CN101685199B - 光学引擎及其广角投影镜头模块 - Google Patents
光学引擎及其广角投影镜头模块 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种光学引擎及其广角投影镜头模块。该广角投影镜头模块包括一凸面非球面反射镜以及一折射透镜组。折射透镜组具有正折射能力,其中,以下公式(1)至(2)被满足:15<|Freflective/F|<25 公式(1);以及1.5<|Frefracfive/F|<2.0 公式(2),其中,F代表该广角投影镜头模块的焦距;Freflective代表该凸面非球面反射镜的焦距;Frefractive代表该折射透镜组的焦距。
Description
技术领域
本发明涉及一种广角投影镜头模块,特别是涉及一种具有短投射距离的广角投影镜头模块。
背景技术
数字投影已被广泛的应用以显示影音或是电子信号。数字投影机需要适当的显示装置,无论是用于教育、家庭、广告或是视讯会议等用途。
投射率(throw ratio)是决定一适当投影装置的重要参数。一般来说,投射率(throw ratio)一词可以被限定为投射距离除以画面尺寸(例如,画面宽度)。现有投影机的典型投射率大约等于2。然而,当显示装置的投影尺寸变大时,其厚度也随着投影尺寸增加。因此,针对大尺寸的显示装置,有降低投射率的必要。
发明内容
在一第一实施例中,本发明提供一种广角投影镜头模块,依序从一出光侧包括以下元件:
(a)一第一镜头组,具有一凸面非球面反射面;
(b)一第二镜头组,具有负折射能力,具有至少一非球面;
(c)一第三镜头组,具有大致上零折射能力,其中,该广角投影镜头模块的一孔径栏(aperture stop)位于该第三镜头组之中,或,邻近该第三镜头组;以及
(d)一第四镜头组,具有正折射能力,
其中,以下公式(1)至(4)被满足:
10<|F1/F|<30 公式(1);
4.0<|F2/F|<8.0 公式(2);
25<|F3/F|<50 公式(3);以及
3.5<|F4/F|<6 公式(4),
其中,F代表该广角投影镜头模块的焦距;F1代表该第一镜头组的焦距;F2代表该第二镜头组的焦距;F3代表该第三镜头组的焦距;F4代表该第四镜头组的焦距。
该第一实施例的广角投影镜头模块,其更满足以下公式(5):
|成像圆的直径/F|>4.5 公式(5)
其中,该成像圆的直径等于一后影像高度的两倍。
在第一实施例中,该广角投影镜头模块更具有一曝光率,该曝光率小于或大约等于F/2.8,且具有一有效焦距约为4毫米。
在第一实施例中,该第四镜头组包括至少四正镜头元件,且该第四镜头组的该多个正镜头元件的平均阿贝值(Abbe)大于70。
在第一实施例中,其中,该第四镜头组的该多个正镜头元件的平均阿贝值(Abbe)大于80。
在本发明第二实施例中,提供了一种广角投影镜头模块,依序从一出光侧包括以下元件:
(a)一第一镜头组,具有一凸面非球面反射面;
(b)一第二镜头组,具有负折射能力,具有至少一非球面;
(c)一第三镜头组,具有大致上零折射能力,其中,该广角投影镜头模块的一孔径栏位于该第三镜头组之中,或,邻近该第三镜头组;以及
(d)一第四镜头组,具有正折射能力,
其中,以下公式(1)至(4)被满足:
-25<(F1/F)<-15 公式(1);
5<(F2/F)<6 公式(2);
35<(F3/F)<40 公式(3);以及
-4.5<(F4/F)<-3.5 公式(4),
其中,F代表该广角投影镜头模块的焦距;F1代表该第一镜头组的焦距;F2代表该第二镜头组的焦距;F3代表该第三镜头组的焦距;F4代表该第四镜头组的焦距。
在该第二实施例中,该广角投影镜头模块更满足以下公式(5):
|成像圆的直径/F|>4.5 公式(5)
其中,该成像圆的直径等于一后影像高度的两倍。
本发明第三实施例提供了一种广角投影镜头模块,依序从一出光侧包括以下元件:
(a)一第一镜头组,具有一凸面非球面反射面;
(b)一第二镜头组,具有负折射能力,具有至少一非球面;
(c)一第三镜头组,具有大致上零折射能力,其中,该广角投影镜头模块的一孔径栏位于该第三镜头组之中,或,邻近该第三镜头组;以及
(d)一第四镜头组,具有正折射能力,
其中,以下公式(1)至(4)被满足:
15<|F1/F|<25 公式(1);
5.0<|F2/F|<7.0 公式(2);
35<|F3/F|<40 公式(3);以及
4.0<|F4/F|<4.5 公式(4),
其中,F代表该广角投影镜头模块的焦距;F1代表该第一镜头组的焦距;F2代表该第二镜头组的焦距;F3代表该第三镜头组的焦距;F4代表该第四镜头组的焦距。
第三实施例中,该广角投影镜头模块,其更满足以下公式(5):
任何主光束与光轴之间的夹角<5度 公式(5)。
第三实施例的广角投影镜头模块中,该第四镜头组包括至少四正镜头元件,且该第四镜头组的该多个正镜头元件的平均阿贝值(Abbe)大于70。
第三实施例的广角投影镜头模块中,该第四镜头组的该多个正镜头元件的平均阿贝值(Abbe)大于80。
本发明第四实施例提供了一种光学引擎,用于一显示装置,包括:
一光源,提供一光束;
一中继光学***;以及
一广角投影镜头模块,包括:
一第一镜头组,具有一凸面非球面折光镜,设于该广角投影镜头模块的一出光侧;
一第二镜头组,具有负折射能力,具有至少一非球面,其中,该光束从该光源行进经过该中继光学***以及该广角投影镜头模块,以产生一输出影像具有一半视场角约为65°,且该输出影像大致上没有畸变(distortion)。
本发明第四实施例中,该输出影像的一投影影像尺寸至少为50英寸(对角线长度),并且不需要梯形校正(keystone correction)。
本发明第四实施例中,该输出影像的一投影影像规格可以为4x3、5x3或16x9。
本发明第四实施例中,该第二镜头组包括一第一镜头元件以及一第二镜头元件,该第一镜头元件具有负折射能力,该第二镜头元件具有一非球面,其中,该第二透镜组的焦距与该广角投影镜头模块的焦距比率(F2/F)具有以下关系:
5<F2/F<6。
本发明第四实施例中,该广角投影镜头模块更包括一第三透镜组,邻近该第二透镜组,该第三透镜组具有折射能力,其中,该第三透镜组的焦距与该广角投影镜头模块的焦距比率(F3/F)具有以下关系:
35<F3/F<40。
本发明第四实施例中,该广角投影镜头模块更包括一第四透镜组,邻近该第三透镜组,该第四透镜组具有正折射能力,其中,该第四透镜组的焦距与该广角投影镜头模块的焦距比率(F4/F)具有以下关系:
-4.5<F4/F<-4。
本发明第四实施例中,该广角投影镜头模块更包括:
一第三镜头组,具有大致上零折射能力,其中,该广角投影镜头模块的一孔径栏位于该第三镜头组之中,或,邻近该第三镜头组;以及
一第四镜头组,具有正折射能力,
其中,以下公式(1)至(4)被满足:
15<|F1/F|<25 公式(1);
5.0<|F2/F|<7.0 公式(2);
35<|F3/F|<40 公式(3);以及
4.0<|F4/F|<4.5 公式(4),
其中,F代表该广角投影镜头模块的焦距;F1代表该第一镜头组的焦距;F2代表该第二镜头组的焦距;F3代表该第三镜头组的焦距;F4代表该第四镜头组的焦距。
本发明第五实施例提供了一种广角投影镜头模块,包括:
一凸面非球面反射镜;以及
一折射透镜组,具有正折射能力,
其中,以下公式(1)至(2)被满足:
15<|Freflective/F|<25 公式(1);以及
1.5<|Frefractive/F|<2.0 公式(2),
其中,F代表该广角投影镜头模块的焦距;Freflective代表该凸面非球面反射镜的焦距;Frefractive代表该折射透镜组的焦距。
本发明第五实施例中,该广角投影镜头模块更满足以下公式(3):
|成像圆的直径/F|>4.5 公式(3)
其中,该成像圆的直径等于一后影像高度的两倍。
本发明第五实施例中,该广角投影镜头模块更满足以下公式(3):
|d/F|>10 公式(3)
其中,d代表该凸面非球面反射镜与一第一折射透镜(L2)表面的距离。
本发明的广角投影镜头模块应用一紧密的投影镜头,具有较短的路径距离,因此,最小化一光学引擎所需要的空间。
附图说明
图1是显示本发明一实施例的广角投影镜头模块;
图2A是显示该实施例的一投影光路的前视图;
图2B是显示该第一镜头元件的一实施例;
图2C是显示该实施例的投影光路的侧视图;以及
图3是显示本发明实施例的一光学引擎。
主要元件符号说明
1~广角投影镜头模块
G1~第一镜头组
G2~第二镜头组
G3~第三镜头组
G4~第四镜头组
L1~第一镜头元件
L2~第二镜头元件
L3~第三镜头元件
10~光学引擎
12~光源
15~中继元件
16~成像器
1’~广角投影镜头模块
151~聚焦元件
152~平板折光镜
153~棱镜
具体实施方式
图1是显示本发明一实施例的广角投影镜头模块1,其包括四个镜头组(从一出光侧排序):一第一镜头组G1、一第二镜头组G2、一第三镜头组G3、以及一第四镜头组G4。「出光侧」是指该广角投影镜头模块1的具有一大非球面反射折光镜(第一镜头组G1)的那一侧。
如图1所显示的,该第一透镜组G1包括一第一镜头元件L1,其为一非球面反射镜。特别是,该第一透镜组G1为一凸面非球面镜。该第一镜头组G1中的F1/F比值可以为-30<F1/F<-10,其中,F1代表该第一镜头组的焦距,F代表该广角投影镜头模块的焦距,该第一镜头组G1提供一负折射能力。该第二镜头组G2包括一第二镜头元件L2以及一第三镜头元件L3,该第二镜头元件L2具有负折射能力,该第三镜头元件L3具有一非球面。较佳地,该第二镜头组G2具有负折射能力。该第二镜头组G2中的F2/F比值可以为4.0<F2/F<8.0,其中,F2代表该第二镜头组的焦距。该第三透镜组G3包括三个透镜元件,其通过粘着材料贴附或是胶合。该第三镜头组G3大致上具有些微的折射能力。较佳地,该第三镜头组G3稍稍具有负折射能力。该第三镜头组G3中的F3/F比值可以为25<F3/F<50,其中,F3代表该第三镜头组的焦距。在此例子中,该广角投影镜头模块1的一孔径栏位于该第三镜头组G3之中或,邻近该第三镜头组G3。该第四镜头组G4包括六个透镜元件。特别是,该第四镜头组G4具有正折射能力。该第四镜头组G4中的F4/F比值可以为3.5<|F4/F|<6.0,其中,F4代表该第四镜头组的焦距。
该第一镜头组G1较佳为一凸面非球面镜,特别是一高阶非球面折光镜,相对于一光轴,具有可旋转对称性。该折光镜表面的非球面轮廓降低了该广角投影镜头模块1的畸变。例如,该第一镜头元件L1,位于邻近该出光侧,可具有四组镜头组中最大的直径。在一变形例中,该第一镜头组G1的该第一镜头元件L1具有充分大的直径以将一影像投影至一大区域,例如,具有半视场角大于60°,较佳大于70°,最佳约为68°,朝出光侧的方向,大致上没有畸变。
在一实施例中,该第一镜头组的该第一镜头元件L1的直径大于300mm并小于350mm。在一变形例中,该第一镜头元件L1的直径为316mm。因此,该第一镜头元件可提供大约120°至140°的视场。
该第一镜头元件L1可以为一反射镜,仅有单一非球面反射面,其可降低畸变效果,并提供大视场。该非球面的形状可以由以下公式所限定:
其中,Z代表距离***光轴一距离r的位置的表面凹陷(surface sag),c代表镜片位于光轴的曲率(1/mm),r代表径向座标(mm),k代表圆锥常数,α2代表二阶项的参数,α4代表四阶项的参数,α6代表六阶项的参数,α8代表八阶项的参数,α10代表十阶项的参数,α12代表十二阶项的参数。
如图1、图2A以及图2C所显示的,搭配参照图2B,该第一镜头元件L1在前投影影用时的使用区域位于一离轴(off-axial)位置,也因此该第一镜头元件L1的外孔径形状较佳为矩形(约为125mm×165mm)或是梯形(具有高度125.2mm,顶部宽度为120mm,以及底部宽度为165mm)。在一方面,该第一镜头元件可以为光学迭合抛光的玻璃或金属,例如铜或是铝。其也可以通过将聚合物模具成形,例如甲基丙烯酸酯聚合物(PMMA)或是丙烯酸聚合物。
在一变形例中,该第一镜头元件具有稍微的曲面并具有一致的厚度。
该第二镜头元件G2较佳具有负折射能力。在一实施例中,该第二镜头元件G2包括多个透镜元件。例如,该第二镜头元件L2邻近于该出光侧,具有该第二镜头组G2的透镜中最大的直径。
在一变形例中,该第二镜头元件L2的直径介于60mm以及70mm之间,较佳为63mm。
参照图1,该第二镜头组G2更包括该第三镜头元件L3,具有至少一非球面。该非球面可降低畸变,并仍提供大视场。在一方面,该第三镜头元件L3可以为光学聚合物,具有折射系数约1.49以及阿贝值(Abbe)约为57.2,例如甲基丙烯酸酯聚合物(PMMA)。该非球面的形状也可以由上述等式I所限定。
该第二镜头元件L2表面的曲率半径大致上等于该第三镜头元件L3的相对应表面的曲率半径。
在一变形例之中,该第二镜头元件G2包括二弯月形并彼此套迭的元件,一第一弯月形元件的材质为玻璃,一第二弯月形元件的材质为塑胶。
在另一实施例中,该第三镜头元件L3为一半球形非球面透镜,具有大致上均匀的厚度。该半球形设计可减少热量累积所产生的问题,并且容易制造。
在一变形例中,该第二镜头元件L2以及该第三镜头元件L3由模具成形为一单一元件。特别是,该第二镜头元件L2以及该第三镜头元件L3的材质不同。例如,该第二镜头元件L2可以为一玻璃元件,该第三镜头元件L3可以为塑胶(例如,PMMA)元件。
在另一实施例中,该第二镜头组G2可以为一单一元件(例如,单一的PMMA元件),具有单一非球面,或,具有两个非球面。
如图1所显示的,该第三镜头组G3大致上具有微小的折射能力。该第三镜头组G3包括多个透镜元件。该广角投影镜头组的孔径栏可以位于该第三镜头组G3或邻近该第三镜头组G3。
在一实施例中,该第三镜头组G3的所有透镜元件具有球面。该第三镜头组G3包括一胶合三件式套件以控制球面畸变以及慧星像差(coma)。
在另一实施例中,该第三镜头组G3提供一较长的有效焦距。
在另一实施例中,一两件式套件可以被应用于该第三镜头组G3之中,其可包括一非球面。
该第四镜头组G4可以具有正折射能力,且该第四镜头组G4中的所有透镜元件可以具有球面。该第四镜头组G4提供色彩畸变校正(例如,主色散以及次色散的补偿)。
在图1所显示的实施例中,该广角投影镜头模块具有有效的整体焦距-4.35mm,并于出光侧方向具有一半视场角68.2°,曝光率约等于F/2.8。该第一镜头组G1具有有效焦距92.6mm,该第二镜头组G2具有有效焦距-26.4mm,该第三镜头组G3具有一有效焦距-164.4mm,该第四镜头组G4具有一有效焦距18.5mm。在此例子中,该投影镜头具有总路径约为156mm。
此外,该投影镜头可以被限定为两个群组。其中一组是反射组(Greflective),其为一凸面非球面折光镜,而另一组是折射组(Grefractive)。该反射组Greflective具有有效焦距92.6mm,该折射组Grefractive具有有效焦距7.66mm。
图3是显示本发明一实施例的光学引擎10,包括下述元件:一光源12、一积分元件14、一中继元件15、一成像器16以及一广角投影镜头模块1’。该光源12可以为一弧光灯(具有反射器),或是发光二极管(LED)光源。该积分元件14可以为一积分通道或是一积分透镜阵列,或是,被省略。该中继元件15包括一聚焦元件151、一平板折光镜152以及一棱镜153。在该图3中,当该棱镜153为一全积分反射(TIR)棱镜,该成像器16为一反射成像器,例如数字照明处理器(DLP)以及一硅基液晶元件(LCOS)。当该棱镜153为一合光棱镜(X-tube),该成像器可以为一传递型成像器,例如液晶显示装置(LCD)。图3显示了一光学引擎应用于一投影显示***。光学引擎的每一元件以下将被仔细讨论。
该光源12包括一灯泡单元、一滤光片(例如一红外线以及/或紫外线遮挡滤光片)以及一色彩分离手段。在一实施例中,该灯泡单元包括一反射器以及一灯泡。
该积分单元14用于调整光密度分布,以改善光的均匀度。然而,某些光源例如发光二极管(LED)可以具有充分的均匀度,也因此可省略积分元件。
在一实施例中,该中继元件15可用于接续该通道端部或该多个发光二极管于该成像器16之上。在图3中,一非球面聚焦面可用于改善中继影像的锐利度。
该成像器16可以为一XGA数字微镜装置(DMD),具有一对角长度约为14mm。或,一传递或是反射液晶显示器(LCD)可以被当作成像器。在一实施例中,该成像器的表面大致上平行于一投影荧幕的表面。
本发明实施例的光学引擎具有一V形布局、一Z形布局、一T形布局或是一L形布局,端视该成像器或是照明***的形式而定。如一广角/短投射型光学引擎可提供一大区域的影像,例如,具有半视场角大于50°,较佳大于60°,更佳大于70°,其投影距离可以较传统的前投影显示装置短。例如,当应用一0.55”成像器时,该投影距离可以为23英寸,且该影像对角尺寸可以约等于77英寸。该投影距离可以通过调整荧幕对角尺寸或是影像格式而变化。
此外,该光学引擎可以被设计为仅需要微小的或不需要梯形校正,当消除畸变时。例如,投影影像的畸变数值可以小于或等于2%,较佳的,小于或等于1%,更佳为小于或等于0.5%(例如,其中畸变(d)可以限定为d=(H-h)/h*100,其中,h代表近轴影像高度,且H代表实际影像高度)。
在一光学引擎的例子中,当使用简化的TIR部件,可得到低价、短投射距离的前投影显示器装置设计。大尺寸(例如,大于40英寸(对角))影像可以从在短距离的情况下取得,并具有最大程度的离轴位置,并同时维持显示器的薄度。此外,该光学引擎大致上没有畸变,并仅需要微小的或不需要梯形校正。
虽然结合以上具体的较佳实施例揭露了本发明,然而其并非用以限定本发明,任何熟悉此技术者,在不脱离本发明的精神和范围内,可作一些的更动与润饰,因此本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。
Claims (22)
1.一种广角投影镜头模块,依序从一出光侧包括以下元件:
(e)第一镜头组,具有一凸面非球面反射面;
(f)第二镜头组,具有负折射能力,具有至少一非球面;
(g)第三镜头组,具有大致上零折射能力,其中,该广角投影镜头模块的一孔径栏(aperture stop)位于该第三镜头组之中,或,邻近该第三镜头组;以及
(h)第四镜头组,具有正折射能力,
其中,以下公式(1)至(4)被满足:
10<|F1/F|<30 公式(1);
4.0<|F2/F|<8.0 公式(2);
25<|F3/F|<50 公式(3);以及
3.5<|F4/F|<6 公式(4),
其中,F代表该广角投影镜头模块的焦距;F1代表该第一镜头组的焦距;F2代表该第二镜头组的焦距;F3代表该第三镜头组的焦距;F4代表该第四镜头组的焦距。
2.如权利要求1所述的广角投影镜头模块,其中,该广角投影镜头模块被整合于一前投影显示***之中。
3.如权利要求1所述的广角投影镜头模块,其中,该广角投影镜头模块被整合于一后投影显示***之中。
4.如权利要求1所述的广角投影镜头模块,其中,该第一镜头组包括一可旋转对称凸面非球面折光镜。
5.如权利要求1所述的广角投影镜头模块,其中,该第二镜头组包括一第一镜头元件以及一第二镜头元件,该第一镜头元件的一第一表面的曲率半径大致上等于该第二镜头元件的一第二表面的曲率半径,且该第一表面接触该第二表面。
6.如权利要求1所述的广角投影镜头模块,其还满足以下公式(5):
|成像圆的直径/F|>4.5 公式(5)
其中,该成像圆的直径等于一后影像高度的两倍。
7.如权利要求1所述的广角投影镜头模块,还具有一曝光率,该曝光率小于或大约等于F/2.8,且具有一有效焦距约为4毫米。
8.如权利要求1所述的广角投影镜头模块,其中,该第二镜头组包括二弯月形镜头元件,该二弯月形镜头元件彼此套迭。
9.如权利要求1所述的广角投影镜头模块,其中,该第三镜头组包括至少二胶合镜头元件(cement lens elements)。
10.如权利要求1所述的广角投影镜头模块,其中,该第四镜头组包括至少四正镜头元件,以及至少二负镜头元件。
11.如权利要求1所述的广角投影镜头模块,其中,该第四镜头组包括至少四正镜头元件,且该第四镜头组的该至少四正镜头元件的平均阿贝值(Abbe)大于70。
12.如权利要求11所述的广角投影镜头模块,其中,该第四镜头组的该至少四正镜头元件的平均阿贝值(Abbe)大于80。
13.一种广角投影镜头模块,依序从一出光侧包括以下元件:
(e)第一镜头组,具有一凸面非球面反射面;
(f)第二镜头组,具有负折射能力,具有至少一非球面;
(g)第三镜头组,具有大致上零折射能力,其中,该广角投影镜头模块的一孔径栏位于该第三镜头组之中,或,邻近该第三镜头组;以及
(h)第四镜头组,具有正折射能力,
其中,以下公式(1)至(4)被满足:
-25<(F1/F)<-15 公式(1);
5<(F2/F)<6 公式(2);
35<(F3/F)<40 公式(3);以及
-4.5<(F4/F)<-3.5 公式(4),
其中,F代表该广角投影镜头模块的焦距;F1代表该第一镜头组的焦距;F2代表该第二镜头组的焦距;F3代表该第三镜头组的焦距;F4代表该第四镜头组的焦距。
14.如权利要求13所述的广角投影镜头模块,其还满足以下公式(5):
|成像圆的直径/F |>4.5公式(5)
其中,该成像圆的直径等于一后影像高度的两倍。
15.一种广角投影镜头模块,依序从一出光侧包括以下元件:
(e)第一镜头组,具有一凸面非球面反射面;
(f)第二镜头组,具有负折射能力,具有至少一非球面;
(g)第三镜头组,具有大致上零折射能力,其中,该广角投影镜头模块的一孔径栏位于该第三镜头组之中,或,邻近该第三镜头组;以及
(h)一第四镜头组,具有正折射能力,
其中,以下公式(1)至(4)被满足:
15<|F1/F|<25 公式(1);
5.0<|F2/F|<7.0 公式(2);
35<|F3/F|<40 公式(3);以及
4.0<|F4/F|<4.5 公式(4),
其中,F代表该广角投影镜头模块的焦距;F1代表该第一镜头组的焦距;F2代表该第二镜头组的焦距;F3代表该第三镜头组的焦距;F4代表该第四镜头组的焦距。
16.如权利要求15所述的广角投影镜头模块,其还满足以下公式(5):
任何主光束与光轴之间的夹角<5度公式(5)。
17.如权利要求15所述的广角投影镜头模块,其中,该广角投影镜头模块被整合于一前投影显示***。
18.如权利要求15所述的广角投影镜头模块,其中,该第一镜头组包括单一可旋转对称凸面非球面折光镜。
19.如权利要求15所述的广角投影镜头模块,其中,该第二镜头组包括第一弯月形镜头元件以及一第二弯月形镜头元件,该第一弯月形镜头元件套迭该第二弯月形镜头元件。
20.如权利要求15所述的广角投影镜头模块,其中,该第三镜头组包括至少二胶合镜头元件(cement lens elements)。
21.如权利要求15所述的广角投影镜头模块,其中,该第四镜头组包括至少四正镜头元件,且该第四镜头组的该至少四正镜头元件的平均阿贝值(Abbe)大于70。
22.如权利要求21所述的广角投影镜头模块,其中,该第四镜头组的该多个正镜头元件的平均阿贝值(Abbe)大于80。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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