JP6216745B2 - 面状照明装置、及び光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、フレネルレンズを用いる面状照明装置及びそれを用いた光学機器に関する。

自動車等の車両の運転者に速度等の情報を表示する装置として、ヘッドアップディスプレイの使用が広がっている。ヘッドアップディスプレイは、前方を注視した運転者の視界内で速度等の情報を表示する装置であり、フロントガラス（ウィンドシールド）に情報を表示するウィンドシールドヘッドアップディスプレイと、ダッシュボードの上面に配置されるコンバイナに情報を表示するコンバイナヘッドアップディスプレイとに大別される。

ウィンドシールドやコンバイナへの情報の表示は、透過型の液晶パネルに形成された画像を、液晶パネルの背後に配置された面状照明装置によってウィンドシールドやコンバイナへ投影することによって行われる。ヘッドアップディスプレイに使用される面状照明装置の一例は、特許文献１に開示されている。また、フレネルレンズについては特許文献２に開示されている。

特許第４６７１１１７号 特開２００２−２２１６０５号

特許文献１が開示するように、ヘッドアップディスプレイに使用される面状照明装置は、一般的に、液晶パネル全域を均一な輝度で照らすために複数のＬＥＤ光源を備えている。しかしながら、製造コストの削減や、使用時の消費電力低減といった観点から、使用するＬＥＤ光源の数を少なくすることが求められている。

本発明は、上記の課題を解決することを目的とし、より少ない光源によって広い面積を照明することができ且つ輝度ムラの少ない面状照明装置、及びこれを用いた光学機器を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、面状照明装置であって、
光源と、
前記光源からの光が入射するように配置されたフレネルレンズと、
前記フレネルレンズの前記光源とは反対側に設けられ、複数の第１プリズムを有する第１プリズムアレイと、
第１プリズムアレイの前記フレネルレンズとは反対側に設けられた複数の第２プリズムを有する第２プリズムアレイとを備え、
第１プリズムアレイと第２プリズムアレイとは第１プリズムと第２プリズムとが対向するように配置されている面状照明装置が提供される。

本発明の面状照明装置において、第１プリズムは前記フレネルレンズからの光を分岐してもよく、第２プリズムは第１プリズムにより分岐された光を偏向してもよい。

本発明の面状照明装置において、第１プリズムと第２プリズムは同一形状を有してもよい。

本発明の面状照明装置において、第1プリズムと第２プリズムの断面形状は三角形であってもよい。

本発明の面状照明装置において、前記フレネルレンズに入射する前記光源からの光と前記面状照明装置の光軸との間の最大拡がり角度が４５°以上且つ９０°未満であってもよい。

本発明の面状照明装置において、前記フレネルレンズの光出射面に第１プリズムアレイが形成されていてもよい。

本発明の面状照明装置において、複数の第１プリズム及び複数の第２プリズムは、それぞれ第１方向に延在する複数の線状プリズムであってもよい。

本発明の面状照明装置において、第１プリズムから出射される光と前記面状照明装置の光軸との間の角度θが、第１プリズムの傾斜角をα、屈折率をｎとして

と表される時、第１プリズムアレイと第２プリズムアレイとの間の面状照明装置の光軸方向の距離Ｌは、第１方向と光軸方向とに直交する第２方向における第２プリズムアレイの幅をＷ、第２方向に沿って配置された光源の数をＮとして

を満足してもよい。

本発明の面状照明装置は、さらに、第２プリズムアレイの第１プリズムアレイとは反対側に設けられ、第１方向に直交する第２方向に延在する線状の第３プリズムを複数有する第３プリズムアレイと、第３プリズムアレイの第２プリズムアレイとは反対側に設けられ、第２方向に延在し且つ第３プリズムと同一形状の線状の第４プリズムを複数有する第４プリズムアレイとを備えてもよく、第３プリズムアレイと第４プリズムアレイとは第３プリズムと第４プリズムとが対向するように配置されていてもよい。

本発明の面状照明装置は、第３プリズムアレイが第２プリズムアレイの光出射面に設けられていてもよい。

本発明の面状照明装置は、第４プリズムアレイの光出射面にアレイ状のシリンドリカルレンズが設けられていてもよい。

本発明の面状照明装置は、第１プリズムアレイと第２プリズムアレイの間であって、第１プリズムアレイと第２プリズムアレイの対応する端部を連結するような反射面を備えてもよい。

本発明の面状照明装置は、単一の前記光源及び単一の前記フレネルレンズを有してもよい。

本発明の第２の態様によれば、第１の態様の面状照明装置を用いた光学機器が提供される。

本発明の面状照明装置、及びこれを用いた光学機器によれば、より少ない光源によって広い面積を照明することができ且つ輝度ムラを少なくできる。

図１は、本発明の実施形態の面状照明装置の外観を示す斜視図である。 図２は、本発明の実施形態の面状照明装置における光学素子の配置を示す概略図であり、図２（ａ）は長手方向に沿った断面を、図２（ｂ）は短手方向に沿った断面を示す。 図３（ａ）は複合フレネルレンズから出射された光の輝度分布を、図３（ｂ）はＬＥＤ光源からの光が複合フレネルレンズを通過する様子を示す。 図４（ａ）はプリズムアレイから出射された光の輝度分布を、図４（ｂ）は複合フレネルレンズからの平行光がプリズムアレイによって分岐される様子を示す。 図５は平行光がプリズムアレイによって分岐される様子を示す。 図６（ａ）は第２光学素子上に区画される複数の領域を説明する説明図であり、図６（ｂ）は第３光学素子上に区画される複数の領域を説明する説明図である。 図７は、本発明の実施形態の面状照明装置を含むヘッドアップディスプレイの概略図である。 図８は、実施例の面状照明装置の発光面の輝度分布を示すシミュレーション結果である。 図９は、比較例の面状照明装置における光学素子の配置を示す概略図である。 図１０は、比較例の面状照明装置の発光面の輝度分布を示すシミュレーション結果である。 図１１は、第１光学素子に設けられた複数の複合フレネルレンズを示す図である。

＜実施形態＞
図１〜図７を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１、２に示す通り、本実施形態の面状照明装置１００は、ＬＥＤ光源ＬＳ、第１光学素子１、第２光学素子２、第３光学素子３、拡散板４、及びこれらを保持する筐体９０を主に有する。

筐体９０は直方体状であり、断面形状が矩形である筒部９１と、筒部９１の一方の開口を塞ぐ底部９２とを有する。ＬＥＤ光源ＬＳは筐体９０の底部９２の中央に配置されている。第１光学素子１、第２光学素子２、第３光学素子３、拡散板４は、ＬＥＤ光源ＬＳからの光の光路に沿って、この順番で、筐体９０の筒部９１に保持されている。拡散板４は、筒部９１の他方の開口を塞いでいる。拡散板４の外面は、ＬＥＤ光源ＬＳからの光を面状照明装置１００の外部に出射する発光面ＥＳである。

以下の説明においては、ＬＥＤ光源ＬＳを通り且つ筒部９１の回転対称軸（中心軸）を通る軸を面状照明装置１００の光軸ＯＡとする。第１光学素子１、第２光学素子２、第３光学素子３、拡散板４はいずれも直方形の板状であり、その長辺方向を長手方向、短辺方向を短手方向という。

第１光学素子１は、一方の面に複合フレネルレンズ１１が、他方の面に複数の線状プリズム（リニアプリズム）１２（第１プリズム）を有するプリズムアレイ１２０（第１プリズムアレイ）が形成された矩形板状の光学素子である。換言すれば、第１光学素子１は、複合フレネルレンズ１１とプリズムアレイ１２０とが合体された光学素子である。第１光学素子１は、筐体９０の筒部９１によって、第１光学素子１の表面（光入射面）が光軸ＯＡと直交し且つ第１光学素子１の光軸が光軸ＯＡと一致するように保持されている。また、第１光学素子１は、複合フレネルレンズ１１がＬＥＤ光源ＬＳと対向するように配置されている。

複合フレネルレンズ１１は、第１光学素子１の中心Ｃ１を中心とした円環状の複数の屈折プリズム１１ａと、中心Ｃ１を中心とした円環状の複数の反射プリズム１１ｂとを有する。屈折プリズム１１ａは中心Ｃ１に近い位置に設けられており、反射プリズム１１ｂは屈折プリズム１１ａの外側に設けられている。

円環状の複数の屈折プリズム１１ａのそれぞれの頂角α_１１ａは、複合フレネルレンズ１１の焦点距離ｆ、屈折プリズム１１ａの屈折率、及び屈折プリズム１１ａの環の半径に基づいて定めることができる。また、円環状の複数の反射プリズム１１ｂのそれぞれの頂角α_１１ｂも、複合フレネルレンズ１１の焦点距離ｆ、反射プリズム１１ｂの屈折率、及び反射プリズム１１ｂの環の半径に基づいて定めることができる。複合フレネルレンズは知られた光学部材であり、その詳細は、例えば特開２００２−２２１６０５号に開示されている。

複合フレネルレンズ１１は、その焦点位置にＬＥＤ光源ＬＳが位置するように、ＬＥＤ光源ＬＳに対して配置されている。したがって、複合フレネルレンズ１１とＬＥＤ光源ＬＳとは、光軸方向において、複合フレネルレンズ１１の焦点距離ｆだけ離間している（図２）。本実施形態では、複合フレネルレンズ１１の焦点距離ｆは、第１光学素子１の長手方向の寸法Ｗ１の１／２である。

第１光学素子１の他方の面（複合フレネルレンズ１１の光出射面）には、第１光学素子１の短手方向に延在する線状プリズム１２が第１光学素子１の長手方向に一定のピッチで複数形成されたプリズムアレイ１２０が設けられている。各線状プリズム１２の断面形状は二等辺三角形であり、その傾斜角α_１２は、５２°〜６８°程度にすることができる。線状プリズム１２間のピッチは、例えば２０μｍ〜２００μｍ程度にすることができる。なお、本願において、線状プリズムが線状に延在する方向を第１方向と呼び、第１方向と直交する方向を第２方向と呼ぶことがある。

第１光学素子１は、一例としてポリカーボネート樹脂やアクリル樹脂等の光透過性樹脂材料を用いて成形することができる。

第２光学素子２は、一方の面に短手方向に延在する複数の線状プリズム２１（第２プリズム）を有するプリズムアレイ２１０（第２プリズムアレイ）が形成され、他方の面に長手方向に延在する複数の線状プリズム２２（第３プリズム）を有するプリズムアレイ２２０（第３プリズムアレイ）が形成された矩形板状の光学素子である。換言すれば、第２光学素子２は、プリズムアレイ２１０とプリズムアレイ２２０とが合体された光学素子である。第２光学素子２は、筐体９０の筒部９１によって、第２光学素子２の表面（光入射面）が光軸ＯＡと直交し且つ第２光学素子２の光軸が光軸ＯＡと一致するように保持されている。また第２光学素子２は、第１光学素子１の、ＬＥＤ光源ＬＳとは反対側に配置されている。即ち、ＬＥＤ光源ＬＳが光軸ＯＡの方向において第１光学素子１の光入射側に位置するのに対して、第２光学素子２は光軸ＯＡの方向において第１光学素子１の光出射側に位置する。プリズムアレイ２１０は、第１光学素子１のプリズムアレイ１２０と対向するように配置されている。したがって、第２光学素子２のプリズムアレイ２１０が設けられている面が光入射面であり、プリズムアレイ２２０が設けられている面が光出射面である。

プリズムアレイ２１０の複数の線状プリズム２１は、それぞれが第２光学素子２の短手方向に延在し、且つ第２光学素子２の長手方向に一定のピッチで配置されている。各線状プリズム２１の断面形状は二等辺三角形であり、その傾斜角α_２１は線状プリズム１２の傾斜角α_１２に等しい。即ち、線状プリズム２１は線状プリズム１２と同一形状であり且つ同一のサイズである。また、複数の線状プリズム２１間のピッチは複数の線状プリズム１２間のピッチに等しい。

第２光学素子２の光出射面に形成されたプリズムアレイ２２０の複数の線状プリズム２２は、それぞれが第２光学素子２の長手方向に延在し、且つ第２光学素子２の短手方向に一定のピッチで配置されている。各線状プリズム２２の断面形状は二等辺三角形であり、その傾斜角α_２２（図２（ｂ））は、例えば５２°〜６８°程度にすることができる。線状プリズム２２間のピッチは、一例として２０μｍ〜２００μｍ程度にすることができる。

第２光学素子２は、一例としてポリカーボネート樹脂やアクリル樹脂等の光透過性樹脂材料を用いて成形することができる。線状プリズム２１と線状プリズム１２は、製造及び光学設計の観点から同じ材料で形成することが望ましい。

第３光学素子３は、一方の面に長手方向に延在する複数の線状プリズム３１（第４プリズム）を有するプリズムアレイ３１０（第４プリズムアレイ）が形成され、他方の面に短手方向に延在する複数のシリンドリカルレンズ３２がアレイ状に形成された矩形板状の光学素子である。換言すれば、第３光学素子３は、プリズムアレイ３１０とアレイ状のシリンドリカルレンズ３２とが合体された光学素子である。第３光学素子３は、筐体９０の筒部９１によって、光軸ＯＡと直交し且つ第３光学素子３の光軸が光軸ＯＡと一致するように保持されている。また第３光学素子３は、第２光学素子２の、ＬＥＤ光源ＬＳとは反対側に配置され、プリズムアレイ３１０が第２光学素子２のプリズムアレイ２２０と対向するように配置されている。したがって、プリズムアレイ３１０が形成されている面が第３光学素子３の光入射面となり、シリンドリカルレンズ３２が形成された面が光出射面となる。

第３光学素子３のプリズムアレイ３１０が有する複数の線状プリズム３１は、それぞれが第３光学素子３の長手方向に延在し、且つ第３光学素子３の短手方向に一定のピッチで配置されている。各線状プリズム３１の断面形状は二等辺三角形であり、その傾斜角α_３１は線状プリズム２２の傾斜角α_２２に等しい。即ち、線状プリズム３１は線状プリズム２２と同一形状であり且つ同一のサイズである。また、複数の線状プリズム３１間のピッチは複数の線状プリズム２２間のピッチに等しい。

第３光学素子３の光出射面に形成された複数のシリンドリカルレンズ３２は、それぞれが第３光学素子３の短手方向に延在し、且つ第３光学素子３の長手方向に一定のピッチで配置されている。

第３光学素子３は、一例としてポリカーボネート樹脂やアクリル樹脂等の光透過性樹脂材料により形成することができる。なお、線状プリズム３１と線状プリズム２２とは、製造及び光学設計の観点から、同じ材料で形成することが望ましい。

拡散板４は、一方の面に入射した光を他方の面から拡散して出射する光学素子である。拡散板４は矩形板状であり、筐体９０の筒部９１によって、光軸ＯＡと直交し且つ拡散板４の光軸が光軸ＯＡと一致するように保持されている。

拡散板４の、第３光学素子３と対向する面とは反対側の面には光出射面である発光面ＥＳが画成されている。拡散板４の光入射面と第３光学素子３の光出射面との間の距離は任意に設定することができる。

筐体９０の筒部９１の内周面９１iのうち、光軸方向において第１光学素子１と拡散板４とに挟まれた領域にはリフレクタＲ（反射面）が形成されている。即ち、リフレクタＲは、第１光学素子１の外周縁（端部）と第２光学素子２の外周縁（端部）、第２光学素子２の外周縁（端部）と第３光学素子３の外周縁（端部）、第３光学素子３の外周縁（端部）と拡散板４の外周縁（端部）をそれぞれ光軸方向につなぐように、筐体９０の筒部９１の内周面９１iに形成されている。リフレクタＲは、第１光学素子１、第２光学素子２、第３光学素子３から出射した光のうち、各光学素子の外周縁を超えて光軸ＯＡから離間する方向に進む光を光軸ＯＡ側に向けて鏡面反射する。リフレクタＲは、ポリエステル系樹脂等の任意の反射性材料から構成し得る。

次に、面状照明装置１００における光路及び輝度分布などについて説明する。

図３（ｂ）に示す通り、ＬＥＤ光源ＬＳから出射された光は、第１光学素子１の光入射面上の複合フレネルレンズ１１に入射する。ＬＥＤ光源ＬＳから出射された光のうち、光軸ＯＡ近傍の光は、複合フレネルレンズ１１の屈折プリズム１１ａに入射し、光軸ＯＡから離れた光は、複合フレネルレンズ１１の反射プリズム１１ｂに入射する。

本実施形態では、ＬＥＤ光源ＬＳは複合フレネルレンズ１１の焦点位置に配置されており、複合フレネルレンズ１１の焦点距離ｆは、第１光学素子１の長手方向の寸法Ｗ１の１／２である。したがって、ＬＥＤ光源ＬＳから複合フレネルレンズ１１に入射する光線の光軸ＯＡに対する最大拡がり角度θmaxは４５°である。

ＬＥＤ光源ＬＳが複合フレネルレンズ１１の焦点位置に配置されているため、複合フレネルレンズ１１から出射される光は、光軸ＯＡ方向に進む平行光となる。ＬＥＤ光源ＬＳから出射された光は指向性（ランバート配光）を有するため、光軸ＯＡ方向に出射される光の強度（光度）は、光軸ＯＡから離間した方向に出射される光の強度（光度）よりも大きい。したがってフレネルレンズ１１からの輝度分布は、図３（ａ）に示すように、光軸ＯＡ近傍にピークを有する。

複合フレネルレンズ１１を通過した光は、第１光学素子１の光出射面上のプリズムアレイ１２０に入射し、プリズムアレイ１２０の線状プリズム１２によって長手方向の両側に分岐される。即ち、複合フレネルレンズ１１からの光は、図４（ｂ）に示すように、線状プリズム１２での反射及び屈折により、長手方向において稜線（又は谷線）を挟んで形成された２つのプリズム面から光軸ＯＡに対して所定の角度θ_１２（出射角）だけ傾斜して出射する。

プリズムアレイ１２０からの輝度分布は、図４（ａ）に実線で示す通り、長手方向において、光軸ＯＡの一方側と他方側にそれぞれ１つのなだらかなピークを有する。すなわちプリズムアレイ１２０から出射された光は二峰性の輝度分布を有する。これは、複合フレネルレンズ１１から出射された光の輝度分布（図３（ａ））において光軸ＯＡ近傍に位置していた輝度ピークが、図４（ａ）に点線で示す通り、長手方向において光軸ＯＡの一方側と他方側とに分散されるためである。なお、図４（ａ）においては、説明の都合上、点線で示す輝度分布を実線で示す輝度分布より下方に表した。

第１光学素子１のプリズムアレイ１２０によって二峰化された輝度分布を持つ光束は、第２光学素子２のプリズムアレイ２１０に入射する。プリズムアレイ１２０の複数の線状プリズム１２と、プリズムアレイ２１０の複数の線状プリズム２１とは、上述の通り、同一の形状を有し、且つ同一のピッチで配置されている。したがってプリズムアレイ２１０に入射した光は、同一の輝度分布を維持しつつ、再び光軸ＯＡに平行な光に偏向される。このようにプリズムアレイ２１０は、プリズムアレイ１２０によって分岐された光（分岐光）を偏向して光軸ＯＡの方向に戻す作用がある。但し、プリズムアレイ２１０は、必ずしも分岐光を偏向して光軸ＯＡと平行な方向に偏向しなくてもよく、分岐光の進行方向をより光軸ＯＡに近づけるように偏向すればよい。すなわち、分岐光のプリズムアレイ２１０への入射角θinに対して、プリズムアレイ２１０を通過した光、即ち、プリズムアレイ２１０からの出射光の出射角θoutが小さく（θin>θout）なればよい。

ここで、線状プリズム１２の傾斜角α_１２、及び線状プリズム２１の傾斜角α_２１は、５２°よりも大きく６８°未満であることが望ましい。傾斜角α_１２、α_２１が５２°以下である場合には、線状プリズム１２の材料によっては、例えばポリカーボネート（屈折率１．５９）やＰＭＭＡ（屈折率１．４９）などでは、線状プリズム１２からの光と光軸ＯＡとの間の角度θ_１２が９０°以上となり、第２光学素子２に向かう光の効率が低下するおそれがある。傾斜角α_１２、α_２１が６８°以上となれば、上記のような材料の線状プリズム１２では、線状プリズム１２からの光と光軸ＯＡとの間の角度θ_１２が３０°以下となり、光の分岐による輝度分布の均一化が十分に果たせなくなる可能性がある。

次に、第２光学素子２のプリズムアレイ２１０から出射された光は、第２光学素子２の光出射面上のプリズムアレイ２２０に入射し、プリズムアレイ２２０の線状プリズム２２によって短手方向の両側に分岐される。即ち、第２光学素子２のプリズムアレイ２１０から出射された光は、図５に示すように、線状プリズム２２での反射及び屈折により、短手方向において稜線（又は谷線）を挟んで形成された２つのプリズム面から、光軸ＯＡに対して所定の角度θ_２２だけ傾斜して出射する。

第２光学素子２のプリズムアレイ２２０からの光の輝度分布は、プリズムアレイ２１０から出射された光の輝度分布が有する２つのなだらかなピークがそれぞれ短手方向に分割された四峰性を有する。具体的には輝度分布は、第２光学素子２を長手方向及び短手方向に２分割して得られる４つの矩形領域の各中央部に対応する位置に、合計４つのなだらかなピークを有する。従って、図３（ａ）に示すような輝度分布における中央の単一のピークは４つの領域におけるなだらかなピークに分散され、全体として輝度は均一化される。

第２光学素子２のプリズムアレイ２２０によって短手方向の両側に分岐された光は、第３光学素子３のプリズムアレイ３１０に入射する。プリズムアレイ２２０の複数の線状プリズム２２と、プリズムアレイ３１０の複数の線状プリズム３１とは、上述の通り、同一の形状を有し、且つ同一のピッチで配置されている。したがって複数の線状プリズム３１を出射する光は、同一の輝度分布を維持しつつ再び光軸ＯＡに平行な光に偏向される。なお、プリズムアレイ３１０も、プリズムアレイ２１０と同様に、必ずしも分岐光を偏向して光軸ＯＡと平行な方向に偏向しなくてもよく、分岐光の進行方向をより光軸ＯＡに近づけるように偏向すればよい。

ここで、線状プリズム２２の傾斜角α_２２、及び線状プリズム３１の傾斜角α_３１は、５２°よりも大きく、６８°よりも小さいことが望ましい。その理由は、線状プリズム１２の傾斜角α_１２、及び線状プリズム２１の傾斜角α_２１が５２°よりも大きく、６８°よりも小さいことが望ましい理由と同じである。

次に、第３光学素子３の光入射面に形成されたプリズムアレイ３１０から出射された光は、第３光学素子３の光出射面に形成された複数のシリンドリカルレンズ３２に入射して長手方向に拡散される。これにより、光の配向分布が調整される。

次に、複数のシリンドリカルレンズ３２から出射された光は拡散板４によって全方向に拡散され、拡散板４の外面に画成された発光面ＥＳより、面状照明装置１００の外部に放射される。拡散板４により光を全方向に拡散することにより、輝度分布が更に均一化される。

ここで、第１光学素子１の光出射面（プリズムアレイ１２０が形成された面）と第２光学素子２の光入射面（プリズムアレイ２１０が形成された面）との間の光軸方向の距離Ｌ１（図２）について説明する。

第１光学素子１の光出射面と、第２光学素子２の光入射面との間の光軸ＯＡ方向の距離Ｌ１は、線状プリズム１２から出射される光の光軸ＯＡに対する角度をθ_１２（図４）、第２光学素子２の長手方向の寸法をＷ１として、

の関係を満たすことが望ましい。ここで、角度θ_１２は、線状プリズム１２の傾斜角α_１２と、線状プリズム１２の屈折率ｎ_１２とを用いて

と表される。

これは、距離Ｌ１をこのような範囲内の値とすれば、第１光学素子１で分岐されて第２光学素子２に入射する光の、第２光学素子２の入射面での輝度分布が、第２光学素子２を長手方向に二分割して得られる領域ＲＡ１、ＲＡ２（図６（ａ））の各中央部近傍にピークを有する形状となるためである。輝度分布のピークをこのように調整することで、第２光学素子２から出射される光の輝度分布をより均一にすることができる。

次に、第２光学素子２の光出射面（プリズムアレイ２２０が形成された面）と第３光学素子３の光入射面（プリズムアレイ３１０が形成された面）との間の光軸方向の距離Ｌ２（図２）について説明する。

第２光学素子２の光出射面と、第３光学素子３の光入射面との間の光軸ＯＡ方向の距離Ｌ２は、線状プリズム２２から出射される光の光軸ＯＡに対する角度をθ_２２（図５）、第３光学素子３の短手方向の寸法をＷ２として、

の関係を満たすことが好ましい。ここで、角度θ_２２は、線状プリズム２２の傾斜角α_２２と、線状プリズム２２の屈折率ｎ_２２とを用いて

と表される。

これは、距離Ｌ２をこのような範囲内の値とすれば、第２光学素子２で分岐されて第３光学素子３に入射する光の、第３光学素子３の入射面での輝度分布が、第３光学素子３を長手方向及び短手方向に四分割して得られる領域ＲＡ３、ＲＡ４、ＲＡ５、ＲＡ６（図６（ｂ））の各中央部近傍にピークを有する形状となるためである。輝度分布のピークをこのように調整することで、第３光学素子３から出射される光の輝度分布をより均一にすることができる。

本実施形態の面状照明装置１００は、一例としてヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）用の光源として使用することができる。図７に示す通り、面状照明装置１００を光源として使用するヘッドアップディスプレイＨにおいては、面状照明装置１００は透過型の液晶パネルＰの背後に設置される。透過型の液晶パネルＰに生成された画像は、面状照明装置１００に照らされて、凹面ミラーＭを介してウィンドシールドＷＳに投影される。運転者Ｄは、ウィンドシールドＷＳに投影された画像の虚像画像Ｉを視認して速度等の情報を得る。

本実施形態の面状照明装置１００の効果は次の通りである。

本実施形態の面状照明装置１００は、複合フレネルレンズ１１を通過した平行光を、プリズムアレイ１２０により光軸ＯＡに対して傾斜するように長手方向に分岐した後に、プリズムアレイ１２０に対向して配置された、プリズムアレイ１２０と同一のプリズムアレイ２１０に入射して再び平行光に偏向している。本実施形態の面状照明装置１００においては、このようにして複合フレネルレンズ１１からの光の輝度分布に二峰性が与えられ、これにより輝度分布の均一化が行われるため、発光面ＥＳから発光される光の輝度分布の均一性が高い。

本実施形態の面状照明装置１００は、プリズムアレイ２１０から出射された平行光を、プリズムアレイ２２０により光軸ＯＡに対して傾斜するように短手方向に分岐した後に、プリズムアレイ２２０に対向して配置された、プリズムアレイ２２０と同一のプリズムアレイ３１０に入射して再び平行光に偏向している。本実施形態の面状照明装置１００においては、このようにしてプリズムアレイ２２０からの光の輝度分布に四峰性が与えられ、これにより輝度分布の均一化が行われるため、発光面ＥＳから発光される光の輝度分布の均一性が高い。

本実施形態の面状照明装置１００においては、複合フレネルレンズ１１の焦点距離ｆは、第１光学素子１の長手方向の寸法Ｗ１の１／２であり、ＬＥＤ光源ＬＳから出射されて複合フレネルレンズ１１に入射する光線の光軸ＯＡに対する最大拡がり角度θmaxは４５°である。すなわちＬＥＤ光源ＬＳと第１光学素子１との光軸方向の距離が小さく、面状照明装置１００をより薄型化することができる。さらに、本実施形態の面状照明装置１００によれば、単一のＬＥＤ光源で６０ｍｍ×４０ｍｍ以上の大面積の面状照明エリアを提供できる。

本実施形態の面状照明装置１００は、筐体９０の筒部９１の内周面９１iにリフレクタＲが形成されている。したがって、第１光学素子１、第２光学素子２、第３光学素子３の外周縁を超えて光軸ＯＡから離れる光を光軸ＯＡ側に戻すことができ、ＬＥＤ光源ＬＳからの光を効率良く発光面ＥＳから出射することができる。

＜実施例＞
次に面状照明装置１００の実施例を示す。

実施例の面状照明装置１００は、第１光学素子１、第２光学素子２、第３光学素子３、拡散板４の長手方向の寸法Ｗ１が６８ｍｍ、短手方向の寸法Ｗ２が４２ｍｍである。また、複合フレネルレンズ１１の焦点距離ｆは２１ｍｍであり、ＬＥＤ光源ＬＳは複合フレネルレンズ１１の焦点位置に配置されている。第１光学素子１と第２光学素子２との間の光軸方向の距離Ｌ１は１０ｍｍであり、第２光学素子２と第３光学素子３との間の光軸方向の距離Ｌ２は６ｍｍであり、第３光学素子３と拡散板４との間の距離は４ｍｍである。第１光学素子１の材料はポリカーボネート（屈折率１．５９）とした。

ＬＥＤ光源ＬＳは、日亜化学工業株式会社のＮＦＣＷＬ０３６Ｂ（１４４０ｌｍ）を使用した。またリフレクタＲの反射率は９０％とし、線状プリズム１２、２１、２２、３１の傾斜角はいずれも６０°とし、プリズムアレイ１２０、２１０、２２０、３１０が有する線状プリズム１２、２１、２２、３１の配列のピッチはいずれも２５μｍとした。

拡散板４としては、拡散板４に入射した平行光の拡散板透過後の光度分布の半値全幅が１０°となるものを使用した。なお、第３光学素子３の光出射面にはシリンドリカルレンズ３２を設けなかった。

このような仕様を有する面状照明装置１００の発光面ＥＳから出射される光の輝度分布をシミュレーションにより求めた結果を図８に示す。図８において、色の濃度が異なる位置は輝度が異なることを示している。この輝度分布における輝度均一性（（最小輝度／最大輝度）×１００）は、７５．６％であった。したがって、発光面ＥＳから出射される光の輝度は、発光面全域においてほぼ均一となっていることがわかる。

また、上記仕様の面状照明装置１００の実機を作成し、発光面ＥＳから出射される光の輝度を測定したところ、発光面ＥＳ内の１５点で測定した輝度の平均値は１２９万ｃｄ／ｍ^２であり、輝度均一性は７９．８％であった。

＜比較例＞
次に比較例の面状照明装置について説明する。

比較例の面状照明装置５００は、図９に示す通り、筐体８０の内部に、ＬＥＤ光源ＬＳ、複合フレネルレンズ５１と拡散板４のみが設けられた構造を有するものを想定した。

すなわち比較例の面状照明装置５００は、上記実施例の面状照明装置１００から、第１光学素子１に形成されたプリズムアレイ１２０、第２光学素子２、第３光学素子３を取り除き、拡散板４と複合フレネルレンズ１１との間の距離を小さくしたものに等しい。

比較例の面状照明装置５００においても、上記実施例と同様に、複合フレネルレンズ５１の焦点距離ｆは２１ｍｍであり、ＬＥＤ光源ＬＳは複合フレネルレンズ５１の焦点位置に配置されている。また、複合フレネルレンズ５１と拡散板４との間の距離は４ｍｍである。複合フレネルレンズ５１及び拡散板４の長手方向の寸法Ｗ１、短手方向の寸法Ｗ２は、それぞれ実施例の面状照明装置におけるそれらの値と同じである。複合フレネルレンズ５１の材料はポリカーボネート（屈折率１．５９）である。また、ＬＥＤ光源ＬＳ、リフレクタＲ、拡散板４も実施例の面状照明装置と同じものを使用した。

このような比較例の面状照明装置５００の発光面ＥＳから出射される光の輝度分布をシミュレーションにより求めた結果を図１０に示す。図１０において、色の濃度が異なる位置は輝度が異なることを示している。この輝度分布における輝度均一性（（最小輝度／最大輝度）×１００）は、１２．０％であった。従って、比較例の面状照明装置５００の発光面ＥＳから出射される光は輝度ムラが大きく、光軸ＯＡ近傍における輝度がその周囲の輝度に比べて著しく大きいことが分かる。

上記実施形態の面状照明装置１００において、以下に述べるような変形を行ってもよい。

上記実施形態の面状照明装置１００においては、複合フレネルレンズ１１の焦点距離ｆは、第１光学素子１（複合フレネルレンズ１１）の長手方向の寸法Ｗ１の１／２であった。しかしながら、複合フレネルレンズ１１の焦点距離ｆは任意に設定してよい。但し、複合フレネルレンズ１１の焦点距離ｆを、第１光学素子１（複合フレネルレンズ１１）の長手方向の寸法Ｗ１の１／２以下とすることが望ましい。こうすることで、ＬＥＤ光源ＬＳから出射されて複合フレネルレンズ１１に入射する光線の光軸ＯＡに対する最大角度θ_ｍａｘ（図３（ｂ））は４５°以上かつ９０°未満となり、第１光学素子１（複合フレネルレンズ１１）とＬＥＤ光源ＬＳとの間の光軸方向の距離を小さくすることができ、ひいては面状照明装置１００を薄型化することができる。

このように焦点距離ｆを小さくして、複合フレネルレンズ１１に入射する光線の光軸ＯＡに対する最大拡がり角度θ_ｍａｘを大きくすれば、ＬＥＤ光源ＬＳから出射される光のうち、光軸ＯＡに対して大きな角度を有して出射される光も複合フレネルレンズ１１に入射する。これはＬＥＤ光源ＬＳから出射された光を効率良く発光面ＥＳから出射するうえでは有利である。しかし一方で、ＬＥＤ光源ＬＳから出射される光のうち光軸ＯＡに対して大きな角度を有して出射される光は強度（光度）が小さいため、焦点距離を小さくすることで、複合フレネルレンズ５１から出射される光の輝度ムラは大きくなる。このような問題は、上記の比較例の面状照明装置５００に顕著に表れている。ここで本実施形態の面状照明装置１００は、上述の通り、複合フレネルレンズ１１から出射された光をプリズムアレイ１２０等により分岐して輝度をより均一にしているため、複合フレネルレンズ１１の焦点距離ｆを小さくし、その焦点位置にＬＥＤ光源ＬＳを配置しても、発光面ＥＳの輝度分布の均一性を高くできる。

上記実施形態の面状照明装置１００の第１光学素子１には、複合フレネルレンズ１１に代えて屈折プリズムのみからなるフレネルレンズを形成してもよい。

上記実施形態の面状照明装置１００においては、線状プリズム１２と線状プリズム２１が同一形状で且つ同一サイズであったが、これに限らず、相似形のように同一形状でサイズが異なってもよい。あるいは、線状プリズム１２と線状プリズム２１の形状が多少異なっていてもよい。すなわち、線状プリズム１２によって分岐された光が線状プリズム２１を通過することによって光軸ＯＡと平行にならなくてもよく、線状プリズム２１からの光の出射角が線状プリズム２１に入射する光の入射角より小さくなるように線状プリズム２１が形状化されていてもよい。線状プリズム２２と線状プリズム３１の形状の関係についても同様である。

上記実施形態の面状照明装置１００においては、線状プリズム１２、２１、２２、３１の断面形状はいずれも二等辺三角形であったが、これには限られない。線状プリズム１２、２１、２２、３１の断面形状は、稜線の両側に形成されるプリズム面の傾斜角が互いに異なる形状や、稜線と谷線の間に画成される１つのプリズム面が、異なる傾斜角を有する複数のプリズム面で構成された形状であってもよい。または、線状プリズム１２、２１、２２、３１のプリズム面は、稜線と谷線との間で湾曲していてもよい。線状プリズム１２、２１、２２、３１をこのような形状とすることにより、線状プリズム１２、２１、２２、３１にシリンドリカルレンズ３２と同様の配向分布調整機能を与えることができる。なお、本願において、「三角形」とは、完全な三角形状のもののみならず、一般的に三角形状とみなすことができるものを含み、例えば、頂部が多少丸みを帯びているもの等を含む。

上記実施形態の面状照明装置１００において、第２光学素子２のプリズムアレイ２２０と第３光学素子３のプリズムアレイ３１０とを省略してもよい。又は第１光学素子１のプリズムアレイ１２０と第２光学素子２のプリズムアレイ２１０とを省略してもよい。これらのプリズムアレイを有さない構成によっても、発光面ＥＳからの出射される光の輝度を長手方向又は短手方向において均一化できる。

上記実施形態の面状照明装置１００において、第３光学素子３は複数のシリンドリカルレンズ３２を有さなくてもよい。シリンドリカルレンズ３２を有さない構成によっても、発光面ＥＳからの出射される光の輝度を均一化できる。

上記実施形態の面状照明装置１００は、拡散板４を有さなくても良い。拡散板４を有さない構成によっても、発光面ＥＳからの出射される光の輝度を均一化できる。

上記実施形態の面状照明装置１００において、筐体９０の筒部９１の内周面９１ｉにリフレクタＲが形成されていなくてもよい。なお、リフレクタＲが形成されていない場合には、第１光学素子１に形成されたプリズムアレイ１２０と第２光学素子２に形成されたプリズムアレイ２１０との間の光軸方向の距離Ｌ１は、

とすることが望ましく、第２光学素子２に形成されたプリズムアレイ２２０と第３光学素子３に形成されたプリズムアレイ３１０との間の光軸方向の距離Ｌ２は、

とすることが望ましい。

数式１、３、５、６をまとめると次の通りである。筐体９０に所定方向の寸法がＷのある光学素子と、所定方向の寸法がＷの他の光学素子が保持されており、ある光学素子にＬＥＤ光源ＬＳからの光を所定方向に分岐するあるプリズムアレイが形成されており、他の光学素子のある光学素子と対向する面に、あるプリズムアレイによって所定方向に分岐された光線をより光軸ＯＡに近づけるように偏向するための他のプリズムアレイが形成されている状況においては、ある光学素子と他の光学素子との間の光軸方向の距離Ｌは以下であることが望ましい。なお、θはあるプリズムアレイのある線状プリズムから出射される光と光軸ＯＡとの間の角度であり、ある線状プリズムの傾斜角をα、屈折率をｎとして、

で表される。

すなわち、筐体９０の筒部９１の内周面９１ｉにリフレクタＲが形成されている場合には、距離Ｌは

の関係を満たす値であることが望ましく、筐体９０の筒部９１の内周面９１ｉにリフレクタＲが形成されていない場合には、距離Ｌは、

の関係を満たす値であることが望ましく、リフレクタＲの有無に関わらず、距離Ｌは、

の関係を満たす値であることが望ましい。

上記実施形態では面状照明装置１００の光源として単一のＬＥＤ光源を用いたが、複数のＬＥＤ光源を用いても良い。例えばプリズムアレイへの平行光の入射を、所定方向に並ぶ複数の複合フレネルレンズと、各複合フレネルレンズの焦点位置に配置される複数のＬＥＤ光源を用いて行っても良い。より具体的には、図１１に示す通り長手方向に並ぶ２つの複合フレネルレンズ１３、１４を形成して複合フレネルレンズ１３、１４の焦点位置のそれぞれに、ＬＥＤ光源ＬＳを配置し、これによりプリズムアレイに平行光を入射させてもよい。

このような場合には数式８〜１０は次のようになる。すなわち、プリズムアレイによって光が分岐される所定方向に複数（Ｎ個）のＬＥＤ光源ＬＳが配置されている場合には、ある光学素子と他の光学素子との間の光軸方向の距離Ｌは以下であることが望ましい。

筐体９０の筒部９１の内周面９１ｉにリフレクタＲが形成されている場合には、距離Ｌは、

の関係を満たす値であることが望ましく、筐体９０の筒部９１の内周面９１ｉにリフレクタＲが形成されていない場合には、距離Ｌは、

の関係を満たす値であることが望ましく、リフレクタＲの有無に関わらず、距離Ｌは、

の関係を満たす値であることが望ましい。

上記実施形態の面状照明装置１００においては、第１光学素子１の光入射面に複合フレネルレンズ１１が形成されており、光出射面にプリズムアレイ１２０が形成されていた。しかしながら、複合フレネルレンズ１１とプリズムアレイ１２０は別個の光学素子に形成してもよい。具体的には例えば、第１光学素子１に代えて、一方の面に複合フレネルレンズ１１が形成され他方の面が平坦面とされた光学素子（フレネルレンズ）と、一方の面が平坦面であり他方の面にプリズムアレイ１２０が形成された光学素子（第１プリズムアレイ）とを、平坦面同士を対向させた状態で配置してもよい。

上記実施形態の面状照明装置１００においては、第２光学素子２の光入射面にプリズムアレイ２１０が形成されており、光出射面にプリズムアレイ２２０が形成されていた。しかしながら、第１光学素子１について上述したのと同様に、プリズムアレイ２１０とプリズムアレイ２２０とは別個の光学素子に形成されていてもよい。第３光学素子３に形成されたプリズムアレイ３１０と複数のシリンドリカルレンズ３２についても同様である。

上記実施形態の面状照明装置１００においては、第１光学素子１の光出射面にプリズムアレイ１２０が形成されており、第２光学素子２の光入射面にはプリズムアレイ１２０に対向するプリズムアレイ２１０が形成されていた。しかしながら、これに代えて、第１光学素子１の他方の面及びこれに対向する第２光学素子２の一方の面に、複数の四角錐状のプリズム（第１プリズム、第２プリズム）のアレイを長手方向及び短手方向に一定のピッチで設けてもよい。第１光学素子１に設けられるプリズムと第２光学素子２に設けられるプリズムの形状及びピッチは同一とする。このような四角錐状のプリズムを用いることで、長手方向の光線の分岐と短手方向の光線の分岐とを同時に実現することができる。そのため光軸方向に配置する光学素子の数を低減することができ、面状照明装置１００の光軸方向の寸法を小さくすることができる。なお、第２光学素子２に設けられる四角錐状のプリズムは、第１光学素子１からの分岐光の進行方向をより光軸ＯＡに近づける形状であれば、第１光学素子１に設けられる四角錐状のプリズムと異なる形状及び／又は寸法であってもよい。

上記実施形態の面状照明装置１００は、長手方向に延在し、短手方向に一定のピッチで配列された複数のシリンドリカルレンズが形成された光学素子を有してもよい。このような光学素子を備えることで短手方向の配向分布も調整することができる。また、上記実施形態の面状照明装置１００は、複数のトロイダル面が形成された光学素子を有しても良い。このような光学素子を備えることで、長手方向の配向分布と短手方向の配向分布を同時に調整することができる。

上記実施形態の面状照明装置１００においては、ＬＥＤ光源ＬＳは点光源であったが、これに代えて、長手方向又は短手方向に延在する線状のＬＥＤ光源ＬＳを用いることもできる。この場合は、複合フレネルレンズ１１の屈折プリズム１１ａ、反射プリズム１１ｂもそれぞれ、ＬＥＤ光源ＬＳの延在方向と同一の方向に延在する線状とする。このような線状の屈折プリズムと反射プリズムを有する複合フレネルレンズ１１は、例えば特開２００２−２２１６０５号に開示されている。

この時、例えば長手方向に延在する線状のＬＥＤ光源ＬＳを用いた場合には、ＬＥＤ光源ＬＳからの光の長手方向の輝度分布は一定である。したがってこの場合には、面状照明装置１００は、ＬＥＤ光源ＬＳからの光を長手方向に分岐し、長手方向において輝度の均一化を図るための構造、即ちプリズムアレイ１２０とプリズムアレイ２１０とを有さなくても良い。

上記実施形態の面状照明装置１００においては光源としてＬＥＤ光源を用いたが、ＬＥＤ光源に代えてレーザーダイオード（ＬＤ）などの他の光源を用いても良い。

上記実施形態の面状照明装置１００をヘッドアップディスプレイの光源以外の用途に使用することもできる。例えば上記実施形態の面状照明装置１００を様々な光学機器、例えば、室内用あるいは室外用の照明器具、医療用や産業用などの作業用照明、植物工場で植物の光合成を促進するために使用される植物育成用照明、プロジェクター等に使用することができる。

本発明の特徴を維持する限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

本発明の面状照明装置によれば、より少ない光源により、広い範囲を均一度の高い輝度で照射することができる。したがって本発明の面状照明装置を例えばヘッドアップディスプレイに使用すれば、表示面を照射するためのＬＥＤの数を従来に比べて低減することができ、ひいてはヘッドアップディスプレイの製造コスト抑制や消費電力削減を達成することができる。

１ 第１光学素子
２ 第２光学素子
３ 第３光学素子
４ 拡散板
１１ 複合フレネルレンズ
１２、２１、２２、３１ 線状プリズム
３２ シリンドリカルレンズ
９０ 筐体
９１ 筒部
９２ 底部
１００ 面状照明装置
１２０、２１０、２２０、３１０ プリズムアレイ
ＬＳ ＬＥＤ光源
ＯＡ 光軸

Claims (16)

1. 面状照明装置であって、
   光源と、
   前記光源からの光が入射するように配置されたフレネルレンズと、
   前記フレネルレンズの前記光源とは反対側に設けられ、複数の第１プリズムを有する第１プリズムアレイと、
   第１プリズムアレイの前記フレネルレンズとは反対側に設けられた複数の第２プリズムを有する第２プリズムアレイとを備え、
   第１プリズムアレイと第２プリズムアレイとは第１プリズムと第２プリズムとが対向するように配置されており、
   複数の第１プリズム及び複数の第２プリズムは、それぞれ第１方向に延在する複数の線状プリズムであり、
   第１プリズムから出射される光と前記面状照明装置の光軸との間の角度θが、第１プリズムの傾斜角をα、屈折率をｎとして
   

   

   と表される時、第１プリズムアレイと第２プリズムアレイとの間の面状照明装置の光軸方向の距離Ｌは、第１方向と光軸方向とに直交する第２方向における第２プリズムアレイの幅をＷ、第２方向に沿って配置された光源の数をＮとして
   

   

   を満足する面状照明装置。
2. 面状照明装置であって、
   光源と、
   前記光源からの光が入射するように配置されたフレネルレンズと、
   前記フレネルレンズの前記光源とは反対側に設けられ、複数の第１プリズムを有する第１プリズムアレイと、
   第１プリズムアレイの前記フレネルレンズとは反対側に設けられた複数の第２プリズムを有する第２プリズムアレイとを備え、
   第１プリズムアレイと第２プリズムアレイとは第１プリズムと第２プリズムとが対向するように配置されており、
   第１プリズムアレイの複数の第１プリズムの各々は、前記光源からの光を反射する反射型プリズムである面状照明装置。
3. 第１プリズムの各々の断面形状は三角形であり、且つ第１プリズムの各々の傾斜角は、５２°よりも大きく６８°未満である請求項２に記載の面状照明装置。
4. 複数の第１プリズム及び複数の第２プリズムは、それぞれ第１方向に延在する複数の線状プリズムである請求項２又は３に記載の面状照明装置。
5. 第１プリズムから出射される光と前記面状照明装置の光軸との間の角度θが、第１プリズムの傾斜角をα、屈折率をｎとして
   

   

   と表される時、第１プリズムアレイと第２プリズムアレイとの間の面状照明装置の光軸方向の距離Ｌは、第１方向と光軸方向とに直交する第２方向における第２プリズムアレイの幅をＷ、第２方向に沿って配置された光源の数をＮとして
   

   

   を満足する請求項４に記載の面状照明装置。
6. さらに、第２プリズムアレイの第１プリズムアレイとは反対側に設けられ、第１方向に直交する第２方向に延在する線状の第３プリズムを複数有する第３プリズムアレイと、
   第３プリズムアレイの第２プリズムアレイとは反対側に設けられ、第２方向に延在し且つ第３プリズムと同一形状の線状の第４プリズムを複数有する第４プリズムアレイとを備え、
   第３プリズムアレイと第４プリズムアレイとは第３プリズムと第４プリズムとが対向するように配置されている請求項１、４、５のいずれか一項に記載の面状照明装置。
7. 第３プリズムアレイが第２プリズムアレイの光出射面に設けられている請求項６に記載の面状照明装置。
8. 第４プリズムアレイの光出射面にアレイ状のシリンドリカルレンズが設けられている請求項６又は７に記載の面状照明装置。
9. 第１プリズムは前記フレネルレンズからの光を分岐し、第２プリズムは第１プリズムにより分岐された光を偏向する請求項１〜８のいずれか一項に記載の面状照明装置。
10. 第１プリズムと第２プリズムは同一形状を有する請求項１〜９のいずれか一項に記載の面状照明装置。
11. 第１プリズムと第２プリズムの断面形状は、三角形である請求項１〜１０のいずれか一項に記載の面状照明装置。
12. 前記フレネルレンズに入射する前記光源からの光と前記面状照明装置の光軸との間の最大拡がり角度が４５°以上且つ９０°未満である請求項１〜１１のいずれか一項に記載の面状照明装置。
13. 前記フレネルレンズの光出射面に第１プリズムアレイが形成されている請求項１〜１２のいずれか一項に記載の面状照明装置。
14. 第１プリズムアレイと第２プリズムアレイの間であって、第１プリズムアレイと第２プリズムアレイの対応する端部を連結するような反射面を備える請求項１〜１３のいずれか一項に記載の面状照明装置。
15. 単一の前記光源及び単一の前記フレネルレンズを有する請求項１〜１４のいずれか一項に記載の面状照明装置。
16. 請求項１〜１５のいずれか一項に記載の面状照明装置を用いた光学機器。

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