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Die vorliegende Erfindung betrifft Reflektoren mit der Fähigkeit, polarisationsdrehend zu wirken für optische Sensoren, besonders Reflexionslichtschranken. Es wird der Aufbau eines Retroreflektors mit einem Farbfilter (Farbfilterreflektor) beschrieben und ein Verfahren aufgezeigt, dass durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Farbfilterreflektors auftretende Signalirritationen an reflektierenden und polarisationsdrehenden Strukturen unterdrückt werden können und dadurch die störungsfreie Auswertung des polarisierten Reflexionssignals des Reflektors für Sensoren wesentlich verbessert werden kann.
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Lichtschranken besitzen einen Sender und einen Empfänger. Sind Sender und Empfänger in einem Gehäuse vereint, wird ein Reflektor benötigt, der das vom Sender ausgesandte Licht zum Empfänger zurückreflektiert. Der Sender der Reflexionslichtschranke sendet Licht auf einen Reflektor. Das ausgesandte Lichtsignal wird vom Reflektor reflektiert und zum Empfänger der Lichtschranke zurückreflektiert.
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Während früher solche Reflexlichtschranken nur als binäre Systeme verwendet wurden, haben sich zum Beispiel die modernen Lasersensoren zu komplexen Messgeräten entwickelt. Die binären Lichtschrankensysteme kennen nur die zwei Informationen, nämlich reflektiertes Licht wird empfangen oder es wird nicht empfangen. Viele optische Messgeräte werten heute auch zusätzlich das empfangene Reflexsignal aus, indem sie zum Beispiel die Strahlgestalt oder Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts auswerten. Je kleiner die verwendeten Lichtstrahlen im Durchmesser werden, um Positionen zum Beispiel genauer bestimmen zu können, desto störanfälliger werden die Lichtschranken für Strukturunregelmäßigkeiten des Reflektors und Störungen durch Fremdlichtquellen.
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Um also sehr genau einen Reflektor abtasten zu können, muss auch seine Struktur geeignet sein, diese Feinabtastung zu ermöglichen. Man kann von einer Auflösungsfähigkeit des Reflektors sprechen ähnlich wie bei Fotografien oder Bildmonitoren. Bevorzugt werden als Reflektoren für Lichtschranken Tripelreflektoren, die meist eine retroflektierende Struktur aus einem Array, einer Vielzahl kleiner Tripel aufweisen. Jeder Tripel besteht aus drei Spiegeln, über die das Licht geführt wird, bis es schließlich in Richtung der Lichtquelle zurückreflektiert wird, was man als Retroflexion bezeichnet. Bei seinem Weg durch den jeweiligen einzelnen Tripel erfährt der vom Sender stammende Lichtstrahl einen Strahlversatz und verläuft abhängig von der Tripelstrukturgröße strahlversetzt zum Sendestrahl als Reflexionslichtstrahl zum Empfänger zurück. Ähnlich ist der Reflexionsverlauf bei einem Array aus Reflexionskugeln.
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Um die beschriebene Auflösung des Reflektors zu vergrößern, müssen kleinere Tripel oder Kugeln ein Reflexionsarray bilden. Hier stößt man aber an fertigungstechnische Grenzen, solche Arrays homogen herzustellen. Mit der Mikronisierung der Tripel treten zudem neben der refraktiven Optik auch zunehmend die Wirkungen der diffraktiven Optik auf. Reflektoren aus zahlreichen Mikrotripeln besitzen eine Vielzahl von Mikrokanten, die Störsignale erzeugen können. Größenschwankungen der Tripel und/oder Winkelabweichungen der einzelnen Spiegelflächen der Tripel zueinander in der Gesamtwirkung des Arrays, führen häufig zu Regenbogeneffekten oder Moireeffekten. Hinzu kommen Überlagerungen der Lichtwellen des zu reflektierenden Lichts mit Lichtwellen von Fremdlichtquellen, zum Beispiel Sonnenlicht oder Beleuchtungskörpern. Bei zusätzlich auf der Rückseite metallisierten Reflektoren oder Reflexfolien werden Dichteschwankungen dieser metallischen Verspiegelung und Gefügeunregelmäßigkeiten der Metallschicht zu Störlicht. Besonders die Störungen, die durch die Mikronisierung der Tripelstrukturen bedingt sind, die hier in der Gesamtheit als Irritationen bezeichnet werden, erschweren zunehmend die störungsfreie Messgenauigkeit und die exakte Auswertung des reflektierten Lichts.
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Schon vor Jahrzehnten hatte man begonnen, durch den Einbau von Polarisationsfiltern in Lichtschranken störendes Licht von Fremdlichtquellen von der Messung auszuschließen, indem man nur reflektiertes Licht einer bestimmten Polarisationsdrehung zur Messung zuließ. Jedoch mit der Mikronisierung der Relexionsstrukturen werden jetzt dennoch die beschriebenen neuartigen Störungen immer bedeutender und sie sind ursächlich für die Zerstörung der Messgenauigkeit.
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Der erfindungsgemäße Gedanke ist, nahe zu den Punkten der Reflexion und dem Entstehungsort der Irritationen einen Farbfilter anzubringen, der nur noch die für die Messung erforderliche Wellenlänge des Lichts in den Reflektor eintreten lässt und auch nur noch diese Wellenlänge austreten lässt aus der Reflektoroberfläche. Zusätzlich soll dabei auch polarisiertes Licht verwendet werden, das im Empfänger der Reflexlichtschranke ausgewertet wird.
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Versuche haben nun ergeben, dass die erfindungsgemäße Anordnung eines Farbfilters direkt über einer polarisationsdrehenden Reflexionsfläche die störungsfreie Messgenauigkeit besonders bei der Beobachtung von Glasflaschen oder dem Zählen oder Vermessen von Mikroteilen wesentlich verbessert.
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Da die meisten Reflexionslichtschranken mit rotem Licht arbeiten, ist für den Filter auf dem Reflektor ein roter Farbfilter zu wählen. Bei Verwendung zum Beispiel eines blauen Lasers als Sender in der Lichtschranke ist entsprechend ein blauer Filter direkt über dem Reflektor anzuordnen. Die Farbwahl des Farbfilterns ist also der gewünschten Lichtfarbe des Empfängers der Lichtschranke anzupassen. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Farbfilterreflektors zeigt sich eine deutliche Unterdrückung von den oben beschriebenen Störeinflüssen und Irritationen.
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Der Farbfilter kann als separates Element (4, 4.6) über der Reflexionsfläche (4.8) angeordnet sein oder als Einfärbung der retroflektierenden Struktur selbst (2, 2.6). Es ist keineswegs naheliegend, die retroflektierende Struktur eines Reflektors für eine Lichtschranke einzufärben, sondern es wurde bisher in der Lichtschrankentechnik für falsch gehalten. Denn bei Verwendung von normalem weißem Licht erhält man nur noch etwa 20% Licht als Reflexion, nämlich das Licht mit den Wellenlängen, die der Farbfilter durchläßt. Deshalb sind Reflektoren für Lichtschranken regelmäßig mit glasklarem, nicht eingefärbtem Deckglas und Tripeln versehen. Dagegen werden im Straßenverkehr häufig eingefärbte Tripelreflektoren verwendet, um Farbinformationen als Warnsignal zu geben, zum Beispiel bei Fahrradrückstrahlern.
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In der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt (5), die polarisationsdrehende Reflexionsfläche (5.1) von dem Deckglas (5.4) zu trennen. Jetzt kann die retroflektierende Struktur eingefärbt sein oder das Deckglas, um als Farbfilter zu wirken. Denn das Deckglas (5.4) bildet mit dem Rückkasten (5.7) einen wasserdichten Kasten, in dem die retroflektierende Struktur (5.1) eingeschlossen ist. Jetzt kann für das Deckglas und den Rückkasten auch ein anderer Werkstoff verwendet werden, als für die Tripelfläche. So ergibt sich der Vorteil, dass der schützende Kasten zum Beispiel aus einem besonders chemikalienbeständigen oder hitzebeständigen Werkstoff gefertigt werden kann. Würde der Werkstoff direkt auch für die retroflektierende Struktur verwendet werden, könnten werkstoffbedingte Ungenauigkeiten der Abformung und optische Eigenschaften des Werkstoffs zu weiteren Irritationen führen. Denn erfahrungsgemäß sind als optische Werkstoffe Glas und Acrylglas (PMMA) für solche mikrostrukturierten Tripelflächen besonders störungsarm.
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Die Kastenkonstruktion, die die retroflektierende Struktur einschließt, erlaubt nun auch noch weitere technische Variationen, die durch die Kastenkonstruktion geschützt sind.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich ausschließlich mit Reflexionselementen, die die Fähigkeit besitzen, polarisationsdrehend zu wirken, wie für die modernen Lichtschranken erforderlich, die dazu mit Polarisationsfiltern ausgerüstet sind.
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Polarisationsdrehend wirken Tripel von Natur aus nur, sofern sie auf ihrer Rückseite unverspiegelt, also nicht metallisiert sind, so dass das Licht an den einzelnen Spiegelflächen eines Tripels totalreflektiert wird. Um die Totalreflexion dauerhaft zu erhalten, müssen die Einzelspiegel der Tripel vor Staub und Feuchtigkeit geschützt werden. Hier empfiehlt sich eine wasserdichte Kastenkonstruktion als Schutz.
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Wird hingegen die Rückseite der Tripel (5, 5.5) verspiegelt, ist eine polarisationsdrehende Wirkung aufgehoben. Um die Polarisationsdrehung dennoch zu ermöglichen, wird auf die Lichteintrittsfläche (5.6) ein Lambda/Viertel-Plättchen zur Polarisationsdrehung aufgebracht. Auch kann das Lambda/Viertel-Plättchen auf Abstand zur retroflektierenden Struktur auf die Innenseite des Deckglases (5.3) aufgebracht werden. Die gezeigte Kastenkonstruktion in 5 schützt hier auch die Metallisierung vor Korrosion.
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Soll der Reflektor auch vor Beschlagen und Verschmutzung geschützt werden, hilft ebenfalls die Kastenkonstruktion. Um die Erschwernisse der Bearbeitung der Lichteintrittsfläche der retroflektierenden Struktur zu vermeiden, bietet die Kastenkonstruktion die Möglichkeit, statt der Bearbeitung der Lichteintrittsfläche der retroflektierenden Struktur, besser die Lichteintrittsfläche (5.6) des Deckglases (5.4) durch Mikrostrukturierung oder Aufbringen von Beschichtungen gegen Beschlagen mit Wasserdampf oder zur Entspiegelung zu versehen. Bei diesen Fertigungsprozessen wird ja nur ein einfaches Deckglas bearbeitet. Weil es keine Tripel oder andere Reflexionselemente trägt, muss auch nicht auf deren Schutz bei den Beschichtungsprozessen Rücksicht genommen werden.
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Neben der Kastenkonstruktion wird auch noch ein Folienaufbau gezeigt, der außer an den Schnittkanten der Folien ähnlichen Schutz wie die Kastenkonstruktion gewährt.
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Es zeigt die:
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1 einen unverspiegelten, mit Totalreflexion arbeitenden und dadurch auch polarisationsdrehend wirkenden Tripelreflektor für Reflexlichtschranken in der Draufsicht, wie er von der Reflexlichtschranke aus gesehen wird, mit den Befestigungslaschen (1.1 und 1.4). Die Befestigungslaschen tragen je eine Bohrung (1.2 und 1.5) für eine mögliche Schraubbefestigung. Zwischen den Befestigungslaschen befindet sich die retroflektierende Struktur (1.3). In diesem Bespiel zeigt die retroflektierende Struktur ein Tripelarray mit würfelförmiger Struktur der Tripel. Jedoch kann die retroflektierende Struktur auch als Array anderer aus der Patentliteratur bekannter Tripelformen, zum Beispiel pyramidaler Tripel, gebildet sein. Die Tripel sind vergrößert gezeichnet, um sie besser erkennen zu können. Bei der vorliegenden Erfindung wird angenommen, dass die einzelnen Reflexionselemente < 1,5 mm sind, dass die Reflexionselemente bevorzugt sogar < 0,3 mm sind, wobei unter dieser Größenangabe die maximale Ausdehnung in einer Ebene zu verstehen ist, wie z. B. der Durchmesser oder die Schlüsselweite, und dass die Reflexionselemente als Array die retroflektierende Struktur bilden.
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2 den Reflektor der 1 im Schnitt gesehen mit den Befestigungslaschen (2.1 und 2.4) und den Befestigungsbohrungen (2.2 und 2.5). Die retroflektierende Struktur (2.6) besitzt eine Lichteintrittsfläche (2.7) und auf ihrer Rückseite die unverspiegelten Reflexionselemente (2.8). Hinter der Reflexionsfläche ist ein Luftraum (2.9) angeordnet, der wasserdicht geschlossen ist. Denn die Reflexionsfläche, die eine Platte bildet, ist mit dem Rückkasten (2.3) durch Verschweißen oder Kleben am Rand (2.10) dicht schließend verbunden.
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Abweichend von einem herkömmlichen Reflektor für Reflexionslichtschranken, ist die Reflexionsfläche (2.6) zum Beispiel rot eingefärbt, um als Farbfilter zu dienen.
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3 eine weitere Ausbildung des erfindungsgemäßen Farbfilterreflektors in der Draufsicht, wie er von der Reflexlichtschranke aus gesehen wird. Die Befestigungslaschen (3.1 und 3.4) haben Befestigungsbohrungen (3.2 und 3.5). Der Kasten (3.3) lässt das darin eingeschlossene Reflexionselement erkennen.
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4 den erfindungsgemäßen Farbfilterreflektor in der Ausbildung der 3 im Schnitt von der Seite. Die Befestigungslaschen (4.1 und 4.4) befinden sich an den Seiten eines Kastens. Die Befestigungslaschen tragen Bohrungen (4.2 und 4.5). Der Rückkasten (4.3) des Reflektors ist mit dem Deckglas (4.6) wasserdicht verbunden. Das Deckglas ist beispielhaft rot eingefärbt und dient als Farbfilter. Hinter dem Deckglas befindet sich ein Hohlraum (4.7), in dem eine retroflektierende Struktur (4.8) liegt. Die retroflektierende Struktur hat beispielhafte Tripel (4.9). Der Rückkasten (4.3) und das Deckglas (4.6) bilden einen dicht schließenden Kasten, der die retroflektierende Struktur (4.8), die auch eine Folie sein kann, umschließt.
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5 Variationen des erfindungsgemäßen Farbfilterreflektors, wie in 4, im Schnitt von der Seite. Die retroflektierende Struktur (5.1) besitzt eine Lichteintrittsseite (5.2). Auf dieser Lichteintrittsseite der retroflektierenden Struktur ist ein Lambda/Viertel-Plättchen angeordnet. Das Lambda/Viertel-Plättchen kann aber auch auf der Innenseite (5.3) des Deckglases (5.4) angeordnet sein, so dass es im Abstand zur retroflektierenden Struktur steht.
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Die retroflektierende Struktur kann auch als dünne Folie ausgebildet sein. Die Rückseite der retroflektierenden Struktur, die die eigentlichen Reflexelemente, die Tripel, trägt, ist mit einer Metallschicht (5.5) beschichtet. Das Deckglas (5.4) mit seiner Lichteintrittsseite (5.6) bildet zusammen mit dem Rückteil (5.7) des Reflektors einen dicht geschlossenen Kasten, der die retroflektierende Struktur (5.1) einschließt.
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Das Deckglas (5.4) ist beispielhaft rot eingefärbt, um als Farbfilter zu dienen. Es kann auf seiner Lichteintrittsseite (5.5) auch mit einer Beschichtung oder Mikrostrukturierung zusätzlich versehen werden zur Verminderung der Oberflächenreflexion und/oder zur Abweisung von Beschlag mit Wasserdampf oder Schmutz. Das Deckglas sollte möglichst spannungsfrei aus Kunststoff gefertigt sein, damit es polarisiertes Licht nicht in der Polarisation verändert. Spannungsfreiheit wird durch den gleichmäßigen Fluss des flüssigen Kunststoffes bei der Herstellung, Vermeidung von Fließlinien und Vermeidung von Dichteschwankungen des Kunststoffes erreicht.
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Vorteilhaft wird das Deckglas (5.4) als Farbfilter verwendet. Es kann aber auch die retroflektierende Struktur (5.1) oder beide, sowohl Deckglas als auch die retroflektierende Struktur, eingefärbt sein. Durch die gleichmäßige Wanddicke des Deckglases ist seine Farbfilterwirkung wesentlich gleichmäßiger und vermeidet viel besser die beschriebenen Irritationen, als eine in den Dicken stark schwankende retroflektierende Struktur, deren Dickenschwankungen durch die Tripelstruktur bedingt sind.
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6 die Ausbildung des erfindungsgemäßen Farbfilterreflektors als biegsame Folie. Eine Abdeckfolie oder ein Abdeckpapier (6.1) schützt die Klebeschicht (6.2), die zum späteren Verkleben der Folie aufgebracht ist. Nach der Klebeschicht folgt die Metallschicht (6.3), zum Beispiel aus Aluminium, Silber oder Gold, die auf die Spiegelfläche der Tripel des Tripelarrays (6.4) aufgebracht ist. Die Metallschicht kann zum Beispiel durch Bedampfen oder Sputtern aufgebracht worden sein. Das Tripelarray kann aus Kunststoff oder Glas gefertigt sein. Es kann eine Einfärbung erhalten. Auf der planen Oberfläche des Tripelarrays befindet sich eine Klebeschicht (6.5), die ein Lambda/Viertel-Plättchen in Form ein Folie (6.6) trägt. Auf der Lambda/Viertel-Folie befindet sich eine weitere Klebeschicht (6.7), auf der eine als Farbfilter eingefärbte Deckschicht (6.8) liegt.
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Einfallendes Licht der Reflexlichtschranke tritt auf der Lichteintrittsfläche (6.9) des Farbfilterreflektors ein, durchläuft den Farbfilter (6.8), dann die Klebeschicht (6.7), dann das Lambda/Viertel-Plättchen (6.6), in dem die Polarisation des Lichts gedreht wird, dann die Klebeschicht (6.5), durchdringt das Tripelarray (6.4). An der Metallisierung (6.3) wird das Licht gespiegelt, kehrt auf seinem Weg mit geringem Strahlversatz zurück. Es verlässt das Tripelarray, durchdringt die Klebeschicht (6.5) und gelangt wieder in das Lambda/Viertel-Plättchen (6.6), in dem es ein weiteres mal in seiner Polarisation gedreht wird, durchdringt die Klebeschicht (6.7), gelangt in den Farbfilter (6.8), in dem es von Irritationen befreit wird und verlässt schließlich den Farbfilterreflektor durch die Lichteintrittsseite (6.9), um zur Lichtschranke zurückzukehren.
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7 mit einem vereinfachten Aufbau gegenüber 6, indem auf das Auflegen eines Farbfilters verzichtet wird, weil das Tripelarray selbst als Farbfilter eingefärbt ist. Eine Abdeckfolie oder ein Abdeckpapier (7.1) schützt die Klebeschicht (7.2), die zum späteren Verkleben der Folie aufgebracht ist. Nach der Klebeschicht folgt die Metallschicht (7.3), zum Beispiel aus Aluminium, Silber oder Gold, die auf die Spiegelfläche der Tripel des Tripelarrays (7.4) aufgebracht ist. Das Tripelarray kann aus Kunststoff oder Glas gefertigt sein. Es besitzt eine Einfärbung als Farbfilter, zum Beispiel Rot oder Blau oder Schwarz für rotes bzw. blaues bzw. ultraviolettes Licht. Auf der planen Oberfläche des Tripelarrays befindet sich eine Klebeschicht (7.5), die ein Lambda/Viertel-Plättchen in Form ein Folie (7.6) trägt. Die Oberfläche (7.7) des Lambda/Viertel-Plättchens ist die Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche.
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Zusammenfassend kann man sagen, dass der erfindungsgemäße Farbfilterreflektor in seiner vorteilhaften Ausgestaltung als Kasten (4 und 5), bestehend aus einem Rückkasten und einem eingefärbten Deckglas, die in der mikrostrukturierten retroflektierenden Struktur auftretenden Irritationen und Störungen deutlich verringert und die Abtastgenauigkeit der Reflexlichtschranke verbessert.
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Besonders deutlich wird das, wenn der polarisierte Lichtstrahl des Senders der Reflexionslichtschranke über die Reflexfläche bewegt wird. Diese Bewegung kann schon durch geringste Erschütterung anderer Maschinen und Geräte bewirkt werden und ist in der industriellen Praxis bei der Anwendung von Reflexlichtschranken in Fabriken nicht zu vermeiden. Die bei der Bewegung des Lichtstrahles zu beobachtenden Strahlverformungen, die entstehenden Irrstrahlen, besonders bei pyramidalen und kugelförmigen Reflexelementen, die diffraktiven Wirkungen der reflektierenden Mikrostrukturen, alle diese Irritationen werden durch den der Lichtschranke angepassten Farbfilter, der vor den Reflexionselementen angeordnet ist, deutlich reduziert.
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Der erfindungsgemäße Farbfilterreflektor eröffnet auch endlich die Möglichkeit, noch kleinere Reflexionselemente als bisher für die optische Messtechnik zu verwenden, um größere Auflösungen bei der Beobachtung von Reflexflächen mit polarisiertem Licht zu erzielen. Damit können transparente Teile und Gläser, kleinere Gegenstände, Fäden oder Mikroteile vor dem Hintergrund des Farbfilterreflektors besser beobachtet, gezählt oder vermessen werden.
