JP2005326583A - 光導波路、ディスプレイ装置およびディスプレイ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ディスプレイの構造を簡素化し、ディスプレイの形状の自由度を向上させること。
【解決手段】 ディスプレイ表示のための表示光が伝播する散乱用コア２と、制御光５によって光の透過率がスイッチングされるマスク用コア３とを有する光導波路１を用いてディスプレイ装置を構成する。散乱用コア２の表示光５は、マスク用コア３の制御光６によって透過状態にされた位置において外部に放射され発光する。導波路上１において、表示光５と制御光６のタイミングを調整することにより、従来の二次元の光源および／または制御を不要とし、表示光５と制御光６の１次元制御（時間と強度）によって平面や曲面ディスプレイでの表示を可能とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ディスプレイ装置およびディスプレイ方法に関し、より詳細には、光導波路を用いたディスプレイ装置およびディスプレイ方法に関する。

近年、平面または曲面パネルディスプレイ装置やフラットパネル照明装置が多くの分野で広く利用されている。また、ウェアラブルディスプレイ装置などの技術開発も盛んに行われている。

このような状況において、ディスプレイに光ファイバや光導波路を用いたものには、照明用の光ファイバがある（特許文献１）。また、光ファイバを液晶ディスプレイのバックライトに用いた例もある（特許文献２）。

薄型ディスプレイ装置のより一般的な例には、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）方式、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ）方式、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）方式、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）方式などが挙げられ、既に一部は商品化されている。

このような一般的なディスプレイ方式は全て、画面を構成する平面もしくは曲面上の任意の絵素を選択発光させるために、マトリックス状に配置された各絵素が発光機能（発光ダイオードまたは紫外線発生機能など）を備え、さらに各絵素が独立に制御され得るようにスイッチ機能（トランジスタなど）をディスプレイ装置の一部として備えている。

特開平１０−２８８７８２号公報 特表２００１−５０９３０７号公報 "面型光スイッチを用いた超高速光信号のジッター・スキュー低減技術"、平成１６年４月１日、［ｏｎｌｉｎｅ］、独立行政法人情報通信研究機構、［平成１６年５月６日検索］、インターネット＜http://www2.nict.go.jp/jt/a115/collaboration/CRL-FESTA/jitter_skew_reduction.htm＞

しかしながら、上述の照明用光ファイバの場合、光散乱が固定的に発生するように開発されており、それ自体として動的な表示画面を構成するようには開発されていない。

また、上述の各絵素が独立して発光機能および／または制御機構を有する従来のディスプレイ方式では、ディスプレイの絵素数の増加（例えば、画面の大型化または高精細化）に伴い構造が複雑になり、ディスプレイの形状にも構造上の制約が生じるという本質的な課題を抱えていた。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ディスプレイの構造を簡素化することができ、またディスプレイの形状の自由度を向上させることのできる次世代のディスプレイ方法およびディスプレイ装置を提供することにある。

こうした課題を解決するために、本発明者により、既に特願２００３−１１４９２３号および特願２００３−１３９６０６号に係る発明が提案されているが、本発明は、これら先の出願に係る発明とは異なる手段によるディスプレイ装置およびディスプレイ方法を開示するものである。

本発明は、上述の目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、入射された表示光を散乱しつつ、伝播する散乱用コアと、制御光を伝播し、前記制御光の存在する領域の光透過率が変化するマスク用コアとを備え、前記マスク用コアによって、前記散乱用コアから外部へ散乱する前記表示光の放射量を制御することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光導波路において、クラッドをさらに備え、前記散乱用コアおよび前記マスク用コアは、前記クラッドの中に埋め込まれたことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の光導波路において、前記散乱コアから散乱する表示光を特定の方向へ導く反射膜をさらに備えたことを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の光導波路において、前記マスク用コアは、前記散乱用コア上に積層されたことを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の光導波路において、前記散乱用コアおよび前記マスク用コアは、前記散乱用コアを内円とする同心円状に構成された光ファイバ構造を有することを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の光導波路において、前記散乱用コアおよび前記マスク用コアは、離間して並置された光ファイバ構造を有することを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載の光導波路において、前記散乱用コアは、前記表示光の伝播方向に向かって散乱係数が増大することを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項に記載の光導波路において、前記マスク用コアは、スクエアリリウム色素Ｊ会合体を含むことを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、ディスプレイ装置において、請求項１から９のいずれか１項に記載の光導波路からなるディスプレイ部と、映像信号をデジタル信号に変換する信号処理部と、前記変換されたデジタル信号に基づいて前記表示光を発生する表示光発生部と、前記変換されたデジタル信号に基づいて前記制御光を発生する制御光発生部と、前記ディスプレイ部と前記表示光発生部および前記制御光発生部にそれぞれ接続した光ファイバとを備えたことを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載のディスプレイ装置において、前記ディスプレイ部は、複数の画素と、隣接する前記複数の画素の間に設けられた不透過層とを含むことを特徴とする。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項９または１０に記載のディスプレイ装置において、前記ディスプレイ部は、光検出器を備え、前記表示光発生部は、前記光検出器からの信号に基づいて、前記表示光の強度またはタイミングを調整することを特徴とする。

また、請求項１２に記載の発明は、請求項９または１０に記載のディスプレイ装置において、前記ディスプレイ部は、光検出器を備え、前記制御光発生部は、前記光検出器からの信号に基づいて、前記制御光の強度またはタイミングを調整することを特徴とする。

また、請求項１３に記載の発明は、請求項９から１２のいずれか１項に記載のディスプレイ装置におけるディスプレイ方法であって、前記光導波路の一方の端部から前記散乱用コアに前記表示光を入射するステップと、前記光導波路の他方の端部から前記マスク用コアに前記制御光を入射するステップとを備え、前記制御光の伝播に応じて、前記表示光が前記ディスプレイ部から放射されることを特徴とする。

また、請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載のディスプレイ方法において、前記ディスプレイ部から放射される光量を実質的に増大させるために、前記表示光を入射するステップおよび前記制御光を入射するステップを複数回繰り返すことを特徴とする。

本発明によれば、マトリックス状の光源または制御スイッチが不要となり、ディスプレイ装置の構造を大幅に簡素化することが可能となる。また、ディスプレイ装置の表示部分と制御部分を独立に構成することができる。これによって、ディスプレイ形状の自由度の向上、制御部分の小型化、薄型画面や大画面化などへの拡張性を容易にする効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本実施形態は、本発明の原理を説明するためのものであり、本発明に係るその他の実施形態が可能である。

図１は、本発明に係るディスプレイ方法の原理を示す図である。光導波路１は、表示光５が伝播する散乱用コア２、制御光６が伝播するマスク用コア３、制御光６に反応して透過率が変化する感光膜９、およびクラッド４からなる。また、光導波路１の上面にディスプレイ表示のための画素７と、隣接する画素間の分離性を向上させるための不透過層からなるガード部８が形成されている。

なお、散乱用コア２とマスク用コア３の配置構成が図１と異なるもの（例えば、散乱用コアとマスク用コアが直交する配置構成）や、クラッド４のない構成も可能である。また、マスク用コア側面に感光膜を設ける構成に代えて、制御光に応じて、透過率が変化する色素をマスク用コアに添加する構成としてもよい。

図１を参照して、本発明の動作原理を説明する。表示光５が光導波路１の一方の端部より入射され、散乱用コア２の中を伝播する。ここで、散乱用コア２は、後述するように、長手方向で散乱係数が増大するように設定されている。これは、例えば表示光の波長程度またはそれ以下の微小な屈折率の揺らぎの密度変化として作成することができる。表示光５は、伝播しながら散乱し、その一部が光導波路の上面方向に放射される。

他方、制御光６は、光導波路１の他方の端部から入射され、マスク用コア３の中を伝播する。ここで、マスク用コア３に隣接する感光膜９は、通常の状態では、光透過率が低く、散乱用コア２からの散乱光を遮断する。しかし、感光膜９は、マスク用コア３を伝播する制御光６によって励起されると、光透過率が高くなり、この状態は、制御光６がなくなると元の透過率の低い状態に戻る。

このようなスイッチング特性を示す好ましい材料として、スクエアリリウム色素Ｊ会合体薄膜が挙がられる（非特許文献１）。この薄膜は、通常の状態では、光透過率がほぼ零の低い状態にあり、励起光によって、急激に透過率がほぼ１の完全透過状態に変化する。励起光がなくなると、直ぐに元の不透過状態に戻る。

このように、マスク用コア３を伝播する制御光６によって、感光膜９の透過率が変化して光透過状態となり、導波路上の制御光６の存在する領域の画素７がその瞬間にオン状態となる。その結果、散乱用コア２において発生している表示光５の散乱成分は、制御光５によりオン状態にされた画素７を通じて選択的に導波路外部に放射されることになる。なお、各画素間には、散乱光を遮断するガード部８を設け、画素間の光学的な分離性を高めている。

制御光６を構成する１つのパルスによって隣接する画素を連続的にオン状態にすることができる。散乱によってディスプレイ上に表示される表示光５を画素のピッチ幅と同程度の連続するパルス列とすると、この制御光パルスによる画素のオン状態に応じて、表示光をディスプレイ上に連続的に発光させることができる。また、表示光５および制御光６のそれぞれのパルスの入射タイミングおよびパルス幅、表示光５のパルス強度などを調整することにより、発光させる画素の位置、サイズ、タイミング、および発光強度を調整することが可能となる。以下、さらに詳細な原理について説明する。

非特許文献１では、超高速光スイッチを実現する材料としてスクエアリリウム色素Ｊ会合体薄膜が面型スイッチ機能素子として紹介されている。色素Ｊ会合体は、一般に、光に対して高速に応答する材料として知られている。本文献では、制御光によるスイッチング速度は、１００ｆｓ程度と極めて高速な応答が確認されており、光の透過率もほぼ０と１の間で変化している。本発明への適用には、後述するように、１０ｐｓ程度の反応速度でも十分な画素サイズが期待できる。

図２は、光導波路の伝播特性を説明するための図である。図２（ａ）は、比較のために光伝送等に用いられる通常の光導波路の場合であり、図２（ｂ）は、本発明に係る導波路に用いられる散乱用コアの特性である。通常の伝送用の光導波路では、光損失は長手方向にわたって均一である。この場合、表示光の強度は、次式で表されるように伝播に伴って一定の減衰を受ける。
Ｉ(z)＝I_s0exp(-αz) （式１）

ここで、ｚは導波路の長手方向の伝播距離、Ｉ(z)は伝播距離ｚにおける表示光の強度、I_s0は伝播距離ｚが零の時の表示光の初期強度、αは導波路の光散乱係数である。αはこの場合は定数となる。散乱を表示光の主たる損失の要因とすると、光導波路の単位長あたりの散乱光の強度は、次式で近似することができる。
｜∂Ｉ／∂z｜＝αI_s0exp(-αz) （式２）

式２から、散乱光の強度は、表示光の強度に比例し、長手方向の伝播距離と共に減衰することが分かる。

図２（ｂ）は、本発明の一実施例において使用される光導波路の場合であり、表示光パルスの散乱光の強度と導波路上の伝播距離の特性である。本発明に係る実施例では、散乱用コア２の光散乱係数に、伝播距離ｚに応じて増加する距離依存性γ(z)を持たせる。本実施例に係る距離依存性γ(z)は、散乱用コア２を通過後の表示光パルス列の光強度が零になる程度とする。この場合の表示光強度は、次式で表される。
Ｉ(z)＝I_s0exp(-γ(z)) （式３）

ここで、光導波路の単位長あたりの散乱光強度｜∂Ｉ／∂z｜を一定値にするγ(z)を求めると、ａ、ｂを定数として、次式で与えられる。
γ(z)＝ｌn(-ａz)＋ｂ （式４）

散乱用コア２の散乱係数を（式４）にしたがって設定することにより、光導波路１の長手方向に沿って表示光５の散乱光の強度が一定となる。すなわち、一定強度の表示光パルスの入射に対して、画素全体にわたっての発光強度を均一化することが可能となる。

図３は、光導波路１における表示光５および制御光６、ならびに制御光６によってオン状態にされ、散乱光によって発光する画素７の時刻上の対応関係を模式的に示した図である。時刻ｔ＝ｔ_nの時、制御光６と表示光５の１つ目のパルスが重なっており、画素ｎの位置において表示光５の散乱光が画素から放射される。図中では、制御光６によってオン状態にされた画素を白抜きで示している。この時、他の位置の画素については制御光６が存在しないため、散乱光は感光膜で遮断され画素まで到達しない。説明を簡単にするために、表示光５と制御光６のパルス幅を等しくΔτとし、画素の幅ｄはパルス幅の相関長として近似すると、次式のようになる。
ｄ≒ｃΔτ／（２ｎ_ｉ） （式５）

ここで、ｃは光速であり、ｎ_ｉは屈折率である。一例として、Δτが１０ｐｓの場合、ｎ_ｉを１．５とするとｄは約１ｍｍとなり、画素の空間分解能として１ｍｍ程度が実現できることがわかる。ちなみに、ガード部８は通常ｄより十分小さく設定される。表示光５を導波路上の画素数と同数のパルス列とすると、時刻ｔ＝ｔ_ｎ＋1において、表示光５と制御光６は重なる領域が画素ｎ＋１に移り、その位置において散乱光が再び外部へ放射される。表示光５のパルス列の間隔τ_ｓを画素間隔Ｄの２倍に設定することで、制御光６の単一のパルスによって隣接する画素を連続的に発光させることができることがわかる。

図４は、画素からの発光強度を高めるために表示光５と制御光６を一定期間繰り返して光導波路１に入射させる方法を説明する図である。図４（ａ）は、２つのパルスが時刻の変化（縦軸方向）に伴い光導波路中を伝播するタイミングチャートである。ここで、Ｔ_scanは光導波路全長の伝播にかかる時間、Ｔ_guardは隣接するＴ_scanの間のガード期間であり、通常Ｔ_guard＜＜Ｔ_scanに設定する。

図３に示したように、画素上に表示光５および制御光６が同時に存在するときに散乱光は導波路外部へ放射されるが、画素７のサイズが小さい場合には、外部に放射される散乱光成分が小さくなる。この場合、同じ表示光５および制御光６を用いて、各画素を繰り返し発光させることが有効である。

図４（ｂ）は、同一の表示光５と制御光６をＴ_frameの期間中、光導波路に繰り返し入射させた場合のタイミングチャートである。これによって、１回のみの発光に比べてＴ_frame／Ｔ_scan倍だけ散乱光強度の総和が増大する。以下に、具体例を示す。

通常、ＴＶなどのＣＲＴでは映像１画面のフレーム長が２０ｍｓ程度（５０Ｈｚの繰り返しに相当）で構成されているため、Ｔ_frameを２０ｍｓとする。また、画素の幅ｄ＝１ｍｍとして全画素数を１×１０^６とした場合、１画面のフレーム長に相当する導波路の伝播距離の全長ｚ_０は約１０００ｍとなる。ここで、この場合の繰り返し数を求めると、次式のようになる。
Ｔ_frame／Ｔ_scan＝Ｔ_frameｃ／ｎ_ｉｚ₀＝４０００ （式６）

この条件では、繰り返しにより４０００倍程度の散乱光強度の改善が見込まれることになる。

図５は、本発明に係る平面型ディスプレイを構成した場合の信号処理機能の構成例である。前述の光導波路１は、平板や角柱などの構造体に巻きつけて立体的にディスプレイを構成することもできるし、あるいは平面または曲面上で折り返して並べることで平面的にディスプレイを構成することもできる。図５では、本発明に係る実施例として、平面形状のディスプレイ部１０と、光ファイバ１２を介してディスプレイ部１０に接続されている信号処理部１１と、ディスプレイ信号の校正を行うための光検出器１３とで構成されている。

ディスプレイに表示する映像信号は、まず信号処理部１１のビデオ信号処理部１４に入り、映像信号の輝度及び色情報が時系列のビット列に変換されて、デジタル信号処理部１５に送られる。ここでビット列信号には表示光５のパルス列を形成するためのタイミングと強度の調整が行われ、さらにディスプレイの１画面を構成する全画素分を１つのフレーム単位としてビット列を配置構成する。この時、映像信号がカラーの場合は３原色等の成分ごとに色差情報に基づいて強度が変調された３通りのビット列が生成される。また、表示光５のビット列に対して、タイミングおよび強度が調整された制御光６のためのビット列も生成される。

続いて、表示光５のためのビット列信号は、表示光パルス発生部１６に送られＥ／Ｏ変換を経て光ファイバ１２へ入射される。カラー表示の場合には、３原色成分に分かれたビット列に対して、３原色に応じたＬＤなどの光源を用いてそれぞれＥ／Ｏ変換を行った後、光合分波器により合波して光ファイバ１２へ入射することになる。ちなみに、３原色の光源に代えて、プロジェクタなどで用いられる白色光からカラーフィルタなどを通した光を用いることも可能である。同様に、制御光６のためのビット列信号は、制御光パルス発生部１７に送られＥ／Ｏ変換を経て光ファイバ１２へ入射される。

表示光パルス列発生部１６から光ファイバ１２へ入射された表示光５は、ディスプレイ部を伝播し、信号処理部１１の制御光パルス発生部１７に戻ってくる。同様に、制御光パルス発生部１７から光ファイバ１２へ入射された制御光６は、ディスプレイ部１０を伝播し、信号処理部１１の表示光パルス列発生部１６に戻ってくる。そのため、これら信号処理部１１に戻ってくる光を遮断するために、制御光パルス発生部１７の側には表示光５の波長を遮断するフィルタ１８、表示光パルス発生部１６の側には制御光６の波長を遮断するフィルタ１９がそれぞれ挿入されている。

また、ディスプレイ表示の校正を行うために光検出器１３をディスプレイ部に設け、画素７からの放射光を受光し、モニタ部２０にて本来の設計値からの位置や強度のずれを検出することによって、パルスの出力タイミングや強度などの信号特性を調整することができる。

上記構成および動作原理に従って、映像の１画面を構成するフレームを時系列上で更新することにより動画像を表示することができる。ディスプレイ部１０と信号処理部１１を光ファイバ１２で結線する形態により、表示機能と信号処理機能を分離することができ、ディスプレイの設置場所および形状などの自由度も向上される。

図６に、光導波路の他の実施形態に係る断面図を示す。図６（ａ）は、２重のコアを有する光ファイバ構造の光導波路である。また、図６（ｂ）は、２つのコアを有する楕円形状の光ファイバ構造の光導波路である。それぞれの散乱用コアにおいて発生した散乱光は、ジャケット部分の反射層２２（例えば、全反射層）により内部反射される。ちなみに、ジャケット部分の反射層２２は、金属膜などのコーティングにより形成することができる。ここで、制御光６によってマスク用コア３が透明化されると、散乱用コアからの散乱光は、内部反射された光を含め、ジャケットの反射層２２をもたない透明層２１から外部へ放射される。このように、内部反射による散乱光成分を利用することで画素部分における発光効率を改善することができる。

本発明によるディスプレイ方法の原理を説明するための光導波路の構造図である。 本発明による光導波路の伝播特性を説明するための図であり、（ａ）は通常の光導波路の伝播特性、（ｂ）は本発明に適した光導波路の伝播特性を示している。 本発明による表示光と制御光の時系列上の対応関係を示す図である。 本発明による表示光と制御光の繰り返し動作を示すタイミングチャートである。 本発明による平面型ディスプレイ装置の例示的な構成を示す図である。 本発明による光導波路の例示的な構成を示す断面図であり、（ａ）は同心円コア型の光ファイバ構造の光導波路の一例であり、（ｂ）は、楕円形状の２コア型の光ファイバ構造の光導波路の一例である。

符号の説明

１ 光導波路
２ 散乱用コア
３ マスク用コア
４ クラッド
５ 表示光
６ 制御光
７ 画素
８ ガード部
９ 感光膜
１０ ディスプレイ部
１１ 信号処理部
１２ 光ファイバ
１３ 光検出器
１４ ビデオ信号処理部
１５ デジタル信号処理部
１６ 表示光パルス列発生部
１７ 制御光パルス発生部
１８、１９ 遮断フィルタ
２０ モニタ部
２１ 透明層
２２ 反射層

Claims (14)

1. 入射された表示光を散乱しつつ伝播する散乱用コアと、
   制御光を伝播し、前記制御光の存在する領域の光透過率が変化するマスク用コアと
   を備え、
   前記マスク用コアによって、前記散乱用コアから外部へ散乱する前記表示光の放射量を制御することを特徴とする光導波路。
2. クラッドをさらに備え、前記散乱用コアおよび前記マスク用コアは、前記クラッドの中に埋め込まれたことを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
3. 前記散乱用コアから散乱する表示光を特定の方向へ導く反射膜をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路。
4. 前記マスク用コアは、前記散乱用コア上に積層されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光導波路。
5. 前記散乱用コアおよび前記マスク用コアの断面は、前記散乱用コアを内円とする同心円状に構成された光ファイバ構造を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光導波路。
6. 前記散乱用コアおよび前記マスク用コアは、離間して並置された光ファイバ構造を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光導波路。
7. 前記散乱用コアは、前記表示光の伝播方向に向かって散乱係数が増大することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光導波路。
8. 前記マスク用コアは、スクエアリリウム色素Ｊ会合体を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光導波路。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の光導波路からなるディスプレイ部と、
   映像信号をデジタル信号に変換する信号処理部と、
   前記変換されたデジタル信号に基づいて前記表示光を発生する表示光発生部と、
   前記変換されたデジタル信号に基づいて前記制御光を発生する制御光発生部と、
   前記ディスプレイ部を前記表示光発生部および前記制御光発生部にそれぞれ接続した光ファイバと
   を備えたことを特徴とするディスプレイ装置。
10. 前記ディスプレイ部は、
    複数の画素と、
    隣接する前記画素の間に設けられた不透過層と
    を含むことを特徴とする請求項９に記載のディスプレイ装置。
11. 前記ディスプレイ部は、光検出器を備え、前記表示光発生部は、前記光検出器からの信号に基づいて、前記表示光の強度またはタイミングを調整することを特徴とする請求項９または１０に記載のディスプレイ装置。
12. 前記ディスプレイ部は、光検出器を備え、前記制御光発生部は、前記光検出器からの信号に基づいて、前記制御光の強度またはタイミングを調整することを特徴とする請求項９または１０に記載のディスプレイ装置。
13. 請求項９から１２のいずれか１項に記載のディスプレイ装置におけるディスプレイ方法であって、
    前記光導波路の一方の端部から前記散乱用コアに前記表示光を入射するステップと、
    前記光導波路の他方の端部から前記マスク用コアに前記制御光を入射するステップと
    を備え、
    前記制御光の伝播に応じて、前記表示光が前記ディスプレイ部から放射されることを特徴とするディスプレイ方法。
14. 前記ディスプレイ部から放射される光量を実質的に増大させるために、前記表示光を入射するステップおよび前記制御光を入射するステップを複数回繰り返すことを特徴とする請求項１３に記載のディスプレイ方法。
    

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