(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子のエリア配列を含む光源を有し、
前記発光素子の配列に隣接して配置され、前記発光素子よりの光を単一の焦点に向けて集束する１つの集光レンズを有し、
単一の焦点に位置されたホログラフィー用拡散器を有し、このホログラフィー用光拡散器は、前記集光レンズからの光を受け取り、前記集束された光より拡散された光を形成するものであり、かつ
前記拡散された光を受け取り、前記拡散された光から、均等な光の分布を有する光線を発生するレンズを有する、
ことを特徴とする照射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にゼログラフィー・プリンタのような画像表示装置に関し、より特定的には、空間光変調器に対し、均等に分布した高い光強度の光線を供給する照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体空間光変調器（ＳＬＭ）は、高品質で有用なゼログラフィー・プリンタを得るための１つの有望な解決手段である。プリンタ及び表示装置の両方に対し好適な１つの有望なＳＬＭに関する技術は、米国テキサス州ダラスにあるテキサス・インスツルメント社により製作された変形式ミラー装置又はディジタル・マイクロミラー装置（ＤＭＤと総称する）である。このＤＭＤは、対応するアドレス指定メモリ・セルの配列の上に形成された双安定の可動形マイクロミラーの線形又はエリア配列（域状配列）を有するモノリシック半導体装置である。画像形成用のＤＭＤのミラーの配列の上に光学系を介して集束される光を放出するタングステン光源を具現したゼログラフィー・プリンタの実施例が、「空間光変調形プリンタ及びその操作の方法」という発明の名称で、本願の譲受人と同一の譲受人に譲渡され、かつ、その教示が２２に参照される、ネルソン（Ｎｅｌｓｏｎ）に授与された米国特許第５，０４１，８５１号に開示されている。
【０００３】
画像形成用ＤＭＤの空間光変調器を具現するゼログラフィー・プリンタにおいては、均質の光源を用いて細長く伸びたＤＭＤのミラーの配列（典型的には長さが約７インチ）を均一に照射し、それにより上記配列の各画素ミラーが均等な光強度の部分を変調するようにさせることが望ましい。それは、上記ＤＭＤのミラーの配列がこの光を変調し、それに対し、感光性の回転する有機プリント・ドラムを露光させ、それにより該有機プリント・ドラムに向けられた変調光の強度と持続時間とは、チャージされたドラムの相対的な露光量を決定する。上記ドラムの露光部分は潜像を含んでおり、それによりある量のトナーがドラムの画像に付着することになり、次にこのトナーは、紙のようなプリント媒体上に移され、加熱によりその上に融着される。
上記ＤＭＤのミラーの配列上に向けられる光のエネルギは、回転するプリント・ドラムを十分に露光させて黒色の画像が得られるように、単位面積当り十分な光束を有することがまた必要である。もし不十分な光エネルギが変調されてＤＭＤのミラーの配列によってドラムに向けられたとすると、プリント・ドラムは十分に露光されず、従ってプリント媒体上にプリントされる画像のコントラストを劣化させるであろう。
【０００４】
「タングステン光に対する照射の均一化のためのシステム及び方法」という発明の名称で、本発明の譲受人と同一の譲受人に譲渡され、かつ、その教示がここに参照される、ネルソン（Ｎｅｌｓｏｎ）に授与された米国特許第５，１５９，４８５号は、光源の光の垂直成分が、ＤＭＤのミラーの配列の物理的形状と調和する目的のために、圧縮されるように配置されたアナモーフィック光学系（歪像形成式光学系）の光路を開示している。開示された実施例は、光学系の光学的効果を劇的に増加させ、それによりタングステン・ランプのような与えられた光源からの光によってＤＭＤミラーの配列をより強く照射するように光エネルギが圧縮される。
【０００５】
「ＤＭＤ装置に対する固体照射のためのシステム及び方法」という発明の名称で、本発明の譲受人と同一の譲受人に譲渡され、かつ、その教示がここに参照される、ネルソン（Ｎｅｌｓｏｎ）に授与された米国特許第５，１５１，７１８号は、慣用のタングステン光源ランプを有効に取り替えるように構成されたＬＥＤのエミッタの配列を開示している。ＬＥＤの配列は幾何学的に形づくられており、グレースケールの像形成を行い、かつ、ぼやけた線画像を減らすために個々のミラー画素に向けられる光の明るさを変えるようにストローブすることによって電気的に操作することができる。配列の中のＬＥＤのおのおのにはレンズが備えられており、それにより光学系を通りＤＭＤのミラーの配列に向かう光が縦長くなる（ｃｏｌｕｍｎａｔｅ）ようにされている。
【０００６】
ＬＥＤを使用することにより、光は有効にＤＭＤのミラーの配列に向けて集光され、光が浪費され、他の場所に向けて送られることはほとんどない。特定の光強度をもってＤＭＤのミラーの配列を照射するときに、慣用のタングステン・ランプと比較して、光源に対して要求される光エネルギは少ない。ＬＥＤは敏速にオン又はオフすることができ、それによりＤＭＤのミラーの配列に向けられる光エネルギを変調し、従ってグレースケールの印刷をするのに役立つための能力を与える。例えば、与えられた線のプリント・サイクルの間、ＬＥＤはＤＭＤのミラーの配列を照射するためのサイクル時間の５０％の間オンとなり、その特定の時間間隔の間、光エネルギの半分が使用される。光学系のアラインメント（位置合せ）は、ＬＥＤのおのおののエネルギが確実にＤＭＤのミラーの配列に向けられるようにするためには、きわどいものである。すなわち、１個のＬＥＤが故障するか、あるいは出力が減少すると、ＬＥＤの配列は、十分、かつ、一様な光エネルギを発生することができない。
【０００７】
「グレースケールのＤＭＤ動作を行わせるためのシステム及び方法」という発明の名称で、本発明の譲受人と同一の譲渡人に譲渡され、かつ、その教示がここに参照される、ネルソン（Ｎｅｌｓｏｎ）に授与された米国特許第５，１０５，２０７号は、個々の画素のおのおの復変調によるゼログラフィー処理の解像度を増進するためのシステムを開示している。その復変調は、アナモーフィック光学系を用いて光線の正方形画素を用いる表示を減らし、正方形画素の走査線のおのおのの中に含まれた多数の可制御セグメントを有する長方形画素を用いる表示を使用することにより実現される。この実施例には、慣用のタングステン・ランプが組み込まれている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
低価格で高い光強度の光学装置を提供することにより、細長く伸びたＤＭＤのミラーの配列が高い光強度の光によって一様に照射されることが望ましい。更に、グレースケールの印刷を行うために、光強度を変調することができるような高い光強度の光源を提供することが望ましい。光学装置は均整化が容易であり、それにより光源のどのような劣化もＤＭＤのミラーの配列に対し一様に表示され、ゼログラフィー・プリンタの印刷の品質を目立つように劣化させてはならない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、照射装置に関する技術上の利点を与えることを目的とし、その目的達成のための手段として、おのおのが焦点に向けて焦点合せされた発光素子の配列を具現し、次に光学系を上記焦点の近傍に配置して、光が均等に分布した光線を発生させるための構成を提案する。本発明によれば、１つ以上の発光素子からの光の減少又は消失は、光線の出力を均等に減少させ、画像面の光強度について局部的な変化は生じさせない。発光素子の光出力は効果的に混合され、それにより照射装置の光出力は、個々の発光素子の光出力の合計に近似される。集光レンズが発光素子のエリア配列の近傍に配置され、上記発光素子のエリア配列より発光する光を単一の焦点に向けて集束する。
【００１０】
本発明による照射装置は、発光素子のエリア配列を有する光源を含んでいる。集光レンズが発光素子の配列の近傍に配置され、発光素子より発光する光を焦点に向けて集束する。光学系が、集光レンズの近傍に配置され、焦点の近傍の集光された光を受光し、光が均等に分布した光線を発生する。光学系は、好ましくは光集積器を含み、焦点の近傍にホログラフィ用の光拡散装置を設け、光がアナモーフィック・レンズ（歪像形成用レンズ）に送られる前にその光を均等に拡散させる。焦点は発光素子のエリア配列によって確定される中心軸線上にあることが望ましい。集光レンズは非球面レンズを含むことが好ましいが、また、フレネルレンズ、円錐形光集積器、あるいはそれらの均等物をも含むことができる。発光素子のエリア配列は円形であることが望ましいが、その他の均一な幾何学的形状もまた同様に使用することができる。発光素子のエリア配列は、凹面形の配向形状にまとめて配置することができる。
【００１１】
本発明装置のハウジングとしては、複数の凹所を有するものを用いることが好ましい。発光素子の１つが上記凹所のおのおのの中に配置される。それらの凹所は、発光素子から発する光を平行にし、かつ、その光は集光レンズを指向するようにする。発光素子はＬＥＤを含むことが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、長方形の空間光変調器１２を均等に照射する光学式照射装置１０の透視図が示されており、上記空間光変調器１２は、テキサス・インスツルメント社によって製造されたようなディジタル・マイクロミラー装置（ＤＭＤ）、又はその他の適当な空間光変調器を含む。照射装置１０は、発光素子２４のエリア配列を含んでおり、参照番号１４により一般的に示された光源ユニット、ホログラフィー用の光拡散器１６、円柱レンズ１８及び非球面レンズ２０を含むことが分かる。レンズ２０は固体の非球面素子として示されているが、それはまたフレネルレンズなどでもよいが、それらは比較的うすい側面を有する故に不安定でもある。おのおのがＬＥＤを含むことができる発光素子２４のエリア配列は、図示されたように、光源ユニット１４を貫通して開口している凹所２６の中にそれぞれ配置されている。
【００１３】
発光素子２４のおのおのの光出力は共通の焦点Ｆに集光され、ホログラフィー用光拡散器１６は焦点Ｆに配置されて光を拡散させる。拡散光は円柱レンズ１８により垂直方向に集光され、一般的に２８で示した均一の光強度を有する集光された光は、非球面レンズ２０により長方形空間光変調器１２に向けて送られる。空間光変調器１２を照射する均一光強度の光線３０は空間光変調器１２により変調され、共通して譲渡された参照米国特許及び米国特許出願に開示されたように、光画像を結像する。この光画像は、Ｆ／５・６レンズのような映写レンズ３２の焦点に向けて送られ、次に回転する有機ゼログラフィー用受光ドラムのような画像面３４の表面上に集束される。
【００１４】
ゼログラフィー・プリンタ及び本発明のいくつかの適用例におけるＤＭＤ空間光変調器の使用に関する追加の教示のための資料としては、共通して譲渡された参照特許出願及び特許とともに、「ディジタル・マイクロミラー・プリンタのプロセス及びアーキテクチャ」という発明の名称の米国特許第５，４６１，４１１号と、「空間光変調器を用いるグレースケール印刷」という発明の名称の米国特許第５，４６１，４１０号とが挙げられ、それらの教示はそれぞれここに参照される。
【００１５】
次に図２には、照射装置１０の光学的概略図が示されている。光源ユニット１４は、その内部に非球面集光レンズ４２を内包し、かつ、固定している管状かつ円筒形の外部ハウジング４０を有することが分かる。光源ユニット１４はまた、照射装置のハウジング４６を含んでいることが分かる。照射装置ハウジング４６は通常円形でディスクに似た形状を有し、図示のように貫通してくり抜かれた複数の平行な凹所２６が設けてある。凹所２６の各１個の中でその入口端部に１つのＬＥＤ２４が固定されており、ＬＥＤ２４のおのおのの光出力は、それぞれの凹所２６によってコリメートされ、非球面集光レンズ４２に向けて送られる。ＬＥＤ２４は照射装置ハウジング４６の内部に接着剤を使用して固定され、照射装置ハウジング４６はまた、外部ハウジング４０の内部に、接着材の使用又は溶接により固定されている。
【００１６】
図示されたように、非球面集光レンズ４２は、ＬＥＤ２４のおのおのから受ける平行光線を集光し、同受光光線を単一の焦点Ｆに向けて集束する。焦点Ｆは、照射装置ハウジング４６、非球面レンズ４２及びＬＥＤ２４のエリア配列により確定される共通軸５０の軸線上に位置する。ホログラフィー用光拡散器１６は焦点Ｆに配置され、焦点Ｆに向けて集束された光を拡散する。次に、図示されたように、この拡散された光５２は円柱レンズ１８に向けて送られる。
本発明の技術的利点は、ＬＥＤ２４のいずれか１個又はいくつかの光出力のいかなる減少又は消失も、結果としては円柱レンズ１８に送られる光線５２の光強度の均一な減少に帰着することである。換言すれば、どのようなオン・アクシス又はオフ・アクシスのＬＥＤの光出力の減衰が起きたときにも、画像面の局部的な品質低下は生じない。すなわち、ＬＥＤの光出力の減衰が起きると、画像面全体の均一の品質低下が生じる。このことは、長方形空間光変調器１２を照射するときは、画像面２４を有効に照射するために均一な照射を必要とするので特に望ましい。
【００１７】
図３を参照すると、光源ユニット１４の透視図が示されており、照射装置ハウジング４６の中に収容されたＬＥＤ２４の通常円形のエリア配列を図解している。ＬＥＤ２４は、非球面集光レンズ４２を通常均一に照射するように、共通中心軸５０の回りに一様に配置された状態が示されている。しかし、発光素子２４の他の一様な幾何学的配置、例えば、ＬＥＤ２４の六角形の配列など、も同様に利用できるであろう。それゆえ、ＬＥＤ２４の円形の配列への限定を結論するべきではない。
【００１８】
次に図４を参照すると、本発明の別の好適実施例の照射装置６０が示されている。この照射装置６０は、光源ユニット６４の中で、図２に示された非球面集光レンズ４２の代わりにフレネルレンズ６２を使用している点を除けば、図１及び図２に示された照射装置１０と同一である。フレネルレンズ６２は、ＬＥＤ２４のおのおのからの投射光の平行光線を受けて、その光を単一の焦点Ｆに集束する。図２に示された非球面集光レンズ４２の代わりにフレネル・レンズ６２を使用する利点は、その原価の削減と厚さの減小とである。
【００１９】
次に図５を参照すると、本発明の更に他の実施例の照射装置７０が示されている。この照射装置７０もまた、光源ユニット７４の中で、非球面集光レンズ４２の代わりに円錐形レンズ（円錐形光積分器）７２を使用している点を除けば、図１及び図２に示された照射装置１０と実質的に同一である。図示のように、円錐形レンズ７２もまた、ＬＥＤ２４のエリア配列からの投射光の平行光線を、単一の焦点Ｆに集束する。ＬＥＤ２４のそれぞれの先端は円錐形レンズ７２の入射面に当接し、それにより、この円錐形光積分器の中に直接に光を送り込む。必要ならば、７６で示したような先端に球形レンズを備えていないＬＥＤのそれぞれの平坦な先端を、上記円錐形光積分器の平坦な表面に当接させ、後者の表面に対しレンズ用のエポキシ樹脂を用いて固着させることにより、ＬＥＤは実際上上記円錐形光積分器の物理的な一部分にさせることもできる。それにより、光エネルギを上記円錐形光積分器の中に直接に送り込むのに役立つ。光拡散器１６は球形光拡散器であることが望ましく、また、所望により光を更に均一化するための機能を持たせてもよいし、あるいは持たせなくてもよい。円錐形レンズ７２を使用することによる利点は、個々の光線を一層積分することができることである。図４及び図５に示した代わりの実施例においては、ホログラフィー用の光拡散器１６はまた、ごく接近させて配置し、できれば焦点Ｆに配置することが好ましく、円柱レンズ１８は、送られてきた拡散光５２を非球面レンズ２０に向かって垂直方向に圧縮するために用いられる。図１に示したように、非球面レンズ２０は更に、長方形空間光変調器１２を照射するように均一光強度の光線３０を指向させる作用をする。
【００２０】
次に図６及び図７を参照すると、ＬＥＤ８４の円形エリア配列を含む凹面形光源ユニット８２を有する照射装置８０が示されている。凹面形の照射装置ハウジング８６は開口８８の配列を有し、各開口８８は１個宛のＬＥＤ８４を保持している。各開口８８の中心軸の方向は、ＬＥＤ８４のそれぞれより発光する光が互いに交差し、非球面集光レンズ９０によって集束された後、焦点Ｆに集束されるような方向に向けられている。非球面集光レンズ９０は、図示のように一体形でもよいが、それはまた、フレネルレンズあるいはその他のレンズであって、ＬＥＤの凹面形の配列よりの投射光線を焦点Ｆに向けて集光するものであってもよい。図２の平坦な配列の光源ユニット１４と比較して、図７の凹面形光源ユニット８２は、ＬＥＤの凹面形の配列の周端部にあるＬＥＤより発する光線によって起きるコマ収差のために生じる像の歪が少ないことと、軸方向の大きさが短縮されることの利点がある。光源ユニット８２の凹面形の配列方向の故に、非球面集光レンズ９０の使用は任意となる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明は、図１に示したようにＤＭＤを含む空間光変調器のような、長方形又は非対称のエリアの上に向けられる均一の光線を生成する照射装置を提供するための技術的利点を与える。多数のＬＥＤ２４の中の１つ以上のＬＥＤの光出力が減少又は消失すると、全体の画像面の光強度が一様に低下する。言いかえれば、オン・アクシス及びオフ・アクシスのＬＥＤの減衰のいずれか一方又はそれらの組合せが起きたときでも、局所的な画像面の劣化が生じることはない。集光レンズは、ＬＥＤ２４のエリア配列から受け取る光に対し、真の意味の「混合」を行ない、次にその光を共通の焦点Ｆに向けて集束する。焦点Ｆにおける光の強度は、すべてのＬＥＤの出力の総和にきわめて近い。本発明においてはＬＥＤと慣用のレンズとが使用されているが、他の放射源及び画像を形成しない光学的の集光器および／または積分器を用いることもできる。
上述のように、本発明による照射装置は、長方形又は非対称のエリアを有する空間光変調器を照射するための均一の光強度を有する均質の光線を生成することができる。本発明の照射装置は比較的低価格であり、また、その政策も光軸の整合操作も容易である。
【００２２】
本発明を特定の好適実施例について説明したが、当業者には本願の開示を読むことにより、更に多くの変更と修正とが明らかになるであろう。従って提出された本願の特許請求の範囲の記載は、上記変更及び修正をすべて含むように、先行技術を効力の上可能な限り広く解釈されるべきである。
【００２３】
以上の説明に関して更に以下の項を開示する。
(1)   照射装置であって、
発光素子のエリア配列を含む光源、
前記発光素子の配列の近傍に配置され、前記発光素子よりの光を焦点に向けて集束する集光レンズ、及び
前記集光レンズの近傍に配置され、前記焦点の近傍の集光された光を受け取り、均等な光の分布を有する光線を発生する光学系、
を包含することを特徴とする照射装置。
(2)   第１項記載の照射装置において、前記光学系は、光積分器を含むことを特徴とする照射装置。
(3)   第１項記載の照射装置において、前記光学系は、前記焦点の近傍に配置されたホログラフィー用の光拡散器を含むことを特徴とする照射装置。
(4)   第１項記載の照射装置において、前記焦点は前記発光素子のエリア配列によって確定される中心軸の上に位置することを特徴とする照射装置。
【００２４】
(5)   第１項記載の照射装置において、前記集光レンズは非球面レンズを含むことを特徴とする照射装置。
(6)   第１項記載の照射装置において、前記集光レンズはフレネル集束レンズを含むことを特徴とする照射装置。
(7)   第１項記載の照射装置において、前記集光レンズは円錐形光積分器を含むことを特徴とする照射装置。
(8)   第１項記載の照射装置において、前記発光素子のエリア配列は一般的に円形であることを特徴とする照射装置。
(9)   第１項記載の照射装置において、前記発光素子のエリア配列は共に凹面形の配向によって配置されていることを特徴とする照射装置。
【００２５】
(10)  第１項記載の照射装置であって、更に複数の凹所を有するハウジングを含んでおり、前記複数の凹所のおのおのの中に前記発光素子が各１個宛格納され、かつ、前記複数の凹所は前記発光素子より発する光をそれぞれコリメートすることを特徴とする照射装置。
(11)  第１項記載の照射装置において、前記発光素子はＬＥＤを含むことを特徴とする照射装置。
(12)  第１項記載の照射装置であって、更に空間光変調器を含んでおり、同空間光変調器は前記均等な光の分布を有する光線を変調することを特徴とする照射装置。
(13)  第１２項記載の照射装置であって、前記空間光変調器から出される被変調光を受け取る映写レンズを更に含むことを特徴とする照射装置。
【００２６】
(14)  発光素子の凹面エリア配列を含む光源、及び
前記光源の近傍に配置され、前記凹面エリア配列より出される光を受け取り、均一の光分布を有する光線を発生する光学系を包含することを特徴とする照射装置。
(15)  第１４項記載の照射装置であって、前記発光素子の凹面エリア配列と前記光学系との間に配置された非球面レンズ、を包含することを特徴とする照射装置。
(16)  第１４項記載の照射装置であって、前記非球面レンズの焦点に配置された光拡散器を更に含むことを特徴とする照射装置。
【００２７】
(17)  照射装置１０，６０，７０，８０は長方形又は非対称のエリアの上に均一の照射を行う光線２８を発生する。まず、発光素子２４のエリア配列より発する光を集光レンズにより単一の焦点Ｆに集束する。ホログラフィー用光拡散器１６は上記の集束光を拡散し、円柱レンズ１８はその拡散光を垂直方向に圧縮（ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ  ｃｏｍｐｒｅｓｓ）する。上記の集光レンズよりの光出力は、個々の発光素子よりの光出力の合計に非常に近似している。発光素子２４よりの光の強度にどのような減衰が生じようとも、光線２８の全体の出力は一様に減少するので、画像面の局部的な劣化は生じない。本発明は、ゼログラフィー・プリンタのようなプリント装置への利用が期待できる。
【００２８】
(18)  参照する関連特許出願
下記の共通して譲渡された係属中の特許出願を参照し、それらの教示は併せてここに参照される。
0004184454.tif 000002
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施例による照明装置であって、各発光素子より発する光がホログラフィー用光拡散器に接近した焦点に向けて集束されるようにされた前記発光素子のエリア配列を含む前記照明装置を示す透視図である。
【図２】発光素子のエリア配列の近くに配置された非球面集光レンズが、前記発光素子のエリア配列より発する光をホログラフィー用光拡散器に接近した単一の焦点に向けて集束し、前記ホログラフィー用光拡散器により拡散された光は円柱レンズによってコリメートされ、空間光変調器を照射することを図解する光学的配置図である。
【図３】光源ユニットのハウジングと同ハウジングを貫通して延びている平行な凹所の配列とを示し、前記凹所のおのおのは関連するＬＥＤを保持し、かつ、該ＬＥＤより発する光をコリメートすることを示す透視図である。
【図４】発光素子の配列から発する光を単一の焦点に向けて集束するフレネルレンズを使用した代わりの本発明の好適実施例を図解する光学的配置図である。
【図５】発光素子の配列から発する光を単一の焦点に向けて集束するための集光レンズとして利用する円錐形光積分器を使用した他の代わりの本発明の好適実施例を図解する光学的配置図である。
【図６】凹面形の光源ユニットを使用した更に他の代わりの本発明の好適実施例を示す透視図である。
【図７】図６の実施例を適用したこじんまりした照明装置を図解する光学的配置図である。
【符号の説明】
１０，６０，７０，８０  照射装置
１２  長方形空間光変調器
１４，６４，７４  光源ユニット
１６  ホログラフィー用光拡散器
１８  円柱レンズ
２０  非球面レンズ
２４，８４  発光素子（ＬＥＤ）
２６  凹所
２８  均一光強度の垂直方向に集光された光
３０  均一光強度の光線
３２  映写レンズ
３４  画像面
４２，９０  非球面集光レンズ
４０  外部ハウジング
４６，８６  照射装置ハウジング
５０  共通軸（中心軸）
５２  拡散された光
６２  フレネルレンズ
７２  円錐形レンズ（円錐形光積分器）
７６  球形レンズを備えていないＬＥＤ
８２  凹面形光源ユニット
８８  開口
Ｆ  焦点
【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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