JP2010128354A - ステレオ光学系、並びにそれを用いたステレオ計測用光学装置、ステレオ計測装置及びステレオ観察装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】視差のある2つの光路を形成する2光路形成光学系1と、2光路形成光学系1における夫々の光路を通る光を共通の領域に結像する1つの結像光学系2と、結像光学系2の結像位置に配置された1つの撮像素子3とを内視鏡挿入部先端4aに備えたステレオ光学系であって、2光路形成光学系1に形成される2つの光路のうちいずれか一方の光路からの光のみが結像光学系2に入射するように、2つの光路を時分割で切り替え可能な時分割光路切り替え手段5を備える。
【選択図】図1
Description
これは、次のような理由による。即ち、2つの撮像素子をそのままの大きさで並列配置すべく内視鏡挿入部先端の径を大きくすると、径の細い管内や隙間の狭い内部に対しては内視鏡を挿入できず計測に支障が生じる。また、径の大きさに制限のある内視鏡挿入部先端に通常サイズの撮像素子を並列配置するスペースをとることが難しい。
しかし、撮像素子を小さくすると、視差のある夫々の像の撮像面積が小さくなるため、夫々の像に対する解像度が悪くなる。
しかし、特許文献4に記載の光学系のように、瞳分割手段を介して瞳を分割する構成では、視差を大きくとることができず、特に遠点では視差が小さくなり過ぎてステレオ計測が難しい。視差を大きくとるには、瞳分割手段より物体側のレンズの径を大きくする必要があるが、上述したように内視鏡挿入部先端は径を大きくすることができない。
しかし、特許文献5に記載の光学系のように、撮像素子を把持部の内部に配置し、その途中にリレーレンズ系を設けた構成では、内視鏡挿入部を自由に曲げることができない。これでは、例えば、計測対象が曲がった管である場合や、計測対象の前方に計測の干渉になる物体が存在するような場合に、計測対象を計測することができない。また、計測対象を計測する方向が制限されてしまう。
本発明のステレオ光学系は、視差のある2つの光路を形成する2光路形成光学系と、2光路形成光学系における夫々の光路を通る光を共通の領域に結像する1つの結像光学系と、結像光学系の結像位置に配置された1つの撮像素子とを内視鏡挿入部先端に備えている。
本発明のように、視差のある2つの光路を通る光を共通の領域に結像させて一つの撮像素子で撮像するようにすれば、視差のある夫々の画像の撮像面積を大きくとることができる。
また、2光路形成光学系、結像光学系、及び撮像素子を内視鏡挿入部先端に備えた構成にすれば、内視鏡挿入部先端より後続の部材に可撓性を持たせて内視鏡挿入部を曲げることができる。このため、例えば、計測対象が曲がった管である場合や、計測対象の前方に計測の干渉になる物体が存在するような場合等、直線的に挿入できない箇所に位置する計測対象を撮像することができる。
このように、時分割光路切り替え手段を備えれば、視差のある夫々の画像を撮像素子で、別々に撮像することができる。視差のある画像を別々に撮像できると、その別々に撮像した画像間を相関演算することによって、三角測量の原理で物体の大きさや深さ等を計測することができるようになる。
図1は本発明の第一実施形態にかかるステレオ光学系の概略構成を示す説明図、図2は図1のステレオ光学系に備わる時分割光路切り替え手段を示す上面図で、(a)はその一例を示す図、(b)は他の例を示す図である。
第一実施形態のステレオ光学系は、2光路形成光学系1と、1つの結像光学系2と、1つの撮像素子3を、内視鏡挿入部先端4に備えている。
2光路形成光学系1は、軸対称に配置された一対のアフォーカル光学系1R,1Lで構成されている。アフォーカル光学系1R(1L)は、像側に凹面を向けた凹レンズ11R(11L)と、凸レンズ12R(12L)とで構成されている。
結像光学系2は、一対のアフォーカル光学系1R,1Lにおける夫々の光路を通る光を共通の領域に結像するように構成されている。
撮像素子3は、結像光学系2の結像位置に配置されている。
時分割光路切り替え手段5は、図2(a)に示すように、絞り部材51と、遮蔽部材52とで構成されている。
絞り部材51は、2光路形成光学系1に備わる2つの光路に対応して配置された、2つの開口部51R,51Lを有している。
遮蔽部材52は、開口部51R又は開口部51Lを遮蔽可能に形成された遮蔽板52aと、その一端が遮蔽板に接続し、他端が軸52bを中心に回動可能に遮蔽板52aに取り付けられたレバー52cとで構成されている。また、遮蔽部材52は、図示しない光路切り替え制御手段に接続されており、光路切り替え制御手段からの制御信号を介して、軸52bを中心に回動し、2つの開口部51R,51Lを時分割で交互に遮蔽することができるように構成されている。
これにより、時分割光路切り替え手段5は、2光路形成光学系1に形成される2つの光路のうちいずれか一方の光路からの光のみが結像光学系2に入射するように、2つの光路を時分割で切り替え可能となっている。
また、2光路形成光学系1、結像光学系2、撮像素子3を内視鏡挿入部先端4に備えたので、内視鏡挿入部先端4より後続の部材に可撓性を持たせて内視鏡挿入部を曲げることができる。このため、例えば、計測対象が曲がった管である場合や、計測対象の前方に計測の干渉になる物体が存在するような場合等、直線的に挿入できない箇所に位置する計測対象を撮像することができる。
また、2光路形成光学系1に形成される2つの光路のうちいずれか一方の光路からの光のみが結像光学系2に入射するように、2つの光路を時分割で切り替え可能な時分割光路切り替え手段5を備えたので、視差のある夫々の画像を撮像素子で、別々に撮像することができる。視差のある画像を別々に撮像できる結果、その別々に撮像した画像間を相関演算することによって、三角測量の原理で物体の大きさや深さ等を計測することができるようになる。
図3の変形例のステレオ光学系は、図1の光学系における2光路形成光学系1の物体側に、2光路を含む1つの共通の凸レンズ10を配置して備えている。このように構成された図3の変形例のステレオ光学系によれば、この凸レンズ10の作用によって、視差のある2つの画像が重なる物体距離の範囲が広がるという効果がある。また、物体面にピントを合わせる効果もある。
図4の変形例のステレオ光学系は、図3に示した変形例のステレオ光学系における凸レンズ10を、凸レンズ101と凹レンズ102で構成したものである。凸レンズ101と凹レンズ102の間隔は可変となっている。このように構成された図4の変形例のステレオ光学系によれば、図3に示した変形例のステレオ光学系と同様に2つの画像が重なる物体距離の範囲を広げるという効果に加えて、焦点距離を変えることができるのでピントが合う物体距離を変えられるという効果がある。これによって、より最適な計測状態を実現できる。
図5は本発明の第二実施形態にかかるステレオ光学系の概略構成を示す説明図で、(a)は通常の計測態様における光学ユニットを含む全体構成を示す図、(b)は視差を小さくして近点を計測するときに先端に取り付ける光学ユニットの一例を示す図、(c)は視差を大きくして遠点を計測するときに先端に取り付ける光学ユニットの一例を示す図である。
第二実施形態のステレオ光学系は、通常の計測態様において、図5(a)に示すように、2光路形成光学系1が内視鏡挿入部先端4に着脱可能に構成されている。
詳しくは、内視鏡挿入部先端4は、先端交換部4aと、先端本体部4bとで構成されている。
先端交換部4aには、2光路形成光学系1が備えられている。また、先端本体部4bには、時分割光路切り替え手段5、結像光学系2、撮像素子3が備えられている。結像光学系2は接合レンズで構成されている。
また、先端交換部4aは、先端本体部4bに対して着脱可能に構成されている。
その他の構成は、第一実施形態のステレオ光学系と略同じである。
図5(b)に示す光学系1’は、像側に凹面を向けた凹レンズ11’と、凸レンズ12’とで構成されている。図5(b)に示す光学系1’では、先端本体部4bに装着したときの視差d1が、図5(a)に示す光学系1を先端本体部4bに装着したときの視差dに比べて、小さくなっている。
図5(c)に示す光学系1”は、凸レンズ11”と、物体側に凹面を向けた凹レンズ12”とで構成されている。
図5(c)に示す光学系1”では、先端本体部4bに装着したときの視差d2が、図5(a)に示す光学系1を先端本体部4bに装着したときの視差dに比べて、大きくなっている。
その他の作用効果は、第一実施形態のステレオ光学系と略同じである。
図6は本発明の第三実施形態にかかるステレオ光学系の概略構成を示す説明図である。
第三実施形態のステレオ光学系では、2光路形成光学系1としての一対のアフォーカル光学系1R,1Lと、時分割光路切り替え手段5との間に、光路間隔変換手段としての軸対称な楔型プリズム6が設けられている。軸対称な楔形プリズム6は、時分割光路切り替え手段5の2つの光路の間隔を拡大する機能を有している。一対のアフォーカル光学系1R,1Lは、軸対称な楔形プリズム6により拡大された2つの光路に対応した位置に配置されている。
その他の構成は、第一実施形態のステレオ光学系と略同じである。
その他の作用効果は、第一実施形態のステレオ光学系と略同じである。
図7は本発明の第四実施形態にかかるステレオ光学系の概略構成を示す説明図である。
第四実施形態のステレオ光学系では、2光路形成光学系1としての一対のアフォーカル光学系1R’,1L’がステレオ光学系の光軸に対称に偏心して構成され、光路間隔変換手段として2つの光路の間隔を拡大する機能を有している。
アフォーカル光学系1R’(1L’)は、像側に凹面を向けた凹レンズ11R’(11L’)と、凸レンズ12R’(12L’)とで構成されている。像側に凹面を向けた凹レンズ11R’(11L’)は、図1に示した像側に凹面を向けた凹レンズ11R(11L)の光軸より内側部分で構成されている。凸レンズ12R’(12L’)は、図1に示した凸レンズ12R(12L)の光軸より内側部分で構成されている。
その他の構成は、第一実施形態のステレオ光学系と略同じである。
その他の作用効果は、第一実施形態のステレオ光学系と略同じである。
図8は本発明の第五実施形態にかかるステレオ光学系の概略構成を示す説明図である。
第五実施形態のステレオ光学系は、2光路形成光学系1が、可変焦点レンズ13を有している。
即ち、図8の例では、2光路形成光学系1は、一対のアフォーカル光学系1R,1Lで構成されており、アフォーカル光学系1R(1L)は、像側に凹面を向けた凹レンズ11R(11L)と、凸レンズ12R(12L)と、可変焦点レンズ13とで構成されている。
その他の構成は、第一実施形態のステレオ光学系と略同じである。
その他の作用効果は、第一実施形態のステレオ光学系と略同じである。
なお、図8の例では、可変焦点レンズ13を凸レンズ12R(12L)の像側に配置したが、可変焦点レンズ13を凹レンズ11R(11L)の物体側に配置してもよい。
図9は本発明の第六実施形態にかかるステレオ光学系の概略構成を示す説明図である。
第六実施形態のステレオ光学系は、時分割光路切り替え手段5と、1つの結像光学系2と、1つの撮像素子3とで構成されている。
時分割光路切り替え手段5は、夫々の光路に対応して配置された2つの開口部51R,51Lを有し、遮蔽部材(図9において図示省略)を介して2つの開口部を時分割で交互に遮蔽することによって2つの光路を形成する。このため、時分割光路切り替え手段5は、それ自体で2光路形成光学系としての機能を備えている。
その他の構成は、第一実施形態のステレオ光学系と略同じである。
なお、結像光学系2は単レンズでなく複数のレンズで構成してもよい。
第七実施形態
図10は本発明の第七実施形態にかかる、ステレオ光学系を用いたステレオ計測装置の概略構成を示す説明図である。
第七実施形態のステレオ計測装置は、図1〜図9に示した第一実施形態〜第六実施形態のいずれかのステレオ光学系を内視鏡挿入部先端4に備えた内視鏡(全体図は省略)と、プロセッサー7と、計測値表示装置8とを有して構成されている。
プロセッサー7は、計測値算出処理部7aを有している。計測値算出処理部7aは、時分割光路切り替え手段5の光路切り替え動作に連動し、撮像素子3を介して時分割で撮像された夫々の光路を通る計測対象の画像を用いて、相関演算して各画像上での対応する計測点のズレ量を算出し、算出したズレ量を用いて計測対象についての所定の計測値(例えば、計測対象の大きさや深さ)を算出する機能を備えている。
計測値表示装置8は、計測値算出処理部7aを介して算出された所定の計測値を表示するモニターで構成されている。
このとき、プロセッサー7の計測値算出処理部7aが、時分割光路切り替え手段5の光路切り替え動作に連動して、撮像素子3を介して時分割で撮像された夫々の光路を通る計測対象の画像を用いて、相関演算して計測対象についての所定の計測値(例えば、計測対象の大きさや深さ)を算出する。そして、計測値表示装置8が、計測値算出処理部7aを介して算出された所定の計測値を表示する。
図11は本発明の第八実施形態にかかる、ステレオ光学系を用いたステレオ計測装置の概略構成を示す説明図である。
第八実施形態のステレオ計測装置は、図1〜図9に示した第一実施形態〜第六実施形態のいずれかのステレオ光学系を内視鏡挿入部先端4に備えた内視鏡(全体図は省略)と、プロセッサー7と、計測値表示装置8と、画像表示装置9と、光路切り替え動作指示手段10を有して構成されている。
プロセッサー7は、計測値算出処理部7aと、光路切り替え動作制御部7bと、画像処理部7cを有している。
光路切り替え動作制御部7bは、光路切り替え動作指示手段10からの指示に基づいて時分割光路切り替え手段5による光路切り替え動作を制御する機能を備えている。
画像処理部7cは、ステレオ光学系の撮像素子3を介して撮像された計測対象の画像について次のような処理を行う。即ち、光路切り替え動作指示手段10から第1の指示モードが指示されたときには、時分割光路切り替え手段5を介して時分割に分割され撮像素子3で撮像された夫々の光路からの画像データを用いて、3次元画像を作成する。また、光路切り替え動作指示手段10から第2の指示モードが指示されたときには、時分割光路切り替え手段5を介して切り替えられ撮像素子3で撮像されたいずれか一方の光路からの画像データのみを用いて2次元画像を作成する。
画像表示手段9は、画像処理部7cを介して画像処理された計測対象の画像を表示するモニターで構成されている。
光路切り替え動作指示手段10は、画面表示又は機械式のボタン又はスイッチ等を用いて、時分割光路切り替え手段5による交互の光路への光路切り替えを所定ピッチで連続的に行う第1の指示モードと、時分割光路切り替え手段5によるいずれか一方の光路への光路切り替えを行う第2の指示モードとのいずれか一方を選択して指示可能に構成されている。
第2の指示モードに設定した場合、時分割光路切り替え手段5は、光路切り替え動作制御部7bを介して、2つの光路のうちいずれか一方の光路への光路切り替えを行うように駆動する。時分割光路切り替え手段5に入射した2つの光路からの光のうちいずれか一方の光路からの光のみが結像光学系2に入射する。結像光学系2に入射した一方の光路からの光は、撮像素子3の撮像面における共通領域に結像される。次いで、画像処理部7cが、撮像素子3で撮像されたいずれか一方の光路からの画像データを用いて2次元画像を作成する。次いで、画像表示手段9が、画像処理部7cを介して画像処理された計測対象の画像を表示する。
これにより、操作者は、計測対象の2次元画像を観察することができる。
第1の指示モードに設定した場合、時分割光路切り替え手段5は、光路切り替え動作制御部7bを介して、交互の光路への光路切り替えを所定ピッチで連続的に行うように駆動する。時分割光路切り替え手段5に入射した2つの光路からの光のうちいずれか一方の光路からの光のみが時分割で結像光学系2に入射する。結像光学系2に入射した夫々の光路からの光は、撮像素子3の撮像面における共通領域に結像される。撮像素子3は、時差をもって結像された夫々の光路からの像を撮像する。
このとき、プロセッサー7の計測値算出処理部7aが、時分割光路切り替え手段5の光路切り替え動作に連動して、撮像素子3を介して時分割で撮像された夫々の光路を通る計測対象の画像を用いて、相関演算して計測対象についての所定の計測値(例えば、計測対象の大きさや深さ)を算出する。そして、計測値表示装置8が、計測値算出処理部7aを介して算出された所定の計測値を表示する。
また、画像処理部7cは、撮像素子3で撮像された夫々の光路からの画像データを用いて3次元画像を作成する。次いで、画像表示手段9が、画像処理部7cを介して画像処理された計測対象の画像を表示する。
これにより、操作者は、ステレオ計測値を得るとともに計測対象の3次元画像を観察することができる。
あるいは、光路切り替え動作指示手段10を、第1の指示モードに設定する際に、さらに交互の光路への光路の切り替えのピッチ、回数を設定できるようにしてもよい。
そこで、上述のように、光路切り替え動作指示手段10を、押しボタンを押した間だけ第1の指示モードが設定されるようにすれば、常時、2次元画像が表示されるようにすることができ、立体計測を行う場合に一瞬だけ光路を切り替えて他方の画像を取り込むようにすることができるので、検査者の眼の負担を軽減することができる。
また、あるいは、第八実施形態のステレオ計測装置において、光路切り替え動作指示手段10を介して第1の指示モードが設定されたときに、画像表示装置9に、時分割で撮像された夫々の光路を通る計測対象の画像を所望の時間ごとに切り替えて表示するようにしてもよい。その場合には、所望の時間は、別途設定できるようにするとよい。
このようにしても、常時、2次元画像が表示されるようにすることができるので、検査者の眼の負担を軽減することができる。
例えば、プロセッサー7に、汚れチェック処理部(図示省略)を付加し、汚れチェック処理部を、撮像素子3を介して時分割で撮像された夫々の光路を通る計測対象の画像について、常時同じ位置に同じ像が撮像されているか否かを検査し、撮像されている場合にはステレオ計測用光学系にゴミや汚れがあるものとして、モニター等に警告標識を表示させるように構成するとよい。
しかるに、上述のような汚れチェック機能を備えておけば、ゴミ等の汚れが生じてもすぐに気付いて除去することができるようになるので、高精度な計測に支障を与えずに済む。
なお、汚れチェック機能の駆動は、ステレオ計測装置の起動時に自動起動するようにするとよい。あるいは、第八実施形態のステレオ計測装置における光路切り替え動作指示手段10に、汚れチェック機能を駆動するためのモードを付加してもよい。
1L、1R、1L’、1R’ アフォーカル光学系
11L、11R、11’、12”、11L’、11R’、102 凹レンズ
12L、12R、12’、11”、12L’、12R’、10、101 凸レンズ
1’、1” 光学系
13 可変焦点レンズ
2 結像光学系
3 撮像素子
4 内視鏡挿入部先端
4a 先端交換部
4b 先端本体部
5 時分割光路切り替え手段
51、5L、5R 絞り部材
51L、51R 開口部
52、52L、52R 蔽部材
52a、52aL、52aR 遮蔽板
52b、52bL、52bR 軸
52c、52cL、52cR レバー
6 軸対称な楔形プリズム
7 プロセッサー
7a 計測値算出処理部
7b 光路切り替え動作制御部
7c 画像処理部
8 計測値表示装置
9 画像表示装置
10 光路切り替え動作指示手段
51L、51R 負レンズ
52 正レンズ群
52L、52R 絞り開口部
53 対物光学系
54L、54R 撮像素子
60L,60R レンズ
60 第1ユニット
61 第2ユニット
62 第3ユニット
63 撮像ユニット
63a 撮像素子
71L、71R 負レンズ
72L、72R 正レンズ
73 正レンズ群
74 対物光学系
75 撮像素子
81 瞳分割手段
81a、81b 開口部
82 結像光学系
83 撮像素子
91 対物光学系
911R、911L 群光学系
912 後群光学系
92a、92b、92c リレーレンズ系
93 瞳分割結像手段
93a、93a’ 瞳結像レンズ系
93bL、93bR ミラー部
93cL、93cR、93c’ 結像レンズ系
94L、94R、94’ 撮像素子
95L、95R、96L、96R 像
Claims (18)
- 視差のある2つの光路を形成する2光路形成光学系と、前記2光路形成光学系における夫々の光路を通る光を共通の領域に結像する1つの結像光学系と、前記結像光学系の結像位置に配置された1つの撮像素子とを内視鏡挿入部先端に備えたステレオ光学系であって、
前記2光路形成光学系に形成される2つの光路のうちいずれか一方の光路からの光のみが前記結像光学系に入射するように、該2つの光路を時分割で切り替え可能な時分割光路切り替え手段を備えたことを特徴とするステレオ光学系。 - 前記時分割光路切り替え手段は、前記2光路形成光学系に備わる2つの光路に対応して配置された2つの開口部を有する1つの絞り部材と、前記絞り部材における2つの開口部を時分割で交互に遮蔽可能な遮蔽部材とからなることを特徴とする請求項1に記載のステレオ光学系。
- 前記時分割光路切り替え手段が、前記2光路形成光学系に備わる夫々の光路に対応して配置された、1つの開口部を有する2つの絞り部材と、前記2つの絞り部材における開口部を時分割で交互に遮蔽可能な2つの遮蔽部材とからなることを特徴とする請求項1に記載のステレオ光学系。
- 前記絞り部材が、可変絞りからなることを特徴とする請求項2又は3に記載のステレオ光学系。
- 前記時分割光路切り替え手段が、前記2光路形成光学系に備わる夫々の光路に対応して配置された2つの開口部を有し、該2つの開口部を時分割で交互に遮蔽するように構成されたMEMSからなることを特徴とする請求項1に記載のステレオ光学系。
- 前記2光路形成光学系が、一対のアフォーカル光学系よりなることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のステレオ光学系。
- 前記2光路形成光学系が、着脱可能に設けられていることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のステレオ光学系。
- 前記時分割光路切り替え手段の物体側に、前記視差のある2つの光路の間隔を拡大する光路間隔変換手段を有することを特徴とする請求項6、又は請求項6に従属する請求項7に記載のステレオ光学系。
- 前記光路間隔変換手段が、前記一対のアフォーカル光学系と前記時分割光路切り替え手段との間に配置された、軸対称な楔形プリズムからなり、
前記一対のアフォーカル光学系は、前記軸対称な楔形プリズムを介して拡大された2つの光路に対応した位置に配置されていることを特徴とする請求項8に記載のステレオ光学系。 - 前記一対のアフォーカル光学系が、前記結像光学系の光軸に対称に偏心し、
前記光路間隔変換手段が、前記結像光学系の光軸に対称に偏心した一対のアフォーカル光学系からなることを特徴とする請求項8に記載のステレオ光学系。 - 前記2光路形成光学系が、可変焦点レンズを有することを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載のステレオ光学系。
- 前記2光路形成光学系が、前記時分割光路切り替え手段よりなることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のステレオ光学系。
- 請求項1〜12のいずれかに記載のステレオ光学系を有するステレオ計測用光学装置。
- 請求項1〜12のいずれかに記載のステレオ光学系と、
前記ステレオ光学系の前記撮像素子を介して時分割で撮像された前記夫々の光路を通る計測対象の画像を用いて、相関演算して各画像上での対応する計測点のズレ量を算出し、算出したズレ量を用いて該計測対象についての所定の計測値を算出する計測値算出処理部と、
前記計測値算出処理部により算出した所定の計測値を表示する計測値表示手段、
を有するステレオ計測装置。 - さらに、前記ステレオ光学系の前記撮像素子を介して撮像された計測対象の画像について所定の処理を施す画像処理部と、
前記画像処理部を介して画像処理された計測対象の画像を表示する画像表示手段を有することを特徴とする請求項14に記載のステレオ計測装置。 - さらに、前記時分割光路切り替え手段による光路切り替え動作を指示する光路切り替え動作指示手段と、
前記光路切り替え動作指示手段からの指示に基づいて前記時分割光路切り替え手段による光路切り替え動作を制御する光路切り替え動作制御部を有し、
前記光路切り替え動作指示手段は、前記時分割光路切り替え手段による交互の光路への光路切り替えを行う第1の指示モードと、前記時分割光路切り替え手段によるいずれか一方の光路への光路切り替え行う第2の指示モードとのいずれか一方を選択して指示可能に構成されていることを特徴とする請求項15に記載のステレオ計測装置。 - 請求項1〜12のいずれかに記載のステレオ光学系を有するステレオ観察装置。
- さらに、前記ステレオ光学系の前記撮像素子で撮像された観察対象の画像に所定の処理を施す画像処理部と、前記処理された画像を表示する画像表示手段を有することを特徴とする請求項17に記載のステレオ観察装置。
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