CN1447102A - 相位差检测方法、相位差检测设备、测距设备以及成象设备 - Google Patents

Abstract

设法简化相位差检测装置中的补偿计算，该检测装置用于检测一对光学传感器阵列上形成的图象之间的相位差。当补偿有效行检查单元5d检查出对成对的图象数据行(IL，IR)的补偿有效时，左右差补偿单元5e计算出：每对图象数据行的最大值的差值Max和Min的差值Min求和之后再除以2，作为补偿量，并用计算出来的补偿量补偿存储器5b中IL和IR的差值。根据补偿的IL和IR，相关计算单元5f进行相关计算，而最大相关检测单元5g检测最大相关电平，并根据最大相关电平内插计算单元5h进行内插计算，相位查检测单元5i检测到相位差。

Description

相位差检测方法、相位差检测设备、 测距设备以及成象设备

技术领域

本发明设计一种相位差检测方法，相位差检测设备，测距设备和成象设备。

背景技术

过去，在自动聚焦照相机等装置中，当用所谓无源系统对要拍摄的物体聚焦时，假如是非TTL相机的话，用不经过拍摄镜头的被摄物体象来检测被摄物体的距离，然后根据检测的到该被摄物体的距离控制拍摄镜头；而假如是TTL相机，则用通过拍摄镜头得到的物体象来检测相对于聚焦状态的偏移量，然后根据检测到偏移量控制拍摄镜头。下文将参考图7A说明上述操作的原理。

在该图中，一对透镜1a和1b彼此相距一个预定的基线长度b，设置在与一对透镜相距一个焦距长度的一对光学传感器阵列3a和3b，通过不同的光路A和B分别形成物体2的象。假设物体2与一对透镜前表面相距L的距离。

当物体2位于无穷远时，在一对光学传感器阵列3a和3b上所成象的中心在光轴上的基准位置(3a1，3b1)处，但是当物体2从无穷远靠近过来时，则象的位置离基准位置(3a1，3b1)有一个α偏移。根据三角测距原理，距离L为L＝bf/α.。其中，由于基线长度b和焦距长度f是常数，所以只要监测到偏移量α，即可测得距离L。这是无源测距(成为外部光三角测距)的原理，用于非TTL相机。此外，在非TTL相机中，偏移量α可能用在测距装置的输出量距离L来代替。

在TTL相机中，让光通过成象镜头(未示出)到达一对透镜1a和1b，按与上述相同的方式，检测左右一对象之间的偏移量α。此外，在此情况下，假设聚焦状态时象的中心是在各光学传感器阵列3a和3b的基准位置处。于是，正负偏移量α分别表示了前聚焦状态和后聚焦状态，其绝对值表示相对于入焦的偏移程度。另外，在这种应用中，偏移量α称为相位差。

物体的象都是利用一光学系统形成在一对光学传感器阵列上，且一对光学传感器阵列输出的一对图象信号的相对偏移量，即相位差，是通过分别对从一对图象信号中提取的对单个图象数据组(见图7B)进行相关计算而测得的。此外，所述的这种相位差检测不限于自动聚焦相机，也可以用于各种测距装置和焦点检测装置等等。

在实现这种相位差检测的装置中，在诸如太阳等作为被摄物背景(此时称为背景光)的情况下，用于减小由于强光源背景光导致检测精度下降的方法是，3230759号专利(JP-A-5-264892)等文献所述的方法。在该公开技术中，检查光学传感器的输出中是否有由于背景光等等造成的耀斑影响，如果检查到有耀斑的影响，则得到一个基于一对图象信号的光强差得补偿值，具体地是计算出对应于各个图象信号平均值之差的补偿值，算出的补偿值分别与图象信号之一相加或相减，而且是根据补偿后的图象信号相关计算出相位差。

但是，在上述3230759号专利(JP-A-5-264892)所述的技术中，为了得到补偿值，必须进行复杂的单个图象信号平均值之差的计算。

而且，在上述专利中，由于补偿值仅仅是从各图象信号平均值之差中算出的，所以可能无法进行高精度的补偿。如图8所示，当图象信号IL中有图象信号ILX存在而图象信号IR中没有，且图象信号IR中有图象信号IRX存在而图象信号IL中没有时，假如仅仅从一对包含了这些图象信号ILX和IRX的图象信号平均值之差计算该补偿，则由于补偿值受到不同的图象信号ILX和IRX的影响，而不能进行高精度的补偿。此外，在图8中，相同的标号表示了与图7相同的组件。

本法发明的第一个目的是提供一种相位差检测方法，相位差检测装置，测距装置，以及成象装置，其中可以不必为了计算用于减小被摄物背景中的太阳等强光源导致的检测精度下降的补偿值，对各个图象信号的平均值之差做复杂计算。

本发明的第二目的是提供一种相位差检测方法，相位差检测装置，测距装置以及成象装置，其中可以减小仅含有一对图象信号的情况对补偿值的影响，该补偿值用于减小由于被摄物背景中的太阳等强光源导致的检测精度下降。

发明内容

第一发明是一种相位差检测方法，包括补偿步骤，根据每对图象数据行的最大图象数据差值和每对图象数据行的最小图象数据差值，补偿一对图象数据行的差，其中该数据行由若干个响应于其上形成有物体象的光学传感器阵列的输出值的图象数据组成；和检测步骤，根据补偿后的成对图象数据检测一对光学传感器阵列上所成图象之间的相位差。根据包括这些步骤的方法，由于成对图象数据行的补偿是根据每一对图象数据行的最大图象数据差值和最小图象数据差值完成的，所以能够有效地减少为了计算用于减小被摄物背景中的太阳等强光源导致的检测精度下降的补偿值而对各个图象信号的平均值之差做复杂计算，而且能够简化补偿处理的过程。

第二发明是有关结构的，其中的补偿步骤是一个根据每一对图象数据行的最大图象数据差值和最小图象数据差值以及图象数据的平均值，补偿一对图象数据行的差的步骤。根据这一方法，由于补偿值是根据每对图象数据行的最大图象数据差值和根据每对图象数据行的最小图象数据差值而不是各图象信号的平均值计算出来的，所以能够减小仅用一对图象信号中的一个对补偿值的影响，而这这种影响会出现在补偿值仅从各图象信号平均值中计算补偿值的情况下。另一方面，第一发明的补偿值是根据相应图象信号平均值进行补偿的，所以能够做高精度的补偿。

第三发明是一种相位差检测装置，包括一对光学传感器阵列，用于在其上形成物体图象；一个补偿单元，用于根据每对图象数据行的最大图象数据差值和每对图象数据行的最小图象数据差值补偿一对图象数据行间差值，其中该数据行由若干个响应于其上形成有物体象的光学传感器阵列的输出值的图象数据组成；以及一个相位差检测单元，用于根据补偿后的成对图象数据行，检测形成在一对光学传感器阵列上的图象之间的相位差。基于这样的结构，由于成对图象数据行的差是根据每一对图象数据行的最大图象数据差值和每对图象数据行的最小图象数据差值进行补偿的，所以能够有效地减少为了计算用于减小被摄物背景中的太阳等强光源导致的检测精度下降的补偿值而对各个图象信号的平均值之差做复杂计算，而且能够简化补偿处理的过程。

第四发明是关于补偿单元结构的，它根据每一对图象数据行的最大图象数据差值和每对图象数据行的最小图象数据差值，补偿一对图象数据行间的差值。根据这样的结构，由于补偿值是根据每一对图象数据行的最大图象数据差值和每对图象数据行的最小图象数据差值而不是各图象信号的平均值计算出来的，所以能够减小仅用一对图象信号中的一个而对补偿值的影响，而这种影响会出现在补偿值仅从各图象信号平均值中计算补偿值的情况下。另一方面，由于第一发明的补偿值是根据相应图象信号平均值进行补偿的，所以能够做高精度的补偿。

第五发明是一种测距装置，它包括上述相位差检测装置；和一个距离检测单元，用于根据相位差检测单元检测到的相位差，计算到被测物体距离的距离数据。根据这种装置，可以提供一种具有上述优点的测距装置。

第六发明是一种成象装置，它包括上述相位差检测单元，物镜，通过物镜在其上形成图象的成象单元，以及用于根据相位差检测单元算出的相位差在物镜与成象单元之间进行聚焦操作的聚焦控制单元。根据这样的结构，可以提供一种具有上述优点的成象装置。

附图说明

本发明及其他优点，可以从在下文结合附图的说明中得到更好的理解，其中：

图1是表示本发明一个实施例的电路框图；

图2是解释图1操作过程的流程图；

图3A至3D是表示一对图象数据行(IL，IR)的示意图；

图4A至4D是表示一对图象数据行(IL，IR)的示意图；

图5A至5D是表示图4的图象数据行电平差的示意图；

图6是表示本发明另一实施例的框图；

图7A和7B是解释操作的示意图；

图8是表示一对图象数据行的示意图。

具体实施方式

下文中，将参考附图中所示的一个实施例说明本发明的一个优选实施例。图1是本发明用于成象装置的一个例子。此外在图1中，相同的标号表示与图7中相同的结构组件。

在图1中，如上所述一对透镜将物体2分别在一对光学传感器阵列3a和3b上成象。每个光学传感器阵列3a和3b的结构包括排成一行的162个象素(光电转换器件)，而且每个象素输出一个与物体2在该象素处形成的光强相对应的电信号。另外，按照需要可以改变一对传感器阵列3a和3b中的象素数量。输出单元将一对传感器阵列3a和3b的输出信号输出到CPU5。作为补偿单元，相位检测单元和距离检测单元的CPU5根据各种程序和存储在存储单元6中的各种数据，处理输入进来的一对传感器阵列3a和3b的输出值，如下文所述。CPU5控制聚焦控制单元7，并可以在箭头X的方向上驱动物镜8，以在物镜8与成象单元9之间进行聚焦。此外，成象单元9可以是银盐胶片，也可以是所述的具有光电转换器件的成象器件，如CCD传感器或CMOS传感器等等。

下文将结合图1和2来说明CPU5的功能。此外在CPU5中，采用了一个功能框图。

当按动一个未示出得释放开关时，一对传感器阵列3a和3b开始工作(步骤3a)。如上所述，用一对透镜1a和1b经不同的光路在一对传感器阵列3a和3b上分别形成物体2的象，而且一对传感器阵列3a和3b输出响应于所成图象光强的电信号。

一个A/D转换单元5a将经由输出部分4输出的一对传感器阵列3a和3b的输出信号从模拟转换成数字的。存储单元5a将A/D转换后的一对传感器阵列3a和3b的输出值存储到一对存储区5bL和5bR中。在本实施例中，A/D转换后的传感器阵列3a的输出值存储于存储区5bL，而同样地A/D转换后的传感器阵列3b的输出值存储于存储区5bR。而且，在本实施例中，由于一对传感器阵列3a和3b的象素数量分别是162，故图象数据行(IL，IR)分别具有162个数据(IL(1-162)，IR(1-162))。

左右差值检查单元5c，从存储于存储单元5b中的一对图象数据行(IL，IR)中分别读取有效区域(步骤3b)，并计算器平均值LA与RA差值的绝对值(下文称为“左右差”)，检查算出的左右差是否大于设定值1(步骤3c，3d和3e)。更确切地，如果左右差大于设定值1，则检查到存在着由于背景光和杂散光对于一对光学传感器阵列(3a和3b)上所成图象的影响，在左右差小于设定值1的情况下，则检查出不存在由于背景光和杂散光对于一对光学传感器阵列(3a和3b)上所成图象的影响。此外，有效区不限于上述的一种，可以根据需要改变。而且，考虑到光学系统误差和光学传感器阵列的变换误差，需要将设定值1的值设定为接近于“0”。

在左右差检测单元5c检查出一对图象数据行(IL，IR)平均值的绝对值大于设定值1时，也即存在着由于背景光和杂散光对于一对光学传感器阵列(3a和3b)上所成图象的影响时，补偿有效性检查单元5d计算有效区中IL(1-162)的最大值(下文称为“ILmax”)与IR(1-162)的最大值(下文称为“IRmax”)的差值(下文称该差值为“Max”)，和IL(1-162)的最小值(下文称为“ILmin”)与IR(1-162)的最小值(下文称为“IRmin”)的差值(下文称该差值为“Min”)(步骤3f和3g)，并检查Max与Min之差的绝对值是否小于设定值2(步骤3h)。具体地，Max与Min之差的绝对值小于设定值2，则说明下文所述的补偿是有效的；Max与Min之差的绝对值不小于设定值2，则表示下文所述的补偿无效。换句话说，这种检查是图象数据(IL(1-162))与图象数据(IR(1-162))是否有平行偏移关系的检查，具体为，图象数据(IL(1-162))与图象数据(IR(1-162))保持平行偏移关系的可能性。此外，较理想的是将设定值2设定为0或接近于0的值。

当补偿有效性检查单元5d检查出补偿是有效的时候，即当检查出图象数据(IL(1-162))与图象数据(IR(1-162))有平行偏移关系的可能性时，作为补偿单元的左右差补偿单元5e计算出Max与Min之和再除以2所得到的值，即基于每对图象数据行中图象数据的最大值差和每对图象数据行中图象数据的最小值差得到的补偿量(步骤3i)，并用计算出来的补偿量补偿存储器中IL与IR的差值(步骤3j)。在步骤3j的补偿过程中，可以比较LA和RA，且在LA较小时，将上述补偿量加到IL的各个图象数据(IL(1-162))上，而从IR的图象数据(IR(1-162))中减去该补偿量，当LA较大时，将上述补偿量从IL的各个图象数据(IL(1-162))中减去，而加到IR的图象数据(IR(1-162))中。总之，根据偏移量进行平行偏移图象数据(IL(1-162))或图象数据(IR(1-162))的补偿。此外，可以同时对图象数据(IL(1-162))和图象数据(IR(1-162))的平行偏移进行补偿。在此情况下，总偏移量为补偿量。

如刚刚所述的，由于检查补偿工作是否有效，而且在有可能有效地进行补偿时才进行补偿，所以能够减少进行徒劳无效补偿的可能。对于本实施例，在图象数据(IL(1-162))与图象数据(IR(1-162))有平行偏移关系的可能性时，由于进行了平行偏移图象数据(IL(1-162))或图象数据(IR(1-162))的补偿或者同时对图象数据(IL(1-162))和图象数据(IR(1-162))的平行偏移进行了补偿，所以能够减少进行徒劳无效补偿的可能。

而且，由于检查补偿是否有效的值是计算补偿值时所用的，所以使数据可以用于双重目的。

而且由于是根据每对图象数据行中图象数据的最大值差和每对图象数据行中图象数据的最小值差，更具体地是根据这些差值的平均值，来补偿一对图象数据行的差值的，所以在为了减小由于物体背景中存在诸如太阳等强光源所导致的检测精度下降等影响而必须进行补偿时，对于本实施例而言，当左右差检查单元5c检查到一对光学传感器阵列(3a和3b)成的图象中存在背景光和杂散光的影响时，能够有效地减少为了得到各个图象信号平均值而进行复杂计算，而这种复杂计算是用于计算补偿值的，而且能够简化补偿处理过程。

而且，当不存在背景光的影响时，由于无需进行补偿是否有效的检查，所以在不必检查补偿是否有效时，可以不进行检查。

在步骤3j进行补偿的情况下，当步骤3e中左右差小于设定值1，且检查到一对光学传感器阵列(3a和3b)上所成象中没有背景光和杂散光的影响时，或者在步骤3h检查到补偿无效时，用相关计算单元5f进行相关计算(步骤3k)。在实际过程中，从存储器5b中分别提取一对图象数据行(IL，IR)的局部图象数据组(iL，Ir)，且使它们在光学传感器阵列上的相对位置不相同，并计算与分别提取出的局部图象数据组(iL，iR)有关的电平。本实施例采用的是局部图象数据组的数据数量设定为26的系统，且如图7B所示，使图象数据行(IL)中提取的局部图象数据组(iL)固定，而一个接一个地移动从图象数据行(IR)中提取的局部图象数据组(iR)。更确切地，根据下列公式进行相关计算：

S(I)＝∑25  i＝0|IL65+i-IR1+i|  (1)

其中，I＝1-137

      L(1-162)，R(1-162)

当步骤3k的相关计算完成之后，根据相关计算单元5f对公式1的计算结果，用最大相关电平检测单元5g检测S(I)的局部最小值(下文称为图7B所示S(I))，即最大相关电平(步骤3l)。

当检测到局部最小值S(I)时，相关计算单元5h用输入的局部最小值S(I)和其前后的相关计算函数值S(x-1)和S(x+1)经内插法来补偿x和局部最小值S(I)(步骤3m)。由于内插计算是公知技术，故不做详细说明。

当用内插计算补偿x时，相位差检测单元5i检测距一侧光学传感器阵列3b补偿值量之基准位置的偏移量(如在诸如非TTL相机等外光三角测距的情况下，基准位置设定为对应于测量方向上无穷远处物体所成图象中心的位置，而TTL相机等的聚焦检测装置，则设定为对应于拍摄镜头聚焦状态时物体象中心的位置)，即相位差(步骤3n)。此外，相位差检测单元5i具有相关计算单元5f，最大相关电平检测单元5g，内插计算单元5h和相位差检测单元5i的功能。第二相位差检测单元52具有左右差补偿单元5e，相关计算单元5f，最大相关电平检测单元5g，内插计算单元5h和相位差检测单元5i。

当检测到相位差时，可靠性检查单元5j检查补偿的局部最小值S(I)是否大于设定值3，即局部最小值S(I)的可靠性是否足够高(步骤3o)。更为确切地，在局部最小值S(I)小于设定值3时，检查出可靠性是高的；而在局部最小值S(I)大于设定值3时，检查出可靠性是低的。

当在步骤3o检查出可靠性是高的时，相位差补偿单元5k对步骤3n(步骤3p)计算出来的相位差进行预定的补偿。在做此补偿时，考虑了如温度补偿等等。此外，根据所需的相位差检测精度要求，该补偿可以实施或取消。聚焦控制单元7根据补偿的相位差控制物镜8的位置，并在物镜8与成象单元9之间作聚焦操作。此外，在非TLL相机的情况下，不限于前面所述的，且到物体2的距离数据可以有距离检测单元5l根据补偿的相位差和该局隶属据计算出来，焦距控制单元7可以控制物镜8的位置，并在物镜8与成象单元9之间作聚焦操作。

当在步骤3o检查出可靠性低时，背景光处理单元5m进行预定的背景光处理，使防锁定和固定的距离输出(3q)。

通过进行这样的处理，在图象信号为图3A和3B所示时，可以防止进行徒劳无功的补偿，而如图3C所示，当图象数据对有平行偏差关系时，进行有效的补偿。而且，即使在图3D所示的图象数据对的情况下，可以通过在步骤3o检查可靠性来进行背景光处理。

此外，在上文中，所示的例子是在进行相关计算时使局部图象数据组之一(iL)固定，而使另外一个局部图象数据组(iR)一个接一个地移动，需要是可以改变相关计算的公式。例如JP-A-8-166237公报所公开的，两个局部图象数据组都可以依次移动，以使其相对位置改变。

而且，在上文中，在补偿有效性检查单元5d中用于检查的设定值2倍设定为一个固定值，但是也可以使该设定值2成为可变的。在此情况下，如果该设定值根据不同情况而改变，则可以提高补偿有效性检查的精度。例如根据一对图象数据行之差来改变设定值2。一个实际的例子是，LA-RA的绝对值除以上述固定的设定值2再乘以一个常数所得到的值，和LA-RA的绝对值乘以预定常数被设定为设定值2。在此情况下，由于当一对图象数据行之差放大时，设定值也放大了，所以能够减少在一对图象数据行差之被放大时有可能增加的噪声等影响，而且可以用背景光检查时所用的LA和RA作为参数设定值2，并能够数据双用途的目的。

在前文中，在左右差补偿单元5e计算补偿值时，将(Max+Min)/2设定为补偿值，并且在一对数据全电平差接近(Max+Min)/2时，能够补偿在补偿过程中的补偿精度，如图4A和4B所示，但是在如图4C所示一对图象数据主部的电平差接近最大数据差(Max)时，和如图4D所示接近最小数据差(Min)时，补偿量不够大或太大并引发补偿精度降低的问题。图5A至5D表示了数据差，即图4A和4B中的“电平差”，，其横轴是各个图象数据行(IL(1-162)和IR(1-162))按照数据值降序排列的轴，而纵轴表示它们的电平差。

如图6所示，在此情况下对应于图4C和4D所示的情况，采用的不是图1中的左右差补偿单元5e，而是采用补偿一对图象数据行之差的补偿单元5e1，该数据行包含若干个响应于一对光学传感器阵列输出值的图象数据，而物镜根据每一对图象数据行的最大图象数据差和每一对图象数据行的最小图象数据差的平均值以及各个图象数据行平均值之差将图象形成在光学传感器阵列上。如此情况下的补偿实例，当|LA-RA|＝Asub，且|Max+Min|/2＝Revi时，设定补偿值＝(Asub+Revi)/2，且可以用该补偿值补偿成对的图象数据行的数据差。此外，在图6中，相同的标号和标记表示与图1中相同的结构和功能件。

在图6的操作中，改变的是：不进行图2中的步骤3i，而是完成计算上述补偿值＝(Asub+Revi)/2的操作，然后在步骤3j中，用(Asub+Revi)/2计算出的补偿值补偿成对图象数据行的数据差，其他操作与图2所示相同。

在此情况下，由于补偿值是根据各个图象信号的平均值和每对图象数据行中最大图象数据差和每对图象数据行中最小图象数据差的平均值而计算出来的，所以能够根据各个图象信号平均值的差值补偿图1发明的补偿值，并能够进行高精度的补偿。而且另一方面，由于补偿值不是根据各个图象信号平均值的差值计算出来的，所以能够减少仅仅有任何一对图象信号的图象信号对用于补偿图象信号的补偿值的影响。

而且，作为补偿单元5e1，计算(Asub+Revi)/2乘以LA-RA的绝对值再乘以预定常数的得数，以得到补偿值，并可以用该补偿值补偿图象数据对的差值。因此，能够将成对的图象数据行的差值反映到补偿值中，并具有上述的优点。

而且，在上述各个实例中，左右差补偿单元5e和补偿单元5e1的配置是这样的：它们仅仅在补偿有效性检查单元5d检查出补偿有效时才补偿成对图象数据行的差值，但是不用补偿有效性检查单元5d的检查结果，而用上述补偿值，也可以补偿成对图象数据行的差值。在此情况下，由于能够省略补偿有效性检查单元5d，可以使结构和功能得到简化。

而且，在前文中，各个图象数据行(IL，IR)的数据量设定为162，而局部图象数据组的数据量设定为26，但是需要是可以进行改变。

而且，在前文中，表示了将本发明用于成象装置的实例，但是并不局限于成象装置。例如可以将其用于各种测距装置和焦点检测装置等等。

根据本发明，由于是根据每对图象数据行的最大图象数据差和每对图象数据行的最小图象数据差来补偿成对图象数据行的差值，因此为了计算用于减小由于物体背景中存在太阳等强光源而导致的检测精度降低的补偿值，可以有效地减少过去用于计算各图象信号平均值之差值的复杂计算，并且可以简化补偿程序。

Claims (6)

1.一种相位差检测方法，包括：

补偿步骤，根据每对图象数据行中的最大图象数据的差值和每对图象数据行中的最小图象数据的差值来补偿该对图象数据行的差值，该对数据行由响应于一对其上形成有物体的象的光学传感器阵列的输出而生成的多个图象数据组成；

检测步骤，根据补偿后的该对图象数据行，检测该对光学传感器阵列上所成的图象之间的相位差。

2.权利要求1中所述的相位差检测方法，其中补偿步骤是一个根据每对图象数据行的最大图象数据差值和最小图象数据差值以及图象数据平均值来补偿成对图象数据行差值的步骤。

3.一种相位差检测设备，包括：

一对用于在其上形成物体的象的光学传感器阵列；

补偿单元，用于根据每对图象数据行中的最大图象数据的差值和每对图象数据行中的最小图象数据的差值来补偿该对图象数据行的差值，该数据行由响应于该对光学传感器阵列的输出而生成的多个图象数据组成；以及

相位差检测单元，用于根据补偿后的该对图象数据行，检测该对光学传感器阵列上所成的图象之间的相位差。

4.权利要求3所述的相位差检测设备，其中补偿单元是一个根据每对图象数据行的最大图象数据差值和最小图象数据差值以及图象数据平均值来补偿成对图象数据行差值的单元。

5.一种测距设备，包括：

如权利要求3或4所述的相位差检测装置；

距离检测单元，用于根据相位差检测装置检测的相位差计算对应于到物体距离的距离数据。

6.一种成象设备，包括：

如权利要求3或4所述的相位差检测装置；

成象单元，通过物镜在其上形成物体的象；以及

聚焦控制单元，用于根据相位差检测装置计算出来的相位差在物镜与图象单元之间实施聚焦操作。

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