(57)【要約】【課題】  測定すべき試料の必要量を最低限に抑えることができ、かつ、最小限の大きさの光導波路で、全反射回数を任意に設定することが可能な光吸収測定方法及び装置、並びに同測定方法又は装置において使用可能な光導波路を提供すること。【解決手段】  本発明に係る光吸収測定方法は、一つの反射面を有し、反射面に直交し、かつ、反射面上の予定の一つ又は複数の反射点を通る軸線を挟んで対称に配置された対の入射点及び出射点を複数備え、入射点から入射した光が、反射面の予定の反射点と重なるように設けられた試料上で全反射した後、前記入射点と対称位置にある出射点から出射するように形成された光導波路を用いて、前記試料における光吸収強度又は光吸収スペクトルを出射光より測定する光吸収測定方法であって、ある対の出射点からの出射光を、少なくとも一回、他の対の入射点から再入射させ、予め決められた最後の出射点からの出射光から光吸収強度又は光吸収スペクトルを測定することを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つの反射面を有し、
反射面に直交し、かつ、反射面上の予定の一つ又は複数の反射点を通る軸線を挟んで対称に配置された対の入射点及び出射点を複数備え、
入射点から入射した光が、反射面の予定の反射点と重なるように設けられた試料上で全反射した後、前記入射点と対称位置にある出射点から出射するように形成された光導波路を用いて、
前記試料における光吸収強度又は光吸収スペクトルを出射光より測定する光吸収測定方法であって、
ある対の出射点からの出射光を、少なくとも一回、他の対の入射点から再入射させ、
予め決められた最後の出射点からの出射光から光吸収強度又は光吸収スペクトルを測定する
ことを特徴とする光吸収測定方法。
【請求項２】
一つの反射面を有し、
反射面に直交し、かつ、反射面上の予定の一つ又は複数の反射点を通る軸線を挟んで対称に配置された対の入射点及び出射点を複数備え、
入射点から入射した光が、反射面の予定の反射点と重なるように設けられた試料上で全反射した後、前記入射点と対称位置にある出射点から出射するように形成された光導波路を用いて、
前記試料における光吸収強度又は光吸収スペクトルを出射光より測定する光吸収測定装置であって、
一つの入射点へ光を入射させるための一つの光源と、
ある対の出射点からの出射光を、他の対の入射点へ送る少なくとも一つの光移送手段と、
予め決められた最後の出射点からの出射光から光吸収強度又は光吸収スペクトルを検出する検出手段と
を備えていることを特徴とする光吸収測定方法。
【請求項３】
前記光移送手段が、光ファイバーから成る
ことを特徴とする請求項２に記載の光吸収測定装置。
【請求項４】
光導波路が少なくとも一対の入射面及び出射面を有し、
ある対の入射点と、他の対の入射点とが、同一の入射面に配置され、
ある対の出射点と、他の対の出射点とが、同一の出射面に配置されるように光ファイバが配置されている
ことを特徴とする請求項３に記載の光吸収測定装置。
【請求項５】
光導波路が少なくとも二対の入射面及び出射面を有し、
ある対の入射点と、他の対の入射点とが、異なる入射面に配置され、
ある対の出射点と、他の対の出射点とが、異なる出射面に配置されるように光ファイバが配置されている
ことを特徴とする請求項３に記載の光吸収測定装置。
【請求項６】
請求項１に記載の光吸収測定方法に用いられる光導波路であって、
内部で光が全反射して伝播可能な屈折率を有する透明な材料から成り、
一つの反射面を有し、
反射面に直交し、かつ、反射面上の予定の一つ又は複数の反射点を通る軸線を挟んで対称位置にある対の入射点及び出射点を複数備え、
入射点から入射した光が、反射面の予定の反射点と重なるように設けられた試料上で全反射した後、前記入射点と対称位置にある出射点から出射するように形成されている
ことを特徴とする光導波路。
【請求項７】
請求項２〜５の何れか一項に記載の光吸収測定装置に用いられる光導波路であって、
内部で光が全反射して伝播可能な屈折率を有する透明な材料から成り、
一つの反射面を有し、
反射面に直交し、かつ、反射面上の予定の一つ又は複数の反射点を通る軸線を挟んで対称位置にある対の入射点及び出射点を複数備え、
入射点から入射した光が、反射面の予定の反射点と重なるように設けられた試料上で全反射した後、前記入射点と対称位置にある出射点から出射するように形成されている
ことを特徴とする光導波路。
【請求項８】
前記光導波路が、偶数の対向壁を持った多角錐台形状であり、
各対の入射点と出射点とが、各々対向壁に位置する
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の光導波路。
【請求項９】
前記光導波路が、円錐形状である
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の光導波路。
【請求項１０】
前記光導波路が、切頭多角錐台形状又は切頭円錐形状である
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の光導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路を使用して極微量の試料など光吸収強度又は光吸収スペクトルを高感度に測定するための方法及び装置、並びに同測定方法又は装置において使用可能な光導波路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から試料に光を全反射で照射し、反射した光の光強度を検出することにより、試料における光吸収量や光吸収スペクトルを測定、判断し、測定した光吸収量から物質の濃度や性質、種などを測定する光吸収測定は知られている。
この光吸収測定では、試料に光を全反射で照射させるために光導波路が用いられる。
従来の光導波路は、縦断面台形又は長方形の形状をしており、内部で光が複数回全反射を繰り返すことができるように構成されている。
図１２（ａ）は、縦断面台形の従来の光導波路を示している。図面に示すように、この光導波路は、対向する左右一対の入射面３１と出射面３２と、上下に位置する反射面３３及び３４を有する。下側に位置する反射面３４には測定すべき試料３４が配置される。
そして、レーザーや白色光等の光源（図示せず）からの光を入射面３１から光導波路内に導入し、上下の反射面３３及び３４により光の全反射を繰り返させる。これにより、光は試料３４に対して全反射で複数回照射され、全反射する毎に光吸収が生じる。この光吸収量は、試料によって異なる。そして、反射面３２から出射した光の光強度を測定することにより、試料面に対して光が全反射した時の光吸収量を判断し、この光吸収量から試料における目的物質の状態や種、濃度、量などが分かる（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−７５６３９（特許２８０７７７７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種の従来の光吸収測定では、測定精度は、試料に対する光の全反射回数に依存する。具体的には、全反射回数が多ければ多い程、測定感度が上がり、少なければ少ない程、測定感度が下がる。このため、測定感度を上げるためには、光導波路を長くするか、又は、上下の反射面３３及び３４間の距離が短くなるように光導波路を薄くする必要がある。
しかし、光導波路を薄くするには技術的に限界がある。
このため測定感度を上げる方法としては、光導波路を長くする方法が現実的であるが、光導波路を長くすると、光導波路自体が大型化するため測定装置も大型化するという問題がある。
また、光導波路が長くなると、図１２（ｂ）に示すように、全反射回数は増えるが、それに伴い、全反射面の面積も大きくなるため、測定すべき試料の必要量が増えるという問題もある。測定すべき試料の中には、微量しか採取できない試料もあるため、試料の必要量が増えると測定すらできない試料も出てくるので問題である。
本発明は、上記した従来の問題点を解決し、測定すべき試料の必要量を最低限に抑えることができ、かつ、最小限の大きさの光導波路で、全反射回数を任意に設定することが可能な光吸収測定方法及び装置、並びに同測定方法又は装置において使用可能な光導波路を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した目的を達成するために本発明に係る光吸収測定方法は、一つの反射面を有し、反射面に直交し、かつ、反射面上の予定の一つ又は複数の反射点を通る軸線を挟んで対称に配置された対の入射点及び出射点を複数備え、入射点から入射した光が、反射面の予定の反射点と重なるように設けられた試料載置面で全反射した後、前記入射点と対称位置にある出射点から出射するように形成された光導波路を用いて、前記試料における光吸収強度又は光吸収スペクトルを出射光より測定する光吸収測定方法であって、ある対の出射点からの出射光を、少なくとも一回、他の対の入射点から再入射させ、予め決められた最後の出射点からの出射光から光吸収強度又は光吸収スペクトルを測定することを特徴とする。
また、本発明に係る光吸収測定装置は、一つの反射面を有し、反射面に直交し、かつ、反射面上の予定の一つ又は複数の反射点を通る軸線を挟んで対称に配置された対の入射点及び出射点を複数備え、入射点から入射した光が、反射面の予定の反射点と重なるように設けられた試料上で全反射した後、前記入射点と対称位置にある出射点から出射するように形成された光導波路を用いて、前記試料における光吸収強度又は光吸収スペクトルを出射光より測定する光吸収測定装置であって、一つの入射点へ光を入射させるための一つの光源と、ある対の出射点からの出射光を、他の対の入射点へ送る少なくとも一つの光移送手段と、予め決められた最後の出射点からの出射光から光吸収強度又は光吸収スペクトルを検出する検出手段とを備えていることを特徴とする。
好ましくは、前記光移送手段は、光ファイバーから成る。
少なくとも一対の入射面及び出射面を有する光導波路を用いる場合には、ある対の入射点と、他の対の入射点とが、同一の入射面に配置され、ある対の出射点と、他の対の出射点とが、同一の出射面に配置されるように光ファイバを配置することができる。
また、少なくとも二対の入射面及び出射面を有する光導波路を用いる場合には、ある対の入射点と、他の対の入射点とが、異なる入射面に配置され、ある対の出射点と、他の対の出射点とが、異なる出射面に配置されるように光ファイバを配置してもよい。
前記入射点と出射点とは、反射点が一つになるように配置してもよく、また、反射点が複数になるように配置してもよい。
また、本発明に係る光導波路は、前記した光吸収測定方法又は測定装置に用いられる光導波路であって、内部で光が全反射して伝播可能な屈折率を有する透明な材料から成り、一つの反射面を有し、反射面に直交し、かつ、反射面上の予定の一つ又は複数の反射点を通る軸線を挟んで対称位置にある対の入射点及び出射点を複数備え、入射点から入射した光が、反射面の予定の反射点と重なるように設けられた試料上で全反射した後、前記入射点と対称位置にある出射点から出射するように形成されていることを特徴とする。
前記光導波路は、偶数の対向壁を持った多角錐形状、例えば、４角錐、６角錐、８角錐であり得、この場合には、各対の入射点と出射点とが、各々対向壁に位置する。また、前記光導波路は、円錐形状であってもよく、半球形であってもよい。さらに、必要に応じて、切頭多角錐又は切頭円錐であってもよい。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る光吸収測定方法は、一つの反射面を有し、反射面に直交し、かつ、反射面上の予定の一つ又は複数の反射点を通る軸線を挟んで対称に配置された対の入射点及び出射点を複数備え、入射点から入射した光が、反射面の予定の反射点と重なるように設けられた試料上で全反射した後、前記入射点と対称位置にある出射点から出射するように形成された光導波路を用いて、前記試料における光吸収強度又は光吸収スペクトルを出射光より測定する光吸収測定方法であって、ある対の出射点からの出射光を、少なくとも一回、他の対の入射点から再入射させ、予め決められた最後の出射点からの出射光から光吸収強度又は光吸収スペクトルを測定するので、一回反射型の光導波路を用いて測定すべき試料に対して複数回光を全反射させることができる。これにより、光導波路を大きくすることなく、測定感度を上げることが可能になる。
また、一回反射型の光導波路を用いて測定すべき試料に対して複数回光を全反射させるため、試料に対する光の全反射点を一つにすることができ、また、全反射点が複数あるでも、それらの全反射点を相互に近づけることができる。その結果、試料の量を最小限に抑えることができ、さらに、試料の同じ部分又は近接した部分で全反射させるため試料のバラツキによる測定精度の低下がない。従って、同じ回数全反射させたとしても、複数の離れた反射点で試料に光を全反射させる従来の光導波路を用いた測定方法より測定感度を上げることができる。
また、本発明に係る光吸収測定装置は、上記した測定方法と同様の効果が得られることは勿論、光導波路を小型化できる分、測定装置自体の大きさも小型化することが可能になるという効果を奏する。具体的には、例えば、上記した光源、少なくとも一つの光移送手段及び検出手段を一つのハウジング内に収容すると共に、同ハウジング内に、光検出手段からの検出結果を処理する制御手段と、制御手段により処理された結果を表示するディスプレイとを設けることにより、今までに存在しない一体型の小型測定装置を製造することも可能になる。また、光導波路の繰り返し反射機能による高感度そのままに、ヘッドにプリズムを配置したプローブタイプ、ハンディータイプ、ポータブル化が可能になる。
前記光移送手段は、ある対の出射点からの出射光を、他の対の入射点へ送ることができる構成であれば任意の構成でよいが、光の拡散等を防ぐために、光ファイバを用いることが好ましい。
また、光導波路へ入射する光及び光導波路から出射する光を効率的に伝播させるために、光ファイバと光導波路の間に集光のためのレンズ系を配置したり、またファイバの端面をレンズ効果を持たせる形状に加工することができる。
加えて光導波路より出射した光を再度他の入射点から入射するために用いる光ファイバとしては、光を入射する側が出射側より口径が大きいタイプの（テーパーファイバ）などが用いられ得る。
さらにまた、本発明に係る光導波路は、内部で光が全反射して伝播可能な屈折率を有する透明な材料から成り、一つの反射面を有し、反射面に直交し、かつ、反射面上の予定の一つ又は複数の反射点を通る軸線を挟んで対称位置にある対の入射点及び出射点を複数備え、入射点から入射した光が、反射面の予定の反射点と重なるように設けられた試料上で全反射した後、前記入射点と対称位置にある出射点から出射するように形成されているので、従来の光導波路の大きさに比べて非常に小型になるという効果を奏する。光導波路の小型化は、前記したように測定装置の小型化にも繋がるので、この点において非常に効果が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、添付図面に示した一実施例を参照して本発明に係る光吸収測定方法及び装置、並びに同測定方法及び装置において使用可能な光導波路の実施の形態について説明していく。
【０００８】
図１は、本発明に係る光吸収スペクトル測定方法の原理を説明するための図であり、光導波路と測定のための構成要素との関係を示す側面図である。図２は、図１の概略上面図である。
図中符号１は、光導波路を示している。この光導波路１は、対向する一対の入射面及び出射面２を３対有する切頭６角錐台の形状である。光導波路１は、内部で光が全反射して伝播可能な屈折率を有する透明な材料、例えば、石英ガラスや高屈折率ガラスから成る。
光導波路１の底面（反射面）３には、測定すべき試料４が配置される。
光源５は、レーザー光を、光導波路１の第１の入射面２ａの入射点に入射するように配置されている。こうして入射された光は、反射面３に設けられた前記試料上の予定の反射点で全反射した後に、第１の出射面２ｂの出射点から出射する。前記第１の入射面２ａの入射点と、第１の出射面２ｂの出射点とは、反射面３に直交し、かつ、前記予定の反射点を通る軸線ａを挟んで対称位置にある。
光移送手段としての光ファイバ６は、第１の出射面２ｂの出射点から出射した出射光を、他の対を構成する第２の入射面２ｃの入射点に戻すように配置されている。
これにより、第２の入射面２ｃの入射点から再び、光導波路１内に光が入射される。再入射された光は、反射面３に設けられた前記試料上の予定の反射点で全反射した後に、前記中心軸線ａを挟んで入射点と対称位置にある第２の出射面２ｄの出射点から出射する。
検出装置７は、予め決められた最後の出射点（この実施例では、出射面２ｄの出射点）から出射した光を受光する。受光された光は、不図示の処理装置に送られ、処理装置にて、反射した光の光強度や分光感度を検出する。
上記した構成により、光は、試料の同じ点にて、２回全反射した後、検出装置７に受光されるので、測定感度が向上する。
尚、この実施例では、光源５から直接、光が光導波路に入射され、光導波路からの出射光が直接光ファイバ６に入り、さらに、光ファイバ６からの光が直接光導波路に入射されるように構成されているが、これは本実施例に限定されることなく、必要に応じて、光導波路へ入射する光及び光導波路から出射する光を効率的に伝播させるために、光ファイバと光導波路の間に集光のためのレンズ系を配置してもよく、また、光ファイバの端面をレンズ効果を持たせる形状に加工してもよい。
また、上記した実施例では、構造を分かりやすくするために、２回反射の例を挙げて説明しているが、反射回数は、この実施例に限定されることなく、任意の回数に設定され得る。例えば、上記した実施例では、光導波路１が切頭６角錐台の形状なので、第２の出射面２ｄの出射点からの出射光を、さらに、他の対を構成する第３の入射面２ｅの入射点に戻す光ファイバを設け、出射面２ｆの出射点を最後の出射点として、この出射点からの出射光を検出するように構成してもよい。同様の原理で、光導波路を切頭８角錐台、切頭１０角錐台等で形成し、入射面及び出射面から成る対を増やすことにより、反射回数を４回、５回と任意に増やすことができる。また、図３に示すように、光導波路を半球体で構成した場合には、入射点及び出射点の対を、面とは関係なく設定することができるので、反射回数の設定の自由度が高くなる。
さらに、光導波路が、上記した実施例のように切頭型の場合には、円錐台形状であっても、角錐台形状であっても、上記した実施例と逆向きに光導波路を使用することが可能である。図４は、切頭角錐台形状の光導波路を図１に示した実施例と逆向きに使用する例を示している。この実施例では、光導波路１の傾斜面１ａを利用して入射光を屈折させて試料４に導いた後、試料４にて全反射した光を傾斜面１ｂを利用して屈折させて出射させている。
図４に示した実施例では、傾斜面１ａ及び１ｂを単に屈折のために用いているだけであるが、図４に点線で示すように、これらの傾斜面１ａ及び１ｂにも試料４を設け、底面３に加えてこれらの傾斜面１ａ及び１ｂにおいても光を全反射させるように構成してもよい。
さらにまた、光導波路は、切頭型である必要はなく、円錐形状又は角錐形状であってもよい（図５参照）。
また、上記した実施例では、複数の入射点及び出射点が、それぞれ異なる入射面及び出射面に位置するように構成されているが、これは本実施例に限定されることなく、光ファイバのマトリックスを組み、同一の入射面及び出射面に複数の入射点及び出射点が位置するように構成してもよい。図６〜図９は、４本の光ファイバで２×２のマトリックスを組立て、同一の入射面及び出射面に各々４つの入射点及び出射点を配置する例を示している。図６〜図９中、符号２０ａ〜２０ｅは光ファイバを示し、符号２１はプリズムを示し、符号２２は反射面を示している。
図６に示すように、光源からの光Ａは光ファイバ２０ａからプリズム２１へ入射され、反射面２２上で全反射する。全反射してプリズム２１から出射した光Ａは、光ファイバ２０ｂに入射する。
図７に示すように、光ファイバ２０ｂからの光Ｂは、再び、プリズム２１へ入射され、反射面２２上で全反射した後、プリズム２２から出射して光ファイバ２０ｃに入射する。
図８に示すように、光ファイバ２０ｃからの光Ｃは、再び、プリズム２１へ入射され、反射面２２上で全反射した後、プリズム２２から出射して光ファイバ２０ｄに入射する。
図９に示すように、光ファイバ２０ｄからの光Ｄは、再び、プリズム２１へ入射され、反射面２２上で全反射した後、プリズム２２から出射して光ファイバ２０ｅに入射する。光ファイバ２０ｅは、不図示の処理装置に接続されている。
この実施例を応用して、例えば、直径０．１ｍｍの光ファイバで１０×１０のマトリックスを組立てることにより、１ｍｍ２で１００回反射を行うことが可能になる。
図６〜図９に示した実施例では、図１〜図５に示した実施例とは異なり、反射点を一箇所に集中させることはできない。しかし、図面に示したように、全ての反射点を非常に近接させることができる。そのため、従来の光吸収測定装置に比べるとプリズムの大きさが非常に小さくなり、試料の必要量も低減させることができる。
また、図６〜図９に示した実施例と、図１〜図５に示した実施例とを組み合わせると、さらに、反射回数を増やすことが可能になる。具体的には、例えば、４角錐のプリズムを用いて、一つの対向する面に、直径０．１ｍｍの光ファイバで１０×１０のマトリックスを組立てて配置し、さらに、他の対向する面に同様のマトリックスを組立てて配置することにより、１ｍｍ２で２００回反射を行うことも可能になる。
【０００９】
上記した実施例では、全て入射面に対して光が垂直に入射し、かつ、出射面に対して光が垂直に出射しているが、光の入射角度は本実施例に限定されることなく、例えば、図１０に示すように、光導波路１の入射面２ａ及び出射面２ｂの傾きを利用して光を屈折させて、光を試料４に導くように構成してもよい。
【００１０】
次に、図１１を参照して、本発明に係る光吸収測定装置の実施例を説明する。
尚、図１及び図２に示した構成部材と同じ構成部材には、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
この光吸収測定装置は、ハウジング１０の内部に、光源５、光ファイバ６、光検出手段としての光検出素子７が設けられている。
光検出素子７で検出した光は、処理装置１１に送られ、この処理装置１１で検出した光の光強度を測定し、その測定結果に基づいて、測定物質の吸収スペクトルや、吸収強度等の必要情報が、ディスプレイ１２に表示される。
このように、全ての構成部材を一つのハウジング１０内に収容することにより、今までにない一体型の光吸収スペクトル測定装置を提供することが可能になる。この一体型の光吸収スペクトル測定装置の大きさは、使用する光導波路の大きさに依存する。本発明に係る測定方法によれば、一つの点で繰り返し反射が行えるので光導波路は非常に小型化することができ、その結果、測定装置も非常に小型化することができる。そして、上記した実施例のように一体化することにより、携帯型の測定装置を提供することも可能になる。
【００１１】
図１１に示した実施例では、光吸収スペクトル測定装置を一つのハウジングに収容して一体化した例を挙げて説明しているが、これは本実施例に限定されることはない。
また、図１１に示した実施例では、最終的な測定及び分析結果をディスプレイに出力するように構成されているが、これは本実施例に限定されることなく、プリンタ、記憶媒体、表示ランプ、スピーカ等の任意の出力手段に出力可能である。
さらに、図１１に示した実施例に、図６〜図９に示した光ファイバのマトリックス構造を適用すれば、小さな測定装置で非常に多くの反射回数を得ることが可能になる。
【００１２】
以上説明した実施例には、必要に応じて、プリズムと光ファイバとの間に、Ｐ偏光子（縦波）及びＳ偏光子（横波）を設けることができる。これにより、反射面に存在するサンプルの分子が立っているのか、横になっているのか、さらには、どのような角度で立っているのかを確認することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る光吸収測定方法の原理を説明するための図であり、光導波路と測定のための構成要素との関係を示す側面図である。
【図２】図１の概略上面図である。
【図３】光導波路の別の実施例を示す図１に対応する図である。
【図４】光導波路の別の実施例を示す図１に対応する図である。
【図５】光導波路の別の実施例を示す図１に対応する図である。
【図６】本発明に係る光吸収測定方法の別の実施例の作用を示す斜視図である。
【図７】図６に示した光吸収測定方法の作用を示す斜視図である。
【図８】図６に示した光吸収測定方法の作用を示す斜視図である。
【図９】図６に示した光吸収測定方法の作用を示す斜視図である。
【図１０】光導波路の別の実施例を示す図１に対応する図である。
【図１１】本発明に係る光吸収測定装置の一実施例の概略正面図である。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）は、従来の光導波路を示す図である。
【符号の説明】
【００１４】
１  光導波路
２  側面
３  底面
４  試料
５  光源
６  光ファイバ
７  検出装置
１０  ハウジング
１１  制御装置
１２  ディスプレイ
ａ  中心軸線
２０ａ  光ファイバ
２０ｂ  光ファイバ
２０ｃ  光ファイバ
２０ｄ  光ファイバ
２０ｅ  光ファイバ
２１  プリズム
２２  反射面
【図１】
2006064405.tif 000003
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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