(57)【要約】【課題】簡素な構成を採用しつつ検出光量ムラの発生を抑制可能とした走査型検出測定装置を提供する。【解決手段】本発明の走査型検出測定装置は、レーザ光を射出する発光素子と、発光素子から供給されるレーザ光を走査しつつ標本に照射する走査光学系と、標本から生じる光を検出する検出光学系と、発光素子と走査光学系との間に設けられレーザ光の一部を発光素子に向けて反射させる反射光学素子と、を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を射出する発光素子と、
前記発光素子から供給されるレーザ光を走査しつつ標本に照射する走査光学系と、
前記標本から生じる光を検出する検出光学系と、
前記発光素子と前記走査光学系との間に設けられ前記レーザ光の一部を前記発光素子に向けて反射させる反射光学素子と、
を有することを特徴とする走査型検出測定装置。
【請求項２】
前記反射光学素子を前記レーザ光の光軸に対して揺動させる揺動機構を有する、請求項１に記載の走査型検出測定装置。
【請求項３】
前記反射光学素子は、前記発光素子から射出されるレーザ光を平行光束にするコリメータレンズと、前記検出光学系との間に設けられている、請求項１又は２に記載の走査型検出測定装置。
【請求項４】
前記発光素子から射出されるレーザ光を平行光束にするコリメータレンズの直後に前記反射光学素子が設けられている、請求項１から３のいずれか１項に記載の走査型検出測定装置。
【請求項５】
前記反射光学素子がガラス又は石英からなる、請求項１から４のいずれか１項に記載の走査型検出測定装置。
【請求項６】
前記検出光学系が共焦点光学系である、請求項１から５のいずれか１項に記載の走査型検出測定装置。
【請求項７】
発光素子から供給されるレーザ光を走査しつつ標本に照射し、前記標本から生じる光を検出する測定方法であって、
前記発光素子から射出された前記レーザ光の一部を前記発光素子に戻し、前記レーザ光のスペクトルを広げることで前記発光素子から射出される光のコヒーレンスを低下させることを特徴とする測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型検出測定装置、及び測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
走査型検出測定装置はレーザ光をＸＹ方向にスキャンしながら対物レンズの高さ位置を上下し、ＸＹ平面上の各点にて検出光量を測定することでサンプルの表面形状や透明なサンプルの光学的な膜厚を算出する測定器である。特に、共焦点光学系とすることで、縦横の検出分解能を向上させることができる。
【０００３】
走査型検出測定装置には、検出光量ムラが画面に現れるという問題がある。例えば、走査型検出測定装置で反射率一定の対象物を測定して画像化した場合、検出した二次元又は三次元の光量分布も画面内で均一な輝度で平坦面となるはずであるが、均一な輝度にならず、輝度ムラが画面に現れる。これは、光路上の平行平板や多層膜などによって、本来はひとつの光路であったレーザ光が複数に分岐し、これらのレーザ光をＸＹ方向にスキャンすることで上記複数光路の光路長差が変化し、それによって複数光路を通った光束同士の干渉状態が変化する。
上記検出光量ムラの問題を解決するため、従来は、レーザ光源の注入電流に高周波信号を重畳（強度変調）し、レーザ光のコヒーレンスを低下させて検出光量ムラを抑制していた（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−５５５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、レーザ光に高周波重畳をかけると電磁波ノイズが発生するため、別途ノイズ対策を施す必要があった。特に、短波長の半導体レーザではコヒーレンスを低下させるための高周波重畳パワーも大きくなるため、電磁波ノイズ対策が必要であった。
また、レーザ光のオンオフが数百ＭＨｚで切り替わるパルセーションレーザを用いれば、高周波重畳は不要になるが、レーザダイオードが高価であるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、簡素な構成を採用しつつ検出光量ムラの発生を抑制可能とした走査型検出測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の走査型検出測定装置は、レーザ光を射出する発光素子と、前記発光素子から供給されるレーザ光を走査しつつ標本に照射する走査光学系と、前記標本から生じる光を検出する検出光学系と、前記発光素子と前記走査光学系との間に設けられ前記レーザ光の一部を前記発光素子に向けて反射させる反射光学素子と、を有することを特徴とする。
【０００８】
前記反射光学素子を前記レーザ光の光軸に対して揺動させる揺動機構を有する構成としてもよい。
前記発光素子から射出されるレーザ光を平行光束にするコリメータレンズの直後に前記反射光学素子が設けられている構成としてもよい。反射光学素子はコリメータレンズの光射出側に配置され、反射光学素子とコリメータレンズとの距離は１００ｍｍ以下であることが好ましい。反射光学素子とコリメータレンズとの間に他の光学素子が介在しない構成とすることもできる。反射光学素子は、コリメータレンズと検出光学系との間に設けるのが好適である。
前記反射光学素子が、ガラス又は石英からなる構成としてもよい。
前記検出光学系を共焦点光学系とすれば、検出分解能が高い走査型検出測定装置を構成可能である。
【０００９】
本発明の測定方法は、発光素子から供給されるレーザ光を走査しつつ標本に照射し、前記標本から生じる光を検出する測定方法であって、前記発光素子から射出された前記レーザ光の一部を前記発光素子に戻し、前記レーザ光のスペクトルを広げることで前記発光素子から射出される光のコヒーレンスを低下させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、反射光学素子によりレーザ光の一部を発光素子に向けて故意に戻すことで、発光素子の温度を上昇させる。そして、この温度上昇の効果や外部共振器が形成される効果を利用してレーザ光のスペクトル幅を広げ、レーザ光のコヒーレンスを低下させることができる。したがって本発明の走査型検出測定装置及び測定方法によれば、レーザ光に高周波重畳をかけることなく検出光量ムラの発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】走査型検出測定装置の一実施の形態を示す図。
【図２】発光素子から出力されるレーザ光のスペクトルを示す図。
【図３】反射光学素子を用いない場合のレーザ光のスペクトルを示す図。
【図４】反射光学素子の角度を変えたときのスペクトル変化を示す説明図。
【図５】レーザ光に高周波信号を重畳したときのスペクトルを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、走査型検出測定装置の一実施の形態を示す図である。本実施形態の走査型検出測定装置１０は、レーザ光を走査することにより共焦点画像を取得する共焦点顕微鏡であり、さらに非共焦点光学系を備えることによりピンホールを通さずに結像したカラーの非共焦点画像も取得することができる。なお、非共焦点光学系の代わりに、共焦点光学系とは異なる波長のレーザ走査光学系を配置することにより、マルチカラーの測定を行ったり、共焦点光学系の検出とは異なるタイミングで対象物の励起を行ったりすることもできる。
【００１３】
走査型検出測定装置１０は、図１に示すように、共焦点光学系１０Ａと、非共焦点光学系１０Ｂと、走査型検出測定装置１０の動作制御や信号処理を実行する制御部９０と、を備えている。
【００１４】
共焦点光学系１０Ａは、レーザ光を射出する発光素子１１を含む第１照明光学系４０と、レーザ光を走査しつつ標本２５に照射する走査光学系５０と、標本２５から発せられた光を走査光学系５０の一部を介して検出する第１検出光学系６０と、を備えている。
【００１５】
第１照明光学系４０は、発光素子１１と、コリメータレンズ１２と、反射光学素子３６と、揺動機構３７と、を備えている。
発光素子１１は、例えば青紫色レーザ光や赤色レーザ光を発する半導体レーザ素子である。発光素子１１は、制御部９０により制御される図示略のレーザ駆動回路により駆動される。コリメータレンズ１２は、レーザ光を平行光化する光学素子である。
【００１６】
反射光学素子３６は、入射するレーザ光の一部を反射させる一方、他の一部を透過させる光学素子である。反射光学素子３６としては、金属膜や誘電体膜を用いたハーフミラーのほか、ガラスや石英の透明な板材やブロックを用いることができる。反射光学素子３６は、入射するレーザ光を反射させて発光素子１１へ戻すことで発光素子１１の作動状態を制御するために設けられる光学素子である。
【００１７】
反射光学素子３６の材質は、必要な反射率に応じて適宜選択すればよい。例えば、５％〜３０％程度の反射率が必要であればガラスや石英の基材上に金属や誘電体の半透過膜を形成したハーフミラーを用いればよく、５％未満の反射率が必要な場合には、ガラスや石英の基材のみからなる反射光学素子を用いればよい。
反射光学素子３６では、その反射光を発光素子１１上の所定位置に正確に入射させる必要があることから、高精度に平滑化された反射面を有するものであることが好ましい。
【００１８】
揺動機構３７は、反射光学素子３６を支持するとともに揺動させる部材である。本実施形態の場合、反射光学素子３６の揺動軸は、反射光学素子３６を透過するレーザ光の光軸に直交する軸に設定されている。揺動機構３７としては、反射光学素子３６の角度を手動調整するものであってもよく、制御部９０により制御される駆動装置により反射光学素子３６を回転駆動するものであってもよい。
【００１９】
次に、走査光学系５０は、第１走査ミラー１７と、第１瞳リレーレンズ（ｆθレンズ）１８と、第２瞳リレーレンズ（ｆθレンズ）１９と、第２走査ミラー２０と、第３瞳リレーレンズ（ｆθレンズ）２１と、チューブレンズ２２と、対物レンズ２４と、を備えている。
【００２０】
第１走査ミラー１７と第２走査ミラー２０はそれぞれガルバノミラーで構成される。第１走査ミラー１７は、図示Ｙ軸周りに回転し、レーザ光を水平方向（図示Ｘ方向）に偏向させる。第２走査ミラー２０は、図示Ｘ軸周りに回転し、レーザ光を垂直方向（図示Ｙ方向）に偏向させる。第１走査ミラー１７及び第２走査ミラー２０により標本２５の表面の二次元走査が可能である。第１走査ミラー１７及び第２走査ミラー２０は、制御部９０の制御のもと、図示略のミラー駆動部により回転駆動される。
【００２１】
第１走査ミラー１７及び第２走査ミラー２０は、それぞれ、第１瞳リレーレンズ１８、第２瞳リレーレンズ１９、及び第３瞳リレーレンズ２１により、対物レンズ２４の瞳位置と共役位置に配置されている。偏向されたレーザ光はチューブレンズ２２を経て対物レンズ２４に入射し、標本２５上に集光される。
【００２２】
次に、第１検出光学系６０は、偏光ビームスプリッタ１５と、１／４波長板１６と、ピンホール前レンズ２６と、ピンホール（共焦点絞り）２７と、光検出器２８と、を備えている。
偏光ビームスプリッタ１５と１／４波長板１６は、第１照明光学系４０と走査光学系５０との間に配置され、標本２５に照射するレーザ光と、標本２５で反射された後のレーザ光を分離する。
【００２３】
ピンホール前レンズ２６は、偏光ビームスプリッタ１５から入射する光をピンホール２７に集光する。
光検出器２８は、ピンホール２７を通過して入射する光を検出し、その受光量を電気信号に変換して出力する素子である。光検出器２８としては、フォトマルチプライヤやフォトダイオードからなる受光素子と、受光素子に接続され受光量を電気信号に変換する信号処理装置とを備えた構成を挙げることができる。信号処理装置は上記の電気信号を制御部９０に出力する。
【００２４】
以上の構成を備えた共焦点光学系１０Ａにおいて、発光素子１１から射出されたレーザ光は、コリメータレンズ１２により平行光とされた後、反射光学素子３６に入射する。反射光学素子３６では、レーザ光の一部が反射されて発光素子１１へ戻される一方、反射光学素子３６を透過したレーザ光は偏光ビームスプリッタ１５に入射する。
【００２５】
第１照明光学系４０から射出されたレーザ光は偏光ビームスプリッタ１５を透過し、１／４波長板１６により円偏光に変換された後、走査光学系５０の第１走査ミラー１７に入射する。
走査光学系５０に入射したレーザ光は、第１走査ミラー１７及び第２走査ミラー２０により偏向され、チューブレンズ２２を経て対物レンズ２４から標本２５上の所定位置に照射される。
【００２６】
標本２５に照射されたレーザ光は、標本２５の表面で反射され、上記の光路を逆に辿る。具体的に、標本２５で反射されたレーザ光（反射レーザ光）は、対物レンズ２４からチューブレンズ２２、第３瞳リレーレンズ２１、第２走査ミラー２０、第２瞳リレーレンズ１９、第１瞳リレーレンズ、第１走査ミラー１７を経て１／４波長板１６に入射する。
【００２７】
１／４波長板１６に入射した反射レーザ光は、円偏光から直線偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ１５に入射する。反射レーザ光は、第１照明光学系４０から射出されるレーザ光とは振動方向の異なる直線偏光であるため、偏光ビームスプリッタ１５により反射され、ピンホール前レンズ２６に入射する。ピンホール前レンズ２６により集光された反射レーザ光は、ピンホール前レンズ２６の焦点位置に配置されたピンホールを通過し、光検出器２８に入射する。ピンホールを設置することにより共焦点光学系となり、ピンホールを設けない場合と比較して縦横の分解能を向上させることができる。
【００２８】
光検出器２８では、検出された反射レーザ光の受光量が電気信号に変換され、制御部９０に出力される。制御部９０は、入力された電気信号に基づいて標本２５の反射率分布画像を形成する。
【００２９】
次に、非共焦点光学系１０Ｂは、標本２５に均一な照明光を照射する第２照明光学系７０と、上記照明光を照射された標本２５からの反射光を検出する第２検出光学系８０と、を備えている。非共焦点光学系１０Ｂは、対物レンズ２４を共焦点光学系１０Ａと共有しており、対物レンズ２４とチューブレンズ２２との間に配置されたビームスプリッタ２３により光路を分岐させている。
【００３０】
第２照明光学系７０は、白色の照明光を射出する光源２９と、コンデンサレンズ３２と、ビームスプリッタ２３と、対物レンズ２４と、を備えている。
光源２９は例えばハロゲンランプである。コンデンサレンズ３２は光源２９の光源像を対物レンズ２４の瞳位置に結像させる。ビームスプリッタ２３は、光源２９から射出される光を反射する一方、発光素子１１から射出されるレーザ光を透過させる光学素子である。対物レンズ２４はビームスプリッタ２３を介してコンデンサレンズ３２から入射する照明光を標本２５の表面に集光させる。
【００３１】
第２検出光学系８０は、ビームスプリッタ３３と、チューブレンズ３４と、ＣＣＤカメラ３５と、を備えている。
ビームスプリッタ３３は第２照明光学系７０の光軸に配置されており、標本２５で反射された光をチューブレンズ３４側へ反射させる。チューブレンズ３４は入射光をＣＣＤカメラ３５の撮像面に集光させる。ＣＣＤカメラ３５は入射光を検出することにより標本２５の画像を形成する。
【００３２】
上記の構成を備えた非共焦点光学系１０Ｂにおいて、光源２９から射出された白色の照明光は、コンデンサレンズ３２、ビームスプリッタ３３を通過し、ビームスプリッタ２３に入射する。そして、上記照明光はビームスプリッタ２３で反射され、対物レンズ２４によって標本２５上に集光される。
【００３３】
標本２５で反射された照明光は、対物レンズ２４を経てビームスプリッタ２３で反射され、さらにビームスプリッタ３３で反射されてチューブレンズ３４に入射し、ＣＣＤカメラ３５に入射して結像する。そして、ＣＣＤカメラ３５により撮像され、標本２５の観察画像（非共焦点画像）が形成される。
【００３４】
以上に説明した本実施形態の走査型検出測定装置１０では、第１照明光学系４０に反射光学素子３６を設けたことで、検出光量ムラの発生を抑えつつ標本２５の共焦点画像を取得することができる。以下、かかる作用効果について、図２から図４を参照しつつ具体的に説明する。
【００３５】
図２は、半導体レーザ素子である発光素子１１から出力されるレーザ光のスペクトルを示す図である。図３は、反射光学素子３６を用いない場合のレーザ光のスペクトルを示す図である。図４は、反射光学素子３６の角度を変えたときのレーザ光のスペクトル変化を示す説明図である。図５は、高周波重畳をかけたときのレーザ光のスペクトルを示す図である。
【００３６】
本実施形態の走査型検出測定装置１０では、第１照明光学系４０から走査光学系５０に向けて、図２に示すスペクトルのレーザ光が射出される。具体的には、最も強度の大きいピークＰ１と、ピークＰ１よりも長波長側の３つピークＰ２〜Ｐ４を含み、全体として幅の広いスペクトルのレーザ光が射出される。
【００３７】
ここで、発光素子１１は、図３に示すように実質的に単一のピークＰ１からなるレーザ光を射出する半導体レーザ素子であるが、反射光学素子３６によってレーザ光の一部を反射させ、故意に発光素子１１に戻すことにより、図２に示すスペクトルのレーザ光を発光素子１１から射出させることができる。
【００３８】
具体的には、反射光学素子３６により反射されたレーザ光の一部が発光素子１１に入射すると、発光素子１１の温度が上昇する。これにより発光素子１１の熱膨張により共振器長が伸びるため、長波長側のピークＰ２〜Ｐ４のレーザ光が射出されやすくなる。また、共振器長の長い外部共振器が形成される。その結果、複数のピークＰ１〜Ｐ４を含む広いスペクトル幅のレーザ光を得ることができる。
【００３９】
一方、反射光学素子３６が設けられていない場合、発光素子１１から射出されるレーザ光のスペクトルは変化しないため、図３に示す単一ピークのレーザ光が走査光学系５０に入力される。走査光学系５０に入力されたレーザ光は、走査光学系５０と第２照明光学系７０との接続部分に配置されたビームスプリッタ２３などの内部反射によってほぼ光路が重なった複数のレーザ光に分岐されるが、走査光学系５０におけるスキャン動作によって上記複数のレーザ光同士の光路長差が周期的に変化する。レーザ光のコヒーレンスが高い場合にはこの光路長差に起因して検出光量ムラが発生する。
【００４０】
これに対して本実施形態では、走査光学系５０に供給されるレーザ光は、上記のようにスペクトル幅が広く、コヒーレンスが低いものであるため、分岐されたレーザ光の光路長差が変化しても干渉しにくく、検出光量ムラの発生を抑えることができる。また本実施形態に係るレーザ光のスペクトルは、図５に示す高周波重畳をかけたレーザ光のスペクトルと似通ったものであることから、高周波重畳をかけたレーザ光を用いる場合と同様の低コヒーレンス化作用が得られるものと考えられる。
【００４１】
このように本実施形態の走査型検出測定装置１０によれば、反射光学素子３６を用いてレーザ光のコヒーレンスを低下させ、これにより検出光量ムラの発生を抑えることができる。したがって、高周波重畳が不要になるため、電磁波ノイズ対策も不要である。またパルセーションレーザのような高価なレーザ素子も不要であるため、走査型検出測定装置を安価に提供することができる。
【００４２】
また本実施形態では、反射光学素子３６を揺動させる揺動機構３７を備えていることで、発光素子１１から射出されるレーザ光のスペクトル幅を調整可能である。このスペクトル幅調整機能について以下に説明する。
【００４３】
本実施形態の走査型検出測定装置１０において、揺動機構３７を作動させることにより反射光学素子３６におけるレーザ光の反射角度を変化させると、反射されたレーザ光の発光素子１１の射出面上における入射位置が変化する。
【００４４】
ここで、発光素子１１の温度は、反射光学素子３６で反射されたレーザ光が発光素子１１のレーザ射出口に入射した場合が最も高くなり、入射位置がレーザ射出口からずれるほど発光素子１１の温度は低くなる。このように発光素子１１の温度が変化することにより、発光素子１１の発振波長が変化する。
【００４５】
具体的には、反射光学素子３６で反射されたレーザ光の角度を変化させて発光素子１１の温度を低くすると、図４に示すように、ピークＰ１〜Ｐ４の高さが変化する。具体的には、図２のスペクトルと比較して、主ピークであるピークＰ１が相対的に高くなり、共振器長のずれによって生じるピークＰ２〜Ｐ４は相対的に低くなる。これにより、レーザ光全体としてのスペクトル幅が、図２に示した場合と比較して狭く変化することになる。また、反射されたレーザ光が射出口にまっすぐ戻った場合、共振器長の長い外部共振器の効果が大きくなり、それによるスペクトル幅拡大の効果も重ね合わされる。
【００４６】
走査光学系５０に入射するレーザ光のスペクトル幅が広いほどコヒーレンスが低くなり、検出光量ムラが生じにくくなる。その一方で、スペクトル幅が広いほど分解能が低下する。そこで本実施形態のようにレーザ光のスペクトル幅が調整可能であれば、検出光量ムラが発生しない範囲内でスペクトル幅を狭くすることができるため、高分解能の共焦点画像を得ることができる。
【００４７】
また発光素子１１が複数の色のレーザ光を射出可能な半導体レーザ素子である場合に、発光素子１１から射出されるレーザ光の色ごとに、反射光学素子３６の角度を異ならせてもよい。例えば発光素子１１が青紫色レーザ光と赤色レーザ光を射出可能である場合に、発光素子１１から青紫色レーザ光が射出されているときには反射光学素子３６により反射させたレーザ光を発光素子１１のレーザ射出口に入射させ、赤色レーザ光が射出されているときには反射光学素子３６により反射させたレーザ光をレーザ射出口からずれた位置に入射させるようにしてもよい。このような構成も揺動機構３７を備えていることで容易に実現することができる。
【００４８】
なお、上記実施の形態では、反射光学素子３６をコリメータレンズ１２と偏光ビームスプリッタ１５との間に配置した場合について説明したが、反射光学素子３６の位置はこれに限定されない。本実施形態の場合、反射光学素子３６は、発光素子１１と１／４波長板１６との間におけるレーザ光の光軸上の任意の位置に配置することが可能である。反射光学素子３６は、コリメータレンズ１２と第１検出光学系６０との間に設けることが好ましい。
【００４９】
反射光学素子３６の好ましい配置は図１に示した位置である。これは、反射光学素子３６で反射させたレーザ光は、発光素子１１のレーザ射出口又はその近傍に正確に入射させる必要があるため、反射光学素子３６は発光素子１１に近い位置に配置することが好ましいことと、発光素子１１と反射光学素子３６との間にコリメータレンズ１２が配置されていれば、反射光学素子３６により反射させたレーザ光をコリメータレンズ１２により発光素子１１上に集光させることができ、発光素子１１の昇温に有効に利用することができることによる。この場合において、反射光学素子の機能及び装置の大きさを考慮すると、反射光学素子３６の位置は、コリメータレンズ１２から１００ｍｍ以下の範囲内であることが好ましい。
【００５０】
なお、上記実施形態では、反射光学素子３６とレーザ光との角度を変化させることによりレーザ光のスペクトル幅を調整する場合について説明したが、所望のスペクトル幅を得るための構成はこれに限定されるものではない。例えば、反射光学素子３６の基材や反射膜の材質を変えることにより反射光学素子３６におけるレーザ光の反射率を変化させてもよい。この場合にも、発光素子１１に戻されるレーザ光の強度を変化させることができ、スペクトル幅を調整することができる。第１照明光学系４０から射出されるレーザ光のスペクトル幅を固定して用いる場合に上記構成を採用すれば、設定したスペクトル幅が変化しにくいため好適である。
【符号の説明】
【００５１】
１０…走査型検出測定装置、１０Ａ…共焦点光学系、１０Ｂ…非共焦点光学系、１１…発光素子、２５…標本、２７…ピンホール（共焦点絞り）、３６…反射光学素子、３７…揺動機構、４０…第１照明光学系、５０…走査光学系、６０…第１検出光学系（検出光学系）、７０…第２照明光学系、８０…第２検出光学系、９０…制御部
【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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