CN101666745A - 具有自调整校准功能的激光感生光谱测量装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光感生光谱测量技术,具体是一种具有自调整校准功能的激光感生光谱测量装置及控制方法。解决了现有激光感生光谱测量装置实现激光聚焦点调整和光纤探头对准难度大等问题,测量装置含待测物品放置平台、光谱采集分析组件、计算机、辅助光源组件、电控单元、对焦调整组件、光纤探头角度调整组件;对焦调整组件含光学放大透镜组、CCD图像传感器、电动升降机构;光纤探头角度调整组件由各光纤探头分别配设的电控旋转装置构成;辅助光源组件含电控恒流源、选择透反透镜、频段校准光源。控制方法含对焦调整步骤和光纤探头角度调整步骤;测量装置结构简单,使用效果好,控制方法简单、合理,高精度实现激光聚焦点调整和光纤探头对准。
Description
技术领域
本发明涉及激光感生光谱测量技术,具体是一种具有自调整校准功能的激光感生光谱测量装置及控制方法。
背景技术
激光感生光谱(Laser Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)是一种新型光谱分析技术,利用聚焦的强脉冲激光激发物质产生等离子体,通过分析等离子体中的原子或离子发光光谱获得物质元素成分含量信息,实现对样品的元素分析。LIBS技术具有样品制备简单、多元素同步分析、分析速度快等优点,因此该技术被广泛应用于各种物质的定性或定量分析,有着巨大的实用价值。目前,LIBS技术已经应用于环境污染监测、工业产品检测和考古分析等领域。
在采用激光感生光谱技术进行物质元素成分分析时,需要将激光聚焦在被分析物质表面下某一负离焦量处,即激光聚焦点的位置要控制在被分析物质表面下、满足测量要求的距离范围内,此外,入射激光的离焦量变化对等离子体的形成影响较大,决定了等离子体产生的效率和效果,而且准确控制激光的聚焦点位置可以提高激发的功率密度,在相同功率密度的情况下则可降低脉冲激光源的功率;另外,需要将光纤探头对准激光激发出来的等离子体,才能高效、有效采集脉冲激光激发产生的等离子体发出的特征光谱,减少杂散光和背景光的影响,最大限度的提高所采集特征光谱的强度,才能提高分析的精度。
因此,激光聚焦点位置的控制与光纤探头的对准控制是激光感生光谱技术的两大重点。而现有激光感生光谱测量装置中都难以保证激光聚焦点位置的精确控制和光纤探头的准确对准,本领域的技术人员总要在设备和试验装置的调试中做很多工作,经过反复调整才能获得一个较为理想的设备状态,但是该状态却不能保证其最优性和多次调整的重复性。这是因为在现有激光感生光谱测量装置的调整方法中,激光聚焦点位置的调整是依靠量具测量和人眼观察等离子体发光点来确定的,由于不同人的视差存在差异,必然导致调整的不一致性,而且当样品表面不平整和不规则时,调整的难度和不确定性还会进一步增大。
光纤探头的对准调整除依靠人眼观察外,主要通过观察激光激发物质产生的等离子体在光谱仪中的谱线强弱来实现。但是由于如下原因使得光纤探头对准难度过大,不易实现光纤探头准确对准:1、脉冲激光器激发能量不稳定(通常脉冲激光器激发能量的稳定度在±3%),两次激发后,光谱仪采集的数据存在较大波动;2、脉冲激光对物质激发后产生的光谱谱线较多,选择适合的波长谱线及稳定光强作为参照量存在难度;3、脉冲激光的不连续性。
另外,考虑到激光感生光谱测量装置在实际应用中的具体情况。虽然激光感生光谱测量装置的各仪器大都有防震动措施和装置,但是难免因工作环境或其他意外因素使设备偏离最佳工作状态,在这种情况下如果没有有效的自调整和校准手段,将难以保证激光感生光谱测量装置正常稳定的工作。
发明内容
本发明为了解决现有激光感生光谱测量装置实现激光聚焦点调整和光纤探头对准的调整方法存在难度大、无法保证调整效果的问题,提供了一种具有自调整校准功能的激光感生光谱测量装置及控制方法。
本发明是采用如下技术方案实现的:具有自调整校准功能的激光感生光谱测量装置,包括待测物品放置平台、光谱采集分析组件;所述光谱采集分析组件包含光谱仪、受光谱仪控制的脉冲激光器、至少一个经传导光纤与光谱仪相应通道相连的光纤探头,待测物品放置平台置于脉冲激光器的正下方,脉冲激光器的光学窗口与待测物品放置平台正对设置,且脉冲激光器的光学窗口前设置有聚焦透镜;所述测量装置还包括计算机、辅助光源组件、以及计算机经由电控单元控制的对焦调整组件和光纤探头角度调整组件,光谱采集分析组件中的光谱仪与计算机相连;
所述对焦调整组件包括光学放大透镜组、经光学放大透镜组与待测物品放置平台上与聚焦透镜正对区域正对的CCD图像传感器、以及设置于待测物品放置平台下的电动升降机构,CCD图像传感器经接口电路与计算机相连,电动升降机构与电控单元相连;
所述光纤探头角度调整组件由各光纤探头分别配设的电控旋转装置构成,各电控旋转装置与电控单元相连;
所述辅助光源组件包含与计算机相连的电控恒流源、以45°角倾斜设置于脉冲激光器与聚焦透镜之间的选择透反透镜、与光纤探头一一对应的频段校准光源,频段校准光源发出的光的波长在对应光纤探头的光谱测量范围内,各频段校准光源与选择透反透镜之间设置有使频段校准光源发出的光由选择透反透镜反射后平行入射聚焦透镜的光学镜片组件,或者频段校准光源发出的光直接经由选择透反透镜反射后平行入射聚焦透镜,各频段校准光源与电控恒流源相连。其中,脉冲激光器的光学窗口与聚焦透镜间的选择透反透镜是经过镀膜处理的镜片,用于透射脉冲激光器发出的脉冲激光,反射频段校准光源发出的校准辅助光。
具有自调整校准功能的激光感生光谱测量装置的控制方法,包括对焦调整步骤和光纤探头角度调整步骤;
所述对焦调整步骤包含如下步骤:
a、将被分析物质放于待测物品放置平台上;
b、由计算机控制电控恒流源打开任一频段校准光源,被打开频段校准光源发出恒定亮度的平行光,直接经由选择透反透镜反射后平行入射聚焦透镜,或者经由光学镜片组件入射选择透反透镜,经选择透反透镜反射后平行入射聚焦透镜,经聚焦透镜聚焦,在被分析物质表面形成光斑;
c、由计算机经接口电路控制CCD图像传感器实时采集光斑图像,并对光斑图像处理后,计算光斑核的有效面积;其中,CCD图像传感器前的光学放大透镜组实现光斑放大,便于光斑在CCD图像传感器上成像;
d、计算机根据计算得到的光斑核有效面积数据,经电控单元控制待测物品放置平台下的电动升降机构动作,使电动升降机构带动待测物品放置平台向着光斑核有效面积减少的方向升降,直到光斑核有效面积减少到计算机内保存的预定阈值以下,则控制电动升降机构停动,完成测量装置对焦;
所述光纤探头角度调整步骤包含如下步骤:
e、由计算机控制电控恒流源打开其中一频段校准光源,被打开频段校准光源发出恒定亮度的平行光,直接经由选择透反透镜反射后平行入射聚焦透镜,或者经由光学镜片组件入射选择透反透镜,经选择透反透镜反射后平行入射聚焦透镜,经聚焦透镜聚焦,在被分析物质表面形成光斑;
f、由计算机确定光纤探头扫描范围、及扫描起始点,要保证光斑位于光纤探头扫描范围内,并启动光谱仪;
g、计算机经电控单元控制与被打开频段校准光源对应的光纤探头配置的电控旋转装置动作,使该电控旋转装置带动光纤探头由扫描起始点开始,在步骤f中确定的光纤探头扫描范围内逐行或逐列进行扫描,寻找光斑;同时,计算机经由光谱仪实时读取与被打开频段校准光源对应的光纤探头的实时扫描数据D(λi),计算与实时扫描数据D(λi)对应的平均值D,比较实时扫描数据D(λi)中与被打开频段校准光源发出光的波长对应的数据值与平均值D大小;
h、当实时扫描数据D(λi)中与被打开频段校准光源发出光的波长对应的数据值明显大于实时扫描数据D(λi)的平均值D时,计算机采用爬山法控制与被打开频段校准光源对应的光纤探头配置的电控旋转装置动作,使该电控旋转装置带动光纤探头进行微步距扫描,直至在实时扫描数据D(λi)中获得与被打开频段校准光源发出光的波长对应的最大数据值,则控制与被打开频段校准光源对应的光纤探头配置的电控旋转装置停动,完成测量装置中与被打开频段校准光源对应的光纤探头对准调整;所述爬山法是数据搜索领域中的常用方法。
其中,如实时扫描数据D(λi)中与被打开频段校准光源发出光的波长对应的数据值为光谱仪输出量程的最大值时,则说明光斑亮度太强导致光谱仪输入饱和,则由计算机控制电控恒流源降低被打开频段校准光源的发光强度,重复进行步骤g、h,直至完成测量装置中与被打开频段校准光源对应的光纤探头对准调整;
i、重复进行步骤e至h,直至完成测量装置中所有光纤探头的对准调整。
本发明所述测量装置在经过上述控制方法调整后,即可对放于待测物品放置平台上的被分析物质实施分析:光谱仪在计算机控制下,控制脉冲激光器发出脉冲激光,脉冲激光经选择透反透镜透射后,平行入射聚焦透镜,经聚焦透镜聚焦到被分析物质上,激发被分析物质产生等离子体,等离子体中原子或离子的发光光谱经由光纤探头采集,经传导光纤传输至光谱仪,由光谱仪进行分析。
与现有技术相比,本发明增设辅助光源组件、对焦调整组件和光纤探头角度调整组件,直接对被分析物质进行激光聚焦点位置调整和光纤探头对准,由辅助光源组件为对焦调整组件和光纤探头角度调整组件提供连续光源,使得激光感生光谱测量装置中激光聚焦点位置的控制与光纤探头的对准控制有了切实可靠的依据,摆脱了人为观察调整带来的不确定性;对焦调整组件以CCD图像传感器采集由辅助光源组件在待测物品放置平台上被分析物质表面形成的光斑图像,将光斑图像提供给计算机分析,由计算机控制电动升降机构,改变待测物品放置平台高度,高精度完成本发明所述测量装置的对焦调整,提高激光激发等离子体时的功率密度,提高等离子体产生的效率和效果;光纤探头角度调整组件以电控旋转装置控制光纤探头对被分析物质表面进行扫描,捕捉由辅助光源组件在待测物品放置平台上被分析物质表面形成的光斑图像核心,使光纤探头高精度对准激光聚焦点位置,从而使得光谱仪通过光纤探头能高效、有效采集脉冲激光激发产生的等离子体发出的特征光谱,提高光谱仪对被分析物质的分析精度。且本发明所述测量装置的控制方法以全自动化方式实现,自动化程度高,使得本发明所述测量装置可以在无需人为干预的情况下连续进行测量,提高了测量装置的适用性和测量效率。
本发明所述测量装置结构简单,使用效果好,控制方法简单、合理,高精度实现激光聚焦点调整和光纤探头对准。
附图说明
图1为本发明所述测量装置的结构方框图;
图2为本发明所述测量装置的一种结构示意图;
图3为本发明所述测量装置的另一种结构示意图;
图4为本发明所述测量装置的第三种结构示意图;
图5为光纤探头扫描范围及扫描起始点的示意图;
图6为CCD图像传感器采集到的光斑图像;
图7为图6中光斑图像经处理后的光斑核图像;
图中:1-待测物品放置平台;2-光谱仪;3-脉冲激光器;4、5、6-传导光纤;7、8、9-光纤探头;10-聚焦透镜;11-计算机;12-光学放大透镜组;13-CCD图像传感器;14-电动升降机构;15-接口电路;16、17、18-电控旋转装置;19-电控恒流源;20-选择透反透镜;21、22、23-频段校准光源;24-光学镜片组件;25-反射镜;26、27-选择透反透镜;28-反射镜;29-被分析物质;30-光斑;31-光纤探头扫描范围;32-扫描起始点;33-电控单元。
具体实施方式
具有自调整校准功能的激光感生光谱测量装置,包括待测物品放置平台1、光谱采集分析组件;所述光谱采集分析组件包含光谱仪2、受光谱仪2控制的脉冲激光器3、至少一个经传导光纤4与光谱仪2相应通道相连的光纤探头7,待测物品放置平台1置于脉冲激光器3的正下方,脉冲激光器3的光学窗口与待测物品放置平台1正对设置,且脉冲激光器3的光学窗口前设置有聚焦透镜10;所述测量装置还包括计算机11、辅助光源组件、以及计算机11经由电控单元33控制的对焦调整组件和光纤探头角度调整组件,光谱采集分析组件中的光谱仪2与计算机11相连,如图1所示;
所述对焦调整组件包括光学放大透镜组12、经光学放大透镜组12与待测物品放置平台1上与聚焦透镜10正对区域正对的CCD图像传感器13、以及设置于待测物品放置平台1下的电动升降机构14,CCD图像传感器13经接口电路15与计算机11相连,电动升降机构14与电控单元33相连;
所述光纤探头角度调整组件由各光纤探头7分别配设的电控旋转装置16构成,各电控旋转装置16与电控单元33相连;
所述辅助光源组件包含与计算机11相连的电控恒流源19、以45°角倾斜设置于脉冲激光器3与聚焦透镜10之间的选择透反透镜20、与光纤探头7一一对应的频段校准光源21,频段校准光源21发出的光的波长在对应光纤探头7的光谱测量范围内,各频段校准光源21与选择透反透镜20之间设置有使频段校准光源21发出的光由选择透反透镜20反射后平行入射聚焦透镜10的光学镜片组件24,或者频段校准光源21发出的光直接经由选择透反透镜20反射后平行入射聚焦透镜10,各频段校准光源21与电控恒流源19相连。
具体实施时,如图4所示,频段校准光源21发出的光直接经由选择透反透镜20反射后平行入射聚焦透镜10,由于脉冲激光器3的光学窗口与聚焦透镜10间的距离有限,不便过多设置选择透反透镜20,因此,图4所示结构适用于仅设置单一光纤探头7的、应用单通道光谱仪实现单一频段范围光谱测量分析的测量装置;如图2、3所示,设置于各频段校准光源7与选择透反透镜20之间使频段校准光源7发出的光由选择透反透镜20反射后平行入射聚焦透镜10的光学镜片组件24至少可以按图2、3中公开的结构实现,光传导过程列举如下:如图2所示,其中一频段校准光源21发出的光经由反射镜25反射后,依次透射选择透反透镜26、27,再经由反射镜28反射后,入射选择透反透镜20,由选择透反透镜20反射后平行入射聚焦透镜10;如图3所示,其中一频段校准光源22发出的光经由选择透反透镜26反射后,透射选择透反透镜27,入射选择透反透镜20,由选择透反透镜20反射后平行入射聚焦透镜10。且光学镜片组件24亦应用了选择透反透镜26、27,用于反射与选择透反透镜对应的频段校准光源发出的光,透射其它频段校准光源发出的光。
具有自调整校准功能的激光感生光谱测量装置的控制方法,包括对焦调整步骤和光纤探头角度调整步骤;
所述对焦调整步骤包含如下步骤:
a、将被分析物质29放于待测物品放置平台1上;
b、由计算机11控制电控恒流源19打开任一频段校准光源21,被打开频段校准光源21发出恒定亮度的平行光,直接经由选择透反透镜20反射后平行入射聚焦透镜10,或者经由光学镜片组件24入射选择透反透镜20,经选择透反透镜20反射后平行入射聚焦透镜10,经聚焦透镜10聚焦,在被分析物质29表面形成光斑30;
c、由计算机11经接口电路15控制CCD图像传感器13实时采集光斑图像(如图6所示),并对光斑图像处理后(如图7所示),计算光斑核的有效面积;其中,CCD图像传感器13前的光学放大透镜组12实现光斑30放大,便于光斑30在CCD图像传感器13上成像;
d、计算机11根据计算得到的光斑核有效面积数据,经电控单元33控制待测物品放置平台1下的电动升降机构14动作,使电动升降机构14带动待测物品放置平台1向着光斑核有效面积减少的方向升降,直到光斑核有效面积减少到计算机11内保存的预定阈值以下,则控制电动升降机构14停动,完成测量装置对焦;
所述光纤探头角度调整步骤包含如下步骤:
e、由计算机11控制电控恒流源19打开其中一频段校准光源21,被打开频段校准光源21发出恒定亮度的平行光,直接经由选择透反透镜20反射后平行入射聚焦透镜10,或者经由光学镜片组件24入射选择透反透镜20,经选择透反透镜20反射后平行入射聚焦透镜10,经聚焦透镜10聚焦,在被分析物质29表面形成光斑30;
f、如图5所示,由计算机11确定光纤探头扫描范围31、及扫描起始点32,要保证光斑30位于光纤探头扫描范围31内,并启动光谱仪2;
g、计算机11经电控单元33控制与被打开频段校准光源21对应的光纤探头7配置的电控旋转装置16动作,使该电控旋转装置16带动光纤探头7由扫描起始点32开始,在步骤f中确定的光纤探头扫描范围31内逐行或逐列进行扫描,寻找光斑30;同时,计算机11经由光谱仪2实时读取与被打开频段校准光源16对应的光纤探头7的实时扫描数据D(λi),计算与实时扫描数据D(λi)对应的平均值D,比较实时扫描数据D(λi)中与被打开频段校准光源21发出光的波长对应的数据值与平均值D大小;
h、当实时扫描数据D(λi)中与被打开频段校准光源21发出光的波长对应的数据值明显大于实时扫描数据D(λi)的平均值D时,计算机11采用爬山法控制与被打开频段校准光源21对应的光纤探头7配置的电控旋转装置16动作,使该电控旋转装置16带动光纤探头7进行微步距扫描,直至在实时扫描数据D(λi)中获得与被打开频段校准光源21发出光的波长对应的最大数据值,则控制与被打开频段校准光源21对应的光纤探头7配置的电控旋转装置16停动,完成测量装置中与被打开频段校准光源21对应的光纤探头7对准调整;
其中,如实时扫描数据D(λi)中与被打开频段校准光源21发出光的波长对应的数据值为光谱仪2输出量程的最大值时,则说明光斑30亮度太强导致光谱仪2输入饱和,则由计算机11控制电控恒流源19降低被打开频段校准光源21的发光强度,重复进行步骤g、h,直至完成测量装置中与被打开频段校准光源21对应的光纤探头7对准调整;
i、重复进行步骤e至h,直至完成测量装置中所有光纤探头7的对准调整。
Claims (2)
1、一种具有自调整校准功能的激光感生光谱测量装置,包括待测物品放置平台(1)、光谱采集分析组件;所述光谱采集分析组件包含光谱仪(2)、受光谱仪(2)控制的脉冲激光器(3)、至少一个经传导光纤(4)与光谱仪(2)相应通道相连的光纤探头(7),待测物品放置平台(1)置于脉冲激光器(3)的正下方,脉冲激光器(3)的光学窗口与待测物品放置平台(1)正对设置,且脉冲激光器(3)的光学窗口前设置有聚焦透镜(10);其特征在于:所述测量装置还包括计算机(11)、辅助光源组件、以及计算机(11)经由电控单元(33)控制的对焦调整组件和光纤探头角度调整组件,光谱采集分析组件中的光谱仪(2)与计算机(11)相连;
所述对焦调整组件包括光学放大透镜组(12)、经光学放大透镜组(12)与待测物品放置平台(1)上与聚焦透镜(10)正对区域正对的CCD图像传感器(13)、以及设置于待测物品放置平台(1)下的电动升降机构(14),CCD图像传感器(13)经接口电路(15)与计算机(11)相连,电动升降机构(14)与电控单元(33)相连;
所述光纤探头角度调整组件由各光纤探头(7)分别配设的电控旋转装置(16)构成,各电控旋转装置(16)与电控单元(33)相连;
所述辅助光源组件包含与计算机(11)相连的电控恒流源(19)、以45°角倾斜设置于脉冲激光器(3)与聚焦透镜(10)之间的选择透反透镜(20)、与光纤探头(7)一一对应的频段校准光源(21),频段校准光源(21)发出的光的波长在对应光纤探头(7)的光谱测量范围内,各频段校准光源(21)与选择透反透镜(20)之间设置有使频段校准光源(7)发出的光由选择透反透镜(20)反射后平行入射聚焦透镜(10)的光学镜片组件(24),或者频段校准光源(7)发出的光直接经由选择透反透镜(20)反射后平行入射聚焦透镜(10),各频段校准光源(7)与电控恒流源(19)相连。
2、权利要求1所述具有自调整校准功能的激光感生光谱测量装置的控制方法,包括对焦调整步骤和光纤探头角度调整步骤;其特征在于:
所述对焦调整步骤包含如下步骤:
a、将被分析物质(29)放于待测物品放置平台(1)上;
b、由计算机(11)控制电控恒流源(19)打开任一频段校准光源(21),被打开频段校准光源(21)发出恒定亮度的平行光,直接经由选择透反透镜(20)反射后平行入射聚焦透镜(10),或者经由光学镜片组件(24)入射选择透反透镜(20),经选择透反透镜(20)反射后平行入射聚焦透镜(10),经聚焦透镜(10)聚焦,在被分析物质(29)表面形成光斑(30);
c、由计算机(11)经接口电路(15)控制CCD图像传感器(13)实时采集光斑图像,并对光斑图像处理后,计算光斑核的有效面积;其中,CCD图像传感器(13)前的光学放大透镜组(12)实现光斑(30)放大,便于光斑(30)在CCD图像传感器(13)上成像;
d、计算机(11)根据计算得到的光斑核有效面积数据,经电控单元(33)控制待测物品放置平台(1)下的电动升降机构(14)动作,使电动升降机构(14)带动待测物品放置平台(1)向着光斑核有效面积减少的方向升降,直到光斑核有效面积减少到计算机(11)内保存的预定阈值以下,则控制电动升降机构(14)停动,完成测量装置对焦;
所述光纤探头角度调整步骤包含如下步骤:
e、由计算机(11)控制电控恒流源(19)打开其中一频段校准光源(21),被打开频段校准光源(21)发出恒定亮度的平行光,直接经由选择透反透镜(20)反射后平行入射聚焦透镜(10),或者经由光学镜片组件(24)入射选择透反透镜(20),经选择透反透镜(20)反射后平行入射聚焦透镜(10),经聚焦透镜(10)聚焦,在被分析物质(29)表面形成光斑(30);
f、由计算机(11)确定光纤探头扫描范围(31)、及扫描起始点(32),要保证光斑(30)位于光纤探头扫描范围(31)内,并启动光谱仪(2);
g、计算机(11)经电控单元(33)控制与被打开频段校准光源(21)对应的光纤探头(7)配置的电控旋转装置(16)动作,使该电控旋转装置(16)带动光纤探头(7)由扫描起始点(32)开始,在步骤f中确定的光纤探头扫描范围(31)内逐行或逐列进行扫描,寻找光斑(30);同时,计算机(11)经由光谱仪(2)实时读取与被打开频段校准光源(16)对应的光纤探头(7)的实时扫描数据D(λi),计算与实时扫描数据D(λi)对应的平均值D,比较实时扫描数据D(λi)中与被打开频段校准光源(21)发出光的波长对应的数据值与平均值D大小;
h、当实时扫描数据D(λi)中与被打开频段校准光源(21)发出光的波长对应的数据值明显大于实时扫描数据D(λi)的平均值D时,计算机(11)采用爬山法控制与被打开频段校准光源(21)对应的光纤探头(7)配置的电控旋转装置(16)动作,使该电控旋转装置(16)带动光纤探头(7)进行微步距扫描,直至在实时扫描数据D(λi)中获得与被打开频段校准光源(21)发出光的波长对应的最大数据值,则控制与被打开频段校准光源(21)对应的光纤探头(7)配置的电控旋转装置(16)停动,完成测量装置中与被打开频段校准光源(21)对应的光纤探头(7)对准调整;
其中,如实时扫描数据D(λi)中与被打开频段校准光源(21)发出光的波长对应的数据值为光谱仪(2)输出量程的最大值时,则说明光斑(30)亮度太强导致光谱仪(2)输入饱和,则由计算机(11)控制电控恒流源(19)降低被打开频段校准光源(21)的发光强度,重复进行步骤g、h,直至完成测量装置中与被打开频段校准光源(21)对应的光纤探头(7)对准调整;
i、重复进行步骤e至h,直至完成测量装置中所有光纤探头(7)的对准调整。
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