CN101706608B - 变焦透镜系统 - Google Patents

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Abstract

一种变焦透镜系统，包括从物方顺序的负第一透镜组、光阑、和正第二透镜组，其中沿所述变焦透镜系统的光轴移动所述负第一透镜组和所述正第二透镜组进行变焦；其中所述负第一透镜组包括从物方顺序的负第一透镜元件、负第二透镜元件、正第三透镜元件。

Description

变焦透镜系统
本申请是申请号为200510085354.1，申请目为2005年7月26日，发明名称为“变焦透镜系统”的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种变焦透镜系统，具体地说，涉及适于数字照相机的变焦透镜系统。
背景技术
近年来，为了与利用固态图像传感器诸如小型成像装置或CDD的数字照相机一起使用，需要具有小(快速)光圈数(f-number)和具有可变视角的较小变焦透镜系统。
发明内容
本发明提供一种反远距焦点型变焦透镜系统，其包括从物方顺序的具有负折射能力的第一透镜组(在下文中，负第一透镜组)、光阑、和具有正折射能力的第二透镜组(在下文中，正第二透镜组)，。
反远距焦点型变焦透镜系统尺寸小，具有不大于2的快速光圈数，具有大约2的变焦率，和在短焦距长度极端(focal length extremity)处具有大约50°的半视角。
根据本发明的一方面，提供一种变焦透镜系统，其包括从物方顺序的负第一透镜组、光阑、和正第二透镜组。
通过沿变焦透镜系统的光轴移动负第一透镜组和正第二透镜组来进行变焦。
负第一透镜组包括从物方顺序的负第一透镜元件、负第二透镜元件、和正第三透镜元件。
变焦透镜系统满足下列条件：
0.7＜ft/f2G ≤0.95    ...(1)
其中
ft表示整个变焦透镜系统在长焦距长度极端处的焦距长度；和
f2G表示正第二透镜组的焦距长度。
本发明的变焦透镜系统优选满足下列条件：
3.0＜(d12w-d12t)/(ft/fw)＜5.0     ...(2)
其中
d12w表示在短焦距长度极端处负第一透镜组和正第二透镜组之间的距离；
d12t表示在长焦距长度极端处负第一透镜组和正第二透镜组之间的距离；和
fw表示在短焦距长度极端处整个变焦透镜系统的焦距长度。
本发明的变焦透镜系统优选满足下列条件：
3.0＜∑2G/(ft/fw)＜4.0            ...(3)
其中
∑2G表示正第二透镜组的厚度，即，从正第二透镜组的最大物方表面到其最大像方表面的距离；和
fw在短焦距长度极端处整个透镜系统的焦距长度。
本发明的变焦透镜系统优选满足下列条件：
0.6＜f1n/f2n≤1.08                ...(4)
其中
f1n表示负第一透镜组的负第一透镜元件的焦距长度；和
f2n表示负第一透镜组的负第二透镜元件的焦距长度。
负第一透镜组的负第二透镜元件可以由负双凹透镜元件构成。
正第二透镜组可以包括从物方顺序的正第一透镜元件、正第二透镜元件、负第三透镜元件、和正第四透镜元件。
正第二透镜组优选满足下列条件：
vp-vn＞23                        ...(5)
其中
vp表示正第二透镜组的正第二透镜元件的阿贝(Abbe)数；和
vn表示正第二透镜组的负第三透镜元件的阿贝(Abbe)数。
本发明的变焦透镜组优选满足下列条件：
-1.1＜ft/f1G＜-0.6    ...(6)
其中
f1G表示负第一透镜组的焦距长度。
正第二透镜组的第四透镜元件优选包括至少一个非球面表面。
优选光阑固定为在沿光轴预定位置的固定单元，从而光阑和所述变焦透镜系统的影像平面(image plane)之间的距离不变。
附图说明
下面参照附图，详细描述本发明，其中：
图1是根据本发明第一实施例的变焦透镜系统的透镜装置；
图2A，2B，2C和2D表示图1所示的透镜装置在短焦距长度极端产生的像差；
图3A，3B，3C和3D表示图1所示的透镜装置在长焦距长度极端产生的像差；
图4是根据本发明第二实施例的变焦透镜系统的透镜装置；
图5A，5B，5C和5D表示图4所示的透镜装置在短焦距长度极端产生的像差；
图6A，6B，6C和6D表示图4所示的透镜装置在长焦距长度极端产生的像差；
图7是根据本发明第三实施例的变焦透镜系统的透镜装置；
图8A，8B，8C和8D表示图7所示的透镜装置在短焦距长度极端产生的像差；
图9A，9B，9C和9D表示图7所示的透镜装置在长焦距长度极端产生的像差；
图10是根据本发明第四实施例的变焦透镜系统的透镜装置；
图11A，11B，11C和11D表示图10所示的透镜装置在短焦距长度极端产生的像差；
图12A，12B，12C和12D表示图10所示的透镜装置在长焦距长度极端产生的像差；
图13是根据本发明第五实施例的变焦透镜系统的透镜装置；
图14A，14B，14C和14D表示图13所示的透镜装置在短焦距长度极端产生的像差；
图15A，15B，15C和15D表示图13所示的透镜装置在长焦距长度极端产生的像差；
图16是根据本发明变焦透镜系统的透镜组移动路径的示意图。
具体实施方式
如图16所示的透镜组移动路径所示，本发明的变焦透镜系统包括从物方顺序的负第一透镜组10、光阑S、和正第二透镜组20。
从短焦距长度极端到长焦距长度极端的变焦时，负第一透镜组10朝像方移动，和正第二透镜组20向物方移动。
光阑S的轴向位置保持固定，从而在变焦时光阑S和影像平面之间的距离不变。在光阑(光阑单元)S保持不变的情况下，在短焦距长度极端处，光阑S和负第一透镜组10之间的距离，和光阑S和正第二透镜组20之间的距离可以更长。这个装置有利于校正在广视角时产生的轴外像差(off-axis aberration)。
在设置固态图像传感器诸如CDD的数字照相机的变焦透镜系统中，已知从短焦距长度极端到长焦距长度极端要求聚焦远心，以便防止阴影等的出现。即，为了较小发射角的变焦，通常有利地采用具有从物方顺序的负透镜组和正透镜组的反远距焦点型变焦透镜系统；因此，本发明的变焦透镜系统采用反远距焦点型变焦透镜系统。
此外，本发明的变焦透镜系统在短焦距长度极端处实现大约50°的半视角。
理论上负第一透镜组10所需的最少透镜元件数是两个，即，负透镜元件和正透镜元件。
但是，如果试图用两个透镜元件实现大约50°的半视角，负第一透镜元件的第二表面(即，像方表面)的曲率半径太小，这样会产生轴外像差。因此，在本发明的变焦透镜系统中，构成负第一透镜组10的透镜元件数增大到三个，即，从物方顺序的负第一透镜元件、负第二透镜元件、和正第三透镜元件。
不用说，用四个透镜元件构建的负第一透镜组10可以比少于四个透镜元件的负第一透镜组10负更容易校正像差。但是，这种四个透镜元件的装置增加负第一透镜组10的厚度。因此，增加变焦透镜系统的总长，不能获得较小的变焦透镜系统。
为了使变焦透镜系统的总长短一些，应该考虑各个透镜组的行进距离和各个透镜组的厚度。
在本发明中，在从短焦距长度极端到长焦距长度极端变焦时，负第一透镜组10设置成朝像方移动，正第二透镜组20设置成朝物方移动。由于这种设置，如果为了获得更大的变焦率，试图将各个透镜组的行进距离设定得更长，在短焦距长度极端处变焦透镜系统的总长不期望地变得更长。
条件(1)涉及正第二透镜组20的折射能力。通过使其折射能力更强以满足条件(1)，而使变焦率更大，同时减少像差的产生。
如果使正第二透镜组20的折射能力强到ft/f2G超过条件(1)的上限的程度，在正第二透镜组20中过度地产生像差。因此，难以校正从短焦距长度极端到中间焦距长度的焦距长度范围内的轴外像差。同样，难以校正从中间焦距长度到长焦距长度极端的另一焦距长度范围的轴向像差。
如果使正第二透镜组20的折射能力弱到ft/f2G超过条件(1)的下限的程度，难以校正负第一透镜组10的负折射能力产生的剩余像差。因此，应该指出，负第一透镜组10的负折射能力需要保持足够的聚焦远心。
条件(2)规定在变焦时的负第一透镜组10和正第二透镜组20之间距离的变化量。换句话说，条件(2)表示在满足条件(1)的情况下，在变焦率中最合适的平衡，在变焦时像差的变化和各个透镜组的行进距离。
如果(d12w-d12t)/(ft/fw)超过条件(2)的上限，负第一透镜组10和正第二透镜组20之间距离的变化量变得较大，从而光阑和影像平面彼此太靠近，正第二透镜组20和影像平面也是彼此太靠近。因此，如果试图保持聚焦远心，正第二透镜组20的正折射能力变弱，那么超过条件(1)的下限。
如果(d12w-d12t)/(ft/fw)超过条件(2)的下限，各个透镜组的行进距离变得较短。因此，如果试图保持足够的变焦率，正第二透镜组20的折射能力变得太强，那么超过条件(1)的上限。
在满足条件(1)之后，条件(3)规定正第二透镜组20的厚度以用于保持变焦透镜系统的小型化和在光圈数变大的情况下校正像差之间的平衡。
如果∑2G/(ft/fw)超过条件(3)的上限，正第二透镜组20的厚度太大，从而正第二透镜组20的折射能力太强，因为正第二透镜组20的行进距离不能保证。在短焦距长度极端处难以校正轴外像差。
如果∑2G/(ft/fw)超过条件(3)的下限，构成正第二透镜组20的透镜元件数太少，从而不能充分地进行正第二透镜组20内的像差校正。因此，像差影响变大，不能达到要求的光圈数，即，不能实现快速透镜系统。
条件(4)规定要提供给负第一透镜组10的负第一透镜元件和负第二透镜元件的折射能力。
在本发明的变焦透镜系统中，负第一透镜组10由负第一透镜元件、负第二透镜元件和正第三透镜元件组成。负第一透镜组10的强负折射能力以良好的平衡方式分布在两个负透镜元件上。但是如果两个负透镜元件之一的折射能力远远强于另一个，那么负第一透镜组10的像差校正变得困难。尤其是，从短焦距长度极端到中间焦距长度的焦距长度范围的轴外像差校正变困难，并且从中间焦距长度到长焦距长度极端的另一焦距长度范围的轴向像差校正也变困难。
为了减小负第一透镜组10的厚度，有利于地形成负双凹透镜元件的中间负透镜元件(即，负第二透镜元件)。
正第二透镜组20通常由三合透镜装置构成，即，正第一透镜元件、负第二透镜元件和另一正第三透镜元件。另一方面，如果试图校正轴向像差，特别是球面像差，同时光圈数保持较小，正第二透镜组20优选由四个透镜元件构成，即，从物方顺序的正第一透镜元件、正第二透镜元件、负第三透镜元件和正第四透镜元件。不用说，具有五个或更多透镜元件的正第二透镜组20更容易校正像差。
那么，如本发明的实施例所示，在为了实现快速变焦透镜系统在短焦距长度极端处具有不大于2的光圈数和在长焦距长度极端处具有大约3的光圈数、正第二透镜组20由上述五个透镜元件以上的装置构成的情况下，期望通过差分正第二透镜元件的阿贝数和负第三透镜元件的阿贝数来校正色差。
条件(5)涉及阿贝数的差。
如果正第二透镜元件和负第三透镜元件的阿贝数的差小到vp-vn超过条件(5)的下限的程度，在较小光圈数的条件下色差的校正变得困难。
条件(6)规定负第一透镜组10的折射能力。
如果ft/f1G超过条件(6)的上限，负第一透镜组10的折射能力变弱。因此，需要使正第二透镜组20的折射能力更弱。即使试图通过负第一透镜组10和正第二透镜20达到要求的变焦率，负第一透镜组10和正第二透镜20达到要求的变焦率都具有更弱的折射能力，在短焦距长度极端处正第二透镜组20必须更靠近影像平面。因此，应该指出，在这种正第二透镜组20和影像平面之间短距离的条件下，不能保持聚焦远心。
如果ft/f1G超过条件(6)的下限，负第一透镜组10的折射能力变得太强。因此，在短焦距长度极端处的轴外像差的校正变得困难。
在本发明的变焦透镜系统中，如果试图实现更小型化和更高的质量，期望正第二透镜组20的最大像方表面提供至少一个非球面。
在下文中描述实施例的具体数据。
在用球面像差表示的色差(轴向色差)的示图中，实线和两种虚线分别表示用各自d，g，c线的球面像差。
在横色像差的图示中，两种虚线分别表示用各自g和c线的放大率；但是，d线作为基线与纵线重合。
在像散的图示中，S表示矢形图像，M表示经向图像。
在表中，FNO表示光圈数，f表示变焦透镜系统的焦距长度，W表示半视角(°)，fB表示后焦距长度(从正第二透镜组20的最大像方表面到成像装置的成像表面的等同空气厚度)，r表示曲率半径，d表示透镜元件厚度或透镜元件之间的距离，Nd表示d线的折射率，v表示阿贝数。
除了上述之外，与光轴对称的非球面表面定义如下：
x＝CY2/(1+[1-{1+k}C2Y2]1/2)+A4Y4+A6Y6+A8Y8+A10Y10...
其中
C表示非球面顶点的曲率(1/r)；
Y表示离光轴的距离；
K表示二次曲线系数；
A4表示四级非球面系数；
A6表示六级非球面系数；
A8表示八级非球面系数；
A10表示十级非球面系数。
[实施例1]
图1是根据本发明第一实施例的变焦透镜系统的透镜装置。图2A-2D表示图1所示的透镜装置在短焦距长度极端处产生的像差。图3A-3D表示图1所示的透镜装置在长焦距长度极端处产生的像差。表1表示第一实施例的数据。
从物方顺序，负第一透镜组10(表面序号1-6)包括负凸面朝物方的负凹凸透镜(meniscus lens)、负双凹透镜元件，和凸面朝物方的正透镜元件。
从物方顺序，正第二透镜组20(表面序号7-14)包括正双凸透镜元件、凸面朝物方的正凹凸透镜元件、负双凹透镜元件、和正双凸透镜元件。
表面序号15和16定义设置在成像装置前面的保护盖(未示出)。
光阑S在短焦距长度极端处设置在负第一透镜组10(表面序号6)后面7.63，在长焦距长度极端处设置在负第一透镜组10后面1.00。
[表1]
FNO.＝1∶1.9-3.1
F＝2.85-6.88(变焦率＝2.41)
W＝49.1-19.9
FB＝5.06-9.35
表面序号   r          d       Nd         v
1          15.818     0.70    1.77250    49.6
2          4.816      3.11
3          -22.259    0.60    1.85000    42.8
4     10.970     0.42
5     10.149     1.65         1.84666   23.8
6     ∞         12.92-2.00
7     7.676      1.77         1.65001   53.5
8     -32.986    0.10
9     6.201      1.87         1.58897   62.2
10    93.683     0.29
11    -17.367    1.64         1.83809   25.3
12    5.484      0.99
13    6.528      1.92         1.66626   55.2
14*   -14.874    1.00-5.29
15    ∞         2.91         1.49782   66.8
1     ∞         -
符号*表示与光轴旋转对称的非球面。
非球面数据(非球面系数不表示为0(0.00))：
表面序号  K      A4              A6             A8
14        0.00   0.13326×10-2   0.68521×10-4  -0.28069×10-5
[实施例2]
图4是根据本发明第二实施例的变焦透镜系统的透镜装置。图5A-5D表示图4所示的透镜装置在短焦距长度极端处产生的像差。图6A-6D表示图4所示的透镜装置在长焦距长度极端处产生的像差。表2表示第二实施例的数据。
第二实施例的基本透镜装置与第一实施例相同，除了以下方面：
在正第二透镜组20中，正双凸第二透镜元件和负双凹第三透镜元件彼此粘合形成粘合透镜元件。
光阑S在短焦距长度极端处设置在负第一透镜组10(表面序号6)后面(像方)8.58，在长焦距长度极端处设置在负第一透镜组10后面1.29。
[表2]
FNO.＝1∶1.9-3.1
F＝2.85-7.15(变焦率＝2.51)
W＝49.1-19.1
FB＝4.63-9.01
表面序号   r      d      Nd      v
1    14.780    0.70      1.81454    44.6
2    4.851     3.05
3    -17.859   0.60      1.76524    47.1
4    11.862    0.38
5    10.502    1.66      1.84666    23.8
6    ∞        13.96-2.29
7    12.061    1.37      1.83400    45.6
8    -43.866   0.10
9    5.792     2.23      1.54132    65.1
10   -14.300   2.63      1.82730    27.1
11   4.633     0.73
12   5.859     2.20      1.66626    55.2
13*  -18.834   1.00-5.38
14   ∞        2.91      1.49782    66.8
15   ∞        -
符号*表示与光轴旋转对称的非球面。
非球面数据(非球面系数不表示为0(0.00))：
表面序号  K       A4              A6              A8
13        0.00    0.10012×10-2   0.81948×10-4   -0.45202×10-5
[实施例3]
图7是根据本发明第三实施例的变焦透镜系统的透镜装置。图8A-8D表示图7所示的透镜装置在短焦距长度极端处产生的像差。图9A-9D表示图7所示的透镜装置在长焦距长度极端处产生的像差。表3表示第三实施例的数据。
第三实施例的基本透镜装置与第二实施例相同。
光阑S在短焦距长度极端处设置在负第一透镜组10(表面序号6)后面(像方)8.82，在长焦距长度极端处设置在负第一透镜组10后面1.30。
[表3]
FNO.＝1∶1.9-3.1
F＝2.85-7.15(变焦率＝2.51)
W＝53.4-20.6
fB＝4.99-9.42
表面序号  r         d           Nd        v
1         17.594    0.70        1.83481   42.7
2         5.080     3.07
3         -21.905   0.60        1.77250   49.6
4         11.112    0.41
5         10.318    1.83        1.84666   23.8
6         ∞        14.34-2.40
7         11.855    1.33        1.80400   46.6
8         -49.566   0.10
9         5.870     2.30        1.53172   48.9
10        -16.041   2.44        1.84666   23.8
11        5.217     0.66
12        6.553     2.26        1.69350   53.2
13*       -21.530   1.00-5.43
14        ∞        2.91        1.49782   66.8
15        ∞        -
符号*表示与光轴旋转对称的非球面。
非球面数据(非球面系数不表示为0(0.00))：
表面序号  K     A4              A6             A8
13        0.00  0.10356×10-2  0.71422×10-4  -0.31316×10-5
[实施例4]
图10是根据本发明第四实施例的变焦透镜系统的透镜装置。图11A-11D表示图10所示的透镜装置在短焦距长度极端处产生的像差。图12A-12D表示图10所示的透镜装置在长焦距长度极端处产生的像差。表4表示第四实施例的数据。
第四实施例的基本透镜装置与第一实施例相同。
光阑S在短焦距长度极端处设置在负第一透镜组10(表面序号6)后面(像方)4.49，在长焦距长度极端处设置在负第一透镜组10后面1.00。
[表4]
FNO.＝1∶2.0-3.0
f＝2.85-5.50(变焦率＝1.92)
W＝47.7-24.5
fB＝4.98-7.70
表面序号    r        d           Nd        v
1           10.712   0.70        1.83361    42.8
2           3.591    1.92
3           -14.623  0.60        1.85000    42.8
4           12.000   0.38
5           9.031    1.20        1.84666    23.8
6           -114.5   698.22-2.00
7           21.333   1.10        1.83400    37.2
8           -16.033  0.10
9           4.196    1.85        1.60000    61.6
10          -47.118  0.27
11          -14.215  1.21        1.84069    25.2
12          3.967    0.66
13          7.461    1.49        1.66626    55.2
14*         -7.104   1.00-3.72
15          ∞       1.00        1.51633    64.1
16          ∞       -
符号*表示与光轴旋转对称的非球面。
非球面数据(非球面系数不表示为0(0.00))：
表面序号  K      A4             A6             A8
14        0.00   0.98001×10-2  0.12780×10-4  -0.13018×10-5
[实施例5]
图13是根据本发明第五实施例的变焦透镜系统的透镜装置。图14A-14D表示图13所示的透镜装置在短焦距长度极端处产生的像差。图15A-15D表示图13所示的透镜装置在长焦距长度极端处产生的像差。表5表示第五实施例的数据。
第五实施例的基本透镜装置与第一实施例相同。但是，在第五实施例的变焦透镜系统中没有设置非球面。
光阑S在短焦距长度极端处设置在负第一透镜组10(表面序号6)后面(像方)7.64，在长焦距长度极端处设置在负第一透镜组10后面1.00。
[表5]
FNO.＝1∶2.0-2.6
f＝2.85-5.50(变焦率＝1.92)
W＝49.0-24.2
fB＝3.95-6.08
表面序号  r          d           Nd         v
1         11.450     0.70        1.77250    49.6
2         4.413      3.54
3         -17.012    0.60        1.85000    42.8
4         38.217     0.24
5         13.677     1.20        1.84666    23.8
6         99.368     12.02-3.25
7         54.508     1.10        1.83400    37.2
8         -10.737    0.10
9         4.058      1.91        1.55991    63.9
10        -20.120    0.24
11        -11.196    2.30        1.85000    24.1
12        3.759      0.55
13        11.684     1.21        1.85000    43.5
14        -9.377     1.00-3.13
15        ∞         1.00         1.51633   64.1
16        ∞         -
表6表示每个实施例的各种条件的数值。
[表6]
           实施例1  实施例2  实施例3  实施例4    实施例5
条件(1)    0.92     0.95     0.94     0.89        0.85
条件(2)    4.52     4.65     4.76     3.22        4.55
条件(3)    3.55     3.69     3.62     3.45        3.84
条件(4)    1.08     0.99     0.93     0.88        0.71
条件(5)    36.93    38.02    25.12    36.44       39.78
条件(6)    -0.97    -0.97    -0.96    -0.92       -0.68
从表6可以明白，第一至第五实施例的数值满足条件(1)-(6)，并且从像差图中可看出，各种像差被很好地校正。
根据上面的描述，可以获得具有下列特征的反远焦点型变焦透镜系统：
(i)尺寸较小；
(ii)不大于2的快速光圈数；
(iii)大约2的变焦率；
(iv)在短焦距长度极端处大约50°半视角。
根据本发明在此描述的具体实施例可以作出各种变化，这种变化在本发明要求的精神和范围内。在此包含的所有主题只是说明性的，二不限制本发明的范围。

Claims (8)

1.一种变焦透镜系统，由从物方顺序排列的负第一透镜组、光阑、和正第二透镜组所组成，
通过沿所述变焦透镜系统的光轴移动所述负第一透镜组和所述正第二透镜组进行变焦；
所述负第一透镜组包括从物方顺序排列的负第一透镜元件、负第二透镜元件、正第三透镜元件；和
所述变焦透镜系统满足下列条件：
0.7＜ft/f2G＜1.1
3.0＜∑2G/(ft/fw)＜4.0
其中
ft表示在长焦距长度极端处整个变焦透镜系统的焦距长度；
f2G表示正第二透镜组的焦距长度；
∑2G表示正第二透镜组的厚度，即，从正第二透镜组的最大物方表面到其最大像方表面的距离；和
Fw表示在短焦距长度极端处整个变焦透镜系统的焦距长度。
2.如权利要求1所述的变焦透镜系统，还满足下列条件：
0.6＜f1n/f2n＜1.2
其中
f1n表示负第一透镜组的负第一透镜元件的焦距长度；和
f2n表示负第一透镜组的负第二透镜元件的焦距长度。
3.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其中所述负第一透镜组的所述负第二透镜元件是负双凹透镜元件。
4.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其中所述正第二透镜组包括从物方顺序排列的正第一透镜元件、正第二透镜元件、负第三透镜元件、和正第四透镜元件。
5.如权利要求4所述的变焦透镜系统，满足下列条件：
vp-vn＞23
其中
vp表示正第二透镜组的正第二透镜元件的阿贝数；和
vn表示正第二透镜组的负第三透镜元件的阿贝数。
6.如权利要求1所述的变焦透镜系统，还满足下列条件：
-1.1＜ft/f1G＜-0.6
其中
f1G表示负第一透镜组的焦距长度。
7.如权利要求4所述的变焦透镜系统，其中所述正第二透镜组的所述正第四透镜元件包括至少一个非球面表面。
8.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其中所述光阑固定在沿光轴的预定位置，从而所述光阑和所述变焦透镜系统的影像平面之间的距离不变。
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