CN101398531A - 变焦投影镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种变焦投影镜头，其从放大端到缩小端依次包括：具有负光焦度的第一镜群、具有正光焦度的第二镜群、具有正光焦度的第三镜群、具有负光焦度的第四镜群及具有正光焦度的第五镜群。该变焦投影镜头满足条件式：－1.5＜F1/Fw＜－1.3；1.5＜F2/Fw＜1.8；1.8＜F3/Fw＜2.2；－10＜F4/Fw＜－5；2.3＜F5/Fw＜2.8。其中，F1，F2，F3，F4及F5分别为该第一镜群、第二镜群、第三镜群、第四镜群及第五镜群的有效焦距，Fw为该变焦投影镜头的最短有效焦距。

Description

变焦投影镜头
技术领域
本发明涉及投影技术，特别涉及一种变焦投影镜头。
背景技术
当前，数字光处理(Digital Light Processing，DLP)投影仪及采用液晶光阀(Lightvalve)的液晶显示(Liquid Crystal Display，LCD)投影仪、硅晶(Liquid Crystal onSilicon，LCoS)投影仪已取代阴极射管(Cathode Ray Tube，CRT)投影仪成为市场主流产品。以往，CRT投影仪可通过电性补偿(Electrically compensation)修正变焦投影镜头的像差，而DLP，LCD及LCoS投影仪并不具备电性补偿能力，因此，要求应用于DLP，LCD或LCoS投影仪的投影镜头具有光学修正像差的能力，以获得高质量投影画面。
而随着半导体技术的发展，DLP，LCD及LCoS投影仪采用的空间光调制器(Spatial LightModulator，SLM)，包括数字微镜芯片(Digital Micro-mirror Device，DMD)、液晶显示面板(LCD panel)及硅晶芯片(LCoS chip)，朝高像素化方向发展，以满足消费者对成像质量的要求。对应地，投影镜头需提高分辨率(采用更多的镜片修正各种像差)，以配合SLM组成高像素投影仪。
另一方面，为适应不同投影场合(不同的投影距离)，如：在空旷的商业场合(长投影距离)，需采用远摄倍率(投影镜头采用较长有效焦距)；在狭小的家庭娱乐场合(短投影距离)，则采用广角倍率(投影镜头采用较短有效焦距)；业界推出具有变焦功能的变焦投影镜头。变焦投影镜头通常包括多个镜群，通过改变镜群间的相对位置改变变焦投影镜头的有效焦距。然而，改变镜群位置将改变变焦投影镜头的光焦度，可能导致：(1)分辨率劣化(光焦度分配不匹配，无法有效修正像差)；(2)用于收容投影器件(如LCD投影仪及LCoS投影仪的各种偏振器件)的后焦距(变焦投影镜头最后一个光学面到SLM表面的距离)不满足要求；(3)变焦投影镜头缩小端(近SLM端)不满足远心(Telecentric)成像要求(如此，屏幕可在一段距离范围内接收到清晰投影画面)。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种可在变焦过程中维持高分辨率的变焦投影镜头。
一种变焦投影镜头，其从放大端到缩小端依次包括：具有负光焦度的第一镜群、具有正光焦度的第二镜群、具有正光焦度的第三镜群、具有负光焦度的第四镜群及具有正光焦度的第五镜群。该变焦投影镜头满足条件式：
-1.5<F1/Fw<-1.3；
1.5<F2/Fw<1.8；
1.8<F3/Fw<2.2；
-10<F4/Fw<-5；
2.3<F5/Fw<2.8。
其中，F1，F2，F3，F4及F5分别为该第一镜群、第二镜群、第三镜群、第四镜群及第五镜群的有效焦距，Fw为该变焦投影镜头的最短有效焦距。
上述条件式对该变焦投影镜头的光焦度进行合理分配，以保证该投影镜头在满足投影镜头基本要求(足够的后焦距及缩小端满足远心成像的要求)的前提下，满足变焦过程中维持高分辨率的要求。
附图说明
图1为本发明实施例的变焦投影镜头采用广角倍率时的系统构成示意图。
图2为本发明实施例的变焦投影镜头采用远摄倍率时的系统构成示意图。
图3为本发明实施例1的变焦投影镜头采用广角倍率时的球差(Spherical aberration)特性曲线图。
图4为本发明实施例1的变焦投影镜头采用广角倍率时的场曲(Field curvature)特性曲线图。
图5为本发明实施例1的变焦投影镜头采用广角倍率时的畸变(Distortion)特性曲线图。
图6为本发明实施例1的变焦投影镜头采用广角倍率时的横向色差(Lateral chromaticaberration)特性曲线图。
图7为本发明实施例1的变焦投影镜头采用远摄倍率时的球差特性曲线图。
图8为本发明实施例1的变焦投影镜头采用远摄倍率时的场曲特性曲线图。
图9为本发明实施例1的变焦投影镜头采用远摄倍率时的畸变特性曲线图。
图10为本发明实施例1的变焦投影镜头采用远摄倍率时的横向色差特性曲线图。
图11为本发明实施例2的变焦投影镜头采用广角倍率时的球差特性曲线图。
图12为本发明实施例2的变焦投影镜头采用广角倍率时的场曲特性曲线图。
图13为本发明实施例2的变焦投影镜头采用广角倍率时的畸变特性曲线图。
图14为本发明实施例2的变焦投影镜头采用广角倍率时的横向色差特性曲线图。
图15为本发明实施例2的变焦投影镜头采用远摄倍率时的球差特性曲线图。
图16为本发明实施例2的变焦投影镜头采用远摄倍率时的场曲特性曲线图。
图17为本发明实施例2的变焦投影镜头采用远摄倍率时的畸变特性曲线图。
图18为本发明实施例2的变焦投影镜头采用远摄倍率时的横向色差特性曲线图。
图19为本发明实施例3的变焦投影镜头采用广角倍率时的球差特性曲线图。
图20为本发明实施例3的变焦投影镜头采用广角倍率时的场曲特性曲线图。
图21为本发明实施例3的变焦投影镜头采用广角倍率时的畸变特性曲线图。
图22为本发明实施例3的变焦投影镜头采用广角倍率时的横向色差特性曲线图。
图23为本发明实施例3的变焦投影镜头采用远摄倍率时的球差特性曲线图。
图24为本发明实施例3的变焦投影镜头采用远摄倍率时的场曲特性曲线图。
图25为本发明实施例3的变焦投影镜头采用远摄倍率时的畸变特性曲线图。
图26为本发明实施例3的变焦投影镜头采用远摄倍率时的横向色差特性曲线图。
具体实施方式
请同时参阅图1及图2，本发明实施例的变焦投影镜头100从放大端(近屏幕端)到缩小端依次包括具有负光焦度的第一镜群10、具有正光焦度的第二镜群20、具有正光焦度的第三镜群30、具有负光焦度的第四镜群40及具有正光焦度的第五镜群50(示意图，镜片具体参数请参具体实施例)。其中，第一镜群10及第五镜群50固定设置，第二镜群20、第三镜群30及第四镜群40移动(沿光轴)设置。如此，可通过改变第二镜群20、第三镜群30及第四镜群40之间的位置，改变变焦投影镜头100的有效焦距，实现变焦功能。具体地，第二镜群20、第三镜群30或第四镜群40朝缩小端移动，将缩短变焦投影镜头100的有效焦距，反之，增长变焦投影镜头100的有效焦距。图1的变焦投影镜头100具有广角倍率。图2的变焦投影镜头100具有远摄倍率。
作为范例，本实施例的变焦投影镜头100应用于LCoS投影仪，投影时，SLM(硅晶芯片，图未示)调制的投影信号光自SLM表面99投射入变焦投影镜头100，依次经第五镜群50、第四镜群40、第三镜群30、第二镜群20及第一镜群10，投射于屏幕(图未示)上便可得到投影画面。具体地，LCoS投影仪投影时，SLM表面99投射出的投影信号光依次经过偏振片98(Polarizer)、半波片97(Retarder)及偏振分光(Polarizing Beam Splitter，PBS)棱镜组合96后进入变焦投影镜头100。
具体地，变焦投影镜头100满足条件式：
(1)-1.5<F1/Fw<-1.3；
(2)1.5<F2/Fw<1.8；
(3)1.8<F3/Fw<2.2；
(4)-10<F4/Fw<5；
(5)2.3<F5/Fw<2.8。
其中，F1，F2，F3，F4及F5分别为第一镜群10、第二镜群20、第三镜群30、第四镜群40及第五镜群50的有效焦距，Fw为变焦投影镜头100的最短有效焦距。
条件式(1)~(5)对变焦投影镜头100的光焦度进行合理分配(限定各镜群光焦度与变焦投影镜头100光焦度的关系)。一方面，保证变焦投影镜头100在变焦范围内具有较高分辨率(可在变焦过程中维持高分辨率)；另一方面，保证变焦投影镜头100在变焦范围内具有足够的后焦距，并且变焦投影镜头100的缩小端满足远心成像的要求。具体地，条件式(1)~(4)中，若不满足下限条件(-1.5<F1/Fw，1.5<F2/Fw，1.8<F3/Fw，-10<F4/Fw)，将导致变焦投影镜头100后焦距不足，而不满足上限条件(F1/Fw<-1.3，F2/Fw<1.8，F3/Fw<2.2，F4/Fw<-5)，将导致各镜群产生的像差得不到有效修正，分辨率劣化。而不满足条件式(5)，变焦投影镜头100的缩小端不满足远心成像的要求。
优选地，为控制变焦投影镜头100产生的横向色差，变焦投影镜头100还满足条件式：
(6)vd1>55
其中，vd1为d光(波长为587.6纳米，下同)在第一镜群10的所有镜片的平均阿贝数(Abbenumber)。
具体地，第一镜群10从放大端到缩小端依次包括具有正光焦度的第一镜片11、具有负光焦度的第二镜片12及具有负光焦度的第三镜片13，以合理分配第一镜群10的光焦度。
第二镜群20从放大端到缩小端依次包括具有正光焦度的第四镜片21及具有正光焦度的第五镜片22，以合理分配第二镜群10的光焦度。
第三镜群30从放大端到缩小端依次包括具有正光焦度的第六镜片31及具有负光焦度的第七镜片32，以合理分配第三镜群30的光焦度。具体地，第七镜片32胶合于第六镜片31。
第四镜群40从放大端到缩小端依次包括具有负光焦度的第八镜片41、具有负光焦度的第九镜片42、具有正光焦度的第十镜片43及具有正光焦度的第十一镜片44，以合理分配第四镜群40的光焦度。
第五镜群50包括具有正光焦度的第十二镜片。
更加具体地，变焦投影镜头100还包括一个设置于第五镜片22与第六镜片31之间(即第二镜群20与第三镜群30之间)的光阑95(Aperture stop)，以限制轴外光线由第六透镜31进入第五透镜22而产生较严重的畸变及场曲。另外，光阑95使得经过第六透镜31的光线更加对称，利于修正彗差(coma)。
以下结合图3至图26，以具体实施例进一步说明变焦投影镜头100。具体实施例中，所有镜片均采用玻璃球面镜片，以降低色散及成本。
另外，约定FNo为变焦投影镜头100的光圈数，2ω为变焦投影镜头100的视场角，R为对应表面的曲率半径，D为对应表面到后一个表面(缩小端)的轴上距离(两个表面截得光轴的长度)，F1，F2，F3，F4，F5及F分别为第一镜群10、第二镜群20、第三镜群30、第四镜群40、第五镜群50及变焦投影镜头100的有效焦距，Nd为对应镜片(滤光片)对d光的折射率，vd为d光在对应镜片(滤光片)的阿贝数。
实施例1
实施例1的变焦投影镜头100满足表1及表2所列的条件，且F1＝-28.8377毫米(Millimeter，mm)，F2＝33.0414mm，F3＝40.8227mm，F4＝-141.6108mm，F5＝49.8472mm。
表1
 
表面 R(mm) D(mm) Nd vd
第一镜片放大端表面 79.971 5.035 1.6451 55.8878
第一镜片缩小端表面 -998.751 0.15 - - 
第二镜片放大端表面 67.492 1.8 1.5569 64.1644
第二镜片缩小端表面 23.691 8.847 - -
第三镜片放大端表面 -65.086 1.8 1.5994 54.9599
第三镜片缩小端表面 31.281 D6(参表2) - -
第四镜片放大端表面 -161.501 6.962 1.744 44.8511
第四镜片缩小端表面 -51.457 1.83 - -
第五镜片放大端表面 40.839 4.456 1.7491 34.8735
第五镜片缩小端表面 -423.711 D10(参表2) - -
光阑表面 无穷大 0.15 - -
第六镜片放大端表面 34.659 3.664 1.5354 65.8156
第六镜片缩小端表面与第七镜片放大端表面(重合) -25.822 1.5 1.5807 41.3411
第七镜片缩小端表面 -51.645 D14(参表2)
第八镜片放大端表面 397.031 1.818 1.7141 29.4552
 
第八镜片缩小端表面 21.915 5.837 - -
第九镜片放大端表面 -13.929 1.501 1.754 28.7225
第九镜片缩小端表面与第十镜片放大端表面(重合) 59.422 7.391 1.5856 62.2659
第十镜片缩小端表面 -19.005 0.15 - -
第十一镜片放大端表面 244.496 4.966 1.744 44.8504
第十一镜片缩小端表面 -41.299 D21(参表2) - -
第十二镜片放大端表面 40.697 5.372 1.744 44.8504
第十二镜片缩小端表面 -416.332 3 - -
偏振片放大端表面 无穷大 23 1.5168 64.1673
偏振片缩小端表面 无穷大 4 - -
半波片放大端表面 无穷大 0.5 1.523014 58.5876
半波片缩小端表面 无穷大 1 - -
PBS棱镜组合放大端表面 无穷大 2.2 1.5168 64.1673
PBS棱镜组合缩小端表面 无穷大 1
SLM表面 无穷大 - - -
表2
 
镜头状态 F(mm) FNo 2ω D6(mm) D10(mm) D14(mm) D21(mm)
广角倍率(图1所示) 19.94 1.82 54.3° 12.818 14.576 0.200 0.180
远摄倍率(图2所示) 23.92 2.05 45.92° 7.100 12.761 3.205 3.310
实施例1的变焦投影镜头100的球差特性曲线、场曲特性曲线、畸变的特性曲线及横向色差特性曲线分别如图3至图10所示(图3-6对应广角倍率的变焦投影镜头100，图7-10对应远摄倍率的变焦投影镜头100)。图3、7中，曲线f，d及c分别为f光(波长为486.1纳米，下同)、d光及c光(波长为656.3纳米，下同)经投影镜头100的球差特性曲线(下同)。可见，实施例1的变焦投影镜头100对可见光(400-700nm)产生的球差被控制在-0.2mm~0.2mm间。图4、8中，曲线t及s为子午场曲(Tangential field curvature)特性曲线及弧矢场曲(Sagittal fieldcurvature)特性曲线(下同)。可见，子午场曲值及弧矢场曲值被控制在-0.2mm~0.2mm间。图5、9中，曲线为畸变特性曲线(下同)。可见，畸变量被控制在5％~5％间。图6、10中，两条曲线分别为波长为f光及c光经变焦投影镜头100的横向色差特性曲线(下同)，d光经变焦投影镜头100的横向色差特性曲线与纵轴重合(下同)。可见，实施例1的变焦投影镜头100对可见光产生的横向色差被控制在-10微米(Micron，um)~10um间。综前，在保证足够的后焦距及缩小端远心成像的前提下，实施例1的变焦投影镜头100在变焦范围内，其产生的球差、场曲、畸变及横向色差被控制(修正)在较小的范围内。
实施例2
实施例2的变焦投影镜头100满足表3及表4所列的条件，且F1＝-29.3527mm，F2＝33.8755mm，F3＝40.6828mm，F4＝-152.5071mm，F5＝51.142mm。
表3
 
表面 R(mm) D(mm) Nd vd
第一镜片放大端表面 82.072 4.916 1.7023 48.5664
第一镜片缩小端表面 -1344.621 0.17 - -
第二镜片放大端表面 63.239 1.8 1.5131 67.7652
第二镜片缩小端表面 22.918 8.968 - -
第三镜片放大端表面 -64.557 1.8 1.6315 50.4312
第三镜片缩小端表面 32.077 D6(参表4) - -
第四镜片放大端表面 -153.501 7 1.6807 50.9542
第四镜片缩小端表面 -49.356 0.17 - -
第五镜片放大端表面 40.843 4.391 1.7306 31.8018
第五镜片缩小端表面 -446.649 D10(参表4) - -
光阑表面 无穷大 0.618 - -
第六镜片放大端表面 35.173 3.468 1.5379 65.6053
第六镜片缩小端表面与第七镜片放大端表面(重合) -25.518 1.835 1.5736 42.4801
第七镜片缩小端表面 -51.491 D14(参表4) - -
第八镜片放大端表面 387.75 1.726 1.785 25.7
第八镜片缩小端表面 23.589 5.266 - -
 
第九镜片放大端表面 -13.857 1.846 1.7526 30.2169
第九镜片缩小端表面与第十镜片放大端表面(重合) 59.027 7.288 1.5802 62.5994
第十镜片缩小端表面 -18.948 0.17 - -
第十一镜片放大端表面 196.349 5.027 1.7443 43.9698
第十一镜片缩小端表面 -41.835 D21(参表4) - -
第十二镜片放大端表面 41.332 5.263 1.7427 44.9509
第十二镜片缩小端表面 -470.461 4.188 - -
偏振片放大端表面 无穷大 23 1.5168 64.1673
偏振片缩小端表面 无穷大 4 - -
半波片放大端表面 无穷大 0.5 1.523014 58.5876
半波片缩小端表面 无穷大 1 - -
PBS棱镜组合放大端表面 无穷大 2.2 1.5168 64.1673
PBS棱镜组合缩小端表面 无穷大 1 - -
SLM表面 无穷大 - - -
表4
 
镜头状态 F(mm) FNo 2ω D6(mm) D10(mm) D14(mm) D21(mm)
广角倍率 20.12 1.82 53.87° 13.702 15.406 0.210 0.200
远摄倍率 24.14 2.05 45.57° 7.957 13.641 3.281 3.446
实施例2的变焦投影镜头100的球差特性曲线、场曲特性曲线、畸变的特性曲线及横向色差特性曲线分别如图11-18所示(图11-14对应广角倍率的变焦投影镜头100，图15-18对应远摄倍率的变焦投影镜头100)。可见，实施例2的变焦投影镜头100对可见光产生的球差被控制在-0.2mm~0.2mm间；子午场曲值及弧矢场曲值被控制在-0.2mm~0.2mm间；畸变量被控制在5％~5％间；横向色差被控制在-10um~10um间。综前，在保证足够的后焦距及缩小端远心成像的前提下，实施例2的变焦投影镜头100在变焦范围内，其产生的球差、场曲、畸变及横向色差被控制(修正)在较小的范围内。
实施例3
实施例3的变焦投影镜头100满足表5及表6所列的条件，且F1＝-28.0963mm，
F2＝33.3390mm，F3＝40.5215，F4＝-182.3747mm，F5＝53.1237mm。
表5
 
表面 R(mm) D(mm) Nd vd
第一镜片放大端表面 79.997 4.758 1.6879 50.1164
第一镜片缩小端表面 -4583.001 0.353 - -
第二镜片放大端表面 60.664 1.8 1.5382 65.5839
第二镜片缩小端表面 22.373 8.82
第三镜片放大端表面 -67.588 1.8 1.6376 56.2887
第三镜片缩小端表面 31.666 D6(参表6) - -
第四镜片放大端表面 -144.43 7 1.6885 50.0393
第四镜片缩小端表面 -46.511 0.17 - -
第五镜片放大端表面 40.133 4.371 1.7346 34.607
第五镜片缩小端表面 -800.197 D10参表6) - -
光阑表面 无穷大 0.17 - -
第六镜片放大端表面 35.664 3.542 1.5362 65.747
第六镜片缩小端表面与第七镜片放大端表面(重合) -24.865 1.737 1.5775 42.1955
第七镜片缩小端表面 -49.067 D14(参表6) - -
第八镜片放大端表面 295.347 1.931 1.7544 27.6128
第八镜片缩小端表面 22.836 5.871 - -
第九镜片放大端表面 -13.832 1.543 1.7529 29.9514
第九镜片缩小端表面与第十镜片放大端表面(表面) 57.817 7.371 1.5779 62.747
第十镜片缩小端表面 -18.979 0.17 - -
第十一镜片放大端表面 173.897 5.237 1.744 44.8504
第十一镜片缩小端表面 -41.247 D21(参表6) - -
第十二镜片放大端表面 42.322 5.064 1.744 44.8504
第十二镜片缩小端表面 -610.59 4.028 - -
 
偏振片放大端表面 无穷大 23 1.5168 64.1673
偏振片缩小端表面 无穷大 4 - -
半波片放大端表面 无穷大 0.5 1.523014 58.5876
半波片缩小端表面 无穷大 1 - -
PBS棱镜组合放大端表面 无穷大 2.2 1.5168 64.1673
PBS棱镜组合缩小端表面 无穷大 1 - -
SLM表面 无穷大 - - -
表6
 
镜头状态 F(mm) FNo 2ω D6(mm) D10(mm) D14(mm) D21(mm)
广角倍率 20.05 1.84 54.22° 13.567 15.678 0.21 0.2
远摄倍率 24.06 2.09 45.71° 7.962 13.76 3.281 3.576
实施例3的变焦投影镜头100的球差特性曲线、场曲特性曲线、畸变的特性曲线及横向色差特性曲线分别如图19-26所示(图19-22对应广角倍率的变焦投影镜头100，图23-26对应远摄倍率的变焦投影镜头100)。可见，实施例3的变焦投影镜头100对可见光产生的球差被控制在-0.2mm~0.2mm间；子午场曲值及弧矢场曲值被控制在-0.2mm~0.2mm间；畸变量被控制在5％~5％间；横向色差被控制在-10um~10um间。综前，在保证足够的后焦距及缩小端远心成像的前提下，实施例3的变焦投影镜头100在变焦范围内，其产生的球差、场曲、畸变及横向色差被控制(修正)在较小的范围内。
应该指出，上述实施例仅为本发明的较佳实施方式，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (9)

  1. 【权利要求1】一种变焦投影镜头，其从放大端到缩小端依次包括：具有负光焦度的第一镜群、具有正光焦度的第二镜群、具有正光焦度的第三镜群、具有负光焦度的第四镜群及具有正光焦度的第五镜群；其特征在于，该变焦投影镜头满足条件式：1.5<F1/Fw<-1.3；1.5<F2/Fw<1.8；1.8<F3/Fw<2.2；-10<F4/Fw<-5；2.3<F5/Fw<2.8；其中，F1，F2，F3，F4及F5分别为该第一镜群、第二镜群、第三镜群、第四镜群及第五镜群的有效焦距，Fw为该变焦投影镜头的最短有效焦距。
  2. 【权利要求2】如权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，该第一镜群及第五镜群固定设置，该第二镜群、第三镜群及第四镜群移动设置。
  3. 【权利要求3】如权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，该变焦投影镜头还满足条件式：vd1>55；其中，vd1为波长为587.6纳米的光在该第一镜群的所有镜片的平均阿贝数。
  4. 【权利要求4】如权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，该第一镜群从放大端到缩小端依次包括具有正光焦度的第一镜片、具有负光焦度的第二镜片及具有负光焦度的第三镜片。
  5. 【权利要求5】如权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，该第二镜群从放大端到缩小端依次包括具有正光焦度的第四镜片及具有正光焦度的第五镜片。
  6. 【权利要求6】如权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，该第三镜群从放大端到缩小端依次包括具有正光焦度的第六镜片及具有负光焦度的第七镜片。
  7. 【权利要求7】如权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，该第四镜群从放大端到缩小端依次包括具有负光焦度的第八镜片、具有负光焦度的第九镜片、具有正光焦度的第十镜片及具有正光焦度的第十一镜片。
  8. 【权利要求8】如权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，该第五镜群包括具有正光焦度的第十二镜片。
  9. 【权利要求9】如权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于，该变焦投影镜头包括一个设置于该第二镜群与第三镜群之间的光阑。
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