(57)【要約】      （修正有）【課題】小型でかつ平凸レンズの間に挿入される光機能素子に応じて平凸レンズ間の間隔を広げたり狭めたりしたとしても光結合効率の低下を抑制できしかも廉価に製造できる光モジュールを提供する。【解決手段】光モジュールは、光ファイバー８、９とこの光ファイバー８、９を挿入するための貫通孔を有するキャピラリー６、７と透過平面４ａ、５ａに焦点位置が設定されている屈折面４ｂ、５ｂを有する平凸レンズ４、５との組み合わせからなるファイバーコリメータ２、３が基準溝部４Ａを有する基準基板１上に固定されてなり、平凸レンズ４、５から射出されるレーザ光束のビームウエスト径が２００μｍ以上でかつ３００μｍ以下であり、キャピラリー６、７と平凸レンズ４、５とは光ファイバー８、９の端面が透過平面４ａ、５ａに当接するようにして一体構成とされている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバーとこの光ファイバーを挿入するための貫通孔を有するキャピラリーと透過平面に焦点位置が設定されている屈折面を有する平凸レンズとの組み合わせからなるファイバーコリメータが基準溝部を有する基準基板上に固定されてなり、前記平凸レンズから射出されるレーザ光束のビームウエスト径が２００μｍ以上でかつ３００μｍ以下であり、前記キャピラリーと前記平凸レンズとは前記光ファイバーの端面が前記透過平面に当接するようにして一体構成とされていることを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記基準基板上に前記ファイバーコリメータが互いに対向して一対設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項３】
前記一対のファイバーコリメータ間に光機能素子が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
【請求項４】
前記キャピラリーに挿入された光ファイバーの本数が１本であり、該光ファイバーが前記平凸レンズの光軸上に配置されている請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光モジュール。
【請求項５】
前記キャピラリーに挿入された光ファイバーの本数が複数本であ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個に記載の光モジュール。
【請求項６】
前記屈折面に対向して反射鏡が配設され、前記キャピラリーに挿入された光ファイバーの本数が２本であり、一方の光ファイバーから射出されたレーザー光束を前記反射鏡により反射させて他方の光ファイバーに導くように構成されてなることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項７】
前記平凸レンズの屈折面と前記反射鏡との間に光機能素子が配設されていることを特徴とする請求項６に記載の光モジュール。
【請求項８】
前記一方の光ファイバーが前記平凸レンズの光軸上に位置されかつ前記他方の光ファイバーが前記光軸上からオフセットされているか、又は、前記両光ファイバーが前記光軸を中心に対称位置に配設されていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の光モジュール。
【請求項９】
前記基準溝部が前記基準基板に互いに平行に複数個形成され、前記ファイバーコリメータが各基準溝部にそれぞれ配設されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項１０】
前記ファイバーコリメータが基準溝部を有しかつ前記基準基板に対向する押さえ基板と前記基準基板とによって挟持固定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバーとこの光ファイバーを挿入するための貫通孔を有するキャピラリーと透過平面に焦点位置が設定されている屈折面を有する平凸レンズとの組み合わせからなるファイバーコリメータを有する光モジュールに関し、光通信、光伝送に用いるのに好適の光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信の分野においては、従来から光スイッチ、光アイソレータ、光サーキュレータ、光アッテネータ／シャッター、光分波器等の様々な機能を有する光モジュールが必要となるものである。
【０００３】
特に、近年、インターネット等の通信伝達手段の急速な普及により、光ファイバー通信網の通信容量の増大が要求され、そのための有効な対策としてＷＤＭ（波長多重通信）の開発が進められ、この種のＷＤＭ（波長多重通信）の技術分野では、送信側ではわずかな波長差の複数の波長の光信号を重畳して伝送し、これらの複数の波長が個別の情報を伝達するものであるので、受信側ではこの重畳された光を取り出すために波長選択性の良い光分波器等の各種の光機能素子が必要になる。
【０００４】
そこで、従来、その光通信、光伝送の技術分野では、光ファイバーと球面レンズ、非球面レンズ、ロッドレンズ、球状レンズ等のコリメータレンズを組み合わせ、光ファイバーの出射端面、入射端面を平凸レンズの焦点位置に設けてファイバーコリメータを形成し、このファイバーコリメータを一対対向させて設けて、そのコリメータレンズの対向間に光機能素子を配置する構成のものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
この種の結合光学系では、送信側の光ファイバーから出射されたレーザー光束はコリメータレンズによって平行光束として受信側のコリメータレンズに導かれ、この受信側のコリメータレンズによって収束されて受信側の光ファイバーに入射される。
【０００６】
その際に、送信側の光ファイバーから出射されたレーザー光が受信側の光ファイバーで受信される際の結合損失（光量損失）を極力小さくすること、言い換えると光結合効率の低下を抑制することが要求される。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２４３９９１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の結合光学系に用いられる光機能素子は、例えば、多層膜等で製造された一つの大きな光学フィルターを所望の大きさに分割して多数の光学フィルターとすることにより製造されるものである。
【０００９】
その一つの光学フィルターの製造には多大のコストがかかるので、結合光学系の１個当たりのコストの低減を図るには、これに使用する光学フィルターの面積をできる限り小さくすることが望ましい。すなわち、結合光学系では、コリメータレンズから出射されるレーザービームの平行光束の径をできる限り小さくすることが望まれている。
【００１０】
しかも、この種の結合光学系は、光モジュール化してコンピュータの電子回路基板（ボード）に取り付けられることも要望され、電子回路基板を微小間隔をもって複数枚配設するような場合には、その光モジュール化された結合光学系（以下、光モジュールという）をその狭い間隔の回路基板に収納配設することが必要であり、光機能素子のみならず、光モジュールそれ自体の小型化も要望される。
【００１１】
一方、この種の光モジュールでは、光結合効率を最も良くするために、対向するコリメータレンズのレンズ間隔をレンズの焦点距離の２倍の距離にする必要があるが、この対向するコリメータレンズの間に挿入される光機能素子として、既述したように、光学フィルターの他に、光スイッチ、光アイソレータ、光サーキュレータ、光アッテネータ／シャッター、波長選択フィルター等の様々な光機能素子がある。
【００１２】
ここで、光アッテネータ／シャッター、波長選択フィルター等の光機能素子では、多少コリメータレンズの焦点距離が短くても、その焦点距離の２倍程度の小さな間隔の間に配置することも可能であるが、光スイッチ、光アイソレータ、光サーキュレータ等の光機能素子では、その焦点距離の２倍程度の小さな間隔の間に配置することが困難となる。
【００１３】
そのため、光スイッチ等の光機能素子をコリメートレンズ間に配設する場合には、コリメータレンズの焦点距離を光アッテネータ等の光機能素子を配設する場合に要求される焦点距離に較べて長くして、レンズ間隔を広く設定することも考えられる。
【００１４】
しかしながら、コリメータレンズの間に挿入される光機能素子の種類によってコリメータレンズの焦点距離をその都度変更することは好ましくなく、レンズ間に挿入される光機能素子の違いによらず、レンズの焦点距離を変更しなくとも光結合効率の低下の少ないしかも廉価に製造できる光モジュールの開発が望まれている。
【００１５】
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、その目的とするところは、小型で、かつ、コリメータレンズの間に配置される光機能素子がどのようなものであっても、コリメータレンズの焦点距離を変えずに光結合効率の低下を抑制できしかも廉価に製造できる光モジュールを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の光モジュールは、光ファイバーとこの光ファイバーを挿入するための貫通孔を有するキャピラリーと透過平面に焦点位置が設定されている屈折面を有する平凸レンズとの組み合わせからなるファイバーコリメータが基準溝部を有する基準基板上に固定されてなり、前記平凸レンズから射出されるレーザ光束のビームウエスト径が２００μｍ以上でかつ３００μｍ以下であり、前記キャピラリーと前記平凸レンズとは前記光ファイバーの端面が前記透過平面に当接するようにして一体構成とされていることを特徴とする。
【００１７】
請求項２に記載の光モジュールは、前記基準基板上に前記ファイバーコリメータが互いに対向して一対設けられていることを特徴とする。
【００１８】
請求項３に記載の光モジュールは、前記一対のファイバーコリメータ間に光機能素子が配置されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項４に記載の光モジュールは、前記キャピラリーに挿入された光ファイバーの本数が１本であり、該光ファイバーが前記平凸レンズの光軸上に配置されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項５に記載の光モジュールは、前記キャピラリーに挿入された光ファイバーの本数が複数本であることを特徴とする。
【００２１】
請求項６に記載の光モジュールは、前記屈折面に対向して反射鏡が配設され、前記キャピラリーに挿入された光ファイバーの本数が２本であり、一方の光ファイバーから射出されたレーザー光束を前記反射鏡により反射させて他方の光ファイバーに導くように構成されてなることを特徴とする。
【００２２】
請求項７に記載の光モジュールは、前記平凸レンズの屈折面と前記反射鏡との間に光機能素子が配設されていることを特徴とする。
【００２３】
請求項８に記載の光モジュールは、前記一方の光ファイバーが前記平凸レンズの光軸上に位置されかつ前記他方の光ファイバーが前記光軸上からオフセットされているか、又は、前記両光ファイバーが前記光軸を中心に対称位置に配設されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項９に記載の光モジュールは、前記基準溝部が前記基準基板に互いに平行に複数個形成され、前記ファイバーコリメータが各基準溝部にそれぞれ配設されていることを特徴とする。
【００２５】
請求項１０に記載の光モジュールは、前記ファイバーコリメータが基準溝部を有しかつ前記基準基板に対向する押さえ基板と前記基準基板とによって挟持固定されていることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係わる光モジュールの一例を示す平面図である。その図１において、１は基準基板、２、３は互いに対向して配設されているファイバーコリメータである。
【００２７】
基準基板１にはその延びる方向に長く延びる基準溝部４Ａが形成されている。この基準溝部４Ａの断面形状はここではＶ字である。ファイバーコリメータ２、３は、平凸レンズ４、５、キャピラリー６、７、光ファイバー８、９から構成されている。その平凸レンズ４、５は透過平面４ａ、５ａと例えば非球面で構成した屈折面４ｂ、５ｂとをそれぞれ有する。その屈折面４ｂ、５ｂの焦点は透過平面４ａ、５ａの位置にあるように設計されている。
【００２８】
キャピラリー６、７には図２に示すように貫通孔６ａ、７ａが平凸レンズ４、５の光軸Ｏと同軸に形成され、光ファイバー８、９の先端部８ａ、９ａが貫通孔６ａ、７ａに挿入されて、光ファイバー８の出射端面８ｂは透過平面４ａに当接され、光ファイバー９の入射端面９ｂは透過平面５ａに当接されて、各出射端面８ｂ、９ｂがその透過平面４ａ、５ａに接着固定されている。
【００２９】
その光ファイバー８、９はここでは長距離通信用のシングルモードファイバーであり、例えば、その先端部８ａ、９ａのコア径は９〜１０μｍ、そのクラッド部８ｃ、９ｃのクラッド径は１２５μｍ又は８０μｍであり、開口数ＮＡは０．１５である。
【００３０】
なお、透過平面４ａ、５ａ上に、光ファイバー８、９のコア径に対応した径の微小な凹部を設けるとともに、キャピラリー６、７の端面から微小量突出させるように光ファイバー８、９のコア部を凸部として形成し、このコア部の凸部を凹部に嵌合させて接着することにより、リターンロスを低減するように構成しても良い。
【００３１】
その光モジュールのファイバーコリメータ２、３は標準化して用いられるものであるが、ファイバーコリメータ２、３には、図３（Ａ）に示すように光ファイバー８、９がキャピラリー６、７に複数本接続されるものもある。その図３（Ａ）には、例えばファイバーコリメータ２に複数本（２本）の光ファイバー８、８’を接続した例が示されている。また、他方のファイバーコリメータ３のキャピラリー７に固定される光ファイバー９は平凸レンズ５の光軸Ｏからオフセットされている。
【００３２】
その光ファイバー８、８’は図３（Ｂ）に示すように、平凸レンズ４の光軸Ｏに対して対称位置に配設されているが、図３（Ｃ）に示すように、一方の光ファイバー８を平凸レンズ４の光軸Ｏと同軸に配設し、光ファイバー８’を光軸Ｏからオフセットして設けても良い。その一対のファイバーコリメータ２、３の間には、ここでは、光機能素子１０として波長選択フィルター（バンドパスフィルター）が設けられている。光ファイバー８、８’のクラッド径を１２５μｍとしたとき、光軸Ｏに光ファイバー８、８’を接触させて対称配置のときの像高ｈは６２．５μｍであり、光軸Ｏに光ファイバー８を配置しかつこれに対して光ファイバー８’を接触させてオフセット配置したときの像高ｈは１２５μｍである。
【００３３】
この図３に示す光モジュールは、波長選択に用いるもので、例えば、出射側の光ファイバー８から伝送される光の波長をλ１、λ２、λ３（λ１、λ２、λ３の波長は互いに異なるものとする）とすると、波長λ１、λ２の光は波長選択フィルター１０によって反射されて入射側の光ファイバー８’に導かれ、波長λ３は波長選択フィルターを透過して平凸レンズ５に導かれ、この平凸レンズ５により収束されて出射側の光ファイバー９に入射され、これにより、光の波長選択が行われる。
【００３４】
ところで、このような光機能素子１０をファイバーコリメータ２、３の間に配設すると、平凸レンズ４、５の間隔Ｈを広げなければならないことがある。
【００３５】
レーザービームを用いた光通信（光伝送）では、図１に示すように、対向する平凸レンズ４、５のビームウエストωの位置が合致するように、すなわち、平凸レンズ４、５のレンズ間隔Ｈが焦点距離ｆの２倍にして、その間に光機能素子を配設することが最も光結合効率を稼ぐことができる。
【００３６】
ところが、このレンズ間隔Ｈを広げていくと、対向するレンズのビームウエストωの位置が合致しなくなり、光ファイバー９に入射する入射光量が減少する。その光結合効率とビームウエスト径ωとの関係を図４に示す。図４における横軸はビームウエスト径ωであり、縦軸は光結合損失が０．５ｄＢダウンする際のレンズ間隔Ｈを示すものである。
【００３７】
この図４からわかるように、ビームウエスト径ωを小さくする、すなわち、レンズの焦点距離を短くすると、光結合損失を０．５ｄＢ以内におさめることのできるレンズ間隔Ｈは小さくなり、ビームウエスト径が２００μｍの場合は、その最大間隔は１６ｍｍである。ここで、ほとんどの種類の光機能素子であっても使用できるためには、少なくともレンズ間隔１６ｍｍを確保する必要があり、その間隔を保持しようとすると、ビームウエスト径は少なくとも２００μｍ以上必要となる。
【００３８】
ここで、平凸レンズ４、５の焦点距離とビームウエスト径ωと最大像高１２５μｍに設定したときの平凸レンズ４、５の有効径φとの関係を計算して表にして示すと以下の通りになる。
【００３９】
【表１】
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この表から明らかなように、最大像高１２５μｍについても満足する平凸レンズ４、５の有効径φを選択するものとすると、ビームウエストωの値が３５０μｍになると、平凸レンズ４、５の有効径φが約１ｍｍ近くになり、基準基板１にこの平凸レンズ４、５を配置して後述する押さえ基板と協同してファイバーコリメータ２、３を保持して光モジュールを構成した場合に、この光モジュールが大型となり、この光モジュールをコンピューター等の狭い間隔の回路基板に配置することが困難となる。
【００４０】
従って、光モジュールの小型化を図る観点からは、平凸レンズ４、５の有効径φを考慮して、ビームウエストωの値を３００μｍ以下に設定するのが望ましく、これらの条件を考慮したうえで、平凸レンズ４、５の設計条件を設定すると、波長１５５０ｎｍのレーザービームを使用するものとして、図５に示すように、波長１５５０ｎｍのときの屈折率が１．５４８５、開口数ＮＡが０．２２、有効径φが０．６ｍｍ、焦点距離ｆが１．３０１ｍｍ、ビームウエストωの直径が２４５μｍ、バックフォーカスが０．０ｍｍ、レンズ全長Ｌが２．０１５ｍｍ、レンズ外径Φが１．０ｍｍ（レンズの有効径φ＝０．８ｍｍ）であることが標準化平凸レンズ４、５として望ましい。
【００４１】
以下に、このようにして構成された光モジュールの具体例を示す。
【００４２】
図６（Ａ）は基準基板１の基準溝部４Ａに一対のファイバーコリメータ２、３を配設し、そのファイバーコリメータ２、３の対向間に光機能素子１０として光学フィルターを配設した状態を示す。その基準基板１の長さは約１３．０３ｍｍ、幅は約３ｍｍである。
【００４３】
光ファイバー８、９の先端部８ａ、９ａが光軸と同軸に形成されたキャピラリー６、７の貫通孔６ａ、７ａに挿入されて芯合わせされ、光ファイバー８、９の出射端面８ｂ、９ｂを透過平面４ａ、５ａ当接させた状態でキャピラリー６、７と平凸レンズ４、５とを接着固定する。これによって、ファイバーコリメータ２、３が構成される。
【００４４】
この一対のファイバーコリメータ２、３を基準基板１に位置決め載置し、その対向間に光機能素子１０を配設してファイバーコリメータ２、３、光機能素子１０を基準基板１の基準溝部４Ａ上に仮固定する。
【００４５】
ついで、図６（Ｂ）に示すように基準基板１と同一形状の押さえ基板１１を用いて、ファイバーコリメータ２、３、光機能素子１０と協同して挟持し、その全体を金属製の薄い挟持板１２を用いて包囲し、隙間に接着剤を充填等の手段でハーメチック構造とする。これにより、光モジュール２０が形成される。この光モジュール２０の全体の厚さはほぼ３ｍｍ程度である。
【００４６】
なお、押さえ基板１１として、基準基板１と同一形状の基板を用いた例で説明をしたが、押さえ基板１１には、基準基板１とは異なり、位置決めの基準とするためのＶ字型等の基準溝部を設ける必要はなく、ファイバーコリメータ２、３を固定できるなら所望の断面形状をもつ押さえ基板で良い。
【００４７】
上記のように、本願発明におけるファイバーコリメータ２、３は、ファイバー８、９を挿入する貫通孔６ａ、７ａを中心として正確に同芯加工されたキャピラリー６、７の外周を基準として、基準基板１の基準溝部４Ａに直接位置決め固定するものであり、従来技術のようにフェルールを介して位置決めする技術と較べ、ファイバーコリメータ２、３の保持の偏芯誤差を少なくすることができる。
【００４８】
また、本願発明では、キャピラリー６、７の外周面に対して正確に直交出しをしたキャピラリー６、７の端面部を基準として平凸レンズ４、５を当接して接着するものであり、平凸レンズ４、５の透過平面４ａ、５ａが光軸に対して正確に直交するように加工されていれば、光ファイバー８、９に対する平凸レンズ４、５の倒れにより生じる光量損失を防ぐことができる。
【００４９】
すなわち、本願発明では、キャピラリー６、７に保持された光ファイバー８、９に対して平凸レンズ４、５を偏芯なくあらかじめ接着により一体化し、この一体化されたファイバーコリメータ２、３を基準基板１の基準溝部４Ａを基準にして取り付けるというだけで、特別の調整を行わずに光結合効率の高い光モジュールを作成することができる。
【００５０】
図７（Ａ）、（Ｂ）は光モジュール２０の他の具体例を示すもので、ここでは、基準基板１上に基準溝部４Ａと直交する方向に光機能素子１０を位置決めするための基準溝部４Ａ’が形成されている。光機能素子１０は例えば正方形状の波長選択フィルターであり、その波長選択フィルターの縦横寸法は共に例えば１．０ｍｍである。各ファイバーコリメータ２、３は光機能素子１０がその基準基板１に位置決めした後、各押さえ基板１３、１４によって基準基板１に挟持固定される。その後、その全体は、金属製の薄い挟持板（図示を略す）を用いて包囲し、隙間に接着剤を充填してハーメチック構造とされる。
【００５１】
この光モジュール２０の製造に用いる基準基板１の寸法は図７に示すものと同じであり、各押さえ基板１３、１４の形状、大きさは共に同じである。
【００５２】
図８（Ａ）、（Ｂ）はその光モジュール２０の更に他の具体例を示すもので、基準基板１に１個のファイバーコリメータ２を配設し、このファイバーコリメータ２の平凸レンズ４の屈折面４ａに対向して基準基板１６に対して傾斜させることができる反射鏡１７を対向配設して光モジュール２０を構成したものであり、この光モジュール２０は反射鏡１７の傾斜角度を変えることにより、光ファイバー８から出射されかつ光ファイバー８’に入射する光量を調整するための光アッテネータとして用いられる。なお、この光モジュール２０も図示を略す押さえ基板によってそのファイバーコリメータが挟持固定されるものである。
【００５３】
図９は基準基板１に複数個の基準溝部４Ａａ〜４ｄを平行に形成し、この各基準溝部４Ａ〜４Ｄに一対のファイバーコリメータ２、３を互いに対向して配設し、その対向間に光機能素子１０として透過波長の互いに異なる波長選択フィルターをそれぞれ設けることにより、光ファイバー８から入射した互いに異なる波長λ１、λ２、λ３、λ４の光をそれぞれ分配して透過させる光分配器を光モジュール２０により構成したものである。その押さえ基板にはこの基準基板１と同様に複数本の基準溝部が平行に形成されているものを用いるのが望ましい。
【００５４】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成したので、小型でかつ平凸レンズの間に挿入される光機能素子に応じて平凸レンズ間の間隔を広げたり狭めたりしたとしても光結合効率の低下を抑制できしかも廉価に製造できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる光モジュールの組立途中の状態を示す平面図である。
【図２】図１に示す平凸レンズとキャピラリーとの結合関係を詳細に示す断面図である。
【図３】本発明に係わる光ファイバーが２芯タイプの光モジュールの例を説明するための図であって、（Ａ）はその組立途中の状態を示す平面図、（Ｂ）は平凸レンズの光軸に対して光ファイバーを対称位置に配設した状態を示す説明図、（Ｃ）は平凸レンズの光軸に対して一方の光ファイバーを同軸とすると共に他方の光ファイバー光軸対して偏心させて配設した状態を示す説明図である。
【図４】光結合効率に対するビームウエスト径とレンズ間隔との関係を示すグラフである。
【図５】本発明に係わる光モジュールの標準化に用いる平凸レンズの平面図である。
【図６】本発明に係わる光モジュールの具体例を示す斜視図であって、（Ａ）はその組み立て途中の状態を示し、（Ｂ）は完成後の状態を示す斜視図である。
【図７】本発明に係わる光モジュールの他の具体例を示す斜視図であって、（Ａ）はその組み立て途中の状態を示し、（Ｂ）は完成後の状態を示す斜視図である。
【図８】本発明に係わる光モジュールの更に他の具体例を示す説明図であって、（Ａ）はその組み立て途中の平面図を示し、（Ｂ）はその組み立て途中の斜視図である。
【図９】本発明に係わる光モジュールの更に他の具体例を示す平面図である。
【符号の説明】
１…基準基板
２…ファイバーコリメータ
４…平凸レンズ
６…キャピラリー
８…光ファイバー
２０…光モジュール
４Ａ…基準溝部
４ａ…屈折面
４ｂ…透過平面
６ａ…貫通孔
８ａ…出射端面
【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】
2004279708.tif 000009
【図７】
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【図８】
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【図９】
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