CN110352366B - 准直器和照明单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种准直器，其包括包含折射透镜部分和齿状全内反射部分的菲涅尔透镜。光阻挡元件至少在透镜部分和光源之间。光源输出的一部分被阻挡到达内透镜部分的至少一个区。在透镜部分的一些或所有部分处，光不从光源的全部区域到达那些部分。该部分的光阻挡意味着光源的整个形状未投射到透镜部分中的全部上，并且降低或消除了光晕效应。

Description

准直器和照明单元

技术领域

本发明涉及照明布置，并且特别地涉及利用一个或多个准直器的照明布置。

背景技术

准直器，例如用于发光二极管（LED）应用的准直器，用于提供定向光输出，例如光斑光束。如果需要若干LED，则通常提供多个圆形准直器并以被称为“淋浴头”阵列的阵列布置该多个圆形准直器。由于缺少圆形准直器的镶嵌，准直器的形状意味着阵列包括未点亮的区域。

因此，代替若干LED，单个光源（例如，板上芯片（COB）LED）可以与单个准直器一起使用。单个源聚光灯比多准直器解决方案优选得多。

然而，用于单个组合光源的光学器件比小准直器阵列占据更大的深度。在许多LED设备中，单个光源所需的深度是不可用的，因为设备的其他部分（诸如散热器和驱动器）占据了可用空间的显著比例。

对于具有单个光源的较大聚光灯，菲涅耳准直器是良好的选项，特别是全内反射（TIR）菲涅耳透镜。这种透镜高效、紧凑并且产生窄束。

图1示出了具有焦点15的典型菲涅耳透镜。它包括使用两次光折射操作提供光聚焦的中心透镜10，以及利用全内反射的周围环形齿状设计。在典型设计中，源光的30％通过中心透镜，并且高达光的70％通过TIR菲涅耳部分。透镜是旋转对称的，其具有旋转对称轴13，并且光源14沿着旋转对称轴13位于光源位置17处的焦点15处，旋转对称轴13是透镜的光轴。光源14不是点源，而是具有与中心透镜的尺寸相比显著的面积。光源14提供围绕光轴方向的光。光源的全部区域（其可以被认为占据以光源位置为中心的光源区）向中心透镜的每个点发射光。

来自TIR透镜的可实现的轴上强度由贡献约70％的TIR路径支配。强度与源亮度乘以沿轴发射的面积成比例。透镜仅覆盖准直器的小表面部分，并且因此具有小的表面积，以及因此对强度贡献很小。

中心透镜部分和TIR部分之间的光路径之间存在其他大的差异。TIR路径是非成像路径，并且由于TIR菲涅耳透镜中的光学扩展量和光线分配规则，它产生相对窄的光分布。为了提供最窄的光分布，中心透镜将是具有一个或两个凸表面的近似成像透镜。然而，从光学扩展量可以示出，这种光分布比TIR菲涅耳部分的光分布宽得多（通常为2到3倍宽）。在许多情况下，这种光是不想要的，因为它在主束周围产生光晕，主束通常具有清晰、非常可见的边缘。用户测试示出主束周围的光晕被感知与较低质量有关。

特别地由于中心透镜的成像特性，当其与COB源一起使用时是有问题的，因为这种源的边缘发射完全转换的淡黄色光。中心透镜将这种光放在光分布的边缘处，从而在光分布周围产生黄色的最外环，这是不期望的。

大中心透镜图像的问题与典型TIR菲涅耳准直器的几何约束相链接。换句话说，在中心透镜部分中存在太高的光学扩展量。在保持镜头尺寸的同时使束角度更小只有通过降低光学扩展量才是可能的，这意味着降低通过透镜透射的光通量。这可以通过使用阻挡特征来吸收或反射光的部分来完成。

例如，阻挡设备可以采用准直器之上的百叶窗元件的形式，其中百叶窗元件覆盖全部出射孔或仅覆盖中心透镜。如果吸收百叶窗是薄的，则这种元件使所有平行于光轴的光通过，同时阻挡以离轴角度发射的光。透射轮廓基本上是三角形的。

为了使这种百叶窗设备高效，其需要是非常薄的材料（例如金属）的，这使它是昂贵的。因此，它增加了设计的体积和成本。

因此需要一种准直器设计，其解决作为TIR菲涅耳准直器的中心透镜产生比TIR菲涅耳部分宽得多的光分布，从而产生光晕、眩光和可能的彩色条纹的问题。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据依照本发明的第一方面的示例，提供了一种准直器，其具有焦点，用于定位在要被提供在光源位置处的焦点处的光源上方，该准直器包括：

菲涅耳透镜，包括折射内透镜部分和外齿状全内反射部分，菲涅耳透镜具有穿过内透镜部分的中心并穿过光源位置的光轴；以及

光阻挡元件，在至少菲涅耳透镜的内透镜部分和光源位置之间，其中光阻挡元件被适配为使得内透镜部分具有至少一个减小图像区，所述减小图像区是内透镜部分的一区域，当光源定位在光源位置处时，只有光源的整个形状的一部分可以投射到内透镜部分的该区域上。

该准直器设计提供对到菲涅耳结构的中心透镜的光的阻挡。特别地，在内透镜部分的一些或所有部分处，光不从光源的全部区域到达那些部分。该部分光阻挡可以用于降低到达内透镜部分的束角度（通过阻挡更大角度的光），但是阻挡来自中心的光并允许更多光到达更大的角度也是可能的。在所有情况下，通过具有一些区域，其中光源的整个形状没有都投射到内透镜部分上，或者换句话说，内透镜部分具有一些区域，仅光源的整个形状的一部分被投射到这些区域上，可以降低或消除上述光晕效应，如果需要的话。

阻挡元件使中心透镜的光分布更窄、更不清晰并且有助于消除来自源的颜色伪影。虽然光斑的效率不可避免地降低，但可以保持峰值强度。

光阻挡可以包括吸收和/或反射。它可以仅影响中心透镜部分，并且然后在菲涅耳透镜的TIR部分上没有或具有最小的光阻挡效果。可替换地，也可以阻挡光通过TIR部分的第一部分。第一TIR齿还导致一些低强度光晕，虽然比中心透镜强度更小且角度更小。

“减小图像区”可以被定义为内透镜部分（即，中心折射透镜）的表面的一部分，其中光仅从光源的区域的一部分到达该部分。通常，合乎期望的是阻挡光源的边缘区将光投射到透镜表面的该“减小图像区”部分。然而，也可以存在内透镜部分的表面的一部分，其中全光源区域是可见的（即，投射到表面上）。

在一个示例中，减小图像区可以包括在光轴处的内透镜部分的至少一部分。因此，内透镜部分的中心部分可以接收来自光源的降低的光输出。

光阻挡元件例如包括圆锥形挡板。这提供了光缩窄功能，其限制了到达中心部分的光的角度扩展，并且可选地还限制了透镜的径向外部部分。这可以通过具有小于光源（或者小于从光源到内透镜部分的外边缘的束包络）的圆锥形挡板的开口来实现。

圆锥形挡板例如具有邻近光源位置的第一开口，和邻近内透镜部分的更大的第二开口，其中第二开口小于内透镜部分。因此，存在从圆锥形挡板内部以及圆锥形挡板外部周围到达内透镜部分的光。

在另一示例中，光阻挡元件包括以光轴为中心的光阻挡挡板。这可以简单地阻挡光而不是使光经过狭窄空间，使得光必须绕过挡板的外边缘。

光阻挡挡板例如被适配为在由光源区的边缘和内透镜部分的相对边缘上的点之间的路径限定的区域内延伸，所述光源区对应于光源位置处的光源的尺寸。所述点的位置是设计选择，它控制实现多少阻挡。

这意味着没有光到达内透镜部分的中心。

光阻挡挡板可以是反射器，以将光反射回到光源方位处。这提供了被阻挡光的再循环。

在另一组示例中，减小图像区包括至少内透镜部分的外周边。因此，可以降低到内透镜部分的中心部分或外部部分（或两者）的光。

光阻挡元件可以再次包括圆锥形挡板。然而，圆锥形挡板然后可以具有邻近光源位置的第一开口，以及邻近内透镜部分的第二更大开口，其中第二开口在尺寸上对应于内透镜部分。

在另一组示例中，减小图像区包括整个内透镜部分。例如，光阻挡元件可以包括一组同心圆锥形挡板，其抵靠内透镜部分的整个表面地布置。它们形成跨内透镜部分的区域分布的小光阻挡元件的阵列。

在另一组示例中，光阻挡元件可以包括以环形布置设置的一组径向延伸的翅片。这些翅片阻挡偏斜光线，偏斜光线可以入射在内透镜部分上，因为光源具有有限的光输出区域（即，它不是点源）。因此，光阻挡元件降低了偏斜。

可以组合不同的示例。例如，径向翅片可以与其他设计中的任一个相组合。光阻挡平板或反射挡板也可以与圆锥形挡板相组合。

取决于光阻挡元件（诸如挡板）的设计，内透镜部分（中心透镜）可能需要重新设计，以考虑光阻挡元件挡板之后的光的特性，并且然后实现束缩窄。

本发明还提供了一种照明单元，包括：

如上定义的准直器布置；以及

定位在光源位置处的光源。

光源例如被适配为提供来自光源位置处的以光轴为中心的光源区的光输出。因此，光源位置可以被认为是沿着光轴的空间中的单个点，并且光源区可以被认为是对应于光源的光发射出射表面的尺寸的空间中的区。

附图说明

现在将参考示意性附图详细描述本发明的示例，其中为了清楚起见，一些部件可能以夸大的形式被示出，并且在附图中：

图1示出了典型的菲涅耳透镜；

图2示出了具有在中心透镜和光源位置之间的阻挡元件的菲涅耳透镜的第一示例；

图3示出了从透镜下方的图2的设计的透视图；

图4示出了第二示例；

图5示出了对图4的设计的修改；

图6示出了第三示例；

图7示出了第四示例；

图8示出了用于阻挡偏斜光线的光阻挡元件的第五示例；

图9示出了从透镜下方的图8的径向挡板布置的透视图；

图10示出了图2的设计与图8的设计相组合的设计；

图11示出了从透镜上面的图10的设计的透视图；

图12示出了针对完整菲涅尔透镜的无修改透镜的远场光强度；

图13示出了使用图2的设计对图12的远场光强度的影响；

图14也示出了仅针对中心透镜的无修改透镜的远场光强度；

图15示出了使用图2的设计对图14的远场光强度的影响；以及

图16针对图2的设计与没有光阻挡元件的设计相比较地示出了作为角度的函数的光强度。

具体实施方式

本发明提供一种准直器，其包括菲涅耳透镜，该菲涅耳透镜具有焦点并且包括折射透镜部分和齿状全内反射部分。光阻挡元件至少在透镜部分和在光源位置处提供的光源之间。光源输出的一部分被阻挡到达内透镜部分的至少一个区。在透镜部分的一些或所有部分处，光不从光源的全部区域到达那些部分。该部分光阻挡意味着光源的整个形状没有投射到透镜部分的全部上，并且降低或消除了光晕效应。这用来降低光源的光学扩展量并降低中心透镜的束角度、其成像特性、黄环问题和眩光问题。

光阻挡元件可以是反射性的，以通过将光发送回到源来再循环光的部分，或者它可以是吸收的。

图2示出了准直器1的第一示例，其中通常指定为20的光阻挡元件以中心圆锥形挡板20a的形式。它定位在菲涅耳透镜3的中心透镜10（其是“内透镜部分”）和光源位置17之间。光轴13穿过菲涅耳透镜的中心5、穿过焦点15并且穿过定位在焦点处的光源14。

圆锥形挡板具有邻近光源的第一开口22a，以及邻近中心透镜的更大的第二开口24a。第二开口24a小于中心透镜，使得第二开口将中心透镜分成圆形内部部分和环形外部部分。

光阻挡元件意味着来自光源14的全部区域的光不都到达中心透镜的每个点。相反，来自光源的光源输出的一部分被阻挡到达中心透镜的至少一部分，其将被称为“减小图像区”，因为只有光源输出的部分被投射到该区上，因此给出了减小的图像。

在图2中，到达中心透镜的径向外部点的光角度的范围由光路径26限定（来自光源14的左部分的光不在该点处到达中心透镜）。到达中心透镜的中心点的光角度的范围由光路径28限定（来自光源14的左侧和右侧的光不在该点处到达中心透镜）。

因此，在图2中，“减小图像区”是整个中心透镜，使得中心透镜的入射表面上没有点“看到”全部源，但是所有点都看到光源的延伸的部分截面。通过选择对于中心透镜的入射表面而言可见的光源的部分，可以限定如图2中示出的边缘光线，并且交叉点限定圆锥形挡板的起点和终点，如也可以在图2中看到的。

在该设计中，中心透镜的大部分看到光源边缘中的很少或看不到光源边缘，这导致黄环问题的减少。

中心透镜可以保持与引入圆锥形挡板之前相同的外部凹透镜表面设计。可替换地，可以执行入射透镜的两个部分（圆形内部和环形外部）的数值优化。另一方案是使用非成像光学器件设计规则来重新设计中心透镜以最佳地准直来自被挡板挡住的光源的光。可以在设计中使用透镜/圆锥组合的边缘光线以确保所有图像以光轴为中心。

图3示出了从透镜下方的图2的设计的透视图。

图4示出了一示例，其中光阻挡元件20包括放置在光源14和中心透镜10之间的平坦挡板20b。挡板以光轴为中心。在减小图像区7中，仅将光源输出的一部分投射到该区上，因此给出了减小的图像。

挡板20b在由光源区的边缘和中心透镜的相对边缘之间的路径限定的区域内延伸，所述光源区对应于光源位置处的光源的尺寸。一条这样的光线被示出为40。这意味着对于在该边缘内侧的中心透镜的区域中的全部仅接收来自光源的一个边缘的光。

在这种情况下，中心10的入射表面不变。然而，中心透镜10的出射表面被使用来自源和挡板的边缘的波前的专用设计代替，以获得最佳准直。

通常，吸收挡板不必是平坦的，它可以是任何形状，优选地具有旋转对称性，诸如球形、或任何非球面形状。在某些情况下，这可以改善光线阻挡。

图5示出了对图4的挡板的修改，其中它包括反射椭圆形元件20c。椭圆的两个焦点15a、15b是光源14的边缘，光源14定位在光源位置17处。这确保撞击挡板的所有光被反射回到光源以便再循环。

在图4和5中，“减小图像区”是中心透镜的中心部分直到边缘。

图6示出了一示例，其中光阻挡元件20包括不同设计的圆锥形挡板20d。圆锥形挡板20d同样具有邻近光源位置的第一开口22d，以及邻近内透镜部分的更大的第二开口24d。在该设计中，第二开口在尺寸上对应于中心透镜。挡板特别地位于连接源边缘和中心透镜入射表面的相对边缘的线上。

圆锥的端点（在第一开口22d处）确定中心透镜的多少“看到”源的减小的部分，即，阻挡量。这里，出射透镜被重新设计。特别地，由于光线在中心透镜的边缘处非常倾斜，因此出射透镜比在其他设计中凸出更多。

在该设计中，减小图像区7包括至少中心透镜10的外周边。中心透镜的中间23可以看到全部光源。

图7示出了一设计，其中通过提供作为抵靠中心透镜的整个表面布置的一组20e圆锥形挡板70的光阻挡元件20，减小图像区包括整个中心透镜。这些圆锥形挡板形成嵌套圆锥，即，它们均共享共同的中心轴并且同心地布置。这种设计将撞击中心透镜的光限制到中心透镜上的每个点处的较小的角度范围。中心透镜的设计可以与没有光阻挡元件的情况下相同。该设计将引入附加的光损失，这部分地取决于挡板壁的厚度。

以上示例仅在子午（光学）平面中设计。它们不是被专门设计为阻挡弧矢（平面外）光线中的光。

在示例中的一些中，弧矢方向上的阻挡比子午平面中的阻挡效率低得多，使得一些偏斜光线以与未阻挡中心透镜的极端光线相类似的角度发射。

如图8中示出的，这样的光线可以被在弧矢方向上起作用的挡板专门地阻挡。

在图8中，光阻挡元件20包括以环形布置设置并限定中心开口82的一组20f径向延伸的翅片80。这可以被描述为星形挡板。

径向星形挡板能够有效地阻挡偏斜光线。这样的挡板的几何条件遵循源边缘光线的偏斜和意图的发射角度。围绕光轴以圆形阵列放置的挡板越多，并且它们沿着源光线方向延伸得越长，最大偏斜透射角度越小。

在图2至7的示例中，光阻挡元件仅用于改变到达中心透镜的光。图8示出了挡板80可以用于限制中心透镜的边缘处以及还有TIR齿的第一部分处的偏斜光线。TIR菲涅耳透镜的这些齿在弧矢方向上以大角度发射光。

图9示出了从透镜下方的图8的径向挡板布置20f的透视图。

可以组合不同的设计。例如，径向翅片设计（星形挡板）20f可以与光阻挡元件的其他设计中的任一个（图4的平坦挡板、图5的反射挡板、图2的小圆锥形挡板、图6的大圆锥形挡板以及图7的嵌套圆锥形挡板）相组合。此外，可以组合不同的挡板设计（除了径向翅片设计之外），诸如图6的大圆锥形挡板和图4或5的中心挡板。

图10示出了一设计，其中图2的小圆锥形挡板20a与图8的径向翅片80相组合。图11示出了从透镜上方的透视图，其中菲涅耳透镜被切除以露出圆锥挡板和下面的径向翅片。

已经使用光线跟踪软件验证了设计的光学性能。

图12示出了基于简化的COB LED布置的无修改透镜的远场光强度，在边缘处具有黄色环120（当然，黄色在图12中是不可见的）。它示出了完整菲涅耳透镜的光强度。

图13示出了使用图2的设计对远场光强度的影响。黄色环变得不可见并且光晕被消除。

图14也示出了基于简化的COB LED布置的无修改透镜的远场光强度，在边缘处具有黄色环120（同样地，当然，黄色在图14中是不可见的）。该图像仅示出中心透镜的光强度。

图15示出了同样仅使用图2的设计对中心透镜的远场光强度的影响。

在该示例中，束角度和强度保持在相同水平处，但是场角度从大约11.5度降低到9.5度。效率降低了16％。

图16示出了作为角度的函数的光强度。曲线160用于标准菲涅耳透镜，并且曲线162示出了通过引入图2的挡板设计的变化。在最大强度的10％处测量9.5度的场角度。

透镜可以例如由PMMA或PC形成，但是可以使用任何电介质，包括玻璃、硅树脂、聚氨酯、聚烯烃。

吸收挡板可以由任何塑料（黑色涂漆的或固有吸收的）以及金属、玻璃、陶瓷形成。挡板可以是光散射而不是光吸收的，例如使用白色或灰色表面。

对于反射挡板，可以使用金属涂覆的塑料或高反射金属（由片状或块状材料形成）。

与中心透镜接触的圆锥挡板可以通过搭扣配合安装到中心透镜处提供的小安装特征中。所有其他不接触中心透镜的设计都可以被安装，其中薄的径向翅片延伸并连接到LED、LED衬底、灯外壳或准直器。

在上面的示例中，中心透镜被示出为具有平滑折射的入射和出射表面。以微透镜形式的表面纹理也可以应用于两个中心透镜表面中的任一个或两个，以用于附加的混合和束平滑。

从上面的示例可以看出，许多不同的实现方式是可能的。大多数示例的共同特征是发射到TIR菲涅耳部分的通量基本上保持畅通无阻。光阻挡元件可以与TIR部分根本没有相互作用，或者否则它们还可以进一步径向向外延伸，以便影响穿过第一（即，径向最内）TIR齿或第一组TIR齿的光，因为它们也可能产生一些具有太大的离轴角度的光。

如以上示例中还示出的，在一些设计中，与没有光阻挡元件的设计相比，中心透镜设计可以保持不变。在其他设计中，根据在光阻挡元件之后透射的光的特性来调整中心透镜设计可能是有益的。

在所有示例中，通过在结构内具有光阻挡元件来降低设备的总效率。为了实现将中心透镜的束角度降低到与TIR菲涅耳部分类似的角度的期望效果，通常可能需要阻挡通过中心透镜的光的大约30％至70％，例如40％至50％。当考虑到TIR菲涅耳部分透射高达源光的70％时，通量效率的总损耗然后为12％至15％。

在总通量降低的同时，轴上（即，在提供准直的方向上）强度基本上保持不变。这通过选择性地阻挡离轴光并让轴上光通过，以及通过保持全部中心透镜的闪光面积来实现。闪光面积是出射孔的部分，当从大距离（远场）轴上观看时，该部分被点亮。闪光面积与实现的强度成正比。

该设计优选地关于光轴旋转对称。

例如，菲涅耳透镜具有在20 mm至100 mm的范围内的典型直径，尽管可以容易地制造更小和更大的透镜（例如，从5 mm到500 mm）。

当使用塑料注射形成时，典型的透镜厚度将在1.5 mm和10 mm之间，尽管也可以制造更厚和更薄的透镜。到源的距离对于许多TIR透镜而言是在透镜直径的15％到30％的范围内。

本发明对普通聚光灯（诸如MR16、GU10、AR111）、零售照明、抛物面镀铝反射器（PAR）灯和专业聚光灯而言是令人感兴趣的。当减少的光晕和更少的眩光是合乎期望的时，这是令人感兴趣的。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时能够理解和实现所公开实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。

Claims (14)

1.一种准直器（1），具有焦点（15），用于定位在要被提供在光源位置（17）处的所述焦点处的光源（14）上，所述准直器包括：

菲涅耳透镜（3），包括折射内透镜部分（10）和外齿状全内反射部分（12），所述菲涅耳透镜具有光轴（13），所述光轴（13）穿过所述内透镜部分（10）的中心（5）并穿过所述光源位置；以及

光阻挡元件（20），在至少所述菲涅耳透镜的所述内透镜部分和所述光源位置之间，其中所述光阻挡元件（20）被适配为使得所述内透镜部分具有至少一个减小图像区（7），所述减小图像区是所述内透镜部分的区域，当所述光源定位在所述光源位置处时，只有所述光源的整个形状的一部分可以投射到所述内透镜部分的所述区域上，并且其中，所述光阻挡元件（20）包括以环形布置设置的一组（20f）径向延伸的翅片（80）。

2.根据权利要求1所述的准直器，其中，所述减小图像区（7）包括在所述光轴（13）处的所述内透镜部分（10）的至少一部分。

3.根据权利要求2所述的准直器，其中，所述光阻挡元件（20）包括圆锥形挡板（20a）。

4.根据权利要求3所述的准直器，其中，所述圆锥形挡板（20a）具有邻近所述光源位置的第一开口（22a），以及邻近所述内透镜部分的更大的第二开口（24a），其中所述第二开口（24a）小于所述内透镜部分（10）。

5.根据权利要求2所述的准直器，其中，所述光阻挡元件（20）包括以所述光轴（13）为中心的光阻挡挡板（20b；20c）。

6.根据权利要求5所述的准直器，其中，所述光阻挡挡板（20b；20c）被适配为在由光源区的边缘和所述内透镜部分（10）的相对侧上的点之间的路径（40）限定的区域内延伸，所述光源区对应于定位在所述光源位置处的所述光源（14）的尺寸。

7.根据权利要求5或6所述的准直器，其中，所述光阻挡挡板包括反射器（20c），以将光反射回到所述光源方位。

8.根据权利要求1所述的准直器，其中，所述减小图像区（7）包括至少所述内透镜部分的外周边。

9.根据权利要求8所述的准直器，其中，所述光阻挡元件（20）包括圆锥形挡板（20d）。

10.根据权利要求9所述的准直器，其中，所述圆锥形挡板具有邻近所述光源位置的第一开口（22d），以及邻近所述内透镜部分的更大的第二开口（24d），其中所述第二开口（24d）在尺寸上对应于所述内透镜部分（10）。

11.根据权利要求1所述的准直器，其中，所述减小图像区（7）包括整个内透镜部分。

12.根据权利要求11所述的准直器，其中，所述光阻挡元件（20）包括一组（20e）同心圆锥形挡板（70），所述一组（20e）同心圆锥形挡板（70）抵靠所述内透镜部分的整个表面布置。

13.一种照明单元，包括：

如任一前述权利要求所述的准直器布置；以及

定位在所述光源位置处的光源。

14.根据权利要求13所述的照明单元，其中，所述光源被适配为提供来自以所述光轴为中心的光源区的光输出。

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