(57)【要約】【課題】被測定対象物がテラヘルツ波に対する吸収係数の小さい気体であっても、構成を大型化することなく良好にテラヘルツ透過スペクトル測定を行うことができるようにする。【解決手段】被測定対象物が収容される内部空間１５を有すると共に、入射口１１Ａを介して入射したテラヘルツ波を内部空間１５で複数回内部反射させた後、出射口側に導くフォトニック結晶型の共振器構造を有する基板を用いる。テラヘルツ波を内部空間内で複数回内部反射させることによって測定に必要とされる伝搬距離が十分に確保される。これにより、テラヘルツ波に対する吸収係数の小さい気体であっても、構成を大型化することなく良好にテラヘルツ透過スペクトル測定を行うことが可能となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波が入力される入射口と、
前記テラヘルツ波が出力される出射口と、
前記入射口と前記出射口との間に設けられ、被測定対象物が収容される内部空間を有すると共に、前記入射口を介して入射した前記テラヘルツ波を前記内部空間で複数回内部反射させた後、前記出射口側に導くフォトニック結晶型の共振器と
を備えたテラヘルツ分光用デバイス。
【請求項２】
前記共振器は、水平面内で曲線状に湾曲した１次元的な屈折率周期構造を有する
請求項１に記載のテラヘルツ分光用デバイス。
【請求項３】
前記入射口と前記出射口とが設けられると共に、前記入射口と前記出射口との間に前記フォトニック結晶型の共振器が形成され、前記共振器によって水平面内で前記テラヘルツ波を複数回内部反射させる第１の基板と、
直線格子型のフォトニック結晶構造を有し、前記第１の基板に対して上方向および下方向に積層配置された第２の基板と、
直線格子型のフォトニック結晶構造を有し、前記第１の基板に対して上方向および下方向に積層配置され、かつ、前記第２の基板に対して格子方向が互いに直交するように積層配置された第３の基板と
をさらに備えた請求項１または２に記載のテラヘルツ分光用デバイス。
【請求項４】
前記被測定対象物は気体であり、
前記第２の基板および前記第３の基板はそれぞれ、直線スリット状の空隙部を有する直線格子型のフォトニック結晶構造であり、
前記入射口と前記出射口、および前記空隙部を介して前記第１の基板の前記内部空間に前記被測定対象物の気体が流入する構造とされている
請求項３に記載のテラヘルツ分光用デバイス。
【請求項５】
前記入射口または前記出射口の少なくとも一方は、前記第１の基板における第１の面側が開放されると共に、前記第１の面に対向する第２の面側が閉じた領域とされた掘り込み型の構造を有している
請求項３に記載のテラヘルツ分光用デバイス。
【請求項６】
前記第１の基板、前記第２の基板および前記第３の基板はそれぞれ、周期が１０ｍｍ未満の屈折率周期構造を有する
請求項３に記載のテラヘルツ分光用デバイス。
【請求項７】
前記第１の基板、前記第２の基板および前記第３の基板はそれぞれ、前記テラヘルツ波を透過する単一の材料からなる
請求項３に記載のテラヘルツ分光用デバイス。
【請求項８】
テラヘルツ波を発生する発生手段と、
前記発生手段で発生されたテラヘルツ波が入力されるテラヘルツ分光用デバイスと、
前記テラヘルツ分光用デバイスを伝搬した後のテラヘルツ波を検出する検出手段と
を備え、
前記テラヘルツ分光用デバイスは、
前記テラヘルツ波が入力される入射口と、
前記テラヘルツ波が出力される出射口と、
前記入射口と前記出射口との間に設けられ、被測定対象物が収容される内部空間を有すると共に、前記入射口を介して入射した前記テラヘルツ波を前記内部空間で複数回内部反射させた後、前記出射口側に導くフォトニック結晶型の共振器と
を有するテラヘルツ分光装置。
【請求項９】
前記被測定対象物は気体であり、
前記テラヘルツ分光用デバイスを内部に収容すると共に、前記テラヘルツ分光用デバイスを収容した状態で内部に前記被測定対象物の気体を充満させる密閉容器をさらに備えた
請求項８に記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項１０】
テラヘルツ波が入力される入射口と、
前記テラヘルツ波が出力される出射口と、
前記入射口と前記出射口との間に設けられ、被測定対象物が収容される内部空間を有すると共に、前記入射口を介して入射した前記テラヘルツ波を前記内部空間で複数回内部反射させた後、前記出射口側に導くフォトニック結晶型の共振器と
を備えたテラヘルツ分光用デバイスを、
紫外線硬化樹脂を含む材料を用いて、インプリント成型または光造形により製造する
テラヘルツ分光用デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を用いた気体試料のスペクトル分析を行うのに好適なテラヘルツ分光用デバイスおよびその製造方法、ならびにテラヘルツ分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、テラヘルツ波を利用した技術が注目を集めており、テラヘルツ波を用いた分光やイメージングが産業応用として期待されている。例えば、テラヘルツ波の応用分野として、フォトンエネルギーがＸ線に比べて極めて小さいことを利用して安全な透視検査装置としてテラヘルツイメージングを行う技術や、分子の振動準位や回転準位に起因する物質の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて物質の状態や同定を行う分光技術がある。また、半導体基板のキャリア濃度や移動度の評価、またＬＳＩチップにフェムト秒レーザを照射することにより発生するテラヘルツから配線欠陥位置を検知する技術などが開発されている。
【０００３】
中でも特許文献１に開示されているように、テラヘルツ波を用いて分光光学的手法によりガスセンシングを行う方法が知られている。これは、テラヘルツ波を被測定対象試料としての気体に照射し、透過したテラヘルツ波のスペクトルを得ることで分析を行うものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２２２５９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで一般にテラヘルツ波は気体に対して吸収係数が低いため、気体のテラヘルツ分光を行うには数ｍ〜数１００ｍ程度の長い距離を伝搬させる必要がある。このため、装置構成が巨大で複雑、かつ高価になってしまうという問題があった。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、被測定対象物がテラヘルツ波に対する吸収係数の小さい気体であっても、構成を大型化することなく良好にテラヘルツ透過スペクトル測定を行うことができるようにしたテラヘルツ分光用デバイスおよびその製造方法、ならびにテラヘルツ分光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によるテラヘルツ分光用デバイスは、テラヘルツ波が入力される入射口と、テラヘルツ波が出力される出射口と、入射口と出射口との間に設けられ、被測定対象物が収容される内部空間を有すると共に、入射口を介して入射したテラヘルツ波を内部空間で複数回内部反射させた後、出射口側に導くフォトニック結晶型の共振器とを備えたものである。
【０００８】
本発明によるテラヘルツ分光装置は、テラヘルツ波を発生する発生手段と、発生手段で発生されたテラヘルツ波が入力されるテラヘルツ分光用デバイスと、テラヘルツ分光用デバイスを伝搬した後のテラヘルツ波を検出する検出手段とを備えている。
そして、そのテラヘルツ分光用デバイスを、上記本発明のテラヘルツ分光用デバイスで構成したものである。
【０００９】
本発明によるテラヘルツ分光用デバイスまたはテラヘルツ分光装置では、テラヘルツ波をフォトニック結晶型の共振器に入力し、被測定対象物が収容された内部空間内で複数回内部反射させた後、出射口側に導く。テラヘルツ波を内部空間内で複数回内部反射させることによって測定に必要とされる伝搬距離が十分に確保される。これにより、テラヘルツ波に対する吸収係数の小さい気体であっても、構成を大型化することなく良好にテラヘルツ透過スペクトル測定を行うことが可能となる。
【００１０】
本発明によるテラヘルツ分光用デバイスの製造方法は、上記本発明のテラヘルツ分光用デバイスを、紫外線硬化樹脂を含む材料を用いて、インプリント成型または光造形により製造するようにしたものである。
【００１１】
本発明によるテラヘルツ分光用デバイスの製造方法では、上記本発明のテラヘルツ分光用デバイスを、インプリント成型または光造形により大量生産することが可能となる。インプリント成型または光造形により製造可能であるのは、本発明のテラヘルツ分光用デバイスが、例えば数μｍの基板製造誤差が分光性能に大きな影響を与えるということはなく、基板製造時の寸法公差による分光性能への影響を低減できるような構造とされているためである。本発明のテラヘルツ分光用デバイスで用いられているテラヘルツ領域でのフォトニック結晶構造は、例えば光通信帯のフォトニック結晶構造と比べて数１０倍から数１００倍の結晶格子サイズと結晶格子間隔であるため紫外線硬化樹脂を含む材料を用いた光造形やインプリント成型による大量製造生産が可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のテラヘルツ分光用デバイスまたはテラヘルツ分光装置によれば、テラヘルツ波をフォトニック結晶型の共振器に入力し、被測定対象物が収容された内部空間内で複数回内部反射させた後、出射口側に導くようにしたので、テラヘルツ波に対する吸収係数の小さい気体であっても、構成を大型化することなく良好にテラヘルツ透過スペクトル測定を行うことができる。
【００１３】
本発明のテラヘルツ分光用デバイスの製造方法によれば、上記本発明のテラヘルツ分光用デバイスを、紫外線硬化樹脂を含む材料を用いて、インプリント成型または光造形により製造するようにしたので、大量生産が可能である。これは、上記本発明のテラヘルツ分光用デバイスが、例えば光通信用のフォトニック結晶構造に比べて高精度な製造公差が要求されないことなどによる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施の形態に係るテラヘルツ分光用デバイスの全体構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１に示したテラヘルツ分光用デバイスにおける第１の基板の一構成例を示す平面図である。
【図３】図１に示したテラヘルツ分光用デバイスにおける第２の基板の一構成例を示す平面図である。
【図４】図１に示したテラヘルツ分光用デバイスにおける第３の基板の一構成例を示す平面図である。
【図５】図１に示したテラヘルツ分光用デバイスを組み込んだテラヘルツ分光装置の一例を示す構成図である。
【図６】図１に示したテラヘルツ分光用デバイスをテラヘルツ分光装置に導入する場合の密閉容器の一例を示す斜視図である。
【図７】図１に示したテラヘルツ分光用デバイスの収容部に被測定対象物が収容されていない状態で得られるテラヘルツ波のスペクトル波形の一例を示す波形図である。
【図８】図１に示したテラヘルツ分光用デバイスの収容部に被測定対象物を収容した状態で得られるテラヘルツ波のスペクトル波形の一例を示す波形図である。
【図９】図７のスペクトル波形と図８のスペクトル波形とから求められる被測定対象物のテラヘルツ波に対する吸収スペクトル波形を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
［テラヘルツ分光用デバイス１の構成］
図１は、本発明の一実施の形態に係るテラヘルツ分光用デバイス１の構成例を示している。このテラヘルツ分光用デバイス１は、測定を行おうとするテラヘルツ波の波長に対して透明もしくは所定の透過率を持つ材料からなる第１の基板１３、第２の基板１６、および第３の基板１７を備えている。各基板は、全体として例えば単一の材料（紫外線硬化樹脂を含む材料等）からなる。各基板は全体として平板状であり、図１に示したように、厚みが例えば０．１ｍｍ〜１０ｍｍ程度、横方向および縦方向の長さが例えば３００ｍｍ程度となっている。第２の基板１６および第３の基板１７は、第１の基板１３に対して上方向および下方向の双方においてそれぞれ、少なくとも１枚ずつ、交互に積層配置されている。各基板間の保持は例えば接着剤を用いても良いし、上下方向から第１の基板１３を構造的に押さえ込むようなものであっても良い。
【００１７】
第１の基板１３には、図２に示したように、入射口１１Ａと出射口１１Ｂとが設けられている。また、入射口１１Ａと出射口１１Ｂとの間で、フォトニック結晶型の共振器構造が形成され、その共振器構造によって水平面内（ＸＹ面内）でテラヘルツ波を複数回内部反射させた後、出射口１１Ｂ側に導くようになっている。入射口１１Ａには、例えばフェムト秒レーザと光伝導アンテナとを用いて発生させたテラヘルツ波１０が入力される。出射口１１Ｂからは共振器構造部分を伝搬した後のテラヘルツ波１４が出力される。第１の基板１３には、被測定対象物（例えば気体試料）が収容（充満）される内部空間１５が形成され、この内部空間１５内でテラヘルツ波が複数回内部反射するようになっている。第１の基板１３は、テラヘルツ波を水平面内で複数回内部反射させるために、水平面内で曲線状に湾曲した１次元的な屈折率周期構造部分１２Ａ，１２Ｂを有している。曲線状の湾曲は、内部反射させるために内部空間１５側が凹形状となるような形状とされている。屈折率周期構造部分１２Ａ，１２Ｂは、曲線スリット状の空隙部と基板材料との屈折率周期構造とされている。この屈折率周期構造は、テラヘルツ波を伝搬するためにその周期が１０ｍｍ未満とされている。
【００１８】
なお、図１では各基板の積層構造を模式的に示すために便宜上、各基板の外形形状をすべて単純な四角形状で描いている。実際には、第１の基板１３の外形形状は、図２に示したように曲線状の部分を有している。
【００１９】
第１の基板１３において、入射口１１Ａと出射口１１Ｂ、および内部空間１５と屈折率周期構造部分１２Ａ，１２Ｂの空隙部は、原理的には、第１の面（表面）と第２の面（裏面）とを完全に貫通し、空間的には何もない状態で良い。ただし、それらすべての部分を完全に上下貫通した構造にすると、図２における主として右上側部分の第１の構造部分１３Ａと、主として左下側部分の第２の構造部分１３Ｂとが、構造的に分離したものとなり、共振器構造部分を同一面内に保持するのが困難になる。そこで、共振器構造部分を形状的に保持するために、例えば入射口１１Ａ付近と出射口１１Ｂ付近とを部分的に上下方向には貫通していない状態にすることが好ましい。例えば、入射口１１Ａ付近と出射口１１Ｂ付近とが、基板１３における第１の面（表面）側が開放されると共に、第１の面に対向する第２の面（裏面）側が閉じた領域とされた掘り込み型の構造を有していることが好ましい。
【００２０】
第２の基板１６は、図３に示したように、直線スリット状の空隙部１６Ａを有する直線格子型のフォトニック結晶構造を有している。第２の基板１６は、直線スリット状の空隙部１６Ａと基板材料との屈折率周期構造とされている。テラヘルツ波に対するフォトニック結晶構造にするために、その周期は１０ｍｍ未満とされている。
【００２１】
第３の基板１７も同様に、図４に示したように、直線スリット状の空隙部１７Ａを有する直線格子型のフォトニック結晶構造を有している。第３の基板１７は、直線スリット状の空隙部１７Ａと基板材料との屈折率周期構造とされている。テラヘルツ波に対するフォトニック結晶構造にするために、その周期は１０ｍｍ未満とされている。
【００２２】
第２の基板１６と第３の基板１７は、図３および図４に示したように、互いの格子方向が直交するようにして第１の基板１３に対して上方向および下方向に交互に積層配置される。このようなwood pile型のフォトニック結晶構造によって、第１の基板１３に入射したテラヘルツ波を第１の基板１３に対して上下方向に閉じこめる構造とされている。すなわち、このテラヘルツ分光用デバイス１では、第１の基板１３の入射口１１Ａから入射したテラヘルツ波の伝搬方向が、水平方向には第１の基板１３のフォトニック結晶型の共振器構造によって規制される。一方、上下方向の伝搬は第２の基板１６と第３の基板１７とによるフォトニック結晶構造によって規制される。
【００２３】
なお、各基板は、上述したように空隙部を有しているので、被測定対象物が気体であっても、それら空隙部を介して第１の基板１３の内部空間１５に気体を流入させ、充満させることが可能である。また、第１の基板１３の入射口１１Ａと出射口１１Ｂからも気体を流入させることが可能となっている。
【００２４】
［テラヘルツ分光用デバイス１による作用および効果］
このテラヘルツ分光用デバイス１では、テラヘルツ波をフォトニック結晶型の共振器に入力し、被測定対象物が収容された内部空間１５内で複数回内部反射させた後、出射口１１Ｂ側に導く。このテラヘルツ分光用デバイス１では、例えば数μｍの基板製造誤差が分光性能に大きな影響を与えるということはなく、基板製造時の寸法公差による分光性能への影響を低減できる。また、このテラヘルツ分光用デバイス１で用いられているテラヘルツ領域でのフォトニック結晶構造は、例えば光通信帯のフォトニック結晶構造と比べて数１０倍から数１００倍の結晶格子サイズと結晶格子間隔であるため、比較的高精度な製造公差は要求されず、各基板は、紫外線硬化樹脂を含む材料を用いた光造形やインプリント成型による大量製造生産が可能である。また基板製造後は、３種類の基板を積み重ねるだけでよく、またその際に求められる組み合わせの位置精度は数ｍｍ程度で良いため、デバイス全体としても製造が簡便であり、大量製造生産が可能となる。
【００２５】
このテラヘルツ分光用デバイス１は、図２〜図４に示したフォトニック結晶構造の基板を図１に示したように積層して全体としてスラブ型の導波路構造にしている。これにより、第１の基板１３の水平方向および上下方向にテラヘルツ波を閉じ込める領域を作り出し、限られた内部空間１５の中をテラヘルツ波が複数回反射するようにしている。従って、被測定対象物がテラヘルツ波に対する吸収係数の小さい気体であっても、十分に吸収を起こさせるだけの内部距離を確保することができる。
【００２６】
以上のように本実施の形態に係るテラヘルツ分光用デバイス１によれば、テラヘルツ波をフォトニック結晶型の共振器に入力し、被測定対象物が収容された内部空間１５内で複数回内部反射させた後、出射口１１Ｂ側に導くようにしたので、テラヘルツ波に対する吸収係数の小さい気体であっても、構成を大型化することなく良好にテラヘルツ透過スペクトル測定を行うことができる。
【００２７】
［テラヘルツ分光装置への適用例］
図５は、テラヘルツ分光用デバイス１を用いたテラヘルツ分光装置の一例を示している。このテラヘルツ分光装置は、フェムト秒レーザ９０と、ビームスプリッタ９１と、光伝導アンテナ９２Ａ，９２Ｂと、シリコンレンズ９３Ａ，９３Ｂと、放物面鏡９４，９６と、シリコンレンズ９５Ａ，９５Ｂと、反射鏡９７と、時間遅延器９８とを備えている。
フェムト秒レーザ９０と光伝導アンテナ９２Ａは、本発明における「発生手段」の一具体例に相当する。また、主として光伝導アンテナ９２Ｂが、本発明における「検出手段」の一具体例に相当する。
【００２８】
図６は、図１に示したテラヘルツ分光用デバイス１を図５に示したテラヘルツ分光装置に導入する場合の気体の密閉方法の一例を示している。被測定対象物が気体である場合、テラヘルツ分光用デバイス１を図６に示したような気体密閉容器６０の内部に収容すると共に、テラヘルツ分光用デバイス１を収容した状態で気体密閉容器６０の内部に被測定対象物の気体を充満させる。気体密閉容器６０は、テラヘルツ波用窓６１Ａ，６１Ｂと、被測定気体試料入力口６２と、真空ポンプ用気体入出力口６３と、デバイス挿入用扉６４とを備えている。テラヘルツ波用窓６１Ａ，６１Ｂが、図５に示したようにシリコンレンズ９５Ａ，９５Ｂの間に配置されるようにする。デバイス挿入用扉６４からテラヘルツ分光用デバイス１を内部に設置した後、扉を閉めた状態にして図示しない真空ポンプによって、容器内部の空気（真空ポンプ用気体６６）を排出する。その後、被測定気体試料６５を、被測定気体試料入力口６２から充填する。このようにして、テラヘルツ分光用デバイス１の内部空間１５（図２）に被測定対象物が十分に収容（充満）された状態で測定を行う。
【００２９】
［テラヘルツ分光装置による測定動作］
図５に示したテラヘルツ分光装置において、フェムト秒レーザ９０から１００ｆｓ（フェムト秒）程度のパルス幅を持つレーザパルスを発生させる。そのレーザパルスをビームスプリッタ９１で分け、一方を低温成長させたＧａＡｓ（ガリウムヒ素）等で作製され、バイアスされた光伝導アンテナ９２Ａのギャップ部に照射してテラヘルツ波を発生させる。そのテラヘルツ波を、光伝導アンテナ９２Ａの直後に設置したシリコンレンズ９３Ａで集め、放物面鏡９４およびシリコンレンズ９５Ａを経て、テラヘルツ分光用デバイス１の入射口１１Ａ（図２）に入射させ、内部の共振器構造部分に結合する。テラヘルツ分光用デバイス１に入力されたテラヘルツ波は、共振器構造部分を伝搬する間に被測定対象物との相互作用がなされて、出射口１１Ｂから出力される。テラヘルツ分光用デバイス１から出力されたテラヘルツ波は、シリコンレンズ９５Ｂ、放物面鏡９６、およびシリコンレンズ９３Ｂを経て光伝導アンテナ９２Ｂに結合する。
【００３０】
一方で、ビームスプリッタ９１で分割された他方のレーザパルスが、時間遅延器９８、および反射鏡９７を経て、到達時間がずれた状態で光伝導アンテナ９２Ｂに結合する。この到達時間のずらされた各遅延時間における光伝導アンテナ９２Ｂからの光電流を測定することで、テラヘルツ波の電界時間波形を得ることができる。これをフーリエ変換することで、例えば図７、図８に示すようなテラヘルツ波のスペクトル波形２０，２１を得ることができる。
【００３１】
次に、図７〜図９を参照して、被測定対象物のスペクトルが得られる測定手順を説明する。図７は、テラヘルツ分光用デバイス１の内部空間１５に被測定対象物が収容（充満）されていない状態で、図５のテラヘルツ分光装置によって得られるテラヘルツ波のスペクトル波形２０を模式的に示している。図８は、テラヘルツ分光用デバイス１の内部空間１５に被測定対象物を収容（充満）した状態で得られるテラヘルツ波のスペクトル波形２１を模式的に示している。
【００３２】
このように、被測定対象物を充満していない状態で得られたスペクトル波形２０と、被測定対象物を充満した状態で得られたスペクトル波形２１とを測定し、さらにそれらの比を求める。これにより、例えば図９に示したように、被測定対象物のテラヘルツ波に対する吸収スペクトル波形２２を得ることができる。
【００３３】
＜他の実施の形態＞
本発明は、上記実施の形態に限定されず種々の変形実施が可能である。
例えば、テラヘルツ波の発生手段は、図５に示したようなフェムト秒レーザ９０と光伝導アンテナ９２Ａとを用いたものに限らない。例えば量子カスケードレーザや光パラメトリック発振によって発生させたものを用いても良い。
【符号の説明】
【００３４】
１…テラヘルツ分光用デバイス、１０，１４…テラヘルツ波、１１Ａ…入射口、１１Ｂ…出射口、１２Ａ，１２Ｂ…１次元的な屈折率周期構造部分、１３…第１の基板（１次元フォトニック結晶構造を有する共振器）、１３Ａ…第１の構造部分、１３Ｂ…第２の構造部分、１５…内部空間、１６…第２の基板（直線格子型のフォトニック結晶）、１７…第３の基板（直線格子型のフォトニック結晶）、１６Ａ，１７Ａ…空隙部、６０…気体密閉容器、６１Ａ，６１Ｂ…テラヘルツ波用窓、６２…被測定気体試料入力口、６３…真空ポンプ用気体入出力口、６４…デバイス挿入用扉、６５…被測定気体試料、６６…真空ポンプ用気体、９０…フェムト秒レーザ、９１…ビームスプリッタ、９２Ａ，９２Ｂ…光伝導アンテナ、９３Ａ，９３Ｂ…シリコンレンズ、９４，９６…放物面鏡、９５Ａ，９５Ｂ…シリコンレンズ、９７…反射鏡、９８…時間遅延器。
【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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