CN110597022B - 基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微纳光学技术领域及光学元件加工制造领域,公开了一种基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术,首先设计像素单元二值掩模,每个像素单元包含N×N个纳米砖单元结构,纳米砖单元结构只有0和1两种透过率,然后保持像素单元内的纳米砖单元结构个数不变,通过改变像素单元二值掩模透过部分的纳米砖单元结构的个数来控制像素单元的透射率,从而实现像素单元的灰度调制。此外,通过改变入射线偏振光的偏振状态,灰度掩模的像素单元透射率发生改变,实现灰度掩模复用。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学技术领域及光学元件加工制造领域,尤其涉及一种基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术。
背景技术
灰度掩模法是一种重要的光学器件制作方法,用于制作二元光学元件和连续浮雕位相衍射光学元件,其中灰度掩模的设计和制作尤为重要。灰度掩模具有灰度变化,不同的灰度等级对应着不同的透过率,从而调节在感光材料表面产生的曝光剂量,显影之后能够得到与曝光剂量成比例的三维立体结构,再通过刻蚀技术,将感光层上的图案复制到基片上,从而最终形成表面结构。制作灰度掩模存在的主要问题是随着灰度等级的增加,制作难度大大增加,制作成本也大幅提高。
发明内容
针对现有灰度掩模技术方法的不足,本发明结合超表面阵列结构,提供了一种基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术,只需改变入射线偏振光的偏振态,即可实现灰度掩模复用。本发明提供一种成本低、周期短、设计灵活性高、可大批量生产的灰度掩模制作方法。
本发明提供的基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术,包括以下步骤:
首先设计像素单元二值掩模,每个像素单元包含N×N个纳米砖单元结构,纳米砖单元结构只有0和1两种透过率,然后保持像素单元内的纳米砖单元结构个数不变,通过改变像素单元二值掩模透过部分的纳米砖单元结构的个数来控制像素单元的透射率,从而实现像素单元的灰度调制;此外,通过改变入射线偏振光的偏振状态,灰度掩模的像素单元透射率发生改变,实现灰度掩模复用;
具体包括以下步骤:
1)优化设计可等效为微型起偏器的纳米砖单元结构:确定工作波长,通过电磁仿真软件优化纳米砖单元结构的尺寸参数,使得工作波长下任意偏振态的线偏振光正入射至纳米砖单元结构时,沿纳米砖单元结构的长轴方向振动的线偏振光分量透过率最小,同时沿纳米砖单元结构的短轴方向振动的线偏振光分量透过率最大;
2)纳米砖单元结构对应的透过率编码:选取方向角Φ为22.5°、67.5°、112.5°和157.5°的四种纳米砖单元结构,入射光为θ=0°和θ=45°的线偏振光;当入射光为θ=0°的线偏振光时,所述四种方向角的纳米砖单元结构对应的透过率分别为0、1、1、0;当入射光为θ=45°的线偏振光时,所述四种方向角的纳米砖单元结构对应的透过率分别为0、0、1、1,即当入射线偏振光偏振态改变时,纳米砖单元结构对应的透过率也会发生改变,可以形成00、10、11、01四种编码;
3)设计像素单元二值掩模实现灰度调制:像素单元二值掩模包含N×N个纳米砖单元结构,改变透过部分的纳米砖单元结构的个数K来控制像素单元的透射率,其中K=0,1,2,…N2,所述透过部分的透过率为1,从而实现像素单元N2+1级灰度等级的灰度调制,因此可以将灰度信息编码为像素单元二值掩模的0-1透过率矩阵;
4)灰度掩模复用设计:选取两幅由M×M个像素组成具有N2+1级灰度等级的灰度掩模图像image1和image2,图像中所有像素的灰度值构成灰度矩阵G1和G2;灰度矩阵每一个元素对应于灰度掩模中的一个像素单元二值掩模,将包含M×M个元素的G1和G2灰度矩阵根据步骤(3)转换为包含M*N×M*N个元素的两个0-1透过率矩阵T1和T2;
5)T1和T2的元素位置一一对应,将T1和T2矩阵联立生成透过率编码信息,由步骤2)中的编码信息对应求出仅包含22.5°、67.5°、112.5°和157.5°这四种方向角信息的方向角矩阵Φ;
6)将M*N×M*N尺寸一致、方向角按照方向角矩阵Φ排列的纳米砖单元结构在x、y方向上等间隔排列,构成超表面阵列结构。
优选的,所述步骤1)中,所述纳米砖单元结构的尺寸参数包括纳米砖的长度L、宽度W、高度H、单元结构基底边长C;所述步骤6)中,所述超表面阵列结构由衬底和刻蚀在所述衬底上的纳米砖阵列构成;所述衬底材料选用二氧化硅,所述纳米砖单元结构材料选用二氧化钛。
进一步地,所述步骤1)中,所述工作波长选用365nm;所述工作波长选用365nm时,纳米砖的长度为150nm,宽度为60nm,高度为190nm,单元结构基底边长为200nm。
本发明的优点及有益效果如下:本发明提供了一种基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术,该技术简单、设计灵活、易于操作,且只需改变入射线偏振光的偏振状态,就可以产生两幅完全不同的灰度掩模图案,即实现了灰度掩模复用;基于该技术的灰度掩模结构简单、体积小、重量轻、结构紧凑,工艺成熟简单,可进行大规模、低成本的复制生产,具有极大的产业化前景,而且灰度掩模的灰度等级仅取决于像素单元所包含纳米砖单元结构的数量,即灰度等级的增加并不会增加制作难度和制作成本。
本发明基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术至少包括如下技术效果:
(1)本发明提供的灰度掩模复用技术简单、设计灵活、易于操作,不仅可以实现灰度掩模,并且通过改变入射线偏振光的偏振状态可以产生两幅完全不同的灰度掩模图案,实现灰度掩模复用;
(2)超表面材料(即超表面阵列结构)的结构简单、体积小、重量轻、结构紧凑,涉及的超表面制造工艺成熟简单,可进行大规模、低成本的复制生产,具有极大的产业化前景;
(3)灰度掩模的灰度等级仅取决于像素单元所包含纳米砖单元结构的数量,不存在传统灰度等级掩模版存在的随着灰度等级的增加,制作难度大大增加,制作成本大幅提高的问题。
附图说明
图1是本发明基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术中纳米砖单元结构方向角的示意图;
图2是本发明基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术中纳米砖单元结构的尺寸参数示意图;
图3是本发明基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术中设计的纳米砖单元结构对分别沿长轴和短轴方向振动的两偏振态正交的线偏振光的反射和透射效率;
图4是本发明基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术中,当入射光为θ=0°和θ=45°的线偏振光时纳米砖单元结构的方向角Φ为22.5°、67.5°、112.5°和157.5°的对应的透过率编码信息表;
图5是本发明基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术中,N=2的像素单元二值掩模产生的灰度等级及对应的0-1透过率矩阵;
图6是本发明基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术中,灰度掩模中任意一个像素单元实现灰度复用的编码过程;
图7是本发明基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术中由(M*N)×(M*N)个尺寸一致且方向角为22.5°、67.5°、112.5°和157.5°的四种纳米砖单元结构在x、y方向上等间隔排列,构成的超表面阵列结构的示意图;
其中,1、纳米砖单元结构;2、衬底。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案,下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本实施例提供了一种基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术,主要包括以下步骤:
(1)优化设计可等效为微型起偏器的纳米砖单元结构。确定工作波长,通过电磁仿真软件优化纳米砖单元结构的尺寸参数,使得工作波长下任意偏振态的线偏振光正入射至纳米砖单元结构时,沿纳米砖单元结构的长轴方向振动的线偏振光分量透过率最小,同时沿纳米砖单元结构的短轴方向振动的线偏振光分量透过率最大;
(2)纳米砖单元结构对应的透过率编码。选取方向角Φ为22.5°、67.5°、112.5°和157.5°的四种纳米砖单元结构,当入射光为θ=0°的线偏振光时,所述四种方向角的纳米砖单元结构对应的透过率分别为0、1、1、0;当入射光为θ=45°的线偏振光时,所述四种方向角的纳米砖单元结构对应的透过率分别为0、0、1、1,即当入射线偏振光偏振态改变时,纳米砖单元结构对应的透过率也会发生改变,可以形成00、10、11、01四种编码;
(3)设计像素单元二值掩模实现灰度调制。像素单元二值掩模包含N×N个纳米砖单元结构,改变透过部分(透过率为1)的纳米砖单元结构的个数K(K=0,1,2,…N2)来控制像素单元的透射率,从而实现像素单元(N2+1)级灰度等级的灰度调制,因此可以将灰度信息编码为像素单元二值掩模的0-1透过率矩阵;
(4)灰度掩模复用设计。选取两幅由M×M个像素组成具有(N2+1)级灰度等级的灰度掩模图像image1和image2,图像中所有像素的灰度值构成灰度矩阵G1和G2。灰度矩阵每一个元素对应于灰度掩模中的一个像素单元二值掩模,将包含M×M个元素的G1和G2灰度矩阵根据步骤(3)转换为包含(M*N)×(M*N)个元素的两个0-1透过率矩阵T1和T2;
(5)T1和T2的元素位置一一对应,将T1和T2矩阵联立生成透过率编码信息,由步骤(2)中的编码信息对应求出仅包含22.5°、67.5°、112.5°和157.5°这四种方向角信息的方向角矩阵Φ;
(6)将(M*N)×(M*N)尺寸一致、方向角按照方向角矩阵Φ排列的纳米砖单元结构在x、y方向上等间隔排列,构成超表面阵列结构。
利用超表面阵列结构,当θ=0°的线偏振光入射到设计的灰度掩模时,显示一幅灰度掩模图像;当θ=45°的线偏振光入射到灰度掩模时,显示另外一幅不同的灰度掩模图像,仅需改变入射线偏振光的偏振态即可实现灰度掩模复用。
下面对本发明做进一步的说明。
1、优化设计可等效为微型起偏器的纳米砖单元结构。
下面以纳米砖单元结构为长方体为例进行说明。所述纳米砖单元结构的长、宽、高均为亚波长。
如图1所示,建立xoy直角坐标系,纳米砖单元结构1的长边方向代表长轴,短边方向代表短轴,Φ为纳米砖单元结构1的长轴与x轴之间的夹角,即纳米砖单元结构1的方向角(Φ的取值为0°~180°),如图1所示。
由于纳米砖单元结构1的长短轴尺寸存在差异,沿两个方向的电磁响应也将不同。通过电磁仿真软件优化纳米砖单元结构的尺寸参数,包括纳米砖单元结构1的高度H、长度L、宽度W和单元结构基底边长C(即相当于将衬底2划分为多个单元结构基底),如图2所示。使得工作波长下任意偏振态的线偏振光正入射至所述纳米砖单元结构1时,获得沿纳米砖单元结构1的长轴方向振动的线偏振光分量透过率最小,同时沿纳米砖单元结构1的短轴方向振动的线偏振光分量透过率最大的一组尺寸参数,即优化后的纳米砖单元结构1的尺寸参数。
由于任意偏振态的线偏振光都可以分解为两正交偏振的线偏振光,因此工作波长下任意线偏振光正入射至纳米砖单元结构上时,振动方向与纳米砖单元结构的长轴方向一致的线偏振光分量发生反射,振动方向与纳米砖单元结构的短轴方向一致的线偏振光分量直接透过。因此通过电磁仿真软件优化优化设计后的纳米砖单元结构可以实现偏振分光的功能,相当于一个微型的起偏器。
2、像素单元二值掩模设计及灰度调制原理。
由于纳米砖单元结构可以用作微型起偏器,因此满足:
Iout=Iinsin2(Φ-θ) (1)
其中,Iin为入射光光强,Iout为透射光光强,θ为入射线偏振光的振动方向与x轴之间的夹角(θ的取值范围为0°~180°)。
由公式(1)可知,对于一个给定的θ,即入射线偏振光的偏振态确定,改变纳米砖单元结构的方向角Φ,则透射光的光强也随之发生变化。存在两个不同的方向角Φ1和Φ2,使得入射到两个具有不同方向角Φ1和Φ2的纳米砖上时,其透射光光强相同。当θ发生改变时,此时入射到两个具有不同方向角Φ1和Φ2的纳米砖上时,其透射光光强不同。
特别地,当纳米砖单元结构的方向角Φ为22.5°、67.5°、112.5°和157.5°时,如图4所示,当入射光为θ=0°的线偏振光时,所述四种方向角的纳米砖单元结构对应的透过率分别为0、1、1、0;当入射光为θ=45°的线偏振光时,所述四种方向角的纳米砖单元结构对应的透过率分别为0、0、1、1,即当入射线偏振光偏振态改变时,纳米砖单元结构对应的透过率也会发生改变,可以形成00、10、11、01四种编码。
像素单元二值掩模包含N×N个尺寸一致、方向角Φ为22.5°、67.5°、112.5°和157.5°的四种纳米砖单元结构,保持像素单元二值掩模的纳米砖单元结构个数不变,通过改变像素单元二值掩模透过部分(透过率为1)的纳米砖单元结构的个数K(K=0,1,2,…N2)来控制像素单元的透射率,从而实现像素单元的灰度调制,基于上述像素单元二值掩模的灰度掩模具有(N2+1)级灰度等级。
1、基于像素单元二值掩模实现灰度掩模复用的设计方法。
(1)灰度掩模的灰度矩阵编码为像素单元二值掩模的0-1透过率矩阵。
首先选取两幅由M×M个像素组成具有(N2+1)级灰度等级的灰度掩模图像image1和image2,图像水平方向上的像素个数为M,垂直方向上的像素个数为M,且图像只有灰度等级,没有颜色的变化,图像中所有像素的灰度值构成灰度矩阵G1和G2。灰度图像中每一个像素对应于灰度掩模中的一个像素单元二值掩模,每个像素单元二值掩模包含N×N个纳米砖单元结构,将图像的灰度信息编码为每个像素单元二值掩模透过部分(透过率为1)的纳米砖单元结构的个数K(K=0,1,2,…N2)来控制像素单元的透射率,从而实现像素单元的灰度调制。此时,将包含M×M个元素的灰度矩阵转换为包含(M*N)×(M*N)个元素的纳米砖单元结构的0-1透过率矩阵T1和T2。
(2)灰度掩模复用的设计方法
假设入射θ=0°的线偏振光时,灰度掩模显示图像image1,此时纳米砖单元结构的0-1透过率矩阵为T1;入射θ=45°的线偏振光时,灰度掩模显示图像image2,此时纳米砖单元结构的0-1透过率矩阵为T2。T1和T2的元素位置一一对应,由图4可知,22.5°、67.5°、112.5°和157.5°这四种方向角的纳米砖单元结构在θ=0°和θ=45°的线偏振光入射时对应的透过率分别为0、1、1、0和0、0、1、1,可以形成00、10、11、01四种编码。因此可将T1和T2矩阵联立编码为(M*N)×(M*N)个纳米砖单元结构的方向角信息,生成仅包含22.5°、67.5°、112.5°和157.5°这四种方向角信息的方向角矩阵Φ。
(3)基于超表面阵列结构的灰度掩模由衬底和衬底上的纳米砖阵列构成,纳米砖阵列由(M*N)×(M*N)尺寸一致、方向角按照方向角矩阵Φ排列的纳米砖单元结构在x、y方向上等间隔排列组成。
分别用θ=0°和θ=45°的线偏振光照射设计的灰度掩模时,可以显示出两幅不同的灰度掩模图案,即本发明通过超表面阵列结构能够实现灰度掩模复用。
其中,所述灰度掩模的工作模式为透射模式,所述衬底为二氧化硅衬底,所述纳米砖单元结构为二氧化钛纳米砖,但不限于此。
综上所述,基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术,主要包括以下内容:
(1)优化纳米砖单元结构的尺寸参数,使之等效为微型起偏器;
(2)纳米砖单元结构对应的透过率编码;
(3)设计像素单元二值掩模;
(4)基于像素单元二值掩模的灰度掩模复用设计。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本实施例提供的一种基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术,针对振动方向与x轴夹角θ=0°和θ=45°的入射线偏振光设计纳米砖阵列,其预期实现的功能是当θ=0°和θ=45°的入射线偏振光分别入射到设计的灰度掩模时,可以显示出两幅不同的灰度掩模图案,即本发明通过超表面阵列结构能够实现灰度掩模复用的功能。
本实施例中,纳米砖单元结构由二氧化硅基底,以及刻蚀在基底上的二氧化钛纳米砖构成,选取设计波长为λ=365nm,针对该波长,通过电磁仿真软件CST对纳米砖单元结构进行优化仿真,得到优化后的银纳米砖的尺寸参数为:长为L=150nm,宽为W=60nm,高为H=190nm,单元结构基底边长为C=200nm。该结构参数下纳米砖单元结构对分别沿长轴和短轴方向振动的两偏振态正交的线偏振光的反射和透射效率如图3所示,其中Rl、Tl分别代表沿纳米砖单元结构的长轴方向振动的线偏振光的反射率和透射率,Rs、Ts分别表示沿纳米砖单元结构的短轴方向振动的线偏振光的反射率和透射率。由图4可知,在工作波长365nm下,Ts高于95%,Tl低于5%,这表明,沿短轴方向振动的线偏振光几乎全部透过,而沿长轴方向振动的线偏振光仅有少量光透过,即该优化后纳米砖单元结构可以实现偏振分光的功能,可等效为微型起偏器。
本实施例中,纳米砖单元结构的方向角Φ为22.5°、67.5°、112.5°和157.5°时,如图4所示,当入射光为θ=0°的线偏振光时,所述四种方向角的纳米砖单元结构对应的透过率分别为0、1、1、0;当入射光为θ=45°的线偏振光时,所述四种方向角的纳米砖单元结构对应的透过率分别为0、0、1、1,即当入射线偏振光偏振态改变时,纳米砖单元结构对应的透过率也会发生改变,可以形成00、10、11、01四种编码。
像素单元二值掩模包含N×N个尺寸一致、方向角Φ为22.5°、67.5°、112.5°和157.5°的四种纳米砖单元结构,保持像素单元二值掩模的纳米砖单元结构个数不变,通过改变像素单元二值掩模透过部分(透过率为1)的纳米砖单元结构的个数K(K=0,1,2,…N2)来控制像素单元的透射率,从而实现像素单元的灰度调制,基于上述像素单元二值掩模的灰度掩模具有(N2+1)级灰度等级。其中每个像素单元二值掩模K个透过部分的位置是随意挑选的,只需保证透过部分(透过率为1)的纳米砖单元结构的个数为K即可。以N=2为例,包含2×2个纳米砖单元结构的像素单元二值掩模可以产生5个灰度等级,灰度对应的像素单元二值掩模的0-1透过率矩阵,如图5所示。
选取两幅由M×M个像素组成具有5级灰度等级的灰度掩模图像image1和image2中同一位置处的像素为例,如图6所示,像素的灰度值为g1和g2(g1≠g2),灰度图像中每一个像素对应于灰度掩模中的一个像素单元二值掩模,每个像素单元二值掩模包含N×N(N=2)个纳米砖单元结构,将像素的灰度信息编码为像素单元二值掩模透过部分(透过率为1)的纳米砖单元结构的个数K(K=0,1,2,3,4),生成0-1透过率矩阵t1和t2,二者联立编码后结合图4找到对应的纳米砖单元结构的方向角,因此实现了将像素单元的灰度信息转换为纳米砖单元结构的方向角信息。当入射光为θ=0°和θ=45°的线偏振光时,像素显示的灰度值分别为g1和g2,即实现了灰度复用。以次类推,灰度掩模图像中所有像素均以此方式编码,将两幅灰度掩模图像的灰度信息转换为纳米砖单元结构方向角矩阵Φ。基于超表面阵列结构的灰度掩模由衬底和衬底上的纳米砖阵列构成,纳米砖阵列由(M*N)×(M*N)尺寸一致、方向角按照方向角矩阵Φ排列的纳米砖单元结构在x、y方向上等间隔排列组成。
分别用θ=0°和θ=45°的线偏振光照射灰度掩模时,可以显示出两幅不同的灰度掩模图案,即本发明通过超表面阵列结构能够实现灰度掩模复用的功能。
Claims (3)
1.一种基于超表面阵列结构的灰度掩模复用方法,其特征在于:首先设计像素单元二值掩模,每个像素单元包含N×N个纳米砖单元结构(1),纳米砖单元结构(1)只有0和1两种透过率,然后保持像素单元内的纳米砖单元结构(1)个数不变,通过改变像素单元二值掩模透过部分的纳米砖单元结构(1)的个数来控制像素单元的透射率,从而实现像素单元的灰度调制;此外,通过改变入射线偏振光的偏振状态,灰度掩模的像素单元透射率发生改变,实现灰度掩模复用;
具体包括以下步骤:
1)优化设计可等效为微型起偏器的纳米砖单元结构(1):确定工作波长,通过电磁仿真软件优化纳米砖单元结构(1)的尺寸参数,使得工作波长下任意偏振态的线偏振光正入射至纳米砖单元结构(1)时,沿纳米砖单元结构(1)的长轴方向振动的线偏振光分量透过率最小,同时沿纳米砖单元结构(1)的短轴方向振动的线偏振光分量透过率最大;
2)纳米砖单元结构(1)对应的透过率编码:选取方向角Φ为22.5°、67.5°、112.5°和157.5°的四种纳米砖单元结构(1),入射光为θ=0°和θ=45°的线偏振光;当入射光为θ=0°的线偏振光时,所述四种方向角的纳米砖单元结构(1)对应的透过率分别为0、1、1、0;当入射光为θ=45°的线偏振光时,所述四种方向角的纳米砖单元结构(1)对应的透过率分别为0、0、1、1,即当入射线偏振光偏振态改变时,纳米砖单元结构(1)对应的透过率也会发生改变,可以形成00、10、11、01四种编码;
3)设计像素单元二值掩模实现灰度调制:像素单元二值掩模包含N×N个纳米砖单元结构(1),改变透过部分的纳米砖单元结构(1)的个数K来控制像素单元的透射率,其中K=0,1,2,…N2,所述透过部分的透过率为1,从而实现像素单元N2+1级灰度等级的灰度调制,因此可以将灰度信息编码为像素单元二值掩模的0-1透过率矩阵;
4)灰度掩模复用设计:选取两幅由M×M个像素组成具有N2+1级灰度等级的灰度掩模图像image1和image2,图像中所有像素的灰度值构成灰度矩阵G1和G2;灰度矩阵每一个元素对应于灰度掩模中的一个像素单元二值掩模,将包含M×M个元素的G1和G2灰度矩阵根据步骤3)转换为包含M*N×M*N个元素的两个0-1透过率矩阵T1和T2;
5)T1和T2的元素位置一一对应,将T1和T2矩阵联立生成透过率编码信息,由步骤2)中的编码信息对应求出仅包含22.5°、67.5°、112.5°和157.5°这四种方向角信息的方向角矩阵Φ;
6)将M*N×M*N尺寸一致、方向角按照方向角矩阵Φ排列的纳米砖单元结构(1)在x、y方向上等间隔排列,构成超表面阵列结构。
2.根据权利要求1所述的基于超表面阵列结构的灰度掩模复用方法,其特征在于:所述步骤1)中,纳米砖单元结构(1)的尺寸参数包括纳米砖的长度L、宽度W、高度H、单元结构基底边长C;
所述步骤6)中,所述超表面阵列结构由衬底(2)和刻蚀在所述衬底(2)上的纳米砖阵列构成;所述衬底(2)材料选用二氧化硅,所述纳米砖单元结构(1)材料选用二氧化钛。
3.根据权利要求2所述的基于超表面阵列结构的灰度掩模复用方法,其特征在于:所述步骤1)中工作波长选用365nm;所述工作波长选用365nm时,纳米砖的长度L为150nm,宽度W为60nm,高度H为190nm,单元结构基底边长C为200nm。
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