CN102508144A - 测量ccd芯片暗信号非均匀性和光子响应非均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量CCD芯片暗信号非均匀性和光子响应非均匀性的方法。主要解决目前对CCD的性能参数测量精确度不够的问题。其实现步骤为：选取CCD芯片量子效率最大所对应的波长η，设置波长可调的单色均匀光源系统，产生波长为η的单色光；然后选取使CCD芯片50％曝光所对应的积分时间，以该积分时间作为参数控制CCD芯片拍摄两组图像序列上传至计算机；根据这两组图像计算总的平均灰度值和空间方差计算出CCD芯片的暗信号非均匀性DSNU和光子响应非均匀性PRNU参数，本发明具有测量精度高、稳定性好的优点。可用于对CCD芯片性能的评估。

Description

测量CCD芯片暗信号非均匀性和光子响应非均匀性的方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及对CCD芯片暗信号非均匀性DSNU和光子响应非均匀性PRNU参数的测量，用于CCD芯片的研制、评估及筛选。 

背景技术

在CCD芯片的研制和应用当中，由于加工和测量技术的限制，导致CCD芯片的实际量子效率与响应度参数和厂商给出的测量值具有一定的差异，而在一些关键应用领域，需要定量了解CCD芯片的实际性能参数，从而对采集到得数据进行合理的校正，得到更好更准确的数据。因此，有必要提出一种方法来有效的测量CCD芯片的暗信号非均匀性和光子响应非均匀性参数，通过这两个性能参数，对CCD输出数据进行处理，得到更切合实际的数据。 

传统的CCD芯片暗信号非均匀性和光子响应非均匀性参数的测量均采用宽光谱光源作为光源，无法排除最终测量参数中与光谱相关的因素的影响，导致测量所得参数中含有光谱相关的信息，而且目前的测量方法一般将CCD芯片放置在常温环境下进行测量，没有对CCD芯片工作的环境温度进行考虑，导致测量的参数与CCD芯片处于特定工作环境下时的实际参数有一定差异。 

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种测量CCD芯片暗信号非均匀性DSNU和光子响应非均匀性PRNU的方法，通过使用单色光照明，筛选采集到的原始数据，实现对CCD芯片暗信号非均匀性DSNU和光子响应非均匀性PRNU参数的测量，并提高测量精度。 

为实现上述目的，本发明包括如下技术方案： 

(1)将待测CCD芯片放置在开有入射窗的杜瓦瓶温控室当中，将CCD芯片与控制电路对应接口相连，该控制电路用于控制CCD芯片成像； 

(2)在距CCD芯片80cm处放置波长可调单色均匀光源系统，该光源系统发出的单色光直接照射到CCD和标定好的探测器上面； 

(3)通过快门装置或CCD芯片自带的电子快门调整CCD芯片的积分时间，控制CCD芯片的曝光量； 

(4)以CCD芯片量子效率最大所对应的波长η为参数，设置光源系统使其产生单色光； 

(5)根据CCD芯片的实际工作环境温度，选取温度参数调节杜瓦瓶温控室，使CCD芯片处在一个80K到常温之间的恒定温度下工作；

(6)选用使CCD芯片50％曝光所对应的积分时间，对入射光拍摄L张亮图像，记为亮图像序列y1，成像张数L视测量精度要求确定； 

(7)关闭快门，使用步骤(6)中确定的积分时间，拍摄L′张暗图像，记为暗图像序列y2； 

(8)对亮图像序列y1求其总的灰度平均值μ₁和空间方差 

${\mathrm{\μ}}_1=\frac{1}{M_1{N}_1}\underset{i=0}{\overset{M_1-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N_1-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{y}}_1\left[i\right]\left[j\right],$ $s_1^2=s_{1m}^2-{\mathrm{\σ}}_{y1.\mathrm{stack}}^2/L$

其中， 

是由亮图像序列y1叠加取平均得到的图像， 

表示 

图像的第i行j列的像素值， 

M₁、N₁分别为亮图像序列y1中图像的行像素数和列像素数， 

$s_{1m}^2=\frac{1}{M_1{N}_1-1}\underset{i=0}{\overset{M_1-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N_1-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\stackrel{\‾}{y}}_1\right[i\left]\right[j]-{\mathrm{\μ}}_1)}^2$ 为亮图像序列y1的测量方差， 

${\mathrm{\σ}}_{y1.\mathrm{stack}}^2=\frac{1}{M_1{N}_1}\underset{i=0}{\overset{M_1-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N_1-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{y1}^2\left[i\right]\left[j\right]$ 表示亮图像序列y1的时域方差， 

${\mathrm{\σ}}_{y1}^2\left[i\right]\left[j\right]=\frac{1}{L-1}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(y1\right[l\left]\right[i\left]\right[j]-\frac{1}{L}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}y1[l\left]\right[i\left]\right[j\left]\right)$ 为亮图像序列y1的方差矩阵，其中y1[l][i][j]表示亮图像序列y1中第l张图像第i行j列的像素值，L表示亮图像序列y1总的图像张数； 

(9)对暗图像序列y2求其总的灰度平均值μ₂和空间方差 

${\mathrm{\μ}}_2=\frac{1}{M_2{N}_2}\underset{i=0}{\overset{M_2-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N_2-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{y}}_2\left[i\right]\left[j\right],$ $s_2^2=s_{2m}^2-{\mathrm{\σ}}_{y2.\mathrm{stack}}^2/L^{\′}$

其中， 

是由暗图像序列y2叠加取平均得到的图像， 

表示 

图像的第i行j列的像素值， 

M₂、N₂分别为图像序列y2中图像的行像素数和列像素数， 

$s_{2m}^2=\frac{1}{M_2{N}_2-1}\underset{i=0}{\overset{M_2-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N_2-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\stackrel{\‾}{y}}_2\right[i\left]\right[j]-{\mathrm{\μ}}_2)}^2$ 为暗图像序列y2的测量方差， 

${\mathrm{\σ}}_{y2.\mathrm{stack}}^2=\frac{1}{M_2{N}_2}\underset{i=0}{\overset{M_2-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N_2-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{y2}^2\left[i\right]\left[j\right]$ 表示暗图像序列y2的时域方差， 

${\mathrm{\σ}}_{y2}^2\left[i\right]\left[j\right]=\frac{1}{L^{\′}-1}\underset{l=0}{\overset{L^{\′}-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(y2\right[l\left]\right[i\left]\right[j]-\frac{1}{L^{\′}}\underset{l=0}{\overset{L^{\′}-1}{\mathrm{\Σ}}}y2[l\left]\right[i\left]\right[j\left]\right)$ 为暗图像序列y2的方差矩阵，其中y2[l][i][j]表示暗图像序列y2中第l张图像第i行j列的像素值，L′表示暗图像序列y2总的图像张数； 

(10)根据亮图像序列y1和暗图像序列y2的总灰度平均值μ₁、μ₂和空间方差 

计算CCD芯片的暗信号非均匀性DSNU和光子响应非均匀性PRNU： 

$\mathrm{DSNU}=\sqrt{s_2^2}/K,$ $\mathrm{PRNU}=\frac{\sqrt{s_1^2-s_2^2}}{{\mathrm{\μ}}_1-{\mathrm{\μ}}_2}$

其中，K为CCD芯片和读出电路的总增益。 

本发明具有如下优点： 

1)本发明对于空间方差的计算采用取多张图像求平均的方式，基本排除了时域方差的影响，使测量的空间非均匀性更准确。 

2)本发明采用CCD芯片量子效率最大所对波长的单色光，从一定程度上增大了CCD芯片的信号强度，具有抑制噪声的功能，使参数测量更加准确。 

3)本发明采用杜瓦瓶温控室对CCD芯片的工作环境温度进行模拟，能够更准确的反应了CCD芯片的实际非均匀性参数，消除了由于温度影响导致的参数不准确。 

附图说明

图1是本发明所用到的硬件采集系统框图； 

图2是本发明测量CCD芯片暗信号非均匀性DSNU和光子响应非均匀性PRNU的流程图。

具体实施方式

CCD芯片是一种广泛使用的成像器件，大量应用于天文学、航空航天、生物和医学研究、分子动力学、光谱学、水下摄影、X射线检测等许多领域，为此对CCD芯片的性能参数进行评估是至关重要的。目前，对CCD芯片进行评估主要有如下这些参数： 

①量子效率η：CCD在波长λ照射下产生的光电子数和入射光子数之比，该参数表征了CCD芯片对特定波长单色光的响应能力。 

②响应度参数R：CCD在给定波长单色光照明下，信号电压与曝光量之比。该参数从总体上描述了CCD量子效率和系统增益。 

③饱和度μ_p.sat：CCD达到饱和时能接收的光子数。 

④系统增益K：系统像元产生的电子数与灰度值之比。 

⑤暗噪声 

与CCD芯片读出电路相关的噪声总和。

⑥信噪比SNR：光子产生的信号和噪声信号之间的比值。 

⑦绝对灵敏度阈值μ_p.min：信噪比等于1时所需平均光子数。 

⑧动态范围DR：饱和度于绝对灵敏度阈值的比值。 

⑨非线性度误差LE：CCD芯片的输出信号与入射光信号之间偏离线性关系的误差。 

⑩暗信号非均匀性DSNU：CCD芯片在无光照下各像素输出灰度值的标准差与其均值之比。 

光子响应非均匀性PRNU：CCD芯片在50％饱和曝光条件下，各像元输出灰度值的标准差与均值之比。 

暗电流μ_I：CCD芯片在无光照情况下得输出电流大小。 

双倍温度常数T_d：在无光照情况下，暗电流增加到参考温度出暗电流值的一倍时对应的温度。 

以下将结合附图，清楚、完整地描述本发明对参数暗信号非均匀性DSNU和光子响应非均匀性PRNU的完整测量流程。 

图1是本发明所用到的硬件采集系统框图，整个系统包括波长可调单色均匀光源系统、杜瓦瓶温控室、CCD芯片，控制电路和计算机。CCD芯片和标准探测器安放在杜瓦瓶温控室中，其工作温度可由杜瓦瓶温控室控制，调节波长可调单色均匀光源系统输出均匀单色光，照射在CCD芯片上，CCD芯片由控制电路驱动成像，并将CCD芯片的输出信息上传到计算机上，计算机根据图像信息计算出待测CCD芯片的性能参数。对于不同的测量参数，通过调节积分时间，采集相应的图像和光强信息，再根据与参数相关的特定的步骤计算出测量参数。 

参照图2，本发明测量CCD芯片暗信号非均匀性DSNU和光子响应非均匀性PRNU的方法，包括如下步骤： 

步骤一、将待测CCD芯片放置在测试系统的杜瓦瓶温控室中，该杜瓦瓶温控室开有入射窗，入射窗的透过率要求对入射光的透过率达到98％以上，将CCD芯片与控制电路对应接口相连，该控制电路用于控制CCD芯片成像和调节杜瓦瓶温控室的温度，杜瓦瓶温控室的温度即为CCD芯片的工作温度。 

步骤二、在距CCD芯片80cm处放置波长可调单色均匀光源系统，该波长可调单色均匀光源系统由宽光谱光源、单色仪、积分球构成，其波长调节范围要求覆盖CCD芯片的响应波长范围，产生的单色光波长宽度要求小于50nm，该波长可调单色均匀光源系统发出的单色光直接照射到CCD芯片上面。 

步骤三、通过CCD芯片自带的电子快门调整CCD芯片的积分时间，控制CCD芯片的曝光量，即控制电路直接控制该电子快门实现积分时间的控制，如果CCD芯片的电子快门不满足应用需求，则需要在入射光路中间添加独立的快门装置，一般添加在入射窗前或波长可调单色均匀光源系统之前，使用该快门装置先调节CCD芯片的曝光量，再进行图像拍摄，拍摄方法是，首先通过控制电路控制快门打开，使 CCD芯片开始对入射光进行积分，同时，控制电路开始计时，当达到指定积分时间时，由控制电路再控制快门关闭，并将CCD芯片中的图像读出上传至计算机当中。 

步骤四、采用光源系统自带的控制软件接口，以CCD芯片量子效率最大对应的波长η为参数，控制光源系统以产生单色光，在后续的测量当中，不需要再改变单色光的波长。 

步骤五、采用杜瓦瓶温控室自带的控制软件接口，选取温度参数调节杜瓦瓶温控室的内部温度，使CCD芯片处在一个80K到常温的恒定温度下工作。 

步骤六、选用使CCD芯片50％曝光所对应的积分时间，对入射光拍摄L张亮图像，记为亮图像序列y1，成像张数L视测量精度要求确定，所拍摄的图像全部通过控制电路上传至计算机当中。 

步骤七、关闭快门，使用步骤六中确定的积分时间，拍摄L′张暗图像，记为暗图像序列y2，所拍摄的图像全部通过控制电路上传至计算机中进行参数计算。 

步骤八、按照以下公式对亮图像序列y1求其总的灰度平均值μ₁和空间方差 

${\mathrm{\μ}}_1=\frac{1}{M_1{N}_1}\underset{i=0}{\overset{M_1-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N_1-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{y}}_1\left[i\right]\left[j\right],$ $s_1^2=s_{1m}^2-{\mathrm{\σ}}_{y1.\mathrm{stack}}^2/L$

其中， 

是由亮图像序列y1叠加取平均得到的图像， 

表示 

图像的第i行j列的像素值， 

M₁、N₁分别为亮图像序列y1中图像的行像素数和列像素数， 

$s_{1m}^2=\frac{1}{M_1{N}_1-1}\underset{i=0}{\overset{M_1-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N_1-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\stackrel{\‾}{y}}_1\right[i\left]\right[j]-{\mathrm{\μ}}_1)}^2$ 为亮图像序列y1的测量方差， 

${\mathrm{\σ}}_{y1.\mathrm{stack}}^2=\frac{1}{M_1{N}_1}\underset{i=0}{\overset{M_1-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N_1-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{y1}^2\left[i\right]\left[j\right]$ 表示亮图像序列y1的时域方差，式中  ${\mathrm{\σ}}_{y1}^2\left[i\right]\left[j\right]=\frac{1}{L-1}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(y1\right[l\left]\right[i\left]\right[j]-\frac{1}{L}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}y1[l\left]\right[i\left]\right[j\left]\right)$ 为亮图像序列y1的方差矩阵，其中y1[l][i][j]表示亮图像序列y1中第l张图像第i行j列的像素值，L表示亮图像序列y1总的图像张数。 

步骤九、按照以下公式对暗图像序列y2求其总的灰度平均值μ₂和空间方差 

${\mathrm{\μ}}_2=\frac{1}{M_2{N}_2}\underset{i=0}{\overset{M_2-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N_2-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{y}}_2\left[i\right]\left[j\right],$ $s_2^2=s_{2m}^2-{\mathrm{\σ}}_{y2.\mathrm{stack}}^2/L^{\′}$

其中， 是由暗图像序列y2叠加取平均得到的图像， 

表示 

图像的第i行j列的像素值， 

M₂、N₂分别为图像序列y2中图像的行像素数和列像素数， 

$s_{2m}^2=\frac{1}{M_2{N}_2-1}\underset{i=0}{\overset{M_2-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N_2-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\stackrel{\‾}{y}}_2\right[i\left]\right[j]-{\mathrm{\μ}}_2)}^2$ 为暗图像序列y2的测量方差， 

${\mathrm{\σ}}_{y2.\mathrm{stack}}^2=\frac{1}{M_2{N}_2}\underset{i=0}{\overset{M_2-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N_2-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{y2}^2\left[i\right]\left[j\right]$ 表示暗图像序列y2的时域方差，式中 

${\mathrm{\σ}}_{y2}^2\left[i\right]\left[j\right]=\frac{1}{L^{\′}-1}\underset{l=0}{\overset{L^{\′}-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(y2\right[l\left]\right[i\left]\right[j]-\frac{1}{L^{\′}}\underset{l=0}{\overset{L^{\′}-1}{\mathrm{\Σ}}}y2[l\left]\right[i\left]\right[j\left]\right)$ 为暗图像序列y2的方差矩阵，其中y2[l][i][j]表示暗图像序列y2中第l张图像第i行j列的像素值，L′表示暗图像序列y2总的图像张数。 

步骤十、根据亮图像序列y1和暗图像序列y2的总灰度平均值μ₁、μ₂和空间方差 

计算CCD芯片的暗信号非均匀性DSNU和光子响应非均匀性PRNU： 

$\mathrm{DSNU}=\sqrt{s_2^2}/K,$ $\mathrm{PRNU}=\frac{\sqrt{s_1^2-s_2^2}}{{\mathrm{\μ}}_1-{\mathrm{\μ}}_2},$

其中，K为CCD芯片和读出电路的总增益。 

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。 

Claims (1)

1.一种测量CCD芯片暗信号非均匀性和光子响应非均匀性的方法，包括如下步骤：

(1)将待测CCD芯片放置在开有入射窗的杜瓦瓶温控室当中，将CCD芯片与控制电路对应接口相连，该控制电路用于控制CCD芯片成像；

(2)在距CCD芯片80cm处放置波长可调单色均匀光源系统，该光源系统发出的单色光直接照射到CCD和标定好的探测器上面；

(3)通过快门装置或CCD芯片自带的电子快门调整CCD芯片的积分时间，控制CCD芯片的曝光量；

(4)以CCD芯片量子效率最大所对应的波长η为参数，设置光源系统使其产生单色光；

(5)根据CCD芯片的实际工作环境温度，选取温度参数调节杜瓦瓶温控室，使CCD芯片处在一个80K到常温之间的恒定温度下工作；

(6)选用使CCD芯片50％曝光所对应的积分时间，对入射光拍摄L张亮图像，记为亮图像序列y1，成像张数L视测量精度要求确定；

(7)关闭快门，使用步骤(6)中确定的积分时间，拍摄L′张暗图像，记为暗图像序列y2；

(8)对亮图像序列y1求其总的灰度平均值μ₁和空间方差

${\mathrm{\μ}}_1=\frac{1}{M_1{N}_1}\underset{i=0}{\overset{M_1-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N_1-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{y}}_1\left[i\right]\left[j\right],$ $s_1^2=s_{1m}^2-{\mathrm{\σ}}_{y1.\mathrm{stack}}^2/L$

其中，

是由亮图像序列y1叠加取平均得到的图像，

表示

图像的第i行j列的像素值，

M₁、N₁分别为亮图像序列y1中图像的行像素数和列像素数，

$s_{1m}^2=\frac{1}{M_1{N}_1-1}\underset{i=0}{\overset{M_1-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N_1-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\stackrel{\‾}{y}}_1\right[i\left]\right[j]-{\mathrm{\μ}}_1)}^2$ 为亮图像序列y1的测量方差，

${\mathrm{\σ}}_{y1.\mathrm{stack}}^2=\frac{1}{M_1{N}_1}\underset{i=0}{\overset{M_1-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N_1-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{y1}^2\left[i\right]\left[j\right]$ 表示亮图像序列y1的时域方差，

${\mathrm{\σ}}_{y1}^2\left[i\right]\left[j\right]=\frac{1}{L-1}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(y1\right[l\left]\right[i\left]\right[j]-\frac{1}{L}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}y1[l\left]\right[i\left]\right[j\left]\right)$ 为亮图像序列y1的方差矩阵，

其中y1[l][i][j]表示亮图像序列y1中第l张图像第i行j列的像素值，L表示亮图像序列y1总的图像张数；

(9)对暗图像序列y2求其总的灰度平均值μ₂和空间方差

${\mathrm{\μ}}_2=\frac{1}{M_2{N}_2}\underset{i=0}{\overset{M_2-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N_2-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{y}}_2\left[i\right]\left[j\right],$ $s_2^2=s_{2m}^2-{\mathrm{\σ}}_{y2.\mathrm{stack}}^2/L^{\′}$

其中，

是由暗图像序列y2叠加取平均得到的图像，

表示

图像的第i行j列的像素值，

M₂、N₂分别为图像序列y2中图像的行像素数和列像素数，

$s_{2m}^2=\frac{1}{M_2{N}_2-1}\underset{i=0}{\overset{M_2-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N_2-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\stackrel{\‾}{y}}_2\right[i\left]\right[j]-{\mathrm{\μ}}_2)}^2$ 为暗图像序列y2的测量方差，

${\mathrm{\σ}}_{y2.\mathrm{stack}}^2=\frac{1}{M_2{N}_2}\underset{i=0}{\overset{M_2-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N_2-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{y2}^2\left[i\right]\left[j\right]$ 表示暗图像序列y2的时域方差，

${\mathrm{\σ}}_{y2}^2\left[i\right]\left[j\right]=\frac{1}{L^{\′}-1}\underset{l=0}{\overset{L^{\′}-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(y2\right[l\left]\right[i\left]\right[j]-\frac{1}{L^{\′}}\underset{l=0}{\overset{L^{\′}-1}{\mathrm{\Σ}}}y2[l\left]\right[i\left]\right[j\left]\right)$ 为暗图像序列y2的方差矩阵，其中y2[l][i][j]表示暗图像序列y2中第l张图像第i行j列的像素值，L′表示暗图像序列y2总的图像张数；

(10)根据亮图像序列y1和暗图像序列y2的总灰度平均值μ₁、μ₂和空间方差 计算CCD芯片的暗信号非均匀性DSNU和光子响应非均匀性PRNU：

$\mathrm{DSNU}=\sqrt{s_2^2}/K,$ $\mathrm{PRNU}=\frac{\sqrt{s_1^2-s_2^2}}{{\mathrm{\μ}}_1-{\mathrm{\μ}}_2}$

其中，K为CCD芯片和读出电路的总增益。

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