FR2637123A1 - Flat vidicon with matrix reading by microtip cathode - Google Patents
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- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Description
VIDICON PLAT A LECTURE MATRICIELLE PAR CATHODES
A ZICROPOINTES. FLAT VIDICON MATRIX READING BY CATHODES
AT ZICROPOINTES.
DESCRIPTION
La présente invention a pour objet un vidicon plat à lecture matricielle par cathodes à micropointes. Elle s'applique à la détection d'images en lumière ultraviolette, visible ou infrarouge.DESCRIPTION
The present invention relates to a flat vidicon with matrix reading by microtip cathodes. It applies to the detection of images in ultraviolet, visible or infrared light.
Parmi les différents dispositifs connus pour la détection d'images en lumière ultraviolette, visible ou infrarouge, le vidicon est le plus répandu. Among the various known devices for detecting images in ultraviolet, visible or infrared light, the vidicon is the most widespread.
On en trouve une description dans le chapitre 3323 de l'article E920 paru dans "La Technique de l'Ingénieur". La figure 1 représente un vidicon tel qu'il est actuellement conçu. Un tube à vide 10 est ferme à une de ses extrémités par une fenêtre 12 transparente aux rayonnements lumineux à détecter.A description is found in chapter 3323 of article E920 published in "The Engineering Technique". Figure 1 shows a vidicon as it is currently designed. A vacuum tube 10 is closed at one of its ends by a window 12 transparent to the light radiation to be detected.
Une cible 14 composee en matériau photosensible est placée à I'intérieur du tube 10 en regard de la fenêtre 12. La face avant 16 de la cible 14 en regard de ta fenêtre 12, recouverte d'une couche conductrice et transparente aux rayonnements lumineux à détecter, forme l'anode du vidicon. Cette anode est portée à un potentiel de polarisation Vp compris entre 10V et 100V. Une cathode 20, portée à un potentiel Vk quasi nul, produit un faisceau d'électrons F. Une première electrode auxiliaire 22 portee à un potentiel négatif Vol compris entre -50 et -150V permet le réglage de L'intensité du faisceau. Une seconde électrode auxiliaire 24 portée à un potentiel Vo2 compris entre 300 et 800 V le
limite et le focalise sur la cible 14, tandis qu'une grille 25, portée à un potentiel Vg compris entre 300 et 1000 V, l'accélère.A target 14 made of photosensitive material is placed inside the tube 10 facing the window 12. The front face 16 of the target 14 facing your window 12, covered with a conductive layer and transparent to light radiation at detect, forms the anode of the vidicon. This anode is brought to a polarization potential Vp of between 10V and 100V. A cathode 20, brought to a virtually zero potential Vk, produces an electron beam F. A first auxiliary electrode 22 brought to a negative potential Vol between -50 and -150V allows the intensity of the beam to be adjusted. A second auxiliary electrode 24 brought to a Vo2 potential of between 300 and 800 V le
limit and focus it on target 14, while a grid 25, brought to a potential Vg between 300 and 1000 V, accelerates it.
La lecture de la cible 14 excitée par
le rayonnement lumineux est effectuée par un balayage,
suivant deux directions orthogonales, du faisceau d'électrons F sur la face arrière 18 de la cible.Reading of target 14 excited by
the light radiation is carried out by scanning,
in two orthogonal directions, of the electron beam F on the rear face 18 of the target.
Le balayage est obtenu par des champs magnétiques engendrés Dar le passage d'un courant dans Les bobines extérieures 26.The scanning is obtained by magnetic fields generated by the passage of a current in the outer coils 26.
La décélération entre grille 25 et cible
14 participe à l'arrivée du faisceau d'électrons
F perpendiculairement à la cible 14 et cela pour
l'ensemble de la surface balayée. Cette condition assure l'uniformité de l'efficacité du faisceau pour recharger la cible 14.Deceleration between grid 25 and target
14 participates in the arrival of the electron beam
F perpendicular to target 14 and this for
the entire swept area. This condition ensures the uniformity of the beam's efficiency in recharging the target 14.
Pour former un signal vidéo à partir de
l'image détectée par le vidicon, on observe le signal de sortie S. Ce signal S résulte de l'amplification du courant circulant dans la charge 28. Si la cible 14 est éclairée seulement par endroits, le courant observé dans 28 lorsque ces régions sont balayées par le faisceau F est plus important que pour les autres régions. Ainsi, le courant extérieur amplifié pour donner le signal S recueille de manière séquentielle toutes les charges recueillies en permanence et stockées par charge de la cible 14
(qui équivaut à un condensateur). Le codage du balayage régulier de la cibLe 14 assure la conversion espace-temps d'une manière connue.To form a video signal from
the image detected by the vidicon, the output signal S is observed. This signal S results from the amplification of the current flowing in the load 28. If the target 14 is lit only in places, the current observed in 28 when these regions are swept by the beam F is more important than for the other regions. Thus, the external current amplified to give the signal S sequentially collects all the charges collected continuously and stored by charge of the target 14
(which is equivalent to a capacitor). The coding of the regular scanning of the target 14 ensures the space-time conversion in a known manner.
Ces vidicons présentent un certain nombre d'inconvénients. Leur encombrement est important ; un vidicon destiné à La détection infrarouge commercialisé par La société Thomson CSF et incorporé à une caméra distribuée par la Société HGH Ingéniérie
Systèmes Infrarouges présente une longueur d'une dizaine de centimètres.These videos have a number of drawbacks. Their size is important; a vidicon intended for infrared detection marketed by Thomson CSF and incorporated into a camera distributed by HGH Ingéniérie
Infrared Systems has a length of about ten centimeters.
Ces -dicons consomment une puissance électrique importante supérieure à 10 watts. De plus, l'accélération du faisceau d'électrons F nécessite des hautes tensions de quelques milliers de volts. Ces caractéristiques électriques réduisent
l'autonomie de ces vidicons.These sayings consume significant electrical power greater than 10 watts. In addition, the acceleration of the electron beam F requires high voltages of a few thousand volts. These electrical characteristics reduce
the autonomy of these vidicons.
L'information est lue de manière séquentielle, et l'on ne peut pas sélectionner une région de la cible pour l'observer indépendamment des autres. The information is read sequentially, and one cannot select a region of the target to observe it independently of the others.
La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients. Pour cela, le système de lecture de la cible engendrant le faisceau d'électrons et son balayage est remplacé par une matrice comportant des cathodes à micropointes. The present invention aims to overcome these drawbacks. For this, the target reading system generating the electron beam and its scanning is replaced by a matrix comprising microtip cathodes.
De façon plus précise, la présente invention concerne un vidicon comprenant un tube à vide munie d'une fenêtre transparente, en regard de la fenêtre, une cible composée en matériau photosensible et un système de lecture de la cible. La lecture de
La cible est matricieLLe.More specifically, the present invention relates to a vidicon comprising a vacuum tube provided with a transparent window, facing the window, a target made of photosensitive material and a target reading system. Reading
The target is matrix.
Dans l'art anterieur, le balayage de la cible s'effectue ligne par ligne. La lecture matricielle, c'est-à-dire pixel par pixel suivant un adressage détermine par l'utilisateur donne L'accès à chaque pixel de la cible indépendamment des autres. In the prior art, the target is scanned line by line. The matrix reading, that is to say pixel by pixel following an addressing determined by the user gives access to each pixel of the target independently of the others.
Le système de lecture de la cible se compose d'un substrat isolant sur lequel sont disposées selon les deux directions de la matrice M colonnes conductrices (cathodes) supportant des micropointes et par dessus les colonnes, N lignes conductrices perforées (grilles), lignes et colonnes étant séparées par une couche isolante pourvue d'ouvertures permettant le passage des micropointes, chaque croisement d'une ligne et d'une colonne correspondant à un pixel de la cible du vidicon. The target reading system consists of an insulating substrate on which are arranged in the two directions of the matrix M conductive columns (cathodes) supporting microtips and above the columns, N perforated conductive lines (grids), lines and columns being separated by an insulating layer provided with openings allowing the passage of microtips, each crossing of a line and of a column corresponding to a pixel of the target of the vidicon.
L'ensemble de la cible est lue pendant un temps de trame T : c'est-à-dire que tous les pixels formant la cible sont lus pendant T. De manière préférée, la lecture de la cible s'effectue comme suit. Chaque ligne conductrice est portée periodiquement, à la période T, pendant une durée de sélection de ligne tg = T/N, à un potentiel d'adressage de ligne Vgmax. Pendant la durée de sélection tg de chaque Ligne, les colonnes conductrices sont successivement portées à un potentiel d'adressage de colonne Vkmin, chaque colonne étant adressée pendant une durée d'adressage de colonne tc = tg/M.Les potentiels Vgmax et Vkmin sont tels que la difference Vgmax-Vkmin soit suffisante pour extraire un faisceau d'électrons des micropointes situées au croisement de la ligne et de la colonne adressées, ce faisceau d'électrons étant suffisamment intense pour lire le pixel de la cible correspondant à ce croisement. Ainsi tour à tour, chaque croisement d'une ligne et d'une colonne est adressé pendant une durée tc. The entire target is read during a frame time T: that is to say that all the pixels forming the target are read during T. Preferably, the reading of the target is carried out as follows. Each conductive line is brought periodically, to period T, during a line selection duration tg = T / N, to a line addressing potential Vgmax. During the selection time tg of each Line, the conducting columns are successively brought to a column addressing potential Vkmin, each column being addressed for a column addressing time tc = tg / M. The potentials Vgmax and Vkmin are such that the difference Vgmax-Vkmin is sufficient to extract an electron beam from the microtips located at the crossing of the addressed line and column, this electron beam being intense enough to read the pixel of the target corresponding to this crossing. Thus in turn, each crossing of a row and a column is addressed for a duration tc.
L'éclairement de la cible provoque l'apparition de charges électriques sur sa surface. The illumination of the target causes the appearance of electric charges on its surface.
Des variations d'intensité du courant traversant une charge reliée à la cible, suite à La lecture de la cible par des faisceaux d'électrons provenant de chaque croisement d'une ligne et d'une colonne, permettent de coder électriquement l'image détectee par la cible.Variations in the intensity of the current passing through a charge connected to the target, following the reading of the target by electron beams coming from each crossing of a line and a column, make it possible to electrically code the detected image. by the target.
Lorsqu'un pixel de la cible n'est pas adresse (lu), la valeur de la différence des potentiels appliqués sur la Ligne et la colonne correspondant à ce pixel n'est pas suffisante pour extraire, à partir des micropointes situées au croisement de cette Ligne et de cette colonne, un faisceau d'électrons suffisamment intense pour lire ce pixel. When a pixel of the target is not addressed (read), the value of the difference of the potentials applied to the Line and the column corresponding to this pixel is not sufficient to extract, from the microtips located at the intersection of this Line and from this column, an electron beam strong enough to read this pixel.
La cible est composé d'un matériau photodetecteur dont ta nature dépend de la gamme de longueurs d'onde que l'on cherche à détecter. The target is composed of a photodetector material, the nature of which depends on the range of wavelengths that it is sought to detect.
Pour les gammes visibles et ultraviolettes, la cible est préférentieLlement en matériau photoconducteur.For the visible and ultraviolet ranges, the target is preferably made of photoconductive material.
On peut par exemple utiliser l'oxyde de plomb (PbO) ou le sulfure d'antimoine (Sb2S3) pour le spectre visible et sulfure d'arsenic (AS2S3) pour l'ultraviolet.One can for example use lead oxide (PbO) or antimony sulfide (Sb2S3) for the visible spectrum and arsenic sulfide (AS2S3) for the ultraviolet.
Dans L'infrarouge La cible est préférentiellement en matériau pyroélectrique. Les matériaux pyroélectriques utilisables comme cible de vidicon sont nombreux. On peut citer un alliage d'oxyde mixte de plomb et de titane, d'oxyde mixte de plomb et de zinc et de Lanthane (PLZT), un oxyde mixte de lithium et de tantale (LiTaO3) ou encore le sulfate de triglycine CTGS). De manière préférée on utiLise un alliage d'oxyde mixte de plomb et de titane, d'oxyde mixte de plomb et de zinc et de Lanthane (PLZT). In the infrared The target is preferably made of pyroelectric material. There are many pyroelectric materials which can be used as a vidicon target. We can cite an alloy of mixed lead and titanium oxide, mixed lead and zinc oxide and lanthanum (PLZT), a mixed lithium and tantalum oxide (LiTaO3) or even triglycine sulfate CTGS) . Preferably, an alloy of mixed lead and titanium oxide, mixed lead and zinc oxide and lanthanum (PLZT) is used.
La fenêtre est, dans chacun des cas transparente aux longueurs d'onde considérées. The window is, in each case transparent to the wavelengths considered.
Les caracteristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit donnée à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexes sur lesquels
- la figure 1, déjà decrite et relative à l'art antérieur, représente schématiquement un vi di con,
- la figure 2 représente schématiquement un vidicon plat à lecture matricielle selon l'invention,
- la figure 3 représente schématiquement en perspective une partie significative de la matrice à cathodes à micropointes pour la lecture de la cible,
- la figure 4 represente schématiquement un chronogamme du potentiel Vg appliqué sur une quelconque des lignes (grilles) de la matrice du système de lecture,
- la figure 5 représente schématiquement un chronogramme du potentiel Vk appliqué sur L'une quelconque des colonnes (cathodes) de la matrice du système de lecture.The characteristics and advantages of the invention will appear better after the description which follows given by way of explanation and in no way limiting. This description refers to annexed drawings in which
FIG. 1, already described and relating to the prior art, schematically represents a vi di con,
FIG. 2 schematically represents a flat matrix-read vidicon according to the invention,
FIG. 3 schematically represents in perspective a significant part of the matrix with microtip cathodes for reading the target,
FIG. 4 schematically represents a chronogamma of the potential Vg applied to any of the lines (grids) of the matrix of the reading system,
- Figure 5 schematically shows a timing diagram of the potential Vk applied to any one of the columns (cathodes) of the matrix of the reading system.
La figure 2 représente schématiquement un vidicon plat à lecture matricielle conforme à l'invention. La cible 14 est contenu dans un tube à vide 10 fermé par une fenetre transparente 12. FIG. 2 schematically represents a flat matrix-read vidicon according to the invention. The target 14 is contained in a vacuum tube 10 closed by a transparent window 12.
La cible 14 est en regard de la fenêtre 12 et peut ainsi capter sur sa face avant 16 une image provenant de l'extérieur du tube 10.The target 14 faces the window 12 and can thus pick up on its front face 16 an image coming from outside the tube 10.
Le matériau photodétecteur dont la cible 14 est composée, dépend du domaine des longueurs d'onde à détecter : oxyde de plomb ou sulfure d'antimoine par exemple pour Le visible, sulfure d'arsenic par exempte pour l'ultraviolet, alliage d'oxyde mixte de plomb et de titane, d'oxyde mixte de plomb et de zinc et de Lanthane (PbTi03-PbZn03-La) par exemple pour L'infrarouge. The photodetector material of which the target 14 is made up depends on the range of wavelengths to be detected: lead oxide or antimony sulfide for example for the visible, arsenic sulfide for example for the ultraviolet, oxide alloy mixed lead and titanium, mixed lead and zinc oxide and Lanthanum (PbTi03-PbZn03-La) for example for Infrared.
Le matériau dont est compose La fenêtre 12 dépend lui aussi du domaine de Longueurs d'onde concerné : verre par exempLe pour Le visible, quartz (SiO2) par exempLe pour L'uLtravioLet, germanium (Ge) par exempte pour L'infrarouge. Le système de
Lecture 30 comprend une matrice composée de N Lignes conductrices perforées (grilles) et de M colonnes (cathodes).The material of which window 12 is made also depends on the wavelength domain concerned: glass for example for the visible, quartz (SiO2) for example for the UV, germanium (Ge) for example for the infrared. The system of
Lecture 30 includes a matrix composed of N Perforated conductive lines (grids) and M columns (cathodes).
La figure 3 représente schématiquement en perspective une partie significative d'un tel système de Lecture. Les M coLonnes conductrices (cathodes) 32, en aluminium par exempte, sont positionnées sur un substrat 34 isolant, du verre par exempLe. Les micropointes 36 à effet de champ sont réparties sur les colonnes avec une densité d'environ 1û4 micropointes par mm2. Ces micropointes 36 sont metaLLiques, en molybdène par exempLe. Les
Lignes conductrices perforées (grilles) 38 en niobium par exempLe, sont séparées des coLonnes 32 par un isoLant 40 en siLice par exempte. Cet insolant 40 est muni d'ouvertures permettant Le passage des micropointes 36.Figure 3 shows schematically in perspective a significant part of such a reading system. The M conductive columns (cathodes) 32, made of aluminum for example, are positioned on an insulating substrate 34, glass for example. The micropoints 36 with field effect are distributed over the columns with a density of approximately 104 micropoints per mm 2. These microtips 36 are metallic, in molybdenum for example. The
Perforated conductive lines (grids) 38 in niobium for example, are separated from the columns 32 by an insulator 40 in silica for example. This insolant 40 is provided with openings allowing the passage of the microtips 36.
Le système de mesure présente un encombrement en épaisseur de moins de 10 micromètres ; L'epaisseur de la cible 14 avoisine elle aussi les 10 micromètres. L'encombrement (en epaisseur) du vidicon est donc ramenée à moins de 5 mm, L'espacement entre La cible 14 et Le système de Lecture étant au pLus de L'ordre du miLlimètre. The measurement system has a thickness of less than 10 micrometers; The thickness of the target 14 is also close to 10 micrometers. The size (thickness) of the vidicon is therefore reduced to less than 5 mm, the spacing between the target 14 and the reading system being more than about the order of the miLimeter.
Les lignes sont portées à un potentiels
Vg variable, et Les coLonnes sont portées à un potentiel Vk variable. Chaque croisement d'une Ligne et d'une colonne définit un pixel de La cibLe 14 en regard. Pour des valeurs convenabLes de ces potentiels, les micropointes situées au croisement d'une Ligne et d'une colonne émettent des électrons.The lines are brought to a potential
Vg variable, and The columns are brought to a variable Vk potential. Each crossing of a Row and a column defines a pixel of target 14 opposite. For suitable values of these potentials, the microtips located at the intersection of a Line and a column emit electrons.
Ces valeurs dépendent des paramètres de La matrice (géometrie, espacement entre coLonnes et Lignes, diélectrique d'isolement). Le faisceau d'électrons ainsi formé va frapper La cible qui est portée à un potentiel de polarisation pouvant aller de 10 V à 200 V.These values depend on the parameters of the matrix (geometry, spacing between columns and lines, insulating dielectric). The electron beam thus formed will hit the target which is brought to a polarization potential which can range from 10 V to 200 V.
On voit sur ta figure 2 que Le signal
S de sortie permettant de former un signal vidéo correspondant à l'image détectée est délivré par un amplificateur relié à la charge 28. Le signaL
S reflète Les variations du courant qui traverse
La charge 28. L'intensité du courant recueilli est proportionnelle à l'illumination du pixel Lu.We see on your figure 2 that The signal
S output for forming a video signal corresponding to the detected image is delivered by an amplifier connected to the load 28. The signal
S reflects Variations in the current flowing
The charge 28. The intensity of the current collected is proportional to the illumination of the pixel Lu.
On decrit ci-dessous un exempLe de
L'adressage des lignes et des coLonnes du système de lecture 30 pour La Lecture de La cibLe 14. Cet exemple concerne une matrice de N = 32 Lignes et
M = 32 colonnes. L'ensembLe de La cibLe 14 est Lu en un temps de trame T égaL à 1 ms par exempLe.An example of
Addressing the lines and columns of the reading system 30 for reading the target 14. This example concerns a matrix of N = 32 lines and
M = 32 columns. The whole of target 14 is read in a frame time T equal to 1 ms for example.
Chaque ligne est portée à un potentiel
Vg variable. Successivement pour chaque Ligne, Vg prend une vateur Vgmax égale par exempLe à 80 V.Each line is brought to a potential
Vg variable. Successively for each Line, Vg takes a Vgmax vator equal for example to 80 V.
Une même Ligne est donc portée périodiquement, à
La période d'un temps de trame T, à La vaLeur Vbmax pendant une duree de séLection de Ligne tg = T/N, soit dans cet exemple tg = 1/32 ms. The same Line is therefore periodically brought to
The period of a frame time T, at the value Vbmax during a line selection time tg = T / N, ie in this example tg = 1/32 ms.
On voit sur la figure 4, l'évolution en fonction du temps t du potentieL Vg appLiqué à une ligne quelconque de l'écran. En dehors de la durée de sélection de cette Ligne Le potentiel Vg prend une valeur de référence, 0V par exemple. We see in Figure 4, the evolution as a function of time t of the potentieL Vg applied to any line of the screen. Outside the duration of selection of this Line The potential Vg takes a reference value, 0V for example.
Chaque colonne est portée à un potentiel Vk. Pendant tout Le temps de sélection tg de chaque
Ligne, chaque colonne est adressee successivement.Each column is brought to a potential Vk. During the selection time tg of each
Row, each column is addressed successively.
Donc, successivement pour chaque cotonne, Vk prend une valeur Vkmin égale à 0V par exemple. Une meme colonne est portée périodiquement, à la période tg, au potentieL Vkmin pendant une durée d'adressage de colonne tc = tg/M, soit dans cet exemple tc = 1/1024 ms.So, successively for each cotton, Vk takes a value Vkmin equal to 0V for example. The same column is brought periodically, at period tg, to the potentie Vkmin during a column addressing time tc = tg / M, ie in this example tc = 1/1024 ms.
On voit sur La figure 5, L'évolution en fonction du temps t du potentiel Vk appLiqué à une colonne quelconque de L'écran. En dehors de La durée d'adressage de cette coLonne, Le potentiel Vk prend une valeur de 80 V par exemple. We see in Figure 5, the evolution as a function of time t of the potential Vk applied to any column of the screen. Outside the addressing time of this column, the potential Vk takes a value of 80 V for example.
Lorsqu'une Ligne est sélectionnée et qu'une colonne est adressée, la différence des potentiels
Vg-Vk est égale à Vgmax-Vkmin soit 80 V dans L'exemple choisi. La valeur de La différence Vgmax-Vknin est suffisante pour extraire, à partir des micropointes situées au croisement de La Ligne et de ta colonne sélectionnées, un faisceau d'éLectrons d'intensité suffisante pour Lire Le pixel concerné.When a Row is selected and a column is addressed, the difference in potentials
Vg-Vk is equal to Vgmax-Vkmin or 80 V in the example chosen. The value of the difference Vgmax-Vknin is sufficient to extract, from the microtips located at the intersection of the selected Line and your column, a beam of electrons of sufficient intensity to read the pixel concerned.
Lorsqu'un croisement d'une ligne et d'une colonne n'est pas adressé (Ligne sélectionnée et colonne non adressee ou bien Ligne non sélectionnée et coLonne adressée ou non), La différence des potentieLs Vg-Vk appliqués sur cette ligne et cette colonne n'est pas suffisante pour extraire, à partir des micropointes situées à ce croisement, un faisceau d'électrons sufisamment intense pour lire Le pixel correspondant. When a crossing of a row and a column is not addressed (Selected row and unaddressed column or Unselected row and Column addressed or not), The difference of the potentials Vg-Vk applied on this row and this column is not sufficient to extract, from the microtips located at this crossing, a sufficiently intense electron beam to read the corresponding pixel.
Un vidicon conforme à l'invention permet donc bien de pallier les inconvénients posés par les vidicons selon L'art anterieur. Il présente un encombrement réduit à quelques millimètres (en épaisseur). Sa consommation électrique est très faible, et les tensions nécessaires au fonctionnement sont inférieures à La centaine de voLts. Enfin ta lecture matricielle de la cible a remplacé une Lecture par balayage : cela permet, à volonté et selon
L'adressage choisi, de lire toute l'image ou uniquement la partie utile à chaque instant. A vidicon according to the invention therefore makes it possible to alleviate the drawbacks posed by vidicons according to prior art. It has a footprint reduced to a few millimeters (in thickness). Its power consumption is very low, and the voltages required for operation are less than one hundred volts. Finally, your matrix reading of the target has replaced a scanning reading: this allows, at will and according to
The address chosen, to read the whole image or only the useful part at all times.
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1988
- 1988-09-26 FR FR8812529A patent/FR2637123B1/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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FR2637123B1 (en) | 1995-12-15 |
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