WO2013114747A1 - 帯状照明装置 - Google Patents

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Abstract

 帯状照明装置は、発光素子と、発光素子から放出された光を導光する帯状導光体であって、発光素子から放出された光を入射する入射面と、導光方向に沿って延在し導光された光を出射可能な出射面と、導光方向に延在し出射面とは反対の側となる底面と、を有する帯状導光体と、導光方向に沿って延在する第1の面と、第1の面とは反対の側となる第2の面と、を有する発光層であって、導光体から放出された光を散乱可能な光散乱材料と、導光体から放出された光を吸収し波長変換光を放出可能な波長変換材料と、のうちの少なくともいずれかを含む発光層と、を備える。導光方向に対して直交する直交面において出射面に沿った帯状導光体の幅は、導光方向に沿った帯状導光体の長さよりも小さく、直交面における帯状導光体の厚さよりも大きい。

Description

帯状照明装置
 本発明の実施形態は、帯状照明装置に関する。
 半導体発光素子を含む照明装置は、低消費電力、かつ長寿命とすることができる。
 このような照明装置のひとつに、発光ダイオードをアレイ状に並べた線状照明装置がある。アレイ状の照明装置は、その性質上、粒状発光となり、見た目が不自然であり、粒状発光のぎらつき感が目に刺激的である。さらに、発光領域の幅が細すぎる問題がある。
 また、線状照明装置は、その用途によっては設置壁面が平面とは限らない。しかしながら、発光ダイオードをアレイ状に配置した線状照明装置では、設置壁面の様々な曲面に合うような形状にすることは困難である。さらに、発光ダイオードを収納するパッケージの薄型化にも限界がある。
特開2008-177918号公報
 薄型で、柔軟性に富む帯状照明装置を提供する。
 実施形態の帯状照明装置は、発光素子と、前記発光素子から放出された光を導光する帯状導光体であって、前記発光素子から放出された光を入射する入射面と、導光方向に沿って延在し導光された前記光を出射可能な出射面と、前記導光方向に延在し前記出射面とは反対の側となる底面と、を有する帯状導光体と、前記導光方向に沿って延在する第1の面と、前記第1の面とは反対の側となる第2の面と、を有する発光層であって、前記導光体から放出された光を散乱可能な光散乱材料と、前記導光体から放出された光を吸収し波長変換光を放出可能な波長変換材料と、のうちの少なくともいずれかを含む発光層と、を備える。前記導光方向に対して直交する直交面において前記出射面に沿った前記帯状導光体の幅は、前記導光方向に沿った前記帯状導光体の長さよりも小さく、前記直交面における前記帯状導光体の厚さよりも大きい。
図1(a)は第1の実施形態にかかる帯状照明装置の模式斜視図、図1(b)はA-A線に沿った模式断面図、図1(c)は折り曲げ状態の模式斜視図、である。 図2(a)は第2の実施形態にかかる帯状照明装置の模式斜視図、図2(b)はA-A線に沿った模式断面図、図2(c)は変形例にかかる模式断面図、である。 図3(a)は第3の実施形態にかかる帯状照明装置の模式斜視図、図3(b)は折り曲げ状態の模式斜視図、図3(c)はB-B線に沿った模式断面図、である。 図4(a)は第3の実施形態の第1変形例、図4(b)はその第2変形例、である。 図5(a)は第4の実施形態にかかる帯状照明装置の模式斜視図、図5(b)はその折り曲げ状態の模式斜視図、である。 第5の実施形態にかかる帯状照明装置の模式斜視図である。 図7(a)は第6の実施形態にかかる帯状照明装置を構成するシートの模式斜視図、図7(b)はシートを積層した模式斜視図、図7(c)は自由形状パターンを有する帯状導光体の模式斜視図、である。 図8(a)は第7の実施形態にかかる帯状照明装置の模式斜視図、図8(b)はその第1変形例の模式斜視図、図8(c)はその第2変形例の模式斜視図、である。 図9(a)は第8の実施形態にかかる帯状照明装置の模式斜視図、図9(b)~(d)はその変形例の模式斜視図、である。 図10(a)は第9の実施形態にかかる帯状照明装置の模式斜視図、図10(b)はその模式平面図、である。 図11(a)は第10の実施形態にかかる帯状照明装置の模式平面図、図11(b)はC-C線に沿った模式断面図、である。
 以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
 図1(a)は第1の実施形態にかかる帯状照明装置の模式斜視図、図1(b)はA-A線に沿った模式断面図、図1(c)は折り曲げ状態の模式斜視図、である。
 帯状照明装置は、発光素子10と、帯状導光体30と、発光層40と、を有する。発光素子10は、光10aを放出可能である。
 発光素子10がInAlGaP系材料やAlGaAs系材料からなるものとすると、緑色~赤色波長範囲の光を放出可能である。また発光素子10が、窒化物系材料からなるものとすると、紫外~青色波長範囲の光を放出可能である。発光素子10は、発光ダイオードまたは半導体レーザ素子などとすることができる。
 半導体レーザ素子10の場合、発光点のサイズは10μm以下、光10aの垂直方向半値全角θvは30度、水平方向半値全角θhは10度などとでき、鋭い光ビームとすることが容易である。発光ダイオードでは、電流密度が増大すると、droop現象により、発光効率が低下することがある。これに対して、半導体レーザ素子は、より高出力を得ることが容易である。
 本実施形態の場合、光ビームの光軸を含み発光素子10の活性層の表面に垂直な面は、発光層40の表面と略平行とすることが好ましいが、発光層40と交差しなければ平行でなくともよい。発光素子10の活性層の表面に水平方向半値全角θhは、垂直方向半値全角θvよりも小さいので、発光層40に入射する回数が少ない。このため、水平方向半値全角θhは、入射面30aとは反対の側の端面30dに至るまで光強度を高く保つことが容易である。 
 また、発光ダイオードの場合、集光レンズを用いて指向性を高めると、帯状導光体30へ効率よく光を入射できる。
 図1(a)のように、帯状導光体30は、発光素子10から放出された光10aを導光する。また、帯状導光体30は、発光素子10から放出された光10aが入射する入射面30aと、導光方向60に沿って延在し導光された光を出射可能な出射面30bと、導光方向60に沿って延在し出射面30bとは反対の側となる底面30cと、入射面30aと対向するように導光方向60に設けられた端面30dと、側面30f、30hと、を有する。また、帯状導光体30は、例えば、アクリル、シリコーン、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)などのような透明樹脂やガラスからなり、光10aを透過可能である。
 発光層40は、導光方向60に沿って延在する第1の面40aと、第1の面40aとは反対の側となり導光方向60に沿って延在する第2の面40bと、を有する。また、発光層40は、光散乱材料および波長変換材料のうちのいずれかを有する。この場合、たとえば、光散乱材料や波長変換材料を液状透明樹脂などに混合し硬化することにより薄い層とすることができる。光散乱材料からなるリボン状の光散乱層42は、帯状導光体30へ入射し、帯状導光体30の内部を伝搬する光を拡散し、出射面30bから外方へ放出する。
 また、波長変換材料からなるリボン状の蛍光体層44は、放出光10aを吸収して波長変換光を生成する。光10aの波長よりも長い波長を有する波長変換光は、出射光Gの一成分となる。光10aの一部と、波長変換光と、は、混合されて出射光Gとなる。たとえば、光10aが青色光であり、波長変換材料が黄色蛍光体であると、波長変換光は黄色光となる。このため、出射光Gは、白色や電球色とすることができる。蛍光体層44は、第1の面44aと、第1の面44aとは反対の側となる第2の面44bと、を有する。
 図1において、蛍光体層44の第1の面44aは、帯状導光体30の底面30cの側とする。また、帯状照明装置は、蛍光体層44の第2の面44bの側に設けられ、金属などからなるリボン状の反射層50を有してもよい。この場合、蛍光体層44から放出された波長変換光のうち、下方に向かう成分は、反射層50で上方に向かって効率よく反射され、出射面30bから取り出すことができる。さらに、反射層50の下方には、接着剤層54を設けることができる。
 また、入射面30aとは反対の側の帯状導光体30の面30dに端面反射層52を設けると、伝搬光を反射し、導光方向60に沿って光強度を均一に分布することが容易となる。 
 図1(b)のように、帯状導光体30は、矩形断面であるものとする。入射面30aにおいて、横方向をX軸、厚さ方向をY軸、導光方向をZ軸、とする直交座標系を定義する。出射面30bのX軸に沿った幅はW、Y軸に沿った厚さはT、とする。また、Z軸に沿った長さは、Lとする。なお、出射面30bの断面が矩形ではない場合、横(X軸)方向における出射面30bの最短距離をその幅Wと定義する。たとえば、出射面30bが、上方に向かって凸である場合、幅Wをこのように定義できる。なお、導光方向60と直交する帯状導光体30の断面は、実質的には同一形状であるものとする。
 第1の実施形態において、導光方向60に対する直交面において帯状導光体30の幅Wは、帯状導光体30の長さLよりも小さく、直交面における帯状導光体30の厚さTよりも大きい。すなわち、上方からみて、帯状導光体30は、帯状の出射面30bを有する。帯状導光体30が透明樹脂からなる場合、帯状導光体30の幅Wは、たとえば、0.5~2mmの範囲とすることができる。また、厚さTは、たとえば、2mm以下とすることができる。さらに、長さLは、たとえば、50cm以上などとすることができる。なお、出射面30bは、発光層40と対向しており、帯状導光体30の側面30f、30hよりも、高い光出力を放出する。
 もし、線状照明装置において発光ダイオードをアレイ状に配置すると、発光領域は不連続となり粒状発光となる。これに対して、本実施形態では、発光層40および帯状導光体30は、導光方向60に連続して延在するので粒状発光とはならない。
 また、帯状導光体30の幅Wは、厚さTよりも大きくする。線を含む図形などの表示において、発光領域の幅があまり細すぎないほうが、適正な輝度を保ちつつぎらつき感を緩和し、視覚効果を高めることができる。
 透明樹脂を用いた帯状導光体30の場合、Y軸方向に帯状導光体30に折り曲げるには、厚さTを2mm以下とすることが好ましい。さらに、アスペクト比W/Tを2以下とすると、側面30f、30hにおける全反射量を増加し、導光方向60に沿って光10aをより遠くまで伝搬することが容易となる。また、ガラスを用いた帯状導光体30の場合、その厚さTを、たとえば200μm以下とすると、柔軟性を保つことができる。このように薄い帯状導光体30の場合、発光素子10として、指向性が高く、発光点のサイズが小さい半導体レーザ素子を用いると、帯状導光体30への入射効率を高めることができる。
 第1の実施形態において、厚さ(Y軸)方向への柔軟性は、横(X軸)方向への柔軟性よりも高くできる。このため、図1(c)のように、帯状導光体30は、Y-Z平面において折れ曲がった状態にできる。すなわち、導光方向60は弧のように折れ曲がる。なお、Y軸方向よりも柔軟性が低いX軸方向においても折り曲げが可能であるが、折り曲げの程度は小さくなる。さらに、X軸およびY軸の両側に折り曲げると、捻れ状態とすることもできる。
 また、帯状照明装置が柔軟であるには、リボン状の発光層40やリボン状の反射層50も柔軟であることが好ましい。発光層40は、透明樹脂層内に光散乱材料や波長変換材料を分散配置するので、その厚さは帯状導光体30の厚さTよりも小さくすることは容易である。また、反射層50を金属からなる薄板やテープとすると、帯状導光体30の厚さTよりも小さい厚さとすることができる。すなわち、帯状導光体30が柔軟であれば、リボン状の発光層40やリボン状の反射層50がさらに積層されても、帯状照明装置としての柔軟性を維持することができる。
 柔軟な帯状照明装置は、接着剤層54を用いて、たとえば、曲面を有する物体の表面(自動車、家具、壁面)などに取り付けることが容易である。帯状導光体30と、発光層40と、反射層50と、の積層構造は、発光素子や電気回路を含まない。このため、薄型化が容易であり、かつ電気的特性や信頼性を損なうことなく折り曲げが可能である。
 図2(a)は第2の実施形態にかかる帯状照明装置の模式斜視図、図2(b)はA-A線に沿った模式断面図、図2(c)はその変形例にかかる模式断面図、である。
 図2(a)、(b)のように、帯状照明装置は、出射面30bの上方に、リボン状の光学部品61をさらに有してもよい。光学部品61は、たとえば、マイクロレンズアレイ、フレネルレンズパターン、光拡散構造、導光体保護層、などとすることができる。また、光学部品61の材料をシリコーン樹脂などのように、薄くて柔軟な材料とすると、光学部品61設けても、帯状照明装置としての柔軟性を維持することができる。
 図2(c)は、第2の実施形態の変形例の模式断面図である。光学部品61と、出射面30bと、が離間している。もし、光学部品61と、出射面30bと、が密着していると、帯状導光体30の内面において、全反射を生じにくい。帯状導光体30の上面に凸部30eを設け、光学部品61と、出射面30bと、の間に間隙を設けると、全反射を生じる入射角の範囲を広げることができる。なお、凸部は、光学部品61の側に設けてもよい。
 図3(a)は第3の実施形態にかかる帯状照明装置の模式斜視図、図3(b)は折り曲げ状態の模式斜視図、図3(c)はB-B線に沿った模式断面図、である。
 帯状照明装置は、側面フレーム62をさらに有する。側面フレーム62は、透明材料からなり、帯状導光体30と、蛍光体層44と、反射層50と、を溝部などにより支持する。側面フレーム62に溝部を設けると、帯状導光体30と発光層40との間、帯状導光体30と光学部品61との間、を空気層などにより離間できる。
 このため、図3(c)のように、帯状導光体30の出射面30b、帯状導光体30の底面30c、全反射を生じやすくし、導光方向60に光を伝搬することがより容易となる。また、帯状導光体30の上部に凸部を設けないので、凸部により光学特性が低下することが抑制できる。側面フレーム62の下面に接着剤層55を設けると、設置面の曲面に合わせてフレキシブルに折り曲げた状態で取り付けができる。側面フレーム62を樹脂などとすることにより、側面フレーム62を設けても、帯状照明装置としての柔軟性を維持することができる。
 図4(a)は第3の実施形態の第1変形例、図4(b)は第2変形例をそれぞれ表す。
 図4(a)において、蛍光体層44の第2の面44bは、帯状導光体30の出射面30bの側とする。また、帯状導光体30の底面30cは、反射層50の側とする。さらに、図4(b)では、反射層が設けられない。光10aは帯状導光体30の底面30cにより全反射され導光されつつ伝搬され外部に放出される。出射面30bからの出射光Gは、蛍光体層44を透過する間に励起され波長変換光を生成する。この場合、帯状照明装置の表側(蛍光体層44の側)からの出射光Gと、裏側からの出射光からの出射光G2と、では、色合いが異なる。
 図5(a)は第4の実施形態にかかる帯状照明装置の模式斜視図、図5(b)はその折り曲げ状態の模式斜視図、である。
 帯状導光体31は、リング状であり端面が設けられない。リングの接線方向には光10aを入射する入射部31aが設けられる。一旦、入射した光10aは、帯状導光体30内を周回できるので蛍光体層44に効率よく吸収される。なお、図5(a)では、光10aがリングの外縁から入射しているが、リングの内縁から入射してもよい。
 図5(b)は、リング形状を変形した模式斜視図である。リング形状を柔軟に変化させるには、アスペクト比W/Tを1に近づけるとよい。また、それぞれの入射部31aへの光を視認可能な切り替え速度で順次点灯および消灯を行うと、リングの内部で光が回転しているように見える照明装置として動作する。
 図6は、第5の実施形態にかかる帯状照明装置の模式斜視図である。
 帯状導光体31は、メビウスの帯(またはメビウスの輪)により構成する。すなわち、メビウスの帯は、帯の一方の端部を180度捻ってから他方の端部とつなぐ。入射部31aより入射した光は、メビウスの帯の内部を導光されながら出射面31bから放出される。メビウスの帯は、柔軟性のある帯状導光体を用いないと実現できない。
 図7(a)は第6の実施形態にかかる帯状照明装置を構成するシートの模式図、図7(b)はシートを積層した模式斜視図、図7(c)は自由形状パターンを有する帯状導光体の模式斜視図、である。
 帯状照明装置は、たとえば、導光体シート100と、蛍光体シート200と、反射シート300と、の積層体を含む。導光体シート100の上には、レンズなどを有する光学系シート500をさらに積層することができる。たとえば、文字、数字、マーク、図形などの表示したい形状パターンを切り出すと、図7(c)のような自由形状パターン600の帯状導光体30とすることができる。このような帯状導光体30の入射面へ所望の光を入射すると、帯状照明装置とすることができる。すなわち、柔軟性に富むネオンサイン、標識灯、表示灯、一般照明装置などとして用いることができる。  
 図8(a)は第7の実施形態にかかる帯状照明装置の模式斜視図、図8(b)はその第1変形例の模式斜視図、図8(c)はその第2変形例の模式斜視図、である。
 第7の実施形態において、蛍光体シートは、パターン印刷された蛍光体層44を有している。図8(a)では、蛍光体層44aは、互いに離間した複数の領域を有する。離間した領域の密度を変化すると、発光の均一性を制御できる。また、複数の領域の蛍光体の種類を変化すると、色相を制御できる。
 図8(b)の第1変形例では、蛍光体層44bの印刷パターンの幅は、帯状導光体30の幅Wよりも狭い。このため、帯状導光体30の底面30cおよび側面30f、30hにおいて全反射の割合を増し、細くて輝度の高い出射光Gを得ることができる。また、図8(c)の第2変形例では、蛍光体層44cは、印刷による自由形状パターンである。このため、帯状照明装置は、文字、数字、マーク、図形などの表示したい形状を容易に表示可能である。
 図9(a)は第8の実施形態にかかる帯状照明装置の模式斜視図、図9(b)~(d)はその変形例の模式斜視図、である。
 第8の実施形態では、帯状導光体32は、中心部32aに隣接して、異なる屈折率を有する周辺部32bをさらに有する。周辺部32bの下方には、リボン状の蛍光体層44やリボン状の反射層50が中心部32aの下方から延在している。発光素子10からの光10aは、中心部32aへ入射する。たとえば、周辺部32bの屈折率が中心部32aの屈折率よりも低く、互いの界面32cには凹凸CCやV溝を設けると、中心部32aを伝搬していた光が徐々に周辺部32bに漏れ出す。このため、発光領域の幅を実効的に広げることができる。
 図9(b)の変形例では、図9(a)の中心部32aを複数設けて、発光領域の幅を実効的にさらに広くする。図9(c)の変形例では、中心部32aの一方の側面を周辺部32bの一方の側面に近づける。さらに周辺部32bの一方の側面に高反射層70を設け、実効的に発光領域の幅を広くする。図9(d)の変形例では、周辺部32bの両側の側面に高反射層70a、70bを設け、発光領域の幅を実効的にさらに広げる。
 図10(a)は第9の実施形態にかかる帯状照明装置の模式斜視図、図10(b)はその模式平面図、である。
 帯状導光体32は、中心部32aと、周辺部32bと、を有する。中心部32aは、上方からみて、曲がり部(うねり)RRを有する。また、中心部32aの両側に隣接して設けられる周辺部32bの屈折率は中心部32aの屈折率よりも低い。発光素子10からの光は、中心部32aへ入射する。うねりRRの曲率半径や周期は、中心部32aの側面において、全反射条件を満たさない伝搬光の一部が徐々に漏れるように決めることができる。このため、発光領域の幅を実効的に広くすることができる。うねりRRは、円弧をつなぎ合わせた形状や正弦波形状だけではなく、自由な曲線でもよい。
 図11(a)は第10の実施形態にかかる帯状照明装置の模式平面図、図11(b)はC-C線に沿った模式断面図、である。
 帯状導光体34は、コア33aと、クラッド33bと、からなる光ファイバー33と、光ファイバー33を取り囲むように設けられた周辺部34cと、を有する。光ファイバー33において、コア33aの屈折率は、クラッド33bの屈折率よりも大きい。また、クラッド33bの屈折率は、周辺部34cの屈折率よりも大きい。発光素子10からの光は、コア33aへ入射する。
 もし、光ファイバー33が、図11(a)のように、上方からみてうねりRRを有すると、臨界角よりも小さい角度でクラッド33bや周辺部33cに入射した光は漏れ光g1となる。漏れ光g1は、帯状導光体34を伝搬しつつ、横方向に広がり、出射面34bから出射光GSとして放出される。すなわち、X方向への発光領域の幅を実効的に広げることができる。光ファイバー33の上方には、出射光GCが放出される。
 第1~第10の実施形態にかかる帯状照明装置は、薄型かつ柔軟であるので、曲面を有する壁面などにも取り付け可能である。また、出射面が帯状であるため、適正な輝度を保ちつつ、図形や文字などを表示することもできる。もちろん、一般照明装置としても用いることができる。
 本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (16)

  1.  発光素子と、
     前記発光素子から放出された光を導光する帯状導光体であって、前記発光素子から放出された光を入射する入射面と、導光方向に沿って延在し導光された前記光を出射可能な出射面と、前記導光方向に延在し前記出射面とは反対の側となる底面と、を有する帯状導光体と、
     前記導光方向に沿って延在する第1の面と、前記第1の面とは反対の側となる第2の面と、を有する発光層であって、前記導光体から放出された光を散乱可能な光散乱材料と、前記導光体から放出された光を吸収し波長変換光を放出可能な波長変換材料と、のうちの少なくともいずれかを含む発光層と、
     を備え、
     前記導光方向に対して直交する直交面において前記出射面に沿った前記帯状導光体の幅は、前記導光方向に沿った前記帯状導光体の長さよりも小さく、前記直交面における前記帯状導光体の厚さよりも大きいことを特徴とする帯状照明装置。
  2.  前記直交面において、厚さ方向に対する前記帯状導光体の柔軟性は、幅方向に対する前記帯状導光体の柔軟性よりも高いことを特徴とする請求項1記載の帯状照明装置。
  3.  前記帯状導光体は、リング、メビウスの帯、および自由パターンのうちのいずれかの形状を有することを特徴とする請求項1記載の帯状照明装置。
  4.  前記発光層は、前記帯状導光体の前記底面の側に設けられたことを特徴とする請求項1記載の帯状照明装置。
  5.  前記発光層の前記第2の面の側に設けられた反射層をさらに備えたことを特徴とする請求項4記載の帯状照明装置。
  6.  前記発光層は、前記帯状導光体の前記出射面の側に設けられたことを特徴とする請求項1記載の帯状照明装置。
  7.  前記帯状導光体は、前記発光素子からの前記光が入射する中心部と、前記中心部の両側に設けられ、前記中心部の屈折率よりも低い屈折率を有する周辺部と、を有することを特徴とする請求項1記載の帯状照明装置。
  8.  前記中心部と、前記周辺部と、の界面には、凹凸が設けられたことを特徴とする請求項7記載の帯状照明装置。
  9.  前記導光方向に対して垂直な方向からみて、前記中心部と、前記周辺部と、の界面は、曲がり部を有することを特徴とする請求項7記載の帯状照明装置。
  10.  前記帯状導光体は、前記発光素子から放出された光が入射するコアと、前記コアの周囲を覆うように設けられたクラッドと、を有する光ファイバーと、前記光ファイバーを覆うように設けられた周辺部と、を有し、
     前記クラッドの屈折率は、前記周辺部の屈折率よりも高く、前記コアの屈折率よりも低いことを特徴とする請求項1記載の帯状照明装置。
  11.  前記導光方向に対して垂直な方向からみて、前記光ファイバーは、曲がり部を有することを特徴とする請求項10記載の帯状照明装置。
  12.  前記発光層は、前記波長変換材料を含む蛍光体層であることを特徴とする請求項1記載の帯状照明装置。
  13.  前記帯状導光体の前記幅は、前記帯状導光体の前記厚さの2倍以下であることを特徴とする請求項1記載の帯状照明装置。
  14.  前記帯状導光体は、透明樹脂を含むことを特徴とする請求項1記載の帯状照明装置。
  15.  前記帯状導光体の前記厚さは2mm以下であることを特徴とする請求項14記載の帯状照明装置。
  16.  前記帯状導光体の前記出射面の上方に設けられ、リボン状のマイクロレンズアレイ、フレネルレンズパターン、光拡散構造、および保護層のいずれかを含む光学部品をさらに備えたことを特徴とする請求項1記載の帯状照明装置。
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