(57)【要約】【課題】固体撮像装置において、焦点検出画素近傍において画像品質の劣化が発生する。【解決手段】複数の画素は、所定数の画素からなる単位セルを繰り返し単位として配置されている。単位セルＡは撮像画素１０を含み、焦点検出画素２１，２２を含まず、単位セルＢは撮像画素１０の他に焦点検出画素２１，２２を含む。単位セルＢにおいて、焦点検出画素２１，２２は単位セルＡにおいて最も波長が長い色の色フィルタを有する画素に対応する位置に配置されており、かつ、当該画素よりも広帯域の色フィルタを有している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、入射光により電荷を生成する受光部と前記受光部に対応して形成された色フィルタとを有する画素が、複数個配置された固体撮像装置であって、
前記複数個の画素は、所定数の画素からなる単位セルを繰り返し単位として、撮像領域に配置されており、
前記単位セルの種類は、撮像画素を含み、焦点検出画素を含まない第１単位セルと、撮像画素および焦点検出画素を含む第２単位セルとを含み、
前記第２単位セルにおいて、前記焦点検出画素は、前記第１単位セルにおいて最も波長が長い色の色フィルタを有する第１撮像画素に対応する位置に配置されており、かつ、当該第１撮像画素の色フィルタよりも広帯域の色フィルタを有している
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１記載の固体撮像装置において、
前記第１単位セルは、赤色フィルタ、青色フィルタおよび緑色フィルタをそれぞれ有する撮像画素を含み、
前記第１撮像画素は、赤色フィルタを有する撮像画素である
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の固体撮像装置において、
前記焦点検出画素は、緑色フィルタ、無色フィルタ、黄色フィルタ、または、前記第１撮像画素が有する色フィルタと同色であり、かつ、当該色フィルタより薄膜の色フィルタを有している
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１項記載の固体撮像装置において、
前記第１単位セルは、色フィルタの配列がベイヤー配列である
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか１項記載の固体撮像装置において、
前記画素の上に、マイクロレンズがそれぞれ設けられており、
撮像領域の周辺部に配置された画素において、前記マイクロレンズは、当該画素の位置から撮像領域の中心に向かって偏った位置に配置されている
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか１項記載の固体撮像装置において、
前記焦点検出画素は、画像撮像の機能を有する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、焦点検出画素を有する固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ビデオカメラや電子スチルカメラ等の撮像装置が広く一般に普及している。これらのカメラには、ＣＣＤやＭＯＳセンサなどの固体撮像装置が使用されている。
【０００３】
一般に、ＭＯＳセンサでは、例えば、受光面において２次元マトリクス状に並べられた画素ごとにフォトダイオードが設けられ、受光時に各フォトダイオードに発生及び蓄積される信号電荷をＣＭＯＳ回路の駆動でフローティングディフュージョンに転送し、信号電荷を信号電圧に変換して読み取る構成となっている。
【０００４】
上記のようなＣＭＯＳセンサなどの固体撮像装置は、例えば、半導体基板に上述のフォトダイオードが形成されており、その上層を被覆して酸化シリコンなどの絶縁膜が形成されており、フォトダイオードへの光の入射を妨げないようにフォトダイオード領域を除く領域において絶縁膜中に配線層が形成された構成となっている。
【０００５】
ところで、カメラなどの撮像装置では、自動焦点調節を実現するため、撮影レンズの焦点調節状態を検出する必要がある。従来は、固体撮像装置とは別個に焦点検出素子が設けられていた。しかし、その場合には、焦点検出素子やこれに光を導く焦点検出用の光学系の分だけコストが増大したり装置が大型になったりする。
【０００６】
そこで、近年、焦点検出方式としていわゆる瞳分割位相差方式（瞳分割方式、または位相差方式などと呼ばれる場合もある）を採用し、焦点検出素子としても用いることができるように構成した固体撮像装置が提案されている。瞳分割位相差方式は、撮影レンズの通過光束を瞳分割して一対の分割像を形成し、そのパターンずれ（位相シフト量）を検出することで、撮影レンズのデフォーカス量を検出するものである。被写体を示す画像信号を形成するための撮像用信号を出力する撮像画素とは別に、焦点調節状態を検出するための焦点検出信号を生成する焦点検出画素を複数配置する。
【０００７】
特許文献１には、撮影レンズの通過光束を瞳分割して一対の分割像を形成する焦点検出画素として、オンチップレンズとフォトダイオードとの間に遮光部が設けられた固体撮像装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１５６８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
撮像画素の受光部（フォトダイオード部）に入射した光がフォトダイオードの外部または深部にて光電変換されて、電子が発生する。この電子が拡散して、物理的に隣接する画像撮像画素の受光部に混ざり込むことによって、混色が発生する。この現象には、主にＧ色（緑色）やＲ色（赤色）といった長波長側の光の成分が寄与する。
【００１０】
また、撮像画素の物理的に隣接する画素への影響は、入射光線の角度特性により影響度が変化し、入射光線がマイクロレンズの光軸となす角度が大きくなるにつれて増加する傾向がある。しかし、この現象は撮像画素が一様に配置されていれば、一様に発生するため、画質に対する影響は軽微である。
【００１１】
しかしながら、特許文献１に開示された、撮影レンズの焦点検出が可能な従来の撮像装置は、Ｇ色（緑色）のフィルタを有する撮像画素が焦点検出画素に変更されている。焦点検出画素は撮影レンズより入射してきた光束を制限する手段を有し、例えば受光部の上部に遮光膜を設けることにより形成される。これにより、焦点検出画素は撮像画素に比べてフォトダイオード部に入射する光が制限され、焦点検出画素に物理的に隣接する画素への影響は、撮像画素の隣接画素への影響と比べて有意差が発生する。このため、焦点検出画素近傍において、画像品質が劣化するという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本開示の一態様では、固体撮像装置は、半導体基板上に、入射光により電荷を生成する受光部と前記受光部に対応して形成された色フィルタとを有する画素が、複数個配置されており、前記複数個の画素は、所定数の画素からなる単位セルを繰り返し単位として、撮像領域に配置されており、前記単位セルの種類は、撮像画素を含み、焦点検出画素を含まない第１単位セルと、撮像画素および焦点検出画素を含む第２単位セルとを含み、前記第２単位セルにおいて、前記焦点検出画素は、前記第１単位セルにおいて最も波長が長い色の色フィルタを有する第１撮像画素に対応する位置に配置されており、かつ、当該第１撮像画素の色フィルタよりも広帯域の色フィルタを有している。
【００１３】
この態様によると、焦点検出画素による隣接画素への影響において、入射してきた光束を制限する手段に起因した、隣接画素の受光部に混ざり込む電子数の減少分が、広帯域の色フィルタの利用による光量の増加によって補われる。したがって、撮像画素による隣接画素への影響と焦点検出画素による隣接画素への影響との差異を軽減することができるので、焦点検出画素近傍における画像品質の劣化を軽減することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本開示によると、固体撮像装置において、焦点検出画素近傍における画像品質の劣化を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態に係る撮影装置の概略ブロック図である。
【図２】実施の形態に係る固体撮像装置の画素配置の一例である。
【図３】撮像画素の断面構造図である。
【図４】焦点検出画素の断面構造図である。
【図５】色フィルタの分光特性を示す図である。
【図６】撮像領域の中央と周辺部における光入射角度の違いを説明するための図である。
【図７】隣接する画素に対する撮像画素の影響を説明するための図である。
【図８】隣接する画素に対する焦点検出画素の影響を説明するための図である。
【図９】実施の形態に係る固体撮像装置の画素配置の他の例である。
【図１０】赤色フィルタの分光特性と薄膜化との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１７】
（実施の形態）
図１は本実施の形態に係る撮影装置（カメラ）１００の概略ブロック図である。撮影装置１００は、被写体像を結像する光学系の撮影レンズ１０１を備えており、撮影レンズ１０１は、レンズ制御部１０２によってフォーカスが駆動される。この撮影レンズ１０１により固体撮像装置１０３に被写体像が結像される。固体撮像装置１０３は光電変換を行い、被写体像を表す撮像信号を出力する。固体撮像装置１０３では、半導体基板上に、入射光により電荷を生成する受光部と、受光部に対応して形成された色フィルタとを有する画素が、複数個配置されている。
【００１８】
システム制御部１０４からの指令が駆動回路１０５に入力され、固体撮像装置１０３は、駆動回路１０５の制御信号によって制御される。固体撮像装置１０３は被写体像を示す撮像用信号とともに、撮影レンズ１０１の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号を出力する。固体撮像装置１０３から出力された信号は信号処理部１０６で処理される。撮像用信号は、信号処理部１０６によって各種の信号処理が行われ、画像信号として出力される。焦点検出用信号は、信号処理部１０６によって焦点演算処理が行われる。システム制御部１０４は焦点演算処理結果に基づいて、レンズ制御部１０２を通じて撮影レンズ１０１を駆動する。これにより、撮影装置１００の焦点調節が行われる。
【００１９】
なお、本実施形態に係る固体撮像装置１０３は、信号処理部１０６、駆動回路１０５、レンズ制御部１０２、システム制御部１０４の一部またはすべてを、搭載していてもかまわない。
【００２０】
図２は本実施形態に係る固体撮像装置における画素配置の一例である。図２では、受光部と色フィルタとを有する画素が２次元上に配置された状態を示している。各画素に表記された「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」の文字は、各画素が受光する光の成分を示しており、「Ｒ」は赤色、「Ｇ」は緑色、「Ｂ」は青色を示している。図２では、色フィルタの配列はベイヤー配列である。また、１０は被写体像を撮像するための撮像画素、２１，２２は焦点検出用信号を得るための焦点検出画素（図２ではハッチを付している）である。
【００２１】
焦点検出画素２１，２２は、入射光の一部を遮る遮光部材４１３を備えることによって受光入射角度を異ならせる画素である。焦点検出画素２１，２２は、撮影レンズ１０１の通過光束を瞳分割して一対の分割像を形成するため、画素の中に遮光部材４１３が配置されている。焦点検出画素２１は画素の左側を遮光部材４１３により遮光しており、逆に、焦点検出画素２２は画素の右側を遮光部材４１３により遮光している。なお図２の例では、遮光部材４１３を焦点検出画素２１の左側と焦点検出画素２２の右側とに配置して、左右に瞳分割しているが、遮光部材４１３を焦点検出画素の上下に配置することによって通過光束を上下に瞳分割して一対の分割像を形成してもよい。
【００２２】
一方、撮像画素１０は、遮光部材を備えておらず、受光入射角度を異ならせない。
【００２３】
図３は撮像画素１０の断面構造を示す模式図である。図３に示すように、半導体基板４０１内に、受光面となる撮像領域において、画素ごとに電荷を蓄積する受光部４０２が構成されており、さらに、受光部４０２に隣接して半導体基板４０１上にゲート電極４０３が形成されている。受光部４０２は一例として、フォトダイオードである。撮像画素１０はさらに、絶縁膜４０４と、金属配線４０５と、ライナー膜４０６と、金属配線４０７と、ライナー膜４０８と、高屈折絶縁膜４０９と、色フィルタ４１０と、隔壁４１１と、マイクロレンズ４１２とを備える。
【００２４】
半導体基板４０１には、フローティングディフュージョンに、受光部４０２に生成及び蓄積される信号電荷または信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部が形成されており、ゲート電極４０３への電圧の印加によって信号電荷が転送されるように構成されている。本構造により、マイクロレンズ４１２に照射された光を、隔壁４１１および高屈折絶縁膜４０９によって閉じ込めて、効率よく受光部４０２へ導くことができる。
【００２５】
図４は焦点検出画素２１の断面構造を示す模式図である。なお、図３と共通の構成要素については同一の符号を付しており、ここでは説明を省略する。図４に示すように、焦点検出画素２１では、遮光部材４１３が画素の左側に設けられている。画素の左側を遮光することにより、右斜め上方向からの角度の入射光を遮光する構成となっている。遮光部材４１３は金属配線層のうちの最下層の金属配線４０５と同層であり、遮光部材４１３と高屈折絶縁膜４０９の底面とは接している。
【００２６】
また、図２の配置例では、複数の画素は、所定数（ここでは４個）の画素からなる単位セルを繰り返し単位として、平面上に配置されている。単位セルの種類は、撮像画素１０を含み、焦点検出画素２１，２２を含まない第１単位セルとしての単位セルＡと、撮像画素１０の他に焦点検出画素２１，２２を含む第２単位セルとしての単位セルＢとを含んでいる。なお、焦点検出画素２１，２２は、画像撮像の機能も有していても良い。
【００２７】
単位セルＡでは、色フィルタの配列がベイヤー配列になっており、２つの緑色と、一つずつの赤色および青色で構成される。図２の例では、左上−右上−左下−右下の順に、ＢＧＧＲと並んでいる。これに対して焦点検出画素２１，２２を有する単位セルＢでは、単位セルＡにおいて赤色フィルタが配置されている位置（ここでは右下）に、焦点検出画素２１，２２が存在している。そして焦点検出画素２１，２２は、赤色フィルタではなく緑色フィルタを有している。
【００２８】
図５は色フィルタの分光特性を示す図である。図５から分かるように、赤色（Ｒ）緑色（Ｇ）青色（Ｂ）のうち最も長波長側の光を通すフィルタは赤色のフィルタである。また、緑色のフィルタは、特に人間の視感度に影響する波長を含み、かつ赤色や青色と比較して広帯域の光を透過する特徴を持つ。このように、緑色のフィルタは赤色や青色のフィルタよりもより多くの光を透過させることができる。
【００２９】
すなわち、図２の構成では、単位セルＢにおいて、焦点検出画素２１，２２は、単位セルＡにおいて最も波長が長い色である赤色の色フィルタを有する撮像画素１０に対応する位置に配置されており、かつ、当該撮像画素１０の赤色フィルタよりも広帯域の色フィルタである緑色フィルタを有している。
【００３０】
なお、図２における単位セルＢの配置や焦点検出画素２１，２２の配置は一例であり、これに限られるものではない。単位セルＢにおいて、単位セルＡにおける「Ｒ」の撮像画素の位置に、焦点検出画素が配置されていればよい。
【００３１】
図６は撮像領域の中央と周辺部における光入射角度（光軸となす角度）の違いについて説明する図である。図６において、２１Ａ，２１Ｂは焦点検出画素であり、図４と同様の構成を有しているものとする。ただし図６では、構成を簡略化して図示している。焦点検出画素２１Ａは撮像領域のほぼ中央に配置されており、光軸となす角度がほぼ０度である主光線Ｌ１を基準にした上側光線Ｌ１Ａおよび下側光線Ｌ１Ｂの範囲で光が入射される。焦点検出画素２１Ｂは撮像領域の周辺部に焦点検出画素２１Ａと距離Ｌだけ離れて配置されており、光軸となす角度が大きい主光線Ｌ２を基準にした上側光線Ｌ２Ａおよび下側光線Ｌ２Ｂの範囲で光が入射される。焦点検出画素２１Ｂへの光入射角度は、焦点検出画素２１Ａへの光入射角度よりも大きく、このため、隣接する撮像画素への影響は焦点検出画素２１Ｂの方が大きくなる。
【００３２】
また、焦点検出画素２１Ｂは、光を受光部４０２に導くため、マイクロレンズ４１２、色フィルタ４１０及び隔壁４１１の位置が焦点検出画素２１Ａの方向にシフトしている。すなわち、撮像領域の周辺部に配置された画素において、マイクロレンズ４１２は、当該画素の位置から撮像領域の中心に向かって偏った位置に配置されていてもよい。
【００３３】
図７は隣接する画素に対する撮像画素の影響を説明するための模式断面図である。なお、図３と共通の構成要素については同一の符号を付しており、ここではその説明を省略する。撮像画素１０Ａは緑色（Ｇ）のフィルタを有し、撮像画素１０Ｂは赤色（Ｒ）のフィルタを有する。撮像画素１０Ａ，１０Ｂは撮像領域の水平方向において隣接しているものとする。
【００３４】
撮像画素１０Ｂに右斜め上方向から入射光が照射されると、赤色のフィルタを介して赤色の光が受光部４０２の外部または深部に達し、光電変換されて電子が発生する。この電子が拡散して、隣接する撮像画素１０Ａの受光部４０２に混ざり込むことによって混色が発生する。この現象には、入射光のうち主に緑色や赤色といった長波長側の光の成分が寄与する。なお、撮像領域の上下方向において隣接する画素についても同様の現象は発生していると考えてよい。
【００３５】
図８は隣接する画素に対する焦点検出画素の影響を説明するための模式断面図である。なお、図３および図４と共通の構成要素については同一の符号を付しており、ここではその説明を省略する。撮像画素１０Ｃは緑色（Ｇ）のフィルタを有し、焦点検出画素２１Ｃは、赤色のフィルタを有する撮像画素の位置にあり、かつ、色フィルタ４１０は赤色から緑色に変更されている。撮像画素１０Ｃおよび焦点検出画素２１Ｃは撮像領域の水平方向において隣接しているものとする。
【００３６】
焦点検出画素２１Ｃに右斜め上方向から入射光が照射されると、入射光は受光部４０２に入り光電変換される。ただし、焦点検出画素２１Ｃは遮光部材４１３を有するため、入射光の一部が制限され、受光部４０２に入る光量は減少する。これにより、拡散して隣接する撮像画素１０Ｃの受光部４０２に混ざり込む電子数は、図７の場合と比べて少なくなる。
【００３７】
しかし、焦点検出画素２１Ｃの色フィルタ４１０は、赤色から緑色のフィルタに変更されており、広帯域の分光特性を有する緑色のフィルタは赤色のフィルタよりもより多くの光を透過させることができる。このため、受光部４０２に入る光量は増加する。この結果、遮光部材４１３に起因した、隣接する撮像画素１０Ｃの受光部４０２に混ざり込む電子数の減少分を、焦点検出画素２１Ｃの色フィルタ４１０の変更による光量の増加によって補うことができる。したがって、図７に示すような撮像画素１０Ｂによる隣接画素への影響と、図８に示すような焦点検出画素２１Ｃによる隣接画素への影響との差異を、軽減することができる。
【００３８】
また、図２の画素配置では、焦点検出画素２１，２２の上下および左右に隣接する撮像画素１１はいずれも、緑色（Ｇ）のフィルタを有している。緑色のフィルタは、赤色や青色のフィルタよりもより多くの光を透過させることができ、特に人間の視感度に影響する光の波長に対応する撮像用信号量がより大きくなる。仮に、焦点検出画素を単位セルＡにおける緑色のフィルタの位置に配置した場合には、この焦点検出画素には、赤色または青色のフィルタを有する撮像画素が隣接する。この場合に比べて、本実施形態では、焦点検出画素２１，２２による隣接画素への影響ははるかに限定的であり、画像品質への影響を軽減することができる。
【００３９】
以上のように本実施形態によると、固体撮像装置１０３において、複数の画素は４個の画素からなる単位セルを繰り返し単位として配置されており、単位セルＡは撮像画素１０のみを含み、単位セルＢは撮像画素１０の他に焦点検出画素２１，２２を含んでいる。そして、単位セルＢにおいて、焦点検出画素２１，２２は、単位セルＡにおいて最も波長が長い赤色フィルタを有する撮像画素１０に対応する位置に配置されており、かつ、赤色フィルタよりも広帯域の色フィルタを有している。
【００４０】
これにより、焦点検出画素２１，２２による隣接画素への影響において、遮光部材４１３に起因した、隣接画素の受光部に混ざり込む電子数の減少分が、広帯域の色フィルタの利用による光量の増加によって補われる。したがって、撮像画素１０による隣接画素への影響と焦点検出画素２１，２２による隣接画素への影響との差異を軽減することができるので、焦点検出画素近傍における画像品質の劣化を軽減することができる。
【００４１】
なお、上述の実施形態では、焦点検出画素２１，２２は緑色のフィルタを有しているものとしたが、これに限られるものではない。例えば図９に示すように、焦点検出画素２５，２６（図９ではハッチを付している）が、無色（Ｗ）のフィルタを有していてもよい。なお、無色（成分制限なし）の分光特性は、図５におけるＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の分光特性の波長領域を包含している。あるいは、焦点検出画素が、黄色（Ｙｅ）のフィルタを有していてもよい。なお、黄色の分光特性は、図５におけるＲ（赤色）、Ｇ（緑色）の分光特性の波長領域を包含している。
【００４２】
また、焦点検出画素は、薄膜化された赤色（Ｒ）のフィルタを有していてもよい。図１０は赤色フィルタの分光特性と薄膜化との関係を示すグラフである。図１０に示すように、フィルタを薄膜化することによって、赤色フィルタの分光特性を広帯域にすることができる。すなわち、焦点検出画素は、単位セルＡにおいて対応する位置に配置された撮像画素が有する色フィルタと同色であり、かつ、当該色フィルタより薄膜の色フィルタを有していてもよい。
【００４３】
また、上述の実施形態では、単位セルは縦２画素・横２画素の４個の画素からなるものとし、また、色フィルタ配列はベイヤー配列であり、単位セルＡにおいて、左上−右上−左下−右下の順にＢＧＧＲと並んでいるものとしたが、これに限られるものではない。例えば、４個以外の画素からなる単位セルを繰り返し単位としてもかまわないし、ベイヤー配列以外の色フィルタ配列を用いてもかまわない。
【００４４】
また、上述の実施形態では、単位セルＢ内に焦点検出画素を１個備えるものとしたが、これらに限定されるものではない。例えば、単位セルＢにおいて、２個以上の焦点検出画素を配置してもよいし、更には、焦点検出画素を複数色の位置に配置してもよい。
【００４５】
すなわち、本開示では、焦点検出画素を含む単位セルにおいて、少なくとも１つの焦点検出画素が、焦点検出画素を含まない単位セルにおいて最も波長が長い色の色フィルタを有する撮像画素に対応する位置に配置されており、かつ、当該撮像画素の色フィルタよりも広帯域の色フィルタを有していればよい。
【００４６】
また、上述の実施形態では、焦点検出画素が遮光部材を有しているものとしたが、これに限られるものではない。焦点検出画素が、撮影レンズのデフォーカス量を検出するために、入射される光束を制限する手段が設けられたものであれば、本開示は有効である。また、焦点検出画素は、画像撮像の機能も有していても良い。
【００４７】
なお、本開示内容は、画素の構造に依らず有効であり、例えば、裏面照射型などのセンサにも使用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本開示は、固体撮像装置に有用であり、特に高速及び高画質が求められるモバイルカメラ（スマートフォン）、監視用カメラ、医療用カメラ、デジタルスチルカメラ及びデジタルビデオカメラ等として有用である。
【符号の説明】
【００４９】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ  撮像画素
２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２２  焦点検出画素
２５，２６  焦点検出画素
１０３  固体撮像装置
４０１  半導体基板
４０２  受光部
４１０  色フィルタ
４１２  マイクロレンズ
【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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【図１０】
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