CN211292546U - 一种同轴气体遥测仪光学组件 - Google Patents

Abstract

本申请适用于气体探测技术领域，提供一种同轴气体遥测仪光学组件。本申请实施例通过提供一种包括一个带有沿光轴方向设置的通孔的离轴抛物面反射镜、一个准直激光器和一个光探测器的同轴气体遥测仪光学组件，使准直激光器发射的探测激光束穿过通孔、沿平行于离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至待测气体所在区域，经待测气体所在区域的反射点反射后，沿平行于离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至离轴抛物面反射镜的反射面，再经离轴抛物面反射镜的反射面反射至光探测器的感光面，使得准直激光器发射的探测激光束与反射点反射回的探测激光束同轴，光探测器既可探测远距离处的气体、又可探测近距离处的气体，信噪比高且结构简单。

Description

一种同轴气体遥测仪光学组件

技术领域

本申请属于气体探测技术领域，尤其涉及一种同轴气体遥测仪光学组件。

背景技术

气体探测技术主要应用于煤炭、石油化工、电力、冶金、市政工程等有可能出现易燃易爆及污染气体泄露、对人民生命财产安全和健康产生重大威胁的领域。现有的气体探测仪能够对天然气等危险或污染气体进行远距离探测，但是不能同时满足可测量远距离处和近距离处的气体、信噪比高以及结构简单的要求。

实用新型内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种同轴气体遥测仪光学组件，以解决现有气体探测仪不能同时满足可测量远距离处和近距离处的气体、信噪比高以及结构简单的要求的问题。

本申请实施例提供了一种同轴气体遥测仪光学组件，包括：

一个离轴抛物面反射镜，带有沿光轴方向设置的通孔；

一个准直激光器，设置于所述离轴抛物面反射镜的一侧，用于发射探测激光束；

一个光探测器，用于接收所述探测激光束并进行探测；

所述探测激光束穿过所述通孔、沿平行于所述离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至待测气体所在区域，经所述待测气体所在区域的反射点反射后，沿平行于所述离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至所述离轴抛物面反射镜的反射面，再经所述离轴抛物面反射镜的反射面反射至所述光探测器的感光面。

在一个实施例中，所述准直激光器的出光孔朝向所述通孔且所述准直激光器的光轴与所述离轴抛物面反射镜的光轴重合。

在一个实施例中，所述光探测器设置于所述离轴抛物面反射镜的焦平面且所述光探测器的感光面朝向所述离轴抛物面反射镜的反射面。

在一个实施例中，所述同轴气体遥测仪光学组件还包括一个转向反射镜，设置于所述离轴抛物面反射镜的一侧，所述转向反射镜的反射面朝向所述准直激光器的出光孔和所述通孔；

所述探测激光束经所述转向反射镜反射至所述通孔后，穿过所述通孔、沿平行于所述离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至待测气体所在区域。

在一个实施例中，所述同轴气体遥测仪光学组件还包括一个折叠反射镜，与所述离轴抛物面反射镜的焦平面相交且所述折叠反射镜的反射面朝向所述离轴抛物面反射镜的反射面和所述光探测器的感光面；

所述探测激光束经所述反射点反射后，沿平行于所述离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至所述离轴抛物面反射镜的反射面，经所述离轴抛物面反射镜的反射面反射至所述折叠反射镜的反射面，再经所述折叠反射镜的反射面反射至所述光探测器的感光面。

在一个实施例中，所述同轴气体遥测仪光学组件还包括一个指示激光器，所述指示激光器的出光孔朝向所述待测气体所在区域，用于发射可见指示激光束；

所述可见指示激光束沿平行于所述离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至所述待测气体所在区域。

在一个实施例中，所述同轴气体遥测仪光学组件还包括一个滤光片，设置于所述离轴抛物面反射镜的反射面所在的一侧且垂直于所述离轴抛物面反射镜的光轴，用于滤除所述准直激光器发射的探测激光束和所述反射点反射回的探测激光束之外的杂散光；

所述探测激光束穿过所述通孔、经所述滤光片后，再沿平行于所述离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至待测气体所在区域，经所述反射点反射、经所述滤光片滤光后，再沿平行于所述离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至所述离轴抛物面反射镜的反射面。

在一个实施例中，所述离轴抛物面反射镜的离轴角范围为30°～120°。

在一个实施例中，所述光探测器包括光电二极管芯片。

在一个实施例中，所述光电二极管芯片的直径范围为0.1mm～0.5mm。

本申请实施例通过提供一种包括一个带有沿光轴方向设置的通孔的离轴抛物面反射镜、一个准直激光器和一个光探测器的同轴气体遥测仪光学组件，使准直激光器发射的探测激光束穿过通孔、沿平行于离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至待测气体所在区域，经待测气体所在区域的反射点反射后，沿平行于离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至离轴抛物面反射镜的反射面，再经离轴抛物面反射镜的反射面反射至光探测器的感光面，使得准直激光器发射的探测激光束与反射点反射回的探测激光束同轴，光探测器既可探测远距离处的气体、又可探测近距离处的气体，信噪比高且结构简单。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，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获得其他的附图。

图1～图16是本申请实施例提供的同轴气体遥测仪光学组件的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

如图1～图8中任一附图所示，本申请实施例提供一种同轴气体遥测仪光学组件，包括：

一个离轴抛物面反射镜1，带有沿光轴方向设置的通孔11；

一个准直激光器2，设置于所述离轴抛物面反射镜1的一侧，用于发射探测激光束；

一个光探测器3，用于接收所述探测激光束并进行探测；

所述探测激光束穿过所述通孔、沿平行于所述离轴抛物面反射镜1的光轴方向传输至待测气体所在区域，经所述待测气体所在区域的反射点反射后，沿平行于所述离轴抛物面反射镜1的光轴方向传输至所述离轴抛物面反射镜1的反射面，再经所述离轴抛物面反射镜1的反射面反射至所述光探测器3的感光面。

在应用中，离轴抛物面反射镜可以根据实际需要设置为圆柱体、三棱形、梯形体等规则形状，具体可以为圆柱体。离轴抛物面反射镜的离轴角可以根据实际需要设置为30°～120°之间的任意角度，具体可以为90°。离轴抛物面反射镜具有很好的像差特性且成像光斑小、信噪比高。

在应用中，通孔的横截面可以根据实际需要设置为圆形、椭圆形、正方形或其他任意正多边形等规则形状，具体可以为圆形。通孔的横截面的直径应当大于或等于准直激光器发出的探测激光束的直径。通孔两端的开口分别位于离轴抛物面反射镜的反射面和一个侧面。

在应用中，准直激光器带有准直透镜，准直透镜用于对探测激光束进行扩束和准直。准直激光器可以直接装配于离轴抛物面反射镜，具体可以与通孔的一端的开口位于离轴抛物面反射镜的同一个侧面。通过将准直激光器直接装配于离轴抛物面反射镜，使得准直激光器和离轴抛物面反射镜的相对位置关系能够不受温度变化、机械振动等外界因素的影响，可靠性高。

在一个实施例中，所述光探测器包括光电二极管芯片。

在一个实施例中，所述光电二极管芯片的直径范围为0.1mm～0.5mm。

在应用中，光探测器可以通过光电二极管(Photo-Diode)实现，包括至少一个光电二极管。由于离轴抛物面反射镜具有像差特性好且成像光斑小、信噪比高等特点，使得光探测器可以使用小面积光电二极管，小面积光电二极管具有暗电流小、信噪比高的优点。光电二极管的直径范围可以根据实际需要设置为0.1mm～0.5mm中的任意值，例如，0.3mm。

在应用中，离轴抛物面反射镜、准直激光器和光探测器也可通过支架固定，支架的具体形状构造可以根据实际需要进行设置，能够满足将同轴气体遥测仪光学组件稳定地集成固定于一体的要求即可。

在应用中，探测激光束可以是紫外激光束或红外激光束。反射点是位于待测气体所在区域的背景物体或任意实体物体上的点。

在一个实施例中，所述准直激光器的出光孔朝向所述通孔且所述准直激光器的光轴与所述离轴抛物面反射镜的光轴重合。

在一个实施例中，所述光探测器设置于所述离轴抛物面反射镜的焦平面且所述光探测器的感光面朝向所述离轴抛物面反射镜的反射面。

图1中示例性的示出离轴抛物面反射镜1为圆柱体，沿光轴方向的纵截面为梯形，垂直于光轴方向的横截面为圆形，离轴角为90°，通孔11的横截面为圆形；

准直激光器2嵌入式的设置于通孔11的一端，准直激光器2的出光孔朝向通孔11且准直激光器2的光轴与离轴抛物面反射镜1的光轴重合；

光探测器3设置于离轴抛物面反射镜1的焦平面且光探测器3的感光面朝向离轴抛物面反射镜1的反射面。

图1所对应的实施例通过提供一种包括一个带有沿光轴方向设置的通孔的离轴抛物面反射镜、一个准直激光器和一个光探测器的同轴气体遥测仪光学组件，使准直激光器发射的探测激光束穿过通孔、沿平行于离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至待测气体所在区域，经待测气体所在区域的反射点反射后，沿平行于离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至离轴抛物面反射镜的反射面，再经离轴抛物面反射镜的反射面反射至光探测器的感光面，使得准直激光器发射的探测激光束与反射点反射回的探测激光束同轴，光探测器既可探测远距离处的气体、又可探测近距离处的气体，信噪比高且结构简单。

如图2所示，在一个实施例中，所述同轴气体遥测仪光学组件还包括一个转向反射镜4，设置于所述离轴抛物面反射镜1的一侧，所述转向反射镜4的反射面朝向所述准直激光器2的出光孔和所述通孔11；

所述探测激光束经所述转向反射镜4反射至所述通孔11后，穿过所述通孔11、沿平行于所述离轴抛物面反射镜1的光轴方向传输至待测气体所在区域。

在应用中，转向反射镜可以是平面反射镜、全反射三棱镜或全内反射三棱镜，转向反射镜可以根据实际需要设置为平面形、圆柱体、三棱形、梯形体、矩形体，具体可以为梯形体。转向反射镜可以直接装配于离轴抛物面反射镜。通过将转向反射镜直接装配于离轴抛物面反射镜，使得转向反射镜和离轴抛物面反射镜的相对位置关系能够不受温度变化、机械振动等外界因素的影响，可靠性高。转向反射镜也可通过支架固定，支架的具体形状构造可以根据实际需要进行设置，能够满足将同轴气体遥测仪光学组件稳定地集成固定于一体的要求即可。

图2中示例性的示出离轴抛物面反射镜1为圆柱体，沿光轴方向的纵截面为梯形，垂直于光轴方向的横截面为圆形，离轴角为90°，通孔11的横截面为圆形，转向反射镜4为梯形体；

准直激光器2和转向反射镜4直接装配于抛物面反射镜1的一侧，转向反射镜4的反射面朝向准直激光器2的出光孔和通孔11；

光探测器3设置于离轴抛物面反射镜1的焦平面且光探测器3的感光面朝向离轴抛物面反射镜1的反射面。

图2所示的实施例通过在同轴气体遥测仪光学组件中设置转向反射镜，使准直激光器发射的探测激光束经转向反射镜反射至通孔后，穿过通孔、沿平行于离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至待测气体所在区域，经待测气体所在区域的反射点反射后，沿平行于离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至离轴抛物面反射镜的反射面，再经离轴抛物面反射镜的反射面反射至光探测器的感光面，使得准直激光器发射的探测激光束与反射点反射回的探测激光束同轴，光探测器既可探测远距离处的气体、又可探测近距离处的气体，信噪比高且结构简单，还使得准直激光器能够紧贴离轴抛物面反射镜的一个侧面设置，便于装配。

如图3或图4所示，在一个实施例中，所述同轴气体遥测仪光学组件还包括一个折叠反射镜5，与所述离轴抛物面反射镜1的焦平面相交且所述折叠反射镜5的反射面朝向所述离轴抛物面反射镜1的反射面和所述光探测器3的感光面；

所述探测激光束经所述反射点反射后，沿平行于所述离轴抛物面反射镜1的光轴方向传输至所述离轴抛物面反射镜1的反射面，经所述离轴抛物面反射镜1的反射面反射至所述折叠反射镜5的反射面，再经所述折叠反射镜5的反射面反射至所述光探测器3的感光面。

在应用中，折叠反射镜可以是平面反射镜、全反射三棱镜或全内反射三棱镜，折叠反射镜可以根据实际需要设置为平面形、圆柱体、三棱形、梯形体、矩形体，具体可以为平面形。折叠反射镜也可通过支架固定，支架的具体形状构造可以根据实际需要进行设置，能够满足将同轴气体遥测仪光学组件稳定地集成固定于一体的要求即可。

图3中在图1的基础上示例性的示出同轴气体遥测仪光学组件还包括一个折叠反射镜5时的结构示意图；其中，折叠反射镜5为平面形，光探测器3与准直激光器1位于离轴抛物面反射镜1的同一侧。

图3所对应的实施例，通过在同轴气体遥测仪光学组件中设置折叠反射镜，使准直激光器发射的探测激光束穿过通孔、沿平行于离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至待测气体所在区域，探测激光束经反射点反射后，沿平行于离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至离轴抛物面反射镜的反射面，经离轴抛物面反射镜的反射面反射至述折叠反射镜的反射面，再经折叠反射镜的反射面反射至光探测器的感光面，使得准直激光器发射的探测激光束与反射点反射回的探测激光束同轴，光探测器既可探测远距离处的气体、又可探测近距离处的气体，信噪比高且结构简单，还使得准直激光器能够紧贴离轴抛物面反射镜的一个侧面设置，便于装配，还使得光探测器能够与准直激光器设置于离轴抛物面反射镜的同一个侧面，便于机械和电路结构布局。

图4中在图2的基础上示例性的示出同轴气体遥测仪光学组件还包括一个折叠反射镜5时的结构示意图；其中，折叠反射镜5为平面形，光探测器3与准直激光器1和转向反射镜4位于离轴抛物面反射镜1的同一侧。

图4所对应的实施例，通过在同轴气体遥测仪光学组件中设置折叠反射镜，使准直激光器发射的探测激光束经转向反射镜反射至通孔后，穿过通孔、沿平行于离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至待测气体所在区域，探测激光束经反射点反射后，沿平行于离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至离轴抛物面反射镜的反射面，经离轴抛物面反射镜的反射面反射至述折叠反射镜的反射面，再经折叠反射镜的反射面反射至光探测器的感光面，使得准直激光器发射的探测激光束与反射点反射回的探测激光束同轴，光探测器既可探测远距离处的气体、又可探测近距离处的气体，信噪比高且结构简单，还使得准直激光器能够紧贴离轴抛物面反射镜的一个侧面设置，便于装配，还使得光探测器能够与准直激光器设置于离轴抛物面反射镜的同一个侧面，便于机械和电路结构布局。

如图5～图8任一附图所示，在一个实施例中，所述同轴气体遥测仪光学组件还包括一个指示激光器6，所述指示激光器6的出光孔朝向所述待测气体所在区域，用于发射可见指示激光束；

所述可见指示激光束沿平行于所述离轴抛物面反射镜1的光轴方向传输至所述待测气体所在区域。

在应用中，指示激光器用于发射赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色中的单色或组合颜色的可见指示激光束至待测气体所在区域，用于进行激光指示。

在一个实施例中，所述指示激光束与所述探测激光束相互平行且距离为10mm～50mm。

在应用中，指示激光器设置于离轴抛物面反射镜的任一侧，只要保证指示激光器和其发射的指示激光束不在探测激光束的发射和接收光路上，不会对探测激光束造成干扰，不会影响探测激光束的接收效率即可。指示激光器可以直接装配于离轴抛物面反射镜。通过将指示激光器直接装配于离轴抛物面反射镜，使得指示激光器和离轴抛物面反射镜的相对位置关系能够不受温度变化、机械振动等外界因素的影响，可靠性高。指示激光器也可通过支架固定，支架的具体形状构造可以根据实际需要进行设置，能够满足将同轴气体遥测仪光学组件稳定地集成固定于一体的要求即可。指示激光束在传输路径上偏离探测激光束，但二者之间的偏离距离较小，可以用于指示探测激光束发射至待测气体区域的位置，当探测距离较远时，二者之间的偏离距离可以忽略不计。

图5～图8分别在图1～图4的基础上示例性的示出同轴气体遥测仪光学组件还包括一个指示激光器6时的结构示意图；其中，指示激光器6设置于离轴抛物面反射镜1的一个面积最小的面。

图5～图8所对应的实施例，通过在同轴气体遥测仪光学组件中设置指示激光器，使指示激光器发射沿平行于离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至待测气体所在区域的可见指示激光束，可以指示探测激光束发射至待测气体区域的位置，避免探测激光束的探测位置偏离待测气体区域，从而提高气体探测的精度，获得更为准确的待测气体的浓度和成分信息。

如图9～图16任一附图所示，在一个实施例中，所述同轴气体遥测仪光学组件还包括一个滤光片7，设置于所述离轴抛物面反射镜1的反射面所在的一侧且垂直于所述离轴抛物面反射镜1的光轴，用于滤除所述准直激光器2发射的探测激光束和所述反射点反射回的探测激光束之外的杂散光；

所述探测激光束穿过所述通孔、经所述滤光片7后，再沿平行于所述离轴抛物面反射镜1的光轴方向传输至待测气体所在区域，经所述反射点反射、经所述滤光片7滤光后，再沿平行于所述离轴抛物面反射镜1的光轴方向传输至所述离轴抛物面反射镜1的反射面。

在应用中，根据探测激光束波长的不同，滤光片用于透过波长处于探测激光束的波长范围内的光信号，吸收或者反射波长处于探测激光束的波长范围之外的其他杂散光信号，从而避免其他杂散光信号对探测激光束造成干扰，使得光探测器能够仅接收和探测波长处于探测激光束的波长范围内的光信号，从而提高气体探测的精度，获得更为准确的待测气体的浓度和成分信息。例如，当探测激光束为紫外激光束时，滤光片可以为紫外滤光片，具体可以为紫外带通滤光片；当探测激光束为红外激光束时，滤光片可以为红外滤光片，具体可以为红外带通滤光片。滤光片可以通过在光学玻璃上镀多层介质膜制成，也可以直接采用有色玻璃或有色塑料制成。

图9～图16分别在图1～图8的基础上示例性的示出同轴气体遥测仪光学组件还包括一个滤光片7时的结构示意图。

图9～图16所对应的实施例，通过在同轴气体遥测仪光学组件中设置滤光片，使探测激光束穿过通孔、经滤光片后，再沿平行于离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至待测气体所在区域，经反射点反射、经滤光片滤光后，再沿平行于离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至离轴抛物面反射镜的反射面，避免波长处于探测激光束的波长范围之外的其他杂散光信号对探测激光束造成干扰，从而提高气体探测的精度，获得更为准确的待测气体的浓度和成分信息。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同轴气体遥测仪光学组件，其特征在于，包括：

一个离轴抛物面反射镜，带有沿光轴方向设置的通孔；

一个准直激光器，设置于所述离轴抛物面反射镜的一侧，用于发射探测激光束；

一个光探测器，用于接收所述探测激光束并进行探测；

所述探测激光束穿过所述通孔、沿平行于所述离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至待测气体所在区域，经所述待测气体所在区域的反射点反射后，沿平行于所述离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至所述离轴抛物面反射镜的反射面，再经所述离轴抛物面反射镜的反射面反射至所述光探测器的感光面。

2.如权利要求1所述的同轴气体遥测仪光学组件，其特征在于，所述准直激光器的出光孔朝向所述通孔且所述准直激光器的光轴与所述离轴抛物面反射镜的光轴重合。

3.如权利要求1所述的同轴气体遥测仪光学组件，其特征在于，所述光探测器设置于所述离轴抛物面反射镜的焦平面且所述光探测器的感光面朝向所述离轴抛物面反射镜的反射面。

4.如权利要求1所述的同轴气体遥测仪光学组件，其特征在于，还包括一个转向反射镜，设置于所述离轴抛物面反射镜的一侧，所述转向反射镜的反射面朝向所述准直激光器的出光孔和所述通孔；

所述探测激光束经所述转向反射镜反射至所述通孔后，穿过所述通孔、沿平行于所述离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至待测气体所在区域。

5.如权利要求1所述的同轴气体遥测仪光学组件，其特征在于，还包括一个折叠反射镜，与所述离轴抛物面反射镜的焦平面相交且所述折叠反射镜的反射面朝向所述离轴抛物面反射镜的反射面和所述光探测器的感光面；

所述探测激光束经所述反射点反射后，沿平行于所述离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至所述离轴抛物面反射镜的反射面，经所述离轴抛物面反射镜的反射面反射至所述折叠反射镜的反射面，再经所述折叠反射镜的反射面反射至所述光探测器的感光面。

6.如权利要求1～5任一项所述的同轴气体遥测仪光学组件，其特征在于，还包括一个指示激光器，所述指示激光器的出光孔朝向所述待测气体所在区域，用于发射可见指示激光束；

所述可见指示激光束沿平行于所述离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至所述待测气体所在区域。

7.如权利要求1～5任一项所述的同轴气体遥测仪光学组件，其特征在于，还包括一个滤光片，设置于所述离轴抛物面反射镜的反射面所在的一侧且垂直于所述离轴抛物面反射镜的光轴，用于滤除所述准直激光器发射的探测激光束和所述反射点反射回的探测激光束之外的杂散光；

所述探测激光束穿过所述通孔、经所述滤光片后，再沿平行于所述离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至待测气体所在区域，经所述反射点反射、经所述滤光片滤光后，再沿平行于所述离轴抛物面反射镜的光轴方向传输至所述离轴抛物面反射镜的反射面。

8.如权利要求1～5任一项所述的同轴气体遥测仪光学组件，其特征在于，所述离轴抛物面反射镜的离轴角范围为30°～120°。

9.如权利要求1～5任一项所述的同轴气体遥测仪光学组件，其特征在于，所述光探测器包括光电二极管芯片。

10.如权利要求9所述的同轴气体遥测仪光学组件，其特征在于，所述光电二极管芯片的直径范围为0.1mm～0.5mm。

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