JP4745969B2 - 差分光信号を検出および/または評価するための方法 - Google Patents

差分光信号を検出および/または評価するための方法 Download PDF

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Description

関連出願
本発明は、2003年10月8日付け出願のドイツ特許願第10346741.6号に基づく優先権を主張するものであり、この出願の開示内容は本願の対象でもあることを明示する。
本発明は、請求項1または4の上位概念(前置部)による差分光信号の検出および/または評価方法に関する。
フォトダイオードは、変調された光に対して絶対明度に依存する感度を有し、これは「周囲光効果」と称される。従って反射光スイッチの受信信号は測定すべき反射度にだけ依存するのではなく、周囲光にも依存する。そのため受信信号を、周囲光特性が大きく変動する場合には、もはや信頼性を以て評価することができない。
請求項1および4の上位概念の基礎となるEP706648B1から、フォトダイオードの伝達関数(Uebertragungsfunktion)の影響を除去する測定方法が公知である。そのために少なくとも2つの光源が交互に少なくとも1つの受信器に送信し、ここで少なくとも2つの光源は受信器から見て常に同じ明度で発光するように制御される。従ってフォトダイオードの受信信号は、時間的に接近して受信された2つの信号の比較にだけ用いられる。2つの光源が逆相の矩形信号を送信すれば、制御された回路での受信信号はゼロとなる。すなわち受信器の増幅率を任意に高く選択することができる。なぜならバンドパスフィルタの出力を任意に高く選択することができるからであり、バンドパスフィルタリングされた受信信号だけが評価されるからである。一方の光源が過度に強いと、受信信号はその光源のクロックに相応し、その逆もまた然りである。後続の回路はこのことを識別し、光源の強度を相応に追従制御する。
EP706648B1
基本的に、例えば2つの光源によるこの種の制御に対しては、2つの異なる制御方法(規則)が存在する:
1. 一方の光源は常に一定レベルで送信し、他方の光源は追従制御される。このことは、一方の光源が測定対象物を照明し、他方は受信器に直接入射する場合にとりわけ有利である。
2. 2つの光源を常に、それらの強度の和が一定に留まるよう制御する。このことは、2つの光源が測定対象物を照明する場合に有利である。
この2つの制御方法は組み合わせることもできる。とりわけ制御条件が、2つの光源のスイッチオフによっては満たされないことを確実にしなければならない。説明に用いる以下の式で、式符号は次の意味を有する:
Figure 0004745969
制御量とビーム流(光束)との間の、光源の変換関数が、次式に対して線形であることが前提とされる。
Φ1=k・I1 (1.1)
Φ2=k・I2 (1.2)
制御条件は次のとおりである:
e(Φ1・D1)=fe(Φ2・D2) (1.3)
式1.1と1.2を使用すると次式が得られる:
1・D1=I2・D2 (1.4)
制御規則1に対して次の付加条件を代入する:
1=Im (1.5)
これによりIが出力信号となり、次式が得られる:
2=Im・D1/D2 (1.6)
制御規則2を適用する場合には次の付加条件が成り立つ:
1+I2=Im
ここから例えばIに対して次式が得られる:
2=Im・D1/(D1+D2) (1.7)
図1には制御方法1がブロック回路図に示されている。2つの第1光源S1,S2(ここではLED)が矩形変調された光を逆相で受信器Eに送信する。一方の送信振幅は制御可能である。バンドパス特性を有する受信器は受信信号を増幅し、これを制御器10に供給する。この制御器はPI特性を有し、制御可能な第1光源S1の振幅を、受信器出力端での交番信号がゼロになるよう追従制御する。制御器10はこのために受信信号を送信器クロックと同期して評価し、これにより制御方向を検出する。制御器10は2つの部分からなる:送信器を増幅する検出部と、調整量を形成するインテグレータ(Integrator)である。
現在まで検出器を実現するために実質的に以下の方法が適用されている:
・受信信号を各半周期ごとに走査し、2つのサンプリング値の差を符号(+、−)に関して評価する。
・受信信号を同期して復調し、復調結果(Produkt)の符号をインテグレータの制御に使用する。
インテグレーションはこれまでのアナログ的実施形態の場合、古典的なインテグレータ(積分)回路によって行われ、デジタル的実施形態の場合は、クロック制御されるカウンタにより行われ、カウンタの計数方向は検出された符号によって制御される。
これまでのデジタル的実施形態はアナログ制御回路の直接的置換であったから、純粋なデジタルシステムの利点が利用されていない。とりわけ符号識別の際にアナログ電圧(複数)が発生し、この電圧をシステムが発振しないように非常に注意深く比較しなければならない。このために通常はヒステリシスが使用され、このヒステリシスはシステム感度を低下させる。
この技術水準から出発して本発明の課題は、感度を犠牲にすることなくこの方法の簡単なデジタル実現を提供することである。
上記の課題を解決するために、本発明の第1の視点により、差分光信号を検出および/または評価するための方法であって、
少なくとも2つの第1光源と、少なくとも1つの受信器が設けられており、
前記少なくとも2つの第1光源は光を時間的に連続してクロック制御し、位相ごとに送信し、
前記少なくとも1つの受信器は、第1光源から発するクロック同期した交番光成分を少なくとも受信し、
測定装置に少なくとも1つの光源によって入射された光の強度が、異なる位相間で発生するクロック同期した交番光成分が受信器でゼロになるように制御される形式の方法が提供される。この方法において、
入射された光の強度を制御するために、受信信号が受信器で位相位置に関して検出され、これにより入射光の強度の制御のための調整量が形成されることを特徴とする(形態1・基本構成)。
この解決手段は、どちらの送信器が比較的により強く送信しているかを判断するためには、受信信号を位相位置について判定すれば十分であるという知見に基づく。振幅の付加的観察は基本的に不要である。この認識に基づき、エラー信号が発生することもなくデジタル構成が迅速かつ有利に実現される。ここでは、このようにして得られた制御量を光として送信器の一方を介して、または補償光源としての更なる別の光源を介して再び制御区間に導入するか、またはこのようにして得られた信号を電流信号として受信器で加算することもできる。第2の選択肢は、使用される構成部材により生じ得る障害の影響全体を考慮しないが、しかしこの種の解決手段は、場合により完全な位置の識別ないし近似の識別が問題とならない特に有利な実施形態では十分である。
有利には補償は光源自体を介して行われる。ここでも制御量として検出された電流を相応にスケーリングし、相応して比較的に弱い光源の電流に加算することができる。位相位置の切り換え(反転)は、この付加的な電流をLEDの一方から他方に切り換えることと同義である。さらなる利点は従属請求項および以下の説明から明らかとなる。
ここに、本発明の好ましい実施の形態を示す。なお、形態〜15は従属請求項の対象でもある:
(形態1) 上記基本構成参照。
(形態2) 上記形態1の方法において、異なる位相の間に生ずる、クロック同期した交番光成分が受信機でゼロになるよう、更なる別の光源、又は第1の複数光源の一つを、補償光源としての更なる別の光源として使用することが好ましい。
(形態3) 上記形態2の方法において、受信器に配属された更なる別の光源は、その位相が変化するように制御され、そのために当該別の光源は少なくとも1つのExOrゲートまたは少なくとも1つのExNorゲートを介して制御されることを特徴とする方法。
(形態4) 上記形態1〜3の何れかの方法において、該調整量は電流加算によって受信器の電流信号に加算されることが好ましい。
(形態5) 上記形態1〜4の何れかの方法において、調整量を形成するために、位相位置の値がカウンタによって積算されることが好ましい。
(形態6) 上記形態5の方法において、計数器の計数状態は、必要に応じ予設定されるか又は予設定可能であることが好ましい。
(形態7) 上記形態6の方法において、位相位置の値は、0°または180°で評価されることが好ましい。
(形態8) 上記形態5〜7の何れかの方法において、デジタル化された受信信号は、受信器に対する方向信号として使用されることが好ましい。
(形態9) 上記形態8の方法において、受信信号はフリップフロップに供給され、該フリップフロップのクロックは送信クロックから次のように導出されること、すなわちカウンタの計数方向に対する制御信号として、第1の複数光源の一つの信号が位相どおりに出力され、第1の複数光源の他方の信号が反転されて出力されるようにして導出されることが好ましい。
(形態10) 上記形態1〜6の何れかの方法において、デジタル化された受信信号はカウンタに対するクロック信号として使用され、計数方向は第1の複数光源のクロックを定めるクロック発生器のクロックにより予設定されることが好ましい。
(形態11) 上記形態10の方法において、受信信号は、クロック発生器のクロックに対して有利には90゜の位相シフトを有することが好ましい。
(形態12) 上記形態10又は11の方法において、受信信号はカウンタクロックとして、クロックエッジの時間領域内で中間記憶されることが好ましい。
(形態13) 上記形態1〜12の何れかの方法において、調整量は所定の、または予設定可能な固定成分を有することが好ましい。
(形態14) 上記形態1〜3、5〜12の何れかを受けた場合の形態13の方法において、調整量の可変成分を固定成分に、光源での電流加算によって加算することが好ましい。
(形態15) 上記形態1〜3、5〜14の何れかの方法において、調整量を電流加算によって、比較的に弱い複数光源の1以上にクロック的(taktweise)に加算することが好ましい。
(形態16) 差分光信号を検出および/または評価するための方法であって、少なくとも2つの第1光源と、少なくとも1つの受信器が設けられており、前記少なくとも2つの第1光源は光を時間的にシーケンシャルにクロック制御し、位相ごとに送信し、前記少なくとも1つの受信器は、第1光源から発するクロック同期した交番光成分を少なくとも受信し、測定装置に入射された光の強度が、異なる位相間で発生するクロック同期した交番光成分が受信器でゼロになるように制御される形式の方法において、入射された光の強度を制御するために、受信信号が受信器で位相位置に関して検出され、これにより調整量が形成され、該調整量は電流加算によって受信器の電流信号に加算されることを特徴とする(第2の視点)。
本発明を例として添付図面を参照して詳細に説明する。とりわけこの実施例は、本発明の技術思想を特定の構成に限定するための例ではない。特に、特許請求の範囲に付した図面参照符号は、専ら発明の理解を助けるためのものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図したものではない。
図面は、少なくとも2つの第1光源S1,S2による差分光信号の検出および/または評価方法を示す。これら光源は光を時間的にシーケンシャルに(継続的に)クロック制御し、位相的(taktweise)に送信する。このようにして送信された信号を受信するために少なくとも1つの受信器Eが設けられており、この受信器は第1光源S1,S2から発生し、クロック同期した交番光信号を受信する。測定装置では少なくとも1つの光源S1,S2から入射された光強度が次のように制御される。すなわち異なる位相間で発生するクロック同期した交番光信号成分が受信器Eでゼロとなるように制御される。ここで少なくとも1つの光源は、補償光源Kとすることもできる。このことは明細書の冒頭で詳細に説明した。
ここから出発して以下では遂行される原理を一般的に説明し、それから図5から7による詳細な実施例に立ち入る。
入射された光強度を制御するために、受信信号をアナログ評価の場合のようにその振幅について判定および評価せず、その代わりに受信信号を受信器Eで位相位置について検出し、これにより調整量を形成する。調整量Rは光信号として相応の電流によって第1光源S1,S2の少なくとも1つに供給することができる。しかし電流信号全体を電流加算により受信器に導くこともできる。光強度を制御する更なる別の光源は、第1光源S1,S2の1つとすることができる。しかし或いは、これは受信器に配属された更に別の光源Kでもよく、この場合、この別の光源Kがその位相を変化するように制御が行われる。このことは、別の光源Kを少なくとも1つのEXOrゲート21または少なくとも1つEXNorゲートを介して制御することによって行われる。
調整量Rを形成するために、位相位置の整数値、すなわち0°または180°に相応する+1または−1がカウンタによって積算される。デジタル化された受信信号は、受信器Eに対する方向信号として使用される。受信信号はフリップフロップに供給される。このフリップフロップのクロックは送信クロックから次のように導出される。すなわちカウンタZの計数方向に対する制御信号として、第1光源の一方S1の信号が位相どおりに、第1光源の他方S2の信号が反転されてさらに出力されるようにして導出される(図5)。あるいは、デジタル化された受信信号をカウンタZに対するクロック信号として使用することができ、計数方向は第1光源S1,S2のクロックを定めるクロック発生器12のクロックによって予設定する(図6)。受信信号は後者の場合、クロック発生器12のクロックに対して有利には90゜の位相ずれを有する。有利には受信信号はカウンタクロックとして、クロックエッジ(フランク)の時間領域内で中間記憶される。
カウンタZを高速にカウントアップできるようにするため、カウンタZの計数状態は必要に応じて予設定することができ、または場合によりソフトウエア的に予設定することができる。制御器の分解能をできるだけ完全に利用するため、調整量Rは補充的に所定の、または予設定可能な固定成分を有することができる。これは具体的な適用事例で、常に1つの所定の制御領域だけが使用される場合である。調整量の可変成分によって定められる残りの制御領域に対しては、これにより格段に分解能を向上させることができる。調整量のこの可変成分は固定成分に、例えば光源S1,S2での電流加算によって加算される。補充的に、調整量Rを電流加算によって比較的に弱い光源S1,S2,Kに、クロック的(毎)に加算することができる。
図面に基づき本発明の実施例をさらに詳細に説明する。図2によれば、受信信号は送信器S1または送信器S2のクロックに相応する。付加的に、付加的位相シフトdが存在し、この位相シフトはLEDドライバの伝達特性によって、受信器および光伝搬時間のわずかな成分に生成するものである。図2には信号経過が示されている。上から下に、送信器S1の送信信号、送信器S2の送信信号、そして対応する受信信号E(S1)とE(S2)が示されており、送信器S1またはS2がそれぞれ位相に従い優勢となる。
以下に紹介する2つの実施例では共通に、受信信号を制限域まで増幅し、これにより矩形信号を形成する。この矩形信号は図3によればコンパレータ14によって、ハイパスフィルタリングされた受信信号から得られるか、または図4によればトランスインピーダンス増幅器13と振幅制限器(リミッタ)15による制限された増幅によって、受信信号が後続の段で所要のデジタルレベルに変換される。この第2の実施例の利点は、増幅器での飽和作用、ないしは上昇エッジと下降エッジに対して異なるスイッチング時間がコンパレータで回避されることである。
図5による実施例では、デジタル化された受信信号がDフリップフロップ16のデータ線路に供給される。このフリップフロップに対するクロックはクロック発生器12の送信クロックから(必要に応じて遅延回路19によって遅延されて)導出され、例えば送信機S1のクロック信号は位相どおりであり、送信器S2のクロック信号は反転して復元(再生)される。このようにして記憶された値は、カウンタZの計数方向に対する制御信号として用いられる。計数状態はDA変換器17,18によって例えば送信器S2の送信振幅に変換される。冒頭に述べた2つの制御実施例によれば、必要に応じて送信器S1の送信電力は反転された計数状態、または反転されたDA変換器の結果(出力)により制御される。定常制御状態ではカウンタZは常に1計数ステップだけ周期的に所定のクロックでカウントアップまたはカウントダウンする。受信器EはこれによりカウンタZの方向を制御する。この実施例の利点は:
・受信器Eが位相だけを再生すればよい。
・受信器Eを非常に高い増幅率に構成できる。
・クロックがカウンタZの動作に同期する。
・検出(サンプリング)パルス(Abtastimpuls)を形成するための回路。
図6による択一的実施例では、デジタル化された受信信号がクロックに対して典型的には90゜の位相シフトを有する。このことは例えば受信器Eのバンドパスフィルタによって達成することができる。この受信信号はカウンタZに対するクロックとして用いられ、計数方向はクロックによって予設定される。許容されないエッジオーバラン(超過)を回避するために、カウンタクロックとして用いられる受信信号は、計数方向に用いられるクロックの各エッジ(フランク)の直前および後で中間記憶される。その他の点でDA変換器17,18は図5と同じように使用される。この実施例の特徴は:
・計数ステップは各期間ごとであり、方向変化は各半期間ごとである。
・受信器は位相だけを再生すればよく、位相シフトは必要ない。
・受信器を非常に高い増幅率に構成できる。
・カウンタの非同期クロック。
・クロックのエッジ切換変化(Flankenwechsel)の際に受信信号をロックする回路が必要である。
図5の実施例と同じように、計数状態が送信器ドライバに変換される。
先行のドイツ特許出願10300223.5(ドイツ出願公開DE10300223A1)から、差分光信号を位相補正して補償するための方法が既知である。ここで重要なのは、ただ1つの被制御送信器、通常は別の光源Kが補償器としてその位相を変化(切換)しなければならないことである。この出願の開示内容は引照をもって本発明の対象とする。本発明にとって重要である点に関して以下、この出願の内容を説明する。基本的には光源が光を送信すると、この光を例えば対象物による反射後に受け取るフォトダイオードでクロック同期した電気信号が形成される。従って発光ダイオードが光を40kHzのクロック周波数で送信すると、フォトダイオードは同じ周波数と、ほぼ同じ位相を有する相応の信号を形成する。クロック駆動される2つの発光ダイオードにおいて、これに関連する交番光成分を0°の送信位相に関して観察すると、この交番光成分は正または負となることができる。すなわち0°または180°の位相を有することができる。なぜなら、一方の発光ダイオードは0゜の位相で、他方の発光ダイオードは180°の位相で出射するからである。ここで0゜は正の符号により、180°は負の符号により識別される。光を送信する光源に依存しないで動作する別の光源Kをスイッチオンすれば、この光は振幅および符号において位相をずらすように入射することができる。言い替えると、別の光源Kは付加的な光入射によって実質的に補償作用を単独でも引き受けることができる。このことにより別の光源Kの光出力を介して、クロック同期した入力信号をその振幅において、位置検出、方向検出および距離検出を行う複雑な測定装置の場合でも、受信信号がゼロとなるように調整することができる。
このことは図7による本発明では次のようにして達成される。すなわち計数状態を直接ではなく、ExOrゲート21または場合によりExNorゲートを介してDA変換器22に出力することによって達成される。2つの入力端を備えるExOrゲート21は制御可能なインバータとして理解することができる。一方の入力端(制御入力端)に論理ゼロ信号が印加されると、ゲートの出力は第2入力端(データ入力端)(の状態)に従う。これに対して制御入力端に論理1が印加されると、ゲートの出力は反転データ入力(の状態)に相応する。カウンタZの各出力端にはこのようなゲートが接続され、すべての制御入力端はカウンタの反転された最上位ビット(MSB)と接続されている。このようにしてゲート出力端には、計数状態に対して図7に示した機能関係が生じる。同様にMSBはExOrゲート23への制御信号として作用し、このExOrゲート23によってクロックは補償LEDとしての光源Kの変調器24へ導かれる。図7の実施例では送信器S1とS2は制御されない。
カウンタZはオーバフローすることがある。このことにより、制御回路が不利な光学的減衰特性のために自らを制御できない場合、制御回路は発振し、これによりカウンタZは恒久的に計数し、1つまたは2つのLEDの強度は周期的に変化する。これを阻止するために、オーバフローが適切な回路によって阻止される。そのために計数状態が最大または最小に達した際にカウンタZがそれぞれの計数方向に対してロックされる。このロックの実施は例えば、伝送出力端をカウンタZのENABLE入力端に接続することにより行われる。詳細な構成は選択されたカウンタ実施構成に依存する。
計数状態は前記の実施例では、各クロック毎に1ステップだけ変化する。最後の計数ステップが同じ方向であったことを識別する適切な論理回路によって、比較的に大きな計数ステップをトリガすることもできる。これは制御器のD成分に相当する。
制御器の振動減衰(過渡現象)を短時間で終了させるために、カウンタZはこれを所予の計数状態にセットする手段を有することもできる。
光学的伝達の変化が狭い領域でだけ変動する場合、この領域をさらに拡大することができる。このために調整量が2つの成分から形成される。すなわちオフセットの形態の固定調整成分と、制御器によりコントロールされる可変成分である。補償の場合、上に述べた先行のドイツ特許出願10300223.5で提案されているように、これにより本来の補償LEDを節約し、制御された成分を電流加算によってそれぞれ位相の正しい送信器に加算的に重畳することができる。
前記の説明に、従属請求項と等価の範囲内で変化する種々の変形、変更、適合を施すことができることは自明である。
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図1は、技術水準による、外部光に依存する光信号を検出するための方法のブロック回路図である。 図2は、図1の制御回路の信号経過を示す図である。 図3は、受信器に対する実施形態を示す図である。 図4は、受信器に対する実施形態を示す図である。 図5は、この種の方法のデジタル制御に対するブロック回路図である。 図6は、この種の方法のデジタル制御に対するブロック回路図である。 図7は、別個の補償光源による制御のためのブロック回路図である。
符号の説明
10 制御器
12 クロック発生器
13 トランスインピーダンス増幅器
14 コンパレータ
15 振幅制限器(リミッタ)
16 フリップフロップ
17,18,22 デジタル/アナログ変換器
19 遅延回路
21,23 ExOrゲート
24 変調器
d 位相シフト
E 受信器
E(S1),E(S2) S1とS2の受信信号
K 別の光源
R 調整量
S1,S2 第1光源
Z カウンタ

Claims (13)

  1. 差分光信号を検出および/または評価するための方法であって、
    少なくとも2つの第1光源(S1,S2)と、少なくとも1つの受信器(E)が設けられており、
    前記少なくとも2つの第1光源は光を時間的に連続してクロック制御し、位相ごとに送信し、
    前記少なくとも1つの受信器は、第1光源(S1,S2)から発するクロック同期した交番光成分を少なくとも受信し、
    測定装置に少なくとも1つの光源(S1,S2,K)によって入射された光の強度が、異なる位相間で発生するクロック同期した交番光成分が受信器(E)でゼロになるように制御される形式の方法において、
    入射された光の強度を制御するために、受信信号が受信器(E)で位相位置に関して検出され、これにより入射光の強度の制御のための調整量(R)が形成され、
    異なる位相の間に生ずる、クロック同期した交番光成分が受信機(E)でゼロになるよう、更なる別の光源(K)、又は第1の複数光源(S1,S2)の一つを、補償光源としての更なる別の光源として使用し、
    受信器に配属された更なる別の光源(K)は、その位相が変化するように制御され、そのために当該別の光源(K)は少なくとも1つのExOrゲート(21)または少なくとも1つのExNorゲートを介して制御される、ことを特徴とする方法。
  2. 請求項記載の方法において、該調整量(R)は電流加算によって受信器(E)の電流信号に加算される、ことを特徴とする方法。
  3. 請求項1又は2記載の方法において、調整量(R)を形成するために、位相位置の値がカウンタ(Z)によって積算されることを特徴とする方法。
  4. 請求項記載の方法において、計数器(Z)の計数状態は、必要に応じ予設定されるか又は予設定可能であることを特徴とする方法。
  5. 請求項記載の方法において、位相位置の値は、0°または180°で評価されることを特徴とする方法。
  6. 請求項3〜5のいずれかに記載の方法において、デジタル化された受信信号は、受信器に対する方向信号として使用されることを特徴とする方法。
  7. 請求項記載の方法において、受信信号はフリップフロップに供給され、該フリップフロップのクロックは送信クロックから次のように導出されること、すなわちカウンタ(Z)の計数方向に対する制御信号として、第1の複数光源の一つ(S1)の信号が位相どおりに出力され、第1の複数光源の他方(S2)の信号が反転されて出力されるようにして導出されることを特徴とする方法。
  8. 請求項1からまでのいずれか一項記載の方法において、デジタル化された受信信号はカウンタ(Z)に対するクロック信号として使用され、計数方向は第1の複数光源(S1,S2)のクロックを定めるクロック発生器(12)のクロックにより予設定されることを特徴とする方法。
  9. 請求項記載の方法において、受信信号は、クロック発生器(12)のクロックに対して有利には90゜の位相シフトを有することを特徴とする方法。
  10. 請求項または記載の方法において、受信信号はカウンタクロックとして、クロックエッジの時間領域内で中間記憶されることを特徴とする方法。
  11. 請求項1から10までのいずれか一項記載の方法において、調整量(R)は所定の、または予設定可能な固定成分を有することを特徴とする方法。
  12. 請求項、及び請求項から10のいずれか一項を受けた場合の請求項11記載の方法において、調整量(R)の可変成分を固定成分に、光源(S1,S2,K)での電流加算によって加算することを特徴とする方法。
  13. 請求項、及びから12までのいずれか一項記載の方法において、調整量(R)を電流加算によって、比較的に弱い複数光源(S1,S2,K)の1以上にクロック的(taktweise)に加算することを特徴とする方法。
JP2006530112A 2003-10-08 2004-10-07 差分光信号を検出および/または評価するための方法 Active JP4745969B2 (ja)

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