JP2003280094A - 照明装置 - Google Patents
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Abstract
照明する。 【解決手段】 複数の半導体発光素子2bを二次元アレ
イ状に配列した照明光源2と、各半導体発光素子2bか
ら出射された光を被照明体へ向けて平行化する平行化手
段3とを設ける。半導体発光素子2bを用いた照明光源
2からの発熱量は少なく、各半導体発光素子2bから出
射された光が平行化手段3で平行化されることにより、
被照明体が均一な照度となるように照明される。
Description
矩形状の被照明体を照明するのに適した照明装置に関す
る。
均一に照明するための照明装置としては、例えば、特開
平3−111806号公報、特開平10−319873
号公報等に開示されたものが知られている。
た照明装置は、一つのランプが発する光束を、放物面
鏡、楕円面鏡、双曲面鏡のいずれかを用いて、平行光、
収束光、発散光のいずれかにし、その途中に、第1のフ
ライアイレンズアレイを構成している複数の矩形状の集
光レンズにより分割して2次光源像を形成し、これらの
2次光源像を第1のフライアイレンズアレイの複数の矩
形状の集光レンズに対応させた複数の集光レンズを備え
た第2のフライアイレンズアレイを介して同一の被投射
体上に重畳結像させるようにしたものである。
より被照明体面に出来るだけ均一な照度を与えようとす
るものではあるが、光源にアーク灯を使用するので発熱
が多い。特にキセノンランプは発熱量が多い。また、メ
タルハライドランプは、輝線が多く扱い難く、赤の帯域
が他の帯域に比べて光量が少ないために色バランスが悪
い。また、高圧水銀灯は、発光効率は良いものの赤の帯
域が他の帯域に比べ極端に少なく色バランスがさらに悪
いので、自然画を投影するシステム用としての照明装置
としてはあまり向かない。
数のLEDをアレイ状に配列し、そのLED毎に凸レン
ズを持たせてある程度平行光化し、要素レンズをLED
アレイのピッチに合わせてアレイ状に配置したレンズア
レイ体で表示装置を照明したり、表示そのものを行う方
法が記述されている。
開平10−319873号公報に記述された方法をプロ
ジェクタやリソグラフィの照明系に用いると、LEDが
発光する発光分布がそのままスクリーンや露光対象に表
れていまい、照度むらの激しいものとなり、スクリーン
が見難くなったり、レジストの残った部分と排除される
部分のエッジが場所により不揃いになるなどの不都合が
生じる。
きる照明装置を提供することである。
照明装置を提供することである。
装置を提供することである。
明装置は、複数の半導体発光素子を二次元アレイ状に配
列した照明光源と、前記各半導体発光素子から出射され
た光を被照明体へ向けて平行化する平行化手段と、を有
する。
なるという問題を生じることなく、被照明体を均一な照
度となるように照明することができる。
明装置において、前記平行化手段と前記被照明体との間
に、前記平行化手段により平行化された光を複数のサブ
光軸に分割する2つのレンズアレイ体と、分割されたサ
ブ光軸を前記被照明体の全面に重畳して照明させる重畳
手段とを備えたインテグレータ光学系を有する。
ることにより、照明光源から出射された光の利用効率を
高めて被照明体を高効率に照明することができる。
明装置において、前記平行化手段と前記被照明体との間
に、前記平行化手段により平行化された光を複数のサブ
光軸に分割する2つのレンズアレイ体と、分割されたサ
ブ光軸を前記被照明体の全面に重畳して照明させる重畳
手段と、偏光変換手段とを備えたインテグレータ光学系
を有する。
ることにより、照明光源から出射された光の利用効率を
高めて被照明体を高効率に照明することができる。さら
に、偏光変換手段によりランダムな光束を一方の偏光光
(P偏光光又はS偏光光)のみに揃えることができ、被
照明体が一方の偏光光しか利用できない液晶パネルなど
である場合には光の利用効率を大幅に高めることができ
る。
のいずれか一記載の照明装置において、前記平行化手段
は、前記各半導体発光素子に対応する複数の凸レンズを
平行化要素として有する。
複数の凸レンズを平行化要素とする平行化手段を用いた
場合にも、照明光源からの発熱量が多くなるという問題
を生じることなく、被照明体を均一な照度となるように
照明することができる。
のいずれか一記載の照明装置において、前記平行化手段
は、前記各半導体発光素子に対応する複数の放物面鏡を
平行化要素として有する。
複数の放物面鏡を平行化要素とする平行化手段を用いた
場合にも、照明光源からの発熱量が多くなるという問題
を生じることなく、被照明体を均一な照度となるように
照明することができる。
明装置において、前記平行化手段と前記インテグレータ
光学系の一つの前記レンズアレイ体とが一体化されてい
る。
明光源から出射された光の無駄を減らすことができる。
のいずれか一記載の照明装置において、前記平行化手段
の前記平行化要素のピッチと、前記インテグレータ光学
系の前記レンズアレイ体の要素レンズのピッチとが、不
一致となるように設定されている。
ズの光軸とが一致することがなく、被照明体上の照度の
均一化が図られる。
のいずれか一記載の照明装置において、前記平行化手段
の前記平行化要素と、前記インテグレータ光学系の前記
レンズアレイ体の要素レンズとのピッチが、利用する面
積の範囲内で互いに約数又は倍数とならないように配置
されている。
ズの光軸とが一致することがなく、被照明体上の照度の
均一化が図られる。
ないし図3に基づいて説明する。図1は照明装置の全体
構成を示す概略図、図2は照明装置の一部である照明光
源と平行化手段との一部を示す拡大図、図3は平行化手
段の凸レンズ(平行化要素)とインテグレータ光学系に
おける平行化手段と対向するレンズアレイ体の凸レンズ
(要素レンズ)との関係を説明する説明図である。
液晶パネル1に対して光を照明する装置であり、照明光
源であるLEDアレイパネル2、平行化手段3、インテ
グレータ光学系4等により構成されている。
に、シリコン基板2aと、シリコン基板2a上に二次元
アレイ状に配列された複数個の半導体発光素子であるL
ED2bとにより構成されている。
数の凸レンズ3aを二次元アレイ状に配列したもので、
これらの凸レンズ3aは、各LED2bの発光分布が一
番強くなる軸と光軸とが一致するように配置されてい
る。これらの凸レンズ3aはLED2bの保護用の樹脂
でポリカーボネート(あるいはアクリル)を用いてお
り、曲率はLED2bの発光面を焦点として凸レンズ3
aの表面で平行光となるように設計してある。すなわち
凸レンズ3aの焦点距離はf=tとしてある。ただし、
曲率は球面としても良いが、各局所面で焦点から来た光
が全て光軸に対して平行となるように被球面にしたほう
が良い。なお、凸レンズ3aはLED2bの保護用とし
て述べたが、LED2bのアレイ密度を高くした場合
は、LED2bの発熱により樹脂の耐久性が落ちるの
で、ガラスを用いる。この場合、加工法としては、エッ
チング法やその逆の蒸着法、気相成長法などがある。
の最下部のLED2bの発光面に破線で囲まれたベクト
ルで表現しているようになっている。すなわち、光軸近
傍では非常に強度の高い光束であるが、少し角度が振れ
ると極端に強度が少なくなり、±45°では光軸上の強
度の数%〜10数%まで落ちている。
捨て、LED2bのピッチと凸レンズ3aの関係を決め
ている。
る。図2(b)に示すように凸レンズ3aをハニカム状
にしてLED2bを配置すると、凸レンズ3a及びLE
D2bの縦方向のピッチがPy=2.2mmとなり、横
方向のピッチがPx=3.81mmとなる。
クトの被照射面を均一化するために3mm×4mmの凸
レンズ3aを9個と7個並べた平行化手段3の面積は2
7mm×28mmとなり、11個と8個に並べた平行化
手段3の面積は33mm×32mmとなる。
者は12×7=84個となり、後者は15×8=120
個となる。
により平行化された光を複数のサブ光軸に分割する2つ
のレンズアレイ体5、6と、分割されたサブ光軸を液晶
パネル1の全面に重畳して照明させる重畳手段である重
畳レンズ7と、偏光変換手段8とにより構成されてい
る。
H)が5:4となるように要素レンズである凸レンズ5
a、6aを配列した、所謂、フライアイレンズである。
BS(偏光ビームスプリッタ)アレイ10と、半波長板
アレイ11とにより構成されている。PBSアレイ10
は、レンズアレイ体6の縦方向ピッチの半分となるピッ
チに一致させたPBSプリズムを有し、そのPBSアレ
イ10の入口側に遮光板アレイ9が配置され、PBSア
レイ10の出口側に半波長板アレイ11が配置されてい
る。これにより、遮光板アレイ9側からランダムな光線
が入ることにより、その全ての光線がP偏光光として半
波長板アレイ11側から出射される。
この平行化手段3と対向するレンズアレイ体5の凸レン
ズ5aとの関係を図3に示す。具体的な数値を示すと、
平行化手段3の凸レンズ3aのピッチ(LEDアレイパ
ネル2のLED2bのピッチと同じ)はPy=2.2m
m、Px=3.81mmに設定され、レンズアレイ体5
の凸レンズ5aのピッチはQy=3.0mm、Qx=
4.0mmに設定されている。
D2bは光軸付近では強力な光束となるが、少し外れる
と急激に強度が減衰するので、それぞれのLED2bに
インテグレータ光学系4の要素レンズ(凸レンズ5a、
6a)を対応させると、被照明体(液晶パネル1)上で
はLED2bの発光強度分布そのままの照度分布となっ
てしまうためである。すなわち、中央部は明るくて、周
辺部、特に四隅は極端に暗くなるためである。図2
(a)の側面図に示すように、仮に±45°の範囲を用
いるようにしたならば、液晶パネル1上の照度均一度は
10%程度ということになってしまう。
し、インテグレータ光学系4のレンズアレイ体5の凸レ
ンズ(要素レンズ)5aを9個とした場合には、LED
2b(又は、凸レンズ3a)とレンズアレイ体5の凸レ
ンズ5aとの相対位置は一致することはなく、それぞれ
のLED2bの光軸と凸レンズ5aの光軸が一致する組
み合わせはないので、液晶パネル1上の照度は互いに補
完しあって均一化される。
グレータ光学系4のレンズアレイ体5の凸レンズ5aを
11個とした場合には、LED2bが33個目で凸レン
ズ5aが11個目のときに、LED2bと凸レンズ5a
との相対位置が一致するが、全体に占める割合は10%
程度である。この程度なら、この位置の照度が支配する
割合も10%程度の強調となるレベルなので、実用上あ
まり問題とならない。
までもなく、LED2bと凸レンズ5aとの相対位置は
一致しない。
源としてLED2bを利用しているので、照明時に発熱
量が多くなるという問題が生じない。そして、複数のL
ED2bから出射された光を平行化する平行化手段3、
インテグレータ光学系4を有することにより、液晶パネ
ル1を均一であって高効率に照明することができる。さ
らに、インテグレータ光学系4に偏光変換手段8を含む
ことにより、ランダムな光束を一方の偏光光(P偏光光
又はS偏光光)のみに揃えることができ、被照明体が一
方の偏光光しか利用できない液晶パネル1などである場
合には、光の利用効率を大幅に高めることができる。
の光量を算出すると、以下のようになる。現在の技術で
は600nmの赤色光では1個あたり、20mAの電流
を流して3cdが得られる。先の例で、84個のLED
2bを用いたときは252cd、120個用いたときは
360cd得られることになる。ただし、ここで消費さ
れる電力は約1.5V×20mA=30mWである。す
なわち、2.52〜3.6Wである。リソグラフに用い
る場合はこのままの構成で充分な光量である。データプ
ロジェクタに用いる場合の光量としてはこの構成を縦横
3倍(面積で9倍)ほどにすれば十分になる。
してある偏光変換手段8は、照射対象が液晶パネル1の
ように偏光を伴う光変調器である場合を想定して配置し
ているが、偏光に関係なくランダムな光を変調するDM
D(Dynamic Mirror Device)である場合や、微細なプ
リント配線基板やIC基盤等のエッチングパターンを焼
き付けるリソグラフィの照明装置の場合には不要とな
る。
及び図5に基づいて説明する。なお、図1ないし図3に
おいて説明した部分と同じ部分は同じ符号で示し、説明
も省略する(以下の実施の形態でも同じ)。
形態と同じであり、異なる点は、平行化要素として複数
の放物面鏡12aを二次元アレイ状に配列した平行化手
段12を設けた点である。
関係を示す説明図である。LED2bの発光面を原点と
して放物線を描くとy2=4f(z+f)の式で表せ
る。これをz軸で回転させると回転放物面体となるが、
ここではその上半分を利用する場合と、更にその半分を
利用する場合について説明する。図4では半分利用した
状態を示しており、太い実線で示した部分はポリカーボ
ネート(あるいはアクリル)で充填してある。そして、
放物面部分はアルミ蒸着して鏡面を形成し、z軸と鉛直
な面は透明のままにしておく。LED2bの発光角度分
布は図2の場合と同じであるが、本実施の形態ではz軸
のマイナス側に向け45°上に傾けて配置する。
ほとんどの光束は放物面鏡12aで反射されz軸に平行
な光束となってポリカーボネートのz軸と鉛直な面から
出射される。
樹脂を充填する場合について述べたが、この方式でも、
LED2bの配列密度を高くした場合は、LED2bの
発熱により樹脂の耐久性が落ちるので、ガラスを用い
る。この場合、加工法としてはエッチング法やその逆の
蒸着法、気相成長法などがある。
の配列状態を示した説明図である。放物面鏡12aの焦
点距離をf=1.1mmとし、x軸に沿って一列目を並
べる方法を説明する。z軸上で0上の平面はLED2b
の発光角度の主光軸から45°の位置にある。そこまで
の放物面を保ってLED2bを配置すると、そのピッチ
はPx=4.4mmとなる。
配置は一列目と背中合わせにしてLED2bの位置は一
列目の各LED2bの間になるようにする。
向のLED2bの配置ピッチは同じピッチにする。y軸
の方向のピッチはPy=7.62mmとする。こうする
と二列目と三列目との各LED2bの位置は概略正三角
形の各頂点にあることになる。
の様にハニカムの半分づつをずらしたものを並べた状態
となる。
側に用いるレンズアレイ体5(図1参照)の面積に対応
させると(この正面図を90°回転させ縦横を逆にしな
いといけないのだが)、縦(V)は同じ数のLED2b
になるが、横(H)は半分の数になる。
LED2bを利用しているので、照明時に発熱量が多く
なるという問題が生じない。そして、複数のLED2b
から出射された光を平行化する平行化手段3、インテグ
レータ光学系4を有することにより、液晶パネル1を均
一であって高効率に照明することができる。
12とインテグレータ光学系4のレンズアレイ体5(図
1、3参照)とを一体化してもよい。この一体化によ
り、平行化手段12とレンズアレイ体5との間の間隔を
狭くし、照明装置の小型化を図ることができる。さら
に、平行化手段12を通過した光がレンズアレイ体5に
到達するまでに失われる光をなくすことができ、LED
2bから出射された光の無駄を減らすことができる。
に基づいて説明する。本実施の形態は、図4で説明した
上半分の更に半分(y軸に対して±45°を用いる)、
すなわち1/4の形状とした放物面鏡12bを図の様に
配置したものである。
側に用いるレンズアレイ体(図1参照)面積に対応させ
ると(これもやはり、この正面図を90°回転させ縦横
を逆にしないといけないのだが)、縦(V)は2倍の数
のLED2bになるが、横(H)は半分の数になる。こ
のようにすることにより、放物面鏡12bを平行化要素
として用いても全体として凸レンズ3aを平行化要素と
して用いた場合と同程度の照度を得ることが可能とな
る。
及び図8に基づいて説明する。本実施の形態は、インテ
グレータ光学系4の2つのレンズアレイ体13、14と
して、それぞれ2つのシリンドリカルレンズアレイ13
a、13b、14a、14bを組み合わせたたものであ
る。シリンドリカルレンズアレイ13a、13b、14
a、14bは、図8に示すように、複数のシリンドリカ
ルレンズをX方向又はY方向へ配列することにより構成
されている。レンズアレイ体14におけるシリンドリカ
ルレンズアレイ14a、14bの間には偏光変換手段8
が配置されている。
LEDアレイパネル2を用いているので、照明時に発熱
量が多くなるという問題が生じない。そして、複数のL
ED2bから出射された光を平行化する平行化手段3、
インテグレータ光学系4を有することにより、液晶パネ
ル1を均一であって高効率に照明することができる。
に基づいて説明する。本実施の形態は、これは3色を合
成して白色光として液晶パネル1を照明する方法を示し
たものである。
光をP偏光光に揃えるものであり、PBS18、19は
45°のPBS膜でP偏光光は透過させ、S偏光光は反
射させる。色選択波長板20は緑色Gの帯域のみの偏光
を90°変える。
られPBS18のPBS膜をそのまま通過し、色選択波
長板20では何の影響も受けずPBS19へ入り、やは
りPBS膜をそのまま通過し、インテグレータ光学系2
1へ導かれる。
るがRとは90°回転させて用いているのでPBS18
へはS偏光光として入り、そのPBS膜で反射され色選
択波長板20に入る。ここで偏光を90°変えられるの
でPBS19に対してはP偏光光となり、そのPBS膜
を透過し、インテグレータ光学系21に導かれる。
られるがRとは90°回転させて用いているのでPBS
19へはS偏光光として入り、そのPBS膜で反射され
てインテグレータ光学系21に導かれる。
6、17は、PBSプリズム、全反射プリズム、半波長
板を組み合わせてランダムな光線の入力をP偏光に揃え
て出射するもの2個を対称にして用いる方式を示してい
る。
LEDアレイパネル2を用いているので、照明時に発熱
量が多くなるという問題が生じない。そして、複数のL
ED2bから出射された光を平行化する平行化手段3、
インテグレータ光学系21を有することにより、液晶パ
ネル1を均一であって高効率に照明することができる。
体発光素子としてLED2bを例に挙げて説明したが、
LD(レーザダイオード)を用いても同様の動作を行わ
せることが出来る。また、LDの場合は面発光LDの場
合のビーム広がり角が±10°以下のほぼ円形であり、
端面発光LDの場合のビーム広がり角は楕円で短軸方向
で±数度、長軸方向で±十数度程度である。これらを考
慮してLDと、平行化手段の平行化要素である凸レンズ
や放物面鏡の組み合わせピッチを更に小さくし、単位面
積当たりの光量を増加させることができる。
ば、複数の半導体発光素子を二次元アレイ状に配列した
照明光源と各半導体発光素子から出射された光を被照明
体へ向けて平行化する平行化手段とを有するので、照明
光源からの発熱量が多くなるという問題を生じることな
く、被照明体を均一な照度となるように照明することが
できる。
請求項1記載の照明装置において、前記平行化手段と前
記被照明体との間に、前記平行化手段により平行化され
た光を複数のサブ光軸に分割する2つのレンズアレイ体
と、分割されたサブ光軸を前記被照明体の全面に重畳し
て照明させる重畳手段とを備えたインテグレータ光学系
を有するので、インテグレータ光学系を用いることによ
り、照明光源から出射された光の利用効率を高めて被照
明体を高効率に照明することができる。
載の照明装置において、前記平行化手段と前記被照明体
との間に、前記平行化手段により平行化された光を複数
のサブ光軸に分割する2つのレンズアレイ体と、分割さ
れたサブ光軸を前記被照明体の全面に重畳して照明させ
る重畳手段と、偏光変換手段とを備えたインテグレータ
光学系を有するので、インテグレータ光学系を用いるこ
とにより、照明光源から出射された光の利用効率を高め
て被照明体を高効率に照明することができ、さらに、偏
光変換手段によりランダムな光束を一方の偏光光(P偏
光光又はS偏光光)のみに揃えることができ、被照明体
が一方の偏光光しか利用できない液晶パネルなどである
場合には光の利用効率を大幅に高めることができる。
いし3のいずれか一記載の照明装置において、前記平行
化手段は、前記各半導体発光素子に対応する複数の凸レ
ンズを平行化要素として有するので、各半導体発光素子
に対応する複数の凸レンズを平行化要素とする平行化手
段を用いた場合にも、照明光源からの発熱量が多くなる
という問題を生じることなく被照明体を均一な照度とな
るように照明することができる。
いし3のいずれか一記載の照明装置において、前記平行
化手段は、前記各半導体発光素子に対応する複数の放物
面鏡を平行化要素として有するので、各半導体発光素子
に対応する複数の放物面鏡を平行化要素とする平行化手
段を用いた場合にも、照明光源からの発熱量が多くなる
という問題を生じることなく被照明体を均一な照度とな
るように照明することができる。
載の照明装置において、前記平行化手段と前記インテグ
レータ光学系の一つの前記レンズアレイ体とが一体化さ
れているので、照明装置の小型化を図り、照明光源から
出射された光の無駄を減らすことができる。
いし6のいずれか一記載の照明装置において、前記平行
化手段の前記平行化要素のピッチと、前記インテグレー
タ光学系の前記レンズアレイ体の要素レンズのピッチと
が、不一致となるように設定されているので、平行化要
素の中心と要素レンズの光軸とが一致することがなく、
被照明体上の照度の均一化を図ることができる。
いし6のいずれか一記載の照明装置において、前記平行
化手段の前記平行化要素と、前記インテグレータ光学系
の前記レンズアレイ体の要素レンズとのピッチが、利用
する面積の範囲内で互いに約数又は倍数とならないよう
に配置されているので、平行化要素の中心と要素レンズ
の光軸とが一致することがなく、被照明体上の照度の均
一化を図ることができる。
成の概略を示し、(a)は上面図、(b)は正面図であ
る。
し、(a)は側面図、(b)は正面図である。
アレイ体の凸レンズ(要素レンズ)との関係を示し、
(a)は側面図、(b)は正面図である。
放物面鏡とLEDとの関係を示し、(a)は側面図、
(b)は正面図である。
(b)は上面図、(c)は正面図である。
放物面鏡の配列状態を示し、(a)は側面図、(b)は
上面図、(c)は正面図である。
成の概略を示し、(a)は上面図、(b)は正面図であ
る。
ンズアレイ体を示す分解斜視図である。
成を示す概略図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 複数の半導体発光素子を2次元アレイ状
に配列した照明光源と、 前記各半導体発光素子から出射された光を被照明体へ向
けて平行化する平行化手段と、を有する照明装置。 - 【請求項2】 前記平行化手段と前記被照明体との間
に、前記平行化手段により平行化された光を複数のサブ
光軸に分割する2つのレンズアレイ体と、分割されたサ
ブ光軸を前記被照明体の全面に重畳して照明させる重畳
手段とを備えたインテグレータ光学系を有する請求項1
記載の照明装置。 - 【請求項3】 前記平行化手段と前記被照明体との間
に、前記平行化手段により平行化された光を複数のサブ
光軸に分割する2つのレンズアレイ体と、分割されたサ
ブ光軸を前記被照明体の全面に重畳して照明させる重畳
手段と、偏光変換手段とを備えたインテグレータ光学系
を有する請求項1記載の照明装置。 - 【請求項4】 前記平行化手段は、前記各半導体発光素
子に対応する複数の凸レンズを平行化要素として有する
請求項1ないし3のいずれか一記載の照明装置。 - 【請求項5】 前記平行化手段は、前記各半導体発光素
子に対応する複数の放物面鏡を平行化要素として有する
請求項1ないし3のいずれか一記載の照明装置。 - 【請求項6】 前記平行化手段と前記インテグレータ光
学系の一つの前記レンズアレイ体とが一体化されている
請求項5記載の照明装置。 - 【請求項7】 前記平行化手段の前記平行化要素のピッ
チと、前記インテグレータ光学系の前記レンズアレイ体
の要素レンズのピッチとが、不一致となるように設定さ
れている請求項2ないし6のいずれか一記載の照明装
置。 - 【請求項8】 前記平行化手段の前記平行化要素のピッ
チと、前記インテグレータ光学系の前記レンズアレイ体
の要素レンズのピッチとが、利用する面積の範囲内で互
いに約数又は倍数とならないように配置されている請求
項2ないし6のいずれか一記載の照明装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002081378A JP2003280094A (ja) | 2002-03-22 | 2002-03-22 | 照明装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
JP2002081378A JP2003280094A (ja) | 2002-03-22 | 2002-03-22 | 照明装置 |
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Publication Number | Publication Date |
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