(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数画素を加算して読み出す第１の読み出し方式と複数画素の加算を行わない第２の読み出し方式の双方に対応した撮像素子と、前記撮像素子の露光期間には前記第１および第２の読み出し方式共通に所定の基板電圧を印加し、前記撮像素子の露光終了から信号転送路への転送開始までの期間には前記撮像素子の読み出し方式に応じた所定の基板電圧を印加する手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記撮像素子に光を入射及び遮光する光学機構と、電子シャッター手段とを有し、該光学機構と該電子シャッター手段により前記露光期間を制御する請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
複数画素を加算して読み出す第１の読み出し方式と複数画素の加算を行わない第２の読み出し方式の双方に対応した撮像素子と、
前記撮像素子に光を入射および遮光する光学機構と、
前記撮像素子の露光時間を制御する電子シャッター手段と、
前記光学機構と前記電子シャッター手段とで露光期間を定めるとともに、前記撮像素子から第１の読み出し方式と第２の読み出し方式とで信号を読み出す静止画モードと、前記光学機構を用いず、前記電子シャッター手段で露光期間を定めるとともに、第２のフィールド期間で露光が行われるとともに、前記撮像素子から前記第１の読み出し方式で前記第２のフィールドの前の第１のフィールドで露光された信号を前記第２のフィールド期間で読み出す動画モードと、を制御するシステムコントローラと、
前記静止画モードにおいて、前記撮像素子の露光期間には前記第１および第２の読み出し方式共通に所定の第１の基板電圧を印加し、前記撮像素子の露光終了後に前記撮像素子から前記第１の読み出し方式で信号を読み出す場合には、第２の基板電圧を印加し、前記撮像素子の露光終了後に前記撮像素子から前記第２の読み出し方式で信号を読み出す場合には、第３の基板電圧を印加し、
前記動画モードにおいて、前記第２のフィールドで前記第１のフィールドで露光された信号の読み出しを行っている期間中は前記第１の基板電圧を印加し、前記第１のフィールドで露光された信号の読み出し終了後、前記第２のフィールドの露光期間が終了するまでの間の少なくとも一部の期間は前記第２の基板電圧を印加する基板電圧印加手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
前記動画モードにおいて、フィールド単位で露光期間を変化させるときに、前記露光期間の変化に応じて、前記第２の基板電圧を印加する時間を変化させることにより、前記露光期間と前記第２の基板電圧を印加する期間との比率が、前記露光期間の変化に係わらず一定になるようにすることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記複数画素の加算は垂直方向に並ぶ複数画素の加算である請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は撮像素子を有し、撮像素子より得た映像信号を動画像および静止画像として出力する撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図６〜図８にて示すように、撮像素子たるＣＣＤの読み出し方が垂直方向の２画素ずつを加算させて読み出すフィールド読み出しの場合にはフィールド読み出し用の基板電圧（ＶＳＵＢ電圧）をＣＣＤに供給し、ＣＣＤの読み出し方が垂直方向の２画素を加算させずに１画素ずつ読み出すフレーム読み出しの場合にはフレーム読み出し用の基板電圧（ＶＳＵＢ）をＣＣＤに供給するように制御されている。
【０００３】
あるいは別の制御方法として、フレーム読み出しの場合とフィールド読み出しの場合の双方ともＣＣＤに供給する基板電圧を同一の電圧とするよう制御するものもある。
【０００４】
なお、異なる２つの走査方法において基板電圧の値を変えた例としては例えば、特公平７−９３７０６号公報がある。
【０００５】
図９は特公平７−９３７０６号公報に開示されるＣＣＤの単位画素の断面図である。図９において、７１はフォトダイオード（ＰＤ）、７２はトランスファゲート領域、８１は１／２段の垂直転送ＣＣＤ（Ｖ−ＣＣＤ）、８２はＰウエル、８３はチャネルストップ、８４はｎ−−ＳＵＢ（ｎ−基板）、８５はＰウエルとｎ−基板との間に印加する逆バイアス電圧ＶＳＵＢ、８６は入射光である。ここでは、Ｖ−ＣＣＤとトランスファゲート領域が共通の転送電極で駆動されるトランスファゲートレス電極構成となっている。
【０００６】
そして、特公平７−９３７０６号公報では、隣接する２つの水平画素列の信号を１回の水平走査で同時に読み出して１フィールドで全画面を読み出す第１の走査方法と、１回の水平走査で１つの水平画素列の信号をインターレス走査で読み出して２フィールド（１フレーム）で全画面を走査する第２の走査方法とで、逆バイアス電圧（基板電圧）ＶＳＵＢを切り換えることが開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、撮像素子たるＣＣＤの性質は基板電圧が変化すると、基板方向に捨てられる電荷に対する障壁のポテンシャルのピークが変わる。基板電圧を高く変化させるとポテンシャルのピークは浅い方向に移動し、１画素に蓄積できる電荷量が減少する。基板電圧を低く変化させるとポテンシャルのピークは深い方向に移動し、１画素に蓄積できる電荷量が増加する。また、ポテンシャルのピーク位置が浅い方向に移動した場合は波長の長い光である赤色の感度が小さくなり、逆にポテンシャルのピーク位置が深い方向に移動した場合は波長の長い光である赤色の感度が大きくなる性質を持っている。
【０００８】
上記ＣＣＤの性質に鑑みると、基板電圧をフィールド読み出しに適するようにするためには、フィールド読み出しが２画素をＣＣＤの垂直転送路（信号転送路）にて加算する仕組みであることから、基板電圧を高くしポテンシャルのピークを浅めにすることで１画素あたりの飽和蓄積電荷量を小さくし、垂直転送路にて２画素加算の際に２画素の電荷量が垂直転送路の蓄積電荷量を超えないようにする必要がある。このフィールド読み出しに適した基板電圧をフレーム読み出し時に用いると、１画素当たりの飽和蓄積電荷量を小さくしているため、フレーム読み出しのＣＣＤ出力の飽和レベルが低くなり、ダイナミックレンジが小さくなる問題がある。
【０００９】
逆に、基板電圧をフレーム読み出しに適するように基板電圧を低くしポテンシャルのピークを深めにして１画素当たりの蓄積電荷量を大きくすると、この基板電圧でフィールド読み出しを行うと垂直転送路にて２画素加算の際に２画素の電荷量が垂直転送路の蓄積電荷量を超えてしまい、溢れた電荷は他の画素信号にまざるブルーミング現象が生じる問題がある。
【００１０】
また、フィールド読み出しおよびフレーム読み出しのそれぞれに合わせた基板電圧を用いるとダイナミックレンジおよびブルーミングの問題は回避できるが、基板電圧の違いにより分光感度差がフィールド読み出しとフレーム読み出しとで生じてしまい、最終的に得られる映像の色再現性および輝度レベルが異なる問題がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段および作用】
上記目的を達成するため、本出願に係る第１の発明は、複数画素を加算して読み出す第１の読み出し方式と複数画素の加算を行わない第２の読み出し方式の双方に対応した撮像素子と、前記撮像素子の露光期間には前記第１および第２の読み出し方式共通に所定の基板電圧を印加し、前記撮像素子の露光終了から信号転送路への転送開始までの期間には前記撮像素子の読み出し方式に応じた所定の基板電圧を印加する手段と、を有することを特徴とするものである。
【００１２】
上記本出願に係る第１の発明によれば、撮像素子に供給する基板電圧をフィールド読み出しおよびフレーム読み出しを行う前の露光期間においては共通の基板電圧とすることで分光感度差の発生を防ぎ、フィールド読み出しとフレーム読み出しでの色再現性を同一とすることができる。そして露光期間終了から信号読み出し開始までに各々に適した基板電圧とすることにより、各々に適した飽和蓄積電荷量とすることが可能となり、フィールド読み出し時においては信号転送路たる垂直転送路に転送する前に垂直転送路の蓄積電荷量を超える電荷を撮像素子の基板方向に捨てることができ、ブルーミング現象の発生を防ぐことができる。
【００１６】
本出願に係る第２の発明は、複数画素を加算して読み出す第１の読み出し方式と複数画素の加算を行わない第２の読み出し方式の双方に対応した撮像素子と、
前記撮像素子に光を入射および遮光する光学機構と、
前記撮像素子の露光時間を制御する電子シャッター手段と、
前記光学機構と前記電子シャッター手段とで露光期間を定めるとともに、前記撮像素子から第１の読み出し方式と第２の読み出し方式とで信号を読み出す静止画モードと、前記光学機構を用いず、前記電子シャッター手段で露光期間を定めるとともに、第２のフィールド期間で露光が行われるとともに、前記撮像素子から前記第１の読み出し方式で前記第２のフィールドの前の第１のフィールドで露光された信号を前記第２のフィールド期間で読み出す動画モードと、を制御するシステムコントローラと、
前記静止画モードにおいて、前記撮像素子の露光期間には前記第１および第２の読み出し方式共通に所定の第１の基板電圧を印加し、前記撮像素子の露光終了後に前記撮像素子から前記第１の読み出し方式で信号を読み出す場合には、第２の基板電圧を印加し、前記撮像素子の露光終了後に前記撮像素子から前記第２の読み出し方式で信号を読み出す場合には、第３の基板電圧を印加し、
前記動画モードにおいて、前記第２のフィールドで前記第１のフィールドで露光された信号の読み出しを行っている期間中は前記第１の基板電圧を印加し、前記第１のフィールドで露光された信号の読み出し終了後、前記第２のフィールドの露光期間が終了するまでの間の少なくとも一部の期間は前記第２の基板電圧を印加する基板電圧印加手段と、を有することを特徴とするものである。
【００１８】
本出願に係る第３の発明は、撮像素子から連続的に信号を読み出す場合とフィールド読み出しの静止画とフレーム読み出しの静止画の分光感度差の発生を防ぎ、連続的に信号を読み出すときの映像とフィールド読み出し静止画とフレーム読み出し静止画での色再現性を同一とすることができる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
【００２０】
（第１の実施例）
図１は本発明の撮像装置の構成の第１実施例のブロック図であり、同図において、１は光を集光させる光学系、２は光学系１により集光した光を電気信号に変換するセンサーであるところの撮像素子であるＣＣＤ、３はＣＣＤ２より出力された電気信号より所望の信号成分を取り出すＣＤＳ回路、４はＣＤＳ回路３の出力信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器、５はＣＣＤ２の読み出し信号（ＸＳＧ１，ＸＳＧ２）および電子シャッター信号（ＥＳＨ）を含むＣＣＤ２・ＣＤＳ回路３およびＡＤ変換器４を駆動させるための駆動タイミング信号を発生させるタイミングジェネレータ（ＴＧ）、６はＣＣＤ２に基板電圧（ＶＳＵＢ電圧）を与え基板電圧を制御するＶＳＵＢ制御回路、７はメモリ、８はメモリ７およびバスをコントロールし、かつＴＧ５に水平同期・垂直同期信号（ＨＤ・ＶＤ）を供給し、ＶＳＵＢ制御回路６に基板電圧制御信号（Ｖｓｕｂ＿Ｃｏｎｔｒｏｌ）を供給し、かつＡＤ変換器４およびメモリ７からの映像信号に対して所定の処理を施すメモリ＆バスコントローラー＆プロセス回路、９はシステム全体を制御するシステムコントローラー、１０は光学系１で集光した光をＣＣＤ２に入射させる、あるいは遮光させる手段であるところのメカシャッターであり、１１はＣＣＤ２で露光した映像信号を所定の処理を施した後に記録するための記録媒体であり、１２はメモリ＆バスコントローラー＆プロセス回路８で処理を施された映像信号を表示する映像表示手段である。
【００２１】
図５（Ａ）はＣＣＤの概略的構成を示す断面図、図５（Ｂ）はＣＣＤの水平方向および垂直方向のポテンシャル図である。
【００２２】
図５（Ａ）において、２１はｎ型半導体基板、２２はｐ型半導体領域、２３はｎ型光電変換領域、２４は垂直転送ＣＣＤのｎチャネル領域、２５はｐ型チャネルストップ領域、２６はトランスファゲート領域、２７は転送電極である。図９と同様に、垂直転送ＣＣＤとトランスファゲート領域が共通の転送電極で駆動されるトランスファゲートレス電極構成となっている。２８がｎ型半導体基板２１に基板電位（ＶＳＵＢ）を与える電源である。
【００２３】
電源２８によりｎ型半導体基板２１に印加する基板電圧（ＶＳＵＢ）がある電圧値の場合において、ＣＣＤの深さ方向の障壁が図５（Ｂ）に示すａであるとき、基板電圧値を下げると障壁は図５（Ｂ）のｂに示すように大きくなる。この障壁はｏ１に蓄積された電荷がｏ３の方向へ移動するのを妨げる働きがある。
【００２４】
一方、ｎ型半導体基板２１にパルス状に電圧（ＥＳＨ）を印加すると、障壁ａはｃに変化し、ｏ１にある電荷はｏ３に全て移動させることができる。この動作を用いてｏ１に電荷を蓄える開始時間を任意に設定することができる。このパルス状の電圧（ＥＳＨ）を電子シャッターと呼び、このパルス状の電圧を与える手段が電子シャッター手段である。
【００２５】
図２および図３は上記撮像装置の動作を示すタイミング図であり、同図を用いて上記撮像装置の動作を説明する。
【００２６】
フレーム読み出し静止画露光時は、メカシャッター１０を開いた状態で電子シャッター（ＥＳＨ）出力後（Ｔ１１）を露光開始とし、メカシャッター１０が閉じられたところで（Ｔ１２）、ＣＣＤ２の露光を完了し、その後読み出し信号ＸＳＧ１・ＸＳＧ２によりＣＣＤ２より各画素電荷をフレーム読み出しを行い、各画素データをメモリ７に記憶した後に、所定の処理を施して記録媒体１１に記録する露光方式をとる。
【００２７】
フィールド読み出し静止画露光時は、メカシャッター１０を開いた状態で電子シャッター（ＥＳＨ）出力後（Ｔ２１）を露光開始とし、メカシャッター１０が閉じられたところで（Ｔ２２）、ＣＣＤ２の露光を完了し、その後読み出し信号ＸＳＧ１，ＸＳＧ２によりＣＣＤ２より各画素電荷を上下２画素ずつ加算した信号を出力するフィールド読み出しを行い、各画素データをメモリ７に記憶した後、所定の処理を施して記録媒体１１に記録する露光方式をとる。
【００２８】
フレーム読み出し静止画露光時において、メモリ＆バスコントローラー＆プロセス回路８は図２に示すように、ＣＣＤ２の露光を開始する以前（Ｔ１１以前）にＶｓｕｂ＿ＣｏｎｔｒｏｌをＬとしてＶＳＵＢ制御回路６によりＣＣＤ２に対してＶＳＵＢ電圧として露光用ＶＳＵＢ電圧を供給する。メモリ＆バスコントローラー＆プロセス回路８によりメカシャッター１０に対しＭＳＨでメカシャッターを閉じてＣＣＤ２の露光を終了する（Ｔ１２）。この露光終了に合せてＶｓｕｂ＿ＣｏｎｔｒｏｌをＨとし、ＶＳＵＢ制御回路６によりＣＣＤ２に対してＶＳＵＢ電圧としてフレーム読み出し用ＶＳＵＢ電圧を供給する。このフレーム読み出し用ＶＳＵＢ電圧は露光期間で設定された基板電圧（露光用ＶＳＵＢ電圧）と同じもしくは露光期間で設定された基板電圧より低くする。
【００２９】
フィールド読み出し静止画露光時において、メモリ＆バスコントローラー＆プロセス回路８は図３に示すように、ＣＣＤ２の露光を開始する以前（Ｔ２１以前）にＶｓｕｂ＿ＣｏｎｔｒｏｌをＬとしてＶＳＵＢ制御回路６によりＣＣＤ２に対してＶＳＵＢ電圧を露光用ＶＳＵＢ電圧を供給する。メモリ＆バスコントローラー＆プロセス回路８によりメカシャッター１０に対しＭＳＨでメカシャッターを閉じてＣＣＤ２の露光を終了する（Ｔ２２）。この露光終了に合せてＶｓｕｂ＿ＣｏｎｔｒｏｌをＨとし、ＶＳＵＢ制御回路６によりＣＣＤ２に対してＶＳＵＢ電圧としてフィールド読み出し用ＶＳＵＢ電圧を供給する。このフレーム読み出し用ＶＳＵＢ電圧は露光期間で設定された基板電圧（露光用ＶＳＵＢ電圧）より高くする。
【００３０】
上記の様に、撮像素子となるＣＣＤに供給する基板電圧をフィールド読み出しおよびフレーム読み出しを行う前の露光期間（Ｔ１１〜Ｔ１２、Ｔ２１〜Ｔ２２）においては共通の基板電圧（露光用ＶＳＵＢ電圧）とすることで分光感度差の発生を防ぎ、フィールド読み出しとフレーム読み出しでの色再現性および輝度レベルを同一とすることができる。そして露光期間終了からＣＣＤ読み出し終了までの期間をフィールド読み出しおよびフレーム読み出し各々に適した基板電圧（フレーム読み出し用ＶＳＵＢ電圧又はフィールド読み出し用ＶＳＵＢ電圧）とすることにより、フィールド読み出し時においては垂直転送路に転送する前に垂直転送路の飽和蓄積電荷量を超える電荷をＣＣＤ基板方向に捨てることができ、ブルーミング現象の発生を防ぐことができ、またフレーム読み出し時においては飽和ＣＣＤ出力を大きくとることができる。
【００３１】
なお、本実施例では、色変動抑制手段は、露光時間時にはフレーム読み出し、フィールド読み出し共通の基板電圧を印加し、読み出し時には、読み出しのモードに応じた基板電圧を印加するように制御を行うＶＳＵＢ制御回路が相当する。
【００３２】
（第２の実施例）
フィールド読み出し動画露光は、ＣＣＤ２に対して連続的にフィールド読み出しを行いメモリ＆バスコントローラー＆プロセス回路８で所定の処理を施し映像表示手段１２に映像を表示および記録媒体に記録し、さらに映像信号を加工しシステム制御に必要なデータを取得できる状態とする。
【００３３】
フィールド読み出し動画露光において、メカシャッター１０は常時開いている状態でＣＣＤ２の露光期間は電子シャッター出力終了時から読み出し信号（ＸＳＧ１，２）出力までの期間（Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３）である。また、ＣＣＤ２から露光した映像信号を読み出す期間は読み出し信号（ＸＳＧ１，２）出力より所定時間経過後より始まりＣＣＤ２の持つ画素ライン数分の水平期間経過時で終了する（図４のＣＣＤ  ＯＵＴとして記す）。同図に示すように露光時間の終了がＣＣＤへの読み出し信号（ＸＳＧ１，２）により定められる。このように露光期間終了と読み出し開始までの時間差が無いあるいは短い場合においては、メモリ＆バスコントローラー＆プロセス回路８は図４に示すようにＣＣＤ２の読み出し信号（ＸＳＧ１，２）出力（Ｔ１）からＣＣＤ２から露光した映像信号の読み出し期間の終了時点（Ｔ２）までの期間、Ｖｓｕｂ＿ＣｏｎｔｒｏｌをＬとしてＶＳＵＢ制御回路６によりＣＣＤ２に対してＶＳＵＢ電圧として露光用ＶＳＵＢ電圧を供給し、フレーム読み出し静止画像およびフィールド読み出し静止画像と分光感度が同じになるようにする。
【００３４】
次いで映像信号の読み出し期間の終了時点（Ｔ２）から次のＣＣＤ２の読み出し信号（ＸＳＧ１，２）出力（Ｔ１）までの間でＶｓｕｂ＿ＣｏｎｔｒｏｌをＨとするタイミング（Ｔ３）を設定し、（Ｔ３）から（Ｔ１）までの期間をＶＳＵＢ制御回路６によりＣＣＤ２に対してＶＳＵＢ電圧としてフィールド読み出し用ＶＳＵＢ電圧を供給することにより、垂直転送路で電荷が溢れてブルーミングが発生することを防ぐ。
【００３５】
Ｖｓｕｂ＿ＣｏｎｔｒｏｌをＨとするタイミング（Ｔ３）は、電子シャッター（ＥＳＨ）で定められる露光時間長（Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３）とＶｓｕｂ＿ＣｏｎｔｒｏｌがＨの期間およびＶＳＵＢ電圧としてフィールド読み出し用ＶＳＵＢ電圧を供給する期間（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）の比率が一定となるように設定する。
【００３６】
このように露光期間中に複数の基板電圧設定を行う場合において、露光時間と一つの基板電圧設定期間との比率が一定となるようにすることで、被写体輝度の変化に応じた露光時間制御が行われてもＣＣＤより読み出す映像信号の感度および分光感度を一定にすることができ、かつ、フレーム読み出し静止画像およびフィールド読み出し静止画像との分光感度差を減少させる効果が得られる。
【００３７】
なお、図４において示すＣＣＤ  ＯＵＴの（Ａ＆Ｂ）１、（Ａ＆Ｂ）２等の期間は撮像素子から信号を読み出す期間を示しているが、この期間内では基板電圧の切り換えを行わない。この期間で基板電圧を変更するとＣＣＤから読み出した信号にノイズが載ってしまうからである。
【００３８】
本実施例では、色変動抑制手段は、露光時間の１部の期間（下記の露光時間Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を除く期間）に静止画モードの露光時間時の基板電圧を印加し、露光時間の１部の期間（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）に、フィールド読み出し用の基板電圧を印加するとともに、その期間（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）を露光時間に応じて変えるように制御するＶＳＵＢ制御回路が相当する。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、フィールド読み出しとフレーム読み出しでの色再現性を同一とすることができる。フィールド読み出し時およびフレーム読み出し時においては信号転送路たる垂直転送路に転送する前に垂直転送路の蓄積電荷量を超える電荷を撮像素子の基板方向に捨てることができ、ブルーミング現象の発生を防ぐことができる。
【００４０】
また本発明によれば、撮像素子から連続的に信号を読み出す場合において、複数種類の基板電圧を印加するシステムにおいて露光時間が変化しても撮像素子の感度および分光感度の変化を防ぐことができる。
【００４１】
また本発明によれば、撮像素子から連続的に信号を読み出す場合とフィールド読み出しの静止画とフレーム読み出しの静止画の分光感度差の発生を防ぎ、連続的に信号を読み出す場合の映像とフィールド読み出し静止画とフレーム読み出し静止画での色再現性を同一とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るシステムの構成を説明するブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る制御タイミングを説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施例に係る制御タイミングを説明する図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る制御タイミングを説明する図である。
【図５】ＣＣＤの概略的構成を示す断面図およびＣＣＤの水平方向および垂直方向のポテンシャル図である。
【図６】従来の制御タイミングを説明する図である。
【図７】従来の制御タイミングを説明する図である。
【図８】従来の制御タイミングを説明する図である。
【図９】特公平７−９３７０６号公報に開示されるＣＣＤの単位画素の断面図である。
【符号の説明】
１  光学系
２  ＣＣＤ
３  ＣＤＳ回路
４  ＡＤ変換器
５  タイミングジェネレータ（ＴＧ）
６  ＶＳＵＢ制御回路
７  メモリ
８  メモリ＆バスコントローラー＆プロセス回路
９  システムコントローラー
１０  メカシャッター
１１  記録媒体
１２  映像表示手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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