(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光を被測定物に向かって出射する発光部と、
前記被測定物から反射される反射光を受光する受光部と、
前記反射光の受光レベルがピークを示す時点が特定できるときには、前記測定光が出射されたときから前記ピークを示す時点までの経過時間に基づいて前記被測定物までの距離を求め、前記受光レベルが飽和状態となり前記ピークを示す時点が特定できないときには、前記測定光が出射されたときから前記受光レベルの変化量が時間軸方向で最も大きく増加する時点までの経過時間に基づいて前記被測定物までの仮の距離の値を求める距離算出部と、
前記受光レベルが飽和状態となり前記ピークを示す時点が特定できないときには、前記受光レベルが飽和している時間の長さを求めるとともに、前記受光レベルが飽和している時間の長さに応じて前記仮の距離の値を補正して、前記被測定物までの距離を推定する距離補正部と
を備えることを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の距離測定装置において、
前記発光部は、前記測定光を複数回出射することを特徴とする距離測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の距離測定装置において、
前記距離算出部は、前記測定光を複数回出射したときに、前記受光部が閾値を超える受光量を計測した時点をそれぞれカウントし、カウントした度数を積算して各時点での前記受光レベルを求めるカウント部をさらに備え、
前記距離算出部は、前記度数の積算数がピークを示す時点が特定できるときには、前記度数の積算数がピークを示す時点までの経過時間に基づいて前記被測定物までの距離を求め、前記度数の積算数が飽和状態となり前記度数の積算数がピークを示す時点が特定できないときには、前記度数の積算数の変化量が時間軸方向で最も大きく増加する時点までの経過時間に基づいて前記被測定物までの仮の距離の値を求め、
前記距離補正部は、前記度数の積算数が飽和状態となり前記度数の積算数がピークを示す時点が特定できないときには、前記度数の積算数が飽和している時間の長さを求めるとともに、前記度数の積算数が飽和している時間の長さに応じて前記仮の距離の値を補正することを特徴とする距離測定装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の距離測定装置において、
前記距離補正部は、前記受光レベルが飽和している時間が長いほど、前記仮の距離の値を補正する補正量を多くすることを特徴とする距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、パルスレーザ光を被測定物に向かって発光し、被測定物から反射された反射光を受光するまでの経過時間を測定し、この経過時間とレーザ光の伝搬速度とに基づいて被測定物までの距離を測定する距離測定装置が知られている。
【０００３】
また、距離測定装置において、計測対象に向けて送信した信号と、計測対象で反射されて戻ってくる受光信号との時間差を計測する際に、最も確からしい本来時間を表す受光信号を選択することによって測定誤差を低減させることが提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２７５３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の距離測定装置では、例えば反射光の受光レベルが飽和状態となる場合に測距精度が悪化していた。
【０００６】
上記事情に鑑み、反射光の受光レベルが飽和状態となるときでも精度良く距離を測定できる距離測定装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一の態様の距離測定装置は、発光部と、受光部と、距離算出部と、距離補正部とを備える。発光部は、測定光を被測定物に向かって出射する。受光部は、被測定物から反射される反射光を受光する。距離算出部は、反射光の受光レベルがピークを示す時点が特定できるときには、測定光が出射されたときからピークを示す時点までの経過時間に基づいて被測定物までの距離を求め、受光レベルが飽和状態となりピークを示す時点が特定できないときには、測定光が出射されたときから受光レベルの変化量が時間軸方向で最も大きく増加する時点までの経過時間に基づいて被測定物までの仮の距離の値を求める。距離補正部は、受光レベルが飽和状態となりピークを示す時点が特定できないときには、受光レベルが飽和している時間の長さを求めるとともに、受光レベルが飽和している時間の長さに応じて仮の距離の値を補正して、被測定物までの距離を推定する。
【０００８】
一の態様の距離測定装置において、発光部は、測定光を複数回出射してもよい。
【０００９】
一の態様の距離測定装置において、距離算出部は、測定光を複数回出射したときに、受光部が閾値を超える受光量を計測した時点をそれぞれカウントし、カウントした度数を積算して各時点での受光レベルを求めるカウント部をさらに備えていてもよい。また、距離算出部は、度数の積算数がピークを示す時点が特定できるときには、度数の積算数がピークを示す時点までの経過時間に基づいて被測定物までの距離を求め、度数の積算数が飽和状態となり度数の積算数がピークを示す時点が特定できないときには、度数の積算数の変化量が時間軸方向で最も大きく増加する時点までの経過時間に基づいて被測定物までの仮の距離の値を求めてもよい。また、距離補正部は、度数の積算数が飽和状態となり度数の積算数がピークを示す時点が特定できないときには、度数の積算数が飽和している時間の長さを求めるとともに、度数の積算数が飽和している時間の長さに応じて仮の距離の値を補正してもよい。
【００１０】
一の態様の距離測定装置において、距離補正部は、受光レベルが飽和している時間が長いほど、仮の距離の値を補正する補正量を多くしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、反射光の受光レベルが飽和状態となるときでも精度良く距離を測定できる距離測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態の距離測定装置の構成例を示すブロック図
【図２】第１実施形態の距離測定装置の動作を示すフローチャート
【図３】測定光が出射されたときからの経過時間と、測定動作で積算された度数との度数分布の例を示す図
【図４】距離測定装置での仮の距離に対する補正の例を示す説明図
【図５】第２実施形態の距離測定装置の構成例を示すブロック図
【図６】第２実施形態の距離測定装置における受光レベル測定部（飽和検出部）の構成例を示す図
【図７】第２実施形態の距離測定装置の動作を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜第１実施形態の説明＞
図１は、第１実施形態の距離測定装置の構成例を示すブロック図である。第１実施形態の距離測定装置は、例えばスポーツ、狩猟等の測距で使用される。
【００１４】
第１実施形態の距離測定装置１は、筐体２と、発光部３と、受光部４と、操作ボタン５と、コントローラ６と、距離表示部７とを有する。発光部３、受光部４、操作ボタン５、および距離表示部７は、それぞれコントローラ６と接続される。
【００１５】
発光部３、受光部４、コントローラ６、および距離表示部７は、筐体２の内側に配置される。また、操作ボタン５は、筐体２の外側に露出するように筐体２に実装される。また、筐体２には、ファインダ窓２ａ、出射窓３ａ、受光窓４ａが形成されている。
【００１６】
ファインダ窓２ａおよび出射窓３ａは、距離測定装置１の光学ファインダを構成する。出射窓３ａとファインダ窓２ａとの間の光路上には、図１の左側から順に、コリメートレンズ３１と、ハーフミラー２１とが配置されている。
【００１７】
出射窓３ａから入射する光束の一部は、コリメートレンズ３１とハーフミラー２１とを透過してファインダ窓２ａに導かれる。これにより、操作者は、ファインダ窓２ａおよび出射窓３ａ越しに被測定物を目視できる。
【００１８】
発光部３は、被測定物に照射される測定光（パルス状のレーザ光）を出力する。この発光部３は、例えば発光素子（レーザダイオード）と、発光素子の駆動回路とで構成される。
【００１９】
ここで、発光部３から出射された測定光は、ハーフミラー２１で反射されてコリメートレンズ３１および出射窓３ａに導かれる。このため、操作者が光学ファインダを覗いた状態で発光部３から測定光が出射されると、測定光は操作者の目視している被測定物に向かって（図１の矢印Ａ方向）出射されることとなる。
【００２０】
受光部４は、受光窓４ａから入射する光（例えば、被測定物で反射された測定光）を受光する。受光部４は、例えば受光素子（フォトダイオード）と、受信回路とで構成される。なお、受光窓４ａと受光部４との間には、集光レンズ４１が配置される。受光窓４ａから入射する光（図１の矢印Ｂ方向からの光）は、集光レンズ４１により集光されて受光素子により光電変換される。そして、受光素子の出力（受光信号）は、受信回路で増幅処理された後にコントローラ６に送られる。
【００２１】
操作ボタン５は、測距を開始するスイッチの役割を持つ。また、操作ボタン５は、単位モード切換スイッチ（距離表示部７の単位（メートル／ヤード等）の選択）や、距離表示部７のバックライトを点灯／消灯するためのスイッチとしての役割も持つ。
【００２２】
コントローラ６は、距離測定装置１の動作を制御する回路であって、例えばＦＰＧＡ等が使用される。コントローラ６は、被測定物までの距離を算出するための距離算出部１０と、パルス発生部２０とを有する。
【００２３】
距離算出部１０は、測定光が出射されたときから反射光の受光レベルがピークを示す時点までの経過時間に基づいて被測定物までの距離を求める。また、距離算出部１０は、カウント部１１と、度数測定部（飽和検出部）１２と、距離補正部１３とを有する。なお、カウント部１１、度数測定部（飽和検出部）１２および距離補正部１３についての説明は後述する。
【００２４】
パルス発生部２０は、距離測定装置の動作タイミングを規定するパルス信号を発生させる。パルス発生部２０からのパルス信号に応じて、発光部３の発光素子からパルス状のレーザ光（測定光）が出射される。また、上記のパルス信号を用いて、測定光が出射されたときから受光部４で受光信号が出力されるまでの経過時間を求めることができる。
【００２５】
距離表示部７は、コントローラ６からの表示指示を受けてファインダ窓２ａの内部において距離表示を行う。距離表示部７は、例えば、光学ファインダの像の外縁に情報を点灯表示するものや、光学ファインダの像に情報をオーバレイ表示するものでもよい。なお、距離表示部７は、例えば筐体２の外側に配置された液晶表示器等でもよい。
【００２６】
（第１実施形態の動作の説明）
以下、第１実施形態での距離測定装置１の動作を説明する。図２は、第１実施形態の距離測定装置１の動作例を示すフローチャートである。
【００２７】
ステップＳ１：操作者がファインダ窓２ａを通して被測定物を見た状態で操作ボタン５が操作されると、コントローラ６は、操作ボタン５からの入力（測距開始の指示）を受け付ける。
【００２８】
ここで、第１実施形態の距離測定装置は、１回の測距（Ｓ１での１回分の操作ボタン５の操作）につき測定光を複数回（例えば５５０回）出射する。後述のＳ２〜Ｓ５の処理（測定動作）は、測定光が出射される回数分だけ繰り返される。なお、測定動作の回数は、コントローラ６によって管理される。
【００２９】
ステップＳ２：コントローラ６は、発光部３を作動させて、発光素子からパルス状のレーザ光を被測定物に向けて出射させる。なお、発光部３から出射した測定光の一部は、被測定物での反射によって、受光窓４ａおよび集光レンズ４１を介して受光部４に導かれる。
【００３０】
ステップＳ３：コントローラ６は、測定光が出射された時点を起点として時間のカウントを開始する。
【００３１】
ステップＳ４：受光部４は、受光窓４ａから入射する光を受光する。
【００３２】
ステップＳ５：距離算出部１０のカウント部１１は、受光部４が閾値を超える受光量を計測した時点（例えば、受光信号の値が所定の強度閾値を超える場合）で度数をカウントする。時点ごとにカウントされる度数は、コントローラ６内のメモリ（不図示）に記憶される。
【００３３】
一例として、測定光の出射からＸｍ秒経過後に強度閾値以上の受光信号が計測された場合に、カウント部１１はＸｍ秒の時点に対応する度数を１つカウントする。上記の強度閾値は、例えば定常光の示す信号よりも十分大きく、かつ測定光の信号強度よりは小さくなるように設定される。これにより、測定光の反射光のように、定常光よりも十分に強い光が入射した場合のみ度数のカウントが行われることとなる。
【００３４】
また、上記の度数のカウントは、複数回繰り返される測定動作（Ｓ２〜Ｓ５）において積算されてゆく。例えば第２回目の測定動作を行うときに、前回の測定動作で度数がカウントされた時点と同一時点で再び度数がカウントされた場合、その時点に対応する度数は積算されて「２」となる。この度数の積算数の上限は、測定光の出射回数と同じ回数（例えば５５０回）となる。なお、第１実施形態では、各時点において複数回の測定動作で得られた度数の積算値を、各時点での受光レベルとして扱う。
【００３５】
図３は、測定光が出射されたときからの経過時間と、測定動作で積算された度数との度数分布の例を示す図である。図３の度数分布において、縦軸は各時点での度数の積算値（受光レベル）を表し、横軸は測定光が出射されたときからの経過時間を示す。一例として、度数分布での経過時間の刻みは１２．５ｎｓである。
【００３６】
なお、１回の測定動作において、被測定物での反射光と強い外乱光とが異なる時点で入射した場合、それぞれの光が入射した時点でカウント部１１は度数のカウントを行う。つまり、１回の測定動作において複数の時点で度数がカウントされる場合もある。しかし、複数回の測定動作で被測定物での反射光はほぼ同じ時点で計測されるが、複数回の測定動作で外乱光は同じ時点で計測されることはない。そのため、複数回の測定動作全体でみたときには、両者を区別することができる。
【００３７】
ステップＳ６：コントローラ６は、Ｓ２〜Ｓ５の所定回数の処理（上記の例であれば５５０回分の測定動作）が終了したか否かを判定する。上記要件を満たすとき（Ｙｅｓ側）には、コントローラ６は処理をステップＳ７に移行させる。一方、上記要件を満たさないとき（Ｎｏ側）には、コントローラ６は測定動作の回数を１回分カウントするとともに、処理をステップＳ２に移行させて、上記動作を繰り返す。
【００３８】
ステップＳ７：コントローラ６は、被測定物での反射光に対応した受光レベルのピークの時点が特定できたか否かを判定する。上記の要件を満たすとき（Ｙｅｓ側）には、コントローラ６は処理をステップＳ８に移行させる。一方、上記の要件を満たさないとき（Ｎｏ側）には、コントローラ６は処理をステップＳ９に移行させる。
【００３９】
一例として、距離算出部１０の度数測定部（飽和検出部）１２は、各時点での受光レベル（度数の積算値）を参照する。そして、度数測定部（飽和検出部）１２は、受光レベルがピークを示す時点のうち、その受光レベルが最大となる時点（最大ビン）を、被測定物での反射光に対応した受光レベルのピークとして特定すればよい。一方、受光レベルが上限値に達して飽和状態となる場合（図４参照）、コントローラ６は、上記のピークの時点が特定できないと判定する。
【００４０】
ステップＳ８：距離算出部１０は、受光レベルがピークを示す時点（Ｓ７で特定した最大ビンの時点）での経過時間を用いて被測定物までの距離を算出する。なお、上記の経過時間は、公知のレーザ光の空間伝播速度を用いて被測定物までの距離に換算できる。その後、Ｓ１１に処理が移行する。
【００４１】
ステップＳ９：距離測定部１０は、被測定物までの仮の距離を算出する。一例として、Ｓ９での距離測定部１０は、受光レベルが上記の飽和状態となっている期間の近傍において、受光レベルの変化量が時間軸方向で最も大きく増加する時点（通常、度数分布で受光レベルの波形が立ち上がる時点）を基準として、被測定物までの仮の距離を算出すればよい。
【００４２】
ステップＳ１０：距離補正部１３は、受光レベルが飽和状態となっている時間に応じて仮の距離（Ｓ９）の値を補正し、被測定物までの距離を推定する。
【００４３】
一例として、距離補正部１３は、上記の飽和状態の時間に応じて決定される補正量を仮の距離に加算して、被測定物までの距離を推定する。この補正量は、上記の飽和状態の時間の長さに比例して多くなる。
【００４４】
一般に、度数分布上で受光レベルの波形がなす山は、ピーク時での受光レベルの大きさに比例して大きなものとなる。受光レベルが飽和状態にある場合、度数分布の波形から直接に受光レベルの波形のピークを特定することができない。しかし、飽和状態にある時間が既知であれば、受光レベルの波形がなす山の大きさを推定できるので、飽和状態で埋もれている受光レベルのピーク時点を推定することも可能となる。
【００４５】
図４は、距離測定装置での仮の距離に対する補正の例を示す説明図である。図４の縦軸は受光レベル（度数）を表し、図４の横軸は測定光が出射されたときからの経過時間を示す。また、図４において、受光レベルの波形を実線で示し、飽和状態で埋もれている受光レベルの本来の波形を破線で示す。
【００４６】
図４（ａ）は、受光レベルが飽和状態にある時間が長い場合を模式的に示している。この場合は、受光レベルの本来の波形がなす山が大きく、Ｓ９で求めた仮の距離と本来の波形のピーク（距離の真値）との乖離が大きくなる。そのため、この場合の距離補正部１３は、仮の距離に対する補正量を大きくする。
【００４７】
図４（ｂ）は、受光レベルが飽和状態にある時間が短い場合を模式的に示している。この場合は、図４（ａ）と比べて受光レベルの本来の波形がなす山が小さく、Ｓ９で求めた仮の距離と本来の波形のピーク（距離の真値）との乖離も相対的に小さくなる。そのため、この場合の距離補正部１３は、図４（ａ）と比べて仮の距離に対する補正量を小さくする。
【００４８】
なお、受光レベルが飽和状態にある時間と上記の補正量との対応関係は、例えば、予め実験等で求めた結果に基づいて決定すればよい。
【００４９】
ステップＳ１１：コントローラ６は、距離算出部１０が算出した距離（Ｓ８）又は距離補正部１３で推定した距離（Ｓ１０）を距離表示部７に表示させる。これにより、操作者は、被測定物までの距離をファインダ窓２ａの表示によって確認できる。以上で、本フローチャートの説明を終了する。
【００５０】
（第１実施形態の効果）
まず、比較例として、従来の距離測定装置での測定例を簡単に説明する。従来の距離測定装置では、被測定物との距離が長い場合には、反射光の受光レベルが小さくなるため測定値が長めに算出される傾向がある。逆に、上記の距離が短い場合には、反射光の受光レベルが大きくなるため測定値が短めに算出される傾向がある。そのため、従来の距離測定装置では、測定値の示す距離が長いときは定型的に測定値が短くなるように補正し、測定値の示す距離が短いときは定型的に測定値が長くなるように補正していた。
【００５１】
しかし、従来の距離測定装置では、例えば、被測定物の反射率の高低や被測定物の面積の大小によって同一距離でも反射光の受光レベルに差異が生じる場合には、測定値が大きくばらつくおそれがある。このため、従来の距離測定装置での上記の補正では、必ずしも精度良く距離を求めることが出来なかった。
【００５２】
一方、第１実施形態の距離測定装置１では、距離算出部１０は、測定光が出射されたときから反射光の受光レベルがピークを示す時点までの経過時間に基づいて被測定物までの距離を求める（Ｓ８）。また、距離補正部１３は、受光レベルが飽和状態となりピークの時点が特定できないときには、受光レベルが飽和している時間の長さに応じて被測定物までの距離の値を補正する（Ｓ９、Ｓ１０）。このため、第１実施形態の距離測定装置１は、受光レベルが小さく飽和状態にない場合と、受光レベルが飽和状態にある場合との両方で、それぞれ被測定物までの距離を精度良く測定できる。
【００５３】
また、第１実施形態の距離測定装置１は、測定光を複数回出射して複数回の測定動作を実行するので、測定時のＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００５４】
＜第２実施形態の説明＞
次に、第２実施形態の距離測定装置について説明する。図５は、第２実施形態での距離測定装置を示すブロック図である。第２実施形態での距離測定装置１は、基本構成が第１実施形態のものと共通する。そのため、第２実施形態の説明では、第１実施形態と同一の構成については第１実施形態と同一の符号を用い、重複説明は省略する。
【００５５】
第２実施形態での距離測定装置１は、第１実施形態での距離測定装置１の構成に加え、受光部４の出力側に受光レベル測定部（飽和検出部）８が接続されている。受光レベル測定部（飽和検出部）８の出力はコントローラ６に接続されている。なお、第２実施形態での距離算出部１０は、距離補正部１３のみを有している。
【００５６】
図６は、受光レベル測定部（飽和検出部）８の構成を示すブロック図である。受光レベル測定部（飽和検出部）８は、ピークホールド回路８ａとＡ／Ｄ変換部８ｂとを有する。受光レベル測定部（飽和検出部）８は、ピークホールド回路８ａを用い、受光部４により受光した信号のピークを保持させる。Ａ／Ｄ変換部８ｂは、ピークレベルをディジタル変換してコントローラ６に出力する。すなわち、第２実施形態では、受光量の光量がそのまま受光レベルとして扱われる。
【００５７】
（第２実施形態の動作の説明）
以下、第２実施形態での距離測定装置１の動作を説明する。図７は、第２実施形態の距離測定装置１の動作例を示すフローチャートである。第２実施形態では、１回の測距につき測定光を１回出射する例を説明する。なお、図７のＳ２１〜Ｓ２４の処理は、図２のＳ１〜Ｓ４の処理と共通し、図７のＳ２７〜Ｓ３０の処理は、図２のＳ８〜Ｓ１１の処理とほぼ共通する。そのため、上記の各処理については重複説明を省略する。
【００５８】
ステップＳ２５：受光レベル測定部（飽和検出部）８は、受光部４より光の受光を受け付けるとピークホールド回路８ａを用い、受光部４により受光した信号のピークを保持する。その後、受光レベル測定部（飽和検出部）８は、Ａ／Ｄ変換部８ｂによってピークレベルをディジタル変換し、コントローラ６に送出する。
【００５９】
ステップＳ２６：コントローラ６は、ディジタル変換された受光レベルのピークの時点が特定できたか否か判定する。上記の要件を満たすとき（Ｙｅｓ側）は、コントローラ６は、処理をステップＳ２７に移行させる。一方、上記の要件を満たさないとき（Ｎｏ側）は、コントローラ６は、処理をステップＳ２８に移行させる。なお、Ｓ２６でのコントローラ６は、受光レベルが飽和状態となる場合に、上記のピークの時点が特定できないと判定する。
【００６０】
上記の第２実施形態の構成によっても、第１実施形態の場合と同様に、受光レベルが小さく飽和状態にない場合と、受光レベルが飽和状態にある場合との両方で、それぞれ被測定物までの距離を精度良く測定できる。
【００６１】
＜実施形態の補足事項＞
（１）第１実施形態では、受光レベルと経過時間とで度数分布を求めているが、度数分布の横軸の経過時間を予め距離に換算して運用してもよい。
【００６２】
（２）第２実施形態においても、発光部３に測定光を複数回出射させるようにしてもよい。反射光を複数回測定することで１回の測定よりも精度良く距離を測定することができる。この場合、コントローラ６は、ステップＳ２２で出射回数を管理し、第１実施形態におけるステップＳ６と同様、所定の回数の出射が完了するまでステップＳ２２〜ステップＳ２５をループさせればよい。
【００６３】
以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲が、その精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずであり、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物によることも可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１…距離測定装置、２…筐体、２ａ…ファインダ窓、３…発光部、３ａ…出射窓、４…受光部、４ａ…受光窓、５…操作ボタン、６…コントローラ、７…距離表示部、８…受光レベル測定部、８ａ…ピークホールド回路、８ｂ…Ａ／Ｄ変換部、１０…距離算出部、１１…カウント部、１２…度数測定部、１３…距離補正部、２０…パルス発生部、２１…ハーフミラー、３１…コリメートレンズ、４１…集光レンズ
【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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