JP2705245B2 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents
ヘッドアップディスプレイ装置Info
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
- G02B27/0103—Head-up displays characterised by optical features comprising holographic elements
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- G02B2027/0105—Holograms with particular structures
- G02B2027/0107—Holograms with particular structures with optical power
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- G02B2027/0112—Head-up displays characterised by optical features comprising device for genereting colour display
- G02B2027/0116—Head-up displays characterised by optical features comprising device for genereting colour display comprising devices for correcting chromatic aberration
Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は回折格子を利用した所謂ヘッドアップディス
プレイ装置に関し、特に車両や航空機等においてフロン
トガラスの前方に運航等に関する表示器からの波長幅を
有する光束に基づく表示情報を前方視野の画像情報に空
間的に重畳させて双方の情報を同一視野で観察するよう
にしたヘッドアップディスプレイ装置に関するものであ
る。
プレイ装置に関し、特に車両や航空機等においてフロン
トガラスの前方に運航等に関する表示器からの波長幅を
有する光束に基づく表示情報を前方視野の画像情報に空
間的に重畳させて双方の情報を同一視野で観察するよう
にしたヘッドアップディスプレイ装置に関するものであ
る。
(従来の技術) 従来より多層膜反射面や体積型位相回折格子、そして
ホログラム光学素子等の光学的に透明な光束結合素子を
用いて表示器からの表示情報を外界の自然風景等の画像
情報に空間的に重畳して同一視野で観察するようにした
表示装置は、一般にヘッドアップディスプレイ装置と呼
ばれ、各分野で多用されている。
ホログラム光学素子等の光学的に透明な光束結合素子を
用いて表示器からの表示情報を外界の自然風景等の画像
情報に空間的に重畳して同一視野で観察するようにした
表示装置は、一般にヘッドアップディスプレイ装置と呼
ばれ、各分野で多用されている。
例えば、自動車の運転席や航空機の操縦席等、種々の
車両に適用したものが提案されている。
車両に適用したものが提案されている。
このうち回折格子として特にホログラムを用いたホロ
グラフィックヘッドアップディスプレイ装置は表示情報
と前方視野の画像情報の双方を共に明るい状態で観察す
ることができること、そして遠方表示が容易にできるこ
と等の特長を有している。
グラフィックヘッドアップディスプレイ装置は表示情報
と前方視野の画像情報の双方を共に明るい状態で観察す
ることができること、そして遠方表示が容易にできるこ
と等の特長を有している。
このようなホログラフィックヘッドアップディスプレ
イ装置は例えば米国特許第4218111号に提案されてい
る。
イ装置は例えば米国特許第4218111号に提案されてい
る。
(発明が解決しようとする問題点) 従来のヘッドアップディスプレイ装置は、例えば車両
等では運転者の座席の正面に左右対称の配置で光束結合
素子が配置されていた。この為表示光学系の収差補正を
行う際には光束結合素子の中心対称面に関して設計を行
い、次に左右の適当な点に関して収差補正を行ってい
た。これにより2次元の広がりを有した画像に対して良
好なる画像の表示を行っていた。
等では運転者の座席の正面に左右対称の配置で光束結合
素子が配置されていた。この為表示光学系の収差補正を
行う際には光束結合素子の中心対称面に関して設計を行
い、次に左右の適当な点に関して収差補正を行ってい
た。これにより2次元の広がりを有した画像に対して良
好なる画像の表示を行っていた。
一方近年自動車のフロントガラスと一体化した体積位
相型ホログラムがヘッドアップディスプレイ装置として
用いられるようになりこのような装置においては従来の
設計手法では良好なる画像の表示が困難になってきた。
相型ホログラムがヘッドアップディスプレイ装置として
用いられるようになりこのような装置においては従来の
設計手法では良好なる画像の表示が困難になってきた。
例えば通常の自動車は外観上は左右対称であるが左ハ
ンドル又は右ハンドルかに応じて運転席は左右対称面に
関して各々左方又は右方に配置されている。又フロント
ガラスは球面、円筒面等の曲面である。この為運転席の
正面に表示を行なう場合においてもガラス面は左右非対
称な面の配置となっている。
ンドル又は右ハンドルかに応じて運転席は左右対称面に
関して各々左方又は右方に配置されている。又フロント
ガラスは球面、円筒面等の曲面である。この為運転席の
正面に表示を行なう場合においてもガラス面は左右非対
称な面の配置となっている。
この他フロントガラス上の種々の位置に表示を行なう
場合には観察位置中心と表示位置中心とを結ぶ垂直な面
に対して表示に用いる表示面が対称である場合は大変少
なくなっている。
場合には観察位置中心と表示位置中心とを結ぶ垂直な面
に対して表示に用いる表示面が対称である場合は大変少
なくなっている。
自動車用のホログラフィックディスプレイ装置の多く
は、全んど左右対称の光学配置を前提として光学設計が
なされており、実際の自動車のフロントガラスの形状と
組合せて高画質の表示を行うとするものではなかった。
は、全んど左右対称の光学配置を前提として光学設計が
なされており、実際の自動車のフロントガラスの形状と
組合せて高画質の表示を行うとするものではなかった。
例えば見込み角0.2度程度の画像のボケを許容するよ
うな比較的低解像力の表示系を対象としており、左右対
称に設計された光学系をそのまま左右非対称の装置に配
置するようにしていた。
うな比較的低解像力の表示系を対象としており、左右対
称に設計された光学系をそのまま左右非対称の装置に配
置するようにしていた。
本発明は表示光学系の収差補正を良好に行ない左右非
対称のガラス基板面上に適用した場合でも良好なる状態
で表示情報を観察することができるヘッドアップディス
プレイ装置の提供を目的とする。
対称のガラス基板面上に適用した場合でも良好なる状態
で表示情報を観察することができるヘッドアップディス
プレイ装置の提供を目的とする。
(問題点を解決するための手段) 本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、波長幅を
有する光束を用いて表示を行う表示器(9)と該表示器
からの光束を波長により偏向角が異なる第1偏向部材
(11)に導光し、該第1偏向部材(11)からの光束を波
長により偏向角が異なる第2光偏向部材(35)に導光
し、該第2偏向部材(35)を介して該表示器(9)の画
像情報を観察するようにしたヘッドアップディスプレイ
装置において、 該表示器(9)の中心、該第1光偏向部材(11)の中
心(48)、及び該第2光偏向部材(35)の中心(50)が
形成する平面(8)に観察者の観察位置があり、該平面
(8)が、観察者の観察位置(51a)と該第2光偏向部
材(35)の中心(50)と結ぶ方向と重力方向とが成す平
面に対して傾いていることを特徴としている。
有する光束を用いて表示を行う表示器(9)と該表示器
からの光束を波長により偏向角が異なる第1偏向部材
(11)に導光し、該第1偏向部材(11)からの光束を波
長により偏向角が異なる第2光偏向部材(35)に導光
し、該第2偏向部材(35)を介して該表示器(9)の画
像情報を観察するようにしたヘッドアップディスプレイ
装置において、 該表示器(9)の中心、該第1光偏向部材(11)の中
心(48)、及び該第2光偏向部材(35)の中心(50)が
形成する平面(8)に観察者の観察位置があり、該平面
(8)が、観察者の観察位置(51a)と該第2光偏向部
材(35)の中心(50)と結ぶ方向と重力方向とが成す平
面に対して傾いていることを特徴としている。
(実施例) 第1図は本発明の第1実施例の要部概略図である。
同図において9は表示器であり、所定の波長幅を有す
る光束を用いて情報表示を行う自己発光型の蛍光管、CR
T等である。11は第1光偏向部材であり、波長の違いに
より偏向角が異なる反射型の回折格子より成り、基板10
上に設置されている。35は第2光偏向部材であり、第1
光偏向部材11と同様に波長の違いにより偏向角が異なる
回折格子より成り、透明基板34面上に固着されている。
る光束を用いて情報表示を行う自己発光型の蛍光管、CR
T等である。11は第1光偏向部材であり、波長の違いに
より偏向角が異なる反射型の回折格子より成り、基板10
上に設置されている。35は第2光偏向部材であり、第1
光偏向部材11と同様に波長の違いにより偏向角が異なる
回折格子より成り、透明基板34面上に固着されている。
ここで第1図及び後述する第2図に示すように表示器
9の中心9aと第1光偏向部材11の中心48、そして第2光
偏向部材35の中心50で形成される平面8が観察者51の観
察位置51aと第2偏向部材35の中心50を結ぶ方向と重力
方向とがなす平面に対して傾いて配置されている。
9の中心9aと第1光偏向部材11の中心48、そして第2光
偏向部材35の中心50で形成される平面8が観察者51の観
察位置51aと第2偏向部材35の中心50を結ぶ方向と重力
方向とがなす平面に対して傾いて配置されている。
本実施例では表示器9からの波長λ0の光束1は第1
光偏向部材11に角度θ1で入射し、角度θ2で反射回折
され光束2となる。光束2は第2光偏向部材35に角度θ
3で入射し、角度θ4で反射回折されて観察者51方向に
導光される。
光偏向部材11に角度θ1で入射し、角度θ2で反射回折
され光束2となる。光束2は第2光偏向部材35に角度θ
3で入射し、角度θ4で反射回折されて観察者51方向に
導光される。
これにより表示器9に表示された表示情報の虚像49を
第2光偏向部材35の前方に例えば景色101等の画像情報
と重畳させて双方の情報を観察している。
第2光偏向部材35の前方に例えば景色101等の画像情報
と重畳させて双方の情報を観察している。
次に本実施例において表示情報を観察する際に観察上
下方向に対して表示情報の色ズレが良好に補正される理
由について説明する。
下方向に対して表示情報の色ズレが良好に補正される理
由について説明する。
本実施例では表示器9からの波長λ0+Δλの光束1a
が第1光偏向部材11に角度θ1aで入射し、角度θ2aで反
射回折された後、第2光偏向部材35面上の点50に入射す
るように設定されている。
が第1光偏向部材11に角度θ1aで入射し、角度θ2aで反
射回折された後、第2光偏向部材35面上の点50に入射す
るように設定されている。
ここで光の回折の法則に従い、回折角は光の波長に応
じて変化する為、波長λ0+Δλの光束と波長λ0の光
束とは同一の光路3を通って観察者51に達する。この結
果空中に生じる虚像49は同図の上下方向の色ズレが補正
される。
じて変化する為、波長λ0+Δλの光束と波長λ0の光
束とは同一の光路3を通って観察者51に達する。この結
果空中に生じる虚像49は同図の上下方向の色ズレが補正
される。
今、表示器9から第1光偏向部材11までの長さをl1、
第1光偏向部材11から第2光偏向部材35までの長さをl2
とすると なる関係が成立する。
第1光偏向部材11から第2光偏向部材35までの長さをl2
とすると なる関係が成立する。
ここでP1、P2は各々第1、第2光偏向部材11、35を構
成する回折格子の格子ピッチであり P1=λ0/|sinθ1−sinθ2| ……(2) P2=λ0/|sinθ3−sinθ4| ……(3) である。
成する回折格子の格子ピッチであり P1=λ0/|sinθ1−sinθ2| ……(2) P2=λ0/|sinθ3−sinθ4| ……(3) である。
次に本実施例の具体的数値例について示す。
第1光偏向部材11の回折格子は直線等間隔の表面レリ
ーフ、又は裏面レリーフ、又は体積位相型の回折格子で
あり、1mmに1200本程度の格子を有している。このとき
のピッチP1はP1=0.833μmである。
ーフ、又は裏面レリーフ、又は体積位相型の回折格子で
あり、1mmに1200本程度の格子を有している。このとき
のピッチP1はP1=0.833μmである。
ここで波長λ0=510nm、角度θ1=55゜、角度θ2
=12゜である。
=12゜である。
一方第2光偏向部材35はポリ(N−ビニルカルバゾー
ル)を主体とする反射体積型位相型の回折格子であり、
その面内ピッチP2は点48において1.5μm、入射角θ3
=34.5゜、回折角θ4=65゜である。
ル)を主体とする反射体積型位相型の回折格子であり、
その面内ピッチP2は点48において1.5μm、入射角θ3
=34.5゜、回折角θ4=65゜である。
以上の諸数値を(1)式に代入すると (l2/l1)=1.5 となる。例えばl1=140mm、l2=210mmとすれば表示情報
に関する色収差の補正が良好に達成される。
に関する色収差の補正が良好に達成される。
第2図は第1図の第1実施例を右ハンドル用の自動車
に適用したときの一実施例の要部概略図である。同図に
おいては前述のようにフロントガラス34に固着された第
2光偏向部材35としての体積位相型の回折格子の中心位
置50と第1光偏向部材11としての回折格子の中心位置4
8、そして表示器9の中心とが平面8上に配設され、観
察位置51aも略この面内に存在している。そして平面8
は重力方向に対して傾いた配置、具体的には5゜傾いて
いる。即ち、平面8が観察位置51aと第2偏向部材35の
中心50を結ぶ方向と重力方向とで成す平面に対して5゜
傾いている。
に適用したときの一実施例の要部概略図である。同図に
おいては前述のようにフロントガラス34に固着された第
2光偏向部材35としての体積位相型の回折格子の中心位
置50と第1光偏向部材11としての回折格子の中心位置4
8、そして表示器9の中心とが平面8上に配設され、観
察位置51aも略この面内に存在している。そして平面8
は重力方向に対して傾いた配置、具体的には5゜傾いて
いる。即ち、平面8が観察位置51aと第2偏向部材35の
中心50を結ぶ方向と重力方向とで成す平面に対して5゜
傾いている。
本実施例において広い表示領域にわたり収差補正を良
好に行なうことが可能となった。
好に行なうことが可能となった。
即ち第1図において表示情報を観察する際の色ズレが
特に良好に補正されているのは表示情報の中心部50であ
る。これに対して本実施例では平面8に対して左右対称
の光学配置を採用することにより、このときの収差補正
が紙面の手前から奥の方向に向けて、紙面上の点と全く
同様に有効となり、この線上で鮮明なる表示情報が観察
されるようにしている。
特に良好に補正されているのは表示情報の中心部50であ
る。これに対して本実施例では平面8に対して左右対称
の光学配置を採用することにより、このときの収差補正
が紙面の手前から奥の方向に向けて、紙面上の点と全く
同様に有効となり、この線上で鮮明なる表示情報が観察
されるようにしている。
次に本実施例において色ズレの補正を2次元的に広い
領域にわたり行う為の手法について説明する。
領域にわたり行う為の手法について説明する。
第3図は第1図の第1実施例を改良し観察上下方向の
広い領域にわたり色ズレが補正されているヘッドアップ
ディスプレイ装置の要部概略図である。同図において観
察位置51が透明基板(フロントガラス)34上の回折格子
35の中心位置50から800mmの距離にあり、かつ回折格子3
5の焦点距離が800mmであるとする。又回折格子11は平面
上の直線等間隔格子であるとする。
広い領域にわたり色ズレが補正されているヘッドアップ
ディスプレイ装置の要部概略図である。同図において観
察位置51が透明基板(フロントガラス)34上の回折格子
35の中心位置50から800mmの距離にあり、かつ回折格子3
5の焦点距離が800mmであるとする。又回折格子11は平面
上の直線等間隔格子であるとする。
このとき表示器9の中心から発した光束1は回折格子
11で反射回折されて光束2となり、次いで回折格子35で
回折されて光束3となり観察者51に導光される。一方表
示器9の上ヘリからの光束1bは光束1と略平行であり、
光束2a、光束3aと順次回折されて観察者51に導光され
る。この光束に関する色ズレによる表示情報のボケを補
正する方法は種々とある。例えば最も単純な方法として
表示器医9を適当な角度だけ傾けて配置すれば良く、こ
のときは波長λ0+Δλの光束の光路は1a1、2a1となっ
て光束3aに重ねられる。
11で反射回折されて光束2となり、次いで回折格子35で
回折されて光束3となり観察者51に導光される。一方表
示器9の上ヘリからの光束1bは光束1と略平行であり、
光束2a、光束3aと順次回折されて観察者51に導光され
る。この光束に関する色ズレによる表示情報のボケを補
正する方法は種々とある。例えば最も単純な方法として
表示器医9を適当な角度だけ傾けて配置すれば良く、こ
のときは波長λ0+Δλの光束の光路は1a1、2a1となっ
て光束3aに重ねられる。
表示器9の下ヘリからの光束1cも同様に光束2b、3bと
なって観察者51に導光される。
なって観察者51に導光される。
前述のように対称面を有している光学系において対称
面内で良好に色ズレの収差が補正されているときには、
これと直交する方向に対しても収差補正の効果が大き
い。この結果、表示器9上の表示に関し、二次元的に良
好なる収差補正が可能となる。
面内で良好に色ズレの収差が補正されているときには、
これと直交する方向に対しても収差補正の効果が大き
い。この結果、表示器9上の表示に関し、二次元的に良
好なる収差補正が可能となる。
第4図は、本実施例において種々の収差補正法に従っ
て設計されたヘッドアップディスプレイ用の光学系によ
る、二次元的な表示面上の収差補正の様子をあらわした
説明図である。
て設計されたヘッドアップディスプレイ用の光学系によ
る、二次元的な表示面上の収差補正の様子をあらわした
説明図である。
図中領域Aは収差補正が良好になされている領域で、
たとえばボケ量で0.1゜(6分)以下の領域をあらわし
ており、図中領域Bは許容できるボケ量たとえば0.8゜
(48分)以内のボケ量の領域を示し、そして領域Cは許
容できない程度の大きなボケ量を有する領域を各々あら
わしている。
たとえばボケ量で0.1゜(6分)以下の領域をあらわし
ており、図中領域Bは許容できるボケ量たとえば0.8゜
(48分)以内のボケ量の領域を示し、そして領域Cは許
容できない程度の大きなボケ量を有する領域を各々あら
わしている。
第4図(A)は、第3図で示した設計に従って構成し
たヘッドアップディスプレイ装置の表示器9の表示面に
おける画質の分布をあらわしたもので、画面全体にわた
り良好な収差補正が達成されている。
たヘッドアップディスプレイ装置の表示器9の表示面に
おける画質の分布をあらわしたもので、画面全体にわた
り良好な収差補正が達成されている。
また、第4図(B)は、第1図で示した光学系におい
て、中心部にのみ収差補正を行なった場合の画質分布を
示しており第4図(A)と比較して、画質の良い領域A
はやや少なくなっている。
て、中心部にのみ収差補正を行なった場合の画質分布を
示しており第4図(A)と比較して、画質の良い領域A
はやや少なくなっている。
第4図(C)は従来の左右対称の光学配置で用いてい
た光学部品を自動車のフロントガラスと組合せて軸外し
て配置した例である。この場合、表示情報の全面にわた
り画質が低下している。
た光学部品を自動車のフロントガラスと組合せて軸外し
て配置した例である。この場合、表示情報の全面にわた
り画質が低下している。
第5図は本発明の第2実施例の光学系の要部概略図で
ある。
ある。
同図において表示器9は、平面状の入射面37、球面あ
るいは円筒面上にレリーフ回折格子を形成した格子面38
と球面あるいは回転対称、あるいは左右対称の非球面39
により構成された光学部材36と組合されて構成されてい
る。これら各面の光学要素と、透明基板34上の回折格子
35との組合せにより前述した色ズレと共に遠方表示機
能、そして非点収差、コマ収差等の諸収差を同時に良好
に補正することを可能としている。
るいは円筒面上にレリーフ回折格子を形成した格子面38
と球面あるいは回転対称、あるいは左右対称の非球面39
により構成された光学部材36と組合されて構成されてい
る。これら各面の光学要素と、透明基板34上の回折格子
35との組合せにより前述した色ズレと共に遠方表示機
能、そして非点収差、コマ収差等の諸収差を同時に良好
に補正することを可能としている。
本実施例のように非球面光学部材を用いる場合には、
左右対称面を有していることは大きな利点である。左右
対称面を持たずにこのような非球面光学系を設計する
と、必然的に用いられる非球面も左右非対称となり、設
計だけでなく、加工や検査、そして正しい位置に光学部
材を配設することが大変困難となってくる。
左右対称面を有していることは大きな利点である。左右
対称面を持たずにこのような非球面光学系を設計する
と、必然的に用いられる非球面も左右非対称となり、設
計だけでなく、加工や検査、そして正しい位置に光学部
材を配設することが大変困難となってくる。
これに対し、本実施例のように、左右対称性を有する
光学系を斜設して構成することにより、第1に画面中心
における色ズレと非点収差の補正、次に上下方向および
左右方向への収差補正領域の拡大という形で、設計、検
査、加工にわたり確立された技術で安定した製造を可能
としている。
光学系を斜設して構成することにより、第1に画面中心
における色ズレと非点収差の補正、次に上下方向および
左右方向への収差補正領域の拡大という形で、設計、検
査、加工にわたり確立された技術で安定した製造を可能
としている。
(発明の効果) 本発明によれば以上のような構成を採用することによ
り、特に観察者に対して左右非対称配置の基板上に配設
された回折格子を用いる際、傾いたフロントガラス等の
対称面を設定し、この面に対する対称性を持たせた光学
系を採用することにより、従来全く指針の無かったこの
様な光学系に対して、設計上も、また光部材配置上も明
確な基準面を設定することが可能となり、またこの対称
面に沿った上下方向での収差補正を行なうことにより、
上下、左右の二次的広がりを有する表示画面全面に対
し、収差、特に色ズレの収差を補正し、良好なる観察を
可能としたヘッドアップディスプレイ装置を達成するこ
とができる。
り、特に観察者に対して左右非対称配置の基板上に配設
された回折格子を用いる際、傾いたフロントガラス等の
対称面を設定し、この面に対する対称性を持たせた光学
系を採用することにより、従来全く指針の無かったこの
様な光学系に対して、設計上も、また光部材配置上も明
確な基準面を設定することが可能となり、またこの対称
面に沿った上下方向での収差補正を行なうことにより、
上下、左右の二次的広がりを有する表示画面全面に対
し、収差、特に色ズレの収差を補正し、良好なる観察を
可能としたヘッドアップディスプレイ装置を達成するこ
とができる。
第1図は本発明の第1実施例の要部概略図、第2図は第
1図の第1実施例を自動車のフロントガラスに適用した
ときの概略図、第3図は第1図の第1実施例の改良例の
説明図、第4図(A)〜(C)は本発明と従来のヘッド
アップディスプレイ装置の収差補正効果の比較を表わす
説明図、第5図は本発明の第2実施例の要部概略図であ
る。 図中9は表示器、11は第1光偏向部材、35は第2光偏向
部材、34は透明基板(フロントガラス)、51は観察者、
である。
1図の第1実施例を自動車のフロントガラスに適用した
ときの概略図、第3図は第1図の第1実施例の改良例の
説明図、第4図(A)〜(C)は本発明と従来のヘッド
アップディスプレイ装置の収差補正効果の比較を表わす
説明図、第5図は本発明の第2実施例の要部概略図であ
る。 図中9は表示器、11は第1光偏向部材、35は第2光偏向
部材、34は透明基板(フロントガラス)、51は観察者、
である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉永 曜子 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 岸 博義 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 櫛引 信男 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内
Claims (1)
- 【請求項1】波長幅を有する光束を用いて表示を行う表
示器と該表示器からの光束を波長により偏向角が異なる
第1偏向部材に導光し、該第1偏向部材からの光束を波
長により偏向角が異なる第2光偏向部材に導光し、該第
2偏向部材を介して該表示器の画像情報を観察するよう
にしたヘッドアップディスプレイ装置において、 該表示器の中心、該第1光偏向部材の中心、及び該第2
光偏向部材の中心が形成する平面に観察者の観察位置が
あり、該平面が、観察者の観察位置と該第2光偏向部材
の中心と結ぶ方向と重力方向とが成す平面に対して傾い
ていることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装
置。
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