CN112925155A - 一种光源合束结构和光源模组 - Google Patents

Abstract

一种光源合束结构和光源模组，其涉及投影显示领域。该光源合束结构通过将相同颜色的单色光设置成至少具有两束，使得各种单色光在光源合束结构中进行合束时能够进行光能的叠加，从而大幅度提高最终合束光源的能量密度，进而提高对应图像的显示亮度；通过灵活组合各色光源的数量，使其能够根据显示要求对不同颜色的光源进行灵活配置和调整，从而满足不同图像对于不同单色光亮度的要求；通过将LD激光器的固定方式设置成四点焊，提高了LD激光器的稳定性，同时可使相邻两个LD激光器的间隔距离变的更小，同步减小所有入射光源的光路工作距离，故而进一步提高了光源耦合效率和合束光源亮度。

Description

一种光源合束结构和光源模组

技术领域

本发明涉及投影显示领域，具体而言，涉及一种光源合束结构和光源模组。

背景技术

扫描投影技术的成像原理是通过光源调制出待显示图像的每个像素点对应的光，然后通过扫描器带动扫描光纤或通过微机电系统扫描镜的运动，扫描输出每个像素点对应的光，从而将待显示图像的每个像素点对应的光逐一投射到投影屏幕上形成投映画面。

需要说明的是，作为新型扫描投影技术之一的光纤扫描技术，通常是由光纤扫描器和光源组成的光纤扫描系统，其中，输入给光纤扫描器的光源通常是经过对多种颜色发光单元(如红绿蓝发光单元)合束后的。然而，现有的激光光源合束结构存在着合束光源能量密度低的缺点，这极大的影响了单个激光光源合束结构对应合束光源的亮度，从而整体影响图像的显示效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光源合束结构，其能够显著提高合束光源的能量密度，进而在不降低耦合效率的基础上，大幅度提高合束光源的亮度，从而提高最终图像显示的整体亮度。

本发明的另一目的在于提供一种光源模组，其包括上述的光源合束结构，故其具有上述光源合束结构的各项优点。

本发明的实施例是这样实现的：

一种光源合束结构，其包括:

壳体，壳体的内部设置有为光源合束提供工作空间的第一合束通道、第二合束通道和第三合束通道，第二合束通道的两端分别连通第一合束通道和第三合束通道，第一合束通道和第三合束通道均间隔设置有多个定位腔，每个定位腔对应的入射单色光相互平行且至少有两束入射单色光具有相同颜色，第一合束通道的入射单色光与第三合束通道的入射单色光的方向相反；

聚焦透镜，聚焦透镜设置于第三合束通道的一端；

多个光源合束结构件，每个光源合束结构件设置于对应的定位腔中，以使进入聚焦透镜的合束光源与聚焦透镜的主光轴重合。

进一步地，在本发明较佳实施例中，上述第一合束通道的第一合束光与第二合束通道的第二合束光垂直，第二合束光与第三合束通道的合束光源垂直；光源合束结构还包括多个准直透镜，多个准直透镜固定于壳体内并与每个入射单色光一一对应；光源合束结构件包括滤光片或/和偏振分光棱镜。

进一步地，在本发明较佳实施例中，上述第一合束光、第二合束光以及合束光源在同一平面内；第一合束光和合束光源平行且同向。

进一步地，在本发明较佳实施例中，入射到第三合束通道的单色光至少包含红光、绿光和蓝光；入射到第一合束通道的单色光包含红光、绿光或/和蓝光。

进一步地，在本发明较佳实施例中，入射到第一合束通道的单色光按照工作光路距离从远到近依次包括第一蓝光、第一绿光、第一红光和红外光，第一蓝光、第一绿光和第一红光在第一合束通道内合束后形成第一合束光，第一合束光与垂直于第一合束光的红外光合束形成第二合束光，第二合束光穿过第二合束通道入射到第三合束通道对应的合束结构件上；第二合束光入射到的合束结构件为偏振分光棱镜；

入射到第三合束通道的单色光按照工作光路距离从远到近依次包括第三蓝光、第三绿光和第三红光，第三蓝光、第三绿光和第三红光合束后入射到偏振分光棱镜，与第二合束光合束形成合束光源进入聚焦透镜；光路工作距离为对应各个准直透镜与聚焦透镜之间的光路距离。

进一步地，在本发明较佳实施例中，上述所有单色光对应入射的合束结构件均为滤光片，且第一合束通道的每个滤光片与第三合束通道的每个滤光片的所在表面在空间上相互垂直；第一红光所对应的光路工作距离大于第三红光所对应的光路工作距离。

进一步地，在本发明较佳实施例中，上述壳体呈长方体状，聚焦透镜的主光轴方向与壳体的长度方向平行；第一合束通道对应的多个准直透镜和第三合束通道对应的多个准直透镜设置于壳体沿宽度方向的相对两侧，壳体每一侧的多个准直透镜间隔等距设置。

进一步地，在本发明较佳实施例中，上述光源合束结构还包括多个为对应准直透镜提供单色光的LD激光器，多个LD激光器固定于壳体并与对应准直透镜相适配；

第一合束通道对应的多个LD激光器沿第一合束光的方向依次包括第一蓝光光源激光器，第一绿光光源激光器，第一红光光源激光器和红外光源激光器；第三合束通道对应的多个LD激光器沿合束光源的方向依次包括第三蓝光光源激光器、第三绿光光源激光器和第三红光光源激光器。

进一步地，在本发明较佳实施例中，上述每个LD激光器采用激光点焊的方式进行固定，且激光点焊的焊接点为圆形阵列布置的四个，相对的两个焊接点所构成的连线与聚焦透镜的主光轴方向呈45度夹角。

一种光源模组，其包括上述的光源合束结构和光纤，光纤和聚焦透镜组成聚焦组件，光纤固定于聚焦透镜的合束光源输出端。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例提供的光源合束结构和光源模组通过将相同颜色的单色光设置成至少具有两束，使得各种单色光在光源合束结构中进行合束时能够进行光能的叠加，从而大幅度提高最终合束光源的能量密度，进而提高对应图像的显示亮度；通过灵活组合各色光源的数量，使其能够根据显示要求对不同颜色的光源进行灵活配置和调整，从而满足不同图像对于不同单色光亮度的要求；通过将LD激光器的激光点焊方式设置成四点焊，降低了不同LD激光器在固定时的相互工艺影响，提高了加工生产效率和LD激光器的稳定性，同时使得相邻两个LD激光器的间隔距离变的更小，同步减小了所有入射光源的整体光路工作距离，进一步提高了耦合效率和合束光源亮度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的光源合束结构的三维结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的光源合束结构的内部结构剖视示意图；

图3为本发明第二实施例提供的光源合束结构的内部结构剖视示意图；

图4为本发明第二实施例提供的光源合束结构对应具有LD激光器的端面局部示意图；

图5为本发明第二实施例提供的光源模组的三维结构示意图。

图标：100-光源合束结构；200-光源合束结构；20-光源模组；101-聚焦透镜；102-合束光源；110-第一合束通道；111-第一合束光；112-第一蓝光；113-第一绿光；114-第一红光；120-壳体；130-第二合束通道；131-第二合束光；140-滤光片；142-偏振分光棱镜；150-第三合束通道；151-红外光；152-第三蓝光；153-第三绿光；154-第三红光；170-定位腔；180-准直透镜；201-光纤；290-LD激光器；291-焊接点。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。

此外，术语“水平”、“竖直”、“垂直”等术语并不表示要求部件绝对竖直，而是可以稍微倾斜。如“竖直”仅仅是指其方向相对“水平”而言更加竖直，并不是表示该结构一定要完全竖直，而是可以稍微倾斜。

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”、“相连”、“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。

第一实施例

在进行本发明实施例阐述之前，申请人首先需要说明的是，其实要解决提高合束光源能量密度(即对应投影图像的显示亮度)，从理论上也可以通过调整提高单个激光器的功率，进而提高单色光的在合束前的能量密度。然而经过实践发现，通过提高激光器的功率这种技术手段，会同时大幅度降低各种光源在合束耦合时的耦合效率，故实现不了最终合束光源能量密度的大幅度提高，反而还增加了能耗成本。因此，申请人才申请提出本申请方案的光源合束结构100。

具体地，请结合参照图1和图2，本发明实施例提供一种光源合束结构100，其包括:

壳体120，光源合束的过程是在壳体120的内部进行，具体的，壳体120的内部设置有为光源合束提供工作空间的第一合束通道110、第二合束通道130和第三合束通道150，其中，第二合束通道130的两端分别连通第一合束通道110和第三合束通道150，第一合束通道110和第三合束通道150均间隔设置有多个定位腔170，用于固定光源合束结构件来对供各种光源进行合束；

聚焦透镜101，聚焦透镜101设置于第三合束通道150的一端；用于接收合束光源102和对合束光源102进行聚焦；

多个光源合束结构件，每个光源合束结构件设置于对应的定位腔170中，以使进入聚焦透镜101的合束光源102与聚焦透镜101的主光轴重合。需要说明的是，光源合束结构件包括滤光片140或/和偏振分光棱镜142，具体是滤光片140还是偏振分光棱镜142根据实际的光源合束要求来选择，当然在其他实施例中，也可以是除过滤光片140和偏振分光棱镜142以外的其它光源合束结构件。

需要强调的是，本实施例提供的光源合束结构100的每个定位腔170对应的入射单色光相互平行且至少有两束入射单色光具有相同颜色，并且第一合束通道110的入射单色光与第三合束通道150的入射单色光的方向相反。需要说明的是，通过将相同颜色的单色光设置成至少具有两束，使得各种单色光在光源合束结构100中进行合束时能够进行光能的叠加，从而大幅度提高最终合束光源102的能量密度，进而提高对应图像的显示亮度。

进一步可选地，第一合束通道110的第一合束光111与第二合束通道130的第二合束光131垂直，第二合束光131与第三合束通道150的合束光源102垂直；第一合束光111、第二合束光131以及合束光源102在同一平面内；第一合束光111和合束光源102平行且同向。

进一步具体地，入射到第三合束通道150的单色光至少包含红光、绿光和蓝光；入射到第一合束通道110的单色光包含红光、绿光或/和蓝光。

优选地，入射到第一合束通道110的单色光按照工作光路距离从远到近依次包括第一蓝光112、第一绿光113、第一红光114和红外光151，第一蓝光112、第一绿光113和第一红光114在第一合束通道110内合束后形成第一合束光111，第一合束光111与垂直于第一合束光111的红外光151合束形成第二合束光131，第二合束光131穿过第二合束通道130入射到第三合束通道150对应的合束结构件上。需要说明的是，第二合束光131入射到的合束结构件为偏振分光棱镜142；另外，红外光151的作用是用于对应光纤扫描器的扫描轨迹检测和激光安全检测等等。

进一步优选地，入射到第三合束通道150的单色光按照工作光路距离从远到近依次包括第三蓝光152、第三绿光153和第三红光154，第三蓝光152、第三绿光153和第三红光154合束后入射到偏振分光棱镜142，与第二合束光131合束形成合束光源102进入聚焦透镜101。需要说明的是，之所以对不同颜色的光路工作距离按照远近不同进行限定，是因为一般而言，红光对投影亮度的影响较大，故使红光工作距离最小，有利于减小红光的合束损耗，从而有利于提升最终投影亮度，保证投影效果。当然，在本发明其它实施例当中，并不仅限于本实施例所述的各种单色光远近设置方式，还可以根据显示效果的实际需要，以“光路工作距离越小，光的合束损耗就越小，从而对对应显示效果的影响就越小”为调整原则，灵活配置不同颜色光源对应光路的工作距离，从而满足显示效果的实际要求。

更进一步优选地，上述所有单色光对应入射的合束结构件均为滤光片140，且第一合束通道110的每个滤光片140与第三合束通道150的每个滤光片140的所在表面在空间上相互垂直；第一红光114所对应的光路工作距离大于第三红光154所对应的光路工作距离。

进一步地，本实施例提供的光源合束结构100还包括多个准直透镜180，多个准直透镜180固定于壳体120内并与每个入射单色光一一对应，每束入射单色光穿过对应的准直透镜180后再入射到对应的滤光片140与其他光源进行合束。需要说明的是，光路工作距离为对应各个准直透镜180与聚焦透镜101之间的光路距离。

进一步具体地，本实施例提供的光源合束结构100的壳体120呈长方体状，聚焦透镜101的主光轴方向与壳体120的长度方向平行；第一合束通道110对应的多个准直透镜180和第三合束通道150对应的多个准直透镜180设置于壳体120沿宽度方向的相对两侧，壳体120每一侧的多个准直透镜180间隔等距设置。需要说明的是，之所以对光源合束结构100的形状及内部结构布置进行上述限制，是为了将整个光源合束结构100从外壳到内部结构最大限度的进行集成浓缩，使其在同时满足光能耦合效率和光源合束能量密度要求的基础上，空间占用体积最小，满足实际推广应用的生产及使用要求。

第二实施例

请结合参照图2和图3，本发明实施例提供一种光源合束结构200，其与第一实施例提供的光源合束结构100大致相同，不同之处在于，本实施例提供的光源合束结构200还包括多个为对应准直透镜180提供单色光的LD激光器290(LD(Laser Diode),半导体激光器)，多个LD激光器290固定于壳体120并与对应准直透镜180相适配。需要说明的是，本实施例提供的光源合束结构200主要用于激光投影显示领域，故以LD激光器290作为单色激光的光源发生器，在本发明其它实施例中，并不仅限于本实施例这一种，当投影显示的光源有不同时，可根据光源性质的不同，灵活配置光源发生器的类型。

进一步具体地，第一合束通道110对应的多个LD激光器290沿第一合束光111的方向依次包括第一蓝光光源激光器，第一绿光光源激光器，第一红光光源激光器和红外光源激光器；第三合束通道150对应的多个LD激光器290沿合束光源102的方向依次包括第三蓝光光源激光器、第三绿光光源激光器和第三红光光源激光器。需要说明的是，本实施例对不同颜色的多个LD激光器290进行顺序的限定，与第一实施例中各种单色光工作光路距离远近的限制够成了结构上的对应关系，对应颜色的LD激光器290工作时提供对应颜色的单色光。需要进一步说明的是，在本发明其它实施例当中，并不仅限于上述这一种LD激光器290的设置方式，其数量和内部结构可以是任意一种组合方式，只要能够满足具有相同颜色的单色光至少有两束即可，如两个红光光源激光器、一个绿光光源激光器和一个蓝光光源激光器所组成的四合一光源合束结构；如在一个红外光源激光器的基础上，红光光源激光器设置成两个或两个以上、绿光光源激光器设置成一个或一个以上，蓝光光源激光器设置成一个或一个以上，故此会形成五合一光源合束结构、六合一光源合束结构、七合一光源合束结构、八合一光源合束结构、九合一光源合束结构等不同光源个数的多合一光源合束结构。

需要强调的是，请结合参照图2-图4，本实施例中的每个LD激光器290采用激光点焊的方式进行固定，且激光点焊的焊接点291为圆形阵列布置的四个，相对的两个焊接点291所构成的连线与聚焦透镜101的主光轴方向呈45度夹角。而需要说明的是，之所以对激光点焊的布置方式及数量限定，是因为相对于传统的三点式点焊方式(传统三个焊接点291所构成的圆，每两个焊接点291对应的半径夹角为120度)，本实施例的四点焊接不但使得LD激光器290焊接固定的更加稳定牢固，而且由于四点焊接，每两个焊接点291对应的半径夹角只有90度，所以在进行相邻两个LD激光器290焊接时，加工工艺的相互影响性变得更小，这就可以使得相邻两个LD激光器290的间隔距离变的更小，有利于光源合束结构200体积进一步集成浓缩，同时也有利于同步减小所有入射光源的整体光路工作距离，降低精度偏差，提高耦合效率和合束光源102的亮度。需要强调的是，在本发明其它实施例当中，并不仅限于本实施例所述的激光点焊的方式，其也可以是其它连接固定方式，如粘接、磁性连接以及卡接等方式。

请结合参照图1-图5，本发明实施例还提供一种光源模组20，其包括上述的光源合束结构200和光纤201，光纤201和聚焦透镜101组成聚焦组件，光纤固定于聚焦透镜101的合束光源102输出端。需要说明的是，当光源合束结构200的合束光源102进入聚焦透镜101输出给光纤201后，光纤201即可传输给其它扫描装置，如光纤扫描器，从而实现最终的投影显示。

需要强调的是，本发明实施例提供的光源模组20的工作原理是：七个LD激光器290工作对应发出对应单色激光，单色激光穿过准直透镜180准直后，进入对应定位腔170并入射到对应的滤光片140上，并以与滤光片140呈45度反射角反射出；其中，第一蓝光112、第一绿光113和第一红光114在第一合束通道110内合束后形成第一合束光111，第一合束光111与垂直于第一合束光111的红外光151合束形成第二合束光131，第二合束光131穿过第二合束通道130入射到第三合束通道150对应的偏振分光棱镜142上；与此同时，第三蓝光152、第三绿光153和第三红光合束后入射到偏振分光棱镜142，与第二合束光131合束形成合束光源102进入聚焦透镜101并传输给光纤201，光纤201再传输给其它扫描装置(如光纤扫描器)，从而实现最终的投影显示。

综上所述，本发明提供的光源合束结构和光源模组，通过将相同颜色的单色光设置成至少具有两束，使得各种单色光在光源合束结构中进行合束时能够进行光能的叠加，从而大幅度提高最终合束光源的能量密度，进而提高对应图像的显示亮度；通过灵活组合各色光源的数量，使其能够根据显示要求对不同颜色的光源进行灵活配置和调整，从而满足不同图像对于不同单色光亮度的要求；通过将LD激光器的激光点焊方式设置成四点焊，降低了不同LD激光器在固定时的相互工艺影响，提高了加工生产效率和LD激光器的稳定性，同时使得相邻两个LD激光器的间隔距离变的更小，同步减小了所有入射光源的整体光路工作距离，进一步提高了耦合效率和合束光源亮度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种光源合束结构，其特征在于，其包括:

壳体，所述壳体的内部设置有为光源合束提供工作空间的第一合束通道、第二合束通道和第三合束通道，所述第二合束通道的两端分别连通所述第一合束通道和所述第三合束通道，所述第一合束通道和所述第三合束通道均间隔设置有多个定位腔，每个所述定位腔对应的入射单色光相互平行且至少有两束所述入射单色光具有相同颜色，所述第一合束通道的所述入射单色光与所述第三合束通道的所述入射单色光的方向相反；

聚焦透镜，所述聚焦透镜设置于所述第三合束通道的一端；

多个光源合束结构件，每个所述光源合束结构件设置于对应的所述定位腔中，以使进入所述聚焦透镜的合束光源与所述聚焦透镜的主光轴重合。

2.根据权利要求1所述的光源合束结构，其特征在于，所述第一合束通道的第一合束光与所述第二合束通道的第二合束光垂直，所述第二合束光与所述第三合束通道的所述合束光源垂直；

所述光源合束结构还包括多个准直透镜，多个所述准直透镜固定于所述壳体内并与每个所述入射单色光一一对应；所述光源合束结构件包括滤光片或/和偏振分光棱镜。

3.根据权利要求2所述的光源合束结构，其特征在于，所述第一合束光、所述第二合束光以及所述合束光源在同一平面内；

所述第一合束光和所述合束光源平行且同向。

4.根据权利要求3所述的光源合束结构，其特征在于，入射到所述第三合束通道的单色光至少包含红光、绿光和蓝光；

入射到所述第一合束通道的单色光包含红光、绿光或/和蓝光。

5.根据权利要求4所述的光源合束结构，其特征在于，入射到所述第一合束通道的单色光按照工作光路距离从远到近依次包括第一蓝光、第一绿光、第一红光和红外光，所述第一蓝光、所述第一绿光和所述第一红光在所述第一合束通道内合束后形成所述第一合束光，所述第一合束光与垂直于所述第一合束光的所述红外光合束形成所述第二合束光，所述第二合束光穿过所述第二合束通道入射到所述第三合束通道对应的所述合束结构件上；所述第二合束光入射到的所述合束结构件为所述偏振分光棱镜；

入射到所述第三合束通道的单色光按照工作光路距离从远到近依次包括第三蓝光、第三绿光和第三红光，所述第三蓝光、所述第三绿光和所述第三红光合束后入射到所述偏振分光棱镜，与所述第二合束光合束形成所述合束光源进入所述聚焦透镜；

所述光路工作距离为对应各个所述准直透镜与所述聚焦透镜之间的光路距离。

6.根据权利要求5所述的光源合束结构，其特征在于，所有所述单色光对应入射的所述合束结构件均为滤光片，且所述第一合束通道的每个所述滤光片与所述第三合束通道的每个所述滤光片的所在表面在空间上相互垂直；

所述第一红光所对应的所述光路工作距离大于所述第三红光所对应的所述光路工作距离。

7.根据权利要求2-6任意一项所述的光源合束结构，其特征在于，所述壳体呈长方体状，所述聚焦透镜的所述主光轴方向与所述壳体的长度方向平行；所述第一合束通道对应的多个所述准直透镜和所述第三合束通道对应的多个所述准直透镜设置于所述壳体沿宽度方向的相对两侧，所述壳体每一侧的多个所述准直透镜间隔等距设置。

8.根据权利要求7所述的光源合束结构，其特征在于，所述光源合束结构还包括多个为对应所述准直透镜提供所述单色光的LD激光器，多个所述LD激光器固定于所述壳体并与对应所述准直透镜相适配；

所述第一合束通道对应的多个所述LD激光器沿所述第一合束光的方向依次包括第一蓝光光源激光器，第一绿光光源激光器，第一红光光源激光器和红外光源激光器；所述第三合束通道对应的多个所述LD激光器沿所述合束光源的方向依次包括第三蓝光光源激光器、第三绿光光源激光器和第三红光光源激光器。

9.根据权利要求8所述的光源合束结构，其特征在于，每个所述LD激光器采用激光点焊的方式进行固定，且所述激光点焊的焊接点为圆形阵列布置的四个，相对的两个所述焊接点所构成的连线与所述聚焦透镜的所述主光轴方向呈45度夹角。

10.一种光源模组，其特征在于，其包括如权利要求1-9任意一项所述的光源合束结构和光纤，所述光纤和所述聚焦透镜组成聚焦组件，所述光纤固定于所述聚焦透镜的所述合束光源输出端。

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