JP2004294756A - 空間光変調器及びホログラム記録再生装置 - Google Patents

空間光変調器及びホログラム記録再生装置 Download PDF

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Abstract

【課題】簡単な構成で、ビームの強度分布を一様にするとともに、クロストークを低減させる。
【解決手段】空間光変調器（ＳＬＭ）１０１は、格子状に配列された多数の画素１０１ａを有し、画素ごとに光の透過状態（オン）と遮断状態（オフ）とを選択することによって、光ビームの強度を空間的に変調する。空間光変調器１０１の画素全体の光透過率分布１０１ｘは、入射ビーム１０２の強度分布であるガウシアン分布１０２ｘとほぼ反比例するように、中央付近において光透過率が低く、中央から離れるほど光透過率が高く設定されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空間光変調器及びホログラム記録再生装置に関し、より詳細には、ホログラム記録媒体の材料感度の無駄な消費を抑え、かつクロストークを防止することが可能な空間光変調器及びホログラム記録再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報の高密度記録を実現する方法の一つとしてホログラム記録再生方法が知られている。一般的なホログラム記録再生方法では、データが二次元的に付加された信号光と参照光を記録媒体の内部で重ね合わせ、そのとき形成される干渉縞が書き込まれることによって情報が記録される。こうしてホログラム記録媒体に記録されたデータは、参照光を照射することによって再生することができる。記録媒体に照射された参照光が干渉縞の格子により回折することで再生像が浮かび上がり、データが再生される。このような記録媒体においては、信号光に付加されたデータが参照光の入射で一度に再生されるため、高速再生を実現することが可能である。
【０００３】
一般に、信号光や参照光としてはガウシアン分布をもつレーザビームが使用されるが、材料感度を非一様に消費してしまうという問題があるため、レーザビームはビームスポット内で一様であることが好ましい。
【０００４】
そのようなレーザビームの照射を実現する方法として、細いビームでＳＬＭを走査しながら照射する方法が知られている（特許文献１参照）。これによれば、ＳＬＭの各画素に対して同じ強度のビームが照射されるので、ＳＬＭ全体としては、スポット内で一様な強度分布をもつレーザビームが照射されたことと等しくなる。また、一対の非球面光学素子を用いて、ガウシアン分布をもつ入力ビームの強度を再分配し、所定領域内で一様な強度のビームを出力する方法も知られている（非特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０８−３１４３６４号公報
【非特許文献１】
ジェイ・アシュレイ（Ｊ． Ａｓｈｌｅｙ）他１０名、「ホログラフィック・データ・ストレージ（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｄａｔａ ｓｔｏｒａｇｅ）」、ＩＢＭジャーナル・オブ・リサーチ・アンド・ディベロップメント（ＩＢＭ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）、２０００年５月、第４４巻（Ｖｏｌｕｍｅ ４４）、第３号（ｎｕｍｂｅｒ ３）、 ｐ３４８
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した細いビームでＳＬＭを走査しながら照射する方法では、ＳＬＭ全体にビームを照射するまでにかかる時間が長くなり、高速記録再生を実現することは困難である。また、一対の非線形光学素子を用いる方法では、そのような光学素子を設けなければならないため、光学系全体が大型化するのみならず、特定の強度分布にしか適用できず、波形整形の度合いも不十分となるおそれがある。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、簡単な構成で、ビームの強度分布を一様にすることが可能な空間光変調器及びこれを用いたホログラム記録再生装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のかかる目的は、格子状に配列された多数の画素を有し、画素ごとに光の透過若しくは反射状態又は遮断状態が選択されることによって光強度を空間的に変調する空間光変調器であって、前記画素全体の光透過率分布又は光反射率分布は、前記配列の中央付近の光透過率又は光反射率が低く、中央から離れるほど光透過率又は光反射率が高くなるように設定されていることを特徴とする空間光変調器によって達成される。
【０００９】
本発明によれば、簡単な構成で、ガウシアン分布をもつビームの強度分布をほぼ一様にすることができるとともに、そのようなビームの強度を空間的に変調することができる。この空間光変調器を用いてホログラム記録再生装置を実現すれば、ホログラム記録媒体の材料感度が非一様に消費されることがない。また強度が大きいビーム中央付近が照射される画素間でクロストークが生ずることもない。したがって、高性能なホログラム記録再生装置を提供することができる。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態において、前記光透過率分布又は光反射率分布は、ガウシアン分布とほぼ反比例するように設定されている。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態によれば、より一様な強度分布をもつビームを得ることができる。
【００１２】
本発明のさらに好ましい実施形態において、前記各画素の光透過率又は光反射率は、画素ごとに設定されている。
【００１３】
本発明のさらに好ましい実施形態によれば、簡単な構成で、ビームの強度分布をほぼ一様にすることができる。
【００１４】
本発明の前記目的はまた、格子状に配列された多数の画素を有し、画素ごとに光の透過若しくは反射状態又は遮断状態が選択されることによって光の強度を空間的に変調するとともに、前記画素ごとに光透過率又は光反射率を設定可能な空間光変調器と、前記空間光変調器を通過した光ビームの強度分布を検出する受光手段と、前記受光手段によって検出された光ビームの強度分布に基づいて前記各画素の光透過率又は光反射率を設定する制御手段を少なくとも備えることを特徴とするホログラム記録再生装置によっても達成される。
【００１５】
本発明によれば、ビームの強度分布に応じた画素全体の光透過率分布又は光反射率分布を適宜設定することができる。したがって、空間光変調器を通過した後のビームの強度分布が一様になるように画素全体の光透過率分布又は光反射率分布を設定することができるとともに、そのようなビームを空間的に変調することができる。さらに変調されたビームを信号光として用いれば、ホログラム記録媒体の材料感度が非一様に消費されることがなく、また強度が大きいビーム中央付近が照射される画素間でクロストークが生ずることもない。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態において、前記受光手段は、二次元的に分散配置された複数の受光素子を備え、前記各受光素子の動径分布関数の値は当該受光手段の中心から離れるほど高くなっている。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態によれば、ガウシアン分布をもつ光ビームの強度分布を確実に検出することができる。
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の好ましい実施形態にかかる空間光変調器の構成を示す模式図である。
【００１９】
図１に示されるように、この空間光変調器（ＳＬＭ）１０１は透過型であって、格子状に配列された多数の画素１０１ａを有し、画素ごとに光の透過状態（オン）と遮断状態（オフ）とを選択することによって、光ビームの強度を空間的に変調する。透過型空間光変調器としては、例えば液晶素子を用いることができる。
【００２０】
空間光変調器１０１の画素全体の光透過率分布１０１ｘは、入射ビーム１０２の強度分布であるガウシアン分布１０２ｘとほぼ反比例するように、中央付近において光透過率が低く、中央から離れるほど光透過率が高く設定されている。したがって、すべての画素がオン状態とされている空間光変調器１０１に対して、ガウシアン分布をもつ光ビームが入射すると、空間光変調器１０１を通過した後の光ビーム１０３はほぼ一様な強度分布１０３ｘとなる。
【００２１】
図２は、空間光変調器１０１の光透過率分布の一例を示す図である。
【００２２】
図２に示されるように、空間光変調器１０１には、ガウシアン分布とほぼ反比例な光透過率分布がＸＹ方向ともに設定される。そのため、一つの画素１０１ａ内における光透過率分布も変化している。このような光透過率分布の設定は、そのような光透過率分布をもつ光透過性シート又はフィルムを空間光変調器の画素全体に取り付けることによって実現することができる。あるいは、個々の画素１０１ａに光透過性薄膜を設け、当該薄膜の膜厚又は屈折率によって光透過率を設定することで、上述した光透過率分布を実現しても構わない。以上のように、空間光変調器１０１の画素全体の光透過率分布がガウシアン分布に対応して設定されているので、空間光変調器を通過した後の光ビームの強度分布を一様にすることができる。
【００２３】
図３は、空間光変調器１０１の光透過率分布の他の例を示す図である。
【００２４】
図３（ａ）に示されるように、空間光変調器１０１の光透過率分布は、ガウシアン分布に対応させて画素ごとに段階的に設定されている。本実施形態においては、各画素１０１ａの光透過率が例えば５段階（Ａ〜Ｅ）に設定される。そして、図３（ｂ）に示されるように、例えば画素全体が７×７のマトリックスで構成されている空間光変調器１０１に対して、中央の画素に最も低い光透過率Ａが設定され、その周囲の画素に光透過率Ｂ、Ｃ、Ｄが順に設定され、さらに残りの周囲の画素に最も高い光透過率Ｅが設定される。なお、一つの画素内における光透過率分布は一様である。
【００２５】
このような光透過率分布の設定は、個々の画素に光透過性薄膜を設け、当該薄膜の膜厚又は屈折率によって設定するか、あるいはそのような光透過率分布をもつシート又はフィルムを空間光変調器の画素全体に取り付けることによって実現することができる。以上のような光透過率分布であっても、空間光変調器を通過した後の光ビームの強度分布をほぼ一様にすることができる。
【００２６】
図４は、上述した空間光変調器１０１を含むホログラム記録再生装置の構成の一例を示す略斜視図である。
【００２７】
図４に示されるように、このホログラム記録再生装置４００は、記録再生用の光学系として、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分を含む所定の波長の光ビームを生成する記録再生用のレーザ光源４０１と、ビームエキスパンダ４０２と、偏光ビームスプリッタ４０３と、空間光変調器（ＳＬＭ）１０１と、１／２波長板４０５と、全反射ミラー４０６と、フーリエ変換レンズ４０７、４０８と、コリメートレンズ４０９と、ＣＣＤイメージセンサ４１０を備えている。
【００２８】
記録再生用のレーザ光源４０１は、ガウシアン分布をもつ光ビーム４１１を生成する。この光ビーム４１１は、ビームエキスパンダ４０２によってビーム径が拡大され、かつ平行光にされた後、偏光ビームスプリッタ４０３に入射する。偏光ビームスプリッタ４０３は、入射した光ビームのうちＳ偏光成分を透過しＰ偏光成分を反射することによって２つの光ビーム４１１ａ、４１１ｂに分割する。Ｓ偏光成分からなる一方の光ビーム４１１ａは空間光変調器１０１に入射する。
【００２９】
空間光変調器１０１は、光ビーム４１１ａの強度を空間的に変調して、情報を担持した信号光を生成する。記録時には、記録データに応じて空間光変調器１０１の各画素をオン状態又はオフ状態とすることによって、所定のパターンの信号光が生成される。空間光変調器１０１は、画素全体がガウシアン分布とは反比例な光透過率分布をもつように各画素の光透過率が設定されていることから、すべての画素がオン状態であるときの光ビームの強度分布はほぼ一様とされ、所定の画素をオフ状態にすれば強度分布の一様な光ビームが空間的に変調される。空間光変調器から出射した信号光はフーリエ変換レンズ４０７によって集光されて、ホログラム記録媒体４１２に照射される。
【００３０】
一方、Ｐ偏光成分からなる他方の光ビーム４１１ｂは、１／２波長板４０５によって一方の光ビーム４１１ａの同じＳ偏光成分とされる。その後、全反射ミラー４０６で反射し、フーリエ変換レンズ４０８を透過して、参照光としてホログラム記録媒体４１２に照射される。信号光及び参照光は、ホログラム記録媒体４１２の記録層内で重ね合わされることで干渉パターンが形成されて、ホログラムが記録される。
【００３１】
再生時には、空間光変調器１０１の各画素をすべてオフ状態にすることによって光ビーム４１１ａの通過が遮断される。したがって、記録再生用のレーザ光源４０１によって生成された光ビーム４１１は、ビームエキスパンダ４０２、偏光ビームスプリッタ４０３、１／２波長板４０５、全反射ミラー４０６、フーリエ変換レンズ４０８を経由して、ホログラム記録媒体４１２に参照光として照射される。記録層内に形成された干渉パターンによって変調された参照光は、ホログラム記録媒体４１２を通過し、コリメートレンズ４０９を通過して、再生像としてＣＣＤイメージセンサ４１０に照射される。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態によれば、ホログラムを記録する場合に、信号光の強度分布をほぼ一様にすることができるので、ホログラム記録媒体の材料感度が非一様に消費されることがない。また、強度が大きいビーム中央付近が照射される画素間でクロストークが生ずることもない。したがって、高性能なホログラム記録再生装置を提供することができる。
【００３３】
なお、前記実施形態においては、ガウシアン分布をもつ光ビームを参照光としてそのまま使用する場合を例に説明したが、参照光の強度分布を一様にしても構わない。ただし、ガウシアン分布をもつビームがそのまま使用される通常のホログラム記録再生装置との互換性を持たせるのであれば、ガウシアン分布をもつ光ビームを参照光としてそのまま使用することが好ましい。
【００３４】
図５は、本発明の他の好ましい実施形態にかかる空間光変調器の構成を示す略斜視図である。
【００３５】
図５に示されるように、この空間光変調器（ＳＬＭ）５０１は、各画素５０１ａの光透過率を任意に設定することができるように構成されている。すなわち、空間光変調器５０１の各画素は、コントローラによってそのオン・オフのみならず階調も制御される。そのような空間光変調器としては、例えば強誘電性液晶素子を用いることができる。
【００３６】
そして、空間光変調器５０１の各画素の光透過率は、画素全体がガウシアン分布とは反比例な光透過率分布をもつように自動調整される。自動調整は、空間光変調器５０１を通過した光ビームをＰＤチェッカ５０３で受光し、ＰＤチェッカ５０３の出力に基づいてコントローラ５０２が各画素の階調の最適値に設定することによって行われる。ＰＤチェッカ５０３は、複数のフォトダイオード５０３ａが二次元的に分散配置された受光装置であって、個々のフォトダイオード５０３ａによって受光されたビームの強度は電圧値に変換される。
【００３７】
ＰＤチェッカ５０３上に分布するフォトダイオード５０３ａの動径分布関数の値はＰＤチェッカ５０３の中心から離れるほど高くなっていることが好ましい。すなわち、ＰＤチェッカ５０３の中心から半径ｒの円形領域内に分布するフォトダイオード５０３ａの分布密度をＤ１（ｒ）とし、半径（ｒ＋Δｒ）の円形領域内に分布するフォトダイオード５０３ａの分布密度をＤ２（ｒ＋Δｒ）とし、その差分の分布密度をＤ（ｒ）＝Ｄ２（ｒ）−Ｄ１（ｒ）とするとき、Ｄ（ｒ）は半径ｒにともなって高くなるように設定される。このように構成すれば、ガウシアン分布をもつ光ビームの強度分布を確実に検出することができる。
【００３８】
調整時には、光強度分布が未調整な状態にある空間光変調器５０１にガウシアン分布をもつ光ビーム５０４を入射する。空間光変調器５０１を通過した後のビームはＰＤチェッカ５０３に照射され、ＰＤチェッカ５０３によってビームの強度分布が求められる。ＰＤチェッカ５０３の出力はコントローラ５０２に供給される。コントローラ５０２は、ＰＤチェッカ５０３の出力値に基づいて、入射ビームの強度分布が一様となるように各画素の最適な階調レベルを求め、そしてそのような階調レベルにするのに必要な各画素の制御電圧値を設定する。またコントローラは、空間光変調器５０１によって変調された多数の画素の中で、同じ信号値に属する画素から出射したビームの強度がほぼ等しくなるように各画素の光透過率を制御する。各画素の制御電圧値の設定はデータテーブルとしてコントローラ５０２内に保持される。なお、コントローラ５０２は、理論的なビームプロファイルに基づく各素子の制御電圧値を標準のデータテーブルとして常時保持し、このデータテーブルに基づいて各画素の光透過率を適宜設定しても構わない。
【００３９】
実際の使用時には、空間光変調器５０１の所定の画素がオンとされるとき、コントローラ５０２がデータテーブルに基づいて当該画素に対応する所定の制御電圧値を供給する。したがって、空間光変調器５０１は、ガウシアン分布とは反比例な光透過率分布をもつことができる。その結果、このような空間光変調器にガウシアン分布をもつ光ビームを入射すると、空間光変調器を通過した後の光ビームとして、ほぼ一様な強度分布をもつ光ビームを得ることができる。
【００４０】
特に、ビームプロファイルを固定にした場合には、実際の入射ビームの光軸がずれている場合に一様なビーム強度を得ることができず、一様にするための微妙な調整も困難であるが、本実施形態のように光透過率分布を適宜設定することができる場合にはそのような問題が生ずることも無い。この空間光変調器を用いてホログラム記録再生装置を実現すれば、ホログラム記録媒体の材料感度を非一様に消費することもない。また、強度が大きい中央付近の画素間でクロストークが生ずることもない。
【００４１】
なお、本実施形態においては、階調制御が可能な液晶素子で構成された空間光変調器を例に説明したが、これに限定されるものではなく、各画素がその開口面積を変化させることが開口部によって構成された空間光変調器を用い、開口部の開口面積を制御電圧値で変化させることで画素ごとに最適な光透過率を実現してもよい。
【００４２】
図６は、本発明の好ましい実施形態にかかる空間光変調器の構成を示す模式図である。
【００４３】
図６に示されるように、この空間光変調器（ＳＬＭ）６０１は反射型であって、格子状に配列された多数の画素６０１ａを有し、画素ごとに光の反射状態（オン）と非反射状態（オフ）とを選択することによって、光ビームの強度を空間的に変調する。ここで、非反射状態とは、反射状態にある画素に入射した光ビーム６０２の反射方向と同じ方向へ反射されない状態をいい、例えば、入射ビームが画素を透過する状態、画素によって吸収される状態、画素によって散乱する状態、あるいは反射状態にある画素に入射した光ビームの反射方向とは異なる方向へ反射される状態などである。反射型空間光変調器としては、例えばデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いることができる。なお、本明細書においては、反射型空間光変調器の光の非反射状態を「光の遮断状態」ということがあるものとする。
【００４４】
空間光変調器６０１の画素全体の光反射率分布は、入射ビーム６０２の強度分布であるガウシアン分布とほぼ反比例するように、中央付近において光反射率が低く、中央から離れるほど光反射率が高く設定されている。したがって、すべての画素がオン状態とされている空間光変調器６０１に対して、ガウシアン分布をもつ光ビームが入射すると、空間光変調器６０１を通過した後の光ビーム６０３はほぼ一様な強度分布となる。空間光変調器６０１の所定の画素がオフ状態となっている場合には、その画素に入射したビームは反射しないので、ほぼ一様な強度分布をもつ光ビームを空間的に変調することができる。
【００４５】
なお、空間光変調器６０１の反射率分布は、図２に示したような分布であってもよく、図３に示したような段階的な分布であってもよい。また、反射型の空間光変調器６０１は、予めビームプロファイルを固定したものでなくてもよい。すなわち、図５に示した透過型空間光変調器５０１のように、反射型空間光変調器において各画素の反射率を任意に設定可能に構成するとともに、各画素の反射率分布を自動調整するようにしても構わない。この場合、図５に示したＰＤチェッカ５０３を反射型空間光変調器６０１による反射光６０３の進行方向に配置し、その受光結果をコントローラ５０２で処理して所定の制御電圧値を設定することで、空間光変調器６０１の各画素の光反射率がフィードバック制御される。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態によれば、ホログラムを記録する場合に、信号光の強度分布を一様にすることができるので、ホログラム記録媒体の材料感度が非一様に消費されることがなく、また強度が大きい中央付近の画素間でクロストークが生ずることもない。したがって、高性能なホログラム記録再生装置を提供することができる。
【００４７】
本発明は、以上の実施形態に制限されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更を加えることが可能であり、これらも本発明の範囲に包含されるものであることはいうまでもない。
【００４８】
例えば、前記実施形態においては、７行７列のマトリックスで構成された空間光変調器を例に説明したが、これに限定されるものではなく、画素数はいくつであってもよく、行数と列数が同じでなくても構わない。
【００４９】
また、図４に示したホログラム記録再生装置の光学系は一例であって、本発明にかかる空間光変調器が使用されるホログラム記録再生装置であればどのような構成であっても構わない。
【００５０】
また、前記実施形態においては、図５に示したように、空間光変調器５０１と、コントローラ５０２と、ＰＤチェッカ５０３がそれぞれ独立に設けられている場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、コントローラ５０２とＰＤチェッカ５０３が一体化されていても構わない。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、簡単な構成で、ビームの強度分布を一様にすることが可能な空間光変調器及びこれを用いたホログラム記録再生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施形態にかかる空間光変調器の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、空間光変調器の光透過率分布の一例を示す図である。
【図３】図３は、空間光変調器の光透過率分布の他の例を示す図である。
【図４】図４は、上述した空間光変調器を含むホログラム記録再生装置の構成を示す略斜視図である。
【図５】図５は、本発明の他の好ましい実施形態にかかる空間光変調器の構成を示す略斜視図である。
【図６】図６は、本発明の好ましい実施形態にかかる空間光変調器の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１０１ 空間光変調器
１０１ａ 画素
１０１ｘ 光透過率分布
１０２ 入射ビーム
１０２ｘ ガウシアン分布
１０３ 光ビーム
１０３ｘ 強度分布
４００ ホログラム記録再生装置
４０１ レーザ光源
４０２ ビームエキスパンダ
４０３ 偏光ビームスプリッタ
４０５ １／２波長板
４０６ 全反射ミラー
４０７ フーリエ変換レンズ
４０８ フーリエ変換レンズ
４０９ コリメートレンズ
４１０ イメージセンサ
４１１ 光ビーム
４１１ａ 分割された一方の光ビーム（Ｓ偏光成分）
４１１ｂ 分割された他方の光ビーム（Ｐ偏光成分）
４１２ ホログラム記録媒体
５０１ 空間光変調器
５０１ａ 画素
５０２ コントローラ
５０３ チェッカ
５０３ａ フォトダイオード
５０４ 光ビーム（入射光）
６０１ 空間光変調器
６０１ａ 画素
６０２ 光ビーム（入射光）
６０３ 光ビーム（反射光）

Claims (5)

  1. 格子状に配列された多数の画素を有し、画素ごとに光の透過若しくは反射状態又は遮断状態が選択されることによって光強度を空間的に変調する空間光変調器であって、
    前記画素全体の光透過率分布又は光反射率分布は、前記配列の中央付近の光透過率又は光反射率が低く、中央から離れるほど光透過率又は光反射率が高くなるように設定されていることを特徴とする空間光変調器。
  2. 前記光透過率分布又は光反射率分布は、ガウシアン分布とほぼ反比例するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の空間光変調器。
  3. 前記各画素の光透過率又は光反射率は、画素ごとに設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の空間光変調器。
  4. 格子状に配列された多数の画素を有し、画素ごとに光の透過若しくは反射状態又は遮断状態が選択されることによって光の強度を空間的に変調するとともに、前記画素ごとに光透過率又は光反射率を設定可能な空間光変調器と、
    前記空間光変調器を通過した光ビームの強度分布を検出する受光手段と、
    前記受光手段によって検出された光ビームの強度分布に基づいて前記各画素の光透過率又は光反射率を設定する制御手段を少なくとも備えることを特徴とするホログラム記録再生装置。
  5. 前記受光手段は、二次元的に分散配置された複数の受光素子を備え、前記各受光素子の動径分布関数の値は当該受光手段の中心から離れるほど高くなっていることを特徴とする請求項４に記載のホログラム記録再生装置。
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