CN101034199A - 变焦镜头及应用其的影像摄取装置 - Google Patents
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Abstract
一种变焦镜头,在一广角模式(wide angle mode)时的有效焦距(effectivefocal length)为fw,且自影像侧依序包括一第一透镜组、一第二透镜组以及一第三透镜组。第一透镜组具有一负有效折射力(negative effective power),第一透镜组的有效焦距为f1,2.1<|f1/fw|<2.6。第一透镜组包括一第一透镜及一第二透镜,第一透镜具有一第一负折射力(negative power)及至少一第一非球面(aspheric)凹镜面,第二透镜具有一第一正折射力(positive power)。第二透镜组具有一第一正有效折射力,且第二透镜组的有效焦距为f2,1.5<|f2/fw|<1.8。第二透镜组包括一第三透镜及一第四透镜,第三透镜具有一第二正折射力及至少一第二非球面镜面,第四透镜具有一第三正折射力。第三透镜组具有一第二正有效折射力(positive effective power)。
Description
技术领域
本发明关于一种变焦镜头及应用其的影像摄取装置,且特别关于一种具有少于六片透镜及短后焦距的变焦镜头及应用其的影像摄取装置。
背景技术
传统上,应用于相机的变焦镜头大多采用具有三透镜组的结构。而且随着技术成熟及市场的需求,相机尺寸的设计趋势朝向轻薄短小发展,当中的设计关键主要为缩短变焦镜头的后焦距(Back Focal Length,BFL)以及减少三透镜组使用的镜片数量。
此外,远摄模式(telephoto mode)及广角模式(wide angle mode)的有效焦距比,即变焦倍率(zoom ratio),亦为摄像能力的评估标准之一。以目前的数码相机而言,至少均有3倍左右的变焦倍率。
然而,为达优选的成像效果,例如一般数码相机中的三透镜组往往使用到十片左右的透镜数量,造成构造上或成本上的一定限制跟负担。因此,如何设计三透镜组中各透镜的特性,如有效焦距、折射力(power)以及透镜彼此间的设置方式,或者利用非球面(aspheric)透镜取代多个球面透镜的校正象差效果等等,均为业界所不断尝试,以达到缩小尺寸的目的并兼顾摄像能力及影像质量。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的就是在提供一种变焦镜头及应用其的影像摄取装置,大幅减少变焦镜头中的透镜数量到少于六片外,变焦倍率同样可达到3倍。本发明的变焦镜头亦具有适当的后焦距,利于与影像摄取装置中的其它组件紧密配置。
根据本发明的目的,提出一种变焦镜头,在一广角模式(wide anglemode)时的有效焦距(effective focal length)为fw,且自影像侧依序包括一第一透镜组、一第二透镜组以及一第三透镜组。第一透镜组具有一负有效折射力(negative effective power),第一透镜组的有效焦距为f1,2.1<|f1/fw|<2.6。第一透镜组包括一第一透镜及一第二透镜,第一透镜具有一第一负折射力(negative power)及至少一第一非球面(aspheric)凹镜面,第二透镜具有一第一正折射力(positive power)。第二透镜组具有一第一正有效折射力,且第二透镜组的有效焦距为f2,1.5<|f2/fw|<1.8。第二透镜组包括一第三透镜及一第四透镜,第三透镜具有一第二正折射力及至少一第二非球面镜面,第四透镜具有一第三正折射力。第三透镜组具有一第二正有效折射力(positiveeffective power)。
根据本发明的另一目的,提出一种影像摄取装置,包括一传感组件及一变焦镜头。变焦镜头在一广角模式(wide angle mode)时的有效焦距(effectivefocal length)为fw,并包括一第一透镜组、一第二透镜组以及一第三透镜组。第一透镜组具有一负有效折射力(negative effective power),第一透镜组的有效焦距为f1,2.1<|f1/fw|<2.6。第一透镜组包括一第一透镜及一第二透镜,第一透镜具有一第一负折射力(negative power)及至少一第一非球面(aspheric)凹镜面,第二透镜具有一第一正折射力(positive power)。第二透镜组设置在第一透镜组及传感组件之间,并具有一第一正有效折射力,且第二透镜组的有效焦距为f2,1.5<|f2/fw|<1.8。第二透镜组包括一第三透镜及一第四透镜,第三透镜具有一第二正折射力及至少一第二非球面镜面,第四透镜具有一第三正折射力。第三透镜组设置在第二透镜组及传感组件之间,并具有一第二正有效折射力(positive effective power)。
为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂,下文特举优选实施例,并配合附图,作详细说明如下:
附图说明
图1示出根据本发明的优选实施例的影像摄取装置的部分结构示意图。
图2A示出三透镜组的主平面(principle plane)在广角模式及远摄模式间的间距变动示意图。
图2B示出三透镜组的主平面在广角模式及远摄模式间的另一间距变动示意图。
图3A及图3B示出根据本发明的优选实施例的变焦镜头在广角模式及远摄模式时的示意图。
图4A及图4B示出根据本发明的优选实施例的变焦镜头在广角模式及远摄模式时的场曲及畸变曲线图。
图5A及图5B示出根据本发明的优选实施例的变焦镜头在广角模式及远摄模式时的鉴别率及线对数的关是图。
图6A及图6B示出根据本发明的优选实施例的变焦镜头在广角模式及远摄模式时的光线像差图。
图7A及图7B示出根据本发明的优选实施例的变焦镜头在广角模式及远摄模式时的纵向色差图。
图8A及图8B示出根据本发明的优选实施例的变焦镜头在广角模式及远摄模式时的横向色差图。
图9A及图9B示出根据本发明的优选实施例的变焦镜头在广角模式及远摄模式时的离焦调制传递函数图。
主要组件符号说明
100:影像摄取装置
110:传感组件
120:变焦镜头
121:第一透镜组
122:第一透镜
122a:第一非球面凹镜面
122b:第三非球面镜面
123:第二透镜
125:第二透镜组
126:第三透镜
126a:第二非球面镜面
127:第四透镜
128:第三透镜组
129:第五透镜
L1:第一凹镜面
L2:第二凹镜面
L3:第一凸镜面
L4:第三凹镜面
L5:第二凸镜面
L6:双合镜面
L7:第四凹镜面
L8:第三凸镜面
L9:第四凸镜面
L10:第五凸镜面
L11:第五凹镜面
影像侧:I
D1~D3:主平面
具体实施方式
请参照图1,其示出根据本发明的优选实施例的影像摄取装置的部分结构示意图。影像摄取装置100例如是数码相机,包括一传感组件110及一变焦镜头120。传感组件110例如为一电荷耦合组件(Charge Coupling Device,CCD)、一互补性氧化金属半导体(Complementary Metal-OxideSemiconductor,CMOS)或任意可以传感光线亮度的光传感器,用以将接收的光讯号转换为电讯号。变焦镜头120在一广角模式(wide angle mode)时的有效焦距(effective focal length)为fw,并包括一第一透镜组121、一第二透镜组125以及一第三透镜组128。
第一透镜组121具有一负有效折射力(negative effective power),第一透镜组121的有效焦距为f1,2.1<|f1/fw|<2.6。第一透镜组包括一第一透镜122及一第二透镜123,第一透镜122具有一第一负折射力(negative power)及至少一第一非球面(aspheric)凹镜面122a或122b,第二透镜123具有一第一正折射力(positive power)。在本实施例中,是以第一透镜122具有第一非球面凹镜面122a为例作说明。
第二透镜组125设置在第一透镜组121及传感组件110之间,并具有一第一正有效折射力,第二透镜组125的有效焦距为f2,1.5<|f2/fw|<1.8。第二透镜组125包括一第三透镜126及一第四透镜127,第三透镜126具有一第二正折射力及至少一第二非球面镜面126a,第四透镜127具有一第三正折射力。第三透镜组128设置在第二透镜组125及传感组件110之间,并具有一第二正有效折射力(positive effective power)。
借由上述对f1、f2及fw所作的限制,自一影像侧I入射影像摄取装置100的成像光束依序经由变焦镜头120的第一透镜组121、第二透镜组125及第三透镜组128而成像于传感组件110时,在广角模式及远摄模式下的后焦距均在可接受的范围内。例如,第一透镜组121的有效焦距f1为-14.24厘米(mm),第二透镜组125的有效焦距f2为20.357mm,变焦镜头120在广角模式时的有效焦距fw为6.210mm。此时,广角模式及远摄模式下的后焦距分别为4mm及2.55mm。
而且当成像光束为来自较远的拍摄物时,即变焦镜头120进入远摄模式时,其总长度小于当成像光束来自较近的拍摄物时的广角模式下的总长度外,三透镜组间亦不会有机构上的彼此影响。例如,第一透镜组121及第二透镜组125缩小间距以进入远摄模式时,可避免两透镜组发生镜面相撞的情形;此外,变焦镜头120一般还包括一光栏孔径(aperture stop),设置在第一透镜组121及第二透镜组125之间。对f1、f2及fw所作的限制,亦确保提供控制光栏孔径及三透镜组的变焦或调焦动作的其它组件,如夹持装置或步进马达的容置空间。
以下再参考附图举例说明,若变焦镜头120中三透镜组的f1、f2及fw不满足上述本发明所作的限制时,可能产生的情形。
请参照图2A,其示出三透镜组的主平面(principle plane)在广角模式及远摄模式间的间距变动示意图。第一透镜组121的主平面D1及第二透镜组125的主平面D2间的距离d12,以及第二透镜组125的主平面D2及第三透镜组128的主平面D3间的距离d23则如表1所示。
广角模式 | 中间模式 | 远摄模式 | |
d12(mm) | 13.7244 | 6.1199 | 1.6733 |
d23(mm) | 8.5839 | 12.4384 | 18.4043 |
表1
在图2A中,第一透镜组121的有效焦距f1为-17.6166mm,第二透镜组125的有效焦距f2为9.3542mm,第三透镜组128的有效焦距f3为19.0646mm,变焦镜头120在广角模式时的有效焦距fw为6mm。亦即,|f1/fw|=17.6166/6=2.936,大于上述本发明的上限2.6。
如此一来,自广角模式进入远摄模式时,第一透镜组121的主平面D1及第二透镜组125的主平面D2间的距离d12由13.7244mm缩短至1.6733mm,第二透镜组125的主平面D2及第三透镜组128的主平面D3间的距离d23由8.5839mm增长至18.4043mm。如图2A所示,第一透镜组121及第二透镜组125之间即产生机构上的彼此影响,第三透镜组128亦会与第三透镜组128及感光组件110间的滤片或玻璃板等片材产生机构干涉。
请参照图2B,其示出三透镜组的主平面在广角模式及远摄模式间的另一间距变动示意图。第一透镜组121的主平面D1及第二透镜组125的主平面D2间的距离d12,以及第二透镜组125的主平面D2及第三透镜组128的主平面D3间的距离d23则如表2所示。
广角模式 | 中间模式 | 远摄模式 | |
d12(mm) | 14.3449 | 6.5951 | 3.0881 |
d23(mm) | 6.8802 | 9.9725 | 20.9102 |
表2
在图2B中,第一透镜组121的有效焦距f1为-14.4221mm,第二透镜组125的有效焦距f2为11.7393mm,第三透镜组128的有效焦距f3则为19.7100mm,变焦镜头120在广角模式时的有效焦距fw为6mm。亦即,|f2/fw|=11.7393/6=1.95,大于上述本发明的上限1.8。
如此一来,自广角模式进入远摄模式时,第一透镜组121的主平面D1及第二透镜组125的主平面D2间的距离d12由14.3449mm缩短至3.0881mm,第二透镜组125的主平面D2及第三透镜组128的主平面D3间的距离d23由6.8802mm增长至20.9102mm。如图2B所示,变焦镜头120于远摄模式时的总长度即大在广角模式时的总长度,且广角模式及远摄模式间的后焦距均明显过长。
而为达到优选的变焦、调焦及成像等效果,在本实施例中更设计第二透镜组125及第三透镜组128的有效焦距f23,以及第三透镜组128的有效焦距f3,满足0.3<|f1/f23|<1.6,以及0.3<|f2/f3|<0.8。亦设计第一透镜组121的主平面及第二透镜组125的主平面间的距离d12,以及第二透镜组125的主平面及第三透镜组128的主平面间的距离d23,满足0.05<d12/d23<1.6。
至于变焦镜头120中三透镜组所使用的各透镜的特性及配置关是,在此举例说明如下,但本实施例的技术并不局限在此。
如图1所示,第一透镜122为一个双凹透镜,并具有一第一凹镜面L1及一第二凹镜面L2。在本实施例中,第一非球面凹镜面122a为第一凹镜面L1,第二凹镜面L2亦设计为一第三非球面镜面122b,且第一透镜122的折射率(index)、色散是数(Abbe number)及焦距分别为1.792、38.823及-6.870mm。另外,可将非球面的表面曲线以下列多项式描述:
X为距离旋转对称轴的水平距离,R为顶点曲率半径,k为圆锥曲线常数,A2n为对应X2n的2n次项非球面修正是数,且n为正整数。于是,在本实施例中,第一非球面凹镜面122a具有:
顶点曲率半径R,实质上为-85.4mm;
圆锥曲线常数k,实质上为0.5680112;
四次项非球面修正是数A4,实质上为1.20176×10-3;
六次项非球面修正是数A6,实质上为-4.46×10-5;
八次项非球面修正是数A8,实质上为9.16597×10-7;及
十次项非球面修正是数A10,实质上为-7.6361×10-9。
第三非球面镜面122b具有:
顶点曲率半径R,实质上为5.852mm;
圆锥曲线常数k,实质上为-3.697127;
四次项非球面修正是数A4,实质上为3.46392×10-3;
六次项非球面修正是数A6,实质上为-7.01758×10-5;
八次项非球面修正是数A8,实质上为4.0297×10-7;及
十次项非球面修正是数A10,实质上为2.57587×10-8。
而第二透镜123具有一第一凸镜面L3及一第三凹镜面L4,且第一凸镜面L3及第三凹镜面L4的曲率半径实质上分别为7.534及15.387mm。此外,第二透镜123的折射率、色散是数及焦距分别为1.93、21.108及14.398mm。此时,如图1所示,第一凸镜面L3面向第一透镜122的第二凹镜面L2,第三凹镜面L4背向第二凹镜面L2。
此外,第三透镜126为一个双合(doublet)透镜,并具有一第二凸镜面L5、一双合镜面L6及一第四凹镜面L7。在本实施例中,第二非球面镜面126a为第二凸镜面L5,并具有:
顶点曲率半径R,实质上为4.427mm;
圆锥曲线常数k,实质上为1.195661;
四次项非球面修正是数A4,实质上为-2.30824×10-3;
六次项非球面修正是数A6,实质上为-2.49636×10-4;
八次项非球面修正是数A8,实质上为1.52876×10-5;及
十次项非球面修正是数A10,实质上为-4.71433×10-6。
且双合镜面L6及第四凹镜面L7的曲率半径实质上分别为-6.582及3.066mm。此时,第二凸镜面L5面向第三凹镜面L4,双合镜面L6位于第二凸镜面L5及第四凹镜面L7之间,第四凹镜面L7背向第三凹镜面L4。然第三透镜126亦可由二个透镜胶合而成,得到所需的镜面关是。例如可采用折射率、色散是数及焦距分别为1.804、40.183及5.249mm的一透镜,并具有第二凸镜面L5及双合镜面L6;以及折射率、色散是数及焦距分别为1.728、28.564及-5.256mm的另一透镜,并具有双合镜面L6及第四凹镜面L7。
而第四透镜127具有一第三凸镜面L8及一第四凸镜面L9,第三凸镜面L8及第四凸镜面L9的曲率半径实质上分别为12.327及-19.417mm。此外,第四透镜127的折射率、色散是数及焦距分别为1.616、60.812及12.402。此时,第三凸镜面L8面向第四凹镜面L7,第四凸镜面L9背向第四凹镜面L7。
第三透镜组128包括一第五透镜129,第五透镜129具有一第四正折射力。此外,第五透镜129为一新月形(meniscus)透镜,并具有一第五凸镜面L10及一第五凹镜面L11。
在本实施例中,对于作为调焦用的第五透镜129的新月形特性再作限制,即第五凸镜面L10及第五凹镜面L11的曲率半径分别为R1及R2,满足-1.8<(R1+R2)/(R1-R2)<-0.6。例如,R1及R2实质上分别为16.253及355.739mm,此时,第五凸镜面L10面向第四凸镜面L9,第五凹镜面L11是背向第四凸镜面L9。此外,第五透镜129的折射率、色散是数及焦距分别为1.835、44.131及20.357mm。
至于本实施例的变焦镜头100中,各镜面彼此的间距大小如表3所示。
镜面Li | 与镜面L(i+1)的间距(mm) |
L1 | 1.276 |
L2 | 1.290 |
L3 | 1.668 |
L4 | 11.453(广角模式)~1.643(远摄模式) |
L5 | 2.086 |
L6 | 0.507 |
L7 | 0.305 |
L8 | 1.104 |
L9 | 5.893(广角模式)~16.680(远摄模式) |
L10 | 1.212 |
表3
请参照图3A及图3B,其示出根据本发明的优选实施例的变焦镜头在广角模式及远摄模式时的示意图。例如,当拍摄物距离第一凹镜面L1约1000mm时,变焦镜头120进入广角模式,如图3A所示,即调整第三凹镜面L4及第二凸镜面L5的间距实质上为11.453mm以达变焦效果,并调整第四凸镜面L9及第五凸镜面L10的间距实质上为5.893mm以达调焦效果。借此,变焦镜头120在广角模式时的有效焦距fw实质上为6.210mm。
另一方面,当拍摄物对于第一凹面镜L1的距离增加到约2000mm时,变焦镜头120进入远摄模式,如图3B所示,即调整第三凹镜面L4及第二凸镜面L5的间距实质上为1.643mm以达变焦效果,并调整第四凸镜面L9及第五凸镜面L10的间距实质上为16.680mm以达调焦效果。借此,变焦镜头120于远摄模式时的有效焦距ft实质上为16.210mm。亦即变焦倍率ft/fw实质上可达3倍。
请参照图4A及图4B,其示出根据本发明的优选实施例的变焦镜头在广角模式及远摄模式时的场曲及畸变曲线图。如图4A及图4B所示,经由本实施例的变焦镜头120在广角模式及远摄模式时所获得的场曲(fieldcurvature)及畸变(distortion)的数值均在标准范围内。
请参照图5A及图5B,其示出根据本发明的优选实施例的变焦镜头在广角模式及远摄模式时的鉴别率及线对数的关是图。如图5A及图5B所示,经由本实施例的变焦镜头120在广角模式及远摄模式时所获得的线对数及鉴别率的数值均在标准范围内。
请参照图6A及图6B,其示出根据本发明的优选实施例的变焦镜头在广角模式及远摄模式时的光线像差图。如图6A及图6B所示,经由本实施例的变焦镜头120在广角模式及远摄模式时所获得的光线像差的数值均在标准范围内。
请参照图7A及图7B,其示出根据本发明的优选实施例的变焦镜头在广角模式及远摄模式时的纵向色缩差图。如图7A及图7B所示,经由本实施例的变焦镜头120在广角模式及远摄模式时所获得的纵向色缩差的数值均在标准范围内。
请参照图8A及图8B,其示出根据本发明的优选实施例的变焦镜头在广角模式及远摄模式时的横向色差图。如图8A及图8B所示,经由本实施例的变焦镜头120在广角模式及远摄模式时所获得的横向色差的数值均在标准范围内。
请参照图9A及图9B,其示出根据本发明的优选实施例的变焦镜头在广角模式及远摄模式时的离焦调制传递函数图。如图9A及图9B所示,经由本实施例的变焦镜头120在广角模式及远摄模式时所获得的离焦调制传递函数的数值均在标准范围内。
虽然本实施例的变焦镜头以第二透镜123设置在第一透镜122及第二透镜组125之间,以及第三透镜126设置在第一透镜组121及第四透镜127之间为例作说明,但亦可视需要调整透镜间的配置关是,以因应制造上或应用上的各种考虑。此外,本发明所属技术领域中具有通常知识者亦可以明了本发明的技术并不局限在此。例如,亦能以第一透镜122的第二凹镜面L2为第一非球面凹镜面122a,或将第一透镜122设置在第二透镜123及第二透镜组125之间。或者,以第三透镜126的第四凹镜面L7为第二非球面镜面126a,甚者将第三透镜126设置在第四透镜127及第三透镜组128之间,再因应设计其它镜面的特性或调整透镜间的配置关是。只要借由非球面镜面的校正象差效果及其它透镜特性的搭配,例如有效焦距间的比例限制,使得变焦镜头同样具有3倍的变焦倍率及适当的后焦距,达到缩小尺寸的目的并兼顾高质量的影像画面,均不脱离本发明的技术范围。
本发明上述实施例所公开的变焦镜头及应用其的影像摄取装置,仅使用少于六个透镜,大幅减少变焦镜头中的透镜数量外,变焦倍率亦可达到3倍。本发明的变焦镜头亦具有适当的后焦距,利于与影像摄取装置中的其它组件紧密配置,使得整体尺寸达到轻薄短小的目的。
综上所述,虽然本发明已以一优选实施例公开如上,然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种的更动与润饰。因此,本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定者为准。
Claims (12)
1.一种影像摄取装置,包括:
一传感组件;以及
一变焦镜头,在一广角模式时的有效焦距为fw,该变焦镜头包括:
一第一透镜组,具有一负有效折射力,该第一透镜组的有效焦距为f1,2.1<|fl/fw|<2.6,该第一透镜组包括:
一第一透镜,具有一第一负折射力及至少一第一非球面凹镜面;及
一第二透镜,具有一第一正折射力;
一第二透镜组,设置在该第一透镜组及该传感组件之间,并具有一第一正有效折射力,该第二透镜组的有效焦距为f2,1.5<|f2/fw|<1.8,该第二透镜组包括:
一第三透镜,具有一第二正折射力及至少一第二非球面镜面;及
一第四透镜,具有一第三正折射力;以及
一第三透镜组,设置在该第二透镜组及该传感组件之间,并具有一第二正有效折射力。
2.根据权利要求11所述的影像摄取装置,其特征在于,该第二透镜组及该第三透镜组的有效焦距为f23,该第三透镜组的有效焦距为f3,0.3<|f1/f23|<1.6,0.3<|f2/f3|<0.8。
3.根据权利要求11所述的影像摄取装置,其特征在于,该第一透镜组的主平面及该第二透镜组的主平面间的距离为d12,该第二透镜组的主平面及该第三透镜组的主平面间的距离为d23,0.05<d12/d23<1.6。
4.根据权利要求11所述的影像摄取装置,其特征在于,该第一透镜为一个双凹透镜,并具有一第一凹镜面及一第二凹镜面,该第一凹镜面为该第一非球面凹镜面,该第二凹镜面为一第三非球面镜面。
5.根据权利要求14所述的影像摄取装置,其特征在于,该第二透镜具有一第一凸镜面及一第三凹镜面,该第一凸镜面面向该第一透镜,该第三凹镜面背向该第一透镜。
6.根据权利要求15所述的影像摄取装置,其特征在于,该第三透镜为一个双合透镜,并具有一第二凸镜面、一双合镜面及一第四凹镜面,该第二凸镜面面向该第三凹镜面,该双合镜面位于该第二凸镜面及该第四凹镜面之间,该第四凹镜面背向该第三凹镜面,该第二凸镜面为该第二非球面镜面。
7.根据权利要求16所述的影像摄取装置,其特征在于,该第四透镜具有一第三凸镜面及一第四凸镜面,该第三凸镜面面向该第四凹镜面,该第四凸镜面背向该第四凹镜面。
8.根据权利要求17所述的影像摄取装置,其特征在于,该第三透镜组包括一第五透镜,该第五透镜具有一第四正折射力,该第五透镜为一新月形透镜,并具有一第五凸镜面及一第五凹镜面,该第五凸镜面面向该第四凸镜面,该第五凹镜面背向该第四凸镜面。
9.根据权利要求18所述的影像摄取装置,其特征在于,该第五凸镜面及该第五凹镜面的曲率半径分别为R1及R2,-1.8<(R1+R2)/(R1-R2)<-0.6。
10.根据权利要求11所述的影像摄取装置,其特征在于,还包括一光栏孔径,设置在该第一透镜组及该第二透镜组之间。
11.根据权利要求11所述的影像摄取装置,其特征在于,该传感组件为一电荷耦合组件(CCD)或一互补性氧化金属半导体(CMOS)。
12.根据权利要求11所述的影像摄取装置,其特征在于,其为一数码相机。
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