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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Verfahren zum Berechnen von optisch wirksamen Flächen einer Beleuchtungseinheit einer Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, welche Beleuchtungseinheit dazu eingerichtet ist, Licht einer eine Lambert'sche Abstrahlcharakteristik aufweisenden Halbleiterlichtquelle in paralleles Licht umzuwandeln, sind bekannt. Bekannte Beleuchtungseinrichtungen nutzen dazu optisch wirksame Flächen, die Ausbreitungsrichtungen von Licht einer punktförmigen Lichtquelle, beispielsweise von Licht einer Halbleiterlichtquelle wie einer Leuchtdiode, durch zielgerichtet erfolgende Brechungen oder Reflexionen in paralleles Licht umwandeln. Ein Beispiel einer reflektierenden optischen Fläche, die dies leistet, ist eine parabolische Reflexionsfläche mit einer in deren Brennpunkt angeordneten und die Reflexionsfläche beleuchtenden Halbleiterlichtquelle. Andere Beispiele sind die brechenden Flächen einer entsprechend geformten Linse und die brechenden und reflektierenden Flächen einer katadioptrischen Vorsatzoptik. Ein Verfahren zum Berechnen optischer Flächen ist aus der
US 8 035 898 B2 bekannt.
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Nachteilig bei solchen Beleuchtungseinrichtungen ist, dass die Lichtstromdichte des von den optischen Flächen ausgehenden Lichtes der Lichtquelle häufig nicht homogen ist.
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Bei Verwendung einer Lichtquelle mit Lambert'scher Abstrahlcharakteristik, wie sie bei Leuchtdioden auftritt, die im Brennpunkt eines Paraboloids angeordnet ist, ist die Lichtstromdichte im Zentrum des leuchtenden Ausgangsquerschnitts zum Beispiel viel höher als an dessen Rand. Dieser Helligkeitsabfall ist bei vielen Anwendungen unerwünscht, da allgemein eine homogene Lichtstromdichte als ästhetischer empfunden wird als eine weniger homogene Lichtstromdichte.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Angabe eines Verfahrens der eingangs genannten Art, mit dem sich optische Flächen einer Beleuchtungseinheit einer Beleuchtungseinrichtung für Kraftfahrzeuge mit einer beim Entwurf vorgebbaren Lichtstromdichteverteilung, insbesondere mit einer als homogen vorgebbaren Lichtstromdichteverteilung von parallelem Licht berechnen lassen.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei unterscheidet sich die Erfindung von dem eingangs genannten Stand der Technik durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
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Nach diesen Merkmalen wird zunächst ein Strahlengang von Licht vorgegeben, wie es von einer Lichtaustrittsfläche der Halbleiterlichtquelle emittierbar ist und das beim Ausgang aus der Lichtaustrittsfläche durch einen ersten zentralen Strahl repräsentiert wird, dessen Richtung einer Hauptabstrahlrichtung der Lichtaustrittsfläche entspricht, und das beim Austritt aus der Beleuchtungseinheit durch einen zweiten zentralen Strahl repräsentiert wird, dessen Richtung mit einer Hauptabstrahlrichtung der Beleuchtungseinheit (10) übereinstimmt.
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Das Verfahren weist weiter eine Auswahl eines ersten Punktes und eines zweiten Punktes des Strahlengangs auf. Der erste Punkt liegt auf dem ersten zentralen Strahl, und der zweite Punkt liegt auf dem zweiten zentralen Strahl.
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Weiter werden eine erste Ebene und eine zweite Ebene bestimmt. Die erste Ebene ist durch einen Einheitsvektor einer Verbindungslinie der beiden Punkte und einen zweiten Einheitsvektor aufspannbar, dessen Richtung der Richtung des ersten zentralen Strahls entspricht. Die zweite Ebene wird durch den Einheitsvektor der Verbindungslinie und durch einen dritten Vektor aufgespannt, dessen Richtung der Richtung des zweiten zentralen Strahls entspricht.
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Weiter wird eine in der ersten Ebene liegende optisch wirksame erste Kurve berechnet, die mit von der Lichtaustrittsfläche ausgehendem Licht beleuchtbar ist.
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Analog dazu wird eine in der zweiten Ebene liegende zweite optisch wirksame Kurve berechnet, die mit von der ersten optisch wirksamen Kurve ausgehendem Licht beleuchtbar ist. Die Berechnung erfolgt so, dass von der zweiten optisch wirksamen Kurve ausgehendes Licht sowohl parallel ausgerichtet als auch in Bezug auf seine Lichtstromdichte homogenisiert ist.
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Weiter wird eine weitere erste Kurve berechnet, die durch eine Drehung der vorher berechneten ersten Kurve um einen vorbestimmten Winkel um den ersten zentralen Strahl herum aus der vorher berechneten ersten Kurve hervorgeht. Analog dazu wird eine weitere zweite Kurve berechnet, die durch eine Drehung der vorher berechneten zweiten Kurve um den vorbestimmten Winkel um den zweiten zentralen Strahl herum aus der vorher berechneten zweiten Kurve hervorgeht. Die weitere erste Kurve und die weitere zweite Kurve werden so verändert, dass von der veränderten weiteren zweiten Kurve ausgehendes Licht parallel und homogen ist,
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Diese Schritte des Drehens um vorbestimmte Winkel und der Berechnung weiterer erster und zweiter Kurven werden bevorzugt so oft wiederholt, bis die Summe der vorbestimmten Winkel gleich 360° (oder einer anderen erwünschten Winkelbreite) ist. Anschließend wird eine sämtliche erste Kurven miteinander verbindende erste Verbindungsfläche als eine erste optische Fläche und eine sämtliche zweite Kurven miteinander verbindende zweite Verbindungsfläche als eine berechnet.
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Diese zweite optische Fläche zeichnet sich dadurch aus, dass von ihr ausgehendes Licht der Lichtquelle parallel ausgerichtet ist und eine homogene Lichtstromdichte aufweist.
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Die Beleuchtungseinheit weist insbesondere wenigstens zwei optisch wirksame Flächen auf, mit denen das von der Lichtquelle ausgehende Lichtbündel geformt wird. Die optischen Flächen können reflektierende Flächen oder brechende Flächen sein. Durch das Zusammenwirken der wenigstens zwei optischen Flächen kann insbesondere ein von einem als punktförmig betrachtbaren Halbraumstrahler, bspw. einer Leuchtdiode, ausgehende Lichtbündel in paralleles Licht umgewandelt werden, und gleichzeitig kann die Lichtstromdichte über den gesamten quer zur Lichtausbreitungsrichtung liegenden Lichtbündelquerschnitt beeinflusst werden. So ist es insbesondere möglich, eine Beleuchtungseinheit anzugeben, die paralleles Licht mit einer homogenen Lichtstromdichte liefert.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die optisch wirksamen Flächen spiegelnd reflektierende Flächen sind.
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Bevorzugt ist auch, dass die spiegelnd reflektierenden Flächen spiegelnd beschichtete Hohlspiegel sind.
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Weiter ist bevorzugt, dass die spiegelnd reflektierenden Flächen Grenzflächen eines Lichtleiters sind, an denen interne Totalreflexionen stattfinden.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die optisch wirksamen Flächen brechende Flächen von Linsen sind.
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Von den optisch wirksamen Flächen kann auch jeweils eine Fläche eine brechende Fläche und eine andere Fläche eine reflektierende Fläche sein.
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Bevorzugt ist auch, dass der vorbestimmte Winkel einen Wert zwischen 1° und 10° besitzt.
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Weiter ist bevorzugt, dass die erste Kurve bei der Berechnung in erste Abschnitte aufgeteilt wird und die zweite Kurve in zweite Abschnitte aufgeteilt wird.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass jeder zweite Abschnitt von genau einem ersten Abschnitt beleuchtet wird.
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Bevorzugt ist auch, dass die Lage, Form und Größe der ersten Abschnitte und der zweiten Abschnitte durch folgende Randbedingungen festgelegt ist: Zweite Abschnitte, die von einander benachbarten ersten Abschnitten beleuchtet werden, sind selbst einander benachbart. Die ersten Abschnitte und die zweiten Abschnitte sind so geformt, dass von einem zweiten Abschnitt ausgehendes Licht einen Öffnungswinkel aufweist, der kleiner ist als der Öffnungsraumwinkel des Lichtes, mit dem derjenige erste Abschnitt von der Halbleiterlichtquelle beleuchtet wird, der den zweiten Abschnitte beleuchtet. sowohl die erste Kurve als auch die zweite Kurve sind monoton gekrümmt oder sind gerade Strecken, und die Größe, Lage und Form der ersten Abschnitte und der zweiten Abschnitte sind so vorbestimmt, dass Unterschiede zwischen den Lichtstromdichten in den Strahlenbündeln die von den zweiten Abschnitten ausgehen, kleiner sind als Unterschiede zwischen den Lichtstromdichten, die von den ersten Abschnitten ausgehen. Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Unteransprüchen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Dabei zeigen, jeweils in schematischer Form:
- 1 eine Beleuchtungseinheit für eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs;
- 2 einen Schnitt durch die Beleuchtungseinheit aus der 1;
- 3 einen initialen Strahlengang eines von der Halbleiterlichtquelle ausgehenden und in seinem Verlauf durch eine Einwirkung der beiden optischen Flächen beeinflussten zentralen Strahls;
- 4 eine erste Kurve und eine mit dieser zusammenwirkenden zweite Kurve; und
- 5 eine Anordnung von n ersten Kurven, deren Verbindungsfläche eine erste optisch wirksame Fläche ergibt, zusammen mit einer Anordnung von n zweiten Kurven, deren Verbindungsfläche eine zweite optisch wirksame Fläche ergibt.
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Im Einzelnen zeigt die 1 eine Beleuchtungseinheit 10 für eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs. Die Beleuchtungseinheit 10 weist einen unteren Teil 12 und einen oberen Teil 14 auf.
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2 zeigt einen Schnitt durch die Beleuchtungseinheit 10 aus der 1. Wie 2 zeigt, ist im unteren Teil 12 ein erster Reflektor 16 angeordnet, der von einer Halbleiterlichtquelle 18 beleuchtet wird. Von einer ersten optisch wirksamen Fläche 20 des ersten Reflektors 16 reflektiertes Licht 22 der Halbleiterlichtquelle 18 fällt auf eine zweite optisch wirksame Fläche 24 eines zweiten Reflektors 26. Ein zentraler Strahl des von der optisch wirksamen zweiten Fläche 24 ausgehenden Lichtes 22 der Halbleiterlichtquelle 18, dessen Richtung der Hauptabstrahlrichtung des zweiten Reflektors 26 entspricht, liegt in der Schnittebene der 2.
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Die beiden optisch wirksamen Flächen 20 und 24 wirken so zusammen, dass ein von der als punktförmig betrachtbaren Halbleiterlichtquelle 18, bspw. einer Leuchtdiode, ausgehendes Lichtbündel in paralleles Licht umgewandelt wird und sich dabei gleichzeitig eine homogene Lichtstromdichte in einem quer zur Hauptlichtausbreitungsrichtung liegenden Bündelquerschnitt einstellt.
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3 zeigt einen Strahlengang eines von der Halbleiterlichtquelle 18 ausgehenden und in seinem Verlauf durch eine Einwirkung der beiden optischen Flächen 20, 24 beeinflussten zentralen Strahls.
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Die beiden optischen wirksamen Flächen 20 und 24 lassen sich erzeugen, indem zunächst ein Strahlengang von Licht 22 vorgegeben wird, wie es von einer Lichtaustrittsfläche der Halbleiterlichtquelle 18 emittierbar ist und das beim Ausgang aus der Lichtaustrittsfläche durch einen ersten zentralen Strahl 28 repräsentiert wird, dessen Richtung einer Hauptabstrahlrichtung der Lichtaustrittsfläche entspricht.
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Weiter soll der Strahlengang beim Austritt aus der Beleuchtungseinheit mit einem zweiten zentralen Strahl 30 und einer damit zusammenfallenden Hauptabstrahlrichtung der Beleuchtungseinheit 10 übereinstimmen.
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Ausgehend von dem ersten zentralen Strahl 28 wird ein erster Punkt 32 ausgewählt, der auf dem ersten zentralen Strahl 28 liegt. Zusätzlich wird ein zweiter Punkt 34 ausgewählt, der auf dem zweiten zentralen Strahl 30 liegt.
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Darauf basierend werden eine erste Ebene 36 und eine zweite Ebene 38 bestimmt. Die erste Ebene 36 ist durch einen Einheitsvektor einer Verbindungslinie 40 der beiden Punkte 32 und 34 und einen zweiten Einheitsvektor aufspannbar, dessen Richtung der Richtung des ersten zentralen Strahls 28 entspricht.
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Die zweite Ebene 38 ist durch den Einheitsvektor der Verbindungslinie 40 und durch einen dritten Vektor aufspannbar, dessen Richtung der Richtung des zweiten zentralen Strahls 30 entspricht.
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Die Richtungen des ersten zentralen Strahls 28 und des zweiten zentralen Strahls 30 müssen nicht obligatorisch in einer Ebene liegen, sondern sie können auch windschiefe Geraden sein, also nicht-parallele Geraden, die sich nicht kreuzen.
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4 veranschaulicht eine Berechnung von einer in der ersten Ebene 36 liegenden ersten Kurve 42 und eine Berechnung einer in der zweiten Ebene 38 liegenden zweiten Kurve 44. Beide Kurven 42, 44 werden unter der Prämisse berechnet, dass auf sie einfallendes Licht der Halbleiterlichtquelle 18 an den Kurven 42, 44 spiegelnd reflektiert wird, und dass die an der ersten Kurve 42 und an der zweiten Kurve 44 erfolgenden Reflexionen dazu führen, dass das von der zweiten optisch wirksamen Fläche 24 ausgehende Lichtbündel aus parallel ausgerichtetem Licht mit homogener Lichtstromdichte in dem quer zur Hauptausbreitungsrichtung des im Lichtbündel propagierenden Lichtes besteht.
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Im Folgenden wird ein Beispiel einer solchen Berechnung beschrieben: Bei der Berechnung wird die erste Kurve 42 in erste Abschnitte aufgeteilt, und die zweite Kurve 44 wird in zweite Abschnitte aufgeteilt. Für die Berechnung wird davon ausgegangen, dass jeder zweite Abschnitt von genau einem ersten Abschnitt beleuchtet wird, wobei die Lage, Form und Größe der ersten Abschnitte und der zweiten Abschnitte durch folgende Randbedingungen festgelegt ist: Zweite Abschnitte, die von einander benachbarten ersten Abschnitten beleuchtet werden, sind selbst einander benachbart. Die ersten Abschnitte und die zweiten Abschnitte sind so geformt, dass von einem zweiten Abschnitt ausgehendes Licht einen Öffnungswinkel aufweist, der kleiner ist als der Öffnungsraumwinkel des Lichtes, mit dem derjenige erste Abschnitt von der Halbleiterlichtquelle beleuchtet wird, der den zweiten Abschnitte beleuchtet. Sowohl die erste Kurve 42 als auch die zweite Kurve 44 sind monoton gekrümmt oder sind gerade Strecken, und die Größe, Lage und Form der ersten Abschnitte und der zweiten Abschnitte sind so vorbestimmt, dass Unterschiede zwischen den Lichtstromdichten in den Strahlenbündeln, die von den zweiten Abschnitten ausgehen, kleiner sind als Unterschiede zwischen den Lichtstromdichten, die von den ersten Abschnitten ausgehen.
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In weiteren Berechnungsschritten werden aus der initialen ersten Kurve 42 und dieser initialen zweiten Kurve 44 iterativ weitere erste Kurven und weitere zweite Kurven berechnet. Das Ergebnis dieser Berechnungen ist in der 5 abgebildet. 5 zeigt eine Anordnung 46 von n ersten Kurven 42 zusammen mit einer Anordnung 48 von n zweiten Kurven 44. Jeweils genau eine erste Kurve 42 bildet dabei mit genau einer zweiten Kurve 44 ein Paar von Kurven, das die erwünschte Wirkung besitzt, paralleles und dabei homogenes Licht zu erzeugen.
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Diese Kurvenscharen, bzw. Anordnungen 46, 48 von Kurven 42, 44 werden wie folgt berechnet: Eine erste Kurve 42 dient als initiale erste Kurve 42 zur Berechnung einer weiteren ersten Kurve 42'. Analog dient die zweite Kurve 44, die im Zusammenwirken mit der initialen ersten Kurve 42 die beschriebene Parallelisierung und Homogenisierung bewirkt, als initiale zweite Kurve 44 zur Berechnung einer weiteren zweiten Kurve 44'. Für die in der 5 gezeigten Kurven 42, 42', 44, 44' wird unterstellt, dass eine solche Zusammenwirkungsbeziehung vorliegt.
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Für die Berechnung der weiteren ersten Kurve 42' wird die initiale erste Kurve 42 in einem ersten Schritt um einen vorbestimmten Winkel 42'', zum Beispiel um 1° bis 10°, um den ersten zentralen Strahl 28 herum gedreht.
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Analog dazu wird die initiale zweite Kurve 44 für die Berechnung der weiteren zweiten Kurve 44' in dem zweiten Schritt um den vorbestimmten gleichen Winkel 44'' gleich 42'', zum Beispiel also um 1° bis 10°, um den zweiten zentralen Strahl 30 herum gedreht.
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Nach dem Drehen liegen die gedrehte erste Kurve 42' und die gedrehte zweite Kurve 44' jeweils in einer neuen Winkellage und einer neuen Ebene, die durch die Drehungen aus den vor dem Drehen aufgespannten Ebenen hervorgehen.
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Die Eigenschaft, dass von der initialen zweiten Kurve 42 reflektiertes Licht parallel ausgerichtet ist und eine homogene Lichtstromdichte besitzt, verhält sich gegenüber der Drehung nicht invariant. Diese Eigenschaften gehen vielmehr bei der Drehung verloren.
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Daher werden anschließend eine in ihrer neuen Ebene liegende weitere erste Kurve 42' und eine in ihrer zweiten Ebene liegende weitere zweite Kurve 44 bestimmt, die wieder die genannten Eigenschaften der Parallelisierung und Homogenisierung der Lichtstromdichte besitzen.
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Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die Ebenen/Kurven um 360° rotiert wurden. 5 zeigt ein mögliches Ergebnis einer solchen Berechnung.
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Eine erste im Raum gewölbte optisch wirksame Fläche 46, die im dargestellten Beispiel eine Reflexionsfläche ist, ergibt sich als Verbindungsfläche sämtlicher erster Kurven.
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Eine zweite im Raum gewölbte optisch wirksame Fläche 48, die im dargestellten Beispiel ebenfalls eine Reflexionsfläche ist, ergibt sich als Verbindungsfläche sämtlicher zweiter Kurven.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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