DE10060364A1 - Diffusor und Beleuchtungseinheit mit mindestens einer Lichtquelle und einem Diffusor - Google Patents
Diffusor und Beleuchtungseinheit mit mindestens einer Lichtquelle und einem DiffusorInfo
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Abstract
Um bei einem Diffusor bzw. einer einen solchen Diffusor aufweisenden Beleuchtungseinheit eine möglichst gleichmäßige Lichtverteilung bei geringstmöglichen Lichtverlusten zu erreichen und eine möglichst hohe Lichtausbeute zu erzielen bzw. die Lichtfarben einstellen zu können, besteht der Diffusor aus einem lichtführenden Körper (21), der Volumenelemente (22) mit unterschiedlichen Brechungsindizes zur Lichtstreuung sowie Leuchtstoffpartikel (24) zur Umsetzung insbesondere von ultraviolettem Licht in sichtbares Licht enthält.
Description
Flache Beleuchtungseinheiten, die ihr Licht gleichmäßig über
eine größere Lichtabstrahlfläche abgeben, werden insbesondere
als Hintergrundbeleuchtung (backlight) für Anzeigeeinheiten
mit nicht selbstleuchtenden Anzeigeelementen, z. B. Flüssig
kristalldisplays benötigt.
Bei den sogenannten back-lit backlights sind Lichtquellen,
insbesondere Leuchtstofflampen, hinter einem als Streuscheibe
oder -folie ausgebildeten Diffusor angeordnet, während bei
den sogenannten edge-lit backlights die Lichtquellen im
Bereich mindestens einer Schmalseite des Diffusors angeordnet
sind, der über eine seiner Hauptseiten das Licht gleichmäßig
verteilt abstrahlt. Der Diffusor eines aus der US-A-5 542 017
bekannten edge-lit backlights besteht hierzu aus einer licht
führenden Platte, die Volumenelemente mit unterschiedlichen
Brechungsindizes enthält, wodurch die gleichmäßige Verteilung
des seitlich in die Platte eingestrahlten Lichts erreicht
wird.
Bei den Leuchtstofflampen handelt es sich üblicherweise um
Gasentladungslampen mit Quecksilberdampffüllung, deren unmit
telbar erzeugtes ultraviolettes Licht durch eine Leuchtstoff
schicht an der Lampeninnenwand in sichtbares weißes Licht um
gesetzt wird. Aus der US-A-5 579 134 ist eine Beleuchtungs
einrichtung bekannt, bei der Gasentladungslampen ohne Leucht
stoffschicht zum Einsatz kommen und die Umsetzung des von den
Gasentladungslampen erzeugten ultravioletten Lichts in weißes
Licht an Leuchtstoff-Flächen außerhalb der Gasentladungslam
pen erfolgt.
Eine aus der US-A-5 813 753 bekannte Beleuchtungseinheit
weist eine ultraviolettes oder blaues Licht abstrahlende
Leuchtdiode auf, die zur Lichtverteilung in einem homogen
transparenten Material mit einer darin ausgebildeten Licht
abstrahlfläche eingebettet ist. Um ultraviolette Lichtanteile
in sichtbares Licht umzusetzen bzw. die Farbe des über die
Lichtabstrahlfläche abgestrahlten Lichts einstellen zu kön
nen, sind in dem transparenten Material Leuchtstoffpartikel
räumlich verteilt, die das ultraviolette bzw. blaue Licht der
Leuchtdiode in sichtbares Licht mit bestimmter Farbe umset
zen. Außerdem wird durch die Leuchtstoffpartikel in dem
transparenten Material eine Lichtstreuung erzielt, so dass
der durch Totalreflexion an der Lichtabstrahlfläche in dem
transparenten Material gefangene Lichtanteil verringert und
der über die Lichtabstrahlfläche abgestrahlte Lichtanteil
vergrößert wird.
Aus der US-A-5 418 062 ist es schließlich bekannt, Leucht
stoffpartikel durch Beschichtung mit einem Metalloxid vor
Umgebungseinflüssen, insbesondere Feuchtigkeit zu schützen.
Damit die Metalloxidschicht lichtdurchlässig ist, muss sie
sehr dünn sein (verzugsweise 0,1 µm bis 3 µm).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Diffusor
bzw. einer einen solchen Diffusor enthaltenden Beleuchtungs
einheit eine möglichst gleichmäßige Lichtverteilung bei ge
ringstmöglichen Lichtverlusten und höchstmöglicher Lichtaus
beute zu erreichen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch den in Anspruch 1
angegebenen Diffusor bzw. die in Anspruch 5 angegebene Be
leuchtungseinheit gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Diffusors
und der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit sind den Unter
ansprüchen zu entnehmen.
Der lichtführende Körper des Diffusors enthält Volumenelemen
te mit unterschiedlichen Brechungsindizes zur gleichmäßigen
Lichtverteilung. Die Volumenelemente mit ihren jeweiligen
Granzflächen sind statistisch gleichmäßig in dem lichtfüh
renden Körper verteilt, so dass in den Körper eingekoppeltes
und von diesem geführtes Licht durch optische Brechung
gleichmäßig verteilt wird. Die Lichtstreuung wird also nicht
durch Absorption erzielt, so dass auch keine Absorptions
verluste auftreten. Bei Leuchtstofflampen oder bei Gasentla
dungslampen mit außerhalb der Lampen angeordneten Leucht
stoff-Flächen wird immer nur ein Teil des unmittelbar erzeug
ten ultravioletten Lichts in sichtbares, vorzugsweise weißes,
Licht umgesetzt. Andere Lichtquellen geben ihr Licht in einer
Farbe ab, die möglicherweise nicht mit der gewünschten Licht
farbe übereinstimmt. Durch die in dem lichtführenden Körper
enthaltenen Leuchtstoffpartikel werden Lichtanteile mit kür
zerer Wellenlänge, insbesondere ultraviolette Lichtanteile,
zumindest teilweise in sichtbares Licht vorgegebener Farbe
umgesetzt, wobei jedoch aufgrund der räumlichen Verteilung
der Leuchtstoffpartikel in dem lichtführenden Körper eine
wesentliche effektivere Lichtumsetzung und -verteilung er
reicht wird, als dies bei einer Anordnung derselben Leucht
stoffpartikel innerhalb einer Leuchtstoff-Fläche oder in
einem homogen transparenten Material der Fall wäre. Der Grund
hierfür ist, dass die Lichtumsetzung an statistisch gleich
mäßig in dem lichtführenden Körper verteilten Stellen, näm
lich an den Stellen der Leuchtstoffpartikel, erfolgt, wobei
sowohl das umzusetzende, z. B. ultraviolette, Licht als auch
das an den Leuchtstoffpartikeln umgesetzte Licht durch
Brechung an den Grenzflächen der Volumenelemente besonders
gleichmäßig und verlustarm in dem lichtführenden Körper
verteilt wird. Die Konzentration der Leuchtstoffpartikel in
dem lichtführenden Körper ist von dem Anteil des umzusetzen
den Lichts abhängig. So ist z. B. bei der Verwendung von
Leuchtstofflampen dieser Anteil vergleichsweise gering, wes
wegen auch die Konzentration der Leuchtstoffpartikel in dem
lichtführenden Körper entsprechend gering gehalten werden
kann, so dass einerseits möglichst viel von dem ultraviolet
ten Restlicht in sichtbares Licht umgesetzt wird, anderer
seits aber die durch die Leuchtstoffpartikel verursachte
Absorption in dem ansonsten absorptionsfreien lichtführenden
Körper möglichst gering ist. Bei Gasentladungslampen ohne
Leuchtstoffschicht wird die Konzentration der Leuchtstoff
partikel in dem lichtführenden Körper wesentlich größer sein,
wobei dann insbesondere auf eine Leuchtstoff-Fläche zwischen
den Gasentladungslampen und dem lichtführenden Körper ver
zichtet werden kann bzw. diese Leuchtstoff-Fläche zur Mini
mierung von Absorptionsverlusten so dünn wie möglich ausge
bildet werden kann.
Die Leuchtstoffpartikel können zusammen mit den Volumenele
menten in den lichtführenden Körper eingebracht werden. Vor
zugsweise sind jedoch die Leuchtstoffpartikel in zumindest
einem Teil der Volumenelemente eingekapselt, wodurch zum
einen die Herstellung des lichtführenden Körpers vereinfacht
wird und zum anderen dessen lichtführenden Eigenschaften
verbessert werden. Aufrund der Einkapselung der Leuchtstoff
partikel in die transparenten Volumenelemente ergibt sich
nämlich eine gleichmäßige Abstrahlung des von dem betreffen
den Leuchtstoffpartikel erzeugten Lichts über die äußere
Grenzfläche des Volumenelements.
Die Volumenelemente können beispielsweise in der Weise aus
gebildet werden, dass unterschiedliche transparente Mate
rialien durch Mischen oder Kneten zu dem lichtführenden
Körper zusammengefügt werden. Vorzugsweise sind jedoch die
Volumenelemente statistisch verteilt in einem transparenten
Trägermaterial des lichtführenden Körpers angeordnet, wobei
die Brechungsindizes der Volumenelemente von dem Brechungs
index des Trägermaterials verschieden sind.
Der Brechungsindex der die Leuchtstoffpartikel enthaltenden
Volumenelemente ist vorzugsweise größer als der der anderen
Volumenelemente oder des Trägermaterials, so dass das umzu
setzende Licht bevorzugt zu dem Leuchtstoffpartikeln gelangt
und nicht an der Grenzfläche der die Leuchtstoffpartikel ent
haltenden Volumenelemente totalreflektiert wird.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf
die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im einzelnen zeigen
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsge
mäßen Beleuchtungseinheit als edge-lit backlight
mit Leuchtstofflampen,
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsge
mäßen Beleuchtungseinheit als back-lit backlight
mit Leuchtstofflampen,
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsge
mäßen Beleuchtungseinheit mit Gastentladungslampen
ohne Leuchtstoffschicht und
Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Beleuchtungs
einheit mit Leuchtdioden.
Die in Fig. 1 gezeigte Beleuchtungseinheit weist als Diffu
sor einen plattenförmigen lichtführenden Körper 1 auf, der
eine Vielzahl von Volumenelementen 2 mit unterschiedlichen
Brechungsindizes zur Lichtstreuung enthält. Darüber hinaus
enthält der lichtführende Körper 1 statistisch gleichmäßig
verteilte Leuchtstoffpartikel 3 zur Umsetzung von ultravio
letter Strahlung in weißes Licht. Zur Bildung des lichtfüh
renden Körpers 1 können die Volumenelemente 2 zusammen mit
den Leuchtstoffpartikeln 3 gemischt und verknetet werden. Die
Leuchtstoffpartikel 3 können dabei zuvor in zumindest einen
Teil der Volumenelemente 2 eingekapselt werden. Die Beleuch
tungseinheit ist als edge-lit backlight ausgebildet, bei dem
an einer Schmalseite 4 des plattenförmigen lichtführenden
Körpers 1 eine Leuchtstofflampe 5 mit einem Reflektor 6 ange
ordnet ist, so dass das von der Leuchtstofflampe 5 gestrahlte
Licht möglichst vollständig über die Schmalseite 4 in den
lichtführenden Körper 1 eingestrahlt wird. Wie gestrichelt
angedeutet ist, kann auch an der gegenüberliegenden Schmal
seite 7 eine Leuchtstofflampe 8 mit Reflektor 9 angeordnet
sein. Das seitlich in den lichtführenden Körper 1 einge
strahlte Licht wird aufgrund der Volumenelemente 2 mit den
unterschiedlichen Brechungsindizes gleichmäßig in dem Körper
1 verteilt, wobei die Lichtstreuung durch unterschiedliche
Brechung an den Grenzflächen der Volumenelemente 2 erfolgt,
ohne dass es dabei zu einer Absorption des Lichtes kommt. Zur
Auskopplung des in dem lichtführenden Körper 1 gleichmäßig
gestreuten Lichts ist eine als Lichtabstrahlfläche 10 die
nende Hauptseite des plattenförmigen Körpers 1 mit einer
Gitterstruktur 11 versehen, an der die Totalreflexion des
Lichts innerhalb des Körpers 1 gestört wird, so dass das
Licht an der Lichtabstrahlfläche 10 aus den lichtführenden
Körper 1 in gleichmäßiger Verteilung austreten kann. Anstelle
der Gitterstruktur 11 können auch vergleichbare Strukturen,
wie z. B. Mikroprismen, vorgesehen werden. Alle anderen, nicht
zur Lichteinkopplung bzw. Lichtauskopplung dienenden Seiten,
z. B. 12, des lichtführenden Körpers 1 sind verspiegelt, um
das Austreten von Licht aus dem lichtführenden Körper 1 zu
verhindern.
In den Leuchtstofflampen 5 und 8 wird durch elektrische
Gasentladung in einer Quecksilberdampfatmosphäre ultravio
lettes Licht erzeugt, welches an Leuchtstoffschichten auf den
Lampeninnenwänden in weißes Licht umgesetzt wird. Diese Um
setzung ist jedoch unvollständig, so dass ein verbleibender
Anteil des ultravioletten Lichts die Leuchtstofflampen 5 und
8 verlässt. Dieser nicht genutzte ultraviolette Lichtanteil
könnte durch Aufbringung von Leuchtstoffen auf den Reflekto
ren 6 und 9 oder auf den verspiegelten Seiten, z. B. 12, des
lichtführenden Körpers 1 zumindest teilweise in sichtbares
Licht umgesetzt werden. Eine solche Beschichtung der Reflek
toren bzw. verspiegelten Seiten des lichtführenden Körpers
ist jedoch mit einer unerwünschten Absorption des von diesen
zu reflektierenden Lichts verbunden. Im Unterschied dazu ist
die Absorptionswirkung durch die in dem lichtführenden Körper
1 statistisch gleichmäßig verteilten Leuchtstoffpartikel 3
relativ gering. Außerdem erfolgt die Umsetzung des ultravio
letten Lichts an statistisch gleichmäßig verteilten Stellen,
nämlich den Stellen der Leuchtstoffpartikel 3, innerhalb des
lichtführenden Körpers 1, was insgesamt zu einer gleich
mäßigen Lichtverteilung innerhalb des Körpers 1 und damit zur
gleichmäßigen Lichtabstrahlung über die Lichtabstrahlfläche 10
beiträgt.
Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungs
gemäßen Beleuchtungseinheit ist als back-lit backlight ausge
bildet und weist ebenfalls Leuchtstofflampen 20 und als Dif
fusor für das von diesen abgestrahlte Licht einen platten
förmigen lichtführenden Körper 21 auf, bei dem Volumenele
mente 22 mit einem bestimmten Brechungsindex in einem Träger
material 23 mit einem davon verschiedenen Brechungsindex
statistisch gleichmäßig verteilt angeordnet sind. In einem
Teil der Volumenelemente 22 sind Leuchtstoffpartikel 24 zur
Umsetzung von ultravioletten Lichtanteilen in sichtbares
Licht eingekapselt. Eine der beiden Hauptseiten des platten
förmigen Körpers 21 dient als Lichtabstrahlfläche 25 für das
Licht, welches von den Leuchtstofflampen 20 auf der davon
abgewandten Hauptseite 26 in den lichtführenden Körper 21
eingekoppelt und von diesem durch Brechung an den Grenz
flächen zwischen den Volumenelementen 22 und dem transpa
renten Trägermaterial 23 gleichmäßig gestreut wird. Zur
besseren Lichteinkopplung sind die Leuchtstofflampen 20 in
Vertiefungen 27 des lichtführenden Körpers 21 angeordnet. Den
Öffnungen der Vertiefungen 27 liegt eine diffus reflektie
rende Fläche 28 gegenüber, die auf dem Boden eines den licht
führenden Körper 21 mit den Leuchtstofflampen 22 aufnehmenden
Lichtkastens 29 ausgebildet ist. Die den Schmalseiten des
lichtführenden Körpers 21 gegenüber liegenden Innenseiten 30
des Lichtkastens 29 sind ebenfalls diffus reflektierend aus
gebildet.
Ultraviolette Lichtanteile, die innerhalb der Leuchtstoff
lampen 20 nicht in sichtbares Licht umgesetzt werden, werden
zumindest teilweise von den in den Volumenelementen 22 einge
kapselten Leuchtstoffpartikeln 24 in sichtbares Licht umge
setzt. Darüber hinaus können auch die Innenflächen des Licht
kastens 29, hier z. B. die diffus reflektierende Fläche 28,
als Leuchtstoff-Fläche 31 ausgebildet sein, indem auf der
lichtreflektierenden Fläche 28 transparente Kapseln 32 mit
darin eingebetteten Leuchtstoffpartikeln 33 aufgebracht sind.
Die Kapselung dient dabei zum Schutz der Leuchtstoffpartikel
33 gegenüber Umgebungseinflüssen. Über den Lichtkasten 29
wird die von den Leuchtstofflampen 20 erzeugte Wärme abge
führt, so dass die Leuchtstofflampen 20 innerhalb eines für
sie optimalen Temperaturarbeitsbereichs betrieben werden kön
nen. Außerdem wird durch die Wärmeabfuhr auch eine Überhit
zung der Leuchtstoffpartikel 33 vermieden, was insbesondere
bei temperaturempfindlichen organischen Leuchtstoffen von
Bedeutung ist. Die Wärmeabfuhr kann, wie hier gestrichelt
angedeutet ist, durch einen Kühlkörper 34 an dem Lichtkasten
29 verbessert werden.
Bei der Fig. 3 gezeigten Beleuchtungseinheit sind Gasentla
dungslampen 35 ohne Leuchtstoffschicht vorgesehen, die ultra
violette Strahlung erzeugen und abgeben. Diese wird außerhalb
der Gasentladungslampen 35 in sichtbares Licht umgesetzt. Da
zu enthält ein als Diffusor dienender lichtführender Körper
36 Volumenelemente 37 mit unterschiedlichen Brechungsindizes,
wobei in den Volumenelementen 37 Leuchtstoffpartikel 38 ein
gekapselt sind. Dabei ist die in dem lichtführenden Körper 36
enthaltene Konzentration von Leuchtstoffpartikeln 38 höher,
als bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2,
weil dort nur vergleichsweise geringe ultraviolette Lichtan
teile in sichtbares Licht umzusetzen sind. Der lichtführende
Körper 36 ist zusammen mit den Gasentladungslampen 35 in ei
nem Gehäuse 39 angeordnet, dessen Innenwände als Leuchtstoff-
Flächen 40 ausgebildet sind und das auf die treffende ultra
violette Licht der Gasentladungslampen 35 in sichtbares Licht
umsetzen. Außerdem kann zwischen den Gasentladungslampen 35
und dem lichtführenden Körper 36, hier auf der den Gasentla
dungslampen 35 zugewandten Seite des lichtführenden Körpers
36, eine weitere Leuchtstoff-Fläche 41 ausgebildet sind, die
dann im Hinblick auf die in dem lichtführenden Körper 36
bereits vorhandenen Leuchtstoffpartikel 38 so dünn wie mög
lich ausgebildet ist und vorzugsweise aus einer einzigen Lage
von transparenten Kapseln 42 mit darin eingebetteten
Leuchtstoffpartikeln 43 besteht.
Fig. 4 zeigt schließlich eine Beleuchtungseinheit mit
Leuchtdioden 44, die in einem als Diffusor ausgebildeten
lichtführenden Körper 45 eingebettet sind. Der lichtführende
Körper 45 kann in gleicher Weise wie einer der in den Fig.
1 bis 3 gezeigten lichtleitenden Körper 1, 21 oder 36 aufge
baut sein und besteht hier aus einem transparenten Trägerma
terial 46 mit darin verteilten Volumenelementen 47 mit je
weils höherem Brechungsindex als der des Trägermaterials 46.
In einem Teil der Volumenelemente 47 sind Leuchtstoffpartikel
48 eingebettet, die je nach Erfordernis unterschiedlich far
big leuchten und zur Farbeinstellung des von den Leuchtdioden
44 erzeugten und über die Lichtabstrahlfläche 49 abgestrahlten
Lichts dienen.
Claims (12)
1. Diffusor bestehend aus einem lichtführenden Körper (1, 21,
36, 45), der Volumenelemente (2, 22, 37, 47) mit unterschied
lichen Brechungsindizes zur Lichtstreuung enthält, wobei der
lichtführende Körper (1, 21, 36, 45) weiterhin räumlich ver
teilte, durch Licht zum Leuchten anregbare Leuchtstoffpar
tikel (3, 24, 38 und 48) enthält.
2. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Leuchtstoffpartikel (24, 38, 48) in
zumindest einem Teil der Volumenelemente (22, 37, 47) einge
kapselt sind.
3. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Volumenelemente (22, 47)
statistisch verteilt in einem transparenten Trägermaterial
(23, 46) des lichtführenden Körpers (21, 45) angeordnet sind
und dass die Brechungsindizes der Volumenelemente (22, 47)
von dem Brechungsindex des Trägermaterials (23, 46) verschie
den sind.
4. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, dass der Brechungsindex der die
Leuchtstoffpartikel (24, 38, 48) enthaltenden Volumenelemente
(22, 37, 47) größer als der anderer Volumenelemente oder des
Trägermaterials (23, 46) ist.
5. Beleuchtungseinheit mit mindestens einer Lichtquelle (5,
8, 20, 35, 44) und einem Diffusor bestehend aus einem licht
führenden Körper (1, 21, 36, 45), der Volumenelemente (2, 22,
37, 47) mit unterschiedlichen Brechungsindizes zur Licht
streuung enthält, wobei der lichtführende Körper (1, 21, 36,
45) weiterhin räumlich verteilte, durch Licht zum Leuchten
anregbare Leuchtstoffpartikel (3, 24, 38, 48) enthält.
6. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Leuchtstoffpartikel (24, 38,
48) in zumindest einem Teil der Volumenelemente (22, 37, 47)
eingekapselt sind.
7. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Volumenelemente (22, 47)
statistisch verteilt in einem transparenten Trägermaterial
(23, 46) des lichtführenden Körpers (21, 45) angeordnet sind
und dass die Brechungsindizes der Volumenelemente (22, 47)
von dem Brechungsindex des Trägermaterials (23, 46) verschie
den sind.
8. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, dass der Brechungsindex der die
Leuchtstoffpartikel (24, 38, 48) enthaltenden Volumenelemente
(22, 37, 47) größer als der anderer Volumenelemente oder des
Trägermaterials (23, 46) ist.
9. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Licht
quelle eine Gasentladungslampe (5, 8, 20, 35) ist und die
Leuchtstoffpartikel (3, 24, 38) durch ultraviolettes Licht
zum Leuchten anregbar sind.
10. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Gasentladungslampe eine
Leuchtstofflampe (5, 8, 20) ist.
11. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb
der Lichtquelle (20, 35) mindestens eine Leuchtstoff-Fläche
(31, 40, 41) angeordnet ist, deren emittiertes Licht in den
lichtführenden Körper (21, 36) eingestrahlt wird.
12. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, dass die Leuchtstoff-Fläche (31)
als lichtreflektierende Fläche (28) ausgebildet ist, auf der
transparente Kapseln (32) mit darin eingebetteten Leucht
stoffpartikeln (33) aufgebracht sind.
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