。
光変換ユニット101は、光源光A,B,Cを基に照明光を出射する。この光変換ユニット101は、第1の光変換ユニット103と、第2の光変換ユニット111とを有している。
図1と図5とに示すように、第1の光変換ユニット103は、導光部材73によって導光された光源光Aが第1の光変換ユニット103に入射するように、導光部材73の他端部(出射端部75)と光学的に接続している。また第1の光変換ユニット103は、導光部材77によって導光された光源光B,C(ランプ光,LED光)が第1の光変換ユニット103に入射しないように、導光部材77とは光学的に分離している。
またスペクトル変換部材105は、放射角を変換する放射角変換部材や配光を変換する配光変換部材であってもよい。
図1と図5とに示すように、第2の光変換ユニット111は、導光部材77の出射端部79から出射された光源光B,C(ランプ光,LED光)が第2の光変換ユニット111に入射するように、導光部材77の他端部(出射端部79)と光学的に接続している。この第2の光変換ユニット111は、第2の光変換ユニット111に入射する光源光B,Cの放射(照射)角を所望に変換する放射角変換部材を有している。放射角変換部材は、放射角を拡げる配光変換部材の一種である。放射角変換部材は、放射角や配光を所望に変換する例えば、1枚の凹レンズ、または複数のレンズが組み合わさることで形成されるレンズ群を有している。第2の光変換ユニット111は、放射角変換部材によって、光源光B,Cのピーク波長とスペクトル形状とをほとんど変化させずに、光源光B,Cの放射角のみを変換する。このとき放射角変換部材は、光源光Bの光学特性である放射角を変換して、光源光B,Cを第2の変換光である照明光に変換する。
図5と図6とに示すように、導光部材73の他端部(出射端部75)の直径は、スペクトル変換部材105の直径よりも小さい。導光部材73の他端部は、前記したように空洞部85(開口端部83)に配設され、導光部材77の他端部(出射端部79)に囲まれている。よって、第1の光変換ユニット103も、空洞部85(開口端部83)に配設され、導光部材77の他端部に囲まれる。
導光部材73の中心軸は、コア73aの中心軸を示し、第1の中心軸とする。
導光部材77の中心軸は、ケース81の中心軸を示し、第2の中心軸とする。
図5に示すように、第1の中心軸は、少なくとも導光部材73の第1の光変換ユニット103が配設された側の近傍において、第2の中心軸に対して平行に配設されている。より詳細には、第1の中心軸と第2の中心軸とは、開口端部83から側面開口部87まで同軸上に配設されている。
以下に、本実施形態の動作方法について説明する。
[光源モジュール20aと照射モジュール60とが組み合わされた際の動作方法]
光源モジュール20aは、第1の平面において固定ユニット61と接続し、接続ケーブル33aを介して光源駆動ユニット50と接続する。光源駆動ユニット50は制御信号を接続ケーブル33aを介して光源モジュール20aに送信し、光源21aは制御信号を基に青色のレーザ光を出射する。
光源モジュール20bは、第2の平面において固定ユニット61と接続し、接続ケーブル33bを介して光源駆動ユニット50と接続する。光源駆動ユニット50は接続ケーブル33bを介して制御信号を光源モジュール20bに送信し、光源21bは制御信号を基にランプ光を出射する。
光源モジュール20cは、光源モジュール20bの代わりに、第2の平面において固定ユニット61と接続し、接続ケーブル33bを介して光源駆動ユニット50と接続する。光源駆動ユニット50は接続ケーブル33bを介して制御信号を光源モジュール20cに送信し、光源21cは制御信号を基にLED光を出射する。
光源モジュール20cは、様々な色を有するLED光を出射することとなる。また光源モジュール20cは、合成光学系45によって様々な色のLED光を合成して出射することとなる。これにより光源モジュール20cと照射モジュール60との組み合わせは、照明光の色に対する要求を満たす場合に、有効である。
さらに、LEDはXeランプとくらべて長寿命であり、突然切れることがないため、長期にわたり安定且つメンテナンスフリーで使用することができる。
このように本実施形態では、導光部材73,77を有する照射モジュール60は、光変換ユニット101を有し、光源モジュール20a,20b,20cと組み合わさる。本実施形態では、光変換ユニット101において、光源光Aの光学特性を、第1の光変換ユニット103によって、光源光B,Cの光学特性と揃うように変換(調整)できる。
また、第1の光変換ユニット103は、導光部材73と光学的に接続し、導光部材77と光学的に分離しており、導光部材77に対して光学的に独立している。これにより本実施形態では、光源光B,Cの光学特性が第1の光変換ユニット103によって変換することを防止できる。
つまり、本実施形態では、照射モジュール60を光源モジュール20a,20b,20cで共有でき、1つの照射モジュール60から目的に応じた様々な照明光を出射できる。よって本実施形態では、様々な目的に対して共有できる光源システム10を提供できる。また本実施形態では、様々な目的に対して、目的に応じた個別の専用システムを構築することなく対応できる光源システム10を提供できる。
なお、ここで示す光源光の光学特性とは、例えば、光源光の配光、色、明るさなどを示す。また、ここで示す、光源光Aの光学特性を、光源光B,Cの光学特性と揃うように変換(調整)できるとは、例えば、観察者が違和感を抱きにくいように、光源光Aの光学特性の一部または全部を変換(調整)することが可能であることを示す。
例えば第1の光変換ユニット103において、前記したYAG:Ce蛍光体粉末を有するスペクトル変換部材105は、青色のレーザ光を吸収し黄色蛍光に変換する。このときスペクトル変換部材105は、青紫色のレーザ光や、緑色より長波長のレーザ光を吸収せず、変換しない。
ただし、本実施形態のスペクトル変換部材105は、レーザ光の波長に関わらず、レーザ光の放射角を拡大するように変換する放射角変換部材として機能する。よって、スペクトル変換部材105は、青色のレーザ光を波長変換し、照明光の放射角を変換した状態で白色の照明光を出射する。またスペクトル変換部材105は、青紫色のレーザ光や、緑色より長波長のレーザ光を、放射角を変換した状態で出射する。
このように本実施形態では、導光部材73が単線の光ファイバによって形成されていても、レーザ光の波長と第1の光変換ユニット103とが組み合わさることで、複数の照明光を出射できる。
以下に本実施形態の変形例について説明する。
[変形例1、光源駆動ユニット50について、図7]
本実施形態では、光源駆動ユニット50は、接続ケーブル33aを介して光源モジュール20aを制御しているが、図示はしないが接続ケーブル33bと光源モジュール20bと固定ユニット61を介して光源モジュール20aを制御してもよい。この場合、固定ユニット61は、光源モジュール20aと接続する。このため、固定ユニット61と光源モジュール20aとは、制御信号を送受信する送受信端子や電力を供給する供給端子等を含む電気接続端子を互いに搭載している。光源モジュール20aの種類の判別信号は、この接続部を利用することが望ましい。
[導光部材73,77の組立手順2]
導光部材73の出射端部75は、スペクトル変換部材105と予め接続する。導光部材77は、空洞部85が形成されるように、複数の光ファイバ(素線)が束ねられることによって予め形成されている。これにより、導光部材77は、円筒形状を有する。またこのとき図8と図9とに示すように、導光部材77の出射端部79において、光ファイバの素線は、複数のグループ79a,79b,79c,79dに分割され、グループ79a,79b,79c,79dごとに束ねられて固定されている。各グループ79a,79b,79c,79dは互いに離れており、出射端部79は開いた状態となっている。
なお、複数のグループ79a,79b,79c,79dごとに束ねて固定する方法は、既存の様々な技術を利用することができる。例えば、光ファイバの素線を、接着剤等を用いて固めることができる。また、図示しない個別のケースによりグループ79a,79b,79c,79dを束ねて固定しても良い。
次に、各グループ79a,79b,79c,79dがスペクトル変換部材105を囲みスペクトル変換部材105に固定するように、出射端部79は閉じる。
導光部材73の出射端部75は、スペクトル変換部材105と予め接続する。図10に示すように、導光部材77は、空洞部85が形成され、導光部材77がC字の筒形状を有するように、複数の光ファイバ(素線)が束ねられることによって予め形成されている。このため、導光部材77は、空洞部85と連通している切り欠き部77aを有することとなる。
これにより、導光部材77と、第1の光変換ユニット103とは、簡単且つ正確に位置決めされ、確実に固定される。また本組立は、導光部材73,77が短い場合に、有効である。
本実施形態では、導光部材73は単線の光ファイバであり、導光部材77は複数の光ファイバ(素線)が束ねられることによって形成されてバンドルファイバである。しかし、これに限定する必要は無い。
光導波路は、複数の導光部材を分離または結合し、様々な複雑な光路をパターニングすることが可能である。
本実施形態では、第1の光変換ユニット103はスペクトル変換部材105を搭載し、第2の光変換ユニット111は放射角変換部材(配光変換部材の一種)を搭載しているが、これに限定する必要は無い。一例を以下に記載する。もちろん、以下に記載した事項が組み合わせわれて使用されても良いし、単独で使用されても良い。
D:この部材は、例えば波長選択性を有する光学フィルタである。この光学フィルタは、例えば、波長カットフィルタと色素フィルタと光共振器(エタロン)との少なくも1つを有していてもよい。
E:この部材は、例えば空間選択性を有する光透過変調部材である。光透過変調部材は、例えば、光スイッチとエレクトロクロミックと液晶デバイスとの少なくとも1つを有していてもよい。
[導光部材73と導光部材77と第1の光変換ユニット103との配置の関係2について、図11]
本実施形態では、第1の光変換ユニット103を囲む導光部材77の他端部(出射端部79)はリング形状を有しているが、これに限定する必要は無い。導光部材77の他端部(出射端部79)は、図11に示すように楕円形状の外形を有していても良い。本変形例では出射端部79の外縁は、出射端部109の外縁を囲んでいる。
なお、導光部材77の他端部(出射端部79)は、楕円形状の他に、多角形や三日月形等、様々な形状が可能である。導光部材77の他端部(出射端部79)は、それを搭載する部材の形状や利用目的などに応じて自由な形とすることができる。
本実施形態では、導光部材77は、第1の光変換ユニット103全体を囲んでいるが、これに限定する必要は無い。例えば導光部材77の他端部(出射端部79)が第1の光変換ユニット103の出射端部109の近傍に配設されていれば、導光部材77は、第1の光変換ユニット103の少なくとも一部を囲んでいてもよい。
本実施形態では、スペクトル変換部材105は例えば、YAG:Ce蛍光体粉末が樹脂やガラスに分散されることで形成される。しかし、白色光が青色のレーザ光から生成できればこれに限定される必要は無い。スペクトル変換部材105は、例えば青色のレーザ光を受光することで、青色のレーザ光を白色光に変換する少なくとも1つの蛍光体を有していても良い。これにより、本変形例では、よりスペクトルのブロードな白色光を実現できる。
本実施形態では、光源21aは青色の半導体レーザを有しているが、これに限定されない。光源21aは、発光領域と有効な入射領域とが小さい導光部材73と光結合できればよい。このような光源21aは、例えば、スーパールミネッセント光を出射するスーパールミネッセントダイオード(SLD)や、様々なレーザ光源などを有している。
Claims (23)
- 互いに異なる光学特性を有する光源光を出射する複数の光源モジュールと、
前記光源モジュールが機械的に着脱自在な照射モジュール、
を具備し、
前記照射モジュールは、
前記光源光を導光し、前記光源光の一方の光学特性に応じた光学特性を有する第1の導光部材と、
前記光源光を導光し、前記光源光の他方の光学特性に応じ、前記第1の導光部材の光学特性とは異なる光学特性を有する第2の導光部材と、
前記第1の導光部材によって導光された前記光源光の一方の前記光学特性を変換して、前記光源光を第1の変換光として出射する第1の光変換ユニットと、
を有し、
前記第1の導光部材の中心軸は、前記第1の導光部材の前記第1の光変換ユニットが配設された側の近傍において、前記第2の導光部材の中心軸に対して平行に配設され、
前記第1の光変換ユニットは、前記第1の導光部材と光学的に接続し、前記第2の導光部材と光学的に分離していることを特徴とする光源システム。 - 前記第1の導光部材は、前記光源光を出射する第1の出射端部を有し、
前記第2の導光部材は、前記光源光を出射する第2の出射端部を有し、
前記第1の出射端部と、前記第2の出射端部と、前記第1の光変換ユニットとは、保持部材によって直接的または間接的にまとめて保持されていることを特徴とする請求項1に記載の光源システム。 - 前記第1の光変換ユニットは、前記第1の変換光を出射する第3の出射端部を有し、
前記第1の出射端部と前記第2の出射端部と前記第3の出射端部とが前記第1の導光部材の前記中心軸に対して直交する平面に投影された際、前記平面に形成される前記第1の出射端部の投影図の外縁は前記平面に形成される前記第3の出射端部の投影図の外縁により囲まれ、前記第3の出射端部の前記投影図の前記外縁は前記平面に形成される前記第2の出射端部の投影図の外縁により囲まれていることを特徴とする請求項2に記載の光源システム。 - 前記第1の出射端部は円形状を有し、前記第2の出射端部はリング形状を有し、前記第3の出射端部は円形状を有し、前記第1の出射端部と前記第2の出射端部と前記第3の出射端部とにおける前記外縁は同心円状に配設されることを特徴とする請求項2に記載の光源システム。
- 前記第2の出射端部は、前記第3の出射端部を囲み、
前記第2の出射端部の厚みは、位置によって異なることを特徴とする請求項4に記載の光源システム。 - 前記第2の出射端部の前記投影図の前記外縁は、楕円形状または多角形状または楕円形状と多角形状の複合形状を有することを特徴とする請求項5に記載の光源システム。
- 前記第1の導光部材は、単線の光ファイバによって形成され、
前記第2の導光部材は、複数の光ファイバの素線が束ねられることで形成されるバンドルファイバを有することを特徴とする請求項3に記載の光源システム。 - 前記第1の導光部材と前記第2の導光部材とは、前記第1の出射端部と前記第2の出射端部とにおいて、互いに固定されており、
固定された部分よりも入射端部側において、前記第1の導光部材と前記第2の導光部材との少なくとも一部は、互いに空間的に移動可能であることを特徴とする請求項7に記載の光源システム。 - 前記第2の導光部材における前記素線は、前記第2の出射端部において、複数のグループに分割され、前記グループごとに束ねられて固定されていることを特徴とする請求項8に記載の光源システム。
- 前記第2の導光部材は、前記第2の導光部材がC字の筒形状を有するように、複数の前記光ファイバの素線が束ねられることによって、形成されていることを特徴とする請求項8に記載の光源システム。
- 前記第1の導光部材の前記第1の出射端部は、前記第1の導光部材の中心軸に対して直交する第1の平面に配設され、
前記第2の導光部材の前記第2の出射端部は、前記第1の導光部材の中心軸に対して直交する第2の平面に配設され、
前記第2の平面は、前記第1の平面と同一平面上に配設される、または前記第1の平面よりも前記光源モジュールから離れて配設されていることを特徴とする請求項2に記載の光源システム。 - 前記第2の導光部材は、複数の光ファイバの素線が束ねられることで形成されるバンドルファイバを有し、
前記第2の出射端部は、前記第1の光変換ユニットの少なくとも一部を囲むように、前記第1の光変換ユニットの少なくとも一部に取り付けられていることを特徴とする請求項11に記載の光源システム。 - 前記第2の出射端部を含む前記第2の導光部材において、前記第1の導光部材が前記第2の導光部材の内部に配設されるための空洞部が前記第2の導光部材の内部に形成されるように、前記素線は束ねられていることを特徴とする請求項12に記載の光源システム。
- 前記第1の光変換ユニットは、一方の前記光学特性に含まれるピーク波長とスペクトル形状と配光と光量との少なくとも1つを変換することを特徴とする請求項2に記載の光源システム。
- 前記第1の光変換ユニットは、前記ピーク波長と前記スペクトル形状と前記配光と前記光量とを変換する波長変換部材を有することを特徴とする請求項14に記載の光源システム。
- 前記第1の光変換ユニットは、前記配光を変換する配光部材を有することを特徴とする請求項14に記載の光源システム。
- 前記第2の導光部材と前記第1の光変換ユニットとに光学的に接続する第2の光変換ユニットをさらに具備し、
前記第2の光変換ユニットは、前記第2の出射端部から出射される前記光源光の他方の前記光学特性と、前記第1の光変換ユニットから出射される前記第1の変換光の一方の前記光学特性とに含まれるピーク波長とスペクトル形状と配光と光量との少なくとも1つとを変換し、前記光源光と前記第1の変換光との少なくとも一方を第2の変換光に変換することを特徴とする請求項2に記載の光源システム。 - 前記第2の光変換ユニットは、前記配光を所望に変換する少なくとも1枚のレンズを有することを特徴とする請求項17に記載の光源システム。
- 前記第1の導光部材によって導光される前記光源光は、レーザ光またはスーパルミネッセント光を有することを特徴とする請求項2に記載の光源システム。
- 前記レーザ光は、370nm〜500nmの波長を有する青色領域のレーザ光を有し、
前記第1の光変換ユニットは、前記青色領域のレーザ光の一部を吸収し、白色光に変換して出射することを特徴とする請求項17に記載の光源システム。 - 前記第2の導光部材によって導光される前記光源光は、ランプ光またはLED光を有することを特徴とする請求項19に記載の光源システム。
- 前記第2の導光部材によって導光される前記光源光は、白色光を有することを特徴とする請求項21に記載の光源システム。
- 前記第1の光変換ユニットは、前記第1の変換光を出射する第3の出射端部を有し、
前記第1の出射端部と前記第2の出射端部と前記第3の出射端部とが前記第1の導光部材の前記中心軸に対して直交する平面に投影された際、前記平面に形成される前記第1の出射端部の投影図の外縁は前記平面に形成される前記第3の出射端部の投影図の外縁により囲まれ、前記第3の出射端部の前記投影図の前記外縁は前記平面に形成される前記第2の出射端部の投影図の外縁と略隣接していることを特徴とする請求項2に記載の光源システム。
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