CN102947756A - 基于发光的反射像素 - Google Patents
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Abstract
在本文中公开了与基于发光的反射式显示器像素有关的各种实施例。在一个实施例中,特别地,基于发光的像素包括含有分布在基体中的发光体的发光层。该发光层被配置成通过发光层的第一侧从周围环境接收光,并具有比周围环境的折射率高的折射率。基于发光的像素包括设置于与发光层的第一侧相对的发光层的第二侧上的反射镜。基于发光的像素还包括用以使入射光的方向随机化的漫射表面。
Description
背景技术
反射式显示器是其中将环境光用于观看所显示信息的非发射设备。与调制来自内部源的光相反,入射环境光谱的期望部分被从显示器反射回到观看者。电子纸(e-paper)技术已经演进至提供控制环境光的反射的单层单色显示器。
附图说明
参考以下附图,可以更好地理解本发明的许多方面。图中的部件不一定按比例,而是着重于清楚地说明本发明的原理。此外,在图中,相同的参考标号遍及各图指代相应的部分。
图1-5是根据本公开的各种实施例的基于发光的反射像素(或子像素)的图形表示。
图6图示出根据本公开的各种实施例的关于入射光的波长和结果得到的发射的、图2的基于发光的反射像素(或子像素)的漫射反射镜(diffusive mirror)的示例性反射率。
图7图示出根据本公开的各种实施例的图2的基于发光的反射像素(或子像素)的有效性。
具体实施方式
在本文中公开了与基于发光的反射式显示器像素有关的各种实施例。现在将详细地对如图中所示的实施例的描述进行参考,其中,相同的参考标号遍及多个图指示相同的部分。
期望的是类似于纸张的显示器以提供明亮的全色域。现有的反射像素技术提供有限的亮度,部分地因为它们仅返回期望光带中的光而吸收可见光谱的其他部分中的光。发光材料的使用可以通过强烈地吸收比阈值波长更短的大范围波长内的光并在期望波长带中重新发射所吸收能量的一大部分来提高“类似于纸张”的显示器的性能。原本浪费的光的此‘再循环’实现更大的亮度,并且如果发射带较窄,则能够实现更好的色饱和度。
像素可以包括单个像素元件或多个子像素,其中的每一个对在给定光谱带中返回的光进行调制。例如,像素可以包括用于对三原色(例如,红—绿—蓝或青—黄—品红)进行调制的、并排布置的三个子像素和用于白光调制的可选子像素。可以利用其他颜色选择或不同数目的像素。
图1是根据本公开的一个实施例的基于发光的反射像素(或子像素)100的图形表示。在图1的实施例中,发光层110包括用于所选颜色的发光体120。一般地,发光体120是显示出发光的化合物中的原子或原子团。发光体120分布在基体(matrix)130中,基体可以是发光层110中的固体膜或液体分散体。发光体120包括但不限于有机和无机染料和磷光体、半导电纳米颗粒,以及包含发光染料分子、低聚物或聚合物的颜料颗粒。如果发光体120被嵌入固体或液体基体130中,则基体材料可以在要被发光体120吸收或发射的波长下是基本上透明的。
替换地,基体材料可以充当吸收体或敏化剂,其吸收期望波长的入射光且然后将所吸收能量传递至发光器,发光器随后将以期望的更长波长重新发射此能量。可以通过诸如Forster交换之类的非辐射能量传递过程或经由辐射和重新吸收来实现此能量传递。又另一替换是在透明基体内使用多种发光体,其中的每一种在不同但可能重叠的波长带中进行吸收。在这种情况下,一种发光体可以充当吸收体或敏化剂,其吸收特定波长带中的能量且然后将其传递至另一发光体。在发光层110下面(或后面)的可以是反射镜140。在某些实施例中,反射镜140可以通过仅反射光谱的所选部分而是波长选择性的。例如,可以利用与滤色器组合的Bragg堆或宽带反射镜。在某些实施例中,可以选择反射带宽以反射像素(或子像素)的原色而不反射其他原色。
入射在像素100上的环境光150将在其从具有较低折射率nlow的区域(例如空气)传递至包括发光体120的具有较高折射率nhigh的区域时被稍微准直。然而,被发光体120吸收的环境光150可以在期望光带周围的波长带中在很宽的角度范围内被重新辐射。如果其入射角大于临界角θc=arcsin(nhigh/nlow),则接近于到具有较低折射率(nlow)的区域的界面的发射光160将全内反射,而处于小于临界角(θc)的发射光170将进入具有较低折射率的区域。结果是发射光160的大部分将被耦合至器件的高折射率区域(一个或多个)、例如发光层110内的波导模中,并且最后被吸收,即使用于所发射波长的吸收系数在该器件的高折射率区域(一个或多个)内是相当低的。为了使发射光的输出耦合最大化,期望的是使得在其中进行发射的区域中折射率尽可能低。在某些实施例中,可以将在约1.2至约1.5范围内的折射率用于发射区域以使从此区域耦合出来的光最大化。
在某些实施例中,发光层110的顶面115可以是有纹理的(或漫射的)以帮助使内反射光的方向随机化并加宽可用逸出(escape)角的范围。替换地,每当发射光被反射镜所反射时,可以使用漫射反射镜来使发射光的传播方向随机化。图2是根据本公开的实施例的包括漫射反射镜240的基于发光的反射像素(或子像素)的图形表示。可以制造在期望的特性角范围内使反射光散射的漫射反射镜240。在图2的示例性实施例中,用半角θd来指示该角散射范围。请注意,一般地,漫散射光并不以镜面反射的方向为中心。例如,在其中漫射是Lambertian的极限情况下,反射射线以反射镜的法线为中心,无论其入射角如何。因此,θd仅仅是漫反射的角宽度的近似度量。
当在漫射反射镜240的表面处反射时,在被镜面反射的情况下仍将留在发光层110内的某些发射光260将替代地被以小于临界角(θc)的角度反射,从而允许其进入具有较低折射率的区域中。请注意,nhigh和nlow之间的较小差导致较大的临界角,从而增加入射在界面上的、逸出到较低折射率区域的光的百分率。同时,将在镜面反射时逸出的某些发射光270将替代地被指引到波导模中。然而,如果发射光的自吸收很低且漫射反射镜240的反射率很高,则发射光的一大部分最后将在从漫反射器240的多次反射之后被从像素200耦合出来,即使在折射率nhigh和nlow之间存在大的不连续性。
在某些实施例中,期望的是除反射由发光体120发射的波长之外,漫射反射镜240还反射未被发光体吸收但也对像素200(或子像素)的期望颜色有贡献的环境光的某些波长。例如,如果略长于发光体120的吸收截止的范围内的光波长被反射,则可以改善像素200的如在国际照明委员会(CIE)的1976色彩空间中定义的亮度L*。图6图示出作为波长的函数的发光体的吸收带610与发射带620之间的示例性关系。如图6中所示,发光体吸收具有达到吸收边缘λabs的波长的光。所吸收能量的相当一部分将被发光体在长于吸收边缘的发射波长λemis周围的波带中重新辐射。漫射反射镜240还反射在期望色带630内的环境光的波长。另外,可以通过设计漫射反射镜240上的特征形状和尺寸的分布来修整相对于角度的散射分布的函数形式。
使用具有较大特性散射角θd的漫射反射镜240将增加被散射到波导模中而不是直接被反射的环境光的百分率。然而,至此,较大的特性θd平均起来也可以减小波导模中的光在被偏转到允许其逸出例如发光层110的高折射率区域(一个或多个)的角范围中之前必须被散射的次数。减小对期望颜色有贡献的波长的光在高折射率区域(一个或多个)中行进的距离使此光的吸收最小化。因此,在选择期望的角散射范围θd时,在使被散射到波导模中的在各波长下应被返回至观看者的环境光的量最小化与使被俘获在波导模中的环境光和发光的光在被从高折射率区域(一个或多个)散射出来之前行进的距离和实现这一点所需的反射次数两者最小化之间存在权衡。
可以基于用于将被返回至观看者的各波长下的光吸收的平均自由路径、漫射反射镜240的反射率、器件层的折射率以及发光发射的光和直接反射的环境波长对期望颜色的感知亮度的相对贡献来选择用散射角θd来表征的漫射反射镜240的特性角散射范围。例如,在其中由直接反射的环境光来支配像素200的亮度的设计中,可能期望散射角θd是小的,使得反射更接近于镜面,从而使被散射到波导模中的环境光的百分率最小化。另一方面,在其中由发光发射来支配像素200的表观(apparent)亮度的极限情况下,倾向于Lambertian的宽散射是优选的。例如当发光体在大范围的可见光谱内进行吸收且在光谱的红色部分中高效地进行发射、使得入射光谱的一大部分被转换成发光时,情况可能如此。在其中被反射的环境光和发光的光两者都重要的中间情况下,使像素200的表观亮度最优化的特性散射角部分地由用于高折射率区域的界面处的全内反射的临界角(θc)、漫射反射镜240的反射率以及波导材料的光学吸收率确定。
另外,可以通过产生其特性散射角为波长相关的漫射反射镜240来缓解将发射光耦合出来和直接反射环境光的某些波长之间的权衡。在一个实施例中,特别地,可以利用将仅反射所选光波长的漫射反射镜堆叠在至少反射未被漫射反射镜240反射的波长的镜面反射镜之上。图3是根据本公开的实施例的包括漫射反射镜340和为镜面或近镜面的反射镜350的基于发光的反射像素(或子像素)300的图形表示。可以例如通过将Bragg堆分层堆在有纹理表面上来产生波长选择性漫射反射镜340。可以将漫射反射镜340配置成对具有由发光体120发射的波长的光360进行漫反射,从而帮助使其从高折射率区域(一个或多个)、例如发光层110散射出来,并且在其他波长处是实质上透明的且相对非散射的。在某些实施例中,可能期望将此漫射反射镜340配置成还对具有将被发光体120或被用来收集环境光谱的某个部分的任何敏化剂吸收的波长的入射光370进行漫反射。这可以通过增加其在层130中的有效路径长度来帮助这些波长的吸收。镜面或近镜面反射镜350被用来反射具有未被漫射反射镜340反射的波长的光380。因此,例如,既未被发光体120吸收、也不是由发光体120发射且对希望像素产生的颜色有贡献的波长处的环境光可以被立即从高折射率区域、例如发光层110反射出来,而不是被临时地俘获在其内部并经受附加吸收。如果需要的话,反射镜350可以通过例如在宽带镜面或近镜面反射镜上面包括滤色器材料(一种或多种)来实现波长选择性。
替换地,可以通过在较多漫射(more diffusive)的反射镜上堆叠波长选择性镜面或较少漫射(less diffusive)的反射镜来产生具有波长相关漫射率的反射镜。在这种情况下,较少漫射的反射镜对于未被较少漫射的反射镜反射的波长而言将是适当地透明的。
在某些实施例中,可以将诸如二色性宾主系统或不透明至清澈电泳单元之类的光学快门(optical shutter)定位于发光层110之上(或前面),从而对入射环境光或由发光体120发射的光进行选通(gate)。图4是根据本公开的实施例的包括光学快门480的基于发光的反射像素(或子像素)400的图形表示。快门480形成像素400的顶层,并且用于照明的环境光150通过快门480进入像素400。快门480具有可调整的光透射。快门480对进入发光层110的环境光150以及离开像素400的光的强度进行调制。这样,快门480控制由像素400产生的光的量以实现期望的亮度。如果使用二色性系统,则在某些实施例中,可以在二色性快门与发光层110之间设置四分之一波片以允许环境光的两个偏振的调制。在其他实施例中,可以将四分之一波片定位于二色性快门与反射镜240之间的其他位置处。
如图4所示,还可以在像素400中包括侧反射器440。倾斜侧反射器440的使用可以帮助使到达像素400的边缘的光耦合出来。当像素400的面内尺寸相对于波导模中的光传播的侧部距离(lateral distance)而言不是大的且环境波长的附加输入耦合不是问题时,这些侧反射器400的益处是最可观的。侧反射器的倾斜角可以在临界角θc周围的范围内,其为将此光的最大部分从像素300中重定向出来的反射镜角度。在某些实施例中,该倾斜角在约θc± 45度、约θc±30度或约θc±10度范围内。
在某些实施例中,可以在光学快门与高折射率层(例如,发光层110)之间包括低折射率层。图5是根据本公开的实施例的包括在光学快门480与发光层110之间的低折射率层510的基于发光的反射像素(或子像素)500的图形表示。低折射率层510可以包括低折射率聚合物、溶胶-凝胶或包括位于快门480与发光层110之间的间隔物的空隙以保持适当间隔。这可能是有益的,因为当逸出到低折射率层的光随后进入快门480时,如果快门480的折射率大于低折射率区域410的折射率,则其将部分地在快门480内被准直。低折射率层510与快门480的折射率的差越大,准直将越大。如果诸如二色性宾主系统之类的某些光学快门480正在调制的光在该光通过它们时被部分地准直,则可以显著地改善其开闭透明度比。另外,低折射率层帮助防止向外束缚(outwardly bound)光在快门中的波导模内的俘获。在其中低折射率区域是空隙的极限情况下,从发光层逸出到空隙中且随后通过快门的光的大部分随后将以用于全内反射的角之下的角接近快门的顶面,假设在快门内存在最小的光学散射。因此,引入空隙将大大地减少被俘获在快门内的波导模中的光的量,在那里,大多数的光将被吸收。同样地,如果低折射率层510的折射率接近于在快门的顶面之上的区域(通常为空气)的折射率,则引入低折射率层510将使在快门的波导模中损失的光最小化。
为了进一步改善输出耦合效率,可以在快门480之上(如在图4中所描述的)或在发光层110上面(如在图5中所描述的)包括中间折射率、渐变折射率或蛾眼(moth-eye)结构490的层。为了减少杂散反射并进一步改善光输出耦合,可以在快门480与低折射率层510之间包括附加的渐变折射率、蛾眼或中间折射率层。
虽然图1-5的示例性实施例描述了单个发光层110,但在其他实施例中,可以利用具有不同折射率的多个层。例如,可以在发光层110与漫射反射镜240之间使用透明间隔层(未示出)。如果反射镜240的材料趋向于抑制发光层10中的发光,则这可能是期望的。当想要在保持高内部发射效率的同时使用在透明基体130中不容易分散的发光体120时,其也可能是期望的。在某些情况下,发光层110可以包括多个透明基体层,每个包含不同的发光体120。当不存在其中能够在没有聚合的情况下使所有期望发光体120分散的单个透明基体材料30时,这可能是期望的。已知发光体的聚合常常通过浓度猝灭(concentration quenching)效应而引起降低的发光发射效率。在其他情况下,可能期望包括透明基体层,其形成其中暂时地在波导模中引导光的高折射率区域的一部分(例如作为形成高折射率区域的层堆叠的一部分)。这在例如在其中包含发光体120的透明基体层相对于被引导光的波长而言很薄的情况下增加高折射率区域的厚度时可能是有益的。添加附加透明基体层允许光在波导模中横向地移动,使得可以通过漫反射器240的不同部分来使其传播方向随机化。
图7图示出包括在发光层110后面(或下面)的漫射反射镜240的有效性。在图7的实施例中,在各种镜面和漫射反射镜表面上沉积光致发光聚合物F8BT的300 nm膜。F8BT以50-58%的薄膜形式的内部发光发射效率在光谱的红色部分中进行发射。图7(a)和7(b)图示出分别具有约10度和约30度的散射半角θd的漫射表面的效果。虽然散射半角可以在零至90度范围内变动,但在某些实施例中,散射半角在约10度至约50度、约10度至约30度或约20度至约30度范围内。使用积分球根据激励波长来测量由每个样本表面返回的总光。在图7(a)和7(b)中绘出的“总光”信号是检测器的波长检测范围内的未校准加权平均,其包括所有可见光。
相对于图7(a),曲线图700概括了从沉积在具有约10度的散射半角的漫射反射镜上的F8BT膜返回的总光。使用来自Luminit的100 μm厚的聚碳酸酯膜衬底(n=1.58)来提供具有约10度的θd的粗糙漫射表面。衬底的粗糙侧涂敷有51 nm铝(Al)膜。在一个实施例中,在F8BT膜旋涂(spin-cast)在粗糙铝化表面上的情况下进行测量(曲线710)。在另一实施例中,在F8BT膜旋涂在聚碳酸酯衬底的背面(平滑)侧上的情况下进行测量(曲线720)。为了比较,在F8BT膜旋涂在设置于平滑玻璃衬底上的51nm厚Al膜上的情况下进行对镜面反射镜表面的测量(曲线730)。还测量没有F8BT膜的粗糙铝化衬底的参考样本(曲线740)。
相对于图7(b),曲线图750概括了从沉积在具有约30度的散射半角的漫射反射镜上的F8BT膜返回的总光。使用来自Luminit的100 μm厚的聚碳酸酯膜衬底(n=1.58)来提供具有约30度的θd的粗糙漫射表面。衬底的粗糙侧涂敷有51 nm铝(Al)膜。在一个实施例中,在F8BT膜旋涂在粗糙铝化表面上的情况下进行测量(曲线760)。在另一实施例中,在F8BT膜旋涂在聚碳酸酯衬底的背面(平滑)侧上的情况下进行测量(曲线770)。为了比较,在F8BT膜旋涂在设置于平滑玻璃衬底上的51nm厚Al膜上的情况下进行镜面反射镜表面的测量(曲线780)。还测量没有F8BT膜的粗糙铝化衬底的参考样本(曲线790)。
由光谱曲线710—730和760—780图示出的一个特征是在被约400—500 nm范围内的光激励时从实施例返回的总光。这是F8BT膜的强吸收区域。在测量中使用的300 nm F8BT膜在此范围内具有明显大于1的光学密度,并且几乎所有入射光都被F8BT膜吸收。因此,在此频率范围内所检测的光几乎完全来自发光的光。
当与由镜面反射镜表面上的F8BT膜返回的总光相比较时(730),测量结果(710)表明:在具有约10度的散射半角的粗糙铝化表面上设置F8BT膜的情况下,稍微改善了在约400—500nm范围内的从器件耦合出来的光。当将F8BT膜放置在具有约10度的散射半角的聚碳酸酯衬底的平滑背面上时,所检测的改善(720)明显更大。这可能是由于由位于F8BT膜与漫反射有纹理Al层之间的聚碳酸酯衬底层提供的更厚的有效波导的益处而引起的。当波导局限于300 nm F8BT时,光必须在横向地传播足够远以被从波导模耦合出来之前与反射镜表面交互许多次。请注意,这些反射镜的特性粗糙度的面内长度标度是很多微米。51 nm Al膜的反射率在400—500 nm波带中仅为约80—85%(740和790),因此在波导模中横向传播时的多次反射快速地降低光的强度。可以利用其他反射膜来提高反射率,诸如但不限于银(Ag)和金(Au)。例如,可以在聚碳酸酯衬底的一侧上设置Ag的200 nm膜。
在具有约30度的θd的两个漫射实施例(760和770)的情况下,在约400—500 nm范围内所检测的输出耦合发光明显大于针对利用镜面反射镜的实施例(780)所检测的。较宽的漫射半角可以允许以与反射镜表面的较少交互将发光的光耦合出来。这些测量结果表明通过包含漫射反射镜可以改善输出耦合(例如,至少两倍)。
图7还显示漫射反射镜的使用将趋向于降低在未被发光体吸收的波长(在F8BT膜的情况下约560nm和更大的波长)处被反射的入射光的百分率。用镜面表面的测量结果(730和780)和漫射表面的测量结果(分别地,710—720和760—770)的差来说明此效果。原本将被镜面反射的一些光被耦合到波导模中,此光的一部分被吸收。在某些波长下,这可能是有益的。例如,如果想要使用主要在550nm处进行发射的发光体来产生绿色子像素,则将优选不返回比约590nm更长(根据期望的色饱和度)的波长。另一方面,返回接近于未被发光体吸收的发射波长(在本示例中为550nm)的光是期望的。如果漫射反射镜的反射率在这些波长处是高的,则将返回在这些波长处被耦合到波导中的入射光的一大部分,并且在使用漫射反射镜时将存在净益处。
已经在包括具有约10微米的厚度且包含许多发光染料的一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的器件上进行类似测量。PMMA层被沉积在300nm厚的银层上,银层又被沉积在30度Luminit漫射体的漫射表面上。染料被选择为使得被较高能量染料吸收的光能被传递至较低能量染料。可以通过选择染料来实现此能量传递,其中较高能量染料的光致发光发射波长带与较低能量染料的光吸收波长带重叠。可以用来促进此能量传递的物理机制称为Forster交换。使用此机制,可以在宽波长范围内吸收环境光,并且将其传递至最终最低能量染料,从那里经由光致发光来发射光。对器件的测量表明:通过在具有高反射率的适当漫射反射镜上使用发光膜,可以获得在最低能量光致发光发射体的发射波长带内的超过200%的表观反射率。更重要的是,此系统提供测量亮度值L*,其超过在与具有相同CIE a*和b*色彩坐标的理想滤色器组合的理论上完美的反射表面的情况下可能的那些。因此,如这里所述,配置有足够反射且适当漫射的反射镜的发光膜可以提供对发光的光的改善的输出耦合与应被返回至观看者以提供期望颜色的波长带内的环境波长的增加的输入耦合之间的有益权衡。
反射式显示器(例如,电子纸技术)可以包括控制回到观察者的光的返回的基于发光的反射像素810的阵列。在某些实施例中,像素可以包括用于对三原色进行调制以提供宽色域的并排布置的三个子像素。图8是根据本公开的一个实施例的具有并排的基于发光的反射子像素820、830和840的像素810的图形表示。在图8的示例性实施例中,每个子像素820、830和840包括光学快门480、分别地发光层110R、110G和110B以及分别地漫射反射镜240R、240G和240B。漫射反射镜240R、240G和240B可以在不同的波长带内进行反射。例如,这可以通过在宽带漫射反射镜上面使用滤色器或通过将Bragg堆分层堆在有纹理(漫射)表面上(其提供波长选择性反射镜)来实现。替换地,还可以包括第四白色子像素。在某些实施例中,子像素820、830和840还可以包括侧反射器440。
Claims (16)
1.一种基于发光的像素,包括:
发光层,其包括分布在基体中的发光体,该发光层被配置成通过发光层的第一侧从周围环境接收光,该发光层具有比周围环境的折射率高的折射率;以及
设置于发光层的第二侧上的漫射反射镜,第二侧与发光层的第一侧相对,漫射反射镜被配置成在预定义散射半角内反射入射光。
2.如权利要求1所述的基于发光的像素,其中,所述预定义散射半角在约10度至约30度的范围内。
3.如权利要求1所述的基于发光的像素,其中,所述漫射反射镜是波长选择性的。
4.一种基于发光的像素,包括:
包括分布在基体中的发光体的发光层,该发光层被配置成通过发光层的第一侧从周围环境接收光,该发光层具有比周围环境的折射率高的折射率,发光层的第一侧被配置成对内反射的光进行漫射;以及
设置于发光层的第二侧上的反射镜,第二侧与发光层的第一侧相对。
5.如权利要求1或4所述的基于发光的像素,还包括在发光层中的至少一个侧反射器。
6.如权利要求5所述的基于发光的像素,其中,所述至少一个侧反射器的倾斜角在发光层的临界角的约±30度的范围内。
7.如权利要求1或4所述的基于发光的像素,还包括设置于发光层的第一侧上的光学快门。
8.如权利要求7所述的基于发光的像素,其中,所述光学快门是二色性宾主系统。
9.如权利要求7所述的基于发光的像素,还包括在发光层与光学快门之间的低折射率层。
10.如权利要求9所述的基于发光的像素,其中,所述低折射率层是空隙。
11.如权利要求7所述的基于发光的像素,还包括在发光层与光学快门之间的渐变折射率结构。
12.如权利要求1或4所述的基于发光的像素,其中,所述发光层包括多个物理层,每个物理层具有不同于相邻物理层的折射率。
13.一种包括如权利要求1或3所述的多个基于发光的像素的反射式显示设备。
14.一种反射式显示器像素,包括:
多个基于发光的子像素,每个子像素被配置成对原色的返回进行调制,每个子像素包括:
发光层,其包括分布在基体中的发光体,该发光层被配置成通过发光层的第一侧从周围环境接收光;
设置于发光层的第二侧上的反射镜,第二侧与发光层的第一侧相对,漫射反射镜被配置成在预定义散射半角内反射入射光;以及
设置于发光层的第一侧上的光学快门,该光学快门被配置成对从子像素耦合出来的光的强度进行调制。
15.权利要求14的反射式显示器像素,其中,每个子像素还包括在发光层中的至少一个侧反射器。
16.权利要求14的反射式显示器像素,其中,每个子像素还包括在发光层与光学快门之间的低折射率层。
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