(57)【要約】【課題】赤外線センサの読出時間が短くても赤外線の受光強度を精度よく検出することを可能にする。【解決手段】赤外線センサ１は赤外線の受光光量に応じた出力値を出力する。演算制御部２は、赤外線センサ１での受光強度が規定の基準強度であるときの赤外線センサの出力値を基準出力値とし基準出力値を時間の２次関数で近似して基準出力値を算出する基準出力算出部２４と、赤外線センサ１の駆動開始からの経過時間と温度センサ１ａでの検出温度とに対応して基準出力算出部２４で算出した基準出力値と赤外線センサ１の出力値との差から基準強度に対する受光強度の変化分を算出する受光強度算出部２５とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線の受光光量に応じた出力値の出力が得られる赤外線センサと、赤外線センサの駆動を制御するとともに赤外線センサの出力値を用いて受光強度を算出する演算制御部とを有し、演算制御部は、赤外線センサでの受光強度が規定の基準強度であるときの赤外線センサの出力値を基準出力値とし基準出力値を時間のｎ次関数で近似して求める基準出力算出部と、赤外線センサの駆動開始からの経過時間に対応して基準出力算出部で算出した基準出力値と赤外線センサの出力値との差から基準強度に対する受光強度の変化分を算出する受光強度算出部とを備えることを特徴とする赤外線検出装置。
【請求項２】
前記演算制御部は、前記赤外線センサの出力値をサンプリングするサンプリング部が付加され、前記受光強度算出部は、実測時において各サンプリング時刻ごとにサンプリングした出力値を用いて前記ｎ次関数の係数を算出し、当該係数と基準出力値を規定する係数との差を基準強度に対する受光強度の変化分として算出することを特徴とする請求項１記載の赤外線検出装置。
【請求項３】
前記基準出力算出部は、基準出力値を求める基準強度を前記赤外線センサに赤外線が入射していない非露光時の受光強度とし、基準出力値を赤外線センサの駆動開始から経過した時間のｎ次関数とすることを特徴とする請求項１または請求項２記載の赤外線検出装置。
【請求項４】
前記基準出力演算部は、基準出力値の時間変化を時間の２次関数として求めることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線の受光強度を検出する赤外線検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、赤外線検出装置として、抵抗ボロメータ型、誘電体ボロメータ型、サーモパイル型など種々の原理で、赤外線の受光光量に応じた出力値の出力が得られる赤外線センサを備えたものが知られている（たとえば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
また、この種の赤外線検出装置には、赤外線センサを複数配列した赤外線イメージセンサがあり（たとえば、特許文献３参照）、赤外線イメージセンサでは撮像対象の表面温度を反映した熱画像を得ることが要求される。
【０００４】
赤外線センサの構成例について簡単に説明する。図８、図９に示すように、赤外線センサは、シリコンのような半導体からなるベース基板１１と、ベース基板１１の一表面側（図９の上面側）に配置された温度検出層１２と、温度検出層１２をベース基板１１の前記一表面から離間して配置されるように温度検出層１２を支持するとともにベース基板１１に対して温度検出層１２を熱絶縁する断熱層１３と、赤外線を吸収して温度変化する赤外線吸収層１４とを備える。温度検出層１２は、断熱層１３と赤外線吸収層１４との間に挟まれており、赤外線吸収層１４による赤外線吸収に伴う温度変化を温度検出層１２で抵抗変化に変換する。ベース基板１１における断熱層１３との対向面の一部には、断熱層１３を透過した赤外線を温度検出層１２側に反射させる反射層１５が形成されている。
【０００５】
温度検出層１２は、赤外線を受光する受光面側に設けた表面電極１２ａと受光面に対する反対面側に設けた裏面電極１２ｃとの間に抵抗体層１２ｂを積層した形に形成されている。抵抗体層１２ｂには、アモルファスシリコン、チタン、酸化バナジウムなどを用いる。つまり、温度検出層１２としてサーミスタを用いる。
【０００６】
断熱層１３は、温度検出層１２が積層される矩形状の支持部１３ａと、支持部１３ａの周縁の２箇所から延設され支持部１３ａの周縁に沿って延長された一対の腕部１３ｂと、腕部１３ｂの先端部に連結されベース基板１１に立設されるポスト部１３ｃとを備える形状に形成されている。温度検出層１２の表面電極１２ａおよび裏面電極１２ｃは、腕部１３ｂおよびポスト部１３ｃに設けた導電部１３ｄを通してベース基板１１の導体パターン１１ａに接続される。
【０００７】
ところで、上述の構成の赤外線センサ１を等価回路で示すと、図１０のようになる。図１０では、抵抗体層１２ｂの抵抗成分のうち赤外線の受光強度に応じて変化する抵抗成分を抵抗Ｒ０、赤外線の吸収によらない環境温度に応じて変化する抵抗成分を抵抗Ｒ１、熱容量により生じる遅延を容量Ｃ１で表している。また、温度検出層１２はサーミスタを構成しているから、出力を取り出すにはバイアス電圧Ｖｂを印加する必要がある。図１０に示す構成例では、赤外線センサ１にスイッチング素子Ｑを介して出力抵抗Ｒ２を接続した直列回路にバイアス電圧Ｖｂを印加している。この構成では、スイッチング素子Ｑのオン時に抵抗体層１２ｂに電圧が印加され、抵抗体層１２ｂの抵抗変化が出力抵抗Ｒ２の両端電圧の電圧変化として取り出される。つまり、スイッチング素子Ｑは、赤外線センサ１の出力値を読み出すか否かを選択するための選択手段として機能する。
【特許文献１】特開２０００−９７７６５号公報
【特許文献２】特許第３０４０３５６号公報
【特許文献３】特開２００２−１８５８５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１０に示した等価回路から明らかなように、スイッチング素子Ｑをオンにしてバイアス電圧Ｖｂを印加すると、バイアス電圧Ｖｂの印加時刻ｔ０において容量Ｃ１に電荷が存在しなければ、図１１に示すように、抵抗Ｒ２の両端の電圧値は、印加時刻ｔ０において｛Ｒ２／（Ｒ０＋Ｒ２）｝・Ｖｂであり、時間の経過とともに容量Ｃ１に電荷が蓄積されることにより、｛Ｒ２／（Ｒ０＋Ｒ１＋Ｒ２）｝・Ｖｂに漸近する。実際には、容量Ｃ１は存在しないから、電荷が蓄積されるわけではないが、スイッチング素子Ｑがオンになり通電されることによって抵抗体層１２ｂが発熱して時間経過とともに赤外線センサ１のジュール熱により温度が上昇し、温度の上昇率は熱の蓄積とともに低下するから、抵抗Ｒ２の両端電圧は、図１１に示す傾向を示すことになる。なお、図示例は温度検出層１２が正特性サーミスタを構成している場合を示している。
【０００９】
熱画像を得ようとすれば、多数個の赤外線センサ１の出力を順に読み出す必要があるから、スイッチング素子Ｑをオンにする時間は短く、たとえば１００×１００個の赤外線センサ１を用いて、３０フレーム／秒の熱画像を得ようとすれば、１ラインごとに読み出すとしても１個の赤外線センサ１の読出時間は３０００分の１秒より長くすることはできない。つまり、この程度の画素数でも読出時間はたかだか３００μｓ程度しか確保することはできず、赤外線イメージセンサを構成する場合には転送などの他の処理時間を考慮すれば、確保可能な読出時間はさらに短くなる。赤外線センサ１のサイズにもよるが、飽和して安定した後の出力値を用いる程度に読出時間は長くとることができない。
【００１０】
ちなみに、図１１に示す例では熱画像を得るための赤外線イメージセンサでの特性を示しており、スイッチング素子Ｑのオン期間Ｔｏｎを１００μｓとした場合の例である。このように、赤外線センサ１の出力値が変化している途中で出力値を読み出すから、赤外線センサ１の出力値が受光強度を反映しているとしても、読出タイミングがずれると出力値が異なることになり、出力値の信頼度が低下するという問題を生じる。
【００１１】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、赤外線センサの読出時間が短くても赤外線の受光強度を精度よく検出することを可能にした赤外線検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明は、赤外線の受光光量に応じた出力値の出力が得られる赤外線センサと、赤外線センサの駆動を制御するとともに赤外線センサの出力値を用いて受光強度を算出する演算制御部とを有し、演算制御部は、赤外線センサでの受光強度が規定の基準強度であるときの赤外線センサの出力値を基準出力値とし基準出力値を時間のｎ次関数で近似して求める基準出力算出部と、赤外線センサの駆動開始からの経過時間に対応して基準出力算出部で算出した基準出力値と赤外線センサの出力値との差から基準強度に対する受光強度の変化分を算出する受光強度算出部とを備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記演算制御部は、前記赤外線センサの出力値をサンプリングするサンプリング部が付加され、前記受光強度算出部は、実測時において各サンプリング時刻ごとにサンプリングした出力値を用いて前記ｎ次関数の係数を算出し、当該係数と基準出力値を規定する係数との差を基準強度に対する受光強度の変化分として算出することを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記基準出力算出部は、基準出力値を求める基準強度を前記赤外線センサに赤外線が入射していない非露光時の受光強度とし、基準出力値を赤外線センサの駆動開始から経過した時間のｎ次関数とすることを特徴とする。
【００１５】
請求項４の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明において、前記基準出力演算部は、基準出力値の時間変化を時間の２次関数として求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明の構成によれば、受光強度を基準強度とするときの赤外線センサの出力値の変化を時間のｎ次関数で表した基準出力値を用い、赤外線センサの駆動開始からの経過時間をｎ次関数に適用したときの基準出力値と実測により得られた赤外線センサの出力値との差分を受光強度の変化分として算出するから、赤外線センサの出力値が飽和して安定した後ではなく、変動している期間の出力値を用いながらも受光強度を精度よく算出することが可能になる。
【００１７】
請求項２の発明の構成によれば、基準出力値により近似された受光強度と実測時の受光強度との予測誤差を補正して受光強度の検出精度を高めることができる。
【００１８】
請求項３の発明の構成によれば、赤外線センサに赤外線が入射していない状態で赤外線センサの駆動を開始してからの経過時間に対する出力値の変化を時間のｎ次関数で表したものを基準出力値に用いるから、受光強度の絶対値を算出することが可能になる。
【００１９】
請求項４の発明の構成によれば、３次以上の高次関数を用いる場合よりも演算処理の処理負荷が小さくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本実施形態では、図１に示すように、１枚の基板１１（図８、図９のベース基板１１に相当）に複数個の赤外線センサ１を配列した赤外線イメージセンサを例示する。図示例では赤外線センサ１が縦方向の一列に配列されているが、実際には２次元格子の格子点上に赤外線センサ１が配置される。
【００２１】
各赤外線センサ１は、抵抗ボロメータ型であって背景技術として説明したものと同様の構造を有しているものとする。ただし、誘電体ボロメータ型やサーモパイル型などを用いることも可能である。赤外線センサ１の前方には、液晶シャッタのように光の透過と遮断とを選択可能なシャッタ手段（図示せず）を配置するのが望ましい。
【００２２】
各赤外線センサ１は受光光量に応じて抵抗値が変化する。各赤外線センサ１は、背景技術として説明したように、スイッチング素子Ｑおよび出力抵抗Ｒ２（図１０参照）と直列接続される。各赤外線センサ１にはそれぞれスイッチング素子Ｑが対応付けられており、スイッチング素子Ｑをオンにして赤外線センサ１に通電することにより、各赤外線センサ１の抵抗値の変化を出力抵抗Ｒ２の両端電圧の電圧値の変化として検出する。
【００２３】
図１０に示すように、出力抵抗Ｒ２の両端電圧は、減算回路１６（差動増幅器を用いて構成する）により定電圧（たとえば、バイアス電圧Ｖｂの２分の１の電圧）から減算され、コンデンサＣに蓄積される。このコンデンサＣはオフセット調整回路１７により電荷の充放電が制御されており、オフセット調整回路１７では、減算回路１６の出力電圧に相当する充電電流とオフセット分に相当する放電電流との差分の電流でコンデンサＣを充電することにより、コンデンサＣの両端電圧をオフセット調整後の出力電圧として利用できるようにしてある。以下では、このコンデンサＣにより生じる時定数は赤外線センサ１の時定数に含めて考える。
【００２４】
赤外線センサ１の出力電圧は、図１１に示したように、時間経過に伴って減少するが（温度検出層１２に正特性サーミスタを用い、時間とともに温度上昇するから）、減算回路１６を用いることにより、図２に示すように、時間経過に伴って上昇する出力が得られる。
【００２５】
スイッチング素子Ｑのオンオフのタイミングは、演算制御部２に設けたタイミング制御部２１から指示される。また、演算制御部２には、赤外線センサ１の出力値（実際にはコンデンサＣの両端電圧）である電圧値をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換部２２が設けられている。
【００２６】
タイミング制御部２１は各赤外線センサ１を順に択一的に選択し、Ａ／Ｄ変換部２２では、タイミング制御部２１で制御された読出タイミングに同期して各赤外線センサ１の出力を順にデジタル値に変換する。
【００２７】
ところで、演算制御部２は、以下の原理に基づいて赤外線センサ１の出力値から受光強度を算出する。すなわち、受光強度について基準強度を規定し、この基準強度において赤外線センサ１の駆動を開始（つまり、スイッチング素子Ｑをオンにして通電を開始）してからの経過時間に伴う出力値の変化を基準出力値として求め、赤外線の受光強度を計測しているときの赤外線センサ１の出力値について基準出力値との差を求め、この差を基準強度と実測した受光強度との差による出力値との差とし、求めた差から基準強度に対する受光強度の変化分を求めるのである。
【００２８】
したがって、図３に示すように、基準出力値Ｖｓの時間変化を時間を変数とする適宜の関数で表しておき、赤外線センサ１の出力値Ｖｍについて赤外線センサ１の駆動開始から適宜の時間（ｔ１）が経過した時点の出力値Ｖｍ（ｔ１）を求めるとともに、基準出力値Ｖｓについて時刻ｔ１の値Ｖｓ（ｔ１）を求め、両者の差をＶｓ（ｔ１）−Ｖｍ（ｔ１）を求めると、この値が基準強度に対する受光強度の変化分を反映していることになる。ここで、赤外線センサ１が赤外線を受光していないときの受光強度を基準強度とすれば、受光強度の変化分は受光強度の絶対値を表すことになる。
【００２９】
ところで、基準出力値Ｖｓの時間変化を定義する関数は、赤外線センサ１の等価回路（図１０参照）を考慮すれば、時間ｔに対してｅｘｐ（ｔ）を含む形で表されることが容易に推定される。ｅｘｐ（ｔ）は、時間ｔのｎ次式で表された多項式に展開することができるから、各項に適宜の係数を与えると、時間を変数とする基準出力値Ｖｓ（ｔ）の近似式が得られる。
【００３０】
スイッチング素子Ｑがオンになると赤外線センサ１に通電されるから、ステップ応答として考えることができるから、抵抗Ｒ２の両端電圧Ｖｒ（ｔ）は、数１のように表すことができる。τは時定数である。
【００３１】
【数１】
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【００３２】
演算制御部２への入力電圧Ｖｉ（ｔ）は、減算回路１６を用いてＶｉ（ｔ）＝（Ｖｂ／２）−Ｖｒ（ｔ）の形で与えられるから（オフセットは無視する）、数２のように表される。
【００３３】
【数２】
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【００３４】
ここで、入力電圧Ｖｉ（ｔ）には、ｅｘｐ（ｔ／τ）が含まれているから、時間ｔのｎ次式に多項式展開（たとえば、テーラー展開）することによって、Ｖｉ（ｔ）＝Σρｎ・ｔｎという形式で表すことが可能になる。ただし、ｎ＝０，１，……である。ｎを３以上とする高次多項式で表すと、基準出力値Ｖｓ（ｔ）を近似の程度が高くなると考えられるが、現実の赤外線センサ１の出力値の時間変化は、ｅｘｐ（ｔ）に完全に比例するわけではない上に係数の決定に手間がかかるから、高次多項式を用いることが必ずしもよいとは言えない。
【００３５】
したがって、以下では、時間を変数とする２次式で基準出力値Ｖｓ（ｔ）を表す。すなわち、Ｖｓ（ｔ）＝ａｔ２＋ｂｔ＋ｃと表す。各係数ａ，ｂ，ｃの決定には、３以上の複数回の計測値を用いて連立方程式を解くか、あるいは統計的手法（最小二乗法による予測式の係数決定）を用いる。ここに、各計測値は時間ｔを異ならせて求める。
【００３６】
しかして、演算制御部２には、上述のようにして求めた係数ａ，ｂ，ｃを格納する記憶部２３と、記憶部２３に設定された係数ａ，ｂ，ｃを用いて赤外線センサ１の駆動（スイッチング素子Ｑのオンにより赤外線センサ１に通電）を開始してから規定した時間ｔ１後の基準出力値Ｖｓ（ｔ１）を算出する基準出力算出部２４とが設けられる。また、演算制御部２には、赤外線センサ１の駆動開始から時間ｔ１後の赤外線センサ１の出力値Ｖｍ（ｔ１）と基準出力算出部２４で算出した基準出力値Ｖｓ（ｔ１）との差を求め、赤外線センサ１で受光している赤外線の受光強度（つまり、基準強度に対する受光強度の変化分）に換算する受光強度算出部２５が設けられる。演算制御部２におけるこれらの構成は、ＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭとを備えるマイクロコンピュータにより構成される（マイクロコンピュータは図１において一点鎖線で囲んだ部分）。
【００３７】
ところで、基準出力値Ｖｓ（ｔ）と赤外線センサ１の出力値Ｖｍ（ｔ）との差は、赤外線の受光強度が時間変化しなければ、理想的には時間ｔが異なっても一定になると考えられるが、実際には図４に示すように、時間の経過に伴って差Ｖｓ（ｔ）−Ｖｍ（ｔ）に変動が生じる。つまり、予測誤差による変動である。
【００３８】
そこで、赤外線センサ１の出力値Ｖｍ（ｔ）の時間変化が基準出力値Ｖｓ（ｔ）と同形式の関数（Ｖｍ（ｔ）＝ａ′ｔ２＋ｂ′ｔ＋ｃ′）で表されるとみなし、係数ａ′，ｂ′，ｃ′を決定する。基準出力値Ｖｓ（ｔ）と出力値Ｖｍ（ｔ）の差は、Ｖｓ（ｔ）−Ｖｍ（ｔ）＝（ａ−ａ′）ｔ２＋（ｂ−ｂ′）ｔ＋（ｃ−ｃ′）であって、（ａ−ａ′）、（ｂ−ｂ′）、（ｃ−ｃ′）は時間に依存しないから、係数の差を受光強度の変化分に換算すれば、時間に依存しない受光強度を求めることができる。係数ａ′，ｂ′，ｃ′を求めるには、工場出荷前に係数ａ，ｂ，ｃを算出する場合と同様に複数の時間について出力値Ｖｍ（ｔ）を求めればよい。つまり、演算制御部２においてサンプリング部（Ａ／Ｄ変換部２２で兼用）を設け、サンプリング時刻ごとにサンプリングした出力値Ｖｍ（ｔ）から係数ａ′，ｂ′，ｃ′を決定する。
【００３９】
上述した処理によって、赤外線センサ１で検出された受光強度と演算制御部２の受光強度算出部２５で求めた出力値とのリニアリティが高くなり、受光強度と比例関係を有する出力を得ることが可能になる。
【００４０】
図５に工場出荷前の係数ａ，ｂ，ｃの決定および温度補正係数ｋ２（θ）を設置する手順を示し、図６に実測時の動作手順を示す。すなわち、工場出荷前には、まずシャッタ手段を閉じた状態で（Ｓ１）、着目する赤外線センサ１に対応したスイッチング素子Ｑをオンにして赤外線センサ１を駆動し（Ｓ２）、駆動から所定時間が経過した時点の出力値を計測する（Ｓ３）。この計測は係数ａ，ｂ，ｃを算出するのに必要な回数だけ行われる（Ｓ４）。実際には赤外線センサ１に１回通電すれば、複数回のサンプリングによって係数ａ，ｂ，ｃを算出するのに必要な出力値を得ることができる。これらの出力値を用いることによって、設定温度に対する係数ａ，ｂ，ｃを算出することができる（Ｓ５）。算出した係数ａ，ｂ，ｃは記憶部２３（ＲＯＭ）に格納される。その後、シャッタ手段が開放され赤外線センサ１を使用することが可能になる（Ｓ６）。
【００４１】
実測時には、図６に示すように、各赤外線センサ１に電圧を印加して駆動し（Ｓ１）、時間ｔ１が経過した後の出力値Ｖｍ（ｔ１）を取り込む（Ｓ２）。また、記憶部２３に格納された係数ａ，ｂ，ｃを用いて、時間ｔ１における基準出力値Ｖｓ（ｔ１）を求め（Ｓ３）、求めた基準出力値Ｖｓ（ｔ１）と実測した出力値Ｖｍ（ｔ１）との差から受光強度を求める（Ｓ４）。
【００４２】
実測時においてサンプリングを行って受光強度を補正する場合には、図７に示すように、各赤外線センサ１に電圧を印加して駆動し（Ｓ１）、赤外線センサ１の出力値Ｖｍ（ｔ）を必要数だけサンプリングする（Ｓ２，Ｓ３）。さらに、出力値Ｖｍ（ｔ）について複数個のサンプリング値から係数ａ′，ｂ′，ｃ′を求める（Ｓ４）。このようにして係数ａ′，ｂ′，ｃ′を求めると、（ａ−ａ′）、（ｂ−ｂ′）、（ｃ−ｃ′）が求められるから、適宜のデータテーブルなどを用いて受光強度に換算する（Ｓ５）。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施形態を示すブロック図である。
【図２】同上の動作説明図である。
【図３】同上の原理説明図である。
【図４】同上の動作説明図である。
【図５】同上の基準出力値の決定方法を示す動作説明図である。
【図６】同上の測定時の動作を示す動作説明図である。
【図７】同上の他例の測定時の動作を示す動作説明図である。
【図８】赤外線センサの構成例を示す斜視図である。
【図９】赤外線センサの構成例を示す断面図である。
【図１０】赤外線センサの等価回路を含む回路図である。
【図１１】赤外線センサの出力変化を示す動作説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  赤外線センサ
１ａ  温度センサ（温度検出手段）
２  演算制御部
１１  ベース基板（基板）
２２  Ａ／Ｄ変換部（サンプリング部）
２４  基準出力算出部
２５  受光強度算出部
【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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【図１１】
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