CN1241263A - 投影型显示装置 - Google Patents

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Abstract

在投影型显示装置1中,来自照明光学系统80的出射光被在液晶光阀100R上形成的微透镜101发散。被该微透镜101发射的来自液晶光阀100R的出射光有效地被纳入设定得比照明光学系统80的F数小的投影光学系统60中。其结果,能防止由于微透镜101产生的发散而引起的光的利用率的下降。因此,在安装了带有微透镜的液晶光阀的投影型显示装置中,能获得明亮的投影图象。

Description

投影型显示装置
技术领域
本发明涉及利用采用了液晶盘等的光阀，对从光源射出的光束进行调制，通过投影光学系统将调制后的光束放大并投影的投影型显示装置。
背景技术
已知的投影型显示装置是这样构成的：用液晶光阀将从照明光学系统射出的光束变换成与象素信息对应的调制光束，通过投影光学系统将该调制光束放大并投影在屏(投影面)上。图6中示出了这样的投影型显示装置的光学系统。如该图所示，投影型显示装置1000有：备有光源81及均匀照明光学系统82的照明光学系统80；利用该照明光学系统80被光照亮的液晶光阀100A；以及将来自该液晶光阀100A的出射光放大并投影在屏900上的投影光学系统60A。
在这样的现有结构的投影型显示装置1000中是这样设计的：照明光学系统80及投影光学系统60A两者的F数FL及FP大致相等。
另外，一般来说，如图6所示，投影光学系统60A多半用一个透镜体表示，但通常它是由多个透镜体构成的。这意味着能将多个透镜体替换成具有与用它们构成的透镜体等效功能的一个透镜体。所谓投影光学系统的F数FP是表示能这样进行替换的一个透镜体的F数、即将该一个透镜体的焦距lP除以透镜的直径dP所得之值lP/dP。
另外，所谓照明光学系统的F数FL是表示照明光学系统中包括的多个透镜体中、配置在光路最下游侧、即配置在最靠近作为被照明物的液晶光阀100A一侧的透镜体的F数的值。另外，在配置在该光路最下游侧的透镜体是由如图6所示的多个小透镜构成的透镜阵列的情况下，不是表示各透镜的F数，而是表示将从透镜阵列到被照明物的距离IL除以透镜阵列的直径的最大值dL(例如，在圆形的情况下为直径，在方形的情况下为对角线的长度)所得之值lL/dL的值。
另一方面，近年来，要求用投影型显示装置显示高度清晰的图象。为了显示高度清晰的图象，需要增加液晶光阀象素数。这里，通常在象素被配置成矩阵状的液晶光阀中，象素的周围部分用被称为黑底的遮光层进行遮光。因此，液晶光阀的象素数增加得越多，黑底所占的区域越大，反过来说，象素开口部分的面积减小。即，液晶光阀做得越精细，从它射出的光通量就变得越少，所以，越是显示高度清晰的图象，由投影型显示装置形成的投影图象变得越暗。
为了避免这样的弊病，设计出了这样一种液晶光阀：在液晶光阀上形成由多个微透镜构成的微透镜阵列，利用各微透镜将光有效地引导到对应的象素开口部分。
可是，虽然用形成了微透镜阵列的液晶光阀能将入射光有效地引导到象素开口部分，但由于微透镜阵列的透镜效应的作用，来自该液晶光阀的出射光被发散。因此，来自带有微透镜的液晶光阀的出射光的倾角比来自没有微透镜的液晶光阀的出射光的倾角大。
因此，如果将带有微透镜的液晶光阀安装到照明光学系统80及投影光学系统60A两者的F数设计得大致相等的现有结构的投影型显示装置1000中，则来自该液晶光阀的一部分出射光有可能不被投影光学系统60A纳入。其结果，光的利用率下降，屏上的投影图象变暗。
鉴于上述问题，本发明的课题在于提供这样一种投影型显示装置：在安装了带有微透镜的光阀的投影型显示装置中，通过防止由微透镜引起的光的发散造成的光的利用率下降，而能获得亮的投影图象。
发明的公开
为了解决上述课题，本发明的投影型显示装置有：调制从照明光学系统射出的光束的光阀、以及将用该光阀调制过的光束放大并投影的投影光学系统，上述光阀备有呈矩阵状配置的多个象素、以及有将入射光聚光在上述象素上的多个微透镜的微透镜阵列，该投影型显示装置的特征在于：使上述投影光学系统的F数比上述照明光学系统的F数小。
在本发明的投影型显示装置中，使投影光学系统的F数比照明光学系统的F数小，使得被微透镜发散的来自液晶光阀的出射光在投影光学系统中能被有效地纳入。因此，能防止由微透镜引起的光的发散造成的光的利用率下降，能充分地获得在液晶光阀中形成微透镜所产生的效果。即，由微透镜引导到象素开口部分的大量的光能有效地到达投影面，在安装了带有微透镜的液晶光阀的投影型显示装置中能获得明亮的投影图象。
为了使被微透镜发散的来自液晶光阀的出射光在投影光学系统中几乎完全被纳入，可以采取下述方法来达到，即假设上述投影光学系统、上述照明光学系统、以及上述微透镜的F数分别为FP、FL、及FM，则使上述投影光学系统的F数即FP满足下式即可。
FP≤[tan{tan-1(2×FM)+tan-1(2×FL)-90°}]/2
作为上述照明光学系统可以采用这样的系统：它备有光源、以及均匀照明光学系统，该均匀照明光学系统将从光源射出的光束分割成多个部分光束，并使各部分光束分别重叠在上述光阀上。通过采用这样的照明光学系统，能对液晶光阀进行均匀的照明，能获得反差大的投影图象。
另外，作为照明光学系统可以采用这样的系统：它备有光源、第一透镜片、以及第二透镜片，上述第一透镜片备有将来自上述光源的出射光分割成多个中间光束的多个矩形透镜，上述第二透镜片备有将由上述第一透镜片分割的上述多个中间光束重叠在上述光阀上的多个矩形透镜，这样也能对液晶光阀进行均匀的照明，能获得反差大的投影图象。
另外，这时构成上述第二透镜片的多个矩形透镜可以是偏心透镜。如果这样做，能用更短的距离重叠多个中间光束。
另外，作为照明光学系统可以采用这样的系统：它备有光源、第一、第二透镜片、以及重叠透镜，上述第一、第二透镜片备有将来自上述光源的出射光分割成多个中间光束的多个矩形透镜，上述重叠透镜将由上述第一、第二透镜片分割的上述多个中间光束重叠在上述光阀上，这样也能对液晶光阀进行均匀的照明，能获得反差大的投影图象。另外，通过设置重叠透镜，能用更短的距离重叠多个中间光束。
另外，上述照明光学系统也可以备有光源、以及使来自上述光源的出射光聚光的聚光透镜。如果采用这样的照明光学系统，则能利用聚光透镜的聚光作用，防止来自光源的光的发散，所以能提高光的利用率，能获得明亮的投影图象。
作为本发明的投影型显示装置，可以采用这样的结构，即备有：将从上述照明光学系统射出的光束分离成多种颜色的光束的色分离光学系统；对被该色分离光学系统分离后的各色光束进行调制的多个上述光阀；使由该光阀分别调制过的各色光束合成的色合成光学系统；以及将由该色合成光学系统合成的光束放大并投影的上述投影光学系统。
附图的简单说明
图1是应用了本发明的投影型显示装置的光学系统的简略结构图。
图2是红色光束用的等效光学系统的简略结构图。
图3是说明投影光学系统的F数用的图。
图4(a)、图4(b)、图5(a)、图5(b)分别是表示照明光学系统的变形例的图。
图6是现有的投影型显示装置的光学系统的简略结构图。
实施发明用的最佳形态
以下，参照附图说明应用了本发明的投影型显示装置。另外，在光学系统的说明中，为了方便，将互相正交的三个方向设为X、Y、Z，且设Z为光的传播方向。本例的投影型显示装置是这样一种形式的装置：将从照明光学系统射出的光束分离成红、绿、蓝三色光束，通过液晶光阀，对应于图象信息，对该各色光束进行调制，将调制后的各色光束合成后，通过投影光学系统放大并显示在屏上。
A.装置的结构
图1中示出了本例的投影型显示装置1中安装的光学系统的简略结构。在本例的投影型显示装置1的光学系统中有：备有光源81的照明光学系统80；将从照明光学系统80射出的光束W分离成红色光束R、绿色光束G、蓝色光束B的色分离光学系统924；对各色光束R、G、B进行调制的三个液晶光阀100R、100G、100B；作为对调制后的色光束进行合成的色合成光学系统的二向色棱镜10；将合成后的光束放大并投影在屏900的表面上的投影光学系统60；以及引导到各色光束R、G、B中与蓝色光束B对应的液晶光阀100B上的光导系统927。
照明光学系统80备有：光源81；以及均匀照明光学系统82，后者将来自光源81的光束分割成多个部分光束，并将这些部分光束重叠在液晶光阀100R、100G、100B上。
光源81备有：卤素灯、金属卤化物灯、氙灯等光源灯811、以及使来自光源灯811的出射光大致呈平行光射出的反射镜812。反射镜812的反射面的形状呈抛物线形、椭圆面形等形状。
均匀照明光学系统82备有：具有多个矩形透镜的第一透镜片821及第二透镜片822。另外，还备有反射镜823，它将来自第一透镜片821的出射光的光轴1a朝向装置的前方折成直角。将该反射镜823夹在中间的第一及第二透镜片821、822被配置成正交的状态。
来自光源81的出射光被构成第一透镜片821的矩形透镜分割成多个中间光束，通过构成第二透镜片822的矩形透镜后，重叠在液晶光阀100R、100G、100B上。在本例的投影型显示装置1中，由于这样用均匀照明光学系统82照亮液晶光阀100R、100G、100B，所以能用没有光斑的照明光照射液晶光阀100R、100G、100B，有利于获得反差大的投影图象。
色分离光学系统924由蓝绿反射二向色棱镜941、绿反射二向色棱镜942、以及反射镜943构成。首先，光束W中包含的蓝色光束B及绿色光束G在蓝绿反射二向色棱镜941上大致呈直角被朝向绿反射二向色棱镜942一侧反射。
红色光束R透过该蓝绿反射二向色棱镜941，被后方的反射镜943大致呈直角反射，从红色光束R的出射部分944出射到二向色棱镜10一侧。其次，在绿反射二向色棱镜942上、以及在蓝绿反射二向色棱镜941上反射的蓝色、绿色光束B、G中，只有绿色光束G大致呈直角反射，从绿色光束G的出射部分945出射到二向色棱镜10一侧。透过该绿反射二向色棱镜942的蓝色光束B从蓝色光束B的出射部分946出射到导光系统927一侧。在本例中，从照明光学系统80的光束W的出射部分到色分离光学系统924中的各色光束的出射部分944、945、946的距离被设定得大致相等。
各个聚光透镜951、952被配置在色分离光学系统924的红色光束R、绿色光束G的出射部分944、945的出射侧。因此，从各出射部分944、945射出的红色光束R、绿色光束G入射到这些聚光透镜951、952后呈平行光射出。
这样呈平行光的红色光束R、绿色光束G入射到液晶光阀100R、100G上被进行调制，被附加上与各色光对应的图象信息。即，由图中未示出的驱动装置根据图象信息，对这些液晶光阀进行开关控制，由此进行通过液晶光阀的各色光的调制。这样的驱动装置可以直接使用已知的装置。另一方面，蓝色光束B通过光导系统927被导入对应的液晶光阀100B上，在这里同样根据图象信息进行调制。
光导系统927由以下部分构成：配置在蓝色光束B的出射部分946的出射侧的聚光透镜954；入射侧反射镜971；出射侧反射镜972；配置在这些反射镜之间的中间透镜973；以及配置在液晶光阀100B前侧的聚光透镜953。各色光束的光路长度、即从光源81到各液晶光阀的距离，蓝色光束B最长，因此，该光束的光通量损失最大。可是，由于通过光导系统927，所以能抑制光通量损失。
通过各液晶光阀100R、100G、100B被调制的各色光束R、G、B入射到二向色棱镜10中进行合成。二向色棱镜10沿四个直角棱镜的结合面形成呈X形的二向色层。由该二向色棱镜10合成的彩色图象通过作为投影透镜单元的构成要素的投影光学系统60，被放大并投影在给定位置的屏900的表面上。另外，作为投影光学系统60，可以使用远心透镜。
其次，说明照明光学系统80的F数和投影光学系统60的F数的关系。另外，由于要将光学系统设计得紧凑些，所以从照明光学系统80经过液晶光阀100R、100G、100B及投影光学系统60到达屏900的各光路呈曲折状态，但在光学上，这与各透镜沿光源的光轴呈直线排列的光学系统实际上是等效的。在图2中示出了红色光束用的等效光学系统。但上述的色分离光学系统925、聚光透镜951、二向色棱镜10被省略。另外，绿色光束及蓝色光束用的等效光学系统也一样，所以它们的说明从略。
如图2所示，为了防止与图象的清晰度的提高相伴随的光的利用率下降，在液晶光阀100R的光入射面一侧形成由多个微透镜101构成的微透镜阵列102。与象素开口部分对应地形成各微透镜101，它具有这样的光学特性：使入射到液晶光阀100R上的光被集中在对应的象素开口部分。
因此，在本例的投影型显示装置1中，如图2中的实线所示，来自液晶光阀100R的出射光由于微透镜101的作用而发散。因此，来自液晶光阀100R的出射光的发散程度比来自现有结构的投影型显示装置中的液晶光阀的出射光(图2中的虚线)的发散程度大。
在本例的投影型显示装置1中，由于使投影光学系统60的F数FP比照明光学系统的F数FL小，所以被微透镜101发散的来自液晶光阀100R的出射光能有效地在投影光学系统60中被纳入。
这里，如图2所示，一般来说，多半用一个透镜体表示投影光学系统60A，但通常它是由多个透镜体构成的。这意味着能将多个透镜体替换成具有与用它们构成的透镜体等效功能的一个透镜体。所谓投影光学系统的F数FP是表示能这样进行替换的一个透镜体的F数、即该一个透镜体的焦距lP除以透镜的直径dP所得之值lP/dP。
另外，所谓照明光学系统的F数FL是表示照明光学系统中包括的多个透镜体中、配置在光路最下游侧、即配置在最靠近液晶光阀100R、100G、100B一侧的透镜体的F数。另外，如本例所示，在配置在该光路最下游侧的透镜体是由多个透镜构成的透镜阵列的情况下，不是表示各透镜的F数，而是表示将从透镜阵列到被照明物的距离lL除以透镜阵列的直径的最大值dL(例如，在圆形的情况下为直径，在方形的情况下为对角线的长度)所得之值lL/dL的值。因此，在本例的投影型显示装置1的情况下，所谓照明光学系统的F数FL是将第二透镜片822的F数、即从透镜片822到液晶光阀100R的距离lL除以透镜片822的直径的最大植dL(例如，在圆形的情况下为直径，在方形的情况下为对角线的长度)所得之值lL/dL。
另外，在本例这样的使用二向色棱镜10的投影型显示装置1中，作为被照明物的液晶光阀100R、100G、100B中的某液晶光阀100B多半被配置在比其他液晶光阀距离照明光学系统80更远的位置。在这样的情况下从透镜阵列到被照明物的距离1L是指到最近的被照明物的距离而言。特别是如本例所示，在采用光导系统927的情况下，可将配置在与液晶光阀100R、100G大致相同位置的聚光透镜954看作被照明物。
另外，可以将使光照射在作为照明区的液晶光阀100R、100G、100B上的全体光学系统、即到液晶光阀100R、100G、100B的光路及光路上存在的光学系统称为广义的照明光学系统。例如，广义的照明光学系统中也可以包括图1所示的色分离光学系统924、光导系统927、聚光透镜951、952等。可是，以使光照射在液晶光阀100R、100G、100B上的功能为主的系统是狭义的照明光学系统80。在本发明中，以这样的狭义的照明光学系统为对象。
另外，由于能将几乎全体被微透镜101发散的来自液晶光阀100R的出射光纳入投影光学系统60，所以在本例中，投影光学系统60的F数FP、照明光学系统的F数FL及在液晶光阀100R上形成的微透镜101的F数FM有如下关系。另外，微透镜101的F数FM是将各个微透镜101的焦距除以各自的直径的值。
在图3中示出了照明光学系统80、投影光学系统60、以及微透镜101各自的F数的关系。从该图可知，照明光学系统80的光线角θL及微透镜101产生的光线角θM可用下式(1)及(2)求得。
θL＝90°-tan-1(2×FL)    ……(1)
θM＝90°-tan-1(2×FM)    ……(2)
被导入投影光学系统60中的光束是对来自照明光学系统60的光束的发散附加由微透镜101产生的发散后的光束。因此，被导入投影光学系统60中的光束的角度θP是照明光学系统80的光线角θL和微透镜101产生的光线角θM的和，可由下式(3)求得。
θP＝θL+θM
   ＝180°-tan-1(2×FL)-tan-1(2×FM)…(3)
在本例中，该角度θP内的光束全部被纳入投影光学系统60中，将投影光学系统60的入射光瞳增大，使投影光学系统60的F数满足(4)式。
FP≤{tan(90°-θP)}/2    ……(4)
即，在本例的投影型显示装置中，由式(3)、(4)，使投影光学系统的F数FP、照明光学系统的F数FL微透镜的F数FM满足式(5)。
FP≤[tan{tan-1(2×FM)+tan-1(2×FL)-90°}]/2…(5)
因此，例如，在照明光学系统80的F数FL为2.5、微透镜101的F数FM为3.5的情况下，可将投影光学系统60的F数FP设定为约小于1.4。另外，在照明光学系统80的F数FL为5.0、微透镜101的F数FM为3.5的情况下，可将投影光学系统60的F数FP设定为约小于2.0。
在本例的投影型显示装置1中，通过这样规定投影光学系统60的F数FP，能使被微透镜101发散的来自液晶光阀100R、100G、100B的出射光有效地纳入投影光学系统中。因此，能避免带微透镜的液晶光阀100R、100G、100B的出射光的一部分离开投影光学系统60的现象发生，能防止由于微透镜101产生的发散而引起的光的利用率的下降。即，由微透镜101引导到象素开口部分的大量的光能有效地到达投影面，在备有带微透镜的液晶光阀的投影型显示装置中能获得明亮的投影图象。
B：照明光学系统的变形例
前面说明过的照明光学系统80可以替换成图4(a)、图4(b)、图5(a)、图5(b)所示的照明光学系统80A～80D。在图4(a)～图5(b)中与照明光学系统80相同的结构部分，标以相同的符号，其详细说明从略。
图4(a)所示的照明光学系统80A备有具有二个透镜片821、822和重叠透镜824的均匀照明光学系统82A和光源81。在前面说明过的照明光学系统80中，被第一透镜片821分割的中间光束利用第二透镜片822，被重叠在液晶光阀100R、100G、100B上，但在本例中，是通过重叠透镜824进行重叠。在本例的情况下，照明光学系统的F数FL变成配置在光路最下游一侧的重叠透镜824的F数。
图4(b)所示的照明光学系统80B是在图4(a)中，将由第二透镜片822和重叠透镜824构成的部分换成具有它们的功能的一个偏心透镜片822A后的系统。在本例的情况下，照明光学系统的F数FL变成将从配置在光路最下游一侧的透镜片822B到被照明物的距离lL除以透镜片822B的直径的最大值dL(例如，在圆形的情况下为直径，在方形的情况下为对角线的长度)所得之值lL/dL。
图5(a)所示的照明光学系统80C备有：有两个透镜片821C的均匀照明光学系统82C、以及光源81C。光源81C备有光源灯811和椭圆形的反射镜812C。与前面说明过的射出平行光的光源81不同，本例的光源81C射出收敛光。而且，构成均匀照明光学系统82C的透镜片821C、822C呈与从光源81C射出的收敛光的幅度一致的形状。透镜片821C、822C的功能与照明光学系统80中的透镜片821、822的功能相同。在本例的情况下，照明光学系统的F数FL变成将从配置在光路最下游一侧的透镜片822C到被照明物的距离lL除以透镜片822C的直径的最大值dL(例如，在圆形的情况下为直径，在方形的情况下为对角线的长度)所得之值lL/dL。
图5(b)所示的照明光学系统80D备有光源81和聚光透镜825。聚光透镜825用来防止从光源81射出的光发散。在本例的情况下，照明光学系统的F数FL变成配置在光路最下游一侧的聚光透镜825的F数。
C.其他实施形态
上述的投影型显示装置1虽然是从观察投影面一侧进行投影的前面投影型显示装置，但本发明也能适用于从与观察投影面一侧相反的方向进行投影的背面投影型显示装置。

Claims (14)

1.一种投影型显示装置，它有调制从照明光学系统射出的光束的光阀、以及将用该光阀调制过的光束放大并投影的投影光学系统，上述光阀备有呈矩阵状配置的多个象素、以及有将入射光聚光在上述象素上的多个微透镜的微透镜阵列，该投影型显示装置的特征在于：
使上述投影光学系统的F数比上述照明光学系统的F数小。
2.根据权利要求1所述的投影型显示装置，其特征在于：上述照明光学系统备有光源、以及均匀照明光学系统，该均匀照明光学系统将从光源射出的光束分割成多个部分光束，并使各部分光束分别重叠在上述光阀上。
3.根据权利要求1所述的投影型显示装置，其特征在于：上述照明光学系统备有光源、第一透镜片、以及第二透镜片，上述第一透镜片备有将来自上述光源的出射光分割成多个中间光束的多个矩形透镜，上述第二透镜片备有将由上述第一透镜片分割的上述多个中间光束重叠在上述光阀上的多个矩形透镜。
4.根据权利要求3所述的投影型显示装置，其特征在于：构成上述第二透镜片的多个矩形透镜是偏心透镜。
5.根据权利要求1所述的投影型显示装置，其特征在于：上述照明光学系统备有光源、第一、第二透镜片、以及重叠透镜，上述第一、第二透镜片备有将来自上述光源的出射光分割成多个中间光束的多个矩形透镜，上述重叠透镜将由上述第一、第二透镜片分割的上述多个中间光束重叠在上述光阀上。
6.根据权利要求1所述的投影型显示装置，其特征在于：上述照明光学系统备有光源、以及使来自上述光源的出射光聚光的聚光透镜。
7.根据权利要求1～6中的任意一项所述的投影型显示装置，其特征在于备有：将从上述照明光学系统射出的光束分离成多种颜色的光束的色分离光学系统；对被该色分离光学系统分离后的各色光束进行调制的多个上述光阀；使由该光阀分别调制过的各色光束合成的色合成光学系统；以及将由该色合成光学系统合成的光束放大并投影的上述投影光学系统。
8.一种投影型显示装置，它有调制从照明光学系统射出的光束的光阀、以及将用该光阀调制过的光束放大并投影的投影光学系统，上述光阀备有呈矩阵状配置的多个象素、以及有将入射光聚光在上述象素上的多个微透镜的微透镜阵列，该投影型显示装置的特征在于：
假设上述投影光学系统的F数为FP，上述照明光学系统的F数为FL，上述微透镜的F数为FM，则满足
FP≤[tan{tan-1(2×FM)+tan-1(2×FL)-90°}]/2
9.根据权利要求8所述的投影型显示装置，其特征在于：上述照明光学系统备有光源、以及均匀照明光学系统，该均匀照明光学系统将从该光源射出的光束分割成多个部分光束，并使各部分光束分别重叠在上述光阀上。
10.根据权利要求8所述的投影型显示装置，其特征在于：上述照明光学系统备有光源、第一透镜片、以及第二透镜片，上述第一透镜片备有将来自上述光源的出射光分割成多个中间光束的多个矩形透镜，上述第二透镜片备有将由上述第一透镜片分割的上述多个中间光束重叠在上述光阀上的多个矩形透镜。
11.根据权利要求10所述的投影型显示装置，其特征在于：构成上述第二透镜片的多个矩形透镜是偏心透镜。
12.根据权利要求8所述的投影型显示装置，其特征在于：上述照明光学系统备有光源、第一、第二透镜片、以及重叠透镜，上述第一、第二透镜片备有将来自上述光源的出射光分割成多个中间光束的多个矩形透镜，上述重叠透镜将由上述第一、第二透镜片分割的上述多个中间光束重叠在上述光阀上。
13.根据权利要求8所述的投影型显示装置，其特征在于：上述照明光学系统备有光源、以及使将来自上述光源的出射光聚光的聚光透镜。
14.根据权利要求8～13中的任意一项所述的投影型显示装置，其特征在于备有：将从上述照明光学系统射出的光束分离成多种颜色的光束的色分离光学系统；对被该色分离光学系统分离后的各色光束进行调制的多个上述光阀；使由该光阀分别调制过的各色光束合成的色合成光学系统；以及将由该色合成光学系统合成的光束放大并投影的上述投影光学系统。
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