JP4393991B2 - 照射装置 - Google Patents

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Description

本発明は、一の照射装置と、光ファイバ導波路などの受光領域を備えた導光装置と共に、反射素子も具備する、医療分野において用いられることが好ましい高い光出力を有する照射装置に関する。
特開平9−10238号公報は、歯科用照射装置を開示しており、発光ダイオードから構成されるアレイが、球の一部をなす形状であり、石英またはプラスチックから構成され、その先端が光導波路ロッドの中で合体する光導体本体のキャップ面に配置されている。発光ダイオードからのビームは、円錐状の壁で反射によって光導体本体によって集光され、光導体本体ロッドに導入される。
国際公開第97/36552 A号パンフレットは、別の歯科用照射装置を開示しており、平行な光軸を有する発光ダイオードから構成される平面アレイが、今度も円錐状である光導体本体の湾曲した入射面に対向している。この集光器は、光導波路の出射面に連結され、光学的に透明な液体で満たされていてもよい。
上述の明細書で述べたようなこれらの円錐状の光導体本体または国際公開第99/16136号パンフレット(図4)に記載されている他の円錐状の光導体本体は、装置の作製が複雑であり、装置の重量が増大するという事実に加え、相当の放射損失も生じる。これは、光ビームが光導体本体の円錐状の壁で反射されるときは常に、ビームは光軸から円錐角の2倍偏向されるためである。少数の反射の後であっても、このことは、光導波路における内部全反射のための角度がより大きくなることになり、光導波路から出射するビームにおいて、または光導波路が鏡面である場合には、回転されるビームの方向においても、光出射開口部に進むことなく、光入射開口部に戻ることになる。
したがって、このような構成は、そのビームが光軸に対してきわめて狭い角度範囲でのみ傾斜されるLEDから入射される光の成分に対してのみ機能する。LEDが光を照射する光円錐は一般に、相当大きな開口角度を有するため、処理領域を照明するために、LEDから照射される光の大部分を用いることができない。
国際公開第99/16136 A号パンフレット(図6)はまた、多円錐状光導体本体を有する装置も開示しており、2つ以上の環状光入射領域が円形の光入射領域の前に来る。この場合には、光は、多円錐状光導体本体によって第1の円形光入射領域から第1の環状光入射領域の間の中央領域に誘導される。環状形に配置されたこの光入射開口部を照らすLEDからの光と共に、今度は、LEDリングおよび環状入射領域の別の組合せの中心を通過する。このように集光された光は、今度は光導波路を通って出射開口部を通過する。光導波路のさらなる外形は今度も円錐状である。
この構成においても、上述の理由のため、LEDから照射されるビームのわずかな量のみが光出射開口部および照射される点に達する。一直線に配置される2つ以上の円錐状光導体本体の結果、出射開口部から最も遠い位置にある領域の効率は、単円錐状集光器の場合の効率よりはるかに低下する。さらに、多円錐状光導波路を作製することはさらにいっそう困難であり、費用がかかる。
LEDに基づき、円錐状光導体本体がない状態で処理するため、これらに関連する欠点がない照射装置の他の実施形態もまた公知である。たとえば、特開平08−141001号明細書(図1)および国際公開第99/35995 A号パンフレット(図4)は、LEDアレイから照射されるビームを集光するための光学収束レンズおよび光導波路の光入射領域にLEDアレイから照射されるビームを集光するための光学収束レンズを提案している。
この場合には、収束レンズの方向において、個々のLEDから照射されるビームのすべてが偏向される。しかし、ビームの所望の方向への偏向および集光は、今度は、本質的に平行に収束レンズに当たるか、または光入射領域のサイズに応じて、この方向とはわずかに異なるビームの量に関してのみ生じる。ビームの相当量が収束レンズから光入射開口部に通過することができないため、この量は処理点の照射に用いられることはない。
国際公開第99/35995 A号パンフレットの図1に示されている構成では9個のLEDが、1つの光導波路の方向に個別に配置され、この場合には光硬化サンプルを部分的にのみ硬化することを観測することが観測されている。これは、非最適な光注入の結果のほか、記載された構成では用いることができるLEDが少数であるための不適切な光出力の結果である。
国際公開第99/16136 A号パンフレットに記載されており、光導波路の光入射開口部に対してLEDの類似の構成に基づく別の装置では、最初に円錐状光導波路を用い、次にダイオードに公称動作電流の倍数を適用することによって、光出力が増大される。円錐状光導波路は、これより前で既に上述した問題を結果的に生じる。
高い動作電流には、LEDにおける熱損失が比例より増大して大きく、装置が短期間で暖かくなり、冷却するまで非常に長い時間用いることができないという欠点がある。さらに、LEDの寿命は、高い動作電流によって著しく短くなる。これは、時間の経過にわたる光出力の連続的な減少から明らかである。
国際公開第99/35995 A号パンフレット、国際公開第02/11640 A2号パンフレットまたは欧州特許出願公開第0 879 582 A号明細書に提案されているように、共通の基板上に個別の半導体チップの形のLEDの構成は、いずれかの問題がある。個別の素子が互いに加熱しあうため、今度は光強度および/または寿命を制限することになることからである。さらに、機械的に簡単に取り付けやすい標準的な構成要素を用いることが不可能であるため、これらの構成を作製することは相当複雑であり、費用がかかる。
2つ以上のLEDを有する別の照射装置が、国際公開第01/19280 A号パンフレットに開示されている。光導波路の中にできる限り好都合に生成される光を注入することができるようにするために、LEDは、多数のレベルの特定の態様で配置されている。
上述の装置はすべて、実現可能な光出力がそこに記載されたLED構成によって制限されるという共通の特徴を有する。
光出力をさらに増大させるために、多数の個別のLEDを備えるアレイが提案される。しかし、個別のLEDの数が増大するにつれて、照射される光を集光することがさらに一層困難になる。一例として、国際公開第02/11640 A2号パンフレット号は、光導波路に注入されることができるようにLEDアレイからのビームを集光するために、反射体に加えて集光レンズを開示している。
さらに、LEDの数が大きくなると、長い寿命を可能にするために必要な空間、必要な電力およびLEDから消失されなければならない電気的熱損失も増大する。はじめに述べた理由のために、1つのみの個別のLEDによってできる限り処理することが望ましく、このことは、製作コストにプラスの影響を与えると推測される。
原則的には、本目的を実現するために、従来のLEDよりはるかに大きな光出力レベルを照射することができる高い出力のLEDを用いることが可能である。しかし、この場合には、生成される光を可能な限り小さな損失で集光しなければならない上、たとえば、そうでなければLEDアレイの性能を実現することができないため、治療点まで光導波路によって供給しなければならない。
1つのみのLEDを装備した照射装置は、たとえば、米国特許第6,318,996 B1号明細書および国際公開第01/64129 A1号パンフレット号に提案されている。国際公開第01/64129 A1号パンフレット号は、そうでなければ十分な照射出力を実現することができないため、寿命が10時間未満であるLEDに非常に高い電流を印加することを提案している。
米国特許第6,318,996号明細書では、25〜約38mW/cmに過ぎない強度が単一LEDによって実現される。このような値は、歯科用材料を硬化するための照射装置の場合には比較的低い。したがって、これは、60秒の比較的長い照射時間に基づいている。さらに、LEDは、硬化対象の材料から7mm±2mmの距離に配置される必要がある。このことは、LEDが患者の口の中に位置していることを意味している。LEDがハウジングの内部に封入されている場合であっても、通常約130℃で殺菌によって実現されるような十分な衛生は不可能である。このような高い温度はLEDを破壊する恐れがあるためである。このため、歯科用材料を硬化するための照射装置の場合には、標準として光ファイバ導波路などの光導体素子が挿入されている。これらは、ハウジングから除去すて、治療後、殺菌することができる。
いわゆる受光角以下の特定の角度で入射領域に当たるときのみ、大部分は損失することなく光ファイバ導波路に光ビームを注入することができることが分かっている。
この受光角は一般に±30°である。しかし、ある環境では開口角度がこの最大注入角より大きい円錐において、可能なLEDは光を照射する。したがって、LEDが光導波路の前方に直接配置される場合には、出力の一部のみを用いることができる。
しかし、LEDの広い開口角度(たとえば±50°以上)のために、レンズは、注入効率を増大させるための制限範囲に対してのみ適切である。このようなレンズを用いて、その角度が受光角より大きいビームの一部を偏向して注入することができるが、他方ではこれらのビームもまたレンズを通過しなければならないため、たとえば、反射損失の結果として、元来注入されることが可能であるビームに関して注入プロセスの効率を直接低下させる。
たとえば、LEDの受光角内に照射される、すなわち屈折光学素子または反射光学素子によって既に集光されているビームの直接注入は、照射屈折または集光の結果として少しの損失も許容する必要がないことから、特に好都合である。
他方、受光角外に照射させるビームも利用可能にするために、光学素子が必要とされる。
要約すれば、高出力光装置のすべての公知の実施形態は、できる限り高い強度を実現するために、より多い数またはより少数の発光素子からなる複雑な構成を用いている。この場合には、個別の素子の数が多くなればなるほど、複雑になると同時に、個別の素子から光を集光および集束するために必要な光学素子または必要な構成はより損失が多くなる。しかし、少数のみの発光素子または唯一の発光素子が用いられる場合には、いずれの照射出力も低く、または衛生の欠如、あるいは短い寿命などの他の深刻な欠点を許容しなければならない。
従って、本発明の1つの目的は、作製しやすいが、LEDアレイを有する装置の光出力に匹敵するかまたはそれより良好な光出力を有し、できる限り少数の発光ユニットを有する照射装置を提供することである。
別の目的は、光硬化歯科用充填材料をより迅速かつ高い信頼性で硬化することができる照射装置を提供することである。
最後に、発光ユニットのために必要な空間および必要な充電式電池の削減は、装置のサイズを低減するためであり、特に製作コストを低減することを可能にする。
さらに、発光ユニットは、長い寿命を有する必要がある。通常の光導波路に用いられるような装置の簡単な洗浄も望ましい。
本目的は、請求項に記載された照射装置によって実現される。
「含む」、「含有する」、「包含する」の用語は、特徴の完全な列挙を意味するものではない。同様に、「1つ」の用語は、「少なくとも1つ」の意味に理解されるものとする。
発光ユニットと受光ユニットとの間を選択的に結合する光学素子として配置される反射素子の提供または設置によって、必要な複雑さの緩和および空間の縮小による、より高い効率およびより高い照射収量を実現することができることが分かっている。
これは、たとえば、1つのLEDからの光は、かなりの割合で光導波路に直接注入されることができるように放射されるという事実を考慮している。これらのビームに、選択的に結合する光学素子または反射素子を作用させる方法は、通常光を減衰させることにつながるため、意図されていない。光軸に対する傾斜角が受光角より大きいビームのみが、この方法によって、光導波路における開口部の方向に偏向されて注入されることができるようにされる。
直接注入されるビーム、偏向されるビームのいずれも、十分な光伝導を行うことができないことが分かっている。本発明による構成によって可能とされるように、照射装置の十分な性能は、両方の光学要素の全体としての最適な使用によってのみ保証される。
反射素子は、発光素子の放射面から受光素子の入射面までの全距離にわたって延在する。しかし、「全距離」なる表現は、たとえば、設計要因および製作要因によって生じる可能性があるような変形が、反射素子と受光素子との間に全くあってはならないということを意味するものではない。しかし、いずれの場合も、変動は最小限であるものとする。
上記変動は、反射素子の出射面から光導波路の取付けまたは嵌合を行うことができる受光素子の入射面までの移行における製作または設計によって生じる任意の変動を含む。また、反射素子の出射面と受光ユニットの入射領域との間に中に薄いガラスパネルが挿入される小さな間隙があってもよい。これは、不安定な反射面を埃から保護するために用いられる。ガラスパネルは、反射から生じる放射損失を避けるために、両面に光学的な曇りを有することが理想的である。
好適な反射素子は、たとえば円錐形状であり、内部が中空である。すなわち、反射素子は、光学的な意味で屈折媒体で満たされていない。
反射素子は、少なくとも発光素子に面し、内部が鏡面である円錐台の面形状であることが好ましい。この場合には、円錐台の小さな方の断面積は、発光ユニットに面している。
直接注入されることができる光ビーム(すなわち受光角以下の角度の光ビーム)の一部が、入射領域を完全に照射するように、発光ユニットは、受光素子に面して一定の距離をおいて配置される。
この場合には、任意の光学素子における屈折、回折または境界面の移行の結果として生じる損失が全く生じないため、光円錐のこの量ではこれが最適な構成を示している。光ファイバ導波路の場合には、これは一般に、発光ユニットまでの距離が受光ユニットの入射開口部の直径の2分の1よりある程度大きいかまたは2分の1に等しいことを意味している。
したがって、本発明によれば、発光ユニットと受光素子との間のこの構成によって画定される円錐台面は、反射素子によって境界がなされる。この反射素子は発光ユニットの直径から受光ユニットの直径まで開口し、円錐の角度は発光ユニットから受光ユニットまでの距離によって定義される。
したがって、受光ユニットの入射開口部の断面を調節することによって、発光ユニットの個別の実施形態について最適な構成となる、特定の角度を実現することが可能である。
受光角より大きい放射角を有するすべてのビームは、反射素子に当たる。反射されると、今度は光軸に対する角度は、反射素子の開口角度の2倍だけ低減される。
たとえば、光軸に対して50°の角度の光ビームが開口角度10°の反射素子に当たると、反射後、その角度は−30°となる。これは、光導波路に当たり、今度は注入されることができる角度である。
このために、反射素子は、以下の特徴を有することが好ましい。
反射素子の入射開口部は、発光ユニットから放射されるビームのすべてを受光することができるほど十分に大きい。すなわち、用いられるLEDレンズとほぼ同一のサイズである。
反射素子の出射開口部は、受光素子の入射開口部とほぼ同一の直径を有する。
反射素子の開口角度は、傾斜角=0.5×(最大ビーム角−受光角)という関係に従う。
さらに、最初に反射されるビームは、光導波路に近いビームより高い傾斜角を有するため、傾斜角はまた、最初の(発光ユニットに近い)より大きい値からより小さい値に減少することができる。
最大ビーム角は、発光ユニットの放射特性によって予め決定され、さらに、治療点の照射に用いることを目的としてビームを特徴付ける。さらに大きな角度のビームは、発光素子から放射されないか、または無視することができる強度でのみ放射されるため、このようなビームの使用によって強度を著しく増大させる原因とはならない。
一例として、市販の高出力ダイオードは、±30°の通常の光導波路の受光角内で全強度の30%を放射し、30°〜50°の角度範囲でさらに60%を放射し、残りの10%が50°〜90°の放射角である。これらの使用により、30°〜50°の範囲に匹敵する少量の出力を生成するため、最大ビーム角はこの例では50°に設定されることが賢明である。
したがって、最大ビーム角は、たとえば、約65°、好ましくは約55°、さらに好ましくは50°である。
用いられる発光ユニットは、数百時間の寿命を有することが好ましく、1000時間を超えていればさらに好ましく、400〜500nmの範囲で放射し、440〜480nmの放射最大を有し、少なくとも100mW、好ましくは少なくとも200mWの光出力を有する。
照射装置は、特に以下の特徴によって識別される。
一のみの反射素子を有し、発光ユニットと受光ユニットの入射開口部との間を結合する、反射態様または屈折態様で動作する別の光学素子を備えていないことが好ましい。
電力によって動作されるアクティブ冷却素子を備えていないことが好ましい。
メインシステムに関係なく動作可能であることが好ましい。
反射素子材料として、たとえば、アルミニウム、チタンまたはステンレス鋼から構成される研磨金属本体のほか、良好な反射特性を有する金属シート、鏡面層、あるいは国際公開第00/07044号パンフレットから公知でたとえば3Mから入手可能なたとえば金属フリーの干渉鏡面シートを用いてもよい。
本発明の目的のために、発光ユニットは、400〜500nmの範囲の波長で光を生成する任意のコンパクトな形の放射源であることが好ましい。この放射は、指向性であることが好ましく、高出力発光ダイオード等、通常用いられる光学素子などの、発光ユニットに組込まれる光学素子によって実現することができる。この場合には、単一発光素子または2つ以上の発光素子の組合せを具備するかどうかについては、装置の内部構成は、無関係である。
特に、「発光ユニット」なる語は、発光ダイオード(LED)を含む。しかし、欧州特許出願公開第0 755 662 A号明細書に記載されているようなレーザダイオードを用いることも可能である。
本発明の目的のために、受光ユニットは、発光ユニットまたは発光素子によって生成される光を受光し、指向して再放射する性能を有する任意の装置である。
これらは一般に、いわゆる光導波路ロッドである。光導波路ロッドは多数の束ねられたグラスファイバーを含む。これらの光導波路ロッドは、継手またはネジによって、発光ユニットまたはそれを含むハウジングに可逆的に接続可能である。
しかし、これはまた、従来のフィルタディスク、散乱光ディスクまたは独国特許発明第100 06 286 C1号明細書に記載されているような光導波路変換器を含む。
光導波路が取り外されるときには、発光ユニットおよび/または反射素子を湿気や埃から保護するために、必要に応じて、発光ユニットおよび/または反射素子は透明ディスクで覆われる。
発光ユニットは、一般に平面パネルに取り付けられることが好ましい。
照射装置の動作中に発光素子によって生成される熱を消失させる問題は、熱伝導性の高い基板材料および/またはヒートシンクに対する素子の直接熱伝導性アタッチメントの使用によって克服されることができる。熱はこの場合には、熱伝導性によって装置ハウジングに伝達され、そこから環境に逃すように放射される。したがって、さらに電力を消費するファンまたはペルティエ素子などのアクティブ冷却素子を使用する必要はない。尚、ファンの場合には、高い雑音レベルを生じる。さらに、これらの要素は清潔に維持することが困難であること、および通気スロットを設ける必要がないことから、衛生におけるさらなる改善が実現される。
通常の短期間動作中に生成される熱量を捕捉し、発光ユニットの温度を低く保って寿命を長くするために、高い熱容量を有する別の素子を発光ユニットに熱接続することができる。これは、動作中に生成される熱量を蓄え、治療の休止中に熱伝導性の高いハウジングによって該熱量を環境に連続的に放射する。
また、照射装置は一般に、発光素子のための電圧および電流レベルを制御するための電子制御ユニットと、好ましくはリチウムイオン充電式電池、NiMHまたはNi/Cd充電式電池などの充電式電池または電池と、ディスプレイユニットと、ハウジングと、を有する。
ハウジングは、本質的に間隙がまったくない表面を有し、当該表面内にディスプレイユニットが組込まれているように設計されることが好ましい。
本発明による照射装置は、特に医療分野、好ましくは歯科分野で用いられ、一方では、治療点を照射するため、または光によって硬化されることができる物質、特に複合材料、コンポマーまたはグラスアイオノマーセメントなどの歯科用充填材料を照射するために用いてもよい。
使用中、光導波路ロッドの出射端部は、治療点、たとえば、硬化対象の歯の充填物に向けられ、スイッチオン式押しボタンが押され、LEDが作動し、同時にディスプレイユニットが点灯する。所定の、または可変の時間間隔の後、制御回路は、発光ダイオードおよびディスプレイユニットへの電力供給を遮断する。
好ましい具体的な実施形態は、図面を参照し、以下に説明される。
図1に示される、歯科用プラスチックの照射のための手持ち式装置は発光ユニット(11)を含み、本質的に円筒形のハウジング(10)の前方領域に、LEDチップ(12)の形の発光素子を備えている。
発光素子(12)は、制御回路(15)によって時間制御されるドライバステージ(14)を介して、ハウジング(10)の後部に配置される電池(13)から給電される。制御回路(15)は、ハウジング(10)の側部に配置されるスイッチオン式押しボタン(16)、および同様にハウジング(10)の側部に配置されるディスプレイダイオード(17)に接続される。前端が湾曲している光導波路ロッドの形の受光ユニット(18)は、ハウジング(10)の円錐状の前端から突き出している。発光素子(12)は、平面保持板(19)上に配置される。
図2は、発光素子(12)から放射されるビームのうち、たとえば、光導波路(18)内に注入されることができるビームおよび注入されることができないビームを示している。実線によって表されるビームは、光導波路内に注入されることができるのに対し、点線によって示されるビームは、光軸に対する角度が光導波路の受光角より大きいため、光導波路内に注入されることができない。
図3は、本質的に図2に対応しており、鏡面になった円錐台の面状の反射素子(22)が、発光ユニット(12)の面から光導波路(18)の入射面に延在することのみ異なっているだけである。しかし、この反射素子によって、光導波路の受光角より大きい角度のために光導波路内に注入されることができないビームもまた、反射の結果、光軸に対する傾斜角の大きさが反射体の開口角度の2倍だけ低減されるため、端部に注入されることができる。受光角より小さい角度で発光ユニットから光円錐内に放射されるビームは、光導波路の入射開口部を直接照射するため、その強度をできる限り有効に利用することができる。
照射装置の長手方向の断面図を示している。 反射素子がない状態での、発光素子から受光素子への移行領域における照射装置の長手断面図を示している。 円錐形の反射素子を備えた図2に示されたものに対応する長手断面図を示している。
符号の説明
10 ハウジング
11 発光ユニット
12 発光素子/発光ダイオード
13 電池
14 ドライバステージ
15 制御回路
16 スイッチオン式押しボタン
17 ディスプレイユニット
18 受光ユニット/光導波路ロッド
19 保持板
20 集光領域
21 ヒートシンク本体
22 反射素子

Claims (13)

  1. ハウジング(10)と、
    前記ハウジング内に配置される単一の発光ユニット(11)と、
    光導波路を備え、且つ入射開口部を有する受光ユニット(18)と、
    前記発光ユニットと、前記受光ユニットの前記入射開口部との間の全距離にわたって延在し、小開口部および大開口部を有する反射素子(22)と、を備え、
    前記小開口部は前記発光ユニットに面し、前記大開口部は前記受光ユニットに面し、
    前記反射素子が、内部に反射面を有する円錐台であり、
    前記反射素子の傾斜角νが、関係式
    ν=0.5×(δ−α)
    に従い、式中、δは光導波路内に注入される光ビームが前記発光ユニットから離れる最大放射角であり、αは前記光導波路の受光角である照射装置。
  2. 前記大開口部が、前記受光ユニット(18)の直径以下の直径を有する、請求項1に記載の照射装置。
  3. 前記反射素子(22)の小開口部が、前記発光ユニット(11)を少なくとも部分的に包囲している、請求項1または2に記載の照射装置。
  4. 前記反射素子(22)の開口角度のサイズが、前記小開口部から前記大開口部まで連続的に、または少なくとも1つのステップで減少する、請求項1から3のいずれか一項に記載の照射装置。
  5. 前記発光ユニット(11)と前記受光ユニット(18)との間の距離が、前記受光ユニットの直径の2分の1より大きい、請求項1から4のいずれか一項に記載の照射装置。
  6. 前記反射素子(22)の長さが、前記発光ユニット(11)と前記受光ユニット(18)との間の距離より大きい、請求項5に記載の照射装置。
  7. 前記反射素子(22)の大開口部が、光学的保護ガラスによって覆われている、請求項1から6のいずれか一項に記載の照射装置。
  8. 前記反射素子(22)が、金属を含まない多層干渉反射体シートである、請求項に記載の照射装置。
  9. 前記発光ユニット(11)が、青色の高出力発光ダイオードであり、サイズが少なくとも0.25mm2、好ましくは1〜5mm2である少なくとも1つの発光素子を具備し、前
    記ユニットが100〜1400mW、好ましくは200〜800mWの照射出力を生成する、請求項1〜のいずれか一項に記載の照射装置。
  10. 前記発光ユニット(11)が、前記ハウジング(10)に熱接続されている、請求項1からのいずれか一項に記載の照射装置。
  11. 前記発光ユニット(11)が、高い熱伝導性を有する平面保持板(19)に取り付けられている、請求項1から10のいずれか一項に記載の照射装置。
  12. 前記受光ユニット(18)が、剛性光導波路ロッドまたは可撓性光導波路から選択される、請求項1から11のいずれか一項に記載の照射装置。
  13. ハウジング(10)と、
    前記ハウジングに配置される単一発光ユニット(11)と、
    入射開口部を備える受光ユニット(18)と、
    前記発光ユニットと、前記受光ユニットの入射開口部との間の全距離にわたって延在し、小開口部および大開口部を有する反射素子(22)と、を備え、
    前記小開口部は前記発光ユニットに対向し、前記大開口部は前記受光ユニットに対向し、
    前記反射素子が、内部に反射面を有する円錐台であり、
    前記反射素子は、前記発光ユニットからの放射角が前記受光ユニットの受光角より大きい光ビームのみを、前記受光ユニットへの所望の入射角範囲に選択的に偏向し、他の光ビームには影響を及ぼさない、請求項1から12のいずれか一項に記載の照射装置。
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