JP2006343691A - 光学デバイス及びこれを用いた投射表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 シェーディングの発生、及びレジストレーションの変化を低減し、高画質を得ることができる光学デバイス及びこれを用いた投射表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 アルミベース１の上に、ガラス板２ａを積層し、アルミベース１と接触することなく偏光ビームスプリッタ１０５を配置する。また、偏光ビームスプリッタ１０は、ガラス板２ａの上に更にガラス板２ｂを積層して偏光ビームスプリッタ１０５と光軸が同一になるよう配置する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、反射型空間光変調素子及び反射型空間光変調素子の周辺光学部材が一体となった光学デバイス及びこれを用いた投射表示装置に関する。

カラー投射表示装置は、白色光源から３原色光に係るＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の色光を分解して対応色の空間光変調素子に導き、当該空間光変調素子で映像信号に応じて光変調された色光を合成して投射し、スクリーン上にカラー映像を表示させるものである。

上述のカラー投射表示装置において、反射型の空間光変調素子を用いる投射表示装置では、分解した色光を反射型の空間光変調素子に入射させて光変調させ、その変調された色光を合成するために複数の偏光ビームスプリッタを組み合わせてなる光学系を有している。

この反射型の空間光変調素子を用いる投射表示装置では、偏光ビームスプリッタ、あるいはその他の光学部品等における光路中の複屈折により、シェーディング（色むら）が発生するという課題が存在する。すなわち、光源からの光が偏光ビームスプリッタを構成するガラスに照射されることによりガラスが温度上昇し、それによる歪みが光学的異方性を発生させて複屈折が生じることによるものである。その課題を解決するために、光弾性係数の小さなガラスを偏光ビームスプリッタに使用するということが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、反射型の空間光変調素子を用いる投射表示装置において、高コントラストを実現するためには一つの空間光変調素子に対して、通常２つ以上の偏光ビームスプリッタを作用させるために、これが反射型の投射表示装置の光学構成を複雑にしていた。そこで、２枚のセラミックスベースの間に４個の偏光ビームスプリッタを至近距離に配置して接着固定を行い光学系を構成することにより、１つの反射型空間光変調素子に対して３個の偏光ビームスプリッタを作用させていながら、比較的簡易な光学構成とすることができ、高コントラストな投射表示装置が実現できるものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開平９−０５４２１３号公報 特開２００４−０７０２０２公報

ところで、特許文献１の提案においては、光弾性係数の小さなガラスを偏光ビームスプリッタに使用するということが開示されている。具体的には、波長０．４μｍ〜０．７μｍの入射光に対し、その光弾性定数の絶対値が１．５×１０-8ｃｍ²／Ｎ以下の透光性材料からなる部材から構成するというものである。しかしながら、これらの構成でも、その光弾性係数が０ではないため、シェーディングが発生するという課題が残在する。

また、特許文献２の提案においては、４個の偏光ビームスプリッタ等の光学部材をセラミックベースに挟み込む構造をとっている。従って、偏光ビームスプリッタとセラミックベースの熱膨張係数を極力近似した値として構成したとしても、挟み込む構造のために、応力が発生しやすく、シェーディングが残存するという問題があった。
さらに、反射型空間光変調素子を保持する板金部材は鉄とステンレスの構成であったため、光源からの長時間の照射による温度変化にさらされると歪みを生じ、レジストレーションが変化するという問題があった。

本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、シェーディングの発生、及びレジストレーションの変化を低減し、高画質を得ることができる光学デバイス及びこれを用いた投射表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の１）〜３）に記載の手段よりなる。
すなわち、
１）少なくとも反射型空間光変調素子と、光軸に対して直交する高さが異なる２つの三角柱形状のプリズムを偏光分離薄膜面を介して互いに接着した複数の偏光ビームスプリッタと、からなる光学デバイスであって、
第１の偏光ビームスプリッタを前記プリズムの一方の三角面側を底面としてガラスベース上に固定すると共に、
前記第１の偏光ビームスプリッタよりも高さが小である第２の偏光ビームスプリッタを、前記第１の偏光ビームスプリッタの高さ方向との中心が略一致するように、前記プリズムの一方の三角面を底面として、その底面の一部を残して前記ガラスベース上にガラススペーサを介して、光軸方向に隣接して固定配置するようにしたこと特徴とする光学デバイス。
２）１）記載の光学デバイスにおいて、
前記第２の偏光ビームスプリッタの片方のプリズムの上面に第１の支持部材を固定し、その下面側の前記一部を残した三角面に第２の支持部材を固定し、前記反射型空間光変調素子に第３の支持部材を固定すると共に、
前記第２の支持部材と前記第３の支持部材とを固定し、前記第１の支持部材と前記第３の支持部材との間に第４の支持部材を介して固定した構成であり、
前記第４の支持部材の熱膨張係数は前記第３の支持部材の熱膨張係数より大なることを特徴とする光学デバイス。
３）１）、または、２）に記載の光学デバイスを色分解合成光学系に用いたことを特徴とする投射表示装置。

本発明の光学デバイス及びこれを用いた投射表示装置によれば、光軸に直交する断面の高さが異なる複数の偏光ビームスプリッタを、その断面の高さが大きい偏光ビームスプリッタをガラスベースの上に、小さな偏光ビームスプリッタは、前記ガラスベースに同一材質のガラス板を積層し、光軸を設計上必要な位置に合致させ配置することにより、金属ベース直接各偏光ビームスプリッタを設置しないでガラスベース、ガラス板を介していることで、熱的に金属ベースと遮断する効果を得ている。
すなわち、各偏光ビームスプリッタを全て、ガラス材料の上に固定することで、応力を極力低減させている。これによりシェーディングが低減されるという効果を奏するものである。
また、光学部品の固定部材の線膨張係数を合わせることにより環境の温度が変化した際の熱膨張差が減少し、その結果歪みが減少するので、レジストレーションが安定するという効果を奏するものである。

以下、本発明に係る光学デバイス及びこれを用いた投射表示装置の発明を実施するための最良の形態につき、好ましい実施例により説明する。

図１は、本実施例に適用される光学デバイスの概略構成図を示したものである。光学デバイス３０は、２個の直角三角柱を偏光分離面を介して張り合わせた形状の立方体または角柱状の偏光分離素子として作用する第１，第２，第３の偏光ビームスプリッタ１０２，１０３，１０４、偏光合成素子として作用する第４の偏光ビームスプリッタ１０５を、その偏光分離面１２１，１３１，１４１，１５１が全体として略Ｘ字状の如くに配置したものである。さらに図示しないが、第１の偏光ビームスプリッタ１０２の入射側の透光面（第１の偏光ビームスプリッタの上側面）には、Ｒ光とＧ光との偏波面を９０度回転する機能を有する第１のカラー偏光子を、第１と第２の偏光ビームスプリッタ１０２，１０３間には、Ｇ光の偏波面を９０°回転する機能を有する第２のカラー偏光子を備えている。また、第２と第４の偏光ビームスプリッタ１０３，１０５間には、Ｒ光の偏波面を９０°回転する機能を有する第３のカラー偏光子、第３と第４の偏光ビームスプリッタ１０４，１０５間には、Ｂ光の偏波面を９０°回転させる機能を有する第４のカラー偏光子を備えている。

本実施例に適用される光学デバイス３０は次のように動作する。図２を用いて説明するが、説明をわかりやすくするため主要光学部品を抜粋している。
それぞれ図示しない光源から発した不定偏光の白色光はインテグレータ光学系に入射する。そして、白色光が均一化されるとともにＳ偏光にそろえられ第１のカラー偏光子に入射する。第１のカラー偏光子はＲ光とＧ光との偏波面を９０°回転させる波長選択性偏光変換手段であるため、第１のカラー偏光子を透過するＲ光とＧ光とに係るＳ偏光はＰ偏光に変換される。また、第１のカラー偏光子は、Ｂ光に対しては何ら作用しないため、それらはＳ偏光のままである。
以後、それぞれの色光について個別にその光路及び偏波面の変移について説明する。

先ず、第１のカラー偏光子を透過したＰ偏光のＧ光は、第１の偏光ビームスプリッタ１０２の偏光分離面１２１を透過直進して、第２のカラー偏光子（不図示）に入射する。第２のカラー偏光子はＧ光の偏波面を９０°回転させる波長選択性偏光変換手段であるため、第２のカラー偏光子を透過するＧ光に係るＰ偏光はＳ偏光に変換される。第２のカラー偏光子を透過したＳ偏光のＧ光は、第２の偏光ビームスプリッタ１０３に入射され、第２の偏光ビームスプリッタ１０３の偏光分離面１３１において反射され透光面１０３ａより出射し、Ｇ対応の反射型空間光変調素子１６１に入射する。そして、当該反射型空間光変調素子１６１においてＧ対応の映像信号に応じた光変調を受けて反射される。

光変調されて生成したＧ光のＰ偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ１０３の偏光分離面１３１を透過直進して、第３のカラー偏光子（不図示）に入射する。第３のカラー偏光子は、Ｒ光の偏波面を９０°回転させる波長選択性偏光変換手段であるため、Ｇ光に対しては何ら作用せずＧ光のＰ偏光成分はＰ偏光のまま透過直進して、第４の偏光ビームスプリッタ１０５に入射する。そして、第４の偏光ビームスプリッタ１０５の偏光分離面１５１を透過直進して、第４の偏光ビームスプリッタ１０５の透光面１０５ｃより出射する。

次に、Ｒ光について説明する。第１のカラー偏光子を透過したＰ偏光のＲ光は、第１の偏光ビームスプリッタ１０２の偏光分離面１２１を透過直進して、第２のカラー偏光子に入射する。第２のカラー偏光子はＧ光の偏波面を９０°回転させる波長選択性偏光変換手段であるため、Ｒ光に対しては何ら作用せず、Ｒ光はＰ偏光のまま第２の偏光ビームスプリッタ１０３に入射される。第２の偏光ビームスプリッタ１０３に入射されたＰ偏光のＲ光は、第２の偏光ビームスプリッタ１０３の偏光分離面１３１を透過直進して透光面１０３ｂより出射してＲ対応の反射型空間光変調素子１６２に入射する。そして、当該反射型空間光変調素子１６２においてＲ対応の映像信号に応じた光変調を受けて反射される。

光変調されて生成したＲ光のＳ偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ１０３の偏光分離面１３１で反射され、第３のカラー偏光子に入射する。当該カラー偏光子は、Ｒ光の偏波面を９０°回転させる波長選択性偏光変換手段であるため、Ｒ光のＳ偏光成分はＰ偏光に偏光変換されて第４の偏光ビームスプリッタ１０５に入射する。そして、第４の偏光ビームスプリッタ１０５の偏光分離面１５１を透過直進して、第４の偏光ビームスプリッタ１０５の透光面１０５ｃより出射する。

次に、Ｂ光について説明する。第１のカラー偏光子は、Ｂ光に対しては何ら作用しないため、Ｂ光はＳ偏光のままであるので、Ｓ偏光のＢ光は、第１の偏光ビームスプリッタ１０２の偏光分離面１２１で反射され、第３の偏光ビームスプリッタ１０４に入射する。

Ｓ偏光のＢ光は第３の偏光ビームスプリッタ１０４の偏光分離面１４１で反射され透光面１０４ｄより出射し、Ｂ対応の反射型空間光変調素子１６３に入射する。そして、当該反射型空間光変調素子１６２においてＢ対応の映像信号に応じた光変調を受けて反射される。

光変調されて生成したＢ光のＰ偏光成分は、第３の偏光ビームスプリッタ１０４の偏光分離面１４１を透過直進し第４のカラー偏光子に入射する。当該カラー偏光子は、前述したようにＢ光の偏波面を９０°回転させる波長選択性偏光変換手段であるためＢ光のＰ偏光成分はＳ偏光に偏光変換されて第４の偏光ビームスプリッタ１０５に入射する。そして、第４の偏光ビームスプリッタ１０５の偏光分離面１５１で反射され、第４の偏光ビームスプリッタ１０５の透光面１０５ｃを透過し投射レンズ１３０より出射する。

図３を用いて、光学デバイス３０の構成を詳細に説明する。説明のため、第１の偏光ビームスプリッタ１０２、第４の偏光ビームスプリッタ１０５、Ｇ対応の反射型空間光変調素子１６１の部分に着目したものである。同図に示すように、アルミベース１の上に、ガラス板２ａを積層し、その上にガラス製の第１の偏光ビームスプリッタ１０２、第４の偏光ビームスプリッタ１０５を配置する。ガラス板には青板ソーダガラスを使用している。

表１は、各種材料の熱伝導率（単位：ｗ／ｍＫ）を示すものである。アルミは、熱伝導率が高いため、直接接していると熱伝導によりアルミ側のガラスが冷却され、各偏光ビームスプリッタが上下非対称に冷却される。そのために、複屈折が発生しやくなる。従って、上述した理由により、シェーディングの問題が発生する。そこで、熱伝導率が低く、かつ後述するように、各偏光ビームスプリッタのガラスと同じ熱膨張率となるガラスを各偏光ビームスプリッタとアルミベース１の間に挟む構造とする。

光学ガラスの熱伝導率は、0.546〜1.126（ｗ／ｍＫ）の範囲である。光学ガラスは、アルミ等の金属に比べて約２００分の１の熱伝導であり、アルミナ、窒化ケイ素、ＡＬＮ等のセラミックと比較しても最も熱伝導は小さいことがわかる。

また、４つの偏光ビームスプリッタは、その寸法を異ならせている。具体的には、照明エリアの大きい光路には大きな偏光ビームスプリッタ１０２，１０５を、照明エリアの小さな光路には小さな偏光ビームスプリッタ１０３，１０４を用いる。これは、光源からの照明光は反射型空間光変調素子の有効画素エリアに向かって収束され、その変調された変調光はコーンアングルを有しているため、投射レンズに向かって拡散していくからである。すなわち、反射型空間光変調素子が取り付けられている偏光ビームスプリッタ１０３，１０４においては、およそ反射型空間光変調素子の有効画素エリア分のサイズがあればよく、これに対して、光源側、あるいは投射レンズ側に設置される偏光ビームスプリッタ１０２，１０５ではそれより大なるサイズが必要となる。

このとき、大きな方のサイズに統一させると、大きい偏光ビームスプリッタに小さい照明エリアの光が照射された場合、ガラスの中で光が照射される場所と照射されない場所が出来、不均一に温度上昇し、複屈折が発生しやすいため光路に応じた大きさとしている。

そして、小さな偏光ビームスプリッタ１０３，１０４は、上記のガラス板２ａの上に同一材質のガラス板２ｂを積層し、光軸を合致させ配置する。アルミベース１の上に直接各偏光ビームスプリッタを設置しないでガラス板２ａ，２ｂを介していることで、熱的にアルミベース１と遮断する効果を得る。

また、各偏光ビームスプリッタを全て、ガラス板の上に固定することで、応力を極力低減させている。ガラス板２ａ，２ｂは青板ソーダガラスを用いている。後述するように、光学ガラスのガラス板２ａ，２ｂの熱膨張係数とそれぞれ偏光ビームスプリッタのガラスの熱膨張は殆ど等しい値であり、応力が極力低減される。

偏光ビームスプリッタ１０３の上下面には、それぞれＬ型のレジベース４ａ，４ｂが接着されている。下側のレジベース４ｂの下部には２本のガイドピン４ｂ１が設けられている。上側レジベース４ａには真鍮製の部材で形成されたフォーカスアジャスタ５がネジ留めされる。フォーカスアジャスタ５には、ガイドピン６１を受けるために２箇所個のピン孔が空いている。

ここで、レジベース４ａ，４ｂは、偏光ビームスプリッタ１０３を構成する２個の直角三角柱ガラスの片側の直角三角柱１０３０のみに固定する。２個の直角三角柱ガラス１０３０，１０３１にまたがって固定すると、２個の直角三角柱ガラスの加熱状況の違いにより、２個の直角三角柱ガラス１０３０，１０３１が異なる膨張をしているために、歪みが多くなるからである。
すなわち、偏光ビームスプリッタ１０３はその偏光分離面１３１によって光を選択反射をしている結果、２個の直角三角柱ガラス１０３０，１０３１を通過する光量がそれぞれ異なるからである。

反射型空間光変調素子１６１は、反射型液晶素子１３、アパーチャアセンブリ１１、アパーチャパッキン１２、波長板ホルダ９、トップパッキン８、トッププレート７により組み立てられている。アパーチャアセンブリ１１は、反射型液晶の画素に対応する所のみに光を照射するための開口である。アパーチャパッキン１２は塵等の侵入を防ぐものである。波長板ホルダは波長板１０を保持するものである。トップパッキン８は、じゃばら状になっている面側が偏光ビームスプリッタ１０３に接しており、反射型液晶素子１３の周りを密封して、塵の侵入を防止するために設けられている。トッププレート７は、これらのアセンブリを保持するためのものである。

反射型空間光変調素子１６１は、レジストレーション・フォーカス調整システムを用いて画像を投映しながら、画面のフォーカス及びレジストレーションを調整する。
フォーカスの設定は、レジプレート６の上側に立ててある２カ所のガイドピン６１および、下側のレジベース４ｂに立てられている２カ所のガイドピン４ｂ１をそれぞれ、フォーカスアジャスタ５の２つのピン孔および、レジプレート６下部の２つのピン孔に貫通させ、フォーカスが合った状態で、ピン孔に接着剤を注入し、スタッドとピン孔を接着固定する。

レジストレーションの設定は次のように行う。まず、トッププレート７をレジプレート６といざりさせ（摺動させて位置をずらすこと）て、３色のレジストレーションが合致した状態にする。その状態に保持したま、レジプレート上側孔とトッププレート下側孔に接着剤を注入して、トッププレート７とレジプレート６を固定する。

フォーカスアジャスタ５は、上下の各２本のガイドピン６１，４ｂ１間の取り付けピッチのバラツキを調整するために設けている。

次に、従来は素子を保持する板金部材は鉄とステンレスの構成であった。すなわち、レジベース４ａ，４ｂは鉄製であり、レジプレート６、トッププレート７、アパーチャアセンブリ１１の部材は反射型液晶素子１３の近傍に配置されるため、防錆性能や加工精度の点からＳＵＳ（ステンレス）が使用されていた。

表２は、各種材料の熱膨張係数を比較したものである。各種光学ガラスは、その組成によらず熱膨張係数はほぼ等しい。しかしながら、ガラス材料に比べて、金属材料の熱膨張係数は大きく、また、金属種類によってもその値は異なることがわかる。
それら、従来の構造とその材質では、熱膨張係数に関して、以下に示す不具合が存在していたことが明らかになった。（以下の議論において、熱膨張係数は（＊１０-6／Ｋ）を単位とする。）

図３において、偏光ビームスプリッタ１０３とそれに取りつけた上下のレジベース４ａ，４ｂおよび、フォーカスアジャスタ５の熱膨張係数に着目すると、偏光ビームスプリッタ１０３のガラス、青板フロートガラス２ａ，２ｂの熱膨張係数はともにほぼ等しく約8.1である。また、レジベース４ａ，４ｂの熱膨張係数は、12.1である。

一方、それらに対向して、反射型液晶素子１３を取りつけるために設けられるレジプレート６、トッププレート７やアパーチャアセンブリ１１の部材の熱膨張係数は、17.3である。
すなわち、偏光ビームスプリッタ側に存在する部材（ガラス、鉄）の熱膨張係数の平均は、「8.1と12.1の間の値」であるのに対し、反射型液晶素子１３側に存在するレジプレート６、トッププレート７やアパーチャアセンブリ１１の部材の熱膨張係数は17.3である。両者の間には、およそ、７程度の熱膨張係数の差が存在する。

よって、偏光ビームスプリッタ１０３側の熱膨張率がレジプレート６側の熱膨張係数に比べて、小さく、その結果として、長時間の温度変化にさらされると歪みを生じ、レジストレーションが変化する問題が明らかになった。
すなわち、そのような状態では、画面のフォーカス及びレジストレーションを調整して３色の画面のレジストレーションが一致している状態のあとで、温度変化が生じた場合に、レジずれ（３色のレジストレーションがずれる現象）が発生する。例えば、温度が上昇すると、偏光ビームスプリッタ１０３側に比べて、反射型液晶素子１３側のレジプレート６が膨張する。逆に温度が低下すると、反射型液晶素子１３側のレジプレート６が相対的に収縮する。そういった熱ストレスが蓄積されていくうちに、偏光ビームスプリッタ１０３に対しての反射型液晶素子１３の位置が微妙にずれてくる場合がある。そのずれは、３色の光に対応する各偏光ビームスプリッタにおいてずれの方向が一致しない場合、レジずれの現象となる。

そこで、本実施例は、構造上の線膨張係数を合わせることにより、歪みを緩和させレジストレーションの安定を図るようにした。この目的を達成するための手段として、フォーカス・アジャスタ５を鉄材質から真鍮に換えるものである。

本実施例に適用される真鍮の熱膨張は20である。その結果、偏光ビームスプリッタ１０３側に存在する部材（ガラス、鉄、真鍮）の熱膨張係数の平均は、「8.1と12.1の間の値」であったものが、反射型液晶素子１３側のレジプレート６等の熱膨張係数17.1に近づく。それによって、環境の温度が変化した際の熱膨張差が減少することにより、歪みが減少し、結果としてレジずれが低減する。

実験では、「−２０度→７０度ヒートサイクル」１０回後のレジストレーションずれは、従来最大０．５画素であったものが今回の実施例では最大０．３画素に低減した。

上述のように、フォーカスアジャスタを真鍮部材にすることにより線膨張の均一化を達成し、歪みを緩和させレジストレーションの安定化という効果を得ることができた。

図５を用いて、本実施例に適用される投射表示装置の概略構成図を説明する。投射表示装置５０は、外装キャビネット５３内に光学デバイス３０、ミラー５１、スクリーン５２を設置している。光学デバイス３０の第４の偏光ビームスプリッタ１０５の透光面１０５ｃより出射したＲ光、Ｇ光、Ｂ光は、投射レンズ１３０を透過し、ミラー５１で反射されスクリーン５２にカラー映像を拡大表示する。

本実施例に適用される光学デバイスの概略構成図を示したものである。 本実施例に適用される光学デバイスの主要概略構成図を示したものである。 本実施例に適用される光学デバイスを説明するための概略組み立て図を示したものである。 本実施例に適用される光学デバイスを説明するための概略図を示したものである。 本実施例に適用される投射表示装置の概略構成図を示したものである。

符号の説明

３０…光学デバイス
１…アルミベース
５…フォーカスアジャスタ
６…レジプレート
７…トッププレート
１１…アパーチャアセンブリ
１３…反射型液晶素子
１６１，１６２，１６３…反射型空間光変調素子
１０２，１０３，１０４，１０５…偏光ビームスプリッタ
１２１，１３１，１４１，１５１…偏光分離面、
１０３０，１０３１…直角三角柱ガラス
５０…投射表示装置
５３…外装キャビネット
５１…ミラー
５２…スクリーン

Claims (3)

1. 少なくとも反射型空間光変調素子と、光軸に対して直交する高さが異なる２つの三角柱形状のプリズムを偏光分離薄膜面を介して互いに接着した複数の偏光ビームスプリッタと、からなる光学デバイスであって、
   第１の偏光ビームスプリッタを前記プリズムの一方の三角面側を底面としてガラスベース上に固定すると共に、
   前記第１の偏光ビームスプリッタよりも高さが小である第２の偏光ビームスプリッタを、前記第１の偏光ビームスプリッタの高さ方向との中心が略一致するように、前記プリズムの一方の三角面を底面として、その底面の一部を残して前記ガラスベース上にガラススペーサを介して、光軸方向に隣接して固定配置するようにしたこと特徴とする光学デバイス。
2. 請求項１記載の光学デバイスにおいて、
   前記第２の偏光ビームスプリッタの片方のプリズムの上面に第１の支持部材を固定し、その下面側の前記一部を残した三角面に第２の支持部材を固定し、前記反射型空間光変調素子に第３の支持部材を固定すると共に、
   前記第２の支持部材と前記第３の支持部材とを固定し、前記第１の支持部材と前記第３の支持部材との間に第４の支持部材を介して固定した構成であり、
   前記第４の支持部材の熱膨張係数は前記第３の支持部材の熱膨張係数より大なることを特徴とする光学デバイス。
3. 請求項１、または、請求項２に記載の光学デバイスを色分解合成光学系に用いたことを特徴とする投射表示装置。
   
   

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