CN1719290A - 偏振光分离元件、光学单元以及图像投射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有玻璃材料、偏振光分离层和粘接层,可以抑制在玻璃材料内部的应力产生的偏振光分离元件。偏振光分离元件在第1玻璃部件和第2玻璃部件间具有偏振光分离层以及粘接层并满足α2×E<6000000,K>0.5的条件。式中,α为上述第1以及第2玻璃部件的线膨胀系数;E为上述第1以及第2玻璃部件的杨氏模量;K为上述第1以及第2玻璃部件的光弹性常数。

Description

偏振光分离元件、光学单元以及图像投射装置
技术领域
本发明涉及适用于液晶投影仪等图像投射装置的偏振光分离元件(偏振光光束分离器)。
背景技术
在诸如上述那样的图像投射装置中,为了将来自光源的白色光分解为多种色光成分并将之分别导向液晶面板等图像形成元件,或者合成来自多个图像形成元件的色光,通常要依照光的偏振状态使用具有透射、反射作用的偏振光光束分离器。
这里,偏振光光束分离器通过在两个玻璃部件之间夹着偏振光分离膜(偏振光分离层)和粘接膜而构成。并且,为了防止由起因于在玻璃部件内部产生的应力的双折射性所导致的偏振状态的紊乱,而在玻璃部件上使用光弹性常数小的玻璃。
但是,光弹性常数小的玻璃因为用途所限所以通常其价格较高。因此,在特开2000-171770号公报中公开了使用了满足以下条件的玻璃部件的偏振光光束分离器:
5.00×102≥K·α·E·∫(1-T)dλ/ρ/Cp
其中,K为玻璃材料的光弹性常数(nm/mm·mm2/N);α为该玻璃材料的线膨胀系数(10-8/K);E为该玻璃材料的杨氏模量(103N/mm2);λ为光的波长(nm);T为波长λ处的该玻璃材料的内部透射率;ρ为该玻璃材料的比重(g/cm3);Cp为该玻璃材料的比热(J/g·k);式中的积分范围为该玻璃材料的光吸收波段(420nm~500nm)范围。
但是,在偏振光光束分离器中,实际上只能使用光弹性常数在0附近的玻璃材料,上述条件并不实用。这是因为其前提是建立在玻璃材料内部产生的热是由玻璃材料自身的光吸收而造成。
偏振光光束分离器具有玻璃材料、偏振光分离层和粘接层,但由于相对于在玻璃材料内的光路较长(例如大于等于10mm)而在偏振光分离层和粘接层内的光路较短(例如小于等于1mm),故在偏振光分离层和粘接层处的发热产生的热密度高,其结果在玻璃材料中产生较大的应力。并且,此结果在经由该偏振光光束分离器投射黑的图像时,将产生所谓的浮黑(漏光)或色晕。
发明内容
本发明的目的之一是在具有玻璃材料、偏振光分离层和粘接层的偏振光分离元件中,抑制在玻璃材料内部的应力的产生。
作为本发明的一个技术方案的偏振光分离元件在第1玻璃部件和第2玻璃部件之间具有偏振光分离层以及粘接层,满足下面的条件
α2×E<6000000
K>0.5
其中,α为上述第1以及第2玻璃材料的膨胀系数(10-7/℃);E为上述第1以及第2玻璃材料的杨氏模量(108N/mm2);K为上述第1以及第2玻璃材料的光弹性常数(nm/cm/105Pa)。
此外,作为本发明的另一技术方案的光学单元具有:光源;上述偏振光分离元件;形成原图像的图像形成元件;投射从上述光源发出、经由上述偏振光分离元件以及上述图像形成元件的光的投射透镜。
进而,作为本发明的其他技术方案的图像投射装置包含上述光学单元,并与图像信息供给装置一起构成图像显示系统。
本发明更进一步的目的或特征根据参照下面附图所说明的优选实施例就可明了。
附图说明
图1A所示是作为本发明的实施例1的图像投射装置的构成图;
图1B所示是实施例1的图像投射装置使用的偏振光光束分离器的构造的模式图;
图2所示是实施例1的图像投射装置使用的第1色选择性相位差板的特性图;
图3所示是实施例1的图像投射装置使用的第2色选择性相位差板的特性图;
图4所示是实施例1的图像投射装置使用的偏振光光束分离器的偏振光分离层和粘接层的光吸收率图;
图5所示是以往的偏振光光束分离器的偏振光分离层和粘接层的光吸收率图;
图6所示是作为本发明的实施例2的图像投射装置的构成图;
图7所示是作为本发明的实施例3的图像投射装置的构成图;
图8所示是实施例3的图像投射装置的展开图;
图9所示是实施例3的图像投射装置的展开图。
具体实施方式
下面,参照附图对本发明的优选实施例进行说明。
首先,以图像投射装置的光学单元中所用的偏振光光束分离器为例对上述条件式进行说明。此外,这里所说的偏振光光束分离器是由在第1玻璃部件和第2玻璃部件之间夹着由多层膜组成的偏振光分离膜和由紫外线硬化型粘合剂等组成的粘接层构成的偏振光光束分离器。进而,在图像投射装置中,或者通过偏振光光束分离器等将来自包含光源的照明系统的光(照明光)分解为多种(例如,红、绿、蓝)的色光成分,并分别将之导引到液晶面板等图像形成元件,或者通过偏振光光束分离器合成经过多个图像形成元件调制的多种色光,并将之导引到投射透镜。
在偏振光分离层上产生的热量随照明系统的光能量、和偏振光分离层与粘接层的光吸收率而变化。偏振光分离层与粘接层相应于吸收的光能量而发热,使它们的温度上升。在偏振光分离层与粘接层产生的热传递给玻璃部件,使玻璃部件的温度上升。其结果,因玻璃部件的尺寸和玻璃部件的热膨胀系数而使玻璃部件发生
变形量(mm)=温度升高(K)×热膨胀系数率(/K)×尺寸(mm)的变形。
由玻璃部件的热所引起的变形和由此在玻璃部件内产生的应力可以用
应力(N)=变形量(mm)×杨氏模量(N/mm2)来表示。进而,由该应力所引起的光的相位差(双折射性)可以用
相位差=应力(N)×光弹性系数(nm/N)来表示。
综合上述内容,就有
相位差={温度升高(K)×热膨胀系数率(/K)×尺寸(mm)}2×杨氏模量(N/mm2)×光弹性系数(nm/N)。
据此,作为用于抑制相位差的方法,可以考虑
1.减小光弹性系数;
2.减小温度升高;
3.减小玻璃的变形。
在这里,1.如在背景技术部分叙述过的那样,因能够使用的玻璃材料限制而不理想。另外,2.虽然减小照明系统的光能量和偏振光分离层的光吸收率的任意一个即可,但由于减小光能量将使投射图像的亮度变暗,因而也不理想。因此,减小偏振光分离层和粘接层的光吸收率比较理想。
进而,3.只要减小上述关系式的“热膨胀系数率(/K)×尺寸(mm)2×杨氏模量(N/mm2)”即可。这里,因为尺寸可以由图像形成元件的大小等其他的要因来决定,故可以从参数中排除。
根据上述分析,在本实施例中,当设形成在玻璃部件的面上的偏振光分离层的对于波长430nm的光的光吸收率为AT,粘合第1以及第2玻璃部件的粘接层的对于波长430nm的光的光吸收率为AC,第1以及第2玻璃部件的膨胀系数、杨氏模量以及光弹性系数分别为α(10-7/℃)、E(108N/m2)、K(nm/cm/105Pa)时,其满足下面的条件。
AT+AC<0.05(5%)   …(1)
α2×E<6000000   …(2)
K>0.5             …(3)此外,这里所说的热膨胀系数率是常温(如-30~+70℃)下的值。
由此,偏振光分离层和粘接层处的发热量将减少,其结果将可以降低在玻璃部件内部产生的应力。因而,即使是使用比较廉价的光弹性常数大的玻璃材料也难以引起偏振光光束分离器中的偏振光的紊乱。
此外,有关偏振光分离层的光吸收率AT以及粘接层的光吸收率AC,也可以是
AT+AC<0.04(4%)    …(1)’。由此,就可以进一步减少偏振光分离层和粘接层处的发热量。
此外,关于光弹性系数K,也可以选择满足
K>1的玻璃材料。由此,就可以使用更为普通的玻璃材料。这里,作为光弹性系数K的上限值,
K<3较为现实。
另外,为了提高偏振光光束分离器的偏振光分离特性,希望玻璃材料的对于波长587.56nm的光的折射率n取
n>1.65。
通过在图像投射装置中使用这样的偏振光光束分离器,就可以改善投射图像的对比度。
尤其是,通过在图像投射装置光源的功率(放射束:W【瓦特】)P以及投射亮度B(ANSI lm)和图像形成元件的对角尺寸L(英寸)之关系,至少满足以下条件
P/L2≥300     …(4)
B/L2≥3000    …(5)之中的至少一个的图像投射装置上使用上述偏振光光束分离器,在使来自明亮光源的光入射到小尺寸的图像形成元件的场合或者使用小尺寸的图像形成元件投射明亮的图像的情况下,就可以获得浮黑(漏光)或色晕少的高像质的投射图像。
此外,条件式(4)、  (5)也可以代之以下面的条件式。
P/L2≥400     …(4)’
B/L2≥4000    …(5)’
另外,作为这些关系式(4)、(4)’、(5)、(5)’的上限值,现实情况为
P/L2≤600     …(4)”
B/L2≤8000    …(5)”
左右。
【实施例1】
图1A给出了作为本发明实施例1的图像投射装置的光学单元的构成。图1A中,1为由高压水银灯等组成的光源,2是用于将来自光源1的光投射到规定方向的反光镜,3是用于形成具有均匀照明强度的照明区域的积分器。积分器3由复眼透镜(蝇眼透镜)3a、3b构成。
4是将非偏振光整理成规定方向的偏振光的偏振光变换元件,由偏振光分离膜4a、反射膜4b和1/2相位差板4c构成。5、7是聚光照明光的聚光透镜,6是反射镜,8是透过绿波长区域的光(绿色光)、反射其他波长区域的光的二向色反射镜。
9a、9b、9c分别是具有持有反射S偏振光并透过P偏振光的特性偏振光分离膜9a1、9b1、9c1的偏振光光束分离器。
10a、10b分别是将规定波长区域的光的偏振光方向变换(旋转)90°的色选择性相位差板,11r、11g、11b分别为在反射入射的光的同时形成原图像的反射型液晶显示元件(图像形成元件)。12r、12g、12b分别为1/4相位差板,14是投射透镜。
在各液晶显示元件上连接有驱动电路15,驱动电路15基于由个人计算机、DVD播放器、录像机、电视调谐器等图像信息供给装置16输入的图像信号,使各液晶显示元件形成各种颜色用的原图像。由此,入射到各液晶显示元件的照明光经过调制后成为图像光。这一点没有图示,在其他的实施例中亦相同如此。
接着,说明上述构成的光学作用。从光源1发出的光通过反光镜2会聚到复眼透镜3a的方向。该光束由复眼透镜3a分割成多个光束。该多个光束通过复眼透镜3b以及聚光镜5、7的作用而重合到各液晶显示元件11r、11g、11b上。由此,可在各液晶显示元件11r、11g、11b上形成均匀照明强度的照明区域。
此外,此时从复眼透镜3b出射的多个光束在偏振光变换元件4被对应各光束的偏振光分离膜4a分离成P偏振光和S偏振光。其中,P偏振光被1/2相位差板4c变换成与S偏振光同方向的偏振光成分,S偏振光被反射膜4b反射。由此,从复眼透镜3b出射的多个光束作为具有规定偏振方向的光自偏振光变换元件4出射到同一方向。
这样,被偏振光变换元件4近似整理为S偏振光的光中的绿色光透过二向色反射镜8,红和蓝波长区域的光(红色光以及蓝色光)则被二向色反射镜8反射。透过二向色反射镜8的绿色光入射偏振光光束分离器9a,被偏振光分离膜9a1反射,透过1/4相位差板12g入射液晶显示元件11g。
另一方面,二向色反射镜8反射的红色光以及蓝色光由第1色选择性相位差板11a只将蓝色光变换90°偏振方向,形成P偏振光,红色光则保持S偏振光不变,分别入射到偏振光光束分离器9b。
这里,图2给出了第1色选择性相位差板10a的特性。图2中,虚线表示相对于入射偏振光方向正交的偏振光方向的光的透射率,实线表示相对于入射偏振光方向平行的偏振光方向的光的透射率。在偏振光光束分离器9b的偏振光分离膜9b1处,作为P偏振光的蓝色光透过,作为S偏振光的红色光反射。由此,偏振方向相互正交的红色光和蓝色光就得以分离。
此外,在偏振光光束分离器9b的偏振光分离膜9b1处反射的红色光透过1/4相位差板12r,入射到液晶显示元件11r。在偏振光光束分离器9b透过了偏振光分离膜9b1的蓝色光透过1/4相位差板12b,入射到液晶显示元件11b。
进而,经由液晶显示元件11 g调制并反射的绿色光透过1/4相位差板12g,成为P偏振光,透过偏振光光束分离器9a、9c的偏振光分离膜9a1、9c1。
另外,经由液晶显示元件11r调制并反射的红色光透过1/4相位差板12r而成为P偏振光,透过偏振光光束分离器9b的偏振光分离膜9b1,入射到第2色选择性相位差板10b。
这里,图3给出了第2色选择性相位差板10b的特性。虚线表示相对于入射偏振光方向正交的偏振光方向的光的透射率,实线表示相对于入射偏振光方向平行的偏振光方向的光的透射率。
此外,由液晶显示元件11b调制、且反射的蓝色光透过1/4相位差板12b,成为S偏振光并入射到偏振光光束分离器9b,在偏振光分离膜9b1处反射并入射第2色选择性相位差板10b。
入射到第2色选择性相位差板10b的红色光和蓝色光中,红色光被变换90°的偏振方向成为S偏振光,蓝色光则保持S偏振光不变,其分别入射偏振光光束分离器9c,被偏振光分离膜9c1反射。并且,红、绿以及蓝色光被偏振光光束分离器9c的偏振光分离膜9c1合成并导向投射透镜14,投射到没有图示的屏幕等上。
图1B示意性地给出了本实施例所使用的偏振光光束分离器的构造。偏振光光束分离器具有三角柱状的第1以及第2玻璃部件G1、G2、由形成于第1玻璃部件G1的面上的多层膜构成的偏振光分离膜(偏振光分离层)SF、粘接该第1玻璃部件G1的偏振光分离膜SF所形成的面和第2玻璃部件G2的粘接剂(粘接层)AD。
例如,自第1玻璃部件G1入射的规定波长光被偏振光分离膜SF反射,其他的波长光则透过偏振光分离膜SF以及粘接层AD。该偏振光光束分离器的构成在其他的实施例中亦相同。
在本实施例中,偏振光光束分离器9a、9b所使用的玻璃部件为
n=1.678
α=72
E=910。
此时,
α2×E=4717440<6000000。
此外,玻璃部件的光弹性系数为
K=1.61>0.5。
进而,在本实施例中,光源的功率P为200W,液晶显示元件的对角尺寸(对角长)L为0.7英寸,投射亮度B为2000ANSI,这些关系满足条件式(4)、(5)。
另外,在该情况下,如图4所示的那样,在偏振光分离层与粘接层的对于波长430nm的光的吸收系数为
AT+AC<0.05时,虽然若依据实验则没有产生由光弹性造成的偏振光的紊乱,但如图5所示的那样,在偏振光分离层与粘接层的对于波长430nm的光的吸收系数为
AT+AC>0.05时,若依据实验则产生了由光弹性造成的偏振光的紊乱。
【实施例2】
图6所示是作为本发明实施例2的图像投射装置的光学单元的构成。图6中,41是以连续光谱发白色光的光源,42是用于将来自光源41的光会聚到规定方向的反光镜。43a是矩阵状地配置了矩形透镜的第1复眼透镜,43b是矩阵状地配置了与第1复眼透镜的各个透镜对应的透镜的第2复眼透镜。
44是用于将非偏振光整理成具有规定偏振方向的光的偏振光变换元件,45a是聚光透镜,45b、45c、45d是场透镜。46a、46b是无损失地传递长光路中的照明光的中继透镜。
47是透过红(R)波长区域的光(红色光)、反射蓝(B)和绿(G)波长区域的光(蓝色光以及绿色光)的第1二向色反射镜。48是透过蓝色光、反射绿色光的第2二向色反射镜。
49a、49b是反射镜。50a、50b、50c是分别具有透过P偏振光、反射S偏振光的偏振光分离膜50a1、50b1、50c1的第1偏振光光束分离器、第2偏振光光束分离器以及第3偏振光光束分离器。
51r、51g、51b是分别形成原图像并反射光的红色用反射型液晶显示元件、绿色用反射型液晶显示元件以及蓝色用反射型液晶显示元件。
52r、52g、52b分别是红色用的1/4波长片、绿色用的1/4波长片以及蓝色用的1/4波长片。53r、53g、53b是透过规定偏振成分的偏振光板,55是二向色棱镜,54是投射透镜。
与实施例1同样,由偏振光变换元件44变换成近似S偏振光的光入射到第1二向色反射镜47,红色光透过而绿色光和蓝色光反射。透过第1二向色反射镜47的红色光经由中继透镜46a、46b以及场透镜45d入射到偏振光光束分离器50c,并在偏振光分离膜50c1处反射,透过1/4相位差板52r入射到液晶显示元件51r。
另一方面,在第1二向色反射镜47处反射的绿色光和蓝色光中的绿色光被第2二向色反射镜48反射,蓝色光则透过。
在第2二向色反射镜48反射的绿色光经由场透镜45c入射偏振光光束分离器50b,被偏振光分离膜50b1反射,透过1/4相位差板52g入射到液晶显示元件51g。
此外,透过第2二向色反射镜48反射的蓝色光经由场透镜45b入射偏振光光束分离器50a,被偏振光分离膜50a1反射,透过1/4相位差板52b入射到液晶显示元件51b。
进而,由液晶显示元件51g调制及反射的绿色光透过1/4相位差板52g成为P偏振光,透过偏振光光束分离器50b的偏振光分离膜50b1。
另外,由液晶显示元件51r调制及反射的红色光透过1/4相位差板52r成为P偏振光,透过偏振光光束分离器50c的偏振光分离膜50c1。
进而,由液晶显示元件51b调制及反射的蓝色光透过1/4相位差板52b成为P偏振光,透过偏振光光束分离器50a的偏振光分离膜50a1。
透过了各偏振光光束分离器的红、绿以及蓝色光被二向色棱镜55合成并导向投射透镜54,投射到屏幕等上。
在该实施例中,偏振光光束分离器所使用的玻璃部件为
n=1.697
α=57
E=1118。
此时,
α2×E=3632382<6000000。
此外,玻璃部件的光弹性系数为
K=1.86>0.5
进而,在本实施例中,光源的功率P为230W,液晶显示元件的对角尺寸(对角长)L为0.7英寸,投射亮度B为2500ANSI,这些关系满足条件式(4)、(5)。
此外,根据实验,关于偏振光分离层与粘接层的对于波长430nm的光的吸收系数得到了与实施例1同样的结果。
【实施例3】
图7所示是作为本发明实施例3的图像投射装置的光学单元的构成。图7中,31是由高压水银灯等构成的光源,32是反光镜。33a是由多个柱面透镜构成的第1透镜阵列,33b是由多个柱面透镜构成的第2透镜阵列。
34是偏振光变换元件,35是第1光束压缩透镜,36是聚光透镜,37是第2光束压缩透镜。38是二向色反射镜,39是反射镜,40a、40b是色选择性相位差板。41a、41b、41c是带有偏振光分离膜41a1、41b1、41c1的偏振光光束分离器,42r、42g、42b是反射型液晶显示元件。43r、43g、43b是1/4相位板,44是投射透镜。
本实施例中的从二向色反射镜38到投射透镜44的色分解合成系统的作用与实施例1相同。
图8所示是直列地展开了从图7的第1透镜阵列33a到各反射型液晶显示元件的照明光学系统的断面。图9所示是直列地展开了从图7的第1透镜阵列33a到各反射型液晶显示元件的照明光学系统且相对于包含图8中的光轴La的图面的垂直方向的断面。
在图7~图9中,通过在图9的纸面方向排列多个柱面透镜构成了第1透镜阵列33a以及第2透镜阵列33b。
第1光束压缩透镜35和第2光束压缩透镜37由只在图8的纸面内方向具有折射能力的柱面透镜构成。借助于第1光束压缩透镜35、第2光束压缩透镜37和聚光透镜36的作用,在图7的纸面内方向收束来自光源31的光束,使光束的断面形状与反射型液晶显示元件的被照明面(图像形成区域)的形状一致而会聚在反射型液晶显示元件上。
在包含图9所示的第1透镜阵列33a各柱面透镜的排列方向的断面内,来自光源31的光束入射到第1透镜阵列33a,被第1透镜阵列33a会聚后入射到第2透镜阵列33b。进而,在第2透镜阵列33b的出射面以及其附近形成多个2次光源像。
在来自该多个2次光源像的光束用偏振光变换元件34整理为规定偏振方向的光后,由聚光透镜36重叠地照射到反射型液晶显示元件上。
在该实施例中,偏振光光束分离器41a、41b所使用的玻璃部件为
n=1.717
α=80
E=868。
此时,
α2×E=5555200<6000000。
此外,玻璃部件的光弹性系数为
K=1.51>0.5
进而,在本实施例中,光源的功率P为150W,液晶显示元件的对角尺寸(对角长)L为0.55英寸,投射亮度B为1200ANSI,这些关系满足条件式(4)、(5)。
此外,根据实验,有关偏振光分离层与粘接层的对于波长430nm的光的吸收系数得到了与实施例1同样的结果。
如以上所说明过的那样,利用本实施例,就可以抑制在偏振光分离层和粘接层的发热,作为其结果,就可以抑制玻璃部件内部的应力的产生。由此,即使是使用光弹性系数大的玻璃部件也可以抑制在偏振光分离元件处的偏振光的紊乱。
进而,如果使用这样的偏振光分离元件来投射图像,则可以投射抑制了浮黑(漏光)或色晕的产生的高像质的图像。
此外,根据本发明的偏振光分离元件(偏振光光束分离器)并不仅限于上述各实施例构成的图像投射装置,也可以适用于使用了利用偏光特性将来自光源的光导向图像形成元件、或利用在图像形成元件调制过的光的偏光特性引导到投射透镜的偏振光分离元件的所有构成的图像投射装置。
另外,虽然在上述各实施例中是对使用了反射型液晶显示元件的图像投射装置进行的说明,但根据本发明的偏振光分离元件也可以适用于使用了透射式图像形成元件或自发光式图像形成元件(电致发光)以及微镜阵列等其他图像形成元件的图像投射装置。

Claims (9)

1.一种偏振光分离元件,在第1玻璃部件和第2玻璃部件间具有偏振光分离层以及粘接层,其特征在于,满足下列条件:
α2×E<6000000
K>0.5
其中,α为上述第1以及第2玻璃部件的膨胀系数(10-7/℃);E为上述第1以及第2玻璃部件的杨氏模量(108N/mm2);K为上述第1以及第2玻璃部件的光弹性常数(nm/cm/105Pa)。
2.按照权利要求1所述的偏振光分离元件,其特征在于,进一步满足以下条件:
AT+AC<0.05
其中,AT为上述偏振光分离层的对于波长430nm的光的光吸收率;AC为上述粘接层的对于波长430nm的光的光吸收率。
3.按照权利要求1所述的偏振光分离元件,其特征在于,进一步满足以下条件:
K>1
4.按照权利要求1所述的偏振光分离元件,其特征在于,进一步满足以下条件:
n>1.65
其中,n为上述第1以及第2玻璃部件的对于波长587.56nm的光的折射率。
5.一种光学单元,其特征在于,包括:
光源;
权利要求1所述的偏振光分离元件;
形成原图像的图像形成元件;
投射自上述光源发出、并经由上述偏振光分离元件以及上述图像形成元件的光的投射透镜。
6.按照权利要求5所述的光学单元,其特征在于,满足以下条件:
P/L2≥300
其中,P为上述光源的电功率,单位是W;L为上述图像形成元件的对角尺寸,单位是英寸。
7.按照权利要求5所述的光学单元,其特征在于,满足以下条件:
B/L2≥3000
其中,B为投射亮度,单位是ANSI lm;L为上述图像形成元件的对角尺寸,单位是英寸。
8.一种图像投射装置,其特征在于,包括:
权利要求5至7中任意一项所述的光学单元。
9.一种图像显示系统,其特征在于,包括:
权利要求8所述的图像投射装置;
向该图像投射装置供给图像信息的图像信息供给装置。
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