(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
要素画像を表示するディスプレイパネルと、
前記要素画像を前記ディスプレイパネルに表示させるディスプレイ制御器と、
前記ディスプレイパネルに表示された要素画像の光を入射して立体像を結像させる複数の要素レンズから成るレンズアレイと、
を備え、
前記要素レンズは、
前記ディスプレイパネルに表示された要素画像よりも小さいサイズに形成され、
前記レンズアレイの中心に配置される要素レンズ以外の各要素レンズは、正面視したとき幾何的中心とは異なる位置に光学的レンズ中心が配置されており、
前記レンズアレイは、
前記光学的レンズ中心の配置がそれぞれ異なる複数の前記要素レンズを、前記入射した要素画像光が所定の位置で集光するように配置させている
ことを特徴とする立体画像表示装置。
【請求項２】
前記レンズアレイを構成する複数の要素レンズは、同じ凸レンズの各部分から切り出されて形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の立体画像表示装置。
【請求項３】
複数の要素画像を表示するディスプレイパネルと、
前記各要素画像を前記ディスプレイパネルに表示させるディスプレイ制御器と、
前記ディスプレイパネルに表示された各要素画像の光をそれぞれ入射する複数の要素レンズから成るレンズアレイと、
前記レンズアレイからの光を入射して立体像を結像させる大口径レンズと、
を備え、
前記要素レンズは、
前記ディスプレイパネルに表示された要素画像よりも小さいサイズに形成され、
正面視したとき幾何的中心とは異なる位置に光学的レンズ中心が配置されており、
前記レンズアレイは、
前記光学的レンズ中心の配置がそれぞれ異なる複数の前記要素レンズを備え、
前記各要素レンズに入射したそれぞれの要素画像光を前記大口径レンズへ出射するように前記各要素レンズを配置させている
ことを特徴とする立体画像表示装置。
【請求項４】
前記レンズアレイは、
前記ディスプレイパネルの表示面から前記要素レンズの焦点距離だけ離れた位置に配置され、
前記要素レンズは、
前記ディスプレイパネルに表示された要素画像の中心を前記レンズアレイの配置位置へ平行移動させたときに、前記光学的レンズ中心が前記要素画像の中心と同位置となるように形成されている
ことを特徴とする請求項３に記載の立体画像表示装置。
【請求項５】
前記ディスプレイパネルは、多層化された複数の表示面を備え、
前記ディスプレイ制御器は、前記複数の表示面に複数の実像となるそれぞれの要素画像を表示させて粗インテグラルボリュメトリックイメジングによる立体像の提示を行う
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の立体画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、裸眼にて立体画像を視ることができる立体画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、インテグラルイメジングによる立体像の表示を示す説明図である。この図は、立体像を結像させる装置の概略構成を示したもので、複数の要素画像を表示するディスプレイパネル１０１、複数の要素レンズからなるレンズアレイ１０２、レンズアレイ１０２を通過した各画像光を集光し、観察者１０５の視界内に立体像１０４を結像させる大口径レンズ１０３を備えている。
【０００３】
一般的なレンズアレイを構成する要素レンズは、レンズ中心とレンズ形状の中心が一致するように形成されている。また、例えば特願２００４−２５２００８号公報には、要素レンズの中心と画像表示パネルの画素の中心とを一致させ、雑音成分の視覚感動を抑える構成が開示されている。上記のレンズアレイ１０２も、ディスプレイパネル１０１に表示される各要素画像の中心と、各要素レンズのレンズ中心即ちレンズ形状中心が一致するように配置されている。
また、上記のように要素画像の中心と要素レンズのレンズ中心とを一致させるため、一般的には要素レンズを要素画像と同じサイズに形成し、ディスプレイパネル１０１の各要素画像に対応するようにそれぞれの要素レンズを配置してレンズアレイ１０２を構成している。
ここで例示したインテグラルイメジングは、視点数を増やして結像する立体像の視野角を広くするとともに観察者の運動視差を滑らかにした場合には解像度が低下するという性質を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２５２００８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の要素レンズは、前述のように要素画像と同じサイズに形成されており、要素画像を表示するディスプレイパネルのドットピッチに対応したものとなっている。そのため、要素レンズを通過した画像光即ち立体像の解像度は、ディスプレイパネルのドットピッチに依存したものとなって制約を受けるという問題点があった。
また、インテグラルイメジングは、上述のように視野角を広くして運動視差を滑らかにすると解像度が低下するという問題点があった。
【０００６】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、視野角が広く運動視差が滑らかな立体像を高い解像度で結像させる立体画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る立体画像表示装置は、要素画像を表示するディスプレイパネルと、前記要素画像を前記ディスプレイパネルに表示させるディスプレイ制御器と、前記ディスプレイパネルに表示された要素画像の光を入射して立体像を結像させる複数の要素レンズから成るレンズアレイとを備え、前記要素レンズは、前記ディスプレイパネルに表示された要素画像よりも小さいサイズに形成され、前記レンズアレイの中心に配置される要素レンズ以外の各要素レンズは、正面視したとき幾何的中心とは異なる位置に光学的レンズ中心が配置されており、前記レンズアレイは、前記光学的レンズ中心の配置がそれぞれ異なる複数の前記要素レンズを、前記入射した要素画像光が所定の位置で集光するように配置させていることを特徴とする。
【０００８】
また、前記レンズアレイを構成する複数の要素レンズは、同じ凸レンズの各部分を切り出して形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る立体画像表示装置は、複数の要素画像を表示するディスプレイパネルと、前記各要素画像を前記ディスプレイパネルに表示させるディスプレイ制御器と、前記ディスプレイパネルに表示された各要素画像の光をそれぞれ入射する複数の要素レンズから成るレンズアレイと、前記レンズアレイからの光を入射して立体像を結像させる大口径レンズとを備え、前記要素レンズは、前記ディスプレイパネルに表示された要素画像よりも小さいサイズに形成され、正面視したとき幾何的中心とは異なる位置に光学的レンズ中心が配置されており、前記レンズアレイは、前記光学的レンズ中心の配置がそれぞれ異なる複数の前記要素レンズを備え、前記各要素レンズに入射したそれぞれの要素画像光を前記大口径レンズへ出射するように前記各要素レンズを配置させていることを特徴とする。
【００１０】
また、前記レンズアレイは、前記ディスプレイパネルの表示面から前記要素レンズの焦点距離だけ離れた位置に配置され、前記要素レンズは、前記ディスプレイパネルに表示された要素画像の中心を前記レンズアレイの配置位置へ平行移動させたときに、前記光学的レンズ中心が前記要素画像の中心と同位置となるように形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、前記ディスプレイパネルは、多層化された複数の表示面を備え、前記ディスプレイ制御器は、前記複数の表示面に複数の実像となるそれぞれの要素画像を表示させて粗インテグラルボリュメトリックイメジングによる立体像の提示を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、幾何的な中心と異なる位置に光学的なレンズ中心を配置した要素レンズを備えたレンズアレイを用いることにより、結像する立体像の歪を抑えて解像度を良好にするとともに視野角を拡げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】インテグラルイメジングによる立体像の表示を示す説明図である。
【図２】立体画像表示装置の構成図である。
【図３】インテグラルイメジングによる立体像の提示を示す説明図である。
【図４】インテグラルイメジングによる立体像の提示を示す説明図である。
【図５】インテグラルイメジングによる立体像の提示を示す説明図である。
【図６】実施例１の立体画像表示装置による立体像の提示を示す説明図である。
【図７】実施例１に用いられるレンズアレイを示す説明図である。
【図８】実施例２の立体画像表示装置による立体像の提示を示す説明図である。
【図９】実施例２に用いられるレンズアレイを示す説明図である。
【図１０】実施例２の立体画像表示装置による立体像の提示を示す説明図である。
【図１１】実施例３の立体画像表示装置による立体像の提示を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００１５】
図２は、立体画像表示装置の構成図である。図示した立体画像表示装置は、立体像として提示する画像を表示する例えばＬＣＤなどから成るディスプレイパネル１０、ディスプレイパネル１０の表示動作を制御するディスプレイ制御器１１、複数のレンズを配設した例えばフライアイレンズから成り、ディスプレイパネル１０に表示された画像を集光するレンズアレイ１２を備えている。
レンズアレイ１２は、所定の配列で複数の要素レンズを備えたものであり、ディスプレイパネル１０に表示される要素画像と対応するように、例えば凸レンズ、もしくは凸レンズと同様な光学作用を有するレンズを所定の数量配置している。
【００１６】
ここで、一般的なインテグラルイメジングによって立体像提示を行う立体画像表示装置について説明する。
ディスプレイパネル１０は、合成することにより立体像を成す複数の要素画像を所定の配置で表示するように構成されている。
また、レンズアレイ１２は、上記のディスプレイパネル１０に表示される各要素画像と各々対応するように配列された複数の要素レンズを備えている。
レンズアレイ１２の各要素レンズは、例えば凸レンズから成り、観察者１５の視界内に含まれる所定の位置に実像２０が結像するように形成されており、上記の要素画像よりも小さいサイズとなるように構成されている。
【００１７】
図３、図４、及び図５は、インテグラルイメジングによる立体像の提示を示す説明図である。
ディスプレイパネル１０には、ディスプレイ制御器１１の制御によって図示したように複数の要素画像が並べられて表示される。なお、図中、各要素画像の中心を矢印にて示している。
レンズアレイ１２は、ディスプレイパネル１０の表示面と対向するように配置され、レンズアレイ１２の各要素レンズは、各要素画像面と対向配置されており、それぞれ要素画像光を入射して、結像位置へ向かうように屈折させる。
【００１８】
ここで、各要素レンズの焦点距離をｆ、ディスプレイパネル１０の要素画像表示面とレンズアレイ１２との距離をａ、レンズアレイ１２と結像位置即ち実像生成面との距離をｂとしたとき、
１/ａ＋１/ｂ＝１/ｆ
という関係が成り立つ。なお、上記の実像生成面の位置は任意に設定されたものである。
ディスプレイパネル１０の解像度をｃ[ｄｐｉ]としたとき、実像生成面における当該実像の解像度はｃａ/ｂ[ｄｐｉ]で表される。これらのことから、要素画像面と要素レンズ間の距離が近い程、実像の解像度が良く、また、要素レンズから実像生成面までの距離が遠くなる程、実像の解像度が悪くなることが分かる。
【００１９】
図４に示したように要素画像の表示面からレンズアレイ１２が離れており、距離ａが遠くなる場合には、レンズアレイ１２から実像生成面までの距離ｂが近くなり、結像した実像の解像度ｃａ/ｂが高くなる。これに対して図４の実像では視野角が図３の実像に比べて狭くなる。このようにインテグラルイメジングによって立体像を提示する場合には、実像の解像度と視野角とがトレードオフの関係になる。
【００２０】
上述のようなインテグラルイメジングにおいて、結像した実像の視野角を広くするため、図５に示したようにディスプレイパネル１０に表示される各要素画像のサイズを大きくすることが考えられる。
このように各要素画像を大きくし、また要素画像面とレンズアレイ１２との距離を遠くすることにより、実像の解像度を維持しながら視野角を拡大することができる。しかし、この場合にはレンズアレイ１２と結像位置との距離が近くなるため、レンズアレイ１２の端部側に配置された要素レンズを通過した光によって実像に歪が生じる。即ち、レンズアレイ１２と結像位置との距離が近い程、実像の歪が増大する。
なお、粗インテグラルイメジングを用いた装置においても、図３〜図５を用いて説明したように解像度を良好に維持しながら視野角を拡大することは困難になる。
【００２１】
図６は、実施例１の立体画像表示装置による立体像の提示を示す説明図である。
実施例１の立体画像表示装置は、図２に示したように構成されており、当該装置に備えられるレンズアレイ１２は、後述するように複数の要素レンズを並べたものである。図６には、レンズアレイ１２を構成する各要素レンズのうち、レンズ（１）〜（９）を代表して図示している。
【００２２】
本発明の立体画像表示装置のレンズアレイ１２を構成する各要素レンズは、レンズ形状中心と光学上のレンズ中心とが異なっており、この光学的なレンズ中心が幾何的中心よりも外側に位置するように形成されている。
レンズアレイ１２は、図示した集光中心ＸＣと要素画像面（ディスプレイパネル１０の表示面）の中心とを結んだ直線と、レンズアレイ１２のレンズ面とが交差する位置に、当該レンズアレイ１２において中心に配置された要素レンズのレンズ中心が置かれるように設置されている。
【００２３】
図７は、実施例１に用いられるレンズアレイを示す説明図である。
実施例１のレンズアレイ１２を構成する各要素レンズは、例えば図７に示したように正面視したときに円形状となる凸レンズを、格子状に切り分けた各部分から成るものである。
凸レンズから要素レンズを切り出すとき、レンズアレイ１２の中心に位置する要素レンズのレンズ中心（即ち、レンズアレイ１２のレンズ中心）と、凸レンズのレンズ中心が同一となるようにこの位置を合わせて、各要素レンズを形成させている。
【００２４】
ここで例示したレンズアレイ１２では、各要素レンズを切り出す際に各２[ｍｍ]の間隔をおいて切り出し、またレンズを正面視した際に一辺が２２[ｍｍ]の格子状となるように切り分け、正面視したときに正四辺形となるように各要素レンズを切り出している。
このように切り出すことにより、それぞれレンズ中心が異なる各要素レンズが形成され、前述のようにレンズ中心が幾何的中心よりも外側に位置している要素レンズ（レンズアレイ１２の中心に配置される要素レンズを除く）が形成される。また、この要素レンズは、上記のように切り出した場合と同様な形状に形成したものでもよい。
なお、このレンズアレイ１２は、上記のように凸レンズから切り出した際の配置と同様に各要素レンズを配置している。
【００２５】
上記のように各要素レンズが形成されたレンズアレイ１２は、図６に示した集光中心ＸＣを遠くに存在させて実像生成面を当該立体画像表示装置から離れた位置に設定し、また視野角が拡がるように構成した場合であっても、歪を抑えた良好な解像度で実像を結像させることができる。また、表示された要素画像のドットピッチによらず、良好な解像度の立体像を提示することができる。
【実施例２】
【００２６】
本発明の実施例２による立体画像表示装置は、概ね図２に示したように構成されており、後述するように構成されたレンズアレイ１２ａを、図２のレンズアレイ１２に代えて備え、またさらにレンズアレイ１２ａの出射側に大口径レンズ３０を配置している。ここでは、実施例１の立体画像表示装置と同様に構成された部分の重複説明を省略する。
【００２７】
図８は、実施例２の立体画像表示装置による立体像の提示を示す説明図である。
レンズアレイ１２ａは、後述するように複数の要素レンズを並べたものである。図８には、レンズアレイ１２ａを構成する各要素レンズのうち、レンズ（１）〜（９）を代表して図示している。
大口径レンズ３０は、例えばフレネルレンズから成るもので、レンズアレイ１２ａから出射された光を集光し、結像時の収差を抑制するように構成されている。
ここで、レンズアレイ１２の各要素レンズの焦点距離をｆ、大口径レンズ３０の焦点距離をＦとする。
【００２８】
レンズアレイ１２ａの各要素レンズは、ディスプレイパネル１０に表示される各要素画像よりも小さいサイズとして形成されており、また、光学上のレンズ中心が幾何的中心よりも外側に位置するように形成されている。
レンズアレイ１２ａは、ディスプレイパネル１０に表示された要素画像の中心を要素レンズの焦点距離ｆだけ平行移動させた位置に、当該要素レンズのレンズ中心が配置されるように、ディスプレイパネル１０から離間されて配置・固定されている。換言すると、レンズアレイ１２ａに備えられた各要素レンズは、上記のレンズアレイ１２ａの配置位置において、ディスプレイパネル１０に表示されている要素画像の中心と自身の光学的なレンズ中心とが重なり合い、同位置となるように形成されている。
【００２９】
このようにレンズアレイ１２ａを配置することにより、ディスプレイパネル１０から出射された各要素画像光の中心光は、各要素レンズによって屈折されて平行光となり、大口径レンズ３０に入射する。
大口径レンズ３０は、自身の焦点距離Ｆの位置において各要素レンズから入射した各光を集光させ、図８に示した立体像の中心において全ての要素画像の中心を提示する画素が一点に集光する。
【００３０】
図９は、実施例２に用いられるレンズアレイを示す説明図である。この図は、実線で囲った部分がレンズアレイ１２ａの各要素レンズを示し、破線で囲った部分がディスプレイパネル１０に表示された各要素画像を示している。
図中、“Ｅ＃”は＃番目の要素レンズを示し、“Ｐ＃”は＃番目の要素画像を示し、要素画像の中心且つ当該要素画像に対応している要素レンズのレンズ中心をドットによって表示している。例えば、要素画像Ｐ１の中心を示すドットは、要素レンズＥ１のレンズ中心をも示している。即ち、要素画像と同一番数の要素レンズが、当該要素画像の中心光を通過させる。
【００３１】
レンズアレイ１２ａの各要素レンズは、例えばレンズ径や焦点距離が同一の凸レンズから、正面視したときに正四辺形となるように切り出されたもので、凸レンズのレンズ中心と切り出される要素レンズのレンズ中心が同一の位置となるように、当該要素レンズを切り出す位置を決めて形成したものである。あるいは、このように切り出した場合と同様な形状に形成したものである。
【００３２】
図１０は、実施例２の立体画像表示装置による立体像の提示を示す説明図である。この図は、ディスプレイパネル１０からの画像光がレンズアレイ１２ａと大口径レンズ３０とを介して立体像に結像するまでの光路を示したもので、ある要素画像の光が対応する要素レンズに入射し、大口径レンズ３０によって屈折される光路を例示している。
【００３３】
ディスプレイパネル１０に表示される各要素画像は、前述のようにディスプレイ制御器１１によって制御されている。
このディスプレイ制御器１１は、１つの要素画像の例えば任意の各点から要素レンズのレンズ中心を通過する光路を計算し、さらに大口径レンズ３０を通過した後の上記の各点からの光路を求め、これらの光路の延長線が交わる点を視点位置として設定する。
このように設定した視点位置を基準点として透視射影変換を行い、ディスプレイパネル１０に表示させる要素画像を生成する。
【００３４】
ここで、大口径レンズ３０を通過した後の各光路の間隔は、各レンズを通過する際の屈折により、上記の要素画像の各点から要素レンズのレンズ中心へ向かう各光路の間隔と整合せず、ずれたものとなる。
そこで、ディスプレイ制御器１１は、上記のずれを例えばテクスチャマッピングを用いて補正する。
この補正を行う場合、初めにディスプレイパネル１０に表示する要素画像の任意の位置に複数の格子点を設定する。このとき、図１０に例示した要素画像のように格子点によって囲まれた領域が正方形となるように各格子点を配置し、後にテクスチャ処理を行う領域を設定する。
【００３５】
上記のように格子点を設定した要素画像がディスプレイパネル１０に表示され、この画像光がレンズアレイ１２ａの要素アレイを介して大口径レンズ３０へ入射する。大口径レンズ３０から上記の光が出射されて立体像が結像したとき、図１０に例示した投影変換の投影面において観察される画像には図示したように歪が生じており、各格子点によって囲まれた領域は歪んだ四辺形となる。
上記の観察される画像中の歪んだ四辺形を、要素画像中の同一格子点にて囲まれた正方形の領域に対してテクスチャ処理を行い、要素画像全体のテクスチャマッピングを行う。この処理結果に基づいて、後に表示させる要素画像に補正を施す。
【００３６】
また、上記のテクスチャマッピングを用いた補正は形状の歪に対するものであるが、画像光等はそれぞれの色によって屈折率が異なることから、上記の補正と同様な計算処理を色別に行うことにより、色収差を補正することもできる。
【００３７】
実施例２の立体画像表示装置のように、レンズアレイ１２ａから出射された各光を集光する大口径レンズ３０を備えて構成した場合であっても、実施例１で説明したものと同様に、視野角が広くなるようにしながら、歪が抑制された良好な解像度で実像を結像させることができる。また、表示された要素画像のドットピッチによらず、良好な解像度の立体像を提示することができる。
【実施例３】
【００３８】
図１１は、実施例３の立体画像表示装置による立体像の提示を示す説明図である。この図は、ディスプレイパネル１０からの画像光がレンズアレイ１２ａと大口径レンズ３０とを介して立体像に結像するまでの光路を示したもので、ある要素画像の光が対応する要素レンズに入射し、大口径レンズ３０によって屈折される光路を例示している。
実施例３の立体画像表示装置は、粗インテグラルボリュメトリックイメジング（ＣＩＶＩ）による立体像の提示を行うように、複数の表示面を重ねて多層化したディスプレイパネル１０を備えている。他の部分は概ね実施例２で説明した立体画像表示装置と同様に構成されている。ここでは、実施例２の立体画像表示装置と同様に構成された部分の重複説明を省略する。
【００３９】
実施例３の立体画像表示装置に備えられるディスプレイ制御器１１は、ディスプレイパネル１０の多層化された各表示面に各々要素画像を表示させる。
正面視したときに重なり合っている表示面から出射された要素画像光は、当該要素画像の中心と同一の位置にレンズ中心が配置された要素レンズへ入射する。この要素レンズから出射された光は、大口径レンズ３０によって集光され、上記の重なった表示面と同じ数の実像が重なり合って結像する。図１１に例示したものは、２層の表示面を有するディスプレイパネル１０からそれぞれ光が出射され、レンズアレイ１２ａの要素レンズと大口径レンズ３０を介することにより所定の位置に２つの実像が結像している。
【００４０】
ディスプレイ制御器１１は、上記のように多層化された表示面に要素画像を表示させるとき、次のように表示制御を行う。
表示面に要素画像を表示させる前に、各層の表示面からの光によって各実像が生成される奥行き（距離）を計算し、最も大口径レンズ３０から近い位置に結像する実像を認識する。この実像となる光を出射する表示面を、重なり合っている表示面の中から特定し、この表示面に要素画像を表示させる。
また、複数の実像を提示する場合に、２つの実像の中間的な態様の立体像を提示するときには、上記の２つの実像となる光を出射する２つの表示面に輝度を分配して、それぞれ要素画像の描画を行うように制御する。
【００４１】
実施例３の立体画像表示装置は、大口径レンズ３０を備えてＣＩＶＩによる立体像の提示を行うものであるが、実施例１で説明した大口径レンズを備えていない装置に、表示面を多層化させたディスプレイパネル１０を備え、ＣＩＶＩによる立体像の提示を行うように構成してもよい。
【００４２】
前述のように、要素レンズの幾何的中心とは異なる位置にレンズ中心を配置し、このレンズ中心とディスプレイパネル１０に表示される要素画像の中心が重なるようにレンズアレイを構成（配置）し、大口径レンズ３０を介して実像を結像させることにより、ＣＩＶＩによる立体像の提示について視野角を広くしながら立体像の歪を抑制することができ、解像度を良好にすることができる。
【００４３】
実施例１〜３の各立体画像表示装置に用いられるレンズアレイは、前述のように各々の要素レンズのレンズ中心の位置が異なっていることから、１つの凸レンズから複数の要素レンズを切り出すことができ、レンズを正面視したときにレンズ形状の中心に光学的なレンズ中心を配置した一般的な要素レンズを形成する場合に比べて製造コストを抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、視野角の広い立体像を高い解像度で提示することができることから、例えば観察者が徒歩で移動可能な空間で行われるアトラクションやゲーム機器の表示装置などに適している。
【符号の説明】
【００４５】
１０ディスプレイパネル
１１ディスプレイ制御器
１２レンズアレイ
１５観察者
２０実像
３０大口径レンズ
１０１ディスプレイパネル
１０２レンズアレイ
１０３大口径レンズ
１０４立体像
１０５観察者
【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１１】
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【図１０】
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