DE2263531B2 - Elektronische Uhr mit einer passiven Anzeigeeinrichtung - Google Patents

Elektronische Uhr mit einer passiven Anzeigeeinrichtung

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DE2263531B2 DE2263531A DE2263531A DE2263531B2 DE 2263531 B2 DE2263531 B2 DE 2263531B2 DE 2263531 A DE2263531 A DE 2263531A DE 2263531 A DE2263531 A DE 2263531A DE 2263531 B2 DE2263531 B2 DE 2263531B2
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Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Uhr, insbesondere Armbanduhr oder dergleichen mitführbare -'« Uhr, die Merkmale des Oberbegriffes des Anspruches 1 aufweist.
Nachdem insbesondere vor dem Hintergrund der integrierten Schaltkreistechnik mit Metalloxyd-Halbleitern heute Steuerungseinrichtungen für elektroni- >> sehe Uhren unter besonders geringem Platz- und Energiebedarf zur Verfügung stehen, ist die Frage nach einer unter ähnlichen Voraussetzungen einsetzbaren Zeitanzeigeeinrichtung selbst von entsprechender Bedeutung. Der konsequente Verzicht auf mein chanisch bewegte Teile zur Zeitanzeige führt zu einer Reihe von Vorschlägen elektro-optisch ausgesteuerter Zeitanzeigen, so beispielsweise mit Hilfe von lichtemittierenden Dioden, die allerdings einen relativ hohen Energieaufwand erfordern, oder aber Flüssigj-i kristall-Anzeigeeinrichtungen, deren chemische Stabilität gegen Temperatur- und Feuchtigkeitseinflüsse und deren relative Stoßempfindlichkeit den Vorteil nur geringen Energiebedarfes wieder in Frage stellen. Eine Uhr der eingangs genannten Art (DT-OS 4(i 1937868) arbeitet mit einer Zeitanzeigeeinrichtung, deren elektro-optisch aussteuerbares Medium ein ferro-elektrisches Keramikmaterial ist. Die elektrooptischen Eigenschaften eines solchen Werkstoffes, die auf elektrischer Verschiebungspolarisation beru-4 > hen, sind gegenüber den auftretenden Temperatur- und Feuchtigkeitsbeanspruchungen unempfindlich. Auf Grund des sehr hohen elektrischen Widerstandes nach Art eines Isolators wird nur sehr wenig elektrische Energie erforderlich, um die gezielte Aussteuern rung der optischen Eigenschaften zu erhalten. Auf Grund der Feststoff-Eigenschaften ergibt sich eine relativ große Stoßunempfindlichkeit.
Nach dieser bekannten Lehre wird der ferro-elektrischen Keramikplatte unpolarisiertes Licht zuge- y, führt, weiches bei Aufbringen eines elektrischen Feldes in Richtung der optischen Achse durchsichtig wird, während die Feststoff-Platte ansonsten nur durchscheinend ist. In diesem Zusammenhang ist weiterhin darauf hingewiesen, daß das Polarisationsgew) füge einer vorpolarisierten ferroelektrischen Keramikplatte durch ein mehr oder weniger quer zur optischen Achse gerichtetes elektrisches Feld abgelenkt wird, wodurch sich die Durchsichtigkeit der Platte verschlechtert. Nach dieser Lehre wird offenhr> sichtlich nur eine mehr oder weniger mäßige Änderung der Durchsichtigkeit der fcrro-elektrischcn Keramikplatte erreicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Uhr der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Anzeigeeinrichtung eine möglichst gute und klare Ablesbarkeit bzw. Veränderung der optischen Verhältnisse bei Aufbringen eines energiearmen elektrischen Feldes gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Ausgestaltung der elektronischen Uhr mit den Merkmalen des Oberbegriffes nach denjenigen des Kennzeichens des Anspruches 1.
Im Gegensatz zum vorgeschilderten Stand der Technik wird erfindungsgemäß von der Vorstellung ausgegangen, daß bei fehlender Aussteuerung der ferro-elektrischen Schicht eine völlige Löschung des polarisierten Lichtes eintritt, und zwar vor dem Hintergrund, daß in den Strahlengang des Lichtes eine polarisierende Platte und ein Reflektor eingeschaltet wird. Durch Aufbringen eines elektrischen Feldes auf die ferro-elektrische Schicht tritt eine Verzögerung ein, die sich in einer Veränderung der Polarisationsebene und damit in einem Sichtbarwerden des Lichtes äußert. Die Verzögerung kann auf λ/2 gebracht werden, wodurch sich Ausleuchtung und Löschung der Anzeige durch Ein- und Ausschalten der das elektrische Feld hervorrufenden elektrischen Spannung in der gewünschten Klarheit herbeiführen läßt.
Die elektro-optische Schicht kann - nach der vorerwähnten bekannten Uhr-einen ferro-elektrischen, keramischen Werkstoff aufweisen, dessen Verzögerung in Abhängigkeit einer angelegten elektrischen Feldstärke beeinflußbar ist. Man kann auch einen Kristall vorsehen, der eine doppelte Brechung in Abhängigkeit eines elektrischen Feldes aufweist.
Darüber hinaus ist es möglich, den Reflektor derart vorzusehen, daß die Anzeige in dem Blickfeld sichtbar wird, das das einfallende Licht durchsetzt. In einer anderen Ausführung kann der Reflektor derart ausgebildet sein, daß die Anzeige auf einem anderen Feld als dasjenige, das von dem einfallenden Licht in Anspruch genommen wird, stattfindet. Insbesondere für den letzteren Fall ist es möglich, durch Linseneinrichtungen, konkave Ausbildung des Reflektors und dergleichen eine Lichtsammeieinrichtung zu schaffen, die die Deutlichkeit der Anzeige auf der dem Betrachter zugewandten Anzeigefläche erhöht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unieransprüchen, deren Merkmale sich aus den in der Zeichnung skizzenhaft wiedergegebenen Ausführungsbeispiele, auf die hier besonders Bezug genommen wird, entnehmen lassen und deren nachfolgende Beschreibung der Erläuterung der Erfindung dienen soll. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Uhr der hier in Frage stehenden Art,
Fig. 2 eine Schemaskizze eines ersten Ausführungsbeispieles,
Fig. 3 eine perspektivische Schema-Ansicht eines Teils einer Anzeigeeinrichtung nach der Grundvorstellung des ersten Ausführungsbeispieles,
Fig. 4 einen Querschnitt durch den Gegenstand der Fig. 3,
Fig. 5 eine Draufsicht auf den Anzeigeteil eines weiteren Ausführungsbeispieles,
Fig. 6 eine Querschnittsansicht des Beispieles gemäß Fig. 5,
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles,·
Fig. 8 die schematische Skizze eines weiteren DemonstrationsbeisDieles.
Γ)
Fig. 9 eine Seitenansicht eines weiteren Auslührungsbeispieles,
Fig. K) eine perspektivische Ansicht eines letzten Ausführungsbeispieles.
Fig. 1 zeigt ein übliches Blockschaltbild für elektronisch betriebene Uhren mit einem Oszillatorkreis, einem Frequenzteilerkreis, einer Treiberstufe und der gesteuerten Anzeigeeinrichtung.
Fig. 2 zeigt eine für die Erfindung wesentliche Beobachtung. Läßt man Licht in Richtung des Teiles a durch eine zirkularpolarisierende Platte 1 auf einen Reflektor 2 fallen, so wird für den Fall rechts-polarisierten Lichtes dieses bei der Reflektion geändert in links-polarisiertes Licht. Dieses reflektierte Licht kann die zirkular-polarisierte Platte 1 nicht durchdringen, in dieser Reflexionsrichtung erhält man also eine vollständige Löschung.
Man kann nun zwischen der zirkular-polarisierenden Platte und dem Reflektor eine transparente Schicht aus einem ferroelektrischert Werkstoff anordnen, wobei m'an dafür Sorge tragen kann, daß die Polarisierungsrichtung von Dipolen des ferroelektrisrhen Werkstoffes und die Polarisierungsrichtung des Lichtes so aufeinander abgestimmt sind, daß die verbleibende Verzögerung ein Minimum annimmt, wenn an die lichtdurchlässige Schicht kein elektrisches Feld angelegt wird. Bringt man dagegen ein solches elektrisches Feld in vertikaler Richtung gegen die optische Achse auf, so kann die Verzögerung in weiten Grenzen geändert werden.
Geht man demnach hin und entfernt aus diesem Polarisierungs-System den transparenten ferroelektrischen Werkstoff, so kann man kein normales optisches Anzeige-Gerät erhalten. Dreht man die durch den Reflektor zurückgeworfene Polarisationsebene, so tritt das Licht in den Sichtbereich der Anzeigeeinrichtung. Durch entsprechend geeignet ausgewählte Spannung, die zum Aufbau eines entsprechenden elektrischen Feldes benötigt wird, kann man die Größenordnung der Verzögerung auf λ/2 bringen. Auf diese Weise erhält man eine sehr deutliche Anzeige. Helligkeit und Dunkelheit, d. h. Ablesbarkeit und Löschung, der Anzeige können durch Ein- und Ausschalten der elektrischen Spannung wahlweise hergestellt werden.
Das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4 zeigt eine Anzeigeeinrichtung vom Reflexions-Typ für eine Armbanduhr. Verwendet werden dazu grundsätzlich eine zirkular-polarisierende Platte, ein Reflektor und ein PLZT als lichtdurchlässiger ferroelektrischer keramischer Werkstoff. PLZT ist ein PZT, d. h. ein Sintermaterial aus Bleioxyd (PbO), Titandioxyd (DiO2) und Zirkondioxyd (ZrO2) angereichert mit Lanthan (La), ist piezoelektrisch und ändert seine optischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der unliegenden elektrischen Spannung.
Die perspektivische Ansicht gemäß Fig. 3 zeigt die zirkular-polarisierende Platte und den aus einer Glasplatte 4 und einem darauf aufgedampften Aluminiumfilm 5 bestehenden Reflektor, zwischen welchen der in sieben Segmente unterteilte Werkstoff (PLZT) 3 eingelegt ist. Das Schnittbild gemäß Fig. 4 läßt diese Anordnung der Segmente erkennen und deutet die Schaltung von Elektroden für das Aufbringen eines elektrischen Feldes an.
Bei diesem Vorgehen kann man genügend deutliche Hell-Dunkel-Aussteuerungen für die Anzeige einer Armbanduhr erreichen, wenn man für den Aufbau
des elektrischen Feldes eine Spannung von 300 Volt ein- und ausschaltbar vorsieht, der Abstand zwischen den Elektroden 1 mm beträgt, die Elektrodenfläche 3 mm2 groß ist und die Dicke des keramischen Werkstoffes 60 μ beträgt.
Ein weiteres, in den Fig. 5 und 6 erfaßtes Ausführungsbeispiel arbeitet nach den gleichen Grundsätzen wie das zuvor geschilderte Ausführungsbeispiel. In diesem Falle ist der keramische Werkstoff PLZT nicht hybridisch, sondern monolitisch vorgesehen. In den Fig. 5 und 6 kann man die Segmente des Anzeigeteils erkennen. Ein durchsichtiger Elektroden-Film 6 ist zu beiden Oberflächen des PLZT 3 vorgesehen. Die Segmente selbst können im Ätzverfahren vorgesehen werden, wie dies Fig. 5 erkennen läßt. Auch hier ist wieder der Abstand zwischen den Elektroden 1 mm groß, und die Dicke des PLZT 3 ist etwa 50 μ stark. Bei dieser Ausführung kann man eine genügend Hell-Dunkel-Aussteuerung bei Anlegen einer Spannung von 300 V erreichen.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 zeigt eine Anzeigeeinrichtung für eine elektronische Armbanduhr vom sogenannten Durchdringungstyp. Auch hier wird eine linear-polarisierte Platte und ein transparenter ferroelektrischer keramischer Werkstoff verwendet. Das einfallende Licht 7 wird durch einen Kondensor 8 und eine polarisierende Platte 9 eingegeben. Das einfallende linear-polarisierte Licht wird dann an einem konkav ausgebildeten Spiegel 10 reflektiert und auf eine Ebene 11 geworfen.
Die polarisierende Platte ist in einem Winkel von 90 Grad zu der Polarisationsebene angeordnet. Werden die Segmente aus dem ferroelektrischen keramischen Werkstoff PLZT nicht eingesetzt, so kann das Licht nicht völlig bis zur einsehbaren Außenseite der Ebene 11 vordringen. Wie im vorstehenden beschrieben, kann man aber die Größenordnung der Verzögerung durch Anlegen einer entsprechenden Spannung an die PLZT-Elemente steuern, so daß man Licht und Dunkelheit aussteuern kann.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Oberfläche 8 wesentlich größer gehalten werden als die Ebene 11, wodurch die Menge des einfallenden Lichtes wesentlich größer ist im Vergleich mit dem Fall des zuerst geschilderten Ausführungsbeispieles. Man kann dadurch die Verluste, die auf Grund des Durchganges durch die polarisierende Platte entstehen, ausgleichen, so daß man in vorteilhafter Weise eine erhöhte Lichtmenge für eine entsprechend intensive Ausleuchtung erhält.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel wird an Hand der Skizze in Fig. 8 erläutert. Zwischen zwei polarisierende Platten 12 und 13, die mit über Kreuz gerichteten Polarisierungsrichtungen angeordnet sind, ist eine Substanz 14 eingesetzt, die eine doppelte Brechung verursachen kann. Ist diese Substanz 14 nicht vorhanden, so wird das in Pfeilrichtung die polarisierende Platte 12 durchtretende weiße Licht im Analysator 13 völlig weggeschnitten, so daß das Licht nicht bis zu dem einsehbaren Feld vordringen kann. Wird dagegen die Substanz 14 mit dem doppelten Brechungsvermögen zwischen die beiden polarisierenden Platten 12 und 13 eingesetzt, deren Verzögerung geändert wird, so ändert sich die Polarisationsebene des polarisierten Lichtes, das die Substanz 14 durchtreten hat, und die Bedingung der Uber-Kreuz-Richtung zwischen den Platten 12 und 13 wird gebrochen. Auf diese Weise kann an der Stelle eines beobachtenden Auges-wie in der Zeichnung schematisch angedeutet -ein Wechsel zwischen Licht und Dunkelheit hervorgerufen werden, wenn man die Verzögerung entsprechend ändert.
Auf Grund des Durchtrittes durch zwei polarisierende Platten wird die Menge des Lichtes stark verringert. Es kann also schwierig sein, die für einen guten Kontrast erforderliche Lichtmenge am Ort der Anzeige zu erhalten. Dieser Schwierigkeit kann - wie
ι» bereits im Zusammenhang mit dem vorigen Ausführungsbeispiel dargelegt - dadurch begegnet werden, daß man die Eintrittsfläche für einfallendes Licht größer wählt als die Anzeigefläche und das einfallende Licht entsprechend bündelt. Fig. 9 zeigt eine Fokus-Fläche 15 und eine Anzeigefläche 16, deren unterschiedliche Größenordnungen das Sammeln einfallenden Lichtes und damit das Anwachsen des am Ort der Anzeige vorhandenen Lichtes ermöglichen. Das einfallende Licht 17 wird durch einen Reflektor 18 zur Anzeigefläche hin gebündelt umgeleitet. Die Menge von Licht pro Flächeneinheit wird dadurch erhöht. Eine weitere Maßnahme zur Erhöhung des Lichteinfalls pro Flächeneinheit an der Stelle der Anzeige ist das Sammeln von Licht mit Hilfe eines Kondensors 19 an der Fokus-Fläche 15 und durch den bereits erwähnten konkaven Spiegel 18. Das weiße Licht 17 tritt von der Fokussierfläche 15 her ein, wird reflektiert und gesammelt durch den konkaven Spiegel 18, wobei das weiße Licht 17 in polarisiertes Licht 20 übergeht und der Anzeigefläche 16 zugeführt wird. Auf diese Weise wird die am Ort der Anzeige 16 zur Verfügung stehende Lichtmenge wesentlich größer, als dies im Fall der Fig. 8 möglich ist, so daß man einen klaren Kontrast der Anzeige erhält. Damit kein Licht in die Anzeigefläche 16 durch irreguläre Brechung eintritt, können Blenden 21 und 22 vorgesehen werden, die den Kontrast an der Anzeigefläche 16 noch klarer gestalten helfen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 ist die Anzeigeeinrichtung für die erfindungsgemäße Uhr mit einem GMO-Einkristal! [Gd2(MO OJ3] und einer farbempfindlichen Platte versehen. Das einfallende Licht durchtritt einen Kondensor 23 und eine erste polarisierende Platte 24, wird daraufhin reflektiert und fokussiert durch einen konkaven Spiegel 25, durchtritt dann die GMO-Segmente 26, die farb-sensible Platte 27 und eine zweite polarisierende Platte 28 und erreicht schließlich das Auge des Beobachters. Wird hierbei die Spannung in Richtung der Z-Achse des GMO-Einkristalls aufgebracht, so kann man auf Grund der dadurch ausgelösten Verzögerung des
. GMO eine gelbe Färbung der Segmente und der farbempfindlichen Platte erreichen. Wird die Spannung umgekehrt, so ändert sich die Färbung der Segmente in ein klares Blau. Diese Farbanzeige wird möglich, wenn man eine farb-sensitive Platte von 57C ΐημ verwendet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die GMO-Platte eine Dicke von 100 μ auf, die aufgebrachte Spannung beträgt 70 Volt, es wird eine farbempfindliche Platte von 570 πιμ verwendet und das Licht wire reflektiert und fokussiert durch einen konkaven Spiegel mit aufgedampftem Aluminium.
Eine solche Anzeigeeinrichtung ist gegenüber dei
b5 in Fig. 8 dargestellten weitaus verbessert, was der Lichtkontrast zwischen Hell und Dunkel betrifft.
Wie aus vorstehendem hervorgeht, ist die erfindungsgemäße Armbanduhr hinsichtlich ihrer Anzei·
gccinrichtung den herkömmlichen Armbanduhren aus folgenden Gründen weit überlegen:
1.1m Vergleich mit einer Armbanduhr, die mit lichtemittierenden Dioden arbeitet, ergibt sich ein äußerst niedriger Energiebedarf. Ebenso ist der Herstellungspreis der erfindungsgemäßen Uhr wesentlich geringer zu halten, indem man einen lichtdurchlässigen ferroelektrischen keramischen Werkstoff als Substanz mit doppelter Brechung einsetzt.
2. Gegenüber herkömmlichen Uhren mit einer Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung ist die Anzeigeeinrichtung der erfindungsgemäßen Uhr unter Verwendung eines festen Oxydes etc. hergestellt. Dadurch wird die Temperatur- und Feuchtigkeits-Stabilität ausgezeichnet, und man erhält im Vergleich mit Flüssigkristall-Anzeigen eine lange Lebensdauer. Die Lebensdauer der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung ist dadurch
beeinträchtigt, daß der Flüssigkristall nui bedingt stabil gehalten werden kann und untei den Einflüssen von hohen Temperaturen, hoher Feuchtigkeiten und ultravioletten Strahlen leidet. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Uhr bzw. die Anzeigeeinrichtung diesel Uhr eine erheblich bessere Stoßbelastbarkei' auf.
3. Lichtabsorptionen, wie sie durch die polarisierende Platte bzw. Platten auftreten können, können dadurch aufgefangen werden, daß das einfallende Licht durch eine Sammellinseneinrichtung und einen konkaven Reflektor gebündeli wird. Zu diesem Zweck wird die Fläche, durcl die das einfallende Licht aufgefangen wird, erheblich größer gestaltet als die Anzeigefläche auf der auf Grund einer ausreichenden Lichtdichte pro Flächeneinheit eine scharf kontrastierende Anzeige damit möglich wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

Patentansprüche:
1. Elektronische Uhr, insbesondere Armbanduhr oder dergleichen, mit einer passiven Anzeigeeinrichtung, die im Strahlengang des der Anzeige dienenden Lichtes eine lichtdurchlässige, hinsichtlich ihrer Brechungs- bzw. Verzögerungseigenschaften von der Stärke eines aufgebrachten elektrischen Feldes abhängigen Feststoff-Schicht und einen Reflektor aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schicht (3; 14; 26) vom Betrachter her gesehen eine polarisierende Platte (1; 9; 12; 24) vorgeordnet ist.
2. Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (4, 5) vom Betrachter her gesehen der Schicht (3) nachgeordnet und das einfallende Licht durch die polarisierende Platte (1) zurückwerfend angeordnet ist.
3. Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (10; 18; 25) das durch die polarisierende Platte (9; 24) einfallende Licht von dieser fort auf eine dem Betrachter zugewandte Anzeigefläche (11; 16; 26-28) umlenkend angeordnet ist, die vorzugsweise senkrecht zu der polarisierenden Platte verlaufend angeordnet ist.
4. Uhr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (10; 18; 25) der Schicht (26) vorgeordnet ist.
5. Uhr nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteinfallfläche größer als die Anzeigefläche ist.
6. Uhr nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigefläche (11; 16; 26-28) eine weitere Polarisaiionsplatte (11; 28) aufweist.
7. Uhr nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (10; 18; 25) konkav ausgebildet ist.
8. Uhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) einen ferroelektrischen, keramischen Werkstoff aufweist.
9. Uhr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht wenigstens eine Substanz mit doppelter Brechung aufweist.
10. Uhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3; 26) in einzelne Abschnitte unterteilt ist, die bei entsprechend ausgewählt anzuliegender Spannung die wahlweise Anzeige von Ziffernsymbolen zulassen.
11. Uhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das au die Schicht (3) zur Steuerung anzulegende elektrische Feld senkrecht zur optischen Achse gerichtet ist.
12. Uhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Anzeigebereich eine farbempfindliche Platte (27) vorgesehen ist.
13. Uhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (26) einen GMO-Einkristall [Gd2 (Mo O4),| aufweist.
14. Uhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang des einfallenden Lichtes eine Sammellinse (8; 19; 23) vorgesehen ist.
15. Uhr nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge des Strahlenganges des einfallenden Lichtes aufeinanderfolgend eine Sammellinse (23), eine polarisierende Platte (24), ein Reflektor (25), eine in Segmente unterteilte Schicht (26), eine farbsensible Platte (27) und eine weitere Polarisationsplatte (28) angeordnet sind.
16. Uhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anzeigebereich wenigstens teilweise von einer Blendeneinrichtung (21, 22) eingefaßt ist.
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