CN112987166B - 光波导组件和头戴显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光波导组件和头戴显示设备，所述光波导组件包括：第一波导片具有相对设置的第一表面和第二表面；第二波导片具有相对设置的第三表面和第四表面，第二表面面向第三表面；阵列反射器设于第一波导片的一侧，第一波导片具有光线耦入端，光线耦入端设于第一波导片远离阵列反射器的一侧，第二波导片具有光线耦出端，光线耦出端设于第二波导片的第四表面，光线经光线耦入端射入第一波导片，光线耦出结构设于光线耦出端，光线在第一波导片内传递并射向阵列反射器，阵列反射器将光线反射向第二波导片，光线在第二波导片内传递并射向光线耦出端。本发明的技术方案能够保证用户眼动范围的情况下，减少光机尺寸，便于完成光机的安装。
Description
技术领域
本发明涉及光学显示技术领域，尤其涉及一种光波导组件和头戴显示设备。
背景技术
头戴显示(Head mounted display)是一种能够提供身临其境体验的电子产品，目前头戴显示设备的显示原理包括虚拟现实(Virtual Reality)技术、增强现实(AugmentedReality)技术以及混合现实(Mixed Reality)技术。人眼与所看到图像构成的锥形范围叫做视场角，人眼能看的图像位置与显示设备的距离称为出瞳距离，在一定的出瞳距离下能看全图像时，人眼可以晃动的范围叫做眼动范围。为了提高眼动范围，需要将光机的尺寸做的较大，而安装空间有限，较大尺寸的光机不利于安装。
发明内容
基于此，针对现有头戴显示设备光机的尺寸较大，不利于安装的问题，有必要提供一种光波导组件和头戴显示设备，旨在保证用户眼动范围的情况下，减少光机尺寸，便于完成光机的安装。
为实现上述目的，本发明提出的一种光波导组件，所述光波导组件包括：
第一波导片，所述第一波导片具有相对设置的第一表面和第二表面；
第二波导片，所述第二波导片具有相对设置的第三表面和第四表面，所述第一波导片面向所述第二波导片设置，所述第二表面面向所述第三表面；
阵列反射器，所述阵列反射器设于所述第一波导片的一侧，所述第一波导片具有光线耦入端，所述光线耦入端设于所述第一波导片远离所述阵列反射器的一侧，所述第二波导片具有光线耦出端，所述光线耦出端设于所述第二波导片的第四表面；以及
光线耦出结构，所述光线耦出结构设于所述光线耦出端；
光线经所述光线耦入端射入所述第一波导片，光线在所述第一波导片内传递并射向所述阵列反射器，所述阵列反射器将光线反射向所述第二波导片，光线在所述第二波导片内传递并射向所述光线耦出端，所述光线耦出结构将光线耦射出。
可选地，所述阵列反射器包括若干直角棱镜，若干所述直角棱镜排列于所述第一波导片的一侧，所述直角棱镜具有两相互连接的直角面和连接于两所述直角面的倾斜面，所述倾斜面面向所述第一波导片设置。
可选地，所述直角棱镜为等腰直角棱镜。
可选地，所述阵列反射器包括反射膜，所述反射膜设于所述直角棱镜的直角面。
可选地，所述第一波导片包括棱镜贴合面，所述棱镜贴合面远离所述光线耦入端设置，所述阵列反射器设于所述棱镜贴合面，所述阵列反射器面向所述第二波导片设置。
可选地，所述第一波导片具有垂直于所述第一表面的中心线，所述第一波导片的光线耦入端设置第一斜面，所述第一斜面和所述棱镜贴合面于所述中心线轴对称设置；
所述光波导组件还包括第一耦入反射膜，所述第一耦入反射膜设于所述第一斜面。
可选地，所述第一波导片的光线耦入端设置第一斜面，所述第一斜面和所述棱镜贴合面平行，所述光波导组件还包括三棱柱透镜，所述三棱柱透镜设于所述第一斜面，所述三棱柱透镜的斜面背离所述第一斜面设置。
可选地，所述第二波导片邻近所述阵列反射器的一端具有第二斜面，所述光波导组件还包括第二耦入反射膜，所述第二耦入反射膜设于所述第二斜面。
可选地，所述光线耦出结构包括若干分光膜，所述分光膜相互之间平行设置，所述分光膜设于所述第二波导片内，所述分光膜的反射面朝向所述第二斜面。
可选地，所述第二波导片远离所述光线耦入端的侧边与邻近的所述第一波导片的侧边对齐设置。
可选地，所述光波导组件还包括光线耦入结构，所述光线耦入结构为耦入光栅，所述光线耦出结构为耦出光栅，所述耦入光栅设于所述第一波导片的第二表面，所述耦出光栅设于所述第二波导片的第四表面。
此外，为了实现上述目的，本发明还提供一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括耦入光源和如上文所述光波导组件，所述耦入光源邻近所述光线耦入区设置。
本发明提出的技术方案中，光线经过第一波导片的光线耦入端入射，在经过第一波导片内传递后，光线射向阵列反射器，阵列反射器反射光线，并将光线射向第二波导片，光线在第二波导片内传递后，通过第二波导片的光线耦出端射出，从而在人眼位置显示成像。在阵列反射器的作用下，折返光线经光线耦出结构耦射出，经光线耦出区射出至人眼位置显示成像。如此可知，在光机尺寸较小的情况下，通过阵列反射器和光线耦出结构的结合作用，可以完成光线的反射成像。本发明的技术方案能够保证用户眼动范围的情况下，减少光机尺寸。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明光波导组件的其中一个实施例的结构示意图；
图2为图1中光波导组件的主视图的结构示意图
图3为图1中阵列反射器的结构示意图；
图4为图1中第一波导片的结构示意图；
图5为图4中第一波导片光线耦入端的光线传播路径示意图；
图6为本发明光波导组件中三棱柱透镜的结构示意图；
图7为本发明中光线耦入端设置三棱柱透镜的光线传播路径示意图；
图8为图1中光波导组件立体的结构示意图；
图9为本发明光波导组件的另一个实施例的结构示意图；
图10为图1中光波导组件侧面视角的结构示意图。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 10 | 第一波导片 | 213 | 第二斜面 |
| 110 | 光线耦入端 | 220 | 耦出光栅 |
| 101 | 第一表面 | 30 | 阵列反射器 |
| 102 | 第二表面 | 310 | 直角棱镜 |
| 103 | 棱镜贴合面 | 311 | 直角面 |
| 104 | 第一斜面 | 312 | 倾斜面 |
| 105 | 中心线 | 40 | 三棱柱透镜 |
| 120 | 耦入光栅 | 410 | 斜面 |
| 20 | 第二波导片 | 50 | 分光膜 |
| 210 | 光线耦出端 | 60 | 人眼位置 |
| 211 | 第三表面 | 70 | 耦入位置 |
| 212 | 第四表面 |
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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的一部分实施例，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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
相关技术中，头戴显示设备的应用领域逐渐扩展，除了用于军事训练和游戏之外，在医疗领域和工业制造的应用也越来越广。眼动范围是头戴显示设备的一项重要参数，眼动范围越大，用户在佩戴头戴显示设备时，人眼具有较大的活动空间，如此佩戴的舒适性更佳。而目前的头戴显示设备为了提高眼动范围，需要将光机的尺寸做的较大，而头戴显示设备的镜腿位置安装空间有限，较大尺寸的光机不利于安装。
为了解决上述问题，参阅图1和图2所示，本发明提供一种光波导组件，光波导组件可以应用在VR显示上，也可以用在AR显示上，还可以用在MR显示上。光波导组件接收到光线后，光线在光波导组件内全反射，经过光波导组件的传播，可以将光线呈现在人眼位置。光波导组件包括：第一波导片10、第二波导片20、阵列反射器30和光线耦出结构。第一波导片10和第二波导片20叠加设置，阵列反射器30可以反射入射的光线。第一波导片10、和阵列反射器30的材料可以是透明的玻璃材料，也可以是透明的树脂材料。玻璃材料具有更好的光学特性，例如，更好的透射性能，保证光线的传递数量。树脂材料易于加工，通过热塑成型的方式就可以获得第一波导片10和阵列反射器30。
第一波导片10具有相对设置的第一表面101和第二表面102；第一表面101和第二表面102相互平行。第二波导片20具有相对设置的第三表面211和第四表面212，第一波导片10面向第二波导片20设置，第二表面102面向第三表面211；第三表面211和第四表面212也是相互平行的。第一波导片10和第二波导片20堆叠放置在一起，其中，第一波导片10和第二波导片20间隔一定距离，从而保证第一波导片10和第二波导片20是两个相对独立的光学元件，避免光线在第一波导片10进行全反射时，透射到第二波导片20内。也就是说，第一波导片10和第二波导片20间隔设置，才能保证光线在第一波导片10内或第二波导片20内进行光线的全反射。
阵列反射器30设于第一波导片10的一侧，第一波导片10具有光线耦入端110，光线耦入端110设于第一波导片10远离阵列反射器30的一侧，第二波导片20具有光线耦出端210，光线耦出端210设于第二波导片20的第四表面212；阵列反射器30的作用在于完成对光线的反射。光线耦出结构设于光线耦出端。通过光线耦出结构来显示成像。本实施例中，阵列反射器30的作用在于完成光线的反射，任何设置在第一波导片10的一侧位置的反射器件均在本申请的保护范围之内。
光线经光线耦入端110射入第一波导片10，光线在第一波导片10内传递并射向阵列反射器30，阵列反射器30将光线反射向第二波导片20，光线在第二波导片20内传递并经光线耦出端210射出。
本实施例提出的技术方案中，光线经过第一波导片10的光线耦入端110入射，在经过第一波导片10内传递后，光线射向阵列反射器30，阵列反射器30反射光线，并将光线射向第二波导片20，光线在第二波导片20内传递后，通过第二波导片20的光线耦出端210射出，从而在人眼位置60显示成像。在阵列反射器30的作用下，折返光线经光线耦出结构耦射出，经光线耦出区射出至人眼位置显示成像。如此可知，在光机尺寸较小的情况下，通过阵列反射器和光线耦出结构的结合作用，可以完成光线的反射成像。本发明的技术方案能够保证用户眼动范围的情况下，减少光机尺寸。
进一步地，在相关技术中，光机的尺寸较小，通过实现水平方向的视场角的扩展后，在垂直方向上限制了视场角的范围。本实施中，通过阵列反射器30和光线耦出结构的结合，可以在水平方向和垂直方向均实现扩瞳，光机的尺寸可以做到10mm以下。其中，本申请所指的光机尺寸是指光机的出光面的尺寸。
另外，本实施例提出的技术方案中，光线在第一波导片10内全反射，直至光线被反射入第二波导片20内，光线在第二波导片20内传输，并从光线耦出端210射出，这个过程中，光线未被分光，光线的损失较少，光线的利用率较高。
参阅图3所示，在其中一个实施例中，阵列反射器30包括若干直角棱镜310，若干直角棱镜310排列于第一波导片10的一侧，直角棱镜310具有两相互连接的直角面311和连接于两直角面311的倾斜面312，倾斜面312面向第一波导片10设置。光线在射向阵列反射器30时，光线首先透射直角棱镜310的倾斜面312，在射向其中一个直角面311，经过直角面311的反射，光线射向另一个直角面311，并再次透射倾斜面312，如此，通过直角棱镜310的反射作用，将入射阵列反射器的光线反射回第一波导片10内，并且将光线反射向第二波导片20。
在其中一个实施例中，为了保证光线利用率，直角棱镜310为等腰直角棱镜310。也是说直角棱镜310的两个直角边是相等的，如此，可以保证大部分光线被有效反射到第一波导片10内。阵列反射器30包括反射膜，反射膜设于直角棱镜310的直角面311。通过反射膜的设置，保证光线被顺利反射回第一波导片10内。反射膜可以采用镀膜的方式，也可以采用贴覆的方式。
在其中一个实施例中，为了进一步保证光线能够由第一波导片10射向第二波导片20，第一波导片10包括棱镜贴合面103，棱镜贴合面103远离光线耦入端110设置，阵列反射器30设于棱镜贴合面103，阵列反射器30面向第二波导片20设置。将光线在第一波导片10内耦出，就是需要避免光线在第一波导片10内继续全反射。如此就需要经过阵列反射器30的光线在第一波导片10的第二表面102位置，入射角度小于全反射时的临界角。通过设置棱镜贴合面103，棱镜贴合面103和第二表面102呈夹角设置，夹角的角度范围在0°～90°之间，光线经过阵列反射器30的反射后，光线在第二表面102的入射角度小于临界角，从而能够将光线在第一波导片10内耦合出。
参阅图4和图5所示，在其中一个实施例中，第一波导片10具有垂直于第一表面101的中心线105，第一波导片10的光线耦入端110设置第一斜面104，第一斜面104和棱镜贴合面103于中心线105轴对称设置；光波导组件还包括第一耦入反射膜，第一耦入反射膜设于第一斜面104。光线自耦入光源发射出，为了保证光线能够在第一波导片10内全反射，耦入光源的出光方向正对第二表面102，光线由第二表面102入射，光线射在第一斜面104位置，在第一耦入反射膜的作用下，发生反射现象。第一斜面104和棱镜贴合面103对称设置，可知，第一斜面104也和第一表面101呈夹角设置，经过第一斜面104的设置，经过第一耦入反射膜的反射作用，光线在第一表面101和第二表面102之间传递时，光线的入射角度大于或等于临界角，并且满足光密介质射向光疏介质。光线在第一波导片10内完成全反射。另外，第一耦入反射膜可以采用镀膜的方式，也可以采用贴覆的方式。
参阅图6和图7所示，在其中一个实施例中，为了耦入光源的灵活设置，第一斜面104和棱镜贴合面103平行，光波导组件还包括三棱柱透镜40，三棱柱透镜40设于第一斜面104，三棱柱透镜40的斜面410背离第一斜面104设置。三棱柱透镜40的斜面410是指边长较长的一边对应的表面，耦入光源发射的光线经过三棱柱透镜的斜面410，通过三棱柱透镜光线射向第一斜面104，并透射于第一斜面104，光线射入第一波导片10内。通过三棱柱透镜的耦入作用，能够接收倾斜入射向第一波导片10的光线，如此，耦入光源具有灵活的安装位置，从而保证光线能够顺利的进入第一波导片10内。
在其中一个实施例中，第二波导片20邻近阵列反射器30的一端具有第二斜面213，光波导组件还包括第二耦入反射膜，第二耦入反射膜设于第二斜面213。为了保证光线在入射第二波导片20后，光线能够在第二波导片20内完成光线的传输，设置第二斜面213，并在第二斜面213上设置第二耦入反射膜。第二斜面213与第三表面211之间具有一定的夹角，夹角的角度范围在0°～90°之间，如此，经过第二斜面213的反射后，光线在第二波导片20内传递满足入射角大于或等于临界角，并且光线是由光密介质射向光疏介质，即有第二波导片20射向空气，满足全反射条件，光线可以在第二波导片20内进行光线的全反射。另外，第二耦入反射膜可以采用镀膜的方式，也可以采用贴覆的方式。
在其中一个实施例中，光线耦出结构还包括若干分光膜50，分光膜50相互之间平行设置，分光膜50设于第二波导片20内，分光膜50的反射面朝向第二斜面213。分光膜50的作用在于改变光线的传播方向，将光线耦出第二波导片20，分光膜50具有偏振选择性和角度选择性，可以针对不同的入射光偏振态和入射角度对分光膜的透射率反射率进行优化设计。耦入光源发射的光线经过在第一波导片10和第二波导片20内传递后，在分光膜50的作用下，光线耦出第二波导片20，并在人眼位置60显示成像。另外，为了实现出瞳扩展，分光膜50设置有若干个，通过分光膜50对光线的层层反射，使更多的光线耦出第二波导片20。
参阅图8所示，在其中一个实施例中，为了使耦入光源具有足够的耦入位置70，第二波导片20远离光线耦入端，110的侧边与邻近的第一波导片10的侧边对齐设置。从而在第一波导片10和第二波导片20的光线耦入端110的一侧形成耦入位置70，耦入光源可以设置在耦入位置70附近。例如，耦入光源的出光方向可以正对第一波导片10，也可侧对第一波导片10。
参阅图9所示，在其中一个实施例中，光波导组件还包括光线耦入结构，光线耦入结构为耦入光栅120，光线耦出结构为耦出光栅220，耦入光栅120设于第一波导片10的第二表面102，耦出光栅220设于第二波导片20的第四表面212。耦入光栅120用来将耦入光源发射的光线耦入到第一波导片10内，耦出光栅220用来将光线耦出第二波导片20。其中，耦入光栅120和耦出光栅220可以是全息光栅、浮雕光栅、二维光栅、超表面等微纳结构的其中一种。
在其中一实施例中，参阅图1和图10所示，第一波导片10和第二波导片20的折射率相同，定义光波导组件的折射率为n，光线耦入端110的中心到光线耦出端210的中心之间的距离为L1，光波导组件的垂直视场角为α，出瞳距离为D，则满足：
通过公式(1)可知，出瞳距离D与L1的大小相关，可以通过调整L1的尺寸来完成出瞳距离D调整，如此，使出瞳距离的D的设计更加灵活。
水平视场角为β，光线耦出区宽度为L2，则满足：
光机的耦入光源长度为S1，眼动范围的中心平分线上长为E1，宽为E2，则满足：
E2＝S1+4(3)
光机的出光面的尺寸决定了光线耦入窗口的尺寸。在相关技术中，想要获得较大的E2，那么光机的尺寸S1需要设计的较大，也就是说要获得较大的垂直方向的视场角，就需要增加光机的尺寸，一般S1大于E2。公式(3)是上述实施例推导得出的公式，通过公式(3)可知，E2和S1相差常数4，4代表人瞳孔直径，一般人眼瞳孔直径为4mm。也就是说，较小的光机尺寸就可以获得较大的视场角度。其中，常数是通过计算得出，不同的波导片，常数的大小可以不同。
光波导组件长为L3，阵列反射器30的有效长度为L4，则满足：
光波导组件采用K9玻璃材质，分光膜50与光波导组件第一表面101夹角为25.7°，光波导组件折射率为1.52，光机的耦入光源垂直方向的长度为4mm，水平方向视场角为35°，垂直视场角为20°，光波导组件长50mm，光线耦出端210宽度为18.7mm，光线耦入端110到光线耦出端210中心的距离为28mm，则根据公式(1)-(4)可计算出出瞳距离为18.3mm，眼动范围的中心平分线上长为11.2mm，宽为8mm。
本发明还提供一种头戴显示设备，头戴显示设备包括耦入光源和如上文光波导组件，耦入光源近光线耦入区设置。
其中，头戴显示设备的具体实施方式，可以参照光波导组件的实施例，在此不在赘述。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种光波导组件，其特征在于，所述光波导组件包括：
第一波导片，所述第一波导片具有相对设置的第一表面和第二表面；
第二波导片，所述第二波导片具有相对设置的第三表面和第四表面，所述第一波导片面向所述第二波导片设置，所述第二表面面向所述第三表面；
阵列反射器，所述阵列反射器设于所述第一波导片的一侧，所述第一波导片具有光线耦入端，所述光线耦入端设于所述第一波导片远离所述阵列反射器的一侧，所述第二波导片具有光线耦出端，所述光线耦出端设于所述第二波导片的第四表面；所述第一波导片包括棱镜贴合面，所述棱镜贴合面远离所述光线耦入端设置，并与所述第二表面呈锐角设置；所述阵列反射器设于所述棱镜贴合面，所述阵列反射器面向所述第二波导片设置；所述阵列反射器包括若干直角棱镜，若干所述直角棱镜排列于所述第一波导片的一侧，所述直角棱镜具有两相互连接的直角面和连接于两所述直角面的倾斜面，所述倾斜面面向所述第一波导片设置；以及
光线耦出结构，所述光线耦出结构设于所述光线耦出端；
光线经所述光线耦入端射入所述第一波导片，光线在所述第一波导片内传递并射向所述阵列反射器，所述阵列反射器将光线反射回所述第一波导片内、并且反射向所述第二波导片，光线在所述第二波导片内传递并射向所述光线耦出端，所述光线耦出结构将光线耦射出。
2.如权利要求1所述的光波导组件，其特征在于，所述直角棱镜为等腰直角棱镜。
3.如权利要求1所述的光波导组件，其特征在于，所述阵列反射器包括反射膜，所述反射膜设于所述直角棱镜的直角面。
4.如权利要求1所述的光波导组件，其特征在于，所述第一波导片具有垂直于所述第一表面的中心线，所述第一波导片的光线耦入端设置第一斜面，所述第一斜面和所述棱镜贴合面于所述中心线轴对称设置；
所述光波导组件还包括第一耦入反射膜，所述第一耦入反射膜设于所述第一斜面。
5.如权利要求1所述的光波导组件，其特征在于，所述第一波导片的光线耦入端设置第一斜面，所述第一斜面和所述棱镜贴合面平行，所述光波导组件还包括三棱柱透镜，所述三棱柱透镜设于所述第一斜面，所述三棱柱透镜的斜面背离所述第一斜面设置。
6.如权利要求1至3中任一项所述的光波导组件，其特征在于，所述第二波导片邻近所述阵列反射器的一端具有第二斜面，所述光波导组件还包括第二耦入反射膜，所述第二耦入反射膜设于所述第二斜面。
7.如权利要求6所述的光波导组件，其特征在于，所述光线耦出结构包括若干分光膜，所述分光膜相互之间平行设置，所述分光膜设于所述第二波导片内，所述分光膜的反射面朝向所述第二斜面。
8.如权利要求1至3中任一项所述的光波导组件，其特征在于，所述第二波导片远离所述光线耦入端的侧边与邻近的所述第一波导片的侧边对齐设置。
9.如权利要求1至3中任一项所述的光波导组件，其特征在于，所述光波导组件还包括光线耦入结构，所述光线耦入结构为耦入光栅，所述光线耦出结构为耦出光栅，所述耦入光栅设于所述第一波导片的第二表面，所述耦出光栅设于所述第二波导片的第四表面。
10.一种头戴显示设备，其特征在于，所述头戴显示设备包括耦入光源和如权利要求1至9中任一项所述光波导组件，所述耦入光源邻近所述光线耦入端设置。
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