JP2018096872A - 計測装置、計測方法、システム、および物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】計測精度および計測時間の点で有利な計測装置を提供する。
【解決手段】物体Ｗの形状を計測する計測装置１００で、複数のライン光からなる識別可能なパターン光Ｐを物体Ｗに投影する投影部１１０と、パターン光Ｐが投影された物体Ｗの撮像を行って画像情報を出力する撮像部１２０と、撮像部１２０から出力された画像情報から物体上におけるパターン光Ｐの輝度分布を求め、当該輝度分布から物体Ｗの形状に関する情報を得る処理部１４０と、を有し、処理部１４０は、第１位置でパターン光Ｐが投影された物体Ｗを撮像して得られる画像におけるパターン光Ｐの第１輝度分布、および、第１位置とは異なる第２位置でパターン光が投影された物体を撮像することによって第１輝度分布に対してパターン光の複数のラインが延びる方向に垂直な方向にシフトしたパターン光の第２輝度分布を求め、第１輝度分布と第２輝度分布との交点位置に基づいて情報を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、計測装置、計測方法、システム、および物品の製造方法に関する。

被計測物の形状を計測する装置として、パターン投影法を用いた光学式の計測装置が知られている。パターン投影法では、所定のパターンを被計測物に投影して撮像し、撮像画像におけるパターンを検出して、三角測量の原理から各画素位置における距離情報を算出することで、被計測物の形状を求めている。

例えば、特許文献１に記載された情報処理装置は、複数の計測線パターン（マルチスリット光）および、当該複数の計測線パターンのそれぞれを識別する基準線パターンを含むパターンが投影された被写体の撮像画像から被写体の形状を計測している。上記のようなパターンを用いると、１回の撮像で被計測物全体の形状に関する情報を取得できるが、環境光などの影響により計測精度が低下しうる。

マルチスリット光を利用した装置ではないものの、特許文献２の装置は、計測精度への環境光の影響を抑えた装置である。この装置は、相補的な照度分布を有する２つのパターンがそれぞれ投影された被検物の撮像画像およびパターンが投影されていない被検物の撮像画像の３つの撮像画像から算出された環境光の輝度分布を用いて環境光の影響を抑えている。

特開２０１１−１８５８７２号公報 特開２０１３−２１０２６２号公報

しかしながら、上記特許文献２の装置は、３回の撮像および環境光の輝度分布の算出が必要であり、計測時間の点で不利となりうる。

本発明は、例えば、計測精度および計測時間の点で有利な計測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、物体の形状を計測する計測装置であって、複数のラインおよび複数のラインのそれぞれを識別する特徴を有するパターン光を物体に投影する投影部と、パターン光が投影された物体の撮像を行って画像情報を出力する撮像部と、撮像部から出力された画像情報から物体上におけるパターン光の輝度分布を求め、当該輝度分布から物体の形状に関する情報を得る処理部と、を有し、処理部は、第１位置でパターン光が投影された物体を撮像して得られる画像におけるパターン光の第１輝度分布、および、第１位置とは異なる第２位置でパターン光が投影された物体を撮像することによって第１輝度分布に対してパターン光の複数のラインが延びる方向に垂直な方向にシフトしたパターン光の第２輝度分布を求め、第１輝度分布と第２輝度分布との交点位置に基づいて情報を得ることを特徴とする。

本発明によれば、例えば、計測精度および計測時間の点で有利な計測装置を提供することができる。

第１実施形態に係る計測装置の構成を示す概略図である。 撮像画像上でのパターン光とパターン光が投影された物体における輝度分布を示す図である。 第１実施形態に係るタイミング生成部の構成の詳細を示す図である。 第１実施形態に係るタイミング生成部が生成したタイミング信号を示す図である。 第１実施形態に係る計測方法を示すフローチャートである。 第２実施形態に係るタイミング生成部の構成の詳細を示す図である。 第２実施形態に係る計測方法を示すフローチャートである。 計測装置が備え付けられた把持装置を含む制御システムを示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る計測装置１００の構成を示す概略図である。計測装置１００は、パターン投影法により物体Ｗの三次元形状を計測する。計測装置１００は、投影部１１０および撮像部１２０を含む計測ヘッド１０と、制御部１３０と、処理部１４０とを含む。投影部１１０は、載置台Ｔに載置された物体Ｗにパターンを投影する。撮像部１２０は、パターンが投影された物体Ｗを撮像する。制御部１３０は、投影部１１０および撮像部１２０の動作タイミングおよび載置台Ｔの移動を制御する。処理部１４０は、撮像部１２０が撮影した撮像画像を処理して、物体Ｗの三次元形状を算出する。

投影部１１０は、照明部１１１および投影光学系１１２を含む。照明部１１１は、所定のパターン光Ｐを出力して、出力されたパターン光Ｐは投影光学系１１２を介して物体Ｗに投影される。本実施形態のパターン光Ｐは、複数のラインで構成されるパターンをもつ光である。各ラインはスリット光ともいい、複数のスリット光で構成されるパターン光は、マルチスリット光パターンともいう。パターン光Ｐの各スリット光には、ランダムに切断点が含まれる。当該切断点により、各スリット光が識別される。各スリット光を識別する方法は、切断点を用いる場合に限られず、スリット光に識別符号を付与する特徴を有するパターンであればよく、例えば、各スリット光と交点を有するラインパターンを用いる場合がある。スリット光と特徴を有するパターンは、同時に物体Ｗに投影される。

撮像部１２０は、撮像光学系１２１と、撮像素子１２２とを含み、物体Ｗを撮像して画像を取得する。撮像光学系１２１は、物体Ｗに投影されたパターンを撮像素子１２２に結像するための結像光学系である。撮像素子１２２は、パターンが投影された被計測物Ｗを撮像するための複数の画素を含むイメージセンサであって、例えば、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサなどで構成されている。

撮像部１２０は、例えば、取得した画像のビデオ信号をビデオキャプチャー機能によりビデオ信号をデジタル画像信号に変換して出力する。デジタル画像は、画素毎に明暗の白から黒までの色の濃さを表す階調又は濃度と呼ばれるデータを有する。階調が８ビットの場合は０〜２５５までの２５６段階の階調データを有する。またデジタル画像は、画像の画素数を表す解像度を有する。撮像画像のデジタル画像信号を画像の階調、解像度などの画像を構成するデータに分解した信号（すなわち、画像情報）が撮像部１２０から処理部１４０内の記憶部１４１に出力される。

制御部１３０は、台制御部１３１と、タイミング生成部１３２と、計測ヘッド制御部１３３と、を含む。物体Ｗが載置される載置台Ｔの載置面に垂直な方向をＺ方向とすると、台制御部１３１は、不図示の駆動装置を制御して、載置台Ｔを計測ヘッド１０に近づける方向（＋Ｚ方向）および遠ざける方向（−Ｚ方向）に移動させる。タイミング生成部１３２は、投影部１１０および撮像部１２０の動作タイミングおよび、載置台Ｔの制御信号を生成する。タイミング生成部１３２は、生成した動作タイミングおよび制御信号を計測ヘッド制御部１３３および台制御部１３１に出力する。計測ヘッド制御部１３３は、当該動作タイミングに基づいて投影部１１０および撮像部１２０の制御をする。

処理部１４０は、記憶部１４１、エッジ検出部１４２と、算出部１４３と、出力部１４４と、を含む。記憶部１４１は、撮像部１２０が取得した撮像画像を表す画像情報を記憶する。エッジ検出部１４２は、記憶部１４１に記憶された画像情報に基づいて、物体上のパターン光の輝度分布のエッジを検出する。算出部１４３は、切断点を利用して、投影パターン上の二次元位置（エッジ位置）と撮像画像における二次元位置とを対応付ける。算出部１４３は、対応付け結果に基づいてパターン光Ｐを構成する各スリット光を対応付けして計測ヘッド１０から物体Ｗまでの距離に関する距離情報を算出する。出力部１４４は、例えば、距離情報および輝度値が距離を表す距離画像を表示するモニタ、プリンタ等を有する。また、距離情報から物体Ｗの三次元形状情報を生成して外部へ出力する。

図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および（Ｄ）は、物体Ｗの撮像画像上でのパターン光Ｐとパターン光Ｐが投影された物体Ｗにおける輝度分布を示す図である。図２（Ａ）および図２（Ｃ）は、物体Ｗの撮像画像におけるパターン光Ｐの一部を拡大した図である。白抜きの部分は、パターン光Ｐの明部が照射された部分を表し、黒い部分はパターン光Ｐの明部が照射されず、環境光のみが照射されている箇所（切断点を含む）を表す。図２（Ｂ）は、パターン光Ｐを物体Ｗに投影した場合の図２（Ａ）のＸ−Ｘ´部の輝度変化を表している。図２（Ｄ）は、パターン光Ｐを物体Ｗに投影した場合の図２（Ｃ）のＸ−Ｘ´部の輝度変化を表している。

図２（Ｂ）の横軸は、図２（Ａ）のＸ−Ｘ´方向の位置と対応し、縦軸は輝度を表す。位置Ｘｐは、パターン光Ｐの明部のＸ−Ｘ´方向の幅の中心位置を示す。エッジ検出部１４２は、撮像画像から図２（Ｂ）のような輝度分布を得て、輝度の境界位置を示すエッジ位置を検出する。輝度の境界を所定の輝度値に基づいて決定する場合、例えば輝度Ａを輝度の境界とするときは、位置Ｘａがエッジ位置となり、輝度Ｂを輝度の境界とするときは、位置Ｘｂがエッジ位置となり、設定する輝度値によってエッジ位置が変化する。さらに、例えば、環境光の輝度が高くなると、図２（Ｂ）に示す輝度分布の曲線がとる輝度値が輝度Ｂよりも高くなり、エッジ位置を検出できなくなりうる。なお、エッジ位置を検出する際の輝度分布は、Ｘ−Ｘ´方向の輝度分布に限られない。

図２（Ｃ）は、図２（Ａ）の撮像画像を得た位置（第１位置とする）とは異なる位置（第２位置）における物体Ｗの撮像画像上でのパターン光Ｐを示す図である。図２（Ｃ）に示す通り、物体Ｗの撮像画像上でスリット光の延びる方向と垂直な方向にパターン光Ｐが所定のシフト量Δｄだけシフトしている。図２（Ｄ）の横軸は、図２（Ｃ）のＸ−Ｘ´方向の位置と対応し、縦軸は輝度を表す。位置Ｘｑは、シフト量Δｄだけシフトした後のパターン光Ｐの明部のＸ−Ｘ´方向の幅の中心位置を示す。本実施形態では、シフト量Δｄをスリット光の幅とした。点線は、図２（Ｂ）で示した輝度分布であり、実線は、図２（Ｃ）のＸ−Ｘ´部の輝度変化の輝度分布である。

本実施形態では、撮像画像を得る位置を第１位置から第２位置へ変える前後、すなわち、撮像画像上でのパターン光Ｐのシフト前後の輝度分布の交点位置Ｘｅをエッジ位置とする。なお、本実施形態では、シフト前後において、環境光の輝度の変化は無いとしており、輝度分布を示す曲線の形状はシフト前後で同じである。シフト前後における各輝度分布には、同じ量の環境光の輝度がオフセットとして含まれており、環境光の輝度によらず、交点位置Ｘｅ、すなわち、検出されるエッジ位置は変化しない。

図３は、タイミング生成部１３２の構成の詳細を示す図である。タイミング生成部１３２は、シフト量算出部１３２１と、第１信号生成部１３２２と、第２信号生成部１３２３と、制御信号生成部１３２４と、を含む。本実施形態では、シフト量算出部１３２１は、所定のパターン光Ｐを構成するスリット光の幅、すなわち、スリットの伸びる方向と垂直な方向のスリットの長さに基づいて、シフト量Δｄを算出する。シフト量算出部１３２１は、算出したシフト量Δｄを第２信号生成部１３２３に出力する。

上記のとおり、シフト前の撮像画像を得る位置を第１位置、シフト後の撮像画像を得る位置を第２位置とする。第１信号生成部１３２２は、第１位置において、パターン光Ｐの投影および物体Ｗの撮像を行うタイミング信号である第１信号Ｓ１を生成して、生成した第１信号Ｓ１を第２信号生成部１３２３および制御信号生成部１３２４に出力する。

第２信号生成部１３２３は、載置台Ｔの制御信号Ｓ２１、および第２位置におけるパターン光Ｐの投影と物体Ｗの撮像とを行うタイミング信号Ｓ２２を含む第２信号Ｓ２を生成する。第２信号生成部１３２３は、シフト量算出部１３２１が算出したシフト量Δｄに基づいて、載置台ＴのＺ方向への移動量を求める。第２信号生成部１３２３は、当該移動量、第１信号Ｓ１および載置台Ｔの移動速度に基づいて載置台Ｔの制御信号Ｓ２１を求めて、台制御部１３１へ制御信号Ｓ２１を出力する。載置台Ｔの移動速度は、台制御部１３１に予め保存された設定値などの所定の速度または、別途センサによって計測された速度とする。制御信号Ｓ２１は、載置台Ｔの移動を始めるタイミングおよび移動に要する所要時間Δｔから求めた移動終了タイミングを含む。第２信号生成部１３２３は、所要時間Δｔおよび第１信号Ｓ１に基づいて、第２位置においてパターン光Ｐの投影と物体Ｗの撮像とを行うタイミング信号Ｓ２２を求め、求めたタイミング信号Ｓ２２を制御信号生成部１３２４に出力する。

制御信号生成部１３２４は、第１信号Ｓ１およびタイミング信号Ｓ２２をＯＲ演算して、第１位置における投影および撮像と、第２位置における投影および撮像とを含む第３信号Ｓ３を生成し、計測ヘッド制御部１３３に出力する。計測ヘッド制御部１３３は、第３信号Ｓ３に基づいて、投影部１１０および撮像部１２０を制御する。

図４（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、それぞれ、第１信号Ｓ１に基づく計測タイミング、タイミング信号Ｓ２２に基づく計測タイミング、第３信号Ｓ３に基づく計測タイミングを示す。第１信号Ｓ１に基づく測定は時間ｔ１から開始され、時間ｔ２で終了する。時間ｔ２から、載置台Ｔの移動が開始され、Δｔ経ったｔ３で第２信号に基づく測定が開始される。この工程を1組とした測定が所定の周期で繰り返されうる。

図５は、本実施形態に係る計測方法を示すフローチャートである。工程Ｓ１００で、タイミング生成部１３２は、上述のようにして載置台Ｔの制御信号Ｓ２１、および第３信号Ｓ３を生成し、計測ヘッド制御部１３３および台制御部１３１に出力する。工程Ｓ１１０で、計測ヘッド制御部１３３は、第３信号Ｓ３に基づいて投影部１１０および撮像部１２０を制御して、物体Ｗの第１位置における画像情報（第１画像情報という）を取得し、記憶部１４１へ出力する。

工程Ｓ１２０で、台制御部１３１は、制御信号Ｓ２１に基づいて載置台Ｔを移動させる。移動完了後、工程Ｓ１３０で、第３信号Ｓ３に基づいて投影部１１０および撮像部１２０を制御して、物体Ｗの第２位置における画像情報（第２画像情報という）を取得し、記憶部１４１へ出力する。工程Ｓ１４０で、エッジ検出部１４２は、記憶部１４１に記憶された第１画像情報および第２画像情報に基づいて、物体Ｗ上のパターン光Ｐの輝度分布のエッジを検出する。

工程Ｓ１５０で、算出部１４３は、切断点を利用して、工程Ｓ１４０で検出したエッジ位置と撮像画像における二次元位置とを対応付けて距離情報を算出する。工程Ｓ１６０で、出力部１４４は、工程Ｓ１５０で算出された距離情報から物体Ｗの三次元形状情報を生成して外部へ出力する。

以上のように、本実施形態の計測装置１００は、環境光の輝度によらず、スリット光のエッジ位置を安定して検出することができる。また、本実施形態の計測装置１００は、ターン光Ｐのパターンを変える、例えば、明暗の反転等は不要で、パターン光Ｐを固定して計測を行うため、計測時間および装置コストの点で有利となりうる。また、環境光の影響を抑えるために必要な撮像回数は２回でよく、さらに、２つの輝度分布の交点を求めるのみで、複雑な計算は必要としない。したがって、本実施形態によれば、計測精度および計測時間の点で有利な計測装置を提供することができる。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る計測装置が有するタイミング生成部の構成の詳細を示す図である。第１実施形態と本実施形態との差異は、シフト量Δｄの求め方である。第１実施形態では、スリットの幅をシフト量Δｄとしていたが、本実施形態では、第１の位置におけるパターン光の輝度分布に基づいてシフト量Δｄを求める。図５において、第１実施形態の図３と異なる点は、第２信号生成部１３２３が記憶部１４１から信号を受信する点である。

具体的には、まず、第１の位置において画像情報を取得し、記憶部１４１に画像信号として記憶させる。そして、シフト量算出部１３２１は、記憶部１４１の画像信号から第１位置における輝度分布を得る。輝度分布の曲線上で環境光の影響を受けにくい点は、例えば、曲線の変曲点、すなわち、位置で二回微分したときの値がゼロになる点であり、かつ当該点の前後で二回微分の値の正負が変化する点である。シフト量算出部１３２１は、輝度分布の２つの変曲点間の距離を求め、求めた距離をシフト量Δｄとする。第１位置におけるパターン光Ｐの輝度分布は、物体Ｗの表面特性によっては、輝度勾配が緩やかになったり急峻になったりする。本実施形態によれば、シフト量Δｄを第１位置におけるパターン光Ｐの輝度分布の特徴によって変更しうる。

図７は、本実施形態に係る計測方法を示すフローチャートである。第１実施形態と異なる工程は、工程Ｓ２００、工程Ｓ２１０および工程Ｓ２２０である。工程Ｓ２００で第１信号生成部１３２２は、第１位置において、第１信号Ｓ１を生成して、生成した第１信号Ｓ１を計測ヘッド制御部１３３、第２信号生成部１３２３および、制御信号生成部１３２４に出力する。工程Ｓ２１０で、計測ヘッド制御部１３３は、第１信号Ｓ１に基づいて、投影部１１０および撮像部１２０を制御して、撮像部１２０は、物体Ｗの第１位置において第１画像情報を取得し、記憶部１４１へ出力する。工程Ｓ２２０で、第２信号生成部１３２３は、記憶部１４１に記憶された第１画像情報から、上述のようにしてシフト量Δｄを求め、載置台Ｔの制御信号Ｓ２１、およびタイミング信号Ｓ２２を生成する。第２信号生成部１３２３は、生成した制御信号Ｓ２１を台制御部１３１へ出力し、タイミング信号Ｓ２２を制御信号生成部１３２４へ出力する。制御信号生成部１３２４は、第１信号Ｓ１およびタイミング信号Ｓ２２から第３信号Ｓ３を生成し、計測ヘッド制御部１３３へ出力する。以下の工程は、第１実施形態と同様である。本実施形態も第１実施形態と同様の効果を奏する。

（物品製造方法に係る実施形態）
上述の計測装置は、ある支持部材に支持された状態で使用されうる。本実施形態では、一例として、図８のようにロボットアーム３００（アーム部）に備え付けられて使用される制御システムについて説明する。計測装置１００は、支持台Ｔに置かれた物体（被検物）Ｗにパターン光を投影して撮像し、画像を取得する。そして、計測装置１００の制御部が、又は、計測装置１００の制御部から画像データを取得したアーム制御部３１０が、被検物Ｗの位置および姿勢を求め、求められた位置および姿勢の情報をアーム制御部３１０が取得する。アーム制御部３１０は、その位置および姿勢の情報（計測結果）に基づいて、ロボットアーム３００に駆動指令を送ってロボットアーム３００を制御する。ロボットアーム３００は先端のロボットハンドなど（把持部）で被検物Ｗを保持して、並進や回転などの移動をさせる。さらに、ロボットアーム３００によって被検物Ｗを他の部品に組み付ける（組立する）ことにより、複数の部品で構成された物品、例えば電子回路基板や機械などを製造することができる。また、移動された被検物Ｗを加工（処理）することにより、物品を製造することができる。アーム制御部３１０は、ＣＰＵなどの演算装置やメモリなどの記憶装置を有する。なお、ロボットを制御する制御部をアーム制御部３１０の外部に設けても良い。また、計測装置１００により計測された計測データや得られた画像をディスプレイなどの表示部３２０に表示してもよい。

上記実施形態では、載置台Ｔを移動させることでパターン光Ｐの投影位置をシフトしていたが、アーム制御部３１０がロボットアーム３００を移動させることでパターン光Ｐの投影位置をシフトしてもよい。また、載置台Ｔの移動とロボットアーム３００の移動とを併用してもよい。

（その他の実施形態）
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内において様々な変更が可能である。

１００ 計測装置
１０ 計測ヘッド
１１０ 投影部
１２０ 撮像部
１３０ 制御部
１３１ 台制御部
１３２ タイミング生成部
１３３ 計測ヘッド制御部
１４０ 処理部
１４１ 記憶部
１４２ エッジ検出部
１４３ 算出部
１４４ 出力部
Ｗ 物体
Ｔ 載置台

Claims (8)

1. 物体の形状を計測する計測装置であって、
   複数のラインおよび前記複数のラインのそれぞれを識別する特徴を有するパターン光を前記物体に投影する投影部と、
   前記パターン光が投影された前記物体の撮像を行って画像情報を出力する撮像部と、
   前記撮像部から出力された前記画像情報から前記物体上における前記パターン光の輝度分布を求め、当該輝度分布から前記物体の形状に関する情報を得る処理部と、を有し、
   前記処理部は、
   第１位置で前記パターン光が投影された前記物体を撮像して得られる画像における前記パターン光の第１輝度分布、および、前記第１位置とは異なる第２位置で前記パターン光が投影された前記物体を撮像することによって前記第１輝度分布に対して前記パターン光の前記複数のラインが延びる方向に垂直な方向にシフトした前記パターン光の第２輝度分布を求め、
   前記第１輝度分布と前記第２輝度分布との交点位置に基づいて前記情報を得ることを特徴とする計測装置。
2. 前記第２輝度分布のシフト量は、前記物体上に投影された前記複数のラインを構成するラインの幅であることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記第２輝度分布のシフト量は、前記第１輝度分布の前記垂直な方向における２つの変曲点間の距離であることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
4. 前記物体が載置される載置台を載置面に垂直な方向に移動させる制御部を有し、
   前記制御部は、前記第２位置で前記物体に前記パターン光が投影されるように前記載置台を移動させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の計測装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の計測装置と、
   前記計測装置が備え付けられるアーム部を有し、前記計測装置により計測を行われた物体を前記アーム部で把持して移動させるロボットと、
   を有することを特徴とするシステム。
6. 前記アーム部は、前記第２位置で前記物体に前記パターン光が投影されるように前記計測装置を前記物体に近づける方向又は遠ざける方向に移動させることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 物体の形状を計測する計測方法であって、
   前記物体上の第１位置に複数のラインおよび前記複数のラインのそれぞれを識別する特徴を有するパターン光を投影し、
   前記第１位置で前記パターン光が投影された前記物体の撮像を行って第１画像情報を得て、
   前記第１位置に投影された前記パターン光の前記複数のラインが延びる方向と垂直な方向に所定のシフト量で前記第１位置からシフトした第２位置に前記パターン光を投影し、
   前記第１位置とは異なる第２位置で前記パターン光が投影された前記物体の撮像を行って第２画像情報を得て、
   前記第１画像情報から、前記パターン光の第１輝度分布を求め、
   前記第２画像情報から、前記第１輝度分布に対して前記パターン光の前記複数のラインが延びる方向に垂直な方向にシフトした前記パターン光の第２輝度分布を求め、
   前記第１輝度分布と前記第２輝度分布との交点位置に基づいて前記物体の形状に関する情報を得ることを特徴とする計測方法。
8. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の計測装置により計測を行われた物体の移動をロボットにより行う工程と、
   前記工程で前記移動を行われた前記物体を処理する工程と、
   を含むことを特徴とする物品製造方法。

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