(57)【要約】【課題】複数の波長の光を回折する機能を有する回折素子において、小型化が可能で、容易にかつ歩留まりよく製造できる回折素子を提供する。【解決手段】透明基板３の一つの面に形成された周期的な凹凸４と、この周期的な凹凸４の凹部に充填された透明な充填材とを有してなる回折素子であって、周期的な凹凸４は、波長λ１の光波が特定の方向に回折するように形成された第１領域１と、波長λ２の光波が特定の方向に回折するように形成された第２領域２とを有するものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板と、前記透明基板の一つの面に形成された周期的な凹凸と、前記周期的な凹凸の凹部に充填された透明な充填材とを有してなる回折素子であって、前記周期的な凹凸は、波長λ１の光波が特定の方向に回折するように形成された第１領域と、波長λ２の光波が特定の方向に回折するように形成された第２領域とを有する回折素子。
【請求項２】
前記第１領域と前記第２領域の少なくとも一方は、複数の領域に分割されている請求項１に記載の回折素子。
【請求項３】
前記周期的な凹凸の凸部は、前記透明基板に平行または略平行に配された光学多層膜により構成される請求項１または２に記載の回折素子。
【請求項４】
複屈折性を有する有機薄膜または無機基板による複屈折層が積層されている請求項１から３のいずれかに記載の回折素子。
【請求項５】
前記透明基板が、複屈折性を有する無機基板により構成される請求項１から３のいずれかに記載の回折素子。
【請求項６】
波長λ１および波長λ２の光波を出射する光源と、前記波長λ１および波長λ２の光波を光記録媒体に集光する対物レンズとを備え、光記録媒体に情報の記録と再生の少なくとも一方を行う光ヘッド装置であって、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、請求項１から５のいずれかに記載の回折素子が搭載されている光ヘッド装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光によって光記録媒体の情報の記録、再生を行う光ヘッド装置に用いられる回折素子およびその光ヘッド装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同一の光ヘッド装置で、規格の異なる光ディスクであるＣＤおよびＤＶＤを用いて、情報の記録・再生を行うために、ＣＤ／ＤＶＤ互換光ヘッド装置が製品化されている。このようなＣＤ／ＤＶＤ互換光ヘッド装置の小型・軽量化にともない、光源として、ＣＤ用の波長７８０ｎｍ帯の光を出射する第１の半導体レーザとＤＶＤ用の波長６６０ｎｍ帯の光を出射する第２の半導体レーザとを集積した２波長光発振半導体レーザが用いられている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−５９７４６号公報
【特許文献２】
特開２００２−９２９３３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような２波長光源を備えた光ヘッド装置には、一般に、ＣＤのトラッキングに用いられる第１の回折格子と、ＤＶＤ特にＤＶＤ−ＲＡＭのトラッキングに用いられる第２の回折格子とを有する回折素子が配設されている。
【０００５】
前記回折素子は、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子とが１枚の透明基板の両面にそれぞれ形成されているか、または、前記第１の回折格子が形成された第１の透明基板と、第２の回折格子が形成された第２の透明基板とを積層した構造が採られる。このため、前記第１および第２の回折格子の位置を調整する必要があり、工数の増加、歩留まり低下の原因になっていた。
【０００６】
また、前記第１および第２の回折格子が、前記回折素子を構成する透明基板の少なくとも２つの面を占有しているため、素子数の削減、素子の小型化を妨げていた。
【０００７】
本発明の目的は、複数の波長の光を回折する機能を有する回折素子において、小型化が可能で、容易にかつ歩留まりよく製造できる回折素子および光ヘッド装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、透明基板と、前記透明基板の一つの面に形成された周期的な凹凸と、前記周期的な凹凸の凹部に充填された透明な充填材とを有してなる回折素子であって、前記周期的な凹凸は、波長λ１の光波が特定の方向に回折するように形成された第１領域と、波長λ２の光波が特定の方向に回折するように形成された第２領域とを有する回折素子を提供する。
【０００９】
また、前記第１領域と前記第２領域の少なくとも一方は、複数の領域に分割されている上記の回折素子を提供する。
【００１０】
また、前記周期的な凹凸の凸部は、前記透明基板に平行または略平行に配された光学多層膜により構成される上記の回折素子を提供する。
【００１１】
また、複屈折性を有する有機薄膜または無機基板による複屈折層が積層されている上記の回折素子を提供する。
【００１２】
また、前記透明基板が、複屈折性を有する無機基板により構成される上記の回折素子を提供する。
【００１３】
本発明は、波長λ１および波長λ２の光波を出射する光源と、前記波長λ１および波長λ２の光波を光記録媒体に集光する対物レンズとを備え、光記録媒体に情報の記録と再生の少なくとも一方を行う光ヘッド装置であって、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、上記いずれかの回折素子が搭載されている光ヘッド装置を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
「第１実施態様」
図１は、本発明の第１実施態様となる回折素子の断面の概念的構成を示す断面図である。第１実施態様の回折素子は、透明基板３の一方の面（図中上面）に形成された周期的な凹凸４と、周期的な凹凸４の凹部４ａに充填された透明な充填材５とを有して構成される。すなわち、周期的な凹凸４に透明な充填材５を充填して回折格子１１を形成することになる。
【００１５】
図２に、回折素子における周期的な凹凸４の透明基板３上の平面パターンの概念的構成の第１の例を示す。この第１の例の平面パターンは、波長λ１の光波が特定の方向に回折するように形成された第１領域１と、波長λ２の光波が特定の方向に回折するように形成された第２領域２とを有して構成される。これらの第１領域１および第２領域２は、周期的な凹凸４の全領域を１つの直線状の分割線で分割した状態でそれぞれ設けられる。周期的な凹凸４の高さおよび間隔は、回折する対象となる光波の波長に応じて適宜設定する。上記特定の方向に回折するとは、例えば、本発明の第１実施態様の回折素子を用いて、規格の異なる光ディスクであるＤＶＤおよびＣＤのトラッキングを行う場合、ＤＶＤとＣＤではトラックピッチが異なっており、各々のトラックピッチにあわせて集光するように回折するということを意味している。
【００１６】
上記回折素子を構成する透明基板３としては、ガラスや石英ガラスなどの光学的に等方である板状の透明材料が用いられる。周期的な凹凸４としては、透明基板３の表面を直接エッチング等で加工したものを用いることができ、また、透明基板３上に石英や酸化チタン等の誘電体を蒸着法やスパッタ法により成膜した誘電体膜をエッチング等で加工したものを用いてもよい。または、透明基板３上に、リフトオフ用の膜を成膜、パターニング後に、石英や酸化チタン等の誘電体を蒸着法やスパッタ法により成膜し、リフトオフ用の膜を取り除いたものを用いてもよい。また、金型を用いて樹脂を射出成形して形成してもよい。
【００１７】
透明な充填材５は、石英、酸化チタン等の無機材料や、アクリル樹脂、エポキシ樹脂等の有機材料を用いることができる。または、前記無機材料と有機材料とを組み合わせて用いてもよい。また、周期的な凹凸４および透明な充填材５上に、表面の平坦性向上のために、光学的に等方的な透明基板を積層してもよい（図示せず）。
【００１８】
前記周期的な凹凸４の平面パターンは、図２に示したように、波長λ１の光波が特定の方向に回折するように形成された第１領域１と、波長λ２の光波が特定の方向に回折するように形成された第２領域２とに２分割した領域である必要はなく、種々の変形が可能である。図３に、回折素子における周期的な凹凸４の透明基板３上の平面パターンの第２の例を示す。この第２の例の平面パターンは、３つ以上の分割領域からなり、それら分割領域の複数で第１領域１を形成し、その他の分割領域で第２領域２を形成している。すなわち、周期的な凹凸４の全領域を１つの直線状の分割線で分割するとともに、この分割線と略直交する複数（図では７つ）の略並行な分割線で分割し、複数（図では１６個）の領域において交互に第１領域１と第２領域２を形成したものである。このような平面パターンによっても同様の回折効果が得られる。
【００１９】
上記のように分割形成した平面パターンを持つ回折格子１１によって、波長λ１の光波は、第１領域１、および第２領域２を直進する０次光と、第１領域１にて偏向する±１次光、±２次光、±３次光等の回折光が得られ、一方、波長λ２の光波は、第１領域１、および第２領域２を直進する０次光と、第２領域２にて偏向する±１次光、±２次光、±３次光等の回折光が得られる。
【００２０】
以下、波長λ１および波長λ２の光波の直進する０次光および偏向する±１次光を利用する場合について説明する。
【００２１】
ここで、前記第１領域１の面積をＡ、前記第２領域２の面積をＢとし、周期的な凹凸４と透明な充填材５とからなる回折格子１１における波長λ１の光波の±１次回折効率をη１（±１）とすると、本発明の第１実施態様の回折素子における実効的な±１次回折効率はη１（±１）×Ａ／（Ａ＋Ｂ）となる。同様に、回折格子１１における波長λ２の光波の±１次回折効率をη２（±１）とすると、本発明の第１実施態様の回折素子における実効的な±１次回折効率はη２（±１）×Ｂ／（Ａ＋Ｂ）となる。すなわち、前記第１領域１および第２領域２の面積を調整することで、波長λ１の光波および波長λ２の光波に対する実効的な±１次回折効率を調整できる。
【００２２】
上述したように、本発明の第１実施態様の回折素子は、透明基板の１面のみに形成した周期的な凹凸を用いて、異なる波長λ１および波長λ２の光波に対する回折格子を形成することができるので、一度のパターニングとエッチングまたはリフトオフにて作製できる。このため、従来必要であった複数の回折素子を位置調整する工程が不要となるので、容易にかつ歩留まりよく製造できる。
【００２３】
「第２実施態様」
図４は、本発明の第２実施態様となる回折素子の断面の概念的構成を示す断面図である。第２実施態様の回折素子は、透明基板３の一方の面（図中上面）に形成された周期的な凹凸６と、周期的な凹凸６の凹部６ａに充填された透明な充填材５とを有して構成される。
【００２４】
前記周期的な凹凸６は、透明基板３に並行または略並行に配された光学多層膜の一例である誘電多層膜から構成される。この周期的な凹凸６は、透明基板３上に蒸着法やスパッタ法により成膜された誘電多層膜をパターニングした後にエッチングして形成するか、または、透明基板３上にリフトオフ用の膜を成膜、パターニング後に、誘電多層膜を蒸着法やスパッタ法より成膜し、リフトオフ用の膜を取り除いて形成してもよい。
【００２５】
さらに、周期的な凹凸６の平面パターンは、本発明の第１実施態様の回折素子と同様に、波長λ１の光波が特定の方向に回折するように形成された第１領域と、波長λ２の光波が特定の方向に回折するように形成された第２領域とを有して構成される。なお、透明基板３および透明な充填材５は、本発明の第１実施態様の回折素子と同様のものを用いることができる。また、周期的な凹凸６および透明な充填材５上に、表面の平坦性向上のために、光学的に等方的な透明基板を積層してもよい（図示せず）。
【００２６】
本発明の第２実施態様の回折素子によると、周期的な凹凸６として多層膜構造を用いることにより、回折効率および回折効率の波長依存性の設計自由度を増すことができる。さらに、第１実施態様の回折素子と同様に、周期的な凹凸６の平面パターンを変えることで、波長λ１の光波の利用効率と波長λ２の光波の利用効率とを調整できる。
【００２７】
上述したように、本発明の第２実施態様の回折素子は、透明基板の１面のみに形成した多層膜からなる周期的な凹凸を用いて、異なる波長λ１および波長λ２の光波に対する回折格子を形成できるので、一度のパターニングとエッチングまたはリフトオフにて作製できる。このため、従来必要であった複数の回折素子を位置調整する工程が不要となるので、容易にかつ歩留まりよく製造できる。
【００２８】
「第３実施態様」
図５および図６は、本発明の第３実施態様となる回折素子の断面の概念的構成を示す断面図である。第３実施態様の回折素子は、透明基板３の一方の面（図中上面）に形成された周期的な凹凸８と、周期的な凹凸８の凹部８ａに充填された透明な充填材５と、複屈折性を有する有機薄膜または無機基板による複屈折層７とを有して構成される。前記複屈折性を有する有機薄膜または無機基板による複屈折層７は、図５に示す第１の例のように、透明な充填材５上に積層されていてもよいし、図６に示す第２の例のように、透明基板３の他方の面（図中下面）に積層されていてもよい。
【００２９】
前記周期的な凹凸８は、透明基板３の表面を直接エッチング等で加工したもの、または透明基板３上に石英や酸化チタン等の誘電体の単層膜あるいは多層膜を蒸着法やスパッタ法により成膜した誘電体膜をエッチング等で加工したもの、または透明基板３上に、リフトオフ用の膜を成膜、パターニング後に、石英や酸化チタン等の誘電体の単層膜あるいは多層膜を蒸着やスパッタにより成膜し、リフトオフ用の膜を取り除いたものなどで構成される。
【００３０】
また、周期的な凹凸８の平面パターンは、本発明の第１実施態様の回折素子と同様に、波長λ１の光波が特定の方向に回折するように形成された第１領域と、波長λ２の光波が特定の方向に回折するように形成された第２領域とを有して構成される。なお、透明基板３および透明な充填材５は、本発明の第１実施態様の回折素子と同様のものを用いることができる。
【００３１】
前記複屈折層７としては、有機材料であるポリカーボネートを一軸延伸して複屈折性を誘起した有機薄膜、または無機基板である水晶の単板を薄く加工したものを用いることができる。また、複屈折層７上に、この複屈折層７の保護、または表面の平坦性向上のために、光学的に等方的な透明基板を積層してもよい（図示せず）。
【００３２】
上述したように、本発明の第３実施態様の回折素子は、透明基板の１面のみに形成した周期的な凹凸と、複屈折性を有する有機薄膜または無機基板による複屈折層とを用いて、異なる波長λ１および波長λ２の光波を特定の方向に回折する回折格子による光波の偏向制御と、複屈折層による光波の偏光制御とを、一つの素子で実現できる。
【００３３】
「第４実施態様」
図７は、本発明の第４実施態様となる回折素子の断面の概念的構成を示す断面図である。第４実施態様の回折素子は、複屈折性を有する無機基板１０の一方の面（図中上面）に形成された周期的な凹凸９と、周期的な凹凸９の凹部９ａに充填された透明な充填材５とを有して構成される。
【００３４】
前記周期的な凹凸９は、複屈折性を有する無機基板１０上に石英や酸化チタン等の誘電体の単層膜を蒸着法やスパッタ法により成膜した誘電体膜をエッチング等で加工したもの、または複屈折性を有する無機基板１０上に、リフトオフ用の膜を成膜、パターニング後に、石英や酸化チタン等の誘電体の単層膜を蒸着やスパッタにより成膜し、リフトオフ用の膜を取り除いたもの、または透明基板３上に蒸着法やスパッタ法により成膜された誘電多層膜をパターニングした後にエッチング等で加工したもの、または複屈折性を有する無機基板１０上にリフトオフ用の膜を成膜、パターニング後に、誘電多層膜を蒸着法やスパッタ法により成膜し、リフトオフ用の膜を取り除いたものなどで構成される。
【００３５】
また、周期的な凹凸９の平面パターンは、本発明の第１実施態様の回折素子と同様に、波長λ１の光波が特定の方向に回折するように形成された第１領域と、波長λ２の光波が特定の方向に回折するように形成された第２領域とを有して構成される。なお、透明な充填材５は、本発明の第１実施態様の回折素子と同様のものを用いることができる。
【００３６】
複屈折性を有する無機基板１０としては、水晶またはニオブ酸リチウム等の透明な単板を用いることができる。また、周期的な凹凸９および透明な充填材５上に、表面の平坦性向上のために、光学的に等方的な透明基板を積層してもよい（図示せず）。
【００３７】
上述したように、本発明の第５実施態様の回折素子は、複屈折性を有する無機基板の１面のみに形成した周期的な凹凸を用いて、異なる波長λ１および波長λ２の光波を特定方向に回折する回折格子による光波の偏向制御と、複屈折性を有する無機基板による光波の偏光制御とを、一つの素子で実現できる。
【００３８】
「第５実施態様」
図８は、本発明の第５実施態様となる光ヘッド装置の光学配置を示す図である。第５実施態様の光ヘッド装置は、光記録媒体であるＤＶＤ３７およびＣＤ３８の情報の記録・再生を行うＣＤ／ＤＶＤ互換光ヘッド装置であって、光源として、ＤＶＤ用の波長λ１およびＣＤ用の波長λ２の光波を出射する２波長光発振半導体レーザ３２を備えている。光源から出射する光波の光路中には、２つの波長の光波に対応する回折格子として機能する例えば第１実施態様の構成を有する回折素子３１と、ビームスプリッタ３３と、コリメートレンズ３４と、対物レンズ３６とが配設され、これらの光学系を通った光を受光する光検出器３５を備えている。
【００３９】
上記構成において、２波長光発振半導体レーザ３２を出射した光波は、回折素子３１に入射し、光ディスクのトラッキング用の光波（±１次光）と信号用の光波（０次光）とに分けられる（図示せず）。その後、ビームスプリッタ３３、コリメートレンズ３４、対物レンズ３６を透過し、ＤＶＤ３７（またはＣＤ３８）の記録面上に集光する。ＤＶＤ３７（またはＣＤ３８）を反射した光波は、対物レンズ３６、コリメートレンズ３４を透過し、ビームスプリッタ３３を反射して、光検出器３５上に集光され、電気信号に変換される。
【００４０】
上述のように、ＤＶＤ３７およびＣＤ３８のトラッキング用の光波を分割し、ＤＶＤ３７およびＣＤ３８の記録面上に集光するために、従来の光ヘッド装置では、ＤＶＤおよびＣＤ用の２種の回折素子を用い、おのおの位置調整して組立てられていたが、本発明の第６実施態様の光ヘッド装置は、回折素子３１のみの位置調整で組立てられるので、組立工程を簡素化できる。
【００４１】
【実施例】
「例１」
本実施例（例１）は、図１に示す第１実施態様の回折素子の具体例である。石英ガラス製の透明基板３の一方の表面にフォトグラフィとエッチングの技術により矩形状の周期的な凹凸４を形成する。このとき、周期的な凹凸４の平面パターンとして、図３に示すように、波長λ１の光波が特定の方向に回折するように形成された第１領域１と、波長λ２の光波が特定の方向に回折するように形成された第２領域２とを形成する。
【００４２】
次に、周期的な凹凸４の凹部４ａに、透明な充填材５として、ポリシラザンにアクリル樹脂と酸化チタンとを混合し、波長５８９ｎｍの光波における屈折率が１．５２になるように調整したものを充填する。また、透明基板３の周期的な凹凸４を形成した面とは反対の面、および透明な充填材５上に、反射防止膜を形成する（図示せず）。
【００４３】
本実施例の回折素子による回折効率が、波長６６０ｎｍの光波において、０次光の回折効率η１（０）が６３％、１次光の回折効率η１（１）が３０％、波長７８０ｎｍの光波において、０次光の回折効率η２（０）が７０％、１次光の回折効率η１（１）が２４％になるように、周期的な凹凸４の高さを１．８８μｍとする。
【００４４】
また、周期的な凹凸４の第１領域１と第２領域２の面積比を０．４２：０．５８とし、波長６６０ｎｍの光波において、実効的な±１次回折効率が１２．６％、波長７８０ｎｍの光波において、実効的な±１次回折効率が１３．９％になるように調整する。すなわち、両波長の光波に対して、実効的に利用される０次回折効率と±１次回折効率の比が共に５：１になるように調整する。このとき、本実施例の回折素子において、波長６６０ｎｍおよび波長７８０ｎｍの光波の利用効率は、それぞれ７５．６％と８３．９％である。
【００４５】
図９および図１０は、それぞれ波長６６０ｎｍ帯の光波と波長７８０ｎｍ帯の光波に対する利用効率を示したグラフである。図９、図１０において、実線２１、２３は本実施例の回折素子における光波の利用効率であり、破線２２、２４は比較例である従来方式の回折素子における光波の利用効率を示している。比較例は、波長６６０ｎｍの光波用の回折素子と波長７８０ｎｍの光波用の回折素子とからなる一対の回折素子を使った場合の例で、評価した一対の回折素子は、波長６６０ｎｍおよび波長７８０ｎｍの光波において、実効的に利用される０次回折効率と±１次回折効率の比が共に５：１になるように調整したものである。
【００４６】
この図９および図１０に示したように、本実施例の回折素子による光波の利用効率は、比較例の回折素子による光波の利用効率よりも大きいことがわかる。このような一度のパターニングとエッチングで作製した本実施例の回折素子は、透明基板の１面のみに形成した周期的な凹凸を用いて、異なる波長λ１および波長λ２の光波に対する回折格子として機能させることができる。そして、従来必要であった複数の回折素子を位置調整する工程が不要であるので、容易にかつ歩留まりよく製造できるだけでなく、光波の利用効率も向上させることができる。
【００４７】
次に、上述のように作製した本実施例の回折素子を、図８に示す光ヘッド装置の回折素子３１の位置に搭載する。本実施例の回折素子をＤＶＤ３７およびＣＤ３８のトラッキングに用いた場合、良好なトラッキング性能が得られ、ＤＶＤ３７およびＣＤ３８の情報の記録・再生特性も良好である。
【００４８】
上述したように、本発明に係る回折素子は、透明基板の１面に平面パターンを２つの領域に分けた周期的な凹凸を有し、異なる波長λ１および波長λ２の両方の光波に対して機能する回折素子であり、前記周期的な凹凸は一度のパターニングとエッチングまたはリフトオフにて作製でき、従来必要であった複数の回折素子を位置調整する工程が不要なので、容易にかつ歩留まりよく製造できる。また、複数の波長の光波を用いて光記録媒体に情報の記録・再生を行う光ヘッド装置の組立て工程において、従来、それぞれ複数の波長に対応した複数の回折素子を、おのおの位置調整して組立てていたが、本発明に係る回折素子を用いた光ヘッド装置では、１つの回折素子のみの位置調整で組立てられるので、工程を簡素化できる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の回折素子および光ヘッド装置によれば、複数の波長の光を回折する機能を有する回折素子において、小型化が可能で、容易にかつ歩留まりよく製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施態様の回折素子の断面の概念的構成を示す断面図。
【図２】本発明の第１実施態様の回折素子における周期的な凹凸の平面パターンの第１の例を示す図。
【図３】本発明の第１実施態様の回折素子における周期的な凹凸の平面パターンの第２の例を示す図。
【図４】本発明の第２実施態様の回折素子の断面の概念的構成を示す断面図。
【図５】本発明の第３実施態様の回折素子の断面の概念的構成の第１の例を示す断面図。
【図６】本発明の第３実施態様の回折素子の断面の概念的構成の第２の例を示す断面図。
【図７】本発明の第４実施態様の回折素子の断面の概念的構成を示す断面図。
【図８】本発明の第５実施態様の光ヘッド装置の光学配置を示す図。
【図９】本発明の第１実施態様を用いた実施例の回折素子および比較例である従来方式の回折素子における波長６６０ｎｍ帯の光波の利用効率を示すグラフ。
【図１０】本発明の第１実施態様を用いた実施例の回折素子および比較例である従来方式の回折素子における波長７８０ｎｍ帯の光波の利用効率を示すグラフ。
【符号の説明】
１：第１領域（波長λ１の光波の回折機能）
２：第２領域（波長λ２の光波の回折機能）
３：透明基板
４、８、９：周期的な凹凸
５：透明な充填材
６：誘電体多層膜からなる周期的な凹凸
７：複屈折層（複屈折性を有する有機薄膜または無機基板）
１０：複屈折性を有する無機基板
１１：回折格子
３１：回折素子
３２：２波長光発振半導体レーザ
３３：ビームスプリッタ
３４：コリメートレンズ
３５：光検出器
３６：対物レンズ
３７：ＤＶＤ
３８：ＣＤ
【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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