CN104520749A - 复合空间光调制器和包括其的全息3d图像显示器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种复合空间光调制器和包括该复合空间光调制器的全息3D图像显示器。该复合空间光调制器包括用于调制光的相位或幅度的空间光调制器、一对透镜阵列、和设置在该对透镜阵列之间的光栅。因此，光的相位和幅度可以被同时调制。

Description

复合空间光调制器和包括其的全息3D图像显示器
技术领域
以下描述涉及复合空间光调制器和包括其的全息三维(3D)图像显示器。
背景技术
近来，对于3D图像显示装置的研究已经增加。3D图像显示装置可基于双眼视差显示3D图像。例如，近来已经商品化的3D图像显示装置利用双眼视差来允许观看者体验立体感或立体效果，该双眼视差向观看者的左眼和右眼提供具有彼此不同视点的左眼图像和右眼图像。典型地，这些3D图像显示装置被分为需要特殊眼镜的眼镜型3D图像显示装置和不需要特殊眼镜的无眼镜型3D图像显示装置。
然而，当观看基于双眼视差显示的3D图像时，观看者会感到疲劳或痛苦。另外，仅从两个视点提供左眼图像和右眼图像的3D图像显示装置不会基于观看者的移动而反映出视点的变化，因此，在提供自然的立体效果方面存在限制。
发明内容
技术问题
为了显示自然的3D图像，正在研究全息的3D图像显示器。然而，如果利用仅能够控制图像的亮度(幅度(amplitude))或相位中的一个的装置来显示图像，图像质量会由于各种因素诸如0级衍射光、孪生像和斑点而退化。
解决问题的方案
在一个方面，提供了一种调制器，其包括：空间光调制器，用于调制光的相位或幅度；第一透镜阵列，接收从空间光调制器发出的光；光栅，用于使透射穿过第一透镜阵列的光衍射；和第二透镜阵列，用于透射由光栅衍射的光。
光栅可以位于第一透镜阵列的焦距处。
第一透镜阵列的焦距和第二透镜阵列的焦距可以彼此相等。
第一透镜阵列可以包括一焦距，该焦距整数倍地长于第二透镜阵列的焦距。
第一透镜阵列的透镜表面可以面对空间光调制器。
第一透镜阵列包括多个透镜单元，每个透镜单元包括与空间光调制器的n个像素(其中n是自然数)的节距相同的宽度。
第一透镜阵列中的多个透镜单元的每个在第一透镜阵列的纵向截面方向上面对空间光调制器的所述n个像素(其中n是自然数)。
空间光调制器可以包括光电装置，其具有根据输入电信号而改变的折射率。
第二透镜阵列可以包括多个透镜单元，黑矩阵可以设置在相邻的透镜单元之间。
调制器可以进一步包括设置在空间光调制器和第一透镜阵列之间的相位片和偏振片。
光栅可以包括一节距使得从空间光调制器的每个像素的中心发出的光平行于光轴行进。
在一个方面，提供了一种调制器，包括：第一透镜阵列；空间光调制器，用于调制透射穿过第一透镜阵列的光的相位；光栅，用于使透射穿过空间光调制器的光衍射；和第二透镜阵列，透射由光栅衍射的光。
光栅可以位于第一透镜阵列的焦距处。
第一透镜阵列的焦距和第二透镜阵列的焦距可以彼此相等。
第一透镜阵列可以具有一焦距，该焦距整数倍地长于第二透镜阵列的焦距。
第一透镜阵列可以包括多个透镜单元，每个透镜单元可以包括与空间光调制器的像素的节距相同的宽度。
调制器可以进一步包括在空间光调制器和光栅之间的透明基板。
在一个方面，提供了一种全息三维(3D)图像显示器，包括：光源，构造为辐照光；空间光调制器，构造为调制从所述光源辐照的光的相位或幅度；图像信号电路，构造为输入图像信号到空间光调制器；和光组合器，构造为调制从空间光调制器发出的光的幅度，光组合器包括构造为接收从空间光调制器发出的光的第一透镜阵列、使透射穿过第一透镜阵列的光衍射的光栅、和用于透射由光栅衍射的光的第二透镜阵列。
光栅可以位于第一透镜阵列的焦距处。
第一透镜阵列的焦距和第二透镜阵列的焦距可以彼此相等。
第一透镜阵列可以包括一焦距，该焦距整数倍地长于第二透镜阵列的焦距。
第一透镜阵列的透镜表面可以面对空间光调制器。
第一透镜阵列可以包括多个透镜单元，每个透镜单元可以包括与空间光调制器的像素的节距相同的宽度。
在一个方面，提供了一种用于图像显示装置的调制器，该调制器包括：空间光调制器(SLM)，构造为调制光束的相位以产生调相光束；和光组合器，构造为接收从SLM发出的调相光束并组合至少两个调相光束的光路径以产生光调制的调相光束。
光束组合器可以包括衍射光的光栅、构造为聚焦光在光栅上的第一透镜、和构造为透射由光栅衍射的光的第二透镜。
SLM可以被包括在第一透镜和光栅之间的光组合器中。
在第一光束L1的衍射光之中的第n级光束(其中n为整数)和在第二光束L2的衍射光之中的第m级光束(其中m是整数)可以通过光组合器被组合以产生第三光束L3，该第三光束L3是光调制的调相光束。
光组合器可以同时组合至少两个调相光束以产生光调制的调相光束。
其他特征和方面可以由以下详细的描述、附图和权利要求书而明显。
本发明的优点效果
在本实施例中，由于复合空间光调制器可以同时调节光的幅度(亮度)和相位，所以可以提供高质量的3D图像而没有孪生像或斑点。此外，复合空间光调制器可以制造为纤薄型复合空间光调制器以减小包括该复合空间光调制器的全息3D图像显示器的尺寸。另外，复合空间光调制器可以应用于扁平型的全息3D图像显示器以产生高质量3D图像。
附图说明
图1是示出复合空间光调制器的实例的图形。
图2是示出图1的复合空间光调制器的实例的图形，在其中进一步设置了相位片和偏振片。
图3是示出复合空间光调制器的另一个实例的图形。
图4是示出复合空间光调制器的另一个实例的图形。
图5是示出全息三维(3D)图像显示器的实例的图形。
通篇附图和详细说明中，除非另外描述，相同的附图标记将理解为涉及相同的元件、特征和结构。为了清楚、图示和便利性，可以夸大这些元件的相对尺寸和描绘。
具体实施方式
提供以下详细说明以帮助读者增进对于在此描述的方法、装置和/或系统的全面理解。因此，将向本领域的普通技术人员建议在此描述的方法、装置和/或系统的各种改变、修改和等效物。此外，为了增加清晰和简洁，可省略众所周知的功能和构造的描述。
常规液晶显示(LCD)图像显示装置典型地仅控制信号的亮度(幅度(amplitude))。在控制信号相位的努力中，显示装置可使用空间光调制器(SLM)。然而，在相位SLM的情况下，仅可以调节相位，而亮度不被控制。这样，当利用仅可控制亮度(幅度)或相位中的一个的装置控制图像时，再现图像的质量会由于0级衍射光束、孪生像、斑点等而退化。
为了解决上述问题，在此提供一种装置，用于使用该装置控制光的相位和亮度。根据各个方面，从SLM发出的光的光路径可被组合以利用组合的波同时控制幅度和相位。
图1示出复合空间光调制器1的实例。参考图1，复合空间光调制器1包括用于调制光束的相位或幅度的空间光调制器10和用于组合从空间光调制器10发出的光的光组合器20。
例如，空间光调制器10可包括可根据电信号而改变折射率的光电装置。空间光调制器10可包括光电材料层12，例如，液晶层。在图1的实例中，第一玻璃基板11和第二玻璃基板13设置在光电材料层12的前部和后部上。此外，控制电路形成在第一玻璃基板11上。
空间光调制器10可利用电压施加到光电材料层12时会改变的折射率来控制所发射的光的相位或幅度。然而，根据光电材料层12的特性会发生相位延迟，由此改变偏振方向。为了纠正改变的偏振方向，相位片14和偏振片15可进一步紧邻空间光调制器10设置，如图2的复合空间光调制器1A所示。
空间光调制器10包括多个像素12a。例如，多个像素12a可以以二维(2D)矩阵形式布置。
光组合器20包括第一透镜阵列21、光栅22和第二透镜阵列23。例如，第一透镜阵列21和第二透镜阵列23可以分别是微透镜阵列和双凸透镜(lenticular lens)阵列。第一透镜阵列21可包括多个透镜单元21a，第二透镜阵列23可包括多个透镜单元23a。根据各个方面，第一透镜阵列21的焦距f1和第二透镜阵列23的焦距f2可彼此相等。作为另一个实例，第一透镜阵列21的焦距f1和第二透镜阵列23的焦距f2可彼此不同。在此实例中，光栅22设置在第一透镜阵列21的焦距处。光栅22可包括衍射光学元件(DOE)或全息光学元件(HOE)。
第一透镜阵列21的透镜表面可布置为面对空间光调制器10，第二透镜阵列23的透镜表面可远离光栅22布置。然而，应当理解的是，本说明不限于此，即，第一透镜阵列21的透镜表面可远离空间光调制器10布置。
第一透镜阵列21的每个透镜单元21a可具有宽度w，该宽度w是空间光调制器10中每个像素12a的节距p的n倍。在此实例中，像素节距p和透镜单元21a的宽度w可基于图1所示的纵向截面。第一透镜阵列21的每个透镜单元21a可对应于空间光调制器10的两个像素12a。另外，第一透镜阵列21的透镜单元21a可对应于第二透镜阵列23的透镜单元23a布置。
在此描述图1的复合空间光调制器1的操作的实例。例如，当光入射到空间光调制器10时，光可经由第一透镜阵列21聚焦于光栅22上。在此，光的相位或幅度可通过空间光调制器10的像素12a而被调制。聚焦光可通过光栅22被衍射。光栅22可包括例如以预定节距间隔(pitch interval)p3布置的多个沟槽22a。衍射光的衍射角可根据光栅22的节距间隔p3而调节。另外，衍射效率可通过调节多个沟槽22a的深度d来调节。
例如，空间光调制器10的第一像素px1和第二像素px2可对应于第一透镜阵列21的透镜单元21a之一。在此实例中，其相位可被第一像素px1调制的第一光束L1和其相位可被第二像素px2调制的第二光束L2两者都可入射到第一透镜阵列21的同一对应单元21a上。第一光束L1和第二光束L2可通过第一透镜阵列21而聚焦于光栅22上。另外，第一光束L1和第二光束L2可通过光栅22被衍射。第一光束L1和第二光束L2的衍射角可根据光栅22的节距的间隔而调节。第一光束L1和第二光束L2可经由光栅22分别被衍射。
根据各个方面，第一光束L1的衍射光之中的第n级光(其中n是整数)和第二光束L2的衍射光之中的第m级光(其中m是整数)可以被组合。例如，第一光束L1的-1级光可沿着光栅22的光轴行进，第二光束L2的+1级光可沿着光栅22的光轴行进。因此，第一光束L1的-1级衍射光和第二光束L2的+1级衍射光可以被组合。例如，光栅22的节距间隔p3可以被确定使得从像素的中心发出的光可平行于光轴行进。例如，光栅22的节距间隔p3可以根据以下的方程1而被调节，使得第一光束L1和第二光束L2的1级衍射光可沿着光轴行进。
p3＝λ×f1/p   [方程1]
在方程1中，l表示光的波长，f1表示第一透镜阵列21的焦距，p表示像素的节距。
在此，+1级光和-1级光是实例，光栅22的节距间隔可以被调节以控制第n级光(其中n是整数)在光栅22的光轴方向上行进。另外，光栅22的深度d可以被调节以控制在光轴方向上行进的衍射光的衍射效率。例如，第三光束L3可以透射穿过第二透镜阵列23，该第三光束L3是沿着光轴行进的-1级光和+1级光的组合。如上所述，第三光束L3的幅度可以通过组合衍射光而控制。例如，第三光束L3可变为平面波同时透射穿过第二透镜阵列23。
在某些实例中，黑矩阵BM可以进一步设置在第二透镜阵列23的两个相邻透镜单元23a之间。这样，可以防止由在第二透镜阵列23的透镜单元23a之间的边界处发生的衍射或散射所引起的图像质量退化。
如上所述，光的相位或幅度通过空间光调制器10被调制，光组合器20可组合光。
例如，如果初始的第一光束和第二光束具有彼此相同的幅度并分别具有相位jl和j2，第一和第二光束的波动方程如下所示。
另外，透射穿过光组合器20的组合光的波动方程如下所示。
上述方程(2)可以被简化如下。
在此，‘cos’与幅度有关，‘exe’与相位有关。组合光的幅度和相位可以根据入射到光组合器20的光束的幅度和相位而确定。
根据各个方面，光的相位和幅度可以一起被调制，因此可以防止由于孪生像或斑点导致的图像质量退化。另外，由于空间光调制器10和光组合器20彼此平行布置，所以可以容易地进行光学布置。此外，可以制造和布置纤薄型空间光调制器10和光组合器20，由此使得复合空间光调制器1纤薄。因此，纤薄的复合空间光调制器1可以应用于例如平板显示器(FPD)。
图3示出复合空间光调制器100的另一个实例。参考图3，复合空间光调制器100包括用于调制光的相位或幅度的空间光调制器110和用于组合从空间光调制器110发出的光的光组合器120。
空间光调制器110具有与参考图1描述的空间光调制器10相同的结构和操作。
光组合器120可包括第一透镜阵列121、光栅122和第二透镜阵列123。第一透镜阵列121可包括多个透镜单元121a，第二透镜阵列123可包括多个透镜单元123a。在此实例中，第一透镜阵列121的焦距f1和第二透镜阵列123的焦距f2彼此不同。例如，第一透镜阵列121的焦距f1可以整数倍地(即2x、3x、4x)长于第二透镜阵列123的焦距f2。另外，光栅122可以设置在第一透镜阵列121的焦距f1之内。
空间光调制器110的第一像素px1和第二像素px2可对应于第一透镜阵列121的透镜单元121a之一。例如，其相位或幅度可被第一像素px1调制的第一光束L1和其相位或幅度可被第二像素px2调制的第二光束L2两者都可入射到第一透镜阵列121的同一对应单元121a上。第一和第二光束L1和L2可以通过第一透镜阵列121聚焦在光栅122上。例如，第一和第二光束L1和L2的每个可以通过光栅122以各种不同级衍射。
在此，当第一透镜阵列121的焦距f1整数倍地长于第二透镜阵列123的焦距f2时，第一光束L1的第一衍射光束和第二光束L2的第二衍射光束可以彼此组合，第一光束L1的第三衍射光束和第二光束L2的第四衍射光束可以彼此组合。
第一光束L1和第二光束L2的衍射角可根据光栅122的节距之间的间隔而调节。例如，当第一透镜阵列121的焦距f1是第二透镜阵列123的焦距f2的两倍时，第一光束L1的0级光和第二光束L2的1级光可以被组合，第一光束L1的1级光和第二光束L2的0级光可以被组合。或者，组合光L3的效率可以通过组合三级或更多级的光束而改进。应当理解的是，衍射光的衍射级不限于此，可以根据第一透镜阵列121和第二透镜阵列123的焦距以及光栅122的设计而不同地改变。例如，第一透镜阵列121的焦距f1可以三倍或更多倍地长于第二透镜阵列123的焦距f2。此外，在图3的实例中，第一透镜阵列121的焦距比第二透镜阵列123的焦距长，然而，在某些实例中，第一透镜阵列121的焦距可以比第二透镜阵列123的焦距短。在某些实例中，黑矩阵BM可以进一步设置在第二透镜阵列123的两个相邻透镜单元123a之间。
图4示出复合空间光调制器200的另一个实例。参考图4，复合空间光调制器200包括用于相位调制的空间光调制器210和用于组合从空间光调制器210发出的光的光组合器220。
空间光调制器210具有与参考图1描述的空间光调制器10基本相同的结构和操作。
光组合器220包括第一透镜阵列221、光栅222和第二透镜阵列223。第一透镜阵列221可包括多个透镜单元221a，第二透镜阵列223可包括多个透镜单元223a。第一透镜阵列221的焦距f1和第二透镜阵列223的焦距f2可以相同或可以彼此不同。在图4的实例中，第一透镜阵列221的焦距f1和第二透镜阵列223的焦距f2彼此相等，但是实例不限于此。例如，第一透镜阵列221的焦距f1可以整数倍地长于第二透镜阵列223的焦距f2。另外，光栅222可以设置在第一透镜阵列221的焦距f1之内。
在此实例中，空间光调制器210设置在第一透镜阵列221和光栅222之间。在此实例中，可以防止由于在第一透镜阵列221的透镜单元之间的边界处发生的光的衍射或散射导致的图像质量退化。此外，透明基板224进一步设置在空间光调制器210和光栅222之间。例如，粗糙部可以设置在透镜单元之间的边界处，光在穿过该粗糙部时可以被散射或衍射。当空间光调制器210设置在第一透镜阵列221和光栅222之间时，可以减小光的散射或衍射。
另一方面，空间光调制器210的n(其中n是自然数)个像素可对应于第一透镜阵列221的透镜单元221a之一。例如，空间光调制器210的两个像素，即，第一像素px1和第二像素px2可对应于第一透镜阵列221的透镜单元221a之一。另外，其相位或幅度可被第一像素px1调制的第一光束L1和其相位或幅度可被第二像素px2调制的第二光束L2可入射到光栅222上。光可以穿过第一透镜阵列221以预定入射角入射到空间光调制器210上，并可以在透射穿过空间光调制器210之后聚焦于光栅222上。
另外，第一和第二光束L1和L2可以通过光栅222被同时衍射以产生组合的光束。第一光束L1的第n级衍射光(n是整数)和第二光束L2的第m级衍射光的组合光束L3可以发射穿过第二透镜阵列223。例如，第一光束L1的-1级衍射光和第二光束L2的+1级衍射光可以被组合。在某些实例中，黑矩阵BM可以进一步设置在第二透镜阵列223的两个相邻透镜单元223a之间。
根据各种方面，复合空间光调制器可以通过利用空间光调制器调制光的相位和利用光组合器调制光的幅度而一起调制光的相位和幅度两者。因此，光的相位和幅度可以被同时调制，因此可以防止由于孪生像或斑点导致的图像质量退化。根据各种方面，复合空间光调制器可以包括在用于显示3D全息图像的全息3D图像显示器中。
图5示出全息3D图像显示器300的实例。
参考图5，全息3D图像显示器300包括用于辐照光的光源单元301，和用于利用从光源单元301发出的光显示3D图像的复合空间光调制器340。复合空间光调制器340可以包括用于调制光的相位或幅度的空间光调制器310和用于组合从空间光调制器310发出的光的光组合器320。复合空间光调制器340可以进一步包括图像信号电路单元315，用于输入全息图像信号到空间光调制器340。例如，复合空间光调制器340可以是在此参考图1至4描述的复合空间光调制器1、1A、100或200。
在此实例中，由于复合空间光调制器340可以同时调节光的幅度(亮度)和相位，因此可以提供高质量的3D图像而没有孪生像或斑点。此外，复合空间光调制器可以制造为纤薄型复合空间光调制器以减小包括复合空间光调制器的全息3D图像显示器的尺寸。另外，复合空间光调制器可以应用于扁平型的全息3D图像显示器以产生高质量3D图像。
上文已经描述了大量实例。然而，将理解的是，可以作出各种改进。例如，如果描述的技术以不同的次序执行和/或如果在描述的系统、结构、器件或电路中的组件以不同的方式组合和/或由其他组件或它们的等效物替换或补充，可以实现适当的结果。因此，其他实施在权利要求的范围之内。

Claims (28)

1.一种复合空间光调制器，包括：
空间光调制器，用于调制光的相位或幅度；
第一透镜阵列，接收从所述空间光调制器发出的光；
光栅，用于使透射穿过所述第一透镜阵列的光衍射；和
第二透镜阵列，用于透射由所述光栅衍射的光。
2.如权利要求1所述的复合空间光调制器，其中所述光栅位于所述第一透镜阵列的焦距处。
3.如权利要求1所述的复合空间光调制器，其中所述第一透镜阵列的焦距和所述第二透镜阵列的焦距彼此相等。
4.如权利要求1所述的复合空间光调制器，其中所述第一透镜阵列包括一焦距，该焦距整数倍地长于所述第二透镜阵列的焦距。
5.如权利要求1所述的复合空间光调制器，其中所述第一透镜阵列的透镜表面面对所述空间光调制器。
6.如权利要求1所述的复合空间光调制器，其中所述第一透镜阵列包括多个透镜单元，每个透镜单元包括与所述空间光调制器的n个像素(其中n是自然数)的节距相同的宽度。
7.如权利要求6所述的复合空间光调制器，其中所述第一透镜阵列中的所述多个透镜单元的每个在所述第一透镜阵列的纵向截面方向上面对所述空间光调制器的所述n个像素(其中n是自然数)。
8.如权利要求1所述的复合空间光调制器，其中所述空间光调制器包括光电装置，其具有根据输入电信号而改变的折射率。
9.如权利要求1所述的复合空间光调制器，其中所述第二透镜阵列包括多个透镜单元，黑矩阵设置在相邻的透镜单元之间。
10.如权利要求1所述的复合空间光调制器，进一步包括设置在所述空间光调制器和所述第一透镜阵列之间的相位片和偏振片。
11.如权利要求1所述的复合空间光调制器，其中所述光栅包括一节距使得从所述空间光调制器的每个像素的中心发出的光平行于光轴行进。
12.一种复合空间光调制器，包括：
第一透镜阵列；
空间光调制器，用于调制透射穿过所述第一透镜阵列的光的相位；
光栅，用于使透射穿过所述空间光调制器的光衍射；和
第二透镜阵列，透射由所述光栅衍射的光。
13.如权利要求12所述的复合空间光调制器，其中所述光栅位于所述第一透镜阵列的焦距处。
14.如权利要求12所述的复合空间光调制器，其中所述第一透镜阵列的焦距和所述第二透镜阵列的焦距彼此相等。
15.如权利要求12所述的复合空间光调制器，其中所述第一透镜阵列具有一焦距，该焦距整数倍地长于所述第二透镜阵列的焦距。
16.如权利要求12所述的复合空间光调制器，其中所述第一透镜阵列包括多个透镜单元，每个透镜单元包括与所述空间光调制器的像素的节距相同的宽度。
17.如权利要求12所述的复合空间光调制器，进一步包括在所述空间光调制器和所述光栅之间的透明基板。
18.一种全息三维图像显示器包括：
光源，构造为辐照光；
空间光调制器，构造为调制从所述光源辐照的光的相位或幅度；
图像信号电路，构造为输入图像信号到所述空间光调制器；和
光组合器，构造为调制从所述空间光调制器发出的光的幅度，所述光组合器包括构造为接收从所述空间光调制器发出的光的第一透镜阵列、使透射穿过所述第一透镜阵列的光衍射的光栅、和用于透射由所述光栅衍射的光的第二透镜阵列。
19.如权利要求18所述的全息三维图像显示器，其中所述光栅位于所述第一透镜阵列的焦距处。
20.如权利要求18所述的全息三维图像显示器，其中所述第一透镜阵列的焦距和所述第二透镜阵列的焦距彼此相等。
21.如权利要求18所述的全息三维图像显示器，其中所述第一透镜阵列包括一焦距，该焦距整数倍地长于所述第二透镜阵列的焦距。
22.如权利要求18所述的全息三维图像显示器，其中所述第一透镜阵列的透镜表面面对所述空间光调制器。
23.如权利要求18所述的全息三维图像显示器，其中所述第一透镜阵列包括多个透镜单元，每个透镜单元包括与所述空间光调制器的像素的节距相同的宽度。
24.一种用于图像显示装置的复合空间光调制器，该调制器包括：
空间光调制器，构造为调制光束的相位以产生调相光束；和
光组合器，构造为接收从所述空间光调制器发出的调相光束并组合至少两个调相光束的光路径以产生光调制的调相光束。
25.如权利要求24所述的复合空间光调制器，其中所述光束组合器包括衍射光的光栅、构造为聚焦光在所述光栅上的第一透镜、和构造为透射由所述光栅衍射的光的第二透镜。
26.如权利要求25所述的复合空间光调制器，其中所述空间光调制器被包括在所述第一透镜和所述光栅之间的所述光组合器中。
27.如权利要求24所述的复合空间光调制器，其中在第一光束L1的衍射光之中的第n级光束(其中n为整数)和在第二光束L2的衍射光之中的第m级光束(其中m是整数)通过所述光组合器被组合以产生第三光束L3，该第三光束L3是光调制的调相光束。
28.如权利要求24所述的复合空间光调制器，其中所述光组合器同时组合至少两个调相光束以产生光调制的调相光束。
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