(57)【要約】【課題】光の伝搬特性が良好な光学素子および量産性が高い光学素子の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の光学素子１００は、有機材料で形成され、かつ主面上に凸部または凹部３０が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有するフォトニック結晶層２０と、前記フォトニック結晶層２０の上に、該フォトニック結晶層２０の材料より屈折率の高い材料で形成される高屈折率層４０と、を含む。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機材料で形成され、かつ主面上に凸部または凹部が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有するフォトニック結晶層と、
前記フォトニック結晶層の上に、該フォトニック結晶層の材料より屈折率の高い材料で形成される高屈折率層と、
を含む、光学素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記フォトニック結晶層は、２次元フォトニック結晶構造内に、導波路として機能する線欠陥を含む、光学素子。
【請求項３】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記フォトニック結晶層と前記高屈折率層との間または前記高屈折率層の上に、光学的非線形性を有する材料で形成された層を含む、光学素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記高屈折率層は、非線形光学材料で形成される、光学素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子を含む、光偏向器。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子を含む、光分波器。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子を含む、光波長変換器。
【請求項８】
請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子を含む、光変調器。
【請求項９】
請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子を含む、光伝送装置。
【請求項１０】
所与の基板上に有機材料を塗布し、
表面上に周期的な凸部または凹部を有するスタンパを用いて、前記有機材料を前記基板と前記スタンパとで押圧したまま硬化させることにより、主面上に該スタンパの凸部に対応する凹部または該スタンパの凹部に対応する凸部が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有するフォトニック結晶層を形成し、
前記フォトニック結晶層の上に、前記有機材料より屈折率の高い材料で高屈折率層を形成すること、を含む光学素子の製造方法。
【請求項１１】
表面上に周期的な凸部または凹部を有するスタンパの上に、有機材料を塗布し、
前記有機材料を硬化させることにより、主面上に該スタンパの凸部に対応する凹部または該スタンパの凹部に対応する凸部が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有するフォトニック結晶層を形成し、
前記フォトニック結晶層の上に、前記有機材料より屈折率の高い材料で高屈折率層を形成すること、を含む光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子、光偏向器、光分波器、光波長変換器、光変調器、光伝送装置、および光学素子の製造方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来から、２次元フォトニック結晶を用いた導波路などの光学素子が知られている。この２次元フォトニック結晶では、装置を小型化することができ、急峻な光の曲げが可能であるため、これを用いた各種の光学素子の開発が盛んに行われている。
【０００３】
かかる２次元フォトニック結晶を用いた光学素子においては、フォトニックバンドが形成される２次元フォトニック結晶の面と交差する方向に対して光を確実に閉じ込めて、伝搬特性を向上させる技術が望まれている。また、２次元フォトニック結晶を用いた光学素子は、フォトニック結晶構造を形成するために、微細で複雑な加工を要するため、量産性を高める技術が望まれている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−５６９６８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、光の伝搬特性が良好な光学素子および量産性が高い光学素子の製造方法を提供することにある。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、上記光学素子を用いた光偏向器、光分波器、光波長変換器、光変調器、および光伝送装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の光学素子は、
有機材料で形成され、かつ主面上に凸部または凹部が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有するフォトニック結晶層と、
前記フォトニック結晶層の上に、該フォトニック結晶層の材料より屈折率の高い材料で形成される高屈折率層と、
を含む。
【０００８】
本発明によれば、フォトニック結晶層が有機材料で形成されており、このフォトニック結晶層の上に高屈折率層を形成している。ここで、フォトニック結晶層は、その主面上に凸部または凹部が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有し、面内において当該フォトニック結晶構造に起因するフォトニックバンドが形成されている。従って、本発明の光学素子では、高屈折率層をフォトニック結晶層の上に形成することによって、フォトニック結晶層の面と交差する方向に対して、フォトニック結晶層の凸部または凹部が形成された領域に光を効果的に閉じ込めることができる。従って、本発明の光学素子によれば、低損失で光を伝搬させることができる。
【０００９】
また、本発明の光学素子では、フォトニック結晶構造に起因するフォトニックバンドを利用した光の各種制御を効果的に行うことができる。これは特に、フォトニック結晶層を有機材料で形成することにより、フォトニック結晶層の凸部あるいは凹部の存在しない部分が厚膜化してしまう場合に有効である。すなわち、かかる場合には、高屈折率層を形成しないとフォトニック結晶層の面と交差する方向において光の閉じ込めが不十分であり、厚膜化した部分の方が実効的な屈折率も高いため、光がかかる部分に漏れてしまうからである。
【００１０】
さらに、本発明の光学素子では、フォトニック結晶層を有機材料で形成しているため、フォトニック結晶層の凸部または凹部の部分を、無機材料で形成する場合と比較して厚くすることができる。これは、一般に有機材料は無機材料よりも屈折率が低いため、低次の伝搬モードを透過させるためのフォトニック結晶層の厚さが、無機材料と比較して厚くなるためである。このため、本発明の光学素子では、光ファイバなどの他の光学部品との結合効率を向上させることができる。
【００１１】
なお、本発明の光学素子は、以下の態様を取り得る。
【００１２】
（Ａ）前記フォトニック結晶層は、２次元フォトニック結晶構造内に、導波路として機能する線欠陥を含むことができる。
【００１３】
かかる態様によれば、２次元フォトニック結晶構造に起因するフォトニックバンドギャップによって、線欠陥の中に確実に光を閉じ込めておくことができるので、伝搬特性のさらなる向上が図れる。
【００１４】
（Ｂ）前記フォトニック結晶層と前記高屈折率層との間または前記高屈折率層の上に、光学的非線形性を有する材料で形成された層を含むことができる。
【００１５】
かかる態様によれば、非線形性を利用して、例えば、光波長変換器や光変調器などの光機能デバイスの実現が可能となる。
【００１６】
（Ｃ）前記高屈折率層を、非線形光学材料で形成することができる。
【００１７】
かかる態様によっても、非線形性を利用して、例えば、光波長変換器や光変調器などの光機能デバイスの実現が可能となる。
【００１８】
なお、本発明に係る光学素子は、上記した各種の光学素子を含む光偏向器、光分波器、光波長変換器、光変調器、および光伝送装置に適用することができる。
【００１９】
（２）本発明の光学素子の製造方法は、
所与の基板上に有機材料を塗布し、
表面上に周期的な凸部または凹部を有するスタンパを用いて、前記有機材料を前記基板と前記スタンパとで押圧したまま硬化させることにより、主面上に該スタンパの凸部に対応する凹部または該スタンパの凹部に対応する凸部が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有するフォトニック結晶層を形成し、
前記フォトニック結晶層の上に、前記有機材料より屈折率の高い材料で高屈折率層を形成すること、を含む。
【００２０】
本発明によれば、２次元フォトニック結晶を形成するための凸部または凹部が周期的に形成されたスタンパを用いることにより、フォトニック結晶層の精密なパターンを再現性よく形成することができ、量産性が高い。
【００２１】
（３）本発明の光学素子の製造方法は、
表面上に周期的な凸部または凹部を有するスタンパの上に、有機材料を塗布し、
前記有機材料を硬化させることにより、主面上に該スタンパの凸部に対応する凹部または該スタンパの凹部に対応する凸部が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有するフォトニック結晶層を形成し、
前記フォトニック結晶層の上に、前記有機材料より屈折率の高い材料で高屈折率層を形成すること、を含む。
【００２２】
本発明においても、２次元フォトニック結晶構造の周期的配列に対応する凸部または凹部が周期的に形成されたスタンパを用いることにより、フォトニック結晶層の精密なパターンを再現性よく形成することができ、量産性が高い。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
１．光学素子
図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光学素子１００を模式的に示す断面図である。
【００２５】
光学素子１００は、図１（Ａ）に示すように、基板１０と、基板１０の上に形成されたフォトニック結晶層２０と、さらにその上に形成された高屈折率層４０とを含んで構成される。
【００２６】
基板１０は、例えば、ガラス、樹脂、半導体など公知の材料を用いた各種基板を用いることができる。なお、光学素子１００において、基板１０は、必要に応じて設ければよく、必須の構成要素ではない。
【００２７】
フォトニック結晶層２０は、例えば、図１（Ｂ）に示すように、主面上に複数の凹部３０が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有する。凹部３０の配列は、例えば、三角格子状や正方格子状とすることができる。
【００２８】
また、フォトニック結晶層２０には、例えば、図１（Ｃ）に示すように、凹部３０からなる２次元フォトニック結晶構造の一部に線状の欠陥（線欠陥）６０を設けた構造とすることができる。この線欠陥６０は、凹部３０の周期的な配列により形成される２次元フォトニック結晶構造のフォトニックバンドギャップによって光を当該欠陥内に閉じ込めて伝搬する光導波路として機能させることができる。また、この線欠陥６０を複数に分岐した形状に形成することで、光学素子１００に入射された光を分波させることもできる。
【００２９】
フォトニック結晶層２０の材料としては、各種の有機材料を用いることができ、例えば、熱硬化性樹脂や紫外線硬化性樹脂として公知のものを用いることができる。
【００３０】
高屈折率層４０は、少なくともフォトニック結晶層２０より屈折率が高い材料で形成される。このような材料としては、例えば、ＴｉＯ２、ＴａＯ５などが挙げられる。また、高屈折率層４０は、少なくともフォトニック結晶層２０の凹部３０内が高屈折率層４０の材料で満たされるように形成される。これにより、フォトニック結晶層２０には、周期的に屈折率の変化した領域が周期的に配列されて、例えば、光導波路として用いた場合に、偏波面の依存性が低くなり、高い伝搬効率を得ることができる。
【００３１】
本実施の形態に係る光学素子１００は、以下の作用および効果を有する。
【００３２】
光学素子１００によれば、所与の入射端面５１から光を入射することにより、出射端面５２から光を取り出すことができる光導波路を実現することができる。また、光学素子１００によれば、フォトニック結晶層２０における２次元フォトニック結晶構造のフォトニックバンドギャップを利用して所定の偏波光を出射端面５２から取り出すことができる偏光器を実現することができる。さらに、光学素子１００によれば、フォトニック結晶層２０に線欠陥６０などを分岐形状で形成することにより光分波器を実現することができる。
【００３３】
なお、本実施の形態に係る光学素子１００では、比較的加工が容易な有機材料を用いているため、フォトニック結晶層２０を例えば、型押しなどにより形成することも可能である。従って、仮に上記のような手法を用いてフォトニック結晶層２０を形成すれば、光学素子１００の量産性を向上することができる。ただし、このような場合においてはフォトニック結晶層２０が厚膜化する場合も想定される。このとき、仮に高屈折率層４０を設けないとすれば、フォトニック結晶層２０の面と交差する方向においては、光の閉じ込めが不十分になり、光が伝搬途中で基板１０側に漏れてしまうおそれがある。しかし、本実施の形態の光学素子１００では、フォトニック結晶層２０の上に高屈折率層４０が形成されているため、フォトニック結晶層２０の面と交差する方向に対して光を確実に閉じ込めておくことができる。従って、本実施の形態に係る光学素子１００によれば、光の伝搬効率の向上を図ることができる。
【００３４】
また、一般に有機材料は無機材料よりも屈折率が低いため、低次の伝搬モードを透過させるためのフォトニック結晶層２０の厚さは、無機材料で形成した場合と比較して厚くなる。このため、光学素子１００によれば、フォトニック結晶層２０が厚膜化した場合であっても、入出射端面の面積を十分に確保して、光ファイバなどの光学部品との結合効率を向上させることができる。
【００３５】
（変形例１）
図２（Ａ）は、本実施の形態の変形例１に係る光学素子１１０を模式的に示す断面図である。なお、本変形例においては、本実施の形態に係る光学素子１００と実質的に同様の機能を有する部材には、同様の符号を付して詳細な説明を省略し、主要な相違点について説明する。
【００３６】
本変形例に係る光学素子１１０では、フォトニック結晶層２１に凸部３１が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造が形成されている。そして、フォトニック結晶層２１の上には、フォトニック結晶層２１の材料よりも屈折率の高い材料で形成される高屈折率層４１が形成されている。この高屈折率層４１は、少なくともフォトニック結晶層２１の凸部３１以外の領域が高屈折率層４１の材料で満たされるように形成されればよい。これにより、例えば、図２（Ｂ）に示すように、フォトニック結晶層２１は、屈折率の変化した領域が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を構成することになる。なお、フォトニック結晶層２１は、例えば、図２（Ｃ）に示すように、凸部３１からなる２次元フォトニック結晶構造の一部に線状の欠陥（線欠陥）６０を設けた構造とすることができる。このように、本変形例に係る光学素子１１０においても、上記実施の形態で説明した光学素子１００の場合と同様の作用や効果を奏することができる。
【００３７】
（変形例２）
図３（Ａ）は、本実施の形態の変形例２に係る光学素子１２０を模式的に示す断面図である。なお、本変形例においては、本実施の形態に係る光学素子１００と実質的に同様の機能を有する部材には、同様の符号を付して詳細な説明を省略し、主要な相違点について説明する。
【００３８】
本変形例に係る光学素子１２０では、上記実施の形態で説明した光学素子１００の構成に加えて、高屈折率層４０の上に非線形光学材料を用いた光非線形層７０を有する。このような非線形光学材料としては、例えば、二硫化炭素を含む有機材料や無機材料、ＳｉＯ２ゲル、ＴｉＯ２ゲル、ポリチオフェン、ポリフェニルビニレン、ポリアセチレン、アルミナゲル、水酸化アルミニウム、Ａｌｑ３、ＤＣＭ色素等を用いることができる。これらの非線形光学材料を用いることによって、フォトニックバンドを用途に応じて制御することが可能になり、ポッケルス効果やカー効果などの非線形光学効果をフォトニック結晶層２０を通過する光に対して与えることができる。
【００３９】
従って、光学素子１２０によれば、フォトニック結晶層２０を通過する光に対して、例えば、群速度の変化を与えることによって光の波長の変換を行う光波長変換器や、位相速度の変化を与えることによって光信号を変調する光変調器などを実現することができる。
【００４０】
また、本変形例は、図３（Ａ）に示した光学素子１２０に限られず、例えば、図３（Ｂ）に示すように、フォトニック結晶層２０と高屈折率層４０との間に光非線形層７０を設けた光学素子１３０や、図１（Ａ）に示す光学素子１００の構造において、高屈折率層４０の材料を上記した非線形光学材料で形成した構成などにも適用することができる。
【００４１】
（変形例３）
図４（Ａ）は、本実施の形態の変形例４に係る光学素子１４０を模式的に示す平面図である。なお、本変形例においては、本実施の形態に係る光学素子１００と実質的に同様の機能を有する部材には、同様の符号を付して詳細な説明を省略し、主要な相違点について説明する。
【００４２】
本変形例に係る光学素子１４０は、一つの入射端面５１に対して、複数の出射端面５３〜５７を有しており、光偏向素子または分波器として用いることができる。かかる光学素子１４０は、２次元フォトニック結晶構造において、入出射端面が平行なときは、出射光が入射光と平行になるが、出射端面を入射端面と非平行に設けることにより結晶中を通過する光について大きな偏向角が得られることを利用したものである。
【００４３】
かかる光学素子１４０の具体的な構成としては、入射端面５１に対して所与の角度を有する非平行出射端面５３〜５７を形成することにより実現することができる。このときの入射端面５１に垂直な角度を０°とした場合、入射角θｉは、例えば、１０°〜１４°とすることができ、出射角θｏは、例えば、−５０°〜５０°とすることができる。このように、光学素子１４０によれば、１の入射光を複数の偏向された出射光に変換することができる光偏向素子や分波器を実現することができる。
【００４４】
なお、本変形例においては、上記したように少なくとも入射端面と出射端面とが非平行となればよいため、図４（Ｂ）に示す光学素子１４２のように、入射端面５１に対して出射端面５８が曲面となるように形成することによっても光偏向素子や分波器を実現することができる。かかる光学素子１４２においては、θｉを例えば、３０°とした場合に、出射角θｏを例えば、−５０°〜５０°とすることができる。
【００４５】
なお、光学素子１４０、１４２は、入射角度θｉと出射角度θｏとの関係において、入射端面と出射端面との角度や曲率を変更することにより、上記に例示した以外の態様を実現することができる。
【００４６】
２．光学素子の製造方法
図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、本発明の第２の実施の形態に係る光学素子の製造方法に関する工程の一例を模式的に示す図である。本実施の形態においては、第１の実施形態で説明した光学素子１００を製造する場合を例にとり説明する。
【００４７】
まず、図５（Ａ）に示すように、基板１０の上にフォトニック結晶層２０となる有機材料を塗布する。かかる有機材料は、例えば、熱硬化性樹脂や紫外線硬化性樹脂などを用いることができる。
【００４８】
次に、図５（Ｂ）に示すように、凸部が周期的に配列されたスタンパ３００を用いて、基板１０との間でフォトニック結晶層２０を型押ししながら、有機材料を硬化させる。これにより、フォトニック結晶層２０にスタンパ３００の凸部に対応する周期的な凹部が形成されて、２次元フォトニック結晶構造が設けられる。なお、スタンパ３００としては、例えば、Ｎｉなどの金属を用いることができる。なお、かかる工程においては、スタンパ３００として凹部が周期的に配列されたものを用いれば、第１の実施形態の変形例１において説明した光学素子１１０を形成することができる。
【００４９】
最後に、図５（Ｃ）に示すように、高屈折率の材料（例えば、ＴｉＯ２、ＴａＯ５）から成る高屈折率層４０を例えば、蒸着法を用いて形成することにより、光学素子１００を得ることができる。かかる工程では、必要に応じて、フォトニック結晶層２０と高屈折率層４０との間や高屈折率層４０の上に非線形光学材料からなる層を形成することができる。これにより第１の実施形態の変形例３において説明した光学素子１２０、１３０を形成することができる。
【００５０】
このように、本実施の形態に係る製造方法では、スタンパ３００を２次元フォトニック結晶構造のパターニングのために繰返し用いることで、同一パターンを有するフォトニック結晶層２０を効率的にかつ再現性良く量産することができる。なお、上記における各層の成膜方法については、一例を示したものであり、公知の成膜方法の中から好適な方法を選択して用いることが可能である。
【００５１】
ここで、本実施の形態に用いられるスタンパ３００は、例えば、以下に示す手法で作成することができる。
【００５２】
図６（Ａ）〜（Ｅ）は、本実施の形態に係る製造方法に用いられるスタンパ３００の製造工程を模式的に示す図である。
【００５３】
まず、図６（Ａ）に示すように、例えば、Ｓｉなどからなる基板２００を用意し、基板２００の上にレジスト２１０を塗布する。
【００５４】
次に、図６（Ｂ）に示すように、レジスト２１０を例えば、ＥＢ（Electron Beam）露光してパターニングする。このときのパターン形状は三角格子状や正方格子状とすることができる。
【００５５】
次に、図６（Ｃ）に示すように、基板２００を例えば、ＩＣＰ（Ion Coupled Plasma）エッチングにより基板２００の表面上に周期的に配列された凹部２２０を形成する。
【００５６】
次に、図６（Ｄ）に示すように、例えば、Ｎｉなどの被成型体を基板２００の表面に押し付けて、被成型体を型押しする。
【００５７】
最後に、図６（Ｅ）に示すように、基板２００から被成型体を取り外して、表面上に凸部３１０が周期的に配列されたスタンパ３００を得ることができる。
【００５８】
（変形例１）
図７（Ａ）〜図７（Ｃ）は、本実施の形態の製造工程の変形例１を模式的に示す図である。なお、本変形例においては、本実施の形態に係る製造工程で用いた部材と実質的に同一の部材には、同様の符号を付して詳細な説明を省略し、主要な相違点について説明する。
【００５９】
本変形例では、図７（Ａ）に示すように、凸部が周期的に形成されたスタンパ３００上に有機材料を塗布してフォトニック結晶層２０を硬化させる。そして、図７（Ｂ）に示すように、スタンパ３００からフォトニック結晶層２０を取り外すと、スタンパ３００の凸部に対応する凹部が主面上にパターニングされて２次元フォトニック結晶構造を得ることができる。
【００６０】
最終的には、図７（Ｃ）に示すように、フォトニック結晶層２０の上に高屈折率層４０を形成して光学素子を得ることができる。かかる場合においては、型押しのための基板が必要とされないため、素子を小型化することができる。
【００６１】
（変形例２）
図８（Ａ）〜図８（Ｃ）は、本実施の形態の製造工程の変形例２を模式的に示す図である。なお、本変形例においても、本実施の形態に係る製造工程で用いた部材と実質的に同一の部材には、同様の符号を付して詳細な説明を省略し、主要な相違点について説明する。
【００６２】
本変形例では、図８（Ａ）に示すように、スタンパ３００の形成工程で使用した基板２００を成型用部材として用いる。まず、基板２００上に有機材料を塗布してフォトニック結晶層２０を硬化させる。そして、図８（Ｂ）に示すように、基板２００からフォトニック結晶層２０を取り外すと、基板２００の凹部に対応する凸部が主面上にパターニングされて２次元フォトニック結晶構造を得ることができる。
【００６３】
最終的には、図８（Ｃ）に示すように、フォトニック結晶層２０の上に高屈折率層４０を形成して光学素子を得ることができる。かかる場合においても、型押しのための基板が必要とされないため、素子を小型化することができる。
【００６４】
３．光伝送装置
本発明の第３の実施の形態として、第１の実施形態およびその各変形例で説明した光学素子１００〜１４２を光伝送装置に適用する場合について説明する。
【００６５】
本実施の形態に係る光伝送装置としては、コンピュータ、ディスプレイ、記憶装置、プリンタ等の各種電子機器を相互に接続するための光インターフェース装置が挙げられる。このような光伝送装置において、光学素子１００〜１４２は、光ファイバとの接続部として用いたり、信号の分配などを行う光処理部品に用いることができる。また、その他の光通信の用途としては、光通信システムにおける中継設備や交換設備等に用いられる光ルーターや光スイッチャーなどが挙げられる。これにより、光信号の分配や接続切換えが可能となり、全光アクセス方式（ＦＴＴＨ）の光通信システムの構築が可能となる。
【００６６】
以上に、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は蒸気実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨範囲内で各種の態様を取ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る光学素子を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る光学素子の変形例を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る光学素子の変形例を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る光学素子の変形例を示す図である。
【図５】第２の実施形態に係る光学素子の製造工程を示す図である。
【図６】第２の実施形態に係るスタンパの製造工程を示す図である。
【図７】第２の実施形態に係る光学素子の製造工程の変形例を示す図である。
【図８】第２の実施形態に係る光学素子の製造工程の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１０  基板、２０  フォトニック結晶層、３０  凹部、４０  高屈折率層、１００  光学素子
【図１】
2004205767.tif 000003
【図２】
2004205767.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2004205767.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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