JP2020064302A - 車両用光学レンズおよびこれを用いた車両用ランプ - Google Patents

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Abstract

【課題】マルチコア光学系に適用するにあたり、各コアに入射する光の照度均一度を安定的に確保できる車両用光学レンズおよびこれを用いた車両用ランプを提供する。【解決手段】車両用光学レンズ1は、レンズ本体部10と、レンズ本体部の一側部に形成され、レンズ本体部の一側部に光源に対向して配置され、光源から光が入射する入光部20と、レンズ本体部の他側部にマルチコア光学系に対向して配置され、レンズ本体部を通過した光がマルチコア光学系に向かって出射される出光部30と、入光部と出光部との間に形成され、入光部から入射した光が出光部に向かって全反射する全反射部40とを含み、入光部の直径に対する入光部と出光部との間の距離の比率は、0.48〜2.05である。【選択図】図1

Description

本発明は、車両用光学レンズおよびこれを用いた車両用ランプに関し、より詳細には、マルチコア光学系に適用可能な車両用光学レンズおよびこれを用いた車両用ランプに関する。
一般的に、車両用ランプは、夜間運行時、対象物を確認するための視野確保の用途や、他の車両やその他道路利用者に自車両の走行状態を知らせるための用途に用いられる。近年は、車両用リアランプの点灯イメージの多様化および差別化のために、単一コア光学系だけでなく、ライトガイド、光ファイバなどのマルチコア光学系を含む多様な光学系が適用されている。
本発明の背景技術は、特許文献1(2005.09.15.登録、発明の名称:全反射レンズおよびこれを用いた車両用ランプ)に開示されている。
大韓民国特許登録番号第0516819号
従来、車両用ランプに適用される光学レンズの光学効率に対する研究、設計は、単一コア光学系でしか行われてこなかった。近年は、マルチコア光学系を含む多様な光学系の適用が試みられているが、単一コア光学系に適合化された光学レンズの構造がそのまま適用されている。
したがって、これを改善する必要がある。
本発明は、マルチコア光学系に適用するにあたり、各コアに入射する光の照度均一度を安定的に確保できる車両用光学レンズおよびこれを用いた車両用ランプを提供することを目的とする。
本発明に係る車両用光学レンズは、光源とマルチコア光学系との間に設けられ、レンズ本体部と、前記レンズ本体部の一側部で前記光源に対向して配置され、前記光源から光を入射させる入光部と、前記レンズ本体部の他側部で前記マルチコア光学系に対向して配置され、前記レンズ本体部を通過した光を前記マルチコア光学系に向かって出射させる出光部と、前記入光部と前記出光部との間に形成され、前記入光部から入射した光を前記出光部に向かって全反射させる全反射部とを含み、前記入光部の直径に対する前記入光部と前記出光部との間の距離の比率は、0.48〜2.05であることを特徴とする。
前記入光部は、平坦面をなして形成され、前記出光部は、前記入光部より拡張された直径を有し、前記入光部と平行に形成され、前記全反射部は、前記入光部から入射した光が前記出光部に向かって並んで直進する平行光となるように全反射させる自由曲面を有することを特徴とする。
前記入光部は、前記光源と同一であるか、前記光源より拡張された直径を有し、前記出光部は、前記マルチコア光学系と同一であるか、前記マルチコア光学系より拡張された直径を有することを特徴とする。
前記全反射部は、台形の断面形状を有することを特徴とする。
前記入光部の直径に対する前記入光部と前記出光部との間の距離の比率は、0.48〜2.05であることを特徴とする。
前記入光部の直径に対する前記入光部と前記出光部との間の距離の比率は、前記出光部から出射された光の照度差が第1設定値以内となるように、0.84〜2.05であることを特徴とする。
前記光源と前記入光部との間の距離は、0〜0.5mm以下であり、前記入光部の直径に対する前記入光部と前記出光部との間の距離の比率は、前記光源から前記入光部に入射する光の入光効率が第2設定値以上となるように、0.48〜1.31であることを特徴とする。
前記入光部の直径に対する前記入光部と前記出光部との間の距離の比率は、前記出光部から出射された光の照度差が第1設定値以内でかつ、前記光源から前記入光部に入射する光の入光効率が第2設定値以上となるように、0.48〜1.31であることを特徴とする。
本発明に係る車両用ランプは、光源と、前記光源に対向して配置され、前記光源から光を入射させる入光部と、光を出射させる出光部と、前記入光部と前記出光部との間に形成され、前記入光部から入射した光を前記出光部に向かって全反射させる全反射部とを備え、前記入光部の直径に対する前記入光部と前記出光部との間の距離が、0.48〜2.05の比率を有する光学レンズと、前記出光部に対向して配置され、前記出光部から出射された光を入射させる複数の光学系を有するマルチコア光学系とを含むことを特徴とする。
前記マルチコア光学系は、複数のコアが束形態に結集された構造を有し、前記光学レンズに対向する入射部が連続した面をなすように配列されることを特徴とする。
前記入光部の直径に対する前記入光部と前記出光部との間の距離の比率は、前記出光部から出射された光の照度差が第1設定値以内となるように、0.84〜2.05であることを特徴とする。
前記光源と前記入光部との間の距離は、0〜0.5mm以下であり、前記入光部の直径に対する前記入光部と前記出光部との間の距離の比率は、前記光源から前記入光部に入射する光の入光効率が第2設定値以上となるように、0.48〜1.31であることを特徴とする。
本発明に係る車両用光学レンズおよびこれを用いた車両用ランプは、入光部の直径と、入光部と出光部との間の距離を照度均一度に影響を及ぼす主要因子として認識してマルチコア光学系に適用しており、これらの比を0.48〜2.05の範囲に最適化した設計構造を提示している。
したがって、本発明によれば、マルチコア光学系に適用するにあたり、各コアに入射する光の照度均一度などの光学効率を安定的に信頼性あるように確保することができ、これによって、マルチコア光学系を構成する複数の光学系の個別の明るさを均等にすることができる。
本発明の一実施形態に係る車両用ランプを概略的に示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る車両用光学レンズを概略的に示す斜視図である。 図2の縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る車両用光学レンズの入光部の直径に対する入光部と出光部との間の距離(長さ)の比に応じた均一度を比較するための光分布度グラフを示す表である。 同一の入光効率を実現するにあたり、光源と入光部との間の距離に応じた入光部の直径の関係を実験した結果を示すグラフである。 光源と入光部との間の距離に応じた入光効率を実験した結果を示すグラフである。 入光部の直径に応じた入光効率を実験した結果を示すグラフである。 入光部の直径に対する入光部と出光部との間の距離(長さ)の比に応じた入光効率を実験した結果を示すグラフである。
以下、添付した図面を参照して、本発明に係る車両用光学レンズおよびこれを用いた車両用ランプの実施例を説明する。この過程において、図面に示された線の厚さや構成要素の大きさなどは、説明の明瞭性と便宜上誇張されて示されていてもよい。また、後述する用語は、本発明における機能を考慮して定義された用語であって、これは、使用者、運用者の意図または慣例によって異なる。そのため、これらの用語に対する定義は、本明細書全般にわたる内容に基づいて行われなければならない。
図1は、本発明の一実施形態に係る車両用ランプを概略的に示す斜視図である。
図1を参照すれば、本発明の一実施形態に係る車両用ランプは、光源2と、光学レンズ1と、マルチコア光学系3とを含む。
光源2としては、LEDなどを適用することができる。マルチコア光学系3は、複数のコア3aが束形態に結集された構造を有し、ライトガイド、光ファイバなどを適用することができる。マルチコア光学系3のうち、光学レンズ1に対向する一側部は、コア3aそれぞれの入射部3bが連続した面をなすように密集して配列された構造を有する。
光学レンズ1は、光源2とマルチコア光学系3との間に配置される。光学レンズ1と光源2は、光源2から発散した光が光学レンズ1に入射する過程で損失することを最小化するために、相互に接するか、0.5mm以内の隔離距離を有する。光学レンズ1とマルチコア光学系3も、光学レンズ1から出射された光がマルチコア光学系3に入射する過程で損失することを最小化するために、相互に接するか、0.5mm以内の隔離距離を有する。
図2は、本発明の一実施形態に係る車両用光学レンズを概略的に示す斜視図であり、図3は、図2の縦断面図である。
図2、図3を参照すれば、本発明の一実施形態に係る光学レンズ1は、レンズ本体部10と、入光部20と、出光部30と、全反射部40とを含む。
レンズ本体部10は、光の全反射(total internal reflection)が行われるように、空気より密な媒質を含んでなる。入光部20は、平坦面をなして、レンズ本体部10の一側部に光源2に対向して配置される。図3上で、入光部20は、光源2と同一の水平線上に配置され、垂直方向に平坦な面、すなわち垂直面の形状を有する。
光源2から照射された光は、入光部20を通してレンズ本体部10の内部に入射する。入光部20は、光源2から発散した光が入光部20に進行、入射する過程で損失することを最小化するために、光源2と同一であるか、光源2より拡張された直径を有することが好ましい。
出光部30は、入光部20より拡張された直径を有し、レンズ本体部10の他側部に入光部20と平行に形成される。レンズ本体部10を通過した光は、出光部30を通してマルチコア光学系3に入射する。出光部30の直径D2は、マルチコア光学系3を構成するコア3aの直径と個数に応じて、すなわちマルチコア光学系3の直径に応じて決定される。
より具体的には、出光部30は、複数のコア3aすべてに光を入射させるために、マルチコア光学系3の直径と等しいか、これより大きいサイズを有する範囲で、空間活用度と重量を考慮してその直径D2が決定される。本発明の説明では、入光部20と出光部30の大きさを「直径」と表現しているが、説明の便宜のためのもので、入光部20と出光部30の形状を円形に限るものではなく、設計条件、仕様などに応じて正方形、長方形、三角形などの多角形状を有してもよい。
全反射部40は、入光部20から入射した光を出光部30に向けて全反射させる部分で、入光部20と出光部30との間に台形の断面形状をなして形成される。全反射部40は、全体的には入光部20から出光部30まで傾斜して延びる形状をなすが、部分的には入光部20から多様な角度で入射した光が出光部30に向かって並んで直進する平行光となるように全反射させる自由曲面(sculptured surface)を有する。
このような自由曲面は、レンズ本体部10の媒質、光の入射角などに応じて多様な形状、構造が適用可能であり、入光部20で多様な角度で入射した光が出光部30に向かって並んで直進する平行光となるように全反射させることができれば、公知の技術を含めて特定の構造と形状に限定されないので、その詳細な説明を省略する。
図4は、本発明の一実施形態に係る車両用光学レンズの入光部の直径に対する入光部と出光部との間の距離(長さ)の比に応じた均一度を比較するための光分布度グラフを示す表である。
図4の表には、直径:長さの比と均一度の項目が区分されている。ここで、直径:長さの比は、入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離(レンズの長さ、L)の比を示す。この時、光源2としては、1mm×1mmのサイズ(面積)の発光面積を有するLEDを適用した。
均一度は、出光部30の水平方向の直径の位置(mm)に応じた照度(lx)をグラフで示すもので、グラフ上で出光部30の中心部は5mmの位置に相当し、左側部と右側部がそれぞれこれから5mmの距離を有する範囲まで、すなわち0〜10mmの範囲までとなっている。この時、出光部30は、中心部から±3.5mmの幅を、すなわち7mmの直径を有する。
また、図4上の均一度を比較すれば、出光部30の水平方向の両端部から設定距離だけ内側に位置する2つの地点S1、S2の間の区間Sにおいて、入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比が1.31の時、照度差が最も小さいことを、すなわち均一度に優れていることを確認することができる。
照度均一度を数値化するにあたっては、一例として、光照射量が最も低い出光部30の水平方向の両端部からの中心部側に設定距離引き込まれた範囲、例えば、1mm引き込まれた範囲を照度測定、算出の有効範囲に適用することができる。すなわち、出光部30の中心部を基準として左右方向に±2.5mmの距離を有する2つの地点S1、S2の間の区間Sにおいて最大照度値と最小照度値との差を比較することにより、均一度の程度を判断することができる。より具体的には、出光部30の中心部を基準として左側における最大照度値P1と最小照度値P2との間の差、右側における最大照度値P3と最小照度値P4との間の差を平均した値を、均一度の程度に設定することができる。
入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比が1.31の時、左側における最大照度値P1と最小照度値P2は、それぞれ3,000,000lx、2,300,000lxであり、右側における最大照度値P3と最小照度値P4は、それぞれ2,750,000lx、2,000,000lxとなり、均一度の程度を{(3,000,000l−2,300,000=700,000)+(2,750,000−2,000,000=750,000)}/2=725,000lxで数値化すると、入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比が他の値を有する場合と比較して、最も低い値を有することを確認することができる。これは、照度差が最も小さいことを、すなわち均一度に優れていることを意味する。
このような実験、データ導出、算出、比較過程を経て、入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比が1.31の時、出光部30における照度の均一度が最も優れていることを確認することができる。これを車両用光学レンズ1および車両用ランプに適用するにあたっては、光学レンズ1の製作、組立、設置の誤差範囲を考慮して、入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比として、0.48以上〜2.05以下の範囲を適用することが好ましい。
一方、入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比が1.31の時、出光部30における照度差は725,000lxと算出されるが、出光部30から出射された光の照度差が第1設定値以内となる、例えば1,000,000lx以内となる範囲を加重適用することにより、入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比を、0.84以上〜2.05以下の範囲により縮小することもできる。
ここで、第1設定値は、車両用ランプの仕様、主要機能、設置条件、光学レンズ1の媒質、光源2の構造および性能などに応じて多様に変更適用可能である。第1設定値として多様な値が可変適用されても、入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比を0.84以上〜2.05以下の範囲により縮小すれば、出光部30の全般に対して照度の均一度をより安定的に確保することができ、これによって、大量生産に適用するにあたり、製品間の製作、組立、設置誤差が発生しても照度均一度の信頼性を確保することができる。
これは、入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比が他の範囲を有する場合と比較して、1つの光源2から発散した光がマルチコア光学系3を構成する複数のコア3aに光がより均一な照度で信頼性あるように入射することを意味する。
図5は、同一の入光効率を実現するにあたり、光源と入光部との間の距離に応じた入光部の直径の関係を実験した結果を示すグラフであり、図6は、光源と入光部との間の距離に応じた入光効率を実験した結果を示すグラフであり、図7は、入光部の直径に応じた入光効率を実験した結果を示すグラフである。
図5のグラフによれば、入光部20と出光部30との間の距離(L、焦点距離)が増加するほど、入光部20の直径D1も線形的に増加してこそ、同一の入光効率を実現できることを確認することができる。ここで、入光効率は、光源2から発散した光が損失せずに入光部20に入射する程度を意味する。
図6のグラフによれば、一定の入光部20の直径D1を有する場合、光源2と入光部20との間の距離dが短くなるほど、入光効率が増加することを確認することができ、光源2と入光部20との間の距離が0.5mm以内となってこそ、30%以上の入光効率を実現できることを確認することができる。したがって、光源2と入光部20との間の距離dを0.5mm以下に設定、配置することが、すなわち入光部20が光源2と接触した状態であるか、光源2から0.5mm以内の距離を有することが好ましい。この時、光源2としては、1mm×1mmのサイズ(面積)の発光面積を有するLEDを適用した。
また、図7のグラフによれば、光源2と入光部20との間の距離dが一定の場合、入光部20の直径が増加するほど、入光効率が増加することを確認することができる。このような図5〜図7に示されたグラフの内容により、入光部20と出光部30との間の距離Lと、入光部の直径D1が入光効率に影響を及ぼす主な因子であることを確認することができる。
また、図5のグラフによれば、入光部20と出光部30との間の距離Lと入光部の直径D1とが線形的な比例関係を有することを確認することができるが、これより、入光部20と出光部30との間の距離Lと、入光部の直径D1とが相互連携されて調節、適用されることが好ましいことを意味する。
図8は、入光部の直径に対する入光部と出光部との間の距離(長さ)の比に応じた入光効率を実験した結果を示すグラフである。
図8のグラフによれば、入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比が0.48の時、最も高い効率(相対入光効率1)を有することを確認することができる。また、入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比が0.48より増加するほど、入光効率が次第に低くなることを確認することができる。
上記で図4の表を参照して、入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比が1.31の時、出光部30における照度の均一度が最も優れていることを確認し、これを車両用光学レンズ1および車両用ランプに適用するにあたっては、光学レンズ1の製作、組立、設置の誤差範囲を考慮して、入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比として、0.48以上〜2.05以下の範囲を適用することが好ましいと説明した。
入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比が0.48の時、光源2から入光部20に入射する光の入光効率が最大となるが、入光効率が第2設定値以上となる、例えば、図8のグラフ上で相対入光効率が0.87以上となる範囲を加重適用することにより、入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比を、0.48以上〜1.31以下の範囲により縮小することもできる。
ここで、第2設定値は、車両用ランプの仕様、主要機能、設置条件、光学レンズ1の媒質、光源2の構造および性能などに応じて多様に変更適用可能である。第2設定値として多様な値が可変適用されても、入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比を0.48以上〜1.31以下の範囲により縮小すれば、入光部20の入光効率をより安定的に確保することができ、これによって、大量生産に適用するにあたり、製品間の製作、組立、設置誤差が発生しても入光効率の信頼性を確保することができる。
これは、入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比が他の範囲を有する場合と比較して、1つの光源2から発散した光の損失が最小化された状態でマルチコア光学系3を構成する複数のコア3aに効率的に入射することを意味する。
本発明をさらに簡略にまとめると、入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比が1.31の時、出光部30における照度の均一度が最も優れていることを確認することができ、これより光学レンズ1の製作、組立、設置の誤差範囲を考慮して、入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比として、0.48以上〜2.05以下の範囲を適用することができる。
また、この範囲内で入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比を0.84以上〜2.05以下の範囲(以下、「均一度確保範囲」という)により縮小すれば、出光部30の全般に対して照度の均一度をより安定的に確保することができる。
また、この範囲内で入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比を0.48以上〜1.31以下の範囲(以下、「入光効率確保範囲」という)により縮小すれば、入光部20の入光効率をより安定的に確保することができる。
これに加えて、均一度確保範囲と入光効率確保範囲とが重なる範囲である、入光部20の直径D1に対する入光部20と出光部30との間の距離Lの比が0.84以上〜1.31以下となる範囲を光学レンズ1に適用すれば、出光部30の照度均一度と入光部20の入光効率の最適化を実現することができる。
上記のような構成を有する本発明に係る車両用光学レンズ1およびこれを用いた車両用ランプによれば、入光部20の直径D1と、入光部20と出光部30との間の距離Lを照度均一度に影響を及ぼす主要因子として認識してマルチコア光学系3に適用しており、これらの比を0.48以上〜2.05以下の範囲に最適化した設計構造を提示している。
したがって、マルチコア光学系3に適用するにあたり、各コア3aに入射する光の照度均一度などの光学効率を安定的に信頼性あるように確保することができ、これによって、マルチコア光学系3を構成する複数の光学系の個別の明るさを均等にすることができる。
本発明は、図面に示された実施例を参照して説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当該技術の属する分野における通常の知識を有する者であれば、これより多様な変形および均等な他の実施例が可能である点を理解するであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、以下の特許請求の範囲によって定められなければならない。
1:光学レンズ
2:光源
3:マルチコア光学系
10:レンズ本体部
20:入光部
30:出光部
40:全反射部

Claims (12)

  1. 光源とマルチコア光学系との間に設けられる車両用光学レンズであって、
    レンズ本体部と、
    前記レンズ本体部の一側部で前記光源に対向して配置され、前記光源からの光を入射させる入光部と、
    前記レンズ本体部の他側部で前記マルチコア光学系に対向して配置され、前記レンズ本体部を通過した光を前記マルチコア光学系に向かって出射させる出光部と、
    前記入光部と前記出光部との間に形成され、前記入光部から入射した光を前記出光部に向かって全反射させる全反射部とを含み、
    前記入光部の直径に対する前記入光部と前記出光部との間の距離の比率は0.48〜2.05である、
    ことを特徴とする車両用光学レンズ。
  2. 前記入光部は、平坦面をなして形成され、
    前記出光部は、前記入光部より拡張された直径を有し、前記入光部と平行に形成され、
    前記全反射部は、前記入光部から入射した光が前記出光部に向かって並んで直進する平行光となるように全反射させる自由曲面を有する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の車両用光学レンズ。
  3. 前記入光部は、前記光源と同一であるか、前記光源より拡張された直径を有し、
    前記出光部は、前記マルチコア光学系と同一であるか、前記マルチコア光学系より拡張された直径を有することを特徴とする請求項1に記載の車両用光学レンズ。
  4. 前記全反射部は、台形の断面形状を有することを特徴とする請求項1に記載の車両用光学レンズ。
  5. 前記入光部の直径に対する前記入光部と前記出光部との間の距離の比率は、0.48〜2.05であることを特徴とする請求項1に記載の車両用光学レンズ。
  6. 前記入光部の直径に対する前記入光部と前記出光部との間の距離の比率は、
    前記出光部から出射された光の照度差が第1設定値以内となるように、0.84〜2.05であることを特徴とする請求項1に記載の車両用光学レンズ。
  7. 前記光源と前記入光部との間の距離は、0〜0.5mm以下であり、
    前記入光部の直径に対する前記入光部と前記出光部との間の距離の比率は、
    前記光源から前記入光部に入射する光の入光効率が第2設定値以上となるように、0.48〜1.31であることを特徴とする請求項1に記載の車両用光学レンズ。
  8. 前記入光部の直径に対する前記入光部と前記出光部との間の距離の比率は、
    前記出光部から出射された光の照度差が第1設定値以内でかつ、
    前記光源から前記入光部に入射する光の入光効率が第2設定値以上となるように、0.48〜1.31であることを特徴とする請求項1に記載の車両用光学レンズ。
  9. 光源と、
    前記光源に対向して配置され、前記光源から光を入射させる入光部と、前記光を出射させる出光部と、前記入光部と前記出光部との間に形成され、前記入光部から入射した光を前記出光部に向かって全反射させる全反射部とを備え、前記入光部の直径に対する前記入光部と前記出光部との間の距離が、0.48〜2.05の比率を有する光学レンズと、
    前記出光部に対向して配置され、前記出光部から出射された光を入射させる複数の光学系を有するマルチコア光学系とを含むことを特徴とする車両用ランプ。
  10. 前記マルチコア光学系は、
    複数のコアが束形態に結集された構造を有し、前記光学レンズに対向する入射部が連続した面をなすように配列されることを特徴とする請求項9に記載の車両用ランプ。
  11. 前記入光部の直径に対する前記入光部と前記出光部との間の距離の比率は、
    前記出光部から出射された光の照度差が第1設定値以内となるように、0.84〜2.05であることを特徴とする請求項9に記載の車両用ランプ。
  12. 前記光源と前記入光部との間の距離は、0〜0.5mm以下であり、
    前記入光部の直径に対する前記入光部と前記出光部との間の距離の比率は、
    前記光源から前記入光部に入射する光の入光効率が第2設定値以上となるように、0.48〜1.31であることを特徴とする請求項9に記載の車両用ランプ。

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