CN107356928A - 测距装置及其测距方法 - Google Patents
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Abstract
一种测距装置及其测距方法。测距装置用以追踪目标物并量测与目标物之间的距离。测距装置包含绝对测距模块、追踪模块、两轴旋转机构及控制与信号处理模块。绝对测距模块用以测量目标物与测距装置之间的绝对距离，绝对测距模块与追踪模块利用二向分光镜结合，结合后的模块再设于两轴旋转机构。当目标物移动时因追踪光路产生变化，为了不让绝对测距模块的光路中断，利用追踪模块的四象限感测器量测光路变化，再将其电信号传递至控制与信号处理模块，以控制两轴旋转机构的角度位移，而达追踪的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种测距装置及其测距方法。
背景技术
一般非接触式的光学测距装置有其局限，如有些只能量测目标物移动间的相对距离，而有的虽然可以量测目标物与装置之间的绝对距离，但可能量测的准确度不高。因此，如何正确量测目标物与测距装置之间的绝对距离是本技术领域业者努力的目标之一。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出一种测距装置及其测距方法，可准确量测与目标物之间的距离。
根据本发明的一实施例，提出一种测距装置。测距装置用以追踪目标物并量测与该目标物之间的距离。测距装置包括绝对测距模块、追踪模块、二向分光镜、控制与信号处理模块及两轴旋转机构。绝对测距模块用以发出测距光，以测量目标物与测距装置之间的绝对距离。追踪模块用以发出追踪光，以追踪目标物与测距装置之间的绝对距离。测距光与追踪光皆经由二向分光镜入射至目标物。两轴旋转机构受控于控制与信号处理模块，以驱动绝对测距模块、追踪模块及二向分光镜，进而追踪目标物。
根据本发明的另一实施例，提出一种测距装置。测距装置用以量测与物体之间的距离。测距装置包括第一光发射器、参考点、二向分光镜、偏振分光镜及控制与信号处理模块。第一光发射器用以发射第一测距光及取样光。偏振分光镜用以将第一测距光分成第一分光及一第二分光。第一分光经由一第一光路后与第二分光耦合成第二测距光，第一光路依序行经二向分光镜、物体、二向分光镜、偏振分光镜、该考点及该偏振分光镜，控制与信号处理模块依据第二测距光与取样光计算出距离。
根据本发明的一实施例，提出一种目标物自动追踪与绝对距离量测方法。测距装置用以量测与物体之间的距离。测距方法包括以下步骤。提供测距装置。测距装置包括第一光发射器、参考点、二向分光镜、偏振分光镜及控制与信号处理模块；第一光发射器发射第一测距光及取样光，其中第一测距光穿透偏振分光镜后被分成第一分光及第二分光，第一分光经由第一光路后与第二分光耦合成第二测距光，第一光路依序行经二向分光镜、物体、二向分光镜、偏振分光镜、参考点及偏振分光镜；以及，控制与信号处理模块依据第二测距光与取样光计算出距离。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1绘示依照本发明一实施例的测距装置的示意图；
图2绘示图1的经过倍频晶体后的第二测距光及取样光的信号图；
图3绘示图2的第二测距光与取样光的耦合信号图；
图4绘示图1的四象限感测器的追踪点的示意图；
图5依照本发明一实施例的测距装置的机构图。
其中，附图标记
10：目标物
20：绝对测距模块
30：追踪模块
41：底座
42：转动件
43：量测头
44：第一驱动器
45：第二驱动器
46：承座
100：测距装置
110：第一光发射器
115：第一光纤
1151：第一光耦合器
120：偏振分光镜
125：第一偏振片
130：第一波片
135：二向分光镜
137：扩束镜
140：第二波片
145：第一聚焦透镜
150：参考点
151：杆件
155：第二偏振片
160：第二光纤
161：第二光耦合器
162：第四光耦合器
165：第三光纤
1651：第三光耦合器
170：第二聚焦透镜
172：倍频晶体
174：第三聚焦透镜
176：光检测器
178：控制与信号处理模块
180：显示器
182：第二光发射器
186：追踪光分光镜
188：四象限感测器
a、b、c、d：点
c：光速
C1：中心
fr：重复率
L1：第一测距光
L11、L11’、L11”、(L11)a、(L11)b、(L11)c、(L11)d：第一分光
L12：第二分光
L2、(L2)a、(L2)b、(L2)c、(L2)d：取样光
L3：第二测距光
L4：追踪光
L5：耦合信号
n：空气折射率
OP1：第一光路
OP2：第二光路
OP3：第三光路
P1：追踪点
T1、T2、T1'：周期
Δt：相位差
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
图1绘示依照本发明一实施例的测距装置100的示意图。测距装置100用以量测其与目标物10之间的距离，其中目标物10不限于静止目标物，即使目标物10任意移动，测距装置100仍可追踪目标物10并量测目标物10与其之间的绝对距离。一实施例中，目标物10的表面可设有反射镜，或目标物10本身具有可反射光线的反射面。
测距装置100包括第一光发射器110、第一光纤115、偏振分光镜(Polarized BeamSplitter)120、第一偏振片(Polarizer)125、第一波片(wave plate)130、二向分光镜(Dichroic Beam Splitter)135、扩束镜(beam expander)137、第二波片140、第一聚焦透镜145、参考点150、第二偏振片155、第二光纤160、第三光纤165、第二聚焦透镜170、倍频晶体172、第三聚焦透镜174、光检测器176、控制与信号处理模块178、显示器180、第二光发射器182、追踪光分光镜186及四象限感测器(Quadrant Photodetector)188。
此外，在此实施例中，第一光发射器110、第一光纤115、偏振分光镜120、第一偏振片125、第一波片130、第二波片140、第一聚焦透镜145、参考点150、第二偏振片155、第二光纤160、第三光纤165、第二聚焦透镜170、倍频晶体172、第三聚焦透镜174及光检测器176可组成绝对测距模块20。另一实施例中，绝对测距模块20可更包含其它部件，或省略一个或一些上述部件。
此外，第二光发射器182、追踪光分光镜186及四象限感测器188可组成追踪模块30。另一实施例中，追踪模块30可更包含其它部件，或省略一或一些上述部件。
第一光发射器110可发射第一测距光L1及取样光L2。第一测距光L1为不可见光，例如是波长为1550纳米的激光光。第一测距光L1可经由第一光纤115传输。第一光纤115具有第一光耦合器1151，第一测距光L1从第一光耦合器1151出光后入射至偏振分光镜120。另一实施例中，第一光发射器110可具有偏振控制器(Polarization controller)，用以控制第一测距光L1的偏振方向，使其与第一偏振片125的偏振角度大致上相同。如此一来，可减少第一测距光L1穿透第一偏振片125的光损。
第一测距光L1可穿透第一偏振片125，以转换成具有特定偏振角度的光线。偏振分光镜120可将第一测距光L1分成第一分光L11及第二分光L12。一实施例中，第一偏振片125例如是45度偏振片，使经由偏振分光镜120的第一分光L11及第二分光L12分别在90度及0度方向有大致上相等的强度。本文的角度系以水平方向(如平行桌面)为参考方向。另一实施例中，第一偏振片120可以是其它角度的偏振片；或者，可视光路设计及/或光学需求的改变而省略第一偏振片120。
本实施例的第一分光L11的偏振角度例如是90度，而第二分光L12的偏振角度例如是0度。第一分光L11经由第一光路OP1后与第二分光L12耦合成第二测距光L3。控制与信号处理模块178可依据第二测距光L3与取样光L2计算出目标物10与测距装置100之间的距离(容后说明)。
如图1所示，第一光路OP1依序行经第一波片130、二向分光镜135、扩束镜137、目标物10、扩束镜137、二向分光镜135、第一波片130、偏振分光镜120、第二波片140、第一聚焦透镜145、参考点150、第一聚焦透镜145、第二波片140、偏振分光镜120及第二偏振片155。
详细来说，第一波片130位于偏振分光镜120与二向分光镜135之间。由于第一分光L11是线性偏振光，因此在穿透第一波片130后转换成圆偏振光。由于第一波片130的设计，可降低光损。第一波片130例如是四分之一波片。另一实施例中，可视光路设计及/或光学需求的改变而省略第一波片130。
本揭露实施例的二向分光镜135的特性是：可让具有一波长的光线通过，而让具有另一相异波长的光线反射。例如，第一分光L11可穿透二向分光镜135而入射至目标物10，而追踪光L4(容后描述)可自二向分光镜135反射至目标物10。
扩束镜137位于目标物10与二向分光镜135之间。扩束镜137可将第一分光L11的光束直径扩大，以减少第一分光L11长距离传递后的能量损耗并可减少光束的发散角度。
第一分光L11自目标物10反射后(以下称为第一分光L11’)，经由扩束镜137、二向分光镜135、第一波片130、偏振分光镜120、第二波片140及第一聚焦透镜145入射至参考点150，其中，第二波片140位于偏振分光镜120与参考点150之间，第一聚焦透镜145位于偏振分光镜120与参考点150之间，而第二偏振片155位于偏振分光镜120与第二光纤160的第二光耦合器161之间。另一实施例中，可视光路设计及/或光学需求的改变而省略第二波片140、扩束镜137、第一聚焦透镜145及/或第二偏振片155。
第一分光L11’穿透第一波片130后，转换成与第一分光L11垂直角度的线性偏振光，如0度偏振光。第二波片140例如是四分之一波片，使第一分光L11’穿透第二波片140后，转变成圆偏振光。由于第二波片140的设计，可降低光损。第一聚焦透镜145可聚焦第一分光L11’，使第一分光L11’的强度集中地入射至参考点150，这样可以减少自参考点150反射光线的光损。参考点150例如是圆反射球，其可由任何反光材料形成，如金属，举例来说可以是不锈钢，但不限于此。
第一分光L11’自参考点150反射后(以下称为第一分光L11”)，经由第一聚焦透镜145及第二波片140入射至偏振分光镜120，然后自偏振分光镜120反射经由第二偏振片155至第二光纤160。
第二偏振片155例如是45度偏振片，使穿透第二偏振片155的第一分光L11”转换成45度偏振光；相似地，穿透第二偏振片155的第二分光L12也转换成45度偏振光。
第一测距光L1的第二分光L12与经由第一光路OP1传输的第一分光L11”耦合成第二测距光L3。第二测距光L3入射至第二光纤160的第二光耦合器161，然后经由第二光纤160传输至与取样光L2耦合。
第二光纤160更具有第四光耦合器162。第二测距光L3从第四光耦合器162射出后，经由第三光路OP3至光检测器176。此外，第三光纤165具有第三光耦合器1651。取样光L2经由第三光纤165传输并从第三光耦合器1651射出后，同样经由第三光路OP3至光检测器176。第三光路OP3依序行经第二聚焦透镜170、倍频晶体172及第三聚焦透镜174。
第二聚焦透镜170可将第二测距光L3与取样光L2聚焦至倍频晶体172(periodically poled lithium niobate,PPLN)。经由倍频晶体172后的第二测距光L3与取样光L2穿透第三聚焦透镜174，使第二测距光L3与取样光L2集中地入射至光检测器176。然后，控制与信号处理模块178通过光检测器176，依据第二测距光L3与取样光L2计算测距装置100与目标物10之间的距离。显示器180可显示距离值或上述光信号的波形图。以下以图2说明计算距离的过程。
图2绘示图1为经过倍频晶体172后的第二测距光L3及取样光L2的信号图。由于第一分光L11”所经过的第一光路OP1的路径长度较第二分光L12的光路长，因此第一分光L11”的周期与第二分光L12的周期T1相差一相位差Δt。此外，第二分光L12的重复率(周期T1的倒数)与取样光L2的重复率相异，因此取样光L2的周期T2与第二分光L12的周期T1也相异，使第二分光L12的多个信号中，各信号与对应的取样光L2的信号之间的周期差为(T2-T1)的n倍，其中n为0或任意正整数，n的值可视取样数而定。通过第二分光L12的重复率与取样光L2的重复率的相异设计，可在对第二分光L12取样完成后，产生周期放大的效果。
图3绘示图2的第二测距光L3与取样光L2的耦合信号图。在第二分光L2与取样光L2耦合(或说对第二分光L12取样)后可获得图3的耦合信号L5。
以耦合信号L5的点a来说，点a是图2的第二分光(L12)a与取样光(L2)a耦合后的信号点。由于第二分光(L12)a与取样光(L2)a之间无周期差(n＝0)，因此耦合信号强度最强。以点b来说，点b表示图2的第二分光(L12)b与取样光(L2)b耦合后的信号点，由于第二分光(L12)b与取样光(L2)b之间相差一个周期差(T2-T1)，因此点b的耦合信号强度比点a弱。以点c来说，点c表示图2的第二分光(L12)c与取样光(L2)c耦合后的信号点，由于第二分光(L12)c与取样光(L2)c之间相差周期差2×(T2-T1)，因此点c的耦合信号强度比点b弱…以此类推，而获得的图3的耦合信号图。如图3所示，当耦合信号强度最弱时，取样光L2的信号方突显出来。
获得耦合信号L5后，控制与信号处理模块178可通过下式(1)计算出测距装置100与目标物10之间的距离d。式(1)中，c表示真空中的光速，n表示空气折射率，fr表示第一测距光L1的重复率(Hz)(即第一测距光L1的周期T1的倒数)，而T1'为耦合信号L5的周期。
此外，耦合信号L5的周期T1'与周期差(T2-T1)的关系如下式(2)。由式(2)可知，由于本发明实施例的信号耦合方法，使取样后的周期T1'增加(相较于第一测距光L1的周期T1而言)，如此一来，光检测器176可感应到几乎所有的耦合信号L5，可提升计算距离值的准确度。进一步地说，若以图2的第一测距光L1去计算距离值，会因为第一测距光L1的周期T1过小，而无可避免地导致光检测器176遗漏一些第一测距光L1的信号。反观本发明实施例，由于周期T1'已放大(相较于周期T1而言较大)，因此光检测器176可感应到更多或几乎所有的耦合信号L5，如此可提升量测的距离值的准确度。此外，由于本发明实施例的耦合方法，即使第一光发射器110发射重复率高(表示周期小)的第一测距光L1，光检测器176仍可增加对第一测距光L1(耦合后)的信号的分辨率，以减少第一测距光L1的信号的遗漏量。
一实施例中，若图2的第一测距光L1的周期T1是纳秒(ns)等级，则图3的耦合信号L5的周期T1'可放大至毫秒(ms)等级，此足以让光检测器176感应到几乎所有的耦合信号L5。
如图1所示，第二光发射器182可发射追踪光L4。追踪光L4为可见光，例如是波长为633纳米的激光。追踪光L4经由第二光路OP2后，入射至四象限感测器188。第二光路OP2依序行经追踪光分光镜186、二向分光镜135、扩束镜137、目标物10、扩束镜137、二向分光镜135及追踪光分光镜186。另一实施例中，测距装置100可省略扩束镜137。
此外，二向分光镜135可使追踪光L4自二向分光镜135反射。追踪光L4自二向分光镜135反射后，经过扩束镜137入射至目标物10，然后自目标物10反射经由扩束镜137至二向分光镜135，然后自二向分光镜135反射经由追踪光分光镜186至四象限感测器188。如此，可将目标物10的位移变化反应至四象限感测器188。
请参照图4，其绘示图1的四象限感测器188的追踪点P1的示意图。追踪光L4反射至四象限感测器188后，呈现出追踪点P1。通过分析追踪点P1相对中心C1的位置，可获知目标物10相对测距装置100的相对位置。为了不让测距光路中断，测距装置100可追踪目标物10，让追踪点P1回到四象限感测器188的中心C1。以下进一步说明。
请参照图5绘示依照本发明一实施例的测距装置100的机构图。测距装置100更包括两轴旋转机构40，其包含底座41、转动件42、量测头43、第一驱动器44、第二驱动器45及承座46。
图1所示的第一光耦合器1151、偏振分光镜120、第一偏振片125、第一波片130、二向分光镜135、扩束镜137、第二波片140、第一聚焦透镜145、第二偏振片155、第二光耦合器161、第二光发射器182、追踪光分光镜186及四象限感测器188可组设于量测头43，此些部件可随量测头43连动，且彼此之间可无相对运动。
此外，转动件42以绕Z轴(第三轴向)可转动的方式配置于底座41上，承座46连接于转动件42，以随转动件42转动，而量测头43以绕X轴向(第一轴向)可转动的方式配置于承座46。第一驱动器44可控制转动件42转动，而第二驱动器45可控制量测头43转动，如此可控制量测头43绕二个轴向转动。控制与信号处理模块178(如图1所示)可控制第一驱动器44及第二驱动器45，以转动量测头43自动追踪移动中的目标物10，避免测距光路中断。如此一来，测距装置100可追踪移动中的目标物10且量测其与目标物10之间的绝对距离。在一实施例中，第一驱动器44及第二驱动器45例如是马达、皮带轮组或其组合。
此外，如图1及图5所示，在量测头43(绘示于图5)转动过程中，参考点150为相对不动。在量测目标物10的绝对距离时，即使第一驱动器44及第二驱动器45发生径向偏差位移(此处“径向”例如是图1的参考点150至目标物10之间的距离方向)，由于参考点150相对不动，因此目标物10与参考点150之间的总光程不会因量测头43的径向偏差而变，使得所量得的距离值不会因量测头43的径向偏差而变，而具有一定的准确度。如图5所示，参考点150可以杆件151连接于底座41，其中杆件151与参考点150固定地连接。
此外，在使用测距装置100测距前可先进行校正，以增加测距精准度。举例来说，以施力于参考点150的方式，调整参考点150(或杆件151)相对转动件42沿X轴向及/或Y轴向(第二轴向)的相对位置(即沿XY平面的位置)，使转动件42与参考点150之间的转动偏心量小于一预定量，如5微米，然亦可更小或更大。由于杆件151与转动件42之间的相接处具有余隙，因此在施力给杆件151时可让杆件151及参考点150在余隙内相对转动件42移动。
此外，可调整承座46相对转动件42绕Y轴的倾斜角度及/或调整承座46相对转动件42沿Y轴向的位置。由于承座46与转动件42之间的相接处具有余隙，因此在施力给承座46或转动件42时，可让承座46在余隙内相对转动件42移动或倾斜地转动。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (24)
1.一种测距装置，用以追踪目标物并量测与该目标物之间的距离，其特征在于，该测距装置包括：
绝对测距模块，用以发出第一测距光，以测量该目标物与该测距装置之间的绝对距离；
追踪模块，用以发出追踪光，以追踪该目标物与该测距装置之间的绝对距离；
二向分光镜，该第一测距光与该追踪光皆经由该二向分光镜入射至该目标物；以及
两轴旋转机构，受控于控制与信号处理模块，以驱动该绝对测距模块、该追踪模块及该二向分光镜，进而追踪该目标物。
2.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该绝对测距模块包括：
第一光发射器，用以发射该第一测距光及取样光；
参考点；以及
偏振分光镜，用以将该第一测距光分成第一分光及第二分光；
其中，该第一分光经由第一光路后与该第二分光耦合成第二测距光，该第一光路依序行经该二向分光镜、该目标物、该二向分光镜、该偏振分光镜、该参考点及该偏振分光镜，该控制与信号处理模块依据该第二测距光与该取样光计算出该距离。
3.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该追踪模块包括：
第二光发射器，用以发射追踪光；
追踪光分光镜；以及
四象限感测器；
其中，该追踪光经由第二光路后，入射至与该四象限感测器，该第二光路依序行经该追踪光分光镜、该二向分光镜、该目标物、该二向分光镜及该追踪光分光镜。
4.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该追踪光的波长与该第一测距光的波长相异。
5.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该两轴旋转机构包括转动件、承座及量测头，该承座连接于该转动件，以随该转动件转动，该量测头能够转动的配置于该承座。
6.根据权利要求5所述的测距装置，其特征在于，该量测头以绕第一轴向能够转动的方式配置于该承座，该承座与该转动件以沿第二轴向的相对位置能够调整的方式配置且以绕该第二轴向的倾斜角度能够调整的方式配置，其中该第一轴向与该第二轴向垂直。
7.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该两轴旋转机构包括底座及转动件，其中该转动件能够转动的配置于该底座，该参考点与该转动件以相对位置能够调整的方式配置。
8.根据权利要求7所述的测距装置，其特征在于，该转动件以绕第三轴向能够转动方式配置于该底座，该参考点与该转动件沿平面的位置能够调整，其中该第三轴向垂直于该平面。
9.一种测距装置，用以量测与目标物之间的距离，其特征在于，该测距装置包括：
第一光发射器，用以发射第一测距光及取样光；
参考点；
二向分光镜；
偏振分光镜，用以将该第一测距光分成第一分光及第二分光；以及
其中，该第一分光经由第一光路后与该第二分光耦合成第二测距光，该第一光路依序行经该二向分光镜、该目标物、该二向分光镜、该偏振分光镜、该参考点及该偏振分光镜，控制与信号处理模块依据该第二测距光与该取样光计算出该距离。
10.根据权利要求9所述的测距装置，其特征在于，该追踪光的波长与该第一测距光的波长相异。
11.根据权利要求9所述的测距装置，其特征在于，更包括：
第一偏振片，位于该第一光路中的该第一光发射器与该偏振分光镜之间。
12.根据权利要求9所述的测距装置，其特征在于，更包括：
第一波片，位于该第一光路中的该偏振分光镜与该二向分光镜之间。
13.根据权利要求9所述的测距装置，其特征在于，更包括：
第二波片，位于该第一光路中的该偏振分光镜与该参考点之间。
14.根据权利要求9所述的测距装置，其特征在于，更包括：
第一光纤，具有第一光耦合器；
其中，该第一测距光经由该第一光纤传输并从该第一光耦合器出光后入射至该偏振分光镜。
15.根据权利要求9所述的测距装置，其特征在于，更包括：
第二光纤，具有第二光耦合器；以及
第二偏振片，位于该第一光路中的该偏振分光镜与该第二光耦合器之间。
16.根据权利要求9所述的测距装置，其特征在于，更包括：
第一聚焦透镜，位于该第一光路中的该偏振分光镜与该参考点之间。
17.根据权利要求9所述的测距装置，其特征在于，更包括：
第二光发射器，用以发射追踪光；
追踪光分光镜；以及
四象限感测器；
其中，该追踪光经由第二光路后，入射至与该四象限感测器，该第二光路依序行经该追踪光分光镜、该二向分光镜、该目标物、该二向分光镜及该追踪光分光镜。
18.根据权利要求17所述的测距装置，其特征在于，该追踪光是波长为633纳米的激光。
19.根据权利要求9所述的测距装置，其特征在于，该第一测距光是波长为1550纳米的激光。
20.根据权利要求9所述的测距装置，其特征在于，更包括：
第二聚焦透镜；以及
倍频晶体；以及
光检测器；
其中，该取样光及该第二测距光行经第三光路后至该光检测器，该第三光路依序行经该第二聚焦透镜及该倍频晶体。
21.根据权利要求20所述的测距装置，其特征在于，更包括：
第三光纤，具有第三光耦合器；
其中，该取样光经由该第三光纤传输并从该第三光耦合器出光后入射至该第二聚焦透镜。
22.根据权利要求9所述的测距装置，其特征在于，更包括：
扩束镜，位于该第一光路中的该目标物与该二向分光镜之间。
23.根据权利要求22所述的测距装置，其特征在于，该第一测距光的重复率与该取样光的重复率相异。
24.一种测距方法，用以量测与目标物之间的距离，其特征在于，该测距方法包括：
提供如权利要求9所述的测距装置；
该第一光发射器发射第一测距光及取样光，其中该第一测距光穿透该偏振分光镜后被分成第一分光及第二分光，该第一分光经由第一光路后与该第二分光耦合成第二测距光，该第一光路依序行经该二向分光镜、该目标物、该二向分光镜、该偏振分光镜、该参考点及该偏振分光镜；以及
该控制与信号处理模块依据该第二测距光与该取样光计算出该距离。
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| GR01 | Patent grant | ||
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