JP2008139037A - Ｃｃｄイメージセンサでの輝度・色度測定装置及び光学フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＣＤイメージセンサを用いて低コスト且つ短時間で大量の被測定光の輝度あるいは色度を高い再現性で正確に測定する。
【解決手段】発光体の光を複数の光ファイバ、該複数の光ファイバの端面を一度に撮映するための光学レンズを介してモノクロのＣＣＤイメージセンサで受光する。ＣＣＤイメージセンサの前面（光学レンズとＣＣＤイメージセンサとの間）に光学フィルタを配置し、且つ該光学フィルタのフィルタ特性（フィルタ透過率）を、受光経路系の分光感度を考慮したものとする。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＣＣＤイメージセンサでの輝度・色度測定装置及び光学フィルタに関する。なお、ここでいう「輝度・色度測定装置」には、輝度のみを測定する装置、色度のみを測定する装置、輝度及び色度を測定する装置の３者の概念が含まれる。

従来図５及び図６に記載の発光素子の検査装置が知られている（特許文献１参照）。

この検査装置は、検査対象のセル（発光体：例えば２ｍｍ角）８が搭載されたパネル（例えば５０ｍｍ角）６が、複数枚ずつ収容される複数台（図では４台）の恒温槽（試験空間）３１〜３４と、各セル８の光を恒温槽３１〜３４外に導くための、複数本の光ファイバ４１が束ねられたファイババンドル４０と、該ファイババンドル４０で導かれた光を恒温槽３１〜３４外で検知するためのＣＣＤイメージセンサ４２と、該ＣＣＤイメージセンサ４２の出力を処理して輝度値Ｂ及び色度を計算する画像処理装置４４と、各セル８毎に設けられた、電源モジュール５０と、各電源モジュール５０を制御するための電源モジュール制御回路５２と、測定対象となるチャネルを選択して、対応する電源モジュール５０から駆動電源を与えるためのチャネルセレクタ５４と、該チャネルセレクタ５４で選択されたセル８の駆動電圧（Ｖ）、電流（Ｉ）を測定する電気特性計測器５６と、前記恒温槽３１〜３４を制御する集中管理コントローラ６０と、これらを制御するパソコン（ＰＣ）６２とを備えている。

このように構成することで、各恒温槽３１〜３４内に配置されるセル８の光は、光ファイバ４１を介して恒温槽３１〜３４の外へと導かれる。その結果、光ファイバ４１（ファイババンドル４０）の出力側に配置されるＣＣＤイメージセンサ４２によって、複数台の恒温槽３１〜３４内にそれぞれ収容された複数のセル８の光を一度に検知することが可能となっている。

特開２００４−３１１２０９号公報

特許文献１に記載される検査装置は、所定条件（例えば高温・高圧）の恒温槽から、光ファイバによって恒温槽外へとセルの光を導いた上で、ＣＣＤイメージセンサによって検知した画像を基に測定をすることで、より簡易且つ正確な（恒温槽に光学安定性が保証されない測定用窓等を設けることなく測定可能という意味において正確な）測定が可能となっていた。又、複数の発光体の光をそれぞれ別の光ファイバで導いた上で、ＣＣＤイメージセンサによって光ファイバの束（光ファイババンドル）の端面を一度に（同時に）検知・測定するため、大量の発光体の測定を短時間で処理することが可能であった。

しかしながら、被測定光を複数の光ファイバを介して導き、これをＣＣＤイメージセンサによって一度に検知して、例えば輝度を測定する場合、「輝度」というものが、もともと実際の被測定光に対して該被測定光が人間の目にとって均一に見えるような補正（ＣＩＥ１９３１の等色関数のｘ（λ）、ｙ（λ）、ｚ（λ）のうちのｙ（λ）による補正）をして得られる概念の特性値であることから、当該ｙ（λ）に係る補正をするのは当然であるが、このときにＣＣＤイメージセンサにも特有の分光感度があることから、前記ｙ（λ）とＣＣＤイメージセンサの分光感度の影響をも考慮して被測定光を評価する必要がある。

そのため、従来は、ｙ（λ）のほかに、例えばカメラメーカの提供する当該ＣＣＤイメージセンサの分光特性をも考慮した光学フィルタを作製し、輝度及び色度を測定・評価するようにしていた。

しかし、発明者は、この手法が必ずしも妥当と言えないことを実際の試験及び検証によって確認した。本発明は、この知見に基づいてなされたものであって、被測定光を複数の光ファイバを介して導き、これをＣＣＤイメージセンサによって検知する場合に、輝度や色度をより正確に評価することのできるＣＣＤイメージセンサでの輝度・色度測定装置を提供することをその課題としている。

本発明は、発光体の光を伝達する複数の光ファイバと、該複数の光ファイバの端面からの光を受光する光学系と、該光学系から出力される前記複数の光ファイバの端面からの光を検知するＣＣＤイメージセンサと、少なくとも前記光学系及びＣＣＤイメージセンサを含む受光経路系がトータルで現に有する総合分光感度に基づいてこれからＣＣＤイメージセンサに入力される被測定光を補正する補正手段と、を備えたＣＣＤイメージセンサでの輝度・色度測定装置により、上記課題を解決したものである。

本発明は、ＣＩＥ１９３１の等色関数ｘ（λ）、ｙ（λ）、ｚ（λ）の特性にＣＣＤイメージセンサの分光感度の要素を加え、更に複数の光ファイバの端部から発せられる光をＣＣＤイメージセンサで検知可能とするための光学系の分光感度をも考慮した上で、ＣＣＤイメージセンサにて検知されたスペクトルを補正するようにしたため、正確で、且つ再現性の高い輝度あるいは色度の評価を行うことが可能となった。

なお、前記総合分光感度として、前記光学系及びＣＣＤイメージセンサのほか、更に、前記複数の光ファイバの有する分光感度の要素を含む受光系全体の分光感度が考慮されるようにすると、光ファイバの分光特性等をも考慮した一層正確な測定が可能となる。

また、前記発光体が試験空間内に配置されており、前記複数の光ファイバによって前記発光体の光が試験空間外へと伝達されている構成とすれば、特定の条件（例えば高温、低温、高圧、あるいは低圧等）の下での発光体の発光特性が測定可能となる。

本発明は、試験空間内に配置された発光体の光を複数の光ファイバによって試験空間外へと伝達する伝達工程と、前記複数の光ファイバの端面からの光を特定の光学系にて受光する受光工程と、該光学系から出力される光をＣＣＤイメージセンサにて検知する検知工程と、を含み、且つ前記検知工程に入る前に、少なくとも前記光学系及びＣＣＤイメージセンサを含む受光経路系がトータルで現に有する総合分光感度に基づいて前記ＣＣＤイメージセンサに入力される被測定光を補正する補正工程を有することを特徴とするＣＣＤイメージセンサでの輝度・色度測定方法としても捉えることができる。即ち、本発明は、このような補正工程を有するため、正確で且つ再現性の高い輝度、あるいは色度の評価を行うことができる。

本発明を適用することにより、ＣＣＤイメージセンサを用いて低コスト且つ短時間で大量の被測定光の輝度あるいは色度を高い再現性で正確に測定することができるようになる。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態の一例について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態の一例を示した発光体の発光特性測定装置（輝度・色度測定装置）１００の全体構成図であり、図２は、図１における矢示I部周辺を示した模式図である。

発光特性測定装置１００の全体構造は、背景技術で説明した検査装置と基本的に同一であるが、ここでは重複する部分も含め説明する。

発光特性測定装置１００は、有機ＥＬ素子（発光体）１４０が配置される複数の恒温槽（試験空間）１２１、１２２、１２３、１２４を備えている。この各恒温槽１２１〜１２４内には、複数の有機ＥＬ素子を配置することが可能とされている。又、当該有機ＥＬ素子のエージング（経年変化）試験を行なうために、恒温槽外部よりも例えば高温・高圧の条件とされている。各恒温槽１２１〜１２４内の諸条件は、各恒温槽１２１〜１２４に接続された恒温槽集中管理コントローラ１２０によって管理されている。

各恒温槽１２１〜１２４内に配置される有機ＥＬ素子１４０には、それぞれ対応する電源モジュール１５４が接続されており、この電源モジュール１５４によって電力（発光のための電力）が供給される。各電源モジュール１５４は、電源モジュール制御回路１５６によって制御されている。電源モジュール１５４からの電力は、チャネルセレクタ１５０によって適宜選択されて有機ＥＬ素子１４０へと供給される。又、チャネルセレクタ１５０には、電気特性計測器１５２が接続されており、有機ＥＬ素子１４０に供給されている電流値（Ｉ）及び電圧値（Ｖ）を計測することが可能である。

又、各恒温槽１２１〜１２４内に配置される有機ＥＬ素子１４０の各々に対して、少なくとも１本の光ファイバ１１０が設置されている。この光ファイバ１１０の入力側端面は、有機ＥＬ素子１４０の発する光（被測定光）を受光できる位置に配置されている。例えば、有機ＥＬ素子１４０の真正面（即ち垂直方向）から光を受けるような配置でもよいし、所定の角度から受光するように配置されていてもよい。これは測定しようとする発光特性の種類などにより、適宜変更することが可能である。なお、図示はしていないが、各光ファイバ１１０は、ホルダによって正確に保持された上で配置されている。

光ファイバ１１０は各恒温槽１２１〜１２４から外部へと敷設され、図２に示されるように、自身の出力側端面付近でバンドラ１１２によって１本に結束固定されている。これにより複数の光ファイバ１１０がバンドル化されている。なお、本実施形態では、光ファイバ１１０の出力側端面付近でのみバンドラ１１２によって結束されているが、より入力側に近い位置から結束するような構成としても良い。そのように構成すれば、複数の光ファイバ１１０の取り回し及び管理が容易となる。又、本実施形態では、各光ファイバ１１０は、分光感度を含むそれぞれの光学的特性が互いに等価と見なせるものが使用されており、光ファイバ同士のばらつきによって光の伝達特性に差が生じることが無いように配慮されている。

バンドラ１１２によって結束された光ファイバ１１０の出力側にはモノクロのＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサ１１６が配置されており、バンドル化された光ファイバ１１０の出力側端面を検知することが可能とされている。又、このＣＣＤイメージセンサ１１６の前面、即ち、当該ＣＣＤイメージセンサ１１６とバンドル化された光ファイバ１１０の出力側端面の間には、光学レンズ（光学系）１１４が配置されている。その結果、ＣＣＤイメージセンサ１１６がバンドル化された光ファイバ１１０の出力側端面全体を捉えることができ、且つ、効率よく光を受けることが可能となっている。

ＣＣＤイメージセンサ１１６の前面、即ち光学レンズ１１４とＣＣＤイメージセンサ１１６との間には、光学フィルタ１１７が配置されている。この光学フィルタ１１７の機能については、後に詳述する。ＣＣＤイメージセンサ１１６は、光学レンズ１１４からの光をこの光学フィルタ１１７を介して検知する。

図１に戻って、ＣＣＤイメージセンサ１１６にはこの画像処理装置１１８が接続されており、ＣＣＤイメージセンサ１１６によって検知された画像情報に基づいて、輝度、色度を評価するための具体的な演算や光学フィルタの特性の微補正等が行われる。恒温槽１２１〜１２４内での実際の発光と、受光経路（光ファイバ１１０＋光学レンズ１１４＋光学フィルタ１１７）を介してＣＣＤイメージセンサ１１６で捉えられる光が輝度・色度の観点で正確に対応するように、光ファイバ１１０、光学レンズ１１４、及びＣＣＤイメージセンサ１１６が総合的に有する固有の分光感度が光学フィルタ１１７によって補正される。

なお、前述した電源モジュール制御回路１５６、電気特性計測器１５２、恒温槽集中管理コントローラ１２０及び画像処理装置１１８のいずれもが、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１３０に接続されており、各部の状態や測定結果を表示することができ、又、各部へ指令を出すことも可能とされている。

次に、発光特性測定装置１００の作用について説明する。

恒温槽１２１〜１２４内に測定対象となる有機ＥＬ素子１４０が配置されると、各恒温槽１２１〜１２４の内部環境が所定の条件にコントロールされる。これは、恒温槽集中管理コントローラ１２０によって集中的に管理されている。

次にチャネルセレクタ１５０によって、通電される有機ＥＬ素子１４０が選択された後（例えば、一部の有機ＥＬ素子に通電したり、全部の有機ＥＬ素子に通電する等自由である。）、電源モジュール１５４から有機ＥＬ素子１４０に対して電力が供給される。ここでの供給態様は、電源モジュール制御回路１５６によって制御されており、例えば、常に一定の電圧値（Ｖ）で供給したり、所定のタイミングで電圧値（Ｖ）を変化させながら供給される。

電力の供給を受けた有機ＥＬ素子１４０は、供給された電力に応じて発光する。この発光は、ホルダ（図示しない）により保持された光ファイバ１１０の入力側端面から当該光ファイバ１１０を介して恒温槽１２１〜１２４外へと導かれる。

光ファイバ１１０によって、恒温槽１２１〜１２４の外へと導かれた光は、バンドル化された光ファイバ１１０の出力側端面から出力される。この出力された光は、光学レンズ１１４、光学フィルタ１１７を介してＣＣＤイメージセンサ１１６に入り、電気信号へと変換され、更に所定の演算処理がされた後、輝度、色度の測定結果がＰＣ１３０のモニタに表示される（あるいはデータファイルに出力される）。

当該測定装置１００においては、この一連の流れの中で、ＣＣＤイメージセンサ１１６のみならず、光学レンズ１１４及び光ファイバ１１０の総合的な分光感度までもが、光学フィルタにて正確に補正された上で、ＰＣ１３０から出力される。

この光学フィルタ１１７による補正の趣旨は以下の通りである。

従来、この種の輝度、色度の測定装置にあっては、ＣＣＤメーカの提供する当該ＣＣＤイメージセンサの分光感度に基づいて、これと等色関数ｙ(λ）、あるいはｘ（λ）、ｚ（λ）との掛け合わせで輝度あるいは色度を得るための光学フィルタが作製されるのが一般的であった。しかしながら、発明者は、多くの試験・検証により、この光学フィルタを用いて測定された輝度あるいは色度が必ずしも正確でないことを発見した。当初、これは、カメラメーカの提供する当該ＣＣＤイメージセンサの分光感度の測定値の再現性の問題と考えられ、「実際に使用するＣＣＤイメージセンサ」の分光感度を発明者が直接的に実測し、この実測結果に基づいて、作製した光学フィルタを測定装置１００に実装して実際に輝度、色度を測定してみると、確かにより正確な測定ができるようにはなった。

しかし、それでもなお、不正確性が残存する面があった。更なる試験・検証を行ったところ、この不正確性にはある程度の波長依存性があることが突き止められ、この不正確性の大きな原因としてＣＣＤイメージセンサの前段に配置される光学レンズ１１４の分光感度の影響が無視できないとの知見を得た。

即ち、有機ＥＬ素子１４０の光を複数の光ファイバ１１０を介して伝達する構成を採用している場合、この複数の光ファイバ１１０の端面からの光を一度に纏めてＣＣＤイメージセンサ１１６に受光させるため、所定の光学レンズ１１４が配置されることになるが、この光学レンズ１１７自体が独自の分光感度を有する。従って、ＣＣＤイメージセンサによって獲得された被測定光のスペクトルから輝度あるいは色度を正確に得るためには、この光学レンズ１１４の分光感度をも考慮した上で補正を掛ける必要がある。更には、その上流に存在する光ファイバ１１０が有する分光感度をも考慮した補正を行うようにすれば、一層正確な測定ができると考えられる。

そこで、この実施形態では、補正は具体的には次のようにして行われる。

人間の目には、分光感度が異なる３種類の色を認識する器官（色センサ）があり、この３種類の色センサの受光量（３刺激値Ｘ、Ｙ、Ｚ）の所定の組み合わせによって色としての認識が行われると言われている。この人間の３つの色センサの分光感度特性は、ＣＩＥ１９３１の等色関数ｘ（λ）、ｙ（λ）、ｚ（λ）の形で定義されている。よって、（今、仮に、ＣＣＤイメージセンサ１１６を含む受光経路系が完全に均一な分光感度を有していると仮定した場合には）基本的にはＣＣＤイメージセンサ１１６によって得られた分光分布に等色関数ｘ（λ）、ｙ（λ）、ｚ（λ）を掛け合わせることによって、刺激値Ｘ、Ｙ、Ｚが演算される。例えば、輝度に関する刺激値Ｙの場合は、図３に示されるように、得られた分光分布に等色関数ｙ（λ）を乗じた値（波長毎の光のエネルギに、波長毎の人間の目の感度を乗じた値：∫Ｐ（λ）・ｙ（λ）・ｄλ）として求めることができる。図３では下段のグラフの中央の斜線を施した部分が当該刺激値Ｙに相当し、したがって、光学フィルタ１１７に、等色関数ｙ（λ）の特性に相当するフィルタ機能を持たせれば良いことになる。また、色度(ｘ、ｙ)の場合は、同様の手法によりＣＣＤイメージセンサ１１６によって得られた分光分布に等色関数ｘ（λ）、ｚ（λ）を乗じることによってまず刺激値Ｘ、Ｚを求め、既に求められている刺激値Ｙを用いて、（Ｘ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ）, Ｙ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ））の定義から求めることができる。

しかしながら、ＣＣＤイメージセンサ１１６は、現実には完全に均一な分光感度を有しているわけではなく、また光学レンズ１１４も独自の分光感度を有している。更には光ファイバ１１０も独自の分光感度を持っている。そこで、適切な光学フィルタ１１７を作製するために、受光経路系の総合分光感度を測定する。この測定には、例えば光源Ｅ（即ち、完全に平坦なスペクトル特性を持つ理論上の光源）にできるだけ近い光源、あるいは正確な特性が予め既知の光源を用意する。その上で、この光源を被測定物（発光体）として本発光特性測定装置１００の複数の恒温槽（試験空間）１２１、１２２、１２３、１２４のうちのいずれか（好ましくは全部）に配置し、有機ＥＬ素子１４０の被測定光を調べるのと全く同一の受光経路系を介してＣＣＤイメージセンサ１１６にて受光する。この状態で光源の発生波長を少しずつずらしていってその都度プロットしてゆけば、全体の分光感度を測定できる。光源Ｅと見なせる光源を用いた場合には、フラットな特性との差が、また、特性が予め既知の光源を用いた場合には、その既知の特性との差が当該受光経路系独自の総合分光感度ということになる。

したがって、図４に示されるように、純粋な等色関数Ｙ（λ）の特性に相当する光学フィルタに対し、更に、この受光経路系の分光感度の逆フィルタ分を掛け合わせた特性（フィルタ透過率）を有する光学フィルタ１１７を作製すれば、ＣＣＤイメージセンサ１１６を利用した輝度、色度の正確な測定を行うことができるようになる。この特性は、ＣＣＤイメージセンサ１１６のほか光学レンズ１１４、更には光ファイバ１１０の分光特性をも包含したものなので、信頼性が高く、リアルタイムの評価に特に真価を発揮できる。モノクロのＣＣＤは、色の識別はできないが、輝度と色度は、前述のようにＸ、Ｙ、Ｚが取得できれば演算によって求められるので、前記光学フィルタ１１７を作製することにより、モノクロのＣＣＤで輝度も色度も測定が可能となる。

なお、上記の実施形態では、恒温槽が存在する例が示されていたが、本発明は、このような恒温槽を設けることは必ずしも要求されない。例えば、暗箱のような簡易な構成の試験空間とするだけで足りる場合もあり、それさえも備えなくともよい場合もある（ユーザ側で対応する構成であってもよい）。

また、チャネルセレクタや電気特性計測器についても、場合により省略して構成することが可能である。

有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子をはじめ、各種フラットディスプレイパネル（例えば、有機ＥＬ、液晶、プラズマ、電子ペーパー等）の発光特性の輝度あるいは色度の測定に好適である。

本発明の実施形態の一例を示した発光体の発光特性測定装置の全体構成図 図１における矢示II部周辺を示した模式図 測定スペクトルと刺激値Ｙとの関係を示す線図 光学フィルタの作製手法を示す線図 特許文献１に記載される発光素子の検査装置を示す模式図 図５における光ファイバの配線状態を示した模式図

符号の説明

１００…発光特性測定装置
１１０…光ファイバ
１１２…バンドラ
１１４…光学レンズ
１１６…ＣＣＤイメージセンサ
１１７…光学フィルタ
１１８…画像処理装置
１２０…恒温槽集中管理コントローラ
１２１〜１２４…恒温槽
１３０…ＰＣ
１４０…発光体
１５０…チャネルセレクタ
１５２…電気特性計測器
１５４…電源モジュール
１５６…電源モジュール制御回路

Claims (8)

1. 発光体の光を伝達する複数の光ファイバと、
   該複数の光ファイバの端面からの光を受光する光学系と、
   該光学系から出力される前記複数の光ファイバの端面からの光を検知するＣＣＤイメージセンサと、
   少なくとも前記光学系及びＣＣＤイメージセンサを含む受光経路系がトータルで現に有する総合分光感度に基づいて、ＣＣＤイメージセンサに入力される被測定光を補正する補正手段と、
   を備えたことを特徴とするＣＣＤイメージセンサでの輝度・色度測定装置。
2. 請求項１において、
   前記総合分光感度として、前記光学系及びＣＣＤイメージセンサのほか、更に、前記複数の光ファイバの分光感度をも考慮した受光経路全体の分光感度の要素が考慮された
   ことを特徴とするＣＣＤイメージセンサでの輝度・色度測定装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記発光体が試験空間内に配置されており、前記複数の光ファイバによって前記発光体の光が試験空間外へと伝達されている
   ことを特徴とするＣＣＤイメージセンサでの輝度・色度測定装置。
4. 試験空間内に配置された発光体の光を複数の光ファイバによって試験空間外へと伝達する伝達工程と、
   前記複数の光ファイバの端面からの光を特定の光学系にて受光する受光工程と、
   該光学系から出力される光をＣＣＤイメージセンサにて検知する検知工程と、を含み、且つ
   前記検知工程に入る前に、少なくとも前記光学系及びＣＣＤイメージセンサを含む受光経路系がトータルで現に有する総合分光感度に基づいて前記ＣＣＤイメージセンサに入力される被測定光を補正する補正工程を有する
   ことを特徴とするＣＣＤイメージセンサでの輝度・色度測定方法。
5. 請求項４において、
   前記補正工程における補正が、
   前記発光体の代わりに、完全に平坦なスペクトル特性を有する理論上の光源Ｅに近い光源を用意し、
   前記複数の光ファイバのうち少なくとも１つの光ファイバを介して該光ファイバの端面からの前記光源Ｅに近い光源の光を前記特定の光学系にて受光して該光学系から出力される光を前記ＣＣＤイメージセンサにて検知し、
   該ＣＣＤイメージセンサにて検知された光のスペクトル特性と、前記光源Ｅに近い光源の有する前記平坦なスペクトル特性との差から、受光経路系独自の総合分光感度を求め、
   等色関数の特性に相当する光学フィルタに対し、更に、この受光経路系独自の総合分光感度の逆フィルタを掛け合わせた特性を有するような光学フィルタを作製し、
   前記受光経路系に該光学フィルタを介在させることによって行われる
   ことを特徴とするＣＣＤイメージセンサでの輝度・色度測定方法。
6. 請求項４において、
   前記補正工程における補正が、
   前記発光体の代わりに、スペクトル特性が既知の光源を用意し、
   前記複数の光ファイバのうち少なくとも１つの光ファイバを介して該光ファイバの端面からの前記スペクトル特性が既知の光源の光を前記特定の光学系にて受光して該光学系から出力される光を前記ＣＣＤイメージセンサにて検知し、
   該ＣＣＤイメージセンサにて検知された光のスペクトル特性と、前記既知の光源のスペクトル特性との差から、受光経路系独自の総合分光感度を求め、
   等色関数の特性に相当する光学フィルタに対し、更に、この受光経路系独自の総合分光感度の逆フィルタを掛け合わせた特性を有するような光学フィルタを作製し、
   前記受光経路系に該光学フィルタを介在させることによって行われる
   ことを特徴とするＣＣＤイメージセンサでの輝度・色度測定方法。
7. 請求項５における補正を行うために作製された光学フィルタ。
8. 請求項６における補正を行うために作製された光学フィルタ。

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