KR101460801B1 - 홀로그래픽 정보 디스플레이 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가상 디스플레이 소자를 투영하기 위한 차량용 홀로그래픽 정보 디스플레이에 관한 발명이다. 투영될 가상 디스플레이 소자를 위한 홀로그램을 데이터 처리 장치가 제공한다. 홀로그램의 다수의 세그먼트들에 대해 개별적인 제어 신호들이 제어 장치에 의해 방출된다. 제어 장치에 의해 개별적으로 조정될 수 있는 다수의 위상 지연 셀들이, 광선에 의해 조사되는 표면에 배열되어, 해당 제어 신호에 따라, 입사광의 위상을 지연시킨다.
Description
본 발명은 이미지를 투영하기 위해 차량에 사용되는 홀로그래픽 정보 디스플레이(Holographic Information Display: HID)에 관한 발명이다. 추가적으로, 본 발명은 본 발명에 따른 홀로그래픽 정보 디스플레이를 이용하여 가상 디스플레이 소자(virtual display element)를 투영하는 방법에 관한 것이다.
헤드-업 정보 디스플레이(head-up information display: HUD)를 이용하여, 차량 운전자가 요구하는 정보가 차량 운전자의 차창(windscreen)에 중첩되어 나타날 수 있다. 헤드-업 정보 디스플레이는 프로젝터와 다수의 렌즈 또는 미러 소자들을 포함한다. 가령, 윈드스크린에 가상의 거리에서 왜곡없는 이미지를 투영시키기 위해 교정 렌즈같은 광학적 회절 시스템들을 포함할 수 있다(참고: DE 103 44 688 A1). 교정 소자들을 포함하는, 이를 위해 요구되는 광학적 구조는, 여러가지 형태의 윈드스크린에 적용되어야 하는 것으로서, 차량에 헤드-업 정보 디스플레이를 구현하고 설정하는 것이 용이하지 않은 편이다.
본 발명의 목적은 한대의 차량 또는 여러 종류의 차량에 손쉽게 구현 및 설정될 수 있는 정보 투영 시스템을 제공하는 것이다.
이 목적은 청구범위 제1항의 특징을 가진 홀로그래픽 정보 디스플레이와, 청구범위 제16항의 특징을 가진 방법에 의해 구현된다.
본 발명은 이를 위해, 이미지 투영을 위해 차량에 홀로그래픽 정보 디스플레이를 제공한다. 상기 홀로그래픽 정보 디스플레이는,
- 투영될 가상 디스플레이 소자를 위한 홀로그램을 제공하는 데이터 처리 장치,
- 홀로그램의 다수의 세그먼트들에 대해 개별 제어 신호를 방출하도록 기능하는 제어 장치,
- 광선을 방출하기 위한 광원, 그리고,
- 상기 제어 장치에 의해 개별적으로 조정될 수 있는 다수의 위상 지연 셀로서, 상기 다수의 위상 지연 셀들은 광선에 의해 조사되는 표면에 배열되어, 개별 제어 신호에 따라 동일한 위상으로 입사되는 광선의 일부분을 지연시키도록 기능하는 것을 특징으로 하는 다수의 위상 지연 셀
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 홀로그래픽 정보 디스플레이를 이용하여 가상 디스플레이 소자를 투영하는 방법이 또한 제공되는 데, 상기 방법은,
- 데이터 처리 장치를 이용하여 2차원 또는 3차원 가상 디스플레이 소자를 위한 홀로그램을 제공하는 단계,
- 제어 장치를 이용하여 홀로그램의 다수의 부분들에 대해 개별적인 제어 신호를 방출하는 단계,
- 개별적인 제어 신호에 따라, 다수의 위상 지연 셀(13)들의 위상 지연을 조정하는 단계,
- 광원을 이용하여 다수의 위상 지연 셀(13)들을 조사(illuminating)하는 단계
를 포함하며, 상기 가상 디스플레이 소자는 광원의 위상 지연 광선에 의해 발생되는 것을 특징으로 한다.
홀로그래픽 정보 디스플레이의 장점은, 왜곡없는 형태로 디스플레이 소자를 보여주기 위해 어떠한 광학적 교정 시스템도 필요치 않다는 것이다. 이것만으로 충분한 척도로 기능하여 관련 홀로그램을 제공할 수 있다.
한개 이상 칼라의 강도는 이미지의 공간적 분석(spatial resolution)으로 도시된다.
홀로그램에서, 한개 이상의 파장을 가진 광파의 위상은 홀로그램 표면에 공간적 분석 방식으로 나타난다.
Huyghens의 원리에 따르면, 3차원 공간을 통과하는 임의의 면(any plane of section)의 광파에 관하여 완전하게 알고있다면 3차원 공간의 광파를 완전히 재구 성할 수 있다. 완전한 지식은 해당 면의 광파의 위상에 관한 지식을 필요로한다.
공간 단면의 면은 홀로그램에 의해 재현된다. 조사시에, 홀로그램에 의해 미리 결정된 시작 위상을 가진 구형파는 홀로그램의 각 포인트로부터 방출된다. 개별 파동들의 중첩은 공간에서 광파를 생성한다. 소위, 재현된 홀로그램을 형성한다. 사람의 눈은 이러한 위상을 인지하지 못한다. 그러나, 이러한 중첩에 따라, 간섭 패턴이 사라지고, 강도 분포는 인지할 수 있다. 공간적인 강도 분포의 재현에서, 홀로그램의 절대 위상 대신에 좀더 단순하게 구현가능한 상대적 위상이 사용될 수 있다.
광파의 완전한 재구성은 광파를 재현하는 것과 구분될 수 없다. 따라서, 관찰자의 두 눈에 동일한 투영 패턴이 생성되고 이와 연계된 3차원 화상이 생성된다.
디스플레이 소자는 3차원 물체일 수도 있고, 단순히 2차원 이미지일 수도 있다.
디스플레이 소자에 대한 홀로그램, 다시 말해서, 공간적 분석 위상 정보가 제공된다. 이는 실시간적으로 연산될 수도 있고, 패턴으로 존재하여 저장된 것일 수도 있다.
이를 나타내는 홀로그램을 위한 단순한 연산 방법은, 구형파(Huygens 파동)가 디스플레이 소자의 각 포인트에 대해 가정된다는 사실에 기초하고 있다. 가상 디스플레이 소자 상의 각 구형파의 시작 위상은 어두운 영역에 대해 90도만큼 변위된 밝은 영역에 대해 선택되어야 한다. 그후, 홀로그램의 각 포인트에서, 홀로그램의 해당 포인트에 입사되는 개별 구형파의 위상들이 부가된다. 부가된 위상은 각 지점에서 홀로그램의 위상으로 저장된다. 모든 왜곡 광학 소자들, 가령, 렌즈, 반사 곡면, 들은 공간을 통한 구형파의 전파에 고려된다. 글래스면의 앞과 뒤에서의 이중 반사도 고려된다. 이러한 종류의 홀로그램이 공간에서의 광파 재구성에 사용될 경우, 홀로그램으로부터의 광파는 왜곡 광학 소자, 이중 반사, 등을 후방으로 가로지르고, 가상 디스플레이 소자는 홀로그램 결정에 사용된 것과 동일한 방식으로 나타난다. 공간과, 공간안에 있는 광학적 소자들을 알고있을 경우, 가상 디스플레이 소자의 왜곡없는 재현이, 가상 디스플레이 소자에 대한 적절한 홀로그램을 제공하는 것만으로 달성될 수 있다.
홀로그램 결정을 위한 좀더 효율적인 연산 방법은 공간의 퓨리에 변환에 기초한다. 그러나 이 연산 방법에 포함된 기본적 아이디어는 변함이 없다.
발전적 변형에 있어, 투영된 가상 디스플레이 소자는 편향 장치에 의해 차량 운전자의 시야 범위 내로 지향된다. 이에 대응하는 편향 장치가 차량의 윈드스크린일 수 있다. 광학 편향 장치의 이미징 오류들은 홀로그램을 교정하는 방식으로 고려도리 수 있다. 운전자는 운전 중에 윈드스크린을 계속하여 주시할 수 있고, 이와 동시에, 시야 범위 내에서 중첩된 가상 디스플레이 소자들을 인지할 수 있다.
홀로그램의 물리적 실현은 조정가능한 다수의 위상 지연 셀들을 이용하여 수행된다. 공간적 분석이 가능한 입사광은 지정된 상대적 위상 지연을 일으키게 된다.
위상 지연 셀들은 투과 모드로 동작할 수도 있고, 반사 모드로 동작할 수도 있다.
위상 지연 셀들은 행열 방식으로 배열될 수 있다. 위상 지연 셀들이 평면에 배열될 수도 있고, 곡면에 배열될 수도 있다. 공간을 통과하는 단면의 면이 반드시 평면일 필요는 없다. 개별적 구성에 있어, 곡면에 위상 지연 셀들을 배열하는 것이 편리할 수도 있고, 서로에 대해 기울어진 표면들에 위상 지연 셀들을 배열하는 것이 유용할 수도 있다.
한 실시예에서는 지연 셀에 지연 수단이 제공된다. 이 지연 수단을 이용하여, 입사광의 위상이 두개 이상의 단계로 0 내지 180도 사이에서 지연될 수 있다. 가장 간단한 구현의 경우, 두개의 위상 지연 셀들로부터 발원한 광이 서로 동일 위상이거나 반대의 위상이도록 두개의 위상 지연 셀들이 조정될 수 있다. 나타나는 가상 디스플레이 소자의 콘트래스트와 이미지 샤프니스는 정확도와 상관되며, 이 정확도로 위상 지연 셀들의 상대적 위상차가 조정될 수 있다. 따라서, 180도의 일부분으로 위상을 조정하는 지연 수단을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
추가적인 구성에서, 입사광의 위상은 지연 수단에 의해 연속적으로 지연될 수 있다.
한가지 구성에서는 액정이나 강유전성 액정을 이용하여 지연 수단을 제공할 수 있다. 이 지연 수단은 제어 신호에 의해 발생된 전기장에 따라 입사광의 위상을 지연시킨다. 지연 수단은 부가적으로 편광 필터를 보유할 수 있는 데, 이러한 편광 필터의 구성에 의해, 광선의 견고하게 규정된 극성을 보장할 수 있고, 편광 회전을 방지할 수 있다.
발전적 변형에 따르면, 데이터 처리 장치는 투영될 가상 디스플레이 소자를 위한 홀로그램을 결정하는 연산 장치, 또는, 투영될 가상 디스플레이 소자를 위한 홀로그램을 로딩하기 위한 메모리 장치를 포함할 수 있다. 이 연산 장치와 메모리 장치 모두를 포함할 수도 있다.
한가지 구성에서, 광원은 코히어런트 광을 방사하기 위한 코히어런트 광원으로 구성된다. 광원은 레이저 광원일 수 있다. 코히어런트 길이는 수 미터에 달하는 것이 바람직하다. 레이저 광원과 구분하여, 스펙트럼 램프가 사용될 수도 있다. 스펙트럼 램프의 방사 대역폭은 적절하게 좁은 대역이어서, 요구되는 코히어런스 길이를 달성할 수 있다.
한가지 구성에서, 표면을 균일하게 조사하기 위해 다수의 위상 지연 셀들을 구비한 표면과 광원 사이에 광선 형성 장치가 배열된다. 광선 형성 장치는 한개의 공간 필터와 한개 이상의 렌즈들을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명을 구현함으로서, 한대의 차량 또는 여러 종류의 차량에 손쉽게 구현 및 설정될 수 있는 정보 투영 시스템을 제공할 수 있게 된다.
홀로그래픽 정보 디스플레이의 선호되는 구조가 도 1에 개략적으로 도시된다.
코히어런트 광원(coherent light source)(1)은 단일 파장의 광을 방출하는 것이 바람직하다. 레이저(가령, 레이저 다이오드)가 광원(1)으로 사용되는 것이 바람직하다. 즉, 이들은 적절한 코히어런스 길이를 가지는 것으로 알려져 있기 때문 이다. 광원으로부터 하향에 공간 필터들이 부가적으로 연결되어, 불필요한 산란 광들을 필터링시킨다. 공간 필터는 구경판(aperture plate)에 의해 구현될 수 있으며, 이 구경판은 이 구경판 둘레로 배열되는 두개의 렌즈의 초점에 위치한다. 그러나 이는 단지 부가적인 사항에 불과하다.
광원(1)은 공간-분석 회절 패널(2)을 조사(illuminating)한다. 회절 패널(2)은 입사광(3)에 대해 국부적으로 서로 다르게 반사광(4)을 지연시킨다. 회절 패널(2)은 제어 장치(5)에 의해 동작한다. 제어 장치(5)는 표면(6)의 어떤 영역에서 회절 패널(2)이 반사광(4)을 지연시키는 지, 그리고 얼마나 강하게 지연시키는 지를 구체화한다.
공간-분석 위상 지연이 홀로그램을 재현한다. 이 홀로그램은 적절한 방식으로 데이터 처리 장치(9)에 의해 제어 장치(5)를 위해 제공된다. 홀로그램은 디스플레이 소자의 지정된 2차원 또는 3차원 모델로부터 데이터 처리 장치(9)에 의해 결정되는 것이 바람직하다. 차량의 내부 공간들이 이때 고려되는 것이 바람직하다. 더우기, 홀로그램은 데이터 처리 장치(9)의 메모리로부터 로딩될 수 있다. 중첩되어 나타날 전형적인 텍스트나 그림들이 메모리에 이미 저장되어 있는 것이다.
회절 패널(2)에 의해 반사되는 광은 디스플레이 소자의 2차원 또는 3차원 모델에 따라 재구성된 홀로그램으로 나타난다. 즉, 관찰자(가령, 차량 운전자)에게 2차원 또는 3차원 모델로 인지되는 것이다.
반사광은 차량의 윈드스크린(7)의 방향으로 안내되어 윈드스크린(7)에 의해 운전자의 안구로 편향된다. 운전자는 재구성된 홀로그램을 윈드스크린(7)의 영역 에, 또는 윈드스크린 뒤에 위치하는 것으로 인지한다. 윈드스크린으로부터 재구성된 홀로그램의 인지 거리는 홀로그램에 의해 미리 결정되어 있다. 인지 거리는 홀로그램의 어댑테이션(adaptation: 즉, 적응 정도)에 의해 변할 수 있다.
회절 패널(10)의 가능한 구조가 도 2에 도시되어 있다. 개별적으로 동작가능한 다수의 전극(12)들은 패널(10)을 셀(13)로 구분하는 데, 이 다수의 전극(12)들은 반도체 기판(11) 내에 구현된다. 반사되는 입사광들을 위한 미러(14)가 전극(12) 위에 배열된다. 액정 물질 층(15)이 미러(14) 위에 도포된다. 액정 물질은 강유전성 액정 물질을 함유할 수 있다. 광은 회절 패널에 화살표(18)의 방향으로 입사된다. 이 경우에, 광은 액정 물질층(15)을 지나 미러 소자(14)들에 의해 반사된다. 이 구조는 수직 입사시에도, 사선 입사시에도 사용될 수 있다. 입사광은 액정 물질층(15)을 가로지를 때 위상 지연을 나타낸다. 전극(12)에 전위를 인가함으로서 위상 지연이 조정된다.
간단한 변형예에서, 정밀한 두가지의 전기 신호가 전극(12)에 인가될 수 있다. 즉, 한개의 전기 신호는 제 1 위상 지연을 일으키고, 두번째 전기 신호는 제 1 위상 지연에 대해 180도 위상차를 보이는 위상 지연을 일으키게 된다.
또다른 구조에서는 계단형 전압 레벨이 전극(12)에 인가될 수 있다. 이에 따라, 180도의 위상을 가지는 위상 지연을 구현할 수 있다.
액정 물질층 위 또는 아래에 (또는 액정 물질층 위 아래 모두에) 편광 필터가 배열되는 것이 바람직하다. 이 필터들은 바람직하지 않은 편광 상태들을 필터링시킨다. 편광 필터 대신에, 한가지 편광면은 반사시키고 다른 편광면은 투과시키는 폴 빔 스플리터(pole beam splitter)가 사용될 수도 있다.
홀로그램을 결정할 때, 차량 내부를 통한 광파의 광학적 경로가 또한 고려된다. 특히, 홀로그램은 윈드스크린(7)의 표면 윤곽에 적응되며, 부가적으로는 윈드스크린(7)의 두께에도 적응된다. 심지어는 윈드스크린(7)의 두께 프로파일에도 적응된다. 이러한 방식으로, 운전자는 왜곡없는 가상 디스플레이 소자를 관찰하게 된다. 홀로그램 및 디스플레이 소자의 적응(adaptation)은 렌즈, 미러, 등등같은 광학적 소자들의 적응없이 구현된다. 새 홀로그램에 프로그래밍을 하는 것만으로 충분히, 조정가능한 회절 패널(2)을 동작시킬 수 있다.
홀로그램들은 회절 패널의 초기 설치 중에 설정(set-up)될 수 있다. 이러한 설정은 도 3의 구조로 개시될 수 있다. 테스트 패턴에 속한 다수의 홀로그램들이 재현되는 것이 바람직하다. 테스트 패턴들을 가진 홀로그램들은 데이터 처리 장치(9)에 의해 제공될 수 있고, 회절 패널(2)과 광원을 이용하여 재현될 수 있다. 재현된 홀로그램을 이용하여, 따라서, 도시되는 테스트 패턴들을 이용하여, 차량 내의 공간적 변화, 가령, 윈드스크린의 형태가 측정될 수 있다.
테스트 홀로그램들은 카메라(20)에 의해 레코딩된다. 카메라는 다양한 지정 위치들로 움직이는 것이 바람직하며, 이로부터 재구현된 홀로그램들이 레코딩된다. 각 위치에서 레코딩된 재구현 홀로그램들을 평가 장치(evaluation device)가 지정된 값과 비교하여 편차를 결정한다.
수행되는 적응치(adaptation)는 차량 매개변수로 저장된다. 가상 디스플레이 소자를 위한 홀로그램을 연산 또는 제공함에 있어, 이 차량 매개변수들이 고려된 다. 홀로그램들은 이에 따라 수정된다. 그 결과, 다양한 차량에 투영 시스템을 적응시키기 위해 교정 렌즈나 미러를 사용할 필요가 없게 된다.
도 1은 홀로그래픽 투영 시스템의 개략적 구조도.
도 2는 조정가능한 회절 소자의 개략적 구조도.
도 3은 한 실시예의 장치들에 대한 구성의 개략적 도면.
Claims (18)
- 가상 디스플레이 소자를 투영하기 위해 차량에 설비되는 홀로그래픽 정보 디스플레이 시스템에 있어서, 상기 시스템은,- 투영될 가상 디스플레이 소자를 위한 홀로그램을 제공하는 데이터 처리 장치(9),- 홀로그램의 다수의 세그먼트들에 대해 개별 제어 신호를 방출하도록 기능하는 제어 장치(5),- 광선을 방출하기 위한 광원(1), 그리고,- 상기 제어 장치(5)에 의해 개별적으로 조정될 수 있는 다수의 위상 지연 셀(13)로서, 상기 다수의 위상 지연 셀(13)들은 광선에 의해 조사되는 표면에 배열되어, 개별 제어 신호에 따라 동일한 위상으로 입사되는 광선의 일부분을 지연시키도록 기능하는 것을 특징으로 하는 다수의 위상 지연 셀(13)을 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 정보 디스플레이 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 위상 지연 셀들이 투과 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 정보 디스플레이 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 위상 지연 셀(13)들이 반사 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 정보 디스플레이 시스템.
- 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 위상 지연 셀(13)들이 행열 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 정보 디스플레이 시스템.
- 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 위상 지연 셀(13)들이 평면 또는 곡면에 배열되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 정보 디스플레이 시스템.
- 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 위상 지연 셀(13)에 지연 수단이 제공되고, 상기 지연 수단을 이용하여 입사광의 위상이 두개 이상의 단계로 0도와 180도 사이만큼 지연될 수 있는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 정보 디스플레이 시스템.
- 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 위상 지연 셀(13)에 지연 수단이 제공되고, 이 지연 수단을 이용하여, 입사광의 위상이 0도와 180도 사이에서 연속적으로 지연될 수 있는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 정보 디스플레이 시스템.
- 제 6 항에 있어서, 액정 또는 강유전성 액정에 의해 지연 수단이 형성되고, 상기 지연 수단은 제어 신호에 의해 발생되는 전기장에 의해 입사광의 위상을 지연시키는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 정보 디스플레이 시스템.
- 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 데이터 처리 장치(9)는 투영될 가상 디스플레이 소자를 위한 홀로그램을 결정하기 위한 연산 수단과, 투영될 가상 디스플레이 소자를 위한 홀로그램을 로딩하기 위한 메모리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 정보 디스플레이 시스템.
- 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 데이터 처리 장치(9)가 제어 장치(5) 내에 일체형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 정보 디스플레이 시스템.
- 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 코히어런트 광을 방출하기 위한 코히어런트 광원(1)으로 상기 광원이 구성되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 정보 디스플레이 시스템.
- 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원이 레이저 광원인 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 정보 디스플레이 시스템.
- 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 표면을 균일하게 조사(illumination)하기 위해 다수의 위상 지연 셀(13)을 가진 표면과 광원 사이에 광선 형성 장치가 배열되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 정보 디스플레이 시스템.
- 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 투영되는 가상 디스플레이 소자가 편향 장치에 의해, 차량 운전자의 시야 영역 범위 내로 지향되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 정보 디스플레이 시스템.
- 제 14 항에 있어서, 상기 편향 장치(7)가 차량의 윈드스크린인 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 정보 디스플레이 시스템.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 홀로그래픽 정보 디스플레이 시스템을 이용하여 가상 디스플레이 소자를 투영하는 방법에 있어서, 상기 방법은,- 데이터 처리 장치(9)를 이용하여 2차원 또는 3차원 가상 디스플레이 소자를 위한 홀로그램을 제공하는 단계,- 제어 장치(5)를 이용하여 홀로그램의 다수의 부분들에 대해 개별적인 제어 신호를 방출하는 단계,- 개별적인 제어 신호에 따라, 다수의 위상 지연 셀(13)들의 위상 지연을 조정하는 단계,- 광원을 이용하여 다수의 위상 지연 셀(13)들을 조사(illuminating)하는 단계를 포함하며, 상기 가상 디스플레이 소자는 광원의 위상 지연 광선에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 가상 디스플레이 소자 투영 방법.
- 제 16 항에 있어서, 홀로그램에 의해 위상 지연된 광선은 광학 편향 장치에 의해 운전자의 시야 범위 내로 편향되는 것을 특징으로 하는 가상 디스플레이 소자 투영 방법.
- 제 17 항에 있어서, 광학 편향 장치의 이미징 오류가 홀로그램에서 교정되는 방식으로 고려되는 것을 특징으로 하는 가상 디스플레이 소자 투영 방법.
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