DE2927199A1

DE2927199A1 - Optisch-mechanische vorrichtung zum steuern der richtung von optischen strahlenbuendeln

Info

Publication number: DE2927199A1
Application number: DE19792927199
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Phys Birgmeir; Klaus Dipl Phys Stadler
Original assignee: Agfa Gevaert AG
Current assignee: Agfa Gevaert AG
Priority date: 1979-07-05
Filing date: 1979-07-05
Publication date: 1981-01-22
Also published as: US4344666A

Description

AG FA-G CVAE RT AG

LEVERKUSEN CAMERA-WERK MÜNCHEN

l»*T«NTABT«IUUNa

%. 7. 1979 CW 2211.7 PO/MO 10-hl-pr-ja, 0727A

Optisch-mechanische Vorrichtung zum Steuern der Richtung

von optischen Strahlenbündeln - ~ ---

Die Erfindung betrifft eine optisch-mechanische Vorrichtung zum Steuern der Richtung von optischen Strahlenbündeln mittels bewegbarer, optisch-wirksamer Bauteile, wie Schwingspiegel, Spiegelrad oder dergleichen, durch die ein einfallendes Strahlenbündel in eine gewünschte Richtung abgelenkt wird.

Zum Steuern der Richtung von Bündeln sichtbaren Lichts sind eine Vielzahl unterschiedlicher Prinzipien und Verfanrar. bekannt und in Anwendung. In der Tabelle T ist ein Überblick über die wichtigsten Verfahren unter Angabe von typischen Daten bezüglich Herstellungspreis, Ablenkwinkel, optische Apertur, Auflösungsvermögen (Zahl der auflösbaren Punkte pro Ablenkweg und Ablenkfrequenz aufgeführt. Mit Ausnahme der drei erstgenannten Verfahren sind diese der

co Gruppe der optisch-mechanischen Strahlenablenker zuzuord-

ο nen. Alle in der Tabelle 1 aufgeführten optisch-mechani-

^ sehen Vorrichtungen zum Steuern von Lichtstrahlen haben "*■- gemeinsam, daß die Bewegung der dabei verwendeten Spiegel, co Prismen, Gitter oder dergleichen direkt die Ablenkung des Qj Lichtstrahlenbündels in die gewünschte Richtung bewirkt. Die bekannten Vorrichtungen zum Steuern der Richtung von Lichtstrahlenbündeln sind sehr empfindlich gegen Störein-

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flüsse, insbesondere gegen mechanische Schwankungen des bewegten optischen Bauteils sowohl in der Drehrichtung als auch quer zur Drehachse, weil diese voll eingehen und zu entsprechenden Fehlern führen. Die bekannten Vorrichtungen sind auch wenig geeignet, durch Anpassen an spezielle Einzelaufgaben Alternativen zu schaffen, mittels welchen entsprechend erhöhte Leistungen möglich sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine optisch-mechanische Vorrichtung zum Steuern der Richtung von optischen Strahlenbündeln mittels bewegbarer optischer Bauteile zu schaffen, die weniger empfindlich gegen mechanische Störeinwirkungen ist, aus möglichst einfachen Bauteilen aufgebaut ist und anpassungs- und ausbaufähig ist, um bei erhöhten Anforderungen auch hinsichtlich des Auflösungsvermögens optimale Eigenschaften zu haben.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß bei einer optischmechanischen Vorrichtung zum Steuern der Richtung von optischen Strahlenbündeln mittels bewegbarer optisch wirksamer Bauteile erfindungsgemäß die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen gemeinsam getroffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Mit der Erfindung ist für optisch-mechanische Vorrichtungen zum Steuern der Richtung von optischen Strahlenbündeln ein Konstruktionsprinzip angegeben, bei welchem die entsprechenden Vorrichtungen unter Verwendung nur einfacher, allgemein gebräuchlicher Bauteile aufgebaut werden können und bei welchem eine große Flexibilität bezüglich des Auflösungsvermögens, der Ablenkfrequenz und der Baugröße erreichbar ist. Wichtig ist, daß die bei optisch-mechanischen Vorrichtungen zum Ablenken von Strahlenbündeln qualitätsbestimmende Bewegung des strahlenablenkenden Teils durchwegs eine reine Rotationsbewegung von Teilen mit großer Trägheit darstellt (kleine Schwankungen in der

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Drehrichtung) und daß durch die Ausbildung und Anordnung der strahlenablenkenden Teile (Spiegelanordnung, Lochblende, Gitter) Schwankungen quer zur Drehachse in den meisten Fällen nicht wirksam übertragen werden, so daß der Ablenkvorgang von derartigen mechanischen Störeinwirkungen praktisch unbeeinflußt bleibt.

Die Tatsache, daß durch die notwendige Verwendung weiterer optischer Bauteile das Punktbild dabei zusätzliche Abbildungsfehler aufweisen kann, tritt aber für die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht in Erscheinung. Es ist noch zu bemerken, daß die Ablenkgeschwindigkeit des Lichtstrahlenbündels in sinusförmiger Abhängigkeit bestimmt ist.

Die Ausgestaltung der Erfindung nach den Merkmalen der Unteransprüche unterscheidet sich im wesentlichen durch die Ausbildung des rotierende Bauteils (Spiegel, Gitter, Lochblende, Prisma), wobei die Auswahl nach den angestrebten technischen Eigenschaften wie Auflösungsvermögen, Ablenkfrequenz zur Erzielung einer optimalen Auslegung zu treffen ist.

Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert; in den schemati-* sehen Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 das Prinzip der erfindungsgemäßen Strahlenablenkvorrichtung mit einer rotierenden Lochblende mit nachfolgender Zylinderlinse,

Fig. 2 eine Strahlenablenkvorrichtung mit einer

rotierenden Spiegelanordnung mit zwei senkrecht zueinanderstehenden Spiegelflächen,

Fig. 4 eine Strahlenablenkvorrichtung mit einem

rotierenden Spiegel mit einer dem Beugungswinkel bei Beugungsgittern vergleichbaren Neigung, 0 30064/038 8

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Fig. 5a und Abwandlungen der in Fig. 1 und 2 darge-5b sowie 6a stellten Ausführungsbeispiele mit erhöhter und 6b Ablenkfrequenz,

Fig. 7a, 7b Abwandlungen der Ausführungsbeispiele für 7c sowie 8a Anwendungsfälle, bei denen zwei oder mehre- und 8b re synchron verlaufende Ablenkvorgänge gesteuert werden müssen.

Das in Figur 1 dargestellte Prinzip der optisch-mechanischen Vorrichtung zum Steuern der Richtung von optischen Strahlenbündeln weist als erste Anordnung I optischer Bauteile eine rotierende Lochblende Bl auf, mittels welcher das einfallende Lichtstrahlenbündel in ein rotierendes Strahlenbündel wandelbar ist. In einer nachgeschalteten zweiten Anordnung II von optischen Bauteilen ist eine Zylinderlinse ZL angeordnet. Bei parallel einfallendem Licht wird durch die Blende ein Bündel mit den Koordinaten

(x(t), y(t)) = (cosnj t, sino/ t)

ausgeblendet. Die Zylinderlinse fokussiert dann das Licht in seiner zur y-Achse parallelen Brennlinie B mit der Koor- dinate

(0, y(t) = (0, sin ω t)

Bei entsprechender Dimensionierung der Teile des in Fig. abgebildeten Systems erhält man die in der Tabelle 2 abgeleiteten und aufgeführten Daten. Die Wahl des Blendendurchmessers d zu 0,4 mm wurde unter dem Gesichtspunkt der optimal erreichbaren Abbildungsschärfe auf 95 % der für die vorliegende Geometrie sich ergebenden ersten Fresnelzone nach der Formel

d = 1,9 V~7A

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bestimmt, worin f den Abstand Lochblende - Bildebene bestimmt und λ die Wellenlänge angibt. Da der aus dem Verhältnis der einfallenden Lichtleistung zur ausfallenden Lichtleistung sich bestimmende Wirkungsgrad einer solchen optisch-mechanischen Vorrichtung zum Steuern der Richtung von optischen Strahlen noch ungünstig ist, werden in der Praxis Ausführungsformen bevorzugt werden, welche durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet sind.

In Fig. 2 ist eine Vorrichtung zum Steuern der Richtung eines optischen Strahlenbündels gezeigt, die aus einem Abieakspiegel SpI, einer ersten Zylinderlinse ZL mit Tokussierender Wirkung in der y-Richtung, einer rotierenden Spiegelanordnung mit senkrecht zueinander stehenden Spiegelflächen RS. und RSp einer zweiten Zylinderlinse ZLp mit fokussierender Richtung in der x-Richtung besteht« Es ist zweckmäßig, daß die Drehachse der rotierenden Spiegelanordnung in die Mitte der ersten verspiegelten Fläche gelegt wird. Vorteilhaft sind die beiden Spiegelflächen durch die spiegelnden Flächen eines rechtwinkeligen Dachprismas verkörpert.

Das einfallende Lichtstrahlenbündel trifft auf den Umlenkspiegel SpI und wird in Richtung der Drehachse der rotierenden Spiegelanordnung RS abgelenkt. Durch die Zylinderlinse ZL.J wird es so fokussiert, daß es in der Ebene der linearen Strahlenablenkung eine minimale Ausdehnung in der /-Richtung hat. Durch die rechtwinklige Spiegelanordnung HS₁, RS₂ wird das Strahlenbündel im Abstand r von der Drechachse der Spiegel parallel zurückgeworfen. Das so erzeugte rotierende Strahlenbündel tritt durch die Zylinderlinse ZL2 und wird in deren Fokusebene punktförmig auf die y-Achse projiziert.

Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen mit der Lochblende bewirken die Zylinderlinsen ZL- und ZL₂ in passender Kombination eine Fokussierung des Lichtstrahlenbün-

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dels, so daß eine relativ große optische Apertur verwendet werden kann. Bei einer praktisch realisierbaren Apertur von 20 mm können ca. 25 000 Bildpunkte pro Ablenkweg aufgelöst werden, sofern eine rein beugungsbegrenzte Optik verwendet wird. Lichtverluste in der Ablenkvorrichtung können vernachlässigt werden; Schwankungen der rotierenden Spiegelanordnung senkrecht zur Spiegel-Drehachse kompensieren sich selbsttätig, da das ausfallende Strahlenbündel immer parallel zum einfallenden reflektiert wird.

Bei dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei identische Zylinderlinsen ZL'- und ZL'₂ teleskcpartig zueinander so aufgestellt, daß ihre Brennweiten mit der Ebene des rotierenden Beugungsgitters BG zusammenfallen. Durch die Blende Bl wird die nullte und abwechselnd die plus-erste und die minus-erste Beugungsordnung ausgeblendet. Da das nicht ausgeblendete Licht der plus-ersten (minus-ersten) Beugungsordnung aus der Brennlinie der Zylinderlinse ZLp kommt, erzeugt die Zylinderlinse ein paralleles Strahlenbündel mit einem dem einfallenden Strahlenbündel vergleichbaren Querschnitt und einem sich auf die y-Achse beschränkenden, veränderbaren Neigungswinkel. Die nachfolgende sphärische Linse L₁ fokussiert dann das Bündel in der y-Achse ihrer Brennebene.

Da der Beugungswinkel durch entsprechende Wahl der Gitterkonstante (weitgehend) frei wählbar ist, können Ablenkwinkel und Ablenkweg in entsprechend weiten Grenzen frei gewählt werden, bei einem mit dem zweiten Ausführungsbeispiel vergleichbar hohen Auflösungsvermögen.

Während bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit Verwendung eines Beugungsgitters oder auch eines Beugungsprismas nur monochromatisches Licht angewendet werden kann, ist in Fig. H ein Ausführungsbeispiel dargestellt, welches diesen Nachteil unter Verwendung eines rotierenden Spiegels RS mit einer dem Beugungswinkel vergleichbaren

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Neigung umgeht, wobei ebenfalls ein rotierendes Strahlenbündel erzeugt wird, dessen Achse sich auf einem Kegelmantel bewegt. Es besteht somit die gleiche Freiheit bei der Wahl des Ablenkwinkels und des Ablenkweges wie beim Ausführungsbeispiel mit dem Beugungsgitter.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Lochblende, Spiegel und Beugungsgitter ist die Ablenkfrequenz durch die Drehzahl des rotierenden optischen Bauteils aus mechanischen Gründen auf ca. 300 bis ¹JOO Hz begrenzt, was ungefähr 18 000 bis 24 000 Umdrehungen pro Minute entspricht. .Unter Ausnützung der plus-ersten und Einus-ersten Beugungsordnung bei der Gitteranordnung bzw. durch Anbringung eines zweiten diametral angeordneten Loches an der Lochblende verdoppelt sich die Ablenkfrequenz.

Analog einem von der Technik des Spiegelrades her bekannten Unterteilen des vollen Umfanges in η äquivalente Abschnitte, unter gleichzeitiger Verlagerung der Drehachse, kann bei der erfindungsgemäßen optisch-mechansichen Vorrichtung zum Steuern der Richtung von optischen Strahlenbündeln die Ablenkfrequenz erheblich erhöht werden. Ausführungsbeispiele über erforderliche Änderungen an der rotierenden Lochscheibe bzw. der rechtwinkeligen Spiegelanordnung bzw. des Gitters sind in den Figuren 5a. 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 7c sowie 8a, 8b dargestellt. Der übrige Teil der Anordnung kann unverändert von den entsprechenden Ausführur.gsbeispielen übernommen werden.

In Tabelle 2 ist zum Vergleich angegeben, wie in Abhängigkeit von der Anzahl η der Lochblenden die Eigenschaften der erfindungsgemäßen optisch-mechanischen Vorrichtung modifizierbar sind.

In manchen Anwendungsfällen für derartige Vorrichtungen werden zwei oder mehrere synchron verlaufende Ablenkvorgänge benötigt, wie es beispielsweise beim punktweisen Ab-

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BAD ORIGINAL

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tasten von Bildvorlagen und beim gleichzeitigen Schreiben einer Kopie erforderlich ist. In diesen Fällen kann ein entsprechend abgeänderter rotierender Bauteil Anwendung finden, wie er bei einer Anordnung nach Figur H vorgesehen ist, wobei jedoch an beiden Enden des rotierenden Teils schräg angeordnete Spiegelflächen anzubringen sind. Bei einer Anordnung wie sie in Fig. 3 mit einer Gitterscheibe mit vier versetzten Segmenten (vgl. Fig. 7c) vorgesehen ist, können bei entsprechender Ergänzung durch drei weitere Strahlengänge, welche jeweils eine Zylinderlinse und eine sphärische Linse enthalten, vier synchron verlaufende Ablenkvorgänge gleichzeitig dargestellt werden. Bei dem erwähnten Anwendungsbeispiel in Verbindung mit einer Kopieranlage könnte damit einer der verbleibenden Kanäle zum Erfassen der genauen Stellung des Strahlenbündels verwendet werden, wie es beispielsweise beim Einlesen eines auf Magnetband gespeicherten Bildes erforderlich wäre.

Der einzige dem erfindungsgemäßen Prinzip anhaftende Nachteil, daß mit nicht linearer Abtastgeschwindigkeit gearbeitet wird, hat auf die praktische Anwendung keinerlei Auswirkung.

Hierzu 2 Blatt Tabellen (Tabelle 1 und 2) und 7 Blatt Zeichnungen, 13 Figuren 1 bis 8b.

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TABELLE 1

Mindest	Optischer	Optische	Auflö-	Maximale
preis	Abtast	öffnung	sungs-	mechani
einschl.	winkel	(Durchm.)	vermö-	sche Ab
Elektro			gen pro	tastfre
nik			Abtas	quenz
in DM			tung

Schirmbild
Kathodenstrahlröhre 10000

Slektrc-

optischer

Abtaster 10000

Akustischoptischer
Abtaster 6000 30

Drehprisma 10000 30°

Schrittmotor-

angetr.Spiegel 2000 10°

Schwingspulen-Galvano
meter 800 300

Schwinganker-Galvanometer
mit Schnellrückstellung 1000 30°

Drehspiegel 100000 50O

Optischer
Abtaster m.
Selbsterregung 2000 1OO

Holografischer
Abtaster 3OO

2 mm

16 mm 20 mm

20 mm 1 mm

7 mm 10 mm

7 mm

3 mm

5000

400

1000

3000

25 kHz

10	100	kHz
1000	--_
10000	10	kHz
400	0,	5 Hz

400 Hz

4000 400 Hz
20000 16 kHz

16 kHz

4 kHz

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TABELLE 2

Eigenschaften eines mechanisch-optischen Strahlablenkers mit Lochblende(n): (Aufbau und Dimensionierung vgl. Fig. 1)

Eigenschaft	math.	1 (2)	OQQ	6 Lochblenden
	Beschreibung	Lochblenden
Ablenkwinkel für	_ ο j> y · Jih -LL· di_n Z cxrcTq ' "W*		-b = 400
η Γ ofhh 1 i»nri pn	f	pa		„_a 1 CiO
Beugungswinkel			500 Pkte.	Cet · 13 0,0470
		für		mm, d = 0,4 mm
theor- Auflösungs
verm.(Zahl der		ca.	400 Hz	ca. 250 Pkte.
Bildpunkte/Ab			(800 Hz)
lenkwinkel)
Ablenkfrequenz		ca.		2,4 kHz

Ablenkge	V^f)=V₀COS CO*
schwindigkeit		für		für -_r <ω <+>L
			(ί 14 % max.
			Abweichung
			von Y₀ )

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Claims

AG FA-G £ VaERT AG

LEVERKUSEN

CAMERA-WERK MÜNCHEN

¹ 7. CW 2211.7 PO/MO 10-hl-pr-ja, 0727A

Ansprüche

Optisch-mechanische Vorrichtung zum Steuern der Richtung von optischen Strahlenbündeln mittels bewegbarer, optisch-wirksamer Bauteile, wie Schwingspiegel, Spiegelrad oder dergleichen, durch die ein einfallendes Strahlenbündel in eine gewünschte Richtung abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten An-= Ordnung (I) von optischen Bauteilen mittels eines rotierenden optischen Bauteils (Bl) bzw. einer Bauteilanordnung das einfallende Lichtstrahlenbündel in ein rotierendes Strahlenbündel wandelbar ist, daß das rotierende Strahlenbündel in einer zweiten Anordnung (II) von optischen Bauteilen, von denen ein Bauteil eine nur in einer Vorzugsrichtung ausgeprägte Fokussierwirkung aufweist, in einer Vorzugeebene in nur eine Richtung auslenkbar ist und daß die beiden optischen Anordnungen (I, II) optisch derart aufeinander abgestimmt sind, daß das abgelenkte Lichtbündel in der Vorzugsebene fokussiert ist.

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2. Optisch-mechanische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem Ablenkspiegel (Sp₁) und einer ersten Zylinderlinse (ZL..) mit fokussierender Wirkung in der y-Richtung eine rotierende Spiegelanordnung (RS) mit mindestens zwei zueinander senkrecht stehenden Spiegelflächen (RS-, RSp) und weiterhin eine zweite Zylinderlinse (ZLp) mit fokussierender Wirkung in der x-Richtung nachgeschaltet sind, welche das Strahlenbündel in Richtung der Spiegeldrehachse zum Ablenkspiegel (Sp₁) hin reflektieren.
3. Optisch-mechanische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse der rotierenden Spiegelanordnung (RS₁, RS₂) in der Mitte von deren erster Spiegelfläche (RS-) verläuft.
4. Optisch-mechanische Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3f dadurch gekennzeichnet, daß die beiden senkrecht zueinanderliegenden Spiegelflächen (RS₁₁RSp) durch die Spiegelflächen eines rechtwinkligen Dachprismas gebildet sind.
5. Optisch-mechanische Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von monochromatischem Licht zwei einander identische Zylinderlinsen (ZL¹ .j, ZL'₂) teleskopartig zueinander angeordnet sind und daß ihre Brennweiten mit der Ebene eines rotierenden Beugungsgitters (BG) mit entsprechend bemessener Gitterkonstante zusammenfallen und daß durch eine nachgeschaltete Blendenvorrichtung (Bl) und eine sphärische Linse (L₁) das Strahlenbündel in der y-Achse ihrer Brennebene fokussierbar ist.

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6. Optisch-mechanische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von natürlichem Licht anstelle des rotierendes Beugungsgitters (BG) ein rotierender Spiegel (RS) mit einer dem Beugungswinkel des Gitters vergleichbaren Neigung («£)■ angeordnet ist.
7. Optisch-mechanische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Spiegel (RS) von einer Spiegelvorrichtung (RS) mit einer Mehrzahl von Spiegelflächen mit dem Beugungswinkel des Beugungsgitters (BG) vergleichbaren Neigungswinkeln gebildet ist.
8. Optisch-mechanische Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkfrequenz dadurch erhöhbar ist, daß bei Anordnung von rechtwinklig zueinander stehenden Spiegeln bzw. bei Anordnung eines Beugungsgitters die rotierende Lochblendenscheibe (Bl¹) eine Mehrzahl von Lochblendenöffnungen aufweist.
9. Optisch-mechanische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierende Beugungsgitter (BG) als Gitterscheibe mit vier Segmenten ausgebildet ist und daß durch Ergänzung der Anordnung mit drei weiteren, jeweils eine Zylinderlinse und eine sphärische Linse enthaltenden Strahlungsgängen insgesamt vier synchron verlaufende Ablenkvorgänge des Strahlungsbündels in getrennten Kanälen steuerbar sind.

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10. Optisch-mechanische Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung der Anordnung in Verbindung mit einer Vorrichtung zum Abtasten von Kopiervorlagen einer der Kanäle zum Erfassen der genauen Stellung des Strahlenbündels verwendbar ist, wodurch das Einlesen eines auf Magnetband gespeicherten Bildes steuerbar ist.

Hierzu 2 Blatt Tabellen (Tabelle 1 und 2) und 7 Blatt Zeichnungen, 13 Figuren 1 bis 8b.

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