JP2007034103A - 広角レンズおよびカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】４０度〜５０度の半画角領域においても良好な結像性能が得られる構成の広角レンズを提供する。
【解決手段】広角レンズは、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズＬ１、屈折力を持たない光路折り曲げ部材Ｐ１、正の屈折力を有する第２レンズＬ２、光量を調整する絞りＡ１、正の屈折力を有する第３レンズＬ３と負の屈折力を有する第４レンズＬ４とを接合して構成される第１接合レンズ、正の屈折力を有する第５レンズＬ５、光学ローパスフィルタおよび固体撮像素子のフェースプレートとして機能する光学等価部材ＩＦから構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、広角レンズ、およびその広角レンズを備えるカメラに関する。

近年、デジタルカメラの小型化や薄型化への要求が高い。また、デジタルカメラに搭載される撮像光学系についても小型化や薄型化およびコスト削減の要求が高い。これらの要求に対応するため、光学素子の数を削減しつつ、中途で光路を折り曲げるためのプリズム等の光学素子を配置した撮像光学系が実用化されてきている。

また、近年、ＣＣＤ等の固体撮像素子の高画素化に対応するために良好に収差を補正しつつ、製品の付加価値を高めるため、広画角の撮像光学系や小さいＦナンバーでも明るい撮像光学系に対する要望も高い。

特許文献１乃至４には、物体側から順に、負の屈折力を有する負レンズ、プリズム等の光路折り曲げ部材等を配置する撮像光学系が開示されている。

特許文献１や特許文献２には、物体側から順に、全体として負の屈折力を有する第１レンズ群と、全体として正の屈折力を有する第２レンズ群と、全体として正の屈折力を有する第３レンズ群とを備えるズームレンズが開示されている。特許文献１や特許文献２には、第１レンズ群を物体側より順に、負レンズ、光路折り曲げ部材を含む構成として、光学素子の数を少なくし、小型化を図りながら、収差を補正するズームレンズについて開示されている。

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載のズームレンズでは、ズームレンズを構成する都合上、広角側においては、第１レンズ群と絞りとの間隔が遠い。よって、いわゆる超広角化を実現するためには、光路折り曲げ部材や、光路折り曲げ部材より物体側に配置される負レンズを著しく大きくする必要がある。また、特許文献１や特許文献２に開示されたズームレンズの半画角は、３０度〜３２度程度であり、半画角が４０度〜５０度となるような超広角レンズを構成することを考慮していない。よって、特許文献１や特許文献２には、半画角が４０度〜５０度となるような超広角レンズを構成するにあたり問題となる光軸外でのコマ収差などの諸収差を補正するための有効な手段については開示されていない。

また、特許文献３には、物体側から順に負レンズ、光路折り曲げ部材、絞り、正レンズ、正レンズと負レンズとを接合した接合レンズにより構成される固定焦点レンズが開示されている。

しかしながら、特許文献３に開示された固定焦点レンズは、光路折り曲げ部材の射出面の直後に、絞りを配置する構成となっている。そのため、特許文献３に開示された固定焦点レンズを用いて、超広角レンズを構成するには、広画角から入射する光束の収差補正が困難であり、良好な結像性能を得ることが難しい。

さらに、特許文献４には、光路折り曲げ部材として、入射面と反射面の少なくとも一方を曲面により構成することで、小型化を実現する手法について開示されている。

しかしながら、特許文献４に開示された光路折り曲げ部材は、光線通過面や反射面のすべてが平面である通常のプリズムと比較して、光学素子単体の製造が困難である。さらに、このような光学素子を光学系に組み込む際の光軸合わせも著しく困難であるため、高い性能を安定して得ることは製造上難しい。

加えて、特許文献３や特許文献４に記載されたレンズの半画角は、３０度〜３６度程度であり、半画角が４０度〜５０度となるような超広角レンズを構成するにあたり問題となる光軸外でのコマ収差などの諸収差を補正するための有効な手段については開示されていない。

特開２００４−５３９９３号公報 特開２００３−３０２５７５号公報 特開２００３−９８４３０号公報 特開２０００−２９２６９２号公報

本発明は、４０度〜５０度の半画角領域においても良好な結像性能が得られる構成の広角レンズを提供することを目的とする。

本発明に係る広角レンズの１つの態様では、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズであって、少なくとも１面が非球面である第１レンズと、光路を折り曲げる折り曲げ部材と、正の屈折力を有する第２レンズと、光量を調整する絞りと、正の屈折力を有する第３レンズと負の屈折力を有する第４レンズとを接合した第１接合レンズと、正の屈折力を有する第５レンズと、を備え、前記絞りから結像面側に位置するレンズのうち少なくとも１つのレンズの一面が非球面であることを特徴とする。

本発明に係る広角レンズの１つの態様では、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズであって、少なくとも１面が非球面である第１レンズと、光路を折り曲げる折り曲げ部材と、正の屈折力を有する第２レンズと、光量を調整する絞りと、正の屈折力を有する第３レンズと負の屈折力を有する第４レンズとを接合した第１接合レンズと、正の屈折力を有する第５レンズと負の屈折力を有する第６レンズとを接合した第２接合レンズと、を備え、前記絞りから結像面側に位置するレンズのうち少なくとも１つのレンズの一面が非球面であることを特徴とする。

また、好適な態様では、第１レンズの焦点距離をｆ１、広角レンズの全レンズ系の合成焦点距離をｆとする場合、０．９＜｜ｆ１／ｆ｜＜１．６を満足することを特徴とする。

他の好適な態様では、前記折り曲げ部材のｄ線に対する屈折率をｎｄ、前記折り曲げ部材のｄ線に対するアッベ数をνｄとする場合、前記折り曲げ部材は、１．６＜ｎｄ＜１．８５、νｄ＜４０を満足するガラス硝材を用いたプリズムであることを特徴とする。

他の好適な態様では、前記折り曲げ部材の反射面と第２レンズの光軸上間隔ｄ１、第２レンズの光軸上肉厚Ｔ５を屈折率ｎｄ３で除した値ｄ２（＝Ｔ５/ｎｄ３）、第２レンズと絞りの光軸上間隔ｄ３の総和をｄ（＝ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）とし、前記広角レンズの全レンズ系の合成焦点距離をｆとする場合、１．７＜｜ｄ／ｆ｜＜２．２を満足することを特徴とする。

他の好適な態様では、前記絞りより結像面側に位置する非球面の１つは、最も結像面側の最終レンズに配置し、光軸上から周辺に向かって次第に正の屈折力が弱まる形状または負の屈折力が強まる形状であることを特徴とする。

他の好適な態様では、広角レンズを構成する最も結像面側に配置される最終レンズは、樹脂レンズにより構成されることを特徴とする。

本発明によれば、４０度〜５０度の半画角領域においても良好な結像性能が得られる構成の広角レンズを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態とする）について、図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態に係る広角レンズの光軸断面を示す。本実施形態に係る広角レンズは、図１に示すように、物体側（被写体側）から第１レンズＬ１、光路折り曲げ部材Ｐ１、第２レンズＬ２、絞りＡ１、第１接合レンズＵ１、第５レンズＬ５、光学等価部材ＩＦの順に各光学素子が配置される。第１レンズＬ１は、負の屈折力を有するレンズである。光路折り曲げ部材Ｐ１は、光軸上の光路を略９０度に折り曲げる屈折力を持たない光学等価部材である。第２レンズＬ２は、正の屈折力を有するレンズである。絞りＡ１は光量を調整する機構である。第１接合レンズＵ１は、正の屈折力を有する第３レンズＬ３と負の屈折力を有する第４レンズＬ４とを接合して構成される。第５レンズＬ５は、正の屈折力を有するレンズである。光学等価部材ＩＦは、光学ローパスフィルタおよび固体撮像素子のフェースプレートとして機能する。また、図１において、「ＩＭＧ」は、結像面を示す。

このように構成される広角レンズは、絞りＡ１から物体側に配置される光学素子全体の屈折力が負であり、絞りＡ１から結像面側に配置される光学素子全体の屈折力が正となるように構成される。つまり、本実施形態における広角レンズは、いわゆるレトロフォーカスにより構成される。このように構成することで、本実施形態に係る広角レンズは、小径化および広画角化を実現する。

さらに、広角レンズは、小型化や広角化を実現しつつ良好な結像性能を得るために、以下に示す各条件を満足することが望ましい。

まず、被写体に対面する方向に薄型化を実現するために、光路折り曲げ部材Ｐ１をできるだけ物体側に配置することが望ましい。しかし、広角化に伴い主に高角度から入射される入射光線により発生する色収差等の諸収差を良好に補正することを考慮して、本実施形態では、絞りＡ１から物体側に配置される各光学素子を、物体側から、第１レンズＬ１、光路折り曲げ部材Ｐ１、第２レンズＬ２の順に配置する。

さらに、第１レンズＬ１を構成するいずれかの面を非球面にする。これにより、高角度からの入射光束が第１レンズＬ１のレンズ周辺部を通過することにより発生する負の歪曲収差を良好に補正することができる。

加えて、第１レンズＬ１の焦点距離をｆ１、広角レンズを構成する全レンズ系の合成焦点距離をｆとする場合、ｆ１／ｆは、以下の条件（１）を満足することが望ましい。
（１） ０．９＜｜ｆ１／ｆ｜＜１．６

ｆ１／ｆが上記の条件を満足することで、広角レンズを構成する全レンズ系において良好な収差補正を実現することができる。なお、ｆ１／ｆが条件（１）の上限である１．６を上回る場合、第１レンズＬ１が有する負の屈折力が不足し、第１レンズＬ１の有効径および光路折り曲げ部材Ｐ１の大型化を招き、広角レンズの小型化の障害となる。また、ｆ１／ｆが条件（１）の下限である０．９を下回ると、第１レンズＬ１において発生する非点収差や倍率色収差などの軸外の収差が大きくなり、第１レンズＬ１より結像面側に配置される光学素子において発生する諸収差の補正が著しく困難になる。

また、光路折り曲げ部材Ｐ１は、ｄ線に対する屈折率をｎｄ、ｄ線に対するアッベ数をνｄとする場合、以下の条件（２）、条件（３）を満足するガラス硝材を用いた三角プリズムであることが望ましい。
（２） １．７５＜ｎｄ＜１．８５
（３） νｄ＜４０

屈折率ｎｄが条件（２）の下限である１．７５を下回るガラス硝材では、光路長が短くなりすぎ、広角レンズの小型化や小径化の障害となる。また、屈折率ｎｄが条件（２）の上限である１．８５を上回り、アッベ数νｄが条件（３）の上限である４０を上回るガラス硝材は、一般に高価であり、製造コスト削減の障害となる。

さらに、光学折り曲げ部材Ｐ１の反射面と第２レンズＬ２の光軸上間隔ｄ１、第２レンズの光軸上肉厚Ｔ５を屈折率ｎｄ３で除した値ｄ２（＝Ｔ５/ｎｄ３）、第２レンズＬ２と絞りＡ１の光軸上間隔ｄ３の総和をｄ（＝ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）とする場合、以下の条件（４）を満足することが望ましい。
（４） １．７＜｜ｄ／ｆ｜＜２．２

条件（４）を満足することで、周辺における光束が第１レンズＬ１および第２レンズＬ２の周辺部に有効に通過する。そのため、第１レンズＬ１、光路折り曲げ部材Ｐ１、第２レンズＬ２において発生する倍率色収差などの諸収差を良好に補正することができる。これにより、広角レンズを広角化する際に生じる結像性能の劣化を防ぐことができる。なお、条件（４）の下限である１．８を下回る場合、倍率収差補正の効果が十分に得られない。また、条件（４）の上限である２．２を上回る場合、第１レンズＬ１および光路折り曲げ部材Ｐ１を大型化する必要があり、広角レンズの小型化の障害となる。

加えて、絞りＡ１から結像面側に配置される各光学素子を、物体側から、第１接合レンズＵ１、第５レンズＬ５の順に配置する。これにより、軸上色収差や球面収差などの軸上収差を良好に補正することができる。

また、絞りＡ１から結像面側に配置されるレンズのいずれかの面を非球面にする。これにより、絞りＡ１から物体側に配置されるレンズにより発生し、これらのレンズにおいて補正することができなかったコマ収差、非点収差などの諸収差を良好に補正することができる。なお、最も結像面側に位置するレンズ（以下、「最終レンズ」と称する。図１では、第５レンズＬ５が最終レンズである。）の射出面（結像面側の面）を非球面にすることで、軸外収差をより有効に補正することができる。また、最終レンズを、ガラス製の非球面レンズの代わりにプラスチック製の非球面レンズにより構成することで、性能の劣化を招くことなく、コストダウンを図ることができる。

以上、本実施形態によれば、上記に示した各条件を適宜組み合わせることで、半画角が４０度〜５０度で、開放Ｆナンバーが２．４〜２．８となる広角レンズであって小型かつ薄型の広角レンズを安価に提供することができる。

さらに、本実施形態に係る広角レンズは、被写体から広角レンズまでの距離（以下、被写体距離と称する）が短くなるにつれて、最終レンズを物体側へ移動させることにより、フォーカシングを行うことができる。

また、本実施形態に係る広角レンズは、被写体距離が短くなるにつれて、絞りＡ１に結像面側で隣接するレンズ（図１では、第２レンズＬ２が該当するレンズである）と絞りＡ１とを一体的に物体側へ移動させることにより、フォーカシングを行うことができる。

加えて、本実施形態に係る広角レンズは、焦点距離が短いため、予め設定された被写体距離にフォーカス位置を固定することで、固定焦点レンズ（パンフォーカスレンズ）として用いることができる。これにより、広角レンズは、予め設定された被写体距離の略１／２から無限遠まで焦点を合わせることができる。また、固定焦点レンズとして用いることで、フォーカシングを行うためにレンズを駆動する必要がなくなるため、レンズを駆動するためのモータ等の駆動部材を削減することができ、さらにコストダウンや小型化を実現することができる。

続いて、本実施形態に係る広角レンズの具体的な実施例として、以下、第１実施例乃至第３実施例について説明する。なお、本実施形態に係る広角レンズは、デジタルカメラや監視カメラ、車載カメラなど各種カメラに搭載可能である。

［第１実施例］
まず、第１実施例について説明する。図２は、第１実施例に係る広角レンズの光軸断面を示す図である。図２に示した広角レンズは、さきほど説明した図１に示した広角レンズと同一のため、レンズ構成の説明を省略する。表１は、第１実施例における各数値を示す。表１において、ｆは広角レンズを構成する全レンズ系の合成焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角を示す。また、図２および表１において、面番号Ｓｉ（ｉ＝１，２，３．．．）は、広角レンズを構成する各光学素子の光軸における光の入射面および射出面を、物体側から順に示している。さらに、図２において、間隔Ｔｉ（ｉ＝１，２，３．．．）は、軸上面間隔（ｍｍ）を物体側から順に示している。また、ここでは、三角プリズムの反射面位置は、Ｓ３とＳ４の間隔を２等分する中点に光軸上屈曲点が来るように配置している。

表２は、非球面形状である第１レンズＬ１の結像面側の面Ｓ２と第５レンズＬ５の結像面側の面Ｓ１１の非球面係数を示す。ここで、非球面レンズの形状は、各非球面の頂点から光軸方向の距離をｘ、光軸と垂直方向にｙ軸、近軸曲率半径をＲ、非球面係数をＫ，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとしたとき、以下の式で表される。なお、係数中のＥは、指数表現を示している。

表３は、第１実施例における条件（１）〜（４）の各パラメータの値を示す。

図３は、第１実施例における諸収差図である。図３において、＜Ａ＞は、球面収差を示しており、実線はｄ線、破線はＦ線、一点鎖線はＣ線での球面収差をそれぞれ示している。また、＜Ｂ＞は、像面湾曲を示しており、実線はサジタル像面における値、破線はタンジェンシャル像面における値を示している。＜Ｃ＞は、歪曲収差を示している。なお、後に説明する図５及び図７も同様である。

［第２実施例］
次に、第２実施例について説明する。図４は、第２実施例に係る広角レンズの光軸断面を示す図である。なお、図４において、図２と同一の部材は、同一符号で示している。図４に示すように、第２実施例に係る広角レンズは、物体側から順に、第１レンズＬ１、光路折り曲げ部材（三角プリズム）Ｐ１、第２レンズＬ２、絞りＡ１、第１接合レンズＵ１、第２接合レンズＵ２、光学等価部材ＩＦの順に、各光学素子が配置される。ここで、第２接合レンズＵ２は、正の屈折力を有する第５レンズＬ５と負の屈折力を有する第６レンズＬ６とを接合して構成される。第２実施例では、第２接合レンズＵ２を、第５レンズＬ５の代わりに配置している点で、第１実施例と異なる。このように、最終レンズに第２接合レンズＵ２を用いることで、広角化をより大きくする際に絞りＡ１から物体側に配置される光学素子で発生する倍率色収差の補正を補助することができる。

表４は、第２実施例における各数値を示す。また、表５は、第２実施例において、非球面で構成された面の非球面係数を示す。さらに、表６は、第２実施例における条件（１）〜（４）の各パラメータの値を示す。なお、各表における記号は、表１〜表３における記号と同様である。

図５は、第２実施例における諸収差図である。図５に示す＜Ａ＞〜＜Ｃ＞の示す意味は、図３と同様である。

［第３実施例］
次に、第３実施例について説明する。図６は、第３実施例に係る広角レンズの光軸断面を示す図である。図６に示した広角レンズのレンズ構成は、図２に示した広角レンズと同一のため、レンズ構成の説明を省略する。

表７は、第３実施例における各数値を示す。また、表８は、第３実施例において、非球面で構成された面の非球面係数を示す。さらに、表９は、第３実施例における条件（１）〜（４）の各パラメータの値を示す。なお、各表における記号は、表１〜表３における記号と同様である。なお、表７において、最終レンズＬ５は、ｎｄ,νｄの数値より、シクロオレフィンポリマー系のプラスチック材料を使用していることを表している。

続いて、本実施形態に係る広角レンズを備えたカメラについて説明する。図８は、上記広角レンズ１２を搭載したデジタルカメラの機能ブロックを示す図である。このデジタルカメラは、被写体の像を取得するレンズブロック１０と、撮像信号の各種処理や撮像処理に必要な各種制御を行う本体部２０とに大別される。レンズブロック１０は、上記の広角レンズ１２と、この広角レンズ１２によって導かれた被写体像を電気信号に変換する固体撮像素子１４とを備える。固体撮像素子１４は、電気信号に変換された被写体像を画像データとして本体部２０に出力する。

本体部２０は、操作部２６を介して入力されたユーザからの指示に基づき、制御部２４が各種処理を実行している。また、信号処理部２８は、固体撮像素子１４から出力された画像データに対して、Ａ／Ｄ変換やノイズ除去などの各種信号処理を実行する。信号処理後の画像データは、表示部３０や記録媒体３２に出力される。記録媒体３２は、メモリーカードなどからなるデータ記録媒体であり、撮像処理により得られた画像データはこの記録媒体３２に記録する。表示部３０は、ＬＣＤ等の表示装置であり、ユーザはこの表示部３０を介して撮像して得られた画像の確認等を行う。レンズ駆動制御部２２は、フォーカシング等が必要な時に、広角レンズ１２に搭載されたレンズ移動機構に対して駆動信号を出力し、レンズ群の移動を指示する。広角レンズ１２に搭載されたレンズ移動機構のモータは、この指示に応じて駆動し、レンズ群を移動させる。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る広角レンズは、絞りＡ１から物体側に配置される各光学素子を、物体側から、負の屈折力を有する第１レンズＬ１、光路折り曲げ部材Ｐ１、正の屈折力を有する第２レンズＬ２の順に配置する。また、第１レンズＬ１の少なくとも１面を非球面形状にする。さらに、絞りＡ１から結像面側に配置されるレンズの少なくとも１面を非球面形状にする。これらにより、本実施形態によれば、半画角が４０度〜５０度で、開放Ｆナンバーが２．４〜２．８となる広角レンズであって小型かつ薄型の広角レンズを安価に提供することができる。

本実施形態に係る広角レンズの光軸断面を示す図である。 第１実施例に係る広角レンズの光軸断面を示す図である。 第１実施例に係る広角レンズの諸収差図である。 第２実施例に係る広角レンズの光軸断面を示す図である。 第２実施例に係る広角レンズの諸収差図である。 第３実施例に係る広角レンズの光軸断面を示す図である。 第３実施例に係る広角レンズの諸収差図である。 本実施形態に係る広角レンズを搭載したカメラの機能ブロックを示す図である。

符号の説明

Ｌ１ 第１レンズ、Ｌ２ 第２レンズ、Ｌ３ 第３レンズ、Ｌ４ 第４レンズ、Ｌ５ 第５レンズ、Ｌ６ 第６レンズ、ＩＦ 光学等価部材、ＩＭＧ 結像面、１０ レンズブロック、１２ 広角レンズ、１４ 固体撮像素子、２０ 本体部、２２ レンズ駆動制御部、２６ 操作部、２８ 信号処理部、３０ 表示部、３２ 記録媒体、６２ 制御部。

Claims (8)

1. 物体側から順に、
   負の屈折力を有する第１レンズであって、少なくとも１面が非球面である第１レンズと、
   光路を折り曲げる折り曲げ部材と、
   正の屈折力を有する第２レンズと、
   光量を調整する絞りと、
   正の屈折力を有する第３レンズと負の屈折力を有する第４レンズとを接合した第１接合レンズと、
   正の屈折力を有する第５レンズと、
   を備え、
   前記絞りから結像面側に位置するレンズのうち少なくとも１つのレンズの一面が非球面であることを特徴とする広角レンズ。
2. 物体側から順に、
   負の屈折力を有する第１レンズであって、少なくとも１面が非球面である第１レンズと、
   光路を折り曲げる折り曲げ部材と、
   正の屈折力を有する第２レンズと、
   光量を調整する絞りと、
   正の屈折力を有する第３レンズと負の屈折力を有する第４レンズとを接合した第１接合レンズと、
   正の屈折力を有する第５レンズと負の屈折力を有する第６レンズとを接合した第２接合レンズと、
   を備え、
   前記絞りから像面側に位置するレンズのうち少なくとも１つのレンズの一面が非球面であることを特徴とする広角レンズ。
3. 請求項１または２に記載の広角レンズにおいて、
   前記第１レンズの焦点距離をｆ１、前記広角レンズの全レンズ系の合成焦点距離をｆとする場合、
   ０．９＜｜ｆ１／ｆ｜＜１．６
   を満足することを特徴とする広角レンズ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の広角レンズにおいて、
   前記折り曲げ部材のｄ線に対する屈折率をｎｄ、前記折り曲げ部材のｄ線に対するアッベ数をνｄとする場合、
   前記折り曲げ部材は、
   １．６＜ｎｄ＜１．８５、
   νｄ＜４０、
   を満足するガラス硝材を用いたプリズムであることを特徴とする広角レンズ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の広角レンズにおいて、
   前記折り曲げ部材の反射面と第２レンズの光軸上間隔ｄ１、第２レンズの光軸上肉厚Ｔ５を屈折率ｎｄ３で除した値ｄ２（＝Ｔ５/ｎｄ３）、第２レンズと絞りの光軸上間隔ｄ３の総和をｄ（＝ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）とし、
   前記広角レンズの全レンズ系の合成焦点距離をｆとする場合、
   １．７＜｜ｄ／ｆ｜＜２．２
   を満足することを特徴とする広角レンズ。
6. 請求項１乃至５のいずれか１つに記載の広角レンズにおいて、
   前記絞りより結像面側に位置する非球面の１つは、最も結像面側の最終レンズに配置し、光軸上から周辺に向かって次第に正の屈折力が弱まる形状または負の屈折力が強まる形状であることを特徴とする広角レンズ。
7. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の広角レンズにおいて、
   前記広角レンズを構成する最も結像面側に配置される最終レンズは、樹脂レンズにより構成されることを特徴とする広角レンズ。
8. 請求項１乃至７のいずれか１つに記載の広角レンズと、その広角レンズの結像面側に配置された固体撮像素子とを備えることを特徴とするカメラ。
   
   

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