DE102014223933A1 - headlight module - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist Scheinwerfermodul (100, 100‘) mit einer Strahlungsquelle (10, 10‘) einer Strahllenkungsvorrichtung (11, 11‘), und einem auf einem Trägermaterial (13, 13‘) aufgebrachten Leuchtstoff (12, 12‘), wobei der Leuchtstoff (12, 12‘) mittels einer von der Strahlungsquelle (10, 10‘) abgegebenen elektromagnetischen Strahlung zur Lichtemission anregbar ist, wobei zwischen der Strahllenkungsvorrichtung (11, 11‘) und dem Leuchtstoff (12, 12‘) eine mindestens ein optisches Element aufweisende erste Optikanordnung (16, 16‘) angeordnet ist und wobei in Strahlungsrichtung (15, 15‘) hinter dem Leuchtstoff (12, 12‘) eine mindestens ein optisches Element aufweisende zweite Optikanordnung (17, 17‘) angeordnet ist.The invention relates to a headlamp module (100, 100 ') having a radiation source (10, 10') of a beam steering device (11, 11 '), and a phosphor (12, 12') applied to a carrier material (13, 13 '), wherein the luminescent material (12, 12 ') can be excited to emit light by means of an electromagnetic radiation emitted by the radiation source (10, 10'), wherein at least one optical reflector is arranged between the beam steering device (11, 11 ') and the luminescent material (12, 12') Element having first optical arrangement (16, 16 ') is arranged and wherein in the radiation direction (15, 15') behind the phosphor (12, 12 ') at least one optical element having second optical arrangement (17, 17') is arranged.
Description
Die Erfindung betrifft ein Scheinwerfermodul, welches eine Strahlungsquelle, eine Strahllenkungsvorrichtung und einen auf einem Trägermaterial aufgebrachten Leuchtstoff aufweist, wobei der Leuchtstoff mittels einer von der Strahlungsquelle abgegebenen elektromagnetischen Strahlung zur Lichtemission anregbar ist.The invention relates to a headlight module which has a radiation source, a beam steering device and a phosphor applied to a carrier material, wherein the phosphor can be excited to emit light by means of an electromagnetic radiation emitted by the radiation source.
Stand der TechnikState of the art
Scheinwerfermodule aus dem Bereich der Kraftfahrzeugtechnik ermöglichen die Wahl zwischen mehreren, fest definierten Lichtverteilungen, wie zum Beispiel Abblendlicht, Fernlicht und Nebellicht. Zunehmend finden sogenannte adaptive Scheinwerfersysteme Verbreitung, die die Auswahl an Lichtverteilungen erweitern und beispielsweise dynamisches Kurvenlicht, Autobahn-, Stadt- und Schlechtwetterlicht ermöglichen. Die Auswahl der Lichtverteilungen kann dabei situationsbedingt von einer Steuerung in dem Kraftfahrzeug vorgenommen werden.Headlight modules from the field of automotive technology allow the choice between several, well-defined light distributions, such as dipped beam, high beam and fog light. Increasingly, so-called adaptive headlamp systems are spreading, which expand the selection of light distributions and allow, for example, dynamic cornering light, highway, city and bad weather light. The selection of the light distributions can be made depending on the situation by a controller in the motor vehicle.
Eine Weiterentwicklung im Bereich der Fahrzeugbeleuchtung stellen sogenannte aktive Scheinwerfermodule dar. Diese sind nicht auf vordefinierte Lichtverteilungen beschränkt, sondern ermöglichen, ähnlich wie ein Projektor, eine beliebige Lichtverteilung im Raum vor dem Fahrzeug. Dadurch ist es beispielsweise möglich, entgegenkommende und vorausfahrende Fahrzeuge innerhalb des eigenen Fernlichtkegels auszublenden, auch als sogenanntes blendfreies Fernlicht bezeichnet, oder auch mögliche Gefahrenquellen durch direkte Beleuchtung für den Fahrer hervorzuheben.A further development in the field of vehicle lighting represent so-called active headlamp modules. These are not limited to predefined light distributions, but allow, similar to a projector, any light distribution in the space in front of the vehicle. This makes it possible, for example, to hide oncoming and preceding vehicles within the own high beam, also referred to as so-called glare-free high beam, or highlight possible sources of danger by direct lighting for the driver.
Solche aktiven Scheinwerfermodule können im Wesentlichen auf zwei prinzipielle Weisen realisiert werden. Bei subtraktiven Systemen wird der gesamte erzeugte Lichtstrom über eine Matrix optisch aktiver Elemente, zum Beispiel LCD, LCoS, DMD, geleitet. Helle Bereiche werden dadurch erzeugt, dass der Lichtstrom durchgelassen wird. Für dunkle Bereiche wird der Lichtstrom mittels der optisch aktiven Elemente, beispielsweise LCD oder LCoS, absorbiert oder, beispielsweise mittels DMD, in Richtung eines Absorbers abgelenkt. Bei subtraktiven Systemen finden die Erzeugung des Lichtes und dessen variable Verteilung im Raum in unterschiedlichen Bauteilen statt. Aus diesem Grund limitiert die Leistungsdichte der Lichtquelle nicht die Auflösung des Systems. Kleinbauende Systeme mit relativ hohen Auflösungen lassen sich daher erreichen. Prinzipbedingt sind die optischen Verluste in einem subtraktiven System höher als bei einem additiven System.Such active headlamp modules can be realized essentially in two principal ways. In subtractive systems, the entire generated luminous flux is passed through a matrix of optically active elements, for example LCD, LCoS, DMD. Bright areas are created by allowing the luminous flux to pass through. For dark areas, the luminous flux is absorbed by means of the optically active elements, for example LCD or LCoS, or deflected, for example by means of DMD, in the direction of an absorber. In subtractive systems, the generation of light and its variable distribution in space take place in different components. For this reason, the power density of the light source does not limit the resolution of the system. Small-sized systems with relatively high resolutions can therefore be achieved. Due to the principle, the optical losses are higher in a subtractive system than in an additive system.
Additive Systeme beleuchten die Szenerie über Matrixanordnungen von Lichtquellen, beispielsweise LED, bei denen sich die einzelnen Lichtquellen je nach Bedarf ein- und ausschalten lassen. Bei einem idealen additiven System wird also immer die gesamte erzeugte Lichtmenge genutzt. Die notwendige Entwärmung der Lichtquellenmatrix limitiert bei einem solchen System typischerweise die Baugröße, die maximale Helligkeit und/oder die erreichbare Auflösung.Additive systems illuminate the scene via matrix arrangements of light sources, for example LEDs, in which the individual light sources can be switched on and off as required. In an ideal additive system, therefore, the entire amount of light generated is always used. The necessary cooling of the light source matrix in such a system typically limits the size, the maximum brightness and / or the achievable resolution.
Eine Möglichkeit Lichterzeugung und -verteilung in einem additiven aktiven Scheinwerfermodul räumlich voneinander zu trennen, ist die Verwendung eines mit elektromagnetischer Strahlung, zum Beispiel Laserstrahlung, anregbaren Leuchtstoffes. Der Leuchtstoff wird hierbei mit der anregenden Strahlung abgerastet und danach mit Hilfe einer Projektionsoptik abgebildet. Beschrieben ist ein derartiges Prinzip beispielsweise in der
Allerdings sorgt die isotrope, d. h. in alle Richtungen gleichmäßig erfolgende, Abstrahlung des Leuchtstoffes für einen starken Verlust an Lichtintensität bei der Abbildung des Leuchtstoffes ins Fernfeld. Das im Leuchtstoff lokal erzeugte Licht breitet sich in alle Richtungen im Leuchtstoff aus und wird schließlich durch Streuung über einen großen Teil der Oberfläche des Leuchtstoffes diffus abgestrahlt. Eine hohe Ortsauflösung der Helligkeit ist nur schwer erreichbar. Die Abbildung eines solch diffus abstrahlenden Leuchtstoffs mittels einer Projektionsoptik ist nur unter optischen Verlusten möglich, da ein signifikanter Teil des abgestrahlten Lichts nicht von der Projektionsoptik eingefangen werden kann.However, the isotropic, d. H. evenly distributed in all directions, radiation of the phosphor for a strong loss of light intensity in the imaging of the phosphor in the far field. The locally generated light in the phosphor spreads in all directions in the phosphor and is finally diffused by scattering over a large part of the surface of the phosphor. A high spatial resolution of the brightness is difficult to achieve. The imaging of such a diffuse emitting phosphor by means of projection optics is possible only under optical losses, since a significant part of the emitted light can not be captured by the projection optics.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Scheinwerfermodul gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 vorgestellt. Zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Against this background, a headlight module according to the independent claim 1 is presented with the present invention. Advantageous embodiments and advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.
Das Scheinwerfermodul gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der Strahllenkungsvorrichtung und dem Leuchtstoff eine mindestens ein optisches Element aufweisende erste Optikanordnung und dass in Strahlungsrichtung hinter dem Leuchtstoff eine mindestens ein optisches Element aufweisende zweite Optikanordnung angeordnet ist.The headlight module according to the invention is characterized in that a first optical arrangement having at least one optical element is arranged between the beam steering device and the phosphor and that a second optical arrangement having at least one optical element is arranged in the radiation direction behind the phosphor.
Mittels einer Anordnung einer ersten Optikanordnung in Strahlungsrichtung vor dem Leuchtstoff und einer zweiten Optikanordnung in Strahlungsrichtung hinter dem Leuchtstoff kann der Abstrahlwinkel des Leuchtstoffes gezielt derart beeinflusst werden, dass die Ausbeute des von dem Leuchtstoff abgestrahlten Lichts erhöht werden kann. Die erste Optikanordnung in Strahlungsrichtung vor dem Leuchtstoff und damit zwischen der Strahllenkungsvorrichtung und dem Leuchtstoff ermöglicht es, dass unabhängig von der Stellung der Strahllenkungsvorrichtung die Strahlen in einem rechten Winkel auf den Leuchtstoff auftreffen können. Bei einem in dieser Weise bestrahlten Leuchtstoff ermöglicht die zweite Optikanordnung in Strahlungsrichtung hinter dem Leuchtstoff eine verbesserte Kollimation, d. h. eine Führung in einer geraden Linie, des vom Leuchtstoff ausgehenden Lichts. Eine diffuse Abstrahlung des Lichts von dem Leuchtstoff aus kann dadurch verhindert werden.By means of an arrangement of a first optical arrangement in the radiation direction in front of the phosphor and a second optical arrangement in the radiation direction behind the phosphor, the emission angle of the phosphor can be selectively influenced such that the yield of the light emitted by the phosphor light can be increased. The first optical arrangement in the radiation direction in front of the phosphor and thus between the beam steering device and the phosphor enables the rays to impinge on the phosphor at a right angle regardless of the position of the beam steering device. In the case of a phosphor irradiated in this way, the second optical arrangement in the radiation direction behind the phosphor enables improved collimation, ie a guide in a straight line, of the light emanating from the phosphor. A diffuse radiation of the light from the phosphor can be prevented thereby.
Das mindestens eine optische Element kann beispielsweise eine Sammellinse, ein Reflexionsflächenelement, eine Mikrolinsenanordnung oder ein holografisches Element sein. Die Sammellinse, auch Kollimatorlinse, Konvexlinse oder Positivlinse genannt, ist eine sphärische Linse mit positiver Brechkraft. Auf die Sammellinse in unterschiedlichen Winkeln auftreffende Strahlen können parallelisiert werden. Ein Reflexionsflächenelement kann mit oder ohne eine Mikrostrukturierung ausgebildet sein. Eine Mikrolinsenanordnung, auch Mikrolinsenarray (MLA) genannt, ist eine Anordnung von mehreren Linsen, die sowohl rotationssymmetrisch als auch zylindrisch sein können. Benachbarte Linsen einer Mikrolinsenanordnung sind mit einem möglichst geringen oder gar keinem Zwischenraum zueinander angeordnet. Eine Mikrolinsenanordnung kann sowohl konvex als auch konkav ausgebildet sein. Mikrolinsenanordnungen können aus Glas, Kunststoff oder Silikon hergestellt sein. Die Größe der einzelnen Linsen einer Mikrolinsenanordnung liegt vorzugsweise zwischen einigen Mikrometern bis hin zu wenigen Millimetern. Da die Strahlungsquelle elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise in Form von Laserlicht, insbesondere schmalbandigem Laserlicht, abgibt, welche über die Strahllenkungsvorrichtung auf den Leuchtstoff gerichtet wird, können als optische Elemente auch holografische Elemente (HOEs) eingesetzt werden. Beispielsweise können Transmissionshologramme, welche Linsen ersetzen können, oder Reflektionshologramme, welche Spiegel ersetzen können, eingesetzt werden. Um eine hohe Beugungseffizienz erreichen zu können, können die Reflektionshologramme vorzugsweise als Phasenhologramme, insbesondere Volumen- oder Oberflächenhologramme, eingesetzt werden. Ein wesentlicher Vorteil des Einsatzes von holografischen Elementen als optische Elemente sind die integrierbaren zusätzlichen Umlenkfunktionen, wodurch die Anzahl der notwendigen optischen Elemente einer Optikanordnung reduziert werden kann. Geeignete Materialien für holografische Elemente sind beispielsweise Photolacke oder Photopolymere, welche sich für Herstellungsverfahren, wie Prägen oder Kontaktkopieren, eignen.The at least one optical element can be, for example, a converging lens, a reflective surface element, a microlens array or a holographic element. The convergent lens, also called collimator lens, convex lens or positive lens, is a spherical lens with positive refractive power. Rays incident on the convergent lens at different angles can be parallelized. A reflective surface element may be formed with or without a microstructure. A microlens array, also called a microlens array (MLA), is an array of multiple lenses that can be both rotationally symmetric and cylindrical. Adjacent lenses of a microlens array are arranged with as little or no gap as possible. A microlens array may be formed both convex and concave. Microlens arrays can be made of glass, plastic or silicone. The size of the individual lenses of a microlens array is preferably between a few microns to a few millimeters. Since the radiation source emits electromagnetic radiation, preferably in the form of laser light, in particular narrow-band laser light, which is directed onto the phosphor via the beam steering device, holographic elements (HOEs) can also be used as optical elements. For example, transmission holograms, which can replace lenses, or reflection holograms, which can replace mirrors, can be used. In order to achieve a high diffraction efficiency, the reflection holograms can preferably be used as phase holograms, in particular volume or surface holograms. A significant advantage of the use of holographic elements as optical elements are the integrable additional deflection functions, whereby the number of necessary optical elements of an optical arrangement can be reduced. Suitable materials for holographic elements are, for example, resists or photopolymers which are suitable for production processes, such as embossing or contact printing.
Die erste und/oder die zweite Optikanordnung können genau ein derartiges optisches Element oder auch zwei oder mehr derartiger optischer Elemente aufweisen, wobei bei zwei oder mehr optischen Elementen in einer Optikanordnung die optischen Elemente gleichen Typs ausgebildet sein können oder aber auch optische Elemente unterschiedlichen Typs in einer Optikanordnung angeordnet sein können.The first and / or the second optical arrangement can have exactly one such optical element or also two or more such optical elements, wherein with two or more optical elements in an optical arrangement, the optical elements of the same type can be formed or also optical elements of different types an optical arrangement can be arranged.
Besonders bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass die erste Optikanordnung mehrere optische Elemente aufweist, wobei die mehreren optischen Elemente eine Sammellinse, eine konkav ausgebildete Mikrolinsenanordnung und eine konvex ausgebildete Mikrolinsenanordnung sein können. Die erste Optikanordnung weist dann vorzugsweise drei verschiedene, in Strahlungsrichtung hintereinander angeordnete optische Elemente auf. Bei einer derartigen Ausgestaltung der ersten Optikanordnung dient die in Strahlungsrichtung als erstes optisches Element angeordnete Sammellinse dazu, die von der Strahllenkungsvorrichtung aus unterschiedlichen Winkeln ankommenden Strahlen zu parallelisieren. Durch eine nachgeschaltete konvex ausgebildete Mikrolinsenanordnung können die von der Sammellinse ausgesendeten Strahlbündel fokussiert und von einer dahinter angeordneten konkav ausgebildeten Mikrolinsenanordnung wieder kollimiert werden. Diese Anordnung entspricht einem umgekehrten Beam Expander auf Basis eines Galilei-Teleskops. Mit einer derartigen ersten Optikanordnung lassen sich die auf den Leuchtstoff auftreffenden Strahlen im Strahldurchmesser reduzieren, wobei die durch den Leuchtstoff entstehenden isotropen Abstrahlungen näherungsweise denen von Punktquellen entsprechen. Diese Punktquellen können mit der in Strahlungsrichtung hinter dem Leuchtstoff angeordneten zweiten Optikanordnung wieder kollimiert werden, um effizient ins Fernfeld abgebildet werden zu können.Particularly preferably, it can be provided that the first optical arrangement comprises a plurality of optical elements, wherein the plurality of optical elements may be a converging lens, a concave microlens array and a convex microlens array. The first optical arrangement then preferably has three different optical elements arranged one behind the other in the direction of radiation. In such an embodiment of the first optical arrangement, the converging lens arranged in the radiation direction as the first optical element serves to parallelize the beams arriving from the beam steering device from different angles. By a downstream convex microlens arrangement emitted by the converging lens beam can be focused and collimated by a concave microlens arrangement arranged behind it again. This arrangement corresponds to a reverse beam expander based on a Galilean telescope. With such a first optical arrangement, the rays impinging on the phosphor can be reduced in the beam diameter, with the isotropic radiations produced by the phosphor approximately corresponding to those of point sources. These point sources can be collimated again with the second optical arrangement arranged behind the phosphor in the radiation direction in order to be able to be imaged efficiently into the far field.
Weist die erste Optikanordnung oder die zweite Optikanordnung als optische Elemente sowohl eine konvex ausgebildete Mikrolinsenanordnung als auch eine konkav ausgebildete Mikrolinsenanordnung auf, so können diese zusammen als ein Bauteil ausgebildet sein, so dass eine Kombination aus einer konvex ausgebildeten und einer konkav ausgebildeten Mikrolinsenanordnung in nur einem als Bauteil ausgebildeten Element gefertigt sein können. Hierdurch kann die Anzahl der in das Scheinwerfermodul einzubauenden Bauteile reduziert werden, wodurch der Montageaufwand verringert werden kann.If the first optical arrangement or the second optical arrangement has both a convex microlens arrangement and a concave microlens arrangement as optical elements, then these may be formed together as one component, so that a combination of a convexly formed and a concave microlens arrangement in only one can be made as a component formed element. As a result, the number of components to be installed in the headlight module can be reduced, whereby the assembly cost can be reduced.
Weiter ist es auch möglich, dass die erste Optikanordnung mehrere optische Elemente aufweist, wobei die mehreren optischen Elemente ein erstes holografisches Element und ein zweites holografisches Element sein können. Das in Strahlungsrichtung als erstes angeordnete holografische Element kann zur Umlenkung und Fokussierung der von der Strahllenkungsvorrichtung abgegebenen Strahlung dienen. Das in Strahlungsrichtung hinter dem ersten holografischen Element angeordnete zweite holografische Element kann zur Kollimierung der von dem ersten holografischen Element abgegebenen Strahlung dienen.Furthermore, it is also possible that the first optical arrangement has a plurality of optical elements, wherein the plurality of optical elements may be a first holographic element and a second holographic element. The first arranged in the radiation direction holographic element can for deflecting and focusing of the output from the beam steering device Serve radiation. The second holographic element arranged in the radiation direction behind the first holographic element can serve to collimate the radiation emitted by the first holographic element.
Das erste holografische Element und das zweite holografische Element können dabei zusammen als ein Bauteil ausgebildet sein, wobei das erste holografische Element und das zweite holografische Element dann über eine Trägerschicht miteinander verbunden sein können. Die Trägerschicht, welche vorzugsweise transparent ausgebildet ist, kann beispielsweise in Form von Glas ausgebildet sein. The first holographic element and the second holographic element can be formed together as a component, wherein the first holographic element and the second holographic element can then be connected to one another via a carrier layer. The carrier layer, which is preferably transparent, may be in the form of glass, for example.
Um eine besonders gute Kollimierung der von dem Leuchtstoff abgegebenen Strahlung erreichen zu können und damit eine besonders effiziente Abgabe der Strahlung ins Fernfeld erreichen zu können, weist die zweite Optikanordnung als optisches Element vorzugsweise eine Mikrolinsenanordnung auf. Die Mikrolinsenanordnung der zweiten Optikanordnung ist dabei bevorzugt konvex ausgebildet.In order to be able to achieve a particularly good collimation of the radiation emitted by the phosphor and thus to be able to achieve a particularly efficient emission of the radiation into the far field, the second optical arrangement preferably has a microlens arrangement as the optical element. The microlens arrangement of the second optical arrangement is preferably convex.
In Strahlungsrichtung hinter der zweiten Optikanordnung ist vorzugsweise eine Projektionsoptik angeordnet. Die von dem Leuchtstoff bzw. von der dem Leuchtstoff nachgeschalteten zweiten Optikanordnung abgegebenen Strahlung kann mit Hilfe der Projektionsoptik eingesammelt werden und ins Fernfeld abgebildet werden. Die Projektionsoptik weist vorzugsweise mehrere hintereinander angeordnete Sammellinsen auf.In the direction of radiation behind the second optical arrangement, projection optics are preferably arranged. The radiation emitted by the luminescent substance or by the second optical arrangement arranged downstream of the luminescent material can be collected with the aid of the projection optics and imaged into the far field. The projection optics preferably has a plurality of collecting lenses arranged one behind the other.
Das Trägermaterial, auf welchem der Leuchtstoff angeordnet ist, ist vorzugsweise transparent ausgebildet, so dass die von der ersten Optikanordnung abgegebene Strahlung durch das Trägermaterial hindurchtreten kann, um in den Leuchtstoff eingebracht werden zu können.The carrier material on which the phosphor is arranged is preferably transparent, so that the radiation emitted by the first optical arrangement can pass through the carrier material so that it can be introduced into the phosphor.
Der Leuchtstoff ist vorzugsweise nicht unmittelbar auf dem Trägermaterial angeordnet, sondern zwischen dem Trägermaterial und dem Leuchtstoff kann eine reflektierende Schicht angeordnet sein. The phosphor is preferably not arranged directly on the carrier material, but a reflective layer may be arranged between the carrier material and the phosphor.
Eingesetzt werden kann das erfindungsgemäße Scheinwerfermodul vorzugsweise im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik, insbesondere als Bestandteil eines aktiven Fahrlichts eines Fahrzeug-Scheinwerfers. Weitere Einsatzmöglichkeiten können beispielsweise Scheinwerfer für Bühnenbeleuchtungen, Arbeitsplatzbeleuchtungen, Wohnraumbeleuchtungen, usw. sein.The headlight module according to the invention can preferably be used in the field of motor vehicle technology, in particular as part of an active driving light of a vehicle headlight. Other uses can be, for example, spotlights for stage lighting, workplace lighting, living room lighting, etc.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Further, measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of preferred embodiments of the invention with reference to FIGS.
Es zeigen:Show it:
Die Strahlung der Strahlungsquelle
Die von der Strahllenkungsvorrichtung
Ähnlich etwa dem zeilenweisen Bildaufbau bei einer Bildröhre eines Fernsehgeräts, bei dem das menschliche Auge durch ein geeignetes zeitliches und räumliches Ansteuermuster ein flächiges Bild wahrnimmt, wird erfindungsgemäß auch das Ansteuermuster der Strahllenkungsvorrichtung
Infolge der Anregung mittels der elektromagnetischen Strahlung gibt der Leuchtstoff
Um eine hohe Lichtausbeute zu erreichen, indem das abgestrahlte Licht gebündelt wird, sind in Strahlungsrichtung
Die erste Optikanordnung
Das von diesen Punktlichtquellen ausgehende, aus dem Leuchtstoff
Das kollimierte Licht trifft anschließend auf eine in Strahlungsrichtung
In
Das in
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