(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像表示用の表示素子、前記表示素子を照明する光源、および前記表示素子に表示された映像を投影する投射レンズ部からなり、映像を示す光束を投射する投射光学系と、
少なくとも、前記投射光学系が投射する光束の結像位置に配設されたスクリーンを有し、前記投射光学系が投射する光束を、観察者に拡大または集束させて到達させる拡大光学系と、
前記表示素子と前記スクリーンとの間に配置され、前記投射レンズ部の光軸と平行な回転軸を有するフィルタホイールであって、通過する光の波長域が異なり、前記光軸方向から見て前記回転軸を中心とする円の円周方向が長手方向となる形状である複数のフィルタを、前記投射レンズ部における前記光軸と前記回転軸とを結ぶ方向の開口絞りとなるように配設してなるフィルタホイールと、
前記映像を示す光束が、前記フィルタホイールにおける前記複数のフィルタのいずれかを時分割で通過するように、前記フィルタホイールを回転させるホイール回転手段と、を備え、
前記フィルタホイールにおける前記複数のフィルタそれぞれは、通過した光の前記投射レンズ部による開口絞りの像と前記観察者の眼が共役の関係となり、前記拡大光学系において生じる前記観察者の眼の位置における色収差を相殺するように、前記投射レンズ部の光軸方向のそれぞれ異なる位置に配置されている
ことを特徴とする画像投影装置。
【請求項２】
前記表示素子と前記スクリーンとの間に配置され、前記投射レンズ部の光軸と平行な回転軸を有する開口ホイールであって、前記光軸方向から見て当該回転軸を中心とする円の円周方向が長手方向となる形状であり、前記複数のフィルタそれぞれに対応する複数の開口部を配設してなる開口ホイールを備え、
前記開口ホイールは、前記開口ホイールの前記回転軸と前記投射レンズ部の光軸とを結ぶ直線が、前記フィルタホイールの前記回転軸と前記投射レンズ部の光軸とを結ぶ直線と直交する位置関係となり、かつ、前記開口部が前記投射レンズ部における前記フィルタによる開口絞りの方向と直交する方向の開口絞りとなるように配設され、
前記複数の開口部それぞれは、対応する前記フィルタに対し前記投射レンズ部の光軸方向に関して隣接する位置に配置されており、
前記複数のフィルタそれぞれと、前記フィルタに対応する前記開口部と、を同時に前記光束が通過するように、前記開口ホイールが回転する
ことを特徴とする請求項１に記載の画像投影装置。
【請求項３】
前記拡大光学系は、前記スクリーン上の結像を拡大する拡大レンズと、前記拡大レンズにより拡大された光束を反射させる半透過ミラーと、を有している
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の画像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、映像を示す光束を投射する投射光学系と、投射された光束を観察者に到達させる拡大光学系と、からなる画像投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光源および表示素子からなる投射光学系から投射される映像情報をスクリーンに映し出し、観察者に視認させる画像投影装置が従来より利用されている。
近年では、投射光学系から投射される映像情報を半透明な反射手段によって反射させて、映像情報を虚像として前景に重畳させて利用されることも多い。このような画像投影装置は、前方に設置したモニターの映像や前方の風景に重ね合わせるように、別の表示像を虚像として表示するシステムなどに採用され、ゲームなどのエンターテイメントや車両用の情報提供装置として有用である。
【０００３】
このような画像投影装置としては、表示素子からの映像を投射レンズでスクリーンに投影し、このスクリーン上の集光光学素子により投射レンズの射出瞳と観察者の目の位置とを共役の関係にすることにより、輝度の高い表示を実現できる技術が提案されている（特許文献１参照）。また、上記技術においてスクリーン上の映像を拡大レンズで拡大する構成も提案されており、大画面の映像を実現できる。
【特許文献１】特開２００５−７０２５５号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１の技術では、スクリーン上の集光光学素子や拡大レンズにより発生する色収差により、観察者へ到達する光の集光スポットの位置が光の色ごとに異なる。その結果、観察者の目の位置での色バランスが崩れるため、白色表示をしても青色もしくは赤色に色づいて見えてしまうなどの問題があった。また、投射光学系を２組用意して観察者の左右の眼に独立に集光するように設計して立体ディスプレイとして利用する際には、設計した集光スポットからずれた位置に集光した色の光がもう一方の眼に映りこむことにより、いわゆるクロストークと呼ばれる立体視を阻害する現象が発生してしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は上記した問題を鑑みてなされたもので、簡単な構成で、色収差の少ない良好な画質を実現可能な画像投影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】
【０００６】
上述した問題を解決するためになされた請求項１に記載の画像投影装置は、映像表示用の表示素子、前記表示素子を照明する光源、および前記表示素子に表示された映像を投影する投射レンズ部からなる投射光学系と、投射された光束を観察者に到達させる拡大光学系とを有しており、投射光学系が投射する光束は拡大光学系のスクリーンにて結像し、観察者はその像を視認することができる。
【０００７】
投射光学系の表示素子とスクリーンとの間には、投射レンズ部の光軸と平行な回転軸を有し、通過する光の波長域が異なる複数のフィルタを、光軸方向から見て上記回転軸を中心とする円の円周方向が長手方向となる形状として、投射レンズ部における光軸と回転軸とを結ぶ方向の開口絞りとなるように配設してなるフィルタホイールが備えられている。このフィルタホイールは、映像を示す光束が、フィルタホイールにおける複数のフィルタのいずれかを時分割で通過するように回転する。
【０００８】
このとき、フィルタホイールの回転と連動して表示素子上の映像を各々の色に対応する映像に切り替えると、フィルタホイールの回転が高速であれば、人間の残像現象により、カラーの画像を観察者に視認させることができる。
【０００９】
本発明の画像投影装置では、上述したフィルタホイールのフィルタが、拡大光学系において生じる色収差を相殺するように、投射レンズ部の光軸方向のそれぞれ異なる位置に配置されている。一般的な画像投影装置では、スクリーン上の集光光学素子や拡大レンズなどにより発生する色収差により、観察者への集光スポットの位置が色により異なるが、本発明の画像投影装置であれば、フィルタが、フィルタホイールの円周方向を長手方向とする絞りとして機能し、またその絞りの位置が上述したように色収差を相殺するように配置されているため、色収差の少ない良好な画質を実現することができる。
【００１０】
上述したフィルタの位置は、通過する光の波長域に応じて、通過した光の前記投射レンズによる絞りの像と観察者の眼が共役の関係となる位置となる。このように構成された画像投影装置であれば、観察者の眼に到達する光束は全ての色が同じ位置に集光するため、映像の色バランスが崩れたり、立体ディスプレイとして用いる際にクロストークが発生することなく、フィルタによる絞りによる色収差の相殺効果をより効果的に発揮することができる。
【００１１】
請求項２に記載の画像投影装置は、請求項１に記載の画像投影装置において、表示素子とスクリーンとの間に配置され、投射レンズ部の光軸と平行な回転軸を有し、複数の開口部を、光軸方向から見て上記回転軸を中心とする円の円周方向が長手方向となる形状として配設してなる開口ホイールを備えている。
【００１２】
この開口ホイールは、開口ホイールの回転軸と投射レンズ部の光軸とを結ぶ直線が、フィルタホイールの回転軸と投射レンズ部の光軸とを結ぶ直線と直交する位置関係となり、かつ、開口部が投射レンズ部におけるフィルタによる開口絞りの方向と直交する方向の開口絞りとなるように配置されている。そのため、開口ホイールの開口部は、フィルタによる絞りと直交する方向に関して絞りの機能を発生する。
【００１３】
よって、請求項２に記載の画像投影装置であれば、映像の縦方向および横方向いずれの色収差をも減少させることができる。
また、開口ホイールには、上記複数のフィルタそれぞれに対応する複数の開口部が形成されており、それら開口部それぞれは、対応するフィルタに対して投射レンズ部の光軸方向に関して隣接するように配置されている。
【００１４】
そして、フィルタホイールの複数のフィルタそれぞれと、そのフィルタと対応する開口部と、を同時に光束が通過するように開口ホイールが回転する。そのため、フィルタを通過した光束と、開口部を通過した光束と、は同程度に絞りの効果を得ることができる。
【００１５】
よって、映像の縦方向および横方向の色収差を同程度に低減することができ、色バランスの低下やクロストークの発生をさらに抑制することができる。
請求項３に記載の画像投影装置は、スクリーン上の結像を拡大する拡大レンズと、拡大レンズにより拡大された光束を反射させる半透過ミラーと、を有していることを特徴とする。
【００１６】
このように構成された画像投影装置では、スクリーン上に形成された映像を拡大レンズで拡大してから、半透過ミラーで反射させて観察者に視認させる。よって、観察者は、観察者からは半透過ミラーの反対側に、スクリーン上の映像を虚像として視認することができるため、観察者に半透過ミラーの反対側を視認させつつ、視線移動の負担をかけずにその視界においてスクリーン上の映像を視認させることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
［第１の実施形態］
（１）画像投影装置の全体構成及びカラーの画像を表示する原理
まず、画像投影装置１の全体構成を図１に基づいて説明する。図１は、画像投影装置１の構成を示す斜視図である。
【００１８】
画像投影装置１は、映像を示す光束を投射する投射光学系９と、フィルタホイール１１と、投射光学系９が投射した光を、拡大または集束させて観察者のアイポイントＡに到達させる拡大光学系１９と、を備えている。投射光学系９は、後述する表示素子５を照明する光源３と、映像表示用の表示素子５と、表示素子５に表示された映像を投影する投射レンズ部７と、からなる。また、拡大光学系１９は、スクリーン１３と、拡大レンズ１５と、コンバイナ１７（本発明における半透過ミラー）とからなる。
【００１９】
投射レンズ部７により投影される表示素子５を表す光束の結像位置にスクリーン１３が配置される。このスクリーン１３に結像された映像は、拡大レンズ１５で拡大されてから、コンバイナ１７で反射され、観察者のアイポイントＡからはコンバイナ１７の反対側に虚像２１として映し出される。スクリーン１３は表面が拡散面となった半透明な、例えばアクリルのようなプラスチック、またはガラス材などで製作されたものである。
【００２０】
なお、拡大レンズ１５がない場合でも虚像２１を投影することは可能であるが、大画面の映像を表示する場合には、拡大レンズ１５でスクリーン１３上の映像を拡大することが望ましい。
【００２１】
次に、投射レンズ部７及びフィルタホイール１１の周辺の構成を説明する。
図２は、表示素子５，投射レンズ部７，およびフィルタホイール１１を示す斜視図であり、図３は、上記構成の図１におけるｘ軸方向から見た側面図である。
【００２２】
なお、図１におけるｘｙｚ座標は、ｘ軸方向がスクリーン１３における横方向（長手方向）に平行となり、ｙ軸がスクリーン１３における縦方向に平行となり、ｚ軸が投射光学系９により投射される光束の光軸２５と平行となるように設定される。
【００２３】
図２及び図３に示すように、投射レンズ部７は、表示素子５とスクリーン１３との間に配置され、レンズ７Ａ、７Ｂ、７Ｃの３枚のレンズから構成されており、図２及び図３では図示しないハウジングに収納されている。
【００２４】
フィルタホイール１１は、図２及び図３に示すように、レンズ７Ａとレンズ７Ｂとの間に取り付けられている。このフィルタホイール１１は、回転軸２３に設けられた３つの扇形の羽根部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃから構成されており、それぞれにカラーフィルタ２７（青フィルタ２７Ａ，緑フィルタ２７Ｂ，赤フィルタ２７Ｃ）が配設されている。青フィルタ２７Ａは青色の光を選択的に通過させるものであり、緑フィルタ２７Ｂは緑色の光を選択的に通過させるものであり、赤フィルタ２７Ｃは赤色の光を選択的に通過させるものである。また、上記羽根部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃは、拡大光学系１９において生じる色収差を相殺するように、投射レンズ部７の光軸２５方向のそれぞれ異なる位置に配置されているが、詳細は後述する。
【００２５】
フィルタホイール１１の回転軸２３は、投射レンズ部７の光軸２５と平行、かつ、光軸２５からｘ軸方向に所定距離ずれた位置に配置され、この回転軸２３に接続された図示しないモータにより回転する。フィルタホイール１１を光軸２５方向から見ると、図４に示すように、フィルタホイール１１全体としては円形となる。また、カラーフィルタ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃは、フィルタホイール１１の円周方向が長手方向となるように形成されている。
【００２６】
表示素子５，投射レンズ部７，およびフィルタホイール１１を組み合わせて光源３から見た平面図を図５に示す。フィルタホイール１１が回転軸２３を中心に回転すると、フィルタホイール１１における３つのカラーフィルタ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃのいずれかが光軸２５を横切るように、時分割で切り換えて配設される。
【００２７】
このとき、フィルタホイール１１の回転と連動して表示素子５上の映像を、各々の色に対応する映像に切り替える（すなわち、光軸２５が青フィルタ２７Ａを通過する時間帯は表示素子５に青色に対応した映像を表示し、光軸２５が緑フィルタ２７Ｂを通過する時間帯は表示素子５に緑色に対応する映像を表示し、光軸２５が赤フィルタ２７Ｃを通過する時間帯は表示素子５に赤色に対応する映像を表示する）と、フィルタホイール１１の回転が高速であれば、人間の残像現象により、カラーの虚像２１が得られる。
（２）画像投影装置における色収差を相殺するための構成および作用
図２および図３に示すように、表示素子５からの光束はレンズ７Ａを通過した後、カラーフィルタ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃを通過する。フィルタホイール１１の回転軸２３は光軸２５からｘ軸方向にずれて配置されていることから、フィルタホイール１１の円周方向は光軸２５上ではｘ軸方向に沿う方向となる。よって、フィルタホイール１１の円周方向が長手方向となるように形成されたカラーフィルタ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃは、投射レンズ部７のｘ軸方向の絞りとして機能する。
【００２８】
その結果、本実施例では、光束の色ごとに射出瞳（投射レンズ部７による絞りの像）の位置が異なることになる。仮に、各色の射出瞳の位置が同じであれば、スクリーン１３の集光光学素子と拡大レンズ１５により、光束の集光ポイントが色ごとに変化するため、観察者の眼の位置において色収差が発生するが、本実施例のように射出瞳の位置を変化させることで、光束の集光ポイントの位置を補正し、色収差を低減させることができる。
【００２９】
本実施例における投射レンズ部７およびフィルタホイール１１のパラメータを表１〜３に示す。表１は青フィルタ２７Ａが光軸２５上に位置する場合のパラメータであり、表２は緑フィルタ２７Ｂが光軸２５上に位置する場合のパラメータであり、表３は赤フィルタ２７Ｃが光軸２５上に位置する場合のパラメータである。
【００３０】
【表１】
0004883011.tif 000002
【００３１】
【表２】
0004883011.tif 000003
【００３２】
【表３】
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レンズ７Ａ，７Ｂ，７Ｃの曲率および光軸上の位置は一定であるが、絞りとして機能するフィルタホイール１１の羽根部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの位置が色により異なっている。上記表１〜３に示すパラメータを有する本実施例において、射出瞳の位置は、投射レンズ部７の前玉（レンズ７Ｃの第２面）より表示素子５側に、Ｂ（青）＝４４．３０ｍｍ、Ｇ（緑）＝６３．１９ｍｍ、Ｒ（赤）＝７１．１５ｍｍとなる。したがって、射出瞳からスクリーン１３までの距離は、Ｂ＝４４４．３０ｍｍ、Ｇ＝４６３．１９ｍｍ、Ｒ＝４７１．１５ｍｍとなる。なお、計算に使用した波長は、Ｂ（青）が４８６ｎｍ、Ｇ（緑）が５８７ｎｍ、Ｒ（赤）が６５６ｎｍである。
【００３３】
本実施例における拡大光学系１９のパラメータを表４に示す。
【００３４】
【表４】
0004883011.tif 000005
上記パラメータを持つ拡大光学系１９と、上述した投射光学系９およびフィルタホイール１１とを組み合わせると、コンバイナ１７から集光ポイントまでの距離は、ＲＧＢすべての色で−７５０．０ｍｍとなり、色収差が発生しなかった。アイポイントＡの位置をコンバイナ１７から７５０ｍｍの位置とすることにより、投射レンズ部７による絞りの像と観察者の眼が共役の関係となった。
【００３５】
比較例として、図６に示すように、基本的な構造は画像投影装置１と同様であるが、フィルタホイール１１に替えて、レンズ７Ａとレンズ７Ｂとの間に絞り３１を固定して配置した。このときの投射レンズ部７と絞り３１のパラメータを表５に示す。
【００３６】
【表５】
0004883011.tif 000006
上記投射レンズ部７を通過した光束が表４に示すパラメータの拡大光学系１９を通過すると、コンバイナ１７から集光点までの距離は、Ｂ＝−７１８．１ｍｍ，Ｂ＝−７５０．０ｍｍ，Ｒ＝−７６４．２ｍｍとなり、色収差による色ずれが発生した。
（３）発明の効果
本実施例の画像投影装置１では、上述したフィルタホイール１１のカラーフィルタ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃがｘ軸方向の絞りとして機能し、またその絞りの位置が上述したように色収差を相殺するように配置されているため、観察者は、色収差の少ない良好な画質を視認することができる。このように、ｘ軸方向の集光点を一致させると、特に左右の眼への光線の映り込みであるクロストークが致命的な問題となる、立体ディスプレイの場合に効果が大きい。
【００３７】
また、上述したカラーフィルタ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃは、投射レンズ部７による絞りの像と観察者の眼が共役の関係となるように配置されているため、観察者の眼に到達する光束は全ての色が同じ位置に集光する結果、映像の色バランスの崩れや、上述したクロストークの発生を低減し、カラーフィルタ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃの絞りによる色収差の相殺効果をより効果的に発揮することができる。
［第２の実施形態］
（１）画像投影装置の全体構成
第２の実施形態における画像投影装置１の構成は、基本的には前記第１の実施形態と同様であるが、開口ホイール３３を備える点において相違する。以下では、その相違点を中心に説明する。
【００３８】
図７は、第２の実施形態における表示素子５，投射レンズ部７，およびフィルタホイール１１，および開口ホイール３３を示す斜視図であり、図８は、上記構成の図１におけるｘ軸方向から見た側面図である。
【００３９】
開口ホイール３３は、図７および図８に示すように、レンズ７Ａとレンズ７Ｂとの間に取り付けられている。この開口ホイール３３は、回転軸３５に設けられた３つの扇形の羽根部３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃから構成されており、それぞれに開口部３７（３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃ）が配設されている。
【００４０】
この開口ホイール３３の回転軸３５は、投射レンズ部７の光軸２５と平行、かつ、光軸２５からｙ軸方向に所定距離ずれた位置に配置されている。開口ホイール３３は、開口ホイール３３の回転軸３５と光軸２５とを結ぶ直線が、フィルタホイール１１の回転軸２３と光軸２５とを結ぶ直線と直交する位置関係で配置されている。
【００４１】
開口ホイール３３を光源３から見ると、図９に示すように、開口ホイール３３全体としては円形となる。また、開口部３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃは、開口ホイール３３の円周方向が長手方向となるように形成されている。
【００４２】
羽根部３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃに形成された開口部３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃそれぞれは、カラーフィルタ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃとそれぞれ対応しており、対応するカラーフィルタ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ対して投射レンズ部７の光軸２５方向に関して隣接するように配置されている。また、開口ホイール３３は、図示しないモータにより、フィルタホイール１１のカラーフィルタ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃそれぞれと、カラーフィルタ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃそれぞれに対応する開口部３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃと、を同時に光束が通過するように回転する。
（２）画像投影装置の作用および発明の効果
本実施例においては、フィルタホイール１１のカラーフィルタ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃに加え、開口ホイール３３の開口部３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃが絞りとして機能する。なお、開口ホイール３３の回転軸３５は光軸２５からｙ軸方向にずれて配置されていることから、開口ホイール３３の円周方向は光軸２５上ではｙ軸方向に沿う方向となる。よって、開口ホイール３３の円周方向が長手方向となるように形成された開口部３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃは、投射レンズ部７のｙ軸方向の絞りとして機能する。
【００４３】
よって、ｘ軸方向のみ集光ポイントを一致させる実施形態１に比較して、より良好な画質を実現可能となる。
また、光束が開口部３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃおよびカラーフィルタ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃを通過するタイミングにおいて、そのカラーフィルタ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃと対応する開口部３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃが隣接する位置関係となるので、カラーフィルタ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃと開口部３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃとの絞りは光軸２５方向に関してほぼ同じ位置となる結果、ｘ軸方向とｙ軸方向との色収差の補正に対するずれを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】画像投影装置の構成を示す斜視図
【図２】表示素子，投射レンズ部，およびフィルタホイールを示す斜視図
【図３】表示素子，投射レンズ部，およびフィルタホイールを示す側面図
【図４】フィルタホイールを光軸方向から見た平面図
【図５】表示素子，投射レンズ部，およびフィルタホイールを光源から見た平面図
【図６】画像投影装置の比較例を示す斜視図
【図７】表示素子，投射レンズ部，フィルタホイール，および開口ホイールを示す斜視図
【図８】表示素子，投射レンズ部，フィルタホイール，および開口ホイールを示す側面図
【図９】表示素子，投射レンズ部，フィルタホイール，および開口ホイールを光源から見た平面図
【符号の説明】
【００４５】
１…画像投影装置、３…光源、５…表示素子、７…投射レンズ部、９…投射光学系、１１…フィルタホイール、１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ…羽根部、１３…スクリーン、１５…拡大レンズ、１７…コンバイナ、１９…拡大光学系、２１…虚像、２３…回転軸、２５…光軸、２７…カラーフィルタ、２７Ａ…青フィルタ、２７Ｂ…緑フィルタ、２７Ｃ…赤フィルタ、３１…絞り、３３…開口ホイール、３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ…羽根部、３５…回転軸、３７…開口部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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