JP2008211123A - 撮像素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】撮像素子の感度を向上しながら、電荷の読み出し時に発生するノイズ成分を減少させることが可能な撮像素子を提供する。
【解決手段】この撮像素子は、撮像領域１００上に複数の色感度特性を有するマトリクス状に配置された複数の画素１と、同色の色感度特性を有する複数の画素１の近傍に設けられ、同色の色感度特性を有する複数の画素１に蓄積された電荷を混合するための増倍ゲート電極５とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、撮像素子に関し、特に、画素に蓄積される電荷の混合が行われる撮像素子に関する。
従来、画素に蓄積される電荷の混合が行われる撮像素子が知られている（たとえば、特許文献１および２参照）。
上記特許文献１には、マトリクス状に配置される複数の画素と、画素において生成された情報電荷を垂直方向に転送する垂直シフトレジスタと、垂直シフトレジスタから転送された情報電荷を水平方向に転送する水平シフトレジスタとを備え、画素から情報電荷を読み出した後に、３つの画素分の情報電荷を水平転送方向に加算合成する撮像素子が開示されている。この特許文献１による撮像素子では、３つの画素分の情報電荷が加算合成されるので、撮像素子の感度が向上するとともに、情報電荷の転送時間を短縮することが可能となる。
上記特許文献２には、マトリクス状に配置される複数の画素と、画素において生成された情報電荷を垂直方向に転送する垂直シフトレジスタと、垂直シフトレジスタから転送された情報電荷を水平方向に転送する水平シフトレジスタとを備え、画素から情報電荷を読み出した後に、垂直転送の途中において連続する３つの画素分の情報電荷の内、中央の画素に対応する情報電荷を排出するとともに、残りの２つの画素分の情報電荷を垂直転送方向に加算合成する撮像素子が開示されている。この特許文献２による撮像素子では、２つの画素分の情報電荷が加算合成されるので、撮像素子の感度が向上するとともに、連続する３つの画素の情報電荷の内、中央の画素に対応する情報電荷が排出されるので、情報電荷の転送時間を短縮することが可能となる。
特開２００６−５０１２８号公報 特開２００６−１２８６００号公報
しかしながら、上記特許文献１および２に記載の撮像素子では、撮像素子上の画素に蓄積される情報電荷を読み出した後に、情報電荷の加算合成が行われているので、電荷が読み出される画素数の分、読み出し時に発生するノイズ成分が大きくなるという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、撮像素子の感度を向上しながら、電荷の読み出し時に発生するノイズ成分を減少させることが可能な撮像素子を提供することである。
課題を解決するための手段および発明の効果
この発明の一の局面による撮像素子は、複数の色感度特性を有する複数の画素と、同色の色感度特性を有する複数の画素に隣接して設けられ、同色の色感度特性を有する複数の画素に蓄積された電荷を混合するための混合部とを備える。
この一の局面による撮像素子では、上記のように、同色の色感度特性を有する複数の画素に隣接して設けられ、同色の色感度特性を有する複数の画素に蓄積された電荷を混合するための混合部を設けることにより、同色の色感度特性を有する複数の画素の近傍で画素に蓄積された電荷を混合することができるので、混合後の電荷を読み出すことができる。これにより、撮像素子の感度を向上することができるとともに、画素に蓄積される電荷を読み出した後に混合を行う場合に比べて、電荷の読み出し回数が少なくなるので、電荷の読み出し時に発生するノイズ成分を減少させることができる。
上記一の局面による撮像素子おいて、好ましくは、画素に蓄積された電荷が混合される同色の色感度特性を有する複数の画素は、平面的に見て斜め方向に隣接するように配置されている。このように構成すれば、たとえば、赤、青および緑の色感度特性のうち、赤と赤、および、青と青の色感度特性を有する画素が緑の色感度特性を有する画素を挟んで１つおきに配置されるベイヤ配列と異なり、電荷の混合が行われる同色の色感度特性を有する画素が隣接しているので、狭い範囲で電荷の混合を行うことができる。これにより、混合後の電荷の配置がベイヤ配列に比べて密になるので、撮像素子の解像度を高めることができる。
上記一の局面による撮像素子おいて、好ましくは、蓄積された電荷が混合される複数の画素によって取り囲まれる領域に画素とは別個に設けられた混合領域をさらに備える。このように構成すれば、混合手段を容易に撮像領域上に配置することができる。
上記一の局面による撮像素子おいて、好ましくは、混合部は、電荷の増倍を行う機能を有する。このように構成すれば、電荷の混合だけを行う場合に比べて、撮像素子の解像度を劣化させることなく、撮像素子の感度を大幅に高めることができる。
上記一の局面による撮像素子おいて、好ましくは、撮像される被写体情報に応じて電荷の混合を行う画素数を切り替える。このように構成すれば、たとえば、輝度が低い被写体を撮像する際には混合を行う画素数を増やし、輝度が高い被写体を撮像する際には混合を行わないことにより、容易に、被写体情報に応じた最適な画像を得ることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による撮像素子の撮像領域に配置された画素の配置図である。図２は、本発明の第１実施形態による撮像領域の表面図である。図１および図２を参照して、第１実施形態による撮像素子の撮像領域１００の構成について説明する。
この第１実施形態による撮像素子の撮像領域１００は、図１に示すように、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の色感度特性の異なる画素１がマトリクス状に配置されている。なお、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の色感度特性の異なる画素１は、同じ色感度特性を有する画素１が平面的に見て斜め方向に隣接するように配置されている。また、第１実施形態では、斜め方向に隣接する同じ色感度特性を有する画素１は、図１の点線で囲まれるＬ字状に３つの同じ色感度特性を有する画素１が隣接するように配置されている。なお、図１の点線で囲まれていない画素１のように、一部の画素１は、斜め方向に同じ色感度特性を有する画素１と隣接していないか、または、同じ色感度特性を有する２つの画素１が斜め方向に隣接しているが、３つの画素１がＬ字状に隣接していないものもある。
また、Ｌ字状に隣接する３つの同じ色感度特性を有する画素１の組が、行方向（図１のＸ方向）に、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）の順に並んでいる行と、行方向に、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の順に並んでいる行とが交互に現れるように配置されている。
また、図２に示すように、画素１には、フォトダイオード２と、切替ゲート電極３ａおよび３ｂと、読出し部４とが備えられている。切替ゲート電極３ａは、フォトダイオード２と読出し部４との間に配置されている。また、第１実施形態では、図１の点線に示すＬ字状に隣接する３つの同じ色感度特性を有する画素１の間の切替ゲート電極３ｂの間には、複数の画素１に蓄積された電荷を混合するとともに、増倍する機能を有する増倍ゲート電極５が備えられている。なお、増倍ゲート電極５は、本発明の「混合部」の一例である。この増倍ゲート電極３ｂは、たとえば、増倍ゲート電極３ｂ下に高電圧を印加することにより、電子なだれ現象を起こすことによって電子を増倍する。このように、増倍ゲート電極５を隣接する画素１の間に配置することにより、隣接していない位置にある画素１同士に蓄積された電荷を増倍する場合に比べて、増倍ゲート電極５を小型化することが可能となる。
図３は、本発明の第１実施形態によるＬ字状に隣接する３つの同じ色感度特性を有する画素に蓄積される電荷が混合された状態を示す図である。次に、図１〜図３を用いて、本発明の第１実施形態による撮像素子の動作について説明する。
図１に示すＬ字状に隣接する３つの同じ色感度特性を有する画素１のフォトダイオード２（図２参照）に蓄積された電荷が、切替ゲート電極３ｂ（図２参照）を介して増倍ゲート電極５（図２参照）下に集められることにより、図３に示すように、３つの画素１に蓄積された電荷が混合される。なお、図３において、３Ｒ、３Ｇおよび３Ｂは、それぞれ、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の色感度特性を有する３つの画素１に蓄積された電荷が混合されたことを表している。また、図３の１点鎖線に示す４つの画素１の領域に対して３つの画素１に蓄積された電荷が混合されている。
また、図３に示すように、混合された電荷の配置は、赤（Ｒ）および緑（Ｇ）が交互に現れる行と、緑（Ｇ）および青（Ｂ）が交互に現れる行とが交互に現れるベイヤ配列になっている。これにより、色再現がよいとともに、高感度のカラー画像を得ることが可能となる。
次に、増倍ゲート電極５に電荷の増倍を行うのに足る高電圧を印加することにより、増倍ゲート電極５下に蓄積された電荷数を増倍させる。これにより、光量が十分でないときにでも、十分な感度（電荷量）を稼ぐために、露光時間を長くする必要がないので、高速な動体を撮像するときの被写体のぶれを抑制することが可能となる。この後、増倍された電荷を読み出すことにより、画像が得られる。なお、光量が十分あるときは、電荷の混合および増倍を行わない状態の画素１に蓄積される電荷を読み出す。これにより、高解像度の画像を得ることが可能となる。
また、混合および増倍された電荷と、混合および増倍されていない電荷との両方の電荷を読み出してもよい。これにより、増倍された電荷が画面内で飽和してしまった画素１については、周囲の混合および増倍されていない画素１に蓄積される電荷量から飽和した画素に蓄積される電荷量を推測することにより、飽和した画面の映像を再現することが可能となる。これにより、撮像素子のダイナミックレンジを拡大することが可能となる。
第１実施形態では、上記のように、同色の色感度特性を有する複数の画素１の近傍に、同色の色感度特性を有する複数の画素１に蓄積された電荷を混合するための増倍ゲート電極５を設けることにより、同色の色感度特性を有する複数の画素１の近傍で画素１に蓄積された電荷を混合することができるので、混合後の電荷を読み出すことができる。これにより、撮像素子の感度を向上することができるとともに、画素１に蓄積される電荷を読み出した後に混合を行う場合に比べて、電荷の読み出し回数が少なくなるので、電荷の読み出し時に発生するノイズ成分を減少させることができる。
また、第１実施形態では、上記のように、画素１に蓄積された電荷が混合される同色の色感度特性を有する複数の画素１は、平面的に見て斜め方向に隣接するように配置されることによって、赤（Ｒ）、青（Ｂ）および緑（Ｇ）の色感度特性のうち、赤（Ｒ）と赤（Ｒ）、および、青（Ｂ）と青（Ｂ）の色感度特性を有する画素１が緑（Ｇ）の色感度特性を有する画素を挟んで１つおきに配置されるベイヤ配列と異なり、電荷の混合が行われる同色の色感度特性を有する画素１が隣接しているので、狭い範囲で電荷の混合を行うことができる。これにより、混合後の電荷の配置がベイヤ配列に比べて密になるので、撮像素子の解像度を高めることができる。
また、第１実施形態では、上記のように、増倍ゲート電極５は、蓄積された電荷の混合と電荷の増倍を行う機能とを有することによって、電荷の混合だけを行う場合に比べて、撮像素子の解像度を劣化させることなく、撮像素子の感度を大幅に高めることができる。
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態による被写体情報に応じて混合される画素を示す図である。図２および図４を参照して、この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、被写体情報に応じて電荷の混合を行う画素１１の数を切り替える撮像素子の撮像領域２００の構成について説明する。
この第２実施形態による撮像素子の撮像領域２００は、図４の（ａ）〜（ｃ）に示すように、第１実施形態と同様に、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の色感度特性の異なる画素１１が、同じ色感度特性を有する画素１１が斜め方向に隣接するように配置されている。また、第２実施形態の画素１１における、フォトダイオード１２と、切替ゲート電極１３ａおよび１３ｂと、読出し部１４と、増倍ゲート電極１５とは、図２に示す第１実施形態と同様である。なお、増倍ゲート電極１５は、本発明の「混合部」の一例である。また、第２実施形態では、図２に示す切替ゲート電極１３ｂのオン／オフにより、混合および増倍する画素１１を選択できるように構成されている。
次に、図４を用いて、本発明の第２実施形態による撮像素子の動作について説明する。
図４の（ａ）に示すように、被写体の輝度が低いときは、点線で囲まれるＬ字状に配置される同色の色感度特性を有する３つの画素１１に蓄積される電荷を混合および増倍することにより、高感度低解像度の画像を得ることが可能となる。また、図４の（ｂ）に示すように、被写体の輝度が中程度のときは、点線で囲まれる斜め方向に隣接する同色の色感度特性を有する２つの画素１１に蓄積される電荷を混合および増倍することにより、中感度中解像度の画像を得ることが可能となる。また、図４の（ｃ）に示すように、被写体の輝度が高いときは、画素１１に蓄積される電荷の混合および増倍は行わず、全ての画素１１の電荷を読み出す。これにより、低感度高解像度の画像を得ることが可能となる。
また、図４の（ａ）に示すように、被写体の動体速度が速いときは、Ｌ字状に配置される同色の色感度特性を有する３つの画素１１に蓄積される電荷を混合および増倍することにより、高感度低解像度の画像を得ることが可能となる。また、高感度の画素１１は、露光時間を短くすることが可能であることにより、動体速度が速い被写体の撮像が可能となる。また、図４の（ｂ）に示すように、被写体の動体速度が中程度のときは、斜め方向に隣接する同色の色感度特性を有する２つの画素１１に蓄積される電荷を混合および増倍することにより、中感度中解像度の画像を得ることが可能となる。また、図４の（ｃ）に示すように、被写体の動体速度が遅いときは、画素１１に蓄積される電荷の混合および増倍は行わず、全ての画素１１の電荷を読み出す。これにより、低感度高解像度の画像を得ることが可能となる。
第２実施形態では、上記のように、撮像される被写体情報に応じて電荷の混合を行う画素１１の数を切り替えるように構成することによって、容易に、輝度や動体速度などの被写体情報に応じた最適な画像を得ることができる。
なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態による画面の領域ごとの被写体情報を示す図である。図６は、本発明の第３実施形態による画面の領域ごとの増倍する画素を示す図である。図５および図６を参照して、この第３実施形態では、上記第１実施形態と異なり、画面の領域ごとに増倍する画素２１の数を異ならせる撮像素子の撮像領域３００の構成について説明する。
この第３実施形態による撮像素子の撮像領域３００は、図５に示すように、画面の領域によって被写体情報が異なる場合に、画面の領域ごとに増倍する画素２１（図６参照）の数を異ならせることが可能なように構成されている。また、第３実施形態の画素２１における、フォトダイオード２２と、切替ゲート電極２３ａおよび２３ｂと、読出し部２４と、増倍ゲート電極２５とは、図２に示す第１実施形態と同様である。なお、増倍ゲート電極２５は、本発明の「混合部」の一例である。また、第３実施形態では、図２に示す切替ゲート電極２３ｂのオン／オフにより、第２実施形態と同様に、混合および増倍する画素２１を選択できるように構成されている。
次に、図５および図６を用いて、本発明の第３実施形態による撮像素子の動作について説明する。
図５に示す輝度が低い領域３０１では、図６に示すように、点線で囲まれるＬ字状に配置される同色の色感度特性を有する３つの画素２１に蓄積される電荷を混合および増倍することにより、高感度低解像度の画像を得ることが可能となる。また、被写体の輝度が中程度の領域３０２では、点線で囲まれる斜め方向に隣接する同色の色感度特性を有する２つの画素２１に蓄積される電荷を混合および増倍することにより、中感度中解像度の画像を得ることが可能となる。また、輝度が高い領域３０３では、画素２１に蓄積される電荷の混合および増倍は行わず、全ての画素２１の電荷を読み出す。これにより、低感度高解像度の画像を得ることが可能となる。これらの結果、１つの画面の中で、輝度の低い領域３０１から高い領域３０３までの広い輝度範囲の画像を得ることが可能になるので、撮像素子のダイナミックレンジを拡大することが可能となる。
また、図５に示す被写体の動体速度が速い領域３０１では、図６に示すように、点線で囲まれるＬ字状に配置される同色の色感度特性を有する３つの画素２１に蓄積される電荷を混合および増倍することにより、高感度低解像度の画像を得ることが可能となる。また、高感度の画素２１は、露光時間を短くすることが可能であることにより、動体速度が速い被写体の撮像が可能となる。また、被写体の動体速度が中速度の領域３０２では、点線で囲まれる斜め方向に隣接する同色の色感度特性を有する２つの画素２１に蓄積される電荷を混合および増倍することにより、中感度中解像度の画像を得ることが可能となる。また、被写体の動作速度が遅い領域３０３では、画素２１に蓄積される電荷の混合および増倍は行わず、全ての画素２１の電荷を読み出す。これにより、低感度高解像度の画像を得ることが可能となる。
なお、第３実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態による撮像素子の撮像領域に配置された画素と混合領域の配置図である。図８は、本発明の第４実施形態による撮像領域の表面図である。図７および図８を参照して、この第４実施形態では、上記第１実施形態と異なり、４つの同じ色感度特性を有する画素３１に蓄積される電荷が混合領域３２に混合される撮像素子の撮像領域４００の構成について説明する。
この第４実施形態による撮像素子の撮像領域４００は、図７に示すように、ベイヤ配列において縦３画素×横３画素の合計９つの画素３１のうち、中央の画素３１を混合領域３２に置き換えた配置となっている。この配置では、混合領域３２の斜め方向に隣接する４つの画素３１が、同じ色感度特性を有するよう構成されている。
また、図８に示すように、蓄積された電荷の混合が行われる画素３１には、フォトダイオード３３と、切替ゲート電極３４ａおよび３４ｂと、読出し部３５とを備えている。また、混合領域３２（図７参照）には、増倍ゲート電極３６が備えられている。なお、増倍ゲート電極３６は、本発明の「混合部」の一例である。また、増倍ゲート電極３６は、４つの同じ色感度特性を有する画素３１に備えられる切替ゲート電極３４ｂと隣接するように配置されている。また、蓄積された電荷の混合が行われない画素３１には、切替ゲート電極３４ｂは、備えられていない。
図９は、本発明の第４実施形態による４つの同じ色感度特性を有する画素に蓄積される電荷が混合領域に混合された状態を示す図である。次に、図７〜図９を用いて、本発明の第３実施形態による撮像素子の動作について説明する。
図８に示す４つの同じ色感度特性を有する画素３１（図７参照）のフォトダイオード３３に蓄積された電荷が、切替ゲート電極３４ｂを介して混合領域３２（図７参照）の増倍ゲート電極３６下に集められる。これにより、図９に示すように、点線で囲まれる４つの画素３１に蓄積された電荷が混合される。なお、図９において、４Ｒ、４Ｇおよび４Ｂは、それぞれ、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の色感度特性を有する４つの画素３１に蓄積された電荷が混合されたことを表している。また、図９の１点鎖線で示す混合領域３２を含む９つの画素３１の領域に対して、４つの画素３１の電荷が混合されている。
また、図９に示すように、混合された電荷の配置は、赤（Ｒ）および緑（Ｇ）が交互に現れる行と、緑（Ｇ）および青（Ｂ）が交互に現れる行とが交互に現れるベイヤ配列になっている。これにより、色再現がよいとともに、高感度のカラー画像を得ることが可能となる。
次に、増倍ゲート電極３６（図８参照）に電荷の増倍を行うのに足る高電圧を印加することにより、増倍ゲート電極３６下に蓄積された電荷数を増倍させる。これにより、光量が十分でないときにでも、十分な感度（電荷量）を稼ぐために、露光時間を長くする必要がないので、高速な動体を撮像するときの被写体のぶれを抑制することが可能となる。この後、増倍された電荷を読み出すことにより、画像が得られる。なお、光量が十分あるときは、電荷の混合および増倍を行わず、混合を行わない状態の画素３１の電荷を読み出す。この場合、混合領域３２を設けたことにより、９つの画素３１のうち１つの画素３１の情報が欠落しているが、混合領域３２の周囲の画素３１に蓄積された電荷量から混合領域３２に蓄積される電荷量を推測することによって、ベイヤ配列を構成することが可能となる。これにより、色再現のよい、高解像度のカラー画像を得ることが可能となる。
また、増倍された画素３１と、増倍されていない画素３１との両方を読み出してもよい。これにより、増倍された画素３１の電荷が画面内で飽和してしまった画素３１については、周囲の増倍されていない画素３１の電荷量を用いて飽和した画素３１の電荷量を推測することにより、飽和した画面の映像を再現することが可能となる。これにより、撮像素子のダイナミックレンジを拡大することが可能となる。
また、第１実施形態に比べて、混合領域３２を設けている分だけ解像度が低くなるが、第４実施形態は、混合および増倍を行う場合と行わない場合とで、画素３１の色感度特性である、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の配置が同じになるので、画素３１に蓄積された電荷を読出した後の信号の処理を第１実施形態に比べて容易に行うことが可能となる。
第４実施形態では、上記のように、蓄積された電荷が混合される複数の画素３１よって取り囲まれる領域に画素３１とは別個に設けられた混合領域３２を備えられることによって、増倍ゲート電極３６の配置を容易にすることができる。
なお、第４実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。また、混合および増倍する画素３１の数を輝度や動体速度などの被写体情報や、撮像領域４００の領域によって切り替えることにより、第２実施形態および第３実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記第１実施形態〜第４実施形態では、増倍ゲート電極は、画素に蓄積された電荷を混合する機能および増倍する機能を有する例を示したが、本発明はこれに限らず、増倍ゲート電極を増倍機能を有しない混合ゲート電極としてもよい。増倍機能を有する場合に比べて、感度の大幅な向上はないが、感度の大幅な向上以外の上記第１実施形態〜第４実施形態と同様の効果を得ることができる。
本発明の第１実施形態による撮像素子の撮像領域に配置された画素の配置図である。 本発明の第１実施形態による撮像領域の表面図である。 本発明の第１実施形態によるＬ字状に隣接する３つの同じ色感度特性を有する画素に蓄積される電荷が混合された状態を示す図である。 本発明の第２実施形態による被写体情報に応じて混合される画素を示す図である。 本発明の第３実施形態による画面の領域ごとの被写体情報を示す図である。 本発明の第３実施形態による画面の領域ごとの増倍する画素を示す図である。 本発明の第４実施形態による撮像素子の撮像領域に配置された画素と混合領域の配置図である。 本発明の第４実施形態による撮像領域の表面図である。 本発明の第４実施形態による４つの同じ色感度特性を有する画素に蓄積される電荷が混合領域に混合された状態を示す図である。
符号の説明
１、１１、２１、３１ 画素
５、１５、２５、３６ 増倍ゲート電極（混合部）
３２ 混合領域
１００、２００、３００、４００ 撮像領域

Claims (5)

  1. 複数の色感度特性を有する複数の画素と、
    同色の色感度特性を有する複数の前記画素に隣接して設けられ、同色の色感度特性を有する複数の前記画素に蓄積された電荷を混合するための混合部とを備える、撮像素子。
  2. 前記画素に蓄積された電荷が混合される前記同色の色感度特性を有する複数の画素は、平面的に見て斜め方向に隣接するように配置されている、請求項１に記載の撮像素子。
  3. 蓄積された電荷が混合される複数の前記画素によって取り囲まれる領域に前記画素とは別個に設けられた混合領域をさらに備える、請求項１に記載の撮像素子。
  4. 前記混合部は、電荷の増倍を行う機能を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像素子。
  5. 撮像される被写体情報に応じて電荷の混合を行う前記画素数を切り替える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像素子。
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