CN101257564A - 光电转换装置和使用其的图像感测系统 - Google Patents

Abstract

一种光电转换装置包括像素单元、多条闭塞线、传送开关和驱动电路，像素单元具有按矩阵布置的多个像素，信号从像素供应到多条闭塞线，传送开关用于将信号从闭塞线供应到公共信号线，驱动电路被配置为驱动像素、闭塞线和传送开关。闭塞线具有用于对闭塞线的电位进行重置的重置单元。通过这种构造，在所述光电转换装置中以高速执行信号读取操作。

Description

光电转换装置和使用其的图像感测系统

技术领域

本发明涉及光电转换装置，具体地讲，涉及一种光电转换装置的读取电路。

背景技术

通常，光电转换装置用在数字静止相机中。例如，典型地使用采用CCD传感器的光电转换装置或MOS光电转换装置。这样的MOS光电转换装置包括像素单元、保持单元和公共信号线(水平信号线)，像素单元包括具有诸如光电二极管的光电转换元件的基本单元(像素)，在平面中布置这些基本单元，保持单元保持从像素单元发送的信号，公共信号线用于将从保持单元供应的信号输出到外部设备。

对光电转换装置进行了改进以增加像素的数量，从而满足更大格式的需求。于是，开关晶体管的数量增加(即，总的源电容增加)，并且信号线的电容增加，这导致公共信号线的寄生电容增加。公开号为2003-224776的日本专利公开了一种具有如下构造的光电转换装置，在该构造中，将从像素单元供应的信号读取到闭塞线(block line)，其后将该信号输出到公共信号线，从而公共信号线的电容减小。

同时，为了处理增加的像素数量，存在增加信号读取操作的速度的需求。根据公共信号线的电容和公共信号线的重置操作的速度确定信号读取操作的速度。在公共信号线的重置操作中，在读取信号之前或之后，将信号线的电位设置为预定电位。注意，公开号为10-191173的日本专利公开了这样的技术。

发明内容

本发明提供一种包括闭塞线的光电转换装置，该装置能够以高速执行重置操作。

根据本发明的示例性实施例，提供一种光电转换装置，其包括具有多个像素的像素单元、多个电容器、第一传送开关、多条信号线、第二传送开关、公共信号线和驱动电路，所述多个像素具有光电转换元件，并按矩阵布置这些像素，信号被从这些像素供应到所述多个电容器，第一传送开关传送来自所述多个电容器的信号，信号被从所述多个电容器供应到所述多条信号线，第二传送开关传送从所述多条信号线供应的信号，信号被从所述多条信号线供应到公共信号线。此外，对所述多条信号线的电位进行重置的重置单元连接至所述多条信号线。

通过这种构造，可以以高速执行信号读取操作。

从以下结合附图的描述，本发明的其它特征和优点将是明显的，其中，在整个附图中，相同的参考字符指定相同或类似的部分。

附图说明

图1是示意性示出根据第一示例性实施例的读取单元的电路图。

图2是示意性示出根据第二示例性实施例的读取单元的电路图。

图3是示意性示出根据第三示例性实施例的读取单元的电路图。

图4是根据第二示例性实施例的驱动方法的示例。

图5是根据第二示例性实施例的驱动电路的示例。

图6是示意性示出根据第二示例性实施例的光电转换装置的平面图。

图7是示出第一示例性实施例的示意图。

图8是示出根据第二示例性实施例的图像拾取系统的框图。

合并在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出本发明的示例性实施例，并与说明书一起用于对本发明的原理进行解释。

具体实施方式

在本发明的示例性构造中，在多条闭塞线中布置重置单元，在所述示例性构造中，在用于保持从多条垂直信号线供应的信号的所有的信号保持部分中的预定数量的信号保持部分连接至多条闭塞线中的对应的同一闭塞线。通过这种构造，易于以高速对多条闭塞线的电位进行重置。于是，对闭塞线的电位进行重置所需的时间量减少，并且以高速读取从像素输出的信号。注意，重置单元用于将一些线的电位设置为期望的电位(重置电位)VCHR。重置单元包括供应重置电压的电源和控制重置电压的供应的开关。

公开号为2003-224776的日本专利公开了如下一种构造，该构造通过利用连接至公共信号线(水平信号线)的重置单元来执行重置操作。在这种情况下，通过使用公共信号线和开关将闭塞线的电位设置为重置电位。于是，在供应重置电压的路径中产生的电容和电阻变大，因此，信号读取操作的速度降低。关于这点，所述构造需要有更多的考虑。此外，在用于执行重置操作的时间量不充足的情况下，根据距重置单元的距离产生电位变化。关于这点，所述构造也需要有更多的考虑。

为了处理这些问题，根据本发明的示例性实施例，重置单元连接至多条闭塞线，从而使得能够以高速执行重置操作。也就是说，在不使用公共信号线的情况下，对闭塞线进行重置。

以下将描述对信号线执行的重置操作。首先，将描述信号输出操作。

当信号从电容器输出到公共信号线时，基于信号保持单元的电容与公共信号线的电容的分割比输出该信号，所述电容器用作保持信号的信号保持单元。如下表示信号输出到公共信号线的速度和的信号的幅值。假设：用CT表示电容器中的电容，用Vsig表示信号，用CH表示公共信号线的电容，用Vout表示输出到公共信号线的信号。此外，假设：用CHB表示闭塞线的电容，用R表示从闭塞线输出的MOSFET的导通电阻，用RR表示在公共信号线中布置的重置单元的电阻。这里，重置单元由开关(例如，用于重置操作的MOSFET)构成。由于多个MOSFET的漏极(或源极)并联连接至公共信号线，所以公共信号线的电容CH基本上与连接的MOSFET的数量成比例。这里，仅考虑从电容器供应到公共信号线的电容，获得Vout＝Vsing×CT/(CH+CT)。如下通过使用调和平均数获得用于输出信号所需的时间Tsig：Tsig＝(CT//CH)×R＝(CT×CH)×R/(CH+CT)。如下获得对公共信号线进行重置所需的时间TRES：TRES＝CH×RR。假设满足方程RR＝R。当将时间Tsig与时间TRES进行比较时，获得Tsig＜TRES。也就是说，满足(输出时间常数)＜(重置时间常数)，因此，显而易见的是，信号读取操作的速度受用于重置所需的时间的影响。

为了有效率地执行重置操作，RR的值越小，结果越好。于是，例如，可使用具有大驱动力的MOSFET。在这种情况下，然而，如上所述，电容增加，也就是说，电容CH增加。此外，由于提供闭塞线，所以类似地引起时间常数的问题。这里，将仅在闭塞线上布置重置单元的情况作为示例。在这种情况下，由于应该同时对闭塞线和公共线电容器进行重置，所以要求重置单元的MOSFET的驱动力大。然而，如上所述，大的驱动力导致电容增加，因此，当对电容CT进行分割以获得电容CH时，信号的增益恶化。

因此，为了确定电容CH，需要考虑信号发送特性和重置操作特性的平衡。于是，通过在多条闭塞线上布置的重置单元，对MOSFET的驱动力进行优化，并以高速执行重置操作。此外，对用于将信号从闭塞线发送到公共信号线的MOSFET的导通电阻(驱动力)进行优化，从而获得用于信号发送的合适的值。因此，能够以高速执行用于闭塞线和公共信号线的信号发送和重置操作。注意，虽然以上将MOSFET描述为开关的示例，但是开关不限于MOSFET。虽然以下将MOSFET作为示例，但是可使用其它元件。此外，可用MOSFET或其它一般元件代替以下描述的“开关”。

参考图6，将描述光电转换装置的整个构造。在图6中，像素单元101包括具有光电转换元件(例如，光电二极管)的多个基本单元(像素)。稍后将详细描述电路的构造。电容器单元102(即，读取单元102a和读取单元102b)包括用作信号保持单元的线存储器，并具有用于将信号输出到公共信号线的MOSFET。由于电容器单元102用于通过使用MOSFET读取存储在线存储器中的信号，所以以下电容器单元102被称为读取单元102。读取单元102可包括信号放大器和A/D转换器。读取单元102包括闭塞线单元110(图1中显示)。本发明的一个方面的特征在于，对连接至闭塞线的机构进行重置。具体地讲，本发明的一个方面的特征在于，在多条闭塞线上提供重置单元。

第一驱动电路单元103(包括第一驱动电路103a和第一驱动电路103b)包括水平扫描电路。注意，在图6中，参考字符“a”和“b”表示具有相同功能的组件。例如，任意地将信号从像素单元101供应到第一读取单元102a或第二读取单元102b以被读出。提供第二驱动电路单元104(包括垂直扫描电路)、放大器电路105(放大器电路105a和放大器电路105b)、输出端子107(第一输出端子107a和第一输出端子107b)和公共信号线106(公共信号线106a和公共信号线106b)。在附图中为了简化，用两条线表示公共信号线106，稍后将详细描述其构造。

虽然以下在示例性实施例中对构造进行详细描述，但是本发明不限于这种构造，本发明的各个方面的特征在于，连接至闭塞线的重置机构。可在本发明的范围内进行其它修改。为闭塞线中的至少一些闭塞线提供重置单元。更优选地，为所有的闭塞线提供重置单元。然而，可不为闭塞线中公共信号线的重置单元附近的闭塞线提供重置单元，而是可为远离公共信号线的重置单元的闭塞线提供重置单元。

注意，垂直信号线与沿第一方向延伸的线对应。此外，水平信号线与在第二方向上延伸的线对应。第一方向和第二方向不必正交。在示例性实施例中，水平信号线与公共信号线对应。

第一示例性实施例

参考图1，将详细描述第一示例性实施例的构造。在图1中，显示从像素单元101通过读取单元102(例如，图6中所示的第一读取单元102a)到输出端子107(图6中所示的第一输出端子107a)的路径。

在像素单元101中，按矩阵布置像素126。像素126中的每个包括光电二极管PD、传送开关TX和重置开关RES，光电二极管PD为光电转换元件，传送开关TX用于传送光电二极管PD的电荷，重置开关RES用于对电荷被传送到的活性区进行重置。像素126中的每个还包括MOSFET(SF)和开关SEL，MOSFET(SF)用于输出根据所述电荷而获得的电位，开关SEL用于选择对应的像素。注意，这种构造仅是一个示例。像素126连接至列向布置的对应的垂直信号线127。用于放大从像素126输出的信号的放大器单元125和用于发送这些信号的开关单元128连接至对应的垂直信号线127。

读取单元102包括线存储器单元108，其存储通过开关单元128发送的信号。开关单元109用于将存储在线存储器单元108中的信号输出到闭塞线112和113。开关120和121用于将从闭塞线112和113供应的信号输出到公共信号线111。此外，闭塞线112和113包括各自的重置单元122。重置单元122中的每个将期望的电压(重置电压)VCHR供应到闭塞线112和113中的对应的一条，在该示例性实施例中，重置单元122中的每个由MOSFET构成。

由于在读取单元102中布置闭塞线112和113，所以直接连接至公共信号线111的开关的数量减少，公共信号线111的寄生电容减小。另外，由于闭塞线112和113连接至各自的重置单元122，所以以高速执行公共信号线111以及闭塞线112和113的重置操作。另外，以高速执行信号读取操作。通过容易执行的重置操作，可减少闭塞线112和113的重置电位的变化，因此，可获得高质量的图像信号。

第二示例性实施例

根据第二示例性实施例的光电转换装置与根据第一示例性实施例的光电转换装置的不同之处在于，布置了四对闭塞线和两对公共信号线。通过这种构造，可获得具有减小的噪声分量的信号，因此，可获得高质量的图像。此外，由于提供一对公共信号线118和一对公共信号线119，所以连接至这些对公共信号线中的每对的闭塞线的数量和开关的数量减少，这导致公共信号线的电容减小。类似地，由于提供多对闭塞线114至117，所以闭塞线的电容减小。于是，可执行比第一示例性实施例的读取操作快的读取操作。

参考图2，将详细描述第二示例性实施例的构造。闭塞线单元包括四对闭塞线，即，一对闭塞线114S和114N(以下根据需要共称为闭塞线114)、一对闭塞线115S和115N(以下根据需要共称为闭塞线115)、一对闭塞线116S和116N(以下根据需要共称为闭塞线116)以及一对闭塞线117S和117N(以下根据需要共称为闭塞线117)。公共信号线单元包括一对公共信号线118S和118N(以下根据需要共称为公共信号线118)以及一对公共信号线119S和119N(以下根据需要共称为公共信号线119)。线存储器S1存储从对应的像素发送的光信号，线存储器N1存储光信号叠置于其上的噪声信号。通过获得噪声信号和光信号之间的差，从光信号中去除噪声信号。在图2中显示其它对线存储器，诸如一对线存储器N2和线存储器S2，这些线存储器对应于像素的列的线。在闭塞线单元和公共信号线单元中，参考字符“S”表示光信号的路径，参考字符“N”表示噪声信号的路径。通过开关单元123将供应到闭塞线114和115的信号供应到公共信号线118或公共信号线119，而通过开关单元124将供应到闭塞线116和117的信号供应到公共信号线118或公共信号线119。闭塞线114、115、116和117具有重置单元122。通过这种构造，闭塞线的重置操作所需的时间量减少，信号变化减少，并以高速执行信号读取操作。

参考图4，将描述根据该示例性实施例的驱动方法的示例。在图4中，脉冲M1至M12控制包括在传送开关单元109中的开关M1至M12。脉冲φ123和φ124控制开关123和124。脉冲φCHR控制重置单元的MOS晶体管。这里，通过使用高电平脉冲使MOS晶体管导通。

首先，将从像素单元供应的信号存储在线存储器单元108中。其后，包括在开关单元109中的开关M1至M4打开，高电平脉冲输入到重置单元122的MOS晶体管，并执行重置操作。这里，高电平脉冲供应到所有的重置单元122，并同时执行重置操作。进一步将从像素单元供应到开关M1和M2的信号供应到公共信号线118，进一步将从像素单元供应到开关M3和M4的信号供应到公共信号线119。重复执行这个过程以输出信号。

在这个示例性实施例中，叠置在光信号上的噪声信号的示例包括像素的噪声信号以及在闭塞线和像素之间的信号路径上布置放大器的情况下的放大器噪声信号(偏移信号)。

图5是示出根据这个示例性实施例的驱动电路单元103的示意图。驱动电路单元103包括构成水平扫描单元的数据传送单元和构成逻辑运算单元的逻辑电路。可通过改变逻辑运算单元的构造来改变驱动方法，即，用于执行信号读取操作的方法。

在图5中所示的构造中，将参考时钟输入到水平扫描电路。然后，响应于从水平扫描电路的输出端子SR1输出的信号使包括在开关单元109中的开关M1至M4导通。然后，响应于从输出端子SR2至SR4输出的信号使包括在开关单元109中的开关M5至M16接连导通。还将从输出端子SR1至SR4输出的信号供应到逻辑运算单元，将脉冲φ123和φ124供应到开关单元123和124。注意，可通过使用线简单地供应脉冲φ123和φ124。然而，由于在该示例性实施例中使用从输出端子SR1至SR4输出的信号，所以执行重置操作所需的时间减少。

在该示例性实施例中，虽然在根据第一示例性实施例的构造中采用驱动方法，但是可通过改变分频器电路的驱动方法和控制线的数量将驱动方法应用于其它构造。

通过第二示例性实施例的构造，获得这样的光电转换装置，该光电转换装置能够容易地执行重置操作，并以高速执行信号读取操作，同时通过使用闭塞线使公共信号线的电容减小。此外，由于易于执行重置操作，所以闭塞线的重置电位的变化减少，因此，获得高质量的图像信号。

第三示例性实施例

在第三示例性实施例中，如图3所示，第三示例性实施例的连接至公共信号线的重置单元的数量比第二示例性实施例的连接至公共信号线的重置单元的数量多。在图1中，单个重置单元连接至公共信号线。然而，在图3中，重置单元在其在放大器电路105的附近的第一端和其与第一端相对的第二端连接至公共信号线中的每条。通过这种构造，当与第二示例性实施例进行比较时，更易于执行重置操作，并以更高的速度执行信号读取操作。具体地讲，由于分别为每条公共信号线提供多个重置单元，所以执行高速重置操作。

第四示例性实施例

在第四示例性实施例中，当与上述示例性实施例进行比较时，更严格定义用于重置单元的开关的驱动力。将第一示例性实施例作为示例，将描述开关的驱动力。图7是示出包括读取单元102和输出端子107的部分的示意图。分别用电容CHB和CH表示闭塞线112和公共信号线111。用导通电阻R和Rr表示开关。为了简化，假设满足CT＝CHB＝CH，并且当将信号从线存储器单元108读取到公共信号线111时而获得的时间常数的调和平均数如下：(CT//(CHB+CH))×R＝(2/3)CT×R。如下获得重置操作所需的时间量：CHB×Rr＝CH×Rr＝CT×Rr。当执行信号读取操作所需的时间量与执行重置操作所需的时间量基本相等时，如下获得实现高速信号读取操作所需的阻抗Rr：Rr＝(2/3)R。于是，重置单元的开关应该具有比用于发送信号的开关的导通电阻小的导通电阻。这个事实不仅可应用于第一示例性实施例，而且可应用于其它示例性实施例。

第五示例性实施例

在第五示例性实施例中，将描述包括像素和闭塞线的部分的构造的示例。如上描述像素中的每个的构造。将基于电荷被传送到其的活性区的电位而获得的信号(噪声信号)从像素126输出到垂直信号线127，通过使用重置晶体管将所述电位设置为参考电位(即，在重置操作时)。此外，将用于形成图像的信号从像素126输出到垂直信号线127，基于从光电转换元件传送的电荷获得所述信号(即，噪声信号叠置于其上的光信号)。恒流源(未显示)连接至垂直信号线127，所述恒流源为源随器电路的一部分。其后，通过使用在放大器电路125的上游阶段上布置的箝位电容器对噪声信号和基于电荷而获得的信号进行微分处理，从而获得其中噪声被抑制的信号。然后，通过使用连接至垂直信号线127的放大器单元125对其中像素的噪声被抑制的信号进行放大，并通过MOSFET 128将这些信号供应到线存储器单元108以将其存储。将多对两个线的存储器中的每对提供给放大器单元125中的对应的一个，从而执行微分处理以抑制放大器单元125中的所述对应的一个的偏移。

通过开关单元109将存储在线存储器单元108中的信号供应到闭塞线。

根据第五示例性实施例，在将信号供应到闭塞线和公共信号线之前放大这些信号。于是，当与上述示例性实施例进行比较时，SN比得到改进。

第六示例性实施例

在第六示例性实施例中，将描述本发明的信号检测装置应用于图像拾取系统的示例。将参考图8描述在用作图像拾取系统的数字静止相机中采用用作光电转换装置的信号检测装置的情况，所述光电转换装置具有用于检测光的光电转换元件。图像拾取系统的示例包括数字摄录像机(camcoder)。

图8是示出包括用作光电转换装置的固态图像拾取装置804的数字静止相机的系统的框图，所述光电转换装置具有上述本发明的示例性实施例的构造中的一种构造。

通过使用包括透镜802的光学系统在固态图像拾取装置804的像面上形成对象的光学图像。可在透镜802的外部布置挡板801，挡板801具有保护透镜802的功能并起主开关的作用。透镜802可包括用于控制曝光量的光圈803。通过使用图像拾取信号处理电路805对从固态图像拾取装置804的多个信道中输出的图像拾取信号进行各种校正操作和箝位操作。通过使用A/D转换器806对从图像拾取信号处理电路805的多个信道中输出的图像拾取信号进行模拟/数字转换以获得图像数据。通过使用信号处理器(图像处理单元)807对从A/D转换器806输出的图像数据进行各种校正操作和压缩操作。固态图像拾取装置804、图像拾取信号处理电路805、A/D转换器806和信号处理器807根据通过使用时序产生单元808而产生的时序信号操作。

可在同一芯片上与固态图像拾取装置804一起布置图像拾取信号处理电路805、A/D转换器806、信号处理器807和时序产生电路808，并通过使用集成控制/计算单元809对图像拾取信号处理电路805、A/D转换器806、信号处理器807和时序产生电路808进行控制。数字静止相机还包括存储器单元810和记录介质控制接口单元811，存储器单元810用于临时存储图像数据，记录介质控制接口单元811用于写入和读取表示图像的图像数据。与存储器单元810一起使用的记录介质812是可拆卸的介质，其包括半导体存储器。此外，数字静止相机可包括外部接口单元813，其用于与例如外部计算机通信。

参考图8，现在将描述数字静止相机的操作。当挡板801打开时，主电源、用于控制系统的电源和用于图像拾取系统电路的电源接连开启，所述图像拾取系统电路诸如A/D转换器806。其后，集成控制/计算单元809控制光圈803的打开，从而控制曝光量。通过图像拾取信号处理电路805将从固态图像拾取装置804输出的信号供应到A/D转换器806。A/D转换器806对信号执行A/D转换以获得数据，该数据被输出到信号处理器807。信号处理器807对数据进行处理并将该数据供应到集成控制/计算单元809。当一接收到数据时，集成控制/计算单元809就执行计算操作，从而确定曝光量。集成控制/计算单元809基于确定的曝光量控制光圈803。

然后，集成控制/计算单元809从所述数据获得高频分量，并基于该高频分量计算数字静止相机和对象之间的距离，其中，通过从由固态图像拾取装置804输出的信号的转换而获得所述数据，并通过使用信号处理器807对该数据进行处理。其后，驱动透镜802，并确定所述对象是否被聚焦。当确定是否定时，再次驱动透镜802，并再次计算所述距离。

当确定是肯定时，执行主曝光操作。当曝光操作终止时，通过使用图像拾取信号处理电路805对从固态图像拾取装置804输出的图像拾取信号进行各种校正操作，通过使用A/D转换器806对所述信号进行A/D转换，以及通过使用信号处理器807对所述信号进行处理。集成控制/计算单元809控制存储器单元810存储通过使用信号处理器807进行处理的图像数据。

其后，在集成控制/计算单元809的控制下通过记录介质控制接口单元811将存储在存储器单元810中的图像数据供应到记录介质812以将其存储。可通过外部接口单元813将图像数据供应到例如计算机以对其进行处理。

由于使用能够执行高速信号读取操作的光电转换装置，所以能够实现如下图像拾取系统，即使当执行高速拍摄或运动画面的拍摄时，所述图像拾取系统也能够提供高质量的图像。

注意，虽然在以上示例性实施例中描述光电转换装置，但是本发明还涉及公共信号线的构造，检测的信号可以是磁信号。

尽管已参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。对以下权利要求的范围给予最宽的解释以包括所有修改以及等同的结构和功能。

Claims (9)

1、一种光电转换装置，包括：

光电转换元件；

多条第一信号线，信号被从光电转换元件供应到所述多条第一信号线；

信号保持单元，被配置为保持从所述多条第一信号线供应的信号，所述信号保持单元被划分为多个块；

多条闭塞线，信号被从信号保持单元供应到所述多条闭塞线，所述多条闭塞线中的每条连接至所述多个块中的对应编号；

第二信号线，信号被从所述多条闭塞线供应到第二信号线；

多个开关，用于将供应到所述多条闭塞线的信号传送到第二信号线；和

多个第一重置单元，连接至所述多条闭塞线，并被配置为对所述多条闭塞线的电位进行重置。

2、根据权利要求1所述的光电转换装置，

其中，所述多个第一重置单元分别连接至所述多条闭塞线。

3、根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，所述多条闭塞线包括多条第一闭塞线和多条第二闭塞线，

所述第二信号线包括第三信号线和第四信号线，

将供应到所述多条闭塞线的信号中的一些信号从所述多条第一闭塞线传送到第三信号线，以及

将供应到所述多条闭塞线的信号中的其它信号从所述多条第二闭塞线传送到第四信号线。

4、根据权利要求1所述的光电转换装置，还包括：

第二重置单元，连接至第二信号线，并被配置为对第二信号线的电位进行重置。

5、根据权利要求1所述的光电转换装置，

其中，第一重置单元包括MOS晶体管。

6、根据权利要求5所述的光电转换装置，

其中，第一重置单元的MOS晶体管具有比所述多个开关的导通电阻小的导通电阻。

7、根据权利要求3所述的光电转换装置，其中，

从所述多条第一闭塞线供应的信号与从光电转换元件输出的信号对应，以及

从所述多条第一闭塞线供应的信号与噪声信号对应，所述噪声信号被叠置于从光电转换元件输出的信号上。

8、根据权利要求1所述的光电转换装置，按矩阵布置所述光电转换元件。

9、一种图像拾取系统，包括：

根据权利要求1所述的光电转换装置；和

图像处理单元，被配置为对从所述光电转换装置输出的图像信号进行处理。

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