JPH0799402B2 - 波長板 - Google Patents
波長板Info
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- JPH0799402B2 JPH0799402B2 JP61112882A JP11288286A JPH0799402B2 JP H0799402 B2 JPH0799402 B2 JP H0799402B2 JP 61112882 A JP61112882 A JP 61112882A JP 11288286 A JP11288286 A JP 11288286A JP H0799402 B2 JPH0799402 B2 JP H0799402B2
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- Japan
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- grating
- dielectric
- substrate
- lattice
- wave plate
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、直交する2つの直線偏光の間に位相差を生
ぜしめる、1/4波長板、1/2波長板、全波長板等の波長板
に関するものである。
ぜしめる、1/4波長板、1/2波長板、全波長板等の波長板
に関するものである。
従来、波長板は水晶の結晶を研磨して、常光と異常光の
位相差が、1/4波長板では(N+1/4)波長(Nは整
数)、1/2波長板では(N+1/2)波長、全波長板ではN
波長になるような厚さに調整して製作されている。この
ような結晶研磨による方法以外に誘電体に形成した高密
度の表面レリーフ格子が複屈折を示すことから格子を用
いる方法も提案されている。表面レリーフ格子を用いた
波長板の提案と実験はアプライド・フィジックス・レタ
ー(Applied Physics Letter)誌第42巻第6号(1983年
3月15日発行)第492〜494頁掲載のD.C.Flanders著の論
文、及び、アプライド・オプティクス(Applied-Optic
s)誌第22巻第20号(1983年・10月15日発行)第3220〜3
228頁掲載のR.C.EngerとS.K.Case著の論文に述べられて
いる。
位相差が、1/4波長板では(N+1/4)波長(Nは整
数)、1/2波長板では(N+1/2)波長、全波長板ではN
波長になるような厚さに調整して製作されている。この
ような結晶研磨による方法以外に誘電体に形成した高密
度の表面レリーフ格子が複屈折を示すことから格子を用
いる方法も提案されている。表面レリーフ格子を用いた
波長板の提案と実験はアプライド・フィジックス・レタ
ー(Applied Physics Letter)誌第42巻第6号(1983年
3月15日発行)第492〜494頁掲載のD.C.Flanders著の論
文、及び、アプライド・オプティクス(Applied-Optic
s)誌第22巻第20号(1983年・10月15日発行)第3220〜3
228頁掲載のR.C.EngerとS.K.Case著の論文に述べられて
いる。
格子を用いた波長板は、格子のピッチをd1使用波長をλ
とすると、λがdに比べて十分大きい領域では格子の溝
に平行な方向の屈折率nIIと格子の溝に直交する方向の
屈折率n⊥が異なることを利用しており、前述のD.C.Fla
nders著の論文によると格子が矩形状の場合、nII,n⊥
は次式で与えられる。
とすると、λがdに比べて十分大きい領域では格子の溝
に平行な方向の屈折率nIIと格子の溝に直交する方向の
屈折率n⊥が異なることを利用しており、前述のD.C.Fla
nders著の論文によると格子が矩形状の場合、nII,n⊥
は次式で与えられる。
nII=〔n1 2q+n2 2(1−q)〕1/2……(1) n⊥=〔(1/n1)2q+(1/n2)2(1−q)〕-1/2……
(2) ここでn1は媒質1の屈折率、n2は媒質2の屈折率、qは
格子の1周期中に媒質1の占める割合で1q0であ
る。複屈折の大きさΔnは次式で与えられる。
(2) ここでn1は媒質1の屈折率、n2は媒質2の屈折率、qは
格子の1周期中に媒質1の占める割合で1q0であ
る。複屈折の大きさΔnは次式で与えられる。
Δn=|nII−n⊥|……(3) また、複屈折の大きさはΔnを有する格子に入射した光
が受ける位相差ΔΦは次式で与えられる。
が受ける位相差ΔΦは次式で与えられる。
ここでDは格子の溝深さである。(4)式から、大きな
位相差ΔΦを得るには溝深さDを大きくするか、または
複屈折の大きさΔnを大きくすればよい。この関係は格
子形状が矩形である場合に限らず、正弦波状、三角波状
等の場合でも成り立つ。
位相差ΔΦを得るには溝深さDを大きくするか、または
複屈折の大きさΔnを大きくすればよい。この関係は格
子形状が矩形である場合に限らず、正弦波状、三角波状
等の場合でも成り立つ。
表面レリーフ格子による波長板は主に次の2つの方法に
より製造できる。
より製造できる。
第1の方法は干渉露光法によりホトレジストに表面レリ
ーフ格子を形成し、その格子からニッケル電鋳法で金型
を製作し、熱可塑性樹脂にホットプレス法や射出成形法
で転写する、あるいは光硬化性樹脂に転写する方法であ
る。
ーフ格子を形成し、その格子からニッケル電鋳法で金型
を製作し、熱可塑性樹脂にホットプレス法や射出成形法
で転写する、あるいは光硬化性樹脂に転写する方法であ
る。
第2の方法は誘電体基板上に第1の方法と同様の方法で
ホトレジスト格子を形成し、ホトレジストをマスクとし
て誘電体基板をイオンエッチング法、または反応性イオ
ンエッチング法、またはイオンビームエッチング法また
は反応性イオンエッチング法によりエッチングし、表面
レリーフ格子を得る方法である。
ホトレジスト格子を形成し、ホトレジストをマスクとし
て誘電体基板をイオンエッチング法、または反応性イオ
ンエッチング法、またはイオンビームエッチング法また
は反応性イオンエッチング法によりエッチングし、表面
レリーフ格子を得る方法である。
上述の従来の技術には格子の溝幅に対して溝深さが極端
に大きくなる問題点がある。たとえば、使用波長λをHe
-Neレーザの632.8mmとする。この波長に対して前述の第
1の製造方法で用いられる熱可塑性樹脂、たとえばアク
リル樹脂、光硬化性樹脂たとえばスリーボンド社製のUV
X-SS-89-1および第2の製造方法において主に用いられ
る石英ガラスの屈折率はおよそ1.5〜1.6である。以下で
は熱可塑性樹脂、光硬化製造樹脂および石英ガラスを媒
質1とし、その屈折率n1を1.55とする。また、媒質2を
空気としその屈折率n2を1.00とする。格子形状が矩形の
場合は、媒質1が格子の1周期中に占める割合qを0.5
とすれば、複屈折の大きさΔnは(1),(2),
(3)式より0.116となる。したがって(4)式より1/4
波長板、1/2波長板、全波長板に必要な溝深さDはそれ
ぞれ1.36μm、2.73μm,5.46μmになる。また、格子ピ
ッチdに関して、高密度性に基づく複屈折を得るにはλ
/d1.475である必要があるので、dμmなる条件を
満足しなければならない。q=0.5であるから格子の溝
幅WはW0.21μmとなる。したがって、溝幅0.21μm
以下、溝深さ1.36μm〜5.46μmの格子を作製しなれば
ならない。
に大きくなる問題点がある。たとえば、使用波長λをHe
-Neレーザの632.8mmとする。この波長に対して前述の第
1の製造方法で用いられる熱可塑性樹脂、たとえばアク
リル樹脂、光硬化性樹脂たとえばスリーボンド社製のUV
X-SS-89-1および第2の製造方法において主に用いられ
る石英ガラスの屈折率はおよそ1.5〜1.6である。以下で
は熱可塑性樹脂、光硬化製造樹脂および石英ガラスを媒
質1とし、その屈折率n1を1.55とする。また、媒質2を
空気としその屈折率n2を1.00とする。格子形状が矩形の
場合は、媒質1が格子の1周期中に占める割合qを0.5
とすれば、複屈折の大きさΔnは(1),(2),
(3)式より0.116となる。したがって(4)式より1/4
波長板、1/2波長板、全波長板に必要な溝深さDはそれ
ぞれ1.36μm、2.73μm,5.46μmになる。また、格子ピ
ッチdに関して、高密度性に基づく複屈折を得るにはλ
/d1.475である必要があるので、dμmなる条件を
満足しなければならない。q=0.5であるから格子の溝
幅WはW0.21μmとなる。したがって、溝幅0.21μm
以下、溝深さ1.36μm〜5.46μmの格子を作製しなれば
ならない。
このような溝幅に対し溝深さが極めて大きい格子を第1
の製造方法で製造する場合、媒質1と電鋳金型との実効
的な接触表面積が著しく増大するために金型面からはく
離する時の引張りせん断力が大きくなる。このために、
はく離時に硬化した媒質1が基板からはがれ、金型面に
残留してしまい、表面レリーフ格子の転写が困難になる
という問題点がある。
の製造方法で製造する場合、媒質1と電鋳金型との実効
的な接触表面積が著しく増大するために金型面からはく
離する時の引張りせん断力が大きくなる。このために、
はく離時に硬化した媒質1が基板からはがれ、金型面に
残留してしまい、表面レリーフ格子の転写が困難になる
という問題点がある。
また、第2の製造方法では、エッチングに要する時間が
数時間にも及び、エッチングに耐え得るホトレジストマ
スクは、厚さ数μmになることから、ホトレジストマス
クの形成が困難である。また、ホトレジストに形成した
格子をエッチング耐性の強い物質、たとえばクロムに転
写し、その物質をマスクとしてエッチングを行う場合に
おいても、格子溝深さの増加に伴い、一度エッチングさ
れた誘電体の基板表面への再付着や、溝底部への活性
種、イオン、中性粒子の到達粒子数の減少などによりエ
ッチングの進行が阻止され、所望の格子の形成が困難で
ある。このような問題は格子の形状によらず生じる。
数時間にも及び、エッチングに耐え得るホトレジストマ
スクは、厚さ数μmになることから、ホトレジストマス
クの形成が困難である。また、ホトレジストに形成した
格子をエッチング耐性の強い物質、たとえばクロムに転
写し、その物質をマスクとしてエッチングを行う場合に
おいても、格子溝深さの増加に伴い、一度エッチングさ
れた誘電体の基板表面への再付着や、溝底部への活性
種、イオン、中性粒子の到達粒子数の減少などによりエ
ッチングの進行が阻止され、所望の格子の形成が困難で
ある。このような問題は格子の形状によらず生じる。
以上述べたように従来技術による表面レリーフ格子型の
波長板は製造が困難であるという欠点を有している。
波長板は製造が困難であるという欠点を有している。
本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決
し、製造が容易な位相格子型の波長板を提供することに
ある。
し、製造が容易な位相格子型の波長板を提供することに
ある。
本発明の波長板は、使用波長λと格子ピッチdとの関係
がλ/d1.472なる基板レリーフ格子が表面に設けられ
た基板誘電体と、前記基板レリーフ格子上に被覆あるい
は充てんされ表面に前記基板レリーフ格子と等しい位相
で等しいピッチdの表面レリーフ格子が形成され前記基
板誘電体の屈折率に比べて十分大きい屈折率を有する誘
電体媒質とを含んで構成される。
がλ/d1.472なる基板レリーフ格子が表面に設けられ
た基板誘電体と、前記基板レリーフ格子上に被覆あるい
は充てんされ表面に前記基板レリーフ格子と等しい位相
で等しいピッチdの表面レリーフ格子が形成され前記基
板誘電体の屈折率に比べて十分大きい屈折率を有する誘
電体媒質とを含んで構成される。
本発明の作用を図面を参照しながら詳細に説明する。
格子に入射する光が受ける位相差ΔΦは、格子の溝深さ
Dと複屈折の大きさΔnに比例する。
Dと複屈折の大きさΔnに比例する。
本発明は溝深さDを大きくせずに、複屈折の大きさΔn
を大きくすることにより、前述の問題点を解決しようと
するものである。
を大きくすることにより、前述の問題点を解決しようと
するものである。
屈折率n1を有する誘電体基板に矩形格子が形成されてい
る場合を考える。第2図は屈折率n1を有する誘電体基板
1の表面に設けられた矩形格子4が屈折率n1よりも大き
い屈折率n2を有する誘電体媒質3で被覆された場合を示
す断面図である。この状態の格子は断面にそって格子頂
部から、誘電体媒質3と空気より成る第1領域5、誘電
体基板1と誘電体媒質2と空気より成る第2領域6およ
び誘電体基板1と誘電体媒質3より成る第3領域7の3
つの領域に分けて考えられる。格子の1周期中に誘電体
媒質1が占める割合をq1、誘電体媒質3が占める割合を
q2、空気が占める割合をq airとする。ここで q1+q2+q air=1……(5) である。空気の屈折率を1.00とすると(1),(2),
(3)式から第1領域5の複屈折の大きさΔn1は、 Δn1=〔▲n2 2▼q2+q air〕1/2-〔(1/n2)2q2+q air〕
-1/2……(6) となる。(1),(2)式を拡張することにより第2領
域6の複屈折の大きさΔn2は Δn2=〔n1 2q1+n2 2q2+q air〕1/2-〔(1/n1)2q1+(1/n2)2
+q air〕-1/2……(7) となる。第3領域7の複屈折の大きさΔn3は、 Δn3=〔n1 2q1+n2 2q2〕1/2-〔(1/n1)2q1+(1/n2)2+q2〕
-1/2……(8) となる。複屈折の大きさΔnは隣接する媒質の屈折率差
に大きく依存し、Δn1>Δn2>Δn3となる。第1領域
5、第2領域6、第3領域7の各層厚をそれぞれD1,D2,
D3とすれば、格子を通過する波長λが受ける位相差ΔΦ
は(3)式より となる。第3図は(9)式から位相差ΔΦと誘電体媒質
3の厚さの関係を誘電体媒質の屈折率をパラメータとし
て求めた結果を示している。このとき、誘電体基板1に
形成された格子はピッチd=λ/2、溝深さD=λ、屈折
率n1=1.55とし、誘電体媒質3の厚さは格子の頂部、底
部、側面部とも等しいとした。図の左端は誘電体媒質3
がなく誘電体基板1に形成された格子だけの場合であ
り、右端は格子の溝が誘電体媒質で完全に埋められた場
合に対応している。
る場合を考える。第2図は屈折率n1を有する誘電体基板
1の表面に設けられた矩形格子4が屈折率n1よりも大き
い屈折率n2を有する誘電体媒質3で被覆された場合を示
す断面図である。この状態の格子は断面にそって格子頂
部から、誘電体媒質3と空気より成る第1領域5、誘電
体基板1と誘電体媒質2と空気より成る第2領域6およ
び誘電体基板1と誘電体媒質3より成る第3領域7の3
つの領域に分けて考えられる。格子の1周期中に誘電体
媒質1が占める割合をq1、誘電体媒質3が占める割合を
q2、空気が占める割合をq airとする。ここで q1+q2+q air=1……(5) である。空気の屈折率を1.00とすると(1),(2),
(3)式から第1領域5の複屈折の大きさΔn1は、 Δn1=〔▲n2 2▼q2+q air〕1/2-〔(1/n2)2q2+q air〕
-1/2……(6) となる。(1),(2)式を拡張することにより第2領
域6の複屈折の大きさΔn2は Δn2=〔n1 2q1+n2 2q2+q air〕1/2-〔(1/n1)2q1+(1/n2)2
+q air〕-1/2……(7) となる。第3領域7の複屈折の大きさΔn3は、 Δn3=〔n1 2q1+n2 2q2〕1/2-〔(1/n1)2q1+(1/n2)2+q2〕
-1/2……(8) となる。複屈折の大きさΔnは隣接する媒質の屈折率差
に大きく依存し、Δn1>Δn2>Δn3となる。第1領域
5、第2領域6、第3領域7の各層厚をそれぞれD1,D2,
D3とすれば、格子を通過する波長λが受ける位相差ΔΦ
は(3)式より となる。第3図は(9)式から位相差ΔΦと誘電体媒質
3の厚さの関係を誘電体媒質の屈折率をパラメータとし
て求めた結果を示している。このとき、誘電体基板1に
形成された格子はピッチd=λ/2、溝深さD=λ、屈折
率n1=1.55とし、誘電体媒質3の厚さは格子の頂部、底
部、側面部とも等しいとした。図の左端は誘電体媒質3
がなく誘電体基板1に形成された格子だけの場合であ
り、右端は格子の溝が誘電体媒質で完全に埋められた場
合に対応している。
第3図から、誘電体基板1の格子表面を基板1の屈折率
より十分高い屈折率を有する誘電体媒質3で被覆するこ
とにより入射光が受ける位相差を被覆が無い場合、ある
いは格子の溝部が完全に誘電体媒質3で埋められた場合
に比べて大きくすることができるわかる。
より十分高い屈折率を有する誘電体媒質3で被覆するこ
とにより入射光が受ける位相差を被覆が無い場合、ある
いは格子の溝部が完全に誘電体媒質3で埋められた場合
に比べて大きくすることができるわかる。
第4図は誘電体媒質3の膜厚を大きくして第2図で示し
た第2領域6が消失した場合の格子形状を示す断面図で
ある。格子の溝部は誘電体媒質3で充てんされている。
第1領域5と第3領域7から成るので、格子に入射する
波長λの光が受ける位相差ΔΦは で与えられる。この場合、D3は誘電体基板1に形成され
た表面レリーフ格子の溝深さDと等しい。誘電体媒質3
と空気との界面を平坦とする場合に比べて厚さD1で発生
する位相差分だけ位相差をさらに大きくすることができ
る。基板1の屈折率n1=1.55、溝深さD=λ、D1=λ/
5、誘電体媒質の屈折率n2を2.0,2.2,2.4とすると、ΔΦ
はそれぞれ0.753,1.227,1.793〔rad〕となり、このよう
な構成の場合でも誘電体媒質が存在しない場合のΔΦ=
0.728〔rad〕よりも大きくなる。
た第2領域6が消失した場合の格子形状を示す断面図で
ある。格子の溝部は誘電体媒質3で充てんされている。
第1領域5と第3領域7から成るので、格子に入射する
波長λの光が受ける位相差ΔΦは で与えられる。この場合、D3は誘電体基板1に形成され
た表面レリーフ格子の溝深さDと等しい。誘電体媒質3
と空気との界面を平坦とする場合に比べて厚さD1で発生
する位相差分だけ位相差をさらに大きくすることができ
る。基板1の屈折率n1=1.55、溝深さD=λ、D1=λ/
5、誘電体媒質の屈折率n2を2.0,2.2,2.4とすると、ΔΦ
はそれぞれ0.753,1.227,1.793〔rad〕となり、このよう
な構成の場合でも誘電体媒質が存在しない場合のΔΦ=
0.728〔rad〕よりも大きくなる。
したがって、誘電体基板に製作する格子の溝深さを小さ
くすることができ、製作が容易な位相格子型の波長板が
得られる。
くすることができ、製作が容易な位相格子型の波長板が
得られる。
格子が矩形状でなく、正弦波状、三角波状等の場合も同
様で、誘電体基板の屈折率に対して十分大きい屈折率を
有する誘電体媒質で格子表面を被覆することにより大き
な複屈折が得られ、製作の容易な波長板が得られる。
様で、誘電体基板の屈折率に対して十分大きい屈折率を
有する誘電体媒質で格子表面を被覆することにより大き
な複屈折が得られ、製作の容易な波長板が得られる。
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明す
る。
る。
第1図は本発明の第1の実施例を示す断面図で、わかり
やすくするために格子を実際よりもはるかに拡大してあ
る。誘電体基板1に正弦波状格子2が形成されており、
格子2の表面が高屈折率誘電体媒質3で被覆されて複屈
折の大きさを大きくしている。実際の製作には、基板誘
電体1として光硬化性樹脂であるスリーボンド社製のUV
X-SS89-1を、高屈折率誘電体媒質3として新日曹化工社
製のポリシラスチレンPSS75を用いた。前者の屈折率は
1.52、後者の屈折率は約2.5である。使用波長はHe-Neレ
ーザの632.8mmである。光硬化性樹脂への格子パターン
の転写は、まずHe-Cdレーザの波長441.6mmの光ビームを
用いて干渉計を構成し、ホログラフィックにλ/d21.472
を満足するピッチdが0.3μmの格子をホトレジストに
形成し、ホトレジスト現象後の正弦波状表面レリーフ格
子からニッケル電鋳法で金型を製作し、この金型を用い
て行った。光硬化性樹脂である基板誘電体1に形成され
た格子上に液状ポリシラスチレンを塗布し、溶剤を乾燥
させることにより第1図に示す波長板を形成した。
やすくするために格子を実際よりもはるかに拡大してあ
る。誘電体基板1に正弦波状格子2が形成されており、
格子2の表面が高屈折率誘電体媒質3で被覆されて複屈
折の大きさを大きくしている。実際の製作には、基板誘
電体1として光硬化性樹脂であるスリーボンド社製のUV
X-SS89-1を、高屈折率誘電体媒質3として新日曹化工社
製のポリシラスチレンPSS75を用いた。前者の屈折率は
1.52、後者の屈折率は約2.5である。使用波長はHe-Neレ
ーザの632.8mmである。光硬化性樹脂への格子パターン
の転写は、まずHe-Cdレーザの波長441.6mmの光ビームを
用いて干渉計を構成し、ホログラフィックにλ/d21.472
を満足するピッチdが0.3μmの格子をホトレジストに
形成し、ホトレジスト現象後の正弦波状表面レリーフ格
子からニッケル電鋳法で金型を製作し、この金型を用い
て行った。光硬化性樹脂である基板誘電体1に形成され
た格子上に液状ポリシラスチレンを塗布し、溶剤を乾燥
させることにより第1図に示す波長板を形成した。
第5図は本発明の第2の実施例を示す断面図で、格子を
実際よりもはるかに拡大してある。実際の製作は、第1
図に示した第1の実施例の場合と同様の手法で光硬化性
樹脂上に格子を形成した後、第1の実施例よりもポリシ
ラスチレン膜厚を増加させることにより行う。複屈折の
大きさが最も大きい第1領域の層厚さD1が大きくなるた
め、位相差ΔΦは第1の実施例に比べて大きくすること
ができる。
実際よりもはるかに拡大してある。実際の製作は、第1
図に示した第1の実施例の場合と同様の手法で光硬化性
樹脂上に格子を形成した後、第1の実施例よりもポリシ
ラスチレン膜厚を増加させることにより行う。複屈折の
大きさが最も大きい第1領域の層厚さD1が大きくなるた
め、位相差ΔΦは第1の実施例に比べて大きくすること
ができる。
〔発明の効果〕 本発明によれば、誘電体基板に製作する格子の溝深さを
小さくできるので格子の製作が容易となり、したがって
製作が容易、安価で量産性に富む波長板が得られる。
小さくできるので格子の製作が容易となり、したがって
製作が容易、安価で量産性に富む波長板が得られる。
第1図は本考案の一実施例を模式的に示す断面図、第2
図および第4図は、本発明の原理を説明するための誘電
体媒質が被覆あるいは充填された誘電体基板の模式的な
断面図、第3図は第2図に示す誘電体媒質3の厚さと入
射する光が受ける位相差の関係を示すグラフ、第5図は
本発明の他の実施例を模式的に示す断面図である。 図において、1は誘電体基板、2は格子部、3は誘電体
媒質、4は矩形格子、5は格子の第1領域、6は格子の
第2領域、7は格子の第3領域である。
図および第4図は、本発明の原理を説明するための誘電
体媒質が被覆あるいは充填された誘電体基板の模式的な
断面図、第3図は第2図に示す誘電体媒質3の厚さと入
射する光が受ける位相差の関係を示すグラフ、第5図は
本発明の他の実施例を模式的に示す断面図である。 図において、1は誘電体基板、2は格子部、3は誘電体
媒質、4は矩形格子、5は格子の第1領域、6は格子の
第2領域、7は格子の第3領域である。
Claims (1)
- 【請求項1】使用波長λと格子ピッチdとの関係がλ/d
1.472なる基板レリーフ格子が表面に設けられた基板
誘電体と、前記基板レリーフ格子上に被覆あるいは充て
んされ表面に前記基板レリーフ格子と等しい位相で等し
いピッチdの表面レリーフ格子が形成され前記基板誘電
体の屈折率に比べて十分大きい屈折率を有する誘電体媒
質とを含むことを特徴とする波長板。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61112882A JPH0799402B2 (ja) | 1986-05-16 | 1986-05-16 | 波長板 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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