CN112363313B - 一种微小型空间反射结构的制备装置、制备方法及产品 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小型空间反射结构的制备装置、制备方法及产品，该制备方法包括：根据待制备微小型空间反射结构的结构特征，制备对应的网状板和基底，并选择相匹配的光敏材料；将网状板放置于所述基底上方后，将光敏材料分别加入网状板的各个网孔中；启动光照组件按照预设的光照时间对网状板施加光照，对网孔中的光敏材料进行固化以形成微小型空间反射结构。本发明通过光固化技术完成微小型空间反射结构的制备，能够为微小型空间反射结构的制备减小成本，解决空间反射结构制备的困难，将空间反射结构的制备纳入基本实验工艺范畴，为微小型光学反射结构的制造提供的了关键技术。

Description

一种微小型空间反射结构的制备装置、制备方法及产品

技术领域

本发明涉及光学反射结构加工技术领域，具体涉及一种微小型空间反射结构的制备装置、制备方法及产品。

背景技术

随着微机械的发展，微小型系统的研究越发深入，微小型零部件制造的重要性日渐突出。在光学领域中对微小型反射结构的制造极为精密，加工制造难度高，成本高，周期长，不利于微小型光学系统的推广和发展。同时，对于该类结构的加工需要用到精密仪器多，并不利于实验室内部的加工使用。

因此，急需要一种能够降低现有技术的加工难度且能够缩短制备时间、降低制备成本的微小型反射结构的加工方式，以满足现有光学领域的需求。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本发明实施例提供一种微小型空间反射结构的制备装置、制备方法及产品，以解决现有技术中对微小型反射结构的制造极为精密、加工制造难度高、成本高、周期长从而不利于微小型光学系统的推广和发展的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种微小型空间反射结构的制备装置，包括：

光敏材料；

网状板，其具有阵列式排布的多个微米级或毫米级的网孔，所述网孔用于容纳所述光敏材料；

基底，其设置在所述网状板下方，用于承载所述网状板；

光照组件，其设置在所述网状板上方，用于向所述网状板施加光照对所述网孔中的光敏材料进行固化以形成微小型空间反射结构。

作为本发明第一方面的优选方式，所述网状板为平面网格状结构，其由不与所述光敏材料发生反应且粗糙度低的金属材料制成。

作为本发明第一方面的优选方式，所述基底为平面板状结构，其由表面光滑的材料制成。

作为本发明第一方面的优选方式，若所述网状板上设置有微米级的网孔时，还包括刮板，用于将添加到所述网状板上方的所述光敏材料通过刮涂方式挤压到各个网孔中；

若所述网状板上设置有毫米级的网孔时，还包括滴液管，用于将所述光敏材料分别滴加到所述网状板上的各个网孔中。

第二方面，本发明提供一种微小型空间反射结构的制备方法，包括：

根据待制备微小型空间反射结构的结构特征，制备对应的网状板和基底，并选择相匹配的光敏材料；

将所述网状板放置于所述基底上方后，将所述光敏材料分别加入所述网状板的各个网孔中；

启动光照组件按照预设的光照时间对所述网状板施加光照，对所述网孔中的光敏材料进行固化以形成微小型空间反射结构。

作为本发明第二方面的优选方式，所述光敏材料的接触角根据所述微小型空间反射结构的曲率计算得到，具体计算公式如下：

其中，k为所述微小型空间反射结构的曲率，θ为所述光敏材料的接触角，r为所述网状板上网孔的内切圆的半径。

作为本发明第二方面的优选方式，所述光照组件发出的光包括紫外光和可见光。

作为本发明第二方面的优选方式，在所述根据待制备微小型空间反射结构的结构特征，制备对应的网状板和基底之后，还包括：

将所述网状板和所述基底放入去离子水中并进行超声振荡清洗，并采用乙醇进行冲洗。

作为本发明第二方面的优选方式，在所述启动光照组件按照预设的光照时间对所述网状板施加光照，对所述网孔中的光敏材料进行固化以形成微小型空间反射结构之后，还包括：

将所述微小型空间反射结构放入丙酮溶液或者乙醇溶液以除去未固化的光敏材料，并对所述微小型空间反射结构的表面进行粗糙度处理。

第三方面，本发明还提供一种微小型空间反射结构产品，其按照如第二方面及其优选方式中任一项所述的方法制备而成。

本发明实施例提供的微小型空间反射结构的制备装置、制备方法及产品，通过光固化技术完成微小型空间反射结构的制备，并且可以通过选择不同接触角的光敏材料来实现对空间反射结构反射曲面的曲率控制，能够为微小型空间反射结构的制备减小成本，解决空间反射结构制备的困难，将空间反射结构的制备纳入基本实验工艺范畴，为微小型光学反射结构的制造提供的了关键技术。

本发明提供的微小型空间反射结构的制备装置和制备方法，是一种全新的制备方式，能够降低现有技术的加工难度，并缩短制备时间、降低成本，有效拓展了微小型反射结构的制造领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种微小型空间反射结构的制备装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种微小型空间反射结构的制备装置的另一结构示意图；

图3(a)、图3(b)和图3(c)为本发明实施例提供的将不同亲疏水性光敏材料加入到网状板的网孔内部后光敏材料在网孔中与网孔壁面形成不同接触角的示意图，其中α＜θ＜90°＜β；

图4(a)为本发明实施例提供的采用亲水性光敏材料固化后取下网状板后的示意图，图4(b)为本发明实施例提供的采用疏水性光敏材料固化后取下网状板后的示意图；

图5(a)为本发明实施例提供的采用亲水性光敏材料固化后形成的单个微小型空间反射结构的示意图，图5(b)为本发明实施例提供的采用疏水性光敏材料固化后形成的单个微小型空间反射结构的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种微小型空间反射结构的制备方法的流程图。

其中，10、光敏材料，20、网状板，21、网孔，30、基底，40、刮板，50、滴液管。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

参照图1和图2所示，本发明实施例公开了一种微小型空间反射结构的制备装置，该装置主要包括：

光敏材料10；

网状板20，其具有阵列式排布的多个微米级或毫米级的网孔21，网孔21用于容纳光敏材料10；

基底30，其设置在网状板20下方，用于承载网状板20；

光照组件，其设置在网状板20上方，用于向网状板20施加光照对网孔21中的光敏材料10进行固化以形成微小型空间反射结构。

本实施例中，该微小型空间反射结构的制备装置主要包括光敏材料、网状板、基底以及光照组件。

其中，网状板上设置有多个阵列式排布的微米级或毫米级的网孔。网状板的尺寸大小与基底的尺寸大小相匹配，将网状板放置在基底上方并进行固定后，将光敏材料注入网状板上的各个网孔中，网孔需要具有一定高度。一般情况下，注入的光敏材料的体积接近网孔的体积即可。

网状板上各个网孔的尺寸根据待制备的微小型空间反射结构的结构特征设置，通常为了制作简便，一个网状板上的网孔的尺寸是相同的。网孔的尺寸都是微米级或毫米级的，由于制作的局限性，一般地，其尺寸大于50μm。本实施例中，优选将网孔的形状设置成方孔或圆孔结构，当然本领域技术人员可以根据实际需要将网孔设置为其他所需的形状。在本实施例中，网状板和基底的尺寸设置为100×100×5mm。

光敏材料也需要提前筛选好，应根据微小型空间反射结构中反射曲面的曲率计算光敏材料与网状板之间的接触角，并正确选择与基底的润湿性相匹配的光敏材料，以便在网状板的支撑辅助作用下形成需要的接触角。设光敏材料的接触角为θ，当0≤θ＜90°时，其为亲水性材料；当90°＜θ＜180°时，其为疏水性材料。光敏材料的润湿性随着接触角的增加而减小，光敏材料的接触角越小，润湿性越好，不同接触角的光敏材料最后形成的反射结构曲面不同。通过调节光敏材料的接触角，从而实现微小型空间反射结构中反射曲面的曲率的控制。在实际应用中，本领域技术人员应根据微小型空间反射结构的不同应用场合来对应选择不同性质的光敏材料。

具体参照图3(a)、图3(b)和图3(c)所示，选择不同的亲疏水性的光敏材料，并将光敏材料加入到网状板的网孔内部，其示出了不同亲疏水性光敏材料在网孔中与网孔壁面形成的不同接触角的示意图，其中α＜θ＜90°＜β。

当光敏材料在网状板的各个网孔中液面稳定后，此时通过光照组件在网状板的上方施加均匀的光照，对网孔中的光敏材料进行固化以形成微小型空间反射结构。

由于光敏材料本身存在固化收缩率，因此当其在固化的过程中会与网状板壁面之间发生分离，并向中部收缩。因此，在光敏材料固化成型后只需将网状板从基底上取下即可得到固化后的微小型空间反射结构。

具体参照图4(a)和图4(b)所示，图4(a)示出了采用亲水性光敏材料固化后取下网状板后的示意图，图4(b)示出了采用疏水性光敏材料固化后取下网状板后的示意图。

进一步参照图5(a)和图5(b)所示，图5(a)示出了采用亲水性光敏材料固化后形成的单个微小型空间反射结构的示意图，图5(b)示出了采用疏水性光敏材料固化后形成的单个微小型空间反射结构的示意图。

另外，光照组件发出的光优选为紫外光或可见光，光照的时间则根据光敏材料的固化特性而决定，一般为几十秒至几十分钟不等。

由于附图的局限性，图1和图2中并未示出光照组件，但是并不影响本领域技术人员对本技术方案的理解与实施。

优选地，网状板20为平面网格状结构，其由不与光敏材料10发生反应且粗糙度低的金属材料制成。

具体地，网状板优选设置为平面网格状结构，且其由不与光敏材料发生反应且粗糙度低的金属材料制成，这样便于光敏材料固化后从网状板的网孔中脱出。

该金属材料可以选择不锈钢、黄铜等金属材料，当然本领域技术人员可以根据实际情况选择其他合适的金属材料。

优选地，基底30为平面板状结构，其由表面光滑的材料制成。

具体地，基底优选设置为平面板状结构，且其由表面光滑的材料制成，这样也同样便于光敏材料固化后其底部与基底脱离。

该材料可以选择玻璃、PET材料等，当然本领域技术人员可以根据实际情况选择其他合适的材料。

优选地，若网状板20上设置有微米级的网孔21时，还包括刮板40，用于将添加到网状板20上方的光敏材料10通过刮涂方式挤压到各个网孔21中；

若网状板20上设置有毫米级的网孔21时，还包括滴液管50，用于将光敏材料10分别滴加到网状板20上的各个网孔21中。

具体地，当网状板上设置的网孔为微米级的网孔时，本制备装置还包括刮板，该刮板用于将添加到网状板上方的光敏材料通过刮涂方式挤压到各个网孔中，具体可参照图1所示。

当网状板上设置的网孔为毫米级的网孔时，本制备装置还包括滴液管，该滴管液用于将光敏材料分别滴加到网状板上的各个网孔中，具体可参照图2所示。

进一步地，参照图6所示，在上述结构的基础上，本发明实施例提供一种微小型空间反射结构的制备方法，该方法主要包括如下步骤：

101、根据待制备微小型空间反射结构的结构特征，制备对应的网状板和基底，并选择相匹配的光敏材料；

102、将网状板放置于基底上方后，将光敏材料分别加入网状板的各个网孔中；

103、启动光照组件按照预设的光照时间对网状板施加光照，对网孔中的光敏材料进行固化以形成微小型空间反射结构。

上述制备方法与上述实施例提供的微小型空间反射结构的制备装置相对应，是基于该制备装置的一种制备方法，该制备装置的具体结构可参照上述实施例所述的结构，在此不再赘述。

光固化技术的发展带来了快速成型技术在制造领域的应用，其具有精度高、成型快、能耗低等优点，受到了极大的关注。光固化技术能够实现复杂零部件的快速成型，主要成型原理是：通过光照将液体的光敏材料固化成型，其本质是通过光引发了聚合、交联反应。光固化技术能够缩短机械加工的制造周期，能够有效的控制成本，降低能耗。光固化技术能够实现复杂零部件的制造，降低科研项目的研发周期，将复杂加工简单化。

目前，光固化技术主要应用在线性尺寸零部件的加工制造，在空间曲面等方面的加工应用较少，特别是微小型空间反射结构的制备更是没有先例。因此，通过光固化技术实现微小型空间反射结构的制备是一种微小型光学反射结构制造的新途径。

步骤101中，先根据待制备微小型空间反射结构的结构特征，制备对应的网状板和基底，并选择相匹配的光敏材料。

网状板上设置有多个阵列式排布的微米级或毫米级的网孔，网孔需要具有一定高度，网状板的尺寸大小与基底的尺寸大小相匹配。网状板上各个网孔的尺寸根据待制备的微小型空间反射结构的结构特征设置，通常为了制作简便，一个网状板上的网孔的尺寸是相同的。网孔的形状可以优选设置成方孔或圆孔结构，当然本领域技术人员可以根据实际需要将网孔设置为其他所需的形状，在本实施例中，网孔的形状优选设置为圆孔状。

在本实施例中，网状板的尺寸与基底的尺寸优选设置为100×100×5mm，网状板采用不锈钢材料制作，而基底采用玻璃制作。

光敏材料也需要提前筛选好，应根据微小型空间反射结构中反射曲面的曲率计算光敏材料与网状板之间的接触角，并正确选择与基底的润湿性相匹配的光敏材料，以便在网状板的支撑辅助作用下形成需要的接触角。

设光敏材料的接触角为θ，当0≤θ＜90°时，其为亲水性材料；当90°＜θ＜180°时，其为疏水性材料。光敏材料的润湿性随着接触角的增加而减小，光敏材料的接触角越小，润湿性越好，不同接触角的光敏材料最后形成的反射结构曲面不同。通过调节光敏材料的接触角，从而实现微小型空间反射结构中反射曲面的曲率的控制。

由于亲水性材料在平面上会向着四周延展，如果将其放置网孔内，则会向着网孔的壁面爬升产生毛细现象，壁面与液面之间会形成一定曲率的空间曲面。而疏水性材料的情况则与之刚好相反。

优选地，光敏材料的接触角根据微小型空间反射结构的曲率计算得到，具体计算公式如下：

其中，k为所述微小型空间反射结构的曲率，θ为所述光敏材料的接触角，r为所述网状板上网孔的内切圆的半径。

在实际应用中，本领域技术人员应根据微小型空间反射结构的不同应用场合来对应选择不同性质的光敏材料。

优选地，光照组件发出的光包括紫外光和可见光。

具体地，光照组件发出的光优选为紫外光或可见光，固化效果较佳。具体的光照时间则根据光敏材料的固化特性而决定，一般为几十秒至几十分钟不等。

当然，本领域技术人员可以根据实际需要，选择能够发出其他光的光照组件以完成光固化过程。

优选地，在步骤101之后，即根据待制备微小型空间反射结构的结构特征，制备对应的网状板和基底之后，还包括如下步骤：

将网状板和基底放入去离子水中并进行超声振荡清洗，并采用乙醇进行冲洗。

本步骤中，将上述步骤101中制备好的网状板与基底一起放入到去离子水中，采用超声振荡清洗清洗30分钟，并采用乙醇进行冲洗，能够有效去除网状板与基底表面的杂质，避免影响制备出的微小型空间反射结构的质量。

步骤102中，将上述步骤中制备好的网状板放置于基底上方并进行固定后，再将光敏材料分别加入网状板的各个网孔中。

具体地，当网状板上设置的网孔为微米级的网孔时，采用刮板将添加到网状板上方的光敏材料通过刮涂方式使光敏材料挤压到各个网孔中，具体可参照图1所示。

当网状板上设置的网孔为毫米级的网孔时，采用滴管液将光敏材料分别滴加到网状板上的各个网孔中，具体可参照图2所示。

具体可参照图3(a)、图3(b)和图3(c)所示，将不同亲疏水性的光敏材料加入到网状板的网孔内部，其示出了不同亲疏水性光敏材料在网孔中与网孔壁面形成的不同接触角的示意图，其中α＜θ＜90°＜β。

步骤103中，当光敏材料在网状板的各个网孔中液面稳定后，启动光照组件按照预设的光照时间在网状板的上方施加均匀的光照，对网孔中的光敏材料进行固化以形成微小型空间反射结构。

由于光敏材料本身存在固化收缩率，因此当其在固化的过程中会与网状板壁面之间发生分离，并向中部收缩。因此，在光敏材料固化成型后只需将网状板从基底上取下即可得到固化后的微小型空间反射结构。

具体参照图4(a)和图4(b)所示，其示出了分别采用亲水性光敏材料和疏水性光敏材料固化后取下网状板的示意图。

进一步参照图5(a)和图5(b)所示，其示出了分别采用亲水性光敏材料和疏水性光敏材料固化后形成的单个微小型空间反射结构的示意图。

另外，光照组件发出的光优选为紫外光或可见光，光照的时间则根据光敏材料的固化特性而决定，一般为几十秒至几十分钟不等。例如，当网状板上设置的网孔为微米级的网孔时，采用紫外光照射5-10分钟即可；当网状板上设置的网孔为毫米级的网孔时，则需采用紫外光照射30分钟。

优选地，在步骤103之后，即在启动光照组件按照预设的光照时间对网状板施加光照，对网孔中的光敏材料进行固化以形成微小型空间反射结构之后，还包括如下步骤：

将微小型空间反射结构放入丙酮溶液或者乙醇溶液以除去未固化的光敏材料，并对微小型空间反射结构的表面进行粗糙度处理。

本步骤中，由于部分材料固化后可能存在固化不完全以及表面粗糙度较大的问题，所以在对固化成型后的微小型空间反射结构还要进行处理。

将上述步骤103中制备得到的微小型空间反射结构放入丙酮溶液或者乙醇溶液中浸泡一段时间，能够去除多余的光敏材料并进一步完成对表面粗糙度的处理。例如，采用丙酮溶液进行浸泡时，需持续浸泡2-5小时，然后将取出该微小型空间反射结构进行干燥即可。

需要说明的是，对于上述方法的实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明所必须的。

另外，本发明实施例还提供一种微小型空间反射结构产品，其按照上述实施例及其优选方式中任一项所述的方法制备而成。

综上所述，本发明实施例提供的微小型空间反射结构的制备装置、制备方法及产品，通过光固化技术完成微小型空间反射结构的制备，并且可以通过选择不同接触角的光敏材料来实现对空间反射结构反射曲面的曲率控制，能够为微小型空间反射结构的制备减小成本，解决空间反射结构制备的困难，将空间反射结构的制备纳入基本实验工艺范畴，为微小型光学反射结构的制造提供的了关键技术。

本发明提供的微小型空间反射结构的制备装置和制备方法，是一种全新的制备方式，能够降低现有技术的加工难度，并缩短制备时间、降低成本，有效拓展了微小型反射结构的制造领域。

在本发明的描述中，需要说明的是，“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本公开实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微小型空间反射结构的制备装置，其特征在于，包括：

光敏材料；

网状板，其具有阵列式排布的多个微米级或毫米级的网孔，所述网孔用于容纳所述光敏材料；

基底，其设置在所述网状板下方，用于承载所述网状板；

光照组件，其设置在所述网状板上方，用于向所述网状板施加光照对所述网孔中的光敏材料进行固化以形成微小型空间反射结构；

其中，所述光敏材料的接触角根据所述微小型空间反射结构的曲率计算得到，具体计算公式如下：

其中，k为所述微小型空间反射结构的曲率，θ为所述光敏材料的接触角，r为所述网状板上网孔的内切圆的半径；

所述光敏材料还与所述基底的润湿性相匹配。

2.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述网状板为平面网格状结构，其由不与所述光敏材料发生反应且粗糙度低的金属材料制成。

3.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述基底为平面板状结构，其由表面光滑的材料制成。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的制备装置，其特征在于，若所述网状板上设置有微米级的网孔时，还包括刮板，用于将添加到所述网状板上方的所述光敏材料通过刮涂方式挤压到各个网孔中；

若所述网状板上设置有毫米级的网孔时，还包括滴液管，用于将所述光敏材料分别滴加到所述网状板上的各个网孔中。

5.一种微小型空间反射结构的制备方法，其特征在于，包括：

根据待制备微小型空间反射结构的结构特征，制备对应的网状板和基底，并选择相匹配的光敏材料；

将所述网状板放置于所述基底上方后，将所述光敏材料分别加入所述网状板的各个网孔中；

启动光照组件按照预设的光照时间对所述网状板施加光照，对所述网孔中的光敏材料进行固化以形成微小型空间反射结构；

其中，所述光敏材料的接触角根据所述微小型空间反射结构的曲率计算得到，具体计算公式如下：

其中，k为所述微小型空间反射结构的曲率，θ为所述光敏材料的接触角，r为所述网状板上网孔的内切圆的半径；

所述光敏材料还与所述基底的润湿性相匹配。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述光照组件发出的光包括紫外光和可见光。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述根据待制备微小型空间反射结构的结构特征，制备对应的网状板和基底之后，还包括：

将所述网状板和所述基底放入去离子水中并进行超声振荡清洗，并采用乙醇进行冲洗。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述启动光照组件按照预设的光照时间对所述网状板施加光照，对所述网孔中的光敏材料进行固化以形成微小型空间反射结构之后，还包括：

将所述微小型空间反射结构放入丙酮溶液或者乙醇溶液以除去未固化的光敏材料，并对所述微小型空间反射结构的表面进行粗糙度处理。

9.一种微小型空间反射结构产品，其按照如权利要求5～8中任一项所述的方法制备而成。

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