CN213957737U - 基于远心镜头的光探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于远心镜头的光探测器，包括沿光路顺次设置的第一透镜组件、反射器件以及第二透镜组件；第一透镜组件包括第一透镜；第二透镜组件包括沿光路顺次设置的第二透镜、第三透镜以及第四透镜；第一透镜的像侧面布置有反射器件，反射器件的像侧面布置有第二透镜，第二透镜的像侧面布置有第三透镜，第三透镜的像侧面布置有第四透镜；第一透镜组件，用于接收入射光束，对入射光束进行会聚，以使入射光束通过反射器件折转后会聚于第二透镜组件的光阑位置；第二透镜组件，用于接收反射器件反射后的入射光束，并投射成像。本实用新型能够缩短了整个远心镜头的光路长度，降低远心镜头的高度，从而能够将远心镜头应用在手机等对厚度有要求的电子设备上。

Description

基于远心镜头的光探测器

技术领域

本实用新型涉及光学镜头，具体地，涉及一种基于远心镜头的光探测器。

背景技术

3D深度视觉作为一个崭新的技术，已经出现在手机、体感游戏、支付等消费级产品中，并且逐步渗透到安防、自动驾驶等新的领域。随着硬件端技术的不断进步，算法与软件层面的不断优化，3D深度视觉的精度和实用性得到大幅提升。

3D深度感知目前主要使用的方案有双目立体视觉，3D结构光和TOF方案。其中，双目立体视觉一般采用双摄像机从不同角度同时获得被测物的两幅数字图像，并基于视差原理恢复出物体的三维几何信息，重建物体三维轮廓及位置。3D结构光的原理是发射衍射光斑到物体上，传感器接收发生形变的光斑，从而根据光斑形变的量来判断深度信息。3D结构光具有较高的精度，适用于近距离的信息采集，如人脸识别、人脸支付等功能。TOF方案则是通过向被测目标连续发送光信号，然后传感器接收返回的光信号，再通过计算一系列光信号的飞行时间来得到被测目标的距离。

投影镜头通常采用物方远心光路以实现均匀的视场与CRA(Chief Ray Angle，主光线角)匹配。由于远心投影镜头的原理限制，其第一透镜与后续镜组间会有较大的间距。常规的设计方案是直下式结构，如图2所示，光探测器阵列垂直于光轴，光线自下而上透过光探测器阵列和远心镜头将光探测器阵列图像投射出去。或者在镜头的末端加一片反射镜以实现光束的90°折转，以减小系统高度，但因此进一步增加了镜头的长度，如图3所示。

随着手机、平板电脑等便携式终端设备的发展，在人脸支付等的应用中，需要终端设备具有3D深度感知功能。常规的远心投影镜头设计需要占用较大的空间体积，限制了其在便携式设备中的应用。

其中，3D结构光和TOF方案都需要一个发射端和一个接收端。一般的接收端为光探测器，光探测器包括光学成像镜头、光探测器阵列以及驱动电路头。现有技术中光学成像镜头仅能够引导入射光束照射到光探测器阵列上，并不能对光束的照度进行调整，这使得光探测器阵列接收到光信号不稳定，使的光探测器阵列的精度较差。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种基于远心镜头的光探测器。

根据本实用新型提供的基于远心镜头的光探测器，包括沿光路顺次设置的光探测器阵列和远心镜头；所述远心镜头包括第一透镜组件、反射器件以及第二透镜组件；

所述第一透镜组件的物侧面布置有所述反射器件，所述反射器件的物侧面布置有所述第二透镜组件；

所述第二透镜组件，用于接收入射光束，对所述入射光束进行会聚于第二透镜组件的光阑位置后经所述第二透镜组件投射至所述反射器件；

所述第一透镜组件，用于接收所述反射器件反射后的所述入射光束，并将所述入射光束投射至所述光探测器阵列上。

优选地，所述第一透镜组件包括第一透镜；所述第二透镜组件包括沿光路顺次设置的第二透镜、第三透镜以及第四透镜；

所述第一透镜的物侧面布置有所述反射器件，所述反射器件的物侧面布置有所述第二透镜，所述第二透镜的物侧面布置有所述第三透镜，所述第三透镜的物侧面布置有第四透镜。

优选地，所述第一透镜具有正的光焦度，物侧面和像侧面为凸面结构；

所述第二透镜具有正的光焦度，像侧面为凸面，物侧面为凹面；

所述第三透镜具有正的光焦度，像侧面为凹面，物侧面为凸面；

所述第四透镜具有负的光焦度，像侧面为凹面，物侧面为凸面。

优选地，所述远心镜头的像面不同像高处的主光线均平行于所述第一透镜的光轴。

优选地，所述反射器件的反射面为金属层、介质膜镀层或棱镜的内全反射表面。

优选地，所述反射器件的反射面为平面，设置于第一透镜与第二透镜的光路之间，相对于所述第一透镜或所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜光轴倾斜40°至50°；

所述反射器件，用于将第二透镜出射的入射光束，折转后投射至第一透镜。

优选地，所述第一透镜与所述第二透镜之间的光学间距与反射器件的尺寸满足以下条件式：

优选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜采用非球面塑料镜片；

优选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜的折射率nd满足以下公式：

1.62<nd<1.69

其中，nd为透镜在587.6nm波长下的折射率。

优选地，所述光探测器阵列的中心与第一透镜的光轴在同一直线上；

所述第二透镜、第三透镜、第四透镜的光轴在同一直线上；

所述第一透镜的光轴与所述第二透镜、第三透镜、第四透镜的光轴垂直。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

本实用新型中将入射光束通过第二透镜组件接收，并通过所述反射器件反射后的投入第一透镜组件，第一透镜组件将入射光束转成成主光线角为0的光束进行投射至光探测器阵列上，实现光探测器阵列接收到的入射光束相对照度比较均匀，进而提高了光探测器的精度；

本实用新型中在第一透镜组件和第二透镜组件之间设置中设置反射器件，缩短了整个远心镜头的光路长度，进而降低了远心镜头的高度，从而能够将具有远心镜头的光探测器应用在手机等对厚度有要求的电子设备上。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1(a)为本实用新型实施例中基于远心镜头的光探测器的一种结构示意图；

图1(b)为本实用新型实施例中基于远心镜头的光探测器的另一种结构示意图；

图2为本实用新型实施例中省略掉反射器件的光探测器结构示意图；

图3为本实用新型实施例中在反射器件位于出光端的光探测器结构示意图；

图4(a)为本实用新型实施例中基于远心镜头的光探测器装配于手机中的一侧面位置示意图；

图4(b)为本实用新型实施例中基于远心镜头的光探测器装配于手机中的一侧面位置示意图；

图5(a)为本实用新型实施例中基于远心镜头的光探测器装配于手机中的尺寸示意图；

图5(b)为本实用新型实施例中省略掉反射器件的光探测器装配于手机中的尺寸示意图；

图5(c)为本实用新型实施例中反射器件位于出光端的光探测器装配于手机中的尺寸示意图；

图6为本实用新型实施例中光学系统的MTF传递函数曲线图；

图7为本实用新型实施例中光学系统的相对照度曲线图；

图8为本实用新型实施例中光学系统的畸变曲线图。

图中：

1为光探测器阵列；2为第一透镜；3为反射器件；4为第二透镜；5为光阑；6 为第三透镜；7为第四透镜；8为开孔；9为光探测器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多该特征。在本实用新型实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型实施例中，本实用新型提供的基于远心镜头的光探测器，包括沿光路顺次设置的光探测器阵列和远心镜头；所述远心镜头包括第一透镜组件、反射器件以及第二透镜组件；

所述第一透镜组件的物侧面布置有所述反射器件，所述反射器件的物侧面布置有所述第二透镜组件；

所述第二透镜组件，用于接收入射光束，对所述入射光束进行会聚于第二透镜组件的光阑位置后经所述第二透镜组件投射至所述反射器件；

所述第一透镜组件，用于接收所述反射器件反射后的所述入射光束，并将所述入射光束投射至所述光探测器阵列上。

本实用新型中将入射光束通过第二透镜组件接收，并通过所述反射器件反射后的投入第一透镜组件，第一透镜组件将入射光束转成成主光线角为0的光束进行投射至光探测器阵列上，实现光探测器阵列接收到的入射光束相对照度比较均匀，进而提高了光探测器的精度。

以上是本实用新型的核心思想，为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

图1(a)为本实用新型实施例中基于远心镜头的光探测器的一种结构示意图，图1(b)为本实用新型实施例中基于远心镜头的光探测器的另一种结构示意图，如图1(a)、图1(b)所示，本实用新型提供的基于远心镜头的光探测器，包括沿光路顺次设置的光探测器阵列1和远心镜头；所述远心镜头包括第一透镜组件、反射器件3以及第二透镜组件；

所述第一透镜组件的物侧面布置有所述反射器件3，像侧面布置有所述光探测器阵列1；所述反射器件3的物侧面布置有所述第二透镜组件；

所述第二透镜组件，用于接收入射光束，对所述入射光束进行会聚于第二透镜组件的光阑5位置后经所述第二透镜组件投射至所述反射器件3；

所述第一透镜组件，用于接收所述反射器件3反射后的所述入射光束，并将所述入射光束投射至所述光探测器阵列1上。

本实用新型实施例中，所述第一透镜组件包括第一透镜2；所述第二透镜组件包括沿光路顺次设置的第二透镜4、第三透镜6以及第四透镜7；

所述第一透镜2的物侧面布置有所述反射器件3，所述反射器件3的物侧面布置有所述第二透镜4，所述第二透镜4的物侧面布置有所述第三透镜6，所述第三透镜6的物侧面布置有第四透镜7。

所述基于远心镜头的光探测器的光路组成包括：光探测器阵列1、第一透镜2、反射镜器件3、第二透镜4、光阑5、第三透镜6、第四透镜7；

所述光探测器阵列1，用于接收所述入射光束。所述光探测器阵列1采用如下任一种光传感器制成：

-CMOS光传感器；

-CCD光传感器；

-SPAD光传感器。

在本实用新型实施例中，第一透镜2，用于将来自反射器件3的入射光束会聚转换为主光线角为0的光束后投射至光探测器阵列1上。

反射镜器件3，用于将入射光束反射后折转90°，可以采用平面镀膜反射镜，且能够通过表面的金属层或多层介质膜镀层以提高光线在反射镜表面的反射率，也可以采用直角全反射棱镜，由于入射光束在直角反射棱镜的斜面反射面进行全反射，由于光线入射直角棱镜的斜面角度超过了全反射临界角，因此在斜面上无须镀膜即可实现100％的反射率，但需要直角面需要镀增透膜以提高透过率。

所述第四透镜7采用弯月凹透镜，用于将通过入射光束进会聚后投射至所述第三透镜6；

所述第三透镜6采用弯月凸透镜，用于将所述通过所述第四透镜7的入射光束会聚至光阑5后投射至第二透镜4；

所述第二透镜4采用弯月凸透镜，用于将光阑5处入射的入射光束发散投射至所述反射镜器件3；

所述光阑5，为一虚拟平面，所述入射光束在光阑5处收至最窄；

在本实用新型实施例中，所述第一透镜2具有正的光焦度，物侧面和像侧面为凸面结构，所述远心镜头的光探测器阵列1不同像高处的主光线，均平行于所述第一透镜2的光轴。

所述反射器件3的反射面为平面，相对于所述第一透镜2或所述第二透镜4、所述第三透镜6以及所述第四透镜7的光轴倾斜40°至50，其中优选倾斜为45°；

所述反射器3件，用于将第二透镜4出射的入射光束，折转90°后投射至第一透镜2。

所述反射器件3的设置，利用了物方远心光路第一透镜2与第二透镜4光学间距较大，光路倾角小的特点，在光路中嵌入反射器件3，实现光路折叠的同时不增加远心镜头的总长，有利于镜头尺寸的小型化。

所述第二透镜4具有正的光焦度，像侧面为凸面，物侧面为凹面；

所述第三透镜6具有正的光焦度，像侧面为凹面，物侧面为凸面；

所述第四透镜7具有负的光焦度，像侧面为凹面，物侧面为凸面。

在本实用新型实施例中，所述第一透镜2与所述第二透镜4之间的光学间距与反射器件3的尺寸满足以下条件式：

在本实用新型实施例中，所述第二透镜4与第三透镜6之间设置有光阑5，使的所述远心镜头满足以下条件式：

73°＜FOV＜112°

其中，FOV为所述远心镜头的视场角；FOV用于限制镜头视场角的范围，实现大角度投射。

0.95＜VP＜1

其中，VP为所述远心镜头的视点深度；VP用于约束镜头的视点深度，减小镜头的开孔大小，同时减小渐晕，有利于提高像面的照度均匀性。

∣Distortion∣＜8％

其中，Distortion为光学系统的光学畸变。Distortion用于约束广角镜头的畸变，对于广角镜头，畸变越小成图像轮廓越真实。

在本实用新型实施例中，所述远心镜头的光探测器阵列1不同像高处的主光线均平行于所述第一透镜2的光轴。

在本实用新型一实施例中，所述第一透镜2、所述第二透镜4、所述第三透镜6、所述第四透镜7为非球面塑料镜片。所述第一透镜2、所述第二透镜4、所述第三透镜6、所述第四透镜7的镜片折射率nd满足以下公式：

1.62<nd<1.69

其中，nd为透镜在587.6nm波长下的折射率。

所述的光探测器阵列1的中心与第一透镜2的光轴在同一直线上；

所述的第二透镜4、第三透镜6、第四透镜7的光轴在同一直线上；

所述的第一透镜2的光轴与所述第二透镜4、第三透镜6、第四透镜7的光轴垂直。

图2为本实用新型实施例中省略掉反射器件的光探测器结构示意图，如图2所示，光探测器阵列1和第一透镜2、第二透镜4、第三透镜6、第四透镜7的光轴都在同一直线上，能够实现相同的投射效果，但省略掉反射器件3后的光探测器的高度显著增大。

图3为本实用新型实施例中在反射器件3位于出光端的光探测器结构示意图，如图3所示，光探测器阵列1和第一透镜2、第二透镜4、第三透镜6、第四透镜7的光轴都在同一直线上，在第四透镜7的像侧设置反射器件3，能够实现相同的投射效果，但光探测器的长度和高度都均显著增大。

图4(a)为本实用新型实施例中基于远心镜头的光探测器装配于手机中的一侧面位置示意图,图4(b)为本实用新型实施例中基于远心镜头的光探测器装配于手机中的一侧面位置示意图，如图4(a)和图4(b)中，在手机等紧凑型设备中，对所述光探测器的高度及开孔8尺寸均具有限制要求，因此，所述光探测器9的开孔8尺寸越小越好，所述光探测器9的高度需要小于手机的厚度。

图5(a)为本实用新型实施例中基于远心镜头的光探测器配于手机中的尺寸示意图，图5(b)为本实用新型实施例中省略掉反射器件的光探测器配于手机中的尺寸示意图，图5(c)为本实用新型实施例中反射器件位于出光端的光探测器配于手机中的尺寸示意图，如图5(a)、图5(b)、图5(c)所示，本实用新型实施例基于远心镜头的光探测器相对于省略掉反射器件3的光探测器具有更低的光学高度，基于远心镜头的光探测器相对于反射器件3位于出光端的光探测器具有更低的光学高度、更短的长度以及更小的开孔口径，能够在紧凑型设备中具有更好的兼容性。

在本实用新型实施例中，第一透镜2、反射镜器件3、第二透镜4、光阑5、第三透镜6、第四透镜7的表面类型、曲率半径、厚度以及材料的折射率nd、色散系数vd，如表1所示。

表1

表面序号	表面类型	曲率半径	厚度	材料(nd，vd)
					1	非球面	3.233	0.353	1.65，25.48
2	非球面	0.664	0.575
					3	非球面	0.866	0.329	1.64，27.56
4	非球面	0.780	0.145
					光阑	平面	无限大	0.110
6	非球面	-3.923	0.644	1.66，20.37
					7	非球面	-0.711	1.415
反射镜	平面	无限大	0.802
					9	球面	2.975	0.462	1.62，33.24
10	球面	-3.405	0.391

在表1中，表面序号1为第四透镜7的入光面，表面序号2为第四透镜7的出光面；表面序号3为第三透镜6的入光面，表面序号4为第第三透镜6的出光面；表面序号6 为第二透镜4的入光面，表面序号7为第二透镜4的出光面；表面序号9为第一透镜2 的入光面，表面序号10为第一透镜2的出光面。

图6为本实用新型实施例中光学系统的MTF传递函数曲线图，MTF传递函数可以综合反映光学系统的成像质量，当曲线在Y轴的高度越高，越平滑，证明光学系统的成像质量越好；如图6所示，横坐标：SPATIAL FREQUENCY INCYCLES PER MILLIMETER 表示线对/每毫米1p/mm的空间频率。纵坐标表示MTF值。曲线越高，表示成像质量越好。纵坐标：MODULUS OFTHE OTF中OTF全称为：optical transfer function，指光学传递函数。即纵坐标为光学调制传递函数。本实用新型实施例中基于远心镜头的光探测器解像力＞110lp/mm。

图7为本实用新型实施例中光学系统的相对照度曲线图，如图7所示，纵坐标Relative Illumination为相对照度，横坐标Y Field Millimeters为Y方向向高，单位为毫米。

其中，当曲线在Y轴的高度越高，越平滑，证明光学系统的相对照度越均匀，本实用新型实施例中基于远心镜头的光探测器最大视场相对照度＞70％；

图8为本实用新型实施例中的光学系统的畸变曲线图，如图8所示，横坐标Percent为百分比，纵坐标Distortion为畸变。本实用新型实施例中基于远心镜头的光探测器在全视场范围内的畸变＜7％。

本实用新型实施例中将入射光束通过第二透镜组件接收，并通过所述反射器件反射后的投入第一透镜组件，第一透镜组件将入射光束转成成主光线角为0的光束进行投射至光探测器阵列上，实现光探测器阵列接收到的入射光束相对照度比较均匀，进而提高了光探测器的精度；

本实用新型实施例中在第一透镜组件和第二透镜组件之间设置中设置反射器件，缩短了整个远心镜头的光路长度，进而降低了远心镜头的高度，从而能够将具有远心镜头的光探测器应用在手机等对厚度有要求的电子设备上。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于远心镜头的光探测器，其特征在于，包括沿光路顺次设置的光探测器阵列和远心镜头；所述远心镜头包括第一透镜组件、反射器件以及第二透镜组件；

所述第一透镜组件的物侧面布置有所述反射器件，像侧面布置有所述光探测器阵列；所述反射器件的物侧面布置有所述第二透镜组件；

所述第二透镜组件，用于接收入射光束，对所述入射光束进行会聚于第二透镜组件的光阑位置后经所述第二透镜组件投射至所述反射器件；

所述第一透镜组件，用于接收所述反射器件反射后的所述入射光束，并将所述入射光束投射至所述光探测器阵列上。

2.根据权利要求1所述的基于远心镜头的光探测器，其特征在于，所述第一透镜组件包括第一透镜；所述第二透镜组件包括沿光路顺次设置的第二透镜、第三透镜以及第四透镜；

所述第一透镜的物侧面布置有所述反射器件，所述反射器件的物侧面布置有所述第二透镜，所述第二透镜的物侧面布置有所述第三透镜，所述第三透镜的物侧面布置有第四透镜。

3.根据权利要求2所述的基于远心镜头的光探测器，其特征在于，所述第一透镜具有正的光焦度，物侧面和像侧面为凸面结构；

所述第二透镜具有正的光焦度，像侧面为凸面，物侧面为凹面；

所述第三透镜具有正的光焦度，像侧面为凹面，物侧面为凸面；

所述第四透镜具有负的光焦度，像侧面为凹面，物侧面为凸面。

4.根据权利要求2所述的基于远心镜头的光探测器，其特征在于，所述远心镜头的像面不同像高处的主光线均平行于所述第一透镜的光轴。

5.根据权利要求1所述的基于远心镜头的光探测器，其特征在于，所述反射器件的反射面为金属层、介质膜镀层或棱镜的内全反射表面。

6.根据权利要求2所述的基于远心镜头的光探测器，其特征在于，

所述反射器件的反射面为平面，设置于第一透镜与第二透镜的光路之间，相对于所述第一透镜或所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜光轴倾斜40°至50°；

所述反射器件，用于将第二透镜出射的入射光束，折转后投射至第一透镜。

7.根据权利要求2所述的基于远心镜头的光探测器，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜之间的光学间距与反射器件的尺寸满足以下条件式：

8.根据权利要求2所述的基于远心镜头的光探测器，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜采用非球面塑料镜片。

9.根据权利要求2所述的基于远心镜头的光探测器，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜的折射率nd满足以下公式：

1.62<nd<1.69

其中，nd为透镜在587.6nm波长下的折射率。

10.根据权利要求2所述的基于远心镜头的光探测器，其特征在于，所述光探测器阵列的中心与第一透镜的光轴在同一直线上；

所述第二透镜、第三透镜、第四透镜的光轴在同一直线上；

所述第一透镜的光轴与所述第二透镜、第三透镜、第四透镜的光轴垂直。

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