CN105425371B - 紧凑型中波红外连续变焦镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于实况跟踪和测量的紧凑型中波红外连续变焦镜头，属于镜头领域，镜头的光学系统包括沿光线自前往后入射方向依次设置的前固定组镜片、变倍组镜片、补偿组镜片及后固定组镜片，所述后固定组镜片的后侧斜置有用于光线转向下侧的第一反射镜，所述第一反射镜下侧设置有第一正透镜和负透镜，所述负透镜下侧斜置有用于光线拐向前侧的第二反射镜，所述第二反射镜的前侧还设置有第二正透镜。该镜头具有高成像质量、高空间分辨率、结构紧凑、变倍及补偿行程短、探测距离远、重量轻及耐振动和冲击的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于实况跟踪和测量的紧凑型中波红外连续变焦镜头，属于镜头领域。
背景技术
红外成像系统有许多优良特点，如被动工作方式，不会被敌方电子干扰、隐蔽性好；图像直观，易于观察；精度高；低空探测性能好等，在预警、跟踪、地面防空和制导等多项领域中得到了广泛应用。近年来，随着红外光学技术的长足发展及其应用范围的不断扩展，对红外连续变焦光学系统的需求日益增强。
红外连续变焦光学系统能在一定范围内可连续改变系统焦距，在改变视场的同时，像面稳定清晰，不会发生目标丢失的问题，所以可先通过大视场搜索目标，后切换至小视场，精确观察目标。越来越多的领域对红外连续变焦镜头的需求日益增强，主要包括前视侦查、瞄准系统、搜索与跟踪系统及民用安防系统等。
因此，研制紧凑型中波红外连续变焦镜头是本发明的研究目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紧凑型中波红外连续变焦镜头，该镜头具有高成像质量、高空间分辨率、结构紧凑、变倍及补偿行程短、探测距离远、重量轻及耐振动和冲击的性能。
本发明的技术方案在于：一种紧凑型中波红外连续变焦镜头，镜头的光学系统包括沿光线自前往后入射方向依次设置的前固定组镜片、变倍组镜片、补偿组镜片及后固定组镜片，所述后固定组镜片的后侧斜置有用于光线转向下侧的第一反射镜，所述第一反射镜下侧设置有第一正透镜和负透镜，所述负透镜下侧斜置有用于光线拐向前侧的第二反射镜，所述第二反射镜的前侧还设置有第二正透镜。
进一步地，所述前固定组镜片与变倍组镜片之间的空气间隔为76.5~88.2mm；变倍组镜片与补偿组镜片之间的空气间隔为5.26~32.7mm；补偿组镜片与后固定组镜片之间的空气间隔为7.16~22.9mm；后固定组镜片与第一反射镜之间的空气间隔为100.5mm；第一反射镜与第一正透镜之间的空气间隔为53.5mm；第一正透镜与负透镜之间的空气间隔为1.85mm；负透镜与第二反射镜之间的空气间隔为18mm；第二反射镜与第二正透镜之间的空气间隔为18mm。
进一步地，所述第一反射镜与光线入射方向的夹角为45°，所述第二反射镜与光线入射方向的夹角为135°。
进一步地，所述镜头的结构包括用于固定前固定组镜片、变倍组镜片、补偿组镜片、后固定组镜片、第一反射镜、第一正透镜、负透镜、第二反射镜及第二正透镜的镜框，所述镜框上设置有电动变焦机构及电动调焦机构，所述镜框下侧固定有连接底板，所述连接底板上固定有连接于镜框的光线输出端上的红外探测器。
进一步地，所述镜框包括主镜座、后镜座和转折镜座，所述主镜座的前段内壁装配有用于安装前固定组镜片的前组镜座，主镜座的中段内壁装配有用于安装变倍组镜片的变倍镜座，主镜座的后段内壁装配有用于安装补偿组镜片的补偿镜座，所述主镜座的后端与后镜座相连接，所述后镜座的前段内壁装配有用于安装后固定组镜片的后固定组镜座，后镜座的后端与用于装配第一反射镜的第一反射镜座相连接，所述转折镜座连接于后镜座后端下部的光线输出通孔上，所述转折镜座的上段内壁设置有用于装配第一正透镜和负透镜的第一二次成像镜座，转折镜座上位于第一二次成像镜座的下侧设置有用于安装第二反射镜的第二反射镜座，转折镜座拐向前侧的端部内设置有用于装配第二正透镜的第二二次成像镜座，所述红外探测器与第二二次成像镜座的光线输出端相连接。
进一步地，所述主镜座前段内还设置有前组镜座压圈，所述前组镜座内还设置有用于固定前固定组镜片的前组压圈，所述变倍镜座内还设置有用于固定变倍组镜片的变倍压圈，所述补偿镜座内还设置有用于固定补偿组镜片的补偿压圈，所述后固定组镜座内还设置有后组压圈，所述第一反射镜座内还设置有第一反射镜压圈，所述第一二次成像镜座还设置有第一正透镜压圈和负透镜隔圈，所述第二反射镜座内还设置有第二反射镜压圈，所述第二二次成像镜座内还设置有第二正透镜压圈。
进一步地，所述电动变焦机构包括设置于主镜座中段上侧的电机架，所述电机架上设置有电机，所述电机输出轴上的电机齿轮与设置于电机旁侧的电位器上的电位器齿轮精密啮合，所述电机齿轮还与设置于前组镜座上侧并经凸轮压圈锁紧的凸轮精密啮合，所述凸轮上设置有一对凸轮导钉，位于前侧的凸轮导钉与设置于变倍镜座上的变倍移动座相连接，所述前组镜座内还固定有导杆，所述导杆与变倍移动座滑动配合，位于后侧的凸轮导钉与设置于补偿镜座上的补偿移动座相连接，所述补偿移动座与导杆滑动配合，所述凸轮旋转到两端极限位置时经微动开关限位。
进一步地，所述电动调焦机构包括设置于转折镜座拐向前侧的端部下侧的第二电机架，所述第二电机架上设置有第二电机，所述第二电机的电机齿轮与套置于转折镜座拐向前侧的端部外周的调焦环精密啮合，所述调焦环上设置有调焦导钉，所述调焦导钉安装于内壁与第二二次成像镜座相连接的调焦座上，所述调焦环旋转到两端极限位置时经第二微动开关限位。
进一步地，所述红外探测器经探测器架与连接底板刚性连接。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：（1）在光学系统中，合理分配各组的光焦度；共采用三个非球面校正像差，采用反射镜折叠光路，使镜头达到高成像质量、结构紧凑、变倍补偿行程短等优点；（2）在光学设计中，通过后二次成像组中的第二正透镜移动实现温度补偿和远近距补偿，来保证镜头在高温和低温环境下的使用要求；（3）在光学设计中，通过优化调整系统的冷反射像，使镜面反射“鬼像”及冷反射“黑斑”远离探测器像面；（4）在光学设计中，通过对凸轮曲线的优化设计，有效地控制了变焦过程中的光轴漂移，在全焦距段范围内成像质量优良；（5）在保证结构紧凑的前提下，采取一系列措施，提高了镜头耐振动、冲击的能力。
附图说明
图1为本发明变焦镜头中的光学系统结构示意图；
图2为本发明的变焦镜头的结构示意图；
图3为本发明变焦镜头中的电动变焦机构的左侧视图；
图4为本发明的图3的H-H剖视图；
图5为本发明变焦镜头中的电动调焦机构的左侧；
图6为本发明的图5的I-I剖视图；
图中：1-前组镜座压圈 2-前组镜座 3-前组压圈 5-主镜座 6-变倍镜座 7-变倍压圈 9-电动变焦机构 91-导杆压板 93-电位器齿轮 94-电机架 95-电机齿轮96-电位器 97-电机 98-凸轮 99-凸轮导钉 910-凸轮压圈 911-导杆 912-补偿移动座 914-变倍镜座 915-变倍移动座 916-微动开关座 917-微动开关 10-补偿镜座12-补偿压圈 13-后镜座 14-后固定组镜座 15-后组压圈 17-第一反射镜座 18-第一反射镜压圈 20-转折镜座 22-第一正透镜压圈 24-负透镜隔圈 26-第二反射镜座28-第二反射镜压圈 29-电动调焦机构 291-微动开关座 292-调焦环压圈 293-调焦环 294-调焦环导钉 295-调焦座 296-微动开关 297-电机 298-电机架 299-电机齿轮 30-第二二次成像镜座 32-第二正透镜压圈 33-探测器架 34-红外探测器 35-连接底板 A-前固定组镜片 A1-空气间隔 B-变倍组镜片 B1-空气间隔 C-补偿组镜片 C1-空气间隔 D-后固定组镜片 D1-空气间隔 E1-第一正透镜 E11-空气间隔E2-负透镜 E21-空气间隔 E3-第二正透镜 E31-空气间隔 F1-第一反射镜 F11-空气间隔 F12-夹角 F2-第二反射镜 F21-空气间隔 F22-夹角 G-成像平面。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
参考图1至图6
一种紧凑型中波红外连续变焦镜头，镜头的光学系统包括沿光线自前往后入射方向依次设置的前固定组镜片A、变倍组镜片B、补偿组镜片C及后固定组镜片D，所述后固定组镜片的后侧斜置有用于光线转向下侧的第一反射镜F1，所述第一反射镜下侧设置有第一正透镜E1和负透镜E2，所述负透镜下侧斜置有用于光线拐向前侧的第二反射镜F2，所述第二反射镜的前侧还设置有第二正透镜E3，所述第二正透镜的前侧为成像平面G。所述第一反射镜和第二反射镜组成反射镜组，所述第一正透镜和负透镜及第二正透镜组成二次成像组。光线自前往后从前固定组镜片A射入，经变倍组镜片B、补偿组镜片C传入后固定组镜片D，再经第一反射镜转向后由上至下送入第一正透镜、负透镜，穿出后的光线经第二反射镜转向后送入第二正透镜，并最纵投影在成像平面上。如图1所示。
本实施例中，沿光线入射方向，所述前固定组镜片与变倍组镜片之间的空气间隔A1为76.5~88.2mm；变倍组镜片与补偿组镜片之间的空气间隔B1为5.26~32.7mm；补偿组镜片与后固定组镜片之间的空气间隔C1为7.16~22.9mm；后固定组镜片与第一反射镜之间的空气间隔D1为100.5mm；第一反射镜与第一正透镜之间的空气间隔F11为53.5mm；第一正透镜与负透镜之间的空气间隔E11为1.85mm；负透镜与第二反射镜之间的空气间隔E21为18mm；第二反射镜与第二正透镜之间的空气间隔F21为18mm，所述第二反射镜与成像平面之间的空气间隔E31为34.08mm。如图1所示。
本实施例中，所述第一反射镜与光线入射方向的夹角F12为45°，所述第二反射镜与入射光线的夹角F22为135°。所述前固定组镜片为负月牙形透镜，所述变倍组镜片为双凹面透镜，所述补偿组镜片为双凸面透镜，所述后固定组镜片为透镜。
本实施例中，由上述镜片组构成的光学系统达到了如下的光学指标：（1）工作波段：3.7μm~4.8μm；（2）焦距f′：150~300mm；（3）探测器：中波红外制冷型320×256，30μm；（4）视场角：3.67°×2.93°~1.83°×1.47°；（5）相对孔径D/ f′：1/2；（6）折叠后光学体积：262mm×154mm×179mm（长×宽×高）。
本实施例中，为了抑制系统中来自于景物辐射以外的杂散辐射，应采用100%的冷光阑效率。对于制冷型红外光学系统来说，应将探测器的冷光阑作为光学系统的出瞳，从而实现100%的冷光阑效率。因此，本连续变焦系统采用二次成像结构，可以在保证实现100%冷光阑效率的同时，减小系统的径向尺寸，并采用两片反射镜来折叠光路，使得光学系统呈“U”型结构。
该变焦距光学系统考虑到红外光学系统的温度敏感性，合理地选择透镜的材料，从光学设计的初期，降低温度对系统的影响。常用的红外材料中，Si和Ge的折射率温度变化系数相对较低，且Si的价格较Ge低，比重比Ge小，因此，基于成本及重量方面的考虑，选用Si作为变焦系统的主要材料，部分透镜选用Ge来校正色差。由于红外材料相较可见光材料吸收较大，但折射率也高，所以在设计中，通常不需要使用太多镜片，否则系统的透过率会很差，会影响最终的成像效果。设计中充分考虑加工工艺因素，同时引入非球面来平衡系统像差，使得光学系统的结构更简化，成像质量更好，达到性能、成本与工艺兼顾，实现一个良好的设计。
利用光学设计软件，设置合理的优化参数，对计算得到的初始结构进行优化设计，采用“+、-、+、-”变焦结构形式；二次成像采用“+、-、+”结构形式。该光学系统由七片透镜和两片反射镜组成，各镜片均具备良好工艺性，易于加工。第一片透镜为前固定组镜片，第二片透镜为变倍组镜片，采用高折射率的锗材料，第三片透镜为补偿组镜片，采用低色散的硅材料，第四片透镜为后固定组镜片，第五、六、七片透镜即为第一正透镜和负透镜及第二正透镜构成二次成像系统，第一反射镜和第二反射镜配合将光学系统折叠为U型结构。在光学设计中，为了平衡相差，采用3个非球面，使得系统像质优良，结构紧凑。
如图2所示，本实施例中，所述镜头的结构包括用于固定前固定组镜片、变倍组镜片、补偿组镜片、后固定组镜片、第一反射镜、第一正透镜、负透镜、第二反射镜及第二正透镜的镜框，所述镜框上设置有电动变焦机构9及电动调焦机构29，所述镜框下侧固定有连接底板35，所述连接底板上固定有连接于镜框的光线输出端上的红外探测器34。本实施例中，所述红外探测器经探测器架33与连接底板刚性连接。
本实施例中，所述镜框包括主镜座5、后镜座13和转折镜座20，所述主镜座的前段内壁装配有用于安装前固定组镜片A的前组镜座2，并用前组镜座压圈1锁紧，所述主镜座与前组镜座之间采用螺纹及主正面配合，能够有效保证同心度要求。主镜座的中段内壁装配有用于安装变倍组镜片B的变倍镜座6，所述主镜座和变倍镜座控制尺寸公差，保证前固定组镜片与变倍组镜片之间的空气间隔是76.5~88.2mm。主镜座的后段内壁装配有用于安装补偿组镜片C的补偿镜座10，所述变倍镜座和补偿镜座控制尺寸公差，保证变倍组镜片与补偿组镜片之间的空气间隔是5.26~32.7mm。所述主镜座的后端通过6个M3内六角螺钉刚性连接与后镜座刚性连接，所述后镜座的前段内壁装配有用于安装后固定组镜片D的后固定组镜座14，后镜座与后固定组镜座之间采用螺纹及主正面配合，能够有效保证同心度要求。所述后镜座和后固定组镜座控制尺寸公差，保证补偿组镜片与后固定组镜片之间的空气间隔是7.16~22.9mm。后镜座的后端与用于装配第一反射镜F1的第一反射镜座17通过3个M3内六角螺钉刚性连接，所述后镜座与反射镜座控制尺寸公差，保证后固定组镜片与第一反射镜之间的空气间隔是100.5mm。所述转折镜座通过3个M3内六角螺钉连接于后镜座后端下部的光线输出通孔上，所述后组镜座和转折镜座控制尺寸公差，保证第一反射镜与第一正透镜之间的空气间隔是53.5mm。所述转折镜座的上段内壁设置有用于装配第一正透镜和负透镜的第一二次成像镜座21，采用螺纹及主正面配合，能够有效保证转折镜座和第一二次成像镜座的同心度要求。转折镜座上位于第一二次成像镜座的下侧设置有用于安装第二反射镜的第二反射镜座27，二者通过3个M3内六角螺钉刚性连接。所述转折镜座与第二反射镜座控制尺寸公差，保证负透镜与第二反射镜之间的空气间隔是18mm。转折镜座拐向前侧的端部内设置有用于装配第二正透镜的第二二次成像镜座30，所述转折镜座与第二二次成像镜座控制尺寸公差，保证第二反射镜与第二正透镜之间的空气间隔是18mm。所述红外探测器与第二二次成像镜座的光线输出端相连接。所述主镜座、后镜座与转折镜座与连接底板刚性连接。如图2所示。
本实施例中，所述主镜座前段内还设置有用于锁紧前组镜座的前组镜座压圈1，所述前组镜座内还设置有用于锁紧前固定组镜片的前组压圈3，所述变倍镜座内还设置有用于锁紧变倍组镜片的变倍压圈7，所述补偿镜座内还设置有用于锁紧补偿组镜片的补偿压圈12，所述后固定组镜座内还设置有用于锁紧后固定组镜片的后组压圈15，所述第一反射镜座17内还设置有用于锁紧第一反射镜片的第一反射镜压圈18，所述第一二次成像镜座还设置有用于锁紧第一正透镜和负透镜的第一正透镜压圈22和负透镜隔圈25，所述第一正透镜隔圈控制尺寸公差，保证第一正透镜与负透镜之间的空气间隔是1.85mm。所述第二反射镜座内还设置有用于锁紧第二反射镜的第二反射镜压圈28，所述第二二次成像镜座内还设置有用于锁紧第二正透镜的第二正透镜压圈32。如图2所示。
如图3和图4所示，本实施例中，所述电动变焦机构包括设置于主镜座中段上侧的电机架94，通过2个M3内六角螺钉与主镜座刚性连接。所述电机架上设置有电机97，所述电机输出轴上的电机齿轮95与设置于电机旁侧的电位器96上的电位器齿轮93精密啮合，所述电机齿轮与电机刚性连接，所述电位器齿轮与电位器刚性连接。所述电机齿轮还与设置于前组镜座上侧并经凸轮压圈910锁紧的凸轮98精密啮合，所述凸轮上设置有一对凸轮导钉99，位于前侧的凸轮导钉与设置于变倍镜座上的变倍移动座915相连接，所述变倍移动座与变倍镜座连接，采用螺纹及主正面配合，能够有效保证同心度要求。所述前组镜座内还固定有导杆911及用于固定导杆的导杆压板91。所述导杆与变倍移动座滑动配合，位于后侧的凸轮导钉与设置于补偿镜座10上的补偿移动座912相连接，所述补偿移动座与补偿镜座连接，采用螺纹及主正面配合，能够有效保证同心度要求。所述补偿移动座与导杆滑动配合，所述凸轮旋转到两端极限位置时，通过设置在主镜座外周微动开关座916上的微动开关限位917。
如图5和图6所示，本实施例中，所述电动调焦机构包括设置于转折镜座拐向前侧的端部下侧的第二电机架298，第二电机架通过2个M3内六角螺钉与转折镜座刚性连接。所述第二电机架上设置有第二电机297，所述第二电机的电机齿轮299与套置于转折镜座拐向前侧的端部外周的调焦环293精密啮合，所述电机齿轮与电机刚性连接，调焦环用调焦环压圈292锁紧。所述调焦环上设置有调焦导钉294，所述调焦导钉安装于内壁与第二二次成像镜座30相连接的调焦座295上，所述调焦座内壁与第二二次成像镜座的连接采用螺纹及主正面配合，能够有效保证同心度要求。所述调焦环旋转到两端极限位置时，通过设置于转折镜座外周的第二微动开关座291上的第二微动开关限位296。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的紧凑型中波红外连续变焦光学系统及其镜头并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种紧凑型中波红外连续变焦镜头，其特征在于，镜头的光学系统包括沿光线自前往后入射方向依次设置的前固定组镜片、变倍组镜片、补偿组镜片及后固定组镜片，所述后固定组镜片的后侧斜置有用于光线转向下侧的第一反射镜，所述第一反射镜下侧设置有第一正透镜和负透镜，所述负透镜下侧斜置有用于光线拐向前侧的第二反射镜，所述第二反射镜的前侧还设置有第二正透镜，所述前固定组镜片与变倍组镜片之间的空气间隔为76.5~88.2mm；变倍组镜片与补偿组镜片之间的空气间隔为5.26~32.7mm；补偿组镜片与后固定组镜片之间的空气间隔为7.16~22.9mm；后固定组镜片与第一反射镜之间的空气间隔为100.5mm；第一反射镜与第一正透镜之间的空气间隔为53.5mm；第一正透镜与负透镜之间的空气间隔为1.85mm；负透镜与第二反射镜之间的空气间隔为18mm；第二反射镜与第二正透镜之间的空气间隔为18mm，所述第一反射镜与光线入射方向的夹角为45°，所述第二反射镜与光线入射方向的夹角为135°。
2.根据权利要求1所述的紧凑型中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述镜头的结构包括用于固定前固定组镜片、变倍组镜片、补偿组镜片、后固定组镜片、第一反射镜、第一正透镜、负透镜、第二反射镜及第二正透镜的镜框，所述镜框上设置有电动变焦机构及电动调焦机构，所述镜框下侧固定有连接底板，所述连接底板上固定有连接于镜框的光线输出端上的红外探测器。
3.根据权利要求2所述的紧凑型中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述镜框包括主镜座、后镜座和转折镜座，所述主镜座的前段内壁装配有用于安装前固定组镜片的前组镜座，主镜座的中段内壁装配有用于安装变倍组镜片的变倍镜座，主镜座的后段内壁装配有用于安装补偿组镜片的补偿镜座，所述主镜座的后端与后镜座相连接，所述后镜座的前段内壁装配有用于安装后固定组镜片的后固定组镜座，后镜座的后端与用于装配第一反射镜的第一反射镜座相连接，所述转折镜座连接于后镜座后端下部的光线输出通孔上，所述转折镜座的上段内壁设置有用于装配第一正透镜和负透镜的第一二次成像镜座，转折镜座上位于第一二次成像镜座的下侧设置有用于安装第二反射镜的第二反射镜座，转折镜座拐向前侧的端部内设置有用于装配第二正透镜的第二二次成像镜座，所述红外探测器与第二二次成像镜座的光线输出端相连接。
4.根据权利要求3所述的紧凑型中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述主镜座前段内还设置有前组镜座压圈，所述前组镜座内还设置有用于固定前固定组镜片的前组压圈，所述变倍镜座内还设置有用于固定变倍组镜片的变倍压圈，所述补偿镜座内还设置有用于固定补偿组镜片的补偿压圈，所述后固定组镜座内还设置有后组压圈，所述第一反射镜座内还设置有第一反射镜压圈，所述第一二次成像镜座还设置有第一正透镜压圈和负透镜隔圈，所述第二反射镜座内还设置有第二反射镜压圈，所述第二二次成像镜座内还设置有第二正透镜压圈。
5.根据权利要求3所述的紧凑型中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述电动变焦机构包括设置于主镜座中段上侧的电机架，所述电机架上设置有电机，所述电机输出轴上的电机齿轮与设置于电机旁侧的电位器上的电位器齿轮精密啮合，所述电机齿轮还与设置于前组镜座上侧并经凸轮压圈锁紧的凸轮精密啮合，所述凸轮上设置有一对凸轮导钉，位于前侧的凸轮导钉与设置于变倍镜座上的变倍移动座相连接，所述前组镜座内还固定有导杆，所述导杆与变倍移动座滑动配合，位于后侧的凸轮导钉与设置于补偿镜座上的补偿移动座相连接，所述补偿移动座与导杆滑动配合，所述凸轮旋转到两端极限位置时经微动开关限位。
6.根据权利要求3或4所述的紧凑型中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述电动调焦机构包括设置于转折镜座拐向前侧的端部下侧的第二电机架，所述第二电机架上设置有第二电机，所述第二电机的电机齿轮与套置于转折镜座拐向前侧的端部外周的调焦环精密啮合，所述调焦环上设置有调焦导钉，所述调焦导钉安装于内壁与第二二次成像镜座相连接的调焦座上，所述调焦环旋转到两端极限位置时经第二微动开关限位。
7.根据权利要求2、3或4所述的紧凑型中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述红外探测器经探测器架与连接底板刚性连接。
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